KR20150139056A - 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇에 관한 것으로, 외골격(100), 외골격(100)의 하단 양측에 힌지연결된 제1링크(200), 상기 제1링크(200)의 단부에 설치된 조인트 풀리(300), 상기 조인트 풀리(300)에 장착된 제2링크(400), 상기 제1링크(200)에 설치되어 상기 제2링크(400)를 구동시키는 리니어 엑추에이터(600);를 포함하는 착용로봇에 있어서; 상기 리니어 엑추에이터(600)는, 상기 제1링크(200) 상에 회전가능하게 고정되는 서브풀리(610)와, 상기 제1링크(200) 상에 장착된 하나의 실린더(620)와, 상기 실린더(620)의 선단에 연결된 실린더로드(630)와, 상기 실린더로드(630)의 단부에 구비된 로프블럭(640)과, 상기 서브풀리(610)와 조인트 풀리(300)에 감긴 상태로 무한궤도형을 이루면서 길이 일부가 상기 로프블럭(640)에 결속되는 로프(650)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 로프 폐쇄형 구조이기 때문에 무릎관절 동작 중 로프가 풀리로부터 이탈되는 현상이 발생되지 않아 안정적인 구동이 가능하며, 하나의 실린더를 통해 구동되기 때문에 경량화가 가능하고, 구조적으로 간단하며, 소형화가 가능하다.

Description

리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇{WEARABLE ROBOT APPLIED LINEAR ACTUATOR}

본 발명은 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유공압 실린더, 볼스크류 등과 같은 리니어 엑추에이터의 직선 힘을 로프-풀리에 의해 관절 토크로 변환시켜 착용로봇의 무릎 관절은 물론 고관절, 발목관절 등을 용이하게 회전시킬 수 있도록 개선된 리니어 엑추에이터를 적용한 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 힘이 요구되는 고 하중 작업을 수행할 수 있도록 한다.

이와 같은 착용로봇에서 특히, 무릎 관절은 보행에 있어 매우 중요한 요소이다.

그런데, 종래 무릎 관절은 도 1의 예시와 같이, 단동 실린더(CY) 하나로 구동되게 구성됨으로 인해 최대로 펼쳐진 상태에서 최대로 굽혀진 상태까지 작동하는 동안 모멘트암이 일정하지 않다는 문제점이 발생되었다.

즉, 작동되는 구간에 따라 일정한 힘(토크)을 발생시키기 어렵다는 문제점이 있었다.

이에, 이를 해결하기 위한 예로, 도 2의 예시와 같이, 병렬로 설치된 2개의 단동 실린더(CY1,CY2)를 구비하고, 각 단동 실린더(CY1,CY2)의 단부에 로프(R)를 연결하되, 무릎관절 부위에 조인트 풀리(P)를 구비하여 다리 역할을 하는 제1,2링크(L1,L2)를 구동하도록 구성된 예가 개시된 바 있다.

하지만, 이 경우에는 2개의 단동 실린더(CY1,CY2)가 적절한 텐션을 유지하지 못할 경우 로프(R)가 조인트 풀리(P)에서 이탈되는 문제가 발생되고, 또한 2개의 단동 실린더(CY1,CY2)를 갖추어야 하므로 구조가 복잡함은 물론 그 만큼 무게가 증대되는 단점도 있다.

1. 국제공개특허 WO2010-025409(2010.03.04) 2. 공개특허 제2008-0111293호(2008.12.23) 3. 공개특허 제2010-0062265호(2010.06.10)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 로프 개방형인 기존과 달리 로프 폐쇄형이 되도록 구성하여 동작 중 로프가 풀리로부터 이탈되지 않고 원활한 동작이 가능하며, 하나의 실린더만을 사용함으로써 구조적으로 단순화, 간소화, 소형화될 수 있는 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 외골격(100), 외골격(100)의 하단 양측에 힌지연결된 제1링크(200), 상기 제1링크(200)의 단부에 설치된 조인트 풀리(300), 상기 조인트 풀리(300)에 장착된 제2링크(400), 상기 제1링크(200)에 설치되어 상기 제2링크(400)를 구동시키는 리니어 엑추에이터(600);를 포함하는 착용로봇에 있어서; 상기 리니어 엑추에이터(600)는, 상기 제1링크(200) 상에 회전가능하게 고정되는 서브풀리(610)와, 상기 제1링크(200) 상에 장착된 하나의 실린더(620)와, 상기 실린더(620)의 선단에 연결된 실린더로드(630)와, 상기 실린더로드(630)의 단부에 구비된 로프블럭(640)과, 상기 서브풀리(610)와 조인트 풀리(300)에 감긴 상태로 무한궤도형을 이루면서 길이 일부가 상기 로프블럭(640)에 결속되는 로프(650)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇을 제공한다.

