KR100362733B1 - Semi-direct drive hand exoskeleton - Google Patents
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Abstract
본 발명은 장갑과 같이 인간의 손에 장착하여 운동감과 역감을 제시하는 장착형 반직접 구동방식의 역감제시 기구에 관한 것으로, 본체부(2)와; 본체부(2)에 결합되며, 좌우측으로 선회가능한 부채꼴형상을 갖는 한쌍의 기어부(4)와; 한쌍의 기어부(4)와 결합되며 상하로 움직임이 가능한 손등 및 손가락에 고정되게 형성된 안착고정부(14),(16)를 갖는 1번링크마디부(7) 및 4번링크마디부(19)와; 1번링크마디부(7) 및 4번링크마디부(19)의 사이에 길이방향의 양끝단이 연이어지도록 2번링크마디부(8) 및 3번힘측정링크마디부(18)로 이루어진 4절링크(22)가 구비되며, 3번힘측정링크 마디부(18)는 길이방향의 중앙부분이 뚫려진 형태로 두개의 프레임 (5a),(5b)이 나란하게 형성되고, 프레임(5a),(5b) 중 어느하나의 길이방향 중앙위치에 형성되며, 2번링크마디부(8) 및 4번링크마디부(19)의 사이에서 손가락 관절의 상하운동에 의한 힘의 작용에 의해 프레임(5a),(5b)의 변형상태를 측정하도록 형성된 스트레인게이지(21)와; 4절링크(22)의 1번링크마디부(17) 및 2번링크마디부(8)가 맞닿음되어 결합되는 위치마다 형성되고, 2번링크마디부(8)의 꺾임운동시 동일하게 회전되며, 반대로 토크를 가해 2번링크마디부(8)에 역감을 제시하도록 형성된 초음파모터(6)와; 초음파모터(6)의 하단부 1번링크마디부(17) 상에 벨트(23)가 걸려 연동되게 형성되며, 초음파모터(6)의 회전에 의해 손가락 관절의 회전각을 간접적으로 측정하는 포텐시오미터기(20);로 구성된 특징이 있다.The present invention relates to a mechanism for the reverse sensitivity of the mounted semi-direct drive type to be mounted on a human hand like a glove to present a feeling of movement and force, the body portion (2); A pair of gear portions 4 coupled to the main body portion 2 and having a fan shape rotatable left and right; No. 1 linkage section 7 and 4 linkage section (19) having seating fixing parts (14) and (16), which are coupled to a pair of gear sections (4) and are fixed to the back and fingers of the hand, which can move up and down. )Wow; Section 4 consisting of the second link section 8 and the third force measurement link section 18 so that both ends of the longitudinal direction are connected between the first link section 7 and the fourth link section 19. A link 22 is provided, and the third force measuring link node 18 has two frames 5a and 5b formed side by side in a form in which a central portion in the longitudinal direction is drilled, and a frame 5a and ( 5b) is formed in the longitudinal center position of the frame 5a by the action of the force by the vertical movement of the finger joint between the link node 8 and the link node 19 (4); A strain gage 21 formed to measure the deformation state of 5b; It is formed for each position where the first link section 17 and the second link section 8 of the four-link 22 are in contact with each other, and are rotated equally during the bending motion of the link section 8 of the link section 8. And, on the contrary, an ultrasonic motor 6 formed to apply torque to the second link node portion 8 to present a feeling of force; A pot 23 is formed on the lower linkage section 17 of the ultrasonic motor 6 by interlocking the belt 23. The potentiometer device indirectly measures the rotation angle of the finger joint by the rotation of the ultrasonic motor 6. (20); has a feature consisting of.
Description
본 발명은 장착형 구동방식의 역감제시 기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장갑과 같이 인간의 손에 장착하여 손의 움직임과 작용하는 힘을 측정하고 또한 반영할 수 있는 장착형 구동 방식의 역감제시 기구에 관한 것이다.The present invention relates to a mechanism for reverse desensitization of a mounted drive type, and more particularly, to a mechanism for reverse desensitization of a mounted type drive type that can be mounted on a human hand such as a glove to measure and reflect the force and the force acting on the hand. It is about.
