KR20210103739A - 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템 - Google Patents

로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템 Download PDF

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KR20210103739A
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홍대희
이채동
김병곤
최진우
임정현
최혁순
김정한
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템은, 로봇의 관절을 구동하기 위한 동력 전달 시스템으로서, 바디부; 상기 바디부에 배치되고, 선형 이동되는 제1구동유닛 및 제2구동유닛을 포함하는 구동부; 소정의 길이를 갖고 유연성을 가지며 중공형으로 형성되는 제1쉬스와, 상기 제1쉬스에 삽입되고 그 일단이 상기 로봇의 관절에 고정되고 그 타단이 상기 제1구동유닛에 고정되는 제1와이어를 포함하는 제1힘전달부; 소정의 길이를 갖고 유연성을 가지며 중공형으로 형성되는 제2쉬스와, 상기 제2쉬스에 삽입되고 그 일단이 상기 로봇의 관절에 고정되고 그 타단이 상기 제2구동유닛에 고정되는 제2와이어를 포함하는 제2힘전달부;
그 일단이 상기 바디부에 고정되고, 그 타단이 상기 제1구동유닛에 고정되고, 상기 제1와이어의 타단을 감싸는 제1탄성부; 및 그 일단이 상기 바디부에 고정되고, 그 타단이 상기 제2구동유닛에 고정되고, 상기 제2와이어의 타단을 감싸는 제2탄성부; 를 포함할 수 있다.

Description

로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템{POWER TRANSFER SYSTEM FOR DRVING JOINT OF ROBOT}
본 발명은 수술용 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템에 관한 것이다.
로봇을 원격으로 조종하기 위해서는 사람이 로봇의 팔 등에서 측정된 힘을 느끼면서 조종해야 한다. 따라서, 최근에는 로봇의 팔을 직관적으로 조종하기 위해서는 사람의 팔의 움직임을 측정할 수 있는 외골격, 링크형 햅틱 인터페이스 등 조종 인터페이스가 개발되고 있다.
이러한 조종 인터페이스 중에서 가장 간단한 방법은 링크 구조에 액추에이터를 직접 부착하는 방법이나, 액추에이터 자체의 무게가 매우 무거운 단점이 있다.
이를 보완하기 위하여 액추에이터는 바닥에 고정하고, 유연한 두 개의 케이블을 이용하여 힘을 전달하는 더블 인풋 케이블 구동방법이 제안되었다.
그러나, 이와같은 종래의 케이블 구동 방법은 두 개의 모터가 모두 케이블을 당기는 경우에만 구동하는 방식이므로, 대상물에 구동력을 전달하기 위해서는 하나의 모터가 두 개의 케이블인 마스터 케이블 및 슬레이브 케이블을 모두 당길 수 있는 힘을 제공해야 한다.
이에 따라, 구동시 각각의 모터는 매우 큰 힘으로 마스터 케이블을 당겨야 하므로 큰 출력을 갖는 모터가 요구되며, 정밀도가 떨어지는 문제가 있다.
더불어, 종래의 구동방식의 경우 마스터 케이블은 모터에 의해 직접 당겨지는 힘이 가해지므로 크게 문제가 없으나 마스터 케이블에서 가해지는 힘에 의해 구동되는 슬레이브 케이블은 쉬스에 삽입되지 않고 외부로 노출된 부분이 느슨해져 휘어지거나 백래쉬가 크게 발생하여 정밀도를 저해하는 문제가 있다.
따라서, 슬레이브 케이블이 느슨해져 휘어지지 않으면서도 백래쉬를 감소시킬 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 슬레이브 케이블의 움직임을 제어하여 동력전달량을 증가시킬 수 있고 제어 정밀도를 높일 수 있는 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템은, 로봇의 관절을 구동하기 위한 동력 전달 시스템으로서, 바디부; 상기 바디부에 배치되고, 선형 이동되는 제1구동유닛 및 제2구동유닛을 포함하는 구동부; 소정의 길이를 갖고 유연성을 가지며 중공형으로 형성되는 제1쉬스와, 상기 제1쉬스에 삽입되고 그 일단이 상기 로봇의 관절에 고정되고 그 타단이 상기 제1구동유닛에 고정되고 제1와이어를 포함하는 제1힘전달부; 소정의 길이를 갖고 유연성을 가지며 중공형으로 형성되는 제2쉬스와, 상기 제2쉬스에 삽입되고 그 일단이 상기 로봇의 관절에 고정되고 그 타단이 상기 제2구동유닛에 고정되고 제2와이어를 포함하는 제2힘전달부;
그 일단이 상기 바디부에 고정되고, 그 타단이 상기 제1구동유닛에 고정되고, 상기 제1와이어의 타단을 감싸는 제1탄성부; 및 그 일단이 상기 바디부에 고정되고, 그 타단이 상기 제2구동유닛에 고정되고, 상기 제2와이어의 타단을 감싸는 제2탄성부; 를 포함할 수 있다.
