KR101949421B1 - 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치에 관한 것이다. 본 발명은 로봇에 적용이 가능하도록 관절 부위를 구현한 다자유도 관절장치에 있어서, 기준 관절부; 및 상기 기준 관절부에 대하여 다축 방향으로 회전이 가능하게 설치되고, 반타원체 또는 타원체 형상인 운동 관절부를 포함할 수 있다.

Description

로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치{JOINT APPARATUS FOR MULTI DEGREE OF FREEDOM APPLIED TO ROBOT}

본 발명은 다자유도 관절장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로봇의 각종 관절 부위에 적용 가능한 다자유도 관절장치에 관한 것이다.

인공 의수는 팔이나 손목 등 상체의 일부가 절단된 환자들의 신체를 대체해주는 보조기기이다. 로봇 인공 의수는 착용자의 움직임을 감지할 센서와 의도한 동작을 구현할 구동기가 추가된 인공 의수를 의미한다. 로봇 인공 의수는 착용자의 의지를 운동으로 구현할 수 있다는 점에서 일반적인 인공 의수와 크게 구별되며, 착용자의 일상 생활에 있어 편의를 크게 증진시킬 수 있다. 현재 로봇 인공 의수의 개발은 국내외에서 활발히 이루어지고 있으며, 해외에서는 상용화 단계의 로봇 인공 의수들이 존재한다.

국내외 신체 절단 환자의 수는 증가하고 있으나, 로봇 인공 의수의 착용자 수는 적다. 사고 및 재해, 질병 등으로 인해 신체의 일부를 절단하게 되는 환자들은 국내에 약 15만 명이 있으며, 매년 약 오천 여 명씩 증가하는 추세이다. 그러나, 대표적인 로봇 인공 의수 중 하나인 비바이오닉(Bebionic)의 사용자는 국내에 4명으로 극소수만 사용하고 있다.

기존 로봇 인공 의수들의 사용자들은 무게, 자유도, 외형에서 불만을 호소한다. 사람의 팔에 비해 무거운 무게의 의수는 장기 착용 시 큰 불편함을 가져 온다. 자유도가 7개인 사람의 팔보다 적은 수의 자유도를 가진 로봇 인공 의수는 의도한 운동을 충분히 구현할 수 없는 문제점이 있었다.

절대 다수의 기존 로봇 인공 의수들은 직선 구동의 근육이 아닌 회전 구동의 모터를 사용하여 사람과 크게 다른 외형과 움직임을 가진다. 따라서, 신체를 잃은 환자들은 일반인과의 차이점이 드러나 보임에 대한 부담으로 착용을 지양하는 경향이 있었고, 로봇 인공 의수와 같이 로봇에 적용하기 위한 관절장치의 개발은 이러한 문제점들을 개선하기 위한 방향으로 진행되어 왔다.

대한민국 등록특허공보 제10-1147886호(2012.05.14. 등록)

본 발명은 다자유도 회전을 구현하면서도 가벼운 무게를 가지고 있어 작동성이 뛰어나며, 큰 작동범위를 가질 수 있어 로봇에 적용 시성능을 크게 향상시킬 수 있는 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 다자유도 관절장치는 로봇에 적용이 가능하도록 관절 부위를 구현한 다자유도 관절장치에 있어서, 기준 관절부; 및 상기 기준 관절부에 대하여 다축 방향으로 회전이 가능하게 설치되고, 반타원체 또는 타원체 형상인 운동 관절부를 포함할 수 있다.

상기 기준 관절부의 일면에는 타원체 형상으로 함입되는 제1 접촉홈이 형성될 수 있다.

상기 운동 관절부는, 상기 제1 접촉홈에 일면이 접촉 또는 이탈되고, 다축 방향으로 회전이 가능한 제1 운동 관절부; 및 상기 제1 운동 관절부의 일면에 타원체 형상으로 함입된 제2 접촉홈에 일면이 접촉 또는 이탈되고, 다축 방향으로 회전이 가능한 제2 운동 관절부를 포함할 수 있다.

