KR200174677Y1 - 6자유도 위치 기기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 다자유도 포지셔닝 시스템에 관한 것으로 공심 솔레노이드와 영구자석 간의 상호 작용을 구동력으로 이용하고 안팎 평면 운동의 적절한 조합에 의해 가동부 종단의 6자유도를 만들어내도록 하는 것이다.

본 고안의 6자유도 위치 기기는, 가동부(108)와 구동부가 분리되어 가동부가 자기적으로 부상 가능하도록 이루어지며, 구동부는, 가동부를 중심으로 그 외곽 방향의 하우징(109) 위에 삼각형의 대칭적 형태로 서로 마주 보는 위치에 공심 솔레노이드(101)가 위치하며, 하우징 위에 있는 공심 솔레노이드와 상호 작용을 일으켜 평면 운동을 만드는 영구자석(103) 및 하우징 안에 수직 방향으로 설치되어 가동부의 수직 운동을 만들고, 이를 위해 상부에 영구자석(104~106)을 구비하며 하우징 안에서 삼각형의 배열 형태로 설치되는 또 다른 수직 공심 솔레노이드(101a)가 있으며, 가동부 종단의 6자유도를 만들어 내기 위해 각 영구자석을 연결하면서 가동부에 링크(107)를 설치한 것을 특징으로 한다.

이에 따라 스테이터로 부터 연결 메카니즘이 없으면서도 센서 되먹임 없이 평형점 부근의 일정 영역내에서 안정성을 확보할 수 있으며 되먹임 센서에 의해 기기 성능을 극대화 시킨다.

Description

6자유도 위치 기기 {A positioning system with 6Degrees of Freedom}

본 고안은 다자유도 포지셔닝 시스템에 관한 것으로 공심 솔레노이드와 영구자석 간의 상호 작용을 구동력으로 이용하고 안팎 평면 운동의 적절한 조합에 의해 가동부 종단의 6자유도를 만들어내도록 함으로서 스테이터로 부터 연결 메카니즘이 없으면서도 센서 되먹임 없이 평형점 부근의 일정 영역내에서 안정성을 확보할 수 있으며 되먹임 센서에 의해 기기 성능을 극대화 시키는 새로운 6 자유도 정밀 위치 기기에 관한 것이다.

공간상에서 6 자유도를 만들어 내는 장치들은 대량 생산, 작업 환경 개선의 큰 조류에 주축을 이루었다. 수평, 수직 다관절 로봇을 비롯하여 리니어 모션의 조합에 의해 6 자유도를 만들어 내는 스튜어트 플랫폼등 그동안 다양한 방법으로 구현되어 왔다.

현재 거의 대부분의 다자유도 기기들은 회전 관절에 대해서는 AC/DC 서보 모터, 수평 관절에 대해서는 리니어 모터, 대용량의 경우에는 유압 서보 시스템 등이 사용되고 있으며 이러한 각 자유도 운동의 조합으로 종단에 가서 다자유도를 만들어 내고 있다. 그러나 동력원 자체는 큰 토크를 내기 위해 감속기를 사용하고 있고 동력의 전달은 연속된 링크를 사용하는 등 정밀 위치 기기로서는 그 구현에 한계를 나타냈다.

감속기를 구성하는 기어의 백레쉬나 조인트의 마찰, 비선형을 갖는 윤활 특성등 다양한 기계적 변수에서 기존의 기기들은 성능의 한계를 드러냈으며, 이는 정밀한 위치를 만들어내는 기기로서는 부적합한 것으로 판명 되었다.

이와는 다른 압전 소자나 형상 기억 합금등 소자 자체의 특성을 이용해서 운동을 만들어내는 기기들은 신뢰도나 반복 정밀도에서 뛰어난 것으로 평가 받았으나 소자 특성상 자유도의 한계를 안고 있다.

따라서 로터(회전자)를 스테이터(고정자)로 부터 분리시켜 공간상에서 부상 가능하도록 하고 이 공간상에서 다자유도를 구현해 내는 기기가 제안 되었다. 이렇게 부상되어 운동하는 기기들은 거의 대부분 구동력으로서 일렉트로마그네틱 힘을 이용하고 있는데 기존의 6자유도 자기 부상 기기들은 안정성과 성능을 동시에 확보하기 위해 구축된 센싱 시스템으로 부터 위치 정보를 피드백 받는 고성능 콘트롤러를 필요로 하므로 이러한 요소들이 시스템 성능에 많은 제약을 가하고 신뢰도에 영향을 미쳤다.

