KR20180004975A - 두 개의 벨트를 구비하는 동력 전달 장치 - Google Patents

두 개의 벨트를 구비하는 동력 전달 장치 Download PDF

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Abstract

동력 전달 장치는 제1 구동축에 고정된 제1 구동 기어와, 제1 구동축과 일직선 상에 배치되는 제2 구동축에 고정된 제2 구동 기어를 구비하는 구동 조인트부; 작동축 상에 고정되어 작동축과 함께 회전하는 작동 기어를 구비하는 작동 조인트부; 제1 구동 기어와 작동 기어에 동일한 방향으로 토크를 가하도록 제1 구동 기어 및 작동 기어에 연결되는 제1 작동 벨트; 제2 구동 기어와 작동 기어에 서로 반대 방향으로 토크를 가하도록 제2 구동 기어 및 작동 기어에 연결되는 제2 작동 벨트; 일단이 구동축들에 자유롭게 회전 가능하게 연결되고, 타단이 작동축에 자유롭게 회전 가능하게 연결되는 구동 링크; 및 작동축에 고정되는 작동 링크를 포함한다.

Description

두 개의 벨트를 구비하는 동력 전달 장치{POWER TRANSMISSION APPARATUS HAVING TWO BELTS}
본 발명은 동력 전달 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 개의 벨트를 통해 모터에 의한 토크를 다양한 방식으로 조합하여 전달할 수 있는 동력 전달 장치에 관한 것이다.
인체 골격과 관절의 움직임을 구현하는 다양한 로봇들이 개발되고 있다. 예를 들면, 인간의 신체와 유사한 형태를 지닌 휴머노이드(humanoid), 또는 공장의 생산 라인에 부설되는 로봇 암과 같은 생산 로봇의 경우에도 인체의 구조적 특징을 적극적으로 채용하고 있다.
한편, 최근에는 근력이 약해진 노인이나 거동이 불편한 장애인, 뇌졸중 환자 등의 보행을 도와주는 보행 보조 로봇이 다수 개발되고 있다. 보조 보행 로봇은 보행에 필요한 인체의 골격 및 관절의 동작을 구현하는 구조체로서, 움직임이 둔화된 다리에 장착하여 각 관절 및 골격의 동작을 대신하거나 보조하는 역할을 수행한다.
보행 보조 로봇을 이루는 구성요소들 중에서, 골격과 관절의 경우 링크와 조인트로 구현될 수 있다. 그러나, 골격과 관절을 움직이는 근육의 경우, 모터, 공압식 또는 유압식 액추에이터 등에 의해 대체되고 있다.
이때, 예를 들어 각각의 골격을 구동하기 위하여 관절마다 모터를 장착시킬 경우, 모터가 장착되어 있는 관절을 또 다른 모터가 이동시켜야 하며 각 관절마다 요구되는 토크를 모터 하나로써 전달해야 하므로, 각각의 모터는 상대적으로 높은 토크를 제공하도록 요구된다. 따라서, 높은 토크를 제공하기 위하여 더 크고 무거운 고성능 모터를 사용하게 되어 에너지 소모 측면에서 비효율적이다. 특히, 신체 말단 위치에 액추에이터가 장착되는 경우, 신체 중심 쪽 액추에이터에 더 큰 부하가 걸리게 되어, 로봇의 움직임이 상대적으로 불안정하게 된다.
따라서, 신체 중심에 위치하면서, 말단의 골격을 적은 힘으로 움직일 수 있는 골격 로봇이 요구된다.