일반적으로 역감제시기술은 가상현실과 관련된 응용분야, 전문가의 기술을 역감제시장치를 통해 초보자에게 숙지시키는 기술이전, 조종사를 훈련시키는 비행시뮬레이터와 같이 기술자의 훈련분야 등에 널리 이용되고 있는 기술이다.In general, reverse desensitization technology is widely used in the field of application related to virtual reality, technology transfer of expert's skills to beginners through reverse desensitization market, and technician's training field such as flight simulator to train pilots.
역감제시장치는 비장착형과 장착형으로 분류되는 것으로, 비장착형은 매니폴레이터를 이용한 장치나 조이스틱과 같은 형식의 기구이며, 사람의 손이나 신체에 장치를 장착하지 않고, 바닥, 천장, 벽 등에 고정되어 역감을 제시하므로 사용자의 움직임에 제한을 주는 단점이 있다.The desensitizer market is classified into a non-mounted type and a mounted type. A non-mounted type is a device such as a device using a manifold or a joystick, and is fixed to a floor, a ceiling, or a wall without mounting the device on a human hand or body. Since it presents a feeling of force, there is a disadvantage that limits the movement of the user.
또한, 반대로, 장착형은 신체에 직접 장착하기 때문에 자연스러운 역감을 제공할 수 있으나, 장착한 기구의 무게가 사용자에게 직접적인 영향을 미치는 문제가 있다.In addition, on the contrary, the mounting type can provide a natural force because it is mounted directly on the body, there is a problem that the weight of the mounted mechanism directly affects the user.
한편, 구동 방식에 관한 것을 살펴보면, 대부분의 역감제시장치는 모터를 이용한 구동방식을 사용하고 있으며, 자기부상 시스템, 공압시스템, 유압시스템 등을 이용하여 사용자에게 역감을 제시해주는 사례가 있으나, 상기의 장치들은 장비의 방대화와 더불어 고가의 장비를 요구하기 때문에 다소 많은 문제점을 안고 있는 실정이다.On the other hand, when it comes to the driving method, most of the desensitizer market uses a drive method using a motor, there is an example of presenting a feeling to the user using a magnetic levitation system, a pneumatic system, a hydraulic system, The devices have a lot of problems because they require expensive equipment in addition to the massive equipment.
따라서, 본 발명의 목적은 효율적인 역감제시를 위해서는 장착형 장치가 적합하나, 장착형 기구를 창출해내기 위해서는 첫째 소형, 경량, 고출력의 구동방식을 가질 뿐만 아니라, 손가락 관절의 움직임과 토크를 측정할 수 있는 장착형 구동방식의 역감제시 관절기구를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to mount the device suitable for efficient desensitization, but in order to create a mounting mechanism, not only has a compact, lightweight, high-power drive system, but also can measure the movement and torque of the finger joints. It is to provide a joint mechanism for reverse desensitization of the mounted drive method.
도 1 은 본 발명의 장착형 구동방식의 역감제시 기구를 나타내는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view showing a mechanism for reverse desensitization of a mounted driving method of the present invention.
도 2 는 사람 손의 기구학적 모델을 개략적으로 나타내는 도면.2 is a schematic representation of a kinematic model of a human hand.
도 3 은 본 발명의 장착형 구동방식의 역감제시 기구의 하나의 관절에 대한 기구학적 모델을 나타낸 도면.Figure 3 is a view showing a kinematic model of one joint of the mechanism during reverse desensitization of the mounted drive method of the present invention.
도 4 는 본 발명의 관절장치의 링크에 작용하는 힘을 나타내는 도면.4 is a view showing a force acting on a link of the articulation device of the present invention.
도 5 는 제안된 역감제시 기구에 대한 전체 시스템의 구성을 나타내는 도면.5 shows the configuration of an entire system for the proposed reverse sensitization mechanism.
도 6 은 제안된 기구를 손에 장착하여 실제 시연해 보는 모습을 나타내는 도면.Figure 6 is a view showing the actual demonstration of the proposed instrument mounted on the hand.