가동부를 부상 시키는 기술은 미국특허 등록번호 4,874,998호에 6자유도 시스템으로 소개 되었다. 이는 도 1과 같이 포서(Forcer)라고 불리는 구동원을 육각 기둥의 각면에 서로 직립으로 배치시켜 가동부를 부상 시키는 6 자유도 시스템 이 다. 즉 그립퍼 등의 작업 기구를 갖는 육각 기둥의 형태를 취하는 가동부(6)에 전류가 흐르는 코일이 (1)(5)(10)과 (2)(7)(9) 처럼 두가지 방향으로 놓여져 있고, 고정부(4)에는 각각의 사각형 단면을 사이에 두고 양쪽에 영구자석(3)(8)등이 부착되어 자기장을 형성하고 있고, 영구자석(3)(8)들은 자장의 경로를 확보하기 위해 백 아이론(5)에 부착되어 지지되어 있다.

고정부(4)에 설치되어 있는 육각형의 가동부(6)의 단면을 마주보고 배치되어 있는 영구자석(3)(8) 등에 의해 자기장이 형성 되어 있고 이러한 자기장 속에서 자장의 방향과 직각을 이루는 코일(1)(5)(10) 또는 코일(2)(7)(9)에 전류가 흐르면 이 코일은 로렌쯔 힘을 받는데 이때 이러한 로렌쯔 힘의 방향은 플레밍의 왼손법칙에 의해 지배 받는다. 여기에서 코일(1)(5)(10)이 받는 힘의 방향과 다른 코일(2)(7)(9)이 받는 힘의 방향은 서로 직립 관계를 갖고 있으므로 서로 조합에 의해 코일이 부착된 가동부(6)는 공간상에서 6자유도 운동을 하게 된다.

도 2는 6 자유도 반도체 검사 장비 시스템의 개략도 이다. 가동부(15)는 육면체의 형태를 취하며 각면에는 영구자석(13)들이 배치되어 있으며 이는 고정부(14)의 각면의 솔레노이드(11)(12) 등과 상호 작용을 한다. 이때 가동부(15)의 부상을 위해 육각형의 상부는 다른쪽 보다 더욱 큰 용량의 솔레노이드(11)가 배치되어 가동부(15)를 부상 시키는데 이용된다.

고정부(14)에 부착 되어 있는 솔레노이드(12)에 전류가 흐르면 솔레노이드(12)의 축 방향으로 자기장이 형성 되는데 이때 이러한 솔레노이드(12)와 마주 보며 가동부(15)에 부착 되어 있는 영구자석(13) 등은 솔레노이드(12)에 의해 형성된 자기장과의 상호 작용에 의해서 솔레노이드(11)의 축 방향으로 인력 내지 척력을 받게 된다. 또한 가동부(14) 상단과 마주 보는 고정단에는 대용량의 솔레노이드(11)가 배치되어 있어 가동부(14) 전체를 부상 시키며 가동부(14) 하단에 배치된 솔레노이드는 이러한 부상 상태에서 미세한 움직임을 만들어 내는 역할을 수행한다.

도 3은 미국특허 등록번호 5,739,608호에 소개된 광픽업 엑츄에이터 이다. 이 구조는 대물렌즈(21)를 지지하고 있는 가동부(25)는 안쪽과 바깥쪽이 자화된 원기둥 형태의 영구자석 이며 고정부(24) 역시 안쪽과 바깥쪽이 자극을 갖는 원기둥 이다. 또한 가동부(25)의 포커싱과 트랙킹을 위해 가동부(25) 주위에 포커싱/트랙킹 코일(23)이 부착 되어 있으며 가동부(25)에 댐핑을 주기 위하여 전도체(22)가 고정부(24) 및 가동부(25)로 이루어진 두 원기둥 사이에 배치되어 있다.

