KR100755386B1

KR100755386B1 - 2자유도 근전 의수용 파지센서 미끄럼센서 및 제어장치

Info

Publication number: KR100755386B1
Application number: KR1020050135078A
Authority: KR
Inventors: 추준옥; 김종권; 성소영; 최기원; 이명준; 김경훈; 문무성
Original assignee: 재단법인 산재의료관리원
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2007-10-04
Also published as: KR20070071537A

Abstract

2자유도 근전의수용 보조관절(12)과 엄지관절(11)을 연결 하는 관절 연결링크(17)에, 중앙의 턱부(17-2)를 두고 두께가 다르게 구분되도록 하고, 두꺼운 부분의 턱부(17-2) 인접부에 휨성을 주는 휨홈(17-5)을 휨홈 반대면에는 휨성을 인식하는 스트레인 게이지(17-6)를 설치한 2자유도 근전 의수용 파지센서를 제공하고;

2자유도 근전의수용 엄지관절 끝에 형성한 전극판 수용홈(11-1); 전극판 수용홈(11-1)에 안치되며 3방향 인식용 3방향 전극을 가지는 3방향 전극부(11-2); 및 3방향 전극부(11-2)의 전극을 선택하여 누름 가능토록 전극판수용홈(11-1)에 끼워지는 누름버튼(11-3)을 가지는 2자유도 근전 의수용 미끄럼 센서를 제공하며;

미끄럼 센서(S2)의 인식치를 받아 파지력 증감을 결정하여 미세 증감치(Vs2)를 기준치(Vr)에 더하여 제공하는 슬립제어기(13-21)와, 파지센서(S1)의 인식치(Vs1)를 받아, 기준치(Vr)에 슬립제어기(13-21)의 출력(Vs2)을 가한 값(Vrs)과 가감한 값(Vc1)을 인가받아 값(Vc2)을 제공하는 힘제어기(13-22)와, 힘제어기(13-22)의 펄스폭변조치(PWM) 값(Vc2)을 받아 동력이 변하는 그립서보모터(13)로 이루어진 2자유도 근전 의수용 파지력 및 미끄럼 제어장치이다.

파지센서,미끄럼센서,센싱제어장치

Description

2자유도 근전 의수용 파지센서 미끄럼센서 및 제어장치{Sliding sensor grip sensor and control apparatus for artifificial two degree of freedom myoelectric hand prosthesis}

도 1 은 종래의 의수의 파지력 제어장치의 구성도,

도 2 는 종래의 의수 관절의 사시도,

도 3 은 종래의 미끄럼센서의 구성 원리도,

도 4 는 본 발명의 사시도,

도 5 는 본 발명의 미끄럼 센서를 보인 분해도 및 단면도,

도 6 은 본 발명의 미끄럼 센서의 구성 원리도,

도 7 은 본 발명의 제어 블럭도,

도 8 은 본 발명의 제어 알고리즘이다.

도 9 는 근전도의 크기에 따라 파지력이 제어되는 과정을 나타낸 도면,

도 10 은 미끄럼 센서의 수직력 변화를 물체와의 미끌림으로 감지하고 파지력 기준값을 증가시키는 과정을 보인 도면이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11;엄지관절 11-1;전극판 수용홈 11-2;3방향 전극부 11-3;누름버튼 12;보조 관절 13;그립서보모터 13-1;구동부 13-2;손제어부 13-3;아날로그 디지탈 변환기 13-21;슬립제어기 13-22;힘제어기 17;관절 연결링크 17-1;관절연결링크 힌지 17-2;턱부 17-3;얇은 부분 17-4;두꺼운 부분 17-5;휨홈 17-6;스트레인 게이지 25;손목 회전모터 25-1;구동부 25-2;손목제어부 35;근전도센서

본 발명은 상지 절단환자가 2 자유도 근전의수를 이용하여 물체를 파지할 때 근전도 크기에 따라 파지력을 제어하고 물체의 미끌림을 방지할 수 있는 파지센서, 미끄럼센서 및 제어장치에 관한 것이다.

