KR20120076101A - Waist support structure, and robot suit for wearable robot for assisting the muscular strength of lower extremity using thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 로봇슈트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 착용자가 착용한 후의 움직임이 보다 자유롭고, 슈트의 전체 움직임에 유연하게 대응할 수 있으며, 안정적이고 편리한 체결 구조를 갖는 허리 지지구조 및 이를 이용한 하지 근력지원 로봇슈트에 관한 것이다.The present invention relates to a robot suit, and more particularly, a movement after the wearer is more free, and can flexibly respond to the entire movement of the suit, and has a waist support structure having a stable and convenient fastening structure and lower extremity muscle support using the same. It is about a robot suit.
일반적으로, 인체 착용형 근력지원로봇은 착용한 착용자가 움직이고자하는 동기신호의 형태에 따라 크게 생체신호 입력형, 힘센서 입력형, 근경도센서 입력형 및 센서 혼합형 로봇 등으로 나뉘며, 사용하는 액츄에이터의 형태에 따라 크게 모터 구동형, 유압실린더 구동형, 인공근육 구동형 등으로 분류된다.In general, the human body wearable muscle strength support robot is divided into a bio signal input type, a force sensor input type, a muscle hardness sensor input type, and a sensor mixed type robot according to the type of the synchronization signal that the wearer wants to move. Depending on the type of motor-driven, hydraulic cylinder-driven, artificial muscle-driven and the like.
착용자 동기 신호 입력의 측면에서, 생체신호 입력형은 착용자의 직접적인 근육신호를 이용하기 때문에 빠른 응답성을 기대할 수 있다. 그러나, 통상 외골격로봇 착용시 생체신호 취득을 위한 부착물들을 추가로 착용해야하는 번거로운 문제점이 있다.In terms of the wearer's synchronization signal input, the biosignal input type can expect fast response because it uses the wearer's direct muscle signal. However, when the exoskeleton robot is worn, there is a cumbersome problem of additionally wearing attachments for acquiring a biosignal.
또한, 근경도센서 입력형은 근육의 팽창정도를 측정하여 로봇동기 신호로 사용하기 때문에 착용자의 움직이고자 하는 동기신호를 직접적으로 획득할 수 있으나, 근육팽창정도가 착용자 마다 일정치 않기 때문에 착용자에 따라 일정 수준 이상의 동작성능을 확보할 수 없다는 문제점이 있다.In addition, since the muscle sensor input type is used as a robot synchronous signal by measuring the degree of expansion of the muscle, the wearer's movement signal can be obtained directly, but the degree of muscle expansion is not constant for each wearer. There is a problem that can not secure a certain level of operation performance.
또한, 장착된 액츄에이터에 의한 분류에서 유압구동형 액츄에이터 시스템은 유압실린더의 직선운동을 관절의 회전운동으로 변환해야하는 측면에서 어깨 관절과 같이 한 관절에서 높은 자유도를 구현하거나 넓은 범위의 관절동작을 구현하는데 제한이 있으며, 인공근육을 장착한 시스템은 액츄에이터의 팽창을 통한 길이 수축 특성을 이용하기 때문에 액츄에이터 팽창시의 착용자 및 외골격 로봇의 주변 기기들과의 간섭을 초래하는 문제점이 있다.In addition, in the classification by the mounted actuator, the hydraulically driven actuator system realizes a high degree of freedom in one joint or a wide range of joint movements such as the shoulder joint in terms of converting the linear movement of the hydraulic cylinder into the rotational movement of the joint. There is a limitation, and the system equipped with artificial muscle has a problem of causing interference with the peripheral devices of the wearer and the exoskeleton robot when the actuator is inflated because it uses the length shrinkage characteristic through the expansion of the actuator.
이처럼, 종래의 착용형 하지 근력지원 로봇슈트에 있어서, 움직임을 측정하는 측정장치 및 이를 통한 근력지원 액츄에이터를 구성하는 것이 상술한 문제와 같이 용이하지 않다는 문제점이 있었다.As described above, in the conventional wearable leg muscle support robot suit, there is a problem that it is not easy to configure the measuring device for measuring the movement and the muscle support actuator through the same.
