KR101213452B1 - ４자유도 병렬기구를 이용한 마스터?슬레이브 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템에 관한 것으로서, 사용자의 조작에 의해 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구를 포함하는 마스터장치; 상기 마스터장치의 움직임에 따라 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구를 포함하는 슬레이브장치; 및 상기 마스터장치의 움직임에 따라 상기 슬레이브장치가 움직이도록, 상기 마스터장치에서 생성된 동작신호를 입력받아 상기 슬레이브장치의 구동신호를 출력하는 제어부를 포함하며, 조작감 및 정밀도가 우수한 원격 바늘삽입 로봇으로 활용될 수 있다.

Description

４자유도 병렬기구를 이용한 마스터―슬레이브 시스템{MASTER-SLAVE SYSTEM USING 4-DOF PARALLEL MECHANISM}

본 발명은 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동부 및 센서의 개수를 줄여 경제적이면서도 조작감 및 정밀도가 우수한 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템에 관한 것이다.

최근 산업계, 의학계와 유전자 공학계에서 정밀 부품의 제작 및 가공, 반도체 제조, 미세 수술, 유전자 조작, 세포 정합 등의 분야의 수요와 중요성이 높아짐에 따라 정밀 작업용 로봇의 개발 및 활용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재까지 산업계에서 많이 사용되고 있는 매니퓰레이터(manipulator)는 개회로 구조(open link)인 직렬 로봇(serial robot)이다. 이러한 직렬 로봇은 작업공간이 크고, 작업성이 좋은 반면, 직렬로 연결된 구동기로 인한 말단장치에 누적 오차가 발생하여 정밀도가 나쁘다는 단점이 있다. 또한, 이런 직렬 로봇은 고속 작업이나 작업물 하중의 변화가 심한 작업 등에서 동력학적 효율이 떨어지는 단점이 있다.

이러한 직렬 로봇의 단점을 극복하기 위한 대안으로 병렬기구(parallel mechanism)가 1980년대부터 활발히 연구되고 있다. 이러한 병렬기구는 폐회로 구조(closed chain) 이므로, 작업공간은 상대적으로 작지만 각 구동기로 인한 말단장치의 누적 오차가 발생하지 않고, 구조 강성이 높아 고속 작업이나 동력학적 하중의 변화가 심한 작업에서도 우수한 동작 특성을 갖는다. 따라서, 정밀 작업용으로 병렬기구를 사용하는 것이 직렬기구보다 우수한 장점을 갖는다.

현재까지 개발된 병렬기구는 대부분 말단의 자유도 수가 3 또는 6이다. 이러한 자유도 수는 바늘 삽입 등과 같이 요구되는 작업에 필요한 자유도 수에 비해 부족하거나 과도하므로, 종래의 병렬기구는 3차원 공간에서 바늘을 삽입하는 등의 작업에 적절하지 않을 뿐더러 비효율적인 문제가 있었다.

한편, 최근에는 로봇의 원격 조종과 가상환경과의 상호 작용을 위한 햅틱 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 햅틱 장치는 사용자의 움직임을 시스템의 제어부에 입력하는 입력장치로서의 역할과 상기 제어부의 명령에 따라 사용자의 신체에 적절한 힘 또는 촉감을 전달하는 출력장치로서의 역할을 동시에 수행하는 양방향 인터페이스이다.

햅틱 장치들은 로봇의 말단과 연결된 손잡이를 사용하는 구조를 지닌다. 따라서, 햅틱 장치들 역시 각 관절에 센서와 모터를 장착하고 손잡이의 움직임에 의해서 로봇의 말단의 위치 및 자세를 측정하고, 모터 구동에 의해 말단의 힘과 토크를 생성한다.

로봇이 햅틱 장치로 사용되기 위해서는 능동 관절의 위치 정보로부터 말단의 위치와 자세를 구할 수 있는 정기구학이 중요하다. 하지만, 직렬기구를 이용한 햅틱 장치는 각 관절에 센서와 모터가 부착되어 있어서 햅틱 장치의 움직임에 따라 모터가 같이 운동하게 되며, 모터의 운동은 장치의 관성을 증가시켜서 사용자의 움직임을 어렵게 하고 피로를 증가시키는 문제점이 있었다.

