KR101258094B1 - 근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체 - Google Patents

근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치는, 제1골체 및 상기 제1골체에 회동 가능하게 회동축으로 연결된 제2골체를 포함하는 근력지원로봇에 설치되어 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있도록 토크를 발생하는 장치에 있어서, 상기 제1골체와 상기 제2골체에 각각 고정되는 제1상ㆍ하측 브래킷; 양단이 상기 제1상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며, 상기 제1상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제1실린더; 상기 제1골체와 상기 제2골체에 각각 고정되는 제2상ㆍ하측 브래킷; 및 양단이 상기 제2상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며, 상기 제2상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제2실린더;를 포함하되, 상기 제1ㆍ제2실린더는, 상기 회동축과 상기 제1ㆍ제2하측 브래킷의 상기 힌지를 잇는 제1ㆍ제2연결선 각각에 대한 연결각도가 서로 다르게 설치된다.
본 발명에 의하면, 토크를 발생시키는 액추에이터로서 두 개의 실린더, 제1ㆍ제2실린더가 서로 기울어지게 설치되어 어느 하나의 토크 발생이 크게 저하되는 회동각도 구간에서 다른 하나는 최대 토크를 발생하는 형태로 상호 보완하여 충분한 토크를 발생시킴으로써, 회동각도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 토크 발생이 가능하며, 회동각도 범위 전체에서 최소 요구 토크의 조건을 만족시키기 위해 고가의 고용량 실린더를 구비할 필요가 없으므로 제조 비용을 절감할 수 있고, 장치의 작동 중에 고용량 실린더에 의해 필요 이상의 과도한 에너지가 소모되는 것도 방지할 수 있다.

Description

근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체 {TORQUE GENERATING APPARATUS OF WEARABLE ROBOT FOR ASSISTING MUSCULAR STRENGTH AND ANKLE STRUCTURE OF WEARABLE ROBOT FOR ASSISTING MUSCULAR STRENGTH WITH THE SAME}
본 발명은 근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제1골체에 대한 제2골체의 회동각도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 토크 발생이 가능하고, 그 제조 비용을 절감할 수 있으며, 장치의 작동 중에 소모되는 에너지량도 절감할 수 있는 근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체에 관한 것이다.
일반적으로 착용식 근력지원로봇은 인체의 내골격 구조에 대응되는 외골격 구조의 외형으로 구현되고, 이를 착용한 사용자가 움직이고자 하는 생체 신호, 힘 센서 신호, 근경도 센서 신호 등의 동기 신호를 수신하면, 해당 동기 신호에 대응되는 모터, 유압실린더, 인공근육 등의 액추에이터를 작동시킴으로써, 사용자의 근력을 지원하는 로봇이다.
이러한 근력지원로봇은 크게 사용자의 상반신 근육의 근력을 지원하는 상지 구조물 및 사용자의 하반신 근육의 근력을 지원하는 하지 구조물로 구분되는데, 여기서 하지 구조물의 경우, 사용자의 발, 종아리, 허벅지, 엉덩이에 각각 대응되는 족골체, 하퇴골체, 대퇴골체, 골반체 및 이들을 각각 연결하는 발목 구조체, 무릎 구조체, 고관절 구조체를 포함하여 이루어진다.
여기서 종래의 근력지원로봇의 발목 구조체는 도 1에 도시된 바와 같이, 족골체(20)와 하퇴골체(10)를 연결하는 회동축(30)과 족골체(20)가 하퇴골체(10)에 대해 회동할 수 있도록 족골체(20)에 토크를 인가하는 토크 발생장치(40)로 구성된다.
이 같은 종래의 토크 발생장치(40)는 하퇴골체(10)에 고정되는 상측 브래킷(41), 족골체(20)에 고정되는 하측 브래킷(42) 및 상ㆍ하측 브래킷(41, 42)을 연결하도록 각각 힌지(41-1, 42-1)로 설치되며 선형 구동력을 제공하는 실린더(43)로 이루어진다.
