KR102034950B1 - 위치 조절 암 - Google Patents

Abstract

일 실시 예에 따르면 위치 조절 암은, 일 지점으로부터의 거리가 변화 가능한 단부를 구비하고, 상기 일 지점을 중심으로 적어도 2개의 방향으로 회전이 가능한 링크 어셈블리; 및 상기 링크 어셈블리의 자중에 의하여 상기 일 지점에 작용하는 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 중력 보상부를 포함할 수 있다.

Description

위치 조절 암{POSITIONING ARM}

아래의 설명은 위치 조절 암에 관한 것이다.

의료 분야, 산업 분야 등 다양한 분야에서, 로봇이 사용되어 오고 있다. 예를 들면, 의료 분야에서는, 수술 로봇 시스템의 일부로, 수술 도구(surgical instrument) 및 로봇 암(robot arm)의 위치를 자유롭고 안정적으로 위치시켜줄 수 있는 위치 조절 암(positioning arm)을 포함하는 지지 장치가 사용되고 있다.

회전 자유도가 존재하는 위치 조절 암은 일반적으로 많이 사용되며, 복강경 수술 로봇, 다빈치 시스템(Da Vinci system) 등 수술 로봇 등에서 널리 사용된다. 위와 같은 위치 조절 암의 자중, 또는 위치 조절 암에 로딩(loading)되는 인스트루먼트(instrument) 등의 무게는, 위치 조절 암의 조인트에 작용하여 중력 토크(gravitational torque)를 발생시킨다. 이러한 중력 토크는 위치 조절 암의 자세를 변경시킬 수 있으므로, 위치 조절 암의 자세를 일정하게 유지하기 위하여는 일정한 힘을 지속적으로 작용할 필요가 있다. 예를 들어, 사용자가 위치 조절 암을 버티는 힘을 제공하거나, 모터 등의 액추에이터를 이용하여 지속적인 토크를 제공하거나, 브레이크를 이용하여 고정할 수 있다.

그러나 위치 조절 암의 무게로 인하여, 사용자가 이러한 힘을 지속적으로 제공하면서 수술 작업을 수행하는 것은 매우 어렵고, 위치 조절 암을 지탱할 수 있는 무게에 한계가 있었다. 또한, 모터 등의 액추에이터를 이용한다 하더라도 과도한 부하가 걸리는 문제가 있었으며, 이를 극복하기 위하여 가격이 비싸고 부피가 커지며, 부피에 비하여 비효율적이라는 문제가 있었다. 브레이크를 이용하여 고정하는 방법의 경우, 브레이크를 풀고 조이는 과정이 요구되어 사용 편의성이 떨어지고 또한, 위치 조절 암의 위치를 조절하기 위하여 브레이크를 풀었을 때, 여전히 위치 조절 암의 무게를 사람이 견뎌야 하는 문제가 있었다. 따라서, 위치 조절 암의 자중을 보상하기 위한 중력 보상 수단이 요구되어 왔다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.

일 실시 예의 목적은, 3자유도 움직임에 대한 중력 보상 메커니즘이 적용된 위치 조절 암을 제공하는 것이다.

일 실시 예에 따르면 위치 조절 암은, 일 지점으로부터의 거리가 변화 가능한 단부를 구비하고, 상기 일 지점을 중심으로 적어도 2개의 방향으로 회전이 가능한 링크 어셈블리; 및 상기 링크 어셈블리의 자중에 의하여 상기 일 지점에 작용하는 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 중력 보상부를 포함할 수 있다.

상기 링크 어셈블리는, 롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 길이 방향으로 전체 길이가 변화될 수 있는 다단 구조를 구비할 수 있다.

상기 링크 어셈블리는, 베이스에 대하여 롤 회전 가능한 기어 케이스; 상기 기어 케이스에 대하여 피치 회전 가능한 제 1 링크; 상기 제 1 링크에 대하여 병진 운동 가능한 제 2 링크; 및 상기 제 2 링크에 대하여 병진 운동 가능하고 상기 단부를 구비하는 제 3 링크를 포함할 수 있다.

상기 위치 조절 암은, 상기 제 2 링크에 회전 가능하게 설치되고, 양측이 각각 상기 제 1 링크 및 제 3 링크에 연결되어, 상기 제 1 링크에 대한 상기 제 3 링크의 병진 운동량을, 상기 제 1 링크에 대한 상기 제 2 링크의 병진 운동량에 비례하여 증감시키기 위한 변속 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 제 1 링크 및 제 3 링크에는 각각 랙 기어가 형성되고, 상기 변속 수단은, 상기 제 1 링크의 랙 기어에 맞물리는 제 1 기어 및 상기 제 3 링크에 맞물리는 제 2 기어를 포함할 수 있다.

상기 위치 조절 암은, 상기 베이스에 고정되는 중심 베벨 기어; 상기 중심 베벨 기어의 양측에 각각 맞물리고, 상기 기어 케이스에 대하여 회전 가능한 한 쌍의 회전 베벨 기어; 및 상기 한 쌍의 회전 베벨 기어에 각각 고정되어, 상기 한 쌍의 베벨 기어와 각각 함께 상기 기어 케이스에 대하여 회전 가능한 한 쌍의 회전체를 더 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 회전 베벨 기어 및 그에 대응하는 한 쌍의 회전체 사이에는 각각 연결 축부가 형성되고, 상기 연결 축부에 상기 링크 어셈블리가 일 방향으로 회전할 수 있게 설치될 수 있다.

상기 한 쌍의 회전 베벨 기어는, 상기 링크 어셈블리가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고, 상기 링크 어셈블리가 롤 회전할 때에 동일한 축에 대하여 반대 방향으로 회전할 수 있다.

상기 중력 보상부는, 상기 제 2 링크가 상기 제 1 링크에 대하여 멀어지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 증가되고, 상기 제 2 링크가 상기 제 1 링크에 대하여 가까워지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 감소하는 보상 탄성체를 포함할 수 있다.

