KR102244673B1 - 다관절 로봇의 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부피와 무게를 최소화하며, 기계적 마찰에 따른 유연성을 확보하고, 다관절근 구조의 골격구조 및 관절구조를 갖는 로봇의 각각의 관절을 복합적으로 구동할 수 있는 다관절 로봇의 구동장치에 관한 것이다.

Description

다관절 로봇의 구동장치{DRIVING UNIT OF MULTI-JOINT ROBOT}

본 발명은 다관절 로봇의 구동장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 부피와 무게를 최소화하며, 기계적 마찰에 따른 유연성을 확보하고, 자연스러운 움직임 구현이 가능한 다관절근 구조의 다관절 로봇의 복수 개의 관절을 복합적으로 구동할 수 있는 다관절 로봇의 구동장치에 관한 것이다.

로봇이란 스스로 보유한 능력에 의해 주어진 일을 자동으로 처리하거나 작동하는 기계를 의미하며, 최근 다양한 영역에서 광범위하게 사용되고 있다.

이러한 로봇 중 이동 기능이 구비되는 로봇 및 사용자가 착용하여 신체의 움직임을 보조하는 로봇 등이 다양하게 소개되고 있다.

이동 기능이 구비되는 로봇은 종래 바퀴 굴림 방식으로 이동 기능을 구비한 로봇들이 있었으나, 노면 상태의 제한을 받으므로 최근 국방용, 구호용 또는 산업용 등의 로봇에 다관절 골격 구조를 갖는 로봇들이 연구 및 소개되고 있다.

또한, 이러한 다관절 골격 구조를 갖는 로봇의 경우 사람이 착용하여 움직임의 보조를 받는 로봇들이 연구되고 있다.

예를 들면, 보행 기능이 저하된 노인, 환자 또는 장애인 등의 독립 보행을 보조하거나, 신체적 보행 속도를 향상하기 위한 로봇들이 연구되고 있다.

이러한 다관절 골격 구조를 갖는 로봇들의 사람 또는 동물의 움직임에 가까운 보행 동작을 구현하기 위해서는 각각의 관절을 구동하여 관절을 연결하는 링크의 움직임이 신체의 종아리 또는 허벅지의 움직임과 유사하게 작동하도록 제어하여야 한다.

그러나, 각각의 관절에 구동장치를 장착하여 주행에 필요한 회전 토크를 발생시키면 인접 관절에서 반작용 회전 토크가 인가되어 신체 또는 동물의 주행 동작과 다른 어색하고 과장된 움직임이 발생된다. 즉, 단순히 관절에 장착된 구동장치를 구동하여 필요한 회전 토크를 발생시켜 관절을 회전 구동시키는 것만으로 다족 주행로봇 또는 신체 착용형 로봇의 자연스러운 움직임을 구현할 수 없다.

또한, 각각의 관절 부위에 구동장치를 장착하는 경우, 관절 부위의 무게 및 부피가 증가되므로, 배터리 등에 의하여 공급되는 전력 소모량이 증대되며, 각각의 관절을 연결하는 전기적 배선 등도 복잡하게 된다.

또한, 신체에 착용하는 방식의 다관절 보조 로봇의 예로서, 기능이 저하된 하지(leg)의 거동을 보조하기 위한 다관절 하지 보조로봇이 연구되고 있다.

다관절 하지 보조로봇은 장애인, 부상자 또는 노인의 직립 보행시 부족한 다리힘을 보조하기 위해 관절 토크를 제공하여 정상인의 보행과 유사한 보행을 구사할 수 있도록 돕기 위한 로봇이다.

하지 보조로봇은 사용자가 착용하는 로봇이므로 하중과 부피를 줄이기 위하여, 하지 로봇에 사용되는 전기 모터는 소형화가 요구된다. 또한, 전기 모터는 출력 토크를 확보하기 위해 감속기가 사용될 수 있으나, 이와 같이 전기 모터에 감속기를 사용하는 경우, 모터의 출력 토크는 기어비에 의해 증가하지만, 기어가 상호 맞물려 회전하면서 발생하는 마찰력 등의 이유로, 사용자가 느끼는 기계적 마찰 역시 작지 않다. 복수의 기어로부터 기인하는 기계적 마찰로 인하여, 상기 하지로봇을 장착함에 있어서 장착에 대한 이질감 및 거동의 불편함을 줄 수 있다.

상기 하지 보조로봇을 사용하는 경우 직립 보행시 전기 모터에 의하여 제공되는 토크에 의하여 관절 구동력을 보조 받지만, 관절 구동력의 보조가 필요하지 않은 상황에서는 사용자가 관절을 조금 움직이거나 자세를 변경하려는 사용자는 사용자의 의지에 따른 관절의 움직임을 방해하는 큰 마찰을 하지 보조로봇으로부터 느끼게 된다는 문제점이 그것이다.

따라서, 하지 보조로봇은 착용자의 상황에 대응하여 구동되어 착용자의 거동 유연성도 보장되기 위해서는 하지 보조로봇의 기계적 마찰은 저감될 필요가 있으나, 그러나 충분한 관절 구동력 제공과 함께 사용자의 거동 유연성 확보를 위한 기계적 마찰 저감은 다소 상반되는 목적 또는 기능에 해당되지만 필요성이 크다.

따라서, 부피와 무게를 최소화하며, 기계적 마찰에 따른 유연성을 확보함과 동시에 자연스러운 움직임 구현이 가능한 다관절 로봇의 복수 개의 관절을 복합적으로 구동할 수 있는 다관절 로봇의 구동장치가 요구된다.

본 발명은 부피와 무게를 최소화하며, 기계적 마찰에 따른 유연성을 확보하고, 자연스러운 움직임 구현이 가능한 다관절근 구조의 다관절 로봇의 복수 개의 관절을 복합적으로 구동할 수 있는 다관절 로봇의 구동장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 착용자의 엉덩이 영역의 관절인 제1 관절 영역에 배치되어 상기 제1 관절과 무릎 영역의 관절인 제2 관절의 움직임을 보조하기 위한 관절 구동기에 있어서, 회전축이 평행하게 배치된 한 쌍의 모터; 한 쌍의 상기 모터에서 제공되는 회전 구동력의 방향을 변경하고, 감속하여 회전 구동력을 제공하는 한 쌍의 제1 기어부; 한 쌍의 상기 제1 기어부에서 제공된 구동력에 의한 비틀림 변형량이 결정되는 한 쌍의 스프링 부재; 한 쌍의 상기 스프링 부재의 비틀림 변형량에 따라 회전 구동력이 전달되어 구동대상 관절을 구동하는 한 쌍의 제2 기어부; 및, 한 쌍의 상기 제2 기어부에 의하여 전달되는 회전력에 의하여 동일한 회전축을 중심으로 회전 구동되며, 다관절 로봇의 복수 개의 상기 구동대상 관절을 회전 구동시키는 한 쌍의 관절 구동부재;를 포함하고, 한 쌍의 상기 제1 기어부는 한 쌍의 상기 모터의 회전축에 각각 장착된 한 쌍의 웜기어 및 한 쌍의 상기 웜기어에 맞물리며 상기 모터의 회전축과 수직한 구동축을 갖는 한 쌍의 웜휠기어를 각각 구비하며, 한 쌍의 상기 제1 기어부를 구성하는 모터 및 웜기어는 상기 다관절 로봇의 구동장치를 구성하는 하우징에 힌지 결합되어, 한 쌍의 상기 제1 기어부를 구성하는 웜기어는 한 쌍의 상기 웜휠기어와 근접하여 맞물림 상태가 되거나, 이격되어 맞물림 상태가 해제되도록 힌지 결합된 곳을 중심으로 회전 가능하게 구성되고, 한 쌍의 상기 제2 기어부는 각각 평행한 회전축을 중심으로 독립적으로 회전 구동되는 스퍼기어를 구비하며, 한 쌍의 상기 관절 구동부재는 한 쌍의 상기 스퍼기어의 회전축과 평행한 하나의 구동축을 중심으로 한 쌍의 상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어에 의하여 독립적으로 회전 구동되는 회전판 형태로 적층되어 구성되며, 한 쌍의 상기 제2 기어부를 구성하는 상기 스퍼 기어는 평행한 한 쌍의 상기 회전축 상에 서로 다른 위치에 장착되어 상기 관절 구동부재로 회전 구동력을 전달하며, 한 쌍의 상기 관절 구동부재는 한 쌍의 링크부재를 매개로 제2 관절과 연결되어 보행 동작에 따라 독립 구동되는 것을 특징으로 하는 관절 구동기를 제공할 수 있다.
이 경우, 상기 제2 관절은 한 쌍의 상기 관절 구동부재 중 적어도 하나가 회전 구동됨에 따라 회전 구동될 수 있다.
여기서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재 중 적어도 하나의 회전에 다른 상기 스프링 부재의 비틀림 변형량은 상기 모터에 의하여 상쇄될 수 있다.
그리고, 한 쌍의 상기 관절 구동부재는 보행 주기에 따라 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전 되거나, 한 쌍의 상기 관절 구동부재 중 하나의 관절 구동부재만 회전될 수 있다.
이 경우, 한 쌍의 상기 관절 구동부재가 함께 회전될 경우, 상기 제1 관절 및 상기 제2 관절은 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전 구동되거나, 어느 하나의 관절은 정지될 수 있다.
그리고, 상기 다관절 로봇의 구동장치가 구비된 다관절 로봇을 장착한 사용자가 보행할 경우, 지면과 접촉하는 입각기 및 지면과 접촉하지 않고 회전하는 유각기 중인 사용자의 하지의 상기 제1 관절과 제2 관절은 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전되거나, 상기 제1 관절 및 제2 관절 중 하나만 회전되도록 상기 관절 구동부재를 회전 구동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치에 의하면, 로봇의 관절 구조 및 골격 구조를 신체 등의 다관절근 골격 구조 및 관절 구조를 모방한 로봇의 복수 개의 관절을 복합적으로 구동시켜 자연스러운 움직임을 가능하게 한다.

