WO2023191178A1 - 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법 - Google Patents

풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2023191178A1
WO2023191178A1 PCT/KR2022/006065 KR2022006065W WO2023191178A1 WO 2023191178 A1 WO2023191178 A1 WO 2023191178A1 KR 2022006065 W KR2022006065 W KR 2022006065W WO 2023191178 A1 WO2023191178 A1 WO 2023191178A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pulley
integrated
gear
cable
actuator
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/006065
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이기욱
양재하
류재욱
문준영
Original Assignee
중앙대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 중앙대학교 산학협력단 filed Critical 중앙대학교 산학협력단
Publication of WO2023191178A1 publication Critical patent/WO2023191178A1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/104—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with cables, chains or ribbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears

Definitions

  • the present invention relates to a pulley-integrated cable actuator and a method of operating the same.
  • HE Harvard Exosuit
  • the Harvard Exosuit is made of textile material to minimize restrictions on natural movement. This also reduces the weight of the device, reducing discomfort caused by the device's momentum when moving.
  • Bowden cables By using Bowden cables to transmit assistive forces, the device has an actuation system that can bend to suit the wearer's posture. Due to these advantages, studies show that the portable HE version can reduce the energy cost of walking and running by 9.3% and 4%, respectively.
  • the exosuit type of wearable robot has several advantages over the exoskeleton type, it still has limitations, especially in terms of size and control performance.
  • the design is still heavy and bulky because the operating systems are not custom-made for robots.
  • Two commercial motors shaped like long cylinders with flat disk-shaped pulleys to drive the Bowden cable were used in the actuation system.
  • the resulting actuation system was quite bulky, protruding up to 7 cm from the wearer's back, as shown in Figures 1 and 2. Because of this design, the use of assistive devices is evident while wearing the exosuit, which acts as an obstacle. Additionally, soft wearable robots tend to have lower tracking performance compared to hard exoskeletons.
  • the soft nature of the exosuit causes large deformations of the suit when forces are applied, resulting in significant response delays during operation.
  • the Quasi-Direct Drive (QDD) actuator which consists of a high torque density motor and a low gear ratio transmission, is attracting attention as a new solution for designing lightweight and small mobile robots with high control frequencies.
  • QDD actuators using low gear ratio transmissions have low reflective inertia, making them highly responsive and capable of reversing.
  • the shape of the QDD actuator has the advantage of being cylindrical with a low height and wide radius, so it is called a 'pancake actuator'.
  • actuators are actively used in various types of robots.
  • the MIT Cheetah robot used QDD actuators to leverage high torque density for shock mitigation and high-bandwidth physical interaction.
  • QDD quadrature diode
  • exoskeletons utilizing QDD have shown promising results.
  • the portable hip exoskeleton based on QDD actuation proposed by S. Yu et al. had high nominal torque and high control bandwidth while being capable of high reversal and had a light weight of 3.4 kg.
  • Previous patent 1 (soft exosuit for assistance with human motion, application number 10-2015-7036910) connects a pulley to a general motor and drives a cable through the pulley. For this, in addition to the motor, additional bearings, cases, etc. are needed, and the volume increases, protruding outside the body, causing inconvenience in use.
  • Conventional Patent 2 (assistive flexible suits, flexible suit systems, and methods of making and controlling them to aid human movement, application number 10-2016-0098354), like Conventional Patent 1, is not a dedicated actuator, but When used by connecting a pulley to a general motor, it becomes bulky and protrudes, causing inconvenience in use.
  • the pulley is integrated and used to make a wearable robot with an actuator designed for a cable drive method, making it less bulky than the existing system.
  • the purpose is to provide a pulley-integrated cable actuator and its operating method that can create small and light robots.
  • the present invention is a cable drive-only driver in which the pulley and bearing required for cable drive are integrated into the motor, and the volume is significantly reduced compared to the existing cable drive system by optimization of the design, and a wearable robot is designed using this.
  • the purpose is to provide a pulley-integrated cable actuator and its operating method that can significantly reduce the degree of protrusion from the body and make it more convenient to use.
  • the present invention has a smaller volume and weight compared to the cable drive method used by attaching a pulley to an existing motor, and when manufacturing a wearable robot using this, the amount and weight protruding from the body are reduced, thereby increasing usability.
  • the purpose is to provide a pulley-integrated cable actuator and its operating method that can be used in cable-driven mechanisms other than wearable robots.
  • the first object of the present invention is an actuator for driving a cable, including a base motor; A sun gear shaft whose lower end is coupled to the center of the motor and rotates by the motor rotation and is provided with a sun gear; A planet gear set consisting of a plurality of planet gears each meshing with a sun gear; and a ring gear-integrated pulley having a ring gear formed on the inner surface to engage with the planet gear, and a ring gear-integrated pulley having a pulley around which a cable is wound on the outer surface.
  • the base motor may be an inner ring rotation type frameless motor composed of a stator and a rotor, and the sun gear shaft may be coupled to the center of the rotor.
  • the sun gear is engaged in an internal space formed by meshing a plurality of planet gears, and each gear is meshed and rotated by rotation of the sun gear, and at the same time, the outer edge side is a ring formed on the inner surface of the ring gear integrated pulley. It may be configured to rotate the ring gear-integrated pulley in engagement with a gear.
  • the ring gear integrated pulley may include a pipe portion and a flange portion, a ring gear formed on the inner surface of the pipe portion, and a cable fixing groove formed along the outer surface of the flange portion through which the cable is wound.
  • it may further include a ring gear bearing inserted into the pipe portion of the ring gear integrated pulley.
  • the base motor, the sun gear shaft, the planet gear set, the ring gear integrated pulley, and the sun gear shaft bearing may be mounted in the internal space formed through the upper casing, the lower casing, and the intermediate casing.
  • it may further include a planet gear shaft fixing part that secures each of the planet gear shafts to the upper casing.
  • the encoder may include a magnetizing ring coupled to the lower surface of the rotor and a reading head that measures the rotational speed of the rotor through the magnetizing ring.
  • the lower casing may include a cable replacement casing that is individually detachable to facilitate cable replacement.
  • the sun gear may be engaged with the inner space of the planet gear set
  • the ring gear may be integrated with the pulley
  • the planet gear set may be disposed inside the pulley to minimize volume.
  • the second object of the present invention is a method of operating a pulley-integrated cable driver according to the first object mentioned above, comprising: rotating the rotor of the base motor; A sun gear shaft coupled to the rotor central axis is rotated, thereby rotating each of the planet gears engaged with the sun gear; and rotating the ring gear-integrated pulley by rotation of the planet gear, thereby driving the cable wound around the ring gear-integrated pulley.
  • the pulley-integrated cable actuator and its operating method according to an embodiment of the present invention, the pulley is integrated, and the actuator designed for the cable drive method can be used to create a wearable robot, making it possible to create a robot that is smaller and lighter than the existing system. There is an advantage.
  • the pulley-integrated cable actuator and its operating method is a cable-driven actuator in which the pulley and bearing required for cable drive are integrated into the motor, and the volume is reduced compared to the existing cable drive system by optimization of the design. It has been significantly reduced, and when designing wearable robots, this has the effect of greatly reducing the degree of protrusion from the body, making use more comfortable.
  • the pulley-integrated cable driver and its operating method according to an embodiment of the present invention, it has a smaller volume and weight compared to the cable drive method used by attaching a pulley to an existing motor, and when manufacturing a wearable robot using this, it is removed from the body.
  • the usability is increased due to the small amount of protrusion and weight, and it also has the advantage of being able to be used in cable-driven mechanisms other than wearable robots.
  • FIG. 1 is a side view of the Harvard exosuit (HE) protruding about 7 cm;
  • Figure 2 is an operating system applied to the exosuit of Figure 1;
  • Figure 3 shows the design variables and combinations selected for comparison (the design concept is shown with a cross-sectional view, with gray representing the stationary parts; similarly, orange for the stator, blue for the input of the rotor and deceleration stage, and red for the deceleration stage with pulleys).
  • Output, green is for planetary gears.
  • the sun gear and ring gear are the innermost and outer gears, respectively, and the planetary carrier is an intermediate gear in between. Gears are indicated with vertical stripes, and bearings are indicated with an X.
  • Figure 4 is a perspective view of a pulley-integrated cable driver according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a cross-sectional view of a pulley-integrated cable driver according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is an exploded perspective view of a pulley-integrated cable driver according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 shows the Dynamometer testbed setup to measure the steady-state performance of PEQDD
  • Figure 8 shows the energy efficiency map of PEQDD in steady-state (the area marked in red is outside the operating range);
  • Figure 9 shows the control bandwidth test results between PEQDD and Maxon motors
  • Figure 9 is a comparative photo of the operating pack of the hip extension exosuit
  • Figure 11 is an exosuit designed at Harvard University
  • Figure 12 is an improved exosuit based on a PEQDD actuator actually manufactured according to an embodiment of the present invention
  • Figure 10 is a preliminary test result of PEQDD implemented in a hip extension exosuit
  • Figure 13 is a force profile: walking state
  • Figure 14 is a force profile: running state.
  • the inventor of the present invention developed a new cable-driven actuator based on QDD to make the exosuit's actuation system highly responsive while also making it lightweight and compact.
  • To design a custom actuator for the exosuit we first established the design requirements for the new actuator based on the HE specifications. Next, several design concepts were evaluated and compared to select the optimal design of the cable-driven actuator.
  • a lightweight and compact cable-driven actuator was manufactured using components selected according to design constraints or designed through mechanical analysis.
  • the design requirements for the new actuator were selected based on the specifications of HE.
  • the selected parameters are the output torque and speed, and the weight and volume of the actuator.
  • the actuator's required torque was set based on the maximum assist force of the HE, which was designed to apply a force of 300 N to the user's body.
  • a pulley with a radius of 40 mm is used in the HE and ideally a torque of more than 12 Nm is required from the actuator to generate a force of 300 N on the cable.
  • the cable drive system used in HE uses a Bowden cable placed inside a fixed cable sheath, and when the cable is pulled, the cable slides inside the sheath. Energy loss due to friction between the sheath and cable reduces the efficiency of the system.
  • the efficiency of the cable-sheath system is determined by the bending angle of the cable sheath in the form of Equation 1 below.
  • the speed requirements of the actuator were originally established based on the motor specifications used in the HE.
  • the exosuit uses a 200W BLDC motor (EC-4pole 30, Maxon) and has a 51:1 gear reduction (Planetary Gearhead GP 32 HP 326664) with a nominal speed of 313 rpm after reduction.
  • the rotational speed of the new actuator pulley was set to at least this speed so that the new actuator would have the same or wider operating range as the original motor.
  • the weight and volume requirements of the actuator were set in comparison with the HE's actuation system.
  • the weight of the actuation system on one side of the HE is 753 g and its volume is 270 cm 3 .
  • the target weight and volume of the actuator were set to 85% of the original actuation system value, which is 640 g and 230 cm 3 , respectively. Since the concealed space inside the casing was not usable, the volume was measured including the concealed space of the system.
  • Figure 3 shows the design variables and combinations selected for comparison (the design concept is shown with a cross-sectional view, with gray representing the stationary parts; similarly, orange for the stator, blue for the input of the rotor and deceleration stage, and red for the deceleration stage with pulleys).
  • Output, green is for planetary gears.
  • the sun gear and ring gear are the innermost and outer gears, respectively, and the planetary carrier is an intermediate gear in between. Gears are indicated with vertical stripes, and bearings are indicated with an X.) .
  • the pulley diameter and ring gear size were set to be the same, and the rated power of the motors was set to be similar for all concepts.
  • the motors, gear sets, and locations of each component were then determined to be optimal for each concept.
  • the diameter of the pulley was fixed at 80 mm. Only motors with diameters smaller than this pulley diameter were considered.
  • the thickness of the motor was set using a commercial motor with similar rated output for reference. To minimize the diameter of the actuator, only planetary gear sets that could be designed inside the pulley diameter were considered.
  • the estimated weight, height, and reduction ratio of each design were used as evaluation variables.
  • the sun gear acts as the input and the planet carrier acts as the output of the reduction stage. Since the sun gear is an input gear, an inrunner type motor was selected.
  • This design has three layers inside the casing: the motor, reduction stage, and pulley. To connect to the pulley, the planet carrier must extend out of the reduced layer in the direction of the pulley. Since the unwinding planet carrier cannot extend towards the motor layer, it must itself occupy an additional layer of structure. This design does not have a significant height advantage due to the pulley layer. Additionally, the structure will be relatively heavy due to the weight of the planetary carrier.
  • Design B uses a ring gear as input and a planet carrier as output. Because a ring gear is used as an input, an outrunner type motor was selected. Design B consists of three layers like Design A, and for the same reason, this design also requires a separate layer for the pulley. Because the tiers are separate, this design also has no height advantage. It is heavier than Design A because the planet carrier and bearings for the ring gear add weight.
  • design C uses a sun gear as input and a ring gear as output.
  • An inrunner type motor is used with a sun gear as input.
