착용형 로봇의 유압 구동 장치{Hydraulic driving apparatus for wearable robot}
본 발명은 착용형 로봇의 유압 구동 장치에 관한 것으로, 특히 소형화되고 저소음으로 동작 가능한 착용형 로봇의 유압 구동 장치에 관한 것이다.
최근에는 옷처럼 몸에 착용 가능하고, 사용자의 동작 의도에 따라 사용자의 근력을 증폭시켜 작업능력을 더해주는 착용형 로봇이 보급되고 있다. 이와 같은 착용형 로봇은 대부분 큰 힘을 내기 위해 유압 구동 장치를 장착하여 구동원으로 사용하고 있다. 일반적인 유압 구동 장치는 유압 탱크 및 유압 펌프를 포함하며, 유압 펌프를 이용하여 유압 탱크 내의 작동유를 착용형 로봇의 유압 액츄에이터로 공급함으로써, 착용형 로봇을 구동시킬 수 있다. 종래의 유압 구동 장치는, 기계적 또는 전기적 입력 신호에 의해서 작동유의 압력 또는 유량을 제어하여 유압 액츄에이터로 작동유를 공급하는 서보 밸브 방식 또는, 복수의 유압 액츄에이터 각각에 적용되는 유압 펌프의 가변 제어를 통해 작동유를 유압 액츄에이터 각각으로 공급하는 펌프 가변제어 방식 등의 유압 제어 방식이 적용되고 있었다. 이러한 유압 제어 방식 중 서보 밸브 방식은, 유압 액츄에이터의 구동 시 모터가 회전하게 되면, 모터의 회전력을 통해 유압 펌프가 동작하게 되고, 이에 따른 유압 탱크 내의 작동유가 가압되면, 서보 밸브를 적절히 제어하여 작동유를 유압 액츄에이터로 공급하는 방식이다. 서보 밸브 제어 방식이 적용된 유압 구동 장치는, 유압 펌프의 계속적인 작동으로 인해 작동유의 온도가 과도하게 상승하는 문제점이 있고, 이를 해소하기 위해 유압 구동 장치의 구동에 필요한 작동유 보다 3배에서 4배 정도 더 많은 작동유를 저장함으로써 작동유의 온도를 적절히 조절할 수 있는 유압 탱크의 적용이 요구되었으며, 이에 따라 그 무게 및 크기가 커져 착용형 로봇에 적용이 어렵고, 이와 더불어 유압 펌프로부터 지속적인 소음이 발생하는 문제점이 있었다. 또한 펌프 가변제어 방식이 적용된 유압 구동 장치는, 복수의 유압 액츄에이터 각각에 작동유 공급을 위해 복수의 유압 펌프가 적용되며, 유압 펌프의 개수 증가에 따라 그 크기 및 무게가 증가하므로, 착용형 로봇에 적용이 어려운 문제점이 있었다. 이와 같이 종래 서보 밸브 제어 방식이나, 펌프 가변제어 방식을 적용한 유압 구동 장치는, 장시간 야지에서 이용할 수 있도록 에너지 효율이 높아야 하고, 군사용으로 적용될 경우에 소음 등으로 인한 위치 노출이 되지 않아야 하는 착용형 로봇에는, 그 크기, 무게 및 소음 문제로 인해 적용되기가 어려웠다. 이에 따라 소형으로 에너지 효율이 높고, 저소음으로 착용형 로봇을 구동시킬 수 있는 유압 구동 장치의 개발이 요구되는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0105194호
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, 종래 보다 소형으로 에너지 효율이 높고, 저소음으로 동작 가능한 착용형 로봇의 유압 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 유압 구동 장치는, 모터 제어 신호 및 밸브 제어 신호를 생성하는 제어부; 작동유가 저장되는 유압 탱크; 상기 모터 제어 신호에 따라 동작하는 모터; 상기 유압 탱크 내부에 위치하고, 상기 모터의 동작에 따라 연동되어 상기 유압 탱크에 저장되어 있는 작동유를 가압하여 공급하는 유압 펌프; 상기 유압 펌프의 양측과 유로로 연결되고, 상기 유압 펌프의 양측으로부터 상기 작동유를 공급 받아 동작하는 복동 실린더부 및, 상기 유압 펌프의 일측과 유로로 연결되고 상기 유압 펌프의 일측으로부터 상기 작동유를 공급 받아 동작하는 단동 실린더부를 구비한 복수의 유압 액츄에이터; 및 상기 유압 펌프의 일측과 상기 단동 실린더부를 연결하는 유로에 설치되어, 상기 밸브 제어 신호에 따라 상기 단동 실린더부에 공급되는 작동유의 방향을 제어 가능한 방향 제어 밸브를 구비하는 밸브부;를 포함하고, 상기 유압 펌프는 일측에 연결된 상기 유로를 통해 상기 유압 탱크 내의 작동유를 흡입하면, 타측에 연결된 유로를 통해 상기 작동유를 배출하여 상기 복동 실린더부 또는 상기 단동 실린더부로 공급하고, 타측에 연결된 상기 유로를 통해 상기 유압 탱크 내의 작동유를 흡입하면, 일측에 연결된 유로를 통해 상기 작동유를 배출하여 상기 복동 실린더부로 공급하는 양 방향 펌프이며, 상기 밸브부는 상기 유압 탱크 내부에, 상기 유압 탱크와 상기 유압 펌프 사이에 파일럿 방식의 체크 밸브를 복수개 구비할 수 있다. 