KR102392496B1 - 스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇 - Google Patents

스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇 Download PDF

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유지환
성현석
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Abstract

본 발명에 따른 스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇은, 고정프레임과, 상기 고정프레임에 상대 회전 가능하게 구비되는 회전풀리를 포함하며, 인체의 허리 측부에 장착 가능하게 형성되는 구동력변환유닛, 인체의 등부에 상하 방향으로 구비되며, 구동력을 제공하는 구동모터와, 일측이 상기 구동모터에 연결되고, 타측이 상기 회전풀리에 연결되도록 복열로 구비되는 한 쌍의 스트링을 포함하여, 상기 구동모터의 회전 구동력에 따라 상기 한 쌍의 스트링을 서로 꼬거나 풀어 길이를 가변시킴에 따라 상기 회전풀리의 회전을 보조하는 구동유닛 및 상기 회전풀리로부터 인체의 대퇴부 전면 측으로 연장되어 인체의 대퇴부를 지지하도록 형성되는 지지유닛을 포함한다.

Description

스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇{Exoskeleton Robot Based String Actuator}
본 발명은 인체에 착용 가능하도록 형성되는 외골격 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자가 중량물을 들어올릴 때 허리 및 척추에 작용하는 부하를 완화시킬 수 있도록 효율적인 출력을 보조적으로 제공할 수 있는 스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇에 관한 것이다.
작업 현장 등에서 작업자가 다양한 동작을 수행하고 중량물을 들어올리는 과정에 있어서, 작업자에게 발생하는 주로 발생하는 요통은 척추의 디스크에 가해지는 고압이 주원인이다.
또한 최근에는 로봇공학의 연구가 고도화됨에 따라 인체에 직접 착용하여 인체의 동작을 보조하는 형태의 착용식 로봇에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.
특히 이와 같은 착용식 로봇은 그 활용 용도에 따라 사용자에게 보다 뛰어난 운동 능력을 가질 수 있도록 보조하는 근력 증강용 착용식 로봇과, 신체가 불편한 사용자에게 해당 신체의 보조적인 기능을 제공하는 신체 보조용 착용식 로봇 등으로 나뉠 수 있다.
하지만, 현재까지 구현된 착용식 로봇들은 대체로 연구 단계에 머물러 있어 착용 과정이 복잡하고 중량이 무거워 사용자에게 큰 부담이 되며, 인체의 동작을 보조하는 과정에서 구동계가 요구되는 출력을 충분히 제공하지 못하거나, 과도한 출력을 제공하게 되어 인체의 실제 움직임에 적합하지 않은 구동 형태를 가지는 경우도 많아 실제로 현실에 적용하기에는 무리가 있다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 자중 대비 높은 출력을 발생시킬 수 있으며, 경량화 및 소형화가 가능하여 인체에 착용이 용이하고, 효율적인 구동 메커니즘을 통해 허리 및 척추에 인가되는 부하를 효과적으로 줄일 수 있는 외골격 로봇을 제공하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇은, 고정프레임과, 상기 고정프레임에 상대 회전 가능하게 구비되는 회전풀리를 포함하며, 인체의 허리 측부에 장착 가능하게 형성되는 구동력변환유닛; 구동력을 제공하는 구동모터와, 일측이 상기 구동모터에 연결되고, 타측이 상기 회전풀리에 연결되도록 복열로 구비되는 복수 개의 스트링을 포함하여, 상기 구동모터의 회전 구동력에 따라 상기 복수 개의 스트링을 서로 꼬거나 풀어 길이를 가변시킴에 따라 상기 회전풀리의 회전을 보조하는 구동유닛; 및 상기 회전풀리로부터 인체의 대퇴부 전면 측으로 연장되어 인체의 대퇴부를 지지하도록 형성되는 지지유닛;을 포함하되, 상기 구동력변환유닛은 인체의 허리 양측부에 한 쌍이 구비되고, 상기 구동유닛 및 상기 지지유닛은 한 쌍의 상기 구동력변환유닛에 연결되도록 각각 한 쌍이 구비되며, 한 쌍의 상기 구동유닛 사이에 개재되어 상기 구동유닛에 전력을 공급하는 배터리부를 포함하는 컨트롤유닛;을 더 포함하되, 상기 구동유낫은, 내부에 상기 복수 개의 스트링이 연장되는 경로를 제공하는 연장가이드; 및 내부에 수용공간이 형성되며, 상부에 상기 구동모터가 안착되고, 하부에 상기 연장가이드가 연결되는 서포트프레임;을 포함하고, 상기 서포트프레임은 상기 구동모터를 고정시키는 모터마운트를 포함하되, 한 쌍의 상기 구동유닛과 상기 컨트롤유닛이 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇.
