KR101667933B1 - 선형 제어가 가능한 튜브체를 구비하는 튜브 연속체 로봇 - Google Patents

선형 제어가 가능한 튜브체를 구비하는 튜브 연속체 로봇 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 직선으로 연장되는 기본 직선부와, 상기 기본 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러진 기본 곡선부를 포함하는 기본 튜브체 및 유연하게 구부러질 수 있는 유연부가 구비되고, 상기 기본 튜브체의 내부에 삽입되거나 또는 상기 기본 튜브체의 외부를 감싸도록 형성되어 상기 기본 튜브체와 연결되는 연결 튜브체를 포함하고, 상기 유연부는 상기 기본 곡선부의 길이 이상의 길이를 가지고, 상기 기본 튜브체와 상기 연결 튜브체가 연결되면, 상기 유연부는 상기 기본 곡선부를 완전히 커버하도록 배치되어, 상기 유연부의 적어도 일부가 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지고, 상기 연결 튜브체의 전방측 단부가 상기 기본 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되며, 상기 기본 튜브체와 상기 연결 튜브체를 상대적으로 전후진 또는 회전시켜 상기 연결 튜브체의 전방측 단부의 위치 및 방향을 조절할 수 있는 튜브 연속체 로봇에 관한 것이다.

Description

선형 제어가 가능한 튜브체를 구비하는 튜브 연속체 로봇{Tube continuum robot having a tube body capable of linear control}
본 발명은 선형 제어가 가능한 튜브체를 구비하는 튜브 연속체 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중공의 튜브체를 긴 관로 내로 삽입하여 소정 작업을 수행할 수 있는 튜브 연속체 로봇에 관한 것이다.
긴 중공의 튜브체를 협소 공간에 삽입하여 소정 작업을 수행할 수 있는 튜브 삽입장치로는 대표적으로 최소침습수술을 위한 미세 수술용 기기 등이 있다.
최소침습수술이란 배를 열지 않고 절개 부위를 최소화해 시행하는 수술로, 절개 부위가 작아 흉터나 후유증이 거의 없고 회복이 빠른 장점이 있다.
이러한 최소침습수술을 위한 미세 수술용 기기들은 협소 공간 내에서 수술 등의 소정 작업을 수행하여야 하므로, 제작 및 그 제어에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
종래의 미세 수술용 기기는 곡률을 가진 초탄성의 형상기억합금을 재료로 제조된다. 상기 기기는 지름과 곡률이 서로 다른 튜브를 서로 겹쳐 움직임으로써 소정 작업을 수행할 수 있다. 또한, 상기 기기는 튜브끼리의 상호작용으로 인한 입력 각도에 따라 엔드 이펙터(end-effector)의 위치를 제어할 수 있다.
종래 기술에 따르면, 에너지 식을 사용해 겹쳐진 튜브가 가질 수 있는 에너지를 최소화하는 결과 각도를 통해 엔드 이펙터의 최종 위치를 예측하게 된다.
구체적으로, 상기 각각의 튜브는 서로 독립적으로 회전 또는 전후진 이동이 수행될 수 있다. 상기 각각의 튜브를 적절히 회전 및/또는 평행 이동시킴으로써, 기기가 삽입되는 공간의 형상에 대응하여 상기 각각의 튜브가 적절히 굴곡될 수 있고, 최종적으로 엔드 이펙터를 원하는 위치에 위치시킬 수 있다.
하지만, 종래에는 상기 복수의 튜브가 서로 간섭되는 관계를 고려하여 상기 엔드 이펙터의 위치를 제어하여야 하므로 상기 엔드 이펙터의 위치 제어를 위한 계산식이 복잡해지는 문제가 있었다.
또한, 종래 기술에 따르면 복수의 튜브가 서로 삽입되거나 또는 서로 감싸도록 배치되므로 상기 튜브 각각에는 소정의 곡률을 가지는 곡선 영역이 형성된다. 따라서 상기 복수의 튜브는 상기 곡선 영역에서 간섭 현상이 발생하게 되고, 결과적으로 상기 엔드 이펙터가 원하는 위치에 정확하게 위치하지 못하는 문제가 있었다.