상기 유압 탱크는, 일측에 연통되게 연결되어 상기 작동유의 압력을 축적 및 배출 가능한 축압기를 구비할 수 있다. 상기 방향 제어 밸브는 상기 유압 탱크와 상기 단동 실린더부를 연결하여 상기 단동 실린더부 내의 작동유를 상기 유압 탱크로 되돌리도록 형성된 제1 유로, 상기 단동 실린더부로 공급되는 작동유의 유량을 조절 가능하도록 형성된 제2 유로 및, 상기 유압 펌프 타측에 연결된 유로와 연결되어, 상기 작동유를 상기 단동 실린더부로 공급 가능하도록 형성된 제3 유로를 포함할 수 있다. 삭제 삭제 상기 유압 펌프의 일측과 상기 복동 실린더부를 연결하는 유로에 설치되어, 상기 작동유의 유량을 제어하는 유량 제어 밸브를 더 구비할 수 있다. 상기 유량 제어 밸브는, 상기 밸브 제어 신호에 따라 동작하여 상기 작동유 유량을 조절 가능한 서보 밸브 또는 비례 제어 밸브이거나, 상기 유로의 내부 공간을 좁혀 상기 작동유 유량을 조절하는 오리피스일 수 있다. 상기 단동 실린더부와 상기 유압 탱크를 연결하고, 상기 단동 실린더부에 공급된 작동유가 상기 유압 탱크로 되돌아 가는 통로인 적어도 하나의 리턴 유로를 더 포함할 수 있다. 상기 리턴 유로에는, 상기 작동유가 상기 유압 탱크로부터 상기 단동 실린더부로 흐르는 것은 차단하고, 반대로 흐르는 것은 허용하는 체크 밸브가 구비될 수 있다.
상기 밸브부는, 상기 방향 제어 밸브와 상기 단동 실린더부를 연결하는 유로에 설치되어, 상기 단동 실린더부 내의 작동유가 상기 유압 펌프로 흐르는 것을 차단하는 차단 밸브를 더 구비할 수 있다. 삭제 상기 복동 실린더부와 연결된 두 개의 유로 및, 상기 단동 실린더부와 연결된 하나의 유로를 서로 연결하고, 상기 복동 실린더부 및 상기 단동 실린더부의 작동유를 방출 가능 하도록 형성되는 방출 유로를 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 유압 액츄에이터와 상기 유압 펌프를 연결하는 유로에 위치하여 상기 작동유의 압력을 센싱하는 압력센서를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 압력센서로부터 센싱 신호를 전달 받아 상기 센싱 신호를 분석하여 상기 모터 제어 신호 및 상기 밸브 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 밸브부는 상기 유압 탱크 양측과 상기 체크 밸브 각각을 연결하는 유로로부터 분기된 유로에 설치되는 복수의 릴리프 밸브를 더 구비할 수 있다. 삭제
본 발명의 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치에 의하면, 하나의 유압 펌프로 복수의 유압 액츄에이터를 구동 가능하고, 유로 및 유압 펌프를 유압 탱크 내부에 위치시킴으로써, 종래의 유압 구동 장치 보다 작은 크기로 소형화 할 수 있다. 또한, 동력이 필요할 경우에 모터를 구동하여 유압 펌프의 가변 제어가 가능하므로, 종래의 유압 구동 장치 보다 대략 50% 이상의 에너지 효율이 높아지는 효과가 있다. 이와 더불어, 축압기가 일체로 형성된 유압 탱크 내부에 유압 펌프를 위치시킴으로써, 종래의 유압 구동 장치 보다 소음이 줄어드는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1과 다른 각도에서 바라 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 유압 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 모터가 반시계 방향으로 회전할 경우의 유압 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 모터가 시계 방향으로 회전할 경우의 유압 흐름을 보여주는 도면이다.
도 6는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 단동 실린더부가 수축 동작하는 경우의 유압 흐름을 보여주는 도면이다.
도 7는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 유압 회로도이다.
도 8는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 유압 회로도이다.
