KR200257807Y1 - 의수의 파지력 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 팔 절단된 장애인이 인공 의수를 착용한 상태에서 이를 사용하여 물체를 잡을 경우, 인공 의수로부터 물체에 가해지는 파지력을 자동으로 감지하여 제어해 주기 위한 파지력 제어장치에 관한 것이다.
본 고안은 의수, 모터 회전방향 제어부 및 파지력 제어부로 구성하되, 상기 의수는 관절의 회전에 상응하는 전기적 신호를 발생시킬 수 있도록 구성되며, 상기 모터 회전방향 제어부는 근전도 센서 출력부에서 출력되는 2가지 신호(CW, CCW)가 Exclusive-OR 게이트 및 NAND 게이트 등을 거쳐 S-R 플립플롭에 입력되며, 상기 파지력 제어부는 반전기와 비반전기에 의수의 신호가 인가되고 상기 전압은 토크 제어부에 입력된 후, 상기 반전기 및 비반전기의 출력은 2 to 1 멀티플렉서에 인가되고, 상기 모터 회전방향 제어부의 출력신호는 상기 2 to 1 멀티플렉서의 선택신호단에 인가되며, 상기 2 to 1 멀티플렉서 및 토크 제어부의 출력단은 의수를 구동시키는 서보모터의 구동전원단 및 토크제어단에 입력됨을 특징으로 한다.
따라서 본 고안에 의하면 관절의 회전에 따른 신호와 근전도 센서 출력신호의 계속적인 피드백에 의하여 모터의 회전방향과 속도, 토크를 조절함으로써 자동으로 정확한 파지력 제어가 가능하며, 그 구성요소가 소형.경량 전자부품이므로 크기 및 무게는 소형.경량화할 수 있고, 고장 발생도 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

의수의 파지력 제어장치
본 고안은 팔 절단된 장애인이 인공 의수를 착용한 상태에서 이를 사용하여 물체를 잡을 경우, 인공 의수로부터 물체에 가해지는 파지력을 자동으로 감지하여 제어해 주기 위한 파지력 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 의수의 파지동작은 물체를 잡으려고 할 때 사용되는 근육의 근전도 신호를 신호원으로 하여 별도의 전원에 의하여 구동되는 모터, 실린더 등의 구동수단이 작동되는 동안에만 파지를 위한 관절운동이 이루어지고, 상기 근전도 신호가 소멸되면 관절운동도 정지되어 물체의 파지상태를 유지되도록 하는 것인데, 상기 관절 또는 그 전.후단의 관절에는 일반적으로 스프링 등의 완충소재가 설치된 상태에서 약간의 유격을 가지도록 구성되어 있어 물체의 파손 방지를 보조하도록 되어 있다.
그런데, 종래의 의수에 있어서는 의수가 물체를 어느정도의 힘으로 파지하고 있는지 전혀 검사 및 피드백하지 않고 있었으며, 오직 시각에 의해 포착된 물체의 크기, 형상, 중량, 재질 등을 종합 고려하여 의수 착용자가 직감에 의하여 근전도 신호를 발생.인가하였으므로 정확한 근전도 신호의 발생.인가가 어려워 파지력의 과다 또는 부족의 문제가 발생하였는 바, 이때 상기 관절에 완충용의 스프링 등이 구비되어 있다 하더라도 의수의 파지력이 너무 강할 경우에는 파지되는 물체가 파손되고, 너무 약할 경우에는 물체를 떨어뜨리게 되는 문제점이 있었다.
따라서 본 고안은 의수(10)의 파지력의 강약 정도에 따라 서보모터(13)의 회전방향 및 속도, 토크를 자동으로 피드백 제어함으로써 정확한 파지력을 제어할 수 있도록 함으로써 물체의 손상을 방지할 수 있는 파지력 제어장치를 제공하고자 하는 것이며, 특히 의수(10)는 장애자가 착용하여 사용하는 것이면서도 그 필수 구성요소로서 전원, 기계장치, 모터 등을 필요로 하므로 그 크기 및 무게는 소형.경량이어야 하며, 고장 발생의 가능성을 최소화하여 신뢰성이 높은 구성이어야 하므로, 상기 요구사항을 만족할 수 있는 의수(10)의 파지력 제어장치를 제공하고자 하는 것이다.
