KR102464399B1

KR102464399B1 - Hip mechanism

Info

Publication number: KR102464399B1
Application number: KR1020200136264A
Authority: KR
Inventors: 강석원; 김윤영
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-11-09
Also published as: KR20210154690A

Abstract

본 발명의 실시예는 착용 로봇의 보행시 한 다리당 하나의 구동기만을 사용해서 보행주기 동안 변화하는 굴곡 방향 모멘트와 신전 방향 모멘트, 외전 방향 모멘트와 내전 방향 모멘트를 모두 보조할 수 있는 힙 조인트 연결장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치는 착용 로봇의 상부 바디에 고정되는 상부 바디 링크와 허벅지에 연결되는 대퇴 링크를 연결하는 고관절 조인트부를 포함하며, 고관절 조인트부는 복수의 회전 조인트와 복수의 링크가 4절 기구로 연결되며, 해당되는 입력 모멘트가 복수의 회전 조인트들을 통해 복수의 링크로 전달되는 상태에 따라 해당되는 방향의 출력 모멘트로 변화되어 착용 로봇의 보행시 필요한 굴곡, 신전, 외전, 내전 방향 모멘트를 보조한다.An embodiment of the present invention is a hip joint connection device that can assist both the bending and extension moments, abduction and adduction moments during the gait cycle by using only one actuator per leg when the wearable robot walks. is to provide The hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention includes a hip joint joint that connects an upper body link fixed to the upper body of the wearable robot and a femoral link connected to the thigh, and the hip joint part includes a plurality of rotation joints and a plurality of links. A is connected to a 4-section mechanism, and the corresponding input moment is transferred to the plurality of links through the plurality of rotation joints, and the output moment in the corresponding direction is changed to the required flexion, extension, abduction, and adduction when the wearable robot walks. Assists in the directional moment.

Description

Hip joint connector {HIP MECHANISM}

본 발명은 힙 조인트 연결장치에 관한 것이다.The present invention relates to a hip joint connector.

일반적으로, 고관절은 보행 시 상체의 균형을 잡으며 몸이 앞으로 나아갈 수 있도록 하는 중요한 부위이다. 최근 들어, 착용 로봇을 통해 착용자에게 적절한 고관절 모멘트 보조를 가할 시 착용자 보행 능력이 향상됨이 입증되었다. 고관절이 인체에 가하는 모멘트는 크게 굴곡 방향과 신전 방향, 외전 방향과 내전 방향의 모멘트로 나뉘며 보행 주기에 따라 필요한 모멘트의 방향이 바뀐다.In general, the hip joint is an important part that balances the upper body while walking and allows the body to move forward. Recently, it has been demonstrated that the wearer's walking ability is improved when appropriate hip joint moment assistance is applied to the wearer through a wearable robot. The moment that the hip joint exerts on the human body is largely divided into moments in the direction of flexion and extension, abduction and adduction, and the direction of the required moment changes according to the gait cycle.

기존 대부분의 고관절 착용 로봇들은 한 다리 당 하나의 구동기를 통해 굴곡 방향 모멘트와 신전 방향 모멘트를 보조하거나 한 다리 당 2개의 구동기를 통해 굴곡 방향과 신전 방향, 그리고 외전 방향과 내전 방향의 모멘트를 보조하였다. 따라서 보다 적은 수의 구동기를 사용하면서도 보행 시 변화하는 모멘트를 모두 보조할 수 있는 힙 조인트 연결장치의 개발이 요구되고 있다.
관련 선행문헌으로 한국공개특허 2010-0134943는 "무릎근력 강화용 보조기구"를 개시한다.Most of the existing hip joint-wearing robots support flexion and extension moments through one actuator per leg, or assist with moments in flexion and extension, abduction and adduction through two actuators per leg. . Therefore, there is a need to develop a hip joint connection device that can support all the changing moments during walking while using fewer actuators.
As a related prior art, Korean Patent Application Laid-Open No. 2010-0134943 discloses "an assistive device for strengthening knee strength".

