KR20150002133A - 착용로봇의 무릎관절 - Google Patents

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Abstract

실린더와 링크들 간의 연결 구조를 개선하여, 실린더의 구동력을 증가시키지 않고도 큰 하중을 들어올릴 수 있도록 회전력이 증가될 수 있는 착용로봇의 무릎관절이 개시된다. 착용로봇의 무릎관절은 일측이 무릎 조인트에 회전 가능하게 연결되는 허벅지 링크와, 일측이 상기 무릎 조인트에 회전 가능하게 연결되는 종아리 링크와, 일측이 허벅지 링크와 종아리 링크 중 하나에 회전 가능하게 연결되고 타측이 다른 하나에 링크의 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 연결되는 실린더와, 일측이 허벅지 링크와 종아리 링크 중 상기 실린더를 회전 가능하게 연결시킨 것에 회전 가능하게 연결되고 타측이 실린더의 슬라이딩 가능하게 연결된 측에 회전 가능하게 연결되는 제1 지지대 링크를 포함한다. 따라서, 허벅지 링크에 보조 기능을 하는 지지대 링크를 구비하고 종아리 링크를 실린더에 슬라이딩 가능하게 연결함으로써, 무릎 조인트의 축과 실린더 간의 거리를 길게 하여 무릎관절의 회전력을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

착용로봇의 무릎관절{KNEE JOINT OF WEARABLE ROBOT}
본 발명은 착용로봇의 무릎관절에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더의 구동력에 의하여 착용자의 근력을 강화시켜주는 착용로봇의 무릎관절에 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 힘이 요구되는 고 하중 작업을 수행할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 착용로봇의 무릎관절이 선 상태를 도시한 것이고, 도 2는 종래의 착용로봇의 무릎관절이 앉은 상태를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 착용로봇의 무릎관절은 종아리 링크(130)와, 허벅지 링크(140)와, 무릎 조인트(170) 및 실린더(160)를 포함하여 이루어진다.
종아리 링크(130)는 하측이 바닥부(110)에 회전 가능하게 연결되고, 상측은 무릎 조인트(170)를 통해 허벅지 링크(140)에 회전 가능하게 연결된다. 허벅지 링크(140)는 하측이 무릎 조인트(170)를 통해 종아리 링크(130)에 회전 가능하게 연결되며, 상측은 슬라이더(150)에 회전 가능하게 연결된다.
슬라이더(150)는 바닥부(110)로부터 수직으로 연장된 수직부(120)에 구비되는 안내레일(121)에 슬라이딩 가능하게 연결되어 승강된다. 무릎 조인트(170)는 종아리 링크(130)와 허벅지 링크(140)를 서로 회전 가능하게 연결시킨다. 실린더(160)는 상측이 허벅지 링크(140)에 회전 가능하게 연결되고, 하측이 종아리 링크(130)에 회전 가능하게 연결된다.
실린더(160)는 수압 또는 유압으로 구성된 유체의 압력을 제어함으로써 피스톤 로드가 왕복동하도록 이루어지며, 실린더(160)의 구동에 의해 허벅지 링크(140)가 종아리 링크(130)에 대해 무릎 조인트(170)를 중심으로 회전력이 발생한다. 이로 인해, 슬라이더(150)가 안내레일(121)에 안내되면서 착용로봇의 무릎관절은 선 자세 또는 앉은 자세를 취하게 된다.
하지만, 종래의 착용로봇의 무릎관절은 앉은 상태에서 선 상태로 자세 이동 시 들어올릴 수 있는 하중에 한계가 있다. 즉, 실린더(160)가 허벅지 링크(140)와 종아리 링크(130)에 고정되어 있어 무릎 조인트(170)와 실린더(160) 사이의 거리가 작아, 무릎관절의 회전력이 저하되며 이로 인해 앉은 자세에서 물건을 들때 제 기능을 발휘하지 못하는 문제점이 있다.
특허문헌 : 대한민국 등록특허공보 제1278527호(2013.06.19)
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 실린더와 링크들 간의 연결 구조를 개선하여, 실린더의 구동력을 증가시키지 않고도 큰 하중을 들어올릴 수 있도록 회전력이 증가될 수 있는 착용로봇의 무릎관절을 제공함에 목적이 있다.
