KR100447907B1 - Force feedback device using hydraulic cylinder - Google Patents

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KR100447907B1
KR100447907B1 KR10-2001-0077184A KR20010077184A KR100447907B1 KR 100447907 B1 KR100447907 B1 KR 100447907B1 KR 20010077184 A KR20010077184 A KR 20010077184A KR 100447907 B1 KR100447907 B1 KR 100447907B1
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Abstract

본 발명은 로봇 등의 교시 대상물을 교시하는 마스터 장치 등에 사용되는 힘반영 기구에 관한 것으로서, 이는 사용자가 작용하는 힘에 의해 동작을 하는 동작수단에 유체에 의한 부하를 가하는 부하부가수단과, 사용자가 동작수단에 작용하는 힘을 측정하는 힘측정수단과, 부하부가수단이 가하는 유체 부하의 크기를 조절하는 유체부하조절수단과, 그리고 사용자가 동작수단에 작용하는 힘의 측정치를 상기 원격 조정되어지는 기구에 작용되어지는 힘에 의해 결정되는 소정의 기준부하와 비교하고, 그 차이가 있으면 그 차이를 상쇄하기 위한 상기 부하부가수단의 출력을 산출하고, 상기 산출 출력에 따른 상기 유체부하조절수단의 조절치를 산출하여 이에 따라 상기 유체부하조절수단을 조절하는 제어수단으로 구성된다.The present invention relates to a force reflecting mechanism used in a master device for teaching a teaching object such as a robot, etc., which includes a load adding means for applying a load by a fluid to an operating means operating by a force applied by a user, and A force measuring means for measuring the force acting on the operating means, a fluid load adjusting means for adjusting the magnitude of the fluid load applied by the load adding means, and a mechanism for measuring the force acting on the operating means by the user. Compared with a predetermined reference load determined by the force acting on, and if there is a difference, the output of the load adding means for canceling the difference is calculated, and the adjustment value of the fluid load adjusting means according to the calculated output Comprising a control means for calculating and adjusting the fluid load control means accordingly.

이러한 힘반영 기구는 유압 장치를 이용함으로써 종래의 힘반영 기구보다 소형·경량으로 구성할 수 있으며, 따라서 의복형 마스터 장치와 같이 소형, 경량을 요구하는 용도에도 적합하며, 외부 환경에 대한 적응성을 높힐 수 있다.Such a force reflecting mechanism can be configured to be smaller and lighter than a conventional force reflecting mechanism by using a hydraulic device. Therefore, the force reflecting mechanism is also suitable for applications requiring small size and light weight, such as a garment type master apparatus, and improves adaptability to external environments. Can be.

Description

유압 실린더를 사용한 힘반영 기구 {FORCE FEEDBACK DEVICE USING HYDRAULIC CYLINDER}Force reflection mechanism using hydraulic cylinder {FORCE FEEDBACK DEVICE USING HYDRAULIC CYLINDER}

본 발명은 힘반영(force feedback) 기구에 관한 것으로서, 특히 원격지 또는 가상 공간에 있거나 사람이 접근하기 어려운 위치에 있는 로봇 등의 교시 대상물이 실제 받고 있는 힘을, 상기 교시 대상물을 교시하는 마스터 장치(teaching master-device) 등을 조작하는 사용자의 힘으로 반영(feedback)하는 기구에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force feedback mechanism, and more particularly, to a master device that teaches a teaching object such as a robot in a remote location or a virtual space or in a location that is difficult for humans to access. It relates to a mechanism for feedback (feedback) of the user to manipulate the teaching master-device).

마스터 장치 등의 원격 교시 장치에는 외부 환경에 대한 적응성을 높히기 위해 힘반영 기구가 사용된다. 이러한 힘반영 기구는 사람의 움직임을 구속할 수 있을 정도의 힘을 낼 수 있어야 한다. 종래의 힘반영 기구는 액츄에이터나 전기 모터, 전기 브레이크 등을 사용하여 구성하는 것이 대부분이다.Remote teaching devices, such as master devices, use force reflection mechanisms to increase adaptability to the external environment. These force reflection mechanisms must be able to exert enough force to constrain the movement of a person. In the conventional force reflecting mechanism, an actuator, an electric motor, an electric brake, or the like is usually configured.

