KR20210156073A - 구면체 제어장치 및 구면운동 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간섭이나 오차를 최소화하여 구면체의 움직임을 정밀하게 제어하기 위한 것으로, 본 발명의 구면체 제어장치는 구면체를 수용 및 지지하기 위한 지지부를 포함하는 고정 프레임; 상기 고정 프레임을 관통하며, 회전함에 따라 상기 고정 프레임 내에서 이동하는 제 1 스크류; 상기 구면체와 결합되는 이동 프레임; 상기 제 1 스크류와 직교하도록 상기 이동 프레임을 관통하며, 회전함에 따라 상기 이동 프레임 내에서 이동하는 제 2 스크류; 상기 제 1, 2 스크류와 결합되며, 상기 제 1, 2 스크류의 이동에 따라 상기 이동 프레임 및 상기 고정 프레임의 내측에서 위치가 변화되는 결합 플레이트를 포함하되, 상기 이동 프레임은 상기 결합 플레이트의 위치에 따라 이동하고, 상기 구면체는 상기 이동 프레임의 이동에 따라 상기 지지부에서 회전한다.

Description

구면체 제어장치 및 구면운동 제어장치{AN APPARATUS FOR CONTROLLING A GLOBULAR OBJECT}

본 발명은 구면체 또는 구면운동을 제어하기 위한 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구면(globular surface)을 갖는 사물의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있는 구면체 제어장치 및 구면운동 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 광픽업은 광원에서 출사된 광을 광디스크의 기록 면에 집광하고, 그 기록 면에서 반사된 광을 검출하여 정보를 재생한다. 광원에서 출사된 광을 광디스크에 집광하기 위한 수단으로 대물렌즈를 광원과 디스크 사이의 광축상에 구비한다. 이 대물렌즈를 통하여 디스크의 기록 면에 입사되는 광의 위치 및 초점거리 조절이 정확하지 않으면 코마수차 등의 수차가 발생하므로 디스크의 표면에 형성되는 광 스팟의 형상이 일그러지게 되어 결과적으로 검출되는 신호에 영향을 주게된다. 따라서, 상기 대물렌즈와, 이 대물렌즈의 구동부인 렌즈홀더가 입사광의 광축상에 대하여 경사지지 않고 수직한 방향으로 위치되도록 조정하여 설치하는 위치 조정수단이 필수적이다.

종래의 경우, 대물렌즈의 움직임을 조정하기 위해서 2개의 스테이지를 포함하는 위치 조정수단이 주로 사용되었다. 2개의 스테이지는 그 바닥면에 대물렌즈와 유사한 구면을 갖고 그 회전축이 서로 직교하도록 적층된다. 그리고 각 스테이지의 구면이 움직임에 따라 대물렌즈의 경사가 설정된 방향으로 조정될 수 있다. 하지만, 스테이지의 구면이 갖는 정밀도 및 유격에 따라 오차가 발생할 수 있고, 위치 조정수단을 제조 또는 조립하는 과정에서 발생하는 수차로 인해 오차가 발생한다. 또한, 이와 같은 위치 조정수단을 이용하면 광 스팟을 보면서 대물렌즈의 경사를 조정할 때 특정 축의 경사 조정이 다른 축의 경사에 영향을 미치므로 이런 간섭으로 인해 정확한 위치 조정이 어려웠다. 예를 들어, 대물렌즈의 레디얼(radial) 방향의 경사를 조정하면 탄젠트(tangential) 방향의 경사가 틀어져 오차가 발생하기 쉽다.

종래의 로봇 관절도 두 회전축을 조합함으로써 구의 운동을 하게 된다. 이러한 구조의 로봇은 인간이나 동물의 움직임과 사뭇 달라서 부자연스러운 모습을 갖게 된다. 반면 사람과 동물과 유사한 움직임을 갖게 하는 것이 구 중심으로 움직이는 구조이다. 광픽업의 예는 구면의 내부에서 중심의 움직임을 이용하는 것이며, 관절에서는 구면의 외부에서 구의 중심을 기준으로 해서 움직임을 제어하는 기술이다. 단지 사용하는 것이 구면의 내부인지 외부인지, 그리고 가이드의 형태가 어떠한지에 따라서 다양한 움직임을 갖은 구면 구동체 제어장치가 되는 것이다. 구면의 외부에서 제어하는 것은 플레치트와 가이드의 조합에 따라서 움직이는 각도의 크기를 다양화할 수 있으며, 구동력의 위치를 어디에 배치하느냐에 따라서 힘의 세기를 다양화 할 수 있게 된다. 동물의 관절이 다양한 것처럼 거기에 맞게 다양한 각도의 관절을 적절하게 배치하여 사용할 수 있게 된다. 따라서 로봇의 관절이 동물의 관절과 유사하게 움직임을 제어할 수 있게 된다.