본 발명에 따른 착용로봇의 무릎관절은 일측이 무릎 조인트에 회전 가능하게 연결되는 허벅지 링크와, 일측이 상기 무릎 조인트에 회전 가능하게 연결되는 종아리 링크와, 일측이 허벅지 링크와 종아리 링크 중 하나에 회전 가능하게 연결되고 타측이 다른 하나에 링크의 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 연결되는 실린더와, 일측이 허벅지 링크와 종아리 링크 중 상기 실린더를 회전 가능하게 연결시킨 것에 회전 가능하게 연결되고 타측이 실린더의 슬라이딩 가능하게 연결된 측에 회전 가능하게 연결되는 제1 지지대 링크를 포함한다.
본 발명에 따른 착용로봇의 무릎관절은 허벅지 링크에 보조 기능을 하는 지지대 링크를 구비하고 종아리 링크를 실린더에 슬라이딩 가능하게 연결함으로써, 무릎 조인트의 축과 실린더 간의 거리를 길게 하여 무릎관절의 회전력을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 착용로봇의 무릎관절이 선 상태를 도시한 것이고,
도 2는 종래의 착용로봇의 무릎관절이 앉은 상태를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용로봇의 무릎관절이 선 상태를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용로봇의 무릎관절이 앉은 상태를 도시한 것이며,
도 5는 종래의 무릎관절 각도에 따른 들어올릴 수 있는 질량을 도시한 그래프이고,
도 6은 본 발명의 무릎관절 각도에 따른 들어올릴 수 있는 질량을 도시한 그래프이며,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 착용로봇의 무릎관절이 앉은 상태를 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 착용로봇의 무릎관절이 선 상태를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 착용로봇의 무릎관절의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용로봇의 무릎관절이 선 상태를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용로봇의 무릎관절이 앉은 상태를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용로봇은 허벅지 링크(40)와, 종아리 링크(30)와, 무릎 조인트(70)와, 실린더(60) 및 제1 지지대 링크(80)를 포함한다.
이하에서, 허벅지 링크(40)의 일측은 하측 방향이고 타측은 상측 방향이며, 종아리 링크(30)의 일측은 상측 방향이고 타측은 하측 방향이다. 아울러, 실린더(60)의 일측은 상측 방향이고 타측은 하측 방향이며, 제1 지지대 링크(80)의 일측은 상측 방향이고 타측은 하측 방향이다.
또한, 본 실시 예에서는 실린더(60)의 상측이 허벅지 링크(40)에 회전 가능하게 연결되고 하측이 종아리 링크(30)에 슬라이딩 가능하게 연결되는 구성을 설명하나, 반대로 실린더(60)의 상측이 허벅지 링크(40)에 슬라이딩 가능하게 연결되고 하측이 종아리 링크(30)에 회전 가능하게 연결되는 구조로도 구현 가능하다.
허벅지 링크(40)는 소정의 길이를 갖는 막대 형상으로 이루어지는 것으로서, 일측(이하 하측이라 한다)이 무릎 조인트(70)에 회전 가능하게 연결되며, 타측(이하 상측이라 한다)은 슬라이더(50)에 회전 가능하게 연결된다. 슬라이더(50)는 수직부(20)에 형성된 안내레일(21)에 슬라이딩 가능하게 연결되어 승강 가능하다. 수직부(20)는 바닥부(10)에 대해 수직 방향으로 연장 형성된다.
종아리 링크(30)는 소정의 길이를 갖는 막대 형상으로 이루어지는 것으로서, 일측(이하 상측이라 한다)이 무릎 조인트(70)에 회전 가능하게 연결되며, 타측(이하 하측이라 한다)은 바닥부(10)에 회전 가능하게 연결된다. 종아리 링크(30)에는 길이 방향으로 슬라이딩 가이더(31)가 형성된다. 슬라이딩 가이더(31)는 실린더(60)의 하측을 슬라이딩 가능하게 연결하는 것으로서, 더욱 상세하게는 제1 지지대 링크(80)의 하측을 슬라이딩 가능하게 연결시킨다.
