KR101579550B1 - Parallel mechanism based on truss structure - Google Patents

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KR101579550B1
KR101579550B1 KR1020140046799A KR20140046799A KR101579550B1 KR 101579550 B1 KR101579550 B1 KR 101579550B1 KR 1020140046799 A KR1020140046799 A KR 1020140046799A KR 20140046799 A KR20140046799 A KR 20140046799A KR 101579550 B1 KR101579550 B1 KR 101579550B1
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강병훈
강창욱
이봉용
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(주)이빛
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    • F16H21/00—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/46—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides with movements in three dimensions

Abstract

본 발명은 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘에 관한 것으로, 베이스 플레이트와; 상기 베이스 플레이트에 각각 상향 설치되되, 삼각 형상으로 배치되는 3개의 수직 프레임과; 각각의 상기 수직 프레임에 설치되어 상기 수직 프레임을 따라 상하 방향으로 각각 독립적으로 이동하는 3개의 능동형 프리즈매틱 조인트와; 3개의 변으로 구성되되 3개의 꼭지점이 각각 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 연결되어 상기 능동형 프리즈매틱 조인트의 상하 이동에 따라 함께 이동하며, 각 변의 길이가 상기 능동형 프리즈매틱 조인트의 상하 이동에 따라 길이 방향으로 가변되는 삼각 트러스와; 상기 삼각 트러스의 각 꼭지점을 각각의 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 연결하되, 상기 능동형 프리즈매틱 조인트의 독립적인 상하 이동에 따라 상기 삼각 트러스의 각 변이 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 대해 회전 가능하게 하는 3개의 수동형 조인트 모듈과; 상기 삼각 트러스의 내부에 배치되는 무빙 플레이트와; 일측이 상기 무빙 플레이트에 고정되고, 타측은 상기 삼각 트러스의 각 변에 연결되되, 길이 방향으로 길이가 가변되는 3개의 연결 림과; 각각의 상기 연결 림이 상기 삼각 트러스의 각 변에 대해 회전 가능하도록 상기 연결 림의 타측과 상기 삼각 트러스의 각 변을 연결하는 3개의 수동형 회전 조인트를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a parallel mechanism based on a truss structure, comprising: a base plate; Three vertical frames disposed upwardly on the base plate and arranged in a triangular shape; Three active prismatic joints installed in each of the vertical frames and independently moving up and down along the vertical frame; And three vertexes are connected to the active prismatic joints to move together with the up and down movement of the active prismatic joint, and the lengths of the sides move along the vertical direction of the active freezed joint in the longitudinal direction A variable triangular truss; Wherein each of the active prismatic joints is connected to each of the active prismatic joints so that respective sides of the triangular truss are rotatable relative to the active prismatic joints in accordance with independent upward and downward movement of the active prismatic joint, A joint module; A moving plate disposed inside the triangular truss; Three connecting rims whose one side is fixed to the moving plate and the other side is connected to each side of the triangular truss, the length of which is variable in the longitudinal direction; And three passive rotary joints connecting the other side of the connecting rim and each side of the triangular truss so that each of the connecting rims is rotatable with respect to each side of the triangular truss.

Description

트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘{PARALLEL MECHANISM BASED ON TRUSS STRUCTURE}[0001] PARALLEL MECHANISM BASED ON TRUSS STRUCTURE [0002]

본 발명은 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 응력 집중 현상을 제거하면서도, 소량화 및 경량화가 가능하고 저비용으로 제작이 가능할 뿐만 아니라 안전 사고의 위험을 줄일 수 있는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘에 관한 것이다.
The present invention relates to a parallel mechanism based on a truss structure, and more particularly, to a truss structure-based parallel mechanism capable of reducing a stress concentration phenomenon, capable of being reduced in size and weight, being manufactured at low cost, To a parallel mechanism.

기존의 직렬 메커니즘(Serial mechanism)과 대비할 때 높은 강성(Stiffness)와 빠른 속도(Speed)의 특징을 가지고 있는 장점 때문에 스튜어트-고우(Stewart-Gough) 플랫폼으로 대표되는 병렬 메커니즘(Parallel mechanism)은 학계나 연구소 뿐만 아니라, 산업계에서도 관심이 증가하고 있으며, 고속 조립용 로봇 분야, 다축 CNC 머신닝 분야, 그리고 비행 시뮬레이터와 같은 가상 현설(Virtual Reality) 분야와 같은 다양한 분야에서 연구되고 있다.The parallel mechanism represented by the Stewart-Gough platform is characterized by its high stiffness and high speed characteristics compared to conventional serial mechanisms, There is growing interest not only in research institutes but also in industry, and it is being studied in various fields such as high-speed assembly robots, multi-axis CNC machining, and virtual reality such as flight simulators.

병렬 메커니즘과 관련된 연구는, 병렬 메커니즘이 갖는 장점을 높이는 대신에 병렬 메커니즘에 내재적으로 존재하는 기구학적 해석(Forward kinematics와 Backward kinematics) 문제와 로봇의 끝단점(End-Effector)을 움직이기 위해서 피해야만 하는 특이성 자세(Singular configuration) 분석 및 해석 등 여러 분야에서 수학적이고, 해석적인 방법론에 대한 많은 연구 결과가 제시되고 있다.Studies related to parallel mechanisms should avoid the problems of kinematics (Forward kinematics and Backward kinematics) inherent in parallel mechanisms and end-effectors of robots instead of enhancing the advantages of parallel mechanisms And a number of research results on mathematical and analytical methodologies have been presented in various fields such as analysis and interpretation of singular configuration.

