KR102118124B1 - 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치 - Google Patents

Abstract

로봇 관절 구동용 케이블 구동장치가 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치는 일단이 로봇의 구동 관절에 연결되고 중공형으로 형성된 쉬스에 삽입된 와이어를 구동하기 위한 것으로서, 본체; 상기 본체의 일측에 장착되고 전원인가시 구동력을 제공하는 구동모터; 상기 구동모터로부터 제공되는 구동력에 의해 회전될 수 있도록 상기 구동모터와 결합되고, 상기 와이어의 단부가 고정된 와이어홀더를 수용하는 제1수용홈이 형성되는 구동롤러; 상기 쉬스의 일부길이가 고정결합된 쉬스홀더를 수용하는 제2수용홈이 구비되고 상기 본체의 일측에 고정설치되며 상기 제2수용홈에 삽입된 쉬스홀더 측에 인가되는 하중을 측정하기 위한 하중측정부; 및 상기 제1수용홈 및 제2수용홈으로부터 상기 와이어홀더 및 쉬스홀더가 이탈되는 것을 방지할 수 있도록 덮개면이 형성되는 덮개;를 포함한다.

Description

로봇 관절 구동용 케이블 구동장치{cable driving apparatus for driving joint of robot}

본 발명은 더블 인풋 커브드 케이블 튜브를 이용한 동력전달 메커니즘에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치에 관한 것이다.

로봇을 원격으로 조종하기 위해서는 사람이 로봇의 팔 등에서 측정된 힘을 느끼면서 조종해야 한다. 따라서, 최근에는 로봇의 팔을 직관적으로 조종하기 위해서는 사람의 팔의 움직임을 측정할 수 있는 외골격, 링크형 햅틱 인터페이스 등 조종 인터페이스가 개발되고 있다.

이러한 조종 인터페이스 중에서 가장 간단한 방법은 링크 구조에 액추에이터를 직접 부착하는 방법이나, 액추에이터 자체의 무게가 매우 무거운 단점이 있다.

이를 보완하기 위하여 액추에이터는 바닥에 고정하고, 유연한 두 개의 케이블을 이용하여 힘을 전달하는 더블 인풋 케이블 구동방법이 제안되었다.

그러나, 이와같은 종래의 케이블 구동 방법은 두 개의 모터가 모두 케이블을 당기는 경우에만 구동하는 방식이므로, 대상물에 구동력을 전달하기 위해서는 하나의 모터가 두 개의 케이블인 마스터 케이블 및 슬레이브 케이블을 모두 당길 수 있는 힘을 제공해야 한다.

이에 따라, 구동시 각각의 모터는 매우 큰 힘으로 마스터 케이블을 당겨야 하므로 큰 출력을 갖는 모터가 요구되며, 정밀도가 떨어지는 문제가 있다.

더불어, 종래의 구동방식의 경우 마스터 케이블은 모터에 의해 직접 당겨지는 힘이 가해지므로 크게 문제가 없으나 마스터 케이블에서 가해지는 힘에 의해 구동되는 슬레이브 케이블은 쉬스에 삽입되지 않고 외부로 노출된 부분이 느슨해져 휘어지거나 백래쉬가 크게 발생하여 정밀도를 저해하는 문제가 있다.

따라서, 슬레이브 케이블이 느슨해져 휘어지지 않으면서도 백래쉬를 감소시킬 수 있는 방안이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 케이블의 움직임을 제어하여 동력전달량을 증가시킬 수 있고 제어 정밀도를 높일 수 있는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 일단이 로봇의 구동 관절에 연결되고 중공형으로 형성된 쉬스에 삽입된 와이어를 구동하기 위한 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치로서, 본체; 상기 본체의 일측에 장착되고 전원인가시 구동력을 제공하는 구동모터; 상기 구동모터로부터 제공되는 구동력에 의해 회전될 수 있도록 상기 구동모터와 결합되고, 상기 와이어의 단부가 고정된 와이어홀더를 수용하는 제1수용홈이 형성되는 구동롤러; 상기 쉬스의 일부길이가 고정결합된 쉬스홀더를 수용하는 제2수용홈이 구비되고 상기 본체의 일측에 고정설치되며 상기 제2수용홈에 삽입된 쉬스홀더 측에 인가되는 하중을 측정하기 위한 하중측정부; 및 상기 제1수용홈 및 제2수용홈으로부터 상기 와이어홀더 및 쉬스홀더가 이탈되는 것을 방지할 수 있도록 덮개면이 형성되는 덮개;를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 구동롤러는 상기 와이어의 두께를 수용할 수 있도록 둘레방향을 따라 내측으로 인입되는 안착홈이 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 본체는 상기 구동롤러가 배치되는 배치공을 포함할 수 있고, 상기 배치공은 상기 제1수용홈이 외부로 노출될 수 있도록 일측이 개구형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 쉬스는 양단부가 상기 쉬스홀더로부터 일정길이 돌출되도록 상기 쉬스홀더에 고정결합될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 덮개면은 상기 쉬스홀더로부터 상기 구동롤러 측으로 돌출된 쉬스의 돌출부분과 상기 쉬스의 돌출부분의 단부로부터 외부로 노출되는 와이어의 일부가 동시에 안착되는 가이드홈이 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 가이드홈은 상기 쉬스의 돌출부분을 수용하기 위한 제1가이드홈과 상기 쉬스의 돌출부분의 단부로부터 외부로 노출되는 와이어를 수용하기 위한 제2가이드홈을 포함할 수 있고, 상기 제1가이드홈 및 제2가이드홈은 서로 연결될 수 있으며, 상기 제1가이드홈의 바닥면과 상기 제2가이드홈의 바닥면은 단차면으로 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제2가이드홈은 상기 구동롤러의 회전시 상기 와이어가 상기 쉬스의 돌출부분 측으로 진입할 수 있도록 상기 와이어의 이동방향을 제한할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 구동모터를 통해 상기 와이어에 제공되는 힘은 상기 쉬스홀더에 인가된 하중의 크기를 기반으로 설정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 와이어홀더 및 쉬스홀더는 상기 제1수용홈 및 제2수용홈과 착탈가능하게 결합될 수 있다.

