KR20220117357A - 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공압인공근육 유닛에 있어서, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브; 상기 비탄성슬리브 일단에 연결되어 기체가 주입되는 기체주입부; 상기 비탄성슬리브 타단에 연결되어 배기모드시 상기 비탄성슬리브 내부에 유입된 기체가 배기되는 배기밸브; 상기 비탄성슬리브 내에, 상기 기체주입부와 상기 배기밸브 사이에 구비되는 인장 스프링; 및 상기 비탄성 슬리브 내에, 일단은 상기 기체주입부에 연결되고 타단은 상기 배기밸브에 연결되는 탄성튜브를 포함하고, 상기 기체주입부를 통해 기체가 주입되면, 상기 탄성튜브 내로 공급되어 팽창되고, 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되고 상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 상기 인장스프링에 탄성에너지가 저장되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛에 관한 것이다.

Description

탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법{Spring­like Pneumatic Artificial Muscle and Operation method thereof}

본 발명은 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 관한 것이다.

최근, 노약자나 장애인 등의 재활이나 활동 보조기기에 대해 연구개발이 다양하게 진행되고 있으며, 팔 또는 다리와 같은 관절의 움직임이 불편한 노약자나 장애인의 재활이나 활동 보조를 위한 보조기구로, 인체 착용형 근력지원 로봇에 대한 개발도 진행되고 있다.

현재까지 개발된 인체 착용형 근력지원 로봇의 경우, 착용부가 링크와 조인트로 이루어진 구조이며, 그 조인트에 모터를 부착하거나 링크에 공압 피스톤 또는 인공 근육을 부착한 형태로 제작되고 있다. 즉, 사용자의 신체구조의 각 관절을 지지하기 위해 단단한 소재의 프레임을 연결한 링크 구조가 적용되고 있으며, 각 관절의 인위적인 구동을 위한 구동모터 등의 구동 메커니즘이 적용되고 있다. 따라서 구동부의 구동력이 각 링크에 전달되어, 링크가 고정된 관절이 동작함으로써 사용자의 재활이나 활동이 보조되는 것이다.

그러나 상기와 같은 링크 구조를 통한 인체 착용형 근력지원 로봇의 경우, 링키지 구조의 무게 때문에 구동부의 에너지 소모가 증가되고, 복잡한 구조로 인해 착용시 불편함이 크고 제작 비용이 증가한다. 또한, 사용자의 신체 구조에 적합하도록 용이하게 변경하는 것이 어렵다.

또한 웨어러블 로봇이나 협업 로봇 등 사람과 빈번하게 상호작용을 하는 로봇에서는 안전하게 구동하는 기술이 필연적이며 활발하게 연구되고 있는 상황이다. 대표적인 안전한 구동기로서 공압 인공근육은 가볍고 유연한 성질과 높은 force density를 장점으로 널리 연구되고 있다.

하지만, 공압인공근육은 압축성 유체인 공기를 사용하기 때문에 매우 느린 응답성의 특징을 지니게 된다. 특히 웨어러블 로봇의 경우, 점프나 달리기 등을 수행하는 사람의 근육보다 공압 인공근육이 느리고 제어가 안되면 사람에게 부하로 작용하고 사람의 빠른 모션을 보조해주거나 상호작용하는데 큰 걸림돌이 된다.

또한, 70%(+-35%)까지 수축할 수 있는 사람 근육에 반해, 공압인공근육은 일반적으로 25%의 수축비를 가지므로 제한된 변위 특성을 지닌다.

이는 웨어러블/협업 로봇의 자유도를 크게 제한하는 걸림돌로 작용한다. 따라서, 공압인공근육의 낮은 응답성과 수축비를 개선할 수 있는 새로운 Spring-like PAM 기술을 개발이 필요하였다.

