KR20220039080A - 컴플라이언스 모듈을 포함하는 통합구동모듈 및 이를 이용한 통합구동방법 - Google Patents

Abstract

컴플라이언스 모듈을 포함하는 통합구동모듈 및 이를 이용한 통합구동방법에서, 상기 통합구동모듈은 로봇의족에 구비되며, 구동모듈, 제동모듈 및 컴플라이언스 모듈을 포함한다. 상기 구동모듈은 회전 구동력을 발생시킨다. 상기 제동모듈은 상기 구동모듈의 일측에 연결되며, 상기 회전 구동력을 제동시킨다. 상기 컴플라이언스 모듈은 상기 구동모듈의 타측에 연결되며, 보행자의 보행에 따라 전달되는 토크를 흡수한다. 보행자의 보행상태를 바탕으로 상기 구동모듈 및 상기 제동모듈이 선택적으로 동작하여, 상기 보행상태에 따른 상기 로봇 의족의 강성을 제어하거나, 상기 보행상태에 따른 상기 구동모듈의 회전 위치를 제어한다.

Description

컴플라이언스 모듈을 포함하는 통합구동모듈 및 이를 이용한 통합구동방법{COMPLEX DRIVING MODULE HAVING COMPLIANCE MODULE AND COMPLEX DRIVING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 통합구동모듈 및 이를 이용한 통합구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장애인의 로봇의족에 적용되며, 평지보행시의 구간별 특징을 고려하여, 토크가 가장 필요한 구간에서 컴플라이언스 모듈을 적용하여 구동을 제어하는 컴플라이언스 모듈을 포함하는 통합구동모듈 및 이를 이용한 통합구동방법에 관한 것이다.

장애인의 보행을 보조하는 로봇의족의 경우, 종래 단순히 지면을 딛고 기립하는 것을 보조하는 형태를 넘어, 최근에는 가벼운 보행이 가능한 메커니즘이 적용되는 형태로 개발되고 있다.

이러한 가벼운 보행이 가능한 메커니즘의 경우, 대표적으로 4절 링크식 보행 보조 메커니즘이 적용되어 왔으나, 이를 개선하여 대한민국 등록특허 제10-2073621호에서는 통합 구동을 수행할 수 있는 무릎형 로봇의족 기술이 개발되었다.

이러한 통합 구동형 무릎형 로봇의족의 경우, 하우징의 내부에, 회전력을 발생시키는 구동부와, 감속부 및 제동부가 구비되어, 보행 보조에 필요한 최적의 구동력을 발생시켜 실제 사람의 무릎관절의 움직임을 구현하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 이러한 통합 구동형 구동메커니즘에 관한 기술은, 대한민국 등록특허 제10-1977692호, 대한민국 등록특허 제10-1943568호 등을 통해서도 다양하게 개발되고 있다.

다만, 현재까지 개발되는 통합 구동형 구동메커니즘 기술에서는, 구동부, 즉 모터의 회전 구동력을 제어함으로써 필요한 구동력을 발생시키는 것으로, 실제 사람의 보행 상태를 정확하게 모사하지 못하는 한계가 있다.

대한민국 등록특허 제10-2073621호 대한민국 등록특허 제10-1977692호 대한민국 등록특허 제10-1943568호

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 실제 사람의 평지보행시의 각 구간별 특징을 고려하여, 토크가 가장 필요한 구간에서는 컴플라이언스 모듈을 적용하여 구동을 제어함으로써, 모터의 경량화가 가능하고 전력 소모를 최소화할 수 있는 컴플라이언스 모듈을 포함하는 통합구동모듈에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 통합구동모듈을 이용한 통합구동방법에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 통합구동모듈은 로봇의족에 구비되며, 구동모듈, 제동모듈 및 컴플라이언스 모듈을 포함한다. 상기 구동모듈은 회전 구동력을 발생시킨다. 상기 제동모듈은 상기 구동모듈의 일측에 연결되며, 상기 회전 구동력을 제동시킨다. 상기 컴플라이언스 모듈은 상기 구동모듈의 타측에 연결되며, 보행자의 보행에 따라 전달되는 토크를 흡수한다. 보행자의 보행상태를 바탕으로 상기 구동모듈 및 상기 제동모듈이 선택적으로 동작하여, 상기 보행상태에 따른 상기 로봇 의족의 강성을 제어하거나, 상기 보행상태에 따른 상기 구동모듈의 회전 위치를 제어한다.