이 실린더(43)가 선형 구동력을 제공하여 상ㆍ하측 브래킷(41, 42)의 간격이 멀어지거나 가까워짐에 따라 족골체(20)에 토크가 인가되어 족골체(20)가 회동축(30)을 중심으로 회동하게 된다.
이러한 실린더(43)에 의한 선형 구동력이 토크로 변환되는 과정에 있어서, 발생되는 토크의 크기는, 회동축(30)과 하측 브래킷(42)의 힌지(42-1)를 잇는 연결선(CL)의 길이 및 상기 하측 브래킷(42)을 통해 연결선(CL)에 90°, 수직으로 인가되는 힘의 크기의 곱으로 산출된다.
그러나 족골체(20)가 하퇴골체(10)에 대해 회동함에 따라 실린더(43)도 힌지(42-1)를 통해 하측 브래킷(42)에 대하여 회동하므로, 연결선(CL)에 인가되는 실린더(43)의 선형 구동력의 방향은 90°보다 커지거나 작아지게 된다. 이렇게 연결선(CL)에 인가되는 선형 구동력의 방향이 90°보다 커지거나 작아지게 되면, 힘의 분해를 통해 분해된 힘 중에서 연결선(CL)에 수직으로 인가되는 힘만 토크 발생에 기여하게 되므로, 실린더(43)에 의해 발생되는 토크의 크기도 감소하게 된다.
도 2는 종래의 근력지원로봇용 토크 발생장치에 의해 발생되는 토크(T')를 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도에 대해 도시한 그래프인데, 연결선(CL)에 인가되는 선형 구동력의 방향이 90°로써 토크의 크기가 가장 큰 회동각도인 0°를 기준으로 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도가 양과 음의 방향으로 커질수록, 전술한 바와 같은 원리에 따라 토크(T')의 크기도 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이처럼 종래의 근력지원로봇용 토크 발생장치는, 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도 범위 내에서 해당 회동각도가 최대 회동각도에 가까워질수록 토크 크기의 낙폭이 매우 커서 최소 요구 토크(Tm)의 조건을 충족하지 못하는 문제점이 있다.
즉, 종래의 근력지원로봇용 토크 발생장치는 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도가 최대 회동각도에 가까워질수록 급격히 토크 발생 효율이 저하되면서 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도 범위 전체에 걸쳐 안정된 토크의 공급을 하지 못하는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 회동각도 범위 전체에서 최소 요구 토크(Tm)의 조건을 충족하는 고용량 실린더를 선정할 경우, 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라, 이 같은 고용량 실린더를 작동시키기 위해서는 에너지도 많이 소모되는 단점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 제1골체에 대한 제2골체의 최대 회동각도 근처에서 현격하게 토크 발생이 저하되는 것을 차단할 수 있고, 고가이면서 작동 중 과도한 에너지를 소모하는 고용량 실린더를 사용하지 않고도 회동각도 범위 전체에서 최소 요구 토크의 조건을 만족시킬 수 있는 근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체를 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치는, 제1골체 및 상기 제1골체에 회동 가능하게 회동축으로 연결된 제2골체를 포함하는 근력지원로봇에 설치되어 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있도록 토크를 발생하는 장치로서, 상기 제1골체와 상기 제2골체에 각각 고정되는 제1상ㆍ하측 브래킷; 양단이 상기 제1상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며, 상기 제1상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제1실린더; 상기 제1골체와 상기 제2골체에 각각 고정되는 제2상ㆍ하측 브래킷; 및 양단이 상기 제2상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며, 상기 제2상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제2실린더;를 포함하되, 상기 제1ㆍ제2실린더는, 상기 회동축과 상기 제1ㆍ제2하측 브래킷의 상기 힌지를 잇는 제1ㆍ제2연결선 각각에 대한 연결각도가 서로 다르게 설치된다.
