KR101789696B1 - 역감 전달 시스템 - Google Patents

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KR101789696B1
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배준범
이정수
조인성
박연규
유범재
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울산과학기술원
재단법인 실감교류인체감응솔루션연구단
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Abstract

본 발명에 따른 역감 전달 시스템은, 6자유도를 갖도록 구성됨으로써, 손을 쥐고 펴는 동작, 손가락의 내전, 외전 등과 같은 움직임이 자유롭고, 손가락의 움직임을 방해하지 않으면서 손가락의 단부로 원하는 힘을 전달할 수 있다. 또한, 손가락의 단부 위치와 손가락의 관절 각도를 추정하여, 손가락의 움직임을 측정하고 그에 따라 보다 정확한 역감을 전달할 수 있다.

Description

역감 전달 시스템{Force reflecting system}
본 발명은 역감 전달 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가상의 물체를 손으로 만질 때 느껴지는 역감을 손가락에 효과적으로 전달할 수 있는 역감 전달 시스템에 관한 것이다.
역감 전달 시스템이란 가상 현실에서 가상의 물체에서 발생하는 힘을 손가락에 전달하여 가상 물체와 상호작용하기 위한 시스템이다. 역감 전달 시스템에서는 손의 자연스러운 움직임이 가능하면서도 가상의 물체에서 발생하는 힘을 사용자의 손에 정확하게 전달할 수 있어야 한다.
기존의 역감 전달 시스템 중에서 공압을 이용하는 경우는, 피스톤의 길이를 조절하여 사용자에게 힘을 전달하도록 구성된다. 이 경우, 손가락에 피스톤이 회전 조인트로 연결되기 때문에, 손가락에 작용하는 힘의 방향이 손과 수직하지 않으므로 실제 가상의 물체가 전달하는 역감의 방향과 다른 한계가 있다. 또한, 피스톤의 길이 때문에 손이 움직일 수 있는 범위가 제한되는 문제점이 있다.
한편, 손에 외부 로봇을 이용하여 힘을 전달하는 역감 전달 시스템의 경우, 손에 착용하는 형태가 아니기 때문에 사용자가 팔을 자유롭게 움직일 수 없으며, 크기가 커서 사용자의 이동성이 제약된다.
한국등록특허 10-1485414
본 발명의 목적은, 손의 움직임이 자유로우면서 손가락에 보다 정확한 힘을 전달할 수 있는 역감 전달 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 역감 전달 시스템은, 손등에 착용하는 손등 착용부와; 상기 손등 착용부에 구비되어 회전력을 생성하는 구동부와; 상기 구동부에 회전가능하게 결합되고, 상기 회전력에 의해 회전하는 구동 링크와; 상기 구동 링크에 2자유도를 갖도록 제1커플러에 의해 결합된 피동 링크와; 상기 피동 링크에 3자유도를 갖도록 제2커플러에 의해 결합되고, 손가락의 단부에 착용되는 손가락 착용부와; 상기 손가락 단부의 위치와 상기 손가락 관절의 각도를 추정하고, 추정한 값에 따라 상기 구동부의 회전력을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 역감 전달 시스템은, 손등에 착용하는 손등 착용부와; 상기 손등 착용부에 구비되어 회전력을 생성하는 구동부와; 상기 구동부에 회전가능하게 결합되고, 상기 회전력에 의해 회전하는 구동 링크와; 상기 구동 링크에 2자유도를 갖도록 제1커플러에 의해 결합된 피동 링크와; 상기 피동 링크에 3자유도를 갖도록 제2커플러에 의해 결합되고, 손가락의 단부에 착용되는 손가락 착용부와; 상기 구동부의 회전각도를 측정하는 구동부 센서와; 상기 제1커플러의 일단에 구비되어, 상기 구동 링크의 회전각도를 측정하는 제1홀센서와; 상기 제1커플러의 타단에 구비되어, 상기 피동 링크의 회전각도를 측정하는 제2홀센서와; 상기 구동부 센서에서 측정한 상기 구동부의 회전각도, 상기 제1홀센서에서 측정한 상기 구동 링크의 회전각도, 상기 제2홀센서에서 측정한 상기 피동 링크의 회전각도에 따라 상기 손가락의 단부 위치를 계산하고, 상기 손가락의 단부 위치를 이용하여 상기 손가락 관절의 각도를 계산하고, 상기 손가락의 관절의 각도에 따라 상기 구동부의 회전력을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제1커플러는, 일단은 상기 구동 링크에 결합되고, 상기 구동부의 회전력에 의해 상기 손가락의 내외전방향으로 배치된 제1회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합되고, 타단은 상기 피동 링크에 결합되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 손등에 수직한 방향으로 배치된 제2회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합되고, 상기 제2커플러는, 상기 손가락 착용부에 결합되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 손가락의 내외전방향으로 배치된 제3회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합된 제1회전부와, 상기 제1회전부에 상향 돌출되게 구비되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 손가락의 길이방향으로 배치된 제4회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합된 제2회전부와, 상기 제2회전부와 상기 피동 링크를 결합시키고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 피동 링크의 길이방향으로 배치된 제5회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합된 제3회전부를 포함한다.