일 실시예에서, 보행자의 발뒤꿈치가 지면에 접한 후 발 전면이 지면에 접할 때까지, 상기 제동모듈이 동작하여 상기 구동모듈의 회전 구동력이 제동되어, 상기 보행상태에 따라 상기 로봇 의족으로 인가되는 상대적으로 높은 토크를 상기 컴플라이언스 모듈이 흡수할 수 있다.

일 실시예에서, 보행자의 발 전면이 지면에 접한 후 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락할 때까지, 상기 구동모듈이 동작하여, 상기 보행상태에 따라 상기 로봇 의족으로 인가되는 상대적으로 낮은 토크를 상기 구동모듈의 임피던스를 통해 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 보행자의 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락한 후 발뒤꿈치가 다시 지면에 접할 때까지, 상기 구동모듈이 동작하여, 상기 보행상태에 따른 상기 구동모듈의 회전 위치를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 컴플라이언스 모듈은, 중공 형상의 원형 커버, 및 상기 원형 커버의 내부에, 상기 원형 커버의 원주를 따라 복수개가 배열되는 탄성부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 구동모듈은, 상기 회전 구동력을 발생시키는 구동부, 상기 구동부에 연결되어 상기 회전 구동력을 전달하는 구동축, 및 상기 구동부와 상기 컴플라이언스 모듈 사이에 연결되어, 상기 회전 구동력을 감속시키는 기어부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제동모듈은, 상기 구동축에 연결되어, 상기 구동축의 회전을 제동시키는 제동부, 및 상기 구동축의 회전 위치를 센싱하는 엔코더를 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 다른 실시예에 의한 로봇 의족에 구비되는 통합구동모듈의 통합구동방법에서, 보행자의 발뒤꿈치가 지면에 접한 후 발 전면이 지면에 접할 때까지, 컴플라이언스 모듈에 의해 상기 로봇 의족의 강성이 제어된다. 보행자의 발 전면이 지면에 접한 후 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락할 때까지, 구동모듈에 의해 상기 로봇 의족의 강성이 제어된다. 보행자의 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락한 후 발뒤꿈치가 다시 지면에 접할 때까지, 상기 구동모듈에 의해 상기 구동모듈의 회전 위치가 제어된다.

일 실시예에서, 상기 컴플라이언스 모듈에 의해 강성이 제어되는 단계에서, 상기 제동모듈이 동작하여 상기 구동모듈의 회전 구동력은 제동되고, 상기 로봇 의족으로 인가되는 상대적으로 높은 토크는 상기 컴플라이언스 모듈로 흡수될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 구동모듈에 의해 강성이 제어되는 단계에서, 상기 구동모듈이 동작하여, 상기 로봇 의족으로 인가되는 상대적으로 낮은 토크는 상기 구동모듈의 임피던스를 통해 제어될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 구동모듈에 의해 회전 위치가 제어되는 단계에서, 상기 구동모듈이 동작하여, 엔코더를 통해 상기 구동모듈의 회전 위치가 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 보행자의 보행상태를 고려하여, 상대적으로 높은 강성이 요구되는 보행상태에서는 컴플라이언스 모듈을 통해 강성을 제공하여 외부로부터 제공되는 높은 토크를 효과적으로 흡수할 수 있으며, 보행자의 보행상태에 따라 상대적으로 낮은 강성이 요구되는 보행상태에서는 구동 모듈을 통해 임피던스 제어를 수행할 수 있다.

그리하여, 종래 단순히 모터의 구동 제어만을 통해 강성을 제공하는 것과 대비하여, 모터의 구동에 따른 전력의 낭비를 최소화할 수 있으며, 배터리를 사용하는 경우 배터리 소모를 최소화할 수 있고, 상대적으로 낮은 토크를 갖는 모터를 적용하여 경량화가 가능하다.

