KR20200028873A - 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 재질로 구성되되 원호 형태의 슬릿이 복수 개가 형성되어 자체적인 회전 토크에 대한 비틀림 탄성을 구비하는 탄성 기어 태의 내부기어와 모터에 연결되는 링형태의 외부기어에 삽입하여, 모터 구동시의 소음과 진동 등이 감소되며, 비금속 탄성 재질의 부재를 삽입한 경우보다 내구성이 향상되고 금속으로만 구성된 기어보다 높은 탄성을 확보할 수 있고, 단일 기어 형태로 구성이 가능하여 관절구동기의 구조를 단순화할 수 있는 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기에 관한 것이다.

Description

탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기{Elastomer Gear Unit And Elastic Actuator Having The Same}

본 발명은 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 금속 재질로 구성되되 원호 형태의 슬릿이 복수 개가 형성되어 자체적인 회전 토크에 대한 비틀림 탄성을 구비하는 탄성 기어 태의 내부기어와 모터에 연결되는 링형태의 외부기어에 삽입하여, 모터 구동시의 소음과 진동 등이 감소되며, 비금속 탄성 재질의 부재를 삽입한 경우보다 내구성이 향상되고 금속으로만 구성된 기어보다 높은 탄성을 확보할 수 있고, 단일 기어 형태로 구성이 가능하여 관절구동기의 구조를 단순화할 수 있는 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기에 관한 것이다.

최근 일상 생활이 불가능한 신체능력을 가진 장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇 또는 체력이나 신체능력을 강화하기 위한 산업용 또는 군사용 착용형 로봇의 개발이 진행되고 있다.

장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇의 경우에는 신체 능력, 요구되는 보조력의 크기 또는 역할에 따라 완전마비 장애인용 착용형 로봇과 노약자 또는 부분마비 환자 또는 장애인용 착용형 로봇으로 분류될 수 있다.

전자의 경우, 사용자에게 신체 능력이 없으므로, 사용자의 하지의 움직임에 대한 동작 의도 등은 로봇의 제어변수로 큰 의의가 없으므로, 착용형 로봇은 충분한 힘으로 사용자의 하지의 움직임을 대신하여 정확하게 보행 동작을 수행하면 될 수 있다.

따라서, 전자의 착용형 로봇의 경우에는 요구되는 구동력의 크기가 크고 그에 따라 구동장치, 배터리 및 골격구조가 큰 경우가 많다.

그러나, 후자의 착용형 로봇의 경우에는 사용자의 신체능력이 부족하여 이를 보조하기 위한 로봇이므로, 착용형 로봇의 크기와 무게가 최소화되고 사용자의 동작 의도에 따라 정확한 보조력을 제공하는 것이 관건이 될 수 있다.

후자의 착용형 로봇의 경우, 로봇 착용자의 움직임이 어느 정도 가능한 경우 로봇의 무게 또는 관절 구동장치의 기계적 저항이 큰 경우에 착용자는 상당한 갑갑함과 불편함을 느낄 수 있으므로 착용자의 움직임을 어느 정도 허용하는 구조의 착용형 로봇이 요구된다. 더 나아가 최근에는 사용자의 움직임 또는 의도와 다른 로봇의 보조력 제공의 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있고, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공하려는 연구가 진행되고 있다.

또한, 관절구동기는 하체의 부분 마비 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇에 적용되는 경우, 일상 생활에 사용이 가능하도록 착용형 로봇의 작동시간을 늘리면서도 로봇의 무게 또는 부피를 최소화하는 기술이 함께 요구된다.

이를 위하여 각각의 관절의 보조력을 제공하기 위한 관절 구동기의 무게와 부피를 최소화하기 위하여 착용형 로봇의 주요 구성인 구동장치의 구조가 단순화되고 경량화 및 소형화가 전제되어야 한다.

그리고, 금속 재질로 구성되는 관절 구동장치가 구동되는 경우, 소음과 진동이 클 수 있고, 관절 구동장치의 소음과 진동을 최소화하는 것이 착용형 로봇의 보급과 사용에에 도움이 될 것으로 예상된다.

특히, 이러한 착용형 로봇은 성인 환자 또는 장애인 이외에도 근력이 약한 소아 환자 또는 장애인 등에게도 적용이 되므로, 기계적 저항을 줄이고, 구조를 단순화하여 무게를 줄이며, 소음과 진동을 최소화하여 로봇에 대한 거부감을 최소화할 수 있고, 로봇 착용자의 동작의도를 파악할 수 있는 구동장치에 대한 요구가 더욱 크다.

