KR100968343B1 - Myoelectric hand with new adaptive grasping and self-locking mechanism - Google Patents
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Abstract
본 발명은 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수에 관한 것으로, 중수지절골관절(metacarpophalangeal joint)에 설치되는 홀더(holder)(100); 자유롭게 정위치 회전될 수 있도록 상기 홀더(100) 내에 배치되고, 롤러(roller)(400)가 안착될 수 있도록 외부면에 축(shaft)(500) 방향으로 함몰형성된 복수 개의 홈부(210)가 구비되는 하우징(200); 상기 하우징(200)의 내부에 형성되는 수용공간에 배치되고, 모터(motor)(510)와 연동회전되는 상기 축(500)에 중앙부가 고정되어 변형력을 일정하게 유지하면서 권취된 상태로 감기거나 펴질 수 있도록 구비되는 나선 스프링(spiral spring)(300); 및 상기 하우징의 일측 또는 양측에 배치되어 상기 축(500)과 베어링을 매개로 연결되고, 손가락의 링크에 힌지연결되며, 외부면에 상기 롤러의 단부가 거치될 수 있도록 상기 홈부와 대응되는 위치에 장변(610a)과 단변(610b)으로 이루어진 복수 개의 절개부(610)가 대칭형성되는 캠 표면(cam surface)이 구비되는 피구동판(600);을 포함하고, 상기 나선 스프링(300)의 변형력 유지에 의해 각각의 손가락들이 독립된 굴곡형태로 파지하게 되며, 상기 모터(510)의 구동 없이도 변형된 동작상태를 유지할 수 있으면서도 외부토크의 영향으로 굴곡상태가 임의로 변형되는 것을 차단할 수 있다.The present invention relates to a myocardium with a new adaptive gripping and automatic locking function, the holder (100) is installed in the metacarpophalangeal joint (metacarpophalangeal joint); A plurality of grooves 210 are disposed in the holder 100 so as to be freely rotated in a free position and recessed in the direction of the shaft 500 on the outer surface so that the roller 400 may be seated therein. A housing 200; It is disposed in the receiving space formed inside the housing 200, the central portion is fixed to the shaft 500 which is interlocked with the motor (510) to be wound or unrolled in a wound state while maintaining a constant deformation force A spiral spring 300 provided to be provided; And a shaft disposed at one side or both sides of the housing and connected to the shaft 500 through a bearing, hinged to a link of a finger, and positioned at a position corresponding to the groove so that an end of the roller can be mounted on an outer surface thereof. And a driven plate 600 having a cam surface on which a plurality of cutouts 610 formed of a long side 610a and a short side 610b are symmetrically formed, and maintaining the deformation force of the spiral spring 300. By each of the fingers to be held in an independent bent form, it is possible to maintain the deformed operating state without the drive of the motor 510, but also to block the deformation of the bent state arbitrarily under the influence of external torque.
다기능 근전의수, 언더엑츄에이티드 메커니즘, 적응파지, 자동 잠김 Multifunction EMG, Underacted Mechanism, Adaptive Phage, Automatic Locking
Description
본 발명은 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수에 관한 것으로, 보다 상세하게는 임의의 물체모양에 접촉면을 최대로 하여 안정적 파지를 제공할 수 있으며 자동 잠김 기능에 의해 배터리를 사용하는 근전의수의 에너지효율 문제를 해결 할 수 있는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수에 관한 것이다.The present invention relates to a number of myopia having a new adaptive gripping and auto-locking function, more specifically, to provide a stable gripping by maximizing the contact surface to any object shape, the myopia using a battery by the automatic locking function The present invention relates to a myopic tree having a new adaptive gripping and automatic locking function to solve the energy efficiency problem of the prosthetic.
매년 질병이나 사고에 의한 후천적 장애인의 수가 증가하고 있으며, 세계적으로 이러한 지체 장애인들의 재활 및 정상적인 사회 복귀는 큰 사회적 문제로 대두되고 있다. 이에 따라, 재활기구 및 보조기에 관해 많은 연구가 이루어져 왔으며, 그 중 하나가 손이나 팔이 없는 장애인이 착용하는 인공의수로, 이러한 인공의수는 미관의수, 단순한 기능의수에서 모터구동에 의해 작동되는 전자의수까지 다양하게 개발되어 있다.Every year, the number of people with disabilities caused by diseases and accidents is increasing, and the rehabilitation and normal return to society of these people with disabilities are a big social problem worldwide. Accordingly, many researches have been conducted on rehabilitation equipment and orthosis, and one of them is an artificial number worn by a handicapped person without a hand or an arm. Various types of electrons are operated.
