KR101619297B1 - 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리 - Google Patents

충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지면으로부터 착용자 또는 착용로봇으로 전달되는 충격을 흡수할 수 있고, 지면반발력의 크기와 작용점 위치를 측정할 수 있는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리는, 착용자의 발바닥과 착용로봇(R)의 발부위 사이에 적어도 하나이상 설치되고, 상기 착용로봇(R)의 발부위가 지면과 접촉할 때, 상기 착용자의 발바닥과 상기 착용로봇(R)의 발부위 사이 및 상기 착용로봇(R)의 발부위와 상기 지면 사이에서 발생하는 충격을 흡수하고, 변형되면서 지면과의 반력을 측정하는 발바닥 유닛(10)(20)을 포함한다.

Description

충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리{Elastic type sole assembly in wearable robot absorbing impact and detecting ground reaction force}
본 발명은 착용로봇을 구성하는 착용로봇의 발바닥 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지면으로부터 착용자 또는 착용로봇으로 전달되는 충격을 흡수할 수 있고, 지면반발력의 크기와 작용점 위치를 측정할 수 있는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에 관한 것이다.
착용형 외골격 로봇(이하 '착용로봇'이라함)은 사람이 입는 로봇 시스템으로 착용자의 힘 또는 동작을 보조해 주기 위해 사용된다.
이러한 착용로봇은 하지근력의 보조 또는 증강을 위해 사용되는데, 주로 민수분야에서는 하지근력이 약한 노약자 또는 장애인의 재활치료 또는 일상생활의 근력보조를 위해, 그리고 공장에서 근로자의 근력보조를 통한 작업효율 향상을 위해 개발되어 왔다.
앞서 설명한 민수분야의 착용로봇은 주로 지면이 평평한 실내환경에서 사용되지만, 전장에서 병사들이 착용하는 착용로봇은 야지, 험지와 같은 평평하지 않은 실외환경에서 병사의 빠른 움직임을 보조하기 위한 목적으로 사용되는 차이가 있다.
험지 기동시 상기 착용로봇의 발바닥에 전달되는 충격은 착용자 뿐만 아니라 로봇의 주요 구성품에 손상을 야기할 수 있다.
이러한 이유로, 군용 착용 로봇에 있어서 충격흡수를 위한 발바닥 어셈블리의 설계는 로봇의 원활한 작동을 위해 상당히 중요한 요소이다.
이와 더불어 착용자가 움직이려는 동작 의도에 따라 착용로봇이 잘 움직이도록 제어하려면 발바닥이 지면과의 접촉 시 발바닥에 작용하는 반발력 크기 및 작용점의 위치를 측정하는 것이 필요하다.
하지만, 종래의 착용로봇에서 발바닥 어셈블리에서는 착용자와 착용로봇에 작용하는 충격을 흡수하기 적절치 않았으며, 지면반력의 크기와 작용점 위치를 측정하지 않아 착용자의 동작 의도를 원활하게 반영하지 못하는 문제점이 있었다.
한편, 하기의 선행기술문헌은 '지능형 근력 및 보행 보조용 로봇의 발바닥 압력 센서'에 관한 것으로서, 착용 로봇의 발목 및 발바닥 작동기구의 신발 내부에 부착하여 사용자의 발바닥이 지면에 닿았는지 떨어졌는지를 감지할 수 있도록 한 지능형 근력 및 보행 보조용 로봇의 발바닥 압력 센서에 관한 기술이 개시되어 있다.
KR 10-0651639 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 착용로봇 착용후 기동시 지면으로부터 착용자와 상기 착용로봇에 전달되는 충격을 완충시킬 수 있는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 목적은 착용자의 동작의지를 상기 착용로봇이 잘 반영할 수 있도록 지면반력의 크기와 작용점의 위치를 측정할 수 있는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리는, 착용자의 발바닥과 착용로봇의 발부위 사이에 적어도 하나이상 설치되고, 상기 착용로봇의 발부위가 지면과 접촉할 때, 상기 착용자의 발바닥과 상기 착용로봇의 발부위 사이 및 상기 착용로봇의 발부위와 상기 지면 사이에서 발생하는 충격을 흡수하고, 변형되면서 지면과의 반력을 측정하는 발바닥 유닛을 포함한다.