상기 중력 보상부는, 상기 제 2 링크의 양측에 각각 설치되는 한 쌍의 고정체; 상기 제 2 링크에 대하여 각각 슬라이딩 가능한 한 쌍의 보상 슬라이더; 및 일단이 상기 한 쌍의 회전체에 각각 연결되고, 타단이 상기 한 쌍의 보상 슬라이더에 각각 연결되는 한 쌍의 보상 강선을 더 포함하고, 상기 한 쌍의 보상 탄성체는, 상기 한 쌍의 고정체 및 보상 슬라이더 사이에 각각 위치할 수 있다.

상기 위치 조절 암은, 상기 링크 어셈블리의 전체 길이 변화에 따라서 발생되는 상기 중력 토크 및 보상 토크의 차이를 감소시키는 토크 조정부를 더 포함할 수 있다.

상기 토크 조정부는, 상기 제 2 링크가 상기 제 1 링크에 대하여 멀어지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 감소되고, 상기 제 2 링크가 상기 제 1 링크에 대하여 가까워지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 증가하는 조정 탄성체를 포함할 수 있다.

상기 토크 조정부는, 상기 제 1 링크의 길이 방향을 따라서 슬라이딩 가능한 수평 슬라이더; 상기 제 1 링크에 수직한 방향으로 설치되는 가이드 바; 상기 가이드 바를 따라서 슬라이딩 가능한 수직 슬라이더; 일단이 상기 수직 슬라이더에 회전 가능하게 연결되고, 타단이 상기 제 2 링크에 회전 가능하게 연결되는 커플링 링크; 및 일단이 상기 수평 슬라이더에 연결되고, 타단이 상기 가이드 바를 관통하여 상기 수직 슬라이더에 연결되는 조정 강선을 더 포함하고, 상기 조정 탄성체는, 상기 수평 슬라이더 및 가이드 바 사이에 위치할 수 있다.

일 실시 예에 따르면 위치 조절 암은, 롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 길이 방향으로 전체 길이가 변화될 수 있는 다단 구조를 구비한 링크 어셈블리; 상기 링크 어셈블리가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고, 상기 링크 어셈블리가 롤 회전할 때에 맞물려 회전할 수 있는 복수 개의 베벨 기어; 상기 복수 개의 베벨 기어 중 하나 이상에 연결되어 상기 베벨 기어와 함께 회전하는 회전체; 및 상기 회전체에 연결되고, 상기 링크 어셈블리의 롤 회전, 피치 회전 및 길이 변화에 따라서 보상 탄성체를 압축하여, 상기 링크 어셈블리의 자중에 의한 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 중력 보상부를 포함할 수 있다.

상기 위치 조절 암은, 상기 링크 어셈블리의 길이 변화에 따라서 조정 탄성체를 압축하여, 상기 중력 토크 및 보상 토크의 차이를 감소시키는 토크 조정부를 더 포함할 수 있다.

상기 링크 어셈블리의 전체 길이가 증가할수록, 상기 보상 탄성체의 탄성 위치 에너지는 증가되고, 상기 조정 탄성체의 탄성 위치 에너지는 감소될 수 있다.

상기 링크 어셈블리는, 베이스에 회전 가능하게 연결되어, 상기 베이스에 대하여 롤 회전 가능한 기어 케이스; 상기 기어 케이스에 회전 가능하게 연결되어, 상기 기어 케이스에 대하여 피치 회전 가능한 제 1 링크; 상기 제 1 링크에 대하여 병진 운동 가능한 제 2 링크; 및 상기 제 2 링크에 대하여 병진 운동 가능한 단부를 구비하는 제 3 링크를 포함할 수 있다.

상기 위치 조절 암은, 상기 제 1 링크에 대한 상기 제 3 링크의 병진 운동량을, 상기 제 1 링크에 대한 상기 제 2 링크의 병진 운동량에 비례하여 증감시키기 위한 변속 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 보상 탄성체의 탄성 계수는, 상기 조정 탄성체의 탄성 계수와 동일할 수 있다.

일 실시 예에 따른 위치 조절 암에 의하면, 중력 보상 메커니즘을 이용하여 작은 힘으로도 조작할 수 있다. 다시 말하면, 중력 보상 메커니즘을 통하여 구동원에 인가하여야 하는 입력 토크를 감소시킬 수 있으므로, 상대적으로 작고 가벼운 액추에이터를 사용하여 구동할 수 있고, 순수하게 중력 보상에만 요구되는 에너지 소모를 줄여줌으로써, 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.

또한, 위치 조절 암을 사용하는 도중 전원이 다운되는 긴급 상황에서도, 위치 조절 암이 중력에 의해 쳐지지 않기 때문에, 특히, 수술 로봇 분야 등에서의 안정성을 증대시킬 수 있다.

일 실시 예에 따른 위치 조절 암은, 위치 조절 암 단부의 롤(roll), 피치(pitch) 및 병진 운동(translation motion) 3자유도 움직임에 대응하여, 변화하는 무게 중심에 대한 중력 보상 메커니즘을 구비함으로써, 반구상의 작업 공간(hemispheric work space) 상에서 중력에 무관하게 다양한 자세를 안정적으로 유지할 수 있다. 따라서, 받침점(fulcrum) 움직임을 나타내는 최소 침습 수술(minimally invasive surgery)용 수술 로봇 등에 널리 적용될 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 상면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 측면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 피치 회전을 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 롤 회전을 나타내는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 전체 길이가 증가할 때의 동작을 나타내는 상면도 및 측면도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 개념도이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 변속 수단의 개념도이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 토크 조정부의 개념도이다.
도 12는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 개념도이다.
도 13 및 도 14는 서로 다른 상태에서의 위치 조절 암의 모습을 각각 나타내는 도면이다.
도 15는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 전체 길이 변화에 따라서 롤 방향으로 작용하는 중력 토크 및 보상 토크의 합이 0이 됨을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 16은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 롤 회전에 따라서 병진 운동 방향으로 작용하는 힘의 합력이 0이 됨을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.

