KR102478624B1 - Spring­like Pneumatic Artificial Muscle and Operation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공압인공근육 유닛에 있어서, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브; 상기 비탄성슬리브 일단에 연결되어 기체가 주입되는 기체주입부; 상기 비탄성슬리브 타단에 연결되어 배기모드시 상기 비탄성슬리브 내부에 유입된 기체가 배기되는 배기밸브; 상기 비탄성슬리브 내에, 상기 기체주입부와 상기 배기밸브 사이에 구비되는 인장 스프링; 및 상기 비탄성 슬리브 내에, 일단은 상기 기체주입부에 연결되고 타단은 상기 배기밸브에 연결되는 탄성튜브를 포함하고, 상기 기체주입부를 통해 기체가 주입되면, 상기 탄성튜브 내로 공급되어 팽창되고, 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되고 상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 상기 인장스프링에 탄성에너지가 저장되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛에 관한 것이다. The present invention relates to a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy and an operating method thereof, and more particularly, to a pneumatic artificial muscle unit comprising: an inelastic sleeve that contracts and expands in a longitudinal direction; a gas injection unit connected to one end of the non-elastic sleeve to inject gas; an exhaust valve connected to the other end of the inelastic sleeve and through which gas introduced into the inelastic sleeve is exhausted in an exhaust mode; a tension spring provided between the gas injection part and the exhaust valve in the non-elastic sleeve; and an elastic tube within the non-elastic sleeve, one end of which is connected to the gas injection part and the other end of which is connected to the exhaust valve, and when gas is injected through the gas injection part, it is supplied into the elastic tube and expands, and the elastic tube is expanded. It relates to a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that elastic energy is stored by expansion of the tube and the elastic energy is stored in the tension spring by expanding the non-elastic sleeve in the longitudinal direction.

Description

탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법{Spring­like Pneumatic Artificial Muscle and Operation method thereof}Pneumatic artificial muscle unit using elastic energy and its operation method {Springlike Pneumatic Artificial Muscle and Operation method thereof}

본 발명은 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 관한 것이다. The present invention relates to a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy and an operating method thereof.

최근, 노약자나 장애인 등의 재활이나 활동 보조기기에 대해 연구개발이 다양하게 진행되고 있으며, 팔 또는 다리와 같은 관절의 움직임이 불편한 노약자나 장애인의 재활이나 활동 보조를 위한 보조기구로, 인체 착용형 근력지원 로봇에 대한 개발도 진행되고 있다.Recently, various researches and developments have been conducted on rehabilitation or activity assistive devices for the elderly or disabled, and as an assistive device for rehabilitation or activity assistance for the elderly or disabled, who have difficulty in moving joints such as arms or legs, wearable muscle strength Development of support robots is also in progress.

현재까지 개발된 인체 착용형 근력지원 로봇의 경우, 착용부가 링크와 조인트로 이루어진 구조이며, 그 조인트에 모터를 부착하거나 링크에 공압 피스톤 또는 인공 근육을 부착한 형태로 제작되고 있다. 즉, 사용자의 신체구조의 각 관절을 지지하기 위해 단단한 소재의 프레임을 연결한 링크 구조가 적용되고 있으며, 각 관절의 인위적인 구동을 위한 구동모터 등의 구동 메커니즘이 적용되고 있다. 따라서 구동부의 구동력이 각 링크에 전달되어, 링크가 고정된 관절이 동작함으로써 사용자의 재활이나 활동이 보조되는 것이다.In the case of human body wearable muscle support robots developed so far, the wearable part has a structure consisting of a link and a joint, and is manufactured in a form in which a motor is attached to the joint or a pneumatic piston or artificial muscle is attached to the link. That is, in order to support each joint of the user's body structure, a link structure in which frames of hard material are connected is applied, and a driving mechanism such as a driving motor for artificially driving each joint is applied. Therefore, the driving force of the driving unit is transmitted to each link, and the user's rehabilitation or activity is assisted by operating the joint to which the link is fixed.

그러나 상기와 같은 링크 구조를 통한 인체 착용형 근력지원 로봇의 경우, 링키지 구조의 무게 때문에 구동부의 에너지 소모가 증가되고, 복잡한 구조로 인해 착용시 불편함이 크고 제작 비용이 증가한다. 또한, 사용자의 신체 구조에 적합하도록 용이하게 변경하는 것이 어렵다.However, in the case of the human body wearable muscle strength support robot through the link structure as described above, energy consumption of the drive unit increases due to the weight of the linkage structure, and due to the complex structure, inconvenience and manufacturing cost increase. In addition, it is difficult to easily change to suit the user's body structure.

또한 웨어러블 로봇이나 협업 로봇 등 사람과 빈번하게 상호작용을 하는 로봇에서는 안전하게 구동하는 기술이 필연적이며 활발하게 연구되고 있는 상황이다. 대표적인 안전한 구동기로서 공압 인공근육은 가볍고 유연한 성질과 높은 force density를 장점으로 널리 연구되고 있다. In addition, in robots that frequently interact with people, such as wearable robots and collaborative robots, safe driving technology is indispensable and is being actively researched. As a representative safe actuator, pneumatic artificial muscles are widely studied due to their light, flexible properties and high force density.

하지만, 공압인공근육은 압축성 유체인 공기를 사용하기 때문에 매우 느린 응답성의 특징을 지니게 된다. 특히 웨어러블 로봇의 경우, 점프나 달리기 등을 수행하는 사람의 근육보다 공압 인공근육이 느리고 제어가 안되면 사람에게 부하로 작용하고 사람의 빠른 모션을 보조해주거나 상호작용하는데 큰 걸림돌이 된다. However, since the pneumatic artificial muscle uses air, which is a compressible fluid, it has a characteristic of very slow response. In particular, in the case of wearable robots, if the pneumatic artificial muscles are slower than the muscles of a person who jumps or runs and cannot be controlled, they act as a load on people and become a major obstacle in assisting or interacting with people's rapid motion.

