KR101868235B1 - 6 자유도 메커니즘 - Google Patents

Abstract

6 자유도 메커니즘 장치가 제공된다. 6 자유도 메커니즘 장치는 와이어가 연결되는 제1 링크조인트, 제2 링크조인트 및 제3 링크조인트가 축의 길이 방향으로 마련되는 출력링크, 상기 제1 링크조인트에 연결되는 2개의 제1 와이어, 상기 제2 링크조인트에 연결되는 2개의 제2 와이어 및 상기 제3 링크조인트에 연결되는 3개의 제3 와이어를 포함하되, 상기 출력링크는 상기 축의 길이 방향으로 마련되는 제1 출력링크와 상기 제1 출력링크와 유니버셜조인트로 연결되는 제2 출력링크를 포함하는 이루어질 수 있다.

Description

6 자유도 메커니즘{SIX DEGREE OF FREEDOM MECHANISM APPARATUS}

본 발명은 6 자유도 메커니즘에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 7개의 와이어로 병진 3 자유도 출력과 회전 3 자유도 출력을 제공하는 6 자유도 메커니즘에 관련된 것이다.

메커니즘의 구동 방식은 링크를 통한 방식, 와이어를 통한 방식 및 부공을 통한 방식이 있다. 로봇의 경우 링크 방식을 주로 사용하여 왔기 때문에 링크로 구성되는 메커니즘 구조에 관한 연구가 이루어지고 있었다. 그러나, 링크 방식의 경우 높은 마찰력, 높은 관성 및 제한된 작업 공간의 크기 등에서 단점이 있다. 반면, 와이어를 통한 방식은 낮은 마찰력, 낮은 관성, 충분한 작업공간의 측면에서 유리한 점이 있다.

그러나 와이어 방식과 링크가 혼합된 구조를 기반으로 하는 다자유도 메커니즘에 관한 연구는 아직 초기 단계에 있는 것으로 파악되었다. 이에 본 발명자들은 와이어와 링크가 혼합된 구조를 기반으로 3T3R 출력(병진 3자유도 출력 및 회전 3자유도 출력)을 보유한 6 자유도 메커니즘을 발명하게 되었다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 7개의 와이어와 두 개의 출력링크(유동링크)인 제1 출력링크와 제2 출력링크 그리고 이들을 연결하는 유니버셜조인트를 기반으로 병진 3 자유도와 회전 3 자유도 출력을 제공하는 6 자유도 메커니즘을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 제2 출력링크의 자전 방향으로의 회전 1자유도 출력에 제한이 없는 6 자유도 메커니즘을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 낮은 관성, 낮은 마찰력을 가지는 6 자유도 메커니즘을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 7개만의 와이어를 구동하는 구동기를 활용한 높은 입출력 힘/토크 전달이 가능한 6 자유도 메커니즘을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 6 자유도 출력을 기반으로 햅틱 반력을 제공하는 6 자유도 메커니즘을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 6 자유도 메커니즘 장치는 와이어가 연결되는 제1 링크조인트, 제2 링크조인트 및 제3 링크조인트가 축의 길이 방향으로 마련되는 출력링크, 상기 제1 링크조인트에 연결되는 2개의 제1 와이어, 상기 제2 링크조인트에 연결되는 2개의 제2 와이어 및 상기 제3 링크조인트에 연결되는 3개의 제3 와이어를 포함하되, 상기 출력링크는 상기 축의 길이 방향으로 마련되는 제1 출력링크와 상기 제1 출력링크와 유니버셜조인트로 연결되는 제2 출력링크를 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 링크조인트는, 상기 제1 출력링크의 축 방향으로 이동 가능하도록 상기 제1 출력링크에 결합되되, 상기 제1 와이어로부터 전달되는 힘에 따라 상기 제1 출력링크를 상기 제1 출력링크의 길이 방향 축을 중심으로 1 자유도 회전 및 상기 제1 출력링크의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 병진시킬 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 2개의 제1 와이어는 일단이 상기 제1 링크조인트에 연결되고 타단이 반력구동기에 연결될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 링크조인트는, 상기 제1 링크조인트의 최 하단에 위치하고, 상기 제2 링크조인트는 상기 2개의 제2 와이어로부터 전달되는 힘에 따라 상기 제1 출력링크에 병진 운동을 제공할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 링크조인트는 상기 제1 출력링크와 상기 2개의 제2 와이어간의 상대 회동을 허용함으로써, 상기 제1 출력링크는 상기 제1 출력링크의 길이 방향 축을 기준으로 비 구속적으로 자전할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 2개의 제2 와이어는 일단이 상기 제2 링크조인트에 연결되고 타단이 반력구동기에 연결될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 출력링크에는 상기 제1 링크조인트 및 상기 제2 링크조인트가 마련되고, 상기 제2 출력링크에는 상기 제3 링크조인트가 마련되고, 상기 유니버셜조인트를 기준으로 상기 제2 출력링크는 상측에 배치되고, 상기 제1 출력링크는 하측에 배치될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 링크조인트는 상기 3개의 제3 와이어로부터 전달되는 힘에 따라 상기 유니버셜조인트를 통하여 상기 제2 출력링크를, 제1 링크조인트에 의한 제1 출력링크의 회전 방향과 다른 방향으로 2 자유도 회전시키고 상기 제2 출력링크의 축 방향으로 1 자유도 병진시킬 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 링크조인트는 원주 방향으로 이격하고 상기 3개의 제3 와이어가 각각 연결되되, 상기 제3 와이어가 상기 제2 출력링크의 축을 중심으로 원주 방향으로 이동할 수 있도록 3개의 연결 개구를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 와이어의 연장 방향은, 상기 제2 출력링크의 축을 향하도록 상기 연결 개구 내에서 상기 원주 방향으로 이동할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 출력링크에서, 상기 제3 링크조인트 상측은 손잡이로 제공될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 출력링크를 기립 자세로 유지시키는 구속링크를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 3개의 제3 와이어는 일단이 상기 제3 링크조인트에 연결되고 타단이 반력구동기에 연결될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 출력링크는 병진 3 자유도와 회전 3 자유도를 가지며, 상기 병진 3 자유도 출력은 상기 2 개의 제1 와이어, 상기 2 개의 제2 와이어 및 상기 3 개의 제3 와이어에 의하여 제공되고, 상기 회전 3 자유도 출력은 상기 2개의 제1 와이어에 의한 회전 1 자유도와 상기 3개의 제3 와이어에 의한 회전 2 자유도로 구성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 6 자유도 메커니즘은 와이어가 연결되는 제1 링크조인트, 제2 링크조인트 및 제3 링크조인트가 축의 길이 방향으로 마련되는 출력링크, 상기 제1 링크조인트에 연결되는 2개의 제1 와이어, 상기 제2 링크조인트에 연결되는 2개의 제2 와이어 및 상기 제3 링크조인트에 연결되는 3개의 제3 와이어를 포함하되, 상기 출력링크는 상기 축의 길이 방향으로 마련되는 제1 출력링크와 상기 제1 출력링크와 유니버셜조인트로 연결되는 제2 출력링크를 포함하여 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면 와이어만으로 6 자유도 구동이 가능하므로 낮은 관성, 낮은 마찰력, 높은 입출력 힘/토크를 제공할 수 있다. 또한, 7개의 와이어를 개별적으로 당기거나 푸는 제어를 통하여 햅틱 반력을 제공할 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과에 제한되지 아니하며, 이하의 설명에 의하여 보다 구체화될 수 있다.

