KR101703052B1 - 복수의 직선 운동을 2 자유도 운동으로 변환하는 운동 변환 기구 - Google Patents

복수의 직선 운동을 2 자유도 운동으로 변환하는 운동 변환 기구 Download PDF

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Abstract

운동 변환 기구는 프레임; 상기 프레임에 대해 직선 이동 가능하게 연결되는 복수의 보조 이동체; 상기 복수의 보조 이동체를 상기 프레임에 대해 운동시키는 복수의 액츄에이터; 상기 복수의 보조 이동체에 둘러싸여 상기 복수의 보조 이동체와 연결되는 주 이동체; 및 위치가 고정된 회전축을 중심으로 회전하며, 내측에 중공이 형성되는 회전체를 포함하며, 상기 복수의 보조 이동체를 선택적으로 운동시켜 상기 주 이동체의 위치를 조정하고, 상기 회전체는 상기 중공에 삽입되어 상기 주 이동체의 운동에 의해 회전한다.

Description

복수의 직선 운동을 2 자유도 운동으로 변환하는 운동 변환 기구{APPARATUS FOR CONVERTING A PLURALITY OF LINEAR MOVEMENT INTO TWO DEGREE OF FREEDOM MOVEMENT}
본 발명은 복수의 직선 운동을 2 자유도 운동으로 변환하는 운동 변환 기구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 액츄에이터에 의한 직선 운동을 이용하여 하나의 2 자유도 운동으로 변환할 수 있는 운동 변환 기구에 관한 것이다.
최근 다양한 기술 및 산업 분야에서 고토크(High-torque) 구동 시스템이 각종 장치의 핵심 구성 요소로써 활용되고 있다. 특히, 로보틱스(robotics), 의료 및 우주 항공 분야와 같은 특수 분야에서도 이러한 고토크 구동 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다.
고토크 구동 시스템과 관련된 종래 기술의 경우, 회전 모터를 이용하여 고토크의 출력을 발생시키기 위해서는, 회전 모터의 출력축을 별도의 추가적인 감속기의 입력축과 결합하여야 했다. 입력된 고속-저토크의 회전 운동은 연결된 감속기의 기어비만큼 저속-고토크의 회전 운동으로 변환되어 출력된다.
그러나, 종래의 방식은 다수의 기어를 사용한 감속기를 사용함에 따라 구조가 복잡한 문제점이 있다. 또한, 회전 모터에 감속기를 추가로 결합함에 따라 차지하는 부피가 증가되는 문제점도 있다.
상술한 특수 분야의 경우, 더욱 정밀한 조작이 요구됨에 따라 보다 간단한 구조로 고토크 출력을 얻을 수 있는 구조가 필요하다. 특히, 마이크로 단위의 동작이 수행되는 분야에서는, 구동 시스템이 차지하는 부피를 최소화할 수 있는 간단한 구조에 대한 요구가 더욱 커지고 있다.
본 발명은 전술한 종래의 고토크 구동 시스템의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 복수의 직선 운동을 순차적으로 제어하여 2 자유도 운동으로 변환할 수 있는 운동 변환 기구를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 변환 기구는 프레임; 상기 프레임에 대해 직선 이동 가능하게 연결되는 복수의 보조 이동체; 상기 복수의 보조 이동체를 상기 프레임에 대해 운동시키는 복수의 액츄에이터; 및 상기 복수의 보조 이동체에 둘러싸여 상기 복수의 보조 이동체와 연결되며, 내측에 중공이 형성되는 주 이동체를 포함하고, 상기 복수의 보조 이동체를 선택적으로 운동시켜 상기 주 이동체의 위치를 조정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 이동체는 보조 지지체에 의해 상기 프레임에 연결되고, 상기 보조 지지체는 탄성 재질로 형성되어, 상기 보조 이동체의 위치 이동시 상기 보조 이동체를 원위치시키는 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주 이동체는 주 지지체에 의해 상기 보조 이동체에 연결되고, 상기 주 지지체는 탄성 재질로 형성되어, 상기 주 이동체의 위치 이동 시 상기 주 이동체를 원위치시키는 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 지지체는 상기 보조 이동체의 이동 방향과 수직한 방향으로 연장되는 판 스프링이고, 상기 주 지지체는 상기 보조 지지체와 수직한 방향으로 연장되는 판 스프링일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 이동체의 보조 지지체 및 주 지지체는 그와 인접한 보조 이동체의 보조 지지체 및 주 지지체와 폐루프를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 보조 이동체는 두 개씩 짝을 이루고, 짝을 이루는 두 개의 보조 이동체는 상기 주 이동체를 중심으로 마주하도록 배치되어, 서로 동일한 방향으로 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 짝을 이루는 두 개의 보조 이동체 중 하나의 보조 이동체가 액츄에이터에 의해 이동하여 상기 주 이동체의 위치 이동을 유발하고, 상기 짝을 