KR102279668B1 - 다중 로봇관절 와이어 연결구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 의료용 로봇관절의 와이어 연결구조에 관한 것으로, 복수의 회전조립체가 연속적으로 연결되어 하위관절로 이루어져 체내에 직접적으로 복강 수술 작동하는 삽입부와, 복수의 회전조립체가 연속적으로 연결되어 상위관절로 이루어져 상기 삽입부의 작동을 제어하는 조작부와, 상기 삽입부와 조작부의 사이에 구비되는 지지관체를 따라 상위관절과 하위관절에 각각 대응되는 회전조립체에 연결되어 상기 조작부의 조작을 삽입부에 작동 전달하는 와이어를 포함하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 있어서, 상기 회전조립체는 상기 와이어가 관통 연결될 수 있도록 복수의 와이어홀이 관통 형성된 회전프레임과, 상기 회전프레임의 한 부분에 돌출 구비되며, 상기 와이어 시계방향 또는 반시계방향으로 진행함에 따라 테두리 각 지점까지 거리가 회전에 따른 와이어의 늘어짐을 방지하는 수치해석을 통해 결정된 둘레면을 갖는 연결부재와, 상기 연결부재에 대응하여 상기 회전프레임의 반대 부분에 상기 연결부재가 수용될 수 있게 양측으로 연장 구비되며, 상기 연결부재의 중앙에 관통 형성된 제1축공에 대응하여 회전축에 의해 회전 가능하게 힌지 결합되는 제2축공을 갖는 지지부재를 포함하는 구성을 통해 관절의 회전에 따른 와이어의 이동경로에 대한 수치해석을 통해 형성된 연결부재를 포함하는 회전조립체를 제공하여 상위관절로 이루어진 조작부의 조작으로 하위관절로 이루어진 삽입부에 대한 작동을 직관적으로 조작 가능하며, 기존에 비해 와이어 길이변화(처짐 또는 팽팽해짐)을 방지할 수 있는 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 관한 것이다.

Description

다중 로봇관절 와이어 연결구조{Wire driving part for joints of robot}

본 발명은 다중 로봇관절의 와이어 연결구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 관절의 움직임에 따른 와이어의 이동경로에 대한 수치해석을 통해 형성된 연결부재를 포함하는 회전조립체를 제공하여 상위관절로 이루어진 조작부의 조작으로 하위관절로 이루어진 삽입부에 대한 작동을 직관적으로 조작 가능하며, 기존에 비해 와이어 길이 변화를 방지할 수 있는 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 관한 것이다.

일반적으로 로봇 기술 및 로봇 산업 분야는 산업 현장에서 이용되는 산업용 로봇과 의료 현장에서 이용되는 의료용 로봇 등으로 연구 및 개발되고 있다.

이러한 로봇은 인체의 관절 움직임에 유사한 관절 운동이 가능하도록 복수개의 관절 조립체로 구성되며, 복수개의 관절 조립체를 갖는 로봇관절 와이어 연결구조 각각 와이어가 연결되어 와이어를 잡아당기는 등의 동작으로 복수의 관절 조립체에 회전운동을 작동시킬 수 있다.

또한, 상기 와이어에 각각 모터를 연결하여 모터의 작동에 따라 관절 조립체 사이에 회전운동을 작동시키는 방식이 이용될 수 있다.

특히, 의료 분야에서 사용되는 로봇은 일반적으로 수술 또는 시술 등에 사용되는데, 협소한 인체의 내부에서 이동성이 중시된다.

따라서, 의료 분야의 로봇은 협소한 공간에서 이동되는 특성상 소형화가 필수적이고, 와이어를 통해 관절 조립체의 회전운동을 작동시킴에 있어서 와이어의 장력과 관절 조립체의 회전을 면밀히 제어하는 것이 중요하다.

두 개의 관절을 갖는 로봇관절의 경우 와이어를 이용하여 로봇관절의 조작부를 회전시켜 삽입부를 회전시키는데, 조작부를 일정각도 회전시키면서 와이어를 이동시키는 경우 상기 와이어에 의해 삽입부가 일정각도 회전된다.

그러나 로봇관절의 조작부와 삽입부에 회전에 따른 길이 변화는 서로 다르며 와이어의 길이 변화 차이로 인하여 조작부와 삽입부를 연결하는 와이어의 장력 변화 이에 의해 관절의 회전 각이 정확히 조작되지 않는 문제점이 있다.

각도 변화에 따른 장력변화는 조작부와 삽입부를 연결하였을 때 누적되어 더욱 커지게 된다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 조작부와 삽입부를 연결하는 와이어 객체별로 별도의 모터를 연결하여 와이어를 제어하는 방식을 이용할 수 있으나, 독립적인 모터를 연결하는 것은 구조가 복잡하고 가격이 증가하는 단점이 있다.

상기한 단점을 해결하고자 특허문헌 1은 단일한 관절에 대하여 와이어의 길이 변화를 방지하는 연결부재의 형상을 제안하였으나, 도 1에 도시한 바와 같이 2개 이상의 관절이 복수개 연결되는 구성에서는, 특허문헌 1에 의하여서도 여전히 와이어의 변화가 발생하는 문제가 발생하였다. 이러한 현상은 상위관절과 하위관절이 완전히 독립적인 것이 아니라, 상위관절의 움직임에 하위관절이 영향을 받기 때문에 발생하는 것으로, 복수 관절에서 보다 정밀하게 와이어의 길이 변화를 방지하는 기술이 필요하다.