또한, 70%(+-35%)까지 수축할 수 있는 사람 근육에 반해, 공압인공근육은 일반적으로 25%의 수축비를 가지므로 제한된 변위 특성을 지닌다. In addition, in contrast to human muscles that can contract up to 70% (+-35%), pneumatic artificial muscles generally have a contraction ratio of 25% and thus have limited displacement characteristics.

이는 웨어러블/협업 로봇의 자유도를 크게 제한하는 걸림돌로 작용한다. 따라서, 공압인공근육의 낮은 응답성과 수축비를 개선할 수 있는 새로운 Spring-like PAM 기술을 개발이 필요하였다.This acts as a stumbling block that greatly limits the degree of freedom of wearable/collaborative robots. Therefore, it was necessary to develop a new spring-like PAM technology that can improve the low response and contraction ratio of pneumatic artificial muscles.

대한민국 등록특허 10-1566758Korean Registered Patent No. 10-1566758 대한민국 등록특허 10-2177307Korean Registered Patent No. 10-2177307 대한민국 등록특허 10-1864583Korean Registered Patent No. 10-1864583 대한민국 등록특허 10-1563105Korean Registered Patent No. 10-1563105

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 일반 수축형 공압인공근육과는 다르게 공압인공근육을 길이방향으로 인장시키면 인장 스프링의 특성을 가지는 공압인공근육이 탄성에너지를 크게 저장할 수 있게 되고, 저장한 탄성에너지를 압축 구동에 사용하면, passive element의 빠른 응답 성질을 구동에 사용하여 응답성을 획기적으로 개선할 수 있는, 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been made to solve the above conventional problems, and according to an embodiment of the present invention, unlike general contraction type pneumatic artificial muscles, when the pneumatic artificial muscles are stretched in the longitudinal direction, they have the characteristics of a tension spring. Pneumatics using elastic energy can dramatically improve responsiveness by using the fast response property of the passive element for driving when pneumatic artificial muscles can store a large amount of elastic energy and use the stored elastic energy for compression drive. Its purpose is to provide an artificial muscle unit and its operating method.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 구동기의 큰 힘을 위해서 강한 인장 스프링, 탄성튜브, 그리고 사람이나 로봇의 모션에 의해 작동하는 배기밸브를 사용하여, 매우 빠르고 강한 수축력/수축비를 낼 수 있는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다. And according to an embodiment of the present invention, elasticity that can generate very fast and strong contraction force / contraction ratio by using a strong tension spring, an elastic tube, and an exhaust valve operated by motion of a person or robot for a large force of the actuator. Its purpose is to provide a pneumatic artificial muscle unit using energy and an operating method thereof.

본 발명의 실시예에 따르면, 인장 스프링과 고탄성 튜브는 공기의 압력 에너지로부터 팽창하여 탄성 에너지를 저장하게 되고, 비탄성 재질의 외부 비탄성 슬리브로부터 반지름의 팽창은 제한하고 길이방향은 오리가미 형태로 접혀있던 부분이 펴지면서 탄성 에너지를 최대로 저장하여, 인장을 제한하고 있는 내부의 와이어가 당겨지면서 배기 밸브가 열리게 되면 공기가 급격하게 배기되고, 곧바로 탄성에너지가 운동에너지로 전환되면서 빠른 응답성과 고수축비/고수축력을 구현할 수 있는, 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, the tension spring and the highly elastic tube expand from the pressure energy of the air to store elastic energy, limit the expansion of the radius from the outer non-elastic sleeve made of non-elastic material, and the part that is folded in the form of an origami in the longitudinal direction. When the exhaust valve is opened as the exhaust valve is opened as the inner wire that limits tension is pulled, the air is rapidly exhausted, and the elastic energy is immediately converted into kinetic energy, resulting in quick response and high contraction ratio/ Its purpose is to provide a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy capable of realizing high contractile force and an operating method thereof.

본 발명의 실시예에 따르면, 고수축비를 가지는 인장 스프링, 고탄성 튜브, 그리고 획기적으로 배기속도를 개선할 수 있는 motion-triggered exhaust valve로 인해서 높은 응답성과 고수축비/고수축력을 가지는, 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, a tension spring with a high contraction ratio, a high elasticity tube, and a motion-triggered exhaust valve that can dramatically improve the exhaust speed provide high responsiveness and elastic energy with a high contraction ratio / high contraction force. The purpose is to provide a pneumatic artificial muscle unit and its operation method using.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems that are not mentioned will become clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.

본 발명의 제1목적은, 공압인공근육 유닛에 있어서, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브; 상기 비탄성슬리브 일단에 연결되어 기체가 주입되는 기체주입부; 상기 비탄성슬리브 타단에 연결되어 배기모드시 상기 비탄성슬리브 내부에 유입된 기체가 배기되는 배기밸브; 및 상기 비탄성슬리브 내에, 상기 기체주입부와 상기 배기밸브 사이에 구비되는 인장 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛으로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is a pneumatic artificial muscle unit comprising: an inelastic sleeve that performs contraction and expansion movements in the longitudinal direction; a gas injection unit connected to one end of the non-elastic sleeve to inject gas; an exhaust valve connected to the other end of the inelastic sleeve and through which gas introduced into the inelastic sleeve is exhausted in an exhaust mode; It can be achieved as a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that it includes; and a tension spring provided between the gas injection unit and the exhaust valve in the non-elastic sleeve.