본 발명에 따른 역감 전달 시스템은, 6자유도를 갖도록 구성됨으로써, 손을 쥐고 펴는 동작, 손가락의 내전, 외전 등과 같은 움직임이 자유롭고, 손가락의 움직임을 방해하지 않으면서 손가락의 단부로 원하는 힘을 전달할 수 있다.
또한, 손가락의 단부 위치와 손가락의 관절 각도를 추정하여, 손가락의 움직임을 측정하고 그에 따라 보다 정확한 역감을 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역감 전달 시스템이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동 링크와 피동 링크의 형상을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에서 A부분을 확대 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에서 구동 링크와 피동 링크의 결합 구조를 나타낸 절개 사시도이다.
도 5는 도 1에서 B부분을 확대 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에서 피동 링크와 손가락 착용부의 결합 구조를 나타낸 절개 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 손가락 착용부의 개폐부재를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 역감 전달 시스템에서 손가락의 단부 위치를 구하기 위한 변수를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 역감 전달 시스템에서 손가락의 내외전 각도를 구하기 위한 모델을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 역감 전달 시스템에서 손가락 관절 각도를 구하기 위한 기구학 모델을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 역감 전달 시스템이 도시된 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 역감 전달 시스템이 도시된 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역감 전달 시스템이 도시된 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동 링크와 피동 링크의 형상을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 역감 전달 시스템은, 가상의 물체에서 발생하는 힘을 사용자의 손가락의 단부에 전달하여 가상 물체와 상호작용하기 위한 시스템이다. 또한, 상기 역감 전달 시스템은, 재활 의료 분야에서도 사용가능하다. 여기서, 사용자는 사람 뿐만 아니라 로봇도 가능하다. 이하, 본 실시예에서는 상기 역감 전달 시스템을 로봇의 손에 착용한 것으로 예를 들어 설명하나, 사람의 손에도 물론 착용 가능하다.
상기 역감 전달 시스템은, 엄지 손가락, 검지 손가락, 중지 손가락 등 3개의 손가락에 역감을 전달하는 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 역감 전달 시스템은, 손등 착용부(10), 구동부(20), 구동 링크(30), 피동 링크(40), 손가락 착용부(50), 제1커플러(60), 제2커플러(70), 구동부 센서(미도시), 제1,2홀센서(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 손등 착용부(10)는, 사용자의 손등에 착용하도록 형성된다. 상기 손등 착용부(10)는, 상기 손등의 적어도 일부를 감싸도록 형성된다. 상기 손등 착용부(10)는, 상기 손등 외에 손목에도 착용가능하다.
상기 구동부(20)는, 상기 손등 착용부(10)위에 설치된다. 상기 구동부(20)는 상기 손등 착용부(10)에 구비된 구동부 홀더(11)에 착탈가능토록 결합된다.
상기 구동부(20)는, 회전형 모터를 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 구동부(20)는, 상기 손가락의 길이방향(x)으로부터 미리 설정된 설정 각도로 기울어진 방향으로 길게 배치된다. 여기서, 상기 설정 각도는 약 45도인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 구동부(20)는 상기 손가락의 길이방향(x)으로부터 45도 기울어지게 배치됨으로써, 복수의 구동부들(20)을 장착시 상기 손등 착용부(10) 위에서 차지하는 면적이 최소화될 수 있으므로, 상기 역감 전달 시스템에 소형화에 기여할 수 있다.