도1은 본 고안의 전체 구성도
도2는 본 고안의 의수의 세부 구성도 및 전압 설명도
도3은 본 고안의 모터 회전방향 제어부 및 파지력 제어부의 구성 예시도
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 의수 11 : 스프링(Spring)
12 : 가변저항(Variable Resistor) 13 : 서보모터(Servo motor)
20 : 모터 회전방향 제어부 21 : 근전도 센서 출력부
22 : Exclusive-OR 게이트 23 : NAND 게이트
24 : S-R 플립플롭
30 : 파지력 제어부 31 : 반전기
32 : 비반전기 33 : 2 to 1 멀티플렉서(Multiplexer)
34 : 토크(Torque) 제어부
상기 과제를 달성하기 위하여 본 고안은 도1에 도시한 바와 같이 의수(10), 모터 회전방향 제어부(20) 및 파지력 제어부(30)로 구성되어 있다.
상기 의수(10)는 도2에 도시한 바와 같이 그 구조에 있어서 엄지의 앞쪽 관절이 스프링(11)으로 지지되어 있기 때문에 물체를 잡지 않았을 경우에는 안쪽(CCW)으로 구부러져 있다가 물체를 파지하면 파지력의 증가에 따라 바깥쪽(CW)으로 벌어지도록 설계되어 있다. 이때 구부러지는 회전 중심부에는 가변저항(12)이 설치되고 그 양단에는 일정 전압(Vcc)이 인가되면 실제 저항치에 대하여 전압(VR)이 출력된다.
한편, 상기 모터 회전방향 제어부(20)는 도3에 도시한 바와 같이 근전도 센서 출력부(21), Exclusive-OR 게이트(22), NAND 게이트(23) 및 S-R 플립플롭(24)으로 구성되어 있는데, 상기 근전도 센서 출력부(21)에서 출력되는 2가지 신호, 즉 파지신호(CCW)와 개방신호(CW)는 2-입력 Exclusive-OR 게이트(22) 및 2개의 2-입력 NAND 게이트(23)의 각 1단에 입력되고, 상기 Exclusive-OR 게이트(22)의 출력은 상기 NAND 게이트(23)의 각 타단에 입력된다. 상기 Exclusive-OR 게이트(22)는 파지 또는 개방신호의 어느 한가지 동작 신호만이 입력된 경우를 검출하기 위한 것이다. 상기 NAND 게이트(23)의 파지신호(CCW)측 출력과 개방신호(CW)측 출력은 각각 S-R 플립플롭(24)의 S 및 R 입력단에 입력된다.
또한, 상기 파지력 제어부(30)는 반전기(31), 비반전기(32), 2 to 1 멀티플렉서(33) 및 토크 제어부(34)로 구성되는데, 상기 반전기(31)의 반전 입력단과 상기 비반전기(32)의 비반전 입력단에는 상기 의수(10)의 가변저항(12) 양단의 전압(VR)이 인가되고, 상기 의수(10)의 출력전압(VR)은 토크 제어부(34)에 입력된다.
한편, 상기 반전기(31) 및 비반전기(32)의 출력은 각각 2 to 1 멀티플렉서(33)의 A 및 B 입력단에 인가되고, 상기 S-R 플립플롭(24)의 출력신호는 상기 2 to 1 멀티플렉서(33)의 선택신호단에 인가되며, 마지막으로 상기 2 to 1 멀티플렉서(33) 및 토크 제어부(34)의 출력단은 의수(10)를 구동시키는 서보모터(13)의 구동전원단 및 토크제어단에 입력된다.
상기와 같이 구성된 본 고안의 작용을 설명하면, 먼저 물체를 파지할 때 물체와 의수(10)의 엄지 관절이 접촉되기 시작하면 스프링(11)에 의하여 안쪽(CCW)으로 구부러져 있던 관절은 바깥쪽(CW)으로 회전하게 되는데, 이때 그 회전의 양은 도2에 도시된 바와 같이 전체전압(VCC)에 비해 전체저항(RT)에 대한 실제저항(R)의 비 만큼의 전압강하(VR)에 의하여 표시된다.
[수학식 1]
따라서 만일 관절이 안쪽(CCW)으로 구부러지면 전압(VR)은 증가하고, 바깥쪽(CW)으로 벌어지면 전압(VR)은 감소하게 된다.
한편, 근전도 센서 출력부(21)의 2가지 신호, 즉 파지신호(CCW)와 개방신호(CW)는 모터 회전방향 제어부(20)에 입력되는데, 이때 Exclusive-OR 게이트(22)에 의하여 상기 2가지 신호 중 어느 한가지 신호만이 들어온 경우에만 NAND 게이트(23)의 두 출력값이 다르게 되어 S-R 플립플롭(24)이 동작된다. 즉, S-R 플립플롭(24)의 출력레벨은 근전도 센서 출력부(21)에 개방신호(CW)가 입력된 경우에는 High로, 파지신호(CCW)가 입력된 정우에는 Low로 반전된다.