기존의 병렬 메커니즘을 이용한 병렬 로봇은 직렬 로봇의 링크를 서로 기구학적 제약 조건을 적용하여 연결하는 구조가 대부분이며, 이를 통해 구조적인 강성(Rigidity)을 높이고 정확도를 높이는 구조를 가지고 있었다.The parallel robot using the existing parallel mechanism has a structure that links the links of the serial robots by applying the kinematic constraints to each other, thereby increasing the structural rigidity and improving the accuracy.

그런데, 로봇의 끝단점(End-Effector)의 자세에 따라, 병렬 로봇의 조인트에 응력 집중이 발생하는 경우가 많으며, 이를 극복하기 위해 실제 병렬 로봇을 제작하는 경우에 조인트 부위에 보강재를 사용하게 되었다. 이는 병렬 로봇의 가격을 높이는 원인으로 작용하게 될 뿐만 아니라, 병렬 로봇의 크기 또한 증가시키는 단점으로 작용하게 된다.However, according to the posture of the end-effector of the robot, the stress concentration often occurs in the joint of the parallel robot. In order to overcome this problem, a stiffener is used at the joint portion in the case of manufacturing a parallel robot . This not only increases the price of the parallel robot but also increases the size of the parallel robot.

도 1은 종래의 델타 타입(Delta type)의 병렬 메커니즘의 예를 나타낸 도면으로, 한국등록특허 제10-1300518호에 그 예가 개시되어 있다. 도 1을 참조하여 설명하면, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 델타 타입의 병렬 메커니즘의 초기위치에서는 끝단점(P1)을 기준으로 개별 링크와 조인트(P2, P3, P4)가 대칭인 구조를 가지므로 모두 동일한 응력과 하중을 받게 된다. 그러나, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 끝단점(P1)이 움직임에 따라, 대칭 구조가 변화하면서 병렬 로봇의 자세에 따라 링크나 조인트(P2, P3, P4)에 가해지는 응력과 하중이 변화하게 된다.FIG. 1 is a view showing an example of a conventional delta type parallel mechanism, which is disclosed in Korean Patent No. 10-1300518. 1, in the initial position of the delta-type parallel mechanism, the individual links and joints P2, P3, and P4 are symmetric with respect to the end point P1, as shown in FIG. All have the same stress and load. However, as shown in FIG. 1 (b), as the end point P1 moves, the symmetry structure changes and the stress applied to the links or joints P2, P3, P4 depends on the attitude of the parallel robot The load is changed.

따라서, 병렬 메커니즘이 복수의 직렬 로봇으로 폐루프를 이루는 구조로 되어 있어 높은 강성을 유지할 수 있으나, 로봇의 자세에 따라 조인트나 링크에 극단적인 부하가 걸리게 된다. 특히, VR 시뮬레이터와 같이 인간이 탑승하는 응용 분야에서는 이러한 응력 집중에서 발생하는 안정도 감소를 해소하기 위해, 고가의 보강제나 조인트를 사용하고 있으며, 결과적으로 장비의 가격을 높이고 크기를 증가시키는 요인으로 작용하게 된다.Therefore, although the parallel mechanism has a structure in which a plurality of serial robots form a closed loop, high rigidity can be maintained, but an extreme load is applied to a joint or a link depending on the robot posture. Particularly, in the application field of human being such as VR simulator, expensive reinforcing agent or joint is used in order to solve the reduction in stability caused by such stress concentration, and as a result, the cost of equipment is increased and the size is increased .

이와 같은 단점을 해소하기 위해, 고정되 축 구조의 병렬 메커니즘이 제안되고 있으나, 끝단점을 구동하기 위해 직렬 형태의 링크 구조를 사용하기 때문에, 끝단점의 자세에 따라 응력이 집중되는 현상은 피하지 못하고 있다.
In order to solve such a disadvantage, a parallel mechanism of a fixed axis structure has been proposed. However, since a serial type link structure is used to drive the end point, the phenomenon of concentration of stress according to the posture of the end point is avoided I can not.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 응력 집중 현상을 제거하면서도, 소량화 및 경량화가 가능하고 저비용으로 제작이 가능할 뿐만 아니라 안전 사고의 위험을 줄일 수 있는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘을 제공하는데 그 목적이 있다.
It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide a truss structure-based parallel mechanism capable of reducing the stress concentration phenomenon and capable of reducing the size and weight, The purpose is to provide.