이외에도 구면을 갖는 물체를 입체적으로 계측 또는 조정하거나 광학계, 자동화 기계, 천체관측, 항공촬영 장비, 카메라 모듈, 로봇 관절 등의 분야에서 구면 운동을 정밀하게 제어하기 위한 제어장치가 요구된다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 간섭이나 오차를 최소화하여 구면체의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있고, 또한 다양한 각도로 구면의 움직임을 수행할 수 있는 구조를 갖는 구면체 제어장치 및 구면운동 제어장치를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 구면체 제어장치는, 구면체를 수용 및 지지하기 위한 지지부를 포함하는 고정 프레임; 상기 고정 프레임을 관통하며, 회전함에 따라 상기 고정 프레임 내에서 이동하는 제 1 스크류; 상기 구면체와 결합되는 이동 프레임; 상기 제 1 스크류와 직교하도록 상기 이동 프레임을 관통하며, 회전함에 따라 상기 이동 프레임 내에서 이동하는 제 2 스크류; 상기 제 1, 2 스크류와 결합되며, 상기 제 1, 2 스크류의 이동에 따라 상기 이동 프레임 및 상기 고정 프레임의 내측에서 위치가 변화되는 결합 플레이트를 포함하되, 상기 이동 프레임은 상기 결합 플레이트의 위치에 따라 이동하고, 상기 구면체는 상기 이동 프레임의 이동에 따라 상기 지지부에서 회전하는 것을 특징으로 한다.

상기 지지부는, 상기 고정 프레임의 수평바에 형성된 반구형의 수용홈과; 상기 구면체의 하부가 상기 수평바를 관통하도록 상기 수용홈의 하부에 형성된 관통홀을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 이동 프레임은 상기 수평바를 관통한 상기 구면체의 하부에 결합된다.

한편, 상기 지지부는, 상기 구면체의 바깥면 일부를 둘러싸는 링 형상을 가지며 상기 고정 프레임의 수평바에 결합되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 이동 프레임은 상기 구면체와 연결된 회전축에 결합된다.

상기 결합 플레이트는, 상기 제 1 스크류와 결합되는 상부 플레이트; 상기 제 2 스크류와 결합되는 하부 플레이트; 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 사이에 결합되며, 상기 하부 플레이트의 상하 움직임을 유도하는 다수의 슬라이딩 핀; 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 사이에 간격을 두기 위해 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 사이에 배치된 다수의 탄성부재를 포함한다.

또한, 상기 결합 플레이트는, 상기 제 1 스크류의 회전에 의해 상기 제 1 스크류를 따라 이동하고 상기 제 2 스크류의 회전에 의해 상기 제 1 스크류를 중심으로 회전하도록 구성된다.

본 발명에 따른 구면체 제어장치는, 상기 제 1 스크류의 일단에 형성되며 상기 지지부에 수용된 상기 구면체의 제 1 방향 회전을 제어하는 제 1 회전손잡이; 상기 제 2 스크류의 일단에 형성되며, 상기 제 1 방향 회전과 수직인 상기 구면체의 제 2 방향 회전을 제어하는 제 2 회전손잡이를 더 포함할 수 있다.

상기 제 1 회전손잡이는 상기 제 1 스크류의 회전량에 따른 상기 구면체의 회전각도를 나타내는 눈금을 갖고, 상기 제 2 회전손잡이는 상기 제 2 스크류의 회전량에 따른 상기 구면체의 회전각도를 나타내는 눈금을 갖는다.

본 발명에 따른 구면체 제어장치는 서로 직교하도록 형성된 두 개의 스크류의 이동 방향에 따라 독립적으로 위치가 변화하는 구성요소들(결합 플레이트 및 이동 프레임)을 통해서 장치 자체의 오차를 최소화할 수 있고 서로 다른 방향의 움직임으로 인한 간섭 등을 최소화할 수 있다. 따라서, 구면체의 각 방향의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명은 구면체가 정밀하게 만들어진다면 그 구면의 미끄러짐을 이용하기 때문에 구면체가 움직일 때 구면체의 중심점은 변화하지 않는다. 따라서, 중심점이 변화함에 따라 발생하는 여러 가지 문제점을 방지하므로 장치의 성능이 향상된다.

또한, 본 발명은 플레이트의 위치를 구면의 어느 곳에 두느냐에 따라서 다양한 움직임이 일어나게 된다. 또한, 플레이트의 구동 방식에 따라서 나사(스크류), 타임 벨트를 이용해서 움직임/각도를 제어하기 때문에 큰 각도(180도 이상)의 조절이 가능하고 정밀하고 미세한 조정이 가능하다.

