KR102309407B1 - 탄성구조체, 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 토크에 대한 충분한 범위의 선형적 탄성 변형이 가능함과 동시에 토크 전달을 위한 충분한 탄성력이 확보된 탄성구조체, 상기 탄성구조체를 동력 전달수단으로 구비하여 구동모터의 토크를 충분히 증폭시킬 수 있고 단일 기어 형태로 구성이 가능하여 관절구동기의 구조를 단순화할 수 있는 탄성기어유닛, 및 상기 탄성기어유닛을 구비하고 사용자의 보행을을 정확하게 보조할 수 있는 관절구동기에 관한 것이다.

Description

탄성구조체, 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기{Elastic Structure, Elastic Gear Unit And Joint Actuator Having the Same}

본 발명은 탄성구조체, 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절 구동기에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 외부 토크에 대한 충분한 범위의 선형적 탄성 변형이 가능함과 동시에 토크 전달을 위한 충분한 탄성력이 확보된 탄성구조체, 상기 탄성구조체를 동력 전달수단으로 구비하여 구동모터의 토크를 충분히 증폭시킬 수 있고 단일 기어 형태로 구성이 가능하여 관절구동기의 구조를 단순화할 수 있는 탄성기어유닛, 및 상기 탄성기어유닛을 구비하고 사용자의 보행을을 정확하게 보조할 수 있는 관절구동기에 관한 것이다.

최근 일상 생활이 불가능한 신체능력을 가진 장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇 또는 체력이나 신체능력을 강화하기 위한 산업용 또는 군사용 착용형 로봇의 개발이 진행되고 있다.

장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇의 경우에는 신체 능력, 요구되는 보조력의 크기 또는 역할에 따라 완전마비 장애인용 착용형 로봇과 노약자 또는 부분마비 환자 또는 장애인용 착용형 로봇으로 분류될 수 있다.

전자의 경우, 사용자에게 신체 능력이 없으므로, 사용자의 하지의 움직임에 대한 동작 의도 등은 로봇의 제어변수로 큰 의의가 없으므로, 착용형 로봇은 충분한 힘으로 사용자의 하지의 움직임을 대신하여 정확하게 보행 동작을 수행하면 된다.

따라서, 전자의 착용형 로봇의 경우에는 요구되는 구동력의 크기가 크고 그에 따라 구동장치, 배터리 및 골격구조가 큰 경우가 많다.

그러나, 후자의 착용형 로봇의 경우에는 사용자의 신체능력이 부족하여 이를 보조하기 위한 로봇이므로, 착용형 로봇의 크기와 무게가 최소화되고 사용자의 동작 의도에 따라 정확한 보조력을 제공하는 것이 관건이 될 수 있다.

후자의 착용형 로봇의 경우, 로봇 착용자의 움직임이 어느 정도 가능한 경우 로봇의 무게 또는 관절 구동장치의 기계적 저항이 큰 경우에 착용자는 상당한 갑갑함과 불편함을 느낄 수 있으므로 착용자의 움직임을 어느 정도 허용하는 구조의 착용형 로봇이 요구된다.

더 나아가 최근에는 사용자의 움직임 또는 의도와 다른 로봇의 보조력 제공의 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있고, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공하려는 연구가 진행되고 있다.

또한, 관절구동기가 하체의 부분 마비 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇에 적용되는 경우, 일상 생활에 사용이 가능하도록 착용형 로봇의 작동시간을 늘리면서도 로봇의 무게 또는 부피를 최소화하는 기술이 함께 요구된다.

한편, 관절구동기에 구비되며 정확한 보조력 생성을 위해 사용자의 근력 등을 측정하기 위한 센서는 고가이고, 부피가 크며, 센서의 신호가 노이즈에 매우 민감하기 때문에 착용형 로봇 등의 모바일 환경에서 실용적으로 사용하기에 어려운 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 스프링과 같은 탄성구조체를 사용하는 탄성구동기가 적용되는 경우가 있다.

이러한, 탄성구동기는 모터 등과 구동축에 동력 전달수단으로 탄성부재를 구비하고, 탄성부재의 변형량을 기초로 사용자의 동작의도를 판단하여, 탄성부재의 변형량을 제거하는 방향으로 모터를 구동하여, 사용자가 느끼는 기계적 저항을 최소화하면서도 동작의도를 판단하여 그에 따른 보조 구동력을 제공할 수 있다.

따라서, 관절 구동기가 착용자의 관절에 충분한 보조력을 제공하기 위해서는 착용자의 동작의도를 정확하게 판단하기 위한 탄성구조체의 충분한 탄성 변형이 허용되어야 하며, 탄성부재가 구동모터에서 제공되는 충분한 크기의 토크를 정확하고 안정적으로 전달할 수 있어야 한다.

그리고, 금속 재질로 구성되는 관절 구동장치가 구동되는 경우, 소음과 진동이 클 수 있으므로, 관절 구동장치의 소음과 진동을 최소화하는 것이 착용형 로봇의 보급과 사용에 도움이 될 것으로 예상된다.

특히, 이러한 착용형 로봇은 성인 환자 또는 장애인 이외에도 근력이 약한 소아 환자 또는 장애인 등에게도 적용이 되므로, 기계적 저항을 줄이고, 구조를 단순화하여 무게를 줄이며, 소음과 진동을 최소화하여 로봇에 대한 거부감을 최소화할 수 있고, 로봇 착용자의 동작의도를 파악하여 관절 등에 충분한 보조력을 제공할 수 있는 구동장치에 대한 요구가 더욱 크다.

본 발명은 외부 토크에 대한 충분한 범위의 선형적 탄성 변형이 가능함과 동시에 토크 전달을 위한 충분한 탄성력이 확보된 탄성구조체, 상기 탄성구조체를 동력 전달수단으로 구비하여 구동모터의 토크를 충분히 증폭시킬 수 있고 단일 기어 형태로 구성이 가능하여 관절구동기의 구조를 단순화할 수 있는 탄성기어유닛, 및 상기 탄성기어유닛을 구비하고 사용자의 보행을을 정확하게 보조할 수 있는 관절구동기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 링형상의 외부기어의 내주면에 체결되는 적어도 하나의 제1 고정부; 상기 외부기어 내부에서 미리 결정된 범위에서 회전 가능하게 장착되는 내부기어에 체결되는 적어도 하나의 제2 고정부; 및 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부 사이에서 탄성력을 제공하며, 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부를 연결하는 탄성부;를 포함하며, 상기 제1 고정부, 상기 제2 고정부 및 상기 탄성부는 일체로 수지 재질로 구성되는 탄성구조체를 제공할 수 있다.

또한, 상기 탄성구조체는 환형 링형태로 구성되고, 상기 탄성구조체의 탄성부는 골과 마루가 반지름 방향 및 중심 방향으로 동일 평면상에서 반복되는 평면구조로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 탄성구조체의 제1 고정부와 제2 고정부는 각각 2개가 180도 간격으로 구비되고, 4개의 탄성부가 상기 탄성구조체의 제1 고정부와 제2 고정부 사이에 90도 간격으로 배치될 수 있다.

