KR101889065B1

KR101889065B1 - 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템

Info

Publication number: KR101889065B1
Application number: KR1020170034724A
Authority: KR
Inventors: 배준범; 정영태
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2037-03-20

Abstract

본 발명에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템은, 쉬스의 형상에 따른 마찰력을 보상하여 모터의 목표 토크에 반영함으로써, 구동 관절에 보다 정확한 힘의 전달이 가능하다. 또한, 본 발명은, 구동 모터 측에 아이들 풀리와 선형 스프링을 구비함으로써, 프리텐션의 변화를 최소화할 수 있다.

Description

이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템{Force reflecting system using double tendon-sheath mechanism}

본 발명은 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터와 구동 관절 사이에 아이들 풀리를 장착한 선형 스프링을 연결하고, 텐던-쉬스 메커니즘을 이용하여 보다 정밀한 힘 제어가 가능한 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템에 관한 것이다.

로봇을 원격으로 조종하기 위해서는 사람이 로봇의 팔 등에서 측정된 힘을 느끼면서 조종해야 한다. 따라서, 최근에는 로봇의 팔을 직관적으로 조종하기 위해서는 사람의 팔의 움직임을 측정할 수 있는 외골격, 링크형 햅틱 인터페이스 등 조종 인터페이스가 개발되고 있다.

이러한 조종 인터페이스 중에서 가장 간단한 방법은 링크 구조에 액추에이터를 직접 부착하는 방법이나, 액추에이터 자체의 무게가 매우 무거운 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 액추에이터는 바닥에 고정하고, 유연한 케이블을 통해 힘을 전달하는 케이블 구동방법이 있다. 그러나, 케이블 구동 방법은 당기는 힘만 전달이 가능하기 때문에, 관절의 구동을 위해서는 두 개의 케이블이 필요하며, 케이블이 느슨해지거나 끊어지는 문제점이 있다.

한국등록특허 10-1485414

본 발명의 목적은, 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용하여 보다 정밀한 힘 제어가 가능한 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템은, 모터에 결합된 구동 풀리와; 상기 구동 풀리의 일측과 구동 관절의 일측을 연결하여, 상기 모터의 토크를 상기 구동 관절에 전달하는 제1케이블(tendon)과; 상기 구동 풀리의 타측과 상기 구동 관절의 타측을 연결하여, 상기 모터의 토크를 상기 구동 관절에 전달하는 제2케이블과; 상기 제1케이블에 구비된 한 쌍의 제1아이들 풀리들과; 상기 제2케이블에 구비된 한 쌍의 제2아이들 풀리들과; 상기 제1아이들 풀리들 중 하나에 연결되어, 상기 제1케이블의 장력에 따라 길이가 변하도록 구비된 제1선형 스프링과; 상기 제2아이들 풀리들 중 하나에 연결되어, 상기 제2케이블의 장력에 따라 길이가 변하도록 구비된 제2선형 스프링과; 상기 제1선형 스프링에 구비되어, 상기 제1선형 스프링의 길이 변화를 측정하는 제1포텐쇼미터와; 상기 제2선형 스프링에 구비되어, 상기 제2선형 스프링의 길이 변화를 측정하는 제2포텐쇼미터와; 상기 구동 풀리와 상기 구동 관절 사이에서, 상기 제1케이블과 상기 제2케이블의 적어도 일부분을 모아서 감싸도록 구비된 쉬스(sheath)와; 상기 구동 관절에 전달하고자 하는 상기 구동 관절의 요구 토크에 상기 쉬스와 상기 제1,2케이블간의 마찰력을 보상하여 상기 모터의 목표 토크를 계산하고, 상기 제1,2포텐쇼미터에서 각각 측정한 상기 제1,2선형 스프링의 길이로부터 상기 제1,2케이블의 장력을 구하고, 상기 제1,2케이블의 장력에 따라 상기 모터의 출력 토크를 계산하여, 상기 모터의 목표 토크와 상기 모터의 출력 토크를 비교하여, 상기 모터의 출력을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템은, 쉬스의 형상에 따른 마찰력을 보상하여 모터의 목표 토크에 반영함으로써, 구동 관절에 보다 정확한 힘의 전달이 가능하다.