상기 목적은 본 발명에 따라, 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘에 있어서, 베이스 플레이트와; 상기 베이스 플레이트에 각각 상향 설치되되, 삼각 형상으로 배치되는 3개의 수직 프레임과; 각각의 상기 수직 프레임에 설치되어 상기 수직 프레임을 따라 상하 방향으로 각각 독립적으로 이동하는 3개의 능동형 프리즈매틱 조인트와; 3개의 변으로 구성되되 3개의 꼭지점이 각각 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 연결되어 상기 능동형 프리즈매틱 조인트의 상하 이동에 따라 함께 이동하며, 각 변의 길이가 상기 능동형 프리즈매틱 조인트의 상하 이동에 따라 길이 방향으로 가변되는 삼각 트러스와; 상기 삼각 트러스의 각 꼭지점을 각각의 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 연결하되, 상기 능동형 프리즈매틱 조인트의 독립적인 상하 이동에 따라 상기 삼각 트러스의 각 변이 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 대해 회전 가능하게 하는 3개의 수동형 조인트 모듈과; 상기 삼각 트러스의 내부에 배치되는 무빙 플레이트와; 일측이 상기 무빙 플레이트에 고정되고, 타측은 상기 삼각 트러스의 각 변에 연결되되, 길이 방향으로 길이가 가변되는 3개의 연결 림과; 각각의 상기 연결 림이 상기 삼각 트러스의 각 변에 대해 회전 가능하도록 상기 연결 림의 타측과 상기 삼각 트러스의 각 변을 연결하는 3개의 수동형 회전 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘에 의해서 달성된다.According to the present invention, the above object is achieved by a truss structure-based parallel mechanism comprising: a base plate; Three vertical frames disposed upwardly on the base plate and arranged in a triangular shape; Three active prismatic joints installed in each of the vertical frames and independently moving up and down along the vertical frame; And three vertexes are connected to the active prismatic joints to move together with the up and down movement of the active prismatic joint, and the lengths of the sides move along the vertical direction of the active freezed joint in the longitudinal direction A variable triangular truss; Wherein each of the active prismatic joints is connected to each of the active prismatic joints so that respective sides of the triangular truss are rotatable relative to the active prismatic joints in accordance with independent upward and downward movement of the active prismatic joint, A joint module; A moving plate disposed inside the triangular truss; Three connecting rims whose one side is fixed to the moving plate and the other side is connected to each side of the triangular truss, the length of which is variable in the longitudinal direction; And three passive rotary joints connecting the other side of the connecting rim and each side of the triangular truss so that each connecting rim is rotatable with respect to each side of the triangular truss. Lt; / RTI >

여기서, 상기 삼각 트러스의 각 변은 길이가 고정된 고정 영역과 길이가 가변되는 가변 영역을 연결하는 수동형 프라즈매틱 조인트로 구성될 수 있다.Each side of the triangular truss may be formed of a passive type plastic joint connecting a fixed region having a fixed length and a variable region having a variable length.

그리고, 각각의 상기 수동형 회전 조인트는 상기 삼각 트러스의 각 변의 고정 영역에서 상기 삼각 트러스의 각 변과 상기 연결 림을 연결할 수 있다.Each of the passive rotary joints can connect each side of the triangular truss to the connection rim in a fixed region of each side of the triangular truss.

그리고, 상기 수동형 회전 조인트는 스페리컬 조인트(Spherical joint) 형태로 마련되어 상기 연결 림을 상기 삼각 트러스의 변에 대해 회전 가능하게 지지하며; 상기 연결 림은 상기 스페리컬 조인트(Spherical joint)를 통해 길이 방향으로의 길이가 가변될 수 있다.The passive rotary joint is provided in the form of a spherical joint so as to rotatably support the connecting rim with respect to the sides of the triangular truss; The connecting rim may vary in length in the longitudinal direction through the spherical joint.

또한, 상기 수동형 회전 조인트는 조인트 본체와, 상기 조인트 본체에 설치되어, 상기 연결 림의 길이 방향을 축으로 회전 가능하게 상기 연결 림을 지지하는 제1 볼 베어링과, 상기 조인트 본체가 상하 방향을 축으로 상기 삼각 트러스의 변에 대해 회전 가능하게 상기 조인트 본체와 상기 삼각 트러스의 변을 연결하는 제2 볼 베어링을 포함하며; 상기 연결 림은 상기 제1 볼 베어링을 통해 길이 방향으로의 길이가 가변될 수 있다.The passive rotary joint includes a joint body, a first ball bearing installed in the body of the joint and supporting the connection rim so as to be rotatable about the longitudinal direction of the connection rim, And a second ball bearing rotatably connected to the side of the triangular truss and connecting the sides of the triangular truss to the joint body; The connecting rim may be variable in length in the longitudinal direction through the first ball bearing.

또한, 각각의 상기 수동형 회전 조인트 모듈은 상기 삼각 트러스의 꼭지점을 구성하는 두 개의 변을 각각 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 대해 독립적으로 회전 가능하게 결합하는 한 쌍의 수동형 회전 조인트를 포함할 수 있다.Further, each of the passive rotary joint modules may include a pair of passive rotary joints for rotatably and independently coupling two sides constituting the vertices of the triangular truss to the active freezed joint, respectively.

그리고, 상기 무빙 플레이트에 설치되어, 상기 무빙 플레이트의 판면을 관통하는 축을 중심으로 회전 운동을 생성하는 축 구동부를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a shaft driving unit installed on the moving plate and generating a rotational motion around an axis passing through the plate surface of the moving plate.

또한, 각각의 상기 수직 프레임의 외경에는 나사산이 형성되며; 각각의 상기 능동형 프리즈매틱 조인트은 상기 수직 프레임의 회전에 따라 상하 이동하는 볼 스크루 형태로 마련될 수 있다.
In addition, a thread is formed in the outer diameter of each of the vertical frames; Each of the active prismatic joints may be provided in a ball screw shape moving up and down according to the rotation of the vertical frame.

상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따르면 응력 집중 현상을 제거하면서도, 소량화 및 경량화가 가능하고 저비용으로 제작이 가능할 뿐만 아니라 안전 사고의 위험을 줄일 수 있는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘이 제공된다.
According to the present invention, according to the present invention, there is provided a truss structure-based parallel mechanism capable of reducing the stress concentration phenomenon, reducing the size and weight, making it possible to manufacture at low cost, and reducing the risk of a safety accident.

