KR20200143681A - 분산식 회전 액츄에이터 - Google Patents

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KR20200143681A
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브리제 유니버시타이트 브루셀
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Abstract

인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 토크를 전달하기 위한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체가 제공된다. 본체의 비틀림 변형 정보에 적어도 부분적으로 근거하여, 토크가 본체를 통해 전달된다. 일 실시예에서, 가요성 구동 축이 제공되고, 이 가요성 구동 축은 본체를 포함한다. 또한, 기계적 관절을 작동시키기 위한 회전 액츄에이터에서 순응적인 요소 및 토크 전달 요소로서 사용되는 가요성 구동 축의 용도가 개시된다. 추가로, 인간 또는 동물의 관절의 임피던스(impedance)를 결정하기 위한 가요성 구동 축의 용도가 또한 개시된다.

Description

분산식 회전 액츄에이터
본 발명은 일 양태에서 몸에 이식 가능하지 않은 보조 기구(IPC A61F 2/50) 및 특히 이를 위한 작동 또는 제어 수단(IPC A61F 2/68)에 관한 것이다. 본 발명은 일 양태에서 가요성 구동 축의 변형 측정 및 비틀림 제어에 관한 것이다.
"달리기 및 보행을 위한 외골격" 이라는 발명의 명칭을 갖는 US 2011/0 040 216 A1에는, 엉덩이 토크 직렬 탄성 액츄에이터가 기재되어 있다. 직렬 탄성 액츄에이터는 모터/기어 박스의 출력부와 직렬로 있는 스프링을 포함한다. 이 스프링은 센서, 필터 및 임피던스(impedance) 제한기로서 작용한다.
직렬 탄성 액츄에이터에서는 모터/기어 박스가 관절 회전 축선 가까이에서 그와 일렬로 있을 필요가 있다. 적어도 하나의 작동점이 길이 방향으로 변위되어 있어, 작동이 본래 더 복잡하게 된다. 무릎, 발목, 팔꿈치 및 손목과 같은 팔다리의 원위 관절의 경우, 그 관절 근처에 모터가 있으면, 팔다리에 큰 관성 하중이 가해지고 추가적인 동력이 필요하게 된다. 추가로, 그러한 관절의 경우에, 관절 회전 축선과 일렬로 있는 모터/기어 박스로 인해 외골격, 즉 인간 또는 동물의 몸의 외부에 있는 골격의 부피가 커져 원활한 움직임을 더 방해하게 된다
D. Sahebjavaher가 2012년에 영국 콜롬비아 대학에서 받은 박사 학위 논문인 "Validation of the UBC Powered Upper Limb Orthosis Simulator"에는, 모터의 동력을 관절 기어 박스에 전달하는 가요성 구동 축을 포함하는 외골격이 기재되어 있다. Sahebjavaher의 논문 2.3.2.1 단락에 언급되어 있는 있는 바와 같이, 동력 요건, 관성 하중을 최소화하기 위해서는 외골격의 중량을 최소화하는 것이 중요하고 또한 인간 공학적인 이유로 사용자의 허리에 집중되는 장치의 중량 분산을 유지하는 것이 중요하며 그래서 가요성 구동 축이 사용된다.
Sahebjavaher의 논문 3.2.1.3 단락에 논의되어 있는 바와 같이, 가요성 구동 축은 그의 스프링-감쇠기 같은 특성으로 인해 구동 시스템의 실제 성능의 예측을 복잡하게 한다. 3.2.1.3 단락에는 또한, 가요성 구동 축에 구부러짐이 존재하면 예측 불가능한 결과가 나타난다고 언급되어 있다. 또한 3.2.1.3 단락에 개시되어 있는 바와 같이, 가요성 구동 축이 안내되지 않으면, 스텝 응답이 상당히 변하고 반복 가능하지 않다. 정형용 지지대의 작동 중에 일관적인 스텝 응답을 일으키기 위해, 3.2.1.3 단락에 제안되어 있는 바와 같이, 가요성 구동 축은 안내될 필요가 있고 또한 축의 길이 전체에 걸쳐 비축방향 회전 운동과 진동을 억제하기 위해 튜브 케이싱의 사용이 매우 권고되고 있다.
M. R. Tucker 등의 "Design of a wearable perturbator for human knee impedance estimation during gait"(2013 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR) (2013), http://dx.doi .org/10.1109/ICORR.2013.6650372)에는, 각속도 섭동을 이용하여 걸음걸이 중에 인간 무릎의 임피던스를 실험적으로 추정하는 무릎 섭동기가 개시되어 있다. 이 무릎 섭동기는, 특히 투명 모드와 속도 제어 모드 사이에서의 전환을 위해 특별히 설계된 휴대용 하지 외골격, 및 원격 작동을 위한 양방향 가요성 구동 축을 포함한다.
Tucker는 또한 Ⅲ.D 단락에서, 섭동기와 다리의 정강이 사이의 상호 작용 토크는 외골격의 크랭크 아암의 양측에 장착되는 병렬 이중 그리드 스트레인 게이지를 사용하여 감지되는 것을 더 개시하고 있다. Tucker는 또한 Ⅳ 단락에서, 상이한 굽힘 및 하중 조건 하에서 가요성 축의 동적 특성을 실험적으로 특성화하는 것을 제안하고 있다.
Sahebjavaher 및 Tucker의 가르침에 의하면, 가해지는 토크를 알기 위해 또한 원격 모터를 정확히 구동하기 위해 관절에서 토크 센서가 필요하다. 토크 센서는 비싸고 민감한 장치이고, 이는 관절에 배치되면 추가적인 관성 하중을 야기할 수 있다.
US 2018/0 133 894 Al(또한 WO 2016/204 441 Al로도 공개되어 있음)에는 관절 연결식 로봇 액츄에이터가 개시되어 있다. 이 액츄에이터는 2개의 모터, 한쌍의 관절 작동 부재, 및 토크를 전달하기 위해 모터와 관절 작동 부재 사이에 있는 한쌍의 스프링 부재를 포함한다. 이 스프링 부재는 비틀림 변형 가능한데, 즉 비틀림 스트레인을 포함할 수 있다. 이 비틀림 변형 때문에 복원력이 발생될 수 있다. 한쌍의 관절 작동 부재는, 한쌍의 관절 작동 부재의 회전 각도를 측정하고 또한 그 한쌍의 관절 작동 부재의 회전 각도에 근거하여 한쌍의 스프링 부재의 비틀림 스트레인의 정도를 측정하기 위해 구동 축 상에서 인코더를 포함할 수 있다. 관절 연결식 로봇 액츄에이터는, 스프링 부재의 비틀림 스트레인의 정도를 측정하고 또한 비틀림 스트레인의 정도에 따라 모터를 제어함으로써 스프링 부재의 바틀림 변형을 상쇄시켜 스프링 부재의 비틀림 변형으로 야기되는 토크를 보상할 수 있다. 상기 문헌의 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 인코더는 모두 원위 단부에서 스프링 부재로부터 축선 편심되어 위치된다. 또한 상기 문헌에 의하면, 모터, 스프링 부재, 및 한쌍의 관절 작동 부재는 허리에 위치되고, 그리하여 한쌍의 관절 작동 부재는 강성적인 링크 부재를 통해 무릎 관절 및/또는 엉덩이 관절에 연결된다.
US 2018/0 133 894 A1는 스프링 부재의 종방향 굽힘 변형, 즉 토크 전달 축선에 수직인 축선 주위의 스프링 부재의 굽힘을 측정하는 것에 대해서는 언급이 없다. 관절 작동 부재는 허리에 위치됨에 따라, 스프링 부재는 순응성 및 국부적인 토크 전달을 가능하게 하지만, 관절로의 원격 토크 전달을 가능하게 하지 않는다. 이는 강성적인 링크 부재틀 통해 제공된다. 국부적인 토크 전달로 인해, US 2018/0 133 894 A1의 실시예는, 스프링 부재를 안내하기 위한 수단, 스프링 부재의 공간적인 구성을 측정하기 위한 수단 및 스프링 부재를 보호하기 위한 수단을 제공하지 않는다.
본 발명은 위에서 언급된 문제들 중의 적어도 일부를 해결하기 위한 것이다.
제1 양태에서, 본 발명은 청구항 1에 따른, 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 장치를 제공한다.
제2 양태에서, 본 발명은 청구항 11에 따른, 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 방법을 제공한다.
제3 양태에서, 본 발명은 청구항 12에 따른, 기계적 관절을 작동시키기 위한 회전 액츄에이터에서 순응적인 요소 및 토크 전달 요소로서 사용되는 가요성 구동 축의 용도를 제공한다.
제4 양태에서, 본 발명은 청구항 13에 따른, 인간 또는 동물의 관절의 임피던스를 결정하기 위한 가요성 구동 축의 용도를 제공한다.
제5 양태에서, 본 발명은 청구항 14에 따른, 인간 또는 동물의 관절의 임피던스를 결정하기 위한 시스템을 제공한다.
본 발명은 여러 가지 이유로 유리하다. 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체는 이중 목적의 역할을 하는데, 즉, 회전 직렬 탄성 액츄에이터와 같은 회전 (비틀림) 액츄에이터에서 분산식 토크 전달 장치 및 순응적인 요소로서 역할한다. 고정식 외골격의 경우 모터를 예컨대 고정된 외부 위치에 또는 휴대용 외골격의 경우에는 허리에 분산(재위치)시키면, 원위 팔다리 관절 또는 로봇 아암에서의 관성 하중이 제한되며, 그리하여 동력 요건이 감소되고 또한 사용자의 편안함과 투명성이 증가된다. 본체는 마찰과 관성을 포함한 모터의 역학적 조건을 적어도 부분적으로 분리시키며, 또한 기계적 관절에 도입되는 충격으로부터 모터를 보호한다. 본체는 또한 그의 비틀림 탄성으로 인해 에너지를 저장하고 방출함으로써 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 본체는 또한 모터와 기계적 관절의 상대 운동을 가능하게 한다.
