착용형 팔동작 측정 장치

착용형 팔동작 측정 장치{Wearable Apparatus for measuring position and action of Arm}

본 발명은 착용형 팔동작 측정 장치에 관한 것으로 더 상세하게는 사용자의 팔에 착용되어 팔의 움직임을 정밀하고 안정성 있게 측정하여, 로봇이 취해야 할 동작을 직관적으로 학습시킬 수 있게 하는 착용형 팔동작 측정 장치에 관한 것이다.

다양한 분야에서 로봇이 이용됨에 따라 종전에 인간이 수행하던 작업을 로봇이 대신 수행하는 일이 늘어나고 있다. 비교적 단순하고 쉬운 작업을 로봇으로 대체하여 반복적으로 작업을 수행하거나 인간이 직접 투입되기 어려운 환경에서의 작업을 수행하기 위하여 다양한 형태의 로봇이 사용되며, 이러한 예로서 생산자동화 공정이나 험지 탐사 등 인간이 본래 수행하였던 일을 로봇이 수행하기 위하여 인간의 형태를 모사한 로봇이 산업 현장에서 사용되고 있다. 그에 따라 인간의 형태에 유사한 로봇의 움직임을 사용자가 직관적인 조작으로 조종 가능 하도록 하기 위한 다양한 방법이 시도 되고 있다.

가장 간단한 방법으로는 로봇의 각 관절 공간 혹은 작업 공간 위치를 컴퓨터 언어 혹은 티칭 펜던트로 직접 입력하는 방법이다. 이러한 방법은 사용자가 의도하는 로봇의 움직임 궤적을 미리 설계하고, 그에 해당하는 작업 공간 내 혹은 관절공간 내의 궤적으로 수치화하여 입력장치에 입력 하는 것이다. 이 방법은 궤적 설계 과정에서 단순한 움직임을 비교적 쉽게 예상 할 수 있으나 움직임이 복잡할 경우 사용자의 판단 오류로 인해 충돌 등의 사고가 생길 가능성이 높고 사용자는 시행착오를 겪으며 로봇 동작학습을 진행하는 경우가 많다.

다른 방법으로는 로봇 선단(先端)에 장착한 6축 힘센서와 같은 3차원 조작기를 이용하여 3차원 위치, 회전 정보를 로봇에게 전달하는 방법이다. 이는 사용자가 직접 손으로 3차원 조작기의 조작부를 잡아 움직여서 로봇에게 동작을 지시하는 방법으로, 직접 수치를 입력하는 방법보다 직관적인 로봇의 동작을 유도 할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 6자유도를 초과하는 로봇을 제어할 경우 말단 효과 장치(end effector)의 위치는 원하는 대로 움직이나, 여유 자유도(redundant degree of freedom)에 의해 의도하지 않은 로봇의 자세가 나타날 수 있다. 또한 로봇 선단의 움직임 만으로 로봇 전체 동작을 학습시켜야 하므로 동작 구현의 직관성이 다소 떨어지는 면이 있다.

여유 자유도를 갖는 로봇이 원하는 자세와 동작을 하도록 학습시키기 위해서는 선단에 6축 센서를 붙이는 대신 모든 관절에 토크센서를 붙이고 로봇 선단뿐 아니라 몸체에도 힘을 가하면서 원하는 자세를 취하게 할 수 있다. 그러나 이 경우도 중간 점들을 저장하고 그 사이를 부드럽게 연결하여 경로를 만드는 작업이 필요하여 로봇에게 복잡한 동작을 학습시키기 위해서는 많은 시간이 소요된다.

인간은 어떠한 동작을 배울 때 다른 사람이 동작하는 것을 보고 따라서 하게 된다. 로봇도 사람의 동작을 인식하여 그대로 따라 할 수 있으면 좋으나, 현재 개발되어 있는 장비는 인간의 동작을 정확하게 인식하기 힘들다. 애니메이션 제작에 주로 사용되는 모션캡쳐 장비는 몸에 붙인 마커를 비전으로 인식하는 방식, 관성센서의 신호를 소프트웨어로 보정하는 방식, 기계적 장치를 착용하는 방식 등이 있으나 어느 것도 높은 정밀도로 인간의 동작을 측정할 수 없다. 애니메이션과 같이 인체의 전체적인 동작을 만들기 위해서는 현재의 모션캡쳐 장비로도 충분하나, 조립작업에 사용되는 양팔로봇의 동작을 학습시키기 위해서는 모션캡쳐 장비보다 훨씬 정밀하고 안정성이 높은 팔 동작 측정 장치가 필수적으로 요구된다.

