KR20100018201A - 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수 - Google Patents

Abstract

본 발명은 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수에 관한 것으로, 홀더(100); 상기 홀더(100) 내에서 자유롭게 정위치 회전되며, 나선 스프링(300)이 변형력을 일정하게 유지하면서 권취된 상태로 감기거나 펴질 수 있는 수용공간을 제공하고, 외면부에 롤러(400)가 회전축(500)방향으로 관통가능한 홈부가 형성된 하우징(200); 상기 나선 스프링(300)의 중앙부가 고정되며, 모터(510)에 연동회전되는 축(500); 및 베어링 결합으로 상기 축(500)과 연결되고, 손가락의 링크에 힌지연결되며, 상기 하우징(200)에 연동이동되는 상기 롤러(400)와 접속되어 회전력을 전달받아 상기 하우징(200)과 함께 회전이동가능하면서도, 외부토크에 의해 회전되는 경우 상기 롤러(400)가 상기 홀더(100)와의 사이에 끼어 회전상태가 정지되며 상기 하우징(200)측으로 회전력을 전달할 수 없는 형상의 캠 표면을 가지는 피구동판(600);을 포함하여 구성됨을 기술적 요지로 하여, 각각의 손가락들이 독립된 굴곡형태로 파지하게 되며, 상기 모터(510)의 구동 없이도 변형된 동작상태를 유지할 수 있으면서도 외부토크로 인한 임의의 작동을 차단할 수 있는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수에 관한 것이다.

다기능 근전의수, 언더엑츄에이티드 메커니즘, 적응파지, 자동 잠김

Description

새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수{Myoelectric hand with new adaptive grasping and self-locking mechanism}

본 발명은 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수에 관한 것으로, 보다 상세하게는 임의의 물체모양에 접촉면을 최대로 하여 안정적 파지를 제공할 수 있으며 자동 잠김 기능에 의해 배터리를 사용하는 근전의수의 에너지효율 문제를 해결 할 수 있는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수에 관한 것이다.