KR 10-2047327 B1

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 로봇관절을 작동시키는 와이어와 접촉되며, 관절의 회전에 따른 와이어의 이동경로에 대한 수치해석을 통해 형성된 연결부재를 포함하는 회전조립체와 복수의 관절을 갖는 로봇에 맞게 상위관절에 대한 하위관절로 연결되는 와이어를 안내하는 가이드부재를 수치해석에 의해 부가하여 직관적으로 작동 조작 가능하며, 복수 관절에서도 와이어 길이 변화를 방지할 수 있는 다중 로봇관절 와이어 연결구조를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제2로봇관절, 제1로봇관절이 순차적으로 연결된 삽입부와; 제1회전조립체, 제2회전조립체가 순차적으로 연결되어 상기 삽입부의 작동을 제어하는 조작부와; 상기 제1,2로봇관절과 상기 제1,2회전조립체를 각각 연결하여 상기 제1,2로봇관절을 작동시키는 제1,2와이어를 포함하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 있어서, 상기 제1,2회전조립체는 상기 와이어와 접촉하며 상기 제1,2로봇관절의 회전에 따른 상기 와이어의 이동경로를 안내하는 제1,2연결부재를 포함하고, 상기 제1,2연결부재는 수직 단면의 중심 수직선 상에 회전축이 구비되며, 상기 제1,2와이어와 접촉되는 하단부터 상단까지 시계방향 또는 반시계방향으로 진행함에 따라 상기 회전축으로부터 상기 와이어와 접촉되는 바깥쪽 둘레면 각 지점까지 거리가 각각 상기 제1,2로봇관절의 회전에 따른 상기 제1,2와이어의 늘어짐을 방지하는 수치해석을 통해 결정되고, 상기 제1,2연결부재를 통과하는 상기 제1,2와이어의 경로를 안내하는 제1,2가이드부재를 포함하되, 상기 수치해석은 상기 제1,2연결부재의 회전각도를 수직방향(0도)을 기준으로 음의방향 또는 양의방향으로 변화시키면서 상기 제1,2연결부재의 테두리와 연결된 와이어의 늘어난 정도를 비교하여 상기 제1,2와이어의 늘어난 정도가 상기 삽입부에서 상기 제1,2와이어의 늘어난 정도와 동일하도록 해석함으로써 상기 제1,2연결부재의 테두리 형상을 결정하는 것을 특징으로 하며, 상기 제1가이드부재의 위치는 상기 제2와이어가 상기 제1로봇관절의 회전에 따라 늘어나거나 줄어든 길이를 보상하여 상기 제1로봇관절의 회전에도 불구하고 상기 제2와이어는 길이 변화가 없도록 하는 위치로 결정하며, 상기 위치는 상기 제1연결부재의 상기 회전축으로부터 임의의 위치를 선정한 후, 상기 제1로봇관절을 회전시켜 상기 삽입부에서의 상기 제2와이어의 길이 변화분과 상기 조작부에서의 상기 제2와이어의 길이 변화분의 합이 0이 되도록 하는 위치로 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조를 제안한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 복수 관절에 있어서 상위 관절의 움직임에 의한 하위 관절에 대한 영향 때문에 발생하는 와이어의 길이 변화를 가이드부재에 의하여 추가적으로 보정하므로, 복수 관절로 구성된 다중 로봇관절 와이어 연결구조에서도 와이어 길이변화를 방지할 수 있는 효과가 있다.

복수 관절로 구성된 다중 로봇관절 와이어 연결구조에서도 복수 관절들의 움직임으로 인한 영향을 보정하고 와이어 길이 변화를 방지할 수 있기 때문에, 조작부의 직관적인 조작에 의하여 동작하는 삽입부(수술부)를 포함하는 의료용 다중 관절 로봇 수술기구를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 단일 로봇관절 와이어 연결구조를 복수 개의 로봇관절에 적용한 구성 및 개념도.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 연결부재의 형상을 결정하는 과정을 설명한 그래프 및 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 삽입부와 조작부를 포함하는 의료용 다중 로봇관절 구조를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조를 나타내는 개념도.
도 7는 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조를 중 삽입부 관절에 대한 작동 해석한 그래프.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조를 중 조작부의 형상 최적화를 나타내는 개념도.
도 10는 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조를 중 조작부 관절에 대한 작동 해석한 그래프.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 적용되는 회전조립체의 실시예 구성도.
도 13은 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 적용되는 로봇관절의 구성도.
도 14은 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 적용되는 로봇관절 구성을 통해 작동 예시도.
도 15는 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 적용되는 와이어에 대한 연결부재의 수치해석 모델.
도 16은 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 적용되는 연결부재의 다른 실시예 구성도.
도 17 내지 19는 본 발명에 따른 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 적용되는 연결부재의 일 실시예에 따른 각도 변화를 보여주는 구성도.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절용 와이어 연결구조는 로봇의 관절을 구동시키는 복수의 와이어(W) 및 상기 와이어(W)와 접촉하며 상기 관절의 회전에 따른 상기 와이어(W)의 이동경로를 가이드하는 연결부재(420)를 포함하는 회전조립체(400)를 포함하고, 상기 연결부재(420)는, 수직 단면의 중심 수직선상에 회전축(423)이 구비되며, 상기 와이어(W)와 접촉되는 하단부터 상단까지 시계방향 또는 반시계방향으로 진행함에 따라 상기 회전축(423)으로부터 상기 와이어와 접촉되는 외측 테두리 각 지점까지의 거리가 회전에 따른 와이어(W)의 길이 변화가 방지되도록 수치해석을 통해 결정된다.