한국 공개 특허 공보 제10-2015-0112591호 (2015. 10. 7)
본 발명은 전술한 동력 전달 장치의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 일직선 상에 배치되는 두 개의 구동축에 토크를 인가하고, 하나의 구동축은 동일한 방향으로 작동축에 토크를 전달할 수 있도록 작동 벨트와 연결되며, 다른 하나의 구동축은 서로 반대 방향으로 작동축에 토크를 전달할 수 있도록 작동 벨트와 연결됨으로써, 작동축과 구동축에 연결되는 구동 링크 및 작동축에 연결되는 작동 링크의 다양한 운동을 구현하는 동력 전달 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치는 제1 구동축에 고정된 제1 구동 기어와, 상기 제1 구동축과 일직선 상에 배치되는 제2 구동축에 고정된 제2 구동 기어를 구비하는 구동 조인트부; 작동축 상에 고정되어 상기 작동축과 함께 회전하는 작동 기어를 구비하는 작동 조인트부; 상기 제1 구동 기어와 상기 작동 기어에 동일한 방향으로 토크를 가하도록 상기 제1 구동 기어 및 상기 작동 기어에 연결되는 제1 작동 벨트; 상기 제2 구동 기어와 상기 작동 기어에 서로 반대 방향으로 토크를 가하도록 상기 제2 구동 기어 및 상기 작동 기어에 연결되는 제2 작동 벨트; 일단이 상기 제1 구동축 또는 상기 제2 구동축에 자유롭게 회전 가능하게 연결되고, 타단이 상기 작동축에 자유롭게 회전 가능하게 연결되는 구동 링크; 및 상기 작동축에 고정되는 작동 링크를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 구동축에 토크를 전달하는 제1 모터와, 상기 제2 구동축에 토크를 전달하는 제2 모터를 더 포함하며, 상기 제1 모터에 요구되는 토크는 상기 구동 조인트부에 요구되는 토크와 상기 작동 조인트부에 요구되는 토크의 합에 따라 결정되고, 상기 제2 모터에 요구되는 토크는 상기 구동 조인트부에 요구되는 토크와 상기 작동 조인트부에 요구되는 토크의 차에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 구동 조인트부는 사용자의 상체에 고정되고, 상기 구동 링크는 사용자의 넓적 다리에 고정되며, 상기 작동 링크는 사용자의 종아리에 고정되고, 상기 구동 링크 및 상기 작동 링크의 상호 회전에 의해 사용자의 보행을 보조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 모터와 상기 제2 모터는 사용자의 신체 반대편 일측부에서 각각의 상기 제1 구동축 및 상기 제2 구동축과 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 구동축들은 사용자의 고관절 측부에 배치되며, 상기 작동축은 사용자의 무릎 관절 측부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용자의 고관절에 대한 넓적 다리의 회전 각도는 상기 제1 모터에 의한 회전 각도와 상기 제2 모터에 의한 회전 각도의 합에 따라 결정되고, 사용자의 무릎 관절에 대한 종아리의 회전 각도는 상기 제1 모터에 의한 회전 각도와 상기 제2 모터에 의한 회전 각도의 차에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 작동 벨트는 8자 모양으로 교차하도록 제2 구동 기어와 작동 기어에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 작동 벨트와 상기 제2 작동 벨트는 탄성 재질로 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치가 사용자의 신체에 작용된 상태를 도시하는 측면도이다.
도 2는 도 1의 동력 전달 장치의 정면도이다.
도 3은 도 1의 동력 전달 장치의 사시도이다.
도 4는 도 1의 동력 전달 장치의 부분확대사시도이다.
도 5는 도 1의 동력 전달 장치의 부분확대사시도이다.
도 6은 도 1의 동력 전달 장치의 일 사용예를 도시한 측면도이다.
도 7은 도 1의 동력 전달 장치의 또 다른 사용예를 도시한 측면도이다.
도 8은 보행 시 시간에 따라 구동 조인트부와 작동 조인트부에 요구되는 토크를 도시한 그래프이다.
도 9는 보행 시 시간에 따라 각각의 제1, 제2 구동축 모터에 요구되는 토크를 도시한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치(100)는 구동 조인트부(110)와, 작동 벨트(120)와, 작동 조인트부(130)와, 구동 링크(140)와, 작동 링크(150)를 포함한다.
본 실시예에서, 동력 전달 장치(100)는 보행 보조 장치로서 사용자의 한 쪽 다리(10)에 장착되어 사용자의 보행을 보조한다. 각각의 구성요소는 다리를 이루는 각각의 골격과 관절의 기능을 보조하며, 이하에서 상세하게 설명된다.
구동 조인트부(110)는 사용자의 복부, 허리 등과 같은 상체에 고정되며, 사용자의 고관절(hip joint)의 역할을 보조한다.
구동 조인트부(110)는 그 회전축이 대체로 지면과 평행하며 사용자의 측방을 향하는 제1 구동축(111a) 및 제2 구동축(111b)을 구비한다. 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b)은 일직선 상에 배치된다. 또한, 구동축들(111a, 111b)은 사용자의 고관절 측부에 배치되는 것이 바람직하다. 이때, 구동 조인트부(110)는 각각의 구동축(111a, 111b)의 축방향이 일정하게 유지될 수 있도록 사용자의 신체에 견실하게 고정되는 것이 바람직하다. 특히, 구동 조인트부(110)는 구동 링크(140)의 회전에 의해 사용자의 상체에 대해 넓적다리를 이동시킬 수 있도록, 사용자의 넓적다리 상측에 견고하게 고정되어야 한다.
