KR20110034989A

KR20110034989A - 4 자유도 병렬기구 및 이를 이용한 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치

Info

Publication number: KR20110034989A
Application number: KR1020090092510A
Authority: KR
Inventors: 이병주; 정재헌
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-04-06
Also published as: KR101201411B1

Abstract

본 발명은 3개 방향의 회전자유도와 1개 방향의 병진 자유도를 가지는 4 자유도 병렬기구에 관한 것으로서, 베이스; 상기 베이스와 이격되게 위치하는 플랫폼; 일단과 타단이 각각 상기 베이스 및 상기 플랫폼에 회전 가능하게 연결되며 1 자유도 능동병진관절을 가지는, 4개의 능동병진링크; 및 일단이 상기 베이스에 회전 가능하게 연결되고 타단이 상기 플랫폼에 고정되며 1 자유도 수동병진관절을 가지는 수동병진링크;를 포함하고, 상기 수동병진링크에 의해 2개방향의 병진운동이 구속되어 4 자유도를 가지는 것을 특징으로 하며, 이와 같은 4 자유도 병렬기구는 3차원 공간 상에서 위치를 결정하고 특정 부위를 향해 삽입 또는 후퇴가 요구되는 바늘삽입장치와 같은 분야에 적용될 수 있다.

Description

4 자유도 병렬기구 및 이를 이용한 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치{4-DOF PARALLEL MECHANISM AND NEEDLE INSERTION DEVICE USING 4-DOF PARALLEL MECHANISM}

본 발명은 3개 방향의 회전 자유도와 1개 방향의 병진자유도를 가지는 4 자유도 병렬기구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 6 자유도를 가지는 병렬기구의 특정 자유도를 구속시키면서 동시에 특이 현상이 방지되는 4 자유도 병렬기구 및 이를 이용한 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치에 관한 것이다.

최근 산업계, 의학계와 유전자 공학계에서 정밀 부품의 제작 및 가공, 반도체 제조, 미세 수술, 유전자 조작, 세포 정합 등의 분야의 수요와 중요성이 높아짐에 따라 정밀 작업용 로봇의 개발 및 활용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재까지 산업계에서 많이 사용되고 있는 매니퓰레이터(manipulator)는 개회로 구조(open link)인 직렬 로봇(serial robot)이다. 이러한 직렬 로봇은 작업공간이 크고, 작업성이 좋은 반면, 직렬로 연결된 구동기로 인한 말단장치에 누적 오차가 발생하여 정밀도가 나쁘다는 단점이 있다. 또한, 이런 직렬 로봇은 고속 작업이나 작업물 하중의 변화가 심한 작업 등에서 동력학적 효율이 떨어지는 단점이 있다.

이러한 직렬 로봇의 단점을 극복하기 위한 대안으로 병렬기구(parallel mechanism)가 1980년대부터 활발히 연구되고 있다. 이런 병렬기구는 폐회로 구조(closed chain) 이므로, 작업공간은 상대적으로 작지만 각 구동기로 인한 말단장치의 누적 오차가 발생하지 않고, 구조 강성이 높아 고속 작업이나 동력학적 하중의 변화가 심한 작업에서도 우수한 동작 특성을 갖는다. 따라서, 정밀 작업용으로 병렬기구를 사용하는 것이 직렬기구보다 우수한 장점을 갖는다.

이러한 이유로 정밀 작업이 필요한 의료용 로봇에 병렬기구가 많이 사용되고 있다. 바늘 삽입을 위한 로봇은 바늘이 들어갈 위치와 자세를 효율적으로 정밀하게 구현하는 것이 무엇보다 중요하다. 특히, 베벨팁을 지니는 얇은 바늘의 경우 피부 안으로 들어가면서 피부의 반력에 의해서 휘어지는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상을 이용하여 적절한 위치까지 바늘이 들어가기 위해서는 바늘을 회전시켜 주어야 한다. 대부분의 바늘삽입장치의 구조는 단순히 바늘을 삽입하는 운동과 회전 운동만 구현하였다. 그러나, 3차원 공간에서 바늘을 삽입하기 위해서는 3개의 회전방향을 이용하여 바늘 삽입위치를 결정해야 한다. 따라서, 바늘삽입장치에 요구되는 자유도 수는 바늘의 삽입방향까지 포함하여 4개가 된다.

