KR20220032314A

KR20220032314A - 착용로봇의 발목관절 시스템 및 발목관절 시스템이 적용된 착용로봇

Info

Publication number: KR20220032314A
Application number: KR1020200113945A
Authority: KR
Inventors: 조승운
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-03-15
Also published as: KR102394360B1

Abstract

발목의 근력을 보조하고 동시에 충격을 흡수할 수 있는 충격 흡수 및 밸런스 지지 메커니즘을 갖는 발목관절 시스템이 개시된다. 상기 발목관절 시스템은, 충격 흡수 메커니즘 및 밸런스 지지 메커니즘을 갖는 발목관절 시스템으로서, 피치(pitch) 자유도, 요 자유도, 및 롤 자유도 중 어느 하나이상으로 동작되는 착용 로봇의 발목관절 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

착용로봇의 발목관절 시스템 및 발목관절 시스템이 적용된 착용로봇{Angle joint assembly of Wearable robot}

본 발명은 착용 로봇 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 발목의 근력을 보조하고 동시에 충격을 흡수할 수 있는 착용로봇의 발목관절 시스템에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 인체 발목관절 시스템 동작을 모사하고, 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw)의 3자유도가 가능한 착용로봇의 발목관절 시스템에 대한 것이다.

인체에 착용한 상태에서 착용자의 운동의도에 따라 팔, 다리의 근력을 증폭시켜 인간의 물리적인 운동능력을 증대시키는 착용로봇에 대한 연구가 활발해지고 있다.

이러한 착용로봇은 착용자와 일체화되어 빠르고 자연스럽게 움직이도록 하기 위하여, 착용자와 로봇의 동기화 증대가 필요하다. 착용자와 로봇의 동기화 증대를 위해서 착용자의 운동의도 인식이 중요한 요소이다.

종래에는 착용로봇의 발목관절 자유도는 피치(pitch) 방향의 1자유도만 반영하거나, 피치(pitch) 방향에 롤(roll)이나 요(yaw) 방향의 자유도를 결합한 2자유도를 반영한 제한적인 설계로 구성되어 있어 사용자 편의성이 제한적이었다.

또한, 낮은 중량을 가지는 착용로봇은 기술적 한계로 의해 발목관절 부분은 액추에이터를 포함하는 능동관절(Active Joint)로 구현이 어렵다. 따라서, 일반적으로 수동관절(Passive joint)로 구현하거나 반 능동 관절( Half Active joint, 스프링 액추에이터)로 로봇의 벨런싱을 지지하게 만든다.

그런데, 발목관절을 수동 관절로 구현할 경우 보행 및 작업 시, 로봇의 중량이 포함된 발목관절 시스템의 부하를 오롯이 사용자의 근력으로만 버텨야 된다. 이 경우, 사람은 로봇의 중량을 함께 지지 해야 함으로써 쉽게 피로해진다.

따라서, 로봇의 개발 목표인 임무의 지속성 증대에 악영향을 줄 수 있다. 이를 위해 스프링등을 활용한 반능동 관절을 구현하기도 하지만 발목 부분의 메커니즘이 복잡해지고 이로인해 로봇의 하중이 증가하는 문제가 발생한다.

1. 한국등록특허번호 제10-2067221호(등록일자: 2020.01.10)

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 발목의 근력을 보조하고 동시에 충격을 흡수할 수 있는 충격 흡수 및 밸런스 지지 메커니즘을 갖는 착용로봇의 발목관절 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 인체 발목관절 시스템 동작을 모사하고, 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw)의 3자유도가 가능한 충격 흡수 및 밸런스 지지 메커니즘을 갖는 착용로봇의 발목관절 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 발목의 근력을 보조하고 동시에 충격을 흡수할 수 있는 충격 흡수 및 밸런스 지지 메커니즘을 갖는 발목 관절 시스템을 제공한다. 발목 관절 시스템은 발목관절을 지지하는 발판부; 상기 발판부의 일측 외주면으로부터 연장되는 바닥플레이트; 상기 바닥플레이트의 상면에 위치한 받침부; 상기 받침부로부터 수직방향으로 형성된 발목링크; 상기 발목링크의 아래에 위치한 발목조립부; 상기 발목링크와 상기 발목관절은 서로 평행하고 상기 발목링크 하부에서 롤링 방향으로 회전가능하도록 상기 받침부와 상기 발목링크를 힌지결합하는 롤링힌지; 상기 발목관절의 롤링 방향 회전에 대해 상기 롤링 방향 회전의 반대방향의 힘이 상기 받침부에 작용함으로서 상기 발목관절의 충격을 흡수하고 밸런스를 지지할 수 있다.