본 발명에 의하면, 구동모터로부터 와이어 측에 힘이 가해지는 경우 와이어가 쉬스 측으로 원활하게 진입될 수 있음으로써 백래쉬의 발생문제를 방지할 수 있고 원활하게 동력을 전달할 수 있다. 이를 통해, 제어 정밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 작동상태도이다.
도 3은 도 2에서 "A"부분의 확대도이다.
도 4는 도 1에서 구동유닛으로부터 와이어 측에 미는 힘이 과도하게 제공되는 경우를 나타낸 작동상태도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템에서 구동유닛으로 채용될 수 있는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치를 나타낸 도면이다.
도 6는 도 5에서 주요구성이 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6를 다른 방향에서 바라본 도면이다.
도 8은 도 6에서 와이어가 롤러에 감긴 상태를 나타낸 부분단면도이다.
도 9은 도 8에서 모터가 와이어를 당기는 경우를 나타낸 작동상태도이다.
도 10는 도 8에서 모터가 와이어를 미는 경우를 나타낸 작동상태도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템이 내시경 수술 시스템에 적용된 상태를 나타낸 개략도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 더블 인풋(double input) 쉬스-텐던 동력전달 메커니즘을 구현하기 위한 것으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 구동부, 제1힘전달부(120) 및 제2힘전달부(130)를 포함한다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 상기 구동부가 제1구동유닛(110a) 및 제2구동유닛(110b)을 포함할 수 있으며, 상기 제1구동유닛(110a)은 상기 제1힘전달부(120)와 직접 연결되어 상기 제1힘전달부(120)에 구동력을 제공하는 한편 상기 제2구동유닛(110b)은 상기 제2힘전달부(130)와 직접 연결되어 상기 제2힘전달부(130)에 구동력을 제공할 수 있다.

본 발명에서, 상기 제1힘전달부(120) 및 제2힘전달부(130)는 텐던이 쉬스의 내부에서 길이방향을 따라 이동될 수 있도록 상기 쉬스의 내부에 삽입되는 쉬스-텐던 메커니즘이 채용될 수 있다.

즉, 상기 제1힘전달부(120)는 소정의 길이를 갖추고 유연성을 가지며 중공형으로 형성되는 제1쉬스(121)와, 상기 제1쉬스(121)에 삽입되는 제1와이어(122)를 포함할 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 제1와이어(122)는 양단부가 상기 제1쉬스(121)의 외부에 노출되도록 상기 제1쉬스(121)에 삽입될 수 있으며, 외부로 노출된 제1와이어(122)의 양단부 중 일단부는 제어 대상물(10)에 고정될 수 있고 타단부는 상기 제1구동유닛(110a)에 고정될 수 있다.

마찬가지로, 상기 제2힘전달부(130)는 소정의 길이를 갖추고 유연성을 가지며 중공형으로 형성되는 제2쉬스(131)와, 상기 제2쉬스(131)에 삽입되는 제2와이어(132)를 포함할 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 제2와이어(132)는 양단부가 상기 제2쉬스(131)의 외부에 노출되도록 상기 제2쉬스(131)에 삽입될 수 있으며, 외부로 노출된 제2와이어(132)의 양단부 중 일단부는 상기 제어 대상물(10)에 고정될 수 있고 타단부는 상기 제2구동유닛(110b)에 고정될 수 있다.

또한, 상기 제1구동유닛(110a)은 제1구동모터(112)와 상기 제1구동모터(112a)에 회전가능하게 결합된 제1롤러(114a)를 포함할 수 있으며, 상기 제1와이어(122)는 일단부가 상기 제1롤러(114a)에 고정결합될 수 있다.

유사하게, 상기 제2구동유닛(110b)은 제2구동모터(112b)와 상기 제2구동모터(112b)에 회전가능하게 결합된 제2롤러(114b)를 포함할 수 있으며, 상기 제2와이어(132)는 일단부가 상기 제2롤러(114b)에 고정결합될 수 있다.

본 발명에서, 상기 제어 대상물(10)은 로봇의 구동 관절일 수 있으며, 상기 로봇의 구동 관절은 로봇 암에서 로봇의 손가락 또는 로봇의 팔목을 구동하기 위한 구동 관절일 수 있다. 또한, 상기 제1쉬스(121) 및 제2쉬스(131)는 상기 제1와이어(122) 및 제2와이어(132)에 걸리는 장력을 버티면서 전체적인 형상을 유지하면서도 유연성을 갖도록 금속재질로 이루어진 코일형상의 튜브일 수 있다. 그러나 상기 제1쉬스(121) 및 제2쉬스(131)의 형상 및 재질을 이에 한정하는 것은 아니며 공지의 쉬스-텐던 메커니즘에서 쉬스로서 채용되는 형상 및 재질이 모두 적용될 수 있다.