외갑형(exoskeletal) 착용형 장치는 다른 장치들보다 비교적 정교한 측정의 가능성이 있지만 기구가 복잡해지고, 특히 사람의 어깨는 7 자유도 이상의 복잡한 구조를 가지므로 3방향의 회전만을 측정하려고 해도 이를 위한 기구설계가 용이하지 않다. 도 1은 어깨 회전중심에 맞추어서 회전하는 3자유도 링크기구를, 도 2는 이러한 3자유도 링크기구에 등쪽 자유도가 추가된 링크기구를 나타내고 있다. 이러한 기구들에서는 사람의 어깨 중심과 링크의 어깨 중심을 맞추도록 되어 있지만, 실제로는 사람 어깨의 복잡한 움직임으로 인해 어깨의 회전중심을 기구의 회전중심과 맞추어서 유지하기 어렵고, 이로 인한 저항력으로 인해 어깨 움직임에 불편함을 야기시킬 수 있다. 또한 팔 하박의 길이 방향 회전(forearm pronation/supination)을 정밀하게 측정하는 기구를 설계하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 사용자의 팔에 착용되어 팔의 움직임을 정밀하고 안정성 있게 측정하여, 로봇이 취해야 할 동작을 직관적으로 학습시킬 수 있게 하는 착용형 팔동작 측정 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 착용형 팔동작 측정 장치는, 사용자의 상체에 착용되는 메인 프레임부재; 및 상기 메인 프레임부재의 일 측에 연결되며 복수의 관절부를 구비하며 사용자의 팔에 착용되는 팔동작 측정기구를 포함하며, 상기 팔동작 측정기구의 복수의 관절부 중 적어도 어느 하나는 진직 자유도를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 관절부는, 상기 메인 프레임부재의 일 측에 연결되는 어깨 관절부, 상기 어깨 관절부에 결합되는 위팔부, 상기 윗팔부의 단부 측에 구비되는 팔꿈치 관절부, 상기 팔꿈치 관절부에 결합되는 아래팔부 및 상기 아래팔부의 단부 측에 구비되는 손목 관절부를 포함하며, 상기 어깨 관절부, 상기 위팔부, 상기 팔꿈치 관절부, 상기 아래팔부, 상기 손목 관절부 중 적어도 어느 하나는 직진 자유도를 가질 수 있다.

본 발명에서 상기 어깨 관절부는 제1회전 자유도, 제2회전 자유도, 제3회전 자유도를 가지며, 상기 윗팔부는 직진 자유도를 가지며, 상기 팔꿈치 관절부는 제4회전 자유도, 제5회전 자유도를 가지며, 상기 손목 관절부는 제6회전 자유도, 제7회전 자유도, 제8회전 자유도를 가질 수 있다.

본 발명에서 상기 제1회전 자유도와 상기 제2회전 자유도의 회전축, 상기 제2회전 자유도와 상기 제3회전 자유도의 회전축, 상기 제4회전 자유도와 상기 제5회전 자유도의 회전축, 상기 제6회전 자유도와 상기 제7회전 자유도의 회전축, 상기 제7회전 자유도와 상기 제8회전 자유도의 회전축은 각각 서로 직각으로 배치될 수 있다.

본 발명에서 상기 손목관절부는 상기 아래팔부의 단부에 축방향으로 회전 가능하게 장착된 손목지지 프레임부재를 포함하며, 상기 아래팔부와 상기 손목지지 프레임부재의 사이에는 사용자의 손목이 관통되어 통과되는 중공부를 구비한 내륜과 상기 내륜이 회전 가능하게 장착되며 상기 내륜을 감싸는 외륜을 포함한 베어링이 구비될 수 있다.

본 발명에서 상기 손목 관절부는, 상기 내륜에 연결되어 상기 외륜의 외측으로 배치되고 고정되고 회전 가능한 타이밍 풀리, 상기 타이밍 풀리에 감기고 상기 외륜을 감싸는 외륜용 타이밍 벨트; 및 상기 타이밍 풀리의 회전축에 연결되는 베어링용 엔코더를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 복수의 관절부에 각각 각 관절부의 움직임을 측정하여 메인 제어부로 전달하는 측정센서가 구비될 수 있다.

본 발명에서 상기 측정센서는 절대값 엔코더나 포텐셔미터일 수 있다.

본 발명에서 상기 진직 자유도를 이루는 진직 이동기구는, 제1진직 이동프레임부재, 일 측에 상기 제1진직 이동프레임부재가 길이방향으로 이동 가능하게 결합되는 제2진직 이동프레임부재 및 상기 제2진직 이동프레임부재의 타측에 길이 방향으로 이동 가능하게 결합되는 제3진직 이동프레임부재를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 진직 이동 기구는 상기 제2진직 이동프레임부재, 상기 제1진직 이동프레임부재의 이동 거리를 측정하는 이동거리 측정부가 구비될 수 있다.