또한, 자연스러운 보행을 위해 액츄에이터와의 동력전달 차단을 선택적으로 하기가 용이하지 않고, 착용자의 인체에 갑작스런 변화로 인한 충격을 완화하기 위한 댐핑구조가 반응이 느리고, 댐핑력을 용이하게 조절할 수 없는 문제점이 있었다.In addition, it is not easy to selectively block power transmission with the actuator for natural walking, and a damping structure for mitigating a shock caused by a sudden change in a wearer's body has a slow response and a difficulty in easily adjusting the damping force. There was this.
그리고, 종래의 하지 근력지원 로봇슈트의 허리 지지구조는 고정되어 체결되는 구조로서, 착용자의 움직임이 부자연 스럽고, 사람의 키 또는 체형이 다른 사람이 공용할 수 있는 싸이즈 변화의 유연성이 떨어질 뿐만 아니라, 착용후 고정 체결하기가 용이하지 않고, 시간이 많이 걸리는 단점이 있었다. In addition, the waist support structure of the conventional lower limb muscle support robot suit is fixed and fastened, and the wearer's movement is unnatural, and the flexibility of the size change that can be shared by other people's height or body shape is inferior, After wearing it is not easy to fasten fixed, there was a disadvantage that takes a lot of time.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는 착용자가 착용한 후의 움직임이 보다 자유롭고, 슈트의 전체 움직임에 유연하게 대응할 수 있고, 안정적이고 편리한 체결 구조를 갖는 로봇슈트를 제공하기 위함이다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a robot suit having a more free movement after the wearer wears, can flexibly respond to the overall movement of the suit, and has a stable and convenient fastening structure.
또한, 불필요한 에너지 낭비를 막을 수 있으며 슈트를 착용하였을 때 느끼는 불편함을 줄이고, 구동 모터의 작동 시간을 줄일 수 있는 로봇슈트를 제공하고자 함이다.
In addition, it is to provide a robot suit that can prevent unnecessary energy waste and reduce the discomfort felt when wearing a suit, and can reduce the operating time of the drive motor.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 특징은 보행 보조기구에서 외골격의 고관절부와 연결되어 인체의 허리를 지지하는 구조에 있어서, 상기 좌우 고관절부와 수직축을 중심으로 회동 연결된 L형 좌우 연결 막대; 상기 막대의 타단과 높이를 조절하여 체결 가능한 좌우 연결판; 및 상기 연결판과 수직으로 연결되고, 서로 수직축을 중심으로 회동 가능하도록 연결되는 좌우 허리 지지대를 포함한다.The first feature of the present invention for solving the above problems is in the structure that is connected to the hip joint of the exoskeleton in the walking aid to support the waist of the human body, the L-shaped left and right connection connected to the left and right hip joints rotated about a vertical axis rod; Left and right connecting plate that can be fastened by adjusting the other end and the height of the bar; And left and right waist supports connected vertically with the connecting plate and connected to each other so as to be rotatable about a vertical axis.
여기서, 상기 연결판은 수직으로 배열된 복수개의 관통공 중에서 어느 하나의 관통공과 상기 막대의 관통공을 통해 볼트로 연결된 것이 바람직하고, 상기 허리 지지대는, 상기 연결판과 연결되는 지지판과, 상기 지지판에 수평축으로 회동 연결되고, 다른 지지대와 체결되는 체결부를 포함하는 것이 바람직하다.Here, the connecting plate is preferably bolted through any one of the through holes and the through hole of the rod of the plurality of through holes arranged vertically, the waist support is a support plate connected to the connecting plate, and the support plate It is preferable to include a fastening portion which is pivotally connected to the horizontal axis and fastened to another support.
더하여, 바람직하게는 상기 체결부는, 다른 체결부와 치합되어 체결되고, 상기 치합 체결핀을 중심으로 회동이 가능한 것일 수 있다.In addition, preferably, the fastening part may be engaged with another fastening part, and may be rotatable around the fastening pin.