도 1은 종래의 델타 타입(Delta type)의 병렬 메커니즘의 예를 나타낸 도면이고,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘의 기구학적 구조를 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘의 무빙 스테이지의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘의 실제 적용 예를 나타낸 도면이고,
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘의 연결 림과 삼각 트러스의 변 간의 연결 예를 나타낸 도면이고,
도 9는 본 발명에 따른 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘의 z축 회전을 위한 구조의 예를 나타낸 도면이다.1 is a view showing an example of a conventional delta type parallel mechanism,
FIGS. 2 and 3 are views for explaining the mechanical structure of a parallel mechanism based on a truss structure according to the present invention,
4 is a view for explaining the operation principle of a moving stage of a parallel mechanism based on a truss structure according to the present invention,
5 and 6 are views showing a practical application of a parallel mechanism based on a truss structure according to the present invention,
FIG. 7 and FIG. 8 are views showing an example of connection between a connecting rim of a parallel mechanism based on a truss structure and sides of a triangular truss according to the present invention,
9 is a view showing an example of a structure for z-axis rotation of a parallel mechanism based on a truss structure according to the present invention.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘(100)의 기구학적 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘(100)은 베이스 플레이트(110), 3개의 수직 프레임(120), 3개의 능동형 프리즈매틱 조인트(130)(Active prismatic joint), 삼각 트러스(150), 3개의 수동형 회전 조인트 모듈(140), 무빙 플레이트(160), 3개의 연결 림(170), 그리고 3개의 수동형 회전 조인트(180)을 포함한다.FIGS. 2 and 3 are views for explaining the kinematic structure of the truss structure-based parallel mechanism 100 according to the present invention. 2 and 3, a truss structure-based parallel mechanism 100 according to the present invention includes a base plate 110, three vertical frames 120, three active prime matic joints 130 a triangular truss 150, three passive rotary joint modules 140, a moving plate 160, three connection rims 170 and three passive rotary joints 180. The passive rotary joints 180,

3개의 수직 프레임(120)은 베이스 플레이트(110)에 각각 상향 설치된다. 3개의 수직 프레임(120)은 서로 삼각 형상으로 배치되는데, 대략 정삼각형 형태로 배치되는 것을 예로 한다.Three vertical frames 120 are installed upwardly on the base plate 110, respectively. The three vertical frames 120 are arranged in a triangular shape, and they are arranged in a substantially regular triangular shape.

3개의 능동형 프리즈매틱 조인트(130)는 각각의 수직 프레임(120)에 하나씩 설치된다. 그리고, 3개의 능동형 프리즈매틱 조인트(130)는 수직 프레임(120)을 따라 상하 방향으로 각각 독립적으로 선형 이동하도록 마련된다.Three active freezed joints 130 are installed, one for each vertical frame 120. The three active prismatic joints 130 are provided so as to linearly move independently in the vertical direction along the vertical frame 120, respectively.

삼각 트러스(150)는 3개의 변(151)으로 구성된다. 그리고, 삼각 트러스(150)의 3개의 꼭지점은 각각 능동형 프리즈매틱 조인트(130)에 연결되는데, 각각의 능동형 프리즈매틱 조인트(130)의 상하 이동에 따라 함께 이동하게 된다.The triangular truss 150 is composed of three sides 151. The three vertexes of the triangular truss 150 are connected to the active prismatic joint 130, respectively, and are moved together with the upward and downward movement of the respective active prismatic joints 130.

여기서, 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 길이는 가변적으로 변하도록 마련되는데, 3개의 능동형 프리즈매틱 조인트(130)의 독립적인 상하 이동에 따라 그 길이가 변하도록 마련된다. 본 발명에서는 삼각 트러스(150)의 각 변(151)에는 수동형 프리즈매틱 조인트(152)가 설치되어 능동형 프리즈매틱 조인트(130)의 독립적인 상하 이동에 대응하여 그 길이가 변하도록 구성되는 것을 예로 한다.The length of each side 151 of the triangular truss 150 is variable so that the length of the triple truss 150 is changed according to the independent up and down movement of the three active prismatic joints 130. In the present invention, a passive prime matic joint 152 is provided on each side 151 of the triangular truss 150 so that the length of the passive free joint 152 is changed corresponding to the independent up and down movement of the active prime matic joint 130 .

여기서, 삼각 트러스(150)의 각 변(151)은, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 길이가 고정된 고정 영역(L)과 길이가 가변된 가변 영역(CL)으로 구성되며, 3개의 능동형 프리즈매틱 조인트(130)의 독립적인 상하 이동에 대응하여 가변 영역(CL)의 길이가 변함으로써, 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 길이가 변하도록 마련된다.Each side 151 of the triangular truss 150 is constituted by a fixed region L having a fixed length and a variable region CL having a variable length as shown in Fig. The length of each side 151 of the triangular truss 150 is changed by changing the length of the variable area CL corresponding to the independent upward and downward movement of the three active free-form joints 130. [

3개의 수동형 회전 조인트 모듈(140)은 삼각 트러스(150)의 각 꼭지점을 각각의 능동형 프리즈매틱 조인트(130)에 연결한다. 여기서, 각각의 수동형 회전 조인트 모듈(140)은 3개의 능동형 프리즈매틱 조인트(130)의 독립적인 상하 이동에 따라 삼각 트러스(150)의 각 변(151)이 능동형 프리즈매틱 조인트(130)에 대해 회전 가능하게 능동형 프리즈매틱 조인트(130)와 삼각 트러스(150)의 변(151)을 연결한다.Three passive rotatable joint modules 140 connect the respective vertexes of the triangular truss 150 to the respective active prismatic joints 130. Herein, each passive rotary joint module 140 is configured such that each side 151 of the triangular truss 150 is rotated about the active frictional joint 130 in accordance with the independent upward and downward movement of the three active frictional joints 130. [ Possibly connecting the active prime matic joint 130 to the sides 151 of the triangular truss 150.