그리고 상기 비탄성 슬리브 내에, 일단은 상기 기체주입부에 연결되고 타단은 상기 배기밸브에 연결되는 탄성튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. Further, an elastic tube having one end connected to the gas injection unit and the other end connected to the exhaust valve may be further included in the non-elastic sleeve.

또한 상기 기체주입부를 통해 기체가 주입되면, 상기 탄성튜브 내로 공급되어 팽창되고 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되고, 상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 상기 인장스프링에 탄성에너지가 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, when gas is injected through the gas injection unit, it is supplied into the elastic tube and expanded, elastic energy is stored by the expansion of the elastic tube, and the inelastic sleeve expands in the longitudinal direction to store elastic energy in the tension spring that can be characterized.

그리고 상기 탄성튜브나 인장 스프링은 복수개의 병렬로 배치되어 구동기의 힘을 증가시킬 수 있으며, 단계별로 슬랙(slack)이 되도록 설치되어 가변 강성을 가지는 구동기를 설계할 수 있다.In addition, a plurality of the elastic tubes or tension springs may be arranged in parallel to increase the force of the actuator, and may be installed to be slack in stages to design an actuator having variable rigidity.

그리고 상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 배기밸브 내의 개폐부재를 개방시키는 트리거 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And it may further include a trigger means for opening the opening/closing member in the exhaust valve when the inelastic sleeve reaches a set expansion length.

또한 상기 트리거 수단은 일측끝단이 상기 기체주입부 측에 고정되고, 타측 끝단은 상기 개폐부재에 고정되는 와이어를 포함하고, 상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 와이어가 긴장되어 상기 개폐부재를 개방시키도록 작동되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the trigger means includes a wire having one end fixed to the gas injection unit and the other end fixed to the opening/closing member, and when the inelastic sleeve reaches a set expansion length, the wire is tensioned to open and close the opening/closing member. It may be characterized in that it is operated to open.

그리고 상기 배기밸브에는 상기 와이어가 긴장상태가 아닌 경우, 상기 개폐부재가 닫히도록 복원력을 인가하는 압축스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The exhaust valve may further include a compression spring for applying a restoring force to close the opening and closing member when the wire is not in a tension state.

또한 상기 비탄성슬리브는 반경방향 변형이 제한되고, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the inelastic sleeve may be characterized in that the deformation in the radial direction is limited and configured to contract and expand in the longitudinal direction.

그리고 상기 비탄성슬리브는 주름관 형태로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the inelastic sleeve may be characterized in that it is configured in the form of a corrugated pipe.

본 발명의 제2목적은 공압인공근육 유닛의 작동방법에 있어서, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브 일단에 연결된 기체주입부를 통해 기체가 주입되는 제1단계; 상기 비탄성 슬리브 내의 탄성튜브 내로 기체가 공급되어 팽창되고, 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되는 제2단계; 및 상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 인장스프링에 탄성에너지가 저장되는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is a method for operating a pneumatic artificial muscle unit, comprising: a first step of injecting gas through a gas injection unit connected to one end of an inelastic sleeve that undergoes contraction and expansion movements in the longitudinal direction; a second step of supplying and expanding gas into the elastic tube in the non-elastic sleeve, and storing elastic energy by the expansion of the elastic tube; and a third step of expanding the non-elastic sleeve in the longitudinal direction to store elastic energy in the tension spring.

그리고 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 상기 비탄성슬리브는 반경방향 팽창은 제한되고 길이방향으로 팽창되어지는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the non-elastic sleeve may be expanded in the longitudinal direction while limiting expansion in the radial direction by the expansion of the elastic tube.

또한 상기 배기밸브가 개방되어 기체가 배기되고 동시에, 상기 탄성튜브의 탄성에너지와 상기 인장스프링의 탄성에너지가 운동에너지로 변환되어 상기 비탄성슬리브를 길이방향으로 수축, 압축시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, a fourth step of opening the exhaust valve to exhaust gas and simultaneously converting the elastic energy of the elastic tube and the elastic energy of the tension spring into kinetic energy to contract and compress the inelastic sleeve in the longitudinal direction. can be characterized.

그리고 상기 제4단계에서, 상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 트리거 수단에 의해 상기 배기밸브 내의 개폐부재를 개방되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the fourth step, when the inelastic sleeve reaches a set expansion length, the opening/closing member in the exhaust valve is opened by a trigger means.

또한 상기 트리거 수단은 일측끝단이 상기 기체주입부 측에 고정되고, 타측 끝단은 상기 개폐부재에 고정되는 와이어를 포함하고, 상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 와이어가 인장되어 상기 개폐부재를 개방시키도록 작동되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the trigger means includes a wire having one end fixed to the gas injection unit and the other end fixed to the opening/closing member, and when the inelastic sleeve reaches a set inflation length, the wire is tensioned to break the opening/closing member. It may be characterized in that it is operated to open.