본 발명은 금속 재질로 구성되되 원호 형태의 슬릿이 복수 개가 형성되어 자체적인 회전 토크에 대한 비틀림 탄성을 구비하는 탄성 기어 태의 내부기어와 모터에 연결되는 링형태의 외부기어에 삽입하여, 모터 구동시의 소음과 진동 등이 감소되며, 비금속 탄성 재질의 부재를 삽입한 경우보다 내구성이 향상되고 금속으로만 구성된 기어보다 높은 탄성을 확보할 수 있고, 단일 기어 형태로 구성이 가능하여 관절구동기의 구조를 단순화할 수 있는 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 금속 재질로 구성되며, 중심부에 축공이 형성되고 상기 축공 둘레에 적어도 하나의 탄성 변형을 위한 원호 형태의 슬릿이 형성된 내부기어, 상기 내부기어 외죽을 감싸는 비금속 재질의 탄성부재, 상기 탄성부재 외측을 감싸며 외주면에 복수개의 기어이가 형성된 외부기어를 포함하고, 상기 외부기어 또는 상기 내부기어는 상기 탄성부재를 매개로 상기 내부기어 또는 상기 외부기어로 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛을 제공할 수 있다.

이 경우, 상기 외부기어가 회전 구동되면, 상기 내부기어는 상기 탄성부재에 의해 전달된 구동력에 의하여 상기 내부기어의 슬릿의 형상이 변경되도록 탄성 변형된 후, 탄성 변형이 제거되는 방향으로 회전 구동될 수 있다.

또한, 내부기어의 축공에 장학된 회전축이 회전 구동되면, 상기 내부기어는 상기 내부기어의 슬릿의 형상이 변경되도록 탄성 변형된 후 탄성 변형이 제거되는 방향으로 회전 구동되고, 상기 내부기어는 상기 탄성부재를 매개로 상기 외부기어로 구동력을 전달할 수 있다.

여기서, 상기 내부기어에 형성된 슬릿은 각각 일단과 타단에서의 곡률이 점진적으로 변경되는 형상일 수 있으며, 또한 상기 축공을 중심으로 대칭된 위치에 구비될 수 있다.

그리고, 상기 내부기어의 외주면과 상기 탄성부재의 내주면의 일측에 적어도 하나의 걸림돌기가 형성되고 타측에 상기 걸림돌기가 안착되는 걸림홈이 형성되어 양방향으로 구동력이 전달될 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 착용형 로봇에 구비되는 관절구동기에 있어서, 모터, 상기 모터의 회전축에 장착된 모터기어, 상기 모터기어에 직접 또는 간접적으로 기어 연결된 상기 탄성기어유닛, 상기 탄성기어유닛의 회전축에 장착된 구동기어, 상기 모터기어에 직접 또는 간접적으로 기어 연결된 관절기어, 상기 관절기어에 연결되어 상기 관절기어에 의하여 제공된 구동력에 의하여 회전 구동되거나, 로봇 착용자의 관절의 움직임에 대응하여 회전 구동되는 출력부재 및 상기 모터 및 상기 상기 관절기어에 구비되어 상기 모터 및 상기 관절기어의 회전방향, 회전각 또는 회전속도를 감지하기 위한 엔코더를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 관절구동기는 로봇 착용자의 고관절 또는 슬관절에 장착되고, 상기 관절구동기를 구성하는 출력부재는 각각 대퇴부재 또는 하퇴부재에 체결될 수 있다.

여기서, 상기 관절구동기의 모터가 구동되면, 상기 모터의 구동력은 상기 탄성기어유닛과 상기 관절기어를 통해 상기 출력부재에 전달되고, 착용자의 보행 시 각각의 관절구동기의 출력부재는 각각의 대퇴부재 또는 하퇴부재를 회전 구동하여 착용자의 보행을 보조할 수 있다.

또한, 상기 관절구동기를 구성하는 모터가 정지된 상태에서 해당 관절구동기를 구성하는 출력부재가 회전하여 상기 관절기어에 구비된 엔코더에 의하여 상기 관절기어의 회전이 감지되는 경우 상기 모터는 상기 관절기어의 회전 방향으로 상기 모터가 구동될 수 있다.

본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기에 의하면, 금속 재질의 탄성 기어 형태의 내부기어와 외부 기어 사이에 추가적으로 비금속 재질의 탄성부재가 구비되어 소음 및 진동 저감 효과를 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기에 의하면, 관절구동기에 비금속 탄성 재질의 부재를 삽입한 경우보다 내구성이 향상되고 금속으로만 구성된 기어보다 높은 탄성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기에 의하면, 기어에 탄성을 부여하기 위하여 부피가 큰 기어조립체 또는 기어어셈블리가 아닌 외부로 돌출부분이 존재히지 않는 원판형 단일 스퍼 기어 형태로 구성이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 탄성기어유닛 및 이를 구비하는 관절구동기에 의하면, 근력이 약한 소아 환자 또는 장애인 등에게 적용되는 착용형 로봇에 적용하여, 기계적 저항을 줄이고, 구조를 단순화하여 무게를 줄이며, 소음과 진동을 최소화하여 로봇에 대한 거부감을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 탄성기어유닛을 이용한 관절구동기가 적용될 수 있는 착용형 로봇의 측면 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 착용형 로봇의 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 관절구동기의 예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 탄성기어유닛의 사시도를 도시한다
도 5는 본 발명에 따른 탄성기어유닛의 분해도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 탄성기어유닛의 커버의 반지름 방향 단면도를 도시한다.
도 7 내지 도 9는 구동모터가 구동되는 경우 구동력이 탄성기어유닛을 통해 전달되는 과정에서 탄성기어유닛 내부의 변형과정의 예시를 도시한다.
도 10 및 도 11은 구동모터가 정지된 상태에서 로봇 착용자의 움직임에 의하여 출력부재가 회전되는 경우 탄성기어유닛 내부의 변형과정과 구동모터에 의한 구동력 보조 과정의 예시를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 탄성기어유닛(10)을 이용한 관절구동기가 적용될 수 있는 착용형 로봇(1000)의 측면 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 착용형 로봇(1000)의 정면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 명세서에서 상기 착용형 로봇(1000)은 장애인, 노약자 또는 환자(이하, '착용자'라 함)의 하체에 착용하여, 보행 동작을 보조하는 로봇일 수 있다. 여기서 보행 동작을 보조한다는 의미는 하체의 운동 기능이 일부 존재하는 착용자의 독립적인 보행을 가능하도록 고관절과 슬관절에 부족한 근력 등을 보전하기 위한 구동력을 제공한다는 의미이다.