여기서, 상기 탄성구조체의 탄성부의 마루의 폭은 외측단에서 중심 방향으로 증가 후 감소되어 마루의 외주면이 곡면으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 탄성구조체의 탄성부의 골의 폭은 입구에서 중심 방향으로 크기가 감소된후 증가되어 골의 내주면이 곡면으로 구성될 수 있다.

이 경우, 외주면에 기어이가 형성되고, 내주면의 미리 결정된 간격으로 구비되는 적어도 하나의 체결부 및 내부기어의 회전을 제한된 범위에서 허용하는 적어도 하나의 가이드부를 포함하는 링형상의 외부기어; 상기 외부기어의 가이드부에 회전 가능하게 장착되는 회전부재 및 상기 회전부재에 체결되는 기어부재를 포함하는 내부기어; 및, 상기 외부기어와 상기 내부기어에 각각 체결되는 전술한 탄성구조체;를 포함하며, 상기 외부기어와 상기 내부기어는 동축 상에서 상대적 회전이 가능하며, 상기 탄성구조체는 외부기어 또는 내부기어의 상대적 회전시 회전 복원력을 제공하는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛을 포함할 수 있다.

또한, 상기 외부기어의 가이드부는 마주보는 위치에 구비된 한 쌍의 가이드홈 형태로 구성되고, 상기 내부기어의 회전부재는 상기 외부기어의 가이드부에 안착되어 회전 범위가 제한된 상태로 회전되는 한 쌍의 회전암 및 한 쌍의 상기 회전암 사이에 상기 기어부재가 체결되는 체결구가 형성되며, 상기 내부기어의 기어부재는 상기 회전부재의 체결구에 체결되는 체결바 및 상기 체결바와 동축 상에 연장되는 회전축에 구비되며 외주면에 기어이가 형성된 기어부를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 탄성구조체의 제1 고정부는 상기 외부기어의 체결부에 체결되며, 상기 탄성구조체의 제2 고정부는 상기 내부기어의 회전암에 체결될 수 있다.

그리고, 상기 내부기어를 구성하는 기어부재의 기어부는 상기 외부기어 외측으로 돌출되어 배치될 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 구동모터; 상기 구동모터의 회전축에 장착된 구동기어; 상기 구동기어에 외부기어가 체결되는 전술한 탄성기어유닛; 상기 탄성기어유닛의 내부기어의 기어부재에 체결되는 감속기어; 상기 감속기어에 체결되는 출력기어; 및, 상기 출력기어에 체결되며, 착용형 로봇의 대퇴 부재 또는 하퇴 부재에 결합되는 출력부재;를 포함하는 관절구동기를 제공할 수 있다.

그리고, 상기 감속기어는 상기 탄성기어유닛의 내부기어의 기어부재에 체결되는 제1 기어부 및 상기 제1 기어부보다 외경이 작고 상기 출력기어에 체결되는 제2 기어부를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 출력기어의 회전축 및 구동모터의 회전축의 각도, 속도 또는 가속도를 측정하기 위한 한 쌍의 엔코더; 및 상기 엔코더에 의하여 감지된 정보 또는 미리 결정된 보행 프로그램에 따라 상기 구동모터를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 구동모터를 보행모드에 따라 구동시키고, 상기 구동모터의 구동력은 상기 탄성기어유닛, 상기 감속기어 및 상기 출력기어를 통해 상기 출력부재에 전달되고, 착용자의 보행시 각각의 관절구동기의 출력부재는 각각의 대퇴부재 또는 하퇴부재의 회전 구동을 보조하여 착용자의 보행을 보조할 수 있다.

이 경우, 상기 관절구동기를 구성하는 모터가 정지된 상태에서 해당 관절구동기를 구성하는 출력부재가 회전하여 상기 출력기어에 구비된 엔코더에 의하여 상기 출력기어 또는 상기 출력부재의 회전이 감지되는 경우 상기 제어부는 상기 출력기어 또는 상기 출력부재의 회전 방향으로 보조력을 제공하기 위하여 상기 구동모터를 구동할 수 있다.

본 발명에 의하면, 금속 재질로 구성되는 내부 기어와 외부 기어 사이에 충분한 탄성 변위를 제공하도록 골과 마루가 반복되는 주름 형태를 지닌 탄성구조체를 구비하여 탄성구조체의 변형에 따른 탄성력의 선형성이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 관절구동기에 구비되는 탄성구조체가 수지 재질로 구성되고 골과 마루가 반복되는 복수 개의 탄성부를 구비하며 연속된 환형 링 형상으로 구성되어 금속 재질의 탄성구조체를 삽입한 경우보다 충분한 탄성 변위량 및 유연성을 부여할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 기어 내부에 탄성구조체가 삽입된 형태로 구성 가능하므로, 감속기어로서 구동모터의 토크를 충분하게 증폭시킬 수 있고, 탄성구조체의 장착을 위한 별도의 장착공간의 마련이 불필요하며, 단일 기어 형태로 구성이 가능하므로 관절구동기의 소형화 및 경량화가 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면 근력이 약한 소아 환자 또는 장애인 등에게 적용되는 착용형 로봇에 적용하여, 기계적 저항을 줄이고, 구조를 단순화하여 무게를 줄이며, 소음과 진동을 최소화하고, 더 나아가 착용자의 동작의도에 따른 저저항 보조 구동모드의 제공이 가능하여 착용형 로봇에 대한 거부감을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 탄성기어유닛을 이용한 관절구동기가 적용될 수 있는 착용형 로봇의 측면 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 착용형 로봇의 정면도를 도시한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 관절구동기의 사시도를 도시한다.
도 5, 도 6, 및 도 7은 본 발명에 따른 관절구동기의 하우징이 제거된 상태를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 탄성기어유닛의 사시도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 탄성기어유닛을 구성하는 외부기어, 내부기어 및 탄성구조체의 분해 사시도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 탄성구조체의 단면도를 확대 도시한 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 탄성기어유닛의 작동 개념도를 도시한다.

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

도 1은 후술하는 본 발명의 탄성기어유닛을 이용한 관절구동기(100)가 적용될 수 있는 착용형 로봇의 측면 사시도를 도시하며, 도 2는 도 1에 도시된 착용형 로봇의 정면도를 도시한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 명세서에서 상기 착용형 로봇(1000)은 장애인, 노약자 또는 환자(이하, '착용자'라 함)의 하체에 착용하여, 보행 동작을 보조하는 로봇일 수 있다. 여기서 보행 동작을 보조한다는 의미는 하체의 운동 기능이 일부 존재하는 착용자의 독립적인 보행을 가능하도록 고관절과 슬관절에 부족한 근력 등을 보전하기 위한 구동력을 제공한다는 의미이다.

상기 착용형 로봇(1000)은 착용자의 허리 부위에 배치되는 본체(500)와, 상기 본체(500)에서 아래로 연장되어 착용자의 각각의 다리를 지지하는 한 쌍의 다리 유닛(600l, 600r)을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 다리 유닛(600l, 600r)은 고관절과 슬관절에 각각 구비되어 대퇴와 하퇴에 보조 토크를 제공하여 착용자의 독립 보행을 보조할 수 있다.