상기 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템은, 상기 바디부에 배치되는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1구동유닛이 상기 제1와이어에 제1방향으로 힘을 제공하도록 상기 제1구동유닛을 제어하고, 상기 제2구동유닛이 상기 제2와이어에 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 힘을 제공하도록 상기 제2구동유닛을 제어할 수 있다.
상기 바디부의 일측에는 상기 제1와이어가 관통하는 제1와이어 홀과 상기 제2와이어가 관통하는 제2와이어 홀이 형성될 수 있다.
상기 제1구동유닛은, 구동력을 발생하는 제1구동모터; 및 상기 제1구동모터의 구동력을 제공받아 선형 이동되는 제1이동부를 포함하고, 상기 제2구동유닛은, 구동력을 발생하는 제2구동모터; 및 상기 제2구동모터의 구동력을 제공받아 선형 이동되는 제2이동부를 포함할 수 있다.
상기 바디부는, 상기 제1이동부를 가이드하는 제1가이드홀; 및 상기 제2이동부를 가이드하는 제2가이드홀을 가질 수 있다.
상기 제1탄성부와 상기 제2탄성부는 상기 제1방향으로 힘을 제공받아 수축되고, 상기 제2방향으로 힘을 제공받아 늘어날 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 구동유닛이 슬레이브 케이블 측에 구동력을 제공하여 슬레이브 케이블에서 발생하는 마찰력을 상쇄시켜 줌으로써 마스터 케이블 측에 작은 크기의 구동력을 제공하더라도 종래와 동등 수준 이상의 동력전달량을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 슬레이브 케이블 측에 발생하는 마찰력의 상쇄를 통해 슬레이브 케이블에서의 백래쉬를 감소시키거나 방지함으로써 제어 정밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 작동상태도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 카트리지를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 카트리지를 나타내는 측면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 제1 구동부를 나타내는 측면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 실시예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시예는 다양한 실시예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명의 실시예에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 발명의 실시예에 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. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 프로세서에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그 밖에도, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 작동상태도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템(300)은 더블 인풋(double input) 쉬스-텐던 동력전달 메커니즘을 구현하기 위한 것으로, 바디부(310), 제1구동유닛(360) 및 제2구동유닛(370)을 포함하는 구동부, 제1힘전달부(120), 제2힘전달부(130), 제1탄성부(340) 및 제2탄성부(350)를 포함한다.
상기 바디부(310)는 상기 제1구동유닛(360), 상기 제2구동유닛(370), 상기 제1탄성부(340) 및 상기 제2탄성부(350)를 수용할 수 있다. 상기 바디부(310)는 플라스틱 또는 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 이외에 강성을 가지면서 내식성을 가지는 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제1구동유닛(360)은 상기 바디부(310)에 배치될 수 있다. 상기 제1구동유닛(360)은 제1구동모터(361) 및 제1이동부(362)를 포함할 수 있다.
상기 제1구동모터(361)는 상기 바디부(310)에 장착될 수 있다. 상기 제1구동모터(361)는 전원을 공급받아 구동력을 발생할 수 있다.
상기 제1이동부(362)는 상기 제1구동모터(361)의 구동력을 제공받아 선형 이동될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1이동부(362)는 상기 제1구동모터(361)의 구동력에 따라 상기 제1방향(①)으로 이동되거나 상기 제1방향(①)의 반대방향인 제2방향(②)으로 이동될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 바디부(310)는 상기 제1이동부(362)를 가이드하는 제1가이드홀(312)을 가질 수 있다. 상기 제1이동부(362)는 상기 제1가이드홀(312)을 따라 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 이동될 수 있다.
상기 제2구동유닛(370)은 상기 바디부(310)에 배치될 수 있다. 상기 제2구동유닛(370)은 제2구동모터(371) 및 제2이동부(372)를 포함할 수 있다.
상기 제2구동모터(371)는 상기 바디부(310)에 장착될 수 있다. 상기 제2구동모터(371)는 전원을 공급받아 구동력을 발생할 수 있다.
