KR101999057B1 - Series elastic actuator and controller including the same - Google Patents

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KR101999057B1
KR101999057B1 KR1020180029240A KR20180029240A KR101999057B1 KR 101999057 B1 KR101999057 B1 KR 101999057B1 KR 1020180029240 A KR1020180029240 A KR 1020180029240A KR 20180029240 A KR20180029240 A KR 20180029240A KR 101999057 B1 KR101999057 B1 KR 101999057B1
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이장명
윤하늘
박선호
최병찬
방진욱
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed is a series elastic actuator and a controller including the same. According to one embodiment, the series elastic actuator comprises: a power part providing power; an output part configured to be spaced apart from the power part by a predetermined interval and having an external force applied to one side; and an elastic part disposed between the power part and the output part and connected in series with each of the power part and the output part, and displaced by elasticity of at least one or more elastic body according to the external force applied to the output part. Therefore, the present invention is to provide a technique for measuring and compensating for the external force applied on the actuator by the displacement of the elastic body.

Description

직렬 탄성 액추에이터 및 이를 포함하는 제어기{SERIES ELASTIC ACTUATOR AND CONTROLLER INCLUDING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a series elastic actuator and a controller including the elastic actuator.

아래의 실시예들은 직렬 탄성 액추에이터 및 이를 포함하는 제어기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 액추에이터 출력 측에 직렬 탄성 성분이 부착된 직렬 탄성 액추에이터 및 이를 포함하는 제어기에 관한 것이다. The following embodiments relate to a series elastic actuator and a controller including the series elastic actuator. More particularly, the present invention relates to a series elastic actuator having a series elastic component attached to an actuator output side and a controller including the series elastic actuator.

실제 사용되는 기어드 전기, 유압 액추에이터(Actuator)들은 높은 임피던스와 정지 마찰, 대역폭 등의 제한으로 인해 지령(힘)에 비해 정확한 출력을 발생시키지 못한다. 이러한 전통적인 액추에이터 시스템에서 직렬 탄성 요소가 추가가 된다면 낮은 임피던스와 정지 마찰, 좋은 대역폭을 가지게 되며, 더 정밀한 힘-제어가 가능한 액추에이팅 기술을 구현할 수 있다. Actuated geared electric and hydraulic actuators do not produce accurate output relative to the command (force) due to limitations of high impedance, traction, and bandwidth. In these traditional actuator systems, the addition of series elastic elements provides low impedance and traction, good bandwidth, and enables more precise force-control actuating techniques.

직렬 탄성 액추에이터(Series Elastic Actuator, SEA)는 MIT의 로드니 브룩스 교수가 이끄는 인공지능 랩에서 처음으로 소개되었으며 도모(Domo) 로봇과 이족 로봇 등에 장착되어 응용되고 있다. The Series Elastic Actuator (SEA) was first introduced in artificial intelligence labs led by Professor Rodney Brooks of MIT and is applied to Domo robots and bipedal robots.

직렬 탄성 액추에이터에서는 종래 액추에이터에 사용되는 딱딱한 로드셀은 매우 유연한 탄성 요소로 대체가 된다. 대체된 탄성 요소에 의해서 액추에이터는 제어 이득이 크게 증가하게 되며 증가된 제어 이득은 임피던스를 크게 감소시키고 정지마찰의 영향을 줄여주게 된다. 이로 인해 액추에이터의 출력에 영향을 주는 성분이 줄어들게 되어 높은 성능의 힘 제어가 가능하게 된다. 또한, 증가된 제어 이득이 임피던스를 크게 감소시키기 때문에 종래보다 부피가 작고 고정밀인 액추에이터의 사용이 가능하게 된다.In series elastic actuators, the rigid load cells used in conventional actuators are replaced by highly flexible elastic elements. The replaced elastic element greatly increases the control gain of the actuator, and the increased control gain greatly reduces the impedance and reduces the effect of static friction. As a result, the component that affects the output of the actuator is reduced, and high-performance force control is possible. Further, since the increased control gain greatly reduces the impedance, it is possible to use an actuator with a smaller volume and higher precision than the conventional one.

직렬 탄성 액추에이터는 빠른 속도, 높은 기어비, 역구동성 등의 특징을 가지고 있으며, 이러한 향상에 의해 탄성요소는 종래에 사용되는 전기 및 유압 구동 액추에이터에 적용 가능하고, 로봇 팔과 다리, 손가락과 같은 휴머노이드 관절 부분에 사용되어 연구 및 개발되고 있다.The series elastic actuator has characteristics such as high speed, high gear ratio, and anti-drivability. By this improvement, the elastic element can be applied to the electric and hydraulic actuators used conventionally, and the humanoid joint such as the robot arm, And is being studied and developed.

종래에 개발 및 연구되던 직렬 탄성 액추에이터는 부하 단에 작용하는 외력을 측정하기 위해 토크 센서나 스트레인 게이지(Strain Gauge) 등 고가의 센서를 이용하였다. 하지만 이러한 고가의 센서들은 정밀한 측정값을 얻을 수 있는 반면, 고비용 및 장착을 위한 큰 부피 차지 등이 요구되기 때문에 현재 낮은 비용으로 정밀한 측정값을 얻을 수 있는 방법들이 연구되고 있다. A series elastic actuator developed and studied conventionally uses an expensive sensor such as a torque sensor or a strain gauge to measure an external force acting on a load end. However, since these expensive sensors can obtain precise measurement values, high cost and large volume charge for mounting are required, methods for obtaining precise measurement values at low cost are being studied.

한국공개특허공보 10-2015-0078303호Korean Patent Publication No. 10-2015-0078303

실시예들은 직렬 탄성 액추에이터 및 이를 포함하는 제어기에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 액추에이터 출력 측에 탄성체가 연결되어 탄성체의 변위로 액추에이터에 작용하는 외력을 측정하고 이를 보상하는 기술을 제공한다. Embodiments describe a series elastic actuator and a controller including the same. More specifically, an elastic body is connected to an actuator output side to measure and compensate an external force acting on the actuator due to the displacement of the elastic body.

실시예들은 엑추에이터의 출력부와 모터 사이에 탄성체가 직렬로 연결되며 탄성체의 양단에 적외선 센서를 사용하여 부하 단에 작용하는 힘을 측정함으로써, 외력을 측정하는 동시에 외부 충격을 흡수할 수 있는 직렬 탄성 액추에이터 및 이를 포함하는 제어기를 제공하는데 있다. Embodiments are characterized in that an elastic body is connected in series between the output part of the actuator and the motor and the force acting on the load end is measured by using an infrared sensor at both ends of the elastic body to measure the external force, An actuator and a controller including the same.

일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터에 있어서, 동력을 제공하는 동력부; 상기 동력부와 소정 간격 이격되어 구성되며 일측에 외력이 작용하는 출력부; 및 상기 동력부 및 상기 출력부의 사이에 배치되고 각각의 상기 동력부 및 상기 출력부와 직렬로 연결되며, 상기 출력부에 상기 외력이 작용함에 따라 적어도 하나 이상의 탄성체의 탄성에 의해 변위되는 탄성부를 포함하여 이루어질 수 있다. A series elastic actuator according to one embodiment, comprising: a power section for providing power; An output unit configured to be spaced apart from the power unit by a predetermined distance and having an external force acting on one side thereof; And an elastic portion disposed between the power portion and the output portion and connected in series with each of the power portion and the output portion and displaced by the elasticity of at least one elastic body as the external force acts on the output portion .

상기 동력부는, 모터; 상기 모터에 의해 구동되는 볼스크류; 및 상기 볼스크류의 중단에 고정되어 상기 볼스크류의 회전에 따라 상하 방향으로 이동하는 고정판을 포함하고, 상기 볼스크류는, 상기 모터에 의해 구동되어 상기 직렬 탄성 액추에이터의 높이를 조절할 수 있다. The power unit includes: a motor; A ball screw driven by the motor; And a fixing plate fixed to an end of the ball screw and moving up and down according to rotation of the ball screw, wherein the ball screw is driven by the motor to adjust a height of the series elastic actuator.

