WO2020046035A1 - 연성 메커니즘 - Google Patents

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WO2020046035A1
WO2020046035A1 PCT/KR2019/011121 KR2019011121W WO2020046035A1 WO 2020046035 A1 WO2020046035 A1 WO 2020046035A1 KR 2019011121 W KR2019011121 W KR 2019011121W WO 2020046035 A1 WO2020046035 A1 WO 2020046035A1
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WO
WIPO (PCT)
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steering
steering wire
backbone
wire group
spiral
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/011121
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이병주
류환택
Original Assignee
한양대학교에리카산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of WO2020046035A1 publication Critical patent/WO2020046035A1/ko
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/37—Master-slave robots

Definitions

  • the present invention relates to a flexible mechanism and more particularly to a flexible mechanism, which minimizes unintended control due to the bending of the flexible mechanism placement path.
  • the flexible mechanism can be utilized for medical purposes for observing or treating narrow spaces with bending or for robots for controlling the end effector of the robot.
  • FIG. 1 Reference will be made to FIG. 1 to describe the conventional flexible mechanism in more detail.
  • a conventional flexible mechanism 10 includes a backbone 11, a plurality of steering wires W1, W2, W3; 12, a handler 14 serving as a steering manipulation device, and an end effector 15. It can be configured to include.
  • the backbone 11 is drawn into a predetermined path and bent along the path.
  • the steering wire 12 is disposed along the longitudinal direction of the backbone 11 and transmits the operating force provided from the handler 14 to the end effector 15.
  • an unintentional operating force may occur depending on the posture of the backbone, that is, the bending of the path through which the backbone passes. .
  • the distance between the first end face ES1 and the second end face ES2 of the backbone 11 may be L.
  • the distance between the first end face ES1 and the second end face ES2 of the steering wires W1, W2, and W3 provided in the backbone 11 may also be equal to L.
  • the lengths of the backbone 11 and the steering wires W1, W2, and W3 are the same, it can be understood that the relative displacement is zero.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a flexible mechanism in which the operating force of the handler is accurately transmitted to the end effector.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a flexible mechanism in which the length teeth on the path of the backbone and the steering wire are maintained even when the backbone is bent.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a flexible mechanism to minimize the influence of the steering wire on the shape of the backbone.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a flexible mechanism to minimize the friction between the steering wire and the backbone.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a flexible mechanism that minimizes unintended control even when a plurality of backbone bundles.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
  • the backbone extending in the longitudinal direction is disposed in the spiral direction of the first direction along the longitudinal direction of the backbone, at least one for transmitting the operating force applied to one end to the end effector
  • a second steering wire group consisting of a steering wire.
  • the steering wire constituting the first steering wire group and the steering wire constituting the second steering wire group have a distance from the center of the backbone to the lateral direction of the backbone along the longitudinal direction of the backbone. It may be arranged to be different.
  • the steering wire constituting the first steering wire group and the steering wire constituting the second steering wire group have the same period, and the steering wire and the second steering constituting the first steering wire group.
  • the steering wire constituting the wire group may be arranged along the longitudinal direction of the backbone while alternating the inside and the outside of each other.
  • the first steering wire group includes a 1-1 steering wire and a 1-2 steering wire
  • the second steering wire group includes a 2-1 steering wire and a 2-2 steering wire.
  • the 1-1 and 1-2 steering wires are disposed outwardly of the 2-1 steering and 2-2 steering wires with respect to the radial direction of the backbone during a half cycle of the spiral;
  • the 2-1 steering and the 2-2 steering wire may be disposed in the radial direction of the backbone.
  • the number of steering wires constituting the first steering wire group is an even number
  • the number of steering wires constituting the second steering wire group is an even number
  • the steering is constituting the first steering wire group.
  • the number of wires and the number of steering wires constituting the second steering wire group may be the same.
  • the outer surface of the backbone is provided with a spiral groove in which the steering wire constituting the first steering wire group and the second steering wire group is disposed, the spiral groove, the hollow through which the steering wire is penetrated It may further include a spiral holding unit for maintaining the spiral structure of the steering wire.
  • the friction area between the spiral holder and the steering wire may be smaller than the longitudinal area of the spiral holder.
  • the backbone includes a first backbone provided with the first and second steering wire groups and a second backbone provided with the first and second steering wire groups, wherein the first backbone and the first backbone are provided.
  • the two backbones may have a spiral twist structure.
  • a spiral rail unit having a spiral rail may be further included.
  • the backbone is composed of a plurality of backbone branches extending in a longitudinal normal direction of the first steering wire group and the second steering wire group, the plurality of backbone branches, the The first steering wire group and the second steering wire group may be spaced apart along the longitudinal direction.
  • the steering wires are arranged in a spiral structure between the steering operation device and the end effect, it is possible to minimize the unintended tension due to the bending of the backbone.
  • the steering wires of each steering wire group have a spiral direction opposite to each other, thereby minimizing the distortion of the shape of the backbone when the steering wire is operated.
  • the inside and the outside may be alternately disposed so that unintended forces between the steering wires of each steering wire group cancel each other.
  • 1 is a view for explaining a conventional flexible mechanism.
  • FIGS 2 to 5 are views for explaining the soft mechanism according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a soft mechanism according to a modification of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining a soft mechanism according to another modified example of the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining a flexible mechanism according to another modified example of the present invention.
  • 9 to 11 are views for explaining a flexible mechanism according to another modified example of the present invention.
  • first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as the first component in one embodiment may be referred to as the second component in other embodiments.
  • first component in one embodiment may be referred to as the second component in other embodiments.
  • second component in other embodiments.
  • Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment.
  • the term 'and / or' is used herein to include at least one of the components listed before and after.
  • connection is used herein to mean both indirectly connecting a plurality of components, and directly connecting.
  • FIGS 2 to 5 are views for explaining the soft mechanism according to an embodiment of the present invention.
  • the flexible mechanism 100 may include at least one of the backbone 110, the first steering wire group W1, and the second steering wire group W2. It may be made, including. Hereinafter, each configuration will be described in detail.
  • the backbone 110 may perform a function of providing a predetermined path.
  • the backbone 110 may move along a path (eg, large intestine, esophagus, etc.) in the human body.
  • the backbone 110 may be made of a flexible material to be bent along the body. Since the backbone 110 travels an internal path of the human body, it may be made of a body-friendly material. In another example, even when the flexible mechanism 100 is used for robotic purposes, it may be made of a flexible material.
  • Steering wires W1 and W2 connecting the end effector and the steering device may be disposed on the backbone 110.
  • a spiral groove may be provided on an outer circumferential surface of the backbone 110 so that the steering wires W1 and W2 may be disposed.
  • a spiral tunnel may be provided inside the backbone 110 so that the steering wires W1 and W2 may be disposed.
