KR101471385B1 - 상지 착용로봇 - Google Patents

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Abstract

사용자의 손목 회전동작이 구현되도록 한 상지 착용로봇이 개시된다.
본 발명에 따른 상지 착용로봇은 적어도 3축 자유도를 가지고 사용자의 어깨에 착용되는 어깨관절부, 상기 어깨관절부에 연결되는 상박부, 상기 상박부에 연결되는 하박부, 상기 상박부와 상기 하박부의 사이에 설치되어 1축 자유도를 가지는 팔꿈치관절부 및 상기 하박부에 설치되어 상기 사용자 손목의 회전동작을 감지하고, 상기 사용자 손목과 함께 회전되는 손목부를 포함하므로, 사용자 손목의 자연스러운 회전동작이 구현되며, 고하중의 물품을 원활하게 이송할 수 있다.

Description

상지 착용로봇{Wearable robot for arms}
본 발명은 상지 착용로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자에게 착용되어 인체의 상지 동작이 구현되도록 하는 상지 착용로봇에 관한 것이다.
착용로봇은 사용자에게 착용되어 인체의 동작이 구현되도록 한 장치이다. 이러한 착용로봇은 거동이 불편한 장애인, 또는 환자의 보조장치 또는 재활장치로 사용되거나, 인체의 근력으로 작업이 불가능한 작업을 수행할 수 있도록 하는 산업분야에 활용되는 등 그 활용범위가 점차 확대되고 있다.
이러한 착용로봇에 대해서는 이미 '대한민국 등록특허 제10-1065420호;상지거동을 위한 착용형 로봇장치'에 의해 개시된 바 있다.
상기 등록특허는 상지 거동을 따라 움직이도록 착용형 방식을 채택하여 인체 움직임을 잘 모사할 수 있도록 한 착용형 로봇장치에 관한 것으로, 인체의 상지에 탈착수단을 매개로 탈부착 가능하며 인체의 어깨 관절과 팔꿈치 관절의 신전/굴곡 동작 및 어깨 관절의 외전/내전 동작이 가능하도록 복수개의 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부로 구성되는 로봇부를 포함한다.
하지만, 상기 등록특허에 따른 착용로봇은 사용자 손목 회전동작의 구현을 위한 구성에 대해 개시하지 않고 있다. 이와 같이 착용로봇에서 사용자 손목 회전동작이 구현되지 않으면 사용자의 동작에 제약이 따르며, 더욱 심각하게는 안전사고로 이어질 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1065420호 (2011. 09. 16. 공고)
본 발명의 목적은 사용자의 손목 회전동작이 구현되도록 한 상지 착용로봇을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 상지 착용로봇은 적어도 3축 자유도를 가지고 사용자의 어깨에 착용되는 어깨관절부, 상기 어깨관절부에 연결되는 상박부, 상기 상박부에 연결되는 하박부, 상기 상박부와 상기 하박부의 사이에 설치되어 1축 자유도를 가지는 팔꿈치관절부 및 상기 하박부에 설치되어 상기 사용자 손목의 회전동작을 감지하고, 상기 사용자 손목과 함께 회전되는 손목부를 포함한다.
상기 손목부는 상기 하박부로부터 이격되어 배치되어 상기 사용자가 파지하는 손잡이, 상기 손잡이에 연결되어 상기 사용자 손목의 회전각도를 감지하는 회전각도 감지유닛 및 상기 회전각도 감지유닛에 감지되는 회전각도에 따라 회전동력을 발생시키는 로터리 액추에이터를 포함할 수 있다.
상기 회전각도 감지유닛은 F/T 센서일 수 있다.
상기 상지 착용로봇은 상기 손목부에 연결되어 소정의 물품을 클램핑하는 클램핑부 및 상기 로터리 액추에이터로부터 발생되는 동력을 상기 클램핑부로 전달하는 동력전달부를 더 포함할 수 있다.
상기 동력전달부는 상기 로터리 액추에이터에 연결되어 상기 로터리 액추에이터에 의해 회전되는 구동풀리, 상기 구동풀리의 측방에 배치되고 상기 클램핑부에 연결되는 종동풀리 및 상기 구동풀리와 상기 종동풀리에 연결되어 동력을 전달하는 벨트를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상지 착용로봇은 사용자 손목의 자연스러운 회전동작이 구현되며, 고하중의 물품을 원활하게 이송할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 상지 착용로봇을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 일부를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 손목부와 클램핑부를 나타낸 분해사시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 제 1회전축을 중심으로 회전되는 어깨관절부의 작동상태를 나타낸 작동도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 제 2회전축을 중심으로 회전되는 어깨관절부의 작동상태 및 제 3회전축을 중심으로 회전되는 팔꿈치관절부의 작동상태를 나타낸 작동도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 제 2로터리 회전축의 중심축을 중심으로 회전되는 클램핑부의 작동상태를 나타낸 작동도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명에 따른 상지 착용로봇에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 상지 착용로봇을 나타낸 사시도이며, 도 2는 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 일부를 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 손목부와 클램핑부를 나타낸 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 상지 착용로봇(100)은 사용자의 어깨에 착용되는 스트랩(112)과, 스트랩(112)에 연결되어 사용자의 등에 지지되는 지지프레임(111)을 포함할 수 있다.