또한, 본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치에 의하면, 다관절 로봇의 구동장치를 구성하는 복수의 기어 사이에 탄성체를 적용하여 모터로부터 제공된 구동력을 상기 탄성체를 통해 전달시키므로 기존의 기어끼리 맞물리는 동력전달 방식에 비해 기계적 마찰을 저감 또는 조절하기 위한 인위적 제어가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치에 의하면, 복수 개의 관절을 구동하기 위한 구동장치가 하나의 어셈블리로 구성되므로 구동장치의 부피와 무게를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치에 의하면, 기어부의 선택적 맞물림이 가능하도록 하여, 사람이 착용하는 형태의 보조 로봇에 적용되는 경우에도 사용자의 움직임 자유도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치가 장착된 신체 착용용 다관절 로봇의 예로서 하지 보조 로봇의 일부 영역의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 에에 따른 다관절 로봇의 구동장치가 장착된 신체 착용용 다관절 로봇을 착용한 사용자의 하지 거동을 간략하게 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따른 다관절 로봇의 구동장치의 사시도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치의 내부 작동상태를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치의 분해 사시도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치를 구성하는 제1 기어부의 맞물림 해제 상태를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치를 구성하는 제1 기어부의 맞물림 상태 및 맞물림 해제 상태의 상면도를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치가 장착된 신체 착용용 다관절 로봇의 예로서 하지 보조 로봇의 일부 영역의 사시도를 도시하며, 도 2는 본 발명의 일 실시 에에 따른 다관절 로봇의 구동장치가 장착된 신체 착용용 다관절 로봇을 착용한 사용자의 하지 거동을 간략하게 도시한다.

본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)는 적어도 2개의 관절(hj, kj)을 갖는 팔유닛 또는 다리유닛을 각각 구동하기 위한 구동장치(200)이다.

상기 다관절 로봇(10)의 각각의 관절(hj, kj)에 구동장치(200)를 장착하여 인가되는 하중 또는 작동 조건에 따라 상기 관절(hj, kj)별로 요구되는 토크를 발생시키는 방법으로 다관절 로봇(10)을 작동시키는 경우, 인접 관절(hj, kj)에 인가되는 반작용 토크에 의하여 전체적인 다관절 로봇(10)의 움직임이 자연스럽지 않을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)가 적용되는 로봇(10)은 신체 또는 동물의 움직임과 유사한 자연스러운 동작을 가능하게 하기 위하여 신체 또는 동물의 다관절근 구조를 모방하여 골격 구조 및 관절(hj, kj) 구조를 채용할 수 있다. 다관절근이란 특정 근육이 여러 관절(hj, kj)에 연결되어 수축 이완에 따라 특정 관절(hj, kj)을 회전하게 하는 근육으로 대퇴이투근, 대퇴사두근 등이 대표적인 다관절근에 해당된다.

즉, 다관절근 구조를 모방하여 골격 구조 또는 관절(hj, kj) 구조를 구성하면 관절(hj, kj)에 직접 구동장치(200)를 장착하지 않고 이격된 위치, 예를 들면 상체에 구동장치(200)를 장착하고 링크부재(l1, l2) 등을 통해 각각의 관절(hj, kj)을 복합적으로 구동하게 되므로 하나의 관절(hj, kj)에 그 관절(hj, kj)에 장착된 구동장치(200)에 의하여만 직접 회전 토크를 인가하는 종래 방식의 다관절 로봇(10)에 비해 반작용 토크를 이격된 위치의 구동장치(200) 측으로 분산시켜 자연스러운 움직임을 방지함과 동시에 각각의 관절(hj, kj)의 크기를 최소화하고, 복수 개의 관절(hj, kj)을 전기적으로 연결할 필요가 없으므로 구성이 간소해질 수 있다.

도 1 및 도 2를 통해 설명된 하지 보조 로봇(10)의 경우 사용자가 허리 부위에 로봇(10) 바디(100)를 착용하고 좌측 엉덩이 관절 및 무릎 관절과 우측 엉덩이 관절 및 무릎 관절을 각각 2개의 구동장치(200a 200b)로 구동하는 방식을 사용할 수 있다.

즉, 좌측 다리는 좌측 구동장치(200a)로 구동하고 우측 다리는 우측 구동장치(200b)로 구동하게 된다. 또한, 각각의 다리에서 엉덩이 관절 및 무릎 관절은 복합 구동이 가능해야 하므로 각각의 구동장치(200)는 다관절근 방식으로 엉덩이 관절 및 무릎 관절을 복합 구동시킬 수 있어야 자연스러운 신체의 보행 동작을 보조할 수 있게 된다.

여기서, 복합 구동이란 어느 하나의 관절(hj, kj)을 구동하기 위하여 하나의 모터(210a, 210b)만 사용될 수도 있고, 2개의 모터(210a, 210b) 및 그 구동력이 전달되는 링크부재(l1, l2)에 의하여 관절(hj, kj)을 구동한다는 의미를 포함하는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.

각각의 골격 구조 및 구동방법은 다양한 변형이 가능하므로, 각각의 골격 구조 및 구동방법은 논외로 한다.

각각의 구동장치(200a, 200b)는 후술하는 바와 같이 2개의 모터(210a, 210b)가 구비될 수 있으며, 적어도 하나의 모터(210a, 210b)는 회전 구동력을 링크부재(l1, l2)를 매개로 이격된 위치의 관절(hj, kj)에 전달할 수 있다.

따라서, 각각의 관절(hj, kj)에 구동장치(200a, 200b)를 장착하는 경우에 비해 반작용 토크가 착용자의 신체 상부로 분산되는 효과를 얻을 수 있으므로, 다리의 엉덩이 관절 또는 무릎 관절의 움직임에 따른 반작용 동작을 최소화할 수 있다.

또한, 좌우 각각 2개의 관절(hj, kj)을 복합 구동가능한 구동장치(200a, 200b)를 착용자의 허리 부근에 장착하는 방법에 의하여 허리 하부의 골격 구조가 물에 노출되어도 로봇(10)의 작동에 전혀 영향이 없고 다리유닛의 무게 자체를 줄일 수 있는 부가적인 효과도 존재한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)의 사시도를 도시하며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)의 내부 작동상태를 도시한다.

이하에서는, 하나의 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)가 복수의 관절의 움직임에 동시에 관여할 수 있도록 설계된, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)에 대해 검토한다.

본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)는 회전축이 평행하게 배치된 한 쌍의 모터(210a, 210b), 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)에서 제공되는 회전 구동력의 방향을 변경하고, 감속하여 회전 구동력을 증대 제공하는 한 쌍의 제1 기어부(220a, 220b), 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b)에서 제공된 구동력에 의한 비틀림 변형량이 결정되는 한 쌍의 스프링 부재(270a, 270b), 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형량에 따라 회전하는 한 쌍의 제2 기어부(290a, 290b) 및, 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b)에 의하여 전달되는 회전력에 의하여 동일한 회전축을 중심으로 회전 구동되는 한 쌍의 관절 구동부재(400a, 400b)를 포함할 수 있다.

상기 다관절 로봇의 구동장치(200)는 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)가 장착되는 다관절 로봇(10)의 사용자가 보행함에 있어서 관절(hj, kj)의 회전 구동력을 제공하는 구성으로, 상기 모터(210a, 210b)를 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)는 다관절 로봇(10)에 장착되어 복수의 관절, 구체적으로 엉덩이 관절 및 무릎 관절에 대응되는 제1 관절(hj) 및 제2 관절(kj)을 구동시키기 위해 제공된다.

따라서, 상기 모터(210a, 210b)는 한 쌍이 구비될 수 있으며, 이로 인해, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 각각으로부터 제공되는 회전 구동력을 통하여 복수의 구동대상 관절(hj, kj)의 회전 제어를 가능하게 한다. 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)에서 제공되는 회전 구동력을 통한 복수의 구동대상 관절(hj, kj)의 회전에 대한 자세한 설명은 후술한다.

구체적으로, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)는 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b)와 연결될 수 있고, 상기 제1 기어부(220a, 220b)에 회전 구동력을 제공함으로써, 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 회전시킬 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)는 엉덩이 관절 및 무릎 관절에 대응되는 제1 관절(hj) 및 제2 관절(kj)을 구동하기 위한 회전 구동력을 제공하기 위해 구비되므로, 한 쌍이 구비되며, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)는 각각의 회전축이 평행하도록 장착될 수 있다.