상기 제2이동부(372)는 상기 제2구동모터(371)의 구동력을 제공받아 선형 이동될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2이동부(372)는 상기 제2구동모터(371)의 구동력에 따라 상기 제1방향(①)으로 이동되거나 상기 제1방향(①)의 반대방향인 제2방향(②)으로 이동될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 바디부(310)는 상기 제2이동부(372)를 가이드하는 제2가이드홀(313)을 가질 수 있다. 상기 제2가이드홀(313)은 상기 제1가이드홀(312)과 평행하게 형성될 수 있다. 상기 제2이동부(372)는 상기 제2가이드홀(313)을 따라 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 이동될 수 있다.
상기 제1힘전달부(320) 및 상기 제2힘전달부(330)는 텐던이 쉬스의 내부에서 길이방향을 따라 이동될 수 있도록 상기 쉬스의 내부에 삽입되는 쉬스-텐던 메커니즘이 채용될 수 있다.
상기 제1힘전달부(320)는 제1쉬스(321) 및 제1와이어(322)를 포함할 수 있다. 상기 제1쉬스(321)는 소정의 길이를 갖고 유연성을 가지며 중공형으로 형성될 수 있다. 상기 제1와이어(322)는 상기 제1쉬스(321)에 삽입될 수 있다. 상기 제1와이어(322)는 상기 제1와이어(322)의 양단부가 상기 제1쉬스(321)의 외부에 노출되도록 상기 제1쉬스(321)에 삽입될 수 있다. 상기 제1와이어(322)의 양단부 중 일단은 로봇의 관절(10)에 고정될 수 있다. 상기 제1와이어(322)의 양단부 중 타단은 상기 바디부(310)의 일측(311)을 관통하고, 상기 제1구동유닛(360)의 상기 제1이동부(362)에 고정될 수 있다.
상기 제2힘전달부(330)는 제2쉬스(331) 및 제2와이어(332)를 포함할 수 있다. 상기 제2쉬스(331)는 소정의 길이를 갖고 유연성을 가지며 중공형으로 형성될 수 있다. 상기 제2와이어(332)는 상기 제2쉬스(331)에 삽입될 수 있다. 상기 제2와이어(332)는 상기 제2와이어(332)의 양단부가 상기 제2쉬스(331)의 외부에 노출되도록 상기 제2쉬스(331)에 삽입될 수 있다. 상기 제2와이어(332)의 양단부 중 일단은 로봇의 관절(10)에 고정될 수 있다. 상기 제2와이어(332)의 양단부 중 타단은 상기 바디부(310)의 일측(311)을 관통하고, 상기 제2구동유닛(370)의 상기 제2이동부(372)에 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바디부(310)의 일측(311)에는 상기 제1와이어(322)가 관통하는 제1와이어 홀과 상기 제2와이어(332)가 관통하는 제2와이어 홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 로봇의 관절(10)은 로봇 암에서 로봇의 손가락 또는 로봇의 팔목을 구동하기 위한 구동 관절일 수 있다.
또한, 상기 제1쉬스(321) 및 제2쉬스(331)는 상기 제1와이어(322) 및 제2와이어(332)에 걸리는 장력을 버티면서 전체적인 형상을 유지하면서도 유연성을 갖도록 금속재질로 이루어진 코일형상의 튜브일 수 있다. 그러나 상기 제1쉬스(321) 및 제2쉬스(331)의 형상 및 재질을 이에 한정하는 것은 아니며 공지의 쉬스-텐던 메커니즘에서 쉬스로서 채용되는 형상 및 재질이 모두 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템(300)은 상기 제1구동유닛(360) 및 제2구동유닛(370)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는 사용자의 입력신호를 기반으로 상기 제1구동유닛(360) 및 제2구동유닛(370)의 구동을 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 사용자의 입력신호를 기반으로 상기 제1구동유닛(360)에서 상기 제1와이어(322)에 제공되는 힘의 크기와 상기 제2구동유닛(370)에서 상기 제2와이어(332)에 제공되는 힘의 크기를 제어할 수 있다. 상기 제어부는 상기 제1구동유닛(360)이 상기 제1와이어(322)에 제1방향(①)으로 힘을 제공하도록 상기 제1구동유닛(360)을 제어하고, 상기 제2구동유닛(370)은 상기 제2와이어(332)에 상기 제2방향(②)으로 힘을 제공하도록 상기 제2구동유닛(370)을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제1힘전달부(320)와 제2힘전달부(330)가 로봇의 관절(10)을 매개로 상호 연결될 수 있으며, 상기 제어부의 제어를 통해 상기 제1구동유닛(360)으로부터 상기 제1와이어(322)에 구동력이 제공되거나 상기 제2구동유닛(370)으로부터 상기 제2와이어(332)에 구동력이 제공되는 경우 상기 제1와이어(322) 및 제2와이어(332)가 제1쉬스(321) 및 제2쉬스(331)의 내부에서 길이방향을 따라 움직일 수 있다. 