KR102217337B1 - Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same - Google Patents

Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same Download PDF

Info

Publication number
KR102217337B1
KR102217337B1 KR1020190157477A KR20190157477A KR102217337B1 KR 102217337 B1 KR102217337 B1 KR 102217337B1 KR 1020190157477 A KR1020190157477 A KR 1020190157477A KR 20190157477 A KR20190157477 A KR 20190157477A KR 102217337 B1 KR102217337 B1 KR 102217337B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gear
elastic
driving
gear unit
joint actuator
Prior art date
Application number
KR1020190157477A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
권철민
Original Assignee
주식회사 엔젤로보틱스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엔젤로보틱스 filed Critical 주식회사 엔젤로보틱스
Priority to KR1020190157477A priority Critical patent/KR102217337B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102217337B1 publication Critical patent/KR102217337B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/102Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0091Shock absorbers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
    • B25J9/126Rotary actuators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

The present invention relates to an elastic gear unit and a joint actuator having the same. More particularly, the present invention relates to an elastic gear unit and a joint actuator having the same, which reduces noise and vibration when driving a drive motor, has improved durability compared to the case where a non-metallic elastic member is inserted and can secure sufficient elastic force and elastic displacement, and can be configured in the form of a single gear to simplify the structure of the joint actuator.

Description

탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기{Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same}Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same}

본 발명은 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 구동모터 구동시의 소음과 진동 등이 감소되며, 비금속 탄성 재질의 부재를 삽입한 경우보다 내구성이 향상되고 충분한 탄성력 및 탄성 변위를 확보할 수 있고, 단일 기어 형태로 구성이 가능하여 관절 구동기의 구조를 단순화할 수 있는 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기에 관한 것이다.The present invention relates to an elastic gear unit and a joint actuator having the same. In more detail, the present invention reduces noise and vibration when driving the driving motor, improves durability and secures sufficient elastic force and elastic displacement than when a member made of a non-metallic elastic material is inserted, and consists of a single gear. The present invention relates to an elastic gear unit capable of simplifying the structure of the joint actuator and a joint actuator having the same.

최근 일상 생활이 불가능한 신체능력을 가진 장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇 또는 체력이나 신체능력을 강화하기 위한 산업용 또는 군사용 착용형 로봇의 개발이 진행되고 있다.Recently, the development of wearable robots for the disabled, patients, or the elderly who have physical abilities that are impossible to daily life, or industrial or military wearable robots to reinforce physical strength or physical abilities are in progress.

장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇의 경우에는 신체 능력, 요구되는 보조력의 크기 또는 역할에 따라 완전마비 장애인용 착용형 로봇과 노약자 또는 부분마비 환자 또는 장애인용 착용형 로봇으로 분류될 수 있다.In the case of wearable robots for the handicapped, patients, or the elderly, it can be classified into wearable robots for completely paralyzed persons with disabilities and wearable robots for the elderly or partially paralyzed patients or handicapped according to their physical ability and the size or role of required assistance. .

전자의 경우, 사용자에게 신체 능력이 없으므로, 사용자의 하지의 움직임에 대한 동작 의도 등은 로봇의 제어변수로 큰 의의가 없으므로, 착용형 로봇은 충분한 힘으로 사용자의 하지의 움직임을 대신하여 정확하게 보행 동작을 수행하면 될 수 있다.In the former case, since the user has no physical ability, the motion intention for the movement of the user's lower limbs is not of great significance as a control variable of the robot, so the wearable robot can walk accurately instead of the user's lower limb movement with sufficient force. You can do it.

따라서, 전자의 착용형 로봇의 경우에는 요구되는 구동력의 크기가 크고 그에 따라 구동장치, 배터리 및 골격구조가 큰 경우가 많다.Therefore, in the case of the former wearable robot, the required driving force is large and accordingly, the driving device, the battery, and the skeleton structure are large in many cases.

그러나, 후자의 착용형 로봇의 경우에는 사용자의 신체능력이 부족하여 이를 보조하기 위한 로봇이므로, 착용형 로봇의 크기와 무게가 최소화되고 사용자의 동작 의도에 따라 정확한 보조력을 제공하는 것이 관건이 될 수 있다.However, in the case of the latter wearable robot, the size and weight of the wearable robot are minimized, and the key is to provide accurate assistance according to the user's motion intention. I can.

후자의 착용형 로봇의 경우, 로봇 착용자의 움직임이 어느 정도 가능한 경우 로봇의 무게 또는 관절 구동장치의 기계적 저항이 큰 경우에 착용자는 상당한 갑갑함과 불편함을 느낄 수 있으므로 착용자의 움직임을 어느 정도 허용하는 구조의 착용형 로봇이 요구된다. 더 나아가 최근에는 사용자의 움직임 또는 의도와 다른 로봇의 보조력 제공의 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있고, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공하려는 연구가 진행되고 있다.In the case of the latter wearable robot, if the robot wearer's movement is possible to a certain extent, if the weight of the robot or the mechanical resistance of the joint drive device is large, the wearer may feel quite cramped and uncomfortable. A structured wearable robot is required. Furthermore, in recent years, in the case of providing assistance from a robot that is different from the user's movement or intention, it may cause discomfort or injury to the user, and while allowing the user's movement, it is intended to accurately provide assistance by understanding the user's motion intention. Research is ongoing.

또한, 관절 구동기는 하체의 부분 마비 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇에 적용되는 경우, 일상 생활에 사용이 가능하도록 착용형 로봇의 작동시간을 늘리면서도 로봇의 무게 또는 부피를 최소화하는 기술이 함께 요구된다.In addition, when the joint actuator is applied to a wearable robot for patients with partial paralysis of the lower body or for the elderly, it requires a technology to minimize the weight or volume of the robot while increasing the operating time of the wearable robot so that it can be used in daily life. do.

이를 위하여 각각의 관절의 보조력을 제공하기 위한 관절 구동기의 무게와 부피를 최소화하기 위하여 착용형 로봇의 주요 구성인 구동장치의 구조가 단순화되고 경량화 및 소형화가 전제되어야 한다.To this end, in order to minimize the weight and volume of the joint actuator for providing the assisting force of each joint, the structure of the driving device, which is the main component of the wearable robot, should be simplified, and lightweight and compact should be premised.

그리고, 금속 재질로 구성되는 관절 구동장치가 구동되는 경우, 소음과 진동이 클 수 있고, 관절 구동장치의 소음과 진동을 최소화하는 것이 착용형 로봇의 보급과 사용에에 도움이 될 것으로 예상된다.In addition, when a joint driving device made of a metal material is driven, noise and vibration may be large, and minimizing the noise and vibration of the joint driving device is expected to be helpful in the spread and use of the wearable robot.

특히, 이러한 착용형 로봇은 성인 환자 또는 장애인 이외에도 근력이 약한 소아 환자 또는 장애인 등에게도 적용이 되므로, 기계적 저항을 줄이고, 구조를 단순화하여 무게를 줄이며, 소음과 진동을 최소화하여 로봇에 대한 거부감을 최소화할 수 있고, 로봇 착용자의 동작의도를 파악할 수 있는 구동장치에 대한 요구가 더욱 크다.In particular, since these wearable robots are applicable not only to adult patients or persons with disabilities, but also to pediatric patients or disabled persons with weak muscle strength, mechanical resistance is reduced, the structure is simplified to reduce weight, and noise and vibration are minimized to minimize rejection to the robot. There is a greater demand for a driving device capable of grasping the robot wearer's motion intention.

본 발명은 구동모터 구동시의 소음과 진동 등이 감소되며, 비금속 탄성 재질의 부재를 삽입한 경우보다 내구성이 향상되고 충분한 탄성력 및 탄성 변위를 확보할 수 있고, 단일 기어 형태로 구성이 가능하여 관절 구동기의 구조를 단순화할 수 있는 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.In the present invention, noise and vibration during driving of a driving motor are reduced, durability is improved, sufficient elastic force and elastic displacement can be secured, compared to the case of inserting a member made of a non-metallic elastic material. It is an object to be solved to provide an elastic gear unit capable of simplifying the structure of the actuator and a joint actuator having the same.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 외주면에 기어산이 형성된 원호 형태의 기어부재; 상기 기어부재 내측에 장착되는 장착부 및 상기 장착부와 동축 상에 구비되는 구동부를 구비하는 구동부재; 상기 기어부재와 구동부재의 장착부 사이에 장착되어 기어부재 또는 구동부재의 상대적인 회전을 허용함과 동시에 탄성 복원력을 제공하는 복수 개의 탄성부재;를 구비하는 탄성기어유닛을 제공할 수 있다.In order to solve the above problem, the present invention is a gear member in the form of an arc formed with a gear mountain on the outer peripheral surface; A driving member having a mounting portion mounted inside the gear member and a driving portion disposed coaxially with the mounting portion; It is possible to provide an elastic gear unit including a plurality of elastic members mounted between the gear member and the mounting portion of the driving member to allow relative rotation of the gear member or the driving member while providing elastic restoring force.

여기서, 상기 기어부재는 내주면에 탄성부재의 일단을 지지하기 위한 복수 개의 지지부가 내측 방향으로 돌출 형성되고, 상기 구동부재의 장착부는 상기 기어부재의 내주면 방향으로 연장되어 상기 기어부재의 지지부에 지지되는 각각의 탄성부재의 타단을 지지하기 위한 복수 개의 지지암이 구비될 수 있다.Here, the gear member has a plurality of support portions for supporting one end of the elastic member protruding inwardly on the inner circumferential surface, and the mounting portion of the driving member extends in the direction of the inner circumferential surface of the gear member to be supported on the support portion of the gear member. A plurality of support arms for supporting the other end of each elastic member may be provided.

또한, 상기 기어부재의 지지부는 3개가 90도 간격으로 구비되고, 상기 구동부재의 지지암은 2개가 90도 간격으로 구비되어 각각이 상기 기어부재의 상호 인접한 지지부 사이에 배치되며, 4개의 탄성부재가 상기 기어부재의 지지부와 상기 구동부재의 지지암 사이에 배치될 수 있다.In addition, three support portions of the gear member are provided at 90 degree intervals, and two support arms of the driving member are provided at 90 degree intervals, each of which is disposed between mutually adjacent support portions of the gear member, and four elastic members May be disposed between the support portion of the gear member and the support arm of the drive member.

그리고, 상기 기어부재의 내주면에 상기 구동부재의 지지암의 회전범위를 제한하기 위한 가이드홈이 형성될 수 있다.Further, a guide groove for limiting the rotation range of the support arm of the driving member may be formed on the inner circumferential surface of the gear member.

또한, 복수 개의 상기 탄성부재는 코일스프링으로 구성될 수 있으며, 이 경우, 복수 개의 상기 탄성부재 중 적어도 일부의 탄성부재는, 상기 기어부재의 지지부 또는 상기 구동부재의 지지암을 경유하여 배치되도록, 코일의 일부가 펴진 상태로 구성될 수 있다.In addition, the plurality of elastic members may be composed of a coil spring, in this case, so that at least some of the plurality of elastic members are disposed via a support part of the gear member or a support arm of the driving member, A part of the coil may be configured in an unfolded state.