이루는 두 개의 보조 이동체 중 다른 하나의 보조 이동체는 상기 주 이동체에 의해 위치 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 보조 이동체가 상기 주 이동체의 둘레 방향을 따라 배치되어, 상기 주 이동체가 2차원 평면 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주 이동체는 기준 축(axis)을 기준으로 곡선 병진 운동(curvilinear translation)하도록 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 액츄에이터가 그에 연결된 보조 이동체를 이동시키는 동작을 종료하기 전에 상기 제1 액츄에이터와 상기 주 이동체의 둘레 방향으로 인접한 제2 액츄에이터가 그에 연결된 보조 이동체를 이동시키는 동작을 시작하여, 상기 주 이동체를 곡선 병진 운동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 보조 이동체 각각에 액츄에이터가 하나씩 연결되고, 상기 액츄에이터는 그와 연결된 보조 이동체를 일 방향으로만 이동시키도록 구성되며, 상기 주 이동체의 둘레를 따라 배치되는 복수의 액츄에이터를 순차적으로 구동시킴으로써, 상기 주 이동체를 곡선 병진 운동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액츄에이터는 형상기억합금재질의 와이어를 포함하고, 상기 와이어가 수축함에 따라 상기 보조 이동체를 일 방향으로 당길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 보조 이동체는 상기 주 이동체를 중심으로 마주하도록 배치되는 제1 보조 이동체와 제2 보조 이동체를 포함하고, 상기 제1 보조 이동체에 연결되는 제1 와이어가 전류 인가에 따라 수축하면서 상기 제1 보조 이동체를 당기면 상기 주 이동체가 일 방향으로 이동하고, 상기 주 이동체가 이동하여 상기 제2 보조 이동체를 당기면 상기 제2 보조 이동체에 연결되는 제2 와이어가 인장되며 탄성력을 저장하고, 상기 제1 와이어에 가해지는 전류가 제거되면 상기 제2 와이어에 저장된 탄성력에 의해 제2 보조 이동체, 주 이동체 및 제1 보조 이동체가 상기 일 방향과 반대 방향으로 당겨져 상기 주 이동체가 원위치 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주 이동체에는 중공이 형성되고, 상기 중공에는 상기 중공을 관통하는 고정된 회전축을 중심으로 회전 가능한 회전체가 배치되며, 상기 회전체의 직경은 상기 중공의 직경보다 작고, 상기 주 이동체의 중공의 내면과 상기 회전체의 외면은 기어 메커니즘에 의해 체결되며, 상기 주 이동체가 곡선 병진 회전함에 따라 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기어 메커니즘은 인벌류트 평기어, 사이클로이드 기어, 마찰 기어 또는 자석 기어 중 하나로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 변환 기구의 개략적인 평면도이다.
도 2(a) 내지 도 2(c)는 도 1의 운동 변환 기구의 변형 실시예를 도시한 개략적인 평면도이다.
도 3(a) 내지 도 3(d)는 도 1의 운동 변환 기구의 작동 과정의 설명을 위한 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 3(a) 내지 도 3(d)에 도시된 운동 변환 기구의 작동 타이밍에 대한 그래프이다.
도 5는 도 1의 운동 변환 기구에 따른 곡선 병진 운동의 설명을 위한 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 변환 기구에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 변환 기구(100)는 프레임(110)과, 보조 이동체(120)와, 보조 지지체(130)와, 액츄에이터(140)와, 주 이동체(150)와, 주 지지체(160)와, 회전체(170)를 포함한다.
프레임(110)은 다른 구성요소들이 수용되는 내부 공간을 형성한다. 각 구성요소들은 프레임(110)에 직간접적으로 연결되면서 프레임(110)에 의해 지지된다.
프레임(110)은 도 1과 같이 내부와 외부가 분리되도록 형성될 수 있으나, 일부가 개방되어 내부와 외부가 연결되도록 형성되어도 무방하다. 프레임(110)은 일체로 제작되어 본 발명의 구조적인 안정성과 견고함을 증대시킬 수 있다.
본 실시예에서, 프레임(110)은 사각형의 형상을 가지나, 액츄에이터(140)의 갯수와 출력 방향에 따라 그에 적합한 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한, 프레임(110)의 크기, 벽 두께, 재질 등은 설계 조건에 따라 적절하게 선정될 수 있다.
프레임(110)의 내벽 근방에는 복수의 보조 이동체(120)가 분산되어 배치된다. 보조 이동체(120)는 프레임(110) 내부 공간을 둘러싸도록 환형으로 배치된다. 한편, 보조 이동체(120)에 둘러싸이는 프레임(110) 내부 공간의 중앙에는 후술할 주 이동체(150)가 배치된다.