먼저 본 발명의 로봇 관절에 대하여 도 5 및 도 6을 참조하여 간략히 설명하면, 상기 로봇 관절은 다수의 회전조립체(400)가 연결된 조작부(200)와 상기 조작부에서 와이어(W)를 조작함에 따라 상기 와이어(W)와 연결되어 구동되는 삽입부(100)로 나뉠 수 있다. 상기 조작부에서 상기 와이어(W)를 당기거나 푸는 등의 방식으로 조작함에 따라 상기 삽입부는 다양하게 구동된다. 상기 삽입부의 구동은 상기 조작부에 구비된 회전조립체(400)의 수와 연결 상태에 따라 달라질 수 있다. 상기 조작부는 상기 삽입부와 와이어(W)로 연결되고 상기 삽입부에 연결된 다수의 와이어(W)가 집결되는 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 조작부에는 상기 와이어(W)를 당기거나 풀기 위하여 모터(M) 등이 추가로 연결될 수 있으며 이외에도 다양한 구성을 추가로 가질 수 있다.

본 발명의 회전조립체(400)는 상기 로봇의 조작부에 구비되며 상기 회전조립체(400)를 각각 설정된 방향으로 회전시켜 상기 로봇의 삽입부를 가동시키고 이에 따라 상기 로봇이 관절운동을 수행하도록 하는 구조를 갖는다.

본 발명의 회전조립체(400)에 구비된 연결부재(420)는 와이어가 접촉되면서 와이어(W)의 이동 경로를 가이드 한다. 상기 연결부재(420)의 형상을 먼저 설명하면, 상기 연결부재(420)는 상기 와이어(W)가 상기 회전조립체(400)의 회전에 의해 이동하면서 발생하는 길이변화를 방지하는 특정 형상을 갖는다.

도 2는 본 발명의 연결부재의 형상을 결정하기 위한 수치해석을 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명의 연결부재(420)가 결합된 로봇 관절의 구동원리를 나타낸 개념도이고, 도 4는 본 발명의 연결부재(420)가 결합된 로봇 관절의 구동에 따라 와이어(W)의 늘어나는 정도를 나타낸 개념도이다.

도 2의 (a)는 본 발명에서 와이어의 길이변화가 방지되는 연결부재(420)의 최적 형상을 도출하기 위한 알고리즘 수행 과정을 나타내며, 도 2의 (b)는 상기 연결부재(420)의 각도 변화에 따른 수치해석 과정을 나타낸다. 도 2 및 도 3을 참고하면, 상기 연결부재(420)는 단면의 중심 수직선상에 회전축(423)을 갖고, 상기 단면의 중심 수직선을 기준으로 좌우 대칭되는 형상을 가질 수 있다. 상기 연결부재(420)의 단면이 좌우 대칭되는 경우 상기 대칭되는 연결부재(420)의 좌우측 테두리에 와이어(W)가 접촉될 수 있으며, 상기 와이어(W)가 접촉되지 않는 연결부재(420)의 표면은 좌우 대칭이 아니어도 무방하다. 본 발명에서는 상기 연결부재(420)의 좌우측이 대칭인 형상을 갖는 경우를 주로 설명하나 상기 연결부재(420)의 좌우 대칭은 반드시 만족하여야 할 필요는 없고 상기 회전조립체(400)의 회전 각도의 설정에 따라 달라질 수 있다. 즉, 상기 와이어(W)의 길이변화가 방지되는 본 발명의 목적 범위 내에서 상기 연결부재(420)의 좌측과 우측이 각각 수치해석되고 이에 따라 상기 연결부재(420)의 좌우측은 서로 다른 형상을 가질 수 있다.

상기 수치해석은 상기 연결부재(420)의 회전각도에 따라 상기 연결부재(420)와 연결된 와이어(W)의 늘어나는 정도, 이동경로를 반영하여 결정된다. 본 발명에서 상기 수치해석은 도 2의 (b) 및 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 연결부재(420)의 회전 각도를 수직방향(0도)을 기준으로 음의 방향에서 양의방향, 일 실시예로 -60 내지 60 도까지 변화시키면서 상기 연결부재(420)의 테두리와 연결된 와이어(W)의 늘어난 정도를 비교하여 상기 와이어(W)의 늘어난 정도가 상기 삽입부(100)에서 와이어(W)의 늘어난 정도와 동일하도록 해석된다. 상기와 같은 해석을 통하여 상기 연결부재의 형상이 결정된다.