한편, 본 발명은 구동모터; 상기 구동모터의 회전축에 장착된 구동기어; 상기 구동기어에 연결되며 상기 구동기어보다 큰 직경의 제1 대기어부 및 상기 제1 대기어부보다 직경이 감소된 제1 소기어부를 갖는 제1 감속기어; 상기 제1 감속기어의 제1 소기어부에 연결되며 상기 제1 소기어부보다 큰 직경의 제2 대기어부 및 상기 제2 대기어부보다 직경이 감소된 제2 소기어부를 갖는 제2 감속기어; 상기 제2 감속기어의 제2 소기어부에 외부 기어부재가 연결되는 상기 탄성 기어유닛; 상기 탄성 기어유닛의 구동부재의 구동부에 체결되며, 착용형 로봇의 대퇴 부재 또는 하퇴 부재에 결합되는 출력부재;를 포함하는 관절 구동기를 제공할 수 있다.On the other hand, the present invention is a drive motor; A driving gear mounted on the rotation shaft of the driving motor; A first reduction gear connected to the driving gear and having a first large gear portion having a larger diameter than the driving gear and a first small gear portion having a diameter smaller than that of the first large gear portion; A second reduction gear connected to a first small gear portion of the first reduction gear and having a second large gear portion having a larger diameter than the first small gear portion and a second small gear portion having a diameter smaller than that of the second large gear portion; The elastic gear unit to which an external gear member is connected to a second small gear portion of the second reduction gear; It is fastened to the driving member of the driving member of the elastic gear unit, the output member coupled to the thigh member or the lower leg member of the wearable robot; may provide a joint actuator comprising a.

여기서, 상기 탄성 기어유닛의 회전축 및 구동모터의 회전축의 각도, 속도 또는 가속도를 측정하기 위한 한 쌍의 엔코더; 및 상기 엔코더에 의하여 감지된 정보 또는 미리 결정된 보행 프로그램에 따라 상기 구동모터를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.Here, a pair of encoders for measuring the angle, speed, or acceleration of the rotation shaft of the elastic gear unit and the rotation shaft of the drive motor; And a controller for controlling the driving motor according to information sensed by the encoder or a predetermined walking program.

이 경우, 상기 제어부는 상기 구동모터를 보행모드에 따라 구동시키고, 상기 구동모터의 구동력은 상기 탄성 기어유닛을 통해 상기 출력부재에 전달되고, 착용자의 보행시 각각의 관절 구동기의 출력부재는 각각의 대퇴부재 또는 하퇴부재의 회전 구동을 보조하여 착용자의 보행을 보조할 수 있다.In this case, the control unit drives the driving motor according to the walking mode, the driving force of the driving motor is transmitted to the output member through the elastic gear unit, and when the wearer is walking, the output member of each joint actuator is It is possible to assist the wearer's walking by assisting the rotational drive of the thigh member or the lower leg member.

또한, 상기 관절 구동기를 구성하는 모터가 정지된 상태에서 해당 관절 구동기를 구성하는 출력부재가 회전하여 상기 탄성 기어유닛에 구비된 엔코더에 의하여 상기 탄성 기어유닛 또는 상기 출력부재의 회전이 감지되는 경우 상기 제어부는 상기 탄성 기어유닛 또는 상기 출력부재의 회전 방향으로 보조력을 제공하기 위하여 상기 구동모터를 구동할 수 있다.In addition, when the motor constituting the joint actuator is stopped, the output member constituting the joint actuator rotates and the rotation of the elastic gear unit or the output member is detected by an encoder provided in the elastic gear unit. The control unit may drive the drive motor to provide an auxiliary force in the rotational direction of the elastic gear unit or the output member.

또한, 상기 탄성 기어유닛을 구성하는 기어부재의 외경은 상기 제1 감속기어 또는 제2 감속기어의 대기어부의 외경보다 클 수 있다.In addition, the outer diameter of the gear member constituting the elastic gear unit may be larger than the outer diameter of the large gear portion of the first reduction gear or the second reduction gear.

본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기에 의하면, 금속 재질의 내부 기어부재와 외부 기어부재 사이에 충분한 탄성력 및 탄성 변위를 제공하는 코일 스프링 형태의 탄성부재를 배치하여 관절 구동기의 구동시 발생되는 소음 및 진동 저감 효과를 극대화할 수 있다.According to the elastic gear unit and the joint actuator having the same according to the present invention, when the joint actuator is driven by arranging an elastic member in the form of a coil spring that provides sufficient elastic force and elastic displacement between an internal gear member made of metal and an external gear member. The effect of reducing generated noise and vibration can be maximized.

또한, 본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기에 의하면, 관절 구동기에 충분한 탄성 변위를 확보하기 위하여 비금속 탄성 재질의 부재를 삽입한 경우보다 내구성이 향상될 수 있다.In addition, according to the elastic gear unit and the joint actuator having the same according to the present invention, durability can be improved compared to the case in which a member made of a non-metallic elastic material is inserted in order to secure sufficient elastic displacement to the joint actuator.

또한, 본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기에 의하면, 기어에 탄성을 부여하기 위하여 부피가 큰 기어조립체 또는 기어어셈블리가 아닌 단일 기어 형태로 구성이 가능하다.In addition, according to the elastic gear unit according to the present invention and the joint actuator having the same, in order to impart elasticity to the gear, it can be configured in the form of a single gear rather than a bulky gear assembly or gear assembly.

또한, 본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기에 의하면, 근력이 약한 소아 환자 또는 장애인 등에게 적용되는 착용형 로봇에 적용하여, 기계적 저항을 줄이고, 구조를 단순화하여 무게를 줄이며, 소음과 진동을 최소화하고, 더 나아가 착용자의 동작의도에 따른 저저항 보조 구동모드의 제공이 가능하여 착용형 로봇에 대한 거부감을 최소화할 수 있다. In addition, according to the elastic gear unit and the joint actuator having the same according to the present invention, it is applied to a wearable robot applied to pediatric patients with weak muscle strength or the disabled, etc., reducing mechanical resistance, simplifying the structure to reduce weight, and noise Over-vibration can be minimized, and further, a low-resistance auxiliary drive mode can be provided according to the wearer's operation intention, thereby minimizing the sense of rejection against the wearable robot.

도 1은 본 발명의 탄성기어유닛을 이용한 관절 구동기가 적용될 수 있는 착용형 로봇의 측면 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 착용형 로봇의 정면도를 도시한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 탄성기어유닛이 적용된 관절 구동기의 사시도를 도시한다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 탄성기어유닛이 적용된 관절 구동기의 하우징이 제거된 상태를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 출력부재의 사시도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 출력부재의 측면도를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 출력부재의 분해 사시도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 탄성기어유닛의 작동 개념도를 도시한다.
도 11은 본 발명의 관절 구동기에서 탄성기어유닛의 탄성부재의 변형량에 대응되는 구동모터의 토크를 나타낸 실험데이터이다.
도 12는 도 12의 붉은색 실선 영역을 확대하여 도시한 것이다.
1 is a side perspective view of a wearable robot to which a joint actuator using an elastic gear unit of the present invention can be applied.
FIG. 2 shows a front view of the wearable robot shown in FIG. 1.
3 and 4 are perspective views of the joint actuator to which the elastic gear unit according to the present invention is applied.
5 and 6 show a state in which the housing of the joint actuator to which the elastic gear unit according to the present invention is applied is removed.
7 shows a perspective view of an elastic gear unit and an output member according to the present invention.
8 is a side view showing an elastic gear unit and an output member according to the present invention.
9 is an exploded perspective view of an elastic gear unit and an output member according to the present invention.
10 shows a conceptual diagram of the operation of the elastic gear unit according to the present invention.
11 is an experimental data showing the torque of the drive motor corresponding to the deformation amount of the elastic member of the elastic gear unit in the joint actuator of the present invention.
FIG. 12 is an enlarged view of a red solid line area of FIG. 12.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed contents may be thorough and complete, and the spirit of the invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Throughout the specification, the same reference numbers indicate the same elements.

도 1은 본 발명의 탄성기어유닛을 이용한 관절 구동기가 적용될 수 있는 착용형 로봇의 측면 사시도를 도시하며, 도 2는 도 1에 도시된 착용형 로봇의 정면도를 도시한다.1 is a side perspective view of a wearable robot to which a joint actuator using an elastic gear unit of the present invention can be applied, and FIG. 2 is a front view of the wearable robot shown in FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 명세서에서 상기 착용형 로봇(1000)은 장애인, 노약자 또는 환자(이하, '착용자'라 함)의 하체에 착용하여, 보행 동작을 보조하는 로봇일 수 있다. 여기서 보행 동작을 보조한다는 의미는 하체의 운동 기능이 일부 존재하는 착용자의 독립적인 보행을 가능하도록 고관절과 슬관절에 부족한 근력 등을 보전하기 위한 구동력을 제공한다는 의미이다.Referring to FIGS. 1 and 2, in the present specification, the wearable robot 1000 may be a robot that assists walking motion by being worn on the lower body of a disabled person, an elderly person, or a patient (hereinafter, referred to as “wearer”). Here, the meaning of assisting the gait motion means providing a driving force for preserving insufficient muscle strength in the hip and knee joints to enable independent walking of the wearer with some of the lower body's motor functions.

상기 착용형 로봇(1000)은 착용자의 허리 부위에 배치되는 본체(500)와, 상기 본체(500)에서 아래로 연장되어 착용자의 각각의 다리를 지지하는 한 쌍의 다리 유닛(600l, 600r)을 포함할 수 있다. The wearable robot 1000 includes a body 500 disposed at the waist of the wearer, and a pair of leg units 600l and 600r extending downward from the body 500 to support each leg of the wearer. Can include.

여기서, 상기 다리 유닛(600l, 600r)은 고관절과 슬관절에 각각 구비되어 대퇴와 하퇴에 보조 토크를 제공하여 착용자의 독립 보행을 보조할 수 있다.Here, the leg units 600l and 600r are provided at the hip joint and the knee joint, respectively, and provide auxiliary torque to the thigh and lower leg to assist the wearer's independent walking.

따라서, 각각의 다리 유닛(600l, 600r)의 고관절과 슬관절 대응영역에는 구동 토크 제공을 위한 구동장치가 구비될 수 있다. 각각의 구동장치는 탄성부재 등을 매개로 구동력을 출력하는 관절 구동기(100)로 구성될 수 있다. Accordingly, a driving device for providing a driving torque may be provided in a region corresponding to a hip joint and a knee joint of each of the leg units 600l and 600r. Each driving device may be composed of a joint actuator 100 that outputs a driving force through an elastic member or the like.

각각의 다리유닛은 관절 구동기(100a, 100b)와, 각각 관절 구동기(100a, 100b)에 연결되어 착용자의 대퇴와 하퇴를 지지 또는 보조하는 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430) 그리고 하퇴부재(430)과 연결되며 착용자의 발을 지지하는 족지지부(300)를 구비할 수 있다.Each leg unit is connected to the joint actuators 100a and 100b, respectively, and is connected to the joint actuators 100a and 100b to support or assist the wearer's thigh and lower leg, and the femoral and lower leg members 410 and 430, and the lower leg member 430 ) And may be provided with a foot support portion 300 for supporting the wearer's foot.

