KR20170013945A

KR20170013945A - 위치설정 시스템

Info

Publication number: KR20170013945A
Application number: KR1020167036889A
Authority: KR
Inventors: 제임스 더글라스 펜
Original assignee: 제임스 더글라스 펜
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2017-02-07
Also published as: WO2015184468A3; AU2015266576A1; EP3145670A2; JP2017518198A; CA2986541A1; CN106550598A; WO2015184468A2; AU2015266576B2; CA2986541C; CN106550598B; EP3145670A4; KR102426054B1; CN112207585A

Abstract

출력 부재를 위한 평면 위치설정 시스템을 위한 시스템 및 방법으로서, 시스템은 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지(carriage) 및 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지를 갖는다. 시스템은 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘을 갖는다. 시스템은 출력 부재를 구동하기 위하여 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지로부터 출력 부재로 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블을 갖고, 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 출력 부재는 x-방향으로 동기하여 이동하고, 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 출력 부재는 y-방향으로 동기하여 이동한다. 억제 메커니즘은 x- 및 y-방향 이외의 부가적인 자유도에서 출력 부재를 억제한다.

Description

위치설정 시스템{POSITIONING SYSTEM}

관련 출원의 상호 참조

본 특허는, 2014 년 5월 30일자로 출원되었으며 본 명세서에 전체가 참고로 포함된 미국 특허 출원 제62/005,329호의 이익을 주장한다.

정부 라이센스 권리

본 발명은 미 해군이 수여한 N00014-11-1-0713 하에서 그리고 미 공군이 수여한 FA9550-09-1-0613 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.

기술분야

본 명세서에 기술된 본 발명은 가동 부재를 하나 이상의 치수로 위치시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 명세서에 기술된 본 발명은 가요성인 전달 요소에 의해 구속된 가동 부재를 위치시키기 위한 시스템 및 방법을 포함한다.

플로터(plotter), 픽 앤 플레이스(pick and place) 기계, 3D 프린터, 및 컴퓨터 수치 제어(CNC) 공작 기계와 같은 수 많은 장치는 펜, 그리퍼(gripper), 레이저, 필라멘트 디스펜서(filament dispenser), 또는 도구와 같은 장치를 다른 물체에 대해 이동시킨다. 이러한 이동을 제어하기 위한 하나의 시스템은 직교 좌표 로봇이다. 직교 로봇은 주축(X, Y, Z)이 선형 및 직교하는 위치설정 시스템의 한 가지 부류이다. 이는 제어의 단순성 및 전체 성능으로 인해 인기가 있다. 직교 로봇의 가장 통상적인 형태는 갠트리 로봇(gantry robot)으로, 이는 이동의 제1 방향으로 배향된 2개의 평행한 안내 레일들, 및 안내 레일들을 따라 이동하고 제2 직각 방향으로의 이동하는 출력 부재를 위한 안내 레일로서의 역할을 자체가 수행하는 이동 크로스바 또는 갠트리로 구성된다. 예를 들어, 고정 액추에이터로부터 경량 벨트 또는 케이블을 통하여 이동을 전달하는 수단을 제공함으로써, 시스템의 이동 질량을 최소화하는 것이 갠트리 로봇 설계의 목표였다. 그러나, 이러한 모든 설계에서, 갠트리는 출력 부재의 자유도를 구속하는 것을 돕는 베어링 구조로 남아 있어서, 상당한 이동 질량을 추가하여, 큰 스케일에 적용하는 것을 어렵게 하였다.

케이블 로봇은 이동하는 출력 부재를 위치설정하고 그의 자유도를 구속하도록 외부 프레임 상의 고정 위치로부터 고정 및 권선되는 케이블만을 이용하는 다른 부류의 위치설정 시스템이다. 이는, 임의의 종류의 무거운 이동 구조체를 제거함으로써, 높은 강성 대 질량 비를 갖는 넓은 범위의 이동을 얻을 수 있다. 그러나, 직교가 아닌 상태에서, 출력 위치의 정확한 제어는 종종 어려운데, 이는 적절한 위치설정과 양(positive)의 케이블 장력을 보장하기 위하여 복잡한 물리적 모델에 기초하여 비선형 방정식의 복잡한 시스템의 솔루션(solution)을 얻어야 하기 때문이다.

제어의 단순성을 확장성과 조합하는 위치설정 시스템이 필요하다는 것이 인식된다.

본 발명의 목적은 이후에 케이블이라 지칭되는 가요성인 구속 부재를 이용하여 이동하는 출력 부재의 자유도를 구속하는 직교 위치설정 시스템을 제공하는 것이다.

예시적인 일 실시예에서, 출력 부재를 위한 평면 위치설정 시스템은 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지(carriage); 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지; 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘; 출력 부재를 구동하기 위하여 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지로부터 출력 부재로 인장 상태에서 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블로서, 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 출력 부재는 x-방향으로 동기하여 이동하고, 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 출력 부재는 y-방향으로 동기하여 이동하는, 복수의 이동 및 구속 케이블; 및 x- 및 y-방향 이외의 부가적인 자유도에서 출력 부재를 억제하기 위한 억제 메커니즘을 포함한다.

출력 부재를 위한 평면 위치설정 시스템의 실시예에서, 시스템은 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 갖는다. 시스템은 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘을 갖는다. 시스템은 출력 부재를 구동하기 위하여 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지로부터 출력 부재로 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블을 갖고, 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 출력 부재는 x-방향으로 동기하여 이동하고, 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 출력 부재는 y-방향으로 동기하여 이동한다. 억제 메커니즘은 x- 및 y-방향 이외의 부가적인 자유도에서 출력 부재를 억제한다.

일 실시예에서, 복수의 이동 및 구속 케이블은 출력 부재를 구동하기 위하여 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지로부터 출력 부재로 인장 상태로 연장된다.

일 실시예에서, 평면 위치설정 시스템의 억제 메커니즘은 z-평면의 양 및 음(negative)의 방향들 중 적어도 일 방향으로의 출력 부재의 이동을 억제한다. 일 실시예에서, 억제 메커니즘은 z-방향으로의 출력 부재의 이동을 억제한다.

일 실시예에서, z-방향으로의 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 억제 메커니즘은 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 출력 부재에 회전가능하게 장착된 한 쌍의 케이블 업테이크 및 해제 장치(cable uptake and release device)를 포함한다. 제1 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 (해제) 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 (업테이크) 속도는 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 일 방향으로의 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가이다.

일 실시예에서, z-방향으로의 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 억제 메커니즘은 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 출력 부재에 회전가능하게 장착된 제2 한 쌍의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 포함한다. 각 쌍의 업테이크 및 해제 장치에 대해, 제1 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 (해제) 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 (업테이크) 속도는 두 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가이다.

평면 위치설정 시스템의 실시예에서, z-구속 케이블의 수집 및 분배 속도는 출력 부재가 일정한 z-좌표의 평면 내에 유지되도록 케이블의 짧아지고 길어지는 속도와 각각 동일하다.

평면 위치설정 시스템의 일 실시예에서, z-구속 장치는 나선형 홈 프로파일을 갖는 가변 반경 스풀(spool)을 포함하며, 나선형 홈 프로파일의 반경은 그의 축을 중심으로 하는 회전 각도의 함수로서 방정식

에 의해 정의되는데, 여기서 α는 나선 상의 고정점에 대한 나선의 회전 각도이고, s는 고정점으로부터 나선의 전체 호(arc)의 길이이며, L은 스풀의 직선 경로 내의 해당 위치에서 케이블의 자유 길이이다.

평면 위치설정 시스템의 실시예에서, 억제 메커니즘은 적어도 1의 회전도(degree of rotation)에서 출력 부재의 이동을 억제한다. 일 실시예에서, 평면 위치설정 시스템의 억제 메커니즘은 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블이 출력 부재 상의 적어도 두 위치에서 방향들을 바꾸는 우력(force couple)을 형성한다. 일 실시예에서, 억제 메커니즘은 3의 회전도에서 출력 부재의 이동을 억제한다.

평면 위치설정 시스템의 실시예에서, 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘은 복수의 선형 레일이다. 일 실시예에서, 억제 메커니즘은 양 및 음의 z-방향들 중 적어도 일 방향으로의 출력 부재의 이동을 억제한다. 일 실시예에서, 억제 메커니즘은 z-방향으로의 출력 부재의 이동을 억제한다.

일 실시예에서, 복수의 이동 및 구속 케이블 중 적어도 4개는 케이블을 인장 상태로 보유하기 위하여 고정 시스템에 고정된다. 일 실시예에서, 복수의 이동 및 구속 케이블은 방향들을 바꾸기 위하여 적어도 하나의 고정 위치를 둘러싸는 폐루프를 형성한다. 일 실시예에서, 이동 및 구속 케이블은 한 쌍의 선형 캐리지 및 출력 부재 상의 복수의 안내부를 이용하여 선형 캐리지 및 출력 부재를 통하여 연장된다. 일 실시예에서, 복수의 안내부는 다양한 레벨에 위치되어 이동 및 구속 케이블이 간섭 없이 다른 구속 케이블 위를 통과하게 하는 풀리(pulley)이다.

평면 위치설정 시스템의 실시예에서, 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘은 복수의 선형 레일이다. 일 실시예에서, 이동 및 구속 케이블의 적어도 한 쌍은 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지에 대해 xy-평면에서 출력 부재를 이동시키기 위한 구동 케이블이다.

출력 부재를 위치설정하는 방법의 실시예에서, 출력 부재는 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지를 이용하여 y-방향을 따라 구속된다. y-좌표 선형 캐리지 각각은 선형 레일을 따라 이동가능하며; 선형 캐리지는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 동기하여 이동하도록 구속된다. 출력 부재는 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 이용하여 x-방향을 따라 구속된다. x-좌표 선형 캐리지 각각은 선형 레일을 따라 이동가능하며; 선형 캐리지는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 동기하여 이동하도록 구속된다. 출력 부재는 적어도 한 쌍의 선형 캐리지를 이용하여 z-축을 중심으로 회전하는 것이 구속된다. 출력 부재 상의 적어도 두 위치에서 방향들을 바꾸는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 우력이 제공된다.

일 실시예에서, 출력 부재는 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 이용하여 xz-방향을 따라 구속된다. 출력 부재 상의 적어도 두 위치에서 x 및 z 방향 둘 모두의 방향들을 바꾸는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 우력이 제공된다. 출력 부재를 구속하는 것은 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지를 이용하여 yz-방향을 따라 구속된다. 출력 부재 상의 적어도 두 위치에서 y 및 z 방향 둘 모두의 방향들을 바꾸는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 우력이 제공된다.

위치설정 시스템을 위한 구속 장치의 일 실시예에서, 시스템은 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 회전가능하게 장착된 한 쌍의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는다. 제1 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 (해제) 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 (업테이크) 속도는 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 일 방향으로의 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가이다.

일 실시예에서, 구속 장치는 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 회전가능하게 장착된 제2 한 쌍의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는다. 각 쌍의 업테이크 및 해제 장치에 대해, 제1 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 (해제) 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 (업테이크) 속도는 두 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가이다.

일 실시예에서, 출력 부재는 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 출력 부재에 회전가능하게 장착된 적어도 3개의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는다. 3개의 업테이크 및 해제 장치의 각각에 대해, 제1 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 (해제) 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 (업테이크) 속도는 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가이다.

일 실시예에서, 케이블 업테이크 및 해제 장치는 출력 부재에 회전가능하게 장착된다. 일 실시예에서, 케이블 업테이크 및 해제 장치는 동기화 요소에 회전가능하게 장착된다.

구속 장치의 일 실시예에서, 구속 장치는 출력점, 및 베이스 평면을 포함하는 출력 부재를 갖는다. 한 쌍의 일정 길이의 케이블이 출력 부재로부터 베이스 평면을 향하여 상이한 방향들로 연장되고, 각각의 케이블은 인장 상태에 있다. 각각의 일정 길이의 케이블은 적어도 하나의 스풀 상에 부분적으로 권취된다. 베이스 평면으로부터의 출력점의 최대 거리는 미리규정된 이동 범위 내의 출력점의 각각의 위치에 대해 구속된다. 이동 범위 내의 베이스 평면으로부터의 출력점의 최대 거리의 점들의 세트는 궤적을 정의한다. 각각의 스풀의 그의 회전축을 중심으로 하는 회전은 궤적을 따른 출력점의 위치의 함수이다.

구속 장치의 실시예에서, 궤적은 직선이다. 일 실시예에서, 궤적은 베이스 평면에 평행한 직선이다.

일 실시예에서, x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템은 x-방향으로의 출력 부재의 이동을 넘어서 대체적으로 위치된 한 쌍의 고정 단부를 갖는다. 구속 시스템은 고정 단부의 각각으로부터 출력 부재를 향하여 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블을 갖는다. 고정 단부 중 하나로부터의 복수의 이동 및 구속 케이블 중 하나 및 고정 단부 중 다른 것으로부터의 복수의 이동 및 구속 케이블 중 하나는 한 쌍의 복수의 이동 및 구속 케이블을 형성한다. 출력 부재는 출력 부재에 회전가능하게 장착된 복수의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는다. 각각의 케이블 업테이크 및 해제 장치는 한 쌍의 복수의 이동 및 구속 케이블 중 하나를 수용한다. 제1 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 (해제) 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 (업테이크) 속도는 x-방향 이외의 적어도 일 방향으로의 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가이다.

x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템의 일 실시예에서, 출력 부재는 x-방향을 따라 적어도 2개의 별개 위치에서 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는다.

x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템의 일 실시예에서, 한 쌍의 고정 시스템 각각은 적어도 3개의 고정 위치를 갖는다. 고정 단부의 각각으로부터 출력 부재를 향하여 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블은 적어도 3쌍의 이동 및 구속 케이블을 포함한다. 출력 부재는 yz-평면에서 출력 부재에 회전가능하게 장착된 적어도 3개의 복수의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는다.

x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템의 일 실시예에서, 한 쌍의 고정 시스템 각각은 적어도 3개의 고정 위치를 갖는다. 고정 단부의 각각으로부터 출력 부재를 향하여 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블은 적어도 4쌍의 이동 및 구속 케이블을 포함한다. 출력 부재는 yz-평면에서 출력 부재에 회전가능하게 장착된 적어도 4개의 복수의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는다.

x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템으로서, 구속 시스템은 x-방향을 따라 적어도 2개의 별개 위치에서 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는 출력 부재를 포함한다.