복수의 보조 이동체(120)는 프레임(110)에 대해 직선 이동 가능하게 연결된다. 상측 또는 하측에 배치된 보조 이동체(120)는 상하 방향으로 이동 가능하도록 프레임(110)에 연결될 수 있다. 또한, 좌측 또는 우측에 배치된 보조 이동체(120)는 좌우 방향으로 이동 가능하도록 프레임(110)에 연결될 수 있다.
보조 이동체(120)는 보조 지지체(130)에 의해 프레임(110)에 연결될 수 있다. 보조 지지체(130)는, 연결되는 보조 이동체(120)가 운동하는 방향에 대해 수직한 방향으로 보조 이동체(120) 및 프레임(110)에 연결될 수 있다. 즉, 보조 지지체(130)는 그 단부에 연결된 보조 이동체(120)가 운동하는 방향과 수직한 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 도시된 예에서, 상측에 배치되는 보조 이동체(120)와 연결되는 보조 지지체(130)는 프레임(110)과 횡방향으로 연결된다. 따라서, 상측 보조 이동체(120)는 좌우 방향으로는 움직이지 않고 상하 방향으로만 운동할 수 있다.
보조 지지체(130)는 판 스프링과 같은 탄성 재질로 이루어져 보조 이동체(120)의 위치 이동 시 보조 이동체(120)를 원위치시키는 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다.
한편, 보조 이동체(120)는 제1 방향(예를 들어, 도 1에서 세로 방향)으로 운동하는 제1 보조 이동체(120a)와, 제1 방향과 수직한 제2 방향(예를 들어, 도 1에서 가로 방향)으로 운동하는 제2 보조 이동체(120b)로 짝을 이룰 수 있다. 즉, 짝을 이루는 두 개의 보조 이동체(120a 또는 120b)는 주 이동체(150)를 중심으로 마주하도록 배치되어, 서로 동일한 방향으로 이동할 수 있다.
또한, 보조 지지체(130) 중에서 제1 보조 이동체(120a)와 연결되는 제1 보조 지지체(130a)는 제1 보조 이동체(120a) 및 프레임(110) 사이에 횡방향으로 배치되고, 보조 지지체(130) 중 제2 보조 이동체(120b)와 연결되는 제2 보조 지지체(130b)는 제2 보조 이동체(120b) 및 프레임(110) 사이에 종방향으로 배치된다.
이와 같이, 짝을 이루는 각각의 보조 이동체(120a, 120b)와 이를 연결하는 각각의 보조 지지체(130a, 130b)가 프레임(110) 내부 공간의 중심에 대해 대칭으로 배치됨에 따라 구조적인 안정성과 단순성을 도모할 수 있다.
보조 이동체(120)는 액츄에이터(140)에 연결되어 액츄에이터(140)로부터 힘을 인가받는다. 프레임(110)에 고정된 액츄에이터(140)는 보조 이동체(120)에 힘을 인가하여 보조 이동체(120)를 프레임(110)에 대하여 운동시킬 수 있다. 보조 이동체(120)의 운동 방향이 일 방향으로 제한됨에 따라, 보조 이동체(120)는 액츄에이터(140)로부터 인가된 힘에 의해 직선 운동할 수 있다.
한편, 보조 이동체(120)의 운동 방향과 일치하도록 선형 운동이 가능한 선형 액츄에이터(140)가 배치됨으로써 보다 효율적으로 힘을 인가할 수 있다. 비선형 액츄에이터가 사용되어 선형 운동을 구현할 수도 있으나, 단순한 동작과 간단한 구조를 위해 선형 액츄에이터가 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 선형 액츄에이터(140)로는 도시된 형상 기억 합금(shape memory alloy) 재질의 와이어뿐만 아니라 전자기 구동기, 유공압 구동기, 압전 구동기 등이 사용될 수 있다.
액츄에이터(140)로부터 힘이 인가되면, 보조 이동체(120)가 이동하게 된다. 초기 위치에서 위치가 변경된 보조 이동체(120)는 초기 위치 방향으로 보조 지지체(130)에 의한 탄성력을 받게 된다. 즉, 아무런 힘이 가해지지 않는 초기 위치로부터 보조 이동체(120)가 다른 위치로 운동함에 따라, 보조 이동체(120)는 그와 연결된 보조 지지체(130)로부터 운동 방향의 반대 방향으로 힘을 받게 된다. 또한, 액츄에이터(140)로부터 힘 인가가 중단되면 보조 이동체(120)는 초기 위치로 복귀하게 된다.
한편, 액츄에이터(140)는 복수의 보조 이동체(120) 각각에 대하여 하나씩 연결될 수 있다. 이때, 각각의 액츄에이터(140)는 그와 연결된 보조 이동체(120)를 일 방향으로만 이동시키도록 구성될 수 있다.
