KR20180083246A

KR20180083246A - 고하중을 지지하는 밸런스암 장치

Info

Publication number: KR20180083246A
Application number: KR1020170154020A
Authority: KR
Inventors: 서정욱; 김규형; 김문규; 김정철; 배태욱; 최은창
Original assignee: 한국전자통신연구원; 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2018-07-20
Also published as: KR102202402B1

Abstract

본 발명은 고하중을 지지하는 밸런스암 장치에 관한 것으로서, 베이스; 상기 베이스의 일 측에 결합되고 상·하 및 좌·우로 작동하고 반대 측에는 도구 또는 장치 또는 도구나 장치의 방향을 변경할 수 있는 짐벌이 장착되는 관절수단;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 장치의 포지셔닝을 변경하면서 지지가 가능한 3자유도 이상의 밸런스암과 그 끝에 장치의 방향을 전환할 수 있는 3자유도 이상의 짐벌 구조를 연결하여 고하중 장치의 6자유도의 움직임에 대한 무게를 모두 지지하는 것이 가능한 효과가 있다.

Description

고하중을 지지하는 밸런스암 장치{BALANCE ARM APPARATUS FOR SUPPORTING HEAVY TOOLS}

본 발명은 고하중을 지지하는 밸런스암 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중량이 있는 도구나 기계장치의 사용시 이를 보조하여 상기 도구나 기계장치를 다양한 각도에서 자유롭게 반복적으로 사용할 수 있도록 한 고하중을 지지하는 밸런스암 장치에 관한 것이다.

모발이식 시술 중 모낭은 두피(strip) 방식을 이용하여 채취하고, 수동식모기를 이용하여 모낭을 식모하게 된다.

그리고 모낭의 채취에서, 두피 방식은 환자의 후두부에서 기다란 형태의 두피를 추출하여 후두부를 꿰매고 추출한 두피를 모낭 단위로 분리하는 반면, FUE 방식은 가느다란 펀칭기를 이용하여 두피에서 모낭을 직접 추출하는 비절개 방식이다.

또한, 식모 방식은 크게 수동식모기를 이용한 방식과 핀셋을 이용한 방식으로 나누어 볼 수 있다.

이 중 식모가 필요한 이식부에 작은 슬릿을 내고, 여기에 핀셋을 이용하여 모낭(모발)을 직접 잡고 슬릿 구멍에 밀어넣는 방식은 주로 서양에서 많이 사용한다.

반면, 국내에서 많이 사용하는 수동식모기는 별도의 슬릿을 낼 필요가 없고, 모낭이 심기면서 눌려지지 않아 더 발전된 형태의 식모 방식으로 볼 수 있다.

그러나 종래 식모기의 바늘에 모낭(모발)을 삽입(로딩)하는 방식은 수동식모기에 모낭을 로딩하기 위해서는 바늘 측면에 슬릿이 반드시 필요하며, 식모기(모발이식기)를 이용한 시술은 채취 및 분리된 모낭(모발)을 하나씩 식모기의 바늘에 로딩하여 하나씩 심기 때문에, 시술시 여러 개의 식모기가 필요할 뿐만 아니라 매번 식모작업을 진행하기 위해서는 식모기를 바꿔줘야 하기 때문에 시술 속도에 제한이 있고, 이로 인해 시술을 진행하는 의사와 보조하는 간호사/조수가 느끼는 피로도가 매우 크고, 긴 수술 시간은 수술을 받는 환자에게도 큰 부담이 되는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 극복하기 위하여 본원 출원인은 모낭이 로딩되어 있는 여러 개의 바늘을 순차적으로 바꿔줄 수 있는 자동화된 식모기를 개발하였고, 이 장치는 수술 시간과 시술자가 느끼는 피로감의 감소 등 여러 면에서 장점을 가지고 있다.

그러나 상기 자동 식모기(모발이식장치)는 기존의 수동 기기에 비해 덩치가 크고 무거워 시술자가 장시간 사용하는데 문제점이 있었다.

좀 더 보충설명하면, 현재 대머리 환자를 위한 일반적인 모발이식 시술에서는 의사가 동일한 식모 동작을 2,000회 내외로 반복하고 있는데, 1kg 이상의 무거운 장치를 별도의 장비 없이 장시간 동안 들고 반복 동작을 수행하는 것은 무리가 있다.

