KR101222914B1 - Ankle auxiliay equipment, and robot suit for wearable robot for assisting the muscular strength of lower extremity using thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발목 보호 보행용 보조기구 및 이를 이용한 하지 근력지원 로봇슈트것으로, 발바닥을 받치는 발 받침부; 상기 발 받침부를 2개의 회전자유도를 갖고 지지하도록 설치된 적어도 하나의 베어링부; 상기 베어링부와 수직으로 상부에 연결되고, MR 유체가 채워진 실리더의 내부에서 상하 운동하는 적어도 하나의 피스톤; 상기 피스톤의 상기 실린더 내에서의 시간당 변위를 측정하는 적어도 하나의 엔코더; 상기 실리더 상하부를 적어도 하나의 가지튜브로 연결하여 MR 유체가 채워진 것으로, 상기 가지튜브에 인접하고, 상기 엔코더에서 측정된 시간당 변위에 따라 인가하는 자기장의 세기를 변화시켜 댐핑력을 조정하는 전자석이 설치된 적어도 하나의 MR 댐퍼부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 보행시 발생할 수 있는 내반 염좌를 방지하고, 접지력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발목을 움직일 수 있는 자유도를 더 높여 보행을 자연스럽게 하도록 유도할 수 있고, 안정적이며 편안한 착용감을 제공하게 된다.The present invention is an ankle protection walking aids and lower extremity muscle support robot suit using the same, foot support for supporting the sole; At least one bearing portion installed to support the foot rest with two degrees of freedom; At least one piston vertically connected to the bearing part and vertically moving inside the cylinder filled with MR fluid; At least one encoder for measuring the displacement per hour in the cylinder of the piston; An electromagnet which is connected to the upper and lower parts of the cylinder by at least one branch tube and filled with MR fluid, and which is adjacent to the branch tube and changes the strength of the magnetic field applied according to the displacement per hour measured by the encoder to adjust the damping force. It characterized in that it comprises at least one MR damper unit installed.
By providing the present invention, it is possible to prevent the varus sprains that may occur during walking and to improve the grip, as well as to increase the degree of freedom to move the ankle to induce walking naturally, stable and comfortable fit Will be provided.
Description
본 발명은 보행용 보조기구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 착용감이 우수하고 접질림을 효과적으로 방지할 수 있는 발목 보호 보행용 보조기구 및 이를 이용한 하지 근력지원 로봇슈트에 관한 것이다.The present invention relates to a walking aid, and more particularly, to an ankle protection walking aid and a muscle support robot lower leg using the same, which is excellent in wearing comfort and can effectively prevent entanglement.
일반적으로, 인체 착용형 근력지원로봇은 착용한 사용자가 움직이고자하는 동기신호의 형태에 따라 크게 생체신호 입력형, 힘센서 입력형, 근경도센서 입력형 및 센서 혼합형 로봇 등으로 나뉘며, 사용하는 액츄에이터의 형태에 따라 크게 모터 구동형, 유압실린더 구동형, 인공근육 구동형 등으로 분류된다.In general, the wearable muscle strength support robot is divided into a biosignal input type, a force sensor input type, a muscle hardness sensor input type, and a sensor mixed type robot according to the type of a synchronization signal that a user wears. Depending on the type of motor-driven, hydraulic cylinder-driven, artificial muscle-driven and the like.
사용자 동기 신호 입력의 측면에서, 생체신호 입력형은 사용자의 직접적인 근육신호를 이용하기 때문에 빠른 응답성을 기대할 수 있다. 그러나, 통상 외골격로봇 착용시 생체신호 취득을 위한 부착물들을 추가로 착용해야하는 번거로운 문제점이 있다.In terms of user synchronization signal input, the bio-signal input type can expect fast response because it uses a user's direct muscle signal. However, when the exoskeleton robot is worn, there is a cumbersome problem of additionally wearing attachments for acquiring a biosignal.
또한, 근경도센서 입력형은 근육의 팽창정도를 측정하여 로봇동기 신호로 사용하기 때문에 사용자의 움직이고자 하는 동기신호를 직접적으로 획득할 수 있으나, 근육팽창정도가 사용자 마다 일정치 않기 때문에 사용자에 따라 일정 수준 이상의 동작성능을 확보할 수 없다는 문제점이 있다.In addition, since the muscle sensor input type is used as a robot synchronous signal by measuring the degree of muscle expansion, the user can directly obtain a synchronization signal to move, but the degree of muscle expansion is not constant for each user. There is a problem that can not secure a certain level of operation performance.