-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-Explanation of symbols on the main parts of the drawing
4: 기어부 5a,5b: 프레임6: 초음파모터 7: 1번링크마디부8: 2번링크마디부 14,16: 안착고정부18: 3번힘측정링크마디부 19: 4번링크마디부20: 포텐시오미터기 21: 스트레인게이지22: 4절링크 23: 벨트DESCRIPTION OF SYMBOLS 4: Gear part 5a, 5b: Frame 6: Ultrasonic motor 7: No. 1 link node 8: No. 2 link node 14, 16: Settlement fixing part 18: No. 3 force measurement link node 19: No. 4 link node 20 Potentiometer 21: Strain Gage 22: 4 Link 23: Belt
따라서, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 장착형 구동방식의 역감제시 관절기구는, 본체부와; 본체부에 결합되며, 좌우측으로 선회가능한 부채꼴형상을 갖는 한쌍의 기어부와; 한쌍의 기어부와 결합되며 상하로 움직임이 가능한 손등 및 손가락에 고정되게 형성된 안착고정부를 갖는 1번링크마디부 및 4번링크마디부와; 1번링크마디부 및 4번링크마디부의 사이에 길이방향의 양끝단이 연이어지도록 2번링크마디부 및 3번힘측정링크마디부로 이루어진 4절링크가 구비되며, 3번힘측정링크 마디부는 길이방향의 중앙부분이 뚫려진 형태로 두개의 프레임이 나란하게 형성되고, 프레임 중 어느하나의 길이방향 중앙위치에 형성되며, 2번링크마디부 및 4번링크마디부의 사이에서 손가락 관절의 상하운동에 의한 힘의 작용에 의해 프레임의 변형상태를 측정하도록 형성된 스트레인게이지와; 4절링크의 1번링크마디부 및 2번링크마디부가 맞닿음되어 결합되는 위치마다 형성되고, 2번링크마디부의 꺾임운동시 동일하게 회전되며, 반대로 토크를 가해 2번링크마디부에 역감을 제시하도록 형성된 초음파모터와, 초음파모터의 하단부 1번링크마디부상에 벨트가 걸려 연동되게 형성되며, 초음파모터의 회전에 의해 손가락 관절의 회전각을 간접적으로 측정하는 포텐시오미터기;로 구성된다.Therefore, in order to achieve the object of the present invention as described above, the articulation mechanism during reverse desensitization of the mounted driving method, the main body portion; A pair of gear portions coupled to the main body portion, the pair of gear portions having a fan shape rotatable left and right; A link node portion 1 and a link node portion 4 coupled to a pair of gear portions and having a seating fixing portion fixed to a back of a hand and a finger movable up and down; A four-section link consisting of a link node section and a third force measurement link section is provided between both the link link section 1 and the link link section of the link section, and the linkage section of the linkage section of the linkage section of the linkage section of the linkage section Two frames are formed side by side in the form of a central portion, formed in the longitudinal center position of any one of the frames, the force by the vertical movement of the finger joint between the link node 2 and link node 4 A strain gauge formed to measure the deformation state of the frame by the action of; It is formed at each position where the link linkage section 1 and link linkage section of the four-section link are brought into contact with each other, and are rotated equally during the bending movement of the link link section 2. The opposite force is applied to the link link section by applying torque. An ultrasonic motor formed to be presented, and the belt is formed to be interlocked on the first link node of the lower end of the ultrasonic motor, a potentiometer device for indirectly measuring the rotation angle of the finger joint by the rotation of the ultrasonic motor.
상기와 같이 구성된 본 발명의 장착형 구동방식의 역감제시 관절기구를 첨부된 도면을 참조하여 아래와 같이 상세하게 설명한다.With reference to the accompanying drawings, the articulation mechanism during reverse desensitization of the mounted drive type of the present invention configured as described above will be described in detail as follows.
도 1 은 본 발명의 장착형 구동방식의 역감제시 관절기구를 나타내는 도면이고, 도 2 는 사람 손의 기구학적 모델을 개략적으로 나타내는 도면, 도 3 은 본 발명의 장착형 구동방식의 역감제시 관절기구의 하나의 관절에 대한 기구학적 모델을 나타낸 도면이고, 도 4 는 본 발명의 4절링크에 작용하는 힘을 나타내는 도면이다.그리고 도 5 는 본 발명의 역감제시 기구에 대한 전체 시스템의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6 은 본 발명의 역감제시 기구를 손에 장착하여 실제 시연해 보는 모습을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a joint mechanism for reverse desensitization of the mounted drive method of the present invention, Figure 2 is a view schematically showing a kinematic model of the human hand, Figure 3 is one of the joint mechanism for reverse desensitization of the mounted drive method of the present invention Figure 4 is a view showing a kinematic model for the joint of Figure 4 is a view showing the force acting on the linkage linkage of the present invention. And Figure 5 is a view showing the configuration of the entire system for the mechanism of reverse sensitivity of the present invention 6 is a view showing a state in which the actual demonstration by mounting the mechanism of the reverse sensitivity of the present invention.
