KR20170096434A - 병렬 링크 구조체 및 이를 구비한 역감 제시 인터페이스 시스템 - Google Patents

Abstract

링크 구조체는 베이스에 연결되는 연결체와, 상기 연결체에 연결되며 서로 병렬 배치되는 제1 링크암과 제2 링크암, 제1 연결부에서 상기 제1 링크암과 연결되고 제2 연결부에서 제2 링크암과 연결되는 이동체를 포함하고, 상기 제1 링크암과 제2 링크암이 구동하여 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부의 위치를 변경함으로써, 상기 이동체의 전후진 방향(y 축 방향)의 이동, 상하 방향(z축 방향)의 이동, 상기 y축 중심의 회전 및 상기 z 축 중심의 회전 중 하나 이상의 동작이 이루어지고, 상기 연결체가 상기 베이스에 대해 회전함으로써, 상기 이동체의 좌우 방향(x 축 방향)의 이동이 이루어지며, 상기 이동체가 상기 제1 링크암 및 제2 링크암에 대해 회전함으로써, 상기 이동체의 상기 x 축 중심의 회전이 이루어지도록 한다. 역감 제시 인터페이스 시스템은 상기 링크 구조체를 입력 장치 및 피드백 장치로 구비한다.

Description

병렬 링크 구조체 및 이를 구비한 역감 제시 인터페이스 시스템{Parallel Link structure and Force-reflecting interface system having the same}

본 발명은 링크 구조체 및 이를 구비한 역감 제시 인터페이스 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가상/증강/원격 환경에서 사용자의 신체 부위 운동에 대응하여 동작하는 아바타에 힘이 가해지는 경우 그에 대응하는 역감을 신체 부위에 가해줄 수 있는 링크 구조체와 이를 이용한 역감 제시 인터페이스 시스템에 관한 것이다.

산업 발전에 따라 가상 환경/증강 환경/원격 환경에서 사용자의 의지대로 원격의 슬레이브 로봇 또는 가상의 그래픽(이하, "아바타"라고 칭함)을 동작시키는 인터페이스 시스템이 다양하게 개발되고 있다.

사람의 손은 정교한 움직임이 가능하므로, 위와 같은 인터페이스 시스템을 구동하기 위한 수단으로 많이 이용된다.

이러한 인터페이스 시스템에 있어서, 제어의 대상이 되는 아바타와 상기 아바타가 동작하는 환경은 사용자가 직접 체험할 수 없는 공간이므로, 더 사실적이고 정교한 제어를 위해 사용자에게 역감을 제공하기 위한 장치가 고안되고 있다.

종래의 역감 제시 장치는 특허문헌 1과 같이, 사용자의 손가락 끝의 위치를 계측하고, 제어된 힘 벡터를 정밀하게 인가하여 손가락의 이동 방향과 반대 방향으로 링크가 동작해 사용자로 하여금 동작을 방해받는 역감을 느끼도록 하는 방식이 많이 이용되고 있다.

이러한 종래에 따른 역감 제시 장치는 직렬 형태의 링크 구조를 이용하여 큰 힘을 발생시키지 못하고, 특히 손가락의 직선 운동에 대응하는 역감만을 제공해준다는 한계가 있다.

하지만, 손 전체는 전후, 상하 및 좌우로의 직선 운동과, 손목 관절을 중심으로 하는 롤(roll), 요(yaw) 및 피치(pitch)의 회전 운동의 6 자유도 운동이 가능한 부위이다.

가상 환경/증강 환경/원격 환경에서 더 완벽한 역감 제시 인터페이스 시스템을 구현하기 위해서는, 손과 같은 높은 자유도를 가지는 신체 부위에 적용되어 상응하는 역감을 자유롭게 제공할 수 있는 장치가 필요하다.

미국 등록특허 제5,587,937호

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 6 자유도를 가지는 신체 부위에 부착되는 이동체가 해당 신체 부위와 동일하게 6 자유도를 가지고 운동할 수 있도록 해주는 링크 구조체와 이를 이용한 역감 제시 인터페이스 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 베이스에 연결되는 연결체와, 상기 연결체에 연결되며 서로 병렬 배치되는 제1 링크암과 제2 링크암, 제1 연결부에서 상기 제1 링크암과 연결되고 제2 연결부에서 제2 링크암과 연결되는 이동체를 포함하고, 상기 제1 링크암과 제2 링크암이 구동하여 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부의 위치를 변경함으로써, 상기 이동체의 전후진 방향(y 축 방향)의 이동, 상하 방향(z축 방향)의 이동, 상기 y축 중심의 회전 및 상기 z 축 중심의 회전 중 하나 이상의 동작이 이루어지고, 상기 연결체가 상기 베이스에 대해 회전함으로써, 상기 이동체의 좌우 방향(x 축 방향)의 이동이 이루어지며, 상기 이동체가 상기 제1 링크암 및 제2 링크암에 대해 회전함으로써, 상기 이동체의 상기 x 축 중심의 회전이 이루어지는 링크 구조체가 제공된다.

일 실시예에 따르면, 제1 링크암은, 상기 제1 연결부와 연결되는 연결 링크와, 상기 연결 링크 및 상기 연결체와 함께 폐루프를 형성하는 복수의 링크로 이루어진 동작 링크부를 포함하고, 상기 동작 링크부의 동작에 의해 상기 연결 링크가 동작하여 상기 제1 연결부의 위치가 변경된다.