한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)가 서로 평행한 회전축 상에 구비되지 않고 서로 수직하거나 비스듬한 각도로 구비될 경우, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)로부터 제공되는 회전 구동력이 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 구성요소 중 상기 모터(210a, 210b)로부터 회전 구동력을 전달받는 최종 출력측, 즉, 본 발명의 관절 구동부재(400a, 400b)까지 이동하는 경로가 상호 간섭되어, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 설계가 복잡해 질 수 있으며, 상기 모터(210a, 210b)의 회전축, 즉, 상기 모터(210a, 210b)의 장축이 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 외측 방향을 향하도록 배치될 수 있으므로, 구동장치의 부피를 증가시킬 수 있으므로, 상기 모터(210a, 210b)는 회전축이 평행하게 배치되는 것이 바람직하다.

이어서, 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b)는, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)에서 제공되는 회전 구동력의 방향을 변경하고, 감속하여 회전 구동력을 제공할 수 있도록, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)의 회전축에 각각 장착된 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b) 및 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)에 맞물리며 상기 모터(210a, 210b)의 회전축과 수직한 구동축을 갖는 한 쌍의 웜휠기어(250a, 250b)를 각각 구비할 수 있다.

한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)는 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 각각의 회전축에 장착될 수 있으므로, 상기 모터(210a, 210b)의 장축으로부터 상기 웜기어(230a, 230b)로부터 연장되는 회전축의 길이는 길어질 수 있다. 따라서, 앞서 언급한 바와 같이 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)가 서로 평행한 회전축으로 배치됨으로써, 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)의 회전축 서로 평행한 회전축으로 배치됨으로써, 회전함에 있어서 상호 간섭되는 것이 방지될 수 있다.

한 쌍의 상기 웜휠기어(250a, 250b)는 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)에 맞물리며, 각각 맞물린 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)의 회전축, 즉, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)의 회전축 각각과 수직한 구동축을 갖도록 구비될 수 있으며, 상기와 같은 웜기어(230a, 230b)와 웜휠기어(250a, 250b)의 수직한 맞물림 회전구조로 인해, 상기 모터(210a, 210b)로부터 제공된 회전 구동력의 방향은 변경될 수 있다.

상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜기어(230a, 230b)와 웜휠기어(250a, 250b)의 수직한 구동축의 맞물린 구조는, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 부피를 최소화하는데 기여할 수 있다. 만약, 상기 모터(210a, 210b)로부터 제공되는 회전 구동력의 이동경로가 상기 웜기어(230a, 230b)를 거쳐 상기 웜휠기어(250a, 250b)로 상기 모터(210a, 210b)의 회전축과 동일한 회전축으로 제공될 경우, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 장축은 증가되어, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 부피가 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 웜기어(230a, 230b)와 웜휠기어(250a, 250b)의 수직한 구동축의 맞물린 구조를 채택함으로써, 회전 구동력의 이동경로의 길이가 일 방향으로 증가하여 장치의 배치 효율성이 저하되는 것이 방지될 수 있다.

또한, 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜기어(230a, 230b)와 웜휠기어(250a, 250b)의 수직한 구동축의 맞물린 구조는, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)로부터 제공된 회전 구동력을 감속시키도록 제공된 구조일 수 있다.

상기 모터(210a, 210b)로부터 제공되는 회전 구동력은, 상기 모터(210a, 210b)의 종류, 상기 모터(210a, 210b)와 연결될 수 있는 전력 공급원 등과 같은 여러 조건에 따라서, 상이하게 제공될 수 있으므로, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)가 장착되어 사용되는 장치 및 사용자를 고려하여, 적절한 감속비로 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 설계할 수 있다. 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜기어(230a, 230b)와 웜휠기어(250a, 250b)의 감속비는 상기한 다양한 조건, 장치 및 사용자에 대한 고려를 통해 상이할 수 있으나, 일 예로 20:1의 감속비로 설계된 구조일 수 있다.

상기 제1 기어부(220a, 220b)의 감속구조는 상기 모터(210a, 210b)로부터 제공된 회전 구동력에 상기 웜기어(230a, 230b)의 회전 속도를 감소시킴과 동시에 모터(210a, 210b)의 출력 구동력을 증대시킬 수 있다.

다음으로, 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 상기 웜휠기어(250a, 250b)는 각각의 스프링 부재(270a, 270b)의 일단과 연결될 수 있으며, 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 하단에는 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b) 각각이 연결될 수 있다.

한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b)는 각각 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)로부터 회전 구동력을 전달받은 한 쌍의 상기 웜휠기어(250a, 250b)의 회전을 통해 비틀림 변형될 수 있다.

여기서, 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b)는 상기 웜휠기어(250a, 250b)와 동일한 회전축을 가지므로, 상기 웜휠기어(250a, 250b)와 동일한 회전축, 즉, 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 장축을 기준으로 상하가 비틀려 변형되며, 이러한, 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형에 기인하는 복원력이 발생하여, 그 복원력을 상기 제2 기어부(290a, 290b)로 전달함으로써, 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 회전시킬 수 있다.

즉, 상기 스프링 부재(270a, 270b)는, 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜휠기어(250a, 250b)의 회전에 의해 비틀려 변형되고, 비틀림 변형에 의한 복원력을 전달하는 방식으로 상기 웜휠기어(250a, 250b)로부터 전달받은 회전 구동력을 상기 제2 기어부(290a, 290b)로 전달할 수 있다.

상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 상기 웜기어(230a, 230b)로부터 회전축 방향이 변경된 상기 웜휠기어(250a, 250b)의 회전축은, 상기 스프링 부재(270a, 270b) 및 상기 제2 기어부(290a, 290b) 에서도 공유될 수 있으며, 따라서, 상기 웜휠기어(250a, 250b), 상기 스프링 부재(270a, 270b) 및 상기 제2 기어부(290a, 290b)의 동일한 회전축은 상기 모터(210a, 210b)로부터 제공된 회전 구동력의 이동경로일 수 있다.

상기한 바와 같이, 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b)는 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 한 쌍의 상기 웜휠기어(250a, 250b) 및 상기 제2 기어부(290a, 290b) 사이에 위치하여, 상기 웜휠기어(250a, 250b)로부터 상기 제2 기어부(290a, 290b)로의 회전력 이동의 경로가 되므로, 기존의 기어의 맞물림으로만 제공되었던 회전축의 경로에서보다 회전 구동력의 전달 경우, 발생될 수 있는 기계적 마찰력이 최소화 될 수 있다.

즉, 상기 제1 기어부(220a, 220b) 및 상기 제2 기어부(290a, 290b)는 기어의 직접적인 맞물림으로 연결되는 것이 아닌, 변형 및 복원되어 회전 구동력을 전달하는 스프링 부재(270a, 270b)를 매개로 연결되므로, 기존의 기어의 맞물림 및 회전에 의해 기인되는 기계적 마찰력을 감소시킬 수 있다.

이어서, 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형량에 따라 회전 구동력이 전달되어 구동대상 관절(hj, kj)을 구동하는 한 쌍의 제2 기어부(290a, 290b)는 각각 평행한 회전축을 중심으로 독립적으로 회전 구동되는 스퍼기어(290a, 290b)를 구비할 수 있다.

한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 구성하는 한 쌍의 스퍼기어(290a, 290b)의 구동축은 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜휠기어(250a, 250b) 및 상기 제2 기어부(290a, 290b)의 회전축과 일직선 상에 배치되며, 따라서, 상기 스퍼기어(290a, 290b)는 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형량에 비례하는 회전 구동력을 전달 받을 수 있다. 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)는 평행한 회전축 상에 구비되며, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)로부터 제공되는 회전 구동력이 전달되는 경로인 상기 제1 기어부(220a, 220b) 및 스프링 부재(270a, 270b) 또한 한 쌍이 서로 평행하게 구비되므로, 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 구성하는 스퍼기어(290a, 290b) 또한 서로 평행한 회전축을 중심으로 구비될 수 있다.

다음으로, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 한 쌍의 상기 회전축과 평행한 하나의 구동축을 중심으로 한 쌍의 제2 기어부(290a, 290b)를 구성하는 스퍼기어(290a, 290b)에 의하여 독립적으로 회전 구동되는 회전판 형태로 적층되어 구성될 수 있다.

한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 동일한 회전축을 공유함으로써, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200) 상에서 최소한의 회전축 영역만을 사용할 수 있다. 만약, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)가 동일한 회전축을 공유하지 않고, 각각이 별개의 회전축을 통해 회전 구동하게 된다면, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200) 상에서 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)가 회전하는 회전축 또한 별개의 위치로 구성되기 때문에, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 부피가 증가한다는 문제점이 발생될 수 있다.

더, 나아가 상기한 문제점으로 인해, 한 쌍의 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)를 회전 구동시키기 위해 작용하는 모터(210a, 210b) 및 복수의 기어 또한, 서로 복잡한 구조의 구동축 및 위치상에서 구비될 수 있으므로, 전체적인 장치의 설계에 큰 문제점이 발생될 수 있다.

따라서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 동일한 회전축을 공유하도록 구비되는 것이 바람직하며, 그 크기 또한 동일하게 구비되는 것이 바람직하다. 여기서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 사이에는 베어링이 구비되어 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 독립적인 회전이 부드럽게 수행될 수 있다.