제1 구동축(111a)은 제1 구동 벨트(112a)을 통해 제1 모터(113a)로부터 동력을 전달 받는다. 또한, 제2 구동축(111b)은 제2 구동 벨트(112b)을 통해 제2 모터(113b)로부터 동력을 전달 받는다. 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b)은, 동일한 직선상에 위치하지만, 각각 제1 모터(113a) 및 제2 모터(113b)로부터 개별적으로 동력을 전달 받아 서로에 대해 자유롭게 회전할 수 있으며, 서로의 운동에 대해 직접적으로 영향을 미치지 않는다는 점에 유의해야 한다. 예를 들면, 제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)가 서로 반대 방향으로 구동할 경우, 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b)은 서로 반대 방향으로 회전할 수 있다.
한편, 제1 구동 벨트(112a)와 제2 구동 벨트(112b)는, 제1 구동축(111a) 및 제2 구동축(111b)의 양측에 나뉘어 배치될 수도 있으나, 보행 시 동력 전달 장치(100)가 신체에 더 가깝게 고정되어 링크들(140, 150)의 회전력을 신체에 안정적으로 전달할 수 있는 점에서, 도시된 바와 같이 링크들(140, 150)이 신체에 밀착할 수 있도록 신체 반대쪽에 함께 배치되는 것이 좋다. 즉, 제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)는 사용자의 신체 반대편 일측부에서 각각의 제1 구동축(111a) 및 제2 구동축(111b)과 연결될 수 있다. 이때, 제1 구동 벨트(112a)와 제2 구동 벨트(112b)는 서로 겹치지 않도록 적절한 간격으로 이격되어 배치된다.
제1 구동축(111a)에 제1 구동 기어(114a)가 고정되어, 제1 구동축(111a)이 회전함에 따라 제1 구동 기어(114a)는 제1 구동축(111a)과 함께 회전한다. 또한, 제2 구동축(111b)에 제2 구동 기어(114b)가 고정되어, 제2 구동축(111b)이 회전함에 따라 제2 구동 기어(114b)는 제2 구동축(111b)과 함께 회전한다.
작동 조인트부(130)는 무릎 부근에 배치되며, 사용자의 무릎 관절의 역할을 보조한다.
작동 조인트부(130)는 대체로 지면과 평행하며 사용자의 측방을 향하는 작동축(131)을 구비한다. 작동축(131)은 사용자의 무릎 관절 측부에 배치되는 것이 바람직하다. 작동축(131)은 제1 구동축(111a) 및 제2 구동축(111b)과 평행하게 배치될 수 있다.
작동축(131)에는 작동 기어(134)가 고정된다. 따라서, 작동 기어(134)가 회전함에 따라 작동축(131) 또한 회전한다.
제1 구동 기어(114a)와 작동 기어(134)는 제1 작동 벨트(120a)에 의해 연결된다. 또한, 제2 구동 기어(114b)와 작동 기어(134)는 제2 작동 벨트(120b)에 의해 연결된다. 즉, 하나의 작동 기어(134)에 두 개의 작동 벨트들(120a, 120b)이 연결된다. 이때, 작동 기어(134)는 작동 벨트들(120a, 120b) 각각이 체결되는 영역이 두 곳에 구비되는 하나의 기어일 수도 있으며, 두 개의 기어가 고정되거나 일체로 형성될 수도 있다.
작동 기어(134)는, 제1 구동 기어(114a)가 회전할 경우 제1 구동 기어(114a)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전하도록 제1 작동 벨트(120a)에 체결된다. 즉, 제1 작동 벨트(120a)는 제1 구동 기어(114a)와 작동 기어(134)에 동일한 방향으로 토크를 가하도록 제1 구동 기어(114a)와 작동 기어(134)에 연결된다.