일 실시예에 따르면, 상기 동작 링크부는, 일단이 상기 연결 링크에 회전 가능하게 연결되는 제1 동작 링크, 일단이 상기 제1 동작 링크에 회전 가능하게 연결되고 타단이 상기 연결체에 회전 가능하게 연결되는 제2 동작 링크, 일단이 상기 연결 링크에 회전 가능하게 연결되고 타단이 상기 연결체에 회전 가능하게 연결되는 제3 동작 링크를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 동작 링크는 상기 연결 링크의 단부에 연결되고, 상기 제3 동작 링크는 상기 제1 동작 링크와 다른 부분에서 상기 연결 링크에 연결된다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 동작 링크는 상기 제3 동작 링크보다 길게 형성된다.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 링크암은 상기 제1 링크암과 거울 대칭 구조를 가진다.

일 실시예에 따르면, 상기 이동체에는 상기 이동체의 길이 방향으로 연장되는 가이드 바가 연결되고, 제1 연결부는 상기 가이드 바를 따라 이동 가능하다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 링크암과 상기 제2 링크암 사이에는 상기 제1 링크암과 상기 제2 링크암의 움직임을 방해하지 않으면서 간격을 유지시키는 보조 링크암이 결합된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 6 자유도 운동이 가능한 신체 부위에 역감을 제공하는 역감 제시 인터페이스 시스템으로서, 상기 링크 구조체와, 상기 링크 구조체의 동작을 제어하는 컴퓨터를 포함하고, 상기 신체 부위는 상기 이동체에 결속되고, 상기 이동체가 상기 신체 부위의 운동과 반대되는 운동을 하도록 제어하여 상기 신체 부위의 움직임을 간섭하는 역감을 제공하는 역감 제시 인터페이스 시스템이 제공된다.

일 실시예에 따르면, 상기 링크 구조체는, 상기 신체 부위의 움직임을 상기 컴퓨터에 입력하는 입력 장치가 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 구조체의 사시도이다.
도 2는 도 1의 링크 구조체의 평면도이다.
도 3은 도 1의 링크 구조체의 측면도이다.
도 4는 도 1의 링크 구조체를 개략화하여 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 링크 구조체의 이동체의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1의 링크 구조체의 이동체를 y축 방향으로 이동시키는 모습을 도시한 것이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 1의 링크 구조체의 이동체를 z축 방향으로 이동시키는 모습을 도시한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 도 1의 링크 구조체의 이동체를 z축 중심으로 회전시키는 모습을 도시한 것이다.
도 9a 및 도 9b는 도 1의 링크 구조체의 이동체를 y축 중심으로 회전시키는 모습을 도시한 것이다.
도 10a는 도 1의 링크 구조체의 각 구성의 길이를 표시한 것이며, 도 10b는 도 1의 링크 구조체의 각 조인트 등의 각도를 표시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 역감 제시 인터페이스 시스템의 개념 구성도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되 지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 구조체(1)의 사시도이고, 도 2는 링크 구조체(1)의 평면도이며, 도 3은 링크 구조체(1)의 측면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 링크 구조체(1)는 고정 설치되는 베이스(base)(500)에 회전 가능하게 연결되는 연결체(300)와, 상기 연결체(300)에 연결되며 서로 좌우로 병렬 배치되는 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200) 및, 제1 연결부(20)에서 제1 링크암(100)과 연결되고 제2 연결부(30)에서 제2 링크암(200)과 연결되는 이동체(10)를 포함한다.

연결체(300)는 제6모터(340)에 의해 조인트(311)를 중심으로 회전 가능하도록 베이스(500)에 고정되는 회전판(310)과, 상기 회전판(310)의 양 단부에서 상방으로 연장되는 두 개의 플랜지(320, 330)를 구비하여 대략 "ㄷ"자 형태로 형성된다.

두 개의 플랜지(320, 330)는 전방에서 후방으로 갈수록 상단의 높이가 증가하는 형태로 형성된다.

제1플랜지(320)의 후방측 상단 외측면에는 제1모터(301)가 결합되고, 제1플랜지(320)의 전방측 상단 외측면에는 제2모터(302)가 결합된다. 제1플랜지(330)의 후방측 상단 외측면에는 제3모터(303)가 결합되고, 제1플랜지(320)의 전방측 상단 외측면에는 제4모터(303)가 결합된다.

제1 링크암(100)은 일단부가 제1연결부(20)와 연결되는 제1연결 링크(110)와, 상기 제1연결 링크(110)와 연결체(300)에 연결되어 제1연결 링크(110)와 연결체(300)와 함께 폐루프를 형성하는 제1동작 링크부(120, 130, 140)를 포함한다.

제1동작 링크부(120, 130, 140)는 조인트(112)를 기준으로 일단이 제1연결 링크(110)에 회전 가능하게 연결되는 제1 동작 링크(120)와, 조인트(114)를 기준으로 일단이 제1 동작 링크(120)에 회전 가능하게 연결되는 제2 동작 링크(130)를 포함한다. 제2 동작 링크(130)의 타단은 조인트(115)를 기준으로 연결체(300)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 제2 동작 링크(130)는 제1모터(301)와 연결되어 제1모터(301)에 의해 연결체(300)에 대해 회전한다.

또한, 제1동작 링크부(120, 130, 140)는 조인트(113)를 기준으로 일단이 제1 연결 링크(110)에 회전 가능하게 연결되고, 타단이 조인트(116)를 기준으로 연결체(300)에 회전 가능하게 연결되는 제3 동작 링크(140)를 포함한다. 제3 동작 링크(140)는 제2모터(302)와 연결되어 제2모터(302)에 의해 연결체(300)에 대해 회전한다.