도 1은 본 발명의 6 자유도 메커니즘을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제3 링크조인트를 구체적으로 설명하기 위한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 6 자유도 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성 의 크기, 형상 및 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 6 자유도 메커니즘을 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제3 링크조인트를 구체적으로 설명하기 위한 확대도이고, 도 3은 본 발명의 6 자유도 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 6 자유도 메커니즘(100)은 매니퓰레이터, 예를 들어, 햅틱 조정기로 활용될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 6 자유도 메커니즘(100)은 3 자유도 병진 출력 및 3 자유도 회전 출력을 통하여 햅틱 반력을 사용자에게 제공할 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 6 자유도 메커니즘(100)이 햅틱 조정기로 활용되는 경우를 상정하기로 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 6 자유도 메커니즘(100)은 골격을 제공하는 프레임(110), 상기 프레임의 일 측에 마련되는 출력링크(130) 및 상기 출력링크(130)의 운동을 제어하는 제1 와이어(W1-1. W1-2), 제2 와이어(W2-1, W2-2), 및 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3), 상기 제1 와이어의 장력을 제어하는 제1 반력구동기(M1-1, M1-2), 상기 제2 와이어의 장력을 제어하는 제2 반력구동기(M2-1, M2-2) 및 상기 제3 와이어의 장력을 제어하는 제3 반력구동기(M3-1, M3-2, M3-3) 중 적어도 하나의 구성을 포함할 수 있다.

상기 출력링크(130)는 후술할 유니버셜조인트(136)를 사이에 두고 제1 출력링크(130a)와 제2 출력링크(130b)가 연결된 구조를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 출력링크(130a)를 기준으로 +Z 축 방향으로 유니버셜조인트(136)가 위치하고, 유니버셜조인트(136)를 기준으로 +Z 축 방향으로 제2 출력링크(130b)가 위치할 수 있다. 이로써, 상기 유니버셜조인트(136)는 상기 제1 출력링크(130a)로부터의 출력을 상기 제2 출력링크(130b)로 전달할 수 있다. 다른 관점에서, 상기 제1 와이어(W1-1. W1-2) 및 상기 제2 와이어(W2-1, W2-2)는 상기 제1 출력링크(130a)에 연결되고, 상기 제2 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)는 상기 제2 출력링크(130b)에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 와이어(W1-1. W1-2)의 장력이 제어됨으로써, 상기 제1 출력링크(130a)에 Z 축 방향 회전 운동을 제공할 수 있다.

제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)의 장력이 제어됨으로써, 상기 제2 출력링크(130)에 X, Y축 방향 회전 운동을 제공할 수 있다.

또한, 제1 와이어(W1-1, W1-2), 제2 와이어(W2-1, W2-2) 및 제3 와이어(W3-1, 3-2, 3-3)의 장력이 제어됨으로써, 상기 제2 출력링크(130b)에 X, Y, Z 축 방향 병진 운동을 제공할 수 있다. 이 때, 제1 와이어(W1-1. W1-2)와 의 장력은 상기 제1 출력링크(130a)에 XY 면 방향으로 병진 운동을 제공할 수 있다.