상기 관절 구동기(100a, 100b)를 착용자의 고관절과 슬관절 관절부위에 각각 설치할 수 있으며, 골반과 대퇴가 만나는 부위에 제1 관절 구동기(100a)가 설치되고, 대퇴와 하퇴 경계의 무릎 부위에 제2 관절 구동기(100b)가 설치될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 착용형 로봇은 착용자의 고관절과 슬관절에만 관절 구동기(100)가 구비되는 예가 도시되었으나, 필요에 따라 발목관절에도 별도의 구동장치를 구비할 수 있다.The joint actuators 100a and 100b may be installed at the hip and knee joints of the wearer, respectively, a first joint actuator 100a is installed at a site where the pelvis and the thigh meet, and a second joint actuator 100a is installed at the knee at the boundary between the thigh and the lower leg. Joint actuator 100b may be installed. In the wearable robot illustrated in FIGS. 1 and 2, an example in which the joint actuator 100 is provided only in the hip and knee joints of the wearer is illustrated, but a separate driving device may be provided for the ankle joint as necessary.

그리고, 각각의 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)에는 착용자의 대퇴와 하퇴를 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)에 고정하기 위한 밴드 등의 형태의 착용부(420)를 구비할 수 있으며, 각각의 관절 구동기(100)에서 제공되는 구동력은 결국 착용부(420)를 통해 착용자의 대퇴 또는 하퇴에 전달되어 독립 보행을 보조하게 될 수 있다.And, each of the femoral member and the lower leg member (410, 430) may be provided with a wearing portion 420 in the form of a band for fixing the wearer's thigh and lower leg to the femoral member and the lower leg member (410, 430), , The driving force provided by each joint actuator 100 may eventually be transmitted to the wearer's thigh or lower leg through the wearing unit 420 to assist independent walking.

각각의 관절에 구비되어 보조력을 제공하는 관절 구동기(100)가 로봇 착용자의 부상을 방지하고 로봇 착용에 따른 압박감 등의 불편함을 느끼지 않고 상황에 따라 정확한 보조력을 제공하기 위해서는 기입력된 보행 보조모드에 따른 프로그램 외에도 착용자의 의사 또는 움직임에 대응하여 착용자의 동작의도를 결정하고 결정된 동작의도에 따라 요구되는 보조력을 제공하는 것이 요구된다.The joint actuator 100 provided in each joint to provide assistive power prevents injury to the wearer of the robot and provides accurate assistance according to the situation without feeling uncomfortable feelings such as pressure caused by wearing the robot. In addition to the program according to the auxiliary mode, it is required to determine the wearer's motion intention in response to the wearer's intention or movement, and to provide the required assisting force according to the determined motion intention.

로봇 착용자의 동작의도를 파악하기 위한 방법으로 로봇 착용자의 근육의 근력 또는 근전도(electromyogram, 筋電圖) 등을 감지하여 감지된 근력 또는 근전도를 사용하여 동작의도를 결정하는 방법이 가능하다. As a method for determining the motion intention of the robot wearer, it is possible to determine the motion intention by detecting the muscle strength or electromyogram (electromyogram) of the robot wearer's muscle and using the detected muscle strength or EMG.

그러 근력 또는 근전도 등을 정밀하게 측정하기 위하여 사용되는 센서는 고가이고, 부피가 크며, 센서의 신호가 노이즈에 매우 민감하기 때문에 착용형 로봇 등의 모바일 환경에서 실용적으로 사용하기에 어려운 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 후술하는 바와 같이 탄성기어유닛을 적용하여 사용자의 움직임을 허용하여 그에 따른 동작의도를 결정하여, 탄성 기어 등의 변형량을 제거하는 방향으로 구동모터(120)를 구동하여, 사용자가 느끼는 기계적 저항을 최소화하면서도 동작의도를 판단하여 그에 따른 보조 구동력을 제공할 수 있다.Such a sensor used to accurately measure muscle strength or EMG is expensive, has a large volume, and since the signal of the sensor is very sensitive to noise, it is difficult to use it practically in a mobile environment such as a wearable robot. Accordingly, the present invention applies the elastic gear unit to allow the user's movement as described later to determine the corresponding motion intention, and drives the driving motor 120 in a direction to remove the amount of deformation of the elastic gear, etc. While minimizing the mechanical resistance felt by the user, it is possible to determine the operation intention and provide an auxiliary driving force accordingly.

이하에서는 상기 착용형 로봇(1000)에 사용되는 본 발명에 따른 관절 구동기(100)와 상기 관절 구동기(100)에 적용이 가능한 본 발명에 따른 착용형 로봇에 대해서 구체적으로 살펴보기로 한다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서 고관절 및 슬관절에 설치되는 관절 구동기(100)는 각각 구동 시점 또는 구동력의 크기는 다를 수 있으나 그 구조의 공통점이 있으므로 이하에서 설명되는 관절 구동기(100)는 고관절 또는 슬관절 영역에 각각 장착될 수 있는 구동장치로 이해되어야 한다.Hereinafter, the joint actuator 100 according to the present invention used in the wearable robot 1000 and the wearable robot according to the present invention applicable to the joint actuator 100 will be described in detail. In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the joint actuator 100 installed in the hip joint and the knee joint may have different driving times or different magnitudes of driving force, but the joint actuator 100 described below has a common structure. It should be understood as a driving device that can be mounted on the hip joint or knee joint area respectively.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 탄성기어유닛이 적용된 관절 구동기(100)의 사시도를 도시한다.3 and 4 are perspective views of the joint actuator 100 to which the elastic gear unit according to the present invention is applied.

상기 관절 구동기(100)는 외관을 형성하는 하우징(110a, 110b)과, 상기 하우징(110a, 110b) 사이에 구비되고 동시에 후술하는 본 발명에 따른 탄성기어유닛을 포함하여 구성되는 구동모듈(도 5 및 도 6 참조)을 구비할 수 있다.The joint actuator 100 is provided between the housings 110a and 110b forming an exterior, and the housings 110a and 110b, and at the same time, a driving module comprising an elastic gear unit according to the present invention described later (Fig. 5 And see FIG. 6).

상기 관절 구동기(100)는 구동모터(120)가 회전축이 하우징 내부의 구동모듈과 연결되도록 하우징 외측에 장착될 수 있다.The joint actuator 100 may be mounted on the outside of the housing so that the driving motor 120 is connected to the driving module inside the housing.

또한, 상기 관절 구동기(100)는 착용형 로봇의 제어부와 별도로 독립적인 컨트롤러 또는 PCB(115)가 장착될 수 있다.In addition, the joint actuator 100 may be equipped with an independent controller or PCB 115 separately from the control unit of the wearable robot.

여기서, 상기 관절 구동기(100)는 상기 관절 구동기(100)의 직동상태를 표시하기 위한 적어도 하나의 LED 등을 포함하는 조명부(미도시)와 상기 관절 구동기(100)의 별도의 동작 제어를 위한 입력부(미도시)를 구비할 수도 있다.Here, the joint actuator 100 includes a lighting unit (not shown) including at least one LED, etc. for displaying the direct motion state of the joint actuator 100 and an input unit for controlling separate motions of the joint actuator 100 (Not shown) may be provided.

상기 관절 구동기(100)는 착용자의 대퇴와 하퇴를 지지 또는 보조하기 위한 도 1 및 도 2의 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)에 체결되는 출력부재(170)을 포함하여 구성될 수 있다.The joint actuator 100 may include an output member 170 fastened to the femoral member of FIGS. 1 and 2 and the lower leg members 410 and 430 for supporting or assisting the wearer's thigh and lower leg.

상기 출력부재(170)는 후술하는 탄성기어유닛의 구동부(도 5 및 도 6 참조)에 체결되는 구성일 수 있다.The output member 170 may be configured to be fastened to a driving unit (refer to FIGS. 5 and 6) of an elastic gear unit to be described later.

이와 같이 구성된 관절 구동기(100)는 착용형 로봇의 고관절 영역과 슬관절 영역에 각각 장착되어 전술한 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)를 구동시켜 보조력을 제공할 수 있다.The joint actuator 100 configured as described above may be mounted in the hip joint region and the knee joint region of the wearable robot, respectively, to drive the aforementioned femoral and lower thigh members 410 and 430 to provide an assistive force.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 탄성기어유닛이 적용된 관절 구동기(100)의 하우징이 제거된 상태를 도시한다.5 and 6 show a state in which the housing of the joint actuator 100 to which the elastic gear unit according to the present invention is applied is removed.

본 발명에 따른 관절 구동기(100)는 회전축(121)을 구비하고, 상기 회전축(121)을 통해 구동력을 제공하는 구동모터(120)와 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)에 체결되어 관절 보조력을 제공하는 출력부재(170)를 구비하여 구성될 수 있으며, 상기 구동모터(120)와 상기 출력부재(170) 사이에 감속 또는 토크 증폭을 위한 적어도 하나의 기어 또는 기어유닛을 구비할 수 있다.The joint actuator 100 according to the present invention has a rotation shaft 121 and is fastened to a driving motor 120 that provides a driving force through the rotation shaft 121 and the femoral and lower leg members 410 and 430 to assist joints. It may be configured with an output member 170 providing force, and at least one gear or gear unit for deceleration or torque amplification may be provided between the drive motor 120 and the output member 170 .

본 발명에 따른 관절 구동기(100)는 구동모터(120)의 회전축에 연결된 구동기어(130)와 상기 구동기어(130)와 연결된 감속기어(140, 150), 상기 감속기어(140, 150)에 연결된 본 발명에 따른 탄성기어유닛(200), 상기 탄성기어유닛(200)에 연결된 출력부재(170)를 포함하여 구성될 수 있다.The joint actuator 100 according to the present invention includes a driving gear 130 connected to the rotation shaft of the driving motor 120, a reduction gear 140, 150 connected to the driving gear 130, and the reduction gear 140, 150. It may be configured to include an elastic gear unit 200 according to the present invention connected, and an output member 170 connected to the elastic gear unit 200.

각각의 기어 또는 기어유닛은 관절 구동기(100)를 구성하는 하우징 내면에 형성된 장착구에 개재되는 다수의 베어링(b) 등이 구비될 수 있다.Each gear or gear unit may be provided with a plurality of bearings (b), etc. interposed in the mounting hole formed on the inner surface of the housing constituting the joint actuator 100.

상기 감속기어(140, 150)는 본 발명에 따른 관절 구동기(100)의 토크 증폭을 위해 복수 개 구비될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기(100)는 제1 감속기어(140) 및 제2 감속기어(150)를 포함할 수 있다.The reduction gears 140 and 150 may be provided in plural to amplify the torque of the joint actuator 100 according to the present invention, and the joint actuator 100 according to an embodiment of the present invention includes a first reduction gear 140 ) And a second reduction gear 150 may be included.