본 발명에서는 수동형 회전 조인트 모듈(140)은 삼각 트러스(150)의 꼭지점을 구성하는 두 개의 변(151)을 각각 능동형 프리즈매틱 조인트(130)에 대해 독립적으로 회전 가능하게 결합하는 한 쌍의 수동형 회전 조인트(141,142)를 포함하는 것을 예로 하고 있다. 도 2에서는 수동형 회전 조인트 모듈(140)을 구성하는 한 쌍의 수동형 회전 조인트(141,142)가 동일 포인트에 위치하는 것을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3에서는 한 쌍의 수동형 회전 조인트(141,142)가 하나의 꼭지점을 구성하는 두 변(151)에 각각 분리되어 위치하는 것을 개념적으로 도시하고 있다.In the present invention, the passive rotary joint module 140 includes a pair of passive rotations (not shown) independently rotatably coupling two sides 151 constituting the apexes of the triangular truss 150 to the active freezed joint 130, Joints 141 and 142 are included. FIG. 2 conceptually shows that a pair of passive rotary joints 141 and 142 constituting the passive rotary joint module 140 are located at the same point. In FIG. 3, a pair of passive rotary joints 141 and 142 Are separately located on two sides 151 constituting the vertexes of the first embodiment.

무빙 플레이트(160)는 삼각 트러스(150)의 내부에 배치된다. 본 발명에서는 무빙 플레이트(160) 상에 병렬 메커니즘(100)의 끝단점(End-effector)이 마련된다. 그리고, 무빙 플레이트(160)는 3개의 연결 림(170)(Limb)에 의해 삼각 트러스(150)에 연결된다.The moving plate 160 is disposed inside the triangular truss 150. In the present invention, the end-effector of the parallel mechanism 100 is provided on the moving plate 160. The moving plate 160 is connected to the triangular truss 150 by three connection rims 170 (Limb).

각각의 연결 림(170)의 일측은 무빙 플레이트(160)에 고정되고, 타측은 삼각 트러스(150)에 각 변(151)에 연결되며, 그 길이가 길이 방향으로 가변되도록 마련된다. 도 2 및 도 3에서는 각각의 연결 림(170)이 수동형 프리즈매틱 조인트(171)을 통해 그 길이가 가변되는 것을 개념적으로 도시하고 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.One side of each connecting rim 170 is fixed to the moving plate 160 and the other side is connected to each side 151 of the triangular truss 150 so that the length thereof is variable in the longitudinal direction. 2 and 3 conceptually show that the lengths of the connection rims 170 are varied through the passive prime matic joints 171, and a detailed description thereof will be given later.

본 발명에서는 3개의 연결 림(170)이 초기 위치에서 각각 120ㅀ의 간격(도 4의 (a) 참조)으로 무빙 플레이트(160)와 삼각 트러스(150)를 연결하는 것을 예로 한다. 그리고, 각각의 연결 림(170)은 삼각 트러스(150)의 각 변(151)에 대해 회전 가능하도록 연결 림(170)의 타측과 삼각 트러스(150)의 각 변(151)은 수동형 회전 조인트(180)에 의해 연결된다.In the present invention, three connecting rims 170 connect the moving plate 160 and the triangular truss 150 at an interval of 120 mm (see FIG. 4A) at the initial position. The other side of the connecting rim 170 and each side 151 of the triangular truss 150 are connected to a passive rotary joint (not shown) so that each connecting rim 170 is rotatable with respect to each side 151 of the triangular truss 150 180).

여기서, 각각의 연결 림(170)과 삼각 트러스(150)의 각 변(151)을 연결하는 각각의 수동형 회전 조인트(180)은 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 고정 영역(L)에서 연결 림(170)과 삼각 트러스(150)의 변(151)을 연결하도록 구성된다.Each of the passive rotary joints 180 connecting the connecting rims 170 and the sides 151 of the triangular truss 150 is connected to the fixed region L of each side 151 of the triangular truss 150, The connecting rim 170 and the sides 151 of the triangular truss 150 are connected.

상기와 같은 구성에 따라, 각각의 수직 프레임(120)에 설치된 능동형 프리즈매틱 조인트(130)가 독립적으로 상하 이동하게 되면, 수동형 회동 조인트(141,142)에 의해 삼각 트러스(150)의 각 꼭지점이 능동형 프리즈매틱 조인트(130)의 상하 이동을 따라 이동하게 되는데, 이 때 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 수동형 프리즈매틱 조인트(152)에 의해 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 길이가 변하게 된다.When the active prismatic joint 130 installed on each vertical frame 120 independently moves up and down according to the above-described structure, each vertex of the triangular truss 150 is fixed by the passive pivot joints 141 and 142 to the active freeze The length of each side 151 of the triangular truss 150 is adjusted by the passive prismatic joint 152 of each side 151 of the triangular truss 150. In this case, .

이 때, 각각의 연결 림(170)이 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 고정 영역(L)에 연결되어 있어, 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 길이의 변화에도 불구하고 연결 림(170)과 삼각 트러스(150)의 연결 위치는, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 변하지 않게 된다. 이에 따라, 무빙 플레이트(160)의 위치는 유일해를 가질 수 있으며, 이 유일해는 내부 각도인 θ1, θ2 및 θ3에 의해 결정된다.At this time, the connection rims 170 are connected to the fixed regions L of the sides 151 of the triangular truss 150, so that even though the lengths of the sides 151 of the triangular truss 150 are changed And the connecting position of the connecting rim 170 and the triangular truss 150 does not change as shown in Fig. 4 (b). Accordingly, the position of the moving plate 160 can have a unique solution, which is determined by the inner angles? 1,? 2 and? 3.