한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 각각으로부터 제공된 회전 구동력을 통해 독립적으로 구동될 수 있는데, 이를 위해, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 중 하나(210a)와 연결되는 상기 제1 기어부(220a), 상기 스프링 부재(270a) 및 상기 제2 기어부(290a)가 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 중 하나(400a)와 연결될 수 있으며, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 중 나머지 하나(210b)와 연결되는 상기 제1 기어부(220b), 상기 스프링 부재(270b) 및 상기 제2 기어부(290b)가 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 중 나머지 하나(400b)와 연결될 수 있다.

따라서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 각각은 서로 다른 모터(210a, 210b)에서 제공되는 서로 다른 회전 구동력을 서로 다른 경로를 통해 전달 받음으로써, 개별적으로 회전 구동이 제어되어 각각의 관절의 복합 구동이 가능하다.

여기서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)로 회전 구동력을 전달하는 경로를 제공하는 구성들, 즉 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b), 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b), 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b) 및 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b)는 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 일 측면에 위치하도록 구비될 수 있으며, 따라서, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 전체적인 부피를 최소화 할 수 있으며, 그 설계가 단순화 될 수 있다.

한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 구성하는 한 쌍의 상기 스퍼기어(290a, 290b)의 회전을 통해 회전 구동하여, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)와 동일한 회전축을 공유하도록 구비될 수 있는 하나의 구동대상 관절(hj)을 회전 구동시킬 수 있으며, 또한, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)와 연결된 다른 구동대상 관절(kj)을 구동시킴으로써, 하나의 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)를 통해 복수의 서로 다른 구동대상 관절(hj, kj)을 구동시킬 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.

상술한 바로, 본 발명에 다른 다관절 로봇의 구동장치(200)는 하나가 복수 개의 관절(hj, kj)의 회전에 기여할 수 있도록 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)를 포함하고, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)를 독립적으로 구동시키기 위해, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)와 연결되는 상기 모터(210a, 210b), 상기 제1 기어부(220a, 220b), 상기 스프링 부재(270a, 270b) 및 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 각각 구비할 수 있다.

상기 다관절 로봇의 구동장치(200)가 장착되어 사용되는 상기 다관절 로봇(10)은 사용자의 신체에 착탈 가능하게 구비되어 사용자의 보행을 보조하는 하지 보조 로봇(10)일 수 있다.

물론, 본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)는 상기 하지 보조 로봇(10)에 장착되는 것으로 한정되지 않으며, 관절(hj, kj)의 움직임을 보조하여 사용자의 신체 거동을 보조할 수 있는 장치라면 특별히 제한되지 않으나, 본 명세서를 통해 이하에서 설명할 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)는 본 명세서 작성의 간결화와 본 발명의 이해를 수월하게 하기 위하여 상기 하지 보조 로봇(10)에 적용된 구동장치(200)로 설명될 수 있다.

이상에서는, 본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)의 개략적인 구성, 즉, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 각각으로부터 상기 관절 구동부재(400a, 400b)까지, 회전 구동력의 이동경로를 제공할 수 있는 구성들에 대해서 살펴보았다. 이하에서는, 상기한 각각의 구성요소들의 세부적인 구조 및 이에 따른 결합관계에 대해서 더욱 자세하게 검토한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치의 분해 사시도를 도시한다.

이하에서 설명될 수 있는 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 세부적인 구조 및 이에 따른 결합관계는, 상술한 바 있는 상기 다관절 로봇(10)에 있어서 회전 구동력의 이동 경로가 될 수 있는, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b), 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b), 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b), 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b), 및 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 구성, 작용 및 효과에 근거를 둔 일 실시예 일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)는 본 명세서의 청구범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 실시예에 따라서 상이하게 구성될 수 있으며, 그 중 일 실시예를 통해 본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)를 이해할 수 있다.

도 3내지 5를 참조하면, 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)는 한 쌍의 웜기어 커버(240a, 240b) 내에 각각 위치될 수 있다. 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)는 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)에서 모터(210a, 210b)의 서로 평행한 회전축에 장착될 수 있으며, 각각의 상기 웜기어 커버(240a, 240b) 내에 위치될 수 있다.

여기서, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 및 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 각각과 연결되는 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)는 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)를 기준으로 동일 측면에 구비될 수 있다.

상기 웜기어 커버(240a, 240b)를 구성하는 구성요소 및 이들의 결합구조는 아래와 같다.

한 쌍의 상기 웜기어 커버(240a, 240b)는 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)를 내부에 위치시키는 하우징(300)의 일 측면에 구비되어 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)를 내측에 위치시키는 한 쌍의 측면부재(241a, 241b)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 웜기어(230a, 230b)가 상기 모터(210a, 210b)로부터 회전 구동력에 의하여 회전되는 경우, 상기 웜기어(230a, 230b)의 상단이 상기 측면부재(241a, 241b)의 내측 상단을 통해 회전 가능하게 고정될 수 있으므로, 안정적으로 회전할 수 있다.

또한, 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 상기 웜휠기어(250a, 250b) 역시 한 쌍의 웜휠기어 커버(260a, 260b) 내에서 각각 위치될 수 있으며, 각각 연결되는 한 쌍의 웜기어(230a, 230b)와 수직한 위치에서 서로 평행한 회전축 상에 구비되는 한 쌍의 상기 웜휠기어(250a, 250b) 각각을 내측에 위치시킬 수 있도록 한 쌍의 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b)가 구비될 수 있다.

한 쌍의 상기 웜휠기어(250a, 250b)는 상기 하우징(300)의 측면에서 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)와 수직한 구동축을 갖도록 고정되어, 한 쌍의 상기 웜기어(230a, 230b)와 맞물려 회전할 수 있으며, 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b)를 구성하는 핀홀더(261a, 261b)가 상기 하우징(300)의 외측에서 상기 웜휠기어(250a, 250b)를 내측에 위치하도록 구비되므로, 상기 웜휠기어(250a, 250b)는 외부로부터 보호될 수 있다.

여기서, 상기 웜휠기어(250a, 250b)를 내측에 위치시키는 핀홀더(261a, 261b) 및 상기 웜기어(230a, 230b)를 내측에 위치시키는 측면부재(241a, 241b)는 힌지결합됨으로써, 상기 웜기어(230a, 230b)와 상기 웜휠기어(250a, 250b)의 선택적 맞물림 및 맞물림 해제를 가능하게 한다. 상기 웜기어(230a, 230b)와 상기 웜휠기어(250a, 250b)의 선택적 맞물림 및 맞물림 해제에 관한 설명은 후술한다.

상기 웜기어(230a, 230b)와 상기 웜휠기어(250a, 250b)의 맞물림을 가능하게 하기 위하여 상기 웜기어 커버(240a, 240b) 및 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b)는 적어도 하나의 측면이 상호 연통되도록 개방된 형태일 수 있다. 일 예로, 도 5를 참조하면, 상기 웜기어 커버(240a, 240b) 및 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b)는 장축방향으로 상면, 하면 및 일측면이 연결되는 ‘ㄷ’자 형태의 구조로 4측면 중 3측면이 개방될 구조일 수 있으며, 상기 웜기어 커버(240a, 240b) 및 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b)는 각각 개방된 3측면 중 한 측면을 통하여 서로 연통된 구조로 결합되므로, 상기 웜기어(230a, 230b) 및 상기 웜휠기어(250a, 250b)의 상호 맞물림이 가능하도록 구성될 수 있다.

상기 웜기어 커버(240a, 240b)는 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b)와 힌지 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 웜기어 커버(240a, 240b)는 상기 하우징(300)의 외측 측면에 결합되는 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b)와 힌지 결합될 수 있으며, 이를 위해, 상기 웜기어 커버(240a, 240b)와 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b) 각각의 상단 및 하단은 서로 중첩된 상태에서 힌지 핀(262)을 통해 고정됨으로써 힌지 결합이 가능할 수 있다.

이 경우, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)는 상기 웜기어(230a, 230b) 및 상기 웜휠기어(250a, 250b)를 한 쌍씩 구비하므로, 동일 구동축으로 소정거리 이격되어 위치하는 한 쌍의 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b)의 상호 마주보는 개방면, 상기 하우징(300)의 외측에 고정되는 또 다른 개방면은 상기 구동장치(200)의 외부의 접근으로부터 차단될 수 있으며, 각각의 나머지 하나의 개방면은 상기 웜기어 커버(240a, 240b)가 인접하여 상기 웜기어(230a, 230b)가 상기 웜휠기어(250a, 250b)에 맞물려 결합됨으로써, 그 내부가 외부로부터 보호될 수 있다.

또한, 상기 웜기어 커버(240a, 240b)는 상기 웜휠기어 커버(260a, 260b)와 상호 연통된 면의 반대 면으로 웜기어 보호부재(242a, 242b)를 구비하여 상기 웜기어(230a, 230b)를 외부로부터 보호할 수 있다.

한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b) 각각은 한 쌍의 상기 웜휠기어(250a, 250b)와 한 쌍의 상기 스퍼기어(290a, 290b) 각각과 동일 구동축 선상에서 안정적으로 위치하기 위하여 내주면에 삽입되는 연결 샤프트(275a, 275b)를 구비할 수 있다.