또한, 보행자의 보행상태에 따라, 위치제어만 수행하여도 충분하다면 구동모듈 및 엔코더를 통한 정확한 위치제어만 수행함으로써, 위치 제어의 정확성도 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 통합구동모듈을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 컴플라이언스 모듈을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 구동모듈을 도시한 단면 사시도이다.
도 4는 도 1의 제동모듈을 도시한 단면 사시도이다.
도 5는 보행자의 평지 보행을 분석한 결과를 도시한 이미지이다.
도 6은 도 5의 보행자의 평지 보행에서 무릎 관절의 각도와 모멘트의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 도 1의 통합구동모듈의 구동 메커니즘을 모식화한 모식도이다.
도 8은 도 1 및 도 7의 통합구동모듈을 이용한 통합구동방법을 도시한 흐름도이다.
도 9는 도 8의 통합구동방법의 각각의 구동 메커니즘을 도 5의 평지 보행 분석 결과와 연관시켜 도시한 모식도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 통합구동모듈을 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1의 컴플라이언스 모듈을 도시한 사시도이다. 도 3은 도 1의 구동모듈을 도시한 단면 사시도이다. 도 4는 도 1의 제동모듈을 도시한 단면 사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 통합구동모듈(10)은, 로봇 의족에 적용되는 모듈로서, 보행자의 보행 동작을 보조한다.

이 경우, 상기 로봇 의족은 도면에 도시하지는 않았으나, 일반적으로, 보행자의 무릎이나 발목 등에 고정되어 보행 동작을 보조하는 것으로, 본 실시예서의 상기 통합구동모듈(10)은 예를 들어 보행자의 무릎에 고정되어 보행 동작을 보조하는 로봇 의족에 구비될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 통합구동모듈(10)은 하우징(100), 컴플라이언스 모듈(200), 구동모듈(300), 제동모듈(400) 및 제어부(500)를 포함한다.

상기 하우징(100)은 상기 통합구동모듈(10)의 외형을 형성하며 내부에 소정의 공간을 형성하고, 상기 하우징(100)이 형성하는 공간에는, 상기 컴플라이언스 모듈(200), 구동모듈(300) 및 제동모듈(400)이 수납된다.

상기 하우징(100)은 전체적으로 실린더 형상이 수평 방향으로 연장된 형태로 형성될 수 있으며, 상기 하우징(100)의 상부 및 하부에는 어댑터(110)가 형성되어, 상기 어댑터(100)를 통해 상기 하우징(100)이 상기 로봇 의족 상에 고정되거나, 이와 달리, 보행자의 무릎 상에 고정될 수 있다.

우선, 상기 구동모듈(300)은 상기 하우징(100)의 중앙에 위치하며, 구동커버(310), 구동축(320), 구동부(330), 베어링(340) 및 기어부(350)를 포함한다.

상기 구동커버(310)는 내부에 상기 구동부(330), 상기 베어링(340), 상기 구동축(320) 및 상기 기어부(350)가 위치하도록 설계되며, 상기 구동모듈(300)을 개별적으로 상기 하우징(100)의 내부에 위치 및 조립할 수 있도록 하나의 유닛으로 설계될 수 있다.

상기 구동부(330)는 회전 구동력을 발생시키는, 예를 들어 구동모터일 수 있으며, 상기 구동부(330)에서 발생되는 회전 구동력은 상기 구동축(320)으로 전달된다.

상기 구동축(320)은 상기 구동부(330)와 후술되는 상기 제동모듈(400)까지 연장되며, 상기 구동부(330)에 의해 구동되며, 상기 제동모듈(400)에 의해 회전이 제동될 수 있다.

한편, 도면을 통해서는, 상기 구동축(320)이 하나의 축으로 연장되어 상기 구동부(330)와 상기 제동모듈(400) 사이에서 연장되는 것을 예시하였으나, 이와 달리, 상기 제동모듈(400)과 상기 구동모듈(300)이 서로 일렬로 연장되지 않을 수도 있다.

즉, 상기 구동축(320)이 별도의 구동전달 기어나 풀리 등을 통해 다단으로 연장되며, 이에 따라 상기 구동축(320)과 서로 평행하게 연장되는 별도의 축이 상기 제동모듈(400)로 연장될 수 있다.

상기 베어링(340)은 상기 구동축(320)의 회전이 가능하도록 구비되며, 상기 기어부(350)는, 상기 구동축(320)의 일 끝단에 연결되며, 상기 구동부(330)에서 발생되는 회전 구동력에 대한 감속을 수행하는 감속기일 수 있다.

즉, 상기 기어부(350)에 의해 상기 구동부(330)에서 발생되는 회전 속도는 감속되며 토크가 증가하게 되며, 이러한 증가된 토크가 외부로 전달되어, 상기 통합구동모듈(10)이 구비된 상기 로봇 의족을 통해 보행자에게 보행에 필요한 토크를 제공하게 된다.

