KR101637067B1

KR101637067B1 - 관절 연결 구조를 갖는 조립체의 토크 제어 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101637067B1
Application number: KR1020130132926A
Authority: KR
Inventors: 김재국
Original assignee: 김재국
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2016-07-06
Also published as: KR20150051450A

Abstract

본 발명은 고정체와 회전체가 관절 연결 구조를 갖는 조립체의 토크를 제어하는데 있어서, 인간의 팔 상단부에는 고정체를 설치하고, 회전 관절 운동을 하는 팔 하단부에는 회전체를 설치하여
물건을 들어올릴 때에는, 고정체에서 다단계에 걸쳐 증가된 힘을 토크로 변환시켜 회전체로 증가한 토크를 전달하고, 물건을 들어올리기를 일시 멈추었을 때에는 이미 인가된 토크가 일정하게 유지되며, 물건을 들어올리기를 해제하였을 때는 인간의 팔에 힘을 가하지 않아도 자동으로 복원되는 방법과 장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 고정체와 회전체의 동작과는 무관하게 독립적으로 전기적 신호를 발생하는 센서가 사용될 수 있고, 상기 신호를 통해 전자제어기로부터 작동명령 신호를 발생하여 전기 장치들을 구동 제어하는 단계와, 펌프를 구동하여 유압을 발생하는 단계와, 발생한 유압을 유압실린더와 엑츄에이터를 통해 힘을 증가하는 단계와, 증가한 힘을 직선 운동에서 회전 운동의 토크로의 변환은 물론 반대 방향으로도 전환 가능한 단계와, 구동기어와 피동기어간의 감속비를 이용하여 전달되는 토크와 회전 각속도를 증가하는 단계와, 스프링 반력 또는 유압 공급 장치나 전기적 장치의 힘에 의해서 구성 요소들이 원상태로 자동 복원이 되도록 한 장치로 이루어진다.
또한 본 발명은 구성 요소들을 다단계로 분리 설치하여 힘과 토크가 단계적으로 증가하도록 함으로써, 각 구성 요소들의 사용 부하량을 감소시켜 부피와 하중을 줄일 수 있고, 아울러 부피와 하중이 큰 전기 장치 및 유압 장치들을 인간의 팔 이외의 장소에 설치할 수 있도록 하여 설치상의 제약을 해결하는 방법으로 활용할 수 있으며, 상기 장치들 대신에 관절 구조를 갖는 또 다른 기계식 조립체를 대체 사용하여 부피와 하중을 줄여 휴대성을 높이는 방법을 제공한다.

Description

관절 연결 구조를 갖는 조립체의 토크 제어 방법 및 장치{TORQUE CONTROL METHOD AND DEVICE FOR ASSEMBLY WITH ELBOW MOVING STRUCTURE}

본 발명은 인간의 팔 관절용 보조 기기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 인간의 팔에 설치하여 토크를 증가시켜 무거운 물체를 손쉽게 들어올릴 수 있게 하여 팔 근육들을 보호하는 방법과 장치에 관한 것이다.

일반적으로 인간의 팔 관절과 근육을 보호하기 위해 사용되는 관절 보호대는 인간이 평상시보다 들어올릴 수 있는 물체의 하중을 증가하는 것이 불가능하고 오히려 무거운 물체를 들어올리기 위한 용도로 장시간 사용시 근육과 피부에 손상을 주는 경우가 발생할 수 있다.

또한 팔이 없는 인간의 의수는 외형적으로 인간의 팔과 손을 대체하는 것일 뿐이지 물체를 들어올리기 위한 기능이 없거나 부족하기 때문에 팔의 관절이나 근육을 보호하는 것이 아니다.

