KR20210109181A - 착용 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착용 로봇으로서, 보다 상세하게는 적어도 3축 자유도를 가지고 사용자의 어깨에 착용되는 어깨관절부와, 상기 어깨관절부에 연결되는 상박부와, 상기 상박부에 연결되는 하박부와, 상기 상박부와 상기 하박부의 사이에 설치되어 1축 자유도를 가지는 팔꿈치관절부 및 상기 하박부에 설치되어 상기 사용자 손목의 회전동작을 감지하고, 상기 사용자 손목과 함께 회전되는 손목부를 포함하는 것이다.

Description

착용 로봇{WEARABLE ROBOT}

본 발명은 착용 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자가 착용하여 인체의 보행 동작이 구현 가능하도록 한 착용 로봇에 관한 것이다.

로봇 기술이 발달하면서 인체에 착용되어 인체의 근력을 지원하는 착용로봇(wearable robot)이 개발되고 있다.

착용 로봇은 산업 전분야에 활용될 가치가 크기 때문에 다양한 형태 및 목적으로 개발되고 있으며, 착용 로봇의 리니어 액츄에이터 구동 매커니즘은 전체 시스템을 효율적으로 설계하는 데 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.

이러한 착용로봇에 대해서는 이미 '대한민국 등록특허 제10-1065420호;상지거동을 위한 착용형 로봇장치'에 의해 개시된 바 있다.

상기 등록특허는 상지 거동을 따라 움직이도록 착용형 방식을 채택하여 인체 움직임을 잘 모사할 수 있도록 한 착용형 로봇장치에 관한 것으로, 인체의 상지에 탈착수단을 매개로 탈부착 가능하며 인체의 어깨 관절과 팔꿈치 관절의 신전/굴곡 동작 및 어깨 관절의 외전/내전 동작이 가능하도록 복수개의 어깨 관절 구동부와 팔꿈치 관절 구동부로 구성되는 로봇부를 포함한다.

하지만, 상기 등록특허에 따른 착용로봇은 사용자 손목 회전동작의 구현을 위한 구성에 대해 개시하지 않고 있다. 이와 같이 착용로봇에서 사용자 손목 회전동작이 구현되지 않으면 사용자의 동작에 제약이 따르며, 더욱 심각하게는 안전사고로 이어질 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 사용자가 탑승 및 착용하여 보행이 가능한 착용 로봇을 제공하기 위한 것이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 적어도 3축 자유도를 가지고 사용자의 어깨에 착용되는 어깨관절부와, 상기 어깨관절부에 연결되는 상박부와, 상기 상박부에 연결되는 하박부와, 상기 상박부와 상기 하박부의 사이에 설치되어 1축 자유도를 가지는 팔꿈치관절부 및 상기 하박부에 설치되어 상기 사용자 손목의 회전동작을 감지하고, 상기 사용자 손목과 함께 회전되는 손목부를 포함하는 것이다.

본 발명에 의한 착용 로봇에서는, 착용 로봇의 보행이 자연스럽게 구현되어 각종 행사에서 실감나는 연출 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 착용 로봇의 상체를 보여주는 사진이고,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 착용 로봇의 하체를 보여주는 사진이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

여기서 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 착용 로봇의 상체를 보여주는 사진이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 착용 로봇의 하체를 보여주는 사진이다.

착용 로봇은, 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 상지 착용로봇(100)은 사용자의 어깨에 착용되는 스트랩(112)과, 스트랩(112)에 연결되어 사용자의 등에 지지되는 지지프레임(111)을 포함할 수 있다.

지지프레임(111)의 상단부에는 인체의 어깨관절에 대응되는 어깨관절부(120)가 설치될 수 있다. 어깨관절부(120)는 인체의 어깨관절의 외전(外轉) 및 내전(內轉) 동작이 구현되도록, 적어도 3축 자유도를 가질 수 있다.

즉, 어깨관절부(120)는 제 1회전축(121), 링크프레임(122) 및 제 1리니어 액추에이터(123)를 포함할 수 있다.

제 1회전축(121)은 지지프레임(111)에 교차하는 방향으로 배치되어 지지프레임(111)에 결합될 수 있다. 링크프레임(122)은 제 1회전축(121)을 중심으로 회전가능하게 제 1회전축(121)에 연결될 수 있다. 제 1리니어 액추에이터(123)는 일단부가 링크프레임(122)에 회전가능하게 연결되고, 타단부가 지지프레임(111)에 회전가능하게 연결될 수 있다. 이에, 링크프레임(122)은 제 1리니어 액추에이터(123)의 신축에 따라 제 1회전축(121)을 중심으로 회전될 수 있다.