보다 구체적으로, 상기 제1 감속기어(140)는 상기 구동모터(120)의 회전축(121)에 장착된 구동기어(130)에 연결되며 상기 구동기어(130)보다 큰 직경의 제1 대기어부(141) 및 상기 제1 대기어부(141)보다 직경이 감소된 제1 소기어부(142)를 포함할 수 있으며, 상기 제2 감속기어(150)는 상기 제1 감속기어(140)의 제1 소기어부(142)에 연결되며, 상기 제1 소기어부(142)보다 큰 제2 대기어부(151) 및 상기 제2 대기어부(151)보다 직경이 감소된 제2 소기어부(152)를 포함할 수 있다.More specifically, the first reduction gear 140 is connected to the driving gear 130 mounted on the rotation shaft 121 of the driving motor 120 and has a larger diameter than the driving gear 130 ( 141) and a first small gear portion 142 having a diameter smaller than that of the first large gear portion 141, and the second reduction gear 150 is a first scavenging gear of the first reduction gear 140 It is connected to the fisherman 142, and may include a second small gear portion 151 that is larger than the first small gear portion 142 and a second small gear portion 152 having a diameter smaller than that of the second large gear portion 151. have.

상기 제1 감속기어(140) 및 상기 제2 감속기어(150)를 통해 상기 구동모터(120)의 구동력은 증폭되어 후술할 탄성기어유닛(200)에 전달될 수 있으며, 이를 통해 상기 출력부재(170)가 구동되어 상기 착용형 로봇(1000)의 대퇴부재(410) 및 상기 하퇴부재(430)가 착용자의 대퇴부 및 하퇴부 움직임을 보조하도록 구도될 수 있다. 상기 구동모터(120)로부터 기인한 구동력의 자세한 전달 경로는 후술하도록 한다.Through the first reduction gear 140 and the second reduction gear 150, the driving force of the driving motor 120 may be amplified and transmitted to the elastic gear unit 200, which will be described later, through which the output member ( 170) is driven so that the femoral member 410 and the lower leg member 430 of the wearable robot 1000 may be configured to assist the movement of the thigh and lower leg of the wearer. A detailed transmission path of the driving force resulting from the driving motor 120 will be described later.

상기 구동모터(120)는 모터 구동용 PCB(123)가 구비될 수 있고, 상기 PCB(123)에 구동모터(120)의 회전축(121)의 각도, 속도 또는 가속도 등을 측정하기 위한 엔코더(e)가 구비될 수 있다. 본 발명의 관절 구동기 또는 이를 구비하는 착용형 로봇의 제어부는 상기 엔코더(e)의 감지 정보 또는 미리 결정된 보행프로그램에 따라 각각의 관절 구동기(100)를 제어하여 보행 구동모드 또는 후술하는 저저항 동작을 허용하는 '저저항 보조 구동모드'를 제공할 수 있다.The driving motor 120 may be provided with a PCB 123 for driving a motor, and an encoder for measuring the angle, speed, or acceleration of the rotation shaft 121 of the driving motor 120 on the PCB 123 (e ) May be provided. The joint actuator of the present invention or a control unit of a wearable robot having the same controls each joint actuator 100 according to the detection information of the encoder (e) or a predetermined walking program to perform a walking driving mode or a low resistance operation to be described later. Allowable'low resistance auxiliary drive mode' can be provided.

상기 제2 감속기어(150)와 연결되는 본 발명의 탄성기어유닛(200)은 상기 감속기어(150)의 제2 소기어부(152)에 연결된 기어부재(210), 상기 기어부재(210)가 내측에 수용되어 장착되는 구동부재(220)와 기어부재(210) 및 구동부재(220) 사이에 개재되는 탄성부재(230)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 탄성기어유닛(200)에 대한 상세한 설명은 뒤로 미룬다.The elastic gear unit 200 of the present invention connected to the second reduction gear 150 includes a gear member 210 connected to the second small gear part 152 of the reduction gear 150, and the gear member 210 It may be configured to include a driving member 220 accommodated and mounted inside, and an elastic member 230 interposed between the gear member 210 and the driving member 220. Detailed description of the elastic gear unit 200 will be delayed.

상기 탄성기어유닛(200)의 구동부재(220)는 상기 출력부재(170)에 연결되어 구동모터(120)의 구동력을 관절 보조력으로 전달할 수 있다.The driving member 220 of the elastic gear unit 200 is connected to the output member 170 to transmit the driving force of the driving motor 120 as a joint assisting force.

이와 같은 구조에 의하여, 본 발명에 따른 관절 구동기(100)는 상기 탄성부재(230)를 구비한 상기 탄성기어유닛(200)을 구비하여, 상기 구동기어(130) 및 상기 상기 탄성기어유닛(200)은 후술하는 바와 같이 미리 결정된 범위에서 상대적 회전 구동이 가능하고, 상기 구동기어 (130)의 회전축인 구동모터(120)의 회전축(121) 및 상기 탄성기어유닛(200)의 회전축은 평행하게 구성될 수 있다.With such a structure, the joint actuator 100 according to the present invention includes the elastic gear unit 200 having the elastic member 230, and the driving gear 130 and the elastic gear unit 200 ) Is a relative rotation drive within a predetermined range as described later, and the rotation axis 121 of the driving motor 120, which is the rotation axis of the driving gear 130, and the rotation axis of the elastic gear unit 200 are configured to be parallel. Can be.

또한, 상기 탄성기어유닛(200) 또는 상기 출력부재(170)의 회전축 상에 착용자의 움직임에 의한 상기 탄성기어유닛(200) 또는 상기 출력부재(170)의 회전축의 각도, 속도 또는 가속도를 측정하기 위한 엔코더(e)를 포함할 수 있다. 이에 대한 설명은 후술한다.In addition, measuring the angle, speed, or acceleration of the rotation axis of the elastic gear unit 200 or the output member 170 by the movement of the wearer on the rotation axis of the elastic gear unit 200 or the output member 170 It may include an encoder (e) for. This will be described later.

도 7, 8 및 9는 본 발명에 따른 탄성기어유닛(200) 및 출력부재(170)를 도시하며, 도 7은 사시도, 도 8은 측면도, 도 9는 분해사시도이다.7, 8 and 9 show the elastic gear unit 200 and the output member 170 according to the present invention, Figure 7 is a perspective view, Figure 8 is a side view, Figure 9 is an exploded perspective view.

본 발명에 따른 관절 구동기(100)에 구비된 탄성기어유닛(200)은 외주면에 기어산이 형성된 원호 형태의 기어부재(210), 상기 기어부재(210) 내측에 장착되는 장착부(223) 및 상기 장착부(223)와 동축 상에 구비되는 구동부(221)를 구비하는 구동부재(220) 및 상기 기어부재(210)와 구동부재(220)의 장착부(223) 사이에 장착되어 기어부재(210) 및 구동부재(220)의 상대적인 회전을 허용함과 동시에 탄성 복원력을 제공하는 복수 개의 탄성부재(230)를 구비하여 구성될 수 있다.The elastic gear unit 200 provided in the joint actuator 100 according to the present invention includes an arc-shaped gear member 210 having a gear mountain formed on an outer circumferential surface, a mounting part 223 mounted inside the gear member 210, and the mounting part A drive member 220 having a drive unit 221 provided on the coaxial with 223 and mounted between the mounting unit 223 of the gear member 210 and the drive member 220 to drive the gear member 210 and It may be configured with a plurality of elastic members 230 that allow relative rotation of the member 220 and provide an elastic restoring force.

여기서, 상기 기어부재(210)의 측면에는 링형태의 링프레임(r)이 연결될 수 있는데, 상기 링프레임(r)은 후술할 상기 관절 구동기(100)의 작동 형태에 따라 상기 기어부재(210)와 일체로 회전될 수 있으며, 상기 관절 구동기(100)를 구성하는 하우징(100a, 100b) 내의 일 구성과 회전 가능하도록 연결되어, 상기 기어부재(210)의 회전을 지지하도록 기능할 수 있다.Here, a ring-shaped ring frame (r) may be connected to a side surface of the gear member 210, and the ring frame (r) is the gear member 210 according to an operation form of the joint actuator 100 to be described later. It may be rotated integrally with the joint actuator 100 and is connected to be rotatable with one component in the housings 100a and 100b constituting the joint actuator 100, and may function to support the rotation of the gear member 210.

본 명세서의 도면들에 의하면 상기 링프레임(r)이 상기 기어부재(210)와 일체로 형성된 것을 도시하나, 상기 링프레임(r)은 상기 기어부재(210)와 별도로 형성된 후 결합된 구조를 할 수도 있다.According to the drawings of the present specification, the ring frame (r) is formed integrally with the gear member 210, but the ring frame (r) is formed separately from the gear member 210 and then has a combined structure. May be.

상기 기어부재(210)와 상기 구동부재(220)사이에는 상기 탄성부재(230)가 개재되어 미리 결정된 범위에서 상기 기어부재(210) 또는 상기 구동부재(220)의 상대 회전을 허용할 수 있다.The elastic member 230 is interposed between the gear member 210 and the driving member 220 to allow relative rotation of the gear member 210 or the driving member 220 within a predetermined range.

상기 기어부재(210)는 외주면에 기어산이 형성되어 상기 제2 감속기어(150)의 제2 소기어부(152)에서 제공된 구동력이 전달될 수 있다.The gear member 210 may have a gear mountain formed on an outer circumferential surface thereof so that a driving force provided from the second small gear portion 152 of the second reduction gear 150 may be transmitted.

상기 기어부재(210) 내측에 장착되는 상기 구동부재(220)는 상기 기어부재(210) 내측에 장착되는 장착부(223) 및 상기 장착부(223)와 동축 상에서 상기 장착부(223)로부터 돌출되어 형성되어 상기 출력부재(170)와 결합되는 구동부(221)를 포함하여 구성될 수 있다.The drive member 220 mounted inside the gear member 210 is formed to protrude from the mounting portion 223 coaxially with the mounting portion 223 and the mounting portion 223 mounted inside the gear member 210 It may be configured to include a driving unit 221 coupled to the output member 170.

그리고, 상기 기어부재(210)는 내주면에 후술하는 탄성부재(230)의 일단을 지지하기 위한 적어도 하나의 지지부(211)가 내측 방향으로 돌출 구성될 수 있다.In addition, the gear member 210 may have at least one support portion 211 for supporting one end of the elastic member 230 to be described later on an inner peripheral surface of the gear member 210 to protrude inward.

여기서, 상기 탄성부재(230)는 코일 스프링 형태로 구성될 수 있으며, 상기 기어부재(210)의 지지부(211)에는 코일 스프링 형태의 상기 탄성부재(230)의 단부가 삽입되어 고정될 수 있는 적어도 하나의 고정부(211h)가 형성될 수 있다.Here, the elastic member 230 may be configured in the form of a coil spring, and the end portion of the elastic member 230 in the form of a coil spring is inserted into the support part 211 of the gear member 210 and fixed at least. One fixing part 211h may be formed.