상기 발바닥유닛은, 상기 착용자의 발바닥의 일측에 접촉되는 상부부재와, 상기 지면에 접촉되는 하부부재와, 상기 상부부재와 상기 하부부재의 사이에 양단이 각각 상기 상부부재와 상기 하부부재에 연결되게 설치되고, 상기 착용자의 움직임 또는 상기 착용로봇의 움직임에 따라 변형되는 순응부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 순응부재는, 상기 하부부재에 연결되는 하부연결부와, 상기 하부연결부와 이격되게 배치되는 상부연결부와, 상기 하부연결부와 상기 상부연결부 사이에 배치되고 인접한 두 부위에 대하여 굽힘변형되는 복수의 힌지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 순응부재는, 상기 하부연결부와 상기 상부연결부 사이에는 각각 중력방향의 움직임, 전후방향의 움직임 또는 좌우방향의 움직임 중 어느 하나에 대하여 전담하여 변형되는 제1힌지부, 제2힌지부 및 제3힌지부가 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부는 직렬로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 순응부재는 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부는 동일한 평면에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부부재는 착용로봇의 다른 부위에 연결되는 연결부가 연장되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부에는 각 힌지부의 변형량을 측정할 수 있는 변형량 측정수단이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 변형량 측정수단으로부터 출력되는 신호는 증폭기와 필터를 거쳐 제어기로 입력되는 것을 특징으로 한다.
상기 변형량 측정수단은 각 힌지부의 굽힘변형량을 측정하는 스트레인 게이지인 것을 특징으로 한다.
상기 발바닥 유닛은, 착용자의 발볼부위에 설치되는 제1 발바닥 유닛과, 착용자의 발뒤꿈치부위에 설치되는 제2 발바닥 유닛으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 발바닥 유닛과 상기 제2 발바닥 유닛의 저면을 지지하는 바닥케이스와, 상기 제1 발바닥 유닛과 상기 제2 발바닥 유닛의 상부를 덮는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리는, 착용로봇의 발부위에 설치되어 착용자의 움직임 또는 상기 착용로봇의 움직임에 따라 지면의 반발력을 흡수할 수 있다.
또한, 발바닥 유닛의 순응부재에 각 힌지부의 굽힘 변형량을 측정할 수 있는 센서를 구비하여, 각 힌지에 작용하는 굽힘 모멘트 정보를 구할 수 있어서, 최종적으로 지면 반력의 크기와 작용점의 위치를 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 적용된 착용로봇을 착용자가 착용한 상태를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 제1 발바닥 유닛을 도시한 분해사시도.
도 4는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 제2 발바닥 유닛을 도시한 분해사시도.
도 5는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 제1 발바닥 유닛의 순응부재의 사시도.
도 6a 및 도 6b는 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 발바닥 유닛의 순응부재 설계를 위한 하중 및 변형조건을 도시한 착용로봇의 정면도 및 측면도.
도 7은 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 발바닥 유닛의 순응부재 설계를 위해 일차적으로 합성한 등가 토션 스프링 구조를 보여주는 구성도.
도 8은 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 발바닥 유닛의 순응부재로부터 출력되는 신호를 취득하기 위한 시스템을 도시한 블록도.
도 9는 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 지면반발력 1226.3N을 발바닥 유닛의 중앙에 가했을 때의 응력 해석 결과를 도시한 그래프.
도 10은 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 지면반발력 1226.3N을 발바닥 유닛의 중앙에 가했을 때의 변형률 해석 결과를 도시한 그래프.
도 11은 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 지면반발력 1226.3N을 발바닥 유닛의 중앙으로부터 (-12, -10)mm 만큼 오프셋된 위치에 가했을 때의 응력 해석 결과를 도시한 그래프.