또한, 본 발명은 한 쌍의 가이드 레일을 이용하여 구면운동을 제어함으로써, 안정적이고 정확하게 구면운동을 제어할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 및 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구면체 제어장치(10)의 정면을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 고정프레임(11)을 상세히 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구면체 제어장치(10)의 측면을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 제 1, 2 스크류(12, 14) 및 결합 플레이트(15)를 상세히 나타낸 도면이다.
도 7은 제 1, 2 스크류(12, 14)의 회전량에 따른 구면체(100)의 회전각도를 나타내는 눈금의 일 예이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구면체 제어장치(20)를 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 구면체 제어장치(30)를 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 구면체 제어장치(40)를 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 구면체 제어장치(80)를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 구면운동 제어장치(60)의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명에 따른 구면운동 제어장치(70)의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 18은 도 16 및 도 17의 구면운동 제어장치를 이용한 로봇 관절의 일 예를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 "구면체"는 구형(spherical)의 사물만을 의미하는 것이 아니라 곡면(curved surface) 또는 구면(globular surface)을 갖는 사물도 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구면체 제어장치 및 구면운동 제어장치를 자세히 설명하기로 한다.

제 1 실시예

도 1 내지 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구면체 제어장치(10)를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예에 따른 구면체 제어장치(10)는 고정 프레임(11), 제 1 스크류(12), 이동 프레임(13), 제 2 스크류(14), 결합 플레이트(15)를 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고정 프레임(11)은 상부의 수평바(111)와, 상기 수평바(111)의 양단에 각각 연결된 수직바(112), 구면체(100)를 수용 및 지지하기 위한 지지부(113), 그리고 상기 수직바(112)의 하단에 결합되는 고정판(114)을 포함한다. 상기 지지부(113)는 상기 수평바(111)에 형성된 반구형의 수용홈(113a)과; 상기 구면체(100)의 하부가 상기 수평바(111)를 관통하도록 상기 수용홈(113a)의 하부에 형성된 관통홀(113b)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 이동 프레임(13)은 상기 수평바(111)를 관통한 상기 구면체(100)의 하부에 결합된다. 상기 수직바(112) 각각은 상기 제 1 스크류(12)가 관통할 수 있도록 홀(112a)을 포함한다.

제 1 스크류(12)는 상기 고정 프레임(11)을 관통하도록 구성되는데, 특히 2개의 수직바(112)의 측면을 관통하며 회전함에 따라 상기 고정 프레임(11) 내에서 이동한다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 이동 프레임(13)은 상부의 수평바(131)와, 상기 수평바(131)의 양단에 각각 연결된 수직바(132), 그리고 상기 구면체(100)의 하부를 상기 수평바(131)에 연결하기 위한 결합 부재(133)를 포함한다.

또한, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 이동 프레임(13)은 상기 결합 플레이트(15)의 위치/움직임에 따라 이동하고, 상기 구면체(100)는 상기 지지부(113)에 지지된 상태에서 상기 이동 프레임(13)의 이동/움직임에 따라 상기 지지부(113)에서 회전한다.

상기 제 2 스크류(14)는 상기 제 1 스크류(12)와 직교하도록 상기 이동 프레임(13)을 관통하도록 구성되는데, 특히 2개의 수직바(132)의 측면을 관통하며 회전함에 따라 상기 이동 프레임(13) 내에서 이동한다.

상기 결합 플레이트(15)는 상기 제 1, 2 스크류(12, 14)와 결합되며, 상기 제 1, 2 스크류(12, 14)의 이동에 따라 상기 이동 프레임(13) 및 상기 고정 프레임(11)의 내측에서 위치가 변화된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 결합 플레이트(15)는 상기 제 1 스크류(12)와 결합되는 상부 플레이트(151); 상기 제 2 스크류(14)와 결합되는 하부 플레이트(152); 상기 상부 플레이트(151)에 결합되며, 상기 하부 플레이트(152) 내에 삽입되어 상기 하부 플레이트(152)의 상하 움직임을 유도하는 다수의 슬라이딩 핀(153); 상기 상부 플레이트(151) 및 상기 하부 플레이트(152) 사이에 간격을 두기 위해 상기 상부 플레이트(151) 및 상기 하부 플레이트(152) 사이에 배치된 다수의 탄성부재(154)를 포함한다. 상기 탄성부재(154)는 압축스프링으로 구성될 수 있으며, 압축스프링 대신에 자석이나 인장스프링으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 결합 플레이트(15)는 상기 제 1, 2 스크류(12, 14)와 함께 이동하는데, 상기 제 1, 2 스크류(12, 14)가 이동한 거리 및 방향과 동일하게 직선으로 이동한다. 예를 들어, 도 3에서와 같이, 상기 제 1 스크류(12)가 회전에 의해 이동하면 상기 결합 플레이트(15)는 상기 제 1 스크류(12)와 함께 이동한다. 이때, 상기 이동 프레임(13)은 상기 결합 플레이트(15)의 이동에 따라 움직이는데, 상기 제 2 스크류(14)의 회전축이 도 3에 표시된 궤도를 따라가도록 상기 이동 프레임(13)이 회전하게 된다. 또한, 상기 이동 프레임(13)이 상기 지지부(113)를 기준으로 회전하게 되면, 상기 하부 플레이트(152)와 상기 이동 프레임(13)이 동일한 궤적으로 움직이기 위해서 상기 하부 플레이트(152)는 상기 상부 플레이트(151)에 가까워진다. 이때, 상기 하부 플레이트(152)는 상기 슬라이딩 핀(153)을 따라 움직이며 상기 슬라이딩 핀(153)에 의해서 움직임의 방향이 제어된다.