또한, 햅틱 장치로 사용되는 마스터장치와 이에 의해 구동되는 슬레이브장치가 서로 다른 자유도를 가진다면 양 장치간 작업 공간을 일치시키기 어려운 문제가 있으므로, 효율적인 햅틱 장치를 구현하기 위해서는 햅틱 장치로 사용되는 마스터장치와 슬레이브장치 간의 작업 영역의 자유도가 동일할 것이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 4자유도 병렬기구를 이용함으로써 구동부 및 센서의 개수를 줄이고 동시에 조작감 및 정밀도가 뛰어난 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여,

사용자의 조작에 의해 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구를 포함하는 마스터장치;

상기 마스터장치의 움직임에 따라 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구를 포함하는 슬레이브장치; 및

상기 마스터장치의 움직임에 따라 상기 슬레이브장치가 움직이도록, 상기 마스터장치에서 생성된 동작신호를 입력받아 상기 슬레이브장치의 구동신호를 출력하는 제어부를 포함하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템을 제공한다.

여기서, 상기 마스터장치는, 마스터베이스부, 상기 마스터베이스부와 이격되게 위치하는 입력부, 상기 입력부가 상기 마스터베이스부에 대해 3자유도 회전운동이 가능하도록 상기 마스터베이스부와 상기 입력부 사이에 연결된 구형기구부, 및 상기 입력부가 상기 마스터베이스부에 대해 1자유도 병진운동이 가능하도록 상기 입력부에 연결된 병진링크부를 포함하고, 상기 슬레이브장치는, 슬레이브베이스부, 상기 슬레이브베이스부와 이격되게 위치하는 가동부, 및 상기 가동부가 상기 슬레이브베이스부에 대해 3자유도 회전운동 및 1자유도 병진운동이 가능하도록 상기 슬레이브베이스부와 상기 가동부 사이에 연결된 병렬링크부, 및 상기 가동부의 상기 병진운동을 안내하는 가이드링크부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 구형기구부는 4개의 부속체인을 포함하고, 각 부속체인은 2개의 링크 및 3개의 회전관절을 포함하며, 상기 부속체인의 각 회전관절의 회전축은 한 점에서 서로 교차하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 병진링크부는 서로 맞물리는 랙과 피니언을 포함하여 1개의 미끄럼관절을 지니는 것이 바람직하다.

또한, 상기 병진링크부에는 상기 마스터장치의 1자유도 병진운동량을 측정하기 위한 측정수단이 구비될 수 있다.

또한, 상기 병진링크부에는 상기 마스터장치를 1자유도 병진운동시키는 구동수단이 설치될 수 있다.

또한, 상기 구형기구부에는 상기 마스터장치의 3자유도 회전운동량을 측정하기 위한 측정수단이 구비될 수 있다.

또한, 상기 구형기구부에는 상기 마스터장치를 3자유도 회전운동시키는 구동수단이 설치될 수 있다.

또한, 상기 병렬링크부는 4개의 부속체인을 포함하고, 각 부속체인은, 상기 슬레이브베이스부와 볼 조인트에 의해 연결되고 상기 가동부와 유니버셜조인트에 의해 연결되며 1개의 능동미끄럼관절을 포함하고, 상기 부속체인의 볼 조인트들은 상기 슬레이브베이스부에 비대칭적으로 배열될 수 있다.

또한, 상기 가이드링크부는, 상기 슬레이브베이스부와 볼 조인트에 의해 연결되고 상기 가동부와 고정 연결되며 1개의 미끄럼관절을 포함할 수 있다.

또한, 상기 입력부에는 사용자가 파지할 수 있는 손잡이부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 슬레이브장치는 바늘을 더 포함하고, 상기 바늘은 상기 마스터장치의 3자유도 회전운동에 따라 삽입자세가 결정되고 1자유도 병진운동에 따라 삽입량이 결정될 수 있다.

또한, 상기 바늘의 선단에 걸리는 힘을 측정하기 위한 힘측정수단을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 슬레이브장치는 상기 바늘의 삽입량을 조절하기 위한 바늘삽입기를 더 포함하고, 상기 바늘삽입기는 1개의 능동미끄럼관절을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 힘측정수단으로부터 측정신호를 입력받아 상기 마스터장치를 구동하는 반력신호를 더 출력할 수 있다.

