KR101925403B1 - 착용로봇 무릎관절 토크지원용 탄성기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14)를 지니는 착용로봇에 있어서: 상기 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14) 사이에 완충수단(30)이 실린더(32)와 로드(34)를 개재하여 연결되고, 상기 완충수단(30)은 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14)의 각도가 설정치 이하로 되면 스프링(36)의 탄성을 작용하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 평상시에는 구동기에 영향을 주지 않으면서 쪼그려 앉기에 가까운 무릎관절 각도에 도달하는 순간 탄성력을 발생하여 구동기가 낼 수 있는 힘의 부족분을 지원하는 효과가 있다.

Description

착용로봇 무릎관절 토크지원용 탄성기구{Elastic device for torque support on wearable robot knee joint}

본 발명은 착용로봇 무릎관절 토크지원용 탄성기구에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 평상시에는 구동기에 영향을 주지 않으면서 쪼그려 앉기에 가까운 무릎관절 각도에 도달하는 순간 탄성력을 발생하여 구동기가 낼 수 있는 힘의 부족분을 지원하는 착용로봇 무릎관절 토크지원용 탄성기구에 관한 것이다.

종래에 착용로봇을 입고 앉는 동작할 때, 쪼그려 앉기에 가까운 무릎관절 각도가 되면 무릎 구동기가 낼 수 있는 힘 보다 더 큰 힘(토크)이 필요하게 되며, 착용자가 불편함을 느끼게 된다. 이를 해결하기 위한 방안의 하나로 무릎 구동기의 용량을 키우게 되는데, 그에 따라 구동기의 크기와 무게도 함께 커지게 되는 단점이 있다. 이와 같이 착용로봇의 토크를 보상하기 위한 다른 방안으로 한국 공개특허공보 제2011-0133309호(선행특허 1), 한국 공개특허공보 제2011-0104781호(선행특허 2) 등의 문헌을 참조할 수 있다.

선행특허 1은 회전축을 공유하는 제1관절부재와 제2관절부재를 포함하여 구성되는 관절부; 및 상기 회전축 상에 장착되어 일방향으로만 보상 토크를 발생시키는 로드 밸런서를 포함하고, 상기 로드 밸런서는 상기 제1관절부재에 고정 장착되는 고정부재; 상기 고정부재와 회전가능하게 결합되는 회전부재; 및 상기 고정부재와 회전부재 사이에 회전과 반대 방향으로 보상 토크를 발생시키는 탄성수단을 포함한다. 이에 따라, 다관절 로봇의 관절부에 가해지는 하중에 따라 필요한 토크를 보상 내지 조절할 수 있는 효과를 기대한다.

선행특허 2에 의하면 좌우 한 쌍의 제1 조인트 풀리가 각각 외골격 허벅지 프레임과 직동되고 제1 와이어와 연결되며, 상기 제1 와이어에 장력이 주어지면 상기 제1 조인트 풀리와 상기 외골격 허벅지 프레임이 연동하면서 회전하고, 상기 제1 와이어의 장력이 풀리면 상기 제1 조인트 풀리에 설치된 복귀 스프링의 탄성에 의해 복귀운동을 수행한다. 이에 따라, 와이어에 의한 구동력이 한 방향으로만 가해지고 복귀 스프링에 의해 정역회전을 보조받으므로 메커니즘이 단순화되는 효과를 기대한다.

그러나, 선행특허 1에 의하면 항시 보상 토크를 작용하므로 착용자의 특정한 모션에서 불편을 초래할 수 있고, 선행특허 2에 의하면 장치의 구성이 복잡화되어 착용로봇에 대한 적용성이 매우 제한적이다.

