텔레스코픽 서보매니퓰레이터 탈부착장치

텔레스코픽 서보매니퓰레이터 탈부착장치 {TELESCOPIC SERVOMANIPULATOR COUPLING/DECOUPLING APPARATUS }

도 1은 본 발명의 천정이동 마스터-슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템을 도시한 사시도이이다.

도 2는 마스터 서보매니퓰레이터 시스템의 모습을 도시한 사시도이다.

도 3은 마스터 서보매니퓰레이터의 핸들의 회전 모습을 도시한 사시도이다.

도 4는 마스터 서보매니퓰레이터의 핸들의 그립(grip) 작동 모습을 도시한 사시도이다.

도 5는 슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템의 모습을 도시한 사시도이다.

도 6은 힘반영 제어를 도식적으로 표현한 구성도이다.

도 7은 슬레이브 서보매니퓰레이터가 분리된 모습을 도시한 사시도이다.

도 8은 결합장치의 분해사시도이다.

도 9는 제2 결합판의 하부를 도시한 사시도이다.

도 10은 결합전의 결합돌기 삽입 모습을 보인 사시도이다.

도 11은 결합후의 결합돌기 삽입 모습을 보인 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 작업자 100: 마스터 서보매니퓰레이터 시스템

110: 수평바디 120, 250: 텔레스코픽 신축장치

140: 변환유닛 150: 연결유닛

161: 마스터 핸들 200: 슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템

202: 천정 이송장치 211: 그리퍼

230: 엑츄에이터 유닛 400: 결합장치

410: 제1 결합판 413: 결합돌기

420: 제2 결합판 421, 422: 결합구멍

본 발명은 텔레스코픽 서보매니퓰레이터의 탈부착에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 텔레스코픽 신축장치 하부 말단에 마스터 또는 슬레이브 서보매니퓰레이터를 결합함에 있어서 이들 상호간의 방향과 위치가 정확히 일치하며, 작업자 1인의 적은 노동력만으로도 용이하게 탈착 또는 부착할 수 있는 장치에 관한 것이다.

원자력을 이용하여 발전 또는 사용후핵연료를 처리하거나, 이와 관련된 실험을 수행하기 위해서는 방사선 차폐시설인 핫셀(hot cell)이 제공되어야 한다. 이러한 핫셀 내부는 방사선 피폭 우려로 인하여 작업자가 투입되어 작업하지 못하고, 장치의 운전 및 유지 보수를 위하여 마스터-슬레이브 매니퓰레이터 시스템이 사용되고 있다. 마스터 매니퓰레이터는 핫셀의 외부에 위치하고, 슬레이브 매니퓰레이 터는 핫셀 내에 위치하여 안전하게 작업할 수 있다. 즉, 마스터 매니퓰레이터를 작업자가 조작하면, 원격에 위치한 슬레이브 매니퓰레이터가 작동하는 방식으로 원격 기술을 응용한 것이다.

이러한 원격기술은 사람의 접근이 어려운 극한 환경 작업 분야, 쓰레기 처리와 같은 혐오 작업 분야, 지뢰 제거와 같은 위험이 따르는 작업분야에 유용한 기술이다. 그러나, 원격 작업은 원격에서 이루어지므로 현실감이 떨어지기 때문에 작업 능률을 떨어뜨리는 요인으로 작용할 뿐만 아니라, 충돌과 같은 돌발 상황등에 즉각적인 대응이 어려워 시스템의 고장을 초래하기도 한다. 따라서, 원격 작업을 현실감있게 하기 위한 기술의 개발이 필요하다. 즉, 구체적으로는 힘반영(force reflection)과 같이 슬레이브 매니퓰레이터와 작업 환경과의 접촉력 정보를 마스터 매니퓰레이터로 전달하는 기계식 또는 전기식 방법이 요구된다고도 하겠다.

또 다른 요구 사항으로는, 방사선 차폐시설인 핫셀에 일반적으로 적용되는 벽부착 기계식 마스터-슬레이브 매니퓰레이터 시스템은 슬레이브 매니퓰레이터가 핫셀 내부의 벽면에 고정되어 있기 때문에 작업영역이 극히 제한적이어서 유용하지 못하다. 이러한 작업 영역의 제한성을 극복하기 위한 해결책으로서, 동일한 장치를 다수개 직렬로 배치하여 작업을 수행할 수 있으나, 이는 낭비가 심하고, 효율적이지 못하여 바람직한 해결방안이 아니다.