상기 제1ㆍ제2실린더는, 상기 제1골체에 대한 상기 제2골체의 회동각도가 상기 제1골체에 대한 상기 제2골체의 회동각도 범위의 중심값과 일치하게 상기 제2골체가 위치된 상태에서, 상기 제1실린더의 상기 제1연결선에 대한 연결각도와 상기 제2실린더의 상기 제2연결선에 대한 연결각도의 합이 180°가 되게 설치될 수 있다.
상기 제1골체는 사용자의 종아리에 대응되게 상기 근력지원로봇에 구비되는 하퇴골체이고, 상기 제2골체는 사용자의 발에 대응되게 상기 근력지원로봇에 구비되는 족골체일 수 있다.
상기 제1ㆍ제2실린더는 서로 동일한 실린더로 구비되며, 서로 동일한 크기의 압력이 입력되도록 하나의 서보 밸브를 통해 제어되게 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 근력지원로봇의 발목 구조체는, 사용자가 착용할 수 있게 구비되어 사용자의 근력을 보조하는 근력지원로봇에 설치되며, 사용자의 발에 대응되는 족골체를 사용자의 종아리에 대응되는 하퇴골체에 연결하고 상기 족골체가 상기 하퇴골체에 대해 회동하도록 상기 족골체에 토크를 인가하는 발목 구조체로서, 상기 족골체를 상기 하퇴골체에 회동 가능하게 연결하는 회동축; 및 상기 하퇴골체와 상기 족골체에 각각 고정되는 제1상ㆍ하측 브래킷, 양단이 상기 제1상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며 상기 제1상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 족골체가 상기 하퇴골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제1실린더, 상기 하퇴골체와 상기 족골체에 각각 고정되는 제2상ㆍ하측 브래킷 및 양단이 상기 제2상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며 상기 제2상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제2실린더를 포함하며, 상기 제1ㆍ제2실린더는 상기 회동축과 상기 제1ㆍ제2하측 브래킷의 상기 힌지를 잇는 제1ㆍ제2연결선 각각에 대한 연결각도가 서로 다르게 설치된 토크 발생장치;를 포함한다.
상기 토크 발생장치의 상기 제1ㆍ제2실린더는, 상기 하퇴골체에 대한 상기 족골체의 회동각이 상기 하퇴골체에 대한 상기 족골체의 회동각도 범위의 중심값과 일치하게 상기 족골체가 위치된 상태에서, 상기 제1실린더의 상기 제1연결선에 대한 연결각도와 상기 제2실린더의 상기 제2연결선에 대한 연결각도의 합이 180°가 되게 설치될 수 있다.
이러한 본 발명의 근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체에 의하면, 토크를 발생시키는 액추에이터로서 두 개의 실린더, 즉 제1실린더와 제2실린더가 각각 높은 효율로 토크를 발생시킬 수 있는 구간이 어긋나도록 서로 기울어지게 설치되어, 서로 토크 발생이 크게 저하되는 회동각도 구간에서 상호 보완하여 충분한 토크를 발생시킴으로써, 회동각도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 토크를 발생시킬 수 있다.
특히, 제1골체에 대한 제2골체의 회동각도 범위의 중심값에 해당하는 회동각도를 중심으로 제1ㆍ제2실린더가 각각 최대 효율로 토크를 발생시킬 수 있는 지점이 서로 대칭되도록 제1ㆍ제2실린더가 설치되고, 제1ㆍ제2실린더가 서로 동일한 크기의 압력이 입력되도록 하나의 서보 밸브를 통해 제어되는 서로 동일한 실린더로 구비됨으로써, 회동각도 범위 전체에 걸쳐 최소 요구 토크의 조건을 충족할 수 있게 최적화된 최소 사양의 실린더를 적용할 수 있다.