본체의 순응성 때문에, 장치는 요구되는 출력 토크를 발생시키기 위한 정확한 구동 시스템을 더 필요로 한다. 토크 센서는 민감하고 비싼 장치인데, 그래서 이러한 장치는 피해야 한다. 토크 센서는, 원위 팔다리 관절에 또는 그 근처에 배치될 때, 관성 하중을 주는데, 이는 추가적으로 불리한 것이다. 본 발명은 본체의 변형 정보에 근거하여 정확한 모델 기반 토크 제어를 실현하고, 그리하여 관절에서 또는 그 근처에서 토크 센서에 대한 필요성을 줄여준다.
도 1a는 가요성 구동 축의 개략도를 나타내고, 도 1b는 서로 반대되는 피치 각도와 방향을 포함하는 다수의 동심 권선 층의 개략도를 나타낸다.
도 2a 및 2b는 동력계 시험 벤치를 나타내고, 도 3은 그의 대응하는 개략도를 나타낸다.
도 4a 및 4b는 곧은 구성으로 있는 두 가요성 구동 축의 측정된 토크 - 편향 각도 관계를 나타내고, 도 7a 및 7b는 곧은 구성으로 있는 측정된 그리고 예측된 토크 - 편향 각도 관계의 대응을 나타내며, 도 8a 및 8b는 곧은 구성으로 있는 측정된 그리고 예측된 의사(quasi) 강성 - 편향 각도 관계의 대응을 나타낸다.
도 5a는 굽힘 반경을 계산하기 위한 상대 위치 파라미터의 개략도를 나타내고, 도 5b는 대응하는 실험 셋업을 나타내며, 도 5c는 굽힘 각도를 측정하기 위한 실험 셋업을 나타낸다.
도 6은 상이한 굽힘 반경(단위: mm)에 대해 가요성 구동 축의 토크 - 각도 관계를 나타내고, 도 9a는 여러 개의 굽힘 반경에 대해 측정된 그리고 예측된 토크 - 편향 각도 관계의 대응을 나타내며, 도 9b는 배가적인(multiplicative) 토크 모델의 굽힘 인자 및 대응하는 오차를 나타낸다.
도 10a 및 10b는 가요성 구동 축이 동력 전달 시스템을 통해 관절을 간접적으로 구동시키는 시스템(도 10a) 및 가요성 구동 축이 관절을 직접 구동시키는 시스템(도 10b)의 개략도를 나타낸다.
도 11은 내부 속도 제어 루프 및 외부 PID 토크 제어 루프를 포함하는 캐스케이드 제어 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 12a는 기계적 관절(302), 이 기계적 관절에 토크를 제공하기 위한 모터(301), 및 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체(303)를 포함하는, 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 장치의 실시예의 개략도를 나타내고, 그 장치는 모터(301)로부터 토크를 본체(303)를 통해 기계적 관절(302)에 전달하도록 구성되어 있고, 장치는 본체(303)의 비틀림 변형 정보(θs - θm)를 결정하도록 구성된 센서 클러스터(304a, 304b)를 포함하고, 또한 장치는 센서 클러스터(304a, 304b)로부터의 출력에 적어도 부분적으로 근거하여 모터(301)를 구동시키도록 구성되어 있다.
도 12b는 발목 관절을 작동시키기 위한 장치의 실시예의 개략도를 나타내고, 도 13은 엉덩이, 무릎 및 발목 관절을 위한 인간형 위치 프로파일을 나타내며, 도 14는 도 10b에 나타나 있는 구성을 가지고 설정점 신호를 따를 때의 제어 시스템의 성능을 나타내며, 도 15는 다양한 굽힘 반경에 대한 대응하는 보드 선도(bode plot)을 나타내고, 도 16은 다양한 굽힘 반경에서 가요성 구동 축의 측정된 임피던스를 나타내며, 도 17은 인간의 엉덩이, 무릎 및 발목 관절의 가해진 인간형 외부 교란 궤적에 대한 상호 작용 토크 시간 프로파일을 나타내고, 도 18은 가요성 구동 축의 출력 토크 - 각도 특성에서 굽힘 각도의 영향을 나타내며, 도 19 및 20은 추정 오차 프로파일을 나타낸다.
도 21은 관절을 작동시키기 위한 장치의 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 22는 모터를 구동시키기 위한 데이타 흐름의 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 23a 및 23b는, 본 발명의 실시예(실선)에 따른 원격의 비틀림 순응적인 액츄에이터(RTCA)를 사용한 경우와 전통적인 일렬식 방안(점선)에 따른 경우에, 걸음걸이 사이클 동안에 발목 관절 액츄에이터를 가속 및 감속시키기 위해 엉덩이 및 무릎 관절에서의 요구되는 토크를 각각 나타낸다.
본 발명은 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 장치 및 방법; 기계적 관절을 작동시키기 위한 회전 액츄에이터에서 순응적인 요소 및 토크 전달 요소로서 사용되는 가요성 구동 축의 용도; 인간 또는 동물의 관절의 임피던스를 결정하기 위한 가요성 구동 축의 용도; 및 인간 또는 동물의 관절의 임피던스를 결정하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 위의 대응하는 부분에서 요약되었다. 이하에서, 본 발명을 상세히 설명하고, 바람직한 실시예를 논의하며, 또한 본 발명을 예로 도시한다.
다르게 정의되지 않는다면, 기술적 및 과학적 용어를 포함하여, 본 발명의 개시에 사용되는 모든 용어는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지고 있는 사람이 일반적으로 이해하고 있는 바와 같은 의미를 갖는다. 추가의 안내로, 본 발명의 가르침을 더 잘 이해하도록 용어의 정의가 포함된다.
여기서 사용되는 바와 같이, 이하의 용어는 다음과 같은 의미를 갖는다:
여기서 사용되는 바와 같은 단수 표현은, 문맥에서 다른 명확한 언급이 없다면, 단수와 복수의 지시 대상 모두를 말하는 것이다. 예컨대, "격실"은 하나의 격실 또는 하나 보다 많은 격실을 말하는 것이다.
파라미터, 양, 시간 기간 등과 같은 측정 가능한 값을 가리키는 여기서 사용되는 바와 같은 "약"은, 그러한 변화가 개시된 발명을 수행하는 데에 적절하다면, 특정된 값의 ±20% 이하, 바람직하게는 ±10% 이하, 더 바람직하게는 ±5% 이하, 더더욱 바람직하게는 ±1% 이하, 또한 더더욱 바람직하게는 ±0.1% 이하의 변화를 포함하도록 되어 있다. 그러나, 수식어 "약"이 가리키는 값 자체도 구체적으로 개시되어 있음을 이해할 것이다.
여기서 사용되는 바와 같은 "포함한다", "포함하는" 및 "∼로 구성되다"는, "포괄한다", "포괄하는", "함유한다" 또는 "함유하는"와 동의어이며, 다음에 오는 것, 예컨대, 구성품의 존재를 특정하고 또한 본 기술 분야에서 알려져 있거나 여기서 개시된 추가적인 언급되지 않은 구성품, 특징, 요소, 부재, 단계의 존재를 제외하거나 배제하지 않는 포괄적인 또는 개방형 용어이다.
여기서 사용되는 바와 같은 "기계적 관절"은, 상대적으로 힌지될 수 있는 제1 부분과 제2 부분을 포함하는 비인간 및 비동물의 관절을 말한다.
본 발명은 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체를 포함한다. "세로의 가요성"은 본체의 "굽힘 변형"을 일으킬 수 있다. "세로의 가요성"은 "공간적 구성"을 변화시킬 수 있다. "비틀림 탄성"은 본체의 "비틀림 변형" 또는 "비틀림 스트레인"을 일으킬 수 있다. 기다란 본체의 각 부분은 본체가 국부적으로 연장되는 국부적인 길이 방향을 포함한다. 당업자는, "비틀림 변형"은 국부적인 길이 방향에 평행한 회전 축선 주위의 회전과 관련되어 있고 또한 "굽힘 변형"은 국부적인 길이 방향에 수직인 회전 축선 주위의 회전과 관련되어 있음을 알 것이다. 그래서 "굽힘 변형"은 본체의 공간적인 구성과 관련되어 있다. 끝점으로 수치 범위를 표현할 때, 언급된 끝점 뿐만 아니라, 그 범위 내에 포함되는 모든 수 및 분수도 포함된다.
본 발명은 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 장치를 제공한다. 본 장치는 기계적 관절; 기계적 관절에 토크를 제공하기 위한 모터; 모터로부터 토크를 기계적 관절에 전달하기 위한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체; 및 본체의 비틀림 변형 정보를 결정하기 위한 센서 클러스터를 포함한다. 본 장치는 특히 센서 클러스터로부터의 출력에 적어도 부분적으로 근거하여 모터를 구동하도록 구성되어 있다.
상기 장치는 상기 모터로부터 토크를 상기 본체를 통해 상기 기계적 관절에 전달하도록 구성되어 있고, 상기 장치는 본체의 비틀림 변형 정보를 결정하도록 구성된 센서 클러스터를 더 포함하고, 그래서 상기 장치는 상기 센서 클러스터로부터의 출력에 적어도 부분적으로 근거하여 모터를 구동시키도록 구성되어 있으며, 상기 장치는 가요성 구동 축을 포함하고, 가요성 구동 축은 회전 가능한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 내부 축, 외부 케이싱, 원위 단부, 근위 단부, 및 원위 단부와 근위 단부 각각에 있는 커넥터를 포함하고, 그래서 상기 본체는 상기 회전 가능한 내부 축인, 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 장치.