본 발명에서 상기 이동거리 측정부는, 상기 제2진직 이동프레임부재의 일측에 회전 가능하게 구비되며 상기 제2진직 이동프레임부재가 이동될 때 상기 제1진직 이동프레임부재에 접촉되어 구르는 제1타이밍 풀리, 상기 진직 이동프레임부재의 타측에 회전 가능하게 구비되며 상기 제3진직 이동프레임부재가 이동될 때 상기 제2진직 이동프레임부재에 접촉되어 구르는 제2타이밍 풀리, 상기 제1타이밍 풀리와 상기 제2타이밍 풀리에 양단이 각각 감기는 타이밍 벨트, 상기 제1타이밍 풀리의 회전축 또는 상기 제2타이밍 풀리의 회전축에 연결되는 엔코더를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 이동거리 측정부는, 상기 제1타이밍 풀리와 상기 제2타이밍 풀리 중 어느 하나의 회전 각도를 측정하거나, 상기 제1진직 이동프레임부재 또는 상기 제2진직 이동프레임부재의 이동량을 측정하여 진진 자유도의 이동 거리를 측정할 수 있다.

본 발명에서 상기 제1진직 이동프레임부재와 상기 제3진직 이동프레임부재는 상기 제2진직 이동프레임부재를 기준으로 서로 반대방향으로 이동하도록 상기 타이밍 벨트에 의해 연동될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 착용형 팔동작 측정 장치는, 사용자의 상체에서 허리부분에 장착되는 하부 프레임부재, 상기 메인 프레임부재에 고정되는 제1등지지 프레임부재, 상기 하부 프레임부재에 고정되는 제2등지지 프레임부재, 상기 제1등지지 프레임부재와 상기 제2등지지 프레임부재를 회전 가능하게 연결하는 등관절부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 등관절부는, 상기 제2등지지 프레임부재의 축방향으로 회전 가능하게 장착되는 등관절 프레임, 상기 등관절 프레임에 좌, 우로 회전 가능하게 장착되며 상기 제1등지지 프레임부재에 상, 하로 회전 가능하게 장착되는 등관절 브라켓트부재를 포함하여 3개의 회전 자유도를 가질 수 있다.

본 발명에서 상기 메인 프레임에는 자이로스코우프, 가속도센서, 지자기센서 중 적어도 하나가 장착되어 사용자 상체의 기울임 또는 비틀림 각도를 측정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 착용형 팔동작 측정 장치는, 상기 복수의 관절부 중 적어도 어느 하나의 관절에 엑추에이터가 구비될 수 있다.

본 발명에서 로봇의 조작단에 힘센서를 설치하고, 상기 엑추에이터로 상기 힘센서에 의해 감지된 힘의 반력으로 상기 관절부를 작동시키거나 각 관절부를 작동시킬 경우 발생되는 자중을 일부 보상할 수 있다.

본 발명은 교시자가 착용하여 편안하게 양팔을 움직이고, 교시자의 팔동작에 의해 양팔로봇에게 원하는 동작을 정밀하게 교시하고, 로봇의 학습 시간을 단축시키며 로봇의 동작을 빠르고 정확하게 학습시킬 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 비전문가도 로봇의 복잡한 동작까지도 편안하고 정밀하게 교시하여 로봇이 취해야 할 동작을 직관적으로 학습시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 3자유도 링크 기구를 도시한 개략도.
도 2는 종래의 3자유도 링크 기구를 착용한 상태를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치의 일 실시예를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치의 일 실시예를 도시한 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치의 다른 실시예를 도시한 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치를 착용한 예를 도시한 사용 상태도.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치에서 진직 자유도의 일 예를 도시한 도면.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치에서 손목 관절부의 일 예를 도시한 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치의 기구학적 계산을 위한 DH 파라미터를 나타내는 도면.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치의 일 실시예를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치의 일 실시예를 도시한 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 착용형 팔동작 측정 장치는, 사용자 즉, 교시자가 착용하여 편안하게 양팔을 자유롭게 움직여 교시자의 팔동작에 의해 양팔로봇에게 원하는 동작을 정밀하게 교시하거나, 로봇이 취해야 할 동작을 직관적으로 학습시킬 수 있게 하는 것이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 착용형 팔동작 측정 장치는, 사용자의 상체에 착용되는 메인 프레임부재(100) 및 상기 메인 프레임부재(100)의 일 측에 연결되며 복수의 관절부를 구비하며 사용자의 팔에 착용되는 팔동작 측정기구(200)를 포함한다.

또한, 상기 팔동작 측정기구(200)의 복수의 관절부 중 적어도 어느 하나는 진직 자유도를 가지도록 구성된다.

상기 팔동작 측정기구(200)는, 상기 메인 프레임부재(100)의 양 측에 각각 구비되어 사용자의 양 팔에 각각 착용됨으로써 사용자의 양팔을 자유롭게 움직일 수 있도록 하고, 양팔의 움직임을 양팔로봇에 교시하거나 학습시키도록 하는 것이 바람직하다.