  • the backbone 110 may be manufactured by various techniques such as injection, 3D-printing, and the like. Hereinafter, for convenience of description, it is assumed that a spiral tunnel in which the steering wires W1 and W2 are disposed inside the backbone 110 is provided.
  • the backbone 110 may be formed in various shapes. For example, as shown, it may have a cylindrical shape extending in the A-A 'longitudinal direction of FIG. Other examples will be described later with reference to FIG. 7.
  • the first steering wire group W1 may be formed of at least one steering wire. According to an example, the first steering wire group W1 may include an even number of steering wires. In FIG. 2, for convenience of description, the first steering wire group W1 includes two steering wires of the first-first steering wire W1-1 and the first-second steering wire W1-2. It is assumed that this is merely an example, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first steering wire group W1 may control the end effector connected to the other end by adjusting the tension according to the operating force applied to the steering operation device connected to one end. Can deliver the driving force.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first steering wire group W1 may be disposed helically along the length direction of the backbone 110.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first steering wire group W1 may be disposed in the backbone 110 at a predetermined period * N (where N is a positive integer of 1 or more). have.
  • the second steering wire group W2 may also be formed of at least one steering wire. According to an example, the second steering wire group W2 may include an even number of steering wires. In FIG. 2, for convenience of description, the second steering wire group W2 includes two steering wires of the first-first steering wire W2-1 and the first-second steering wire W2-2. It is assumed that this is merely an example, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto. For example, each steering wire group may consist of two to six wires, and may consist of more wires.
  • the first and second steering wire groups W1 and W2 may be formed of the same number of steering wires. In the present specification, it is assumed that the first and second steering wire groups W1 and W2 each consist of two equal numbers of steering wires.
  • the steering wires W2-1 and W2-2 of the second steering wire group W2 are also tensioned in accordance with the manipulation force applied to the steering operation device connected to one end, thereby controlling the end effector connected to the other end. Can deliver the driving force.
  • the steering wires W2-1 and W2-2 of the second steering wire group W2 may be disposed spirally along the longitudinal direction of the backbone 110.
  • the steering wires W2-1 and W2-2 of the second steering wire group W2 may be disposed in the backbone 110 at a predetermined period * N (where N is a positive integer of 1 or more). have.
  • the steering wire constituting the first steering wire group (W1) and the steering wire constituting the second steering wire group (W2) are spirally disposed along the longitudinal direction of the backbone 110, each other It may be arranged in another direction. At this time, steering wires belonging to the same steering wire group may be arranged in a spiral in the same direction.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 constituting the first steering wire group W1 are disposed in a spiral to rotate counterclockwise from A to A ', and the second steering wire
  • the steering wires W2-1 and W2-2 constituting the group W2 may be arranged in a spiral rotating in a clockwise direction opposite thereto.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 constituting the first steering wire group W1 and the steering wires W2-1 and W2-2 constituting the second steering wire group W2 are the backbones.
  • the distance from the center of the backbone 110 to the side direction of the backbone 110 may be arranged to vary.
  • the steering wires W1-1, W1-2, W2-1, and W2-2 of the first and second wire groups W1 and W2 are made of C1, C2, C3, and C4. It may be disposed while winding in a spiral, along the longitudinal direction of the backbone 110 for one period.
  • the steering wires W1-1, W1-2, W2-1, and W2-2 of the first and second wire groups W1 and W2 may have the same period and phase within the period. That is, the nodes and the belly of the steering wires W1-1, W1-2, W2-1, and W2-2 may be the same.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first wire group W1 and the steering wires W2-1 and W2-2 of the second wire group W2 have a radius of the backbone 110. It is arranged spaced apart in the R direction from the direction center, it may be arranged to alternate the inner and outer.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first wire group W1 are steering wires W2-1 and W2 of the second wire group W2 during a half cycle of the spiral. -2) may be arranged on the outside, and on the inside for the remaining half cycle.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first wire group W1 are located at the radial center of the backbone 110 and the second wire group. It may be disposed outside the steering wires W2-1 and W2-2 of W2.
  • the steering wires W2-1 and W2-2 of the second wire group W2 are opposite to the C2 cycle, at the radial center of the backbone 110, of the first wire group W1. It may be disposed outside the steering wires W1-1 and W1-2.
  • Cycles C1 and C3 are sections in which the wires arranged on the outside are arranged inward and the wires arranged on the inside are arranged outward.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first wire group W1 and the steering wires W2-1 and W2-2 of the second wire group W2 are the outer and inner sides. Switching alternately, it can have a spiral wound shape.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first wire group W1 and the steering wires W2-1 and W2-2 of the second wire group W2 are formed at all cycles. It may be arranged in a spiral direction of different directions.
  • FIG. 3B which illustrates the cross-section BB ′ of FIG. 3A
  • the spiral direction of the wire W1-2 of the first wire group W1 is counterclockwise
  • the second wire group The spiral direction of the wire W2-2 of W2
  • 3C shows an example where this is actually implemented.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first wire group W1 have the same spiral direction as each other, and the steering wires of the second wire group W2 ( W2-1 and W2-2) also have the same spiral direction, but their spiral directions are opposite to each other.
  • Fig. 4B which shows a cross section at each period in Fig. 3A, it is easier to understand the arrangement relationship of each wire.
  • the arrows representing the spiral directions of the steering wires W1-1 and W1-2 of the first steering wire group 110 are indicated by the arrows of the second wire group W2.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 are steered by the steering wires W2-1 and W2 through the arrow symbolizing the spiral direction of the steering wires W2-1 and W2-2. -2) It can confirm that it is arrange
  • arrows representing the spiral directions of the steering wires W1-1 and W1-2 of the first steering wire group 110 are represented by the second wire group.
  • Steering wires W1-1 and W1-2 are steered wires W2 through arrows arranged inwardly of the steering wires W2-1 and W2-2 of W2. -1, W2-2) can be confirmed to be arranged inside.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first steering wire group 110 may be identified as spirals in a counterclockwise direction over the entire spiral period, and the second wire group It can be seen that the steering wires W2-1 and W2-2 of W2 are spirals in a clockwise direction over the entire spiral period (see arrow direction).
  • the soft mechanism 100 according to the embodiment of the present invention has been described above.
  • the steering wire according to an embodiment of the present invention has a shape in which the backbone 110 is wound in a spiral shape, even when the backbone 110 is bent, the steering wire described with reference to FIG. 1B is one end of the backbone. By unintentionally protruding or retracting from the, it is possible to minimize the phenomenon that the end effector is unintentionally controlled.
  • the path lengths of the steering wires may be kept constant even when bending occurs in the flexible mechanism 100.