이러한 벽부착 기계식 매니퓰레이터의 단점인 작업영역의 제한성을 극복하기 위해 천정 이송장치에 매니퓰레이터를 부착한 형태의 전기식 천정이동 매니퓰레이터가 적용되고 있다. 여기서, 천정 이송장치는 크레인 같이 평면상의 운동이 가능 한 이송장치의 하부에 텔레스코픽(telescopic) 신축장치를 부착한 형태가 일반적이며, 상기 신축장치의 하부 말단에 매니퓰레이터가 부착된다. 그러나, 종래의 천정 이동이 가능한 매니퓰레이터는 진단이나 수리를 위해 매니퓰레이터를 천정 이송장치에서 탈착할 필요가 생기게 되는데, 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 작업자가 매니퓰레이터 또는 텔레스코픽 신축장치를 직접 들어 올려 탈착을 수행하는 경우에는 다수의 작업자가 필요하여 작업능률이 떨어짐은 물론이고, 안전사고의 위험이 따른다.

둘째, 천정이동 매니퓰레이터가 핫셀과 같은 위험지역에 적용되는 경우 고장 발생시 특수 방호복을 착용한 작업자라도 곧 바로 접근하여 수리하게 되면 방사선에 피폭될 수 있으며, 핫셀 내 방사선 준위가 허용치 이하로 감소될 때까지 기다렸다가 작업을 수행하게 되면 작업시간이 지연되어 작업능률이 저하되는 문제가 있다. 따라서 핫셀 내에 설치되어 있는 벽부착 기계식 매니퓰레이터를 이용하여 천정이동 매니퓰레이터를 원격으로 탈부착하는 것이 바람직하나, 천정 이송장치의 텔레스코픽 신축장치에 매니퓰레이터를 방향과 위치가 정확히 일치하도록 결합하는데 어려움이 있다.

따라서, 작업자의 개입을 최소로 하면서도 정확하고 용이하게 매니퓰레이터의 탈부착이 가능한 장치에 대한 연구가 시급한 시점이라 하겠다.

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 결합시 편심이 존재하더라도, 접촉 보정되어서 정확한 위치에 결합할 수 있으며, 손쉽게 결합할 수 있는 탈부착 장치 및 이를 포함하는 천정이동 마스터-슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다수의 작업자가 서보매니퓰레이터 또는 텔레스코픽 신축장치를 직접 들어 올려 탈착을 수행하는 대신에, 전방향 이동이 가능한 승하강장치에 서보매니퓰레이터를 안착하여 단순한 원격조작만으로도 서보매니퓰레이터를 정확한 방향과 위치로 결합할 수 있는 탈부착 장치 및 이를 포함하는 천정이동 마스터-슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 결합장치의 중앙에 전기적 신호를 송수신할 수 있는 커넥터부와 커넥터 연결부를 구비하고, 이들도 서보매니퓰레이터의 탈부착시 함께 연결 또는 분리가 가능하도록 함으로써 서보매니퓰레이터를 구성하는 기구부 및 신호 전달부를 동시에 탈부착 할 수 있으며, 또한 신호 케이블이 외부로 노출되지 않으므로 접촉에 의한 손상을 방지할 수 있고 미관에 도움이 되는 탈부착 장치 및 이를 포함하는 천정이동 마스터-슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 천정이동 마스터-슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템은 작업자가 조작하는 마스터 서보매니퓰레이터와, 상기 마스터 서보매니퓰레이터의 신호를 전달받아 작업환경에서 상기 마스터 서보매니퓰레이터의 움직임을 모사하는 슬레이브 서보매니퓰레이터, 및 상기 마스터 또는/그리고 슬레이브 서보매니퓰레이터에 구비되어 상기 서보매니퓰레이터를 텔레스코픽 신축장치에서 분리 또는 결합시키는 탈부착장치를 포함하며, 상기 탈부착장치는 원추형의 결합돌기가 결합구멍에 결합된 후, 상기 결합돌기가 이탈하지 않도록 결합구멍이 형성된 회전판이 회전하여 상기 결합돌기가 걸리도록 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 탈부착장치는 상기 결합돌기가 상측면에 복수개가 돌출 형성된 제1 결합판, 및 상기 결합돌기와 대응되는 위치에 상기 결합구멍이 형성된 제2 결합판을 포함하며, 상기 결합돌기는 수직되게 돌출 형성된 돌출부로 상기 결합구멍은 상기 돌출부와 연결되되 직경이 확장 형성되어 원추형을 이루는 확장부로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 결합구멍은 원호 모양으로 형성된 제1 결합구멍, 및 상기 제1 결합구멍과 연결되되 상기 제1 결합구멍보다 직경이 작은 제2 결합구멍으로 구성되며, 상기 제1 결합구멍의 직경은 상기 원추형의 결합돌기의 최대 직경보다 크도록 구성되며, 상기 제2 결합구멍의 직경은 상기 원추형의 결합돌기의 최대 직경보다 작도록 구성되는 것이 좋다. 아울러, 상기 결합돌기 및 상기 결합구멍은 3개가 120도 간격으로 형성될 수 있다.

