KR101685433B1 - 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템 - Google Patents

스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템 Download PDF

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KR101685433B1 KR1020150083687A KR20150083687A KR101685433B1 KR 101685433 B1 KR101685433 B1 KR 101685433B1 KR 1020150083687 A KR1020150083687 A KR 1020150083687A KR 20150083687 A KR20150083687 A KR 20150083687A KR 101685433 B1 KR101685433 B1 KR 101685433B1
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배준범
정영태
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템은 하나 이상의 프레임이 결합된 조인트부와, 상기 조인트부와 프레임을 통해 연결되고, 상기 조인트부에 권취된 케이블의 일단에 결합되어 상기 조인트부에 회전 구동력을 전달하는 엑추에이터 및 상기 케이블의 타단에 결합되어 상기 엑추에이터와 탄성적으로 직렬 연결된 리니어 스프링을 포함한다.

Description

스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템{A CABLE-DRIVEN SYSTEM USING A SPRING - ACTUATOR MECHANISM}
본 발명은 재활 등의 물리적 인간-로봇 상호 작용에서 이용 가능한 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템에 관한 것이다.
뇌의 손상이나 관절의 손상으로 인한 사지(四肢)의 움직임이 불편한 환자의 팔 또는 다리에 장착되어 환자의 근력을 보조하거나 근력을 강화시키기 위한 외골격 시스템이 개발되고 있다. 또한, 외골격 시스템은 사용자에게 힘을 전달하고 운동감을 느끼도록 하는 햅틱(Haptic) 기술과 Tele-operation 등의 목적으로 로봇의 원격 조정을 위한 조정 인터페이스에 채용되어 인간과 로봇의 상호 작용에 의한 물리적 시스템 등의 다양한 목적을 위하여 개발되고 있다.
외골격 시스템 중에서 특히 팔에 장착되는 외골격 장치는 착용이 간편하고 응급 시에 탈착이 용이하도록 구성되어야 하며, 사용자의 근력과 움직임에 따라 무리한 힘이 가해지지 않도록 정밀한 작동과 구동 감지가 필요하다.
이러한 외골격 장치는 팔의 골격에 대응하는 프레임이 팔의 근육 움직임에 따라 원할하게 움직일 수 있도록 구성되어야 하는 바, 팔의 움직임과 동일한 움직임이 가능하도록 복수의 프레임과 링크 및 프레임과 링크 구동에 필요한 모터를 구비한다.
한편, 외골격 장치에서 모터를 포함한 구동계를 구성하는 가장 간단한 방법은 프레임에 구동 주체인 엑추에이터를 직접 장착하는 것이나, 이 경우 전체적인 무게가 늘어나게 되어 구동력이 큰 엑추에이터가 필요하고, 결과적으로 외골격 장치의 전체적인 무게가 늘어나게 되는 문제점이 있다.
이에 따라, 외골격 장치의 전체 무게를 줄이기 위하여 엑추에이터를 바닥에 고정하고 케이블을 통해 프레임과 링크(관절)에 힘을 전달하는 케이블 구동 방식이 주로 사용되고 있다.
이때, 케이블 구동 방식의 외골격 장치는 케이블을 통한 인장력만이 전달됨에 따라 관절의 구동을 위해서 관절을 중심으로 2개의 케이블이 필요하며, 도 1을 통해 종래의 케이블 구동 방식의 외골격 장치를 도시하고 있다.
먼저, 도 1은 종래 케이블 구동 시스템의 구동 방식이 도시된 구성도로서, 도 1a는 한쌍의 엑추에이터가 채용된 케이블 구동 시스템의 구성도이고, 도 1b는 단일 엑추에이터가 채용된 케이블 구동 시스템의 구성도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 하나의 관절(10)에 두 개의 엑추에이터(20)를 사용하는 케이블 구동 시스템은 두 개의 엑추에이터를 이용한 길항구동에 의해서 관절의 강도 제어가 가능하고 높은 성능을 나타낼 수 있으나, 엑추에이터가 두 배로 필요하기 때문에 전체적인 무게와 부피가 커질 수 밖에 없고 제어 이상이 발생할 경우 케이블(30)이 관절 또는 도르래(idler)에서 탈선할 우려가 있다.