더 상세하게 상기 팔동작 측정기구(200)는 복수의 관절부를 포함하며, 상기 관절부는 상기 메인 프레임부재(100)의 일 측에 연결되는 어깨 관절부(210), 상기 어깨 관절부(210)에 결합되는 위팔부(220), 상기 윗팔부의 단부 측에 구비되는 팔꿈치 관절부(230), 상기 팔꿈치 관절부(230)에 결합되는 아래팔부(240), 상기 아래팔부(240)의 단부 측에 구비되는 손목 관절부(250)를 포함하는 것을 일 예로 한다.

상기 팔동작 측정기구(200)는 상기 손목 관절부(250)에 결합되는 손잡이부(253)를 더 포함하여 상기 손잡이부(253)를 잡고 상기 어깨 관절부(210)는, 착용 시 사용자의 어깨와 이격되게 배치되어 어깨 회전을 용이하게 측정할 수 있도록 한다.

상기 어깨 관절부(210)는, 상기 메인 프레임부재(100)의 일 측에서 전방으로 돌출되게 장착되는 제1어깨 관절브라켓트부재(211); 상기 제1어깨 관절브라켓트부재(211)에 회전 가능하게 장착되는 제2어깨 관절브라켓트부재(212), 상기 제2어깨 관절브라켓트부재(212)의 회전방향과 다른 회전방향으로 상기 제2어깨 관절브라켓트부재(212)에 회전 가능하게 장착되는 제3어깨 관절브라켓트부재(213), 상기 제3어깨 관절브라켓트부재(213)의 회전방향과 다른 회전방향으로 상기 제3어깨 관절브라켓트부재(213)에 회전 가능하게 장착되는 제4어깨 관절브라켓트부재(214)를 포함하여 3개의 회전 자유도를 가지는 것을 일 예로 한다.

상기 제2어깨 관절브라켓트부재(212)는 착용자를 기준으로 팔을 좌, 우 방향으로 회전가능하게 장착되는 것을 일 예로 하고, 상기 제3어깨 관절브라켓트부재(213)는 착용자를 기준으로 팔을 상, 하 방향으로 회전가능하게 장착되는 것을 일 예로 하고, 상기 제4어깨 관절브라켓트부재(214)는 착용자의 팔을 축방향으로 회전 가능하게 장착되는 것을 일 예로 한다.

상기 제1어깨 관절브라켓트부재(211), 상기 제2어깨 관절브라켓트부재(212), 상기 제3어깨 관절브라켓트부재(213), 상기 제4어깨 관절브라켓트부재(214)는 각각 ㄱ자형 브라켓트인 것을 일 예로 한다.

상기 제2어깨 관절브라켓트부재(212)는 회전축이 세로로 배치되는 제1어깨 힌지부(215)를 통해 상기 제1어깨 관절브라켓트부재(211)와 결합되어 좌, 우로 회전 가능하게 되는 것을 일 예로 한다.

또한, 상기 제3어깨 관절브라켓트부재(213)는 회전축이 가로로 배치되는 제2어깨 힌지부(216)를 통해 상기 제2어깨 관절브라켓트부재(212)와 결합되어 상, 하 회전 가능하게 된다.

또한, 상기 제4어깨 관절브라켓트부재(214)는 회전축이 팔의 길이방향으로 배치되는 제3어깨 힌지부(217)를 통해 상기 제3어깨 관절브라켓트부재(213)와 결합되어 좌, 우로 회전 가능하게 되는 것을 일 예로 하며, 상기 제4어깨 관절브라켓트부재(214)는 회전축은 상기 제2어깨 관절브라켓트부재(212)의 회전축과 상기 제3어깨 관절브라켓트부재(213)의 회전축의 위치에 따라 가로 또는 세로 또는 경사지게 배치될 수 있음을 밝혀둔다.

상기 제2어깨 관절브라켓트부재(212), 상기 제3어깨 관절브라켓트부재(213), 상기 제4어깨 관절브라켓트부재(214)는 서로 수직인 방향으로 회전 가능하게 장착되며, 착용자의 팔을 실제 팔과 유사하게 움직일 수 있도록 하는 어떠한 예로도 변형실시 가능함을 밝혀둔다.

즉, 상기 어깨 관절부(210)는 상기 제1어깨 힌지부(215)를 통해 제1회전 자유도를 가지고, 상기 제2어깨 힌지부(216)를 통해 제2회전 자유도를 가지며, 상기 제3어깨 힌지부(217)를 통해 제3회전 자유도를 가지며, 상기 제1회전 자유도와 상기 제3회전 자유도는 사이에 배치되는 상기 제2회전자유도와 서로 수직 방향의 회전축을 가지는 것이다.

한편, 상기 위팔부(220)는 상기 어깨 관절부(210)에 결합되는 제1진직 이동프레임부재(221); 및 상기 제1진직 이동프레임부재(221)에 길이방향으로 이동 가능하게 결합되는 제2진직 이동프레임부재(222)를 포함하여 진직 자유도를 가지는 것을 일 예로 한다.