  • This design has two layers. Because the pulley overlaps the motor layer, there is a motor layer and a reduction layer. The pulley is attached to a ring gear and the motor is placed inside the ring-shaped pulley. This arrangement significantly reduces the height of the actuator due to the removed height of the pulley layer found in other designs. Since the planet carrier is fixed, it is reduced to a shaft shape in the casing. The Planet Carrier's reduced form makes the design lighter than other designs.
  • Torque requirements also become a dominant factor in motor selection, as designs were considered using only a single planet gear set for the reduction stage. Therefore, a design that allows the use of higher gear ratios in single planet gear stages is desirable.
  • the maximum possible gear ratios of the three design concepts can be compared using equations (2)-(4). The equation represents the gear reduction ratio for each combination of input and output in the reduction phase.
  • the gear reduction ratio is indicated by r, and the input and output in the reduction step notation are subscripts.
  • S, P and R represent the sun gear, planet carrier and ring gear respectively, where the input is the denominator and the output is the numerator.
  • Z S , Z P , and Z R are the number of teeth of the sun, planet, and ring gears, respectively. Comparing the numerators and denominators on the right-hand side of the three equations shows that Design A has the highest possible gear ratio for the Z R and Z S values, followed by Designs C and B.
  • Design C has the best properties in actuator height and weight and the second best in reduction ratio. It is expected to be lower in height than designs A and B. Additionally, the gear ratio of design C increases closer to the gear ratio of design A as Z S becomes smaller. From this comparison, design C was selected as the optimal design for the new actuator.
  • the configuration of the pulley-integrated cable driver 100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
  • components such as motors and encoders were selected after searching for the best commercial products that could meet the design requirements.
  • Other components, such as gears and shafts, are custom designed to withstand loading conditions while meeting design requirements.
  • the components of the actuator are designed according to their importance.
  • Figure 4 is a perspective view of a pulley-integrated cable driver according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a cross-sectional view of a pulley-integrated cable driver according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a pulley-integrated cable driver according to an embodiment of the present invention. This shows an exploded perspective view of a cable actuator.
  • the pulley-integrated cable driver has a base motor and a lower end coupled to the center of the motor and rotated by the motor rotation, and the sun gear (8-1)
  • a sun gear shaft (8) provided with a planet gear set consisting of a plurality of planet gears (5) each meshing with the sun gear (8-1), and a ring gear is formed on the inner surface to mesh with the planet gear (5).
  • the base motor is a frameless motor of the inner ring rotation type and consists of a stator (10) and a rotor (9), and the sun gear shaft (8) is coupled to the center of the rotor (9).
  • a sun gear (8-1) is meshed in an internal space formed by meshing a plurality of planet gears (5), and each gear is meshed and rotated by the rotation of the sun gear (8-1), and at the same time, the outer edge side is a ring. It is configured to rotate the ring gear-integrated pulley (4) by engaging with a ring gear formed on the inner surface of the gear-integrated pulley (4).
  • the ring gear-integrated pulley 4 has a pipe portion 4-1 and a flange portion 4-2, and a ring gear is formed on the inner surface of the pipe portion 4-1, and surrounds the outer surface of the flange portion 4-2.
  • a groove 4-3 for fixing the cable is formed along the cable and is wound around the cable.
  • the ring gear bearing 3 is inserted and mounted in the pipe portion 4-1 of the ring gear integrated pulley 4.
  • the base motor, sun gear shaft (8), planet gear set, ring gear integrated pulley (4), and sun gear shaft bearing are located in the internal space formed through the upper casing (1), lower casing (14), and middle casing (11). (3) is installed.
  • It also includes a planet gear shaft fixing part (7) that secures each of the planet gear (5) axes to the upper casing (1), and the encoder is provided inside the rotor to minimize the volume.
  • the encoder includes a magnetizing ring (12) coupled to the lower surface of the rotor (9) and a reading head (13) that measures the rotational speed of the rotor through the magnetizing ring (12).
  • the lower casing 14 includes a cable replacement casing 15 that is individually detachable to facilitate cable replacement.
  • the sun gear (8-1) is engaged in the inner space of the planet gear set, the ring gear is integrated with the pulley, and the planet gear set is placed inside the pulley to minimize volume.
  • Design C uses a frameless in-runner type motor. Based on the design requirements of the actuator, requirements were set for the weight, size and performance of the base motor. A preliminary draft of the actual design of the actuator was created to confirm the expected weight of the components. The total weight of components excluding the motor was assumed to be approximately 440g. To meet the weight requirement of the entire actuator of 640 g, the motor must weigh less than 200 g. In order to place the motor in the center of the pulley, the outer diameter of the motor is determined according to the size of the pulley. For detailed design, the pulley must have a socket to contain the end of the Bowden cable. For this purpose, the inner diameter of the pulley must be 65 mm, and the outer diameter of the motor must not exceed this value.
  • T-MOTOR of China Motors from four manufacturers (T-MOTOR of China, Allied Motion of the United States, Celera MOTION of the United States, and WITTENSTEIN of Germany) were compared. The specifications of each motor and whether they meet the requirements are listed in Table 3. Among all motors compared, T-MOTOR's RI60 KV120 was selected as the basic motor.
  • a planet gear set of the selected design concept using sun gear as input and ring gear as output is designed to suit the desired torque requirements of the actuator.
  • the peak torque of the selected motor is 1.63 Nm, and a gear reduction of at least 8.16:1 is required to meet the torque requirement of the actuator 13.3 Nm.
  • the reduction ratio of the planet gear can be calculated from Equation 4, where the minus sign represents the change in direction between input and output.
  • N is the number of planet gears.
  • Equation 4 Zs must be minimized to maximize the reduction ratio.
  • Zs was set to 14 (this is the minimum number of teeth that can prevent undercut at a pressure angle of 20°).
  • Z R must be greater than 114.
  • Z R must be less than 130 and the diameter must be smaller than the inner diameter of the pulley (65mm, including 0.5 gear module for stable driving).
  • the value of Z R was chosen as 118 to have a solid structure and satisfy all constraints. Using the sets Z S and Z R , Equations 6 and 7 can be satisfied only when N is 2 or 3.
  • N was set to 3 to minimize the load conditions of the planet axis and gear.
  • the reduction ratio of the designed planet gear set is 8.428:1.
  • the rated torque, peak torque, and speed calculated from the gear ratio were 4.8Nm, 13.74Nm, and 664RPM, respectively, satisfying the design conditions.
  • the specific design process for each gear was performed using CAD (Inventor 2022, Autodesk, USA).
  • the gear set was designed to minimize gear width and prevent mechanical failure due to material characteristics, so a gear with a width of 4 mm was used. Table 4 presents the specifications of the reduction step.
  • the shafts of the sun and planet gears were analyzed in terms of strength and rigidity to prevent mechanical failures. Because the sun gear and shaft were designed as one piece, SCM415 was used as the material for the sun gear shaft, just like the sun gear. The planet gear shaft was designed to be directly coupled to the casing, and Al7075-T6 was used to reduce the overall weight of the actuator.
  • ⁇ and ⁇ are the tensile and shear strengths of the material
  • M is the bending stress
  • T is the torque
  • K f and K fs are the fatigue stress-concentration coefficients for bending and torsion.
  • K fs value of 4.43 was used to obtain the minimum required diameter of 4.7 mm from Equation 9. Since there is no notch on the planet gear shaft, a value of 1 was used to obtain the required planetary gear shaft diameter of 5.27 mm in the equation. Therefore, the sun gear shaft and planet gear shaft had diameters of 5 mm and 6 mm, respectively, which can satisfy the minimum allowable shaft diameter.
  • Bearing selection has the greatest impact on the actuator's operating stability. Minimizing the gap between the bearing inner diameter and the shaft outer diameter can minimize noise and vibration during operation. Since we are designing an actuator for an exosuit that is in direct contact with the user, it is important to reduce noise and vibration of the actuator. Therefore, the highest grade bearings were selected considering the driving conditions of each rotating part.
  • the sun gear shaft which is directly connected to the rotor, has a certain gap between the rotor and the stator. Therefore, bearings of ABEC5 grade (7804K129, McMaster-Carr, USA) were used at both ends of the sun gear shaft. Considering that the shaft length of the planet gear is shorter than that of the sun gear and the speed of the planet gear is slower than that of the sun gear, ABEC3 grade bearings (57155K587, McMaster-Carr, USA) were used. Bearings of ABEC0 grade (6813ZZ, NSK, Japan) were used for the ring gear and pulley, which have the largest support area compared to other components.
  • a pulley-integrated QDD actuator (PEQDD) was manufactured as shown in Figures 4 to 6 using the selected parts mentioned above.
  • the diameter, thickness, volume, and mass of the actuator were 93 mm, 31.5 mm, 203 cm 3 , and 590 g, respectively.
  • FIG. 10 shows a flow chart of the cable replacement process according to an embodiment of the present invention.
  • parts that can secure the shaft have been added.
  • the sun gear and planet gear were nitrided to increase the surface hardness of the gear, and the casing was anodized to prevent rust.
  • Typical parameters of steady-state performance are torque, speed and energy efficiency.
  • Efficiency is one of the important characteristics of an actuator and is defined as the ratio between mechanical energy output and electrical energy input. Testing efficiency at various speeds and load conditions can demonstrate the robustness of the actuator.
  • the steady-state performance of the PEQDD was measured with a dynamometer using the setup described in Figures 7 and 8.
  • Figure 7 is a dynamometer test bed setup to measure the steady-state performance of PEQDD
  • Figure 8 is an energy efficiency map of PEQDD in steady state (the area marked in red is outside the operating range).
  • the dynamometer used in the test consisted of a rotary torque sensor (M425, datum, UK) to measure torque and rotational speed and a hysteresis brake (AHB-24, Valid Magnetics, Hong Kong) that can apply a constant load to the actuator.
  • a switching mode power supply SE-1500-48, MEANWELL, Taiwan
  • ESC electronic speed controller
  • WT-1804e Yokogawa Electric, Japan
  • the test conditions varied the load acting on the actuator from the motor's input voltage and brake.
  • the input voltage was given from 18 V to 48 V with an interval of 3 V between conditions.
  • torque was applied to the pulley while keeping the voltage constant using a hysteresis brake.
  • torque was increased at each voltage condition to the stall point or the point where the motor temperature exceeded 150°C. Temperatures above this point can cause permanent damage to the motor. Load conditions above this point have not been tested and are considered outside of normal operating range.
  • the amount of torque generated by the hysteresis brake was controlled by the input current of the brake, given at 25 mA intervals for each condition. For each condition, the temperature of the motor was cooled to below 25°C before starting the test.
  • the efficiency for each condition was calculated from Equations 10 to 12 by acquiring data for 5 seconds after applying the load.
  • P In and P Out represent the input power and output mechanical power.
  • P In was calculated from the input voltage (V) and current (I) and measured on a power analyzer.
  • P Out was calculated using the applied torque and actuator speed data T and ⁇ obtained from the torque sensor.
  • Figure 8 shows the efficiency map of the actuator taken from the test point.
  • the data were analyzed using MATLAB (R2021b, Mathworks, USA), and a low-pass filter with a cutoff frequency of 1 Hz was used on the data obtained from the power analyzer and torque sensor.
  • An additional median filter with a window size of 100 is applied to the calculated efficiencies to remove remaining noise to better show the steady-state results. Maps were drawn with natural neighbor interpolation using normalized data from all test conditions.
  • the exosuit controller utilized force control based on admittance control using position control as a sub-controller. In other words, improvements in admittance control and force control can be expected based on improvements in the control bandwidth of position control.
  • the control bandwidth of the actuators used in PEQDD and HE were measured in a position closed loop using a tuning program (Elmo Application Studio II, Elmo Motion Control Ltd, Israel) and a motor controller (Gold Solo Twitter R50/100, Elmo Motion Control Ltd, Israel). Conditions were compared. 100% continuous current was applied to both actuators under no-load conditions using the automatic identification tool built into the tuning program. Motion was generated to rotate the pulley for one revolution using frequencies between 0.1 and 100 Hz. As shown in Figure 9, the cutoff frequency of PEQDD was 20Hz, while Maxon's was 6.25Hz. By increasing the cutoff frequency, we can expect an increase in the controllability of the force controller. This increase in control performance will better alleviate force transfer delays between the actuation system and the human body.
  • Figures 13 and 14 show data of 10 steps within 2 minutes of measurement data during walking and running, respectively.
  • the maximum force was mostly stable within the target range.
  • the peak forces of the left and right legs during walking were 232 ⁇ 3.47 and 235 ⁇ 9.28 N (mean ⁇ Standard Error of the Mean: SEM), respectively, and the peak forces of the left and right legs during running were 215 ⁇ 3.90 and 210 ⁇ 210. 2.98 N (mean ⁇ SEM).
  • SEM Standard Error of the Mean
  • PEQDD can transmit more than 300N of force, which was set as the design requirement.
  • the maximum speed of pulley rotation in walking and running conditions was 301 RPM and 341 RPM, respectively.
  • PEQDD is a new actuator based on quasi-direct drive actuation with an embedded pulley. These actuators are smaller, lighter, and have higher control bandwidth than state-of-the-art HE cable-driven actuation systems.
  • Various design concepts for actuators were evaluated to select the optimal actuator design for use in the exosuit.
  • the diameter, thickness, volume, and mass of the produced PEQDD were 93 mm, 31.5 mm, 203 cm3, and 590 g, respectively.
  • the performance of PEQDD was evaluated through various experiments.
  • the efficiency of PEQDD was evaluated at steady state using a dynamometer.
  • the maximum efficiency of PEQDD was 0.605.
  • the control bandwidth of the actuator was evaluated under positional closed-loop conditions.
  • the cutoff frequency of the PEQDD was 20Hz, and the cutoff frequency of the Maxon motor used in the Harvard exosuit was 6.25Hz. As a result of preliminary testing by wearing a hip extension exosuit using PEQDD, it was found that PEQDD met all design requirements.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Retarders (AREA)