더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 상기 제1구동유닛(110a) 및 제2구동유닛(110b)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 제어부(140)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부(140)는 사용자의 입력신호를 기반으로 상기 제1구동유닛(110a) 및 제2구동유닛(110b)의 구동을 제어할 수 있다. 더불어, 상기 제어부(140)는 사용자의 입력신호를 기반으로 상기 제1구동유닛(110a)에서 상기 제1와이어(122)에 제공되는 힘의 크기와 상기 제2구동유닛(110b)에서 상기 제2와이어(132)에 제공되는 힘의 크기를 제어할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 제1와이어(122)의 단부가 제1구동유닛(110a)에 연결된 제1힘전달부(120)와 제2와이어(132)의 단부가 제2구동유닛(110b)에 연결된 제2힘전달부(130)가 제어 대상물(10)을 매개로 상호 연결될 수 있으며, 상기 제어부(140)의 제어를 통해 상기 제1구동유닛(110a)으로부터 상기 제1와이어(122) 측에 구동력이 제공되거나 상기 제2구동유닛(110b)으로부터 상기 제2와이어(132) 측에 구동력이 제공되는 경우 상기 제1와이어(122) 및 제2와이어(132)가 제1쉬스(121) 및 제2쉬스(131)의 내부에서 길이방향을 따라 움직일 수 있다. 이를 통해, 상기 제어 대상물(10)은 사용자가 목적하는 위치로 회전되거나 움직일 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 종래의 더블 인풋 쉬스-텐던 메커니즘과는 달리 상기 제1구동유닛(110a) 및 제2구동유닛(110b)이 상기 제1힘전달부(120) 및 제2힘전달부(130) 측으로 동시에 구동력을 제공할 수 있으며, 상기 제1구동유닛(110a) 및 제2구동유닛(110b)으로부터 상기 제1힘전달부(120) 및 제2힘전달부(130) 측으로 제공되는 구동력의 크기는 상기 제어부(140)를 통해 제어될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1구동유닛(110a)이 상기 제1와이어(122) 측에 제1방향으로 힘을 제공하는 경우 상기 제2구동유닛(110b)은 상기 제2와이어(132) 측에 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 힘을 제공할 수 있다.

유사하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 상기 제2구동유닛(110b)이 상기 제2와이어(132) 측에 제1방향으로 힘을 제공하는 경우 상기 제1구동유닛(110a)은 상기 제1와이어(122) 측에 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 힘을 제공할 수 있다.

본 발명에서, 상기 제1방향은 상기 제1구동유닛(110a)이 제1와이어(122)를 당기는 힘의 방향 또는 상기 제2구동유닛(110b)이 제2와이어(132)를 당기는 힘의 방향으로 정의하며, 상기 제2방향은 상기 제1구동유닛(110a)이 제1와이어(122)를 미는 힘의 방향 또는 상기 제2구동유닛(110b)이 제2와이어(132)를 미는 힘의 방향으로 정의한다.

더불어, 상기 제1와이어(122) 및 제2와이어(132)는 상기 제1구동유닛(110a) 및 제2구동유닛(110b)으로부터 제공되는 힘의 방향에 따라 마스터 케이블의 역할과 슬레이브 케이블의 역할이 상호 전환될 수 있다.

즉, 상기 제1와이어(122)가 제1방향으로 이동하고 상기 제2와이어(132)가 제2방향으로 이동하는 경우, 상기 제1와이어(122)는 마스터 케이블의 역할일 수 있고 상기 제2와이어(132)는 슬레이브 케이블의 역할일 수 있다. 반대로, 상기 제1와이어(122)가 제2방향으로 이동하고 상기 제2와이어(132)가 제1방향으로 이동하는 경우, 상기 제2와이어(132)는 마스터 케이블의 역할일 수 있고 상기 제1와이어(122)는 슬레이브 케이블의 역할일 수 있다.

구체적으로, 상기 제1구동유닛(110a)이 상기 제1와이어(122)에 제1방향으로 힘(T1)을 제공하는 경우 상기 제2구동유닛(110b)은 상기 제2와이어(132)에 제2방향으로 힘(T2)을 제공할 수 있다. 이를 통해, 상기 제1와이어(122)의 단부 및 제2와이어(132)의 단부가 각각 연결된 제어 대상물(10)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1방향 측으로 회전될 수 있다.

이와는 반대로, 상기 제2구동유닛(110b)이 상기 제2와이어(132)에 제1방향의 힘을 제공하는 경우 상기 제1구동유닛(110a)은 상기 제1와이어(122)에 제2방향의 힘을 제공할 수 있다. 이를 통해, 상기 제1와이어(122)의 단부 및 제2와이어(132)의 단부가 각각 연결된 제어 대상물(10)은 상기 제2방향 측으로 회전될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 제1와이어(122) 및 제2와이어(132) 중 마스터 케이블의 역할을 수행하는 어느 하나의 와이어 측에 와이어를 당기는 제1방향으로의 힘(T1)을 제공하는 경우 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 나머지 와이어 측에 와이어를 미는 제2방향으로의 힘(T2)을 제공할 수 있다.