그러나, 이러한 종래의 근전의수는 파지기능을 구현함에 있어서, 손가락 관절을 개별적으로 동작시키는데 따른 제어의 곤란성과 함께, 모터 장착 등에 따른 근전의수 적용에 필수적인 소형, 경량화 문제, 배터리를 사용하는 근전의수의 에너지효율 문제 등을 효과적으로 해결하지 못하고 있는 실정이다.However, such a conventional myocardium, in the implementation of the gripping function, with the difficulty of controlling the operation of the finger joints individually, the small size, weight reduction problem, essential for the application of the myocardium due to the motor, etc. It is a situation that does not effectively solve the problems of energy efficiency of prosthetic hands.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 파지기능을 구현함에 있어서, 손가락 관절을 개별적으로 동작시키는데 따른 제어의 곤란성과 함께, 모터 장착 등에 따른 근전의수 적용에 필수적인 소형, 경량화 문제, 배터리를 사용하는 근전의수의 에너지효율 문제 등을 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention devised to solve the problems described above, in the implementation of the gripping function, with the difficulty of controlling the operation of the finger joints individually, a small size, light weight problem essential for the application of myoelectrics according to the motor mounting, etc. It is an object of the present invention to provide a myofiac with a new adaptive gripping and automatic locking function that can effectively solve the energy efficiency problem of myocardium using a battery.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 중수지절골관절(metacarpophalangeal joint)에 설치되는 홀더(holder)(100); 자유롭게 정위치 회전될 수 있도록 상기 홀더(100) 내에 배치되고, 롤러(roller)(400)가 안착될 수 있도록 외부면에 축(shaft)(500) 방향으로 함몰형성된 복수 개의 홈부(210)가 구비되는 하우징(200); 상기 하우징(200)의 내부에 형성되는 수용공간에 배치되고, 모터(motor)(510)와 연동회전되는 상기 축(500)에 중앙부가 고정되어 변형력을 일정하게 유지하면서 권취된 상태로 감기거나 펴질 수 있도록 구비되는 나선 스프링(spiral spring)(300); 및 상기 하우징의 일측 또는 양측에 배치되어 상기 축(500)과 베어링을 매개로 연결되고, 손가락의 링크에 힌지연결되며, 외부면에 상기 롤러의 단부가 거치될 수 있도록 상기 홈부와 대응되는 위치에 장변(610a)과 단변(610b)으로 이루어진 복수 개의 절개부(610)가 대칭형성되는 캠 표면(cam surface)이 구비되는 피구동판(600);을 포함하고, 상기 나선 스프링(300)의 변형력 유지에 의해 각각의 손가락들이 독립된 굴곡형태로 파지하게 되며, 상기 모터(510)의 구동 없이도 변형된 동작상태를 유지할 수 있으면서도 외부토크의 영향으로 굴곡상태가 임의로 변형되는 것을 차단할 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the object as described above, the holder (holder) is installed in the metacarpophalangeal joint (metacarpophalangeal joint); A plurality of
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그리고, 상기 모터(510)와 축(500)을 연결하는 평기어(520)와 상기 축(500) 사이에, 상기 하우징(200)의 외면과 대응되는 외면형상을 가지는 제2구동판(미도시)과, 상기 피구동판(600)의 캠 표면과 대응되는 외면형상을 가지는 제2피구동판(미도시)을 구비하여, 상기 나선 스프링(300)이 상기 모터(510)의 구동 없이도 회전변위를 유지할 수 있으면서도 외부토크의 상기 모터(510)측으로의 전달을 차단할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.In addition, a second driving plate (not shown) having an outer surface shape corresponding to an outer surface of the
또한, 상기 손가락은, 손바닥에 가장 인접한 근위지골(proximal phalanx)에 해당되며, 4 링크 메커니즘에서 한 개 링크를 제거하고 상기 피구동판(600)의 힌지핀과 연결되는 근위지골부(10); 손가락의 중위지골(middle phalanx)에 해당되며, 4 링크 메커니즘으로 구성되고 삼각형 링크(50)를 통해 인접한 상기 근위지골부(10)와 연결되는 중위지골부(20); 및 손가락 끝에 위치하는 원위지골(distal phalanx)에 해당되며, 상기 중위지골부(20)의 4 링크 메커니즘과 연결되는 원위지골부(30);를 포함하여 구성되어, 상기 삼각형 링크(50)와의 연결구조에 의해 손가락 마디 사 이의 적응파지가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.In addition, the finger, the proximal phalanx closest to the palm (proximal phalanx), the
그리고, 상기 손가락 중 엄지의 수근중수관절(carpometacarpal joint)은, 내전과 외전을 위해 방사형의 슬롯(slot)(711)을 가지는 별형 휠(star wheel)(710), 제2모터(550)에 연동회전되는 구동체(driver)(720), 상기 구동체(720)에 연동되어 상기 슬롯(711)에 삽탈되며 상기 별형 휠(710)을 회전조정시키는 제네바 롤러(roller)(730)를 구비한 제네바 메커니즘을 사용하고, 굴곡과 신전을 위해 상기 구동체(720)의 회전 운동을 직선운동으로 변환하는 크랭크-슬라이더 메커니즘을 복합시켜, 상기 구동체(720)를 회전구동시키는 상기 제2모터에 해당되는 하나의 모터(550)로 굴곡/신전과 함께 내전/외전에 해당되는 동작을 구현하도록 하는 것이 바람직하다.The carpometacarpal joint of the thumb of the finger is interlocked with a
또한, 상기 손가락 중 엄지를 제외한 나머지 4개의 손가락은, 3개의 마디를 가지고, 하나의 상기 모터(510)에 해당되는 하나의 모터로 굴곡/신전에 해당되는 12 자유도를 구현하며, 상기 손가락 중 엄지는, 상기 제2모터(550)에 해당되는 다른 하나의 모터로 굴곡/신전과 내전/외전에 해당되는 4 자유도를 구현하도록 하는 것이 바람직하다.In addition, the other four fingers except the thumb of the finger, has three nodes, one motor corresponding to one of the
상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은, 손가락 관절 구조를 구성함에 있어서, 손가락 마디와 손가락 사이의 적응파지 기능을 위해 7 링크 메커니즘과 나선 스프링 메커니즘의 적용하여 임의의 물체모양에 접촉면을 최대로 하여 안정적인 적응파지 기능을 제공할 수 있으며, 하나의 모터를 이용하여 소형, 경량으로 구현가 능하다는 효과가 있다.The present invention by the above-described configuration, in the construction of the finger joint structure, by applying a seven-link mechanism and a spiral spring mechanism for the adaptive gripping function between the finger node and the finger to maximize the contact surface to any object shape It can provide stable adaptive gripping function, and it is possible to realize small size and light weight by using one motor.