  • the inner region of the backbone 110 is shorter than the initial state L (see FIG. 1), and the outer region is longer than the initial state L (see FIG. 1).
  • both of the steering wires are affected by the length change occurring in the inner region and the outer region of the backbone 110. In other words, the wire portion located in the inner region becomes loose and the wire portion located in the outer region becomes tight.
  • the steering wires may have a length between one end (ES1, FIG. 1) and the other end (ES2, FIG. 1) of the backbone 110, even when bending occurs in the flexible mechanism 100. Can remain the same.
  • the winding around the flexible backbone of the wire can be a multiple of 360 degrees.
  • the steering wires W1-1 and W1-2 of the first wire group W1 and the steering wires W2-1 and W2-2 of the second wire group W2 are It is arranged in the spiral direction opposite to each other.
  • the steering wires of the first and second wire groups W1 and W2 are arranged in spirals in opposite directions, even if the tension of the steering wire increases, the first wire group Since the force to unfold the wire of (W1) and the force to unwind the steering wire of the second wire group (W2) cancel each other, it is possible to minimize the shape deformation of the backbone 110.
  • the steering wires of each wire group have a spiral shape alternately radially inward and outward of the longitudinal normal of the backbone 110, it may help to solve the steering wire slag issue more. Can be. If, unlike one embodiment, the steering wire of the first wire group is located outside the steering wire of the second wire group over the entire spiral shape, when the bending of the backbone 110 occurs, Since the steering wire may be more affected than the steering wire of the second wire group, unintended control or backside problems of the backbone 110 may occur. However, according to one embodiment, since the steering wires of each wire group have a spiral shape alternately radially inner and outer in the longitudinal normal direction of the backbone 110, the steering wires of each steering wire group are provided. The magnitude of the offset forces can correspond to each other.
  • FIG. 6 is a view for explaining a soft mechanism according to a modification of the present invention.
  • the steering wires of the aforementioned steering wire group may be disposed in a spiral groove formed on the outer circumferential surface of the backbone 110.
  • the spiral holding unit 140 may be provided.
  • the spiral holding part 140 is provided with a hollow through which a steering wire penetrates and maintains the spiral structure of the steering wire despite the bending of the backbone 110.
  • the spiral retainer 140 may have a spring shape or a through-cylinder shape having a shorter length than the backbone 110 as shown in FIG. 6B.
  • the spiral retainer 140 may be attached to one side of the spiral groove (SB).
  • the steering wire may be disposed through the hollow of the spiral holder 140.
  • the steering wire is indirectly in contact with the backbone 110 through the spiral retainer 140.
  • smooth operation force can be transmitted to the end effect through the steering wire in any bending state of the backbone 110.
  • a sleeve 150 may be provided on the outer circumferential surface of the spiral retainer 140.
  • FIG. 7 is a view for explaining a soft mechanism according to another modified example of the present invention.
  • the flexible mechanism according to the present exemplary embodiment may include a first steering wire group W1 and a second steering wire group W2 formed on the outer circumferential surface of the backbone 110.
  • Each configuration of the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2 may be the same as described above.
  • first steering wire group W1 and the second steering wire group W2 are formed on the outer circumferential surface of the backbone 110, but the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2 are formed. It may further include a clamp 120 for fixing the position of.
  • the clamp 120 serves to fix each wire to one side of the backbone 110.
  • the clamp 120 may be a tong and another wire may have a predetermined through hole through which the wire passes. Can be. At this time, the hole size of the through hole may be somewhat smaller than the diameter of the wire to fix the wire.
  • the clamp 120 may fix one side of the wire constituting the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2.
  • the clamp 120 may be disposed at an inflection point position where the node of the wire turns into a valley.
  • FIG. 8 is a view for explaining a flexible mechanism according to another modified example of the present invention.
  • the backbone 110a may include a plurality of backbone branches extending in a longitudinal normal direction of the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2.
  • the plurality of backbone branches may be spaced apart from each other along a length direction of the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2.
  • the backbone 110a is in the longitudinal direction of the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2. It consists of a number of branches extending in the normal direction of.
  • the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2 and the plurality of branches may be connected to a flexure hinge.
  • the lengths of the branches connecting the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2 are each at the node center of the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2. It may be shorter toward the outside of the node.
  • a spiral sleeve may be provided.
  • spiral directions of the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2 may be the same direction. That is, the spiral directions of the first steering wire group W1 and the second steering wire group W2 may be opposite to each other or may be in the same direction.
  • the number of wires forming the spiral structure may not be particularly limited.
  • the number of wires can be selected according to the design of those skilled in the art from 2 to 12.
  • the number of wires may be less than two or more than twelve.
  • 9 to 11 are views for explaining a flexible mechanism according to another modified example of the present invention.
  • the soft mechanism according to the present modification may include a plurality of sub soft mechanisms.
  • each of the plurality of sub-softening mechanisms may be configured as the softening mechanism according to the above-described embodiment. That is, the first flexible mechanism 110a, the second flexible mechanism 110b, and the third flexible mechanism 110c may be provided.
  • the first soft mechanism 110a, the second soft mechanism 110b, and the third soft mechanism 110c may be connected to the end effector 170 through the gimball 160 providing rotational freedom.
  • the gimball 160 may provide the end effector 170 with two degrees of freedom in rotation in the first and second axes R1 and R2. If the first flexible mechanism 110a, the second flexible mechanism 110b, and the third flexible mechanism 110c are disposed in parallel with each other, the first flexible mechanism 110a according to the rotation state by the gimball 160. ), There is a fear that deviation occurs in the tension state of each wire of the second flexible mechanism 110b and the third flexible mechanism 110c. In this case, unintended operating force may be generated.
  • any one of the first soft mechanism 110a, the second soft mechanism 110b, and the third soft mechanism 110c is eccentric with respect to the center of the rotation axis of the gimball 160, the non-uniformity of the steering wire tension This can be inadvertently brought about.
  • each of the backbones of the first flexible mechanism 110a, the second flexible mechanism 110b, and the third flexible mechanism 110c is spirally wound with each other to form the Kimball 160.
  • a spiral rail portion 180 is provided.
  • the spiral rail unit 180 may include first to third spiral rails that provide spiral paths of the first flexible mechanism 110a, the second flexible mechanism 110b, and the third flexible mechanism 110c, respectively. 182, 184, and 186 may be provided.
  • the actual spiral rail portion 180 is fabricated, and the spiral rails are each of the first flexible mechanisms 110a and 1, the second flexible mechanisms 110b and 2, respectively.
  • the spiral rail unit 180 may minimize the loosening of the spiral twist state of the first to third flexible mechanisms by the bending restoring force of each backbone having flexibility.
  • a conventional flexible mechanism including steering wires having a parallel arrangement relationship rather than a spiral structure and a flexible mechanism according to an embodiment of the present invention were prepared.