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또한 상기 구동력변환유닛은, 상기 고정프레임에 구비되는 고정검출부 및 상기 고정프레임과 상기 회전풀리의 회전축을 공유하여 상기 고정검출부에 대해 상대 회전 가능하도록 상기 회전풀리에 구비되고, 상기 고정검출부와 연동하여 상기 회전풀리의 회전 변위를 검출하는 회전검출부를 포함하는 엔코더를 더 포함할 수 있다.
더불어 본 발명은 인체의 허리를 감싸도록 구비되며, 상기 고정프레임이 고정되는 마운트유닛을 더 포함할 수 있다.
이때 상기 마운트유닛은, 인체의 허리 둘레를 감싸도록 장착되는 벨트부 및 상기 벨트부의 적어도 일부 둘레를 따라 상기 벨트부의 외측으로 구비되며, 상기 고정프레임이 체결되는 체결부를 포함할 수 있다.
그리고 상기 구동력변환유닛은 상기 고정프레임을 상기 체결부에 연결시키는 제1연결부를 더 포함할 수 있다.
삭제
더불어 상기 구동력변환유닛은 상기 고정프레임을 상기 연장가이드의 하단부에 연결시키는 제2연결부를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 구동유닛은, 상기 구동모터의 회전축과 연결되어 상기 구동모터의 회전 구동력에 의해 회전되는 모터커플링 및 상기 한 쌍의 스트링 일측이 연결되고, 상기 모터커플링에 직결되어 상기 모터커플링과 함께 회전되는 스트링커플링을 포함하는 커플러를 더 포함할 수 있다.
이때 상기 구동유닛은, 상기 서포트프레임 및 상기 연장가이드 사이에 구비되어 상기 복수 개의 스트링에 인가되는 외력을 검출하는 로드셀을 더 포함할 수 있다.
한편 상기 지지유닛은, 일측이 상기 회전풀리에 연결되고, 타측이 인체의 대퇴부 외측부를 따라 하측으로 연장되는 연장부 및 상기 연장부의 하단부로부터 인체의 대퇴부 전면을 지지하도록 인체의 대퇴부 내측으로 연장되는 지지부를 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇은, 스트링 액추에이터 기반의 구동유닛을 통해 사용자의 동작을 보조할 수 있도록 함으로써 자중 대비 높은 출력을 발생시킬 수 있는 것은 물론 안정적이고 효율적인 출력을 제공함에 따라 사용자의 허리 및 척추에 가해지는 부담을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 전체적인 구조가 간단하고 인체공학적으로 설계됨에 따라 경량화 및 소형화가 가능하여 인체에 착용이 용이하다는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇을 사용자가 착용한 모습을 나타낸 도면;
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 적용되는 스트링 액추에이터의 구동 원리를 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 구동유닛의 세부 구조를 나타낸 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 구동력변환유닛의 세부 구조를 나타낸 도면;
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 구동력변환유닛의 구동 과정을 나타낸 도면;
도 9는 스트링 액추에이터의 기어비와 사용자가 중량물을 들어올리는 과정에서 구동력변환유닛에서 요구되는 토크를 비교하여 나타낸 그래프;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇을 개념적으로 모델링한 도면;
도 11 및 도 12는 수축률에 따른 회전풀리의 반경 및 토크를 나타낸 그래프;
도 13은 구동모터의 실제 토크 측정값 및 추정값을 비교하여 나타낸 그래프;
도 14는 스트링 액추에이터의 힘 제어 결과를 나타낸 그래프;
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 회전풀리의 회전각에 대한 토크 제어 결과를 나타낸 그래프; 및
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 구동력변환유닛의 실제 토크 출력과 요구되는 토크를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇을 사용자가 착용한 모습을 나타낸 도면이다.
그리고 도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 적용되는 스트링 액추에이터의 구동 원리를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 구동유닛(200)의 세부 구조를 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 구동력변환유닛(300)의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇은 구동력변환유닛(300)과, 구동유닛(200)과, 지지유닛(500)과, 컨트롤유닛(100)과, 마운트유닛(400)을 포함한다.
