KR102150633B1

KR102150633B1 - Structure and design method of control arm

Info

Publication number: KR102150633B1
Application number: KR1020130110214A
Authority: KR
Inventors: 윤재근
Original assignee: (주)미래컴퍼니
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2020-09-01
Also published as: KR20150030900A

Abstract

컨트롤 암 구조 및 컨트롤 암 설계방법이 개시된다. 모터에 연결되어 작동되는 모터 풀리(motor pulley)와, 모터 풀리에 인접하여 위치하는 캡스턴 디스크(capstan disk)와, 모터 풀리와 캡스턴 디스크에 각각 풀리 결합되어, 모터 풀리와 캡스턴 디스크를 기구적으로 연결하는 와이어(wire)와, 캡스턴 디스크에 결합되며, 캡스턴 디스크의 중심으로부터 소정 거리만큼 연장되는 암(arm)부와, 암부의 말단에 결합되는 짐벌(gimbal)을 포함하되, 와이어의 슬립(slip)을 방지하기 위해, 수학식 (1)을 만족하도록 설계된 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조는, 모터 풀리와 캡스턴 디스크를 풀리 와이어로 연결한 컨트롤 암 구조를 작동시키는 과정에서 와이어에 슬립(slip)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.A control arm structure and a control arm design method are disclosed. A motor pulley connected to and operated by a motor, a capstan disk located adjacent to the motor pulley, and a pulley are coupled to the motor pulley and the capstan disk, respectively, to mechanically connect the motor pulley and the capstan disk. A wire that is coupled to the capstan disk, an arm portion extending a predetermined distance from the center of the capstan disk, and a gimbal coupled to the end of the arm portion, and slip of the wire In order to prevent this, the control arm structure, which is designed to satisfy Equation (1), generates a slip in the wire while operating the control arm structure in which the motor pulley and the capstan disk are connected with a pulley wire. Can be prevented.

Description

컨트롤 암 구조 및 컨트롤 암 설계방법{Structure and design method of control arm}Structure and design method of control arm}

본 발명은 컨트롤 암 구조 및 컨트롤 암 설계방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a control arm structure and a control arm design method.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.Medically, surgery refers to the treatment of diseases by cutting, slicing, or manipulating skin, mucous membranes, and other tissues using a medical machine. In particular, open surgery in which the skin of the surgical site is cut open and the internal organs, etc. are treated, formed or removed, due to problems such as bleeding, side effects, patient pain, and scars, in recent years, surgery using a robot It is in the spotlight as an alternative.

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master)부와, 조작부로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave)부로 구분될 수 있는데, 마스터부와 슬레이브부는 하나의 수술용 로봇의 각 부분으로서 구분되거나, 각각 별도의 장치로, 즉 조작부는 마스터 로봇으로, 구동부는 슬레이브 로봇으로 구분되어 수술실에 각각 배치될 수도 있다.These surgical robots can be divided into a master unit that generates and transmits necessary signals by the manipulation of a doctor, and a slave unit that receives signals from the manipulation unit and directly applies necessary operations to the patient. The and the slave unit may be divided as each part of one surgical robot, or may be divided into separate devices, that is, the operation unit as a master robot, and the driving unit as a slave robot, and may be respectively disposed in the operating room.

수술용 로봇의 마스터부에는 의사의 조작을 위한 컨트롤 암(control arm)이 설치되는데, 로봇 수술의 경우 집도의는 수술에 필요한 인스트루먼트를 직접 조작하는 것이 아니라, 전술한 컨트롤 암을 움직여 로봇에 장착된 각종 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하도록 한다.The master part of the surgical robot is equipped with a control arm for the operation of the surgeon. In the case of robotic surgery, the surgeon does not directly manipulate the instruments required for surgery, but moves the above-described control arm to various types of robots. Let the instrument perform the necessary operations for surgery.

수술용 로봇에서는, 의사가 컨트롤 암을 직접 손가락으로 잡고 장시간 동안 수술을 할 경우 컨트롤 암의 무게를 직접적으로 의사가 감당해야 하는 일이 발생할 수 있다.In a surgical robot, when a doctor holds the control arm directly with his finger and performs surgery for a long time, the doctor may have to bear the weight of the control arm directly.

또한, 의사가 컨트롤 암을 잡고 움직이는 동작을 감지하여 신호화함으로써, 수술용 로봇의 작동에 필요한 입력 신호로서 사용되도록 할 수 있다.In addition, it is possible to be used as an input signal necessary for the operation of the surgical robot by detecting and signaling the motion of the doctor holding the control arm and moving.

이를 위해, 컨트롤 암은, 도 1에 도시된 것처럼, 로봇 본체에 암이 결합되는 힌지 부위에 캡스턴 디스크가 설치되며, 캡스턴 디스크는 모터 풀리와 와이어로 연결되는 구조로 이루어질 수 있다.To this end, as shown in FIG. 1, the control arm is provided with a capstan disk at a hinge portion where the arm is coupled to the robot body, and the capstan disk may be connected to a motor pulley by a wire.

컨트롤 암의 무게를 경감시켜 중력 보상을 구현하기 위하여 모터를 작동시켜 암이 윗쪽으로 움직이도록 하는 구동력을 부여할 수 있으며, 컨트롤 암의 동작을 감지하여 포스 피드백(force feedback)을 구현하기 위하여 암의 움직임에 따른 모터 풀리의 회전을 인코더를 통해 신호화할 수 있다.In order to realize gravity compensation by reducing the weight of the control arm, a motor can be operated to provide a driving force that causes the arm to move upward, and the arm of the arm to realize force feedback by sensing the operation of the control arm. The rotation of the motor pulley according to the movement can be signaled through the encoder.

종래의 컨트롤 암 구조에서는, 전술한 중력 보상과 포스 피드백을 구현하기 위해 높은 토크(torque)값을 가지는 모터(풀리)를 캡스턴 디스크(capstan disk)와 와이어를 통해 연결하고, 모터를 구동시켜 캡스턴 디스크로 구동력을 전달하게 된다.In the conventional control arm structure, in order to implement the above-described gravity compensation and force feedback, a motor (pulley) having a high torque value is connected to a capstan disk through a wire, and the capstan disk is driven by driving the motor. To transmit the driving force.