본 장치는 적어도 부분적으로 센서 클러스터로부터 얻은 비틀림 변형 정보에 근거하여 모터를 구동시키도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 본 장치는 본체에서의 직접적인 토크 측정 없이 모터를 구동시키도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 본 장치는 기계적 관절에서의 토크 측정 없이 모터를 구동시키도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 본 장치는 본체와 기계적 관절 사이에서의 토크 측정 없이 모터를 구동시키도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 본 장치는 본체와 기계적 관절 사이에서토크 센서를 포함하지 않는다. 바람직하게는, 본 장치는 기계적 관절에서 토크 센서를 포함하지 않는다. 바람직하게는, 본 장치는 본체의 단부에서 토크 센서를 포함하지 않는다.
다른 양태에서, 본 발명은 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 방법을 제공한다. 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체가 제공된다. 이 본체는 원위 단부와 근위 단부를 포함한다. 본체의 비틀림 변형 정보가 결정된다. 본체의 근위 단부에 대한 입력 토크, 입력 속도 또는 입력 위치와 같은 입력이 본체의 원위 단부에서의 요구되는 출력 토크 및 비틀림 변형 정보에 적어도 부분적으로 근거하여 결정된다. 입력은 본체의 근위 단부에서 가해진다. 그래서, 입력 위치는 입력 각도의 동의어이다.
바람직하게는, 입력은 본체의 원위 단부에서의 토크 측정 없이 결정된다. 바람직하게는, 입력은 기계적 관절에서의 토크 측정 없이 결정된다. 바람직하게는, 입력은 본체와 기계적 관절 사이에서의 토크 측정 없이 결정된다.
바람직한 실시예에서, 본 장치는 본체의 원위 단부에서의 요구되는 출력 토크 및 센서 클러스터로부터의 출력에 적어도 부분적으로 근거하여 본체의 근위 단부에 대한 입력을 결정하도록 구성되어 있으며, 그리하여, 본 장치는 입력을 모터를 통해 본체의 근위 단부에 가하도록 더 구성되어 있다.
본 발명은 여러 가지 이유로 유리하다. 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체는 이중 목적의 역할을 하는데, 즉, 회전 직렬 탄성 액츄에이터와 같은 회전 (비틀림) 액츄에이터에서 분산식 토크 전달 장치 및 순응적인 요소로서 역할한다. 고정식 외골격의 경우 모터를 예컨대 고정된 외부 위치에 또는 휴대용 외골격의 경우에는 허리에 분산(재위치)시키면, 원위 팔다리 관절 또는 로봇 아암에서의 관성 하중이 제한되며, 그리하여 동력 요건이 감소되고 또한 사용자의 편안함과 투명성이 증가된다. 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체는 마찰과 관성을 포함한 모터의 역학적 조건을 적어도 부분적으로 분리시키며, 또한 기계적 관절에 도입되는 충격으로부터 모터를 보호한다. 본체는 또한 그의 비틀림 탄성으로 인해 에너지를 저장하고 방출함으로써 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 본체는 또한 모터와 기계적 관절의 상대 운동을 가능하게 한다.
본체의 순응성 때문에, 본 장치는 요구되는 출력 토크를 발생시키기 위한 정확한 구동 시스템을 더 필요로 한다. 토크 센서는 민감하고 비싼 장치인데, 그래서 이러한 장치는 피해야 한다. 토크 센서는, 원위 팔다리 관절에 또는 그 근처에 배치되면, 관성 하중을 주는데, 이는 추가적으로 불리한 것이다. 본 발명은 본체의 변형 정보에 근거하여 정확한 모델 기반 토크 제어를 실현하고 그리하여 관절에서 또는 그 근처에서 토크 센서에 대한 필요성을 줄여준다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 인간 또는 동물의 관절의 임피던스룰 결정하기 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은, 외부에서 관절에 가해질 수 있는 기계적 관절을 포함한다. 본 시스템은 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체를 더 포함한다. 본체는 원위 단부와 근위 단부를 포함한다. 본체는 원위 단부에서 기계적 관절에 직접 또는 간접적으로 연결 가능하다. 기어 박스가 예컨대 본체의 원위 단부와 기계적 관절 사이에 제공될 수 있다. 본 시스템은 또한 본체의 비틀림 변형 정보를 결정하도록 구성된 센서 클러스터를 포함한다. 추가로, 본 시스템은 센서 클러스터로부터 얻은 비틀림 변형 정보에 적어도 부분적으로 근거하여 관절의 임피던스를 결정하도록 구성된 처리 수단을 포함한다.
바람직하게는, 본 시스템은 기계적 관절에서 토크 센서를 포함하지 않는다. 바람직하게는, 본 시스템은 본체의 원위 단부에서 토크 센서를 포함하지 않는다. 바람직하게는, 본 시스템은 본체와 기계적 관절 사이에서 토크 센서를 포함하지 않는다. 바람직하게는, 처리 수단은 기계적 관절에서의 토크 측정 없이 관절의 임피던스를 결정하도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 처리 수단은 본체의 원위 단부에서의 토크 측정 없이 관절의 임피던스를 결정하도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 처리 수단은 본체와 기계적 관절 사이에서의 토크 측정 없이 관절의 임피던스를 결정하도록 구성되어 있다.
그래서 본 발명의 시스템은 본체의 변형 정보에 근거하여 정확한 임피던스 결정을 실현하고, 그리하여 관절에서 또는 그 근처에서 토크 센서에 대한 필요성을 줄여준다.
바람직한 실시예에서, 본 장치는 센서 클러스터로부터의 출력에 적어도 부분적으로 근거하여 관절의 임피던스를 결정하도록 구성되어 있다.
당업자는, 본 발명의 다양한 양태에 공통의 기술적 특징이 존재함을 알 것이다. 당업자는 또한, 본 발명의 상이한 양태들은 서로 관련되어 있음을 알 것이다. 위의 설명 및 이하의 설명에서, 본 발명의 특별한 양태에 대한 특정한 참조는 생략될 수 있다. 위에서 또는 이하에서 설명되는 모든 특징적인 점들은, 특별한 양태와 관련하여 설명되었더라도, 각 다른 양태에도 관계될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 비틀림 변형 정보는 원위 단부와 근위 단부 사이의 상대 비틀림 각도를 포함한다. 바람직하게는, 센서 클러스터는 원위 단부와 근위 단부 사이의 상대 비틀림 각도를 결정하도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 센서 클러스터의 출력은 상대 비틀림 각도를 나타내는 하나 이상의 신호를 포함한다. 바람직하게는, 센서 클러스터는 2개의 회전 인코더, 바람직하게는 회전 광학 인코더를 포함한다. 바람직하게는, 본체의 원위 단부와 근위 단부 둘 모두에서 회전 인코더가 직렬로 위치된다. 인코더로부터의 데이타에 근거하여, 본체의 근위 단부와 원위 단부 사이에서 상대 비틀림 각도가 결정될 수 있다. 하나 이상의 신호는 절대 각도 측정치를 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 하나 이상의 신호는 상대 비틀림 신호를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 본체의 비틀림 변형 정보 및 굽힘 변형 정보가 결정된다. 바람직하게는, 굽힘 변형 정보는 굽힘 각도 또는 굽힘 반경을 포함한다. 바람직하게는, 센서 클러스터는 본체의 비틀림 변형 정보 및 굽힘 변형 정보를 결정하도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 센서 클러스터의 출력은 굽힘 변형 정보를 나타내는 하나 이상의 신호를 포함한다. 바람직하게는, 본 장치는 센서 클러스터로부터 얻은 비틀림 및 굽힘 변형 정보에 적어도 부분적으로 근거하여 모터를 구동시키도록 구성되어 있다.
바람직하게는, 본체의 근위 단부에 대한 입력은, 본체의 원위 단부에서의 요구되는 출력 토크와 비틀림 및 굽힘 변형 정보에 적어도 부분적으로 근거하여 결정된다. 바람직하게는, 처리 수단은 센서 클러스터로부터 얻은 비틀림 및 굽힘 변형 정보에 적어도 부분적으로 근거하여 관절의 임피던스를 결정하도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 센서 클러스터는 굽힘 변형 정보를 결정하기 위한 거리 센서, 변위 센서, 또는 추가적인 회전 인코더를 포함한다.
본체의 굽힘은 그 본체의 토크 전달 특성에 영향을 줄 수 있다. 그러므로, 모터를 구동시켜 본체의 원위 단부에서의 요구되는 토크 출력을 얻기 위해서는 비틀림 변형 정보와 굽힘 변형 정보 둘 다를 고려하는 것이 중요할 수 있다. 이렇게 해서, 요구되는 출력 토크에 더 가까운 원위 단부에서의 출력 토크가 얻어질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 비틀림 및 굽힘 변형 정보에 근거하는 토크 모델이 사용된다. 바람직하게는, 본 장치는 비틀림 및 굽힘 변형 정보에 의존하는 토크 모델에 적어도 부분적으로 근거하여 모터를 구동시키도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 본체의 근위 단부에 대한 입력은, 본체의 원위 단부에서의 요구되는 출력 토크 및 비틀림 및 굽힘 변형 정보에 근거하는 토크 모델에 적어도 부분적으로 근거하여 결정된다. 바람직하게는, 처리 수단은 비틀림 및 굽힘 변형 정보에 근거하는 토크 모델에 적어도 부분적으로 근거하여 관절의 임피던스를 결정하도록 구성되어 있다. 바람직하게는, 그래서 비틀림 변형 정보는 상대 비틀림 각도이다. 토크 모델은 본체의 거동에 대한 충분히 정확한 모델링을 얻기 위해 종종 필요하다. 토크 모델은 선형 또는 비선형 토크 모델일 수 있고, 바람직하게는 비선형 토크 모델이다.