상기 실시예의 변형예에서, 억제 메커니즘은 z-방향으로의 이동을 방지한다. 다른 변형예에서, 억제 메커니즘은 특정 점에 대한 z-방향으로의 이동을 방지한다. 예를 들어, 억제부는 출력 부재가 바닥 또는 천장 위치까지 그리고 그를 넘지 않게 이동할 수 있는 경우 바닥 또는 천장 위치에 놓일 수 있다.

스풀을 이용하는 일부 실시예에서, 위치설정 시스템은 z-방향으로 출력 부재를 구속하기 위하여 그리고 일부 경우에는 출력 부재의 회전 자유도를 구속하기 위하여, 1개, 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 스풀을 이용할 수 있다.

일부 실시예에서, 위치설정 시스템과 함께 이용되는 구속 장치는 출력점을 포함하는 출력 부재; 베이스 평면; 출력 부재로부터 베이스 평면을 향하여 상이한 방향들로 연장되고 각각이 인장 상태에 있는 한 쌍의 일정 길이의 케이블을 포함할 수 있고; 각각의 일정 길이의 케이블은 하나 이상의 스풀 상에 부분적으로 권취되고; 미리규정된 이동 범위 내의 출력점의 각각의 위치에 대해, 베이스 평면으로부터의 출력점의 최대 거리가 구속되고; 이동 범위 내의 베이스 평면으로부터의 출력점의 최대 거리의 점들의 세트는 궤적을 정의하고; 각각의 스풀의 그의 회전축을 중심으로 하는 회전은 궤적을 따른 출력점의 위치의 함수이다.

본 명세서에 기술된 다양한 실시예의 특징부가 상호 배타적인 것이 아니며 다양한 조합 및 치환으로 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 및 이점은, 동일한 도면 부호가 상이한 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지칭하는 첨부 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 특정 실시예에 대한 하기 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면은 반드시 축적에 따르지 않으며, 그 대신 본 발명의 원리를 설명할 때 강조된다.
도 1은 위치설정 시스템의 일 실시예의 사시도이다.
도 2는 x-좌표 선형 캐리지 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 평면도이다.
도 3은 y-좌표 선형 캐리지 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 평면도이다.
도 4는 출력 부재를 한 세트의 x- 및 y-좌표 선형 캐리지에 결합하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 평면도이다.
도 5는 출력 부재를 한 세트의 x- 및 y-좌표 선형 캐리지와 동기하여 이동시키기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 사시도이다.
도 6은 Z-축을 중심으로 하는 출력 부재의 회전을 방지하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 평면도이다.
도 7은 출력 부재를 한 세트의 x- 및 y-좌표 선형 캐리지와 동기하여 이동시키고 그의 Z-축을 중심으로 하는 회전을 방지하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 사시도이다.
도 8은 Y-축을 중심으로 하는 출력 부재의 회전을 방지하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 정면도이다.
도 9는 X-축을 중심으로 하는 출력 부재의 회전을 방지하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 우측면도이다.
도 10은 출력 부재를 한 세트의 x- 및 y-좌표 선형 캐리지와 동기하여 이동시키고 그의 X-, Y-, 및 Z-축을 중심으로 하는 회전을 방지하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 사시도이다.
도 11은 x-좌표 선형 캐리지를 x-방향으로 구동하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 평면도이다.
도 12는 y-좌표 선형 캐리지를 y-방향으로 구동하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 평면도이다.
도 13은 x-좌표 선형 캐리지를 x-방향으로 구동하고 출력 부재 상의 풀리를 구동하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 평면도이다.
도 14는 출력 부재 및 출력 풀리를 구동하고 출력 부재의 그의 X-, Y-, 및 Z-축을 중심으로 하는 회전을 방지하는 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 사시도이다.
도 15는 동기화 요소를 갖는 가변 반경 스풀의 사시도이다.
도 16은 베이스 평면의 서로 반대편인 단부들에 고정된 2개의 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속 시스템의 개략도이다.
도 17은 2개의 가변 반경 스풀 차동부(differential)를 이용하는 선형 구속 시스템의 개략도이다.
도 18은 베이스 평면의 일 단부에 고정된 2개의 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속 시스템의 개략도이다.
도 19는 케이블의 2개의 자유 단부를 갖는 양측 가변 반경 스풀의 사시도이다.
도 20은 베이스 평면에 고정된 양측 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속 시스템의 개략도이다.
도 21은 이동하는 양측 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속 시스템의 개략도이다.
도 22a는 이동하는 양측 가변 반경 스풀을 그의 이동 범위 내의 몇몇 위치에서 이용하는 선형 구속 시스템의 좌측 반부를 도시한다.
도 22b 내지 도 22e는 도 22a로부터의 가변 반경 스풀의 그의 이동 범위 내의 몇몇 위치에서의 확대도이다.
도 22f는 가변 반경 스풀을 그의 이동 범위 내의 몇몇 위치에서 이용하는 선형 구속 시스템의 우측 반부를 도시한다.
도 22g 내지 도 22k는 도 22f로부터의 가변 반경 스풀의 그의 이동 범위 내의 몇몇 점에서의 확대도이다.
도 22l은 이동 가변 반경 스풀의 그의 이동 범위 내의 몇몇 위치에서의 양측 반부를 도시한다.
도 22m 내지 도 22p는 도 22l로부터의 가변 반경 스풀의 그의 이동 범위 내의 몇몇 위치에서의 확대도이다.
도 23a는 2개의 양측 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속 시스템의 사시도이다.
도 23b는 4개의 양측 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속 시스템의 사시도이다.
도 23c는 3개의 양측 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속 시스템의 사시도이다.
도 23d는 도 23c로부터의 선형 구속 시스템의 우측면도이다.
도 23e는 출력 부재가 그의 Y-축을 중심으로 180도 회전된 것을 제외하고는 도 23c와 유사한 선형 구속 시스템의 우측면도이다.
도 23f는 도 23d 및 도 23e의 선형 구속부들을 조합한 선형 구속 시스템의 사시도이다.
도 24는 z-방향으로의 출력 부재의 변위를 방지하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 정면도이다.
도 25는, 출력 부재 및 출력 풀리를 구동하고 출력 부재의 그의 X-, Y-, 및 Z-축을 중심으로 하는 회전을 방지하고 그의 z-방향으로의 변위를 방지하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 사시도이다.
도 26은 x-좌표 선형 캐리지의 상대 변위를 출력 부재의 그의 Z-축을 중심으로 하는 회전과 결합하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 27은 Y-축을 중심으로 하는 출력 부재의 회전을 방지하기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략 정면도이다.
도 28은 한 세트의 x- 및 y-선형 캐리지의 변위를 결합하고 출력 부재를 x- 및 y-방향으로 구동시키기 위한 케이블 구속부를 갖는 위치설정 시스템의 개략적인 평면도이다.

케이블 및 다른 억제 메커니즘에 의해 구속되는 출력 부재를 갖는 위치설정 시스템의 몇몇 실시예가 아래에서 상세히 설명된다.

이들 예시적인 실시예는 본 명세서에 개시된 장치 및 방법의 구조, 기능, 제조, 및 이용의 원리에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위하여 설명된다. 이들 실시예의 하나 이상의 예가 첨부 도면에 도시되어 있다. 당업자는 본 명세서에 구체적으로 기술되고 첨부 도면에 도시된 장치 및 방법이 비제한적인 예시적인 실시예이고 본 발명의 범주는 청구범위에 의해서만 정의된다는 것을 이해할 것이다. 예시적인 일 실시예와 관련하여 도시되거나 기술된 특징부들은 다른 실시예들의 특징부들과 조합될 수 있다. 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다.

도 1을 참조하면, 위치설정 시스템(1001)의 사시도가 도시되어 있다. 상기 위치설정 시스템은, 설명되는 바와 같이, 작업공간(36) 내의 xy-평면 내에서 이동하도록 구속되는 출력 부재(32)를 갖는다. 위치설정 시스템(1001)의 출력 부재(32)는 복수의 이동 및 구속 케이블(34)에 의해 구속된다. 이들 케이블은 또한 벨트, 체인, 또는 다른 다양한 가요성인 전달 요소의 형태를 취할 수 있다. 단지 이동 및 구속 케이블(34)만이 출력 부재(32)와 직접 상호작용한다. 위치설정 시스템(1001)은 단지 y-방향으로만 이동하도록 구속되는 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)를 갖는다. 위치설정 시스템(1001)은 단지 x-방향으로만 이동하도록 구속되는 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)를 갖는다. x-좌표 선형 캐리지(44, 46)는 한 쌍의 x-평행 선형 안내부(66, 68) 상에서 각각 자유롭게 미끄러진다. y-좌표 선형 캐리지(40, 42)는 한 쌍의 y-평행 선형 안내부(62, 64) 상에서 각각 자유롭게 미끄러진다. 선형 안내부는 선형 레일로 도시되어 있지만, 이는 제한하려는 의도가 아니다.

위치설정 시스템(1001)은 이동 및 구속 케이블(34)을 안내 및 방향전환하기 위한 복수의 방향 안내 및 변경 장치(58)를 갖는다. 일 실시예에서, 복수의 방향 안내 및 변경 장치(58)는 풀리이다.

위치설정 시스템(1001)은, 이동 및 구속 케이블(34)을 고정하고 풀리가 고정될 수 있는 복수의 고정 위치(50, 52, 54, 56)를 가질 수 있다. 고정 위치(50, 52, 54, 56), 및 선형 안내부(62, 64, 66, 68)는 명료함을 위하여 도시되지 않은 프레임에 모두 고정된다.

본 출원에서 채택된 좌표계는 논의를 위한 것이고 여기에서 특정 좌표 방향에 대한 언급은 특정 상황에서 상이한 좌표 방향에 대응할 수 있다는 것이 인식된다. 위치설정 시스템의 작업공간(36)은 단순히 첨부 도면에 도시된 바와 같은 정사각형이 아닌 직사각형일 수 있다는 것이 또한 인식된다.

도 2를 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 이동이 동일하도록 구속하는 한 쌍의 x-구속 케이블(98, 100)을 포함하는 위치설정 시스템(1002)의 개략 평면도가 도시되어 있다.x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 위치는 x ₁ 및 x ₂ 로 지칭되는 한 쌍의 x-평행 좌표(76, 78)에 의해 측정된다. y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 위치는 y ₁ 및 y ₂ 로 지칭되는 한 쌍의 y-평행 좌표(72, 74)에 의해 측정된다.

도 2의 평면, 즉 xy-평면에서, 출력 부재(32)는, 논의를 위하여, x _o 및 y _o 로 각각 지칭되는 좌표(80, 82)에 대응하는 2의 병진 자유도(DOF) 및 θ _o 로 지칭되는 좌표(86)에 대응하는 1의 회전 DOF를 갖는다. 도 2에는 도시되지 않았으나, 출력 부재(32)는 또한 평면에 직각인 1의 병진 DOF, 및 x- 및 y-축을 중심으로 하는 2의 회전 DOF를 갖는다.

도 2를 참조하면, x-구속 케이블(98)은 고정 위치(54)로부터 연장되고 그에 고정되며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상에 장착된 풀리(144) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(44) 상에 장착된 풀리(146) 둘레에 감기며, 고정 위치(50)에 고정된다. x-구속 케이블(98)로부터의 힘을 x-좌표 선형 캐리지(44, 46) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 제2 x-구속 케이블(100)은 고정 위치(56)로부터 연장되고 그에 고정되며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상에 장착된 풀리(148) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(44) 상에 장착된 풀리(150) 둘레에 감기며, 고정 위치(52)에 고정된다. 따라서, 케이블(98, 100)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

이후에, 고정 위치에 있는 장력기 또는 케이블 길이를 따라 있는 장력기를 포함하지만 이에 제한되지 않는, 충분한 케이블 장력을 보장하기 위한 적절한 수단이 제공되는 것으로 가정될 수 있다는 점에 주의하여야 한다. 논의를 위하여, 케이블이 연장가능하지 않은 것으로, 즉 케이블이 신장되지 않고 케이블이 일정한 길이를 갖는 것으로 또한 가정될 수 있다.