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 위치 조절 암의 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 상면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 측면도이다. 도 2 및 도 3은 이해의 편의를 위하여 도 1에 도시된 위치 조절 암의 일부 구성들을 간략히 도시한 것임을 밝혀둔다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 위치 조절 암(1)의 단부는, 베이스(B)에 대하여 적어도 3자유도, 구체적으로, 롤(roll) 회전, 피치(pitch) 회전 및 병진 운동(translation motion)이 가능하다. 도 2 및 도 3에 도시된 좌표계(x0, y0, z0)는 일 지점(O, 도 2 참조)을 원점으로 하는 글로벌 좌표계이며, x0 축은 중력 방향으로 설정된 것임을 밝혀둔다.

위치 조절 암(1)은 일 지점(O)에 작용하는 중력 토크에 반대되는 방향의 토크를 제공하는 수단을 구비함으로써, 위치 조절 암(1)의 자세를 유지하는 데에 요구되는 동력을 감소시킬 수 있다. 나아가 후술하는 바와 같이 특정 조건을 만족하도록 설계하면, 외부로부터 입력되는 동력이 없더라도, 위치 조절 암(1)은 상기 3가지 방향의 모든 움직임에 대하여 마치 무중력과 같은 상태로 그 자세를 그대로 유지할 수 있다.

위치 조절 암(1)은, 링크 어셈블리(11), 변속 수단(12), 중심 베벨 기어(13), 회전 베벨 기어(14), 회전체(15), 연결 축부(16), 중력 보상부(17) 및 토크 조정부(18)를 포함할 수 있다.

링크 어셈블리(11)는, 일 지점(O)으로부터의 거리가 변화 가능한 단부를 구비하고, 일 지점(O)을 중심으로 적어도 2개의 방향으로 회전될 수 있다. 예를 들어, 링크 어셈블리(11)는, 롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 길이 방향으로 전체 길이가 변화될 수 있는 다단 구조(112, 113, 114)를 구비할 수 있다. 링크 어셈블리(11)는, 기어 케이스(111), 제 1 링크(112), 제 2 링크(113) 및 제 3 링크(114)를 포함할 수 있다.

기어 케이스(111)는, 베이스(B)에 대하여 롤 회전할 수 있다. 예를 들어, 기어 케이스(111)는, 중심 베벨 기어(13) 및 베이스(B)를 연결하는 연결 축부에 연결됨으로써 베이스(B)에 대하여 일 방향으로 회전할 수 있다. 기어 케이스(111)는, 기어 케이스(111)는, 복수 개의 베벨 기어(13, 14)의 회전 축이 관통되는 구조를 구비하고, 회전 베벨 기어(14)를 중심 베벨 기어(13)에 맞물리도록 지지할 수 있다.

제 1 링크(112)는, 기어 케이스(111)에 대하여 피치 회전할 수 있다. 예를 들어, 제 1 링크(112)는, 회전 베벨 기어(14) 및 회전체(15)를 연결하는 연결 축부(16)에 연결됨으로써, 기어 케이스(111)에 대하여 일 방향으로 회전할 수 있다.

제 2 링크(113)는, 제 1 링크(112)에 대하여 병진 운동할 수 있다. 예를 들어, 제 2 링크(113)는, 제 1 링크(112)에 형성된 슬라이딩 홈에 의해 가이드 되는 슬라이딩 돌기를 구비함으로써, 제 1 링크(112)의 길이 방향을 따라서 일 방향으로 이동될 수 있다.

제 3 링크(114)는, 제 2 링크(113)에 대하여 병진 운동할 수 있다. 결과적으로, 제 3 링크(114)의 단부는 베이스(B)에 대하여, 롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 베이스(B)에 대하여 병진 운동할 수 있다. 예를 들어, 제 3 링크(114)는, 제 1 링크(112)에 구비된 구조물에 의해 제 1 링크(112)에 대하여 슬라이딩 가능한 구조를 갖고, 제 2 링크(113) 및 제 3 링크(114) 사이에 구비된 변속 수단(12)에 의하여, 제 2 링크(113)의 길이 방향을 따라서 일 방향으로 이동될 수 있다.

변속 수단(12)은, 제 1 링크(112)에 대한 제 3 링크(114)의 병진 운동량을, 제 1 링크(112)에 대한 제 2 링크(113)의 병진 운동량에 비례하여 증감시킬 수 있다. 예를 들어, 변속 수단(12)은, 제 2 링크에 회전 가능하게 설치되고, 양측이 각각 제 1 링크(112) 및 제 3 링크(113)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 변속 수단(12)은, 제 1 링크의(112)에 형성된 랙 기어에 맞물리는 제 1 기어(122)와, 제 3 링크(114)에 맞물리는 제 2 기어(122)를 포함하는 복합 기어 구조를 가질 수 있다.

중심 베벨 기어(13)는, 베이스(B)에 대하여 회전하지 않도록, 베이스(B)에 고정 설치될 수 있다.

한 쌍의 회전 베벨 기어(14)는, 중심 베벨 기어(13)의 양측에 각각 맞물리고, 기어 케이스(111)의 특정한 지점에 대하여 회전 가능하게 설치될 수 있다.

이상의 구조에 의하면, 복수 개의 베벨 기어(13, 14)는, 링크 어셈블리(11)가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고(도 4 참조), 링크 어셈블리(11)가 롤 회전할 때에 상호 맞물려 회전할 수 있다(도 5 내지 도 7 참조). 복수 개의 베벨 기어(13, 14)는 예를 들어, 1:1의 기어비를 가질 수 있다.