대한민국 등록특허 10-1566758 대한민국 등록특허 10-2177307 대한민국 등록특허 10-1864583 대한민국 등록특허 10-1563105

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 일반 수축형 공압인공근육과는 다르게 공압인공근육을 길이방향으로 인장시키면 인장 스프링의 특성을 가지는 공압인공근육이 탄성에너지를 크게 저장할 수 있게 되고, 저장한 탄성에너지를 압축 구동에 사용하면, passive element의 빠른 응답 성질을 구동에 사용하여 응답성을 획기적으로 개선할 수 있는, 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 구동기의 큰 힘을 위해서 강한 인장 스프링, 탄성튜브, 그리고 사람이나 로봇의 모션에 의해 작동하는 배기밸브를 사용하여, 매우 빠르고 강한 수축력/수축비를 낼 수 있는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 인장 스프링과 고탄성 튜브는 공기의 압력 에너지로부터 팽창하여 탄성 에너지를 저장하게 되고, 비탄성 재질의 외부 비탄성 슬리브로부터 반지름의 팽창은 제한하고 길이방향은 오리가미 형태로 접혀있던 부분이 펴지면서 탄성 에너지를 최대로 저장하여, 인장을 제한하고 있는 내부의 와이어가 당겨지면서 배기 밸브가 열리게 되면 공기가 급격하게 배기되고, 곧바로 탄성에너지가 운동에너지로 전환되면서 빠른 응답성과 고수축비/고수축력을 구현할 수 있는, 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고수축비를 가지는 인장 스프링, 고탄성 튜브, 그리고 획기적으로 배기속도를 개선할 수 있는 motion-triggered exhaust valve로 인해서 높은 응답성과 고수축비/고수축력을 가지는, 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 공압인공근육 유닛에 있어서, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브; 상기 비탄성슬리브 일단에 연결되어 기체가 주입되는 기체주입부; 상기 비탄성슬리브 타단에 연결되어 배기모드시 상기 비탄성슬리브 내부에 유입된 기체가 배기되는 배기밸브; 및 상기 비탄성슬리브 내에, 상기 기체주입부와 상기 배기밸브 사이에 구비되는 인장 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 비탄성 슬리브 내에, 일단은 상기 기체주입부에 연결되고 타단은 상기 배기밸브에 연결되는 탄성튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 기체주입부를 통해 기체가 주입되면, 상기 탄성튜브 내로 공급되어 팽창되고 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되고, 상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 상기 인장스프링에 탄성에너지가 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 탄성튜브나 인장 스프링은 복수개의 병렬로 배치되어 구동기의 힘을 증가시킬 수 있으며, 단계별로 슬랙(slack)이 되도록 설치되어 가변 강성을 가지는 구동기를 설계할 수 있다.

