KR20170060783A

KR20170060783A - 착용 로봇

Info

Publication number: KR20170060783A
Application number: KR1020150165385A
Authority: KR
Inventors: 추정훈
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2017-06-02

Abstract

추가적인 동력없이 선형 구동기의 제한된 페이로드를 보조하며, 무릎을 굽힌 자세에서도 안정적으로 중량물을 지지할 수 있는 착용 로봇이 개시된다. 착용 로봇은 관절 조인트를 매개로 서로 회전 가능하게 연결되는 제1 링크 및 제2 링크와, 상기 제1 링크와 제2 링크 간의 회전 동력을 제공하는 선형 구동기를 포함하며, 상기 제1 링크와 제2 링크 중 하나에 구비되고 탄성체를 갖는 탄성 기구부; 및 상기 제1 링크와 제2 링크의 사이를 연결하는 것으로, 일 측이 탄성 기구부 측에 회전 가능하게 연결되고, 타 측이 탄성 기구부가 구비되지 않은 링크에 회전 가능하게 연결되는 보조 링크를 구비한다.

Description

착용 로봇{WEARABLE ROBOT}

본 발명은 착용 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더 등 동력원의 구동력에 의하여 착용자의 근력을 보조 또는 강화시켜주는 팔 관절, 무릎 관절 등의 형태를 갖는 착용 로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 착용 로봇은 인체와 유사한 관절 작용을 수행하는 링크들이 인체에 착용될 수 있는 형상으로 유기적으로 결합되어 제작된다. 이러한 착용 로봇은 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 착용 로봇의 무릎관절이 선 상태를 도시한 것이고, 도 2는 종래의 착용 로봇의 무릎관절이 앉은 상태를 도시한 것이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 착용 로봇의 무릎관절은 종아리 링크(130)와, 허벅지 링크(140)와, 관절 조인트(170) 및 실린더(160)를 포함하여 이루어진다.

종아리 링크(130)는 하측이 바닥부와 같은 베이스 또는 발 부재(Foot)에 회전 가능하게 연결되고, 상측은 관절 조인트(170)를 통해 허벅지 링크(140)에 회전 가능하게 연결된다. 허벅지 링크(140)는 하측이 관절 조인트(170)를 통해 종아리 링크(130)에 회전 가능하게 연결되며, 상측은 로봇 본체 또는 다른 지지 수단에 회전 가능하게 연결된다.

관절 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 왕복동 하도록 이루어지는 선형 구동기로서, 실린더(160)의 구동에 의해 허벅지 링크(140)가 종아리 링크(130)에 대해 관절 조인트(170)를 중심으로 회전력이 발생한다. 이로 인해, 착용 로봇의 무릎관절은 선 자세 또는 앉은 자세를 취하게 된다.

하지만, 종래의 선형 구동기(실린더)로 구동되는 착용 로봇은 관절의 각도에 따라 낼 수 있는 힘이 크게 변화한다. 이는 선형 구동기의 모멘트 암이 관절 각도에 따라 크게 변화하기 때문이다. 이로 인해, 착용 로봇의 수직 방향 하중을 들 수 있는 힘인 페이로드(Payload)의 변화는 무릎을 편 자세에서 굽힌 자세까지 지속적으로 줄어들게 되어, 작업 가능 여부의 문제와 함께 착용자의 안전에 문제를 일으킨다.

이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 추가적인 동력없이 선형 구동기의 제한된 페이로드를 보조하며, 무릎을 굽힌 자세에서도 안정적으로 중량물을 지지할 수 있는 착용 로봇을 제공한다.