또한, 서보모터(13)의 회전속도는 전압(VR)의 크기에 비례하도록 하고, 그 회전방향은 전압(VR)의 극성에 의해 제어되도록 하는데, 예를 들어 서보모터(13)가 정회전하여 관절이 안쪽(CCW)으로 오무려지고 있는 경우, 반대 극성의 전압(-VR)을 인가하면 서보모터(13)를 역회전시켜 관절이 바깥쪽(CW)으로 벌어지는 운동을 하도록 제어하는 메카니즘을 갖도록 설계하였다. 이를 위한 회로구성으로서, 먼저 상기 전압(VR)을 크기가 같고 극성이 다른 2개의 전원으로 분류하기 위해서 차동증폭기를 사용하는데, 반전기(31)를 거쳐서 음의 전압(-VR)을, 비반전기(32)를 거쳐서 양의 전압(VR)을 얻어서 각각을 2 to 1 멀티플렉서(33)의 입력단 A 및 B에 입력시키고, 상기 모터 회전방향 제어부(20)의 출력을 상기 2 to 1 멀티플렉서(33)의 선택신호단에 입력시킴으로써 상기 2 to 1 멀티플력서(33)의 출력은 양의 전압(VR) 또는 음의 전압(-VR)이 된다.
따라서 상기 서보모터(13)의 회전 방향은 모터 회전방향 제어부(20)의 출력에 의하여, 회전 속도는 상기 반전기(31) 또는 비반전기(32)의 출력 전압(VR)의 전압레벨에 의하여 결정되어 2 to 1 멀티플렉서(33)에서 종합되며, 한편 상기 전압(VR)이 인가된 토크 제어부(34)의 출력에 의하여 서보모터(13)의 회전 토크가 결정되므로, 상기 과정의 반복 피드백에 의하여 의수(10)의 파지력이 강할수록 서보모터(13)의 회전속도와 방향 및 토크를 반대방향이 되도록 인가하고, 파지력이 경미할 때는 서보모터(13)의 회전속도를 증가시켜 파지하는 관절의 운동을 빠르게 하며, 파지력이 증가함에 따라 서보모터(13)의 회전속도와 가해지는 토크를 감소시켜서 관절의 움직임을 느리게 하여 물체를 안전하게 파지할 수 있도록 제어된다.
따라서 본 고안에 의하면 관절의 회전에 따른 가변저항 양단의 전압강하의 변화와 근전도 센서 출력신호의 계속적인 피드백에 의하여 모터의 회전방향과 속도, 토크를 조절할 수 있으므로, 자동으로 의수(10)의 파지력의 강약 정도가 관절의 회전 정도에 따라 용이하게 제어될 수 있어서 정확한 파지력 제어가 가능하게 되는 효과가 있으며, 그 구성요소가 대부분 소형.경량 전자부품이므로 장애자가 착용.사용하기에 부담이 없을 정도로 그 크기 및 무게는 소형.경량화할 수 있고, 고장 발생도 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 의수의 파지력을 제어함에 있어서, 의수(10), 모터 회전방향 제어부(20) 및 파지력 제어부(30)로 구성하되, 상기 의수(10)는 관절의 회전에 상응하는 전기적 신호(VR)를 발생시킬 수 있도록 구성되며, 상기 모터 회전방향 제어부(20)는 근전도 센서 출력부(21)에서 출력되는 2가지 신호(CCW, CW)가 2-입력 Exclusive-OR 게이트(22) 및 2개의 2-입력 NAND 게이트(23)의 각 1단에 입력되고, 상기 Exclusive-OR 게이트(22)의 출력이 상기 NAND 게이트(23)의 각 타단에 입력된 후 상기 NAND 게이트(23)의 파지신호(CCW)측 출력과 개방신호(CW)측 출력은 각각 S-R 플립플롭(24)의 S 및 R 입력단에 입력되며, 상기 파지력 제어부(30)는 반전기(31)의 반전 입력단과 비반전기(32)의 비반전 입력단에 상기 의수(10)의 신호(VR)가 인가되고, 상기 전압(VR)은 토크 제어부(34)에 입력된 후, 상기 반전기(31) 및 비반전기(32)의 출력은 각각 2 to 1 멀티플렉서(33)의 입력단에 인가되고, 상기 모터 회전방향 제어부(20)의 출력신호는 상기 2 to 1 멀티플렉서(33)의 선택신호단에 인가되며, 상기 2 to 1 멀티플렉서(33) 및 토크 제어부(34)의 출력단은 의수(10)를 구동시키는 서보모터(13)의 구동전원단 및 토크제어단에 입력됨을 특징으로 하는 의수(101)의 파지력 제어장치
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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