케이블의 일정한 길이에 기초하여, 케이블(98)에 대해, 방정식

(1)

이 적용되는데, 여기서, L _y 는 y-방향으로의 작업공간 영역(36)의 길이이고, L _x 는 x-방향으로의 작업공간 영역(36)의 길이이다. x ₁ 이 Δx ₁ 의 양만큼 변하여 선형 캐리지(44)의 새로운 위치가 (x ₁ + Δx ₁ )이 되도록 하고, x ₂ 가 Δx ₂ 의 양만큼 변하여 선형 캐리지(44)의 새로운 위치가 (x ₂ + Δx ₂ )가 되도록 하면, 방정식 (1)에 기초하여, 방정식

(2)

가 적용되고, 이는

를 나타내도록 솔루션이 얻어질 수 있다. 동일한 결과를 갖는 케이블(100)에 대해 동일한 분석이 수행될 수 있다. 따라서, 도 2의 케이블 구속부는 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 변위가 동일하도록 구속하고, 그에 따라서, x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 이동이 동일하도록 구속한다.

도 3을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 이동이 동일하도록 구속하는 한 쌍의 y-구속 케이블(102, 104)을 포함하는 위치설정 시스템(1003)의 개략 평면도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, y-구속 케이블(102)은 고정 위치(56)로부터 연장되고 그에 고정되며, y-좌표 선형 캐리지(40) 상에 장착된 풀리(152) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(42) 상에 장착된 풀리(154) 둘레에 감기며, 고정 위치(52)에 고정된다. y-구속 케이블(102)로부터의 힘을 y-좌표 선형 캐리지(40, 42) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 제2 y-구속 케이블(104)은 고정 위치(54)로부터 연장되고 그에 고정되며, y-좌표 선형 캐리지(42) 상에 장착된 풀리(156) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(40) 상에 장착된 풀리(158) 둘레에 감기며, 고정 위치(50)에 고정된다. 따라서, 케이블(102, 104)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

케이블의 일정한 길이에 기초하여, y-구속 케이블(102)에 대해, 방정식

(3)

이 적용된다. y ₁ 이 Δy ₁ 의 양만큼 변하여 선형 캐리지(40)의 새로운 위치가 (y ₁ + Δy ₁ )이 되도록 하고, y ₂ 가 Δy ₂ 의 양만큼 변하여 선형 캐리지(42)의 새로운 위치가 (y ₂ + Δy ₂ )가 되도록 하면, 방정식 (3)에 기초하여, 방정식

(4)

가 적용되고, 이는

를 나타내도록 솔루션이 얻어질 수 있다. 동일한 결과를 갖는 y-구속 케이블(104)에 대해 동일한 분석이 수행될 수 있다. 따라서, 도 3의 케이블 구속부는 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 변위가 동일하도록 구속하고, 그에 따라서, y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 이동이 동일하도록 구속한다.

도 4를 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 4개의 xy-구속 케이블(106, 108, 110, 112)을 포함하는 위치설정 시스템(1004)의 개략 평면도가 도시되어 있다. 구속 케이블은 출력 부재(32)의 그의 x-DOF(80)에서의 변위가 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 변위의 평균과 동일하도록 구속한다. 또한, 구속 케이블은 출력 부재(32)의 그의 y-DOF(82)에서의 변위가 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 변위의 평균과 동일하도록 구속한다.

도 4를 참조하면, xy-구속 케이블(106)은 고정 위치(56)로부터 연장되고 그에 고정되며, y-좌표 선형 캐리지(40) 상에 장착된 풀리(162) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(164) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(44) 상에 장착된 풀리(166) 둘레에 감기며, 고정 위치(52)에 고정된다. 시스템(1004)은 균형잡힌 한 세트의 구속부를 생성하기 위하여 케이블(106)의 것과 유사한 3개 이상의 구속부를 갖는다. 파선으로 도시된 xy-구속 케이블(108)은 고정 위치(50)로부터 연장되고 그에 고정되며, y-좌표 선형 캐리지(40) 상에 장착된 풀리(168) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(170) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상에 장착된 풀리(172) 둘레에 감기며, 고정 위치(54)에 고정된다. 파선으로 도시된 xy-구속 케이블(110)은 고정 위치(54)로부터 연장되고 그에 고정되며, y-좌표 선형 캐리지(42) 상에 장착된 풀리(174) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(176) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(44) 상에 장착된 풀리(178) 둘레에 감기며, 고정 위치(50)에 고정된다. xy-구속 케이블(112)은 고정 위치(52)로부터 연장되고 그에 고정되며, y-좌표 선형 캐리지(42) 상에 장착된 풀리(180) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(182) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상에 장착된 풀리(184) 둘레에 감기며, 고정 위치(56)에 고정된다. 따라서, xy-구속 케이블(106, 108, 110, 112)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템(1004)은 4개의 케이블(106, 108, 110, 112)에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

케이블(106, 108, 110, 112)의 일정한 길이에 기초하여, xy-구속 케이블(106)에 대해, 방정식

(5)

가 적용된다. 유사하게, xy-구속 케이블(108)에 대해, 방정식

(6)

이 적용된다. 방정식 (5) 및 (6)을 더하면 방정식

(7)

이 산출된다.

x ₁ 이 Δx ₁ 의 양만큼 변하여 x-좌표 선형 캐리지(44)의 새로운 위치가 (x ₁ + Δx ₁ )이 되도록 하고, x ₂ 가 Δx ₂ 의 양만큼 변하여 x-좌표 선형 캐리지(46)의 새로운 위치가 (x ₂ + Δx ₂ )가 되도록 하고, x _o 가 Δx _o 의 양만큼 변하여 출력 부재(32)의 새로운 x-좌표 위치가 (x _o + Δx _o )가 되도록 하면, 방정식 (7)에 기초하여, 방정식

(8)

이 적용되고, 이는

를 나타내도록 솔루션이 얻어질 수 있다.

마찬가지로, xy-구속 케이블(110)에 대해, 방정식

(9)

가 적용된다. 방정식 (5) 및 (9)를 더하면 방정식

(10)

이 산출된다.

y ₁ 이 Δy ₁ 의 양만큼 변하여 y-좌표 선형 캐리지(40)의 새로운 위치가 (y ₁ + Δy ₁ )이 되도록 하고, y ₂ 가 Δy ₂ 의 양만큼 변하여 y-좌표 선형 캐리지(42)의 새로운 위치가 (y ₂ + Δy ₂ )가 되도록 하고, y _o 가 Δy _o 의 양만큼 변하여 출력 부재(32)의 새로운 y-좌표 위치가 (y _o + Δy _o )가 되도록 하면, 방정식 (10)에 기초하여, 방정식

(11)

이 적용되고, 이는

를 나타내도록 솔루션이 얻어질 수 있다.

도 5를 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 도 2, 도 3, 및 도 4로부터의 모두 3개의 케이블 구속부를 포함하는 위치설정 시스템(1005)의 사시도가 도시되어 있다. 이는

및

인 구속조건을 야기한다. 따라서, 3개의 구속부의 조합은 출력 부재(32) 및 2개의 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 x-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속하고, 출력 부재(32) 및 2개의 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)가 y-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속한다.

도 5를 참조하면, 풀리(144, 146, 148, 150, 152, 154, 156, 158) 및 구속 케이블(98, 100, 102, 104)은 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 x-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속하기 위한 그리고 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)가 y-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속하기 위한, 도 2 및 도 3을 참조하여 더 상세히 설명되는 구속부들의 제1 층을 형성한다. 풀리(162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184) 및 구속 케이블(106, 108, 110, 112)은 출력 부재(32)가 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 중간점과 x-방향으로 동기하여 이동하도록 구속하기 위한 그리고 출력 부재(32)가 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 중간점과 y-방향으로 동기하여 이동하도록 구속하기 위한, 도 4를 참조하여 더 상세히 설명되는 구속부들의 제2 층을 형성한다. 고정 위치(50, 52, 54, 56)는 구속력 및 예비 장력을 프레임으로 전달하기 위하여, 명료함을 위하여 도시되지는 않은, 강성 프레임에 대한 구속 케이블의 연결을 제공한다. 선형 안내 레일(62, 64, 66, 68)은 구속 케이블(34)의 예비 장력상태로부터의 선형 캐리지 상의 힘에 저항하기 위하여 선형 캐리지(40, 42, 44, 46)를 프레임에 연결한다.

도 5의 구속부들의 조합 또는 임의의 유사한 조합이 출력 부재(32)의 이동 중심의 x- 및 y-좌표를 제어하기 위한 최소 세트의 구속부들을 구성하지만, 일반적으로 이들은 출력 부재(32)에 장착된 출력 장치의 x- 및 y-좌표를 제어하기에 충분하지 않을 것이라는 점에 주의한다. 이들은 출력 부재(32)의 그의 X- 및 Y-축을 중심으로 하는 회전에 민감할 것이기 때문에, 일반적으로, 출력 장치의 변위에 사인 오차(sine error)가 초래될 것이다. 또한, 도 5의 구속부들의 조합 또는 임의의 유사한 조합은 출력 부재(32)의 Z-축에 대한 어떠한 토크에도 저항할 수 없을 것이고, 이는 예를 들어 다양한 종류의 CNC 공작 기계에 매우 중요할 것이다. 또한, 도 5의 구속부들 또는 임의의 유사한 구속부들의 조합은 출력 부재(32)의 Z-방향의 어떠한 힘에도 저항할 수 없을 것이고, 이는 3D 프린터와 같은 정밀한 3차원 위치설정을 필요로 하는 임의의 장치에 중요할 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 출력 부재(32)의 나머지 자유도를 구속하고 다양한 실제 응용에서의 그의 이용을 가능하게 하는 추가 구속부들을 출력 부재(32) 상에 제공하는 것이다.

x- 및 y-방향으로 병진하는 것을 자유롭게 하면서 출력 부재(32)의 하나 이상의 회전 자유도를 구속하기 위하여, 출력 부재(32) 상에 구름 우력(rolling force couple)을 부과하는 하나 이상의 구속부가 이용될 수 있다.

도 6을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 출력 부재(32)가 그의 Z-축을 중심으로 회전하는 것을 구속하는 한 쌍의 θ-구속 케이블(114, 116)을 포함하는 위치설정 시스템(1006)의 개략 평면도가 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, θ-구속 케이블(114)은 x-좌표 선형 캐리지(44) 상의 고정점(304)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(188) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(190) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상의 고정점(306)에 고정된다. θ-구속 케이블(114)로부터의 모멘트를 출력 부재(32) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 제2 θ-구속 케이블(116)은 x-좌표 선형 캐리지(44) 상의 고정점(302)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(194) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(192) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상의 고정점(300)에 고정된다. 따라서, 케이블(114, 116)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

케이블의 일정한 길이에 기초하여, θ-구속 케이블(114)에 대해, 방정식

(12)

가 1차 근사로서 적용되는데, 여기서 d는 출력 부재(32) 상의 인접한 풀리들의 중심들 사이의 거리의 절반이다. θ _o 가 Δθ _o 의 양만큼 변하여 출력 부재(32)의 새로운 배향이 (θ _o +Δθ _o )가 되도록 하면, 방정식 (12)에 기초하여, 방정식

(13)

이 적용되고, 이는

을 나타내도록 솔루션이 얻어질 수 있다. 동일한 결과를 갖는 θ-구속 케이블(116)에 대해 동일한 분석이 수행될 수 있다. 따라서, 도 6의 케이블 구속부는 출력 부재(32)가 그의 Z-축을 중심으로 회전하는 것을 구속한다. 케이블 구속부는 또한 풀리가 케이블의 길이를 변화시키지 않고 케이블을 따라 구를 수 있기 때문에 출력 부재(32)가 자유롭게 병진하게 한다.

도 7을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 도 2, 도 3, 도 4, 및 도 6으로부터의 모두 4개의 케이블 구속부를 포함하는 위치설정 시스템(1007)의 사시도가 도시되어 있다. 이는

, 및

인 구속조건을 야기한다. 따라서, 4개의 구속부의 조합은 출력 부재(32) 및 2개의 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 x-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속하고, 출력 부재(32) 및 2개의 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)가 y-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속하고, 출력 부재(32)가 그의 Z-축을 중심으로 회전하는 것을 구속한다.

도 7을 참조하면, 제1 세트의 3개의 구속부가 도 2 내지 도 5의 설명에서 더 상세히 설명된다. 풀리(188, 190, 192, 194) 및 구속 케이블(114, 116)은 출력 부재가 그의 Z-축을 중심으로 회전하는 것을 구속하기 위한, 도 6을 참조하여 더 상세히 설명되는, 제4 구속부를 형성한다. 고정점(300, 302, 304, 306)은 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)에 대한 구속 케이블의 연결을 제공한다. 도 7의 다른 특징부는 도 5를 참조하여 논의된다.

θ에 대한 구속부가 출력 부재(32)와 x-좌표 선형 캐리지(44, 46) 사이에 도시되어 있지만, 출력 부재(32)와 y-좌표 선형 캐리지(40, 42) 사이에 또한 있을 수 있다는 것이 인식된다.

도 8을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 출력 부재(32)가 그의 Y-축을 중심으로 회전하는 것을 구속하는 한 쌍의 φ-구속 케이블(118, 120)을 포함하는 위치설정 시스템(1008)의 개략 정면도가 도시되어 있다. x-좌표 선형 캐리지(44, 46) 및 x-방향 선형 안내부(66, 68)는 명료함을 위하여 도시되어 있지 않다는 점에 주의한다.