회전체(15)는, 복수 개의 베벨 기어(13, 14) 중 하나 이상에 연결되어 베벨 기어와 함께 회전할 수 있다. 한 쌍의 회전체(15)는, 한 쌍의 회전 베벨 기어(14)에 각각 고정되어, 한 쌍의 베벨 기어(14)와 각각 함께 기어 케이스(11)에 대하여 회전할 수 있다. 회전체(15)는, 연결 축부(16)에 고정되어 그에 대응하는 회전 베벨 기어(14)와 동일한 각도로 회전 가능한 캠(151)과, 연결 축부(16)로부터 이격되고 캠(151)에 회전 가능하게 설치되는 연결구(152)를 포함할 수 있다. 연결구(152)에는 후술할 보상 강선(174)이 연결될 수 있다.

연결 축부(16)는 한 쌍의 회전 베벨 기어(14) 및 그에 대응하는 한 쌍의 회전체(15) 사이에 각각 형성되고, 링크 어셈블리(11)는, 연결 축부(16)에 일 방향으로 회전할 수 있게 설치될 수 있다.

중력 보상부(17)는, 링크 어셈블리(11)의 자중에 의하여 일 지점(O)에 작용하는 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공할 수 있다. 예를 들어, 중력 보상부(17)는, 링크 어셈블리(11)의 롤 회전, 피치 회전 및 길이 변화에 따라서 보상 탄성체(171)를 압축함으로써, 링크 어셈블리(11)의 자중에 의한 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공할 수 있다. 여기서, 보상 탄성체(171)는, 제 2 링크(113)가 제 1 링크(112)에 대하여 멀어지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 증가되고, 제 2 링크(113)가 제 1 링크(112)에 대하여 가까워지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 감소하는 구조이면 어느 것이라도 가능하다. 다시 말하면, 링크 어셈블리(11)의 전체 길이가 증가할수록, 보상 탄성체(171)의 탄성 위치 에너지는 증가될 수 있다.

예를 들어, 중력 보상부(17)는, 한 쌍의 보상 탄성체(171)와, 제 2 링크(113)의 양측에 각각 설치되는 한 쌍의 고정체(172)와, 제 2 링크(113)에 대하여 각각 슬라이딩 가능한 한 쌍의 보상 슬라이더(173)와, 일단이 한 쌍의 회전체(15)에 각각 연결되고 타단이 한 쌍의 보상 슬라이더(173)에 각각 연결되는 한 쌍의 보상 강선(174)을 포함할 수 있다. 이와 같은 구조에서, 한 쌍의 고정체(172) 및 보상 슬라이더(173) 사이에 한 쌍의 보상 탄성체(171)를 각각 위치시키면, 한 쌍의 보상 탄성체(171)가 앞서 서술한 기능을 수행할 수 있다.

토크 조정부(18)는, 링크 어셈블리(11)의 전체 길이 변화에 따라서 발생되는 중력 토크 및 보상 토크의 차이를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 토크 조정부(18)는, 링크 어셈블리(11)의 길이 변화에 따라서 조정 탄성체(181)를 압축하여, 중력 토크 및 보상 토크의 차이를 감소시킬 수 있다. 여기서, 조정 탄성체(181)는, 제 2 링크(113)가 제 1 링크(112)에 대하여 멀어지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 감소되고, 제 2 링크(113)가 제 1 링크(112)에 대하여 가까워지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 증가하는 구조이면 어느 것이라도 가능하다. 다시 말하면, 링크 어셈블리(11)의 전체 길이가 증가할수록, 조정 탄성체(181)의 탄성 위치 에너지는 감소될 수 있다.

예를 들어, 토크 조정부(18)는, 조정 탄성체(181)와, 제 1 링크(112)의 길이 방향을 따라서 슬라이딩 가능한 수평 슬라이더(182)와, 제 1 링크(112)에 수직한 방향으로 설치되는 가이드 바(183)와, 가이드 바(183)를 따라서 슬라이딩 가능한 수직 슬라이더(186)와, 일단이 수직 슬라이더(186)에 회전 가능하게 연결되고 타단이 제 2 링크(113)에 회전 가능하게 연결되는 커플링 링크(184)와, 일단이 수평 슬라이더(182)에 연결되고 타단이 가이드 바(183)를 관통하여 수직 슬라이더(186)에 연결되는 조정 강선(185)을 포함할 수 있다. 이와 같은 구조에서, 수평 슬라이더(182) 및 가이드 바(183) 사이에 조정 탄성체(181)를 위치시키면, 조정 탄성체(181)가 앞서 서술한 기능을 수행할 수 있다.

도 4는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 피치 회전을 나타내는 도면이다. 도 4에서는 이해의 편의를 위하여 기어 케이스(111)를 생략하여 도시하였음을 밝혀둔다.

설명에 앞서서 도 4에 도시한 좌표계를 참조하여 본 명세서의 도면에 전반적으로 기재되어 있는 좌표계에 대하여 먼저 설명하기로 한다. 먼저 (x0, y0, z0) 좌표계는 베이스(B)에 고정된 글로벌 좌표계(global coordinate system)이다. (x1, y1, z1) 좌표계는 z0 축을 기준으로 롤 회전 각도(θ1)만큼 회전된 좌표계이고, (x2, y2, z2) 좌표계는 y1 축을 기준으로 피치 회전 각도(θ2)만큼 회전된 좌표계이다. 상기 3개의 좌표계의 원점의 위치는 모두 링크 어셈블리(11)의 롤 회전 및 피치 회전의 중심(O, 도 2 참조)으로 동일하다. 이와 같이 설정하면 (x2, y2, z2) 좌표계는 제 1 링크(112)에 고정된 로컬 좌표계(local coordinate system)로 이해될 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 제 1 링크(112)가 (x1, y1, z1) 좌표계 상에서 각도 θ2 만큼 피치 회전할 때, 즉, 제 1 링크(112)가 기어 케이스(111)에 대하여 한 쌍의 베벨 기어(14)의 연결 축부(16)를 중심으로 피치 회전할 때에, 한 쌍의 회전 베벨 기어(14)는, 고정된 중심 베벨 기어(13)에 맞물려서 상대적으로 움직이지 않게 된다.