그리고, 본 발명의 제2 특징은 인체의 하지를 감싸며 착용하기 위한 지지기구; 상기 지지기구 외측에 체결되며, 무릎 위치의 관절부와 상부골격, 하부골격 및 고관절부부로 이루어지는 외골격; 상기 관절부의 외측에 체결되어 상부 또는 하부 골격을 회전운동시키는 하부골격 액츄에이터; 상기 상부골격 및 허리 지지부를 연결하는 고관절부 및 상기 고관절부에 체결되어 상기 상부골격의 회동을 구동하는 상부골격 액츄에이터; 상기 상부골격의 측면에 상기 관절부와 연결되어 상기 하부골격의 회전시 선택적으로 댐핑력을 조절할 수 있는 MR 댐퍼부; 상기 상부 및 하부골격 액츄에이터에 설치되어 상기 상부 및 하부골격을 선택적으로 회동시킬 수 있는 레버; 상기 좌우 고관절부와 수직축을 중심으로 회동 연결된 L형 좌우 연결 막대; 상기 막대의 타단과 높이를 조절하여 체결 가능한 좌우 연결판; 및 상기 연결판과 수직으로 연결되고, 서로 수직축을 중심으로 회동 가능하도록 연결되는 좌우 허리 지지대를 포함한다.And, the second feature of the present invention is a support mechanism for wrapping and wearing the lower body of the human body; It is fastened to the outside of the support mechanism, the exoskeleton consisting of the joint portion and the upper skeleton, lower skeleton and hip joint portion of the knee position; A lower skeletal actuator coupled to the outside of the joint to rotate the upper or lower skeleton; An upper skeletal actuator coupled to the hip joint and the hip joint connecting the upper skeleton and the lower back support to drive the rotation of the upper skeleton; An MR damper part connected to the joint part at a side of the upper skeleton to selectively adjust a damping force when the lower skeleton is rotated; A lever installed in the upper and lower skeleton actuators to selectively rotate the upper and lower skeletons; An L-shaped left and right connecting rod pivotally connected about the left and right hip joints and a vertical axis; Left and right connecting plate that can be fastened by adjusting the other end and the height of the bar; And left and right waist supports connected vertically with the connecting plate and connected to each other so as to be rotatable about a vertical axis.
여기서, 상기 액츄에이터는 모터, 상기 모터와 고정연결된 디스크, 상기 디스크를 선택적으로 압착할 수 있는 캘리퍼를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 MR 댐퍼부는, 상기 하부골격 액츄에이터의 상부에 위치하고, MR 유체가 충진된 실린더; 상기 하부골격이 상기 관절을 중심으로 회전하는 경우, 상기 실린더에 삽입되어 상하 직선운동을 하는 피스톤 로드; 상기 실린더 상하부에 관통 연결된 적어도 하나의 가지튜브; 상기 가지튜브 일부에 선택적으로 자기장을 인가할 수 있는 자석부를 포함한다.The actuator may include a motor, a disk fixedly connected to the motor, and a caliper capable of selectively compressing the disk. The MR damper part may be positioned at an upper portion of the lower skeletal actuator and filled with an MR fluid. cylinder; A piston rod inserted into the cylinder and vertically moving when the lower skeleton rotates about the joint; At least one branch tube connected to upper and lower parts of the cylinder; And a magnet part capable of selectively applying a magnetic field to a portion of the branch tube.
또한, 상기 자석부는 영구자석 또는 전자석을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 가지튜브의 어느 일부분에 솔레노이드 밸브가 장착되어 상기 관절부의 하부골격부 회동을 선택적으로 구동할 수 있는 것이 바람직하며, 상기 연결판은 수직으로 배열된 복수개의 관통공 중에서 어느 하나의 관통공과 상기 막대의 관통공을 통해 볼트로 연결된 것일 수 있다.In addition, the magnet portion preferably includes a permanent magnet or an electromagnet, it is preferable that a solenoid valve is mounted on any part of the branch tube to selectively drive the lower skeletal portion rotation of the joint portion, the connecting plate is It may be connected to the bolt through any one of the through holes and the through hole of the rod of the plurality of vertically arranged through holes.
더 나아가, 상기 허리 지지대는, 상기 연결판과 연결되는 지지판과, 상기 지지판에 수평축으로 회동 연결되고, 다른 지지대와 체결되는 체결부를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 체결부는, 다른 체결부와 치합되어 체결되고, 상기 치합 체결핀을 중심으로 회동이 가능한 것이 바람직하다.
