KR101201703B1

KR101201703B1 - 매니퓰레이터

Info

Publication number: KR101201703B1
Application number: KR1020120040154A
Authority: KR
Inventors: 이춘우
Original assignee: 이춘우
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2012-11-15

Abstract

본 발명은, 고정된 베이스에 Y축선을 중심으로 회전하는 제1Y축회전부를 장착하고, 상기 제1Y축회전부에 X축방향 또는 Z축방향으로 병진운동하는 제1병진부를 장착하고, 상기 제1병진부에 상기 Y축선을 중심으로 회전될 수 있는 제2Y축회전부를 장착하고, 상기 제2Y축회전부에 X축방향 또는 Z축방향으로 병진운동하는 제2병진부를 장착하고, 상기 제2병진부에 상기 Y축방향으로 뻗은 작업도구장착구를 장착하고, 상기 제2Y축회전부와 상기 제2병진부 사이에 상기 제2병진부를 Y축방향으로 기립시킬 수 있는 자세전환수단을 개재시킴으로써, 상기 작업도구장착구가 상하 또는 좌우로 선회된 임의의 위치에 위치결정된 상태에서 작업도구장착구가 상이한 반경을 갖고서 회전되게 하여, 인간 관절에 부착된 팔에 실질적으로 근접한 휴모노이드의 팔로서 적용되는 것을 가능하게 함과 동시에, X축, Y축, Z축에서 회전 또는 병진운동하는 모터들이 선택적으로 일직선상에 배치되게 하여, 매니퓰레이터가 기다란 협소한 공간을 경유하여 예를 들면 복강 내에 진입되는 것을 가능하게 할 수 있다.

Description

매니퓰레이터{manipulator}

본 발명은 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 길다란 협소한 공간을 경유하여 진입가능한 매니퓰레이터에 관한 것이다.

사람의 팔은 상하, 좌우, 및 전후로 선회될 수 있고, 상하, 좌우, 또는 전후로 선회된 임의의 위치에서 큰 반경 또는 소 반경으로 회전될 수 있는 기능을 가지고 있다.

이러한 기능을 가진 팔은 섬세한 조작시에, 예를 들면, 그림을 그리거나, 페인트를 칠하거나, 볼트를 조이거나 용접작업을 수행할 때에 매우 용이하게 활용되고 있다.

이러한 기능을 산업용 장치에 적용시키기 위해 상기 기능을 가진 팔을 매니퓰레이터로서 상기 장치에 적용되고 있다.

상기 팔이 상기 기능을 수행하기 위해서는 복수 개의 관절부가 필요 되고, 그 관절부를 구동시키는 매니퓰레이터가 필요 된다.

지금까지 알려진 상기 매니퓰레이터는 X축, Y축, Z축에서 회전하는 모터를 관절로서 구비하고서 팔과 유사한 궤적을 구현시키는 것으로 되어 있다.

이러한 매니퓰레이터는 팔이 항상 동일한 반경을 갖고서 회전되게 하기 때문에, 인간 견관절에 실질적으로 근접한 휴모노이드(humanoid)의 견관절로서 적용되기에는 아직 부족하여 섬세한 조작에 적용될 수 없다고 하는 문제점을 가진다.

또한, 종래의 매니퓰레이터는 X축, Y축, Z축에서 회전하는 모터들이 선택적으로 일직선상에 배치되지 못하여 길다란 협소한 공간을 경유하여, 예를 들면 복강 내로 들어가서 시술을 하여야 하는 의료용 매니퓰레이터에는 적용되지 못한다고 하는 문제점을 가진다.

본 발명은 상기된 문제점을 해결하는 것에 과제를 가진다.

본 발명은, 고정된 베이스에 Y축선을 중심으로 회전하는 제1Y축회전부를 장착하고, 상기 제1Y축회전부에 X축방향 또는 Z축방향으로 병진운동하는 제1병진부를 장착하고, 상기 제1병진부에 상기 Y축선을 중심으로 회전될 수 있는 제2Y축회전부를 장착하고, 상기 제2Y축회전부에 X축방향 또는 Z축방향으로 병진운동하는 제2병진부를 장착하고, 상기 제2병진부에 상기 Y축방향으로 뻗은 작업도구장착구를 장착하고, 상기 제2Y축회전부와 상기 제2병진부 사이에 상기 제2병진부를 Y축방향으로 기립시킬 수 있는 자세전환수단을 개재시킴으로써, 상기 과제를 해결할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 과제해결수단에 의해 상기 작업도구장착구가 상하 또는 좌우로 선회된 임의의 위치에 위치결정된 상태에서 작업도구장착구가 상이한 반경을 갖고서 회전되게 하여, 인간 관절에 부착된 팔에 실질적으로 근접한 휴모노이드의 팔로서 적용되는 것을 가능하게 함과 동시에, X축, Y축, Z축에서 회전 또는 병진운동하는 모터들이 선택적으로 일직선상에 배치되게 하여 길다란 협소한 공간을 경유하여 진입가능한 매니퓰레이터를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예의 매니퓰레이터가 일직선상태를 도시한 개념도,
도 2는 도 1의 제2병진부가 90도 자세전환된 상태를 도시한 도면,
도 3은 실린더가 도시되지 않은 상태에서 도 1의 제1회전부가 회전될 때를 도시한 도면, 및
도 4는 실린더가 도시되지 않은 상태에서 도 1의 제2회전부가 회전될 때를 도시한 도면.

