KR101374170B1 - 탄성체와 링크를 이용한 관절토크 보상기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지지판(11) 상에 상부장홈(13)과 하부장홈(14)을 구비하는 상부골격링크(10); 상기 상부골격링크(10)에 관절조인트(25)를 개재하여 연결되는 하부골격링크(20); 및 상기 상부골격링크(10)에 힌지조인트(35)를 개재하여 연결되는 동시에 상기 하부골격링크(20)에 힌지핀(23)을 개재하여 연결되는 탄성체(33)를 구비하는 토크보상수단(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 외골격이 바닥면과 접촉하는 동안에는 큰 토크가 발생하고 외골격이 바닥면과 이격되는 동안에는 발생 토크가 소멸하여 착용로봇의 근력증강 기능을 향상하면서 토크 지속에 의한 모션의 불편을 해소하는 효과가 있다.

Description

탄성체와 링크를 이용한 관절토크 보상기구{Joint torque compensation device using elastic body and link}

본 발명은 탄성체와 링크를 이용한 관절토크 보상기구에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 외골격이 바닥면과 접촉하는 동안에는 큰 토크가 발생하고 외골격이 바닥면과 이격되는 동안에는 발생 토크가 소멸하여 착용로봇의 근력증강 기능을 향상하면서 토크 지속에 의한 모션의 불편을 해소하는 탄성체와 링크를 이용한 관절토크 보상기구에 관한 것이다.

외골격 타입의 착용로봇에 있어서 관절중 동력이 없는 경우 착용자의 편의를 위해 관절부 토크 보상 메커니즘을 적용할 수 있다. 하지만 외력에 의해 발생하는 토크를 보상해 주기 위해 관절에 스프링을 장착할 경우 착용자의 움직임에 방해가 되므로 스프링 강성을 높게 설정할 수 없는 문제가 발생한다.

일예로, 한국 등록특허공보 제1073525호는 중앙고정부; 상기 중앙고정부 하단의 양쪽에 형성된 힌지부분인 고관절부; 상기 고관절부에 체결되는 대퇴골격부; 및 상기 대퇴골격부에 체결되는 상부외골격 및 상기 상부외골격과 회전가능한 무릎관절부로 체결되는 외골격, 및 상기 상부외골격과 상기 하부외골격이 체결되고 인체에 착용하는 무릎보조기를 포함하는 무릎부로 구성되고, 전체 하중을 지면으로 내려주어 착용자가 체감하는 중량감이 감소되는 효과를 기대한다.

이 경우 무릎보조기의 스프링 강성을 높게 유지하면 모션에 불편이 초래되고 낮게 유지하면 중량감 감소의 기능이 저하된다.

다른 예로, 한국 공개특허공보 제2011-0133309호는 회전축을 공유하는 제1관절부재와 제2관절부재를 포함하여 구성되는 관절부; 및 상기 회전축 상에 장착되어 일방향으로만 보상 토크를 발생시키는 로드 밸런서를 포함하고, 상기 로드 밸런서는 상기 제1관절부재에 고정 장착되는 고정부재; 상기 고정부재와 회전가능하게 결합되는 회전부재; 및 상기 고정부재와 회전부재 사이에 회전과 반대 방향으로 보상 토크를 발생시키는 탄성수단을 포함한다. 이에 따라, 다관절 로봇의 관절부에 가해지는 하중에 따라 필요한 토크를 보상 내지 조절할 수 있는 효과를 기대한다.

그러나, 상기 선행특허의 로드 밸런서를 착용로봇에 적용하더라도 착용자의 보행시 토크 지속에 의하여 발생되는 불편감을 해소하기 미흡하다.

1. 한국 등록특허공보 제1073525호 "하지근력지원용 착용형 로봇"(공개일자 : 2010. 7. 21.) 2. 한국 공개특허공보 제2011-0133309호 "토크 보상용 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조"(공개일자 : 2011. 12. 12.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 외골격이 바닥면과 접촉하여 수직하중이 발생하는 경우에는 큰 토크가 발생하고 외골격이 바닥면과 이격되어 수직하중이 사라지면 스프링의 끝단위치가 변화하여 모멘트암이 줄어들어 발생 토크가 작아지는 메커니즘을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 지지판 상에 상부장홈과 하부장홈을 구비하는 상부골격링크; 상기 상부골격링크에 관절조인트를 개재하여 연결되는 하부골격링크; 및 상기 상부골격링크에 힌지조인트를 개재하여 연결되는 동시에 상기 하부골격링크에 힌지핀을 개재하여 연결되는 탄성체를 구비하는 토크보상수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 하부장홈은 수직방향으로 형성되고, 상부장홈은 하부장홈과 경사각을 유지하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 힌지조인트는 상부장홈 상에 미끄럼운동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 관절조인트와 힌지조인트는 연결링크를 개재하여 연동하도록 결합되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 탄성체의 하단을 연결하는 힌지핀은 지지링을 개재하여 높이조절 가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 외골격이 바닥면과 접촉하는 동안에는 큰 토크가 발생하고 외골격이 바닥면과 이격되는 동안에는 발생 토크가 소멸하여 착용로봇의 근력증강 기능을 향상하면서 토크 지속에 의한 모션의 불편을 해소하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 요부를 정면에서 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 요부를 측면에서 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 토크해제 상태를 나타내는 구성도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