미국 특허출원공개 2013/0018303호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미세 튜브체의 위치를 제어하기 위한 계산식을 간단한 선형 수학식으로 도출하는 것이 가능하므로 상기 미세 튜브체의 전단에 연결된 엔드 이펙터의 방향을 효과적으로 조절할 수 있는 튜브 연속체 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 연속체 로봇은, 직선으로 연장되는 기본 직선부와, 상기 기본 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러진 기본 곡선부를 포함하는 기본 튜브체 및 유연하게 구부러질 수 있는 유연부가 구비되고, 상기 기본 튜브체의 내부에 삽입되거나 또는 상기 기본 튜브체의 외부를 감싸도록 형성되어 상기 기본 튜브체와 연결되는 연결 튜브체를 포함하고, 상기 유연부는 상기 기본 곡선부의 길이 이상의 길이를 가지고, 상기 기본 튜브체와 상기 연결 튜브체가 연결되면, 상기 유연부는 상기 기본 곡선부를 완전히 커버하도록 배치되어, 상기 유연부의 적어도 일부가 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지고, 상기 연결 튜브체의 전방측 단부가 상기 기본 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되며, 상기 기본 튜브체와 상기 연결 튜브체를 상대적으로 전후진 또는 회전시켜 상기 연결 튜브체의 전방측 단부의 위치 및 방향을 조절할 수 있다.
상기 연결 튜브체는, 상기 기본 튜브체의 외부를 감싸도록 형성되고, 상기 기본 곡선부를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지는 외측 유연부를 구비하는 외측 연결 튜브체와, 상기 기본 튜브체의 내부에 삽입되도록 형성되고, 상기 기본 곡선부를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지는 내측 유연부를 구비하는 내측 연결 튜브체를 포함하고, 상기 기본 튜브체, 상기 내측 연결 튜브체 및 상기 외측 연결 튜브체는 각각 독립적으로 전후진 또는 회전 가능하다.
상기 외측 연결 튜브체의 전방측 단부는 상기 기본 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되고, 상기 내측 연결 튜브체의 전방측 단부는 상기 외측 연결 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되며, 상기 기본 튜브체, 상기 내측 연결 튜브체 및 상기 외측 연결 튜브체를 각각 상대적으로 전후진 또는 회전시켜, 상기 내측 연결 튜브체의 전방측 단부의 위치 및 방향을 조절할 수 있다.
상기 외측 연결 튜브체는 직선으로 연장되는 외측 직선부와, 상기 외측 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러진 외측 곡선부를 포함하고, 상기 외측 유연부는 상기 외측 직선부 상에 형성되며, 상기 외측 곡선부는 상기 기본 곡선부보다 전방에 더 배치되어 상기 기본 곡선부를 커버하지 않는다.
상기 내측 유연부는 상기 기본 곡선부 및 상기 외측 곡선부를 모두 커버할 수 있는 길이로 형성된다.
상기 내측 유연부는, 상기 기본 곡선부를 커버하도록 형성되는 제1 내측 유연부와, 상기 외측 곡선부를 커버하도록 형성되는 제2 내측 유연부를 포함한다.
상기 내측 연결 튜브체는 직선으로 연장되는 내측 직선부와, 상기 내측 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러진 내측 곡선부를 포함하고, 상기 내측 유연부는 상기 내측 직선부 상에 형성되며, 상기 내측 곡선부는 상기 외측 곡선부보다 전방에 더 배치되어 상기 외측 곡선부를 커버하지 않는다.
상기 내측 연결 튜브체의 전방측 단부에는 상기 내측 연결 튜브체가 삽입된 작업 공간 내에서 작업을 수행할 수 있는 엔드 이펙터가 형성된다.
상기 기본 튜브체는 상기 기본 곡선부의 전방에서 직선으로 연장되는 기본 연장부를 더 포함하고, 상기 외측 연결 튜브체는 상기 외측 곡선부의 전방에서 직선으로 연장되는 외측 연장부를 더 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브체 각각의 형상을 보여주는 도면이다.
도 2는 상기 튜브체가 결합된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 튜브체가 결합된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유연부의 형상을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 B 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유연부의 형상을 보여주는 도면이다.
도 7은 간단한 선형 수학식으로 튜브체의 위치가 제어될 수 있음을 보여주는 개념도이다.
도 8은 상기 튜브체의 위치를 제어하기 위한 수식을 보여주는 도면이다.
도 9a는 상기 튜브체의 회전 이동을 설명하기 위한 도면이고, 도 9b는 상기 튜브체의 전후진 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브체의 회전 또는 전후진 이동을 위한 구성을 보여주는 튜브 삽입장치의 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브체 각각의 형상을 보여주는 도면이고, 도 2는 상기 튜브체가 결합된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 튜브(5)는 직경이 서로 다른 복수의 튜브체(10, 20, 30)를 포함한다. 상기 복수의 튜브체는 최외측에 배치되고 다른 튜브체 보다 상대적으로 큰 직경을 가지는 외측 연결 튜브체(30)와, 상기 외측 연결 튜브체(30)의 내부에 삽입되고 다른 튜브체 보다 상대적으로 작은 직경을 가지는 내측 연결 튜브체(10)와, 상기 외측 연결 튜브체(30)와 내측 연결 튜브체(10)의 사이에 배치되는 기본 튜브체(20)를 포함한다.