또한, 본 발명은, 구동 모터 측에 아이들 풀리와 선형 스프링을 구비함으로써, 프리텐션의 변화를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1선형 스프링과 제1포텐쇼미터를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템의 제어를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중간 관절의 각도에 따라 마찰계수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘에서 마찰을 보상한 실험 결과를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 제1선형 스프링과 제1포텐쇼미터를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템은, 모터(1), 구동 풀리(2), 제1케이블(10), 제2케이블(20), 쉬스(sheath)(30), 제1아이들 풀리들(100), 제1선형 스프링(110), 제1포텐쇼미터(120), 제2아이들 풀리들(200), 제2선형 스프링(210), 제2포텐쇼미터(220), 제어부(40)를 포함한다.

상기 구동 풀리(2)는, 모터(1)에 결합되어 상기 모터(1)의 구동력에 의해 회전한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 모터(1)와 상기 구동 풀리(2)는 일체로 형성되는 것도 물론 가능하다.

상기 구동 풀리(2)의 양측에는 2개의 케이블이 연결되며, 2개의 케이블은 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 구동 풀리(2)의 양측에는 상기 제1케이블(10)과 상기 제2케이블(20)이 연결된다.

상기 제1케이블(tendon)(10)은, 상기 구동 풀리(2)의 일측과 구동 관절(3)의 일측을 연결하는 케이블이다. 상기 제1케이블(10)은, 상기 모터(1)의 토크를 상기 구동 관절(3)에 전달한다.

상기 구동 관절(3)은, 상기 구동 풀리(2)와 상기 제1,2케이블(10)(20)로 연결되어, 상기 모터(1)의 구동력을 전달받는 관절이다.

상기 제2케이블(tendon)(20)은, 상기 구동 풀리(2)의 타측과 상기 구동 관절(3)의 타측을 연결하는 케이블이다. 상기 제2케이블(20)은, 상기 모터(1)의 토크를 상기 구동 관절(3)에 전달한다.

상기 쉬스(sheath)(30)는, 상기 구동 풀리(2)와 상기 구동 관절(3) 사이에서 상기 제1케이블(10)과 상기 제2케이블(20)의 적어도 일부분을 모아서 감싸도록 구비된다. 상기 쉬스(30)는 속이 빈 튜브 형상으로, 상기 제1,2케이블(10)(20)의 장력을 버티면서 쉬스의 형상을 유지하는 금속 재질의 쉴드(shield)와, 상기 제1,2케이블(10)(20)과 상기 쉴드 사이의 윤활을 위한 이너 슬리브(inner sleeve)로 이루어질 수 있다. 상기 쉬스(30)는, 리니어 형상의 쉴드를 포함하는 리니어 쉬스와, 나선 형상의 쉴드를 포함하는 나선형 쉬스 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 나선형 쉬스는, 상기 쉴드가 나선형상으로 케이블을 감싸도록 형성되며, 인장은 쉽게 되나 압축이 거의 되지 않는다.

상기 쉬스(30)는, 쉬스 홀더(50)에 의해 고정된다. 상기 쉬스 홀더(50)는, 제1쉬스 지지대(51), 제2쉬스 지지대(52) 및 쉬스 링크부(53)를 포함한다.

상기 제1쉬스 지지대(51)는, 상기 제1,2아이들 풀리(100)(200)에서 나온 상기 제1,2케이블(10)(20)과 상기 쉬스(30)를 연결한다.

상기 제2쉬스 지지대(52)는, 상기 구동 관절(3)측에 배치되어, 양측으로 분기된 상기 쉬스(30)의 양단부(30a)(30b)가 연결된다.