이 광 픽업 장치는 대물렌즈(21)를 지지하고 있는 가동부(24)가 안쪽과 바깥쪽이 다른 극으로 자화된 영구자석이고 또한 고정부(24)의 원기둥 역시 같은 형식으로 자화되어 있으므로 안쪽 가동부(25)가 극성 반발로 인해 부상된다. 이렇게 부상된 가동부(25)는 가동부 주위에 부착되어 있는 전류가 흐르는 코일(23)과 고정부(24) 영구자석간의 상호 작용에 의해서 대물렌즈(21)의 포커싱과 트랙킹을 수행한다. 이때 영구자석 간의 반발로 인해 부상시 발생하는 댐핑의 부족함을 보완하기 위해 고정부(24)와 가동부(25)를 연결하는 전도체(22)를 설치하게 된다.

도 4는 미국특허 등록번호 5,263,382호에 소개된 전형적인 6자유도 페러렐 메커니즘이다. 이 구조는 고정블록(36) 위에 수직으로 세워진 6개의 모터(35)가 위 치해 있으며 모터의 운동을 조합하기 위한 디퍼런셜 드라이브(34)에 의해 모터 운동이 유니버설 죠인트(32)와 연결 링크(33)에 의해 가동부(31)에 전달 되는 형태이다.

이 장치는 수직 방향으로 놓여 있는 모터(35)는 서로 두 개씩 쌍을 이루면서 회전 운동을 하게 되는데 이때 이러한 회전 운동은 디퍼런셜 드라이브(34)에 의해 조합 된다. 이렇게 조합된 운동은 연결링크(33)의 2자유도 운동으로 변환되고 유니버설 조인트(32)에 의해 가동부(31)로 전달된다.

이와 같이 자기력을 이용하여 6자유도를 구현하는 다양한 장치들은 크게 자장 안에 놓여 있는 전류가 흐르는 코일이 받는 로렌쯔 힘을 이용하는 방법과 솔레노이드와 영구자석 간의 상호 작용에 의한 마그네틱 힘을 이용하는 방법으로 분류된다.

도 1과 같은 6자유도 시스템은 무빙 코일 방식이기 때문에 완전한 자기 부상이라 할 수 없다. 따라서 움직이는 코일이 어떠한 형태로든 구동과 관계되어 영향을 주게 되며 구동원 자체의 특성으로 인해 영구자석에 의해 형성되어 있는 일정한 자기장 안에 많은 코일이 지나가야 하기 때문에 코일은 큰 면적으로 접해 있어야 한다. 이것은 가동부(6) 크기의 증가를 가져오며 이러한 작은 갭에서의 큰 접촉 면적으로 인해 각 자유도애서의 운동 범위가 제한을 받게 된다. 도 2와 같은 형식은 벌려진 틈 방향으로는 다른 자유도에 비해 안정도가 극히 취약하다. 따라서 구동원을 육각 기둥의 각면에 서로 직립 배치시켜 가동부를 부상 시키는 도 1과 같은 6자유도 시스템이나 가동부(15)의 부상을 위해 그 주위로 영구자석(13) 및 솔레노이드(12)를 배치하는 도 2와 같은 엑츄에이터들은 모두 안정된 자세를 유지하기 위해 고성능 컨트롤러를 이용하고 있으며 따라서 컨트롤 단계에서 이러한 안정도의 확보를 위한 연산 로드(Load)가 커지게 된다.

또한 도 3과 같은 광 픽업 헤드의 부상 기기는 수동적인 자기 요소, 즉 영구자석 간의 상호 작용을 통해 의도 하는 반발력을 얻는다. 동시에 축 방향에 대해 심한 토크를 받는다. 따라서 이러한 요소가 포커싱/트랙킹 제어시 미세한 동작을 만들어 내는데 방해력으로 작용하게 된다. 또한 도 4와 같은 패러렐 메커니즘은 기기의 하부에 엑츄에이터가 밀집해 있으므로 컴팩트한 구조로 기기를 구성할 수 있으나 역시 연결 메카니즘으로는 기어나 조인트등 기구적인 수단을 쓰고 있으므로 정밀한 운동을 만들어내는 장치로는 적합하지 않다.

따라서 본 고안의 목적은 6자유도 구현 기기에 있어서 조인트의 마찰, 감속기의 백래쉬, 비선형성 모델링의 난이함을 통해 생기는 성능 한계를 거동 부분의 자기 부상을 통해 제거 하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 자기 부상 다자 유도 시스템에 있어서 안정성 확보를 위한 과도한 콘트롤 로드를 배제하여 일정 영역 내에서는 스스로 평형 위치로 복원하는 능력을 갖는 6자유도 정밀 기기를 구현 하는 것이다.