즉, 상기 기본 튜브체(20)는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 내부에 삽입되고 상기 내측 연결 튜브체(10)를 감싸도록 구성된다.
상기 기본 튜브체(20)는 직선으로 연장되는 기본 직선부(21)와, 상기 기본 직선부(21)의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러지는 기본 곡선부(22)를 포함한다.
상기 외측 연결 튜브체(30)는 직선으로 연장되는 외측 직선부(31)와, 상기 외측 직선부(21)의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러지는 외측 곡선부(32)를 포함한다.
이와 마찬가지로, 상기 내측 연결 튜브체(10)는 직선으로 연장되는 내측 직선부(11)와, 상기 내측 직선부(11)의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러지는 내측 곡선부(12)를 포함한다.
상기 튜브체(10, 20, 30)는 서로 삽입되거나 또는 서로 감싸는 위치 관계를 가진다. 따라서, 상기 각각의 곡선부(12, 22, 32)의 단부에는 상기 곡선부(12, 22, 32)의 전방에서 직선으로 연장되는 연장부(13, 23, 33)가 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 기본 튜브체(20)는 상기 기본 곡선부(22)의 전방에서 직선으로 연장되는 기본 연장부(23)를 더 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 외측 연결 튜브체(30)는 상기 외측 곡선부(32)의 전방에서 직선으로 연장되는 외측 연장부(33)를 더 포함할 수 있고, 상기 내측 연결 튜브체(10)는 상기 내측 곡선부(12)의 전방에서 직선으로 연장되는 내측 연장부(13)를 더 포함할 수 있다.
상기 각각의 연장부(13, 23, 33)는 상기 튜브체(10, 20, 30)의 결합시 각각의 튜브체(10, 20, 30)가 정위치에 배치되도록 조절하는 역할을 수행한다.
상기 외측 직선부(31)에는 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 기본 곡선부(22)의 형상에 대응하여 구부러지는 외측 유연부(35)가 형성된다.
본 명세서에 있어서, "완전히 커버한다"의 의미는 제1 구성이 제2 구성의 길이 보다 길게 형성되어 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 제2 구성의 길이 전체를 내측 또는 외측에서 커버한다는 의미로 해석되어야 한다.
즉, 상기 외측 유연부(35)는 상기 기본 곡선부(22)의 길이 보다 길게 형성되어 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 기본 곡선부(22)의 길이 전체를 외측에서 커버한다.
만약, 상기 외측 유연부(35)가 상기 기본 곡선부(22)의 길이 보다 길게 형성된다면, 상기 외측 유연부(35)는 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버한 상태에서 상기 기본 직선부(21) 및/또는 상기 기본 연장부(23)를 완전히 커버하거나 또는 일부를 커버할 수 있다.
본 명세서에 있어서, "일부를 커버한다"의 의미는 튜브체의 길이 방향을 따라 제1 구성이 제2 구성의 길이 중 일부만을 내측 또는 외측에서 커버한다는 의미로 해석되어야 한다.
상기 내측 연결 튜브체(10)에는, 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 기본 곡선부(22)의 형상에 대응하여 구부러지는 제 1 내측 유연부(16)와, 상기 외측 곡선부(32)를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 외측 곡선부(32)의 형상에 대응하여 구부러지는 제 2 내측 유연부(15)를 포함한다.
즉, 상기 제 1 내측 유연부(16)는 상기 기본 곡선부(22)의 길이 보다 길게 형성되어 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 기본 곡선부(22)의 길이 전체를 내측에서 커버한다. 이와 마찬가지로, 상기 제 2 내측 유연부(15)는 상기 외측 곡선부(32)의 길이 보다 길게 형성되어 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 외측 곡선부(32)의 길이 전체를 내측에서 커버한다.
상기 외측 연결 튜브체(30)의 전방측 단부는 상기 기본 튜브체(20)의 전방측 단부 보다 상대적으로 더 전방에 배치된다. 구체적으로, 튜브 삽입 장치를 기준으로, 상기 외측 연결 튜브체(30)의 외부로 돌출되는 길이는 상기 기본 튜브체(20)의 외부 돌출 길이 보다 상대적으로 길게 형성된다.