상기 쉬스 링크부(53)는, 상기 제1쉬스 지지대(51)와 상기 제2쉬스 지지대(52)를 연결하여, 상기 구동 풀리(2)에서 상기 구동 관절(3)을 향한 방향으로 길게 형성되어 상기 쉬스(30)를 지지한다. 상기 쉬스 링크부(53)는 상기 제1쉬스 지지대(51)를 연결하는 제1링크부와 상기 제2쉬스 지지대(52)를 연결하는 제2링크부를 포함하고, 상기 제1링크부와 상기 제2링크부는 회전가능하게 결합된다. 상기 쉬스 링크부(53)는, 상기 쉬스(30)의 상,하 또는 좌,우측을 각각 지지하도록 형성되고, 길이방향을 따라 소정간격 이격된 복수의 위치에 고정대들(53a)이 형성된다. 따라서, 상기 쉬스(30)가 상기 중간 관절들(4)을 통과하되, 상기 고정대들(53a)을 이용해 단단히 고정됨으로써, 상기 쉬스(30)의 형상이 상기 중간 관절들(4)의 각도에 의존하여 변하게 된다.

상기 구동 풀리(2)와 상기 구동 관절(3) 사이에는 상기 쉬스(30)가 통과하는 적어도 하나의 중간 관절(4)이 배치된다. 본 실시예에서는, 상기 중간 관절(4)은 1개인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 복수개가 구비될 수 있다. 상기 중간 관절(4)의 각도에 의해 상기 쉬스(30)의 형상이 변하게 된다.

상기 제1아이들 풀리들(100)은, 상기 구동 풀리(2)측에서 상기 제1케이블(10)에 구비된다. 상기 제1아이들 풀리들(100)은, 2개의 제1,2풀리(101)(102)가 한 쌍을 이룬다.

상기 제1풀리(101)는, 상기 제1케이블(10)의 방향을 상기 구동 풀리(2)측으로 전환시키도록 배치된다.

상기 제2풀리(102)는, 상기 제1풀리(101)에서 감겨 나온 상기 제1케이블(10)의 방향을 상기 구동 관절(3)측으로 다시 전환시키고, 상기 제1선형 스프링(110)이 결합된다. 상기 제2풀리(102)는, 상기 제1케이블(10)의 장력에 따라 이동한다.

상기 제1선형 스프링(110)은, 상기 제2풀리(102)에 연결되어, 상기 제1케이블(10)의 장력에 따라 길이가 변하도록 구비된다.

도 2를 참조하면, 상기 제1선형 스프링(110)은, 상기 제2풀리(102)가 결합된 제2풀리 베이스(102a)와 제1스프링 베이스(110a)사이에 설치된다. 상기 제1스프링 베이스(110a)는 고정된다. 따라서, 상기 제1케이블(10)의 장력에 따라 상기 제2풀리(102)가 이동할 때 상기 제1선형 스프링(110)이 압축 또는 인장될 수 있다.

상기 제1포텐쇼미터(potentiometer)(120)는, 상기 제1선형 스프링(110)측에 구비되어, 상기 제1선형 스프링(110)의 길이 변화를 측정한다. 본 실시예에서, 상기 제1포텐쇼미터(120)의 일단은 상기 제2풀리 베이스(102a)에 결합되고, 타측은 상기 제1스프링 베이스(110a)에 배치된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 제1선형 스프링(110)의 길이 변화를 측정할 수 있는 위치라면 어느 것이나 적용 가능하다.

상기 제2아이들 풀리들(200)은, 상기 구동 풀리(2)측에서 상기 제2케이블(20)에 구비된다. 상기 제2아이들 풀리들(200)은, 2개의 제3,4풀리(201)(202)가 한 쌍을 이룬다.

상기 제3풀리(201)는, 상기 제2케이블(20)의 방향을 상기 구동 풀리(2)측으로 전환시키도록 배치된다.