상기 적어도 하나 이상의 탄성체의 양단에 구성되어 탄성에 의한 변위 크기를 측정하는 적외선 센서를 더 포함하고, 상기 적외선 센서는, 상기 탄성에 의한 변위 크기를 측정하여 작용하는 상기 외력의 크기를 측정할 수 있다. And an infrared sensor configured to measure the displacement magnitude due to elasticity, the infrared sensor being configured at both ends of the at least one elastic body, wherein the infrared sensor measures the magnitude of the external force acting by measuring the displacement magnitude due to the elasticity .

상기 탄성부는, 상기 고정판을 기준으로 상측에 배치되는 제1 탄성체 및 하측에 배치되는 제2 탄성체를 포함하며, 상기 제1 탄성체의 양단에 구성되어 탄성에 의한 변위 크기를 측정함에 따라 상기 외력의 크기를 측정하는 적외선 센서를 더 포함할 수 있다. The elastic part includes a first elastic body disposed on the upper side with respect to the fixed plate and a second elastic body disposed on the lower side with respect to the fixed plate. The first elastic body is formed at both ends of the first elastic body, And an infrared sensor for measuring the infrared ray.

상기 동력부는, 포스 피드백(Force-Feedback)에 대응하는 높이만큼 상기 모터를 구동하여 상기 볼스크류를 통해 상기 고정판을 이동시킴에 따라 상기 외력을 상쇄시킬 수 있다. The power unit may cancel the external force by driving the motor by a height corresponding to force feedback to move the fixing plate through the ball screw.

상기 동력부는, 상기 볼스크류에 연결되는 제1 풀리; 및 상기 모터에 연결되며, 상기 제1 풀리와 연결되어 상기 모터의 동력을 전달하는 제2 풀리를 더 포함할 수 있다. The power unit may include: a first pulley connected to the ball screw; And a second pulley connected to the motor and connected to the first pulley to transmit power of the motor.

상기 동력부는, 상기 제1 풀리 및 상기 제2 풀리에 의해 상기 출력부 및 상기 탄성부와 상기 모터가 병렬로 연결될 수 있다. The power section may be connected in parallel with the output section, the elastic section and the motor by the first pulley and the second pulley.

상기 출력부는, 일측에 상기 외력이 작용하는 부하판; 상기 부하판과 소정 간격 이격되어 구성되는 지지판; 및 상기 부하판 및 상기 지지판 사이를 연결하는 복수의 지지봉을 포함하고, 상기 부하판 및 상기 지지판은 상기 볼스크류를 중심으로 배치될 수 있다. Wherein the output section includes: a load plate having one side to which the external force acts; A support plate spaced apart from the load plate by a predetermined distance; And a plurality of support rods connecting between the load plate and the support plate, wherein the load plate and the support plate can be disposed around the ball screw.

상기 탄성부는, 상기 복수의 지지봉에 연결되는 소정 간격 이격된 상태로 고정된 두 개의 판을 포함하며, 상기 두 개의 판 중 하나는 상기 지지판을 포함하여 상기 복수의 지지봉에 대해 고정되고, 상기 두 개의 판 중 다른 하나는 상기 복수의 지지봉에 대해 이동 가능하며, 상기 두 개의 판 사이에 배치되되, 상기 고정판을 기준으로 상기 복수의 지지봉의 부하 측에 배치된 제1 탄성체 및 상기 복수의 지지봉의 상기 지지부 측에 배치된 제2 탄성체를 포함할 수 있다. Wherein the elastic portion includes two plates fixed to the plurality of support rods in a spaced-apart relationship, one of the two plates being fixed to the plurality of support rods including the support plate, The other one of the plates being movable relative to the plurality of support rods, the first elastic member being disposed between the two plates, the first elastic member being disposed on the load side of the plurality of support rods with respect to the fixing plate, And a second elastic body disposed on the side of the second elastic body.

상기 제1 탄성체 및 상기 제2 탄성체는, 각각 상기 복수의 지지봉의 외주면에 구성되는 2 개의 스프링으로 이루어질 수 있다. The first elastic body and the second elastic body may be composed of two springs each formed on an outer peripheral surface of the plurality of support rods.

상기 외력이 작용하는 경우, 상기 고정판의 상측에 배치된 상기 제1 탄성체는 소정 거리만큼 압축하게 되고, 상기 고정판의 하단에 배치된 상기 제2 탄성체는 소정 거리만큼 인장될 수 있다. When the external force acts, the first elastic body disposed on the upper side of the fixing plate is compressed by a predetermined distance, and the second elastic body disposed on the lower end of the fixing plate can be stretched by a predetermined distance.

상기 제1 탄성체의 압축된 거리를 상기 적외선 센서를 사용하여 측정하고 측정한 상기 압축된 거리를 훅의 법칙을 통해 상기 외력의 크기를 계산할 수 있다. The compressed distance of the first elastic body may be measured using the infrared sensor, and the magnitude of the external force may be calculated by the Hooke's law using the compressed distance measured.

다른 실시예에 따른 제어기는, 동력을 제공하는 동력부와, 상기 동력부와 소정 간격 이격되어 구성되며 일측에 외력이 작용하는 출력부와, 상기 동력부 및 상기 출력부의 사이에 배치되고 각각의 상기 동력부 및 상기 출력부와 직렬로 연결되며 상기 출력부에 상기 외력이 작용함에 따라 적어도 하나 이상의 탄성체의 탄성에 의해 변위되어 상기 외력의 크기를 측정하는 탄성부를 포함하는 직렬 탄성 액추에이터; 및 상기 직렬 탄성 액추에이터의 상기 출력부에 작용하는 계산된 상기 외력을 입력 받아 엔코더 값과 연계하여 계산된 값과의 차이를 이용하여, 상기 직렬 탄성 액추에이터의 상기 동력부의 입력으로 제공하는 PD 제어기를 포함하고, 상기 동력부는 입력 받은 값에 대응하는 힘을 생성하며, 상기 출력부에 가해진 힘의 방향과 반대 방향으로 동작할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a controller comprising: a power unit that provides power; an output unit that is spaced apart from the power unit by a predetermined distance and has an external force acting on one side; And a resilient portion connected in series with the power portion and the output portion, the resilient portion being displaced by the elasticity of at least one elastic body as the external force acts on the output portion and measuring the magnitude of the external force. And a PD controller that receives the calculated external force acting on the output portion of the series elastic actuator and uses the difference between the calculated external force and the value calculated in association with the encoder value as input to the power portion of the series elastic actuator And the power unit generates a force corresponding to the input value and can operate in a direction opposite to the direction of the force applied to the output unit.

상기 동력부는, 모터; 상기 모터에 의해 구동되는 볼스크류; 및 상기 볼스크류의 중단에 고정되어 상기 볼스크류의 회전에 따라 상하 방향으로 이동하는 고정판을 포함하고, 상기 볼스크류는, 상기 모터에 의해 구동되어 상기 직렬 탄성 액추에이터의 높이를 조절할 수 있다. The power unit includes: a motor; A ball screw driven by the motor; And a fixing plate fixed to an end of the ball screw and moving up and down according to rotation of the ball screw, wherein the ball screw is driven by the motor to adjust a height of the series elastic actuator.

상기 탄성부는, 상기 고정판을 기준으로 상측에 배치되는 제1 탄성체 및 하측에 배치되는 제2 탄성체를 포함하며, 상기 제1 탄성체의 양단에 구성되어 탄성에 의한 변위 크기를 측정함에 따라 상기 외력의 크기를 측정하는 적외선 센서를 더 포함하고, 상기 동력부는, 포스 피드백(Force-Feedback)에 대응하는 높이만큼 상기 모터를 구동하여 상기 볼스크류를 통해 상기 고정판을 이동시킴에 따라 상기 외력을 상쇄시키는 컴플라이언스(Compliance) 제어기일 수 있다. The elastic part includes a first elastic body disposed on the upper side with respect to the fixed plate and a second elastic body disposed on the lower side with respect to the fixed plate. The first elastic body is formed at both ends of the first elastic body, Wherein the power unit drives the motor by a height corresponding to a force feedback to move the fixing plate through the ball screw, thereby completing the external force Compliance < / RTI >

실시예들에 따르면 엑추에이터의 출력부와 모터 사이에 탄성체가 직렬로 연결되며 탄성체의 양단에 적외선 센서를 사용하여 부하 단에 작용하는 힘을 측정함으로써, 외력을 측정하는 동시에 외부 충격을 흡수할 수 있는 직렬 탄성 액추에이터 및 이를 포함하는 제어기를 제공할 수 있다. According to the embodiments, the elastic body is connected in series between the output part of the actuator and the motor, and the force acting on the load end is measured by using an infrared sensor at both ends of the elastic body, A series elastic actuator and a controller including the series elastic actuator can be provided.