제1 동작 링크(120)와 제1연결 링크(110)가 연결되는 조인트(112)는 제1연결 링크(110)의 단부에 형성되고, 제3 동작 링크(140)와 제1연결 링크(110)가 연결되는 조인트(113)는 조인트(112)에 비해 제1연결부(20) 쪽으로 이격된 부분에 형성된다.

본 실시예에 따르면, 제1 동작 링크(120)의 길이는 제3 동작 링크(140)보다 길게 형성된다.

제1동작 링크부(120, 130, 140)는 제1모터(301) 및/또는 제2모터(302)의 구동력에 의해 구동하여 제1연결 링크(110)가 동작하도록 한다. 제1연결 링크(110)의 동작은 그와 연결된 제1 연결부(20)의 위치 변경을 유발한다.

제1 연결부(20)의 위치 변경을 시키기 위한 구동부로서 링크들이 상호 유기적으로 움직이게 되는 폐루프 구조의 링크 구조로 형성함으로써, 각 구성의 동작이 유기적으로 연결될 수 있고, 적은 출력으로도 큰 로드를 생성할 수 있다.

제2 링크암(200)은 일단부가 제2연결부(30)와 연결되는 제2연결 링크(210)와, 상기 제2연결 링크(210)와 연결체(300)에 연결되어 제2연결 링크(210)와 연결체(300)와 함께 폐루프를 형성하는 제2동작 링크부(220, 230, 240)를 포함한다.

제2동작 링크부(220, 230, 240)는 조인트(212)를 기준으로 일단이 제2연결 링크(120)에 회전 가능하게 연결되는 제4 동작 링크(220)와, 조인트(214)를 기준으로 일단이 제4 동작 링크(220)에 회전 가능하게 연결되는 제5 동작 링크(230)를 포함한다. 제5 동작 링크(230)의 타단은 조인트(215)를 기준으로 연결체(300)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 제5 동작 링크(230)는 제3모터(303)와 연결되어 제3모터(303)에 의해 연결체(300)에 대해 회전한다.

또한, 제2동작 링크부(220, 230, 240)는 조인트(213)를 기준으로 일단이 제2 연결 링크(210)에 회전 가능하게 연결되고, 타단이 조인트(216)를 기준으로 연결체(300)에 회전 가능하게 연결되는 제6 동작 링크(240)를 포함한다. 제6 동작 링크(240)는 제4모터(304)와 연결되어 제4모터(304)에 의해 연결체(300)에 대해 회전한다.

제4 동작 링크(220)와 제2연결 링크(210)가 연결되는 조인트(212)는 제2연결 링크(210)의 단부에 형성되고, 제6 동작 링크(240)와 제2연결 링크(210)가 연결되는 조인트(213)는 조인트(212)에 비해 제2연결부(30) 쪽으로 이격된 부분에 형성된다.

본 실시예에 따르면, 제4 동작 링크(220)의 길이는 제6 동작 링크(240)보다 길게 형성된다.

제2동작 링크부(220, 230, 240)는 제3모터(303) 및/또는 제4모터(304)의 구동력에 의해 구동하여 제2연결 링크(210)가 동작하도록 한다. 제2연결 링크(210)의 동작은 그와 연결된 제2 연결부(30)의 위치 변경을 유발한다.

설명의 편의를 위해 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)의 구성을 구분하여 기재 및 설명하고 있지만, 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)은 실질적으로 동일한 구조를 가지며, 서로 거울에 비춘 것과 같은 거울 대칭 구조를 가진다는 것이 이해될 것이다.

후술하는 바와 같이, 제1 링크암(110)과 제2 링크암(200)은 서로 동일 방향 뿐 아니라, 반대 방향으로 동작하여 이동체(10)의 동작을 제어한다.

이동체(10)의 위치를 정확하게 제어를 위해서는 서로 평행하게 병렬 배치되는 제1 링크암(110)과 제2 링크암(200)이 그 정해진 간격을 유지한 채로 동작하여야 한다. 제1 링크암(110)과 제2 링크암(200)의 사이 간격은 길이가 비교적 긴 링크암의 밴딩(banding)에 의해 변화할 수 있으며, 이러한 의도치 않은 간격 변화는 장치의 고장 등을 유발할 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따르면, 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)의 사이에는 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)의 움직임을 방해하지 않으면서 그 간격을 유지시키는 보조 링크암(400)이 결합된다.

보조 링크암(400)은 조인트(113)와 일치하는 위치에 형성되는 조인트(401)에서 제3 동작 링크(140)에 대해 자유회전 가능하게 형성되는 제1 보조 링크(410), 조인트(213)와 일치하는 위치에 형성되는 조인트(402)에서 제6 동작 링크(240)에 대해 자유회전 가능하게 형성되는 제2 보조 링크(420) 및 제1 보조 링크(410)와 제2 보조 링크(420)를 연결하는 제3 보조 링크(430)를 포함한다.

제3 보조 링크(430)는 조인트(403)와 조인트(404)에서 각각 제1 보조 링크(410)와 제2 보조 링크(420)에 대해 회전 가능하게 연결된다.

이와 같은 구성에 따르면, 제3 보조 링크(430)의 길이에 의해 제1 링크암(100)과 제2 링크(200)의 사이 간격이 가까워지지 않고 유지된다.

