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KR101579723B1 - 6자유도 운동이 가능한 기구 - Google Patents

6자유도 운동이 가능한 기구 Download PDF

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KR101579723B1 KR1020140195022A KR20140195022A KR101579723B1 KR 101579723 B1 KR101579723 B1 KR 101579723B1 KR 1020140195022 A KR1020140195022 A KR 1020140195022A KR 20140195022 A KR20140195022 A KR 20140195022A KR 101579723 B1 KR101579723 B1 KR 101579723B1
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조현덕
정진년
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경일대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 6자유도 운동이 가능한 기구에 관한 것으로, 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구는 외부 플레이트부; 상기 외부 플레이트부에 소정 간격 이격되어 형성되되 중앙에 홀이 형성되는 내부 플레이트부; 상기 외부 플레이트부 및 내부 플레이트부 사이에 개재되는 이동 플레이트부; 상기 이동 플레이트부에 부착되어 상기 홀 내에서 이동하고, 3자유도로 회전하는 3자유도 조인트부를 포함하여 구성되고, 상기 이동 플레이트부의 상면과 하면에 다수의 홈이 형성되며, 상기 홈에 볼이 안착되고, 상기 볼이 상기 외부 플레이트부 및 내부 플레이트부에 접촉되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

6자유도 운동이 가능한 기구 {MECHANISM AVAILABLE FOR SIX DEGREE OF FREEDOM}
본 발명은 6자유도 운동이 가능한 기구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 테스트 큐브에 연결되었을 때 테스트 큐브를 최대 6자유도로 운동케 하는 6자유도 운동이 가능한 기구에 관한 것이다.
일반적으로 테스트 베드는 대상물을 받침 플레이트에 올려놓은 다음 대상물을 테스트하거나 측정하는 장치이다. 이러한 테스트 베드 중 정육면체 형상으로 형성되는 테스트 큐브가 있는데, 테스트 큐브는 자동차 부품, 항공기 부품, 가전 제품에 진동을 가해 내구성을 테스트하는 것으로, 유압식과 전자기식으로 구분된다. 유압식 테스트 큐브는 중량 제품의 테스트가 가능하지만 진동 및 소음이 크게 발생하고, 정밀 제어가 불가능한 단점이 있다.
최근에 유압식 테스트 큐브의 단점을 개선한 전자기식 테스트 큐브가 개발되었다. 전자기식 테스트 큐브는 전자기식 액추에이터를 이용함으로써 진동 및 소음 발생을 최소화함과 동시에 정밀 제어가 가능한 장점이 있다.
이러한 전자기식 테스트 큐브는 6개의 외부면에 액추에이터의 구동바(D)가 결합되는데, 테스트 큐브의 외부면에 진동을 제대로 전달하기 위해 LM가이드와 같은 형태의 3자유도 운동이 가능한 기구가 테스트 큐브의 외부면과 액추에이터의 구동바(D) 사이에 개재되었다.
이와 같은 종래의 3자유도 운동이 가능한 기구가 도 1에 도시되어 있다. 종래의 3자유도 운동이 가능한 기구는 액추에이터의 구동바(D)에 결합되는 제1 가이드바(1), 제1 가이드바(1)와 소정 간격 이격되어 형성되되 제1 가이드바(1)와 직교하는 제2 가이드바(2), 제1 가이드바(1)와 제2 가이드바(2)가 각각 안착되며 제1 가이드바(1) 또는 제2 가이드바(2)를 따라 슬라이딩하는 슬라이딩 유닛(3)으로 이루어진다.
종래의 3자유도 운동이 가능한 기구는 도 1에 도시된 바와 같이 테스트 큐브에 결합됨으로써 테스트 큐브가 X, Y, Z축 방향으로 진동이 가능케 했다. 3자유도 운동이 가능한 기구와 테스트 큐브의 결합 구성과 동작을 간단히 살펴보면, 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면(전·후·좌·우측면)은 서로 결합되나 바닥면(B)은 독립되도록 구성된다. 즉, 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면이 결합된 상태로 바닥면(B)과 분리되어 액추에이터로부터 전달되는 동력(진동)에 의해 X축, Y축 또는 Z축으로 진동한다. 예를 들어 바닥면(B)과 수평하게 형성된 두 개의 액추에이터가 진동하는 경우 테스트 큐브는 X축을 중심으로 진동하게 된다(Y축 및 Z축의 진동 역시 마찬가지 원리로 작동한다).