본 시스템은 회전에 의하여 볼트 결합 또는 삽입 결합됨으로서 회전판과 제2 결합판 바디를 고정시켜 상기 제1 및 제2 결합판의 결속을 도와주는 역할을 하는 고정레버를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 분리된 서보매니퓰레이터를 상부에 올려 놓을 수 있으며, 서보매니퓰레이터를 텔레스코픽 신축장치에 부착하는 높이까지 승하강이 가능하고, 이송바퀴를 구비하여 이동가능한 이동식 승하강 장치 를 더 포함한다. 상기 이송바퀴는 수평방향으로 전방향 움직임이 가능한 것을 특징으로 한다. 상기 결합장치의 중앙에는 전기적 신호를 송수신할 수 있는 커넥터부와, 상기 커넥터부와 연결 또는 분리가능한 연결부를 더 포함하여 구성된다.

아울러, 상기 결합장치는 돌출 형성된 안내핀, 및 상기 안내핀이 삽입 가능한 안내구멍이 형성된 바디부를 더 포함하며, 상기 커넥터 돌출 높이는 상기 안내핀 돌출 높이 보다 낮고, 상기 안내핀의 돌출 높이는 상기 결합돌기의 돌출 높이보다 낮은 것을 특징으로 한다.

상기 슬레이브 서보매니퓰레이터는 텔레스코픽 신축 장치의 하부에 탈부착 가능하다. 천정 이송장치는 천정에 형성된 가이드 레일을 따라 이동하는 x 및 y 축 이송유닛을 구비하여 천정 벽면을 이동할 수 있으며, 텔레스코픽 신축장치로 명명된z축 이송유닛을 구비하여 하방으로 연장될 수 있는 것을 특징으로 한다. 상기 슬레이브 서보매니퓰레이터가 작업하는 환경에는 복수의 카메라가 부착되며, 상기 카메라에서 촬영된 영상은 상기 마스터 서보매니퓰레이터가 위치한 환경으로 전달되어 상기 작업자가 모니터링 할 수 있다. 상기 슬레이브 서보매니퓰레이터는 센싱 유닛을 구비하여 물체와 접촉시 접촉력을 상기 마스터 서보매니퓰레이터에 힘반영 제어로 전달하여 상기 마스터 서보매니퓰레이터에 접촉력과 비례되는 힘을 구현하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

먼저, 천정이동 마스터-슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템의 전체적인 모습을 설명한다. 도 1은 본 발명의 천정이동 마스터-슬레이브 서보매니퓰레이터를 도시한 사시도이이다.

이에 도시된 바와 같이, 슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템(200)은 직접 사용후핵연료 등의 방사선 노출 위험이 있는 프로세스 셀(process cell)에 설치되어 있으며, 마스터 서보매니퓰레이터 시스템(100)은 상기 프로세스 공간의 외부에 위치하여 작업자(1)가 조작하게 된다. 프로세스 셀의 천정에서 x, y 축으로 이동가능하며, z축으로 하강 또는 상승시킬 수 있는 천정 이송장치(202)의 하부에 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)가 부착되어 공간적 이동이 가능하며, 이에 대한 자세한 설명은 도 3과 관련하여 후술하기로 한다.

작업자(1)가 마스터 서보매니퓰레이터(101)를 조작하면, 동작신호가 전기신호로 변환된 후 슬레이브 서보매니퓰레이터(201) 및 천정 이송장치(202)에 전달되어 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)가 움직이게 된다. 즉, 마스터 서보매니퓰레이터(101)의 움직임을 그대로 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)가 모사하여 움직이게 된다. 마스터 서보매니퓰레이터는, 자세히 후술하겠지만, 6자유도(Degree of freedom)를 구현하므로, 핸들(160)은 삼차원 공간의 이동뿐만 아니라 3방향 로테이션까지 가능하며, 이러한 움직임은 슬레이브 서보매니퓰레이터(200)에 전달되어 그리퍼(211)가 6자유도로 움직일 수 있다.

슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템(200)이 설치된 프로세스 셀의 내부는 복수의 카메라(301, 302)가 촬영하여 영상을 작업자(1)의 모니터(310) 화면에 제공하 게 된다. 작업자(1)는 모니터 화면을 보면서 마스터 서보매니퓰레이터 시스템(100)를 조작하여 슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템(200)의 움직임을 제어하게 된다. 카메라(301, 302)의 위치는 프로세스 셀의 벽면, 천정 이송장치(202) 또는 슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템(200) 상에도 부착될 수 있으며, 카메라의 개수를 자유롭게 구성할 수 있다. 카메라의 재질은 방사선에 강한 재질로 구성되는 것이 좋으며, 방사선에 강한 재질로 커버를 구성하여 카메라를 밀봉시키는 것도 가능하다.

작업자(1)의 앞에는 컨트롤 패널(320)이 구비되어 있는데, 컨트롤 패널(320)에는 카메라(301, 302)의 촬영 각도를 조절할 수 있는 조이스틱(340)이나, 기타 동작 버튼(330) 등으로 구성되어 있다.

동작 버튼(330)은 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)의 각 관절을 마스터 서보매니퓰레이터(101)에 의하지 않고 움직이게 하는데 유용하다. 이는 마스터 서보매니퓰레이터(101)의 고장이나 기타 위험 상황에서 동작 버튼(330)을 조작하여 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)의 움직임을 제어할 수 있다.

다음, 마스터 서보매니퓰레이터 시스템에 대하여 설명하면 다음과 같다. 도 2는 마스터 서보매니퓰레이터 시스템의 모습을 도시한 사시도이고, 도 3은 마스터 서보매니퓰레이터의 핸들의 회전 모습을 도시한 사시도이고, 도 4는 마스터 서보매니퓰레이터의 핸들의 그립(grip) 작동 모습을 도시한 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 마스터 서보매니퓰레이터 시스템(100)은 벽면(103)에 고정되는 고정판(104)이 형성되며, 상기 고정판(104)과 연결되어 수평으로 형성된 수평 바디(110)가 제공된다. 상기 수평 바디(110)의 일단에는 z축 방향의 이동이 가능한 텔레스코픽 신축장치(120)가 형성된다. 상기 텔레스코픽 신축장치(120)의 하부 말단에 결합된 마스터 서보매니퓰레이터(101)에는 상기 마스터 서보매니퓰레이터(101)의 관절 운동을 와이어나 기어 등을 통해 전달받아 전기적인 신호로 변환하는 변환유닛(140)이 배치된다.

작업자(1)는 핸들(160)의 손잡이(161)를 잡고 조작하게 되는데, 핸들(160)은 여러 관절을 구비한 연결유닛(150)에 의하여 변환유닛(140)에 연결되어 있어서, 전체적으로 6 자유도 움직임이 가능하다. 구체적으로 설명하면, 변환유닛(140)의 제1 회동축(141)에 회동 가능하게 설치된 제1 관절(151)이 구비되고, 상기 제1 관절(151)에 구비된 제2 회동축(152)에 회동 가능하게 설치된 제2 관절(153)이 결합된다. 상기 제2 관절(153)에 구비된 제3 회동축(154)에는 핸들(160)이 회동 가능하게 결합되게 된다.

핸들(160)은 손잡이(161) 및 상기 손잡이(161)이 장착된 장착 바디(162)가 구비되어 있고, 상기 장착 바디(162)의 회전이 가능하도록 회전판(163)이 결합되어 있다. 상기 회전판(163)은 제 3회동축(154)을 중심으로 회동 가능하게 움직일 뿐만 아니라, 베어링 등이 내장되어 손잡이(161)의 회전 운동을 제공한다.

손잡이(161)는 회전판(163)에 의한 회전 운동 및 제1,2 관절(151, 153)의 회동 운동에 의하여 3차원적인 이동/회전이 가능하다. 또한, 손잡이(161)는 슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템(200)의 그리퍼 집게 동작을 구현하기 위하여, 손잡이(161)를 잡고 그립(grip) 동작이 가능하도록 구성되어 있다.