한편, 도 5에서와 같이, 상기 제 2 스크류(14)가 이동하면 상기 결합 플레이트(15)는 상기 제 1 스크류(12)를 중심으로 회전하며 상기 제 2 스크류(14)와 함께 이동한다. 이때, 상기 이동 프레임(13)은 상기 지지부(113)를 기준으로 회전하는데 도 5에 표시된 궤도를 따라 회전한다. 도 5에 표시된 상기 이동 프레임(13)의 궤도는 도 3의 궤도와 교차한다. 상기 이동 프레임(13)의 회전 중심은 상기 구면체(100)의 중앙에 위치한다. 또한, 상기 이동 프레임(13)과 상기 결합 플레이트(15)가 함께 회전할 때, 상기 하부 플레이트(152)는 상기 상부 플레이트(151)에서 멀어진다. 이때, 마찬가지로 상기 하부 플레이트(152)는 상기 슬라이딩 핀(153)을 따라 움직이며 상기 슬라이딩 핀(153)에 의해서 움직임의 방향이 제어된다.

상기 상부 플레이트(151) 및 상기 하부 플레이트(152)의 간격은 상기 이동 프레임(13)의 위치에 따라 바뀌게 되는데, 이러한 간격변화는 상기 결합 플레이트(15)의 직선운동과 상기 이동 프레임(13)의 원운동 사이의 간극을 해소하고 상기 결합 플레이트(15) 및 상기 이동 프레임(13)의 궤도 차를 극복하기 위한 완충역할을 한다.

제 1 실시예에 따른 구면체 제어장치(10)는 제 1 회전손잡이(16) 및 제 2 회전손잡이(17)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 회전손잡이(16)는 상기 제 1 스크류(12)의 일단에 결합되며 상기 지지부(113)에 수용된 상기 구면체(100)의 제 1 방향(radial) 회전을 제어한다. 상기 제 2 회전손잡이(17)는 상기 제 2 스크류(14)의 일단에 결합되며, 상기 제 1 방향 회전과 수직인 상기 구면체(100)의 제 2 방향(tangential) 회전을 제어한다.

상기 제 1 회전손잡이(16)는 상기 제 1 스크류(12)의 회전량(나사산의 피치값 A)에 따른 상기 구면체(100)의 회전각도(이동량 B)를 나타내는 눈금을 갖고, 상기 제 2 회전손잡이(17)는 상기 제 2 스크류(17)의 회전량(나사산의 피치값 A)에 따른 상기 구면체(100)의 회전각도(이동량 B)를 나타내는 눈금을 갖는다.

도 7은 상기 제 1 스크류(12)의 회전량(나사산의 피치값 A)에 따른 상기 구면체(100)의 회전각도(이동량 B)를 나타내는 눈금을 보인다. f-e 값이 상기 이동 프레임(13)의 높이 차를 나타내며, 이 높이 차에 따라 상기 하부 플레이트(152)의 상하 운동이 일어난다.

f-e = r(cos a - cos 2a)

cos a = f/r

cos 2a = r/e

여기서, r은 상기 구면체(100)의 중심에서 상기 제 1 스크류(12) 중심까지의 거리이고, a는 임의의 이동각도이다.

