KR101716761B1 - Wearable MDOF joint for assisting muscular strength that coincides with the center of rotation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘에 관한 것으로, 상세하게는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘이 적용된 하지 외골격 로봇을 착용자에게 장착 시 관절 메커니즘의 회전중심을 착용자 해당 관절의 회전중심에 위치시킬 수 있는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘에 관한 발명이다.The present invention relates to a wearable multi-freedom rotational center-matching muscle aiding mechanism, and more particularly, to a wearable multi-freedom rotational centered muscle force augmented joint mechanism, The present invention relates to a wearable multi-degree-of-freedom center-of-fit muscle-auxiliary joint mechanism capable of positioning the center of the wearer's body at the center of rotation of the corresponding joint.
착용형 외골격 로봇은 사람이 입는 로봇 시스템으로 착용자의 힘 또는 동작을 보조해 주기 위한 장치이다. 하지 근력 보조 또는 증강을 위한 외골격 로봇은 주로 민수분야에서 노약자/장애인의 재활치료 또는 일상생활의 근력보조를 위해, 그리고 공장에서 근로자의 근력보조를 통한 작업효율 향상을 위해 개발되어 왔다. A wearable exoskeleton robot is a robot system to be worn by a person to assist the wearer with the force or motion. Exoskeleton robots for supporting or strengthening leg muscles have been developed mainly for the rehabilitation of elderly / disabled persons in the civilian field, for supporting the strength of daily life, and for improving the work efficiency by supporting the worker 's strength in the factory.
민수용 외골격 로봇은 잘 구성된 실내 환경에서 주로 사용되는 반면 병사를 위한 외골격 로봇은 험지와 같은 평탄치 않은 실외 환경에서 병사의 빠른 움직임을 보조해야 한다는 차이점이 존재한다. 빠른 움직임 보조를 위해 하지 외골격 로봇의 관절 메커니즘은 착용자 해당 관절의 움직임을 가급적 유사하게 기계적으로 추종할 수 있어야 한다. 즉, 하지 외골격 로봇 관절 메커니즘의 회전중심이 착용자 해당 관절의 회전중심과 일치하지 않으면 보행 시 두 관절 움직임 간의 차이가 발생하며 이러한 움직임의 불일치는 험지와 같은 고르지 못한 지면 보행 시 착용자에게 잠재적 위험요소로 작용할 수 있다.While civil exotic skeletal robots are mainly used in a well-constructed indoor environment, there is a difference that an exoskeleton robot for a soldier has to assist a soldier's fast movement in an uneven outdoor environment such as a horn. The joint mechanism of the exoskeleton robot should be able to mechanically follow the movement of the wearer's joints as quickly as possible for rapid movement assistance. In other words, if the center of rotation of the joint of the lower limb joint robot does not coincide with the center of rotation of the wearer's joint, there will be a difference between the movements of the two joints. Such a mismatch of movements is a potential risk to the wearer during uneven walking Lt; / RTI >
이와 더불어 착용형 하지 외골격 로봇의 각 관절에는 굴곡-신전 (flexion-extension) 회전을 위한 토크가 다른 방향의 회전 대비 상당히 많이 발생하는데, 구동기를 사용한 능동 관절이 아닌 수동 관절의 경우 착용자 피로도 감소를 위해 적절한 힘 보조를 위한 수동형 힘 보조 메커니즘이 필요하다.In addition, the torque for the flexion-extension rotation of the wearer's exoskeletal robot is considerably larger than that of the other directions. In the case of the passive joint instead of the active joint using the actuator, A passive force assist mechanism is needed for proper force assistance.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 착용 가능한 외골격 로봇 관절 메커니즘의 회전 중심을 착용자 발목 관절의 회전중심에 위치시킬 수 있는 회전중심 일치형 링크부와 특정 회전 방향에 대해 힘 보조를 구현할 수 있는 힘 보조 링크부에 의해 보조 힘을 제공함으로써 험지와 같은 불규칙한 지면 보행 시 외골격 로봇을 착용한 착용자의 안전을 도모하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a knee joint capable of positioning a rotation center of a wearable osseo-skeletal robot joint mechanism at a rotation center of a wearer's ankle joint, The present invention aims to provide a safety device for a wearer who wears an exoskeleton robot when walking on an irregular ground such as a hare.