  • FIG. 12 shows a case where a conventional flexible mechanism is placed on a rail having a predetermined curvature to arbitrarily induce bending of the backbone.
  • the steering manipulator was not started to simply determine if unintentional tension of the steering wire occurred due to the bending of the backbone.
  • one end of the backbone on which the end effector is arranged is bent in the S2 direction from the reference line S1 in the longitudinal direction of the backbone. That is, in the case of the steering wires arranged in the parallel direction, when the bending of the backbone occurs, it can be seen that an unintended tension is generated by the steering wire slack and thus an unintended operation force is generated in the end effector.

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 연성 메커니즘은, 길이방향으로 연장하는 백본, 상기 백본의 길이방향을 따라 제1 방향의 나선 방향으로 배치되되, 일 단에 가해지는 조작력을 엔드 이펙터로 전달하는 적어도 하나의 조향 와이어로 이루어지는 제1 조향 와이어 그룹 및 상기 백본의 길이방향을 따라, 상기 제1 방향과 다른 제2 방향의 나선 방향으로 배치되되, 일 단에 가해지는 조작력을 엔드 이펙터로 전달하는 적어도 하나의 조향 와이어로 이루어지는 제2 조향 와이어 그룹;을 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

연성 메커니즘
본 발명은 연성 메커니즘에 관련된 것으로 보다 구체적으로는, 연성 메커니즘 배치 경로의 휨에 따른 의도치 않은 제어를 최소화하는, 연성 메커니즘에 관련된 것이다.
연성 메커니즘은 굴곡이 있는 좁은 공간을 관찰 또는 치료하기 위한 의료용 용도 또는 로봇의 엔드 이펙터를 제어하기 위한 로봇용 용도로 활용될 수 있다.
종래의 연성 메커니즘을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 도 1을 참조하기로 한다.
도 1A를 참조하면, 종래의 연성 메커니즘(10)은 백본(11), 다수의 조향 와이어(W1, W2, W3; 12), 조향 조작 장치 역할을 하는 핸들러(14) 및 엔드 이펙터(15)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 백본(11)은 소정의 경로 내로 인입되어, 그 경로에 따라 휘어지게 된다. 상기 조향 와이어(12)는 상기 백본(11)의 길이 방향을 따라 배치되며, 상기 핸들러(14)에서 제공된 조작력을 상기 엔드 이펙터(15)로 전달한다.
이와 같이, 조향 와이어(12)를 통하여 조작력을 핸들러(14)에서 엔드 이펙터(15)로 전달하는 경우, 백본의 자세 즉, 백본이 통과하는 경로의 휨에 따라서, 의도치 않은 조작력이 발생할 수 있다.
보다 구체적인 설명을 위하여, 도 1A를 참조하면, 상기 백본(11)이 직선 형태인 경우, 상기 백본(11)의 제1 단면(ES1)과 제2 단면(ES2) 사이의 거리는 L일 수 있다. 이 경우, 상기 백본(11)의 내부에 마련된 상기 조향 와이어들(W1, W2, W3)의 상기 제1 단면(ES1)과 상기 제2 단면(ES2) 사이 거리도 L과 동일할 수 있다. 이 경우, 백본(11)과 상기 조향 와이어들(W1, W2, W3)의 길이가 서로 동일하므로 상대적인 변위는 0 인 것으로 이해할 수 있다.
이 때, 도 1B에 도시된 바와 같이, 상기 연성 메커니즘(10)에 휨이 발생한 경우, 상기 백본(11)과 조향 와이어(12) 간의 상대적인 변위가 발생할 수 잇다. 예를 들어, 도 1B에 도시된 A 영역을 참조하면, 제1 조향 와이어(W1)는 상기 제1 단면(ES1)과 상기 제2 단면(ES2)을 지나서 돌출되게 된다. 다른 예를 들어, 도 1B에 도시된 B 영역을 참조하면, 제3 조향 와이어(W3)는 상기 제1 단면(ES1)에서 상기 제2 단면(ES2) 사이에 이르지 못하게 된다. 이 경우, 조향 와이어(12)들이 엔드 이펙터(15)에 미치는 장력에 의도치 않은 변화가 발생하기 때문에, 비 의도된 조작이 발생하는 문제가 야기될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 핸들러의 조작력이 엔드 이펙터에 정확히 전달되는 연성 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 백본에 휨이 발생한 경우에도, 백본과 조향 와이어의 경로 상 길이 치아가 유지되는 연성 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 조향 와이어가 백본의 형상에 미치는 영향을 최소화하는 연성 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 조향 와이어와 백본 간의 마찰을 최소화하는 연성 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 다수의 백본 다발로 이루어진 경우에도 의도치 않은 제어를 최소화하는 연성 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연성 메커니즘은, 길이방향으로 연장하는 백본, 상기 백본의 길이방향을 따라 제1 방향의 나선 방향으로 배치되되, 일 단에 가해지는 조작력을 엔드 이펙터로 전달하는 적어도 하나의 조향 와이어로 이루어지는 제1 조향 와이어 그룹 및 상기 백본의 길이방향을 따라, 상기 제1 방향과 다른 제2 방향의 나선 방향으로 배치되되, 일 단에 가해지는 조작력을 엔드 이펙터로 전달하는 적어도 하나의 조향 와이어로 이루어지는 제2 조향 와이어 그룹;을 포함하여 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어와 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어는 상기 백본의 길이방향을 따라, 상기 백본의 중심으로부터 상기 백본의 측면 방향으로의 거리가 달라지도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어와 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어는, 서로 동일한 주기를 가지며, 상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어와 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어는, 서로 내측과 외측을 교번하면서 상기 백본의 길이방향을 따라 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 조향 와이어 그룹은 제1-1 조향 와이어 및 제1-2 조향 와이어로 이루어지고, 상기 제2 조향 와이어 그룹은 제2-1 조향 와이어 및 제2-2 조향 와이어로 이루어지고, 상기 제1-1 및 제1-2 조향 와이어는, 나선의 반 주기 동안, 상기 백본의 반경 방향을 기준으로 상기 제2-1 조향 및 제2-2 조향 와이어의 외측으로 배치되고, 나선의 나머지 반 주기 동안, 상기 백본의 반경 방향을 기준으로 상기 제2-1 조향 및 제2-2 조향 와이어의 내측으로 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어의 수는 짝 수를 이루고, 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어의 수도 짝 수를 이루며, 상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어의 수와 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어의 수는 서로 동일할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 백본의 외면에는 상기 제1 조향 와이어 그룹 및 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어가 배치되는 나선홈이 마련되며, 상기 나선홈에는, 상기 조향 와이어가 관통하는 중공이 마련되고, 상기 조향 와이어의 나선 구조를 유지시키는 나선 유지부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 나선 유지부와 상기 조향 와이어가 접촉하는 마찰 면적은, 상기 나선 유지부의 길이방향 면적보다 좁을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 백본은, 상기 제1 및 제2 조향 와이어 그룹이 마련된 제1 백본과 상기 제1 및 제2 조향 와이어 그룹이 마련된 제2 백본을 포함하며, 상기 제1 백본과 상기 제2 백본이 서로 나선형으로 꼬인 구조를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 백본과 상기 제2 백본의 나선형 경로를 제공하기 위하여, 나선 레일이 형성된 나선 레일부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 백본은, 상기 제1 조향 와이어 그룹과 상기 제2 조향 와이어 그룹의 길이방향의 법선 방향으로 연장하는 다수의 백본 가지들로 이루어지며, 상기 다수의 백본 가지들은, 상기 상기 제1 조향 와이어 그룹과 상기 제2 조향 와이어 그룹의 길이방향을 따라 이격하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 조향 와이어들이 조향 조작 장치와 엔드 이펙트 사이에서 나선형 구조로 배치됨으로, 백본의 휨 발생에 따른 의도치 않은 장력을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 조향 와이어 그룹의 조향 와이어들이 서로 반대방향의 나선방향을 가짐으로써, 조향 와이어 조작 시 백본의 형상이 뒤틀리는 현상을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 조향 와이어 그룹의 조향 와이어들 간의 의도치 않은 힘이 서로 상쇄되도록 내측과 외측을 교번하여 배치될 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과에 제한되지 아니하며, 이하의 설명에 의하여 보다 명확해질 수 있다.