현재까지 개발된 병렬기구는 대부분 말단의 자유도 수가 3 또는 6이다. 이러한 자유도 수는 상술한 바와 같이 바늘 삽입과 같이 특별히 요구되는 자유도 수에 비해 부족하거나 과도하므로, 이와 같은 자유도를 가지는 병렬기구는 3차원 공간에서 바늘을 삽입하는데 적절하지 않을뿐더러 비효율적인 문제가 있었다.

또한, 4 자유도 병렬기구는 기존의 6 자유도 병렬기구에 구속을 주는 부속구조를 구비하여야 하는데, 구속이 되는 모션에 의해서 다양한 말단의 조합이 가능하지만, 부속구조들의 조합에 의해 특이 현상(예를 들면 셀프(자가) 모션)이 나타나는 경우가 있다. 따라서, 이러한 특이 현상이 없도록 부속 구조들을 적절히 설계하는 것이 무엇보다 중요하다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 6 자유도를 가지는 병렬기구의 특정 자유도를 구속시키면서 동시에 특이 현상이 방지되는 4 자유도 병렬기구를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상술한 4 자유도 병렬기구를 이용하여 회전방향 3 자유도와 병진방향 1 자유도를 지니는 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,

베이스;

상기 베이스와 이격되게 위치하는 플랫폼;

일단과 타단이 각각 상기 베이스 및 상기 플랫폼에 회전 가능하게 연결되며 1 자유도 능동병진관절을 가지는, 4개의 능동병진링크; 및

일단이 상기 베이스에 회전 가능하게 연결되고 타단이 상기 플랫폼에 고정되며 1 자유도 수동병진관절을 가지는 수동병진링크;를 포함하고,

상기 수동병진링크에 의해 2개 방향의 병진운동이 구속되어 4 자유도를 가지는 것을 특징으로 하는 4 자유도 병렬기구를 제공한다.

여기서, 상기 수동병진링크는 상기 4개의 능동병진링크에 의해 형성된 영역 내부에 위치할 수 있다.

또한, 상기 4개의 능동병진링크는 상기 수동병진링크를 중심으로 비대칭적으로 배열될 수 있다.

또한, 상기 4 자유도는, 상기 4개의 능동병진링크의 각각의 1 자유도 능동병진관절을 독립적으로 병진운동시켜 발생되는 3개 방향의 회전자유도와, 상기 4개의 능동병진링크의 각각의 1 자유도 능동병진관절을 동시에 병진운동시켜 발생되는 1개 방향의 병진자유도로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 능동병진링크는 상기 베이스 및 상기 플랫폼과 각각 볼 조인트 및 유니버셜 조인트로 연결되고, 상기 수동병진링크는 상기 베이스와 볼 조인트로 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면,

삽입되는 바늘이 통과하는 관통공이 내부에 형성된 베이스;

상기 베이스에 일단이 회전가능하게 연결되며 1 자유도 능동병진관절을 가지는, 4개의 능동병진링크;

상기 4개의 능동병진링크의 각 타단이 회전가능하게 연결되며 상기 바늘이 삽입되는 삽입공이 내부에 관통 형성된 플랫폼; 및

상기 베이스에 일단이 회전가능하게 연결되며 1 자유도 수동병진관절을 가지는 수동병진링크;를 포함하고,

상기 수동병진링크는, 그 타단이 상기 플랫폼에 고정연결되어 2개 방향의 병진운동을 구속하고, 그 내부에 상기 바늘이 관통되는 안내공이 형성되어 상기 바늘의 삽입을 안내하는 것을 특징으로 하는 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치를 제공한 다.

여기서, 상기 수동병진링크는 상기 베이스 및 상기 플랫폼의 중심에 배치되고, 상기 수동병진링크의 안내공은 상기 관통공 및 상기 삽입공과 서로 연통될 수 있다.