나아가 자동 모발이식장치뿐만이 아니라 용접기 등 사용자가 손으로 들고 장시간 작업을 수행하여야 하는 무거운 장치들이 다수 존재하는데, 이러한 장치들은 자체적인 무게를 지지해줄 수 있는 하중 지지용 밸런스암 장치가 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 모발이식장치, 용접기 등과 같은 중량이 있는 도구나 기계장치를 지지하면서도 다양한 각도로 반복적으로 사용할 수 있는 고하중을 지지하는 밸런스암 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 기구적으로 짐벌을 이용하여 도구나 기계장치의 무게중심을 지지하여 방향 전환을 쉽게 하고, 스프링과 비원형 풀리 등으로 구성된 중력보상 메커니즘 등을 이용하여 도구나 기계장치의 위치 전환이 용이할 수 있는 고하중을 지지하는 밸런스암 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치는 베이스; 상기 베이스의 일 측에 결합되고 상·하 및 좌·우로 작동하고 반대 측에는 도구 또는 장치 또는 도구나 장치의 방향을 변경할 수 있는 짐벌이 장착되는 관절수단;을 포함한다.

그리고 상기 관절수단은 상기 베이스에 회전 가능하게 결합되는 베이스 결합부; 상기 베이스 결합부와 간격을 두고 장착되는 관절 연결부; 및 상기 베이스 결합부와 관절 연결부의 사이에 장착되는 작동관절부;를 포함한다.

또한, 상기 베이스 결합부와 관절 연결부의 사이에는 중간 결합부가 더 포함되고, 상기 베이스 결합부와 중간 결합부의 사이에는 제1 작동관절부가 장착되고, 상기 중간 결합부와 관절 연결부의 사이에는 제2 작동관절부가 장착될 수 있다.

또한, 상기 베이스 결합부 및 중간 결합부와 상기 중간 결합부와 관절 연결부의 사이에는 스프링과 케이블로 구성되는 장력부가 각각 장착되고, 상기 베이스 결합부에는 장력부의 장력을 통해 토크를 얻을 수 있도록 비원형 풀리가 장착될 수 있다.

여기서, 상기 비원형 풀리는 제1 작동관절부와 제2 작동관절부를 구성하는 링크 중 어느 하나의 회전축에 기준점이 형성되고, 형상은 θ의 범위가 0 내지 90도 사이 이며, R은 θ가 커짐에 따라 작아지도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 중간 결합부는 아이들러로 구성될 수 있다.

또한, 상기 제1 작동관절부를 구성하는 외측 링크에 직각방향으로 연장부가 형성되거나 또는 보조 링크가 장착될 수 있다.

또한, 상기 중간 결합부와 관절 연결부에는 무게추가 장착될 수 있다.

그리고 상기 작동관절부는 단독 또는 복수개의 링크로 구성되되, 상기 작동관절부가 복수개의 링크로 구성될 경우에는 두 개의 평형사변형 관절로 형성될 수 있다.

그리고 상기 짐벌은 상기 관절수단을 구성하는 관절 연결부에 결합되는 제1 구면링크; 상기 제1 구면링크의 끝 부분에 결합되는 제2 구면링크; 상기 관절 연결부와 제1 구면링크의 일 측 연결부분에 장착되는 제1 회전 관절; 상기 제1 구면링크와 제2 구면링크의 연결부분에 장착되는 제2 회전 관절; 상기 제2 구면링크의 끝단 부분에 장착되는 제3 회전 관절;을 포함한다.

여기서, 상기 제1, 2 구면링크 양 축의 각도는 50 ~ 70° 각도로 형성될 수 있다.

또한, 상기 구면링크의 내부에는 기구적인 회전을 위한 베어링과 전기적인 배선의 배선 회전을 위한 슬립링이 장착될 수 있다.