상기 구동 링크(30)는, 상기 구동부(20)에 회전가능하게 결합되고, 상기 구동부(20)의 회전력에 의해 회전한다. 상기 구동 링크(30)와 상기 구동부(20)는 구동 조인트(active joint)로 결합된다. 본 실시예에서는, 상기 구동부(20)가 상기 손가락의 길이방향(x)으로부터 45도 기울어지게 배치되기 때문에, 상기 구동부(20)의 회전축과 상기 구동 링크(30)의 제6회전축(86)이 베벨 기어(22)에 의해 결합되는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 구동 링크(30)와 상기 구동부(20)는 하나의 회전축으로 결합되는 것도 가능하다.
상기 구동 링크(30)는, 도 2를 참조하면, 제1구동 링크부(31)와 제2구동 링크부(32)가 일체로 형성된다.
상기 제1구동 링크부(31)는, 상기 구동부(20)에 결합되고, 상기 손등 착용부(10)로부터 상방향으로 길게 형성된다. 상기 제1구동 링크부(31)의 단부는 상기 제6회전축(86)에 의해 상기 구동부(20)에 결합된다. 상기 제1구동 링크부(31)의 제6회전축(86)과 상기 구동부(20)의 회전축은 상기 베벨 기어(22)에 의해 결합된다. 상기 제1구동 링크부(31)는 상기 구동부(20)의 회전력에 의해 회전된다.
상기 제2구동 링크부(32)는, 상기 제1구동 링크부(31)로부터 연장 형성된다. 상기 제2구동 링크부(32)는, 상기 제1구동 링크부(31)로부터 미리 설정된 제1설정각도(α)로 기울어지고, 상향 경사지게 형성된다. 상기 제2구동 링크부(31)의 단부는 상기 제1커플러(60)에 결합된다. 상기 제1설정각도(α)는, 상기 제1구동 링크부(31)와 상기 제2구동 링크부(32)의 길이나 손가락의 길이에 따라 다르게 설정된다.
상기 피동 링크(40)는, 상기 구동 링크(30)에서 전달되는 회전력에 의해 움직이거나 손가락의 움직임에 따라 움직인다.
상기 피동 링크(40)는, 도 2를 참조하면, 제1피동 링크부(41)와 제2피동 링크부(42)가 일체로 형성된다.
상기 제1피동 링크부(41)는, 상기 제2커플러(70)에 결합되고 상기 제2커플러(70)로부터 상방향으로 길게 형성된다. 상기 제1피동 링크부(41)와 상기 제2커플러(70)는 피동 조인트(passive joint)로 결합된다.
상기 제2피동 링크부(42)는, 상기 제1피동 링크부(41)로부터 연장 형성된다. 상기 제2피동 링크부(42)는, 상기 제1피동 링크부(41)로부터 미리 설정된 제2설정각도(β)로 기울어지고, 상향 경사지게 형성된다. 상기 제2피동 링크부(42)의 단부는 상기 제1커플러(60)에 결합된다. 상기 제2피동 링크부(42)와 상기 제1커플러(60)는 피동 조인트로 결합된다. 상기 제2설정각도(β)는, 상기 제1피동 링크부(41)와 상기 제2피동 링크부(42)의 길이나 손가락의 길이에 따라 다르게 설정된다.
도 2b를 참조하면, 상기 제1구동 링크부(31)와 상기 제2구동 링크부(32)가 상기 제1설정 각도(α)를 이루도록 형성되고, 상기 제1피동 링크부(41)와 상기 제2피동 링크부(42)가 상기 제2설정 각도(β)를 이루도록 형성됨으로써, 상기 손가락을 구부리는 동작시 상기 구동 링크(30)와 상기 피동 링크(40)가 상기 손가락에 닿지 않을 수 있다.
한편, 도 2c는 도 2b와 비교하기 위한 도면이며, 도 2c를 참조하면, 상기 구동 링크(30)와 상기 피동 링크(40)가 각각 직선 형태로 형성될 경우, 상기 손가락을 구부리는 동작시 상기 구동 링크(30)와 상기 피동 링크(40)가 상기 손가락에 닿게 되므로, 손가락의 움직임에 제약이 따르게 된다.
상기 손가락 착용부(50)는, 손가락 홀더(51), 개폐 부재(52) 및 탄성부재(53)를 포함한다.
상기 손가락 홀더(51)는, 상기 손가락의 단부에 끼워지도록 링 형상으로 형성되고 일측이 개구된 개구부(51a)가 형성된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 손가락 홀더(51)는 상기 손가락의 단부를 끼울 수 있는 형상이라면 어느 것이나 가능하다.
상기 개폐 부재(52)는, 도 7을 참조하면, 상기 손가락 홀더(51)의 일단에 형성된 돌기부(52a)와, 상기 돌기부(52a)에 착탈가능토록 결합되는 후크부(52b)를 포함한다.