또한, 상기 4개의 능동병진링크는 상기 수동병진링크를 중심으로 비대칭적으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 능동병진링크는, 상기 베이스 및 상기 플랫폼과 각각 볼 조인트 및 유니버셜 조인트로 연결되고, 상기 수동병진링크는 상기 베이스와 볼 조인트로 연결되며, 상기 볼 조인트에는 상기 안내공과 연통된 구멍이 형성될 수 있다.

또한, 상기 1 자유도 능동병진관절은, 구동모터와 상기 구동모터의 회전축에 연결되어 병진운동을 하는 능동링크를 포함할 수 있다.

또한, 상기 구동모터의 회전축에는 나사산이 형성되어 있고, 상기 능동링크는 상기 회전축과 나사결합되어 상기 구동모터의 회전에 의해 병진운동을 할 수 있다.

또한, 상기 4개의 능동병진링크의 각각의 1 자유도 능동병진관절을 독립적으로 구동시켜 상기 바늘의 삽입위치가 결정되고, 상기 4개의 능동병진링크의 각각의 1 자유도 능동병진관절을 동시에 구동시켜 상기 바늘이 삽입될 수 있다.

또한, 상기 플랫폼의 상부에는 상기 바늘의 삽입량을 조절하는 삽입조절기가 구비될 수 있다.

또한, 상기 삽입조절기는, 조절모터 및 외주면에 홈이 형성되어 있으며 상기 조절모터에 의해 상기 외주면이 맞닿아 회전하는 한쌍의 디스크를 포함하고, 상기 한쌍의 디스크의 홈에 의해 형성된 공간에 상기 바늘이 삽입되어 상기 한쌍의 디스크의 회전에 의해 상기 바늘이 삽입 또는 후퇴할 수 있다.

또한, 상기 한쌍의 디스크는 탄성체로 제조될 수 있다.

또한, 상기 홈은 상기 디스크의 둘레를 따라 평행하게 복수개 형성되어 있고, 상기 복수개의 홈의 크기는 서로 상이한 것이 바람직하다.

또한, 상기 삽입조절기는, 상기 한쌍의 디스크 중 제2 디스크와 결합되어 상기 제2 디스크와 함께 회전하는 제2 기어와, 상기 조절모터로부터의 회전동력을 상기 제2 기어에 전달하기 위해 상기 제2 기어에 맞물리는 제1 기어를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 4 자유도 병렬기구는 6 자유도 중 특정 자유도를 구속하는 수동병진링크를 구비함으로써 회전방향 3 자유도와 병진방향 1 자유도를 구현할 수 있으며, 이와 같은 4 자유도를 발생시키는 과정에서 특이 현상이 방지되어 병렬기구의 조종 안정성 및 제어 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 이와 같은 4 자유도 병렬기구를 이용한 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치는 6 자유도가 전부 필요 없는 4 자유도 이하의 바늘삽입장치로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 적은 수의 전기모터와 센서를 활용하여 구현될 수 있기 때문에 경제적인 의료용 슬레이브 장치로 활용될 수 있다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 4 자유도 병렬기구의 각 링크의 배열을 개략적으로 나타낸 도면이다. 여기서, A는 능동병진링크, P는 수동병진링크, U는 유니버셜 조인트, B는 볼 조인트, AJ는 능동병진관절, PJ는 수동병진관절을 나타낸다.

본 발명에 따른 4 자유도 병렬기구는, 베이스(10); 상기 베이스와 이격되게 위치하는 플랫폼(40); 일단과 타단이 각각 상기 베이스 및 상기 플랫폼에 회전 가능하게 연결되며 1 자유도 능동병진관절(AJ)을 가지는, 4개의 능동병진링크(A); 및

일단이 상기 베이스(10)에 회전 가능하게 연결되고 타단이 상기 플랫폼(40)에 고정되며 1 자유도 수동병진관절(PJ)을 가지는 수동병진링크(P);를 포함하여 이루어진다. 그리고, 이 병렬기구는 일단이 플랫폼(40)에 고정된 상기 수동병진링크(P)에 의해 2개 방향의 병진운동이 구속되어 4 자유도를 가지게 된다.