일단은 상기 기준 관절부에 연결되고 타단은 상기 제1 운동 관절부에 연결되어, 서로 잡아당기도록 탄성력을 제공하는 제1 탄성부재; 및 일단은 상기 제1 운동 관절부에 연결되고 타단은 상기 제2 운동 관절부에 연결되어, 서로 잡아당기도록 탄성력을 제공하는 제2 탄성부재를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 운동 관절부의 장반경 및 단반경은 상기 제2 운동 관절부보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

일측은 상기 기준 관절부에 연결되고 타측은 상기 운동 관절부에 연결되어, 상기 운동 관절부가 상기 기준 관절부에 대하여 회전될 때 상기 운동 관절부를 지지하는 강성 와이어를 더 포함할 수 있다.

상기 강성 와이어는 중앙부가 상기 기준 관절부의 일면을 관통하고 양단부는 상기 운동 관절부의 양측면에 연결될 수 있다.

상기 강성 와이어는, 상기 기준 관절부의 일면에 형성된 제1 관통채널을 관통하는 제1 관통부; 및 상기 제1 관통부의 양단에서 상방으로 휘어져 연장되고, 상기 운동 관절부의 양측면에 형성된 제2 관통채널을 관통하는 제2 관통부를 포함할 수 있다.

상기 제1 관통채널은 타원 궤적을 따라 한 쌍이 형성될 수 있다.

상기 강성 와이어는 폐루프(closed loop)로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 다자유도 회전을 구현하면서도 가벼운 무게를 가지고 있어 작동성이 뛰어나며, 큰 작동범위를 가질 수 이어 로봇에 적용 시 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 운동 관절부가 상방으로 이동한 것을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 운동 관절부가 측방으로 회전되면서 이동한 것을 보인 도면.
도 4는 운동 관절부의 관절가동범위(ROM)를 운동 관절부의 단축을 통해 보인 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치의 사시도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 의한 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 운동 관절부가 상방으로 이동한 것을 보인 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 운동 관절부가 측방으로 회전되면서 이동한 것을 보인 도면이다.

이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치는 로봇에 적용이 가능하도록 관절 부위를 구현한 다자유도 관절장치에 있어서, 기준 관절부(10); 및 상기 기준 관절부(10)에 대하여 다축 방향으로 회전이 가능하게 설치되고, 반타원체 또는 타원체 형상인 운동 관절부(20,30)를 포함할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 다자유도 관절장치를 인체의 관절 부위 중 손목 부위를 예로 들어 설명하기로 한다. 한편, 다자유도 관절장치는 손목뿐만 아니라 발목, 어깨, 고관절 등 다양한 인체의 관절 부위에 적용될 수 있음은 당연하다고 할 것이다.

기준 관절부(10)는 관절 부위의 회전에 있어서 상대적으로 기준이 되는 관절부를 말한다. 예를 들어, 본 도면에 도시된 기준 관절부(10)는 인체의 팔 부분의 관절을 구현한 부분으로서, 보다 구체적으로 팔에서 손목으로 연결되는 부분을 구현한 것이다. 기준 관절부(10)는 운동 관절부(20,30)의 상대 회전이나 상대 이동에 대해서 기준이 되는 역할을 하며, 본 실시예에서와 같이 납작한 직육면체 형상으로 제조될 수 있다.

기준 관절부(10)의 일면(상면)에는 타원체 형상으로 함입되는 제1 접촉홈(12)이 형성된다. 제1 접촉홈(12)은 제1 운동 관절부(20)가 안착되어 접촉되는 부분으로서, 실제 손목 관절을 구현할 수 있도록 제1 운동 관절부(20)의 외면 형상에 대응되게 타원체 형상으로 함입될 수 있다. 여기에서 타원체 형상으로 함입된다는 것은 타원체의 외면 일부에 대응되게 형성된다는 것을 의미하고 타원체 전체 형상으로 함입된다는 것은 아니다.