1. 한국 공개특허공보 제2011-0133309호 "토크 보상용 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조"(공개일자 : 2011. 12. 12.) 2. 한국 공개특허공보 제2011-0104781호 "와이어 구동방식 외골격 로봇"(공개일자 : 2011. 9. 23.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 평상시에는 구동기에 영향을 주지 않으면서 쪼그려 앉기에 가까운 무릎관절 각도에 도달하는 순간 탄성력을 발생하여 구동기가 낼 수 있는 힘의 부족분을 지원하는 착용로봇 무릎관절 토크지원용 탄성기구를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상부골격링크와 하부골격링크를 지니는 착용로봇에 있어서: 상기 상부골격링크와 하부골격링크 사이에 완충수단이 실린더와 로드를 개재하여 연결되고, 상기 완충수단은 상부골격링크와 하부골격링크의 각도가 설정치 이하로 되면 스프링의 탄성을 작용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 완충수단의 스프링은 일단을 자유단으로 하여 로드 상에 동심으로 수용되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 완충수단의 스프링은 자유단에 완충패드를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1실시예로서, 상기 완충수단은 실린더에 슬라이딩 가능하게 장착되는 슬라이더와, 슬라이더의 절개부에 형성된 플랜지를 조이도록 장착되는 면압조임구를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2실시예로서, 상기 완충수단은 실린더에 형성되는 암나사부와, 암나사부에 결합되고 스프링을 지지하는 슬라이더를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 슬라이더는 나선 결합의 풀림을 방지하도록 이중 너트 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 평상시에는 구동기에 영향을 주지 않으면서 쪼그려 앉기에 가까운 무릎관절 각도에 도달하는 순간 탄성력을 발생하여 구동기가 낼 수 있는 힘의 부족분을 지원하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탄성기구의 작동전 상태를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 탄성기구의 작동후 상태를 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 탄성기구의 조절수단에 대한 제1실시예를 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 탄성기구의 조절수단에 대한 제2실시예를 나타내는 구성도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14)를 지니는 착용로봇에 관련된다. 착용로봇에서 상부골격링크(12)는 본체(10)의 하단에 상부관절(22)을 개재하여 연결되고, 하부골격링크(14)는 상부골격링크(12)의 하단에 하부관절(24)을 개재하여 연결된다. 본 발명은 착용로봇의 무릎 관절인 하부관절(24)에 대한 토크 지원용 탄성기구를 요지로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니며 다른 관절 부분에서 같은 원리로 응용이 가능하다.

본 발명에 따르면 상기 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14) 사이에 완충수단(30)이 실린더(32)와 로드(34)를 개재하여 연결된다. 완충수단(30)은 인간이 착용로봇을 입고 운동할 때, 실린더(32)와 로드(34)에 의한 토크에 더하여 근력지원 또는 증강을 수행한다. 실린더(32)는 상측의 힌지대(28)를 개재하여 상부골격링크(12)에 회동 가능하게 결합되고, 로드(34)는 하측의 힌지대(28)를 개재하여 하부골격링크(14)에 회동 가능하게 결합된다.

또, 본 발명에 따르면 상기 완충수단(30)은 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14)의 각도가 설정치 이하로 되면 스프링(36)의 탄성을 작용한다. 착용자의 모션 중에서 쪼그려 앉기에 가까운 무릎관절 각도가 되면 무릎 구동기가 낼 수 있는 힘 보다 더 큰 토크를 요구하게 된다. 완충수단(30)은 이러한 조건에서 스프링(36)에 의한 탄성력을 제공하여 무릎 관절 토크의 부족분을 보상할 수 있다. 구동기는 실린더(32)를 의미하지만 반드시 이에 국한되지 않는다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 완충수단(30)의 스프링(36)은 일단을 자유단으로 하여 로드(34) 상에 동심으로 수용되는 것을 특징으로 한다. 스프링(36)의 상단은 실린더(32)와 상대적인 운동을 구속하도록 고정하지만 하단은 자유로운 상태로 둔다. 스프링(36)은 로드(34) 상에 동심으로 수용되어 로드(34)가 일정 길이 이하로 축소되면 자유단이 접촉되면서 탄성에너지를 저장한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 완충수단(30)의 스프링(36)은 자유단에 완충패드(38)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 완충패드(38)는 스프링(36)의 자유단에 일체로 고정되어 로드(34)의 길이가 일정 길이 이하로 되면 하측의 힌지대(28)에 접촉한다. 내마모성의 지닌 완충패드(38)가 개재됨에 따라 힌지대(28)에 접촉시 마모와 소음을 방지할 수 있다. 힌지대(28)는 완충패드(38)가 넓은 면적으로 접촉할 수 있는 형태로 형성한다.

