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KR101826324B1 - 4자유도 메커니즘 햅틱장치 - Google Patents

4자유도 메커니즘 햅틱장치 Download PDF

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KR101826324B1
KR101826324B1 KR1020160059076A KR20160059076A KR101826324B1 KR 101826324 B1 KR101826324 B1 KR 101826324B1 KR 1020160059076 A KR1020160059076 A KR 1020160059076A KR 20160059076 A KR20160059076 A KR 20160059076A KR 101826324 B1 KR101826324 B1 KR 101826324B1
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wire
output shaft
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wires
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김성목
조한별
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고려대학교 세종산학협력단
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Abstract

본 발명의 4자유도 메커니즘 햅틱장치는, 복수의 제 1 와이어 가이드가 상호 이격되어 구비되는 제 1 지지대와, 상기 제 1 지지대와 이격되도록 배치되고 복수의 제 2 와이어 가이드가 상호 이격되어 구비되는 제 2 지지대를 갖는 프레임; 상기 제 1 지지대와 상기 제 2 지지대의 사이에 배치되는 연결조인트; 일단이 상기 연결조인트에 상대 회전 가능하게 결합되는 출력 샤프트; 상기 연결조인트의 일측을 움직임 가능하게 지지하기 위해 각각의 일단이 상기 연결조인트에 결합되어 상기 복수의 제 1 와이어 가이드에 각각 이동 가능하게 지지되는 복수의 제 1 와이어; 상기 복수의 제 1 와이어에 대해 각각 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가할 수 있도록 상기 복수의 제 1 와이어 각각의 타단과 결합되는 복수의 제 1 와이어 반력구동기; 상기 출력 샤프트의 다른 일측을 움직임 가능하게 지지하기 위해 각각의 일단이 상기 출력 샤프트 측에 결합되어 상기 복수의 제 2 와이어 가이드에 각각 이동 가능하게 지지되는 제 2 와이어; 상기 제 2 와이어에 대해 각각 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가할 수 있도록 상기 제 2 와이어 각각의 타단과 결합되는 제 2 와이어 반력구동기; 및 일단이 상기 프레임과 결합되고 타단이 상기 출력 샤프트와 결합되고 일측에서 상기 제 2 와이어와 연결되고, 상기 출력 샤프트가 상기 프레임에 대해 움직일 수 있도록 상기 프레임과 상기 출력 샤프트를 연결하는 링크 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 4자유도 메커니즘 햅틱장치를 제공한다.

Description

4자유도 메커니즘 햅틱장치{4 DEGREE-OF-FREEDOM MECHANISM HAPTIC DEVICE}
본 발명은 햅틱장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강체 링크 구조와 와이어 구조가 혼합된 새로운 구조의 4자유도 메커니즘 햅틱장치에 관한 것이다.
기존의 컴퓨터 기술은 인간과 컴퓨터가 정보를 주고받는데 주로 시청각 정보가 이용되었다. 그러나 기술 발전과 더불어 사용자가 가상현실을 통한 더욱 구체적이고 실감나는 정보를 원하게 되면서 촉각과 힘까지 전달하는 햅틱 기술이 개발되었다.
햅틱 기술을 이용한 시뮬레이터를 만들려면 햅틱장치, 햅틱렌더링, 컴퓨터 그래픽스 기술이 필요하다. 햅틱장치는 일종의 로봇 팔과 같은 기계적 장치로, 사람과 가상환경과의 상호 작용을 위해 고안된 것이다. 사람은 햅틱장치를 통해 원격로봇이나 가상 환경에 명령을 내리고 원격환경이나 가상환경에서 오는 촉감이나 힘을 느끼게 된다.
햅틱스는 크게 힘 피드백과 촉각 피드백의 두 영역으로 나뉜다. 힘 피드백은 기계적 인터페이스를 이용해 사용자에게 힘과 운동감을 느끼도록 하는 기술로, 게임 기계에서 조이스틱이 떨리는 것을 예로 들 수 있다. 촉각 피드백 기술은 다양한 분야에서 많이 활용된다. 의학분야의 예를 들면, 컴퓨터 화면에 가상의 환자에 대한 3차원 영상을 실시간으로 컴퓨터 화면에 디스플레이하고, 여기에 압축 공기나 전기 등으로 움직이는 작은 핀과 같은 기구를 이용해 실제로 피부 조직 등을 만지는 것 같은 촉감이 시술자에게 전달되도록 하여 실제 시술 상황과 비슷한 환경을 구현할 수 있다.
이와 같이, 햅틱장치는 사용자의 신체의 움직임을 컴퓨터에 전달하는 입력장치의 역할과 컴퓨터의 명령에 따라 사용자의 신체에 적절한 힘 또는 촉감 등을 전달하는 출력장치의 역할을 모두 수행할 수 있는 양방향 인터페이스를 구현할 수 있다. 이러한 햅틱장치의 특징은 컴퓨터에서 구현되는 가상환경과의 상호작용 및 컴퓨터에 연결된 로봇의 원격조종 등을 용이하게 하고, 컴퓨터 사용자의 직관적인 입력과 출력을 가능하게 한다. 이러한 이유로 햅틱장치는 단방향 인터페이스의 기존 주변기기를 대체하는 장치로 부각되고 있다.