주 이동체(150)는 프레임(110) 내부 공간의 중앙에 배치된다. 주 이동체(150)는 복수의 보조 이동체(120)에 둘러싸이도록 배치되어 복수의 보조 이동체(120) 각각과 연결된다. 이로써, 복수의 보조 이동체(120)의 움직임에 따라 주 이동체(150)의 평면상 위치가 결정된다. 즉, 복수의 보조 이동체(120)를 선택적으로 운동시킴으로써 주 이동체(150)를 다양한 위치에 배치할 수 있다. 이에 대한 설명은 상세히 후술된다.
주 이동체(150)는 주 지지체(160)에 의해 보조 이동체(120)에 연결될 수 있다. 주 지지체(160)는 그에 연결되는 보조 이동체(120)의 운동 방향과 평행한 방향으로 보조 이동체(120)와 주 이동체(150)를 연결한다. 즉, 상측에 배치되어 상하 방향으로 운동하는 보조 이동체(120)에 연결되는 주 지지체(160)의 경우, 주 이동체(150)와 상하 방향으로 연장된다. 이로써, 보조 이동체(120)에 의해 상하 방향으로의 힘이 전달되면, 주 지지체(160)가 변형없이 힘을 주 이동체(150)에 전달할 수 있다.
주 지지체(160)는 판 스프링과 같은 탄성 재질로 이루어져 주 이동체(150)의 위치 이동 시 주 이동체(150)를 원위치시키는 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다.
주 지지체(160) 중에서 제1 보조 이동체(120a)와 연결되는 제1 주 지지체(160a)는 제1 보조 이동체(120a) 및 주 이동체(150) 사이에 종방향으로 배치되며, 주 지지체(160) 중에서 제2 보조 이동체(120b)와 연결되는 제2 주 지지체(160)는 제2 보조 이동체(120b) 및 주 이동체(150) 사이에 횡방향으로 배치될 수 있다. 즉, 하나의 보조 이동체(120)에 연결되는 주 지지체(160)와 보조 지지체(130)는 서로 수직하게 배치된다.
또한, 하나의 보조 이동체(120)에 연결되는 보조 지지체(130) 및 주 지지체(160)는 그와 인접한 보조 이동체(120)에 연결되는 보조 지지체(130) 및 주 지지체(160)와 폐루프를 형성할 수 있다. 이로써, 프레임(110)에 대해 보조 이동체(120)와 주 이동체(150)가 이동하는 동안 액츄에이터(140)에 의한 힘과, 지지체들(130, 160)에 의한 탄성력을 고르게 분산시켜 주 이동체(150)가 보다 안정적으로 운동할 수 있게 된다.
주 이동체(150)를 중심으로 상하로 배치되는 제1 보조 이동체(120a)가 상하 방향으로 운동함에 따라, 제1 주 지지체(160a)에 의해 주 이동체(150)도 상하 방향으로 운동하게 된다. 상측 액츄에이터(140)에 의해 상측에 배치된 제1 보조 이동체(120a)가 이동함에 따라 주 이동체(150)의 위치 이동이 유발된다. 또한, 주 이동체(150)가 위치 이동함에 따라, 하측에 배치된 제1 보조 이동체(120a)도 위치 이동한다. 한편, 주 이동체(150)가 상하 방향으로 위치 이동하는 경우, 제1 보조 지지체(130a)와 제2 주 지지체(160b)는 상하 방향으로 휘어진다.
또한, 주 이동체(150)를 중심으로 좌우로 배치되는 제2 보조 이동체(120b)가 좌우 방향으로 운동함에 따라, 제2 주 지지체(160b)에 의해 주 이동체(150)도 좌우 방향으로 운동하게 된다. 이때, 제2 보조 지지체(130b)와 제1 주 지지체(160a)는 좌우 방향으로 휘어진다.
즉, 주 이동체(150)는, 운동하는 임의의 보조 이동체(120)와 주 이동체(150) 사이에 연결된 주 지지체(160)로부터 그 운동 방향으로 힘을 받고, 나머지 보조 이동체(120)와 주 이동체(150) 사이에 연결된 주 지지체(160)로부터 그 운동 방향의 반대 방향으로 힘을 받는다.
이와 같이, 주 이동체(150)를 중심으로 서로 맞은편에 배치되는 두 개의 보조 이동체(120)가 하나의 짝을 이루어 동일한 방향으로 운동할 수 있다. 각 구성요소들이 대칭적으로 배치됨으로써, 각 구성요소 간에 힘이 안정적으로 전달될 수 있다.
상술한 바와 같이, 주 이동체(150)의 둘레 방향을 따라 복수의 보조 이동체(120)가 배치됨으로써, 보조 이동체(120) 각각의 직선 이동에 의해 주 이동체(150)는 2차원 평면 상에서 이동할 수 있다. 또한, 주 이동체(150)는 복수의 보조 이동체(120)를 순차적으로 제어함으로써 기준 축(axis)을 기준으로 곡선 병진 운동(curvilinear translation)할 수 있으며, 이는 상세히 후술된다.