2자유도 근전의수는 도 2 와 같이 손목회전모터(25)의 회전력으로 손목회전하드시 자전하는 의수프레임(14)과, 의수프레임(14)에 고정되어 동력을 모터 출력축(13-1)으로 제공하는 서보모터(13)와, 서보모터(13)의 동력을 모터 출력축(13-1)을 통하여 제 1 및 제 2 기어(18-1, 18-2)로 전하는 동력전달메카니즘(18)과, 제 2 기어(18-2)와 연동하도록 일단에 기어가 형성된 보조관절동력판(16)과, 의수프레임(14)의 선단에 일정 간격을 두고 힌지축(11-1,16-1)으로 유착된 엄지관절(11) 및 보조관절(12), 보조관절 동력판(16)과 일체로 결합하는 고정나사(16-2)를 동축으로 하여 일단을 유착시키도록 결합하는 관절 연결링크(17)와, 관절연결링크(17)의 타단과 유착되어 엄지관절(11) 및 보조관절(12)의 관절운동을 안내하는 관절연결링크 힌지(17-1)로 이루어진다.

이는 보조관절동력전달판(16)이 힌지축(16-1)을 중심으로 고정나사(16-2)에 결합된 보조관절(12) 및 관절연결링크(17)를 시계방향이나 반시계 방향으로 동시에 회전토록 기능 하고, 관절연결링크(17)의 이동에 반하여 엄지관절(11)은 힌지축(11-6)을 중심으로 회전하므로, 예를 들어 관절연결링크(17)가 도 2 에서 우측으로 이동하면, 엄지관절(11)은 힌지축(11-6)을 중심으로 반시계 방향으로 이동하여 양 관절(11)이 그립 기능을 하게 된다.

그러나 이들은 단순한 그립 기능을 하는 것이어서 미세한 그립의 제어가 어려워 착용자가 일반인과 특별히 차별화되는 그립(예를 들어 악수 등)을 하는 현실이다.

한편 미끄럼방지센서는 도 3 과 같이 일정 간격으로 상호 교대로 배열된 전원선으로 이루어진다. 즉, 의수 관절에 고정된 물건의 미끄러지면 저항 값이 변하여 출력 레벨이 변하는 특성을 이용하여 미끄럼 발생 여부를 알 수 있도록 이루어진다. 그러나 미끄러짐이 어느 방향으로 진행하는지는 알 수 없는 것이었다.

본 발명은 이를 해결하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 파지력을 감지하여 파지력을 가감하도록 하여 사용자의 파지력을 실제 인간과 비슷한 의수 기능을 하도록 하는 파지센서를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 파지시 미끄러짐을 3방향으로 구분하여 인식함으로써 물건을 의수로 미끄러지지 않도록 파지토록 하는 미끄럼센서를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 의수의 파지와 미끄럼을 인식하여 파지력을 조절하고, 동시에 미끄럼시에도 파지력을 조정할 수 있도록 하는 제어장치를 제공하려는 것이다.

이를 위하여 본원발명은 의수 관절의 벌리고 닫히도록 동시에 동력을 전달하는 관절연결링크에 파지력을 인식하는 파지센서를 설치한다.

또한 본 발명은 의수의 엄지관절 부위에 전극판 수용홈을 두고, 전극판 수용홈에는 3방향 전극부를 두어 어느 위치에서 미끄러짐이 생기는지를 알 수 있도록 하는 미끄럼 센서를 구비한다.

또한 본 발명은 파지센서와 미끄럼센서 출력을 기초로, 파지력을 증감 가능토록 하는 제어장치를 제공한다.

이하 본원 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다

도 4 는 본 발명의 사시도로, 파지센서는 2자유도 근전의수용 보조관절(12)과 엄지관절(11)을 동시에 닿거나 놓도록 하는 관절 연결링크(17)에, 얇은 부분(17-3)과 두꺼운 부분(17-4)이 중앙의 턱부(17-2)를 두고 구분되도록 하고,

두꺼운 부분의 턱부(17-2) 인접부에 휨성을 주는 휨홈(17-5)을, 휨홈 반대면에는 휨성 여부를 인식하는 스트레인 게이지(17-6)를 설치한다.