상기 제동모듈(400)은 제동커버(410), 제동부(420), 제동 어댑터(430), 베어링(440) 및 엔코더(450)를 포함한다.

상기 제동커버(410)는 내부에 상기 제동부(420), 제동 어댑터(430), 베어링(440) 및 엔코더(450)가 위치하도록 설계되며, 상기 제동모듈(400)을 개별적으로 상기 하우징(100)의 내부에 위치 및 조립할 수 있도록 하나의 유닛으로 설계될 수 있다.

이 경우, 상기 제동모듈(400)은, 상기 구동모듈(300)의 일 측에 연결되도록 조립될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 구동축(320)은 상기 제동모듈(400)까지 연장되며, 상기 제동부(420)는 상기 구동축(320)의 외부에 조립되어, 외부 신호를 바탕으로 상기 구동축(320)의 회전을 제동시킨다.

한편, 상기 구동축(320)의 타 끝단에는 상기 제동 어댑터(430)가 연결되며, 상기 제동 어댑터(430)는 상기 구동축(320)의 회전 구동력에 따라 회전될 수 있다. 이 경우, 상기 제동 어댑터(430)의 회전을 위해, 상기 베어링(440)이 상기 제동 어댑터(430)의 내측에 구비된다.

즉, 상기 제동 어댑터(430)는 상기 통합구동모듈(10)이 구비되는 상기 로봇의족과 연결됨으로써, 상기 구동축(320)의 회전 구동력을 상기 로봇의족으로 제공할 수 있다. 이 경우, 상기 구동축(320)의 회전 구동력이 상기 기어부(350)에 의해 감속되어 상대적으로 증가된 토크로 외부의 상기 로봇의족으로 제공될 수 있다.

한편, 상기 구동축(320)의 외부에는 상기 엔코더(450)가 위치하며, 상기 엔코더(450)를 통해 상기 구동축(320)의 회전량을 센싱할 수 있다.

이상과 같이, 상기 구동부(330)에서 발생되는 회전 구동력은 상기 기어부(350)에 의해 감속되어 상기 구동축(320)으로 전달되고, 상기 구동축(320)과 연결되는 상기 제동 어댑터(430)가 상기 로봇의족(이 경우, 상기 제동 어댑터(430)가 바로 보행자의 무릎에 고정된 프레임 등에 직접 연결될 수 있음)과 연결되어, 보행자에게 소정의 회전 구동력을 제공하게 된다.

이 경우, 상기 구동축(320)에 대한 제동을 수행하는 상기 제동부(420)를 통해, 상기 보행자에게 제공되는 회전 구동력은 선택적으로 제공 또는 중단될 수 있다.

상기 컴플라이언스 모듈(200)은 외부로 소정의 강성을 제공하여, 외부로부터 인가되는 토크나 힘을 흡수하는 것으로, 원형 커버(210), 전면커버(220) 및 탄성부(230)를 포함한다.

상기 원형 커버(210)는 상기 탄성부(230)를 커버하도록, 중공(hollow) 형태로 형성되며, 상기 원형 커버(210)의 전면부는 상기 전면커버(220)에 의해 커버된다.

이 경우, 상기 전면커버(220)는, 도시하지는 않았으나, 상기 로봇의족(이 경우, 상기 전면커버(220) 역시 바로 보행자의 무릎에 고정된 프레임 등에 직접 연결될 수 있음)과 연결되어, 보행자의 보행에 따라 발생되는 토크나 힘이 전달된다.

상기 탄성부(230)는, 상기 원형 커버(210)의 중공 부분에 배치되며, 도시된 바와 같이, 복수개가 상기 원형 커버(210)의 내부의 원주를 따라 배치될 수 있다.

즉, 복수의 지지부들(231)이 상기 원형 커버(210)의 내부 원주를 따라 구비되며, 상기 서로 인접한 지지부들(231) 사이에서 상기 탄성부(230)가 연장되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지부들(231)이 3개가 상기 원형 커버(210)의 내부 원주를 따라 구비되면, 상기 지지부들(231) 사이는 120도의 각을 형성하며, 상기 탄성부(230)도 3개가 구비될 수 있다.

이 경우, 상기 탄성부(230)는 상기 보행자의 보행에 따라 발생하는 토크나 힘을 흡수하는 스프링(spring)일 수 있다.