도 9은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 유압 회로도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 유압 회로도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)는 작동유의 압력, 유량 및 방향을 제어하여 유압 액츄에이터(300)로 공급하고, 작동유를 공급 받은 유압 액츄에이터(300)의 동작을 통해 착용형 로봇을 구동하는 장치로서, 유압 장치(100) 및 제어부(200)를 포함할 수 있다. 유압 장치(100)는 유압 탱크(110), 모터(120), 유압 펌프(130), 밸브부(140), 유로(150), 압력 센서(160), 온도 센서(Temperature Sensor: Temp) 및 필터(Filter: F) 등을 포함할 수 있다. 유압 탱크(110)는, 작동유가 저장되는 장소로서, 작동유 저장을 위한 저장 공간이 구비된다. 유압 탱크(110)는 전체적으로 박스 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유압 탱크(110)의 내 외부에는 유압 구동 장치(10)를 구성하는 각종 구성품들이 배치될 수 있다. 여기서, 작동유는 착용형 로봇 등에 적용되는 유압 액츄에이터(300)를 구동시키는데 필요한 구동력을 전달하는 매체로서, 오일일 수 있다. 이러한 유압 탱크(110)에는 작동유의 유입 및 유출이 가능한 작동유 유출입구(112)가 구비될 수 있다. 또한, 유압 탱크(110)는 축압기(111)를 구비할 수 있다. 축압기(110)는 유압 펌프(130)에 의해 가압된 높은 압력의 작동유를 저장하여 두고 필요에 따라 저장되어 있는 높은 압력의 작동유를 배출하여 작동유가 필요한 부분에 공급할 수 있다. 축압기(111)는 유압 액츄에이터(300) 구동시, 유압 장치(100) 내부의 압력 차가 과도하게 발생하는 것을 방지하는 역할도 할 수 있다. 축압기(111)는 유압 탱크(110)의 하부(도1 기준)에 인접하도록 배치될 수 있다. 축압기(111)는 유압 탱크(110)의 하부에 형성된 구멍을 통해 유압 탱크(110)와 연통되게 연결될 수 있다. 축압기(111)는 그 내부에 스프링(111a)을 구비할 수 있다. 축압기(111)는 유압 탱크(110)에서 보내온 높은 압력의 작동유가 축압기(111)에 유입되어 스프링(111a)이 압축되면, 스프링(111a)을 압축된 상태로 유지시킴으로써, 에너지를 저장할 수 있는 스프링 타입의 축압기일 수 있다. 축압기(111)는 스프링(111a)의 에너지(예컨대, 복원력)를 이용하여 저장되어 있는 작동유를 배출함으로써, 작동유가 필요한 유압 액츄에이터(300)에 공급할 수 있다. 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(100)는 소형이면서 중저압용의 스프링식 축압기(111)를 적용함으로써, 그 크기 및 무게가 감소되는 효과가 있다. 도 3을 참고하여 유압 액츄에이터(300)를 설명하면, 유압 액츄에이터(300)는 복동 실린더부(310) 및 단동 실린더부(320)를 포함하여 착용형 로봇의 관절 역할을 할 수 있다. 복동 실린더부(310)는 예를 들면 착용형 로봇의 고관절 역할을 할 수 있는 바, 유압 장치(100)의 적어도 두 개의 유로(151, 152)를 통해 유압 펌프(130)와 연결되어 작동유를 공급받을 수 있다. 복동 실린더부(310)는 실린더(311) 및 그 내부에 이동 가능하게 설치된 피스톤(312)을 포함할 수 있으며, 실린더(311) 내부 공간은 피스톤(312)에 의해 수축 공간(Retraction Space: RS) 및 팽창 공간(Extension Space: ES)으로 구분될 수 있다. 복동 실린더부(310)의 수축 공간(RS)은 수축 포트(Retraction Port)를 통해 상기한 바 있는 두 개의 유로 중 어느 하나의 유로(151)와 연결될 수 있고, 복동 실린더부(310)의 팽창 공간(ES)은 팽창 포트(Extension Port)를 통해 두 개의 유로 중 남은 하나의 유로(152)와 연결될 수 있다. 단동 실린더부(320)는 예를 들면 착용형 로봇의 무릎 관절 역할을 할 수 있는 바, 유압 장치(100)의 하나의 유로(153)를 통해 유압 펌프(130)와 연결되어 작동유를 공급 받을 수 있다. 단동 실린더부(320)는 복동 실린더부(310)와 마찬가지로 실린더(321) 및 그 내부에 이동 가능하게 설치된 피스톤(322)을 포함할 수 있으며, 실린더(321) 내부 공간은 피스톤(322)에 의해 수축 공간(RS) 및 팽창 공간(ES)으로 구분될 수 있다. 