여기서, 능동병진링크란, 구동기(예를 들면 구동모터)에 의해 스스로 그 길이방향으로 병진운동을 하는 링크를 의미하며, 수동병진링크란 능동병진링크의 병진운동에 종속되어 병진운동이 발생되는 링크를 의미한다.

4 자유도 병렬기구는 베이스(10) 및 이와 이격되게 위치하는 플랫폼(40)을 포함하고 있으며, 상기 베이스와 상기 플랫폼 사이에 4개의 능동병진링크 및 1개의 수동병진링크가 연결되어 있다.

능동병진링크(A)는 그 일단이 볼 조인트(B)를 통해 베이스(10)에 연결되어 있으며, 그 타단이 유니버셜 조인트(U)를 통해 플랫폼(40)에 연결되어 있다.

또한, 능동병진링크(A)는 1 자유도 능동병진관절(AJ)을 가지고 있다. 이 능동병진관절(AJ)은 구동기에 의해 구현될 수 있다.

수동병진링크(P)는 상기 4개의 능동병진링크(A)에 의해 형성된 영역(S) 내부에 위치하며, 일단이 볼 조인트(B)를 통해 베이스(10)에 연결되고, 타단은 플랫폼(40)에 고정되어 구속된다. 이와 같이, 수동병진링크(P)의 타단을 플랫폼(40)에 고정시킴으로써 2개방향의 병진운동이 구속되어 4 자유도 병렬기구가 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 4 자유도 병렬기구의 자유도 계산식은 다음과 같다.

λ: 주어진 기구가 구동할 수 있는 공간의 자유도, n : 지면을 포함한 링크의 수, j : 조인트의 수, f(j) : 조인트 j가 가지는 자유도이다.

여기서, 본 발명에 따른 병렬기구의 총 4 자유도 운동은 다음과 같이 검증된다.

M4DOF = 6×(11-14-1) + 5×3 + 4×2 + 5×1 = 4

본 발명의 일 실시예에 따른 병렬기구의 4 자유도는 4개의 능동병진링크(A) 의 각각의 1 자유도 능동병진관절(AJ)을 상호 독립적으로 운동시켜 발생되는 3개 방향의 회전자유도와, 4개의 능동병진링크(A)의 각각의 1 자유도 능동병진관절(AJ)을 동시에 병진 운동시켜 발생되는 1개 방향의 병진자유도로 이루어진다.

한편, 본 발명에 따른 병렬기구는 4개의 능동병진링크(A)가 수동병진링크(P)를 중심으로 비대칭적으로 배열됨으로써 특이 현상을 방지한다.

예컨대, 4개의 능동병진링크(A)의 각 볼 조인트(B)를 상기 수동병진링크의 볼 조인트(B)를 중심으로 비대칭적으로 배치시킴으로써 4개의 능동병진링크의 구동 입력 값에 대해 일대일 대응되는 병렬기구의 위치(또는 자세) 출력 값을 얻을 수 있다. 이를 통해 병렬기구의 의도되지 않은 운동 발생이 억제되어 병렬기구의 조종 안정성 및 제어 성능을 향상시킬 수 있다.

다음으로, 상술한 4 자유도 병렬기구의 메커니즘을 활용하여 의료용 로봇에 이용할 수 있는 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치에 대해 살펴본다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치의 개략적인 구조도이다.

병렬형 4 자유도 바늘삽입장치는 베이스(10); 상기 베이스에 일단이 회전 가능하게 연결되며 1 자유도 능동병진관절(21)을 가지는 4개의 능동병진링크(20); 상기 4개의 능동병진링크의 각 타단이 회전 가능하게 연결되며 바늘(50)이 삽입되는 삽입공(41)이 내부에 관통 형성된 플랫폼(40); 및 상기 베이스(10)에 일단이 회전 가능하게 연결되며 1 자유도 수동병진관절(32)을 가지는 수동병진링크(30);를 포함 하여 구성된다.

여기서, 수동병진링크(30)의 타단은 플랫폼(40)에 고정 연결되어 2개 방향의 병진운동을 구속한다. 수동병진링크(30)의 내부에는 바늘(50)이 관통되는 안내공(미도시)이 형성되어 바늘의 삽입이 안내된다.