실시예들에 따르면 외부에서 가해진 힘을 측정하여 측정값에 대응하는 적절한 힘 또는 위치를 출력할 수 있어, 위치, 토크, 힘 제어 등의 어플리케이션에서 힘을 무리하게 주거나 위치를 다른 곳에 이동시키는 등의 힘, 위치 제어 오차를 최소화할 수 있는 직렬 탄성 액추에이터 및 이를 포함하는 제어기를 제공할 수 있다. According to embodiments, an externally applied force can be measured and an appropriate force or position corresponding to a measured value can be output, thereby forcing the force in an application such as position, torque, force control, or moving the position to another position The present invention can provide a series elastic actuator capable of minimizing force, position control error, and a controller including the series elastic actuator.

도 1은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 FSEA 타입 직렬 탄성 액추에이터를 설명하는 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 RFSEA 타입 직렬 탄성 액추에이터를 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터를 포함하는 제어기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 포스 피드백을 위한 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 사시도를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 분해 사시도를 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 정면도를 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 측면도를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 모터부의 사시도를 나타낸다.
도 11은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 출력부 및 탄성부의 사시도를 나타낸다.
1 is a view schematically showing a structure of a series elastic actuator according to an embodiment.
2 is a view illustrating an FSEA type series elastic actuator according to an embodiment.
3 is a view for explaining an RFSEA type series elastic actuator according to another embodiment.
4 is a schematic diagram of a controller including a series elastic actuator according to one embodiment.
5 is a diagram illustrating a mechanism for force feedback of a series elastic actuator according to an embodiment.
6 shows a perspective view of a series elastic actuator according to one embodiment.
7 is an exploded perspective view of a series elastic actuator according to an embodiment.
8 shows a front view of a series elastic actuator according to one embodiment.
9 shows a side view of a series elastic actuator according to one embodiment.
10 is a perspective view of a motor portion of a series elastic actuator according to an embodiment.
11 shows a perspective view of an output portion and an elastic portion of a series elastic actuator according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.

아래의 실시예들은 액추에이터의 출력 측에 직렬 탄성 성분이 부착된 직렬 탄성 액추에이터(Series Elastic Actuator, SEA)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 엑추에이터의 출력부와 모터 사이에 탄성체가 직렬로 연결되어 있으며 탄성체의 변위로 액추에이터에 작용하는 힘을 측정하는 직렬 탄성 액추에이터 및 이를 포함하는 제어기에 관한 것이다. The following embodiments relate to a Series Elastic Actuator (SEA) to which a series elastic component is attached at the output side of an actuator. More specifically, an elastic member is connected in series between the output portion of the actuator and the motor To a series elastic actuator for measuring a force acting on an actuator by displacement of an elastic body, and a controller including the same.

도 1은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 1 is a view schematically showing a structure of a series elastic actuator according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터(100)는 모터(110), 출력부(120) 및 탄성체(130)를 포함하여 이루어질 수 있다. 탄성체(130)는 모터(110)와 출력부(120) 사이에 직렬로 연결되며, 탄성체(130)의 변위로 출력부(120)에 작용하는 힘을 측정할 수 있다. 여기서, 탄성체(130)는 예컨대 적어도 하나 이상의 스프링 등이 사용될 수 있다. Referring to FIG. 1, a series elastic actuator 100 according to an embodiment includes a motor 110, an output unit 120, and an elastic body 130. The elastic body 130 is connected in series between the motor 110 and the output unit 120 and can measure a force acting on the output unit 120 due to the displacement of the elastic body 130. Here, at least one spring or the like may be used as the elastic body 130, for example.

특히, 직렬 탄성 액추에이터(100)는 적외선 센서를 더 포함할 수 있으며, 탄성체(130)의 양단에 적외선 센서가 구성되어 외력에 의해 변위된 탄성체(130)의 변위 크기를 통해 외력을 측정할 수 있다. In particular, the series elastic actuator 100 may further include an infrared sensor, and an infrared sensor may be formed at both ends of the elastic body 130 to measure an external force through the displacement magnitude of the elastic body 130 displaced by an external force .

보다 구체적으로, 적외선 센서는 탄성체의 양측 끝단에 장착되며, 외부 물체에 의해 부하가 걸려 장착된 탄성체가 압축되게 되면 압축된 길이와 미리 정해진 탄성체의 탄성 계수를 이용하여 훅의 법칙(F = kx)을 통해 외부에서 걸리는 힘을 측정할 수 있다.More specifically, the infrared sensor is mounted on both ends of the elastic body. When the elastic body is loaded by a load applied by an external object, the infrared sensor uses a compressed length and a predetermined elasticity coefficient of the elastic body, = kx ) can be measured.

도 2는 일 실시예에 따른 FSEA 타입 직렬 탄성 액추에이터를 설명하는 도면이다. 그리고 도 3은 다른 실시예에 따른 RFSEA 타입 직렬 탄성 액추에이터를 설명하는 도면이다. 2 is a view illustrating an FSEA type series elastic actuator according to an embodiment. And FIG. 3 is a view for explaining an RFSEA type series elastic actuator according to another embodiment.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 직렬 탄성 액추에이터는 크게 FSEA(Force-sensing Series Elastic Actuator), TFSEA(Transmitted Force-sensing Series Elastic Actuator) 및 RFSEA(Reaction Force-sensing Series Elastic Actuator)로 구분된다. As shown in FIGS. 2 and 3, the series elastic actuator is classified into Force-sensing Series Elastic Actuator (FSEA), Transmitted Force-sensing Series Elastic Actuator (TFSEA), and Reaction Force-sensing Series Elastic Actuator (RFSEA) .

도 2를 참조하면, 직렬 탄성 액추에이터 중 FSEA(Force-sensing Series Elastic Actuator) 타입의 예를 나타내는 것으로, 보다 구체적으로, 도 2의 (a)는 FSEA의 개략적인 구조를 나타내며, (b)는 FSEA의 다이어그램을 나타내고, (c)는 FSEA의 모델을 나타내며, (d)는 FSEA의 높은 출력 임피던스 모델(High Output Impedance Model)을 나타낸다. 2 shows an example of a force-sensing series Elastic Actuator (FSEA) type among series elastic actuators. More specifically, FIG. 2A shows a schematic structure of an FSEA, FIG. 2B shows an FSEA (C) shows the model of the FSEA, and (d) shows the high output impedance model of the FSEA.

이러한 FSEA 타입의 직렬 탄성 액추에이터는 모터(210), 출력부(220) 및 모터(210)와 출력부(220) 사이에 직렬로 연결되는 탄성체(230)를 포함할 수 있으며, 모터의 일측에는 기어박스(211)가 구성될 수 있다. The series elastic actuator of the FSEA type may include a motor 210, an output unit 220 and an elastic body 230 connected in series between the motor 210 and the output unit 220, A box 211 can be constructed.