다음, 슬레이브 서보매니퓰레이터에 대하여 설명하면 다음과 같다. 도 5는 슬레이브 서보매니퓰레이터의 모습을 도시한 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)는 천정 이송장치(202)의 텔레스코픽 신축장치 하부에 탈부착이 가능하도록 장착되어 있다. 천정 이송장치(202)는 프로세스 셀의 천장에 부착되어 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)를 x, y축으로 이송하거나, z 축으로 하강 또는 상승 시킬 수 있는데, 이를 자세히 설명하면 다음과 같다.

프로세스 셀의 천정에 x축 방향으로 길게 부착되어 있는 2줄의 가이드 레일(292) 상을 움직이는 x축 이송유닛(290)과, 상기 x축 이송유닛(290) 사이에 설치된 y축 가이드 레일(293) 상을 움직이는 y축 이송유닛(270)이 배치된다.

상기 x축 이송유닛(290)은 복수개일 수 있다. x축 이송유닛(290)은 직사각형 박스 안에 모터, 감속기, 클러치 및 기어 등이 내장되어 있으며, 구동력을 발생하여 스틸 바퀴(미도시)에 전달한다. 스틸 바퀴가 가이드레일(292)을 이동하면서 x축 이동이 가능하게 된다.

상기 y축 이송유닛(270)은 사각 끝단에 4개의 이송바퀴(271)가 결합되어 y축 가이드 레일(293) 상을 이동할 수 있다. y축 가이드 레일(293)의 끝단에는 스토퍼(272)가 형성되어 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)가 가이드 레일(293) 외부로 이탈하는 것을 방지한다.

상기 y축 이송유닛(270)의 하방에는 텔레스코픽 신축장치(250)가 구비되어 있으며, 텔레스코픽 신축장치(250)의 하단에는 신축장치(250)와 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)가 탈부착 가능하도록 하는 결합장치(400)가 장착되어 있다.

우선, 텔레스코픽 신축장치(250)를 설명하면, 텔레스코픽 신축장치(250)는 원기둥 형태의 칼럼으로 구성된 고정 컬럼(251)과, 상기 고정 컬럼(251)의 내부로 겹쳐지거나 펼쳐지면서 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)를 상하로 이동시킬 수 있는 이동 컬럼(252)으로 구성된다.

이동 컬럼(252)이 상승할 경우에는, 일단이 상기 고정 컬럼(251)의 내부로 겹쳐지면서 들어가며 상기 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)를 끌어 올린다. 반면, 이동 컬럼(252)이 하강할 경우에는, 일단이 상기 고정 컬럼(251)의 외부로 배출되면서 상기 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)를 지면 가까이 내리게 된다.

엑츄에이터 유닛(230)은 마스터 서보매니퓰레이터(101)에서 작업자가 조작하는 신호를 전기적으로 송신받아 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)를 구동한다. 즉, 운전자가 마스터 서보매니퓰레이터(101)를 조정하면, 그 동작신호는 전기적 신호로 바뀌어서 제어 유닛(미도시)에 입력되고, 제어 유닛에서 슬레이브 서보매니퓰레이터의 엑츄에이터 유닛(230)에 신호를 전송하게 된다. 이때, 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)의 그리퍼 유닛(210)은 마스터 서보매니퓰레이터(101)와 동일한 동작으로 작동한다.

그리퍼 유닛(210)은 엑츄에이터 유닛(230)의 구동력을 전달받기 위하여 와이어나 기어에 의하여 연결되어 있으며, 엑츄에이터 유닛(230)과 회동 가능하도록 결합되어 있다. 상기 그리퍼 유닛(210)은 그리퍼(211)가 구비되어 있는데, 상기 그리퍼(211)는 회전 및 이동이 가능하며, 그립(grip) 동작이 가능하여 작업 물체를 집어서 회전/이동 시킨 후 원하는 위치에 놓아 둘 수 있다.

텔레스코픽 신축장치(250)와 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)는 결합장치(400)에 의하여 탈부착이 가능하며, 이에 대하여는 후술하기로 한다.

이하, 천정이동 마스터-슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템(200)은 프로세스 셀 등 작업이 진행되는 위험이 있는 지역에 배치되어 있고, 프로세스 외부 등 방사선의 노출 위험이 없는 안전한 지역에 마스터 서보매니퓰레이터 시스템(100)이 위치한다. 작업 환경은 벽면, 이송장치, 또는 슬레이브 서보매니퓰레이터 시스템(200)에 부착된 카메라(303)를 통해 작업자에게 시각 영상을 모니터로 제공하게 된다.

