KR20130029625A - 링크 실린더 엑츄에이터 및 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇 - Google Patents

링크 실린더 엑츄에이터 및 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇 Download PDF

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Abstract

본 발명은 링크 자체에서 구동력을 제공하는 것에 의해 부가적인 엑츄에이터를 구비하지 않도록 하여 구조를 간소화시킨 링크 실린더 엑츄에이터와 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇에 관한 것으로서,
상기 링크 실린더 엑츄에이터는, 제 2 링크와 연결되는 단부에 제 1 크랭크를 구비하고, 내부에는 제 2 링크의 제 2 크랭크에 편심되게 결합되는 제 1 크랭크로드와 제 1 크랭크로드에 결합되는 제 1 피스톤이 내장되는 제 1 링크;와, 상기 제 1 크랭크에 동일 중심을 가지며 회전 가능하게 결합되는 제 2 크랭크를 구비하고, 내부에는 상기 제 1 링크의 제 1 크랭크에 편심되게 결합되는 제 2 크랭크로드와 제 2 크랭크로드에 결합되는 제 2 피스톤이 내장되는 제 2 링크;를 포함하여 구성되어,
상기 제 1 피스톤 또는 제 2 피스톤의 피스톤 작용에 의해 상호 회전 작용을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

링크 실린더 엑츄에이터 및 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇{LINK CYLINDER ACTUATOR AND WEARABLE ROBOT WITH LINK CYLINDER ACTUATOR}
본 발명은 링크 자체에서 구동력을 제공하는 것에 의해 부가적인 엑츄에이터를 구비하지 않도록 하여 구조를 간소화시킨 링크 실린더 엑츄에이터와 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇에 관한 것이다.
일반적으로, 착용로봇은 인체와 유사한 관절 작용을 수행하는 링크들이 인체에 착용될 수 있는 형상으로 유기적으로 결합되어 제작된다. 이러한 착용로봇은 사용자에게 착용되어 상지 또는 하지 근력을 보조함으로써 별도의 외부 기계의 도움없이 사용자가 일반적인 인간의 근력 한계를 벗어나는 근력이 요구되는 고 하중 작업을 수행할 수 있도록 한다.
도 1은 상술한 종래기술의 착용로봇의 일 실시예로서 전신착용로봇을 나타내는 도면이다.
도 1과 같이 종래기술의 전신착용로봇은 상지단위링크(2a)들이 링크구동부(8)에 의해 회전 가능하게 연결되고 말단에 손착용부(3)가 결합된 상지링크(2), 하지단위링크(4a)들이 링크구동부(8)에 의해 회전 가능하게 연결되고 말단부에 발착용부(5)가 결합된 하지링크(4), 멜빵 등의 착용구(9a)가 구비되고 내부에 배터리와 제어부가 장착된 상체착용부(9), 팔과 다리에 각각 상지링크(2)와 하지링크(4)를 장착시키는 사지착용부(6), 상지 또는 하지 단위링크들의 단부를 관절작용을 하도록 회전가능하게 결합시키며 회전 구동력을 제공하는 링크구동부(8)를 포함하여 구성된다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이 종래기술의 착용로봇은 각각의 링크들의 회전 작용을 위하여 관절부위별로 링크구동부(8)를 구비하여야 한다. 따라서 종래기술의 착용로봇은 그 구조가 복잡해지며, 링크구동부(8)에 의해 다른 링크들의 구동이 방해되지 않도록 설계해야 하므로 설계가 어렵게 되는 문제점을 가진다.