특히, FSEA 타입의 직렬 탄성 액추에이터는 볼스크류를 더 포함할 수 있으며, 즉, 모터(210), 볼스크류, 탄성체(230) 및 출력부(220)를 순서대로 결합하여 출력부(220)에 작용하는 외력을 탄성체(230)로 측정할 수 있다.In particular, the series elastic actuator of the FSEA type may further include a ball screw, that is, a combination of a motor 210, a ball screw, an elastic body 230, and an output unit 220 in order, Can be measured with the elastic body 230. [

이 경우, 볼스크류를 통해 높은 기어비를 얻을 수 있으며, 추가적인 토크 센서를 사용하지 않고 외력을 탄성체(230)의 변위를 이용하여 측정할 수 있다. 따라서 탄성체(230)의 변위를 통해 외력을 측정함으로써, 토크 센서를 사용하지 않아 가격이 저렴해지고 구조가 간단해지는 장점을 가지고 있다. 또한, 비싸고 부피가 큰 로드셀을 대신해 간단한 스프링과 같은 탄성체와 위치 측정기가 사용되기 때문에 전체적인 비용과 무게를 줄일 수 있으며, 탄성체는 외력을 측정하는 용도로 쓰일 뿐만 아니라 외부 충격을 흡수하는 특징도 가지고 있다. In this case, a high gear ratio can be obtained through the ball screw, and the external force can be measured using the displacement of the elastic body 230 without using an additional torque sensor. Therefore, by measuring the external force through the displacement of the elastic body 230, the torque sensor is not used, which makes it possible to reduce the cost and simplify the structure. In addition, since the expensive and bulky load cell is replaced with a simple spring-like elastic body and position measuring device, the overall cost and weight can be reduced. The elastic body is used not only for measuring external force but also for absorbing external impact .

아래에서 직렬 탄성 액추에이터는 FSEA 타입을 기준으로 설명한다. The series elastic actuators below are based on the FSEA type.

한편, 도 3을 참조하면, 직렬 탄성 액추에이터 중 RFSEA(Reaction Force-sensing Series Elastic Actuator) 타입의 예를 나타내는 것으로, 보다 구체적으로, 도 2의 (a)는 RFSEA의 개략적인 구조를 나타내며, (b)는 RFSEA의 다이어그램을 나타내고, (c)는 RFSEA의 모델을 나타내며, (d)는 RFSEA의 높은 출력 임피던스 모델(High Output Impedance Model)을 나타낸다. 3 shows an example of an RFSEA (Reaction Force-sensing Series Elastic Actuator) type among series elastic actuators. More specifically, FIG. 2A shows a schematic structure of RFSEA, and FIG. (C) shows a model of RFSEA, and (d) shows a high output impedance model of RFSEA.

이러한 RFSEA 타입의 직렬 탄성 액추에이터는 모터(310), 출력부(320) 및 탄성체(330)를 포함할 수 있으며, 모터의 일측에는 기어박스(311)가 구성될 수 있다. 여기서, 탄성체(330)의 일측에 모터(310)가 직렬로 연결되고 모터(310) 또는 모터(310)와 연결된 기어박스(311)에 직렬로 출력부(320)가 연결될 수 있으며, 출력부(320)에 작용하는 외력을 탄성체(330)로 측정할 수 있다.The series elastic actuator of the RFSEA type may include a motor 310, an output unit 320, and an elastic body 330, and a gear box 311 may be formed at one side of the motor. Here, the motor 310 may be connected in series to one side of the elastic body 330 and the output unit 320 may be connected to the gear box 311 connected to the motor 310 or the motor 310 in series, 320 can be measured by the elastic body 330.

도 4는 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터를 포함하는 제어기를 개략적으로 나타내는 도면이다. 4 is a schematic diagram of a controller including a series elastic actuator according to one embodiment.

힘 제어를 위한 전통적인 기술로는 직접 구동 방식의 전류 제어, 기어드 액추에이터를 통한 전류 제어, 저마찰 케이블 구동 방식의 전류 제어, 힘 피드백을 갖는 로드셀 및 유체 압력 제어가 있다. 하지만, 이러한 힘 제어 기술들을 구현하기 위해서는 전류 센서, 케이블, 로드셀, 유체 압력 조절기 등의 부가적인 장치가 필요하게 된다. 본 실시예에서는 힘 제어를 위해 탄성 요소를 직렬로 배치하여 탄성체에 작용하는 힘을 제어하기 위해 포스 피드백(Force-Feedback) 제어 기법 중 한 방법인 컴플라이언스 제어(Compliance Control)를 이용할 수 있다.Traditional techniques for force control include direct drive current control, geared actuator current control, low friction cable drive current control, load cell with force feedback and fluid pressure control. However, in order to implement these force control techniques, additional devices such as a current sensor, a cable, a load cell, and a fluid pressure regulator are required. In this embodiment, a compliance control, which is one of the force-feedback control techniques, can be used to control the force acting on the elastic body by arranging elastic elements in series for force control.

일반적으로 컴플라이언스 제어 방식을 이용하는 컴플라이언스 제어기는 순응 제어라고도 불리며, 매니퓰레이터(Manipulator)의 관절이나 그리퍼와 같은 엔드 이펙터(End Effector)에서 많이 사용된다. 컴플라이언스 제어기는 외부에서 가해진 힘을 측정하여 측정값에 대응하는 적절한 힘 또는 위치를 출력할 수 있다. 이는 위치, 토크, 힘 제어 등의 어플리케이션에서 힘을 무리하게 주거나 위치를 다른 곳에 이동시키는 등의 힘, 위치 제어 오차를 최소화할 수 있다. In general, a compliance controller using a compliance control method is also referred to as adaptive control, and is often used in an end effector such as a joint of a manipulator or a gripper. The compliance controller can measure the externally applied force and output the appropriate force or position corresponding to the measured value. This minimizes force and position control errors such as imposing force on the position, torque, and force control, or moving the position to another position.

직렬 탄성 액추에이터에 장착된 탄성체는 기본적으로 로우 패스 필터(Low Pass Filter)처럼 동작하기 때문에 고주파의 진동은 자동으로 감소하게 된다. 일정 힘 이상의 충격이나 진동에 대해서는 탄성체가 로우 패스 필터의 역할을 하지 못하기 때문에 이 경우 컴플라이언스 제어가 이루어져 직렬 탄성 액추에이터의 가변 범위와 허용 충격량에 안에서 적절한 힘과 위치를 추종할 수 있다. Since the elastic body mounted on the series elastic actuator basically operates like a low pass filter, the vibration of high frequency is automatically reduced. In the case of impact or vibration above a certain force, the elastic body does not act as a low-pass filter, so that compliance control can be performed to follow the appropriate force and position within the variable range of the series elastic actuator and the allowable impact amount.

도 4를 참조하면, 제어기(Controller)는 앞에서 설명한 직렬 탄성 액추에이터(400)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4, the controller may include the series elastic actuator 400 described above.

우선, 직렬 탄성 액추에이터(400)의 출력부(420)에 힘이 가해지게 되면 탄성체(430)가 압축되면서 출력부(420)의 변위 X l 가 변하게 된다. 변화된 출력부(420)의 변위 X l 의 길이는 직렬 탄성 액추에이터(400)에 달려 있는 적외선 센서에 의해 측정이 되며, 출력부(420)의 변위 X l 와 탄성체(430)의 탄성 계수 k s 를 곱한 훅의 법칙(F l = X l k s )에 의해 출력부(420)에 작용하는 힘 F l 이 계산된다. First, when a force is applied to the output portion 420 of the series elastic actuator 400, the elastic body 430 is compressed and the displacement X 1 of the output portion 420 is changed. The length of the displacement X l of the changed output portion 420 is a, and the measurement by an infrared sensor, which depends on the series elastic actuator 400, the elastic coefficient k s of the displacement X l and the elastic body 430 of the output unit 420 The force F l acting on the output 420 by the multiplied Hook's law (F l = X l k s ) is calculated.

계산된 힘 F l 값은 PD 제어기의 입력으로 사용이 되며, 모터(410)의 엔코더 값과 연계하여 계산된 F d 값과 측정된 F l 값의 차이를 이용하여 도출된 PD 제어기의 출력은 직렬 탄성 액추에이터(400) 내에 장착된 모터(410)의 입력으로 사용된다. The calculated force F l is used as the input of the PD controller and the output of the PD controller derived using the difference between the F d value and the measured F l value calculated in conjunction with the encoder value of the motor 410 And is used as an input of the motor 410 mounted in the elastic actuator 400. [

제어기의 출력을 입력으로 받은 모터(410)는 그에 대응하는 힘 F m 을 생성하며, 출력부(420)에 가해진 힘의 방향과 반대 방향으로 힘 F m 만큼 모터(410)를 동작시키게 된다. 이에 따라 작용하는 외력을 상쇄시킬 수 있다. Motor (410) receiving the output of the controller as input, thereby operating the motor 410 to generate a force F m, in the direction opposite to the direction of the force applied to the output unit 420 by the force F m corresponding thereto. So that the external force acting thereon can be canceled.