전기 모터를 사용하는 구조는 상대적으로 부피가 크고 무거우며 많은 전력을 소비하여 휴대용으로는 부적절하다. 또한 전기 브레이크를 사용하면 시스템의 안정성은 좋으나 모터와 같이 부피가 크고 무거운 시스템이 되어 의복형 마스터 장치와 같이 경량을 요구하는 시스템에는 부적절하다.Structures using electric motors are relatively bulky, heavy and consume a lot of power, making them inadequate for portable use. The use of electric brakes also makes the system more stable, but it is not suitable for systems that require lighter weights, such as garment-type master devices, because they are bulky and heavy systems such as motors.

액츄에이터를 사용하는 힘반영 기구는 액츄에이터를 직결하거나 또는 와이어, 기어 또는 링크 등의 힘 전달 구조를 사용하여 연결한다.Force reflecting mechanisms using actuators connect the actuators directly or use force transmission structures such as wires, gears or links.

이러한 액츄에이터나 전기 브레이크 등은 무게, 부피 당 출력이 작아 적절한 출력을 얻기 위해서는 힘반영 장치의 무게, 부피가 늘어나 착용자에게 부담을 주게 된다. 또한, 기어 또는 링크와 같은 힘 전달 구조를 포함하는 힘반영 기구는 직결되어 동력을 전달하는 기구에 비해 효율이 떨어지고 기구의 특성상 백래쉬(backlash)가 존재하며 그 자체의 무게 또한 무시할 수 없어 이중의 부담을 갖는다.Such actuators and electric brakes have a small output per weight and volume, so that the weight and volume of the force reflecting device are increased to burden the wearer to obtain an appropriate output. In addition, the force reflecting mechanism including a force transmission structure such as a gear or a link is less efficient than the mechanism for directly transmitting power and has a backlash due to the characteristics of the mechanism, and its weight cannot be ignored. Has

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하는 한편, 의복형 마스터 장치(suit-type master device)와 같이 소형, 경량을 요구하는 용도에도 적합하며, 인간의 움직임을 구속하기에 충분한 정도의 부하를 가할 수 있는 힘반영 기구를 제공하는 것을 그 주요 목적으로 한다.The present invention solves the problems of the prior art as described above, and is suitable for applications requiring small size and light weight, such as a suit-type master device, and a load sufficient to restrain human movement. Its main purpose is to provide a force reflecting mechanism that can be applied.

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 힘반영 기구의 개략도.1 is a schematic diagram of a force reflecting mechanism according to an embodiment of the present invention.

도2는 유압 실린더의 밸브 개폐 동작을 도시한 개략도.2 is a schematic diagram showing a valve opening and closing operation of a hydraulic cylinder.

도3은 사용자가 동작 수단에 작용하는 힘을 미소 변위를 이용해 측정하는 힘 측정 장치의 개략도.Figure 3 is a schematic diagram of a force measuring device for measuring the force acting on the operating means by the user using the micro displacement.

도4는 도1의 힘반영 기구의 제어 개념도.4 is a control conceptual diagram of the force reflecting mechanism of FIG.

도5는 본 발명의 힘 반영 기구가 선형 시스템에 적용된 예를 도시한 개략도.5 is a schematic diagram showing an example in which the force reflecting mechanism of the present invention is applied to a linear system.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1 : 실린더1: cylinder