이러한 본 고안의 목적을 달성하기 위한 6자유도 위치 기기는, 하우징과, 이 하우징에서 구동되어 가동부를 움직이는 구동부와, 구동부의 구동력으로 종단의 6자유도를 만들어내는 가동부로 이루어지는 6자유도 위치 기기에 있어서,

상기 가동부는,

가동부와 구동부가 분리되어 가동부가 자기적으로 부상 가능하도록 이루어지며,

상기 구동부는,

(1) 상기 가동부를 중심으로 그 외곽 방향의 하우징 위에 삼각형의 대칭적 형태로 서로 마주 보는 위치에 설치된 공심 솔레노이드와,

(2) 상기 하우징 위에 있는 공심 솔레노이드와의 상호 작용을 일으켜 평면 운동을 만들기 위해 이 공심 솔레노이드 양단에 설치된 영구자석과,

(3) 상기 하우징 안에 수직 방향으로 설치되어 수직 운동을 만들고, 이를 위해 상부에 영구자석을 구비하며 하우징 안에서 삼각형의 배열 형태로 설치되는 또 다른 수직 공심 솔레노이드와,

(4) 가동부 종단의 6자유도를 만들어 내기 위해 각 영구자석을 연결하면서 가동부에 설치된 링크로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 하우징 위에 놓여 있는 공심 솔레노이드와 하우징 안에 놓여있는 공심 솔레노이드간의 자기장의 영향을 줄이기 위해 하우징 안에 있는 공심 솔레노이드의 중앙 부분을 하우징 바깥에 있는 공심 솔레노이드의 중심 위치 까지 끌어올린 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 일정 영역내에서 센서의 되먹임 없이 자체 안정성을 갖도록 하기 위해 공심 솔레노이드와 영구자석들로 이루어지는 구동부를 하우징 안에 배치한 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 공심 솔레노이드와 영구자석으로 이루어지는 구동부의 자기적 성질을 이용해서 구동부 자체를 가변 자기 저항 센서로 모델링하여 위치 정보로 되먹임 받는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 가동부와 하우징을 와이어로 연결하여 확장된 안정 영역이 확보된 가동부 도킹 메카니즘을 구성한 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 하우징 상단에 놓여있는 공심 솔레노이드를 하나씩 줄이고 대신 솔레노이드 구동 전원 앰프를 스위칭 앰프로 대체하여 구성한 것을 특징으로 한다.

도 1은 로렌쯔 힘을 이용한 6자유도 기기의 개략도

도 2는 6자유도 반도체 검사 장비 시스템 개략도

도 3은 광 픽업 헤드용 엑츄에이터 개략도

도 4는 6자유도 운동 기기의 개략도

도 5는 본 고안에 따른 전체 구성도

도 6은 도 5의 구동 시스템 구성에서 공심 솔레노이드와 영구자석간의 배치 상태를 보인 도면

도 7은 본 고안에 따른 구성에서 전원 인가시 영구자석에 가해지는 힘의 방향

도 8은 본 고안에 따른 공간상에서의 힘의 조합에 의한 6자유도 구현 원리

도 9는 본 고안에 따른 솔레노이드에 대한 영구자석의 상대 위치에 따른 힘의 변화

도 10은 본 고안의 다른 실시예를 보인 도면

도 11은 본 고안의 또 다른 실시예를 보인 도면

도 12는 본 고안에 따른 시스템 구동 제어 흐름도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

101.101a:공심 솔레노이드 102:보빈

103.103a.103b.104~106:영구자석 107:링크

108:가동부 109:하우징

120:코일 301~306:와이어

401:가동부 종단부

본 고안은 하우징 위에 비교적 적용이 간단한 전자기 이론을 기초로 가동부를 움직이는 구동부를 만들면 정밀 포지셔닝 시스템이 갖는 자유도의 한계를 넘어서고 다자유도 메카니즘의 설계에서 나타나는 구조적 복잡함을 가동부의 부상에 의해 해결할 수 있게 된다.