따라서, 각각의 다리 유닛(600l, 600r)의 고관절과 슬관절 대응영역에는 구동 토크 제공을 위한 구동장치가 구비될 수 있다. 각각의 구동장치는 탄성부재 등을 매개로 구동력을 출력하는 관절구동기(100)로 구성될 수 있다. 본 발명은 상기 관절구동기(100)에 적용되는 탄성부재를 후술하는 비금속 재질의 환형 또는 원형 링형상의 탄성구조체로 적용하여 충분한 탄성 변위량을 확보하며 구동모터의 구동력을 전달하거나 착용자의 동작의도를 파악할 수 있다.

각각의 다리유닛은 관절구동기(100a, 100b)와, 각각 관절구동기(100a, 100b)에 연결되어 착용자의 대퇴와 하퇴를 지지 또는 보조하는 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430) 그리고 하퇴부재(430)과 연결되며 착용자의 발을 지지하는 족지지부(300)를 구비할 수 있다.

상기 관절구동기(100a, 100b)를 착용자의 고관절과 슬관절 관절부위에 각각 설치할 수 있으며, 골반과 대퇴가 만나는 부위에 제1 관절구동기(100a)가 설치되고, 대퇴와 하퇴 경계의 무릎 부위에 제2 관절구동기(100b)가 설치될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 착용형 로봇은 착용자의 고관절과 슬관절에만 관절구동기(100)가 구비되는 예가 도시되었으나, 필요에 따라 발목관절에도 별도의 구동장치를 구비할 수 있다.

그리고, 각각의 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)에는 착용자의 대퇴와 하퇴를 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)에 고정하기 위한 밴드 등의 형태의 착용부(420)를 구비할 수 있으며, 각각의 관절구동기(100)에서 제공되는 구동력은 결국 착용부(420)를 통해 착용자의 대퇴 또는 하퇴에 전달되어 독립 보행을 보조하게 될 수 있다.

각각의 관절에 구비되어 보조력을 제공하는 관절구동기(100)가 로봇 착용자의 부상을 방지하고 로봇 착용에 따른 압박감 등의 불편함을 느끼지 않고 상황에 따라 정확한 보조력을 제공하기 위해서는 기입력된 보행 보조모드에 따른 프로그램 외에도 착용자의 의사 또는 움직임에 대응하여 착용자의 동작의도를 결정하고 결정된 동작의도에 따라 요구되는 보조력을 제공하는 것이 요구된다.

로봇 착용자의 동작의도를 파악하기 위한 방법으로 로봇 착용자의 근육의 근력 또는 근전도(electromyogram, 筋電圖) 등을 감지하여 감지된 근력 또는 근전도를 사용하여 동작의도를 결정하는 방법이 가능하다.

이러한 근력 또는 근전도 등을 정밀하게 측정하기 위하여 사용되는 센서는 고가이고, 부피가 크며, 센서의 신호가 노이즈에 매우 민감하기 때문에 착용형 로봇 등의 모바일 환경에서 실용적으로 사용하기에 어려운 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 후술하는 바와 같이 탄성기어유닛을 적용하여 사용자의 움직임을 허용하여 그에 따른 동작의도를 결정하여, 탄성 기어 등의 변형량을 제거하는 방향으로 구동모터를 구동하여, 사용자가 느끼는 기계적 저항을 최소화하면서도 동작의도를 판단하여 그에 따른 보조 구동력을 제공할 수 있다.

도 3 및 도 4는 각각 본 발명에 따른 탄성구조체 및 탄성기어유닛이 적용된 관절구동기(100)의 전면 및 후면 사시도를 도시한다.

상기 관절구동기(100)는 외관을 형성하는 하우징(110a, 110b)과, 상기 하우징(110a, 110b) 사이에 구비되고 동시에 후술하는 본 발명에 따른 탄성기어유닛(200)을 포함하여 구성되는 구동모듈(도 5 내지 도 7 참조)을 구비할 수 있다.

상기 관절구동기(100)는 구동모터(120)가 회전축이 하우징 내부의 구동모듈과 연결되도록 하우징(110a, 110b) 외측에 장착될 수 있다.

또한, 상기 관절구동기(100)는 착용형 로봇의 제어부와 별도로 엔코더, 컨트롤러 또는 PCB 등이 장착될 수 있는 제어부(115)가 마련될 수 있다.

또한, 관절구동기(100)의 작동상태를 표시하기 위한 적어도 하나의 LED 등을 포함하는 조명부(111)와 상기 관절구동기(100)의 수동 동작 제어를 위한 입력부(113)가 구비될 수 있다.

상기 관절구동기(100)는 착용자의 대퇴와 하퇴를 지지 또는 보조하기 위한 도 1 및 도 2의 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)에 체결되는 출력부재(170)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 출력부재(170)는 후술하는 출력기어(150, 도 5 내지 도 7 참조)에 체결되는 구성일 수 있다.

이와 같이 구성된 관절구동기(100)는 착용형 로봇의 고관절 영역과 슬관절 영역에 각각 장착되어 전술한 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)를 구동시켜 보조력을 제공할 수 있다.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 탄성기어유닛(200)이 적용된 관절구동기(100)의 하우징이 제거된 상태를 도시한다.

본 발명에 따른 관절구동기(100)는 구동모터(120), 상기 구동모터(120)의 회전축(121)에 장착된 구동기어(130), 상기 구동기어(130)에 외부기어가 체결되는 본 발명에 따른 탄성기어유닛(200), 상기 탄성기어유닛(200)의 내부기어의 기어부재에 체결되는 감속기어(140), 상기 감속기어(140)에 체결되는 출력기어(150), 및 상기 출력기어(150)에 체결되며, 착용형 로봇(1000)의 대퇴 부재 또는 하퇴 부재에 결합되는 출력부재(170)를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 각각의 기어 또는 기어유닛은 각각 관절구동기(100)를 구성하는 하우징 내면에 형성된 장착구에 개재되는 다수의 베어링(b) 등이 더 구비될 수 있다.

상기 구동모터(120)는 모터 구동용 PCB(123)가 구비될 수 있고, 상기 PCB(123)에 구동모터(120)의 회전축(121)의 각도, 속도 또는 가속도 등을 측정하기 위한 엔코더(e)가 구비될 수 있다. 본 발명의 관절구동기(100) 또는 이를 구비하는 착용형 로봇(1000)의 제어부(미도시)는 상기 엔코더(e)의 감지 정보에 따라 각각의 관절 구동기를 제어하여 보행 구동모드 또는 후술하는 저저항 동작을 허용하는 '저저항 보조 구동모드'를 제공할 수 있다.

상기 구동모터(120)에 장착된 구동기어(130)에 연결되는 본 발명의 탄성기어유닛(200)은 상기 구동기어(130)에 연결되는 외부 기어(250), 상기 외부 기어(250) 내측에 장착되어 후술하는 감속기어(140)의 제1 기어부(141)에 연결되는 내부 기어(230) 및 상기 외부 기어(250) 및 내부 기어(210) 사이에 개재되는 탄성구조체(230)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 탄성기어유닛(200)에 대한 상세한 설명은 뒤로 미룬다.