또한, 장착된 액츄에이터에 의한 분류에서 유압구동형 액츄에이터 시스템은 유압실린더의 직선운동을 관절의 회전운동으로 변환해야하는 측면에서 어깨 관절과 같이 한 관절에서 높은 자유도를 구현하거나 넓은 범위의 관절동작을 구현하는데 제한이 있으며, 인공근육을 장착한 시스템은 액츄에이터의 팽창을 통한 길이 수축 특성을 이용하기 때문에 액츄에이터 팽창시의 사용자 및 외골격 로봇의 주변 기기들과의 간섭을 초래하는 문제점이 있다.In addition, in the classification by the mounted actuator, the hydraulically driven actuator system realizes a high degree of freedom in one joint or a wide range of joint movements such as the shoulder joint in terms of converting the linear movement of the hydraulic cylinder into the rotational movement of the joint. There is a limitation, and the system equipped with artificial muscle has a problem of causing interference with the peripheral devices of the user and the exoskeleton robot when the actuator is inflated because it uses the length shrinkage characteristic through the expansion of the actuator.
이처럼, 종래의 착용형 근력지원 로봇슈트에 있어서, 움직임을 측정하는 측정장치 및 이를 통한 근력지원 액츄에이터를 구성하는 것이 상술한 문제와 같이 용이하지 않다는 문제점이 있었다.As described above, in the conventional wearable muscle strength support robot suit, there is a problem that it is not easy to configure the measurement device for measuring the movement and the strength support actuator through the same as the above-described problem.
또한, 상술한 센서 및 근력지원 에츄에이터 뿐만 아니라, 보행시 발생하는 접질림, 뒤틀림 등이 발생하는 경우, 이를 방지하고 자연스런 보행을 유도할 수 있는 보행 보조기구의 필요성이 대두되고 있다.In addition, as well as the above-described sensor and muscle support actuator, there is a need for a walking aid device that can prevent the occurrence of splices, distortions, etc. occurring during walking, and induce natural walking.
특히, 최근 들어 증가하고 있는 다양한 스포츠 및 여가 활동에 있어 족근 관절 인대 손상은 여러 신체 부위의 손상 중에서 가장 많은 범위를 차지하고 있으며 약 25% 이상이 달리기와 도약 시에 발생하고 있다. 이 때 족관절 염좌는 족근 관절 손상의 대부분을 차지하며 이러한 손상의 85%가 내반 손상으로 발생하게 된다. 비록 이러한 족근 관절 인대 손상은 수상 초기에 적절하고 올바르게 적용한 보존적 요법으로 효과적으로 치료되는 것이 사실이나, 이 중 약 20~40%의 환자들은 만성 족근관절 불안정성과 그에 따른 장애를 불러오게 된다.In particular, ankle ligament injuries account for the largest range of damage to various body parts in various sports and leisure activities, which are increasing in recent years, and about 25% or more occur in running and jumping. Ankle sprains account for most of the ankle joint injuries and 85% of these injuries are caused by varus injuries. Although these ankle ligament injuries are effectively treated with conservative therapies applied appropriately and correctly at the beginning of the injury, about 20 to 40% of patients will lead to chronic ankle instability and subsequent disability.
이러한 족근 관절 손상을 보완하기 위해 상기 근력지원 로봇 슈트를 착용하지만, 종래의 슈트는 유압식 댐퍼를 통한 발목 뒤틀림을 보완 또는 지지하는 역할을 수행하였으나, 빠르게 반응하여 적절한 댐핑력으로 보완 지지하기가 어려웠고, 고유의 발목 움직임의 자유도가 낮아서 착용 후 보행에 상당한 불편함이 존재하는 문제가 있었다.