햅틱장치는 그 기구적 특성에 따라서 직렬형과 병렬형 및 하이브리드형으로 구분할 수 있다. 직렬형은 필요한 자유도를 구현하기 위해 링크들이 직렬로 연결된 구조를 갖는다. 초기의 햅틱장치가 주로 직렬형으로 개발되었으나, 직렬형은 링크들이 직렬로 배치되어 있어 내구성이 약하고, 역학적 관성이 크며, 정밀도가 떨어지는 단점이 있다. 병렬형은 여러 개의 링크가 병렬로 연결된 구조를 가지며, 힘이 분산되어 내구성이 강하고 안정된 구조를 갖는 특징이 있다. 하이브리드형은 병렬형 구조의 단점을 보완하기 위한 구조로서, 여러 개의 병렬형 구조와 직렬형 구조를 순서적으로 연결한 구조를 갖는다. 이러한 햅틱장치는 여러 개의 링크 또는 와이어를 연결하여 구성한다.
그런데 햅틱장치 중에서 강체 링크형 구조는 높은 강성을 갖지만, 중력과 관성 및 마찰력이 상대적으로 높은 단점이 있다. 그리고 와이어형 구조는 관성과 마찰력이 낮은 특성을 갖지만, 강성이 낮고 와이어간의 간섭으로 인해 작업 공간의 크기가 제한되는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제0338013호 (2002. 05. 24) 대한민국 등록특허공보 제1084724호 (2011. 11. 22) 대한민국 등록특허공보 제1421449호 (2014. 07. 23)
본 발명은 상술한 것과 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 강체 링크 구조와 와이어 구조가 혼합되어 넓은 작업 공간을 가지며 실용성이 큰 새로운 구조의 4자유도 메커니즘 햅틱장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명의 4자유도 메커니즘 햅틱장치는, 복수의 제 1 와이어 가이드가 상호 이격되어 구비되는 제 1 지지대와, 상기 제 1 지지대와 이격되도록 배치되고 복수의 제 2 와이어 가이드가 상호 이격되어 구비되는 제 2 지지대를 갖는 프레임; 상기 제 1 지지대의 적어도 일부와 상기 제 2 지지대의 사이에 배치되는 연결조인트; 일단이 상기 연결조인트에 상대 회전 가능하게 결합되는 출력 샤프트; 상기 연결조인트의 일측을 움직임 가능하게 지지하기 위해 각각의 일단이 상기 연결조인트에 결합되어 상기 복수의 제 1 와이어 가이드에 각각 이동 가능하게 지지되는 복수의 제 1 와이어; 상기 복수의 제 1 와이어에 대해 각각 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가할 수 있도록 상기 복수의 제 1 와이어 각각의 타단과 결합되는 복수의 제 1 와이어 반력구동기; 상기 출력 샤프트의 다른 일측을 움직임 가능하게 지지하기 위해 각각의 일단이 상기 출력 샤프트 측에 결합되어 상기 복수의 제 2 와이어 가이드에 각각 이동 가능하게 지지되는 제 2 와이어; 상기 제 2 와이어에 대해 각각 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가할 수 있도록 상기 제 2 와이어 각각의 타단과 결합되는 제 2 와이어 반력구동기; 및 일단이 상기 프레임과 결합되고 타단이 상기 출력 샤프트와 결합되고 일측에서 상기 제 2 와이어와 연결되고, 상기 출력 샤프트가 상기 프레임에 대해 움직일 수 있도록 상기 프레임과 상기 출력 샤프트를 연결하는 링크 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 4자유도 메커니즘 햅틱장치를 제공한다.
상기 4자유도 메커니즘 햅틱장치에 있어서, 상기 연결조인트는 상기 출력 샤프트의 일단에 상기 출력 샤프트의 길이 방향을 축으로 상대 회동 가능하게 하는 회전 베어링이고, 상기 연결조인트는 상기 복수의 제 1 와이어 및 상기 출력 샤프트 사이에 개재되어 상기 복수의 제 1 와이어를 통한 병진 3자유도 방향 힘전달을 가능하게 할 수도 있다.
상기 4자유도 메커니즘 햅틱장치에 있어서, 상기 링크 유닛은, 상기 출력 샤프트와 상대 회동 제한되는 볼 스플라인과, 상기 출력 샤프트와 직선인 축에 대해 함께 회전하는 상기 볼 스플라인에 결합되는 회전부재(풀리)와, 복수의 링크를 구비하여 그 일단이 상기 회전부재 측에 관절 운동 가능하게 결합되고 그 타단이 상기 프레임에 연결 지지되는 링크 기구를 구비할 수도 있다.
상기 4자유도 메커니즘 햅틱장치에 있어서, 상기 링크 기구는 상기 출력 샤프트에 수직한 평면 상에서 가동될 수도 있다.