예를 들어, 상기 연결부재(420)는 단면의 하단에서 상단까지 시계방향 또는 반시계방향으로 진행함에 따라 상기 회전축(423)으로부터 상기 와이어(W)와 접촉되는 각 지점까지 거리가 순차적으로 증가할 수 있다. 상기 연결부재(420)의 하단에서 상단까지 반시계방향으로 상기 연결부재(420)의 외측 테두리를 따라 일정 각도로 진행하면서 순차적으로 위치를 정하는 경우, 상기 연결부재(420)의 외측 테두리와 상기 와이어(W)의 접촉지점 중 최하단을 1번 위치로 정하고 상기 연결부재(420)의 외측 테두리와 상기 와이어(W)의 접촉지점 중 최상단을 N번 위치로 정할 수 있다. 반시계방향을 따라 일정 각도로 진행하면서 순차적으로 번호를 부여하는 경우 상기 N은 상기 반시계방향으로 진행되는 각도에 따라 100, 1000 등 다양한 숫자를 가질 수 있다. N이 100인 경우 상기 연결부재(420)의 외측 테두리와 와이어(W)의 접촉지점은 100개의 위치로 분할될 수 있다. 본 발명에서 상기 연결부재(420)의 회전축(423)에서 상기 분할된 각 위치까지의 거리는 각각 부여된 숫자가 커질수록 증가한다. 즉, 상기 회전축(423)에서 1번 위치까지의 거리보다 상기 회전축(423)에서 2번까지의 거리가 더 크며, N-1의 위치까지의 거리보다 N까지의 거리가 더 크다.

본 발명의 다른 예로서, 아래의 알고리즘을 수행하여 상기 연결부재(420)의 최적 형상을 도출할 수 있다.

알고리즘(Algorithm)

1. Find q(n); 연결부재(420)의 모든 끝점(p(1) ~ p(10))과 와이어(W)의 시작점(u(1))을 연결한 가상선(L_u(1)_q(1) ~ L_u(1)_q(10))의 각도.

2. maxQn = max(q(n)); q(n)이 최대인 값.

3. maxPointNum = index(maxQn); maxQn의 인덱스 값.

4. L_u(1)_p(max) 계산; u1에서 maxPointNum까지의 거리.

5. L_pp = (L_p(i-1)_p(10)); 나머지 거리.

6. L= L_u(1)_p(max) + L_pp; 전체 와이어의 길이.

7. 1 내지 6의 과정을 모든 각도에서 길이(L) 계산.

8. 각도가 0도일 때를 기준 값으로 하여 모든 각도에서 길이 변화계산.

9. 삽입부(100)와 유사한 길이 변화를 갖는 연결부재의 형상 p(1) ~ p(n)의 조합.

상술한 예 이외에도 본 발명의 수치해석을 통하여 와이어의 길이 변화를 방지하는 다양한 형상이 도출될 수 있다

상기 연결부재(420)의 좌우측 테두리는 굴곡진 형상을 갖고 상기 연결부재(420)가 회전축(423)을 중심으로 일정 각도 회전하는 경우 상기 와이어(W)는 상기 연결부재(420)와 접촉되면서 상기 연결부재(420)의 형상에 의해 이동 경로가 가이드 된다.

도 4의 (a)는 본 발명의 연결부재가 결합된 로봇 관절의 구동상태를 나타내고, 도 4의 (b)는 상기 연결부재의 회전각도에 따라 와이어의 늘어나는 정도를 나타내며, 도 4의 (c)는 상기 연결부재(420)를 통해 가이드 되는 와이어(W)의 길이 변화가 방지되는 구조를 나타낸다.

도 4의 (a)와 같은 로봇 관절은 (b)에 도시된 바와 같이 상기 연결부재(420)를 포함한 로봇 관절은 상기 회전축(423)을 기준으로 상기 연결부재(420)의 회전각도가 증가할 때 상기 연결부재(420)의 회전에 따른 상기 와이어(W)의 이동 거리 변화율이 점차 감소될 수 있다. 이는 두 개의 관절을 갖는 로봇에서 삽입부(100)의 회전각도가 증가할 때 상기 삽입부에 연결된 와이어(W)의 이동 거리 변화율이 점차 감소되는 점을 반영한 것으로, 삽입부(100)와 조작부(200)를 각각 연결하는 와이어(W)의 이동 거리 변화율이 동일하거나 극히 미미한 차이를 갖기 때문에 삽입부와 조작부를 연결하는 와이어의 길이 변화가 방지된다. 예를 들어, 상기 조작부에서 수직선을 기준으로 우측으로 일정 각도 회전되었을 때 와이어(W)의 이동거리는 상기 삽입부에서 수직선을 기준으로 좌측으로 일정 각도 회전되었을 때 상기 와이어(W)의 이동거리와 같을 수 있다.

즉, 상기와 같은 형상을 갖는 연결부재(420)를 갖는 본 발명에서는 상기 연결부재(420)의 외측 테두리에 접촉되는 와이어(W)가 당겨질 때 상기 연결부재(420)의 외측 테두리 형상에 따라 이동 경로가 가이드 되므로 상기 조작부에서 와이어(W)의 길이 변화 정도가 상기 삽입부에서 와이어(W)의 길이 변화 정도와 같게 되어 상기 조작부의 회전에 따른 와이어(W)의 전체 길이 변화, 이에 의한 장력 변화, 와이어의 느슨해짐이 방지될 수 있다.

상술한 연결부재(420)의 형상에 의하여, 단일한 관절의 움직임에 의한 와이어의 길이 변화는 방지할 수 있으나, 복수 관절의 경우에는 추가적인 문제가 발생한다.