링크프레임(122)에는 제 1회전축(121)에 교차되는 방향으로 배치되는 제 2회전축(126)이 설치될 수 있다. 제 2회전축(126)에는 제 1로터리 액추에이터(124)가 제 2회전축(126)을 중심으로 회전가능하게 연결될 수 있다. 그리고 링크프레임(122)에는 제 2리니어 액추에이터(125)의 일단부가 회전가능하게 연결되며, 제 1로터리 액추에이터(124)에는 제 2리니어 액추에이터(125)의 타단부가 회전가능하게 연결될 수 있다. 이에, 제 1로터리 액추에이터(124)는 제 2리니어 액추에이터(125)의 신축에 따라 제 2회전축(126)을 중심으로 회될 수 있다.

제 1로터리 액추에이터(124)는 제 2회전축(126)에 교차되는 중심축을 포함한다. 이러한 제 1로터리 액추에이터(124)로는 후술될 제 2로터리 액추에이터와 함께, 이미 본 출원인에 의해 출원된 '대한민국 등록특허 10-0956849;로터리 액추에이터 및 로터리 액추에이터형 관절구조' 에 개시된 로터리 액추에이터가 사용될 수 있다.

따라서 제 1로터리 액추에이터(124)에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이러한 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축에는 인체 상박에 대응되는 상박부(130)가 연결된다. 제 1로터리 액추에이터(124)는 중심축을 중심으로 상박부(130)를 회전시킬 수 있다.

한편, 상박부(130)에는 인체의 하박에 대응되는 하박부(140)가 연결되고, 상박부(130)와 하박부(140)의 사이에는 인체의 팔꿈치관절에 대응되는 팔꿈치관절부(150)가 설치될 수 있다. 팔꿈치관절부(150)는 인체의 팔꿈치관절의 외전 및 내전 동작이 구현되도록 1축 자유도를 가질 수 있다.

즉, 팔꿈치관절부(150)는 제 3회전축(151) 및 제 3리니어 액추에이터(152)를 포함할 수 있다. 제 3회전축(151)은 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축에 교차하는 방향으로 배치되어 상박부(130)와 하박부(140)를 연결하도록 설치될 수 있다. 제 3리니어 액추에이터(152)는 일단부가 상박부(130)에 회전가능하게 연결되고, 타단부가 하박부(140)에 회전가능하게 연결된다. 이에, 하박부(140)는 제 3리니어 액추에이터(152)의 신축동작에 따라 제3회전축(151)을 중심으로 회전될 수 있다.

한편, 하박부(140)에는 인체의 손목에 대응되는 손목부(160)가 설치되며, 손목부(160)에는 인체의 손에 해당되는 클램핑부(170)가 연결될 수 있다.

손목부(160)는 인체의 손목의 외전 및 내전 동작이 구현되도록 한다. 즉, 손목부(160)는 손목프레임(161), 손잡이(162), 회전각도 감지유닛(163) 및 제 2로터리 액추에이터(164)를 포함할 수 있다. 손목프레임(161)은 일측이 하박부(140)에 지지되고, 타측이 절곡되어 하박부(140)의 내측으로 연장된다. 손목프레임(161)의 타측에는 회전각도 감지유닛(163)이 설치되며, 회전각도 감지유닛(163)에는 손잡이(162)가 연결될 수 있다. 그리고 제 2로터리 액추에이터(164)는 회전각도 감지유닛(163)으로부터 전기신호를 전달받도록 회전각도 감지유닛(163)에 전기적으로 연결될 수 있다. 회전각도 감지유닛(163)으로는 기계적 유연성과 광학식 위치센서 시스템이 조합되어 6자유도의 감지가 가능한 F/T센서(Force-Torque Sensor)가 사용될 수 있다.

이에, 사용자가 손잡이(162)를 파지한 상태에서 손목을 회전시킴에 따라, 손잡이가 회전되고 회전각도 감지유닛(163)은 사용자 손목의 회전각도를 감지한다. 제 2로터리 액추에이터(164)는 회전각도 감지유닛(163)으로부터 전기신호를 전달받고 사용자 손목의 회전각도에 따라 회전작동될 수 있다.

한편, 클램핑부(170)는 손목프레임(161)의 타단부에 설치된다. 클램핑부(170)는 인체의 손과 같이 소정의 물품을 잡는 동작이 구현될 수 있다.

즉, 클램핑부(170)는 서로 반대방향으로 회전동작되는 한쌍의 조(jaw;171)를 포함할 수 있다. 물론, 클램핑부(170)는 한쌍의 조(171)를 서로 반대방향으로 회전동작되도록 하는 링크절, 액츄에이터 등을 더 포함할 수 있으나, 이러한 요소들은 이미 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.