작동 기어(134)는, 제2 구동 기어(114b)가 회전할 경우, 제2 구동 기어(114b)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하도록 제2 작동 벨트(120b)에 체결된다. 즉, 제2 작동 벨트(120b)는 제2 구동 기어(114b)와 작동 기어(134)에 서로 반대 방향으로 토크를 가하도록 제2 구동 기어(114b)와 작동 기어(134)에 연결된다. 예를 들면, 제2 작동 벨트(120b)는 도시된 바와 같이 8자 모양으로 교차하도록 제2 구동 기어(114b) 및 작동 기어(134)와 체결될 수 있다. 이때, 제2 구동 기어(114b)가 시계 방향으로 회전할 경우, 제2 작동 벨트(120b)는 작동 기어(134)를 반시계 방향으로 회전시킨다.
한편, 제1 작동 벨트(120a)와 제2 작동 벨트(120b)의 회전 방향은 상술한 바에 한정되지 않으며, 각각의 작동 벨트들의 일단에서의 회전 방향은 동일하고, 타단에서의 회전 방향이 상이하도록, 작동 벨트들이 각각의 축들에 고정되면 충분하다.
이와 같이, 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b)에 동일한 방향으로 토크가 인가되더라도, 제1 작동 벨트(120a)와 제2 작동 벨트(120b)에 의해 작동축(131)에는 서로 다른 방향으로 토크가 전달된다. 이로 인한 링크들(140, 150)의 운동은 상세하게 후술된다.
구동 링크(140)는 고정구(21)에 의해 넓적다리에 고정된다. 따라서, 구동 링크(140)가 이동함에 따라 넓적다리도 함께 이동한다.
구동 링크(140)의 일단은 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b)에 자유롭게 회전 가능하게 연결된다. 구동 링크(140)는 구동축들(111a, 111b)의 회전축을 중심으로 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b)에 대해 자유롭게 회전할 수 있으면 충분하며, 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b) 중 어느 하나에만 연결되어도 무방하다. 또한, 구동 링크(140)의 타단은 작동축(131)에 자유롭게 회전 가능하게 연결된다. 이로써, 제1 구동축(111a) 및 제2 구동축(111b)은 구동 링크(140)에 의해 작동축(131)과 일정한 간격을 두고 이격된다.
한편, 구동 링크(140)는, 도시된 형상에 한정되지 않으며, 작동 벨트들(120a, 120b)이 외부에 노출되지 않도록 작동 벨트들(120a, 120b)을 둘러싸도록 형성될 수도 있다.
작동 링크(150)는 또 다른 고정구(22)에 의해 종아리에 고정된다. 따라서, 작동 링크(150)가 이동함에 따라 종아리도 함께 이동한다.
이러한 작동 링크(150)는 작동축(131)에 고정되어, 작동축(131)이 회전함에 따라 작동 링크(150)도 함께 회전한다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 전달 장치(100)는 제1 모터(113a) 및 제2 모터(113b)의 구동 방향, 토크의 크기 및 회전 속도에 따라서 구동 링크(140)와 작동 링크(150)를 다양한 양태로 회전시킬 수 있다. 이와 관련하여, 이하에서 상세하게 설명된다.
먼저, 제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)의 구동 방향에 따라, 각각의 링크들(140, 150)의 운동은 상이한 양상을 나타낸다.
제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)가 동일한 방향으로 회전하는 경우, 제1 구동 기어(114a)와 제2 구동 기어(114b) 또한 동일한 방향으로 회전한다. 제1 작동 벨트(120a)와 제2 작동 벨트(120b)에 의해 각각의 회전 방향이 상이하게 변경되므로, 작동 기어(134)에는 서로 반대 방향의 토크가 전달된다. 따라서, 작동축(131)의 회전축에 대하여 작동축(131) 및 작동 링크(150)는 회전하지 않는다. 각각의 모터(113a, 113b)로부터 전달된 작동 조인트부(130)에 대한 토크, 즉, 작동축(131)의 회전축에 대한 토크의 합은 0이 된다.
한편, 각각의 모터(113a, 113b)로부터 전달되는 토크는, 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b) 상에서 동일한 방향으로 작용한다. 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b)이 동일한 직선상에 배치되고, 제1 구동 기어(114a)와 제2 구동 기어(114b)에 동일한 방향으로 토크가 인가되므로, 구동 조인트부(110)에 대한 토크, 즉, 구동축들(111a, 111b)의 회전축에 대한 토크의 합은 0이 아니다.
이때, 작동축(131)이 회전하지 않으며, 작동 벨트들(120a, 120b) 또한 회전하지 않고 고정된 상태이므로, 작동 벨트들(120a, 120b)은 구동축들(111a, 111b)의 회전축을 중심으로 구동 링크(140)와 작동 링크(150)를 움직이는 회전팔의 역할을 하게 된다.