다시 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 마스터 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 구동유닛을 통하여 당기는 힘(T1)을 제공함과 동시에 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 구동유닛을 통하여 능동적으로 미는 힘(T2)을 제공함으로써 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어가 쉬스의 내부에서 이동하는 과정에서 쉬스와의 접촉을 통해 발생하는 마찰력(T3)을 보상할 수 있다.

이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 마스터 케이블의 역할을 수행하는 와이어를 적은 힘으로 당기더라도 상기 제어 대상물(10)의 움직임을 목적하는 위치로 변경할 수 있다.

이하에서는 설명의 편의상, 상기 제1와이어(122)가 제어 대상물(10)의 움직임을 주관하는 마스터 케이블의 역할을 수행하고, 상기 제2와이어(132)가 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 과정을 일례로써 설명하기로 하며, 상기 제2와이어(132)가 제어 대상물(10)의 움직임을 주관하는 마스터 케이블의 역할을 수행하고 상기 제1와이어(122)가 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 반대의 경우는 상기 제1와이어(122)에 제공되는 힘의 방향과 상기 제2와이어(132)에 제공되는 힘의 방향 및 힘의 크기가 서로 전환될 뿐 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

구체적으로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1구동유닛(110a)이 상기 제1와이어(122)에 제1방향의 힘(T1)을 제공하는 경우 상기 제2구동유닛(110b)은 상기 제2와이어(132) 측에 제2방향의 힘(T2)을 제공할 수 있다.

이와 같은 경우, 상기 제2구동유닛(110b)이 상기 제2와이어(132) 측에 제공하는 제2방향으로의 힘(T2)의 크기는 상기 제2와이어(132)가 제2쉬스(131)의 길이방향을 따라 상기 제어 대상물(10) 측으로 이동하는 과정에서 상기 제2와이어(132) 및 제2쉬스(131) 사이에서 발생하는 마찰력(T3)을 기반으로 설정될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2구동유닛(110b)이 상기 제2와이어(132) 측에 제공하는 제2방향으로의 힘(T2)의 크기는 상기 제2와이어(132)가 제2쉬스(131)의 길이방향을 따라 상기 제어 대상물(10) 측으로 이동하는 과정에서 상기 제2와이어(132) 및 제2쉬스(131) 사이에서 발생하는 마찰력(T3)과 동등한 크기로 제공될 수 있다.

이를 통해, 상기 제1구동유닛(110a)이 상기 제1와이어(122) 측에 제공하는 제1방향으로의 힘(T1)의 크기가 상기 제1와이어(122)가 제1쉬스(121)의 길이방향을 따라 상기 제1구동유닛(110a) 측으로 이동하는 과정에서 상기 제1와이어(122) 및 제1쉬스(121) 사이에서 발생하는 마찰력(T11)과 상기 제어 대상물(10) 자체를 움직이기 위한 힘(T12)의 크기를 합한 크기와 동등하면 상기 제어 대상물(10)은 작업자가 목적하는 위치로 변경될 수 있다.

이때, 상기 제2구동유닛(110b)이 상기 제2와이어(132) 측에 제공하는 제2방향으로의 힘(T2)의 최대크기는 상기 제2와이어(132)가 제2쉬스(131)의 길이방향을 따라 상기 제어 대상물(10) 측으로 이동하는 과정에서 상기 제2와이어(132) 및 제2쉬스(131) 사이에서 발생하는 마찰력(T3)과 동등한 크기일 수 있다. 또한, 상기 제2구동유닛(110b)이 상기 제2와이어(132) 측에 제공하는 제2방향으로의 힘(T2)의 최대크기는 상기 제1구동유닛(110a)이 상기 제1와이어(122) 측에 제공하는 제1방향으로의 힘(T1)의 크기보다는 작을 수 있다.

이는, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제2구동유닛(110b)이 상기 제2와이어(132) 측에 제공하는 제2방향으로의 힘(T2)의 최대크기가 상기 제2와이어(132) 및 제2쉬스(131) 사이에서 발생하는 마찰력(T3)보다 크다면, 상기 제어 대상물(10)에 연결되고 상기 제2쉬스(131)의 단부로부터 노출된 제2와이어(132) 부분이 느슨해져 휘어질 수 있으며 상기 제1와이어(122)를 당기는 힘(T1)이 제거되는 경우 상기 제2와이어(132) 측에 백래쉬가 발생할 수 있기 때문이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 미는 힘을 제공하는 경우 상기 와이어가 쳐지지 않고 쉬스의 내부로 원활하게 이동할 수 있도록 상기 쉬스의 단부가 상기 구동유닛(110a,110b) 측에 고정될 수 있다.

일례로, 상기 제1구동유닛(110a)이 상기 제1와이어(122)에 제1방향의 힘을 제공하고 상기 제2구동유닛(110b)이 상기 제2와이어(132) 측에 제2방향의 힘을 동시에 제공하는 경우, 상기 제2쉬스(131)는 전체길이 중 상기 제2와이어(132)가 인입되는 단부를 포함하는 일부길이(B)는 상기 제2와이어(132)와 함께 유동이 방지된 상태일 수 있다.