상기 4자유도 메커니즘 햅틱장치에 있어서, 상기 링크 기구는, 일단이 상기 회전부재 측에 연결되는 제 1 링크 결합부재와, 일단이 상기 제 1 링크 결합부재에 상대 회동 가능하게 연결되고, 타단이 상기 프레임에 상대 회동 가능하게 연결되는 제 2 링크 결합부재를 포함할 수도 있다.
상기 4자유도 메커니즘 햅틱장치에 있어서, 상기 복수의 제 1 와이어 반력구동기는 각각 상기 제 1 와이어의 타단과 결합되어 상기 제 1 와이어가 감기는 제 1 와이어 스풀과, 상기 제 1 와이어 스풀을 회전시키는 모터를 구비하고, 상기 복수의 제 2 와이어 반력구동기는 각각 상기 제 2 와이어 각각의 타단과 결합되어 상기 제 2 와이어가 감기는 제 2 와이어 스풀과, 상기 제 2 와이어 스풀을 회전시키는 모터를 구비할 수도 있다.
또한, 각 와이어 스풀은 와이어의 방향에 따라 마찰을 줄이도록 회전 가능하다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치는 강체 링크만을 활용한 구조나 와이어만을 활용한 구조로 이루어진 종래의 4자유도 메커니즘 햅틱장치에 비해, 강체 링크 구조와 와이어 구조가 혼합된 구조를 취함으로써, 낮은 관성 및 낮은 마찰 특성을 갖고, 와이어 간의 기계적 간섭을 줄일 수 있으며, 넓은 작업 공간을 확보할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치는 복수의 와이어 반력구동기 및 회전 반력구동기를 이용하여 출력 샤프트에 대해 반력을 가함으로써, 사용자가 출력 샤프트를 통해 병진 3자유도와 회전 1자유도 방향으로 다양한 촉감이나 역감을 느끼게 할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치는 사용자의 조작을 위한 연결조인트가 복수의 와이어에 의해 지지됨으로써, 병진 3자유도와 회전 1자유도를 갖게 된다. 따라서 사용자가 연결조인트의 그립부를 잡고 연결조인트를 다방향으로 병진 운동시키거나 필요한 동작 범위 내에서 회전 동작시킬 수 있고, 병진 운동과 회전 운동을 조합하여 연결조인트에 대해 다양한 움직임을 구현할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치의 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치의 사시도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치의 개략적인 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치의 개략적인 사시도이다.
도 1 내지 도 2 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치(100)는 프레임(101)과, 병진 3자유도 및 회전 1자유도 운동 조작을 위한 연결조인트(120)와, 연결조인트(120)와 결합되는 출력 샤프트(125)와, 연결조인트(120)를 움직임 가능하게 지지하는 복수의 제 1 와이어(130)(131)(132)(133) 및 복수의 제 2 와이어(134)(135)와, 복수의 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)에 대해 각각 반력을 가하는 복수의 제 1 와이어 반력구동기(137)(138)(139)(140)와, 복수의 제 2 와이어(134)(135)에 대해 각각 반력을 가하는 복수의 제 2 와이어 반력구동기(148)(149)와, 프레임(101)과 연결조인트(120)를 연결하는 링크 유닛(160)를 포함할 수 있다.
이러한 4자유도 메커니즘 햅틱장치(100)는 사용자 조작을 위한 출력 샤프트(125)의 일단을 와이어 구조의 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133)와 연결된 연결조인트(120)와 연결시키고 타단을 링크 유닛(160) 측과 연결하여 병진 3자유도와 회전 1자유도의 총 4자유도 움직임을 가능하게 지지함으로써, 간결한 구조로 충분한 자유도를 확보하고 넓은 작업 공간을 확보할 수 있고 실용적인 구조를 갖는다.
프레임(101)은 제 1 지지대(102;102a,102b)와, 제 2 지지대(103)와, 기둥(104)을 포함하고, 경우에 따라 일체로 내지 개별화된 복수의 지지 블록(105)(106)(107)(108)(109)(110)을 더 포함할 수도 있다.
제 1 지지대(102)는 기둥(104)에 의해 지지되어 제 2 지지대(103)의 상측에 이격되도록 배치된다. 복수의 지지 블록(105)(106)(107)(108)(109)(110)은 제 2 지지대(103)에 상호 이격되도록 결합되나 이와 같은 지지 구조는 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.
제 1 지지대(102)에는 복수의 제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)가 구비된다. 제 2 지지대(103)에는 복수의 제 2 와이어 가이드(115)(116)가 구비된다. 또한 제 2 지지대(103)에는 링크 유닛(160)이 결합될 수도 있다.
복수의 지지 블록(105)(106)(107)(108)(109)(110)은 복수의 제 1 와이어 반력구동기(137)(138)(139)(140)와 복수의 제 2 와이어 반력구동기(148)(149)를 지지한다.