도 8을 참조하면, φ-구속 케이블(118)은 y-좌표 선형 캐리지(40)의 상부 근처의 고정점(308)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(198) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(200) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(42)의 하부 근처의 고정점(310)에 고정된다. φ-구속 케이블(118)로부터의 모멘트를 출력 부재(32) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 제2 φ-구속 케이블(120)은 y-좌표 선형 캐리지(40)의 하부 근처의 고정점(312)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(202) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(204) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(42)의 상부 근처의 고정점(314)에 고정된다. 따라서, 케이블(118, 120)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

케이블의 일정한 길이에 기초하여, φ-구속 케이블(114)에 대해, 방정식

(14)

가 1차 근사로서 적용되는데, 여기서 d는 출력 부재(32) 상의 인접한 풀리들의 중심들 사이의 거리의 절반이다. φ _o 가 Δφ _o 의 양만큼 변하여 출력 부재(32)의 새로운 배향이 (φ _o +Δφ _o )가 되도록 하면, 방정식 (14)에 기초하여, 방정식

(15)

가 적용되고, 이는

을 나타내도록 솔루션이 얻어질 수 있다. 동일한 결과를 갖는 φ-구속 케이블(120)에 대해 동일한 분석이 수행될 수 있다. 따라서, 도 8의 케이블 구속부는 출력 부재가 그의 Y-축을 중심으로 회전하는 것을 구속한다. 케이블 구속부는 또한 풀리가 케이블의 길이를 변화시키지 않고 케이블을 따라 구를 수 있기 때문에 출력 부재(32)가 자유롭게 병진하게 한다.

도 9를 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 출력 부재(32)가 그의 X-축을 중심으로 회전하는 것을 구속하는 한 쌍의 ψ-구속 케이블(122, 124)을 포함하는 위치설정 시스템(1009)의 개략 우측면도가 도시되어 있다. y-좌표 선형 캐리지(40, 42) 및 y-방향 선형 안내부(62, 64)는 명료함을 위하여 도시되어 있지 않다는 점에 주의한다.

도 9를 참조하면, ψ-구속 케이블(122)은 x-좌표 선형 캐리지(44)의 상부 근처의 고정점(316)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(208) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(210) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46)의 하부 근처의 고정점(318)에 고정된다. ψ-구속 케이블(122)로부터의 모멘트를 출력 부재(32) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 제2 ψ-구속 케이블(124)은 x-좌표 선형 캐리지(44)의 하부 근처의 고정점(320)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(212) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(214) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상의 고정점(322)에 고정된다. 따라서, 케이블(122, 124)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

케이블의 일정한 길이에 기초하여, ψ-구속 케이블(122)에 대해, 방정식

(16)

이 1차 근사로서 적용되는데, 여기서 d는 출력 부재(32) 상의 인접한 풀리들의 중심들 사이의 거리의 절반이다. ψ _o 가 Δψ _o 의 양만큼 변하여 출력 부재(32)의 새로운 배향이 (ψ _o +Δψ _o )가 되도록 하면, 방정식 (16)에 기초하여, 방정식

(17)

이 적용되고, 이는

을 나타내도록 솔루션이 얻어질 수 있다. 동일한 결과를 갖는 ψ-구속 케이블(124)에 대해 동일한 분석이 수행될 수 있다. 따라서, 도 9의 케이블 구속부는 출력 부재가 그의 X-축을 중심으로 회전하는 것을 구속한다. 케이블 구속부는 또한 풀리가 케이블의 길이를 변화시키지 않고 케이블을 따라 구를 수 있기 때문에 출력 부재(32)가 자유롭게 병진하게 한다.

도 10을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 도 2, 도 3, 도 4, 도 6, 도 8, 및 도 9로부터의 모두 6개의 케이블 구속부를 포함하는 위치설정 시스템(1010)의 사시도가 도시되어 있다. 구속부들의 조합은

및

인 구속조건을 야기한다. 따라서, 6개의 구속부의 조합은 출력 부재(32) 및 2개의 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 x-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속하고, 출력 부재(32) 및 2개의 y-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 y-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속하고, 출력 부재(32)가 그의 Z-축, 그의 Y-축, 및 그의 X-축을 중심으로 회전하는 것을 구속한다.

도 10을 참조하면, 제1 세트의 4개의 구속부가 도 2 내지 도 7을 참조하여 더 상세히 설명된다. 풀리(198, 200, 202(보이지 않음), 204) 및 구속 케이블(118, 120)은 출력 부재가 그의 Y-축을 중심으로 회전하는 것을 구속하기 위한, 도 8을 참조하여 더 상세히 설명되는, 제5 구속부를 형성한다. 고정점(308, 310, 312, 314)은 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)에 대한 구속 케이블의 연결을 제공한다. 풀리(208, 210, 212(보이지 않음), 214) 및 구속 케이블(122, 124)은 출력 부재가 그의 X-축을 중심으로 회전하는 것을 구속하기 위한, 도 9를 참조하여 더 상세히 설명되는, 제6 구속부를 형성한다. 고정점(316, 318, 320(보이지 않음), 322)은 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)에 대한 구속 케이블의 연결을 제공한다. 도 10의 다른 특징부는 도 5 및 도 7을 참조하여 논의된다.

많은 위치설정 시스템 응용에서, 액추에이터를 이용하여 출력 부재의 위치를 제어하는 수단이 바람직하다. 도 2 및 도 3의 x- 및 y-좌표 선형 캐리지 구속부를 변형하는 것들을 포함하여, 다수의 구동 케이블 구속부가 가능하다.

도 11을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이, x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 이동이 동일하도록 구속하고 또한 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 변위가 액추에이터(350)에 의해 구동되는 구동 풀리(218)의 회전에 의해 제어되도록 구속하는 x-구속 케이블(100) 및 x-구동-x-구속 케이블(126)을 포함하는 위치설정 시스템(1011)의 개략 평면도가 도시되어 있다. 구동 풀리(218)의 회전은θ ₁ 로 지칭되는 회전 각도(92)에 의해 측정된다. 따라서, 구속부는 도 2에 도시된 구속부의 변형된 형태(version)로, 고정 위치(50)에 고정된 액추에이터(350)를 통하여 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)를 구동하기 위한 수단이 부가되어 있다.

도 11을 참조하면, x-구동-x-구속 케이블(126)은 액추에이터(350)에 장착된 구동 풀리(218) 둘레에 미끄러짐 없이 감기며, 고정 위치(52)에 장착된 풀리(220) 둘레에 감기며, 고정 위치(54)에 장착된 풀리(222) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46)에 장착된 풀리(144) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(44)에 장착된 부착 특징부(324)에 단단히 부착되며, 그의 루프를 구동 풀리(218) 둘레에 완성한다. x-구동-x-구속 케이블(126)로부터의 힘을 x-좌표 선형 캐리지(44, 46) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 x-구속 케이블(100)은 고정 위치(56)로부터 연장되고 그에 고정되며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상에 장착된 풀리(148) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(44) 상에 장착된 풀리(150) 둘레에 감기며, 고정 위치(52)에 고정된다. 따라서, 케이블(126, 100)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

도 2의 설명으로부터의 방정식 (1) 및 (2)가 여기에도 또한 적용되기 때문에, 이들의 결과

가 또한 적용되고 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 이동은 동일하도록 구속된다. 그러나, 이러한 경우에, 부착 특징부(324)의 위치 및 그에 따른 x-좌표 선형 캐리지(44)의 위치는 구동 풀리(218)의 회전에 의해 제어된다. 더 정확하게는, 방정식

(18)

이 적용되는데, 여기서 R ₁ 은 구동 풀리(218)의 반경이다. 따라서, 전체 구속조건은

으로, 즉 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)는 서로 동기하여 그리고 액추에이터(350)에 의해 제어되는 구동 풀리(218)의 회전과 동기하여 이동하도록 구속된다.

도 12를 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이, y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 이동이 동일하도록 구속하고 또한 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 변위가 액추에이터(352)에 의해 구동되는 구동 풀리(226)의 회전에 의해 제어되도록 구속하는 y-구속 케이블(104) 및 y-구동-y-구속 케이블(128)을 포함하는 위치설정 시스템(1012)의 개략 평면도가 도시되어 있다. 구동 풀리(226)의 회전은θ ₂ 로 지칭되는 회전 각도(94)에 의해 측정된다. 따라서, 구속부는 도 3에 도시된 구속부의 변형된 형태로, 고정 위치(52)에 고정된 액추에이터(352)를 통하여 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)를 구동하기 위한 수단이 부가되어 있다.

도 12를 참조하면, y-구동-y-구속 케이블(128)은 액추에이터(352)에 장착된 구동 풀리(226) 둘레에 미끄러짐 없이 감기며, 고정 위치(54)에 장착된 풀리(228) 둘레에 감기며, 고정 위치(56)에 장착된 풀리(230) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(40)에 장착된 풀리(152) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(42)에 장착된 부착 특징부(326)에 단단히 부착되며, 그의 루프를 구동 풀리(226) 둘레에 완성한다. y-구동-y-구속 케이블(128)로부터의 힘을 y-좌표 선형 캐리지(40, 42) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 y-구속 케이블(104)은 고정 위치(54)로부터 연장되고 그에 고정되며, y-좌표 선형 캐리지(42) 상에 장착된 풀리(156) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(40) 상에 장착된 풀리(158) 둘레에 감기며, 고정 위치(50)에 고정된다. 따라서, 케이블(128, 104)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

도 3의 설명으로부터의 방정식 (3) 및 (4)가 여기에도 또한 적용되기 때문에, 이들의 결과

가 또한 적용되고 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 이동은 동일하도록 구속된다. 그러나, 이러한 경우에, 부착 특징부(326)의 위치 및 그에 따른 y-좌표 선형 캐리지(42)의 위치는 구동 풀리(226)의 회전에 의해 제어된다. 더 정확하게는, 방정식

(19)

가 적용되는데, 여기서 R₂는 구동 풀리(226)의 반경이다. 따라서, 전체 구속조건은

로, 즉 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)는 서로 동기하여 그리고 액추에이터(352)에 의해 제어되는 구동 풀리(226)의 회전과 동기하여 이동하도록 구속된다.

도 13을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이, x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 이동이 동일하도록 구속하고 또한 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 변위가 액추에이터(350)에 의해 구동되는 구동 풀리(218)의 회전에 의해 제어되도록 구속하고 또한 출력 풀리(242)의 회전이 액추에이터(354)에 의해 구동되는 구동 풀리(234)의 회전에 의해 제어되도록 구속하는 x-구동-x-구속 케이블(126) 및 θ ₄ -구동-x-구속 케이블(130)을 포함하는 위치설정 시스템(1013)의 개략 평면도가 도시되어 있다. 구동 풀리(234)의 회전은θ ₃ 로 지칭되는 회전 각도(96)에 의해 측정된다. 출력 풀리(242)의 회전은θ ₄ 로 지칭되는 회전 각도(97)에 의해 측정된다. 따라서, 구속부는 도 11에 도시된 구속부의 변형된 형태로, 고정 위치(56)에 고정된 액추에이터(354)를 통하여 출력 풀리(242)를 구동하기 위한 수단이 부가되어 있다.

도 13을 참조하면, 파선으로 도시된 θ ₄ -구동-x-구속 케이블(130)은 액추에이터(354)에 장착된 구동 풀리(234) 둘레에 미끄러짐 없이 감기며, 고정 위치(54)에 장착된 풀리(236) 둘레에 감기며, 고정 위치(52)에 장착된 풀리(238) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(44)에 장착된 풀리(150) 둘레에 감기며, 출력 부재(32)에 장착된 풀리(240) 둘레에 감기며, 출력 부재(32)에 장착된 출력 풀리(242) 둘레에 미끄러짐 없이 감기며, 출력 부재(32)에 장착된 풀리(244) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46)에 장착된 풀리(148) 둘레에 감기며, 그의 루프를 구동 풀리(234) 둘레에 완성한다. θ ₄ -구동-x-구속 케이블(130)로부터의 힘을 균형잡기 위하여, x-구동-x-구속 케이블(126)은 액추에이터(350)에 장착된 구동 풀리(218) 둘레에 미끄러짐 없이 감기며, 고정 위치(52)에 장착된 풀리(220) 둘레에 감기며, 고정 위치(54)에 장착된 풀리(222) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46)에 장착된 풀리(144) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(44)에 장착된 부착 특징부(324)에 단단히 부착되며, 그의 루프를 구동 풀리(218) 둘레에 완성한다. 따라서, 케이블(130, 126)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

x-구동-x-구속 케이블(126)로부터의 구속부가 여기에서는 도 11의 설명에서와 동일하기 때문에, 구속조건

은 여기에도 또한 적용되는데, 즉 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)는 서로 동기하여 그리고 액추에이터(350)에 의해 제어되는 구동 풀리(218)의 회전과 동기하여 이동하도록 구속된다.

더욱이, 출력 풀리(242)의 회전은, 방정식

에 따라서, x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 변위에, 그리고 그에 따라서 구동 풀리(218)의 회전에, 그리고 구동 풀리(234)의 회전에 결합되는데, 상기 방정식에서, R ₃ 은 구동 풀리(234)의 반경이고, R ₄ 는 출력 풀리(234)의 반경이다.

도 11 내지 도 13의 것들과 유사한 추가의 구동 구속부들이 출력 부재(32)에 대한 부가적인 자유도를 구동하기 위하여 부가될 수 있다는 점에 주의한다.

도 14를 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 도 4, 도 6, 도 8, 도 9, 도 11, 및 도 13으로부터의 모두 6개의 케이블 구속부를 포함하는 위치설정 시스템(1014)의 사시도가 도시되어 있다. 구속부들의 조합은

_, 및

인 구속조건을 야기한다. 따라서, 6개의 구속부의 조합은 출력 부재(32) 및 2개의 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 x-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 그리고 액추에이터(350)에 의해 제어되도록 구속하고, 출력 부재(32) 및 2개의 y-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 y-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 그리고 액추에이터(352)에 의해 제어되도록 구속하고, 출력 부재(32)가 그의 Z-축, 그의 Y-축, 및 그의 X-축을 중심으로 회전하는 것을 구속하고, 출력 풀리(242)가 액추에이터(350, 354) 둘 모두에 의해 제어되도록 구속한다.