한편, 상술한 보조 지지체(130)와 주 지지체(160)는 도 1에 도시된 바와 같이 나란히 배치되는 두 개의 탄성체로 구성될 수 있다. 이로써, 연결 방향으로 인가되는 힘을 보다 확실하게 전달할 수 있으며, 측방향 힘으로 인하여 휘어질 경우 발생할 수 있는 비틀림 현상을 방지할 수도 있다. 한편, 보조 지지체(130)와 주 지지체(160)는 설계 조건에 따라 하나 또는 다수의 탄성체가 병렬로 연결될 수도 있다.
회전체(170)는 주 이동체(150)의 내측에 형성된 중공에 삽입되도록 배치된다. 주 이동체(150)의 내경은 회전체(170)의 외경보다 더 크다. 따라서, 회전체(170)는 주 이동체(150)의 중공에 헐겁게 삽입된다.
회전체(170)는 주 이동체(170)의 중공을 관통하며 그 위치가 고정된 회전축을 중심으로 회전한다. 회전체(170)는 주 이동체(150)의 곡선 병진 운동에 의해 회전축을 중심으로 회전할 수 있으며, 이에 대해 상세히 후술된다.
한편, 주 이동체(150)의 내면과 회전체(170)의 외면은 각각 기어 메커니즘에 의해 체결될 수 있다. 이러한, 기어 메커니즘으로는 도 1에 도시된 사이클로이드(cycloid) 기어, 도 2(a)와 같은 인벌류트(involute) 기어, 도 2(b)와 같이 상이한 극성이 반복적으로 배치되는 자석 기어, 또는 도 2(c)와 같은 마찰 기어의 방식이 적용될 수 있다.
이하에서는, 상술한 구성요소들은 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 변환 기구(100)가 동작하는 과정을 설명하도록 한다.
도 3(a)을 참조하면, 먼저 상측 액츄에이터(140a)에 의해 상방으로 힘(P1)이 가해져 제1 보조 이동체(120a)가 상측으로 이동한다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 상측 액츄에이터(140a)가 작동하는 기간 동안 나머지 액츄에이터(140b, 140c, 140d)들은 동작하지 않는다. 상측 액츄에이터(140a)의 와이어가 전류 인가에 따라 수축함으로써 상측 제1 보조 이동체(120a)를 상측으로 당기며, 하측 액츄에이터(140c)는 신장되며 탄성력을 저장할 수 있다. 한편, 전자기 구동기와 같은 다른 액츄에이터 사용 시, 상측 액츄에이터(140a)에 의한 힘뿐만 아니라, 하측 액츄에이터(140c)에 의한 같은 방향으로의 힘을 추가로 인가할 수도 있다는 점에 유의해야 한다.
이때, 주 이동체(150) 또한 제1 주 지지체(160a)에 의해 상측으로 이동한다. 이로써, 회전체(170) 하부의 외치(external gear teeth)가 주 이동체(150) 내벽 하부의 내치(internal gear teeth)와 맞물린다. 한편, 제1 보조 지지체(130a) 및 제2 주 지지체(160b)는 상측으로 휘어져, 각각 제1 보조 이동체(120a) 및 주 이동체(150)에 하측 방향으로 탄성력을 가한다.
그 다음으로, 도 3(b)를 참조하면, 상측 액츄에이터(140a)에 의한 힘(P1)이 인가되는 상태에서, 좌측 액츄에이터(140b)에 의해 좌측 방향으로 힘(P2)이 동시에 가해져 제2 보조 이동체(120b)가 좌측으로 이동한다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 상측 액츄에이터(140a)와 좌측 액츄에이터(140b)가 작동하는 기간 동안 나머지 액츄에이터(140c, 140d)들은 동작하지 않는다. 좌측 액츄에이터(140b)의 와이어가 전류 인가에 따라 수축함으로써 좌측 제2 보조 이동체(120b)를 좌측으로 당기며, 우측 액츄에이터(140d)는 좌측으로 신장되며 탄성력을 저장할 수 있다. 한편, 전자기 구동기와 같은 다른 액츄에이터 사용 시, 좌측 액츄에이터(140b)에 의한 힘뿐만 아니라, 우측 액츄에이터(140d)에 의한 같은 방향으로의 힘을 추가로 인가할 수도 있다.
이때, 주 이동체(150) 또한 제2 주 지지체(160b)에 의해 좌측으로 이동한다. 따라서, 아무런 힘이 가해지지 않은 초기 위치로부터 주 이동체(150)는 좌상측으로 이동하게 된다. 이로 인해, 회전체(170)의 우하측 외치가 주 이동체(150)의 우하측 내치와 맞물리게 된다. 이전 도 3(a)의 상태에서 맞물려있던 회전체(170)의 하측 외치는 주 이동체(170)가 좌측으로 이동함에 따라 좌측으로 밀려나면서 주 이동체(150)의 하측 외치로부터 다소 이격된다. 이로써, 회전체(170)는 시계 방향으로 소정 각도만큼 회전한다.