또한, 종래기술의 착용로봇은 링크들과 별도로 링크구동부(8)를 구비해야 하므로 하중이 증가되어 배터리의 사용효율 및 착용로봇의 출력이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 링크가 자체적으로 각 링크들의 회전 구동력을 발생시키도록 구성하는 것에 의해 링크의 외부에 부가되어 노출됨으로써 착용로봇의 하중을 증가시키는 링크구동부를 구비하지 않도록 하는 링크 실린더 엑츄에이터 및 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 링크 실린더 엑츄에이터는, 제 2 링크와 연결되는 단부에 제 1 크랭크를 구비하고, 내부에는 제 2 링크의 제 2 크랭크에 편심되게 결합되는 제 1 크랭크로드와 제 1 크랭크로드에 결합되는 제 1 피스톤이 내장되는 제 1 링크;와, 상기 제 1 크랭크에 동일 중심을 가지며 회전 가능하게 결합되는 제 2 크랭크를 구비하고, 내부에는 상기 제 1 링크의 제 1 크랭크에 편심되게 결합되는 제 2 크랭크로드와 제 2 크랭크로드에 결합되는 제 2 피스톤이 내장되는 제 2 링크;를 포함하여 구성되어,
상기 제 1 피스톤 또는 제 2 피스톤의 피스톤 작용에 의해 상호 회전 작용을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇은, 링크들이 결합되어 관절과 골격 구조를 이루며 작업자가 착용 가능한 착용로봇에 있어서, 상기 링크들은, 제 2 링크와 연결되는 단부에 제 1 크랭크를 구비하고, 내부에는 제 2 링크의 제 2 크랭크에 편심되게 결합되는 제 1 크랭크로드와 제 1 크랭크로드에 결합되는 제 1 피스톤이 내장되는 제 1 링크;와, 상기 제 1 크랭크에 동일 중심을 가지며 회전 가능하게 결합되는 제 2 크랭크를 구비하고, 내부에는 상기 제 1 링크의 제 1 크랭크에 편심되게 결합되는 제 2 크랭크로드와 제 2 크랭크로드에 결합되는 제 2 피스톤이 내장되는 제 2 링크;를 포함하여, 상기 제 1 피스톤 또는 제 2 피스톤의 피스톤 작용에 의해 상호 회전 작용을 수행하도록 구성되는 링크 실린더 엑츄에이터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 링크 실린더 엑츄에이터와 상기 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇에 있어서, 상기 제 1 링크와 상기 제 2 링크의 내부에는 상기 제 1 피스톤 또는 상기 제 2 피스톤의 이동 방향의 양측에 상기 제 1 피스톤 또는 상기 제 2 피스톤을 외부와 격리시키는 차폐판이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 링크 실린더 엑츄에이터와 상기 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇에 있어서, 상기 제 1 크랭크로드와 상기 제 2 크랭크로드는 상기 제 1 크랭그와 상기 제 2 크랭크의 회전 가능하게 결합되는 결합 중심을 중심으로 대칭이 되도록 각각 상기 제 2 크랭크와 상기 제 1 크랭크에 편심되게 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 링크 실린더 엑츄에이터는 또한, 상기 제 1 링크와 상기 제 2 링크는 상기 제 1 크랭크와 상기 제 2 크랭크가 형성된 단부의 반대측 단부가 개방된 중공부로 형성되고, 2 개의 제 1 링크 또는 2 개의 제 2 링크들 중 하나의 제 1 링크 또는 제 2 링크의 상기 개방된 중공부로 일단부가 삽입되고 타측 단부는 다른 제 1 링크 또는 제 2 링크의 상기 개방된 중공부로 삽입되는 길이조절봉을 더 포함하여 구성되어, 2 개의 제 1 링크 또는 2 개의 제 2 링크가 링크의 길이를 길게 하기 위하여 서로 연결될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 개방된 중공부가 형성되는 상기 제 1 링크 또는 상기 제 2 링크들의 외주면에는 각각 길이 방향을 따라 길이 조절을 위한 관통공들이 형성되고, 상기 길이조절봉의 외주면에는 길이 방향을 따라 길이 조절을 위한 관통공들이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성을 가지는 본 발명은 외골격을 이루는 링크와 링크를 구동시키는 구동장치를 일체로 형성하는 것에 의해 착용로봇의 구조를 간소화시키고, 이에 따라 착용로봇의 설계 작업을 용이하게 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한 본 발명은 착용로봇에서 링크구동부가 외부로 노출되지 않게 됨으로써 링크구동부에 의한 착용로봇의 동작 제한을 제거하는 것에 의해 착용로봇의 구동을 더욱 원활히 수행할 수 있도록 하여, 착용로봇을 이용한 작업 효율성을 향상시키는 효과를 제공한다.
또한 본 발명은 착용로봇의 하중을 줄여, 배터리의 사용 수명 및 착용로봇의 출력 효율을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래기술의 전신 착용로봇의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 링크 실린더 엑츄에이터(100)의 사시도,
도 3은 도 2의 링크 실린더 엑츄에이터(100)의 단면도,
도 4는 도 2 및 도 3의 링크 실린더 엑츄에이터(100)의 회전동작을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 링크 실린더 엑츄에이터(100)를 구비한 착용로봇의 측면도,
도 6은 도 5의 착용로봇(200)의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에서 상부링크(10), 상부크랭크(11), 상부크랭크로드(13), 상부피스톤(15), 상부피스톤로드(16)는 본 발명의 제 1 링크, 제 1 크랭크로드, 제 1 피스톤, 제 1 피스톤로드의 실시예이며, 하부링크(40), 하부크랭크(41), 하부크랭크로드(43), 하부피스톤(45), 하부피스톤로드(46)는 본 발명의 제 2 링크, 제 2 피스톤, 제 2 크랭크로드의 실시예이다.