이와 마찬가지로, 상기 내측 연결 튜브체(10)의 전방측 단부는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 전방측 단부 보다 상대적으로 더 전방에 배치된다. 구체적으로, 튜브 삽입 장치를 기준으로, 상기 내측 연결 튜브체(10)의 외부로 돌출되는 길이는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 외부 돌출 길이 보다 상대적으로 길게 형성된다.
즉, 상기 내측 연결 튜브체(10)의 전방측 단부는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 전방측 단부와, 기본 튜브체(20)의 전방측 단부 보다 상대적으로 더 전방에 배치된다. 따라서 상기 내측 연결 튜브체(10)의 전방측 단부에는 상기 내측 연결 튜브체(10)가 삽입된 작업 공간 내에서 작업을 수행할 수 있는 엔드 이펙터(1100)가 형성된다.
또한 상기 기본 튜브체(20)와 각각의 연결 튜브체(10, 30)는 서로 독립적으로 전후진 또는 회전이 가능하다. 따라서 상기 각각의 튜브체(10, 20, 30)를 서로 독립적으로 회전 또는 전후진 이동하여 상기 엔드 이펙터(1100)의 위치를 제어할 수 있다.
상기 외측 유연부(35)는 상기 외측 직선부(31) 상에 형성된다. 따라서 외측 곡선부(32)는 상기 기본 곡선부(22) 보다 전방에 더 배치되어 상기 기본 곡선부(22)를 커버하지 않는다.
본 명세서에 있어서, "커버하지 않는다"의 의미는 튜브체의 길이 방향을 기준으로 제1 구성과 제2 구성이 서로 전혀 겹치지 않는다는 의미로 해석되어야 한다.
이와 마찬가지로, 상기 제 1 내측 유연부(16)와 상기 제 2 내측 유연부(15)는 상기 내측 직선부(11) 상에 형성된다. 따라서 상기 내측 곡선부(12)는 상기 외측 곡선부(32) 및 상기 기본 곡선부(22) 보다 전방에 더 배치되어 상기 외측 곡선부(32) 및 기본 곡선부(22)를 커버하지 않는다.
상기 각각의 튜브체(10, 20, 30)는 강성의 재료로 제조된다. 다만 위에서 설명한 것처럼, 상기 외측 연결 튜브체(30)에는 소정의 탄성력을 가지는 외측 유연부(35)가 형성되고, 상기 내측 연결 튜브체(10)에는 소정의 탄성력을 가지는 제 1 내측 유연부(16)와 제 2 내측 유연부(15)가 형성된다.
상기 외측 유연부(35)와 제 1 내측 유연부(16)는 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하고, 상기 제 2 내측 유연부(15)는 상기 외측 곡선부(32)를 완전히 커버한다. 따라서 상기 튜브체 각각의 곡선부에서는 상기 튜브체 사이의 간섭 현상이 발생되지 않는다.
상기 외측 연결 튜브체(30)와 내측 연결 튜브체(10) 사이에는 양 구성의 위치를 고정하기 위한 스페이서(미도시)가 설치될 수 있다. 구체적으로, 상기 스페이서(미도시)는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 내면과 상기 내측 연결 튜브체(10)의 외면 사이에 배치되어 상기 각각의 연결 튜브체(10, 30)가 서로 꼬이거나 얽히는 것을 방지할 수 있다.
도 3에서는, 상기 내측 연결 튜브체(10)에 형성되는 유연부의 개수가 하나인 실시 예를 도시하고 있다.
본 실시 예에 따른 내측 유연부(17)는 상기 기본 곡선부(22)와, 상기 외측 곡선부(32)를 모두 완전히 커버할 수 있는 길이로 형성된다. 위에서 설명한 것처럼, 상기 내측 유연부(17)는 소정의 탄성력을 가지므로 상기 기본 곡선부(22)와 외측 곡선부(32)의 형상에 따라 상기 유연부(17)의 형상이 변화하여 구부러진다.
상기 튜브체(10, 20, 30) 사이의 간섭 현상은 상기 기본 곡선부(22)와 상기 외측 곡선부(32)에서 발생하게 된다. 다만, 상기 기본 곡선부(22)와 상기 외측 곡선부(32)에 대응하는 부분에 상기 내측 유연부(17)가 형성되므로, 상기 튜브체의 곡선부에서 간섭 현상이 발생되는 것을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 상기 내측 유연부(17)에 의해 간단한 선형 방정식으로도 상기 튜브체(10, 20, 30)의 위치가 제어될 수 있다.