이때, 상기 실린더(620)는 복동실린더 또는 단동실린더 중 어느 하나인 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 로프 폐쇄형 구조이기 때문에 무릎관절 동작 중 로프가 풀리로부터 이탈되는 현상이 발생되지 않아 안정적인 구동이 가능하다.

또한, 하나의 실린더를 통해 구동되기 때문에 경량화가 가능하고, 구조적으로 간단하며, 소형화가 가능하다.

뿐만 아니라, 실린더 종류를 단동, 복동 선택 설치가 가능토록 하여 착용로봇이 적용되는 환경에 맞게 가변 설계할 수 있어 활용폭을 높이는 장점도 있다.

나아가, 본 발명에 따른 리니어 엑추에이터는 무릎관절을 포함한 모든 관절에 적용될 수 있는 바, 이를 테면 고관절, 발목관절 등에도 동일하게 적용될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 착용로봇의 무릎관절 구동장치를 보인 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 착용로봇의 무릎관절 구동장치의 다른 예를 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 무릎관절 구동시스템이 적용된 착용로봇의 예시적인 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 무릎관절 구동시스템의 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 무릎관절 구동시스템의 다른 예를 보인 예시도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 착용로봇은 리니어 엑추에이터를 적용한 무릎관절 구동시스템을 포함한다.

아울러, 본 발명에 적용되는 무릎관절 구동시스템은 비단 무릎관절에만 적용되는 것이 아니라, 관절류에는 모두 적용될 수 있는데, 이를 테면 고관절, 발목관절에도 동일하게 적용될 수 있다.

그리고, 상기 착용로봇은 착용자가 등에 짊어지는 형태로 착용하는 외골격(Exoskeleton)(100)을 포함한다.

상기 외골격(100)은 구동에 필요한 전원을 비롯한 다수의 구성부품 및 제어기를 포함한다.

그리고, 상기 외골격(100)의 하방 양측에는 보행 보조 혹은 보행 근력지원을 위한 다리 기능을 수행하는 제1링크(200)가 구비된다.

이 경우, 상기 제1링크(200)는 일종의 허벅지 역할을 담당하는 것으로, 상기 외골격(100)의 하방에 힌지 고정된다.

또한, 상기 제1링크(200)의 하단에는 무릎관절을 구성하는 조인트 풀리(300)가 설치되고, 상기 조인트 풀리(300)에는 제2링크(400)가 연결된다.

이 경우, 상기 제2링크(400)는 일종의 종아리 역할을 담당한다.

그리고, 상기 제2링크(400)의 하단에는 신발과 같이 착용할 수 있는 스텝퍼(500)가 링크된다.

아울러, 상기 제1링크(200)의 길이 일부에는 본 발명에 따른 착용로봇 구동시스템인 리니어 엑추에이터(600), 특히 로프-풀리를 이용하여 리니어하게 구동될 수 있도록 한 엑추에이터가 설치된다.

보다 구체적으로, 상기 리니어 엑추에이터(600)는 도 4에서와 같이, 제1링크(200) 상에 회전가능하게 고정되는 서브풀리(610)와, 상기 제1링크(200) 상에 장착된 하나의 실린더(620)와, 상기 실린더(620)의 선단에 연결된 실린더로드(630)와, 상기 실린더로드(630)의 단부에 구비된 로프블럭(640)과, 상기 서브풀리(610)와 조인트 풀리(300)에 감긴 상태로 무한궤도형을 이루면서 길이 일부가 상기 로프블럭(640)에 결속되는 로프(650)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 서브풀리(610)는 상기 조인트 풀리(300) 보다 작은 크기로 형성됨이 바람직하며, 이를 통해 제2링크(400)의 급격한 운동변화를 방지함으로써 구동 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 상기 실린더(620)는 복동실린더(Double acting cylinder)가 바람직하다.

복동실린더는 2개의 실린더포트(PT1,PT2)를 통해 양측에 번갈아가며 압축공기 혹은 유압을 공급할 수 있어 피스톤, 즉 실린더로드(630)의 전진운동과 후진운동을 모두 제어할 수 있는 실린더로서 보다 정교하면서 큰 힘을 필요로 할 때 적용될 수 있다.

그리하여, 실린더(620)의 구동에 따라 실린더로드(630)가 전진하게 되면 로프(650)가 반시계방향으로 회전하므로 제2링크(400)는 펼쳐지게 된다.

이때에는 기존과 달리 로프(650)가 무한궤도 형태로 조인트 풀리(300) 및 서브풀리(610)에 감겨 있기 때문에 이탈의 문제가 생기지 않는다.

뿐만 아니라, 인장력에 있어 변화도 생기지 않고, 균일한 힘이 전달된다.

반대로, 실린더로드(630)가 후진하게 되면 로프(650)가 시계방향으로 회전하므로 제2링크(400)는 접어지게 된다.