또한, 상기 마스터장치는 상기 반력신호에 의해 1자유도 병진운동 방향과 반대방향으로 움직이는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템은 6자유도가 전부 필요없는 4자유도를 가지는 원격 바늘삽입 로봇으로 활용할 수 있을 뿐 아니라, 적은 수의 구동수단 및 측정수단을 활용하기 때문에 경제적인 마스터-슬레이브 시스템으로 개발할 수 있다. 또한, 병렬기구를 이용하여 마스터-슬레이브 시스템이 구현되므로, 직렬기구와 비교하여 조작감 및 정밀도가 우수한 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터장치의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터장치의 움직임을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬레이브장치의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬레이브장치의 움직임을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바늘삽입기의 개략 사시도이다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템(100)은, 사용자의 조작에 의해 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구를 포함하는 마스터장치(M); 상기 마스터장치의 움직임에 따라 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구를 포함하는 슬레이브장치(S); 및 상기 마스터장치의 움직임에 따라 상기 슬레이브장치가 움직이도록, 상기 마스터장치에서 생성된 동작신호를 입력받아 상기 슬레이브장치의 구동신호를 출력하는 제어부(C)를 포함한다.

즉, 사용자가 마스터장치(M)를 조작하면, 제어부는 측정수단에 의해 측정된 회전관절의 회전값(3자유도 회전운동량) 및 미끄럼관절의 변위값(1자유도 병진운동량)을 포함하는 동작신호로부터 정기구학 연산을 통해 사용자의 위치 및 자세 정보를 계산하여 슬레이브장치에 구동신호를 전달한다. 또한, 힘반영이 필요할 경우, 슬레이브장치(S)는 힘측정수단에 의해 측정되는 측정신호를 통해 힘반영 명령을 제어부에 전달하고, 제어부는 힘반영 알고리즘을 통해 마스터장치(M)의 구동수단에 반력신호를 출력함으로써 사용자가 역감을 느끼게 된다.

제어부(C)는 마스터장치(M) 및 슬레이브장치(S)와 신호를 송수신할 수 있도록 유선 또는 무선으로 연결되어 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터장치의 구조도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터장치의 움직임을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 마스터장치(M)는, 마스터베이스부(10), 상기 마스터베이스부와 이격되게 위치하는 입력부(20), 상기 입력부가 상기 마스터베이스부에 대해 3자유도 회전운동이 가능하도록 상기 마스터베이스부와 상기 입력부 사이에 연결된 구형기구부(30), 및 상기 입력부가 상기 마스터베이스부에 대해 1자유도 병진운동이 가능하도록 상기 입력부에 연결된 병진링크부(40)를 포함한다.

구형기구부(30)는 마스터장치의 4자유도 병렬기구를 3자유도로 회전시키는 기구부로서, 4개의 부속체인(31)을 포함한다. 각 부속체인은 2개의 링크(31a, 31b) 및 3개의 회전관절(32a, 32b, 32c)을 포함하여 이루어진다. 그리고, 각 회전관절의 회전축은 한 점에서 서로 교차하도록 되어 있다. 따라서, 입력부(20)를 이용하여 사용자가 마스터장치(M)를 조작하면, 부속체인(30)의 회전관절(32a, 32b, 32c)이 회동하여 구형 메카니즘을 이루게 되며, 이를 통해 마스터장치(M)는 3개방향의 회전운동을 생성할 수 있게 된다. 이 때, 회전관절의 회전축들은 항상 한 점에 교차하면서 상기 회전관절이 회전하게 되므로, 상술한 3자유도의 회전운동이 구현될 수 있다.

한편, 부속체인(31)의 마스터베이스부(10)와 연결된 회전관절(32c)에는 측정수단(미도시)이 구비되어 회전관절의 회전값이 측정될 수 있다. 이 회전값은 마스터장치의 3자유도 회전운동량을 의미하며, 제어부에서 슬레이브장치의 구동신호로 변환된다.

또한, 상기 측정수단이 구비된 회전관절에는 구동수단(예를 들면 모터)(33)이 연결될 수 있으며, 구동수단(33)은 마스터베이스부(10)에 고정 설치될 수 있다.

구동수단(33)에 적절한 구동신호를 입력함으로써 상기 부속체인을 능동적으로 움직이게 할 수 있으며, 이 과정에서 마스터장치를 조종하는 사용자에게 역감을 전달할 수 있다. 예를 들면, 사용자가 마스터장치를 조종할 때 작업공간을 벗어났음을 알려주기 위한 가상벽(virtual wall)을 구현하는 용도로 활용될 수 있다. 즉, 마스터장치에 부착되는 엔드이펙터(end-effector)의 위치값을 이용하여 마스터장치에 가상의 스프링-댐퍼를 적용하고, 힘반영알고리즘을 통해 마스터장치의 구동수단(33)의 토크로 변환하여 사용자에게 역감을 전달할 수 있다.

