KR101932392B1

KR101932392B1 - 관절 어셈블리

Info

Publication number: KR101932392B1
Application number: KR1020180133726A
Authority: KR
Inventors: 황민호; 권동수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2018-12-24
Also published as: KR20180122310A

Abstract

일 실시 예에 따르면 관절 어셈블리는, 복수 개의 메인 링크를 포함하는 메인 관절; 및 상기 복수 개의 메인 링크에 각각 힌지 결합하는 복수 개의 보조 링크를 포함하는 보조 관절을 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 메인 링크 중 인접하는 2개의 메인 링크는, 1자유도로 상대적으로 회동 가능하고, 상기 복수 개의 보조 링크 중 인접하는 2개의 보조 링크는, 1자유도로 상대적으로 회동 가능하다.

Description

관절 어셈블리{JOINT ASSEMBLY}

아래의 설명은 관절 어셈블리에 관한 것이다.

관절 어셈블리는, 상대적인 움직임이 가능한 복수 개의 관절들을 구비하는 장치로서, 예를 들면, 공장의 로봇 암(arm) 또는 의료용 수술 로봇 또는 내시경 등에 사용될 수 있다. 예를 들어, 종래의 관절 어셈블리를 구비하는 내시경 수술 장치는, 내시경 및 내시경에 형성된 삽입홀을 통하여 삽입되는 수술용 기기를 포함한다. 상기 내시경 또는 수술용 기기는 복수 개의 관절로 구성될 수 있으며, 유연한 경로를 따라 삽입 가능하도록, 구동기의 개수보다 많은 자유로의 개수를 가질 수 있다. 하지만 이와 같은 경우, 잉여 자유도(redundant DOF)로 인하여 구동 시에 말단부의 정확도가 떨어지고, 외력이 가해질 경우 쉽게 변형될 수 있다는 문제점이 있었다.

일 실시 예의 목적은 정확도가 높고, 외력에 강성한 관절 어셈블리를 제공하는 것이다.

일 실시 예에 따르면 관절 어셈블리는, 복수 개의 메인 링크를 포함하는 메인 관절; 및 상기 복수 개의 메인 링크에 각각 힌지 결합하는 복수 개의 보조 링크를 포함하는 보조 관절을 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 메인 링크 중 인접하는 2개의 메인 링크는, 1자유도로 상대적으로 회동 가능하고, 상기 복수 개의 보조 링크 중 인접하는 2개의 보조 링크는, 1자유도로 상대적으로 회동 가능하다.

상기 메인 관절은, 특정한 일 방향으로 굽힘(flexion) 또는 신장(extension) 가능하다.

상기 메인 관절은, 연속적으로 배치되는 제 1 메인 링크, 제 2 메인 링크 및 제 3 메인 링크를 포함하고, 상기 메인 관절이 굽혀질 때, 상기 제 1 메인 링크의 길이 방향 및 상기 제 2 메인 링크의 길이 방향이 이루는 제 1 각도는, 상기 제 2 메인 링크의 길이 방향 및 상기 제 3 메인 링크의 길이 방향이 이루는 제 2 각도와 동일하다.

상기 보조 관절은, 연속적으로 배치되는 제 1 보조 링크 및 제 2 보조 링크를 포함하고, 상기 제 1 보조 링크는, 상기 제 1 메인 링크 및 상기 제 2 메인 링크와 각각 힌지 결합되고, 상기 제 2 보조 링크는, 상기 제 2 메인 링크 및 상기 제 3 메인 링크와 각각 힌지 결합된다.

상기 메인 관절이 굽혀질 때, 상기 제 1 각도는, 상기 제 1 메인 링크의 길이 방향 및 상기 제 1 보조 링크의 길이 방향이 형성하는 각도와 동일할 수 있다.

상기 제 1 보조 링크의 길이 방향 및 제 2 메인 링크의 길이 방향이 형성하는 각도는, 상기 제 2 보조 링크의 길이 방향 및 상기 제 2 메인 링크의 길이 방향이 형성하는 각도와 동일할 수 있다.

상기 제 1 보조 링크의 길이 방향 및 상기 제 2 보조 링크의 길이 방향이 이루는 제 3 각도는, 상기 제 1 각도와 동일할 수 있다.