도 5는 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 포스 피드백을 위한 메커니즘을 설명하는 도면이다. 5 is a diagram illustrating a mechanism for force feedback of a series elastic actuator according to an embodiment.

도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 포스 피드백(Force-Feedback)을 위한 메커니즘(Mechanism)을 나타내는 것으로, 예를 들어 직렬 탄성 액추에이터는 각각 서로 소정거리 이격되어 배치되는 상판(510), 중판(520) 및 하판(530)과, 상판(510) 및 중판(520) 사이에 배치되는 제1 탄성체(540), 그리고 중판(520) 및 하판(530) 사이에 배치되는 제2 탄성체(550)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 탄성체(540) 및 제2 탄성체(550)는 각각 복수의 스프링으로 구성될 수 있다. 이 때, 직렬 탄성 액추에이터에 사용된 복수의 스프링들은 동일한 스프링 상수를 가지며 인장 및 압축 길이 또한 동일하다. Referring to FIG. 5, a mechanism for force-feedback of a series elastic actuator according to an embodiment is shown. For example, the series elastic actuator includes a top plate 510 A first elastic body 540 disposed between the middle plate 520 and the lower plate 530 and between the upper plate 510 and the middle plate 520 and a second elastic body 540 disposed between the middle plate 520 and the lower plate 530. [ (550). Here, the first elastic body 540 and the second elastic body 550 may be formed of a plurality of springs, respectively. At this time, the plurality of springs used in the series elastic actuator have the same spring constant, and the tensile and compression lengths are also the same.

우선, 상판(510)은 외력을 직접적으로 받는 부분이고, 상판(510)과 하판(530)은 서로 연결되어 있어 항상 동일한 간격을 유지하고 있다. 그리고 중판(520)은 상판(510)과 하판(530)의 사이에 배치되되 제1 탄성체(540) 및 제2 탄성체(550)에 의해 이동 가능하게 배치된다. 예컨대, 중판(520)은 볼스크류에 부착되어 있으며, 볼스크류를 통해 포스 피드백(Force-Feedback)에 대응하는 높이만큼 모터를 구동하여 중판(520)을 이동시킴으로써 외력을 상쇄시킬 수 있다. First, the upper plate 510 directly receives an external force, and the upper plate 510 and the lower plate 530 are connected to each other and always maintain the same interval. The intermediate plate 520 is disposed between the upper plate 510 and the lower plate 530 and is disposed movably by the first and second elastic bodies 540 and 550. For example, the middle plate 520 is attached to the ball screw, and the external force can be canceled by moving the middle plate 520 by driving the motor by the height corresponding to the force feedback through the ball screw.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 외력이 작용하지 않을 경우 제1 탄성체(540) 및 제2 탄성체(550)는 변형되지 않고 높이 L을 유지하며 정지 상태에 놓이게 된다. As shown in FIG. 5 (a), when no external force acts, the first elastic body 540 and the second elastic body 550 are not deformed, but remain in a rest state while maintaining the height L.

상판(510)에 외력 F가 작용하게 되는 경우, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 중판(520)의 상단에 배치된 제1 탄성체(540)는 △X만큼 압축하게 되고, 중판(520)의 하단에 배치된 제2 탄성체(550)는 △X만큼 인장하게 된다. 이 때, 제1 탄성체(540)의 줄어든 높이(△X)를 적외선 센서를 사용하여 측정하게 되고 측정한 높이를 훅의 법칙(F = k * △X)에 적용하여 외력 F의 크기를 계산할 수 있다. 한편, 제2 탄성체(550)의 늘어난 높이를 적외선 센서를 사용하여 측정함으로써 외력 F의 크기를 계산하는 것도 가능하다. When the external force F acts on the upper plate 510, the first elastic body 540 disposed at the upper end of the middle plate 520 is compressed by DELTA X as shown in Fig. 5 (b) The second elastic body 550 disposed at the lower end of the first elastic body 520 is stretched by DELTA X. At this time, the reduced height (DELTA X) of the first elastic body 540 is measured using an infrared sensor, and the measured height is applied to the Hooke's law (F = k * DELTA X) have. It is also possible to calculate the magnitude of the external force F by measuring the height of the second elastic member 550 using an infrared sensor.

또한, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 외력 F로 인해 제1 탄성체(540)의 줄어든 높이 △X만큼 모터를 구동하여 중판(520)을 들어올리며, 상판(510)의 높이를 △X만큼 가변시켜서 외력 F를 보상하게 된다.5C, the motor is driven by the reduced height DELTA X of the first elastic body 540 due to the external force F to raise the middle plate 520, and the height of the upper plate 510 is increased by DELTA X so that the external force F is compensated.

아래에서는 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터를 하나의 예를 들어 보다 상세히 설명한다. In the following, a series elastic actuator according to one embodiment will be described in more detail as one example.

도 6은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 사시도를 나타내고, 도 7은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 분해 사시도를 나타낸다. 그리고 도 8은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 정면도를 나타내고, 도 9는 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 측면도를 나타낸다. 또한, 도 10은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 모터부의 사시도를 나타내며, 도 11은 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터의 출력부 및 탄성부의 사시도를 나타낸다. FIG. 6 is a perspective view of a series elastic actuator according to an embodiment, and FIG. 7 is an exploded perspective view of a series elastic actuator according to an embodiment. FIG. 8 is a front view of a series elastic actuator according to an embodiment, and FIG. 9 is a side view of a series elastic actuator according to an embodiment. 10 is a perspective view of a motor portion of a series elastic actuator according to an embodiment, and FIG. 11 is a perspective view of an output portion and an elastic portion of the series elastic actuator according to an embodiment.

도 6 내지 도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터(600)는 동력부(610), 출력부(620) 및 탄성부(625)를 포함하여 이루어질 수 있다. 그리고 실시예에 따라 적외선 센서를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 6-11, a series elastic actuator 600 according to one embodiment may include a power section 610, an output section 620, and an elastic section 625. [ And may further include an infrared sensor according to an embodiment.

동력부(610)는 동력을 제공하며, 예컨대 동력부(610)는 모터(611), 모터(611)에 의해 구동되는 볼스크류(612), 및 볼스크류(612)의 중단에 고정되어 볼스크류(612)의 회전에 따라 상하 방향으로 이동하는 고정판(618)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때, 볼스크류(612)에 고정판(618)을 고정시키기 위해 볼넛(ball net)(617)이 구성될 수 있으며, 볼스크류(612)의 양단에는 베어링(615)이 구성될 수 있다. The power section 610 provides power, and the power section 610 is fixed to the motor 611, the ball screw 612 driven by the motor 611, and the ball screw 612, And a fixing plate 618 which moves in the vertical direction in accordance with the rotation of the pressing plate 612. At this time, a ball net 617 may be formed to fix the fixing plate 618 to the ball screw 612, and a bearing 615 may be formed at both ends of the ball screw 612.

여기서, 볼스크류(612)는 모터(611)에 의해 구동되어 직렬 탄성 액추에이터(600)의 높이를 조절할 수 있다. 그리고 동력부(610)는 포스 피드백(Force-Feedback)에 대응하는 높이만큼 모터(611)를 구동하여 볼스크류(612)를 통해 고정판(618)을 이동시킴에 따라 외력을 상쇄시킬 수 있다. Here, the ball screw 612 is driven by the motor 611 to adjust the height of the series elastic actuator 600. The power unit 610 drives the motor 611 by a height corresponding to the force feedback to move the fixing plate 618 through the ball screw 612, thereby canceling the external force.