한편, 반대방향의 힘은 탄성부재에 의한 반발력이 작용하며, 상기 탄성부재는 발목조립부의 내측 슬라이더부 및 외측 슬라이더부에 수직방향으로 형성된 삽입홈 내에 각각 삽입될 수 있다.

한편, 발목조립부는 상기 롤링힌지가 관통되는 유니버셜부; 상기 유니버셜부의 상기 롤링힌지와 평행하면서, 일단이 상기 유니버셜부의 내측에 위치한 내측 지지봉 및 외측에 위치한 외측 지지봉; 상기 유니버셜부의 내측 지지봉 및 외측 지지봉에 각각 연결되어, 상기 내측 슬라이더부 및 외측 슬라이더부가 상하방향으로 서로 슬라이딩될 수 있다.

한편, 내측 슬라이더부의 내측 지지봉 및 상기 외측 슬라이더부의 외측 지지봉; 상기 유니버셜부의 내측 지지봉 및 상기 내측 슬라이더부의 내측 지지봉은 내측 슬라이더 링크; 상기 유니버셜부의 외측 지지봉 및 상기 내측 슬라이더부의 외측 지지봉은 외측 슬라이더 링크에 의해 각각 연결될 수 있다.

한편, 상기 내측 슬라이더부 및 외측 슬라이더부에는 상기 탄성부재의 상부를 덮어 상기 탄성부재가 상기 삽입홈에 안착되게 하는 덮개부; 상기 탄성부재는, 상기 내측 슬라이더부 전후방향으로 내측전방 스프링과 내측후방 스프링, 상기 외측 슬라이더부 전후방향으로 외측전방 스프링과 외측후방 스프링이 위치할 수 있다. 상기 내측전방 스프링과 내측후방 스프링; 및 상기 외측전방 스프링과 외측후방 스프링은 상호 일정거리 이상으로 이격설치될 수 있다.

또한, 착용로봇의 발목관절 시스템은 상기 내측 슬라이더부 및 상기 외측 슬라이더부의 상면은 동일 평면이고, 상기 내측 슬라이더부 및 상기 외측 슬라이더부의 하면은 서로 마주보고 대칭이며, 상기 내측 슬라이더부의 하면은 내측에서 외측으로, 상기 외측 슬라이더부의 하면은 외측에서 내측으로, 동일한 경사면을 포함하고, 상기 경사면은 상기 내측 슬라이더부와 상기 외측 슬라이더부 간의 중심면에 가까울수록 경사면의 각도가 커질 수 있다.

본 발명에 따르면, 착용후 보행 및 작업시, 지면으로부터 올라오는 충격에 대응하여 착용 편의성을 높여 준다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 로봇이 롤 방향으로 기울어질때, 밸런스를 유지하기 위해 사용되는 사용자의 발목 근력 사용량을 줄임으로써, 착용자의 피로도를 줄이고 이를 통해 작업의 지속성을 증대할 수 있다는 점을 들 수 있다. 특히, 롤 방향에 대해 롤링힌지의 작용으로 밸런스를 유지할 수 있을 뿐 아니라 충격을 흡수할 수 있어 보다 안정된 움직임을 취할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 두 가지의 기능이 복합적으로 구현되어 있음에도 불구하고 발목관절 메커니즘의 크기는 기존 로봇과 동일하게 구현함으로써 로봇의 중량이 늘어남을 방지하고 기존 디자인을 유지하는 이점을 얻을 수 있다는 점을 들 수 있다.