한국공개특허 2010-0134943Korean Patent Publication No. 2010-0134943

본 발명의 실시예는 착용 로봇의 보행시 한 다리당 하나의 구동기만을 사용해서 보행주기 동안 변화하는 굴곡 방향 모멘트와 신전 방향 모멘트, 외전 방향 모멘트와 내전 방향 모멘트를 모두 보조할 수 있는 힙 조인트 연결장치를 제공하기 위한 것이다.An embodiment of the present invention is a hip joint connection device that can assist both the bending and extension moments, abduction and adduction moments during the gait cycle by using only one actuator per leg when the wearable robot walks. is to provide

본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치는 착용 로봇의 상부 바디(body)에 고정되는 상부 바디 링크와 허벅지에 연결되는 대퇴 링크를 연결하는 고관절 조인트부를 포함하며, 고관절 조인트부는 복수의 회전 조인트와 복수의 링크가 4절 기구로 연결되며, 해당되는 입력 모멘트가 복수의 회전 조인트들을 통해 복수의 링크로 전달되는 상태에 따라 해당되는 방향의 출력 모멘트로 변화되어 착용 로봇의 보행시 필요한 굴곡, 신전, 외전, 내전 방향 모멘트를 보조한다.The hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention includes a hip joint joint that connects an upper body link fixed to an upper body of a wearable robot and a femoral link connected to the thigh, and the hip joint part includes a plurality of rotary joints and A plurality of links are connected by a four-section mechanism, and the corresponding input moment is changed to an output moment in the corresponding direction according to the state in which the corresponding input moment is transmitted to the plurality of links through the plurality of rotation joints. Assists in abduction and adduction moment.

복수의 회전 조인트는 상부 바디 링크에 연결되어 입력 모멘트의 회전축 기능을 하는 제1 회전 조인트, 제1 회전 조인트의 회전에 일측에서 연동되는 제2 회전 조인트, 제2 회전 조인트의 회전에 연동되는 제3 회전 조인트, 제3 회전 조인트의 회전에 연동되는 제4 회전 조인트, 제2 회전 조인트와 미리 설정된 간격을 두고 이격된 위치에 구비되어 제1 회전 조인트의 회전에 타측에서 연동되는 제5 회전 조인트, 그리고 대퇴 링크에 연결되며, 제3 회전 조인트의 회전에 연동되는 제6 회전 조인트를 포함할 수 있다.A plurality of rotation joints are connected to the upper body link, a first rotation joint serving as a rotation axis of the input moment, a second rotation joint linked from one side to the rotation of the first rotation joint, a third rotation joint linked to the rotation of the second rotation joint A fifth rotary joint that is provided at a location spaced apart from the rotary joint, a fourth rotary joint that is linked to the rotation of the third rotary joint, and the second rotary joint at a predetermined distance and is interlocked with the rotation of the first rotary joint from the other side, and It is connected to the femoral link and may include a sixth rotational joint that is linked to the rotation of the third rotational joint.

복수의 링크는 제1 회전 조인트를 통해 상부 바디 링크에 연결되는 제1 링크, 제2 회전 조인트를 통해 제1 링크에 연결되는 제2 링크, 제4 회전 조인트를 통해 제1 링크에 연결되는 제3 링크, 그리고 제3 회전 조인트를 통해 제2 링크에 연결되고 제5 회전 조인트를 통해 제3 링크에 연결되는 제4 링크를 포함할 수 있다.The plurality of links include a first link connected to the upper body link through a first rotation joint, a second link connected to the first link through a second rotation joint, and a third link connected to the first link through a fourth rotation joint. a link, and a fourth link connected to the second link through the third rotation joint and connected to the third link through the fifth rotation joint.

대퇴 링크는 제6 회전 조인트를 통해 제4 링크에 연결될 수 있다. The femoral link may be connected to the fourth link through the sixth rotational joint.

적어도 한 개의 구동부를 포함하며, 구동부는 제1 회전 조인트에 연결될 수 있다. It includes at least one driving unit, and the driving unit may be connected to the first rotary joint.

제1 링크는 상부 바디 링크의 하부에 연결되어 회동 가능한 중심 지지구조를 갖는 제11 결합부, 제11 결합부에서 미리 설정된 방향으로 굴곡 형성되어 뻗은 단부가 제2 링크의 일측에 연결되는 제12 결합부, 그리고 제11 결합부에서 제12 결합부와 미리 설정된 간격을 두고 이격 형성되어 제3 링크 방향으로 뻗은 단부가 제3 링크의 일측에 연결되는 제13 결합부를 포함할 수 있다.The first link is a eleventh coupling portion connected to the lower portion of the upper body link and having a rotatable central support structure, a twelfth coupling portion in which an end bent in a preset direction is formed in the 11th coupling portion and extended is connected to one side of the second link and a thirteenth coupling part formed to be spaced apart from the twelfth coupling part at a predetermined distance from the eleventh coupling part and having an end extending in the third link direction connected to one side of the third link.