도 14를 참조하면, 4개의 구속부가 도 4 내지 도 10을 참조하여 더 상세히 설명된다. 풀리(218, 220, 222, 144) 및 부착 특징부(324) 및 액추에이터(350) 및 구속 케이블(126) 및 풀리(234, 236, 238, 150, 240, 242, 244, 148) 및 액추에이터(354) 및 구속 케이블(130)은 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 서로 그리고 액추에이터(350)와 동기하여 이동하도록 구속하기 위한 그리고 출력 풀리(242)가 액추에이터(350) 및 액추에이터(354)와 동기하여 회전하도록 구속하기 위한, 도 13을 참조하여 더 상세히 설명되는, 제5 구속부를 형성한다. 풀리(226, 228, 230, 152) 및 부착 특징부(326) 및 액추에이터(352) 및 구속 케이블(128) 및 풀리(156, 158) 및 구속 케이블(104)은

y-좌표 선형 캐리지(40, 42)가 서로 그리고 액추에이터(352)와 동기하여 이동하도록 구속하기 위한, 도 12를 참조하여 더 상세히 설명되는, 제6 구속부를 형성한다. 도 14의 다른 특징부는 도 5, 도 7 및 도 10을 참조하여 논의된다.

출력 부재(32)의 Z-변위를 방지하기 위한 케이블 구속부의 설계는 이동 방향에 대해 일정 각도로 놓여야만 하는 비선형으로 변하는 케이블의 길이를 다루기 위하여 부가적인 구성요소를 도입한다는 점에서 특유하다.

도 15를 참조하면, 케이블을 권취 및 권취해제하는 미리규정된 가변 속도를 얻기 위한 동기 가변 반경 스풀(1015)이 도시되어 있다. 가변 반경 스풀(372)은 중첩 없이 케이블을 권취하기 위한 나선형 홈(374)을 갖는다. 홈(374)은 가변 반경을 갖는다. 이동 동기화 요소(376)가 가변 반경 스풀(372)에 단단히 결합되고, 축(378)을 중심으로 가변 반경 스풀(372)과 함께 회전한다. 예시를 위하여, 이동 동기화 요소(376)는 타이밍 벨트 풀리로서 도시되어 있지만, 일정한 반경의 기어, 풀리 또는 스풀을 포함할 수 있고 이에 제한되지 않는다. 가변 반경 스풀(372)은 감겨진 케이블의 일 단부를 체결하기 위한 부착점(380)을 갖는다. 스풀(372)의 주어진 회전 속도에 대해, 스풀이 케이블을 권취하거나 권취해제하는 속도는 케이블의 자유 길이와의 교차점에서 스풀의 반경에 따라 변할 것이다. 속도는 반경 증가에 따라 증가하고 반경 감소에 따라 감소한다.

도 16을 참조하면, 케이블을 이용하여 단방향으로 구속된 직선 이동을 달성하기 위한 시스템(1016)이 도시되어 있다. 동기 가변 반경 스풀(430, 432)은 도 15의 것과 유사한 스풀이다. 스풀(430)은 베이스(410)의 좌측에 고정되고 그의 축을 중심으로 자유롭게 회전한다. 스풀(432)은 베이스(410)의 우측에 고정되고 그의 축을 중심으로 자유롭게 회전한다. 동기화 전달 요소(490)가 스풀(430, 432)의 동기화 요소와 맞물려서, 그에 따라서, 이들이 종속적인(dependent) 속도로 회전하도록 구속한다. 동기화 전달 요소(490)는 타이밍 벨트, 미끄럼 없는 벨트, 미끄럼 없는 케이블, 또는 기어를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 스풀(430, 432)은 하나가 케이블을 권취하고 있는 경우 다른 하나는 케이블을 권취해제하도록 구성된다. 케이블(420)은 스풀(430) 상에 부분적으로 권취되고 케이블(422)은 스풀(432) 상에 부분적으로 권취된다. 케이블(420, 422)은, 설명을 위하여, 케이블(420, 422)에 양의 장력을 유지하기 위하여 스프링(498)을 통한 힘(500)에 의해 상향으로 당겨지는 점(414)에서 만난다. 점(414)은 속도(460)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 시스템(1016)의 기하학적 형상에 기초하여, xz-평면 내의 점(414)의 위치는 케이블(420, 422)의 자유 길이에 의해 전적으로 결정되며, 이는 서로 종속적인 스풀(430, 432)의 회전에 의해 결정된다. 따라서, 본 시스템은 단일 자유도를 갖는다. 점(414)은 케이블(420, 422)에 의해 베이스(410)로부터 더 멀리 이동하는 것이 구속된다. 스풀(430, 432)의 가변 반경은, 케이블이 인장 상태로 유지되는 것을 고려하면, 점(414)이 그의 이동 범위 내의 임의의 점에서 직선(412) 상에 놓이는 것으로 구속되도록 설계된다. 그러한 구속조건을 달성하기 위하여, 각각의 케이블의 자유 길이와 교차하는 점에서의 주어진 스풀의 반경은 점(414)이 스풀에 접근함에 따라 감소하고 점(414)이 스풀로부터 더 멀리 이동함에 따라 증가하여, 케이블의 권취 또는 권취해제 속도를 점(414)의 속도(460)의 케이블 방향 성분과 동일하게 유지하도록 한다. 점(414)이 케이블의 스풀과 교차하는 점의 거의 바로 위에 있는 경우, 점의 속도의 케이블 방향 성분은 거의 제로(0)이고 그에 따라서 스풀의 반경이 매우 작을 것이다. 점(414)이 스풀로부터 더 멀리 이동하고 케이블이 더 수평하게 됨에 따라, 속도의 케이블 방향 성분은 속도(460)의 최대 크기에 접근하고 스풀의 반경은 최대 한계에 접근한다. 도 15를 참조하면, 점(414)이 스풀(430)에 근접하기 때문에, 케이블(420)의 권취해제 속도(462)는 비교적 느리고 스풀(430)의 반경은 그의 케이블(420)과 교차하는 점에서 작다. 다른 한편으로, 스풀(432)로부터의 점(414)의 비교적 큰 거리 때문에, 케이블(422)의 권취 속도(464)는 비교적 빠르고 그의 스풀(432)과의 교차점에서의 반경은 크다.

도 16의 시스템에 대한 하나의 가능한 문제점은 점(414)이 스풀에 접근함에 따라 필요한 스풀의 반경이 제로로 줄어든다는 것이다. 이는 반경이 케이블에 대한 최소 권장 굽힘 반경 미만으로 되는 경우 케이블에 유해할 수 있다. 원하는 이동 범위를 얻기 위하여 스풀의 반경을 설계하는 것이 또한 불가능할 수 있다. 이러한 문제를 완화하기 위한 한 가지 방법은 차동 스풀을 이용하는 것이다.

도 17을 참조하면, 차동 가변 반경 스풀을 이용하여 단방향으로 구속된 직선 이동을 달성하기 위한 시스템(1017)이 도시되어 있다. 케이블(420)은 베이스(410)에 고정되고 자신의 축을 중심으로 자유롭게 회전하는 동기 가변 반경 스풀(430) 상에 부분적으로 권취되며, 점(414)에서 자신의 중심에 대해 자유롭게 회전하는 풀리(438) 둘레에 감기며, 베이스(410)에 고정되고 자신의 축을 중심으로 자유롭게 회전하는 일정 반경 스풀(434) 상에 부분적으로 권취된다. 스풀(430, 434) 둘 모두는, 스풀(430) 및 스풀(434) 둘 모두의 동기화 요소와 맞물리는 동기화 전달 요소(492)에 의해 함께 회전하도록 구속된다. 스풀(430, 434)로부터 점(414)까지의 거리가 증가(감소)하는 속도는 스풀(430)이 권취해제(권취)되는 속도와 스풀(434)이 권취(권취해제)되는 속도 사이의 차이와 동일하다. 두 반경이 동일해지기 때문에 두 속도가 같아지는 경우, 점(414)까지의 거리의 변화 속도는 제로가 된다. 이는 스풀로부터 점(414)까지의 거리의 변화 속도가 제로와 동일해지더라도 충분히 큰 직경의 스풀을 이용할 수 있게 한다. 권취 또는 권취해제의 차동 속도는 심지어 부호(sign)를 바꿀 수 있어서, 서로 반대편인 단부 스풀들 사이의 영역을 바로 넘어서서 이동 범위를 확장하게 할 수 있다. 스풀(436)이 가변 반경 스풀로서 도시된 것을 제외하고는, 스풀(430, 434), 동기화 전달 요소(492), 케이블(420), 및 풀리(438)의 차동 배열에 대해 설명된 동일한 상황이 스풀(432, 436), 케이블(422), 동기화 전달 요소(494), 및 풀리(438)에 대해서 존재한다. 한 쌍의 스풀(430, 434)의 회전은 동기화 전달 요소(490)에 의한 한 쌍의 스풀(432, 436)의 회전과 동기화된다. 도 16을 참조하여 설명되었던 바와 유사하게, 스풀(430, 432, 434, 436)의 반경은, 케이블이 인장 상태로 유지되는 것을 고려하면, 점(414)이 그의 이동 범위 내의 임의의 점에서 직선(412) 상에 놓이는 것으로 구속되도록 설계된다.

도 18을 참조하면, 케이블 및 2개의 인접한 동기 가변 반경 스풀을 이용하여 단방향으로 구속된 직선 이동을 달성하기 위한 시스템(1018)이 도시되어 있다. 스풀(432)이 스풀(430)에 인접하게 이동되고 풀리(438)가 우측에 부가되어 케이블(422)을 스풀(432)에 연결하는 것을 제외하고는, 구성이 도 16의 구성과 동일하다.

일부 상황에서 2개의 동기 가변 반경 스풀(430, 432)을 단일 부품으로 일체화된 둘의 가변 반경을 갖는 단일 스풀로 대체하는 것이 유리할 수 있다는 것이 인식된다.

도 19를 참조하면, 케이블의 권취 및 권취해제의 미리규정된 가변 속도를 얻기 위한 양측 가변 반경 스풀 및 케이블을 포함하는 시스템(1019)이 도시되어 있다. 양측 가변 반경 스풀(398)은 중첩 없이 케이블을 권취하기 위한 홈(392)을 갖는다. 홈(392)은 가변 반경을 갖는다. 케이블(420)은 스풀의 전방측으로부터 가변 반경 스풀(398) 상으로 홈(392) 내에 권취된다. 다른 케이블(422)은 스풀의 후방측으로부터 가변 반경 스풀(398) 상으로 홈(392) 내에 권취된다. 이 경우, 케이블(420, 422)은 동일한 케이블의 일부이지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 스풀(398)은 회전축(396)을 중심으로 회전할 수 있다. 스풀(398)이 회전함에 따라, 케이블(420, 422)의 각각의 길이는 회전 속도 및 스풀(398)과 교차하는 각각의 점에서의 홈(392)의 반경에 따라 변하는 속도로 변화한다. 스풀의 반시계 방향 회전은 케이블(420)이 스풀(398)의 중심에 도달할 때까지 그의 교차점에서 스풀의 반경이 증가함에 따라 점점 더 빠른 속도로 길어지게 할 것이라는 점에 주의한다. 스풀의 동일한 반시계 방향 회전은 케이블(422)이 스풀(398)의 후방 단부에 도달할 때까지 그의 교차점에서 스풀의 반경이 증가함에 따라 점점 더 느린 속도로 짧아지게 할 것이다. 스풀의 회전 방향을 반대로 하면 케이블(420, 422)의 역할이 바뀔 것이다. 스풀(398)을 반시계 방향 및 시계 방향으로 반복적으로 회전시키면 케이블의 권취되는 길이가 스풀의 중심에 대해 전방 및 후방으로 왕복(shuttle)될 것이다. 도시된 바와 같이, 반경이 가장 큰 중심에서, 권취된 길이가 가장 길고 자유 길이는 가장 짧은 한편, 반경이 가장 작은 두 단부에서, 권취된 길이가 가장 짧을 것이고 자유 길이는 가장 길 것이다. 이는 직선 이동에 필요한 기하학적 형상에 대응한다. 이동 범위의 중심에서, 케이블이 스풀(398) 상의 중심에 있는 경우, 케이블의 전체 자유 길이는 가장 짧다. 이동 범위의 말단에서, 케이블이 스풀(398)의 단부들 중 하나의 근처에 모이는 경우, 케이블의 전체 자유 길이는 가장 길다.

도 20을 참조하면, 도 19의 것과 유사한, 케이블 및 단일의 고정된 양측 가변 반경 스풀을 이용하여 단방향으로 구속된 직선 이동을 달성하기 위한 시스템(1020)이 도시되어 있다. 2개의 동기화된 스풀이 단일 몸체로 일체화된 2개의 가변 반경 홈을 갖는 단일의 양측 가변 반경 스풀(450)로 대체되었다는 것을 제외하고는, 구성이 도 18의 구성과 유사하다.