또한, 도 1b에 도시된 바의 단일 엑추에이터를 사용하는 케이블 구동 시스템은 엑추에이터(20)와 관절(10)을 감싸며 구동되는 케이블(30)을 텐셔너로 가압하기 때문에 탈선할 우려가 적은 반면에 텐셔너가 구동계 전체의 무게를 증가시키게 되고, 케이블의 장력이 적절하게 조절되지 않았을 경우에는 반대 방향으로의 구동 방향 변환시 케이블에 순간적으로 유격(backlash)이 발생되어 정밀한 구동이 어려운 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 외골격 또는 로봇의 팔과 같이 다수의 관절이 직렬로 연결될 시스템에서는 하위 관절의 구동을 위한 다수의 도르래가 사용되고, 각 도르래를 연결하기 위한 별도의 풀리가 더 필요하기 때문에 케이블 구동 시스템의 부피가 커지게 되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제1163906호
따라서, 본 발명은 종래 케이블 구동 시스템의 제작 및 구동시 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 엑추에이터와 스프링이 직렬 연결된 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템이 제공됨에 발명의 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 엑추에이터의 구동력을 관절에 전달하는 케이블에 탄성이 부여되어 케이블의 장력 유지가 용이하고 최소의 도르래와 풀리 사용으로도 관절 연결이 가능한 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템이 제공됨에 있다.
본 발명의 상기 목적은, 하나 이상의 프레임이 결합된 조인트부와, 상기 조인트부와 프레임을 통해 연결되고, 상기 조인트부에 권취된 케이블의 일단에 결합되어 상기 조인트부에 회전 구동력을 전달하는 엑추에이터 및 상기 케이블의 타단에 결합되어 상기 엑추에이터와 탄성적으로 직렬 연결된 리니어 스프링을 포함하는 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템이 제공됨에 의해서 달성된다.
상기 조인트부는, 상기 엑추에이터를 연결하며 자유단부측에 구동축이 연장 형성된 제1 프레임과, 상기 제1 프레임의 구동축에 회동 가능하게 결합되며, 인체에 연결되는 제2 프레임과, 상기 구동축에 결합된 토션 스프링 및 상기 토션 스프링의 일측에 장착되고, 상기 엑추에이터의 구동력을 전달하는 상기 케이블이 권취되는 구동 풀리로 구성된다.
상기 구동축의 양측부에는 상기 구동 풀리에 전달되는 상기 엑추에이터의 구동력의 방향을 변환시켜 상기 제2 프레임의 운동 방향을 제어하는 외골격측 자세변환기와 인체측 자세변환기가 장착된다.
상기 리니어 스프링은, 상기 제1 프레임 또는 소정의 위치에 형성된 고정단에 상기 케이블이 연결된 일단의 반대측 단부가 고정된다.
상기 리니어 스프링은, 상기 케이블에 인가되는 초기 장력을 유지함과 아울러 그 인장 방향으로 상기 케이블의 초기 장력을 유지시킬 수 있는 최대 인장력이 인가될 수 있다.
상기 엑추에이터의 회전 구동력 제어를 위한 상기 리니어 스프링의 인장력(TS)은 하기 수학식을 통해 계산된다.
수학식
Figure 112015057060828-pat00001
Figure 112015057060828-pat00002
그리고, 상기 엑추에이터의 회전 구동력 제어를 위하여 상기 리니어 스프링의 인장력과 관계되는 토션 스프링의 출력 토크(τ0)는 하기 수학식을 통해 계산된다.
