KR20110095481A - Moment equilibrium mechanism and arm structure of surgical robot using the same - Google Patents

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KR20110095481A
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Abstract

PURPOSE: The turning moment generating with the load of a turning unit is offseted. The uniform power is added in the rotation of the rotary motion part to all directions. CONSTITUTION: A moment balancing tool comprises a plate cam(12), a cam follower(22), and an elastic body(30) The plate cam is punched in a reference unit(10) according to the predetermined route. If a rotary motion part(20) revolves, the cam follower moves according to the movement route offered with the plate cam. The elastic body is combined in the rotary motion part. In order that moment by the load and the offseted moment are created, elastic body sanctions the tension in the cam follower. The route of the plate cam is formed according to a functional relation for the angle of the turning unit rotated for the reference unit.

Description

모멘트 평형 기구 및 이를 이용한 수술용 로봇의 암 구조{Moment equilibrium mechanism and arm structure of surgical robot using the same}Moment equilibrium mechanism and arm structure of surgical robot using the same}

본 발명은 모멘트 평형 기구 및 이를 이용한 수술용 로봇의 암 구조에 관한 것이다.
The present invention relates to a moment balance mechanism and the arm structure of a surgical robot using the same.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.Medically, surgery refers to healing a disease by cutting, slitting, or manipulating skin, mucous membranes, or other tissues with a medical device. In particular, open surgery, which incise the skin of the surgical site and open, treat, shape, or remove the organs inside of the surgical site, has recently been performed using robots due to problems such as bleeding, side effects, patient pain, and scars. This alternative is in the spotlight.

이러한 수술용 로봇에는 의사의 조작에 의해 움직이는 로봇 암(arm)이 구비되며, 로봇 암의 선단부에는 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 조작을 하는 인스트루먼트(instrument)가 장착된다.Such a surgical robot is provided with a robot arm that is moved by a doctor's operation, and the tip of the robot arm is mounted with an instrument inserted into the surgical site and performing an operation necessary for surgery.

수술용 로봇의 암은 소정 지점을 중심을 중심으로 회동하는 암 부재로 이루어지는데, 종래의 암 구조는 암 자체의 자중에 의해 암이 중력 방향으로 회동하려는 힘, 즉 암에 작용하는 하중에 의해 회동 중심점에 회전 모멘트(moment)가 발생하게 된다. 이러한 모멘트에 의해, 로봇 암을 움직임에 있어서 방향에 따라 로봇 암이 움직이는 정도가 다르게 되어, 예를 들어 중력 반대 방향으로는 로봇 암이 제대로 움직이지 않거나, 중력 방향으로는 가해진 힘 이상으로 너무 많이 움직이거나, 힘을 가하지 않았는데도 중력 방향으로 로봇 암이 움직이는 등의 문제가 발생할 수 있다.The arm of a surgical robot is composed of an arm member that rotates about a predetermined point around a center. The conventional arm structure is rotated by a force that the arm rotates in the direction of gravity by the weight of the arm itself, that is, a load acting on the arm. The rotation moment is generated at the center point. By this moment, the degree of movement of the robot arm is different depending on the direction of movement of the robot arm, for example, the robot arm does not move properly in the opposite direction of gravity, or moves too much beyond the force applied in the direction of gravity. Or the robot arm may move in the direction of gravity even if no force is applied.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
The above-described background technology is technical information that the inventor holds for the derivation of the present invention or acquired in the process of deriving the present invention, and can not necessarily be a known technology disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.

본 발명은, 하중에 의해 발생하는 회전 모멘트를 상쇄시켜, 어느 방향으로든 균일한 힘을 가하여 회동시킬 수 있는 모멘트 평형 기구 및 이러한 모멘트 평형 기구가 적용된 수술용 로봇의 암 구조를 제공하는 것이다.
The present invention provides a moment balance mechanism capable of canceling a rotational moment generated by a load and rotating by applying a uniform force in any direction, and an arm structure of a surgical robot to which the moment balance mechanism is applied.

본 발명의 일 측면에 따르면, 기준부에 대해 소정의 중심점을 중심으로 회전하는 회동부를 포함하는 패러랠 링크(parallel link)에 있어서, 회동부에 작용하는 하중에 의해 중심점에 작용하는 모멘트(moment)가 평형이 되도록 하는 기구로서, 기준부에 소정의 경로를 따라 천공되는 플레이트 캠(plate cam)과, 회동부가 회전함에 따라, 플레이트 캠에 의해 제공되는 이동 경로를 따라 이동하는 캠 팔로워(cam-follower)와, 회동부에 결합되며, 하중에 의한 모멘트와 상쇄되는 모멘트가 발생하도록 캠 팔로워에 장력을 인가하는 탄성체를 포함하되, 플레이트 캠의 경로는, 기준부에 대해 회동부의 회전한 각도에 대한 함수관계에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구가 제공된다.According to an aspect of the present invention, in a parallel link including a rotating part that rotates about a predetermined center point with respect to the reference part, a moment acting on the center point by a load acting on the rotating part. Is a mechanism in which a plate cam is drilled along a predetermined path in a reference portion, and a cam follower that moves along a movement path provided by the plate cam as the rotating portion rotates. And an elastic body coupled to the pivoting portion, the elastic body applying tension to the cam follower to generate a moment that is offset from the moment due to the load. A moment balance mechanism is provided which is formed according to a functional relationship.

캠 팔로워는 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 회동부에 설치될 수 있으며, 이 경우, 플레이트 캠은 회동부가 회전함에 따라 캠 팔로워가 장력이 가해지는 방향으로 이동되는 거리를 구속하는 역할을 할 수 있다.The cam follower may be installed in the rotating part so as to be movable in the direction in which the tension is applied. In this case, the plate cam may serve to restrain the distance at which the cam follower is moved in the direction in which the rotating part is rotated. have.

또한, 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 회동부에 결합되는 리니어 가이드(linear guide)를 더 포함하고, 탄성체의 일단부는 리니어 가이드에 결합되며, 캠 팔로워는 리니어 가이드 상의 소정 높이에 설치되어, 탄성체로부터의 장력이 리니어 가이드를 통해 캠 팔로워에 인가될 수 있다. 캠 팔로워와 탄성체 사이에 위치하도록 회동부에 설치되는 지지부를 더 포함하며, 탄성체의 타단부는 지지부에 지지될 수 있다. 이 경우, 탄성체의 일단부는 텐션부재를 개재하여 리니어 가이드에 결합되며, 탄성체가 인장 또는 압축 변형됨에 따라 텐션부재를 통해 리니어 가이드에 장력이 가해질 수 있다.The apparatus further includes a linear guide coupled to the pivoting portion to be movable in the direction in which the tension is applied, one end of the elastic body is coupled to the linear guide, and the cam follower is installed at a predetermined height on the linear guide. Tension from can be applied to the cam follower through the linear guide. It further includes a support that is installed in the rotating part so as to be located between the cam follower and the elastic body, the other end of the elastic body may be supported on the support. In this case, one end of the elastic body is coupled to the linear guide through the tension member, the tension may be applied to the linear guide through the tension member as the elastic body is tensioned or compressionally deformed.