상기 제1진직 이동프레임부재(221)는 상기 제4어깨 관절브라켓트부재(214)에 장착되는 것을 일 예로 하고, 상기 제2진직 이동프레임부재(222)의 단부에는 상기 팔꿈치 관절부(230)가 구비되는 것을 일 예로 한다.

상기 팔꿈치 관절부(230)는, 상기 위팔부(220)의 단부 측에 회전 가능하게 장착되는 팔꿈치 관절브라켓트부재(231)를 포함하며, 상기 아래팔부(240)는 상기 팔꿈치 관절브라켓트부재(231)의 회전방향과 다른 회전방향으로 회전가능하게 장착된다.

상기 팔꿈치 관절브라켓트부재(231)는 회전축이 앞, 뒤로 배치되는 제1팔꿈치 힌지부(232)를 통해 상기 위팔부(220) 즉, 상기 제2진직 이동프레임부재(222)와 결합되어 상기 아래팔부(240)를 좌, 우 또는 축방향으로 회전 가능하는 것을 일 예로 한다.

또한, 상기 아랫팔부(240)는, 회전축이 가로로 배치되는 제2팔꿈치 힌지부(233)를 통해 상기 팔꿈치 관절브라켓트부재(231)에 상, 하로 회전 가능하게 장착되는 것을 일 예로 한다.

또한, 이와 반대로 상기 팔꿈치 관절브라켓트부재(231)는 상, 하로 회전가능하게 되고, 상기 아랫팔부(240)는, 상기 팔꿈치 관절 관절브라켓트부재(231)에 좌우 또는 축방향으로 회전 가능하게 장착될 수도 있다.

즉, 상기 팔꿈치 관절부(230)는 상기 제1팔꿈치 힌지부(232)로 제4회전 자유도를 가지고, 상기 제2팔꿈치 힌지부(233)로 제5회전 자유도를 가지며, 상기 제4회전 자유도와 상기 제5회전 자유도는 서로 수직 방향의 회전축을 가지는 것으로 착용자의 팔을 실제 팔과 유사하게 움직일 수 있도록 하는 어떠한 예로도 변형실시 가능함을 밝혀둔다.

한편, 상기 아래팔부(240)의 단부에는 손목 관절부(250)가 결합되어 장착되며, 상기 손목관절부는 상기 아래팔부(240)의 단부에 회전 가능하게 장착된 손목지지 프레임부재(251), 상기 손목지지 프레임부재(251)의 단부 측에 상기 손목지지 프레임부재(251)의 회전방향과 다른 회전방향으로 회전 가능하게 장착되는 손목 관절브라켓트부재(252), 상기 손목 관절브라켓트부재(252)에 상기 손목 관절브라켓트부재(252)의 회전방향과 다른 회전방향으로 회전 가능하게 장착되는 손잡이부(253)를 포함하여 3개의 회전 자유도를 가지는 것을 일 예로 한다.

상기 아래팔부(240)와 상기 손목지지 프레임부재(251)의 사이에는 사용자의 손목이 관통되어 통과되는 중공부를 구비한 내륜(254a)과 상기 내륜(254a)이 회전 가능하게 장착되며 상기 내륜(254a)을 감싸는 외륜(254b)을 포함한 베어링(254)이 구비되며, 상기 베어링(254)의 외륜(254b)에 상기 아래팔부(240)가 장착되고, 상기 베어링(254)의 내륜(254a)에 상기 손목지지 프레임부재(251)가 장착되는 것을 일 예로 하여 상기 손목지지 프레임부재(251)가 상기 아래팔부(240)의 단부에 축방향으로 회전 가능하게 장착되는 것을 일 예로 한다.

또한, 상기 손목 관절브라켓트부재(252)는 회전축이 가로로 배치되는 제1손목 힌지부(255)를 통해 상기 위팔부(220) 즉, 상기 제2진직 이동프레임부재(222)와 결합되어 상, 하로 회전 가능하게 장착되는 것을 일 예로 한다.

또한, 상기 손잡이부(253)는, 회전축이 앞, 뒤로 배치되는 제2손목 힌지부(256)를 통해 상기 손목 관절브라켓트부재(252)에 좌, 우 로 회전 가능하게 장착되는 것을 일 예로 한다.

상기 손목지지 프레임부재(251), 상기 손목 관절브라켓트부재(252), 상기 손잡이부(253)는 서로 다른 방향으로 회전 가능하게 장착되며, 일 예로 서로 수직인 방향으로 회전 가능하게 장착되며, 사용자의 손을 실제 손과 유사하게 움직일 수 있도록 하는 어떠한 예로도 변형실시 가능함을 밝혀둔다.