2 : 센서2: sensor

3 : 실린더축3: cylinder shaft

4 : 스프링4: spring

5 : 부하축5: load shaft

10, 31 : 제1 유압실10, 31: 1st hydraulic chamber

11, 32 : 제2 유압실11, 32: 2nd hydraulic chamber

12, 33 : 가동 격벽12, 33: movable bulkhead

14, 34 : 유로14, 34: Euro

15, 24 : 자석15, 24: magnet

16, 25 : 홀센서16, 25: Hall sensor

20 : 스풀20: spool

21 : 기어21: gear

22 : 피니언22: pinion

23 : 모터23: motor

본 발명에 따른 힘 반영 기구는 복수의 유압실, 복수의 유압실을 구획하며 이동가능하게 설치되는 격벽, 복수의 유압실을 상호 연통시키기 위한 유로 및 격벽의 이동에 의해 유로를 통해 복수의 유압실 사이를 유동하는 유체를 포함하는 유압실린더와; 유로의 단면적을 변화시켜 유체의 유동저항을 변화시킴에 따라 유압실린더 내에 부하를 발생시키고 이를 조절하기 위한 부하조절수단과; 사용자가 가한 힘에 의해 동작을 하는 부하축과; 부하축에 가해지는 힘을 측정하기 위한 힘측정수단과; 격벽과 부하축을 연결하고, 부하축과 연동하여 격벽을 이동시키며, 유압실린더 내의 부하의 크기에 따라 부하축으로 저항력을 전달하는 실린더축과; 사용자가 부하축에 가하는 힘의 측정치를 외부로부터 원격 조정되는 기구에 작용되는 힘에 의해 결정되는 소정의 기준부하와 비교하고, 그 차이를 상쇄시키기 위해 요구되는 유압실린더 내의 부하를 산출하여 이에 따라 부하조절수단을 제어하는 제어부로 구성된다.The force reflecting mechanism according to the present invention includes a plurality of hydraulic chambers, a partition wall partitioning a plurality of hydraulic chambers so as to be movable, a plurality of hydraulic chambers through a flow path by a flow path for communicating the plurality of hydraulic chambers and the partition walls. A hydraulic cylinder comprising a fluid flowing therebetween; Load adjusting means for generating a load in the hydraulic cylinder and controlling the same by changing the cross-sectional area of the flow path to change the flow resistance of the fluid; A load shaft which is operated by a force applied by a user; Force measuring means for measuring a force applied to the load shaft; A cylinder shaft which connects the partition wall and the load shaft, moves the partition wall in conjunction with the load shaft, and transmits a resistance force to the load shaft according to the magnitude of the load in the hydraulic cylinder; The measurement of the force exerted by the user on the load shaft is compared with a predetermined reference load determined by the force applied to the mechanism remotely controlled from the outside, and the load in the hydraulic cylinder required to offset the difference is calculated accordingly. It is composed of a control unit for controlling the adjusting means.

부하조절수단은 유로를 개폐하여 유체의 유동저항을 가변시키기 위한 밸브와, 제어부에 의해 제어되고 밸브를 작동시키기 위한 구동부와, 밸브의 개폐량을 측정하기 위한 센서를 포함한다.The load regulating means includes a valve for opening and closing the flow path to vary the flow resistance of the fluid, a driving part controlled by the controller and operating the valve, and a sensor for measuring the opening and closing amount of the valve.

힘반영 기구는 실린더축의 변위를 측정하기 위한 센서를 더 포함하고, 제어부는 실린더축의 변위 측정치와 제어부에서 산출된 유압실린더 내의 요구 부하와의 함수관계로부터 밸브의 개폐량을 결정한다.The force reflecting mechanism further includes a sensor for measuring displacement of the cylinder shaft, and the controller determines the opening / closing amount of the valve from a function relationship between the displacement measurement value of the cylinder shaft and the required load in the hydraulic cylinder calculated by the controller.

힘측정수단은 부하축과 실린더축에 양단이 각각 결합되는 하나 이상의 스프링과, 스프링의 변위를 측정하여 그에 해당하는 신호를 제어부에 전달하기 위한 센서를 포함한다.The force measuring means includes one or more springs coupled to both ends of the load shaft and the cylinder shaft, and a sensor for measuring the displacement of the spring and transmitting a corresponding signal to the controller.

본 발명을 첨부 도면에 도시된 실시예를 통해 상세히 설명한다.The present invention will be described in detail through the embodiments shown in the accompanying drawings.

도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 힘 반영 기구의 개략도이다. 원활한 설명을 위해 일 예로 힘반영 기구는 회전 시스템에 적용되어 있다. 폐 유로를 내장한 실린더(1)에는 그 일단에 실린더(1)의 실린더축(3)의 회전 속도를 측정키 위한센서(2)가 결합되며, 실린더축(3)이 노출된 타단에는 부하축(5, 도3참조)이 결합되어 있다. 실린더(1)의 폐 유로 상에는 밸브가 구비되어 유체 흐름을 단속하며, 유체 흐름의 단속에 의한 힘을 실린더축(3)으로 전달할 수 있다. 따라서, 부하축(5)에는 사용자에 의한 회전력과 유압 실린더에 의한 유체 부하가 작용한다.1 is a schematic diagram of a force reflecting mechanism according to an embodiment of the present invention. For example, the force reflecting mechanism is applied to the rotation system for the sake of simplicity. A sensor 1 for measuring the rotational speed of the cylinder shaft 3 of the cylinder 1 is coupled to a cylinder 1 having a closed flow path, and a load shaft is coupled to the other end to which the cylinder shaft 3 is exposed. (5, see Fig. 3) is combined. A valve is provided on the closed flow path of the cylinder 1 to interrupt the fluid flow, and may transmit a force due to the interruption of the fluid flow to the cylinder shaft 3. Therefore, the rotational force by the user and the fluid load by the hydraulic cylinder act on the load shaft 5.