본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 따르면, 일반 수축형 공압인공근육과는 다르게 공압인공근육을 길이방향으로 인장시키면 인장 스프링의 특성을 가지는 공압인공근육이 탄성에너지를 크게 저장할 수 있게 되고, 저장한 탄성에너지를 압축 구동에 사용하면, passive element의 빠른 응답 성질을 구동에 사용하여 응답성을 획기적으로 개선할 수 있는 효과를 갖는다. According to the pneumatic artificial muscle unit using elastic energy and its operating method according to an embodiment of the present invention, unlike general contraction-type pneumatic muscles, when the pneumatic artificial muscle is stretched in the longitudinal direction, the pneumatic artificial muscle having the characteristics of a tension spring It is possible to store a large amount of elastic energy, and when the stored elastic energy is used for compression driving, the fast response property of the passive element is used for driving, which has the effect of dramatically improving responsiveness.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 따르면, 구동기의 큰 힘을 위해서 강한 인장 스프링, 탄성튜브, 그리고 사람이나 로봇의 모션에 의해 작동하는 배기밸브를 사용하여, 매우 빠르고 강한 수축력/수축비를 낼 수 있는 효과를 갖는다.And according to the pneumatic artificial muscle unit using elastic energy and its operating method according to an embodiment of the present invention, a strong tension spring, an elastic tube, and an exhaust valve operated by the motion of a human or robot are used for a large force of the actuator. Thus, it has the effect of producing a very fast and strong contraction force/contraction ratio.

본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 따르면, 인장 스프링과 고탄성 튜브는 공기의 압력 에너지로부터 팽창하여 탄성 에너지를 저장하게 되고, 비탄성 재질의 외부 비탄성 슬리브로부터 반지름의 팽창은 제한하고 길이방향은 오리가미 형태로 접혀있던 부분이 펴지면서 탄성 에너지를 최대로 저장하여, 인장을 제한하고 있는 내부의 와이어가 당겨지면서 배기 밸브가 열리게 되면 공기가 급격하게 배기되고, 곧바로 탄성에너지가 운동에너지로 전환되면서 빠른 응답성과 고수축비/고수축력을 구현할 수 있는 효과를 갖는다. 또한 복수개의 탄성 재질의 병렬적인 단계별 배치를 통하여 가변강성을 구현할 수 있다. According to the pneumatic artificial muscle unit using elastic energy and its operating method according to an embodiment of the present invention, the tension spring and the highly elastic tube expand from the pressure energy of the air to store elastic energy, and the radius from the outer inelastic sleeve made of inelastic material. When the exhaust valve is opened as the inner wire limiting tension is pulled, the elastic energy is stored as maximum as the part folded in the form of an origami is stretched in the longitudinal direction and the air is rapidly exhausted, and the elastic energy is immediately exhausted. As energy is converted into kinetic energy, it has the effect of realizing fast response and high contraction ratio/high contraction force. In addition, variable stiffness can be realized through the parallel arrangement of a plurality of elastic materials in stages.

본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛 및 그 작동방법에 따르면, 고수축비를 가지는 인장 스프링, 고탄성 튜브, 그리고 획기적으로 배기속도를 개선할 수 있는 motion-triggered exhaust valve로 인해서 높은 응답성과 고수축비/고수축력을 가지는 효과를 갖는다. According to the pneumatic artificial muscle unit using elastic energy and its operating method according to an embodiment of the present invention, a tension spring having a high contraction ratio, a highly elastic tube, and a motion-triggered exhaust valve that can dramatically improve the exhaust speed It has the effect of having high responsiveness and high shrinkage ratio/high shrinkage force.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법 흐름도,
도 3은 기체 주입 시작단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 4는 팽창 인장 단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 5는 배기단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 6은 수축, 압축 단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도,
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 close된 배기밸브의 단면도,
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 open 배기밸브의 단면도,
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육유닛이 엉덩이 측에 착용된 상태를 나타낸 모식도,
도 8b는 도 8a에서 팽창, 인장된 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육유닛의 모식도를 도시한 것이다.
The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention serve to further understand the technical idea of the present invention, the present invention is limited only to those described in the drawings. and should not be interpreted.
1 is a cross-sectional view of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention;
2 is a flowchart of a method of operating a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention;
3 is a cross-sectional view of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention at the start of gas injection;
Figure 4 is a cross-sectional view of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention in the expansion and tension step;
5 is a cross-sectional view of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention in an exhausting step;
6 is a cross-sectional view of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention in contraction and compression stages;
7a is a cross-sectional view of a closed exhaust valve according to an embodiment of the present invention;
7B is a cross-sectional view of an open exhaust valve according to an embodiment of the present invention;
8a is a schematic diagram showing a state in which a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention is worn on the hip side;
Figure 8b is a schematic diagram showing a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to the embodiment of the present invention expanded and stretched in Figure 8a.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be directly formed on the other element or a third element may be interposed therebetween. Also, in the drawings, the thickness of components is exaggerated for effective description of technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, the shape of the illustrated drawings may be modified due to manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific shape shown, but also include changes in the shape generated according to the manufacturing process. For example, a region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have attributes, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of a region of a device and are not intended to limit the scope of the invention. Although terms such as first and second are used to describe various elements in various embodiments of the present specification, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. The terms 'comprises' and/or 'comprising' used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, several specific contents are prepared to more specifically describe the invention and aid understanding. However, readers who have knowledge in this field to the extent that they can understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not greatly related to the invention are not described in order to prevent confusion for no particular reason in explaining the present invention.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 구성, 기능 및 작동방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the configuration, function, and operation method of the pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다.First, FIG. 1 is a cross-sectional view of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 비탄성슬리브(10), 탄성튜브(20), 기체주입부(30), 배기밸브(50), 인장스프링(40) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 1, the pneumatic artificial muscle unit 100 using elastic energy according to an embodiment of the present invention includes an inelastic sleeve 10, an elastic tube 20, a gas injection unit 30, and an exhaust valve 50. ), it can be seen that it can be configured to include a tension spring 40 and the like.

비탄성슬리브(10)는, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동할 수 있도록 구성된다. The inelastic sleeve 10 is configured to perform contraction and expansion movements in the longitudinal direction.