상기 구동부재(220)의 장착부(223)와 상기 구동부(221)는 일체로 구성되거나 각각 구성되어 체결되는 구조로 구성될 수도 있다.The mounting portion 223 of the driving member 220 and the driving portion 221 may be integrally configured or each configured to be fastened.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 구동부재(220)의 장착부(223)는 상기 기어부재(210)의 내측에 배치되는 중심부(223c)에서 내주면 방향으로 연장되어, 상기 기어부재(210)의 지지부(211)를 통해 일단이 지지되는 탄성부재(230)의 말단을 지지하도록 적어도 하나의 지지암(223w)이 구비될 수 있다.8, the mounting portion 223 of the driving member 220 extends in the inner circumferential direction from the central portion 223c disposed inside the gear member 210, and the support portion of the gear member 210 At least one support arm 223w may be provided so as to support the end of the elastic member 230 having one end supported through 211.

상기 지지암(223w)은 상기 기어부재(210)의 내주면을 따라 회전 가능하게 장착될 수 있고, 상기 기어부재(210)의 내주면에 상기 구동부재(220)의 지지암(223w)의 회전범위를 제한하기 위한 가이드홈(212)이 형성될 수 있다.The support arm 223w may be rotatably mounted along the inner circumferential surface of the gear member 210, and the rotation range of the support arm 223w of the driving member 220 on the inner circumferential surface of the gear member 210 A guide groove 212 for limiting may be formed.

상기 가이드홈(212)은 상기 구동부재(220)의 회전 범위를 제한하기 위하여 구비될 수 있으며, 상기 구동부재(220)의 회전 범위를 제한하기 위한 단차(212s)가 형성된 안착홈 형태로 구성될 수 있다.The guide groove 212 may be provided to limit the rotation range of the driving member 220, and be configured in the form of a seating groove formed with a step 212s for limiting the rotation range of the driving member 220. I can.

상기 기어부재(210) 및 상기 구동부재(220) 각각의 세부구성과 이들의 결합구조는 다양한 실시예에 따라 변경 가능한데, 도 8을 참고하여 비한정적인 예를 살펴보면 상기 기어부재(210)의 지지부(211)는 3개가 90도 간격으로 구비되고, 상기 구동부재(220)의 지지암(223w)은 2개가 90도 간격으로 구비되어 각각이 상기 기어부재(210)의 상호 인접한 지지부(211) 사이에 배치될 수 있다.The detailed configuration of each of the gear member 210 and the driving member 220 and their coupling structure can be changed according to various embodiments, but a non-limiting example with reference to FIG. 8 is a support part of the gear member 210 Three 211 are provided at intervals of 90 degrees, and two support arms 223w of the driving member 220 are provided at intervals of 90 degrees, respectively, between the mutually adjacent support portions 211 of the gear member 210 Can be placed on

이를 통해, 상기 기어부재(210)의 지지부(211)와 상기 구동부재(220)의 지지암(223w) 사이에는 총 4개의 탄성부재(230)가 개재되어 상기 구동부재(220)의 지지암(223w)의 상기 기어부재(210)의 가이드홈(212) 내측에서의 회전을 허용하되 탄성 복원력을 제공할 수 있다.Through this, a total of four elastic members 230 are interposed between the support part 211 of the gear member 210 and the support arm 223w of the driving member 220 to support the support arm of the driving member 220 ( 223w) of the gear member 210 is allowed to rotate inside the guide groove 212, but an elastic restoring force may be provided.

이러한 탄성 복원력은 능동적인 보행 구동모드 또는 수동적인 저저항 보조 구동모드 모두에서 부드러운 작동감을 제공함과 동시에 발생되는 소음과 진동을 최소화하는 효과를 제공할 수 있다.Such an elastic restoring force may provide a smooth feeling of operation in both an active walking drive mode or a passive low-resistance assist drive mode, and may provide an effect of minimizing noise and vibration generated at the same time.

본 명세서의 도면들에 따르면 상기 탄성기어유닛(200)을 구성하는 탄성부재(230)는 총 4개가 구비되고, 각각의 상기 탄성부재(230)는 독립적으로 개별 구성되는 것을 도시하나, 다른 실시예에 따르면 복수의 상기 탄성부재(230) 중 적어도 일부는 상호 인접한 상기 탄성부재(230)간 상호 연결된 구조를 갖도록 형성될 수 도 있다.According to the drawings of the present specification, a total of four elastic members 230 constituting the elastic gear unit 200 are provided, and each of the elastic members 230 is shown to be individually configured independently, but another embodiment According to the above, at least some of the plurality of elastic members 230 may be formed to have an interconnected structure between the elastic members 230 adjacent to each other.

일 예로서, 도면을 통해 도시하지는 않았으나, 복수 개의 상기 탄성부재(230) 중 적어도 일부의 탄성부재(230)는, 상기 기어부재(210)의 지지부(211) 또는 상기 구동부재(220)의 지지암(223w)을 경유하도록 배치될 수 있으며, 이를 위해, 코일스프링 형태의 상기 탄성부재(230)의 코일의 일부가 상기 기어부재(210)의 지지부(211) 또는 상기 구동부재(220)의 지지암(223w)을 경유할 수 있도록 펴진 상태로 구성될 수 있다.As an example, although not shown through the drawings, at least some of the elastic members 230 of the plurality of elastic members 230 are supported by the support 211 of the gear member 210 or the driving member 220 It may be arranged to pass through the arm 223w, and for this purpose, a part of the coil of the elastic member 230 in the form of a coil spring is supported by the support 211 of the gear member 210 or the driving member 220 It may be configured in an open state to pass through the arm 223w.

이와 같은, 인접한 상기 탄성부재(230)간의 상호 연결된 구조는, 상기 기어부재(210) 또는 상기 구동부재(220)에 대해 보다 안정적인 탄성 복원력을 제공할 수 있으며, 상기 기어부재(210) 및 상기 구동부재(230) 간 결합구조로부터 이탈 가능성을 낮출 수 있다.Such an interconnected structure between the adjacent elastic members 230 may provide a more stable elastic restoring force for the gear member 210 or the driving member 220, and the gear member 210 and the drive It is possible to reduce the possibility of separation from the coupling structure between the members 230.

도 10은 본 발명에 따른 탄성기어유닛(200)의 작동 개념도를 도시한다.10 shows a conceptual diagram of the operation of the elastic gear unit 200 according to the present invention.

상기 탄성기어유닛(200)의 구동부재(220)의 구동부(221)는 상기 출력부재(170)와 연결된다.The driving part 221 of the driving member 220 of the elastic gear unit 200 is connected to the output member 170.

따라서, 착용형 로봇의 착용자가 구동모터가 정지된 상태에서 대퇴 또는 하퇴를 움직여 착용자의 대퇴 또는 하퇴에 착용되는 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430) 및 이에 체결된 출력부재(170)가 반시계 방향으로 θ도 회전하면, 상기 출력부재(170)와 연결된 상기 탄성기어유닛(200)의 구동부재(220)가 반시계 방향으로 θ도 회전될 수 있다.Therefore, the wearer of the wearable robot moves the thigh or lower leg while the driving motor is stopped, and the femoral and lower leg members 410 and 430 and the output member 170 fastened thereto are counterclockwise. When rotated θ degrees in the direction, the driving member 220 of the elastic gear unit 200 connected to the output member 170 may rotate θ degrees in a counterclockwise direction.

도 5 및 도 6에 도시된 본 발명에 따른 관절 구동기(100)에서 상기 탄성기어유닛(200)이 생략된 경우, 구동모터(120)가 구동되지 않는 상태에서는 로봇 착용자가 움직임을 시도하는 경우, 각각의 기어 등의 기계적 저항에 의하여 착용자의 움직임이 불가능하거나 움직임에 상당한 힘이 요구되어 로봇 착용자는 로봇 착용 상태에서 상당한 압박감 또는 불편함을 느끼게 된다.When the elastic gear unit 200 is omitted in the joint actuator 100 according to the present invention shown in FIGS. 5 and 6, when the robot wearer attempts to move in a state in which the driving motor 120 is not driven, Due to the mechanical resistance of each gear, the wearer's movement is impossible or a considerable force is required for the movement, so that the robot wearer feels considerable pressure or discomfort in the state of wearing the robot.

따라서, 본 발명의 관절 구동기(100)는 이와 같은 압박감 또는 불편함을 완화하기 위하여, 착용형 로봇의 구동모터(120)가 구동되어 착용자의 보행을 적극적으로 보조하는 보행 구동모드 외에도 구동모터(120)가 구동되지 않는 상태에서 착용자의 움직임에 따라 수동적으로 보조력을 제공하는 저저항 보조 구동모드에서도 보조력을 제공할 수 있다.Accordingly, the joint actuator 100 of the present invention has a driving motor 120 in addition to a walking driving mode in which the driving motor 120 of the wearable robot is driven to actively assist the wearer's walking in order to alleviate such a feeling of pressure or discomfort. In a state in which) is not driven, the assistive force can be provided even in a low-resistance assist drive mode that passively provides assistive force according to the movement of the wearer.

상기 저저항 보조 구동모드에서 착용자의 움직임에 따라 보조력 제공을 위해서는 먼저 착용형 로봇 착용자의 동작의도를 파악 또는 결정하는 것이 필요하다. In order to provide assistance according to the movement of the wearer in the low-resistance assist driving mode, it is necessary to first identify or determine the motion intention of the wearable robot wearer.

전술한 바와 같이, 사용자의 근력 또는 근전도 등을 정밀하게 측정하기 위한 근력 센서 또는 근전도 센서는 고가이고, 부피가 크며, 센서의 신호가 노이즈에 매우 민감하기 때문에 착용형 로봇 등의 모바일 환경에서 실용적으로 사용하기에 어려운 문제가 있으므로, 본 발명은 탄성기어유닛(200)을 관절 구동기에 적용하고, 로봇 착용자의 어느 정도의 움직임을 허용하며, 움직임 발생시 이를 감지하는 방법으로 저저항 보조 구동모드를 구현한다.As described above, since the muscle strength sensor or the EMG sensor for precisely measuring the user's muscle strength or EMG is expensive, bulky, and the sensor signal is very sensitive to noise, it is practically used in a mobile environment such as a wearable robot. Since there is a problem that is difficult to use, the present invention implements a low-resistance auxiliary drive mode by applying the elastic gear unit 200 to a joint actuator, allowing a certain degree of movement of the robot wearer, and detecting it when movement occurs. .

로봇 착용자가 대퇴 또는 하퇴를 움직이는 경우, 이를 감지하고 구동모터를 구동시켜 해당 움직임 방향으로 대퇴 부재 또는 하퇴 부재를 회전 구동시키는 보조력을 제공하여 저저항 보조 구동모드를 제공할 수 있다.When the robot wearer moves the thigh or lower leg, it is sensed and the driving motor is driven to provide an assisting force for rotating the femoral member or the lower leg member in the corresponding movement direction, thereby providing a low-resistance assist driving mode.

즉, 본 발명은 전술한 관절 구동기(100)의 구동모터(120) 등이 정지된 상태에서 사용자의 동작이 감지되는 경우, 해당 동작의 동작 의도가 있음을 가정하여 감지된 움직임 방향으로 구동모터(120)의 보조력을 제공하는 방법을 사용할 수 있다.That is, in the present invention, when a user's motion is detected while the drive motor 120 of the above-described joint actuator 100 is stopped, it is assumed that the motion of the motion is intended, and the drive motor ( 120) can be used to provide assistance.