즉, 상기 손목 관절부(250)는 상기 베어링(254)을 통해 제6회전 자유도를 가지고, 상기 제1손목 힌지부(255)를 통해 제7회전 자유도를 가지며, 상기 제2손목 힌지부(256)를 통해 제8회전 자유도를 가지며, 상기 제7회전 자유도와 상기 제8회전 자유도는 사이에 배치되는 상기 제2회전자유도와 서로 수직 방향의 회전축을 가지는 것을 일 예로 한다.

한편, 도 5를 참고하면, 상기 메인 프레임부재(100)는 사용자의 상체에서 상부 측, 즉, 양 어깨를 가로로 연결하는 라인의 근처에 장착되며, 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치의 다른 실시예는, 사용자의 상체에서 허리부분에 장착되는 하부 프레임부재(300), 상기 메인 프레임부재(100)에 고정되는 제1등지지 프레임부재(310), 상기 하부 프레임부재(300)에 고정되는 제2등지지 프레임부재(320), 상기 제1등지지 프레임부재(310)와 상기 제2등지지 프레임부재(320)를 회전 가능하게 연결하는 등관절부(330)를 더 포함할 수 있다.

상기 등관절부(330)는, 상기 제2등지지 프레임부재(320)의 축방향으로 회전 가능하게 장착되는 등관절 프레임(331), 상기 등관절 프레임(331)에 좌, 우로 회전 가능하게 장착되며 상기 제1등지지 프레임부재(310)에 상, 하로 회전 가능하게 장착되는 등관절 브라켓트부재(332)를 포함하여 3개의 회전 자유도를 가지는 것을 일 예로 한다.

상기 등관절 프레임(331)은 회전축이 세로 즉, 상기 제2등지지 프레임부재(320)의 길이방향으로 배치되는 제1등 힌지부(333)를 통해 상기 제2등지지 프레임부재(320)와 결합되어 축방향으로 회전 가능하게 된다.

또한, 상기 등관절 브라켓트부재(332)는 회전축이 앞, 뒤로 배치되는 제2등 힌지부(334)를 통해 상기 등관절 프레임(331)에 결합되어 좌, 우로 회전 가능하게 된다.

또한, 상기 등관절 브라켓트부재(332)는 회전축이 가로로 배치되는 제3등 힌지부(335)를 통해 상기 제1등지지 프레임부재(310)에 상, 하로 회전 가능하게 장착된다.

즉, 상기 어깨 관절부(210)는 상기 제1등 힌지부(333)를 통해 등회전 제1자유도를 가지고, 상기 제2등 힌지부(334)를 통해 등회전 제2자유도를 가지며, 상기 제3등 힌지부(335)를 통해 등회전 제3자유도를 가지며, 상기 등회전 제1자유도, 등회전 제1자유도 등회전 제1자유도는 서로 수직 방향의 회전축을 가지는 것이다.

상기 등관절부(330)는 사용자 즉, 교시자의 상체 움직임도 측정하여 로봇의 교시 동작 또는 학습동작으로 사용할 수 있도록 한다.

또한, 상기 메인 프레임부재(100)에는 자이로스코우프, 가속도센서, 지자기센서 중 적어도 하나가 장착되어 사용자 상체의 기울임 또는 비틀림 각도를 추가적으로 측정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 6을 참고하면, 본 발명에 의한 착용형 팔동작 측정 장치는, 상기 메인 프레임부재(100)를 사용자의 상체에 착용시키는 착용부재(400)를 더 포함한다.

상기 착용부재(400)는 사용자의 양 측 어깨에 각각 메어 장착할 수 있도록 하는 어깨 밴드부인 것을 일 예로 하며, 상기 메인 프레임부재(100)를 사용자의 등에서 상부 측에 위치시켜 사용자가 착용할 수 있도록 하는 어떠한 공지의 구성으로도 변형 실시 가능함을 밝혀둔다.

본 발명에 의한 착용형 팔동작 측정 장치를 착용한 상태에서 상기 어깨 관절부(210)는, 착용 시 사용자의 어깨와 이격되게 배치되어 어깨 회전을 용이하게 측정할 수 있도록 있게 되며, 상기 위팔부(220)와 상기 아래팔부(240)는 사용자의 위팔과 아래팔에 각각 대응되게 위치하며, 사용자는 상기 손잡이부(253)를 잡고 양 팔을 각각 자유롭게 움직여서 양팔의 움직임을 양팔로봇에 교시하거나 학습시키도록 한다.

한편, 도시하지는 않았지만, 본 발명에 의한 착용형 팔동작 측정 장치는 상기 복수의 관절부에 각각 각 관절부의 움직임을 측정하여 메인 제어부로 전달하는 측정센서가 구비되어 사용자가 착용하여 양팔을 각각 자유롭게 움직이면 각 관절부에서 측정된 움직임을 상기 메인 제어부로 전달하고, 상기 메인 제어부는 상기 측정센서에서 전달받은 상기 팔동작 측정기구(200)의 움직임을 저장하여 추후 양팔로봇의 움직임을 제어할 수 있도록 할 수도 있고, 상기 측정센서에서 전달받은 움직임과 동일하게 양팔로봇에 전달하여 상기 양팔로봇의 움직임을 교시할 수도 있고, 상기 양팔로봇의 작동 제어부에 움직임을 저장하여 학습시킬 수도 있다.