이하, 본 발명에 따른 실시예가 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명될 것이다.

도 1에는 본 실시예의 매니퓰레이터가 개념적으로 사시도로서 도시되어 있다.

상기 매니퓰레이터는, 베이스(10), 및 상기 베이스(10)에 장착되어 Y축선을 중심으로 회전하는 제1Y축회전부(40)를 포함하고 있다.

또한, 상기 매니퓰레이터는, 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심과 선택적으로 동심을 갖고서 회전될 수 있게 상기 제1Y축회전부(40)에 장착되고 상기 Y축선에 수직한 방향에서 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선을 가로지르는 방향으로 가변가능한 제1병진부(50), 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심과 선택적으로 동심을 갖고서 회전되게 상기 제1병진부(50)에 장착된 제2Y축회전부(60), 및 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심과 선택적으로 동심을 갖고서 회전될 수 있게 상기 제2Y축회전부(60)에 장착되고 상기 Y축선에 수직한 방향에서 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선을 가로지르는 방향으로 가변가능한 제2병진부(70)를 포함하고 있다.

또한, 상기 매니퓰레이터는 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심과 선택적으로 동심을 갖고서 회전될 수 있는 상기 제2병진부(70)의 부위에 기단이 장착되어 있고, 선단이 상기 Y축선방향으로 뻗어 있는 작업도구장착구(80)를 포함하고 하고 있다.

상기 작업도구장착구(80)에는 작업도구(90)가 장전될 수 있게 하는 수단, 예를 들면, 체결수단, 억지끼워맞춤수단, 조임수단 등이 구비될 수 있다.

또한, 상기 작업도구장착구(80)는 Y축방향에서 망원경식으로 변위가능한 로드가 될 수 있다.

상기 Y축선을 중심으로 회전되는 회전부(40, 60)들은 공지된 회전모터가 될 수 있으며, 상기 제1 및 제2병진부(50, 70)들은 공지된 실린더, 회전모터의 회전운동을 선형운동으로 변환하는 공지된 볼스크류구동식 장치 또는 공지된 벨트구동식 장치, 또는 자석과 코일을 이용한 공지된 선형모터가 될 수 있다.

본 실시예의 설명에서는 상기 제1병진부(50)는 실린더로 되어 있고, 상기 제2병진부(70)는 선형모터로 되어서 도 1 내지 도 4에 도시되어 있다.

상기 제1Y축회전부(40)와 상기 제1병진부(50) 간의 결합은, 상기 제1Y축회전부(40)에 상당하는 회전모터의 구동축(41)에, 상기 제1 병진부(50)에 상당하는 실린더 몸체(51)가 고정적으로 외접되게 하고, 그 실린더 몸체(51)에 로드(52)가 상기 Y축선에 수직한 방향으로 출몰가능하게 내접시킴으로써 가능하다.

상기 제1병진부(50)와 상기 제2Y축회전부(60) 간의 결합은, 상기 제2Y축회전부(60)에 상당하는 회전모터의 구동축(61)의 중심축선이 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선과 일치될 수 있도록, 상기 제1병진부(50)의 로드(52)의 선단에 브래킷(53)을 개재하여 상기 제2Y축회전부(60)에 상당하는 회전모터의 몸체(62)가 장착됨으로써 가능하다.

상기 제2Y축회전부(60)와 상기 제2병진부(70) 간의 결합은, 상기 제2Y축회전부(60)에 상당하는 회전모터의 구동축(61)에, 자세전환수단(20)을 개재하여 상기 제2 병진부(70)에 상당하는 선형모터의 직선형 고정자(71)가, 선회운동 가능하게 장착되게 하고, 그 고정자(71) 위에 직선형 회전자(72)가 배치되게 함으로써 가능하다.