착용자의 움직임은 대퇴 부재 또는 하퇴 부재에 연결된 관절 구동기(100)의 출력부재(170)의 움직임 허용을 전제한다.The movement of the wearer is premised on allowing the movement of the output member 170 of the joint actuator 100 connected to the femoral member or the lower leg member.

따라서, 로봇 착용자의 움직임에 따라 출력부재(170)가 회전되면, 상기 출력부재(170)와 연결된 상기 구동부재(220)의 구동부(221)가 회전되므로, 그에 따라 상기 구동부재(220)에 회전 토크(T1)가 인가된다.Therefore, when the output member 170 is rotated according to the movement of the robot wearer, the driving unit 221 of the driving member 220 connected to the output member 170 is rotated, so that the driving member 220 rotates accordingly. Torque T1 is applied.

여기서, 상기 구동부재(220)는 상기 기어부재(210)와 상기 탄성부재(230)를 매개로 연결되고, 상기 구동모터(120)의 기계적 임피던스에 의하여 상기 구동부재(220)에 가해지는 회전 토크(T1)는 상기 구동부재(220)만을 회전시키게 된다.Here, the driving member 220 is connected via the gear member 210 and the elastic member 230, the rotation torque applied to the driving member 220 by the mechanical impedance of the driving motor 120 (T1) rotates only the driving member 220.

이 때 회전되는 상기 구동부재(220)의 장착부(223)를 구성하는 지지암(223w)은 상기 기어부재(210)의 내주면에 단차(212s)가 형성되어 구획된 가이드홈(212) 상에서 미리 결정된 각도 범위에서 θ도 회전하게 된다.At this time, the support arm 223w constituting the mounting portion 223 of the driving member 220 that is rotated has a step 212s formed on the inner circumferential surface of the gear member 210 and is determined in advance on the divided guide groove 212 It rotates θ degrees in the angular range.

상기 지지암(223w)은 상기 기어부재(210) 내주면에 형성된 가이드홈(212) 범위 내에서 회전이 허용될 수 있고, 각각의 상기 탄성부재(230)는 상기 구동부재(220)의 지지암(223w)과 상기 기어부재(210)의 지지부(211) 사이에 각각 장착되어 압축시 팽창 복원력이 발생되고, 인장시 수축 복원력이 발생된다.The support arm 223w may be allowed to rotate within a range of the guide groove 212 formed on the inner circumferential surface of the gear member 210, and each of the elastic members 230 is a support arm of the driving member 220 ( 223w) and the support portion 211 of the gear member 210, respectively, to generate an expansion and restoring force upon compression, and a contraction and restoring force upon tensioning.

따라서, 상기 구동부재(220)의 지지암(223w)과상기 기어부재(210)의 지지부(211) 사이에 각각의 상기 탄성부재(230)가 구비되어 상기 구동부재(220)가 회전된 경우 기어부재(210)의 지지부(211)를 사이에 둔 제1 탄성부재(230a)와 제2 탄성부재(230b)는 각각 수축 복원력과 팽창 복원력이 발생된다.Therefore, when each of the elastic members 230 is provided between the support arm 223w of the driving member 220 and the support part 211 of the gear member 210, when the driving member 220 is rotated, a gear The first elastic member 230a and the second elastic member 230b sandwiching the support part 211 of the member 210 generate a contraction restoration force and an expansion restoration force, respectively.

상기 구동부재(220)와 상기 기어부재(210) 사이에 탄성부재(230)가 개재되므로 착용자는 큰 기계적 저항 대신 탄성 저항력만을 느끼며 관절을 미리 결정된 범위에서 회전시킬 수 있고, 상기 탄성기어유닛(200) 또는 상기 출력부재(170)의 회전축 상에 장착된 엔코더(e)는 그와 같은 회전을 감지하고, 상기 관절 구동기(100) 또는 상기 착용형 로봇(1000)의 제어부는 엔코더(e) 감지정보에 따라 구동모터(120)를 관절의 움직임 방향으로 구동하고, 상기 구동모터(120)의 구동력은 상기 탄성기어유닛(200)의 기어부재(210)에 보조 토크(T2)를 제공하여, 착용자의 움직임을 보조할 수 있다.Since the elastic member 230 is interposed between the driving member 220 and the gear member 210, the wearer can rotate the joint within a predetermined range while feeling only elastic resistance instead of a large mechanical resistance, and the elastic gear unit 200 ) Or the encoder (e) mounted on the rotation axis of the output member 170 detects such rotation, and the control unit of the joint actuator 100 or the wearable robot 1000 is the encoder (e) detection information According to the driving motor 120 is driven in the direction of movement of the joint, and the driving force of the driving motor 120 provides an auxiliary torque T2 to the gear member 210 of the elastic gear unit 200, It can assist in movement.

이러한 저저항 구동모드는 로봇 착용자의 적극적인 보행 구동모드와 달리 착용자의 움직임에 따라 보조력을 제공하는 저저항 보조 구동모드로 각각의 탄성부재(230)의 탄성 변형이 제거되는 방향으로 보조 토크를 제공한다.Unlike the active walking driving mode of the robot wearer, this low-resistance driving mode is a low-resistance auxiliary driving mode that provides assistance according to the movement of the wearer, and provides auxiliary torque in the direction in which elastic deformation of each elastic member 230 is removed. do.

반면, 일반적인 보행 구동모드에서는 착용자의 보행을 적극적으로 보조하기 위하여 상기 기어부재(210)에 구동 토크를 전달하고 상기 탄성부재(230)를 매개로 상기 구동부재(220) 측으로 구동 토크가 전달될 수 있다.On the other hand, in a general walking driving mode, a driving torque may be transmitted to the gear member 210 to actively assist the wearer's walking, and a driving torque may be transmitted to the driving member 220 through the elastic member 230. have.

후자의 보행 구동모드에서 상기 탄성부재(230)의 역할은 상기 구동모터(120)의 비구동 상태에서 로봇 착용자의 움직임을 허용하기 위한 구성이 아닌 동력 또는 토크 전달수단으로 활용되는 것이다.In the latter walking driving mode, the role of the elastic member 230 is used as a power or torque transmission means, not a configuration for allowing the movement of the robot wearer in the non-driving state of the driving motor 120.

이러한 관절 구동기(100)의 저저항 보조 구동이 수행되는 보조 구동모드에서 제공되는 보조토크에 의하여 착용자는 로봇 착용상태에서도 관절 구동기의 저항이 최소화되거나, 더 나아가 몸이 더 가벼워지는 듯한 느낌으로 움직임이 가능할 수 있다.Due to the auxiliary torque provided in the auxiliary driving mode in which the low-resistance auxiliary driving of the joint actuator 100 is performed, the wearer can minimize the resistance of the joint actuator even in the robot wearing state, or, furthermore, move with a feeling that the body becomes lighter. It can be possible.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 관절 구동기(100)는 상기 구동모터(130)가 구동될 경우 로봇의 착용자가 보다 자연스럽고 편안한 움직임을 구현할 수 있는 구조를 채용하며, 상기 구동모터(120)가 구동되지 않은 상태에서도 착용자의 움직임을 허용하기 위하여 상기 탄성기어유닛(200)을 구비하고 상기 탄성기어유닛(200)이 상기 출력부재(170) 측의 움직임을 허용할 수 있는 구조를 채용한다.As described above, according to the present invention, the joint actuator 100 adopts a structure in which the wearer of the robot can realize a more natural and comfortable movement when the driving motor 130 is driven, and the driving motor 120 In order to allow the movement of the wearer even in a non-driving state, the elastic gear unit 200 is provided, and the elastic gear unit 200 adopts a structure capable of allowing movement toward the output member 170.

따라서, 상기 구동모터(130)가 정지된 상태에서 착용자의 움직임이 감지되어, 착용자의 동작의도가 있다고 판단된 경우, 상기 관절 구동기(100) 또는 상기 착용형 로봇(1000)의 제어부는 해당 관절의 관절 구동기(100)의 구동모터(120)를 구동하여 상기 탄성기어유닛(200)을 구성하는 기어부재(210)를 상기 구동부재(220)의 회전방향으로 구동하기 위한 구동토크를 발생시켜 상기 관절 구동기(100)의 기계적 저항 또는 임피던스를 최소화하는 저저항 보조 구동모드를 제공할 수 있으며, 이와 같은 저저항 보조 구동모드는 적극적 보행 구동모드 사이마다 제공될 수도 있다. Therefore, when the movement of the wearer is detected while the driving motor 130 is stopped and it is determined that the wearer's motion intention is determined, the control unit of the joint actuator 100 or the wearable robot 1000 By driving the drive motor 120 of the joint drive unit 100 of, the gear member 210 constituting the elastic gear unit 200 is generated by generating a driving torque to drive the gear member 210 in the rotational direction of the driving member 220 A low resistance auxiliary driving mode that minimizes mechanical resistance or impedance of the joint actuator 100 may be provided, and such a low resistance auxiliary driving mode may be provided between active walking driving modes.

상기 탄성기어유닛(200)의 탄성부재(230)의 탄성 변형량은 상기 관절 구동기(100) 또는 상기 착용형 로봇(1000)의 제어부가 상기 관절 구동기(100)의 적정 토크 인가를 위한 기준을 제공하는 바, 상기 탄성기어유닛(200)은 저저항 구동모드에서 착용자의 보행 의도에 기인한 탄성 변형량이 정확한 수치로서 선형적인 데이터로 변환될 수 있도록 설계될 필요가 있다.The amount of elastic deformation of the elastic member 230 of the elastic gear unit 200 is determined by the control unit of the joint actuator 100 or the wearable robot 1000 providing a reference for applying an appropriate torque to the joint actuator 100. Bar, the elastic gear unit 200 needs to be designed so that the amount of elastic deformation caused by the wearer's walking intention in the low resistance driving mode can be converted into linear data as an accurate value.

착용자의 보행 의도에 따라 상기 출력부재(170)에 토크가 인가되고 상기 탄성기어유닛(200)으로 전달된다면, 상기 제어부는 상기 탄성기어유닛(200)의 탄성부재(230)의 변형량에 대한 적정 토크를 산출하고, 이에 대응되는 토크를 상기 구동모터(130)를 통해 상기 탄성기어유닛(200) 및 상기 출력부재(170)로 전달하게 된다.If torque is applied to the output member 170 and transmitted to the elastic gear unit 200 according to the wearer's walking intention, the control unit provides an appropriate torque for the amount of deformation of the elastic member 230 of the elastic gear unit 200. Is calculated, and the corresponding torque is transmitted to the elastic gear unit 200 and the output member 170 through the driving motor 130.

그러나, 상기 관절 구동기(100)는 상기 구동모터(130), 감속기어들(140,150), 상기 탄성기어유닛(200) 등을 포함하여 구성되며, 다양한 구성들의 상호 결합구조로 인해, 상기 탄성부재(230)의 탄성 변형량 데이터에 오차가 발생될 수 있다.However, the joint actuator 100 is configured to include the drive motor 130, reduction gears 140 and 150, the elastic gear unit 200, etc., and due to the mutual coupling structure of various configurations, the elastic member ( 230) may cause an error in the elastic deformation amount data.