수학식
Figure 112015057060828-pat00003
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템은 엑추에이터의 구동력을 전달하는 케이블의 단부에 스프링이 장착되어 엑추에이터와 스프링이 탄성적으로 직렬 연결되도록 함으로써, 하나의 케이블을 통해 모터와 조인트부가 연결될 때 스프링의 인장력에 의해 조인트에 연결된 프레임의 양 방향 구동이 가능하며 케이블의 장력을 유지하기 위한 별도의 텐셔너 없이도 기초 장력을 유지할 수 있도록 할 수 있다.
이에 따라, 최소의 풀리가 채용될 수 있기 때문에 소형으로 제작이 가능하면서도 케이블에 항상 일정한 긴장을 유지시킬 수 있어 다른 케이블 구동 방식에 비해 용이하고 정밀한 제어가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 인체의 움직임 중에 비대칭 요소를 감안하여 엑추에이터와 탄성적으로 직렬 연결된 스프링을 적절하게 배치하여 외골격에 적용시 구동 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 케이블 구동 시스템의 구동 방식이 도시된 구성도로서,
도 1a는 한쌍의 엑추에이터가 채용된 케이블 구동 시스템의 구성도이고,
도 1b는 단일 엑추에이터가 채용된 케이블 구동 시스템의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 스프링-엑추에이터 메커니즘을 이용한 케이블 구동 시스템의 개략적인 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 케이블 구동 시스템의 일실시예 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 케이블 구동 시스템의 일실시예 측면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 구동 시스템의 조인트부에 대한 확대 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
부가적으로, 각 도면에 걸쳐 표시된 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 본 발명의 설명된 실시예의 논의를 불필요하게 불명료하도록 하는 것을 피하기 위해 공지된 특징 및 기술의 상세한 설명은 생략될 수 있다. 본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 따른 스프링-엑추에이터 메커니즘을 이용한 케이블 구동 시스템의 상기 목적에 대한 기술적 구성과 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 아래의 도면을 참조한 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 2는 본 발명에 따른 스프링-엑추에이터 메커니즘을 이용한 케이블 구동 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 케이블 구동 시스템의 일실시예 정면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 케이블 구동 시스템의 일실시예 측면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스프링-엑츄에이터 메커니즘을 이용한 케이블 구동 시스템(100)은 인체의 관절에 대응되는 위치에 설치되는 조인트부(110)와, 조인트부(110)와 케이블(120)을 통해 연결된 엑추에이터(130)와, 케이블(120)의 일단에 결합된 스프링(140)을 포함한다. 이때, 조인트부(110)와 엑추에이터(130)는 인체의 뼈대와 대응하는 프레임(150)으로 연결될 수 있다.
상기 조인트부(110)는 구동축을 포함하여 하나 이상의 프레임이 회동 가능하게 결합되며, 조인트부(110)의 일측에는 구동 주체인 엑추에이터(130)가 결합되고, 조인트부(110)의 타측에는 고정단(151)에 결합된 스프링(140)이 장착된다. 또한, 상기 엑추에이터(130)와 스프링(140)은 케이블(120)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 스프링(140)은 엑추에이터(130)와 직렬 연결되어 케이블(120)의 인장력이 탄성적으로 균일하게 유지될 수 있도록 할 수 있다.
엑추에이터(130)는 일 방향으로 회전 구동력을 발생시켜 그 구동력을 케이블(120)을 통해 조인트부(110)에 전달한다. 이때, 케이블(120)은 스프링(140)의 탄성에 의해서 느슨해지지 않고 긴장된 상태로 유지될 수 있다. 이에 따라, 케이블(120)의 긴장을 유지시키기 위한 별도의 텐셔너 없이도 엑추에이터의 구동 방향 변환시 유격(backlash) 현상을 방지할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 대하여 본 발명의 일실시예가 도시된 도 3과 도 4을 통해 본 실시예에 따른 구체적인 구조와 동작 관계를 자세하게 살펴보면 다음과 같다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 케이블 구동 시스템(100)은 인체의 관절에 대응하는 위치에 설치되는 조인트부(110)를 중심으로 케이블(120)이 결합되고, 케이블(120)의 일측 단부와 타측 단부에 엑추에이터(130)와 리니어 스프링(140)이 탄성적으로 직렬 연결된다.