상기 구동력변환유닛(300)은 상기 구동유닛(200)에서 발생한 구동력을 회전 구동력으로 변환시키는 구성으로서, 세부적으로 고정프레임(310)과, 상기 고정프레임(310)에 상대 회전 가능하게 구비되는 회전풀리(330)를 포함한다.
그리고 상기 구동력변환유닛(300)은 인체(P)의 허리 측부에 장착 가능하게 형성되며, 본 실시예의 경우 구동력변환유닛(300)은 인체의 허리 양측부에 한 쌍이 구비되는 것으로 하였다.
상기 구동유닛(200)은 인체(P)의 등부에 상하 방향으로 길게 구비되며, 구동력을 제공하는 구동모터(210)와, 일측이 상기 구동모터(210)에 연결되고, 타측이 상기 회전풀리(330)에 연결되도록 복열로 구비되는 복수 개의 스트링(S1, S2)을 포함한다.
본 실시예예서 상기 스트링(S1, S2)은 한 쌍이 구비되는 것으로 하였으나, 하나의 구동유닛(200)에 구비되는 스트링(S1, S2)은 한 쌍보다 많은 수로 구비될 수도 있을 것이다.
이에 따라 상기 구동유닛(200)은 상기 구동모터(210)의 회전 구동력에 의해 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)을 서로 꼬거나 풀어 길이를 가변시킴에 따라 상기 회전풀리(330)의 회전을 보조하도록 할 수 있다.
또한 이를 위해 상기 회전풀리(330)의 둘레 일부에는 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)이 삽입되도록 함몰된 함몰홈(332)이 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4을 참조하여 본 발명의 구동유닛(200)에 적용되는 스트링 액추에이터의 개념에 대해 보다 자세히 설명하면, 스트링 액추에이터는 구동모터(M)와 복열로 형성된 한 쌍의 스트링(S1, S2)에 의해 구현될 수 있다.
먼저 도 3에 도시된 바와 같이 본 예시에서 한 쌍의 스트링(S1, S2) 일측은 구동모터(M)에 연결되며, 한 쌍의 스트링(S1, S2) 타측은 중량물(R)에 연결된다.
이와 같은 상태에서 도 4에 도시된 바와 같이 구동모터(M)를 회전 구동시킬 경우, 한 쌍의 스트링(S1, S2) 일측은 상기 구동모터(M)와 함께 회전하게 되며, 이에 따라 한 쌍의 스트링(S1, S2)이 꼬이게 된다. 따라서 필연적으로 한 쌍의 스트링(S1, S2)의 전체 길이가 감소되며, 타측에 연결된 중량물(R)이 인양된다.
이와 같은 방식을 가지는 본 발명의 스트링 액추에이터는 종래 타 액추에이터에 비해 부피 대비 출력이 우수하며, 다양한 기계장치에 적용이 가능하다는 장점을 가진다.
또한 도 3 및 도 4의 예시는 스트링 액추에이터를 이용해 중량물(R)을 인양하는 것을 예시하였으나, 본 발명에서 상기 구동유닛(200)에 적용되는 스트링 액추에이터는 한 쌍의 스트링(S1, S2)의 타측이 상기 회전풀리(330)의 스트링고정영역(336, 도 7 참조)에 고정되어, 상기 구동모터(210)의 회전 구동력에 의해 서로 꼬이거나 풀려 길이가 가변됨에 따라 상기 회전풀리(330)의 회전을 보조할 수 있다.
그리고 상기 구동유닛(200) 및 상기 구동력변환유닛(300)에 대한 보다 자세한 구조는 후술하도록 한다.
상기 지지유닛(500)은 상기 회전풀리(330)로부터 인체(P)의 대퇴부 전면 측으로 연장되어 인체(P)의 대퇴부를 지지하도록 형성되는 구성요소로서, 본 실시예의 경우 일측이 상기 회전풀리(330)에 연결되고, 타측이 인체(P)의 대퇴부 외측부를 따라 하측으로 연장되는 연장부(510)와, 상기 연장부(510)의 하단부로부터 인체(P)의 대퇴부 전면을 지지하도록 인체(P)의 대퇴부 내측으로 연장되는 지지부(520)를 포함할 수 있다.
특히 도면에서 상기 지지부(520)는 인체(P)의 대퇴부를 지지하도록 강성을 가지는 프레임만을 도시하였으나, 상기 지지부(520)에는 상기 지지부(520)를 감싸도록 형성되고, 유연성을 가지며 충격 흡수가 가능한 재질로 형성되는 커버가 더 구비될 수 있다.