도 1을 참조하면, 제1로봇관절(100a)의 움직임에 의한 제1회전조립체(200a)에서의 와이어 길이변화(처짐 또는 팽팽해짐)은 연결부재(420)의 형상에 의하여 방지될 수 있으나, 제2로봇관절(100b)의 움직임의 경우에는, 제2로봇관절(100b)의 움직임과 함께 제1로봇관절(100a)의 움직임에도 영향을 받으므로, 다시 이에 의한 와이어 길이 변화가 발생하게 된다.

이는 제2로봇관절(100b)이 제1로봇관절(100a)에 연결되어 있기 때문이다. 따라서 제2로봇관절(100b)의 와이어 길이 변화를 방지하기 위해서는 추가적으로 제1로봇관절(100a)에 의한 와이어 길이 변화도 반영하여야 한다.

도 7은 도 5에 도시된 복수의 로봇관절을 가지는 와이어 연결 구조에서 삽입부(100) 측의 와이어 길이변화를 나타내는 그래프이다. 본 명세서에서 s 아래첨자는 slave, 즉 삽입부 측을 의미하며, m 아래첨자는 master, 즉 조작부 측을 의미한다. 이에 따라

는 슬레이브(삽입부) 관절의 회전 각도,

은 마스터(조작부) 관절의 회전 각도,

는 삽입부에 한쪽측(A측)에 연결된 와이어의 길이,

는 삽입부에 한쪽측(A측)에 연결된 와이어의 길이 변화량을 의미한다.

도 7의 상단, 중단 그림은 도 5의 삽입부 관절을 해석한 것이고, 그 해석 결과는 도 7의 하단 그래프에 도시와 같이, 와이어(W)의 길이 변화가 관절의 각도에 비례하지 않는 것이 확인된다.

따라서, 도 7의 하단 그래프 도시와 같이 관절의 각도 변화에 따라 당기거나 풀어주는 와이어(W)의 길이에 차이(i)가 발생함을 알 수 있다.

그 결과, 도 8의 도시와 같이, 조작부(200)와 삽입부(100)의 각도에 대해 길이 변화의 특성이 다른 경우 정밀하게 제어하는데 어려움이 있으므로 조작부(200)에 적용되는 회전조립체(400)의 형상에 대해 최적화할 필요가 있으며, 도 9의 도시와 같이, 수치해석을 통해 형상을 최적화하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 일 실시예로서, 삽입부(100)의 각도 변화에 대해 와이어(W)의 길이변화를 동일하게 하는 조작부(200)의 형상을 최적화하는 구조로 도 9 및 도 10의 도시와 같이, 복수개의 가이드핀(510)이 좌우 대칭으로 형성하여 와이어(W)의 길이 변화를 동일하게 할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같은 조작부(200)의 형상 최적화에 따라 도 10의 도시와 같이 최적화된 조작부(200)의 해석 결과를 확인할 수 있다.

도 10과 같이

,

을 동일하게 변화하였을 때

+

를 모든 구간에서 0 또는 최소값이 되도록 최적화할 수 있다.

즉,

가 0도에서 45도로 변화할 때 줄어드는 삽입부(100)의 A측 와이어(W) 길이

와 늘어나야 하는 조작부(200)의 A측 와이어(W) 길이

가 동일해야 하며, 또한 늘어나는 삽입부(100)의 B측 와이어(W) 길이

와 줄어드는 조작부(200)의 B측 와이어(W) 길이

가 같아야 한다.

즉, 조작부의 회전조립체(400)를 지나 하위 회전조립체(400)에 연결되는 와이어를 가이드 하기 위한 가이드부재, 즉 가이드핀(510) 또는 가이드블럭(520)의 회전조립체(400)에 대한 위치좌표를 최적화 선정하는 알고리즘을 간단히 요약하면 아래와 같다. 이 때, 가이드핀(510)은 단일한 점으로 설정할 수도, 복수개의 점으로 설정할 수도 있으며 가이드핀(510)을 무수히 많은 점으로 설정하면 가이드블럭(520)이 된다.

1. 먼저 조작부의 형상을 임의로 설정한다.

2.

=

을 조금씩 (일실시예로써 5도) 증가시키면서 이 때의 와이어 길이

를 계산한다.

3. 0도를 기준으로 변화한 와이어(W) 길이

를 계산한다.

4. 모든 각도에서의

를 더한 값 계산한다.

5. 1 ~ 4 과정을 여러 번 반복하면서 모든 각도에서의

를 더한 값이 최소가 되는 형상을 선정하며, 이 때 다양한 최적화 기법, 최적화 알고리즘이 사용될 수 있다. 일 실시예로서 유전자 알고리즘이 사용될 수 있다.

이하에서는 위 알고리즘을 이용하여 가이드핀 또는 가이드 부재의 위치를 결정하는 방법을 좀 더 상세히 설명한다.

도 17 내지 도 19를 참조하면, 각 가이드핀(510) 또는 가이드블럭(520)의

좌표인

를 임의로 선정하고,

를 조금씩(일 실시예로서 5도) 증가시키면서 모든 각도에서

를 계산한다.

이 때 모든 각도에서

의 합이 최소가 되는

의 조합이 최적 형상이 된다.