도 21을 참조하면, 케이블 및 단일의 이동하는 양측 가변 반경 스풀을 이용하여 단방향으로 구속된 직선 이동을 달성하기 위한 시스템(1021)이 도시되어 있다. 케이블(420)은 고정점(416)에서 베이스(410)에 고정되고, 케이블(422)은 고정점(418)에서 베이스(410)에 고정된다. 양측 가변 반경 스풀(450)이 직선 경로(412)를 따라 우측으로 이동함에 따라, 이는 반시계 방향으로 회전하여, 케이블(420)을 그의 좌측으로 권취해제하고 케이블(422)을 그의 우측으로 권취한다. 케이블의 위치 및 속도의 함수로서 케이블을 권취해제하고 권취하는 속도는 스풀의 형상에 의해 결정되고 직선 경로(412)를 따른 직선 이동을 유지하도록 설계된다.

도 22a를 참조하면, 단방향으로 구속된 직선 이동을 달성하기 위한 도 21의 시스템의 일측 반부와 같은 시스템(1022)이 그의 경로를 따르는 다양한 위치에 도시되어 있다. 양측 가변 반경 스풀(450)은, 단일 케이블(420)이 그의 좌측에 있고 고정점(416)에서 베이스(410)에 고정되어 있는 것으로 도시되어 있다. 스풀(450)의 회전 속도는 그의 속도에 종속되며, 스풀의 형상은 스풀(450)의 회전축을 그의 경로를 따르는 각각의 위치에서 직선 경로(412) 상에 유지시키도록 케이블(420)의 필요한 길이를 유지하는 데 상응한다. 스풀의 우측에 있는 케이블이 도시되어 있지 않았지만, 구속부의 완성 시의 그의 효과는 스풀을 그의 직선 경로 상에 유지시키는 데 여전히 효과가 있다는 것은 이해된다.

도 22b 내지 도 22e를 참조하면, 도 22a의 양측 가변 반경 스풀의 일측 반부의 확대도가 그의 경로를 따르는 다양한 위치에서 도시되어 있다. 케이블과 교차하는 점에서의 반경은 스풀의 그의 고정점으로부터의 거리가 증가함에 따라 증가하고 케이블은 더 수평이 되어 간다.

원하는 직선 이동을 유지하는 데 필요한 스풀의 정확한 형상을 결정하기 위하여, 시스템의 기하학적 형상을 고려할 필요가 있다. 도 22a의 시스템을 예로서 보면, 스풀의 반경은 구속조건

(20)

을 인식함으로써 이전의 알려진 솔루션으로부터 작은 변위를 가정하여 반복적으로 결정될 수 있는데, 여기서 s는 스풀의 중심에 대한 스풀 상에 감긴 케이블의 호의 길이로 정의되며, L은 스풀과 베이스 상의 케이블의 고정점 사이의 자유 케이블 길이로 정의되며, α는 스풀이 임의의 기준 각도에 대해 회전한 각도로 정의된다. 말하자면, 권취된 케이블의 길이가 증가하는 속도는 자유 케이블의 길이가 감소하는 속도와 동일하다. 권취된 케이블의 길이는 주로 스풀의 형상의 함수이고, 자유 케이블의 길이는 주로 시스템의 전체적인 기하학적 형상의 함수이다. 스풀의 반경에 대한 이전의 유효한 솔루션 및 그의 속도의 함수로서의 스풀의 회전 속도의 알려진 바를 고려하면, 시스템의 기하학적 형상 및 방정식 (20)에 기초하여, 스풀의 현재 반경에 대한 솔루션으로 수렴하는 것이 가능하여야 한다. 이러한 프로세스는 각도(α)의 함수로서 스풀의 반경에 대한 전체 솔루션을 생성하기 위하여, 케이블을 본질적으로 수평인 것으로 간주하고 그에 따라서 스풀의 반경을

인 것으로 근사하도록 고정점으로부터 충분히 먼 위치에서 시작하여, 반복될 수 있다.

솔루션이 얻어진 방정식이 특정 기하학적 형상을 반영하도록 조정되면, 동일한 과정은, 베이스에 대해 일정 각도를 이루는 직선 또는 임의의 형상의 매끄러운 곡선을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 기하학적 형상에 대해서 가능하다.

도 22f를 참조하면, 단방향으로 구속된 직선 이동을 달성하기 위한 도 21의 시스템의 일측 반부와 같은 시스템(1022)이 그의 경로를 따르는 다양한 위치에 도시되어 있다. 양측 가변 반경 스풀(450)은, 단일 케이블(422)이 그의 우측에 있고 고정점(418)에서 베이스(410)에 고정되어 있는 것으로 도시되어 있다. 스풀(450)의 회전 속도는 그의 속도에 종속되며, 스풀의 형상은 스풀(450)의 회전축을 그의 경로를 따르는 각각의 위치에서 직선 경로(412) 상에 유지시키도록 케이블(422)의 필요한 길이를 유지하는 데 상응한다. 도 22f를 도 22a에 비교하면, 이러한 경우, 2개의 구성은 서로 거울 상이고, 그에 따라서, 필요한 홈 프로파일은 180도 뒤집어진 것을 제외하고는 동일할 것이라는 것이 인식된다. 스풀의 좌측에 있는 케이블이 도시되어 있지 않았지만, 구속부의 완성 시의 그의 효과는 스풀을 그의 직선 경로 상에 유지시키는 데 여전히 효과가 있다는 것은 이해된다.

도 22g 내지 도 22k를 참조하면, 도 22f의 양측 가변 반경 스풀의 일측 반부의 확대도가 그의 경로를 따르는 다양한 위치에서 도시되어 있다.

도 22l을 참조하면, 단방향으로 구속된 직선 이동을 달성하기 위한 도 21의 시스템과 같은 시스템(1022)이 그의 경로를 따르는 다양한 위치에 도시되어 있다. 양측 가변 반경 스풀(450)은, 케이블(420, 422)이 그의 좌측 및 우측에 각각 있고 고정점(416, 418)에서 베이스(410)에 각각 고정되어 있는 것으로 도시되어 있다. 스풀(450)의 회전 속도는 그의 속도에 종속되며, 스풀의 형상은 스풀(450)의 회전축을 그의 경로를 따르는 각각의 위치에서 직선 경로(412) 상에 유지시키도록 케이블(420, 422)의 필요한 길이를 유지하는 데 상응한다. 양측 가변 반경 스풀(450)에 대한 전체 홈 프로파일의 일측 반부는 도 22a 내지 도 22e에 도시된 것일 것이고 일측 반부는 도 22f 내지 도 22k에 도시된 것일 것임이 인식된다.

도 22m 내지 도 22p를 참조하면, 도 22l의 양측 가변 반경 스풀의 확대도가 그의 경로를 따르는 다양한 위치에서 도시되어 있다.

도 22l 내지 도 22p에 도시된 양측 가변 반경 스풀 프로파일이 도 19에 도시된 유사한 스풀의 3차원 도면의 2차원 투영에 대응한다는 것은 이해된다.

여기에서는 단방향 직선 구속부의 2차원 해석에 초점이 맞춰졌으나, 3차원 해석이 또한 유효하다는 점에 주의한다. 도 22l의 스풀(350)을 예로서 보면, 3차원에서, 스풀의 경로를 따르는 특정 위치에서의 스풀은 더 이상 도면의 평면에 한정되지 않지만, 고정점(416, 418)에 의해 정의된 축을 중심으로 도면 평면의 내외로 회전하는 여분의 자유도를 갖는다. 그렇게 하면서, 그의 케이블 둘 모두가 인장 상태로 유지되면, 이는 그의 경로를 따르는 각각의 위치에서 X-축을 중심으로 반원형 경로를 그릴 것이다. 각각의 원형 경로는 베이스 평면(410)으로부터 그리고 그 위의 최대 거리의 점을 가질 것이다. 평면 위의 최대 거리의 이들 점의 궤적은 원하는 직선 경로(412)를 한정한다. 단방향 직선 구속부에 의해 스풀이 최대 거리의 점들의 궤적을 통과하는 베이스 평면에 평행한 평면에 의해 정의된 평면을 지나가는 것은 방지된다.

도 15 내지 도 22p의 설명이 베이스 평면에 평행한 직선 이동을 달성하는 데 초점을 두었지만, 스풀의 필요한 형상을 생성할 때 솔루션이 얻어지는 방정식에서 원하는 기하학적 형상을 단순히 고려함으로써 다른 궤도가 가능하다는 점에 주의한다.

3D 인쇄 또는 적층 제조(additive manufacturing)가 가변 반경 스풀을 제조하는 특히 적합한 방법일 수 있는데, 이는 각각의 스풀의 형상이 응용예에 따라 특정 기하학적 형상에 대해 맞춤제작될 필요가 있을 것이기 때문이라는 점에 주의한다.

가변 반경 스풀은 원하는 구속부를 달성하기 위하여 다양한 방식으로 조합 및 구성될 수 있다는 점에 주의한다.

도 23a를 참조하면, 2개의 양측 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속부(2301)의 사시도가 도시되어 있다. 한 세트인 2개의 서로 반대편인 양측 가변 반경 스풀(518)들은 도 21에 예시를 위하여 도시된 스프링(500)에 대한 필요성을 제거한 균형잡힌 구속부를 제공한다. 양측 가변 반경 스풀(518)의 각각은 도 21의 이동 스풀 시스템(1021)의 단일 실시예에 대응한다는 것이 인식된다. 선형 구속부(2301)는 출력 부재(512)에 대해 x-방향으로 직선 이동을 허용하고 Z-방향의 힘에 저항하는 선형 베어링으로서 작용한다. 양측 가변 반경 스풀(518)의 각각에 대한 케이블의 2개의 단부는 서로로부터 Y-방향으로 선형으로 변위되며, 이는, 또한, 변위량에 따라 Z-축을 중심으로 하는 회전에 대해 어느 정도의 저항을 제공할 것이라는 점에 주의한다. 고정 블록(514, 516)은 선형 구속부(2301)로부터의 힘을 강성 프레임으로 전달하며, 프레임은 명료함을 위하여 도시되어 있지 않다.

도 23b를 참조하면, 4개의 양측 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속부(2302)의 사시도가 도시되어 있다. 한 세트인 4개의 양측 가변 반경 스풀(522)은, 출력 부재(512)에 대해 x-방향으로 직선 이동을 허용하고 y- 및 z-방향 둘 모두의 방향의 힘에 저항하는 선형 베어링으로서 작용하는 균형잡힌 구속부를 제공한다.

이들 구속부는 또한 도 6 및 도 8로부터의 구속부들 중 하나 이상과 조합되어 y- 또는 z-축을 중심으로 하는 회전에 대항하여 출력 부재(512)를 구속할 수 있다는 점에 주의한다.

도 23c를 참조하면, 3개의 양측 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속부(2303)의 사시도가 도시되어 있다. 한 세트인 3개의 양측 가변 반경 스풀(524)은, 출력 부재(512)에 대해 x-방향으로 직선 이동을 허용하고 y- 및 z-방향 둘 모두의 방향의 힘에 저항하는 선형 베어링으로서 작용하는 균형잡히지 않은 구속부를 제공한다. 구속부를 균형잡기 위하여 균형잡기 모멘트(counterbalancing moment)(520)가 부과되어야만 한다.

도 23d를 참조하면, 도 23c로부터의 선형 구속부(2303)의 우측면도가 도시되어 있다. 케이블 내의 양의 장력이 양의 ψ-방향으로 모멘트를 부과할 것이기 때문에, 균형잡기 모멘트(520)는 구속부를 균형잡기 위하여 음의 ψ-방향으로 부과되어야만 한다.

도 23e를 참조하면, 구속부가 Y-축을 중심으로 180도 뒤집어진 것을 제외하고는 도 23c로부터의 선형 구속부(2303)의 우측면도가 도시되어 있다. 케이블 내의 양의 장력이 음의 ψ-방향으로 모멘트를 부과할 것이기 때문에, 균형잡기 모멘트(520)는 구속부를 균형잡기 위하여 양의 ψ-방향으로 부과되어야만 한다.

도 23d 및 도 23e의 구속부들의 조합이 균형잡힌 구속부를 달성하기 위하여 X-축을 중심으로 하는 균형잡히지 않은 모멘트들을 균형잡을 수 있다는 점에 주의한다.

도 23f를 참조하면, 6개의 양측 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속부(2306)의 사시도가 도시되어 있다. 한 세트인 6개의 양측 가변 반경 스풀(526)은, 출력 부재(512)에 대해 x-방향으로 선형 베어링으로서 작용하고 y- 및 z-방향의 힘에 저항하고 x-, y-, 및 z-축을 중심으로 하는 모멘트에 저항하는 균형잡힌 구속부를 제공한다.

예시를 위하여, 이러한 조합의 구속부들이 도 21과 유사한 이동 스풀과 함께 도시되어 있지만, 이들 중 임의의 것은 도 16 내지 도 18 및 도 20과 유사한 정지 스풀을 이용하여 조합 구속부들로 달성될 수 있다는 점에 주의한다.

여기에 도시된 것들과 유사한 가변 반경 스풀을 이용하는 선형 구속부는 위치설정 시스템의 선형 안내 요소로서 이용하기에 적합할 수 있다는 점에 주의한다.

케이블 및 가변 반경 스풀을 이용하는 구속부들의 많은 다른 조합 및 구성이 여기에 도시되었던 것 이외에도 가능하다는 점에 주의한다.

액추에이터를 이용하여 가변 반경 스풀의 회전을 구동함으로써, 도시되거나 도시되지 않은 구속부들 중 임의의 구속부에서 출력 부재를 구동하는 것이 가능하다는 점에 주의한다.