매년 질병이나 사고에 의한 후천적 장애인의 수가 증가하고 있으며, 세계적으로 이러한 지체 장애인들의 재활 및 정상적인 사회 복귀는 큰 사회적 문제로 대두되고 있다. 이에 따라, 재활기구 및 보조기에 관해 많은 연구가 이루어져 왔으며, 그 중 하나가 손이나 팔이 없는 장애인이 착용하는 인공의수로, 이러한 인공의수는 미관의수, 단순한 기능의수에서 모터구동에 의해 작동되는 전자의수까지 다양하게 개발되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 근전의수는 파지기능을 구현함에 있어서, 손가락 관절을 개별적으로 동작시키는데 따른 제어의 곤란성과 함께, 모터 장착 등에 따른 근전의수 적용에 필수적인 소형, 경량화 문제, 배터리를 사용하는 근전의수의 에너지효율 문제 등을 효과적으로 해결하지 못하고 있는 실정이다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 파지기능을 구현함에 있어서, 손가락 관절을 개별적으로 동작시키는데 따른 제어의 곤란성과 함께, 모터 장착 등에 따른 근전의수 적용에 필수적인 소형, 경량화 문제, 배터리를 사용하는 근전의수의 에너지효율 문제 등을 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 중수지절골관절(metacarpophalangeal joint)에 설치되는 홀더(holder)(100); 상기 홀더(100) 내에서 자유롭게 정위치 회전되며, 나선 스프링(spiral spring)(300)이 변형력을 일정하게 유지하면서 권취된 상태로 감기거나 펴질 수 있는 수용공간을 제공하고, 외면부에 롤러(roller)(400)가 회전축(500)방향으로 관통가능한 홈부가 형성된 하우징(housing)(200); 상기 나선 스프링(300)의 중앙부가 고정되며, 모터(motor)(510)에 연동회전되는 축(shaft)(500); 및 베어링 결합으로 상기 축(500)과 연결되고, 손가락의 링크에 힌지연결되며, 상기 하우징(200)에 연동이동되는 상기 롤러(400)와 접속되어 회전력을 전달받아 상기 하우징(200)과 함께 회전이동가능하면서도, 외부토크에 의해 회전되는 경우 상기 롤러(400)가 상기 홀더(100)와의 사이에 끼어 회전상태가 정지되며 상기 하우징(200)측으로 회전력을 전달할 수 없는 형상의 캠 표면(cam surface)를 가지는 피구동판(600);을 포함하여 구성되어, 상기 나선 스프 링(300)의 변형력 유지에 의해 각각의 손가락들이 독립된 굴곡형태로 파지하게 되며, 상기 모터(510)의 구동 없이도 변형된 동작상태를 유지할 수 있으면서도 외부토크의 영향으로 굴곡상태가 임의로 변형되는 것이 차단되는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수를 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 피구동판(600)은, 상기 하우징(200) 양측에 쌍을 이루어 배치되며, 상기 롤러(400)는 상기 하우징(200)의 양측에 구비된 상기 피구동판(600)의 캠 표면에 일단부와 타단부가 접하도록 설치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 모터(510)와 축(500)을 연결하는 평기어(520)와 상기 축(500) 사이에, 상기 하우징(200)의 외면에 대응되는 외면형상을 가지는 제2구동판(미도시)과, 상기 피구동판(600)의 캠 표면 대응되는 외면형상을 가지는 제2피구동판(미도시)을 구비하여, 상기 나선 스프링(300)이 상기 모터(510)의 구동 없이도 회전변위를 유지할 수 있으면서도 외부토크의 상기 모터(510)측으로의 전달을 차단할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 손가락은, 손바닥에 가장 인접한 근위지골(proximal phalanx)에 해당되며, 4 링크 메커니즘에서 한 개 링크를 제거하고 상기 피구동판(600)의 힌지핀과 연결되는 근위지골부(10); 손가락의 중위지골(middle phalanx)에 해당되며, 4 링크 메커니즘으로 구성되고 삼각형 링크(50)를 통해 인접한 상기 근위지골부(10)와 연결되는 중위지골부(20); 및 손가락 끝에 위치하는 원위지골(distal phalanx)에 해당되며, 상기 중위지골부(20)의 4 링크 메커니즘과 연결되는 원위지골부(30);를 포함하여 구성되어, 상기 삼각형 링크(50)와의 연결구조에 의해 손가락 마디 사 이의 적응파지가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 손가락 중 엄지의 수근중수관절(carpometacarpal joint)은, 내전과 외전을 위해 방사형의 슬롯(slot)(711)을 가지는 별형 휠(star wheel)(710), 제2모터(550)에 연동회전되는 구동체(driver)(720), 상기 구동체(720)에 연동되어 상기 슬롯(711)에 삽탈되며 상기 별형 휠(710)을 회전조정시키는 제네바 롤러(roller)(730)를 구비한 제네바 메커니즘을 사용하고, 굴곡과 신전을 위해 상기 구동체(720)의 회전 운동을 직선운동으로 변환하는 크랭크-슬라이더 메커니즘을 복합시켜, 상기 구동체(720)를 회전구동시키는 상기 제2모터에 해당되는 하나의 모터(550)로 굴곡/신전과 함께 내전/외전에 해당되는 동작을 구현하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 손가락 중 엄지를 제외한 나머지 4개의 손가락은, 3개의 마디를 가지고, 하나의 상기 모터(510)에 해당되는 하나의 모터로 굴곡/신전에 해당되는 12 자유도를 구현하며, 상기 손가락 중 엄지는, 상기 제2모터(550)에 해당되는 다른 하나의 모터로 굴곡/신전과 내전/외전에 해당되는 4 자유도를 구현하도록 하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은, 손가락 관절 구조를 구성함에 있어서, 손가락 마디와 손가락 사이의 적응파지 기능을 위해 7 링크 메커니즘과 나선 스프링 메커니즘의 적용하여 임의의 물체모양에 접촉면을 최대로 하여 안정적인 적응파지 기능을 제공할 수 있으며, 하나의 모터를 이용하여 소형, 경량으로 구현가 능하다는 효과가 있다.

또한, 중수지절골관절에 나선 스프링과 함께 작용하여 자동 잠김 기능을 구현할 수 있는 롤러-캠 메커니즘의 개발로 배터리를 사용하는 근전의수의 에너지효율 문제를 해결할 수 있다는 다른 효과가 있다.