착용자의 종아리는 외골격 로봇의 종아리 링크와 체결되고 상기 종아리 링크는 지지링크에 체결되며, 착용자의 발바닥은 다자유도 회전을 하는 외골격 로봇의 발바닥 프레임인 회전링크에 체결되고, 상기 지지링크와 상기 회전링크 사이에는 회전중심 일치형 링크부와 힘 보조 링크부가 위치하며, 보행 주기 중 굴곡 회전이 발생하는 입각기 동안에 힘 보조가 이루어지는 것을 특징으로 한다.The wearer's soles are fastened to a calf link of an exoskeleton robot, the calf link is fastened to a support link, and the soles of the wearer are fastened to a rotary link, which is a sole frame of an exoskeleton robot, And a force assisting link is provided between the link and the force assisting link portion between the links and during the stance during which the bending rotation occurs during the gait cycle.
본 발명에 따르면, 착용 가능한 외골격 로봇 관절 메커니즘의 회전 중심을 착용자 발목 관절의 회전중심에 위치시킴으로써 험지와 같은 불규칙한 지면 보행 시 외골격 로봇을 착용한 착용자의 안전을 도모할 수 있으며 또한 착용자의 해당 관절에 보조 힘을 제공할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by placing the center of rotation of the wearable exoskeleton robot joint mechanism at the center of rotation of the wearer's ankle joint, it is possible to secure the wearer wearing the exoskeleton robot when walking on an irregular ground, There is an effect that an auxiliary force can be provided.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘을 설명하기 위한 장착 시 개략도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘의 기구학적 구조도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘의 힘 보조 링크부 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘의 힘 보조 링크부에 포함된 토션 스프링 설명도.
도 6은 6km/hr의 속도로 보행 시 사람 발목의 굴곡-신전(상하방향) 회전 각도의 평균적인 변화량을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘의 근력보조 성능을 보여주는 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘의 굴곡-신전 방향 (상하방향) 회전 모습을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘의 좌우방향 회전 모습을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘의 제자리 회전방향 회전 모습을 나타낸 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view of a wearable rotatable center-of-gravity ankle joint mechanism according to an embodiment of the present invention.
2 is a view of a wear-type rotational center-matching muscle force augmentation mechanism according to an embodiment of the present invention.
3 is a kinematic structural view of a wearable rotatable center-of-gravity muscle augmentation mechanism according to an embodiment of the present invention.
4 is a force auxiliary link portion of a wearable rotatable center-of-gravity muscle aiding mechanism according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view of a torsion spring included in a force auxiliary link portion of a wear type rotational center-matching type muscle force auxiliary joint mechanism according to an embodiment of the present invention; FIG.
6 is a graph showing an average amount of change in the bending-extension (vertical direction) rotation angle of a human ankle when walking at a speed of 6 km / hr.
FIG. 7 is a simulation result showing a muscle auxiliary performance of a wear type rotational center-matching muscle aiding mechanism according to an embodiment of the present invention; FIG.
8 is a view showing a rotation of the wear type rotational center-matching type muscle force auxiliary joint mechanism according to the embodiment of the present invention in a bending-extension direction (up-down direction).
9 is a view showing a left-to-right rotation view of a wearable rotatable center-of-gravity muscle auxiliary joint mechanism according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a view showing the rotation of the wear type rotational center-matching type muscle force auxiliary joint mechanism according to the embodiment of the present invention in the in-rotation direction. FIG.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It will be possible. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 착용형 회전중심 일치형 근력보조 관절 메커니즘의 장착시 개략도를 도시하고 있다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows a schematic view of the wearable rotatable center of gravity of the present invention when mounted on a muscle auxiliary joint mechanism.
