KR101026105B1

KR101026105B1 - 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘

Info

Publication number: KR101026105B1
Application number: KR1020070101189A
Authority: KR
Inventors: 한창수; 한정수; 김태식; 장혜연; 장재호
Original assignee: 한성대학교 산학협력단
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2011-04-05
Also published as: KR20090036177A

Abstract

본 발명은 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘에 관한 것으로, 인간의 근력 보조 및 증폭이나 감각장치(haptic device)를 위한 착용형 외골격 로봇의 어깨 관절 3자유도 구현 메커니즘을 이용하여 근골격계 환자나 특수 임무 수행을 위한 군인, 건설현장에서 큰 힘을 필요로 하는 작업자 외에 여러 분야에서 상지 근력의 증폭을 위하여 쓰이게 된다.

또한, 관절과 근육의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로 하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device)로 쓰일 수도 있는 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘를 제공하는데 있다.

어깨관절, 메카니즘. 감각장치, 로봇, 3자유도, 근력보조, 외골격

Description

어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘{Development of wearable robot mechanism for 3 DOF shoulder joint behavior}

본 발명은 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인간의 근력 보조 및 증폭이나 감각장치(haptic device)를 위한 착용형 외골격 로봇의 어깨 관절 3자유도 구현 메커니즘에 관한 것이다.

일반적으로 종례의 어깨관절 외골격은 전상방거상 , 후방거상(Flexion / Extension)의 1자유도나 측상방거상 및 내전(Abduction / Adduction)을 포함한 2자유도의 외골격들이 주로 개발되어왔다. 이는 어깨 외골격의 구동을 위하여 구동기(actuator)를 설치할 때 3개 이상의 구동기를 설치하기에 공간적으로 무리가 있고, 각각의 구동기와 간섭을 일으키기 때문이다. 이러한 단점을 극복하고 어깨 관절 외골격의 3자유도를 구현한 메커니즘이 개발된 사례가 해외에서는 있지만 국내에서는 전무하며 해외에서 개발된 메커니즘 또한 외골격의 크기가 너무 커서 착용형 외골격 로봇에는 적합하지가 않다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 어깨 관절의 전상방거상 후방거상(Flexion / Extension), 측상방거상, 내전(Abduction /Adduction) 뿐만 아니라 내회전, 외회전(Internal/External Rotation)을 포함한 총 3자유도를 구현할 수 있는 착용형 외골격 로봇 어깨 관절 메커니을 제공한다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 인체 상지 어깨 관절의 근력 보조나 증폭을 요하는 분야에 쓰이는 착용형 외골격 로봇의 어깨 3자유도 구현된 구조이다.

이러한, 상기 착용형 외골격 로봇의 어깨 3자유도는 관절과 근육의 움직임을 감지하여 인체의 어깨 관절 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로 하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device) 메커니즘이다.

아울러, 인체 어깨 관절의 생체 역학적 특성에 적합한 4개의 링크로 구성된 메커니즘 구조이다.

또한, 근전도 센서(electromyography sensor), 힘센서(force sensor), 엔코더(encoder) 등의 센서를 이용하여 인체 상지의 어깨 관절 동작을 모방하는 착용형 외골격 로봇이다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명의 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘은 재활을 목적으로 하는 의료용이나 특수 임무의 군사용, 건설용등 근력의 증폭을 필요로하는 분야에 광범위하게 쓰일 수 있는 착용형 외골격 로봇이나 관절과 근육의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device)의 어깨 3자유도 구현 메커니즘으로써 근력 보조 및 증폭 그리고 동작 감지 에 효과적인 도움을 줄 수 있는 메커니즘을 제공한다.