병진링크부(40)는 마스터장치의 4자유도 병렬기구를 1자유도 병진운동시키는 기구부로서, 1개의 미끄럼관절을 포함한다. 상기 미끄럼관절은 서로 맞물리는 랙(41)과 피니언(42)을 이용하여 구현될 수 있으며, 미끄럼관절을 구현하는 메커니즘은 이에 한정되지 않는다.

한편, 병진링크부를 구성하는 피니언(42)의 회전축에는 측정수단(미도시)이 구비되어 미끄럼관절의 변위값(1자유도 병진운동량)을 측정할 수 있다. 이 변위값은 제어부에서 슬레이브장치의 구동신호로 변환된다.

또한, 병진링크부를 구성하는 피니언(42)의 회전축에는 구동수단(43)이 연결될 수 있으며, 이 구동수단을 통해 피니언(42)을 구동시켜 상기 입력부(20)를 마스터장치의 1자유도 병진운동방향으로 능동적으로 움직이게 할 수 있다. 이 구동수단 역시 후술할 바와 같이, 슬레이브장치에 부착되는 바늘의 선단에 걸리는 힘을 사용자에게 전달하여 역감을 느끼게 하는데 이용될 수 있다.

입력부(20)에는 사용자가 파지할 수 있는 손잡이부(21)가 형성되어 있으며, 사용자는 이 손잡이부(21)를 통해 직관적으로 슬레이브장치를 원하는 방향과 위치로 조절할 수 있다.

도 3을 참조하면, 사용자가 손잡이부(21)를 잡고 움직일 때, 구형기구부를 구성하는 각 부속체인의 회전관절들은 서로 90도를 이루며 회동하기 때문에 3자유도의 회전운동(RX, RY, RZ)을 생성할 수 있다. 또한, 입력부에 연결된 병진링크부의 미끄럼관절에 의해 사용자는 손잡이부(21)를 누르거나 잡아당겨 1자유도 병진운동(T)을 생성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬레이브장치의 구조도이고, 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬레이브장치의 움직임을 나타낸 도면이며, 도 6은 슬레이브장치에 부착가능한 바늘삽입기의 개략 사시도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 슬레이브장치(S)는, 슬레이브베이스부(50), 상기 슬레이브베이스부와 이격되게 위치하는 가동부(60), 및 상기 가동부가 상기 슬레이브베이스부에 대해 3자유도 회전운동 및 1자유도 병진운동이 가능하도록 상기 슬레이브베이스부와 상기 가동부 사이에 연결된 병렬링크부(70), 및 상기 가동부의 상기 병진운동을 안내하는 가이드링크부(80)를 포함한다. 그리고, 슬레이브장치(S)에는 바늘(91)이 부착될 수 있으며, 슬레이브장치(S)는 사용자가 마스터장치(M)를 조종할 때 이에 반응하여 바늘을 특정 부위에 삽입할 수 있게 한다.

병렬링크부(70)는 바늘(91)이 삽입되는 위치를 고정하기 위하여 다른 도구에 부착되는 슬레이브베이스부(50)와 마스터 장치의 입력에 따라 종속되어 움직이는 가동부(60) 사이를 연결하는 링크구조이다. 이 병렬링크부(70)는 4개의 부속체인(71)을 포함하여 구성된다. 각 부속체인의 양단은 슬레이브베이스부(50) 및 가동부(60)에 각각 회전가능하게 연결되며, 바람직하게는 슬레이브베이스부와는 볼 조인트(72a)에 의해, 가동부와는 유니버설 조인트(72b)에 의해 연결될 수 있다.

슬레이브베이스부(50)에 배치된 볼 조인트(72a)들은 병렬링크부의 특이 현상을 회피하고 가장 넓은 작업 공간을 확보하기 위해 비대칭적으로 배열되어 있다.

병렬링크부를 구성하는 각 부속체인(71)은 1개의 능동미끄럼관절(73)을 포함한다. 이 능동미끄럼관절(73)의 구동은, 일 예로 구동모터와 구동모터의 회전축을 따라 움직이는 링크로 구현될 수 있다. 즉, 상기 구동모터에 구동신호를 주어 각 부속체인에 1자유도 병진운동을 생성할 수 있다.