상기 엑추에이터(130)와 조인트부(110)는 제1 프레임(151)을 통해 연결될 수 있으며, 조인트부(110)는 인체의 일부에 장착되는 제2 프레임(152)이 회동 가능하게 장착될 수 있다.
또한, 상기 엑추에이터(130)와 조인트부(110) 사이에는 케이블(120)의 방향을 전환하기 위한 도르래 형태의 풀리(도면 미도시)가 더 설치될 수 있다.
상기 케이블(120)은 모터 구동에 의해 일 방향으로 회전되는 엑추에이터(130)의 구동력을 조인트부(110)에 전달함에 있어 리니어 스프링(140)의 직렬 연결에 의해 소정의 탄성력이 부여됨에 따라 긴장이 유지된 상태로 동력 전달이 가능할 수 있다. 이때, 스프링(140)은 제1 프레임(151) 또는 소정 위치에 형성된 고정단(153)에 케이블(120)이 결합된 단부의 타측 단부가 고정됨에 의해서 케이블(120)에 탄성적으로 긴장을 유지시킬 수 있다.
한편, 상기 조인트부(110)는 제1 프레임(151) 및 제2 프레임(152)과 구동축(154)을 통해 결합되는 바, 도 5를 통해 조인트부(110)를 좀 더 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 구동 시스템의 조인트부에 대한 확대 단면도로서, 도시된 바와 같이 조인트부(110)는 구동축(154)에 제1 프레임(151)과 제2 프레임(152)이 결합되고, 구동축(154) 상에 토션 스프링(160)이 장착된다. 또한, 상기 구동축(154) 상에는 엑추에이터(130)로부터 구동력을 전달하는 케이블(120)이 권취되는 구동 풀리(170)가 토션 스프링(160)의 일측에 결합된다.
그리고, 상기 구동축(154)의 양측부에는 구동 풀리(170)에 전달되는 구동력을 변환시켜 인체에 연결되는 제2 프레임(152)의 운동 방향을 제어하는 한 쌍의 외골격측 자세변환기(181)와 인체측 자세변환기(182)가 장착될 수 있다.
상기 제1 프레임(151)은 엑추에이터(130)와 조인트부(110)를 연결시키고 구동축(154)이 연장 형성되어 구동 풀리(170)와 연결된 케이블(120)의 가이드 역할을 함과 아울러 케이블(120)을 통해 엑추에이터(130)와 리니어 스프링(140)을 직렬로 연결시킬 수 있다. 또한, 제1 프레임(151) 자유단부측의 구동축(154)에 제2 프레임(152)이 회동 가능하게 결합되는 데, 제2 프레임(152)은 구동 풀리(170)로 전달된 엑추에이터(130)의 구동력이 외골격측 자세변환기(181)와 인체측 자세변환기(182)의 동력 변환에 의해 구동 풀리와 반대 방향으로의 회전 구동력을 가지도록 한다.