상기 착용형 로봇(1000)은 착용자의 허리 부위에 배치되는 본체(500)와, 상기 본체(500)에서 아래로 연장되어 착용자의 각각의 다리를 지지하는 한 쌍의 다리 유닛(600l, 600r)을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 다리 유닛(600l, 600r)은 고관절과 슬관절에 각각 구비되어 대퇴와 하퇴에 보조 토크를 제공하여 착용자의 독립 보행을 보조할 수 있다.

따라서, 각각의 다리 유닛(600l, 600r)의 고관절과 슬관절 대응영역에는 구동 토크 제공을 위한 구동장치가 구비될 수 있다. 각각의 구동장치는 탄성부재(3) 등을 매개로 구동력을 출력하는 관절구동기(100)로 구성될 수 있다.

각각의 다리유닛은 관절구동기(100a, 100b)와, 각각 관절구동기(100a, 100b)에 연결되어 착용자의 대퇴와 하퇴를 지지 또는 보조하는 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430) 그리고 하퇴부재(430)과 연결되며 착용자의 발을 지지하는 족지지부(300)를 구비할 수 있다.

상기 관절구동기(100a, 100b)를 착용자의 고관절과 슬관절 관절부위에 각각 설치할 수 있으며, 골반과 대퇴가 만나는 부위에 제1 관절구동기(100a)가 설치되고, 대퇴와 하퇴 경계의 무릎 부위에 제2 관절구동기(100b)가 설치될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 착용형 로봇은 착용자의 고관절과 슬관절에만 관절구동기가 구비되는 예가 도시되었으나, 필요에 따라 발목관절에도 별도의 구동장치를 구비할 수 있다.

그리고, 각각의 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)에는 착용자의 대퇴와 하퇴를 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)에 고정하기 위한 밴드 등의 형태의 착용부(420)를 구비할 수 있으며, 각각의 관절구동기에서 제공되는 구동력은 결국 착용부(420)를 통해 착용자의 대퇴 또는 하퇴에 전달되어 독립 보행을 보조하게 될 수 있다.

관절구동기가 정확한 보조력 생성을 위해 상황에 따른 사용자의 근력의 측정이 필요하고, 일반적으로 사용자의 근력 등을 정밀하게 측정하기 위하여, 착용형 로봇에 사용되는 센서는 고가이고, 부피가 크며, 센서의 신호가 노이즈에 매우 민감하기 때문에 착용형 로봇 등의 모바일 환경에서 실용적으로 사용하기에 어려운 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 탄성기어유닛을 적용하여 사용자의 동작의도를 판단하여, 탄성 기어 등의 변형량을 제거하는 방향으로 모터를 구동하여, 사용자가 느끼는 기계적 저항을 최소화하면서도 동작의도를 판단하여 그에 따른 보조 구동력을 제공할 수 있다.

이하에서는 상기 착용형 로봇(1000)에 사용되는 본 발명에 따른 관절구동기(100)와 상기 관절구동기(100)에 적용이 가능한 본 발명에 따른 착용형 로봇에 대해서 구체적으로 살펴보기로 한다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서 고관절 및 슬관절에 설치되는 관절구동기는 각각 구동 시점 또는 구동력의 크기는 다를 수 있으나 그 구조의 공통점이 있으므로 이하에서 설명되는 관절구동기는 고관절 또는 슬관절 영역에 각각 장착될 수 있는 구동장치로 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 관절구동기(100)의 예를 도시한다. 도 3에 도시된 관절구동기(100)는 도시의 편의를 위하여 외부 하우징이 제거된 상태로 도시한다.

도 3에 도시된 관절구동기의 예는 하부에서부터 출력부재(30), 제 2 엔코더(45), 상기 출력부재(30)에 고정되어 상기 출력부재(30)를 회전 구동시키거나, 상기 출력부재(30)의 회전시 함께 회전되는 관절기어(40), 상기 관절기어(40)에 연결된 구동기어(13), 상기 구동기어(13)과 동일 회전축(11)으로 축결합된 탄성기어유닛(10), 상기 탄성기어유닛(10)과 연결되며 모터축(21)과 축결합된 모터기어(23) 및 상기 모터축(21)을 구동하는 구동모터(20)를 포함하여 구성될 수 있다.

