KR101458760B1 - 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치에 관한 것으로, 중공을 구비하는 환형으로 이루어지고, 환형의 외측면에 서로 교차하는 방향으로 형성된 제1 연결축과 제2 연결축을 구비하는 유니버설 조인트, 제1 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N 링크, 제2 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N+1 링크, 제N 링크에서 인출되어 유니버설 조인트에 순방향으로 접속하며, 제1 연결축에 대하여 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제1 구동와이어, 제N 링크에서 인출되어 유니버설 조인트의 중공을 통과한 후 제N+1 링크에 설치된 방향전환 풀리를 이용해 유니버설 조인트에 역방향으로 접속하며, 제2 연결축에 대하여 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제2 구동와이어, 유니버설 조인트와 대향하는 제N+1 링크의 끝단에 위치하여, 방향전환 풀리를 회전축으로 그립작용을 하는 그리퍼, 제N 링크에서 인출되어 방향전환 풀리를 회전축으로 그리퍼의 그립작용을 구동하는 한 쌍 이상의 그리퍼 구동와이어를 포함하며, 이를 통해 특정 축의 움직임에 따라 그리퍼 구동와이어에 길이 변화가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 해당 그리퍼는 제2 구동와이어의 방향을 전환하는 풀리를 회전축으로 이용하여 그립동작을 수행하며, 이를 통해 장치의 복잡도를 줄이고 소형화할 수 있다.

Description

다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치 {Grip apparatus having active universal joint with multi-degree of freedom}

본 발명은 유니버설 조인트를 가지는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다자유도를 갖는 능동형 유니버설 조인트 장치를 이용하여 그립부의 자유도를 높일 수 있는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치에 관한 것이다.

로봇기술 중에서 특히 수술로봇 분야에서는 복강경 수술이나 기타 외과수술시에 최소침습수술(minimally invasive surgery)을 목적으로 다자유도 수술도구가 사용되고 있다. 최소침습수술은 작은 절개부를 통해 단일 통로 다완 수술로봇을 삽입하여 수술을 수행하는 신개념의 기술로, 신체의 손상을 최소화하고 수술의 정확성과 안정성을 높여 생존율과 수술 후의 삶의 질을 높일 수 있다.

이러한 다완 수술로봇의 관절부에 적용되는 기술 중의 하나로 유니버설 조인트 구조가 알려져 있다.

도 1은 종래기술의 한 예에 따른 유니버설 조인트 구조의 개략도이다. 도 1에 도시된 종래의 유니버설 조인트 구조는 4개의 와이어를 이용한다.

조인트 링(13)은 좌우측이 연결 축(18)에 의해 제1 링크(11)에 회동 가능하게 연결된다. 조인트 링(13)의 상하측에는 수직 축(14)이 고정 설치되며, 수직 축(14)은 제2 링크(12)를 회동 가능하게 관통한다. 제2 링크(12)에는 수평 축(15)이 고정 설치된다. 수직 축(14)의 양단에는 각각 수직 구동와이어(16)가 접속되며, 수평 축(15)의 양단에는 각각 수평 구동와이어(17)가 접속된다. 수직 구동와이어(16)는 수직 축(14)의 양단 중 한 곳을 당김으로써 연결 축(18)에 대하여 조인트 링(13)을 구동한다. 수평 구동와이어(17)는 수평 축(15)의 양단 중 한 곳을 당김으로써 수직 축(14)에 대하여 제2 링크(12)를 구동한다.

그러나 이러한 종래의 유니버설 조인트 구조에서는 수직 축(14)의 움직임에 따라 수평 구동와이어(17)의 길이가 미세하게 변화하게 된다. 따라서 와이어 연결반경의 차이로 인하여 수직 축(14)과 수평 축(15)에 각각 전달되는 토크의 크기가 서로 달라지는 문제가 있다.

도 2는 종래기술의 다른 예에 따른 유니버설 조인트 구조의 개략도이다. 도 2에 도시된 종래의 유니버설 조인트 구조는 3개의 와이어를 이용한다.