Although the muscle support robot suit is worn to compensate for the ankle joint damage, the conventional chute serves to supplement or support ankle distortion through a hydraulic damper, but it is difficult to respond quickly and to supplement with proper damping force. There was a problem that there is a significant inconvenience in walking after wearing because of the inherent freedom of the ankle movement.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는 보행시 발생할 수 있는 내반 염좌를 방지하고, 접지력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발목을 움직일 수 있는 자유도를 더 높여 보행을 자연스럽게 하도록 유도할 수 있는 발목 보호 보행용 보조 기구 및 이를 이용한 하지 근력지원 로봇슈트를 제공하고자 함이다.An object of the present invention for solving the above problems is to prevent the varus sprains that can occur when walking, and to improve the grip, as well as to increase the degree of freedom to move the ankle can be induced to walk naturally The purpose of the present invention is to provide a protective walking aid and a lower limb muscle support robot suit.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 특징은 발바닥을 받치는 발 받침부; 상기 발 받침부를 2개의 회전자유도를 갖고 지지하도록 설치된 적어도 하나의 베어링부; 상기 베어링부와 수직으로 상부에 연결되고, MR 유체가 채워진 실리더의 내부에서 상하 운동하는 적어도 하나의 피스톤; 상기 피스톤의 상기 실린더 내에서의 시간당 변위를 측정하는 적어도 하나의 엔코더; 상기 실리더 상하부를 적어도 하나의 가지튜브로 연결하여 MR 유체가 채워진 것으로, 상기 가지튜브에 인접하여 자기장을 인가할 수 있는 자석이 설치된 적어도 하나의 MR 댐퍼부를 포함하되, 상기 엔코더에서 측정된 시간당 변위에 따라 생기 MR 댐퍼부의 댐핑력을 달리하는 것을 특징으로 한다.A first feature of the present invention for solving the above problems is the footrest supporting the sole; At least one bearing portion installed to support the foot rest with two degrees of freedom; At least one piston vertically connected to the bearing part and vertically moving inside the cylinder filled with MR fluid; At least one encoder for measuring the displacement per hour in the cylinder of the piston; MR cylinder is filled by connecting the upper and lower parts of the cylinder with at least one branch tube, and includes at least one MR damper unit provided with a magnet capable of applying a magnetic field adjacent to the branch tube, wherein the displacement per hour measured by the encoder As a result, the damping force of the raw MR damper is characterized in that it is different.
여기서, 상기 회전자유도는 발의 상하(pitch) 및 좌우(yaw)의 회전 자유도인 것이 바람직하고, 상기 베어링부, 피스톤, 엔코더 및 MR 댐퍼의 각 어느 하나는 상기 발 받침부의 측면에 위치하고, 상기 베어링부, 피스톤, 엔코더 및 MR 댐퍼의 각 다른 하나는 상기 발 받침부의 뒷면에 위치하는 것이 바람직하다.Here, the degree of freedom of rotation is preferably the degree of freedom of rotation of the upper and lower (pitch) and the left and right (yaw) of the foot, each one of the bearing portion, piston, encoder and MR damper is located on the side of the foot support, the bearing portion Each of the piston, encoder and MR damper is preferably located at the rear of the footrest.
또한, 바람직하게는 상기 베어링부, 피스톤, 엔코더 및 MR 댐퍼의 각 어느 하나는 상기 발 받침부의 측면 내측에 위치하는 것일 수 있고, 상기 MR 댐퍼의 자석은 영구자석 또는 전자석인 것일 수 있으며, 상기 영구자석은 서보모터와 연결하여 상기 가지튜브와의 접근 거리를 달리하여 자기장의 세기를 조절하는 것일 수 있다.
In addition, preferably any one of the bearing portion, the piston, the encoder and the MR damper may be located inside the side of the footrest, the magnet of the MR damper may be a permanent magnet or an electromagnet, the permanent The magnet may be connected to the servomotor to control the strength of the magnetic field by varying the proximity distance to the branch tube.
그리고, 본 발명의 제2 특징은 발목부, 무릎부 및 허리부로 구성된 로봇 슈트에 있어서, 상기 발목부는, 발바닥을 받치는 발 받침부; 2개의 회전자유도를 갖고 지지하도록 설치된 적어도 하나의 베어링부; 상기 베어링부와 수직으로 상부에 연결되고, MR 유체가 채워진 실리더의 내부에서 상하 운동하는 적어도 하나의 피스톤; 상기 피스톤의 상기 실린더 내에서의 시간당 변위를 측정하는 적어도 하나의 엔코더; 상기 실리더 상하부를 적어도 하나의 가지튜브로 연결하여 MR 유체가 채워진 것으로, 상기 가지튜브에 인접하여 자기장을 인가할 수 있는 자석이 설치된 적어도 하나의 MR 댐퍼부를 포함하되, 상기 엔코더에서 측정된 시간당 변위에 따라 생기 MR 댐퍼부의 댐핑력을 달리하는 것을 특징으로 한다.In addition, a second feature of the present invention is a robot suit composed of an ankle, a knee and a waist, wherein the ankle comprises: a foot rest supporting the sole; At least one bearing portion installed to support and have two degrees of freedom; At least one piston vertically connected to the bearing part and vertically moving inside the cylinder filled with MR fluid; At least one encoder for measuring the displacement per hour in the cylinder of the piston; MR cylinder is filled by connecting the upper and lower parts of the cylinder with at least one branch tube, and includes at least one MR damper unit provided with a magnet capable of applying a magnetic field adjacent to the branch tube, wherein the displacement per hour measured by the encoder As a result, the damping force of the raw MR damper is characterized in that it is different.
