KR101864628B1 - 전기식 하지 외골격 로봇의 에너지 효율 증대를 위한 클러치 메커니즘 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기식 하지 외골격 로봇의 구동부의 에너지 효율 향상을 위해 설계된 롤러-캠 클러치 메커니즘에 관한 것으로서, 전기식 하지 외골격 로봇의 구동 시스템에 있어서, 구동력을 발생시키고, 상기 구동력을 전달해주는 감속기를 포함하는 메인구동부 및 상기 감속기와 체결되어 상기 메인구동부의 일 측에 장착되고, 상기 감속기로부터 상기 구동력을 전달받는 제1 상태와 상기 구동력을 단절시키는 제2상태를 선택적으로 구현하는 클러치 메커니즘을 포함하며, 상기 클러치 메커니즘은 외곽에 복수로 배치되는 롤러 및 상기 롤러에 인접하게 배치되고, 상기 롤러에 대하여 상대이동 가능하게 장착되는 캠을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 하지 외골격 로봇 구동 시스템을 제공할 수 있다.

Description

전기식 하지 외골격 로봇의 에너지 효율 증대를 위한 클러치 메커니즘 {CLUTCH MECHANISM FOR INCREASED ACTUATOR ENERGY EFFICIENCY OF ELECTRICALLY ACTUATED LOWER EXTREMITY EXOSKELETON}

본 발명은 전기식 하지 외골격 로봇의 구동부의 에너지 효율 향상을 위해 설계된 롤러-캠 클러치 메커니즘에 관한 것이다.

하지 외골격 로봇은 각 관절에 구동기를 가지고 있으며 모터 구동기를 가지는 전기식과 유압 구동기를 가지는 유압식으로 나뉜다. 유압식 외골격 로봇은 유압을 조절하여 관절의 구동 전달을 능동(active)과 수동(passive) 관절 상태로 전환 시킬 수 있으며, 구동 에너지를 사용하지 않는 수동 관절 상태 시 그 에너지 효율을 증대할 수 있다.

하지만 전기식 외골격 로봇은 관절 힘을 증폭시키는 감속기가 설계되어 있어 에너지원인 전기를 차단하여도 수동관절 상태로 전환되지 않는다.

그러므로 수동관절 상태로 전환되기 위해서는 구동입력부와 출력링크 사이에 물리적인 연결을 분리시킬 수 있는 메커니즘이 있어야 한다.

종래에는 무릎의 구동 전달부 사이를 물리적으로 분리시키기 위해 단방향 클러치 역할을 하는 ratchet 메커니즘 또는 Wrap-spring 메커니즘을 적용하였다. 하지만 종래 기술들은 단 방향 회전 시에 분리가 가능하며, 능동 관절 상태 시 그 전달력(토크)이 크지 않다. 또한, 상기 ratchet 메커니즘의 경우 일정 각도가 정해져 있기 때문에 원하는 각도에서 구동 전달부 사이를 연결할 수 없는 단점이 존재한다.

본 발명의 목적은 상기의 문제를 해결하기 위해 양방향 회전과 다양한 각도에서 연결/분리가 가능하며, 구동 전달부가 연결되어 능동 관절 상태 시 필요 전달력을 만족할 수 있는 메커니즘을 제안하는데 있다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 전기식 하지 외골격 로봇의 구동 시스템에 있어서, 구동력을 발생시키고, 상기 구동력을 전달해주는 감속기를 포함하는 메인구동부 및 상기 감속기와 체결되어 상기 메인구동부의 일 측에 장착되고, 상기 감속기로부터 상기 구동력을 전달받는 제1 상태와 상기 구동력을 단절시키는 제2상태를 선택적으로 구현하는 클러치 메커니즘을 포함하며, 상기 클러치 메커니즘은 외곽에 복수로 배치되는 롤러 및 상기 롤러에 인접하게 배치되고, 상기 롤러에 대하여 상대이동 가능하게 장착되는 캠을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 하지 외골격 로봇 구동 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캠과 인접하게 배치되며, 상기 제1상태에서 상기 캠이 상기 롤러부와 이격되는 상기 제2상태로 전환되도록 상기 캠을 일 방향으로 이동시키는 서브모터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캠은 상기 제1 상태에서 양방향으로 상기 구동력이 전달되도록, V자 형태의 형상을 가질 수 있다.

본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합 및 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 롤러-캠 클러치(roller-cam clutch) 메커니즘을 적용하여 다양한 각도에서 구동 전달부를 연결/분리시킬 수 있으며, 능동 관절 시 요구 전달력을 만족할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 메커니즘의 cam형상을 V형태로 하여 능동 관절 시 양방향 동력 전달이 가능하며, 서보모터를 이용한 cam과 roller를 분리 시 양방향으로 구동 전달부를 분리시킬 수 있다.