비제한적인 일례로써, 상기 제2쉬스(131)는 전체길이 중 상기 제2와이어(132)가 인입되는 단부를 포함하는 일부길이(B)가 상기 제2구동유닛(110b) 측에 길이방향과 평행한 방향으로 형성된 가이드홈(252)에 삽입된 상태로 고정될 수 있으며, 상기 가이드홈(252)은 상기 제2쉬스(131)의 일부길이(B)와 함께 외부로 노출되는 제2와이어(132)의 일부가 안착되도록 형성될 수 있다(도 8 참조).

이를 통해, 상기 제2구동유닛(110b)이 상기 제2와이어(132)측에 제2방향으로의 힘을 제공하는 경우 상기 제2쉬스(131)의 단부로부터 외부로 노출된 제2와이어(132)의 일부길이는 상기 가이드홈(252)을 따라 곧바로 제2쉬스(131) 측으로 이동될 수 있음으로써 상기 제2쉬스(131)의 단부측에서 제2와이어(132)가 쳐지는 것을 미연에 방지할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 구동유닛을 통해 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 와이어를 능동적으로 밀어주는 구동력을 제공하여 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어와 쉬스간에 발생하는 마찰력을 상쇄시켜 줌으로써 마스터 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 작은 크기의 구동력을 제공하더라도 종래와 동등 수준 이상의 동력전달량을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 슬레이브 케이블 측에 발생하는 마찰력의 상쇄를 통해 슬레이브 케이블에서의 백래쉬를 감소시키거나 방지함으로써 제어 정밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)에서 제1구동유닛(110a) 및 제2구동유닛(110b)은 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)로 구현될 수 있다.

일례로, 상기 제1구동유닛(110a) 및 제2구동유닛(110b)은 도 5 내지 도 7에 도시된 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)일 수 있으며, 상기 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)는 쉬스(121)(131)가 고정결합된 쉬스홀더(150)와 와이어(122)(132)의 단부가 고정된 와이어홀더(160)가 고정된 상태에서 구동모터(220)를 통해 구동롤러(230)를 회전시킴으로써 상기 와이어(122)(132)를 쉬스(121)(131)의 외부로 당기거나 상기 쉬스(121)(131)의 내부로 밀어주는 힘을 제공할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 쉬스(121)(131)는 상술한 제1쉬스(121) 또는 제2쉬스(131)일 수 있고, 상기 와이어(122)(132)는 상술한 제1와이어(122) 또는 제2와이어(132)일 수 있다.

또한, 상술한 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)에서 제1구동유닛(110a)을 구성하는 제1구동모터(112a) 및 제1롤러(114a)는 후술하는 구동모터(220) 및 구동롤러(230)일 수 있다. 더하여, 상술한 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)에서 제2구동유닛(110b)을 구성하는 제2구동모터(112b) 및 제2롤러(114b) 역시 후술하는 구동모터(220) 및 구동롤러(230)일 수 있다.

이때, 상기 쉬스(121)(131)는 양단부 측이 상기 쉬스홀더(150)로부터 일정길이 돌출되도록 상기 쉬스홀더(150)에 고정될 수 있고, 상기 와이어(122)(132)는 일단부가 제어 대상물(10)에 고정된 상태에서 상기 쉬스홀더(150)에 고정된 쉬스(121)(131)를 통과한 후 타단부가 상기 와이어홀더(160)에 고정된 상태일 수 있다.

이와 같은 상태에서, 상기 쉬스홀더(150) 및 상기 와이어홀더(160)는 상기 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)에 장착될 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)는 본체(210), 구동모터(220), 구동롤러(230) 및 하중측정부(240)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 본체(210)는 상기 구동모터(220), 구동롤러(230) 및 하중측정부(240)가 장착되는 고정물의 역할을 수행할 수 있다.

일례로, 상기 본체(210)는 일면에 상기 구동모터(220)가 고정될 수 있으며, 상기 구동롤러(230)가 배치될 수 있도록 상기 구동롤러(230)와 대응되는 형상을 갖는 배치공(212)이 형성될 수 있다.

또한, 상기 구동롤러(230)는 상기 구동모터(220)로부터 제공되는 구동력을 통해 회전될 수 있고, 상기 배치공(212)에 회전가능하게 배치될 수 있으며, 상기 구동롤러(230)의 일측에는 상기 와이어홀더(160)를 수용하기 위한 제1수용홈(232)이 형성될 수 있다.

이와 같은 경우, 상기 구동모터(220)는 감속기를 포함할 수 있으며, 상기 구동롤러(230)는 상기 감속기 측에 회전가능하게 결합될 수 있다.

이를 통해, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 상기 와이어홀더(160)가 상기 제1수용홈(232)에 장착된 상태에서 상기 구동롤러(230)가 일방향 또는 반대방향으로 회전하는 경우 상기 와이어(122)(132)의 단부가 고정된 와이어홀더(160) 역시 구동롤러(230)에 의해 회전함으로써 상기 와이어(122)(132)를 당기거나 밀어줄 수 있다.