이하, 본 고안의 실시예에 따른 6자유도 위치 기기를 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 4는 일반적인 6자유도 운동 기기들과 그 적용를 표시한 것이고, 도 5는 본 고안의 전체 구성도 이며, 도 6은 공심 솔레노이드와 영구자석간의 배치 관계를 나타낸 본 고안의 구동부 구성 예이며, 도 7은 전원 인가시 영구자석에 가해지는 힘의 방향을 나타낸 것이며, 도 8은 공간상에서의 힘의 조합에 의한 6자유도 구현 원리를 설명하기 위한 방향선도 이며, 도 9는 솔레노이드에 대한 영구 자석의 상대 위치에 따른 힘의 변화선도 이고, 도 10 그리고 도 11은 본 고안의 다 른 실시예 이며, 도 12는 본 고안에 따른 시스템 구동 제어의 예를 나타낸 흐름도 이다.

본 고안의 대표적 실시예는 도 5 및 도 6에 나타나 있다. 하우징(109) 중심에 가동부(108)가 있고, 이 주위 둘레에 공심 솔레노이드(101)가 있으며, 공심 솔레노이드(101)들은 솔레노이드의 코일이 보빈(102)에 감겨진 형태로 하우징(109)에 위치한다.

공심 솔레노이드(101)는 두 개를 한쌍의 배열로 한 군데의 솔레노이드를 만들며 삼각형의 배열에서 2개씩 6개의 솔레노이드가 평면적으로 배치되며, 이를 비롯하여 수직 방향으로 또 다른 공심 솔레노이드(101a)가 하우징(109)에 규칙적으로 놓여있다. 하우징(109)의 바깥 외주 부분의 상단에 놓여있는 공심 솔레노이드(101)들은 공심 솔레노이드(101) 양단에 놓여 있는 6개의 영구자석(103)과의 상호 작용에 의해 가동부(108)의 안쪽 평면(in-plane) 운동을 일으키도록 되어있고, 하우징(109) 안에 수직 방향으로 놓여있는 공심 솔레노이드(101a)에 위치하는 영구자석(104)(105)(106)들은 솔레노이드(101)와의 상호 작용에 의해 가동부(108)의 바깥 평면 운동(out-of-plane)을 일으키도록 자리 잡는다. 수평 방향의 공심 솔레노이드(101)에 있는 6개의 영구자석(103)과 수직 방향의 공심 솔레노이드(101a)에 있는 3개의 영구자석(104)(105)(106)들은 비 마그네틱 재질의 링크(107)로 연결되어 가동부(108)를 움직이는 구동부를 만든다.

그리고 공심 솔레노이드(101)에 대한 영구자석(103)의 극성 배치는 도 6과 같이 공심 솔레노이드(101)의 코일(120)에 흐르는 전류의 방향이 반 시계 방향일 경우 영구자석(103)의 방향은 아래쪽이 N극이 되도록 하며, 전류 방향이 시계 방향일 경우는 양의 Z방향을 가리키는 쪽이 N극이 되도록 하여 서로간 반발력이 작용하도록 배치한다.

실시예 에서는, 하우징(109) 위에 놓여 있는 공심 솔레노이드(101)와 하우징 안에 놓여있는 공심 솔레노이드(101a)간의 자기장의 영향을 줄이기 위해 하우징(109) 안에 있는 공심 솔레노이드(101a)의 중앙 부분을 하우징(109) 바깥에 있는 공심 솔레노이드(101)의 중심 위치 까지 끌어올려 구성하고, 일정 영역내에서 센서의 되먹임 없이 자체 안정성을 갖도록 하기 위해 공심 솔레노이드(101)(101a)와 영구자석(103)(104)(105)(106)들로 이루어지는 구동부를 하우징(109) 안에 배치하며, 공심 솔레노이드와 영구자석으로 이루어지는 구동부의 자기적 성질을 이용해서 구동부 자체를 가변 자기 저항 센서로 모델링하여 위치 정보로 되먹임 받도록 할 수 있다.

다른 실시예로서 도 10과 같이 구동부와 가동부간 와이어 지지방식을 변경한다.

이 구조는 가동부의 평형 위치, 초기위치의 확보와 더불어 전원 오프시 솔레노이드 코일의 냉각을 위한 도킹 수단으로 연결 링크(107)와 바깥쪽 하우징(109)을 와이어(301~306)로 연결하여 구성하는 형태이다. 와이어(301~306)의 연결 방향은 와이어 강성에 대한 영향을 줄이기 위해 평면 운동 방향과 수직 운동 방향의 대각선 방향을 향하도록 구성 한다.