또한, 일정한 피치를 갖는 상기 제 1 스크류(12)에 의해 이동할 때 상기 제 1 스크류(12)의 회전당 상기 구면체(100)의 각도 변화는 위치마다 다르다. d-c는 상기 구면체(100)의 이동량을 나타낸다.

d-c = (r sin 2a) - (r sin a) = r(sin 2a - sin a)

sin a = c/r

sin 2a = d/r

따라서, 상기 제 1 회전손잡이(16) 및 상기 제 2 회전손잡이(17)에 표시된 눈금의 간격은 일정하지 않고 약간의 간격 차이를 갖으며, 미세한 각도 변화를 사선으로 된 눈금을 이용하여 초(") 단위로 나타낸다.

제 2 실시예

도 8 및 도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구면체 제어장치(20)를 나타낸 도면이다. 제 1 실시예와 동일한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.

제 2 실시예에 따른 구면체 제어장치(20)는 고정 프레임(21), 제 1 스크류(22), 이동 프레임(23), 제 2 스크류(24), 결합 플레이트(25), 제 1, 2 회전손잡이(26, 27)를 포함하고, 추가적으로 제 1, 2 랙기어(221, 241)와 제 1, 2 피니언 기어(222, 242), 제 1, 2 눈금판(223, 243), 제 1, 2 눈금지시자(225, 245)를 포함한다.

상기 제 1 스크류(22)의 회전에 의해 상기 제 1 랙기어(221)가 이동하고, 상기 제 1 랙기어(221)의 이동에 따라 상기 제 1 피니언 기어(222)가 회전하게 된다. 이때, 상기 제 1 피니언 기어(222)의 일단에 결합된 상기 제 1 눈금판(223)은 회전을 하게 된다. 상기 제 1 눈금판(223)은 상기 구면체(100)의 각도 변화를, 예를 들어 도(°)와 분(') 단위로 나타낸다.

마찬가지로, 상기 제 2 스크류(24)의 회전에 의해 상기 제 2 랙기어(241)가 이동하고, 상기 제 2 랙기어(241)의 이동에 따라 상기 제 2 피니언 기어(242)가 회전하게 된다. 이때, 상기 제 2 피니언 기어(242)의 일단에 결합된 상기 제 2 눈금판(243)은 회전을 하게 된다. 상기 제 2 눈금판(243)은 상기 구면체(100)의 각도 변화를, 예를 들어 도(°)와 분(') 단위를 나타낸다.

상기 결합 플레이트(25)는 상기 제 1 스크류(22)와 결합되는 상부 플레이트(251); 상기 제 2 스크류(24)와 결합되는 하부 플레이트(252); 상기 상부 플레이트(251)에 결합되며, 상기 하부 플레이트(252) 내에 삽입되어 상기 하부 플레이트(252)의 상하 움직임을 유도하는 다수의 슬라이딩 핀(253); 상기 상부 플레이트(251) 및 상기 하부 플레이트(252) 사이에 간격을 두기 위해 상기 상부 플레이트(251) 및 상기 하부 플레이트(252) 사이에 배치된 다수의 탄성부재(254)를 포함한다. 상기 탄성부재(254)는 압축스프링으로 구성될 수 있다.

또한, 구면체 제어장치(20)를 자동 조정이나 측정용으로 사용하기 위해 제 2 실시예에 따른 구면체 제어장치(20)는 상기 제 1, 2 회전손잡이(26, 27)에 연결되는 모터(미도시), 예를 들어 스테핑 모터나 서보 모터를 더 포함할 수 있다. 스텝핑 모터를 사용하는 경우, 스템핑 모터의 회전자가 너트역할을 하고 상기 제 1, 2 스크류(22, 24)가 나사 역할을 하여 전후진하게 되는데, 이로 인해서 상기 결합 플레이트(25)가 이동하게 된다.

또한, 상기 구면체(100)는 상기 고정 프레임(21)의 지지부(213)에 완전히 밀착되어 움직이는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 구면체(100)와 접촉하는 상기 지지부(213)의 면에 마찰을 줄이기 위해서, 상기 지지부(213)의 표면을 마찰계수가 낮은 재질로 구성하거나 또는 구슬이나 베어링을 더 포함하도록 구성할 수 있다.

제 3 실시예

도 10 및 도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 구면체 제어장치(40)를 나타낸 도면이다. 위 실시예들과 동일한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.

제 3 실시예에 따른 구면체 제어장치(40)는 고정 프레임(41), 제 1 스크류(42), 이동 프레임(43), 제 2 스크류(44), 결합 플레이트(45), 제 1, 2 회전손잡이(46, 47)를 포함한다.

지지부(413)는 구면체(200)의 바깥면 일부를 둘러싸는 링 형상을 가지며 상기 고정 프레임(41)의 수평바의 안쪽면에 결합된다. 이 경우, 상기 이동 프레임(43)은 상기 구면체(200)와 연결된 회전축(210)에 결합되고, 상기 회전축(210)을 기준으로 회전한다.