이 때, 모터의 토크가 지나치게 클 경우에는, 모터로부터 나오는 회전력(토크)을 모터 풀리에 감긴 와이어가 견디지 못하고 슬립(slip)이 발생할 수 있다.At this time, if the torque of the motor is too large, the wire wound around the motor pulley cannot withstand the rotational force (torque) from the motor and slip may occur.

즉, 컨트롤 암의 구동을 위한 모터가 와이어를 통해 캡스턴 디스크와 풀리 결합된 구조에 있어서, 모터의 토크 값에 따라(너무 클 경우) 모터와 캡스턴 디스크 사이에서 와이어에 슬립이 발생되어 원치 않는 오동작이 발생할 우려가 있다.That is, in the structure in which the motor for driving the control arm is coupled to the capstan disk and the pulley through a wire, depending on the torque value of the motor (if it is too large), slip occurs in the wire between the motor and the capstan disk, causing unwanted malfunction. There is a risk of occurrence.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.The above-described background technology is technical information possessed by the inventor for derivation of the present invention or acquired in the derivation process of the present invention, and is not necessarily known to be known to the public prior to filing the present invention.

한편, 미국 공개특허 US2012/0330287호에는 구동부-풀리 와이어-캡스턴 구조를 포함하는 수술용 인스트루먼트가 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 특1998-043123호에는 풀리와 와이어 간의 슬립을 방지하기 위해 와이어에 걸림돌부를 형성한 기술이　개시되어 있다.
On the other hand, U.S. Patent Application Publication No. US2012/0330287 discloses a surgical instrument including a driving unit-pulley wire-capstan structure, and Korean Patent Application Publication No. 1998-043123 discloses a locking protrusion on the wire to prevent slipping between the pulley and the wire. The formed technology is disclosed.

특허문헌 1 : 미국 공개특허 US2012/0330287호Patent Document 1: US Patent Publication No. US2012/0330287 특허문헌 2 : 대한민국 공개특허 특1998-043123호Patent Document 2: Korean Patent Application Publication No. 1998-043123

본 발명은, 모터 풀리와 캡스턴 디스크가 와이어에 의해 풀리 결합된 컨트롤 암 구조에 있어서, 와이어의 슬립을 방지할 수 있는 컨트롤 암 구조 및 컨트롤 암 설계방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a control arm structure capable of preventing slip of a wire and a control arm design method in a control arm structure in which a motor pulley and a capstan disk are pulley-coupled by a wire.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
Objects other than the present invention will be easily understood through the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 모터에 연결되어 작동되는 모터 풀리(motor pulley)와, 모터 풀리에 인접하여 위치하는 캡스턴 디스크(capstan disk)와, 모터 풀리와 캡스턴 디스크에 각각 풀리 결합되어, 모터 풀리와 캡스턴 디스크를 기구적으로 연결하는 와이어(wire)와, 캡스턴 디스크에 결합되며, 캡스턴 디스크의 중심으로부터 소정 거리만큼 연장되는 암(arm)부와, 암부의 말단에 결합되는 짐벌(gimbal)을 포함하되, 와이어의 슬립(slip)을 방지하기 위해, 수학식 (1)을 만족하도록 설계된 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조가 제공된다.According to an aspect of the present invention, a motor pulley connected to and operated by a motor, a capstan disk positioned adjacent to the motor pulley, and a motor pulley and a capstan disk are respectively coupled to pulleys, And a wire mechanically connecting the capstan disk to the capstan disk, an arm portion coupled to the capstan disk and extending a predetermined distance from the center of the capstan disk, and a gimbal coupled to the end of the arm portion However, in order to prevent the wire from slipping, a control arm structure is provided, which is designed to satisfy Equation (1).

Tp > Tm (1)Tp> Tm (1)

여기서, Tp는 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 모터 풀리에 작용하는 토크이고, Tm은 모터의 작동에 의해 모터 풀리에 작용하는 토크임.Here, Tp is the torque acting on the motor pulley by the user's manipulation of the gimbal, and Tm is the torque acting on the motor pulley by the operation of the motor.

수학식 (1)을 만족하도록, 모터의 출력, 모터 풀리의 직경, 캡스턴 디스크의 직경, 와이어의 마찰 계수, 와이어의 탄성 한도, 와이어가 상기 모터 풀리에 감긴 횟수, 암부의 연장 거리, 및 암부와 짐벌의 중량 등의 설계 변수가 조정될 수 있다.To satisfy Equation (1), the output of the motor, the diameter of the motor pulley, the diameter of the capstan disk, the friction coefficient of the wire, the elastic limit of the wire, the number of times the wire is wound around the motor pulley, the extension distance of the arm, and the arm Design variables such as the weight of the gimbal can be adjusted.

Tm은 모터가 작동될 때 모터에 인가되는 전류를 측정하여, 수학식 (2)로부터 도출될 수 있다.Tm can be derived from Equation (2) by measuring the current applied to the motor when the motor is operated.

Tm = Tn x Im / In (2)Tm = Tn x Im / In (2)

여기서, Tn은 모터의 정격 토크(nominal torque), In은 모터의 정격 전류(nominal current), Im은 모터에 인가되는 전류의 측정값임.Here, Tn is the nominal torque of the motor, In is the nominal current of the motor, and Im is the measured value of the current applied to the motor.

Tp는 수학식 (3)으로부터 도출될 수 있다.Tp can be derived from Equation (3).

Tp = Ft x Rp (3)Tp = Ft x Rp (3)

여기서, Ft는 와이어의 탄성 한도, Rp는 모터 풀리의 반경임.Here, Ft is the elastic limit of the wire and Rp is the radius of the motor pulley.

짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 와이어가 Ft의 힘으로 인장되도록 하기 위해, 와이어는 텐셔너(tensioner)에 의해 캡스턴 디스크에 고정되되, 텐셔너의 조임 토크는 수학식 (4) 으로부터 도출될 수 있다.In order for the wire to be tensioned with the force of Ft by user manipulation on the gimbal, the wire is fixed to the capstan disk by a tensioner, but the tightening torque of the tensioner can be derived from Equation (4).