도 12는 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 지면반발력 1226.3N을 발바닥 유닛의 중앙으로부터 (-12, -10)mm 만큼 오프셋된 위치에 가했을 때의 변형률 해석 결과를 도시한 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리는, 착용자의 발바닥과 착용로봇의 발부위 사이에 적어도 하나 이상 설치되는 발바닥 유닛(10)(20)을 포함한다. 상기 발바닥 유닛(10)(20)은 상기 착용자가 움직이거나, 상기 착용로봇이 작동할 때 발생하는 충격을 흡수하고, 변형되면서 지면과의 반력을 측정한다. 즉 상기 발바닥 유닛(10)(20)은 충격이 전달되면 변형되면서 상기 착용자의 발바닥과 상기 착용로봇의 발부위 사이 또는 상기 착용로봇의 발부위와 지면사이에서 발생하는 충격을 흡수하고, 지면과의 반력을 측정할 수 있도록 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리를 구성하는 발바닥 유닛인 제1 발바닥 유닛(10)과 제2 발바닥 유닛(20)은 착용자의 발바닥을 지지하도록 배치되고, 상기 제1 발바닥 유닛(10)은 상기 제2 발바닥 유닛(20)에 대하여 전방에 위치한다. 즉, 상기 제1 발바닥 유닛(10)은 착용자의 발볼부위를 지지하도록 위치하고, 상기 제2 발바닥 유닛(20)는 착용자의 발뒤꿈치를 지지하도록 위치한다.
상기 제1 발바닥 유닛(10)과 제2 발바닥 유닛(20)은 착용로봇(R)의 발부위가 되거나, 상기 착용로봇(R)의 발부위에 설치되는 케이싱부(30)의 내부에 설치된다. 상기 케이싱부(30)는 상기 제1 발바닥 유닛(10)과 상기 제2 발바닥 유닛(20)의 저면을 지지하는 바닥케이스(31)와, 상기 제1 발바닥 유닛(10)과 상기 제2 발바닥 유닛(20)의 상부를 커버하는 커버(32)를 포함한다. 상기 바닥케이스(31)는 고무와 같은 탄성재질 또는 합성수지나 금속을 재질로 할 수 있다. 상기 커버(32)는 고무와 같은 탄성재질로 이루어질 수 있다.
제1 발바닥 유닛(10)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 커버(32)를 통과하여 착용자의 발바닥과 접촉되는 상부부재(11)와, 상기 바닥케이스(31)를 통과하여 상기 바닥 지면과 접촉되는 하부부재(13)와, 상기 상부부재(11)와 상기 하부부재(13)의 사이에 설치되는 순응부재(12)를 포함한다.
상부부재(11)는 상기 커버(32)에 형성된 관통공을 통하여 상기 커버(32)를 통과하여 본 발명에 따른 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 상부면으로 노출되어, 착용자의 발볼과 접촉한다.
하부부재(13)는 상기 바닥케이스(31)에 형성된 관통공을 통하여 상기 바닥케이스(31)를 통과하여 본 발명에 따른 착용로봇의 탄성 발바닥어셈블리의 하부면으로 노출되어 지면과 접촉한다.
순응부재(12)는 양단이 각각 상기 상부부재(11)와 상기 하부부재(13)에 체결되고, 인접한 부위에 대하여 굽힘변형하는 복수의 힌지부(122)(124)(126)가 서로 다른 방향으로 형성되어 있다. 상기 힌지부(122)(124)(126)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 힌지부(122)(124)(126)의 양측에 연결된 두 부위 사이에서 굽힘변형된다. 상기 힌지부(122)(124)(126)들이 각각 서로 다른 방향으로 형성되어 있어서, 중력방향, 전후방향 및 좌우방향에 변형에 대하여 충격을 흡수하고, 각 방향에서 작용하는 지면반발력을 측정할 수 있다. 상기 순응부재(12)는 일단의 하부연결부(127)를 통하여 상기 하부부재(13)에 체결되고, 타단의 상부연결부(121)를 통하여 상기 상부부재(11)에 체결된다.
상기 순응부재(12)는 도 3 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상부부재(11)에 체결되는 상부연결부(121)와, 상기 하부부재(13)와 체결되는 하부연결부(127)와, 상기 하부연결부(127)와 상기 상부연결부(121) 사이에 상기 복수의 힌지부(122)(124)(126)가 형성되는 구조를 갖는다.