Abstract

본 발명은 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이블을 구동하기 위한 액추에이터로서, 베이스 모터; 하부 끝단부가 상기 모터 중심에 결합되어 모터 회전에 의해 축회전되며 썬기어가 구비되는 썬기어축; 각각이 썬기어에 맞물리는 복수의 플래닛 기어로 구성되는 플래닛 기어세트; 및 내면에 링기어가 형성되어 상기 플래닛 기어와 맞물리고, 외면에 케이블이 권취되는 풀리가 구비된 링기어 일체형 풀리;를 포함하여, 상기 썬기어가 상기 플래닛 기어세트의 내측공간에 맞물리고, 링기어를 풀리와 일체형으로 하고, 상기 플래닛 기어세트를 상기 풀리 안쪽에 배치하여 부피를 최소화한 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기에 관한 것이다.

Description

풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법
본 발명은 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법에 관한 것이다.
인간의 신체적 능력을 향상시키기 위해 다양한 형태의 웨어러블 로봇이 개발되고 있다. 2010년대 중반까지 웨어러블 로봇에는 사용자에게 강력한 보조력을 가하기 위해 모터와 같은 전자 기계 구성 요소에 의해 작동되었다. 이와 같은 로봇은 외골격형으로 분류되었다. 강력한 보조력을 발휘하면서 무거운 프레임을 조작하기 위해 로봇에는 고성능 작동 시스템이 필요하다. 견고한 프레임과 부피가 큰 액추에이터 때문에 외골격은 부피가 크고 무거워 사용자가 매일 사용하기에는 불편하다.
외골격형 로봇의 한계를 극복하기 위해 하버드 대학 등의 연구자들이 엑소슈트의 개념을 제안했다. 이 로봇은 가볍고 편안한 착용감에 중점을 두었다. 하버드 엑소슈트(HE)는 텍스타일 소재로 제작되어 자연스러운 움직임의 제약을 최소화했다. 이것은 또한 장치 무게를 줄여서 움직일 때 장치의 운동량으로 인한 불편함을 줄였다. Bowden 케이블을 사용하여 보조력을 전달함으로써 이 장치는 착용자의 자세에 맞게 구부릴 수 있는 작동 시스템을 갖추었다. 이러한 장점으로 인해 연구에 따르면 휴대용 HE 버전은 걷기와 달리기의 에너지 비용을 각각 9.3%와 4% 줄일 수 있다.
엑소슈트 타입의 웨어러블 로봇은 엑소스켈레톤 타입에 비해 몇 가지 장점이 있지만, 특히 크기와 제어 성능 측면에서 여전히 한계가 있다. 현재 최첨단 엑소슈트라고 하는 HE를 감안하면 로봇에 맞게 작동하는 시스템이 맞춤 제작되지 않았기 때문에 디자인이 여전히 무겁고 부피가 크다. Bowden 케이블을 구동하기 위한 평평한 디스크 모양의 풀리가 있는 긴 실린더 모양의 두 개의 상용 모터가 작동 시스템에 사용되었다. 결과 작동 시스템은 도 1 및 도 2와 같이 착용자의 등으로부터 최대 7cm까지 돌출되어 상당히 부피가 있었다. 이 디자인 때문에 엑소수트를 착용하는 동안 보조 장치의 사용이 분명하며 이는 장애물 역할을 한다. 또한, 소프트 웨어러블 로봇은 단단한 외골격에 비해 추적 성능이 낮은 경향이 있다. 엑소슈트의 부드러운 특성은 힘이 가해질 때 슈트의 큰 변형을 유발하여 작동 중에 상당한 응답 지연을 초래한다.
현재, 높은 토크 밀도 모터와 낮은 기어비 변속기로 구성된 QDD(Quasi-Direct Drive) 액추에이터는 제어 주파수가 높은 경량 소형 모바일 로봇을 설계하기 위한 새로운 솔루션으로 주목을 받고 있다. 낮은 기어비 변속기를 사용하는 QDD 액추에이터는 반사 관성이 낮기 때문에 반응성이 높고 역주행이 가능하다. 또한, QDD 액추에이터의 형상은 높이가 낮고 반경이 넓은 원기둥 모양의 장점이 있어 '팬케이크 액츄에이터'라고 한다.
이러한 특성으로 인해 액추에이터는 다양한 형태의 로봇에 활발히 사용되고 있다. 예를 들어, MIT Cheetah 로봇은 QDD 액추에이터를 사용하여 충격 완화 및 고대역폭 물리적 상호 작용을 위해 높은 토크 밀도를 활용했다. 최근 QDD를 활용한 여러 외골격이 유망한 결과를 보였다. 예를 들어, S. Yu et al.에 의해 제안된 QDD 작동에 기반한 휴대용 고관절 외골격은 높은 공칭 토크와 높은 제어 대역폭을 가지면서 높은 역주행이 가능하고 3.4kg의 가벼운 무게를 가졌다.
케이블 기반 구동 방식을 사용하는 웨어러블 로봇을 구동하는 데 있어, 기존의 로봇들은 일반 모터에 케이블을 감을 풀리를 연결하여 구동하여 시스템의 부피가 커지고, 무게가 무거워지는 단점이 있다.
종래특허 1(인간 모션과의 보조를 위한 소프트 엑소슈트, 출원번호 10-2015-7036910)은 일반 모터에 풀리를 연결하고, 해당 풀리를 통해 케이블을 구동한. 이를 위해 모터 외에도 추가적인 베어링, 케이스 등이 필요하게 되고, 부피가 커져 몸 밖으로 많이 돌출되어 사용에 불편을 야기하게 된다.
종래특허 2(보조 가요성 수트들, 가요성 수트 시스템들, 및 사람의 이동을 돕기 위해 이들을 만들고 제어하는 방법들, 출원번호 10-2016-0098354)도 종래특허1과 마찬가지로, 전용 구동기가 아닌, 일반 모터에 풀리를 연결하여 사용하기에 부피가 커지고 돌출되게 되어 사용에 불편을 야기한다.
종래특허 1과 2는 케이블 구동 시스템에서 케이블의 구동을 위해 풀리를 설계가 최적화되지 않은 일반 모터에 장착하여 사용하여 부피가 크게 증가하게 된다. 따라서 케이블 구동 시스템을 위해 설계된, 풀리를 내장하여 추가적인 부품이 필요 없는 구동기가 필요하다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 풀리가 일체화 되어, 케이블 구동 방식을 위해 설계된 구동기로 웨어러블 로봇을 만드는 데 사용하여 기존 시스템보다 부피가 작고 가벼운 로봇을 만들 수 있는, 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 모터에 케이블 구동에 필요한 풀리 및 베어링을 일체형으로 탑재한 케이블 구동 전용 구동기로서, 디자인의 최적화에 의해 기존 케이블 구동 시스템 대비 부피가 대폭 감소했고, 이를 사용하여 웨어러블 로봇 설계 시 몸에서 돌출되는 정도를 크게 감소시켜 사용을 보다 편하게 할 수 있는, 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 모터에 풀리를 부착하여 사용하던 케이블 구동 방식에 비해 더 작은 부피와 무게를 가지며 이를 활용한 웨어러블 로봇 제작 시 몸에서 돌출하는 양과 무게가 적어 사용성이 증대되며 또한, 웨어러블 로봇이 아닌 다른 케이블 구동 방식 메커니즘에도 활용이 가능한, 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 제1목적은 케이블을 구동하기 위한 액추에이터로서, 베이스 모터; 하부 끝단부가 상기 모터 중심에 결합되어 모터 회전에 의해 축회전되며 썬기어가 구비되는 썬기어축; 각각이 썬기어에 맞물리는 복수의 플래닛 기어로 구성되는 플래닛 기어세트; 및 내면에 링기어가 형성되어 상기 플래닛 기어와 맞물리고, 외면에 케이블이 권취되는 풀리가 구비된 링기어 일체형 풀리;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 베이스 모터는 내륜회전타입의 프레임 리스 모터로서, 스테이터와 로터로 구성되고, 상기 썬기어축은 상기 로터 중심에 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 플래닛 기어세트는, 복수의 플래닛 기어가 맞물려 형성되는 내부공간에 상기 썬기어가 맞물려 상기 썬기어의 회전에 의해 각각이 맞물려 회전되고, 동시에 외측 테두리 측은 상기 링기어 일체형 풀리의 내면에 형성된 링기어와 맞물려 상기 링기어 일체형 풀리를 회전시키도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 링기어 일체형 풀리는, 관부와 플랜지부를 구비하며, 관부 내면에 링기어 형성되고, 플랜지부 외면 둘레를 따라 형성되어 케이블이 귄취되는 케이블 고정용 홈이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 링기어 일체형 풀리의 관부에 삽입되는 링기어용 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 상부 케이싱과, 하부케이싱, 중간케이싱을 통해 형성된 내부 공간에 상기 베이스 모터, 상기 썬기어축, 상기 플래닛 기어세트, 상기 링기어 일체형 풀리, 썬기어축 베어링이 장착되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 플래닛 기어축 각각을 상기 상부케이싱에 고정시키는 플래닛 기어축 