상기 제4풀리(202)는, 상기 제3풀리(201)에서 감겨 나온 상기 제2케이블(20)의 방향을 상기 구동 관절(3)측으로 다시 전환시키고, 상기 제2선형 스프링(210)이 결합된다. 상기 제4풀리(202)는, 상기 제2케이블(20)의 장력에 따라 이동한다.

상기 제2선형 스프링(210)은, 상기 제4풀리(202)에 연결되어, 상기 제2케이블(20)의 장력에 따라 길이가 변하도록 구비된다. 상기 제2케이블(20)의 장력에 따라 상기 제4풀리(202)가 이동할 때 상기 제2선형 스프링(210)이 압축 또는 인장될 수 있다. 상기 제2선형 스프링(210)은 설치 구조는, 도 2에 도시된 상기 제1선형 스프링(110)의 설치 구조와 유사하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 제2포텐쇼미터(potentiometer)(220)는, 상기 제2선형 스프링(210)측에 구비되어, 상기 제2선형 스프링(210)의 길이 변화를 측정한다.

상기 제1,2선형 스프링(110)(210)의 각 스프링 상수는 상기 제1,2케이블(10)(20)의 스프링 상수보다 작게 설정된다. 상기 제1선형 스프링(110)과 상기 제2선형 스프링(210)은 동일한 스프링이 사용되므로, 스프링 상수도 동일하다. 상기 제1,2선형 스프링(110)(210)의 스프링 상수가 상기 제1,2케이블(10)(20)의 스프링 상수보다 작게 설정됨으로써, 상기 쉬스(30)의 형상이 변하더라도 프리텐션(pretension)의 변화가 거의 없다. 여기서, 프리텐션(T₀)은, 상기 제1케이블(10)의 장력(T₁)과 상기 제2케이블(20)의 장력(T₂)의 평균값이다. 상기 프리텐션이 지나치게 증가하면 상기 쉬스(30)가 닳거나 변형될 수 있으며, 상기 프리텐션이 지나치게 감소하면 상기 제1,2케이블(10)(20)이 느슨해져서 탈선할 수 있다. 본 발명에서는, 제1,2선형 스프링(110)(210)의 스프링 상수가 상기 제1,2케이블(10)(20)의 스프링 상수보다 작게 설정됨으로써, 상기 쉬스(30)의 형상이 변하더라도 상기 제1,2케이블(10)(20)보다 상기 제1,2선형 스프링(110)(210)이 보다 쉽게 변형되기 때문에, 상기 제1,2케이블(10)(20)의 프리텐션은 크게 변하지 않는다. 따라서, 상기 제1,2케이블(10)(20)의 프리텐션을 일정하게 유지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템의 제어를 나타낸 블록도이다.

도 3을 참조하면, 상기 제어부(40)는, 상기 쉬스(30)와 상기 제1,2케이블(10)(20)간의 마찰력을 보상하는 피드포워드 제어부(feedfoward controller)(41)와, 상기 모터(1)의 출력을 제어하는 모터 제어부(42)를 포함한다. 본 실시예에서는, 상기 피드포워드 제어부(41)와 상기 모터 제어부(42)를 별도로 표시하였으나, 하나의 제어부에서 모든 제어를 수행하는 것도 물론 가능하다.

상기 피드포워드 제어부(41)는, 상기 구동 관절(Distal joint)(3)의 요구 토크(τ_d,out)에 상기 쉬스(30)와 상기 제1,2케이블(10)(20)간의 마찰력을 보상하여, 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)를 계산하여 출력한다. 상기 구동 관절(3)의 요구 토크(τ_d,out)는, 사용자가 상기 구동 관절(3)에 전달하고자 하는 토크이다. 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)는, 상기 마찰력을 보상하여 계산된 토크이다. 상기 중간 관절(4)의 각도에 따라 상기 쉬스(30)의 형상이 변하면, 상기 쉬스(30)와 상기 제1,2케이블(10)(20)간의 마찰이 변한다고 가정한다. 상기 피드포워드 제어부(41)는, 상기 쉬스(30)와 상기 제1,2케이블(10)(20)간의 마찰 변수를 상기 중간 관절(4)의 각도의 함수로 모델링한다. 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)는 상기 중간 관절(4)의 각도에 따른 마찰력을 보상한 값이다.