도 22는 장치의 모터를 구동시키기 위한 일 실시예의 개략도를 나타낸다. 바람직하게는, 본체는 가요성 구동 축의 일부분이다. 기계적 관절의 요구되는 출력 토크(181)가 제공된다. 그 관절에서의 요구되는 출력 토크는, 예컨대, 특정한 관절에 대한 알려져 있는 걸음걸이 사이클에 근거할 수 있다. 관절에서의 요구되는 토크(181)는 본체의 원위 단부에서의 요구되는 토크(182)로 변환될 수 있다. 변환은, 예컨대, 기어박스가 본체의 원위 단부와 기계적 관절 사이에서 직렬로 위치될 때 필요할 수 있다. 센서 클러스터(183)에 의해, 본체의 비틀림 및 굽힘 변형 정보(184)가 얻어진다. 그리하여, 위에서 논의된 바와 같이, 비틀림 변형 정보는 전형적으로 상대 비틀림 각도이다. 본체의 원위 단부에서의 요구되는 출력 토크(182) 및 본체의 비틀림 및 굽힘 변형 정보(184)에 근거하여, 토크 모델(185), 바람직하게는 비선형 토크 모델이 이용되어 본체의 근위 단부에서의 대응하는 입력(186)을 계산한다. 본체의 근위 단부에서의 입력(186)은 모터(187)를 구동시키기 위한 정보, 예컨대, 모터 토크로 변환될 수 있다. 마찬가지로, 기어박스는 예컨대 모터와 본체 사이에 직렬로 위치될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 토크 모델의 출력은 모터 토크, 모터 전류, 모터 위치(모터 각도) 또는 모터 속도와 같은, 모터에 대한 구동 정보일 수 있다. 본체의 근위 단부에서의 입력(186)으로부터, 모터(187)를 구동시키기 위한 정보로의 변환은 토크 모델(185)에 은연 중에 포함되어 있다.
바람직한 실시예에서, 비틀림 변형 정보 및 굽힘 변형 정보에 대한 토크 모델, 바람직하게는 비선형 토크 모델의 의존성은 배가적으로(multiplicatively) 분리 가능하다. 토크 모델이 배가적으로 분리 가능하면, 본체 거동의 시뮬레이션은 더 쉽고, 더 빠르며, 그리고 덜 계산적인 자원(resource)을 필요로 한다. 더욱이, 배가적으로 분리 가능한 모델은 본 발명의 산업적 적용을 위해 충분히 정확하고, 본체의 거동에 대한 굽힘 및 비틀림의 영향은 개별적으로 계산되고 이해될 수 있음을 보여준다.
기다란 세로의 가요성 본체는 또는 비틀림 탄성적인데, 즉 본체는 제한된 비틀림 강성을 포함한다. 본체의 토크 - 각도 관계는 비선형적일 수 있다. 본체의 토크 - 각도 관계는 회전 방향, 즉 시계 회전 방향 또는 반시계 회전 방향에 의존할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 비틀림 탄성 본체는 최대 10000 N.m/rad, 바람직하게는 최대 7499 N.m/rad, 더 바람직하게는 최대 5623 N.m/rad, 더더욱 바람직하게는 최대 4217 N.m/rad, 또 더더욱 바람직하게는 최대 3126 N.m/rad, 또 더더욱 바람직하게는 최대 2371 N.m/rad, 또 더더욱 바람직하게는 최대 1778 N.m/rad, 또 더더욱 바람직하게는 최대 1334 N.m/rad의 비틀림 강성을 포함하고, 더 크게 바람직하게는 최대 1000 N.m/rad, 더더욱 크게 바람직하게는 최대 750 N.m/rad, 또 더더욱 크게 바람직하게는 최대 562 N.m/rad, 또한 가장 바람직하게는 최대 422 N.m/rad의 비틀림 강성을 갖는다. 당업자는, 앞에서 열거된 수치 값은 비틀림 탄성 본체의 토크 - 각도 관계에 따른 토크와 각도의 일부분에 대한 상한임을 알 것이다. 비틀림 탄성 본체는, 약 398 N.m/rad, 약 316 N.m/rad, 약 251 N.m/rad, 약 200 N.m/rad, 약 158 N.m/rad, 약 126 N.m/rad, 약 100 N.m/rad, 약 79 N.m/rad, 약 63 N.m/rad, 약 50 N.m/rad, 약 40 N.m/rad, 약 32 N . m/rad, 약 25 N.m/rad, 약 20 N.m/rad, 약 16 N.m/rad, 약 13 N.m/rad, 약 10 N.m/rad, 약 7.9 N.m/rad, 약 6.3 N.m/rad, 약 5.0 N.m/rad, 약 4.0 N.m/rad, 약 3.2 N.m/rad, 약 2.5 N.m/rad, 약 2.0 N.m/rad, 약 1.6 N.m/rad, 약 1.3 N.m/rad, 약 1.0 N.m/rad, 약 0.79 N.m/rad, 약 0.63 N.m/rad, 약 0.50 N.m/rad, 약 0.40 N.m/rad, 약 0.32 N.m/rad, 약 0.25 N.m/rad, 약 0.20 N.m/rad, 약 0.16 N.m/rad, 약 0.13 N.m/rad, 약 0.10 N.m/rad, 약 0.079 N.m/rad, 약 0.063 N.m/rad, 약 O.050 N.m/rad, 약 0.040 N.m/rad, 약 0.032 N.m/rad, 약 0.025 N.m/rad, 약 0.020 N.m/rad, 약 0.016 N.m/rad, 약 0.013 N . m/rad, 약 0.010 N.m/rad, 또는 그 아래의 또는 사이의 값의 비틀림 강성(즉, 토크 - 각도 관계에 따른 어느 곳에서의 토크와 각도의 부분)을 포함할 수 있다.
가요성 구동 축은 외부 케이싱을 갖거나 갖지 않을 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본체는 가요성 구동 축의 회전 가능한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 내부 축이다. 바람직하게는, 본 장치는 가요성 구동 축을 포함한다. 바람직하게는, 본 방법은 가요성 구동 축을 제공하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 본 시스템은 가요성 구동 축을 포함한다. 이 가요성 구동 축은 회전 가능한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 내부 축, 외부 케이싱, 원위 단부, 근위 단부, 및 원위 단부와 근위 단부 각각에 있는 커넥터를 포함한다. 그래서, 본체는 회전 가능한 내부 축이다. 바람직하게는, 가요성 구동 축은 양방향 가요성 구동 축이다. 바람직하게는, 내부 축은 권선을 포함한다. 바람직하게는, 내부 축은 본질적으로 동심인 여러 개의 권선 층을 포함한다. 바람직하게는, 내부 축은 반대되는 피치 각도와 방향을 포함하는 본질적으로 동심인 여러 개의 연속적인 권선 층을 포함한다. 바람직하게는, 권선은 스프링 등급의 와이어를 포함한다.
가요성 구동 축은 여러 가지 이유로 유리하다. 외부 케이싱은 회전 가능한 내부 축을 위한 베어링 면 및 지지를 제공한다. 또한 외부 케이싱은 높은 하중을 받을 때 내부 축의 과도한 비틀림을 방지한다. 가요성 구동 축은 또한 통상적인 다른 비직선형 토크 전달 요소(예컨대, 유니버셜 관절) 보다 높은 효율을 포함하는 추가 이점을 갖는다.
도 1a는 양방향 가요성 구동 축의 개략도를 나타낸다. 이 가요성 구동 축은 고무 코팅(101), 외부 케이싱(102) 및 내부 코어(103)를 포함한다. 도 1b는 양방향 가요성 구동 축의 내부 코어(103)의 개략도를 나타낸다. 이 내부 코어는 반대되는 피치 각도와 방향을 포함하는 본질적으로 동심인 다수의 연속적인 권선 층을 포함한다. 이 권선은 스프링 등급의 와이어를 포함한다.
가요성 축의 특성은 적어도 부분적으로 와이어의 등급, 와이어의 크기, 층의 수, 각 층에 있는 와이어의 수, 및 가요성 구동 축의 유효 길이에 의해 결정된다. 전형적으로, 비틀림 강성과 굽힘 가요성 사이의 절충이 이루어지는데, 더 높은 비틀림 강성이 요구되면, 가요성 구동 축의 굽힘 가요성과 최소 작동 굽힘 반경은 감소된다. 이로써 가요성 구동 축의 공간적인 구성이 제한된다. 가요성 구동 축의 길이는 전형적으로 토크 전달에 영향을 주지 않지만, 비틀림 강성에는 영향을 주는데, 길이가 더 크면 비틀림 강성은 더 낮아지게 된다.
양방향 가요성 구동 축의 토크 - 각도 관계는 전형적으로 비선형적이고 회전 방향 및 굽힘 변형에 의존한다. 비틀림 하중이 가요성 구동 축에 가해지면, 그 축의 내부 스프링형 와이어 층의 절반은 풀림에 따라 팽창되려고 하며, 그 위쪽과 아래쪽에 있는 교번적인 층들은 더 단단히 감김에 따라 수축되려고 한다. 이러한 작용(층들이 하중을 받으면서 서로에 압착됨)은 비틀림 강성 특성을 제공한다. 그러나, 이 토크가 외부 층을 팽창시키는 방향으로 가해질 때, 그에 저항하는 다른 층은 없다. 이 작동 방향(외부 층을 느슨하게 하는(LOL) 방향이라고 함)이 가장 낮은 축 강성을 제공할 것이다. 대조적으로, 반대 방향(외부 층을 죄는(TOL) 방향)은 가장 높은 축 강성을 제공할 것이다.
동적 하중 및/또는 변형 하에서의 가요성 구동 축의 토크 전달 특성의 특징은, 기계적 관절을 정확히 구동시키거나 기계적 관절을 통해 임피던스(impedance)를 측정하는 데에 중요하다.
양방향 가요성 구동 축은 시계 방향 및 반시계 방향 회전에 대한 비대칭적인 토크 - 각도 관계를 포함한다. 더 대칭적인 토크 - 각도 관계를 얻기 위해, 2개의 가요성 구동 축이 직렬로 연결될 수 있으며, 그래서 회전시에 가요성 구동 축 중의 하나는 항상 외부 층을 죄는(TOL) 방향으로 돌게 된다.