그리고 상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 배기밸브 내의 개폐부재를 개방시키는 트리거 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 트리거 수단은 일측끝단이 상기 기체주입부 측에 고정되고, 타측 끝단은 상기 개폐부재에 고정되는 와이어를 포함하고, 상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 와이어가 긴장되어 상기 개폐부재를 개방시키도록 작동되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 배기밸브에는 상기 와이어가 긴장상태가 아닌 경우, 상기 개폐부재가 닫히도록 복원력을 인가하는 압축스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 비탄성슬리브는 반경방향 변형이 제한되고, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 비탄성슬리브는 주름관 형태로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 공압인공근육 유닛의 작동방법에 있어서, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브 일단에 연결된 기체주입부를 통해 기체가 주입되는 제1단계; 상기 비탄성 슬리브 내의 탄성튜브 내로 기체가 공급되어 팽창되고, 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되는 제2단계; 및 상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 인장스프링에 탄성에너지가 저장되는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 상기 비탄성슬리브는 반경방향 팽창은 제한되고 길이방향으로 팽창되어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 배기밸브가 개방되어 기체가 배기되고 동시에, 상기 탄성튜브의 탄성에너지와 상기 인장스프링의 탄성에너지가 운동에너지로 변환되어 상기 비탄성슬리브를 길이방향으로 수축, 압축시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 제4단계에서, 상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 트리거 수단에 의해 상기 배기밸브 내의 개폐부재를 개방되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 트리거 수단은 일측끝단이 상기 기체주입부 측에 고정되고, 타측 끝단은 상기 개폐부재에 고정되는 와이어를 포함하고, 상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 와이어가 인장되어 상기 개폐부재를 개방시키도록 작동되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 따르면, 일반 수축형 공압인공근육과는 다르게 공압인공근육을 길이방향으로 인장시키면 인장 스프링의 특성을 가지는 공압인공근육이 탄성에너지를 크게 저장할 수 있게 되고, 저장한 탄성에너지를 압축 구동에 사용하면, passive element의 빠른 응답 성질을 구동에 사용하여 응답성을 획기적으로 개선할 수 있는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 따르면, 구동기의 큰 힘을 위해서 강한 인장 스프링, 탄성튜브, 그리고 사람이나 로봇의 모션에 의해 작동하는 배기밸브를 사용하여, 매우 빠르고 강한 수축력/수축비를 낼 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 따르면, 인장 스프링과 고탄성 튜브는 공기의 압력 에너지로부터 팽창하여 탄성 에너지를 저장하게 되고, 비탄성 재질의 외부 비탄성 슬리브로부터 반지름의 팽창은 제한하고 길이방향은 오리가미 형태로 접혀있던 부분이 펴지면서 탄성 에너지를 최대로 저장하여, 인장을 제한하고 있는 내부의 와이어가 당겨지면서 배기 밸브가 열리게 되면 공기가 급격하게 배기되고, 곧바로 탄성에너지가 운동에너지로 전환되면서 빠른 응답성과 고수축비/고수축력을 구현할 수 있는 효과를 갖는다. 또한 복수개의 탄성 재질의 병렬적인 단계별 배치를 통하여 가변강성을 구현할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 따르면, 고수축비를 가지는 인장 스프링, 고탄성 튜브, 그리고 획기적으로 배기속도를 개선할 수 있는 motion-triggered exhaust valve로 인해서 높은 응답성과 고수축비/고수축력을 가지는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법 흐름도,
도 3은 기체 주입 시작단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 4는 팽창 인장 단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 5는 배기단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 6은 수축, 압축 단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 close된 배기밸브의 단면도,
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 open 배기밸브의 단면도,
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육유닛이 엉덩이 측에 착용된 상태를 나타낸 모식도,
도 8b는 도 8a에서 팽창, 인장된 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육유닛의 모식도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 구성, 기능 및 작동방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 비탄성슬리브(10), 탄성튜브(20), 기체주입부(30), 배기밸브(50), 인장스프링(40) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

비탄성슬리브(10)는, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동할 수 있도록 구성된다.

즉, 비탄성슬리브(10)는 반경방향 변형은 제한되고, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하도록 구성된다. 본 발명의 구체적 실시예에서 비탄성슬리브(10)는 오리가미 형식인 주름관 형태로 구성될 수 있다.

기체주입부(30)는 비탄성슬리브(10) 일단에 연결되어 기체가 주입되어 내부로 공급될 수 있도록 구성된다. 기체주입부(10)는 기체주입수단, 기체공급원 등에 연결되어 기체가 주입되는 유입부(31)와, 주입된 기체가 공압인공근육 유닛(100) 내부로 공급되도록 연결된 공급부(32)를 포함하여 구성된다.

또한 배기밸브(50)는 비탄성슬리브(10) 타단에 연결되어 배기모드시 비탄성슬리브(10) 내부에 유입된 기체가 배기될 수 있도록 구성된다. 즉, 기체 주입모드, 팽창모드 시에는 내부 기체가 배기되지 않도록 폐쇄되고, 배기모드, 압축, 수축모드시 기체가 배치되도록 개폐부재(51)를 포함하여 구성된다.

그리고 인장스프링(40)은 비탄성슬리브(10) 내에, 기체주입부(30)와 배기밸브(50) 사이에 구비된다.

또한 탄성튜브(20)는 비탄성슬리브(10) 내에 구비되며, 일단은 기체주입부(30)에 연결되고 타단은 배기밸브(50)에 연결되게 된다.

따라서 기체주입부(30)를 통해 기체가 주입되면, 탄성튜브(20) 내로 공급되어 팽창되고, 탄성튜브(20)의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되게 된다.

또한 탄성튜브(20)의 팽창에 의해 비탄성슬리브(10)는 반경방향으로의 팽창은 제한되고 길이방향으로만 팽창, 인장되어 인장스프링(40)이 인장되어 탄성에너지가 저장되게 된다.