그리고 상기 고하중을 지지하는 밸런스암 장치는 이동 가능한 베이스 카트 또는 고정구조물에 장착될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 장치의 포지셔닝을 변경하면서 지지가 가능한 3자유도 이상의 밸런스암과 그 끝에 장치의 방향을 전환할 수 있는 3자유도 이상의 짐벌 구조를 연결하여 고하중 장치의 6자유도의 움직임에 대한 무게를 모두 지지하는 것이 가능한 효과가 있다.

또한, 중력 보상의 적용이 용이한 평행사변형 링크 등의 메커니즘이 포지셔닝을 위한 밸런스암의 큰 관절 구조에 적용되어 장치의 무게로 인해 아래로 처지거나 장치가 회전하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 설치 상태를 나타낸 사시도.
도 2 내지 5는 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 실시 예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치를 구성하는 비원형 풀리를 나타낸 정면도.
도 7은 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 짐벌을 나타낸 개략구성도.
도 8은 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 짐벌의 내부 구조를 나타낸 단면도.
도 9(a) 내지 9(h)는 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 작동상태를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 6자유도 밸런스암 캘리브레이션의 과정을 나타내는 순서도.
도 11은 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 6자유도 밸런스암 캘리브레이션 순서를 나타내는 도면.
도 12 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치 짐벌의 캘리브레이션을 위한 조절 나사를 나타내는 도면.
도 13은 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 시술에 필요한 작업범위를 나타내는 예시도.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부되는 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본원발명인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치(100)(이하, '밸런스암 장치'라 함)는 베이스(200), 상기 베이스(200)에 일 측이 결합되는 관절수단(300), 상기 관절수단(300)의 반대 측에 결합되는 짐벌(400)을 포함한다.

여기서, 상기 밸런스암 장치(100)는 천정이나 테이블 등의 고정구조물 이외에도 원활한 이동 및 보관을 위하여 바퀴가 구비된 베이스 카트(700)에 장착되며, 본원발명에서 상기 밸런스암 장치(100)는 베이스 카트(700)에 장착되는 예를 들어 설명한다.

이때, 상기 베이스 카드(700)는 PC, 전원, 컨트롤 박스 등의 부품이 내부에 장착되는 카트 케이스, 상기 카트 케이스의 하부에 간격을 두고 장착되고 스토퍼가 구비된 이동바퀴, 상기 카트 케이스의 외부에 장착되는 제어기를 포함한다.

상기 베이스(200)는 소정의 두께를 가지며, 베이스 카트(700)에 장착된다.

여기서, 상기 베이스(200)는 환경 및 목적 등에 따라 다양한 형상으로 형성되고, 본원발명에서 상기 베이스(200)는 소정의 두께와 크기를 가지는 판재 형상으로 형성된다.

그리고 상기 베이스(200)의 내부에는 회전작동을 위하여 공지된 베어링, 롤러, 회전축, 구동모터 등의 단독 또는 조합하여 구성되고, 별도의 설명은 생략하기로 한다.

상기 관절수단(300)은 베이스(200)에 일 측이 결합되고 반대 측에는 도구 또는 장치 또는 도구나 장치의 방향을 변경할 수 있는 짐벌(400)이 선택적으로 장착된다.

여기서, 상기 관절수단(300)의 반대 측에는 도구 또는 장치 또는 도구나 장치의 방향을 변경할 수 있는 짐벌(400)이 장착되는 예를 들어 설명하기로 한다.

즉, 상기 관절수단(300)은 베이스(200)에 일 측이 결합되고 반대 측에는 짐벌(400)을 장착하여, 상기 짐벌(400)는 3자유도(X, Y, Z)방향으로 작동시키게 된다.

그리고 상기 관절수단(300)은 상기 베이스(200)에 결합되는 베이스 결합부(310), 상기 베이스 결합부(310)와 간격을 두고 장착되는 관절 연결부(320) 및 상기 베이스 결합부(310)와 관절 연결부(320)의 사이에 장착되는 작동관절부(330)를 포함한다.

즉, 상기 관절수단(300)은 베이스 결합부(310)와 관절 연결부(320)가 간격을 두고 배치되고, 상기 베이스 결합부(310)와 관절 연결부(320)의 사이에는 작동관절부(330)를 장착하여, 3자유도 방향으로 작동하게 된다.