결과적으로, 링크 어셈블리(11)가 피치 회전할 때, 회전체(15) 및 제 1 링크(112) 사이의 각도가 증가될수록 연결구(152) 및 고정체(172) 사이의 거리가 증가하게 된다. 따라서, 보상 강선(174)의 장력에 의해 보상 슬라이더(173)가 고정체(172) 쪽으로 당겨지고, 그 결과 보상 탄성체(171)가 압축됨으로써 링크 어셈블리(11)의 자중에 의한 중력 토크에 반대되는 방향의 보상 토크를 제공할 수 있다. 이상의 피치 회전에 따라 달라지는 자세에 따른 중력 보상 과정은 기존의 연구 논문("Static balancing of a manipulator with hemispherical work space", Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2010 IEEE/ASME International Conference on)을 통하여 밝혀져 있다.

한편, 롤링 각도(θ1) 및 피치 각도(θ2)가 변화하지 않더라도, 링크 어셈블리(11)의 전체 길이가 변화할 경우, 원점(O)으로부터 링크 어셈블리(11)의 무게 중심까지의 모멘트 암의 길이가 변화되므로 기존 연구 논문에 따른 내용만으로는 그에 따라 변화되는 중력 토크를 보상할 수 없었다.

실시 예에 따른 위치 조절 암(1)은 전체 길이가 증가할 때, 즉, 제 3 링크(114)의 병진 운동량이 증가할수록 제 2 링크(112)의 병진 운동량이 증가되고, 그에 따라 연결구(152) 및 고정체(172) 사이의 거리가 증가하는 구조를 갖는다. 따라서, 보상 탄성체(171)는, 링크 어셈블리(11)의 전체 길이가 증가될수록 압축됨으로써, 중력 보상부(17)는 링크 어셈블리(11)의 전체 길이 변화에 따라 변화되는 중력 토크를 보상할 수 있는 보상 토크를 제공할 수 있다.

도 5 내지 도 7은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 롤 회전을 나타내는 도면이다. 도 5는 링크 어셈블리(11)를 z1 축을 중심으로 롤 회전시킬 때 한 쌍의 회전 베벨 기어(14) 및 회전체(15)가 각각 회전하는 방향을 도시한 것이고, 도 6 및 도 7은 실제로 링크 에섬블리(11)를 각도 θ1만큼 롤 회전시켰을 때 변화된 모습을 나타내는 도면이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 기어 케이스(111)가 베이스(B)에 대하여 중심 베벨 기어(13)의 연결 축부를 중심으로 롤 회전할 때에, 한 쌍의 회전 베벨 기어(13)는, 고정된 중심 베벨 기어(13)의 중심 축인 z_0 축을 중심으로 기어 케이스(111)와 동일한 롤 각도(θ1)로 공전(revolution)하게 된다. 결과적으로 한 쌍의 회전 베벨 기어(13)는, 한 쌍의 회전 베벨 기어(13)의 중심 축인 y_1 축을 중심으로 상호 반대 방향으로 각각 각도 θ1m 및 θ2m 만큼 자전(rotation)하게 된다.

따라서, 도 7을 기준으로 좌측에 위치하는 회전체(15)는, 도 6을 기준으로 우측으로 회전하게 되어, 회전체(15)의 연결구(152) 및 고정체(172) 사이의 거리는 감소하게 된다. 그 결과 도 7을 기준으로 좌측에 위치하는 보상 탄성체(171)의 탄성 위치 에너지가 감소함으로써, z0 축을 기준으로 시계 방향으로 작용하는 보상 토크(T2)가 감소하게 된다.

마찬가지로, 도 7을 기준으로 우측에 위치하는 회전체(15)는, 도 6을 기준으로 좌측으로 회전하게 되어, 회전체(15)의 연결구(152) 및 고정체(172) 사이의 거리는 증가하게 된다. 그 결과 도 7을 기준으로 우측에 위치하는 보상 탄성체(171)의 탄성 위치 에너지가 증가함으로써, z0 축을 기준으로 반시계 방향으로 작용하는 보상 토크(T1)가 증가하게 된다.

결론적으로, z0 축을 기준으로 반시계 방향으로 롤 회전되면, 원점(O)에 대하여 중력 토크가 시계 방향으로 증가하게 되는데, 반대로 한 쌍의 보상 탄성체(171)가 제공하는 보상 토크의 합이 반시계 방향으로 증가함으로써, 중력 토크를 보상하여 줄 수 있다. 이상의 롤 회전에 따라 달라지는 자세에 따른 중력 보상 과정은 기존의 연구 논문("Static balancing of a manipulator with hemispherical work space", Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2010 IEEE/ASME International Conference on)을 통하여 밝혀져 있다.

한편, 롤링 각도(θ1) 및 피치 각도(θ2)가 변화하지 않더라도, 링크 어셈블리(11)의 전체 길이가 변화할 경우, 원점(O)으로부터 링크 어셈블리(11)의 무게 중심까지의 모멘트 암의 길이가 변화되므로 기존 연구 논문에 따른 내용만으로는 그에 따라 변화되는 중력 토크를 보상할 수 없었다.