도시된 바와 같이, 본 발명의 관절 메커니즘은 크게 착용자의 하부 골격과 대응하게 위치하여 다자유도 회전을 하는 외골격 로봇의 발바닥 프레임(11)인 회전링크(11)와 착용자 해당 관절의 회전중심에 위치하여 3자유도 회전을 가능하게 하는 회전중심 일치형 링크부(20)와 특정 회전방향에 대해 힘 보조를 구현하며 스프링을 포함하여 6자유도를 가능하게 하는 힘 보조 링크부(40)와 착용자의 상부 골격과 대응하게 위치하는 지지링크(10)로 구성된다.As shown in the drawing, the joint mechanism of the present invention is roughly composed of a
착용자의 종아리(1)는 외골격 로봇의 종아리 링크(3)와 체결되고 상기 종아리 링크(3)는 관절 메커니즘의 상기 지지링크(10)에 체결되며, 착용자의 발바닥(2)은 외골격 로봇의 발바닥 프레임(11)인 상기 회전링크(11)에 체결된다. 상기 회전중심 일치형 링크부(20)와 힘 보조 링크부(40)는 상기 지지링크(10)와 상기 회전링크(11)사이에 위치한다.The wearer's
도 2에서는 본 발명의 관절 메커니즘의 개념도를 도시하고 있고, 도 3에서는 본 발명의 관절 메커니즘의 기구학적 구조도를 도시하고 있다.FIG. 2 is a conceptual view of the joint mechanism of the present invention, and FIG. 3 is a kinematic structural view of the joint mechanism of the present invention.
상기 회전중심 일치형 링크부(20)는 제1 구형링크(21), 제2 구형링크(22), 제3 구형링크(23), 제4 구형링크(24)로 구성되며, 각각의 상기 구형링크(21, 22, 23, 24)에는 두 개의 회전 조인트가 연결된다. The rotation center matching
발의 안쪽에 위치한 상기 제1 구형링크(21)에는 상기 지지링크(10)와 연결되는 회전 조인트(28)와 상기 제3 구형링크(23)와 연결되는 회전 조인트(29)가 연결되고, 상기 제3 구형링크(23)에는 상기 제1 구형링크(21)와 연결되는 회전 조인트(29)와 상기 회전 링크(11)와 연결되는 회전 조인트(30)가 연결되어 하나의 직렬 체인을 구성하게 된다. A
발의 바깥쪽 위치한 상기 제2 구형링크(22)에는 상기 지지링크(10)와 연결되는 회전 조인트(25)와 상기 제4 구형링크(24)와 연결되는 회전 조인트(26)가 연결되고, 상기 제4 구형링크(24)에는 상기 제2 구형링크(22)와 연결되는 회전 조인트(26)와 상기 회전 링크(11)와 연결되는 회전 조인트(27)가 연결되어 하나의 직렬 체인을 구성하게 된다. A
상기 회전중심 일치형 링크부(20)를 구성하는 상기 회전 조인트(25, 26, 27, 28, 29, 30)들의 회전축은 경사지게 배치되어 상기 회전축 교차점들이 모두 한 점에서 만나도록 배치되며, 이 점이 가급적 착용자 발목의 회전중심점 근방에 놓이도록 상기 구형링크(21, 22, 23, 24) 각각의 두 회전축 간의 기울어진 각도 및 상기 지지링크(10)와 상기 회전링크(11)에 부착되는 위치를 결정한다.The rotary axes of the
이런 구성을 통해 상기 회전중심 일치형 링크부(20)는 상기 지지링크(10)에 대해 상기 회전링크(11)에 3자유도 회전운동을 구현하게 되며, 상기 회전링크(11)의 상기 지지링크(10)에 대한 병진운동은 상기 회전중심 일치형 링크부(20)의 기구적 구속에 의해 제한된다.In this configuration, the rotation center matching
상기 회전중심 일치형 링크부(20)에서 상기 지지링크(10)와 연결되는 상기 회전 조인트(25, 28)에 엔코더와 같은 회전 변위 측정 장치를 부착하여 상기 지지링크(10)에 대한 상기 회전링크(11)의 상대적인 다자유도 회전양을 검출할 수 있는 수동 방식의 관절 메커니즘 장치를 구현할 수도 있다.A rotary displacement measuring device such as an encoder is attached to the
또한 상기 회전중심 일치형 링크부(20)에서 상기 지지링크(10)와 연결되는 상기 회전 조인트(25, 28)에 회전 구동기를 부착하여 상기 지지링크(10)에 대하여 회전 링크 다자유도 회전운동을 능동적으로 발생시키는 관절 메커니즘 장치를 구현할 수도 있다.And a rotary actuator is attached to the
도 4에서는 본 발명의 관절 메커니즘의 힘 보조 링크부를 도시하고 있다.FIG. 4 shows the force auxiliary link portion of the joint mechanism of the present invention.