조인트 링(23)은 제1 축에 의해 회동 가능하게 제1 링크(21)에 연결되고 제1 축과 교차하는 제2 축에 의해 회동 가능하게 제2 링크(22)에 연결된다. 3개의 구동와이어(24)는 제1 링크(21)를 관통하여 제2 링크(22)에 접속된다. 3개의 구동와이어(24)는 조인트 링(23)을 제1 축에 대하여 θ방향으로 제2 축에 대하여 δ방향으로 구동한다.

그러나 이러한 종래의 유니버설 조인트 구조에서는 제1 축과 제2 축의 구동이 커플링되어 있기 때문에 제어가 쉽지 않은 문제가 있다. 이 때문에 다단 조인트 구조를 구현하여 자유도를 높이거나 큰 각도의 운동범위를 확보하기도 매우 어려운 실정이다.

특히 최소침습수술을 위한 수술도구는 말단에 수술 부위를 집거나, 여러 수술 도구를 장착할 수 있는 그리퍼(gripper)가 존재하는데, 종래의 기술은 실제 수술을 진행하는 그리퍼의 운동범위가 한정되어 그 효용성이 떨어지는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 본 발명의 목적은 한 축의 움직임에 따라 다른 축의 구동와이어에 길이 변화가 발생하는 것을 방지하여 각 축에 전달하는 토크를 최대한 유지함으로써 제어 성능을 향상시킬 수 있는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유니버설 조인트의 구동와이어 방향을 전환하는 풀리를 그리퍼의 회전축으로 이용함으로써, 장치의 복잡도를 줄이고 소형화할 수 있는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 두 축의 커플링 문제를 해소하고 각각의 축에 대하여 독립적인 제어가 가능하도록 함으로써 제어가 용이한 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 효율적인 힘 전달이 가능하고 높은 자유도를 확보할 수 있는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 2단 이상으로 적용하여 같은 방향의 축에 대한 종속적인 제어를 가능하도록 함으로써 운동범위의 한계를 극복하고 큰 각도로 운동범위를 확보할 수 있는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치는, 중공을 구비하는 환형으로 이루어지고, 상기 환형의 외측면에 서로 교차하는 방향으로 형성된 제1 연결축과 제2 연결축을 구비하는 유니버설 조인트, 상기 제1 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N 링크, 상기 제2 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N+1 링크, 상기 제N 링크에서 인출되어 상기 유니버설 조인트에 순방향으로 접속하며, 상기 제1 연결축에 대하여 상기 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제1 구동와이어, 상기 제N 링크에서 인출되어 상기 유니버설 조인트의 중공을 통과한 후 상기 제N+1 링크에 설치된 방향전환 풀리를 이용해 상기 유니버설 조인트에 역방향으로 접속하며, 상기 제2 연결축에 대하여 상기 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제2 구동와이어, 상기 유니버설 조인트와 대향하는 상기 제N+1 링크의 끝단에 위치하여, 상기 방향전환 풀리를 회전축으로 그립작용을 하는 그리퍼, 상기 제N 링크에서 인출되어 상기 방향전환 풀리를 회전축으로 상기 그리퍼의 그립작용을 구동하는 한 쌍 이상의 그리퍼 구동와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치에 있어서, 상기 제1 구동와이어는 상기 유니버설 조인트의 상기 제2 연결축 부근에 순방향으로 접속하고, 상기 제2 구동와이어는 상기 유니버설 조인트의 상기 제1 연결축 부근에 역방향으로 접속하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치에 있어서, 상기 방향전환 풀리는, 상기 유니버설 조인트의 중공을 통과한 상기 제2 구동와이어의 방향을 상기 유니버설 조인트 쪽으로 전환시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치에 있어서, 상기 방향전환 풀리는 상기 제2 구동와이어 및 상기 그리퍼 구동와이어의 