도 4 및 도 5에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유연부를 구현하는 방식이 도시되어 있다. 본 실시 예에서는 외측 연결 튜브체(30)에 형성되는 외측 유연부(35)를 예로 들어 설명한다.
상기 외측 유연부(35)는 외측 직선부(31) 상에 형성되고, 튜브체의 길이 방향을 따라 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버한다.
상기 외측 유연부(35)에는 복수의 홀(36)이 형성된다. 상기 외측 유연부(35)는 상기 복수의 홀(36)에 의해 소정의 탄성력을 가지게 되고, 이에 따라 상기 외측 유연부(35)가 상기 기본 곡선부(22)의 형상에 대응하여 구부러진다. 상기 복수의 홀(36)은 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 즉, 상기 튜브체(10, 30)에 소정의 탄성력을 제공하는 것이 가능하다면, 상기 홀(36)의 개수 또는 형상에는 그 제한이 없다.
도 6에서는, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유연부를 구현하는 방식이 도시되어 있다. 이전 실시 예와 마찬가지로 본 실시 예에서도 상기 외측 연결 튜브체(30)에 형성되는 외측 유연부(35)를 예로 들어 설명한다.
상기 외측 유연부(35)에는 소정의 탄성력을 가지는 탄성부재(37)가 설치될 수 있다. 상기 탄성부재(37)는 스프링, 코일 등과 같이 탄성력을 가지는 재질로 구성될 수 있다.
도 7에서는 간단한 선형 수학식으로 튜브체의 위치가 제어될 수 있음을 보여주는 개념도가 도시되어 있다.
본 실시 예에 있어서, 상기 각각의 튜브체(10, 20, 30)는 서로 독립적으로 회전 또는 전후진 이동이 이루어진다. 따라서, 상기 튜브체(10, 20, 30)의 이동에 영향을 끼치는 인자는 총 6개로 구성된다. 구체적으로, 상기 기본 튜브체(20)의 회전과 전후진 이동의 매개변수는 θ1과 d1이고, 상기 외측 연결 튜브체(30)의 회전과 전후진 이동의 매개변수는 θ2와 d2이고, 상기 내측 연결 튜브체(10)의 회전과 전후진 이동의 매개변수는 θ3와 d3이다. 즉, 상기 튜브체(10, 20, 30)는 상기 6개의 매개변수의 값에 따라 서로 독립적으로 이동하여 사용자가 원하는 위치에 상기 튜브체(10, 20, 30)를 위치시킬 수 있다.
종래에는, 서로 삽입되거나 또는 서로 감싸는 배치 관계를 가지는 복수의 튜브에는 소정의 곡률을 가지는 곡선 영역이 형성된다. 상기 곡선 영역에서는 복수의 튜브 사이의 간섭 현상이 발생하게 되고, 이러한 간섭 현상에 의해 튜브체의 위치를 제어하는 계산식이 복잡해지는 문제가 있었다.
다만 본 발명에 따르면, 상기 외측 유연부(35)와 제 1 내측 유연부(16)(또는 내측 유연부(17))는 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하고, 상기 제 2 내측 유연부(15)(또는 내측 유연부(17))는 상기 외측 곡선부(32)를 완전히 커버하므로 튜브체의 곡선부에서 발생되는 간섭 현상을 방지할 수 있다. 따라서 사용자는 도 7에 도시된 것처럼 간단한 선형 방정식을 해결하는 것만으로도 상기 튜브체(10, 20, 30)의 위치를 제어할 수 있는 것이다.
상기 6개의 매개변수의 값을 구하기 위해서는 6개의 수학식이 필요하다. 상기 수학식은 도 8로부터 도출할 수 있다. 구체적으로, 상기 각각의 튜브체의 곡선부(12, 22, 32)가 시작되는 지점과 상기 곡선부(12, 22, 32)의 종료 지점에 대한 방향 벡터와 위치 벡터를 구하게 되면, 상기 벡터값을 통해 각 지점에 대한 수학식을 도출할 수 있다.
도 8에 도시된 것처럼, 상기 튜브체의 곡선부(12, 22, 32)가 시작되는 지점을 제 1 조인트(J1), 제 3 조인트(J3), 제 5 조인트(J5)라 하고, 상기 곡선부(12, 22, 32)가 종료되는 지점을 제 2 조인트(J2), 제 4 조인트(J4), 제 6 조인트(J6)라 한다.