이를 통해, 상기 로봇의 관절(10)은 사용자가 목적하는 위치로 회전되거나 움직일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 더블 인풋 쉬스-텐던 메커니즘과는 달리 상기 제1구동유닛(360) 및 제2구동유닛(370)이 상기 제1힘전달부(320) 및 제2힘전달부(330)에 동시에 구동력을 제공할 수 있으며, 상기 제1구동유닛(360) 및 제2구동유닛(370)으로부터 상기 제1힘전달부(320) 및 제2힘전달부(330)로 제공되는 구동력의 크기는 상기 제어부를 통해 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템(300)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1구동유닛(360)이 상기 제1와이어(322)에 상기 제1방향(①)으로 힘을 제공하는 경우 상기 제2구동유닛(370)은 상기 제2와이어(332)에 상기 제2방향(②)으로 힘을 제공할 수 있다. 유사하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템(300)은 상기 제2구동유닛(370)이 상기 제2와이어(332)에 상기 제1방향(①)으로 힘을 제공하는 경우 상기 제1구동유닛(360)은 상기 제1와이어(322)에 상기 제2방향(②)으로 힘을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제1와이어(122) 및 제2와이어(132)는 상기 제1구동유닛(360) 및 상기 제2구동유닛(370)으로부터 제공되는 힘의 방향에 따라 마스터 케이블의 역할과 슬레이브 케이블의 역할이 상호 전환될 수 있다. 즉, 상기 제1와이어(322)가 상기 제1방향(①)으로 제1길이(a)만큼 이동하고 상기 제2와이어(332)가 제2방향(②)으로 상기 제1길이(a)만큼 이동하는 경우, 상기 제1와이어(322)는 마스터 케이블의 역할일 수 있고 상기 제2와이어(332)는 슬레이브 케이블의 역할일 수 있다. 반대로, 상기 제1와이어(322)가 제2방향(②)으로 상기 제1길이(a)만큼 이동하고 상기 제2와이어(332)가 제1방향(①)으로 상기 제1길이(a)만큼 이동하는 경우, 상기 제2와이어(332)는 마스터 케이블의 역할일 수 있고 상기 제1와이어(322)는 슬레이브 케이블의 역할일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템(300)은 마스터 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 구동유닛을 통하여 당기는 힘을 제공함과 동시에 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 구동유닛을 통하여 능동적으로 미는 힘을 제공함으로써 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어가 쉬스의 내부에서 이동하는 과정에서 쉬스와의 접촉을 통해 발생하는 마찰력을 보상할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템(300)은 마스터 케이블의 역할을 수행하는 와이어를 적은 힘으로 당기더라도 상기 로봇의 관절(10)의 움직임을 목적하는 위치로 변경할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1구동유닛(360)이 상기 제1와이어(322)에 제공하는 상기 제2방향(②)으로의 힘의 크기가 상기 제1와이어(322)가 제1쉬스(321)의 길이방향을 따라 상기 제1구동유닛(360)에 의해 이동하는 과정에서 상기 제1와이어(322) 및 제1쉬스(321) 사이에서 발생하는 마찰력과 상기 로봇의 관절(10)을 움직이기 위한 힘(T12)의 크기를 합한 크기와 동등하면 상기 로봇의 관절(10)은 작업자가 목적하는 위치로 변경될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템(300)은 구동유닛을 통해 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 와이어를 능동적으로 밀어주는 구동력을 제공하여 슬레이브 케이블의 역할을 수행하는 와이어와 쉬스간에 발생하는 마찰력을 상쇄시켜 줌으로써 마스터 케이블의 역할을 수행하는 와이어 측에 작은 크기의 구동력을 제공하더라도 종래와 동등 수준 이상의 동력전달량을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 슬레이브 케이블 측에 발생하는 마찰력의 상쇄를 통해 슬레이브 케이블에서의 백래쉬를 감소시키거나 방지함으로써 제어 정밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.