도 1은 롤러-캠 클러치 메커니즘과 구동부를 포함하는 전기식 하지 외골격 로봇의 구동 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시화된 클러치 메커니즘과 구동부의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시화된 롤러-캠 클러치 메커니즘과 구동부를 다른 방향에서 바라본 사시도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 전기식 하지 외골격 로봇의 에너지 효율 증대를 위한 클러치 메커니즘의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

외골격 로봇의 구동 시스템을 살펴보기 전에 인체 보행에 대한 분석을 간략하게 살펴본다. 보행구간은 최초접지부터 전 유각기(Pre-Swing)까지인 입각기(Stance Phase)와 다음 지면에 최초 접지 전까지인 유각기(Swing Phase)로 나눌 수 있다.

기존의 전기식 외골격 로봇의 에너지 효율을 높이기 위해 인체 보행 에너지가 적게 쓰이는 구간인 상기 유각기에서 제어적으로 동력 전달이 되지 않는 메커니즘을 고려하였다.

하지만 앞서 언급한 유압식 외골격 로봇과는 달리, 전기식 외골격 로봇은 감속기를 사용하여 구동력을 전달하므로 특정 메커니즘 없이는 위와 같은 반 능동적 시스템을 구축할 수 없게 된다.

따라서 상기 유각기에서 로봇의 관절을 수동관절의 상태로 전환하기 위해서는 모터와 감속기가 설치되어 있는 입력 링크부와 상기 감속기와 연결되어 있는 출력 링크부 사이를 단절해야 한다.

또한, 입각기에서는 구동력 전달을 위한 양방향 전달이 가능해야 하며, 두 구간의 전환시 빠른 연결과 단절 전환이 이루어져야 한다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 하지 외골격 로봇의 구동 시스템(10)은 상기 유각기(Swing Phase) 구간에서 상기 입력 링크부와 상기 출력 링크부 사이에 상기 구동력을 단절시키는 롤러-캠 클러치 메커니즘을 적용한 것이다.

도 1은 하지 외골격 로봇의 에너지 증대를 위한 전기식 하지 외골격 로봇의 롤러-캠 클러치 메커니즘과 구동부의 사시도이다. 또한 도 2는 도 1의 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시화된 롤러-캠 클러치 메커니즘과 구동부를 도 1과 다른 방향에서 바라본 사시도이다.

이하, 상기 전기식 하지 외골격 로봇의 구동 시스템(10)을 구체적으로 살펴본다.

도 1을 참조하면, 전기식 하지 외골격 로봇의 구동 시스템(10)은 구동력을 발생시키는 메인구동부(2) 및 상기 메인구동부(2)의 일측에 장착되는 롤러-캠 클러치 메커니즘(1)(이하, 클러치 메커니즘이라고 한다)을 포함할 수 있다.

상기 메인구동부(2)는 구동력을 직접 발생시키는 모터(미도시) 및 상기 구동력을 타 구성에 전달해주는 역할의 감속기(3)를 포함할 수 있으며, 전기식 외골격 로봇에 있어서, 관절 힘을 증폭시키도록 설계될 수 있다.

또한 상기 감속기(3)는 상기 모터와 상기 클러치 메커니즘(1) 사이에 배치되고, 상기 클러치 메커니즘(1)은 상기 감속기(3)와 직접 체결되어 상기 메인구동부(2)의 일 측에 배치된다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 전기식 하지 외골격 로봇의 구동 시스템(10)은 입력 링크부(Input Link)와 출력 링크부(Output Link)를 포함할 수 있다. 상기 입력 링크부에는 상기 모터와 상기 감속기(3)가 설치되고, 상기 출력 링크부는 상기 감속기(3)와 기계적으로 연결되도록 이루어진다. 이 경우 앞서 언급한 수동관절 상태로 전환되기 위해서는 상기 입력 링크부와 상기 출력 링크부가 기계적으로 단절되어야 한다. 이를 구현하기 위하여 본 발명은 상기 클러치 메커니즘(1)을 상기 입력 링크부와 상기 출력 링크부 사이에 배치시킨다.