아울러, 제1 내지 제3 보조 링크는 각각에 대해 회전 가능하고, 보조 링크는 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)에 대해 자유회전 가능하므로, 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)의 움직임을 방해하지 않는다(예를 들어, 제3 동작 링크(140)가 연결체(300)에 대해 하방으로 회전하고, 제6 동작 링크(240)가 연결체(300)에 대해 상방으로 회전하는 반대 방향의 운동을 하게 되어도, 제1 보조 링크(410)는 제3 보조 링크(430)에 대해 하방으로 회전하고 제2 보조 링크(420)는 제3 보조 링크(430)에 대해 상방으로 각각 회전하게 되므로, 해당 동작 링크의 움직임을 방해하지 않는다).

도 3 이후의 도면에서는 보조 링크암(400)은 도시 생략되었다.

보조 링크암(400)과 유사하게, 두 플랜지(320, 330)의 미세한 밴딩에 의해 제어 정확도가 떨어지는 것을 방지하기 위해, 조인트(115)와 조인트(215), 조인트(116)와 조인트(216)을 각각 연결하는 두 개의 연결 바(151, 152)가 배치된다.

두 개의 연결 바(151, 152)는 두 플랜지(320, 330)의 사이의 간격을 유지시키는 역할을 할 뿐, 해당 조인트에 연결되는 동작 링크의 움직임을 방해하지는 않는다.

본 실시예에 따르면, 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)에 대해 자유 회전 가능한 보조 링크암(400)이 자세를 유지할 수 있도록, 제3 보조 링크(430)의 중앙과 연결 바(152)의 중앙에 연결되는 스프링(440)이 구비된다. 스프링(440)은 보조 링크암(400)이 아래로 쳐져 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)의 동작을 방해하는 것을 방지한다.

이동체(10)는 소정의 길이를 가지는 바(bar) 형태이고, 제1연결부(20)가 위치하는 단부측에는 이동체(10)의 직경보다 소경인 직경을 가지는 가이드 바(소위, LM 가이드)(11)가 형성되어 있다.

제1연결부(20)는 가이드 바(11)를 감싸도록 형성되어 가이드 바(11)를 따라 슬라이드 이동 가능한 실린더 부재(21)를 포함한다. 실린더 부재(21)의 내부에는 베어링이 구비되어 실린더 부재(21)는 가이드 바(11)에 대해 회전 가능하다. 즉, 제1연결부(20)는 2 자유도의 조인트(cylindrical joint)(24)에 의해 이동체(10)의 길이 방향으로의 직선 운동과 길이 방향에 대한 회전 운동이 가능하다.

실린더 부재(21)에는 조인트(23)에서 실린더 부재(21)에 대해 회전 가능하게 연결되는 대략 "ㄱ" 자 형태의 연결 부재(22)가 형성된다. 연결 부재(22)는 조인트(111)에서 제1 연결 링크(110)와 회전 가능하게 연결된다.

제2연결부(30)는 제1연결부(20)가 형성된 단부의 반대측 단부에서 이동체(30)에 연결된다.

제2연결부(30)는 조인트(33)를 기준으로 이동체(10)를 회전 가능하게 고정하는 대략 "ㄷ"자 형태의 연결 부재(31)를 포함한다. 연결 부재(31)에는 제5모터(40)가 구비되며, 제5모터(40)에 의해 이동체(10)가 조인트(33)를 기준으로 회전할 수 있다.

연결 부재(31)에는 조인트(34)에서 연결 부재(31)에 대해 회전 가능하게 연결되는 대략 "ㄱ" 자 형태의 연결 부재(32)가 형성된다. 연결 부재(32)는 조인트(211)에서 제2 연결 링크(220)와 회전 가능하게 연결된다.

도 4는 본 실시예에 따른 링크 구조체(1)를 링크와 조인트로 개략화하여 도시한 것이다.

도 4에서 원통형으로 도시된 부분이 1자유도의 조인트(revolute joint)에 해당한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 링크 구조체(1)는 조인트(24)를 제외하면 모든 조인트가 1방향 회전만을 허용하는 1자유도의 조인트로 구성되므로, 견고하면서도 제어가 용이한 링크 구조를 형성할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 이동체(10)의 동작 원리를 설명하는 도면이다.

본 명세서에서는 이동체(10)의 전후진 방향을 y축 방향, 상하 방향을 z축 방향. 좌우 방향을 x축 방향으로 정의한다.

본 실시예에 따른 링크 구조체(1)는 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)을 동일한 방향 및 자세로 구동하여 연결체(10)와 연결된 제1 연결부(20)와 제2 연결부(30)의 상대 위치를 변경하지 않은 상태에서 위치 변경함으로써, 이동체(10)의 y축 방향의 이동 및 z축 방향의 이동을 발생시킨다.

즉, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1 링크암(100)를 이용해 제1 연결부(20)를 상방(611)으로 이동시키고, 제2 링크암(200)을 제1 링크암(100)과 동일하게 동작시켜 제2 연결부(30)를 상방(621)으로 이동시킴으로써, 이동체(10)가 상방(F_y)으로 이동하도록 한다. 또한, 제1 링크암(100)를 이용해 제1 연결부(20)를 전방(711)으로 이동시키고, 제2 링크암(200)을 제1 링크암(100)과 동일하게 동작시켜 제2 연결부(30)를 전방(721)으로 이동시킴으로써, 이동체(10)를 전방(F_z)으로 이동시킬 수 있다.

한편, 링크 구조체(1)는 연결체(300)가 베이스(500)에 대해 조인트(311)를 기준으로 회전(801)함으로써, 이동체(10)의 x축 방향의 이동(F_x)이 이루어진다.