상기 제 1 내지 제 6 조인트(J1 내지 J6)의 방향 벡터와 위치 벡터는 아래의표와 수학식을 통해 도출할 수 있다.
종류 방향 벡터 위치 벡터
제 1 조인트(J1) [0, 0, 1] q1
제 2 조인트(J2) [0, 0, 0] q2
제 3 조인트(J3) [sin(α1), 0, cos(α1)] q3
제 4 조인트(J4) [0, 0, 0] q4
제 5 조인트(J5) [sin(α1-α2), 0, cos(α1-α2)] q5
제 6 조인트(J6) [0, 0, 0] q6
q1 내지 q6의 값은 아래의 식을 이용하여 도출할 수 있다.
q1 = [0, 0, 0]´
q2 = [0, 0, d/2]´
q3 = q2 + r₁[1-cos(α₁), 0, sin(α₁)]´ + d/2[sin(α₁), 0, cos(α₁)]´
q4 = [sin(α₁), 0, cos(α₁)]´
q5 = q3 + 2r₂sin(α₂/2)[sin(α₁-α₁/2), 0, cos(α₁-α₂/2)]´ + d[sin(α₁), 0, cos(α₁)]´ + d/2[sin(α₁-α₂), 0, cos(α₁-α₂)]´
q6 = [sin(α₁-α₂), 0, cos(α₁-α₂)]´
xz 평면을 기준으로, 상기 제 1 조인트(J1)에서 상기 튜브체(5)의 길이 방향으로 연장되는 접선에 대한 법선을 x1이라 하고, 상기 제 2 조인트(J2)에서 상기 튜브체(5)의 길이 방향으로 연장되는 접선에 대한 법선을 x2라 하면, 상기 x1과 x2가 이루는 각도는 α₁이다. 이와 마찬가지로, xz 평면을 기준으로, 상기 제 3 조인트(J3)에서 상기 튜브체(5)의 길이 방향으로 연장되는 접선에 대한 법선을 x3이라 하고, 상기 제 4 조인트(J4)에서 상기 튜브체(5)의 길이 방향으로 연장되는 접선에 대한 법선을 x4라 하면, 상기 x3와 x4가 이루는 각도는 α₂이다.
그리고, 상기 d는 상기 기본 곡선부(22)의 종료 지점과 외측 곡선부(32)의 시작 지점 사이의 거리를 의미한다.
상기 α₁, α₂, d의 값을 위의 수학식에 대입하면, 상기 제 1 내지 제 6 조인트(J1 내지 J6)의 방향 벡터와 위치 벡터를 도출할 수 있고, 결과적으로 튜브체(10, 20, 30)의 회전 또는 전후진 이동을 제어하여 사용자가 원하는 위치에 상기 튜브체(10, 20, 30)를 위치시킬 수 있다.
상기 튜브체(10, 20, 30) 각각은 서로 독립적으로 회전 또는 전후진이 수행될 수 있다. 예를 들어 도 9a에서는 상기 튜브체(10, 20, 30)가 180도 회전되는 모습이 도시되어 있다. 이에 더하여, 상기 기본 튜브체(20), 내측 연결 튜브체(10) 및 외측 연결 튜브체(30)는 서로 독립적으로 회전이 가능하므로 상기 튜브체(10, 20, 30)의 회전에 의하여 상기 엔드 이펙터(1100)의 이동 범위가 더욱 넓어질 수 있다.
도 9b에서는 상기 내측 연결 튜브체(10)가 독립적으로 전후진 이동이 이루어지는 모습이 도시되어 있다. 상기 도 9b에서는 상기 내측 연결 튜브체(10)의 독립적인 전후진 이동을 도시하였으나 상기 기본 튜브체(20)와 외측 연결 튜브체(30)도 독립적으로 전후진 이동이 가능함을 밝혀둔다. 다만, 상기 각각의 튜브체(10, 20, 30)의 전후진 이동은 상기 외측 유연부(35)와 상기 제 1 내측 유연부(16)(또는 내측 유연부(17))가 상기 기본 곡선부(22)를 완전히 커버하고, 상기 제 2 내측 유연부(17)(또는 내측 유연부(17))가 상기 외측 곡선부(32)를 완전히 커버하는 범위 이내에서만 가능할 것이다.
이하에서는, 상기 튜브체(10, 20, 30)가 서로 독립적으로 이동하도록 동력을 제공하는 튜브 삽입장치에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브체의 회전 또는 전후진 이동을 위한 구성을 보여주는 튜브 삽입장치의 사시도이다.