상기 모터 제어부(42)는, 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)와 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)를 비교하여, 상기 모터(1)의 출력을 제어한다.

여기서, 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)는, 상기 피드포워드 제어부(41)에서 마찰력을 보상한 계산값이다.

상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)는, 실제로 상기 모터(1)를 구동시 측정된 측정값이다. 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)는, 상기 제1,2포텐쇼미터(120)(220)가 각각 측정한 상기 제1,2선형 스프링(110)(210)의 길이 변화로부터 측정된 상기 제1,2케이블(10)(20)의 장력(F)에 따라 측정할 수 있다. 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)는 상기 제1,2케이블(10)(20)의 장력(F)의 차이에 상기 구동 풀리(2)의 반지름을 곱한 값이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중간 관절의 각도에 따라 마찰계수의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 4를 참조하면, 실험을 통해 상기 중간 관절(4)의 각도에 따른 마찰 변수의 변화를 알 수 있다. 상기 중간 관절(4)의 각도에 따른 마찰 변수를 모델링하여, 마찰 보상 알고리즘을 이용하여 마찰을 보상할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘에서 마찰을 보상한 실험 결과를 나타낸다.

도 5a는, 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)(INPUT)와 상기 구동 관절(3)의 출력 토크(τ_out)(OUTPUT)를 나타낸다.

도 5b는, 상기 구동관절(3)의 요구 토크(τ_d,out)와 상기 구동 관절(3)의 출력 토크(τ_out)의 비교한 차이를 나타낸다. 상기 구동관절(3)의 요구 토크(τ_d,out)와 상기 구동 관절(3)의 출력 토크(τ_out)의 차이가 0에 가까운 것을 알 수 있다. 따라서, 상기와 같은 방법으로 마찰을 보상해주었을 때 원하는 만큼의 토크가 상기 구동 관절(3)에 잘 전달되는 것을 알 수 있다.

도 5c는 시간에 따른 프리텐션의 변화를 나타내며, 시스템의 구동에 문제가 없을 정도로 프리텐션의 변화가 매우 작게 나타났다.

상기 프리텐션(T₀)이 미리 설정된 최저값 이상을 유지해야 한쪽으로 최대한 토크를 낼 때 느슨해지는 반대쪽의 케이블이 탈선하지 않을 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템의 제어방법을 설명하면, 다음과 같다.

도 2를 참조하면, 사용자가 상기 구동 관절(3)에 전달하고자 하는 힘인 상기 구동 관절(3)의 요구 토크(τ_d,out)를 입력하거나 설정한다.

상기 피드포워드 제어부(41)는, 상기 마찰력을 보상하여 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)를 계산하여 출력한다.

상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)는 수학식 2로부터 계산되며, 수학식 2는 수학식 1로부터 나온다.

수학식 1은, 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 갖는 시스템에서 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)와 상기 구동 관절(3)의 토크(τ_out=τ_Jn) 사이의 관계를 나타낸다.

여기서, r_j는 상기 구동 관절(3)의 반지름, T₀은 프리텐션, μ는 쿨롱마찰계수, Θ는 쉬스의 형상에 따른 마찰 변수, σ는 sgn(Θ_jn), n은 n번째 관절(joint)을 나타낸다.

상기 수학식 1은, 상기 모터의 출력 토크(τ_m)와 마찰력의 영향이 더해져서 상기 구동 관절(3)에 전달되는 토크(τ_Jn)를 나타내며, 후술하는 수학식 2를 끌어낼 수 있다. 또한, 상기 수학식 1로부터 마찰변수(Θ)를 모델링할 수 있다.