본 실시예에서는 두 개의 힘 보조 링크부(40)를 사용하는 것을 가정하였다. 상기 힘 보조 링크부(40)는 착용자 발에 착용되었을 때 상기 회전중심 일치형 링크부(20)보다 뒤에 위치하며, 착용자 발의 바깥쪽과 안쪽에 각각 위치한다.In the present embodiment, it is assumed that two force
안쪽에 구현된 힘 보조 링크부(40)는 제1 링크(41)와 제3 링크(43)로 구성되어있으며, 바깥쪽에 구현된 힘 보조 링크부(40)는 제2 링크(42)와 제4 링크(44)로 구성되어 있다.The force
상기 제2 링크(42)의 한쪽 끝단은 회전 조인트(48)로 구성되어 상기 지지링크(10)와 연결된다. 상기 제2 링크(42)의 다른 쪽 끝단은 유니버셜 조인트(49)로 구성되어 상기 제4 링크(44)와 연결되며, 상기 제2 링크(42)와 연결되지 않는 상기 제4 링크(44)의 다른 쪽 끝단은 볼 조인트(50)로 구성되어 하나의 직렬 체인을 형성하며 고정블록(12)을 통해 상기 회전링크(11)와 연결된다. One end of the
상기 볼 조인트(50)는 회전범위를 늘리기 위해 물리적인 볼/소켓 조인트를 사용하지 않고 유니버셜 조인트 구조와 하나의 회전 조인트를 사용하여 구현하였다.The
안쪽에 구현된 힘 보조 링크부(40)인 상기 제1 링크(41)와 제3 링크(43)도 같은 구성을 갖는다. The
이런 구성을 통해 상기 힘 보조 링크부(40)는 상하, 좌우, 제자리 회전 방향 등에 대한 회전 운동에 물리적 구속을 주지 않는 6자유도 운동을 구현할 수 있다.With such a configuration, the force
따라서 회전중심 일치형 링크부(20)가 상기 지지링크(10)에 대한 상기 회전링크(11)의 3자유도 회전운동을 구현할 때 기구학적으로 어떠한 움직임 구속도 제공하지 않는다.Therefore, when the rotational center matching
도 5에서는 본 발명의 관절 메커니즘의 힘 보조 링크부에 포함된 토션 스프링의 설명도를 도시하고 있다.Fig. 5 is an explanatory view of a torsion spring included in the force auxiliary link portion of the joint mechanism of the present invention.
바깥쪽에 구현된 상기 힘 보조 링크부(40)의 상기 회전 조인트(48) 내부에는 토션 스프링(45)이 포함되어 상기 토션 스프링(45)의 일측은 상기 지지링크(10)에 부착되고, 상기 토션 스프링(45)의 타측에는 토션 스프링 아암(46)이 형성된다.A
상기 토션 스프링 아암(46)은 착용자가 착용하기 전인 초기 상태에서는 상기 제2 링크(42)의 기계적 스톱퍼(47)에 걸려 움직임이 제한되고, 상기 회전링크(11)가 상기 지지링크(10)에 대해 굴곡(위쪽 방향) 회전 할 때에는 상기 기계적 스톱퍼(47)가 상기 토션 스프링 아암(46)을 눌러 상기 제2 링크(42)가 회전하며 상기 토션 스프링(45)에 압축력을 가하게 된다.The movement of the
이런 구조를 통해 착용자 발의 굴곡 회전 시 보조 토크를 착용자에게 전달하게 된다.With this structure, the auxiliary torque is transmitted to the wearer when the wearer's foot is flexed and rotated.