본 발명의 관절기구는 기본적으로 좌우측 및 상하 운동이 가능한 링크구조로 구성된다.Articulation mechanism of the present invention is basically composed of a link structure capable of left and right and up and down movement.
본 발명의 관절기구는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 손등부위에 고정되는 본체(2)의 전면에 결합되어 좌우측 운동을 위한 부채꼴형상으로 형성된 한쌍의 기어부(4)에 의해 손가락이 좌우측으로 벌려진다.본체(2)에 연결된 부채꼴형상으로 형성된 한쌍의 기어부(4)에 의해 일단측에 연이어지게 결합되며, 손가락 마다의 마디마디 부분 및 손등 부분에 고정시킬 수 있는 안착고정부(14),(16)를 갖는 1번링크마디부(7) 및 4번링크마디부(19)가 형성된다.1번링크마디부(7) 및 4번링크마디부(19)의 안착고정부(14),(16)에는 도시하지는 않았지만 고무링, 또는 장갑 등을 부착시켜 손가락 등에 고정시킬 수 있다.또한, 안착고정부(14),(16)는 무게가 가벼운 합성수지 재질로 구성하여 간단하게 손에 끼워서 고정시킬 수 있도록 구성된다. 즉, 안착고정부(14),(16)의 하부측을 손가락의 마디마디부에 끼워질 수 있도록 원통형으로 형성할 수 있음은 물론이다.안착고정부(14) 상에는 손가락 마디의 꺾임 등과 같은 움직임을 전달할 수 있도록 일체로 형성된 1번링크마디부(7)의 끝단부에 결합되어 꺾여지게 연동되어 움직이도록 형성된 2번링크마디부(8)가 위치된다.또한, 손가락 마디와 연동되어 움직이도록 형성된 2번링크마디부(8)의 길이방향 끝단부에도 손가락 마디의 움직임에 의해 연동되어 움직이도록 형성된 3번힘측정링크마디부(18)가 계속 연이어지게 결합되어 위치된다.3번힘측정링크마디부(18)의 끝단부에도 연동되도록 형성된 4번링크마디부 (19)가 위치되고, 4번링크마디부(19)의 끝단부에는 손등면에 고정되는 안착고정부 (16)가 일체로 고정된다.따라서, 1번링크마디부(7), 2번링크마디부(8), 3번링힘측정링크마디부(18) 및 4번링크마디부(19)는 손가락마디에 맞게 링크마디부를 연이어지게 위치결합시키면 된다.상기와 같은 구성에 의해 손가락 관절마디의 움직임과 같이 링크마디부가 동일하게 움직이는 특징이 있다.본 발명의 4절링크(22) 상에는 손가락의 움직임을 측정할 수 있는 초음파모터(6) 및 포텐시오미터기(20)가 장착된다.초음파모터(6)는 1번링크마디부(7) 및 2번링크마디부(8)의 결합되는 부위에 장착된다.또한, 2번링크마디부(8)에 축이 고정된 초음파모터(6)에 의해 연동되어 측정되도록 형성된 포텐시오미터기(potentiometer:전위차계)(20)는, 1번링크마디부(7)에 위치되게 형성되어 있어 초음파모터(6)와 포텐시오미터기(20)를 벨트(23) 등에 의해 결합되게 연결된다.상기와 같이 포텐시오미터기(20)에 연결된 초음파모터(6)는 사용자 손가락의 움직임을 감지할 수 있도록 2번링크마디부(8)의 위치마다 일체로 축고정되어 움직인다. 즉, 초음파모터(6)는 2번링크마디부(8)의 꺾임되는 각도만큼 초음파모터(6)도 통째로 회전되기 때문에 포텐시오미터기(20)에 걸려진 벨트(23)를 동시에 회전시키므로 꺾여진 회전각이 측정된다.따라서, 벨트(23)가 회전된만큼 포텐시오미터기(20)도 회전되어 측정되므로 손가락마디부의 움직임을 알 수 있다.본 발명의 3번힘측정링크부(18)는, 3번힘측정링크부(18)에 가해지는 프레임부(5a),(5b)의 신장변형율에 의해 발생되는 전압차를 이용해서 손가락이 움직이는 동작에 의해 신호가 발생하도록 일반적으로 사용되는 스트레인게이지(21)가 형성된다.3번힘측정링크부(18)는 2번링크고정부(8) 및 4링크고정부(19)의 사이에 길이방향의 중앙부분이 뚫려진 형태로 두개의 프레임(5a),(5b)이 병렬진 형태로 결합된다.두개의 프레임(5a),(5b) 중 어느 하나의 프레임 중앙위치부분에 스트레인게이지(21)가 형성되어 있어 손가락 관절의 상하운동에 의한 힘에 의해 프레임의 상부측에서 신장되는 차이에 변형상태를 측정할 수 있는 특징이 있다.본 발명의 4절링크(22)는, 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 사람의 손가락 마디마다 장착될 수 있도록 상기와 같이 형성된 4절링크(22)의 안착고정부(16)에 또다른 4절링크(22)가 연이어지게 형성된다.상기 4절링크(22)에 의해, 각각의 손마디에 장착되어 손가락 관절의 움직임을 스트레인게이지(21)에서 측정된 힘 및 포텐시오미터기(20)의 회전각도 변화를 측정할 수 있다.포텐시오미터기(20)는 2번링크마디부(8)를 따라 동일하게 움직이는 초음파모터 (6)의 회전각도는 간접측정되며, 이때 간접측정된 신호에 의해 초음파모터(6)를 작동시키면 도 5 와 같이 물체가 잡힌 것처럼 역감을 간접적으로 제시할 수 있음은 물론이다.As shown in FIG. 1, the joint mechanism of the present invention is coupled to the front surface of the main body 2 fixed to the back of the hand, and the finger is moved to the left and right sides by a pair of gears 4 formed in a fan shape for left and right movement. It is coupled to one end side by a pair of gears (4) formed in a fan shape connected to the main body (2), the seating fixing portion 14, which can be fixed to the node portion and the back of the hand for each finger, The first link node portion 7 and the fourth link node portion 19 having 16 are formed. The fixing fixing portion 14 of the first link node portion 7 and the fourth link node portion 19 is formed. Although not shown in Figs. 16 and 16, rubber rings or gloves may be attached to each other to fix the finger or the like. In addition, the fixing fixing parts 14 and 16 may be made of a light weight synthetic resin and simply inserted into the hand. It is configured to be fixed. That is, of course, the lower sides of the fixing parts 14 and 16 may be formed in a cylindrical shape so as to be fitted to the node portion of the finger. On the mounting fixing part 14, a movement such as bending