본 발명에 따른 착용 로봇은 관절 조인트를 매개로 서로 회전 가능하게 연결되는 제1 링크 및 제2 링크와, 상기 제1 링크와 제2 링크 간의 회전 동력을 제공하는 선형 구동기를 포함하며, 상기 제1 링크와 제2 링크 중 하나에 구비되고 탄성체를 갖는 탄성 기구부; 및 상기 제1 링크와 제2 링크의 사이를 연결하는 것으로, 일 측이 탄성 기구부 측에 회전 가능하게 연결되고, 타 측이 탄성 기구부가 구비되지 않은 링크에 회전 가능하게 연결되는 보조 링크를 구비한다.

본 발명에 따른 착용 로봇은 추가적인 동력없이 탄성체 만의 힘을 이용하여 선형 구동기의 제한된 힘을 보조하여 착용 로봇의 중량물 취급을 안정적으로 수행할 수 있다.

도 1은 종래의 착용 로봇의 무릎관절이 선 상태를 도시한 것이고,
도 2는 종래의 착용 로봇의 무릎관절이 앉은 상태를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용 로봇이 착용된 상태를 도시한 측면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용 로봇을 도시한 측면도이며,
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용 로봇의 관절 조인트 각도가 0°에서 점차 커지는 상태를 순차로 도시한 측면도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용 로봇의 무릎 굽힘 각도에 대한 선형 구동기의 모멘트 암 변화를 도시한 그래프이며,
도 9는 탄성체가 적용되지 않은 착용 로봇의 무릎 굽힘 각도에 대한 선형 구동기의 페이로드 변화를 도시한 그래프이다.

이하 첨부된 도면에 따라서 착용 로봇의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용 로봇이 착용된 상태를 도시한 측면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용 로봇(6)은 크게 착용자(5)의 등에 착용되는 로봇 본체(8)와, 착용자(5)의 발에 착용되는 베이스부(9) 및 로봇 본체(8)와 베이스부(9)의 사이를 연결하는 무릎 관절부(7)를 포함한다.

본 실시 예에서, 착용 로봇은 착용자(5)의 하체 근력을 보조하는 무릎 관절부의 형태를 설명하나, 본 발명의 요지는 이에 국한되는 것은 아니며, 인체의 팔 관절부 등 기타 다른 관절부에 적용되는 착용 로봇의 형태일 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용 로봇을 도시한 측면도이다. 도 4를 참조하면, 무릎 관절부(7: 이하 착용 로봇이라 한다)는 제1 링크(71)와, 제2 링크(72)와, 관절 조인트(73)와, 선형 구동기(74)와, 탄성 기구부 및 보조 링크(75)를 포함하여 이루어진다.

제1 링크(71)는 착용자(5)의 허벅지에 대응되는 부분으로서, 소정의 길이를 갖는 바(Bar) 형태로 이루어진다. 제1 링크(71)의 일 측(상측)은 로봇 본체(8)에 회전 가능하게 연결되고, 타 측(하측)이 후술할 관절 조인트(73)를 매개로 제2 링크(72)에 회전 가능하게 연결된다.

제2 링크(72)는 착용자(5)의 종아리에 대응되는 부분으로서, 소정의 길이를 갖는 바(Bar) 형태로 이루어진다. 제2 링크(72)의 일 측(상측)은 관절 조인트(73)를 매개로 제1 링크(71)에 회전 가능하게 연결되며, 타 측(하측)이 베이스부(9)에 회전 가능하게 연결된다.

관절 조인트(73)는 제1 링크(71)와 제2 링크(72)를 서로 회전 가능하게 연결시키는 것으로서, 힌지 형태로 구성될 수 있다.

선형 구동기(74)는 제1 링크(71)와 제2 링크(72) 간의 회전 동력을 제공하는 것으로서, 수압 또는 유압 실린더의 형태로 구성될 수 있다. 선형 구동기(74)의 일 측(741)은 제1 링크(71)에 회전 가능하게 연결되며, 타 측(742)은 제2 링크(72)에 회전 가능하게 연결된다. 선형 구동기(74)는 수압 또는 유압으로 구성된 유체의 압력을 제어함으로써 피스톤 로드가 왕복동하여 구동력을 발생시키며, 이로 인해 제1 링크(71)가 제2 링크(72)에 대해 관절 조인트(73)를 중심으로 회전 운동한다.