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 로터 내부에 구비되는 엔코더를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 엔코더는 상기 로터 하면에 결합되는 마그네팅 링과, 상기 마그네팅 링을 통해 상기 로터의 회전속도를 측정하는 리딩헤드를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 하부케이싱은 케이블 교체를 용이하게 하기 위해 개별 탈부착이 가능하도록 구성되는 케이블 교체용 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 썬기어가 상기 플래닛 기어세트의 내측공간에 맞물리고, 링기어를 풀리와 일체형으로 하고, 상기 플래닛 기어세트를 상기 풀리 안쪽에 배치하여 부피를 최소화한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제1목적에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기의 작동방법에 있어서, 베이스 모터의 로터가 회전되는 단계; 상기 로터 중심축에 결합된 썬기어축이 회전되어, 썬기어와 맞물린 플래닛 기어 각각이 회전되는 단계; 및 플래닛 기어 회전에 의해 링기어 일체형 풀리가 회전되어, 링기어 일체형 풀리에 귄취된 케이블이 구동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법에 따르면, 풀리가 일체화 되어, 케이블 구동 방식을 위해 설계된 구동기로 웨어러블 로봇을 만드는 데 사용하여 기존 시스템보다 부피가 작고 가벼운 로봇을 만들 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법에 따르면, 모터에 케이블 구동에 필요한 풀리 및 베어링을 일체형으로 탑재한 케이블 구동 전용 구동기로서, 디자인의 최적화에 의해 기존 케이블 구동 시스템 대비 부피가 대폭 감소했고, 이를 사용하여 웨어러블 로봇 설계 시 몸에서 돌출되는 정도를 크게 감소시켜 사용을 보다 편하게 할 수 있는 효과를 갖는다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법에 따르면, 기존의 모터에 풀리를 부착하여 사용하던 케이블 구동 방식에 비해 더 작은 부피와 무게를 가지며 이를 활용한 웨어러블 로봇 제작 시 몸에서 돌출하는 양과 무게가 적어 사용성이 증대되며 또한, 웨어러블 로봇이 아닌 다른 케이블 구동 방식 메커니즘에도 활용이 가능한 장점이 있다.
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 약 7cm 돌출된 Harvard 엑소슈트(HE)의 측면도,
도 2는 도 1의 엑소슈트에 적용되는 작동시스템,
도 3은 비교를 위해 선택된 설계 변수 및 조합(설계 개념은 횡단면도와 함께 표시되며 회색은 고정 부품을 나타낸다. 마찬가지로 주황색은 고정자, 파란색은 회전자와 감속 단계의 입력, 빨간색은 풀리가 있는 감속 단계의 출력, 녹색은 유성 기어용이다. 썬기어와 링기어는 각각 가장 안쪽기어와 바깥기어이고, 유성캐리어는 그 사이의 중간기어이다. 기어는 세로 줄무늬로 표시하고 베어링은 X로 표시한다.)
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기의 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기의 분해 사시도,
도 7은 PEQDD의 정상 상태 성능을 측정하기 위한 Dynamometer 테스트베드 설정, 도 8은 정상 상태에서 PEQDD의 에너지 효율 맵(빨간색으로 표시된 영역은 작동 범위를 벗어났다.),
도 9는 PEQDD와 Maxon 모터 간의 제어 대역폭 테스트 결과,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 케이블 교체과정의 순서도,
도 9는 힙 익스텐션 엑소슈트의 작동 팩 비교사진으로, 도 11은 하버드 대학에서 디자인한 엑소슈트, 도 12는 본 발명의 실시예에 따라 실제 제작한 PEQDD 액추에이터를 기반으로 하는 개선된 엑소슈트,
도 10은 힙 익스텐션 엑소슈트에 구현된 PEQDD의 예비 테스트 결과로서, 도 13은 힘 프로파일: 보행 상태, 도 14는 힘 프로필: 러닝 상태이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법에 대해 설명하도록 한다.
본원발명의 발명자는 엑소수트의 작동 시스템을 고반응성으로 만드는 동시에 가볍고 컴팩트하게 만들기 위해 QDD를 기반으로 하는 새로운 케이블 구동 작동 장치를 개발했다. 엑소수트용 맞춤형 액추에이터를 설계하기 위해 먼저 HE 사양을 기반으로 새 액추에이터의 설계 요구 사항을 설정했다. 다음으로, 여러 설계 개념을 평가하고 비교하여 케이블 구동식 액추에이터의 최적 설계를 선택했다. 설계 제약 조건에 따라 선택되거나 기계적 해석을 통해 설계된 부품을 사용하여 가볍고 컴팩트한 케이블 구동 액추에이터를 제작했다.
그리고 동력계를 이용하여 액추에이터의 특성을 분석하였다. 후에 설명되는 바와 같이, 액추에이터의 제어 대역폭을 측정하여 HE에 사용된 원래 모터와 비교하여 향상된 성능을 보였다. 마지막으로 본 발명에서 제안한 액추에이터를 활용한 엑소슈트를 이용하여 걷기와 달리기에 대한 예비 테스트를 수행하여 실제 사용시 액츄에이터의 성능을 평가하였다.
먼저, HE의 사양을 기반으로 새로운 액추에이터에 대한 설계 요구 사항이 선택되었다. 선택된 매개변수는 출력 토크와 속도, 액추에이터의 무게 및 부피이다.
액추에이터의 요구 토크는 사용자의 신체에 300N의 힘을 가하도록 설계된 HE의 최대 보조력을 기반으로 설정되었다. 40mm 반경의 풀리가 HE에 사용되었으며 케이블에 300N의 힘을 생성하기 위해 액츄에이터에서 이상적으로는 12Nm 이상의 토크가 필요하다. HE에서 사용되는 케이블 구동 시스템은 고정 케이블 외피 내부에 배치된 보우덴 케이블을 사용하고 케이블을 당기면 외피 내부로 케이블이 미끄러진다. 시스와 케이블 사이의 마찰로 인한 에너지 손실로 인해 시스템의 효율성이 감소한다. 케이블-시스 시스템의 효율성은 케이블 시스의 굽힘각도에 의해 결정되는 이하의 수학식 1의 형태이다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000001
이전 경험에 따르면 덮개의 굽힘 각도는 거의 30°를 초과하지 않는다. 따라서 따라서 수학식 1을 기반으로 케이블의 효율 ηcable을 약 90%로 가정했다. 40mm 반경의 풀리와 케이블에서 90%의 효율성을 고려하여 풀리의 요구 토크는 13.3Nm로 설정되어 힘 요구 사항과 일치했다.
액추에이터의 속도 요구 사항은 원래 HE에 사용된 모터 사양을 기반으로 설정되었다. 엑소수트는 200W BLDC 모터(EC-4pole 30, Maxon)를 사용하며 감속 후 공칭 속도는 313rpm인 51:1 기어 감속(Planetary Gearhead GP 32 HP 326664)이다. 새로운 액추에이터 풀리의 회전 속도는 새로운 액추에이터가 원래 모터와 같거나 더 넓은 작동 범위를 가질 수 있도록 최소한 이 속도로 설정되었다.
새로운 액추에이터는 전체 액추에이션 시스템으로 작동하기 때문에 액츠에이터의 무게와 부피 요구 사항은 HE의 액추에이션 시스템과 비교하여 설정되었. HE의 한쪽 면에 대한 작동 시스템의 무게는 753g이고 부피는 270cm3이다. 시스템을 더 가볍고 컴팩트하게 만들기 위해 액츠에이터의 목표 중량과 부피는 각각 640g 및 230cm3인 원래 작동 시스템 값의 85%로 설정되었다. 케이싱 내부에 은폐된 공간은 사용할 수 없으므로 시스템의 은폐된 공간을 포함하여 부피를 측정했다.
액추에이터 설계에 중요한 또 다른 요소는 액추에이터의 모양이다. HE의 기존 시스템에 비해 새로운 액추에이터의 부피가 적더라도 같은 수준의 압출은 의미가 없다. 새로운 액추에이터를 사용하는 엑소수트의 새로운 폼 팩터를 설계할 때 실린더의 평평한 면이 착용자의 뒤쪽에 닿도록 액추에이터를 배치할 계획이었다. 새로운 액추에이터의 모양은 QDD 액추에이터를 사용하여 설계 이점을 극대화하기 위해 평평하고 넓은 실린더로 선택되었다. 이렇게 하면 실린더의 높이가 압출의 주요 원인이 되었다. HE가 몸체에서 약 7cm 돌출된 것을 고려하여 기존 높이에 비해 50% 감소된 높이인 3.5cm 미만으로 새로운 액추에이터를 설계하는 것을 목표로 했습다. 각 매개변수에 대해 설정된 설계 요구 사항은 표 1에 나와 있다.
[표 1] 액추에이터에 대한 설계 요구 사항
Figure PCTKR2022006065-appb-I000002