도 1은 본 발명의 발목관절 시스템의 사시도이다.
도 2는 발목관절 시스템을 일부 절개한 측면도이다.
도 3은 발목관절 시스템을 일부 절개한 정면도이다.
도 4는 발목관절 시스템의 피치(pitch) 자유도를 보여주는 도면이다.
도 5는 발목관절 시스템의 요(yaw) 자유도를 보여주는 도면이다.
도 6은 발목조립부의 분해 사시도이다.
도 7은 발목 링크는 정위치이고, 발목조립부에 회전이 있는 경우의 실시예이다.
도 8은 받침부는 정위치이고, 발목 링크 및 발목조립부가 반시계방향으로 회전이 있는 경우의 실시예이다.
도 9는 받침부는 정위치이고, 발목 링크 및 발목조립부에 회전이 없는 경우의 실시예이다.
도 10은 받침부는 정위치이고, 발목 링크 및 발목조립부가 시계방향으로 회전이 있는 경우의 실시예이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "구성된다"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

비록 제1, 제2 등의 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 대해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소와 구별하기 위하여 사용되는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 충격 흡수 및 밸런스 지지 메커니즘을 갖는 발목관절 시스템을 적용한 착용 로봇을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충격 흡수 및 밸런스 지지 메커니즘을 갖는 착용 로봇 중 발목관절 시스템(100)의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 신발 밑창 형태이며 고정 밴드를 구비한 발받침(120), 발받침의 일측으로부터 연장형성된 바닥 플레이트(110), 상기 바닥 플레이트는 상기 발받침의 일측 외주면으로부터 연장되어 형성된다. 발목 링크(130)는 착용 로봇(미도시)의 종아리 링크에 해당하는 부분이다.

도 2는 도 1에 도시된 발목관절 시스템(100)를 일부 절개한 측면도로 상기 바닥 플레이트(110)의 상면에 받침부(211)가 형성되고, 상기 받침부(211)의 상부에 발목조립부가 형성된다. 상기 발목조립부는 발목 관절과 평행하게 형성된 발목 링크(130)의 하부를 지지하면서 상기 바닥 플레이트 상면의 받침부(211)에 의해 지지된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 발받침(120)의 고정밴드는 발받침(210)의 앞쪽에 위치하는 제 1 서브 고정 밴드(221)와 바닥 플레이트(110)의 뒤쪽에 위치하며 제 1 서브 고정 밴드(221)로부터 일정 간격으로 이격되어 설치되는 제 2 서브 고정 밴드(222)로 구성된다.

제 1 서브 고정 밴드는 발받침(120)의 앞쪽인 발판부(210)에 의해 지지되며, 발받침(120)의 뒤쪽 외주면에 일체로 형성되는 연장부(212)가 있고, 연장부(212)에 바닥 플레이트(110)이 연장되어 형성된다. 상기 바닥 플레이트(110)의 상부면에 받침부(211)가 일체로 고정된다.

받침부(211)는 볼팅 방식에 의해 연장부(212) 및/또는 바닥 플레이트(110)에 체결 결합된다. 이러한 볼팅 방식을 위해 볼트(213)가 사용된다. 물론, 이 볼트(213)는 연장부(212)의 바깥쪽에서 받침부(211)의 밑면쪽으로 삽입 체결된다. 받침부(211)의 밑면쪽 내측에는 볼트(213)의 나사산(미도시)과 맞물리는 나사산(미도시)이 형성된다.

제 1 서브 고정 밴드(221)는 스트랩(221-1), 스트랩(221-1)이 고정되는 제 1 연결 부재(221-1), 발받침(210)의 상부면에 고정되는 제 2 연결 부재(221-4), 제 1 연결 부재(221-1)와 제 2 연결 부재(221-4)를 연결하는 연결부(221-3) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 연결부(221-3)는 제 1 연결 부재(221-1)가 회전이 가능하도록 리벳 접합 방식이 사용될 수 있다.

이와 유사하게, 제 2 서브 고정 밴드(222)도 스트랩(222-1), 스트랩(222-1)이 고정되는 제 1 연결 부재(222-1), 발받침(210)의 상부면에 고정되는 제 3 연결 부재(222-4), 제 1 연결 부재(222-1)와 제 2 연결 부재(222-4)를 연결하는 연결부(222-3) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 연결부(222-3)는 제 1 연결 부재(222-1)가 회전이 가능하도록 리벳 접합 방식이 사용될 수 있다. 또한, 제 2 연결 부재(222-4)는 발뒤꿈치가 밖으로 이탈되는 것을 방지하기 위해 2개의 Y자 형상이 대칭되어 맞닿는 형태이다.