따라서, 구동축들(111a, 111b)의 회전축에 대한 토크가 작동 벨트들(120a, 120b)에 의해 작동축(131)에 전달됨으로써, 작동 벨트들(120a, 120b)과 작동축(131)뿐만 아니라, 구동 링크(140)와 작동 링크(150)도 도 6에 도시된 바와 같이 구동축들(111a, 111b)의 회전축에 대해 회전하게 된다.
정리하면, 제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)가 동일한 방향으로 회전하는 경우, 작동 링크(150)는 작동축(131)의 회전축에 대해 회전하지 않으며, 구동 링크(140)는 구동축들(111a, 111b)의 회전축에 대해 회전한다.
반대로, 제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)가 서로 반대 방향으로 회전하는 경우에는, 제1 구동 기어(114a)와 제2 구동 기어(114b) 또한 서로 반대 방향으로 회전한다. 제1 작동 벨트(120a)와 제2 작동 벨트(120b)에 의해 각각의 회전 방향이 상이하게 변경되므로, 작동 기어(134)에는 동일한 방향의 토크가 전달된다. 따라서, 작동축(131)의 회전축에 대하여 도 7에 도시된 바와 같이 작동축(131) 및 작동 링크(150)가 회전한다.
한편, 각각의 모터(113a, 113b)로부터 전달되는 토크는, 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b) 상에서 서로 반대 방향으로 작용한다. 제1 구동축(111a)과 제2 구동축(111b)이 동일한 직선상에 배치되고, 제1 구동 기어(114a)와 제2 구동 기어(114b)에 서로 반대 방향으로 토크가 인가되므로, 구동축들(111a, 111b)의 회전축에 대한 토크의 합은 0이 되며, 구동 링크(140)는 구동축들(111a, 111b)의 회전축에 대해 회전하지 않는다.
정리하면, 제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)가 서로 반대 방향으로 회전하는 경우, 작동 링크(150)는 작동축(131)의 회전축에 대해 회전하며, 구동 링크(140)는 구동축들(111a, 111b)의 회전축에 대해 회전하지 않는다.
한편, 상술한 링크들(140, 150)의 회전 방향상의 특징은 제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)에 의한 힘의 크기가 서로 동일한 경우에 대해 설명되었다. 모터들(113a, 113b)의 회전 속도와 토크의 방향 및 크기를 상이하게 제어함으로써, 각각의 링크들(140, 150)의 다양한 운동을 제어할 수 있다.
제1 구동 기어(114a)와 제2 구동 기어(114b) 각각의 회전 각도 q1 및 q2와 구동 링크(140)의 회전 각도 qh 간의 관계는 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
즉, 사용자의 고관절에 대한 넓적 다리의 회전 각도 qh는 제1 모터(113a)에 의한 제1 구동 기어(114a)의 회전 각도 q1와 제2 모터(113b)에 의한 제2 구동 기어(114b)의 회전 각도 q2의 합에 따라 결정된다. 각각의 모터들(113a, 113b)이 연결되는 기어비에 따라서 상기 수학식의 계수의 크기가 변동될 수 있음에 유의해야 한다.
제1 구동 기어(114a)와 제2 구동 기어(114b) 각각의 회전 각도 q1 및 q2와 구동 링크(140)에 대한 작동 링크(150)의 회전 각도 qk 간의 관계는 아래의 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
즉, 사용자의 무릎 관절에 대한 종아리의 회전 각도 qk는 제1 모터(113a)에 의한 제1 구동 기어(114a)의 회전 각도 q1와 제2 모터(113b)에 의한 제2 구동 기어(114b)의 회전 각도 q2의 차에 따라 결정된다. 또한, 각각의 모터들(113a, 113b)이 연결되는 기어비에 따라서 상기 수학식의 계수의 크기가 변동될 수 있음에 유의해야 한다.
요구되는 자세를 기초로 하여, 구동 링크(140)의 회전 각도 qh와 작동 링크(150)의 회전 각도 qk로써 제1 구동 기어(114a) 및 제2 구동 기어(114b)의 요구되는 회전 각도를 알아낼 수도 있다.