그러나 종래의 3자유도 운동이 가능한 기구는 X, Y, Z축 방향의 직선 운동만 가능할 뿐 회전 운동이 불가능하고, 3자유도 운동이 가능한 기구가 테스트 큐브에 결합되는 경우에도 X, Y, Z축 방향의 직선 운동만 가능할 뿐 회전 운동이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 X, Y, Z축 방향의 직선 운동뿐만 아니라 X, Y, Z축에 대한 회전 운동까지 가능한 6자유도 운동이 가능한 기구를 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구는 외부 플레이트부; 상기 외부 플레이트부에 소정 간격 이격되어 형성되되 중앙에 홀이 형성되는 내부 플레이트부; 상기 외부 플레이트부 및 내부 플레이트부 사이에 개재되는 이동 플레이트부; 상기 이동 플레이트부에 부착되어 상기 홀 내에서 이동하고, 3자유도로 회전하는 3자유도 조인트부를 포함하여 구성되고, 상기 이동 플레이트부의 상면과 하면에 다수의 홈이 형성되며, 상기 홈에 볼이 안착되고, 상기 볼이 상기 외부 플레이트부 및 내부 플레이트부에 접촉되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구는 X, Y, Z축의 직선 운동뿐만 아니라 X, Y, Z축에 대한 회전 운동까지 가능하다. 즉, 최대 6자유도 운동이 가능하여 테스트 큐브에 결합되는 경우에도 테스트 큐브가 6자유도를 갖고 운동할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 3자유도 운동이 가능한 기구가 사용된 테스트 큐브의 사시도
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구의 사시도
도 4는 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구의 측단면도
도 5 내지 도 10은 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구가 사용된 테스트 큐브의 동작 상태도
아래에서는 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구를 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구의 사시도, 도 4는 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구의 측단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구는 외부 플레이트부(10); 외부 플레이트부(10)에 소정 간격 이격되어 형성되되 중앙에 홀(22)이 형성되는 내부 플레이트부(20); 외부 플레이트부(10) 및 내부 플레이트부(20) 사이에 개재되는 이동 플레이트부(30); 이동 플레이트부(30)에 부착되어 상기 홀(22) 내에서 이동하며 3자유도로 회전하는 3자유도 조인트부(40)를 포함하여 구성된다.
외부 플레이트부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 사각 형상으로 형성될 수 있고, 외부 플레이트부(10) 자체가 받침판으로 이용되어 외부 플레이트부(10)의 외측면{내부 플레이트부(20)가 위치하는 반대면}에 대상물을 안착시킬 수 있다.
내부 플레이트부(20)는 외부 플레이트부(10)와 소정 간격 이격되어 형성되는 구성요소로서, 내부 플레이트부(20)의 가장자리에 형성되는 고정다리(24)에 의해 외부 플레이트부(10)와 내부 플레이트부(20)가 결합될 수 있다. 또한 내부 플레이트부(20)의 중앙에는 홀(22)이 형성되는데, 홀(22)의 범위 내에서 3자유도 조인트부(40)가 이동하게 된다. 이러한 홀(22)의 형상은 필요에 따라 다양하게 형성될 수 있으나, 원점을 기준으로 동일한 거리 내에서 이동 범위를 제한하기 위해서는 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.
이동 플레이트부(30)는 외부 플레이트부(10)와 내부 플레이트부(20) 사이에 개재되는 구성요소로서, 이동 플레이트부(30)의 상면과 하면에 다수의 홈(32)이 형성되고, 홈(32)에 볼(34)이 안착되며, 볼(34)이 외부 플레이트부(10) 및 내부 플레이트부(20)에 접촉된다. 이때 볼(34)이 홈(32)에 안착되어 원활하게 회전하기 위해 홈(32)이 볼(34)에 대응하여 형성되는 것이 바람직하다.
이동 플레이트부(30)는 이러한 구성에 의해 외부 플레이트부(10)와 내부 플레이트부(20) 사이에서 이동할 수 있다. 즉, 홈(32)에 안착되는 볼(34)이 회전함에 따라 이동 플레이트부(30)가 외부 플레이트부(10)와 내부 플레이트부(20) 사이에서 이동한다.