제4 링크는 회동 가능한 중심 지지구조를 갖고 제2 링크의 타측에 연결되는 제41 결합부, 제41 결합부에서 미리 설정된 방향으로 뻗은 단부가 대퇴 링크의 상부에 연결되는 제42 결합부, 그리고 제41 결합부에서 제42 결합부와 미리 설정된 간격을 두고 이격 형성되어 제3 링크 방향으로 뻗은 단부가 제3 링크의 타측에 연결되는 제43 결합부를 포함할 수 있다.The fourth link has a rotatable central support structure and includes a 41st coupling part connected to the other side of the second link, a 42nd coupling part having an end extending in a preset direction from the 41st coupling part connected to the upper part of the femoral link, and a The 41 coupling part may include a 43rd coupling part which is formed to be spaced apart from the 42nd coupling part at a predetermined distance and has an end extending in the third link direction connected to the other side of the third link.

착용 로봇의 상부 바디에 고정되는 상부 바디 링크와 허벅지에 연결되는 대퇴 링크를 연결하는 고관절 조인트부가 복수의 회전 조인트와 복수의 링크가 4절 기구로 연결되며, 고관절 조인트부가 구동기의 입력 모멘트를 원하는 방향의 출력 모멘트로 변화시키는 기능을 구현하여 보행시 필요한 굴곡, 신전, 외전, 내전 방향 모멘트를 보조할 수 있는 효과가 있다.The hip joint joint part connecting the upper body link fixed to the upper body of the wearable robot and the femoral link connected to the thigh is connected to a plurality of rotation joints and a plurality of links by a four-section mechanism, and the hip joint part wants the input moment of the actuator in the desired direction. By implementing the function of changing the output moment of

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치와 힘 전달 관계 측면에서 순간적으로 동일한 직렬연결 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 3은 착용 로봇의 허벅지와 연결된 대퇴 링크가 보행 움직임을 가질 때 제6 가상 링크와 출력 모멘트를 누적하여 그린 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 치수를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 착용 모습을 가정한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 프로토 타입 착용 후 보행 상황을 가정한 도면이다.
도 7은 도 6을 상부에서 바라본 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 시제품을 사용자가 착용한 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 적용시 변화되는 모멘트 프로파일을 도시한 도면이다.1 is a view showing a hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating the same serial connection mechanism instantaneously in terms of a force transmission relationship with a hip joint connection device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram drawn by accumulating a sixth virtual link and an output moment when the thigh link connected to the thigh of the wearable robot has a walking motion.
Figure 4 is a view showing the dimensions of the hip joint connection device according to an embodiment of the present invention.
5 is a view assuming a wearing state of the hip joint connecting device according to the embodiment of the present invention.
6 is a view assuming a walking situation after wearing a prototype of the hip joint connection device according to an embodiment of the present invention.
7 is a view illustrating a state in which FIG. 6 is viewed from the top.
8 is a diagram illustrating a state in which a user wears a prototype of a hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing a moment profile that is changed when the hip joint connection device according to an embodiment of the present invention is applied.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising," as used herein, specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, operation, element, component, and/or group. It does not exclude the existence or addition of