즉, 비탄성슬리브(10)는 반경방향 변형은 제한되고, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하도록 구성된다. 본 발명의 구체적 실시예에서 비탄성슬리브(10)는 오리가미 형식인 주름관 형태로 구성될 수 있다. That is, the non-elastic sleeve 10 is configured to perform contraction and expansion movements in the longitudinal direction while limiting deformation in the radial direction. In a specific embodiment of the present invention, the non-elastic sleeve 10 may be configured in the form of an origami corrugated pipe.

기체주입부(30)는 비탄성슬리브(10) 일단에 연결되어 기체가 주입되어 내부로 공급될 수 있도록 구성된다. 기체주입부(10)는 기체주입수단, 기체공급원 등에 연결되어 기체가 주입되는 유입부(31)와, 주입된 기체가 공압인공근육 유닛(100) 내부로 공급되도록 연결된 공급부(32)를 포함하여 구성된다. The gas injection unit 30 is connected to one end of the non-elastic sleeve 10 so that gas can be injected and supplied to the inside. The gas injection unit 10 includes an inlet 31 connected to a gas injection means, a gas supply source, etc. to inject gas, and a supply unit 32 connected to supply the injected gas into the pneumatic artificial muscle unit 100, It consists of

또한 배기밸브(50)는 비탄성슬리브(10) 타단에 연결되어 배기모드시 비탄성슬리브(10) 내부에 유입된 기체가 배기될 수 있도록 구성된다. 즉, 기체 주입모드, 팽창모드 시에는 내부 기체가 배기되지 않도록 폐쇄되고, 배기모드, 압축, 수축모드시 기체가 배치되도록 개폐부재(51)를 포함하여 구성된다. In addition, the exhaust valve 50 is connected to the other end of the non-elastic sleeve 10 so that gas introduced into the non-elastic sleeve 10 can be exhausted in the exhaust mode. That is, it is configured to include an opening/closing member 51 to be closed so that internal gas is not exhausted in the gas injection mode and expansion mode, and to dispose the gas in the exhaust mode, compression, and contraction modes.

그리고 인장스프링(40)은 비탄성슬리브(10) 내에, 기체주입부(30)와 배기밸브(50) 사이에 구비된다. The tension spring 40 is provided between the gas injection unit 30 and the exhaust valve 50 within the non-elastic sleeve 10 .

또한 탄성튜브(20)는 비탄성슬리브(10) 내에 구비되며, 일단은 기체주입부(30)에 연결되고 타단은 배기밸브(50)에 연결되게 된다. In addition, the elastic tube 20 is provided in the non-elastic sleeve 10, and one end is connected to the gas injection unit 30 and the other end is connected to the exhaust valve 50.

따라서 기체주입부(30)를 통해 기체가 주입되면, 탄성튜브(20) 내로 공급되어 팽창되고, 탄성튜브(20)의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되게 된다. Therefore, when gas is injected through the gas injection unit 30, it is supplied into the elastic tube 20 and expanded, and elastic energy is stored by the expansion of the elastic tube 20.

또한 탄성튜브(20)의 팽창에 의해 비탄성슬리브(10)는 반경방향으로의 팽창은 제한되고 길이방향으로만 팽창, 인장되어 인장스프링(40)이 인장되어 탄성에너지가 저장되게 된다. Also, by the expansion of the elastic tube 20, the expansion of the non-elastic sleeve 10 in the radial direction is restricted, and expansion and tension are limited only in the longitudinal direction, so that the tension spring 40 is stretched and elastic energy is stored.

그리고 배기모드가 진행되면, 배기밸브(50)가 개방되어 내부 기체가 배기되고 동시에, 탄성튜브(20)의 탄성에너지와 인장스프링(40)의 탄성에너지가 운동에너지로 변환되어 비탄성슬리브(10)를 길이방향으로 수축, 압축시키게 된다. 이때, 배기밸브(50)가 열리면 급격히 공기가 배기되면서 곧바로 탄성에너지가 운동에너지로 전환되면서 빠른 응답성과 고수축비/고수축력을 구현하게 된다. And when the exhaust mode progresses, the exhaust valve 50 is opened and the internal gas is exhausted, and at the same time, the elastic energy of the elastic tube 20 and the elastic energy of the tension spring 40 are converted into kinetic energy, so that the non-elastic sleeve 10 is contracted and compressed in the longitudinal direction. At this time, when the exhaust valve 50 is opened, air is rapidly exhausted, and elastic energy is immediately converted into kinetic energy, realizing fast response and high contraction ratio/high contraction force.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 비탄성슬리브(10)가 설정된 팽창길이에 도달하면 배기밸브(50) 내의 개폐부재(51)를 개방시키는 트리거 수단을 포함하여 구성될 수 있다. In addition, according to the embodiment of the present invention, when the non-elastic sleeve 10 reaches the set expansion length, a trigger means for opening the opening/closing member 51 in the exhaust valve 50 may be included.

본 발명의 실시예에 따른 트리거 수단은 도 1에 도시된 바와 같이, 일측끝단이 기체주입부(30) 측에 고정되고, 타측 끝단은 개폐부재(51)에 고정되는 와이어(60)로 구성될 수 있다. 이러한 와이어(60)는 구동기의 인장, 팽창 전 느슨한 형태로 연결되며, 비탄성슬리브(10)가 설정된 팽창길이에 도달하면 와이어(60)가 긴장되어 개폐부재(51)를 개방시키도록 작동되게 된다. 와이어(60)가 긴장에 도달하게 되는 길이는 설정된 팽창길이에 부합되게 된다. As shown in FIG. 1, the trigger means according to an embodiment of the present invention is composed of a wire 60 having one end fixed to the gas injection unit 30 and the other end fixed to the opening/closing member 51. can The wire 60 is connected in a loose form before tension and expansion of the actuator, and when the non-elastic sleeve 10 reaches a set expansion length, the wire 60 is tensioned and operated to open the opening and closing member 51. The length at which the wire 60 reaches tension corresponds to the set expansion length.