3자유도 조인트부(40)는 이동 플레이트부(30)의 일면에 부착되는 구성요소로서, 3자유도로 회전할 수 있다. 이때 3자유도는 X축에 대한 회전, Y축에 대한 회전, Z축에 대한 회전으로, 회전 운동에 대한 것은 이하에서 테스트 큐브에 결합된 예를 통해 상세히 설명한다.
이러한 3자유도 조인트부(40)는 이동 플레이트부(30)의 법선을 축으로 회전 가능한 유니버설 조인트로 형성될 수 있으며, 유니버설 조인트 이외에도 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 베어링 형태로 형성될 수 있다. 3자유도 조인트부(40)가 베어링 형태로 형성되는 경우, 이동 플레이트부(30)에 부착되는 베어링 소켓(42); 베어링 소켓(42)에 형성되는 베어링 홈(44); 및 베어링 홈(44)에 안착되는 베어링 볼(46)을 포함하여 구성된다. 이와 같은 3자유도 조인트부(40)에 액추에이터의 구동바(D)가 결합된다.
이처럼 3자유도 조인트부(40)에 액추에이터의 구동바(D)가 결합되면, 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구는 액추에이터의 구동바(D)를 중심으로 소정 구간 이내에서 회전 운동할 수 있다. 이때 회전 운동은 일명 Pitch, Roll, Yaw로 불리는 X, Y, Z축에 대한 회전 운동으로 구분할 수 있는데, 이에 대한 설명은 이하에서 도면을 통해 상술한다.
도 5 내지 도 10은 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구가 사용된 테스트 큐브의 동작 상태도로서, 내부에 6개의 액추에이터가 형성된 테스트 큐브에 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구가 사용될 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구(100)의 베어링 볼(46)이 각각의 액추에이터의 구동바(D)에 결합되고 외부 플레이트부(10)가 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면(전·후·좌·우측면)에 각각 결합될 수 있다.
도 5를 참조하면, 바닥면(B)에 수평한 두 개의 액추에이터(A1, A2)가 화살표 방향으로 이동하면 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면이 화살표 방향으로 이동하게 되고, 액추에이터(A1, A2)가 화살표 반대 방향으로 이동하면 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면 역시 화살표 반대 방향으로 이동하게 된다. 즉, 액추에이터(A1, A2)의 병진 운동에 따라 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면이 X축 방향으로 병진 운동(진동)할 수 있게 된다.
도 6을 참조하면, 바닥면(B)에 수평한 두 개의 액추에이터(A3, A4)가 화살표 방향으로 이동하면 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면이 화살표 방향으로 이동하게 되고, 액추에이터(A3, A4)가 화살표 반대 방향으로 이동하면 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면 역시 화살표 반대 방향으로 이동하게 된다. 즉, 액추에이터(A3, A4)의 병진 운동에 따라 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면이 Y축 방향으로 병진 운동(진동)할 수 있게 된다.
도 7을 참조하면, 바닥면(B)에 수직한 두 개의 액추에이터(A5, A6)가 화살표 방향으로 이동하면 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면이 화살표 방향으로 이동하게 되고, 액추에이터(A5, A6)가 화살표 반대 방향으로 이동하면 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면 역시 화살표 반대 방향으로 이동하게 된다. 즉, 액추에이터(A5, A6)의 병진 운동에 따라 테스트 큐브의 상면 및 4개의 측면이 Z축 방향으로 병진 운동(진동)할 수 있게 된다.
이와 같은 X, Y, Z축 방향의 병진 운동은 이동 플레이트부(30)가 외부 플레이트부(10) 및 내부 플레이트부(20) 사이에서 이동할 수 있기 때문에 가능하다. 이러한 X, Y, Z축 방향의 병진 운동은 그 범위가 홀(22)의 범위 내로 제한되기 때문에, 홀(22)의 크기를 결정함으로써 X, Y, Z축 방향의 병진 운동의 범위를 정할 수 있다.