또한, 중수지절골관절에 나선 스프링과 함께 작용하여 자동 잠김 기능을 구현할 수 있는 롤러-캠 메커니즘의 개발로 배터리를 사용하는 근전의수의 에너지효율 문제를 해결할 수 있다는 다른 효과가 있다.In addition, the development of a roller-cam mechanism that can work with the spiral spring in the metacarpophalangeal joint to implement the automatic locking function has another effect that can solve the energy efficiency problem of the myoelectric power using the battery.
그리고, 엄지 설계에서는 수근중수관절에 하나의 모터를 이용하여 엄지의 굴곡/신전과 함께 내전/외전을 수행할 수 있도록 하는 제네바 & 크랭크-슬라이더 메커니즘을 적용함으로써, 안정적인 적응파지 기능을 제공함과 동시에, 모터 갯수의 최소화에 따른 소형화 및 경량화를 구현가능하다는 다른 효과가 있다.In addition, in the thumb design, the Geneva & Crank-Slider mechanism, which allows the flexion / extension of the thumb and the abduction / abduction of the thumb using one motor, provides a stable adaptive gripping function. There are other effects that can be miniaturized and lightweight according to the minimization of the number of motors.
이에 따라, 원형, 구형, 끝점 파지와 함께 측면, 고리 파지기능이 가능하며, 근전의수 적용에 필수적인 소형, 경량화 문제를 효과적으로 해결하고, 2개의 모터를 이용하여 16 자유도를 얻을 수 있다는 다른 효과가 있다.As a result, the circular, spherical, and end point gripping functions are possible, as well as the side and ring gripping functions. have.
또한, 다자유도 근전의수에 적합한 새로운 언더엑츄에이티드 메커니즘을 제시함으로써, 근전의수의 제작과정에서 얻어지는 언더엑츄에이티드 메커니즘, 센서기술, 제어기술을 로봇 손과 관련된 로봇기술분야 산업, 정밀 자동화 산업, 인공 손과 관련된 재활 산업 등에 광범위하게 기초기술로써 응용될 수 있다.In addition, by presenting a new under-actuated mechanism suitable for the multiple degree of freedom myocardium, the under-acted mechanism, sensor technology, and control technology obtained in the manufacturing process of myocardial muscle can be applied to the robot hand industry. It can be widely applied as a basic technology to the automation industry, rehabilitation industry related to artificial hands.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수는, 5개의 손가락을 가진 근전의수로서 설계 개념에서 3가지의 기능적인 특징을 가진다.The EMG with the new adaptive gripping and auto-locking functions according to the present invention having the above configuration has three functional features in the design concept as the EMG with five fingers.
첫째로, 엄지를 제외한 4개의 손가락은 적응파지 기능과 자동잠김 기능을 가 진다. 둘째로, 각 손가락에서 3개의 마디는 물체와의 접촉면을 최대로 하기 위하여 독립적으로 회전가능 하다. 셋째로, 엄지는 다른 손가락과 마찬가지로 적응파지가 가능한 3개의 마디를 가지고 있으며 수근중수관절(carpometacarpal joint)에서 굴곡/신전과 함께 내전/외전이 가능하다.First, all four fingers except the thumb have adaptive gripping and self-locking. Secondly, the three nodes on each finger are rotatable independently to maximize the contact surface with the object. Thirdly, the thumb has three nodes that can be adaptively gripped like other fingers, and can be adducted / abduction along with flexion / extension in the carpometacarpal joint.
먼저, 손가락 사이의 적응파지 메커니즘에 대해 설명하기로 한다.First, the adaptive gripping mechanism between the fingers will be described.