상기 탄성부재(53)는, 상기 손가락 홀더(51)의 내주면에 구비되어 착용감을 향상시킨다. 상기 탄성부재(53)는 실리콘이 사용되는 것으로 예를 들어 설명한다.
도 3은 도 1에서 A부분을 확대 도시한 도면이다. 도 4는 도 3에서 구동 링크와 피동 링크의 결합 구조를 나타낸 절개 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1커플러(60)는, 일단은 상기 구동 링크(30)에 결합되고, 타단은 상기 피동 링크(40)에 결합된다. 즉, 상기 제1커플러(60)는, 상기 구동 링크(30)와 상기 피동 링크(40)사이에 구비되어, 상기 피동 링크(40)가 상기 구동 링크(30)로부터 2자유도를 갖도록 형성된다.
상기 제1커플러(60)의 일단(61)은, 상기 구동 링크(30)에 결합되고 상기 구동부(20)의 회전력에 의해 상기 손가락의 움직임 방향으로 배치된 제1회전축(81)을 중심으로 회전가능하도록 결합된다. 여기서, 상기 손가락의 움직임 방향은 손가락의 내외전 방향(y)으로 길게 배치된 것으로 설명한다. 상기 제1커플러(60)의 일단(61)은 상기 제1회전축(81)에 의해 상기 구동 링크(30)와 결합되도록 원통형의 부시 형상으로 형성된다.
상기 제1커플러(60)의 타단(62)은, 상기 피동 링크(40)에 결합되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 제2회전축(82)을 중심으로 회전가능하도록 구비된다. 상기 제2회전축(82)은 상기 손등에 수직한 방향(z)에서 소정각도 범위로 기울어진 방향으로 배치되나, 상기 소정각도는 매우 작다고 가정하여 상기 제2회전축(82)은 상기 손등에 수직한 방향(z)으로 길게 배치된 것으로 설명한다.
도 5는 도 1에서 B부분을 확대 도시한 도면이다. 도 6은 도 5에서 피동 링크와 손가락 착용부의 결합 구조를 나타낸 절개 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 제2커플러(70)는, 제1회전부(71), 제2회전부(72) 및 제3회전부(73)를 포함함으로써, 3자유도를 갖도록 형성된다. 상기 제1회전부(71), 상기 제2회전부(72) 및 상기 제3회전부(73)는 일체로 형성되는 것도 가능하고, 별도로 제작된 후 고정 결합되는 것도 가능하다.
상기 제1회전부(71)는, 상기 손가락 착용부(50)에 결합된다. 즉, 상기 제1회전부(71)는 원통형상으로 형성되고, 상기 손가락 착용부(50)에서 상향 돌출된 한 쌍의 브래킷(54)사이에서 제3회전축(83)에 의해 결합된다. 상기 제3회전축(83)은 상기 손가락의 내외전 방향(y)으로 길게 배치된다. 따라서 상기 제1회전부(71)는, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 제3회전축(83)을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 제2회전부(72)는, 상기 제1회전부(71)에서 상향 돌출 형성된다. 상기 제2회전부(72)는, 상기 제3회전부(73)와 제4회전축(84)으로 결합된다. 상기 제4회전축(84)은, 상기 손가락의 길이 방향(x)에서 소정각도 범위로 기울어진 방향으로 배치되나, 상기 소정각도는 매우 작다고 가정하여, 상기 제4회전축(84)은 상기 손가락의 길이방향(x)으로 길게 배치된 것으로 설명한다. 따라서 상기 제2회전부(72)는, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 제4회전축(84)을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 제3회전부(73)는, 상기 제2회전부(72)와 상기 피동 링크(40)를 결합시킨다. 상기 제3회전부(73)의 일단은 상기 제2회전부(72)에 상기 제4회전축(84)으로 결합되고, 타단은 상기 피동 링크(40)에 제5회전축(85)으로 결합된다. 상기 제5회전축(85)은, 상기 피동 링크(40)의 길이방향으로 배치된다. 본 실시예에서는, 상기 피동 링크(40)의 길이방향이 상기 손등에 수직한 방향(z)인 것으로 설명하므로, 상기 제5회전축(85)은 상기 손등에 수직한 방향(z)인 것으로 설명한다.