발목 링크(130)는 외형관(230) 내부에 삽입되는 링크 부재(231), 링크 부재(231)의 하단에 연결되는 발목조립부(233), 발목조립부(233)를 감싸는 부트(234) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 부트(234)의 재질로는 고무 등이 사용될 수 있다. 충격 흡수를 위해 발목조립부(233)의 내부에는 복수개의 탄성 부재(232)가 구성된다.

발목 링크(130)는 피칭힌지(240)를 통해 받침부(211)와 조립되며, 받침부(211)는 상기 피칭힌지(240)를 중심으로 도 2의 그림상으로는 좌우로, 착용 로봇을 착용한 사람을 기준으로는 앞뒤로 회전될 수 있다. 즉, 피치방향으로의 자유도가 구현된다.

도 3은 도 1에 도시된 발목관절 시스템(100)를 일부 절개한 정면도이다. 도 3을 참조하면, 발목 링크(130)의 말단에는 요(yaw) 자유도의 실현을 위해 요잉힌지(330)가 구성되며, 요잉힌지(330)에는 요잉 액츄에이터(미도시)가 연결된다. 즉, z축을 기준으로 요잉 운동이 가능하도록 요잉힌지(330)가 발목 링크(130)의 말단에 구성되며, 요잉힌지(330)를 일정 범위의 각도에서 회전가능하도록 요잉 액츄에이터(미도시)가 구성된다. 요잉 액츄에이터는 모터와 기어로 구성되며, 모터는 DC(Direct Current) 모터, BLDC(Brushless DC)모터, 서보모터, 유압모터 등이 사용될 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 발목관절 시스템(100)의 피치(pitch) 자유도를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 튜브관(433)이 발목조립부(233)의 하우징을 나타낸다. 받침부(211)가 피칭힌지(240)를 중심축으로 회전가능하다. 즉, 발목 링크(130)가 정지되고, 피칭힌지(240)를 중심으로 받침부(211)가 도 4의 그림관점에서는 좌우로, 착용 로봇을 착용한 사람을 기준으로는 앞뒤로 회전될 수 있다.

도 5는 도 1에 도시된 발목관절 시스템(100)의 요(yaw) 자유도로서, 발목 링크(130)의 요잉힌지(330)가 요잉 액츄에이터에 의해 요잉방향으로 회전된다. 또한, 발목관절 시스템(100)의 피치(pitch) 자유도로서, 피칭힌지(240)에 의해 받침부(211)가 피칭방향으로 회전되며, 롤링힌지(250)에 의해 탄성부재(232)가 롤링방향으로 회전될 수 있다.

도 6은 도 2에 도시된 발목조립부로서 튜브관(433)의 내부를 분해한 사시도이다. 도 6을 참조하면, 발목조립부는 유니버셜부(610), 일단이 유니버셜부(610)에 연결되는 외측 및 내측 슬라이더 링크(620-1,620-2), 외측 및 내측 슬라이더 링크(620-1,620-2)의 타단에 각각 연결되는 외측 및 내측 슬라이더부(630-1,630-2), 외측 및 내측 슬라이더부 (630-1,630-2)에 형성된 삽입홈(631)에 삽입되는 탄성부재(641 내지 644), 탄성부재(641 내지 644)를 덮는 덮개부(650) 등을 포함하여 구성된다.

유니버셜부(610)의 하부면에는 피치 자유도를 위한 피치축(613)이 형성되고, 상부면에는 롤 자유도를 위한 롤축(614)이 형성된다. 상기 피치축은 가상의 축으로 실제로 피칭힌지(240)에 해당하며, 상기 롤축(614)은 롤링힌지(240)에 해당한다. 유니버셜부(610)의 외관은 측면 정면에서 보면 "T"자 형상이다. 즉 T 형상의 상부에 롤링힌지(240)가 위치하고, T 형상의 하부에 피칭힌지(240)이 위치한다. 즉, 피치축(613)의 피칭힌지는 롤축(614)의 롤링힌지보다 아래 위치한다.