단동 실린더부(320)의 수축 공간(RS)은 수축 포트를 통해 상기한 하나의 유로(153)에 연결될 수 있으나, 단동 실린더부(320)의 팽창 공간(ES)은 유로(153)와 연결되지 않는다. 다시 도 1 내지 도 3을 참고하면, 모터(120)는 전력을 받아서 회전하고, 그 회전축(121)에서 회전력을 발생시키는 동력 기계로서, 유압 탱크(110)의 일측(도1 기준 좌측)에 유압 탱크(110)와 인접하도록 배치될 수 있다. 모터(120) 외부로 돌출된 회전축(121)은 유압 탱크(110) 일측에 형성된 구멍을 통해 삽입된 상태로 유압 탱크(110) 내부에 위치할 수 있다. 모터(120)의 회전축(121)은 유압 탱크(110) 내부에서 유압 펌프(130)와 연결될 수 있다. 모터(120)는 제어부(200)의 모터 제어 신호에 따라 그 동작이 제어될 수 있다. 유압 펌프(130)는 유압 탱크(110) 내의 작동유를 가압하여 유압 액츄에이터(300)로 공급하는 역할로서, 유압 탱크(110) 내부에 위치할 수 있다. 유압 펌프(130)는 모터(120)의 회전축(121)과 연결되어, 회전축(121)의 회전력을 받아 회전하면서 유압 탱크(110)에 저장된 작동유를 가압하도록 형성될 수 있다. 즉, 모터(120)와 유압 펌프(130)는 작동유를 가압하여 유압 액츄에이터(300)로 공급할 수 있다. 유압 펌프(130)는 예를 들어, 양방향으로 작동하는 펌프일 수 있다. 이와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유압 구동 장치(10)는 유압 펌프(130)를 유압 탱크(110) 내부에 위치시키고, 유압 탱크(110) 및 유압 탱크(110) 내부의 작동유를 통해 감쌈으로써, 종래의 유압 구동 장치 보다 소음이 줄어들고 소형화시킬 수 있다. 밸브부(140)는 체크 밸브(Check Valve: CV), 릴리프 밸브(Relief Valve: RV) 및 방향 제어 밸브(141) 등을 포함하여, 유압 펌프(130)에 의해 가압된 작동유의 압력, 유량 및 방향을 제어해서 유압 액츄에이터(300)로 작동유를 공급하는 역할을 할 수 있다. 체크 밸브(CV)는, 작동유가 유압 펌프(130)로부터 복수의 유압 액츄에이터(300)로 흐르는 것은 허용하고 반대로 흐르는 것은 차단하는 밸브이다. 체크 밸브(CV)는 복수개가 구비되며, 각각의 체크 밸브(CV1, CV2)는 유압 탱크(110)와 유압 펌프(130) 사이의 유로(150)에 배치될 수 있다. 릴리프 밸브(RV)는, 유압 액츄에이터(300)로 공급되는 작동유의 압력이 허용 최대 압력 이상인 경우에 작동유를 배출하여 작동유의 압력을 낮추는 밸브로서, 작동유의 과도한 압력에 따른 유압 액츄에이터(300)의 과부하 및 파손 등을 방지할 수 있다. 릴리프 밸브(RV)는 작동유의 일부나 전량을 유압 탱크(110)로 배출함으로써, 작동유의 압력을 허용 최대 압력 이하로 유지할 수 있다. 릴리프 밸브(RV)는 복수개가 구비되며, 어느 하나의 릴리프 밸브(RV1)는 유압 모터(130)와 체크 밸브(CV1) 사이의 유로 분기점(Branch Point: BP4)에 일단이 연결되고, 유압 탱크(110)와 체크 밸브(CV1) 사이의 유로 분기점(BP2)에 타단이 연결될 수 있다. 다른 하나의 릴리프 밸브(RV2)는 유압 모터(130)와 체크 밸브(CV2) 사이의 유로 분기점(Branch Point: BP5)에 일단이 연결되고, 유압 탱크(110)와 체크 밸브(CV2) 사이의 유로 분기점(BP3)에 타단이 연결될 수 있다. 이러한 릴리 프 밸브(RV)는 예를 들어, 파일럿형(Pilot) 릴리프 밸브일 수 있다. 방향 제어 밸브(141)는 작동유의 방향을 제어하기 위한 밸브로서, 유압 탱크(110)의 외부 유로에 배치될 수 있다. 방향 제어 밸브(141)는 기계적 또는 전기적 신호에 따라 동작하는 서보 밸브(Servo Valve: SV)일 수 있으며, 서보 밸브(SV)는 제어부(200)의 제어신호에 따라 작동 가능하다. 서보 밸브(SV)는 유압 액츄에이터(300)와 유압 탱크(110) 또는 유압 액츄에이터(300)와 유압 펌프(130) 사이의 유로(150)에 장착될 수 있다. 서보 밸브(SV)는 내부에 세 개의 유로(C1, C2, C3)를 구비한 3웨이(3 way) 밸브일 수 있으며, 세 개의 유로(C1, C2, C3)를 통해 작동유의 흐름을 제어함으로써, 유압 액츄에이터(300)의 동작을 제어할 수 있다. 