이와 같은 지지유닛(500)은 본 발명의 외골격 로봇을 착용한 사용자가 허리를 굽히는 과정에서 대퇴부의 전면에 접촉되어 지지력을 발생시켜, 상기 구동력변환유닛(300)의 회전풀리(330)가 고정프레임(310)에 대해 회전될 수 있도록 한다.
그리고 전술한 바와 같이 본 실시예에서 상기 구동력변환유닛(300)은 한 쌍이 인체의 양측부에 구비되므로, 상기 구동유닛(200) 및 상기 지지유닛(500) 역시 상기 구동력변환유닛(300)에 대응되도록 한 쌍이 구비될 수 있다.
상기 컨트롤유닛(100)은 한 쌍의 구동유닛(200) 사이에 구비되며, 상기 구동유닛(200)에 전력을 공급하는 배터리부를 비롯하여 각부의 제어를 위한 MCU 등이 구비될 수 있다.
한편 상기 마운트유닛(400)은 인체(P)의 허리를 감싸도록 구비되며, 상기 고정프레임(310)이 고정되도록 하는 구성요소이다.
본 실시예에서 상기 마운트유닛(400)은 인체(P)의 허리 둘레를 감싸도록 장착되는 벨트부(410)와, 상기 벨트부(410)의 적어도 일부 둘레를 따라 상기 벨트부(410)의 외측으로 구비되며, 상기 고정프레임(310)이 체결되는 체결부(420)를 포함한다.
특히 본 실시예의 경우 상기 체결부(420)는 상기 벨트부(410)의 양측 및 후방을 감싸도록 U자 형태로 형성되며, 단면이 원형으로 형성되는 것으로 하였으나, 상기 체결부(420)의 형태는 본 실시예와 달리 다양한 형태로 형성될 수 있음은 물론이다.
이하 도 5 및 도 6을 참조하여, 구동유닛(200) 및 구동력변환유닛(300)의 보다 자세한 구조에 대해 설명하도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 구동유닛(200)은 상하 방향으로 길게 형성되며, 내부에 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)이 연장되는 경로를 제공하는 중공(272)이 형성된 연장가이드(270)와, 내부에 수용공간이 형성되며, 상부에 상기 구동모터(210)가 안착되고, 하부에 상기 연장가이드(270)가 연결되는 서포트프레임(250)을 포함한다.
이때 상기 서포트프레임(250)은 상기 구동모터(210)를 고정시키는 모터마운트(260a) 및 후술할 로드셀(240)을 고정시키는 로드셀마운트(260b)를 포함할 수 있다.
또한 상기 구동유닛(200)은 상기 구동모터(210)의 회전축과 연결되어 상기 구동모터(210)의 회전 구동력에 의해 회전되는 모터커플링(222a) 및 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2) 일측이 연결되고, 상기 모터커플링(222a)에 직결되어 상기 모터커플링(222a)과 함께 회전되는 스트링커플링(222b)을 포함하는 커플러(220)를 더 포함할 수 있다.
그리고 이와 함께 상기 구동유닛(200)은, 상기 스트링커플링(222b)이 원활하게 회전될 수 있도록 하는 쓰러스트베어링(230)과, 상기 서포트프레임(250) 및 상기 연장가이드(270) 사이에 구비되어 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)에 인가되는 외력을 검출하는 로드셀(240)을 더 포함할 수 있다.
다음으로 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 구동력변환유닛(300)은, 상기 고정프레임(310)에 구비되는 고정검출부(342b) 및 상기 고정프레임(310)과 상기 회전풀리(330)의 회전축(334)을 공유하여 상기 고정검출부(342b)에 대해 상대 회전 가능하도록 상기 회전풀리(330)에 구비되고, 상기 고정검출부(342b)와 연동하여 상기 회전풀리(330)의 회전 변위를 검출하는 회전검출부(342a)를 포함하는 엔코더(340)를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 엔코더(340)에서 검출된 상기 회전풀리(330)의 회전 변위는 전술한 컨트롤유닛(100)의 MCU 측으로 송신될 수 있다.