복수의 제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)는 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133)을 각각 가이드하기 위해 제 1 지지대(102)에 상호 이격되도록 결합된다. 제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)는 각각 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)를 이동 가능하게 지지하는 풀리 기능을 수행하는 롤러(114a)와, 제 1 지지대(102)에 결합되어 롤러(114a)를 회전 가능하게 지지하는 롤러 지지부재(114b)를 포함한다. 이러한 제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)는 그 롤러 지지부재(114b)가 제 1 지지대(102)에 대해 회전할 수 있는 구조를 취함으로써 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)의 3차원 상에서의 병진 3자유도 동작을 가능하도록 가이드할 수 있다.
제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)는 도시된 구조 이외에 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)를 이동 가능하게 지지할 수 있는 다른 구조로 변경될 수 있다.
복수의 제 2 와이어 가이드(115)(116)는 제 2 와이어들(134)(135)을 각각 가이드하기 위해 제 2 지지대(103)에 상호 이격되도록 결합된다. 제 2 와이어 가이드(115)(116)는 제 2 와이어(134)(135)를 이동 가능하게 지지하는 풀리 기능을 수행하는 롤러(118)와, 제 2 지지대(103)에 결합되어 롤러(118)를 회전 가능하게 지지하는 롤러 지지부재(119)를 포함한다. 이러한 제 2 와이어 가이드(115)(116)는 그 롤러 지지부재(119)가 제 2 지지대(103)에 대해 고정되고 롤러(118)가 안정적으로 회전할 수 있는 구조를 취함으로써 제 2 와이어(134)(135)의 움직임을 다방향으로 가이드할 수 있다.
본 발명의 복수의 제 2 와이어 가이드(115)(116)는 제 2 와이어들(134)(135)이 출력 샤프트의 길이 방향에 수직한 평면 상에서 가동되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 범위에서 제 2 와이어 가이드(115)(116)는 도시된 구조 이외에 제 2 와이어(134)(135)를 이동 가능하게 지지할 수 있는 다른 구조로 변경될 수 있다.
도면에는 제 1 지지대(102;102a,102b)는 복수의 제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)를 지지하되 서로 이격되는 두 개의 지지대(102a,102b)로 구현된다. 제 1 지지대A(102a)는 기둥(104)의 상단에서 연결되고, 제 1 지지대B(102b)는 기둥(104)의 중앙에서 연결되는데, 제 1 지지대A(102a)는 직선 구조를 취하고, 제 1 지지대B(102b)는 반원형 구조를 취하나 이는 각각의 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133)와의 안정적인 연결 구조를 이루도록 복수의 제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)가 배치되는 범위에서 제 1 지지대A(102a)와 제 1 지지대B(102b)는 다양한 형상이 가능하다. 예를 들어 본 실시예에서 제 1 와이어들은 4면체 구조를 이루도록 복수의 제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)의 배치가 가능하도록 제 1 지지대A(102a)는 직선 구조를 취하고, 제 1 지지대B(102b)는 반원형 구조를 취하나 이에 국한되지는 않는다.
이러한 사항은 제 2 지지대(103)의 경우에도 동일하다. 본 실시예에서 제 2 지지대(103)는 반원형 링, 즉 호상 구조를 취하고 양단에 복수의 제 2 와이어 가이드(115)(116)가 배치된 것으로 나타냈으나, 제 2 지지대(103)의 구조나 제 2 와이어 가이드들(115)(116)의 배치 구조는 출력 샤프트의 타단에 회전력을 부여하도록 제 2 와이어들(134)(135)이 출력 샤프트의 길이 방향에 수직한 평면 상에서 가동되도록 배치되는 범위에서 다양하게 변경될 수 있다.
이 밖에, 프레임(101)은 복수의 제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)와, 복수의 제 2 와이어 가이드(115)(116)와, 복수의 제 1 와이어 반력구동기(137)(138)(139)(140)와, 복수의 제 2 와이어 반력구동기(148)(149)와, 링크 유닛(160)를 지지할 수 있는 다양한 다른 구조를 취할 수 있다.
한편, 연결조인트(120)는 위치적으로 프레임(101)의 제 1 지지대(102)와 제 2 지지대(103)의 사이에 배치된다. 연결조인트(120)는 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133) 및 출력 샤프트(125)와 연결되어 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133) 및 출력 샤프트(125) 간의 상대 회동을 허용한다.