한편, 제2 보조 지지체(130b) 및 제1 주 지지체(160a)는 좌측으로 휘어져, 각각 제2 보조 이동체(120b) 및 주 이동체(150)에 우측 방향으로 탄성력을 가한다. 제1 보조 지지체(130a) 및 제2 주 지지체(160b)는 여전히 상측으로 휘어진 상태에서 각각 제1 보조 이동체(120a) 및 주 이동체(150)에 하측 방향으로 탄성력을 가한다.
그 다음으로, 도 3(c)를 참조하면, 상측 액츄에이터(140a)에 의한 힘(P1)이 제거됨에 따라 제1 보조 이동체(120a)가 하측으로 이동한다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 좌측 액츄에이터(140b)가 작동하는 기간 동안 나머지 액츄에이터(140a, 140c, 140d)들은 동작하지 않는다. 상측 액츄에이터(140a)의 와이어로의 전류가 제거되면, 와이어에 저장된 탄성력에 의해 제1 보조 이동체(120a), 주 이동체(150)는 하측으로 당겨지면서 초기 위치로 복귀하게 된다.
이때, 주 이동체(150) 또한 제1 주 지지체(160a)에 의해 하측으로 이동한다. 따라서, 주 이동체(150)는 초기 위치로부터 좌측으로 이동한 상태가 된다. 이로 인해, 회전체(170)의 우측 외치가 주 이동체(150)의 우측 내치와 맞물리게 된다. 이전 도 3(b)의 상태에서 맞물려있던 회전체(170)의 우하측 외치는 주 이동체(170)가 하측으로 이동함에 따라 하측으로 밀려나면서 주 이동체(170)의 우하측 내치로부터 다소 이격된다. 이로써, 회전체(170)는 시계 방향으로 소정 각도만큼 또 다시 회전하게 된다.
한편, 제1 보조 지지체(130a) 및 제2 주 지지체(160b)는 원래의 상태로 복귀하며, 더 이상 제1 보조 이동체(120a) 및 주 이동체(150)에 탄성력을 가하지 않는다. 제2 보조 지지체(130b) 및 제1 주 지지체(160a)는 여전히 좌측으로 휘어진 상태에서 각각 제2 보조 이동체(120) 및 주 이동체(150)에 우측 방향으로 탄성력을 가한다.
그 다음으로, 도 3(d)를 참조하면, 좌측 액츄에이터(140b)에 의한 힘(P2)이 인가되는 상태에서, 하측 액츄에이터(140c)에 의해 하측 방향으로 힘(P3)이 동시에 가해져 제1 보조 이동체(120a)가 하측으로 이동한다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 좌측 액츄에이터(140b)와 하측 액츄에이터(140c)가 작동하는 기간 동안 나머지 액츄에이터(140a, 140d)들은 동작하지 않는다. 하측 액츄에이터(140c)의 와이어가 전류 인가에 따라 수축함으로써 하측 제1 보조 이동체(120a)를 하측으로 당길 수 있다.
이때, 주 이동체(150) 또한 제1 주 지지체(160a)에 의해 하측으로 이동한다. 따라서, 아무런 힘이 가해지지 않은 초기 위치로부터 주 이동체(150)는 좌하측으로 이동하게 된다. 이로 인해, 회전체(170)의 우상측 외치가 주 이동체(150)의 우상측 내치와 맞물리게 된다. 이전 도 3(c)의 상태에서 맞물려있던 회전체(170)의 우측 외치는 주 이동체(170)가 하측으로 이동함에 따라 하측으로 밀려나면서 주 이동체(170)의 우측 내치로부터 다소 이격된다. 이로써, 회전체(170)는 시계 방향으로 소정 각도만큼 다시 회전한다.
한편, 제1 보조 지지체(130a) 및 제2 주 지지체(160b)는 하측으로 휘어져, 각각 제1 보조 이동체(120a) 및 주 이동체(150)에 상측 방향으로 탄성력을 가한다. 제2 보조 지지체(130b) 및 제1 주 지지체(160a)는 여전히 좌측으로 휘어진 상태에서 각각 제2 보조 이동체(120b) 및 주 이동체(150)에 우측 방향으로 탄성력을 가한다.