탄성 기구부는 제2 링크(72)에 구비되며, 탄성체(79)를 갖는다. 탄성체(79)는 제2 링크(72)의 길이 방향과 평행하게 배치되며, 용수철 스프링의 형태로 구성될 수 있다. 탄성 기구부의 더욱 상세한 구성은 이후에 다시 설명한다.

보조 링크(75)는 제1 링크(71)와 제2 링크(72)의 사이를 연결하는 것으로, 일 측이 탄성 기구부 측에 회전 가능하게 연결되고, 타 측이 탄성 기구부가 구비되지 않은 링크에 회전 가능하게 연결된다. 즉, 보조 링크(75)의 일 측(751)은 제1 링크(71)에 회전 가능하게 연결되며, 타 측(752)은 제2 링크(72) 측, 더욱 상세하게는 보조링크 연결블록(76)에 회전 가능하게 연결된다.

보조 링크(75)는 관절 조인트(73)의 각도가 커짐에 따라 탄성체(79)를 압축하도록 구성된다.

더욱 상세하게는, 착용 로봇(7)은 보조링크 연결블록(76)과, 탄성기구 연결블록(77)과, LM가이드(78)와, 보조링크 측 LM블록(781)과, 탄성기구 측 LM블록(782) 및 탄성체 로드(795)를 구비하며, 상기 구성물들은 모두 제2 링크(72) 측에 구비된다.

보조링크 연결블록(76)은 일 측이 보조 링크(75)에 회전 가능하게 연결된다. 보조링크 연결블록(76)은 "ㄱ"자 형상의 앵글 형태로 이루어지거나 그 밖의 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 보조링크 연결블록(76)은 적어도 일 부위가 후술할 탄성기구 연결블록(77)에 접할 수 있도록 마주하고 있다. 보조링크 연결블록(76)은 후술할 LM가이드(78) 및 보조링크 측 LM블록(781)에 의해 제2 링크(72)의 길이 방향으로 선형 운동 가능하다.

탄성기구 연결블록(77)은 보조링크 연결블록(76)과 마주하는 측에 구비되어, 관절 조인트(73)의 각도가 커짐에 따라 보조링크 연결블록(76)에 눌려 탄성체(79)를 압축한다. 탄성기구 연결블록(77)은 후술할 LM가이드(78) 및 탄성기구 측 LM블록(782)에 의해 제2 링크(72)의 길이 방향으로 선형 운동 가능하다.

LM가이드(78)는 제2 링크(72)에 링크의 길이 방향으로 연장 구비된다. LM가이드(78)는 보조링크 측 LM블록(781) 및 탄성기구 측 LM블록(782)을 슬라이딩 안내한다.

보조링크 측 LM블록(781)은 보조링크 연결블록(76)에 결합되고, LM가이드(78)에 슬라이딩 가능하게 연결된다. 탄성기구 측 LM블록(782)은 탄성기구 연결블록(77)에 결합되며, LM가이드(78)에 슬라이딩 가능하게 연결된다.

제2 링크(72)에는 탄성체 지지 브라켓(725)이 형성되어, 탄성체(79)의 일 측을 지지한다. 탄성체 로드(795)는 탄성체(79)의 타 측과 탄성기구 연결블록(77)을 연결한다.

상기 보조링크 연결블록(76)은 탄성기구 연결블록(77)에 대해 이격되어 있다가, 관절 조인트(73)의 각도가 일정 이상일 때 접하게 되면서 보조링크 연결블록(76)이 탄성기구 연결블록(77)을 눌러 탄성체(79)가 압축된다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용 로봇의 관절 조인트 각도가 0°에서 점차 커지는 상태를 순차로 도시한 측면도이다. 도 5는 관절 조인트의 각도가 0°인 상태를 도시한 것이고, 도 6은 관절 조인트의 각도가 70°인 상태를 도시한 것이며, 관절 조인트의 각도가 130°인 상태를 도시한 것이다. 이 경우, 도 5와 같이 관절 조인트의 각도가 0°인 상태는 제1 링크와 제2 링크가 나란하여 직선을 이룬 상태이다.