실시 예에 따른 위치 조절 암(1)은 전체 길이가 증가할 때, 즉, 제 3 링크(114)의 병진 운동량이 증가할수록 제 2 링크(112)의 병진 운동량이 증가되고, 그에 따라 연결구(152) 및 고정체(172) 사이의 거리가 증가하는 구조를 갖는다. 따라서, 제 2 링크(113)의 양측에 각각 배치된 한 쌍의 보상 탄성체(171)는, 링크 어셈블리(11)의 전체 길이가 증가될수록 압축된다. 이때, 한 쌍의 보상 탄성체(171)는 이미 변형되어 있는 정도와 무관하게, 동일한 변형량만큼 압축된다. 다시 말하면, 길이 증가 전후 한 쌍의 보상 탄성체(171)의 변형율이 달라지게 된다. 따라서, 도 7을 기준으로 우측에 위치하는 보상 탄성체(171)의 탄성 위치 에너지 증가량이, 도 7을 기준으로 좌측에 위치하는 보상 탄성체(171)의 탄성 위치 에너지 증가량보다 더 커지므로, z0 축을 기준으로 반시계 방향으로 작용하는 보상 토크(T1)의 증가량이, 시계 방향으로 작용하는 보상 토크(T2)의 증가량보다 더 커지게 된다. 결과적으로, 한 쌍의 보상 탄성체(171)에 의해 발생되는 보상 토크의 합은 링크 어셈블리(11)의 전체 길이가 증가될수록 증가됨으로써, 중력 보상부(17)는 링크 어셈블리(11)의 전체 길이 변화에 따라 변화되는 중력 토크를 보상할 수 있는 보상 토크를 제공할 수 있다.

이상과 같이 실시 예에 따르면, 롤 회전, 피치 회전 및 병진 운동, 즉, 3가지 움직임에 따른 중력 토크의 변화에 대응하여, 변화되는 보상 토크를 제공할 수 있다. 한편, 이하에서는 상기 3가지 움직임에 따라 발생되는 보상 토크의 유효성을 개념도를 통해 이론적으로 설명하고, 나아가 중력 토크의 변화를 보다 정확하게 보상할 수 있는 구조 및/또는 조건에 대하여 설명하기로 한다.

도 8a 및 도 8b는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 전체 길이가 증가할 때의 동작을 나타내는 상면도 및 측면도이다. 도 9는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 개념도이다. 한편, 도 9는 토크 조정부(18)를 구비하지 않는 위치 조절 암을 나타낸 것이다.

도 8a 내지 도 9를 참조하면, 일 실시 예에 따른 위치 조절 암(1)은 상호 슬라이딩 가능하게 연결된 3개의 질량체(m1, m2, m3)가 원점(O)에 대하여 움직이는 모델으로 나타낼 수 있다. 이 때, 제 1 질량체(m1), 제 2 질량체(m2), 및 제 3 질량체(m3)의 크기는 각각 제 1 링크(112), 제 2 링크(113) 및 제 3 링크(114) 및 각각의 링크들과 일체로 움직이는 주변 부속물의 질량의 합으로 설정하고, 3개의 질량체(m1, m2, m3)의 무게 중심 거리(l1, l2, l3)는, 각각 제 1 링크(112), 제 2 링크(113) 및 제 3 링크(114) 및 각각의 링크들과 일체로 움직이는 주변 부속물을 고려하여 계산된 무게 중심의 거리와 동일하게 설정한다.

또한, 보상 탄성체(171)는 영-길이 스프링(zero-length spring) 모델인 k 로 나타낼 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 있어서 영-길이 스프링 모델은 앞서 도시한 도 1 내지 도 7의 실시 예에 도시한 방식으로 구현할 수 있다는 것이 알려져 있다.

한편, h1, h 및 b는 아래와 같이 정의된다.

- h1: x1-z1 평면 좌표계 상에서 원점(O)으로부터 영-길이 스프링 모델 k의 일단까지의 거리

- h: x1-z1 평면 좌표계 상에서 원점(O)으로부터 영-길이 스프링 모델 k의 타단까지의 거리

- b: x1-z1 평면 좌표계 상에서 영-길이 스프링 모델 k의 타단으로부터 제 2 질량체(m2)까지의 거리

여기서, h1은 연결 축부(16)로부터 연결구(152)까지의 거리와 동일한 상수이다. h는 초기 값 h1에 제 1 링크(112)에 대한 제 2 링크(113)의 상대적인 병진 운동량(Δh = Δl2)을 합산한 변수이다. b는 제 2 질량체(m2)의 무게 중심 거리(l2)에서 변수 h를 뺀 상수이다.

먼저 피치 회전할 때의 중력 토크를 보상하기 위하여는, 피치 각도 θ2 에 무관하게 위치 조절 암(1)의 전체 포텐셜 에너지의 합이 상수가 되어야 한다. 3개의 질량체(m1, m2, m3)의 합을 m이라고 하고, 3개의 질량체(m1, m2, m3)의 전체 무게 중심 거리를 l이라고 할 때, 위치 조절 암(1)의 전체 포텐셜 에너지의 합은 아래의 수학식 1과 같이 탄성 위치 에너지 및 중력 위치 에너지의 합으로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

수학식 1의 정리된 결과의 첫 번째 항으로부터 먼저

의 조건을 만족하여야 함을 알 수 있다. 상기 조건에 무게 중심 공식을 대입하면, 아래의 수학식 2가 얻어진다.

[수학식 2]

수학식 2로부터 제 3 질량체(m3)의 무게 중심 거리(l3)의 변화량(Δl3)은 앞서 정의한 h의 변화량(Δh = Δl2)에 비례하여야 함을 알 수 있다(

). 다시 말하면, 제 1 링크(112)에 대한 제 3 링크(114)의 병진 운동량이, 제 1 링크(112)에 대한 제 2 링크(113)의 병진 운동량에 비례하여 증감하는 구조를 채용하지 않을 경우, 수학식 1에서 정리된 결과의 첫 번째 항은 항상 피치 각도 θ2에 종속되어 변화하게 되므로, 이론적으로 완전한 중력 보상을 수행할 수 없다는 점을 알 수 있다.