상기 제어부(500)는 상기 구동부(330)의 구동 및 상기 제동부(420)의 제동을 제어하는 것으로, 후술되는 보행자의 보행 상태를 고려하여, 상기 구동부(330)의 구동 및 상기 제동부(420)의 제동을 선택적으로 제어할 수 있다.

도 5는 보행자의 평지 보행을 분석한 결과를 도시한 이미지이다.

도 5를 참조하면, 정상적인 보행자의 경우, 평지를 보행하는 상태는 도 5에 도시된 바와 같이, 보행자의 한쪽 다리를 기준으로, 크게는 보행 상태(stance phase) 및 스윙 상태(swing phase)로 구분될 수 있다.

즉, 상기 로봇 의족의 경우, 한쪽 다리에 착용되는 것으로, 해당 다리의 보행 상태를 고려하여 동작하면 충분하므로, 상기와 같이 보행 상태를 구분할 수 있다.

물론, 상기 로봇 의족은 보행자의 양쪽 다리에 모두 착용될 수 있으나, 보행자의 양쪽 다리에 모두 착용되는 경우라도, 각각의 로봇 의족은 해당 의족이 착용된 해당 다리의 보행 상태를 고려하여 동작하는 것으로 충분하므로, 상기와 같은 보행 상태의 구분이면 충분하다.

이 경우, 상기 보행 상태(stance phase)는, 세부적으로는, 보행자의 발뒤꿈치가 지면에 접하는 상태(A, heel-contact), 보행자의 발 전면이 지면에 접하기 시작하는 상태(B, foot-flat), 보행자의 발 전면이 지면에 접한 상태(C, midstance), 및 보행자의 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락하는 상태(D, toe-off)로 구분될 수 있다.

또한, 상기 스윙 상태(swing phase)는, 보행자의 한쪽 다리를 기준으로, 해당 다리의 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락한 이후, 해당 다리의 발뒤꿈치가 지면에 다시 접하는 상태까지를 의미하며, 이러한 스윙 상태에서는, 다른 다리가 상기 보행 상태를 수행하게 된다.

도 6은 도 5의 보행자의 평지 보행에서 무릎 관절의 각도와 모멘트의 관계를 도시한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 도 5에서, 보행자가 상기 A(heel-contact) 상태로부터 상기 B(foot-flat) 상태로 보행하는 경우, 보행자의 무릎 관절의 각도 변화는 상대적으로 크지 않지만, 보행자의 무릎에 인가되는 토크의 변화는 전반적인 보행자의 보행 상태 중 가장 큰 상태가 된다.

즉, 상기 A 상태로부터 B 상태로 보행이 수행되는 과정에서, 보행자의 무릎에 인가되는 토크의 증가량은 상대적으로 매우 크며, 이에 따라 이러한 토크의 증가량을 흡수할 수 있는 로봇 의족 또는 통합구동모듈의 설계가 필요하다.

또한, 도 5에서, 보행자가 상기 B(foot-flat) 상태로부터 상기 C(midstance) 상태로 보행하는 경우도, 마찬가지로, 보행자의 무릎 관절의 각도 변화는 상대적으로 크지 않지만, 보행자의 무릎에 인가되는 토크의 변화는 크게 유지된다.

즉, 상기 B 상태로부터 C 상태로 보행이 수행되는 과정에서도, 보행자의 무릎에 인가되는 토크의 감소량은 상대적으로 크며, 이에 따라 이러한 토크 변화량을 흡수하거나 제어할 수 있는 로봇 의족 또는 통합구동모듈의 설계가 필요하다.

또한, 도 5에서, 보행자가 상기 C(midstance) 상태로부터 상기 D(toe-off) 상태로 보행하는 경우, 보행자의 무릎 관절의 각도 변화는 상대적으로 매우 크지만, 보행자의 무릎에 인가되는 토크의 변화는 상대적으로 매우 작게 유지된다.

즉, 상기 C 상태로부터 D 상태로 보행이 수행되는 과정에서, 보행자의 무릎에 인가되는 토크의 증가량은 상대적으로 작지만 무릎 관절의 각도 변화가 크므로, 이에 따라 토크의 증가량에 대한 제어와 무릎 관절의 각도를 동시에 제어할 수 있는 로봇 의족 또는 통합구동모듈의 설계가 필요하다.