그리고, 엄지 설계에서는 수근중수관절에 하나의 모터를 이용하여 엄지의 굴곡/신전과 함께 내전/외전을 수행할 수 있도록 하는 제네바 & 크랭크-슬라이더 메커니즘을 적용함으로써, 안정적인 적응파지 기능을 제공함과 동시에, 모터 갯수의 최소화에 따른 소형화 및 경량화를 구현가능하다는 다른 효과가 있다.

이에 따라, 원형, 구형, 끝점 파지와 함께 측면, 고리 파지기능이 가능하며, 근전의수 적용에 필수적인 소형, 경량화 문제를 효과적으로 해결하고, 2개의 모터를 이용하여 16 자유도를 얻을 수 있다는 다른 효과가 있다.

또한, 다자유도 근전의수에 적합한 새로운 언더엑츄에이티드 메커니즘을 제시함으로써, 근전의수의 제작과정에서 얻어지는 언더엑츄에이티드 메커니즘, 센서기술, 제어기술을 로봇 손과 관련된 로봇기술분야 산업, 정밀 자동화 산업, 인공 손과 관련된 재활 산업 등에 광범위하게 기초기술로써 응용될 수 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수는, 5개의 손가락을 가진 근전의수로서 설계 개념에서 3가지의 기능적인 특징을 가진다.

첫째로, 엄지를 제외한 4개의 손가락은 적응파지 기능과 자동잠김 기능을 가 진다. 둘째로, 각 손가락에서 3개의 마디는 물체와의 접촉면을 최대로 하기 위하여 독립적으로 회전가능 하다. 셋째로, 엄지는 다른 손가락과 마찬가지로 적응파지가 가능한 3개의 마디를 가지고 있으며 수근중수관절(carpometacarpal joint)에서 굴곡/신전과 함께 내전/외전이 가능하다.

먼저, 손가락 사이의 적응파지 메커니즘에 대해 설명하기로 한다.

본 발명은 손가락 사이의 적응파지를 위하여 스프링을 이용한 언더엑츄에이티드 메커니즘을 제시한다. 상기 스프링을 이용한 언더엑츄에이티드 메커니즘에서는 나선 스프링(spiral spring)(300)을 도입함으로써 불규칙한 모양의 물체를 파지할 때 각각의 손가락들이 독립적인 파지기능을 가질 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 손가락은 중수지절골관절(metacarpophalangeal joint)에서 하우징(housing)(200)을 통해서 상기 나선 스프링(300)과 연결된다. 상기 하우징(200)은 상기 나선 스프링(300)을 일정공간에 감아 두는 역할을 하며, 상기 나선 스프링(300)이 일정한 변형력을 유지하도록 한다. 그리고, 상기 하우징(200)은 홀더(holder)(100) 내에서 자유로운 회전운동이 가능하다. 상기 나선 스프링(300)은 모터(motor)(510)에 의해 회전하는 축(shaft)(500)에 고정되어 있으며 모터(510)의 동력은 간단한 평 기어(spur gear set)에 의해 상기 축(500)으로 전달될 수 있다.

도 2는 상기 스프링을 이용한 언더엑츄에이티드 메커니즘을 적용하여 인공손이 적응파지 기능을 수행함에 있어서, 상기 나선 스프링(300)의 동작상태를 설명하 기 위해 도시한 것으로, 상기 나선 스프링(300)의 동작은 파지 형태에 따라 도달(reaching) 모드, 적응(adaptation) 모드, 동력파지(power grasp) 모드, 해지(release) 모드에 해당되는 4가지 모드로 구분된다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 도달모드는, 손가락의 관절들이 최대로 펴진 상태로부터 시작하여 물체와 접촉할 때까지 이루어진다. 상기 도달모드 동안 상기 나선 스프링(300)에는 약간의 휘어짐이 나타나고, 상기 모터(510)의 동력은 상기 하우징(200)과 홀더(100) 사이의 작은 마찰 손실을 가지고 손가락에 전달된다.