예컨대, 제1힌지부(122)는 상기 상부연결부(121)와 상기 하부연결부(127)의 중간에 위치하고, 상기 상부연결부(121)와 상기 제1힌지부(122) 사이에 제2힌지부(124)가 위치하며, 상기 하부연결부(127)와 상기 제2힌지부(124) 사이에 제3힌지부(126)가 위치한다. 제1힌지부(122)와 제2힌지부(124) 사이에는 상기 제1힌지부(122)와 상기 제2힌지부(124)를 연결하는 제1연결부(123)가 형성되고, 상기 제1힌지부(122)와 제3힌지부(126) 사이에는 상기 제1힌지부(122)와 상기 제3힌지부(126)를 연결하는 제2연결부(125)가 형성된다.
따라서, 상기 순응부재(12)는 상기 상부연결부(121)로부터, 제2힌지부(124), 제1연결부(123), 제1힌지부(122), 제2연결부(125), 제3힌지부(126)를 거쳐 상기 하부연결부(127)가 직렬로 배치되는 구성을 갖는다.
또한, 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124) 및 상기 제3힌지부(126)는 동일한 평면에 위치한다.
아울러, 상기 순응부재(12)는 하나의 부재를 가공하여 제작되는 것으로서, 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124) 및 상기 제3힌지부(126)는 인접한 부위보다 상대적으로 높이가 작아지는 형태로 형성되어 외력에 대하여 굽힘변형이 용이하도록 형성된다.
상기 순응부재(12)는 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124) 및 상기 제3힌지부(126)를 중심으로 서로 인접한 두 부분이 굽힘 변형하면서 지면에 대한 반발력, 전후/좌우방향에 대한 모멘트를 흡수한다. 즉, 상기 순응부재(12)는 하부연결부(127)에 대하여 3자유도 미소운동을 하는 공간스프링으로 모델링될 수 있고, 상기 하부부재(13)가 지면과 접촉할 때 발생하는 중력방향의 반발력 및 전후방향, 좌우방향의 충격 모멘트를 흡수하는 역할을 한다. 도 5를 참조로 하면, 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124) 및 상기 제3힌지부(126)는 서로 다른 방향으로 굽힘변형의 중심축선을 갖도록 배치되는 것으로서, 상기 제1힌지부(122)는 좌우방향으로 모멘트가 작용할 때 변형되면서 좌우방향의 모멘트를 흡수하고, 상기 제2힌지부(124)는 전후방향의 모멘트를 흡수하며, 상기 제3힌지부(126)는 중력방향으로 작용하는 지면 반발력을 흡수할 수 있도록 형성된다.
제2 발바닥 유닛(20)도 상기 제1 발바닥 유닛(10)과 유사한 구성을 갖는다.
즉, 상기 제2 발바닥 유닛(20)도 상부부재(21), 하부부재(23) 및 순응부재(22)로 이루어지고, 상기 순응부재(22)도 상부연결부(221)와 하부연결부(227) 사이에 제1힌지부(222), 제2힌지부(224) 및 제3힌지부(226)가 배치된다. 상기 제1힌지부(222)는 상기 상부연결부(221)와 상기 하부연결부(227)의 중간부분에 위치하고, 상기 제2힌지부(224)는 상기 상부연결부(221)와 상기 제1힌지부(222) 사이에 배치된다. 또한, 상기 제3힌지부(226)는 상기 하부연결부(227)와 상기 제1힌지부(222) 사이에 배치된다. 아울러 제1힌지부(222)와 상기 제2힌지부(224)는 제1연결부(223)로 연결되고, 상기 제1힌지부(222)와 상기 제3힌지부(226)는 제2연결부(225)로 연결된다. 아울러, 상기 제2 발바닥 유닛(20)에서도 상기 제1힌지부(222), 상기 제2힌지부(224) 및 제3힌지부(226)는 동일한 평면에 위치하여, 중력방향으로 작용하는 지면 반발력, 전후/좌우방향으로 작용하는 모멘트에 대한 충격을 흡수할 수 있다.
상기 제2 발바닥 유닛(20)은 기본적으로 상기 제1 발바닥 유닛(10)과 유사한 구성을 갖는다.