한편, 탄성체의 탄성계수(K)는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.Meanwhile, the elastic modulus K of the elastic body may be calculated by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, mg는 회동부에 작용하는 하중, L은 중심점에서 회동부의 무게벡터까지의 수직거리, s는 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때, s=|sf-s0|, 여기서 sf는 탄성체의 자유 길이, s0는 탄성체의 초기 셋팅된 길이), h는 회동부 내에서 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 캠 팔로워가 설치된 높이일 수 있다.Where mg is the load acting on the rotating part, L is the vertical distance from the center point to the weight vector of the rotating part, and s is the displacement value for generating the initial tensile force of the elastic body (θ = 0, s = | s f -s 0 |, where s f is the free length of the elastic body, s 0 is the initial set length of the elastic body), and h may be a height at which the cam follower is installed in a direction perpendicular to the tension direction of the elastic body within the pivot.

또한, 함수관계는 하기 수학식으로 표현될 수 있다.In addition, the functional relationship can be expressed by the following equation.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, r은 중심점에서 캠 팔로워까지의 거리, h는 회동부 내에서 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 설치된 캠 팔로워의 높이, φ는 중심점을 중심으로 캠 팔로워가 회전한 각도일 수 있다.Here, r may be a distance from the center point to the cam follower, h may be a height of the cam follower installed in a direction perpendicular to the tension direction of the elastic body within the pivot, and φ may be an angle at which the cam follower is rotated around the center point.

이 경우, 탄성체는 인장 변형되면서 장력을 인가하며, φ는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.In this case, the elastic body is applied tension while the tensile deformation, φ can be calculated by the following equation.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, A는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 중심점으로부터 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 캠 팔로워와 탄성체 사이의 거리, sf는 탄성체의 자유 길이, s0는 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), s1은 탄성체의 나중 길이(회동부가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이), s는 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때, s=s0-sf), θ는 기준부에 대해 회동부가 회전한 각도일 수 있다.Where A is the distance from the center point on the axis in the tensioned direction to the point where the elastic body is supported, B is the distance between the cam follower and the elastic body on the axis in the tensioned direction, s f is the free length of the elastic body, s 0 is the length set to the initial tensile force of the elastic body (when θ = 0), s 1 is the later length of the elastic body (the length to deform to achieve moment equilibrium when the rotating part rotates by θ), and s is the initial tensile force of the elastic body When the displacement value for θ = 0, s = s 0- s f ), θ may be the angle rotated by the rotation unit with respect to the reference portion.

또는, 탄성체는 압축 변형되면서 장력을 인가하며, φ는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.Alternatively, the elastic body may apply tension while compressively deforming, and φ may be calculated by the following equation.

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, A는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 중심점으로부터 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 캠 팔로워와 탄성체 사이의 거리, sf는 탄성체의 자유 길이, s0는 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), s1은 탄성체의 나중 길이(회동부가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이), s는 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때, s=sf-s0), θ는 기준부에 대해 회동부가 회전한 각도일 수 있다.Where A is the distance from the center point on the axis in the tensioned direction to the point where the elastic body is supported, B is the distance between the cam follower and the elastic body on the axis in the tensioned direction, s f is the free length of the elastic body, s 0 is the length set to the initial tensile force of the elastic body (when θ = 0), s 1 is the later length of the elastic body (the length to deform to achieve moment equilibrium when the rotating part rotates by θ), and s is the initial tensile force of the elastic body When the displacement value for θ = 0, s = s f- s 0 ), θ may be the angle rotated by the rotation unit with respect to the reference portion.

한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 모멘트 평형 기구가 적용된 수술용 로봇의 암 구조로서, 기준부는 패러랠 링크를 구성하는 제1 링크부재이고, 회동부는 패러랠 링크를 구성하도록 제1 링크부재에 힌지 결합되는 제2 링크부재이며, 캠 팔로워 및 탄성체는 제2 링크부재 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 암 구조가 제공된다.On the other hand, according to one aspect of the invention, the arm structure of the surgical robot to which the above-described moment balance mechanism is applied, the reference portion is a first link member constituting the parallel link, the rotating portion is formed on the first link member to form the parallel link A second link member is hinged and the cam follower and the elastic body are provided with the arm structure of the surgical robot, characterized in that it is received in the second link member.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
Other aspects, features, and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 장력을 인가하는 탄성체 및 캠 구조를 채용함으로써, 회동부의 하중에 의해 발생하는 회전 모멘트를 상쇄시켜, 회동부를 회전시킴에 있어서 어느 방향으로든 균일한 힘이 가해지도록 할 수 있으며, 이를 수술용 로봇의 암 구조에 적용하여 중력의 영향을 받지 않고 동일한 힘으로 로봇 암을 움직일 수 있다.
According to a preferred embodiment of the present invention, by employing an elastic body and a cam structure to apply tension, a uniform force is applied in either direction to cancel the rotation moment generated by the load of the rotating part to rotate the rotating part. It can be applied to the arm structure of the surgical robot to move the robot arm with the same force without being affected by gravity.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구를 나타낸 개념도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 탄성계수 산출을 위한 개념도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 플레이트 캠의 형상의 도출을 위한 개념도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플레이트 캠의 형상을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 암 구조를 나타낸 사시도.
도 10은 도 9의 A-A'에 대한 단면을 나타낸 사시도.
도 11은 도 9의 A-A'에 대한 단면도.1 is a conceptual diagram showing a moment balance mechanism according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are conceptual views for calculating the elastic modulus in the moment balance mechanism according to an embodiment of the present invention.
4 to 7 is a conceptual diagram for derivation of the shape of the plate cam in the moment balance mechanism according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing the shape of a plate cam according to an embodiment of the present invention.
9 is a perspective view showing the arm structure of the surgical robot according to an embodiment of the present invention.
10 is a perspective view showing a cross section taken along the line A-A 'of FIG.
FIG. 11 is a cross sectional view taken along line AA ′ in FIG. 9; FIG.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated and described in the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and in the following description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components are given the same reference numerals and redundant description thereof will be omitted. Shall be.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구를 나타낸 개념도이다. 도 1을 참조하면, 기준부(10), 플레이트 캠(12), 회동부(20), 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 텐션부재(28), 탄성체(30)가 도시되어 있다.1 is a conceptual diagram showing a moment balance mechanism according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the reference part 10, the plate cam 12, the rotating part 20, the cam follower 22, the linear guide 24, the support part 26, the tension member 28, and the elastic body 30. ) Is shown.