반대로 상기 회전링크(11)가 상기 지지링크(10)에 대해 신전(아래쪽 방향) 회전을 할 경우 상기 제2 링크(42)의 상기 기계적 스톱퍼(47)는 상기 토션 스프링 아암(46)을 누르거나 당기지 않는다. The
이런 구성으로 인하여 본 발명의 관절 메커니즘은 착용자의 발목에 많은 토크가 걸리는 굴곡 회전 시에만 보조 토크를 발생시키며, 토크가 걸리지 않는 신전 회전 시에는 보조 토크를 전달하지 않는다. Due to such a configuration, the joint mechanism of the present invention generates auxiliary torque only at the bending rotation where a lot of torque is applied to the ankle of the wearer, and does not transmit the auxiliary torque at the time of extension rotation in which torque is not applied.
안쪽에 구현된 상기 힘 보조 링크부(40)의 회전조인트 역시 동일한 형태로 구성된다.The rotational joint of the force
상기 힘 보조 링크부(40)의 상기 회전 조인트에는 상기 토션 스프링(45) 대신 회전 구동기가 장착되어 착용자의 해당 관절에 능동적인 보조 힘을 제공해 줄 수도 있으며, 상기 제3, 제4 링크(43, 44)는 인장 스프링으로 대체될 수도 있다.The rotary joint of the force
상기 힘 보조 링크부(40)의 이러한 단방향 힘전달 특성은 도 6에서 도시한 6km/hr의 속도로 보행 시 사람 발목의 굴곡-신전(상하방향) 회전 각도의 평균적인 변화량을 나타낸 도면과 도 7에서 도시한 본 발명의 관절 메커니즘의 근력보조 성능을 보여주는 시뮬레이션 결과에서 설명할 수 있다.This unidirectional force transmission characteristic of the force
도 6을 보면, 음의 각도는 굴곡(위쪽 방향) 회전을 의미하고 양의 각도는 신전(아래쪽 방향) 회전을 의미한다. 그림의 X축은 보행주기를 의미한다. 일반적으로 양 하지에 의해 이루어지는 한걸음을 보행주기(gait cycle)라고 하며, 하나의 완전한 보행주기는 뒤꿈치가 접지하는 순간에서 시작하여 반대쪽 뒤꿈치의 접지를 거쳐 다시 먼저 발의 뒤꿈치로 접지하는 순간까지를 말한다. 이때 먼저 진행한 발이 땅에 닿아 있는 상태인 입각기(stance phase)는 보행 주기에서 전체의 60%를 차지하며, 먼저 진행한 발이 땅에 닿지 않고 움직이는 상태인 유각기(swing phase)는 보행 주기에서 나머지 40%를 차지한다. 6, the negative angle means a bend (upward direction) rotation, and the positive angle means a extension (downward) rotation. The X-axis of the figure represents the walking cycle. In general, one step is a gait cycle, and one complete walking cycle starts from the moment when the heel is grounded to the moment when the ground is grounded on the other heel and then grounded to the heel of the foot. In this case, the stance phase, which is the state in which the first foot is in contact with the ground, occupies 60% of the whole in the walking cycle, and the swing phase in which the first foot does not touch the ground moves in the walking cycle The remaining 40%.
입각기 동안은 굴곡(위쪽 방향) 회전이 주로 발생하고 유각기 동안은 신전(아래 방향) 회전이 주로 발생함을 확인할 수 있다. It can be seen that flexion (upwards) rotation occurs mainly during the stance phase and extension (downward) rotation occurs mainly during the swing phase.