베이스(10)는 바늘이 삽입되는 위치를 고정하기 위하여 다른 도구에 부착될 수 있으며, 베이스(10) 상에는 4개의 능동병진링크(20)와의 연결을 위해 4개의 볼 조인트(22)가 각각 설치된다. 이 4개의 볼 조인트(22)는 전술한 바와 같이 병렬기구의 특이 현상을 회피하기 위해 수동병진링크(30)의 볼 조인트(31)를 중심으로 비대칭적으로 배열되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 베이스(10)에는 삽입되는 바늘(50)이 통과하는 관통공(11)이 형성되어 있다. 바늘이 3차원 공간 상에서 자유롭게 회전될 때 베이스(10)와의 간섭을 방지하기 위해, 상기 관통공(11)은 바늘의 직경보다 충분히 큰 것이 바람직하다.

베이스(10) 및/또는 플랫폼(40)은 제작 및 조립의 편의를 위해 디스크 형상인 것이 바람직하나, 반드시 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다. 또한, 디스크가 접촉되는 부위(예컨대 피부 표면)에 잘 접지하기 위하여 탄성을 지닐 수 있다.

베이스(10)에는 일단이 볼 조인트(22)에 의해 연결된 4개의 능동병진링크(20)와, 일단이 볼 조인트(31)에 의해 연결된 1개의 수동병진링크(30)가 설치된다. 또한, 4개의 능동병진링크(20)는 유니버셜 조인트(28)를 통해 플랫폼(40)에 연결되고, 1개의 수동병진링크(30)는 플랫폼(40)에 고정되어 있다.

수동병진링크(30)는 그 길이 방향으로 병진운동이 가능한 1 자유도 수동병진관절(32)을 가지고 있다. 이 수동병진링크(30)는 후술한 능동병진링크(20)에 종속되어 그 길이 방향으로 병진 운동된다. 또한, 수동병진링크(30)의 타단은 플랫폼에 고정 연결되어 있기 때문에 2개 방향의 병진운동을 구속할 수 있다. 1 자유도 수동병진관절은 서로 자율 주행이 가능하도록 나사 결합되는 볼트와 너트의 조합 또는 미끄럼 운동을 하는 수동 구동기로 구현될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

수동병진링크(30)의 내부에는 바늘의 통로를 제공하는 안내공(미도시)이 형성되어 있으며, 볼 조인트(31) 내부에도 상기 안내공과 연통되는 구멍(33)이 형성되어 있다. 따라서, 바늘삽입장치에 장착되는 바늘(50)은 플랫폼(40)에 형성된 삽입공(41)으로 삽입되어, 수동병진링크의 안내공을 거쳐 볼 조인트(31) 내부의 구멍(33)을 통과하여 베이스(10)의 관통공(11)을 지나 장착된다.

플랫폼(40)과 베이스(10) 사이에 설치되는 수동병진링크(30)는 그 내부로 바늘이 관통 삽입되기 때문에 바늘을 가이드(안내)하는 역할을 동시에 하게 된다. 따라서, 수동병진링크(30)는 플랫폼(40)과 베이스(10)의 중심에 설치되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동병진링크(20)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

능동병진링크(20)는 1 자유도 능동병진관절(21)을 가지며, 양단에는 볼 조인트(22) 및 유니버셜 조인트(28)가 설치된다.

1 자유도 능동병진관절(21)은 구동모터(25)와 구동모터의 회전축(26)에 연결되어 병진운동을 하는 능동링크(24)를 포함할 수 있다. 능동병진관절(21)의 구동 메커니즘은 상술한 구성 이외에도 일반적으로 널리 사용되는 구동기를 이용하여 구현될 수 있다.

구동모터(25)의 회전축(26)에는 나사산이 형성되어 있으며, 능동링크(24)의 일단에 구비된 너트(27)가 상기 나사산과 나사결합된다. 따라서, 구동모터를 회전시키면, 능동링크(24)에 부착된 너트(27)가 회전축(26)을 따라 병진운동을 함으로써 능동병진링크(20)가 그 길이방향을 따라 움직인다.