상기 구동부 센서(미도시)는, 상기 구동부(20)의 회전각도를 측정하는 모터 엔코더이다. 상기 구동부(20)의 회전각도는 상기 구동부(20)의 회전력에 의해 상기 제1구동 링크부(31)의 회전각도(θ1)와 동일하다고 가정할 수 있다. 상기 구동부(20)의 회전각도와 상기 제1구동 링크부(31)가 회전하는 각도(θ1)의 차이가 클 경우, 상기 구동부(20)의 회전각도로부터 상기 제1구동 링크부(31)의 회전각도(θ1)를 구하는 것도 가능하다.
상기 제1홀센서(미도시)는, 상기 제1커플러(60)의 일단에 구비되어, 상기 제2구동 링크부(32)의 회전각도(θ2)를 측정한다.
상기 제2홀센서(미도시)는, 상기 제1커플러(60)의 타단에 구비되어, 상기 제2피동 링크부(42)의 회전각도(θ3)를 측정한다.
또한, 손가락 움직임의 정확한 측정을 위해 손가락의 관절 각도를 측정하기 위한 센서들이 구비될 수 있으며, 이 센서들은 상기 제1커플러(60)나 상기 제2커플러(70)의 일단이나 타단에 구비될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 역감 전달 시스템의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
상기 제어부(미도시)의 제어에 따라 상기 구동부(20)의 회전력이 결정되면, 상기 구동부(20)의 회전력이 상기 구동 링크(30)와 상기 피동 링크(40)를 통해 상기 손가락으로 전달된다.
이 때, 상기 제어부(미도시)는, 상기 손가락의 단부의 위치와 상기 손가락의 관절 각도를 추정하고, 그에 따라 상기 구동부(20)의 회전력을 조절한다. 상기 구동부(20)의 회전력을 조절하여 상기 손가락의 단부에 가해지는 힘이 조절된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 역감 전달 시스템에서 손가락의 단부 위치를 구하기 위한 변수를 나타낸 도면이다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 역감 전달 시스템에서 손가락의 내외전 각도를 구하기 위한 모델을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 손가락의 단부의 위치를 추정하는 방법은 다음과 같다.
l1은 상기 제1구동 링크부(31)의 길이, l2는 상기 제2구동 링크부(32)의 길이, l3은 상기 제1커플러(60)의 길이, l4는 상기 제2피동 링크부(42)의 길이, l5는 상기 제1피동 링크부(42)의 길이를 나타낸다. l1 내지 l5는 상기 역감 전달 시스템의 구조 정보로부터 미리 얻을 수 있는 값이다.
θ1은 상기 구동부(20)의 회전각도이고, θ2는 상기 제2구동 링크부(32)의 회전각도(θ2)이고, θ3은 상기 제2피동 링크부(42)의 회전각도(θ3)이다. θ1 내지 θ3은 상기 구동부 센서, 상기 제1,2홀센서(미도시)로부터 측정할 수 있는 값이다.
α는 상기 제1구동 링크부(31)와 상기 제2구동 링크부(32)가 이루는 각도이며, β는 상기 제1피동 링크부(41)와 상기 제2피동 링크부(42)가 이루는 각도를 나타낸다. α,β는 상기 역감 전달 시스템의 구조 정보로부터 미리 얻을 수 있는 값이다.
도 8에 도시된 기구학 모델을 이용해 수학식 1 내지 수학식 3을 구할 수 있으며, 수학식 1 내지 수학식 3을 통해 손가락의 단부 위치(Px, Py, Pz)를 구할 수 있다.
이 때, 상기 손가락 단부의 위치와 상기 손가락 착용부(50)사이의 거리에 따른 오차는 매우 작다고 가정하여, 상기 손가락 단부의 위치와 상기 손가락 착용부(50)의 위치를 동일하다고 가정한다.
Figure 112016057012668-pat00001
Figure 112016057012668-pat00002
Figure 112016057012668-pat00003
상기 수학식 1 내지 수학식 3을 참조하여, 상기 손가락의 단부 위치(Px, Py, Pz)를 구할 수 있다.
한편, 상기 손가락의 단부 위치를 알면, 상기 수학식 2를 통해 상기 손가락의 내외전 각도(θA)를 구할 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 손가락의 내외전 각도(θA)는 상기 손가락이 좌우방향으로 움직인 각도이다. 도 9는, 상기 손가락의 단부 위치를 상기 내외전 각도(θA)에 따라 회전하는 프레임으로 나타낸 것이다.
상기 내외전 각도(θA)에 대한 식은 수학식 4와 같다.