상기 감속기어(140)는 상기 탄성기어유닛(200)의 내부기어(210)의 기어부재에 체결되는 제1 기어부(141) 및 상기 제1 기어부(141)보다 외경이 작고, 상기 출력기어(150)에 체결되는 제2 기어부(143)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 감속기어(140)의 제1 기어부(141)는 상기 탄성기어유닛(200)의 외부기어(250)의 속도를 감속시켜 토크를 증폭하는 역할을 수행하며, 상기 감속기어(140)의 제2 기어부(143)는 출력기어(150)에 연결되어 구동모터(120)의 구동력을 관절 보조력으로 전달할 수 있다

본 발명에서 상기 감속기어(140)는 하나로 구비되는 것으로 도시되지만, 이에 한정되지는 않으며 상기 관절구동기(100)이 적용되는 적용되는 착용형 로봇의 종류, 요구되는 출력, 모터의 종류 등에 따라 다양한 조합이 사용될 수 있다.

상기 출력기어(150)는 관절구동기(100)의 무게를 줄이기 위하여 원호 형태의 기어부재(151)와 상기 기어부재(151) 내주면 및 출력부재(170)에 체결되는 회전부재(153)를 포함하여 구성될 수 있다.

이와 같은 구조에 의하여, 본 발명에 따른 관절구동기(100)는 탄성구조체(230)를 구비한 탄성기어유닛(200)을 구비하여, 상기 구동기어(130) 및 상기 출력기어(150)는 후술하는 바와 같이 미리 결정된 범위에서 상대적 회전 구동이 가능하고, 상기 구동기어(130)의 회전축인 구동모터(120)의 회전축(121) 및 상기 출력기어(150)의 회전축은 평행하게 구성될 수 있다.

또한, 상기 출력기어(150) 또는 상기 출력부재(170)의 회전축 상에 착용자의 움직임에 의한 출력기어(150) 또는 상기 출력부재(170)의 회전축의 각도, 속도 또는 가속도를 측정하기 위한 엔코더(e)를 포함할 수 있다. 이에 대한 설명은 후술한다.

즉, 상기 구동모터(120)의 회전축(121)이 회전하는 경우에, 상기 회전축(121)과 연결되는 상기 구동기어(130)가 회전하고, 상기 구동기어(130)에 체결되는 상기 탄성기어유닛(200)의 외부기어(250) 및 내부기어(210)가 순차적으로 동력을 전달받아 회전한다. 이어서, 상기 탄성기어유닛(200)의 내부기어(210)는 상기 감속기어(140)의 제1 기어부(141)와 연결되므로, 상기 탄성기어유닛(200)의 내부기어(210)가 회전하게 되면 상기 감속기어(140)의 제1 기어부(141) 및 상기 제1 기어부(141)의 내측으로 체결되는 제2 기어부(143)가 순차적으로 회전하게 된다.

상기 구동기어에 의하여 상기 탄성기어유닛(200)이 구동되면, 상기 탄성기어유닛(200)의 내부기어(210)에 체결되는 상기 감속기어(140)의 제1 기어부(141)가 회전하고 상기 제1 기어부(141)보다 직경이 작은 제2 기어부(143)는 전달되는 구동토크를 증폭시켜 상기 출력기어(150)로 전달할 수 있다.

본 발명에 의하면 탄성기어유닛(200)이 또하나의 감속기어로써 구동모터(120)의 토크를 충분하게 증폭시킬 수 있고, 상기 탄성기어유닛(200)이 탄성구조체가 삽입된 형태로 구성 가능하므로 기어에 탄성을 부여하기 위하여 부피가 큰 기어조립체 또는 탄성구조체의 장착을 위한 별도의 장착공간의 마련이 불필요하며, 간단하게 단일 기어 형태로 구성이 가능하므로 관절구동기(100)의 소형화 및 경량화가 가능하다는 장점이 있다.

그리고, 도 5 내지 도 7에 도시된 관절구동기를 구성하는 각각의 구성 사이 또는 하우징 사이에 회전을 지지하기 위한 다수 개의 베어링(b)을 구비할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 탄성기어유닛(200)의 사시도를 도시하며, 도 9는 도 8에 도시된 탄성기어유닛(200)을 구성하는 외부기어(250) 및 내부기어(210) 및 탄성구조체(230)의 분해 사시도를 도시한다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 관절구동기(100)에 구비된 탄성기어유닛(200)은 외주면에 기어이(251)가 형성되고, 내주면의 미리 결정된 간격으로 구비되는 적어도 하나의 체결부(255) 및 내부기어의 회전을 제한된 범위에서 허용하는 적어도 하나의 가이드부(257)를 포함하는 링형상의 외부기어(250), 상기 외부기어(250)의 가이드부(257)에 회전 가능하게 장착되는 회전부재(212) 및 상기 회전부재에 체결되는 기어부재(211)를 포함하는 내부기어(210), 및 상기 외부기어(250)와 내부기어(210)에 체결되는 탄성구조체(230)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 탄성구조체(230)는 외부기어(250) 또는 내부기어(210)의 상대적 회전시 회전 복원력을 제공하며, 구동토크를 전달하는 특징을 지닌다. 상기 탄성구조체(230)에 대한 상세한 설명은 뒤로 미룬다.

또한, 상기 외부기어(250)와 상기 내부기어(210)은 각각의 회전축이 동축상에 배치되어 상기 외부기어(250)와 상기 내부기어(210)는 서로 중심이 일치하도록 배치될 수 있다. 이와 같이, 상기 외부기어(250)와 상기 내부기어(210)의 회전축이 동축 상에 중첩되도록 배치되면, 상기 탄성기어유닛(100)의 부피를 최소화할 수 있다.

한편, 상기 탄성기어유닛(200)는 관절구동기(100)의 상기 구동기어(130)와 상기 감속기어(140)에 각각 연결될 수 있음은 전술한 바와 같다.

전술한 바와 같이, 상기 외부기어(250)는 외주면에 기어이(251)가 형성되어 상기 구동기어(130)의 기어부재에서 제공된 구동력이 전달되고, 내측에는 내부기어(250)가 탄성구조체를 매개로 장착될 수 있다.

또한, 상기 외부기어(250)는 내주면에 후술하는 탄성구조체(230)를 체결하기 위한 체결부(255)가 내측 방향으로 돌출 구비될 수 있으며, 상기 체결부(255)에는 상기 외부기어(250)와 상기 탄성구조체(230)를 체결부재로 서로 체결하기 위한 적어도 하나의 체결구(255h)가 구비될 수 있다.