다만, 상기 제2 발바닥 유닛(20)은 착용로봇(R)의 다른 부위에 연결되는 연결부가 상기 상부부재(21)로부터 연장되게 형성된다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 상부부재(21)는 착용로봇(R)의 종아리부위에 연결되는 연결부(24)가 형성된다.
상기 제1 발바닥 유닛(10)이 상기 제2 발바닥 유닛(20)의 전방에 배치되어, 상기 제1 발바닥 유닛(10)은 착용자의 발바닥 중에서 발볼부위에 위치하고, 상기 제2 발바닥 유닛(20)은 발뒤꿈치쪽에 위치하는 것으로서, 상기 제2 발바닥 유닛(20)의 상부부재(21)는 착용자의 발뒤꿈치에 접촉하게 된다.
또한, 상기 제1 발바닥 유닛(10)의 순응부재(12)와 제2 발바닥 유닛(20)의 순응부재(22)는 서로 탄성특성이 동일할 필요는 없지만, 아래에서는 서로 탄성 특성이 동일한 것으로 한다.
이하에서는 상기 발바닥 유닛(10)(20)의 순응부재(12)(22)의 구조를 상세히 살펴봄으로써, 상기 순응부재(12)(22)에 의해 충격이 흡수되고 반력이 측정되는 원리에 대하여 제1 발바닥 유닛(10)의 순응부재(12)를 이용하여 설명하기로 한다.
도 3에는 상기 순응부재(12)의 제1힌지부(122), 제2힌지부(124) 및 제3힌지부(126)의 회전중심축을 각각
Figure 112014087571119-pat00001
,
Figure 112014087571119-pat00002
,
Figure 112014087571119-pat00003
로 표현할 수 있다.
한편, 도 6a 및 도 6b에 도시되고 본 발명에 따른 탄성 발바닥 어셈블리가 적용된 착용로봇을 이용하여 상기 순응부재(12)의 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6a 및 도 6b에 제시된 바와 같은 착용로봇의 하중 조건과 이에 따른 순응부재(12)의 3축방향 변형량 조건을 고려하면, 상기 순응부재(12)가 구현해야 하는 탄성 특성은 다음과 같은 순응행렬로 표현할 수 있다.
<식-1>
Figure 112014087571119-pat00004
여기서,
Figure 112014087571119-pat00005
,
Figure 112014087571119-pat00006
,
Figure 112014087571119-pat00007
는 순응 부재의 각 좌표축 방향 미소 이동량이고,
Figure 112014087571119-pat00008
,
Figure 112014087571119-pat00009
,
Figure 112014087571119-pat00010
는 각 좌표축에 대한 미소 회전량이며,
Figure 112014087571119-pat00011
,
Figure 112014087571119-pat00012
,
Figure 112014087571119-pat00013
는 착용자 무게 포함 착용로봇에 의해 순응부재에 작용하는 각 좌표축 방향 힘이고,
Figure 112014087571119-pat00014
,
Figure 112014087571119-pat00015
,
Figure 112014087571119-pat00016
는 각 좌표축에 대한 원점에서의 모멘트이다. 상기 식-1에서 순응행렬의 각 요소인, c33, c44, c55는 각각 c33 = 8.1559ㅧ10-4 mm/N, c44 = 6.4695ㅧ10-7 rad/Nmm, c55 = 8.8965ㅧㅧ10-7 rad/Nmm 가 될 수 있다.
상기 식-1과 같이, 상기 순응부재(12)에 요구되는 순응행렬이 구해지면, 이는 3개의 토션스프링의 직렬연결로 합성할 수 있다. 즉, 상기 순응부재(12)는 도 7에 도시된 바와 같이 모델링될 수 있고, 도 7에 도시된 바와 토션스프링으로 모델링된 상기 순응부재(12)의 강성계수는 하기의 식-2와 같이 표현할 수 있다.
<식-2>
Figure 112014087571119-pat00017
여기서, ki는 토션스프링으로 모델링된 순응부재의 강성계수이고, ri, bi, ti는 힌지의 컷팅 반경, 폭, 최소 힌지 두께이며, E는 순응부재 재질의 탄성계수이다.