도 11은 또 다른 실시예로서 와이어(301~306) 지지 방식일 경우 시스템의 구 성을 보다 간단화 시킨 예이다. 하우징(109) 위에 놓여 있는 공심 솔레노이드(101)를 2개에서 1개로 줄이고 공심 솔레노이드(101) 양단의 영구자석(103a)(103b)의 극이 마주보고 있는 방향으로 일치 하도록 구성 하였다. 여기서 솔레노이드 구동용 앰프는 솔레노이드의 극성을 순간적으로 전환 시키기 위해 스위칭 앰프를 이용한 것이다.

도 7 내지 도 9 그리고 도 12는 솔레노이드 입력 전원에 따라 반응하는 구동부와 가동부의 연동 관계를 나타낸다.

전체적으로 본 고안은 간단한 전자기 이론을 기초로 가동부를 부상 시키는 형태이다. 즉 전체 구성에 해당하는 도 5와 같이 가동부를 구동부와 완전히 분리시켜 공간상의 어느 일정 영역 안의 임의의 위치에 가동부를 부상 시키는 것이다.

우선 가동부(108) 종단의 공간 상에서의 위치를 정의한다. 이렇게 정의한 위치를 기초로 역기구학적 해석을 통해 각 입력단, 즉 솔레노이드에 대한 영구자석들의 위치가 정해지고 이렇게 정해진 위치로 이동시키기 위한 솔레노이드 입력 전원 값이 전자기 이론을 통해 구해진다. 이렇게 구한 입력 전원을 통해 구동부를 구동 시키는데 이때 전체 자유도의 연성으로 인해 가동부(108)의 운동은 여러 구동원의 조합으로 이루어진다.

솔레노이드에 입력 전원이 제공되면 먼저 하우징(109) 위에 놓여있는 공심 솔레노이드(101)와 영구자석(103)에 의해 도 7 및 도 8과 같이 (201)(202)(203) 방향으로 평면 운동이 발생하며 가동부(108)를 일정 영역 안으로 제한 되는 평면 상의 임의의 위치로 이동 시킨다.

이때 가동부(108)의 법선 방향을 z방향으로 하고 접선 방향을 x, y로 할 경우 위의 세 방향 운동은 서로 조합에 의해 x, y 그리고 간격을 발생 시킨다. 또한 하우징(109) 안에 있는 요소들인 공심 솔레노이드(101a) 그리고 영구자석(104)(105)(106)들은 (204)(205)(206)과 같은 수직 방향의 운동을 일으키는데 이러한 세 방향 운동은 z방향의 운동과 피칭(pitching), 롤링(rolling) 운동을 동시에 일으킨다. 이때 가동부(108) 자체의 질량은 음의 z방향으로 복원하는 힘을 제공 한다. 따라서 도 8과 같은 방향으로 구동부를 만드는 공심 솔레노이드(101)(101a) 및 영구자석(103~106)들은 하우징(109)에서 평면 운동과 수직 운동들의 조합에 의해 가동부(108)의 공간상에서의 6자유도가 구현된다.

하우징(109) 위에 놓여있는 공심 솔레노이드(101)와 하우징(109) 안에 놓여 있는 공심 솔레노이드(101a)의 위치는 자기장의 영향을 받는다. 자기장의 영향은 보다 안정된 구동에 영향을 주기 때문에 하우징 안에 수직 방향으로 위치하는 공심 솔레노이드(101a)의 중앙 부분을 하우징(109) 바깥에 있는 공심 솔레노이드(101)의 중심 위치 까지 올릴 필요가 있다. 이로 부터 구동부간 자기장의 영향을 줄이는 결과를 얻는다.

공심 솔레노이드와 영구자석들의 하우징(109) 영역내의 배치는 도 8 및 도 9와 같이 힘의 조합에 의한 6자유도 구현 원리와, 솔레노이드에 대한 영구자석의 상대 위치에 따른 힘의 변화에서 알 수 있듯이 일정 영역 내에서 센서의 되먹임 없이 자체 안정성을 갖는 특성을 얻는다. 이는 구동부 자체가 갖는 자기적 성질을 이용해서 시스템 자체를 가변 저항 센서로 모델링을 가능케하고 이는 구동부의 위치 정 보로 되먹임 받을 수 있다.