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related art literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치와 힘 전달 관계 측면에서 순간적으로 동일한 직렬연결 메커니즘을 나타낸 도면이다. 그리고 도 3은 착용 로봇의 허벅지와 연결된 대퇴 링크가 보행 움직임을 가질 때 제6 가상 링크와 출력 모멘트를 누적하여 그린 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 결합관계를 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치는 착용 로봇의 상부 바디에 고정되는 상부 바디 링크(upper body link, 10)와 허벅지에 연결되는 대퇴 링크(thigh link, 15)를 연결하는 고관절 조인트부를 포함한다. 고관절 조인트부는 복수의 회전 조인트(revolute joint)와 복수의 링크(link)가 4절 기구로 연결될 수 있다. 즉, 고관절 조인트부는 착용 로봇의 상체에 고정되는 상부 바디 링크(10)와 허벅지에 연결되는 대퇴 링크(15) 사이를 연결하는 복수의 회전 조인트와 복수의 링크를 포함하며, 해당되는 회전 조인트와 링크가 상호 연결되어 출력 모멘트 방향을 변경할 수 있는 4절 링크 기구를 구현할 수 있다. 예를 들어, 고관절 조인트부는 해당되는 입력 모멘트가 복수의 회전 조인트들을 통해 복수의 링크로 전달되는 상태에 따라 해당되는 방향의 출력 모멘트로 변화되어 착용 로봇의 보행시 필요한 굴곡, 신전, 외전, 내전 방향 모멘트를 보조할 수 있다.1 is a view showing a hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view showing the same instantaneous serial connection mechanism in terms of a force transmission relationship with a hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention. . And Figure 3 is a drawing drawn by accumulating the sixth virtual link and the output moment when the thigh link connected to the thigh of the wearable robot has a walking motion, Figure 4 is the coupling relationship of the hip joint connection device according to the embodiment of the present invention. It is the drawing shown. 1 to 4, the hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention includes an upper body link 10 fixed to the upper body of the wearable robot and a thigh link connected to the thigh. 15) and includes a hip joint joint for connecting them. In the hip joint part, a plurality of revolute joints and a plurality of links may be connected to each other by a 4-bar mechanism. That is, the hip joint part includes a plurality of rotation joints and a plurality of links connecting between the upper body link 10 fixed to the upper body of the wearable robot and the femoral link 15 connected to the thigh, and the corresponding rotation joint and link It is possible to implement a four-bar linkage mechanism that can be interconnected to change the direction of the output moment. For example, the hip joint part changes into an output moment in a corresponding direction according to a state in which a corresponding input moment is transmitted to a plurality of links through a plurality of rotation joints, so that the flexion, extension, abduction, and adduction directions necessary for walking of the wearable robot Moment can assist.

여기서, 복수의 회전 조인트는 제1 회전 조인트(1), 제2 회전 조인트(2), 제3 회전 조인트(3), 제4 회전 조인트(4), 제5 회전 조인트(5)를 포함할 수 있다.Here, the plurality of rotation joints may include a first rotation joint 1 , a second rotation joint 2 , a third rotation joint 3 , a fourth rotation joint 4 , and a fifth rotation joint 5 . have.

제1 회전 조인트(1)는 상부 바디 링크에 연결되어 입력 모멘트의 회전축 기능을 할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치는 적어도 한 개의 구동부를 포함하며, 구동부는 제1 회전 조인트(1)에 연결될 수 있다. 제2 회전 조인트(2)는 제1 회전 조인트의 회전에 일측에서 연동될 수 있다. 제3 회전 조인트(3)는 제2 회전 조인트의 회전에 연동될 수 있다. 제4 회전 조인트(4)는 제3 회전 조인트의 회전에 연동될 수 있다. 제5 회전 조인트(5)는 제2 회전 조인트(2)와 미리 설정된 간격을 두고 이격된 위치에 구비되어 제1 회전 조인트의 회전에 타측에서 연동될 수 있다. 제6 회전 조인트(6)는 대퇴 링크에 연결되며, 제3 회전 조인트의 회전에 연동될 수 있다.The first rotation joint 1 may be connected to the upper body link to function as a rotation axis of the input moment. The hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention includes at least one driving unit, and the driving unit may be connected to the first rotary joint 1 . The second rotary joint 2 may be linked from one side to the rotation of the first rotary joint. The third rotation joint 3 may be linked to the rotation of the second rotation joint. The fourth rotation joint 4 may be linked to rotation of the third rotation joint. The fifth rotary joint 5 may be provided at a position spaced apart from the second rotary joint 2 at a preset interval to be interlocked with the rotation of the first rotary joint from the other side. The sixth rotation joint 6 is connected to the femoral link, and may be linked to rotation of the third rotation joint.

복수의 링크는 제1 링크(11), 제2 링크(12), 제3 링크(13), 제4 링크(14)를 포함할 수 있다. The plurality of links may include a first link 11 , a second link 12 , a third link 13 , and a fourth link 14 .