유니버셜부(610)의 하부 피치축(613) 상에 형성된 피칭힌지(240)은 원형의 봉형상이다. 유니버셜부(610)의 상부에는 롤링힌지(240) 이외에도 외측 지지봉(611)이 롤링힌지(240)을 기준으로 양옆으로 나란히 삽입설치된되며, 각각 유니버셜부(610)의 내측 지지봉(612), 외측 지지봉(611)이다.

이들의 삽입을 위해 유니버셜부(610)의 상부면에 홀이 형성된다.

유니버셜부(610)의 외측 지지봉(611)은 외측 및 내측 슬라이더 링크(620-1,620-2)의 하부에 형성되는 제 1 관통홀(621-1)에 삽입될 수 있다. 또한, 외측 및 내측 슬라이더 링크(620-1,620-2)의 상부에는 외측 및 내측 슬라이더부(630-1,630-2)에 연결되기 위한 제 2 관통홀(621-2)이 형성된다. 물론, 외측 및 내측 슬라이더부(630-1,630-2)의 하부에도 제 2 지지봉(632)이 체결된다.

외측 슬라이더 링크(620-1)와 외측 슬라이더부(630-1)는 착용 로봇을 전체적으로 볼때 바깥쪽에 위치하고, 내측 슬라이더 링크(620-2)와 내측 슬라이더부(630-2)는 안쪽에 위치한다.

외측 및 내측 슬라이더부(630-1,630-2)의 상부 표면에는 삽입홈(631)이 형성된다. 이 삽입홈(631)에는 충격 흡수 메커니즘을 위해 제 1 내지 제 4 탄성부재(641 내지 643)이 삽입 설치된다. 제 1 내지 제 4 탄성부재(641 내지 643)는 스프링이 주로 사용되나, 고무, 스티로폼 등이 사용될 수 있다. 또한, 형상도 다양할 수 있다.

덮개부(650)는 탄성부재(641 내지 643)의 상부를 덮어 탄성부재(641 내지 643)가 외부로 유출되지 않고 삽입홈(631)에 안착되도록 한다. 또한, 덮개부(650)는 밑면이 평평한 플레이트 형상으로 위로부터 가해지는 충격을 균일하게 분산시키는 기능을 수행한다.

외측 및 내측 슬라이더 링크(620-1,620-2)는 단면이 "B"자 형상으로 서로 마주보게 배치된다. 또한, 외측 슬라이더부(630-1) 및 내측 슬라이더부(630-2)는 각이 진 반타원형 형상으로 서로 정합되면 각이 긴 타원형 형상이 된다. 즉, 외주면이 직선 부분과 만곡 부분으로 이루어진다.

도 7은 도 1에 도시된 발목관절 시스템(100)의 롤(roll) 자유도를 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 롤링힌지(240)는 T자 형상의 연결 부재(700)의 상부에 위치하고, 피칭힌지(240)는 상기 연결부재의 하부에 위치한다. 즉, 연결 부재(700)의 하부는 받침부(211)의 상부에서 피칭힌지(240)와 연결 조립된다.

도 7은 발목 링크는 정위치이고, 발목조립부에 회전이 있는 경우이다. 즉, 도 7(a)는 발목조립부가 시계방향으로 회전한 상태(710)이고, 도 7(b)는 발목조립부가 회전이 없는 상태(720), 도 7(c)는 발목조립부가 반시계방향으로 회전한 상태(730)이다.

도 7(a)에서 발목조립부가 시계방향으로 회전할 때, 내측 탄성부재(643,644) 2개가 외측 탄성부재(641, 642)보다 더 압축되면서, 반력이 발생되어 상기 발목 관벌부의 시계방향 회전을 방해하도록, 반시계방향으로 모멘트가 작용해 전체적으로 발목조립부에 작용된 시계방향 회전을 완충하게 된다.

도 7(c)에서 발목조립부가 반시계방향으로 회전할 때, 외측 탄성부재(641,642) 2개가 내측 탄성부재(643, 644)보다 더 압축되면서, 반력이 발생되어 상기 발목 관벌부의 반시계방향 회전을 방해하도록, 시계방향으로 모멘트가 작용해 전체적으로 발목조립부에 작용된 반시계방향 회전을 완충하게 된다.