Tt = Ft x r (4)Tt = Ft x r (4)

여기서, Tt는 텐셔너의 조임 토크, r은 텐셔너의 반경임.Where Tt is the tightening torque of the tensioner, and r is the radius of the tensioner.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 모터에 연결되어 작동되는 모터 풀리와, 모터 풀리에 인접하여 위치하는 캡스턴 디스크와, 모터 풀리와 캡스턴 디스크에 각각 풀리 결합되는 와이어와, 캡스턴 디스크에 결합되며, 캡스턴 디스크의 중심으로부터 소정 거리만큼 연장되는 암부와, 암부의 말단에 결합되는 짐벌을 포함하는 컨트롤 암을 설계하는 방법으로서, (a) 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 모터 풀리에 작용하는 토크를 도출하는 단계, (b) 모터의 작동에 의해 모터 풀리에 작용하는 토크를 도출하는 단계, 및 (c) 수학식 (1)을 만족하도록, 모터의 출력, 모터 풀리의 직경, 캡스턴 디스크의 직경, 와이어의 마찰 계수, 와이어의 탄성 한도, 와이어가 모터 풀리에 감긴 횟수, 암부의 연장 거리, 및 암부와 짐벌의 중량 등의 설계 변수를 조정하는 단계를 포함하는 컨트롤 암 설계방법이 제공된다.On the other hand, according to another aspect of the present invention, a motor pulley connected to the motor and operated, a capstan disk positioned adjacent to the motor pulley, a wire coupled to the motor pulley and the capstan disk, respectively, and coupled to the capstan disk, A method of designing a control arm including an arm extending a predetermined distance from the center of the capstan disk and a gimbal coupled to the end of the arm, comprising: (a) deriving a torque acting on the motor pulley by user manipulation of the gimbal. Steps, (b) deriving the torque acting on the motor pulley by the operation of the motor, and (c) to satisfy Equation (1), the output of the motor, the diameter of the motor pulley, the diameter of the capstan disk, the wire A control arm design method is provided that includes adjusting design parameters such as a coefficient of friction, an elastic limit of the wire, the number of times the wire is wound around a motor pulley, an extension distance of the arm, and the weight of the arm and the gimbal.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
Other aspects, features, and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 모터 풀리와 캡스턴 디스크를 풀리 와이어로 연결한 컨트롤 암 구조를 작동시키는 과정에서 와이어에 슬립(slip)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, it is possible to prevent the wire from slipping in the process of operating a control arm structure in which a motor pulley and a capstan disk are connected with a pulley wire.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 개요도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 정면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 저면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 설계방법을 나타낸 순서도.1 is a schematic view showing a control arm structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a front view showing a control arm structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a bottom view showing the control arm structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a flow chart showing a control arm design method according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and in the description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding constituent elements are assigned the same reference numbers, and redundant descriptions thereof will be omitted. To

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 개요도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 정면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 구조를 나타낸 저면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 암 설계방법을 나타낸 순서도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 모터(10), 모터 풀리(12), 캡스턴 디스크(20), 텐셔너(22), 와이어(30), 암부(40), 짐벌(42)이 도시되어 있다.1 is a schematic view showing a control arm structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a front view showing a control arm structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a control according to an embodiment of the present invention. It is a bottom view showing the arm structure, and Figure 4 is a flow chart showing a control arm design method according to an embodiment of the present invention. 1 to 3, a motor 10, a motor pulley 12, a capstan disk 20, a tensioner 22, a wire 30, an arm 40, and a gimbal 42 are shown.

본 실시예는 수술용 로봇의 마스터 인터페이스 암(master interface arm)과 같이 기계 장치를 작동시키기 위한 컨트롤 암의 구조를 개선한 것으로서, 특히 캡스턴 디스크와 모터 풀리를 연결하는 와이어의 미끄러짐, 즉 슬립을 방지한 것을 특징으로 한다.This embodiment improves the structure of a control arm for operating a mechanical device, such as a master interface arm of a surgical robot, and in particular, prevents slipping, that is, of a wire connecting the capstan disk and the motor pulley. It is characterized by one.

본 실시예에 따른 컨트롤 암 구조는, 모터 풀리와 캡스턴 디스크를 연결하는　와이어의 감긴 힘(토크)에 관한 수식을 도출한 후 와이어가 탄성 한도 내에서 슬립이 발생하지 않을 정도로　감김 토크를 조절하는 기술을 적용한 것을 특징으로 한다.The control arm structure according to the present embodiment is a technology that adjusts the winding torque so that the wire does not slip within the elastic limit after deriving an equation about the winding force (torque) of the wire connecting the motor pulley and the capstan disk. It is characterized by applying.

수술용 로봇의 컨트롤 암에 적용되는 캡스턴 디스크의 모터 구동은 도 1과 같이 구성될 수 있다. 즉, 모터 풀리와 캡스턴 디스크 간의 동력 전달을 위해, 도 1에 도시된 것과 같이 와이어가 사용될 수 있다.Motor driving of the capstan disk applied to the control arm of the surgical robot may be configured as shown in FIG. 1. That is, for power transmission between the motor pulley and the capstan disk, a wire as shown in FIG. 1 may be used.

와이어를 통한 동력 전달 방식은, 치차 이동시 충격이 있는 기어 방식에 비하여 백래쉬(backlash)가 0에 가깝기 때문에, 의사가 장시간 사용하게 되는 수술용 로봇의 제어용 암(컨트롤 암)의 동력 전달 방식으로 사용될 수 있다.The power transmission method through a wire can be used as a power transmission method for the control arm (control arm) of a surgical robot that is used by doctors for a long time because the backlash is close to 0 compared to the gear method with impact when moving a tooth. have.

또한, 로봇을 이용한 수술 과정에서 의사의 팔의 피로도를 덜어주기 위해, 컨트롤 암에는 '무게가 느껴지지 않도록' 하기 위한 중력 보상 기술이 적용될 필요가 있으며, 추가적으로 가상 벽체(virtual wall)를 설정하여 수술 영역을 벗어나게 되면 모터의 리버스 토크(reverse torque)를 이용하여 의사에게 알려주는, 햅틱(haptic) 기술이나 포스 피드백 기술이 구현될 필요가 있다.In addition, in order to reduce the fatigue of the doctor's arm in the surgical process using a robot, it is necessary to apply a gravity compensation technology to'do not feel the weight' to the control arm, and additionally set a virtual wall to perform surgery. When out of the range, it is necessary to implement a haptic technique or a force feedback technique that informs a doctor using a reverse torque of a motor.