제1 링크(11)는 제1 회전 조인트(1)를 통해 상부 바디 링크(10)에 연결될 수 있다. 제1 링크(11)는 상부 바디 링크(10)의 하부에 연결되어 회동 가능한 중심 지지구조를 갖는 제11 결합부(11a), 제11 결합부(11a)에서 미리 설정된 방향으로 굴곡 형성되어 뻗은 단부가 제2 링크(12)의 일측에 연결되는 제12 결합부(11b), 그리고 제11 결합부(11a)에서 제12 결합부(11b)와 미리 설정된 간격을 두고 이격 형성되어 제3 링크(13) 방향으로 뻗은 단부가 제3 링크(13)의 일측에 연결되는 제13 결합부(11c)를 포함할 수 있다. 제2 링크(12)는 제2 회전 조인트(2)를 통해 제1 링크(11)에 연결될 수 있다. 제3 링크(13)는 제4 회전 조인트(4)를 통해 제1 링크(11)에 연결될 수 있다. 제4 링크(14)는 제3 회전 조인트(3)를 통해 제2 링크(12)에 연결되고 제5 회전 조인트(5)를 통해 제3 링크(13)에 연결될 수 있다. 제4 링크(14)는 회동 가능한 중심 지지구조를 갖고 제2 링크(12)의 타측에 연결되는 제41 결합부(14a), 제41 결합부(14a)에서 미리 설정된 방향으로 뻗은 단부가 대퇴 링크(15)의 상부에 연결되는 제42 결합부(14b), 그리고 제41 결합부(14a)에서 제42 결합부(14b)와 미리 설정된 간격을 두고 이격 형성되어 제3 링크(13) 방향으로 뻗은 단부가 제3 링크(13)의 타측에 연결되는 제43 결합부(14c)를 포함할 수 있다. 대퇴 링크(15)는 제6 회전 조인트(6)를 통해 제4 링크(14)에 연결될 수 있다. The first link 11 may be connected to the upper body link 10 through the first rotation joint 1 . The first link 11 is connected to the lower portion of the upper body link 10 and has a rotatable central support structure, the eleventh coupling part 11a having a rotatable central support structure, and the end extending by being bent in a preset direction in the eleventh coupling part 11a The twelfth coupling part 11b connected to one side of the second link 12, and the twelfth coupling part 11b in the eleventh coupling part 11a are spaced apart from the twelfth coupling part 11b at a predetermined distance to form a third link 13 ) may include a thirteenth coupling portion 11c having an end extending in the direction connected to one side of the third link 13 . The second link 12 may be connected to the first link 11 through the second rotary joint 2 . The third link 13 may be connected to the first link 11 through the fourth rotation joint 4 . The fourth link 14 may be connected to the second link 12 via a third rotation joint 3 and to the third link 13 via a fifth rotation joint 5 . The fourth link 14 has a rotatable central support structure and has a 41st coupling portion 14a connected to the other side of the second link 12, and an end extending in a preset direction from the 41st coupling portion 14a is a femoral link. The 42nd coupling part 14b connected to the upper part of (15), and the 42nd coupling part 14b in the 41st coupling part 14a are spaced apart from the 42nd coupling part 14b at a predetermined distance and extend in the direction of the third link 13 The end may include a 43rd coupling portion 14c connected to the other side of the third link 13 . The femoral link 15 may be connected to the fourth link 14 through the sixth rotation joint 6 .

상기한 바와 같이 고관절 조인트부는 제1 회전 조인트(1), 제2 회전 조인트(2), 제3 회전 조인트(3), 제4 회전 조인트(4), 제5 회전 조인트(5), 제6 회전 조인트(6), 제1 링크(11), 제2 링크(12), 제3 링크(13), 제4 링크(14)를 포함하여 4절 링크 기구를 구현함으로써 힙 조인트 연결장치로 적용할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 고관절 조인트부를 이용하여 복수의 회전 조인트와 복수의 링크를 포함하는 4절 링크 기구가 구동부의 입력 모멘트를 전달받아 해당되는 출력 모멘트로 방향을 변경할 수 있다.As described above, the hip joint part includes a first rotation joint (1), a second rotation joint (2), a third rotation joint (3), a fourth rotation joint (4), a fifth rotation joint (5), and a sixth rotation The joint 6, the first link 11, the second link 12, the third link 13, and the fourth link 14 can be applied as a hip joint connecting device by implementing a four-section link mechanism. have. By using the hip joint according to the embodiment of the present invention, a four-bar link mechanism including a plurality of rotary joints and a plurality of links may receive an input moment of the driving unit and change the direction to a corresponding output moment.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치와 힘 전달 관계 측면에서 순간적으로 동일한 직렬연결 메커니즘을 나타낸 도면이다. 도 2의 우측에서 직렬 연결 메커니즘의 가상 회전 조인트(virtual revolute joint, 7)의 위치가 좌측 메커니즘에서 정의된 순간 회전축(0)의 위치와 같다. 여기서, 순간 회전축(Instantaneous rotation axis, 0)은 제1 링크(11)에 대한 제4 링크(14)의 순간 회전축을 의미한다. 제6 가상 링크(virtual link, 16)는 가상 회전 조인트(7)와 제6 회전 조인트(6)를 연결하는 가상의 링크를 나타낸다. 구동부를 통해 제1 회전 조인트(1) 방향으로 입력된 모멘트는 힙 조인트 연결장치를 통해 제6 가상 링크(16)에 수직한 방향으로 축을 갖는 모멘트로 대퇴 링크(15)에 전달될 수 있다.2 is a diagram illustrating the same serial connection mechanism instantaneously in terms of a force transmission relationship with a hip joint connection device according to an embodiment of the present invention. The position of the virtual revolute joint 7 of the series connection mechanism on the right side of FIG. 2 is the same as the position of the instantaneous rotation axis 0 defined on the left side mechanism. Here, the instantaneous rotation axis (Instantaneous rotation axis, 0) means an instantaneous rotation axis of the fourth link 14 with respect to the first link 11 . A sixth virtual link (virtual link, 16) represents a virtual link connecting the virtual rotation joint 7 and the sixth rotation joint 6 . The moment input in the direction of the first rotation joint 1 through the driving unit may be transmitted to the femoral link 15 as a moment having an axis in the direction perpendicular to the sixth virtual link 16 through the hip joint connecting device.