도 5와 같이 관절 조인트의 각도가 0°인 상태는 착용자가 무릎을 완전히 펴서 서있는 상태로서, 보조링크 연결블록(76)은 탄성기구 연결블록(77)에 대해 이격되어 있고, 탄성체(79)는 압축되지 않는다.

도 6과 같이 관절 조인트(73)가 굽혀져 각도가 증가하면, 보조 링크(75)는 시계 방향으로 회전되는 힘을 받고 보조링크 연결블록(76)은 시계 LM가이드(78)에 슬라이딩 안내되어 탄성체(79)가 있는 탄성기구 연결블록(77) 측으로 선형 이동하려는 힘을 받는다. 관절 조인트(73)가 일정 각도에 도달하면, 보조링크 연결블록(76)은 탄성기구 연결블록(77)에 접한다.

도 7을 참조하면, 관절 조인트(73)의 각도가 점차 커질수록 보조링크 연결블록(76)이 탄성기구 연결블록(77)을 지속적으로 눌러 탄성체(79)는 압축된다. 탄성체(79)는 압축된 상태에서 탄성 복원력에 의해 보조링크 연결블록(76)을 압축 반대 방향으로 밀어내려는 힘을 갖는다. 상기 탄성체(79)의 탄성 복원력은 선형 구동기(74)의 메인 동력원을 보조하는 보조 동력원으로 작용한다.

선형 구동기(74)의 모멘트 암이 감소하기 시작하는 관절 조인트(73)의 각도에서 보조링크 연결블록(76)이 탄성기구 연결블록(77)을 눌러 탄성체(79)가 압축되기 시작한다. 즉, 보조링크 연결블록(76)은 선형 구동기(74)의 모멘트 암이 감소하기 시작하는 관절 조인트(73)의 각도에서 탄성기구 연결블록(77)과 최초 접하게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용 로봇의 무릎 굽힘 각도에 대한 선형 구동기의 모멘트 암 변화를 도시한 그래프이며, 도 9는 탄성체가 적용되지 않은 착용 로봇의 무릎 굽힘 각도에 대한 선형 구동기의 페이로드 변화를 도시한 그래프이다.

선형 구동기로 구동되는 착용 로봇은 관절 조인트의 각도에 따라 낼 수 있는 힘이 크게 변화한다. 이는 도 8에 도시된 바와 같이, 선형 구동기의 모멘트 암이 관절 각도에 따라 크게 변화되는 실험 결과를 통해 확인할 수 있다. 선형 구동기의 모멘트 암은 0° ~ 70°구간까지 점차 증가하며, 70° ~ 140°구간까지 급격하게 감소한다.

도 9는 탄성체가 적용되지 않은 관절 조인트의 각도에 따라 착용 로봇의 수직 방향 하중을 들 수 있는 힘인 페이로드(Payload)의 변화를 나타낸 것이다. 페이로드의 변화는 무릎을 편 자세에서 굽힌 자세까지 지속적으로 줄어든다. 페이로드가 급격히 줄어드는 주요 원인 중 하나는 선형 구동기의 모멘트 암이 크게 줄어들기 때문이다.

만약, 300N의 하중을 착용 로봇이 들고 있는 상황에서 무릎을 굽히면, 약 70°(더욱 상세하게는 68°)이상에서부터 착용 로봇의 페이로드는 들고 있는 하중(300N)보다 작아지게 되어 그 부담을 착용자가 지게 된다. 이는 작업 가능 여부의 문제와 함께 착용자의 안전에 큰 문제를 일으킬 수 있다. 상기 관절 조인트의 각도(68°)는 일 예일 뿐이며, 링크의 길이, 선형 구동기의 종류 등 다양한 변수에 의해 변화될 수 있다.