아울러, 상기 외골격측 자세변환기(181)와 인체측 자세변환기(182)는 동력 변환과 아울러 조인트부(110)를 비롯한 제1, 제2 프레임(151, 152)을 통한 인체의 움직임 전달시 프레임의 회동 방향 이외의 움직임이 발생될 수 있는 바, 프레임의 회동 방향 이외의 움직임에 대하여 자세차(姿勢差)가 발생될 수 있고, 이러한 자세차를 프레임 회동 방향으로 보정하여 조인트부(110)와 프레임의 정밀한 회동 방향 제어가 이루어지도록 할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 케이블 구동 시스템(100)은 엑추에이터(130)와 조인트부(110)에 연결된 케이블(120)을 통해 엑추에이터(130)와 리니어 스프링(140)이 직렬로 탄성 결합됨에 의해 리니어 스프링(140)에 의한 초기 장력이 조인트부(110)의 구동 풀리(170)를 구동시키는 케이블(120)에 인가됨으로써, 인체의 움직임에 따른 케이블 구동 시스템의 구동 제어를 용이하고 정밀하게 할 수 있다. 이때, 상기 토션 스프링(160)은 구동 풀리(170)의 회전에 의한 토크를 구동축(154)에 결합된 제2 프레임(152)에 전달하는 역할을 하게 되고, 상기 리니어 스프링(140)의 초기 장력에 의해 구동 풀리(170)와 케이블(120)에 인가되는 인장력은 리니어 스프링(140)의 인장 방향으로 케이블(120)의 초기 장력을 유지시킬 수 있는 최대 인장력을 갖도록 설정될 수 있다. 이에 따라, 리니어 스프링(140)은 케이블(120)의 텐션 유지와 아울러 엑추에이터(130)와 연동되어 케이블(120)에 인가된 초기 장력에 의해 엑추에이터(130)의 구동 방향의 반대 방향으로 조인트부(110)를 구동시키는 모터의 역할을 할 수 있다. 이때, 리니어 스프링(140)의 인장력은 케이블(120)의 외골격 시스템 적용시 그 적용구조에 따라 구동 풀리(170)에 필요한 만큼의 토크를 가할 수 있도록 적절하게 변경될 수 있을 것이다.
또한, 본 실시예의 케이블 구동 시스템은 엑추에이터(130)와 직렬 연결된 리니어 스프링(160)의 초기 장력에 의해 긴장된 상태의 케이블(120)의 인장력을 감안하여 조인트부(110)에 설치된 구동 풀리(170)의 구동 위치가 엑추에이터(130)에 의해 정확하게 제어되어야 한다. 이를 위해서, 본 실시예의 케이블 구동 시스템은 리니어 스프링(140)의 인장력(Ts : tensile force of linear spring)과 관계되는 토션 스프링의 출력 토크(τ0)가 제어 인자로 중요하게 적용될 수 있다.
이때, 상기 리니어 스프링의 인장력(Ts)과 토션 스프링의 출력 토크(τ0)는 후크의 법칙(Hooke's law)에 의한 아래의 수학식 1과 수학식 2에 의해 계산되어 적용될 수 있다.
Figure 112015057060828-pat00004
Figure 112015057060828-pat00005
여기서, TS : 리니어 스프링의 인장력,
KL : 리니어 스프링의 강성,
L1 : 리니어 스프링의 초기 인장 후 길이,
L0 : 리니어 스프링의 인장 전 길이,
ΔL : 리니어 스프링의 인장된 길이,
rj : 구동 풀리의 반지름,
θj: 구동 풀리의 회전 각도이다.
Figure 112015057060828-pat00006
여기서, τ0 : 토션 스프링의 출력 토크,
KT : 토션 스프링의 강성,
θj: 구동 풀리의 회전 각도,
θH: 제2 프레임의 회전 각도이다.
한편, 본 실시예의 케이블 구동 시스템은 재활 분야를 비롯한 햅틱(Haptic) 또는 로봇의 원격 조정을 위한 조정 인터페이스의 Tele-operation 목적을 갖는 인간-로봇 상호간의 물리적 시스템으로 다양한 상지 및 하지 운동을 보조할 수 있는 외골격 시스템을 구성할 수 있다.
이를 위하여, 본 실시예의 외골격 시스템은 외골격 장치가 장착된 사람의 다양한 움직임에 의해 도입된 교란은 직접 보상할 수 없기 때문에 본 실시예에서는 인체의 다양한 움직임에 의해 가해지는 힘을 비롯한 모델링이 불가능한 요소들을 외란으로 간주하고, 이를 외란 관측자(Disturbance Observer)를 이용하여 상쇄하여 보상하는 PD 컨트롤러(Proportional and Differential controller)를 통해 제어하는 것이 것이 바람직하다.