동력부(610)는 모터(611)와 볼스크류(612)를 연결시켜주는 풀리(619)가 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 동력부(610)는 볼스크류(612)에 연결되는 제1 풀리(619), 및 모터(611)에 연결되며 제1 풀리(619)와 벨트를 이용하여 연결되어 모터(611)의 동력을 전달하는 제2 풀리(619)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 동력부(610)는 제1 풀리(619) 및 제2 풀리(619)에 의해 출력부(620) 및 탄성부(625)와 모터(611)가 병렬로 연결됨으로써, 부피의 최소화할 수 있다. The power unit 610 may include a pulley 619 that connects the motor 611 and the ball screw 612. More specifically, the power section 610 includes a first pulley 619 connected to the ball screw 612 and a motor 611 connected to the motor 611 and connected to the first pulley 619 using a belt, And a second pulley 619 for transmitting the power of the second pulley 619. At this time, the power section 610 is connected to the output section 620 and the elastic section 625 and the motor 611 in parallel by the first pulley 619 and the second pulley 619, thereby minimizing the volume .

또한, 동력부(610)는 모터(611)와 볼스크류(612)를 병렬로 연결하기 위한 하부판(613)과, 볼스크류(612)의 상단에 구성되는 상부판(614)가 구성되고, 하부판(613)과 상부판(614) 사이에는 복수의 가이드 레일(616)이 구성될 수 있다. The power unit 610 includes a lower plate 613 for connecting the motor 611 and the ball screw 612 in parallel and an upper plate 614 formed at the upper end of the ball screw 612, A plurality of guide rails 616 may be formed between the upper plate 613 and the upper plate 614. [

출력부(620)는 동력부(610)와 소정 간격 이격되어 구성되며 일측에 외력이 작용할 수 있다. The output unit 620 is spaced apart from the power unit 610 by a predetermined distance, and an external force may act on one side.

이러한 출력부(620)는 일측에 외력이 작용하는 부하판(621), 부하판(621)과 소정 간격 이격되어 구성되는 지지판(623), 및 부하판(621) 및 지지판(623) 사이를 연결하는 복수의 지지봉(622)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 이 때 부하판(621) 및 지지판(623)은 볼스크류(612)를 중심으로 배치될 수 있다. The output unit 620 includes a load plate 621 on one side of which an external force acts, a support plate 623 spaced apart from the load plate 621 by a predetermined distance, and a load plate 621 and a support plate 623 And the load plate 621 and the support plate 623 may be disposed around the ball screw 612. The support plate 623 may be formed of a plurality of support rods 622,

탄성부(625)는 동력부(610) 및 출력부(620)의 사이에 배치되고 각각의 동력부(610) 및 출력부(620)와 직렬로 연결되며, 출력부(620)에 외력이 작용함에 따라 적어도 하나 이상의 탄성체의 탄성에 의해 변위될 수 있다. The elastic portion 625 is disposed between the power portion 610 and the output portion 620 and is connected in series with the respective power portion 610 and the output portion 620. An external force acts on the output portion 620 It can be displaced by the elasticity of at least one or more elastic bodies.

예컨대, 탄성부(625)는 고정판(618)을 기준으로 상측에 배치되는 제1 탄성체 및 하측에 배치되는 제2 탄성체를 포함할 수 있다. For example, the elastic portion 625 may include a first elastic body disposed on the upper side with respect to the fixed plate 618 and a second elastic body disposed on the lower side.

탄성부(625)는 복수의 지지봉(622)에 연결되는 소정 간격 이격된 상태로 고정된 두 개의 판(623)을 포함하며, 두 개의 판(623) 중 하나는 지지판(623)을 포함하여 복수의 지지봉(622)에 대해 고정되고, 두 개의 판(623) 중 다른 하나는 복수의 지지봉(622)에 대해 이동 가능하다. 여기서, 두 개의 판(623)은 적어도 하나 이상의 고정 바(624)에 의해 고정될 수 있다. The elastic portion 625 includes two plates 623 fixed to a predetermined spaced apart state connected to the plurality of support bars 622. One of the two plates 623 includes a support plate 623, And the other one of the two plates 623 is movable relative to the plurality of support rods 622. In this case, Here, the two plates 623 can be fixed by at least one of the fixing bars 624.

그리고 탄성부(625)는 두 개의 판(623) 사이에 배치되되, 고정판(618)을 기준으로 복수의 지지봉(622)의 부하 측에 배치된 제1 탄성체 및 복수의 지지봉(622)의 지지부 측에 배치된 제2 탄성체를 포함할 수 있다. The resilient portion 625 is disposed between the two plates 623 so that the first elastic body disposed on the load side of the plurality of support rods 622 and the support portion side of the plurality of support rods 622 And a second elastic body disposed on the second elastic body.

예를 들어, 제1 탄성체 및 제2 탄성체는 각각 복수의 지지봉(622)의 외주면에 구성되는 2 개의 스프링으로 이루어질 수 있다. 즉, 탄성부(625)는 외력 측정을 위한 4개의 스프링으로 구성될 수 있다. 또한, 4개의 스프링을 고정하기 위해 복수의 지지봉(622) 또한 4개로 구성될 수 있다. For example, the first elastic body and the second elastic body may be composed of two springs each formed on the outer peripheral surface of the plurality of support rods 622. That is, the elastic portion 625 may be composed of four springs for external force measurement. Further, a plurality of support rods 622 may also be composed of four to fix the four springs.

적어도 하나 이상의 탄성체의 양단에 구성되어 탄성에 의한 변위 크기를 측정하는 적외선 센서를 더 포함할 수 있다. 이러한 적외선 센서는 탄성에 의한 변위 크기를 측정하여 작용하는 외력의 크기를 측정할 수 있다. And an infrared sensor configured at both ends of at least one elastic body to measure the displacement magnitude due to elasticity. Such an infrared sensor can measure the magnitude of the external force acting by measuring the displacement magnitude due to elasticity.

특히, 적외선 센서는 제1 탄성체의 양단에 구성되어 탄성에 의한 변위 크기를 측정함에 따라 외력의 크기를 측정할 수 있다. 한편, 적외선 센서는 제2 탄성체의 양단에 구성되어 탄성에 의한 변위 크기를 측정함에 따라 외력의 크기를 측정하는 것도 가능하다.In particular, the infrared sensor is formed at both ends of the first elastic body, and the magnitude of the external force can be measured by measuring the magnitude of displacement due to elasticity. On the other hand, the infrared sensor is configured at both ends of the second elastic body, and it is also possible to measure the magnitude of the external force by measuring the displacement magnitude due to elasticity.

이와 같이, 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터(600)는 외력이 작용하는 경우, 고정판(618)의 상측에 배치된 제1 탄성체는 소정 거리만큼 압축하게 되고, 고정판(618)의 하단에 배치된 제2 탄성체는 소정 거리만큼 인장될 수 있다. 그리고 제1 탄성체의 압축된 거리를 적외선 센서를 사용하여 측정하고 측정한 압축된 거리를 훅의 법칙을 통해 외력의 크기를 계산할 수 있다. As described above, in the case of the series elastic actuator 600 according to the embodiment, when an external force is applied, the first elastic body disposed on the upper side of the fixing plate 618 is compressed by a predetermined distance, The second elastic body may be stretched by a predetermined distance. Then, the compressed distance of the first elastic body can be measured using an infrared sensor, and the magnitude of the external force can be calculated by the Hooke's law on the measured compressed distance.

아래에서는 앞에서 설명된 직렬 탄성 액추에이터(600)를 포함하는 제어기에 대해 설명한다. In the following, a controller including the series elastic actuator 600 described above will be described.

일 실시예에 따른 제어기는 직렬 탄성 액추에이터(600) 및 PD 제어기를 포함하여 이루어질 수 있다. The controller according to one embodiment may include a series elastic actuator 600 and a PD controller.