이하 첨부 도면의 설명에서는 본 발명의 실시예의 구성을 예로 들어 본 발명을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 링크 실린더 엑츄에이터(100)의 사시도이고, 도 3은 도 2의 링크 실린더 엑츄에이터(100)의 단면도이다.
도 2 및 도 3과 같이 상기 링크 실린더 엑츄에이터(100)는 상부링크(10)와 하부링크(40)를 포함하여 구성된다.
도 3과 같이 상기 상부링크(10)는 내부가 중공인 관의 내부에 상부피스톤로드(16)가 상부크랭크(11) 방향으로 돌출 형성된 상부피스톤(15)이 장착되고, 상부피스톤로드(16)의 단부에는 상부크랭크로드(13)가 회전 가능하게 결합되며, 상부크랭크로드(13)의 타측 단부는 상부크랭크(11)와 동일 축을 중심으로 회전 가능하게 결합되는 하부링크(40)의 하부크랭크(41) 면에 중심으로부터 편심되며 회전 가능하게 결합되도록 구성된다.
상기 하부링크(40) 또한, 내부가 중공인 관의 내부에 하부피스톤로드(46)가 하부크랭크(41) 방향으로 돌출 형성된 하부피스톤(45)이 장착되고, 하부피스톤로드(46)의 단부에는 하부크랭크로드(43)가 회전 가능하게 결합되며, 하부크랭크로드(43)의 타측 단부는 하부크랭크(41)와 동일 축을 중심으로 회전 가능하게 결합되는 상부링크(10)의 상부크랭크(11) 면에 중심으로부터 편심되며 회전 가능하게 결합되도록 구성된다.
도 2 내지 도 4에도는 도시되지 않았으나, 상기 상부링크(10) 및 하부링크(40)의 상부피스톤(15) 또는 하부피스톤(45)의 상하부에는 피스톤 구동을 위하여 제공된 유체의 누설이 발생하지 않도록 도 6과 같이 차폐판(160)이 형성된다. 상기 상부피스톤로드(16)와 상기 하부피스톤로드(46)의 내부 유체의 누설이 되지 않도록 밀봉된 상태에서 차폐판(160)을 관통하여 상부크랭크로드(13) 또는 하부크랭크로드(43)의 단부와 회전 가능하게 결합된다.
상기 구성의 상부링크(10)와 하부링크(40)는 상부크랭크(11)와 하부크랭크(41)가 동일축을 이루며 회전 가능하게 결합되고, 상부크랭크로드(13)와 하부크랭크로드(43)는 상부크랭크(11)와 하부크랭크(41)의 결합 중심의 양측에서 서로 대향하도록 각각 하부크랭크(41)와 상부크랭크(11)의 면에 편심되고 회전 가능하게 결합되는 것에 의해 하나의 링크 실린더 엑츄에이터(100)로 결합된다. 이렇게 결합된 링크 실린더 엑츄에이터(100)는 상부크랭크(11)와 하부크랭크(41)의 결합부가 회전되는 관절로 되어 외골격의 상지, 하지, 어깨, 골반 등의 외골력 링크를 형성하게 된다.
상술한 설명을 위한 도 3및 도 4는 단면도이나 표시의 용이함을 위해 단면의 표시는 생략하였다.
이와 같이 형성된 상기 링크 실린더 엑츄에이터(100)는 상부피스톤(15)과 하부피스톤(45)의 상호 동작에 의해 결합된 상부크랭크(11)와 하부크랭크(41)의 회전에 의해 상대측 링크를 회전시키는 관절 운동을 수행하게 된다.
도 4는 도 2 및 도 3의 링크 실린더 엑츄에이터(100)의 회전동작을 나타내는 도면으로, 이하, 도 4를 참조하여 상기 링크 실린더 엑츄에이터(100)에 의한 관절 회전 운동을 설명한다.
도 4의 (a)는 관절이 펼쳐진 상태로서 상지 또는 하지가 펼친 상태를 가지도록 하는 링크 실린더 엑츄에이터(100)의 상부피스톤(15)과 하부피스톤(45)의 결합 구조를 나타낸다. 도 4에서 상부링크(10)의 상단부가 고정단이되고 하부링크(40)의 하단부가 자유단인 것으로 가정한다.