작업자는 모니터를 보면서 마스터 서보매니퓰레이터(101)를 조작하여 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)을 움직이게 되는데, 마스터 서보매니퓰레이터를 구성하는 각 관절의 운동은 와이어 또는 기어로 전달되어 엔코더 등이 내장된 변환유닛(140)에 의하여 전기적인 신호로 변환된다. 상기 전기적인 신호는 제어 유닛에 의하여 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)에 전달되며, 복수의 모터 등으로 구성된 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)의 엑츄에이터 유닛(230)은 그리퍼(211)를 3차원적인 이동 또는 회전 운동시킨다. 그리퍼(211)는 사용후핵연료 등 위험성이 있는 물질에 접촉하여 작업자가 원하는 작업을 수행하게 된다.

이때, 작업자가 모니터만을 보고 작업을 하게 되면, 카메라의 사각지대에서는 작업 환경을 관찰할 수 없을 뿐만 아니라, 사각지대가 아니더라도 작업 환경의 현장성이 떨어져서 그리퍼(211)가 작업 물체가 충돌하게 되는 등 고장의 위험성이 있다. 이를 보완하기 위하여 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)의 센싱유닛(미도시)에 위치 센서 혹은 토크 센서를 부착하고, 이의 신호를 제어유닛에 의하여 서보매니퓰레이터(101) 쪽으로 피드백하여 마스터의 핸들을 잡고 있는 작업자에게 힘반영을 수행하게 된다.

이러한 본 발명의 힘반영 제어를 도 6에 도시하였다. 도 6은 힘반영 제어를 도식적으로 표현한 구성도이다.

그리퍼(211)가 물체와 접촉하게 되면, 센싱유닛(미도시)에서 접촉 사실을 인지하게 된다. 센싱 유닛에서는 전기적 신호를 발생하여 접촉력과 비례하는 전류 또는 전압값을 제어유닛(미도시)을 통해 마스터 서보매니퓰레이터(101)에 송신하게 된다. 마스터 서보매니퓰레이터(101)의 엑츄에이터 유닛(230)에는 모터 등이 장착되어 있어서, 상기 전기적 신호에 비례하여 토크(torque)를 발생하여 조작자에게 저항력을 느끼게 한다. 핸들(161)을 잡고 있는 작업자는 피드백된 토크를 느끼게 되어 충돌 등을 느낄 수 있게 되어 현장감을 높일 수 있게 된다. 즉, 장애물이 있는 쪽으로는 힘 피드백을 느끼게 되므로, 장애물 방향으로는 위치 신호를 주지 않게 된다.

따라서, 슬레이브 서보매니퓰레이터가 장애물과 반복 충격으로 손상되는 것 등을 방지하게 되며, 작업자는 카메라에서 제공되는 영상 정보이외에 촉각 정보를 이용하게 되므로 더욱 현장감을 느끼게 되는 것이다. 이때, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제어기의 이득값을 조정하여 힘 반영비를 조정함으로서 적절한 힘 피드백의 양을 구현할 수 있다.

이와 같이, 작업자는 힘반영을 통한 촉감 신호와, 카메라를 이용한 시각신호를 이용하여 현장감 있게 마스터 서보매니퓰레이터를 조작하여 원거리에 있는 슬레이브 서보매니퓰레이터를 조종할 수 있게 된다.

이때, 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)는 고장 또는 부품 수리를 위하여 분리의 필요성이 있게 된다.

이러한 모습을 도 7에 도시하였다. 도 7은 슬레이브 서보매니퓰레이터가 분리된 모습을 도시한 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 결합장치(400)에 의하여 텔레스코픽 신축장치(250)와 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)가 탈부착된다. 결합장치(400)는 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)의 상부와 결합된 제1 결합판(410)과, 상기 제1 결합판(410)과 탈부착이 가능하며, 텔레스코픽 신축장치(250)의 하부에 결합된 제2 결합판(420)으로 구성된다. 상기 제1 결합판(410)과 제2 결합판(420)의 결합 및 분리에 의하여 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)와 텔레스코픽 신축장치(250)가 분리될 수 있다.