본 발명은 손가락 사이의 적응파지를 위하여 스프링을 이용한 언더엑츄에이티드 메커니즘을 제시한다. 상기 스프링을 이용한 언더엑츄에이티드 메커니즘에서는 나선 스프링(spiral spring)(300)을 도입함으로써 불규칙한 모양의 물체를 파지할 때 각각의 손가락들이 독립적인 파지기능을 가질 수 있다. The present invention provides an underacted mechanism using a spring for adaptive gripping between fingers. In the underacted mechanism using the spring, each finger may have an independent gripping function when gripping an irregularly shaped object by introducing a
도 1에 도시된 바와 같이, 손가락은 중수지절골관절(metacarpophalangeal joint)에서 하우징(housing)(200)을 통해서 상기 나선 스프링(300)과 연결된다. 상기 하우징(200)은 상기 나선 스프링(300)을 일정공간에 감아 두는 역할을 하며, 상기 나선 스프링(300)이 일정한 변형력을 유지하도록 한다. 그리고, 상기 하우징(200)은 홀더(holder)(100) 내에서 자유로운 회전운동이 가능하다. 상기 나선 스프링(300)은 모터(motor)(510)에 의해 회전하는 축(shaft)(500)에 고정되어 있으며 모터(510)의 동력은 간단한 평 기어(spur gear set)에 의해 상기 축(500)으로 전달될 수 있다.As shown in FIG. 1, the finger is connected with the
도 2는 상기 스프링을 이용한 언더엑츄에이티드 메커니즘을 적용하여 인공손이 적응파지 기능을 수행함에 있어서, 상기 나선 스프링(300)의 동작상태를 설명하 기 위해 도시한 것으로, 상기 나선 스프링(300)의 동작은 파지 형태에 따라 도달(reaching) 모드, 적응(adaptation) 모드, 동력파지(power grasp) 모드, 해지(release) 모드에 해당되는 4가지 모드로 구분된다.2 is a diagram illustrating an operating state of the
도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 도달모드는, 손가락의 관절들이 최대로 펴진 상태로부터 시작하여 물체와 접촉할 때까지 이루어진다. 상기 도달모드 동안 상기 나선 스프링(300)에는 약간의 휘어짐이 나타나고, 상기 모터(510)의 동력은 상기 하우징(200)과 홀더(100) 사이의 작은 마찰 손실을 가지고 손가락에 전달된다.The arrival mode as shown in FIG. 2A is started from the state where the joints of the fingers are fully extended until the contact with the object. During the reaching mode, a slight deflection appears in the
도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 적응모드에서는, 손가락이 물체와의 접촉하게 되고 계속해서 회전하는 상기 모터(510)에 의해 상기 나선 스프링(300)이 감기게 된다. 이때 움직임이 없는 손가락의 상기 나선 스프링(300)은 모터(510)의 동력을 상기 나선 스프링(300)의 감긴 길이에 비례하는 힘으로 저장하게 된다. 상기 적응모드에서 물체와 접촉하지 않은 다른 손가락들은 계속 구부려질 수 있으므로 손가락 사이의 적응파지 기능을 수행할 수 있다. In the adaptation mode as shown in FIG. 2 (b), the
도 2의 (c)에 도시된 바와 같은 동력파지 모드는, 상기 모터(510)의 회전력이 직접적으로 손가락의 파지력으로 전달되는 것을 의미한다. 즉, 상기 나선 스프링(300)은 상기 축(500)의 직경까지 완전히 감기게 되므로 상기 나선 스프링(300)과 하우징(200)은 상기 축(500)과 손가락을 연결하는 고정 기구처럼 동작한다. The power gripping mode as illustrated in FIG. 2C means that the rotational force of the
도 2의 (d)에 도시된 바와 같은 해지모드에서는, 손가락이 물체와 접촉하지 않게 되고 초기 위치로 되돌아간다. 상기 나선 스프링(300)은 동력파지와 반대로 상기 하우징(200)의 직경까지 풀리게 되고, 따라서 손가락은 상기 모터(510)의 역 회전에 의해 초기상태까지 펴질 수 있다.In the termination mode as shown in Fig. 2D, the finger does not come into contact with the object and returns to the initial position. The
다음으로, 손가락의 자동잠김 메커니즘에 대해 설명하기로 한다.Next, the automatic locking mechanism of the finger will be described.
상기 서술한 바와 같은 스프링 메커니즘은 사용자가 손목과 팔을 움직일 경우 또는 파지한 물체의 무게가 변화할 경우, 외력에 의해 손가락이 펴지는 단점이 있어, 이러한 단점을 보완할 수 있는 잠김기능을 함께 구비하는 것이 바람직하며, 상기 모터(510)는 손가락이 물체를 파지하는 동안 지속적으로 토크를 공급해야만 하므로 배터리의 에너지 효율을 높일 수 있는 구조가 적용되는 것이 바람직하다.As described above, the spring mechanism has a disadvantage in that the finger is stretched by an external force when the user moves the wrist and arm or the weight of the gripped object is changed, and the lock mechanism can compensate for this disadvantage. Preferably, since the
상용화된 기존의 근전의수는 외력에 의해 손가락이 펴지는 현상을 막고 배터리의 에너지 효율을 높이기 위해 모터와 기어 박스 사이에 자동잠김(self locking) 구조를 제공하고 있기는 하나, 이러한 방법은 단지 손가락이 각각의 모터에 의해 직접 구동되는 구조에만 적용할 수 있다는 한계가 있었다.Conventional EMG, which is commercially available, provides a self-locking structure between the motor and the gearbox to prevent finger spreading by external force and increase the energy efficiency of the battery. There was a limitation that it can be applied only to the structure directly driven by each of these motors.