또한, 상기 관절수단(300)은 상기 베이스 결합부(310)와 관절 연결부(320)의 사이에는 중간 결합부(340)가 더 포함되고, 상기 베이스 결합부(310)와 중간 결합부(340)의 사이에는 제1 작동관절부(332)가 장착되고, 상기 중간 결합부(340)와 관절 연결부(320)의 사이에는 제2 작동관절부(334)가 장착된다.

즉, 상기 관절수단(340)은 베이스 결합부(310)와 관절 연결부(320)의 사이에 중간 결합부(340)를 배치시키고, 상기 베이스 결합부(310)와 중간 결합부(340)의 사이에 제1 작동관절부(332)를 장착하고, 상기 중간 결합부(340)와 관절 연결부(320)의 사이에 제2 작동관절부(334)를 장착하게 된다.

그리고 상기 베이스 결합부(310) 및 중간 결합부(340)와 상기 중간 결합부(340)와 관절 연결부(320)의 사이에는 스프링(522)과 케이블(524)로 구성되는 장력부(520)가 각각 장착되고, 상기 베이스 결합부(310)에는 장력부(520)의 장력을 통해 토크를 얻을 수 있도록 비원형 풀리(510)가 장착된다.

즉, 상기 비원형 풀리(510)는 작동관절부(330)의 각도 변형시 스프링(522)과 케이블(524)의 장력에 의해 원하는 만큼의 토크를 얻기 위해 사용된다.

여기서, 상기 비원형 풀리(510)에는 케이블(524)의 장력으로 인한 토크에 의해 회전하는 것을 방지하고, 상기 비원형 풀리(510)의 정확한 위치를 유지할 수 있도록 적어도 하나 이상의 결합핀(512) 또는 고정핀이 장착된다.

이때, 상기 장력부(520)의 일 단은 베이스 결합부(310)에 감겨서 고정되면서 타 단은 중간 결합부(340)의 한 점을 기준으로 회전할 수 있도록 고정되고, 또한, 상기 장력부(520)는 일 단은 중간 결합부(340)에 결합되고 타 단은 관절 결합부(320)에 결합된다.

또한, 상기 장력부(520)에는 장력조절을 위하여 턴버클이 선택적으로 장착되고, 필요에 따라서는 장력부(520)의 고정을 위하여 스프링 고정 링크 등이 포함될 수 있다.

그리고 상기 비원형 풀리(510)는 작동관절부(330)를 구성하는 링크 중 어느 하나의 회전축에 기준점이 형성되고, 그 형상은 θ의 범위가 0 내지 90도 사이 이며, R은 θ가 커짐에 따라 점점 작아지나, 그 관계가 선형적이지는 않다.

일 예로, 상기 관절수단(300)을 구성하는 관절 연결부(320)와 작동관절부(330)가 베이스 결합부(310)의 비원형 풀리(510)를 기준으로 상승하면, 상기 스프링(520)은 수축하여 관절수단(300)에 가해지는 토크(장력 x 모멘트암 길이)를 크기가 감소시키고, 관절 연결부(320)와 작동관절부(330)가 베이스 결합부(310)의 비원형 풀리(510)를 기준으로 내려가면, 관절수단(300)이 아래(오른쪽)으로 내려가 수평에 가까워질수록 가해지는 토크의 크기가 커진다.

그리고 수평 자세를 0도로 보았을 때, 관절수단(300)의 밸런싱에 필요한 토크는 cos(코사인) 값에 비례하게 되고, 관절수단(300)이 더 내려가서 각도가 0도 내지 -90도의 값을 가질 때는, 스프링(522)에 의해 케이블(524)에 가해지는 장력은 더 커지지만, 모멘트암(회전 중심으로부터 케이블까지의 최단 거리)이 줄어들어서 관절수단(300)에 가해지는 토크는 줄어들게 된다. 따라서 토크가 코사인 값에 비례하게 된다.

다음으로, 상기 관절수단(300)은 도시된 도 4 및 5와 같이 구성될 수 있다.

먼저, 도시된 도 4의 관절수단(300)은 중간 결합부(340)에 아이들러(550)를 장착함으로써 케이블(524)과 스프링(522)의 경로를 변경하고, 상기 작동관절부(330)의 길이 축소 또는 스프링(522)을 경량화시키게 된다.