또한 배기밸브(50)에는 와이어(60)가 긴장상태가 아닌 경우, 개폐부재(51)가 닫히도록 복원력을 인가하는 압축스프링(52)을 포함하여 구성된다. In addition, the exhaust valve 50 includes a compression spring 52 for applying a restoring force so that the opening and closing member 51 is closed when the wire 60 is not in a tension state.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법 흐름도를 도시한 것이다. Hereinafter, a method of operating a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention will be described. Figure 2 shows a flow chart of an operating method of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention.

먼저, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브(10) 일단에 연결된 기체주입부(30)를 통해 기체가 주입되게 된다(S1). First, gas is injected through the gas injection unit 30 connected to one end of the inelastic sleeve 10 that undergoes contraction and expansion in the longitudinal direction (S1).

기체가 주입되어 내부로 공급되게 됨으로서, 탄성튜브(20)가 팽창되고 탄성튜브(20)의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되게 된다(S2). 도 3은 기체 주입 시작단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다. As gas is injected and supplied to the inside, the elastic tube 20 expands and elastic energy is stored by the expansion of the elastic tube 20 (S2). 3 is a cross-sectional view of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention at the start of gas injection.

그리고 탄성튜브(20)가 팽창되게 됨으로써, 비탄성슬리브(10)는 탄성튜브(20)의 반경방향 팽창을 제한하고, 오리가미 형식으로 접혀 있기 때문에 길이방향으로의 팽창을 유도하게 된다. 비탄성슬리브(10)가 길이방향으로 팽창됨에 따라 인장스프링(40)이 인장되면서 탄성에너지를 저장하게 된다(S3). 도 4는 팽창 인장 단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다. In addition, as the elastic tube 20 expands, the non-elastic sleeve 10 limits the expansion of the elastic tube 20 in the radial direction, and induces expansion in the longitudinal direction because it is folded in an origami form. As the non-elastic sleeve 10 expands in the longitudinal direction, the tension spring 40 is stretched and stores elastic energy (S3). 4 is a cross-sectional view of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention in an expansion/tension step.

이러한 팽창모드는 비탄성슬리브(10)가 설정된 인장길이에 도달할 때까지 지속되게 된다(S4). This expansion mode is continued until the inelastic sleeve 10 reaches the set tensile length (S4).

그리고 배기, 압축모드에서는 배기밸브(50)가 개방되어 기체가 배기되고(S5) 동시에, 탄성튜브(20)의 탄성에너지와 인장스프링의 탄성에너지가 운동에너지로 변환되어(S6) 비탄성슬리브(10)를 길이방향으로 수축, 압축시키게 된다(S7). 즉, 배기밸브(50)가 열리면 급격히 공기가 배기되면서 곧바로 탄성에너지가 운동에너지로 전환되면서 빠른 응답성과 고수축비/고수축력을 구현하게 된다. 도 5는 배기단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 수축, 압축 단계에서의 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 단면도를 도시한 것이다. In the exhaust and compression mode, the exhaust valve 50 is opened to exhaust the gas (S5), and at the same time, the elastic energy of the elastic tube 20 and the elastic energy of the tension spring are converted into kinetic energy (S6), and the inelastic sleeve 10 ) is contracted and compressed in the longitudinal direction (S7). That is, when the exhaust valve 50 is opened, air is rapidly exhausted, and elastic energy is immediately converted into kinetic energy, realizing fast response and high contraction ratio/high contraction force. 5 is a cross-sectional view of a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention in an exhausting step. And Figure 6 shows a cross-sectional view of the pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention in the contraction and compression stages.

이때, 본 발명의 실시예에서는 비탄성슬리브(10)가 설정된 팽창길이에 도달하면 트리거 수단에 의해 배기밸브(50) 내의 개폐부재(51)를 개방되도록 구성될 수 있다. At this time, in the embodiment of the present invention, when the non-elastic sleeve 10 reaches the set expansion length, the opening/closing member 51 in the exhaust valve 50 may be opened by a trigger means.

본 발명의 실시예에 따른 트리거 수단은 일측끝단이 기체주입부(30) 측에 고정되고, 타측 끝단은 개폐부재(51)에 고정되는 와이어(60)를 포함하여 구성될 수 있다. The trigger means according to an embodiment of the present invention may include a wire 60 having one end fixed to the gas injection unit 30 and the other end fixed to the opening/closing member 51 .

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 close된 배기밸브의 단면도를 도시한 것이다. 또한 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 open 배기밸브의 단면도를 도시한 것이다. 7A is a cross-sectional view of a closed exhaust valve according to an embodiment of the present invention. 7B is a cross-sectional view of an open exhaust valve according to an embodiment of the present invention.