도 3은 착용 로봇의 허벅지와 연결된 대퇴 링크(15)가 보행 움직임을 가질 때 제6 가상 링크(16)와 출력 모멘트(output moments)를 누적하여 그린 도면이다. 도 3을 참조하면, 제6 가상 링크(16)는 모든 시간(=1,2,3,4,5,6,7) 동안 거의 수직한 방향을 유지하고 있으며 경도(longitude) 값이 변하는 것을 볼 수 있다. 그리고 그에 따라 출력 모멘트는 수직한 방향 성분이 없는 상태로 방향이 변하는 것을 볼 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에서 제안하는 힙 조인트 연결장치가 착용 로봇의 보행 주기 동안 회전 성분의 모멘트가 없는 상태로 보행 초기(신전(Extension) + 외전 모멘트(abduction moments))~중기(외전 모멘트)~말기(굴곡(flexion) + 외전 모멘트)의 방향을 출력하는 것임을 알 수 있다.3 is a diagram drawn by accumulating the sixth virtual link 16 and output moments when the femoral link 15 connected to the thigh of the wearable robot has a walking motion. Referring to FIG. 3 , the sixth virtual link 16 maintains an almost vertical direction for all times (=1,2,3,4,5,6,7) and sees the longitude value change. can And accordingly, it can be seen that the direction of the output moment changes without a vertical direction component. This is that the hip joint connection device proposed in the embodiment of the present invention walks in a state where there is no moment of rotation component during the gait cycle of the wearing robot (extension + abduction moments) ~ middle stage (abduction moment) ~ It can be seen that it outputs the direction of the end (flexion + abduction moment).

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 결합관계와 치수를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 구면 좌표계(Spherical coordinate)를 이용하여 회전 조인트 축의 각도를 알 수 있다.4 is a view showing the coupling relationship and dimensions of the hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , it is possible to know the angle of the rotation joint axis using a spherical coordinate system.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 착용 모습을 가정한 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치를 사용자가 실제 착용한 상태를 가정한 것으로, 사용자가 힙 조인트 연결장치의 착용상태를 미리 파악할 수 있다.5 is a view assuming a wearing state of the hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5 , it is assumed that the user actually wears the hip joint connecting device according to the embodiment of the present invention, and the user can determine the wearing state of the hip joint connecting device in advance.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 프로토 타입 착용 후 보행 상황을 가정한 도면이다. 도 7은 도 6을 상부에서 바라본 상태를 도시한 도면이다. 도 6과 도 7을 참조하면, 착용 로봇의 보행 진행시 다리 위치에 따라 출력 모멘트 방향이 변함을 확인할 수 있다.6 is a view assuming a walking situation after wearing a prototype of the hip joint connection device according to an embodiment of the present invention. 7 is a view illustrating a state in which FIG. 6 is viewed from the top. Referring to FIGS. 6 and 7 , it can be seen that the direction of the output moment changes according to the position of the leg when the wearable robot walks.

구동부가 제1 회전 조인트(1)에 설치되기 때문에, 입력 모멘트의 축 (Input moment axis, 30)은 제1 회전 조인트(1)의 회전 축에 위치될 수 있다. Since the driving unit is installed in the first rotational joint 1 , the input moment axis 30 may be located on the rotational axis of the first rotational joint 1 .