여기서 각각의 구동 및 가동요소들을 연결하는 링크(107)는 비 자성체의 재질이다. 링크(107)에 의한 지지방식의 변화를 통해 가동부(108)가 안정 영역에서 벗어나는, 즉 일탈 현상의 방지가 가능한데 이는 역으로 하우징(109) 위에서 면적의 증가로 안전 영역이 확장된 형태이다. 도 10은 링크 형으로 구동부와 가동부를 연결하는 와이어 지지방식을 변경한 모습이며, 가동부의 평형 위치, 초기 위치의 확보와 더불어 전원 오프시 솔레노이드 코일의 냉각을 위한 도킹 수단으로 연결 링크(107)와 바깥쪽 하우징(109)을 와이어(301~306)로 연결하여 구성할 수 있다. 이런 와이어 지지방식의 적용에서는 와이어 강성에 대한 영향이 최소화 될 수 있게 구동부의 평면 운동과 수직 운동 방향의 대각선 방향을 향하도록 한다.

하우징(109) 위에 놓이는 공심 솔레노이드(101)는 반드시 두 개를 묶은 한쌍의 형태일 필요는 없다. 와이어(301~306) 지지방식인 조건에서 한 개의 공심 솔레노이드(101)를 도 11과 같이 배치하여 시스템의 구성을 보다 간단히 구성하는 결과를 얻는다.

이 형태는 하우징(109) 위에 평면적으로 놓이는 공심 솔레노이드(101)를 한 개로 배열하여 그 수를 줄이고 해당 공심 솔레노이드(101) 양단의 영구자석(103a)(103b)의 극이 마주 보고 있는 방향으로 일치하도록 하면 된다. 이때 솔레노이드 구동용 앰프는 솔레노이드 극성을 순간적으로 전환시키기 위해 스위칭 앰프를 이용하여야 하는데 각 가동부(108)의 자유도 강성이 두 개의 솔레노이드(101)를 한쌍으로 한 도 5의 경우와 비교해서 작기 때문에 가동부의 종 단부(401)의 공간상의 임의의 위치에만 관심이 있을 경우에만 적당하도록 시스템의 간단화를 이룰 수 있다.

기본적으로 지지방식이나 형식에 관계없이 구동부 그리고 가동부의 분리를 통한 자기 부상은 모델링을 통한 제어 설계에 반영되어 오차 발생을 줄이는데도 영향을 준다.

즉 전자기 이론을 기초로 하는 모든 구동원은 전자기 이론의 필드 해석의 어려움이 많고 따라서 가정을 근거로 문제 해결에 접근하고 있기 때문에 출력의 산정을 대부분 실험적으로 해석하고 있으나, 도 6과 같이 공심 솔레노이드(101)와 영구자석(103)간의 상호작용은 이론적으로 실제 모델에 근접되는 모델링이 가능하므로 구동원의 모델링 오차를 상당히 줄일 수 있고 이는 구동부 제어시 발생하는 센싱 에러를 사전에 줄이는 새로운 구동 방법의 설정을 가능케 한다.

또한 도 9와 같이 공심 솔레노이드와 영구자석의 상호 작용시 서로의 상대 위치에 따라 존재하는 탄성 스프링 영역, 즉 그림에서 사각형의 점선을 작동 위치로 선정함으로 인해, 이러한 특성을 6자유도로 확장하여 6자유도 전체에 걸쳐 자체 안정성이 확보된다. 이는 비슷한 형태로서 현재 자기 부상 유도 기기에 쓰여지는 고성능의 제어기 소요를 배재 시키면서도 저렴한 제어기의 구축만으로 만족할만한 안정도를 확보할 수 있다.

위와 같은 구동부의 신뢰성 있는 모델링과 적절한 제어기의 선택만으로도 시스템에서 발생 가능한 오차 문제를 고분해능 센서에 의해 상쇄시켜 원하는 부상 위치로 정확하게 도달 시키는 것은 어렵지 않다. 따라서 안정성 확보를 위해 복잡한 제어기를 투입하여 과도한 컨트롤 로드를 동반하는 현재 6자유도 위치 기기들과 비교하면 신뢰성이나 경제성 등에서 비교 우위에 있다.