최소반경 조건을 만족하는 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치에 있어서, 상기 제2 구동와이어 및 상기 그리퍼 구동와이어는 상기 유니버설 조인트의 중공을 통과할 때 상기 중공의 중심을 지나는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치에 있어서, 상기 제N 링크와 상기 제N+1 링크 중의 적어도 한 곳에 설치되어 상기 제2 구동와이어 및 상기 그리퍼 구동와이어가 상기 중공의 중심을 지나도록 안내하는 와이어 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치에 있어서, 상기 와이어 가이드는, 상기 유니버설 조인트의 중공을 통과하는 상기 제2 구동와이어를 감싸는 비신축성 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치는, 중공을 구비하는 환형으로 이루어지고, 상기 환형의 외측면에 서로 교차하는 방향으로 형성된 제1 연결축과 제2 연결축을 구비하는 제n 유니버설 조인트, 중공을 구비하는 환형으로 이루어지고, 상기 환형의 외측면에 서로 교차하는 방향으로 형성된 제3 연결축과 제4 연결축을 구비하는 제n+1 유니버설 조인트, 상기 제1 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N 링크, 상기 제2 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 일단에 한 쌍의 축 연결부를 가지며, 상기 제3 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 타단에 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N+1 링크, 상기 제4 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N+2 링크, 상기 제N 링크에서 인출되어 상기 제n 유니버설 조인트에 순방향으로 접속하며, 상기 제1 연결축에 대하여 상기 제n 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제1 구동와이어, 상기 제N 링크에서 인출되어 상기 제n 유니버설 조인트의 중공을 통과한 후 상기 제N+1 링크에 설치된 제n+1 방향전환 풀리를 이용해 상기 제n 유니버설 조인트에 역방향으로 접속하며, 상기 제2 연결축에 대하여 상기 제n 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제2 구동와이어, 상기 제N+1 링크에서 인출되어 상기 제n+1 유니버설 조인트에 순방향으로 접속하며, 상기 제3 연결축에 대하여 상기 제n+1 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제3 구동와이어, 상기 제N+1 링크에서 인출되어 상기 제n+1 유니버설 조인트의 중공을 통과한 후 상기 제N+2 링크에 설치된 제n+2 방향전환 풀리를 이용해 상기 제n+1 유니버설 조인트에 역방향으로 접속하며, 상기 제4 연결축에 대하여 상기 제n+1 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제4 구동와이어, 상기 제n+1 유리버설 조인트와 대향하는 상기 제N+2 링크의 끝단에 위치하여, 상기 제n+2 방향전환 풀리를 회전축으로 그립작용을 하는 그리퍼, 상기 제N+1 링크에서 인출되어 상기 제n+2 방향전환 풀리를 회전축으로 상기 그리퍼의 그립작용을 구동하는 한 쌍 이상의 그리퍼 구동와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치에 따르면 두 쌍의 구동와이어를 서로 반대방향으로 유니버설 조인트에 접속시켜 두 축의 제어를 독립적으로 수행할 수 있고, 각 축의 구동을 분리하기 위하여 제2 구동와이어가 유니버설 조인트의 중공 중심을 지나도록 하거나 제2 구동와이어를 감싸는 와이어 가이드를 사용할 수 있다. 따라서 한 축의 움직임에 따라 다른 축의 구동와이어에 길이 변화가 발생하는 것을 방지할 수 있고 각 축에 전달하는 토크를 최대한 유지함으로써 제어 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 두 축의 커플링 문제를 해소하고 각각의 축에 대하여 독립적인 제어가 가능하다.