도 7(b)에서는 발목조립부에 회전이 없어, 내측 탄성부재(643,644)와 외측 탄성부재(641, 642)의 압축이 동일하며, 반력이 서로 동일해 롤링힌지(240)에 작용하는 모멘트는 서로 상쇄된다.

한편, 탄성부재은 압축 스프링일 수 있고, 내측 탄성부재는 상기 내측 슬라이더부 전후방향으로 내측전방 스프링(643), 내측후방 스프링(644), 상기 외측 슬라이더부 전후방향으로 외측전방 스프링(641), 외측후방스프링(642)으로 구분될 수 있고, 이들은 서로 일정 거리 이상으로 이격되어 위치한다.

또한, 상기 내측 슬라이더부 및 상기 외측 슬라이더부의 상면은 수평하고, 상기 내측 슬라이더부 및 상기 외측 슬라이더부의 하면은 서로 마주보며 대칭이며, 상기 내측 슬라이더부의 하면은 내측에서 외측으로, 상기 외측 슬라이더부의 하면은 외측에서 내측으로, 동일한 경사면을 형성하고, 상기 경사면은 상기 내측 슬라이더부와 상기 외측 슬라이더부 간의 중심면에 가까울수록 경사면의 각도가 커진다.

따라서, 탄성부재를 내측 탄성부재 및 외측 탄성부재로 배치함에 따라 롤링 액츄에이터의 작동을 보완하는 효과가 존재하며, 도 7(a)(c)에서도 자체적으로 복원될 수 있어 밸런스를 유지할 수 있고, 필요에 따라 롤링 액츄에이터의 작동을 제한적으로만 사용하는 것이 가능하다.

도 8은 받침부(211)는 정위치이고, 발목 링크 및 발목조립부가 반시계방향으로 회전이 있는 경우이다. 발목 링크 및 발목조립부가 반시계방향으로 회전할 때, 내측 탄성부재(643,644) 2개가 외측 탄성부재(641, 642)보다 더 압축되면서, 반력이 발생되어 상기 발목 링크 및 발목조립부의 반시계방향 회전을 방해하도록, 시계방향으로 모멘트가 작용해 전체적으로 발목 링크 및 발목조립부에 작용된 반시계방향 회전을 완충하게 된다.

착용 로봇(800)이 안쪽으로 기울 때 발목관절 시스템(100)의 토크 발생을 보여주는 개념도이다. 도 8을 참조하면, 착용 로봇(800)은, 척추지지부(810), 척추지지부(810)의 하부와 연결되는 골반 링크부(820), 골반 링크부(820)의 하부에 연결되는 제 1 및 제 2 하지부(830R,830L) 등을 포함하여 구성된다.

도 9에서는 발목조립부에 회전이 없어, 내측 탄성부재(643,644)와 외측 탄성부재(641, 642)는 압축이 동일하며, 반력이 서로 동일해 롤링힌지(240)에 작용하는 모멘트는 서로 상쇄되고, 지면 충격을 흡수가능하다.

도 10은 받침부(211)는 정위치이고, 발목 링크 및 발목조립부가 시계방향으로 회전이 있는 경우이다. 발목 링크 및 발목조립부가 시계방향으로 회전할 때, 외측 탄성부재(641,642) 2개가 내측 탄성부재(643, 644)보다 더 압축되면서, 반력이 발생되어 상기 발목 링크 및 발목조립부의 시계방향 회전을 방해하도록, 반시계방향으로 모멘트가 작용해 전체적으로 발목 링크 및 발목조립부에 작용된 시계방향 회전을 완충하게 된다.

즉, 상기 발목관절의 롤링 방향 회전에 대해 상기 롤링 방향 회전의 반대방향의 힘이 상기 받침부 및/또는 상기 발목링크에 작용함으로서, 상기 발목관절의 충격을 흡수하고 밸런스를 지지할 수 있다.