다른 실시예에서, 본 장치 및/또는 시스템은, 병렬적으로 있고 토크 전달시에 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성되어 있는 2개의 가요성 구동 축을 포함한다. 이 실시예에서, 양 축은 함께 죄어지지만, 나선 방향은 서로 반대이다.
가요성 구동 축의 존재는, 굽힘이 필요하지 않은 부분을 위한 강성적인 토크전달 축의 존재를 배제하지 않는다. 그러므로, 본 장치는 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성체(예컨대, 가요성 구동 축)과 직렬로 있는 강성적인 토크 전달 축을 포함할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 마찬가지로, 본 시스템은 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성체(예컨대, 가요성 구동 축)과 직렬로 있는 강성적인 토크 전달 축을 포함할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다(예컨대, 도 12a 참조).
바람직한 실시예에서, 가요성 구동 축은 기계적 관절을 작동시키기 위한 회전 액츄에이터에서 순응적인 요소 및 토크 전달 요소로서 사용된다. 바람직하게는, 가요성 구동 축은 모터로부터 토크를 목표로 하는 기계적 관절에 전달하기 위해 사용되며, 여기서, 모터와 목표로 하는 기계적 관절은 하나 이상의 추가적인 관절을 통해 기계적으로 연결되고, 가요성 구동 축은 모터로부터 토크를 하나 이상의 추가적인 관절에 걸쳐 그리고/또는 그 관절을 통해 그 목표로 하는 기계적 관절에 전달하기 위해 사용된다. 바람직하게는, 가요성 구동 축을 위한 모터로부터의 입력은 그 가요성 구동 축의 비틀림 및/또는 굽힘 변형 정보에 적어도 부분적으로 근거한다.
바람직한 실시예에서, 가요성 구동 축은 인간 또는 동물의 관절의 임피던스를 결정하기 위해 사용된다. 바람직하게는, 이 임피던스는 적어도 부분적으로 가요성 구동 축의 비틀림 및/또는 굽힘 변형 정보에 근거하여 결정된다.
바람직한 실시예에서, 동력 전달 시스템, 예컨대, 기어 박스 또는 케이블-풀리 시스템이 본체의 원위 단부와 기계적 관절 사이에 제공된다. 바람직하게는, 본 장치는 본체의 원위 단부와 기계적 관절 사이에 있는 동력 전달 시스템, 예컨대, 기어 박스 또는 케이블-풀리 시스템을 포함한다. 바람직하게는, 본 시스템은 본체의 원위 단부와 기계적 관절 사이에 있는 동력 전달 시스템, 예컨대, 기어 박스 또는 케이블-풀리 시스템을 포함한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 동력 전달 시스템, 예컨대, 기어 박스 또는 케이블-풀리 시스템은 본체의 근위 단부에 제공될 수 있다. 그 경우에, 본 장치는 본체의 근위 단부와 모터 사이에 있는 동력 전달 시스템, 예컨대, 기어 박스 또는 케이블-풀리 시스템을 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다. 그 경우에, 본 시스템은 본체의 근위 단부에서 동력 전달 시스템, 예컨대, 기어 박스 또는 케이블-풀리 시스템을 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.
본체의 원위 단부와 기계적 관절 사이에 있는 기어 박스는 유효 강성을 증대시킬 수 있는데, 기어 박스가 가요성 축 뒤에 직렬로 배치되면, 본체와 기어 박스의 조합체의 유효 강성은 본체의 비틀림 강성에 기어 박스의 감속비의 제곱을 곱한 것이 된다.
바람직한 실시예에서, 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 장치는 인간 또는 동몰의 관절을 작동시키기 위한 착용식(wearable) 로봇이다. 바람직하게는, 착용식 로봇은 외골격이다. 본 장치는 하지 외골격, 상지 외골격, 로봇형 팔, 보조 기기, 또는 촉각 장치일 수 있다.
본 발명을 더 설명하는 이하의 비한정적인 예로 본 발명을 더 설명하도록 하며, 그 예는 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니며 또한 그렇게 해석되어서도 안 된다.
예
예 1: 가요성 구동 축의 특성화
1.1 동력계 시험 벤치(dynamometric test bench)
도 2a 및 2b는 동력계 시험 벤치를 나타내는데, 이 동력계 시험 벤치는 모터(201), 인코더(202), 홀더 플레이트(203) 및 토크 센서(204)를 포함한다. 도 3은 대응하는 개략도를 나타낸다. M + GB는 비틀림 탄성(의사(quasi) 강성(Ks))의 가요성 구동 축에 토크(각회전(θm))를 제공할 수 있는 모터와 기어 박스를 나타낸다. 토크 센서는 가요성 구동 축의 원위 단부(출력 단부)에서의 전달 토크(Ts)를 측정한다. 모터는 Maxon Motor Ag의 회전 EC 모터(Maxon EC-4pole 30)이고, 이 모터는 통합된 86:1 기어 박스 및 500 CPT(count per turn) 인코더를 구비한다. 그 모터는 8 N.m의 연속적인 토크를 제공할 수 있고, 최대 12 N.m의 간헐적인 토크와 192 rpm의 연속적인 속도를 갖는다. 모터는 로드를 통해 가요성 축의 근위 단부(입력 단부)에 연결된다. Maxon EPOS 3 제어기가 모터를 속도 제어 모드로 구동시킬 수 있다. 동력계 시험 벤치는 가요성 구동 축의 양 단부에 배치되는 2개의 회전 광학 인코더(2000 CPT)를 더 포함한다. 두 회전 광학 인코더 사이의 측정 값의 차는 가요성 구동 축의 상대 비틀림 편향 각도의 척도를 제공한다. 데이타는 Beckhoff 1000 모듈에 의해 1 kHz로 샘플링된다.
1.2 연구 대상 가요성 구동 축
연구 대상인 제1 가요성 구동 축은, 약 8 mm의 직경, 약 86.5 cm의 길이, 약 6 N.m의 최대 토크 및 약 1.2 kg의 총 중량을 포함하는 MasterFlex 08 이다. 연구 대상인 제2 가요성 구동 축은, 약 3 mm의 직경, 약 20 cm의 길이, 약 0.22 N.m의 최대 토크, 및 약 0.3 kg의 총 중량을 포함하는 Dremel 225 이다. 그리하여 제1 가요성 구동 축은 제2 가요성 구동 축 보다 높은 비틀림 강성 및 낮은 굽힘 가요성을 포함한다.
1.3 곧은 구성
처음에, 제1 및 제2 가요성 구동 축은 수평으로 그리고 본질적으로 굽힘 없이 배치되었다. 가요성 구동 축의 출력 단부는 토크 센서에 연결되며, 이 토크 센서는 그의 출력부에서 차단되고 축을 통해 전달되는 토크를 측정한다. 인코더가 모터 유닛의 출력부에서의 위치(θm)를 측정하고, 이 위치는 축의 총 편향 각도에 대한 정보를 제공한다. 모터는 속도 모드로 제어되고, 각 가요성 축의 최대 범위 내에서 0.01 Hz 내지 10 Hz의 평평한 스펙트럼 및 가변 진폭을 갖는 토크 멀티사인 (multisine) 신호를 따르도록 설정된다.
도 4a 및 4b는 제1 및 제2 가요성 구동 축의 토크(Ts) - 편향 각도(θm) 관계를 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 그 관계는 비대칭적이다. 이 관계는 3개의 상이한 영역을 포함한다:
● 음의 편향 각도에 대한 의사 선형 영역;
● 작은 값의 편향에 대한, 토크가 가해지지 않는 무효 영역(deadzone);
● 양의 편향 각도에 대한 비선형 영역.
1.4 변형된 구성
굽힘 변형은 마찰, 토크 용량, 및 그래서 토크 전달에 영향을 줄 수 있다. 도 5a를 참조하면, 구부러진 가요성 구동 축은 공통 길이 방향에 본질적으로 평행한 입구 부분과 출구 부분 및 그 사이의 구부러진 부분을 포함한다. 구부러진 부분은 길이 방향의 길이(X)에 대해 나타나는, 길이 방향에 수직인 변위(Y)를 포함한다. 가요성 구동 축의 굽힘 반경(R)은 가요성 축의 양측의 상대 위치(X, Y)의 함수로 R = (X2 + Y2)/(4Y)의 식을 통해 계산되었다. 이 특성화를 위해, 모터와 토크 센서는, 2차원 카르테시안 평면 내에서 서로에 대해 움직일 있는 2개의 상이한 플랫폼 상에 배치되었다. 추가로, 실험 동안에 축을 제자리에 유지시키고 또한 요구되는 구성을 유지시키기 위해 홀더 플레이트가 축을 따라 고르게 분산되었다(도 5b 참조). 이 경우에도, 모터는 예 1의 이전 단락 1.3에서 언급한 바와 같이 작동되었다.
도 6은 상이한 굽힘 반경(R)(단위: mm)으로 있는 제1 축에 대한 토크 - 편향 각도 관계를 나타낸다.
굽힘 반경(R)에 대안적으로 또는 추가적으로, 도 5c에 나타나 있는 바와 같이 굽힘 변형 정보는 굽힘 각도(φ)를 포함할 수 있다. 이 굽힘 각도는 회전 광학 인코더와 같은 회전 인코더(504)를 통해 측정될 수 있다. 실험 셋업은 토크 센서(502), 구동 유닛(507) 및 가요성 축(506)을 더 포함할 수 있다. 이 셋업은 허벅지(505) 및 정강이(503)와 함께 무릎 관절(501)을 모델링할 수 있다.
1.5 곧은 구성에 대한 출력 토크 - 각도 모델링
가요성 구동 축은 비이상적인 비틀림 스프링다. 가요성 구동 축의 출력 토크 - 편향 각도 관계는 비틀림 편향 각도 및 굽힘 각도에 의존한다. 추가로, 그 관계는 비대칭적이다. 놀랍게도, 가요성 구동 축의 이들 관계는 설정점 명령의 진폭 또는 진동수에 무관하게 높은 반복성을 나타낸다.