그리고 도시된 도 5의 관절수단(300)은 제1 작동관절부(332)를 구성하는 외측 링크(336)에 직각방향으로 연장부(336a)가 더 형성되거나 또는 보조 링크가 직각방향으로 장착된다.

이때, 상기 외측 링크(336)는 중력보상 메커니즘을 구성하는 비원형 풀리(510), 장력부(520), 스프링, 브레이크 등을 기저부에 배치할 수 있어, 중력보상이 필요한 하중을 감량할 수 있고, 스프링 등 구성 요소의 경량화에 도움을 주며, 결과적으로 전체적인 관성이 줄어들어 사용자가 느끼는 전체적인 관성이 줄어드는 효과를 볼 수 있다.

또한, 상기 관절 연결부(320)에는 중력보상 메커니즘의 캘리브레이션(조절)을 위한 무게추(530)가 장착될 수 있다. 여기서 상기 무게추(530)의 조절은 장력부(520)의 초기 장력의 조절과 함께 이루어진다.

또한, 상기 중간 결합부(340)와 관절 연결부(320)에는 원하는 각도에서 고정할 수 있도록 브레이크(560) 또는 서보모터가 장착될 수 있다.

이때, 상기 중간 결합부(340)와 관절 연결부(320)에 서보모터가 적용된 경우에는 밸런싱 기능을 가지는 로봇팔(maniplator)이 적용된다.

그리고 상기 작동관절부(330, 332, 334)는 단독 또는 복수개의 링크로 구성되고, 본원발명에서 상기 작동관절부(330, 332, 334)는 두 개의 평행사변형 관절 두 개로 구성된다.

상기 짐벌(400)(gimbal)은 관절수단(300)의 일 측에 장착되고 전, 후 및 좌, 우로 이동하게 된다.

즉, 상기 짐벌(400)은 관절수단(300)을 구성하는 관절 연결부(320)에 결합되어 도구 또는 기계장치에 미세한 움직임을 제공하게 된다.

보충설명하면, 상기 짐벌(400)은 관절수단(300)을 통해 일차적으로 설정된 위치로 이동된 후 X, Y, Z, 방향 이외에도 피치(pitch), 요(yaw), 롤(roll)의 움직임으로 작동하게 된다.

상기 짐벌(400)은 관절 연결부(320)에 결합되는 제1 구면링크(410), 상기 제1 구면링크(410)의 끝 부분에 결합되는 제2 구면링크(420), 상기 관절 연결부(320)와 제1 구면링크(410)의 일 측 연결부분에 장착되는 제1 회전 관절(430), 상기 제1 구면링크(410)와 제2 구면링크(420)의 연결부분에 장착되는 제2 회전 관절(440), 상기 제2 구면링크(420)의 끝단 부분에 장착되는 제3 회전 관절(450)을 포함한다.

즉, 상기 짐벌(400)은 관절 연결부(320)에 제1 구면링크(410)를 제1 회전 관절(430)을 통해 결합하고, 상기 제1 구면링크(410)의 반대 측에 제2 구면링크(420)를 배치시킨 후 상기 제2 회전 관절(440)을 통해 결합하며, 상기 제2 구면링크(420)의 반대 측에 제3 회전 관절(450)을 결합하게 된다.

이때, 상기 제1, 2 구면링크(410, 420)에서 양 축의 각도는 모든 각도에서 장치 접근이 용이하도록 50° ~ 70° 각도로 형성된다.

그리고 상기 짐벌(400)의 연결부분에는 중력보상(gravity compensation 또는 counter-balancing)을 위하여 무게추 또는 캘리브레이션 과정을 거치게 된다.

이를 도시된 도면을 참조하여 설명하면, 도 10은 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 6자유도 밸런스암 캘리브레이션의 과정을 나타내는 순서도이고, 도 11은 본 발명에 따른 고하중을 지지하는 밸런스암 장치의 6자유도 밸런스암 캘리브레이션 순서를 나타내는 도면이다. 여기서 캘리브레이션은 말단 관절에서부터 수행하는 것이 바람직하다.