도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 적응모드에서는, 손가락이 물체와의 접촉하게 되고 계속해서 회전하는 상기 모터(510)에 의해 상기 나선 스프링(300)이 감기게 된다. 이때 움직임이 없는 손가락의 상기 나선 스프링(300)은 모터(510)의 동력을 상기 나선 스프링(300)의 감긴 길이에 비례하는 힘으로 저장하게 된다. 상기 적응모드에서 물체와 접촉하지 않은 다른 손가락들은 계속 구부려질 수 있으므로 손가락 사이의 적응파지 기능을 수행할 수 있다.

도 2의 (c)에 도시된 바와 같은 동력파지 모드는, 상기 모터(510)의 회전력이 직접적으로 손가락의 파지력으로 전달되는 것을 의미한다. 즉, 상기 나선 스프링(300)은 상기 축(500)의 직경까지 완전히 감기게 되므로 상기 나선 스프링(300)과 하우징(200)은 상기 축(500)과 손가락을 연결하는 고정 기구처럼 동작한다.

도 2의 (d)에 도시된 바와 같은 해지모드에서는, 손가락이 물체와 접촉하지 않게 되고 초기 위치로 되돌아간다. 상기 나선 스프링(300)은 동력파지와 반대로 상기 하우징(200)의 직경까지 풀리게 되고, 따라서 손가락은 상기 모터(510)의 역 회전에 의해 초기상태까지 펴질 수 있다.

다음으로, 손가락의 자동잠김 메커니즘에 대해 설명하기로 한다.

상기 서술한 바와 같은 스프링 메커니즘은 사용자가 손목과 팔을 움직일 경우 또는 파지한 물체의 무게가 변화할 경우, 외력에 의해 손가락이 펴지는 단점이 있어, 이러한 단점을 보완할 수 있는 잠김기능을 함께 구비하는 것이 바람직하며, 상기 모터(510)는 손가락이 물체를 파지하는 동안 지속적으로 토크를 공급해야만 하므로 배터리의 에너지 효율을 높일 수 있는 구조가 적용되는 것이 바람직하다.

상용화된 기존의 근전의수는 외력에 의해 손가락이 펴지는 현상을 막고 배터리의 에너지 효율을 높이기 위해 모터와 기어 박스 사이에 자동잠김(self locking) 구조를 제공하고 있기는 하나, 이러한 방법은 단지 손가락이 각각의 모터에 의해 직접 구동되는 구조에만 적용할 수 있다는 한계가 있었다.

본 발명은, 이러한 단점을 해결하기 위하여 새로운 형태의 자동잠김 메커니즘을 제안한다. 본 발명에 따른 자동잠김 메커니즘은 각각의 손가락과 상기 모터(510)에 적용가능하며, 조용하면서 강력한 단방향 클러치(one-way clutch) 기능구현하기 위하여, 즉, 모터측으로부터 전달된 구동력에 의해서는 구동되면서, 장치 외측으로부터 전달된 가압력에 의해서는 구동이 이루어지지 않도록 하기 위하여 캠-롤러(400) 메커니즘을 이용한다.

일반적인 캠-롤러 클러치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 구동모듈(inner member), 외부 구동모듈(outer member), 롤러(roller)로 이루어져 있으며, 상기 내 부 구동모듈은 상기 외부 구동모듈과 마주보는 면에 캠 표면(cam surface)를 가지며 상기 롤러를 끼우거나 빼는 역할을 수행하게 된다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 내부 구동모듈이 반시계 방향으로 회전하면, 상기 롤러들은 상기 내부 구동모듈과 외부 구동모듈 사이에서 단단하게 끼어 결합되며, 이에 따라 상기 내부 구동모듈과 외부 구동모듈은 반시계 방향으로 함께 회전하게 된다.

도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 내부 구동모듈이 시계방향으로 회전하거나 상기 외부 구동모듈이 상기 내부 구동모듈보다 빠른 속도로 회전하는 경우에는, 상기 롤러들이 내부와 외부 구동모듈 사이에서 끼이지 않고 자유롭게 회전함으로써 상기 내부 구동모듈과 외부 구동모듈 사이의 연결이 분리된다.