그리고, 상기 외부기어(250) 내부에 장착되는 내부기어(210)는 상기 외부기어(50)의 가이드부에 장착되는 회전부재(212) 및 외주면에 기어산이 형성되며 상기 회전부재(212)와 동축상에 구비되는 기어부재(211)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 외부기어(250)의 가이드부(257)는 마주보는 위치에 구비된 한 쌍의 가이드홈(257s) 형태로 구성되고, 상기 내부기어(210)의 회전부재(212)는 상기 외부기어(250)의 가이드부(257)에 안착되어 회전 범위가 제한된 상태로 회전되는 한 쌍의 회전암(212w) 및 한 쌍의 상기 회전암(212w) 사이에 상기 기어부재(211)가 체결되는 체결구(212wh)가 형성되며, 상기 내부기어(210)의 기어부재(211)는 상기 회전부재(212)의 체결구(212wh)에 체결되는 체결바(215) 및 상기 체결바(215)와 동축 상에 연장되는 회전축(219)에 구비되며 외주면에 기어이가 형성된 기어부(213)를 구비할 수 있다.

상기 외부기어(250)의 가이드부(257)는 상기 내부기어(210)의 회전 범위를 제한하기 위하여 구비될 수 있으며, 상기 내부기어(210)의 회전범위를 제한하기 위한 단차(257s)가 형성된 가이드홈(257h)의 형태로 구성될 수 있다.

예를 들면, 상기 외부기어(250) 내부에 2개의 가이드홈(257h)이 180도 간격으로 구비되고, 상기 내부기어(210)의 회전부재(212)에 2개의 회전암(212w)이 구비되어, 2개의 상기 회전암(212w)이 2개의 상기 가이드홈(257h)에 각각 수용될 수 있으며, 또한, 상기 회전암(212w)은 상기 가이드부(257)의 단차(257s)로 인해 형성된 가이드홈(257h) 내 공간부에 안착되어 제한된 범위에서 회전 가능하다.

한 쌍의 상기 회전암(212w)은 상기 중심부(212)에서 180도 간격으로 구비되며, 각각의 상기 회전암(212w)은 전개된 부채꼴의 형상을 가질 수 있다.

상기 회전암(212w)이 상기 가이드홈(257h) 내에서만 회전되도록 구성하는 경우, 탄성구조체를 금속보다 상대적으로 항복 강도가 낮은 폴리아미드 등의 수지 재질로 구성하는 경우에도, 상기 회전암(212w)의 회전범위인 상기 가이드홈(257h) 범위가 탄성구조체의 탄성부의 탄성 변위 한계 또는 항복 강도 내가 되도록 설정하는 경우, 탄성구조체의 반복적인 사용에도 충분한 내구성을 확보할 수 있다.

그리고, 한 쌍의 상기 회전암(212w) 각각에는 상기 탄성구조체(230)를 체결하기 위한 체결구(212wh)가 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 도 9에서는 한 쌍의 상기 회전암(212w)이 각각 2개의 체결구(212wh)를 구비하는 것으로 도시되나, 이에 한정되지는 않는다.

그리고, 상기 탄성구조체(230)가 상기 내부기어(210)의 회전부재(212)의 회전암(212w)에 적층되도록 장착될 수 있다.

상기 내부기어(210)는 회전부재(212)와 기어부재(211)가 일체로 구성되거나 각각 구성되어 체결되는 구조로 구성될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 회전부재(212)와 기어부재(211)가 분리 구성되는 경우, 상기 기어부재(211)는 체결바(215)를 구비할 수 있고, 상기 체결바(215)는 상기 회전부재(215)의 중심부(212c)의 중앙에 구비되는 중심홀(212h)에 관통되어 상기 회전부재(212)와 형합 체결될 수 있다. 일실시예로, 상기 체결바(215)는 육각 단면으로 구성되고, 상기 중심홀(212h)은 상기 체결바(215)의 형상 및 크기에 대응하는 육각홀 형태로 구성되어 동력 전달이 가능할 수 있다.

또한 상기 내부기어(210)를 구성하는 기어부재(211)의 기어부(213)은 상기 외부기어(250) 외측으로 돌출되어 배치될 수 있다. 이를 위해, 상기 회전부재(212)의 중심홀(212h)은 상기 체결바(215)는 관통시키되 상기 기어부(213)는 관통 또는 간섭되지 않도록 구성될 수 있다.

상기 탄성기어유닛(200)을 구성하는 탄성구조체(230)는 상기 내부기어(210)의 회전부재(212)의 회전암(212w) 및 상기 외부기어(250)의 체결부(255)의 상부에 동시에 적층된 상태로 체결될 수 있다.

또한, 상기 탄성구조체(230)의 제1 고정부(232)는 상기 외부기어(250)의 체결부(255)에 체결되며, 상기 탄성구조체(250)의 제2 고정부(234)는 상기 내부기어(210)의 회전암(212w)에 각각 연결될 수 있다.

상기 탄성구조체(250)의 제1 고정부(232)와 상기 외부기어(250)의 체결부(255), 및 상기 탄성구조체(250)의 제2 고정부(234)와 상기 회전암(212w)에는 각각 서로 대응되는 형상을 지닌 체결홀이 적어도 하나 이상 구비될 수 있어, 체결부재에 의하여 서로 체결이 가능하다.

이와 같이, 상기 탄성구조체(230)가 상기 외부기어(250) 및 상기 내부기어(210)에 각각 체결되는 방식으로 연결되는 구조를 택하여, 조립성 향상과 상기 탄성구조체(230)의 이탈 가능성이 차단될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 탄성구조체(230)의 단면도를 확대 도시한 것이다. 도 10을 참조하여, 도 8 내지 도 10에 도시된 상기 탄성기어유닛(200)을 구성하는 탄성구조체(230)에 대하여 상세하게 서술하면 다음과 같다.

본 발명에 따르면, 상기 탄성구조체(230)는 링형상의 외부기어(250)의 내주면에 체결되는 적어도 하나의 제1 고정부(232), 상기 외부기어(250) 내부에서 미리 결정된 범위에서 회전 가능하게 장착되는 내부기어(210)에 체결되는 적어도 하나의 제2 고정부(234), 상기 제1 고정부(232)와 상기 제2 고정부(234) 사이에서 탄성력을 제공하며, 상기 제1 고정부(232)와 상기 제2 고정부(234)를 연결하는 탄성부(236)를 포함하며 구성될 수 있다.

여기서, 상기 제1 고정부(232), 상기 제2 고정부(234) 및 상기 탄성부(236)는 일체로 수지 재질로 구성될 수 있다.

이와 같이, 상기 탄성구조체(230)가 전체적으로 수지 재질로 구성되므로, 금속 재질의 탄성구조체를 삽입한 경우보다 충분한 선형 탄성변위 및 유연성을 부여할 수 있으므로, 수지 재질로 구성되는 상기 탄성구조체(230)가 삽입된 관절구동기(200)는 사용자의 관절에 부하되는 기계적 저항을 최소화하고, 소음을 저감하며, 정확한 동작의도를 판단할 수 있는 효과를 지닌다.

예를 들면, 상기 탄성구조체(230)는 폴리아미드(Polyamide)계 수지로 구성될 수 있다. 폴리아미드계 수지는 수지 중 항복 강도가 상대적으로 크고, 다양한 형상으로 제작이 가능하며, 재질은 이에 한정되지 않고 탄성력과 항복강도가 제공될 수 있다면 다양한 변형이 가능하다.