분리된 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)는 이동식 승하강장치(500)에 안착되어 프로세스 셀 등의 작업환경에서 이송될 수 있다. 작업환경은 방사선 등 위험요소가 산재되어 있으므로, 상기 이동식 승하강장치(500)는 동력 유닛이 장착되어 스스로 움직이거나, 다른 매니퓰레이터에 의하여 끌려서 이송가능한 것이 바람직하다. 510은 이동식 승하강장치의 이송바퀴이다. 이송바퀴(510)는 2차원적인 사방으로 자유롭게 이동할 수 있도록 구성하여 결합을 돕게 되며, 이송해 온 슬레이브 서보매니퓰레이터(201)를 소정 높이까지 승강 또는 하강할 수 있도록 설계되는 것 이 바람직하다.

이하, 결합장치의 결합 원리에 대하여 설명하기로 한다. 도 8은 결합장치의 분해사시도이고, 도 9는 제2 결합판의 하부를 도시한 사시도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 제1 결합판(410)은 그 상측면에 돌출 형성된 결합돌기(413)가 형성되어 있다. 상기 결합돌기(413)는 제1 결합판(410)에서 수직으로 돌출 형성된 돌출부(412)와, 상기 돌출부(412)와 연결되되 직경이 확장 형성된 확장부(411)로 이루어진다. 상기 돌출부(412)의 형상은 원기둥 모양이며, 상기 확장부(411)의 모양은 버섯과 같이 생긴 원추형이다.

상기 제1 결합판(410)은 원판 형태를 가지는 제1 결합판 바디(415)를 구비하며, 상기 결합돌기(413)는 제1 결합판 바디(415)의 상측면에 세 개가 돌출 형성되어 상호간 120도 간격을 이룬다. 상기 제1 결합판(410)의 모양이나, 상기 결합돌기의 개수 및 각도는 임의대로 변형할 수 있음은 자명하다. 상기 결합돌기(413) 사이에는 제 2 결합 안내구멍(416)이 120도 간격을 이루며 배치된다. 상기 제 2 결합 안내구멍(416)에는 니들 베어링(needle bearing)이 수직으로 배열되어 있다. 상기 제1 결합판(410)의 중앙부에는 전기신호가 송수신될 수 있는 커넥터부(414)가 형성된다.

상기 제2 결합판(420)은 원판 형태로 구성된 회전판(423)이 구비되어, 상기 회전판(423) 상에 형성된 결합구멍(421, 422)을 구비한다. 상기 회전판(423)은 제2 결합판 바디(427)와 결합되어 회전 가능하도록 형성될 수 있다. 상기 결합구멍 421은 탈착시 상기 결합돌기(413)와 대응되는 위치에 놓이게 된다.

결합구멍은 원호 모양으로 형성된 제1 결합구멍(421)과, 상기 제1 결합구멍(421)과 연결되되 상기 제1 결합구멍(421)보다 직경이 작은 제2 결합구멍(422)으로 구성된다. 상기 제1 결합구멍(421)의 직경은 결합돌기(413)의 확장부(411)의 직경보다 크며, 상기 제2 결합구멍(422)의 직경은 결합돌기(413)의 확장부(411)의 직경보다 작다. 다만, 제2 결합구멍(422)의 직경은 돌출부(412)의 직경보다는 크다. 상기 결합구멍(421, 422)에는 결합돌기(413)가 삽입 결합되는데, 그 자세한 사항은 후술하기로 한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 제1결합 안내구멍(429)의 사이에는 120도 간격으로 안내핀(428)이 하부로 돌출 형성되어 제1 결합판(410)의 제2결합 안내구멍(416)과 결합된다. 상기 안내핀(428)의 돌출 길이는 상기 제1 결합판(410)의 결합돌기(413)보다 길이가 짧게 형성되는 것이 바람직하다. 426은 스트퍼 핀으로서, 회전판(423)에 원기둥 형태로 돌출되어 있으며, 제2 결합판 바디(427)에 삽입되어 회전을 제한하는 역할을 한다.

제2 결합판(420)의 중앙에는 제1 결합판(410)의 커넥터부(414)와 결합할 수 있는 연결부(425)가 형성되어 있다. 상기 연결부(425)는 커넥터부(414)의 개수 및 위치와 대응되도록 형성된다. 상기 제2 결합판(420)의 측면에는 상기 제 1 및 제2 결합판(410, 420)을 고정시킬 수 있는 고정레버(424)가 결합되어 있다. 상기 고정레버(424)는 회전에 의하여 볼트 결합됨 혹은 삽입 결합됨으로서 회전판(423)과 제2 결합판 바디(427)을 고정시켜 상기 제1 및 제2 결합판(410, 420)의 결속을 도와주는 역할을 할 수 있다.