상기 제1탄성부(340)는 상기 제1와이어(322)의 타단을 감쌀 수 있다. 예를 들면, 상기 제1와이어(322)의 타단은 상기 제1와이어(322)의 전체 부분 중에서 상기 바디부(310)의 내부에 배치된 부분을 의미할 수 있다.상기 제1탄성부(340)의 일단은 상기 바디부(310)의 내측면에 고정되고, 상기 제1탄성부(340)의 타단은 상기 제1구동유닛(360)의 상기 제1이동부(362)에 고정될 수 있다. 상기 제1탄성부(340)는 튜브 형태로 이루어질 수 있다. 상기 제1탄성부(340)는 전체적으로 튜브 형태를 유지하면서도 탄성력을 가지는 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제1탄성부(340)는 상기 제1이동부(362)가 상기 제1방향(①)으로 이동됨에 따라, 수축되고, 상기 제1탄성부(340)는 상기 제1이동부(362)가 상기 제2방향(②)으로 이동됨에 따라, 늘어날 수 있다. 상기 제1와이어(322)가 상기 제1이동부(362)에 의해 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 이동되더라도, 상기 제1탄성부(340)는 상기 제1와이어(322)를 감싼 상태를 유지할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1탄성부(340)는 상기 제1와이어(322)가 상기 바디부(310)의 내부에서 쳐지는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2탄성부(350)는 상기 바디부(310)의 내부에 배치된 상기 제2와이어(332)를 감쌀 수 있다. 상기 제2탄성부(350)의 일단은 상기 바디부(310)의 내측면에 고정되고, 상기 제2탄성부(350)의 타단은 상기 제2구동유닛(370)의 상기 제2이동부(372)에 고정될 수 있다. 상기 제2탄성부(350)는 튜브 형태로 이루어질 수 있다. 상기 제2탄성부(350)는 전체적으로 튜브 형태를 유지하면서도 탄성력을 가지는 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2탄성부(350)는 상기 제1탄성부(340)와 나란하게 배치될 수 있다.
상기 제2탄성부(350)는 상기 제2이동부(372)가 상기 제1방향(①)으로 이동됨에 따라, 수축되고, 상기 제2탄성부(350)는 상기 제2이동부(372)가 상기 제2방향(②)으로 이동됨에 따라, 늘어날 수 있다. 상기 제2와이어(332)가 상기 제2이동부(372)에 의해 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 이동되더라도, 상기 제2탄성부(350)는 상기 제2와이어(332)를 감싼 상태를 유지할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2탄성부(350)는 상기 제2와이어(332)가 상기 바디부(310)의 내부에서 쳐지는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템을 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템(400)은 하우징(410), 제1구동부(420) 및 카트리지(430)를 포함할 수 있다.
상기 하우징(410)은 상기 제1구동부(420), 상기 카트리지(430) 및 후술할 제2구동부(440)를 수용할 수 있다. 상기 하우징(410)은 플라스틱 또는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 하우징(410)은 플라스틱 또는 금속 재질로 이루어진 것에 한정되지 않고, 강성을 가지면서 내식성을 가진 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 하우징(410)의 일측(411)에는 상기 카트리지(430)가 상기 하우징(410)의 내부로 삽입되기 위한 삽입홀(411a)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 하우징(410)의 상기 일측(411)에는 상기 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템(400)의 상태를 표시하는 디스플레이가 배치될 수 있다.
상기 제1구동부(420)는 상기 하우징(410)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 제1구동부(420)는 상기 제1방향(①, 도 2 참조) 또는 상기 제2방향(②, 도 2 참조)으로 선형 이동될 수 있다. 상기 제1구동부(420)는 복수로 구성될 수 있다. 상기 복수의 제1구동부(420)는 상기 카트리지(430)의 일측면을 대면하는 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421) 및 상기 카트리지(430)의 타측면을 대면하는 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)는 상기 카트리지(430)를 사이에 두고 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421)와 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421)는 4개로 구성되고, 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)는 4개로 구성될 수 있다. 다만, 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421)와 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)는 4개로 구성되는 것에 한정되지 않고, 2개 또는 6개와 같이 다양한 개수로 구성될 수 있다. 상기 제1 구동부(420)에 대해서는 이후 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
상기 카트리지(430)는 상기 삽입홀(411a)을 통해 상기 하우징(410)의 내부로 삽입될 수 있다. 상기 카트리지(430)는 더블 인풋(double input) 쉬스-텐던 동력전달 메커니즘을 구현하기 위한 힘전달부(439, 도 10 참조)및 탄성부(438)를 포함할 수 있다. 상기 카트리지(430)에 대해서는 이후 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
상기 카트리지(430)는 상기 하우징(410)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 이와 같이, 상기 카트리지(430)가 상기 하우징(410)에 착탈 가능하게 결합되므로, 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇 구동 시스템(400)은 소모품으로 사용되는 힘전달부(439, 도 10 참조)의 교체의 편리성이 개선된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템(400)은 제2구동부(440)를 더 포함할 수 있다.