또한, 상기 탄성구조체(230)는 전체적으로 환형 링형태로 구성되고, 원호 방향으로 일부가 수축 또는 신장될 수 있다. 예를 들어, 상기 1 고정부(232)와 상기 제2 고정부(234) 사이에 구비되는 각각의 탄성부(236)는 원호 형상의 궤적을 가지며, 변위량에 따라 비선형적 탄성 복원력이 발생되는 일반적인 코일 스프링 등과 달리 탄성력의 선형성이 향상될 수 있는 장점을 가질 수 있다.

상기 탄성구조체(230)는 상기 외부기어(250)와 상기 내부기어(210)의 기어부재(211) 사이의 공간에 삽입 및 적층된 상태로 구비되며, 상기 외부기어(250)와 상기 내부기어(210)의 회전부재(211)에 각각 체결되므로 납작한 스트립 형태로 구성될 수 있다. 이처럼, 상기 탄성구조체(230)가 납작한 스트립 형태로 구성되어 탄성기어유닛(200)가 더욱 슬림화될 수 있다.

상기 탄성구조체(230)의 제1 고정부(232)는 전술한 바와 같이 상기 상기 구동기어(130)에 체결되는 외부기어(250)에 체결되어 구동기어(130)가 구동되는 경우 회전 토크를 상기 탄성구조체(230) 전체로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.

상기 탄성구조체(230)의 제1 고정부(232)를 매개로 전달된 구동토크는 제2 고정부(234)를 통해 내부기어(210)를 매개로 출력부재(170)에 전달되어 각각의 관절의 구동 토크로 작용할 수 있다.

그리고, 상기 제1 고정부(232)에는 상기 외부기어(250)의 체결구(255h)의 형상 및 개수에 대응되는 제1 체결구(232h)가 형성되어 볼트나 너트 등의 체결부재에 의하여 서로 체결될 수 있고, 마찬가지로, 상기 제2 고정부(234)에는 상기 내부기어(210)의 체결구(212wh)의 형상 및 개수에 대응되는 제2 체결구(234h)가 형성되어 상기 체결부재에 의하여 체결될 수 있다.

한편, 상기 탄성부(236)의 두께가 증가할수록, 상기 탄성구조체(230)의 강성이 증가할 수 있으므로, 상기 탄성구조체(230)에 요구되는 강성을 고려하여 상기 탄성부(236)의 두께와 재질이 결정될 수 있다.

또한, 상기 탄성부(236)은 반복적 형상을 갖는 주름이 구비되는 한 쌍의 주름구조 형태로 구성되며, 각각 적어도 하나씩 구비되는 상기 제1 고정부(232) 및 상기 제2 고정부(234) 사이에 각각 구비될 수 있다.

상기 탄성구조체(230)의 제1 고정부(232)와 제2 고정부(234)는 각각 2개가 180도 간격으로 구비되고, 2개의 상기 제1 고정부(232) 및 2개의 상기 제2 고정부(234)를 연결하는 4개의 상기 탄성부(236)가 상기 탄성구조체의 제1 고정부(232)와 제2 고정부(236) 사이에 90도 간격으로 배치되도록 구성될 수 있으나, 상기 제1 고정부(232), 상기 제2 고정부(234) 및 제1 고정부(232), 상기 제2 고정부(234)를 연결하는 상기 탄성부(236)의 개수는 각각 증감 가능하다.

즉, 탄성부는 3개 또는 6개가 구비될 수도 있고 그에 따라 고정부의 위치, 개수 및 간격 등이 조절될 수 있다.

그리고, 상기 제1 고정부(232) 및 상기 제2 고정부(234)는 상기 주름구조의 골(236c) 방향 또는 마루(236a) 방향과 수직한 방향의 평면구조로 구성되며, 상기 탄성부(236)는 골(236c)과 마루(236a)가 반지름 방향 및 중심 방향으로 동일 평면상에서 반복되는 평면구조로 구성되어, 탄성기어유닛(200)의 전체 두께를 슬림화할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 탄성부(236)는 두 개의 골(236c)과 한 개의 마루(236a)가 구비된 주름구조로 구성될 수 있으며, 상기 탄성부(236)를 구성하는 골(236c)과 마루(236a)의 개수는 상기 탄성구조체(230)에 요구되는 탄성 계수에 기초하여 증감이 가능하다.

상기 탄성구조체(230)의 탄성계수를 감소시켜 상기 탄성구조체(230)의 탄성 변형이 더욱 원활하게 발생하도록 하기 위해, 상기 탄성부(236)를 구성하는 골(236c) 또는 마루(236a)의 개수 또는 크기 등을 변화시킬 수 있다.

여기서, 상기 탄성구조체(230)의 탄성부(236)의 마루(236a)의 외측단에서 중심 방향으로 증가후 감소되어 마루(236a)의 외주면이 곡면으로 구성될 수 있으며, 상기 탄성구조체(230)의 탄성부(236)의 골(236c)의 폭은 입구에서 중심 방향으로 크기가 감소된후 증가되어, 골(236c)의 내주면이 곡면으로 구성될 수 있다.

이와 같은 탄성부(236)의 마루(236a)와 골(236c)은 외부 토크에 대하여 폭이 증가 또는 감소되며 토크를 저장 또는 전달할 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 탄성기어유닛(200)의 작동 개념도를 도시한다.

전술한 바와 같이, 상기 탄성기어유닛(200)의 외부기어(250)는 구동기어(130)와 연결되고, 상기 탄성기어유닛(200)의 내부기어(210)는 감속기어(140)의 제1 기어부(141)에 연결되고, 상기 감속기어(140)가 다시 출력부재(170)에 체결된 출력기어(150)와 연결되어, 상기 내부기어(210)의 구동력이 상기 출력부재(170)로 전달될 수 있다.

본 발명에 따른 관절구동기(100)에서 탄성기어유닛(200)이 생략된 경우, 구동모터(120)가 구동되지 않는 상태에서는 로봇 착용자가 움직임을 시도하는 경우, 각각의 기어 등의 기계적 저항에 의하여 착용자의 움직임이 불가능하거나 움직임에 상당한 힘이 요구되어 로봇 착용자는 로봇 착용 상태에서 상당한 압박감 또는 불편함을 느끼게 된다.

본 발명에 따른 관절구동기는 탄성기어유닛을 구비하므로, 탄성부재가 생략된 구동기로 구동되는 로봇과 달리 기계적 저항이 상대적으로 작아 로봇 착용자의 움직임을 어느 정도 허용할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 관절구동기(100)는 이와 같은 압박감 또는 불편함을 완화하기 위하여, 착용형 로봇의 구동모터(120)가 구동되어 착용자의 보행을 적극적으로 보조하는 보행 구동모드 외에도 구동모터(120)가 구동되지 않는 상태에서 착용자의 움직임에 따라 수동적으로 보조력을 제공하는 저저항 보조 구동모드에서도 보조력을 제공할 수 있다.

상기 저저항 보조 구동모드에서 착용자의 움직임에 따라 보조력 제공을 위해서는 먼저 착용형 로봇 착용자의 동작의도를 파악 또는 결정하는 것이 필요하다.