본 고안은 현재 6자유도 위치 기기에서 나타나는 조인트의 마찰, 감속기의 백래쉬, 비선형성 모델링의 난이성 등의 복합적 문제들, 즉 기계적인 부분에서 거동 부분의 자기 부상을 통해 성능의 한계를 극복하여 기기의 신뢰성을 높히고, 자기 부상 다자 유도 시스템적으로는 안정성 확보를 위해 드는 과다한 컨트롤 로드를 신뢰성 있는 구동 모델링을 통해 계량하여 이를 자체적으로 위치 정보로 되먹임 반복 하도록 함으로서 일정 영역내에서 스스로 평형 위치로 복원 능력을 갖는 능동적인 6자유도 위치 기기로 구현한다.

또한 다자유도 메카니즘 개발에서 나타나는 구조의 복잡함을 가동부의 부상을 통해 단순화 시킬 수 있으며, 이는 대물렌즈가 있는 광 픽업 장치와 같은 분야에서 가동부를 구동부와 완전히 분리시켜 공간상에서 어느 일정 영역안의 임의의 위치에서 대물렌즈를 구동부의 적절한 조합에 의해 구동 가능하고, 반도체 제조 공정과 같이 극히 청결한 환경을 요하는 곳에서의 작업에 적합하다.

또한 고성능 제어기를 사용하지 않고 저렴한 제어기의 구축만으로 오차 발생을 줄여 다자유도 기기 및 6자유도 위치 기기를 경제적으로 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 하우징과, 이 하우징에서 구동되어 가동부를 움직이는 구동부와, 구동부의 구동력으로 종단의 6자유도를 만들어내는 가동부로 이루어지는 6자유도 위치 기기에 있어서,

   상기 가동부는,

   가동부와 구동부가 분리되어 가동부가 자기적으로 부상 가능하도록 이루어지며,

   상기 구동부는,

   가동부를 중심으로 그 외곽 방향의 하우징 위에 삼각형의 대칭적 형태로 서로 마주 보는 위치에 설치된 공심 솔레노이드와,

   상기 하우징 위에 있는 공심 솔레노이드와의 상호 작용을 일으켜 평면 운동을 만들기 위해 공심 솔레노이드 양단에 설치된 영구자석과,

   상기 하우징 안에 수직 방향으로 설치되어 수직 운동을 만들고, 이를 위해 상부에 영구자석을 구비하며 하우징 안에서 삼각형의 배열 형태로 설치되는 또 다른 수직 공심 솔레노이드와,

   가동부 종단의 6자유도를 만들어 내기 위해 각 영구자석을 연결하면서 가동부에 설치된 링크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 6자유도 위치 기기.
2. 제 1 항에 있어서,

   하우징 위에 놓여 있는 공심 솔레노이드와 하우징 안에 놓여있는 공심 솔레노이드간의 자기장의 영향을 줄이기 위해 하우징 안에 있는 공심 솔레노이드의 중앙 부분을 하우징 바깥에 있는 공심 솔레노이드의 중심 위치 까지 끌어 올린 것을 특징으로 하는 6자유도 위치 기기.
3. 제 1 항에 있어서, 하우징의 일정 영역내에서 센서의 되먹임 없이 자체 안정성을 갖도록 하기 위해 공심 솔레노이드와 영구자석들로 이루어지는 구동부를 하우징 안에 배치한 것을 특징으로 하는 6자유도 위치 기기.
4. 제 1 항에 있어서, 공심 솔레노이드와 영구자석으로 이루어지는 구동부의 자기적 성질을 이용해서 구동부 자체를 가변 자기 저항 센서로 모델링하여 위치 정보로 되먹임 받는 것을 특징으로 하는 6자유도 위치 기기.
5. 제 1 항에 있어서, 가동부와 하우징을 와이어로 연결하여 확장된 안정 영역이 확보된 가동부 도킹 메카니즘으로 구성한 것을 특징으로 하는 6자유도 위치 기기.
6. 제 1 항에 있어서, 하우징 상단에 놓여있는 공심 솔레노이드를 하나씩 줄이고 대신 솔레노이드 구동 전원 앰프를 스위칭 앰프로 대체하여 구성한 것을 특징으로 하는 6자유도 위치 기기.