상기 제2구동부(440)는 상기 제1구동부(420)가 상기 카트리지(430)에 연결되거나 분리되도록 상기 제1구동부(420)를 상기 제3방향(③) 또는 상기 제3방향(③)의 반대방향인 제4방향(④)으로 이동시킬 수 있다. 상기 제3방향(③)은 상기 제1방향(①)의 수직한 방향일 수 있다. 상기 제2구동부(440)는 복수로 구성될 수 있다. 상기 복수의 제2구동부(440)는 복수로 구성될 수 있다. 상기 복수의 제2구동부(440)는 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421)를 사이에 두고 상기 카트리지(430)의 반대측에 배치되는 상기 복수의 제2구동부 중 하나(441) 및 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)를 사이에 두고 상기 카트리지(430)의 반대측에 배치되는 상기 복수의 제2구동부 중 다른 하나(442)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제2구동부 중 하나(441)는 제2모터(441a) 및 연결부(441b)를 포함할 수 있다. 상기 제2모터(441a)는 상기 하우징(410)의 하면(412)에 배치될 수 있다. 상기 연결부(441b)는 상기 제2모터(441a)에 연결되고, 상기 제2모터(441a)의 구동력에 의해 상기 제3방향(③) 또는 상기 제4방향(④)으로 선형 이동될 수 있다. 상기 연결부(441b)는 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421)와 연결될 수 있다.
상기 복수의 제2구동부 중 하나(441)는 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421)를 상기 제4방향(④)으로 이동시켜 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421)를 상기 카트리지(430)에 연결시킬 수 있다. 또한, 상기 복수의 제2구동부 중 하나(441)는 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421)를 상기 제3방향(③)으로 이동시켜 상기 복수의 제1구동부 중 하나(421)를 상기 카트리지(430)와 분리시킬 수 있다.
상기 복수의 제2구동부 중 다른 하나(442)는 제2모터(442a) 및 연결부(442b)를 포함할 수 있다. 상기 제2모터(442a)는 상기 하우징(410)의 하면(412)에 배치될 수 있다. 상기 연결부(442b)는 상기 제2모터(442a)에 연결되고, 상기 제2모터(442a)의 구동력에 의해 상기 제3방향(③) 또는 상기 제4방향(④)으로 선형 이동될 수 있다. 상기 연결부(442b)는 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)와 연결될 수 있다.
상기 복수의 제2구동부 중 다른 하나(442)는 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)를 상기 제3방향(③) 으로 이동시켜 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)를 상기 카트리지(430)에 연결시킬 수 있다. 또한, 상기 복수의 제2구동부 중 다른 하나(442)는 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)를 상기 제4방향(④)으로 이동시켜 상기 복수의 제1구동부 중 다른 하나(422)를 상기 카트리지(430)와 분리시킬 수 있다.
상기 카트리지(430)가 상기 하우징(410)에 삽입되거나 분리되는 과정에서, 상기 제2구동부(440)는 상기 제1구동부(420)와 상기 카트리지(430)의 연결 여부를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 복수의 제2구동부 중 하나(441)와 상기 복수의 제2구동부 중 다른 하나(442)는 동시에 구동될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 카트리지를 나타내는 사시도이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 카트리지를 나타내는 측면도이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 제1 구동부를 나타내는 측면도이다.
도 8 내지 도 11일 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 케이블 동력 전달 시스템의 상기 카트리지(430)는 케이스(431), 이동부(435, 436, 437), 힘전달부(439) 및 탄성부(438)를 포함할 수 있다.
상기 케이스(431)는 상기 이동부(435, 436, 437), 상기 힘전달부(439) 및 상기 탄성부(438)를 수용할 수 있다. 상기 케이스(431)는 플라스틱 또는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 케이스(431)는 플라스틱 또는 금속 재질로 이루어진 것에 한정되지 않고, 강성을 가지면서 내식성을 가진 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 케이스(431)는 사용자의 손 또는 기구에 의해 그립되는 손잡이부(432)를 포함할 수 있다.
상기 케이스(431)는 상기 이동부(435, 436, 437)의 이동을 가이드하는 가이드홀(434)을 가질 수 있다. 상기 가이드홀(434)은 슬릿 형태로 이루어질 수 있다. 상기 가이드홀(434)은 복수로 구성될 수 있다. 상기 복수의 가이드홀(434)은 서로 나란하게 형성될 수 있다.
상기 이동부(435, 436, 437)는 상기 케이스(431)에 수용될 수 있다. 상기 이동부(435, 436, 437)는 상기 제1구동부(420)에 연결될 수 있다. 상기 이동부(435, 436, 437)는 상기 제1구동부(420)의 구동력을 전달받아 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 선형 이동될 수 있다. 상기 이동부(435, 436, 437)는 상기 가이드홀(434)을 통해 상기 케이스(431)의 외부로 노출될 수 있다. 상기 이동부(435, 436, 437)는 제1이동부(435), 제2이동부(436) 및 제3이동부(437)를 포함할 수 있다. 상기 제1이동부(435), 상기 제2이동부(436) 및 상기 제3이동부(437)는 서로 나란하게 정렬될 수 있다.