이때, 상기 배치공(212)은 상기 제1수용홈(232)이 외부로 노출될 수 있도록 일측이 개구형성될 수 있다. 이를 통해, 상기 와이어홀더(160)는 상기 제1수용홈(232)이 개구형성된 배치공(212) 측에 위치하도록 배치된 경우 상기 개구된 부분을 통해 상기 제1수용홈(232) 측에 용이하게 장착될 수 있다.

또한, 상기 구동롤러(230)는 상기 와이어(122)(132)의 두께를 수용할 수 있도록 둘레방향을 따라 내측으로 인입되는 안착홈(234)이 형성될 수 있다. 이를 통해, 상기 와이어(122)(132)는 상기 쉬스(121)(131)를 통과한 전체길이 중 일부의 길이가 상기 안착홈(234)을 따라 구동롤러(230)를 적어도 1회 이상 감긴 상태에서 단부가 상기 와이어홀더(160) 측에 고정될 수 있음으로써 회전을 통해 상기 와이어(122)(132) 측에 힘을 원활하게 전달할 수 있다.

더불어, 상기 구동롤러(230)가 일방향 또는 반대방향으로 회전하여 상기 와이어(122)(132)가 상기 쉬스(121)(131)로부터 인출되더라도 상기 와이어(122)(132)가 안착홈(234)을 따라 안내되어 권선방향이 안내됨으로써 상기 와이어(122)(132) 측에 힘을 원활하게 전달할 수 있다.

여기서, 상기 구동모터(220)는 제어부의 제어를 통해 정,역방향으로 구동될 수 있으며, 상기 제어부는 상술한 제어부(140)일 수 있다.

상기 하중측정부(240)는 상기 본체(210)의 일측에 고정설치될 수 있으며, 일측에 상기 쉬스홀더(150)를 수용하기 위한 제2수용홈(242)이 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2수용홈(242)에는 상기 쉬스(121)(131)의 일부길이가 고정결합된 쉬스홀더(150)가 착탈가능하게 장착될 수 있다.

여기서, 상기 하중측정부(240)는 로드셀일 수 있고, 상기 제2수용홈(242)은 상기 로드셀의 일측에 직접 형성될 수도 있고, 상기 로드셀에 고정결합된 별도의 부재에 형성될 수도 있다.

일례로, 상기 하중측정부(240)는 상기 제2수용홈(242)에 쉬스홀더(150)가 장착된 경우 상기 쉬스(121)(131)를 통과하여 외부로 노출되는 와이어(122)(132)가 일직선으로 상기 와이어홀더(160) 측으로 진행할 수 있도록 상기 구동롤러(230)의 일측에 배치될 수 있다.

이에 따라, 상기 하중측정부(240)는 상기 제2수용홈(242)에 쉬스홀더(150)가 장착되고 상기 제1수용홈(232)에 와이어홀더(160)가 장착된 상태에서 상기 구동롤러(230)의 회전을 통해 상기 와이어홀더(160)가 회전하여 상기 와이어(122)(132)에 힘이 제공되는 경우 상기 쉬스홀더(150)에 인가되는 힘을 측정할 수 있으며, 상기 쉬스홀더(150)에 인가되는 힘을 통해 상기 쉬스(121)(131)의 힘을 측정할 수 있다.

이와 같은 경우, 상기 와이어(122)(132)에 인가되는 힘과 상기 쉬스(121)(131)에 인가되는 힘은 작용과 반작용의 관계에 따라 서로 동일한 힘이므로 상기 쉬스홀더(150)에 인가되는 힘을 측정함으로써 상기 와이어(122)(132)에 인가되는 힘을 용이하게 측정할 수 있다.

이를 통해, 상기 구동모터(220)를 통해 상기 와이어(122)(132)에 제공되는 힘은 상기 쉬스홀더(150)에 인가된 하중의 크기를 기반으로 상기 제어부(140)의 제어를 통해 정확하게 제어될 수 있다.

이에 따라, 상술한 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)에서 마스터 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 인가되는 당기는 힘의 크기와 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 인가되는 미는 힘의 크기를 적절하게 조절할 수 있음으로써 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어와 쉬스 사이에서 발생하는 마찰력을 정확하게 보상할 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)는 상기 구동모터(220)의 구동을 통해 상기 와이어(122)(132)를 쉬스(121)(131)의 내부로 미는 방향인 제2방향으로 상기 와이어(122)(132) 측에 힘을 가하는 경우, 상기 와이어(122)(132)가 인가되는 힘에 의해 휘어지지 않고 상기 와이어(122)(132)를 쉬스(121)(131)의 내부로 정확하게 진입시킬 수 있도록 덮개(250)를 포함할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)는 상기 제1수용홈(232) 및 제2수용홈(242)에 와이어홀더(160) 및 쉬스홀더(150)가 각각 장착되고 상기 제1수용홈(232)이 배치공(212)의 개방된 부분에 위치하는 초기 상태에서 상기 제1수용홈(232) 및 제2수용홈(242)의 상부를 동시에 덮는 덮개면(251)을 갖는 덮개(250)를 포함할 수 있다.

이를 통해, 상기 제1수용홈(232) 및 제2수용홈(242)에 각각 장착된 와이어홀더(160) 및 쉬스홀더(150)는 상기 덮개면(251)을 통해 가압됨으로써 상기 제1수용홈(232) 및 제2수용홈(242)으로부터 이탈되는 것이 방지될 수 있다.