즉, 굴곡 시에만 힘 보조를 구현하고 신전 시에는 힘 보조를 구현하지 않는 단방향 힘 보조 링크부(40) 구현을 통해 입각기 시에만 보조 힘을 제공할 수 있는 것이다. That is, the auxiliary force can be provided only during the stance phase through the implementation of the unidirectional force
도 7에 도시된 본 발명의 관절 메커니즘의 근력보조 성능을 보여주는 시뮬레이션 결과에서는 굴곡-신전 회전에 대해 착용자 발목에 걸리는 토크 변화를 확인할 수 있다. 상기 힘 보조 링크부(40)의 단방향 힘전달 특성에 의해 착용자 발목에 많은 힘이 걸리는 입각기 동안에 집중적으로 힘 보조가 이루어짐을 확인할 수 있다.In the simulation result showing the muscle auxiliary performance of the joint mechanism of the present invention shown in FIG. 7, the change in the torque applied to the wearer's ankle against the flexion-extension rotation can be confirmed. It can be confirmed that force assist is intensively performed during the stance period in which much force is applied to the wearer's ankle due to the unidirectional force transmission characteristic of the force
도 8에서는 본 발명의 관절 메커니즘의 굴곡-신전(상하) 방향 회전 모습을 도시하였으며, 도 9에서는 본 발명의 관절 메커니즘의 좌우 방향 회전 모습을 도시하였고, 도 10에서는 본 발명의 관절 메커니즘의 제자리 회전 방향 회전 모습을 도시하고 있다.FIG. 8 shows a state in which the joint mechanism of the present invention is rotated in a bending-extension (up and down) direction, FIG. 9 shows a state in which the joint mechanism of the present invention is rotated in the leftward and rightward direction, Direction rotation.
도시된 바와 같이, 발바닥 프레임인 상기 회전링크(11)는 착용자 발의 뒷굽을 지지해주는 발판으로 사용되고, 착용자 발의 앞부분을 지지해주는 발판(13)이 따로 구성되어 상기 뒷굽을 지지해주는 발판(11)과 발의 앞부분을 지지해주는 발판(13)은 연결 플레이트(14)에 의해 연결된다.As shown in the figure, the
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical and exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
1: 착용자의 종아리
2: 착용자의 발
3: 외골격 로봇의 종아리 링크
10: 지지링크
11: 회전링크 (외골격 로봇의 발바닥 프레임)
12: 고정블록
13: 발의 앞부분을 지지해주는 발판
14: 연결 플레이트
20: 회전중심 일치형 링크부
21: 제1 구형링크
22: 제2 구형링크
23: 제3 구형링크
24: 제4 구형링크
25, 26, 27, 28, 29, 30: 회전중심 일치형 링크부의 회전 조인트
40: 힘 보조 링크부
41: 제1 링크
42: 제2 링크
43: 제3 링크
44: 제4 링크
45: 토션 스프링
46: 토션 스프링 아암
47: 기계적 스톱퍼
48: 힘 보조 링크부의 제2 링크에 연결된 회전 조인트
49: 유니버셜 조인트
50: 볼 조인트1: calf of wearer
2: Foot of wearer
3: Calf Link of Exoskeleton Robot
10: Support link
11: Rotating link (soles frame of exoskeleton robot)
12: fixed block
13: Footrest supporting the front part of the foot
14: connecting plate
20: rotation center matching type link portion
21: first spherical link
22: second spherical link
23: Third spherical link
24: the fourth spherical link
25, 26, 27, 28, 29, 30: rotational joints of the rotation center matching type link portion
40: force auxiliary link portion
41: first link
42: Second link
43: Third link
44: fourth link
45: Torsion spring
46: Torsion spring arm
47: Mechanical stopper
48: rotational joint connected to the second link of the force auxiliary link portion
49: Universal joint
50: Ball joint
Claims (13)
착용자의 발바닥은 다자유도 회전을 하는 외골격 로봇의 발바닥 프레임인 회전링크에 체결되고,
상기 지지링크와 상기 회전링크 사이에는 회전중심 일치형 링크부와 힘 보조 링크부가 위치하며,
보행 주기 중 굴곡 회전이 발생하는 입각기 동안에 힘 보조가 이루어지며,
상기 회전중심 일치형 링크부는 2개의 구형링크, 3개의 회전 조인트를 이용하여(회전 조인트, 구형링크, 회전조인트, 구형링크, 회전 조인트의 순서로) 이루어진 직렬 체인을 2개 형성하여 구현되며, 상기 직렬 체인은 착용자 발의 안쪽과 바깥쪽에 하나씩 위치하는 것
을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절.The calf of the wearer is fastened to the calf link of the exoskeleton robot, the calf link is fastened to the support link,
The soles of the wearer's feet are fastened to the rotating link, which is the sole frame of the exoskeleton robot,
A rotation center matching link portion and a force auxiliary link portion are located between the support link and the rotation link,
Force aids are provided during the stance phase where flexion rotation occurs during the gait cycle,
The rotation center matching link unit is implemented by forming two serial chains formed by using two spherical links and three rotational joints (in order of a rotational joint, a spherical link, a rotational joint, a spherical link, and a rotational joint) A serial chain is one located inside and outside the wearer's foot
And a wearable multi-degree of freedom rotatable centering-type muscle augmented joint.