지지프레임(111)의 상단부에는 인체의 어깨관절에 대응되는 어깨관절부(120)가 설치될 수 있다. 어깨관절부(120)는 인체의 어깨관절의 외전(外轉) 및 내전(內轉) 동작이 구현되도록, 적어도 3축 자유도를 가질 수 있다.
즉, 어깨관절부(120)는 제 1회전축(121), 링크프레임(122) 및 제 1리니어 액추에이터(123)를 포함할 수 있다. 제 1회전축(121)은 지지프레임(111)에 교차하는 방향으로 배치되어 지지프레임(111)에 결합될 수 있다. 링크프레임(122)은 제 1회전축(121)을 중심으로 회전가능하게 제 1회전축(121)에 연결될 수 있다. 제 1리니어 액추에이터(123)는 일단부가 링크프레임(122)에 회전가능하게 연결되고, 타단부가 지지프레임(111)에 회전가능하게 연결될 수 있다. 이에, 링크프레임(122)은 제 1리니어 액추에이터(123)의 신축에 따라 제 1회전축(121)을 중심으로 회전될 수 있다.
링크프레임(122)에는 제 1회전축(121)에 교차되는 방향으로 배치되는 제 2회전축(126)이 설치될 수 있다. 제 2회전축(126)에는 제 1로터리 액추에이터(124)가 제 2회전축(126)을 중심으로 회전가능하게 연결될 수 있다. 그리고 링크프레임(122)에는 제 2리니어 액추에이터(125)의 일단부가 회전가능하게 연결되며, 제 1로터리 액추에이터(124)에는 제 2리니어 액추에이터(125)의 타단부가 회전가능하게 연결될 수 있다. 이에, 제 1로터리 액추에이터(124)는 제 2리니어 액추에이터(125)의 신축에 따라 제 2회전축(126)을 중심으로 회될 수 있다.
제 1로터리 액추에이터(124)는 제 2회전축(126)에 교차되는 중심축을 포함한다. 이러한 제 1로터리 액추에이터(124)로는 후술될 제 2로터리 액추에이터와 함께, 이미 본 출원인에 의해 출원된 '대한민국 등록특허 10-0956849;로터리 액추에이터 및 로터리 액추에이터형 관절구조' 에 개시된 로터리 액추에이터가 사용될 수 있다. 따라서 제 1로터리 액추에이터(124)에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이러한 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축에는 인체 상박에 대응되는 상박부(130)가 연결된다. 제 1로터리 액추에이터(124)는 중심축을 중심으로 상박부(130)를 회전시킬 수 있다.
한편, 상박부(130)에는 인체의 하박에 대응되는 하박부(140)가 연결되고, 상박부(130)와 하박부(140)의 사이에는 인체의 팔꿈치관절에 대응되는 팔꿈치관절부(150)가 설치될 수 있다. 팔꿈치관절부(150)는 인체의 팔꿈치관절의 외전 및 내전 동작이 구현되도록 1축 자유도를 가질 수 있다.
즉, 팔꿈치관절부(150)는 제 3회전축(151) 및 제 3리니어 액추에이터(152)를 포함할 수 있다. 제 3회전축(151)은 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축에 교차하는 방향으로 배치되어 상박부(130)와 하박부(140)를 연결하도록 설치될 수 있다. 제 3리니어 액추에이터(152)는 일단부가 상박부(130)에 회전가능하게 연결되고, 타단부가 하박부(140)에 회전가능하게 연결된다. 이에, 하박부(140)는 제 3리니어 액추에이터(152)의 신축동작에 따라 제 3회전축(151)을 중심으로 회전될 수 있다.
한편, 하박부(140)에는 인체의 손목에 대응되는 손목부(160)가 설치되며, 손목부(160)에는 인체의 손에 해당되는 클램핑부(170)가 연결될 수 있다.