상술한 바와 같이, 반시계 방향으로 액츄에이터(140a, 140b, 140c, 140d)에 의해 순차적으로 힘이 인가되거나 제거됨에 따라, 제1 보조 이동체(120a)와 제2 보조 이동체(120b)가 선택적으로 이동됨으로써, 주 이동체(150)가 원을 그리며 선형 운동하는 곡선 병진 운동(curvilinear translation)을 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 주 이동체(150)는 그 위치가 회전축을 중심으로 곡선 운동 또는 회전 운동을 하지만, 주 이동체(150) 자체는 회전하지 않는다. 즉, 주 이동체(150)가 회전축을 중심으로 곡선 또는 원형 궤적을 그리며 위치 이동하지만, 주 이동체(150)가 배치되는 방향은 일정하게 유지된다. 이와 같이, 주 이동체(150)가 곡선 병진 운동을 함에 따라 그 내부에 삽입된 회전체(170)가 회전될 수 있다.
한편, 주 이동체(150)가 반시계 방향의 곡선 병진 운동을 함에 따라 회전체(170)는 시계 방향으로 회전하며, 주 이동체(150)가 시계 방향의 곡선 병진 운동을 함에 따라 회전체(170)는 반시계 방향으로 회전한다.
액츄에이터(140a, 140b, 140c, 140d)를 작동시키는 방법의 일례로서 도시된 도 4와 같이, 제1 보조 이동체(120a)와 연결되는 제1 액츄에이터(140a, 140c)가 제1 보조 이동체(120a)를 이동시키는 동작을 종료하기 전에, 제1 액츄에이터(140a, 140c)와 둘레 방향으로 인접한 제2 액츄에이터(140b, 140d)가 그에 연결된 제2 보조 이동체(120b)를 이동시키는 동작을 시작함으로써, 주 이동체(170)를 곡선 병진 운동 시킨다. 제1 액츄에이터(140a, 140c) 또는 제2 액츄에이터(140b, 140d)를 동일 방향으로 구동시키는 것뿐만 아니라, 주 이동체(150)의 둘레를 따라 배치되는 복수의 액츄에이터(140a, 140b, 140c, 140d)를 둘레 방향 또는 그 반대 방향으로 순차적으로 구동시킴으로써 주 이동체(150)를 곡선 병진 운동시킬 수 있다.
상술한 액츄에이터(140a, 140b, 140c, 140d)를 작동시키는 순서를 반대로 함으로써 회전체(170)를 반대 방향으로 회전시킬 수도 있다. 또한, 주 이동체(150)가 빠른 속도로 원형 궤적을 그리도록 액츄에이터(140a, 140b, 140c, 140d)의 작동 기간을 짧게 하여 회전체(170)의 회전 속도를 증가시킬 수도 있다.
한편, 주 이동체(150)의 내치와 회전체(170)의 외치 간의 기어비를 조절함으로써, 회전체(170)의 회전체에 따른 토크와 회전 속도를 조절할 수 있다. 이때, 서로 다른 수의 외치가 형성된 복수의 회전체(170)를 교체하여 기어비를 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 변환 기구(100)에 의하면, 서로 수직한 방향으로 운동하는 제1 보조 이동체(120a)와 제2 보조 이동체(120b)를 통하여 주 이동체(150)를 곡선 병진 운동시킬 수 있으며, 이로써 회전체(170)를 회전시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 곡선 병진 운동을 위한 별도의 가이드 부재 없이 단순한 구조와 원리로써 주 이동체(150)의 곡선 병진 운동에 따라 회전체(170)를 회전시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 우주 과학 분야, 의료 분야 등 다양한 분야에 사용될 수 있다. 특히, 구동 장치가 차지하는 부피가 최소화됨에 따라 본 발명은 미세한 크기의 장치 내의 구동 장치로써 용이하게 활용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 운동 변환 기구(100)에서 회전체(170)가 제외된 운동 변환 장치로서 실시될 수 있음에 유의해야 한다. 이러한 운동 변환 장치는 각 액츄에이터의 선형 운동을 단순한 구조로써 평면상 운동으로 변환함에 따라, 대상물을 평면 상에서 이동시키는데 정교한 제어를 가능케 한다.