또한 최근에는 산업용으로 인간의 전신에 착용하는 로봇팔을 사용하지만 구조도 복잡하고 무게가 무거워 다루기가 어려울 뿐더러 비용도 매우 높은 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 인간의 팔 상단부에는 고정체가 설치되고, 팔 하단부에는 회전체가 서로 관절 연결 구조가 되도록 연결되어, 물체를 들어올릴 때는 팔에 인가하는 힘에 비례해서 커지는 전기적인 신호의 크기에 따라 회전체에 인가되는 토크가 비례 증가하도록 하였고, 팔 관절의 동작이 일시 정지하였을 때에는 두 관절 구성체들에 인가된 토크가 변화되지 않고 유지되게 함으로써 물체를 들어서 정지한 상태가 지속적으로 유지되며, 팔 관절을 원상태로 복귀하고자 할 때에는 팔의 근육 사용 없이도 회전체가 자동으로 복원되도록 하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 팔 상단부에 설치되는 고정체에 구성 요소들을 다단계로 분리 설치하여 힘과 토크가 단계적으로 증가하도록 함으로써 구성 요소들의 사용 부하량 감소 및 부피 또는 하중 분산으로 인하여 설치를 용이하게 하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 두 관절 구성체들의 관절 운동과는 상관없이 독립적으로 전기적 신호의 크기가 변하는 센서를 이용하여 두 관절 구성체들의 운동을 제어하기 위한 신호를 발생시키는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 두 관절 구성체들 간의 힘과 토크를 전달하는 데 있어 직선 운동과 회전 운동의 양방향 변환이 가능한 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 두 관절 구성체들이 원상태로 복원할 때, 복원 장치에 의한 힘이 역방향으로 인가할 때에도 토크를 증가하여 작용시킴으로써 팔의 힘을 사용하지 않더라도 자동으로 구성 요소들의 복원이 가능한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 팔 상단부에 설치되는 고정체의 구성 요소들 중 부피와 하중이 커서 설치하기가 불편한 전기 장치와 유압 발생 장치가 없이도 기계식 관절 구조의 다른 조립체로 대신하여 토크를 증가하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 연결 구조를 갖는 조립체는 구성 요소들이 토크 제어를 개시하기 위한 전기적 신호를 발생하는 전기 신호 발생 단계; 상기 전기적 신호를 감지하여 전기적 작동명령 신호를 발생하는 전자제어기; 상기 전자제어기의 전기적 작동명령 신호에 의해 구동되는 전기 장치 제어 단계; 모터를 통해 펌프로 유압을 발생하는 유압 발생 단계; 상기 발생한 유압을 통해 힘을 증가하는 힘 증폭 단계; 상기 증가한 힘이 직선 운동에서 회전 운동의 토크로 변환되고 반대 방향으로도 전환 가능한 토크 변환 단계; 상기 전달된 토크가 구동기어와 피동기어간의 기어 감속비를 이용하여 회전체의 토크와 회전 각속도를 증가시키는 토크 증폭 단계; 회전체가 원상태로 자동 복원이 되도록 반력을 제공하는 복원 장치 단계를 포함할 수 있다.

또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에 따르면 전기 신호 발생 단계에서의 전기적 신호 크기에 따라 회전체의 토크 증가 및 두 관절 구성체에 인가된 토크 유지, 토크 자동 소멸 제어가 되도록 한 방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기적 신호 발생 단계는 물체를 들어올리기 위하여 팔에 인가한 힘의 크기에 따라 팔 근육의 신체적 변화량이 측정되거나 사용자가 의도적으로 전기적 신호의 크기를 조정할 수 있는 수단을 제공할 수 있다.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 토크 변환 단계는 직선 운동을 하는 힘이 회전 운동을 하는 토크로 변환이 되고, 반대로도 전환 가능하도록 크랭크운동 또는 랙 피니언 기어 조합 기구와 같은 수단을 포함할 수 있다.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복원 장치 단계는, 고정체와 회전체가 원 상태로의 복원을 위하여 역방향으로 회전할 때라도 스프링 반력 또는 다른 형태의 외부 장치의 힘에 의해서 발생하는 토크가 상기의 토크 증폭 단계에서 증가하여 역방향으로 전달되도록 한 방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 조립체의 토크 제어를 위하여 고정체에 필수적으로 설치되어야 할 구성 요소들이 부피와 하중이 커서 조립체 이외의 장소에 설치할 수 있는 구성 요소들과 유압 전달 통로를 연장하는 수단으로 연결되도록 한 방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기의 전기 신호 발생 단계 및 부피 또는 하중이 큰 전자제어기, 전기 장치 제어 단계와 펌프 대신에, 관절 연결 구조를 갖는 또 다른 기계식 조립체를 사용하는 기계적 수단으로 토크를 발생하여 유압을 발생하는 방법을 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 본 발명은 인간의 팔에 설치되어, 관절 연결 구조를 갖는 조립체에 토크를 증가 작용하게 함으로써, 인간의 팔 힘과 함께 보조적으로 사용될 경우, 적은 팔힘으로도 큰 하중의 물체를 손쉽게 들을 수 있으며, 팔 관절 운동이 멈추었더라도 이미 증가한 토크 상태로 계속 유지되어 장시간 동안이라도 적은 힘으로 물체를 들고 있는 상태로 유지할 수 있으며, 팔 관절을 원상태로 복귀할 때에도 별도의 팔 힘을 가하지 않아도 인가되었던 토크가 자동으로 사라져 팔 관절이 자동 복원됨으로써 인간의 팔 관절과 근육을 보호할 수 있다.

(2) 본 발명은 구성 요소별로 힘과 토크가 다단계적으로 증가함으로써, 각 구성 요소들의 사용 부하량을 감소할 수 있어 내구성을 높임은 물론 부피를 줄일 수 있어 조립체에의 설치 공간 또는 무게 제약의 문제점을 해결할 수 있고, 필요에 따라서 부피 또는 하중이 큰 구성 요소들을 조립체 이외의 장소에 설치할 수 있어 인간 신체에 부과되는 하중을 감소시킬 수 있다.