상기 힘전달부(439)는 쉬스(439a)와 와이어(439b)를 포함할 수 있다.
상기 쉬스(439a)는 소정의 길이를 갖고 유연성을 가지며 중공형으로 형성될 수 있다. 상기 쉬스(439a)의 일 부분은 상기 케이스(431)에 수용되고, 상기 쉬스(439a)의 다른 부분은 상기 케이스(431)의 외부로 노출될 수 있다.
또한, 상기 쉬스(439a)는 전술한 실시예의 상기 제1쉬스(321)와 상기 제2쉬스(331)와 동일하거나 유사할 수 있다.
상기 와이어(439b)는 상기 쉬스(439a)에 삽입될 수 있다. 상기 와이어(439b)의 일단은 로봇의 관절(10, 도 1 참조)에 고정되고, 상기 와이어(439b)의 타단은 상기 제1이동부(435)에 고정될 수 있다. 상기 와이어(439b)의 타단은 상기 제1이동부(435)의 이동에 의해 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 이동될 수 있다.
또한, 상기 와이어(439b)는 전술한 실시예의 상기 제1와이어(322)와 상기 제2와이어(332)와 동일하거나 유사할 수 있다.
상기 탄성부(438)는 상기 케이스(431)의 내부에 수용될 수 있다. 상기 탄성부(438)의 일단은 상기 케이스(431)에 고정되고, 상기 탄성부(438)의 타단은 상기 제1이동부(435)에 고정될 수 있다. 상기 탄성부(438)는 상기 제1이동부(435)의 이동에 의해 상기 제1방향(①)을 따라 늘어나고, 상기 제2방향(②)을 따라 수축될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 탄성부(438)는 상기 제2이동부(436) 및 상기 제3이동부(437)에 고정될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 탄성부(438)는 상기 제2이동부(436)와 상기 제3이동부(437)를 관통할 수 있다.
또한, 상기 탄성부(438)는 전술한 실시예의 상기 탄성부(438)와 동일하거나 유사할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동용 카트리지 타입 동력 전달 시스템의 상기 제1구동부(421)는, 구동 바디부(421a), 제1모터(423) 및 착탈부(425, 426, 427)를 포함할 수 있다.
상기 구동 바디부(421a)는 상기 제2구동부(440)의 구동력에 의해 상기 하우징(410, 도 5)의 내부에서 상기 제3방향(③) 또는 상기 제4방향(④)으로 이동될 수 있다. 상기 구동 바디부(421a)는 상기 제2구동부(440)의 상기 연결부(441b, 도 6 참조)와 결합될 수 있다.
상기 제1모터(423)는 상기 구동 바디부(421a)에 배치될 수 있다.
상기 착탈부(425, 426, 427)는 상기 구동 바디부(421a)에 배치될 수 있다. 상기 착탈부(425, 426, 427)는 상기 제1모터(423)와 연결될 수 있다. 상기 착탈부(425, 426, 427)는 상기 제1모터(423)의 구동력에 의해 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 선형 이동될 수 있다. 상기 착탈부(425, 426, 427)는 상기 이동부(435, 436, 437)와 착탈 가능하게 결합될 수 있다.
상기 착탈부(425, 426, 427)는 상기 착탈부(425, 426, 427)의 외측면으로부터 돌출되는 돌기(425a, 425b, 426a, 426b, 427a, 427b)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 이동부(435, 436, 437)는 상기 돌기(425a, 425b, 426a, 426b, 427a, 427b)가 삽입되는 착탈 홈(435b, 436b, 437b)를 포함할 수 있다.
상기 착탈부(425, 426, 427)는 제1착탈부(425), 제2착탈부(426) 및 제3착탈부(427)를 포함할 수 있다. 상기 제1착탈부(425), 상기 제2착탈부(426) 및 상기 제3착탈부(427)는 서로 나란하게 정렬될 수 있다.
상기 제1착탈부(425)의 돌기(425a, 425b)가 상기 제1이동부(435)의 착탈 홈(435b)에 삽입되거나 분리됨에 따라, 상기 제1착탈부(425)는 상기 제1이동부(435)와 착탈 가능하게 결합될 수 있다.
상기 제2착탈부(426)의 돌기(426a, 426b)가 상기 제2이동부(436)의 착탈 홈(436b)에 삽입되거나 분리됨에 따라, 상기 제2착탈부(426)는 상기 제2이동부(436)와 착탈 가능하게 결합될 수 있다.