Figure 112016057012668-pat00004
수학식 4로부터 구한 상기 내외전 각도에 따라 회전하는 상기 손가락의 단부 위치를 구할 수 있다. 이하, 상기 내외전 각도에 따라 회전하는 상기 손가락의 단부 위치를 상기 손가락의 단부 회전위치(Px', Py', Pz')라 칭한다.
상기 손가락의 단부 회전위치(Px', Py', Pz')는 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112016057012668-pat00005
상기 손가락의 단부 회전위치(Px', Py', Pz')를 알면, 후술하는 수학식들을 통해 손가락 관절 각도를 구할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 역감 전달 시스템에서 손가락 관절 각도를 구하기 위한 기구학 모델을 나타낸 도면이다.
도 10a는 손가락이 펴진 상태를 나타낸 것이고, 도 10b는 손가락이 펴진 상태를 기구학 모델로 나타낸 것이다.
도 10b에서, 손가락의 길이를 10f라고 가정할 경우, 각 마디의 길이 비율은 2.5f, 2.5f, 5f로 나타낸다. 또한, 기구학 모델로 나타내기 위해 상기 제1구동 링크부(31)의 단부와 상기 손가락의 중수지절관절(MCP) 사이의 거리는 상기 제1피동 링크부(41)의 단부와 상기 손가락 단부 사이의 거리와 비슷하여 무시할 수 있다고 가정한다.
한편, 도 10c는 손가락을 구부릴 경우 손가락 관절의 각도를 x'-z'평면상에 나타낸 것이다.
도 10c에서, θM은 중수지절관절(MCP, Metacarpophalangeal joint)의 각도이다. θP는 근위지절간관절(PIP, Proximal interphalangeal joint)의 각도이다. θD는 원위지절간관절(DIP, distal interphalangeal joint)의 각도이다.
여기서, θP와 θD는 같다고 가정한다. 즉, 손가락을 구부리는 동작시 상기 근위지절간관절의 각도(θP)와 상기 원위지절간관절의 각도(θD)의 차이는 오차범위내에 있으므로, θP와 θD는 같다고 가정한다.
상기 손가락의 단부 회전위치(Px', Py', Pz')를 알기 때문에, 도 10c로부터 L1의 길이를 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016057012668-pat00006
또한, 수학식 6과 도 10c의 기구학 모델을 이용해 상기 손가락의 관절 각도인 상기 θP, θD, θM을 구할 수 있다.
상기 θP, θD, θM에 대한 식은 수학식 7과 수학식 8로 나타낸다.
Figure 112016057012668-pat00007
Figure 112016057012668-pat00008
상기와 같이, 상기 손가락의 단부 회전 위치(P')를 알면, 상기 손가락의 관절 각도(θP, θD, θM)을 계산할 수 있다.
따라서 상기 제어부(미도시)는, 상기 손가락의 단부 회전 위치(P')와 상기 손가락의 관절 각도(θP, θD, θM)를 이용하여 상기 손가락의 움직임을 추정할 수 있다.
또한, 상기 제어부(미도시)는, 손가락의 움직임을 방해하지 않으면서 손가락의 단부로 원하는 힘을 전달하도록 상기 구동부(20)를 제어한다. 상기 제어부(미도시)는, 상기 손가락의 단부 회전 위치(P')와 상기 손가락의 관절 각도(θP, θD, θM)를 이용하여, 상기 구동부(20)의 전류를 제어함으로써, 단단한 물체, 부드러운 물체 등과 같은 다양한 물체에서 발생하는 역감을 변화시켜 전달할 수 있다.
상기와 같이 구성된 역감 전달 시스템은, 손등에 장착되기 때문에 손가락을 구부리는 동작이 용이하다. 또한, 6자유도를 갖도록 구성됨으로써, 손을 쥐고 펴는 동작, 손가락의 내전, 외전 등과 같은 움직임을 방해하지 않는다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 역감 전달 시스템이 도시된 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 역감 전달 시스템은, 구동부(20), 구동 링크(30), 피동 링크(40), 손가락 착용부(50), 제1커플러(60), 제2커플러(70)를 포함하는 구성은 상기 일 실시예와 동일하나, 상기 구동부(20)가 손가락의 길이방향에 수직한 방향으로 배치된 것과 상기 손가락 착용부(50)의 형상이 상기 일 실시예와 상이하고, 그 외 나머지 구성 및 작동은 유사하므로 상세한 설명은 생략한다. 도 11은 검지 손가락에만 구동부가 장착된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 엄지, 검지, 중지 등 다른 복수의 손가락들에 구동부가 부착되는 것도 물론 가능하다.