이를 위해, 본 실시예에 따른 컨트롤 암 구조는, 모터 풀리(12), 캡스턴 디스크(20), 와이어(30), 암부(40) 및 짐벌(42)을 포함하여 구성될 수 있다.To this end, the control arm structure according to the present embodiment may include a motor pulley 12, a capstan disk 20, a wire 30, an arm 40, and a gimbal 42.

모터 풀리(12)는 모터(10)의 회전축에 연결되어 모터(10)의 작동에 따라 회전하는 풀리(pulley)이다. 본 실시예에 따른 모터 풀리(12)는 소정의 직경(Dp)을 가지며, 후술하는 와이어(30)는 모터 풀리(12)에 여러 번(n) 감길 수 있다. 예를 들면, 모터 풀리(12)의 직경은 11.44mm일 수 있으며, 와이어(30)는 모터 풀리(12)에 7회 감길 수 있다.The motor pulley 12 is a pulley that is connected to the rotation shaft of the motor 10 and rotates according to the operation of the motor 10. The motor pulley 12 according to the present embodiment has a predetermined diameter Dp, and the wire 30 to be described later may be wound around the motor pulley 12 several times (n). For example, the diameter of the motor pulley 12 may be 11.44 mm, and the wire 30 may be wound around the motor pulley 12 7 times.

캡스턴 디스크(20)는 모터 풀리(12)에 인접하여 위치하며, 암부(40)가 로봇 본체에 연결되는 힌지 부위에 설치되는 디스크(disc)이다. 캡스턴 디스크(20)의 회전에 따라 그에 연결된 암부(40)(및 짐벌(42))가 회전하게 된다. 본 실시예에 따른 캡스턴 디스크(20)는 소정의 직경(Dc)을 가지며, 후술하는 와이어(30)는 캡스턴 디스크(20)의 소정 지점에서 텐셔너(22)에 의해 고정될 수 있다.The capstan disk 20 is located adjacent to the motor pulley 12 and is a disk installed at a hinge portion where the arm portion 40 is connected to the robot body. As the capstan disk 20 rotates, the arm 40 (and the gimbal 42) connected thereto rotates. The capstan disk 20 according to the present embodiment has a predetermined diameter Dc, and a wire 30 to be described later may be fixed by a tensioner 22 at a predetermined point of the capstan disk 20.

와이어(30)는 모터 풀리(12)와 캡스턴 디스크(20)에 각각 풀리 결합되어 모터 풀리(12)와 캡스턴 디스크(20)를 연결하는 구성요소로서, 모터 풀리(12)와 캡스턴 디스크(20)는 와이어(30)에 의해 기구적으로 연동되게 된다. 본 실시예에 따른 와이어(30)는 소정의 마찰 계수(μ)를 가지고 모터 풀리(12)에 감기게 된다.The wire 30 is a component that is respectively coupled to the motor pulley 12 and the capstan disk 20 to connect the motor pulley 12 and the capstan disk 20, and is a component that connects the motor pulley 12 and the capstan disk 20 Is mechanically interlocked by the wire 30. The wire 30 according to this embodiment is wound around the motor pulley 12 with a predetermined coefficient of friction [mu].

또한, 본 실시예에 따른 와이어(30)는 그 재질에 따라 소정의 탄성 한도(Ft)값을 가지게 된다.In addition, the wire 30 according to the present embodiment has a predetermined elastic limit (Ft) value according to the material.

수술용 로봇을 구성하는 여러 컴포넌트(component)들은 복잡하고, 다양한 방향으로 구동력이 전달되어야 하는 상황이므로, 일반적으로 텅스텐(tungsten) 소재의 와이어(30)가 주로 사용될 수 있다.Since several components constituting the surgical robot are complex and a driving force must be transmitted in various directions, a wire 30 made of a tungsten material may be mainly used.

모터 풀리(12)에 감긴 와이어(30)가 파손되지 않는 범위 내에서 최대한의 인장력, 즉 탄성한도에 해당하는 인장력이 가해질 수 있으며, 이러한 탄성 한도값은 와이어(30)에 대한 파단 인장 실험을 통해 확인할 수 있다.The maximum tensile force, that is, a tensile force corresponding to the elastic limit may be applied within the range in which the wire 30 wound around the motor pulley 12 is not damaged, and this elastic limit value is determined through a breaking tensile test for the wire 30. I can confirm.

즉, 와이어(30)에 대한 인장 실험을 통해 인장 하중별 변위량 그래프(stress-strain curve)를 도출할 수 있으며, 실험 결과에서 직선 구간의 최대값을 탄성 한도값으로 확인할 수 있다.That is, a stress-strain curve for each tensile load can be derived through a tensile test on the wire 30, and the maximum value of the straight section can be confirmed as an elastic limit value from the test result.

예를 들어, 텅스텐 소재의 와이어(30)를 사용할 경우 탄성 한도는 5.4kgf일 수 있다. 나아가, 본 실시예에 따른 컨트롤 암 구조에서는 안전율을 감안하여 탄성 한도에 안전율을 곱한 값을 설계시 탄성 한도값으로서 사용할 수도 있다.For example, when a tungsten wire 30 is used, the elastic limit may be 5.4kgf. Further, in the control arm structure according to the present embodiment, a value obtained by multiplying the safety factor by the elastic limit in consideration of the safety factor may be used as the elastic limit value in design.

예를 들어, 안전율을 80%로 설정했을 때 텅스텐 와이어(30)의 설계 탄성 한도는 4.32(= 5.4 x 80%)kgf일 수 있다.For example, when the safety factor is set to 80%, the design elasticity limit of the tungsten wire 30 may be 4.32 (= 5.4 x 80%) kgf.