본 발명의 실시예에서는 QDD형 액추에이터의 장점을 극대화한 새로운 엑소슈트용 액츄에이터를 설계하기 위해 QDD 기반 케이블 구동 액츄에이터의 여러 설계 개념을 평가했다. 세 가지 중요한 구성 요소의 유형과 위치를 변경하여 디자인 개념을 만들었다. 기본 모터, 감속 단계 및 풀리. 액츄에이터를 평평한 실린더 모양으로 유지하면서 요구 사항을 잠재적으로 충족할 수 있는 설계만 고려되었다. 따라서 감속 단계는 단일 단계 유성 기어 세트의 형태로 고려되었다. 각 구성 요소에 대한 가능한 설계 조합을 탐색한 후 도 3과 같이 세 가지 설계 개념을 선택하고 비교 평가하여 액추에이터에 대한 최적의 설계를 선택했다.
도 3은 비교를 위해 선택된 설계 변수 및 조합(설계 개념은 횡단면도와 함께 표시되며 회색은 고정 부품을 나타낸다. 마찬가지로 주황색은 고정자, 파란색은 회전자와 감속 단계의 입력, 빨간색은 풀리가 있는 감속 단계의 출력, 녹색은 유성 기어용이다. 썬기어와 링기어는 각각 가장 안쪽기어와 바깥기어이고, 유성캐리어는 그 사이의 중간기어이다. 기어는 세로 줄무늬로 표시하고 베어링은 X로 표시하였다.)이다.
설계 개념 간의 공정한 비교를 위해 풀리 직경과 링 기어 크기를 동일하게 설정하고 모든 개념에 대해 모터의 정격 출력을 유사하게 설정했다. 이후, 모터, 기어 세트, 각 구성 요소의 위치는 각 개념에 대해 최적으로 결정되었다. 풀리의 직경은 80mm로 고정되었다. 이 풀리 직경보다 작은 직경을 가진 모터만 고려했다. 모터의 두께는 참고로 정격 출력이 유사한 상용 모터를 사용하여 설정했다. 액추에이터의 직경을 최소화하기 위해 풀리 직경 내부에 설계할 수 있는 유성 기어 세트만 고려했다. 각 설계의 예상 중량, 높이, 감속비를 평가 변수로 사용하였다.
디자인 A의 경우 썬기어가 입력으로 작동하고 플래닛 캐리어가 감속 단계의 출력으로 작동한다. 썬기어는 입력기어이므로 인러너형 모터를 선택하였다. 이 디자인은 케이싱 내부에 모터, 감속 단계 및 풀리의 세 가지 레이어가 있다. 풀리에 연결하려면 플래닛 캐리어가 풀리 방향으로 환원층 바깥쪽으로 확장되어야 한다. 풀리는 플래닛 캐리어가 모터 레이어 방향으로 확장될 수 없기 때문에 그 자체로 구조의 추가 레이어를 하나 더 차지해야 한다. 이 디자인은 풀리 층으로 인해 높이에 큰 이점이 없다. 게다가, 그 구조는 행성 운반체의 무게 때문에 상대적으로 무거울 것이다.
디자인 B는 링 기어를 입력으로 사용하고 플래닛 캐리어를 출력으로 사용한다. 링기어를 입력으로 사용하기 때문에 아웃러너 타입의 모터를 선택하였다. 디자인 B는 디자인 A와 같이 3개의 레이어로 구성되어 있으며, 이 디자인도 같은 이유로 풀리에 대해 별도의 레이어가 필요하다. 층이 분리되어 있기 때문에 이 디자인 역시 높이 측면에서 이점이 없다. 링기어용 플래닛 캐리어와 베어링이 무게를 더하게 되므로 디자인 A보다 무거워진다.
마지막으로 디자인 C는 입력으로 썬기어를 사용하고 출력으로 링 기어를 사용한다. 썬기어를 입력으로 하여 인러너 타입의 모터를 사용한다. 이 디자인에는 두 개의 레이어가 있다. 풀리가 모터 레이어와 겹치기 때문에 모터 레이어와 감속 레이어가 있다. 풀리는 링 기어에 부착되고 모터는 링 모양의 풀리 내부에 배치된다. 이 배치는 다른 디자인에 있는 풀리 층의 제거된 높이로 인해 액추에이터의 높이를 크게 줄인다. 플래닛 캐리어는 고정되어 있으므로 케이싱에서 샤프트 형태로 축소된다. 플래닛 캐리어의 축소된 형태는 디자인을 다른 디자인보다 가볍게 만든다.
감속 단계로 단일 플래닛 기어 세트만 사용하는 설계를 고려했기 때문에 토크 요구 사항도 모터 선택에서 지배적인 요소가 된다. 따라서 단일 플래닛 기어단에서 더 높은 기어비를 사용할 수 있는 설계가 바람직하다. 세 가지 설계 개념의 가능한 최대 기어비는 수학식 (2)-(4)를 사용하여 비교할 수 있다. 방정식은 감속 단계에서 입력과 출력의 각 조합에 대한 기어 감속비를 나타낸다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000003
[수학식 3]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000004
[수학식 4]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000005
기어 감속비는 r로 표시되며 감속 단계 표기의 입력 및 출력은 아래 첨자이다. S, P 및 R은 각각 썬기어, 플래닛 캐리어 및 링 기어를 나타내며 입력은 분모, 출력은 분자이다. ZS, ZP, ZR은 각각 썬, 플래닛, 링기어의 톱니 수이다. 세 방정식의 오른쪽에 있는 분모와 분자를 비교하면 설계 A의 가능한 최대 기어비가 ZR 및 ZS 값에 대해 가장 높고 디자인 C와 B가 그 뒤를 잇는다는 것을 알 수 있다.
전반적으로 디자인 C는 액추에이터 높이와 무게에서 최고의 속성을 가지고 있으며 감속비에서는 두 번째로 좋다. 디자인 A, B보다 높이가 낮을 것으로 예상된다. 또한 디자인 C의 기어비는 ZS이 작아질수록 디자인 A의 기어비에 가깝게 증가g한다. 이러한 비교에서 디자인 C가 새로운 액추에이터에 대한 최적의 디자인으로 선택되었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기(100)의 구성을 상세하게 설명하도록 한다. 액추에이터를 설계하기 위해 설계 요구 사항을 충족할 수 있는 최적의 상용 제품을 검색한 후 모터 및 엔코더와 같은 구성 요소를 선택했다. 기어 및 샤프트와 같은 기타 구성 요소는 설계 요구 사항을 충족하면서 하중 조건을 견딜 수 있도록 맞춤 설계되었다. 액추에이터의 구성 요소는 중요도에 따라 설계되었다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기의 사시도를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기의 단면도, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기는, 베이스 모터, 하부 끝단부가 상기 모터 중심에 결합되어 모터 회전에 의해 축회전되며 썬기어(8-1)가 구비되는 썬기어축(8), 각각이 썬기어(8-1)에 맞물리는 복수의 플래닛 기어(5)로 구성되는 플래닛 기어세트, 내면에 링기어가 형성되어 플래닛 기어(5)와 맞물리고, 외면에 케이블이 권취되는 풀리가 구비된 링기어 일체형 풀리(4)를 포함하고 있다.
베이스 모터는 내륜회전타입의 프레임 리스 모터로서, 스테이터(10)와 로터(9)로 구성되고, 썬기어축(8)은 로터(9) 중심에 결합된다.
플래닛 기어세트는, 복수의 플래닛 기어(5)가 맞물려 형성되는 내부공간에 썬기어(8-1)가 맞물려 썬기어(8-1)의 회전에 의해 각각이 맞물려 회전되고, 동시에 외측 테두리 측은 링기어 일체형 풀리(4)의 내면에 형성된 링기어와 맞물려 링기어 일체형 풀리(4)를 회전시키도록 구성된다.
링기어 일체형 풀리(4)는, 관부(4-1)와 플랜지부(4-2)를 구비하며, 관부(4-1) 내면에 링기어 형성되고, 플랜지부(4-2) 외면 둘레를 따라 형성되어 케이블이 귄취되는 케이블 고정용 홈(4-3)이 구비된다.
링기어용 베어링(3)은 링기어 일체형 풀리(4)의 관부(4-1)에 삽입, 장착된다.
상부 케이싱(1)과, 하부케이싱(14), 중간케이싱(11)을 통해 형성된 내부 공간에 베이스 모터, 썬기어축(8), 플래닛 기어세트, 링기어 일체형 풀리(4), 썬기어축 베어링(3)이 장착된다.
또한 플래닛 기어(5)축 각각을 상부케이싱(1)에 고정시키는 플래닛 기어축 고정부(7)를 포함하며, 엔코더는 로터 내부에 구비되어 부피를 최소화한다.
엔코더는 로터(9) 하면에 결합되는 마그네팅 링(12)과, 마그네팅 링(12)을 통해 로터의 회전속도를 측정하는 리딩헤드(13)를 포함한다.
또한 하부케이싱(14)은 케이블 교체를 용이하게 하기 위해 개별 탈부착이 가능하도록 구성되는 케이블 교체용 케이싱(15)을 포함한다.
썬기어(8-1)가 플래닛 기어세트의 내측공간에 맞물리고, 링기어를 풀리와 일체형으로 하고, 플래닛 기어세트를 풀리 안쪽에 배치하여 부피를 최소화한다.
앞서 언급한 바와 같이, 디자인 C는 프레임리스 인러너형 모터를 사용한다. 액추에이터의 설계 요구 사항을 기반으로 기본 모터의 무게, 크기 및 성능에 대한 요구 사항을 설정했다. 구성 요소의 예상 중량을 확인하기 위해 액추에이터의 실제 설계에 대한 예비 초안을 작성했다. 모터를 제외한 구성품의 총 중량은 약 440g으로 가정하였다. 640g인 전체 액추에이터의 무게 요구 사항을 충족하려면 모터의 무게가 200g 미만이어야 한다. 풀리의 중앙에 모터를 배치하기 위해서는 풀리의 크기에 따라 모터의 외경이 결정된다. 상세 설계를 위해 풀리에는 Bowden 케이블의 끝을 포함할 소켓이 있어야 한다. 이를 위해 풀리의 내경은 65mm가 되어야 하며, 모터의 외경은 이 값을 초과하지 않아야 한다.
