KR20130063090A - 4절 링크를 이용한 착용로봇 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 4절 링크를 이용한 착용로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 4절 링크를 채택하여 물건을 들어올릴 때 로봇 암의 강성을 높인 착용로봇에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 사용자가 착용할 수 있는 로봇 상체를 포함하는 착용로봇으로, 상기 로봇 상체에는 좌우 양측으로 로봇 암이 구성되며, 상기 로봇 암은 4절 링크와 이 4절 링크 중 인접한 링크의 선택된 관절 부위에 설치되는 관절 구동 액추에이터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 착용로봇을 제공한다.

Description

4절 링크를 이용한 착용로봇 {Wearable robot having 4 bar-link}
본 발명은 4절 링크를 이용한 착용로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 4절 링크를 채택하여 물건을 들어올릴 때 로봇 암의 강성을 높인 착용로봇에 관한 것이다.
최근 인간 편의를 향상하고 인간 한계를 넘는 신체 능력을 제공할 수 있는 다양한 착용로봇이 개발되고 있다. 착용로봇은 사용자가 이를 착용함으로써 무거운 물건을 큰 힘을 들이지 않고 쉽게 들어올리거나 보다 빠른 속도로 이동할 수 있도록 해준다.
종래의 착용로봇으로는 미국의 HULC(Human Universal Load Carrier)와 일본의 HAL(Hybrid Assistive Limb) 등이 있다.
미국의 착용로봇 HULC(Human Universal Load Carrier)는 로봇 하체가 능동 링크(active link)의 관절 구조로 구성되어 있고 로봇 상체가 고정된 관절 형태로 구성되어 있어서, 물건을 들어올리는 경우 'ㄱ'자 형태의 고정된 링크에 연결된 고리가 하강되어 물건을 들어올리게 되므로 물건을 지면에 대해 중력방향으로만 들어올릴 수 있는 단점이 있다.
일본의 착용로봇 HAL(Hybrid Assistive Limb)은 인간의 팔과 유사한 동작 범위를 가질 수 있는 관절 형태로 구성되어 있으나, 물건을 들어올릴 때 무게중심이 앞으로 쏠리게 되고, 로봇 암의 강성이 약하여 자세를 일정하게 유지하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 인간의 팔과 유사한 동작 범위를 가질 수 있는 능동형의 관절 형태로 구성되는 동시에, 4절 링크 구조로 로봇 암의 강성을 높이고, 좌우 로봇 암을 연결 지지하는 상체 링크를 등 뒤쪽에 배치하여 무게중심이 사용자의 무게중심과 일치될 수 있는 4절 링크를 이용한 착용로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 사용자가 착용할 수 있는 로봇 상체를 포함하는 착용로봇으로, 상기 로봇 상체에는 좌우 양측으로 로봇 암이 구성되며, 상기 로봇 암은 4절 링크와 이 4절 링크 중 인접한 링크의 선택된 관절 부위에 설치되는 관절 구동 액추에이터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 착용로봇을 제공한다.