여기서, 상기 회전자유도는 발의 상하(pitch) 및 좌우(yaw)의 회전 자유도인 것이 바람직하고, 상기 베어링부, 피스톤, 엔코더 및 MR 댐퍼의 각 어느 하나는 상기 발 받침부의 측면 내측에 위치하고, 상기 베어링부, 피스톤, 엔코더 및 MR 댐퍼의 각 다른 하나는 상기 발 받침부의 뒷면에 위치하는 것이 바람직하다.Here, the degree of freedom of rotation is preferably the degree of freedom of rotation of the upper and lower (pitch) and the left and right (yaw) of the foot, each one of the bearing portion, piston, encoder and MR damper is located inside the side of the foot support, the bearing The other one of the part, the piston, the encoder and the MR damper is preferably located at the back of the footrest.
또한, 상기 MR 댐퍼의 자석은 영구자석 또는 전자석인 것이 바람직하고, 상기 영구자석은 서보모터와 연결하여 상기 가지튜브와의 접근 거리를 달리하여 자기장의 세기를 조절하는 것이 바람직하다.
In addition, it is preferable that the magnet of the MR damper is a permanent magnet or an electromagnet, and the permanent magnet is connected to a servo motor to adjust the strength of the magnetic field by varying an approach distance from the branch tube.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 보행시 발생할 수 있는 내반 염좌를 방지하고, 접지력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발목을 움직일 수 있는 자유도를 더 높여 보행을 자연스럽게 하도록 유도할 수 있고, 안정적이며 편안한 착용감을 제공하게 된다.By providing the present invention, it is possible to prevent the varus sprains that may occur during walking and to improve the grip, as well as to increase the degree of freedom to move the ankle to induce walking naturally, stable and comfortable fit Will be provided.
또한, 미세하게 자기장의 세기를 조절하여 빠르고 정밀하게 댐핑력을 제어할 수 있게 되어 신체의 변화에 빠른 반응과 함께, 발목의 움직임에 방해가 없는 높은 자유도를 구현하는 근력지원 로봇 슈트를 제공할 수 있게 된다.In addition, it is possible to control the damping force quickly and precisely by finely adjusting the strength of the magnetic field to provide a muscle support robot suit that can respond quickly to changes in the body and realize a high degree of freedom without disturbing the movement of the ankle. Will be.
도 1는 본 발명에 따른 발목 보호 보행용 보조기구의 사시도를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 발목 보호 보행용 보조기구에서 이에 적용되는 MR 댐퍼 구조 및 로드 엔드 베어링부를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 하지 근력지원 로봇 슈트의 구성을 나타낸 도면이다.1 is a perspective view of the ankle protection walking aids according to the present invention,
2 is a view showing an MR damper structure and a rod end bearing part applied to the ankle protection walking aid according to the present invention;
3 is a view showing the configuration of the lower extremity muscle support robot chute according to the present invention.
이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1는 본 발명에 따른 발목 보호 보행용 보조기구의 사시도를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 보행용 보조기구는 발바닥을 받치는 발 받침부(100); 상기 발 받침부(100)를 2개의 회전자유도를 갖고 지지하도록 설치된 적어도 하나의 베어링부(200); 상기 베어링부(200)와 수직으로 상부에 연결되고, MR 유체가 채워진 실리더의 내부에서 상하 운동하는 적어도 하나의 피스톤(250); 상기 피스톤(250)의 상기 실린더(310) 내에서의 시간당 변위를 측정하는 적어도 하나의 엔코더(400); 상기 실리더 상하부를 적어도 하나의 가지튜브(330)로 연결하여 MR 유체가 채워진 것으로, 상기 가지튜브(330)에 인접하여 자기장을 인가할 수 있는 자석(350)이 설치된 적어도 하나의 MR 댐퍼부(300)를 포함하되, 상기 엔코더(400)에서 측정된 시간당 변위에 따라 생기 MR 댐퍼부(300)의 댐핑력을 달리하는 것을 특징으로 한다.1 is a view showing a perspective view of the ankle protection walking aids according to the present invention. As shown in Figure 1, the walking aid of the present invention is a
이처럼 본 발명은 발목부에 2자유도를 가지는 구조의 디자인과, 내반 염좌 방지 및 접지력을 향상하기 위해 MR유체를 이용한 댐퍼구조를 형성했다는 점이 핵심적 특징이다.As described above, the present invention is a key feature of the design of the structure having two degrees of freedom in the ankle, and to form a damper structure using MR fluid to prevent varus sprains and to improve the grip.