암부(40)는 캡스턴 디스크(20)로부터 연장된 암(arm) 형태의 구조물로서, 하나의 부재로 이루어질 수도 있고, 여러 개의 부재가 결합되어 본 실시예에 따른 암부(40)를 구성할 수도 있다. 예를 들어 여러 개의 부재가 SCARA(selective compliance assembly robot arm) 구조로 결합되어 본 실시예에 따른 암부(40)를 구성함으로써 후술하는 짐벌(42)이 3차원 공간 상에서 임의의 위치로 이동하도록 할 수 있다. 본 실시예에 따른 암부(40)는 캡스턴 디스크(20)의 중심으로부터 소정 거리(Da)만큼까지 연장될 수 있으며, 소정의 중량(ma)을 가질 수 있다.The arm portion 40 is an arm-shaped structure extending from the capstan disk 20, and may be formed of a single member, or several members may be combined to form the arm portion 40 according to the present embodiment. . For example, several members are combined in a SCARA (selective compliance assembly robot arm) structure to configure the arm 40 according to the present embodiment, so that the gimbal 42 to be described later can move to an arbitrary position in the 3D space. have. The arm 40 according to the present embodiment may extend from the center of the capstan disk 20 to a predetermined distance Da, and may have a predetermined weight ma.

짐벌(42)은 암부(40)의 말단에 결합되며 사용자(의사)가 손으로 잡고 움직이는 일종의 '핸들(handle)'에 해당하는 구성요소로서, 전술한 것처럼 암부(40)에 의해 지지된 상태로 3차원 공간 상에서 임의의 위치로 이동될 수 있다.The gimbal 42 is a component that is coupled to the distal end of the arm 40 and corresponds to a kind of'handle' that is held and moved by the user (doctor), and is supported by the arm 40 as described above. It can be moved to any position in the 3D space.

의사가 짐벌(42)을 잡고 움직일 때 짐벌(42)의 자중을 느끼지 않도록 하기 위해, 본 실시예에 따른 컨트롤 암에는 전술한 것처럼 중력 보상 기술이 적용될 수 있다. 또한, 짐벌(42)의 움직임에 햅틱 및/또는 포스 피드백 기술이 구현될 수도 있으며, 이를 위해 본 실시예에 따른 컨트롤 암에는 '모터 풀리(12)-캡스턴 디스크(20)' 구조가 적용될 수 있다.In order to prevent the doctor from feeling the weight of the gimbal 42 when holding and moving the gimbal 42, the control arm according to the present embodiment may be applied with a gravity compensation technique as described above. In addition, a haptic and/or force feedback technology may be implemented in the movement of the gimbal 42, and for this purpose, a'motor pulley 12-capstan disk 20' structure may be applied to the control arm according to the present embodiment. .

이처럼, 본 실시예에 따른 컨트롤 암 구조에는 와이어(30)에 의해 서로 연결된 '모터 풀리(12)-캡스턴 디스크(20)' 구조가 적용될 수 있는데, 본 실시예는 작동 과정에서 와이어(30)의 슬립이 발생하지 않도록 컨트롤 암 구조를 설계한 것을 특징으로 한다.As such, a structure of'motor pulley 12-capstan disk 20' connected to each other by a wire 30 may be applied to the control arm structure according to the present embodiment. In this embodiment, the wire 30 is It is characterized in that the control arm structure is designed so that no slip occurs.

즉, 다음 식 (1)을 만족하도록 컨트롤 암을 설계함으로써 와이어(30)의 슬립을 방지할 수 있다.That is, the slip of the wire 30 can be prevented by designing the control arm to satisfy the following equation (1).

Tp > Tm (1)Tp> Tm (1)

여기서, Tp는 짐벌(42)에 대한 사용자 조작에 의해 모터 풀리(12)에 작용하는 토크이고, Tm은 모터(10)의 작동에 의해 모터 풀리(12)에 작용하는 토크이다. 즉, 사용자가 짐벌(42)을 조작함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값이 (중력 보상 등을 위해) 모터(10)가 작동함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값보다 크게 되도록 컨트롤 암을 설계함으로써, 와이어(30)의 슬립을 방지할 수 있다.Here, Tp is a torque acting on the motor pulley 12 by a user's operation on the gimbal 42, and Tm is a torque acting on the motor pulley 12 by the operation of the motor 10. That is, the torque value acting on the motor pulley 12 as the user manipulates the gimbal 42 is greater than the torque value acting on the motor pulley 12 as the motor 10 operates (for gravity compensation, etc.) By designing the control arm as much as possible, the slip of the wire 30 can be prevented.

전술한 것처럼 토크값을 조절하여 컨트롤 암을 설계하기 위해서는, 사용자가 짐벌(42)을 조작함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tp)에 영향을 미치는 설계 변수들을 도출한 후, 각 변수들을 조정하는 과정을 거치게 된다.In order to design the control arm by adjusting the torque value as described above, design variables that affect the torque value Tp acting on the motor pulley 12 as the user manipulates the gimbal 42 are derived, and then each It goes through the process of adjusting the variables.

이러한 설계 변수에는, 모터 풀리(12)의 직경(Dp), 캡스턴 디스크(20)의 직경(Dc), 와이어(30)의 마찰 계수(μ), 와이어(30)의 탄성 한도(Ft), 와이어(30)가 상기 모터 풀리(12)에 감긴 횟수(n), 암부(40)의 연장 거리(Da), 및 암부(40)와 짐벌(42)의 중량(ma, mg) 등을 들 수 있다.These design parameters include the diameter of the motor pulley 12 (Dp), the diameter of the capstan disk 20 (Dc), the coefficient of friction of the wire 30 (μ), the elastic limit of the wire 30 (Ft), the wire The number of times 30 is wound around the motor pulley 12 (n), the extension distance of the arm 40 (Da), and the weight (ma, mg) of the arm 40 and the gimbal 42, etc. .

한편, 모터(10)가 작동함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tm)은 모터(10)의 출력값과 관련되며, 이는 선정된 모터(10)의 사양(specification)으로부터 도출될 수 있다.Meanwhile, as the motor 10 operates, the torque value Tm acting on the motor pulley 12 is related to the output value of the motor 10, which can be derived from the specifications of the selected motor 10. have.

즉, Tm은 모터(10)가 작동될 때 모터(10)에 인가되는 전류를 측정하여, 다음 식 (2)로부터 도출될 수 있다.That is, Tm can be derived from the following equation (2) by measuring the current applied to the motor 10 when the motor 10 is operated.