도 1은 종래의 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 변형 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 변형 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 변형 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 또 다른 변형 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예들의 우수성을 보여주기 위한 실험 결과를 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연성 메커니즘(100)은, 백본(110), 제1 조향 와이어 그룹(W1), 및 제2 조향 와이어 그룹(W2) 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 백본(110)은, 소정의 경로를 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 연성 메커니즘(100)이 의료용 목적으로 사용되는 경우, 백본(110)은 인체 내의 경로(예, 대장, 식도 등)를 따라 이동할 수 있다. 이 때, 상기 백본(110)은 인체 내의 굴곡해 따라 휘어질 수 있도록 플렉서블한 소재로 이루어질 수 있다. 상기 백본(110)이 인체 내부 경로를 이동하기 때문에, 신체 친화적인 물질로 이루어질 수 있음은 물론이다. 다른 예를 들어, 상기 연성 메커니즘(100)이 로봇용 목적으로 사용되는 경우에도, 플렉서블한 소재로 이루어질 수 있다.
상기 백본(110)에는 엔드 이펙터와 조향 조작 장치를 연결하는 조향 와이어(W1, W2)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 조향 와이어(W1, W2)가 배치될 수 있도록 상기 백본(110)의 외주 면에는 나선형 홈이 마련될 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 조향 와이어(W1, W2)가 배치될 수 있도록 상기 백본(110)의 내부에 나선형 터널이 마련될 수 있다. 상기 백본(110)은 사출, 3D-프린팅 등 다양한 기법에 의하여 제조될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 상기 백본(110)의 내부에 상기 조향 와이어(W1, W2)가 배치되는 나선형 터널이 마련된 것을 상정하기로 한다.
상기 백본(110)은 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 도 2의 A-A' 길이방향으로 연장하는 실린더 형상을 가질 수 있다. 다른 예에 대해서는 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.
상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)은 적어도 하나의 조향 와이어들로 이루어질 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)은 짝 수의 조향 와이어들을 포함할 수 있다. 도 2에서는, 설명의 편의를 위하여, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)이 제1-1 조향 와이어(W1-1) 및 제1-2 조향 와이어(W1-2)의 2 개의 조향 와이어들을 포함하는 것을 상정하였으나, 이는 일 예일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)은 일 단에 연결된 조향 조작 장치에 가해진 조작력에 따라 장력이 조절됨으로써, 타 단에 연결된 엔드 이펙터를 제어할 수 있는 구동력을 전달할 수 있다.
상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)는 상기 백본(110)의 길이방향을 따라 나선형으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)는 소정의 주기*N(N은 1 이상의 양의 정수)로 백본(110)에 배치될 수 있다.
상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)도 적어도 하나의 조향 와이어들로 이루어질 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)은 짝 수의 조향 와이어들을 포함할 수 있다. 도 2에서는, 설명의 편의를 위하여, 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)이 제1-1 조향 와이어(W2-1) 및 제1-2 조향 와이어(W2-2)의 2 개의 조향 와이어들을 포함하는 것을 상정하였으나, 이는 일 예일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 각각의 조향 와이어 그룹은 2 내지 6개의 와이어들로 구성될 수 있고, 이 보다 많은 와이어들로 구성될 수도 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 조향 와이어 그룹(W1, W2)는 서로 동일한 수의 조향 와이어로 이루어질 수 있다. 본 명세서에서는 상기 제1 및 제2 조향 와이어 그룹(W1, W2)은 각각 2개의 동일한 수의 조향 와이어로 이루어진 것을 상정하기로 한다.
상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)도 일 단에 연결된 조향 조작 장치에 가해진 조작력에 따라 장력이 조절됨으로써, 타 단에 연결된 엔드 이펙터를 제어할 수 있는 구동력을 전달할 수 있다.
상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)는 상기 백본(110)의 길이방향을 따라 나선형으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)는 소정의 주기*N(N은 1 이상의 양의 정수)로 백본(110)에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)을 이루는 조향 와이어와 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)을 이루는 조향 와이어는 상기 백본(110)의 길이방향을 따라 나선형으로 배치되되, 서로 다른 방향으로 배치될 수 있다. 이 때, 동일한 조향 와이어 그룹에 속하는 조향 와이어들은 서로 같은 방향의 나선형으로 배치될 수 있다.
일 예를 들면, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)을 이루는 조향 와이어(W1-1, W1-2)는 A에서 A' 방향으로 반 시계 방향으로 회전하는 나선형으로 배치되고, 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)을 이루는 조향 와이어(W2-1, W2-2)는 이와 반대 방향인 시계 방향으로 회전하는 나선형으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)을 이루는 조향 와이어(W1-1, W1-2)와 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)을 이루는 조향 와이어(W2-1, W2-2)는 상기 백본(110)의 길이방향을 따라, 상기 백본(110)의 중심으로부터 상기 백본(110)의 측면 방향으로의 거리가 달라지도록 배치될 수 있다.
상술한 조향 와이어들의 배치 관계를 보다 구체적으로 설명하기 위하여 도 3 및 도 4를 참조하기로 한다.