즉, 수학식 2는, 상기 구동 관절(3)의 요구 토크(τ_d,out=τ_d)에 대한 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)를 계산하기 위한 식이다. 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)는 마찰력이 보상된 토크(τ_c)이다.

여기서, r_m은 상기 구동 풀리(2)의 반지름, r_J는 상기 구동 관절(3)의 반지름, T₀은 프리텐션, μ는 쿨롱마찰계수, Θ는 쉬스의 형상에 따른 마찰 변수, σ는 sgn(θ_Jn), n은 n번째 관절(joint)을 나타낸다.

상기 수학식 2에서, r_m, r_J, τ_d는 정해진 값이다. T₀는 상기 제1,2선형 스프링(110)(210)의 길이를 상기 제1,2포텐쇼미터(120)(220)로 측정하여 얻은 상기 제1,2케이블의 장력으로부터 얻을 수 있는 값이다.

θ_Jn는 상기 구동 관절(3)의 각도이고, θ_Jn는 상기 구동 관절(3)의 속도를 나타내며, 상기 구동 관절(3)에 장착된 엔코더로 측정이 가능하다.

Θ는 단독으로 측정되지 않고 쿨롱마찰계수(μ)와 함께 μΘ의 형태로 측정된다. μΘ의 측정방법은 다음과 같다. 먼저, 상기 모터(1)에서 임의의 인풋을 주며 구동할 때 상기 구동 관절(3)의 토크를 측정하고, 동시에 상기 중간 관절(4)의 값이 변한다. 이 때 측정된 상기 모터(1)의 토크(τ_m), 상기 중간 관절들(4)의 각도 (θ_Ji, i=1~n) 와 상기 수학식 1을 이용하여 μΘ를 모델링한다. 상기 중간 관절(4)이 하나이면, μΘ=f(θ₁)의 형태로 모델링되고, 상기 중간 관절(4)이 여러 개인 경우 μΘ=f(θ₁)+f(θ₂)+f(θ_n-1)의 형태로 모델링된다. 모델링의 형태는 다항식, 지수식 등 여러 형태들 중에 측정 결과와 오차가 적은 것을 사용할 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 중간 관절(4)의 각도에 따라 선형으로 변하는 경향이 있어서 대칭인 선형 함수로 모델링하여 사용하였다.

상기 피드포워드 제어부(41)가 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)를 출력하면, 상기 모터 제어부(42)는 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)가 상기 목표 토크(τ_d,m)가 되도록 상기 모터(1)와 상기 제1,2선형 스프링(110)(210)을 제어한다. 상기 모터(1)는, 상기 제1,2선형 스프링(110)(210)의 변형 정도를 이용하여 측정한 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)와 상기 모터(1)의 드라이버에 전달되는 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)의 차이값을 이용하여, 토크 제어를 한다. 상기 모터 제어부(42)는 피드백 제어기(PID controller)를 이용하는 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)는, 상기 모터(1)를 구동시 측정된다. 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)는, 상기 제1,2포텐쇼미터(120)(220)가 각각 측정한 상기 제1,2선형 스프링(110)(210)의 길이 변화로부터 측정된 상기 제1,2케이블(10)(20)의 장력(F)에 따라 측정할 수 있다. 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)는 상기 제1,2케이블(10)(20)의 장력(F)의 차이에 상기 구동 풀리(2)의 반지름을 곱한 값이다.

상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)가 상기 목표 토크(τ_d,m)이도록 제어하면, 상기 모터(1)의 토크가 상기 텐던-쉬스 메커니즘을 통해 상기 구동 관절(3)로 전달될 수 있으며, 그 값은 상기 구동 관절(3)의 요구 토크(τ_d,out)가 될 수 있다.