of a finger node may be performed. Link no. 8, which is formed so as to move in conjunction with the interlocking movement is located in the end of the first link node 7 formed integrally to be transmitted. The third force measurement link node 18, which is formed to move in conjunction with the movement of the finger node, is also positioned to be continuously connected to the longitudinal end of the burn link node 8. The third force measurement link node 18 Link linkage section 19 formed to be interlocked to the end of the) is positioned, the fixing portion 16 is fixed to the back of the hand is fixed to the end of the link linkage section 19 is integrally fixed. , Link 1 section (7), link 2 section (8), the third ring force measuring link section 18 and the fourth link section 19 may be positioned to connect the link section successively in accordance with the finger section. Likewise, the link node portion moves in the same manner. On the four-section link 22 of the present invention, an ultrasonic motor 6 and a potentiometer 20 capable of measuring finger movements are mounted. Ultrasonic motor 6 Is attached to the linking portion of the first link node portion 7 and the second link node portion 8. In addition, it is interlocked by the ultrasonic motor 6, the shaft is fixed to the second link node portion (8) The potentiometer 20 formed to be measured is formed to be located at the first link node portion 7 so that the ultrasonic motor 6 and the potentiometer 20 are coupled by a belt 23 or the like. The ultrasonic motor 6 connected to the potentiometer 20 as described above is the user's hand. To sense the movement of the lock for each location of the No. 2 joint link section 8 moves the shaft integrally fixed. That is, since the ultrasonic motor 6 is also rotated as much as the angle of bending of the second link node portion 8, the ultrasonic motor 6 rotates the belt 23 caught on the potentiometer 20 at the same time. The rotation angle is measured. Accordingly, since the potentiometer 20 is also rotated and measured as much as the belt 23 is rotated, it is possible to know the movement of the finger joint portion. Strain gauges 21 which are generally used to generate signals by the movement of a finger by using the voltage difference generated by the elongation strain of the frame portions 5a and 5b applied to the spreading measurement link portion 18. The third force measuring link unit 18 has two frames 5a and (in the form of a central portion in the longitudinal direction formed between the second link fixing unit 8 and the fourth link fixing unit 19) ( 5b) is combined in a parallel form. The center position of one of the two frames 5a and 5b. The strain gauge 21 is formed in the portion, and the strain state 21 can be measured by the difference in the extension of the upper side of the frame by the force of the vertical movement of the finger joint. 1 and 2, another four-section link 22 is successively connected to the seating fixing portion 16 of the four-section link 22 formed as described above so as to be mounted on every finger node of a person. The four-section link 22 is mounted on each hand node to measure the force of the finger joint and the change in the rotation angle of the potentiometer 20 measured by the strain gauge 21. In the potentiometer 20, the rotation angle of the ultrasonic motor 6 moving the same along the second link node portion 8 is indirectly measured. In this case, when the ultrasonic motor 6 is operated by the indirectly measured signal, Indirectly as if the object is caught as shown in FIG. It can be presented as a matter of course.