본 발명은, 이러한 단점을 해결하기 위하여 새로운 형태의 자동잠김 메커니즘을 제안한다. 본 발명에 따른 자동잠김 메커니즘은 각각의 손가락과 상기 모터(510)에 적용가능하며, 조용하면서 강력한 단방향 클러치(one-way clutch) 기능구현하기 위하여, 즉, 모터측으로부터 전달된 구동력에 의해서는 구동되면서, 장치 외측으로부터 전달된 가압력에 의해서는 구동이 이루어지지 않도록 하기 위하여 캠-롤러(400) 메커니즘을 이용한다.The present invention proposes a new type of self-locking mechanism to solve this disadvantage. The self-locking mechanism according to the present invention is applicable to each finger and the
일반적인 캠-롤러 클러치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 구동모듈(inner member), 외부 구동모듈(outer member), 롤러(roller)로 이루어져 있으며, 상기 내 부 구동모듈은 상기 외부 구동모듈과 마주보는 면에 캠 표면(cam surface)를 가지며 상기 롤러를 끼우거나 빼는 역할을 수행하게 된다.As shown in FIG. 3, a general cam-roller clutch includes an inner drive module, an outer drive module, and a roller, and the inner drive module is connected to the external drive module. It has a cam surface on the opposite surface and serves to insert or remove the roller.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 내부 구동모듈이 반시계 방향으로 회전하면, 상기 롤러들은 상기 내부 구동모듈과 외부 구동모듈 사이에서 단단하게 끼어 결합되며, 이에 따라 상기 내부 구동모듈과 외부 구동모듈은 반시계 방향으로 함께 회전하게 된다.As shown in (a) of FIG. 3, when the internal drive module rotates in a counterclockwise direction, the rollers are tightly coupled between the internal drive module and the external drive module, and thus the internal drive module and the external drive module are coupled. The drive module rotates together in the counterclockwise direction.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 내부 구동모듈이 시계방향으로 회전하거나 상기 외부 구동모듈이 상기 내부 구동모듈보다 빠른 속도로 회전하는 경우에는, 상기 롤러들이 내부와 외부 구동모듈 사이에서 끼이지 않고 자유롭게 회전함으로써 상기 내부 구동모듈과 외부 구동모듈 사이의 연결이 분리된다. As shown in (b) of FIG. 3, when the internal drive module rotates clockwise or the external drive module rotates at a higher speed than the internal drive module, the rollers are sandwiched between the internal and external drive modules. By rotating freely, the connection between the internal drive module and the external drive module is separated.
이에 대해, 본 발명은 캠-롤러 메커니즘의 원리를 이용하여 구동부가 피구동부를 양방향으로 회전시킬 수 있으며 반대의 경우는 불가능한 자동잠김 메커니즘을 제안한다. 도 4는 이러한 본 발명에 따른 캠-롤러(400) 메커니즘의 원리를 이용한 자동잠김 메커니즘의 이해를 돕기 위하여 개략적으로 도시한 것으로, 본 발명에 따른 자동잠김 메커니즘은 구동판(driving plate)(본 발명의 상기 하우징(200)에 해당, 이하 설명), 피구동판(drivenplate)(600), 외부모듈(outer member)(본 발명의 상기 홀더(100)에 해당, 이하 설명), 롤러(roller)(400)로 구성된다.On the other hand, the present invention proposes a self-locking mechanism in which the driving portion can rotate the driven portion in both directions using the principle of the cam-roller mechanism and vice versa. Figure 4 is schematically shown to help understand the automatic locking mechanism using the principle of the cam-
상기 구동판의 캠 표면은, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 외부모듈의 내부면과 동일한 곡률을 가지고 있으며, 외부면에는 축(500) 방향으로 함몰형성되는 복수 개의 홈부(210)가 구비되어 상기 홈부(210)에 롤러(400)가 각각 안착되도록 하며, 상기 구동판의 캠 표면과 상기 외부모듈의 내부면 사이 거리는 상기 롤러(400)의 직경보다 크다.As shown in (a) of FIG. 4, the cam surface of the driving plate has the same curvature as the inner surface of the outer module, and a plurality of
반면에, 상기 피구동판(600)은, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 수평축과 수직축에 대하여 대칭으로 배열된 경사진 캠 표면을 가지도록 형성되고, 외부면에는 상기 홈부(210)에 안착되는 롤러(400)의단부가 거치될 수 있도록 상기 홈부(210)와 대응되는 위치에 장변(610a)과 단변(610b)을 갖는 복수 개의 절개부(610)가 대칭형성된다.