본 실시예에 따른 링크 구조체(1)는 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)을 반대로 구동하여 연결체(10)와 연결된 제1 연결부(20)와 제2 연결부(30)의 위치를 각각 변경함으로써, 이동체(10)의 y축 중심의 회전(pitch) 및 z축 중심의 회전(yaw)을 발생시킨다.

즉, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 링크암(100)를 이용해 제1 연결부(20)를 하방(611)으로 이동시키고, 제2 링크암(200)을 제1 링크암(100)과 반대방향으로 동작시켜 제2 연결부(30)를 상방(621)으로 이동시킴으로써, 이동체(10)가 z축을 중심으로 반시계 방향의 회전(τ_ψ)을 하게 된다. 또한, 제1 링크암(100)를 이용해 제1 연결부(20)를 전방(711)으로 이동시키고, 제2 링크암(200)을 제1 링크암(100)과 반대로 동작시켜 제2 연결부(30)를 후방(721)으로 이동시킴으로써, 이동체(10)가 y축을 중심으로 반시계 방향의 회전(τ_θ)을 하게 된다.

한편, 링크 구조체(1)는 이동체(10)가 조인트(33)(24)를 기준으로 제1 링크암(100) 및 제2 링크암(200)에 대해 회전함으로써, 이동체(10)의 x축을 중심으로 회전(τ_φ)을 하게 된다.

이하에서는, 도면을 참조하여 이동체(10)를 이동시키는 과정을 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 6a 및 도 6b는 이동체(10)를 y축 방향으로 이동시키는 모습을 도시한 것이다. 도 6a는 이동체(10)가 최대로 상향된 모습을 도시한 것이고, 도 6b는 이동체(10)가 최대로 하향된 모습을 도시한 것이다.

이동체(10)를 y축 또는 z 축 방향으로만 이동시키고자 할 때, 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)은 동일하게 동작하므로, 도면에서 설명이 용이한 제2 링크암(200)을 중심으로 설명한다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 이동체(10)를 y축 방향으로 이동시키기 위해, 제2 링크암(100)에 연결되는 제3모터(303)의 모터축과 제4모터(304)의 모터축을 동일한 방향으로 회전시킨다. 다만, 제6 동작 링크(240)는 제4 동작 링크(220)에 비해 길이가 짧고, 제4 동작 링크(220)는 제5 동작 링크(230)를 통해 제3 모터(303)에 연결되므로, 각 동작 링크의 회전 반경을 고려해 동일 시간 동안 제3 모터(303)의 모터 축의 회전각이 제4 모터(304)의 모터 축의 회전각에 비해 더 크도록 제어한다.

제6 동작 링크(240)가 조인트(216)를 기준으로 회전하는 경우, 제2 연결 링크(210)의 상대 변위가 발생하지 않는다면 제2연결부(40)는 포물선 운동(즉, 하방 및 전방으로의 변위가 동시에 발생)을 하게 될 것이다. 본 실시예에 따르면, 더 큰 회전량을 가지는 제3 모터(303)의 구동에 의해 제4 동작 링크(220)가 제2 연결 링크(210)의 단부를 밀어 제2 연결 링크(210)가 조인트(213)를 기준으로 제6 동작 링크(240)에 대해 반 시계 반향으로 회전하도록 한다. 이에 의해 제2 연결부(40)는 상대적으로 후방으로 변위하게 되며, 이러한 후방으로의 변위와 상술한 전방으로의 변위가 상쇄되어 제2연결부(40)는 하방으로만 이동하게 된다(도 6b 참조).

반대로, 도 6b의 상태에서 제3모터(303)와 제4모터(304)를 시계 방향으로 구동하되, 제3모터(303)의 모터축의 회전각을 제4모터의 모터축의 회전각에 비해 크게 함으로써 제2연결부(40)을 상방 이동시킬 수 있다는 것이 이해될 것이다.

제1 링크암(100)에 연결된 제1모터(301)와 제2모터(302)를 각각 제3모터(303)와 제4모터(304)와 동일하게 작동시켜, 제1 링크암(100)을 제2 링크암(200)과 동일하게 동작시킬 수 있다. 따라서, 이동체(10)는 자세를 그대로 유지한 채 y축 방향으로 이동한다.

도 7a 내지 도 7c는 최전방에 위치한 이동체(10)를 z축 방향으로 후진 이동시키는 모습을 도시한 것이다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 제1연결 링크(110)와 제2 연결 링크(210)가 수직 방향을 기준으로 전방으로 기울어져 있는 상태에서, 제3모터(303)의 모터축은 반시계 방향으로 회전시키고 제4모터(304)의 모터축은 시계 방향으로 회전시킨다. 이때, 제4 동작 링크(220)와 제5 동작 링크(230)의 길이를 고려하여, 동일 시간 동안에 제3모터(303)의 모터축의 회전각이 제4모터(304)의 모터축의 회전각에 비해 크도록 제어된다.

이와 같은 제어에 의하면, 제4 동작 링크(220)가 제2 연결 링크(210)의 단부를 밀어 제2연결부(40)가 포물선 이동(후진 및 하방의 이동이 동시 발생)하려는 힘을 받게 된다. 이때, 제6 동작 링크(240)의 시계 방향의 회전에 의해 제2 연결 링크(210)가 상방으로 들어올려지면서 제2 연결부(40)의 하방의 이동이 상쇄된다. 따라서, 제2연결부(40)가 후진 방향으로만 이동하게 된다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 제2 연결 링크(210)가 대략 수직하게 배치되면, 제3 모터(303)와 제 4 모터(304)의 구동 방향을 변경한다.