또한, 손가락의 마디마디에 고정되는 안착고정부(14),(16)의 1번링크마디부 (7)와 4번링크마디부(19) 상에는 각각 포텐시오미터기(20)가 형성되고, 1번링크마디부(7) 및 2번힘측정링크마디부(8)의 사이에 고정된 초음파모터(6) 축에 풀리 등을 형성시켜 포텐시오미터기(20)에 벨트(23) 등을 걸어서 연결시키고 있어 2번링크마디부(8)의 굽힘각 변화에 의해 간접적으로 손가락 각 관절의 굽힘각이 측정된다. 즉, 2번링크마디부(8)가 도 1 에 도시된 화살표 방향을 따라 꺾이게 되면 초음파모터(6)도 같이 화살표 방향을 따라 회전되기 때문에 초음파모터(6)에 걸려있는 벨트(23)도 동일한 방향의 화살표 방향을 따라 회전되므로, 벨트(23)에 걸려있는 포텐시오미터기(20)도 화살표 방향을 따라 회전되므로 측정된다.상기와 같이 구성된 본 발명은, 기구학적으로 변형된 4절링크(22) 구성에 의해, 동일한 구성으로 손가락의 각 관절마디마다 동일하게 형성시켜 연결하였으며, 마지막 링크마디부의 기부 관절부분은 장골의 회전부에 위치시켜 세 개의 링크 모두 내전/외전 운동을 할 수 있다.또한, 엄지 손가락의 경우에는 다른 손가락의 기구보다 관절수가 하나 적다는 것을 제외하고는 다른 네 손가락의 기구와 그 구조가 동일하게 형성된다.상기 본 발명의 기구학적 해석은 두 가지의 경우로 나누어서 해석된다.In addition, the potentiometer group 20 is formed on the first link node 7 and the fourth link node 19 of the seating fixing parts 14 and 16 fixed to the node of the finger, respectively. A pulley or the like is formed on the shaft of the ultrasonic motor 6 fixed between the link node 7 and the second force measurement link node 8, and the belt 23 and the like are connected to the potentiometer 20. The bending angle of each joint of the finger is measured indirectly by the change of the bending angle of the second link node portion 8. That is, when the link node 8 is bent in the direction of the arrow shown in FIG. 1, the belt 23 hanging on the ultrasonic motor 6 is also the same because the ultrasonic motor 6 is also rotated in the direction of the arrow. Since it is rotated along the direction of the arrow in the direction, the potentiometer 20 hanging on the belt 23 is also measured because it is rotated along the direction of the arrow. The present invention configured as described above has a four-section link 22 mechanically modified. By the same configuration, the same configuration is connected to each joint joint of the finger in the same configuration, and the base joint portion of the last link node is located in the rotation part of the long bone, all three links can be adduction / abduction movement. In the case of a thumb, the mechanism of the other four fingers is formed in the same structure except that the number of joints is one less than that of the other finger. It is interpreted by dividing into two cases.
본 발명은 모터 변위에 대한 각 링크 변위의 관계를 정의한 링크 순기구학과 손가락 변위(관절각)에 의한 각 링크 변위 관계를 정의한 링크 역기구학이다.The present invention is a link inverse kinematics that defines the relationship between each link displacement with respect to the motor displacement and each link displacement relationship by finger displacement (joint angle).