상기 회전중심 일치형 링크부는 상기 직렬 체인의 양쪽 끝단에 연결된 상기 회전 조인트에 의해 상기 지지링크와 상기 회전링크에 연결되는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절.The method according to claim 1,
Wherein the rotatable centering link is connected to the supporting link and the rotating link by the rotating joint connected to both ends of the series chain.
상기 회전중심 일치형 링크부는, 상기 회전중심 일치형 링크부에 포함된 상기 회전 조인트들의 회전축이 경사지게 배치되고, 상기 회전축 교차점들과 착용자 발목 관절의 회전중심이 일치하도록 상기 구형링크들을 배치하여 상기 지지링크에 대한 상기 회전링크의 3자유도 회전운동을 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절.The method of claim 3,
Wherein the rotation center matching link portion is configured to arrange the spherical links so that the rotational axes of the rotational joints included in the rotational center matching link portion are inclined and the rotational centers of the wearer's ankle joints coincide with the rotational axis intersections, So as to enable three degrees of freedom rotational movement of the rotary link relative to the link.
상기 회전중심 일치형 링크부의 상기 직렬 체인에서 상기 지지링크와 연결되는 상기 회전 조인트에는 변위 측정 장치가 부착되어 수동 방식으로 상기 지지링크에 대한 상기 회전링크의 상대적인 다자유도 회전양을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절.5. The method of claim 4,
The rotation joint connected to the support link in the serial chain of the rotation center matching link is attached with a displacement measuring device to manually detect the relative degree of freedom rotation of the rotation link with respect to the support link And a wearable multi-degree of freedom rotatable centering type muscle auxiliary joint.
상기 회전중심 일치형 링크부의 상기 직렬 체인에서 상기 지지링크와 연결되는 상기 회전 조인트에는 회전 구동기가 부착되어 상기 지지링크에 대한 상기 회전링크의 다자유도 회전운동이 능동 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절.5. The method of claim 4,
And a rotary actuator is attached to the rotary joint connected to the support link in the serial chain of the rotation center matching link portion so that the rotary motion of the rotary link with respect to the support link is implemented in an active manner. Wearable multi-degree of freedom Rotating center coincidental muscular auxiliary joint.
상기 힘 보조 링크부는 착용자 발에 착용되었을 때 상기 회전중심 일치형 링크부보다 뒤에 위치하며, 2개의 링크, 회전 조인트, 볼조인트, 2개의 상기 링크를 연결하는 유니버셜 조인트를 이용하여 회전 조인트, 링크, 유니버셜 조인트, 링크, 볼조인트의 순서로 이루어진 직렬 체인을 2개 형성하여 구현되고, 상기 직렬 체인은 착용자 발의 안쪽과 바깥쪽에 하나씩 위치하는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절. The method according to claim 1,
Wherein the force auxiliary link portion is located behind the rotational center matching link portion when worn on the wearer's foot and is formed of two links, a rotating joint, a ball joint, and a universal joint connecting the two links, Wherein the chain is implemented by forming two serial chains in the order of a universal joint, a link, and a ball joint, wherein the chain is located one inside and one outside of the wearer's foot. .