또한 상기 구동력변환유닛(300)은 상기 고정프레임(310)을 상기 마운트유닛(400)의 체결부(420)에 연결시키는 제1연결부(320a)와, 상기 고정프레임(310)을 상기 구동유닛(200)의 상기 연장가이드(270) 하단부에 연결시키는 제2연결부(320b)와, 상기 고정프레임(310)을 상기 지지유닛(500)의 연장부(510) 상단부에 연결시키는 제3연결부(320c)를 포함할 수 있다.
이상과 같은 구조를 가지는 본 실시예의 외골격 로봇의 구동 과정은 다음과 같다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 구동력변환유닛(300)의 구동 과정을 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 사용자가 허리를 굽힘에 따라 구동력변환유닛(300)은 상기 고정프레임(310)에 대해 상기 회전풀리(330)가 상대 회전되며, 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)의 타측이 고정되는 스트링고정영역(336)과 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)의 일측이 고정되는 스트링커플링(222b) 간의 거리가 증가하게 된다.
이에 따라 상기 구동모터(210)는 상기 회전풀리(330)의 회전 변위에 대응되도록 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)의 꼬임을 푸는 방향으로 회전시킨다. 이때 상기 구동유닛(200)은 사용자의 허리 굽힘 과정에서 부하가 인가되지 않도록 할 수도 있으며, 또는 상기 구동모터(210)의 구동 속도를 제어하여 사용자가 허리를 굽히는 과정에서 적절한 부하가 인가되도록 할 수도 있다.
다음으로 도 8에 도시된 바와 같이, 사용자가 허리를 굽힌 상태에서 중량물 등을 들어올리고 허리를 다시 펴는 과정에서, 상기 구동모터(210)는 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)을 서로 꼬는 방향으로 회전시킨다.
따라서 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)의 전체 길이가 짧아짐에 따라 상기 구동력변환유닛(300)은 상기 고정프레임(310)에 대해 상기 회전풀리(330)가 반대 방향으로 상대 회전되며, 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)의 타측이 고정되는 스트링고정영역(336)과 상기 한 쌍의 스트링(S1, S2)의 일측이 고정되는 스트링커플링(222b) 간의 거리가 감소하게 된다.
따라서 상기 구동유닛(200)은 사용자가 허리를 펴는 과정에서 부하가 감소되도록 힘을 보조할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 스트링 액추에이터 기반의 구동유닛(200)을 통해 사용자의 동작을 보조할 수 있도록 함으로써 자중 대비 높은 출력을 발생시킬 수 있는 것은 물론 안정적이고 효율적인 출력을 제공함에 따라 사용자의 허리 및 척추에 가해지는 부담을 최소화할 수 있게 된다.
한편 이하에서는, 이와 같은 본원발명의 외골격 로봇을 실제로 구현하여 구동 과정을 테스트한 결과에 대해 설명하도록 한다.
도 9는 스트링 액추에이터의 기어비와 사용자가 중량물을 들어올리는 과정에서 구동력변환유닛(300)에서 요구되는 토크를 비교하여 나타낸 그래프이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇을 개념적으로 모델링한 도면이다.
본 테스트 과정에서는 스트링의 전체 길이(L)는 구동력변환유닛으로부터 어깨까지에 걸쳐 600mm로 설정하였으며, 스트링의 평균 반경(r)은 1mm로 설정하였다. 또한 구동모터로는 약 0.18Nm의 토크(T1)를 가진 기어가 없는 DC모터를 사용하였다.
Figure 112020054052552-pat00001
여기서 R은 상기의 식 1과 같이 회전풀리의 회전 범위가 0°~100°가 되도록 하는 수축량(ΔX)와 회전풀리의 회전각(θ2)를 통해 산출하였다.
Figure 112020054052552-pat00002
또한 도 11은 수축률(p)에 따른 회전풀리의 반경(R) 및 토크(T2)를 상기의 식 2에 따라 산출한 것으로서, p=38% 인근에서 최대 조인트 토크(T2max)를 달성 가능하며 본 테스트에서의 R은 63mm이다.
도 11의 인체모델에서 계산된 필요 토크를 최소한으로 만족하기 위해서는 도 12의 그래프와 같이 T2가 구동력변환유닛에 요구되는 조인트 토크보다 항상 높아야 한다.
해당 그래프에에서 최소한으로 토크를 만족하게 하는 R은 약 63mm이므로 조건을 만족하는 회전풀리의 반경은 63~127mm 사이에 위치해야 하고 최대 조인트 회전각 100°를 달성할 수 있도록 수축률을 18% 내외로 선정한다.