상기 제1 출력링크(130a)에 제공된 회전 및/또는 병진 힘은 상기 유니버셜조인트(136)를 매개로 상기 제2 출력링크(130b)에 전달될 수 있다. 이로써, 상기 제2 출력링크(130b)는 병진 3 자유도 및 회전 3 자유도를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예는 7개의 와이어로 구동하는 6 자유도 메커니즘을 제공할 수 있다. 이하 각 구성에 대하여 상술하기로 한다.

상기 프레임(110)은 골격을 제공하는 구성으로서, 예를 들어, 하단 프레임(112), 제1 연결 프레임(114), 중단 프레임(116), 제2 연결 프레임(119) 및 상단 프레임(120)을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 하단 프레임(112)은 Z 축 방향으로 최 하단에 마련되어, 6 자유도 메커니즘(100)의 베이스 면을 제공할 수 있다. 상기 하단 프레임(112)의 형상은 도 1에 도시된 형상에 제한되지 아니하고 6 자유도 메커니즘(100)의 베이스 면을 제공하는 범위 내에서 어떠한 형상으로도 변형될 수 있다.

상기 중단 프레임(116)은 상기 하단 프레임(112)에 대하여 +Z 축 방향으로 이격하여 상측에 마련될 수 있다. 상기 중단 프레임(116)은 내부에 중공을 가지는 도넛 형상을 가질 수 있다. 상기 중단 프레임(116)의 중공 내에는 후술할 출력링크(130) 예를 들어, 제1 출력링크(130a) 및 제2 출력링크(130b)가 위치할 수 있다. 이를 위하여, 상기 중단 프레임(116)의 중공은 적절한 넓이를 가질 수 있으며 중공의 형상은 바람직하게는 원형일 수 있다. 상기 중단 프레임(116)의 형상은 도 1에 도시된 형상에 제한되지 아니하고, 자유로이 변형될 수 있음은 물론이다.

상기 제1 연결 프레임(114)은 상기 하단 프레임(112)와 상기 중단 프레임(116)을 연결하는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위하여 상기 제1 연결 프레임(114)은 복수의 기둥으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 연결 프레임(114)은 도 1에 도시된 바와 같이 4개일 수 있으나 이에 제한되지 아니하고 그 보다 적거나 더 많은 기둥으로 구성될 수 있음은 물론이다.

상기 상단 프레임(120)은 상기 중단 프레임(116)에 대하여 +Z 축 방향으로 이격하여 상측에 마련될 수 있다. 상기 상단 프레임(120)은 내부에 중공을 가지는 도넛 형상을 가질 수 있다. 상기 상단 프레임(120)의 중공 내에는 후술할 출력링크(130) 예를 들어, 제1 출력링크(130a) 및 제2 출력링크(130b)가 위치할 수 있다. 이를 위하여, 상기 상단 프레임(120)의 중공은 적절한 넓이를 가질 수 있으며 중공의 형상은 바람직하게는 원형일 수 있다. 다시 말해, 출력 링크(130) 예를 들어 제1 출력링크(130a) 및 제2 출력링크(130b)는 상단 프레임(120) 및 중단 프레임(116)의 중공 내에 위치할 수 있다. 상기 중단 프레임(116)의 형상은 도 1에 도시된 형상에 제한되지 아니하고, 자유로이 변형될 수 있음은 물론이다.

상기 제2 연결 프레임(119)은 상기 상단 프레임(120)과 상기 중단 프레임(116)을 연결하는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위하여 상기 제2 연결 프레임(119)은 적어도 하나의 기둥으로 이루어질 수 있다. 상기 제2 연결 프레임(1189)은 도 1에 도시된 바와 같이 1개일 수 있으나 이에 제한되지 아니하고 더 많은 기둥으로 구성될 수 있음은 물론이다.

상기 출력링크(130), 보다 구체적으로는 상기 제1 출력링크(130a)는 기립 자세 즉 Z 축과 평행한 방향으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 출력링크(130a)는 상기 상단 프레임(120) 및 상기 중단 프레임(116)의 중공에 제공될 수 있다.

이 때, 상기 제2 출력링크(130b)의 상단은 손잡이로 제공될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제2 출력링크(130b)에 마련된 제3 링크조인트(140)의 상단은 손잡이로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 출력링크(130b)의 상단을 통해 사용자에게 햅틱 반력을 제공할 수 있다. 이 경우, 손잡이 부분은 프레임에 의하여 가려지지 않으므로 사용자의 조작 편의성이 향상될 수 있다.

이하 제1 출력링크(130a) 및 제2 출력링크(130b)와 제1 내지 제3 링크조인트(132, 134, 140) 및 유니버셜조인트(136)의 결합관계가 구체적으로 설명된다.