상기 수학식 1 및 수학식 2에 의해, 제1 구동 기어(114a)와 제2 구동 기어(114b) 각각의 회전 각속도 q1' 및 q2'와 구동 링크(140)의 회전 각속도 qh' 및 작동 링크(150)의 회전 각속도 qk' 간의 관계는 아래의 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
Figure pat00004
보행 속도와 상기에서 구한 제1 구동 기어(114a) 및 제2 구동 기어(114b)의 요구되는 회전 각도를 기초로 하여, 제1 구동 기어(114a) 및 제2 구동 기어(114b) 각각에 요구되는 회전 각속도를 구할 수 있다.
또한, 제1 구동 기어(114a)와 제2 구동 기어(114b) 각각의 토크 T1 및 T2와 구동 링크(140)의 토크 Th 및 작동 링크(150)의 토크 Tk 간의 관계는 아래의 수학식 4와 같다.
Figure pat00005
Figure pat00006
상기에서 구한 제1 구동 기어(114a) 및 제2 구동 기어(114b)의 요구되는 회전 각도 및 각속도를 기초로 하여, 제1 구동 기어(114a) 및 제2 구동 기어(114b) 각각에 요구되는 토크를 구할 수 있다.
제1 모터(113a)에 요구되는 토크는 구동 조인트부(110)에 요구되는 토크와 작동 조인트부(130)에 요구되는 토크의 합에 따라 결정된다. 또한, 제2 모터(113b)에 요구되는 토크는 구동 조인트부(110)에 요구되는 토크와 작동 조인트부(130)에 요구되는 토크의 차에 따라 결정된다. 이때, 각각의 모터들(113a, 113b)의 토크가 전달되는 기어비에 따라 상기 수학식들의 계수가 다소 변동될 수 있으나, 제2 작동 벨트(120b)에 의한 방향 전환으로 인해, 부호는 동일하게 유지된다.
상술한 바와 같이, 상기 수학식 1 내지 수학식 4를 기초로 하여, 제1 모터(113a) 및 제2 모터(113b)에 요구되는 회전 속도 및 토크를 구할 수 있다. 계산된 값들을 토대로 제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)를 제어함으로써 구동 링크(140) 및 작동 링크(150)의 상호 회전에 의해 사용자의 보행을 보조할 수 있다.
참고로, 보행 시 시간에 따라 구동 조인트부에 요구되는 토크와 작동 조인트부에 요구되는 토크가 도 8에 도시된다. 각각의 축 상에서 요구되는 토크의 크기는 약 50Nm이다. 따라서, 각각의 조인트부에 모터가 개별적으로 장착되었을 경우, 각각의 모터는 최소한 50Nm의 토크를 제공할 수 있어야 한다.
이와 비교하여, 보행 시 시간에 따라 각각의 모터(113a, 113b)에 요구되는 토크 T1 및 T2가 도 9에 도시된다. 이를 참조하면, 본 발명에 따른 동력 전달 장치(100)에 의할 경우, 각각의 모터(113a, 113b)는 25Nm 이상의 토크를 제공할 수 있어야 한다. 따라서, 각 관절 부위에 개별적으로 모터를 장착하는 경우에 비해, 본 실시예에서는 절반 수준의 토크 성능을 가진 모터를 사용할 수 있다. 이로써, 본 발명은 에너지 효율 및 제품 크기 소형화 측면에서 상당한 이점을 가진다.
한편, 제1 작동 벨트(120a) 및 제2 작동 벨트(120b)는 탄성 재질로 이루어짐으로써, 인공 근육 기술인 직렬 탄성 액추에이터(Series Elastic Actuator, SEA)의 기능을 할 수도 있다. 이로써, 각각의 링크들(140, 150)이 이동 또는 정지함에 따른 관성을 흡수하여 사용자에게 전달되는 충격을 줄이고 부드럽게 보행을 보조할 수 있다.
작동 벨트(120a, 120b)가 탄성 재질로 이루어지는 경우 제1 작동 벨트(120a)와 제2 작동 벨트(120b)의 변위가 생길 수 있기 때문에 시스템의 자유도는 2 자유도에서 4자유도로 늘어나게 된다. 제1 구동 기어(114a)의 반지름이
Figure pat00007
, 제2 구동 기어(114b)의 반지름이
Figure pat00008
, 작동 기어(134)의 반지름이
Figure pat00009
일 때, 제1 작동 벨트(120a)의 변위
Figure pat00010
,
Figure pat00011
와 제2 작동 벨트(120b)의 변위
Figure pat00012
,
Figure pat00013
는 아래의 수학식 5와 같다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
작동 벨트(120a, 120b)의 자유도는 전달 토크와 벨트 스프링 상수의 관계에 의해 구속이 되며, 제1 구동 벨트(112a)의 스프링 상수가
Figure pat00018
, 제2 구동 벨트(112b)의 스프링 상수가
Figure pat00019
일 때 구속 조건은 아래의 수학식 6과 같다.