도 3A를 참조하면, 제1 및 제2 와이어 그룹(W1, W2)의 각 조향 와이어들(W1-1, W1-2, W2-1, W2-2)는 C1, C2, C3, C4로 이루어진 한 주기 동안 백본(110)의 길이 방향을 따라, 나선형으로 감기면서 배치될 수 있다.
이 때, 제1 및 제2 와이어 그룹(W1, W2)의 각 조향 와이어들(W1-1, W1-2, W2-1, W2-2)은 같은 주기 및 주기 내의 위상을 가질 수 있다. 즉, 조향 와이어들(W1-1, W1-2, W2-1, W2-2)의 마디와 배는 동일할 수 있다.
상기 제1 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)와 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)은 백본(110)의 반경 방향 중심에서 R 방향으로 이격하여 배치되되, 내측 및 외측을 교번하여 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)는 나선의 반 주기 동안은, 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2) 보다 외측에 배치되고, 나머지 반 주기 동안은 내측에 배치될 수 있다.
즉, 도 3A에 도시된 바와 같이, C2 주기에서는 상기 제1 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)이 백본(110)의 반경 방향 중심에서, 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2) 보다 외측에 배치될 수 있다.
C4 주기에서는, C2 주기와 반대로, 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)이 백본(110)의 반경 방향 중심에서, 상기 제1 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2) 보다 외측에 배치될 수 있다. C1 주기 및 C3 주기는 외측에 배치된 와이어는 내측으로, 내측에 배치된 와이어는 외측으로 배치되는 구간이다.
이와 같이, 상기 제1 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)와 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)은 외측과 내측을 교번하여 스위칭하면서, 나선형으로 감긴 형상을 가질 수 있는 것이다.
또한, 상기 제1 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)와 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)은 전 주기에서, 서로 다른 방향의 나선 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3A의 B-B' 단면을 도시하는 도 3B를 참조하면, 상기 제1 와이어 그룹(W1)의 와이어(W1-2)의 나선 방향은 반 시계 방향인 반면, 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 와이어(W2-2)의 나선 방향은 시계 방향이다. 도 3C는 이를 실제 구현된 예시를 나타낸다.
계속하여 도 4A를 참조하면, 백본(110)의 평면 방향에서 조향 와이어들이 어떻게 배치되는지를 확인할 수 있다. 도 4A에 도시된 바와 같이, 상기 제1 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)은 서로 같은 나선 방향을 가지고, 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)도 서로 같은 나선 방향을 가지되, 이들의 나선 방향은 서로 반대이다.
도 3A의 각 주기에서의 단면을 도시하는 도 4B를 참조하면, 각 와이어의 배치 관계를 보다 쉽게 이해할 수 있다.
도 4B의 상단에 도시된 4개의 도면에서는 제1 조향 와이어 그룹(110)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)의 나선 방향을 상징하는 화살표가, 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)의 나선 방향을 상징하는 화살표가 보다 외측에 배치된 것을 통하여, 조향 와이어들(W1-1, W1-2)이 조향 와이어들(W2-1, W2-2) 보다 외측에 배치된 것을 확인할 수 있다. 이와 반대로, 도 4B의 하단에 도시된 4개의 도면에서는, 제1 조향 와이어 그룹(110)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)의 나선 방향을 상징하는 화살표가, 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)의 나선 방향을 상징하는 화살표가 보다 내측에 배치된 것을 통하여, 조향 와이어들(W1-1, W1-2)이 조향 와이어들(W2-1, W2-2) 보다 내측에 배치된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4B를 참조하면, 제1 조향 와이어 그룹(110)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)은 나선 전주기에 걸쳐서 반 시계 방향의 나선임을 확인할 수 있고, 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)은 나선 전 주기에 걸쳐서 시계 방향의 나선임을 확인할 수 있다(화살표 방향 참조).
이상 본 발명의 일 실시 예에 따른 연성 메커니즘(100)을 설명하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 조향 와이어는, 백본(110)을 나선 형상으로 감는 형상을 가지기 때문에, 백본(110)에 휨이 발생한 경우에도, 도 1B를 참조하여 설명한 조향 와이어가 백본의 일 단으로부터 의도치 않게 돌출 또는 인입됨으로써, 엔드 이펙터가 의도치 않게 제어되는 현상을 최소화할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 조향 와이어들이 나선 형상으로 상기 백본(110)을 감는 구조를 가지기 때문에, 상기 연성 메커니즘(100)에 휨이 발생한 경우에도, 상기 조향 와이어들의 경로 길이는 일정하게 유지될 수 있다. 상기 백본(110)이 휘어지면, 상기 백본(110)의 내측 영역은 초기 상태 L(도 1 참조)보다 길이가 짧아지고, 외측 영역은 초기 상태 L(도 1 참조)보다 길이가 길어진다. 이때, 상기 조향 와이어들은 상기 백본(110)을 나선 형상으로 감기 때문에, 상기 백본(110)의 내측 영역과 외측 영역에서 발생하는 길이 변화에 모두 영향을 받는다. 다시 말해, 내측 영역에 위치한 와이어 부분은 느슨해지게 되고, 외측 영역에 위치한 와이어 부분은 타이트해지게 된다. 이로써, 와이어의 느슨해진 영역과 와이어의 타이트한 영역이 서로 상쇄되게 된다. 이에 따라, 상기 조향 와이어들은, 상기 연성 메커니즘(100)에 휨이 발생한 경우에도, 상기 백본(110)의 일 단(ES1, 도 1 참조)과 타 단(ES2, 도 1 참조) 사이의 길이는 동일하게 유지될 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해 와이어의 연성 백본 주위로 감는 주기는 360도의 배수가 될 수 있다.
또한, 설명한 바와 같이, 상기 제1 와이어 그룹(W1)의 조향 와이어들(W1-1, W1-2)와 상기 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어들(W2-1, W2-2)은 서로 반대 방향의 나선 방향으로 배치된다.
이와 달리, 전체 조향 와이어들이 서로 같은 나선 방향으로 배치되는 경우, 도 5A에 도시된 바와 같이 백본이 일직선 상태인 초기 상태에서는 문제가 없으나, 백본의 와이어에 장력이 인가된 경우, 도 5B에 도시된 바와 같이, 백본의 형상이 일직선을 유지하지 못하고 형상이 뒤틀리는 것을 확인할 수 있다. 이는, 조향 와이어를 당기는 경우, 나선형으로 백본(110)에 배치된 조향 와이어가 일직선으로 펴지려는 힘에 의하여, 백본(110) 형상의 변형을 초래하는 것으로 이해된다.
이와 달리, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 및 제2 와이어 그룹(W1, W2)의 조향 와이어가 서로 반대 방향의 나선으로 배치되기 때문에, 조향 와이어의 장력이 증가하더라도, 제1 와이어 그룹(W1)의 와이어가 펴지려는 힘과 제2 와이어 그룹(W2)의 조향 와이어가 펴지려는 힘이 서로 상쇄되므로, 백본(110)의 형상 변형을 최소화할 수 있다.