상기 출력링크(130)의 일 측에는 제1 내지 제3 링크조인트(132, 134, 140)가 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 출력링크(130a)에는 상기 제1 링크조인트(132) 및 상기 제2 링크조인트(134)가 결합될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1 링크조인트(132)는 상기 제1 출력링크(130a)의 상단에 결합되고, 상기 제2 링크조인트(134)는 상기 제1 출력링크(130a)의 최 하단에 결합될 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 제2 출력링크(130b)에는 상기 제3 링크조인트(140)이 결합될 수 있다. 상기 제1 출력링크(130a)와 상기 제2 출력링크(130b) 사이에는 유니버셜조인트(136)가 마련될 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 출력링크(130a)의 최 상단과 상기 제2 출력링크(130b)의 최 하단에는 상기 유니버셜조인트(136)가 마련될 수 있다. 이 때, 상기 유니버셜조인트(136)는 상기 제1 출력링크(130a)로부터의 출력을 상기 제2 출력링크(130b)로 전달하는 기능을 수행할 수 있다.

상기 제1 출력링크(130a)는 제1 와이어(W1-1, W1-2)로부터 상기 제1 출력링크(130a)의 축을 중심으로 하는 회전 운동 및 XY 평면으로의 병진 운동을 제공받을 수 있다. 또한, 상기 제1 출력링크(130a)는 제2 와이어(W2-1, W2-2)로부터 XY 평면으로의 병진 운동 및 상기 제1 출력링크(130a)의 축 방향(Z축 방향)으로 회전 운동을 제공받을 수 있다.

상기 제2 출력링크(130b)는 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)로부터 상기 제1 출력링크(130a)가 제공하는 회전 방향과 다른 2개 방향으로의 회전 운동을 제공받을 수 있다. 또한, 상기 제2 출력링크(130b)는 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)로부터 축 방향으로 병진 운동을 제공받을 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제2 출력링크(130b)는 상기 유니버셜조인트(136)을 통하여 상기 제1 출력링크(130a)의 운동을 전달받을 수 있다.

이로써, 제2 출력링크(130b) 상단에 제공되는 손잡이(handgrip)는 병진 3 자유도 및 회전 3 자유도를 출력하되 넓은 feasible 작업 공간을 제공할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 제1 출력링크(130a)와 관련된 구성을 먼저 설명하고, 제2 출력링크(130b)와 관련된 구성을 후술하기로 한다.

상기 제1 링크조인트(132)는 상기 제1 출력링크(130a)의 축 방향으로 이동 가능하도록 상기 제1 출력링크(130a)에 결합될 수 있다. 즉, 상기 제1 링크조인트(132)는 상기 제1 출력링크(130a)의 Z 축 방향으로 이동 가능하도록 상기 제1 출력링크(130a)에 결합될 수 있다. 반면, 상기 제1 링크조인트(132)의 상기 제1 출력링크(130a) 축을 중심으로 하는 회전력은 상기 제1 출력링크(130a)로 전달될 수 있다. 이는 상기 제1 링크조인트(132)가 상기 제1 출력링크(130a)의 축 길이 방향으로 상기 제1 출력링크(130a)에 대하여 상대 병진 운동할 수 있으되. 상기 링크조인트(132)와 상기 제1 출력링크(130a)는 상기 제1 출력링크(130a)의 축 방향으로 함께 구속 회전한다는 것을 의미한다. 다시 말해, 상기 제1 링크조인트(132)는 미끄럼 1자유도 관절에 해당할 수 있다.

구체적으로 상기 제1 링크조인트(132)는 제1 와이어(W1-1. W1-2)로부터 전달되는 힘에 따라 상기 제1 출력링크(130a)를 상기 제1 출력링크(130a)의 축을 중심으로 회전시킬 수 있다. 이를 위하여, 상기 제1 링크조인트(132)의 외주면에는 제1 와이어(W1-1. W1-2)가 결합될 수 있다. 이 경우, 제1 와이어(W1-1. W1-2)는 후술할 반력구동기에 의하여 각각의 장력이 제어되고, 각각의 장력이 제어된 제1 와이어(W1-1. W1-2)는 상기 제1 링크조인트(132)를 Z 축을 중심으로 회전시킬 수 있다. 이 때, 제1 출력링크(130a)는 상기 제1 링크조인트(132)와 Z 축 회전 방향으로 상대 운동이 구속되어 있기 때문에, 상기 제1 링크조인트(132)의 회전력이 상기 제1 출력링크(130a)로 전달될 수 있다. 따라서, 상기 제1 링크조인트(132)는 상기 제1 출력링크(130a)를 상기 제1 출력링크(130a)의 축을 중심으로 자전 회전시킬 수 있으므로 회전 1 자유도가 제공될 수 있다.

일 실시 예에 따르면 상기 제1 링크조인트(132)는 볼 스플라인(ball spline)으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 링크조인트(132)가 볼 스플라인으로 구성된 경우, 볼 스플라인과 상기 제1 출력링크(130a) 간의 Z 축 방향 상대 운동은 가능하지만, 상기 제1 출력링크(130a)의 축을 회전축으로 하는 회전 운동의 경우 상대 회동이 제한될 수 있다. 이에 따라 볼 스플라인이 상기 제1 출력링크(130a)의 축을 회전축으로 회전하는 경우, 상기 제1 출력링크(130a)도 함께 회전하게 된다.