착용형 로봇의 제어부(미도시)에 의하여 상기 구동모터(20)가 구동되면 상기 구동모터(20)에서 발생되는 토크를 순차적으로 모터 회전축(21), 모터기어(23), 탄성기어유닛(10), 구동기어(13) 및 관절기어(40) 등을 통해 출력부재(30)로 전달하여 대퇴 또는 하퇴의 움직임을 보조할 수 있다. 상기 출력부재(30)는 도 1 및 도 2에 도시된 착용형 로봇의 대퇴부재 및 하퇴부재(410, 430)와 체결될 수 있으며, 더 나아가 일체로 구성될 수도 있다.

한편, 착용자가 전술한 착용형 로봇(1000)을 착용하고 능동적인 움직임을 수행하는 경우 그 움직임은 관절기어(40)와 연결된 상기 출력부재(30)를 통해 탄성기어유닛(10)으로 전달될 수 있다.

보행 보조를 위한 착용형 로봇 중 완전 마비 환자용 로봇의 경우에는 하체가 완전 마비 상태인 착용자의 동작이 불가능하므로 착용자의 동작 의도 등을 판단할 필요성이 낮다. 하체의 기능이 어느 정도 남아있는 환자를 위한 착용형 로봇으로 사용자의 움직임 또는 의도와 다른 로봇의 보조력이 제공되는 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있으므로, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공할 필요가 있으므로, 사용자의 동작의도를 정확하게 판단하기 위하여 관절구동기(100)에 본 발명의 탄성기어유닛(10)이 적용될 수 있다.

먼저, 구동모터(20)가 정지된 상태에서, 착용자의 움직임에 따라 상기 출력부재(30)가 회전될 수 있고, 출력부재(30)에 장착된 관절기어(40)는 탄성기어유닛(10)의 중심부를 회전시킬 수 있다.

이 경우, 관절구동기의 제어부는 구동모터(20)가 구동되지 않는 상태에서는 상기 탄성기어유닛(10) 내부의 후술하는 내부기어(2, 도 4 참조) 및 탄성부재(3)는 비틀림 변형이 발생되고, 그 변형량이 관절기어(40)에 구비된 제2 엔코더(45)에 의하여 감지되면, 그 방향으로 동작 의도가 있는 것으로 판단하여 비틀림 변형 방향으로 내부기어(2) 및 탄성부재(3)의 비틀림 변형이 제거되도록 관절에 대한 동작 의도를 결정하여 변형 방향으로 보조력이 제공되도록 하여 착용자가 관절 구동기에서 제공되는 기계적 저항이 최소화된 상태로 움직임이 가능할 수 있다.

즉, 착용형 로봇(1000)의 착용자가 스스로의 동작 의도에 따라 어느 정도 움직이고자 하는 경우에 상기 구동모터(20)가 구동되지 않아도, 미리 결정된 허용범위 내에서 상기 출력부재(30)가 먼저 회전되는 경우, 상기 출력부재(30)의 회전은 상기 탄성기어유닛(10)을 변형시킬 수 있으며, 상기 출력부재(30)의 회전은 관절기어(40) 측에 장착될 수 있는 제 2 엔코더(45)를 통해 그 회전각 또는 회전방향이 감지되며, 사용자의 동작 의도를 판단하기 위한 자료로 활용될 수 있다.

따라서, 착용형 로봇(1000)의 본체부 등에 구비되는 제어부(미도시)는 수집된 자료에 근거하여 구동모터(20)의 구동 여부와 무관하게 상기 출력부재(30)의 회전각 또는 회전방향의 변화량이 감지되면, 해당 변화 방향으로의 사용자의 동작 의도가 있다고 판단할 수 있다.

구동모터 및 감속 기어(미도시) 등을 사용하여 관절 등을 구동하는 로봇에 있어서, 모터의 구동과 무관하게 착용자의 움직임이 발생하는 경우, 착용자는 상당한 크기의 기계적 저항을 느끼거나 기계적 저항으로 인하여 움직임이 불가능할 수 있으나 상기 탄성기어유닛(10)를 출력부재(30)와 구동모터(20) 사이에 장착하는 방법으로 그 자체로서 사용자의 움직임에 대한 기계적 저항을 줄이는 효과도 있다.

결국, 상기 탄성기어유닛(10)을 장착하면, 사용자의 움직임에 대한 기계적 저항을 줄임과 동시에 출력부재(30) 및 구동모터(20) 측에 각각 구비될 수 있는 엔코더를 통해 회전각도, 회전방향 또는 회전속도 등의 정보를 수집하여 사용자의 동작의도를 분석하기 위한 제어신호의 수집이 가능하며, 이는 저저항-보행을 가능하게 한다.