이에 대해, 본 발명은 캠-롤러 메커니즘의 원리를 이용하여 구동부가 피구동부를 양방향으로 회전시킬 수 있으며 반대의 경우는 불가능한 자동잠김 메커니즘을 제안한다. 도 4는 이러한 본 발명에 따른 캠-롤러(400) 메커니즘의 원리를 이용한 자동잠김 메커니즘의 이해를 돕기 위하여 개략적으로 도시한 것으로, 본 발명에 따른 자동잠김 메커니즘은 구동판(driving plate)(본 발명의 상기 하우징(200)에 해당, 이하 설명), 피구동판(drivenplate)(600), 외부모듈(outer member)(본 발명의 상기 홀더(100)에 해당, 이하 설명), 롤러(roller)(400)로 구성된다.

상기 구동판의 캠 표면은, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 외부모듈의 내부면과 동일한 곡률을 가지고 있으며, 상기 구동판의 캠 표면과 상기 외부모듈의 내부면 사이 거리는 상기 롤러(400)의 직경보다 크다.

반면에, 상기 피구동판(600)은, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 수평축과 수직축에 대하여 대칭으로 배열된 경사진 캠 표면을 가지며, 상기 외부모듈은 정지된 홀더의 역할을 하며 상기 피구동판(600)의 경사진 캠 표면과 함께 상기 롤러(400)를 끼울 수 있는 마찰력을 제공한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 자동잠김 메커니즘은, 일측, 타측의 양방향 구동과, 일측, 타측의 양방향 잠김에 해당되는 4가지 동작모드를 구현하게 된다. 단방향으로 동력을 전달함에 있어서 상기 자동잠김 메커니즘이 4가지 모드에서 어떻게 구현되는지를 도 5를 참조하여 설명하기로 하며. 도 5에서 실선과 파선은 각각 상기 구동판과 피구동판(600)을 나타내고, 실선과 파선의 화살표는 각각의 회전방향을 표시한다.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 구동판이 반시계 방향으로 회전하는 경우, 오른쪽 롤러(400)는 두 개 캠 표면의 가장자리 사이에서 위치하여 두 개의 판을 연결함으로써 회전력을 전달하게 되며, 이때 왼쪽 롤러(400)는 자유롭게 회전하는 상태로 판의 회전에 영향을 주지 않는다. 그 결과 상기 구동판을 따라 상기 피구동판(600)이 동일하게 회전할 수 있다.

도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 구동판이 시계방향으로 회전하는 경우, (a)의 경우와 대칭구조를 가지며 상기 구동판과 피구동판(600)이 시계 방향으로 회전하게 된다.

도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 상기 피구동판(600)이 외부 토크에 의해 반시계 방향으로 회전하는 경우, 오른쪽 롤러(400)는 피구동판(600)의 기울어진 캠 표면과 외부모듈 사이에 끼어져서 고정되는 반면에 왼쪽 롤러(400)는 자유로운 상태가 되면서 자동잠김이 이루어지게 되며, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 상기 피구동판(600)이 외부토크에 의해 시계 방향으로 회전할 경우에도, 도 5의 (c)에 도시된 경우와 같은 원리로 자동잠김이 이루어진다.

다음으로, 상기와 같은 적응파지 기능을 위한 나선 스프링(300) 메커니즘과, 자동잠김 기능을 위한 캠-롤러(400) 메커니즘을 적용한 중수지절골관절의 구조에 대해 설명하기로 한다.

상기 적응파지 기능을 위한 나선 스프링 메커니즘과, 자동잠김 기능을 위한 캠-롤러 메커니즘을 하나의 구조에 포함시키기 위해서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 나선 스프링(300)을 포함하고 있는 상기 하우징(200)이 상기 자동잠김 메커니즘의 구동판과 동일한 캠 표면을 가지며, 상기 피구동판(600)은 베어링 결합으로 상기 축(500)과 연결되어 있고 각 손가락의 링크를 연결하는 두 개의 힌지핀을 가진다.

2개의 상기 피구동판(600)을 상기 하우징(200) 양측에 쌍을 이루어 배치함으로써 손가락으로의 동력전달을 보다 향상시킬 수 있으며, 4개의 상기 롤러(400)는 상기 2개의 구동판에 대해 양측에 구비된 상기 피구동판(600)의 캠 표면과 접하게 된다.

또한, 상기와 같은 자동잠김 기능을 위한 캠-롤러 메커니즘을 구현하기 위한 자동잠김 모듈을 상기 모터(510)와 축(500)을 연결하는 평기어(520)와 상기 축(500) 사이에 배치시키면 외부토크의 전달을 차단할 수 있어, 상기 나선 스프링(300)은 상기 모터(510)의 회전 없이도 회전변위를 유지할 수 있다.