이러한 클램핑부(170)는 소정의 물품의 클램핑 동작과 더불어, 제 2로터리 액추에이터(164)로부터 동력을 전달받아 사용자 손목의 회전과 함께 회전될 수 있다.

즉, 하박부(140)의 단부와 클램핑부(170)의 사이에는 동력전달부(180)가 배치될 수 있다. 동력전달부(180)는 구동풀리(181), 종동풀리(182) 및 벨트(183)를 포함할 수 있다. 구동풀리(181)는 제 2로터리 액추에이터(164)의 중심축에 연결될 수 있다. 종동풀리(182)는 구동풀리(181)의 측방에 배치되어 클램핑부(170)에 연결될 수 있다.

벨트(183)는 구동풀리(181)와 종동풀리(182)를 연결한다. 이에, 제 2로터리 액추에이터(164)의 회전동작에 따라 구동풀리(181)가 회전되고, 벨트(183)에 연결된 종동풀리(182)로 동력이 전달된다. 종동풀리(182)가 회전됨에 따라 클램핑부(170)가 함께 회전되어 사용자 손목의 회전동작이 클램핑부(170)로 전달될 수 있다.

이하, 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 작동에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 제 1회전축을 중심으로 회전되는 어깨관절부의 작동상태를 나타낸 작동도이며, 도 5는 본 실시예에 따른 상지 착용로봇의 제 2회전축을 중심으로 회전되는 어깨관절부의 작동상태 및 제 3회전축을 중심으로 회전되는 팔꿈치관절부의 작동상태를 나타낸 작동도이다.

제 1리니어 액추에이터(123)가 압축되면, 링크프레임(122)이 제 1회전축(121)을 중심으로 외전될 수 있다. 반대로, 제 1리니어 액추에이터(123)가 신장되면, 링크프레임(122)이 제 1회전축(121)을 중심으로 내전될 수 있다.

한편, 제 2리니어 액추에이터(125)가 압축되면, 제 1로터리 액추에이터(124)가 제 2회전축(126)을 중심으로 외전된다. 반대로, 제 2리니어 액추에이터(125)가 신장되면, 제 1로터리 액추에이터(124)가 제 2회전축(126)을 중심으로 내전될 수 있다.

한편, 제 1로터리 액추에이터(124)가 사용자의 몸통 외측 방향으로 회전되면 상박부(130)가 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축을 중심으로 외전될 수 있다. 반대로, 제 1로터리 액추에이터(124)가 역회전되면 상박부(130)가 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축을 중심으로 내전될 수 있다.

이와 같이 어깨관절부(120)는 제 1회전축(121), 제 1회전축(121)에 교차되는 제 2회전축(126) 및 제 2회전축(126)에 교차되는 제 1로터리 액추에이터(124)의 중심축을 중심으로 하는 3자유도가 구현될 수 있다. 물론, 상박부(130), 하박부(140), 팔꿈치관절부(150), 손목부(160) 및 클램핑부(170)는 상술된 어깨관절부(120)의 각 작동에 따라 연동되어 내전 또는 외전될 수 있다.

한편, 제 3리니어 액추에이터(152)가 압축되면, 하박부(140)는 제 3회전축(151)을 중심으로 외전될 수 있다. 반대로, 제 3리니어 액추에이터(152)가 신장되면, 하박부(140)는 제 3회전축(151)을 중심으로 내전될 수 있다.

[0040] 이와 같이 팔꿈치관절부(150)는 제 3회전축(151)을 중심으로 하는 1자유도가 구현될 수 있다. 물론, 손목부(160) 및 클램핑부(170)는 상술된 팔꿈치관절부(150)의 1자유도 작동에 따라 연동되어 내전 또는 외전될 수 있다.

100 : 상지 착용로봇 111 : 스트랩
112 : 지지프레임 120 : 어깨관절부
121 : 제 1회전축 122 : 링크프레임
123 : 제 1리니어 액추에이터 124 : 제 1로터리 액추에이터
125 : 제 2리니어 액추에이터 126 : 제 2회전축
130 : 상박부 140 : 하박부

Claims (1)

1. 적어도 3축 자유도를 가지고 사용자의 어깨에 착용되는 어깨관절부;
   상기 어깨관절부에 연결되는 상박부;
   상기 상박부에 연결되는 하박부;
   상기 상박부와 상기 하박부의 사이에 설치되어 1축 자유도를 가지는 팔꿈치관절부;및
   상기 하박부에 설치되어 상기 사용자 손목의 회전동작을 감지하고, 상기 사용자 손목과 함께 회전되는 손목부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
   
   
   

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