도 8을 참조하면, 바닥면(B)에 수평한 두 개의 액추에이터(A1, A2) 각각이 서로 반대 방향으로 이동하면(예를 들어 A1 액추에이터가 +X축 방향으로 이동하고 A2 액추에이터가 -X축 방향으로 이동하면) Y축을 중심으로 YZ면이 회전하게 된다.즉, 두 개의 액추에이터(A1, A2)가 교차로 병진 운동함에 따라 테스트 큐브의 4개의 측면이 Y축을 중심으로 회전 운동하게 된다.
도 9를 참조하면, 바닥면(B)에 수평한 두 개의 액추에이터(A3, A4) 각각이 서로 반대 방향으로 이동하면(예를 들어 A3 액추에이터가 -Y축 방향으로 이동하고 A4 액추에이터가 +Y축 방향으로 이동하면) Z축을 중심으로 XZ면이 회전하게 된다.즉, 두 개의 액추에이터(A3, A4)가 교차로 병진 운동함에 따라 테스트 큐브의 4개의 측면이 Z축을 중심으로 회전 운동하게 된다.
도 10을 참조하면, 바닥면(B)에 수직한 두 개의 액추에이터(A5, A6) 각각이 서로 반대 방향으로 이동하면(예를 들어 A5 액추에이터가 +Z축 방향으로 이동하고 A6 액추에이터가 -Z축 방향으로 이동하면) X축을 중심으로 XY면이 회전하게 된다.즉, 두 개의 액추에이터(A5, A6)가 교차로 병진 운동함에 따라 테스트 큐브의 상면이 X축을 중심으로 회전 운동하게 된다.
이와 같은 X, Y, Z축에 대한 회전 운동은 이동 플레이트부(30)에 부착되어 형성되는 3자유도 조인트부(40)가 3자유도로 회전할 수 있기 때문에 가능하다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 6자유도 운동이 가능한 기구는 X, Y, Z축의 직선 운동뿐만 아니라 X, Y, Z축에 대한 회전 운동이 가능하고, 액추에이터로 구동되는 전자기식 테스트 큐브에 적용되었을 때 테스트 큐브가 X, Y, Z축의 직선 운동 및 X, Y, Z축에 대해 회전 운동 가능케 한다.
10: 외부 플레이트부 20: 내부 플레이트부
22: 홀 24: 고정다리
30: 이동 플레이트부 32: 홈
34: 볼 40: 3자유도 조인트부
42: 베어링 소켓 44: 베어링 홈
46: 베어링 볼

Claims (6)

  1. 외부 플레이트부(10);
    상기 외부 플레이트부(10)에 소정 간격 이격되어 형성되되 중앙에 홀(22)이 형성되는 내부 플레이트부(20);
    상기 외부 플레이트부(10) 및 내부 플레이트부(20) 사이에 개재되는 이동 플레이트부(30);
    상기 이동 플레이트부(30)에 부착되어 상기 홀(22) 내에서 이동하고, 3자유도로 회전하는 3자유도 조인트부(40)를 포함하여 구성되고,
    상기 이동 플레이트부(30)의 상면과 하면에 다수의 홈(32)이 형성되며, 상기 홈(32)에 볼(34)이 안착되고, 상기 볼(34)이 상기 외부 플레이트부(10) 및 내부 플레이트부(20)에 접촉되는 것을 특징으로 하는 6자유도 운동이 가능한 기구.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 3자유도 조인트부(40)가 액추에이터에 연결되는 것을 특징으로 하는 6자유도 운동이 가능한 기구.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 3자유도 조인트부(40)는
    상기 이동 플레이트부(30)에 부착되는 베어링 소켓(42);
    상기 베어링 소켓(42)에 형성되는 베어링 홈(44);
    상기 베어링 홈(44)에 안착되는 베어링 볼(46)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 6자유도 운동이 가능한 기구.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 3자유도 조인트부(40)가 상기 이동 플레이트부(30)의 법선을 축으로 회전 가능한 유니버설 조인트로 형성되는 것을 특징으로 하는 6자유도 운동이 가능한 기구.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈(32)이 상기 볼(34)에 대응하여 형성되는 것을 특징으로 하는 6자유도 운동이 가능한 기구.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 플레이트부(20)의 가장자리에 고정다리(24)가 형성되고,
    상기 고정다리(24)에 의해 상기 외부 플레이트부(10)와 상기 내부 플레이트부(20)가 결합되는 것을 특징으로 하는 6자유도 운동이 가능한 기구.
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