상기와 같은 구성이 병렬 로봇에 적용되면, 수직 프레임(120) 상의 3개의 능동형 프리즈매틱 조인트(130)의 높이 편차를 이용한 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 길이를 조절하여, 무빙 플레이트(160)의 x축 및 y축에 대한 각도(θx, θy) 제어가 가능하게 되고, 능동형 프리즈매틱 조인트(130)의 높이 조절을 통해 z축 방향으로의 위치 제어가 가능하게 되어, 3-자유도의 병렬 메커니즘(100)의 구현이 가능하게 된다.When the above configuration is applied to the parallel robot, the length of each side 151 of the triangular truss 150 using the height deviation of the three active prismatic joints 130 on the vertical frame 120 is adjusted, (? X,? Y) with respect to the x-axis and the y-axis can be controlled and position control in the z-axis direction can be performed by adjusting the height of the active prismatic joint 130, The parallel mechanism 100 of FIG.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘(100)의 실제 적용 예를 나타낸 도면이다. 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 수직 프레임(120)에 설치되는 능동형 프리즈매틱 조인트(130)는 볼 스크루 형태로 마련되는 것을 예로 한다. 즉, 각각의 수직 프레임(120)의 외경에는 나사산이 형성되고, 구동 모터의 구동에 따라 수직 프레임(120)이 회전함에 따라 능동형 프리즈매틱 조인트(130)가 수직 프레임(120)의 나사산을 따라 상하 이동하게 마련된다.FIGS. 5 and 6 are views showing practical examples of a truss structure-based parallel mechanism 100 according to the present invention. Referring to FIGS. 5 and 6, the active free-form joint 130 installed in the vertical frame 120 is provided in the form of a ball screw. In other words, a thread is formed in the outer diameter of each vertical frame 120, and the active free-form joint 130 is moved up and down along the threads of the vertical frame 120 as the vertical frame 120 rotates as the driving motor is driven .

그리고, 삼각 트러스(150)의 각 꼭지점과 능동형 프리즈매틱 조인트(130)는 한 쌍의 수동형 유니버셜 조인트(141,142)에 의해 연결되는 것을 예로 하고 있다. 그리고, 삼각 트러스(150)의 각 변(151)은 수동형 프리즈매틱 조인트(152)에 의해 고정 영역(L)과 가변 영역(CL)이 연결된다.The vertexes of the triangular truss 150 and the active prismatic joint 130 are connected by a pair of passive universal joints 141 and 142, respectively. Each side 151 of the triangular truss 150 is connected to the fixed area L and the variable area CL by a passive prime matic joint 152.

도 5 및 도 6에서는 연결 림(170)의 축선이 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 축선을 관통하는 구조로 제작되는 것을 예로 하고 있으나, 도 7에 도시된 바와 같이, 연결 림(170)의 축선이 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 축선이 어긋나도록 제작될 수 있음은 물론이다.5 and 6, the axis of the connection rim 170 passes through the axis of each side 151 of the triangular truss 150. However, as shown in FIG. 7, 170 may be manufactured such that the axes of the sides 151 of the triangular truss 150 are shifted from each other.

도 7을 참조하여 설명하면, 무빙 플레이트(160)와 연결되는 3개의 연결 림(170)의 끝단은 길이의 변화와 회동 가능한 결합을 위해, 도 7에 도시된 바와 같이, 스페리컬 조인트(Spherical joint, 181)를 이용하여 삼각 트러스(150)의 각 변(151)의 수동형 프리즈매틱 조인트(152)에 연결되는 것을 예로 한다.7, the ends of the three connection rims 170 connected to the moving plate 160 are connected to each other by a spherical joint (not shown) 181 are connected to the passive frictional joint 152 of each side 151 of the triangular truss 150. [

보다 구체적으로 설명하면, 수동형 회전 조인트(180)가 스페리컬 조인트(Spherical joint, 181)로 마련되어, 연결 림(170)을 삼각 트러스(150)의 변(151)에 대해 회전 가능하게 지지하게 된다. 이 때, 연결 림(170)은 스페리컬 조인트(Spherical joint, 181)를 통해 그 길이 방향으로의 길이가 가변될 수 있다. 즉, 스페리컬 조인트(Spherical joint, 181)가, 도 2 및 도 3에 도시된 수동형 프리즈매틱 조인트(171)의 기능을 수행하게 된다.More specifically, the passive rotary joint 180 is provided with a spherical joint 181 to rotatably support the connection rim 170 with respect to the side 151 of the triangular truss 150. At this time, the connection rim 170 can be varied in length in its longitudinal direction through a spherical joint 181. That is, a spherical joint 181 performs the function of the passive free-form joint 171 shown in Figs. 2 and 3.

도 8은 연결 림(170)과 삼각 트러스(150)의 변(151)을 연결하는 다른 예를 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하여 설명하면, 수동형 회전 조인트(180)는 조인트 본체(152a), 제1 볼 베어링(181a) 및 제2 볼 베어링(181b)을 포함할 수 있다.8 is a view showing another example of connecting the connection rim 170 and the sides 151 of the triangular truss 150. FIG. Referring to Fig. 8, the passive rotary joint 180 may include a joint body 152a, a first ball bearing 181a, and a second ball bearing 181b.