Tm = Tn x Im / In (2)Tm = Tn x Im / In (2)

여기서, Tn은 모터(10)의 정격 토크(nominal torque)이고 In은 모터(10)의 정격 전류(nominal current)이다. 즉, 선정된 모터(10)의 스펙 정보로부터 정격 토크(Tn)값과 정격 전류(In)값을 도출하고, 측정된 전류값(Im)을 입력하여 식 (2)로부터 Tm 값을 산출할 수 있다.Here, Tn is the nominal torque of the motor 10 and In is the nominal current of the motor 10. That is, the rated torque (Tn) value and the rated current (In) value are derived from the specification information of the selected motor 10, and the measured current value (Im) is input to calculate the Tm value from Equation (2). have.

예를 들어, 정격 토크값이 0.420Nm이고 정격 전류값이 4.58A인 모터(10)를 선정하여 컨트롤 암을 제작하고, 모터(10)에 최대 부하가 작용할 때(암부(40)가 캡스턴 디스크(20)의 중심으로부터 최대로 연장된 상태에서 짐벌(42)이 조작될 때) 모터(10)에 인가되는 전류값이 2.29A로 측정됐다고 할 때,For example, a control arm is manufactured by selecting a motor 10 with a rated torque value of 0.420 Nm and a rated current value of 4.58A, and when the maximum load is applied to the motor 10 (arm portion 40 is the capstan disk ( When the gimbal 42 is manipulated in the state extended from the center of 20) to the maximum), when the current value applied to the motor 10 is measured as 2.29A,

Tm = 0.42 x 2.29 / 4.58 = 0.21NmTm = 0.42 x 2.29 / 4.58 = 0.21Nm

와 같이 산출될 수 있다.Can be calculated as

이 경우, 모터(10)에 인가하는 전류가 2.29A만 흐르도록 세팅함으로써, 모터(10)에 작용하는 토크값이 최대 0.21(Nm)를 넘지 않도록 할 수 있다.In this case, by setting the current applied to the motor 10 to flow only 2.29A, the torque value acting on the motor 10 may not exceed 0.21 (Nm) at the maximum.

선정된 모터(10)를 기준으로 컨트롤 암의 실제 작동 상태에서 실험적으로 얻어낸 토크값은, 선정된 모터(10)의 정격 토크(0.42Nm) 대비 약 50%인 0.21Nm로 산출되었음을 알 수 있다.It can be seen that the torque value experimentally obtained in the actual operating state of the control arm based on the selected motor 10 was calculated as 0.21 Nm, which is about 50% of the rated torque (0.42 Nm) of the selected motor 10.

한편, 사용자가 짐벌(42)을 조작함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tp)은 컨트롤 암의 설계 사양과 관련되며, 다음 식 (3)으로부터 도출될 수 있다.Meanwhile, as the user manipulates the gimbal 42, the torque value Tp acting on the motor pulley 12 is related to the design specification of the control arm, and can be derived from the following equation (3).

Tp = Ft x Rp (3)Tp = Ft x Rp (3)

여기서, Ft는 와이어(30)의 탄성 한도값이고 Rp는 모터 풀리(12)의 반경(=Dp/2)이다.Here, Ft is the elastic limit value of the wire 30 and Rp is the radius of the motor pulley 12 (=Dp/2).

즉, Tp는 Ft 값으로 와이어(30)를 당길 때 모터 풀리(12)에 발생하는 토크에 해당하며, 전술한 사례의 경우에 대하여 계산을 해보면,That is, Tp corresponds to the torque generated in the motor pulley 12 when the wire 30 is pulled with an Ft value, and if calculated for the case described above,

Tp = 4.32(kgf) x 5.72(mm) = 24.71(kgfmm) = 0.246(Nm)Tp = 4.32(kgf) x 5.72(mm) = 24.71(kgfmm) = 0.246(Nm)

앞서 계산한 모터(10)에서 나오는 토크값(Tm)과 와이어(30)를 Ft의 힘으로 당길 때 발생하는 토크값(Tp)을 대비해 보면 다음과 같다.Comparing the torque value Tm from the motor 10 calculated above and the torque value Tp generated when the wire 30 is pulled with the force of Ft is as follows.

Tp : Tm = 0.246(Nm) : 0.21(Nm)Tp: Tm = 0.246(Nm): 0.21(Nm)

결과적으로, 모터(10)에서 나오는 토크값(Tm)인 0.21Nm보다, 짐벌(42)의 조작으로 인하여 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tp)인 0.246Nm가 크므로, 와이어(30)에 슬립이 발생하는 것을 방지할 수 있다.As a result, the torque value Tp acting on the motor pulley 12 due to the manipulation of the gimbal 42, 0.246Nm, is larger than 0.21Nm, which is the torque value Tm from the motor 10, so that the wire 30 ) Can prevent the occurrence of slip.

한편, 위와 같은 결과는 짐벌(42)에 대한 사용자 조작으로 인하여 와이어(30)가 Ft의 인장력으로 당겨지는 상태가 유지되는 것을 전제로 한 것으로, 이를 위해서는 별도의 텐셔너(22)를 장착하여 와이어(30)를 캡스턴 디스크(20)에 고정시켜야 한다.On the other hand, the above result is based on the premise that the wire 30 is pulled by the tensile force of Ft due to the user manipulation of the gimbal 42, and for this purpose, a separate tensioner 22 is attached to the wire ( 30) must be fixed to the capstan disk (20).

텐셔너(22)는 소정의 토크를 가하여 조임으로써 캡스턴 디스크(20)에 장착될 수 있는데, 와이어(30)에 인장력 Ft가 유지되도록 텐셔너(22)에 가해야 하는 조임 토크는 다음 식 (4)로부터 도출될 수 있다.The tensioner 22 can be mounted on the capstan disk 20 by tightening by applying a predetermined torque, and the tightening torque to be applied to the tensioner 22 to maintain the tensile force Ft on the wire 30 is from the following equation (4). Can be derived.

Tt = Ft x r (4)Tt = Ft x r (4)

여기서, Tt는 텐셔너(22)의 조임 토크이고, r은 텐셔너(22)의 반경이다. Here, Tt is the tightening torque of the tensioner 22, and r is the radius of the tensioner 22.