직렬 탄성 액추에이터(600)는 동력을 제공하는 동력부(610)와, 동력부(610)와 소정 간격 이격되어 구성되며 일측에 외력이 작용하는 출력부(620)와, 동력부(610) 및 출력부(620)의 사이에 배치되고 각각의 동력부(610) 및 출력부(620)와 직렬로 연결되며 출력부(620)에 외력이 작용함에 따라 적어도 하나 이상의 탄성체의 탄성에 의해 변위되어 외력의 크기를 측정하는 탄성부(625)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때, 동력부(610)는 PD 제어기로부터 입력 받은 값에 대응하는 힘을 생성하며, 출력부(620)에 가해진 힘의 방향과 반대 방향으로 동작할 수 있다. 여기에서 직렬 탄성 액추에이터(600)는 앞에서 설명한 직렬 탄성 액추에이터(600)와 그 구성 및 기능이 중복되어 간단히 설명하기로 하고, 중복되는 설명은 생략한다. The series elastic actuator 600 includes a power section 610 for providing power, an output section 620 spaced apart from the power section 610 by an external force at one side, a power section 610, And is connected to each of the power section 610 and the output section 620 in series and is displaced by the elasticity of at least one elastic body as an external force acts on the output section 620, And an elastic portion 625 for measuring the size. At this time, the power unit 610 generates a force corresponding to the value input from the PD controller, and can operate in a direction opposite to the direction of the force applied to the output unit 620. [ Here, the series elastic actuator 600 will be briefly described as a configuration and function of the series elastic actuator 600 described above, and a duplicate description will be omitted.

보다 구체적으로, 동력부(610)는 모터(611), 모터(611)에 의해 구동되는 볼스크류(612), 및 볼스크류(612)의 중단에 고정되어 볼스크류(612)의 회전에 따라 상하 방향으로 이동하는 고정판(618)을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 볼스크류(612)는 모터(611)에 의해 구동되어 직렬 탄성 액추에이터(600)의 높이를 조절할 수 있다. More specifically, the power section 610 is fixed to an end of the motor 611, the ball screw 612 driven by the motor 611, and the ball screw 612, As shown in FIG. Here, the ball screw 612 is driven by the motor 611 to adjust the height of the series elastic actuator 600.

그리고, 탄성부(625)는 고정판(618)을 기준으로 상측에 배치되는 제1 탄성체 및 하측에 배치되는 제2 탄성체를 포함하며, 제1 탄성체의 양단에 구성되어 탄성에 의한 변위 크기를 측정함에 따라 외력의 크기를 측정하는 적외선 센서를 더 포함할 수 있다. The elastic portion 625 includes a first elastic body disposed on the upper side and a second elastic body disposed on the lower side with respect to the fixed plate 618 and is configured at both ends of the first elastic body to measure the magnitude of displacement due to elasticity And may further include an infrared sensor that measures the magnitude of the external force.

그리고 동력부(610)는 포스 피드백(Force-Feedback)에 대응하는 높이만큼 모터(611)를 구동하여 볼스크류(612)를 통해 고정판(618)을 이동시킴에 따라 외력을 상쇄시키는 컴플라이언스(Compliance) 제어기일 수 있다. The power unit 610 drives the motor 611 as much as the height corresponding to the force feedback to move the fixing plate 618 through the ball screw 612 and thereby complies with the external force, Controller.

그리고, PD 제어기는 직렬 탄성 액추에이터(600)의 출력부(620)에 작용하는 계산된 외력을 입력 받아 엔코더 값과 연계하여 계산된 값과의 차이를 이용하여, 직렬 탄성 액추에이터(600)의 동력부(610)의 입력으로 제공할 수 있다. The PD controller receives the calculated external force acting on the output part 620 of the series elastic actuator 600 and calculates the difference between the calculated value and the value calculated in association with the encoder value, (610).

이상은 설계를 바탕으로 직접 제작한 직렬 탄성 액추에이터의 모습을 나타내며, 스프링은 목표 부하만큼의 외력이 가해졌을 때 압축 길이를 계산하여 원하는 스펙에 맞는 것을 제작할 수 있다. 또한, 포스 피드백을 위해서 적외선 센서를 사용하여 스프링의 변위를 측정할 수 있다. The above shows the design of the series elastic actuator manufactured directly based on the design. The spring can calculate the compression length when an external force equal to the target load is applied, and can produce the one that meets the desired specification. In addition, the displacement of the spring can be measured using an infrared sensor for force feedback.

특히, 이러한 일 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터는 턱 등을 넘어갈 경우 스프링을 통해 작용하는 힘을 상쇄시킴으로써 세그웨이(Segway) 등에 적용되어 충격을 완화시킬 수 있다. 즉, 몸체에는 충격이 발생하여 움직일 수 있으나, 발판에는 원상태를 유지할 수 있다. Particularly, the series elastic actuator according to this embodiment can be applied to Segway or the like by canceling the force acting through the spring when the jaws or the like are crossed, thereby alleviating the impact. That is, the body can move due to an impact, but the foot plate can maintain its original state.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the apparatus and components described in the embodiments may be implemented within a computer system, such as, for example, a processor, controller, arithmetic logic unit (ALU), digital signal processor, microcomputer, field programmable array (FPA) A programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For ease of understanding, the processing apparatus may be described as being used singly, but those skilled in the art will recognize that the processing apparatus may have a plurality of processing elements and / As shown in FIG. For example, the processing apparatus may comprise a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, and may be configured to configure the processing device to operate as desired or to process it collectively or collectively Device can be commanded. The software and / or data may be in the form of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage media, or device As shown in FIG. The software may be distributed over a networked computer system and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (15)