도 24를 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 출력 부재(32)가 z-방향으로 변위하는 것을 구속하는 4개의 z-구속 케이블(132, 134, 136, 138)을 포함하는 위치설정 시스템(1024)의 개략 정면도가 도시되어 있다. 양측 가변 반경 스풀(360) 및 양측 가변 반경 스풀(362)은 케이블(132, 134, 136, 138)의 길이를 출력 부재(32)에 대한 일정한 z-좌표를 그의 이동 범위에 걸쳐 유지하는데 필요한 것과 동일하게 유지시키는 균형잡힌 구속부를 완성한다. x-좌표 선형 캐리지(44, 46) 및 x-방향 선형 안내부(66, 68)는 명료함을 위하여 도시되어 있지 않다는 점에 주의한다.

도 24를 참조하면, z-구속 케이블(132)은 y-좌표 선형 캐리지(40)의 상부 근처의 고정점(328)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 출력 부재(32)의 하부 근처에 장착된 양측 가변 반경 스풀(362)의 전방 반부 둘레에 감긴다. 제2 z-구속 케이블(134)은 y-좌표 선형 캐리지(42)의 상부 근처의 고정점(330)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 양측 가변 반경 스풀(362)의 후방 반부 둘레에 감긴다. z-구속 케이블(132, 134)로부터의 힘 및 모멘트를 출력 부재(32) 상에서 균형잡기 위하여, z-구속 케이블(136)은 y-좌표 선형 캐리지(40)의 하부 근처의 고정점(332)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 출력 부재(32)의 상부 근처에 장착된 양측 가변 반경 스풀(360)의 후방 반부 둘레에 감기고, 제4 z-구속 케이블(138)은 y-좌표 선형 캐리지(42)의 하부 근처의 고정점(334)으로부터 연장되고 그에 고정되며, 양측 가변 반경 스풀(360)의 전방 반부 둘레에 감긴다. 따라서, 한 쌍의 케이블(132, 136) 및 한 쌍의 케이블(134, 138)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블(132, 136) 내의 동일한 장력 및 2개의 케이블(134, 138) 내의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

도 25을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 도 4, 도 6, 도 8, 도 9, 도 11, 도 13, 및 도 24로부터의 모두 7개의 케이블 구속부를 포함하는 위치설정 시스템(1025)의 사시도가 도시되어 있다. 구속부들의 조합은

,

및

인 구속조건을 야기한다. 따라서, 7개의 구속부의 조합은 출력 부재(32) 및 2개의 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 x-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 그리고 액추에이터(350)에 의해 제어되도록 구속하고, 출력 부재(32) 및 2개의 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)가 y-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 그리고 액추에이터(352)에 의해 제어되도록 구속하고, 출력 부재(32)가 그의 Z-축, 그의 Y-축, 및 그의 X-축을 중심으로 회전하는 것을 구속하고, 출력 풀리(242)가 액추에이터(350, 354) 둘 모두에 의해 제어되도록 구속하고, 출력 부재(32)가 z-방향으로 변위하는 것을 구속한다. 대칭 구속부를 갖기 위하여 출력 부재(32)의 반대측 상에 동일한 Z-구속 시스템이 있지만, 이는 대체적으로 반드시 필요하지는 않다는 점에 주의한다.

도 25를 참조하면, 6개의 구속부가 도 3 내지 도 14를 참조하여 더 상세히 설명된다. 양측 가변 반경 스풀(360, 362) 및 구속 케이블(132, 134, 136, 138)은 출력 부재(32)가 Z-방향으로 변위하는 것을 구속하기 위한, 도 24의 설명에서 더 상세히 설명된, 제7 구속부를 형성한다. 도 25의 다른 특징부는 도 5, 도 7, 도 10, 및 도 14를 참조하여 논의된다.

도 25에 도시된 실시예는, 출력 부재(32)의 x- 및 y-자유도를 구동하고 부가적인 자유도를 구동하고, 모두 4 개의 부가적인 자유도를 구속하는 한 세트의 케이블 구속부들을 구성한다는 것이 인식된다.

도 25의 실시예에 도시된 케이블 구속부 세트는 출력 부재(32)의 다양한 자유도를 구동하고 구속하는 그의 능력에 있어서 특유하지는 않다는 점에 주의한다. 다른 케이블 구속부들 및 다른 구속부들의 조합이 가능하다.

도 26을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 상대 변위를 출력 부재(32)의 그의 Z-축을 중심으로 하는 회전과 결합하는 한 쌍의 x-θ-구속 케이블(600, 602)을 포함하는 위치설정 시스템(1026)의 개략 평면도가 도시되어 있다.

도 26을 참조하면, x-θ-구속 케이블(600)은 고정 위치(50)로부터 연장되고 그에 고정되며, x-좌표 선형 캐리지(44) 상에 장착된 풀리(620) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(622) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(624) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상에 장착된 풀리(626) 둘레에 감기며, 고정 위치(54)에 고정된다. x-θ-구속 케이블(600)로부터의 힘 및 모멘트를 x-좌표 선형 캐리지(44, 46) 및 출력 부재(32) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 제2 x-θ-구속 케이블(602)은 고정 위치(52)로부터 연장되고 그에 고정되며, x-좌표 선형 캐리지(44) 상에 장착된 풀리(630) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(632) 둘레에 감기며, 출력 부재(32) 상에 장착된 풀리(634) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(46) 상에 장착된 풀리(636) 둘레에 감기며, 고정 위치(56)에 고정된다. 따라서, 케이블(600, 602)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

케이블의 일정한 길이에 기초하여, 도 26의 케이블 구속부는 1차 근사로 구속조건

을 야기하는데, 여기서 d는 출력 부재(32) 상의 인접한 풀리들의 중심들 사이의 거리의 절반이다. 따라서, 도 26의 케이블 구속부는 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 상대 변위가 출력 부재(32)의 그의 Z-축을 중심으로 하는 회전에 결합되도록 구속한다. 케이블 구속부는 또한 풀리가 케이블의 길이를 변화시키지 않고 케이블을 따라 구를 수 있기 때문에 출력 부재(32)가 자유롭게 병진하게 한다.

도 26의 구속부는, x-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 서로 동기하여 이동하도록 구속하고 출력 부재(32)의 그의 Z-축을 중심으로 하는 회전을 방지하기 위하여, 예를 들어, 도 2의 구속부와 조합될 수 있다.

도 27을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이 출력 부재(32)가 그의 Y-축을 중심으로 회전하는 것을 구속하는 한 쌍의 φ-구속 케이블(604, 606)을 포함하는 위치설정 시스템(1027)의 개략 정면도가 도시되어 있다. x-좌표 선형 캐리지(44, 46) 및 x-방향 선형 안내부(66, 68)는 명료함을 위하여 도시되어 있지 않다는 점에 주의한다.

도 27을 참조하면, φ-구속 케이블(604)은 출력 부재(32)의 상부 근처의 고정점(700)으로부터 연장되고 그에 고정되며, y-좌표 선형 캐리지(40) 상에 장착된 풀리(640) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(42) 상에 장착된 풀리(642) 둘레에 감기며, 출력 부재(32)의 하부 근처의 고정점(702)에 고정된다. φ-구속 케이블(604)로부터의 모멘트를 출력 부재(32) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 제2 φ-구속 케이블(606)은 출력 부재(32)의 하부 근처의 고정점(704)으로부터 연장되고 그에 고정되며, y-좌표 선형 캐리지(40) 상에 장착된 풀리(646) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(42) 상에 장착된 풀리(648) 둘레에 감기며, 출력 부재(32)의 상부 근처의 고정점(706)에 고정된다. 따라서, 케이블(604, 606)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

케이블의 일정한 길이에 기초하여, 도 27의 케이블 구속부는

인 구속조건을 야기한다. 따라서, 도 27의 케이블 구속부는 출력 부재가 그의 Y-축을 중심으로 회전하는 것을 구속한다. 케이블 구속부는 또한 출력 부재(32)가 자유롭게 병진하게 한다.

도 27의 구속부는 도 8의 구속부, 또는, 적절한 좌표 변환을 적용한 후에, 도 6 또는 도 9의 구속부 대신에 이용될 수 있다.

도 28을 참조하면, 이동 및 구속 케이블(34)이, 4개의 선형 캐리지(40, 42, 44, 46)의 변위들을 결합하고 출력 부재(32)의 변위를 액추에이터(710) 및 액추에이터(712)에 의해 각각 구동되는 구동 풀리(658) 및 구동 풀리(678)의 회전들에 결합하는 xy-구동 구속 케이블(608) 및 xy-구동 구속 케이블(610)을 포함하는 위치설정 시스템(1028)의 개략 평면도가 도시되어 있다. 구동 풀리(658)의 회전은θ ₅ 로 지칭되는 회전 각도(720)에 의해 측정된다. 구동 풀리(678)의 회전은θ ₆ 로 지칭되는 회전 각도(722)에 의해 측정된다. 액추에이터(710, 712)는, 명료함을 위하여 도시되지 않은 프레임을 통하여, 고정 위치(56, 54)에 각각 고정된다.

도 28을 참조하면, xy-구동 구속 케이블(608)은 고정 위치(56)로부터 연장되고 그에 고정되며, x-좌표 선형 캐리지(46)에 장착된 풀리(652) 둘레에 감기며, 출력 부재(32)에 장착된 풀리(654) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(40)에 장착된 풀리(656) 둘레에 감기며, 액추에이터(710)에 장착된 구동 풀리(658) 둘레에 미끄러짐 없이 감기며, 고정 위치(54)에 장착된 풀리(660) 둘레에 감기며, 고정 위치(52)에 장착된 풀리(662) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(44)에 장착된 풀리(664) 둘레에 감기며, 출력 부재(32)에 장착된 풀리(666) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(42)에 장착된 풀리(668) 둘레에 감기며, 고정 위치(52)에 고정된다. xy-구동 구속 케이블(608)로부터의 힘을 선형 캐리지(40, 42, 44, 46) 및 출력 부재(32) 상에서 균형잡기 위하여, 파선으로 도시된 제2 xy-구동 구속 케이블(610)은 고정 위치(54)로부터 연장되고 그에 고정되며, x-좌표 선형 캐리지(46)에 장착된 풀리(672) 둘레에 감기며, 출력 부재(32)에 장착된 풀리(674) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(42)에 장착된 풀리(676) 둘레에 감기며, 액추에이터(712)에 장착된 구동 풀리(678) 둘레에 미끄러짐 없이 감기며, 고정 위치(56)에 장착된 풀리(680) 둘레에 감기며, 고정 위치(50)에 장착된 풀리(682) 둘레에 감기며, x-좌표 선형 캐리지(40)에 장착된 풀리(684) 둘레에 감기며, 출력 부재(32)에 장착된 풀리(686) 둘레에 감기며, y-좌표 선형 캐리지(40)에 장착된 풀리(688) 둘레에 감기며, 고정 위치(50)에 고정된다. 따라서, 케이블(608, 610)은 대칭 배열을 형성하고, 시스템은 2개의 케이블에서의 동일한 장력으로 평형 상태에 있고, 외력은 무시한다.

케이블의 일정한 길이에 기초하여, 도 28의 케이블 구속부는 구속조건

를 야기하는데, 즉 작업공간(36)의 중심에 대한 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)의 "회전"은 작업공간(36)의 중심에 대한 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)의 "회전"과 동일하다. 도 28의 케이블 구속부는 또한, 구속조건

및

를 야기하는데, 즉 x-방향으로의 출력 부재(32)의 변위는 구동 풀리(658, 678)의 회전들의 가중 합(weighted sum)이며, y-방향으로의 출력 부재(32)의 변위는 구동 풀리(658, 678)의 회전들의 가중 차(weighted difference)이며, 여기서 R ₅ 는 구동 풀리(658)의 반경이고 R ₆ 는 구동 풀리(678)의 반경이다. 따라서, 도 27의 케이블 구속부는 4개의 선형 캐리지(40, 42, 44, 46)의 변위들을 결합하고 출력 부재(32)의 변위를 액추에이터(710, 712)에 의해 각각 구동되는 구동 풀리(658, 678)의 회전들에 결합한다.

도 28의 구속부는, 출력 부재(32) 및 x-좌표 선형 캐리지(44, 46)가 x-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속하고 출력 부재(32) 및 y-좌표 선형 캐리지(40, 42)가 y-방향으로 서로 동기하여 이동하도록 구속하고 출력 부재를 액추에이터(710 및 712)를 통하여 x- 및 y-방향으로 구동하기 위하여, 예를 들어, 도 2 및 도 4의 구속부와 조합될 수 있다.

당업자는 전술된 실시예에 기초한 본 발명의 추가 특징부 및 이점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 나타낸 바와 같은 것을 제외하고는 특별히 도시되고 설명된 것에 의해 제한되지 않는다. 본 명세서에 인용된 모든 공개 문헌 및 참고 문헌은 그 전체가 본 명세서에 참고로 명확히 포함되어 있다.

참조에 의한 포함

본 명세서에 언급된 간행물, 특허 문헌, 및 기타 참고 문헌의 각각의 전체 개시 내용은 각각의 개별 소스가 개별적으로 참조로 포함되는 것으로 나타내는 것처럼 동일한 정도로 모든 목적을 위하여 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.

등가 사항

본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특징으로부터 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 전술한 실시예들은 본 명세서에서 설명된 본 발명을 제한하기보다는 오히려 모든 면에서 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 범주는 본 명세서에 포함된 설명뿐만 아니라 그의 등가물의 의미 및 범위 내에 있는 모든 변형들에 의해 나타난다.

