KR101388097B1 - 스프링과 선재를 이용한 관절토크 보상기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관절운동을 수행하는 조인트(12)에서 관절토크를 보상하는 기구에 있어서: 보상토크를 받도록 상기 조인트(12) 상에 동축상으로 디스크(25)를 구비하는 상부골격링크(10); 상기 상부골격링크(10)에 회동과 상하운동 가능하게 연결되는 하부골격링크(20); 및 상기 하부골격링크(20)의 하강행정시 디스크(25)와 이격되고, 상승행정시 디스크(25)에 토크를 작용하는 토크보상수단(30);를 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

스프링과 선재를 이용한 관절토크 보상기구{Joint torque compensation device using spring and wire}

본 발명은 스프링과 선재를 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 스프링과 선재를 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 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.

다른 예로, 한국 공개특허공보 제2011-0104781호는 좌우 한 쌍의 제1 조인트 풀리가 각각 외골격 허벅지 프레임과 직동되고 제1 와이어와 연결되며, 상기 제1 와이어에 장력이 주어지면 상기 제1 조인트 풀리와 상기 외골격 허벅지 프레임이 연동하면서 회전하고, 상기 제1 와이어의 장력이 풀리면 상기 제1 조인트 풀리에 설치된 복귀 스프링의 탄성에 의해 복귀운동을 수행한다. 이에 따라, 와이어에 의한 구동력이 한 방향으로만 가해지고 복귀 스프링에 의해 정역회전을 보조받으므로 메커니즘이 단순화되는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행특허는 와이어의 설치 길이가 길고 반드시 엑츄에이터와 연계하여 구동하므로 메커니즘의 단순화에 한계가 있다.

1. 한국 공개특허공보 제2011-0133309호 "토크 보상용 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조"(공개일자 : 2011. 12. 12.) 2. 한국 공개특허공보 제2011-0104781호 "와이어 구동방식 외골격 로봇"(공개일자 : 2011. 9. 23.)

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 관절운동을 수행하는 조인트에서 관절토크를 보상하는 기구에 있어서: 보상토크를 받도록 상기 조인트 상에 동축상으로 디스크를 구비하는 상부골격링크; 상기 상부골격링크에 회동과 상하운동 가능하게 연결되는 하부골격링크; 및 상기 하부골격링크의 하강행정시 디스크와 이격되고, 상승행정시 디스크에 토크를 작용하는 토크보상수단;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 디스크는 외주면의 일부에 걸쳐 치형을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 토크보상수단은 회전 가능하게 지지되는 한 쌍의 롤러와, 롤러에 탄성력을 작용하도록 설치되는 스프링과, 대향하는 롤러 사이에 연결되는 선재를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 스프링은 설정된 각도 범위내에서 롤러의 일방향 회전과 복귀를 유도하도록 연결되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 선재는 외면의 일부에 치형을 구비하는 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 확대하여 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 변형예를 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 작동전후 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. 여기서, 상부골격링크(10)와 하부골격링크(20)는 고관절은 물론 무릎관절을 포함한다.

본 발명에 따른 상부골격링크(10)는 보상토크를 받도록 상기 조인트(12) 상에 동축상으로 디스크(25)를 구비하는 구조를 특징으로 한다. 디스크(25)는 보상토크를 받기 위한 부분으로서 조인트(12)와 동축상으로 설치된다. 조인트(12)는 상부골격링크(10)와 하부골격링크(20)를 연결하여 회전 중심으로서 관절운동을 수행하는 구성을 포함한다.

본 발명에 따른 하부골격링크(20)는 상기 상부골격링크(10)에 회동과 상하운동 가능하게 연결된다. 하부골격링크(20) 상에 장홈(22)을 형성하여 조인트(12)로 연결하면 회동과 더불어 상하운동이 가능하다. 장홈(22)은 2개의 원을 직선으로 연결한 장공 형태로서 양측 원의 중심간 거리는 착용로봇의 규격에 따라 달라지나 5~15㎜ 범위에서 선택함이 적절하다.

본 발명에 따른 토크보상수단(30)은 상기 하부골격링크(20)의 하강행정시 디스크(25)와 이격되고, 상승행정시 디스크(25)에 토크를 작용한다. 상부골격링크(10)와 하부골격링크(20)의 상대적인 거리가 변화하면 그에 따라 토크보상수단(30)에서 토크가 발생하게 되는 구조이다. 하지만 단순히 스프링을 기반으로 토크를 발생하는 구조라면 보행시 보상토크가 필요없는 경우에도 토크가 발생하여 착용자가 불편을 느낄 수 있다. 이러한 단점은 토크보상수단(30)의 기구학적 배치를 기반으로 하는 세부 구성으로 극복할 수 있다.