본 발명과 같은 관절 구동기(100)는 상호 결합구조에 있는 다양한 구성들을 포함하므로, 상기 출력부재(170) 및 상기 탄성기어유닛(200) 사이에 개재되는 구성들이 증가하고, 탄성부재를 장착하는 과정에서 탄성부재 자체에 변형을 가해야 하는 경우, 엔코더에 의하여 측정된 데이터와 이를 기초로 계산되는 탄성부재의 추정 변형량과 상기 탄성기어유닛(200)의 탄성부재(230)의 실변형량은 탄성부재의 압축되는 방향 또는 압축이 해제되는 방향의 오차가 증가될 수 있다.Since the joint actuator 100 as in the present invention includes various components in a mutually coupling structure, the components interposed between the output member 170 and the elastic gear unit 200 increase, and the process of mounting the elastic member When the elastic member itself needs to be subjected to deformation, the estimated deformation amount of the elastic member calculated based on the data measured by the encoder and the actual deformation amount of the elastic member 230 of the elastic gear unit 200 are determined by the elastic member. An error in the compression direction or the direction in which compression is released may increase.

이론적으로는 탄성부재는 변형량과 탄성계수에 의하여 탄성력이 결정될 수 있고, 역으로 탄성부재를 매개로 전달되는 토크 또는 힘은 탄성계수와 변형량만으로 결정될 수 있으나, 탄성부재 주변 부품과의 마찰 또는 자체적인 기변형상태 등에 형향을 받아 같은 변형량의 탄성부재에서도 변형량이 증가되는 방향과 감소되는 방향에서 탄성부재를 통해 전달 또는 출력되는 탄성력은 차이가 발생하는 현상을 탄성부재의 이력 현상(hysterisis)이라고 한다.Theoretically, the elastic force of the elastic member can be determined by the amount of deformation and the elastic modulus, and conversely, the torque or force transmitted through the elastic member can be determined only by the elastic modulus and the amount of deformation. A phenomenon in which the difference between the elastic force transmitted or output through the elastic member in the direction in which the amount of deformation increases and the direction in which the amount of deformation decreases even in the elastic member having the same amount of deformation due to the shape of a deformed state or the like occurs is called a hysterisis of the elastic member.

전술한 저저항 보조 구동모드을 보조하기 위한 보조토크(도 10의 T2 참조)의 크기를 결정하기 위해서는 착용자가 로봇의 기계적 저항을 이겨내며 관절을 구동하는 구동토크(도 10의 T1 참조)의 크기를 정확하게 판단할 필요가 있으며, 이를 위하여 탄성부재의 변형 방향에 따른 탄성력의 편차, 즉 이력 현상이 최소화되는 것이 바람직하다.In order to determine the size of the auxiliary torque (see T2 in FIG. 10) for assisting the aforementioned low-resistance auxiliary driving mode, the wearer overcomes the mechanical resistance of the robot and accurately sets the size of the driving torque (see T1 in FIG. 10) to drive the joint. It is necessary to determine, and for this purpose, it is preferable that the variation of the elastic force according to the deformation direction of the elastic member, that is, the hysteresis phenomenon, is minimized.

따라서, 본 발명에 따른 관절 구동기(100)의 경우, 구동모터와 출력부재 사이에 장착되는 예를 들면 제1 감속기어(140) 또는 제2 감속기어(150) 내에 탄성부재(230)를 구비하지 않고 출력부재와 직결된 구동부재(220)와 기어부재(210) 사이에 탄성부재를 개재하여 로봇 착용자의 움직임에 의한 탄성부재(230)의 변형량 오차를 감소시키고, 또한, 상기 탄성부재(230)을 제1 감속기어(140) 또는 제2 감속기어(150)보다 직경이 큰 기어부재(210) 내측에 배치하여 탄성부재가 장착되는 과정에서 탄성부재의 변형량을 줄여, 각각의 탄성부재의 이력 현상에 따른 탄성력 편차를 최소화하였다.Therefore, in the case of the joint actuator 100 according to the present invention, the elastic member 230 is not provided in, for example, the first reduction gear 140 or the second reduction gear 150 mounted between the driving motor and the output member. Without interposing an elastic member between the driving member 220 and the gear member 210 directly connected to the output member to reduce the deformation amount error of the elastic member 230 due to the movement of the robot wearer, and, in addition, the elastic member 230 The first reduction gear 140 or the second reduction gear 150 is disposed inside the gear member 210 having a larger diameter to reduce the amount of deformation of the elastic member in the process of mounting the elastic member, so that the hysteresis phenomenon of each elastic member The deviation of the elastic force according to this was minimized.

이와 같은 구조에 의하여 엔코더에 의하여 감지되는 관절의 회전각 정보를 통한 저저항 보조 구동모드을 보조하기 위한 보조토크(도 10의 T2 참조)의 크기를 정확하게 결정할 수 있도록 하였다.With this structure, it is possible to accurately determine the size of the auxiliary torque (see T2 in FIG. 10) for assisting the low-resistance auxiliary driving mode through rotation angle information of the joint detected by the encoder.

도 11은 본 발명의 관절 구동기에서 탄성기어유닛의 탄성부재의 변형량에 대응되는 구동모터의 토크를 나타낸 실험 데이터이며, 도 12은 도 11의 붉은색 실선 영역(스프링 구간)을 확대하여 도시한 것이다.FIG. 11 is experimental data showing the torque of the driving motor corresponding to the deformation amount of the elastic member of the elastic gear unit in the joint actuator of the present invention, and FIG. 12 is an enlarged view of the red solid line area (spring section) of FIG. .

도 11의 실험은 본 발명에 따른 관절 구동기의 출력부재(170)를 회전되지 않되, 토크(Nm)의 측정이 가능한 토크 측정장치(다이나모미터 등)을 장착하고 구동모터를 작동시켜 구동모터의 엔코더를 통해 구동모터의 회전각에 따른 출력부재에 의해 발생되는 토크를 측정하는 방법으로 수행되었다.In the experiment of FIG. 11, the output member 170 of the joint actuator according to the present invention is not rotated, but a torque measuring device (dynamometer, etc.) capable of measuring the torque (Nm) is installed, and the driving motor is operated to operate the encoder of the driving motor. Through the method of measuring the torque generated by the output member according to the rotation angle of the drive motor.

탄성부재가 압축 또는 신장이 가능한 구간에서는 탄성 변형량에 비례하여 토크가 전달되나, 더 이상의 탄성 변형이 불가능한 구간인 걸림 구간에서는 탄성부재가 탄성거동되지 않고 하나의 강체와 같이 토크 또는 힘을 전달하게 된다.In the section where the elastic member can be compressed or elongated, the torque is transmitted in proportion to the amount of elastic deformation, but the elastic member does not behave elastically in the locking section, which is a section where further elastic deformation is impossible, and torque or force is transmitted like a single rigid body. .

따라서, 이력 현상이 최소화되기 위해서는 스프링 구간에서 변위량(또는 각도)가 증가하는 방향과 감소되는 방향에서의 측정되는 힘의 편차가 최소화되어야 한다.Therefore, in order to minimize the hysteresis phenomenon, the deviation of the measured force in the direction in which the displacement amount (or angle) increases and the direction in which the displacement amount (or angle) increases in the spring section must be minimized.

상기 출력부재(170)는 고정된 상태이므로, 상기 구동모터의 엔코더에서 측정된 측정값은 상기 탄성부재의 변형량(변형각)에 대응되는 것으로 가정할 수 있다.Since the output member 170 is in a fixed state, it may be assumed that the measured value measured by the encoder of the driving motor corresponds to the amount of deformation (deformation angle) of the elastic member.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 탄성기어유닛(200)의 탄성부재(230)가 구동모터의 구동토크에 의하여 변형되는 경우, 상기 탄성부재(230)의 변형 방향에 따른 측정토크의 편차가 크지 않고 대체적으로 선형적인 변화를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 11 and 12, when the elastic member 230 of the elastic gear unit 200 is deformed by the driving torque of the driving motor, the measured torque according to the deformation direction of the elastic member 230 It can be seen that the deviation is not large and a generally linear change can be obtained.

즉, 도 11에서는 편차가 존재하지 않는 것처럼 보이고, 도 12의 확대도에서도 이력 현상(hysterisis)에 따른 밴드 너비가 미세한 수준임을 확인할 수 있으므로 탄성부재의 변형 방향성에 대한 편차가 최소화될 수 있음을 확인할 수 있다. That is, it seems that there is no deviation in FIG. 11, and it can be confirmed that the band width according to hysterisis is at a fine level even in the enlarged view of FIG. 12, so that the deviation in the deformation direction of the elastic member can be minimized. I can.

즉, 코일 스프링을 기어부재 내측에 원호 형태로 장착됨에도 불구하고 기어부재의 외경이 감속기어의 외경보다 비해 크고 출력부재 측에 가깝게 설치되어, 도 12의 확대도에 도시된 바와 같이 탄성부재의 이력 현상이 최소화될 수 있음을 확인할 수 있다.That is, although the coil spring is mounted in an arc shape inside the gear member, the outer diameter of the gear member is larger than the outer diameter of the reduction gear and is installed close to the output member side, and as shown in the enlarged view of FIG. 12, the history of the elastic member It can be seen that the phenomenon can be minimized.

이와 같은 이력 현상 최소화 구조는 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 구동모터 또는 상기 출력부재에 따라 복수 개의 탄성부재는 지지암 등의 위치에 따라 수축과 신장이 각각 발생되므로, 하나의 단일 코일 스프링으로 탄성부재를 구성하는 경우보다 이력 현상이 더 감소되는 것으로 추측된다.As described above with reference to FIG. 10, the hysteresis minimization structure causes contraction and elongation of the plurality of elastic members according to the position of the support arm or the like according to the driving motor or the output member, so that one single coil spring It is estimated that the hysteresis phenomenon is further reduced than the case of configuring the elastic member.

이와 같은 구조로 인해 탄성부재의 변형 방향에 따라 탄성부재를 통해 전달되는 측정 토크가 탄성부재의 변형량(변형 각도)에 대체로 선형적으로 비례하여, 관절 구동기로서 보행 구동모드 또는 저저항 보조 구동모드에서 정확한 전달이 가능할 수 있다.Due to this structure, the measured torque transmitted through the elastic member according to the deformation direction of the elastic member is generally linearly proportional to the deformation amount (deformation angle) of the elastic member, and in the walking driving mode or the low resistance auxiliary driving mode as a joint actuator. Accurate delivery may be possible.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.Although the present specification has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims described below. You will be able to do it. Therefore, if the modified implementation basically includes the elements of the claims of the present invention, all should be considered to be included in the technical scope of the present invention.