(3) 본 발명은 유압 발생을 위해 사용되어 부피 또는 하중이 큰 전기 장치와 유압 장치들을 대신하여 기계적 관절 연결 구조를 갖는 가벼운 조립체로 대체 사용하여 휴대성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 연결 구조를 갖는 조립체의 토크 증가 제어 작동 개시 이전을 도시한 구성도
도 2는 도 1의 토크 증가 제어 작동이 완료된 후의 상태를 도시한 설명도
도 3은 도 1의 전기적인 하중감지 신호에 따른 구성 요소들의 작동 흐름도
도 4는 조립체에 필수적으로 설치하여야할 구성 요소들이 설치된 상태 설명도
도 5는 관절 연결 구조를 갖는 2개의 기계적인 조립체들을 이용하여 토크를 제어하는 방법을 도시한 구성도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하고 있는 실시 예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예로 첨부 도면을 참조하여 상세히 기술하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 연결 구조를 갖는 조립체의 토크 증가 제어 작동이 개시 이전을 도시한 구성도이고, 도 2는 관절 연결 구조를 갖는 조립체의 토크 증가 제어 작동이 완료된 후의 상태를 도시한 설명도이며, 도 3은 전기적 하중감지 센서의 전기적 신호에 의해 전기 장치들이 제어되는 방법을 설명한 작동 흐름도이고, 도 4는 토크 제어를 위해 조립체 이외의 장소에는 설치할 수 없는 필수적인 구성 요소들만이 팔에 설치된 상태를 도시한 설명도이며, 도 5는 토크 증가 제어를 위한 전기적인 명령신호와 전기적 장치들에 의한 유압 발생단계가 없이도 관절 연결 구조를 갖는 또 다른 기계적인 조립체로 대체하여 토크를 제어하는 방법을 도시한 구성도이다.

도 1과 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 인간이 물체를 들어올릴 때는 팔 하단부의 특정 사용 근육이 변형을 일으키고, 힘을 가하는 것에 비례해서 그 형상과 크기가 변화한다. 이때 사용된 근육의 변형으로 인하여 근육의 특정 부위의 크기가 커질 때 발생하는 힘을 로드 셀과 같은 센서를 이용하여 전압 형태로 출력되는 전기적 신호 발생기를 이용한다. 이를 본 발명에서는 전기적 하중감지 센서(1)로 정의하고 회전체(200)에 설치하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 설치 장소는 물론, 들어올리려는 물체의 하중의 크기에 따라 사용자가 의도적으로 전압이나 저항과 같은 전기적 신호의 크기를 조정할 수 있는 전자식 조절기를 이용하는 다양한 방법으로 구성할 수 있다.

물체를 들어올릴 때, 전기적 하중감지 센서(1)에는 근육 변형량의 크기에 비례해서 인가되는 힘도 커지고 시간당 전압 변화량이 증가한 하중감지 신호(1a)가 전자제어기(10)로 입력된다.

전자제어기(10)는 입력되는 하중감지 신호(1a)의 전압이 시간당 증가하는 변화량을 계산하여 그 변화량 크기에 비례해서 유량제어 체크밸브(40)의 개도 량이 증가하도록 함으로써 유압실린더(60)로 유입되는 가압 유체(30a)의 공급 통로 면적 크기를 결정하는 유량제어 신호(40a)를 제공하고, 동시에 상기 신호 전압 변화량 크기에 비례해서 펌프(30)를 구동하기 위한 펌프 구동모터(20)의 회전 속도를 결정하는 모터구동 신호(20a)를 제공한다. 이때 드레인 솔레노이드밸브(50)는 드레인 신호(50a)가 차단되어 작동을 안 한다.

펌프 구동모터(20)가 작동하면 펌프(30)가 구동되고, 유량제어 체크밸브(40)를 통해 가압 유체(30a)가 유압실린더(60)로 유입되어 실린더피스톤(61)이 이동되고, 피스톤 로드(62)와 연결된 부스터(70)의 부스터피스톤(71)도 동시에 이동된다. 이때, 유압실린더(60)로 유입되는 가압 유체(30a)의 유압은 펌프(30)의 가압 용량에 의해 결정되며, 가압 유체(30a)의 유입 속도는 유량제어 체크밸브(40)의 개도 량과 펌프 구동모터(20)의 시간당 회전수가 클수록 커진다.

따라서 가압 유체(30a)의 유입 속도에 비례하여 부스터피스톤(71)의 이동 속도도 증가하고, 부스터피스톤(71)은 엑츄에이터(80)로 작동 유체(70a)를 상기 이동 속도로 가압하여 유입시키며, 부스터피스톤(71)보다 직경이 큰 엑츄에이터 피스톤(81)에는 부스터피스톤(71)과의 단면적 비만큼 증가한 힘이 전달되어, 엑츄에이터 로드(82)를 통하여 컨넥팅로드 어셈블리(91)에 그 증가한 힘이 전달된다. 이때 전달된 힘의 전달 속도는 작동 유체(70)가 엑츄에이터(80)로의 유입되는 속도에 좌우되며, 전달된 힘의 크기는 엑츄에이터(80)내의 복원스프링(83)의 반력이 제외된 만큼이 전달된다.

한편 컨넥팅로드 어셈블리(91)는 구동기어(90)와 크랭크운동이 가능하도록 연결되어 있어 엑츄에이터 로드(82)가 상기 전달된 힘과 속도로 직선 운동을 하면 구동기어(90)는 그에 비례하는 회전 각속도를 갖고 회전 운동을 하는 토크로 변환된다. 이때, 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 방법은 이에 한정되지 않고 랙 피니언과 같은 기어 조합 기구를 이용하는 것을 포함하여 다양한 방법으로 구성할 수 있다.