도2는 폐 유로를 갖는 유압 실린더의 밸브 개폐 동작을 도시한 개략도이다. 유압 실린더는 제1 유압실(10), 제2 유압실(11), 제1유압실과 제2 유압실을 구분하고 실린더축(3)에 고정된 가동 격벽(12), 제1 유압실과 제2 유압실을 연결하는 유로(14)를 포함하고, 이 유압 실린더에는 유로를 단속하는 스풀(20), 스풀(20)을 움직이기 위한 구동 기어(21), 구동 모터(23), 스풀의 위치를 측정하기 위한 자석(24)과 선형 홀 센서(25)로 구성된 부하조절수단이 설치된다. 폐 유로를 단속하는 스풀(20)은 외부 프레임(13)에 대해 회전 및 병진 운동이 가능하도록 나사 형태로 결합되어 있고 기어(21)가 부착되어 있다. 모터(23)에 부착된 피니언(22)으로 기어(21)를 구동하여 스풀(20)을 움직인다.2 is a schematic diagram showing a valve opening and closing operation of a hydraulic cylinder having a closed flow path. The hydraulic cylinder divides the first hydraulic chamber 10, the second hydraulic chamber 11, the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber, and is movable partition 12 fixed to the cylinder shaft 3, the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber. And a flow path 14 for connecting the hydraulic chamber, and the hydraulic cylinder includes a spool 20 for intermittent flow paths, a drive gear 21 for moving the spool 20, a drive motor 23, and positions of the spools. A load regulating means composed of a magnet 24 and a linear Hall sensor 25 for measurement is installed. The spool 20 for interrupting the closed flow path is coupled in a screw form to enable rotational and translational movement with respect to the outer frame 13 and has a gear 21 attached thereto. The gear 21 is driven by the pinion 22 attached to the motor 23 to move the spool 20.

도2의 (a)는 밸브가 완전히 개방된 가장 부하가 작은 상태를 나타내고 도2의 (b)는 밸브가 완전히 차단되어 실린더축(3)이 고정된 상태를 나타낸다.Fig. 2 (a) shows a state where the load is the smallest when the valve is completely opened, and Fig. 2 (b) shows a state where the cylinder shaft 3 is fixed because the valve is completely shut off.

사용자가 작용하는 힘에 의해 실린더축(3)이 회전되면 회전 방향에 따라 제1 유압실에서 제2 유압실 또는 제2 유압실에서 제1 유압실로 유체가 이동한다. 이 때, 스풀(20)을 움직여 유로의 단면적을 변화시키면 유속이 변화하고 제1 유압실과 제2 유압실 사이에 압력차가 발생하여 실린더축(3)에 운동 방향에 대한 저항 토오크를 발생시킨다. 도2(b)와 같이, 유로가 완전히 차단된 경우, 유체는 더 이상 유동할 수 없게 되어 최대 브레이크 토오크가 발생한다.When the cylinder shaft 3 is rotated by the force acting by the user, the fluid moves from the first hydraulic chamber to the second hydraulic chamber or from the second hydraulic chamber to the first hydraulic chamber according to the rotation direction. At this time, when the spool 20 is moved to change the cross-sectional area of the flow path, the flow rate changes and a pressure difference occurs between the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber, thereby generating a resistance torque in the cylinder shaft 3 with respect to the movement direction. As shown in Fig. 2 (b), when the flow path is completely blocked, the fluid can no longer flow and the maximum brake torque occurs.

이러한 스풀의 이동 구조는 다양하게 구성할 수 있으며 예로서 형상 기억 합금, 보이스 코일(voice coil), 선형 운동 모터(linear motion motor) 등에 의한 직접적인 구동 방식을 사용할 수도 있다.The moving structure of the spool can be configured in various ways, for example, a direct driving method using a shape memory alloy, a voice coil, a linear motion motor, or the like may be used.

도시된 예에 있어서, 기어(21)에는 자석(24)이 붙어 있어 홀 센서(25)를 통해 스풀(20)의 이동 변위를 측정할 수 있다. 이 밖에도, 레이저 거리 측정장치, 에디 커런트(eddy current) 형태의 거리 측정 센서 등을 사용한 스풀의 직접적인 계측과 기어에 부착된 자성 인덱스를 홀 센서를 통해 회전량을 측정하는 간접적인 측정 방법도 가능하다.In the example shown, the gear 21 is attached with a magnet 24 so that the displacement of the spool 20 can be measured through the Hall sensor 25. In addition, direct measurement of the spool using a laser distance measuring device, an eddy current type distance measuring sensor, and an indirect measuring method of measuring the rotational amount through the Hall sensor of the magnetic index attached to the gear is possible. .