Furthermore, it is preferable that the waist support includes a support plate connected to the connecting plate, and a fastening part pivotally connected to the support plate in a horizontal axis, and fastened to another support, and the fastening part is engaged with another fastening part and fastened. It is preferable that the rotation is possible around the engagement fastening pin.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 착용자의 키 높이에 따라 허리의 높이가 달라기지 때문에, 착용자가 착용한 후의 움직임이 보다 자유롭고, 슈트의 전체 움직임에 유연하게 대응할 수 있고, 안정적이고 편리한 체결 구조를 갖게 된다.According to the present invention, since the height of the waist varies depending on the height of the wearer, the movement after wearing by the wearer is more free, and can flexibly cope with the overall movement of the suit, and have a stable and convenient fastening structure. do.
또한, 허리를 지지하고 받치는 지지대의 높이를 용이하게 조절할 수 있게 함으로써, 다양한 사람에게 맞는 로봇 슈트를 제공할 수 있게 된다.In addition, it is possible to easily adjust the height of the support for supporting and supporting the waist, it is possible to provide a suit for a variety of robots.
더하여, 근력지원 또는 증강을 선택적으로 할 수 있는 수동(Passive)과 능동(Active) 모드 설정 방식을 채택하여, 불필요한 에너지 낭비를 막을 수 있으며 슈트를 착용하였을 때 느끼는 불편함을 줄이고, 구동 모터의 작동 시간을 줄일 수 있게 된다.In addition, by adopting passive and active mode setting methods that can selectively support or increase muscle strength, unnecessary waste of energy can be prevented, and the inconvenience of wearing a suit and the operation of the driving motor are reduced. You can save time.
도 1은 본 발명에 따른 허리 지지구조의 사시도를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 허리 지지구조에서 연결막대(800)와 지지판(910)이 연결판(850)에 의해 연결되는 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 허리 지지구조에서 좌우 지지대(900)의 연결 구조를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 허리 지지구조를 이용하는 하지 근력지원 로봇슈트 전체 구성을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a perspective view of the waist support structure according to the present invention,
2 is a view showing a structure in which the connecting
3 is a view showing a connection structure of the left and
Figure 4 is a view showing the entire configuration of the lower limb muscle support robot suit using a waist support structure according to the present invention.
이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 허리 지지구조의 사시도를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 허리 지지구조는 보행 보조기구에서 외골격의 고관절부(700)와 연결되어 인체의 허리를 지지하는 구조에 있어서, 상기 좌우 고관절부(700)와 수직축을 중심으로 회동 연결된 L형 좌우 연결 막대(800); 상기 막대(800)의 타단과 높이를 조절하여 체결 가능한 좌우 연결판(850); 및 상기 연결판(850)과 수직으로 연결되고, 서로 수직축을 중심으로 회동 가능하도록 체결되는 좌우 허리 지지대(900)를 포함하여 구성된다.1 is a view showing a perspective view of the waist support structure according to the present invention. As shown in FIG. 1, the waist support structure according to the present invention is connected to the