상기 관절 어셈블리는, 일측이 상기 복수 개의 메인 링크 중 하나의 메인 링크에 고정되고, 타측이 사용자가 조작할 수 있도록 외부로 노출되는 구동 케이블을 더 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 메인 링크는, 상기 구동 케이블이 삽입되는 구동 케이블 삽입 홀을 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 메인 링크 및 복수 개의 보조 링크 중 적어도 일부의 링크는, 인접한 다른 링크와 맞물리는 기어 형상을 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 메인 링크 및 복수 개의 보조 링크 중 적어도 일부의 링크는, 인접한 다른 링크와 접촉하는 구름 접촉면을 포함하고, 상기 구름 접촉면은, 상기 메인 링크 및 상기 보조 링크의 상대적인 회전 중심을 중심으로 하는 호(arc)에 해당하는 형상일 수 있다.

상기 복수 개의 메인 링크 및 복수 개의 보조 링크 중 적어도 일부의 링크는, 와이어로 연결될 수 있다.

상기 적어도 일부의 링크는 각각 상기 와이어가 관통되는 와이어 삽입 홀을 포함할 수 있다.

상기 와이어 삽입 홀의 입구는, 상기 링크의 중심부로부터 상기 링크의 단부를 향하여 갈수록 넓어질 수 있다.

상기 복수 개의 메인 링크 및 복수 개의 보조 링크 중 적어도 일부의 링크를 연결하고, 탄성을 갖는 탄성 와이어를 더 포함하고, 상기 탄성 와이어는, 일단이, 상기 적어도 일부의 링크 중 어느 하나의 링크에 고정되고, 타단이, 상기 적어도 일부의 링크 중 다른 하나의 링크에 고정되고, 중간 영역이, 상기 어느 하나의 링크 및 상기 다른 하나의 링크 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 링크를 관통할 수 있다.

일 실시 예에 따르면 관절 어셈블리는, 내부에 수용 공간을 형성하는 복수 개의 메인 링크를 포함하는 메인 관절; 및 상기 복수 개의 메인 링크에 각각 힌지 결합하는 복수 개의 보조 링크를 포함하는 보조 관절을 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 보조 링크는, 상기 메인 관절의 내벽에 배치될 수 있다.

상기 복수 개의 보조 링크 중 적어도 일부의 링크는, 와이어로 연결될 수 있다. 상기 복수 개의 메인 링크 중 적어도 일부의 링크는, 인접한 다른 링크와 맞물리는 기어 형상을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 의하면 관절 어셈블리는 1자유도로 굽힘 또는 신장 동작을 할 수 있으므로, 결과적으로 사용자는 관절 어셈블리의 말단부의 위치를 정확히 예측할 수 있다.

또한, 일 실시 예에 따르면 관절 어셈블리는, 메인 관절과 보조 관절이 상호 회동 결합하여 서로 구속되어 있다. 이와 같은 형상에 의하면, 관절 어셈블리가 사용자의 조작에 의해 일정한 곡률을 형성하며 굽혀진 경우에는, 외력이 작용하더라도 외력에 저항하여 상기 곡률을 유지할 수 있다.

일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 정면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 측면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 굽힘 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 정면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 결합 사시도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 A-A 절단선을 따라 절단된 단면도이다.
도 8은 도 8의 B-B 절단선을 따라 절단된 단면도이다.
도 9는 도 8의 C-C 절단선을 따라 절단된 단면도이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 동작을 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 12는 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이다.
도 13은 메인 링크의 반경(R)이 와이어 홀의 높이(B) 보다 작은 기존 롤링 관절 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이다.
도 14는 메인 링크의 반경(R)이 와이어 홀의 높이(B) 보다 큰 기존 롤링 관절 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이다.
도 15는 기존 핀 관절 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이다.
도 16은 기존 슬릿 관절 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이다.
도 17은, 도 12 내지 도 16 각각의 관절 어셈블리의 구부러지는 각도(θbending)에 따른, 가반 하중(Fpayload) 및 구동 와이어의 장력(Twire)의 비율을 나타내는 그래프이다.
도 18은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리에 서로 다른 하중을 인가한 상태로 20도 및 80도의 각도 사이를 왕복할 때, 관절 어셈블리 끝단의 궤적을 나타내는 그래프이다.