도 12 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 역감 전달 시스템이 도시된 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 역감 전달 시스템은, 구동부(20), 구동 링크(30), 피동 링크(40), 손가락 착용부(50), 제1커플러(60), 제2커플러(70)를 포함하는 구성은 상기 일 실시예와 동일하나, 상기 구동부(20)가 손가락의 길이방향으로 배치된 것이 상기 일 실시예와 상이하고, 그 외 나머지 구성 및 작동은 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 손등 착용부 20: 구동부
30: 구동 링크 40: 피동 링크
50: 손가락 착용부 60: 제1커플러
70: 제2커플러

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 손등에 착용하는 손등 착용부와;
    상기 손등 착용부에 구비되어 회전력을 생성하는 구동부와;
    상기 구동부에 회전가능하게 결합되고, 상기 회전력에 의해 회전하는 구동 링크와;
    상기 구동 링크에 2자유도를 갖도록 제1커플러에 의해 결합된 피동 링크와;
    상기 피동 링크에 3자유도를 갖도록 제2커플러에 의해 결합되고, 손가락의 단부에 착용되는 손가락 착용부와;
    상기 손가락 단부의 위치와 상기 손가락 관절의 각도를 추정하고, 추정한 값에 따라 상기 구동부의 회전력을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 구동 링크는,
    상기 구동부에 결합되고, 상기 손등 착용부로부터 상방향으로 길게 형성된 제1구동 링크부와,
    상기 제1구동 링크부로부터 미리 설정된 제1설정각도로 기울어지고 상향 경사지게 형성되어 상기 제1커플러에 결합된 제2구동 링크부를 포함하는 역감 전달 시스템.
  3. 손등에 착용하는 손등 착용부와;
    상기 손등 착용부에 구비되어 회전력을 생성하는 구동부와;
    상기 구동부에 회전가능하게 결합되고, 상기 회전력에 의해 회전하는 구동 링크와;
    상기 구동 링크에 2자유도를 갖도록 제1커플러에 의해 결합된 피동 링크와;
    상기 피동 링크에 3자유도를 갖도록 제2커플러에 의해 결합되고, 손가락의 단부에 착용되는 손가락 착용부와;
    상기 손가락 단부의 위치와 상기 손가락 관절의 각도를 추정하고, 추정한 값에 따라 상기 구동부의 회전력을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 피동 링크는,
    상기 제2커플러에 결합되고, 상기 제2커플러로부터 상방향으로 길게 형성된 제1피동 링크부와,
    상기 제1피동 링크부로부터 미리 설정된 제2설정각도로 기울어지고 상향 경사지게 형성되어 상기 제1커플러에 결합된 제2피동 링크부를 포함하는 역감 전달 시스템.
  4. 손등에 착용하는 손등 착용부와;
    상기 손등 착용부에 구비되어 회전력을 생성하는 구동부와;
    상기 구동부에 회전가능하게 결합되고, 상기 회전력에 의해 회전하는 구동 링크와;
    상기 구동 링크에 2자유도를 갖도록 제1커플러에 의해 결합된 피동 링크와;
    상기 피동 링크에 3자유도를 갖도록 제2커플러에 의해 결합되고, 손가락의 단부에 착용되는 손가락 착용부와;
    상기 손가락 단부의 위치와 상기 손가락 관절의 각도를 추정하고, 추정한 값에 따라 상기 구동부의 회전력을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1커플러는,
    일단은 상기 구동 링크에 결합되고, 상기 구동부의 회전력에 의해 상기 손가락의 내외전방향으로 배치된 제1회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합되고,
    타단은 상기 피동 링크에 결합되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 손등에 수직한 방향으로 배치된 제2회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합되는 역감 전달 시스템.
  5. 손등에 착용하는 손등 착용부와;
    상기 손등 착용부에 구비되어 회전력을 생성하는 구동부와;
    상기 구동부에 회전가능하게 결합되고, 상기 회전력에 의해 회전하는 구동 링크와;
    상기 구동 링크에 2자유도를 갖도록 제1커플러에 의해 결합된 피동 링크와;
    상기 피동 링크에 3자유도를 갖도록 제2커플러에 의해 결합되고, 손가락의 단부에 착용되는 손가락 착용부와;
    상기 손가락 단부의 위치와 상기 손가락 관절의 각도를 추정하고, 추정한 값에 따라 상기 구동부의 회전력을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제2커플러는,
    상기 손가락 착용부에 결합되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 손가락의 내외전방향으로 배치된 제3회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합된 제1회전부와;
    상기 제1회전부에 상향 돌출되게 구비되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 손가락의 길이방향으로 배치된 제4회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합된 제2회전부와;
    상기 제2회전부와 상기 피동 링크를 결합시키고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 피동 링크의 길이방향으로 배치된 제5회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합된 제3회전부를 포함하는 역감 전달 시스템.