상기 구면체(200)는 상기 지지부(413)에 의해 그 위치가 고정되므로 상부 플레이트(451) 및 하부 플레이트(452) 사이에 탄성부재를 필요로 하지 않는다. 탄성부재가 없는 경우에도 상기 하부 플레이트(452)는 슬라이딩 핀(453)을 따라 상하로 원활하게 움직일 수 있다.

상기 구면체(200)가 회전의 중심 역할을 하게 하는 폐쇄형 장치인 경우에는 상기 이동 프레임(43)이 큰 각도로 움직일 수 있다. 따라서, 큰 각도 변화를 필요로 하는 로봇의 관절로 사용이 가능하며 큰 각도 변화를 측정하는 용도로도 사용할 수 있다.

또한, 상기 제 1, 2 스크류(42, 44)의 회전량을 감지하기 위해서 원형의 등분을 가진 센서를 더 포함하거나 눈금을 표시한 원판을 이용할 수 있다. 상기 지지부(413)는 상기 구면체(200)에 흔들림 없이 밀착되도록 충분히 감싸는 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

제 4 실시예

도 12 및 도 13은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 구면체 제어장치(50)를 나타낸 도면이다. 위 실시예들과 동일한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.

제 4 실시예에 따른 구면체 제어장치(50)는 고정 프레임(51), 제 1 스크류(52), 이동 프레임(53), 제 2 스크류(54), 결합 플레이트(55)를 포함한다.

상부 플레이트(551)과 하부 플레이트(552)는 구면체(200)를 사이에 두고 상하로 배치된다. 상기 결합 플레이트(55)가 상기 이동 프레임(53)을 지지하는 수단으로 사용된다. 구를 중심으로 상부 플레이트(551)와 하부 플레이트(552)가 배치됨으로써 대칭적인 움직임이 일어나는 관절, 즉 뱀의 사행 관절이나 척추 관절처럼 대칭적으로 작은 각도 범위의 움직임이 일어나는 부위에 사용이 가능하다.

제 5 실시예

도 14 및 도 15는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 구면체 제어장치(80)를 나타낸 도면이다. 위 실시예들과 동일한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.

제 5 실시예의 구면체 제어장치(80)는 제 2 실시예의 구면체 제어장치(20)와 유사하나, 하나의 회전축이 더 추가된다.

제 5 실시예에 따른 구면체 제어장치(80)는 고정 프레임(81), 제 1 스크류(82), 이동 프레임(83), 제 2 스크류(84), 결합 플레이트(85), 제 1, 2 회전손잡이(86, 87), 제 1, 2 랙기어(821, 841), 제 1, 2 피니언 기어(미도시), 제 1, 2 눈금지시자(825, 845)를 포함하며, 제 3 회전손잡이(847), 웜기어(846), 중간기어(848), 자전축기어(849)를 더 포함한다.

상기 제 3 회전손잡이(847)는 상기 이동 프레임(83)의 일측에 위치하며, 상기 웜기어(846), 상기 중간기어(848), 상기 자전축기어(849)는 상기 이동 프레임(83)의 상부에 결합된다. 상기 자전축기어(849)는 구면체(100)와 결합되도록 구성된다.

상기 제 3 회전손잡이(847)의 회전에 의해 상기 웜기어(846), 상기 중간기어(848), 상기 자전축기어(849)가 연동해서 회전하며, 상기 자전축기어(849)의 회전에 따라 구면체(100)가 자전한다.

이와 같은 구성에 따라, 3차원의 구 좌표계를 완벽하게 구현할 수 있다. 따라서, 구면체(100)의 경사에 따른 수차(θ_r, θ_t) 및 그 회전에 따른 수차(θ_ω)로 인해서 발생하는 값을 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 구면체(100) 대신에 레이저를 장착하는 경우, 구면체(100)가 이동/회전할 수 있는 범위에서 다양한 방향으로 빔을 보낼 수 있다.

제 5 실시예에 따른 구면체 제어장치(80)가 로봇의 관절로 사용되는 경우, 생물체와 유사한 관절운동을 할 수 있다. 동물의 4관절과 파충류의 6관절처럼 다양한 관절의 움직임을 구현할 수 있다. 이때, 구동력은 회전손잡이를 모터로 이용하거나 결합 플레이트(85)를 모터로 이용하여 제공될 수 있다.

제 6 실시예

도 16은 본 발명에 따른 구면운동 제어장치(60)의 일 예를 나타낸 도면이다. 위 실시예들과 동일한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 구면운동 제어장치(60)는 고정 프레임(61), 제 1 스크류(62), 제 1, 2 가이드 레일(63, 64), 결합 플레이트(65), 제 1, 2 회전손잡이(66, 67), 제 1, 2 벨트(68, 69)를 포함한다.