운동 관절부(20,30)는 기준 관절부(10)에 대하여 상대 운동을 하는 관절부를 말하는 것으로서, 본 도면에 도시된 운동 관절부(20,30)는 인체의 손목 관절을 구현한 부분이다. 인체의 손목은 8개의 뼈로 구성되고, 이들은 인대에 의해 고정된다. 8개의 뼈로 이루어진 복잡한 손목 운동을 규명하기 위해, 상대적으로 움직임이 작은 뼈들을 묶어 하나의 몸체로 가정하여 해석하는 방법이 있었다. 대표적으로 2 row theory와 3 column theory가 있다. 이들은 8개로 구성된 골격 구조를 2개 혹은 3개로 단순화하여 전체적인 운동을 분석하는 방법이다.

본 실시예에서는 2 row theory에 의해 두 개의 관절로 나누어 운동하는 것으로 단순화하였다. 즉, 각각의 운동 관절부(20,30)는 2축 방향의 회전을 하게 되므로 전체적으로 4개의 축을 기준으로 회전하게 된다. 이와 같이 손목 관절을 2개로 단순화한 것은 로봇 관절에 적용할 때, 기본적으로 운동 범위가 크게 늘어나며, 회전축의 위치 등 조절이 가능한 설계 파라미터가 2배 이상으로 늘어나 관절의 특성을 다양하게 설계할 수 있는 장점이 있다.

운동 관절부(20,30)는 도면에 도시된 바와 같이 반타원체 형상을 가진다. 본 실시예에서 운동 관절부(20,30)를 이러한 형상으로 제작한 것은 로봇 관절 부위에 적용하기 좋은 특성들을 가지기 때문이다. 즉, 타원형의 관절은 작은 부피에 2축 방향의 회전 구현이 가능하기 때문에 저중량으로 2자유도 회전을 구현할 수 있다. 또한, 보다 큰 접촉면으로 인하여 큰 하중을 견딜 수 있는 특성을 가지며, 2축 방향의 회전에 대하여 회전축의 위치와 곡률을 설정하는 것이 자유롭다. 결국, 이러한 타원형의 관절의 특성들은 보다 가볍고 다자유도를 구현할 수 있는 로봇 관절 부위에 적용하기 적합하다.

운동 관절부(20,30)는, 제1 접촉홈(12)에 일면이 접촉 또는 이탈되고, 다축 방향으로 회전이 가능한 제1 운동 관절부(20); 및 상기 제1 운동 관절부(20)의 일면에 타원체 형상으로 함입된 제2 접촉홈(22)에 일면이 접촉 또는 이탈되고, 다축 방향으로 회전이 가능한 제2 운동 관절부(30)를 포함할 수 있다.

운동 관절부(20,30)는 서로 간에 적층이 용이하도록 반타원체 형상으로 형성되는 것으로 도면에 도시하였으나, 이제 제한되는 것은 아니고 타원체 형상으로 제작될 수도 있다. 결국 각각의 운동 관절부(20,30)가 접촉하는 부분만 타원체 형상으로 형성되면 되는 것이고, 예를 들어, 제1 운동 관절부(20)는 반타원체 형상이고 제2 운동 관절부(30)는 타원체 형상으로 제작될 수도 있다.

한편, 손목 관절 간의 연결구조를 구현하기 위해 본 실시예에서는 탄성부재(40,42)가 구비된다. 탄성부재(40,42)는 손목 관절을 연결하는 인대를 구현하는 부분으로서, 탄성력을 가지고 운동 관절부(20,30)를 연결하기 때문에 운동 관절부(20,30)가 회전 후 복원력에 의해 원래의 상태로 돌아오도록 탄성력을 제공한다.

보다 구체적으로, 탄성부재(40,42)는, 일단은 기준 관절부(10)에 연결되고 타단은 제1 운동 관절부(20)에 연결되어, 서로 잡아당기도록 탄성력을 제공하는 제1 탄성부재(40); 및 일단은 제1 운동 관절부(20)에 연결되고 타단은 제2 운동 관절부(30)에 연결되어, 서로 잡아당기도록 탄성력을 제공하는 제2 탄성부재(42)를 포함할 수 있다.