이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 정면도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리(1)는, 굽힘(flexion) 또는 신장(extension) 동작을 할 수 있다. 예를 들어, 관절 어셈블리(1)는, 좁고 굴곡진 공간으로 들어가야 하는 장비로 이용될 수 있다. 예를 들어, 관절 어셈블리(1)는 카테터(catheter), 내시경 및 유연 수술도구와 같이 의료용으로 사용될 수 있다. 한편, 관절 어셈블리(1)의 사용 목적은 반드시 위와 같이 제한되지 않으며, 산업용 로봇 등 관절로 이루어진 장치라면 어디에도 사용될 수 있다. 관절 어셈블리(1)는, 메인 관절(11) 및 보조 관절(12)을 포함할 수 있다.

메인 관절(11) 및/또는 보조 관절(12)은, 굽힘 또는 신장 할 수 있다. 예를 들어, 관절 어셈블리(1)가 수술 도구로 사용될 경우, 메인 관절(11) 및/또는 보조 관절(12)의 일단에는 수술용 팁이 연결될 수 있다. 수술용 팁은, 예를 들면 집게(forceps), 루프(loop) 및 클립 어플라이어(clip applier) 등 다양한 것이 이용될 수 있다. 예를 들어, 수술용 팁으로 집게가 사용되는 경우, 메인 관절(11) 및/또는 보조 관절(12)의 굽힘 동작에 따라서 집게가 향하는 방향이 변경될 수 있다.

메인 관절(11)은, 일렬로 연결되는 복수 개의 메인 링크(111)를 포함할 수 있다.

메인 링크(111)는, 양단에 메인 구름 접촉면(113)을 형성하며 인접한 다른 메인 링크(111)와 맞물리면서 상대적으로 회전할 수 있다. 다시 말해서, 메인 링크(111)는, 인접한 메인 링크(111)와 구름 운동할 수 있다. 예를 들어, 메인 구름 접촉면(113)은 기어 형상을 포함하여, 기어 치형을 따라 서로 맞물리면서 구름 운동 할 수 있다. 다른 예로, 인접하는 2개의 메인 링크(111)가 서로를 당기는 힘을 제공할 수 있는 탄성 와이어가 메인 링크(111) 내부에 배치될 수 있다. 메인 링크(111)는, 복수 개의 홀(112)을 포함할 수 있다.

복수 개의 홀(112)은, 메인 링크(111)의 양측에 각각 하나씩 형성될 수 있고, 복수 개의 홀(112)에는 각각 인접한 보조 링크(121)가 상대적으로 회전 가능하게 결합될 수 있다.

구름 접촉면(113)은, 메인 링크(111) 및 보조 링크(121)의 상대적인 회전 중심을 중심으로 하는 호(arc)에 해당하는 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 홀(112)은, 반경이 작은 원 형상을 가질 수 있고, 구름 접촉면(113)은 홀(112)과 같은 중심 갖고 홀(112)보다 반경이 큰 원의 호(arc) 형상일 수 있다.

보조 관절(12)은, 일렬로 연결되는 복수 개의 보조 링크(121)를 포함할 수 있다.

복수 개의 보조 링크(121)는, 복수 개의 메인 링크(111)에 각각 힌지 결합할 수 있다. 보조 링크(121)는, 인접한 2개의 메인 링크(111)가 서로 이탈되지 않도록 2개의 메인 링크(111)를 연결할 수 있다. 다시 말하면, 보조 링크(121)는, 회동 결합된 두 개의 메인 링크(111)의 상대적인 회동(rotation)을 가능하게 하고, 상대적인 평행 이동(translation)을 구속할 수 있다. 다시 말해서, 보조 링크(121)에 의해, 복수 개의 메인 링크(111) 중 인접하는 2 개의 메인 링크(111)는 1자유도로 상대적으로 회동 가능하다.

보조 링크(121)는, 양 단에 보조 구름 접촉면(123)을 형성하며 인접한 보조 링크(111)와 구름 운동할 수 있다. 예를 들어, 메인 구름 접촉면(123)은 기어 형상을 포함하여, 기어 치형을 따라 서로 맞물리면서 구름 운동 할 수 있다. 다른 예로, 인접하는 2개의 보조 링크(121)가 서로를 당기는 힘을 제공할 수 있는 탄성 와이어가 보조 링크(121) 내부에 배치될 수 있다.