가이드링크부(80)는 상기 슬레이브베이스부(50)와 회전가능하게 연결되며 상기 가동부(60)와 고정 연결된다. 바람직하게는, 가이드링크부(80)는 볼 조인트(81)를 통해 상기 슬레이브베이스부(50)에 회전가능하게 연결될 수 있다. 또한, 가이드링크부(80)는 1개의 미끄럼관절(82)을 포함한다. 이와 같은 구성을 가지는 가이드링크부(80)에 의해 상기 슬레이브장치(S)의 2개방향 병진운동이 구속될 수 있다. 상기 미끄럼관절은 서로 자율 주행이 가능하도록 나사 결합되는 볼트와 너트의 조합 등으로 구현될 수 있다.

가이드링크부(80) 내부에는 바늘의 통로를 제공하는 안내공이 형성되어 있으며, 볼 조인트(81) 내부에도 상기 안내공과 연통되는 구멍이 형성되어 있다. 따라서, 바늘(91)은 가이드링크부의 안내공을 통과하여 볼 조인트(81) 내부의 구멍을 통과하여 장착될 수 있다.

이와 같이, 가이드링크부(80)는 그 내부로 바늘이 관통 삽입되기 때문에, 바늘을 안내하는 역할을 동시에 하게 된다. 따라서, 가이드링크부(80)는 가동부 및 슬레이브베이스부의 중심에 설치되는 것이 바람직하다.

도 5를 참조하면, 4개의 부속체인(71)이 화살표 방향과 같이 구동수단에 입력되는 구동신호에 따라 각각 독립적으로 1자유도 병진운동(T₁, T₂, T₃, T₄)을 하여 가동부(70)가 3자유도로 회동가능하게 되고, 4개의 부속체인(71)을 동시에 병진운동시킴으로써 가동부(60)가 1자유도 병진운동(T)을 하게 된다.

마스터장치를 통해 슬레이브장치에서 바늘을 삽입하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 마스터장치의 입력부의 회전 움직임에 대응되게 슬레이브장치가 회동하여 바늘의 삽입자세가 결정되고, 마스터장치의 입력부의 병진 움직임에 대응되게 슬레이브장치가 병진운동하여 바늘의 삽입량이 결정될 수 있다.

슬레이브장치의 바늘 삽입량을 보다 정밀히 제어하기 위해, 구동수단이 구비된 바늘삽입기(90)가 가동부(60)에 설치될 수 있다. 즉 바늘의 삽입량은 바늘삽입기(90)에 설치된 조절모터(92)를 통해 보다 정밀하게 제어될 수 있다.

바늘삽입기(90)는 조절모터(92), 조절모터의 출력축에 연결되어 회전하는 회전나사축(94), 회전나사축과 평행하게 이격되어 위치하는 고정축(96), 회전나사축과 고정축을 따라 축방향으로 이동가능한 가동체(95)를 포함한다. 가동체(95)는 회전나사축(94)과 서로 나사결합되어 조절모터에 의해 회전나사축이 회전할 때 회전나사축의 축방향을 따라 이동하여 능동미끄럼관절을 이루고 있다. 그리고, 가동체(95)의 일측에는 바늘(91)이 부착되어 있다.

한편, 바늘의 말단에는 바늘의 선단에 걸리는 힘을 측정하기 위한 힘측정수단(93)이 설치될 수 있다. 이 힘측정수단(93)은 일 예로 1축 로드셀일 수 있으며, 바늘(91)이 특정 부위에 삽입될 때의 힘을 측정하게 되며, 힘측정수단(93)은 가동체에 부착되어 바늘과 함께 움직일 수 있다.

슬레이브장치(S)를 통해 바늘(91)을 삽입하는 도중에 바늘의 선단에 가해지는 힘은 제어부를 통해 마스터장치를 역으로 구동함으로써 사용자에게 전달될 수 있다. 즉, 제어부는 힘측정수단(93)에 의해 측정된 힘을 일정비율로 스케일링하여 마스터장치를 구동하는 반력신호를 출력할 수 있다. 이 반력신호는 마스터장치의 병진링크부에 설치된 구동수단(43)에 전달되며, 이에 따라 마스터장치는 1자유도 병진운동방향과 반대방향으로 움직이게 되고, 손잡이부(21)를 통해 사용자는 바늘의 삽입 시 바늘에 걸리는 힘을 느낄 수 있게 된다. 이와 같이, 슬레이브장치에 가해지는 힘이 마스터장치의 입력부에 반영되어 사용자가 바늘 삽입 시 바늘 선단에서의 상황을 직접 느낄 수 있도록 함으로써, 사용자는 보다 정교한 작업을 수행할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (16)