각각의 탄성부재(30,40)는 다양한 형태로 연결될 수 있는데, 본 실시예에서는 기준 관절부(10) 및 운동 관절부(20,30)의 4곳의 모서리 부분에 각각 연결되도록 구성하였다.

도 2 및 도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 운동 관절부(20,30)가 회전 및 이동된 것을 도시하고 있다. 이를 참조하면, 운동 관절부(20,30)는 도 2에서와 같이 상방으로 외력이 작용하여 이동될 수도 있고, 도 3에서와 같이 측방으로 외력이 작용하여 회전 및 이동될 수도 있다. 이때, 탄성부재(40,42)의 강성에 따라 회전각과 복원력 사이에 관계가 설정될 수 있다. 예를 들어, 탄성부재(40,42)의 강성이 작으면 운동 관절부(20,30)의 최대 회전각은 증가하지만 복원력과 하중에 대한 강성은 약해진다. 이와 반대로 탄성부재(40,42)의 강성이 크면 강한 복원력으로 인하여 회전각이 제한되고 회전에 필요한 힘이 크게 증가하게 된다.

한편, 본 도면에는 구체적으로 도시되지 않았지만, 제1 운동 관절부(20)의 장반경 및 단반경은 제2 운동 관절부(30)보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다. 이는 손목 관절을 구현함에 있어 실제 손목 관절에 더 유사한 형상이기 때문이다. 따라서, 상기와 같이 설계를 하게 되면 보다 손목 관절에 가까운 운동 관절부(20,30)를 구현할 수 있다.

도 4는 운동 관절부의 관절가동범위(ROM)를 운동 관절부의 단축을 통해 보인 도면이다.

이를 참조하면, 본 도면에서는 제1 운동 관절부(20)의 단축을 'A'라고 하였고, 제2 운동 관절부(30)의 단축을 'B'라고 하였다. 그리고, A축의 회전반경을 'R1'이라고 하였고, B축의 회전반경을 'R2'라고 하였다. 제1 접촉홈(12)의 깊이는 'L1', 제2 접촉홈(22)의 깊이는 'L2'라 하였고, A축과 B축의 회전중심간의 X축 거리를 'OFFSET'이라 하였다.

여기에서 중요한 변수는 2개의 회전반경 R1, R2과 2개의 함입 깊이 L1, L2이다. 2개의 회전반경이 증가하면 관절가동범위(ROM: Range of Motion)가 증가하고, 2개의 함입 깊이가 증가하면 관절가동범위는 감소하게 된다. 또한, 오프셋(OFFSET)은 관절가동범위와는 반대 경향을 가진다.

따라서, 기준 관절부(10) 및 운동 관절부(20,30)를 설계하는 데에 있어서는 상술한 2개의 회전반경 및 2개의 함입 깊이를 적절하게 설계하여 관절가동범위 및 오프셋을 설정하는 것이 필요하다.

한편, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치를 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. 참고로, 도 5에서 상술한 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 백번대의 도면부호를 부여하고, 구체적인 설명은 편의상 생략하기로 한다.

본 실시예에서는 운동 관절부(120)가 기준 관절부(110)의 일면에 접촉하도록 배치된다. 즉, 운동 관절부(120)가 강성 와이어(150,152)에 의해 지지된 상태로 기준 관절부(110)의 일면에 접촉한 형태로 배치된다.

본 실시예에서 이러한 구조로 손목 관절 장치를 구현한 것은 상술한 실시예와 같이 다자유도 회전을 구현하고 회전 성능을 방해하지 않으면서 우수한 선형 강성을 가지기 때문이다.

강성 와이어(150,152)는 기준 관절부(110) 및 운동 관절부(120)의 일부를 관통하면서 전체적인 골격을 유지하는 역할을 한다. 운동 관절부(120)의 회전 시에 강성 와이어(150,152)는 관통채널(114,124)보다 상대적으로 직경이 작기 때문에 운동 관절부(120)는 제약을 받지 않고 회전이 원활하게 이루어질 수 있다. 즉, 강성 와이어(150,152)가 관통채널(114,124)에 꼭 끼어지도록 관통하는 것이 아니기 때문에 이러한 회전 동작이 가능하다. 다만, 운동 관절부(120)에 하중이 작용하였을 때에는 강성 와이어(150,152)의 강한 강성이 관절의 강성을 크게 해주며, 본 강성 와이어(150,152)는 복원력은 제공하지 않는 강한 강성을 가진 탄성체가 사용될 수 있다.