100: 발목관절 시스템
110: 바닥 플레이트
120: 발받침
130: 발목 링크
210: 발판부 211: 받침부
212: 연장부
230: 외형관 231: 링크 부재
232: 탄성부재
233: 발목조립부
234: 부트
240: 피칭힌지
250: 롤링힌지
330: 요잉힌지
610: 유니버셜부
611: 유니버셜부 외측지지봉
612: 유니버셜부 내측지지봉
613: 피치축
614: 롤축
620-1,620-2: 외측 및 내측 슬라이더 링크
630-1, 630-2: 외측 및 내측 슬라이더
631: 삽입홈
632: 내측 슬라이더부의 외측 지지봉
641: 외측 전방 스프링(외측 탄성부재)
642: 외측 후방 스프링(외측 탄성부재)
643: 내측 전방 스프링(내측 탄성부재)
644: 내측 후방 스프링(내측 탄성부재)

Claims

발목관절을 지지하는 발판부;
상기 발판부의 일측 외주면으로부터 연장되는 바닥플레이트;
상기 바닥플레이트의 상면에 위치한 받침부;
상기 받침부로부터 수직방향으로 형성된 발목링크;
상기 발목링크의 아래에 위치한 발목조립부;
상기 발목링크와 상기 발목관절은 서로 평행하고
상기 발목링크 하부에서 롤링 방향으로 회전가능하도록 상기 받침부와 상기 발목링크를 힌지결합하는 롤링힌지;
상기 발목관절의 롤링 방향 회전에 대해 상기 롤링 방향 회전의 반대방향의 힘이 상기 받침부에 작용함으로서,
상기 발목관절의 충격을 흡수하고 밸런스를 지지하는
착용로봇의 발목관절 시스템.
제1항에 있어서,
상기 반대방향의 힘은 탄성부재에 의한 반발력인 착용로봇의 발목관절 시스템.
제2항에 있어서,
상기 탄성부재는 발목조립부의 내측 슬라이더부 및 외측 슬라이더부에 수직방향으로 형성된 삽입홈 내에 각각 삽입되는 착용로봇의 발목관절 시스템.
제3항에 있어서,
상기 발목조립부는
상기 롤링힌지가 관통되는 유니버셜부;
상기 유니버셜부의 상기 롤링힌지와 평행하면서, 일단이 상기 유니버셜부의 내측에 위치한 내측 지지봉 및 외측에 위치한 외측 지지봉;
상기 유니버셜부의 내측 지지봉 및 외측 지지봉에 각각 연결되어, 상기 내측 슬라이더부 및 외측 슬라이더부가 상하방향으로 서로 슬라이딩되는 착용로봇의 발목관절 시스템.
제4항에 있어서,
상기 내측 슬라이더부의 내측 지지봉 및 상기 외측 슬라이더부의 외측 지지봉;
상기 유니버셜부의 내측 지지봉 및 상기 내측 슬라이더부의 내측 지지봉은 내측 슬라이더 링크;
상기 유니버셜부의 외측 지지봉 및 상기 내측 슬라이더부의 외측 지지봉은 외측 슬라이더 링크에 의해 각각 연결되는 착용로봇의 발목관절 시스템.
제5항에 있어서,
상기 내측 슬라이더부 및 외측 슬라이더부에는 상기 탄성부재의 상부를 덮어 상기 탄성부재가 상기 삽입홈에 안착되게 하는 덮개부;를 포함하는 착용로봇의 발목관절 시스템.
제6항에 있어서,
상기 탄성부재는,
상기 내측 슬라이더부 전후방향으로 내측전방 스프링과 내측후방 스프링,
상기 외측 슬라이더부 전후방향으로 외측전방 스프링과 외측후방 스프링이 위치한 착용로봇의 발목관절 시스템.
제7항에 있어서,
상기 내측전방 스프링과 내측후방 스프링; 및
상기 외측전방 스프링과 외측후방 스프링은 상호 일정거리 이상으로 이격설치된 착용로봇의 발목관절 시스템.
제6항에 있어서,
상기 내측 슬라이더부 및 상기 외측 슬라이더부의 상면은 동일 평면이고,
상기 내측 슬라이더부 및 상기 외측 슬라이더부의 하면은 서로 마주보고 대칭인 착용로봇의 발목관절 시스템.