한편, 상기 스윙 상태(swing phase)의 경우, 보행자의 무릎으로 인가되는 토크의 변화는 없으며, 단순히 보행자의 무릎 관절의 각도 변화만 발생하게 되므로, 무릎 관절의 각도만 제어할 수 있는 로봇 의족 또는 통합구동모듈의 설계가 필요하다.

이하에서는, 상기와 같은, 실제 보행자의 보행상태에 따라, 토크의 제어 또는 위치의 제어를 선택적으로 수행하면서, 본 실시예에서의 상기 통합구동모듈(10)의 구동이 제어되는 방법에 대하여 상술한다.

도 7은 도 1의 통합구동모듈의 구동 메커니즘을 모식화한 모식도이다. 도 8은 도 1 및 도 7의 통합구동모듈을 이용한 통합구동방법을 도시한 흐름도이다. 도 9는 도 8의 통합구동방법의 각각의 구동 메커니즘을 도 5의 평지 보행 분석 결과와 연관시켜 도시한 모식도이다.

우선, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 상기 통합구동모듈(10)은, 도 7에서와 같이, 구동 메커니즘을 간략하게 모식화할 수 있다.

즉, 외부로부터 전달되는 토크나 외력 등의 부하(600)는 상기 컴플라이언스 모듈(200)로 전달되며, 상기 구동모듈(300) 및 상기 구동모듈(300)의 구동을 제동하는 제동모듈(400)은 상기 컴플라이언스 모듈(200)을 통해 상기 부하(600)를 제어하되, 상기 구동모듈(300)의 구동 회전력은 상기 기어부(350)를 통해 감속되어 외부로 제공된다.

도 7과 같은 모식화를 통해, 상기 통합구동모듈(10)을 이용한 통합구동방법에 대하여 도 8 및 도 9를 동시에 참조하여 설명하면 하기와 같다.

우선, 상기 통합구동모듈(10)을 이용한 통합구동방법에서는, 보행자의 발뒤꿈치가 지면에 접하는 상태(A)로부터, 보행자의 발 전면이 지면에 접하기 시작하는 상태(B)까지는, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 제동부(420)가 동작하고(ON), 상기 구동부(330)는 동작하지 않고(OFF), 상기 컴플라이언스 모듈(200)에 의해 상기 로봇 의족 또는 상기 통합구동모듈(10)의 강성이 제어된다(단계 S10).

이러한 A->B 상태에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 보행자의 무릎 관절의 각도 변화는 상대적으로 크지 않으므로, 상기 구동부(330)가 동작하지 않아 회전 구동이 수행되지 않더라도 보행자의 보행 동작이 제한되지는 않는다.

다만, 상기 A->B 상태에서는, 보행자의 무릎에 인가되는 토크의 증가량이 상대적으로 매우 크기 때문에, 이러한 큰 토크를 흡수할 수 있도록, 상기 로봇 의족 또는 상기 통합구동모듈(10)의 강성을 상대적으로 크게 유지할 수 있다.

따라서, 상기 컴플라이언스 모듈(200)을 통해, 상기 A->B 상태에서 발생되는 상대적으로 큰 토크를 흡수함으로써, 보행자의 보행 상태가 유지될 수 있다.

즉, 상기 제동모듈(400)의 동작에 따라 상기 구동모듈(300)의 회전 구동력은 제동되고, 상기 컴플라이언스 모듈(200)을 통해 높은 강성을 발생시켜, 상기 로봇 의족으로 인가되는 상대적으로 높은 토크를 흡수할 수 있도록 제어된다.

한편, 상기 B->C 상태, 즉 보행자의 발 전면이 지면에 접하기 시작하는 상태(B)로부터, 보행자의 발 전면이 지면에 접한 상태(C)까지는, 앞서 설명한 바와 같이, 토크의 변화량 및 보행자의 무릎 관절의 변화량은 상기 A->B 상태와 실질적으로 유사하다고 볼 수 있으므로, 상기 A->B 상태에서의 제어와 동일한 제어가 수행될 수 있다.

이 후, 보행자의 발 전면이 지면에 접한 상태(C)로부터, 보행자의 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락하는 상태(D)까지는, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 제동부(420)가 동작하지 않고(OFF), 상기 구동부(330)가 동작하여(ON), 상기 구동 모듈(300)에 의해 상기 로봇 의족 또는 상기 통합구동모듈(10)의 강성이 제어된다(단계 S20).