이로 인해, 상기 외부모듈은 정지된 홀더의 역할을 하며 상기 피구동판(600)의 경사진 캠 표면과 함께 상기 롤러(400)를 끼울 수 있는 마찰력을 제공한다.On the other hand, the driven
Due to this, the external module serves as a stationary holder and provides a friction force to fit the
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 자동잠김 메커니즘은, 일측, 타측의 양방향 구동과, 일측, 타측의 양방향 잠김에 해당되는 4가지 동작모드를 구현하게 된다. 단방향으로 동력을 전달함에 있어서 상기 자동잠김 메커니즘이 4가지 모드에서 어떻게 구현되는지를 도 5를 참조하여 설명하기로 하며. 도 5에서 실선과 파선은 각각 상기 구동판과 피구동판(600)을 나타내고, 실선과 파선의 화살표는 각각의 회전방향을 표시한다.The automatic locking mechanism according to the present invention having the configuration as described above implements four operation modes corresponding to bidirectional driving on one side and the other side and bidirectional locking on one side and the other side. How the autolock mechanism is implemented in four modes in transmitting power in one direction will be described with reference to FIG. 5. In FIG. 5, the solid line and the broken line indicate the driving plate and the driven
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 구동판이 반시계 방향으로 회전하는 경우, 오른쪽 롤러(400)는 두 개 캠 표면의 가장자리 사이에서 위치하여 두 개의 판을 연결함으로써 회전력을 전달하게 되며, 이때 왼쪽 롤러(400)는 자유롭게 회전하는 상태로 판의 회전에 영향을 주지 않는다. 그 결과 상기 구동판을 따라 상기 피구동판(600)이 동일하게 회전할 수 있다. As shown in FIG. 5A, when the driving plate rotates in a counterclockwise direction, the
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 구동판이 시계방향으로 회전하는 경우, (a)의 경우와 대칭구조를 가지며 상기 구동판과 피구동판(600)이 시계 방향으로 회전하게 된다.As shown in (b) of FIG. 5, when the driving plate rotates in a clockwise direction, the driving plate and the driven
도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 상기 피구동판(600)이 외부 토크에 의해 반시계 방향으로 회전하는 경우, 오른쪽 롤러(400)는 피구동판(600)의 기울어진 캠 표면과 외부모듈 사이에 끼어져서 고정되는 반면에 왼쪽 롤러(400)는 자유로운 상태가 되면서 자동잠김이 이루어지게 되며, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 상기 피구동판(600)이 외부토크에 의해 시계 방향으로 회전할 경우에도, 도 5의 (c)에 도시된 경우와 같은 원리로 자동잠김이 이루어진다.As shown in FIG. 5C, when the driven
다음으로, 상기와 같은 적응파지 기능을 위한 나선 스프링(300) 메커니즘과, 자동잠김 기능을 위한 캠-롤러(400) 메커니즘을 적용한 중수지절골관절의 구조에 대해 설명하기로 한다.Next, the structure of the metacarpal osteoarticular joint to which the
상기 적응파지 기능을 위한 나선 스프링 메커니즘과, 자동잠김 기능을 위한 캠-롤러 메커니즘을 하나의 구조에 포함시키기 위해서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 나선 스프링(300)을 포함하고 있는 상기 하우징(200)이 상기 자동잠김 메커니즘의 구동판과 동일한 캠 표면을 가지며, 상기 피구동판(600)은 베어링 결합으로 상기 축(500)과 연결되어 있고 각 손가락의 링크를 연결하는 두 개의 힌지핀을 가진다.To include the spiral spring mechanism for the adaptive gripping function and the cam-roller mechanism for the self-locking function in one structure, as shown in FIG. 6, the housing including the spiral spring 300 ( 200 has the same cam surface as the drive plate of the self-locking mechanism, and the driven
2개의 상기 피구동판(600)을 상기 하우징(200) 양측에 쌍을 이루어 배치함으로써 손가락으로의 동력전달을 보다 향상시킬 수 있으며, 4개의 상기 롤러(400)는 상기 2개의 구동판에 대해 양측에 구비된 상기 피구동판(600)의 캠 표면과 접하게 된다.By arranging the two driven
또한, 상기와 같은 자동잠김 기능을 위한 캠-롤러 메커니즘을 구현하기 위한 자동잠김 모듈을 상기 모터(510)와 축(500)을 연결하는 평기어(520)와 상기 축(500) 사이에 배치시키면 외부토크의 전달을 차단할 수 있어, 상기 나선 스프링(300)은 상기 모터(510)의 회전 없이도 회전변위를 유지할 수 있다.In addition, when the auto-locking module for implementing the cam-roller mechanism for the self-locking function is disposed between the
다음으로, 적응파지 기능을 고려한 손가락 마디의 연결구조에 대해 설명하기로 한다.Next, the connection structure of the finger node in consideration of the adaptive gripping function will be described.
본 발명은 손가락 마디간의 연결구조에 적응파지 기능을 적용하기 위하여, 7 링크 메커니즘에 근거한 언더엑츄에이티드 메커니즘을 제안한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 손가락은 세 개의 마디로 구성되며, 중수지절골관절과 연결하기 위해 변형된 7 링크 메커니즘을 적용한다. The present invention proposes an underacted mechanism based on a seven-link mechanism in order to apply an adaptive gripping function to a connection structure between finger nodes. As shown in FIG. 7, the finger consists of three nodes and applies a modified seven-link mechanism to connect with the metacarpophalangeal joint.