제4 링크(14)의 제1 링크(11)에 대한 회전축이 순간 회전축(Instantaneous rotation axis, 0)이다. 출력 모멘트 축(output moment axis, 20)은 순간 회전축(0)과 제6 회전 조인트(6)의 회전축(60)에 동시에 수직한 방향이 될 수 있다.The axis of rotation of the fourth link 14 with respect to the first link 11 is an instantaneous rotation axis (Instantaneous rotation axis, 0). The output moment axis 20 may be in a direction perpendicular to the instantaneous rotation axis 0 and the rotation axis 60 of the sixth rotation joint 6 at the same time.

보행 주기 동안 고관절 조인트부가 움직이면서 순간 회전축(0)과 제6 회전 조인트(6)의 회전축(60)의 위치가 변하면서 출력 모멘트 축(20)의 위치가 변하게 된다.As the hip joint part moves during the gait cycle, the positions of the instantaneous rotational shaft 0 and the rotational shaft 60 of the sixth rotational joint 6 change, and the output moment shaft 20 changes.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 시제품을 사용자가 착용한 상태를 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 사용자의 보행 주기에 따라 출력 모멘트 방향이 변함을 알 수 있다. 전술한 바와 같이 보행 초기에는 신전(Extension) + 외전 모멘트(abduction moments) 방향을 출력하고, 보행 중기에는 외전 모멘트 방향을 출력하며, 보행 말기에는 굴곡(flexion) + 외전 모멘트의 방향을 출력하는 것임을 알 수 있다.8 is a diagram illustrating a state in which a user wears a prototype of a hip joint connecting device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8 , it can be seen that the direction of the output moment changes according to the user's gait cycle. As described above, it can be seen that the direction of extension + abduction moment is output at the beginning of walking, the direction of abduction moment is output during the middle of walking, and the direction of flexion + abduction moment is output at the end of walking. can

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치의 적용시 변화되는 모멘트 프로파일을 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 제1 회전 조인트(1)에 구동부가 적용 되었을 때, 대퇴 링크(15)를 통해 착용 로봇의 허벅지(thigh)에 전달되는 모멘트 프로파일의 예시와 이러한 모멘트를 통해 힙 조인트 연결장치를 착용한 사용자를 보조하였을 때 저감된 모멘트를 미리 파악할 수 있다.9 is a view showing a moment profile that is changed when the hip joint connection device according to an embodiment of the present invention is applied. Referring to FIG. 9 , when a driving unit is applied to the first rotary joint 1, an example of a moment profile transmitted to the thigh of the wearable robot through the femoral link 15 and a hip joint connection device through this moment It is possible to grasp the reduced moment in advance when assisting the user wearing the .

내전(Adduction, Add.)/외전(Abduction, Abd.)방향의 모멘트 프로파일을 배경기술의 인체 모멘트 프로파일과 유사하게 주었을 때, 나머지 두 방향 굴곡(Flexion, Flex.)/신전(Extension, Ext.)과 내전(Adduction, Add.)/외전(Abduction, Abd.) 역시 배경 기술의 인체 모멘트 프로파일과 유사한 형태로 나타난다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치를 이용하면 하나의 구동부만을 사용하였음에도 불구하고 보행에 필요한 3차원 모멘트 프로파일을 출력할 수 있다. 이는 기존의 어떠한 설계안에서도 구현할 수 없었던 특성이다. 이와 같이 출력된 3차원 모멘트 프로파일을 인체에 적용하면 도 9의 우측에 도시된 바와 같이 굴곡(Flexion)/신전(Extension) 방향 모멘트 및 내전(Adduction)/외전(Abduction) 방향 모멘트 크기를 모두 줄이는 것이 가능하다. 이러한 특성은 기존 힙 메커니즘 설계 안 들에선 두 개 이상의 구동기를 적용하여야 구현 가능하였던 특성이다.When the moment profile in the direction of adduction (Add., Add.)/abduction (Abd.) is given similar to that of the human body moment profile of the background art, flexion (Flexion, Flex.)/extension (Ext., Ext.) in the other two directions and Adduction (Add.)/Abduction (Abd.) also appear in a form similar to the human moment profile of the background art. That is, when using the hip joint connecting device according to the embodiment of the present invention, it is possible to output a three-dimensional moment profile necessary for walking in spite of using only one driving unit. This is a characteristic that could not be implemented in any existing design. When the three-dimensional moment profile output as described above is applied to the human body, as shown on the right side of FIG. 9 , it is possible to reduce both the moment in the flexion/extension direction and the moment in the adduction/abduction direction. It is possible. This characteristic is a characteristic that could be realized only when two or more actuators were applied in the existing heap mechanism designs.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 힙 조인트 연결장치는 복수의 회전 조인트와 복수의 링크로 구성되어 생산성이 좋고 보수가 용이하다. 그리고 구동부 수를 줄이면서도 다수의 구동부를 사용하는 효과를 구현할 수 있으므로, 보다 비용이 저렴한 착용 로봇을 개발하여 상용화 시기를 앞당길 수 있다.As described above, the hip joint connecting device according to the embodiment of the present invention is composed of a plurality of rotary joints and a plurality of links, so that productivity is good and maintenance is easy. In addition, since the effect of using a plurality of driving units can be realized while reducing the number of driving units, it is possible to advance the commercialization time by developing a wearable robot with a lower cost.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings, and this is also It goes without saying that they fall within the scope of the present invention.