이러한 동작을 반복하는 것에 의해 무릎관절을 통한 걷기 운동이 가능하게 된다.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 리니어 엑추에이터(600)의 다른 예를 보여 준다.

도 5에 도시된 리니어 엑추에이터(600)는 도 4와 모두 동일한 구성을 갖춘 시스템이지만, 실린더(620)가 단동실린더란 점에서 차이가 있다.

단동실린더(Single acting cylinder)는 한 방향의 운동에만 압축공기 또는 유압을 사용하고, 반대방향의 운동에는 스프링이나 피스톤 및 피스톤로드의 자중 또는 외력에 의해 복귀시키도록 구성된 실린더이다.

때문에, 이러한 단동실린더는 하나의 실린더포트(PT)를 가지며, 상술한 복동실린더에 비해 동작이 빠르다.

특히, 스윙 동작에서 무릎관절을 펼칠 때 복동실린더 보다 빠르게 펼칠 수 있으므로 비상상황시 빠르게 대처할 수 있다. 따라서, 작업환경에 맞게 두 개의 실린더 중 어느 하나를 선택 사용하게 착용로봇을 설계함으로써 작업효율을 높일 수 있을 것이다.

즉, 무릎을 펼칠 때만 구동력을 발휘하도록 하고, 굽힐 때나 보행시 다리를 스윙할 때는 위치 제어를 하지 않고 자유롭게 회전되도록 만들어주면 된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇은 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

착용로봇을 착용한 상태에서 보행을 위해 착용자가 다리를 스윙하게 되면, 제어기의 신호에 따라 실린더(620)가 전진 동작과 후진 동작을 반복하게 된다.

이때, 전진 동작이라면 실린더로드(630)는 인출되고, 그에 따라 실린더로드(630)의 선단에서 로프블럭(640)에 의해 결속되어 있던 로프(650)가 반시계방향으로 회전 이동하면서 조인트 풀리(300)도 함께 반시계방향으로 회전하게 된다.

그러면, 이에 링크되어 있던 제2링크(400)도 함께 반시계방향으로 회전하면서 들어 올려 지게 되는데, 이때가 바로 보행시 전진을 위해 발이 들어 올려진 상태, 링크 측면에서는 펼쳐진 상태가 되는 것이다.

그런 다음, 후진 동작이 수행되면, 실린더로드(630)는 인입되고, 그에 따라 실린더로드(630)의 선단에서 로프블럭(640)에 의해 결속되어 있던 로프(650)가 이번에는 반대방향인 시계방향으로 회전 이동하면서 조인트 풀리(300)를 시계방향으로 회전시켜 제2링크(400)를 시계방향으로 회전시키며, 이에 따라 제2링크(400)가 접어지면서 굽힘 동작이 가능하게 된다.

이러한 동작이 반복되면서 보행이 가능하게 되는데, 이 경우 본 발명에서는 서브풀리(610)에 의해 로프(650)가 조인트 풀리(300)와 무한궤도 형태로 완전히 감겨 있는 상태이므로 동작시 이탈의 우려가 없어지게 된다.

더구나, 서프풀리(610)와 조인트 풀리(300)를 따라 시계방향 혹은 반시계방향으로 왔다 갔다를 반복하기 때문에 인장력이 작아지거나 커지는 변화없이 일정하고 균일하게 힘(토크)가 작용하므로 안정적인 구동이 가능하게 된다.

100: 외골격 200: 제1링크
300: 조인트 풀리 400: 제2링크
500: 스텝퍼 600: 리니어 엑추에이터

Claims (3)

1. 외골격(100), 외골격(100)의 하단 양측에 힌지연결된 제1링크(200), 상기 제1링크(200)의 단부에 설치된 조인트 풀리(300), 상기 조인트 풀리(300)에 장착된 제2링크(400), 상기 제1링크(200)에 설치되어 상기 제2링크(400)를 구동시키는 리니어 엑추에이터(600);를 포함하는 착용로봇에 있어서;
   상기 리니어 엑추에이터(600)는,
   상기 제1링크(200) 상에 회전가능하게 고정되는 서브풀리(610)와, 상기 제1링크(200) 상에 장착된 하나의 실린더(620)와, 상기 실린더(620)의 선단에 연결된 실린더로드(630)와, 상기 실린더로드(630)의 단부에 구비된 로프블럭(640)과, 상기 서브풀리(610)와 조인트 풀리(300)에 감긴 상태로 무한궤도형을 이루면서 길이 일부가 상기 로프블럭(640)에 결속되는 로프(650)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇.
   
2. 제1항에 있어서;
   상기 실린더(620)는 복동실린더인 것을 특징으로 하는 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇.
   
3. 제1항에 있어서;
   상기 실린더(620)는 단동실린더인 것을 특징으로 하는 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇.

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