제9항에 있어서,
상기 내측 슬라이더부의 하면은 내측에서 외측으로, 상기 외측 슬라이더부의 하면은 외측에서 내측으로, 동일한 경사면을 포함하는 착용로봇의 발목관절 시스템.
제10항에 있어서,
상기 경사면은 상기 내측 슬라이더부와 상기 외측 슬라이더부 간의 중심면에 가까울수록 경사면의 각도가 커지는 착용로봇의 발목관절 시스템.
제1항 내지 제11항 중 어느 한항의 착용로봇의 발목관절 시스템;
상기 발목링크가 피칭 방향으로 회전가능하도록 상기 받침부와 상기 발목링크를 힌지결합하는 피칭힌지;
상기 발목링크가 요잉 방향으로 회전가능하도록 상기 발목링크의 상부에서 힌지결합하는 요잉힌지;
를 포함하는
발목관절 시스템이 적용된 착용로봇.
제12항에 있어서,
상기 롤링힌지의 위치는 상기 피칭힌지의 위치보다 높게 위치한 발목관절 시스템이 적용된 착용로봇.
제12항에 있어서,
상기 요잉힌지의 위치는 상기 롤링힌지의 위치보다 높게 위치한 발목관절 시스템이 적용된 착용로봇.
제12항에 있어서,
상기 피칭힌지를 회전시키는 피칭 액츄에이터; 를 포함하는 발목관절 시스템이 적용된 착용로봇.
제12항에 있어서,
상기 요잉힌지를 회전시키는 요잉 액츄에이터; 를 포함하는 발목관절 시스템이 적용된 착용로봇.
제12항에 있어서,
상기 롤링힌지를 구동하는 롤링 액츄에이터를 포함하는 발목관절 시스템이 적용된 착용로봇.
발목관절을 지지하는 발판부;
상기 발판부의 일측 외주면으로부터 연장되는 바닥플레이트;
상기 바닥플레이트의 상면에 위치한 받침부;
상기 받침부로부터 수직방향으로 형성된 발목링크;
상기 발목링크의 아래에 위치한 발목조립부;
상기 발목링크와 상기 발목관절은 서로 평행하고
상기 발목조립부의 하부에서 상기 발목링크를 롤링 방향으로 회전가능도록 힌지결합하는 롤잉힌지;
상기 발목관절의 롤링 방향 회전에 대해 상기 롤링 방향 회전의 반대방향의 힘이 상기 발목링크에 작용함으로서,
상기 발목관절의 충격을 흡수하고 밸런스를 지지하는
착용로봇의 발목관절 시스템.
발목관절을 지지하는 발판부;
상기 발판부의 일측 외주면으로부터 연장되는 바닥플레이트;
상기 바닥플레이트의 상면에 위치한 받침부;
상기 받침부로부터 수직방향으로 형성된 발목링크;
상기 발목링크의 아래에 위치한 발목조립부;
상기 발목링크와 상기 발목관절은 서로 평행하고
상기 발목조립부의 하부에서 상기 발목링크를 롤링 방향으로 회전가능도록 힌지결합하는 롤잉힌지;
상기 발목관절의 롤링 방향 회전에 대해 상기 롤링 방향 회전의 반대방향의 힘이 상기 받침부 및 상기 발목링크에 작용함으로서,
상기 발목관절의 충격을 흡수하고 밸런스를 지지하는
착용로봇의 발목관절 시스템.
발목관절을 지지하는 발판부;
상기 발판부의 일측 외주면으로부터 연장되는 바닥플레이트;
상기 바닥플레이트의 상면에 위치한 받침부;
상기 받침부로부터 수직방향으로 형성된 발목링크;
상기 발목링크의 아래에 위치한 발목조립부;
상기 발목링크와 상기 발목관절은 서로 평행하고
상기 발목조립부의 하부에서 상기 발목링크를 롤링 방향으로 회전가능도록 힌지결합하는 롤잉힌지;
상기 발목관절의 롤링 방향 회전에 대해 상기 발목조립부의 탄성부재에 의해 상기 롤링 방향 회전을 감소시키고 상기 롤링 방향 회전의 반대방향으로 탄성복원시킴으로서,
상기 발목관절의 충격을 흡수하고 밸런스를 지지하는
착용로봇의 발목관절 시스템.