제1 볼 베어링(181a)은 조인트 본체(152a)에 설치되는데, 연결 림(170)의 길이 방향을 축으로 회전 가능하게 연결 림(170)을 지지하게 된다. 제2 볼 베어링(181b)은 조인트 본체(152a)가 상하 방향을 축으로 삼각 트러스(150)의 변(151)에 대해 회전 가능하게 조인트 본체(152a)와 삼각 트러스(150)의 변(151)을 연결하게 된다. 제1 볼 베어링(181a)과 제2 볼 베어링(181b)의 조합을 통해, 상술한 스페리컬 조인트(Spherical joint, 181)의 기능이 구현 가능하게 된다.The first ball bearing 181a is installed in the joint body 152a and supports the connection rim 170 so as to be rotatable about the longitudinal direction of the connection rim 170. [ The second ball bearing 181b is disposed on the sides 151 of the joint body 152a and the triangular truss 150 so that the joint body 152a is rotatable about the sides 151 of the triangular truss 150, . Through the combination of the first ball bearing 181a and the second ball bearing 181b, the above-described function of the spherical joint 181 can be implemented.

이 때, 연결 림(170)은 제1 볼 베어링(181a)을 통해 그 길이 방향으로의 길이가 가변될 수 있다. 즉, 제1 볼 베어링(181a)이, 도 2 및 도 3에 도시된 수동형 프리즈매틱 조인트(171)의 기능을 수행하게 된다.At this time, the length of the connection rim 170 in the longitudinal direction thereof can be varied through the first ball bearing 181a. That is, the first ball bearing 181a performs the function of the passive prime matic joint 171 shown in Figs. 2 and 3.

한편, 무빙 플레이트(160)에는, 도 9에 도시된 바와 같이, 무빙 플레이트(160)의 판면을 관통하는 축(191)을 중심으로 회전 운동을 생성하는 축 구동부(190)가 설치됨으로써, θz 모션이 가능하게 되어, θx, θy, θz 및 z의 4-자유도 모션의 구현이 가능하게 된다.9, a shaft driving unit 190 for generating rotational motion about an axis 191 passing through the plate surface of the moving plate 160 is provided in the moving plate 160, So that it is possible to realize a 4-degree-of-freedom motion of? X,? Y,? Z and z.

상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따른 병렬 메커니즘(100)은 직렬 메커니즘과 대비할 때 높은 강성과 무게 대비 큰 부하 성능을 제공하게 된다. 또한, 스튜어트-고우(Stewart-Gough) 플랫폼과 같은 기존의 병렬 메커니즘(100)이 조인트나 링크에 응력이 집중되는 문제를 가지는 반면, 본 발명에 따른 병렬 메커니즘(100)은 수직 프레임(120)이 베이스 플레이트(110)에 고정된 상태로, 삼각 트러스(150)의 각 꼭지점에 능동형 프리즈매틱 조인트(130)에 연결되어 수직 프레임(120)을 따라 이동하게 됨으로써, 구조적인 관점에서 보다 큰 응력을 지탱하고 큰 부하의 핸들링할 수 있는 이점이 있다.According to the above-described configuration, the parallel mechanism 100 according to the present invention provides high rigidity and weight-to-weight load performance in comparison with the serial mechanism. In addition, while the conventional parallel mechanism 100, such as the Stewart-Gough platform, has the problem of concentrating stress on the joint or link, the parallel mechanism 100 according to the present invention has the problem that the vertical frame 120 Is fixed to the base plate 110 and is connected to the active free-form joint 130 at each vertex of the triangular truss 150 to move along the vertical frame 120. As a result, And can handle a large load.

또한, 응력의 집중이 방지됨에 따라 별도의 보강제나 강한 조인트의 사용이 요구되지 않아 장비의 가격을 줄임과 동시에 크기 또한 소형화시킬 수 있게 된다.Also, since stress concentration is prevented, it is not necessary to use a separate reinforcing agent or a strong joint, so that it is possible to reduce the size of the equipment while reducing the size of the equipment.

또한, 무빙 플레이트(160)가 3개의 수직 프레임(120) 내측에서만 움직이게 되어 주변에 사람이나 물체에 영향을 주는 경우가 제거되어 보다 안전한 운행이 가능하게 된다.Further, since the moving plate 160 moves only inside the three vertical frames 120, the case where the moving plate 160 affects people or objects around the moving plate 160 can be eliminated, thereby enabling safer operation.

본 실시예는 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 명세서에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 자명하다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to be exemplary and explanatory only and are not to be construed as limiting the scope of the inventive concept. And it is obvious that it is included in the technical idea of the present invention.

100 : 병렬 메커니즘 110 : 베이스 플레이트
120 : 수직 프레임 130 : 능동형 프리즈매틱 조인트
140 : 수동형 회전 조인트 모듈 150 : 삼각 트러스
152 : 수동형 프리즈매틱 조인트 160 : 무빙 플레이트
170 : 연결 림 180 : 수동형 회전 조인트
190 : 축 구동부100: Parallel mechanism 110: Base plate
120: Vertical frame 130: Active freezematic joint
140: passive rotary joint module 150: triangular truss
152: Passive freematic joint 160: Moving plate
170: connecting rim 180: passive rotating joint
190:

Claims (8)