예를 들어, 보조 링크(121)는, 메인 링크(111)와 결합하기 위한 복수 개의 돌기(122)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 링크(121)는, 두 개의 돌기(122)를 포함하고, 각각의 돌기(122)는, 구름 접촉하는 두 개의 메인 링크(111)의 홀(112)에 각각 회동 결합될 수 있다. 다시 말해서, 두 개의 돌기(122) 중 하나의 돌기는, 제 1 메인 링크(1111, 도 4참조)의 홀(112)과 회동 결합하고, 다른 하나의 돌기는, 제 1 메인 링크(1111)와 구름 접촉하는 제 2 메인 링크(1112, 도 4참조)의 홀과 회동 결합할 수 있다.

앞서 설명한 관절 어셈블리(1)는, 메인 링크(111)는 홀(112)을 포함하고, 보조 링크(121)는 돌기(122)를 포함하지만, 이와 같은 방식에 제한되지 않는다. 예를 들어, 메인 링크(111)는 돌기를 포함하고, 보조 링크(121)에 상기 돌기가 회동 결합 가능한 홀을 포함할 수 있다. 다른 예로, 메인 링크(111) 및 보조 링크(121)는, 중심을 공유하는 같은 크기의 홀을 포함하고, 그 홀들을 관통하는 별개의 부재가 추가적으로 마련될 수 있을 것이다.

도 3은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 동작을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 메인 관절(11)은, 연속적으로 배치되는 제 1 메인 링크(1111), 제 2 메인 링크(1112) 및 제 3 메인 링크(1113)를 포함할 수 있다. 보조 관절(12)은, 제 1 메인 링크(1111) 및 제 2 메인 링크(1112)에 회동 결합되는 제 1 보조 링크(1211)와, 제 2 메인 링크(1112) 및 제 3 메인 링크(1113)에 회동 결합되는 제 2 보조 링크(1212)를 포함할 수 있다.

이하 제 1 메인 링크(1111), 제 2 메인 링크(1112) 및 제 3 메인 링크(1113)가 각각 동일한 형상을 가지고, 각각의 링크가 포함하는 홀(112)의 형상 및 위치도 동일한 경우에 대하여 예시적으로 설명하기로 한다.

제 2 메인 링크(1112)가, 제 1 메인 링크(1111)에 대해서 상대적으로 회전하였을 때, 제 1 메인 링크(1111)의 길이 방향 및 제 2 메인 링크(1112)의 길이 방향은 제 1 각도(θ1)를 형성할 수 있다. 제 1 각도(θ1)가 형성 됨에 따라, 제 1 메인 링크(1111) 및 제 2 메인 링크(1112)에 연결되어 있는 제 1 보조 링크(1211)의 길이 방향은, 제 1 메인 링크(1112)의 길이 방향에 대한 각도(θ11)를 형성할 수 있다.

제 1 메인 링크(1111) 및 제 2 메인 링크(1112)는 같은 형상이고, 서로 구름 운동 하기 때문에, 제 1 보조 링크(1211)의 길이 방향 및 제 2 메인 링크(1112)의 길이 방향이 형성하는 각도(θ12)는, 제 1 보조 링크(1211)의 길이 방향 및 제 1 메인 링크(1112)의 길이 방향이 형성하는 각도(θ11)와 동일할 수 있다. 결과적으로, 제 1 각도(θ1)의 크기는 상기 각도(θ11)의 크기의 두 배 일 수 있다.

제 2 보조 링크(1212)는, 제 1 보조 링크(1211)와 구름 운동 하기 때문에, 제 2 보조 링크(1211)의 길이 방향 및 제 2 메인 링크(1112)의 길이 방향이 형성하는 각도(θ22)는, 제 1 보조 링크(1211)의 길이 방향 및 제 2 메인 링크(1112)의 길이 방향이 형성하는 각도(θ12)와 동일할 수 있다.

제 2 메인 링크(1112) 및 제 3 메인 링크(1113)는 구름 운동 하기 때문에, 제 2 보조 링크(1212)의 길이 방향 및 제 2 메인 링크(1112)의 길이 방향이 형성하는 각도(θ22)는, 제 2 보조 링크(1212)의 길이 방향 및 제 3 메인 링크(1114)의 길이 방향이 형성하는 각도(θ23)와 동일할 수 있다. 결과적으로, 제 2 메인 링크(1112)의 길이 방향 및 제 3 메인 링크(1113)의 길이 방향은 제 2 각도(θ2)를 형성할 수 있고, 제 2 각도(θ2)는 제 1 각도(θ1)와 동일할 수 있다.