유로(150)는, 작동유가 흐르는 통로로서, 유압 탱크(110), 유압 펌프(130) 및, 유압 액츄에이터(300)와 연결될 수 있다. 유로(150)는 대부분이 유압 탱크(110) 내부에 위치할 수 있다. 유로(150)의 끝 단에는 유압 호스(151, 152, 153)가 구비되며, 유압 호스(151, 152, 153)는 유압 액츄에이터(300)와 연결될 수 있다. 이와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)는 유로(150)를 유압 탱크(110) 내부에 위치시킴으로써, 종래의 유압 구동 장치 보다 소형화시킬 수 있다. 압력 센서(160)는 유압 액츄에이터(300)로 흐르는 작동유의 압력을 측정하는 센싱 장치로서, 밸브부(140)와 유압 액츄에이터(300) 사이의 유로(150)에 배치될 수 있다. 압력 센서(160)는 복동 실린더부(310)와 단동 실린더부(320)에 연결된 유로 각각에 구비될 수 있다. 압력 센서(160)는 예를 들어, 착용형 로봇을 착용하고 있는 사용자의 움직임에 따라 유로(150) 각각의 압력이 변화되면, 이러한 압력 변화를 감지하여 그에 맞는 복수의 압력 신호를 생성할 수 있다. 압력 센서(160)는 생성된 복수의 압력 신호를 제어부(200)로 전달하고, 제어부(200)는 복수의 압력 신호를 분석하여 적절한 제어신호를 생성 가능하며, 생성된 제어 신호를 모터(120) 및 방향 제어 밸브(141)로 전달한다. 모터(120) 및 방향 제어 밸브(141)는 전달받은 제어 신호에 따라 그 동작 상태가 적절히 조절될 수 있고, 최종적으로는 사용자의 움직임에 맞춰 유압 액츄에이터(300)가 구동될 수 있다. 이와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)는 착용형 로봇을 착용한 사용자의 움직임을 감지한 경우에 모터의 제어가 가능하므로, 모터를 계속적으로 동작시키는 종래의 유압 구동 장치 보다 에너지 효율이 약 50% 이상 향상되는 효과가 있다. 온도 센서(Temp)는 작동유 및 각종 구성품들에 의한 유압 구동 장치(10)의 온도를 측정하는 센싱 장치로서, 유압 탱크(110)와 유압 펌프(130) 사이의 유로(150)에 배치될 수 있다. 온도 센서(Temp)는 기설정된 기준 온도 이상의 온도가 감지되면, 온도신호를 발생시킬 수 있다. 온도 센서(Temp)에 의해 발생된 온도신호는 제어부(200)로 전달되고, 제어부(200)는 온도신호를 분석하여 적절한 제어신호를 생성 가능하며, 생성된 제어 신호를 모터(120) 및 방향 제어 밸브(141)로 전달할 수 있다. 모터(120) 및 방향 제어 밸브(141)는 전달받은 제어 신호에 따라 동작 상태가 변경되어, 유압 구동 장치(10)의 온도를 기설정된 기준 온도 이하로 유지시킬 수 있다. 이를 통해 유압 구동 장치(10)는 과도하게 높은 온도로 인한 작동유 팽창의 위험을 방지할 수 있다. 필터(F)는 이물질 등의 제거를 통해 작동유를 정화하는 장치로서, 온도 센서(Temp)와 유압 펌프(130) 사이에 배치될 수 있다. 필터(F)는, 작동유가 되풀이해서 유압 액츄에이터(300)의 동작에 사용되면 마모된 금속 가루나 외부로부터의 이물질이 섞이게 되므로, 이를 정화하기 위해 설치될 수 있다. 필터(F)는 작동유 정화를 통해 작동유의 열화 및 윤활 효과의 감소를 완화할 수 있다. 제어부(200)는 착용형 로봇에 적용되는 각종 센싱 장치들의 센싱 신호에 따라 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 모터(120) 및 방향 제어 밸브(141)로 전송하며, 전송된 제어 신호를 통해 모터(120) 및 방향 제어 밸브(141)를 제어하는 장치이다. 제어부(200)는 모터를 제어 가능한 모터 제어부(210) 및 방향 제어 밸브(141)를 제어 가능한 밸브 제어부(220)를 포함할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)의 유압 흐름을 보여준다. 이후 도 4를 참고하여 복동 실린더부(310)의 수축 과정을 설명하면, 모터 제어부(210)에서 발생되는 모터 제어 신호에 따라 모터(120)는 어느 한쪽 방향(예컨대, 반시계 방향)으로 회전 동작한다. 그런 다음 유압 펌프(130)는 모터(120)의 회전 동작에 의해 내부 작동유를 가압하여 양측에 연결된 유로 중 일측에 연결된 유로(도3 기준 좌측 유로)를 통해 내보낸다. 