한 쌍의 상기 연결 샤프트(290a, 290b)는 한 쌍의 상기 웜휠기어(250a, 250b)에 결합된 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b) 각각의 내주면에 삽입되며, 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b)는 각각이 상기 연결 샤프트(290a, 290b)를 매개로 상기 스퍼기어(290a, 290b)에 연결될 수 있다. 그러나, 상기 연결 샤프트(290a, 290b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)에 있어서 필수적인 구성은 아니므로 생략될 수 있다.

상기 스프링 부재(270a, 270b)는 상기 모터(210a, 210b)에서 제공된 회전 구동력을 전달하면서 비틀림 변형되지만, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)는 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형량을 측정하고 비틀림 변형량에 따라 상기 모터(210a, 210b)를 제어함으로써 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형량을 제거하는 방법으로 비틀림 변형에 따른 발생 토크를 상쇄할 수 있다.

여기서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 각각 구동축 상에 엔코더(415a, 415b)를 구비함으로써, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 각각의 회전각을 측정하며, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 회전각을 근거로, 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형량을 측정할 수 있다.

종래의 하지 보조 로봇(10) 기술에 있어서, 각각의 관절(hj, kj)의 회전각을 측정하기 위해서는 각각의 관절(hj, kj)마다 상기 엔코더(415a, 415b)와 같은 센서가 부착되어야 하지만, 본 발명에 있어서는, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 구동축 상에 하나씩의 상기 엔코더(415a, 415b)를 구비하여, 사용자의 양 하지에 해당하는 각각의 관절(hj, kj) 각도를 각각의 하지 별로 측정할 수 있으므로, 소비되는 부품도 줄이고 크기 역시 줄일 수 있으며, 각 관절(hj, kj)의 구성을 간소화하여 유지 관리성도 향상시킬 수 있다.

상기 스프링 부재(270a, 270b)는 상기 관절 구동기(200)의 구성요소로 채택되어 구비되기 전에 그 강성이 고려되어 구비될 수 있는데, 그 이유는 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 강성이 크다면 비틀림 변형량이 감소하여 상기 모터(210a, 210b)로부터 제공되는 회전 구동력을 출력측으로 잘 전달할 수 있지만 상기 구동장치(200)를 사용함에 있어서 회전 구동력의 출력을 유연하게 제어할 수 없으며, 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 강성이 작으면 상기 구동장치(200)가 출력할 수 있는 회전 구동력이 작아질 수 있으므로 적절한 강성을 갖는 것으로 채택되어 구비될 수 있다.

상기 한 쌍의 제2 기어부(290a, 290b) 각각은 상기 스퍼기어(290a, 290b)를 구비할 수 있으며, 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b) 및 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 위치 및 크기에 따라, 또는 감속 및 동력 증폭의 목적으로 복수 개가 구비될 수 있다.

도 4에 도시된 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)에서는 상기 스퍼기어(290a, 290b)를 각각 하나씩 구비하는 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 도시하나, 이에 한정되지 않고 복수 개의 상기 스퍼기어(290a, 290b)가 평기어의 맞물림 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 제2 기어부(290a, 290b)가 복수 개의 상기 스퍼기어(290a, 290b)를 구비할 경우에도, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)의 효율적인 회전 구동력 전달경로를 위해서, 복수 개의 상기 스퍼기어(290a, 290b)의 회전축을 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 회전축과 평행하게 위치시키는 것이 바람직하다.

이와 같이, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)를 구성하는 복수의 기어, 즉, 상기 제1 기어부(220a, 220b) 및 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 구성하는 기어들은 상술한 회전축의 위치, 즉, 상기 모터(210a, 210b) 및 관절 구동부재(400a, 400b)와의 회전축 방향 조건을 만족할 수 있다면, 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)가 적용되는 하지 보조 로봇(10)의 용도 및 필요한 회전 구동력에 따라서 더 구비될 수 있고, 기어의 상호 연결관계 또한 수직한 구동축 및 동일 구동축 상에서 일적선 상에 연결되는 구조 중에서 선택적인 조합으로 설계가 가능하다.

한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b)는 한 쌍의 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형량에 따라 회전 구동력을 전달받아 상기 구동대상 관절(hj, kj)을 구동할 수 있다.

상기 구동대상 관절(hj, kj)은 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)가 장착된 상기 하지 보조 로봇(10)을 사용자가 착용하였을 경우, 사용자의 각 관절측에 대응되어 사용자의 관절과 유사한 역할을 하도록 구비되는 것으로서, 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b)와 맞물려 연결된 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 회전에 의해 구동될 수 있다.

여기서, 상기 구동대상 관절(hj, kj)은 상기 하지 보조 로봇(10)을 장착한 사용자의 신체구조 및 신체 거동 보완사항 등을 고려하여, 복수 개 또는 하나가 구비될 수 있으며, 복수 개가 구비될 경우, 복수 개의 상기 구동대상 관절(hj, kj)은 링크부재(l1, l2)를 매개로 하여 서로 이격된 위치에서 연결될 수 있다.

복수 개의 상기 구동대상 관절(hj, kj)은 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)와 직접적으로 연결되는 제1 관절(hj) 및 상기 제1 관절(hj)과 이격된 위치에서 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)와 상기 링크부재(l1, l2)를 매개로 연결되는 제2 관절(kj)을 포함할 수 있다.

도 2를 참조하여 상기 하지 보조 로봇(10)을 살펴보면, 상기 제1 관절(hj)은 상기 하지 보조 로봇(10)을 장착한 사용자의 엉덩이 관절을 보조하도록 구비되고, 상기 제2 관절(kj)은 사용자의 무릎 관절을 보조하도록 구비될 수 있다.

따라서, 상기 하지 보조 로봇(10)을 장착하는 사용자는 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)를 통해 구동력을 전달받아 회전 구동되는 상기 제1 관절(hj) 및 제2 관절(kj)을 통해서, 엉덩이 관절 및 무릎 관절의 힘을 보조받아 보행할 수 있다.

상기 제1 관절(hj)은 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 구동축으로서 이해될 수 있다.

상기 제1 관절(hj) 및 제2 관절(kj)은 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)가 장착된 상기 하지 보조 로봇(10)에 적용되어, 엉덩이 관절 및 무릎 관절의 신전 및 굴곡을 보조하는 구성으로, 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 구동축의 위치는 상기 하지 보조 로봇(10)을 장착하는 사용자의 엉덩이 관절측에 위치되는 것이 바람직할 수 있으므로, 상기 하지 보조 로봇(10)에서 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 구동축의 위치에 상기 제1 관절(hj)이 위치하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 구동축은 상기 제1 관절(hj)일 수 있다.

한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 서로 적층된 형태로 동일한 구동축을 공유하며, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 구동축은 서로 평행한 구동축을 갖는 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b)의 구동축과 평행하게 구비될 수 있다. 따라서, 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 구성하는 한 쌍의 스퍼기어(290a, 290b)와 맞물려 회전될 수 있다.

상기 관절 구동부재(400a, 400b) 및 제2 기어부(290a, 290b)와의 결합구조에 대해 더욱 자세히 살펴보면, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 중 하나의 관절 구동부재(400a)는 한 쌍의 상기 제2 기어부(290a, 290b) 중 하나의 상기 제2 기어부(290a)와 맞물려 결합될 수 있으며, 나머지 상기 관절 구동부재(400b) 는 나머지 상기 제2 기어부(290b)와 맞물려 결합될 수 있다.

따라서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 각각의 상기 제2 기어부(290a, 290b)와 연결됨으로써, 개별적으로 각각 연결된 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 회전시키는 상기 모터(210a, 210b)로부터 구동력을 전달받아, 동일한 구동축으로 적층된 위치에서 서로 독립적으로 회전 구동될 수 있다.

한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 중 적어도 하나에 따른 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형량은 상기 모터(210a, 210b)에 의하여 상쇄될 수 잇다.

구체적으로, 상기 상기 스프링 부재(270a, 270b)는 상기 구동장치(200)에 회전 구동력을 제공하는 모터(210a, 210b)에 의한 회전과는 별개로 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 회전에 대응한 유연한 구동을 가능하게 한다.

즉, 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 상기 관절 구동부재(400a, 400b)와 연결되는 상기 제2 관절(kj)과 연결되어 지면으로부터 사용자의 신체를 지지하는 지지부재(s)가, 지면이나 벽 또는 외부 사물과의 상호작용을 할 경우, 상기 구동장치(200)에서 제공되는 회전 구동력으로 인한 회전과는 별개의 회전이 이루어질 수 있다.

여기서 상기 지지부재(s)가 외부와의 상호작용을 하여 외부의 힘을 상기 하지 보조 로봇(10)으로 전달할 때, 상기 관절 구동부재(400a, 400b)를 회전 구동시키는 상기 제2 기어부(290a, 290b)와 연결된 상기 스프링 부재(270a, 270b)는 비틀려 변형될 수 있다. 즉, 상기 하지 보조 로봇(10)가 외부와 작용할 경우, 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 회전될 수 있으며, 따라서, 상기 구동장치(200)는 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 변형에 의한 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형을 보상하기 위하여 상기 모터(210a, 210b)를 회전시켜 상기 스프링 부재(270a, 270b)를 다시 복원시킬 수 있다.

따라서, 상기 구동장치(200)는 상기 관절 구동부재(400a, 400b)에 회전 구동력을 제공하여 회전시킴과 동시에 상기 관절 구동부재(400a, 400b)에서 발생되는 별도의 회전에도 대응하여 구동되므로, 더욱 유연한 관절 구동부재(400a, 400b)의 회전 구동이 가능할 수 있다.