상기 측정센서는 절대값 엔코더나 포텐셔미터인 것을 일 예로 한다.

즉, 상기 제1어깨 힌지부(215), 상기 제2어깨 힌지부(216), 상기 제3어깨 힌지부(217), 상기 제1팔꿈치 힌지부(232), 상기 제2팔꿈치 힌지부(233), 상기 제1손목 힌지부(255), 상기 제2손목 힌지부(256), 상기 제1등 힌지부(333), 상기 제2등 힌지부(334), 상기 제3등 힌지부(335)는 각각의 회전 범위를 측정하는 측정센서를 구비하고, 상기 측정센서에서 측정된 값은 상기 메인 제어부로 전달되는 것을 일 예로 한다.

한편, 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치에서 진직 자유도의 일 예를 도시한 도면으로, 도 7 및 도 8을 참고하면 상기 진직 자유도를 이루는 진직 이동기구(500)는, 제1진직 이동프레임부재(221), 일 측에 상기 제1진직 이동프레임부재(221)가 길이방향으로 이동 가능하게 결합되는 제2진직 이동프레임부재(222) 및 상기 제2진직 이동프레임부재(222)의 타측에 길이 방향으로 이동 가능하게 결합되는 제3진직 이동프레임부재(223)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 진직 이동 기구는 상기 제2진직 이동프레임부재(222), 상기 제1진직 이동프레임부재(221)의 이동 거리를 측정하는 이동거리 측정부가 구비되는 것이 바람직하며, 상기 이동거리 측정부는 상기 메인 제어부에 연결되어 상기 메인 제어부로 측정된 정보를 전달하고, 상기 메인 제어부는 상기 이동거리 측정부에서 전달받은 이동 거리 정보로 상기 양팔로봇의 움직임을 교시할 수도 있고, 상기 양팔로봇의 작동 제어부에 움직임을 저장하여 학습시킬 수도 있다.

상기 이동거리 측정부는, 상기 제2진직 이동프레임부재(222)의 일측에 회전 가능하게 구비되며 상기 제2진직 이동프레임부재(222)가 이동될 때 상기 제1진직 이동프레임부재(221)에 접촉되어 구르는 제1타이밍 풀리(224a), 상기 진직 이동프레임부재의 타측에 회전 가능하게 구비되며 상기 제3진직 이동프레임부재(223)가 이동될 때 상기 제2진직 이동프레임부재(222)에 접촉되어 구르는 제2타이밍 풀리(224b), 상기 제1타이밍 풀리(224a)와 상기 제2타이밍 풀리(224b)에 양단이 각각 감기는 타이밍 벨트(224c), 상기 제1타이밍 풀리(224a)의 회전축 또는 상기 제2타이밍 풀리(224b)의 회전축에 연결되는 엔코더(224d)를 포함하는 것을 일 예로 한다.

상기 이동거리 측정부는, 상기 제1타이밍 풀리(224a)와 상기 제2타이밍 풀리(224b) 중 어느 하나의 회전 각도를 측정하거나, 상기 제1진직 이동프레임부재(221) 또는 상기 제2진직 이동프레임부재(222)의 이동량을 측정하여 진진 자유도의 이동 거리를 측정할 수 있다.

상기 제1진직 이동프레임부재(221)와 상기 제3진직 이동프레임부재(223)는 상기 제2진직 이동프레임부재(222)를 기준으로 서로 반대방향으로 이동하도록 상기 타이밍 벨트(224c)에 의해 연동되어 있어 수축 길이에 비해 긴 스트로크를 얻을 수 있는 것이다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치에서 손목 관절부(250)의 일 예를 도시한 사시도로써, 도 9를 참고하면, 상기 베어링(254)의 외륜(254b)에 상기 아래팔부(240)가 장착되고, 상기 베어링(254)의 내륜(254a)에 상기 손목지지 프레임부재(251)가 장착되어 상기 손목지지 프레임부재(251)가 축방향으로 회전 가능하다.

또한, 상기 손목 관절부(250)는 상기 내륜(254a)에 연결되어 상기 외륜(254b)의 외측으로 배치되고 고정되고 회전 가능한 타이밍 풀리(254c), 상기 타이밍 풀리(254c)에 감기고 상기 외륜(254b)을 감싸는 외륜용 타이밍 벨트(254e), 상기 타이밍 풀리(254c)의 회전축에 연결되는 베어링용 엔코더(254f)를 포함할 수 있다.