먼저, 제2 구면링크(420)의 끝단에 장착되는 제3 회전 관절(450)의 회전축 위에 말단장치(600)의 무게중심을 위치시키면, 상기 제3 회전 관절(450)을 기준으로 말단장치(600)는 자유롭게 회전작동할 수 있게 된다.

여기서, 상기 말단장치(600)가 자유롭게 회전작동할 수 있다는 것은, 각 관절에 마찰이 전혀 없더라도 모든 원하는 자세에서 그 자세를 유지하거나 또는 관성에 의해 회전시킨 방향으로 계속하여 회전하게 된다는 것을 의미한다.

이때, 상기 말단장치(600)는 후면에 위치한 축의 위치를 조절할 수 있도록 2자유도(X, Y) 내외의 조절장치 또는 무게추가 선택적으로 장착된다.

다음으로, 상기 제2 구면링크(420)와 말단장치(600)를 포함하는 제2 회전 관절(440)의 작동 후, 파트의 무게중심을 제2 회전 관절(440)의 회전축 위에 위치시키면, 제2, 3 회전 관절(440, 450)을 기준으로 말단장치(600) 및 제2 구면링크(420)는 자유롭게 회전작동할 수 있게 된다.

이때, 상기 말단장치(600)와 제2 구면링크(420)에는 길이방향 위치 조절을 위하여 무게추(M)가 선택적으로 장착되고, 상기 제3 회전 관절(450)에서는 캘리브레이션과 마찬가지로 말단장치(600)의 위의 무게추(M)를 조절할 수 있게 된다.

이와 유사하게 상기 제1 회전 관절(430)의 회전축에 대한 캘리브레이션은 제1 구면링크(410) 위에 무게추(M)의 무게와 위치를 조절하게 된다.

따라서 두 개의 구면링크(410, 420)에는 무게추(M)의 무게와 위치를 조절할 수 있는 부분이 존재해고, 상기 제3 회전 관절(450)의 회전축은 상기 제2 회전 관절(440)의 4절 링크 관절로 무게추 조절(관절 연결부)과 장력부(520)의 (초기)장력 조절이 동시에 이루어진다.

마찬가지로, 상기 제2 회전 관절(440)의 회전축의 캘리브레이션 또한 중간 결합부 위의 무게추(M) 조절과 장력부(520)의 (초기)장력 조절로 이루어지게 된다.

이를 위하여, 상기 중간 결합부(340)와 관절 연결부(320)에는 무게추를 조절할 수 있는 부분이 존재하고, 상기 장력부(520)의 장력은 턴버클 등의 장력조절장치를 통해 조절하게 된다.

여기서, 상기 베이스 결합부(310)는 수직 방향을 기준으로 회전하는 관절이기 때문에 중력보상 자체가 불필요하게 된다.

다음으로, 상기 제1 구면링크(410)와 제2 구면링크(420)의 내부에는 하나의 회전 관절에 기구적인 회전을 위한 베어링(462)과 전기적인 배선의 배선 회전을 위한 슬립링(464)이 장착된다.

일 예로, 소독 등의 목적으로 짐벌(400)은 암 파트와 말단장치 파트와 분리가능하고, 분리를 위해 짐벌(400)의 양쪽으로 고정축과의 간단한 결합을 위한 QR(quick-release)클램프(466)와 배선 결합을 위한 커넥터(468)가 적용된다.

또한, 캘리브레이션을 위한 무게추(M)는 단일 또는 미세하게 조절할 수 있도록 다수개의 얇은 박판으로 구성된다.

그리고 상기 짐벌(400)은 상기 제2 회전 관절(440) 및 제3 회전 관절(450)을 기준으로 한 캘리브레이션을 위한 조절 나사(470)를 나타낸 것이다.

먼저, 회전축 위치 조절 볼트(471)를 이용하여 말단장치(600)의 무게중심 위치를 제3 회전 관절(450)의 회전축과 일치시킨 후 장치 길이방향 위치 조절 너트(472)를 이용하여 제2 구면링크(420) 등을 포함한 말단장치(600)의 무게중심 위치를 제2 회전 관절(440)의 회전축과 일치시킨다.