상기와 같이 설계된 순응부재(12)를 이용하여 제1 발바닥 유닛(10) 및 제2 발바닥 유닛(20)을 구성하면, 도 6a 내지 도 6b에 제시된 특성을 지니며, 이러한 탄성특성에 의해 발바닥이 지면과 접촉시 발생하는 충력방향의 지면반발력, 전후/좌우방향으로 발생하는 회전모멘트에 대한 충격을 흡수할 수 있다.
한편, 변형률 측정수단을 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124), 상기 제3힌지부(126)에 부착하여 변형에 따른 변형량을 측정한다 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124), 상기 제3힌지부(126)에 변형량 측정수단의 하나인 스트레인 게이지(41)를 부착하면, 각 힌지부(122)(124)(126)의 변형량을 측정할 수 있다.
상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124), 상기 제3힌지부(126)에 굽힘변형이 발생하며, 각 힌지부(122)(124)(126)에 설치된 상기 스트레인 게이지(41)를 통하여 변형에 따른 신호가 출력된다. 이를 하프타입 휘트스톤 브릿지(half-type Wheatstone bridge, 42)를 통하여 정류하고, 증폭기(43)와 필터(44)를 거쳐 제어기(45)로 입력되도록 한다. 상기 제어기(45)에서는 입력된 변형값으로 해당 힌지부의 미소 회전량을 하기의 식-3을 이용하여 계산한다.
Figure 112014087571119-pat00018
여기서,
Figure 112014087571119-pat00019
,
Figure 112014087571119-pat00020
가 된다.
상기 식-3에서
Figure 112014087571119-pat00021
는 해당 힌지부에서 측정된 굽힘 변형률, Φi는 회전량을 의미한다.
제1 발바닥 유닛(10)에서 하부부재(13)에 지면으로부터 입력되는 지면 반발력은 상기 순응부재(12)의 각 힌지부(122)(124)(126)의 굽힘변형을 발생시키고, 상기의 굽힘변형에 의해 각 힌지부(122)(124)(126)에서는 굽힘모멘트가 작용한다. 각 힌지부(122)(124)(126)의 강성계수 ki와 회전변형량 Φi를 알고 있으므로, 각 힌지부(122)(124)(126)에 작용하는 굽힘모멘트 τi는 'τi = ki ㅧΦi '로 구할 수 있다.
이로부터, 도 5에 도시된 순응부재(12)에서 각 힌지부(122)(124)(126)의 중심축
Figure 112014087571119-pat00022
,
Figure 112014087571119-pat00023
,
Figure 112014087571119-pat00024
와 이들에 의해 결정되는 힘 작용선인
Figure 112014087571119-pat00025
,
Figure 112014087571119-pat00026
,
Figure 112014087571119-pat00027
에 의해 구성되는 자코비안 행렬들을 통하여 상기 순응부재(12)의 하부연결부에 발생하는 지면 발반력의 크기 및 작용점의 위치를 구할 수 있다.
도 9 내지 도 12에는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 발바닥 유닛(10)(20)에 대한 반발력 측정성능을 보기위한 구조해석 결과가 도시되어 있다.
도 9와 도 10에는 상기 발바닥 유닛(10)(20)의 정중앙에 1226.3N의 힘을 가했을 때의 응력 및 변형률이 도시되어 있고, 도 11과 도 12에는 상기 발바닥 유닛(10)(20)의 정중앙으로부터 X축으로 ??12mm, Y축으로 ??10mm 만큼 작용점이 오프셋된 상태에서 1226.3N의 힘을 가했을 때의 응력 및 변형률이 도시되어 있다.
도 10의 결과에서 각 힌지부(122)(124)(126)에 작용하는 굽힘변형률은 측정하면 다음의 식-4와 같다.
<식-4>
Figure 112014087571119-pat00028
상기 식-4에서 측정된 굽힘 변형률을 이용하여 앞의 계산과정을 통해 계산해보면, 반발력의 크기는 1151.97N으로, 그리고 힘의 작용점은 (-0.55, 0.32) mm 로 예측된다.