상기 직선형 고정자(71)는 선택적으로 상기 자세전환수단(20)에 의해 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선을 가로지르게 뻗어 있을 수 있고, 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선에 일치되게 또는 평행하게 뻗어 있을 수 있다.

상기 자세전환수단(20)은, 상기 제2Y축회전부(60)의 구동축(61)에 일단이 고정적으로 외접되어 있고 타단이 상기 직선형 고정자(71)의 길이방향 중앙에 링크결합된 제1브래킷(21), 상기 제1브래킷(21)에서 기단이 고정되어 선단이 상기 구동축(61)의 축선에 수직하게 뻗어 있는 돌출부(22), 상기 직선형 회전자(72)와 등을 지고 있는 부위에서 기단이 고정되어 선단이 상기 돌출부(22)의 돌출방향과 평행한 방향으로 뻗어 있는 제2브래킷(23), 실린더 몸체(24a)의 기단이 상기 돌출부(22)의 선단에 링크결합되어 있고 실린더 로드(24b)의 선단이 상기 제2브래킷(23)의 선단에 링크결합되어 있는 실린더(24)를 포함하고 있다.

상기와 같이 구성된 상기 자세전환수단(20)은 상기 실린더(24)의 로드(24b)를 전진시킴에 의해 상기 제2병진부(70)를 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선에 일치되게 또는 평행하게 뻗어 있게 하는 자세로 전환시킬 수 있고, 그리고 상기 실린더(24)의 로드(24b)를 후진시킴에 의해 상기 제2병진부(70)를 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선을 가로지르게 뻗어 있게 하는 자세로 전환시키는 것이 가능하여 상기 매니퓰레이터가 길다란 협소한 공간을 경유하여 예를 들면 인체의 복강에 삽입되는 것을 가능하게 할 수 있다.

상기와 같이 구성된 상기 매니퓰레이터는 다음과 같이 작동될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2Y축회전부(40, 60), 제1 병진부(50), 상기 제1 병진부(50)와 평행하게 배치된 제2병진부(70), 그리고 상기 작업도구장착구(80)을 모두 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선 상에 배치한 상태에서는 상기 제1 및 제2회전부(40, 60) 중 어느 회전부가 회전되면, 제1Y축회전부(40)의 회전중심에서 자전하게 된다.

이 상태에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1병진부(50)의 로드(52)가 X축 방향 또는 Z축 방향으로 일정 거리 이동시켜 임의의 위치에 위치결정시키면, 상기 작업도구장착구(80)는 제1Y축회전부(40)의 회전중심(Y)에서 상기 로드(52)의 이동 거리을 반경으로서 갖고서 일정 원형 궤도를 그리게 된다.

그리고 상기 제1Y축회전부(40)를 정지시키고 제2Y축회전부(60)를 회전시키면, 상기 작업도구장착구(80)는 제1Y축회전부(40)의 회전중심(Y')에서 편위된 제2Y축회전부(60)의 회전중심에서 자전하게 된다,

이 상태에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2병진부(70)의 회전자(72)가 X축 방향 또는 Z축 방향으로 일정 거리 이동시켜 임의의 위치에 위치결정시키면, 상기 작업도구장착구(80)는 제2Y축회전부(60)의 회전중심(Y')에서 상기 회전자(72)의 이동 거리을 반경으로서 갖고서 일정 원형 궤도를 그리게 된다.

이와 같은 상기 작업도구장착구(80)의 좌표설정에 의해, 상기 작업도구장착구(80)가 마주하고 있는 하나의 평면에 대하여 다양한 반경으로 그리고 다양한 회전중심을 갖고서 원형 궤도를 상기 작업도구장착구(80)가 그리는 것을 가능하게 한다.

또한, 상기 작업도구장착구(80)가 Y축방향에서 변위가능하므로, 상기 작업도구장착구(80)와 마주하는 평면에 형성된 각종 요철부에도 다양한 반경으로 그리고 다양한 회전중심을 갖고서 원형 궤도를 상기 작업도구장착구(80)가 그리는 것을 가능하게 한다.