외골격 타입 착용로봇은 일반적으로 관절을 기준으로 상부골격링크(10)와 하부골격링크(20)가 연결되는 구조이고 착용자의 모션에 필요한 토크를 발생하여 관절운동을 조력한다. 인간의 보행 주기는 약 60%의 입각기(Stance phase)와 약 40%의 유각기(Swing phase)로 이루어진다. 본 발명의 착용로봇은 입각기에만 토크를 지면으로 전달하여 착용자에게 가해지는 부하를 줄여주는 원리이다.

본 발명의 상부골격링크(10)는 지지판(11) 상에 상부장홈(13)과 하부장홈(14)을 구비하는 구조를 특징으로 한다. 상부골격링크(10)의 하단부에 한 쌍의 지지판(11)이 연장되고, 각각의 지지판(11) 상에 상부장홈(13)과 하부장홈(14)이 형성된다. 하부장홈(14)은 후술하는 관절조인트(25)를 지지하는 부분이고, 상부장홈(13)은 후술하는 힌지조인트(35)를 지지하는 부분이다. 상부장홈(13)과 하부장홈(14)은 2개의 원을 직선으로 연결한 장공 형태로서 양측 원의 중심간 거리는 착용로봇의 규격에 따라 달라지나 10~30㎜ 범위에서 선택함이 적절하다.

또, 본 발명의 하부골격링크(20)는 상기 상부골격링크(10)에 관절조인트(25)를 개재하여 연결된다. 하부골격링크(20)의 상단에 한 쌍의 지지판(21)이 연장되고, 각각의 지지판(21) 상에 관절조인트(25)를 회전 가능하게 지지하는 홀이 형성된다. 관절조인트(25)는 내측에서 하부골격링크(20)의 지지판(21)에 연결되는 동시에 외측에서 상부골격링크(10)의 지지판(11)의 하부장홈(14)에 슬라이딩 가능하게 지지된다.

또, 본 발명에 따르면 토크보상수단(30)이 상기 상부골격링크(10)에 힌지조인트(35)를 개재하여 연결되는 동시에 상기 하부골격링크(20)에 힌지핀(23)을 개재하여 연결되는 탄성체(33)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상부골격링크(10)와 하부골격링크(20)의 사이각도가 변화하면 그에 따라 탄성체(33)에서 토크가 발생하게 되는 구조이다. 하지만 단순히 탄성체(33)로 토크를 발생하는 구조라면 보행시 보상토크가 필요없는 경우에도 토크가 발생하여 착용자가 불편을 느낄 수 있다. 이러한 단점은 탄성체(33)의 상하단을 각각 연결하는 힌지조인트(35)와 힌지핀(23)의 기구학적 배치로 극복할 수 있다.

본 발명의 탄성체(33)는 유체, 기체, 고체(고무 등) 등에서 선택하여 적용할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 하부장홈(14)은 수직방향으로 형성되고, 상부장홈(13)은 하부장홈(14)과 경사각(15)을 유지하도록 형성된다. 하부장홈(14)은 수직방향으로 힌지핀(23)과 동심축 상에 배치된다. 상부장홈(13)은 하부장홈(14)에서 이격된 위치에서 40~50˚ 범위의 경사각(15)을 유지하도록 형성된다. 이는 후술하는 것처럼 보행에 따른 토크 작용시 모멘트 암을 형성하기 위함이다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 힌지조인트(35)는 상부장홈(13) 상에 미끄럼운동 가능하게 지지된다. 힌지조인트(35)는 내측에서 상부골격링크(10)의 지지판(11)의 상부장홈(13)에 슬라이딩 지지되는 동시에 외측에서 탄성체(33)의 상단과 회동 가능하게 연결된다. 탄성체(33)의 탄성력에 의한 토크보상은 힌지조인트(35)가 상부장홈(13)의 상단에 접촉하는 동안 발생된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 관절조인트(25)와 힌지조인트(35)는 연결링크(31)를 개재하여 연동하도록 결합된다. 관절조인트(25)는 하부장홈(14)에서 힌지조인트(35)는 상부장홈(13)에서 미끄럼 운동을 수행하는데, 연결링크(31)를 개재하여 연결되는 구조이므로 동시에 상승 또는 하강된다. 연결링크(31)는 상부골격링크(10)의 지지판(11)과 하부골격링크(20)의 지지판(21)이 연결되는 상태에서 중앙에 위치하도록 배치한다.