구체적으로, 도 7c에 도시된 바와 같이, 제4모터(304)의 모터축의 회전 방향을 반시계 방향을 변경하고, 제3모터(303)의 모터축은 반시계 방향의 회전을 유지한다. 이때, 동일 시간 동안 제3모터(303)의 모터축의 회전각이 제4모터(304)의 모터축의 회전각에 비해 크도록 한다.

제2 연결 링크(210)가 대략 수직으로 놓인 상태에서 제4 동작 링크(220)가 제2 연결 링크(210)의 단부를 밀면 제2연결부(40)가 후진 및 상방 이동이 동시 발생하는 포물선 이동을 하려는 힘을 받게 된다. 이때, 제6 동작 링크(240)는 제4모터(304)에 의해 반시계 방향으로 회전하면서 제2 연결 링크(210)가 하방으로 누르게 되고, 제2 연결부(40)의 상방의 이동이 상쇄된다. 따라서, 제2연결부(40)가 후진 방향으로만 이동하게 된다.

반대로, 도 7c의 상태에서 제3모터(303)와 제4모터(304)를 시계 방향으로 구동하는 것을 시작으로 상기 과정을 반대로 수행함으로써, 제2연결부(40)을 전진 이동시킬 수 있다는 것이 이해될 것이다.

제1 링크암(100)에 연결된 제1모터(301)와 제2모터(302)를 각각 제3모터(303)와 제4모터(304)와 동일하게 작동시켜, 제1 링크암(100)을 제2 링크암(200)과 동일하게 동작시킬 수 있다. 따라서, 이동체(10)는 자세를 그대로 유지한 채 z축 방향으로 이동한다.

도 8a 및 도 8b는 이동체(10)를 z축 중심으로 회전시키는 모습을 도시한 것이다. 도 8a는 이동체(10)가 수평 상태에서 반시계 방향으로 회전한 모습을 도시한 것이고, 도 8b는 이동체(10)가 수평 상태에서 시계 방향으로 회전한 모습을 도시한 것이다.

상술한 연결부의 상하 이동 원리를 이용해, 도 8a에 도시된 바와 같이, 제1링크암(100)은 제1모터(301)와 제2모터(302)를 구동하여 제1연결부(20)를 하방으로 이동시키고, 제2링크암(200)은 제3모터(303)와 제4모터(304)를 구동하여 제2연결부(30)를 상방으로 이동시킨다. 제1모터(301) 및 제2모터(302)는 제3모터(303) 및 제4모터(304)와 반대방향으로 구동한다.

제1연결부(20)와 제2연결부(30)가 각각 상하 반대 방향으로 이동함에 따라서, 이동체(10)는 z축을 중심으로 회전하게 된다.

이때, 제1연결부(20)는 가이드 바(11)를 따라 이동체(10)로부터 멀어지도록 슬라이드 이동하여, 서로 평행하게 고정된 제1 링크암(100)과 제2 링크암(200)이 이동체(10)에 구속되지 않고 반대 방향 이동할 수 있어, 이동체(10)가 비교적 큰 각도로 회전할 수 있게 된다.

반대로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1링크암(100)은 제1모터(301)와 제2모터(302)를 구동하여 제1연결부(20)를 상방으로 이동시키고, 제2링크암(200)은 제3모터(303)와 제4모터(304)를 구동하여 제2연결부(30)를 하방으로 이동시키면, 이동체(10)는 z축을 중심으로 시계 방향으로 회전하게 된다.

이때, 제1연결부(20)는 가이드 바(11)를 따라 이동체(10)로부터 멀어지도록 슬라이드 이동하여, 이동체(10)가 소정 각도로 회전할 수 있게 된다.

도 8a에서 도 8b의 상태로 이동체(10)가 회전하는 동안 제1연결부(20)는 가이드 바(11)를 따라 왕복 운동을 하게 된다.

도 9a 및 도 9b는 이동체(10)를 y축 중심으로 회전시키는 모습을 도시한 것이다. 도 9a는 이동체(10)가 반시계 방향으로 회전한 모습을 도시한 것이고, 도 9b는 이동체(10)가 시계 방향으로 회전한 모습을 도시한 것이다.

상술한 연결부의 전후 이동 원리를 이용해, 도 9a에 도시된 바와 같이, 제1링크암(100)은 제1모터(301)와 제2모터(302)를 구동하여 제1연결부(20)를 전방으로 이동시키고, 제2링크암(200)은 제3모터(303)와 제4모터(304)를 구동하여 제2연결부(30)를 후방으로 이동시킨다. 제1모터(301) 및 제2모터(302)는 제3모터(303) 및 제4모터(304)와 반대방향으로 구동한다.

제1연결부(20)와 제2연결부(30)가 각각 전후 반대 방향으로 이동함에 따라서, 이동체(10)는 y축을 중심으로 회전하게 된다.

이때, 제1연결부(20)는 가이드 바(11)를 따라 이동체(10)로부터 멀어지도록 슬라이드 이동하여, 이동체(10)가 비교적 큰 각도로 회전할 수 있게 된다.

반대로, 도 9b에 도시된 바와 같이, 제1링크암(100)은 제1모터(301)와 제2모터(302)를 구동하여 제1연결부(20)를 후방으로 이동시키고, 제2링크암(200)은 제3모터(303)와 제4모터(304)를 구동하여 제2연결부(30)를 전방으로 이동시키면, 이동체(10)는 y축을 중심으로 시계 방향으로 회전하게 된다.