다음으로, 적응파지 기능을 고려한 손가락 마디의 연결구조에 대해 설명하기로 한다.

본 발명은 손가락 마디간의 연결구조에 적응파지 기능을 적용하기 위하여, 7 링크 메커니즘에 근거한 언더엑츄에이티드 메커니즘을 제안한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 손가락은 세 개의 마디로 구성되며, 중수지절골관절과 연결하기 위해 변형된 7 링크 메커니즘을 적용한다.

손바닥에 가장 인접한 근위지골(proximal phalanx)부(10)는 4 링크 메커니즘에서 한 개 링크를 제거하고 상기 피구동판(600)의 두 개의 힌지핀과 연결되며, 중위지골(middle phalanx)부(20) 또한 4 링크 메커니즘으로 구성되고 삼각형 링크(50)를 통해 인접한 근위지골과 연결되어, 상기 삼각형 링크(50)와의 연결구조가 손가락 마디 사이의 적응파지를 가능하게 하며, 손가락 끝에 위치하는 원위지골(distal phalanx)부(30)는 상기 중위지골부(20)의 4 링크 메커니즘과 연결된다.

손가락의 굴곡동작에서 적응파지 기능은 도 8에 도시된 바와 같이 손가락 마디들의 순차적인 접촉에 의해 이루어진다. 손가락이 물체와 접촉하기 전에는 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 세 개의 마디가 하나의 강체 링크처럼 동작하다가, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 근위지골부(10)가 먼저 물체와 접촉하면, 다음으로는, 도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 상기 중위지골부(20)의 굴곡이 시작되고 결 국 물체와 접촉하게 되며, 상기 원위지골부(30)는 상기 중위지골부(20)의 접촉이 완료된 후에 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이 굴곡을 시작하고 접촉이 이루어진다. 그 결과 세 개의 마디는 다중 접촉점을 가지고 물체를 감쌀 수 있다.

다음으로, 수근중수관절에서 굴곡/신전 뿐만 아니라 내전/외전 기능을 수행할 수 있는 4 자유도의 엄지 구조에 대해 설명하기로 한다.

일반적으로 내전/외전 기능은 간헐 메커니즘(intermittentmechanism)으로 구현되며, 이러한 메커니즘은 Manus 의수에서 주기적인 타이밍 기어(timing gear)운동으로 이용된 예가 있다. 그러나 이 방법은 지절관절(interphalangeal joint)이 수근중수관절로부터 독립적이지 못하며 모터의 동력을 전달하기 위해 복잡한 경로가 요구되는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 제네바 메커니즘(Geneva mechanism)과 크랭크-슬라이더 메커니즘(crank-slider mechanism)을 사용한 엄지설계를 제안한다.

본 발명에 따른 엄지 구조에 있어서, 엄지의 모든 동작은 도 9에 도시된 바와 같이 커플링(copling)에 연결되는 하나의 제2모터(550)로 구동되며, 웜 기어(worm gear)는 동력전달 방향을 바꿈과 동시에 모든 관절이 자동잠김 기능을 수행할 수 있도록 한다.

제네바 메커니즘은, 도 10에 도시된 바와 같이, 보듯이 별형 휠(star wheel)(710), 제네바 롤러(roller)(730), 구동체(driver)(720)로 구성된다. 별형 휠(710)의 모서리(edge)와 구동체(720)의 어깨(shoulder)는 서로 같은 곡률을 가지므로 상기 제2모터(550)가 회전하지 않는 동안에는 서로 맞물려 움직일 수 없다. 기어는 내전과 외전을 위한 축(500)으로 간헐적인 회전동작을 수행하게 된다.

크랭크-슬라이더 메커니즘은, 상기 구동체(720)와 연결되어 회전운동을 직선운동을 변환하며 엄지의 굴곡/신전 동작을 발생시킨다.