종래에는 발을 상하로 회전하는 1개의 자유도를 갖는 구조를 가지고 발목 보조 기구를 형성하는 것이었으나, 보행시 접질리는 경우 발생되는 발목염좌 등을 고려하면 접질리는 방향으로의 회전 자유도가 필요함을 알 수 있다. 물론 종래의 발목을 측면에서 고정되어 받치는 구조는 원천적으로 접질리는 것을 막을 수 있으나, 유연한 움직임을 방해하여 보행시 부자연스럽다는 문제점이 있다.Conventionally, an ankle assist mechanism was formed with a structure having one degree of freedom to rotate the foot up and down. However, considering the ankle sprain, which is generated when the foot is entangled, the degree of rotational freedom in the folding direction is required. have. Of course, the structure that supports the conventional ankle fixed to the side can prevent the original folding, but there is a problem that it is unnatural when walking by preventing the flexible movement.
그러나, 본 발명에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 발의 상하 방향의 회전 자유도(Pitch) 및 좌우 방향의 회전 자유도(Yaw)를 갖도록 발 받침대의 측면에 로드엔드 베어링부(200)를 형성한다. 여기서 발 받침부(100)는 발바닥이 접촉되는 받침부(100)로서, 상기 보조기구 전체의 최 하부면에 위치하고, 베어링부(200)는 측면이나 뒷면 중 어느 한곳에 적어도 하나를 형성하는 것이 바람직하다.However, in the present invention, as shown in Fig. 1, the rod
즉, 3축 자유도를 갖는 로드 엔드 베어링을 측면 또는 뒷면에 부착하여 상부의 피스톤(250)과 연결하여 설치하게 되면, 종래의 고정형 보조 기구의 구조보다는 자유도를 더 높일 수 있어서, 보행을 자연스럽게 하도록 유도할 수 있을 뿐만 아니라, 안정적이고 편안함 착용감을 제공할 수 있게 된다. 외에도 베어링부는 2개의 자유도를 갖는 구조이면 모두 가능함은 물론이다.That is, when the rod end bearing having a three-axis degree of freedom is attached to the side or the rear side and installed in connection with the
그리고, MR 유체를 이용한 댐퍼 구조는 상기 2자유도를 갖는 베어링부(200)를 통해 발목이 접질리는 경우 이를 지지하고 저항력을 생성하여 염좌를 방지하고 발목을 보호하기 위한 구조이다. 이를 위해서 상기 베어링과 수직으로 연결되는 피스톤(250) 및 피스톤(250)이 상하운동을 할 수 있는 MR 유체가 충진된 실린더(310), 상기 실린더(310) 상하부에 관통 연결되고, 상기 MR 유체가 충진된 가지튜브(330) 및 상기 가지튜브(330)에 선택적으로 자기장을 인가할 수 있는 자석(350)을 포함하여 구성된다.
In addition, the damper structure using the MR fluid is a structure for supporting the ankle is folded through the bearing
도 2는 본 발명에 따른 발목 보호 보행용 보조기구에서 이에 적용되는 MR 댐퍼 구조 및 로드 엔드 베어링부를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, MR 댐퍼 구조는 발목의 측면 및 뒷면에 설치되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 댐퍼 구조는 상술한 바와 같이, 상기 2자유도를 갖는 베어링부(200)와 수직으로 연결되는 피스톤(250) 및 피스톤(250)이 상하운동을 할 수 있는 MR 유체가 충진된 실린더(310), 상기 실린더(310) 상하부에 관통 연결되고, 상기 MR 유체가 충진된 가지튜브(330) 및 상기 가지튜브(330)에 선택적으로 자기장을 인가할 수 있는 자석(350)을 포함하여 구성된다.FIG. 2 is a view illustrating an MR damper structure and a rod end bearing part applied to the ankle protection walking aid according to the present invention. As shown in Figure 2, the MR damper structure is preferably installed on the side and back of the ankle. As described above, the damper structure according to the present invention includes a
여기서 댐퍼 구조는 상기 피스톤(250)의 시간당 변위량을 측정하여 상기 자기장을 인가하는 자석(350)에 피드백시켜 저항력 또는 댐핑력을 생성시키는 구조이다. 즉, 접질리는 순간에 피스톤(250)의 상기 베어링과 연결되어 실린더(310)에서 변위를 일으키고, 상기 엔코더(400)에서 시간당 변위량을 측정하고, 이에 따라 상기 자석(350)에 자기장의 세기를 결정하여 인가하도록 명령 신호를 보내어 가장 적정한 댐핑력을 생성시킨다. 자석(350)부는 영구자석(350)인 경우, 서보모터(370)에 의해 상기 가지튜브(330)에 인접하는 거리에 따라 인가되는 자기장의 세기를 조정하게 된다.The damper structure is a structure that generates a resistance or damping force by measuring the displacement amount of time of the
보다 상세히 설명하면, 발목염좌의 상해는 발목이 심하게 접질렸을 때와 등산 및 스포츠에서 흔하게 발생되는 염좌이며 내반 염좌가 족관절 염좌의 85% 이상을 차지하며 이는 발바닥이 안쪽으로 뒤틀리게 되는 손상과 즉 행군과 구보에서 발이 한쪽으로 휘는 내반력이 발생 되어 외측 인대 손상이 발생하기 때문에 본 발명에서 상기 접질리는 경우에 이를 지지하기 위해 MR 유체를 이용한 댐퍼 구조를 형성하여 보호하고자 하는 것이다. 여기서, 댐퍼는 쇼크 업서버(shock absorber)의 역할로서, 위치의 이동을 억제하기 위한 장치다. In more detail, injuries of the ankle sprains are common sprains that occur in severe ankle sprains and in mountain climbing and sports, and varus sprains account for more than 85% of the ankle sprains. In the present invention, since the foot force is bent to one side in the cantilever and the lateral ligament damage occurs, in the present invention, the damper structure using the MR fluid is formed and protected to support the case of the folding. Here, the damper serves as a shock absorber and is a device for suppressing the movement of the position.