보다 구체적으로, 연결조인트(120)는 회전 베어링이고, 회전 베어링으로 구현되는 연결조인트(120)에는 제 1 와이어 결합부(미도시)의 결합 구멍(미도시)이 형성되어 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133)가 연결되고, 또한 연결조인트(120)는 출력 샤프트(125)의 일단에 연결되는데, 연결조인트(120)와 출력 샤프트(125)는 상대 회동이 가능하다. 즉, 도면 상에서 출력 샤프트(125)는 연결조인트(120)에 대하여 출력 샤프트(125)의 길이 방향을 축으로 하는 축회동을 이룰 수 있다. 이와 같은 구성을 통하여 연결조인트는 복수의 제 `1 와이어 및 출력 샤프트 사이에 개재되어 복수의 제 1 와이어를 통한 병진 3자유도 방향 힘전달을 가능하게 한다. 즉, 회전 조인트로 구현되는 연결조인트(120)를 통하여 출력 샤프트(125)와 연결조인트(120) 간에는 축길이 방향 상대 회동이 가능하고, 연결조인트(120)의 단부에 연결되는 복수의 제 1 와이어는 출력 샤프트의 병진 운동으로 인장력이 형성되거나 복수의 제 1 와이어 반력구동기를 통한 반력으로 인장력이 형성되는 구조를 통하여 궁국적으로 출력 샤프트와의 3차원 3자유도 병진 운동을 허용하나, 출력 샤프트의 길이 방향, 예를 들어 Z축을 축으로 하는 상대 회동을 허용하여 복수의 제 1 와이어 간의 꼬임을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 연결조인트(120)는 상단 측에 배치되는 연결조인트 구체와 연결조인트 구체의 하부에 배치되어 연결 조인트 구체와 Z축 방향 상대 회동 가능하게 연결되고 하단에서 출력 샤프트와 연결되는 연결조인트 메인부를 구비한다. 이와 같은 구성을 통하여 와이어의 꼬임을 방지하되 소정의 축회동이 가능하도록 하는 구성을 취할 수 있다.
연결조인트(120)는 복수의 제 1 와이어(130)(131)(132)(133) 및 출력 샤프트에 연결되고 출력 샤프트의 타단 측에는 복수의 제 2 와이어(134)(135)가 연결되고 출력 샤프트의 타단 측은 하기되는 링크 유닛을 통하여 평면 상에서의 병진 운동이 허용되고 출력 샤프트의 길이 방향, 즉 Z축에 대한 축회동이 허용되는 구조를 취함으로써, 사용자에 의하여 그립되는 출력 샤프트는 X축, Y축 및 Z축의 삼축 방향으로 병진 운동할 수 있는 병진 3자유도와, Z축에 대해 회전할 수 있는 회전 1`자유도를 갖게 된다. 즉, 출력 샤프트(125)는 연결조인트(120) 및 링크 유닛(160)에 의해 지지되어 출력 샤프트(125)는 전체적으로 병진 3자유도와 회전 1자유도를 가질 수 있다. 즉, 연결조인트(120)의 3자유도 운동은 주로 복수의 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)에 의해 제어되고, 출력 샤프트(125)의 1자유도 회동 운동은 복수의 제 2 와이어(134)(135) 및 링크 유닛(160)에 의해 제어된다.
사용자는 연결조인트(120)와 연결되는 그립부로서의 출력 샤프트(125)를 잡고 X축, Y축 및 Z축의 삼축 방향으로의 병진 운동시키거나 Z축에 대해 회전 운동시킬 수 있다. 이때 연결조인트는 X,Y,Z 축 세방향으로 병진운동을 이룬다.
연결조인트(120)와 출력 샤프트(125) 및 링크 유닛(160)은 도시된 구조 이외에, 사용자가 잡고 조작할 수 있도록 상호 상대 움직임 가능하게 결합되는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.
복수의 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)는 각각의 일단이 연결조인트(120)의 제 1 와이어 결합부(미도시)의 결합 구멍(미도시()에 결합되고 각각의 타단은 복수의 제 1 와이어 반력구동기(137)(138)(139)(140)에 각각 결합된다. 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133) 각각의 중간 부분은 제 1 지지대(102;102a,102b)에 구비된 복수의 제 1 와이어 가이드(110)(111)(112)(113)에 이동 가능하게 지지된다. 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133) 각각의 일단은 복수의 제 1 와이어 가이드들(110)(111)(112)(113)이 제 1 지지대(102) 상에서 배치된 것과 같은 배치 구조로 연결조인트(120)에 그 둘레를 따라 이격되도록 결합된다. 사용자가 출력샤프트를 움직임으로써 연결조인트가 3축 방향 병진운동으로 움직일 때 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133)은 제 1 와이어 가이드들(110)(111)(112)(113)에 의해 각각 가이드되어 제 1 와이어 반력구동기들(137)(138)(139)(140)로부터 풀려나거나 제 1 와이어 반력구동기들(137)(138)(139)(140)에 감기게 된다. 이때, 제 1 와이어 가이드들(110)(111)(112)(113)은 각각의 롤러(114a)가 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133)의 이동 방향에 따라 제 1 지지대(102)에 대해 회전함으로써 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133)을 안정적으로 가이드할 수 있다.
사용자가 출력 샤프트(125)를 잡고 움직일 때, 제 1 와이어 반력구동기들(137)(138)(139)(140)은 제 1 와이어들(130)(131)(132)(133)에 대해 각각 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가함으로써, 사용자가 출력 샤프트(125)의 변위에 따른 촉감이나 역감을 느낄 수 있게 한다. 이러한 제 1 와이어 반력구동기들(137)(138)(139)(140)의 동작은 응용 디바이스의 제어장치에 의해 적절하게 제어됨으로써 출력 샤프트(125)를 통해 사용자에게 다양한 촉감이나 역감을 전달할 수 있다.