도 10을 참조하면, 상기 내측 연결 튜브체(10)의 전방측 단부에는 상기 내측 연결 튜브체(10)가 삽입된 작업 공간 내에서 소정 작업을 수행할 수 있는 엔드 이펙터(1100)가 형성된다.
상기 외측 연결 튜브체(30)의 후단부는 제3고정몸체(1500)에 고정된다. 기본 튜브체(20)의 후단부는 상기 외측 연결 튜브체(30)의 후단을 통해 제3고정몸체(1500)를 통과하여 제2고정몸체(1400)에 고정된다. 내측 연결 튜브체(10)의 후단부는 기본 튜브체(20)의 후단을 통해 제2고정몸체(1400)를 통과하여 고정몸체(1300)에 고정된다.
제2고정몸체(1400)는 상기 고정몸체(1300)와 유사하게 모터(미도시)에 의해 회전하는 기어(1404, 1405)를 통해 기본 튜브체(20)를 그 길이방향 축을 중심으로 회전시킬 수 있다.
제3고정몸체(1500) 또한, 모터(미도시)에 의해 회전하는 기어(1504, 1505)를 통해 외측 연결 튜브체(30)를 그 길이방향 축을 중심으로 회전시킬 수 있다.
이와 같은 구성에 따라서, 고정몸체(1300), 제2고정몸체(1400) 및 제3고정몸체(1500)는 각각 내측 연결 튜브체(10), 기본 튜브체(20) 및 외측 연결 튜브체(30)를 각각 서로 독립적으로 회전시킬 수 있다.
또한, 프레임(1700)에는 그 길이 방향으로 복수의 수평바(1701 내지 1705)가 형성되어 있고, 복수의 수평바(1701 내지 1705)는 고정몸체(1300), 제2고정몸체(1400) 및 제3고정몸체(1500)에 형성된 관통공을 통해 연장된다.
수평바 중 상부의 두 수평바(1704, 1705)는 고정몸체들을 정렬하기 위한 정렬용으로 사용되고, 나머지 세 수평바(1701, 1702, 1703)는 각각 고정몸체(1300), 제2고정몸체(1400) 및 제3고정몸체(1500)를 전후진 시키기 위한 이송용으로 사용된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 세 수평바(1701, 1702, 1703)의 후단에는 각각 제1내지 제3모터(1601 내지 1603)가 연결되고, 세 수평바(1701, 1702, 1703)의 표면에는 나사산이 형성되어 있다.
고정몸체(1300)에는 제1수평바(1701)의 나사산과 나사결합하는 너트(1710)가 고정되어, 제1모터(1601)가 회전하면 고정몸체(1300)는 제1수평바(1701)를 따라 전후진 이동할 수 있다. 반면, 제1수평바(1701)는 제2고정몸체(1400)와 제3고정몸체(1500)를 그대로 통과하며, 제2고정몸체(1400)와 제3고정몸체(1500)는 제1수평바(1701)의 회전에 의해 이동하지 않는다.
고정몸체(1300)가 전후진함에 따라서, 그와 결합된 내측 연결 튜브체(10)도 함께 전후진 이동한다.
유사하게, 제2고정몸체(1400)에는 제2수평바(1702)의 나사산과 나사결합하는 너트(미도시)가 고정되어, 제2모터(1602)가 회전하면 제2고정몸체(1400)는 제2수평바(1702)를 따라 전후진 이동할 수 있다. 반면, 제2수평바(1702)는 고정몸체(1300)와 제3고정몸체(1500)를 그대로 통과하여, 고정몸체(1300)와 제3고정몸체(1500)는 제2수평바(1702)의 회전에 의해 이동하지 않는다. 제2고정몸체(1400)의 전후진 이동하면 기본 튜브체(20)가 함께 전후진하게 된다.
또한, 제3고정몸체(1500)에는 제3수평바(1703)의 나사산과 나사결합하는 너트(미도시)가 고정되어, 제3모터(1603)가 회전하면 제3고정몸체(1500)는 제3수평바(1703)를 따라 전후진 이동할 수 있다. 반면, 제3수평바(1703)는 고정몸체(1300)와 제2고정몸체(1400)를 그대로 통과하여, 고정몸체(1300)와 제2고정몸체(1400)는 제3수평바(1703)의 회전에 의해 이동하지 않는다. 제3고정몸체(1500)의 전후진 이동하면 외측 연결 튜브체(30)가 함께 전후진하게 된다.