10; 베이스, 20; 자세전환부, 40; 제1Y축회전부, 50; 제1병진부, 60; 제2Y축회전부, 70; 제2병진부, 80; 작업도구장착구

Claims

베이스(10), 및
상기 베이스(10)에 장착되어 Y축선을 중심으로 회전하는 제1Y축회전부(40)를 포함하고 있는 매니퓰레이터에 있어서,
상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심과 선택적으로 동심을 갖고서 회전될 수 있게 상기 제1Y축회전부(40)에 장착되고 상기 Y축선에 수직한 방향에서 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선을 가로지르는 방향으로 가변가능한 제1병진부(50),
상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심과 선택적으로 동심을 갖고서 회전되게 상기 제1병진부(50)에 장착된 제2Y축회전부(60),
상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심과 선택적으로 동심을 갖고서 회전될 수 있게 상기 제2Y축회전부(60)에 장착되고 상기 Y축선에 수직한 방향에서 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선을 가로지르는 방향으로 가변가능한 제2병진부(70), 및
상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심과 선택적으로 동심을 갖고서 회전될 수 있는 상기 제2병진부(70)의 부위에 기단이 장착되어 있고, 선단이 상기 Y축선방향으로 뻗어 있는 작업도구장착구(80)를 포함하고,
상기 제2Y축회전부(60)와 상기 제2병진부(70) 사이에는 상기 제2병진부(70)를 상기 Y축선에 대하여 일치되게 또는 평행한 자세와 상기 Y축선에 대하여 수직한 자세로 전환시키는 자세전환수단(20)이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터.
제 1항에 있어서,
상기 작업도구장착구(80)에는 작업도구(90)가 장전될 수 있게 하는 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터.
제 1항에 있어서,
상기 작업도구장착구(80)는 Y축방향에서 망원경식으로 변위가능한 로드인 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2Y축회전부(40, 60)들은 회전모터이고, 그리고
상기 제1 및 제2병진부(50, 70)들은 실린더, 회전모터의 회전운동을 선형운동으로 변환하는 공지된 볼스크류구동식 장치 또는 공지된 벨트구동식 장치, 및 자석과 코일을 이용한 공지된 선형모터 중 어느 하나 인것을 특징으로 하는 매니퓰레이터.
제 4항에 있어서,
상기 제1Y축회전부(40)에 상당하는 회전모터의 구동축(41)에, 상기 제1병진부(50)에 상당하는 실린더 몸체(51)가 고정되고, 그 실린더 몸체(51)에 로드(52)가 상기 Y축선 방향으로 출몰가능하게 내접되어서, 상기 제1Y축회전부(40)와 상기 제1병진부(50)가 결합되어 있고,
상기 제2Y축회전부(60)에 상당하는 회전모터의 구동축(61)의 중심축선이 상기 제1Y축회전부(40)의 회전중심축선과 일치될 수 있도록, 상기 제1병진부(50)에 상당하는 로드(52)의 선단에 브래킷(53)을 개재하여 상기 제2Y축회전부(60)에 상당하는 회전모터의 몸체(62)가 장착되어서, 상기 제1병진부(50)와 상기 제2Y축회전부(60)가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터.
제 4항에 있어서,
상기 자세전환수단(20)은
상기 제2Y축회전부(60)의 구동축(61)에 일단이 고정적으로 외접되어 있고 타단이 상기 제2병진부(70)의 직선형 고정자(71)의 길이방향 중앙에 링크결합된 제1브래킷(21),
상기 제1브래킷(21)에서 기단이 고정되어 선단이 상기 구동축(61)의 축선에 수직하게 뻗어 있는 돌출부(22),
상기 제2병진부(70)의 직선형 회전자(72)와 등을 지고 있는 부위에서 기단이 고정되어 선단이 상기 돌출부(22)의 돌출방향과 평행한 방향으로 뻗어 있는 제2브래킷(23), 및
실린더 몸체(24a)의 기단이 상기 돌출부(22)의 선단에 링크결합되어 있고 실린더 로드(24b)의 선단이 상기 제2브래킷(23)의 선단에 링크결합되어 있는 실린더(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터.
제 5항에 있어서,
상기 자세전환수단(20)은
상기 제2Y축회전부(60)의 구동축(61)에 일단이 고정적으로 외접되어 있고 타단이 상기 제2병진부(70)의 직선형 고정자(71)의 길이방향 중앙에 링크결합된 제1브래킷(21),
상기 제1브래킷(21)에서 기단이 고정되어 선단이 상기 구동축(61)의 축선에 수직하게 뻗어 있는 돌출부(22),
상기 제2병진부(70)의 직선형 회전자(72)와 등을 지고 있는 부위에서 기단이 고정되어 선단이 상기 돌출부(22)의 돌출방향과 평행한 방향으로 뻗어 있는 제2브래킷(23), 및
실린더 몸체(24a)의 기단이 상기 돌출부(22)의 선단에 링크결합되어 있고 실린더 로드(24b)의 선단이 상기 제2브래킷(23)의 선단에 링크결합되어 있는 실린더(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터.