직렬 탄성 액추에이터에 있어서,
동력을 제공하는 동력부;
상기 동력부와 소정 간격 이격되어 구성되며 일측에 외력이 작용하는 출력부; 및
상기 동력부 및 상기 출력부의 사이에 배치되고 각각의 상기 동력부 및 상기 출력부와 직렬로 연결되며, 상기 출력부에 상기 외력이 작용함에 따라 적어도 하나 이상의 탄성체의 탄성에 의해 변위되는 탄성부를 포함하고,
상기 동력부는,
모터;
상기 모터에 의해 구동되어 상기 직렬 탄성 액추에이터의 높이를 조절하는 볼스크류; 및
상기 볼스크류의 중단에 고정되어 상기 볼스크류의 회전에 따라 상하 방향으로 이동하는 고정판을 포함하고,
상기 동력부는 포스 피드백(Force-Feedback)에 대응하는 높이만큼 상기 모터를 구동하여 상기 볼스크류를 통해 상기 고정판을 이동시킴에 따라 상기 외력을 상쇄시키는 컴플라이언스(Compliance) 제어기이고,
상기 탄성부는, 상기 고정판을 기준으로 상측에 배치되는 제1 탄성체 및 하측에 배치되는 제2 탄성체를 포함하며,
상기 제1 탄성체의 양단에 구성되어 탄성에 의한 변위 크기를 측정함에 따라 상기 외력의 크기를 측정하는 적외선 센서를 더 포함하고,
상기 외력이 작용하는 경우, 상기 고정판의 상측에 배치된 상기 제1 탄성체는 소정 거리만큼 압축하게 되고, 상기 고정판의 하단에 배치된 상기 제2 탄성체는 소정 거리만큼 인장하게 됨에 따라 상기 제1 탄성체의 압축된 거리를 상기 적외선 센서를 사용하여 측정하고 측정한 상기 압축된 거리를 훅의 법칙을 통해 상기 외력의 크기를 계산하는 것
을 특징으로 하는, 직렬 탄성 액추에이터.
In a series elastic actuator,
A power section for providing power;
An output unit configured to be spaced apart from the power unit by a predetermined distance and having an external force acting on one side thereof; And
And an elastic portion disposed between the power portion and the output portion and connected in series with each of the power portion and the output portion and displaced by the elasticity of at least one elastic body as the external force acts on the output portion, ,
The power unit includes:
motor;
A ball screw driven by the motor to adjust the height of the series elastic actuator; And
And a fixing plate fixed to an end of the ball screw and moving up and down according to rotation of the ball screw,
The power unit is a compliance controller that drives the motor by a height corresponding to force feedback to cancel the external force by moving the fixing plate through the ball screw,
Wherein the elastic portion includes a first elastic body disposed on the upper side and a second elastic body disposed on the lower side with respect to the fixed plate,
Further comprising an infrared sensor configured to measure the magnitude of the external force by measuring a magnitude of displacement due to elasticity, the first and second elastic members being disposed at both ends of the first elastic body,
When the external force acts, the first elastic member disposed on the upper side of the fixing plate is compressed by a predetermined distance, and the second elastic member disposed on the lower end of the fixing plate is tensioned by a predetermined distance, Measuring the compressed distance using the infrared sensor and calculating the magnitude of the external force through the measured distance based on the Hooke's law
Wherein the elastic actuator comprises:
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 동력부는,
포스 피드백(Force-Feedback)에 대응하는 높이만큼 상기 모터를 구동하여 상기 볼스크류를 통해 상기 고정판을 이동시킴에 따라 상기 외력을 상쇄시키는 것
을 특징으로 하는, 직렬 탄성 액추에이터.
The method according to claim 1,
The power unit includes:
The motor is driven by the height corresponding to the force feedback, and the external force is canceled by moving the fixing plate through the ball screw
Wherein the elastic actuator comprises:
제1항에 있어서,
상기 동력부는,
상기 볼스크류에 연결되는 제1 풀리; 및
상기 모터에 연결되며, 상기 제1 풀리와 연결되어 상기 모터의 동력을 전달하는 제2 풀리
를 더 포함하는, 직렬 탄성 액추에이터.
The method according to claim 1,
The power unit includes:
A first pulley connected to the ball screw; And
A second pulley connected to the motor and connected to the first pulley to transmit power of the motor,
Further comprising: an elastic actuator.
제6항에 있어서,
상기 동력부는,
상기 제1 풀리 및 상기 제2 풀리에 의해 상기 출력부 및 상기 탄성부와 상기 모터가 병렬로 연결되는 것
을 특징으로 하는, 직렬 탄성 액추에이터.
The method according to claim 6,
The power unit includes:
The output portion, the elastic portion and the motor being connected in parallel by the first pulley and the second pulley
Wherein the elastic actuator comprises:
제1항에 있어서,
상기 출력부는,
일측에 상기 외력이 작용하는 부하판;
상기 부하판과 소정 간격 이격되어 구성되는 지지판; 및
상기 부하판 및 상기 지지판 사이를 연결하는 복수의 지지봉
을 포함하고,
상기 부하판 및 상기 지지판은 상기 볼스크류를 중심으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 직렬 탄성 액추에이터.
The method according to claim 1,
The output unit includes:
A load plate having one side to which the external force acts;
A support plate spaced apart from the load plate by a predetermined distance; And
A plurality of support rods connecting the load plate and the support plate,
/ RTI >
Wherein the load plate and the support plate are disposed around the ball screw.
제8항에 있어서,
상기 탄성부는,
상기 복수의 지지봉에 연결되는 소정 간격 이격된 상태로 고정된 두 개의 판을 포함하며, 상기 두 개의 판 중 하나는 상기 지지판을 포함하여 상기 복수의 지지봉에 대해 고정되고, 상기 두 개의 판 중 다른 하나는 상기 복수의 지지봉에 대해 이동 가능하며,
상기 두 개의 판 사이에 배치되되, 상기 고정판을 기준으로 상기 복수의 지지봉의 상부인 부하 측에 배치된 제1 탄성체 및 상기 복수의 지지봉의 하부에 배치된 제2 탄성체를 포함하는 것
을 특징으로 하는, 직렬 탄성 액추에이터.
9. The method of claim 8,
The elastic portion
And two plates fixedly spaced apart from one another and connected to the plurality of support rods, wherein one of the two plates is fixed to the plurality of support rods including the support plate, and the other of the two plates Are movable relative to the plurality of support rods,
And a second elastic body disposed between the two plates, the first elastic body disposed on a load side that is an upper portion of the plurality of support bars with respect to the fixed plate, and the second elastic body disposed on a lower portion of the plurality of support rods
Wherein the elastic actuator comprises:
제9항에 있어서,
상기 제1 탄성체 및 상기 제2 탄성체는,
각각 상기 복수의 지지봉의 외주면에 구성되는 2 개의 스프링으로 이루어지는 것
을 특징으로 하는, 직렬 탄성 액추에이터.
10. The method of claim 9,
Wherein the first elastic body and the second elastic body are made of a synthetic resin,
And two springs each formed on the outer circumferential surface of the plurality of support rods
Wherein the elastic actuator comprises:
삭제delete 삭제delete 동력을 제공하는 동력부와, 상기 동력부와 소정 간격 이격되어 구성되며 일측에 외력이 작용하는 출력부와, 상기 동력부 및 상기 출력부의 사이에 배치되고 각각의 상기 동력부 및 상기 출력부와 직렬로 연결되며 상기 출력부에 상기 외력이 작용함에 따라 적어도 하나 이상의 탄성체의 탄성에 의해 변위되어 상기 외력의 크기를 측정하는 탄성부를 포함하는 직렬 탄성 액추에이터; 및
상기 직렬 탄성 액추에이터의 상기 출력부에 작용하는 계산된 상기 외력을 입력 받아 엔코더 값과 연계하여 계산된 값과의 차이를 이용하여, 상기 직렬 탄성 액추에이터의 상기 동력부의 입력으로 제공하는 PD 제어기
를 포함하고,
상기 동력부는 입력 받은 값에 대응하는 힘을 생성하며, 상기 출력부에 가해진 힘의 방향과 반대 방향으로 동작하며,
상기 동력부는,
모터;
상기 모터에 의해 구동되어 상기 직렬 탄성 액추에이터의 높이를 조절하는 볼스크류; 및
상기 볼스크류의 중단에 고정되어 상기 볼스크류의 회전에 따라 상하 방향으로 이동하는 고정판을 포함하고,
상기 동력부는 포스 피드백(Force-Feedback)에 대응하는 높이만큼 상기 모터를 구동하여 상기 볼스크류를 통해 상기 고정판을 이동시킴에 따라 상기 외력을 상쇄시키는 컴플라이언스(Compliance) 제어기이고,
상기 탄성부는, 상기 고정판을 기준으로 상측에 배치되는 제1 탄성체 및 하측에 배치되는 제2 탄성체를 포함하며,
상기 제1 탄성체의 양단에 구성되어 탄성에 의한 변위 크기를 측정함에 따라 상기 외력의 크기를 측정하는 적외선 센서를 더 포함하고,
상기 외력이 작용하는 경우, 상기 고정판의 상측에 배치된 상기 제1 탄성체는 소정 거리만큼 압축하게 되고, 상기 고정판의 하단에 배치된 상기 제2 탄성체는 소정 거리만큼 인장하게 됨에 따라 상기 제1 탄성체의 압축된 거리를 상기 적외선 센서를 사용하여 측정하고 측정한 상기 압축된 거리를 훅의 법칙을 통해 상기 외력의 크기를 계산하는 것
을 특징으로 하는, 제어기.
An output section that is spaced apart from the power section by a predetermined distance and has an external force acting on one side thereof; and an output section that is disposed between the power section and the output section and that is in series with each of the power section and the output section And an elastic portion that is connected to the output portion and is displaced by the elasticity of at least one elastic body as the external force acts on the output portion to measure the magnitude of the external force. And
A PD controller for receiving the calculated external force acting on the output part of the series elastic actuator and using the difference from the calculated value in association with the encoder value to provide the input of the power part of the series elastic actuator,
Lt; / RTI >
Wherein the power unit generates a force corresponding to an input value and operates in a direction opposite to a direction of a force applied to the output unit,
The power unit includes:
motor;
A ball screw driven by the motor to adjust the height of the series elastic actuator; And
And a fixing plate fixed to an end of the ball screw and moving up and down according to rotation of the ball screw,
The power unit is a compliance controller that drives the motor by a height corresponding to force feedback to cancel the external force by moving the fixing plate through the ball screw,
Wherein the elastic portion includes a first elastic body disposed on the upper side and a second elastic body disposed on the lower side with respect to the fixed plate,
Further comprising an infrared sensor configured to measure the magnitude of the external force by measuring a magnitude of displacement due to elasticity, the first and second elastic members being disposed at both ends of the first elastic body,
When the external force acts, the first elastic member disposed on the upper side of the fixing plate is compressed by a predetermined distance, and the second elastic member disposed on the lower end of the fixing plate is tensioned by a predetermined distance, Measuring the compressed distance using the infrared sensor and calculating the magnitude of the external force through the measured distance based on the Hooke's law
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