위와 같은 구성에 따르면, 내측 연결 튜브체(10), 기본 튜브체(20) 및 외측 연결 튜브체(30)가 서로에 대해 독립적으로 평행이동할 수 있게 된다.
이와 같은 원리로 내측 연결 튜브체(10), 기본 튜브체(20) 및 외측 연결 튜브체(30) 각각을 적절히 회전 및/또는 평행 이동시킴으로써, 기기가 삽입되는 공간의 형상에 대응하여 3개의 튜브체(10, 20, 30)의 위치를 조절할 수 있고, 최종적으로 엔드 이펙터(1100)를 원하는 위치에 위치시킨 후 방향 전환을 통해 적절한 작업을 수행할 수 있는 것이다.

Claims (9)

  1. 직선으로 연장되는 기본 직선부와 상기 기본 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지고 구부러진 기본 곡선부를 포함하고, 강성 재료로 제조되는 기본 튜브체;
    상기 기본 튜브체의 외부를 감싸도록 형성되고, 상기 기본 곡선부를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지도록 가요성 재료로 제조되는 외측 유연부를 구비하는 외측 연결 튜브체; 및
    상기 기본 튜브체의 내부에 삽입되도록 형성되고, 상기 기본 곡선부를 완전히 커버하도록 배치되어 상기 기본 곡선부의 형상에 대응하여 구부러지도록 가요성 재료로 제조되는 내측 유연부를 구비하는 내측 연결 튜브체를 포함하고,
    상기 외측 연결 튜브체는, 직선으로 연장되고 일 부분에 상기 외측 유연부가 형성되는 외측 직선부와, 상기 외측 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지도록 구부러지며 강성 재료로 제조되는 외측 곡선부로 구성되고,
    상기 내측 연결 튜브체는 직선으로 연장되고 일 부분에 상기 내측 유연부가 형성되는 내측 직선부와, 상기 내측 직선부의 전방에서 연장되고 소정의 곡률을 가지도록 구부러지며 강성 재료로 제조되는 내측 곡선부로 구성되고,
    상기 외측 유연부와 상기 내측 유연부는 상기 기본 곡선부의 길이 이상의 길이를 가지고, 상기 내측 유연부는 상기 외측 곡선부의 길이 이상의 길이를 가지며,
    상기 기본 곡선부는 상기 외측 유연부와 상기 내측 유연부 사이에 배치되고 상기 기본 곡선부의 외측과 내측이 각각 상기 외측 유연부와 상기 내측 유연부에 의해 완전히 커버됨으로써 상기 기본 곡선부의 선형 제어가 이루어지고,
    상기 외측 곡선부는 내측이 상기 내측 유연부에 의해 완전히 커버됨으로써 상기 외측 곡선부의 선형 제어가 이루어지며,
    상기 외측 연결 튜브체의 전방측 단부는 상기 기본 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되고, 상기 내측 연결 튜브체의 전방측 단부는 상기 외측 연결 튜브체의 전방측 단부보다 더 전방에 배치되며,
    상기 기본 튜브체와, 상기 외측 연결 튜브체와, 상기 내측 연결 튜브체를 상대적으로 전후진 또는 회전시켜 상기 내측 연결 튜브체의 전방측 단부의 위치 및 방향을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 튜브 연속체 로봇.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 곡선부는 상기 기본 곡선부보다 전방에 더 배치되어 상기 기본 곡선부를 커버하지 않는 것을 특징으로 하는 튜브 연속체 로봇.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 내측 유연부는 상기 기본 곡선부 및 상기 외측 곡선부를 모두 커버할 수 있는 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 튜브 연속체 로봇.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 내측 유연부는,
    상기 기본 곡선부를 커버하도록 형성되는 제1 내측 유연부와,
    상기 외측 곡선부를 커버하도록 형성되는 제2 내측 유연부를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브 연속체 로봇.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 내측 곡선부는 상기 외측 곡선부보다 전방에 더 배치되어 상기 외측 곡선부를 커버하지 않는 것을 특징으로 하는 튜브 연속체 로봇.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측 연결 튜브체의 전방측 단부에는 상기 내측 연결 튜브체가 삽입된 작업 공간 내에서 작업을 수행할 수 있는 엔드 이펙터가 형성되는 것을 특징으로 하는 튜브 연속체 로봇.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 기본 튜브체는 상기 기본 곡선부의 전방에서 직선으로 연장되는 기본 연장부를 더 포함하고,
    상기 외측 연결 튜브체는 상기 외측 곡선부의 전방에서 직선으로 연장되는 외측 연장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브 연속체 로봇.
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