링크 역기구학에서는 도 3에서의 손가락 관절의 회전각 θ6으로 부터 각 링크의 각 θ2,θ3,θ4를 구해간다.In link inverse kinematics, the angles θ 2 , θ 3 , θ 4 of each link are obtained from the rotation angle θ 6 of the finger joint in FIG. 3.
즉, 전체 링크 시스템이 루프를 형성하므로 Σ0(도 3에서, 0점에서의 좌표)에 대한 ΣE(도 3에서, E점에서의 좌표)는 다음과 같은 관계를 갖는다.That is, since the entire link system forms a loop, Σ E (coordinates at point E in FIG. 3) relative to Σ 0 (coordinates at point 0 in FIG. 3) has the following relationship.
여기서이고 θ1- θ5=1/2π 이다. 또한, i번째 좌표에 대한 상대변위의 합이 4π가 되는 관계로 부터 다음의 식을 구할 수 있다.here And θ 1 -θ 5 = 1 / 2π. Further, the following equation can be obtained from the relation that the sum of the relative displacements with respect to the i-th coordinate is 4π.
위의 세 가지 식으로부터 θ2,θ3,θ4를 각각 구할 수 있다. 링크 순기구학에서는 모터의 변위 θ2에 대한 각 링크 변위 θ3, θ4, θ6를 계산한다. 즉 ∑2(도 3에서, 2점에서의 좌표)를 기준으로 ∑0의 위치를 표현하면 다음과 같은 식이 나오고,Θ 2 , θ 3 , and θ 4 can be obtained from the above three equations, respectively. In link forward kinematics, each link displacement θ 3 , θ 4 , and θ 6 with respect to the motor displacement θ 2 is calculated. That is, when the position of ∑ 0 is expressed based on ∑ 2 (coordinates at 2 points in FIG. 3), the following equation is generated,
링크 역기구학의 경우와 유사하게 다음과 같은 관계를 알 수 있다.Similar to the case of Link Inverse Kinematics, the following relationship can be seen.
위의 세가지 식으로부터 θ3,θ4,θ6를 각각 구하게 된다.From these three equations, θ 3 , θ 4 , and θ 6 are obtained, respectively.
다음으로 힘해석에 대해서 살펴보면, 역촉감제시 기구는 사용자에게 가상계로부터의 반력을 제시해 주고 동시에 사용자의 힘을 가상세계로 전달하는 역활을 해야 하기 때문에 이와 같은 양방향성을 갖기 위해서는 기구로부터 사용자의 힘을 측정해야 한다.Next, as for the power analysis, the mechanism for counter-tactile display must present the reaction force from the virtual system to the user and simultaneously transmit the user's power to the virtual world. Should be.
도 4 에서는 손가락의 한 관절에 대하여 제안된 관절기구에 작용하는 모든 힘을 나타낸다.4 shows all the forces acting on the proposed joint mechanism for one joint of the finger.
여기서,,는 각각 모터의 토크, 손가락 관절의 토크, 그리고 기구에 의하여 손가락에 작용하는 힘을 나타낸다.here , , Represents the torque of the motor, the torque of the finger joint, and the force acting on the finger by the mechanism, respectively.
링크 l3에 작용하는 힘을 측정하여 이로부터 손가락 관절의 토크와 모터 토크 알아보면, 링크 l2에 대하여 힘-모멘트 평형방정식을 써서 구하면 같은 식이 나온다.If we measure the force acting on the link l 3 and find the torque of the finger joint and the motor torque from it, we get the same equation using the force-moment equilibrium equation for link l 2 .
그리고, 링크 l4와 l5에 대하여 힘-모멘트에 대하여 힘-모멘트 평형방정식을 사용하면 다음의 식을 얻을 수 있다.Then, using the force-moment equilibrium equations for the forces and moments for links l 4 and l 5 , we obtain
위 식에서 보인 τf는 기구에 의하여 사람이 느끼게 되는 힘으로, 가상세계와 접촉시 발생하는 힘을 의미한다. 가상세계와의 접촉력가 항상 손가락마디의 중간부분에 작용한다고 가정하면, 접촉력를 다음과 같이 구할 수 있다.Τ f shown in the above equation is the force that a person feels by the instrument, and it means the force generated when contacting the virtual world. Contact with the virtual world , Always assume that the middle part of the finger joint Can be obtained as
따라서, 위 식들과 같이 제안된 기구의 힘해석을 통해 측정된 힘과 사용자의 힘 그리고 모터와 토크사이의 관계식을 구할 수 있다.Therefore, the relation between the measured force, the user's force, and the motor and torque can be obtained through the proposed force analysis.