도 9a에서 도 9b의 상태로 이동체(10)가 회전하는 동안 제1연결부(20)는 가이드 바(11)를 따라 왕복 운동을 하게 된다.

그 밖에, 이동체(10)는 x축 방향으로 이동 및 x축 중심으로 회전도 가능하며, 이러한 동작은 제4모터(40)와 제6모터(340)를 구동하여 이루어질 수 있음은 이미 설명하였다.

상기에서는 이동체(10)의 x, y, z 축 방향의 이동 및 x, y, z 축 중심의 회전을 구분하여 설명하였지만 이는 이해를 돕기 위한 것이며, 6 개의 모터를 독립적으로 각각 제어하여 x, y, z 축 방향의 이동(3방향 이동) 및 x, y, z 축 중심의 회전(3방향 회전) 중 두 개 이상의 동작이 동시에 수행될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 10a는 링크 구조체(1)의 각 구성의 길이를 표시한 것이며, 도 10b는 링크 구조체(1)의 각 조인트 등의 각도를 표시한 것이다.

이동체(10)는 3 방향 이동 및 3 방향 회전의 총 6자유도의 동작이 가능하고, 링크 구조체(1)는 총 6개의 독립 제어 가능한 모터를 구비하므로, 이동체(10)의 제1연결부(20)의 위치(P_e2)와 제2 연결부(30)의 위치(P_e1)에 대한 각 조인트의 회전각을 자코비안을 이용한 역기구학 해석을 통해 계산할 수 있다.

계산된 조인트의 회전각에 따라 6개의 모터 각각의 모터축을 제어함으로써, 제1연결부(20)의 위치(P_e2)와 제2 연결부(30)의 위치(P_e1)를 원하는 위치로 이동시킬 수 있다.

즉, 이동체(10)의 x, y, z 축 방향의 이동(3방향 이동) 및 x, y, z 축 중심의 회전(3방향 회전)이 동시적으로 일어나도록 제어할 수 있다.

본 실시예에 따른 링크 구조체(1)를 이용하면, 예를 들어 손과 같이, 한 점에서 만나도록 서로 직교하는 세 개의 축(x, y, z 축) 방향의 직선 운동 및 상기 세 개의 축 각각에 대한 회전 운동의 6 자유도 운동이 가능한 신체 부위에 역감을 제공하는 역감 제시 인터페이스 시스템을 구성할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 역감 제시 인터페이스 시스템의 개념 구성도이다.

역감 제시 인터페이스 시스템은 링크 구조체(1) 및 상기 링크 구조체(1)의 동작을 제어하는 컴퓨터(950)를 포함한다.

손은 링크 구조체(1)의 이동체(10)에 결속된다. 손가락의 동작이 필요할 수 있으므로, 본 실시예에 따르면 도 11에 도시된 바와 같이, 탄성을 가진 장갑(900)을 이동체(10)의 하단에 부착하고, 손(3)을 장갑(900)에 끼우는 방식으로 손(3)을 이동체(10)에 결속할 수 있다.

다만, 예를 들어, 손가락의 동작이 필요하지 않은 경우 손으로 이동체(10)를 파지한 상태에서 이동체(10)에 손을 결박하는 방식이 이용될 수도 있으며, 이동체(10)의 운동력이 손에 실질적으로 그대로 전달되도록 하는 방식이라면 손(3)과 이동체(10)를 결속하는데 이용될 수 있다.

컴퓨터(950)의 모니터에는 사용자의 손(3)의 움직임에 대응하여 움직이는 아바타로서 손 형태를 가지는 그래픽(910)이 제공된다. 그래픽(910)은 사용자의 손(3), 손목(4) 및 팔(2)에 대응되는 형태로 가상의 손(911), 손목(913) 및 팔(912)을 가진다.

본 실시예에 따르면, 링크 구조체(1)는 역감 제시 인터페이스 시스템의 입력 장치로서 손(3)의 움직임을 컴퓨터(950)에 전달하여 그래픽(910)을 움직일 수 있는 정보를 제공한다.

링크 구조체(1)의 각 조인트에는 조인트의 회전각을 측정하는 회전각 센서가 구비될 수 있다. 사용자가 손(3)을 움직이거나 회전시키면 그에 대응하여 이동체(3)가 움직이거나 회전하게 되고, 이동체(3)의 운동은 그에 연결된 각 링크를 동작시키게 되어 조인트의 회전 변위가 발생한다.

조인트에 구비된 회전각 센서에서 측정된 회전각을 바탕으로 이동체(3)의 위치 및 자세를 계산할 수 있고, 그에 대응하여 모니터에 영사된 가상 공간 내에서 그래픽(910)이 운동한다.

도 11에 도시된 바와 같이, 사용자가 손(3)을 좌측으로 이동시키면 그에 대응하여, 그래픽(910)이 좌측으로 이동한다.

그래픽(910)의 손(911)이 좌측으로 이동하는 동안 고정된 물체(M)에 접촉하게 되면, 그래픽(910)은 움직임에 저항을 받게 된다.

만약 실제 환경에서 실제 물체를 손으로 밀고자 할 때, 사용자는 손(3)을 좌측으로 이동시키는 동시에 손(3)을 손목(4)에 대하여 꺾이지 않고 유지하려는 운동(즉, y축 중심의 반시계 방향의 운동)을 하게 될 것이다. 이에 대한 반작용으로, 손(3)에는 x축의 우측 방향의 힘과 y축 중심의 시계 방향의 토크가 역감으로 가해진다.