이와 같은 덮개(250)는 상기 본체(210)에 착탈가능하게 결합될 수도 있고, 일측이 상기 본체(210)에 회동가능하게 결합될 수도 있다.

이때, 상기 덮개면(251)은 도 7에 도시된 바와 같이 상기 쉬스홀더(150)가 상기 제2수용홈(242)에 장착된 상태에서 상기 쉬스홀더(150)로부터 상기 구동롤러(230) 측으로 돌출된 쉬스(121)(131)의 돌출부분(B)과 상기 쉬스(121)(131)의 돌출부분(B)의 단부로부터 외부로 노출되는 와이어(122)(132)의 일부가 동시에 안착될 수 있도록 인입형성되는 가이드홈(252)을 포함할 수 있다.

즉, 상기 가이드홈(252)은 상기 쉬스(121)(131)의 돌출부분(B)을 수용하기 위한 제1가이드홈(252a)과 상기 쉬스(121)(131)의 돌출부분(B) 단부로부터 외부로 노출되는 와이어(122)(132)를 수용하기 위한 제2가이드홈(252b)을 포함할 수 있으며, 상기 제1가이드홈(252a)과 제2가이드홈(252b)은 서로 연결되도록 형성될 수 있다.

더불어, 상기 제1가이드홈(252a)의 바닥면과 상기 제2가이드홈(252b)의 바닥면은 단차면으로 형성될 수 있다.

이를 통해, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 쉬스홀더(150)가 상기 제2수용홈(242)에 장착된 상태에서 상기 쉬스홀더(150)로부터 상기 구동롤러(230) 측으로 돌출된 쉬스(121)(131)의 돌출부분(B)은 상기 제1수용홈(232)의 단부측과 연결될 수 있다.

이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)는 상기 구동모터(220)의 구동을 통해 상기 와이어(122)(132)를 쉬스(121)(131)의 내부로 미는 방향인 제2방향으로 상기 와이어(122)(132) 측에 힘을 가하더라도, 상기 와이어(122)(132)가 상기 제2가이드홈(252b)에 의해 이동방향이 제한된 상태에서 상기 제1가이드홈(252a)에 안착된 쉬스(121)(131)의 돌출부분(B)의 단부를 통해 상기 쉬스(121)(131)의 내부로 곧바로 진입할 수 있음으로써 상기 와이어(122)(132)를 미는 방향으로 힘이 인가되더라도 인가되는 힘에 의해 휘어지지 않고 쉬스(121)(131)의 내부로 정확하게 진입할 수 있다.

이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)는 상기 구동모터(220)의 구동을 통해 상기 와이어(122)(132)를 쉬스(121)(131)의 내부로 미는 방향인 제2방향으로 상기 와이어(122)(132) 측에 힘을 가하더라도 상기 와이어(122)(132)가 쉬스(121)(131)의 내부로 진입하는 과정에서 힘의 손실 또는 와이어의 휘어짐과 같은 부작용이 발생하지 않음으로써 상기 하중측정부(240)는 상기 쉬스홀더(150)에 인가되는 힘을 정확하게 측정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)는 상술한 구성을 통하여 상기 쉬스홀더(150)가 상기 제2수용홈(242)에 장착되고 상기 와이어홀더(160)가 상기 제1수용홈(232)에 장착된 상태에서 구동모터(220)의 구동을 통해 와이어(122)(132) 측에 당기는 힘을 제공하는 경우는 물론 와이어(122)(132) 측에 미는 힘을 정확하게 인가할 수 있다.

이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)는 상술한 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)을 구현하기 위한 구동유닛(110a,110b)으로 채용될 수 있다.

한편, 상술한 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 내시경 수술 시스템을 구성할 수 있으며, 상기 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 구동유닛이 상술한 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)로 구성될 수 있다.

일례로, 도 11에 도시된 바와 같이 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)은 제1구동유닛(110a), 제2구동유닛(110b), 제1쉬스(121) 및 제1와이어(122)를 포함하는 제1힘전달부(120), 제2쉬스(131) 및 제2와이어(132)를 포함하는 제2힘전달부(130)를 포함할 수 있으며, 상기 제1구동유닛(110a) 및 제2구동유닛(110b)은 상술한 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)로 구성될 수 있다.

이와 같은 경우, 상기 제1쉬스(121) 및 제1와이어(122)를 포함하는 제1힘전달부(120), 상기 제2쉬스(131) 및 제2와이어(132)를 포함하는 제2힘전달부(130)는 상술한 구성이 그대로 채용될 수 있으며, 상기 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)는 상술한 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)가 그대로 채용될 수 있다. 따라서, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이때, 상기 제1힘전달부(120) 및 제2힘전달부(130)는 환자의 구강을 통해 환자의 체내로 삽관된 보호튜브(20)의 내부로 삽입될 수 있고, 상기 제1와이어(122)는 일단이 제어 대상물(10)인 로봇의 구동 관절에 연결되고 타단이 제1로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200a)에 구비되는 와이어홀더(160) 측에 고정될 수 있으며, 상기 제2와이어(132)는 일단이 로봇의 구동 관절(10)에 연결되고 타단이 제2로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200b)에 구비되는 와이어홀더(160) 측에 고정될 수 있다. 여기서, 상기 제어 대상물(10)인 로봇의 구동 관절에는 내시경 장비가 고정될 수 있다.