구체적으로, 각각의 엔코더 등에서 수집된 회전각도, 회전방향 또는 회전속도 등의 정보를 활용하여, 상기 탄성기어유닛(10)의 변형량이 제거되는 방향으로 상기 구동모터(20)의 회전각도, 회전방향 또는 회전속도가 제어되면, 사용자의 동작 의도 또는 움직임에 따라 상기 구동모터(20)의 구동력이 제공되는 효과를 얻을 수 있으며, 이와 같은 효과는 저저항 동작을 가능하게 한다.

상기 저저항 보행 모드에서 착용자는 마치 착용형 로봇의 무게 또는 기계적 마찰이 없거나 크게 줄어든 상태에서 동작 의도에 따라 추가적인 보조력을 제공받으며 움직임이 가능해진다.

즉, 스스로의 동작이 어느 정도 가능한 착용자의 경우에는 이러한 저저항 보행 모드에서 로봇을 착용하지 않은 것과 같은 느낌으로 움직임이 가능해질 수 있다.

또한, 본 발명의 탄성기어유닛(10)이 적용되는 경우에도 후술하는 바와 같이 탄성기어유닛(10)의 축방향 비틀림의 범위는 제한된 범위에서 허용되므로 구동모터(20)이 보행 싸이클에 따라 각각의 관절에 요구되는 보조력을 제공할 수 있다.

도 4은 본 발명에 따른 탄성기어유닛(10)의 사시도를 도시하며, 도 5은 탄성기어유닛(10)의 분해도를 도시하며, 도 6은 상단 커버(110) 및 하단 커버(150)를 제외한 탄성기어유닛(10)의 정면도를 도시한다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 탄성기어유닛(10)은 링 형태의 외부기어(4)를 포함하고, 내측 방향으로 탄성부재(3) 및 내부기어(2) 등이 구비될 수 있다.

상기 탄성부재(3)는 링 형태로 구성될 수 있으며, 내주면에는 내부기어(2)가 장착되고, 그 외주면에는 링 형태의 외부기어(4)가 장착될 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 금속 재질로 구성되며, 중심부에 축공(2h)이 형성되고 상기 축공(2h) 둘레에 적어도 하나의 탄성 변형을 위한 원호 형태의 슬릿이 형성된 내부기어(2); 상기 내부기어(2) 외측을 감싸는 비금속 재질의 탄성부재(3); 상기 탄성부재(3) 외측을 감싸며 외주면에 복수 개의 기어이가 형성된 외부기어(4)를 포함하고, 상기 외부기어(4) 또는 상기 내부기어(2)는 상기 탄성부재(3)를 매개로 상기 내부기어(2) 또는 상기 외부기어(4)로 구동력을 전달하는 탄성기어유닛(10)을 제공할 수 있다.

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탄성기어유닛(10)은 일면과 타면에 제1 커버(1) 및 제2 커버(5)를 구비하여, 내부의 내부기어(2) 및 탄성부재(3) 이중 탄성기어의 이탈을 방지하고 내부기어(2), 탄성부재(3) 및 외부기어(4)의 구동시 발생될 수 있는 소음을 줄이며, 외부 이물질과 끼임 또는 간섭을 방지할 수 있다.

따라서, 상기 내부기어(2), 상기 탄성부재(3) 및 상기 외부기어(4)는 순차적 조립이 가능하도록 각각 링 형상으로 구성되되 조립상태에서는 도 4에 도시된 바와 같이 일반적인 원판 형태의 스퍼 기어의 형상으로 구성될 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 내부기어(2)는 중심부에 도 1에 도시된 회전축(11)이 장착되는 축공(2h)이 구비되고, 상기 회전축(11)에 장착된 구동기어(13)는 모터의 구동력을 회전축을 통해 관절기어(40)로 전달하거나 로봇 착용자의 움직임에 의하여 출력부재(30)의 회전시 회전 토크를 탄성기어유닛(10)으로 전달하여 탄성기어유닛(10)의 내부 비틀림을 발생하게 하거나 그에 따라 탄성기어유닛(10)을 회전되도록 할 수 있다.

상기 축공은 상기 회전축(11)의 슬립을 방지하기 위하여 다각형, 예를 들면 도 4에 도시된 같이, 육각형 형상으로 구성될 수 있다

도 5 및 6에 도시된 바와 같이 상기 내부기어(2)는 금속 등의 재질로 구성될 수 있고 외력 또는 토크 인가시 탄성 발생을 위하여 원주방향으로 복수 개의 슬릿(2s)이 구비된 구조를 가질 수 있다.

상기 내부기어(2)는 회전 토크가 제공시 비틀림 탄성을 갖기 위하여 복수 개의 슬릿이 구비될 수 있다. 상기 슬릿은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 원호 형상으로 구성되되, 각각 일단과 타단에서의 곡률이 점진적으로 변경되는 형상으로 구성될 수 있으며, 이와 같은 슬릿(2s)은 복수 개가 구비될 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 슬릿(2s)은 상기 축공(2h)을 중심으로 대칭된 위치에 구비되어 토크 인가시 내부기어(2) 전체적으로 균일한 비틀림이 발생되도록 할 수 있다.