이러한 C->D 상태에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 보행자의 무릎에 인가되는 토크의 변화량은 상대적으로 작게 유지되며, 보행자의 무릎 관절의 각도 변화는 상대적으로 크기 때문에, 상기 구동부(330)의 동작이 필요하고, 외부로부터 인가되는 일정량의 토크의 흡수도 필요하다.

다만, 상기 C->D 상태에서는, 보행자의 무릎에 인가되는 토크의 변화량이 상대적으로 작기 때문에, 이러한 상대적으로 작은 토크를 흡수할 수 있을 정도로 상기 로봇 의족 또는 상기 통합구동모듈(10)의 강성이 유지되면 충분하다.

따라서, 본 실시예의 경우, 상기 구동 모듈(300)의 임피던스(impedance)를 통해, 상기 C->D 상태에서 발생되는 상대적으로 작은 토크를 흡수할 수 있다.

또한, 상기 C->D 상태에서는, 보행자의 무릎 관절의 각도 변화가 상대적으로 크게 증가하기 때문에, 상기 구동모듈(300)의 구동을 통해, 보행자의 보행에 필요한 회전 각도를 외부로 출력하고, 이를 통해, 상기 로봇 의족 또는 상기 통합구동모듈(10)은 보행자의 보행을 원활하게 수행할 수 있도록 보조할 수 있다.

이 후, 보행자의 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락한 후, 보행자의 발뒤꿈치가 다시 지면에 접할 때까지, 즉 앞서 설명한 상기 스윙 상태에서는, 상기 제어부(500)의 제어에 따라, 상기 제동부(420)가 동작하지 않고(OFF), 상기 구동부(330)가 동작하여(ON), 상기 구동 모듈(300)에 의해 상기 로봇 의족 또는 상기 통합구동모듈(10)의 회전 위치가 제어된다(단계 S30).

이러한 스윙 상태에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 보행자의 무릎에 인가되는 토크는 없으며, 보행자의 무릎 관절의 각도 변화만 발생하므로, 상기 구동부(330)의 동작을 통해 보행자의 무릎 관절의 각도 변화에 부합하도록 상기 로봇 의족 또는 상기 통합구동모듈(10)의 회전 위치를 제어하면 충분하다.

이 경우, 상기 로봇 의족 또는 상기 통합구동모듈(10)의 회전 위치는, 상기 엔코더(450)를 통해 센싱되는 상기 구동축(320)의 회전량에 대한 정보를 바탕으로 상기 제어부(500)에 의해 상기 구동 모듈(300)의 동작이 제어됨으로써 제어될 수 있다.

이 후, 보행자의 발뒤꿈치가 지면에 접하는 상태(A)가 되면, 앞서 설명한 단계(단계 S10)를 반복하여 수행하여, 상기 로봇 의족 또는 상기 통합구동모듈(10)을 제어한다.

이상과 같이, 본 실시예에 의한 상기 통합구동방법을 통해, 보행자의 보행 상태를 고려하여, 보행에 필요한 강성 제어 또는 위치 제어를 수행할 수 있으며, 이에 따라 보다 효과적인 보행 보조를 수행할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 보행자의 보행상태를 고려하여, 상대적으로 높은 강성이 요구되는 보행상태에서는 컴플라이언스 모듈을 통해 강성을 제공하여 외부로부터 제공되는 높은 토크를 효과적으로 흡수할 수 있으며, 보행자의 보행상태에 따라 상대적으로 낮은 강성이 요구되는 보행상태에서는 구동 모듈을 통해 임피던스 제어를 수행할 수 있다.

그리하여, 종래 단순히 모터의 구동 제어만을 통해 강성을 제공하는 것과 대비하여, 모터의 구동에 따른 전력의 낭비를 최소화할 수 있으며, 배터리를 사용하는 경우 배터리 소모를 최소화할 수 있고, 상대적으로 낮은 토크를 갖는 모터를 적용하여 경량화가 가능하다.