즉,

의 조합을 찾는 과정은 최적화 알고리즘(일 실시예로서, 유전자 알고리즘 등이 있으며 그 외에도 다양한 기법이 있다)에 의해 찾아진다.

여기서,

= (특정 각도에서

(0도일 때

)이다.

도 14의 해석 형상은 도 15에 나타내고 있다. 도 15(b) (c)는

가 11개 인 경우이다. 도 9를 기준으로 설명하면 p4, p5, p6에 상응하는 점은 도 15(b) (c)에서 10개의 선 끝점의 좌표 10개이며, 도 9의 p1, p2, p3에 해당하는 점은 도 15(b)(c)에서 우측에 있는 점 1개이다.

도 9 내지 도 11, 도 17 내지 도 19는

가 6개인 실시예이고, 도 12는

가 무수히 많은 경우이다.

도 18은 각도가 30도일 때, 도 19는 각도가 -30도일 때를 도시한 것이며 각도에 따라 와이어가 접하게 되는 점의 위치가 달라짐을 알 수 있다. 따라서, 각도에 따라서

합이 최소화될 수 있다.

도 11과 도 12는 상술한 조작부 형상 최적화 결과 도출된 가이드부재(500)의 실시예들이다. 가이드부재(500)는 연결부재(420)에 구비되어 연결부재(420)를 통과하는 와이어를 안내(가이드)한다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 일실시예로서 도 10에 따른 해석결과를 기반으로 설계한 것이며, 가이드부재(500)는 수치해석을 통하여 결정된 복수의 위치에 배열되는 다수의 가이드핀(510)으로 이루어질 수 있다. 일 실시예로써 가이드핀(510)은 6개일 수 있다.

연결부재(420)의 좌우 양측 둘레면은 도 2 내지 도 4의 수치해석에 의하여 결정된 굴곡진 형상을 갖고 연결부재(420)가 회전축 또는 제1축공(422)을 중심으로 소정의 각도로 회전하는 경우 와이어(W)는 연결부재(420)와 접촉되면서 연결부재(420)의 형상에 의해 이동경로로 안내된다.

연결부재(420)는 판 형상으로 둘레면과 회전축에 제1축공(4222)이 형성된 플레이트(424)와 플레이트(424)의 바깥쪽 면에는 연결부재의 회전을 제한하기 위한 제한턱(426)이 더 형성될 수 있다.

연결부재(420)의 상부에는 브라켓(425)과 그 상부에는 회전프레임(410)이 구비될 수 있으며, 회전프레임(410)으로부터 연장된 지지부재(430)에는 제2축공(432)이 형성될 수 있다.

즉, 제1연결부재와 제2연결부재가 있을 경우 제2연결부재의 지지부재의 제2축공이 제1연결부재의 제1축공에 결합된다.

또한 연결부재(420) 사이에는 상술한 수치해석 위치결정방법에 의하여 위치 결정된 가이드부재(500)가 형성되며, 도 11의 실시예에서는 6개의 가이드핀(510)으로 구비된다. 이에 따라, 연결부재(420)를 통과하여 다른 연결부재에 연결되는 와이어는 회전프레임(410)에 관통 형성된 와이어홀(411)을 통과하여, 가이드부재(500)또는 가이드핀(510)에 의하여 안내된다. 한편 직접 연결부재(420)에 연결되는 와이어는 연결부재(420)의 플레이트(424)에 접촉하여 안내된다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 따른 다른 실시예로서 도 10에 따른 해석결과에 기반으로 설계한 것이며, 가이드부재(500)는 수치해석을 통하여 결정하는 복수의 위치를 수많은 점으로 최적화 것이다. 즉 도 11의 가이드핀(510)을 무수히 많은 점으로 설정한 후 수치해석을 통하여 최적화한 것이다. 이에 따라 가이드부재(500)는 접촉면(521)을 갖는 가이드블럭(520)으로 이루어질 수 있다. 도 11 보다 도 12의 실시예가 좀 더 정확한 제어가 가능하지만, 제작의 편의를 위해서 두 실시예는 선택적으로 사용이 가능하다.

가이드블럭(520)은 도 11의 가이드핀(510)과 동일한 기능(다른 연결부재에 연결되는 와이어의 길이변화 방지기능)을 수행하므로 실질적으로 동일한 구성요소이며, 다른 구성요소들도 실질적의 도 10의 구성들과 동일하므로 같은 도면번호로 표시하고 반복되는 설명은 생략한다.

상술한 예 이외에도 본 발명의 수치해석을 통해 와이어(W)의 길이 변화를 최소화(장력 변화를 최소화)하는 다양한 형상이 도출될 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 4관절 모델의 예시이다. 삽입부(100)는 순차적으로 연결된 제4로봇관절(100d), 제3로봇관절(100c), 제2로봇관절(100b), 제1로봇관절(100a)을 포함하며, 조작부(200)는 순차적으로 연결된 제1회전조립체(200a), 제2회전조립체(200b), 제3회전조립체(200c), 제4회전조립체(200d)를 포함한다. 각 로봇관절과 회전조립체는 와이어(w)에 의하여 연결된다. 즉, 제4로봇관절(100d)은 와이어를 통하여 제4회전조립체(200d)에, 제3로봇관절(100c)은 제3회전조립체(200c) 제2로봇관절(100b)은 제2회전조립체(200b)에, 제1로봇관절(100a)은 제1회전조립체(200a)에 와이어에 의하여 연결된다. 각 회전조립체 들은 상술한 회전프레임(410), 연결부재(420), 지지부재(430)등을 포함하며, 반복되는 설명은 생략한다.