본 발명에서는 반복적으로 손상 받으면 연골 또한 손상될 수 있기 때문에, 발목염좌의 관절의 범위는 Gerhardt가 제시한 각도로, 내반 20도와 외반 10도에서 염좌의 기준으로 한다. 여기서, MR(magneto-rheological) 유체는 비전도성 용매에 수 미크론 크기의 극성 입자를 분산시킨 현탁액(suspension)이다. MR 유체는 외부에서 부하된 자기장 강도에 따라 수 msec 이내에 유변학적 특성이 연속적이면서 가역적으로 변하는 기능성 유체이다. 이러한 특징 때문에, MR 유체는 충격 흡수장치, 진동 절연장치 그리고 브레이크 및 클러치와 같은 다양한 장치에 적용되어 왔다.In the present invention, if the cartilage can also be damaged if repeatedly damaged, the range of the joint of the ankle sprain is an angle suggested by Gerhardt, the base of the sprain at the valgus 20 degrees and valgus 10 degrees. Here, a magneto-rheological (MR) fluid is a suspension in which polar particles of several microns in size are dispersed in a non-conductive solvent. MR fluids are functional fluids whose rheological properties change continuously and reversibly within several msec depending on the externally loaded magnetic field strength. Because of this feature, MR fluids have been applied to various devices such as shock absorbers, vibration isolators and brakes and clutches.
즉, MR유체는 외부에서 자기장을 인가하면, 유체 중에 분산된 입자가 자화(magnetization) 현상을 일으켜 자기장과 평행한 방향으로 섬유상 구조의 고리 모양의 클러스터를 형성하는 유체를 칭하는 것이며, 자기장에 의해 형성된 클러스터들의 결합력에 의해 유체의 유동이나 외부에서 가해지는 전단력에 대하여 저항하는 성질을 갖고 있으며, 클러스터의 결합력은 인가되는 자기장의 세기에 따라 달라진다.That is, MR fluid refers to a fluid in which particles dispersed in a fluid cause magnetization when an external magnetic field is applied to form a ring-shaped cluster of fibrous structure in a direction parallel to the magnetic field. The coupling force of the clusters has a property of resisting the flow of the fluid or the shear force applied from the outside, the coupling force of the cluster depends on the strength of the applied magnetic field.