상기 제 1, 2 가이드 레일(63, 64)은 반원호의 형상으로 갖고 직각으로 서로 교차하도록 구성되는데, 상기 제 1 가이드 레일(63)이 상기 제 2 가이드 레일(64)의 바깥쪽에 위치하도록 구성된다. 상기 제 1, 2 가이드 레일(63, 64)의 하단은 상기 고정 프레임(61)에 결합되며, 회전축(631, 641)을 중심으로 각각 회전하도록 구성된다.

상기 결합 플레이트(65)는 상기 제 1 가이드 레일(63)과 결합되는 상부 플레이트(651), 상기 제 2 가이드 레일(64)과 결합되는 하부 플레이트(652)를 포함하며, 제 1 실시예의 구면체 제어장치(10)와 같이 다수의 슬라이딩 핀과 다수의 탄성부재 등을 더 포함할 수 있다. 상기 결합 플레이트(65)는 상기 제 1, 2 벨트(68, 69)에 의해 상기 제 1, 2 가이드 레일(63, 64)을 따라 이동하는데, 볼베어링 등을 이용하여 원활하게 움직일 수 있다.

상기 제 1 회전손잡이(66)는 상기 제 1 벨트(68)를 움직일 수 있도록 상기 제 1 스크류(62)와 결합되는데, 상기 제 1 스크류(62)는 피니언 기어(622)를 회전시킨다. 상기 제 2 회전손잡이(67)는 상기 제 2 벨트(69)를 움직일 수 있도록 상기 제 2 가이드 레일(64)의 하단에 결합된다.

상기 제 1 벨트(68)는 타임벨트로 구성될 수 있는데, 상기 제 1 가이드 레일(63)을 따라 이동하도록 구성된다. 또한, 상기 제 1 벨트(68)는 상기 제 1 가이드 레일(63)의 하부에 결합된 다수의 아이들러 기어(624)를 거쳐서 이동한다. 상기 제 2 벨트(69)는 원형끈 형태의 벨트로 구성되는데, 상기 제 2 회전손잡이(67)에 결합된 풀리에 감기면서 회전한다. 타임벨트는 힘 전달에는 유리하나 상기 제 1 가이드 레일(63)의 하부를 가로 질러 형성된다. 끈 벨트는 상기 제 2 가이드 레일(64)의 하단의 회전축에서 회전이 되므로 상기 제 2 가이드 레일(64)의 밑면에 노출이 되지 않는다.

상기 제 1, 2 회전손잡이(66, 67)의 회전에 의해서 상기 결합 플레이트(65)는 상기 제 1, 2 가이드 레일(63, 64)을 따라 반구 표면에서 이동하게 된다. 상기 제 1 가이드 레일(63)의 중심점과 상기 제 2 가이드 레일(64)의 중심점은 서로 일치한다. 따라서, 상기 결합 플레이트(65)의 법선 중심은 상기 제 1, 2 가이드 레일(63, 64)의 중심점을 기준으로 움직인다.

제 7 실시예

도 17는 본 발명에 따른 구면운동 제어장치(70)의 다른 예를 나타낸 도면이다. 위 실시예들과 동일한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 구면운동 제어장치(70)는 회전 프레임(71), 상기 회전 프레임(71)을 회전시키는 자전모터(72), 상기 회전 프레임(71) 상에 링 형태로 형성된 제 1, 2 가이드 레일(73, 74), 상기 제 1, 2 가이드 레일(73, 74)을 따라 이동하는 결합 플레이트(75), 상기 제 1, 2 가이드 레일(73, 74)의 하부에 각각 결합된 제 1, 2 모터(76, 77)를 포함한다.

도 16의 구면운동 제어장치(60)와 마찬가지로, 상기 제 1, 2 가이드 레일(73, 74)은 서로 교차하도록 구성되는데, 상기 제 1 가이드 레일(73)이 상기 제 2 가이드 레일(74)의 바깥쪽에 위치하도록 구성된다. 상기 제 1 가이드 레일(73)의 두 하단은 제 1 연결바(731)에 결합되어 있고, 상기 제 2 가이드 레일(74)의 두 하단은 제 2 연결바(741)에 결합되어 있다.

또한, 상기 제 1, 2 가이드 레일(73, 74)은 각각 상기 제 1, 2 연결바(731, 741)를 회전축으로 하여 회전이 가능하다. 상기 제 2 연결바(741)는 상기 회전 프레임(710)의 상부를 관통하도록 결합되어 있고, 상기 제 1 연결바(731)는 상기 제 2 연결바(741)에 결합된다.