실린더축(3)에 의해 전달되는 힘은 실린더축의 회전 속도와 밸브 개폐량에 비례하는 형태로 나타나게 되나 이것만으로는 원격지 로봇의 외부 환경과의 접촉에 대한 느낌을 사용자에게 충분히 전달하기 힘들다. 따라서, 부하축(5)에 작용하는 힘을 측정하기 위해 도3에 도시된 미소 변위에 의한 힘측정수단을 사용할 수 있다. 도3에 도시된 바와 같이 스프링(4)의 일단은 실린더축(3)에 연결하고 스프링(4)의 타단은 부하축(5)의 최종 출력단으로 연결된다.The force transmitted by the cylinder shaft 3 appears in a form proportional to the rotational speed of the cylinder shaft and the valve opening / closing amount, but this alone does not sufficiently convey a feeling of contact with the external environment of the remote robot to the user. Thus, the force measuring means by the micro displacement shown in Fig. 3 can be used to measure the force acting on the load shaft 5. As shown in FIG. 3, one end of the spring 4 is connected to the cylinder shaft 3 and the other end of the spring 4 is connected to the final output end of the load shaft 5.

대상체와 접촉 물체 사이의 접촉 해석 방법으로서, 통상의 스프링-댐퍼 모델링을 이용하여, 대상체와 접촉 물체 사이의 미소 변위와 접촉 물체에 가해지는 힘과의 관계를 계산할 수 있다. 이때의 스프링 상수(K), 댐핑 상수(C)는 대상체와 접촉 물체의 재질에 따라 결정된다.As a contact analysis method between the object and the contact object, conventional spring-damper modeling may be used to calculate the relationship between the small displacement between the object and the contact object and the force applied to the contact object. At this time, the spring constant K and the damping constant C are determined according to the material of the object and the contact object.

본 발명에서는 원격지 로봇과 대상체의 접촉시의 스프링-댐퍼 역학 관계를 힘반영기구의 스프링(4)-유압 댐핑으로 각각 적절히 대응시킴으로써 접촉을 실제적으로 표현할 수 있게 한다.According to the present invention, the spring-damper dynamics at the time of contact between the remote robot and the object are appropriately corresponded to each of the spring 4-hydraulic damping of the force reflecting mechanism, thereby making it possible to actually express the contact.

도3의 (a)는 무부하 상태이며 (b)는 사용자에 의해 부하가 가해져 미소 변위가 발생한 것을 나타낸 것이다. 실린더축(3)과 부하축(5)을 연결하는 스프링(4)의 인장 압축에 의해 실린더축(3)과 부하축(5) 사이의 미소 상대 운동을 발생시킬 수 있다. 부하단에 연결된 스프링으로는 코일 스프링 또는 판 스프링이 사용될 수도 있으며 부하단에 직접 또는 간접 부착될 수 있다.Figure 3 (a) is a no-load state and (b) shows that a micro displacement occurred due to the load applied by the user. Micro-relative motion between the cylinder shaft 3 and the load shaft 5 can be generated by the tension compression of the spring 4 connecting the cylinder shaft 3 and the load shaft 5. Coil springs or leaf springs may be used as the springs connected to the load end and may be directly or indirectly attached to the load end.

발생하는 미소 변위는 부하축(5)에 고정된 자석(15)과 실린더축(3)에 고정된 홀 센서(16)에 의해 측정된다. 부하의 측정은 다양하게 이루어질 수 있으며 예로서 토션바와 스트레인 게이지의 사용 등과 같이 직, 간접적인 측정 방법을 사용할 수 있다. 측정된 미소 상대 변위는 일반적으로 알려진 힘과 변위의 관계식에 의해 힘으로 변환할 수 있어 실제 사용자에 의해 부가되는 힘의 측정과 힘에 대한 궤환 제어 구조를 가능케 한다.The generated micro displacement is measured by the magnet 15 fixed to the load shaft 5 and the hall sensor 16 fixed to the cylinder shaft 3. Load measurements can be made in a variety of ways, for example direct or indirect measurement methods such as the use of torsion bars and strain gauges. The measured small relative displacements can be converted into forces by a generally known relationship between the forces and the displacements, which enables the measurement of the forces added by the actual user and the feedback control structure for the forces.