또한, 보행자의 보행상태에 따라, 위치제어만 수행하여도 충분하다면 구동모듈 및 엔코더를 통한 정확한 위치제어만 수행함으로써, 위치 제어의 정확성도 유지할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 통합구동모듈 100 : 하우징
200 : 컴플라이언스 모듈 230 : 탄성부
300 : 구동모듈 320 : 구동축
330 : 구동부 350 : 기어부
400 : 제동모듈 420 : 제동부
450 : 엔코더 500 : 제어부

Claims (11)

1. 로봇 의족에 구비되는 통합구동모듈에서,
   회전 구동력을 발생시키는 구동모듈;
   상기 구동모듈의 일측에 연결되며, 상기 회전 구동력을 제동시키는 제동모듈; 및
   상기 구동모듈의 타측에 연결되며, 보행자의 보행에 따라 전달되는 토크를 흡수하는 컴플라이언스 모듈을 포함하며,
   보행자의 보행상태를 바탕으로 상기 구동모듈 및 상기 제동모듈이 선택적으로 동작하여, 상기 보행상태에 따른 상기 로봇 의족의 강성을 제어하거나, 상기 보행상태에 따른 상기 구동모듈의 회전 위치를 제어하는 통합구동모듈.
2. 제1항에 있어서,
   보행자의 발뒤꿈치가 지면에 접한 후 발 전면이 지면에 접할 때까지,
   상기 제동모듈이 동작하여 상기 구동모듈의 회전 구동력이 제동되어, 상기 보행상태에 따라 상기 로봇 의족으로 인가되는 상대적으로 높은 토크를 상기 컴플라이언스 모듈이 흡수하는 것을 특징으로 하는 통합구동모듈.
3. 제1항에 있어서,
   보행자의 발 전면이 지면에 접한 후 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락할 때까지,
   상기 구동모듈이 동작하여, 상기 보행상태에 따라 상기 로봇 의족으로 인가되는 상대적으로 낮은 토크를 상기 구동모듈의 임피던스를 통해 제어하는 것을 특징으로 하는 통합구동모듈.
4. 제1항에 있어서,
   보행자의 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락한 후 발뒤꿈치가 다시 지면에 접할 때까지,
   상기 구동모듈이 동작하여, 상기 보행상태에 따른 상기 구동모듈의 회전 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 통합구동모듈.
5. 제1항에 있어서, 상기 컴플라이언스 모듈은,
   중공 형상의 원형 커버; 및
   상기 원형 커버의 내부에, 상기 원형 커버의 원주를 따라 복수개가 배열되는 탄성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합구동모듈.
6. 제1항에 있어서, 상기 구동모듈은,
   상기 회전 구동력을 발생시키는 구동부;
   상기 구동부에 연결되어 상기 회전 구동력을 전달하는 구동축; 및
   상기 구동부와 상기 컴플라이언스 모듈 사이에 연결되어, 상기 회전 구동력을 감속시키는 기어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합구동모듈.
7. 제6항에 있어서, 상기 제동모듈은,
   상기 구동축에 연결되어, 상기 구동축의 회전을 제동시키는 제동부; 및
   상기 구동축의 회전 위치를 센싱하는 엔코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합구동모듈.
8. 로봇 의족에 구비되는 통합구동모듈의 통합구동방법에서,
   보행자의 발뒤꿈치가 지면에 접한 후 발 전면이 지면에 접할 때까지, 컴플라이언스 모듈에 의해 상기 로봇 의족의 강성이 제어되는 단계;
   보행자의 발 전면이 지면에 접한 후 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락할 때까지, 구동모듈에 의해 상기 로봇 의족의 강성이 제어되는 단계; 및
   보행자의 발뒤꿈치가 지면으로부터 탈락한 후 발뒤꿈치가 다시 지면에 접할 때까지, 상기 구동모듈에 의해 상기 구동모듈의 회전 위치가 제어되는 단계를 포함하는 통합구동방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 컴플라이언스 모듈에 의해 강성이 제어되는 단계에서,
   상기 제동모듈이 동작하여 상기 구동모듈의 회전 구동력은 제동되고, 상기 로봇 의족으로 인가되는 상대적으로 높은 토크는 상기 컴플라이언스 모듈로 흡수되는 것을 특징으로 하는 통합구동방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 구동모듈에 의해 강성이 제어되는 단계에서,
    상기 구동모듈이 동작하여, 상기 로봇 의족으로 인가되는 상대적으로 낮은 토크는 상기 구동모듈의 임피던스를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 통합구동방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 구동모듈에 의해 회전 위치가 제어되는 단계에서,
    상기 구동모듈이 동작하여, 엔코더를 통해 상기 구동모듈의 회전 위치가 제어되는 것을 특징으로 하는 통합구동방법.

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