강성 와이어(150,152)는 전체적으로 폐루프(closed loop)로 형성될 수 있다. 그리고, 강성 와이어(150,152)의 중앙부는 기준 관절부(110)의 일면에 타원 궤적을 따라 형성된 한 쌍의 제1 관통채널(114)을 관통하는 제1 관통부(150)를 형성한다. 제1 관통부(150)의 양단에서는 제2 관통부(152)는 상방으로 휘어져 연장되고, 제2 관통부(152)는 운동 관절부(120)의 양측면에 형성된 제2 관통채널(124)을 관통하여 연결된다.

이와 같이 폐루프로 형성된 강성 와이어(150,152)는 전 구간에 걸쳐 운동 관절부(120)를 기준 관절부(110)에 대하여 지지하기 때문에 보다 안정적인 지지가 가능하며 운동 관절부(120)의 다양한 회전운동을 관찰할 수 있음과 동시에 하중에도 강한 특징을 가진다.

상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 기준 관절부 12 : 제1 접촉홈
20 : 제1 운동 관절부 22 : 제2 접촉홈
30 : 제2 운동 관절부 40 : 제1 탄성부재
42 : 제2 탄성부재 110 : 기준 관절부
114 : 제1 관통채널 120 : 운동 관절부
124 : 제2 관통채널 150 : 제1 관통부
152 : 제2 관통부

Claims (10)

1. 로봇에 적용이 가능하도록 관절 부위를 구현한 다자유도 관절장치에 있어서,
   기준 관절부; 및
   상기 기준 관절부에 대하여 다축 방향으로 회전이 가능하게 설치되고, 반타원체 또는 타원체 형상인 운동 관절부를 포함하고,
   상기 기준 관절부의 일면에는 타원체 형상으로 함입되는 제1 접촉홈이 형성되며,
   상기 운동 관절부는,
   상기 제1 접촉홈에 일면이 접촉 또는 이탈되고, 다축 방향으로 회전이 가능한 제1 운동 관절부; 및
   상기 제1 운동 관절부의 일면에 타원체 형상으로 함입된 제2 접촉홈에 일면이 접촉 또는 이탈되고, 다축 방향으로 회전이 가능한 제2 운동 관절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   일단은 상기 기준 관절부에 연결되고 타단은 상기 제1 운동 관절부에 연결되어, 서로 잡아당기도록 탄성력을 제공하는 제1 탄성부재; 및
   일단은 상기 제1 운동 관절부에 연결되고 타단은 상기 제2 운동 관절부에 연결되어, 서로 잡아당기도록 탄성력을 제공하는 제2 탄성부재를 더 포함하는 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 운동 관절부의 장반경 및 단반경은 상기 제2 운동 관절부보다 상대적으로 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   일측은 상기 기준 관절부에 연결되고 타측은 상기 운동 관절부에 연결되어, 상기 운동 관절부가 상기 기준 관절부에 대하여 회전될 때 상기 운동 관절부를 지지하는 강성 와이어를 더 포함하는 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 강성 와이어는 중앙부가 상기 기준 관절부의 일면을 관통하고 양단부는 상기 운동 관절부의 양측면에 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 강성 와이어는,
   상기 기준 관절부의 일면에 형성된 제1 관통채널을 관통하는 제1 관통부; 및
   상기 제1 관통부의 양단에서 상방으로 휘어져 연장되고, 상기 운동 관절부의 양측면에 형성된 제2 관통채널을 관통하는 제2 관통부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제1 관통채널은 타원 궤적을 따라 한 쌍이 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치.
10. 제 6 항에 있어서,
    상기 강성 와이어는 폐루프(closed loop)로 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇에 적용 가능한 다자유도 관절장치.

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