이와 같은 상태에서 시술자는 제어부(140)를 통해 상기 제1로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200a) 및 제2로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200b)를 작동시킴으로써 상기 제1와이어(122)를 당기면서 상기 제2와이어(132)를 밀어주거나 상기 제2와이어(132)를 당기면서 상기 제1와이어(122)를 밀어줄 수 있다.

이를 통해, 상기 제어 대상물(10)인 로봇의 구동 관절은 시술자가 원하는 방향 및 위치로 정확하게 변경될 수 있고 상기 제어 대상물(10)에 고정된 내시경 장비 역시 시술자가 원하는 방향 및 위치로 정확하게 변경될 수 있음으로써 시술의 정확도를 향상시킬 수 있다.

더불어, 상기 와이어홀더(160) 및 쉬스홀더(150)는 상기 제1수용홈(232) 및 제2수용홈(242)에 착탈가능하게 장착됨으로써 사용 후 제1힘전달부(120) 및 제2힘전달부(130)와 함께 간편하게 제거하고 미사용품으로 대체할 수 있으며, 구동력을 제공하는 제1로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200a) 및 제2로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200b)는 오염의 우려가 없이 간편하게 재사용할 수 있다.

한편, 상술한 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100) 또는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치(200)를 포함하는 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템(100)의 일 적용례로써 내시경 수술 시스템을 예시하였지만, 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니며, 그립 작업을 수행하는 로봇팔 또는 이를 구동하기 위한 로봇의 구동 관절이라면 모두 적용될 수 있으며, 의료용, 가정용, 산업용 등에 폭넓게 적용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

100 : 로봇 관절 구동용 케이블 동력 전달 시스템
110a : 제1구동유닛 112a : 제1구동모터
114a : 제1롤러 110b : 제2구동유닛
112b : 제2구동모터 114b : 제2롤러
120 : 제1힘전달부 121 : 제1쉬스
122 : 제1와이어 130 : 제2힘전달부
131 : 제2쉬스 132 : 제2와이어
140 : 제어부 150 : 쉬스홀더
160 : 와이어홀더
200,200a,200b : 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치
210 : 본체 212 : 배치공
220 : 구동모터 230 : 구동롤러
232 : 제1수용홈 234 : 안착홈
240 : 하중측정부 242 : 제2수용홈
250 : 덮개 251 : 덮개면
252 : 가이드홈 252a : 제1가이드홈
252b : 제2가이드홈

Claims (9)

1. 일단이 로봇의 구동 관절에 연결되고 중공형으로 형성된 쉬스에 삽입된 와이어를 구동하기 위한 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치로서,
   본체;
   상기 본체의 일측에 장착되고 전원인가시 구동력을 제공하는 구동모터;
   상기 구동모터로부터 제공되는 구동력에 의해 회전될 수 있도록 상기 구동모터와 결합되고, 상기 와이어의 단부가 고정된 와이어홀더를 수용하는 제1수용홈이 형성되는 구동롤러;
   상기 쉬스의 일부길이가 고정결합된 쉬스홀더를 수용하는 제2수용홈이 구비되고 상기 본체의 일측에 고정설치되며 상기 제2수용홈에 삽입된 쉬스홀더 측에 인가되는 하중을 측정하기 위한 하중측정부; 및
   상기 제1수용홈 및 제2수용홈으로부터 상기 와이어홀더 및 쉬스홀더가 이탈되는 것을 방지할 수 있도록 덮개면이 형성되는 덮개;를 포함하는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 구동롤러는 상기 와이어의 두께를 수용할 수 있도록 둘레방향을 따라 내측으로 인입되는 안착홈이 형성되는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 본체는 상기 구동롤러가 배치되는 배치공을 포함하고, 상기 배치공은 상기 제1수용홈이 외부로 노출될 수 있도록 일측이 개구형성되는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 쉬스는 양단부가 상기 쉬스홀더로부터 일정길이 돌출되도록 상기 쉬스홀더에 고정결합되는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 덮개면은 상기 쉬스홀더로부터 상기 구동롤러 측으로 돌출된 쉬스의 돌출부분과 상기 쉬스의 돌출부분의 단부로부터 외부로 노출되는 와이어의 일부가 동시에 안착되는 가이드홈이 형성되는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 가이드홈은 상기 쉬스의 돌출부분을 수용하기 위한 제1가이드홈과 상기 쉬스의 돌출부분의 단부로부터 외부로 노출되는 와이어를 수용하기 위한 제2가이드홈을 포함하고,
   상기 제1가이드홈 및 제2가이드홈은 서로 연결되며,
   상기 제1가이드홈의 바닥면과 상기 제2가이드홈의 바닥면은 단차면으로 형성되는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 제2가이드홈은 상기 구동롤러의 회전시 상기 와이어가 상기 쉬스의 돌출부분 측으로 진입할 수 있도록 상기 와이어의 이동방향을 제한하는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 구동모터를 통해 상기 와이어에 제공되는 힘은 상기 쉬스홀더에 인가된 하중의 크기를 기반으로 설정되는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 와이어홀더 및 쉬스홀더는 상기 제1수용홈 및 제2수용홈과 착탈가능하게 결합되는 로봇 관절 구동용 케이블 구동장치.

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