도 5는 본 발명에 따른 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치의 운동 개념을 설명하기 위한 도면이다.

4개의 능동병진링크(20)가 화살표(f1) 방향으로 각각 독립적으로 병진운동을 함으로써 베이스(10)에 고정된 볼 조인트에 의해 3개 방향의 회전운동이 구현되고, 수동병진링크(30)는 4개의 능동병진링크(20)가 동시에 움직일 때 화살표(f2) 방향으로 수동적으로 움직여 1개 방향의 병진운동이 구현된다.

이러한 움직임을 바늘삽입과정에 적용하면 다음과 같다. 즉, 4개의 능동병진링크(20)의 각각의 1 자유도 능동병진관절을 독립적으로 구동하여 바늘의 삽입자세가 3차원 공간상에서 결정되고, 4개의 능동병진링크의 각각의 1 자유도 능동병진관절을 동시에 압축시켜 설치된 바늘이 해당 부위에 삽입되도록 한다.

한편, 바늘의 삽입 길이는 도 6에 도시된 바와 같은 삽입조절기(60)를 통해 더욱 정밀히 제어될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 삽입조절기(60)를 더 포함하는 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7은 삽입조절기의 구체적인 구성에 관한 상세 설계도이다.

상술한 4 자유도 병렬기구는 1 자유도 병진 운동의 범위가 한정되어 있기 때문에 긴 길이의 바늘 또는 카테터와 같은 것을 삽입하기 위해서 상기 플랫폼의 상부에는 바늘을 수동으로 삽입할 수 있는 구멍이 형성되어 있어 사용자에 의해서 바늘이 직접 삽입될 수 있고 상기 바늘의 삽입량을 조절하는 자동 삽입조절기가 더 구비될 수 있다.

삽입조절기(60)는 플랫폼(40)의 상부에 부착될 수 있으며, 조절모터(61)와 조절모터(61)의 회전에 의해 외주면이 서로 맞닿아 회전하는 한쌍의 디스크(65a, 65b)를 포함하여 구성된다. 한쌍의 디스크 중 제1 디스크(65a)는 조절모터의 회전동력을 통해 회전하며, 제2 디스크(65b)는 제1 디스크(65a)와의 마찰에 의해 회전될 수 있다.

한쌍의 디스크의 외주면에는 둘레를 따라 평행하게 복수개의 홈(67)이 형성되어 있으며, 다양한 직경을 가지는 바늘에 적용할 수 있도록 복수개의 홈(67)의 크기는 서로 상이하게 형성되어 있다. 따라서, 한쌍의 디스크가 그 외주면이 맞닿아 배치될 때, 서로 대향하는 홈에 의해 형성되는 공간(68)도 홈(67)의 크기에 따라 다양하게 구성될 수 있으며, 이 공간으로 다양한 크기의 바늘이 삽입될 수 있다.

한쌍의 디스크(65a, 65b)는 실질적으로 동일한 형상이며, 바늘과의 접촉성을 향상시키기 위해 탄성체(예를 들면 폴리우레탄)로 제조되는 것이 바람직하다.

공간(68)에 설치된 바늘은 한쌍의 디스크(65a, 65b)가 조절모터에 의해 회전함에 따라 삽입 또는 후퇴할 수 있으며, 삽입 길이 또는 후퇴 길이는 조절모터(61)의 회전수를 조절하여 정밀하게 제어될 수 있다.

또한, 한쌍의 디스크 중 조절모터로부터 회전동력이 직접 전달되지 않는 제2 디스크(65b)를 회전시키기 위해 제1 기어(66a) 및 제2 기어(66b)를 더 포함할 수 있다.

제1 기어(66a)는 한쌍의 디스크 중 제1 디스크(65a)와 결합되어 있다. 조절모터(61)로부터의 회전동력은 조절모터(61)의 구동축(62)을 거쳐 커플링(63)을 통해 피동축(64)으로 전달되며, 이를 통해 피동축(64)에 연결된 제1 디스크(65a) 및 제1 기어(66a)가 회전한다. 제1 기어(66a)에 전달된 회전동력은 제1 기어와 맞물린 제2 기어(66b)에 전달되고, 이를 통해 제2 기어와 결합된 제2 디스크(65b)도 함께 회전된다. 이와 같은 구동 메커니즘은 한쌍의 디스크를 동시에 회전시킬 수 있기 때문에 삽입 조절기의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 4 자유도 병렬기구의 연결관계를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치의 개략 구조도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치의 능동병진관절의 개략적인 구조도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치의 움직임 개념도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 삽입조절기가 구비된 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치의 개략 구조도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 삽입조절기의 상세 설계도이다.

Claims

베이스;

상기 베이스와 이격되게 위치하는 플랫폼;

일단과 타단이 각각 상기 베이스 및 상기 플랫폼에 회전 가능하게 연결되며 1 자유도 능동병진관절을 지니는, 4개의 능동병진링크; 및

일단이 상기 베이스에 회전 가능하게 연결되고 타단이 상기 플랫폼에 고정되며 1 자유도 수동병진관절을 지니는 수동병진링크;를 포함하고,

상기 수동병진링크에 의해 2개 방향의 병진운동이 구속되어 4 자유도를 지니는 것을 특징으로 하는 4 자유도 병렬기구.
제1항에 있어서,

상기 수동병진링크는 상기 4개의 능동병진링크에 의해 형성된 영역 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 4 자유도 병렬기구.
제2항에 있어서,

상기 4개의 능동병진링크는 상기 수동병진링크를 중심으로 비대칭적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 4 자유도 병렬기구.
제1항에 있어서,

상기 4 자유도는,

상기 4개의 능동병진링크의 각각의 1 자유도 능동병진관절을 독립적으로 병진 운동시켜 발생되는 3개 방향의 회전 자유도와,

상기 4개의 능동병진링크의 각각의 1 자유도 능동병진관절을 동시에 병진 운동시켜 발생되는 1개 방향의 병진 자유도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 4 자유도 병렬기구.
제1항에 있어서,

상기 능동병진링크는 상기 베이스 및 상기 플랫폼과 각각 볼 조인트 및 유니버셜 조인트로 연결되고,

상기 수동병진링크는 상기 베이스와 볼 조인트로 연결되는 것을 특징으로 하는 4 자유도 병렬기구.
삽입되는 바늘이 통과하는 관통공이 내부에 형성된 베이스;

상기 베이스에 일단이 회전 가능하게 연결되며 1 자유도 능동병진관절을 가지는, 4개의 능동병진링크;

상기 4개의 능동병진링크의 각 타단이 회전가능하게 연결되며 상기 바늘이 삽입되는 삽입공이 내부에 관통 형성된 플랫폼; 및

상기 베이스에 일단이 회전 가능하게 연결되며 1 자유도 수동병진관절을 가지는 수동병진링크;를 포함하고,

상기 수동병진링크는, 그 타단이 상기 플랫폼에 고정 연결되어 2개 방향의 병진운동을 구속하고, 그 내부에 상기 바늘이 관통되는 안내공이 형성되어 상기 바늘의 삽입을 안내하는 것을 특징으로 하는 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치.
제6항에 있어서,

상기 수동병진링크는 상기 베이스 및 상기 플랫폼의 중심에 배치되고,

상기 수동병진링크의 안내공은 상기 관통공 및 상기 삽입공과 서로 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치.
제7항에 있어서,

상기 4개의 능동병진링크는 상기 수동병진링크를 중심으로 비대칭적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치.
제6항에 있어서,

상기 능동병진링크는, 상기 베이스 및 상기 플랫폼과 각각 볼 조인트 및 유니버셜 조인트로 연결되고,

상기 수동병진링크는 상기 베이스와 볼 조인트로 연결되며, 상기 볼 조인트에는 상기 안내공과 연통된 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치.
제6항에 있어서,

상기 1 자유도 능동병진관절은, 구동모터와 상기 구동모터의 회전축에 연결되어 병진운동을 하는 능동링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬형 4 자유도 바늘삽입장치.