전술한 바와 같이, 사용자의 근력 또는 근전도 등을 정밀하게 측정하기 위한 근력 센서 또는 근전도 센서는 고가이고, 부피가 크며, 센서의 신호가 노이즈에 매우 민감하기 때문에 착용형 로봇 등의 모바일 환경에서 실용적으로 사용하기에 어려운 문제가 있으므로, 본 발명은 탄성기어유닛(200)을 관절구동기에 적용하고, 로봇 착용자의 어느 정도의 움직임을 허용하며, 움직임 발생시 이를 감지하여 착용자의 움직임 방향으로 보조력을 제공하는 방법으로 저저항 보조 구동모드를 구현한다.

로봇 착용자가 대퇴 또는 하퇴를 움직이는 경우, 이를 감지하고 구동모터를 구동시켜 해당 움직임 방향으로 대퇴 부재 또는 하퇴 부재를 회전 구동시키는 보조력을 제공하여 저저항 보조 구동모드를 제공할 수 있다.

즉, 본 발명은 전술한 관절구동기(100)의 구동모터(120) 등이 정지된 상태에서 사용자의 동작이 감지되는 경우, 해당 동작의 동작 의도가 있음을 가정하여 감지된 움직임 방향으로 구동모터(120)의 보조력을 제공하는 방법을 사용할 수 있다.

착용자의 움직임은 대퇴 부재 또는 하퇴 부재에 연결된 관절구동기(100)의 출력부재(170)의 움직임 허용을 전제한다.

저저항 보조 구동모드에서는 착용형 로봇의 착용자가 구동모터(120)가 정지된 상태에서 대퇴 또는 하퇴를 움직여 착용자의 대퇴 또는 하퇴에 착용되는 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430) 및 이에 체결된 출력부재(170)가 반시계 방향으로 θ도 회전하면, 순차적으로, 상기 출력부재(170)와 출력기어(150)에 연결된 상기 감속기어(140)의 제2 기어부(143), 제1 기어부(141) 및 상기 탄성기어유닛(200)의 내부기어(210)가 탄성기어유닛(200)의 내부기어(210)에 전달되는 회전 토크(T1)에 의하여 반시계 방향으로 θ도 회전될 수 있다. 상기 내부기어(210)는 상기 탄성구조체를 매개로 외부기어와 연결되므로 상기 토크(T1) 제공시 내부기어(210)만 회전될 수 있다.

이 때 회전되는 내부 기어(210)의 회전부재(212)를 구성하는 회전암(212w)은 상기 외부 기어(250)의 내주면에 단차(257s)가 형성되어 구획된 가이드홈(257s) 상에서 미리 결정된 각도 범위에서 θ도 회전하게 된다.

구체적으로 설명하면, 상기 탄성구조체(230)는 상기 제1 고정부(232)에 의해 상기 외부기어(250)와 연결되며, 상기 제1 고정부(232) 및 탄성부(236)와 일체로 연결된 상기 제2 고정부(234)에 의해 상기 내부기어(210)와 연결되므로, 상기 출력부재(170)가 반시계 방향으로 회전하는 경우에 상기 출력부재(170)의 회전력은 상기 감속기어(140)를 지나 상기 탄성기어유닛(200)에 전달되고, 상기 탄성구조체(236)의 제1 탄성부(236A) 및 제3 탄성부(236C)를 압축시킴과 동시에 제2 탄성부(236B) 및 제4 탄성부(236D)를 신장 변형시킬 수 있다.

이 경우에, 상기 제1 탄성부(236A) 및 상기 제3 탄성부(236C)는 압축되어 원주 방향으로 골과 마루의 폭이 감소하고, 상기 제2 탄성부(236B) 및 상기 제4 탄성부(236D)는 골과 마루의 폭이 신장되어 원주 방향으로 주름 폭이 증가되면서 상기 탄성구조체(230)가 탄성 변형될 수 있다.

상기 내부기어(210)와 상기 외부기어(250) 각각에 탄성구조체(230)가 체결되므로 착용자는 큰 기계적 저항 대신 탄성 저항력만을 느끼며 관절을 미리 결정된 범위에서 회전시킬 수 있고, 구동모터가 정지된 상태에서 출력기어(150) 또는 출력부재(170)의 회전축 상에 장착된 엔코더(e, 도 6 참조)는 그와 같은 회전을 감지하고, 착용형 로봇의 제어부는 구동모터가 정지된 상태에서 엔코더(e) 감지정보에 따라 구동모터(120)를 관절의 움직임 방향으로 구동되고, 구동모터의 구동력은 탄성기어유닛(200)의 외부기어(250)에 보조 토크(T2)를 제공하여, 착용자의 움직임을 보조할 수 있다.

이러한 저저항 구동모드는 로봇 착용자의 적극적인 보행 구동모드와 달리 착용자의 움직임에 따라 보조력을 제공하는 저저항 보조 구동모드로 각각의 탄성부재(230)의 탄성 변형이 제거되는 방향으로 보조 토크를 제공한다.

즉, 상기 제1 탄성부(236A) 내지 제4 탄성부(236D)는 골과 마루의 폭이 복원되도록 보조 토크(T2)를 제공할 수 있다.

이와 같은 방법으로, 착용자는 작은 움직임에 의하여 동작 의도를 제어부에 전달하고 제어부는 그러한 움직임에 부응하여 움직임 방향으로 보조 토크를 제공하여 착용자에게 수월한 움직임의 보조를 가능하게 할 수 있다. 이러한 보조 토크는 착용자에게 적극적 구동력으로 작용한다기 보다 착용형 로봇의 하중 또는 관절 저항이 감소된 듯한 느낌을 전달할 수 있다.

이와 같이 구동모터(120)를 구비한 관절구동기(100)에서 구동모터(120)가 구동되지 않은 상태에서도 착용자의 움직임을 허용하기 위하여 구동모터(120)와 출력기어(150) 사이에 탄성구조체(230)를 구비한 탄성기어유닛(200)을 구비하고 탄성기어유닛(200)이 출력부재(170) 측의 움직임을 허용할 수 있는 구조를 채용한다.

따라서, 구동모터가 정지된 상태에서 착용자의 움직임이 감지되어, 착용자의 동작의도가 있다고 판단된 경우, 착용형 로봇의 제어부는 해당 관절의 관절구동기(100)의 구동모터(120)를 구동하여 상기 탄성기어유닛(200)을 구성하는 외부 기어(250)를 상기 내부 기어(210)의 회전방향으로 구동하기 위한 구동토크를 발생시켜 관절구동기의 기계적 저항 또는 임피던스를 최소화하는 저저항 보조 구동모드를 제공할 수 있으며, 이와 같은 저저항 보조 구동모드는 적극적 보행 구동모드 사이마다 제공될 수도 있다.

반면, 일반적인 보행 구동모드에서는 착용자의 보행을 적극적으로 보조하기 위하여 외부 기어(250)에 구동 토크를 전달하고 탄성구조체(230)를 매개로 내부 기어(210)와 출력기어(150) 측으로 구동 토크가 전달될 수 있다.