스트레인 게이지(17-6)를 이용한 본 발명의 파지 센서(S1)는 의수의 4절 링크구조에서 엄지관절(11)과 검지에 해당하는 보조관절(12)을 연결하는 관절연결 링크(17)에 위치하며, 파지력은 파지동작시 링크(17)의 굽힘응력을 측정함으로써 산출한다. 탄성체 저항과 방사형 전극으로 구성되는 도 5 에 보인 미끄럼 센서(S2)는 엄지 끝에 위치하여 물체와의 접촉 수직력과 전단력을 측정한다. 도 7 에 보인 제어부(13-2,25-2)에서는 기본적으로 2 채널 근전도의 유무에 따라 손의 파지 및 손목의 회전동작을 수행한다. 이와 함께 파지동작에서는 사용자의 도 7 에 보인 근전도 센서(35)를 통한 근전도 크기와 파지 센서(S1)를 이용하여 파지력을 제어한다. 또한 미끄럼 센서(S2)를 통해 물체와의 접촉 수직력을 측정함으로써 물체의 미끌어짐을 감지하고 파지력을 증가시킴으로써 미끌림을 방지한다.

파지 센서(S1)는 링크(17), 스트레인 게이지(17-6)와 증폭기로 구성된다. 4절 링크구조에서 링크(17)는 0에서 150 N 까지의 파지력에 대하여 선형적인 굽힘응력이 측정될 수 있도록 설계하는 것이 좋다. 스트레인 게이지는 풀브리지(full-bridge) 형태로서 레버의 상단 중간부위에 길이방향으로 부착된다. 증폭기는 스트레인 게이지(17-6)의 전압변동을 1000배 증폭하도록 하고, 레버의 움직임과 노이즈 영향을 최소화하기 위해 플렉시블 피시비를 사용한다. 플렉시블 피시비는 스트레인 게이지의 터미널과 직접 결선되고 증폭기를 레버의 측면에 실장할 수 있도록 설계하는 것이 좋다.

도 5 는 본 발명의 미끄럼 센서를 보인 분해도 및 단면도, 도 6 은 본 발명의 미끄럼 센서의 구성 원리도로,

2자유도 근전의수용 엄지관절 끝에 형성한 전극판 수용홈(11-1);

전극판 수용홈(11-1)에 안치되며 3방향 인식용 3방향 전극을 가지는 3방향 전극부(11-2); 및

3 방향 전극부(11-2)의 전극을 선택하여 누름 가능토록 전극판수용홈(11-1)에 끼워지는 누름버튼(11-3)을 가지도록 구성한다.

상기 전극판 수용홈(11-2)에는 전극판의 도선이 관통하는 관통공(11-4)이 형성된다.

미끄림 센서(S2)는 엄지관절(11)의 누름버튼(11-3), 탄성체 저항(force sensing resister, FSR)(11-5), 그리고 방사형 전극인 3방향 전극부(11-2)로 구성된다. 두 전극사이의 탄성체 저항(11-5)은 압력이 증가함에 따라 저항값이 감소하는 특성이 있다. 따라서 도 6 과 같이 방사형 3방향 전극부(11-2)의 전극 위에 탄성체 저항(11-5)을 배치하고 엄지 끝의 눌림판인 누름버튼(11-3)을 통해 압력을 전달함으로써 물체와의 접촉 수직력과 전단력을 계산할 수 있다. 엄지의 움직임에 대한 영향을 최소화하기 위해 도 5 와 같이 플렉시블 피시비가 관통공(11-4)을 통하여 제어부와 연결되면서 관절 작용에는 문제가 없도록 한다. 특히 본 발명은 중앙의 기준 전압단을 중심으로 각 방향(a,b,c)으로 의 이동시 탄성저항체(11-5)를 통한 누름으로 저항이 달라지므로 이를 기초로 미끌어짐 여부를 알 수 있도록 한다. 즉, 각 방향의 전극부 배선은 단자(11-2a, 11-2c, 11-2b)를 통하여 아날로그 디자탈 변환기(13-3)로 인가되는 원리를 이용한다.

도 7 은 본 발명의 제어 블럭도, 도 8 은 본 발명의 제어 알고리즘 구성도로,

미끄럼 센서(S2)의 인식치를 받아 파지력 증감을 결정하여 미세 증감치(Vs2) 를 기준치(Vr)에 더하여 제공하는 슬립제어기(13-21)와;

파지센서(S1)의 인식치(Vs1)를 받아, 기준치(Vr)에 슬립제어기(13-21)의 출력(Vs2)을 가한 값(Vrs)과 가감한 값(Vc1)을 인가받아 값(Vc2)을 제공하는 힘제어기(13-22)와;

힘제어기(13-22)의 펄스폭변조치(PWM) 값(Vc2)을 받아 동력이 변하는 그립서보모터(13)로 이루어진다.