본 실시 예에 따른 착용 로봇은 Payload curve가 Desired Payload(300N)보다 급격하게 떨어지는 시점인 60° ~ 80°(바람직하게는 70°)에서 탄성체를 통해 보조 동력을 얻을 수 있도록 구성됨에 따라, 추가적인 동력없이 탄성체 만의 힘을 이용하여 선형 구동기의 제한된 힘을 보조하여 착용 로봇의 중량물 취급을 안정적으로 수행할 수 있게 한다.

지금까지 본 발명에 따른 착용 로봇은 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.

5: 착용자 6: 착용 로봇
7: 무릎 관절부(착용 로봇) 8: 로봇 본체
9: 베이스부
71: 제1 링크 72: 제2 링크
73: 관절 조인트 74: 선형 구동기
75: 보조 링크 76: 보조링크 연결블록
77: 탄성기구 연결블록 78:LM가이드
781: 보조링크 측 LM블록 782: 탄성기구 측 LM블록
79: 탄성체 795: 탄성체 로드

Claims

관절 조인트(73)를 매개로 서로 회전 가능하게 연결되는 제1 링크(71) 및 제2 링크(72)와, 상기 제1 링크(71)와 제2 링크(72) 간의 회전 동력을 제공하는 선형 구동기(74)를 포함하는 착용 로봇에 있어서,
상기 제1 링크(71)와 제2 링크(72) 중 하나에 구비되고, 탄성체(79)를 갖는 탄성 기구부; 및
상기 제1 링크(71)와 제2 링크(72)의 사이를 연결하는 것으로, 일 측이 탄성 기구부 측에 회전 가능하게 연결되고, 타 측이 탄성 기구부가 구비되지 않은 링크에 회전 가능하게 연결되는 보조 링크(75)를 구비하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
제1 항에 있어서,
상기 보조 링크(75)는 관절 조인트(73)의 각도가 커짐에 따라 탄성체(79)를 압축하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
제2 항에 있어서,
상기 제2 링크(72) 측에 구비되며, 일 측이 상기 보조 링크(75)에 회전 가능하게 연결되는 보조링크 연결블록(76); 및
상기 보조링크 연결블록(76)과 마주하는 측에 구비되어, 관절 조인트(73)의 각도가 커짐에 따라 보조링크 연결블록(76)에 눌려 탄성체(79)를 압축하는 탄성기구 연결블록(77)을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
제3 항에 있어서,
상기 보조링크 연결블록(76)은 탄성기구 연결블록(77)에 대해 이격되어 있다가, 관절 조인트(73)의 각도가 일정 이상일 때 접하게 되면서 보조링크 연결블록(76)이 탄성기구 연결블록(77)을 눌러 탄성체(79)가 압축되는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
제3 항에 있어서,
상기 제2 링크(72)에 링크의 길이 방향으로 연장 구비되는 LM가이드(78);
상기 보조링크 연결블록(76)에 결합되고, LM가이드(78)에 슬라이딩 가능하게 연결되는 보조링크 측 LM블록(781); 및
상기 탄성기구 연결블록(77)에 결합되며, LM가이드(78)에 슬라이딩 가능하게 연결되는 탄성기구 측 LM블록(782)을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
제5 항에 있어서,
상기 제2 링크(72)에 형성되어 탄성체(79)의 일 측을 지지하는 탄성체 지지 브라켓(725); 및
상기 탄성체(79)의 타 측과 탄성기구 연결블록(77)을 연결하는 탄성체 로드(795)를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
제2 항에 있어서,
선형 구동기(74)의 모멘트 암이 감소하기 시작하는 관절 조인트(73)의 각도에서 상기 탄성체(79)가 압축되기 시작하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.