제 1 와이어 반력구동기(137)(138)(139)(140)는 제 1 와이어 스풀(141)(142)(143)(143-1)과, 모터(144)(145)(146)(147)를 포함한다. 제 1 와이어 스풀(141)(142)(143)(143-1)에는 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)의 타단이 결합되어 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)의 일부분이 감긴다. 각 와이어 스풀은 와이어의 방향에 따라 마찰을 줄이도록 회전 가능하다. 이는 하기되는 제 2 와이어 스풀에도 동일하게 적용될 수 있다.
모터(144)(145)(146)(147)는 제 1 와이어 스풀(141)(142)(143)(143-1)을 정방향 또는 역방향으로 회전시킴으로써 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)를 제 1 와이어 스풀(141)(142)(143)(143-1)에 감거나 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)를 제 1 와이어 스풀(141)(142)(143)(143-1)로부터 풀어낸다. 모터(144)(145)(146)(147)의 회전각도 또는 회전토크를 조절함으로써 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)를 통해 연결조인트(120)나 출력 샤프트(125)의 위치를 변경하거나 적절한 반력을 가할 수 있다.
도면에는 제 1 와이어 반력구동기(137)(138)(139)(140)가 제 1 와이어 스풀(141)(142)(143)(143-1)과 모터(144)(145)(146)(147)를 포함하는 구조로 이루어진 것으로 나타냈으나, 제 1 와이어 반력구동기는 제 1 와이어와 연결되어 제 1 와이어에 대해 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가할 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.
복수의 제 2 와이어(134)(135)는 출력 샤프트(125) 측에 출력 샤프트(125)의 길이 방향을 회전축으로 하는 축회전의 역각을 제공할 수 있다.
복수의 제 2 와이어(134)(135)는 각각의 일단이 하기되는 링크 유닛(160)의 회전부재(167)에 연결 결합되고, 각각의 타단이 복수의 제 2 와이어 반력구동기(148)(149)에 각각 결합된다. 제 2 와이어들(134)(135) 각각의 중간 부분은 제 2 지지대(103)에 구비된 복수의 제 2 와이어 가이드(115)(116)에 이동 가능하게 지지된다. 제 2 와이어들(134)(135) 각각의 일단은 복수의 제 2 와이어 가이드들(115)(116)이 제 2 지지대(103) 상에서 배치된 것과 같은 배치 구조로 회전 부재에 연결되어 그 외주에 권취되는 구조를 취한다.
사용자가 출력 샤프트(125)를 움직일 때 제 2 와이어들(134)(135)은 제 2 와이어 가이드들(115)(116)에 의해 각각 가이드되어 제 2 와이어 반력구동기들(148)(149)로부터 풀려나거나 제 2 와이어 반력구동기들(148)(149)에 감기게 된다. 이때, 제 2 와이어 가이드들(115)(116)은 각각의 롤러(118)가 제 2 와이어들(134)(135)의 이동 방향에 따라 제 2 지지대(103)에 대해 회전함으로써 제 2 와이어들(134)(135)을 안정적으로 가이드할 수 있다.
제 1 와이어 반력구동기들(137)(138)(139)(140)과 마찬가지로, 사용자가 출력 샤프트(125)를 움직일 때, 제 2 와이어 반력구동기들(148)(149)은 제 2 와이어들(134)(135)에 대해 각각 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가함으로써, 사용자가 출력 샤프트(125)의 변위에 따른 촉감이나 역감을 느낄 수 있게 한다. 경우에 따라 제 2 와이어들(134)(135)는 하기되는 회전부재를 권취하고 양단이 각각의 반력구동기에 연결되는 방식으로 단일의 와이어로 구성될 수도 있고, 두 개의 개별화된 와이어가 각각 반대 방향으로 회전부재의 외주에 권취되는 방식을 취할 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하나 본 실시예에서는 개별화된 와이어가 각각 회전부재에 권취되는 방식을 취하는 경우를 중심으로 설명한다.
이러한 제 2 와이어 반력구동기들(148)(149)의 동작은 응용 디바이스의 제어장치에 의해 적절하게 제어됨으로써 출력 샤프트(125)를 통해 사용자에게 다양한 촉감이나 역감을 전달할 수 있다.
제 2 와이어 반력구동기(148)(149)는 제 2 와이어 스풀(151)(152)과, 모터(154)(155)를 포함한다. 제 2 와이어 스풀(151)(152)에는 제 2 와이어(134)(135)의 타단이 결합되어 제 2 와이어(134)(135)의 일부분이 감긴다. 모터(154)(155)는 제 2 와이어 스풀(151)(152)을 정방향 또는 역방향으로 회전시킴으로써 제 2 와이어(134)(135)를 제 2 와이어 스풀(151)(152)에 감거나 제 2 와이어(134)(135)를 제 2 와이어 스풀(151)(152)로부터 풀어낸다. 모터(154)(155)의 회전각도, 회전토크, 회전방향, 회전속도, 회전수를 조절함으로써 제 2 와이어(134)(135)를 통해 출력 샤프트(125)의 위치를 변경하거나 적절한 반력을 가할 수 있다.