그러므로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 2자유도를 갖는 로드 엔드 베어링부(200)와 수직으로 연장되어 연결된 실린더(310) 내에 MR 유체가 충진되고, 상기 실리더 상하부를 직경이 상기 실린더(310) 보다 작은 가지튜브(330)를 관통하여 연결하고, 상기 가지튜브(330)에 자석(350)을 통하여 자기장을 인가하게 되면, 피스톤(250)이 외력(발이 접질리면서 발생하는 피스톤(250) 가압력)에 의해 이동하는 경우 충진된 MR 유체가 밀려나면서 상기 가지튜브(330)를 통해 이동하게 되는데, 상기 가지튜브(330) 일부에 자석(350)으로 자기장을 인가하여 댐핑력을 발생시키게 된다.Therefore, as shown in FIG. 2, MR fluid is filled in the
또한, 도 2를 참조하면, 로드 엔드 베어링부(200)는 2개의 회전 자유도를 가지고 있기 때문에, 실제 보행 시 Yaw회전과 Pitch회전이 발생할 때 진행 방향에서 서로의 움직임에 방해가 되지 않도록 해주고, 실린더(310)와 엔코더(400)를 링크를 통해 연결하여 피스톤(250)의 이동량을 측정하여 Yaw회전과 Pitch회전시 각도를 산출할 수 있다.In addition, referring to Figure 2, since the rod
이와 같은 이동량 또는 회전시 각도를 산출하여 인가되는 자기장의 세기를 결정하여 상기 가지튜브(330)로 자기장을 인가하도록 하고, MR유체는 상기 자기장에 반응하여 그 점도 특성 및 밀도가 변하므로 이를 이용하여 발목관절 부위에 저항으로 작용하도록 하여 발목의 비정상적인 꺾임을 방지하게 된다. MR유체에 의한 저항의 변화는 영구자석(350)(네오디뮴)과 가지튜브(330)와의 거리 또는 간격의 조절을 통하여 가능하다.The magnetic field is applied to the
더하여, 자석(350)이 영구자석(350)이 아니라, 전자석을 이용하는 것도 가능한데, 영구자석(350)인 경우 상기 가지튜브(330)와의 인접 거리로 인가되는 자기장의 세기를 조절할 수 있지만, 전자석의 경우 외부 전원을 통하여 코일에 인가되는 전류의 세기를 조절하여 인가되는 자기장의 세기를 조정한다. 또한, 전자석의 경우는 다른 장치가 필요하기 않고, 미세하게 자기장의 세기를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 신호에 의해 반응속도가 매우 빠르다는 장점이 있다.(도시하지 않음)
In addition, the
도 3은 본 발명에 따른 하지 근력지원 로봇 슈트의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇 슈트는 발목부, 무릎부(600) 및 허리부(700)로 구성된 로봇 슈트에 있어서, 상기 발목부는, 발바닥을 받치는 발 받침부(100); 2개의 회전자유도를 갖고 지지하도록 설치된 적어도 하나의 베어링부(200); 상기 베어링부(200)와 수직으로 상부에 연결되고, MR 유체가 채워진 실리더의 내부에서 상하 운동하는 적어도 하나의 피스톤(250); 상기 피스톤(250)의 상기 실린더(310) 내에서의 시간당 변위를 측정하는 적어도 하나의 엔코더(400); 상기 실리더 상하부를 적어도 하나의 가지튜브(330)로 연결하여 MR 유체가 채워진 것으로, 상기 가지튜브(330)에 인접하여 자기장을 인가할 수 있는 자석(350)이 설치된 적어도 하나의 MR 댐퍼부(300)를 포함하되, 상기 엔코더(400)에서 측정된 시간당 변위에 따라 생기 MR 댐퍼부(300)의 댐핑력을 달리하는 것을 특징으로 한다.3 is a view showing the configuration of the lower extremity muscle support robot chute according to the present invention. As shown in FIG. 3, the robot chute according to the present invention includes an ankle part, a
즉, 본 발명의 실시예는 상술한 도 2에 예시된 발목 보호 보행용 보조기구를 장착한 근력 지원 로봇슈트를 제안한다. 도 3를 참조하면, 근력 지원 로봇슈트는 크게, 발목부, 무릎부(600) 및 허리부(700)로 구성되는데, 상기 발목부를 도 2에서 예시된 발목 보호 보행용 보조기구를 사용하는 것이 특징이다.That is, the embodiment of the present invention proposes a muscle-powered robot suit equipped with an ankle protection walking aid illustrated in FIG. Referring to FIG. 3, the muscle support robot suit is largely composed of an ankle part, a
도 3에서 예시된 근력 지원 로봇 슈트는 무릎부(600)와 허리부(700)에서 구동모터를 두어 근력을 지원하거나, 또 다른 관절부에서 근력을 지원하도록 구성되는 것이 가능하고, 상기 근력지원 구동부를 바탕으로 발목 관절부에 발생되는 염좌 등을 방지하기 위한 댐퍼 구조를 제안한다. 상술한 바와 같이, 발목부는 2개의 회전자유도를 갖는 로드 엔드 베어링부(200)와, MR 유체를 이용한 댐퍼부(300)를 포함하는 구성이다.The muscle support robot suit illustrated in FIG. 3 may be configured to support a muscle force by placing a driving motor at the
일반적으로, 인체 착용형 근력지원로봇은 착용한 사용자가 움직이고자하는 동기신호를 통하여 액츄에이터에 의하여 근력지원 하도록 하는 구조로 형성되는데, 상술한 바와 같이, 동기신호를 측정하기 위한 센서 등의 독립장치를 더 구비해야 하는 문제점과, 빠른 반응과 높은 자유도가 요구된다는 문제점이 있었다.In general, the wearable muscle strength support robot is formed in a structure to support the muscle strength by the actuator through the synchronization signal to be worn by the user to wear, as described above, an independent device such as a sensor for measuring the synchronization signal There was a problem to be further provided, and a problem that a fast response and a high degree of freedom is required.