나아가, 상기 제1 링크조인트(132)는 제1 와이어(W1-1. W1-2)로부터 전달되는 힘에 따라 상기 제1 출력링크(130a)를 상기 제1 출력링크(130a)의 길이 방향에 수직한 면 예를 들어, XY 면 방향으로 병진시킬 수 있다.

상기 제2 링크조인트(134)는 상기 제1 출력링크(130a)의 Z 축 방향 최하단에 마련되며, 상기 제2 와이어(W2-1, W2-2)의 장력에 따라 상기 제1 출력링크(130a)에게 3자유도 병진 출력을 제공할 수 있다.

이 때, 상기 제2 와이어(W2-1, W2-2)의 장력이 제어되는 경우, 제2 와이어들 간에 꼬임 현상이 발생할 수 있다. 제2 와이어간의 꼬임 현상을 방지하기 위해, 상기 제2 링크조인트(134)는 상기 축을 기준으로 상대 회동되도록 구성될 수 있다. 이를 위하여, 상기 제2 링크조인트(134)는 회전베어링으로 구성될 수 있다. 상기 회전베어링은 상기 제1 출력링크(130a)의 최 하단과 제2 와이어들 사이에 마련되어, 이들 사이의 상대 회전을 허용한다. 이에 따라 상기 제2 와이어(W2-1, W2-2)는 병진 3 자유도 방향으로 상기 제1 출력링크(130a)에 힘을 전달하면서도 회전은 발생하지 않으므로 상기 제2 와이어(W2-1, W2-2) 간의 꼬임 현상이 방지될 수 있다.

따라서, 상기 제2 링크조인트(134)는 상기 제 1출력링크와 제2 와이어(W2-1, W2-2) 간의 상대 회동을 허용함으로써, 상기 제1 출력링크(130a)가 상기 제1 출력링크(130a) 축을 기준으로 비 구속적으로 회전하도록 할 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 출력링크(130a)는 제1 링크조인트(132)로부터 회전 1 자유도을 제공하되, 상기 제2 링크조인트(134)가 제2 와이어(W2-1, W2-2) 간의 꼬임을 방지하므로 무한 회전할 수 있다.

이상 설명한 제1 출력링크(130a)와 관련된 구성에 의하여, 병진 3 자유도 및 회전 1 자유도가 제공될 수 있다. 이하에서는 제2 출력링크(130b)와 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.

상기 제2 출력링크(130b) 일 측에는 상기 제3 링크조인트(140)가 마련될 수 있다. 구체적으로 상기 제3 링크조인트(140)는 상기 제2 출력링크(130b)의 유니버셜조인트(136) 상단에 마련되고, 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)의 장력에 따라 상기 제2 출력링크(130b)에게 2 자유도 회전 출력을 제공할 수 있다.

상기 제3 링크조인트(140)을 구체적으로 설명하기 위하여 도 2를 참조하면, 상기 제3 링크조인트(140)는 상기 제2 출력링크(130b)와 동축을 가지며 상기 제2 출력링크(130b)의 축 방향 회전을 구속하지 않도록 상기 제2 출력링크(130b)와 결합할 수 있다. 이에 따라 상기 제3 링크조인트(140)가 상기 제3 링크조인트(140)의 원주 방향으로 회전하는 경우, 상기 제2 출력링크(130b)는 구속 회전되지 않는다.

상기 제3 링크조인트(140)는 연결 개구(141, 142, 143)를 포함할 수 있다. 상기 연결 개구(141, 142, 143)는 원주 방향으로 이격하고 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)가 각각 연결되되, 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)가 상기 출력링크(130)의 축을 중심으로 원주 방향(S 방향)으로 이동할 수 있도록 공간을 제공할 수 있다. 이에 따라 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)의 연장 방향은 상기 출력링크(130)의 축을 향하도록 자유로이 이동할 수 있는 것이다. 따라서 6 자유도 메커니즘의 운동 해석이 용이해질 수 있다. 도 2의 제3 링크조인트(140)는 원형 디스크 형상을 가지고 있고, 연결 개구(141, 142, 143)는 아크(arc) 형상을 가지고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 다른 형상으로 변형될 수 있음은 물론이다.

상기 제3 링크조인트(140)는 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)로부터 전달되는 힘에 따라 상기 제2 출력링크(130b)에게 회전 2 자유도를 제공할 수 있다. 이 때, 상기 제3 링크조인트(140)가 제공하는 회전 2 자유도는 상술한 상기 제1 링크조인트(132)에 의해 제공된 상기 제1 출력링크(130a)의 회전 1 자유도가 유니버셜조인트(136)를 통하여 상기 제2 출력링크(130b)에 전달되는 회전 방향과는 다른 방향이다. 이를 위하여, 상기 제3 링크조인트(140)의 연결 개구(141, 142, 143)에는 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)가 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)는 후술할 반력구동기에 의하여 각각 장력이 제어되고, 각각의 장력이 제어된 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)는 상기 제3 링크조인트(140)에게 회전 2 자유도를 제공할 수 있다. 이 때, 상기 제3 링크조인트(140)의 회전력은 상기 제2 출력링크(130b)로 전달될 수 있다.