도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 비탄성슬리브(!0)가 설정된 팽창길이에 도달하면 와이어(60)가 인장되어 개폐부재(51)를 개방시키도록 작동됨을 알 수 있다. 이러한 와이어(60)는 인장, 팽창 전 느슨한 형태로 연결되며, 비탄성슬리브(10)가 설정된 팽창길이에 도달하면 와이어(60)가 긴장되어 개폐부재(51)를 개방시키도록 작동되게 된다. 와이어(60)가 긴장에 도달하게 되는 길이는 설정된 팽창길이에 부합되게 된다. 또한 배기밸브(50)에는 와이어(60)가 긴장상태가 아닌 경우, 개폐부재(51)가 닫히도록 복원력을 인가하는 압축스프링(52)을 포함하여 구성된다. As shown in FIGS. 7A and 7B , it can be seen that when the inelastic sleeve !0 reaches the set expansion length, the wire 60 is tensioned and operated to open the opening/closing member 51 . These wires 60 are connected in a loose form before tension and expansion, and when the non-elastic sleeve 10 reaches a set expansion length, the wires 60 are tensioned and operated to open the opening/closing member 51 . The length at which the wire 60 reaches tension corresponds to the set expansion length. In addition, the exhaust valve 50 includes a compression spring 52 for applying a restoring force so that the opening and closing member 51 is closed when the wire 60 is not in a tension state.

도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육유닛이 엉덩이 측에 착용된 상태를 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 그리고 도 8b는 도 8a에서 팽창, 인장된 본 발명의 실시예에 따른 탄성에너지를 이용한 공압인공근육유닛의 모식도를 도시한 것이다. Figure 8a is a schematic diagram showing a state in which the pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to an embodiment of the present invention is worn on the hip side. And Figure 8b shows a schematic diagram of the pneumatic artificial muscle unit using elastic energy according to the embodiment of the present invention expanded and stretched in Figure 8a.

도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공압인공근육 유닛(100)을 웨어러블 슈트에서 hip extension을 보조하는 구동기로 사용할 경우에 허벅지를 앞으로 드는 과정에서 구동기 입장에서는 길이변화가 생기게 된다(구동기가 더 길어져야 함). As shown in FIGS. 8A and 8B , when the pneumatic artificial muscle unit 100 according to the embodiment of the present invention is used as an actuator for assisting hip extension in a wearable suit, the actuator length changes in the process of lifting the thigh forward (actuator must be longer).

그리고 허벅지(1)의 움직임에 맞도록 와이어(60) 길이를 선정하면 허벅지를 앞으로 드는 과정에서 와이어(60)가 당겨지게 되면서 배기밸브(50)를 패시브하게 열어 주어 추가적인 전자적 밸브가 필요 없게 된다. 또한 허벅지(1)가 내려와서 와이어(60)에 슬랙이 발생하면, 배기밸브(50)는 다시 압축 스프링(52)으로 인해 닫히게 된다.In addition, if the length of the wire 60 is selected to match the movement of the thigh 1, the wire 60 is pulled in the process of lifting the thigh forward, opening the exhaust valve 50 passively, so that an additional electronic valve is not required. Also, when the thigh 1 comes down and slack occurs in the wire 60, the exhaust valve 50 is closed again by the compression spring 52.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the device and method described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made. may be configured.

1:착용자
2:앵커
10:비탄성슬리브
20:탄성튜브
30:기체주입부
31:유입부
32:공급부
40:인장스프링
41:스프링고정단
42:스프링고정부
50:배기밸브
51:개폐부재
60:와이어
100:탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛
1: wearer
2: Anchor
10: non-elastic sleeve
20: elastic tube
30: gas injection unit
31: inlet
32: supply unit
40: tension spring
41: spring fixing end
42: spring fixing part
50: exhaust valve
51: opening and closing member
60: wire
100: Pneumatic artificial muscle unit using elastic energy

Claims (14)