1 ; 제1 회전 조인트 2 ; 제2 회전 조인트
3 ; 제3 회전 조인트 4 ; 제4 회전 조인트
5 ; 제5 회전 조인트 6 ; 제6 회전 조인트
10 ; 상부 바디 링크 11 ; 제1 링크
12 ; 제2 링크 13 ; 제3 링크
14 ; 제4 링크 15 ; 대퇴 링크One ; first rotary joint 2 ; 2nd rotation joint
3 ; third rotary joint 4 ; 4th rotation joint
5 ; Fifth rotation joint 6 ; 6th rotation joint
10 ; upper body link 11 ; first link
12 ; second link 13 ; third link
14 ; fourth link 15 ; femoral link

Claims

It includes a hip joint joint connecting the upper body link fixed to the upper body of the wearable robot and the thigh link connected to the thigh,
The hip joint part
A plurality of rotary joints and a plurality of links are connected by a four-section mechanism, and the corresponding input moment is changed to an output moment in a corresponding direction according to a state in which the corresponding input moment is transmitted to the plurality of links through the plurality of rotary joints, so that the wearable robot Assists in flexion, extension, abduction, and adduction moments necessary for walking,
To change the direction of the output moment according to the gait cycle, the direction of extension and abduction moment are output at the beginning of walking, the direction of abduction moment is output during the middle of walking, and the direction of flexion and abduction at the end of walking A hip joint connector that outputs the direction of the moment.

In claim 1,
The plurality of rotary joints are
A first rotational joint connected to the upper body link and functioning as a rotational axis of the input moment;
a second rotary joint interlocked from one side to the rotation of the first rotary joint;
a third rotary joint linked to the rotation of the second rotary joint;
a fourth rotary joint linked to the rotation of the third rotary joint;
A fifth rotary joint provided at a position spaced apart from the second rotary joint at a predetermined interval and interlocked with the rotation of the first rotary joint from the other side, and
A sixth rotary joint connected to the femoral link and linked to the rotation of the third rotary joint
A hip joint connector comprising a.

In claim 2,
The plurality of links
a first link connected to the upper body link through the first rotary joint;
a second link connected to the first link through the second rotary joint;
a third link connected to the first link through the fourth rotary joint; and
A fourth link connected to the second link through the third rotary joint and connected to the third link through the fifth rotary joint
A hip joint connector comprising a.

In claim 3,
The femoral link is a hip joint connecting device connected to the fourth link through the sixth rotation joint.

In claim 2,
at least one drive unit;
The driving unit is a hip joint connecting device connected to the first rotary joint.

In claim 3,
The first link is
an eleventh coupling part connected to a lower portion of the upper body link and having a pivotable central support structure;
a twelfth coupling part having an end bent in the direction of the second link from the eleventh coupling part and connected to one side of the second link; and
A thirteenth coupling part formed to be spaced apart from the twelfth coupling part in the eleventh coupling part and having an end extending in the third link direction connected to one side of the third link
A hip joint connector comprising a.

In claim 6,
The fourth link is
a 41st coupling part having a rotatable central support structure and connected to the other side of the second link;
A 42nd coupling part in which the end extending in the femoral link direction from the 41st coupling part is connected to the upper part of the femoral link, and
A 43rd coupling part formed to be spaced apart from the 42nd coupling part in the 41st coupling part and having an end extending in the third link direction connected to the other side of the third link
A hip joint connector comprising a.