상기 제 1, 2 모터(76, 77)는 상기 제 1, 2 연결바(731, 741)에 각각 결합된다. 상기 제 1, 2 모터(76, 77)의 동력에 의해 상기 제 1, 2 가이드 레일(73, 74)이 움직이게 되고, 상기 제 1, 2 가이드 레일(73, 74)의 움직임에 의해 상기 결합 플레이트(75)가 반구 표면을 따라 움직인다. 이와 같은 구조는 상기 결합 플레이트(75)를 빠르게 움직이게 할 수 있는 장점이 있다.

도 18은 도 16의 구면운동 제어장치(60)와 도 17의 구면운동 제어장치(70)를 이용한 로봇 관절의 일 예를 나타낸다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

11, 21, 41, 51, 61, 81: 고정 프레임
12, 22, 42, 52, 82: 제 1 스크류
13, 23, 43, 53, 83: 이동 프레임
14, 24, 44, 54, 84: 제 2 스크류
15, 25, 45, 55, 65, 75, 85: 결합 플레이트
16, 26, 46, 66, 86: 제 1 회전손잡이
17, 27, 47, 67, 87: 제 2 회전손잡이
113, 213: 지지부
151, 251, 451, 551: 상부 플레이트
152, 252, 452, 552: 하부 플레이트
153, 253, 453, 553: 슬라이딩 핀
154, 254, 454, 554: 탄성부재

Claims (10)

1. 구면체를 수용 및 지지하기 위한 지지부를 포함하는 고정 프레임;
   상기 고정 프레임을 관통하며, 회전함에 따라 상기 고정 프레임 내에서 이동하는 제 1 스크류;
   상기 구면체와 결합되는 이동 프레임;
   상기 제 1 스크류와 직교하도록 상기 이동 프레임을 관통하며, 회전함에 따라 상기 이동 프레임 내에서 이동하는 제 2 스크류;
   상기 제 1, 2 스크류와 결합되며, 상기 제 1, 2 스크류의 이동에 따라 상기 이동 프레임 및 상기 고정 프레임의 내측에서 위치가 변화되는 결합 플레이트를 포함하되,
   상기 이동 프레임은 상기 결합 플레이트의 위치에 따라 이동하고, 상기 구면체는 상기 이동 프레임의 이동에 따라 상기 지지부에서 회전하는 것을 특징으로 하는 구면체 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지부는,
   상기 고정 프레임의 수평바에 형성된 반구형의 수용홈과;
   상기 구면체의 하부가 상기 수평바를 관통하도록 상기 수용홈의 하부에 형성된 관통홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 구면체 제어장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 이동 프레임은,
   상기 수평바를 관통한 상기 구면체의 하부에 결합되는 것을 특징으로 하는 구면체 제어장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지부는,
   상기 구면체를 둘러싸는 링 형상을 가지며, 상기 고정 프레임의 수평바에 결합되는 것을 특징으로 하는 구면체 제어장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 이동 프레임은,
   상기 구면체와 연결된 회전축에 결합되는 것을 특징으로 하는 구면체 제어장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 결합 플레이트는,
   상기 제 1 스크류와 결합되는 상부 플레이트와;
   상기 제 2 스크류와 결합되는 하부 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 구면체 제어장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 결합 플레이트는,
   상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 사이에 결합되며, 상기 하부 플레이트의 상하 움직임을 유도하는 다수의 슬라이딩 핀;
   상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 사이에 간격을 두기 위해 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트 사이에 배치된 다수의 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구면체 제어장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 결합 플레이트는,
   상기 제 1 스크류의 회전에 의해 상기 제 1 스크류를 따라 이동하고
   상기 제 2 스크류의 회전에 의해 상기 제 1 스크류를 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 구면체 제어장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 스크류의 일단에 형성되며, 상기 지지부에 수용된 상기 구면체의 제 1 방향 회전을 제어하는 제 1 회전손잡이;
   상기 제 2 스크류의 일단에 형성되며, 상기 제 1 방향 회전과 수직인 상기 구면체의 제 2 방향 회전을 제어하는 제 2 회전손잡이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구면체 제어장치.
10. 서로 교차하도록 프레임에 결합되며, 그 하단의 회전축을 기준으로 회전하도록 형성된 반원호 형태의 제 1, 2 가이드 레일;
    상기 제 1, 2 가이드 레일을 따라 각각 움직이도록 형성된 제 1, 2 벨트;
    상기 제 1, 2 벨트의 움직임에 의해 상기 제 1, 2 가이드 레일을 따라 이동하도록 상기 제 1, 2 가이드 레일에 결합된 결합 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 구면운동 제어장치.
    
    
    

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