또한, 본 발명은 인체 어깨관절의 특성을 살린 인체공학적 설계로서 각각의 관절들이 직각으로 연결되는 일반 로봇의 관절과 달리 인체의 어깨 관절 운동에 불편함이 없는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 구동기(actuator)나 엔코더(encoder)를 장착한 상태에서 3자유도를 구현하는데 간섭을 일으키지 않도록 하는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 사용자가 착용한 후 이동에 제약을 주지 않도록 경량화를 실현하였다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 인체 상지 어깨 관절의 근력 보조나 증폭을 요하는 분야에 쓰이는 착용형 외골격 로봇의 어깨 3자유도 구현된 구조이다.

본원 발명은 인간의 근력 보조 및 증폭이나 감각장치(haptic device)를 위한 착용형 외골격 로봇의 어깨 관절 3자유도 구현 메커니즘에 관한 것으로, 이를 이용하여 근골격계 환자나 특수 임무 수행을 위한 군인, 건설현장에서 큰 힘을 필요로 하는 작업자 외에 여러 분야에서 상지 근력의 증폭을 위하여 쓰이게 된다.

또한, 관절과 근육의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판단하고 분석하여 가상 현실 분야 및 재활을 목적으로 하는 의료 분야 등에서 쓰이는 감각장치(Haptic device)로 사용된다.

이와 같이, 어깨 관절의 3자유(제1,2,3 관절부)도 구현을 할 수 있는 착용형 외골격 로봇 메커니즘으로 3자유도를 구현하기 위한 어깨 관절의 3개의 관절 부분 은 각각 어깨 관절 각각의 운동을 담당하는 것이 아니라 발명품의 3개의 관절이 조합하여 움직임으로서 어깨 관절의 3자유도를 구현한다.

예를 들어, 어깨 관절의 3개의 관절중 제1 관절부는 어깨 관절의 전상방거상, 후방거상(Flexion/ Extension), 제2 관절부는 관절이 측상방거상, 내전(Abduction/ Adduction), 제3번 관절부는 내회전, 외회전(Internal/ External Rotation)을 담당하는 것이 아니라 발명품의 제1,2 3관절부의 관절이 조합하여 함께 움직임으로써 어깨 관절의 3자유도를 구현하는 것이다.

또한, 본 발명은 메커니즘에 구동기를 설치하였을 경우 동작을 함에 있어서 구동기(actuator)나 엔코더(encoder) 간의 간섭 등 움직임에 아무런 제약이 없게 되어 사용자가 착용형 외골격 로봇을 착용한 상태에서 움직임에 아무런 제약이 없도록 간편하고 경량화된 메커니즘이 구현된다.

아울러, 사용자의 근력을 증폭시키기 위하여 근전도 센서(Electromyography signal)이나 힘 센서(force sensor) 등을 이용하여 어깨 관절의 움직임을 감지하여 근력을 보조 및 증폭시켜주는 로봇과 관절과 근육의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device)에 적용된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제1 관절부를 나타낸 사시도이도, 도 2는 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제1 관절부의 (a)는 정면도, (b)는 제1 관절부의 측면을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 어깨 관절은 3개의 관절부 중 제1 관절부(100)로서 제1 링크부(110) 부분은 견갑골부분에 위치하여 지면과 45도를 이루며 위치한다.

그리고, 상기 제1 관절부(100)의 제2 링크부(120) 부분은 제2 관절부(200)의 제3 링크부(210) 부분과 연결되는 부분으로서 제2 관절부(200)의 제3 링크부(210)에 장착된 구동기(actuator)나 엔코더(encoder)의 축과 연결된다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 도 3은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제2 관절부를 나타낸 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제2 관절부의 (a)는 정면도, (b)는 제2 관절부의 측면을 나타낸 도면이다.

아울러, 상기 제2 관절부는 도 3에 도시한 바와같이 제2관절부(200)는 제3 링크부(210)와 제4 링크부(220) 부분에 구동기(actuator) 또는 엔코더(encoder)가 장착된다.