이에 본 발명에서는 도 3에 나타낸 바와 같이, 발목이 접질리는 등 급격한 변화가 일어날 경우, 로드엔드 베어링 및 실린더(310) 사이에서 링크로 연결된 엔코더(400)를 통하여 피스톤(250)의 변위량을 산출하고, 이에 따라 상기 접질림에 의한 염좌를 방지하는 댐핑력을 발생하기 위한 MR 유체가 충진된 가지튜브(330)에 자기장을 인가하도록 함으로써, 신체의 변화에 빠른 반응과 함께, 발목의 움직임에 방해가 없는 높은 자유도를 구현하는 근력지원 로봇 슈트를 제공할 수 있게 된다.Thus, in the present invention, as shown in Figure 3, when a sudden change, such as the ankle is folded, the displacement amount of the
그리고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 로드엔드 베어링부(200)와 MR 댐퍼부(300)는 발 받침부(100)의 측면 또는 뒷면 적어도 어느 하나에 설치되는 것이 바람직하고, 측면은 보행시 자주 발생하는 접질림은 안으로 굽히는 경우가 대부분이어서 내측면에 설치하는 것이 바람직하다. 발목이 안으로 굽혀 접질리는 경우 로드엔드 베어링부(200)와 실린더(310)가 인접하게 되어 피스톤(250)이 상기 실린더(310) 내부에 충진된 MR 유체를 가압하게 되어 자기장의 인가에 의한 댐핑력을 발생시키기 용이하게 때문이다.
As shown in FIG. 3, the rod
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
While the invention has been shown and described with respect to the specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Anyone with it will know easily.
100: 발 받침부, 200: 베어링부, 250: 피스톤, 300: MR 댐퍼부,
310: 실린더, 330: 가지튜브, 350: 영구자석, 370: 서보모터
400: 엔코더100: foot support portion, 200: bearing portion, 250: piston, 300: MR damper portion,
310: cylinder, 330: branch tube, 350: permanent magnet, 370: servo motor
400: encoder
Claims (11)
상기 발목부는,
발바닥을 받치는 발 받침부;
2개의 회전자유도를 갖고 지지하도록 설치된 적어도 하나의 베어링부;
상기 베어링부와 수직으로 상부에 연결되고, MR 유체가 채워진 실리더의 내부에서 상하 운동하는 적어도 하나의 피스톤;
상기 피스톤의 상기 실린더 내에서의 시간당 변위를 측정하는 적어도 하나의 엔코더; 및
상기 실리더 상하부를 적어도 하나의 가지튜브로 연결하여 MR 유체가 채워진 것으로, 상기 가지튜브에 인접하고, 상기 엔코더에서 측정된 시간당 변위에 따라 인가하는 자기장의 세기를 변화시켜 댐핑력을 조정하는 전자석이 설치된 적어도 하나의 MR 댐퍼부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇 슈트.
In the robot suit consisting of ankle, knee and waist,
The ankle part,
Foot rest supporting the sole of the foot;
At least one bearing portion installed to support and have two degrees of freedom;
At least one piston vertically connected to the bearing part and vertically moving inside the cylinder filled with MR fluid;
At least one encoder for measuring the displacement per hour in the cylinder of the piston; And
An electromagnet which is connected to the upper and lower parts of the cylinder by at least one branch tube and filled with MR fluid, and which is adjacent to the branch tube and changes the strength of the magnetic field applied according to the displacement per hour measured by the encoder to adjust the damping force. Muscle support robot suit, characterized in that it comprises at least one MR damper unit installed.
상기 회전자유도는 피치(pitch) 및 요(yaw)의 회전 자유도인 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇 슈트.
The method of claim 7, wherein
The rotational freedom degree is a muscle support robot suit, characterized in that the rotational freedom of the pitch (pitch) and yaw (yaw).
상기 베어링부, 피스톤, 엔코더 및 MR 댐퍼의 각 어느 하나는 상기 발 받침부의 측면 내측에 위치하고,
상기 베어링부, 피스톤, 엔코더 및 MR 댐퍼의 각 다른 하나는 상기 발 받침부의 뒷면에 위치하는 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇 슈트.
9. The method according to claim 7 or 8,
Each one of the bearing portion, the piston, the encoder and the MR damper is located inside the side of the foot support portion,
And each other of the bearing part, the piston, the encoder, and the MR damper is located on the back of the footrest.
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| 한국정밀공학회, 2010년도 추계학술대회논문집, 2010년 11월, 강오현, 허근섭, 이춘영, 이상룡, "발목 염좌 방지를 위한 보행보조기구의 설계", pp. 247~248.* |
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|---|---|
| KR20120076082A (en) | 2012-07-09 |
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