상기 토크와 회전 각속도로 구동기어(90)가 회전하면 회전체(200)에 종속된 피동기어(100)는 구동기어(90)와 반대 방향으로 회전축(A)을 기준으로 회전되면서 회전체(200)와 고정체(300)가 이루는 각을 감소시킴과 동시에 증가한 토크가 전달된다. 이때, 회전체(200)의 피동기어(100)는 구동기어(90)와의 기어 감속비만큼 구동기어(90)에서 발생한 토크와 회전 각속도가 증가하여 전달되며, 이에 한정하지 않고 토크가 증가하는 단계를 다양한 방법으로 구성할 수 있다.

또한 도 1과 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라, 근육의 힘을 유지하면서 물체를 들어올리는 도중에 일시적으로 정지할 경우는, 하중감지 신호(1a)는 시간당 전압 변화가 없어 전자제어기(10)는 모터구동 신호(20a)와 유량제어 신호(40a)를 제거하여 펌프 구동모터(20) 및 펌프(30)의 작동을 멈추게 하고, 유량제어 체크밸브(40)도 가압 유체(30a)의 통로를 차단하여 가압 유체(30a)가 더 이상 유압실린더(60)로 유입되지 않고 회로 내에 잔류하는 상태가 되어 회전체(200)와 고정체(300)가 이루는 각이 변하지 않은 채로 이미 증가한 토크로 유지되는 상태가 된다.

이때, 또 다른 방법으로 인간의 근육에 힘을 인가하지 않고도 토크가 유지하고자 할 때에는 상기에서 예시한 바와 같이 하중감지 신호(1a)의 크기를 사용자가 임의로 조정할 수 있는 방법을 포함하여 다양한 방법으로 구성할 수 있다.

회전체(200)를 원상태로 복원시키고자 할 경우에는 팔 하단부에 가해졌던 근육의 힘을 해제하면 변형되었던 근육의 크기가 작아져, 전기적 하중감지 센서(1)에 인가된 힘도 사라짐으로써 하중감지 신호(1a)의 전압도 사라지게 된다. 이때 전자제어기(10)는 하중감지 신호(1a)의 시간당 전압 변화량이 이전보다 감소하였기 때문에 복원 조건이라고 판단하고 드레인 신호(50a)를 발생하여 드레인 솔레노이드밸브(50)를 개방시켜 회로 내에 잔류하고 있던 가압 유체(30a)를 저장 탱크로 유입되게 함으로써 유압실린더(60)에 인가된 압력을 제거한다. 또한 동시에 엑츄에이터(80)내의 복원스프링(83)의 반력으로 유압실린더(60)와 부스터(70) 및 엑츄에이터(80)의 모든 구성 요소들의 위치가 복원된다. 이때 복원스프링(83)은 컨넥팅로드 어셈블리(91)를 통하여 구동기어(90)로 반력이 작용하여 전달될 수 있도록 함으로써 구동기어(90)가 역방향으로 회전되더라도 구동기어(90)와 피동기어(100)와의 기어 감속비만큼 증가한 회전 각속도와 토크가 회전체(200)에 전달되어 더욱 빠르게 회전체(200)가 원상태로 복원되는 방법을 예시하였으나, 이에 한정하지 않고 엑츄에이터(80)내에 반력을 제공하는 수단으로 전기적 또는 유압 형태의 다른 장치를 이용하여 회전체(200)를 원상태로 복원시키고자 하는 다양한 방법을 구성할 수 있다.

도 2는 고정체(300)와 회전체(200)의 토크 증가 제어 작동이 완료된 상태를 도시하고 있으며, 고정체(300)의 구동기어(90)로부터 전달되어 회전체(200)의 피동기어(100)에서 증가하는 회전 각속도와 토크 증가량은 고정체(300)의 구동기어(90)와의 기어 감속비와 엑츄에이터 로드(82)의 직선 운동 궤적의 계산에 의해서 결정된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관절 연결 구조를 갖는 조립체의 고정체(300)에는 작동 유체(70a)가 유입되는 엑츄에이터(80)와 직선 운동을 회전 운동으로 변경시키기 위하여 컨넥팅로드 어셈블리(91)와 구동기어(90)가 필수적으로 설치되고, 설치 공간과 무게에 제약이 될 수 있는 부피와 하중이 큰 펌프(30)와 펌프 구동모터(20), 유량제어 체크밸브(40), 드레인 솔레노이드밸브(50)와 이들에게 전기적 작동명령 신호를 발생하는 전자제어기(10)를 포함하여 유압실린더(60) 및 부스터(70)는 조립체 이외의 장소에 설치할 수 있으며, 회전체(200)에 종속된 피동기어(100)를 통하여 고정체(300)에서 증가한 토크가 회전체(200)로 전달되는 구조가 되도록 하였고, 고정체(300)와는 독립적으로 회전체(200) 자체 내에서 전기 장치들의 동작 또는 해제 명령 신호가 발생할 수 있도록 하는 전기적 하중감지 센서(1)를 포함할 수 있도록 하였다. 이때 고정체(300)에 필수적으로 설치될 구성 요소들과 조립체 이외의 장소 설치 가능한 구성 요소들의 연결은 엑츄에이터(80)와 부스터(70)의 유압 전달 통로를 연장하여 구현할 수 있다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라, 부피 또는 하중이 큰 구성 요소들을 대신에 하중이 적어 휴대성이 높은 기계식 조립체로 대체하여 토크를 제어하는 방법으로, 전기적 하중감지 센서(1)나 하중감지 신호(1a)에 의해 작동되는 전기 장치들과 유압 발생 장치가 없이도 관절 연결 구조를 갖는 2개의 기계적인 조립체들을 이용하여 토크 제어 작동이 되어 작동이 완료된 상태를 도시한 것으로, 상기 전기적 또는 유압 발생 장치들을 대신한 기계적인 조립체의 구성을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명된 상기 일실시 예와 동일하다. 따라서, 일실시 예와 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 병기하며, 상세한 설명은 생략한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 한쪽의 팔 하단부에는 회전체(200)를 설치하고, 팔 상단부에는 고정체(300)를 설치하며, 같은 형태로 다른 한쪽의 팔 하단부에는 회전체b(400)를 설치하고, 팔 상단부에는 고정체b(500)를 설치한다.