바람직하게, 상기 4절 링크는, 일측 단부가 관절 구동 액추에이터의 전후 동작용 감속기와 축결합되고 전후 동작용 감속기의 출력을 전달받아 회전동작하는 전후 액티브 링크; 일측 단부가 관절 구동 액추에이터의 상하 동작용 감속기와 축결합되고 상하 동작용 감속기의 출력을 전달받아 회전동작하는 상하 액티브 링크; 그리고 일측 단부가 상기 전후 및 상하 액티브 링크의 타측 단부와 각기 회전가능하게 조인트되고, 서로가 회전가능하게 조인트되어 전후 및 상하 액티브 링크의 회전동작에 각각 연동가능하게 설치되는 상하 패시브 링크와 전후 패시브 링크;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 관절 구동 액추에이터는 양방향 회전이 가능한 전후 동작용 모터와 상하 동작용 모터, 그리고 상기 전후 및 상하 동작용 모터와 각각 축결합되어 모터의 구동력을 전후 및 상하 액티브 링크에 각각 감속 전달하는 전후 동작용 감속기와 상하 동작용 감속기로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 로봇 상체는 좌우 양측의 로봇 암을 연결 지지하며, 착용시 사용자의 등 뒤쪽에 위치하게 되는 상체 링크를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 착용로봇은 상하좌우로 인간의 팔과 유사한 동작 범위를 가질 수 있으며, 4절 링크를 이용함으로써 로봇 암의 강성이 증대되고, 물건을 들어올릴 때 전체 균형이 지면에 수직을 이루게 되어 사용자의 몸의 중심과 일치될 수 있다. 이에 사용자의 몸의 균형을 잡기 위해 구성되는 모터의 용량을 줄이고 경량화할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇을 도시한 개략적인 사시도
도 3은 도 1의 착용로봇을 상체만 나타낸 개략도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 암을 도시한 개략적인 정면도
도 5는 도 4의 A-A에서 바라본 단면도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 암의 동작상태를 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 암의 동작상태를 나타낸 도면
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇은 사용자가 착용할 수 있으며, 사용자가 착용함에 의해 사용자의 신체 능력을 증대시킬 수 있는 일종의 로봇 수트로서, 능동작동구조를 갖는 로봇 상체(100)와 로봇 하체(200)로 이루어진다.
본 발명은 4절 링크(110)를 이용한 능동형의 로봇 상체(100)에 주안점이 있으며, 상기의 로봇 상체(100)는 로봇 암(101,102)의 강성을 증대하고 물건을 들어올릴 때 사용자의 몸의 중심과 일치되어 균형을 이룰 수 있게 구성된다.
구체적으로, 상기 로봇 상체(100)는 좌우 양측의 능동형(active) 로봇 암(101,102)과 이 로봇 암(101,102)을 연결 지지하는 상체 링크(130)를 포함하여 구성된다.
상기 로봇 상체(100)의 로봇 암(101,102)의 구성에 대한 설명은 도 1의 도면부호 101로 표시한 로봇 암을 기준으로 하여 설명하도록 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 로봇 암(101)은 4절 링크(110)와 이 4절 링크(110) 중 인접한 링크의 선택된 어느 하나의 관절(혹은 조인트)에 설치되는 관절 구동 액추에이터(120)를 포함하여 구성된다.
상기 4절 링크(110)는 각 단부가 회전가능하게 조인트되어 연결된 4개의 링크(111~114) 즉, 전후 액티브 링크(111)와 전후 패시브 링크(113) 및 상하 액티브 링크(112)와 상하 패시브 링크(114)로 구성되며, 이중 전후 액티브 링크(111)와 상하 액티브 링크(112) 사이의 관절(혹은 로봇 암의 조인트 부위)(J1)을 관절 구동 액추에이터(120)를 이용하여 능동방식으로 구동하게 된다.
구체적으로, 상기 전후 액티브 링크(111)는 일측 단부가 관절 구동 액추에이터(120)의 전후 동작용 감속기(122)와 축결합되어 구성되고, 전후 동작용 감속기(122)의 출력을 전달받아 회전동작하게 된다.
상기 상하 액티브 링크(112)는 일측 단부가 관절 구동 액추에이터(120)의 상하 동작용 감속기(124)와 축결합되어 구성되고, 상하 동작용 감속기(124)의 출력을 전달받아 회전동작하게 된다.
상기 상하 패시브 링크(114)는 일측 단부가 상기 전후 액티브 링크(111)의 타측 단부와 회전가능하게 조인트되어 구성되고, 상하 액티브 링크(112)의 회전동작에 연동되어 상하 액티브 링크(112)와 동일방향으로 회전하게 된다.
여기서, 상기 상하 패시브 링크(114)는 그 중앙부에 전후 패시브 링크(113)의 타측 단부가 회전가능하게 조인트되어 있어서 그(상하 패시브 링크)의 회전동작을 지지해주게 된다.