상기 클러치 메커니즘(1)은 상기 감속기(3)와 체결되어 있으나, 상기 모터로부터 발생되는 구동력을 상기 감속기(3)를 통하여 전달받는 상태인 능동관절 상태(이하, 제1상태라고 한다)와 후술되는 서브모터(6)를 통하여 상기 구동력과 단절되는 상태인 수동관절 상태(이하, 제2상태라고 한다)를 선택적으로 구현할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 클러치 메커니즘(1)은 외곽에 복수로 배치되는 롤러(5) 및 상기 롤러(5)에 인접하게 배치되고, 상기 롤러(5)에 대하여 상대이동 가능하게 장착되는 캠(4)을 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 다양한 각도에서 상기 감속기(3)를 상기 클러치 메커니즘(1)으로부터 연결 또는 분리시키기 위해서는 면 마찰이 가능한 메커니즘이 필요하는바, 본 발명은 상기 클러치 메커니즘(1)의 외곽에 배치되는 상기 롤러(5) 및 상기 캠(4)을 구비한 것이다.

또한 상기 전기식 하지 외골격 로봇의 구동 시스템(10)에서는 외곽을 둘러싸도록 복수개의 롤러(5)들을 배치시킬 수 있고, 본 발명의 일 실시예에서는 16개의 롤러(5)를 배치시킨다.

또한 상기 클러치 메커니즘(1)은 상기 롤러(5)와 인접하게 배치되는 캠(4)을 더 포함할 수 있는데, 상기 캠(4)은 후술되는 서브모터(6)에 의해 이동되어진다.

상기 캠(4)은 상기 서브모터(6)에 의해 상기 롤러(5)를 기준으로 상대이동 하도록 이루어질 수 있다. 즉 상기 롤러(5)와 접촉되는 상태와 상기 롤러(5)와 이격되는 상태를 선택적으로 구현할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 클러치 메커니즘(1)은 상기 캠(4)과 인접하게 배치되는 서브모터(6)를 더 포함할 수 있다. 상기 서브모터(6)는 상기 캠(4)이 상기 롤러부(5)와 이격될 수 있도록 상기 캠(4)을 일 방향으로 이동시킨다. 이러한 구조를 통하여 상기 캠(4)은 상기 롤러(5)와 선택적으로 분리될 수 있다.

상기 캠(4)이 상기 롤러(5)와 접촉되는 경우, 상기 캠(4)과 연결되는 출력 링크부는 상기 연결 링크부와 기계적으로 연결되게 이루어지며, 이로써 상기 클러치 메커니즘(1)은 상기 감속기(3)로부터 상기 구동력을 전달받은 상기 제1상태를 구현한다.

반면에 상기 캠(4)이 상기 롤러(5)와 이격되도록 움직이는 경우, 상기 클러치 메커니즘(1)은 상기 감속기(3)와 물리적으로 분리되어 상기 구동력을 단절시키는 제2상태로 전환될 수 있다.

한편, 종래의 롤러-캠 클러치 메커니즘은 한 방향으로만 구동력을 전달 가능하도록 이루어졌다. 이 경우 상기 제2상태에서 단 방향으로만 상기 구동력과 단절되는 상태를 가지게 되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기 캠(4)은 상기 제1 상태에서 상기 구동력이 양방향으로 전달되도록, 양 방향 연결이 가능한 형상인 V자 형태의 형상을 가질 수 있도록 설계하였다.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 상기 전기식 하지 외골격 로봇의 구동 시스템(10)에서는, 상기 서브모터(6)를 통하여 상기 캠(4)은 일 방향으로 움직일 수 있고, 또한 상기 캠(4)의 V자 형상으로 인해 양 방향으로 상기 구동력이 전달하거나, 양 방향으로 상기 구동력을 단절시킬 수 있다.

이상에서, 출원인은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

1. 전기식 하지 외골격 로봇 구동 시스템에 있어서,
   구동력을 발생시키는 모터 및 상기 구동력을 전달해주는 감속기를 포함하는 메인구동부; 및
   상기 감속기와 체결되어 상기 메인구동부의 일 측에 배치되고, 상기 감속기로부터 상기 구동력을 전달받는 제1 상태와 상기 구동력을 단절시키는 제2상태를 선택적으로 구현하도록 이루어지는 클러치 메커니즘을 포함하며,
   상기 클러치 메커니즘은,
   외곽에 복수로 배치되는 롤러;
   상기 롤러에 인접하게 배치되고, 상기 롤러에 대하여 상대이동 가능하게 장착되는 캠; 및,
   상기 캠과 인접하게 배치되며, 상기 캠을 상기 롤러에 대하여 상대이동 가능한 방향으로 이동시킴으로서 상기 롤러를 캠으로부터 이격시켜 상기 클러치 메커니즘이 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 전환되도록 하는 서브모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 하지 외골격 로봇 구동 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 캠은 상기 제1 상태에서 양 방향으로 상기 구동력이 전달되도록, V자 형태의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전기식 하지 외골격 로봇 구동 시스템.

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