회전체(200)로 물체를 들어올리는 경우에는, 회전체b(400)에 토크를 인가하면서 원하는 회전 각속도로 회전하면 회전체b(400)에 종속된 구동기어b(110)도 동시에 회전하고, 고정체b(500)의 피동기어b(120)는 구동기어b(110)와의 기어 감속비만큼 증가한 토크로 반대 방향으로 회전하게 되며, 컨넥팅로드 어셈블리b(130)와 부스터 로드(72)를 통하여 회전 운동이 직선 운동으로 바뀌면서 토크가 힘으로 변환되어 부스터피스톤(71)에 전달되고, 부스터피스톤(71)에 의해 가압된 작동 유체(70a)가 엑츄에이터(80)로 유입된다. 이때 엑츄에이터(80)로 유입되는 작동 유체(70a)의 유입 속도는 회전체b(400)에서 인가하는 토크와 회전 각속도의 크기에 비례한다.

한편 부스터피스톤(71)보다 직경이 큰 엑츄에이터 피스톤(81)에는 부스터피스톤(71)과의 단면적 비만큼의 증가한 힘이 전달되어, 엑츄에이터 로드(82)를 통하여 컨넥팅로드 어셈블리(91)에 그 증가한 힘이 전달된다. 이때 힘의 전달 속도는 엑츄에이터(80)으로 유입되는 작동 유체(70a)의 유입 속도에 좌우되며, 힘의 크기는 엑츄에이터(80)내의 복원스프링(83)의 반력을 제한 크기로 컨넥팅 로드(91)에 전달되어 구동기어(90)와 피동기어(100)를 회전시키고, 회전체(200)는 구동기어(90)와 피동기어(100)의 기어 감속비만큼 증가한 토크와 회전 각속도가 인가되어 A축을 기준으로 회전되면서 물체를 들어올리게 된다.

회전체(200)로 물체를 들어올리는 도중에 일시 정지하는 경우에는, 회전체b(400)에 가해지는 토크가 복원스프링(83)의 반력과 힘 평형이 이루어지도록 유지시키면 작동 유체(70a)가 어느 방향으로도 이동되지 않고 회로 내에 잔류하기 때문에 인가된 토크가 변하지 않고 그대로 유지될 수 있으며,

회전체(200)를 원상태로 복원하는 경우에는, 회전체b(400)에 인가했던 토크를 해제하면 엑츄에이터(80)내의 복원스프링(83)의 반력으로 엑츄에이터 피스톤(81)이 반대 방향으로 직선 이동하면서 컨넥팅로드 어셈블리(91)를 통하여 구동기어(90)가 회전하면서 피동기어(100)와 회전체(200)가 원상태로 복원되고, 동시에 엑츄에이터 피스톤(81)이 작동 유체(70a)를 부스터(70)로 유입시키면서 부스터피스톤(71)과 부스터 로드(72)도 원상태로 복원되며, 컨넥팅로드 어셈블리b(130)를 통하여 고정체b(500)의 피동기어b(120)가 반대 방향으로 회전되어 회전체b(400)에 종속된 구동기어b(110)를 회전시켜 회전체b(400)가 원상태로 복원된다. 또한 인위적으로 회전체b(400)를 복원되는 방향으로 토크를 인가하면 고정체b(500)의 피동기어b(120)는 구동기어b(110)와의 기어 감속비만큼 증가한 토크를 컨넥팅로드 어셈블리b(130)에 전달하고, 복원스프링(83)의 반력과 더불어 부스터 로드(72)에 역방향으로 인가되는 힘을 추가로 발생시킴으로써, 엑츄에이터(80)에 잔류했던 작동 유체(70a)가 부스터(70)로 유입되는 속도가 빨라져 회전체(200)가 더욱 빠르게 복원하게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 전기적 하중감지 센서 1a : 하중감지 신호
10 : 전자제어기
20 : 펌프 구동모터 20a: 모터구동 신호
30 : 펌프 30a: 가압 유체
40 : 유량제어 체크밸브 40a: 유량제어 신호
50 : 드레인 솔레노이드밸브 50a: 드레인 신호
60 : 유압실린더
61 : 실린더피스톤
62 : 피스톤 로드
70 : 부스터 70a: 작동 유체
71 : 부스터피스톤
80 : 엑츄에이터
81 : 엑츄에이터 피스톤
82 : 엑츄에이터 로드
83 : 복원스프링
90 : 구동기어
91 : 컨넥팅로드 어셈블리
100: 피동기어
110: 구동기어b
120: 피동기어b
130: 컨넥팅로드 어셈블리b
200: 회전체
300: 고정체
400: 회전체b
500: 고정체b
A : 회전축

Claims

고정체(300)와 회전체(200)가 회전축(A)에 의해 결합된 관절 연결 구조를 갖는 조립체가 인간의 팔에 설치되어 토크를 제어하는 방법에 있어서,

(a)물체를 들어 올리는 경우

전기적 하중감지 센서(1)는 단위 시간당 크기가 증가하는 전기적 하중감지 신호(1a)를 전자제어기(10)로 전달하고;

전자제어기(10)는 상기 하중감지 신호(1a)를 계산하여 유량제어 체크밸브(40)의 개도 량과 펌프 구동모터(20)의 회전 속도를 결정하는 전기적 작동 명령 신호(20a,40a)들을 생산하고, 드레인 신호(50a)를 차단하여 드레인 솔레노이드밸브(50)의 작동을 멈추게 하며;

상기 전기적 작동 명령 신호(20a,40a)들에 의해 상기 펌프 구동모터(20)가 회전하고 유량제어 체크밸브(40)가 열리면, 상기 펌프 구동모터(20)의 축과 연결된 펌프(30)가 구동되어 가압 유체(30a)는 유량제어 체크밸브(40)를 통해 유압실린더(60)로 유입되어 실린더피스톤(61)과 부스터피스톤(71)을 이동시키며, 부스터(70)내의 작동 유체(70a)는 압력이 상승되어 엑츄에이터(80)로 유입되고;

상기 작동 유체(70a)는 상기 부스터피스톤(71)보다 단면적이 큰 엑츄에이터 피스톤(81)에도 동일한 압력을 인가하여, 커진 단면적 비만큼 비례한 크기로 상기 부스터피스톤(71)에 가해진 힘보다 증가된 힘이 엑츄에이터 피스톤(81)과 엑츄에이터 로드(82)로 전달되며;

상기 엑츄에이터 로드(82)와 핀으로 결합된 컨넥팅로드 어셈블리(91)에는 상기 엑츄에이터 로드(82)에 전달된 힘에서 상기 엑츄에이터(80)내 구비된 복원스프링(83)의 반력을 제외한 나머지 크기의 힘이 전달되고;

상기 컨넥팅로드 어셈블리(91)에 전달되는 직선 운동 형태의 힘은 상기 엑츄에이터 로드(82)의 일단과 크랭크 연결 기구 구조로 연결된 구동기어(90)의 축에서 회전 운동 형태의 토크로 변환되어 피동기어(100)에 증가된 토크가 전달되며;

상기 구동기어(90)보다 크기가 작은 상기 피동기어(100)와 구동기어(90)의 기어 감속비에 반비례하는 크기만큼 증가된 회전 각속도로 회전축(A)을 기준으로 상기 피동기어(100)와 상기 회전체(200)가 상기 구동기어(90)와 반대 방향으로 회전하면서 상기 고정체(300)와 이루는 각이 감소되어 물체를 들어 올리고,

(b) 물체를 들어올리는 도중에 일시적으로 정지하는 경우

상기 전기적 하중감지 신호(1a)는 단위 시간당 크기 변화가 없고;

상기 전자제어기(10)는 상기 전기적 작동 명령 신호(20a,40a)들을 차단하여 상기 펌프 구동모터(20) 및 펌프(30)의 작동을 멈추게 하고, 상기 유량제어 체크밸브(40)의 가압 유체(30a)의 통로를 차단하여 상기 가압 유체(30a)가 더 이상 상기 유압실린더(60)로 유입되지 않게 하며;

상기 부스터피스톤(71)과 엑츄에이터 피스톤(81)도 이동을 멈추게 되고, 상기 작동 유체(70a)도 상기 부스터(70)와 엑츄에이터(80)내에 이미 상승된 압력으로 유지된 상태로 이동이 없으며;

상기 엑츄에이터 로드(82)와 컨넥팅로드 어셈블리(91)를 통해 상기 구동 기어(90)와 피동 기어(100)로 전달된 토크도 변동이 없게 되어 상기 회전체(200)와 고정체(300)가 이루는 각이 변하지 않고 유지되어 물체를 들어 올리는 것을 일시적으로 정지하고,

(c) 물체를 들어 올린 상태를 해제하는 경우

상기 전기적 하중감지 신호(1a)의 단위 시간당 크기가 감소하고;

상기 전자제어기(10)는 상기 전기적 작동 명령 신호(20a,40a)들을 차단하여, 상기 펌프 구동모터(20) 및 펌프(30)의 작동을 멈추게 하고,상기 유량제어 체크밸브(40)의 가압 유체(30a)의 통로를 차단하며, 드레인 신호(50a)를 생산하여 드레인 솔레노이드밸브(50)를 작동하여 상시 대기압 조건 상태의 저장탱크로 연결되는 통로를 개방하고;

상기 체크밸브(40)와 드레인 솔레노이드밸브(50)로부터 상기 실린더피스톤(61)사이의 공간에 있는 상기 가압 유체(30a)는 상기 펌프(30)구동에 의해 인가된 압력이 제거되어 상기 저장탱크와 같은 대기압 상태가 되며;

상기 실린더피스톤(61)의 단면적에 인가된 압력이 제거되어 상기 실린더피스톤(61)과 부스터피스톤(71)에 인가된 힘도 제거되고, 상기 작동 유체(70a)에도 인가된 압력이 제거되어 상기 엑츄에이터 피스톤(81)에 인가된 힘이 제거된 상태가 되고;

동시에 상기 엑츄에이터(80)내의 복원스프링(83)은 상기 엑츄에이터 피스톤(81)에 상시로 반력을 인가하고 있어 상기 엑츄에이터 피스톤(81)이 원위치 상태로 복원 이동되고, 상기 작동 유체(70a)도 상기 부스터(70)로 유입되어 상기 부스터피스톤(71)과 실린더피스톤(61)도 원위치 상태로 복원 이동되어, 상기 가압 유체(30a)가 상기 드레인 솔레노이드밸브(50)의 상기 연결 통로를 통해 상기 저장탱크로 유입하게 되고;

동시에 상기 엑츄에이터 피스톤(81)에 인가된 반력은 상기 엑츄에이터 로드(82)와 컨넥팅로드 어셈블리(91)를 통해 상기 구동기어(90)가 역방향으로 회전되도록 하고, 상기 구동기어(90)의 축에서 발생한 토크가 상기 피동기어(100)에서 증가하여 전달되도록 하며, 상기 피동기어(100)와 회전체(200)는 상기 구동기어(90)와 피동기어(100)의 기어 감속비에 반비례하는 크기만큼 증가한 회전 각속도로 상기 회전축(A)을 기준으로 상기 구동기어(90)와 반대 방향으로 회전하면서 상기 고정체(300)와 이루는 각이 증가되어 물체를 들어 올린 상태를 해제하는 것을 특징으로 하는 관절 연결 구조를 갖는 조립체의 토크를 제어하는 방법
제 1항에 있어서,

상기 전기적 하중감지 신호(1a)의 단위 시간당 전후 크기를 비교하여, 크기가 증가하는 속도에 비례하여 따라 유량제어 체크밸브(40)의 개도 량과 펌프 구동모터(20)의 회전수를 증가하는 전기적 작동 명령 신호(20a,40a)들을 생산하고, 크기가 증가하지 않는 경우에는 전기적 작동 명령 신호(20a,40a)들이 소멸되는 것을 특징으로 하는 토크를 제어하는 방법,
제 1항 또는 제 2항에 있어서

상기 전기적 하중감지 신호(1a)는 사용자가 물체를 들어올리려고 인가한 힘의 크기에 비례하여 사용자 팔 근육이 신체적으로 변화되는 물리량을 측정되거나 사용자가 의도적으로 전기적 신호의 크기를 조작하는 것을 특징으로 하는 토크를 제어하는 방법
컨넥팅로드 어셈블리(91)와 컨넥팅로드 어셈블리b(130)는 직선 왕복 운동과 회전 운동이 상호 방향으로 변환이 되는 크랭크 연결 기구 구조가 되도록 컨넥팅로드와 암, 상기 컨넥팅로드와 암을 결합하는 핀을 포함하고 있으며;

상기 컨넥팅로드 어셈블리(91)는 엑츄에이터 로드(82)의 일단과 구동기어(90)의 축을 연결하여 상기 엑츄에이터 로드(82)가 전달하는 직선 왕복 운동의 힘을 회전 운동으로 변환하여 상기 구동기어(90)의 축에서 토크가 발생하도록 하고;

상기 컨넥팅로드 어셈블리b(130)는 부스터로드(72)의 일단과 피동기어b(120)의 축을 연결하여, 상기 피동기어b(120)에 전달되는 회전 운동의 토크를 직선 왕복 운동의 힘으로 변환하여 부스터피스톤(71)에 힘이 발생하도록 하고;

상기 컨넥팅로드 어셈블리(91)에 구비된 암은 길이를 상기 구동기어(90)의 피치원 반경보다 크게 하여, 상기 구동기어(90)와 상기 구동기어(90)보다 피치원이 작은 피동기어(100)의 기어 감속비에 반비례하여 증가하는 크기보다 더 큰 힘이 상기 구동기어(90)에서 상기 피동기어(100)로 전달되도록 하고;

상기 컨넥팅로드 어셈블리b(130)에 구비된 암은 길이를 상기 피동기어b(120)의 피치원 반경보다 작게 하여, 구동기어b(110)와 상기 구동기어b(110)보다 피치원이 작은 상기 피동기어b(120)의 기어 감속비에 반비례하여 증가하는 크기보다 더 큰 힘이 상기 구동기어b(110)에서 상기 피동기어b(120)와 상기 컨넥팅로드 어셈블리b(130)를 통해 상기 부스터피스톤(71)으로 전달되는 것을 특징으로 한 장치
엑츄에이터(80)내의 복원스프링(83)은 엑츄에이터 피스톤(81)과 컨넥팅로드 어셈블리(91) 사이에 위치하여;