음의 편향 각도에 대한 음의 성분 및 양의 편향 각도에 대한 양의 성분을 포함하는 2-성분 모델이 제공된다. △θ = θm - θs 로(수행되는 시험의 경우에 θs = 0), 푸리에 급수 근사 및 동적 의존성 항으로 양의 성분과 음의 성분 각각에 대해 토크(Ts) 및 의사 강성(Ks)이 추정될 수 있다:
Figure pct00001
토크 - 각도 곡선에서 동적 효과를 설명하기 위해, 동적 의존성 항(c)(축의 회전 속도를 고려함)이 추가되었다.
표 1 - 제1 및 제2 가요성 구동 축에 대한 피팅된 모델 계수
Figure pct00002
표 1은 제1 및 제2 가요성 구동 축에 대한 피팅된 모델 계수를 포함한다. 제1 및 제2 가요성 구동 축의 대응하는 실험 및 모델 토크 - 각도 관계가 도 7a(제1 가요성 구동 축) 및 도 7b(제2 가요성 구동 축)에 나타나 있다. 그 모델은 토크 센서에 의해 제공되는 토크 값에 대한 0.029 ± 0.017 N.m의 평균 제곱근 오차를 나타낸다. 정규화된 평균 제곱근 오차는 0.315 ± 0.188% 이고, 관찰된 최대 값은 1.27% 이다. 제1 및 제2 가요성 구동 축의 대응하는 실험 및 모델 의사 강성 - 각도 관계가 도 8a(제1 가요성 구동 축) 및 도 8b(제2 가요성 구동 축)에 나타나 있다.
1.6 굽힘 변형에 대한 출력 토크 - 각도 모델링
놀랍게도, 굽힘 변형(R) 및 상대 비틀림 각도(△θ)에 대한 의존성에 있어서 배가적으로 분리 가능한 모델, 즉 Ts(△θ, R) = μ(R).Ts(△θ) 및 Ks(△θ, R) = μ(R).Ks(△θ)이 놀랍게도 정확한 결과를 제공하는 것으로 나타났다.
표 2 및 도 9b는 제1 가요성 구동 축에 대해 다양한 굽힘 반경(R)에서의 피팅된 굽힘 변형 전인자(prefactor)μ(R), 및 실험 데이타와 모델 예측 사이의 대응하는 정규화된 평균 제곱근 오차를 포함한다. 제1 가요성 구동 축의 대응하는 실험 및 모델 토크 - 각도 관계가 굽힘 반경(R)의 다양한 값에 대해 도 9a에 나타나 있다.
표 2 - 피팅된 굽힘 변형 전인자 μ(R)
Figure pct00003
2개의 상이한 가요성 구동 축의 토크 전달(또는 의사 강성) 특성을 모델링하는 간단한 방법이 그 가요성 구동 축의 역학적 조건과 공간적 구성을 고려하여 얻어졌다. 이로써, 토크 센서에 대한 필요 없이, 비틀림 편향 및 굽힘 반경에만 근거하여 가요성 구동 축을 통한 토크 전달의 정확한 추정이 가능하게 된다.
예 2: 출력 관절을 직접 구동시키는 가요성 구동 축
착용식 로봇의 경우에, 가장 중요한 파라미터는 액츄에이터의 출력부에서 얻어지는 토크, 속도 및 강성이다. 출력 관절을 직접 구동시키는 또는 1:1 동력 전달 시스템과 직렬로 있는 가요성 구동 축(도 10b 참조요)으로, 고유의 안전정을 가지고 출력 관절 레벨에서 정확한 토크 제어를 가능하게 하는 직렬 탄성 액츄에이터(SEA)와 같은 매우 순응적인 액츄에이터가 얻어진다. 이점은, 위치 센서에 근거한 출력부에서의 토크 제어(각도 측정), 하중으로 인해 발생되는 충격시의 안전성, 및 에너지 저장 능력을 포함한다.
도 11은 모터 제어기(EPOS3)에서 수행되는 내부 속도 제어 루프 및 외부 PID 토크 제어 루프를 포함하는 캐스케이드(cascade) 제어 시스템을 나타낸다. 출력 토크는 분리 가능한 모델 Ts(△θ, R) = μ(R).Ts(△θ)을 사용하여 계산된다.
도 14는 6 N.m의 진폭 및 1 Hz의 주파수를 갖는 요구되는 사인파 신호를 따를 때, 구현된 제어기의 성능을 나타낸다. 추적 오차는 일 세트의 15회 반복에 대해 0.7334 ± 0.0223 N.m의 평균 값(RMSE)(6.11%의 정규화된 오차(NRMSE)에 대응함)을 나타내고, 평균 지연은 25 ms 이다. 그러나, 토크 추정과 토크 센서 사이에서 정확도의 평균 오차는 0.0456 ± 0.005 N.m(0.37%) 이다.
동일한 제어기의 대역폭이 또한 평가되었다. 0.1 Hz 내지 10 Hz의 평평한 스펙트럼 및 5 N.m의 피크 값을 갖는 가변 진폭을 갖는 멀티사인 신호가 450, 300 및 120 mm의 굽힘 반경 및 곧은 조건에 대한 토크 제어기의 설정점으로서 사용되었다. 도 15는 시험된 4개의 조건 중의 3개에 대해 근사화된 이차 전달 함수 G(s) = T추정/T요구 의 보드 선도(bode plot)을 나타낸다. 이들 전달 함수는 MATLAB의 시스템 식별 툴박스를 사용하여 추정되었고, 모든 시험 조건에 대해 80%에 가까운 정확도로 측정 데이타를 피팅하였다. 케이블이 곧을 때 제어기는 6.22 Hz의 대역폭(-3 dB의 감쇠에서의 컷오프 주파수로서 계산됨)을 나타낸다. 케이블이 더 작은 굽힘 반경(더 큰 굽힘)을 갖는 구성으로 설정됨에 따라, 대역폭은 450, 300 및 120 mm의 굽힘 반경에 대해 각각 5.87 Hz, 4.32 Hz 및 4.30 Hz으로 감소 한다.
예 3: 영(zero) 토크 제어에서 가요성 구동 축의 임피던스
인간과 상호 작용하는 로봇에서 양호한 토크 제어를 수행하기 위해, 낮은 임피던스를 갖는 정확한 작동 시스템이 요구된다. 능동적인 정형용 지지대는, 요구되는 토크가 영으로 설정될 때 대상자가 어떤 저항도 느끼지 않도록 관절 운동을 띠라야 한다. 영 토크 제어(투명 모드) 하에서 가요성 구동 축의 출력 임피던스를 검사하기 위해, 모터가 외부 교란으로서 작용하도록 그의 출력부에서 연결되었다. 그 모터는 위치 제어 모드로 설정되어, 0.1 내지 10 Hz의 주파수 범위 및 20도의 진폭을 갖는 찍찍 소리 변조 주파수 신호(chirp signal)를 따랐다. 토크 제어기는 0 N.m으로 설정되었고, 그래서 입력 모터는 이 하중이 어떤 제한을 느끼지 않도록 출력 교란에 반응할 것이다. 여기서도, 토크 추정은 토크 제어를 위한 피드백으로서 사용되어, 하중과 액츄에이터 사이의 상호 작용 토크의 척도를 주었다. 토크 센서는 상호 작용 토크 값을 추정치와 비교하기 위해 부하 모터와 가요성 구동 축 사이에 배치되었다.
출력 임피던스는, 3개의 상이한 조건, 즉 곧은 축과 450 및 200 mm의 굽힘 반경에 대해 상호 작용 토크(추정으로 제공됨)와 부하 모터에 의해 발생되는 출력 속도 사이의 전달 함수로서 계산되었다. 이렇게 해서, 출력 임피던스에 대한 굽힘 반경의 영향이 특성화되었다. 도 16에 나타나 있는 바와 같이, 제어기는 굽힘 반경에 무관하게 낮은 주파수에 대해 임피던스를 영에 가깝게 할 수 있다. 주파수가 증가함에 따라, 제어기는, 공진점이 도달되고 출력 임피던스가 가요성 축의 기계적인 임피던스가 될 때가지, 요구되는 출력 임피던스를 완전히 따를 수 없고 더 높은 출력 임피던스를 나타내기 시작한다. 이 출력 임피던스는 더 작은 굽힘 반경에 대해서는 더 많이 증가한다. 추가로, 케이블이 구부러짐에 따라, 최대 임피던스 값(공진점)은 더 낮은 주파수에서 얻어진다. 가요성 구동 축의 출력 임피던스는, 굽힘 반경에 따른 마찰의 증가로 인해, 제어기 뿐만 아니러, 가요성 구동 축의 공간적 구성에도 의존한다. 그러므로 가요성 구동 축은, 그의 출력 강성이 가요성 축의 공간적인 구성에 의존함에 따라, 가변적인 강성 액츄에이터로서 거동한다.
제안된 액츄에이터와 제어기를 사용할 때 인간이 느끼게 될 상호 작용 토크를 시험하기 위해, 부하 모터는 1.2 초/보폭의 속도(이는 통상적인 보행 속도라고 생각됨)에서 인간 데이타(D. A. Winter, Biomechanics and Motor Control of Human Movement, 2009)에서 취해진, 도 13에 나타나 있는 바와 같은 엉덩이, 무릎 및 발목 관절에 대한 인간형 위치 프로파일을 따르도록 설정되었다. 상호 작용 토크에 대한 결과는 도 17에 주어져 있고, 이 도에서 토크 센서로 얻어진 측정치는 모델 추정으로 제공되는 것과 비교된다. 모델은 상호 작용 토크를 정확히 예측한다. 그러므로 PID 제어의 비례 부분이 증가될 수 있어, 시스템의 응답을 개선할 수 있다.