사용자가 상기 손잡이부(253)를 잡고 손목을 회전시키면 상기 내륜(254a)의 회전에 의해 상기 타이밍 풀리(254c)가 상기 외륜용 타이밍 벨트(254e)에 의해 회전되고, 이를 상기 베어링용 엔코더(254f)가 감지하여 상기 내륜(254a)의 회전 범위 즉, 사용자의 손목의 축방향 회전 범위를 측정하게 되는 것이다.

도 10을 참고하면, 상기 복수의 관절부 중 적어도 어느 하나의 관절에는 엑추에이터(260)가 구비되는 것이 바람직하다.

도 10은 상기 엑추에이터(260)가 상기 제1손목 힌지부(255)에 일체로 구비된 예를 도시하고 있으며, 도시하진 않았지만 다른 관절부 즉, 상기 제1어깨 힌지부(215), 상기 제2어깨 힌지부(216), 상기 제3어깨 힌지부(217), 상기 제1팔꿈치 힌지부(232), 상기 제2팔꿈치 힌지부(233), 상기 제2손목 힌지부(256), 상기 제1등 힌지부(333), 상기 제2등 힌지부(334), 상기 제3등 힌지부(335) 중 적어도 어느 하나에도 상기 엑추에이터(260)가 일체로 설치되어 관절을 작동시킬 수 있도록 할 수 있음을 밝혀둔다.

본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치는 마스터 디바이스로서 산업 현장에서 사용되는 양팔 로봇의 동작 교시나, 험지나 원전 혹은 우주/해저공간에서 사용되는 양팔로봇(슬레이브 로봇)을 원격 조작하는 등의 일에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치의 움직임에 따라 움직이는 슬레이브 로봇의 조작단에 힘센서를 설치하고, 상기 팔동작 측정기구(200)의 주요한 관절부에 각각 상기 엑추에이터(260)를 설치하여 상기 엑추에이터(260)로 상기 힘센서에 의해 감지된 힘의 반력으로 상기 관절부를 작동시킴으써 사용자 즉, 교시자가 상기 슬레브 로봇에 가해지는 힘을 느낄 수 있도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치를 장기간 착용하는 경우 각 관절부에 설치된 엑추에이터(260)를 작동시켜 각 관절부를 작동시킬 경우 발생되는 자중을 일부 보상하여 사용자가 원활하게 움직일 수 있도록 할 수도 있다.

한편, 도 11은 본 발명에 따른 착용형 팔동작 측정 장치의 기구학적 계산을 위한 DH 파라미터를 나타내는 도면으로, 각 관절부의 자유도에서의 DH파라미터는 하기의 표1을 참고하며, 이는 인접하는 관절부의 회전축이 서로 직각으로 연결되는 경우인 것이다.

본 발명은 교시자가 착용하여 편안하게 양팔을 움직이고, 교시자의 팔동작에 의해 양팔로봇에게 원하는 동작을 정밀하게 교시하고, 로봇의 학습 시간을 단축시키며 로봇의 동작을 빠르고 정확하게 학습시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 비전문가도 로봇의 복잡한 동작까지도 편안하고 정밀하게 교시하여 로봇이 취해야 할 동작을 직관적으로 학습시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

100 : 메인 프레임부재 200 : 팔동작 측정기구
210 : 어깨 관절부 211 : 제1어깨 관절브라켓트부재
212 : 제2어깨 관절브라켓트부재 213 : 제3어깨 관절브라켓트부재
214 : 제4어깨 관절브라켓트부재 215 : 제1어깨 힌지부
216 : 제2어깨 힌지부 217 : 제3어깨 힌지부
220 : 위팔부 221 : 제1진직 이동프레임부재
222 : 제2진직 이동프레임부재 223 : 제3진직 이동프레임부재
224 : 이동거리 측정부 224a : 제1타이밍 풀리
224b : 제2타이밍 풀리 224c : 타이밍 벨트
224d : 엔코더 230 : 팔꿈치 관절부
231 : 팔꿈치 관절브라켓트부재 232 : 제1팔꿈치 힌지부
233 : 제2팔꿈치 힌지부 240 : 아래팔부
250 : 손목 관절부 251 : 손목지지 프레임부재
252 : 손목 관절브라켓트부재 253 : 손잡이부
254 : 베어링 254a : 내륜
254b : 외륜 254c : 타이밍 풀리
254e : 외륜용 타이밍 벨트 254f : 베어링용 엔코더
255 : 제1손목 힌지부 256 : 제2손목 힌지부
260 : 엑추에이터 300 : 하부 프레임부재
310 : 제1등지지 프레임부재 320 : 제2등지지 프레임부재
330 : 등관절부 331 : 등관절 프레임
332 : 등관절 브라켓트부재 333 : 제1등 힌지부
334 : 제2등 힌지부 335 : 제3등 힌지부
400 : 착용부재 500 : 진직 이동기구