그리고, 전술한 바와 같이 상기 내부기어(2)의 외주면과 상기 탄성부재(3)의 내주면의 일측에 적어도 하나의 걸림돌기가 형성되고 타측에 상기 걸림돌기가 안착되는 걸림홈이 형성될 수 있고, 상기 탄성부재(3)의 외주면과 상기 외부기어(4)의 내주면의 일측에 적어도 하나의 걸림돌기가 형성되고 타측에 상기 걸림돌기가 안착되는 걸림홈이 형성되어 양방향으로 구동력이 전달될 수 있다.

도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 상기 내부기어(2)의 외주면과 상기 외부기어(4)의 내주면에 걸림돌기(2p, 4p)가 형성되고, 상기 탄성부재(3)의 내주면과 외주면에 내부기어(2)의 외주면과 상기 외부기어(4)의 내주면에 걸림돌기(2p, 4p)가 각각 안착되는 걸림홈(3g)가 형성될 수 있다.

걸림돌기를 금속재질의 내부기어(2)와 외부기어(4)에 형성하지 않고, 비금속 재질, 고무 또는 우레탄 등의 수지재질로 구성된 탄성부재(3)에 형성하면 돌출된 걸림돌기의 내구성이 문제될 수 있으므로 걸림돌기는 내부기어(2)와 외부기어(4)의 외주면과 내주면에 각각 형성할 수 있다.

그러나, 탄성부재(3)의 재질과 외부에서 인가되는 토크의 크기 등에 따라 걸림돌기와 걸림홈의 위치는 변경될 수 있다. 상기 탄성부재(3)는 고무 또는 우레탄 이외에도 충분한 탄성과 내구성을 갖는 소재라면 다양한 소재가 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 내부기어(2)는 슬릿이 형성되어 비틀림 탄성을 가지므로, 외력에 대하여 탄성 부재처럼 작용할 수 있으나, 금속 재질의 내부기어(2)만 사용되는 경우보다 수지 재질의 탄성부재(3)를 부가하면, 탄성 변형 범위가 증대될 수 있고, 부드러운 작동감과 소음 저감 효과도 얻을 수 있다.

특히, 근력이 부족한 소아용 착용형 로봇의 경우, 동작의도 파악이 가능한 구조로 관절구동기가 설계되더라도 탄성을 제공하는 구성이 금속으로만 구성되는 경우 이를 변형시키기 위한 최소한의 근력이 부족한 경우 또는 충분한 탄성 변형 범위를 제공하지 못하는 경우 무용지물이 될 수 있고, 작은 힘에도 회전이 허용되는 금속 재질의 탄성기어를 설계하면 쉽게 파손되어 충분한 내구성을 확보하기 어려운 문제도 존재함을 확인하였다.

또한, 관절구동기가 금속 재질로만 구성되는 경우 상당한 소음과 진동이 발생되어 착용형 로봇의 거부감을 증대시키는 요인이 된다.

즉, 상기 탄성부재(3)를 내부기어와 외부기어 사이애 개재시켜, 착용자의 일반적인 움직임에 대하여 충분한 탄성 변형 범위를 제공함과 동시에 소음과 진동을 줄이며 관절구동기의 내구성도 제공할 수 있다는 장점이 있다.

도 7 내지 도 9는 구동모터가 구동되는 경우 구동력이 탄성기어유닛(10)을 통해 전달되는 과정에서 탄성기어유닛(10) 내부의 변형과정의 예시를 도시한다.

외력이 가해지지 않고 탄성기어유닛(10)의 변형이 없는 상태는 도 6의 상태임을 가정한다.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 구동모터가 구동되어 상기 외부기어(4)에 토크(T)가 인가되어 외부기어(4)가 먼저 반시계 방향으로 미리 결정된 각도(θ) 회전되면, 외부기어(4) 내부에 장착된 탄성부재(3)가 탄성 변형된다.

따라서, 변형된 탄성부재(3)는 도 8에 도시된 바와 같이, 복원 탄성을 통해 내부기어(2)의 걸림돌기(2p)를 추진하여 내부기어(2) 외측 영역을 회전시키고, 이로 인해 내부기어(2)의 슬롯(2s)의 형상을 변형시키게 된다.

이 경우, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 슬롯(2s)의 변형이 발생된 내부기어(2)는 그 슬롯(2s)의 변형을 제거하려는 방향, 즉 구동모터에서 제공되어 외부기어(4)의 회전 방향과 동일한 방향으로 상기 내부기어(2)의 축공이 구비된 내측 영역에 구동 토크를 인가하고 상기 내부기어(2)의 축공에 연결된 회전축(11)과 상기 회전축(11)에 연결된 상기 관절기어(40) 및 출력부재(30)를 회전시켜 보행 주기에 따라 로봇 착용자의 각각의 관절에 요구되는 보조력을 제공할 수 있다.

이와 같이, 구동모터를 구동하여 보조력을 제공하는 경우에도 순간적으로 내부기어와 탄성부재의 변형과 복원이 발생되며, 소음과 진동이 최소화되면서도 안정적인 구동력을 제공할 수 있다.

따라서, 도 9에 도시된 상태는 도 6에 도시된 상태와 마찬가지로, 내부기어(2)와 탄성부재(3)가 변형 또는 비틀림 상태가 해제된 상태로 탄성기어유닛(10) 전체적으로 미리 결정된 각도(θ) 회전된 상태일 수 있다.