유압 펌프(130)의 좌측 유로로 내보내진 작동유는 유로 분기점(BP4)에 연결된 파일럿 라인(Pilot Line: PL)을 통해 체크 밸브(CV2)로 흐르게 되고, 이에 따른 체크 밸브(CV2)는, 유압 탱크(110) 내의 작동유가 일단(도3 기준 아래측)에서 타단(도3 기준 위측)으로 흐를 수 있도록 열림 상태로 변경 된다. 유압 탱크(110) 내의 작동유는 유압 펌프(130)에 의해 열리게 된 체크 밸브(CV2)를 통과하고 나서, 유압 펌프(130) 양측에 연결된 유로 중 타측에 연결된 유로(도3 기준 우측 유로)를 통해 유압 펌프(130) 내부로 들어가게 된다. 유압 펌프(130) 내부로 들어가게 된 작동유는 유압 펌프(130)의 가압 동작에 의해 좌측 유로로 내보내지고 나서, 유압 펌프(130)의 좌측 유로와 연결된 복동 실린더부(310)의 수축 포트를 통해 실린더(311)의 수축 공간(RS)으로 들어가게 된다. 여기서, 작동유는 실린더(311)의 수축 공간(RS)뿐만 아니라, 분기점(BP4)에 연결된 릴리프 밸브(RV1) 방향으로도 흐르게 된다. 릴리프 밸브(RV1)는 닫힘 상태이므로, 작동유는 더 이상 나아가지 않은 채 머물게 되나, 릴리프 밸브(RV1)가 열림 상태로 변경되는 경우(작동유의 압력이 릴리프 밸브(RV1)의 설정 압력보다 높은 경우)에 유압 탱크(110)로 흘러갈 수 있게 된다. 릴리프 밸브(RV1)의 상태 변경에 대한 설명은 앞서 설명한 바 있으므로 생략한다. 마지막으로, 실린더(311)의 수축 공간(RS)으로 들어온 작동유에 의해 피스톤(312)이 우측 방향(도3 기준)으로 이동함으로써, 착용형 로봇의 고관절을 움직이도록 하는 구동력이 발생하게 된다. 이와 동시에 실린더(311)의 팽창 공간(ES)에 있는 작동유는 피스톤(312)의 이동에 의해 팽창 공간(ES)을 빠져 나와서 유압 펌프(130)로 유입될 수 있다. 도 5를 참고하여 복동 실린더부(310) 및 단동 실린더부(320)의 팽창 과정을 설명하면, 먼저 모터 제어부(210)에서 발생되는 모터 제어 신호에 따라 모터(120)는 어느 한쪽 방향(예컨대, 시계 방향)으로 회전 동작한다. 그런 다음 유압 펌프(130)는 모터(120)의 회전 동작에 의해 내부 작동유를 가압하여 양측에 연결된 유로 중 타측에 연결된 유로(도3 기준 우측 유로)를 통해 내보낸다. 유압 펌프(130)의 우측 유로로 내보내진 작동유는 분기점(BP5)에 연결된 파일럿 라인을 통해 체크 밸브(CV1)로 흐르게 되고, 이에 따른 체크 밸브(CV1)는, 유압 탱크(110) 내의 작동유가 일단(도3 기준 아래측)에서 타단(도3 기준 위측)으로 흐를 수 있도록 열리게 된다. 유압 탱크(110) 내의 작동유는 유압 펌프(130)에 의해 열리게 된 체크 밸브(CV1)를 통과하고 나서, 유압 펌프(130) 양측에 연결된 유로 중 일측에 연결된 유로(도3 기준 좌측 유로)를 통해 유압 펌프(130) 내부로 들어가게 된다. 유압 펌프(130) 내부로 들어가게 된 작동유는 유압 펌프(130)의 가압 동작에 의해 우측 유로로 내보내지고 나서, 유압 펌프(130)의 우측 유로와 연결된 복동 실린더부(310)의 팽창 포트를 통해 실린더(311)의 팽창 공간(ES)으로 들어가게 된다. 이때, 실린더(311)의 팽창 공간(ES)으로 들어온 작동유에 의해 피스톤(312)이 좌측 방향(도3 기준)으로 이동함으로써, 착용형 로봇의 고관절을 움직이도록 하는 구동력이 발생하게 된다. 이와 동시에 수축 공간(RS)에 있는 작동유는 수축 공간(RS)을 빠져 나와 유압 펌프(130)로 유입될 수 있다. 한편, 작동유는 실린더(311)의 팽창 공간(ES)뿐만 아니라, 분기점(BP5, BP6)에 연결된 릴리프 밸브(RV2) 및 서보 밸브(SV)방향으로도 흐르게 된다. 릴리프 밸브(RV2)로 흐르게 된 작동유는, 릴리프 밸브(RV2)가 닫힌 상태이므로, 더 이상 나아가지 않은 채 머물게 되나, 릴리프 밸브(RV2)가 열린 상태로 변경되는 경우(작동유의 압력이 릴리프 밸브의 설정 압력보다 높은 경우)에 유압 탱크(110)로 흘러갈 수 있게 된다. 릴리프 밸브(RV2)의 상태 변경에 대한 설명은 앞서 설명한 바 있으므로 생략한다. 한편, 서보 밸브(SV)로 흐르게 된 작동유는, 서보 밸브(SV)에 적용되고 있는 유로에 따라 유량이 조절되거나, 그 흐름이 진행 또는 차단될 수 있다. 여기서, 서보 밸브(SV)의 내부 유로가 제1 유로(C1)인 경우, 서보 밸브(SV)로 공급된 작동유는 서보 밸브(SV)에 의해 막혀서 단동 실린더(320)로 공급되지 않게 된다. 