또한, 도 5는 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제3 관절부를 나타낸 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제3 관절부의 (a)는 정면도, (b)는 제3 관절부의 측면을 나타낸 도면이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 제2 관절부(200)의 제4 링크부(220)와 제3 관절부(300)에서 제5 링크부(310)가 연결되는 것이다.

즉, 상기 제3 관절부(300)의 제5 링크부(310)에는 구동기(actuator) 또는 엔 코더(encoder)가 장착되고, 상기 제3 관절부(300)의 제6 링크부(320)는 착용형 외골격의 상박(upper arm)부분에 해당되는 링크지지부(400)의 제7 링크부(410) 부분과 연결된다.

이러한, 상기 제3 관절부(300)의 제5 링크부(310)는 제2 관절부(200)의 제4 링크부(220) 부분의 구동기 또는 엔코더의 축과 연결된다.

그리고, 도 7은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 링크지지대를 나타낸 사시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 링크지지대의 (a)는 정면도, (b)는 링크지지대의 평면도, (c)는 링크지지대의 측면을 나타낸 도면이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 제3 관절부(300)의 제6 링크부(320)와 연결되는 링크지지부(400)로서 상박(upper arm)에 해당된다.

즉, 상기 링크지지부(400)의 제7 링크부(410)는 부분은 제3 관절부(300)의 제6 링크부(320)와 연결되어 상기 링크지지부(400)의 제7 링크부(410)와 제3 관절부(300)의 제6 링크부(320) 부분은 45도의 각도를 이루고 있으며, 이는 제1, 2, 3 관절부(100)(200)(300)가 서로 간섭이 없도록 하고, 링크지지대(400)의 제7 링크부(410)가 사용자의 상박과 연결되어 적절히 잘 움직이도록 하기 위해서이다.

또한, 상기 링크지지부(400)는 경량화를 위하여 부재의 두께는 얇게 하는 대신에 3개의 H빔을 연결한 형태로 설계하였다.

도 9는 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제1,2,3관절부와 링크지지대가 결합된 것의 (a)는 내측면을 (b)는 외측면을 나타낸 도면이며, 도 10 은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제1,2,3관절부와 링크지지대가 결합되어 인체에 적용시킨 것을 나타낸 도면이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 제1, 2, 3관절부(100)(200)(300)와 링크지지대(400)가 결합된 3자유도(600)로 다수의 링크부로 고정된 것이다.

상기 3자유도(600)의 다수의 링크부 연결부분 즉, 구동기 또는 엔코더에 의해 연결되는 3개의 제1, 2, 3관절부(100)(200)(300) 부분의 회전축은 상기의 도면에서 보는 바와 같이 한 점에서 만나며 이는 사용자의 어깨 관절의 회전축을 나타낸다.

아울러, 도 10에 도시한 바와 같이 제1, 2, 3관절부(100)(200)(300)에서 결합된 링크를 가상의 인체에 적용시킨 것으로 4개의 링크부를 지지하는 지지대(500)가 제1 관절부(100)의 제1 링크부(110) 부분에 연결되어 지지하게 된다.

이와 같이, 어깨 관절의 제1,2,3 관절부(100)(200)(300)가 조합되어 움직임으로서 어깨 관절의 제1, 2, 3 관절부(100)(200)(300)의 3자유도(600)가 구현되어 재활을 목적으로하는 의료용이나 특수 임무의 군사용, 건설용등 근력의 증폭을 필요로하는 분야에 광범위하게 쓰일 수 있는 착용형 외골격 로봇이나 관절과 근육의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판단하고 분석하여 가상현실분야나 재활을 목적으로하는 의료분야 등에서 쓰이는 감각 장치(Haptic device)의 어깨 3자유도(600) 구현 메커니즘으로써 근력 보조 및 증폭 그리고 동작 감지에 사용할 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제1 관절부를 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제1 관절부의 (a)는 정면도, (b)는 제1 관절부의 측면을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제2 관절부를 나타낸 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제2 관절부의 (a)는 정면도, (b)는 제2 관절부의 측면을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제3 관절부를 나타낸 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제3 관절부의 (a)는 정면도, (b)는 제3 관절부의 측면을 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 링크지지대를 나타낸 사시도.