결합되는 순서를 도 10 및 도 11에 의해 설명한다. 결합을 위해서는 도 7에 도시된 이동식 승하강장치에 슬레이브 서보매니퓰레이터를 안착하여 이송해 온 후, 원하는 높이까지 이동식 승하강장치를 이용하여 승강시킨다. 이동식 승하강장치의 이송바퀴는 전방향으로 이동이 가능함으로, 결합구멍에 원추형의 확장부(411)를 결합하고자 할 때, 이동식 승하강장치가 수평 방향으로 자유롭게 움직이면서 상호간 중심을 일치시키는 역할을 한다.

안내핀(428)의 돌출 길이는 상기 제1 결합판(410)의 결합돌기(413)보다 길이가 짧게 형성되어 있어서, 먼저 원추형으로 형성된 결합돌기(413)의 확장부(411)가 제1결합 안내구멍(429)으로 삽입된 후 제1 결합구멍(421)으로 삽입된다. 도 10은 이러한 모습을 나타낸 것이다. 확장부(411)는 원추형이므로, 제1 결합구멍(421)과의 접촉 보정되면서 결합되게 된다. 즉, 확장부(411)의 최상단이 제1결합 안내구멍(429) 안에만 위치한다면, 확장부(411)의 측면에 슬라이딩 되면서 제1 결합 안내구멍(429) 안으로 삽입 결합되게 된다. 접촉 보정되어 확장부(411)가 제1 결합 안내구멍(429)으로 삽입되면, 자연스럽게 안내핀(428)이 제 2 결합 안내구멍(416)으로 삽입 결합된다.

확장부(411)가 제1 결합구멍(421)에 삽입되게 된 후에 회전판(423)을 회전시켜 확장부(411) 하부에 제2 결합구멍(422)이 오도록 회전시킨다. 상기 제2 결합구멍(422)의 직경은 확장부(411)의 직경보다 작기 때문에 결합장치(400)의 하부 파트의 낙하가 방지된다. 이때, 커넥터부는 연결부(425)와 결합되어 전기신호 등을 송수신할 수 있게 된다.

그 후에 고정레버(424)를 회전하여 회전판(423)과 제2 결합판 바디(427)을 고정시켜 상기 제1 및 제2 결합판(410, 420)의 결속을 도와주는 역할을 할 수 있다.

결합장치를 제1 및 제2 결합판(410, 420)으로 분리시키는 과정은 결합의 역순으로 진행하면 되므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이, 슬레이브 서보매니퓰레이터 등의 고장시에 작업 환경에서 방사선 준위가 허용치까지 감소될 때까지 기다렸다가 특수 방호복을 착용한 작업자가 직접 접근하여 수리를 할 필요없이 바로 분리하여 이를 유지보수 지역으로 이송시킨 후 수리 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 결합이 손쉬워서 사람이 작업 환경안으로 들어갈 필요없이 다른 매니퓰레이터를 이용한 단순한 조작만으로도 탈부착할 수 있어서 위험 요소를 감소시킬 수 있다.

아울러, 결합시 편심이 존재하더라도, 손쉽게 결합할 수 있을 뿐만 아니라, 정확한 위치에 결합되게 되는 장점이 있다. 마스터 서보매니퓰레이터에서도 슬레이브 서보매니퓰레이터의 결합 장치와 같이 탈부착이 가능한 장치를 채용할 수 있음은 자명하다.

따라서, 본 발명에 따르면 결합시 편심이 존재하더라도, 접촉 보정되어서 정확한 위치에 결합할 수 있으며, 손쉽게 결합할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다수의 작업자가 서보매니퓰레이터 또는 텔레스코픽 신축장치를 직접 들어 올려 탈부착을 수행하는 대신에 전방향 이동이 가능한 승하강장치에 서보매니 퓰레이터를 안착하여 단순한 원격조작만으로도 서보매니퓰레이터를 정확하게 결합할 수 있는 효과가 있다.

또한, 결합장치의 중앙에 전원 및 신호선들이 연결 또는 분리가 가능하도록 하는 커넥터부와 커넥터 연결부가 구비되어, 서보매니퓰레이터의 기구부 및 신호 전달부가 동시에 탈부착 될 수 있으며, 신호 케이블이 외부로 노출되지 않아 접촉에 의한 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.