이렇게 저용량의 실린더를 적용하여 장치를 구현함에 따라, 장치의 제조 비용을 절감할 수 있고, 장치의 작동 중에 소모되는 에너지량도 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 근력지원로봇용 토크 발생장치를 근력지원로봇의 발목 구조체에 설치된 상태로 도시한 측면도,
도 2는 종래의 근력지원로봇용 토크 발생장치에 의해 발생되는 토크를 하퇴골체에 대한 족골체의 회동각도에 대해 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치를 근력지원로봇의 발목 구조체에 설치된 상태로 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치를 근력지원로봇의 발목 구조체에 설치된 상태로 도시한 측면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치를 근력지원로봇의 발목 구조체에 설치된 상태로 도시한 정면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치에 있어서, 하퇴골체에 대한 족골체의 회동각이 하퇴골체에 대한 족골체의 회동각도 범위의 중심값과 일치하게 족골체가 위치된 상태를 도시한 측면도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치에 의해 발생되는 토크를 하퇴골체에 대한 족골체의 회동각도에 대해 도시한 그래프,
도 8과 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치의 동작을 설명하기 위한 측면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, '당업자'라 한다)가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 그 범위가 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체는, 사용자가 착용할 수 있게 인체의 내골격 구조에 대응되는 외골격 구조의 외형으로 구비됨으로써 사용자의 근력을 보조하는 근력지원로봇에 설치되어, 근력지원로봇의 제1골체에 대해 제2골체가 회동될 수 있도록 안정적으로 토크를 발생하는 장치 및 이를 구비한 발목 구조체에 관한 것이다.
이하의 바람직한 실시예에서는, 본 발명에 따른 근력지원로봇용 토크 발생장치(이하, 줄여서 '토크 발생장치'라 한다)가 근력지원로봇의 발목 구조체에 적용되어, 제1골체가 하퇴골체이며 제2골체가 족골체인 경우를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명에 따른 토크 발생장치의 설치 위치가 이에 한정되는 것은 아니며, 근력지원로봇의 무릎 구조체, 주관절 구조체, 고관절 구조체 등 다양한 위치에 적용, 설치될 수 있음을 밝혀둔다.
이하, 첨부된 도 3 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근력지원로봇의 발목 구조체의 구성 및 작용효과를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발목 구조체는 회동축(100) 및 토크 발생장치(200)를 포함하여 이루어진다.
상기 회동축(100)은 사용자의 발에 대응되는 족골체(20)를 사용자의 종아리에 대응되는 하퇴골체(10)에 회동 가능하게 연결하는 구성요소이다.
상기 토크 발생장치(200)는 족골체(20)가 하퇴골체(10)에 대해 회동 가능하도록 토크를 발생시켜 족골체(20)를 회동시키는 역할을 한다. 이를 위해 상기 토크 발생장치(200)는 제1상측 브래킷(210a), 제1하측 브래킷(210b), 제1실린더(220), 제2상측 브래킷(230a), 제2하측 브래킷(230b) 및 제2실린더(240)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1상ㆍ하측 브래킷(210a, 210b)은 하퇴골체(10)와 족골체(20)에 각각 고정되어 제1실린더(220)를 지지하며, 제1실린더(220)에서 발생하는 힘을 족골체(20)에 전달한다.
상기 제1실린더(220)는 그 양단이 제1상ㆍ하측 브래킷(210a, 210b)에 각각 힌지(221, 222)로 설치되며, 제1상ㆍ하측 브래킷(210a, 210b)의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공한다.
이렇게 제1실린더(220)에 의해 제공되는 선형 구동력으로써 토크가 발생하여 족골체(20)가 회동축(100)을 중심으로 하퇴골체(10)에 대해 회동하게 된다.
상기 제2상ㆍ하측 브래킷(230a, 230b)은 제1상ㆍ하측 브래킷(210a, 210b)에 각각 인접되게 하퇴골체(10)와 족골체(20)에 고정되어 제2실린더(240)를 지지하며, 제2실린더(240)에서 발생하는 힘을 족골체(20)에 전달한다.