이러한 힘에 대한 궤환 제어구조는 실제 또는 가상 공간의 슬레이브 로봇이 대상체에 접촉을 시작하면 접촉력이 발생하고 로봇이 대상체로 진입하면 할수록 힘이 증가하기 시작한다. 이 때 계측 또는 계산된 힘이 기준 힘이다. 적절한 순간에 로봇을 정지시키기 위해 사용자에게 더 이상 로봇을 진행시켜서는 위험하다는 신호를 사용자 운동의 저항력으로 표현하는 것이 궤환 제어의 목적이다. 제어부에 기준 힘이 입력되면 실린더의 회전 속도를 감지하여 테이블 또는 실험식에 의해 스풀의 위치를 계산하고 모터로 이를 제어한다. 스풀이 잠기게 되면 유로의 단면적이 줄어들어 사용자에게 저항을 느끼게 하고 이때 도3의 미소 변위 스프링에 추가의 회전 변위가 발생하게 되어 사용자가 가하는 힘과 실린더축(3)에 작용하는 저항 토오크의 차를 측정할 수 있고 이것을 궤환하여 다시 스풀의 위치를 조절하여 보상케 한다.The feedback control structure for this force is that the contact force is generated when the slave robot in the real or virtual space starts to contact the object, and the force begins to increase as the robot enters the object. The measured or calculated force at this time is the reference force. It is the purpose of feedback control to express the signal of the user's motion as a signal that it is dangerous for the user to move the robot further to stop the robot at the appropriate moment. When the reference force is input to the controller, the rotational speed of the cylinder is sensed, and the position of the spool is calculated by a table or an empirical formula and controlled by a motor. When the spool is locked, the cross-sectional area of the flow path is reduced to make the user feel resistance. At this time, additional rotational displacement is generated in the micro displacement spring of FIG. 3, and the difference between the force applied by the user and the resistance torque acting on the cylinder shaft 3 is determined. It can be measured and fed back to compensate for the spool's position again.

요구되는 부하 토크는 힘 측정 장치에 의해 측정된 토크 값을 사용하여 개폐 조절 액츄에이터로 밸브의 개폐량을 제어함으로써 조절할 수 있다. 이러한 힘 반영 기구의 제어 개념이 도4에 도시되어 있다. 궤환되어진 토크 값에 적절한 게인을 부가하여 힘반영 감도를 조절한다. 제어부에서의 밸브의 개폐량 제어는 폐 유로 시스템을 댐퍼로 모델링하여 수행할 수 있다. 힘반영 기구의 출력 부하는 요구 부하와 기구 자체의 마찰력의 차로서 밸브의 개폐량에 의해 결정되는 댐핑 계수와 실린더축 회전속도 계측 센서에 의해 측정된 회전 속도의 곱으로 계산된 값으로 볼 수 있다. 즉, 밸브 개폐량에 대한 댐핑 계수의 표 또는 식을 작성하여 요구 부하와 실린더축의 측정 속도에 의해 역으로 밸브의 개폐량을 결정할 수 있어 힘반영 기구의 출력을 조절할 수 있다.The required load torque can be adjusted by controlling the opening / closing amount of the valve with the opening / closing adjustment actuator using the torque value measured by the force measuring device. The control concept of this force reflecting mechanism is shown in FIG. Adjust the force reflection sensitivity by adding an appropriate gain to the feedback torque value. Control of the opening and closing amount of the valve in the control unit may be performed by modeling the closed flow path system as a damper. The output load of the force reflecting mechanism is a difference between the required load and the frictional force of the mechanism itself, which is calculated by multiplying the damping coefficient determined by the opening and closing amount of the valve and the rotational speed measured by the cylinder shaft rotational speed sensor. . That is, a table or equation of the damping coefficient for the valve opening and closing amount can be prepared to inversely determine the valve opening and closing amount based on the required load and the measuring speed of the cylinder shaft, thereby adjusting the output of the force reflecting mechanism.

본 발명을 통해 얻어지는 힘반영 기구는 이러한 회전 시스템뿐만 아니라 힘반영 조이스틱, 수동형 조인트 등의 형태로도 구성할 수 있다.The force reflecting mechanism obtained through the present invention may be configured in the form of a force reflecting joystick, a passive joint, and the like as well as the rotating system.