100 : 관절 구동기
120 : 구동모터
130 : 구동기어
140 : 제1 감속기어
150 : 제2 감속기어
170 : 출력부재
200 : 탄성기어유닛
210 : 기어부재
220 : 구동부재
230 : 탄성부재
100: joint actuator
120: drive motor
130: drive gear
140: first reduction gear
150: second reduction gear
170: output member
200: elastic gear unit
210: gear member
220: driving member
230: elastic member

Claims (11)

측면에 링 형태의 링프레임이 구비되며, 외주면에 기어산이 형성된 원호 형태의 기어부재;
상기 기어부재 내측에 장착되는 장착부 및 상기 장착부와 동축 상에 구비되는 구동부를 구비하는 구동부재; 및,
상기 기어부재와 구동부재의 장착부 사이에 장착되어 기어부재 또는 구동부재의 상대적인 회전을 허용함과 동시에 탄성 복원력을 제공하는 코일 스프링 형태의 복수 개의 탄성부재;를 구비하며,
상기 기어부재는 내주면에 적어도 하나의 탄성부재의 일단을 지지하기 위한 복수 개의 지지부가 내측 방향으로 돌출 형성되고,
상기 구동부재의 장착부는 상기 기어부재의 내주면 방향으로 연장되어 상기 기어부재의 지지부에 지지되는 각각의 탄성부재의 타단을 지지하기 위한 복수 개의 지지암을 구비하고,
상기 기어부재에 상기 구동부재의 지지암의 회전범위를 제한하기 위한 복수 개의 가이드홈이 상기 지지부가 돌출 형성된 형성되는 기어부재의 내주면 상에 형성되고,
상기 구동부재의 지지암의 외측단은 상기 가이드홈에 안착된 상태로 회전되고, 상기 구동부재의 내측단엔 상기 탄성부재의 상기 타단이 지지되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
A ring-shaped ring frame is provided on a side surface, and a gear member in an arc shape having a gear mountain formed on an outer circumferential surface thereof;
A driving member having a mounting portion mounted inside the gear member and a driving portion disposed coaxially with the mounting portion; And,
And a plurality of elastic members in the form of coil springs mounted between the gear member and the mounting portion of the driving member to allow relative rotation of the gear member or the driving member while providing an elastic restoring force; and
The gear member has a plurality of support portions protruding inwardly for supporting one end of at least one elastic member on an inner peripheral surface,
The mounting portion of the driving member includes a plurality of support arms extending in a direction of an inner circumferential surface of the gear member to support the other end of each elastic member supported by the support portion of the gear member,
In the gear member, a plurality of guide grooves for limiting the rotation range of the support arm of the driving member are formed on the inner circumferential surface of the gear member formed with the support part protruding,
An elastic gear unit, wherein an outer end of the support arm of the driving member is rotated while seated in the guide groove, and the other end of the elastic member is supported at an inner end of the driving member.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 기어부재의 지지부는 3개가 90도 간격으로 구비되고, 상기 구동부재의 지지암은 2개가 90도 간격으로 구비되어 각각이 상기 기어부재의 상호 인접한 지지부 사이에 배치되며, 4개의 탄성부재가 상기 기어부재의 지지부와 상기 구동부재의 지지암 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 탄성 기어유닛.
The method of claim 1,
Three support portions of the gear member are provided at intervals of 90 degrees, and two support arms of the driving member are provided at intervals of 90 degrees, each of which is disposed between mutually adjacent support portions of the gear member, and four elastic members are provided at the Elastic gear unit, characterized in that disposed between the support portion of the gear member and the support arm of the drive member.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
복수 개의 상기 탄성부재 중 적어도 일부의 탄성부재는, 상기 기어부재의 지지부 또는 상기 구동부재의 지지암을 경유하여 배치되도록, 코일의 일부가 펴진 상태로 구성된 것을 특징으로 하는 탄성 기어유닛.
The method of claim 1,
An elastic gear unit, characterized in that at least some of the elastic members of the plurality of elastic members are configured in a state in which a part of the coil is unfolded so as to be disposed via a support part of the gear member or a support arm of the driving member.
구동모터;
상기 구동모터의 회전축에 장착된 구동기어;
상기 구동기어에 연결되며 상기 구동기어보다 큰 직경의 제1 대기어부 및 상기 제1 대기어부보다 직경이 감소된 제1 소기어부를 갖는 제1 감속기어;
상기 제1 감속기어의 제1 소기어부에 연결되며 상기 제1 소기어부보다 큰 직경의 제2 대기어부 및 상기 제2 대기어부보다 직경이 감소된 제2 소기어부를 갖는 제2 감속기어;
상기 제2 감속기어의 제2 소기어부에 기어부재가 연결되는 제1항, 제3항 및 제6항 중 어느 하나의 항의 탄성 기어유닛;
상기 탄성 기어유닛의 구동부재의 구동부에 체결되며, 착용형 로봇의 대퇴 부재 또는 하퇴 부재에 결합되는 출력부재;를 포함하는 관절 구동기.
Drive motor;
A drive gear mounted on the rotation shaft of the drive motor;
A first reduction gear connected to the driving gear and having a first large gear portion having a larger diameter than the driving gear and a first small gear portion having a diameter smaller than that of the first large gear portion;
A second reduction gear connected to a first small gear portion of the first reduction gear and having a second large gear portion having a larger diameter than the first small gear portion and a second small gear portion having a diameter smaller than that of the second large gear portion;
The elastic gear unit of any one of claims 1, 3, and 6, wherein a gear member is connected to the second small gear part of the second reduction gear;
Joint actuator comprising; an output member fastened to the driving part of the driving member of the elastic gear unit and coupled to the thigh member or lower leg member of the wearable robot.
제7항에 있어서,
상기 탄성 기어유닛의 회전축 및 구동모터의 회전축의 각도, 속도 또는 가속도를 측정하기 위한 한 쌍의 엔코더; 및 상기 엔코더에 의하여 감지된 정보 또는 미리 결정된 보행 프로그램에 따라 상기 구동모터를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 구동기.
The method of claim 7,
A pair of encoders for measuring the angle, speed, or acceleration of the rotation shaft of the elastic gear unit and the rotation shaft of the drive motor; And a controller for controlling the drive motor according to information sensed by the encoder or a predetermined walking program.
제8항에 있어서,
상기 제어부는 상기 구동모터를 보행모드에 따라 구동시키고, 상기 구동모터의 구동력은 상기 탄성 기어유닛을 통해 상기 출력부재에 전달되고, 착용자의 보행시 각각의 관절 구동기의 출력부재는 각각의 대퇴부재 또는 하퇴부재의 회전 구동을 보조하여 착용자의 보행을 보조하는 것을 특징으로 하는 관절 구동기.
The method of claim 8,
The control unit drives the driving motor according to the walking mode, the driving force of the driving motor is transmitted to the output member through the elastic gear unit, and when the wearer is walking, the output member of each joint actuator is each femoral member or Joint actuator, characterized in that to assist the wearer's walking by assisting the rotational drive of the lower leg member.
제8항에 있어서,
상기 관절 구동기를 구성하는 모터가 정지된 상태에서 해당 관절 구동기를 구성하는 출력부재가 회전하여 상기 탄성 기어유닛에 구비된 엔코더에 의하여 상기 탄성 기어유닛 또는 상기 출력부재의 회전이 감지되는 경우 상기 제어부는 상기 탄성 기어유닛 또는 상기 출력부재의 회전 방향으로 보조력을 제공하기 위하여 상기 구동모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 관절 구동기.
The method of claim 8,
When the motor constituting the joint driver is stopped and the output member constituting the joint driver rotates and the rotation of the elastic gear unit or the output member is sensed by an encoder provided in the elastic gear unit, the controller A joint actuator, characterized in that driving the drive motor to provide an auxiliary force in the rotational direction of the elastic gear unit or the output member.
제7항에 있어서,
상기 탄성 기어유닛을 구성하는 기어부재의 외경은 상기 제1 감속기어 또는 제2 감속기어의 대기어부의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 관절 구동기.
The method of claim 7,
An outer diameter of a gear member constituting the elastic gear unit is larger than an outer diameter of the large gear portion of the first reduction gear or the second reduction gear.
KR1020190157477A 2019-11-29 2019-11-29 Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same KR102217337B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190157477A KR102217337B1 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190157477A KR102217337B1 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102217337B1 true KR102217337B1 (en) 2021-02-18

Family

ID=74688454

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190157477A KR102217337B1 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102217337B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022250319A1 (en) * 2021-05-27 2022-12-01 주식회사 헥사휴먼케어 Robotic exoskeleton and manual muscle strength support device therefor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101084341B1 (en) * 2011-05-11 2011-11-16 주식회사 엔티리서치 Human power amplification device using force storing means
JP2013237128A (en) * 2012-05-16 2013-11-28 Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd Mechanical stopper device
KR101965070B1 (en) * 2017-10-24 2019-04-02 서강대학교산학협력단 Elastic Structure Body, Elastic Actuator And Wearable Robot Having The Same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101084341B1 (en) * 2011-05-11 2011-11-16 주식회사 엔티리서치 Human power amplification device using force storing means
JP2013237128A (en) * 2012-05-16 2013-11-28 Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd Mechanical stopper device
KR101965070B1 (en) * 2017-10-24 2019-04-02 서강대학교산학협력단 Elastic Structure Body, Elastic Actuator And Wearable Robot Having The Same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022250319A1 (en) * 2021-05-27 2022-12-01 주식회사 헥사휴먼케어 Robotic exoskeleton and manual muscle strength support device therefor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11819428B2 (en) Semi-active robotic joint
Shepherd et al. Design and validation of a torque-controllable knee exoskeleton for sit-to-stand assistance
Zhang et al. Design and experimental verification of hip exoskeleton with balance capacities for walking assistance
Low Robot-assisted gait rehabilitation: From exoskeletons to gait systems
Lee et al. Biomechanical design of a novel flexible exoskeleton for lower extremities
JP5313609B2 (en) Frame structure of wearable motion assist device.
Ishii et al. Stand-alone wearable power assist suit–development and availability–
US10327975B2 (en) Reconfigurable exoskeleton
CN101282696B (en) Motion assistance apparatus and method
KR101965070B1 (en) Elastic Structure Body, Elastic Actuator And Wearable Robot Having The Same
KR100810004B1 (en) Force assistive wearable robot for wearing human body
ITRM20120482A1 (en) ROBOTIC DEVICE FOR ASSISTANCE AND REHABILITATION OF LOWER LIMBS.
JP6556867B2 (en) Performance evaluation apparatus and performance evaluation method for wearable motion assist device
Taha et al. Preliminary investigation on the development of a lower extremity exoskeleton for gait rehabilitation: A Clinical Consideration
KR102217337B1 (en) Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same
CN113070866A (en) Hip exoskeleton walking-aid robot driven by flexible joints
Hasan et al. State of the art technologies for exoskeleton human lower extremity rehabilitation robots
KR102168226B1 (en) Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same
KR102243557B1 (en) Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same
KR101949174B1 (en) Elastic Unit, Elastic Actuator And Wearable Robot Having The Same
JPH07136957A (en) Interface device
Choi et al. Angel-suit: a modularized lower-limb wearable robot for assistance of people with partially impaired walking ability
KR102309407B1 (en) Elastic Structure, Elastic Gear Unit And Joint Actuator Having the Same
KR20220095943A (en) Knee Joint Structure And Wearable Assistance Device Having The Same
KR102490441B1 (en) Elastic Reduction Actuator And Wearable Assistance Device Having The Same

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant