KR101677935B1 - 관절 구동기 및 이를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조 - Google Patents

관절 구동기 및 이를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사용 중 사용자가 느낄 수 있는 기계적 마찰를 저감 또는 조절할 수 있으며, 기어부의 선택적 맞물림이 가능하여 유연한 구동이 가능하도록 설계된 관절 구동기 및 관절 구동기를 사용하는 하지 보조로봇의 관절구조에 관한 것이다.

Description

관절 구동기 및 이를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조{Joint Driving Unit And Joint Structure Of Lower-limb Assistance Robot Having The Same}
본 발명은 관절 구동기 및 이를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은, 사용 중 사용자가 느낄 수 있는 기계적 마찰를 저감 또는 조절할 수 있으며, 기어부의 선택적 맞물림이 가능하여 유연한 구동이 가능하도록 설계된 관절 구동기 및 상기 관절 구동기를 사용하는 하지 보조로봇의 관절구조에 관한 것이다.
고령화 사회에 따른 고령 인구 및 각종 사고 등에 따른 후천적 장애인의 신체의 일부를 보조하기 위한 로봇이 소개되고 있다.
이러한 거동기능 이상자의 거동을 돕기 위한 장치는 꾸준히 개발되고 있으며 상업화 되고 있다. 대표적인 일 예로, 기능이 저하된 하지(leg)의 거동을 보조하기 위한 하지 보조로봇이 그 대표적인 예이다.
하지 보조로봇은 장애인, 부상자 또는 노인의 직립 보행시 부족한 다리힘을 보조하기 위해 관절 토크를 제공하여 정상인의 보행과 유사한 보행을 구사할 수 있도록 돕기 위한 로봇이다. 이러한 하지 보조로봇의 관절 토크를 제공하기 위해 일반적으로 전기 모터가 사용되고 있다.
하지 보조로봇은 사용자가 착용하는 로봇이므로 하중과 부피를 줄이기 위하여, 하지 로봇에 사용되는 전기 모터는 소형화가 요구된다. 또한, 전기 모터는 출력 토크를 확보하기 위해 감속기가 사용되고 있다.
그러나, 이와 같이 전기 모터에 감속기를 사용하는 경우, 모터의 출력 토크는 기어비에 의해 증가하지만, 기어가 상호 맞물려 회전하면서 발생하는 마찰력 등의 이유로, 사용자가 느끼는 기계적 마찰 역시 작지 않다는 문제가 있다.
복수의 기어로부터 기인하는 기계적 마찰로 인하여, 상기 하지로봇을 장착함에 있어서 장착에 대한 이질감 및 거동의 불편함을 느낄 수 있기 때문이다.
즉, 상기 하지 보조로봇에 대한 상기 하지 보조로봇을 사용하는 경우 직립 보행시 전기 모터에 의하여 제공되는 토크에 의하여 관절 구동력을 보조 받지만, 관절 구동력의 보조가 필요하지 않은 상황에서는 사용자가 관절을 조금 움직이거나 자세를 변경하려는 사용자는 사용자의 의지에 따른 관절의 움직임을 방해하는 큰 마찰를 하지 보조로봇으로부터 느끼게 된다는 문제점이 있다.
따라서, 하지 보조로봇은 착용자의 상황에 대응하여 구동되어 착용자의 거동 유연성도 보장되기 위해서는 하지 보조로봇의 기계적 마찰는 저감될 필요가 있다. 그러나 충분한 관절 구동력 제공과 함께 사용자의 거동 유연성 확보를 위한 기계적 마찰 저감은 다소 상반되는 목적 또는 기능에 해당되지만 필요성이 크다.
본 발명은 탄성적인 구성요소를 추가시킴으로써 상황 또는 외부환경에 대응하여 하지 보조로봇의 관절부에 발생될 수 있는 기계적 마찰를 저감 또는 조절할 수 있는 관절 구동기 및 상기 관절 구동기를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 하지 보조로봇 관절부의 움직임 자유도를 향상시킬 수 있도록 기어부의 선택적 맞물림이 가능한 관절 구동기 및 상기 관절 구동기를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 모터, 상기 모터에서 제공되는 회전 구동력의 방향을 변경하고, 감속하여 회전 구동력을 증대 제공하는 제1 기어부, 상기 제1 기어부에서 제공된 구동력에 의한 비틀림 변형량이 결정되는 스프링 부재 및, 상기 스프링 부재의 비틀림 변형량에 따라 회전 구동력이 전달되어 구동대상 관절을 구동하는 제2 기어부를 포함하고, 상기 제1 기어부는 상기 모터의 회전축에 장착된 웜기어 및 상기 웜기어에 맞물리며 상기 모터의 회전축과 수직한 구동축을 갖는 웜휠기어를 구비하며, 상기 관절 구동기는 상기 구동대상 관절을 포함하는 관절구조의 하우징에 장착되고, 상기 모터 및 상기 모터의 회전축에 장착된 상기 제1 기어부를 구성하는 웜기어는 상기 하우징에 힌지 결합되어 상기 제1 기어부를 구성하는 웜휠기어와 근접하여 맞물림 상태가 되거나, 이격되어 맞물림 상태가 해제되도록 힌지 결합된 곳을 중심으로 회전 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 관절 구동기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제2 기어부는 적어도 하나의 스퍼기어를 구비하며, 상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어의 구동축은 상기 제1 기어부를 구성하는 웜휠기어의 구동축과 일직선 상에 배치되며, 상기 스프링 부재는 상기 제1 기어부를 구성하는 웜휠기어에서 제공되는 회전 구동력에 의하여 비틀림 변형되고, 상기 스프링 부재의 비틀림 변형량에 비례하는 회전 구동력이 상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어에 전달될 수 있다.
여기서, 상기 모터 및 상기 웜기어가 상기 웜휠기어와 근접하도록 회전되는 경우, 상기 웜기어와 상기 웜휠기어는 맞물림 상태가 되고, 상기 모터 및 상기 웜기어가 상기 웜휠기어와 이격되도록 회전되는 경우, 상기 웜기어와 상기 웜휠기어는 맞물림 상태가 해제될 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전술한 기재된 관절 구동기 및 상기 하우징에 힌지 결합되고 상기 제2 기어부에서 제공된 회전 구동력에 의해 회전 구동되는 관절유닛을 포함하고, 상기 관절유닛은 상기 제1 기어부를 구성하는 상기 웜기어와 상기 웜휠기어가 맞물린 맞물림 상태에서, 상기 제2 기어부로부터 회전 구동력이 전달되어 회전 구동되고, 상기 제1 기어부를 구성하는 상기 웜기어와 상기 웜휠기어의 맞물림 상태가 해제되는 경우, 상기 제2 기어부로부터 회전 구동력이 차단되는 하지 보조로봇의 관절구조를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 관절유닛은 스프로킷 기어를 구비하며, 상기 스프로킷 기어는 상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어에 전달되는 구동력으로 회전 구동될 수 있다.
또한, 상기 관절유닛을 구성하는 상기 스프로킷 기어는 상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어와 적어도 하나의 보조기어를 매개로 연결될 수 있다.
그리고, 상기 제1 기어부는 상기 웜기어를 내측에 위치시키는 웜기어 케이스 및 상기 웜휠기어를 내측에 위치시키는 웜휠기어 케이스를 구비하며, 상기 웜기어 케이스는 상기 웜기어와 상기 웜휠기어의 맞물림 상태를 유지하기 위하여 상기 웜휠기어 케이스에 선택적 체결이 가능한 걸쇠를 구비하고, 상기 웜기어와 상기 웜휠기어의 맞물림 상태를 유지하도록 탄성 지지될 수 있다.
또한, 상기 웜휠기어 케이스는 상기 웜휠기어 케이스에 체결된 상기 걸쇠의 걸림 상태가 해제되는 것을 방지하는 방향으로 경사진 경사면 형태의 풀림 방지부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 웜휠기어 케이스는 상기 웜휠기어 케이스로부터 걸림 해제된 상기 걸쇠가 상기 웜휠기어 케이스에 체결되는 것을 방지하기 위한 돌기 형태의 체결 방지부를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 관절 구동기 및 상기 관절 구동기를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조에 의하면, 관절 구동기를 구성하는 복수의 기어 사이에 탄성체를 적용하여 모터로부터 제공된 구동력을 상기 탄성체를 통해 관절부로 전달시키므로 기존의 기어끼리 맞물리는 동력전달 방식에 비해 기계적 마찰를 저감 또는 조절하기 위한 인위적 제어가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 관절 구동기 및 상기 관절 구동기를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조에 의하면, 착용자의 임의적인 움직임 또는 외부 환경과의 상호작용에 대응하여 정밀하게 구동됨으로써 착용자의 유연한 거동을 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 관절 구동기 및 상기 관절 구동기를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조에 의하면, 종류별로 다른 강성도를 갖는 탄성체를 선택적으로 적용함으로써, 사용되는 장치 및 사용자의 상태에 따라 상이한 회전력을 갖는 관절 구동기에 더욱 유연하게 대처하여 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 관절 구동기 및 상기 관절 구동기가 적용된 하지 보조로봇의 관절구조에 의하면, 기어부의 선택적 맞물림이 가능하도록 설계된 관절 구동기를 사용함으로써, 착용자의 움직임 자유도를 더욱 상승시킴으로 착용자가 하지 보조로봇을 더욱 유연하게 사용할 수 있다.
도 1은 관절 구동기를 사용하는 하지 보조로봇의 착용 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 다른 관절 구동기를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기의 사시도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 관절 구동기의 분해 사시도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기가 적용된 관절구조를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기에서 제1 기어부의 맞물림 및 맞물림 해제를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기 및 관절 구동기에 연결된 관절유닛을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기가 구비된 하지 보조로봇의 관절구조의 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기에서 제1 기어부의 맞물림 및 맞물림의 해제를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기에서 제1 기어부의 맞물림이 해제된 관절 구동기를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 스위치의 작동을 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 관절 구동기 및 상기 관절 구동기가 구비된 하지 보조로봇의 관절구조에 관한 것으로, 이에 대한 자세한 설명에 앞서, 본 발명의 이해를 돕기 위해, 관절 구동기가 구비된 하지 보조로봇에 대해 살펴본다.
도 1은 관절 구동기를 사용하는 하지 보조로봇의 착용 예를 도시한다.
관절 구동기(200)를 구비하는 하지 보조로봇(1000)은 사람의 신체중 하체에 포함된 관절 중 고관절 또는 무릎관절에 각각 구비되어 상기 고관절 또는 무릎관절에 회전 구동력을 제공하는 상기 관절 구동기(200)를 포함할 수 있으며, 상기 관절 구동기(200)에 전력을 제공하는 배터리 및 컨트롤러를 구비하는 구동부(100)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 하지 보조로봇(1000)은 고관절 및 무릎관절에 각각 관절 구동기(200)가 구비된 예를 도시하지만 어느 하나의 관절에만 관절 구동기(200)가 적용되는 것도 가능하다.
상기 관절 구동기(200)는 상기 하지 보조로봇(1000)의 사용자가 보행함에 있어 각각의 관절의 회전 토크를 제공하는 구성으로, 상기 배터리(100)로부터 전력을 공급받아 상기 관절 구동기(200)에 구비된 모터 등을 구동하여 관절의 회전 토크를 제공할 수 있다.
이어서, 상기 관절 구동기(200)로부터 제공된 회전 구동력은 관절유닛(400)을 회전시킬 수 있다. 상기 관절유닛(400)은 관절 사이를 연결하고 회전 토크에 의하여 그 하부에 연결된 장치들을 회전시키며 지면으로부터 상기 하지 보조로봇(1000)를 사용하는 사용자를 지지시키는 역할을 수행할 수 있다.
상기와 같이 하지 보조로봇(1000)은 사람의 하체의 관절 또는 골격 구조와 유사한 구조로 설계될 수 있다.
그러나, 상기 관절 구동기(200)는 상기 사람의 하체의 각 관절 부분에 모두 구비될 필요는 없으며, 경우에 따라서 상기 하지 보조로봇(1000)의 고관절 또는 무릎관절 부분 중 일부만 상기 관절 구동기(200)가 구비될 수 있음은 전술한 바와 같다.
상기 하지 보조로봇(1000)은 사람의 하체 거동을 보조하는 장치로서, 상기 하지 보조로봇(1000)은 상기 하지 보조로봇(1000)을 사용하는 사용자에게 착용되어 사용되므로, 사용자와의 상호관계가 매우 중요하다.
따라서, 상기 하지 보조로봇(1000)에 있어서, 사용자에게 충분한 회전 구동력을 제공하여 하체에 충분한 힘을 제공하는 것이 매우 중요하지만, 사용자에게 일정 범위의 유연성도 허용해야 한다.
상기 하지 보조로봇(1000)를 구성하는 상기 관절 구동기(200)는 상기 하지 보조로봇(1000)에 회전 구동력을 전달하는 역할을 하는데, 충분한 회전 구동력을 전달하기 위해 동력원으로서 주로 전기 모터가 사용될 수 있다. 이러한 전기 모터가 사용된 상기 관절 구동기(200)는 상기 관절 구동기(200)의 소형화 및 고출력성을 위해 감속구조가 채용될 수 있으며, 이에 따라서, 상기 감속구조가 채용된 관절 구동기(200)는 상기 하지 보조로봇(1000)의 소형화에 일조함과 더불어 부피 대피 큰 회전 구동력을 제공할 수 있다.
그러나, 상기와 같이 감속구조가 채용된 관절 구동기(200)는 복수의 기어가 맞물려 회전하여 회전 구동력이 전달되므로, 맞물려 회전하는 상기 복수의 기어로부터 기인하는 기계적 마찰로 인하여 사용자의 거동 유연성을 방해하는 요소로 작용한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 구동기를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 구동기(200)는 크게 모터(210)와, 상기 모터(210)에서 제공되는 회전 구동력의 방향을 변경하고, 감속하여 회전 구동력을 증대 제공하는 제1 기어부(220)와, 상기 제1 기어부(220)에서 제공된 구동력에 의한 비틀림 변형량이 결정되는 스프링 부재(270) 및, 상기 스프링 부재(270)의 비틀림 변형량에 따라 회전 구동력이 전달되어 구동대상 관절을 구동하는 제2 기어부(290)를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 실시 예에 따른 관절 구동기(200)는 상기 모터(210)로부터 제공되는 회전 구동력을 발생 및 전달시키는 구성이다.
본 발명에 따른 관절 구동기(200)는 회전 구동력을 필요로 하는 어떠한 장치라도 적용되어 사용 가능하나, 신체 보조로봇에 적용되어 사용자가 느끼는 마찰를 줄일 수 있는 구동기로 사용될 수 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기(200)는 기어비 조절을 위하여 감속구조를 채용하여 회전 구동력을 극대화할 수 있다.
따라서, 상기 제1 기어부(220)는 상기 모터(210)의 모터축(211)에 장착된 웜기어(230) 및 상기 웜기어(230)에 맞물리며 상기 모터(210)의 회전축과 수직한 구동축을 갖는 웜휠기어(250)로 구성될 수 있으며, 상기 웜기어(230) 및 상기 웜휠기어(250)가 서로 수직한 회전축으로 맞물려 회전함으로써 상기 모터(210)로부터 제공된 회전 구동력의 방향을 변경함과 동시에 그 회전 구동력을 증대시킬 수 있다.
이와 같이, 구동기 내에서 감속구조를 채택하면 그 회전 구동력을 증가시켜 설계에 따라 충분한 회전 구동력을 획득할 수 있다. 하지만, 그에 따라 발생하는 기어 사이의 큰 마찰력은 높은 기계적 마찰를 발생시켜 사용자의 움직임 자체가 불가능할 수 있다.
즉, 사용자가 처한 상황에 따라 관절에 인가되는 마찰를 극복하고 어느 정도의 움직임 또는 유연성이 보장되어야 하지만 기계적 마찰가 큰 경우에는 사용자는 수동적 움직임만 허용될 뿐 필요에 따른 관절의 움직임이 전혀 불가능해질 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기(200)는, 상술한 바와 같은 기계적 마찰를 저감 또는 조절시키기 위해, 상기 스프링 부재(270)가 구비될 수 있다.
상기 스프링 부재(270)는 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 웜휠기어(250)에서 제공되는 회전 구동력에 의하여 비틀림 변형되고, 상기 스프링 부재(270)의 비틀림 변형량에 비례하는 회전 구동력이 상기 제2 기어부(290)에 전달될 수 있다.
상기 스프링 부재(270)를 통한 회전 구동력의 전달은 기존의 방식인 맞물린 기어의 회전에 의한 회전 구동력의 전달방식과 달리 스프링의 비틀림 변형량에 따른 탄성력을 통해 회전 구동력을 전달하므로, 사용자의 상황에 따라 비틀림 변형량을 모터에 의하여 제거하는 방식으로 관절 구동기의 기계적 마찰를 제거하거나 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 관절 구동기가 구비된 관절구조가 채용된 하지 보조로봇은 사용자의 움직임 또는 자세 등에 따라 관절 구동기의 스프링 부재의 비틀림 변형량을 제거하도록 모터를 구동하여, 사용자가 걷지 않는 상황, 예를 들면 앉아 있는 상태 등에서는 어느 정도의 사용자의 움직임이 허용되도록 모터를 구동하는 방법을 사용할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 뒤로 미룬다.
관절 구동기에 대하여 계속 설명한다. 상기 스프링 부재(270)를 통해 회전 구동력을 전달 받는 상기 제2 기어부(290)는 적어도 하나의 스퍼기어(291)를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 제2 기어부(290)를 구성하는 스퍼기어(291)의 구동축은 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 웜휠기어(250)의 구동축과 일직선 상에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 스퍼기어(291)는 상기 스프링 부재(270)로부터 회전 구동력을 전달받아 상기 웜휠기어(250)와 동일한 구동축에서 동일 방향으로 회전될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 스퍼기어(291)는 상기 모터(210)로부터 기인된 회전 구동력을 출력측에 전달하는 기어로서, 도 2를 참조하면, 상기 스퍼기어(291)가 하나만 구비되지만, 상기 관절 구동기(200)가 적용되는 장치 및 적용되는 장치에서 요구하는 회전 구동력의 크기에 기어비를 조절하기 위하여 따라 복수 개가 구비될 수 도 있다.
다음으로, 상기 스프링 부재(270)에서 회전 구동력을 전달받아 회전하는 상기 스퍼기어(291)는 출력측인 구동대상 관절과 직접 연결되거나 중간에 다른 스퍼기어를 매개로 연결되어 상기 구동대상 관절을 구동할 수 있다.
이상에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 구동기(200)에 대해서 개략적으로 살펴 보았다.
이하에서는 상기 관절 구동기(200)의 결합관계 및 세부구성에 대해서 구체적으로 살펴볼 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기의 사시도를 도시하며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 관절 구동기의 분해 사시도를 도시한다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에서 상기 모터(210)는 일단에 모터축(211)이 돌출되어 구비되며, 상기 모터축(211)은 상기 모터(210)로부터 기인되는 회전 구동력에 의하여 회전될 수 있다. 상기 모터축(211)은 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 웜기어(230)와 결합할 수 있으며, 상기 웜기어(230)는 상기 모터축(211)의 회전에 의하여 회전하여 상기 모터(210)로부터 회전 구동력을 전달 받을 수 있다.
또한, 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜기어(230) 및 웜휠기어(250)는 각각 이를 수용하는 케이스 내에 장착될 수 있다.
이는 각각의 기어를 보호함과 동시에 후술하는 선택적 맞물림 구조를 구현하는 걸쇠의 장착 및 걸림 구성으로 역할한다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
구체적으로, 상기 웜기어(230)는 웜기어 케이스(240) 내에 위치될 수 있다. 상기 웜기어 케이스(240)를 구성하는 구성요소 및 이들의 결합구조는 아래와 같다.
상기 웜기어 케이스(240)의 최하단 구성요소인 모터홀더(241)는 상기 모터(210)의 상부에서 상기 모터(210)의 모터축(211)에 의해 관통되어 상기 웜기어(230)의 하부에 위치될 수 있으며, 상기 웜기어(230)의 상부에는 상기 모터(210)에 구비된 상기 모터축(211)과 연결된 상기 웜기어(230)의 말단이 관통되게 위치하는 핀홀더(242)가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 모터홀더(241) 및 상기 핀홀더(242)는 측면부재(246)를 통해 연결될 수 있다. 따라서, 상기 모터(210)에 구비된 상기 모터축(211)이 관통된 상태로 상기 모터(210)의 상부에 위치하는 상기 모터홀더(241)와 상기 웜기어(230)의 말단이 관통된 상태로 상기 웜기어(230)의 상부에 위치하는 상기 핀홀더(242)가 상기 측면부재(261)를 매개로 연결됨으로써 상기 웜기어(230)가 상기 모터홀터(241) 및 핀홀더(242)에 의해 지지되어 위치될 수 있다.
이에 따라, 상기 웜기어(230)가 상기 모터(210)로부터 회전 구동력을 전달받아 안정적으로 회전할 수 있다. 여기서, 상기 웜기어(230)는 상기 핀홀더(242)를 관통한 상태로 회전하므로 웜기어 베어링(231)을 사이에 두고 상기 핀홀더(242)에 관통된 상태로 회전될 수 있다.
상기 핀홀더(242)에는 상기 웜기어(230)와 평행한 축으로 핀(245)이 관통되어 고정될 수 있다. 또한, 상기 핀(245)은 상기 모터홀더(241)에도 관통되어 연결될 수 있다. 즉, 상기 핀(245)은 상기 핀홀더(242) 및 상기 모터홀터(241)를 동시에 관통하여 연결된 상태로 상기 웜기어(230)와 평행하게 구비될 수 있다. 여기서, 상기 핀(245)은 힌지 브라켓(244)과 힌지 결합될 수 있다. 따라서, 상기 관절 구동기(200)는 상기 핀(245) 및 상기 핀(245)이 힌지 결합된 상기 힌지 브라켓(244)을 통하여 상기 관절 구동기(200)가 장착되는 대상물 상에서 회전될 수 있다.
즉, 상기 핀(245)이 힌지 결합된 상기 힌지 브라켓(244)이 상기 대상물에 장착되어 고정됨으로써, 상기 핀(245)이 연결되는 상기 핀홀더(242) 와 모터홀더(245)에 연결된 상기 웜기어(230) 및 상기 모터홀더(241)와 결합되어 상기 모터홀더(241)의 하부에 위치하는 상기 모터(210)는 상기 힌지 브라켓(244)을 기준으로 회전할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
그리고, 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜휠기어(250) 역시 웜휠기어 케이스(260) 내에 회전 가능하게 결합되어 위치될 수 있다.
상기 웜휠기어 케이스(260)는 내측에 상기 웜휠기어(250)가 회전 가능하게 연결되는 웜휠기어 가이드(261)를 구비할 수 있으며, 상기 웜휠기어(250)는 웜휠기어 베어링(251)을 매개로 상기 웜휠기어 가이드(261)에 결합될 수 있다.
여기서, 상기 웜휠기어 가이드(261)는 상기 웜휠기어 가이드(261)에 연결된 상기 웜휠기어(250)가 상기 웜기어 케이스(240)에 위치한 상기 웜기어(230)와 맞물릴 수 있도록 상기 웜기어 케이스(240)와 상호 연통되도록 설계될 수 있다.
또한, 상기 웜휠기어 케이스(260)는 상기 웜기어 케이스(240)와 상호 연통된 면의 반대 면으로 웜휠 보호부재(262)를 구비하여 상기 웜휠기어(250)를 외부로부터 보호할 수있다.
상기 웜휠기어 케이스(260)에 구비된 상기 웜휠 보호부재(262)와 마찬가지로 상기 웜기어 케이스(240) 또한 상기 웜휠기어 케이스(260)와 연통된 반대면에 웜기어 보호부재(243)를 구비하여 상기 웜기어(230)를 외부로부터 보호할 수 있다.
다음으로 상기 스프링 부재(270)는 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 웜휠기어(250)와 결합될 수 있다. 상기 스프링 부재(270)는 원통형 형상일 수 있으며, 일단이 상기 웜휠기어(250)에 결합하여 상기 웜휠기어(250)의 구동축과 일직선 상에 배치될 수 있다.
일단이 상기 웜휠기어(250)에 결합한 상기 스프링 부재(270)의 타단에는 상기 제2 기어부(290)를 구성하는 스퍼기어(270)가 결합될 수 있다.
여기서, 상기 스프링 부재(270)는 상기 웜휠기어(250)와 상기 스퍼기어(291)의 동일 구동축 선상에서 안정적으로 위치하기 위하여 내주면에 삽입되는 연결 샤프트(290)를 구비할 수 있다.
상기 연결 샤프트(290)는 상기 웜휠기어(250)에 결합된 상기 스프링 부재(270)의 내주면에 삽입되며, 상기 스프링 부재(270)는 상기 연결샤프트(290)를 매개로 상기 스퍼기어(291)에 연결될 수 있다. 그러나, 상기 연결샤프트(290)는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기(200)에 있어서 필수적인 구성은 아니므로 생략될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기(200)는 상술한 바와 같이 모터(210)로부터 기인된 회전 구동력이 서로 수직한 회전축을 갖는 한 쌍의 제1 기어부(220)를 통해 회전 구동력의 방향이 변경되고 감속되어 상기 스프링 부재(270)로 전달되며, 전달된 회전 구동력에 의해 상기 스프링 부재(270)가 비틀림 변형되고, 상기 비틀림 변형에 기인한 상기 스프링 부재(270)의 복원력이 구동력으로서 적어도 하나의 스퍼기어(291)를 구비하는 상기 제2 기어부(290)에 전달되는 구조이다.
그러나, 상기 관절 구동기(200)를 구성하는 복수의 기어는 상술한 바와 같은 구성 및 구조에 한정되지 않으며, 복수의 기어가 구비되어 이를 통한 회전 구동력의 전달이 가능하고, 상기 복수의 기어 중 적어도 한 곳 사이에 상기 스프링 부재(270)가 구비되어 상기 스프링 부재(270)의 비틀림 변형을 통한 회전 구동력의 전달이 이루어지는 구조라면 어떠한 형태로도 구성될 수 있다.
즉, 상기 관절 구동기(270)를 구성하는 복수의 기어(230,250,290)는 상기 관절 구동기(200)가 적용되는 대상물의 용도 및 필요한 회전 구동력에 따라서 덜 구비되거나 더 구비될 수 있고, 기어의 상호 연결관계 또한 수직한 구동축 및 동일 구동축 상에서 일직선 상에 연결되는 구조 중에서 선택적인 조합으로 설계가 가능하며, 상기 스프링 부재(270) 또한, 상기 관절 구동기(200)에 구비되는 복수의 기어의 개수에 따라 더 구비되어 상기 복수의 기어 사이를 연결할 수 있다.
상기 스프링 부재(270)는 상기 모터(210)에서 제공된 회전 구동적을 전달하면서 비틀림 변형이 이루어 질 수 있는데, 이 경우, 상기 관절 구동기(200)는 상기 스프링 부재(270)의 비틀림 변형량을 측정하고 비틀림 변형량에 따라 상기 모터(210)를 제어함으로써 상기 스프링 부재(270)의 비틀림 변형량을 보상할 수 있다.
즉, 상기 모터(210)는 상기 스프링 부재(270)의 비틀림 변형량을 보상하여 다시 원래의 상태 복원될 수 있도록 상기 스프링 부재(270)를 회전시키는 방법으로 사용자가 느끼는 기계적 마찰를 제거 또는 조절할 수 있게 된다.
여기서, 상기 스프링 부재(270)는 상기 관절 구동기(200)의 구성요소로 채택되어 구비되기 전에 그 강성이 고려되어 구비될 수 있는데, 그 이유는 상기 스프링 부재(270)의 강성이 크다면 비틀림 변형량이 감소하여 상기 모터(210)로부터 제공되는 회전 구동력을 출력측으로 잘 전달할 수 있지만 상기 관절 구동기(200)를 사용함에 있어서 상기 회전 구동력의 출력을 유연하게 제어할 수 없으며, 상기 스프링 부재(270)의 강성이 작으면 상기 관절 관절 구동기(200)가 출력할 수 있는 회전 구동력이 작아질 수 있으므로 적절한 강성을 갖는 것으로 채택되어 구비될 수 있다.
상기 스프링 부재(270)는 본 발명을 통해 구성되는 상기 관절 구동기(200)에서 가장 중요한 역할을 하는 구성요소로서, 기존에 기어의 맞물림을 통해서만 설계되었던 관절 구동기에 도입되어 기어의 맞물림에 기인하여 발생될 수 있는 마찰력을 저감시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 상기 스프링 부재(270)는 상기 관절 구동기(200)에 회전 구동력을 제공하는 모터(210)에 의한 회전과는 별개로 상기 관절 구동기(200)의 출력측에서 발생될 수 있는 외부 조건에 의한 회전에 대응한 유연한 구동을 가능하게 할 수 있다.
이에 대해서 살펴보면, 상기 관절 구동기(200)의 제2 기어부(290)에 연결되어 회전될 수 있는 출력측은, 지면이나 벽 또는 외부 사물과의 상호작용으로 인해 상기 관절 구동기(200)에서 제공되는 회전 구동력으로 인한 회전과는 별개의 회전이 이루어 질 수 있다.
이 경우, 상기 제2 기어부(290)에 연결된 상기 스프링 부재(290)는 상기 출력측의 회전에 의해 비틀림 변형될 수 있으며, 이에 따라, 상기 관절 구동기(200)는 상기 스프링 부재(290)의 비틀림 변형을 보상하기 위하여 상기 모터(210)를 회전시켜 상기 스프링 부재(290)를 다시 복원시킬 수 있다.
따라서, 상기 관절 구동기(200)는 상기 출력측에 회전 구동력을 제공하여 회전시킴과 동시에 상기 출력측에서 발생되는 별도의 회전에도 대응하여 구동되므로 상기 출력측의 회전을 더욱 유연하게 대응할 수 있다.
상술한 바로, 상기 관절 구동기(200)가 상기 스프링 부재(270)를 채용하여 구비함으로써, 상기 관절 구동기(200)에서 발생될 수 있는 회전 출력에 대응하는 마찰가 저감될 수 있으며, 출력측에 발생되는 외부와의 상호작용에 의한 회전에 있어서도 유연하게 반응할 수 있는 것에 대해 살펴보았다.
그러나, 상기 관절 구동기(200)에 연결된 출력측은 경우에 따라서 임의적으로 외부와의 상호작용이 이루어져야 하는 경우가 있다. 즉, 상기 관절 구동기(200)가 적용되어 사용되는 장치, 일 예로서, 도 1에 도시된 바와 같은 하지 보조로봇(1000) 같은 경우, 상기 하지 보조로봇(1000)을 사용하는 사용자는 상기 관절 구동기(200)로부터 회전 구동력을 제공받아 거동함과 동시에, 경우에 따라 회전 구동력과 관계없는 관절의 움직임이 필요할 경우가 있다.
예를 들어, 상기 하지 보조로봇(1000)의 사용자가 보행 도중 관절에서 발생되는 통증 등을 완화하거나, 의자 또는 바닥에 앉게 되는 경우이다.
이 경우, 상기 관절 구동기(200)는 사용자의 의도에 대응하여 상기 스프링 부재(270)의 비틀림 변형을 보상함으로써, 사용자는 의도에 맞게 거동할 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도 상기 관절 구동기(200)에 회전 구동력을 제공하는 모터(210)는 작동해야 하며, 이에 따라 상기 모터(210)는 항시 작동해야 하므로 충전 방식의 배터리를 사용하는 경우 전력을 효율적으로 사용할 수 없다.
따라서, 이하에서는 필요한 상황에서 선택적으로 기어의 맞물림을 해제하여 외부와의 상호작용에 대해 더욱 유연하게 대처할 수 있는 관절 구동기가 필요할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기가 적용된 관절구조를 도시하고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기에서 제1 기어부의 맞물림 및 맞물림 해제를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기(200)는 구동대상 관절을 포함하는 관절구조의 하우징(300)에 장착되고, 상기 관절 구동기(200)를 구성하는 상기 모터(210) 및 상기 모터의 회전축에 장착된 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 웜기어(230)는 상기 하우징에 힌지 결합되며, 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜기어(230)와 상기 웜휠기어(250)는 선택적으로 맞물림 상태가 해제될 수 있다.
상기 관절 구동기(200)는 상기 하우징(300)의 일 측면에서 부착되어 고정될 수 있다.
이 때 상기 웜휠기어 케이스(260)는 상기 하우징(300)의 일 측면에 돌출되게 부착되며, 이에 따라, 상기 웜휠기어(250) 또한, 상기 하우징(300)상에서 돌출된 위치에 구비될 수 있다. 여기서, 상기 하우징(300)상에서 돌출된 위치에 구비된 상기 웜휠기어(250)와 연결 된 스프링 부재(270) 및 상기 스프링 부재(270)와 연결된 상기 제2 기어부(290)를 구성하는 스퍼기어(291)는 상기 하우징(300)의 일측면 외부에 위치하는 상기 웜휠기어(250)로부터 상기 하우징(300)의 내측 방향 쪽으로 위치되도록 구비될 수 있다.
여기서, 상기 제2 기어부(290)를 구성하는 상기 스퍼기어(291)는 상기 하우징(300)의 내측에 위치하여 상기 관절 구동기(200)로부터 제공된 회전 구동력을 전달받아 출력하는 구동대상 관절에 연결될 수 있다.
또한, 상기 모터(210) 및 상기 모터의 회전축에 장착된 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 웜기어(230)는 상기 하우징(300)의 외측 일면에서 힌지결합되어 구비될수 있다. 이 때, 상기 웜기어(230)는 상기 웜기어 케이스(240) 내에 구비되고 상기 웜기어 케이스(240)가 상기 하우징의 일측면에서 돌출되게 할 수 있다.
여기서, 상기 하우징 케이스(240)는 앞서 설명하였던 상기 한지 브라켓(244) 및 상기 핀(245)을 통해 상기 하우징(300)에서 힌지 결합될 수 있으며, 상기 하우징(300)의 외측 일측면에 구비된 상기 제1 기어(220)를 구성하는 상기 웜휠기어(250)가 내부에 구비된 상기 웜휠기어 케이스(260)와 동일 면상에서 밀착되게 구비될 수 있다.
따라서, 밀착되어 구비된 상기 웜기어 케이스(240)와 상기 웜휠기어 케이스(260)로 인하여 상기 웜기어 케이스(240) 및 상기 웜휠기어 케이스(260) 각각의 내부에 위치한 상기 웜기어(230) 및 상기 웜휠기어(250)는 서로 맞물려 위치될 수 있다.
상기 웜기어 케이스(240)는 상기 힌지브라켓(244) 및 상기 핀(245)을 통하여 상기 하우징(300)에 힌지결합되므로 상기 하우징(300)과 힌지 결합된 곳을 중심으로 회전할 수 있는데, 이 경우, 상기 웜기어 케이스(240)는 회전하여 상기 웜휠기어 케이스(260)와 가까워지게 또는 멀어지게 회전될 수 있다.
즉, 상기 관절 구동기는 상기 구동대상 관절을 포함하는 관절구조의 하우징(300)에 장착되고, 상기 모터 및 상기 모터의 회전축에 장착된 상기 제1 기어부를 구성하는 웜기어(230)는 상기 하우징(300) 측에 힌지 결합되어 상기 제1 기어부를 구성하는 웜휠기어(250)와 근접하여 맞물림 상태가 되거나, 이격되어 맞물림 상태가 해제되도록 힌지 결합된 곳을 중심으로 회전될 수 있다.
따라서, 상기 모터(210) 및 상기 모터(210)의 회전축에 장착된 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 웜기어(230)는 상기 하우징(300)에 힌지 결합된 곳을 중심으로 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 웜휠기어(250)와 가까워지게 근접하여 맞물림 상태가 되거나 또는 멀어지게 이격되어 맞물림 상태가 해제되도록 회전될 수 있다.
도 5의 (a) 및 도 6의 (a)를 참조하면 상기 웜기어(230)가 상기 웜휠기어(250)와 가까워지게 근접하여 맞물림 상태가 된 상태에서 상기 웜기어(230)와 상기 웜휠기어(250)가 서로 맞물린 상태에 있는것을 볼 수 있으며, 도 5의 (b) 및 도 6의 (b)를 참조하면 상기 웜기어(230)가 상기 웜휠기어(250)와 멀어지게 회전된 상태에서 상기 웜기어(230)와 상기 웜휠기어(250)가 맞물림 해제 상태에 있는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기(200)는 상기 제1 기어부(220)의 상호 맞물림 상태를 선택적으로 결정할 수 있으므로, 상기 모터(210)로부터 기인되는 회전 구동력이 불필요한 경우 또는 배터리 전원의 절약이 필요한 경우 상기 제1 기어부(220)의 상호 맞물림 상태를 선택적으로 해제할 수 있으며, 따라서, 상기 모터(210)의 사용을 선택적으로 조절하여 전력 사용량을 감소시킬 수 있다.
즉, 상기 웜기어(230)와 상기 웜휠기어(250)의 맞물림 상태를 해제하는 방법은 구동력 전달 경로를 완전히 분리하는 것이므로, 스프링 부재의 비틀림 변형량을 제거하는 방법으로 기계적 마찰를 조절하는 방법보다 근본적인 방법으로 사용자가 느끼는 기계적 마찰를 제거할 수 있다.
또한, 상기 관절 구동기(200)를 사용중에는 상기 스프링 부재(270)를 통해 기계적 마찰가 저감된 유연한 회전 구동력의 출력을 구현할 수 있으며, 또한, 상기 모터(210)에 의한 회전 구동력이 필요 없거나 외부와의 임의적인 상호작용이 필요한 경우, 상기 제1 관절부재(220)의 상호 맞물림 관계를 해제시킬 수 있으므로 상기 관절 구동기(200)가 더욱 유연하게 사용될 수 있다.
이하에서는, 관절 구동기가 구비된 하지 보조로봇의 관절구조에 대해 살펴볼 수 있다. 이하에서 언급되는 관절 구동기(200)는 상술한 바에서 설명된 상기 관절 구동기(200)와 동일한 것이므로 그 자세한 설명은 생략될 수 있으며, 또한, 상기 관절 구동기(200)외에 앞서 미리 언급되었던 다른 구성요소가 이하에서 언급된다면 해당 구성요소는 앞서 상술하였던 구성요소와 동일한 것이므로 추가적인 설명이 필요가 없을 시, 그 해당 구성요소의 자세한 설명은 생략될 수 있다.
또한, 앞서 상기 관절 구동기(200) 및 기타 구성요소를 설명함에 있어서 사용되었던 도면을 통해서도 이하 설명될 관절 구동기가 구비된 하지 보조로봇의 관절구조의 설명에 참고되어 이해될 수 있다. 따라서, 관절 구동기를 사용하는 하지 보조로봇의 착용 예를 도시했던 도 1은 본 발명의 따른 관절 구동기를 구비한 하지 보조로봇의 관절구조가 적용된 예로서 설명될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기 및 관절 구동기에 연결된 관절유닛을 도시하며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기가 구비된 하지 보조로봇의 관절구조의 분해사시도이다.
도 7 및 도 8과 앞서 설명하였던 도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기가 구비된 하지 보조로봇(1000)의 관절구조는 상기 관절 구동기(200) 및 상기 하우징(300)에 힌지 결합되고 상기 제2 기어부(290)에서 제공된 회전 구동력에 의해 회전하는 관절유닛(400)을 포함할 수 있다.
상기 하지 보조로봇(1000)의 관절부에 해당되는 상기 관절유닛(400)은 복수의 톱니를 구비한 스프로킷 기어(410)를 구비하여, 상기 복수의 톱니를 구비한 스프로킷 기어(410)를 통해 상기 제2 기어부(290)을 구성하는 스퍼기어(291)와 맞물릴 수 있다.
상기 관절유닛(400)에 구비된 복수의 톱니를 구비한 스프로킷 기어 (410)는 도 7에서와 같이 별도의 반원형태의 기어로 구비되어 상기 관절유닛(400) 중 상기 스퍼기어(291)와 연결되는 부분에서 결합됨으로써 상기 스퍼기어(291)와 맞물려 결합되는 형태일 수 있으며, 또한, 상기 관절유닛(400) 중 상기 스퍼기어(291)와 결합하는 부분에서 복수의 돌출된 홈이 형성되어 상기 복수의 돌출된 홈이 상기 스퍼기어(291)와 결합하도록 구성된 형태일 수 있다.
또한, 상기 관절유닛(400)은, 도 7에서 도시된 바와 같이 상기 복수의 톱니를 구비한 스프로킷 기어(410)를 통하여 상기 제2 기어부(290)를 구성하는 상기 스퍼기어(291)와 바로 맞물려 연결될 수도 있으나, 상기 관절유닛(400) 및 상기 스퍼기어(291) 사이에 위치하는 적어도 하나의 보조기어(미도시)를 매개로 연결될 수도 있다.
즉, 상기 관절유닛(400)에 구비된 복수의 톱니를 구비한 스프로킷 기어(410)와 상기 스퍼기어(291) 사이에는 적어도 하나의 보조기어(420)가 위치하여, 상기 적어도 하나의 보조기어(420)가 상기 관절유닛(400)에 구비된 복수의 톱니를 구비한 스프로킷 기어(410) 및 상기 스퍼기어(291)와 맞물리거나 동일한 구동축 선상에서 일직선으로 연결됨으로써, 상기 관절유닛(400)에 구비된 복수의 톱니를 구비한 스프로킷 기어(410)와 상기 스퍼기어(291)를 연결할 수 있다.
여기서, 상기 관절 유닛(400)은, 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜기어(230)와 상기 웜휠기어(250)가 맞물린 맞물림 상태에서, 상기 제2 기어(290)로부터 회전 구동력이 전달되어 회전하고, 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜기어와 상기 웜휠기어(250)의 맞물림 상태가 해제되는 경우, 상기 제2 기어로부터 회전 구동력이 차단되어 회전하지 않을 수 있다.
상기 웜기어(230)는 앞서 설명하였듯이, 상기 웜기어(230)를 내부에 포함하는 상기 웜기어 케이스(240)가 상기 하우징의 일 측면상에서 힌지결합되어 회전함으로써, 상기 웜휠기어 케이스(260)와 밀착하거나 멀어짐에 따라, 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜휠기어(250)와 맞물리게 하거나 맞물림 해제될 수 있다.
상기 관절 구동기(200)를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조에 적용되는 상기 관절 구동기(200)에서 상기 모터(210)로부터 기인되는 회전 구동력의 이동경로를 알 수 있듯이, 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜기어(230) 와 상기 웜휠기어(250)가 서로 벌어져 맞물림 상태가 해제된다면, 상기 모터(210)로부터 상기 웜기어(230)로 전달되는 회전 구동력은 상기 웜휠기어(250)로 전달될 수 없으며, 따라서, 상기 관절 구동기(200)의 출력 측이라 할 수 있는 상기 제2 기어부(290)를 구성하는 상기 스퍼기어(291)에 회전 구동력이 전달될 수 없으므로, 상기 스퍼기어(291)에 연결된 상기 관절유닛(400)은 회전 구동력을 전달받지 못한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 관절 구동기(200)를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조에 있어서, 상기 하지 보조로봇(1000)을 사용하는 사용자가 보행중이나 직립중 또는 기타 어떠한 상황에서, 상기 관절 구동기(200)로부터 제공되는 회전 구동력을 필요로 하지 않는 상황, 일 예로, 의자나 바닥에 앉아서 휴식을 취할 때, 또는, 상기 하지 보조로봇(1000)의 관절부에 해당되는 상기 관절유닛(400)을 많이 구부리고 싶은 상황이 발생할 시 상기 하지 보조로봇(1000)의 사용자는 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜기어(230)와 상기 웜휠기어(250)의 결합 상태를 해제할 수 있으므로, 상기 하지 보조로봇(1000)을 사용하는 사용자가 상기 하지 보조로봇(1000)을 사용함에 있어 더욱 자유로운 거동을 할 수 있다.
여기서, 상기 하지 보조로봇(1000)을 사용하는 사용자가 상기 제1 기어부(220)의 선택적 맞물림 해제를 가능하게 하기 위하여, 상기 웜기어 케이스(240)는 상기 웜휠기어 케이스(260)에 탄성적으로 체결 가능한 걸쇠(248)를 구비할 수 있다.
따라서, 상기 걸쇠(248)가 사용자에 의해 상기 웜휠기어 케이스(260)에 체결될 시, 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜기어(230)와 상기 웜휠기어(250)는 맞물릴 수 있으며, 상기 걸쇠(248)가 상기 웜휠기어 케이스(260)에서 체결 해제될 시, 상기 제1 기어부(220)를 구성하는 상기 웜기어(230)와 상기 웜휠기어(250)는 맞물림 해제가 가능한 상태가 될 수 있다.
즉, 사용자가 상기 걸쇠(248)를 상기 웜휠기어 케이스(260)에 장착된 경우, 상기 걸쇠(248)가 장착된 웜기어 케이스(240)가 상기 웜휠기어 케이스(260)와 밀착될 수 있으므로, 상기 웜기어 케이스(240) 내부에 위치하는 상기 웜기어(230)와 상기 웜휠기어 케이스(260) 내부에 위치하는 상기 웜휠기어(250)는 맞물린 상태로 위치될 수 있으며, 상기 걸쇠(248)가 상기 웜휠기어 케이스(260)에서 체결 해제될 시, 상기 걸쇠(248)가 장착된 웜기어 케이스(240)가 상기 웜휠기어 케이스(260)와 멀어지게 이동될 수 있으므로, 상기 웜기어 케이스(240) 내부에 위치하는 상기 웜기어(230)는 상기 웜휠기어 케이스(260) 내부에 위치하는 상기 웜휠기어(250)로부터 맞물림이 해제될 수 있는 상태가 될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기에서 제1 기어부의 맞물림 및 맞물림의 해제를 도시하며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구동기에서 제1 기어부의 맞물림이 해제된 관절 구동기를 도시한다.
또한, 본 발명에 따른 관절 구동기를 구성하는 상기 제1 기어부는 상기 웜기어를 내측에 위치시키는 웜기어 케이스 및 상기 웜휠기어를 내측에 위치시키는 웜휠기어 케이스를 구비하며, 상기 웜기어 케이스는 상기 웜기어와 상기 웜휠기어의 맞물림 상태를 유지하기 위하여 상기 웜휠기어 케이스에 선택적 체결이 가능한 걸쇠를 구비할 수 있으며, 상기 웜기어와 상기 웜휠기어의 맞물림 상태를 유지하도록 탄성 지지된다.
상기 웜기어(230) 및 상기 웜휠기어(250)가 의도되지 않은 상황에서 맞물리거나 맞물림 상태가 해제되면, 상기 하지 보조로봇(1000)의 사용자는 위험하거나 불편함을 느끼게 된다.
따라서, 걸쇠(248)는 상기 하지 보조로봇(1000)의 사용자의 선택에 의해서만 상기 웜기어(230) 및 상기 웜휠기어(250)의 맞물림 상태를 결정할 수 있도록 상기 웜휠기어 케이스(260)에 체결되거나 체결 해제되어야 한다.
이를 위해, 상기 웜휠기어 케이스는 상기 웜휠기어 케이스(260)에 체결된 상기 걸쇠의 체결 상태가 자동적으로 해제되는 것을 방지하는 상기 걸쇠(248)의 걸림 상태가 해제되는 것을 방지하는 방향으로 경사진 경사면 형태의 풀림 방지부(263)를 구비할 수 있으며, 또한, 상기 웜휠기어 케이스(260)에서 체결 해제된 상기 걸쇠(248)가 상기 웜휠기어 케이스(260)에 자동적으로 체결되는 것을 방지하는 돌기 형태의 체결 방지부(264)를 구비할 수 있다.
상기 풀림 방지부(263)은 상기 웜휠기어 케이스(260)에서 상기 걸쇠(248)의 말단이 체결되는 곳에 걸림 상태가 해제되는 것을 방지하는 방향으로 경사진 형태로 구비될 수도 있고, 돌출된 돌기 형태로 구비될 수도 있으나 도 9에서는 경사면 형태가 적용된 예가 도시된다.
따라서, 상기 걸쇠(248)가 사용자에 의도에 의해 상기 웜휠기어 케이스(260)에 장착될 시, 상기 풀림 방지부(263)에 걸려 고정됨으로써, 사용자의 의도 없이 자동적으로 체결 해제되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 체결 방지부(264)는 상기 걸쇠(248)의 말단이 상기 웜휠기어 케이스(260)에 체결되기 위해 진입하는 경로 중 상기 웜휠기어 케이스(260)에 체결되는 위치 전에 경사면 또는 돌출된 돌기 형태로 구비됨으로써, 상기 걸쇠(248)가 상기 상기 웜휠기어 케이스(260)에서 체결 해제된 경우, 상기 걸쇠(248)는 상기 체결 방지부(264)에 걸려 상기 웜휠기어 케이스(260)에 자동적으로 체결되지 못하게 할 수 있다. 도 9에서는 상기 체결 방지부(264)는 돌기 형태로 구성된 예가 도시된다.
앞서 설명한, 상기 걸쇠(248)는 상기 하지 보조로봇(1000)의 사용자가 상기 제1 기어부(220)의 선택적 맞물림 상태를 결정할 수 있게 함과 동시에, 맞물리거나 맞물림 해제된 상기 제1 기어부(220)의 상태를 유지하여, 사용자의 안전 및 상기 관절 구동기(200)의 조작 용이성을 위해 구비된 것이다.
그러나, 상기 제1 기어부(220)의 맞물림 상태가 해제되는 경우에도, 상기 관절 구동기(200)에 회전 구동력을 제공하는 상기 모터(210)는 계속 작동될 수 있다.
따라서, 상기 웜휠기어 케이스(260)는 상기 걸쇠가 상기 웜휠기어(260) 케이스에 체결되는 위치에 상기 걸쇠(248)의 탈착을 감지하는 센서스위치를 구비할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 스위치의 작동을 도시한다.
상기 센서스위치(265)는, 걸쇠가 상기 웜휠기어 케이스(260)에 체결될 시 상기 걸쇠의 체결을 감지하여 상기 모터(210)를 작동시킬 수 있으며, 상기 걸쇠(248)가 상기 웜휠기어 케이스(260)에서 체결 해제될 시 상기 걸쇠(248)가 상기 웜휠기어 케이스(260)에서 체결 해제된 것을 감지하여 상기 모터의 작동을 정지시킬 수 있다. 여기서, 상기 센서스위치(265)는, 상기 적외선 센서, 근접 센서 및 정전식 센서와 같이 상기 걸쇠(248)의 체결 여부를 감지할 수 있는 종류의 센서라면 어떠한 것이라도 사용될 수 있다.
상기 센서스위치(265)는, 상기 하지 보조로봇(1000)을 사용함에 있어서, 회전 구동력의 필요여부에 따라 상기 모터(210)의 작동을 제어할 수 있으므로, 전력의 손실을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
여기서, 상기 센서스위치(265)는, 상기 걸쇠(248)가 상기 웜휠기어 케이스(260)에 체결될 시 점등되고, 상기 걸쇠(248)가 상기 웜휠기어 케이스(260)에서 체결 해제될 시 소등될 수 있다. 따라서, 상기 하지 보조로봇(1000)의 구동상태를 상기 하지 보조로봇(1000)을 사용하는 사용자가 용이하게 확인할 수 있다.
이와 같은 구성으로, 본 발명에 따른 관절 구동기 및 이를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조는 관절 구동기를 구성하는 복수의 기어 사이에 탄성체를 적용하여 모터로부터 제공된 구동력을 상기 탄성체를 통해 관절부로 전달시키므로 기존의 기어끼리 맞물리는 동력전달 방식에 비해 기계적 마찰를 저감 또는 조절하기 위한 인위적 제어가 가능하고, 착용자의 임의적인 움직임 또는 외부 환경과의 상호작용에 대응하여 정밀하게 구동됨으로써 착용자의 유연한 거동을 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 관절 구동기 및 상기 관절 구동기를 구비하는 하지 보조로봇의 관절구조에 의하면, 종류별로 다른 강성도를 갖는 탄성체를 선택적으로 적용함으로써, 사용되는 장치 및 사용자의 상태에 따라 상이한 회전력을 갖는 관절 구동기에 더욱 유연하게 대처하여 적용할 수 있으며, 기어의 선택적 맞물림이 가능하도록 설계된 관절 구동기를 사용함으로써, 착용자의 움직임 자유도를 더욱 상승시킴으로 착용자가 하지 보조로봇을 더욱 유연하게 사용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200…관절 구동기 210…모터
230…웜기어 250…웜휠기어
270…스프링 부재 290…스퍼기어
300…하우징 400…관절유닛

Claims (9)

  1. 하우징;
    모터, 상기 모터의 회전축에 장착된 웜기어 및 상기 웜기어에 맞물리며 상기 모터의 회전축과 수직한 구동축을 갖는 웜휠기어를 구비하며, 상기 모터에서 제공되는 회전 구동력의 방향을 변경하기 위한 제1 기어부, 상기 제1 기어부에서 제공된 구동력에 의한 비틀림 변형되는 스프링 부재, 상기 스프링 부재에 의하여 구동되는 스퍼기어를 포함하는 제2 기어부, 상기 모터 및 상기 웜기어가 수용되며 상기 하우징에 회전 가능하게 힌지 결합되는 웜기어 케이스 및, 상기 웜휠기어가 수용되며 상기 하우징에 장착되는 웜휠기어 케이스를 구비하고, 상기 웜기어와 상기 웜휠기어가 선택적으로 맞물려 상기 웜휠기어로 구동력을 전달하는 관절 구동기; 및,
    상기 하우징에 장착되고, 상기 제1 기어부를 구성하는 웜기어와 상기 웜휠기어가 맞물린 맞물림 상태에서, 상기 제2 기어부에 의하여 회전 구동되는 관절유닛;을 포함하고,
    상기 웜기어 케이스는 상기 웜기어와 상기 웜휠기어의 맞물림 상태를 유지하기 위하여 상기 웜휠기어 케이스에 선택적 체결이 가능한 걸쇠를 구비하며, 상기 걸쇠는 상기 웜기어와 상기 웜휠기어의 맞물림 상태를 유지하도록 탄성 지지되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 관절구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어의 구동축은 상기 제1 기어부를 구성하는 웜휠기어의 구동축과 일직선 상에 배치되며, 상기 스프링 부재는 상기 제1 기어부를 구성하는 웜휠기어에서 제공되는 회전 구동력에 의하여 비틀림 변형되고, 상기 스프링 부재의 비틀림 변형량에 비례하는 회전 구동력이 상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어에 전달되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 관절구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 웜기어 케이스가 상기 웜기어가 상기 웜휠기어와 근접하도록 상기 웜휠기어 케이스 측으로 접근하여 회전되는 경우, 상기 웜기어와 상기 웜휠기어는 맞물림 상태가 되고, 상기 웜기어 케이스가 상기 웜기어가 상기 웜휠기어와 이격되도록 상기 웜휠기어 케이스로부터 이격되어 회전되는 경우, 상기 웜기어와 상기 웜휠기어는 맞물림 상태가 해제되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 관절구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 웜휠기어 케이스는 상기 웜휠기어 케이스에 체결된 상기 걸쇠의 걸림 상태가 해제되는 것을 방지하는 방향으로 경사진 경사면 형태의 풀림 방지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 관절구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 웜휠기어 케이스는 상기 웜휠기어 케이스로부터 걸림 해제된 상기 걸쇠가 상기 웜휠기어 케이스에 체결되는 것을 방지하기 위한 돌기 형태의 체결 방지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 관절구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 관절유닛은 스프로킷 기어를 구비하며, 상기 스프로킷 기어는 상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어에 전달되는 구동력으로 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 관절구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 관절유닛을 구성하는 상기 스프로킷 기어는 상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어와 적어도 하나의 보조기어를 매개로 연결되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 관절구조.
  8. 삭제
  9. 삭제
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