또한, 본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치는, 유니버설 조인트를 사이에 두고 결합하는 복수의 링크 중 특정 링크의 끝단에 그리퍼를 위치시킴으로서, 특정 축의 움직임에 따라 그리퍼 구동와이어에 길이 변화가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 해당 그리퍼는 제2 구동와이어의 방향을 전환하는 풀리를 회전축으로 이용하여 그립동작을 수행하며, 이를 통해 장치의 복잡도를 줄이고 소형화할 수 있다.

더하여, 본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치는, 효율적인 힘 전달이 가능하고 높은 자유도를 확보할 수 있으며, 2단 이상으로 적용하여 같은 방향의 축에 대한 종속적인 제어를 가능하므로 운동범위의 한계를 극복하고 큰 각도로 운동범위를 확보할 수 있다.

도 1은 종래기술의 한 예에 따른 유니버설 조인트 구조의 개략도이다.
도 2는 종래기술의 다른 예에 따른 유니버설 조인트 구조의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 도 3의 실시예에 따른 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치의 사시도이다.
도 5는 도 3의 실시예에 따라 그립부가 방향전환 풀리에 결합된 모습을 나타낸 부분 측면도이다.
도 6은 도 3의 실시예에 따라 그립부가 방향전환 풀리에 결합된 모습을 나타낸 부분 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치의 사시도이다.
도 8은 도 7의 실시예에 따라 그립부가 구동되는 모습을 나타낸 평면도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치의 개념도이고, 도 4는 본 발명의 도 3의 실시예에 따른 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치의 사시도이다. 또한 도 5는 도 3의 실시예에 따라 그리퍼가 방향전환 풀리에 결합된 모습을 나타낸 부분 측면도이고, 도 6은 도 3의 실시예에 따라 그리퍼가 방향전환 풀리에 결합된 모습을 나타낸 부분 평면도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예의 그립 장치(100)는 유니버설 조인트(110), 제N 링크(121), 제N+1 링크(122), 한 쌍의 제1 구동와이어(131), 한 쌍의 제2 구동와이어(132), 복수 쌍의 그리퍼 구동와이어(133) 및 그리퍼(160)를 포함하여 구성된다.

유니버설 조인트(110)는 중공을 구비하는 환형으로 이루어진다. 환형의 외측면에는 서로 교차하는 방향으로(즉, 십자형으로) 제1 연결축(111)과 제2 연결축(112)이 형성된다.

제N 링크(121)는 한 쌍의 축 연결부(121a)를 가진다. 축 연결부(121a)에는 축 삽입구멍이 뚫려 있으며, 제1 연결축(111)의 양단이 축 삽입구멍에 삽입됨으로써 유니버설 조인트(110)의 제1 연결축(111)은 제N 링크(121)에 회동 가능하게 연결된다.

마찬가지로, 제N+1 링크(122)도 한 쌍의 축 연결부(122a)를 가지며, 축 연결부(122a)에는 축 삽입구멍이 뚫려 있다. 제2 연결축(112)의 양단이 축 삽입구멍에 삽입됨으로써 유니버설 조인트(110)의 제2 연결축(112)은 제N+1 링크(122)에 회동 가능하게 연결된다.

본 명세서에서 링크의 명칭에 '제N'과 '제N+1'을 사용한 이유는 본 발명의 유니버설 조인트(110)가 특정 링크간의 결합에 국한되어 적용되지 않음을 나타내기 위한 것이다. 아울러, 본 발명의 링크 및 유니버설 조인트(110)를 다단으로 적용할 수 있음을 나타내기도 한다. 이 경우의 적용예는 도 7 및 도 8을 참조하여 후술한다.

한 쌍의 제1 구동와이어(131)는 제N 링크(121)에서 인출되어 유니버설 조인트(110)의 제2 연결축(112) 부근에 각각 순방향으로 접속한다. 따라서 제1 구동와이어(131)는 제2 연결축(112)의 양단을 선택적으로 당김으로써 제1 연결축(111)에 대하여 유니버설 조인트(110)를 구동한다.

반면에, 한 쌍의 제2 구동와이어(132)는 제N 링크(121)에서 인출되어 유니버설 조인트(110)의 중공을 통과한 후 유니버설 조인트(110)의 제1 연결축(111) 부근에 각각 역방향으로 접속한다. 따라서 제2 구동와이어(132)는 제1 연결축(111)의 양단을 선택적으로 당김으로써 제2 연결축(112)에 대하여 유니버설 조인트(110)를 구동한다.

제2 구동와이어(132)의 역방향 접속을 위하여, 본 실시예의 그립 장치(100)는 방향전환 풀리(140)를 포함한다. 방향전환 풀리(140)는 제N+1 링크(122)에 설치되며, 유니버설 조인트(110)의 중공을 통과한 제2 구동와이어(132)의 방향을 유니버설 조인트(110) 쪽으로 전환시킨다.