상기 제2실린더(240)는 그 양단이 제2상ㆍ하측 브래킷(230a, 230b)에 각각 힌지(241, 242)로 설치되며, 제2상ㆍ하측 브래킷(230a, 230b)의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공한다.
이처럼 제2실린더(240)에 의해 제공되는 선형 구동력으로써 발생한 토크는 제1실린더(220)에 의한 토크와 함께 족골체(20)를 회동축(100)을 중심으로 회동시키게 된다.
한편, 상기 제1ㆍ제2실린더(220, 240)는 도 5에 도시된 바와 같이, 정면에서 바라볼 때에는 서로 나란하게 설치되지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 회동축(100)의 길이방향인 측면에서 바라볼 때에는 서로 기울어진 상태로 설치된다.
동역학적으로 주지되다시피, 선형 구동력이 회동축(100)을 중심으로 토크로 변환되는 과정에 있어서, 발생되는 토크의 크기는 회동축(100)으로부터 선형 구동력이 인가되는 작용점까지의 연결선의 길이 및 연결선에 대해 수직으로 작용점에 인가되는 힘의 크기의 곱으로 산출된다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1실린더(220)에 의해 발생되는 토크의 크기는, 회동축(100)으로부터 제1실린더(220)와 제1하측 브래킷(210b)을 연결하는 힌지(222)를 잇는 제1연결선(CL1)의 길이 및 제1연결선(CL1)에 대해 수직으로 힌지(222)에 인가되는 힘의 크기의 곱으로 산출되고, 제2실린더(240)에 의해 발생되는 토크의 크기는, 회동축(100)으로부터 제2실린더(240)와 제2하측 브래킷(230b)을 연결하는 힌지(242)를 잇는 제2연결선(CL2)의 길이 및 제2연결선(CL2)에 대해 수직으로 힌지(242)에 인가되는 힘의 크기의 곱으로 산출된다.
그런데 족골체(10)가 하퇴골체(20)에 대해 회동함에 따라 제1ㆍ제2실린더(220, 240)도 힌지(222, 242)를 통해 각각 제1ㆍ제2하측 브래킷(210b, 230b)에 대해 회동하므로, 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 제1ㆍ제2연결선(CL1, CL2)에 대해 수직으로 인가하는 힘의 크기가 변경된다.
보다 구체적으로는 제1ㆍ제2연결선(CL1, CL2)에 대한 제1ㆍ제2실린더(220, 240)의 연결 각도가 각각 90°일 때, 제1ㆍ제2실린더(220, 240)에 의한 선형 이송력이 모두 토크 발생에 기여하게 되므로 최대 토크가 발생하고, 제1ㆍ제2연결선(CL1, CL2)에 대한 제1ㆍ제2실린더(220, 240)의 연결 각도가 90°보다 커지거나 작아짐에 따라 최대 토크보다 작은 토크가 발생하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토크 발생장치(200)는 회동축(100)의 길이방향인 측면에서 바라볼 때에는 서로 기울어진 상태로 설치되므로, 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도가 서로 다른 곳에서 각각 최대 토크를 발생하게 된다.
다시 말해, 제1실린더(220)에 의해 발생하는 토크가 최대 토크보다 크게 작아졌을 때에는 제2실린더(240)에 의해 발생되는 토크가 최대 토크가 되고, 제2실린더(240)에 의해 발생되는 토크가 최대 토크보다 크게 작아졌을 때에는 제1실린더(220)에 의해 발생하는 토크가 최대 토크가 되도록, 기구학적으로 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 기울어지게 설치됨으로써, 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 상호 보완하여 충분한 토크를 발생시켜 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 토크가 발생할 수 있다.
한편, 상기 제1ㆍ제2실린더(220, 240)는, 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도 범위의 중심값에 해당하는 회동각도를 중심으로 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 각각 최대 효율로 토크를 발생시킬 수 있는 지점이 서로 대칭되도록 설치되고, 서로 동일한 사양의 실린더로 구비되어 서로 동일한 크기의 압력이 입력되도록 하나의 서보 밸브(미도시)를 통해 제어되는 것이 가장 바람직하다.