초음파모터는 소형, 경량이면서 회전속도가 낮고 응답속도는 빠르며, 무게에 대한 토크 비율이 크다는 특징을 가진다.Ultrasonic motors are characterized by small size, light weight, low rotation speed, fast response speed and large torque-to-weight ratio.
특히, 전원을 공급하지 않은 상태에서는 자결이 되므로, 가상 물체 혹은 가상 벽과의 접촉을 상당히 안정되게 구현할 수 있다.In particular, since the self-determination is performed in the state of not supplying power, the contact with the virtual object or the virtual wall can be realized fairly stably.
도 5 에서 도시된 것처럼, 본 발명의 역감제시 관절기구를 손에 장착하고 동작하면, 스트레인게이지(21)에서 발생된 신호가 아날로그디지털 컨버터를 통해 VME 버스를 통해 상기의 제어부(MV162-222)로 보내지고 동시에 포텐시오미터기에서 읽어들인 위치신호가 읽혀서 제어부로 보내지게 된다. 이 제어부에서는 현재의 위치자료를 윈도우 NT로 보내지게 되어 실제 역감제시 기구의 위치를 도 6에서 보이는 것처럼 가상의 화면으로 표시하게 된다. 그리고 역감제시 기구를 통해 적절한 역감을 제시하도록 초음파모터 드라이브회로에 명령을 주어 초음파모터를 작동시킨다.As shown in FIG. 5, when the joint mechanism is mounted on the hand and operated when the desensitization of the present invention is performed, the signal generated from the strain gauge 21 is transferred to the controller MV162-222 through the VME bus through the analog-to-digital converter. At the same time, the position signal read from the potentiometer is read and sent to the controller. In this control unit, the current position data is sent to Windows NT, and the position of the actual reverse sensing mechanism is displayed on a virtual screen as shown in FIG. In addition, the ultrasonic motor drive circuit is operated to command the ultrasonic motor drive circuit so as to present an appropriate force through the mechanism for reverse desensitization.
조작자의 움직임에 대한 의지는 역감제시 기구를 통하여 힘 측정센서에 의한 힘 정보와 포텐시오미터기에 의한 위치정보를 변환하여 각각 A/D 변환기를 거쳐 제어부로 입력되고, 이 정보들을 이용하여 역감을 제공한다.The willingness of the operator's movement is converted into force information by the force measuring sensor and position information by the potentiometer through the mechanism for desensitization, and is input to the control unit through the A / D converter, respectively, and provides the sense of force using the information. do.
상기와 같은 본 발명의 장착형 반직접 구동방식의 역감제시 기구를 도 6에 도시된 바와 같이 장착하고 시연하는 모습에도 나타나 있듯이, 사용자가 쉽게 손가락을 움직이는 동작이 표시장치에 동일하게 나타나는 것을 볼 수 있다.As shown in the mounting and demonstration mechanism of the mounted semi-direct drive method of the present invention as shown in FIG. 6 as described above, it can be seen that the user easily moves the finger on the display device. .
따라서, 본 발명의 장착형 구동방식의 역감제시 관절장치에 의해 소형, 경량, 고출력의 구동방식을 가질 뿐만 아니라 손가락 관절의 움직임과 토크를 측정할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the articulation device of the mounted driving method of the present invention has a small, light weight, high power driving method as well as the movement and torque of the finger joint can be measured.
또한, 초음파모터를 사용하므로 기존의 기구에 비해 무게가 가벼워졌고, 기구학적으로 변형된 링크구조를 제공해주므로 토크와 위치 측정이 간단한 구조로 가능해진 특징이 있다.In addition, since the ultrasonic motor is used, the weight is lighter than that of the existing apparatus, and it provides a kinematically deformed link structure, which makes the torque and position measurement simple.
또한, 장착형 직접 구동방식의 역감제시기구의 여러가지 응용을 통해 초보자의 기술훈련과 인간과 인간사이의 기술 전달 및 습득, 가상세계의 체험 등에 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.In addition, there are effects that can be usefully used for the beginner's technical training, the transfer and acquisition of skills between humans and humans, and the experience of the virtual world through various applications of the mounted direct drive reverse desensitization mechanism.
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