액추에이터 높이가 증가하는 것을 방지하기 위해 모터의 중공 회전자 내부에 배치할 수 있는 자기 링(MR 시리즈, RLS, 슬로베니아)이 있는 증분형 자기 인코더 장치(RLB 시리즈, RLS, 슬로베니아)를 선택했다. 엔코더와 마그네틱 링(13)의 형상을 고려하여 로터(9)의 내경은 24mm 이상이 되어야 엔코더를 장착할 수 있다. 액추에이터 높이의 설계 요구 사항은 35mm이다. 감속단층의 높이와 케이싱으로부터의 높이 증가를 고려하여 전동기의 높이는 27mm를 넘지 않도록 한다. 또한 인코더를 내부에 배치하려면 로터(9)의 높이가 15mm 이상이어야 한다.
감소를 1단으로 하기 때문에 상세설계에서 감소율을 10:1 이상으로 하기가 어렵다. 따라서 풀리에서 요구되는 토크는 13.3Nm이므로 모터의 피크 토크는 1.33Nm보다 커야 한다. 또한 모터의 속도는 313RPM의 속도 요구 사항을 충족하기 위해 3130RPM보다 커야 한다. HE에 사용된 액츠에이션 시스템의 정격 토크인 4.76Nm을 기준으로 요구되는 정격 토크는 0.476Nm로 설정하였다. 모터의 전체 설계 요구 사항은 표 2에 나와 있다.
[표 2] 모터의 설계 요구 사항
Figure PCTKR2022006065-appb-I000006
4개 제조사(중국 T-MOTOR, 미국 Allied Motion, 미국 Celera MOTION, 독일 WITTENSTEIN)의 모터를 비교했다. 각 모터의 사양과 요구 사항 충족 여부는 표 3에 나와 있습니다. 비교된 모든 모터 중 T-MOTOR의 RI60 KV120이 기본 모터로 선택되었다.
[표 3] 상업적으로 이용 가능한 최적으로 선택된 프레임리스 모터 목록
Figure PCTKR2022006065-appb-I000007
(모터의 선택 제약 조건을 벗어난 값은 검은색으로 표시됨(O.D: 외경, I.D: 내경, H: 높이))
입력으로 썬기어를 사용하고 출력으로 링기어를 사용하는 선택된 설계 개념의 플래닛 기어 세트는 액추에이터의 원하는 토크 요구 사항에 맞게 설계되니다. 선택한 모터의 피크 토크는 1.63Nm이며, 액추에이터 13.3Nm의 토크 요구 사항을 충족하려면 8.16:1 이상의 기어 감속이 필요하다.
플래닛 기어의 감속비는 수학식 4에서 계산할 수 있으며, 여기서 빼기 기호는 입력과 출력 사이의 방향 변화를 나타낸다. 플래닛 기어 세트의 각 기어 톱니 수에 대한 기본 방정식은 수학식 5 내지 7이다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000008
[수학식 6]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000009
[수학식 7]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000010
여기서 N는 플래닛 기어의 수이다.
수학식 4에서, Zs를 최소화하여 감속비를 최대화해야 한다. 본 발명의 실시예에서는 Zs를 14로 설정했다(압력각 20°에서 언더컷을 방지할 수 있는 최소 톱니 수이다). 기어 감소 요구 사항을 충족하려면 ZR은 114보다 커야 합니다. 또한 ZR은 130보다 작아야 직경이 풀리의 내경보다 작아야 한다(65mm, 안정적인 주행을 위한 0.5 기어 모듈 포함). 견고한 구조를 가지면서 모든 제약 조건을 만족하는 ZR의 값을 118로 선택했다. ZS 및 ZR 세트를 사용하여 수학식 6과 7은 N은 2 또는 3일 때만 만족할 수 있다. 플래닛 축과 기어의 하중조건을 최소화하기 위해 N를 3으로 설정하였다.
설계된 플래닛 기어 세트의 감속비는 8.428:1입니다. 기어비로 계산한 정격토크, 피크토크, 속도는 각각 4.8Nm, 13.74Nm, 664RPM으로 설계조건을 만족하였다. 각 기어에 대한 구체적인 설계 과정은 CAD(Inventor 2022, Autodesk, USA)를 이용하여 수행하였다. 액츠에이터의 높이를 최소화하기 위해 기어 폭을 최소화하면서 재료 특성에 따른 기계적 고장을 방지하도록 기어 세트를 설계하였기 때문에 폭 4mm의 기어를 사용하였다. 표 4는 감소 단계의 사양을 제시한다.
[표 4] 플래닛 기어 세트 사양
Figure PCTKR2022006065-appb-I000011
또한 기계적 결함을 방지하기 위해 썬 및 플래닛 기어의 샤프트를 강도 및 강성 관점에서 분석했다. 썬기어와 샤프트가 일체로 설계되었기 때문에 썬기어와 마찬가지로 썬기어 샤프트의 재질로 SCM415를 사용하였다. 플래닛 기어축은 케이싱과 직접 결합되도록 설계되어 액추에이터의 전체 중량을 줄이기 위해 Al7075-T6을 사용하였다.
재료 강도 측면에서 최소 허용 샤프트 직경을 계산할 때 극한의 하중 조건을 고려하여 안전 계수 3을 사용했다. 썬기어축은 키 삽입용 노치의 영향으로 해석하였고, 플래닛 기어축은 연질재질(Al7075-T6)의 특성을 고려하였다. 필요한 샤프트 직경은 수학식 8 내지 9를 사용하여 계산되었다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000012
[수학식 9]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000013
위의 식에서 σ와 τ는 재료의 인장 및 전단강도, M는 굽힘응력, T는 토크, Kf과 Kfs는 굽힘과 비틀림에 대한 피로응력-집중계수이다. 썬기어 축의 경우 4.43의 Kfs 값을 사용하여 수학식 9에서 최소 요구 직경 4.7mm를 얻었다. 플래닛 기어축에는 노치가 없기 때문에 식에서 필요한 유성기어축 직경 5.27mm를 얻기 위해 1의 값을 사용했다. 따라서 선기어축과 플래닛기어축은 각각 최소허용축경을 만족할 수 있는 직경 5mm와 6mm를 사용하였다.
베어링 선택은 액추에이터의 구동 안정성에 가장 큰 영향을 미친다. 베어링 내경과 샤프트 외경 사이의 간극을 최소화하면 작동 중 소음 및 진동을 최소화할 수 있다. 사용자와 직접 접촉하는 엑소슈트용 액추에이터를 설계하고 있기 때문에 액추에이터의 소음과 진동을 줄이는 것이 중요하다. 따라서 각 회전 부품의 구동 조건을 고려하여 최고 등급의 베어링을 선택했다.
로터와 직결되는 썬기어 축은 로터와 스테이터 사이에 일정한 간격을 두고 있다. 따라서 ABEC5 등급(7804K129, McMaster-Carr, USA)의 베어링이 썬기어 축의 양쪽 끝에 사용되었다. 플래닛 기어는 축의 길이가 썬기어 축보다 짧고 플래닛 기어의 속도가 썬기어보다 느린 점을 고려하여 ABEC3 등급(57155K587, McMaster-Carr, USA)의 베어링을 사용하였다. ABEC0 등급(6813ZZ, NSK, Japan)의 베어링이 다른 부품보다 지지 면적이 가장 큰 링 기어 및 풀리에 사용되었다.
본 발명의 실시예에서는 앞서 언급한 풀리 일체형 케이블 구동기의 프로토타입을 제작하였고 이에 대한 성능을 평가하였다.
즉, 앞서 언급한 선정된 부품을 이용하여 도 4 내지 도 6과 같이 풀리 일체형 QDD 액추에이터(PEQDD)를 제작하였다. 액추에이터의 직경, 두께, 부피 및 질량은 각각 93mm, 31.5mm, 203cm3, 590g이었다.
풀리와 링기어는 하나의 부품으로 일체화되었고, 이 부품을 지지하는 베어링(3)은 플래닛 기어단의 바깥쪽에 위치한다. 전체 액추에이터를 분해하지 않고 Bowden 케이블을 효율적으로 교체하기 위해 하부 케이싱(14)의 일부가 쉽게 분리되도록 설계되었다(케이블 교체용 케이싱(15)). 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 케이블 교체과정의 순서도를 도시한 것이다. 플래닛 기어를 고정하고 하중을 받는 상태에서 플래닛 기어 샤프트의 변형을 줄이기 위해 샤프트를 고정할 수 있는 부품이 추가되었다. 썬기어와 플래닛기어에 질화처리를 하여 기어의 표면경도를 높이고 케이싱을 아노다이징 처리하여 녹이 슬지 않도록 하였다.
액추에이터를 개발하는 과정에서 다양한 조건에서 성능 테스트가 필요하다. 이 정보가 없으면 액추에이터는 다양한 조건에서 특정 요구 사항을 충족해야 하는 제품을 설계하는 데 신뢰할 수 없다. 또한, 액추에이터의 효율성을 알지 못하면 비효율적인 사용으로 이어질 수 있다. 실험을 통해 PEQDD 액츄에이터의 성능과 특성을 평가하였다. 또한, PEQDD 작동이 있는 엑소슈트를 제작하여 작동기를 HE의 작동 시스템과 예비 비교했다.
A. 성능 평가: 정상 - 상태 조건