손목부(160)는 인체의 손목의 외전 및 내전 동작이 구현되도록 한다. 즉, 손목부(160)는 손목프레임(161), 손잡이(162), 회전각도 감지유닛(163) 및 제 2로터리 액추에이터(164)를 포함할 수 있다. 손목프레임(161)은 일측이 하박부(140)에 지지되고, 타측이 절곡되어 하박부(140)의 내측으로 연장된다. 손목프레임(161)의 타측에는 회전각도 감지유닛(163)이 설치되며, 회전각도 감지유닛(163)에는 손잡이(162)가 연결될 수 있다. 그리고 제 2로터리 액추에이터(164)는 회전각도 감지유닛(163)으로부터 전기신호를 전달받도록 회전각도 감지유닛(163)에 전기적으로 연결될 수 있다. 회전각도 감지유닛(163)으로는 기계적 유연성과 광학식 위치센서 시스템이 조합되어 6자유도의 감지가 가능한 F/T센서(Force-Torque Sensor)가 사용될 수 있다.
이에, 사용자가 손잡이(162)를 파지한 상태에서 손목을 회전시킴에 따라, 손잡이가 회전되고 회전각도 감지유닛(163)은 사용자 손목의 회전각도를 감지한다. 제 2로터리 액추에이터(164)는 회전각도 감지유닛(163)으로부터 전기신호를 전달받고 사용자 손목의 회전각도에 따라 회전작동될 수 있다.
한편, 클램핑부(170)는 손목프레임(161)의 타단부에 설치된다. 클램핑부(170)는 인체의 손과 같이 소정의 물품을 잡는 동작이 구현될 수 있다.
즉, 클램핑부(170)는 서로 반대방향으로 회전동작되는 한쌍의 조(jaw;171)를 포함할 수 있다. 물론, 클램핑부(170)는 한쌍의 조(171)를 서로 반대방향으로 회전동작되도록 하는 링크절, 액츄에이터 등을 더 포함할 수 있으나, 이러한 요소들은 이미 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이러한 클램핑부(170)는 소정의 물품의 클램핑 동작과 더불어, 제 2로터리 액추에이터(164)로부터 동력을 전달받아 사용자 손목의 회전과 함께 회전될 수 있다.
즉, 하박부(140)의 단부와 클램핑부(170)의 사이에는 동력전달부(180)가 배치될 수 있다. 동력전달부(180)는 구동풀리(181), 종동풀리(182) 및 벨트(183)를 포함할 수 있다. 구동풀리(181)는 제 2로터리 액추에이터(164)의 중심축에 연결될 수 있다. 종동풀리(182)는 구동풀리(181)의 측방에 배치되어 클램핑부(170)에 연결될 수 있다. 벨트(183)는 구동풀리(181)와 종동풀리(182)를 연결한다. 이에, 제 2로터리 액추에이터(164)의 회전동작에 따라 구동풀리(181)가 회전되고, 벨트(183)에 연결된 종동풀리(182)로 동력이 전달된다. 종동풀리(182)가 회전됨에 따라 클램핑부(170)가 함께 회전되어 사용자 손목의 회전동작이 클램핑부(170)로 전달될 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 작동에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 제 1회전축을 중심으로 회전되는 어깨관절부의 작동상태를 나타낸 작동도이며, 도 5는 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 제 2회전축을 중심으로 회전되는 어깨관절부의 작동상태 및 제 3회전축을 중심으로 회전되는 팔꿈치관절부의 작동상태를 나타낸 작동도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제 1리니어 액추에이터(123)가 압축되면, 링크프레임(122)이 제 1회전축(121)을 중심으로 외전될 수 있다. 반대로, 제 1리니어 액추에이터(123)가 신장되면, 링크프레임(122)이 제 1회전축(121)을 중심으로 내전될 수 있다.
한편, 제 2리니어 액추에이터(125)가 압축되면, 제 1로터리 액추에이터(124)가 제 2회전축(126)을 중심으로 외전된다. 반대로, 제 2리니어 액추에이터(125)가 신장되면, 제 1로터리 액추에이터(124)가 제 2회전축(126)을 중심으로 내전될 수 있다.
한편, 제 1로터리 액추에이터(124)가 사용자의 몸통 외측 방향으로 회전되면 상박부(130)가 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축을 중심으로 외전될 수 있다. 반대로, 제 1로터리 액추에이터(124)가 역회전되면 상박부(130)가 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축을 중심으로 내전될 수 있다.
이와 같이 어깨관절부(120)는 제 1회전축(121), 제 1회전축(121)에 교차되는 제 2회전축(126) 및 제 2회전축(126)에 교차되는 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축을 중심으로 하는 3자유도가 구현될 수 있다. 물론, 상박부(130), 하박부(140), 팔꿈치관절부(150), 손목부(160) 및 클램핑부(170)는 상술된 어깨관절부(120)의 각 작동에 따라 연동되어 내전 또는 외전될 수 있다.