또한, 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)는 후술할 반력구동기에 의하여 각각 장력이 제어되고, 각각의 장력이 제어된 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)는 상기 제3 링크조인트(140)에게 Z 축 방향 병진 자유도를 제공할 수 있다. 따라서, 상기 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)의 장력에 따라 상기 제2 출력링크(130b)에 Z 축 방향 병진 자유도를 제공할 수 있으므로 feasible 작업 공간을 넓힐 수 있다.

이상 설명한 제2 출력링크(130b)와 관련된 구성에 의하여, 회전 3 자유도 나아가 병진 1 자유도가 제공될 수 있다. 이하에서는 반력구동기에 대하여 설명한다.

일 실시 예에 따르면, 제1 와이어(W1-1. W1-2)에는 제1 반력구동기(M1-1, M1-2)가 구동력을 제공할 수 있다. 이 때, 제1 와이어(W1-1. W1-2)의 일 단은 제1 링크조인트(132)에 각각 연결되고 제1 와이어(W1-1. W1-2)의 타 단은 제1 반력구동기(M1-1, M1-2)에 각각 연결될 수 있다. 제1 와이어(W1-1. W1-2)가 제1 반력구동기(M1-1, M1-2)에 직접 연결될 수도 있고 간접적으로 연결될 수도 있음은 물론이다. 이에 따라, 제1 반력구동기(M1-1, M1-2)에 의하여 제1 와이어(W1-1. W1-2) 각각의 장력이 제어됨으로써, 상기 제1 출력링크(130a)가 1 자유도 회전 출력을 가질 수 있으며 유니버셜조인트(136)를 통하여 회전출력을 전달함으로써 상기 제2 출력링크(130)가 1자유도 회전 출력을 가질 수 있다.

또한, 일 실시 예에 따르면, 제2 와이어(W2-1, W2-2)에는 제2 반력구동기(M2-1, M2-2)가 구동력을 제공할 수 있다. 이 때, 제2 와이어(W2-1, W2-2)의 일 단은 제2 링크조인트(134)에 각각 연결되고 제2 와이어(W2-1, W2-2)의 타 단은 제2 반력구동기(M2-1, M2-2)에 각각 연결될 수 있다. 제2 와이어(W2-1, W2-2)가 제2 반력구동기(M2-1, M2-2)에 직접 연결될 수도 있고 간접적으로 연결될 수도 있음은 물론이다. 이에 따라, 제2 반력구동기(M2-1, M2-2)에 의하여 제2 와이어(W2-1, W2-2) 각각의 장력이 제어됨으로써, 상기 제1 출력링크(130a)가 3 자유도 병진 출력을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 출력링크(130a)의 3 자유도 병진 출력은 상기 유니버셜조인트(136)를 통하여 제2 출력링크(130b)에 전달되므로 제 2출력링크(130b)은 3 자유도 병진 출력을 가질 수 있다.

또한, 일 실시 예에 따르면, 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)에는 제3 반력구동기(M3-1, M3-2, M3-3)가 구동력을 제공할 수 있다. 이 때, 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)의 일 단은 제3 링크조인트(140)에 각각 연결되고 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)의 타 단은 제3 반력구동기(M3-1, M3-2, M3-3)에 각각 연결될 수 있다. 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)가 제3 반력구동기(M3-1, M3-2, M3-3)에 직접 연결될 수도 있고 간접적으로 연결될 수도 있음은 물론이다. 이에 따라, 제3 반력구동기(M3-1, M3-2, M3-3)에 의하여 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3) 각각의 장력이 제어됨으로써, 상기 제2 출력링크(130b)에게 2 자유도 회전 출력 및 1 자유도 Z 축 방향 병진 출력이 직접적으로 제공될 수 있다.

와이어와 반력구동기는 다양한 방식으로 연결될 수 있다. 일 예를 들어, 제2 와이어(W2-2)는 풀리(162)를 통하여 제2 반력구동기(M2-2)에 연결될 수 있다. 즉, 반력구동기(M2-2)가 회전함에 따라 반력구동기(M2-2)의 일 단에 연결된 풀리(162)가 회전하게 되고, 이에 따라 풀리(162)에 감긴 제2 와이어(W2-2)가 풀리거나 감기면서 장력이 제어될 수 있는 것이다. 이 때, 제2 와이어(W2-2)는 풀리(162)와 연결됨에 있어, 상기 중단 프레임(116)의 일 측에 마련된 아이렛(160, eyelet)을 통과하여 상기 풀리(162)에 연결될 수 있다. 상기 제2 와이어(W2-2)가 아이렛(160)을 통과함으로써, 상기 제2 와이어(W2-2)는 안정적으로 제1 출력링크(130a)에 구동력을 전달할 수 있다. 이상 제2 와이어(W2-2)를 기준으로 반력구동기(M2-2)와의 연결 관계를 설명하였으나, 이는 다른 와이어 및 그에 연결된 반력구동기에도 적용될 수 있으므로 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

한편 일 실시 예에 따르면 제1 반력구동기(M1-1, M1-2) 및 제2 반력구동기(M2-1, M2-2)는 프레임(110)의 임의의 위치에 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 반력구동기(M1-1, M1-2)는 중단 프레임(116)에 마련될 수 있다. 또한, 제2 반력구동기(M2-1, M2-2)도 중단 프레임(116)에 마련될 수 있다. 이 때, 반력구동기에 의한 무게 중심이 기립된 제1 출력링크(130a)의 축과 일치하도록 제1 반력구동기(M1-1, M1-2)와 제2 반력구동기(M2-1, M2-2)는 동일한 각도로 이격하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 90도 간격으로 이격하여 배치될 수 있다.