도 11을 참조하여 상기 구동체(720)가 시계방향으로 회전할 경우의 동작들을 설명하기로 한다. 도 11의 (a)는 엄지가 내전과 굴곡을 완료한 상태를 도시한 것으로, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같은 상태에서 상기 구동체(720)가 180도 회전하여 도 11의 (b)에 도시된 바와 같은 상태에서는 내전동작은 유지하면서 신전동작이 이루어지게 되며, 도 11의 (c)에 도시된 바와 같이 225도 지점에서는 상기 제네바 롤러(730)가 슬롯(slot)(711)으로 진입하게 된다.

도 11의 (d) 도시된 바와 같은 상태를 거쳐, 도 11의 (e)에 도시된 바와 같이 315도까지 상기 별형 휠(710)과 기어가 회전한 상태에서 엄지 손가락은 90도의 외전동작을 수행하게 되며, 315도부터 450도까지는 도 11의 (f)에 도시된 바와 같이 외전동작을 유지하면서 굴곡동작을 수행하게 된다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 하나의 모터(510)는 20:1의 웜기어를 통해서 엄지를 동작시키고, 또 다른 모터(550)는 561:1의 유성기어로 네 개의 손가락에 동력을 전달하는 것과 같은 실시예 등을 적용함으로써, 도 12, 13에 도시된 바와 같이 두 개의 모터(510, 550)만으로 손 부분에서 16자유도를 구현할 수 있다.

그리고, 도 14의 (a)에 도시된 바와 같은 원형 파지, 도 14의 (b)에 도시된 바와 같은 끝점 파지, 도 14의 (c)에 도시된 바와 같은 고리 파지, 도 14의 (d)에 도시된 바와 같은 측면 파지, 도 14의 (e)에 도시된 바와 같은 구형 파지, 도 14의 (f)에 도시된 바와 같은 큰 끝점 파지를 포함하여 다양한 파지동작을 구현할 수 있다.

도 1 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 적응파지를 위한 나선 스프링(300) 메커니즘을 설명하고자 도시한 개략도

도 2 - 나선 스프링(300) 메커니즘의 4가지 동작모드를 도시한 개략도

도 3 - 일반적인 캠-롤러(400) 클러치의 작동원리를 설명하고자 도시한 개략도

도 4 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 자동잠김을 위한 캠-롤러(400) 메커니즘을 설명하고자 도시한 개략도

도 5 - 캠-롤러(400) 메커니즘의 4가지 동작모드를 도시한 개략도

도 6 - 적응파지를 위한 나선 스프링(300) 메커니즘과, 자동잠김을 위한 캠-롤러(400) 메커니즘을 복합 적용한 중수지절골관절의 구조를 도시한 요부 분해사시도.

도 7 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 손가락의 구조를 도시한 요부조립도

도 8 - 손가락 마디 사이의 적응파지 과정을 도시한 요부투시개략도

도 9 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 엄지의 구조를 도시한 요부조립도

도 10 - 일반적인 제네바 메커니즘의 작동원리를 설명하고자 도시한 개략도

도 11 - 제네바 & 크랭크-슬라이더 메커니즘을 복합 적용하여 엄지의 굴곡/신전 및 내전/외전시키는 작동원리를 설명하고자 도시한 요부투시개략도.

도 12 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 조립구조를 도시한 요부조립도

도 13 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 전체 링크구조를 도시한 개략도.

도 14 - 본 발명에 따른 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수의 파지능력을 증명하고자 도시한 사용상태도.

<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>

10 : 근위지골부 20 : 중위지골부

30 : 원위지골부 50 : 삼각형 링크

100 : 홀더 200 : 하우징

300 : 나선스프링 400 : 롤러

500 : 축 510 : 모터

520 : 평기어 550 : 제2모터

600 : 피구동판 710 : 별형 휠

711 : 슬롯 720 : 구동체

730 : 제네바 롤러

Claims (6)

1. 중수지절골관절(metacarpophalangeal joint)에 설치되는 홀더(holder)(100);

   상기 홀더(100) 내에서 자유롭게 정위치 회전되며, 나선 스프링(spiral spring)(300)이 변형력을 일정하게 유지하면서 권취된 상태로 감기거나 펴질 수 있는 수용공간을 제공하고, 외면부에 롤러(roller)(400)가 회전축(500)방향으로 관통가능한 홈부가 형성된 하우징(housing)(200);