나아가, 각 와이어 그룹의 조향 와이어들이 백본(110)의 길이방향의 법선방향인 반경방향 내측 및 외측을 서로 교번하면서 나선형상을 가지기 때문에, 조향 와이어 슬랙(slag) 이슈를 보다 해소하는 데 도움을 줄 수 있다. 만약, 일 실시 예와 달리, 제1 와이어 그룹의 조향 와이어가 나선 형상 전 주기에 걸쳐서 제2 와이어 그룹의 조향 와이어보다 외측에 위치하는 경우, 백본(110)의 휨 발생 시, 제1 와이어 그룹의 조향 와이어가 제2 와이어 그룹의 조향 와이어 보다 더 많은 영향을 받을 수 있기 때문에, 의도치 않은 제어 또는 백본(110)의 뒤 틀림 문제가 발생할 수 있다. 그러나 일 실시 예에 따르면, 각 와이어 그룹의 조향 와이어들이 백본(110)의 길이방향의 법선방향인 반경방향 내측 및 외측을 서로 교번하면서 나선형상을 가지기 때문에, 각 조향 와이어 그룹의 조향 와이어들이 제공하는 상쇄력의 크기가 서로 대응될 수 있는 것이다.
이하에서는 상술한 일 실시 예의 변형 예들이 설명된다. 차별점을 명확히 하기 위하여, 특별한 사정이 없는 한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 변형 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 상술한 조향 와이어 그룹의 조향 와이어들은 백본(110)의 외주면에 형성된 나선홈에 배치될 수 있다.
이 때, 상기 조향 와이어 그룹의 조향 와이어들을 나선홈에 배치시킴에 있어, 나선 유지부(140)가 제공될 수 있다. 나선 유지부(140)는 내부에 조향 와이어가 관통하는 중공이 마련되고, 백본(110)의 휨에도 불구하고, 조향 와이어의 나선 구조를 유지시킬 수 있다. 일 예에 따르면 나선 유지부(140)는 도 6B에 도시된 바와 같이 스프링 형상 또는 백본(110) 보다 길이가 짧은 관통형 실린더 형상을 가질 수 있다.
보다 구체적으로 나선 유지부(140)는, 상기 나선홈의 일 측에 부착(SB)될 수 있다. 상기 조향 와이어는, 상기 나선 유지부(140)의 중공을 관통하여 배치될 수 있다. 이 경우, 조향 와이어는 상기 나선 유지부(140)를 통하여 상기 백본(110)과 간접적으로 접촉하게 된다. 이 때, 상기 나선 유지부(140)에 의하여 상기 조향 와이어가 접촉하는 마찰 면적이 줄어들기 때문에, 백본(110)의 어떤 휨 상태에서도 조향 와이어를 통하여 엔드 이펙트에 원활한 조작력을 전달할 수 있다.
일 예에 따르면, 나선 유지부(140)의 외주면으로는 슬리브(150)가 마련될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 변형 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 변혀 예에 따른 연성 메커니즘은, 백본(110)의 외주 면 형성된 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 제2 조향 와이어 그룹(W2)을 포함할 수 있다. 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 각 구성은 상술한 바와 동일할 수 있다.
본 변형 예에서는, 백본(110)의 외주 면에 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 제2 조향 와이어 그룹(W2)이 형성되되, 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 위치를 고정하는 클램프(120)를 더 포함할 수 있다.
상기 클램프(120)는 각 와이어들을 백본(110)의 일 측에 고정하기 위한 기능을 하기 위한 것으로, 예를 들어, 집게가 될 수도 있고 다른 예를 들어, 와이어가 관통하는 소정의 관통공을 가질 수 있다. 이 때, 관통공의 구멍 크기는 와이어를 고정할 수 있도록 와이어의 직경 대비 다소 작을 수 있다.
상기 클램프(120)는 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 제2 조향 와이어 그룹(W2)을 이루는 와이어의 일 측을 고정시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 클램프(120)는 상기 와이어의 마디가 골로 변하는 변곡점 위치에 배치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 변형 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 변형 예에 따른 백본(110a)는 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 길이방향의 법선방향으로 연장하는 다수의 백본 가지들로 이루어지되, 상기 다수의 백본 가지들은, 상기 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 길이방향을 따라 이격하여 배치될 수 있다.
즉, 일 실시 예에 따르면, 백본(110)이 실린더 형상을 가진 반면, 본 변형 예에서는 백본(110a)이 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 길이방향의 법선방향으로 연장하는 다수의 가지들로 이루어지는 것이다. 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)과 다수의 가지들은 flexure 힌지 연결될 수 있다. 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)을 연결하는 가지들의 길이는, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 마디 중심에서 마디 외측으로 갈수록 짧아질 수 있다.
또한, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 각 와이어를 고정하기 위하여, 나선 구조의 슬리브가 마련될 수 있다.
한편 본 발명의 다른 변형 예에 따르면, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 나선 방향이 서로 동일 방향일 수 있다. 즉, 상기 제1 조향 와이어 그룹(W1)과 상기 제2 조향 와이어 그룹(W2)의 나선 방향은 서로 반대 방향을 이룰 수도 있고 동일 방향을 이룰 수도 있다.
또한, 본 변형 예에 따르면, 나선 구조를 이루는 와이어의 수는 특별한 제한이 없을 수 있다. 예를 들어, 와이어 수는 2개 내지 12개 중 당업자의 설계에 따라 선정될 수 있다. 물론 와이어의 수는 2개보다 적을 수도 있고 12개보다 많을 수도 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 또 다른 변형 예에 따른 연성 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
본 변형 예는, 연성 메커니즘을 로봇용 목적으로 적용한 것을 상정하여 설명하기로 한다. 또한 본 변형 예에 따른 연성 메커니즘은 다수의 서브 연성 메커니즘을 포함할 수 있다. 이 때, 도 9에 도시된 바와 같이, 다수의 서브 연성 메커니즘은 각각 상술한 일 실시 예에 따른 연성 메커니즘으로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c)이 마련될 수 있다. 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c)은 회전 자유도를 제공하는 김볼(160)을 관통하여 엔드 이펙터(170)에 연결될 수 있다.
상기 김볼(160)은 제1 및 제2 축(R1, R2) 방향의 회전 2 자유도를, 엔드 이펙터(170)에 제공할 수 있다. 만약, 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c)이 서로 평행하게 배치되는 경우, 김볼(160)에 의한 회전 상태에 따라, 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c)의 각 와이어의 장력 상태에 편차가 발생할 우려가 있다. 이 경우에도 의도치 않은 조작력이 생성될 수 있는 것이다. 예를 들어, 김볼(160)의 회전축 중심에 대하여 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c) 중 어느 연성 메커니즘이 편심된 경우, 조향 와이어 장력의 불균일이 의도치 않게 초래될 수 있는 것이다.