이 경우, 상기 탄성구조체가 직접 구동 토크가 전달할 수도 있고, 순간적으로 큰 토크가 전달되는 경우 상기 가이드홈(257h)의 내측 양단부에 회전암(212w) 각각 번갈아 지지된 상태로 양방향으로 구동토크를 전달할 수 있으며, 상기 회전암(212w)의 위치 변경 과정에서 상기 탄성구조체는 소음과 진동을 저감하며, 부드러운 작동감을 제공하는 효과를 가질 수 있다.

이와 같은 후자의 보행 구동모드에서 상기 탄성부재의 역할은 모터의 비구동 상태에서 로봇 착용자의 움직임을 허용하기 위한 구성이 아닌 동력 또는 토크 전달수단 또는 토크 전달 과정에서의 완충 수단으로 활용될 수 있다.

상기 탄성기어유닛(200)을 구성하는 탄성구조체가 수지 재질로 구성되어도 구동모터에 바로 탄성기어유닛이 직결되고, 순차적으로 감속기어 및 출력기어를 거치며 구동모터의 토크가 충분히 증폭되므로, 상기 탄성구조체가 관절 보조를 위한 동력 전달수단으로서 충분히 활용될 수 있다.

이 경우에도, 상기 제1 탄성부(236A) 내지 제4 탄성부(236D)는 외부기어의 회전 방향에 따라 수축 또는 신장된 상태로 구동토크를 내부기어로 전달하게 되며, 외부 토크가 제거되는 경우 탄성 복원될 수 있다.

이와 같은 탄성기어유닛(200)을 관절구동기(100)에 구비하여 탄성구조체(230)의 변형 범위 내에서 사용자의 동작의도를 판단하여, 탄성기어유닛(200)의 등의 변형량을 제거하는 방향으로 구동모터(120)를 구동하여, 사용자가 느끼는 기계적 저항을 최소화하면서도 동작의도를 판단하여 그에 따른 보조 구동력을 제공할 수 있다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

100 : 관절구동기
120 : 구동모터
200 : 탄성기어유닛
140 : 감속기
150 : 출력기어
170 : 출력부재

Claims (14)

1. 외주면에 기어이가 형성되고, 내주면의 미리 결정된 간격으로 구비되는 적어도 하나의 체결부 및 내부기어의 회전을 제한된 범위에서 허용하는 적어도 하나의 가이드부를 포함하는 링형상의 외부기어;
   상기 외부기어의 가이드부에 회전 가능하게 장착되는 회전부재 및 상기 회전부재에 체결되는 기어부재를 포함하는 내부기어; 및,
   상기 외부기어와 상기 내부기어에 각각 체결되며, 링형상의 외부기어의 내주면에 체결되는 적어도 하나의 제1 고정부; 상기 외부기어 내부에서 미리 결정된 범위에서 회전 가능하게 장착되는 내부기어에 체결되는 적어도 하나의 제2 고정부; 및 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부 사이에서 탄성력을 제공하며, 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부를 연결하는 탄성부;를 포함하며, 상기 제1 고정부, 상기 제2 고정부 및 상기 탄성부는 일체로 수지 재질로 구성되는 탄성구조체;를 포함하며,
   상기 외부기어와 상기 내부기어는 동축 상에서 상대적 회전이 가능하며, 상기 탄성구조체는 외부기어 또는 내부기어의 상대적 회전시 회전 복원력을 제공하는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
2. 제1항에 있어서,
   상기 외부기어의 가이드부는 마주보는 위치에 구비된 한 쌍의 가이드홈 형태로 구성되고,
   상기 내부기어의 회전부재는 상기 외부기어의 가이드부에 안착되어 회전 범위가 제한된 상태로 회전되는 한 쌍의 회전암 및 한 쌍의 상기 회전암 사이에 상기 기어부재가 체결되는 체결구가 형성되며,
   상기 내부기어의 기어부재는 상기 회전부재의 체결구에 체결되는 체결바 및 상기 체결바와 동축 상에 연장되는 회전축에 구비되며 외주면에 기어이가 형성된 기어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
3. 제2항에 있어서,
   상기 탄성구조체의 제1 고정부는 상기 외부기어의 체결부에 체결되며, 상기 탄성구조체의 제2 고정부는 상기 내부기어의 회전암에 체결되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
4. 제2항에 있어서,
   상기 내부기어를 구성하는 기어부재의 기어부는 상기 외부기어 외측으로 돌출되어 배치되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
5. 제1항에 있어서,
   상기 탄성구조체는 환형 링형태로 구성되고, 상기 탄성구조체의 탄성부는 골과 마루가 반지름 방향 및 중심 방향으로 동일 평면상에서 반복되는 평면구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
6. 제5항에 있어서,
   상기 탄성구조체의 제1 고정부와 제2 고정부는 각각 2개가 180도 간격으로 구비되고, 4개의 탄성부가 상기 탄성구조체의 제1 고정부와 제2 고정부 사이에 90도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
7. 제5항에 있어서,
   상기 탄성구조체의 탄성부의 마루의 폭은 외측단에서 중심 방향으로 증가후 감소되어 마루의 외주면이 곡면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
8. 제5항에 있어서,
   상기 탄성구조체의 탄성부의 골의 폭은 입구에서 중심 방향으로 크기가 감소된후 증가되어 골의 내주면이 곡면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
9. 구동모터;
   상기 구동모터의 회전축에 장착된 구동기어;
   상기 구동기어에 외부기어가 체결되는 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서의 탄성기어유닛;
   상기 탄성기어유닛의 내부기어의 기어부재에 체결되는 감속기어;
   상기 감속기어에 체결되는 출력기어; 및,
   상기 출력기어에 체결되며, 착용형 로봇의 대퇴 부재 또는 하퇴 부재에 결합되는 출력부재;를 포함하는 관절구동기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 감속기어는 상기 탄성기어유닛의 내부기어의 기어부재에 체결되는 제1 기어부 및 상기 제1 기어부보다 외경이 작고 상기 출력기어에 체결되는 제2 기어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 관절구동기.
11. 제9항에 있어서,
    상기 출력기어의 회전축 및 구동모터의 회전축의 각도, 속도 또는 가속도를 측정하기 위한 한 쌍의 엔코더; 및 상기 엔코더에 의하여 감지된 정보 또는 미리 결정된 보행 프로그램에 따라 상기 구동모터를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 구동모터를 보행모드에 따라 구동시키고, 상기 구동모터의 구동력은 상기 탄성기어유닛, 상기 감속기어 및 상기 출력기어를 통해 상기 출력부재에 전달되고, 착용자의 보행시 각각의 관절구동기의 출력부재는 각각의 대퇴부재 또는 하퇴부재의 회전 구동을 보조하여 착용자의 보행을 보조하는 것을 특징으로 하는 관절구동기.
13. 제11항에 있어서,
    상기 관절구동기를 구성하는 모터가 정지된 상태에서 해당 관절구동기를 구성하는 출력부재가 회전하여 상기 출력기어에 구비된 엔코더에 의하여 상기 출력기어 또는 상기 출력부재의 회전이 감지되는 경우 상기 제어부는 상기 출력기어 또는 상기 출력부재의 회전 방향으로 보조력을 제공하기 위하여 상기 구동모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 관절구동기.
    
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