근전도센서(35)의 센싱치는 각각 손목제어부(25-2)와 손제어부(13-2)로 인가되고, 각 제어부(25-2,13-2) 출력은 구동부(25-1,13-1)를 거쳐 손목회전모터(25)와 그립 서보모터(13)를 구동토록 이루어진다.

파지센서(S1) 및 미끄럼센서(S2)의 출력은 아날로그디지탈 변환기(13-3)를 거쳐 손제어부(13-2)의 제어 입력으로 인가된다.

제어부는 손 제어부(13-2)와 손목 제어부(25-2)로 구분된다. 두 제어부에서는 각각 손의 파지 및 손목회전 동작을 수행하기 위해 측정된 근전도 센서(35)로 부터의 센싱치로 사용자의 의도를 인식하고 모터(25,13)를 구동함으로써 4 가지 동작을 수행한다. 손 제어부(13-2)는 부가적으로 파지력/미끌림을 인식하는 파지센서와 미끄럼 센서를 통하여 파지력을 제어하고 동시에 물체의 미끌림을 방지한다. 즉, 사용자의 근전도 센서(35)의 센싱치 크기에 따라 기준 파지력(기준치(Vr))을 설정하고 파지력 오차를 줄이도록 서보모터(13)를 제어한다. 또한 미끄럼 센서(S2)를 통해 물체와의 접촉 수직력 변화가 3방향 전극부(11-2)를 누르는 누름버튼(11-3)을 통해 감지되면 기준 파지력을 높임으로써 미끌림을 방지한다.

도 9에서는 근전도의 크기에 따라 파지력이 제어되는 과정을 볼 수 있다. 도 10에서는 미끄럼 센서(S2)의 수직력 변화를 물체와의 미끌림으로 감지하고 파지력 기준값을 증가시키는 과정을 보인다.

이상과 같이 본원 발명은 파지력을 감지하여 파지력을 가감하도록 하여 사용자의 파지력을 실제 인간과 비슷한 의수 기능을 하도록 하는 파지센서를 제공할 수 있다.

본 발명은 파지시 미끄러짐을 3방향으로 구분하여 인식함으로써 물건을 의수로 미끄러지지 않도록 파지토록 하는 미끄럼센서를 제공가능하게 된다.

본 발명은 의수의 파지와 미끄럼을 인식하여 파지력을 조절하고, 동시에 미끄럼시에도 파지력을 조정할 수 있도록 하는 제어장치를 제공하려는 것이다.

Claims

2자유도 근전의수용 보조관절(12)과 엄지관절(11)을 동시에 닿거나 놓도록 하는 관절 연결링크(17)에, 얇은 부분(17-3)과 두꺼운 부분(17-4)이 중앙의 턱부(17-2)를 두고 구분되도록 하고,

두꺼운 부분의 턱부(17-2) 인접부에 휨성을 주는 휨홈(17-5)을, 휨홈 반대면에는 휨성 여부를 인식하는 스트레인 게이지(17-6)를 설치한 2자유도 근전 의수용 파지센서.
2자유도 근전의수용 엄지관절 끝에 형성한 전극판 수용홈(11-1);

전극판 수용홈(11-1)에 안치되며 3방향 인식용 3방향 전극을 가지는 3방향 전극부(11-2); 및

3방향 전극부(11-2)의 전극을 선택하여 누름 가능토록 전극판수용홈(11-1)에 끼워지는 누름버튼(11-3)을 가지는 2자유도 근전 의수용 미끄럼 센서.
제 2 항에 있어서, 전극판 수용홈(11-2)에는 전극판의 도선이 관통하는 관통공(11-4)이 형성된 것을 특징으로 하는 2자유도 근전 의수용 미끄럼 센서.
미끄럼 센서(S2)의 인식치를 받아 파지력 증감을 결정하여 미세 증감치(Vs2) 를 기준치(Vr)에 더하여 제공하는 슬립제어기(13-21)와;

파지센서(S1)의 인식치(Vs1)를 받아, 기준치(Vr)에 슬립제어기(13-21)의 출력(Vs2)을 가한 값(Vrs)과 가감한 값(Vc1)을 인가받아 값(Vc2)을 제공하는 힘제어기(13-22)와;

힘제어기(13-22)의 펄스폭변조치(PWM) 값(Vc2)을 받아 동력이 변하는 그립서보모터(13)로 이루어진 2자유도 근전 의수용 파지력 및 미끄럼 제어장치.