이때, 필요한 경우 제1 무게조절추(M1)를 이용할 수 있으며, 다음으로 제2 무게조절추(M2)를 조절하여 짐벌(400)을 포함한 말단장치(600)의 무게중심 위치를 제1 회전 관절(430)의 회전축과 일치시키게 된다.

결과적으로 상기 말단장치(600)는 제1, 2 구면링크(410, 420) 등의 부품과 함께 무게 중심이 항상 3개의 회전축과 일치하게 되어, 각 관절에 마찰이 없더라도 원하는 자세를 유지할 수 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 고하중을 지지하는 밸런스암 장치 200 : 베이스
300 : 관절수단 310 : 베이스 결합부
320 : 관절 연결부 330 : 작동관절부
340 : 중간 결합부 400 : 짐벌
410 : 제1 구면링크 420 : 제2 구면링크
430 : 제1 회전 관절 440 : 제2 회전 관절
450 : 제3 회전 관절 510 : 비원형 풀리
600 : 말단장치 700 : 베이스 카트

Claims

베이스;
상기 베이스의 일 측에 결합되고 상·하 및 좌·우로 작동하고 반대 측에는 도구 또는 장치 또는 도구나 장치의 방향을 변경할 수 있는 짐벌이 장착되는 관절수단;을 포함하는 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제1항에 있어서, 상기 관절수단은,
상기 베이스에 회전 가능하게 결합되는 베이스 결합부;
상기 베이스 결합부와 간격을 두고 장착되는 관절 연결부; 및
상기 베이스 결합부와 관절 연결부의 사이에 장착되는 작동관절부;를 포함하는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제2항에 있어서,
상기 베이스 결합부와 관절 연결부의 사이에는 중간 결합부가 더 포함되고, 상기 베이스 결합부와 중간 결합부의 사이에는 제1 작동관절부가 장착되고, 상기 중간 결합부와 관절 연결부의 사이에는 제2 작동관절부가 장착되는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제3항에 있어서,
상기 베이스 결합부 및 중간 결합부와 상기 중간 결합부와 관절 연결부의 사이에는 스프링과 케이블로 구성되는 장력부가 각각 장착되고,
상기 베이스 결합부에는 장력부의 장력을 통해 토크를 얻을 수 있도록 비원형 풀리가 장착되는 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제4항에 있어서,
상기 비원형 풀리는 제1 작동관절부와 제2 작동관절부를 구성하는 링크 중 어느 하나의 회전축에 기준점이 형성되고, 형상은 θ의 범위가 0 내지 90도 사이 이며, R은 θ가 커짐에 따라 작아지도록 형성되는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제3항에 있어서,
상기 중간 결합부는 아이들러로 구성되는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 작동관절부를 구성하는 외측 링크에 직각방향으로 연장부가 형성되거나 또는 보조 링크가 장착되는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제3항에 있어서,
상기 중간 결합부와 관절 연결부에는 무게추가 장착되는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제2항에 있어서,
상기 작동관절부는 단독 또는 복수개의 링크로 구성되되,
상기 작동관절부가 복수개의 링크로 구성될 경우에는 두 개의 평형사변형 관절로 형성되는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제1항에 있어서, 상기 짐벌은,
상기 관절수단을 구성하는 관절 연결부에 결합되는 제1 구면링크;
상기 제1 구면링크의 끝 부분에 결합되는 제2 구면링크;
상기 관절 연결부와 제1 구면링크의 일 측 연결부분에 장착되는 제1 회전 관절;
상기 제1 구면링크와 제2 구면링크의 연결부분에 장착되는 제2 회전 관절;
상기 제2 구면링크의 끝단 부분에 장착되는 제3 회전 관절;을 포함하는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제10항에 있어서,
상기 제1, 2 구면링크 양 축의 각도는 50 ~ 70° 각도로 형성되는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 구면링크의 내부에는 기구적인 회전을 위한 베어링과 전기적인 배선의 배선 회전을 위한 슬립링이 장착되는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.
제1항에 있어서,
상기 고하중을 지지하는 밸런스암 장치는 이동 가능한 베이스 카트 또는 고정구조물에 장착되는 것인 고하중을 지지하는 밸런스암 장치.