본 발명은 완충수단(30)에 조임수단(40)을 구비하며, 조절수단(40)은 2가지 실시예로 구현될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 조절수단(40)은 착용자의 신체 조건(체중)이나 스프링(36)의 종류에 따라 완충패드(38)와 힌지대(28)의 거리를 변동하여 스프링(36)에 의한 탄성력과 더불어 탄성보상위치를 조절하는 용도이다.

본 발명의 제1실시예에 의한 조절수단(40)으로서, 상기 완충수단(30)은 실린더(32)에 슬라이딩 가능하게 장착되는 슬라이더(41)와, 슬라이더(41)의 절개부에 형성된 플랜지(43)를 조이도록 장착되는 면압조임구(45)를 구비한다. 슬라이더(41)를 실린더(32) 상에서 상하로 이동한 후에 면압조임구(45)를 누르면 절개부 양단의 플랜지(43)가 조여지면서 위치가 고정된다.

본 발명의 제2실시예에 의한 조절수단(40)으로서, 상기 완충수단(30)은 실린더(32)에 형성되는 암나사부(46)와, 암나사부(46)에 결합되고 스프링(36)을 지지하는 슬라이더(48)를 구비할 수도 있다. 슬라이더(48)를 회전시키면 실린더(32) 상에서암나사부(46)를 따라 상하로 이동되면서 위치가 고정된다.

어느 경우에나, 슬라이더(41)(48)를 실린더(32)의 상측으로 보낼수록 스프링(36)에 의한 탄성력은 감소되고, 반대로 슬라이더(41)(48)를 실린더(32)의 하측으로 보낼수록 스프링(36)에 의한 탄성력이 증가된다.

이때, 상기 슬라이더(48)는 나선 결합의 풀림을 방지하도록 이중 너트 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 도시에서 슬라이더(48)는 하나의 너트 구조로 표현하였으나 2개의 너트 구조로 하면 풀림 방지에 유리하다. 이에 따라, 스프링(36)이 신축되는 과정에서 발생되는 충격에 의하여 슬라이더(48)의 나선이 임의로 풀리고 보상 토크가 변동되는 것을 방지할 수 있다.

작동에 있어서, 도 1처럼 착용자가 기립한 상태로 이동하는 동안에는 완충수단(30)의 스프링(36)이 힌지대(28)에 접촉되지 않으므로 아무런 영향을 미치지 않는다. 도 2처럼 착용자가 앉는 과정에서 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14)의 각도가 설정치 이하로 되면 스프링(36)이 압축되면서 탄성 에너지를 저장한다. 이후 착용자가 다시 도 1처럼 기립하는 순간 스프링(36)에서 탄성 에너지를 발생하여 구동기의 구동력을 보상한다.

이와 같이 본 발명의 완충수단(30)은 스프링(36)을 기반으로 하는 간단한 구성으로 설치되므로 무릎 구동기의 용량을 축소함과 더불어 전체적으로 경량화 구조를 구현할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 본체 12: 상부골격링크
14: 하부골격링크 22: 상부관절
24: 하부관절 28: 힌지대
30: 완충수단 32: 실린더
34: 로드 36: 스프링
38: 완충패드 40: 조절수단
41: 슬라이더 43: 플랜지
45: 면압조임구 46: 암나사부
48: 슬라이더

Claims (6)

1. 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14)를 지니는 착용로봇에 있어서:
   상기 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14) 사이에 완충수단(30)이 실린더(32)와 로드(34)를 개재하여 연결되고,
   상기 완충수단(30)은 상부골격링크(12)와 하부골격링크(14)의 각도가 설정치 이하로 되면 스프링(36)의 탄성을 작용하되,
   상기 완충수단(30)의 스프링(36)은 자유단에 완충패드(38)를 구비하고,
   상기 완충수단(30)은 실린더(32)에 슬라이딩 가능하게 장착되는 슬라이더(41)와, 슬라이더(41)의 절개부에 형성된 플랜지(43)를 조이도록 장착되는 면압조임구(45)를 구비하는 것을 특징으로 하는 착용로봇 무릎관절 토크지원용 탄성기구.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 완충수단(30)의 스프링(36)은 일단을 자유단으로 하여 로드(34) 상에 동심으로 수용되는 것을 특징으로 하는 착용로봇 무릎관절 토크지원용 탄성기구.
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