서보 밸브(SV)의 내부 유로가 제2 유로(C2)인 경우, 서보 밸브(SV)로 공급된 작동유는 제2 유로(C2)에 형성된 오리피스(Orifice: Or)에 의해 유량이 줄어든 상태로 단동 실린더부(320)로 공급될 수 있다. 서보 밸브(SV)의 내부 유로가 제3 유로(C3)인 경우, 작동유는 서보 밸브(SV)를 통해 단동 실린더부(320)로 공급될 수 있다. 이러한 서보 밸브(SV)는 제어부의 제어신호에 의해 그 내부 유로(C1, C2, C3)가 변경 적용될 수 있다. 도 5에서는 서보 밸브(SV)로 공급된 작동유가 내부 유로(C3)를 통해 단동 실린더부(320)의 실린더(321)의 팽창 공간(ES)으로 유입되고, 이렇게 유입된 작동유에 의해 피스톤(322)이 아래측 방향(도5 기준)으로 이동함으로써, 착용형 로봇의 무릎 관절을 움직이도록 하는 구동력이 발생하게 된다. 도 6을 참고하여 단동 실린더부(320)의 수축 동작에 따른 작동유 흐름을 설명하면, 착용형 로봇을 착용하고 있는 사용자가 무릎을 구부리는 동작 등을 통해 단동 실린더부(320)를 수축시키게 되면, 실린더(321)의 수축 공간(RS)에 저장되어 있던 작동유가 배출되며, 밸브 제어부(220)는 적절한 밸브 제어 신호를 생성하고, 밸브 제어 신호를 통해 서보 밸브(SV)를 동작시킨다. 서보 밸브(SV)는 제어부(220)의 밸브 제어 신호에 의해 내부 유로가 제1 유로(C1)로 변경되며, 단동 실린더부(320)로부터 배출된 작동유는 서보 밸브(SV)의 제1 유로(C1)를 통해 유압 탱크(110)로 흘러 들어가 재저장되고, 추후 필요에 따라 되풀이해서 사용될 수 있다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)의 유압 회로도를 확인할 수 있다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)는 제1 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치의 모든 구성품을 포함하고, 리턴 유로(170), 차단 밸브(Blocking Valve: BV), 방출 유로(180), 유량 제어 밸브(142)를 더 포함할 수 있다. 리턴 유로(170)는 단동 실린더부(320)의 작동유가 유압 탱크(110)에 용이하게 재 저장될 수 있도록 구비되는 것으로서, 단동 실린더부(320)에 연결된 유로(150)에서 분기되어 유로 분기점(BP1)과 연결될 수 있다. 리턴 유로(170)는 작동유 흐름에 대한 저항에 대비하여 두 개가 형성될 수 있으나, 그 개수가 더욱 늘어날 수 있음은 자명하다. 이러한 리턴 유로(170)에는 작동유가 유압 탱크(110)로부터 단동 실린더부(320)로 흐르는 것은 차단하고, 반대로 흐르는 것은 허용하는 체크 밸브(CV3)가 구비될 수 있다. 차단 밸브(BV)는 단동 실린더부(320)가 수축 동작하는 경우, 단동 실린더부(320)의 작동유가 리턴 유로(170)를 통해 되돌아갈 수 있도록 서보 밸브(SV1)와 단동 실린더부(320) 사이의 유로(153)에 배치되어 서보 밸브(SV1)와 단동 실린더부(320) 사이의 유로(153)를 통해 작동유가 흐르는 것을 차단할 수 있다. 차단 밸브(BV)는 비례 제어 밸브(Proportional valve: PV), 체크 밸브(CV4) 및 오리피스(Or)를 포함할 수 있으며, 체크 밸브(CV4)는 서보 밸브(SV1)와 단동 실린더부(320) 사이의 유로에 배치되고, 비례 제어 밸브(PV)는 체크 밸브(CV4)와 단동 실린더부(320) 사이의 유로에서 분기되어 나온 유로와 연결되고, 비례 제어 밸브(PV)와 체크 밸브(CV4)는 파일럿 라인(PL)을 통해 각각의 일단이 서로 연결될 수 있다. 여기서, 오리피스(Or)는 파일럿 라인(PL)에 형성될 수 있다. 차단 밸브(BV)를 이용한 단동 실린더부(320)의 팽창 동작을 설명하면, 제어부(200)가 단동 실린더부(320)의 팽창 동작을 위해 밸브 제어 신호를 생성하고, 생성된 밸브 제어 신호에 따라 비례 제어 밸브(PV) 양측의 파일럿 라인(PL)과 유로(160)가 서로 연결되도록 비례 제어 밸브(PV)의 상태가 변경되면, 체크 밸브(CV4)가 열림 상태로 변경되고, 유압 탱크(110) 및 유압 펌프(130)로부터 배출된 작동유가 열림 상태로 변경된 체크 밸브(CV4)를 통해 단동 실린더부(320)로 흐르게 되며, 이에 따라 단동 실린더부(320)의 팽창 동작이 가능하게 된다. 반면에, 단동 실린더부(320)가 수축 동작을 하게 되면, 단동 실린더부(320) 내의 작동유는 차단 밸브(BV)에 의해 막혀 차단 밸브(BV) 방향으로 더 이상 나아가지 못하고, 리턴 유로(170)를 통해 유압 탱크(110)로 되돌아갈 수 있게 된다. 