   상기 나선 스프링(300)의 중앙부가 고정되며, 모터(motor)(510)에 연동회전되는 축(shaft)(500); 및

   베어링 결합으로 상기 축(500)과 연결되고, 손가락의 링크에 힌지연결되며, 상기 하우징(200)에 연동이동되는 상기 롤러(400)와 접속되어 회전력을 전달받아 상기 하우징(200)과 함께 회전이동가능하면서도, 외부토크에 의해 회전되는 경우 상기 롤러(400)가 상기 홀더(100)와의 사이에 끼어 회전상태가 정지되며 상기 하우징(200)측으로 회전력을 전달할 수 없는 형상의 캠 표면(cam surface)를 가지는 피구동판(600);

   을 포함하여 구성되어, 상기 나선 스프링(300)의 변형력 유지에 의해 각각의 손가락들이 독립된 굴곡형태로 파지하게 되며, 상기 모터(510)의 구동 없이도 변형된 동작상태를 유지할 수 있으면서도 외부토크의 영향으로 굴곡상태가 임의로 변형되는 것이 차단되는 것을 특징으로 하는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수.
2. 제1항에 있어서, 상기 피구동판(600)은,

   상기 하우징(200) 양측에 쌍을 이루어 배치되며, 상기 롤러(400)는 상기 하우징(200)의 양측에 구비된 상기 피구동판(600)의 캠 표면에 일단부와 타단부가 접하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수.
3. 제1항에 있어서,

   상기 모터(510)와 축(500)을 연결하는 평기어(520)와 상기 축(500) 사이에, 상기 하우징(200)의 외면에 대응되는 외면형상을 가지는 제2구동판과, 상기 피구동판(600)의 캠 표면 대응되는 외면형상을 가지는 제2피구동판을 구비하여, 상기 나선 스프링(300)이 상기 모터(510)의 구동 없이도 회전변위를 유지할 수 있으면서도 외부토크의 상기 모터(510)측으로의 전달을 차단할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수.
4. 제1항에 있어서, 상기 손가락은,

   손바닥에 가장 인접한 근위지골(proximal phalanx)에 해당되며, 4 링크 메커 니즘에서 한 개 링크를 제거하고 상기 피구동판(600)의 힌지핀과 연결되는 근위지골부(10);

   손가락의 중위지골(middle phalanx)에 해당되며, 4 링크 메커니즘으로 구성되고 삼각형 링크(50)를 통해 인접한 상기 근위지골부(10)와 연결되는 중위지골부(20); 및

   손가락 끝에 위치하는 원위지골(distal phalanx)에 해당되며, 상기 중위지골부(20)의 4 링크 메커니즘과 연결되는 원위지골부(30);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하여, 상기 삼각형 링크(50)와의 연결구조에 의해 손가락 마디 사이의 적응파지가 가능한 것을 특징으로 하는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수.
5. 제1항에 있어서, 상기 손가락 중 엄지의 수근중수관절(carpometacarpal joint)은,

   내전과 외전을 위해 방사형의 슬롯(slot)(711)을 가지는 별형 휠(star wheel)(710), 제2모터(550)에 연동회전되는 구동체(driver)(720), 상기 구동체(720)에 연동되어 상기 슬롯(711)에 삽탈되며 상기 별형 휠(710)을 회전조정시키는 제네바 롤러(roller)(730)를 구비한 제네바 메커니즘을 사용하고, 굴곡과 신전을 위해 상기 구동체(720)의 회전 운동을 직선운동으로 변환하는 크랭크-슬라이더 메커니즘을 복합시켜, 상기 구동체(720)를 회전구동시키는 상기 제2모터(550)에 해 당되는 하나의 모터로 굴곡/신전과 함께 내전/외전에 해당되는 동작을 구현하는 것을 특징으로 하는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 손가락 중 엄지를 제외한 나머지 4개의 손가락은,

   3개의 마디를 가지고, 하나의 상기 모터(510)에 해당되는 하나의 모터로 굴곡/신전에 해당되는 12 자유도를 구현하며,

   상기 손가락 중 엄지는,

   상기 제2모터(550)에 해당되는 다른 하나의 모터로 굴곡/신전과 내전/외전에 해당되는 4 자유도를 구현하는 것을 특징을 하는 새로운 적응파지 및 자동 잠김 기능을 가지는 근전의수.

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