트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘에 있어서,
베이스 플레이트와;
상기 베이스 플레이트에 각각 상향 설치되되, 삼각 형상으로 배치되는 3개의 수직 프레임과;
각각의 상기 수직 프레임에 설치되어 상기 수직 프레임을 따라 상하 방향으로 각각 독립적으로 이동하는 3개의 능동형 프리즈매틱 조인트와;
3개의 변으로 구성되되 3개의 꼭지점이 각각 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 연결되어 상기 능동형 프리즈매틱 조인트의 상하 이동에 따라 함께 이동하며, 각 변의 길이가 상기 능동형 프리즈매틱 조인트의 상하 이동에 따라 길이 방향으로 가변되는 삼각 트러스와;
상기 삼각 트러스의 각 꼭지점을 각각의 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 연결하되, 상기 능동형 프리즈매틱 조인트의 독립적인 상하 이동에 따라 상기 삼각 트러스의 각 변이 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 대해 회전 가능하게 하는 3개의 수동형 회전 조인트 모듈과;
상기 삼각 트러스의 내부에 배치되는 무빙 플레이트와;
일측이 상기 무빙 플레이트에 고정되고, 타측은 상기 삼각 트러스의 각 변에 연결되되, 길이 방향으로 길이가 가변되는 3개의 연결 림과;
각각의 상기 연결 림이 상기 삼각 트러스의 각 변에 대해 회전 가능하도록 상기 연결 림의 타측과 상기 삼각 트러스의 각 변을 연결하는 3개의 수동형 회전 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘.
In a truss structure-based parallel mechanism,
A base plate;
Three vertical frames disposed upwardly on the base plate and arranged in a triangular shape;
Three active prismatic joints installed in each of the vertical frames and independently moving up and down along the vertical frame;
And three vertexes are connected to the active prismatic joints to move together with the up and down movement of the active prismatic joint, and the lengths of the sides move along the vertical direction of the active freezed joint in the longitudinal direction A variable triangular truss;
Wherein each of the active prismatic joints is connected to each of the active prismatic joints so that respective sides of the triangular truss are rotatable relative to the active prismatic joints in accordance with independent upward and downward movement of the active prismatic joint, A rotary joint module;
A moving plate disposed inside the triangular truss;
Three connecting rims whose one side is fixed to the moving plate and the other side is connected to each side of the triangular truss, the length of which is variable in the longitudinal direction;
And three passive rotary joints connecting the other side of the connecting rim and each side of the triangular truss so that each connecting rim is rotatable with respect to each side of the triangular truss. .
제1항에 있어서,
상기 삼각 트러스의 각 변은 길이가 고정된 고정 영역과 길이가 가변되는 가변 영역을 연결하는 수동형 프리즈매틱 조인트로 구성되는 것을 특징으로 하는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘.
The method according to claim 1,
Wherein each side of the triangular truss is constituted by a passive prime matic joint connecting a fixed region having a fixed length and a variable region having a variable length.
제2항에 있어서,
각각의 상기 수동형 회전 조인트는 상기 삼각 트러스의 각 변의 고정 영역에서 상기 삼각 트러스의 각 변과 상기 연결 림을 연결하는 것을 특징으로 하는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘.
3. The method of claim 2,
Wherein each of said passive rotary joints connects each side of said triangular truss to said connection rim in a fixed region of each side of said triangular truss.
제1항에 있어서,
상기 수동형 회전 조인트는 스페리컬 조인트(Spherical joint) 형태로 마련되어 상기 연결 림을 상기 삼각 트러스의 변에 대해 회전 가능하게 지지하며;
상기 연결 림은 상기 스페리컬 조인트(Spherical joint)를 통해 길이 방향으로의 길이가 가변되는 것을 특징으로 하는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘.
The method according to claim 1,
Wherein the passive rotary joint is provided in the form of a spherical joint so as to rotatably support the connecting rim with respect to the sides of the triangular truss;
Wherein the connecting rim is longitudinally variable in length through the spherical joint. ≪ RTI ID = 0.0 > 18. < / RTI >
제1항에 있어서,
상기 수동형 회전 조인트는
조인트 본체와,
상기 조인트 본체에 설치되어, 상기 연결 림의 길이 방향을 축으로 회전 가능하게 상기 연결 림을 지지하는 제1 볼 베어링과,
상기 조인트 본체가 상하 방향을 축으로 상기 삼각 트러스의 변에 대해 회전 가능하게 상기 조인트 본체와 상기 삼각 트러스의 변을 연결하는 제2 볼 베어링을 포함하며;
상기 연결 림은 상기 제1 볼 베어링을 통해 길이 방향으로의 길이가 가변되는 것을 특징으로 하는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘.
The method according to claim 1,
The passive rotary joint
A joint body,
A first ball bearing installed in the body of the joint and supporting the connection rim so as to be rotatable about the longitudinal direction of the connection rim,
And a second ball bearing connecting the joint body and the sides of the triangular truss so that the joint body is rotatable about the sides of the triangular truss about the vertical direction;
Wherein the connecting rim is longitudinally variable in length through the first ball bearing.
제1항에 있어서,
각각의 상기 수동형 회전 조인트 모듈은
상기 삼각 트러스의 꼭지점을 구성하는 두 개의 변을 각각 상기 능동형 프리즈매틱 조인트에 대해 독립적으로 회전 가능하게 결합하는 한 쌍의 수동형 회전 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘.
The method according to claim 1,
Each of the passive rotary joint modules
And a pair of passive rotary joints rotatably coupling two sides constituting the vertices of the triangular truss independently of the active freezed joint, respectively.
제1항에 있어서,
상기 무빙 플레이트에 설치되어, 상기 무빙 플레이트의 판면을 관통하는 축을 중심으로 회전 운동을 생성하는 축 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘.
The method according to claim 1,
Further comprising a shaft driving unit installed on the moving plate for generating a rotational motion around an axis passing through the plate surface of the moving plate.
제1항에 있어서,
각각의 상기 수직 프레임의 외경에는 나사산이 형성되며;
각각의 상기 능동형 프리즈매틱 조인트은 상기 수직 프레임의 회전에 따라 상하 이동하는 볼 스크루 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 트러스 구조 기반의 병렬 메커니즘.The method according to claim 1,
Threads are formed in the outer diameter of each of said vertical frames;
Wherein each of the active prismatic joints is provided in the form of a ball screw moving up and down according to the rotation of the vertical frame.
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