이에 따라 구동모터의 관성 모멘트(J1), 마찰계수(B1), 부하토크(T1) 그리고 회전풀리와 지지유닛에 의한 관성 모멘트(J2)와 회전풀리의 마찰계수(B2), 지지유닛의 자중에 의한 조인트 토크와 외부 하중에 의한 부하토크(TL)를 고려하여 도 10과 같은 외골격 로봇의 모델을 구성하였다.
또한 본 모델에서의 각 파라미터 값은 다음의 표에 나타난 바와 같다.
Figure 112020054052552-pat00003
Figure 112020054052552-pat00004
그리고 상기의 수식들은 동역학모델의 정리 과정으로서, 식 5에 식 4를 대입하고 식 6, 식 7, 식 8을 식 3에 각각 대입하여 식 9의 동역학모델로 정리할 수 있다.
여기서 스트링 액추에이터의 기어비는 비선형 함수이며, 수축률을 30% 이하로 제한한 뒤, 추정된 관성모멘트(J2)와 베어링 마찰계수(B2)를 고려하면 각 항은 테스트에 사용될 DC모터의 정격 토크인 0.17Nm에 비해 ?은 토크 기여도를 보일 것이므로, J2와 B2가 관계된 항을 제외하여 식 10으로 간략화할 수 있다.
Figure 112020054052552-pat00005
다음으로 주어진 모델을 선형 Regressor 식 11과 같이 측정값(Y)과 추정 파라미터(P)의 내적으로 구성한 후 일정 주기 동안의 반복실험을 통해 각 파라미터를 추정할 수 있다.
Figure 112020054052552-pat00006
식 12는 식 11에 의해 식 14와 식 15로 분해되는데 식 13에서 H는 추정 파라미터(r)와 수축률에 의한 측정값(Ψ)으로 분해된 식 13으로 나타낼 수 있다.
Figure 112020054052552-pat00007
한편 로드셀을 통해 스트링 액추에이터의 수축력(F)를 측정할 수 있으며, 이 값은 외부 하중에 의한 부하와 지지유닛 및 회전풀리의 자중에 의한 영향이 함께 측정되므로 상기의 식 16으로 통합하였다.
Figure 112020054052552-pat00008
간략화된 모델 식 17을 식 18과 식 19로 분해하고, 반복 실험을 통해 누적된 모터토크(τ)에 Y-1을 곱하여 파라미터 P를 추정하기 위해 식 20에 의사역행렬을 이용하였다.
도 13은 구동모터의 실제 토크 측정값 및 추정값을 비교하여 나타낸 그래프로서, 구간 별로 누적된 데이터를 통해 추정된 파라미터를 식 17에 대입한 추정된 토크 값과 측정된 모터 토크를 비교한 측정값은 누적될수록 추정된 값이 측정값에 근접함을 알 수 있다.
그리고 도 14는 스트링 액추에이터의 힘 제어 결과를 나타낸 그래프로서, 스트링 액추에이터의 목표 값에 대한 제어기의 힘 추종 성능을 보여준다. 목표 값이 현재 값보다 높을 때 52.8sec 구간까지는 목표 값을 추종하였으나 이후 요구 수축력이 높은 구간에서는 제어기 성능이 떨어지는 것을 알 수 있다. 또한 목표 값이 감소하는 구간에 추종 속도가 떨어지는데 이는 단방향으로 구동의 의한 것으로 판단된다.
그리고 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 회전풀리의 회전각에 대한 토크 제어 결과를 나타낸 그래프로서, 회전풀리의 회전각에 따른 좌우 양단의 토크 측정 결과로 조인트 각도에 따라 변화하는 목표 값을 추종한 결과이다.