도면에는 제 2 와이어 반력구동기(148)(149)가 제 2 와이어 스풀(151)(152)과 모터(154)(155)를 포함하는 구조로 이루어진 것으로 나타냈으나, 제 2 와이어 반력구동기는 제 2 와이어와 연결되어 제 2 와이어에 대해 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가할 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.
제 2 와이어(134)(135)의 일단은 출력 샤프트 측에 적어도 일부가 권취되는 구조를 취하는데, 출력 샤프트(125) 측에는 링크 유닛(160)이 배치되고 제 2 와이어(134)(135)는 구체적으로 링크 유닛(160)의 회전부재에 연결 내지 권취된다.
링크 유닛(160)은 일단이 프레임(101)과 결합되고 타단이 출력 샤프트(125)와 결합되고 일측에서 제 2 와이어(134)(135)와 연결되고, 출력 샤프트(125)가 프레임(101)에 대하여 움직일 수 있도록 프레임(101)과 출력 샤프트(125)를 연결한다.
보다 상세하게, 링크 유닛(160)은 볼 스플라인(164)와 회전부재(167)와 링크 기구(161a,161b)를 포함한다.
볼 스플라인(164)은 출력 샤프트(125)의 외주에 연결되어 출력 샤프트(125)와의 상대 회동이 제한된다. 즉, 볼 스플라인(164)과 출력 샤프트(125) 간에는 출력 샤프트(125)의 축 길이 방향으로의 상대 가동은 이루어지나 양자 간의 출력 샤프트(125)의 축을 회전축으로 하는 방향으로의 상대 회동은 제한되어 출력 샤프트(125)가 회전하는 경우 볼 스플라인(164)도 함께 회동한다.
회전부재(167)는 풀리로 구현되는데, 회전부재(167)는 출력 샤프트(125)와 직선인 축에 대해 함께 회전하는 볼 스플라인(164)에 연결된다. 즉, 회전부재(167)는 볼 스플라인(164)의 외주에 배치되어 볼 스플라인(164)과 함께 일체로 회동하여 양자 간의 상대 회동이 발생하지 않으므로, 출력 샤프트(125)가 회동하는 경우 볼 스플라인(164) 및 회전부재(167)가 동시에 함께 회동한다.
회전부재(167)의 외주에는 앞서 기술된 바와 같이, 제 2 와이어(134)(135)가 권취되어 제 2 와이어 반력구동기(148)(149)로부터의 반력을 볼 스플라인(164) 및 출력 샤프트(125) 측으로 전달하여 소정의 축회전을 이루도록 할 수 있다.
링크 기구(161a,161b)는 복수의 링크를 구비하여 일단이 회전부재(167) 측에 관절 운동 가능하게 결합되고 타단이 프레임(101)에 연결 지지된다. 링크 기구(161a,161b)의 일단은 회전부재(167) 측에 연결되는데, 이들 사이에는 원활한 상대 회동을 가능하게 하도록 스러스트 베어링(168)이 더 구비될 수도 있다.
링크 기구(161a,161b)는 출력 샤프트(125)에 수직한 평면 상에서 가동되는데, 이와 같은 동작을 통하여 출력 샤프트(125)의 하단에서의 안정적인 회전 동작 지지 구조를 형성할 수 있다.
이와 같이, 링크 유닛(160)은 X축 및 Y축 및 Z축에 대해 병진 이동할 수 있게 프레임(101)에 연결함과 동시에, 출력 샤프트(125)를 Z축에 대해 회전할 수 있게 지지한다. 링크 유닛(160)의 구조는 도시된 것으로 한정하지 않고 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치(100)는 제 1 와이어 반력구동기들(137)(138)(139)(140)과, 제 2 와이어 반력구동기들(148)(149)를 이용하여 출력 샤프트(125)에 대해 반력을 가함으로써, 사용자가 출력 샤프트(125)로부터 다양한 촉감이나 역감을 느끼게 할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치(100)는 강체 링크 구조와 와이어 구조를 혼합된 구조를 취함으로써, 낮은 관성 및 낮은 마찰 특성을 갖고, 와이어 간의 기계적 간섭을 줄일 수 있으며, 넓은 작업 공간을 확보할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치(100)는 출력 샤프트(125)에 대해 반력을 가하는 제 1 와이어 반력구동기들(137)(138)(139)(140)과, 제 2 와이어 반력구동기들(148)(149)가 프레임(101)에 지지됨으로써 중력 및 관성을 최소화할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 4자유도 메커니즘 햅틱장치는 사용자 조작을 위한 출력 샤프트(125)가 복수의 제 1 와이어와 복수의 제 2 와이어 및 링크 유닛에 의해 프레임에 결합되어 다양한 병진 운동 및 회전 운동이 가능한 구조를 이루는 범위에서 다양한 구성이 가능하다.