힘반영 기구의 선형 시스템의 예가 도5에 도시되어 있다. 이 선형 시스템에는 제 1 유압실(31), 제2 유압실(32), 제1 유압실(31)과 제2 유압실(32)을 구분하고 출력축(37)에 부착된 가동 격벽(33)이 구비되어 있으며, 유로(34)가 제1 유압실(31)과 제2 유압실(32)을 연결하며, 전동 밸브(35)는 유로(34)를 단속한다. 레이저 거리 측정 센서(36)는 출력축(37)의 이동 변위를 계측하며, 스프링(38)은출력축(37)과 외부축(39)을 연결하여 수동형 조인트를 구성하며, 출력축(37)에 부착된 홀센서(40) 및 외부축(39)에 부착된 자석(41)은 출력축(37)과 외부축(39)의 상대 변위를 계측한다.An example of a linear system of force reflecting mechanism is shown in FIG. The linear system includes a first hydraulic chamber 31, a second hydraulic chamber 32, a first hydraulic chamber 31 and a second hydraulic chamber 32, and a movable partition 33 attached to the output shaft 37. Is provided, the flow path 34 connects the first hydraulic chamber 31 and the second hydraulic chamber 32, the electric valve 35 intermittent the flow path (34). The laser distance measuring sensor 36 measures the displacement of the output shaft 37, and the spring 38 connects the output shaft 37 and the external shaft 39 to form a passive joint, and is attached to the output shaft 37. The magnet 41 attached to the hall sensor 40 and the outer shaft 39 measures the relative displacement of the output shaft 37 and the outer shaft 39.

본 명세서에서는 특정 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art may variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. I can understand that you can.

본 발명은 원격조정되는 기구에 작용하는 힘을 사용자의 힘으로 반영하는데 있어 종래의 힘반영 기구와 비교하여 훨씬 소형 경량의 힘반영 기구를 제공하며, 이러한 힘반영 기구는 의복형 마스터 장치와 같이 소형, 경량 및 저전력을 요구하는 분야에도 효과적으로 사용될 수 있다. 본 발명의 힘반영 기구는 또한 인간의 움직임을 구속하기에 충분한 부하를 가할 수 있으며 외부 환경에 대한 적응성을 높힐 수 있으므로, 종래의 힘반영기구가 사용되는 용도를 비롯하여 다양한 용도로 사용될 수 있다.The present invention provides a much smaller and lighter force reflecting mechanism as compared to a conventional force reflecting mechanism in reflecting the force acting on the remotely controlled mechanism as a user's force, and the force reflecting mechanism is small as a garment type master device. It can also be effectively used for applications requiring light weight and low power. The force reflecting mechanism of the present invention can also apply sufficient load to restrain human movement and increase the adaptability to the external environment, and thus can be used for various purposes including the use of the conventional force reflecting mechanism.

Claims (4)