한편, 도면에서는 생략되어 있으나, 한 쌍의 제1 구동와이어(131)와 한 쌍의 제2 구동와이어(132)는 각각 구동모터에 연결되어 구동된다. 구동모터들은 제N 링크(121)에 설치될 수도 있으나, 보통은 제1 링크 쪽에 위치한다. 어느 경우든 각각의 와이어(131, 132)는 제N 링크(121)에서 인출되어 유니버설 조인트(110)로 향하게 된다.

이상과 같이, 본 발명의 그립 장치(100)는 제1 구동와이어(131)와 제2 구동와이어(132)를 서로 반대방향으로 유니버설 조인트(110)에 접속시켜 두 축의 제어를 독립적으로 수행할 수 있도록 한다. 특히, 본 실시예에서는 각 축의 구동을 분리하기 위하여 제2 구동와이어(132)가 유니버설 조인트(110)의 중공 중심을 지나도록 한다. 따라서 제1 구동와이어(131)가 제1 연결축(111)에 대하여 유니버설 조인트(110)를 구동하더라도 제2 구동와이어(132)는 그에 따른 영향을 받지 않으므로 길이 변화가 발생하지 않거나 최소화된다.

그리퍼(160)는 유니버설 조인트(110)와 대향하는 제N+1 링크(122)의 끝단에 위치하며, 방향전환 풀리(140)를 회전축으로 복수의 그립이 열리고 닫히는 그립작용을 한다. 이때 그리퍼(160)는, 중공을 이용해 방향전환 풀리(140)와 결합한 캡스턴(161)과 연결되며, 캡스턴(161)이 회전함에 따라 방향전환 풀리(140)의 길이방향 중심축을 회전축으로하여 그립작용을 하게 된다.

복수 쌍의 그리퍼 구동와이어(133)는 제N 링크(121)에서 인출되어, 방향전환 풀리(140)와 결합한 캡스턴(161)의 일측에 마련된, 돌출부(162)에 감겨 접속된다. 이때, 캡스턴(161)과 대향하는 방향의 돌출부(162) 일측에는 그리퍼 구동와이어(133)가 이탈하지 않도록 스토퍼(163)가 마련된다. 그리퍼 구동와이어(133)가 돌출부(162)에 감겨지거나 풀려짐으로서 캡스턴(161)이 회전하면, 캡스턴(161)과 결합된 그리퍼(160)가 방향전환 풀리(140)를 회전축으로 열리거나 닫혀 그립동작을 수행하게 된다.

이와 같이 그리퍼(160)는 별도의 회전축을 마련하는 것이 아니라, 제2 구동와이어(132)의 방향을 전환하기 위한 방향전환 풀리(140)를 회전축으로 삼아 그립작용을 하게 된다. 즉, 방향전환 풀리(140)는 제2 구동와이어(132)의 방향을 전환하는데 필요한 구성이지만, 그리퍼(160)의 그립작용에 대한 회전축의 기능도 함께 수행하며, 이를 통해 별도의 회전축을 마련함으로써 발생하는 비용 및 크기 증가의 문제를 해결할 수 있다. 특히, 최소침습수술 분야에서 수술도구는, 최소한의 인체 절개 및 수술도구의 인체 접촉 방지를 위해 소형화가 매우 중요한 문제이다. 본 실시예에서는 방향전환 풀리(140)를 그리퍼(160)의 회전축으로 공용함으로써, 그리퍼(160)를 위한 별도의 회전축이 불필요하게 되어 수술도구의 크기 문제를 개선할 수 있다.

또한 본 실시예에서는 그리퍼 구동와이어(133)가 유니버설 조인트(110)의 중공 중심을 지나도록 하며, 제1 구동와이어(131)가 제1 연결축(111)에 대하여 유니버설 조인트(110)를 구동하더라도 그리퍼 구동와이어(133)는 그에 따른 영향을 받지 않으므로 길이 변화가 발생하지 않거나 최소화된다.

한편 방향전환 풀리(140)는, 제2 구동와이어(132) 및 그리퍼 구동와이어(133)의 최소반경 조건을 만족하는 크기를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 방향전환 풀리(140)는 와이어의 부러짐이나 비가역적 구부러짐 등 특성저하가 발생하지 않도록, 와이어의 재료가 허용하는 최소의 곡률반경을 보장할 수 있을 만큼의 크기로 형성되는 것이 좋다.