상기 힘 보조 링크부는 회전 조인트에 의해 상기 지지링크와 연결되고 볼 조인트에 의해 상기 회전 링크와 연결되는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절.8. The method of claim 7,
Wherein the force auxiliary link portion is connected to the support link by a rotation joint and is connected to the rotation link by a ball joint.
상기 힘 보조 링크부의 상기 회전 조인트 내부에는 토션 스프링이 포함되어 상기 토션 스프링의 일측은 상기 지지링크에 부착되고, 상기 토션 스프링의 타측에는 토션 스프링 아암이 형성되는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절. 9. The method of claim 8,
Wherein a torsion spring is included in the rotary joint of the force auxiliary link portion so that one side of the torsion spring is attached to the supporting link and a torsion spring arm is formed on the other side of the torsion spring. Centralized muscle strength auxiliary joint.
상기 토션 스프링 아암은, 착용자가 착용하기 전인 초기 상태에서는 상기 회전 조인트에 연결되는 상기 링크에 위치한 기계적 스톱퍼에 걸려 움직임이 제한되고, 상기 회전링크가 상기 지지링크에 대해 굴곡(위쪽 방향) 회전 할 때에는 상기 기계적 스톱퍼가 상기 토션 스프링 아암을 눌러 상기 회전 조인트에 연결되는 상기 링크가 회전하며 상기 토션 스프링에 압축력을 가하게 되는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절. 10. The method of claim 9,
The movement of the torsion spring arm is restricted by the mechanical stopper located on the link connected to the rotation joint in the initial state before the wearer wears it. When the rotation link is bent (upward) with respect to the support link Wherein the mechanical stopper presses the torsion spring arm to cause the link connected to the rotational joint to rotate and apply a compressive force to the torsion spring.
상기 회전링크가 상기 지지링크에 대해 신전 회전 할 때에는 상기 기계적 스톱퍼가 상기 토션 스프링 아암을 누르거나 당기지 않는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절. 11. The method of claim 10,
Wherein the mechanical stopper does not press or pull on the torsion spring arm when the rotational link is extensively rotated about the support link.
회전중심 일치형 링크부가 상기 지지링크에 대한 상기 회전링크의 3자유도 회전운동을 구현할 때, 상기 회전중심 일치형 링크부에 의해 상하방향, 좌우방향, 제자리 회전 방향에 대한 회전 운동에 물리적 구속을 받지 않는 6자유도 회전이 가능한 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절.12. The method of claim 11,
When the rotational center matching link unit implements the three degree of freedom rotational motion of the rotating link with respect to the supporting link, the rotational centering link unit physically constrains the rotational motion with respect to the up, down, left, Characterized in that it is rotatable about six degrees of freedom without rotation.
상기 힘 보조 링크부의 상기 회전 조인트에는 상기 토션 스프링 대신 회전 구동기가 장착되어 착용자 발목 관절에 능동적인 보조 힘을 제공해 줄 수도 있으며, 상기 힘 보조 링크부의 상기 직렬 체인 중 상기 볼 조인트와 연결되는 상기 링크는 인장 스프링으로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절. 13. The method of claim 12,
The torsion spring may be mounted on the rotary joint of the force assist link portion to provide an active assist force to the wearer's ankle joint. The link of the series link of the force assist link portion, which is connected to the ball joint, Gt; a < / RTI > wearable multi-degree of freedom rotatable center-of-fit muscle augmentation joint.
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KR (1) | KR101716761B1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101981631B1 (en) | 2018-01-23 | 2019-05-24 | 연세대학교 산학협력단 | An Exoskeleton robot with Talocrural Joint and Subtalar Joint as rotation axes |
US11013656B2 (en) | 2017-11-21 | 2021-05-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Motion assistance apparatus |
WO2022222514A1 (en) * | 2021-04-23 | 2022-10-27 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | Exoskeleton robot ankle joint having three flexible driving branches |
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-
2015
- 2015-09-11 KR KR1020150129026A patent/KR101716761B1/en active IP Right Grant
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