도 8은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 링크지지대의 (a)는 정면도, (b)는 링크지지대의 평면도, (c)는 링크지지대의 측면을 나타낸 도면.

도 9는 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제1,2,3관절부와 링크지지대가 결합된 것의 (a)는 내측면을 (b)는 외측면을 나타낸 도면.

도 10은 본 발명에 따른 어깨 관절 3자유도를 착용형 로봇의 제1,2,3관절부와 링크지지대가 결합되어 인체에 적용시킨 것을 나타낸 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100:제1 관절부 110:제1 링크부

120:제2 링크부 200:제2관절부

210:제3 링크부 220:제4 링크부

300:제3 관절부 310:제5 링크부

320:제6 링크부 400:링크지지부

410:제7 링크부 500:지지대

600:3자유도

Claims

인체의 견갑골부분에 제1 링크부(110) 부분이 부착되며, 타측에 연이어지는 제2 링크부(120)를 구성한 것으로 지면과 45도를 이루는 제1 관절부(100)와;

상기 제1 관절부(100)의 제2 링크부(120)에 제3 링크부(210) 부분과 연결되면서 타측에 연이어지는 제4 링크부(220)를 구성한 제2 관절부(200)와;

상기 제2 관절부(200)의 제4 링크부(220)에 제5 링크부(310) 부분과 연결되면서 타측에 연이어지는 제6 링크부(320)를 구성한 제3 관절부(300)와;

상기 제3 관절부(300)의 제6 링크부(320)는 착용형 외골격의 상박부분에 해당되는 제7 링크부(410)을 구성한 링크지지부(400)와;

제1, 2, 3관절부(100)(200)(300)에서 결합된 링크를 가상의 인체에 적용시키는 링크부를 지지하는 것으로 제1 관절부(100)의 제1 링크부(110) 부분에 연결되어 지지하게 되는 지지대(500);로 구성된 3자유도(600);를 특징으로 하는 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘.
제1항에 있어서,

상기 제2관절부(200)의 제3 링크부(210)와 제4 링크부(220)가 결합된 부분에 구동기(actuator)와 엔코더(encoder) 중 어느 하나를 장착하는 것을 포함함을 특징으로 하는 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘.
제2항에 있어서,

상기 제2관절부(200)의 제4 링크부(220)와 결합되어 제3 관절부(300)의 제5 링크부(310)에 구동기(actuator)와 엔코더(encoder) 중 어느 하나가 장착되는 것을 포함함을 특징으로 하는 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘.
제1항에 있어서,

상기 제3 관절부(300)의 제6 링크부(320)는,

착용형 외골격의 상박(upper arm)부분에 해당되는 링크지지부(400)의 제7 링크부(410) 부분과 연결되는 것을 포함함을 특징으로 하는 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘.
제1항에 있어서,

상기 링크지지부(400)의 제7 링크부(410)는,

제3 관절부(300)의 제6 링크부(320)와 연결되어 45도의 각도를 이루고 있어 제1, 2, 3 관절부(100)(200)(300)가 서로 간섭이 없도록 하고, 링크지지대(400)의 제7 링크부(410)가 사용자의 상박과 연결되어 잘 움직이도록 하는 것을 포함함을 특징으로 하는 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘.
제1항에 있어서,

상기 링크지지부(400)는,

3개의 H빔을 연결한 형태로 경량화하는 것을 포함함을 특징으로 하는 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘.
제1항에 있어서,

상기 3자유도(600)의 제1, 2, 3관절부(100)(200)(300) 부분의 회전축이 만나는 한 점은 사용자의 어깨 관절의 회전축을 나타내는 것을 포함함을 특징으로 하는 어깨 관절 3자유도 구현을 위한 착용형 로봇 메커니즘.