본 발명의 변형예로서, 상기 디스크(25)는 외주면의 일부에 걸쳐 치형(25a)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 디스크(25)에 형성되는 치형(25a)은 토크보상수단(30)의 선재(38)를 통한 토크 전달효율 향상에 기여한다. 치형(25a)은 선재(38)와 접촉이 유지될 수 있는 범위 내에서 형성한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 토크보상수단(30)은 회전 가능하게 지지되는 한 쌍의 롤러(32)와, 롤러(32)에 탄성력을 작용하도록 설치되는 스프링(34)과, 대향하는 롤러(32) 사이에 연결되는 선재(38)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 한 쌍의 롤러(32)는 장홈(22)을 기준으로 대칭적인 위치에 형성된다. 스프링(34)은 각각의 롤러(32)의 저면에 연결되어 하중을 전달하는 링크 역할을 겸한다. 선재(38)는 일측 롤러(32)와 타측 롤러(32)를 상면에서 감싸도록 설치된다. 이와 같이 토크보상수단(30)은 하부골격링크(20)에 설치되고 선재(38)를 통하여 상부골격링크(10)의 디스크(25)와 접촉된다.

이때, 상기 스프링(34)은 설정된 각도 범위내에서 롤러(32)의 일방향 회전과 복귀를 유도하도록 연결되는 것을 특징으로 한다. 스프링(34)은 하단에서 힌지핀(36)을 개재하여 하부골격링크(20)에 연결되고, 상단에서 힌지핀(36)을 개재하여 롤러(32)에 연결된다. 롤러(32)에 연결되는 힌지핀(36)은 롤러(32)의 하사점에서 다소 편심되도록 위치한다. 이에 따라, 하부골격링크(20)에 하중이 작용하면 스프링(34)의 탄성력으로 양측 롤러(32)의 동시 회전을 유발한다.

도시에는 생략하나, 스프링(34)의 하단에 연결되는 힌지핀(36)은 높이 조절 가능하게 구성하는 것이 좋다. 이와 같은 구성에 의하면 스프링(34)의 탄성력을 변동할 수 있으므로 착용자의 신체적 특성이나 보행로봇의 기구적 특성에 맞도록 보상토크의 조절이 가능하다.

한편, 토크보상수단(30)의 선재(38)는 와이어 또는 밴드 형태를 사용할 수 있으며, 기계적 강도와 함께 내마모성과 미끄럼 저항력이 높은 수지재를 사용하는 것이 바람직하다.

작동에 있어서, 도 3(a)의 입각기(Stance phase)는 하부골격링크(20)의 수직방향으로 하중이 작용하면서 토크보상수단(30)이 상승하여 디스크(25)가 롤러(32)를 가압하고, 스프링(34)이 하중에 의해 압축되면서 롤러(32)의 회전을 유발하여 선재(38)가 이동되고, 이동되는 선재(38)에 의하여 디스크(25)에 보상토크가 작용한다. 도 3(b)의 유각기(Swing phase)는 하부골격링크(20)에 수직방향 하중이 작용하지 않아 토크보상수단(30)이 하강하여 디스크(25)가 롤러(32)에서 이격되고, 롤러(32)가 스프링(34)에 의하여 최초 위치로 복귀하면서 선재(38)가 디스크(25)와 분리되어 디스크(25)에 대한 보상토크가 해제된다.

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 변형예로서, 상기 선재(38)는 외면의 일부에 치형(38a)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 전술한 디스크(25)의 외주면에 치형(25a)을 형성하는 것과 같은 이치로 디스크(25)와 선재(38)의 접촉시 미끄럼 마찰 저항력을 증대하여 토크 전달효율을 높이기 위함이다. 물론 디스크(25)의 치형(25a)과 선재(38)의 치형(38a)을 맞물림 가능한 형태로 구성할 수도 있다.

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 12: 조인트
25: 디스크 25a: 치형
20: 하부골격링크 22: 장홈
30: 토크보상수단 32: 롤러
34: 스프링 36: 힌지핀
38: 선재 38a: 치형

Claims (5)

1. 관절운동을 수행하는 조인트(12)에서 관절토크를 보상하는 기구에 있어서:
   보상토크를 받도록 상기 조인트(12) 상에 동축상으로 디스크(25)를 구비하는 상부골격링크(10);
   상기 상부골격링크(10)에 회동과 상하운동 가능하게 연결되는 하부골격링크(20); 및
   상기 하부골격링크(20)의 하강행정시 디스크(25)와 이격되고, 상승행정시 디스크(25)에 토크를 작용하는 토크보상수단(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스프링과 선재를 이용한 관절토크 보상기구.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 디스크(25)는 외주면의 일부에 걸쳐 치형(25a)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스프링과 선재를 이용한 관절토크 보상기구.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 토크보상수단(30)은 회전 가능하게 지지되는 한 쌍의 롤러(32)와, 롤러(32)에 탄성력을 작용하도록 설치되는 스프링(34)과, 대향하는 롤러(32) 사이에 연결되는 선재(38)를 구비하는 것을 특징으로 하는 스프링과 선재를 이용한 관절토크 보상기구.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 스프링(34)은 설정된 각도 범위내에서 롤러(32)의 일방향 회전과 복귀를 유도하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 스프링과 선재를 이용한 관절토크 보상기구.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 선재(38)는 외면의 일부에 치형(38a)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스프링과 선재를 이용한 관절토크 보상기구.

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