또한 실시예에 따라서는 방향전환 풀리(140)에서 제2 구동와이어(132)의 방향이 전환되는 위치가, 그리퍼 구동와이어(133)가 감긴 캡스턴(161)의 위치와 서로 바뀐 방향전환 풀리(140)의 끝단 쪽일 수 있으며, 방향전환 풀리(140)에서 제2 구동와이어(132)와 캡스턴(161)의 위치는 필요에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다.

그리고 본 실시예의 그립 장치(100)는 제2 구동와이어(132) 및 그리퍼 구동와이어(133)가 유니버설 조인트(110)의 중공을 통과할 때 중공의 중심을 지날 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같은 와이어 가이드(150)를 더 포함한다. 와이어 가이드(150)는 제N 링크(121)와 제N+1 링크(122) 중의 적어도 한 곳(바람직하게는 두 곳 모두)에 설치되며, 제2 구동와이어(132) 및 그리퍼 구동와이어(133)가 감싸 형성되어 중공의 중심을 지나도록 안내한다. 이때, 와이어 가이드(150)는 제1 구동와이어(131)가 제1 연결축(111)에 대하여 유니버설 조인트(110)를 구동하더라도, 제2 구동와이어(132) 및 그리퍼 구동와이어(133)가 그 영향을 받는 것을 방지하도록 비신축성 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따라 유니버설 조인트를 다단으로 적용하여, 다자유도로 운동 가능한 그립 장치를 구성한 실시예에 대해서는 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치의 사시도이고, 도 8은 도 7의 실시예에 따라 그립부가 구동되는 모습을 나타낸 평면도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 제1 유니버설 조인트(110-1)가 제1 링크(123)와 제2 링크(124)를 연결하고, 제2 유니버설 조인트(110-2)가 제2 링크(124)와 제3 링크(125)를 연결하며, 제2 유니버설 조인트(110-2)와 대향하는 제3 링크(125)의 끝단에는 방향전환 풀리(140)를 회전축으로 그립작용하는 그리퍼(160)가 위치한다.

각각의 유니버설 조인트(110-1, 110-2)는 전술한 유니버설 조인트(110)와 동일하므로 중복 설명을 생략한다. 또한, 각각의 링크(123, 124, 125)는 전술한 제N 링크(121)와 제N+1 링크(122)에 해당한다. 도 7 및 도 8에 도시된 각각의 링크는 도 3 및 도 4에서 전술한 링크 구조가 기다란 원통형 기구물의 양단에 형성된 형태이다. 본 실시예에서는 원통형 기구물과 그 양단의 링크 구조를 통틀어 링크로 칭한다.

제1 유니버설 조인트(110-1)의 연결축을 제1 연결축과 제2 연결축, 제2 유니버설 조인트(110-2)의 연결축을 제3 연결축과 제4 연결축이라 하면, 제1 링크(123)와 제2 링크(124)는 제1 유니버설 조인트(110-1)의 제1 연결축과 제2 연결축에 각각 연결되고, 제2 링크(124)와 제3 링크(125)는 제2 유니버설 조인트(110-2)의 제3 연결축과 제4 연결축에 각각 연결된다.

한 쌍의 제1 구동와이어는 제1 유니버설 조인트(110-1)에 순방향으로 접속하여 제1 유니버설 조인트(110-1)를 제1 연결축에 대하여 구동하며, 한 쌍의 제2 구동와이어는 제1 유니버설 조인트(110-1)에 역방향으로 접속하여 제1 유니버설 조인트(110-1)를 제2 연결축에 대하여 구동한다. 따라서 제1 유니버설 조인트(110-1)는 2자유도를 제공한다. 마찬가지로, 한 쌍의 제3 구동와이어는 제2 유니버설 조인트(110-2)에 순방향으로 접속하여 제2 유니버설 조인트(110-2)를 제3 연결축에 대하여 구동하며, 한 쌍의 제4 구동와이어는 제2 유니버설 조인트(110-2)에 역방향으로 접속하여 제2 유니버설 조인트(110-2)를 제4 연결축에 대하여 구동한다. 따라서 제2 유니버설 조인트(110-2)도 2자유도를 제공한다.