무릎 조인트(70)는 종아리 링크(30)와 허벅지 링크(40)를 연결하는 힌지축의 구조로 이루어져, 종아리 링크(30)와 허벅지 링크(40)를 서로 회전 가능하게 연결시킨다.
실린더(60)는 수압 또는 유압으로 구성된 유체의 압력을 제어함으로써 피스톤 로드가 왕복동하여 구동력을 발생시킨다. 실린더(60)의 일측(이하 상측이라 한다)은 허벅지 링크(40)에 회전 가능하게 연결되고, 타측(이하 하측이라 한다)이 종아리 링크(30)에 종아리 링크(30)의 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 연결된다. 즉, 실린더(60)의 구동에 의해 허벅지 링크(40)가 종아리 링크(30)에 대해 무릎 조인트(70)를 중심으로 회전력이 발생한다. 이로 인해, 슬라이더(50)가 안내레일(21)에 안내되면서 착용로봇의 무릎관절은 선 자세 또는 앉은 자세를 취하게 된다.
제1 지지대 링크(80)는 소정의 길이를 갖는 막대 형상으로 이루어지는 것으로서, 일측(이하 상측이라 한다)이 허벅지 링크(40)에 회전 가능하게 연결되고, 타측(이하 하측이라 한다)이 실린더(60)의 하측에 회전 가능하게 연결된다. 제1 지지대 링크(80)의 하측은 종아리 링크(30)에 형성된 슬라이딩 가이더(31)에 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 연결된다. 결국, 실린더(60)의 하측은 제1 지지대 링크(80)에 대해 회전 가능함과 아울러, 종아리 링크(30)의 길이 방향으로 슬라이딩 가능하다.
이러한 구성을 통해, 도 4처럼 앉은 자세에서 실린더(60)의 하측이 슬라이딩 가이더(31)를 따라 하부 방향으로 슬라이딩 됨에 따라, 무릎 조인트(70)와 실린더(60)의 하측 사이의 거리가 길게 형성된다. 도 5는 종래의 무릎관절 각도에 따른 들어올릴 수 있는 질량을 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 무릎관절 각도에 따른 들어올릴 수 있는 질량을 도시한 그래프이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 다른 착용로봇의 무릎관절은 종래와 비교하여 더욱 무거운 질량을 들어올릴 수 있음을 확인하였다.
한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 착용로봇의 무릎관절이 앉은 상태를 도시한 것이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 착용로봇의 무릎관절이 선 상태를 도시한 것이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 착용로봇의 무릎관절은 허벅지 링크(40)와, 종아리 링크(30)와, 무릎 조인트(70)와, 실린더(60)와, 제1 지지대 링크(80) 및 제2 지지대 링크(90)를 포함한다.
허벅지 링크(40)는 소정의 길이를 갖는 막대 형상으로 이루어지는 것으로서, 하측이 무릎 조인트(70)에 회전 가능하게 연결되며, 상측은 슬라이더(50)에 회전 가능하게 연결된다. 슬라이더(50)는 수직부(20)에 형성된 안내레일(21)에 슬라이딩 가능하게 연결되어 승강 가능하다. 수직부(20)는 바닥부(10)에 대해 수직 방향으로 연장 형성된다.
종아리 링크(30)는 소정의 길이를 갖는 막대 형상으로 이루어지는 것으로서, 상측이 무릎 조인트(70)에 회전 가능하게 연결되며, 하측은 바닥부(10)에 회전 가능하게 연결된다. 무릎 조인트(70)는 종아리 링크(30)와 허벅지 링크(40)를 연결하는 힌지축의 구조로 이루어져, 종아리 링크(30)와 허벅지 링크(40)를 서로 회전 가능하게 연결시킨다.