또한, ZPET(Zero Phase Error Tracking) 제어기를 적용하여 제로 위상 오차를 추적하는 제어 방식이 적용됨으로써, 인체의 움직임에 대한 정보 신호 입력시 리니어 스프링의 인장력(KT)에 관계된 토션 스프링의 출력 토크(τ0)의 제어 오차를 최소화할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
110. 조인트부
120. 케이블
130. 엑추에이터
140. 리니어 스프링
151, 152. 제1 프레임, 제2 프레임
153. 고정단
154. 구동축
160. 토션 스프링
170. 구동 풀리
181. 외골격측 자세변환기
182. 인체측 자세변환기

Claims (9)

  1. 하나 이상의 프레임이 결합된 조인트부;
    상기 조인트부와 프레임을 통해 연결되고, 상기 조인트부에 권취된 케이블의 일단에 결합되어 상기 조인트부에 회전 구동력을 전달하는 엑추에이터; 및
    상기 케이블의 타단에 결합되어 상기 엑추에이터와 탄성적으로 직렬 연결된 리니어 스프링;을 포함하고,
    상기 조인트부는,
    상기 엑추에이터를 연결하며 자유단부측에 구동축이 연장 형성된 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 구동축에 회동 가능하게 결합되며, 인체에 연결되는 제2 프레임;
    상기 구동축에 결합된 토션 스프링; 및
    상기 토션 스프링의 일측에 장착되고, 상기 엑추에이터의 구동력을 전달하는 상기 케이블이 권취되는 구동 풀리;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동축의 양측부에는 상기 구동 풀리에 전달되는 상기 엑추에이터의 구동력의 방향을 변환시켜 상기 제2 프레임의 운동 방향을 제어하는 외골격측 자세변환기와 인체측 자세변환기가 장착된 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 스프링은, 상기 제1 프레임 또는 소정의 위치에 형성된 고정단에 상기 케이블이 연결된 일단의 반대측 단부가 고정된 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 토션 스프링은, 상기 구동 풀리의 회전에 의한 토크를 상기 구동축에 결합된 상기 제2 프레임에 전달하는 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 리니어 스프링은, 상기 케이블에 인가되는 초기 장력을 유지함과 아울러 그 인장 방향으로 상기 케이블의 초기 장력을 유지시킬 수 있는 최대 인장력이 인가될 수 있는 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 엑추에이터의 회전 구동력 제어를 위한 상기 리니어 스프링의 인장력(TS)은 하기 수학식을 통해 계산되는 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템.
    수학식
    Figure 112015057060828-pat00007

    Figure 112015057060828-pat00008

    여기서, TS : 리니어 스프링의 인장력, KL : 리니어 스프링의 강성, L1 : 리니어 스프링의 초기 인장 후 길이, L0 : 리니어 스프링의 인장 전 길이, ΔL : 리니어 스프링의 인장된 길이, rj : 구동 풀리의 반지름, θj: 구동 풀리의 회전 각도.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 엑추에이터의 회전 구동력 제어를 위하여 상기 리니어 스프링의 인장력과 관계되는 토션 스프링의 출력 토크(τ0)는 하기 수학식을 통해 계산되는 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템.
    수학식
    Figure 112015057060828-pat00009

    여기서, τ0 : 토션 스프링의 출력 토크, KT : 토션 스프링의 강성, θj: 구동 풀리의 회전 각도, θH: 제2 프레임의 회전 각도.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 엑추에이터와 조인트부 사이에는 상기 케이블의 방향을 전환하는 도르래 형태의 풀리를 더 포함하는 스프링-엑추에이터 메커니즘을 갖는 케이블 구동 시스템.
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