공압인공근육 유닛에 있어서,
길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브;
상기 비탄성슬리브 일단에 연결되어 기체가 주입되는 기체주입부;
상기 비탄성슬리브 타단에 연결되어 배기모드시 상기 비탄성슬리브 내부에 유입된 기체가 배기되는 배기밸브;
상기 비탄성슬리브 내에, 상기 기체주입부와 상기 배기밸브 사이에 구비되는 인장 스프링;
상기 비탄성 슬리브 내에, 일단은 상기 기체주입부에 연결되고 타단은 상기 배기밸브에 연결되는 탄성튜브;
상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 배기밸브 내의 개폐부재를 개방시키는 트리거 수단; 및
상기 트리거 수단은 일측끝단이 상기 기체주입부 측에 고정되고, 타측 끝단은 상기 개폐부재에 고정되는 와이어;를 포함하고,
상기 기체주입부를 통해 기체가 주입되면, 상기 탄성튜브 내로 공급되어 팽창되고 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되고, 상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 상기 인장스프링에 탄성에너지가 저장되며,
상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 와이어가 긴장되어 상기 개폐부재를 개방시키도록 작동되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
In the pneumatic artificial muscle unit,
An inelastic sleeve that contracts and expands in the longitudinal direction;
a gas injection unit connected to one end of the non-elastic sleeve to inject gas;
an exhaust valve connected to the other end of the inelastic sleeve and through which gas introduced into the inelastic sleeve is exhausted in an exhaust mode;
a tension spring provided between the gas injection part and the exhaust valve in the non-elastic sleeve;
an elastic tube having one end connected to the gas injection unit and the other end connected to the exhaust valve in the inelastic sleeve;
a trigger means for opening an opening/closing member within the exhaust valve when the inelastic sleeve reaches a set expansion length; and
The trigger means includes a wire having one end fixed to the gas injection unit and the other end fixed to the opening and closing member,
When gas is injected through the gas injection unit, it is supplied into the elastic tube and expanded, elastic energy is stored by expansion of the elastic tube, and elastic energy is stored in the tension spring by expanding the inelastic sleeve in the longitudinal direction,
The pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that when the non-elastic sleeve reaches the set expansion length, the wire is tensioned and operated to open the opening and closing member.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 탄성튜브와 인장스프링의 복수개의 단계적/병렬적인 배치를 통해 가변 강성 및 고수축력을 구현하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
According to claim 1,
A pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that for implementing variable stiffness and high contractile force through a plurality of stepwise / parallel arrangements of the elastic tube and the tension spring.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 배기밸브에는 상기 와이어가 긴장상태가 아닌 경우, 상기 개폐부재가 닫히도록 복원력을 인가하는 압축스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
According to claim 1,
The pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that the exhaust valve further comprises a compression spring for applying a restoring force to close the opening and closing member when the wire is not in a tension state.
제 1항에 있어서,
상기 비탄성슬리브는 반경방향 변형이 제한되고, 길이방향으로 수축운동과 팽창운동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
According to claim 1,
The inelastic sleeve is a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that the deformation in the radial direction is limited, and configured to contract and expand in the longitudinal direction.
제 8항에 있어서,
상기 비탄성슬리브는 주름관 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛.
According to claim 8,
The inelastic sleeve is a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that configured in the form of a corrugated pipe.
제 1항에 따른 공압인공근육 유닛의 작동방법에 있어서,
길이방향으로 수축운동과 팽창운동하는 비탄성슬리브 일단에 연결된 기체주입부를 통해 기체가 주입되는 제1단계;
상기 비탄성 슬리브 내의 탄성튜브 내로 기체가 공급되어 팽창되고, 상기 탄성튜브의 팽창에 의해 탄성에너지가 저장되는 제2단계; 및
상기 비탄성슬리브가 길이방향으로 팽창되어 인장스프링에 탄성에너지가 저장되는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.
In the operating method of the pneumatic artificial muscle unit according to claim 1,
A first step of injecting gas through a gas injection unit connected to one end of an inelastic sleeve that undergoes contraction and expansion in the longitudinal direction;
a second step of supplying and expanding gas into the elastic tube in the non-elastic sleeve, and storing elastic energy by the expansion of the elastic tube; and
A method of operating a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that it comprises a; third step of expanding the inelastic sleeve in the longitudinal direction and storing elastic energy in the tension spring.
제 10항에 있어서,
상기 탄성튜브의 팽창에 의해 상기 비탄성슬리브는 반경방향 팽창은 제한되고 길이방향으로 팽창되어지는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.
According to claim 10,
The method of operating a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that the expansion of the inelastic sleeve is limited in the radial direction and expanded in the longitudinal direction by the expansion of the elastic tube.
제 11항에 있어서,
배기밸브가 개방되어 기체가 배기되고 동시에, 상기 탄성튜브의 탄성에너지와 상기 인장스프링의 탄성에너지가 운동에너지로 변환되어 상기 비탄성슬리브를 길이방향으로 수축, 압축시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.
According to claim 11,
and a fourth step of contracting and compressing the inelastic sleeve in the longitudinal direction by opening the exhaust valve to exhaust gas and converting the elastic energy of the elastic tube and the elastic energy of the tension spring into kinetic energy. A method of operating a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy to
제 12항에 있어서,
상기 제4단계에서,
상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 트리거 수단에 의해 상기 배기밸브 내의 개폐부재를 개방되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.
According to claim 12,
In the fourth step,
A method of operating a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that the opening and closing member in the exhaust valve is opened by a trigger means when the inelastic sleeve reaches the set expansion length.
제 13항에 있어서,
상기 트리거 수단은 일측끝단이 상기 기체주입부 측에 고정되고, 타측 끝단은 상기 개폐부재에 고정되는 와이어를 포함하고,
상기 비탄성슬리브가 설정된 팽창길이에 도달하면 상기 와이어가 인장되어 상기 개폐부재를 개방시키도록 작동되는 것을 특징으로 하는 탄성에너지를 이용한 공압인공근육 유닛의 작동방법.



According to claim 13,
The trigger means includes a wire having one end fixed to the gas injection unit and the other end fixed to the opening/closing member,
The method of operating a pneumatic artificial muscle unit using elastic energy, characterized in that when the non-elastic sleeve reaches the set expansion length, the wire is tensioned and operated to open the opening and closing member.



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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011106529A (en) * 2009-11-14 2011-06-02 Sunport Sekkei Kk Hydraulically driven actuator, hydraulically driven actuator unit incorporating the same, and hydraulically driven robot assembled with them
JP6632077B2 (en) * 2014-12-11 2020-01-15 R.U.Technologies株式会社 Assist device, assist clothing, and assist method

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200213140Y1 (en) * 2000-09-05 2001-02-15 김관국 A solenoid valve
JP4121919B2 (en) * 2003-09-08 2008-07-23 松下電器産業株式会社 Expansion / contraction structure and control device for expansion / contraction structure
JP4310438B2 (en) * 2003-11-10 2009-08-12 神田通信工業株式会社 Hydraulic actuator
KR101566758B1 (en) 2014-11-19 2015-11-09 현대자동차 주식회사 Adjusting apparatus for multi joint spine of human dummy
KR101563105B1 (en) 2015-01-07 2015-10-26 성균관대학교산학협력단 Parallel type pneumatic artificial muscles actuator
KR101864583B1 (en) 2016-06-08 2018-06-05 경북대학교 산학협력단 A brace for lumbar degenerative kyphosis
KR102177307B1 (en) 2018-09-10 2020-11-10 주식회사 아이원바이오 Calibration device which combines strength training position

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011106529A (en) * 2009-11-14 2011-06-02 Sunport Sekkei Kk Hydraulically driven actuator, hydraulically driven actuator unit incorporating the same, and hydraulically driven robot assembled with them
JP6632077B2 (en) * 2014-12-11 2020-01-15 R.U.Technologies株式会社 Assist device, assist clothing, and assist method

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