참고로 위에서 설명된 각각의 액츄에이터(140a, 140b, 140c, 140d)와, 제1 보조 이동체(120a) 및 제2 보조 이동체(120b)와, 제1 보조 지지체(130a) 및 제2 보조 지지체(130b)와, 제1 주 지지체(160a) 및 제2 주 지지체(160b)는 설명의 편의를 위하여 위치, 운동 방향 또는 명칭을 구분하였으나, 그 위치 또는 명칭에 반드시 한정되는 것은 아님에 유의해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 운동 변환 기구(100)는, 본 발명의 다양한 실시예 중에서 복수의 보조 이동체(120) 각각의 선형 운동을 이용하여 주 이동체(150)의 곡선 병진 운동으로 변환함으로써 회전체(170)의 회전 운동을 유도할 수 있는 구동기로서 설명되었다. 본 발명에 따른 운동 변환 기구는 이에 한정되지 않으며, 복수의 보조 이동체(120)의 선형 운동을 통하여 다양한 형태를 가지는 주 이동체(15)의 2 자유도 운동을 얻을 수 있는 운동 변환 기구로써 다양하게 실시될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 프레임
120, 120a, 120b : 보조 이동체
130, 130a, 130b : 보조 지지체
140, 140a, 140b, 140c, 140d : 액츄에이터
150 : 주 이동체
160, 160a, 160b : 주 지지체
170 : 회전체
100 : 운동 변환 기구

Claims (15)

  1. 프레임;
    보조 지지체에 의해 상기 프레임에 대해 직선 이동 가능하게 연결되는 복수의 보조 이동체;
    상기 복수의 보조 이동체를 상기 프레임에 대해 운동시키는 복수의 액츄에이터; 및
    상기 복수의 보조 이동체에 둘러싸여 주 지지체에 의해 상기 복수의 보조 이동체와 연결되는 주 이동체를 포함하고,
    상기 보조 이동체의 보조 지지체 및 주 지지체는 그와 인접한 보조 이동체의 보조 지지체 및 주 지지체와 폐루프를 형성하며,
    상기 복수의 보조 이동체를 선택적으로 운동시켜 상기 주 이동체의 위치를 조정하는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 지지체는 탄성 재질로 형성되어, 상기 보조 이동체의 위치 이동시 상기 보조 이동체를 원위치시키는 방향으로 탄성력을 제공하는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주 지지체는 탄성 재질로 형성되어, 상기 주 이동체의 위치 이동 시 상기 주 이동체를 원위치시키는 방향으로 탄성력을 제공하는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보조 지지체는 상기 보조 이동체의 이동 방향과 수직한 방향으로 연장되는 판 스프링이고,
    상기 주 지지체는 상기 보조 지지체와 수직한 방향으로 연장되는 판 스프링인 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 보조 이동체는 두 개씩 짝을 이루고,
    짝을 이루는 두 개의 보조 이동체는 상기 주 이동체를 중심으로 마주하도록 배치되어, 서로 동일한 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 짝을 이루는 두 개의 보조 이동체 중 하나의 보조 이동체가 액츄에이터에 의해 이동하여 상기 주 이동체의 위치 이동을 유발하고,
    상기 짝을 이루는 두 개의 보조 이동체 중 다른 하나의 보조 이동체는 상기 주 이동체에 의해 위치 이동하는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 보조 이동체가 상기 주 이동체의 둘레 방향을 따라 배치되어,
    상기 주 이동체가 2차원 평면 이동하는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주 이동체는 기준 축(axis)을 기준으로 곡선 병진 운동(curvilinear translation)하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 액츄에이터가 그에 연결된 보조 이동체를 이동시키는 동작을 종료하기 전에 상기 제1 액츄에이터와 상기 주 이동체의 둘레 방향으로 인접한 제2 액츄에이터가 그에 연결된 보조 이동체를 이동시키는 동작을 시작하여, 상기 주 이동체를 곡선 병진 운동시키는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 보조 이동체 각각에 액츄에이터가 하나씩 연결되고,
    상기 액츄에이터는 그와 연결된 보조 이동체를 일 방향으로만 이동시키도록 구성되며,
    상기 주 이동체의 둘레를 따라 배치되는 복수의 액츄에이터를 순차적으로 구동시킴으로써, 상기 주 이동체를 곡선 병진 운동시키는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 형상기억합금재질의 와이어를 포함하고,
    상기 와이어가 수축함에 따라 상기 보조 이동체를 일 방향으로 당기는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 보조 이동체는 상기 주 이동체를 중심으로 마주하도록 배치되는 제1 보조 이동체와 제2 보조 이동체를 포함하고,
    상기 제1 보조 이동체에 연결되는 제1 와이어가 전류 인가에 따라 수축하면서 상기 제1 보조 이동체를 당기면 상기 주 이동체가 일 방향으로 이동하고,
    상기 주 이동체가 이동하여 상기 제2 보조 이동체를 당기면 상기 제2 보조 이동체에 연결되는 제2 와이어가 인장되며 탄성력을 저장하고,
    상기 제1 와이어에 가해지는 전류가 제거되면 상기 제2 와이어에 저장된 탄성력에 의해 제2 보조 이동체, 주 이동체 및 제1 보조 이동체가 상기 일 방향과 반대 방향으로 당겨져 상기 주 이동체가 원위치 하는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 주 이동체에는 중공이 형성되고,
    상기 중공에는 상기 중공을 관통하는 고정된 회전축을 중심으로 회전 가능한 회전체가 배치되며,
    상기 회전체의 직경은 상기 중공의 직경보다 작고,
    상기 주 이동체의 중공의 내면과 상기 회전체의 외면은 기어 메커니즘에 의해 체결되며,
    상기 주 이동체가 곡선 병진 회전함에 따라 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기어 메커니즘은 인벌류트 평기어, 사이클로이드 기어, 마찰 기어 또는 자석 기어 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 운동 변환 기구.
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