조립에 있어서, 도 1처럼 연결링크(31)를 중심으로 양측에 하부골격링크(20)의 지지판(21)이 배치되고, 지지판(21)의 양측으로 상부골격링크(10)의 지지판(11)이 배치되고, 지지판(11)의 외측으로 2개의 탄성체(33)가 배치된다. 상부골격링크(10)와 하부골격링크(20)는 관절조인트(25)를 중심으로 관절운동을 수행하고, 탄성체(33)는 연결링크(31)를 통하여 관절조인트(25) 상으로 보상토크를 작용한다.

작동에 있어서, 도 2의 입각기(Stance phase)는 하부골격링크(20)의 수직방향으로 하중이 작용하면서 관절조인트(25)가 하중에 의해 하부장홈(14)의 상측으로 이동하고 탄성체(33)의 상단에 결합된 힌지조인트(35)가 연결링크(31)에 의하여 연동되어 상부장홈(13)의 상측으로 이동한다. 이와 같은 상태에서 관절조인트(25)의 중심과 탄성체(33)의 축심이 최대로 이격되어 보행 모션 시의 토크를 발생하기 위한 모멘트 암이 길어진다. 도 3의 유각기(Swing phase)는 하부골격링크(20)에 수직방향 하중이 작용하지 않아 관절조인트(25)와 힌지조인트(35)가 중력에 의해 각각 하부장홈(14)과 상부장홈(13)의 하측으로 동시에 이동한다. 이와 같은 상태에서 보행 모션 시의 토크 발생 모멘트 암이 짧아진다.

정리하면 보행 모션시 디딤발 역할을 할 경우에는(수직하중 발생) 보상토크가 발생하여 착용자를 도와주고, 내딛는 발의 역할을 할 경우에는(수직하중 소멸) 발생토크가 작아져서 착용자를 방해하는 힘을 최소화한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 탄성체(33)의 하단을 연결하는 힌지핀(23)은 지지링(22)을 개재하여 높이조절 가능하게 설치된다. 지지링(22)은 하부골격링크(20)에 멈춤볼트(도시 생략) 등으로 고정하고, 지지링(22)의 외주면에 탄성체(33)의 하단을 힌지핀(23)으로 연결한다. 이와 같은 구성에 의하면 지지링(22)의 높이를 가변하여 탄성체(33)의 탄성력을 변동할 수 있다. 착용자의 신체적 특성이나 탄성체(33)의 물리적 특성에 맞도록 보상토크의 조절이 가능하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 상부골격링크 11: 지지판
13: 상부장홈 14: 하부장홈
15: 경사각 20: 하부골격링크
21: 지지판 22: 지지링
23: 힌지핀 25: 관절조인트
30: 토크보상수단 31: 연결링크
33: 스프링 35: 힌지조인트

Claims (5)

1. 지지판(11) 상에 상부장홈(13)과 하부장홈(14)을 구비하는 상부골격링크(10);
   상기 상부골격링크(10)에 관절조인트(25)를 개재하여 연결되는 하부골격링크(20); 및
   상기 상부골격링크(10)에 힌지조인트(35)를 개재하여 연결되는 동시에 상기 하부골격링크(20)에 힌지핀(23)을 개재하여 연결되는 탄성체(33)를 구비하는 토크보상수단(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성체와 링크를 이용한 관절토크 보상기구.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부장홈(14)은 수직방향으로 형성되고, 상부장홈(13)은 하부장홈(14)과 경사각(15)을 유지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 탄성체와 링크를 이용한 관절토크 보상기구.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 힌지조인트(35)는 상부장홈(13) 상에 미끄럼운동 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 탄성체와 링크를 이용한 관절토크 보상기구.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 관절조인트(25)와 힌지조인트(35)는 연결링크(31)를 개재하여 연동하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 탄성체와 링크를 이용한 관절토크 보상기구.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄성체(33)의 하단을 연결하는 힌지핀(23)은 지지링(22)을 개재하여 높이조절 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 탄성체와 링크를 이용한 관절토크 보상기구.

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