손바닥에 가장 인접한 근위지골(proximal phalanx)부(10)는 4 링크 메커니즘에서 한 개 링크를 제거하고 상기 피구동판(600)의 두 개의 힌지핀과 연결되며, 중위지골(middle phalanx)부(20) 또한 4 링크 메커니즘으로 구성되고 삼각형 링크(50)를 통해 인접한 근위지골과 연결되어, 상기 삼각형 링크(50)와의 연결구조가 손가락 마디 사이의 적응파지를 가능하게 하며, 손가락 끝에 위치하는 원위지골(distal phalanx)부(30)는 상기 중위지골부(20)의 4 링크 메커니즘과 연결된다.The
손가락의 굴곡동작에서 적응파지 기능은 도 8에 도시된 바와 같이 손가락 마디들의 순차적인 접촉에 의해 이루어진다. 손가락이 물체와 접촉하기 전에는 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 세 개의 마디가 하나의 강체 링크처럼 동작하다가, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 근위지골부(10)가 먼저 물체와 접촉하면, 다음으로는, 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 상기 중위지골부(20)의 굴곡이 시작되고 결 국 물체와 접촉하게 되며, 상기 원위지골부(30)는 상기 중위지골부(20)의 접촉이 완료된 후에 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이 굴곡을 시작하고 접촉이 이루어진다. 그 결과 세 개의 마디는 다중 접촉점을 가지고 물체를 감쌀 수 있다.The adaptive gripping function in the bending motion of the finger is achieved by the sequential contact of the finger nodes as shown in FIG. Before the finger contacts the object, the three nodes act as one rigid link, as shown in FIG. 8 (a), and the
다음으로, 수근중수관절에서 굴곡/신전 뿐만 아니라 내전/외전 기능을 수행할 수 있는 4 자유도의 엄지 구조에 대해 설명하기로 한다.Next, the thumb structure of 4 degrees of freedom that can perform the flexion / extension as well as adduction / abduction in the carpal tunnel will be described.
일반적으로 내전/외전 기능은 간헐 메커니즘(intermittentmechanism)으로 구현되며, 이러한 메커니즘은 Manus 의수에서 주기적인 타이밍 기어(timing gear)운동으로 이용된 예가 있다. 그러나 이 방법은 지절관절(interphalangeal joint)이 수근중수관절로부터 독립적이지 못하며 모터의 동력을 전달하기 위해 복잡한 경로가 요구되는 단점이 있었다.In general, the adduction / abduction function is implemented by an intermittent mechanism, and this mechanism is used as a cyclic timing gear movement in the Manus hand. However, this method has the disadvantage that the interphalangeal joint is not independent from the carpal tunnel and requires a complicated path to transmit the power of the motor.
따라서, 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 제네바 메커니즘(Geneva mechanism)과 크랭크-슬라이더 메커니즘(crank-slider mechanism)을 사용한 엄지설계를 제안한다. Accordingly, the present invention proposes a thumb design using a Geneva mechanism and a crank-slider mechanism to solve this problem.
본 발명에 따른 엄지 구조에 있어서, 엄지의 모든 동작은 도 9에 도시된 바와 같이 커플링(copling)에 연결되는 하나의 제2모터(550)로 구동되며, 웜 기어(worm gear)는 동력전달 방향을 바꿈과 동시에 모든 관절이 자동잠김 기능을 수행할 수 있도록 한다. In the thumb structure according to the present invention, all the operations of the thumb are driven by one
제네바 메커니즘은, 도 10에 도시된 바와 같이, 보듯이 별형 휠(star wheel)(710), 제네바 롤러(roller)(730), 구동체(driver)(720)로 구성된다. 별형 휠(710)의 모서리(edge)와 구동체(720)의 어깨(shoulder)는 서로 같은 곡률을 가지므로 상기 제2모터(550)가 회전하지 않는 동안에는 서로 맞물려 움직일 수 없다. 기어는 내전과 외전을 위한 축(500)으로 간헐적인 회전동작을 수행하게 된다.The Geneva mechanism is composed of a
크랭크-슬라이더 메커니즘은, 상기 구동체(720)와 연결되어 회전운동을 직선운동을 변환하며 엄지의 굴곡/신전 동작을 발생시킨다.The crank-slider mechanism is connected to the driving
도 11을 참조하여 상기 구동체(720)가 시계방향으로 회전할 경우의 동작들을 설명하기로 한다. 도 11의 (a)는 엄지가 내전과 굴곡을 완료한 상태를 도시한 것으로, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같은 상태에서 상기 구동체(720)가 180도 회전하여 도 11의 (b)에 도시된 바와 같은 상태에서는 내전동작은 유지하면서 신전동작이 이루어지게 되며, 도 11의 (c)에 도시된 바와 같이 225도 지점에서는 상기 제네바 롤러(730)가 슬롯(slot)(711)으로 진입하게 된다.Referring to FIG. 11, operations when the driving
도 11의 (d) 도시된 바와 같은 상태를 거쳐, 도 11의 (e)에 도시된 바와 같이 315도까지 상기 별형 휠(710)과 기어가 회전한 상태에서 엄지 손가락은 90도의 외전동작을 수행하게 되며, 315도부터 450도까지는 도 11의 (f)에 도시된 바와 같이 외전동작을 유지하면서 굴곡동작을 수행하게 된다.The thumb performs the abduction of 90 degrees while the
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 하나의 모터(510)는 20:1의 웜기어를 통해서 엄지를 동작시키고, 또 다른 모터(550)는 561:1의 유성기어로 네 개의 손가락에 동력을 전달하는 것과 같은 실시예 등을 적용함으로써, 도 12, 13에 도시된 바와 같이 두 개의 모터(510, 550)만으로 손 부분에서 16자유도를 구현할 수 있다.According to the present invention having the above configuration, one