예 4: 출력 관절에서 동력 전달 시스템을 갖는 가요성 구동 축
착용식 로봇의 경우에, 가장 중요한 파라미터는 액츄에이터의 출력부에서 얻어지는 토크, 속도 및 강성이다. 가요성 구동 축으로 출력 관절을 직접 구동시킴으로써(도 10b 참조요), 출력 토크는 가요성 구동 축의 최대 용량에 의해 제한된다. 가요성 구동 축에 의해 전달될 수 있는 토크는 제한되고 주로 직경에 의존한다. 그러므로, 더 높은 토크가 요구되면, 더 두꺼운 가요성 구동 축이 필요해지며, 그에 따라, 그 구동 축의 크기와 중량이 증가되고 최대 굽힘이 제한된다. 다른 선택 방안은, 1 보다 큰 감속 비로, 출력 단부에 있는 동력 전달 시스템(도 10a참조요)으로 출력 토크를 증가시키는 것이다. 이렇게 해서, 더 얇고 또한 더 가벼운 가요성 구동 축이 구현될 수 있다. 그 대신, 출력 속도가 감소되고 또한 출력 강성이 커져, 액츄에이터의 순응성이 제한되고 또한 동력 전달 시스템에서 있을 수 있는 백래시(backlash) 또는 손실로 인해 토크 제어기의 정확도가 감소된다. 특히, 출력 강성은 변속비의 제곱으로 증가되어 장치의 출력 임피던스가 증가되고, 액츄에이터의 순응성이 손실되며 또한 그 액츄에이터는 강성적인 액츄에이터로 되게 된다.
대응하는 시험에서, 9:1의 변속비를 갖는 기어 박스가 가요성 구동 축의 원위 단부에 배치되었다. 발생된 출력 토크를 측정하기 위해 그 기어 박스는 토크 센서에 연결되었다. 동력 전달 센서는 토크 모델에서 배가적으로 고려될 수 있고, 여기서도 측정 토크와 예측 토크의 양호한 대응 관계가 얻어졌다.
예 5: 동적 굽힘
이 예에서는, 굽힘 반경(R) 대신에 굽힘 각도(φ)을 사용하여 굽힘 변형을 특성화한다(도 5c 참조). 모터(507)와 토크 센서(502)는, 무릎 관절(501)로서 작용하는 피동적인 힌지 관절에 의해 연결되는 허벅지(505)와 정강이(503)로서 각각 작용하는 2개의 상이한 알루미늄 프로파일에 배치된다. 가요성 구동 축(506)은 모터와 토크 센서(502)를 서로 연결하여, 허벅지로부터 토크를 무릎 관절을 통해 발목에 전달하게 된다. 회전 광학 인코더(504)가 무릎의 회전 각도(φ)를 측정하여, 가요성 축의 굽힘 각도의 정보를 제공한다. 축은 주문 제작 홀딩 플레이트에 의해 2개의 프로파일에 단단히 또한 고르게 고정된다.
토크 제어기는 4 N.m의 진폭을 갖는 1 Hz 사인파 신호를 따르도록 설정되었고, 출력 토크가 토크 센서로 측정되는 동안에 관절의 각도는 0, 20, 40, 60, 70, 80 및 90도의 고정된 각도로 수동으로 변경되었다. 변형 전인자(μ(φ))에 의해 굽힘 각도를 고려하기 위해 오프라인 식별 절차에서 데이타를 수집하고 사용하여 모델 추정을 업데이트하였다. 식별된 변형 전인자(μ(φ)-값)는 μ(φ)에 대한 선형 보간으로 동적 룩업 테이블에 도입되었다. 이렇게 해서, 토크 추정은 무릎 인코더로 측정되는 굽힘 각도의 함수로서 업데이트되도록 자동적으로 설정되었다.
도 18은 축의 출력 토크 - 각도 특성에 있어서의 굽힘 각도의 영향, 및 4 N.m 및 1 Hz의 사인파 신호에 대해 굽힘 각도(φ)의 함수로 μ(φ)을 업데이트하기 위해 선형 보간을 갖는 룩업 데이블을 사용하여 분리 가능한 모델 Ts(△θ, φ) = μ(φ).Ts(△θ)에 의해 이들 변화를 동적으로 추적할 수 있는 제안된 모델의 능력을 나타낸다.
도 19는 추정 오차를 굽힘 각도의 함수로 나타내고, 도 20은 제안된 동적 모델을 사용한 경우와 그 모델이 없은 경우에 추정 오차와 굽힘 각도의 시간에 따른 대응하는 변화를 나타낸다. 동적 적응을 사용할 때의 최대 추정 오차는 0.35 N.m 이었고, 굽힘 각도의 영향을 무시하는 경우의 최대 추정 오차는 2.8 N.m 이었다. 제안된 적응성 모델은 굽힘 각도를 고려하여 정확도 오차를 87.5% 만큼 감소시킨다.
예 6: 본체의 변형 정보를 위한 센서 클러스터
이 예는 본 장치, 방법 및 시스템의 센서 클러스터의 바람직한 실시예를 설명한다. 그래서, 본체는 바람직하게는 가요성 구동 축의 일부분이다.
센서 클러스터는 비틀림 변형 정보를 결정하기 위한 2개의 회전 인코더를 포함한다. 이 회전 인코더는 바람직하게는 회전 광학 인코더이고, 이 인코더는 바람직하게는 2000 CPT(count per turn)를 갖는다. 2000 CPT는 0.18°의 정밀도에 대응한다. 회전 인코더 중의 하나는 본체의 근위 단부에 직렬로 위치되고 다른 회전 인코더는 본체의 원위 단부에 직렬로 위치된다. 2개의 회전 인코에서 얻어진 신호에 근거하여, 원위 단부와 근위 단부 사이의 상대 비틀림 각도가 결정될 수 있다.
센서 클러스터는 본체의 굽힘 변형 정보를 결정하기 위한 하나 이상의 굽힘 센서를 포함한다. 그래서 굽힘 센서는 거리 센서, 변위 센서, 추가적인 회전 인코더 등일 수 있다. 굽힘 센서는 본체의 변형을 직접 측정하거나 또는 그 본체가 부착되는 다른 요소(예컨대, 기계적 관절)의 변형을 측정할 수 있다. 본체가 그의 길이(및 대응적으로 착용식 로봇, 정형용 지지대 또는 외골격)를 따라 여러 개의 굴곡점을 갖는 경우, 이들 굴곡점 각각에는 필요한 굽힘 센서가 제공될 수 있다.
예 7: 장치의 실시예
도 21은 관절을 작동시키기 위한 장치의 실시예의 개략도를 나타낸다. 이 장치는 기계적 관절(175), 이 기계적 관절(175)에 토크를 제공하기 위한 모터(171), 모터(171)로부터 토크를 기계적 관절(175)에 전달하기 위해 모터(171)와 기계적 관절(175) 사이에 있는 가요성 구동 축(172)을 포함한다.
본 장치는 센서 클러스터(173a, 173b, 174)를 더 포함한다. 이 센서 클러스터는,
● 모터(171)와 가요성 구동 축(172)의 근위 단부 사이에 직렬로 위치되는 제1 회전 광학 인코더(173a);
● 가요성 구동 축(172)의 원위 단부와 기계적 관절 사이에서 직렬로 위치되는 제2 회전 광학 인코더(173b); 및
● 굽힘 센서(174)
를 포함한다.
제1 및 제2 회전 인코더(173a, 173b)로부터의 출력에 근거하여, 가요성 구동 축의 상대 비틀림 각도가 얻어질 수 있다. 굽힘 센서(174)에 근거하여, 가요성 구동 축의 굽힘 변형 정보(예컨대, 굽힘 각도(α) 또는 굽힘 반경)가 얻어질 수 있다.
그래서 모터는 몸통부(176)의 후방부에 위치될 수 있고, 기계적 관절은 하측 다리(178)를 상측 다리(177)에 대해 회전시키기 위한 기계적 무릎 관절(175)일 수 있다.
모터는 가요성 구동 축의 원위 단부에서의 요구되는 출력 토크(182) 및 가요성 구동 축의 상대 비틀림 각도와 굽힘 변형 정보(184)에 근거하여 가요성 구동 축의 근위 단부에서의 입력(186)(바람직하게는, 모터 속도와 같은 입력 속도)을 계산하기 위해 비선형 토크 모델(185; 도 18 참조)에 근거하여 구동된다. 도 18의 개략도는 위에서 주어진 이전 설명에서 상세히 논의되어 있다. 토크 모델로 인해, 기계적 관절에, 가요성 구동 축의 원위 단부에, 또는 기계적 관절과 가요성 구동 축의 원위 단부 사이에 토크 센서가 필요 없다.
모터의 분산 및 토크 모델에 근거한 모터의 구동으로, 위에서 주어진 이전 설명에서 논의된 바와 같은 이점이 제공된다.
예 8: 전통적인 일렬식 토크 제공과의 비교
Maxon EC-4pole 30 모터, MasterFlex 08 가요성 구동 축, 2개의 회전 인코더 및 기어 박스를 포함하는 원격의 비틀림 순응적인 액츄에이터(RTCA)는 1.8 kg의 총 중량을 가지며, 여기서 0.7 kg는 입력 모터와 기어 박스의 조합에 대응하고, 가요성 축의 공간적 구성에 따라 4.3 내지 6.22 Hz의 토크 대역폭을 갖는 4 내지 6 N.m의 최대 토크를 전달할 수 있다. RTCA의 중량이 유사한 토크 범위를 갖는 다른 순응적인 액츄에이터와 비슷할 수 있지만, RTCA는, 그의 중량이 관절 레벨에 집중되는 대신에 팔다리에 걸쳐 균일하게 분산됨에 따라, 외골격 상에서의 질량 분산을 개선한다. 게다가, 주어진 출력 토크 추정 모델을 사용하여, 실제 토크 센서에 대한 필요 없이, 관절 레벨에서 전달되는 출력 토크를 추정하고 제어하기 위해 위치 인코더만 사용하는 RTCA를 위한 가상의 토크 센서로 전환되며, 실제 토크 센서는 일반적으로 비싸고 부피가 크며 무겁고 통상적으로 관절 위치에 배치되며, 또한 시스템의 관성에 부정적인 영향을 준다.