또한, 상기 전후 패시브 링크(113)는 일측 단부가 상기 상하 액티브 링크(112)의 타측 단부와 회전가능하게 조인트되어 구성되고, 전후 액티브 링크(111)의 회전동작에 연동되어 전후 액티브 링크(111)와 동일방향으로 회전하게 된다.
마찬가지로, 상기 전후 패시브 링크(113)는 그 타측 단부가 상하 패시브 링크(114)의 중앙부에 회전가능하게 조인트되어 있어서 그(전후 패시브 링크)의 회전동작을 지지해주게 된다.
이와 같이 상기 4절 링크(110)는 상하 및 전후 패시브 링크(114,113)가 전후 및 상하 액티브 링크(111,112)에 각각 조인트됨과 동시에 상호 지지가능한 구조로 조인트되어 구성됨에 따라 전후 및 상하 액티브 링크(111,112)의 회동에 대해 상하 및 전후 패시브 링크(114,113)가 연동회전하게 되고, 이에 관절 구동 액추에이터(120)의 구동에 의해 로봇 암(101)의 전후 및 상하 구동이 제어되어 인간 팔과 유사한 동작을 구현할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 관절 구동 액추에이터(120)는 정방향 및 역방향의 양방향 회전이 가능하고 전후 액티브 링크(111)에 회전구동력을 공급하기 위한 전후 동작용 모터(121)와, 양방향 회전이 가능하고 상하 액티브 링크(112)에 회전구동력을 공급하기 위한 상하 동작용 모터(123)와, 그리고 상기 전후 및 상하 동작용 모터(121,123)와 각각 축결합되어 각 모터(121,123)의 구동력을 전후 및 상하 액티브 링크(111,112)에 감속 전달하는 전후 동작용 감속기(122)와 상하 동작용 감속기(124)로 구성된다.
상기 전후 동작용 모터(121)는 상체 링크(130)의 좌우 일측에 고정되게 장착된 커넥팅 링크(125)에 고정되게 장착되고, 이에 관절 구동 액추에이터(120) 및 4절 링크(110)는 커넥팅 링크(125)를 통해 상체 링크(130)에 지지되게 장착되어진다.
상기 전후 동작용 감속기(122)와 축결합된 전후 액티브 링크(111)에는 서브링크(115)가 'ㄱ'자 형태로 돌출되게 형성되어 있으며, 이때의 서브링크(115)에 상하 동작용 모터(123)가 장착된다.
즉, 상기 상하 동작용 모터(123)는 서브링크(115)를 매개로 전후 액티브 링크(111)의 후면에 지지되게 장착된다.
또한, 상기 상하 동작용 모터(123)와 전후 동작용 모터(121)는 전후 및 상하 액티브 링크(111,112) 사이의 관절(J1)에 구비됨에 있어 동축 상에 배치되어진다.
설명한 바와 같이, 상기 4절 링크(110)는 인접한 링크 간에 관절(혹은 조인트)(J1~J4)이 형성되어 4개의 관절을 구비하게 되며, 이중 선택된 하나의 관절은 관절 구동 액추에이터(120)에 의해 능동적으로 구동되는 액티브 조인트(active joint)로 구성되고 나머지 3개의 관절은 상기 액티브 조인트의 움직임을 따라가기만 하는 패시브 조인트(passive joint)로서 구성된다.
상기 관절 구동 액추에이터(120)는 4절 링크(110)의 어느 관절(J1~J4)에든 설치 구성될 수 있으며, 상기와 같은 로봇 암(101) 구조는 상체 링크(130)의 좌우 양측의 로봇 암에 모두 동일하게 적용되거나 또는 변경 실시되어 적용될 수 있다.
언급한 바와 같이, 상기 4절 링크(110)는 관절 구동 액추에이터(120)의 전후 동작용 모터(121)가 커넥팅 링크(125)를 통해 상체 링크(130)의 좌우 양측에 각각 장착 지지됨에 의해 상체 링크(130)와 일체로 연결되어진다.
상기 상체 링크(130)는 로봇 상체(100)의 좌우 양측의 로봇 암(101,102)을 연결 지지하며, 착용시 사용자의 등 뒤쪽에 위치하게 된다.