또한, 제 1 보조 링크(1211)의 길이 방향 및 상기 제 2 보조 링크(1212)의 길이 방향이 이루는 제 3 각도(θ3)는, 제 1 각도(θ1) 및 제 2 각도(θ2)와 동일할 수 있다.

이와 같이, 제 1 각도(θ1), 제 2 각도(θ2) 및 제 3 각도(θ3)가 동일할 경우, 메인 관절(11) 및 보조 관절(12)은 일정한 곡률을 형성하며, 굽힘 또는 신장 동작을 할 수 있다. 사용자가 관절 어셈블리(1)를 구동할 경우, 인접한 링크들이 형성하는 각도가 모두 동일하기 때문에, 사용자는 관절 어셈블리(1)의 말단부의 위치를 정확하게 예측할 수 있다. 또한, 메인 관절(11) 및 보조 관절(12)이 서로 구속되어 있기 때문에, 잉여 자유도가 존재하지 않으므로, 전체 관절 어셈블리(1)는 외력에 대하여 강성한 성질을 갖는다.

도 4는 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 정면도이다.

도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리(2)는 복수 개의 메인 링크(211)를 포함하는 메인 관절(21)과, 복수 개의 보조 링크(221)를 포함하는 보조 관절(22)을 포함할 수 있다.

복수 개의 메인 링크(211) 중 적어도 일부의 메인 링크(211)는, 인접한 메인 링크(211)와 접촉하는 부분에 기어 형상을 포함할 수 있다. 기어 형상에 의하면, 메인 관절(21)이 일정한 곡률을 형성하며, 굽힘 또는 신장 동작을 할 수 있게 한다. 마찬가지로, 복수 개의 보조 링크(221) 중 적어도 일부의 보조 링크(221)는, 인접한 보조 링크(221)와 맞물리는 부분에 기어 형상을 포함할 수 있다

도 5는 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 결합 사시도이고, 도 6은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 분해 사시도이고, 도 7은 도 5의 A-A 절단선을 따라 절단된 단면도이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리(3)는, 복수 개의 메인 링크(311)를 포함하는 메인 관절(31)과, 복수 개의 보조 링크(321)를 포함하는 보조 관절(32)과, 구동 케이블(37)을 포함할 수 있다. 메인 링크(311)는, 홀(312)을 포함할 수 있고, 보조 링크(321)는, 메인 링크(311)의 홀(312)에 회동 결합할 수 있는 돌기(322)를 포함할 수 있다.

메인 링크(311)는, 수용 공간(35)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메인 링크(311)는, 길이 방향으로 중간 영역이 관통되어 있는 원기둥 형상일 수 있다. 메인 링크(311)는, 인접하는 메인 링크(311)와 1자유도로 상대적으로 회전하기 위한 접촉면 형성할 수 있다. 예를 들어, 메인 링크(311)는 양측에 기어 형상을 포함할 수 있다. 메인 링크(311)의 일측, 예를 들어, 메인 링크(311)의 테두리 벽부에는, 구동 케이블(37)이 삽입되어, 관통할 수 있는 케이블 삽입 홀(317)을 포함할 수 있다.

수용 공간(35)은, 예를 들어, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리(3)가 수술용 기구의 구성으로 사용될 경우, 카메라, 집게 및/또는 레이저 등의 기능을 수행하기 위한 전선이나 와이어가 지나갈 수 있다.

보조 관절(32)은, 메인 관절(31)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 보조 관절(32)은, 수용 공간(35)에 배치되어, 메인 관절(31)의 내벽에 연결될 수 있다.

보조 링크(321)는, 인접하는 보조 링크(321)와 1자유도로 상대적으로 회전하기 위한 접촉면을 포함할 수 있다.

구동 케이블(37)은, 사용자가 가하는 힘을 관절 어셈블리(3)에 전달하여, 관절 어셈블리(3)의 굽힘 또는 신장 동작을 보조 할 수 있다. 예를 들어, 구동 케이블(37)의 일측은 복수 개의 메인 링크(311) 중 하나의 메인 링크(311)에 고정되고, 타측은 사용자가 조작할 수 있도록 외부로 연장될 수 있다. 예를 들어, 구동 케이블(37)은, 메인 링크(311)의 중심으로부터 거리를 두고 고정되고, 사용자는 구동 케이블(37)을 당겨 관절 어셈블리(3)가 구동 케이블(37)이 고정된 쪽으로 굽혀지게 할 수 있다.