상술한 바로, 상기 구동장치(200)가 스프링 부재(270a, 270b)를 채용하여 구비함으로써, 상기 구동장치(200)에 발생될 수 있는 회전 출력에 대응하는 마찰이 저감될 수 있으며, 출력측에 발생되는 외부와의 상호작용에 의한 회전에 있어서도 유연하게 반응할 수 있는 것에 대해 살펴보았다.

그러나, 상기 관절 구동기(200)에 연결된 상기 관절 구동부재(400a, 400b)는 경우에 따라서 임의적으로 외부와의 상호작용이 이루어져야 하는 경우가 있다. 즉, 상기 하지 보조 로봇(10)을 사용하는 사용자는 상기 구동장치(200)로부터 회전 구동력을 제공받아 거동함과 동시에, 경우에 따라 회전 구동력과 관계없는 관절의 움직임이 필요할 경우가 있다.

예를 들어, 상기 하지 보조 로봇(10)의 사용자가 보행 도중 관절에서 발생되는 통증 등을 완화하거나, 의자 또는 바닥에 앉게 되는 경우이다.

이 경우, 상술한 바와 같이 상기 구동장치(200)는 사용자의 의도에 대응하여 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형을 보상함으로써, 사용자는 의도에 맞게 거동할 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도 상기 구동장치(200)에 회전 구동력을 제공하는 상기 모터(210a, 210b)는 작동하며, 이에 따라 상기 모터(210a, 210b)는 항시 작동해야 하므로 충전 방식의 배터리를 사용하는 경우 전력을 효율적으로 사용할 수 없다.

따라서, 이하에서는 필요한 상황에서 선택적으로 기어의 맞물림을 해제하여 외부와의 상호작용에 대해 더욱 유연하게 대처할 수 있는 구동장치의 작동상태에 대해 검토한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치를 구성하는 제1 기어부의 맞물림 상태 및 맞물림 해제 상태를 도시하며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치를 구성하는 제1 기어부의 맞물림 상태 및 맞물림 해제 상태의 상면도를 도시한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)에서, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 및 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜기어(230a, 230b)는 상기 구동장치(200)를 구성하는 상기 하우징(300)에 힌지 결합될 수 있으며, 이로 인해, 한 쌍의 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜기어(230a, 230b)는 한 쌍의 상기 웜휠기어(250a, 250b)와 근접하여 맞물림 상태가 되거나, 이격되어 맞물림 상태가 해제되도록 힌지 결합된 곳을 중심으로 회전 가능하게 구성될 수 있다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 한 쌍의 상기 웜기어 케이스가 상기 하우징(300)에 고정된 한 쌍의 상기 웜휠기어 케이스에 힌지 결합됨으로써, 힌지 결합된 곳을 기준으로 회전 가능한 것을 도시하고 있으나, 상기 웜휠기어 케이스는 상기 하우징(300)과 마찬가지로 상기 다관절 로봇의 구동장치를 구성하는 구성요소들의 일부분을 외부로부터 보호하는 역할을 하며, 또한, 상기 하우징(300)에 고정된 상태로 구비되므로, 상기 하우징(300)에 포함된 것으로 이해될 수 도 있다.

구체적으로 살펴보면, 상기 구동장치(200)는 상기 하우징(300)의 일 측면에서 부착되어 고정될 수 있다. 이 때, 상기 웜휠기어 케이스(260a, 260b)는 상기 하우징(300)의 일 측면에 돌출되게 구비되며, 이에 따라, 상기 웜휠기어(250a, 250b) 또한, 상기 하우징(300) 상에서 돌출된 위치에 구비될 수 있다. 여기서, 상기 하우징(300) 상에서 돌출된 위치에 구비된 상기 웜휠기어(250a, 250b)와 연결된 스프링 부재(270a, 270b) 및 상기 스프링 부재(270a, 270b)와 연결된 상기 제2 기어부(290a, 290b)를 구성하는 스퍼기어(290a, 290b)는 상기 하우징(300)의 일측면 외부에 위치하는 상기 웜휠기어(250a, 250b)로부터 상기 하우징(300)의 내측 방향 쪽으로 위치되도록 구비될 수 있다.

또한, 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b) 및 한 쌍의 상기 모터(210a, 210b)의 회전축에 장착된 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜기어(230a, 230b)는 상기 웜기어 케이스(240a, 240b) 내에 구비되고 상기 웜기어 케이스(240a, 240b)는 상기 하우징(300)의 일측면에 위치될 수 있다.

여기서, 상기 웜기어 케이스(240a, 240b)는 앞서 설명하였던 상기 힌지 핀(262)을 통하여 상기 웜휠기어 케이스(260a, 260b)와 힌지결합되어 고정될 수 있으며, 상기 하우징(300)의 외측 일측면에 구비된 상기 제1 기어(220a, 220b)를 구성하는 상기 웜휠기어(250a, 250b)가 내부에 위치하는 상기 웜휠기어 케이스(260a, 260b)에 밀착되게 구비될 수 있다.

따라서, 밀착되어 구비된 상기 웜기어 케이스(240a, 240b)와 상기 웜휠기어 케이스(260a, 260b)로 인하여 상기 웜기어 케이스(240a, 240b) 및 상기 웜휠기어 케이스(260a, 260b) 각각의 내부에 위치한 상기 웜기어(230a, 230b) 및 상기 웜휠기어(250a, 250b)는 서로 맞물려 위치될 수 있다.

상기 웜기어 케이스(240a, 240b)는 상기 힌지 핀(262)을 통하여 상기 하우징(300)에 고정된 상기 웜휠기어 케이스(260a, 260b)와 힌지결합되므로 상기 웜휠기어 케이스(260a, 260b)와 힌지 결합된 곳을 중심으로 회전할 수 있는데, 이 경우, 상기 웜기어 케이스(240a, 240b)는 회전하여 상기 웜휠기어 케이스(260a, 260b)와 가까워지게 또는 멀어지게 회전될 수 있다.

즉, 상기 웜기어 케이스(240a, 240b)는 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜기어(230a, 230b)가 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 상기 웜휠기어(250a, 250b)와 근접하여 맞물림 상태가 되거나, 이격되어 맞물림 상태가 해제되도록 상기 웜휠기어 케이스(260a, 260b)와 힌지 결합된 곳을 중심으로 회전될 수 있다.

도 6의 (a) 및 도 7의 (b)를 참조하면 상기 웜기어(230a, 230b)가 상기 웜휠기어(250a, 250b)와 가까워지게 근접하여 상기 웜기어(230a, 230b) 및 상기 웜휠기어(250a, 250b)가 서로 맞물린 상태에 있는 것을 볼 수 있으며, 도 6의 (b) 및 도 7의 (b)를 참조하면 상기 웜기어(230a, 230b)가 상기 웜휠기어(250a, 250b)와 멀어지게 회전된 상태에서 상기 웜기어(230a, 230b)와 상기 웜휠기어(250a, 250b)의 맞물림이 해제 상태에 있는 것을 확인할 수 있다.

여기서, 상기 제1 기어부(220a, 220b)를 구성하는 웜기어(230a, 230b)와 웜휠기어(250a, 250b)의 맞물림 상태를 안정적으로 지지하기 위하여 상기 하우징(300)에 자석 구조(미도시)를 채용하여 쉽게 분리되지 않도록 구성할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)는 상기 제1 기어부(220a, 220b)의 상호 맞물림 상태를 선택적으로 결정할 수 있으므로, 상기 모터(210a, 210b)에서 제공되는 회전 구동력이 불필요하거나 배터리 전원의 절약이 필요한 경우 상기 제1 기어부(220a, 220b)의 상호 맞물림 상태를 선택적으로 해제할 수 있으며, 따라서, 상기 모터(210a, 210b)의 사용을 선택적으로 조절하여 전력 사용량을 감소시킬 수 있다.

즉, 상기 웜기어(230a, 230b)와 상기 웜휠기어(250a, 250b)의 맞물림 상태를 해제하는 방법은 구동력 전달 경로를 완전히 분리하는 것이므로, 상기 스프링 부재(270a, 270b)의 비틀림 변형량을 제거하는 방법으로 기계적 마찰을 조절하는 방법보다 근본적인 방법으로 사용자가 느끼는 기계적 마찰을 제거할 수 있다.

또한, 상기 구동장치(200)를 사용중에는 상기 스프링 부재(270a, 270b)를 통해 기계적 마찰이 저감된 유연한 회전 구동력의 출력을 구현할 수 있으며, 또한, 상기 모터(210a, 210b)에 의한 회전 구동력이 필요 없거나 외부와의 임의적인 상호작용이 필요한 경우, 상기 제1 기어부(220a, 220b)의 상호 맞물림 관계를 해제시킬 수 있으므로 상기 구동장치(200)가 더욱 유연하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)는 하지 보조 로봇(10)에 장착됨으로써, 상기 하지 보조 로봇(10)을 장착하는 사용자의 엉덩이 관절 및 무릎 관절의 움직임을 수월하게 하여, 거동이 불편한 사용자의 보행을 정상인과 최대한 유사하게 하는데 목적이 있다.