도 10은 일 실시 예에 따른 변속 수단의 개념도로써, 이와 같은 구조에 의하면, 위치 조절 암(1)의 전체 포텐셜 에너지의 합이 피치 각도 θ2 에 무관하게 상수가 되기 위한 필요 조건을 만족시킬 수 있다.

다음으로 수학식 1의 정리된 결과의 두 번째 항에서 상수가 아닌

항을 소거하는 방법에 대하여 설명하기로 한다. 결론적으로 앞서 설명한 도 1 내지 도 8에 채용된 토크 조정부(18)에 의하면 나머지 필요 조건까지 만족시킬 수 있다.

도 11은 일 실시 예에 따른 토크 조정부의 개념도이다.

도 8a, 도 8b 및 도 11을 참조하면, 일 실시 예에 따른 토크 조정부(18)의 조정 탄성체(184)는 도 9와 마찬가지로 영-길이 스프링(zero-length spring) 모델인 k' 로 나타낼 수 있다. 여기서, a는 커플링 링크(184)의 길이로 상수로 주어진다.

제 2 링크(113)가 제 1 링크(112)에 대하여 멀어지는 방향으로 병진 운동하면, 커플링 링크(184)의 하단이 제 2 링크(113)와 함께 이동하고, 커플링 링크(184)의 상단은 수직 슬라이더(186)와 함께 하방으로 이동하게 된다. 그 결과 조정 탄성체(184)의 영-길이 스프링 모델 k'의 길이는 감소하여 탄성 위치 에너지가 감소하게 된다.

한편, 제 2 링크(113)의 병진 운동량(Δ l2)는, 앞서 정의한 h의 길이 변화(Δh)와 동일하므로, 토크 조정부(18)의 포텐셜 에너지는 아래와 같은 수학식 3으로 표현할 수 있다.

[수학식 3]

또한, 앞서 수학식 1에

의 조건과, 수학식 3을 대입하면, 위치 조절 암(1)의 전체 포텐셜 에너지의 합은 아래의 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

[수학식 4]

다음으로 수학식 4에 보상 탄성체(171)의 탄성계수 k와, 조정 탄성체(181)의 탄성계수 k'가 동일한 조건(

)을 대입하면, 위치 조절 암(1)의 전체 포텐셜 에너지의 합은 아래의 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.

[수학식 5]

수학식 5에서, a 및 h1은 각각 커플링 링크(184)의 길이 및 연결 축부(16)로부터 연결구(152)까지의 거리로 상수에 해당하므로, 위치 조절 암(1)의 전체 포텐셜 에너지의 합은 상수로 표현됨을 확인할 수 있다.

정리하면, (i)

(또는

)조건을 만족시키도록 변속 수단(12) 구조를 채용하고, (ii)

조건을 만족시키도록 보상 탄성체(171) 및 조정 탄성체(171)의 탄성계수를 동일하게 할 경우, 위치 조절 암(1)의 전체 포텐셜 에너지의 합이 상수로 표현되어 링크 어셈블리(11)의 피치 각도 θ2 및 전체 길이 변화에 무관하게 링크 어셈블리(11)가 무중력 상태를 유지할 수 있다.

도 12는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 개념도이다.

도 12를 참조하여, 앞서 서술한 조건 (i)

및 (ii)

를 만족할 때에, 롤 회전, 피치 회전 및 전체 길이 변화, 즉, 3자유도 움직임에 따른 위치 조절 암(1)의 총 포텐셜 에너지는 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 6]

다시 말하면, 이상의 2가지 조건을 만족시킬 경우, 총 3자유도에 대한 총 포텐션 에너지의 합이 상수가 되어, 3자유도 움직임에 무관하게 링크 어셈블리(11)가 무중력 상태를 유지할 수 있다.

도 13 및 도 14는 서로 다른 상태에서의 위치 조절 암의 모습을 각각 나타내는 도면이다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 도 12를 참조하여 설명한 2가지 조건을 만족시키는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암(1)이 다양한 자세에서 보여주는 동작 상태를 확인할 수 있다.

도 15는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 전체 길이 변화에 따라서 롤 방향으로 작용하는 중력 토크 및 보상 토크의 합이 0이 됨을 나타내는 시뮬레이션 결과이고, 도 16은 일 실시 예에 따른 위치 조절 암의 롤 회전에 따라서 병진 운동 방향으로 작용하는 힘의 합력이 0이 됨을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 도 12를 참조하여 설명한 2가지 조건을 만족시키는 일 실시 예에 따른 위치 조절 암(1)이 링크 어셈블리(11)의 전체 길이 변화에 무관하게 중력 토크의 보상이 가능함을 확인할 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 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (19)

1. 일 지점으로부터의 거리가 변화 가능한 단부를 구비하고, 상기 일 지점을 중심으로 적어도 2개의 방향으로 회전이 가능한 링크 어셈블리; 및
   상기 링크 어셈블리의 자중에 의하여 상기 일 지점에 작용하는 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 중력 보상부를 포함하고,
   상기 링크 어셈블리는,
   베이스에 대하여 롤 회전 가능한 기어 케이스;
   상기 기어 케이스에 대하여 피치 회전 가능한 제 1 링크;
   상기 제 1 링크에 대하여 병진 운동 가능한 제 2 링크; 및
   상기 제 2 링크에 대하여 병진 운동 가능하고 상기 단부를 구비하는 제 3 링크를 포함하는 위치 조절 암.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 링크에 회전 가능하게 설치되고, 양측이 각각 상기 제 1 링크 및 제 3 링크에 연결되어, 상기 제 1 링크에 대한 상기 제 3 링크의 병진 운동량을, 상기 제 1 링크에 대한 상기 제 2 링크의 병진 운동량에 비례하여 증감시키기 위한 변속 수단을 더 포함하는 위치 조절 암.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 1 링크 및 제 3 링크에는 각각 랙 기어가 형성되고,
   상기 변속 수단은, 상기 제 1 링크의 랙 기어에 맞물리는 제 1 기어 및 상기 제 3 링크에 맞물리는 제 2 기어를 포함하는 복합 기어인 위치 조절 암.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이스에 고정되는 중심 베벨 기어;
   상기 중심 베벨 기어의 양측에 각각 맞물리고, 상기 기어 케이스에 대하여 회전 가능한 한 쌍의 회전 베벨 기어; 및
   상기 한 쌍의 회전 베벨 기어에 각각 고정되어, 상기 한 쌍의 베벨 기어와 각각 함께 상기 기어 케이스에 대하여 회전 가능한 한 쌍의 회전체를 더 포함하는 위치 조절 암.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 회전 베벨 기어 및 그에 대응하는 한 쌍의 회전체 사이에는 각각 연결 축부가 형성되고,
   상기 연결 축부에 상기 링크 어셈블리가 일 방향으로 회전할 수 있게 설치되는 위치 조절 암.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 회전 베벨 기어는,
   상기 링크 어셈블리가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고, 상기 링크 어셈블리가 롤 회전할 때에 동일한 축에 대하여 반대 방향으로 회전하는 위치 조절 암.
   