이러한 상체 링크(130)는 물건을 들어올릴 때 카운터 발란스(Counter Balance)의 역할을 하여 무게중심을 사용자 몸 전체의 중심과 일치시켜 균형을 이룰 수 있도록 한다.
또한, 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 상하 패시브 링크(114)의 타측 단부(116, 손잡이 장착부)에는 포스 센서(force sensor)를 구비한 로봇 암(101)의 손잡이부(미도시)가 설치된다.
상기 포스 센서는 사용자가 손을 움직이고자 하는 방향으로 힘을 가하면 그 힘의 방향과 크기를 감지하여 관절 구동 액추에이터(120)의 상하 및 전후 동작용 모터(123,121)를 동작시키기 위한 신호를 출력하게 되며, 이에 사용자의 의지에 따라 관절 구동 액추에이터(120) 및 4절 링크(110)를 동작시킬 수 있다.
한편, 상기 로봇 하체(200)는 상체 링크(130)의 좌우 양측에 각각 회전가능하게 조인트되는 상부 레그 링크(210), 상부 레그 링크(210)와 회전가능하게 조인트되는 하부 레그 링크(220), 및 하부 레그 링크(220)와 회전가능하게 조인트되는 발 받침대(230)를 포함하여 구성된다.
상기 로봇 하체(200)에는 발 받침대(230)와 하부 레그 링크(220) 사이의 발목관절(J5), 하부 레그 링크(220)와 상부 레그 링크(210) 사이의 무릎관절(J6), 및 상부 레그 링크(210)와 상체 링크(130) 사이의 허벅지관절(J7)을 구동하기 위한 액추에이터(미도시)가 구비된다.
상기와 같은 본 발명의 착용로봇은 병렬구조의 4절 링크(110)가 외란에 의한 진동을 감소시켜 물건을 들어올릴 때 로봇 암(101)의 강성을 증대시킬 수 있고, 무게중심이 사용자의 몸의 중심과 일치되어서 물건을 들어올릴 때 기울어지거나 넘어지지 않게 해주며, 이에 사용자 몸의 균형을 잡기 위한 모터 용량의 감소 및 이에 따른 경량화를 가능하게 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 착용로봇의 작동을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4과 같은 표준 자세에서, 사용자가 손을 일정한 힘과 방향으로 움직이고자 하면 포스 센서가 이를 감지하여 관절 구동 액추에이터(120)를 구동시킨다.
이에 상기 관절 구동 액추에이터(120)의 전후 동작용 모터(21)가 정방향으로 회전 구동되면 도 6의 (a)와 같이 전후 액티브 링크(111)가 시계방향으로 회전되면서 상하 패시브 링크(114)가 전방으로 이동하게 된다.
그리고, 상기 관절 구동 액추에이터(120)의 전후 동작용 모터(121)가 역방향으로 회전 구동되면 도 6의 (b)와 같이 전후 액티브 링크(111)가 반시계방향으로 회전되면서 상하 패시브 링크(114)가 후방으로 이동하게 된다.
또한, 상기 관절 구동 액추에이터(120)의 상하 동작용 모터(123)가 정방향으로 회전 구동되면 도 6의 (c)와 같이 상하 액티브 링크(112)가 시계방향으로 회전되면서 전후 패시브 링크(113)가 상방으로 이동하게 되고 이에 상하 패시브 링크(114)의 손잡이 장착부(116)가 상방으로 들리게 된다.
또한, 상기 관절 구동 액추에이터(120)의 상하 동작용 모터(123)가 역방향으로 회전 구동되면 도 6의 (d)와 같이 상하 액티브 링크(112)가 반시계방향으로 회전되면서 전후 패시브 링크(113)가 하방으로 이동하게 되고 이에 상하 패시브 링크(114)의 손잡이 장착부(116)가 하방으로 내려지게 된다.