따라서, 이하에서는, 상기 하지 보조 로봇(10)에 장착되는 상기 다관절 로봇의 구동장치(200)에 있어서, 각 관절의 상호 작동관계에 대해 검토한다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 독립적 회전에 따라 복수의 관절을 구동시키기 위해서는, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 및 각 관절간의 연결관계가 중요할 수 있다. 즉, 하지 보조 로봇(10)과 같이 하지의 각 관절을 전방 또는 후방으로 신전 또는 굴곡시켜 보행을 보조하는 로봇에 있어서는, 상기 관절 구동부재(400a, 400b)를 회전시켜, 각 관절의 전후방 회전을 제어할 수 있어야 한다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇의 구동장치(10)에서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 각각은 한 쌍의 상기 링크부재(l1, l2)를 매기로 상기 제2 관절(kj)의 전방부 및 후방부 각각과 연결할 수 있다. 따라서, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)가 상기 제2 관절(kj)의 전방부 및/또는 후방부를 통하여 상기 제2 관절(kj)에 회전력을 전달할 수 있으며, 이로 인해, 상기 제2 관절(kj)은 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 회전 제어에 따라, 전방 또는 후방으로 회전될 수 있다. 여기서, 상기 제2 관절(kj)은 원형의 기어형태 또는 상기 링크부재(l1, l2)와 상기 지지부재(s)와의 힌지 결합형태로 구성이 제시될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 사람의 하지 중 무릎 관절부를 신전시키거나 굴곡시킬 수 있는 구조라면 어떠한 구조라도 가능하다.

구체적으로, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 중 제1 관절 구동부재(400a)와 제1 연결부재(410a)를 매개로 연결되는 제1 링크부재(l1)는 상기 제2 관절(kj)의 후방부에 연결될 수 있으며, 제2 관절 구동부재(400b)와 제2 연결부재(410b)를 매개로 연결되는 제2 링크부재(l2)는 상기 제2 관절(kj)의 전방부에 연결될 수 있다. 즉, 한 쌍의 관절 구동부재(400a, 400b)는 각각의 연결부재(410a, 410b)를 구비하고, 각각의 링크부재(l1, l2)를 매개로 상기 제2 관절(kj)과 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(10)는 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 구동축일 수 있는 상기 제1 관절(hj) 및 상기 제1 관절(hj)과 이격된 위치에서 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)와 한 쌍의 상기 링크부재(l1, l2)를 매개로 연결되는 제2 관절(kj)을 포함하며, 상기 제1 관절(hj) 및 상기 제2 관절(kj)을 통하여, 상기 하지 보조 로봇(10)을 장착하는 사용자의 엉덩이 관절 및 무릎 관절의 움직임을 보조할 수 있다.

여기서, 상기 제2 관절(kj)은 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b), 즉 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b) 중 하나가 회전 구동됨에 따라 회전 구동될 수 있다.

구체적으로, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 제1 관절 구동부재(400a)에 구비된 상기 제1 연결부재(410a)는 상기 제1 링크부재(l1)를 매개로 상기 제2 관절(kj)의 후방부에 연결될 수 있으며, 상기 제2 관절 구동부재(400b)에 구비된 상기 제2 연결부재(410b)는 상기 제2 링크부재(l2)를 매개로 상기 제2 관절(kj)의 전방부에 연결될 수 있으므로, 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b) 각각의 상이한 회전에 따라, 상이한 회전 특성을 보일 수 있다.

즉, 한 쌍의 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 제2 관절 구동부재(400b)가 동시에 같은 방향으로 회전하느냐, 다른 방향으로 회전하느냐에 따라서, 상기 제2 관절(kj)의 회전특성은 달라질 수 있으며, 또한, 한 쌍이 동시에 회전하느냐, 하나만 회전하느냐에 따라서도 다른 회전특성이 나타날 수 있다. 여기서, 한 쌍의 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 제2 관절 구동부재(400b) 각각의 회전 각도 또한 상기 제2 관절(kj)의 회전특성에 영향을 미치는 매우 중요한 요소로 작용할 수 있다. 상기한 사항은 상기 제2 관절(kj)뿐만 아니라 상기 제1 관절(hj)의 회전특성에 관해서도 마찬가지일 수 있다.

상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b)는 상기 하지 보조 로봇(10)을 장착하는 사용자의 보행 주기에 따라 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전되거나, 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b) 중 하나만 회전될 수 있다.

사용자의 보행 주기에 대해서는 도 2를 참조할 수 있으며, 도 2에 도시된 (a) 내지 (d)의 그림의 사용자의 양 하지 중, 검은색으로 표시된 오른 쪽 하지를 통해 사용자 보행 주기에 따른 각 관절의 회전 특성을 검토한다.

도 2를 참조하면, 사용자의 보행 주기는 개략적으로 하지가 바닥과 접촉하는 입각기((a) 내지 (c)) 및 접촉하지 않는 유각기((d))로 분류될 수 있으며, 보행시, 각각의 입각기 및 유각기가 다시 세분화되어 각각의 상황에 맞게, 엉덩이 관절 및 무릎 관절이 각각 개별적으로 움직여 보행하게 된다.

따라서, 상기 다관절 로봇의 구동장치(10)는 각각의 보행 주기에 있어서 상기 하지 보조 로봇(10)을 착용하는 사용자가 정상인의 보행과 유사하게 거동할 수 있도록 상기 제1 관절(hj) 및 제2 관절(kj)을 적절하게 회전 구동시켜야 할 필요가 있다.

한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 회전 조절로 인하여 상기 제1 관절(hj) 및 상기 제2 관절(kj)이 정상인의 자연스러운 보행을 지향하도록 하는 것은, 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b)의 개별적인 회전 조절을 통해 가능하다.

구체적으로, 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b)가 함께 회전될 경우, 상기 제1 관절(hj) 및 상기 제2 관절(kj)은 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전 구동될 수 있으며, 또는, 어느 하나의 관절은 정지될 수 있다.

일 예로서, 하지 보조 로봇(10)을 착용한 사용자가 보행시 전방으로 하지를 신장하여 지면에 발을 접촉하기 시작할 경우, 앞으로 나아가는 하지의 제1 관절(hj) 및 제2 관절(kj)은 동일한 방향, 즉 전방을 향하여 회전하도록 구동될 수 있다. 이를 위해서는, 제1 관절(hj)은 사용자의 신체를 기준으로 굴곡되어야 하며, 제2 관절(kj)은 굴곡 상태가 해제되어 전개되어야 한다.

따라서, 상기 제2 관절 구동부재(400b)는 전방으로 회전하여 상기 제1 관절(hj)이 전방 방향으로 회전하도록, 즉, 상기 제1 관절(hj)이 사용자의 신체를 기준으로 전방으로 굴곡하도록 구동할 수 있으며, 상기 제1 관절 구동부재(400a)는 상기 제2 관절 구동부재(400b)의 전방 회전각 보다 더 큰 각도를 전방으로 회전시킴으로써, 상기 제1 관절(hj)의 전방 회전에 기여함과 더불어 상기 제2 관절(kj)의 후방부을 통해 상기 제2 관절(kj)을 전방으로 크게 회전시켜, 상기 제2 관절(kj)이 전개될 수 있다.

상기 실시예는, 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b)의 구조 및 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)와 각 관절(hj, kj)간의 연결 관계 및 연결 구조에 따라서 달라질 수 있다. 그러나, 본 명세서에서는 발명의 보다 수월한 이해를 위하여, 본 명세서의 도면을 참고하여 설명될 수 있는 실시예에 대해 설명하기로 한다. 물론, 본 발명의 내용은 본 명세서의 도면에서 도시되어 있지 않은 경우라도 다양한 실시예를 갖을 수 있다.

다음으로, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)가 함께 회전될 경우, 상기 제1 관절(hj) 및 상기 제2 관절(kj) 중 어느 하나의 관절은 고정되어 정지되어 나머지 하나의 관절만 회전 구동될 수도 있다. 이에 대해서는, 앞서 설명하였듯이, 상기 제2 관절(kj)의 전방부를 통해 상기 제2 관절(kj)의 회전에 기여하는 상기 제2 관절 구동부재(400b)의 회전각도에 따라, 이와 동일 방향으로 회전하는 상기 제1 관절 구동부재(400a)의 회전각도를 조절함으로써 이루어 질 수 있다.

구체적으로, 상기 제2 관절 구동부재(400b)가 전방으로 회전함과 동시에 상기 제1 관절 구동부재(400b)가 동일 방향, 동일 각도로 회전하게 된다면, 상기 제2 관절 구동부재(400b) 및 상기 제1 관절 구동부재(400a)가 상기 제2 관절(kj)의 전방 이동을 동일한 거리로 동시에 지향하게 되므로, 상기 제1 관절(hj)만 전방으로 회전할 뿐, 상기 제2 관절(kj)은 고정된 상태, 즉, 상기 제1 관절(hj)의 회전에 따라서, 무회전 상태에서 위치만 변경될 수 있다.