그리고 배기모드가 진행되면, 배기밸브(50)가 개방되어 내부 기체가 배기되고 동시에, 탄성튜브(20)의 탄성에너지와 인장스프링(40)의 탄성에너지가 운동에너지로 변환되어 비탄성슬리브(10)를 길이방향으로 수축, 압축시키게 된다. 이때, 배기밸브(50)가 열리면 급격히 공기가 배기되면서 곧바로 탄성에너지가 운동에너지로 전환되면서 빠른 응답성과 고수축비/고수축력을 구현하게 된다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 비탄성슬리브(10)가 설정된 팽창길이에 도달하면 배기밸브(50) 내의 개폐부재(51)를 개방시키는 트리거 수단을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 트리거 수단은 도 1에 도시된 바와 같이, 일측끝단이 기체주입부(30) 측에 고정되고, 타측 끝단은 개폐부재(51)에 고정되는 와이어(60)로 구성될 수 있다. 이러한 와이어(60)는 구동기의 인장, 팽창 전 느슨한 형태로 연결되며, 비탄성슬리브(10)가 설정된 팽창길이에 도달하면 와이어(60)가 긴장되어 개폐부재(51)를 개방시키도록 작동되게 된다. 와이어(60)가 긴장에 도달하게 되는 길이는 설정된 팽창길이에 부합되게 된다.

또한 배기밸브(50)에는 와이어(60)가 긴장상태가 아닌 경우, 개폐부재(51)가 닫히도록 복원력을 인가하는 압축스프링(52)을 포함하여 구성된다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법 흐름도를 도시한 것이다.

먼저, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브(10) 일단에 연결된 기체주입부(30)를 통해 기체가 주입되게 된다(S1).

기체가 주입되어 내부로 공급되게 됨으로서, 탄성튜브(20)가 팽창되고 탄성튜브(20)의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되게 된다(S2). 도 3은 기체 주입 시작단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다.

그리고 탄성튜브(20)가 팽창되게 됨으로써, 비탄성슬리브(10)는 탄성튜브(20)의 반경방향 팽창을 제한하고, 오리가미 형식으로 접혀 있기 때문에 길이방향으로의 팽창을 유도하게 된다. 비탄성슬리브(10)가 길이방향으로 팽창됨에 따라 인장스프링(40)이 인장되면서 탄성에너지를 저장하게 된다(S3). 도 4는 팽창 인장 단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다.

이러한 팽창모드는 비탄성슬리브(10)가 설정된 인장길이에 도달할 때까지 지속되게 된다(S4).

그리고 배기, 압축모드에서는 배기밸브(50)가 개방되어 기체가 배기되고(S5) 동시에, 탄성튜브(20)의 탄성에너지와 인장스프링의 탄성에너지가 운동에너지로 변환되어(S6) 비탄성슬리브(10)를 길이방향으로 수축, 압축시키게 된다(S7). 즉, 배기밸브(50)가 열리면 급격히 공기가 배기되면서 곧바로 탄성에너지가 운동에너지로 전환되면서 빠른 응답성과 고수축비/고수축력을 구현하게 된다. 도 5는 배기단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 수축, 압축 단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다.

이때, 본 발명의 실시예에서는 비탄성슬리브(10)가 설정된 팽창길이에 도달하면 트리거 수단에 의해 배기밸브(50) 내의 개폐부재(51)를 개방되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 트리거 수단은 일측끝단이 기체주입부(30) 측에 고정되고, 타측 끝단은 개폐부재(51)에 고정되는 와이어(60)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 close된 배기밸브의 단면도를 도시한 것이다. 또한 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 open 배기밸브의 단면도를 도시한 것이다.

도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 비탄성슬리브(!0)가 설정된 팽창길이에 도달하면 와이어(60)가 인장되어 개폐부재(51)를 개방시키도록 작동됨을 알 수 있다. 이러한 와이어(60)는 인장, 팽창 전 느슨한 형태로 연결되며, 비탄성슬리브(10)가 설정된 팽창길이에 도달하면 와이어(60)가 긴장되어 개폐부재(51)를 개방시키도록 작동되게 된다. 와이어(60)가 긴장에 도달하게 되는 길이는 설정된 팽창길이에 부합되게 된다. 또한 배기밸브(50)에는 와이어(60)가 긴장상태가 아닌 경우, 개폐부재(51)가 닫히도록 복원력을 인가하는 압축스프링(52)을 포함하여 구성된다.