이러한 상태에서 상부피스톤(15)과 하부피스톤(45)이 하 방향으로 이동하면, 상부피스톤(15)에 의해 상부크랭크로드(13)가 하부크랭크(41)를 상부크랭크(11)와 하부크랭크(41)의 결합 중심을 중심으로 회전시키게 되어 도 4의 (b)-(c)-(d)와 같이, 하부링크(40)의 하부가 상부크랭크(11)와 하부크랭크(41)의 결합 중심을 중심으로 반 시계 방향으로 회전운동을 수행하게 된다.
이와 달리 도면에는 도시하지 않았으나, 상부피스톤(15)과 하부피스톤(45)이 각각 상 방향으로 이동하게 되면, 상부피스톤(15)과 하부피스톤(45)의 하 방향으로 이동하는 것과 반대로 상부크랭크(11)와 하부크랭크(41)가 회전되어 하부링크(40)는 시계방향으로 회전하게 된다.
상술한 구성을 가지는 링크 실린더 엑츄에이터(100)가 적용된 하지용 착용로봇(200)을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 링크 실린더 엑츄에이터(100)를 구비한 착용로봇의 측면도이고, 도 6은 도 5의 착용로봇(200)의 사시도이다. 도 5는 도 3및 도 4와 같이 단면도이나 표시의 용이함을 위해 단면의 표시는 생략하였다.
도 5 및 도 6과 같이 상기 링크 실린더 엑츄에이터(100)는 상부크랭크(11)와 하부크랭크(41)의 결합부위가 골반, 무픔, 발목 등의 관절을 이루며 하지용 착용로봇(200)으로 결합된다.
도 5 및 도 6에서 하지용 착용로봇(200)은 두 개의 상부링크(10)가 서로 개방된 중공부가 형성된 단부에 길이조절봉(153)의 양단부가 각각 삽입되어 길이가 연장된 대퇴부를 형성하였다. 이때 두 개의 상부링크(10)의 개방된 중공부가 결합되어 도 5와 같이 길이조정봉삽입부(180)를 형성한다. 상기 길이조절봉(153)에는 길이 방향을 따라 다수의 길이조절을 위한 관통공(151)이 형성된다. 그리고 도면에는 미도시되어 있으나 상기 상부링크(10)의 내부가 중공이고 개방된 단부의 외측면에도 길이조절봉(153)의 관통공과 대응하는 관통공이 형성된다. 이렇게 형성된 관통공들은 그 위치를 가변시킨 후 고정핀 등을 삽입하는 것에 의해 서로 결합된 상부링크(10)의 길이를 미세하게 가변시킬 수 있도록 한다.
이렇게 형성된 대퇴부의 상부에 위치하는 상부크랭크(11)는 골반부를 형성하는 링크 실린더 엑츄에이터의 크랭크와 회전 가능하게 결합된다. 상부크랭크로드(13)는 골반부를 형성하는 링크 실린더 엑츄에이터의 크랭크에 편심되게 결합되고, 골반부를 형성하는 링크 실린더 엑츄에이터의 크랭크로드 또한 상부크랭크(11)의 면에 편심되게 결합된다. 이와 같은 결합에 의해 대퇴부가 골반에 회전 가능하게 결합된다.
또한 도 5 및 도 6에서 하지용 착용로봇(200)은 두 개의 하부링크(40)가 서로 개방된 중공부가 형성된 단부에 길이조절봉(153)의 양단부가 각각 삽입되어 길이가 연장된 정강이부를 형성하였다. 이때 두 개의 하부링크(40)의 개방된 중공부가 결합되어 도 5와 같이 길이조정봉삽입부(180)를 형성한다. 상기 길이조절봉(153)에는 길이 방향을 따라 다수의 길이조절을 위한 관통공(151)이 형성된다. 그리고 도면에는 미도시되어 있으나 상기 하부링크(40)의 내부가 중공이고 개방된 단부의 외측면에도 길이조절봉(153)의 관통공과 대응하는 관통공이 형성된다. 이렇게 형성된 관통공들은 그 위치를 가변시킨 후 고정핀 등을 삽입하는 것에 의해 서로 결합된 하부링크(40)의 길이를 미세하게 가변시킬 수 있도록 한다.
이렇게 형성된 정강이부의 상부에 위치하는 하부크랭크(41)는 대퇴부를 이루는 상부링크(10) 중 하부에 위치하는 상부링크(10)의 상부크랭크(11)와 회전가능하게 결합된다. 그리고 하부크랭크로드(43)는 상부크랭크(11)에 편심되게 결합되고, 상부크랭크로드(13)는 하부크랭크(41)에 편심되게 결합된다. 이와 같은 결합에 의해 대퇴부와 정강이부가 회전 관절 운동을 수행하는 하지골격을 형성하게 된다.