앞선 실시예와 반대로, 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b) 중 하나의 관절 구동부재만 회전될 경우, 즉, 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b) 중 하나만 회전 될 경우, 상기 제1 관절(hj) 및 상기 제2 관절(kj) 중 하나는 고정되어 다른 하나만 회전 구동될 수 있으며, 또는, 상기 제1 관절(hj) 및 상기 제2 관절(kj)이 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전 구동될 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 관절부재(400a)가 고정된 상태에서 상기 제2 관절부재(400b)가 전방으로 매우 큰 각도 회전할 경우, 상기 제2 관절부재(400b)와 연결된 상기 제2 링크부재(l2)가 한 쌍의 상기 관절부재(400a, 400b)의 구동축을 기준점으로 하여 전방으로 회전됨으로써, 상기 제1 관절(hj)이 굴곡되며, 상기 제1 관절부재(400a)는 고정되어 있으므로 상기 제1 관절(hj)의 회전에 직접적인 영향을 미치지는 않지만, 상기 제1 관절부재(400a)와 연결된 상기 제1 링크부재(l1)가 상기 제2 링크부재(l2)와 같이 상기 제2 관절(kj)과 연결되어 있으므로, 상기 제2 링크부재(l2)의 회전에 의하여 상기 제2 관절(kj)이 전방으로 올라가게 되고, 이로 인해, 상기 제1 링크부재(l1)가 상기 제2 관절(kj)에 영향을 미쳐, 상기 제2 관절(kj)이 후방으로 굴곡되게 된다.

다른 경우를 살펴보면, 상기 제2 관절 구동부재(400b)가 고정된 상태에서 상기 제1 관절 구동부재(400a)가 약간의 회전각 회전될 경우, 즉, 상기 제1 관절 구동부재(400a)와 연결된 상기 제1 링크부재(l1)가 상기 제1 링크부재(l1)와 같이 상기 제2 관절(kj)에 연결된 상기 제2 링크부재(l2)와 연결된 상기 제1 관절 구동부재(400b)에 영향을 미치지 않는 약간의 각도만큼 후방으로 회전할 경우, 상기 제1 관절(hj)은 고정된 상태에서 상기 제2 관절(kj)이 후방으로 굴곡될 수 있다.

이상에서는, 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b)의 회전 특성을 조절하여 상기 하지 보조 로봇(10)을 착용한 사용자의 보행 주기에 맞는 관절의 움직임 조절에 대해 살펴 보았으나, 상기 제1 관절(hj) 및 상기 제2 관절(kj) 각각을 서로 신장 시키는 방향으로 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b)를 회전시키거나, 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b)를 고정시키는 방법을 통하여, 상기 하지 보조 로봇(10)의 사용자 신체를 지면으로부터 지지되도록 하지를 고정시킬 수 도 있다.

상술한 실시예들은, 앞서 설명하였듯이, 상기 제1 관절 구동부재(400a) 및 상기 제2 관절 구동부재(400b)의 구조 및 한 쌍의 상기 관절 구동부재(400a, 400b)와 각 관절(hj, kj)간의 연결 관계 및 연결 구조에 따라서 달라질 수 있으므로, 복수의 관절 구동부재의 회전 구동에 의하여 관절 구동부재와 연결된 복수의 관절의 회전이 제어될 수 있는 실시예들로 보는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(10)는 상기 하지 보조 로봇(10)에 장착되어 사용됨으로써, 상기 하지 보조 로봇(10)을 장착한 사용자가 보행할 경우, 지면과 접촉하는 입각기 및 지면과 접촉하지 않고 회전하는 유각기 중인 사용자의 하지를 각각의 상황에 맞게 올바른 보행을 할 수 있도록 보조할 수 있으며, 이를 위해, 상기 제1 관절(hj)과 제2 관절(kj)은 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전되거나, 상기 제1 관절(hj) 및 제2 관절(kj) 중 하나만 회전되도록 하는 등 다양한 실시예를 통하여 상기 관절 구동부재(400a, 400b)의 회전 특성을 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 다관절 로봇의 구동장치(200)에 의하면, 하나의 구동장치(10)를 통하여, 복수 개의 관절을 구동할 수 있으므로, 상기 구동장치(10)를 장착하는 하지 보조 로봇(10)의 부피와 무게를 최소화 할 수 있으며, 사용되는 전력량 또한 절약할 수 있다.

더 나아가, 상기 다관절 로봇의 구동장치(10)를 장착한 하지 보조 로봇(10)의 관절 구조 및 골격 구조가 신체 등의 다관절근 골격 구조 및 관절 구조와 유사하도록 설계됨으로써, 거동이 불편한 사용자가 상기 하지 보조 로봇(10)을 사용함으로써, 더욱 자연스러운 움직임을 가능하게 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 하지 보조 로봇
100 : 바디
200 : 다관절 로봇의 구동장치
210a, 210b : 모터
220a, 220b : 제1 기어부
230a, 230b : 웜기어
250a, 250b : 웜휠기어
270a, 270b : 스프링 부재
290a, 290b : 제2 기어부(스퍼기어)
300 : 하우징
400a, 400b : 관절 구동부재
410a, 410b : 연결부재
l1, l2 : 링크부재
hj : 제1 관절
kj : 제2 관절

Claims (11)

1. 착용자의 엉덩이 영역의 관절인 제1 관절 영역에 배치되어 상기 제1 관절과 무릎 영역의 관절인 제2 관절의 움직임을 보조하기 위한 관절 구동기에 있어서,
   회전축이 평행하게 배치된 한 쌍의 모터;
   한 쌍의 상기 모터에서 제공되는 회전 구동력의 방향을 변경하고, 감속하여 회전 구동력을 제공하는 한 쌍의 제1 기어부;
   한 쌍의 상기 제1 기어부에서 제공된 구동력에 의한 비틀림 변형량이 결정되는 한 쌍의 스프링 부재;
   한 쌍의 상기 스프링 부재의 비틀림 변형량에 따라 회전 구동력이 전달되어 구동대상 관절을 구동하는 한 쌍의 제2 기어부; 및,
   한 쌍의 상기 제2 기어부에 의하여 전달되는 회전력에 의하여 동일한 회전축을 중심으로 회전 구동되며, 다관절 로봇의 복수 개의 상기 구동대상 관절을 회전 구동시키는 한 쌍의 관절 구동부재;를 포함하고,
   한 쌍의 상기 제1 기어부는 한 쌍의 상기 모터의 회전축에 각각 장착된 한 쌍의 웜기어 및 한 쌍의 상기 웜기어에 맞물리며 상기 모터의 회전축과 수직한 구동축을 갖는 한 쌍의 웜휠기어를 각각 구비하며, 한 쌍의 상기 제1 기어부를 구성하는 모터 및 웜기어는 상기 다관절 로봇의 구동장치를 구성하는 하우징에 힌지 결합되어, 한 쌍의 상기 제1 기어부를 구성하는 웜기어는 한 쌍의 상기 웜휠기어와 근접하여 맞물림 상태가 되거나, 이격되어 맞물림 상태가 해제되도록 힌지 결합된 곳을 중심으로 회전 가능하게 구성되고,
   한 쌍의 상기 제2 기어부는 각각 평행한 회전축을 중심으로 독립적으로 회전 구동되는 스퍼기어를 구비하며, 한 쌍의 상기 관절 구동부재는 한 쌍의 상기 스퍼기어의 회전축과 평행한 하나의 구동축을 중심으로 한 쌍의 상기 제2 기어부를 구성하는 스퍼기어에 의하여 독립적으로 회전 구동되는 회전판 형태로 적층되어 구성되며, 한 쌍의 상기 제2 기어부를 구성하는 상기 스퍼 기어는 평행한 한 쌍의 상기 회전축 상에 서로 다른 위치에 장착되어 상기 관절 구동부재로 회전 구동력을 전달하며,
   상기 관절 구동부재는 한 쌍의 제1 관절 구동부재와 제2 관절 구동부재를 포함하고, 각각의 관절 구동부재는 제1 링크부재 및 제2 링크부재에 연결되고,
   상기 제1 관절 구동부재와 연결되는 상기 제1 링크부재는 상기 제2 관절의 후방부에 연결되며, 상기 제2 관절 구동부재와 연결되는 상기 제2 링크부재는 상기 제2 관절의 전방부에 연결되어
   상기 제1 관절 구동부재와 상기 제2 관절 구동부재의 독립 구동에 따라 각각 한 쌍의 제1 및 제2 링크부재를 매개로 제2 관절을 구동하는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 구동장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   한 쌍의 상기 관절 구동부재 중 적어도 하나의 회전에 다른 상기 스프링 부재의 비틀림 변형량은 상기 모터에 의하여 상쇄될 수 있는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 구동장치.
4. 제1항에 있어서,
   한 쌍의 상기 관절 구동부재는 보행 주기에 따라 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전 되거나, 한 쌍의 상기 관절 구동부재 중 하나의 관절 구동부재만 회전되는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 구동장치.
5. 제4항에 있어서,
   한 쌍의 상기 관절 구동부재가 함께 회전될 경우, 상기 제1 관절 및 상기 제2 관절은 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전 구동되거나, 어느 하나의 관절은 정지되는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 구동장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 다관절 로봇의 구동장치가 구비된 다관절 로봇을 장착한 사용자가 보행할 경우, 지면과 접촉하는 입각기 및 지면과 접촉하지 않고 회전하는 유각기 중인 사용자의 하지의 상기 제1 관절과 제2 관절은 서로 같은 방향 또는 다른 방향으로 회전되거나, 상기 제1 관절 및 제2 관절 중 하나만 회전되도록 상기 관절 구동부재를 회전 구동시키는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 구동장치.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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