그리고, 도 14의 (a)에 도시된 바와 같은 원형 파지, 도 14의 (b)에 도시된 바와 같은 끝점 파지, 도 14의 (c)에 도시된 바와 같은 고리 파지, 도 14의 (d)에 도시된 바와 같은 측면 파지, 도 14의 (e)에 도시된 바와 같은 구형 파지, 도 14의 (f)에 도시된 바와 같은 큰 끝점 파지를 포함하여 다양한 파지동작을 구현할 수 있다.And circular gripping as shown in FIG. 14A, end point gripping as shown in FIG. 14B, ring gripping as shown in FIG. 14C, and FIG. 14D. Various gripping operations can be implemented, including side gripping as shown in FIG. 14, spherical gripping as shown in FIG. 14E, and large endpoint gripping as shown in FIG. 14F.
도 1 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 적응파지를 위한 나선 스프링(300) 메커니즘을 설명하고자 도시한 개략도1-Schematic diagram illustrating a
도 2 - 나선 스프링(300) 메커니즘의 4가지 동작모드를 도시한 개략도2-Schematic diagram showing four modes of operation of the
도 3 - 일반적인 캠-롤러(400) 클러치의 작동원리를 설명하고자 도시한 개략도3-Schematic diagram illustrating the operation principle of a
도 4 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 자동잠김을 위한 캠-롤러(400) 메커니즘을 설명하고자 도시한 개략도4-Schematic diagram illustrating the cam-
도 5 - 캠-롤러(400) 메커니즘의 4가지 동작모드를 도시한 개략도5-Schematic diagram showing four modes of operation of the cam-
도 6 - 적응파지를 위한 나선 스프링(300) 메커니즘과, 자동잠김을 위한 캠-롤러(400) 메커니즘을 복합 적용한 중수지절골관절의 구조를 도시한 요부 분해사시도.6 is an exploded perspective view showing the structure of the metacarpal osteoarticular joint in which the
도 7 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 손가락의 구조를 도시한 요부조립도7-Fig. 7 shows a main portion of the main assembly showing the structure of the finger of the EMG with the new adaptive gripping and automatic locking function according to the present invention
도 8 - 손가락 마디 사이의 적응파지 과정을 도시한 요부투시개략도Fig. 8-Schematic view of the lumbar spine showing the process of adaptive gripping between the knuckles
도 9 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 엄지의 구조를 도시한 요부조립도9-Fig. 9 shows a main portion assembly showing the structure of the thumb of the EMG with the new adaptive gripping and automatic locking function according to the present invention
도 10 - 일반적인 제네바 메커니즘의 작동원리를 설명하고자 도시한 개략도10 is a schematic diagram illustrating the operation principle of a general Geneva mechanism
도 11 - 제네바 & 크랭크-슬라이더 메커니즘을 복합 적용하여 엄지의 굴곡/신전 및 내전/외전시키는 작동원리를 설명하고자 도시한 요부투시개략도.11 is a schematic diagram illustrating the operation principle of flexing / extending and adducting / extending of the thumb by applying the Geneva & Crank-Slider mechanism in combination.
도 12 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 조립구조를 도시한 요부조립도12-A main assembly diagram showing the assembly structure of the EMG with a new adaptive gripping and automatic locking function according to the present invention
도 13 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 전체 링크구조를 도시한 개략도.Fig. 13 is a schematic diagram showing the entire linkage structure of the myofascicus with a new adaptive gripping and auto-locking function according to the present invention.
도 14 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 파지능력을 증명하고자 도시한 사용상태도.14 is a state diagram showing the use of the new adaptive gripping and automatic locking function to demonstrate the gripping capability of the myopic number in accordance with the present invention.
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명><Description of Major Symbols Used in Drawings>
10 : 근위지골부 20 : 중위지골부 10: proximal phalanx 20: middle phalanx
30 : 원위지골부 50 : 삼각형 링크 30: distal phalangeal 50: triangle link
100 : 홀더 200 : 하우징 100: holder 200: housing
300 : 나선스프링 400 : 롤러 300: spiral spring 400: roller
500 : 축 510 : 모터 500: axis 510: motor
520 : 평기어 550 : 제2모터 520: spur gear 550: second motor
600 : 피구동판 710 : 별형 휠 600: driven plate 710: star wheel
711 : 슬롯 720 : 구동체 711: slot 720: driving body
730 : 제네바 롤러730: Geneva Roller
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