본 발명에 따른 착용로봇은 도 6의 (a) 내지 (d)와 같은 동작을 단독 또는 동시에 복합적으로 수행함으로써 사람의 팔과 유사한 동작을 구현하게 된다.
첨부한 도 7은 본 발명에 따른 착용로봇의 로봇 암에서 관절 구동 액추에이터의 위치를 변경 구성한 착용로봇의 다른 실시예로, 전후 동작용 모터를 구동하여 상하 패시브 링크(114')를 전후 방향으로 이동시키는 동작은 도 6과 동일한 방식으로 작동되나, 상하 동작용 모터를 구동하여 전후 패시브 링크(113')를 상하 방향으로 이동시키면서 상하 패시브 링크(114')의 손잡이 장착부(116')를 들리거나 내려지게 하는 동작은 도 6의 경우와 반대 방향으로 작동되어진다.
도 1 및 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇은 좌우 로봇 암(101,102)의 관절 구동 액추에이터(120,120')가 서로 다른 위치에 배치되어 있으며, 이 경우 사용자가 손을 움직이고자 하는 방향으로 힘을 가함에 따라 전후 및 상하 동작용 모터의 정방향 또는 역방향 구동에 따른 로봇 암의 동작이 상이할 수 있으나, 이는 상하 패시브 링크(114,114')의 손잡이 장착부(116,116')에 구비되는 각각의 포스 센서를 통해 좌우 로봇 암(101,102)의 각 관절 구동 액추에이터(120,120')의 동작을 적절하게 제어함으로써 일치시킬 수 있다.
J1~J7,J1'~J7' : 관절
100 : 로봇 상체 101,102 : 로봇 암
110 : 4절 링크 111,111' : 전후 액티브 링크
112,112' : 상하 액티브 링크 113,113' : 전후 패시브 링크
114,114' : 상하 패시브 링크 115,115' : 서브링크
116,116' : 손잡이 장착부 120,120' : 관절 구동 액추에이터
121 : 전후 동작용 모터 122 : 전후 동작용 감속기
123 : 상하 동작용 모터 124 : 상하 동작용 감속기
125,125' : 커넥팅 링크 130 : 상체 링크
200 : 로봇 하체 210 : 상부 레그 링크
220 : 하부 레그 링크 230 : 발 받침대

Claims (4)

  1. 사용자가 착용할 수 있는 로봇 상체를 포함하는 착용로봇으로,
    상기 로봇 상체에는 좌우 양측으로 로봇 암이 구성되며, 상기 로봇 암은 4절 링크와 이 4절 링크 중 인접한 링크의 선택된 관절 부위에 설치되는 관절 구동 액추에이터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 착용로봇.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 4절 링크는,
    일측 단부가 관절 구동 액추에이터의 전후 동작용 감속기와 축결합되고 전후 동작용 감속기의 출력을 전달받아 회전동작하는 전후 액티브 링크;
    일측 단부가 관절 구동 액추에이터의 상하 동작용 감속기와 축결합되고 상하 동작용 감속기의 출력을 전달받아 회전동작하는 상하 액티브 링크; 그리고
    일측 단부가 상기 전후 및 상하 액티브 링크의 타측 단부와 각기 회전가능하게 조인트되고, 서로가 회전가능하게 조인트되어 전후 및 상하 액티브 링크의 회전동작에 각각 연동가능하게 설치되는 상하 패시브 링크와 전후 패시브 링크;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 착용로봇.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 관절 구동 액추에이터는 양방향 회전이 가능한 전후 동작용 모터와 상하 동작용 모터, 그리고 상기 전후 및 상하 동작용 모터와 각각 축결합되어 모터의 구동력을 전후 및 상하 액티브 링크에 각각 감속 전달하는 전후 동작용 감속기와 상하 동작용 감속기로 구성되는 것을 특징으로 하는 착용로봇.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 로봇 상체는 좌우 양측의 로봇 암을 연결 지지하며, 착용시 사용자의 등 뒤쪽에 위치하게 되는 상체 링크를 갖는 것을 특징으로 하는 착용로봇.

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