도 7 내지 도 9는 구동모터가 작동되어 적극적으로 보조력을 제공하는 과정에서 탄성부재(3) 및 내부기어(2)가 단시간에 변형과 복원이 수행되는 과정에서 구동 토크를 전달하게 되며 이와 같은 탄성부재(3)와 내부기어(2)의 2단 탄성 구조에 의하여 소음과 진동이 저감되며 부드러운 작동감을 제공할 수 있고, 더 나아가 금속 재질의 내부기어(2)의 내구성과 탄성부재(3)의 탄성 또는 탄성변위의 장점을 모두 구비할 수 있다.

그리고, 도 7 내지 도 9에 도시된 내부기어 등의 변형과 복원은 아주 짧은 시간에 수행될 수 있으며, 구동모터의 구동력이 지속적으로 제공되는 보행 과정에서 도 7 내지 도 9에 도시된 내부기어 및 탄성부재의 변형과 복원은 반복될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 관절구동기를 구성하는 탄성기어유닛(10)은 상기 외부기어(4)가 회전 구동되면, 상기 내부기어(2)는 상기 탄성부재(3)에 의해 전달된 구동력에 의하여 상기 내부기어(2)의 슬릿의 형상이 변경되도록 탄성 변형된 후 탄성 변형이 제거되는 방향으로 회전 구동되어 보조력을 제공할 수 있다.

이와 같은 탄성기어유닛(10)의 구동을 관절구동기 측면에서 검토하면, 상기 관절구동기(100, 도 1 참조)의 구동모터(20)가 구동되면, 상기 구동모터의 구동력은 상기 탄성기어유닛(10)과 상기 관절기어(40)를 통해 상기 출력부재(30)에 전달되고, 착용자의 보행시 각각의 관절구동기의 출력부재(30)는 각각의 대퇴부재 또는 하퇴부재를 회전 구동하여 착용자의 보행시 대퇴와 하퇴의 움직임을 보조할 수 있다.

도 10 및 도 11은 구동모터가 정지된 상태에서 로봇 착용자의 움직임에 의하여 출력부재(30)가 회전되는 경우 탄성기어유닛(10) 내부의 변형과정과 구동모터에 의한 구동력 보조 과정의 예시를 도시한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄성기어유닛(10) 또는 이를 구비하는 관절구동기는 탄성 기어 형태의 내부기어(2)와 비금속 재질로 탄성을 구비한 탄성부재(3)를 구비하므로, 구동모터가 정지된 상태에서도 각각 대퇴부재 또는 하퇴부재의 움직임이 가능하다.

본 발명의 탄성기어유닛(10)을 구성하는 내부기어(2)의 축공에 장착된 회전축에 회전 토크가 인가되면, 내부기어(2)는 상기 내부기어의 슬릿의 형상이 변경되고, 상기 탄성부재(3)는 상기 내부기어에 의하여 전달된 구동력으로 탄성 변형되어, 상기 외부기어가 정지된 상태에서도 상기 회전축의 회전을 미리 결정된 범위에서 허용될 수 있다.

즉, 구동모터(20)가 정지된 상태에서, 착용자의 움직임에 따라 상기 출력부재(30)가 회전될 수 있고, 출력부재(30)에 장착된 관절기어(40, 도 3 참조)는 탄성기어유닛(10)의 중심부, 즉 축공 영역을 회전시킬 수 있다.

그리고, 이와 같은 움직임은 관절기어(40) 등에 구비된 제2 엔코더(45, 도 3 참조)에 감지될 수 있다.

즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 대퇴부재 또는 하퇴부재에 연결되는 출력부재(30)가 회전되는 경우, 관절기어(40)가 함께 회전하며, 상기 제2 엔코더가 관절기어(40)의 회전을 감지할 수 있다. 또한, 상기 관절기어(40)에 연결된 구동기어가 회전됨에 따라 상기 구동기어의 회전축이 회전되고, 상기 내부기어(2)의 축공에 장착된 회전축이 반시계 방향으로 미리 결정된 각도(θ') 회전되면, 상기 내부기어(2)는 상기 내부기어(2)의 슬릿(4s)의 형상이 변경되도록 탄성 변형된다.

상기 제2 엔코더(45)에서 관절의 움직임이 감지되면, 착용형 로봇의 제어부는 로봇 착용자의 의사가 해당 관절의 움직임 동작 의사가 존재하는 것으로 판단하여, 도 10에 도시된 바와 같이 해당 관절의 감지된 움직임 방향으로 구동모터를 구동하여 외부기어(4)에 추가적인 구동 토크(T')를 제공한다.

상기 구동 토크(T')에 의하여 상기 외부기어(4)가 관절의 움직임 방향으로 회전되며, 상기 탄성부재(3)와 상기 내부기어(2)의 변형상태는 제거되고, 관절이 움직이려 했던 방향으로 보조력 제공이 시작될 수 있다.