이하, 그 이유를 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토크 발생장치(200)에 의해 발생되는 토크를 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도(α)에 대해 도시한 그래프이다.
우선, 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도(α)를 족골체(20)의 바닥면이 수평인 경우를 0°라고 하고, 족골체(20)가 회동될 수 있는 범위, 즉 상기 회동각도(α)의 범위가 -20°~ 40°라고 할 때, 회동각도(α) 범위의 중심값은 10°가 된다.
그리고 제1ㆍ제2실린더(220, 240)는, 제1ㆍ제2실린더(220, 240)에 의한 토크(T1, T2)가 각각 최대인 지점이 족골체(20)의 회동각도(α)가 각각 25°와 -5°인 곳이 되게 설치되고, 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 하나의 서보 밸브를 통해 제어되어 서로 동일한 크기의 압력이 입력됨에 따라 그 선형 이송력의 출력이 동일하므로, 토크 발생장치(200)에 의한 출력 토크(Tt)는 제1ㆍ제2실린더(220, 240)에 의한 토크(T1, T2)의 합으로써, 족골체(20) 회동각도(α)가 10°인 지점에 최대치를 가지면서 회동각도(α)가 10°인 지점을 기준으로 대칭된 완만한 곡선을 이루는 것을 확인할 수 있다.
따라서 족골체(20)의 최대 회동각도(α)인 25°와 -5°지점에서 출력 토크(Tt)가 최소 요구 토크(Tm)보다 크게, 최소 용량의 실린더를 제1ㆍ제2실린더(220, 240)로써 적용할 수 있다.
만일, 이처럼 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 최대 토크를 발생하는 지점이 회동각도(α) 범위의 중심에 대칭되지 않게 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 설치되면, 족골체(20)의 최대 회동각도(α)인 25°와 -5°지점 중 어느 하나의 지점은 출력 토크(Tt)가 최소 요구 토크(Tm)보다 크지만, 다른 하나의 지점은 작아질 수 있으므로, 어느 하나의 지점이 이미 최소 요구 토크(Tm) 조건을 충족했음에도 불구하고 다른 하나의 지점이 최소 요구 토크(Tm) 조건을 만족시키기 위해 더 높은 용량의 실린더를 적용해야 하므로 바람직하지 않은 것이다.
상술한 바와 같은 바람직한 제1ㆍ제2실린더(220, 240)의 설치 조건을 도 6을 참조하여 수식으로 나타내면, 제1실린더(220)의 제1연결선(CL1)에 대한 연결각도를 θ1이라 하고, 제2실린더(240)의 제2연결선(CL2)에 대한 연결각도를 θ2라 할 때, 도 6에 도시된 바와 같이 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도(α)가 족골체의 회동각도(α) 범위의 중심값과 일치하게 족골체(20)가 위치된 상태에서, θ1 + θ2 = 180°의 수식을 만족하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에는, 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도(α)의 범위가 -20°~ 40°가 되게 구현되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 하퇴골체(10)에 대한 족골체(20)의 회동각도(α)의 범위가 -40°~ 40°가 되게 구현될 수도 있으며, 이때 족골체(20)의 회동각도(α) 범위 중심값은 0°이므로 족골체(20)의 바닥면이 수평인 상태에서 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 서로 기울어지게 구비되되, θ1 + θ2 = 180°의 수식을 만족하도록 설치된다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근력지원로봇의 발목 구조체의 동작 및 사용 상태를 구체적으로 설명한다.
먼저, 소정의 제어부가 센서를 통해 사용자가 족골체(20)를 하퇴골체(10)에 대해 상측(α가 커지는 방향)으로 회동시키려는 생체 신호 등과 같은 동기 신호를 수신하면, 서보 밸브를 통해 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 족골체(20)의 회동각도(α)가 커지는 방향으로 토크를 발생시켜 족골체(20)에 인가한다.