도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육유닛이 엉덩이 측에 착용된 상태를 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 그리고 도 8b는 도 8a에서 팽창, 인장된 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육유닛의 모식도를 도시한 것이다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공압인공근육 유닛(100)을 웨어러블 슈트에서 hip extension을 보조하는 구동기로 사용할 경우에 허벅지를 앞으로 드는 과정에서 구동기 입장에서는 길이변화가 생기게 된다(구동기가 더 길어져야 함).

그리고 허벅지(1)의 움직임에 맞도록 와이어(60) 길이를 선정하면 허벅지를 앞으로 드는 과정에서 와이어(60)가 당겨지게 되면서 배기밸브(50)를 패시브하게 열어 주어 추가적인 전자적 밸브가 필요 없게 된다. 또한 허벅지(1)가 내려와서 와이어(60)에 슬랙이 발생하면, 배기밸브(50)는 다시 압축 스프링(52)으로 인해 닫히게 된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:착용자
2:앵커
10:비탄성슬리브
20:탄성튜브
30:기체주입부
31:유입부
32:공급부
40:인장스프링
41:스프링고정단
42:스프링고정부
50:배기밸브
51:개폐부재
60:와이어
100:탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛

Claims (14)

1. 공압인공근육 유닛에 있어서,
   길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브;
   상기 비탄성슬리브 일단에 연결되어 기체가 주입되는 기체주입부;
   상기 비탄성슬리브 타단에 연결되어 배기모드시 상기 비탄성슬리브 내부에 유입된 기체가 배기되는 배기밸브; 및
   상기 비탄성슬리브 내에, 상기 기체주입부와 상기 배기밸브 사이에 구비되는 인장 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 비탄성 슬리브 내에, 일단은 상기 기체주입부에 연결되고 타단은 상기 배기밸브에 연결되는 탄성튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 기체주입부를 통해 기체가 주입되면, 상기 탄성튜브 내로 공급되어 팽창되고 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되고, 상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 상기 인장스프링에 탄성에너지가 저장되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 탄성튜브와 인장스프링의 복수개의 단계적/병렬적인 배치를 통해 가변 강성 및 고수축력을 구현하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 배기밸브 내의 개폐부재를 개방시키는 트리거 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 트리거 수단은 일측끝단이 상기 기체주입부 측에 고정되고, 타측 끝단은 상기 개폐부재에 고정되는 와이어를 포함하고,
   상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 와이어가 긴장되어 상기 개폐부재를 개방시키도록 작동되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 배기밸브에는 상기 와이어가 긴장상태가 아닌 경우, 상기 개폐부재가 닫히도록 복원력을 인가하는 압축스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 비탄성슬리브는 반경방향 변형이 제한되고, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 비탄성슬리브는 주름관 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
   
10. 공압인공근육 유닛의 작동방법에 있어서,
    길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브 일단에 연결된 기체주입부를 통해 기체가 주입되는 제1단계;
    상기 비탄성 슬리브 내의 탄성튜브 내로 기체가 공급되어 팽창되고, 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되는 제2단계; 및
    상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 인장스프링에 탄성에너지가 저장되는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 탄성튜브의 팽창에 의해 상기 비탄성슬리브는 반경방향 팽창은 제한되고 길이방향으로 팽창되어지는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 배기밸브가 개방되어 기체가 배기되고 동시에, 상기 탄성튜브의 탄성에너지와 상기 인장스프링의 탄성에너지가 운동에너지로 변환되어 상기 비탄성슬리브를 길이방향으로 수축, 압축시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.
    
13. 제 12항에 있어서,
    상기 제4단계에서,
    상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 트리거 수단에 의해 상기 배기밸브 내의 개폐부재를 개방되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.
    
14. 제 13항에 있어서,
    상기 트리거 수단은 일측끝단이 상기 기체주입부 측에 고정되고, 타측 끝단은 상기 개폐부재에 고정되는 와이어를 포함하고,
    상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 와이어가 인장되어 상기 개폐부재를 개방시키도록 작동되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.
    
    
    
    

Images