예를 들어, 외경 12.7 파이용 텐셔너(22)를 사용하여 와이어(30)를 고정시킨다고 할 때, 텐셔너(22)의 조임 토크는,For example, assuming that the wire 30 is fixed using the tensioner 22 for an outer diameter of 12.7 pi, the tightening torque of the tensioner 22 is,

Tt = 4.32 x 6.35 = 27.432 kgfmmTt = 4.32 x 6.35 = 27.432 kgfmm

와 같이 계산될 수 있다. 즉, 27.432 kgfmm 의 조임 토크로 텐셔너(22)를 체결함으로써 와이어(30)에 인장력 Ft가 유지되도록 할 수 있다.Can be calculated as That is, by fastening the tensioner 22 with a tightening torque of 27.432 kgfmm, it is possible to maintain the tensile force Ft on the wire 30.

결론적으로, 캡스턴 디스크(20)를 사용하는 수술용 로봇의 컨트롤 암 구조에서, 모터 풀리(12)와 캡스턴 디스크(20) 간의 와이어(30)의 슬립을 방지하기 위해서는, 먼저, 사용자가 짐벌(42)을 조작함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tp)을 산출하고(S100), 모터(10)가 작동함에 따라 모터 풀리(12)에 작용하는 토크값(Tm)을 도출한다(S200).In conclusion, in the control arm structure of the surgical robot using the capstan disk 20, in order to prevent the slip of the wire 30 between the motor pulley 12 and the capstan disk 20, first, the user has the gimbal 42 ), a torque value Tp acting on the motor pulley 12 is calculated (S100), and a torque value Tm acting on the motor pulley 12 as the motor 10 operates ( S200).

Tp 값과 Tm 값의 산출 단계는 순차적으로 또는 병행하여 수행될 수 있으며, 반드시 어느 단계가 다른 단계에 선행하거나 후행되어야 하는 것은 아니다.The steps of calculating the Tp value and the Tm value may be performed sequentially or in parallel, and certain steps do not necessarily precede or follow other steps.

다음으로, Tp 값이 Tm 값보다 커지도록 기구적 설계 변수(parameter) 값을 적절히 조정하여 컨트롤 암을 설계하면 된다(S300).Next, a control arm may be designed by appropriately adjusting a mechanical design parameter value so that the Tp value is greater than the Tm value (S300).

또한, 와이어(30)의 텐션이 일정하게 유지되도록 하기 위해 텐셔너(22)에 최적화되도록 계산 토크(Tt)값을 적용하여 텐셔너(22)를 조립하면 된다.In addition, in order to keep the tension of the wire 30 constant, the tensioner 22 may be assembled by applying the calculated torque Tt value so as to be optimized for the tensioner 22.

한편, 모터 풀리(12)에 감긴 와이어(30)가 모터 풀리(12)에 가하는 총 힘(Fw)은 다음 식 (5)와 같이 계산될 수 있다.On the other hand, the total force (Fw) applied to the motor pulley 12 by the wire 30 wound around the motor pulley 12 can be calculated as in the following equation (5).

Fw = μ x Ft x n (5)Fw = μ x Ft x n (5)

여기서, μ는 사용되는 와이어(30)의 고유 마찰계수(상수)이고, n은 모터 풀리(12)에 와이어(30)가 감긴 횟수이다.Here, μ is the intrinsic coefficient of friction (constant) of the wire 30 to be used, and n is the number of times the wire 30 is wound around the motor pulley 12.

와이어(30)의 감김 횟수는, 캡스턴 디스크(20)의 폭 안에 장착될 수 있는 모터 풀리(12)의 폭을 결정하고, 캡스턴 디스크(20)가 회전 구동하는 구간을 감안하여 와이어(30)의 감김 피치(pitch)와 감김 횟수가 정해질 수 있다.The number of windings of the wire 30 determines the width of the motor pulley 12 that can be mounted within the width of the capstan disk 20, and in consideration of the section in which the capstan disk 20 rotates and drives the wire 30 The winding pitch and the number of turns can be determined.

전술한 사례의 경우, Fw는 다음과 같이 계산될 수 있다.In the case of the above-described case, Fw can be calculated as follows.

Fw = μ x 4.32 x 7 = 30.24μ kgfFw = μ x 4.32 x 7 = 30.24μ kgf

즉, 모터 풀리(12)에 와이어(30)가 감긴 횟수에 따라 모터 풀리(12)에 최종적으로 가해지는 힘을 확인할 수 있다.
That is, the force finally applied to the motor pulley 12 can be checked according to the number of times the wire 30 is wound around the motor pulley 12.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those of ordinary skill in the art can variously modify the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. It will be appreciated that it can be modified and changed.

10 : 모터 12 : 모터 풀리
20 : 캡스턴 디스크 22 : 텐셔너
30 : 와이어 40 : 암부
42 : 짐벌10: motor 12: motor pulley
20: capstan disc 22: tensioner
30: wire 40: arm
42: Gimbal

Claims

모터에 연결되어 작동되는 모터 풀리(motor pulley)와;
상기 모터 풀리에 인접하여 위치하는 캡스턴 디스크(capstan disk)와;
상기 모터 풀리와 상기 캡스턴 디스크에 각각 풀리 결합되어, 상기 모터 풀리와 상기 캡스턴 디스크를 기구적으로 연결하는 와이어(wire)와;
상기 캡스턴 디스크에 결합되며, 상기 캡스턴 디스크의 중심으로부터 소정 거리만큼 연장되는 암(arm)부와;
상기 암부의 말단에 결합되는 짐벌(gimbal); 및
상기 캡스턴 디스크의 외주면 상에 배치되며, 상기 와이어가 상기 캡스턴 디스크에 감긴 상태에서 일정한 인장력을 유지하도록 상기 와이어를 상기 캡스턴 디스크에 조여 고정하는 텐셔너를 포함하되,
상기 와이어의 슬립(slip)을 방지하기 위해, 하기 수학식 (1)을 만족하도록 설계된 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조.
Tp > Tm (1)
여기서, 상기 Tp는 상기 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크이고, 상기 Tm은 상기 모터의 작동에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크임.
A motor pulley connected to the motor and operated;
A capstan disk positioned adjacent to the motor pulley;
A wire coupled to the motor pulley and the capstan disk, respectively, for mechanically connecting the motor pulley and the capstan disk;
An arm portion coupled to the capstan disk and extending a predetermined distance from the center of the capstan disk;
A gimbal coupled to the end of the arm; And
It is disposed on the outer circumferential surface of the capstan disk, and includes a tensioner for fastening and fixing the wire to the capstan disk to maintain a constant tensile force while the wire is wound around the capstan disk,
In order to prevent the wire from slipping, the control arm structure, characterized in that it is designed to satisfy the following equation (1).
Tp> Tm (1)
Here, the Tp is a torque acting on the motor pulley by a user's manipulation of the gimbal, and the Tm is a torque acting on the motor pulley by the operation of the motor.