구동 케이블(37)은, 예를 들어, 메인 링크(311)의 케이블 삽입 홀(317)을 관통할 수 있다. 구동 케이블(37)은, 관절 어셈블리(3)가 굽혀질 경우, 관절 어셈블리(3)와 함께 굽혀질 수 있다. 예를 들어, 구동 케이블(37)은 유연한 소재로 구성될 수 있다. 구동 케이블(37)은, 메인 링크(311)의 중심선을 기준으로 대칭되도록 양 측에 각각 2개가 배치될 수 있다. 이와 같은 형상일 경우, 사용자는 관절 어셈블리(3)를 굽히거나 신장시킬 수 있다.

도 8는 도 7의 B-B 절단선을 따라 절단된 단면도이다.

도 8를 참조하면, 보조 관절(32)은, 보조 링크(321) 및 보조 와이어(392)를 포함할 수 있다. 보조 링크(321)는, 돌기(322) 및 와이어 삽입 홀(328)을 포함할 수 있다. 보조 링크(321)의 와이어 삽입 홀(328)에는, 보조 링크(321) 및 인접한 보조 링크(321)를 연결하는 보조 와이어(392)가 배치될 수 있다.

보조 와이어(392)는, 인접한 2개 이상의 보조 링크(321)를 연결할 수 있다. 보조 와이어(392)의 일단은 하나의 보조 링크(321)에 고정되고, 타단은 다른 하나의 보조 링크(321) 에 고정되고, 중간 영역은 상기 하나의 보조 링크(321) 및 상기 다른 하나의 보조 링크(321) 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 보조 링크(321)를 연결할 수 있다. 예를 들어, 보조 와이어(392)의 양단은, 보조 관절(32)의 양 끝에 위치하는 2개의 보조 링크(321)에 각각 고정되고, 중간 영역은, 양 끝에 위치하는 2개의 보조 링크(321) 일렬로 연속적으로 배치되는 보조 링크(321)의 와이어 삽입 홀(328)을 통과할 수 있다.

보조 와이어(392)는, 예를 들어, 탄성을 갖는 소재를 포함하고, 와이어 삽입 홀(328)에 팽팽하게 결합되어, 보조 링크(321) 및 인접한 보조 링크(321)가 구름 운동하도록 보조할 수 있다.

도 9는 도 7의 C-C 절단선을 따라 절단된 단면도이다.

도 9를 참조하면, 와이어 삽입 홀(328)의 입구(324)는, 보조 링크(321) 및 인접한 보조 링크(321)가 서로 접촉하는 부분이다. 와이어 삽입 홀(328)의 입구(324)는, 보조 링크(321)의 중심부로부터 보조 링크(321)의 단부를 향하여 갈수록 넓어지는 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 와이어 삽입 홀(328)의 입구(324)는 모따기(chamfering) 처리 될 수 있다.

이와 같은 형상으로 인해, 보조 관절(32)이 굽힘 동작을 할 때, 인접한 2개의 보조 링크(321) 사이의 보조 와이어(392)의 굴곡을 완만하게 하여, 보조 와이어(392)의 내구성을 향상시킬 수 있고, 또한, 모따기 처리되지 않은 경우와 비교하여 보조 와이어(392)에 인가되는 장력의 크기를 줄여줄 수 있으므로, 상기 인접한 2개의 보조 링크(321)가 원활하게 구름 접촉할 수 있도록 한다.

도 10은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 동작을 나타내는 도면이다.

도 10을 참조하면, 관절 어셈블리(4)는, 메인 관절(41), 보조 관절(42) 및 구동 케이블(47)을 포함한다.

메인 관절(41)은, 메인 링크(411) 및 메인 와이어(491)를 포함할 수 있다. 메인 링크(411)는, 홀(412) 및 와이어 삽입 홀(418)을 포함할 수 있다. 메인 링크(411)의 와이어 삽입 홀(418)에는 메인 와이어(491)가 배치될 수 있다.