실린더(60)는 수압 또는 유압으로 구성된 유체의 압력을 제어함으로써 피스톤 로드가 왕복동하여 구동력을 발생시킨다. 실린더(60)의 상측은 허벅지 링크(40)에 회전 가능하게 연결되고, 하측이 제1 지지대 링크(80) 및 제2 지지대 링크(90)에 회전 가능하게 연결된다. 즉, 실린더(60)의 구동에 의해 허벅지 링크(40)가 종아리 링크(30)에 대해 무릎 조인트(70)를 중심으로 회전력이 발생한다. 이로 인해, 슬라이더(50)가 안내레일(21)에 안내되면서 착용로봇의 무릎관절은 선 자세 또는 앉은 자세를 취하게 된다.
제1 지지대 링크(80)는 소정의 길이를 갖는 막대 형상으로 이루어지는 것으로서, 상측이 허벅지 링크(40)에 회전 가능하게 연결되고, 하측이 실린더(60)의 하측에 회전 가능하게 연결된다.
제2 지지대 링크(90)는 소정의 길이를 갖는 막대 형상으로 이루어지는 것으로서, 상측이 종아리 링크(30)에 회전 가능하게 연결되고, 하측이 실린더(60)의 하측에 회전 가능하게 연결된다. 이 경우, 제2 지지대 링크(60)의 하측은 제1 지지대 링크(80)의 하측보다 실린더(60)의 길이 방향으로 하측에 연결된다.
이와 같이, 허벅지 링크(40)와 종아리 링크(30)에 각각 지지대 링크를 설치하여 2개의 지지대 링크를 사용함으로써, 전술한 실시 예와 같이 실린더(60)의 하측과 무릎 조인트(70) 사이의 거리를 가변 가능하며, 앉은 자세에서 실린더(60)의 하측과 무릎 조인트(70) 사이의 거리를 멀게 형성함으로써 보다 큰 하중을 들어올릴 수 있는 구조를 갖게 된다.
지금까지 본 발명에 따른 착용로봇의 무릎관절은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 바닥부 20 : 수직부
21 : 안내레일 30 : 종아리 링크
31 : 슬라이딩 가이더 40 : 허벅지 링크
50 : 슬라이더 60 : 실린더
70 : 무릎 조인트 80 : 제1 지지대 링크
90 : 제2 지지대 링크

Claims (4)

  1. 일측이 무릎 조인트(70)에 회전 가능하게 연결되는 허벅지 링크(40);
    일측이 상기 무릎 조인트(70)에 회전 가능하게 연결되는 종아리 링크(30);
    일측이 허벅지 링크(40)와 종아리 링크(30) 중 하나에 회전 가능하게 연결되고, 타측이 다른 하나에 링크의 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 연결되는 실린더(60); 및
    일측이 허벅지 링크(40)와 종아리 링크(30) 중 상기 실린더(60)를 회전 가능하게 연결시킨 것에 회전 가능하게 연결되고, 타측이 실린더(60)의 슬라이딩 가능하게 연결된 측에 회전 가능하게 연결되는 제1 지지대 링크(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 무릎관절.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 허벅지 링크(40)와 종아리 링크(30) 중 실린더(60)를 슬라이딩 가능하게 연결시킨 것에는 길이 방향으로 슬라이딩 가이더(31)를 구비되는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 무릎관절.
  3. 일측이 무릎 조인트(70)에 회전 가능하게 연결되는 허벅지 링크(40);
    일측이 상기 무릎 조인트(70)에 회전 가능하게 연결되는 종아리 링크(30);
    일측이 상기 허벅지 링크(40)에 회전 가능하게 연결되는 실린더(60);
    일측이 상기 허벅지 링크(40)에 회전 가능하게 연결되고, 타측이 상기 실린더(60)의 타측에 회전 가능하게 연결되는 제1 지지대 링크(80); 및
    일측이 상기 종아리 링크(30)에 회전 가능하게 연결되고, 타측이 상기 실린더(60)의 타측에 회전 가능하게 연결되는 제2 지지대 링크(90)를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 무릎관절.
  4. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 종아리 링크(30)의 타측은 바닥부(10)에 회전 가능하게 연결되고; 상기 허벅지 링크(40)의 타측은 상기 바닥부(10)로부터 수직으로 연장된 수직부(20)에 형성된 안내레일(21)에 슬라이딩 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 무릎관절.
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