  6. 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동부의 회전각도를 측정하는 구동부 센서를 더 포함하는 역감 전달 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1커플러의 일단에 구비되어, 상기 구동 링크의 회전각도를 측정하는 제1홀센서를 더 포함하는 역감 전달 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1커플러의 타단에 구비되어, 상기 피동 링크의 회전각도를 측정하는 제2홀센서를 포함하는 역감 전달 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 구동부 센서에서 측정한 상기 구동부의 회전각도, 상기 제1홀센서에서 측정한 상기 구동 링크의 회전각도, 상기 제2홀센서에서 측정한 상기 피동 링크의 회전각도에 따라 상기 손가락의 단부 위치를 계산하고,
    상기 손가락의 단부 위치를 이용하여 상기 손가락 관절의 각도를 계산하고,
    상기 손가락의 관절의 각도에 따라 상기 구동부의 회전력을 제어하는 역감 전달 시스템.
  10. 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 손가락 착용부는,
    상기 손가락의 단부에 끼워지도록 링 형상으로 형성되고, 일측이 개구되게 형성된 손가락 홀더를 포함하는 역감 전달 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 손가락 착용부는,
    상기 손가락 홀더의 개구된 부분을 개폐시키는 개폐 부재를 더 포함하는 역감 전달 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 손가락 홀더의 내주면에는 탄성부재가 구비된 역감 전달 시스템.
  13. 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 손등 착용부에 결합되고, 상기 손가락의 길이방향으로부터 미리 설정된 설정각도로 기울어진 방향으로 길게 배치된 역감 전달 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 구동부의 회전축과 상기 구동 링크의 회전축은 베벨 기어에 의해 결합된 역감 전달 시스템.
  15. 손등에 착용하는 손등 착용부와;
    상기 손등 착용부에 구비되어 회전력을 생성하는 구동부와;
    상기 구동부에 회전가능하게 결합되고, 상기 회전력에 의해 회전하는 구동 링크와;
    상기 구동 링크에 2자유도를 갖도록 제1커플러에 의해 결합된 피동 링크와;
    상기 피동 링크에 3자유도를 갖도록 제2커플러에 의해 결합되고, 손가락의 단부에 착용되는 손가락 착용부와;
    상기 구동부의 회전각도를 측정하는 구동부 센서와;
    상기 제1커플러의 일단에 구비되어, 상기 구동 링크의 회전각도를 측정하는 제1홀센서와;
    상기 제1커플러의 타단에 구비되어, 상기 피동 링크의 회전각도를 측정하는 제2홀센서와;
    상기 구동부 센서에서 측정한 상기 구동부의 회전각도, 상기 제1홀센서에서 측정한 상기 구동 링크의 회전각도, 상기 제2홀센서에서 측정한 상기 피동 링크의 회전각도에 따라 상기 손가락의 단부 위치를 계산하고, 상기 손가락의 단부 위치를 이용하여 상기 손가락 관절의 각도를 계산하고, 상기 손가락의 관절의 각도에 따라 상기 구동부의 회전력을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1커플러는, 일단은 상기 구동 링크에 결합되고, 상기 구동부의 회전력에 의해 상기 손가락의 내외전방향으로 배치된 제1회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합되고, 타단은 상기 피동 링크에 결합되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 손등에 수직한 방향으로 배치된 제2회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합되고,
    상기 제2커플러는, 상기 손가락 착용부에 결합되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 손가락의 내외전방향으로 배치된 제3회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합된 제1회전부와, 상기 제1회전부에 상향 돌출되게 구비되고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 손가락의 길이방향으로 배치된 제4회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합된 제2회전부와, 상기 제2회전부와 상기 피동 링크를 결합시키고, 상기 손가락의 움직임에 의해 상기 피동 링크의 길이방향으로 배치된 제5회전축을 중심으로 회전가능하도록 결합된 제3회전부를 포함하는 역감 전달 시스템.
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