결국 도 7 및 도 8에 도시된 그립 장치는 4자유도를 제공하며, 링크와 유니버설 조인트를 부가할 때마다 2자유도가 추가로 제공된다. 이와 같이, 본 발명의 유니버설 조인트 장치를 다단으로 구성하여 각각의 유니버설 조인트를 상호 독립적으로 구동하면 효율적인 힘 전달이 가능하면서 높은 자유도를 확보할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에서, 제2 링크(124)와 제3 링크(125)를 연결하는 후단 유니버설 조인트(110-2)는 제1 링크(123)와 제2 링크(124)를 연결하는 전단 유니버설 조인트(110-1)에 종속적으로 구동될 수 있다.

즉, 전단 유니버설 조인트(110-1)에 순방향으로 접속된 한 쌍의 제1 구동와이어가 제1 연결축에 대하여 전단 유니버설 조인트(110-1)를 구동할 때, 후단 유니버설 조인트(110-2)에 순방향으로 접속된 한 쌍의 제3 구동와이어도 제1 연결축과 동일 방향의 제3 연결축에 대하여 후단 유니버설 조인트(110-2)를 구동한다. 마찬가지로, 전단 유니버설 조인트(110-1)에 역방향으로 접속된 한 쌍의 제2 구동와이어가 제2 연결축에 대하여 전단 유니버설 조인트(110-1)를 구동할 때, 후단 유니버설 조인트(110-2)에 역방향으로 접속된 한 쌍의 제4 구동와이어도 제2 연결축과 동일 방향의 제4 연결축에 대하여 후단 유니버설 조인트(110-2)를 구동한다.

1단으로 이루어진 유니버설 조인트 장치는 일반적으로 운동범위에 한계가 있다. 따라서 본 적용예와 같이 2단 이상으로 유니버설 조인트 장치를 적용하고 같은 방향의 축에 대하여 종속적으로 제어를 하게 되면, 운동범위의 한계를 극복하고 큰 각도로 운동범위를 확보할 수 있다. 예컨대, 1단의 유니버설 조인트 장치가 45도의 회전반경을 가진다면, 2단으로 구성함으로써 90도의 각도로 구동할 수 있다.

이상 설명한 본 발명의 다자유도 능동형 유니버설 조인트 장치는 수술로봇 분야에 국한되지 않고 다양한 분야의 메커니즘에 활용될 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

100: 그립 장치 110: 유니버설 조인트
111, 112: 연결축 121, 122, 123, 124, 125: 링크
121a, 122a: 축 연결부 131, 132: 구동와이어
133: 그리퍼 구동와이어 140: 방향전환 풀리
150: 와이어 가이드 161: 캡스턴
162: 돌출부 163: 스토퍼

Claims (8)