예를 들어, 도면에는 연결조인트(120)를 지지하는 제 1 와이어(130)(131)(132)(133)가 세 개로 구비되는 것으로 나타냈으나, 연결조인트(120)를 지지하는 와이어의 개수는 변경될 수 있다. 그리고 와이어와 연결되는 와이어 반력구동기의 개수도 와이어의 개수에 맞춰 변경될 수 있다.
100...4자유도 메커니즘 햅틱장치 101...프레임
102;102a,102b, 103...제 1, 2 지지대 104...기둥
105~107...지지 블록 110~112...제 1 와이어 가이드
114a, 118...롤러 114b, 119...롤러 지지부재
115~116...제 2 와이어 가이드 125...출력 샤프트
130~133...제 1 와이어
134~135...제 2 와이어
137~140...제 1 와이어 반력구동기 141~143-2...제 1 와이어 스풀
144, 145, 146,147, 154, 155...모터
148~149...제 2 와이어 반력구동기 151~152...제 2 와이어스풀
160...링크 유닛
164...샤프트 결합부재 167...회전 부재

Claims (6)

  1. 복수의 제 1 와이어 가이드가 상호 이격되어 구비되는 제 1 지지대와, 상기 제 1 지지대와 이격되도록 배치되고 복수의 제 2 와이어 가이드가 상호 이격되어 구비되는 제 2 지지대를 갖는 프레임; 상기 제 1 지지대의 적어도 일부와 상기 제 2 지지대의 사이에 배치되는 연결조인트; 일단이 상기 연결조인트에 상대 회전 가능하게 결합되는 출력 샤프트; 상기 연결조인트의 일측을 움직임 가능하게 지지하기 위해 각각의 일단이 상기 연결조인트에 결합되어 상기 복수의 제 1 와이어 가이드에 각각 이동 가능하게 지지되는 복수의 제 1 와이어; 상기 복수의 제 1 와이어에 대해 각각 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가할 수 있도록 상기 복수의 제 1 와이어 각각의 타단과 결합되는 복수의 제 1 와이어 반력구동기; 상기 출력 샤프트의 다른 일측을 움직임 가능하게 지지하기 위해 각각의 일단이 상기 출력 샤프트 측에 결합되어 상기 복수의 제 2 와이어 가이드에 각각 이동 가능하게 지지되는 제 2 와이어; 상기 제 2 와이어에 대해 각각 사용자에 의해 인장되는 방향의 반대 방향으로 반력을 가할 수 있도록 상기 제 2 와이어 각각의 타단과 결합되는 제 2 와이어 반력구동기; 및 일단이 상기 프레임과 결합되고 타단이 상기 출력 샤프트와 결합되고 일측에서 상기 제 2 와이어와 연결되고, 상기 출력 샤프트가 상기 프레임에 대해 움직일 수 있도록 상기 프레임과 상기 출력 샤프트를 연결하는 링크 유닛;을 포함하고,
    상기 연결조인트는 상기 출력 샤프트의 일단에 상기 출력 샤프트의 길이 방향을 축으로 상대 회동 가능하게 하는 회전 베어링이고, 상기 연결조인트는 상기 복수의 제 1 와이어 및 상기 출력 샤프트 사이에 개재되어 상기 복수의 제 1 와이어를 통한 병진 3자유도 방향 힘전달을 가능하게 하고,
    상기 링크 유닛은, 상기 출력 샤프트와 상대 회동 제한되는 볼 스플라인과, 상기 출력 샤프트와 직선인 축에 대해 함께 회전하는 상기 볼 스플라인에 결합되는 회전부재(풀리)와, 복수의 링크를 구비하여 그 일단이 상기 회전부재 측에 관절 운동 가능하게 결합되고 그 타단이 상기 프레임에 연결 지지되는 링크 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 4자유도 메커니즘 햅틱장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 링크 기구는 상기 출력 샤프트에 수직한 평면 상에서 가동되는 것을 특징으로 하는 4자유도 메커니즘 햅틱장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 링크 기구는,
    일단이 상기 회전부재 측에 연결되는 제 1 링크 결합부재와,
    일단이 상기 제 1 링크 결합부재에 상대 회동 가능하게 연결되고, 타단이 상기 프레임에 상대 회동 가능하게 연결되는 제 2 링크 결합부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 4자유도 메커니즘 햅틱장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 와이어 반력구동기는 각각 상기 제 1 와이어의 타단과 결합되어 상기 제 1 와이어가 감기는 제 1 와이어 스풀과, 상기 제 1 와이어 스풀을 회전시키는 모터를 구비하고,
    상기 복수의 제 2 와이어 반력구동기는 각각 상기 제 2 와이어 각각의 타단과 결합되어 상기 제 2 와이어가 감기는 제 2 와이어 스풀과, 상기 제 2 와이어 스풀을 회전시키는 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 4자유도 메커니즘 햅틱장치.
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