원격 조정되는 기구에 외부로부터 작용되는 힘을 상기 기구를 조정하는 사용자에게 반영하는 힘반영기구에 있어서,A force reflecting mechanism for reflecting a force applied from the outside to a remotely controlled mechanism to a user who controls the apparatus, 복수의 유압실, 상기 복수의 유압실을 구획하며 이동가능하게 설치되는 격벽, 상기 복수의 유압실을 상호 연통시키기 위한 유로 및 상기 격벽의 이동에 의해 상기 유로를 통해 상기 복수의 유압실 사이를 유동하는 유체를 포함하는 유압실린더와;A plurality of hydraulic chambers, partition walls which partition the plurality of hydraulic chambers and are movably installed, flow paths for communicating the plurality of hydraulic chambers with each other, and flow between the plurality of hydraulic chambers through the flow paths by movement of the partition walls. A hydraulic cylinder comprising a fluid; 상기 유로의 단면적을 변화시켜 상기 유체의 유동저항을 변화시킴에 따라 상기 유압실린더 내에 부하를 발생시키고 이를 조절하기 위한 부하조절수단과;Load adjusting means for generating a load in the hydraulic cylinder and controlling the same by changing the cross-sectional area of the flow path to change the flow resistance of the fluid; 사용자가 가한 힘에 의해 동작을 하는 부하축과;A load shaft which is operated by a force applied by a user; 상기 부하축에 가해지는 힘을 측정하기 위한 힘측정수단과;Force measuring means for measuring a force applied to the load shaft; 상기 격벽과 상기 부하축을 연결하고, 상기 부하축과 연동하여 상기 격벽을 이동시키며, 상기 유압실린더 내의 부하의 크기에 따라 상기 부하축으로 저항력을 전달하는 실린더축과;A cylinder shaft which connects the partition wall and the load shaft, moves the partition wall in conjunction with the load shaft, and transmits a resistive force to the load shaft according to the magnitude of the load in the hydraulic cylinder; 사용자가 상기 부하축에 가하는 힘의 측정치를 외부로부터 상기 원격 조정되는 기구에 작용되는 힘에 의해 결정되는 소정의 기준부하와 비교하고, 그 차이를 상쇄시키기 위해 요구되는 상기 유압실린더 내의 부하를 산출하여 이에 따라 상기 부하조절수단을 제어하는 제어부The measurement of the force applied by the user to the load shaft is compared with a predetermined reference load determined by the force applied to the remotely controlled mechanism from the outside, and the load in the hydraulic cylinder required to cancel the difference is calculated and Accordingly, the control unit for controlling the load adjusting means 로 구성되는 것을 특징으로 하는 힘반영기구.Force reflecting mechanism, characterized in that consisting of. 제 1항에 있어서, 상기 부하조절수단은 상기 유로를 개폐하여 상기 유체의 유동저항을 가변시키기 위한 밸브와, 상기 제어부에 의해 제어되고 상기 밸브를 작동시키기 위한 구동부와, 상기 밸브의 개폐량을 측정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘반영기구.The method of claim 1, wherein the load adjusting means is a valve for opening and closing the flow path to change the flow resistance of the fluid, a drive unit controlled by the control unit for operating the valve, and measuring the opening and closing amount of the valve Force reflecting mechanism comprising a sensor for. 제 2항에 있어서, 상기 힘반영기구는 상기 실린더축의 변위를 측정하기 위한 센서를 더 포함하고,According to claim 2, The force reflecting mechanism further comprises a sensor for measuring the displacement of the cylinder axis, 상기 제어부는 상기 실린더축의 변위 측정치와 상기 제어부에서 산출된 상기 유압실린더 내의 요구 부하와의 함수관계로부터 상기 밸브의 개폐량을 결정하는 것을 특징으로 하는 힘반영기구.And the control unit determines the opening / closing amount of the valve from a function relationship between the displacement measurement value of the cylinder shaft and the required load in the hydraulic cylinder calculated by the control unit. 제 1항에 있어서, 상기 힘측정수단은 상기 부하축과 상기 실린더축에 양단이 각각 결합되는 하나 이상의 스프링과, 상기 스프링의 변위를 측정하여 그에 해당하는 신호를 상기 제어부에 전달하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘반영기구.The method of claim 1, wherein the force measuring means comprises one or more springs, each end of which is coupled to the load shaft and the cylinder shaft, and a sensor for measuring the displacement of the spring and transmitting a corresponding signal to the controller; Strength reflecting mechanism, characterized in that.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015174670A1 (en) * 2014-05-12 2015-11-19 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 Force control actuator module for a hand exoskeleton structure, and a hand exoskeleton system using same

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04299714A (en) * 1991-03-28 1992-10-22 Yanmar Diesel Engine Co Ltd Bilateral operating device
JPH04360188A (en) * 1991-06-07 1992-12-14 Fujitsu Ltd Force feedback device
KR20010028461A (en) * 1999-09-21 2001-04-06 최혁렬 Semi-direct drive hand exoskeleton
US6271828B1 (en) * 1995-01-18 2001-08-07 Immersion Corporation Force feedback interface devices providing resistance forces using a fluid

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04299714A (en) * 1991-03-28 1992-10-22 Yanmar Diesel Engine Co Ltd Bilateral operating device
JPH04360188A (en) * 1991-06-07 1992-12-14 Fujitsu Ltd Force feedback device
US6271828B1 (en) * 1995-01-18 2001-08-07 Immersion Corporation Force feedback interface devices providing resistance forces using a fluid
KR20010028461A (en) * 1999-09-21 2001-04-06 최혁렬 Semi-direct drive hand exoskeleton

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015174670A1 (en) * 2014-05-12 2015-11-19 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 Force control actuator module for a hand exoskeleton structure, and a hand exoskeleton system using same
KR20150129921A (en) * 2014-05-12 2015-11-23 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 A force-controllable actuator module for a wearable hand exoskeleton and a hand exoskeleton system using the module
KR101682949B1 (en) * 2014-05-12 2016-12-07 울산과학기술원 A force-controllable actuator module for a wearable hand exoskeleton and a hand exoskeleton system using the module

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