Claims

출력 부재를 위한 평면 위치설정 시스템으로서,
한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지(carriage);
한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지;
상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘;
상기 출력 부재를 구동하기 위하여 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지로부터 상기 출력 부재로 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블로서, 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 상기 출력 부재는 x-방향으로 동기하여 이동하고, 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 출력 부재는 y-방향으로 동기하여 이동하는, 복수의 이동 및 구속 케이블; 및
상기 x- 및 y-방향 이외의 부가적인 자유도에서 상기 출력 부재를 억제하기 위한 억제 메커니즘을 포함하는, 평면 위치설정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 복수의 이동 및 구속 케이블은 상기 출력 부재를 구동하기 위하여 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지로부터 상기 출력 부재로 인장 상태로 연장되는, 평면 위치설정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 억제 메커니즘은 양(positive) 및 음(negative)의 z-방향들 중 적어도 일 방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하는, 평면 위치설정 시스템.
제3항에 있어서, 상기 억제 메커니즘은 상기 z-방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하는, 평면 위치설정 시스템.
제3항에 있어서, 상기 z-방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 상기 억제 메커니즘은 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 상기 출력 부재에 회전가능하게 장착된 케이블 업테이크 및 해제 장치(cable uptake and release device)를 포함하고, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 상기 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 일 방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, 평면 위치설정 시스템.
제3항에 있어서, 상기 z-방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 상기 억제 메커니즘은 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 상기 출력 부재에 회전가능하게 장착된 제2 케이블 업테이크 및 해제 장치(uptake and release device)를 포함하고, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 두 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, 평면 위치설정 시스템.
제3항에 있어서, 상기 이동 및 구속 케이블의 수집 및 분배는 상기 출력 부재가 z 평면에 유지되도록 케이블의 길어지고 짧아지는 속도와 각각 동일한, 평면 위치설정 시스템.
제3항에 있어서, 프로파일의 호(arc)의 길이(s)는
에 의해 자유 케이블 길이(L)와 관련되며, 여기서 α는 구속 장치가 회전하는 각도인, 평면 위치설정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 억제 메커니즘은 적어도 1의 회전도(degree of rotation)에서 상기 출력 부재의 이동을 억제하는, 평면 위치설정 시스템.
제9항에 있어서, 상기 억제 메커니즘은 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블이 상기 출력 부재 상의 적어도 두 위치에서 방향들을 바꾸는 우력(force couple)을 형성하는, 평면 위치설정 시스템.
제9항에 있어서, 상기 억제 메커니즘은 3의 회전도에서 상기 출력 부재의 이동을 억제하는, 평면 위치설정 시스템.
제11항에 있어서, 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘은 복수의 선형 레일인, 평면 위치설정 시스템.
제11항에 있어서, 상기 억제 메커니즘은 양 및 음의 z-방향들 중 적어도 일 방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하는, 평면 위치설정 시스템.
제11항에 있어서, 상기 억제 메커니즘은 상기 z-방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하는, 평면 위치설정 시스템.
제14항에 있어서, z-평면에서의 상기 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 상기 억제 메커니즘은 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 상기 출력 부재에 회전가능하게 장착된 케이블 업테이크 및 해제 장치로서, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 상기 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 정의되는 평면에서의 일 방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, 케이블 업테이크 및 해제 장치, 및 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 상기 출력 부재에 회전가능하게 장착된 제2 케이블 업테이크 및 해제 장치로서, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 상기 두 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, 제2 케이블 업테이크 및 해제 장치를 포함하는, 평면 위치설정 시스템.
제9항에 있어서, 상기 복수의 이동 및 구속 케이블 중 적어도 4개는 케이블을 인장 상태로 유지하기 위하여 고정 시스템에 고정되는, 평면 위치설정 시스템.
제9항에 있어서, 상기 복수의 이동 및 구속 케이블 중 적어도 4개는 폐루프이고 방향을 바꾸기 위하여 적어도 하나의 고정 위치 둘레를 둘러싸는, 평면 위치설정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 이동 및 구속 케이블은 상기 한 쌍의 선형 캐리지 및 상기 출력 부재 상의 복수의 안내부를 이용하여 상기 선형 캐리지 및 상기 출력 부재를 통하여 연장되는, 평면 위치설정 시스템.
제18항에 있어서, 상기 복수의 안내부는 다양한 레벨에 위치되어 상기 이동 및 구속 케이블이 간섭 없이 다른 구속 케이블을 통과하게 하는 풀리(pulley)인, 평면 위치설정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘은 복수의 선형 레일인, 평면 위치설정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 이동 및 구속 케이블의 적어도 한 쌍은 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지에 대해 xy-평면에서 상기 출력 부재를 이동시키기 위한 구동 케이블인, 위치설정 시스템.
출력 부재를 위치설정하는 방법으로서,
한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지를 이용하여 y-방향을 따라 상기 출력 부재를 구속하는 단계로서, 상기 y-좌표 선형 캐리지 각각은 선형 레일을 따라 이동가능하고, 상기 선형 캐리지는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 동기하여 이동되는, 단계;
한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 이용하여 x-방향을 따라 상기 출력 부재를 구속하는 단계로서, 상기 x-좌표 선형 캐리지 각각은 선형 레일을 따라 이동가능하고, 상기 선형 캐리지는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 동기하여 이동되는, 단계; 및
상기 한 쌍의 좌표 선형 캐리지 중 하나를 이용하여 xy-방향을 따라 상기 출력 부재를 구속하는 단계로서, 상기 출력 부재 상의 적어도 두 위치에서 방향들을 바꾸는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 우력이 제공되는, 단계를 포함하는, 방법.
제22항에 있어서, 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 이용하여 xz-방향을 따라 상기 출력 부재를 구속하는 단계로서, 상기 출력 부재 상의 적어도 두 위치에서 x- 및 z-방향 둘 모두의 방향들을 바꾸는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 우력이 제공되는, 단계, 및 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지를 이용하여 yz-방향을 따라 상기 출력 부재를 구속하는 단계로서, 상기 출력 부재 상의 적어도 두 위치에서 y- 및 z-방향 둘 모두의 방향들을 바꾸는 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 우력이 제공되는, 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제22항에 있어서, 상기 억제 메커니즘은 z-방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 메커니즘을 추가로 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 상기 z-방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 상기 메커니즘은 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 출력 부재에 회전가능하게 장착된 케이블 업테이크 및 해제 장치를 포함하고, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 상기 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 일 방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, 방법.
제24항에 있어서, z-평면에서의 상기 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 상기 메커니즘은 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 상기 출력 부재에 회전가능하게 장착된 제2 케이블 업테이크 및 해제 장치를 포함하고, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 상기 두 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, 방법.
제24항에 있어서, 상기 이동 및 구속 케이블의 수집 및 분배는 상기 출력 부재가 z 평면에 유지되도록 케이블의 길어지고 짧아지는 속도와 각각 동일한, 방법.
제24항에 있어서, 프로파일의 호의 길이(s)는
에 의해 자유 케이블 길이(L)와 관련되며, 여기서 α는 구속 장치가 회전하는 각도인, 방법.
위치설정 시스템을 위한 구속 장치로서,
한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 회전가능하게 장착된 케이블 업테이크 및 해제 장치를 포함하고, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 상기 한 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 일 방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, 구속 장치.
제29항에 있어서,
한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 회전가능하게 장착된 제2 케이블 업테이크 및 해제 장치를 추가로 포함하고, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 상기 두 쌍의 이동 및 구속 케이블에 의해 대체적으로 정의되는 평면에서의 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, 구속 장치.
제29항에 있어서,
상기 출력 부재는 한 쌍의 이동 및 구속 케이블을 수용하기 위하여 출력 부재에 회전가능하게 장착된 적어도 3개의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖고, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, 구속 장치.
제29항에 있어서, 상기 이동 및 구속 케이블의 수집 및 분배는 상기 출력 부재가 z 평면에 유지되도록 케이블의 길어지고 짧아지는 속도와 각각 동일한, 구속 장치.
제28항에 있어서, 프로파일의 호의 길이(s)는
에 의해 자유 케이블 길이(L)와 관련되며, 여기서 α는 구속 장치가 회전하는 각도인, 구속 장치.
제29항에 있어서, 상기 케이블 업테이크 및 해제 장치는 상기 출력 부재에 회전가능하게 장착되는, 구속 장치.
제29항에 있어서, 상기 케이블 업테이크 및 해제 장치는 동기화 요소에 회전가능하게 장착되는, 구속 장치.
구속 장치로서,
출력점을 포함하는 출력 부재;
베이스 평면;
상기 출력 부재로부터 상기 베이스 평면을 향하여 상이한 방향들로 연장되고 각각이 인장 상태에 있는 한 쌍의 일정 길이의 케이블을 포함하고;
각각의 일정 길이의 케이블은 적어도 하나의 스풀(spool) 상에 부분적으로 권취되고;
미리규정된 이동 범위 내의 상기 출력점의 각각의 위치에 대해, 상기 베이스 평면으로부터의 상기 출력점의 최대 거리가 구속되고;
상기 이동 범위 내의 상기 베이스 평면으로부터의 상기 출력점의 최대 거리의 점들의 세트는 궤적을 정의하고;
각각의 스풀의 그의 회전축을 중심으로 하는 회전은 상기 궤적을 따른 상기 출력점의 위치의 함수인, 구속 장치.
제36항에 있어서, 상기 궤적은 직선인, 구속 장치.
제36항에 있어서, 상기 궤적은 상기 베이스 평면에 평행한 직선인, 구속 장치.
출력 부재를 위한 평면 위치설정 시스템으로서,
한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지;
한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지;
상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘;
상기 출력 부재를 구동하기 위하여 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지로부터 상기 출력 부재로 인장 상태에서 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블로서, 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 상기 출력 부재는 x-방향으로 동기하여 이동하고, 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 출력 부재는 y-방향으로 동기하여 이동하는, 복수의 이동 및 구속 케이블; 및
양 및 음의 z-방향들 중 적어도 일 방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 억제 메커니즘을 포함하는, 평면 위치설정 시스템.
제39항에 있어서, 상기 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 억제 메커니즘은 상기 z-방향으로의 이동을 억제하는, 평면 위치설정 시스템.
출력 부재를 위한 평면 위치설정 시스템으로서,
한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지;
한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지;
상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지를 위한 안내 메커니즘;
상기 출력 부재를 구동하기 위하여 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지로부터 상기 출력 부재로 인장 상태에서 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블로서, 상기 한 쌍의 x-좌표 선형 캐리지 및 상기 출력 부재는 x-방향으로 동기하여 이동하고, 상기 한 쌍의 y-좌표 선형 캐리지 및 상기 출력 부재는 y-방향으로 동기하여 이동하는, 복수의 이동 및 구속 케이블; 및
회전의 적어도 일 방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 억제하기 위한 억제 메커니즘을 포함하는, 평면 위치설정 시스템.
제41항에 있어서, 상기 억제 메커니즘은 적어도 한 쌍의 이동 및 구속 케이블이 상기 출력 부재 상의 적어도 두 위치에서 방향들을 바꾸는 우력을 형성하는, 평면 위치설정 시스템.
x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템으로서,
상기 x-방향으로의 출력 부재의 이동을 넘어서 대체적으로 위치된 한 쌍의 고정 단부;
상기 고정 단부의 각각으로부터 상기 출력 부재를 향하여 연장되는 복수의 이동 및 구속 케이블을 포함하고,
상기 고정 단부 중 하나로부터의 상기 복수의 이동 및 구속 케이블 중 하나 및 상기 고정 단부 중 다른 것으로부터의 상기 복수의 이동 및 구속 케이블 중 하나는 한 쌍의 복수의 이동 및 구속 케이블을 형성하고;
상기 출력 부재는 출력 부재에 회전가능하게 장착된 복수의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖고, 각각의 케이블 업테이크 및 해제 장치는 상기 한 쌍의 복수의 이동 및 구속 케이블 중 하나를 수용하고, 제1 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제1 업테이크 및 해제 장치의 업테이크 속도 및 제2 이동 및 구속 케이블의 상기 업테이크 및 해제 장치 중 제2 업테이크 및 해제 장치의 해제 속도는 x-방향 이외의 적어도 일 방향으로의 상기 출력 부재의 이동을 제한하기 위하여 등가인, x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템.
제43항에 있어서, 상기 출력 부재는 상기 x-방향을 따라 적어도 2개의 별개 위치에서 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는, x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템.
제43항에 있어서,
한 쌍의 고정 시스템 각각은 적어도 3개의 고정 위치를 갖고;
상기 고정 단부의 각각으로부터 상기 출력 부재를 향하여 연장되는 상기 복수의 이동 및 구속 케이블은 적어도 3쌍의 이동 및 구속 케이블을 포함하고;
상기 출력 부재는 yz-평면에서 상기 출력 부재에 회전가능하게 장착된 적어도 3개의 복수의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는, x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템.
제43항에 있어서,
한 쌍의 고정 시스템 각각은 적어도 3개의 고정 위치를 갖고;
상기 고정 단부의 각각으로부터 상기 출력 부재를 향하여 연장되는 상기 복수의 이동 및 구속 케이블은 적어도 4쌍의 이동 및 구속 케이블을 포함하고;
상기 출력 부재는 yz-평면에서 상기 출력 부재에 회전가능하게 장착된 적어도 4개의 복수의 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는, x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템.
제46항에 있어서, 상기 x-방향을 따라 적어도 2개의 별개 위치에서 케이블 업테이크 및 해제 장치를 갖는 출력 부재를 포함하는, x-방향으로의 출력 부재의 이동에 대한 구속 시스템.