도 10에 도시된 상태는 구동모터가 구동하여 순간적으로 내부기어(2)와 탄성기어가 외부기어(4) 내부에서 비틀림이 제거된 상태를 도시하지만, 구동모터의 구동이 지속되면, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같은 방법으로 구동모터의 구동토크가 출력부재(30)로 전달되어 보조력이 제공될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 비틀림 변형이 허용되는 탄성기어유닛(10)을 구비하여, 구동모터가 구동되지 않는 경우에도 어느 정도의 관절의 움직임을 허용하고, 관절의 움직임이 엔코더 등으로 감지되는 경우, 구동모터를 관절의 움직임 방향으로 구동하여 로봇 착용자가 느끼는 기계적 저항 또는 무거움 등을 최소화하며, 지능적인 보조력을 제공할 수 있다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

10 : 탄성기어유닛
20 : 구동모터
30 : 출력부재
40 : 구동 기어
100 : 관절구동기

Claims (11)

1. 금속 재질로 구성되며, 중심부에 축공이 형성되고 상기 축공 둘레에 적어도 하나의 탄성 변형을 위한 원호 형태의 슬릿이 형성된 내부기어;
   상기 내부기어 외측을 감싸는 비금속 재질의 탄성부재; 및,
   상기 탄성부재 외측을 감싸며 외주면에 복수 개의 기어이가 형성된 외부기어를 포함하고,
   상기 외부기어 또는 상기 내부기어는 상기 탄성부재를 매개로 상기 내부기어 또는 상기 외부기어로 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
2. 제1항에 있어서,
   상기 외부기어가 회전 구동되면,
   상기 내부기어는 상기 탄성부재에 의해 전달된 구동력에 의하여 상기 내부기어의 슬릿의 형상이 변경되도록 탄성 변형된 후 탄성 변형이 제거되는 방향으로 축공 영역이 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
3. 제1항에 있어서,
   상기 내부기어의 축공에 장착된 회전축에 회전 토크가 인가되면,
   상기 내부기어는 상기 내부기어의 슬릿의 형상이 변경되고, 상기 탄성부재는 상기 내부기어에 의하여 전달된 구동력으로 탄성 변형되어, 상기 외부기어가 정지된 상태에서도 상기 회전축의 회전을 미리 결정된 범위에서 허용하는 것을 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
4. 제1항에 있어서,
   상기 내부기어에 형성된 슬릿은 각각 일단과 타단에서의 곡률이 점진적으로 변경되는 형상인 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
5. 제4항에 있어서,
   상기 내부기어에 형성된 슬릿은 상기 축공을 중심으로 대칭된 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
6. 제1항에 있어서,
   상기 내부기어의 외주면과 상기 탄성부재의 내주면의 일측에 적어도 하나의 걸림돌기가 형성되고 타측에 상기 걸림돌기가 안착되는 걸림홈이 형성되어 양방향으로 구동력이 전달되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
7. 제1항에 있어서,
   상기 탄성부재의 외주면과 상기 외부기어의 내주면의 일측에 적어도 하나의 걸림돌기가 형성되고 타측에 상기 걸림돌기가 안착되는 걸림홈이 형성되어 양방향으로 구동력이 전달되는 것을 특징으로 하는 탄성기어유닛.
8. 착용형 로봇에 구비되는 관절구동기에 있어서,
   모터;
   상기 모터의 회전축에 장착된 모터기어;
   상기 모터기어에 직접 또는 간접적으로 기어 연결된 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 탄성기어유닛;
   상기 탄성기어유닛의 회전축에 장착된 구동기어;
   상기 구동기어에 직접 또는 간접적으로 기어 연결된 관절기어;
   상기 관절기어에 연결되어 상기 관절기어에 의하여 제공된 구동력에 의하여 회전 구동되거나, 로봇 착용자의 움직임에 대응하여 회전 구동되는 출력부재; 및,
   상기 모터 및 상기 관절기어에 구비되어 상기 모터 및 상기 관절기어의 회전방향, 회전각 또는 회전속도를 감지하기 위한 엔코더;를 포함하는 관절구동기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 관절구동기는 로봇 착용자의 고관절 또는 슬관절에 장착되고, 상기 관절구동기를 구성하는 출력부재는 각각 대퇴부재 또는 하퇴부재에 체결되는 것을 특징으로 하는 관절구동기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 관절구동기의 모터가 구동되면, 상기 모터의 구동력은 상기 탄성기어유닛과 상기 관절기어를 통해 상기 출력부재에 전달되고, 착용자의 보행시 각각의 관절구동기의 출력부재는 각각의 대퇴부재 또는 하퇴부재의 회전 구동을 보조하여 착용자의 보행을 보조하는 것을 특징으로 하는 관절구동기.
11. 제9항에 있어서,
    상기 관절구동기를 구성하는 모터가 정지된 상태에서 해당 관절구동기를 구성하는 출력부재가 회전하여 상기 관절기어에 구비된 엔코더에 의하여 상기 관절기어의 회전이 감지되는 경우 상기 모터는 상기 관절기어의 회전 방향으로 보조력을 제공하기 위하여 구동되는 것을 특징으로 하는 관절구동기.

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