상기 제3착탈부(427)의 돌기(427a, 427b)가 상기 제3이동부(437)의 착탈 홈(437b)에 삽입되거나 분리됨에 따라, 상기 제3착탈부(427)는 상기 제3이동부(437)와 착탈 가능하게 결합될 수 있다.
또한, 상기 카트리지(430)는 제1고정부(431b)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1고정부(431b)는 상기 케이스(431)의 측면에 형성된 고정홀(431a)을 통해 상기 케이스(431)의 측면으로부터 노출될 수 있다. 또한, 상기 제1구동부(420)는 제2고정부(428)를 포함할 수 있다. 상기 제2고정부(428)는 고정돌기(428a, 428b)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1고정부(431b)에는 상기 고정돌기(428a, 428b)에 대응하는 고정홈이 형성될 수 있다. 상기 제2고정부(428)의 고정돌기(428a, 428b)는 제1고정부(431b)의 고정홈에 삽입되어, 상기 제1구동부(420)와 상기 카트리지(430)를 견고하게 결합시킬 수 있다.
상기 착탈부(425, 426, 427)는 상기 제1모터(423)의 구동력을 전달받아 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 이동될 수 있다. 상기 이동부(435, 436, 437)가 상기 착탈부(425, 426, 427)에 연결된 후, 상기 이동부(435, 436, 437)는 상기 착탈부(425, 426, 427)와 함께 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 이동될 수 있다. 그리고, 상기 와이어(439b)는 상기 이동부(435, 436, 437)와 함께 상기 제1방향(①) 또는 상기 제2방향(②)으로 이동될 수 있다. 상기 와이어(439b)에 연결된 상기 로봇의 관절(10, 도 1 참조)는 상기 와이어(439b)의 이동에 의해 구동될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
300: 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템
310: 바디부 361: 제1 구동유닛
371: 제2구동유닛 320: 제1힘전달부
321: 제1쉬스 322: 제1와이어
330: 제2힘전달부 331: 제2쉬스
332: 제2와이어 340: 제1탄성부
350: 제2 탄성부

Claims (6)

  1. 로봇의 관절을 구동하기 위한 동력 전달 시스템으로서,
    바디부;
    상기 바디부에 배치되고, 선형 이동되는 제1구동유닛 및 제2구동유닛을 포함하는 구동부;
    소정의 길이를 갖고 유연성을 가지며 중공형으로 형성되는 제1쉬스와, 상기 제1쉬스에 삽입되고 그 일단이 상기 로봇의 관절에 고정되고 그 타단이 상기 제1구동유닛에 고정되는 제1와이어를 포함하는 제1힘전달부;
    소정의 길이를 갖고 유연성을 가지며 중공형으로 형성되는 제2쉬스와, 상기 제2쉬스에 삽입되고 그 일단이 상기 로봇의 관절에 고정되고 그 타단이 상기 제2구동유닛에 고정되는 제2와이어를 포함하는 제2힘전달부;
    그 일단이 상기 바디부에 고정되고, 그 타단이 상기 제1구동유닛에 고정되고, 상기 제1와이어의 타단을 감싸는 제1탄성부; 및
    그 일단이 상기 바디부에 고정되고, 그 타단이 상기 제2구동유닛에 고정되고, 상기 제2와이어의 타단을 감싸는 제2탄성부;
    를 포함하는 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 바디부에 배치되는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1구동유닛이 상기 제1와이어에 제1방향으로 힘을 제공하도록 상기 제1구동유닛을 제어하고, 상기 제2구동유닛이 상기 제2와이어에 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 힘을 제공하도록 상기 제2구동유닛을 제어하는 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 바디부의 일측에는 상기 제1와이어가 관통하는 제1와이어 홀과 상기 제2와이어가 관통하는 제2와이어 홀이 형성되는 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1구동유닛은,
    구동력을 발생하는 제1구동모터; 및
    상기 제1구동모터의 구동력을 제공받아 선형 이동되는 제1이동부를 포함하고,
    상기 제2구동유닛은,
    구동력을 발생하는 제2구동모터; 및
    상기 제2구동모터의 구동력을 제공받아 선형 이동되는 제2이동부를 포함하는 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 바디부는,
    상기 제1이동부를 가이드하는 제1가이드홀; 및
    상기 제2이동부를 가이드하는 제2가이드홀을 가지는 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제1탄성부와 상기 제2탄성부는 상기 제1방향으로 힘을 제공받아 수축되고, 상기 제2방향으로 힘을 제공받아 늘어나는 로봇 관절 구동용 동력 전달 시스템.
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