제1항에 있어서,
상기 수학식 (1)을 만족하도록, 상기 모터의 출력, 상기 모터 풀리의 직경, 상기 캡스턴 디스크의 직경, 상기 와이어의 마찰 계수, 상기 와이어의 탄성 한도, 상기 와이어가 상기 모터 풀리에 감긴 횟수, 상기 암부의 연장 거리, 및 상기 암부와 상기 짐벌의 중량으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 설계 변수가 조정되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조.
The method of claim 1,
To satisfy Equation (1), the output of the motor, the diameter of the motor pulley, the diameter of the capstan disk, the friction coefficient of the wire, the elastic limit of the wire, the number of times the wire is wound around the motor pulley, the Control arm structure, characterized in that one or more design parameters selected from the group consisting of an extension distance of the arm and the weight of the arm and the gimbal are adjusted.

제1항에 있어서,
상기 Tm은 상기 모터가 작동될 때 상기 모터에 인가되는 전류를 측정하여, 하기 수학식 (2)로부터 도출되는 것을 특징으로 컨트롤 암 구조.
Tm = Tn x Im / In (2)
여기서, 상기 Tn은 상기 모터의 정격 토크(nominal torque), 상기 In은 상기 모터의 정격 전류(nominal current), 상기 Im은 상기 모터에 인가되는 전류의 측정값임.
The method of claim 1,
The Tm is a control arm structure, characterized in that it is derived from the following equation (2) by measuring a current applied to the motor when the motor is operated.
Tm = Tn x Im / In (2)
Here, Tn is a nominal torque of the motor, In is a nominal current of the motor, and Im is a measurement value of a current applied to the motor.

제1항에 있어서,
상기 Tp는 하기 수학식 (3)으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조.
Tp = Ft x Rp (3)
여기서, 상기 Ft는 상기 와이어의 탄성 한도, 상기 Rp는 상기 모터 풀리의 반경임.
The method of claim 1,
The control arm structure, characterized in that the Tp is derived from the following equation (3).
Tp = Ft x Rp (3)
Here, Ft is the elastic limit of the wire, and Rp is the radius of the motor pulley.

제4항에 있어서,
상기 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 상기 와이어가 상기 Ft의 힘으로 인장되도록 하기 위해, 상기 텐셔너의 조임 토크는 하기 수학식 (4) 으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 암 구조.
Tt = Ft x r (4)
여기서, Tt는 상기 텐셔너의 조임 토크, 상기 r은 상기 텐셔너의 반경임.
The method of claim 4,
In order to cause the wire to be tensioned with the force of Ft by a user operation on the gimbal, the tightening torque of the tensioner is derived from the following equation (4).
Tt = Ft xr (4)
Here, Tt is the tightening torque of the tensioner, and r is the radius of the tensioner.

모터에 연결되어 작동되는 모터 풀리와, 상기 모터 풀리에 인접하여 위치하는 캡스턴 디스크와, 상기 모터 풀리와 상기 캡스턴 디스크에 각각 풀리 결합되는 와이어와, 상기 캡스턴 디스크에 결합되며, 상기 캡스턴 디스크의 중심으로부터 소정 거리만큼 연장되는 암부와, 상기 암부의 말단에 결합되는 짐벌과, 상기 캡스턴 디스크의 외주면 상에 배치되며, 상기 와이어가 상기 캡스턴 디스크에 감긴 상태에서 일정한 인장력을 유지하도록 상기 와이어를 상기 캡스턴 디스크 상에 조여 고정하는 텐셔너를 포함하는 컨트롤 암을 설계하는 방법으로서,
(a) 상기 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크를 도출하는 단계;
(b) 상기 모터의 작동에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크를 도출하는 단계; 및
(c) 하기 수학식 (1)을 만족하도록, 상기 모터의 출력, 상기 모터 풀리의 직경, 상기 캡스턴 디스크의 직경, 상기 와이어의 마찰 계수, 상기 와이어의 탄성 한도, 상기 와이어가 상기 모터 풀리에 감긴 횟수, 상기 암부의 연장 거리, 및 상기 암부와 상기 짐벌의 중량으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 설계 변수를 조정하는 단계를 포함하는 컨트롤 암 설계방법.
Tp > Tm (1)
여기서, 상기 Tp는 상기 짐벌에 대한 사용자 조작에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크이고, 상기 Tm은 상기 모터의 작동에 의해 상기 모터 풀리에 작용하는 토크임.A motor pulley connected to and operated by a motor, a capstan disk positioned adjacent to the motor pulley, a wire pulley coupled to the motor pulley and the capstan disk, respectively, and coupled to the capstan disk, from the center of the capstan disk An arm portion extending a predetermined distance, a gimbal coupled to an end of the arm portion, and an outer circumferential surface of the capstan disk, and the wire is placed on the capstan disk to maintain a constant tensile force while the wire is wound around the capstan disk. As a method of designing a control arm including a tensioner to be tightened and fixed to,
(a) deriving a torque acting on the motor pulley by user manipulation of the gimbal;
(b) deriving a torque acting on the motor pulley by the operation of the motor; And
(c) the output of the motor, the diameter of the motor pulley, the diameter of the capstan disk, the friction coefficient of the wire, the elastic limit of the wire, the wire wound around the motor pulley so as to satisfy the following equation (1). And adjusting one or more design parameters selected from the group consisting of the number of times, the extension distance of the arm, and the weight of the arm and the gimbal.
Tp> Tm (1)
Here, the Tp is a torque acting on the motor pulley by a user's manipulation of the gimbal, and the Tm is a torque acting on the motor pulley by the operation of the motor.