본 발명에서는, 상기 제1,2케이블(10)(20)의 장력을 측정하여, 상기 모터(1)의 출력 토크(τ_m)를 측정할 수 있다.

상기 모터(1)와 상기 구동 관절(3)에 각각 별도의 토크 센서를 부착하지 않고, 제어가 가능하기 때문에, 무게, 부피, 비용 측면에서 이점이 있다.

또한, 상기 마찰력을 상기 중간 관절들의 각도에 관한 함수로 모델링하고, 이를 보상하여 상기 모터(1)의 목표 토크(τ_d,m)를 계산함으로써, 상기 구동 관절(3)에 보다 정확한 힘의 전달이 가능하다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 모터 2: 구동 풀리
3: 구동 관절 4: 중간 관절
10: 제1케이블 20: 제2케이블
100: 제1아이들 풀리 101: 제1풀리
102: 제2풀리 110: 제1선형 스프링
120: 제1포텐쇼미터 200: 제2아이들 풀리
201: 제3풀리 202: 제4풀리
210: 제2선형 스프링 220: 제2포텐쇼미터

Claims

모터에 결합된 구동 풀리와;
상기 구동 풀리의 일측과 구동 관절의 일측을 연결하여, 상기 모터의 토크를 상기 구동 관절에 전달하는 제1케이블(tendon)과;
상기 구동 풀리의 타측과 상기 구동 관절의 타측을 연결하여, 상기 모터의 토크를 상기 구동 관절에 전달하는 제2케이블과;
상기 제1케이블에 구비되어, 상기 제1케이블의 방향을 상기 구동 풀리측으로 전환시키도록 구비된 제1풀리와, 상기 제1풀리에 감겨 나온 상기 제1케이블의 방향을 상기 구동 관절측으로 다시 전환시키도록 구비된 제2풀리를 포함하는 제1아이들 풀리들과;
상기 제2케이블에 구비되어, 상기 제2케이블의 방향을 상기 구동 풀리측으로 전환시키도록 구비된 제3풀리와, 상기 제3풀리에 감겨 나온 상기 제2케이블의 방향을 상기 구동 관절측으로 다시 전환시키도록 구비된 제4풀리를 포함하는 제2아이들 풀리들과;
상기 제2풀리에 연결되어, 상기 제1케이블의 장력에 따라 길이가 변하도록 구비된 제1선형 스프링과;
상기 제4풀리에 연결되어, 상기 제2케이블의 장력에 따라 길이가 변하도록 구비된 제2선형 스프링과;
상기 제1선형 스프링에 구비되어, 상기 제1선형 스프링의 길이 변화를 측정하는 제1포텐쇼미터와;
상기 제2선형 스프링에 구비되어, 상기 제2선형 스프링의 길이 변화를 측정하는 제2포텐쇼미터와;
상기 구동 풀리와 상기 구동 관절 사이에서, 상기 제1케이블과 상기 제2케이블의 적어도 일부분을 모아서 감싸도록 구비된 쉬스(sheath)와;
상기 구동 관절에 전달하고자 하는 상기 구동 관절의 요구 토크에 상기 쉬스와 상기 제1,2케이블간의 마찰력을 보상하여 상기 모터의 목표 토크를 계산하고,
상기 제1,2포텐쇼미터에서 각각 측정한 상기 제1,2선형 스프링의 길이로부터 상기 제1,2케이블의 장력을 구하고, 상기 제1,2케이블의 장력에 따라 상기 모터의 출력 토크를 계산하여,
상기 모터의 목표 토크와 상기 모터의 출력 토크를 비교하여, 상기 모터의 출력을 제어하는 제어부를 포함하는 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 구동 풀리와 상기 구동 관절 사이에 배치되고, 상기 쉬스가 통과하는 적어도 하나의 중간 관절을 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 쉬스와 상기 제1,2케이블 간의 마찰 변수를 상기 중간 관절의 각도의 함수로 모델링하여, 상기 모터의 목표 