메인 와이어(491)는, 2개의 인접한 메인 링크(411)를 연결할 수 있다. 메인 와이어(492)의 일단은 하나의 메인 링크(411)에 고정되고, 타단은 다른 하나의 메인 링크(411) 에 고정되고, 중간 영역은 상기 하나의 메인 링크(411) 및 상기 다른 하나의 메인 링크(411) 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 메인 링크(411)를 연결할 수 있다. 예를 들어, 메인 와이어(491)의 양단은, 메인 관절(41)의 양 끝에 위치하는 2개의 메인 링크(411)에 각각 고정되고, 중간 영역은, 양 끝에 위치하는 2개의 메인 링크(411) 일렬로 연속적으로 배치되는 메인 링크(411)의 와이어 삽입 홀(418)을 통과할 수 있다.

도 11은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리를 나타내는 도면이다.

도 11을 참조하면, 일 실시 예에 따른 구동 케이블(47)은, 메인 관절(41)의 내부를 통과하지 않는 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메인 관절(41)은 복수 개의 메인 링크를 포함하고, 복수 개의 메인 링크 중 양단에 위치한 메인 링크에는 구동 케이블이 연결되고, 나머지 메인 링크에는 구동 케이블이 연결되지 않을 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 메인 관절(41)이 굽힘 동작을 할 때, 구동 케이블(47) 중 메인 관절(41)의 내부를 통과하지 않는 부분은, 메인 관절(41)과 이격될 수 있다. 이와 같은 형상은, 구동 케이블(47)의 메인 관절(41)에 대한 모멘트 암(moment arm)의 길이를 늘려주어 더 큰 힘을 전달할 수 있도록 보조할 수 있다.

도 12는 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이고, 도 13은 메인 링크의 반경(R)이 와이어 홀의 높이(B) 보다 작은 기존 롤링 관절 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이고, 도 14는 메인 링크의 반경(R)이 와이어 홀의 높이(B) 보다 큰 기존 관절 롤링 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이고, 도 15는 기존 핀 관절 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이고, 도 16은 기존 슬릿 관절 어셈블리를 간략하게 나타내는 측면도이다. 또한, 도 17은, 도 12 내지 도 16 각각의 관절 어셈블리의 구부러지는 각도(θbending)에 따른, 가반 하중(Fpayload) 및 구동 와이어의 장력(Twire)의 비율을 나타내는 그래프이다.

도 12 내지 도 17을 참조하면, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리는 기존 관절 어셈블리(도 13 내지 도 16)에 비해 동일한 구동와이어의 장력(Twire)에 대해 가반 하중(Fpayload)이 클 수 있다. 예를 들어, 관절 어셈블리의 구부러지는 각도(θbending)가 0도 보다 클 경우, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리(도 12)의 가반 하중은 기존 관절 어셈블리(도 13 내지 도 16)의 가반 하중 보다 2배 이상일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리(도 12)의 가반 하중은 구부러지는 각도(θbending)가 커질수록 급격하게 증가할 수 있다.

일 실시 예에 따른 관절 어셈블리(도 12)는 와이어를 가로질러 배치할 수 있기 때문에, 모멘트 암(moment arm)이 커지게 되고, 이로 인해 큰 가반 하중을 견딜 수 있다. 또한, 기존 관절 어셈블리(도 13 내지 도 16)와 달리 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리(도 12)는 각각의 관절이 동일한 각도로 움직이도록 구조적으로 구속되어 있기 때문에 외력이 가해지더라도 형상 변형이 방지될 수 있고, 큰 가반 하중을 견딜 수 있다. 다시 말해서, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리(도 12)는 여자유도(redundancy)가 구속된 특징으로 인해 원래 형상을 유지한 채로 큰 가반 하중을 견딜 수 있다.

도 18은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리에 서로 다른 하중을 인가한 상태로 20도 및 80도 사이의 각도를 왕복할 때, 관절 어셈블리 끝단의 궤적을 나타내는 그래프이다. 도 18은 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리 상에 하중을 가해진 상태와, 50g, 100g, 150g, 200g 및 250g의 하중을 가한 상태에서 20도 및 80도 사이의 각도를 왕복할 때의 관절 어셈블리의 끝단의 궤적을 각각 나타낸다.