이에 따라 도 10의 T에 도시된 바와 같이, 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c)의 각 백본들이 서로 나선형으로 감긴 상태로 김볼(160)을 관통할 수 있다.
이로써, 김볼(160)의 회전축과 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c) 나선 꼬임축을 정렬함으로써, 김볼(160)의 회전에도 불구하고, 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c)의 각각의 조향 와이어들의 장력 상태를 유지할 수 있다.
또한, 상기 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c) 간의 나선형 꼬임을 원활히 하기 위하여, 도 11A에 도시된 바와 같이, 나선 레일부(180)가 마련될 수 있고, 상기 나선 레일부(180)에는 상기 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c)의 나선 경로를 각각 제공하는 제1 내지 제3 나선 레일(182, 184, 186)이 마련될 수 있다. 도 11B에 도시된 바와 같이, 실제 나선 레일부(180)를 제작하고, 나선 레일에, 각각의 제1 연성 메커니즘(110a, 1으로 표기), 제2 연성 메커니즘(110b, 2로 표기), 제3 연성 메커니즘(110c, 3으로 표기)을 배치시킨 경우, 제1 연성 메커니즘(110a), 제2 연성 메커니즘(110b), 제3 연성 메커니즘(110c)의 꼬임 상태가 잘 유지될 수 있었다. 즉, 상기 나선 레일부(180)는 유연성을 가지는 각 백본의 휨 복원력에 의하여 제1 내지 제3 연성 메커니즘의 나선 꼬임 상태가 풀어지는 것을 최소화할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예들의 우수성을 보여주기 위한 실험 결과를 도시한다.
먼저 비교 예를 위하여, 나선형 구조가 아닌 평행한 배치 관계를 가지는 조향 와이어들을 포함하는 종래의 연성 메커니즘과, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연성 메커니즘을 준비하였다.
도 12는 종래의 연성 메커니즘을 소정의 곡률을 가지는 레일에 배치하여, 임의적으로 백본의 휨을 유도한 경우를 도시한다. 단순히 백본의 휨에 따른 조향 와이어의 의도치 않은 장력이 발생하는지를 확인하기 위하여 조향 조작 장치는 기동하지 않았다. 이 경우, 엔드 이펙터가 배치된 백본의 일 단이 백본의 길이방향인 기준 라인(S1)으로부터 S2 방향으로 휘어진 것을 확인할 수 있었다. 즉, 평행한 방향으로 배치된 조향 와이어의 경우, 백본의 휨 발생 시, 조향 와이어 슬랙에 의하여 의도치 않은 장력이 발생하고 이에 따라 엔드 이펙터에 의도치 않은 조작력이 발생한 것을 알 수 있다.
이와 달리, 도 13에 도시된 바와 같이, 같은 레일에 본 발명의 일 실시 예에 따른 연성 메커니즘을 배치시킨 경우, 기준 라인(S1)으로부터, 거의 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 일 실시 예에 경우, 백본의 휨 발생 시에도 각각의 조향 와이어들이 엔드 이펙터가 미치는 장력이 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 길이방향으로 연장하는 백본;
    상기 백본의 길이방향을 따라 제1 방향의 나선 방향으로 배치되되, 일 단에 가해지는 조작력을 엔드 이펙터로 전달하는 적어도 하나의 조향 와이어로 이루어지는 제1 조향 와이어 그룹; 및
    상기 백본의 길이방향을 따라, 상기 제1 방향과 다른 제2 방향의 나선 방향으로 배치되되, 일 단에 가해지는 조작력을 엔드 이펙터로 전달하는 적어도 하나의 조향 와이어로 이루어지는 제2 조향 와이어 그룹;을 포함하는 연성 메커니즘.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어와 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어는 상기 백본의 길이방향을 따라, 상기 백본의 중심으로부터 상기 백본의 측면 방향으로의 거리가 달라지도록 배치되는, 연성 메커니즘.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어와 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어는, 서로 동일한 주기를 가지며,
    상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어와 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어는, 서로 내측과 외측을 교번하면서 상기 백본의 길이방향을 따라 배치되는, 연성 메커니즘.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 조향 와이어 그룹은 제1-1 조향 와이어 및 제1-2 조향 와이어로 이루어지고,
    상기 제2 조향 와이어 그룹은 제2-1 조향 와이어 및 제2-2 조향 와이어로 이루어지고,
    상기 제1-1 및 제1-2 조향 와이어는, 나선의 반 주기 동안, 상기 백본의 반경 방향을 기준으로 상기 제2-1 조향 및 제2-2 조향 와이어의 외측으로 배치되고, 나선의 나머지 반 주기 동안, 상기 백본의 반경 방향을 기준으로 상기 제2-1 조향 및 제2-2 조향 와이어의 내측으로 배치되는, 연성 메커니즘.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어의 수는 짝 수를 이루고,
    상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어의 수도 짝 수를 이루며,
    상기 제1 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어의 수와 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어의 수는 서로 동일한, 연성 메커니즘.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 백본의 외면에는 상기 제1 조향 와이어 그룹 및 상기 제2 조향 와이어 그룹을 이루는 조향 와이어가 배치되는 나선홈이 마련되며,
    상기 나선홈에는, 상기 조향 와이어가 관통하는 중공이 마련되고, 상기 조향 와이어의 나선 구조를 유지시키는 나선 유지부를 더 포함하는, 연성 메커니즘.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 나선 유지부와 상기 조향 와이어가 접촉하는 마찰 면적은, 상기 나선 유지부의 길이방향 면적보다 좁은, 연성 메커니즘.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 백본은, 상기 제1 및 제2 조향 와이어 그룹이 마련된 제1 백본과 상기 제1 및 제2 조향 와이어 그룹이 마련된 제2 백본을 포함하며,
    상기 제1 백본과 상기 제2 백본이 서로 나선형으로 꼬인 구조를 가지는, 연성 메커니즘.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 백본과 상기 제2 백본의 나선형 경로를 제공하기 위하여, 나선 레일이 형성된 나선 레일부를 더 포함하는, 연성 메커니즘.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 백본은, 상기 제1 조향 와이어 그룹과 상기 제2 조향 와이어 그룹의 길이방향의 법선 방향으로 연장하는 다수의 백본 가지들로 이루어지며,
    상기 다수의 백본 가지들은, 상기 상기 제1 조향 와이어 그룹과 상기 제2 조향 와이어 그룹의 길이방향을 따라 이격하여 배치되는, 연성 메커니즘.
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