도 14는 관절 중심에서 와이어(W)까지의 거리가 다른 3관절 모델을 도시화한 것이다.

도 14에서 (i)은 해당 로봇관절을 작동하기 위한 와이어(W)의 로봇관절 중심에서부터 거리, (ii)는 상위로봇관절 와이어(W)가 경유하는 지점의 거리이다. (i), (ii)의 거리가 다르기 때문에 각각의 거리 특성에 맞도록 (iii), (iv)를 최적화한다. 즉 (iii)는 (i)에 대한 최적화이며, (iv)는 (ii)의 최적화이다.

즉, 제3로봇관절(100c)의 경우를 살펴보면, 제3로봇관절(100c)은 위에서 상술한 바와 같이 제3 회전조립체(200c)에 와이어로 연결되는데, 이 와이어는 제3로봇관절(100c)의 중심으로부터는 (i)만큼의 거리가 있고 제3로봇관절(100c)이 회전시에는 제3로봇관절(100c)의 중심으로부터 (i)만큼의 거리를 반경으로 회전하면서 와이어 길이가 변화하기 때문에, 이를 방지하기 위하여 제3 회전조립체(200c)의 연결부재 플레이트의 형상을 도 2 내지 도 4의 방법에 의하여 결정한다. 마찬가지로, 제2회전조립체(200b), 제1회전조립체(200a)의 연결부재 플레이트의 형상도 같은 방식에 의하여 형성된다. (도 14의 제일 오른쪽 그림 (c)의 상단 참조)

하지만, 제3 로봇관절(100c)에 연결되는 와이어는 제3 로봇관절(100c)의 회전에 의해서만 길이 변화가 발생하는 것이 아니라, 제2 로봇관절(100b)의 회전에 의해서도 길이 변화가 발생하며, 이때 제2로봇관절(100b)의 중심으로부터 거리(ii)를 반경으로 하는 회전에 의하여 길이 변화 발생하므로, 이를 보상하기 위해 상술한 도 10의 수치해석에 의하여 제2 회전조립체(200b) 상의 와이어가 통과하는 영역에 제 2 가이드부재(500b)를 형성하여 와이어의 길이 변화를 보상하도록 한다. 마지막으로, 제3 로봇관절(100c)에 연결되는 와이어는 제1 로봇관절(100a)의 회전에 의해서도 길이 변화가 발생하며, 이때 제1 로봇관절(100a)의 중심으로부터 거리(ii)를 반경으로 하는 회전에 의하여 길이 변화가 발생하므로, 이를 보상하기 위해 상술한 도 10의 수치해석에 의하여 제1 회전조립체(200a) 상의 와이어가 통과하는 영역에 제 1 가이드부재(500a)를 형성하여 와이어의 길이 변화 보상하도록 한다. (도 14의 제일 오른쪽 그림 (c)의 하단 참조)

도 15는 도 14의 해석 모델로 (iii)는 10개의 점(좌우 대칭으로 20개), (iv)는 11개의 점으로 최적화한 것을 나타낸다.

이와 같이, 정밀도 향상을 위해 형상을 다수의 점(가이드핀)으로 최적화할 수 있으며, 제작의 간소화를 위해 다소 오차가 발생하더라도 점의 숫자를 줄이거나 단일한 점(가이드핀)으로 형상화할 수도 있다.

도 16은 와이어(W) 길이의 미세 변화를 보상하기 위한 추가적인 구성을 나타낸다. 본 발명에 따른 수치해석에 따른 형상 최적화 기법으로 삽입부 각도 변화에 대한 와이어(W) 길이의 변화를 최소화할 수 있지만 제작 상의 오차(와이어(W) 자체의 늘어짐, 최적화 형상의 간략화) 등에 의한 길이 오차가 발생할 수 있어, 이를 보상할 추가적인 구성을 제안한다.

일 실시예에 따르면, 도 16의 (a)와 (b) 같이 와이어(W)를 팽팽하게 당겨서 조립하는 경우, 미세한 와이어(W)의 늘어짐을 연결부재 재료가 가지는 자체 탄성에 의해 보상할 수 있다. 즉, 상기 플레이트(424)의 둘레 양측에는, 상기 와이어(W)의 길이 변화를 보상할 수 있도록 일부 절개된 유격공간(427)을 갖는 탄성편(428)이 더 형성되어, 연결부재 또는 플레이트의 재료가 가지는 자체 탄성에 의하여 형상이 변형됨으로써 와이어의 느슨해짐을 추가적으로 방지한다.

또한, 다른 실시예에 따르면 도 16의 (c)와 같이 스프링(429)을 추가하여 와이어(W)의 길이를 보상할 수 있다. 즉, 상기 탄성편(428)에는 상기 플레이트의 둘레면에 접촉되는 상기 제1,2와이어(W1,W2)의 느슨해짐을 방지하는 스프링(429)이 내장될 수 있다.