이러한 실제 상황과 유사한 역감을 제공하기 위하여, 그래픽(910)의 손(911)이 물체(M)와 접촉한 상태에서, 사용자가 손(3)을 계속 좌측으로 미는 동작을 수행하면, 이동체(10)는 x축의 우측 방향으로 이동 및 y축 중심의 시계 방향의 회전 운동을 하도록 제어된다. 따라서, 손(3)에는 실제 물체를 좌측으로 밀 때 느껴지는 역감이 재현될 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 링크 구조체(1)는 이동체(10)가 그와 연결된 신체 부위의 운동과 반대되는 운동을 하도록 제어되어 신체 부위의 움직임을 간섭함으로써 역감을 제공하게 된다.

본 실시예에서는 신체 부위의 움직임에 대응하여 동작하는 아바타로서 가상의 그래픽(910)을 예로 들고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 원격지의 로봇 등과 같이 사용자의 의지대로 원격 제어되는 대상이라면 본 시스템이 적용되는 아바타로 이용될 수 있다.

본 실시예에 따른 링크 구조체(1)는 두 개의 링크암을 이용해 바 형태의 이동체의 단부의 위치를 독립적으로 제어함으로써, 높은 자유도의 동작 재현이 가능하다.

또한, 링크 구조체(1)는 두 개의 링크암을 병렬로 배치함으로써 큰 로드를 발생시킬 수 있다. 링크 구조체(1)는 이동체의 자유도에 대응하는 독립 제어 가능한 모터를 구비하여 위치 제어에 필요한 계산량을 대폭 감소시킬 수 있다.

아울러, 손목과 같은 높은 자유도를 가지는 신체 부위에 적용되어 상응하는 역감을 자유롭게 제공할 수 있어 가상 환경/증강 환경/원격 환경에서 더 완벽한 역감 제시 인터페이스 시스템을 구현할 수 있게 된다.

Claims (10)

1. 베이스에 연결되는 연결체,
   상기 연결체에 연결되며, 서로 병렬 배치되는 제1 링크암과 제2 링크암,
   제1 연결부에서 상기 제1 링크암과 연결되고, 제2 연결부에서 제2 링크암과 연결되는 이동체를 포함하고,
   상기 제1 링크암과 제2 링크암이 구동하여 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부의 위치를 변경함으로써, 상기 이동체의 전후진 방향(y 축 방향)의 이동, 상하 방향(z축 방향)의 이동, 상기 y축 중심의 회전 및 상기 z 축 중심의 회전 중 하나 이상의 동작이 이루어지고,
   상기 연결체가 상기 베이스에 대해 회전함으로써, 상기 이동체의 좌우 방향(x 축 방향)의 이동이 이루어지며,
   상기 이동체가 상기 제1 링크암 및 제2 링크암에 대해 회전함으로써, 상기 이동체의 상기 x 축 중심의 회전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
2. 제1항에 있어서,
   제1 링크암은,
   상기 제1 연결부와 연결되는 연결 링크와,
   상기 연결 링크 및 상기 연결체와 함께 폐루프를 형성하는 복수의 링크로 이루어진 동작 링크부를 포함하고,
   상기 동작 링크부의 동작에 의해 상기 연결 링크가 동작하여 상기 제1 연결부의 위치가 변경되는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
3. 제2항에 있어서,
   상기 동작 링크부는,
   일단이 상기 연결 링크에 회전 가능하게 연결되는 제1 동작 링크,
   일단이 상기 제1 동작 링크에 회전 가능하게 연결되고 타단이 상기 연결체에 회전 가능하게 연결되는 제2 동작 링크,
   일단이 상기 연결 링크에 회전 가능하게 연결되고 타단이 상기 연결체에 회전 가능하게 연결되는 제3 동작 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 동작 링크는 상기 연결 링크의 단부에 연결되고,
   상기 제3 동작 링크는 상기 제1 동작 링크와 다른 부분에서 상기 연결 링크에 연결되는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 동작 링크는 상기 제3 동작 링크보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2 링크암은 상기 제1 링크암과 거울 대칭 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
7. 제1항에 있어서,
   상기 이동체에는 상기 이동체의 길이 방향으로 연장되는 가이드 바가 연결되고,
   제1 연결부는 상기 가이드 바를 따라 이동 가능한 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 링크암과 상기 제2 링크암 사이에는 상기 제1 링크암과 상기 제2 링크암의 움직임을 방해하지 않으면서 간격을 유지시키는 보조 링크암이 결합되는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
9. 한 점에서 만나도록 서로 직교하는 세 개의 축 방향의 직선 운동 및 상기 세 개의 축 각각에 대한 회전 운동의 6 자유도 운동이 가능한 신체 부위에 역감을 제공하는 역감 제시 인터페이스 시스템으로서,
   제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 링크 구조체;
   상기 링크 구조체의 동작을 제어하는 컴퓨터를 포함하고,
   상기 신체 부위는 상기 이동체에 결속되고,
   상기 이동체가 상기 신체 부위의 운동과 반대되는 운동을 하도록 제어하여 상기 신체 부위의 움직임을 간섭하는 역감을 제공하는 것을 특징으로 하는 역감 제시 인터페이스 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 링크 구조체는,
    상기 신체 부위의 움직임을 상기 컴퓨터에 입력하는 입력 장치인 것을 특징으로 하는 역감 제시 인터페이스 시스템.

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