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
예를 들면, 제1 모터(113a)와 제2 모터(113b)가 동일한 방향으로 회전하여 구동 링크(140)가 구동축들(111a, 111b)의 회전축에 대해 회전할 경우, 모터들(113a, 113b)에 의한 토크가 즉각적으로 구동 링크(140)에 전달되는 것이 아니라, 작동 벨트들(120a, 120b)이 어느 정도 늘어날 때까지는 토크가 구동 링크(140)에 서서히 전달될 수 있다. 따라서, 사용자의 넓적 다리를 갑작스럽게 이동시키지 않고 일련의 보행 동작들을 부드럽게 이어갈 수 있도록 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 구동 조인트부
111a : 제1 구동축
111b : 제2 구동축
112a : 제1 구동 벨트
112b : 제2 구동 벨트
113a : 제1 모터
113b : 제2 모터
114a : 제1 구동 기어
114b : 제2 구동 기어
120 : 작동 벨트
120a : 제1 작동 벨트
120b : 제2 작동 벨트
130 : 작동 조인트부
131 : 작동축
134 : 작동 기어
140 : 구동 링크
150 : 작동 링크
10 : 사용자 다리
21, 22 : 고정구
100 : 동력 전달 장치

Claims (8)

  1. 제1 구동축에 고정된 제1 구동 기어와, 상기 제1 구동축과 일직선 상에 배치되는 제2 구동축에 고정된 제2 구동 기어를 구비하는 구동 조인트부;
    작동축 상에 고정되어 상기 작동축과 함께 회전하는 작동 기어를 구비하는 작동 조인트부;
    상기 제1 구동 기어와 상기 작동 기어에 동일한 방향으로 토크를 가하도록 상기 제1 구동 기어 및 상기 작동 기어에 연결되는 제1 작동 벨트;
    상기 제2 구동 기어와 상기 작동 기어에 서로 반대 방향으로 토크를 가하도록 상기 제2 구동 기어 및 상기 작동 기어에 연결되는 제2 작동 벨트;
    일단이 상기 제1 구동축 또는 상기 제2 구동축에 자유롭게 회전 가능하게 연결되고, 타단이 상기 작동축에 자유롭게 회전 가능하게 연결되는 구동 링크; 및
    상기 작동축에 고정되는 작동 링크를 포함하는 동력 전달 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 구동축에 토크를 전달하는 제1 모터와, 상기 제2 구동축에 토크를 전달하는 제2 모터를 더 포함하며,
    상기 제1 모터에 요구되는 토크는 상기 구동 조인트부에 요구되는 토크와 상기 작동 조인트부에 요구되는 토크의 합에 따라 결정되고,
    상기 제2 모터에 요구되는 토크는 상기 구동 조인트부에 요구되는 토크와 상기 작동 조인트부에 요구되는 토크의 차에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 구동 조인트부는 사용자의 상체에 고정되고,
    상기 구동 링크는 사용자의 넓적 다리에 고정되며,
    상기 작동 링크는 사용자의 종아리에 고정되고,
    상기 구동 링크 및 상기 작동 링크의 상호 회전에 의해 사용자의 보행을 보조하는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 모터와 상기 제2 모터는 사용자의 신체 반대편 일측부에서 각각의 상기 제1 구동축 및 상기 제2 구동축과 연결되는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 구동축들은 사용자의 고관절 측부에 배치되며,
    상기 작동축은 사용자의 무릎 관절 측부에 배치되는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  6. 제3 항에 있어서,
    사용자의 고관절에 대한 넓적 다리의 회전 각도는 상기 제1 모터에 의한 회전 각도와 상기 제2 모터에 의한 회전 각도의 합에 따라 결정되고,
    사용자의 무릎 관절에 대한 종아리의 회전 각도는 상기 제1 모터에 의한 회전 각도와 상기 제2 모터에 의한 회전 각도의 차에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 작동 벨트는 8자 모양으로 교차하도록 제2 구동 기어와 작동 기어에 연결되는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 작동 벨트와 상기 제2 작동 벨트는 탄성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
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