1. 중공을 구비하는 환형으로 이루어지고, 상기 환형의 외측면에 서로 교차하는 방향으로 형성된 제1 연결축과 제2 연결축을 구비하는 유니버설 조인트;
   상기 제1 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N 링크;
   상기 제2 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N+1 링크;
   상기 제N 링크에서 인출되어 상기 유니버설 조인트에 순방향으로 접속하며, 상기 제1 연결축에 대하여 상기 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제1 구동와이어;
   상기 제N 링크에서 인출되어 상기 유니버설 조인트의 중공을 통과한 후 상기 제N+1 링크에 설치된 방향전환 풀리를 이용해 상기 유니버설 조인트에 역방향으로 접속하며, 상기 제2 연결축에 대하여 상기 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제2 구동와이어;
   상기 유니버설 조인트와 대향하는 상기 제N+1 링크의 끝단에 위치하여, 상기 방향전환 풀리를 회전축으로 그립작용을 하는 그리퍼;
   상기 제N 링크에서 인출되어 상기 방향전환 풀리를 회전축으로 상기 그리퍼의 그립작용을 구동하는 한 쌍 이상의 그리퍼 구동와이어;
   를 포함하고,
   상기 방향전환 풀리는, 상기 유니버설 조인트의 중공을 통과한 상기 제2 구동와이어의 방향을 상기 유니버설 조인트 쪽으로 전환시키고,
   상기 방향전환 풀리는 상기 제2 구동와이어 및 상기 그리퍼 구동와이어의 최소반경 조건을 만족하는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 구동와이어는 상기 유니버설 조인트의 상기 제2 연결축 부근에 순방향으로 접속하고, 상기 제2 구동와이어는 상기 유니버설 조인트의 상기 제1 연결축 부근에 역방향으로 접속하는 것을 특징으로 하는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 구동와이어 및 상기 그리퍼 구동와이어는 상기 유니버설 조인트의 중공을 통과할 때 상기 중공의 중심을 지나는 것을 특징으로 하는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제N 링크와 상기 제N+1 링크 중의 적어도 한 곳에 설치되어 상기 제2 구동와이어 및 상기 그리퍼 구동와이어가 상기 중공의 중심을 지나도록 안내하는 와이어 가이드;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 와이어 가이드는, 상기 유니버설 조인트의 중공을 통과하는 상기 제2 구동와이어를 감싸는 비신축성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치.
8. 중공을 구비하는 환형으로 이루어지고, 상기 환형의 외측면에 서로 교차하는 방향으로 형성된 제1 연결축과 제2 연결축을 구비하는 제n 유니버설 조인트;
   중공을 구비하는 환형으로 이루어지고, 상기 환형의 외측면에 서로 교차하는 방향으로 형성된 제3 연결축과 제4 연결축을 구비하는 제n+1 유니버설 조인트;
   상기 제1 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N 링크;
   상기 제2 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 일단에 한 쌍의 축 연결부를 가지며, 상기 제3 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 타단에 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N+1 링크;
   상기 제4 연결축의 양단이 회동 가능하게 연결되도록 한 쌍의 축 연결부를 가지는 제N+2 링크;
   상기 제N 링크에서 인출되어 상기 제n 유니버설 조인트에 순방향으로 접속하며, 상기 제1 연결축에 대하여 상기 제n 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제1 구동와이어;
   상기 제N 링크에서 인출되어 상기 제n 유니버설 조인트의 중공을 통과한 후 상기 제N+1 링크에 설치된 제n+1 방향전환 풀리를 이용해 상기 제n 유니버설 조인트에 역방향으로 접속하며, 상기 제2 연결축에 대하여 상기 제n 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제2 구동와이어;
   상기 제N+1 링크에서 인출되어 상기 제n+1 유니버설 조인트에 순방향으로 접속하며, 상기 제3 연결축에 대하여 상기 제n+1 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제3 구동와이어;
   상기 제N+1 링크에서 인출되어 상기 제n+1 유니버설 조인트의 중공을 통과한 후 상기 제N+2 링크에 설치된 제n+2 방향전환 풀리를 이용해 상기 제n+1 유니버설 조인트에 역방향으로 접속하며, 상기 제4 연결축에 대하여 상기 제n+1 유니버설 조인트를 구동하는 한 쌍의 제4 구동와이어;
   상기 제n+1 유리버설 조인트와 대향하는 상기 제N+2 링크의 끝단에 위치하여, 상기 제n+2 방향전환 풀리를 회전축으로 그립작용을 하는 그리퍼;
   상기 제N+1 링크에서 인출되어 상기 제n+2 방향전환 풀리를 회전축으로 상기 그리퍼의 그립작용을 구동하는 한 쌍 이상의 그리퍼 구동와이어;
   를 포함하고,
   상기 제n+2 방향전환 풀리는, 상기 제n+1 유니버설 조인트의 중공을 통과한 상기 제4 구동와이어의 방향을 상기 제n+1 유니버설 조인트 쪽으로 전환시키고,
   상기 제n+2 방향전환 풀리는 상기 제4 구동와이어 및 상기 그리퍼 구동와이어의 최소반경 조건을 만족하는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다자유도 능동형 유니버설 조인트를 구비한 그립 장치.

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