본 발명의 착용로봇의 실시예로서 도 5 및 도 6과 같이 하지용 착용로봇을 들어 설명하였으나, 본 발명의 링크 실린더 엑츄에이터는 상지, 하지 또는 전신착용로봇에 적용될 수 있음은 자명하다.
100: 링크 실린더 엑츄에이터
10: 상부링크, 11: 상부크랭크, 13: 상부크랭크로드, 15: 상부피스톤, 16: 상부피스톤로드
40: 하부링크, 41: 하부크랭크, 43: 하부크랭크로드, 45: 하부피스톤, 46: 하부피스톤로드
151; 관통공, 153: 길이조절봉
160: 차폐판, 180: 길이조절봉삽입부
200: 착용로봇

Claims (6)

  1. 제 2 링크와 연결되는 단부에 제 1 크랭크를 구비하고, 내부에는 제 2 링크의 제 2 크랭크에 편심되게 결합되는 제 1 크랭크로드와 제 1 크랭크로드에 결합되는 제 1 피스톤이 내장되는 제 1 링크;와,
    상기 제 1 크랭크에 동일 중심을 가지며 회전 가능하게 결합되는 제 2 크랭크를 구비하고, 내부에는 상기 제 1 링크의 제 1 크랭크에 편심되게 결합되는 제 2 크랭크로드와 제 2 크랭크로드에 결합되는 제 2 피스톤이 내장되는 제 2 링크;를 포함하여 구성되어,
    상기 제 1 피스톤 또는 제 2 피스톤의 피스톤 작용에 의해 상호 회전 작용을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 링크 실린데 엑츄에이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 링크와 상기 제 2 링크의 내부에는 상기 제 1 피스톤 또는 상기 제 2 피스톤의 이동 방향의 양측에 상기 제 1 피스톤 또는 상기 제 2 피스톤을 외부와 격리시키는 차폐판이 형성되는 것을 특징으로 하는 링크 실린데 엑츄에이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 크랭크로드와 상기 제 2 크랭크로드는 상기 제 1 크랭그와 상기 제 2 크랭크의 회전 가능하게 결합되는 결합 중심을 중심으로 대칭이 되도록 각각 상기 제 2 크랭크와 상기 제 1 크랭크에 편심되게 결합되는 것을 특징으로 하는 링크 실린데 엑츄에이터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 링크와 상기 제 2 링크는 상기 제 1 크랭크와 상기 제 2 크랭크가 형성된 단부의 반대측 단부가 개방된 중공부로 형성되고,
    2 개의 제 1 링크 또는 2 개의 제 2 링크들 중 하나의 제 1 링크 또는 제 2 링크의 상기 개방된 중공부로 일단부가 삽입되고 타측 단부는 다른 제 1 링크 또는 제 2 링크의 상기 개방된 중공부로 삽입되는 길이조절봉을 더 포함하여 구성되어,
    2 개의 제 1 링크 또는 2 개의 제 2 링크가 링크의 길이를 길게 하기 위하여 서로 연결될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 링크 실린데 엑츄에이터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 개방된 중공부가 형성되는 상기 제 1 링크 또는 상기 제 2 링크들의 외주면에는 각각 길이 방향을 따라 길이 조절을 위한 관통공들이 형성되고,
    상기 길이조절봉의 외주면에는 길이 방향을 따라 길이 조절을 위한 관통공들이 형성되는 것을 특징으로 하는 링크 실린데 엑츄에이터.
  6. 링크들이 결합되어 관절과 골격 구조를 이루며 작업자가 착용 가능한 착용로봇에 있어서,
    상기 링크들은,
    제 2 링크와 연결되는 단부에 제 1 크랭크를 구비하고, 내부에는 제 2 링크의 제 2 크랭크에 편심되게 결합되는 제 1 크랭크로드와 제 1 크랭크로드에 결합되는 제 1 피스톤이 내장되는 제 1 링크;와,
    상기 제 1 크랭크에 동일 중심을 가지며 회전 가능하게 결합되는 제 2 크랭크를 구비하고, 내부에는 상기 제 1 링크의 제 1 크랭크에 편심되게 결합되는 제 2 크랭크로드와 제 2 크랭크로드에 결합되는 제 2 피스톤이 내장되는 제 2 링크;를 포함하여,
    상기 제 1 피스톤 또는 제 2 피스톤의 피스톤 작용에 의해 상호 회전 작용을 수행하도록 구성되는 링크 실린더 엑츄에이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 링크 실린더 엑츄에이터를 구비한 착용로봇.
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