그러면 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 족골체(20)의 전단이 하측에 대해 들리는 형태로 족골체(20)가 회동되는데, 이렇게 족골체(20)가 회동됨에 따라 제1실린더(220)의 제1연결선(CL1)에 대한 연결각도(θ1)는 90°를 넘어서 점점 증가하게 되고, 이에 따라 제1실린더(220)에 의한 토크(T1)는 감소하게 된다.
그러나 이에 반해서 제1실린더(220)에 대해 기울어지게 설치된 제2실린더(240)의 제2연결선(CL2)에 대한 연결각도(θ2)는 더 90°에 가깝게 증가하게 되고, 이에 따라 제2실린더(240)에 의한 토크(T2)는 증가하면서, 제1실린더(220)에 의한 토크(T1)의 감소분을 효과적으로 보충함으로써, 안정적인 출력 토크(Tt)가 발생된다.
다음, 상기 제어부가 센서를 통해 사용자가 족골체(20)를 하퇴골체(10)에 대해 하측(α가 작아지는 방향)으로 회동시키려는 동기 신호를 수신하면, 서보 밸브를 통해 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 족골체(20)의 회동각도(α)가 작아지는 방향으로 토크를 발생시켜 족골체(20)에 인가한다.
그러면 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 족골체(20)의 전단이 하측으로 내려가는 형태로 족골체(20)가 회동되는데, 이렇게 족골체(20)가 회동됨에 따라 제2실린더(240)의 제2연결선(CL2)에 대한 연결각도(θ2)는 90°보다 작게 점점 감소하게 되고, 이에 따라 제2실린더(240)에 의한 토크(T2)는 감소하게 된다.
그러나 이에 반해서 제2실린더(240)에 대해 기울어지게 설치된 제1실린더(220)의 제1연결선(CL1)에 대한 연결각도(θ1)는 더 90°에 가깝게 증가하게 되고, 이에 따라 이번에는 제1실린더(220)에 의한 토크(T1)가 증가하면서, 제2실린더(240)에 의한 토크(T2)의 감소분을 효과적으로 보충함으로써, 역시 안정적인 출력 토크(Tt)가 발생된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 토크 발생장치(200) 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체에 의하면, 토크를 발생시키는 액추에이터로서 두 개의 실린더, 제1ㆍ제2실린더(220, 240)가 서로 기울어지게 설치되어 어느 하나의 토크 발생이 크게 저하되는 회동각도 구간에서 다른 하나는 최대 토크를 발생하는 형태로 상호 보완하여 충분한 토크를 발생시킴으로써, 회동각도 범위 전체에 걸쳐 안정적인 토크 발생이 가능하며, 회동각도 범위 전체에서 최소 요구 토크의 조건을 만족시키기 위해 고가의 고용량 실린더를 구비할 필요가 없으므로 제조 비용을 절감할 수 있고, 장치의 작동 중에 고용량 실린더에 의해 필요 이상의 과도한 에너지가 소모되는 것도 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부되어 있는 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
＊ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 회동축 200 : 토크 발생장치
210a : 제1상측 브래킷 210b : 제1하측 브래킷
220 : 제1실린더 221, 222, 241, 242 : 힌지
230a : 제2상측 브래킷 230b : 제2하측 브래킷
240 : 제2실린더 10 : 하퇴골체(제1골체)
20 : 족골체(제2골체)
CL1 : 제1연결선
CL2 : 제2연결선
α : 족골체의 회동각도
θ1 : 제1실린더의 제1연결선에 대한 연결각도
θ2 : 제2실린더의 제2연결선에 대한 연결각도
T1 : 제1실린더에 의한 토크
T2 : 제2실린더에 의한 토크
Tt : 토크 발생장치에 의한 출력 토크
Tm : 최소 요구 토크
T' : 종래의 단일 실린더에 의한 토크

Claims (6)

  1. 제1골체 및 상기 제1골체에 회동 가능하게 회동축으로 연결된 제2골체를 포함하는 근력지원로봇에 설치되어 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있도록 토크를 발생하는 장치에 있어서,