기준부에 대해 소정의 중심점을 중심으로 회전하는 회동부를 포함하는 패러랠 링크 등의 작동 기구(機構)에 있어서, 회동부에 중력 등의 하중이 작용함에 따라 중심점에 회전 모멘트(이하, '정모멘트'라 할 수 있음)가 발생하게 되는데, 본 실시예는 이러한 회전 모멘트를 상쇄시킬 수 있는 모멘트(이하, '부모멘트'라 할 수 있음)를 발생시켜 모멘트 평형이 이루어지도록 함으로써, 회동부가 어느 방향으로든 균일한 힘으로 회전할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.In an operating mechanism such as a parallel link including a rotating part that rotates about a predetermined center point with respect to the reference part, a rotation moment (hereinafter, 'static moment') is applied to the center point as a load such as gravity acts on the rotating part. In this embodiment, the rotation part is generated by generating a moment (hereinafter, referred to as a 'minor moment') that can offset the rotational moment so that the moment is balanced. It is characterized by being able to rotate with a uniform force.

이를 위해 본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구는, 회동부(20)가 회전한 각도에 상관없이 부모멘트의 크기가 정모멘트의 크기와 같아 모멘트 평형을 이룰 수 있도록 캠 구조를 채용한 것을 특징으로 한다. 즉, 기준부(10)에는 플레이트 캠(12)을 천공하고, 플레이트 캠(12)에 의해 그 이동 경로가 구속되는 캠 팔로워(22)를 회동부(20)에 구비시킴으로써, 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회전한 각도에 상관없이 모멘트 평형이 이루어지도록 할 수 있다.To this end, the moment balance mechanism according to the present embodiment is characterized in that the cam structure is adopted such that the parent moment is equal in size to the constant moment regardless of the angle of rotation of the rotation unit 20 to achieve moment equilibrium. . That is, the rotation part 20 is made by drilling the plate cam 12 in the reference part 10, and providing the cam follower 22 with which the movement path is restrained by the plate cam 12 in the rotation part 20. The moment equilibrium may be achieved regardless of the angle rotated with respect to the reference unit 10.

캠 팔로워(22)에는 탄성체(30)(의 일단부)가 결합되고, 탄성체(30)에 의해 캠 팔로워(22)에 장력이 인가되며, 탄성체(30)의 타단부는 회동부(20)에 고정될 수 있다. 탄성체(30)에 의한 인장력에 의해 캠 팔로워(22)는 잡아 당겨지게 되는데, 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회전함에 따라 캠 팔로워(22)가 플레이트 캠(12)에 구속되어, 캠 팔로워(22)가 잡아 당겨지는 거리가 달라지게 된다.An elastic body 30 (one end of the elastic body 30) is coupled to the cam follower 22, and a tension is applied to the cam follower 22 by the elastic body 30, and the other end of the elastic body 30 is connected to the rotating part 20. Can be fixed. The cam follower 22 is pulled out by the tension force of the elastic body 30. As the rotating part 20 rotates with respect to the reference part 10, the cam follower 22 is constrained to the plate cam 12. The distance at which the cam followers 22 are pulled will vary.

이처럼, 캠 팔로워(22)가 장력이 가해진 방향으로 이동되는 거리가 달라지면, 그에 따라 탄성체(30)의 변위도 달라지게 되며, 이에 따라 탄성체(30)의 장력에 의해 생성되는 발생되는 부모멘트의 크기가 달라지게 된다.As such, when the distance at which the cam follower 22 is moved in the tensioned direction is changed, the displacement of the elastic body 30 is also changed accordingly, and thus the size of the generated parent moment generated by the tension of the elastic body 30. Will be different.

회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회전함에 따라 정모멘트의 크기가 달라지는데, 전술한 바와 같이 캠 구조에 의해 부모멘트의 크기 또한 달라지게 되므로, 부모멘트가 정모멘트와 상쇄되는 결과를 가져올 수 있다.As the rotation unit 20 rotates with respect to the reference unit 10, the size of the constant moment changes. As described above, since the size of the parent moment also varies according to the cam structure, the parent moment is offset from the constant moment. I can bring it.

부모멘트가 정모멘트와 상쇄되도록 하기 위해서는, 캠 팔로워(22)의 이동을 구속하는 플레이트 캠(12)의 경로의 형상이 적절하게 설계되어야 하는데, 회동부(20)에 작용하는 모멘트의 크기는 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회동한 각도(이하, 'θ'라 할 수 있음)에 따라 달라지므로, 플레이트 캠(12)의 경로의 형상을 θ에 대한 함수관계에 따라 형성할 수 있다. θ에 대한 함수관계의 구체적인 수식에 대해서는 후술한다.In order for the parent moment to be offset from the constant moment, the shape of the path of the plate cam 12 constraining the movement of the cam follower 22 must be designed appropriately, and the magnitude of the moment acting on the pivot 20 is Since the eastern portion 20 depends on the angle rotated with respect to the reference portion 10 (hereinafter, may be referred to as 'θ'), the shape of the path of the plate cam 12 may be formed according to a functional relationship with respect to θ. Can be. The specific expression of the functional relationship with respect to θ will be described later.

한편, 본 실시예에 따른 캠 팔로워(22)는 장력이 가해지는 방향으로 이동할 수 있도록 회동부(20)에 설치되며, 기준부(10)에 대해 회동부(20)가 회전함에 따라 캠 팔로워(22)가 장력이 가해지는 방향으로 이동하는 길이는 플레이트 캠(12)에 의해 구속된다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 탄성체(30)를 캠 팔로워(22)에 직접 연결하는 대신, 탄성체(30)의 일단부를 리니어 가이드(24)에 결합하고, 리니어 가이드(24) 상의 소정 높이에 의해 캠 팔로워(22)를 설치하여 장력이 전달되도록 할 수 있다.On the other hand, the cam follower 22 according to the present embodiment is installed on the rotating part 20 so as to move in the direction in which the tension is applied, and the cam follower (as the rotating part 20 rotates with respect to the reference part 10). The length at which 22 moves in the tensioned direction is constrained by plate cam 12. To this end, instead of directly connecting the elastic body 30 according to the present embodiment to the cam follower 22, one end of the elastic body 30 is coupled to the linear guide 24, and the predetermined height on the linear guide 24 is applied. The cam follower 22 may be installed to allow tension to be transmitted.

리니어 가이드(24)는 장력을 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 회동부(20)에 설치되는 구성요소로서, 탄성체(30)의 일단부가 리니어 가이드(24)의 일측에 결합되어 탄성체(30)로부터의 장력이 리니어 가이드(24)에 가해지며, 캠 팔로워(22)를 리니어 가이드(24) 상의 소정 높이(예를 들면 리니어 가이드(24)에 탄성체(30)가 결합된 높이)에 형성함으로써 리니어 가이드(24)에 가해진 장력이 캠 팔로워(22)에 전달될 수 있다.The linear guide 24 is a component installed in the rotating part 20 so as to be movable in the direction in which the tension is applied. One end of the elastic body 30 is coupled to one side of the linear guide 24 and is removed from the elastic body 30. Tension is applied to the linear guide 24, and the cam follower 22 is formed at a predetermined height on the linear guide 24 (for example, the height at which the elastic body 30 is coupled to the linear guide 24). Tension applied to 24 may be transmitted to cam follower 22.

캠 팔로워(22)는 별도의 부재로 제작하여 리니어 가이드(24)에 결합될 수도 있고, 리니어 가이드(24)와 일체로 제작될 수도 있다.The cam follower 22 may be manufactured as a separate member and coupled to the linear guide 24, or may be manufactured integrally with the linear guide 24.

본 실시예에 따른 탄성체(30)는 캠 팔로워(22)에 장력을 인가하여 부모멘트가 발생하도록 하는 구성요소로서, 그 일단부는 전술한 바와 같이 리니어 가이드(24)에 결합될 수 있고, 타단부는 회동부(20)에 고정될 수 있다. 탄성체(30)의 타단부는 회동부(20)의 적절한 위치에 고정될 수 있으며, 회동부(20) 내에 별도로 설치되는 지지부(26)에 고정될 수도 있다.The elastic body 30 according to the present embodiment is a component for applying a tension to the cam follower 22 to generate a parent, and one end thereof may be coupled to the linear guide 24 as described above, and the other end thereof. May be fixed to the pivot 20. The other end of the elastic body 30 may be fixed at an appropriate position of the rotating part 20, or may be fixed to a support part 26 separately installed in the rotating part 20.

탄성체(30)는, 캠 팔로워(22)에 면한 쪽을 캠 팔로워(22)에 결합하고 그 반대쪽을 회동부(20)에 고정시킬 수 있는데, 이 경우 탄성체(30)가 인장 변형되면서 장력이 가해지게 된다. 탄성체(30)가 인장 변형될 경우 탄성 한계치 이상으로 변형되면 탄성계수 값이 변하여 탄성력이 달라지게 되므로 모멘트 평형 기구가 제대로 작동하지 않을 수도 있다.The elastic body 30 may couple the side facing the cam follower 22 to the cam follower 22 and fix the opposite side to the pivoting part 20. In this case, the elastic body 30 is tensilely deformed and tension is applied thereto. You lose. When the elastic body 30 is deformed beyond the elastic limit, the elastic modulus value is changed to change the elastic force, so that the moment balance mechanism may not work properly.

이에 대해, 본 실시예에 따른 탄성체(30)는 캠 팔로워(22)에 면한 쪽을 회동부(20)에 고정시키고 그 반대쪽을 캠 팔로워(22)에 결합함으로써, 탄성체(30)의 압축 변형에 의해 장력이 가해지도록 할 수 있다.On the other hand, the elastic body 30 according to the present embodiment is fixed to the rotating portion 20 by the side facing the cam follower 22 and the opposite side to the cam follower 22, thereby reducing the compression deformation of the elastic body 30. Tension can be applied.

즉, 도 1에 도시된 것처럼, 캠 팔로워(22)와 탄성체(30) 사이에 지지부(26)를 설치하여 탄성체(30)의 타단부가 지지부(26)에 고정되도록 하고, 탄성체(30)의 일단부에는 와이어(wire), 로드(rod), 스트링(string), 링크(link) 등 장력을 받는 텐션부재(28)를 연결하며, 텐션부재(28)의 말단이 리니어 가이드(24)에 결합되도록 할 수 있다. 이로써, 텐션부재(28)를 통해 전달되는 탄성체(30)와 리니어 가이드(24)(및 캠 팔로워(22)) 간의 장력이 탄성체(30)를 압축 변형시키게 되고, 역으로 탄성체(30)의 압축 변형에 의해 장력이 텐션부재(28)를 통해 리니어 가이드(24)(및 캠 팔로워(22))에 가해지게 된다.
That is, as shown in FIG. 1, the support part 26 is provided between the cam follower 22 and the elastic body 30 so that the other end of the elastic body 30 is fixed to the support part 26. One end connects a tension member 28 that receives tension such as a wire, rod, string, and link, and an end of the tension member 28 is coupled to the linear guide 24. You can do that. As a result, the tension between the elastic body 30 and the linear guide 24 (and the cam follower 22) transmitted through the tension member 28 compresses and deforms the elastic body 30, and conversely, the compression of the elastic body 30. The deformation causes tension to be applied to the linear guide 24 (and cam follower 22) via the tension member 28.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 탄성계수 산출을 위한 개념도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 기준부(10), 플레이트 캠(12), 회동부(20), 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 탄성체(30)가 도시되어 있다.2 and 3 is a conceptual diagram for calculating the elastic modulus in the moment balance mechanism according to an embodiment of the present invention. 2 and 3, the reference portion 10, the plate cam 12, the pivoting portion 20, the cam follower 22, the linear guide 24, the support portion 26, and the elastic body 30 are shown. It is.

본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구는 탄성체(30)에 의해 인가되는 장력으로부터 부모멘트가 생성되는 구조로 이루어지는데, 생성되는 부모멘트가 정모멘트를 상쇄시킬 수 있도록 적절한 값의 탄성계수를 갖는 탄성체(30)를 선정하는 것이 좋다. 이하, 본 실시예에 따른 탄성체(30)의 탄성계수(K)를 산출하는 과정에 대해 상세히 설명한다. 도 2 및 도 3에서는 탄성계수 산출 과정을 설명하기 위해 탄성체(30)와 리니어 가이드(24) 및 지지부(26)와의 결합 관계를 도식적으로 표현하였다.The moment balance mechanism according to the present embodiment has a structure in which a parent moment is generated from a tension applied by the elastic body 30, and an elastic body having an elastic modulus of an appropriate value so that the generated parent moment can cancel the positive moment ( It is good to select 30). Hereinafter, a process of calculating the elastic modulus K of the elastic body 30 according to the present embodiment will be described in detail. In FIG. 2 and FIG. 3, the coupling relationship between the elastic body 30, the linear guide 24, and the support part 26 is schematically illustrated to explain the process of calculating the elastic modulus.

도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 캠 구조(플레이트 캠(12) 및 캠 팔로워(22))를 이용하여 r의 길이를 변화시키고 이를 통해 탄성체(30), 예를 들면 스프링의 변위를 변화시킴으로써 모멘트 평형을 이루는 기구를 설계할 수 있다.As shown in Figures 2 and 3, the cam structure (plate cam 12 and cam follower 22) is used to vary the length of r and thereby change the displacement of the elastic body 30, for example a spring. A mechanism can be designed to achieve moment balance.

도 2 및 도 3에서, 회동부(20)에 작용하는 하중을 mg, 중심점에서 회동부(20)의 무게벡터까지의 수직거리를 L, 탄성체의 자유 길이를 sf, 탄성체의 초기 셋팅된 길이를 s0, 탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)을 s(=sf-s0), 모멘트 방향에 수직한 거리, 즉 회동부(20) 내에서 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 캠 팔로워(22)가 설치된 높이를 h, 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회동한 각도를 θ라고 하면, 도 2에서와 같이 θ=0일 때 모멘트 평형 조건에 의해 하기 수학식 1이 성립한다.
2 and 3, the load acting on the rotating part 20 mg, the vertical distance from the center point to the weight vector of the rotating part 20 L, the free length of the elastic body s f , the initial set length of the elastic body S 0 , the displacement value for generating the initial tensile force of the elastic body 30 (when θ = 0), s (= s f -s 0 ), the distance perpendicular to the direction of the moment, that is, the elastic body in the rotating part 20 When the height of the cam follower 22 is installed in the direction perpendicular to the tension direction of h, and the angle of rotation of the rotational portion 20 with respect to the reference portion 10 is θ, when θ = 0 as shown in FIG. The following equation 1 holds by the moment equilibrium condition.

Figure pat00005
Figure pat00005

도 3에서와 같이 회동부(20)가 회전하여 θ가 변하게 되면, 무게벡터까지의 수직거리 L'는 하기 수학식 2와 같다.As shown in FIG. 3, when the rotation unit 20 rotates to change θ, the vertical distance L 'to the weight vector is expressed by Equation 2 below.

Figure pat00006
Figure pat00006

회동부(20)가 회전하여 θ값이 변할 때 모멘트 평형 조건인 수학식 1의 좌우변을 같게 유지하려면 좌변에 단순히 cosθ를 곱해주면 된다. 따라서, θ값이 변하더라도 패러랠 링크가 모멘트 평형을 이루는 하기 수학식 3을 만족하는 s'를 도입할 수 있다.When the rotation unit 20 rotates to change the value of θ, the left side of the equation (1), which is the moment equilibrium condition, may be simply multiplied by cosθ. Therefore, even if the value of θ changes, s' that satisfies Equation 3 below, in which the parallel link forms a moment equilibrium, can be introduced.

Figure pat00007
Figure pat00007

s'의 도입은 플레이트 캠(12)의 곡선의 형상을 변경함으로써 구성이 가능하며, 이 때 s'=s·cosθ를 만족한다. 이에 따라 상기 수학식 3은 하기 수학식 4와 같이 정리될 수 있다.Introduction of s 'is possible by changing the shape of the curve of the plate cam 12, and satisfies s' = s.cosθ at this time. Accordingly, Equation 3 may be summarized as Equation 4 below.

Figure pat00008
Figure pat00008

수학식 4로부터 θ에 무관하게 일정한 K값을 구할 수 있다. 즉, 수학식 4를 K에 대해 정리하면, 하기 수학식 5와 같다.From Equation 4, a constant K value can be obtained regardless of θ. That is, if Equation 4 is summarized with respect to K, Equation 5 is obtained.

Figure pat00009
Figure pat00009

수학식 5에서, 캠 팔로워(22)는 리니어 가이드(24) 상의 정해진 높이에 부착되므로 h는 일정한 값을 가지고, 나머지 mg, L, s 또한 모두 기구 설계시 결정되는 설계값이므로, 이를 입력하여 탄성체(30)의 K값을 산출할 수 있다. 이와 같이 산출된 K값을 가지는 탄성체(30)를 선정함으로써, 탄성체(30)에 생성되는 부모멘트가 정모멘트를 상쇄시켜 모멘트 평형을 이룰 수 있다.In Equation 5, since the cam follower 22 is attached to a fixed height on the linear guide 24, h has a constant value, and the remaining mg, L, and s are all design values determined at the time of designing the instrument, so that the cam follower 22 is input to the elastic body. K value of (30) can be calculated. By selecting the elastic body 30 having the K value calculated as described above, the parent moment generated in the elastic body 30 can cancel the positive moment to achieve moment equilibrium.

도 3에서, 탄성체(30)의 자유 길이를 sf, 탄성체(30)의 초기 인장력으로 세팅된 길이를 s0(θ=0일 때), 탄성체(30)의 나중 길이(회동부(20)가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이)를 s1이라 하면, s는 탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)이므로, s=sf-s0이고, θ의 변화에 따른 변위값 s'=sf-s1=s·cosθ이다. 따라서 θ의 변화에 따라 탄성체(30)가 s0-s1만큼 변위하며 평형상태를 이루게 되며, 바꿔 말하면 탄성체(30)가 s0-s1만큼 변위하도록 플레이트 캠(12)의 형상을 구성함으로써 모멘트 평형을 이룰 수 있다. 도 3은 압축스프링의 예이므로 s0-s1=-s·(1-cosθ)와 같이 표현되며, 인장스프링의 경우는 s0-s1=s·(1-cosθ)와 같다. 이하, 플레이트 캠(12)의 형상을 도출하는 과정에 대해 상세히 설명한다.
In FIG. 3, the free length of the elastic body 30 is s f , the length set as the initial tensile force of the elastic body 30 is s 0 (when θ = 0) , and the later length of the elastic body 30 (rotation part 20). Is a length that is deformed to achieve moment equilibrium when is rotated by θ, s 1 , s = s f -s since s is a displacement value (when θ = 0) for initial tensile force generation of the elastic body 30. 0, and the displacement value s' = s f -s 1 = s · cosθ according to the change of θ. Therefore, the elastic body 30 is displaced by s 0 -s 1 in accordance with the change of θ and is in equilibrium. In other words, the shape of the plate cam 12 is configured so that the elastic body 30 is displaced by s 0 -s 1 . Moment equilibrium can be achieved. 3 is an example of a compression spring, so it is expressed as s 0 -s 1 = -s · (1-cosθ), and in the case of a tension spring, s 0 -s 1 = s · (1-cosθ). Hereinafter, a process of deriving the shape of the plate cam 12 will be described in detail.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 플레이트 캠의 형상의 도출을 위한 개념도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플레이트 캠의 형상을 나타낸 도면이다. 도 4 내지 도 8을 참조하면, 기준부(10), 플레이트 캠(12), 회동부(20), 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 탄성체(30)가 도시되어 있다.4 to 7 are conceptual views for deriving the shape of the plate cam in the moment balance mechanism according to an embodiment of the present invention, Figure 8 is a view showing the shape of the plate cam according to an embodiment of the present invention. 4 to 8, the reference portion 10, the plate cam 12, the rotating portion 20, the cam follower 22, the linear guide 24, the support portion 26, and the elastic body 30 are illustrated. It is.

본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구는, 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회동한 각도(θ)에 따라 회동부(20)에 작용하는 모멘트의 크기가 달라지는데, θ에 상관없이 항상 모멘트 평형이 이루어질 수 있도록, 전술한 바와 같이 플레이트 캠(12)의 형상을 θ에 대한 함수관계에 따라 형성하는 것이 좋다. 이하, 본 실시예에 따른 플레이트 캠(12)의 경로의 형상을 도출하는 과정에 대해 상세히 설명한다. 도 4 내지 도 7은 플레이트 캠(12)의 경로를 도출하는 과정을 설명하기 위해 탄성체(30)와 리니어 가이드(24) 및 지지부(26)와의 결합 관계를 도식적으로 표현한 것으로, 도 4 및 도 5는 인장 스프링이 탄성체로 사용된 경우를, 도 6 및 도 7은 압축 스프링이 탄성체로 사용된 경우를 예시한 것이다.In the moment balance mechanism according to the present embodiment, the moment acting on the rotating part 20 varies according to the angle θ that the rotating part 20 rotates with respect to the reference part 10. As described above, it is preferable to form the shape of the plate cam 12 according to the functional relationship with respect to θ so that the moment equilibrium can be achieved. Hereinafter, a process of deriving the shape of the path of the plate cam 12 according to the present embodiment will be described in detail. 4 to 7 schematically illustrate a coupling relationship between the elastic body 30, the linear guide 24, and the support part 26 to explain the process of deriving the path of the plate cam 12, FIGS. 4 and 5 6 illustrates a case where a tension spring is used as an elastic body, and FIGS. 6 and 7 illustrate a case where a compression spring is used as an elastic body.

도 4 및 도 5와 같이 인장 스프링이 사용된 경우, 장력이 가해지는 방향의 축(도 5의 'w' 참조) 상에서, 중심점으로부터 탄성체(30)가 지지된 지점까지의 거리를 A, 중심점으로부터 캠 팔로워(22)가 위치한 지점까지의 거리를 x(=r·cosφ), 탄성체(30)의 자유 길이를 sf, 탄성체(30)의 초기 인장력으로 세팅된 길이를 s0(θ=0일 때), 탄성체(30)의 나중 길이(회동부(20)가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이)를 s1, 탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)을 s, 캠 팔로워(22)와 탄성체 고정부 사이의 거리(상수 구간)를 B라 하면, A, B는 θ와 무관하게 일정하고, 하기 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.4 and 5, when the tension spring is used, the distance from the center point to the point where the elastic body 30 is supported on the axis in the direction in which the tension is applied (see 'w' in FIG. 5) from A, the center point. The distance to the point where the cam follower 22 is located is x (= r · cosφ), the free length of the elastic body 30 is s f , and the length set as the initial tensile force of the elastic body 30 is s 0 (θ = 0 days). ) , The later length of the elastic body 30 (the length deformed to achieve moment equilibrium when the rotating part 20 is rotated by θ) is s 1 and the displacement value (θ = for generating the initial tensile force of the elastic body 30). When s is 0, and the distance (constant interval) between the cam follower 22 and the elastic body fixing portion is B, A and B are constant irrespective of θ, and may be expressed by Equation 6 below.

Figure pat00010
Figure pat00010

전술한 바와 같이, s0-s1=s·(1-cosθ) 만큼 변위하도록 플레이트 캠(12)의 형상을 구성하면 모든 θ에 대하여 모멘트 평형식을 만족시킬 수 있으므로, 상기 수학식 6은 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.As described above, when the shape of the plate cam 12 is configured to be displaced by s 0 -s 1 = s · (1-cosθ), the moment equilibrium can be satisfied for all θ. It may be expressed as in Equation 7.

Figure pat00011
Figure pat00011

이를 x(=r·cosφ)에 대해 정리하면, 하기 수학식 8과 같다.Summarizing this for x (= r · cosφ), the following equation (8) is obtained.

Figure pat00012
Figure pat00012

회동부(20) 내에서 캠 팔로워(22)가 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 설치된 높이를 h, 중심점을 중심으로 캠 팔로워(22)가 회전한 각도를 φ라 하면 tanφ = h/x이며, x(=r·cosφ)에 상기 수학식 8을 대입하면, φ를 하기 수학식 9와 같이 구할 수 있다.Assuming that the height of the cam follower 22 in the pivoting portion 20 is installed in the direction perpendicular to the tension direction of the elastic body, and the angle at which the cam follower 22 is rotated about the center point is φ, tanφ = h / x. , by substituting Equation 8 into x (= r · cosφ), φ can be obtained as shown in Equation 9 below.

Figure pat00013
Figure pat00013

수학식 9에서, A, B, s, s0, h는 모두 상수로 주어지므로 θ의 변화에 따른 φ값을 구할 수 있다. 플레이트 캠(12)의 형상을 결정하는 요소는 r, 즉 중심점에서 캠 팔로워(22)까지의 거리이며, 도 4에서 sinφ = h/r이므로, r은 하기 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.In Equation 9, since A, B, s, s 0 , and h are all given as constants, the value of φ according to the change of θ can be obtained. The element that determines the shape of the plate cam 12 is r, that is, the distance from the center point to the cam follower 22, and since sinφ = h / r in FIG. 4, r may be expressed as in Equation 10 below.

Figure pat00014
Figure pat00014

φ를 구한 후, φ를 수학식 10에 대입하여 r값을 구함으로써, 본 실시예에 따른 플레이트 캠(12)의 형상을 얻을 수 있다.After obtaining φ, the shape of the plate cam 12 according to the present embodiment can be obtained by substituting φ into the equation (10) to obtain the r value.

한편, 도 6 및 도 7과 같이 압축 스프링이 사용된 경우에도, 탄성체(30)의 자유 길이를 sf, 탄성체(30)의 초기 인장력으로 세팅된 길이를 s0(θ=0일 때), 탄성체(30)의 나중 길이(회동부(20)가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이)를 s1, 탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)을 s, 캠 팔로워(22)와 탄성체 고정부 사이의 거리(상수 구간)를 B라 하면, A, B는 θ와 무관하게 일정하고, 하기 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.6 and 7, even when the compression spring is used, the free length of the elastic body 30 is s f , the length set as the initial tensile force of the elastic body 30 is s 0 (when θ = 0) , When the length of the elastic body 30 (the length deformed to achieve moment equilibrium when the rotating part 20 rotates by θ) is s 1 and the displacement value (θ = 0) for generating the initial tensile force of the elastic body 30 ), S, and the distance (constant interval) between the cam follower 22 and the elastic body fixing portion B, A and B are constant irrespective of θ, and can be expressed by Equation 11 below.

Figure pat00015
Figure pat00015

전술한 바와 같이, s0-s1=-s·(1-cosθ) 만큼 변위하도록 플레이트 캠(12)의 형상을 구성하면 모든 θ에 대하여 모멘트 평형식을 만족시킬 수 있으므로, 상기 수학식 11은 하기 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.As described above, when the shape of the plate cam 12 is configured to be displaced by s 0 -s 1 = -s · (1-cosθ), the moment equilibrium can be satisfied for all θ. It may be represented by Equation 12 below.

Figure pat00016
Figure pat00016

이를 x(=r·cosφ)에 대해 정리하면, 하기 수학식 13과 같다.Summarizing this for x (= r · cosφ), the following equation (13) is obtained.

Figure pat00017
Figure pat00017

tanφ = h/x이므로, x(=r·cosφ)에 상기 수학식 13을 대입하면, φ를 하기 수학식 14와 같이 구할 수 있다.Since tan phi = h / x, when the above formula (13) is substituted into x (= r.

Figure pat00018
Figure pat00018

이로부터 φ를 구하고 φ를 수학식 10에 대입하여 r값을 구함으로써, 본 실시예에 따른 플레이트 캠(12)의 형상을 얻을 수 있음은 전술한 바와 같다.The shape of the plate cam 12 according to the present embodiment can be obtained by obtaining φ from this and substituting φ into Equation 10 to obtain the r value.

도 8에는 전술한 수학식으로부터 도출된 플레이트 캠(12)의 형상의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 8에서 볼 수 있듯이, 본 실시예에 따른 캠(12)의 형상은, 회동 중심점(도 8의 'C' 참조)에 대한 원호의 형상(도 8의 'arc' 참조)과 동일하지 않은, θ에 대한 함수관계로부터 도출된 곡선 형상으로 형성됨을 알 수 있다.
8 illustrates one embodiment of the shape of plate cam 12 derived from the above-described equation. As can be seen in FIG. 8, the shape of the cam 12 according to this embodiment is not the same as the shape of the arc (see 'arc' in FIG. 8) relative to the pivot center point (see 'C' in FIG. 8), It can be seen that it is formed into a curved shape derived from the functional relationship to θ.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 암 구조를 나타낸 사시도이고, 도 10은 도 9의 A-A'에 대한 단면을 나타낸 사시도이고, 도 11은 도 9의 A-A'에 대한 단면도이다. 도 9 내지 도 11을 참조하면, 플레이트 캠(12), 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 텐션부재(28), 탄성체(30), 로봇 암 구조(42), 링크부재(44a, 44b, 44c, 44d)가 도시되어 있다.9 is a perspective view showing the arm structure of the surgical robot according to an embodiment of the present invention, Figure 10 is a perspective view showing a cross-sectional view of the AA 'of Figure 9, Figure 11 is a AA' of FIG. This is a cross section. 9 to 11, the plate cam 12, the cam follower 22, the linear guide 24, the support 26, the tension member 28, the elastic body 30, the robot arm structure 42, Link members 44a, 44b, 44c, 44d are shown.

본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구는 수술용 로봇의 암 구조(42)에 적용될 수 있다. 즉, 도 9와 같은 수술용 로봇의 암 구조(42)에 있어서, 로봇 암의 일부에 패러랠 링크를 적용할 경우, 패러랠 링크를 구성하는 링크부재(44a)를 기준부(10)로 하고, 기준부(10)인 링크부재(44a)에 힌지 결합되는 링크부재(44b)를 회동부(20)로 함으로써, 로봇 암이 모멘트 평형을 이루도록 할 수 있다.The moment balance mechanism according to the present embodiment may be applied to the arm structure 42 of the surgical robot. That is, in the arm structure 42 of the surgical robot as shown in FIG. 9, when the parallel link is applied to a part of the robot arm, the reference member 10 constituting the parallel link is referred to as the reference unit 10. By using the link member 44b hinged to the link member 44a, which is the part 10, as the pivoting portion 20, the robot arm can achieve the equilibrium of moments.

이 경우, 플레이트 캠(12)은 기준부(10)인 링크부재(44a)에 천공되고, 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 텐션부재(28) 및 탄성체(30)의 결합체는 회동부(20)인 링크부재(44b) 내에 수용되도록 설치될 수 있다.In this case, the plate cam 12 is drilled in the link member 44a which is the reference portion 10, and the cam follower 22, the linear guide 24, the support portion 26, the tension member 28 and the elastic body 30 The combination of) may be installed to be accommodated in the link member (44b) that is the rotating part (20).

이처럼, 수술용 로봇 암 구조에 모멘트 평형 기구를 적용함으로써, 로봇 암이 자중에 의해 중력 방향으로 처지지 않고, 어느 방향으로든 동일한 힘으로 움직일 수 있게 된다.
Thus, by applying the moment balance mechanism to the surgical robot arm structure, the robot arm can move with the same force in any direction without sagging in the direction of gravity by its own weight.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art that various modifications of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below And can be changed.

10 : 기준부 12 : 플레이트 캠
20 : 회동부 22 : 캠 팔로워
24 : 리니어 가이드 26 : 지지부
28 : 텐션부재 30 : 탄성체
42 : 로봇 암 구조 44a, 44b, 44c, 44d : 링크부재10: reference portion 12: plate cam
20: rotating part 22: cam followers
24: linear guide 26: support portion
28: tension member 30: elastic body
42: robot arm structure 44a, 44b, 44c, 44d: link member

Claims (11)

기준부에 대해 소정의 중심점을 중심으로 회전하는 회동부를 포함하는 패러랠 링크(parallel link)에 있어서, 상기 회동부에 작용하는 하중에 의해 상기 중심점에 작용하는 모멘트(moment)가 평형이 되도록 하는 기구로서,
상기 기준부에 소정의 경로를 따라 천공되는 플레이트 캠(plate cam)과;
상기 회동부가 회전함에 따라, 상기 플레이트 캠에 의해 제공되는 이동 경로를 따라 이동하는 캠 팔로워(cam-follower)와;
상기 회동부에 결합되며, 상기 하중에 의한 모멘트와 상쇄되는 모멘트가 발생하도록 상기 캠 팔로워에 장력을 인가하는 탄성체를 포함하되,
상기 플레이트 캠의 경로는, 상기 기준부에 대해 상기 회동부의 회전한 각도에 대한 함수관계에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
In a parallel link including a rotating part rotating about a predetermined center point with respect to a reference part, a mechanism for causing a moment acting on the center point to be balanced by a load acting on the rotating part. as,
A plate cam drilled in the reference portion along a predetermined path;
A cam follower moving along the movement path provided by the plate cam as the pivot unit rotates;
It is coupled to the rotating part, and includes an elastic body for applying a tension to the cam follower to generate a moment to cancel the moment due to the load,
The path of the plate cam is formed in accordance with the function relationship with respect to the angle of rotation of the rotating portion relative to the reference portion.
제1항에 있어서,
상기 캠 팔로워는 상기 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 상기 회동부에 설치되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
The method of claim 1,
And the cam follower is mounted to the rotating part so as to be movable in the direction in which the tension is applied.
제2항에 있어서,
상기 플레이트 캠은, 상기 회동부가 회전함에 따라 상기 캠 팔로워가 상기 장력이 가해지는 방향으로 이동되는 거리를 구속하는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
The method of claim 2,
And the plate cam constrains a distance at which the cam follower is moved in the direction in which the tension is applied as the pivoting part rotates.
제3항에 있어서,
상기 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 상기 회동부에 결합되는 리니어 가이드(linear guide)를 더 포함하고, 상기 탄성체의 일단부는 상기 리니어 가이드에 결합되며, 상기 캠 팔로워는 상기 리니어 가이드 상의 소정 높이에 설치되어, 상기 탄성체로부터의 장력이 상기 리니어 가이드를 통해 상기 캠 팔로워에 인가되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
The method of claim 3,
And a linear guide coupled to the pivoting portion to move in the direction in which the tension is applied, one end of the elastic body is coupled to the linear guide, and the cam follower is located at a predetermined height on the linear guide. And a tension from the elastic body is applied to the cam follower through the linear guide.
제4항에 있어서,
상기 캠 팔로워와 상기 탄성체 사이에 위치하도록 상기 회동부에 설치되는 지지부를 더 포함하며, 상기 탄성체의 타단부는 상기 지지부에 지지되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
The method of claim 4, wherein
And a support provided in the pivoting portion so as to be positioned between the cam follower and the elastic body, and the other end of the elastic body is supported by the support portion.
제5항에 있어서,
상기 탄성체의 일단부는 텐션부재를 개재하여 상기 리니어 가이드에 결합되며, 상기 탄성체가 압축 변형됨에 따라 상기 텐션부재를 통해 상기 리니어 가이드에 장력이 가해지는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
The method of claim 5,
One end of the elastic body is coupled to the linear guide via a tension member, the moment balance mechanism, characterized in that the tension is applied to the linear guide through the tension member as the elastic body is compressively deformed.
제1항에 있어서,
상기 탄성체의 탄성계수(K)는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
Figure pat00019

여기서, 상기 mg는 상기 회동부에 작용하는 하중, 상기 L은 상기 중심점에서 상기 회동부의 무게벡터까지의 수직거리, 상기 s는 상기 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때), 상기 h는 상기 회동부 내에서 상기 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 상기 캠 팔로워가 설치된 높이임.
The method of claim 1,
The elastic modulus (K) of the elastic body is a moment balance mechanism, characterized in that calculated by the following equation.
Figure pat00019

Here, mg is a load acting on the rotating part, L is the vertical distance from the center point to the weight vector of the rotating part, s is a displacement value for generating the initial tensile force of the elastic body (When θ = 0) H is a height at which the cam follower is installed in a direction perpendicular to the tension direction of the elastic body in the pivoting part.
제1항에 있어서,
상기 함수관계는 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
Figure pat00020

여기서, 상기 r은 상기 중심점에서 상기 캠 팔로워까지의 거리, 상기 h는 상기 회동부 내에서 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 설치된 상기 캠 팔로워의 높이, 상기 φ는 상기 중심점을 중심으로 상기 캠 팔로워가 회전한 각도임.
The method of claim 1,
The moment balance mechanism, characterized in that the functional relationship is represented by the following equation.
Figure pat00020

Here, r is the distance from the center point to the cam follower, h is the height of the cam follower installed in the direction perpendicular to the tension direction of the elastic body in the rotating portion, φ is the cam follower around the center point Is the angle rotated.
제8항에 있어서,
상기 탄성체는 인장 변형되면서 장력을 인가하며, 상기 φ는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
Figure pat00021

여기서, 상기 A는 중심점으로부터 상기 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, 상기 B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 상기 캠 팔로워와 상기 탄성체 사이의 거리, 상기 s0는 상기 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), 상기 s는 상기 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때), 상기 θ는 상기 기준부에 대해 상기 회동부가 회전한 각도임.
The method of claim 8,
The elastic body is tension-deformed while applying a tension, the φ is a moment balance mechanism, characterized in that calculated by the following equation.
Figure pat00021

Here, A is the distance from the center point to the point where the elastic body is supported, B is the distance between the cam follower and the elastic body on the axis of the tension direction, s 0 is set to the initial tensile force of the elastic body Length (when θ = 0), s is a displacement value (when θ = 0) for initial tensile force generation of the elastic body, and θ is an angle of rotation of the rotating part with respect to the reference part.
제8항에 있어서,
상기 탄성체는 압축 변형되면서 장력을 인가하며, 상기 φ는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
Figure pat00022

여기서, 상기 A는 중심점으로부터 상기 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, 상기 B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 상기 캠 팔로워와 상기 탄성체 사이의 거리, 상기 s0는 상기 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), 상기 s는 상기 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때), 상기 θ는 상기 기준부에 대해 상기 회동부가 회전한 각도임.
The method of claim 8,
The elastic body is applied to the tension while deformed compression, the moment balance mechanism characterized in that the φ is calculated by the following equation.
Figure pat00022

Here, A is the distance from the center point to the point where the elastic body is supported, B is the distance between the cam follower and the elastic body on the axis of the tension direction, s 0 is set to the initial tensile force of the elastic body Length (when θ = 0), s is a displacement value (when θ = 0) for initial tensile force generation of the elastic body, and θ is an angle of rotation of the rotating part with respect to the reference part.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 모멘트 평형 기구가 적용된 수술용 로봇의 암 구조로서,
상기 기준부는 패러랠 링크를 구성하는 제1 링크부재이고,
상기 회동부는 패러랠 링크를 구성하도록 상기 제1 링크부재에 힌지 결합되는 제2 링크부재이며,
상기 캠 팔로워 및 상기 탄성체는 상기 제2 링크부재 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 암 구조.An arm structure of a surgical robot to which the moment balance mechanism of any one of claims 1 to 10 is applied,
The reference portion is a first link member constituting a parallel link,
The rotating part is a second link member hinged to the first link member to form a parallel link,
And the cam follower and the elastic body are accommodated in the second link member.
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