이때 축압기(111)는 유압 탱크(110) 내부 작동유의 압력을 적절히 조절하여 단동 실린더부(320) 내의 작동유가 유압 탱크(110) 내부로 용이하게 되돌아갈 수 있도록 할 수 있다. 방출 유로(180)는 착용형 로봇의 고장 등의 이유로 유압 액츄에이터(300)의 작동유를 외부(예컨대, 오일 탱크)로 방출하기 위해 구비되는 것으로서, 복동 실린더부(310)와 연결된 두 개의 유로(151, 152) 및, 단동 실린더부(320)와 연결된 유로(153) 각각에서 분기되어 형성될 수 있다. 방출 유로(180)에는 작동유가 방출되는 통로로 이용되는 수동 방출 밸브(Manual Release Valve)가 구비될 수 있다. 수동 방출 밸브는 사용자의 수동 동작에 의해 열림 상태로 변경될 수 있다. 유압 액츄에이터(300)의 작동유는 열림 상태의 수동 방출 밸브를 통해 외부로 방출될 수 있다. 여기서, 수동 방출 밸브는 기계적 또는 전기적 신호에 의해 동작하는 방출 밸브로 대체 가능함은 자명하다. 유량 제어 밸브(142)는 복동 실린더부(310)의 팽창 포트와 연결된 유로 (150) 내의 작동유 유량을 적절히 조절하기 위해 구비되는 것으로서, 서보 밸브(SV2)일 수 있다. 서보 밸브(SV2)는 앞서 도 3에서 설명한 바 있는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유압 구동 장치(10)의 서보 밸브(SV)의 기능을 그대로 보유하고 있음이 자명하며, 이에 따라 작동유 유량을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 작동유 흐름을 차단할 수도 있다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)의 유압 회로도를 확인할 수 있다. 본 발명의 제3 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)는 제2 실시 예에 따른 유압 구동 장치의 모든 구성품을 포함하나, 제2 실시 예에 따른 유압 구동 장치의 차단 밸브(BV)가 제거된 상태이고, 제2 실시 예에 따른 유압 구동 장치의 서보 밸브(SV2)가 비례 제어 밸브(PV)로 대체되어 구성될 수 있다. 여기서, 비례 제어 밸브(PV)는 제2 실시 예에 따른 유압 구동 장치의 서보 밸브(SV2)의 기능을 구현 가능하며, 이에 따라 작동유 유량을 적절히 조절 가능하여 유압 구동 장치(10) 유로 간의 작동유 압력이 과도하게 차이 나는 것을 방지할 수 있다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)의 유압 회로도를 확인할 수 있다. 본 발명의 제4 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)는 제2 실시 예에 따른 유압 구동 장치의 모든 구성품을 포함하나, 제2 실시 예에 따른 유압 구동 장치의 차단 밸브(BV)가 제거된 상태이고, 복동 실린더부(310)에 연결된 유로 중 남은 유로에 서보 밸브(SV3)가 추가될 수 있다. 여기서, 추가된 서보 밸브(SV3)는 앞서 도 3에서 설명한 바 있는 서보 밸브(SV)의 기능을 그대로 보유하고 있음이 자명하며, 이에 따라 작동유 유량을 적절히 조절 가능하여 유압 구동 장치(10) 유로 간의 작동유 압력이 과도하게 차이 나는 것을 방지할 수 있다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)의 유압 회로도를 확인할 수 있다. 본 발명의 제5 실시 예에 따른 유압 구동 장치(10)는 제2 실시 예에 따른 유압 구동 장치의 모든 구성품을 포함하나, 제2 실시 예에 따른 유압 구동 장치의 차단 밸브(BV)가 제거된 상태이고, 제2 실시 예에 따른 유압 구동 장치의 서보 밸브(SV2)가 오리피스(Or)로 대체되어 구성될 수 있다. 본 발명의 제5 실시 예에 따른 착용형 로봇의 유압 구동 장치(10)에 오리피스(Or)가 적용되는 경우에는 작동유 유량을 조절 가능할 뿐만 아니라, 서보 밸브(SV2)나 비례 제어 밸브(PV) 사용으로 인한 원가 상승을 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 유압 구동 장치
100: 유압 장치
110: 유압 탱크
111: 작동유 투입구
120: 모터
130: 유압 펌프
140: 밸브부
150: 유로
160: 압력 센서
170: 리턴 유로
180: 방출 유로
200: 제어부
210: 모터 제어부
220: 밸브 제어부 |