    상기 제1골체와 상기 제2골체에 각각 고정되는 제1상ㆍ하측 브래킷;
    양단이 상기 제1상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며, 상기 제1상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제1실린더;
    상기 제1골체와 상기 제2골체에 각각 고정되는 제2상ㆍ하측 브래킷; 및
    양단이 상기 제2상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며, 상기 제2상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 제2골체가 상기 제1골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제2실린더;를 포함하되,
    상기 제1ㆍ제2실린더는, 상기 회동축과 상기 제1ㆍ제2하측 브래킷의 상기 힌지를 잇는 제1ㆍ제2연결선 각각에 대한 연결각도가 서로 다르게 설치된 것을 특징으로 하는 근력지원로봇용 토크 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1ㆍ제2실린더는,
    상기 제1골체에 대한 상기 제2골체의 회동각도가 상기 제1골체에 대한 상기 제2골체의 회동각도 범위의 중심값과 일치하게 상기 제2골체가 위치된 상태에서, 상기 제1실린더의 상기 제1연결선에 대한 연결각도와 상기 제2실린더의 상기 제2연결선에 대한 연결각도의 합이 180°가 되게 설치되는 것을 특징으로 하는 근력지원로봇용 토크 발생장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1골체는 사용자의 종아리에 대응되게 상기 근력지원로봇에 구비되는 하퇴골체이고,
    상기 제2골체는 사용자의 발에 대응되게 상기 근력지원로봇에 구비되는 족골체인 것을 특징으로 하는 근력지원로봇용 토크 발생장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1ㆍ제2실린더는 서로 동일한 실린더로 구비되며,
    서로 동일한 크기의 압력이 입력되도록 하나의 서보 밸브를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 근력지원로봇용 토크 발생장치.
  5. 사용자가 착용할 수 있게 구비되어 사용자의 근력을 보조하는 근력지원로봇에 설치되며, 사용자의 발에 대응되는 족골체를 사용자의 종아리에 대응되는 하퇴골체에 연결하고 상기 족골체가 상기 하퇴골체에 대해 회동하도록 상기 족골체에 토크를 인가하는 발목 구조체에 있어서,
    상기 족골체를 상기 하퇴골체에 회동 가능하게 연결하는 회동축; 및
    상기 하퇴골체와 상기 족골체에 각각 고정되는 제1상ㆍ하측 브래킷, 양단이 상기 제1상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며 상기 제1상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 족골체가 상기 하퇴골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제1실린더, 상기 하퇴골체와 상기 족골체에 각각 고정되는 제2상ㆍ하측 브래킷 및 양단이 상기 제2상ㆍ하측 브래킷에 각각 힌지로 설치되며 상기 제2상ㆍ하측 브래킷의 간격을 넓히거나 좁히는 선형 구동력을 제공하여 상기 족골체가 상기 하퇴골체에 대해 회동될 수 있게 토크를 발생하는 제2실린더를 포함하며, 상기 제1ㆍ제2실린더는 상기 회동축과 상기 제1ㆍ제2하측 브래킷의 상기 힌지를 잇는 제1ㆍ제2연결선 각각에 대한 연결각도가 서로 다르게 설치된 토크 발생장치;
    를 포함하는 근력지원로봇의 발목 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 토크 발생장치의 상기 제1ㆍ제2실린더는,
    상기 하퇴골체에 대한 상기 족골체의 회동각이 상기 하퇴골체에 대한 상기 족골체의 회동각도 범위의 중심값과 일치하게 상기 족골체가 위치된 상태에서, 상기 제1실린더의 상기 제1연결선에 대한 연결각도와 상기 제2실린더의 상기 제2연결선에 대한 연결각도의 합이 180°가 되게 설치되는 것을 특징으로 하는 근력지원로봇의 발목 구조체.
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