한편, 상기 발바닥 유닛(10)(20)으로 힘이 오프셋된 상태로 입력되는 경우에는 도 12에 주어진 변형률 해석 결과에서 각 힌지부(122)(124)(126)에 작용하는 굽힘변형률은 다음의 식-5와 같다.
<식-5>
Figure 112014087571119-pat00029
상기 식-5에서 측정된 굽힘 변형률을 이용하여 앞의 계산과정을 통해 계산해 보면 반발력 크기는 1152.17N으로, 그리고 힘의 작용점은 (-12.41, -9.47) mm 로 예측된다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리를 이용하여 발바닥에 작용하는 지면 반발력의 크기 및 작용점 위치를 높은 정확도로 측정할 수 있음을 볼 수 있다.
1 : 탄성 발바닥 어셈블리 10 : 제1 발바닥 유닛
11 : 상부부재 12 : 순응부재
121 : 상부연결부 122 : 제1힌지부
123 : 제1연결부 124 : 제2힌지부
125 : 제2연결부 126 : 제3힌지부
127 : 하부연결부 13 : 하부부재
20 : 제2 발바닥 유닛 21 : 상부부재
22 : 순응부재 221 : 상부연결부
222 : 제1힌지부 223 : 제1연결부
224 : 제2힌지부 225 : 제2연결부
226 : 제3힌지부 227 : 하부연결부
23 : 하부부재 24 : 종아리 연결부
30 : 케이싱부 31 : 바닥케이스
32 : 커버 41 : 스트레인게이지
42 : 휘트스톤 브릿지 43 : 앰프
44 : 필터 45 : 제어기

Claims (13)

  1. 착용자의 발바닥과 착용로봇의 발부위 사이에 적어도 하나이상 설치되고, 상기 착용로봇의 발부위가 지면과 접촉할 때, 상기 착용자의 발바닥과 상기 착용로봇의 발부위 사이 및 상기 착용로봇의 발부위와 상기 지면 사이에서 발생하는 충격을 흡수하고, 변형되면서 지면과의 반력을 측정하는 발바닥 유닛을 포함하고,
    상기 발바닥유닛은, 상기 착용자의 발바닥의 일측에 접촉되는 상부부재와, 상기 지면에 접촉되는 하부부재와, 상기 상부부재와 상기 하부부재의 사이에 양단이 각각 상기 상부부재와 상기 하부부재에 연결되게 설치되고, 상기 착용자의 움직임 또는 상기 착용로봇의 움직임에 따라 변형되는 순응부재를 포함하며,
    상기 순응부재는, 상기 하부부재에 연결되는 하부연결부와, 상기 하부연결부와 이격되게 배치되는 상부연결부와, 상기 하부연결부와 상기 상부연결부 사이에 배치되고, 양측에 연결된 두 부위 사이에서 굽힘변형되는 복수의 힌지부를 포함하고,
    상기 순응부재는, 상기 하부연결부와 상기 상부연결부 사이에는 각각 중력방향의 움직임, 전후방향의 움직임 또는 좌우방향의 움직임 중 어느 하나에 대하여 전담하여 변형되는 제1힌지부, 제2힌지부 및 제3힌지부가 배치되며,
    상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부는 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 순응부재는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부는 동일한 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서.
    상기 상부부재는 착용로봇의 다른 부위에 연결되는 연결부가 연장되게 형성되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부에는 각 힌지부의 변형량을 측정할 수 있는 변형량 측정수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 변형량 측정수단으로부터 출력되는 신호는 증폭기와 필터를 거쳐 제어기로 입력되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 변형량 측정수단은 각 힌지부의 굽힘변형량을 측정하는 스트레인 게이지인 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 발바닥 유닛은,
    착용자의 발볼부위에 설치되는 제1 발바닥 유닛과,
    착용자의 발뒤꿈치부위에 설치되는 제2 발바닥 유닛으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 발바닥 유닛과 상기 제2 발바닥 유닛의 저면을 지지하는 바닥케이스와,
    상기 제1 발바닥 유닛과 상기 제2 발바닥 유닛의 상부를 덮는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
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