사용자가 물체를 들어 올린 상태를 해제하였을 경우,
전기적 작동 명령 신호(20a,40a)들이 차단되어 펌프 구동모터(20) 및 펌프(30)와 유량제어 체크밸브(40)의 작동이 멈추어 가압 유체(30a)의 통로가 차단되는 반면, 드레인 신호(50a)가 생산되어 드레인 솔레노이드밸브(50)가 작동되어 저장탱크로의 연결 통로가 개방되어 상기 가압 유체(30a)가 대기압 조건의 저장탱크로 유입될 수 있는 상태에서;

사용자가 별도의 힘을 인가하지 않아도 상기 복원스프링(83)의 반력만으로 상기 엑츄에이터 피스톤(81)이 원래 위치로 이동되면서 작동 유체(70a)가 부스터(70)로 유입되며;

상기 부스터(70)내의 부스터 피스톤(71)도 원래 위치로 이동되면서 상기 가압 유체(30a)가 상기 저장탱크로 유입되고;

동시에 상기 엑츄에이터 피스톤(81)에 연결된 엑츄에이터 로드(82)에 인가된 직선 운동의 상기 복원 스프링(83)의 반력은 상기 컨넥팅로드 어셈블리(91)를 통해 회전 운동의 토크로 변환되어 구동기어(90)에 전달되고, 상기 구동기어(90)와 피동기어(100)와의 기어 감속비에 반비례하는 크기의 각속도로 회전체(200)가 원래 위치로 복원되도록 한 것을 특징으로 한 장치
삭제
제 1항에 있어서

고정체b(500)와 회전체b(400)가 관절 연결 구조로 결합된 조립체를 인간의 다른 팔에 설치하여, 작동 유체(70a)를 이용하여 힘을 전달하는 단계를 제어하는 방법에 있어서,

(a) 회전체(200)로 물체를 들어올리는 경우

상기 회전체b(400)에 토크를 인가하면서, 상기 회전체b(400)에 종속된 구동기어b(110)가 회전하고;

피동기어b(120)는 상기 구동기어b(110)와의 기어 감속비에 반비례하는 크기만큼 증가한 회전 각속도로 반대 방향으로 회전하게 되며, 컨넥팅로드 어셈블리b(130)는 상기 구동기어b(110)를 통해 상기 피동기어b(120)로 전달받은 토크를 증가하여 직선 운동의 힘으로 변환하여 부스터로드(72)와 부스터피스톤(71)에 힘을 인가하여 상기 작동 유체(70a)의 압력을 상승시키고;

상기 작동 유체(70a)는 부스터(70)에서 엑츄에이터(80)로 유입되어 상기 부스터피스톤(71)에 가해진 힘보다 증가된 힘이 엑츄에이터 피스톤(81)과 엑츄에이터 로드(82)로 전달되도록 하고,

(b) 상기 회전체(200)로 물체를 들어올리는 도중에 일시 정지하는 경우

상기 회전체b(400)와 구동기어b(110)를 통해 상기 피동기어b(120)에 인가되는 토크가 상기 컨넥팅로드 어셈블리b(130)에서 힘으로 변환되어 상기 엑츄에이터(80)내의 복원스프링(83)의 반력과 힘 평형이 이루어지면;

상기 부스터피스톤(71)과 엑츄에이터 피스톤(81)도 이동을 멈추게 되고, 상기 작동 유체(70a)도 상기 부스터(70)와 엑츄에이터(80)내에 이미 상승된 압력으로 유지된 채 이동이 없게 되고;

상기 엑츄에이터 로드(82)와 컨넥팅로드 어셈블리(91)로 전달되는 힘도 변하지 않게 되고,

(c) 상기 회전체(200)로 물체를 들어 올린 상태를 해제하는 경우

상기 회전체b(400)에 인가했던 토크를 해제하면;

상기 엑츄에이터(80)내의 복원스프링(83)은 상기 엑츄에이터 피스톤(81)에 상시로 반력을 인가하고 있어 상기 엑츄에이터 피스톤(81)이 원위치 상태로 복원 이동되고, 상기 작동 유체(70a)가 상기 부스터(70)로 유입되어 상기 부스터피스톤(71)과 부스터로드(72)도 원위치 상태로 복원 이동되고;

상기 부스터로드(72)에 직선운동으로 전달되는 상기 스프링 반력은 상기 컨넥팅로드 어셈블리b(130)를 통하여 회전 운동의 토크로 변환되고, 상기 피동기어b(120)를 통해 증가된 토크가 상기 피동기어b(120)와 구동기어b(110)의 기어 감속비에 비례하는 회전 각속도로 상기 회전체b(400)와 구동기어b(110)에 전달되어 원상태로 복원되면서 상기 부스터(70)의 상기 작동 유체(70a)에 인가되었던 압력이 해제되는;

단계를 특징으로 하는 토크를 제어하는 방법