또한, 상기 제3 반력구동기(M3-1, M3-2, M3-3)는 프레임(110)의 임의의 위치, 예를 들어, 상단 프레임(120)에 마련될 수 있다. 이 때, 상기 제3 반력구동기(M3-1, M3-2, M3-3)에 의한 무게 중심이 가능한 출력링크의 축과 일치하도록 상기 제3 반력구동기(M3-1, M3-2, M3-3)는 동일한 각도 예를 들어, 60도 간격으로 이격하여 배치될 수 있다.

한편 본 발명의 일 실시 예에 따른 6 자유도 메커니즘(100)은 상기 제1 출력링크(130a)가 기립 상태로 자세(Z 축과 평행한 방향)를 유지하도록 구속하는 구속링크(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 구속링크(150)의 일 단은 상기 제1 출력링크(130a)에 결합될 수 있다. 구체적으로 상기 구속링크(150)의 일 단은 상기 유니버셜조인트(136)와 상기 제1 링크조인트(132) 사이에 결합될 수 있다. 상기 구속링크(150)의 타 단은 상기 제2 연결 프레임(119)에 결합될 수 있다. 이 때, 상기 구속링크(150)는 XY면에 평행하도록 결합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 구속링크(150)는 RR형 수동형 2자유도를 가질 수 있고 일 단의 볼 가이드(RP 관절)이 상기 제1 출력링크(130a)와 결합될 수 있다.

또한, 상기 구속링크(150)는 상기 구속링크(150)의 중단에 절첩하는 관절을 가질 수 있다. 이로써, 상기 구속링크(150)는 상기 제1 출력링크(130a)가 XY 면 방향으로 이동할 수 있도록 허용하는 반면 회전운동이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 다시 말해 상기 구속링크(150)는 상기 제1 출력링크(130a)가 XY 면에 대하여 기울어지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 제1 출력링크(130a)는 기립 상태로 자세가 유지될 수 있으므로 메커니즘의 강성을 높일 수 있다.

이상 상술한 6 자유도 메커니즘(100)에 따르면, 2개의 와이어로 구성된 제1 와이어(W1-1. W1-2)가 제1 출력링크(130a)에 1 자유도 회전 출력과 수평방향으로 한쪽 방향의 병진 출력을 제공하며, 2개의 와이어로 구성된 제2 와이어(W2-1, W2-2)가 제 1 출력링크(130a)에, 제1 와이어에 의해 제공되는 수평방향의 병진 출력과는 다른 두 방향으로 병진 출력을 제공할 수 있다. 그리고 3 개의 와이어로 구성된 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)가 제1 와이어에 의해 제공된 회전출력과는 다른 2 자유도 회전 출력을 제공할 수 있으며 또한, 1자유도 병진 출력을 지원할 수 있다. 제 1 출력링크(130a)의 1자유도 회전 출력은 제1 출력링크(130a)와 제2 출력링크(130b)사이에 설치된 유니버셜조인트(136)를 통하여 제2 출력링크(130b)로 전달되며, 제 3와이어(W3-1, W3-2, W3-3)에 의해 제2 출력링크(130b)에 제공되는 2 자유도 회전출력으로 인하여 제2 출력링크(130b)은 총 3자유도 회전 출력을 제공받을 수 있다.

한편, 제1 와이어(W1-1, W1-2)와, 제2와이어(W2-1, W2-2), 그리고 제3 와이어(W3-1, W3-2, W3-3)에 의해 제공되는 병진 출력에 의해 제1 출력링크(130a) 또는 제2 출력링크(130b)에 총 3자유도 병진 출력을 제공된다. 결과적으로 제1 출력링크(130a)와 제2 출력링크(130b)를 연결하는 유니버셜조인트(136)의 중앙에 위치하며 제2 출력링크(130b)의 끝 단에 고정된 출력점에서는 3T3R 6자유도를 가질 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 7개의 와이어만으로 6 자유도 출력이 생성되므로 낮은 관성, 낮은 마찰력, 높은 입출력 힘/토크 전달이 가능한 이점이 있다.

또한, 제2 와이어(W2-1, W2-2)는 제1 출력링크(130a)의 최 하단에 회전 베어링을 매개로 연결되므로, 제2 와이어(W2-1, W2-2) 간의 꼬임 현상이 근본적으로 제거될 수 있다. 이에 따라, 제1 출력링크(130a) 및 제1 출력링크(130a)로부터 회전력을 전달받는 제2 출력링크(130b)는 모두 제1 와이어(W1-1. W1-2)의 구동에 따라 무한 회전할 수 있는 구조를 가질 수 있다.