토크에 상기 중간 관절의 각도에 따른 상기 마찰력을 보상하는 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제1,2선형 스프링의 스프링 상수는 상기 제1,2케이블의 스프링 상수보다 작게 설정되는 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제2풀리와 상기 제4풀리는 서로 접하도록 배치되어, 상기 제2풀리에 감겨 나온 상기 제1케이블과 상기 제4풀리에 감겨 나온 상기 제2케이블은 하나로 모아져 상기 쉬스로 감싸지는 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 쉬스를 고정시키는 쉬스 홀더를 더 포함하는 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 쉬스 홀더는,
상기 제1,2아이들 풀리들에서 나온 상기 제1,2케이블과 상기 쉬스를 연결하는 제1쉬스 지지대와,
상기 제1쉬스 지지대에 연결되고, 상기 구동 관절을 향한 방향으로 상기 쉬스를 따라 길게 형성된 쉬스 링크부와;
상기 쉬스 링크부에 연결되고, 상기 구동 관절의 양측으로 분기된 상기 쉬스의 양단부가 연결되는 제2쉬스 지지대를 포함하는 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템.
모터에 결합된 구동 풀리와;
상기 구동 풀리의 일측과 구동 관절의 일측을 연결하여, 상기 모터의 토크를 상기 구동 관절에 전달하는 제1케이블(tendon)과;
상기 구동 풀리의 타측과 상기 구동 관절의 타측을 연결하여, 상기 모터의 토크를 상기 구동 관절에 전달하는 제2케이블과;
상기 제1케이블에 구비되어, 상기 제1케이블의 방향을 상기 구동 풀리측으로 전환시키도록 구비된 제1풀리와;
상기 제1풀리에 감겨 나온 상기 제1케이블의 방향을 상기 구동 관절측으로 다시 전환시키도록 구비된 제2풀리와;
상기 제2케이블에 구비되어, 상기 제2케이블의 방향을 상기 구동 풀리측으로 전환시키도록 구비된 제3풀리와;
상기 제3풀리에 감겨 나온 상기 제2케이블의 방향을 상기 구동 관절측으로 다시 전환시키도록 구비된 제4풀리와;
상기 제2풀리에 연결되어, 상기 제1케이블의 장력에 따라 길이가 변하도록 구비된 제1선형 스프링과;
상기 제4풀리에 연결되어, 상기 제2케이블의 장력에 따라 길이가 변하도록 구비된 제2선형 스프링과;
상기 제1선형 스프링에 구비되어, 상기 제1선형 스프링의 길이 변화를 측정하는 제1포텐쇼미터와;
상기 제2선형 스프링에 구비되어, 상기 제2선형 스프링의 길이 변화를 측정하는 제2포텐쇼미터와;
상기 구동 풀리와 상기 구동 관절 사이에서, 상기 제1케이블과 상기 제2케이블의 적어도 일부분을 모아서 감싸도록 구비된 쉬스(sheath)와;
상기 구동 풀리와 상기 구동 관절 사이에 배치되고, 상기 쉬스가 통과하는 적어도 하나의 중간 관절과;
상기 구동 관절에 전달하고자 하는 상기 구동 관절의 요구 토크에 상기 쉬스와 상기 제1,2케이블간의 마찰력을 보상하여 상기 모터의 목표 토크를 계산하고,
상기 제1,2포텐쇼미터에서 각각 측정한 상기 제1,2선형 스프링의 길이로부터 상기 제1,2케이블의 장력을 구하고, 상기 제1,2케이블의 장력에 따라 상기 모터의 출력 토크를 계산하여,
상기 모터의 목표 토크와 상기 모터의 출력 토크를 비교하여, 상기 모터의 출력을 제어하는 제어부를 포함하는 이중 텐던-쉬스 메커니즘을 이용한 힘 전달 시스템.