토크 요건에 대한 원격 작동 방안의 영향을 연구하기 위해, SimMechanics(MATLAB, The MathWorks, Inc.)를 사용하여 하지 외골격이 시뮬레이션되었고, 여기서는 발목 관절만이 작동된다. 발목 관절을 구동하기 위해 RTCA를 실행할 때(도 12b 참조), 또한 액츄에이터가 발목과 일렬로 직접 배치되는 전통적인 방안을 사용할 때, 인간형 위치 궤적이 엉덩이와 무릎 관절에 부과되었고(도 13 참조), 또한 관절을 구동하기 위해 요구되는 토크는 역동역학(inverse dynamics)을 사용해 비교되었다. 외골력 크기는 인체 측정학적 데이타를 사용하여 1.70 m 신장의 인간에 대해 적합하게 되었고, 허벅지에 대해 0.416 m의 길이 및 정강이에 대해 0.418 m의 길이가 주어졌다. 중량은 다음과 같이 외골격 내에서 분산되었다:
● RTCA에 대해, 모터 중량(0.7 kg)은, 엉덩이 관절로부터 0.1 m에 위치되고 허벅지에 연결되어 있는 점 질량으로서 모델링되었다. 가요성 축의 중량은 구성 품의 나머지와 함께 무릎 관절로부터 0.1 m에 위치되는 1.1 kg의 질량으로서 모델링되었다.
● 일렬식 방안에 대해, RTCA와 동일한 입력 모터-기어박스 조합을 구현하는 액츄에이터에 대해 1 kg의 총 중량이 추정되었고, 이는 0.7 kg의 중량 및 순응적인 요소(전형적으로 비틀림 스프링)와 요구되는 보조 구성품을 포함하는 추가의 0.3 kg을 갖는다.
도 23a 및 23b는 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 도 23a 및 23b는, 본 발명의 실시예(실선)에 따른 원격의 비틀림 순응적인 액츄에이터(RTCA)를 사용한 경우와 전통적인 일렬식 방안(점선)에 따른 경우에, 걸음걸이 사이클 동안에 발목 관절 액츄에이터를 가속 및 감속시키기 위해 엉덩이 및 무릎 관절에서의 요구되는 토크를 각각 나타낸다.
엉덩이 관절의 경우, 엉덩이 및 무릎 관절에서 인간형 운동학적 프로파일을 가할 때 발목 액츄에이터를 가속 및 감속시키기 위해 요구되는 피크 토크는, 발목에 배치되는 전통적인 액츄에이터를 사용할 때 신장시의 2.67 Nm 및 굴곡시의 3.45 Nm로부터, 제안된 RTCA 방안을 사용할 때 신장시의 2.07 Nm 및 굴곡시의 1.56 Nm로 감소된다. 이는 엉덩이 관절에서 요구되는 신장 토크의 22.5% 및 굴곡 토크에 대해서는 54.8%의 피크 감소를 의미한다. 무릎 관절의 경우에는, 요구되는 피크 신장 토크는 3.39 Nm로부터 0.89 Nm로 감소되고(73.75% 감소) 또한 굴곡 토크에 대해서는 1.32 Nm로부터 0.35 Nm로 감소된다(73.5%).
마지막으로, 시뮬레이션 결과는, RTCA의 사용으로, 더 양호한 중량 분산으로 인해, 외골격의 자기 중량을 가속시키기 위해 요구되는 토크의 양이 크게 감소될 수 있음을 보여주었다. 발목 관절의 경우에, 결과는, 전통적인 일렬식 작동 방안과 비교하여, 엉덩이에서의 요구되는 피크 토크의 55%의 감소 및 무릎에서는 74%의 감소를 보여주었다.

Claims (14)

  1. 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 장치로서,
    - 기계적 관절;
    - 상기 기계적 관절에 토크를 제공하기 위한 모터; 및
    - 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체
    를 포함하고,
    상기 장치는 상기 모터로부터 토크를 상기 본체를 통해 상기 기계적 관절에 전달하도록 구성되어 있고, 상기 장치는 본체의 비틀림 변형 정보를 결정하도록 구성된 센서 클러스터를 더 포함하고, 그래서 상기 장치는 상기 센서 클러스터로부터의 출력에 적어도 부분적으로 근거하여 모터를 구동시키도록 구성되어 있으며, 상기 장치는 가요성 구동 축을 포함하고, 가요성 구동 축은 회전 가능한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 내부 축, 외부 케이싱, 원위 단부, 근위 단부, 및 원위 단부와 근위 단부 각각에 있는 커넥터를 포함하고, 상기 본체는 상기 회전 가능한 내부 축인, 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체는 원위 단부와 근위 단부를 포함하고, 상기 센서 클러스터는 상기 원위 단부와 근위 단부 사이의 상대 비틀림 각도를 결정하도록 구성되어 있고, 상기 출력은 상기 상대 비틀림 각도를 나타내는 하나 이상의 신호를 포함하는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 클러스터는 상기 본체의 굽힘 변형 정보를 결정하도록 구성되어 있고, 상기 출력은 상기 굽힘 변형 정보를 나타내는 하나 이상의 신호를 포함하는, 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 굽힘 변형 정보는 굽힘 각도 또는 굽힘 반경을 포함하는, 장치.
  5. 제2항 및 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 장치는 상기 상대 비틀림 각도와 굽힘 변형 정보에 의존하는 토크 모델에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 모터를 구동시키도록 구성되어 있는, 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상대 비틀림 각도 및 굽힘 변형 정보에 대한 상기 토크 모델의 의존성은 배가적으로(multiplicatively) 분리 가능한, 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체는 원위 단부와 근위 단부를 포함하고, 상기 장치는 본체의 원위 단부에서의 요구되는 출력 토크 및 상기 센서 클러스터로부터의 출력에 적어도 부분적으로 근거하여 본체의 근위 단부에 대한 입력을 결정하도록 구성되어 있으며, 또한 상기 장치는 상기 입력을 상기 모터를 통해 본체의 근위 단부에 가하도록 더 구성되어 있는, 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 센서 클러스터로부터의 출력에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 관절의 임피던스(impedance)를 결정하도록 구성되어 있는, 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비틀림 탄성 본체는 최대 10000 N.m/rad, 바람직하게는 최대 5623 N.m/rad, 더 바람직하게는 최대 3162 N.m/rad, 더더욱 바람직하게는 최대 1778 N.m/rad, 또 더더욱 바람직하게는 최대 1000 N.m/rad, 그리고 가장 바람직하게는 최대 750 N.m/rad의 비틀림 강성을 포함하는, 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 인간 또는 동물의 관절을 작동시키기 위한 착용식(wearable) 로봇, 바람직하게는 외골격인, 장치.
  11. 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 방법으로서,
    - 원위 단부와 근위 단부를 포함하는 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체를 제공하는 단계;
    - 상기 본체의 비틀림 변형 정보를 결정하는 단계;
    - 상기 본체의 원위 단부에서의 요구되는 출력 토크 및 비틀림 변형 정보에 적어도 부분적으로 근거하여 본체의 근위 단부에 대한 입력을 결정하는 단계; 및
    - 상기 본체의 근위 단부에서 상기 입력을 가하는 단계
    를 포함하고,
    상기 방법은 가요성 구동 축을 제공하는 단계를 포함하고, 가요성 구동 축은 회전 가능한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 내부 축, 외부 케이싱, 원위 단부, 근위 단부, 및 원위 단부와 근위 단부 각각에 있는 커넥터를 포함하고, 상기 본체는 상기 회전 가능한 내부 축인, 인간, 동물 또는 로봇의 관절을 작동시키기 위한 방법.
  12. 기계적 관절을 작동시키기 위한 회전 액츄에이터에서 순응적인 요소 및 토크 전달 요소로서 사용되는 가요성 구동 축의 용도로서, 상기 가요성 구동 축은 회전 가능한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 내부 축, 외부 케이싱, 원위 단부, 근위 단부, 및 원위 단부와 근위 단부 각각에 있는 커넥터를 포함하는, 가요성 구동 축의 용도.
  13. 인간 또는 동물의 관절의 임피던스를 결정하기 위한 가요성 구동 축의 용도로서, 상기 가요성 구동 축은 회전 가능한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 내부 축, 외부 케이싱, 원위 단부, 근위 단부, 및 원위 단부와 근위 단부 각각에 있는 커넥터를 포함하는, 가요성 구동 축의 용도.
  14. 인간 또는 동물의 관절의 임피던스를 결정하기 위한 시스템으로서,
    - 외부에서 상기 관절에 가해질 수 있는 기계적 관절;
    - 원위 단부와 근위 단부를 포함하고 원위 단부에서 상기 기계적 관절에 연결될 수 있는 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 본체;
    - 상기 본체의 비틀림 변형 정보를 결정하도록 구성되어 있는 센서 클러스터; 및
    - 상기 센서 클러스터로부터 얻은 상기 틀림 변형 정보에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 임피던스를 결정하도룩 구성되어 있는 처리 수단
    을 포함하고,
    상기 시스템은 가요성 구동 축을 포함하고, 가요성 구동 축은 회전 가능한 기다란 세로의 가요성 및 비틀림 탄성 내부 축, 외부 케이싱, 원위 단부, 근위 단부, 및 원위 단부와 근위 단부 각각에 있는 커넥터를 포함하며, 그래서 상기 본체는 상기 회전 가능한 내부 축인, 인간 또는 동물의 관절의 임피던스를 결정하기 위한 시스템.
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