정상 상태 성능의 대표적인 매개변수는 토크, 속도 및 에너지 효율이다. 효율은 액추에이터의 중요한 특성 중 하나이며 기계적 에너지 출력과 전기적 에너지 입력 간의 비율로 정의된다. 다양한 속도와 부하 조건에서 효율성을 테스트하면 액츄에이터의 견고성을 보여줄 수 있다. PEQDD의 정상 상태 성능은 도 7 및 도 8에 설명된 설정을 사용하여 동력계로 측정되었다. 도 7은 PEQDD의 정상 상태 성능을 측정하기 위한 Dynamometer 테스트베드 설정, 도 8은 정상 상태에서 PEQDD의 에너지 효율 맵(빨간색으로 표시된 영역은 작동 범위를 벗어났다.)이다.
시험에 사용된 동력계는 토크와 회전속도를 측정하기 위한 회전식 토크센서(M425, datum, UK)와 액츠에이터에 일정한 하중을 가할 수 있는 히스테리시스 브레이크(AHB-24, Valid Magnetics, Hong Kong)로 구성되었다. 본 발명의 실시예에서는 전자 속도 컨트롤러(ESC; FLAME 100A 14S, T-MOTOR, 중국)와 함께 스위칭 모드 전원 공급 장치(SE-1500-48, MEANWELL, 대만)를 사용하여 액추에이터에 전원을 공급했다. 액츠에이터에 공급되는 입력 전력을 측정하기 위해 ESC와 액츄에이터 사이에 전력 분석기(WT-1804e, Yokogawa Electric, Japan)를 배치하였다. 풀리가 모터 방향을 향하여 아래쪽을 향하는 액추에이터의 설계가 동력계와 연결하기에 적합하지 않아 도 7과 같이 액추에이터의 구성을 수정하였다. 기어 전달의 구성 요소를 변경하지 않고 풀리의 방향을 반대로 하여 풀리가 위쪽을 향하도록 배치했다. 플래닛 기어를 제자리에 고정하는 상부 케이싱(1)은 감속 단계 아래로 재배치되었으며 추가 부품은 풀리를 동력계에 연결하는 데 사용되었다.
시험 조건은 모터의 입력 전압과 브레이크로부터 액추에이터에 작용하는 부하를 변화시켰다. 입력 전압은 조건 사이에 3V의 간격으로 18V에서 48V까지 주어졌다. 각 전압 조건에 대해 히스테리시스 브레이크를 사용하여 전압을 일정하게 유지하면서 풀리에 토크를 가했다. 무부하 조건에서 시작하여 각 전압 조건에서 스톨 지점 또는 모터 온도가 150℃를 초과하는 지점까지 토크를 증가시켰다. 이 지점 이상의 온도는 모터에 영구적인 손상을 일으킬 수 있다. 이 지점 이상의 부하 조건은 테스트되지 않았으며 정상 작동 범위를 벗어난 조건으로 간주된다. 히스테리시스 브레이크에서 발생하는 토크의 양은 브레이크의 입력 전류로 제어되었으며, 각 조건에 대해 25mA 간격으로 주어졌다. 각 조건에 대해 모터의 온도는 테스트를 시작하기 전에 25℃ 이하로 냉각되었다.
각 조건에 대한 효율은 하중을 가한 후 5초간 데이터를 획득하여 수학식 10 ~ 12에서 계산되었다.
[수학식 10]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000014
[수학식 11]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000015
[수학식 12]
Figure PCTKR2022006065-appb-I000016
PIn 및 POut는 입력 전력 및 출력 기계적 전력을 나타낸다. PIn 입력된 전압(V)과 전류(I)로부터 계산되었으며, 전력분석기에서 측정되었다. 토크 센서에서 획득한 인가 토크 및 액추에이터 속도 데이터 T 및 ω를 사용하여 POut을 계산했다.
도 8은 테스트 지점에서 가져온 액추에이터의 효율 맵을 보여준다. MATLAB(R2021b, Mathworks, USA)을 사용하여 데이터를 분석하고, 전력 분석기와 토크 센서에서 얻은 데이터에 차단 주파수가 1Hz인 저역 통과 필터를 사용했다. 윈도우 크기가 100인 추가 중앙값 필터가 계산된 효율성에 적용되어 남은 노이즈를 제거하여 정상 상태 결과를 더 잘 보여준다. 맵은 모든 테스트 조건에서 정규화된 데이터를 사용하여 자연 이웃 보간법으로 그려졌다.
도 6(b)에서 파란색 점선과 빨간색 점선으로 표시된 점은 입력 전압이 각각 18V 및 48V인 조건의 데이터이다. 테스트 결과 PEQDD 액추에이터의 효율은 0~0.605 범위에 있으며 입력 전압이 증가할수록 효율이 증가한다. 특정 작동 속도의 경우 부하가 무부하 상태에서 1.5Nm로 증가함에 따라 효율이 증가하다가 부하가 증가함에 따라 점차적으로 감소했다. 입력 전압에 관계없이 1.5Nm의 부하 조건에서 최대 효율을 달성했다. 기록된 최대 속도는 48V에서 580RPM이었다. 이러한 정상 상태 성능 분석을 통해 PEQDD의 설계에 전력 전송에 치명적인 결함이 없음을 확인했다.
B. 성능 평가: 대역폭 제어
본 발명의 실시예에 따른 엑소슈트용 컨트롤러는 위치 제어를 하위 컨트롤러로 사용하는 어드미턴스 제어 기반의 힘 제어를 활용했다. 즉, 위치 제어의 제어 대역폭 향상을 기반으로 어드미턴스 제어 및 힘 제어의 개선을 기대할 수 있다.
튜닝 프로그램(Elmo Application Studio II, Elmo Motion Control Ltd, Israel)과 모터 컨트롤러(Gold Solo Twitter R50/100, Elmo Motion Control Ltd, Israel)를 이용하여 PEQDD와 HE에 사용된 액추에이터의 제어 대역폭을 위치 폐쇄 루프 조건과 비교하였다. 튜닝 프로그램에 내장된 자동 식별 도구를 사용하여 무부하 조건에서 두 액추에이터에 100% 연속 전류를 적용했다. 0.1에서 100Hz 사이의 주파수를 사용하여 1회전 동안 풀리를 회전시키는 모션이 생성되었다. 도 9와 같이 PEQDD의 차단 주파수는 20Hz인 반면 Maxon은 6.25Hz였다. 차단 주파수의 증가를 통해 우리는 힘 제어기의 제어 가능성의 증가를 기대할 수 있다. 이러한 제어 성능의 증가는 작동 시스템과 인체 간의 힘 전달 지연을 더 잘 완화할 것이다.
C. 예비 테스트: 엑소슈트 구현
걷기, 달리기 등 실제 주행 조건에서 엑소슈트에 통합된 PEQDD의 성능을 평가하기 위해 사전 테스트를 진행했다. 테스트를 위해 도 12와 같이 PEQDD를 활용한 새로운 버전의 힙 엑소슈트를 개발했다.
PEQDD의 성능을 검증하기 위해 한 명의 건강한 남성(나이: 27세, 키: 1.76m, 체중: 69.4kg)을 대상으로 예비 테스트를 수행했다. 피험자는 각각 1.4m/s와 2.1m/s의 속도로 2분 동안 걷고 뛰었다. 시험은 예비 시험이었기 때문에 힘 프로파일 범위는 피험자와 작동 시스템의 안전을 위해 PEQDD의 최대 성능보다 낮은 200~250N 사이로 설정되었다. 하중 데이터는 로드셀(LSB205, Futek, USA)과 실시간 컨트롤러(CompactRio9040, National Instruments, USA)를 사용하여 1kHz에서 샘플링되었으며 20Hz 차단 주파수의 저역 통과 필터를 사용하여 필터링되었다.
도 13 및 도 14는 각각 걷기와 달리기 중 2분 측정 데이터 내에서 10보의 데이터를 보여준다. 도 10에서 보는 바와 같이 최대 힘은 목표 범위 내에서 대부분 안정하였다. 보행 중 왼쪽 다리와 오른쪽 다리의 최대 힘은 각각 232 ± 3.47, 235 ± 9.28 N(mean ± Standard Error of the Mean: SEM)이었고, 달리기 중 왼쪽 다리와 오른쪽 다리의 피크 힘은 215 ± 3.90 및 210 ± 2.98 N(평균 ± SEM)이다. 보행 중 일부 보폭의 경우 300N 이상의 간헐적인 최대 힘이 전달되었다. 이를 통해 PEQDD가 설계 요구 사항으로 설정된 300N 이상의 힘을 전달할 수 있음을 간접적으로 추론할 수 있다. 걷기 및 달리기 조건에서 풀리 회전의 최대 속도는 각각 301 RPM 및 341 RPM이었다.
본 발명의 실시예에 따른 PEQDD는 내장형 풀리가 있는 준직접 구동 구동에 기반한 새로운 구동기이다. 이러한 액추에이터는 첨단 HE의 케이블 구동 액추에이션 시스템에 비해 작고 가벼우며 제어 대역폭이 높다. 엑소슈트에 사용할 최적의 액추에이터 설계를 선택하기 위해 액추에이터에 대한 다양한 설계 개념을 평가했다. 제작된 PEQDD의 직경, 두께, 부피, 질량은 각각 93mm, 31.5mm, 203cm3, 590g이었다.
PEQDD의 성능은 다양한 실험을 통해 평가되었다. 동력계를 사용하여 정상 상태에서 PEQDD의 효율성을 평가했다. PEQDD의 최대 효율은 0.605였다. 위치 폐쇄 루프 조건에서 액추에이터의 제어 대역폭을 평가했다. PEQDD의 차단 주파수는 20Hz이고 Harvard 엑소슈트에 사용된 Maxon 모터의 차단 주파수는 6.25Hz였다. PEQDD를 활용한 힙 익스텐션 엑소수트를 착용하여 사전 테스트를 진행한 결과, PEQDD가 모든 설계 요구 사항을 충족하는 것으로 나타났다.