도 18을 참조하면, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리에 서로 다른 하중을 인가하였을 때, 궤적의 최대 변위 차이가 2.8mm 미만 임을 확인할 수 있다. 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리에 하중이 인가되더라도 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리는 형상의 왜곡이 거의 없이 궤적을 따라갈 수 있다. 즉, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리의 구동 와이어에 걸리는 장력은 작을 수 있다. 이에 따라, 구동 와이어의 변형은 줄어들 수 있으며, 일 실시 예에 따른 관절 어셈블리 말단부의 정확도가 향상될 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

1: 관절 어셈블리
11: 메인 관절
12: 보조 관절

Claims

내부에 수용 공간을 형성하는 복수 개의 메인 링크를 포함하는 메인 관절;
상기 수용 공간에 배치되고, 상기 메인 링크의 내벽에 연결되고, 상기 복수 개의 메인 링크에 각각 힌지 결합하고, 와이어 삽입 홀을 구비하는 복수 개의 보조 링크를 포함하는 보조 관절; 및
양단이 상기 보조 관절의 양 끝에 위치하는 2개의 보조 링크에 각각 고정되고, 중간 영역이 상기 2개의 보조 링크 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 보조 링크의 와이어 삽입 홀을 통과하는 보조 와이어;
를 포함하고,
상기 복수 개의 메인 링크 중 인접하는 2개의 메인 링크는 상대적으로 회동 가능하고,
상기 복수 개의 보조 링크 중 인접하는 2개의 보조 링크는 상대적으로 회동 가능하고,
상기 복수 개의 메인 링크는, 인접한 다른 링크와 맞물리는 기어 형상을 포함하고,
상기 복수 개의 메인 링크 및 복수 개의 보조 링크는 1자유도로 운동하는 관절 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 메인 관절은, 특정한 일 방향으로 굽힘(flexion) 또는 신장(extension) 가능한 관절 어셈블리.
제 2 항에 있어서,
상기 메인 관절은, 연속적으로 배치되는 제 1 메인 링크, 제 2 메인 링크 및 제 3 메인 링크를 포함하고,
상기 메인 관절이 굽혀질 때,
상기 제 1 메인 링크의 길이 방향 및 상기 제 2 메인 링크의 길이 방향이 이루는 제 1 각도는,
상기 제 2 메인 링크의 길이 방향 및 상기 제 3 메인 링크의 길이 방향이 이루는 제 2 각도와 동일한 관절 어셈블리.
제 3 항에 있어서,
상기 보조 관절은, 연속적으로 배치되는 제 1 보조 링크 및 제 2 보조 링크를 포함하고,
상기 제 1 보조 링크는, 상기 제 1 메인 링크 및 상기 제 2 메인 링크와 각각 힌지 결합되고,
상기 제 2 보조 링크는, 상기 제 2 메인 링크 및 상기 제 3 메인 링크와 각각 힌지 결합되고,
상기 메인 관절이 굽혀질 때, 상기 제 1 각도는, 상기 제 1 메인 링크의 길이 방향 및 상기 제 1 보조 링크의 길이 방향이 형성하는 각도의 두 배인 관절 어셈블리.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 보조 링크의 길이 방향 및 제 2 메인 링크의 길이 방향이 형성하는 각도는,
상기 제 2 보조 링크의 길이 방향 및 상기 제 2 메인 링크의 길이 방향이 형성하는 각도와 동일한 관절 어셈블리.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 보조 링크의 길이 방향 및 상기 제 2 보조 링크의 길이 방향이 이루는 제 3 각도는, 상기 제 1 각도와 동일한 관절 어셈블리.
제 2 항에 있어서,
일측은 상기 복수 개의 메인 링크 중 하나의 메인 링크에 고정되고, 타측은 사용자가 조작할 수 있도록 외부로 노출되는 구동 케이블을 더 포함하고,
상기 복수 개의 메인 링크 중 양단에 위치한 메인 링크에는 상기 구동 케이블이 연결되고, 나머지 메인 링크에는 상기 구동 케이블이 연결되지 않을 수 있는 관절 어셈블리.
제 7 항에 있어서,
상기 복수 개의 메인 링크는, 상기 구동 케이블이 삽입되는 구동 케이블 삽입 홀을 포함하는 관절 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 메인 링크 및 복수 개의 보조 링크 중 적어도 일부의 링크는, 인접한 다른 링크와 접촉하는 구름 접촉면을 포함하고,
상기 구름 접촉면은, 상기 메인 링크 및 상기 보조 링크의 상대적인 회전 중심을 중심으로 하는 호(arc)에 해당하는 형상인 관절 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 와이어 삽입 홀의 입구는, 상기 링크의 중심부로부터 상기 링크의 단부를 향하여 갈수록 넓어지는 관절 어셈블리.