또한 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 있어서, 구동력변환유닛의 실제 토크 출력과 요구되는 토크를 비교하여 나타낸 그래프로서, 정격 모터 토크 입력에 대한 구동력변환유닛의 토크 출력 결과로 초기 조인트 각도 85°~100°구간에서는 스트링의 강성과 하드웨어 유격 등으로 회전풀리가 회전된 후에 최대 토크에 도달하는 것으로 판단된다. 이후 측정된 구동력변환유닛의 토크는 거의 모든 영역에서 요구 성능을 만족할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 컨트롤유닛
200: 구동유닛
210: 구동모터
220: 커플러
230: 쓰러스트베어링
240: 로드셀
250: 서포트프레임
270: 연장가이드
300: 구동력변환유닛
310: 고정프레임
320a: 제1연결부
320b: 제2연결부
320c: 제3연결부
330: 회전풀리
340: 엔코더
400: 마운트유닛
410: 벨트부
420: 체결부
500: 지지유닛
510: 연장부
520: 지지부
S1, S2: 스트링

Claims (12)

  1. 고정프레임과, 상기 고정프레임에 상대 회전 가능하게 구비되는 회전풀리를 포함하며, 인체의 허리 측부에 장착 가능하게 형성되는 구동력변환유닛;
    구동력을 제공하는 구동모터와, 일측이 상기 구동모터에 연결되고, 타측이 상기 회전풀리에 연결되도록 복열로 구비되는 복수 개의 스트링을 포함하여, 상기 구동모터의 회전 구동력에 따라 상기 복수 개의 스트링을 서로 꼬거나 풀어 길이를 가변시킴에 따라 상기 회전풀리의 회전을 보조하는 구동유닛; 및
    상기 회전풀리로부터 인체의 대퇴부 전면 측으로 연장되어 인체의 대퇴부를 지지하도록 형성되는 지지유닛;을 포함하고,
    상기 구동력변환유닛은 인체의 허리 양측부에 한 쌍이 구비되고, 상기 구동유닛 및 상기 지지유닛은 한 쌍의 상기 구동력변환유닛에 연결되도록 각각 한 쌍이 구비되며,
    한 쌍의 상기 구동유닛 사이에 개재되어 상기 구동유닛에 전력을 공급하는 배터리부를 포함하는 컨트롤유닛;을 더 포함하고,
    상기 구동유닛은,
    내부에 상기 복수 개의 스트링이 연장되는 경로를 제공하는 연장가이드 및 내부에 수용공간이 형성되며, 상부에 상기 구동모터가 안착되고, 하부에 상기 연장가이드가 연결되는 서포트프레임을 포함하고,
    상기 서포트프레임은 상기 구동모터를 고정시키고, 한 쌍의 상기 구동유닛과 상기 컨트롤유닛이 서로 결합되는 모터마운트를 포함하며,
    상기 구동모터의 회전축에는 상기 구동모터의 회전 구동력에 의해 회전되는 모터커플링이 연결되고,
    상기 모터커플링의 일측에는 모터커플링과 직결되어 함께 회전하며, 타측에 상기 복수 개의 스트링이 결합되는 스트링커플링이 배치되고,
    상기 스트링커플링의 타측에는 상기 복수 개의 스트링의 꼬임에 발생되는 축방향 힘을 지지하는 쓰러스트베어링이 배치되는, 스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동력변환유닛은,
    상기 고정프레임에 구비되는 고정검출부; 및
    상기 고정프레임과 상기 회전풀리의 회전축을 공유하여 상기 고정검출부에 대해 상대 회전 가능하도록 상기 회전풀리에 구비되고, 상기 고정검출부와 연동하여 상기 회전풀리의 회전 변위를 검출하는 회전검출부;
    를 포함하는 엔코더를 더 포함하는,
    스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇.
  5. 제1항에 있어서,
    인체의 허리를 감싸도록 구비되며, 상기 고정프레임이 고정되는 마운트유닛을 더 포함하는,
    스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마운트유닛은,
    인체의 허리 둘레를 감싸도록 장착되는 벨트부; 및
    상기 벨트부의 적어도 일부 둘레를 따라 상기 벨트부의 외측으로 구비되며, 상기 고정프레임이 체결되는 체결부;
    를 포함하는,
    스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동력변환유닛은 상기 고정프레임을 상기 체결부에 연결시키는 제1연결부를 더 포함하는,
    스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 구동력변환유닛은 상기 고정프레임을 상기 연장가이드의 하단부에 연결시키는 제2연결부를 더 포함하는,
    스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 구동유닛은,
    상기 서포트프레임 및 상기 연장가이드 사이에 구비되어 상기 복수 개의 스트링에 인가되는 외력을 검출하는 로드셀을 더 포함하는,
    스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 지지유닛은,
    일측이 상기 회전풀리에 연결되고, 타측이 인체의 대퇴부 외측부를 따라 하측으로 연장되는 연장부; 및
    상기 연장부의 하단부로부터 인체의 대퇴부 전면을 지지하도록 인체의 대퇴부 내측으로 연장되는 지지부;
    를 포함하는,
    스트링 액추에이터 기반 외골격 로봇.
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