Claims (12)

  1. 케이블을 구동하기 위한 액추에이터로서,
    베이스 모터;
    하부 끝단부가 상기 모터 중심에 결합되어 모터 회전에 의해 축회전되며 썬기어가 구비되는 썬기어축;
    각각이 썬기어에 맞물리는 복수의 플래닛 기어로 구성되는 플래닛 기어세트; 및
    내면에 링기어가 형성되어 상기 플래닛 기어와 맞물리고, 외면에 케이블이 권취되는 풀리가 구비된 링기어 일체형 풀리;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스 모터는 내륜회전타입의 프레임 리스 모터로서, 스테이터와 로터로 구성되고, 상기 썬기어축은 상기 로터 중심에 결합되는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 플래닛 기어세트는, 복수의 플래닛 기어가 맞물려 형성되는 내부공간에 상기 썬기어가 맞물려 상기 썬기어의 회전에 의해 각각이 맞물려 회전되고, 동시에 외측 테두리 측은 상기 링기어 일체형 풀리의 내면에 형성된 링기어와 맞물려 상기 링기어 일체형 풀리를 회전시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 링기어 일체형 풀리는, 관부와 플랜지부를 구비하며, 관부 내면에 링기어 형성되고, 플랜지부 외면 둘레를 따라 형성되어 케이블이 귄취되는 케이블 고정용 홈이 구비되는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 링기어 일체형 풀리의 관부에 삽입되는 링기어용 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 상부 케이싱과, 하부케이싱, 중간케이싱을 통해 형성된 내부 공간에 상기 베이스 모터, 상기 썬기어축, 상기 플래닛 기어세트, 상기 링기어 일체형 풀리, 썬기어축 베어링이 장착되는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 플래닛 기어축 각각을 상기 상부케이싱에 고정시키는 플래닛 기어축 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 로터 내부에 구비되는 엔코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  9. 제 9항에 있어서,
    상기 엔코더는 상기 로터 하면에 결합되는 마그네팅 링과, 상기 마그네팅 링을 통해 상기 로터의 회전속도를 측정하는 리딩헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 하부케이싱은 케이블 교체를 용이하게 하기 위해 개별 탈부착이 가능하도록 구성되는 케이블 교체용 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 썬기어가 상기 플래닛 기어세트의 내측공간에 맞물리고, 링기어를 풀리와 일체형으로 하고, 상기 플래닛 기어세트를 상기 풀리 안쪽에 배치하여 부피를 최소화한 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기.
  12. 제1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 풀리 일체형 케이블 구동기의 작동방법에 있어서,
    베이스 모터의 로터가 회전되는 단계;
    상기 로터 중심축에 결합된 썬기어축이 회전되어, 썬기어와 맞물린 플래닛 기어 각각이 회전되는 단계; 및
    플래닛 기어 회전에 의해 링기어 일체형 풀리가 회전되어, 링기어 일체형 풀리에 귄취된 케이블이 구동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풀리 일체형 케이블 구동기의 작동방법.
PCT/KR2022/006065 2022-03-29 2022-04-28 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법 WO2023191178A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2022-0038875 2022-03-29
KR1020220038875A KR20230140644A (ko) 2022-03-29 2022-03-29 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023191178A1 true WO2023191178A1 (ko) 2023-10-05

Family

ID=88202957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2022/006065 WO2023191178A1 (ko) 2022-03-29 2022-04-28 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20230140644A (ko)
WO (1) WO2023191178A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100304838B1 (ko) * 1992-01-17 2001-11-30 데라우라 마꼬또 가속기용엑추에이터
JP2009065742A (ja) * 2007-09-04 2009-03-26 Denso Corp 電動モータ
KR20120106431A (ko) * 2011-03-18 2012-09-26 (주)리츠엔 감속기어장치
KR20170004392U (ko) * 2016-06-20 2017-12-28 대우조선해양 주식회사 액츄에이터
CN208316520U (zh) * 2018-05-29 2019-01-01 佛山市宇博机电有限公司 电梯门电机

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100077504A (ko) 2008-12-29 2010-07-08 삼성전자주식회사 로봇용 관절구동장치 및 이를 구비한 로봇
KR20160009835A (ko) 2014-07-17 2016-01-27 주식회사 엠쏘텍 평행광 라인 빔 생성을 위한 광학장치 및 방법
KR102151228B1 (ko) 2019-09-05 2020-09-02 엘아이지넥스원 주식회사 힘 분산형 착용로봇

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100304838B1 (ko) * 1992-01-17 2001-11-30 데라우라 마꼬또 가속기용엑추에이터
JP2009065742A (ja) * 2007-09-04 2009-03-26 Denso Corp 電動モータ
KR20120106431A (ko) * 2011-03-18 2012-09-26 (주)리츠엔 감속기어장치
KR20170004392U (ko) * 2016-06-20 2017-12-28 대우조선해양 주식회사 액츄에이터
CN208316520U (zh) * 2018-05-29 2019-01-01 佛山市宇博机电有限公司 电梯门电机

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230140644A (ko) 2023-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8638013B2 (en) Electromechanical device, actuator using the same, and motor
US8584548B2 (en) Robot arm assembly with harmonic drive
US10711848B2 (en) Electrostatic clutch and transmissions
Asada et al. Design of direct-drive mechanical arms
US8058823B2 (en) Actuator system with a multi-motor assembly for extending and flexing a joint
US20170201154A1 (en) Gear stabilization techniques
JP5540981B2 (ja) 多関節ロボット
WO2020057144A1 (zh) 一种基于扭转弹簧的自适应柔性手爪及机器人
US20120286629A1 (en) Modular rotational electric actuator
KR20050086773A (ko) 표준화 로터리 액튜에이터
CN1058307A (zh) 压电回转连接系统
WO2019045496A1 (ko) 시트쿠션 익스텐션 장치
WO2023191178A1 (ko) 풀리 일체형 케이블 구동기 및 그 작동방법
KR102403739B1 (ko) 케이블 풀러
WO2020226263A1 (ko) 전력 케이블 풀러 및 전력 케이블 풀러 시스템
CN112171684B (zh) 一种杆件夹持器
JP2008196566A (ja) ねじれ紐式アクチュエータ
KR20210022458A (ko) 전력 케이블 풀러
WO2020213919A2 (ko) 스테이터 코일 권선 장치
WO2014069696A1 (ko) 액츄에이터 어셈블리
WO2013062378A2 (ko) 벨트를 포함하는 분리형 엑츄에이터
TW201116742A (en) Rotation transmission mechanism, conveyor apparatus, and driving apparatus
WO2015188187A1 (en) Gear stabilization techniques
CN113286959A (zh) 紧凑型致动器布置
CN1202364C (zh) 用于水供暖/冷却和卫生系统的阀致动器

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22935853

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1