또한, 제2 출력링크(130b)의 상단이 손잡이로 제공되되, 손잡이 영역은 상단 프레임(114)보다 상측에 위치하여 외부로 노출되어 있다. 따라서, 사용자가 손동작이 다른 구조물에 의하여 제한되지 않으므로 용이하게 손잡이를 조작할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

또한, 제1 출력링크(130a)는 구속링크(150)에 의하여 조작 중에도 상기 제1 출력링크(130a)의 자세가 상기 출력링크(130)의 축 방향으로 기립 자세로 유지될 수 있다. 이에 따라 사용자에게 6 자유도를 제공하면서도 해석이 용이할 뿐만 아니라, 6 자유도 조작의 편의성까지도 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

110: 프레임
130: 출력링크
130a: 제1 출력링크
130b: 제2 출력링크
132: 제1 링크조인트
134: 제2 링크조인트
136: 유니버셜조인트
140: 제3 링크조인트
150: 구속링크
제1 와이어: W1-1. W1-2
제2 와이어: W2-1, W2-2
제3 와이어: W3-1, W3-2, W3-3
제1 반력구동기: M1-1, M1-2
제2 반력구동기: M2-1, M2-2
제3 반력구동기: M3-1, M3-2, M3-3

Claims (14)

1. 와이어가 연결되는 제1 링크조인트, 제2 링크조인트 및 제3 링크조인트가 축의 길이 방향으로 마련되는 출력링크;
   상기 제1 링크조인트에 연결되는 2개의 제1 와이어;
   상기 제2 링크조인트에 연결되는 2개의 제2 와이어; 및
   상기 제3 링크조인트에 연결되는 3개의 제3 와이어를 포함하되,
   상기 출력링크는 상기 축의 길이 방향으로 마련되는 제1 출력링크와 상기 제1 출력링크와 유니버셜조인트로 연결되는 제2 출력링크를 포함하되,
   상기 제1 출력링크에는 상기 제1 링크조인트 및 상기 제2 링크조인트가 마련되고, 상기 제2 출력링크에는 상기 제3 링크조인트가 마련되고, 상기 유니버셜조인트를 기준으로 상기 제2 출력링크는 상측에 배치되고, 상기 제1 출력링크는 하측에 배치되는 6 자유도 메커니즘 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 링크조인트는, 상기 제1 출력링크의 축 방향으로 이동 가능하도록 상기 제1 출력링크에 결합되되, 상기 제1 와이어로부터 전달되는 힘에 따라 상기 제1 출력링크를 상기 제1 출력링크의 길이 방향 축을 중심으로 1 자유도 회전 및 상기 제1 출력링크의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 병진시키는 6 자유도 메커니즘 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 2개의 제1 와이어는 일단이 상기 제1 링크조인트에 연결되고 타단이 반력구동기에 연결되는 6 자유도 메커니즘 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 링크조인트는, 상기 제1 링크조인트의 최 하단에 위치하고,
   상기 제2 링크조인트는 상기 2개의 제2 와이어로부터 전달되는 힘에 따라 상기 제1 출력링크에 병진 운동을 제공하는 6 자유도 메커니즘 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제2 링크조인트는 상기 제1출력링크와 상기 2개의 제2 와이어간의 상대 회동을 허용함으로써, 상기 제1 출력링크는 상기 제1 출력링크의 길이 방향 축을 기준으로 비 구속적으로 자전 가능한 6 자유도 메커니즘 장치.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 2개의 제2 와이어는 일단이 상기 제2 링크조인트에 연결되고 타단이 반력구동기에 연결되는 6 자유도 메커니즘 장치.
7. 삭제
8. 제1 항에 있어서,
   상기 제3 링크조인트는 상기 3개의 제3 와이어로부터 전달되는 힘에 따라 상기 유니버셜조인트를 통하여 상기 제2 출력링크를, 제1 링크조인트에 의한 제1 출력링크의 회전 방향과 다른 방향으로 2 자유도 회전시키고 상기 제2 출력링크의 축 방향으로 1 자유도 병진시키는 6 자유도 메커니즘 장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 제3 링크조인트는 원주 방향으로 이격하고 상기 3개의 제3 와이어가 각각 연결되되, 상기 제3 와이어가 상기 제2 출력링크의 축을 중심으로 원주 방향으로 이동할 수 있도록 3개의 연결 개구를 포함하는 6 자유도 메커니즘 장치.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 제3 와이어의 연장 방향은, 상기 제2 출력링크의 축을 향하도록 상기 연결 개구 내에서 상기 원주 방향으로 이동하는 6 자유도 메커니즘 장치.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 출력링크에서, 상기 제3 링크조인트 상측은 손잡이로 제공되는 6 자유도 메커니즘 장치.
12. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 출력링크를 기립 자세로 유지시키는 구속링크를 더 포함하는 6 자유도 메커니즘 장치.
13. 제8 항에 있어서,
    상기 3개의 제3 와이어는 일단이 상기 제3 링크조인트에 연결되고 타단이 반력구동기에 연결되는 6 자유도 메커니즘 장치.
14. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 출력링크는 병진 3 자유도와 회전 3 자유도를 가지며,
    상기 병진 3 자유도 출력은 상기 2 개의 제1 와이어, 상기 2 개의 제2 와이어 및 상기 3 개의 제3 와이어에 의하여 제공되고,
    상기 회전 3 자유도 출력은 상기 2개의 제1 와이어에 의한 회전 1 자유도와 상기 3개의 제3 와이어에 의한 회전 2 자유도로 구성되는 6 자유도 메커니즘 장치.

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