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 중력 보상부는,
   상기 제 2 링크가 상기 제 1 링크에 대하여 멀어지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 증가되고, 상기 제 2 링크가 상기 제 1 링크에 대하여 가까워지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 감소하는 보상 탄성체를 포함하는 위치 조절 암.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 중력 보상부는,
    상기 제 2 링크의 양측에 각각 설치되는 한 쌍의 고정체;
    상기 제 2 링크에 대하여 각각 슬라이딩 가능한 한 쌍의 보상 슬라이더; 및
    일단이 상기 한 쌍의 회전체에 각각 연결되고, 타단이 상기 한 쌍의 보상 슬라이더에 각각 연결되는 한 쌍의 보상 강선을 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 보상 탄성체는, 상기 한 쌍의 고정체 및 보상 슬라이더 사이에 각각 위치하는 위치 조절 암.
    
11. 제 6 항에 있어서,
    상기 링크 어셈블리의 전체 길이 변화에 따라서 발생되는 상기 중력 토크 및 보상 토크의 차이를 감소시키는 토크 조정부를 더 포함하는 위치 조절 암.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 토크 조정부는,
    상기 제 2 링크가 상기 제 1 링크에 대하여 멀어지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 감소되고, 상기 제 2 링크가 상기 제 1 링크에 대하여 가까워지는 방향으로 병진 운동할 때 탄성 위치 에너지가 증가하는 조정 탄성체를 포함하는 위치 조절 암.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 토크 조정부는,
    상기 제 1 링크의 길이 방향을 따라서 슬라이딩 가능한 수평 슬라이더;
    상기 제 1 링크에 수직한 방향으로 설치되는 가이드 바;
    상기 가이드 바를 따라서 슬라이딩 가능한 수직 슬라이더;
    일단이 상기 수직 슬라이더에 회전 가능하게 연결되고, 타단이 상기 제 2 링크에 회전 가능하게 연결되는 커플링 링크; 및
    일단이 상기 수평 슬라이더에 연결되고, 타단이 상기 가이드 바를 관통하여 상기 수직 슬라이더에 연결되는 조정 강선을 더 포함하고,
    상기 조정 탄성체는, 상기 수평 슬라이더 및 가이드 바 사이에 위치하는 위치 조절 암.
    
14. 롤 회전 및 피치 회전이 가능하며, 길이 방향으로 전체 길이가 변화될 수 있는 다단 구조를 구비한 링크 어셈블리;
    상기 링크 어셈블리가 피치 회전할 때에 상대적으로 움직이지 않고, 상기 링크 어셈블리가 롤 회전할 때에 맞물려 회전할 수 있는 복수 개의 베벨 기어;
    상기 복수 개의 베벨 기어 중 하나 이상에 연결되어 상기 베벨 기어와 함께 회전하는 회전체; 및
    상기 회전체에 연결되고, 상기 링크 어셈블리의 롤 회전, 피치 회전 및 길이 변화에 따라서 보상 탄성체를 압축하여, 상기 링크 어셈블리의 자중에 의한 중력 토크에 대하여, 반대되는 방향의 보상 토크를 제공하는 중력 보상부를 포함하는 위치 조절 암.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 링크 어셈블리의 길이 변화에 따라서 조정 탄성체를 압축하여, 상기 중력 토크 및 보상 토크의 차이를 감소시키는 토크 조정부를 더 포함하는 위치 조절 암.
    
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 링크 어셈블리의 전체 길이가 증가할수록, 상기 보상 탄성체의 탄성 위치 에너지는 증가되고, 상기 조정 탄성체의 탄성 위치 에너지는 감소되는 위치 조절 암.
    
17. 제 15 항에 있어서,
    상기 링크 어셈블리는,
    베이스에 회전 가능하게 연결되어, 상기 베이스에 대하여 롤 회전 가능한 기어 케이스;
    상기 기어 케이스에 회전 가능하게 연결되어, 상기 기어 케이스에 대하여 피치 회전 가능한 제 1 링크;
    상기 제 1 링크에 대하여 병진 운동 가능한 제 2 링크; 및
    상기 제 2 링크에 대하여 병진 운동 가능한 단부를 구비하는 제 3 링크를 포함하는 위치 조절 암.
    
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 링크에 대한 상기 제 3 링크의 병진 운동량을, 상기 제 1 링크에 대한 상기 제 2 링크의 병진 운동량에 비례하여 증감시키기 위한 변속 수단을 더 포함하는 위치 조절 암.
    
19. 제 15 항에 있어서,
    상기 보상 탄성체의 탄성 계수는, 상기 조정 탄성체의 탄성 계수와 동일한 위치 조절 암.

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