즉, 관절의 형상에 의한 와이어(W)의 길이 변화는 상술한 바와 같이 조작부(200)의 연결부재 및 가이드부재의 형상으로 보상, 제작 시 발생하는 오차는 개별적으로 탄성편(428) 또는 스프링(429)에 의해 보상하여 다관절로 구성되는 와이어(W) 작동 메커니즘의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 조작부(200)의 조작으로 이루어진 삽입부(100)에 대한 작동을 직관적으로 조작 가능하며, 다관절로 이루어진 경우라도 종래에 비해 와이어(W) 와이어의 길이 변화를 방지할 수 있는 효과가 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100: 삽입부
100a: 제1로봇관절
100b: 제2로봇관절
200: 조작부
200a: 제1회전조립체
200b: 제2회전조립체
W: 와이어
W1: 제1와이어
W2: 제2와이어
300: 지지관체
400: 회전조립체
410: 회전프레임
411: 와이어홀
420: 연결부재
420a: 제1연결부재
420b: 제2연결부재
421: 둘레면
422: 제1축공
423: 회전축
424: 플레이트
425: 브라켓
426: 제한턱
427: 유격공간
428: 탄성편
429: 스프링
430: 지지부재
432: 제2축공
500: 가이드부재
500a: 제1가이드부재
500b: 제2가이드부재
510: 가이드핀
520: 가이드블럭
521: 접촉면

Claims (8)

1. 제2로봇관절(100b), 제1로봇관절(100a)이 순차적으로 연결된 삽입부(100)와; 제1회전조립체(200a), 제2회전조립체(200b)가 순차적으로 연결되어 상기 삽입부(100)의 작동을 제어하는 조작부(200)와; 상기 제1,2로봇관절(100a,100b)과 상기 제1,2회전조립체(200a,200b)를 각각 연결하여 상기 제1,2로봇관절(100a,100b)을 작동시키는 제1,2와이어(W1,W2)를 포함하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조에 있어서,
   상기 제1,2회전조립체(200a,200b)는,
   상기 와이어(W)와 접촉하며 상기 제1,2로봇관절(100a,100b)의 회전에 따른 상기 와이어(W)의 이동경로를 안내하는 제1,2연결부재(420a,420b)를 포함하고,
   상기 제1,2연결부재(420a,420b)는,
   수직 단면의 중심 수직선 상에 회전축(423)이 구비되며, 상기 제1,2와이어(W1,W2)와 접촉되는 하단부터 상단까지 시계방향 또는 반시계방향으로 진행함에 따라 상기 회전축(423)으로부터 상기 와이어(W)와 접촉되는 바깥쪽 둘레면(421) 각 지점까지 거리가 각각 상기 제1,2로봇관절(100a,100b)의 회전에 따른 상기 제1,2와이어(W1,W2)의 늘어짐을 방지하는 수치해석을 통해 결정되고, 상기 제1,2연결부재(420a,420b)를 통과하는 상기 제1,2와이어(W1,W2)의 경로를 안내하는 제1,2가이드부재(500a,500b)를 포함하며,
   상기 수치해석은
   상기 제1,2연결부재(420a,420b)의 회전각도를 수직방향(0도)을 기준으로 음의방향 또는 양의방향으로 변화시키면서 상기 제1,2연결부재(420a,420b)의 테두리와 연결된 와이어(W)의 늘어난 정도를 비교하여 상기 제1,2와이어(W1,W2)의 늘어난 정도가 상기 삽입부(100)에서 상기 제1,2와이어(W1,W2)의 늘어난 정도와 동일하도록 해석함으로써 상기 제1,2연결부재(420a,420b)의 테두리 형상을 결정하는 것을 특징으로 하며,
   상기 제1가이드부재(500a)의 위치는 상기 제1연결부재(420a)의 상기 회전축(423)으로부터 임의의 위치를 선정한 후, 상기 제1로봇관절(100a)을 회전시켜 상기 삽입부(100)에서의 상기 제2와이어(W2)의 길이 변화분과 상기 조작부(200)에서의 상기 제2와이어(W2)의 길이 변화분의 합이 최소화되도록 하는 위치로 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1,2가이드부재(500a,500b)는,
   한 개 또는 복수 개의 가이드핀(510)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1,2가이드부재(500a,500b)는,
   접촉면을 갖는 가이드블럭(520)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1,2연결부재(420a,420b)는,
   서로 이격되어 중앙에 회전축(423)이 관통 결합되는 제1축공(422)을 갖는 두개의 플레이트(424)와;
   상기 두개의 플레이트(424)를 이격 지지하여 회전프레임(410)에 연결 고정되는 브라켓(425)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 플레이트(424)의 양측에는, 상기 제1,2와이어(W1,W2)의 길이 변화를 보상할 수 있도록 일부 절개된 유격공간(427)을 갖는 탄성편(428)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 탄성편(428)에는 상기 플레이트(424)에 접촉되는 상기 제1,2와이어(W1,W2)의 길이변화를 방지하는 스프링(429)이 내장되는 것을 특징으로 하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 플레이트(424)는 탄성을 가진 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 삽입부(100)와 조작부(200)의 사이에는,
   연장 길이를 보강함과 아울러, 상기 조작부(200)로부터 삽입부(100)로 조작력을 전달하는 와이어(W)를 보호하는 지지관체(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 로봇관절 와이어 연결구조.

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