한편, 제 3리니어 액추에이터(152)가 압축되면, 하박부(140)는 제 3회전축(151)을 중심으로 외전될 수 있다. 반대로, 제 3리니어 액추에이터(152)가 신장되면, 하박부(140)는 제 3회전축(151)을 중심으로 내전될 수 있다.
이와 같이 팔꿈치관절부(150)는 제 3회전축(151)을 중심으로 하는 1자유도가 구현될 수 있다. 물론, 손목부(160) 및 클램핑부(170)는 상술된 팔꿈치관절부(150)의 1자유도 작동에 따라 연동되어 내전 또는 외전될 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 제 2로터리 회전축의 중심축을 중심으로 회전되는 클램핑부의 작동상태를 나타낸 작동도이다.
도 6을 참조하면, 사용자는 손잡이(162)를 파지하고 자신의 손목을 회전시킬 수 있다. 속목이 회전됨에 따라 손잡이(162)가 회전되고, 회전각도 감지유닛(163)은 손잡이(162)의 회전각도를 감지한다. 회전각도 감지유닛(163)은 손잡이(162)의 회전각도를 전기신호로 제 2로터리 액추에이터(164)로 전송한다. 제 2로터리 액추에이터(164)는 회전각도 감지유닛(163)으로부터 전달받은 손잡이(162)의 회전각도를 바탕으로 구동풀리(181)를 회전시킨다. 벨트(183)는 구동풀리(181)의 동력을 종동풀리(182)로 전달한다. 이렇게 종동풀리(182)가 회전되면, 클램핑부(170)가 함께 회전될 수 있다.
이와 같이 손목부(160)는 사용자 손목의 회전각도를 감지하여 제 2로터리 액추에이터(164)을 작동시키고, 동력전달부(180)는 의해 제 2로터리 액추에이터(164)로부터 발생되는 동력을 클램핑부(170)로 전달하여 클램핑부(170)가 회전되도록 한다. 따라서 본 실시예에 따른 상지 착용로봇(100)은 클램핑부(170)가 고하중의 물품을 클램핑하고 있다 하더라도, 사용자 손목의 회전동작이 자연스럽게 구현될 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호 범위에 속하게 될 것이다.
100 : 상지 착용로봇 111 : 스트랩
112 : 지지프레임 120 : 어깨관절부
121 : 제 1회전축 122 : 링크프레임
123 : 제 1리니어 액추에이터 124 : 제 1로터리 액추에이터
125 : 제 2리니어 액추에이터 126 : 제 2회전축
130 : 상박부 140 : 하박부
150 : 팔꿈치관절부 151 : 제 3회전축
152 : 제 3리니어 액추에이터 160 : 손목부
161 : 손목프레임 162 : 손잡이
163 : 회전각도 감지유닛 164 : 제 2로터리 액추에이터
170 : 클램핑부 171 : 조
180 : 동력전달부 181 : 구동풀리
182 : 종동풀리 183 : 벨트

Claims (5)

  1. 적어도 3축 자유도를 가지고 사용자의 어깨에 착용되는 어깨관절부;
    상기 어깨관절부에 연결되는 상박부;
    상기 상박부에 연결되는 하박부;
    상기 상박부와 상기 하박부의 사이에 설치되어 1축 자유도를 가지는 팔꿈치관절부;및
    상기 하박부로부터 이격 배치되어 상기 사용자가 파지하는 손잡이;
    상기 손잡이에 연결되어 상기 사용자 손목의 회전각도를 감지하는 회전각도 감지유닛;및
    상기 회전각도 감지유닛에 감지되는 회전각도에 따라 회전동력을 발생시키는 로터리 액추에이터;
    상기 로터리 액추에이터에 연결되어 소정의 물품을 클램핑하는 클램핑부;및
    상기 로터리 액추에이터로부터 발생되는 동력을 상기 클램핑부로 전달하는 동력전달부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 착용로봇.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 회전각도 감지유닛은 F/T 센서(Force-Torque Sensor)인 것을 특징으로 하는 상지 착용로봇.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 동력전달부는
    상기 로터리 액추에이터에 연결되어 상기 로터리 액추에이터에 의해 회전되는 구동풀리;
    상기 구동풀리의 측방에 배치되고 상기 클램핑부에 연결되는 종동풀리;및
    상기 구동풀리와 상기 종동풀리에 연결되어 동력을 전달하는 벨트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 착용로봇.
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