1. 사용자의 조작에 의해 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구를 포함하는 것으로, 마스터베이스부, 상기 마스터베이스부와 이격되게 위치하는 입력부, 상기 입력부가 상기 마스터베이스부에 대해 3자유도 회전운동이 가능하도록 상기 마스터베이스부와 상기 입력부 사이에 연결된 구형기구부, 및 상기 입력부가 상기 마스터베이스부에 대해 1자유도 병진운동이 가능하도록 상기 입력부에 연결된 병진링크부를 포함하는 마스터장치;
   상기 마스터장치의 움직임에 따라 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구를 포함하는 것으로, 슬레이브베이스부, 상기 슬레이브베이스부와 이격되게 위치하는 가동부, 및 상기 가동부가 상기 슬레이브베이스부에 대해 3자유도 회전운동 및 1자유도 병진운동이 가능하도록 상기 슬레이브베이스부와 상기 가동부 사이에 연결된 병렬링크부, 및 상기 가동부의 상기 병진운동을 안내하는 가이드링크부를 포함하는 슬레이브장치; 및
   상기 마스터장치의 움직임에 따라 상기 슬레이브장치가 움직이도록, 상기 마스터장치에서 생성된 동작신호를 입력받아 상기 슬레이브장치의 구동신호를 출력하는 제어부를 포함하되,
   상기 병진링크부에는 상기 마스터장치를 1자유도 병진운동시키는 구동수단이 설치되어 있는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 구형기구부는 4개의 부속체인을 포함하고,
   각 부속체인은 2개의 링크 및 3개의 회전관절을 포함하며,
   상기 부속체인의 각 회전관절의 회전축은 한 점에서 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 병진링크부는 서로 맞물리는 랙과 피니언을 포함하여 1개의 미끄럼관절을 지니는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 병진링크부에는 상기 마스터장치의 1자유도 병진운동량을 측정하기 위한 측정수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 구형기구부에는 상기 마스터장치의 3자유도 회전운동량을 측정하기 위한 측정수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 구형기구부에는 상기 마스터장치를 3자유도 회전운동시키는 구동수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 병렬링크부는 4개의 부속체인을 포함하고,
   각 부속체인은, 상기 슬레이브베이스부와 볼 조인트에 의해 연결되고 상기 가동부와 유니버셜조인트에 의해 연결되며 1개의 능동미끄럼관절을 포함하고,
   상기 부속체인의 볼 조인트들은 상기 슬레이브베이스부에 비대칭적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 가이드링크부는, 상기 슬레이브베이스부와 볼 조인트에 의해 연결되고 상기 가동부와 고정 연결되며 1개의 미끄럼관절을 포함하는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
11. 제1항에 있어서,
    상기 입력부에는 사용자가 파지할 수 있는 손잡이부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
12. 사용자의 조작에 의해 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구를 포함하는 마스터장치;
    상기 마스터장치의 움직임에 따라 1자유도 병진운동과 3자유도 회전운동을 생성하는 4자유도 병렬기구 및 바늘을 포함하는 슬레이브장치; 및
    상기 마스터장치의 움직임에 따라 상기 슬레이브장치가 움직이도록, 상기 마스터장치에서 생성된 동작신호를 입력받아 상기 슬레이브장치의 구동신호를 출력하는 제어부를 포함하되,
    상기 바늘은 상기 마스터장치의 3자유도 회전운동에 따라 삽입자세가 결정되고 1자유도 병진운동에 따라 삽입량이 결정되는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 바늘의 선단에 걸리는 힘을 측정하기 위한 힘측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
14. 제12항에 있어서,
    상기 슬레이브장치는 상기 바늘의 삽입량을 조절하기 위한 바늘삽입기를 더 포함하고,
    상기 바늘삽입기는 1개의 능동미끄럼관절을 포함하는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
15. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 힘측정수단으로부터 측정신호를 입력받아 상기 마스터장치를 구동하는 반력신호를 더 출력하는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.
16. 제15항에 있어서,
    상기 마스터장치는 상기 반력신호에 의해 1자유도 병진운동 방향과 반대방향으로 움직이는 것을 특징으로 하는 4자유도 병렬기구를 이용한 마스터-슬레이브 시스템.

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