여기서 좌우 L형 연결 막대(800)는 로봇슈트를 착용하는 경우에, 옆구리 쪽에 위치한 외골격의 고관절부(700)와 연결되어 착용자의 허리 폭 만큼의 길이만큼 후방으로 연장되는 꺽인 막대형 구조이다. 그리고, 상기 막대(800)는 고관절부(700)와 회동 연결되는 구조로서, 고관절부(700)부의 수직축과 연결되어 회동할 수 있는 구조이다. 이는 착용자가 슈트를 착용하는 경우, 일정한 방향으로 자유도를 주어 자연스런 착용감을 주고, 착용 후 움직임에 방해받지 않도록 하기 위한 구조이다.Wherein the left and right L-shaped connecting
연결판(850)은 직사각형 모양의 판형 구조로서, 일부분에 수직으로 관통공이 배열 형성된다. 이는 상기 연결 막대(800)와 허리 지지대(900)를 연결하기 위한 구조로서, 상기 관통공과 지지대(900)를 선택적으로 볼트 체결함으로써, 착용자의 키에 알맞게 높이를 조절할 수 있는 장점이 있다.The connecting
즉, 착용자의 키 높이에 따라 허리의 높이가 달라기지 때문에, 이를 지지하고 받치는 허리 지지대(900)의 높이를 조절할 수 있게 함으로써, 다양한 사람에게 맞는 로봇 슈트를 제공할 수 있게 된다.That is, since the height of the waist varies depending on the height of the wearer, by adjusting the height of the
허리 지지대(900)는 상기 연결판(850)과 수직으로 고정 연결된다. 연결은 볼트형 체결로, 그 외에도 다양한 방법으로 고정 체결하는 것이 가능하다. 그리고, 지지대(900)는 지지판(910)과, 다른 지지대(900)와 체결되기 위한 체결부로 구성된다. 체결부가 상기 지지판(910)과 수평축을 중심으로 회동하도록 연결되어 있고, 상기 좌우의 지지대(900)의 체결부(930)를 통한 연결은 치합구조로서, 체결핀을 중심으로 회동할 수 있는 구조이다.The
이처럼, 본 발명에 따른 허리 지지구조는 고관절부(700)와의 연결이 수직축을 중심으로 회동이 가능하고, 지지대(900)의 체결부(930)가 수평축을 중심으로 회동이 가능하고, 좌우 양 체결부(930)의 치합체결에서 체결핀을 중심으로 회동이 가능하여 3개의 회전자유도를 갖는 구조이다. 3개의 회전 자유도를 갖는 구조를 제안함으로써, 착용자가 착용한 후의 움직임이 보다 자유롭고, 슈트의 전체 움직임에 유연하게 대응할 수 있다는 점과, 안정적이고 편리한 체결 구조를 갖고 있다는 장점이 있다.As such, in the waist support structure according to the present invention, the connection with the
또한, 지지대(900)가 위치하는 높이를 조절하여 체결할 수 있어서, 착용자에 따라 허리 높이가 다른데, 이에 선택적으로 알맞게 높이를 조절하여 착용할 수 있다는 점에서 다양한 사람이 용이하게 착용할 수 있는 장점이 있다.
In addition, the support can be fastened by adjusting the height of the
도 2는 본 발명에 따른 허리 지지구조에서 연결막대(800)와 지지판(910)이 연결판(850)에 의해 연결되는 구조를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 연결판(850)은 직사각형 모양의 판형 구조로서, 일부분에 수직으로 관통공이 배열 형성되어 있는데, 상기 관통공과 지지판(910)의 관통공을 선택적으로 볼트 체결하여, 착용자의 키에 알맞게 높이를 조절할 수 있는 구조이다.2 is a view showing a structure in which the connecting
즉, 본 발명의 구조는 착용자의 키 높이에 따라 허리의 높이가 달라기지 때문에, 이를 지지하고 받치는 허리 지지대(900)의 높이를 조절할 수 있게 함으로써, 다양한 사람에게 맞는 로봇슈트를 제공할 수 있도록 하는 구조이다.In other words, the structure of the present invention is because the height of the waist is different depending on the height of the wearer, by allowing to adjust the height of the
연결판(850)의 상부에는 수직으로 관통공이 복수개 배열되어 있고, 하부에는 상기 지지판(910)과 볼트로 고정 체결되어 있기 때문에, 연결판(850)을 포함하는 허리 지지대(900)를 선택적으로 착용자의 키에 맞게 수직으로 배열된 관통공 중 어느 하나와 상기 연결 막대(800)를 볼트로 연결함으로써, 용이하게 착용자 마춤형 지지구조 형성이 가능하게 된다.
Since a plurality of through holes are vertically arranged at an upper portion of the connecting
도 3은 본 발명에 따른 허리 지지구조에서 좌우 지지대(900)의 연결 구조를 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 허리 지지대(900)는 지지판(910)과 체결부(930)로 구성되고, 좌우 양 체결부(930)가 치합 체결되는 구조이다.3 is a view showing a connection structure of the left and
먼저, 지지대(900)는 지지판(910)과 체결부(930)가 수평축을 중심으로 회동 연결되어 있는데, 이는 체결부(930)는 허리 뒤의 중심부에 위치하고, 체결부(930)끼리 치합 체결되는 구조이기때문에, 끼워 마춤에 있어서 어느 정도의 변동 폭을 줄 수 있어야 보다 용이하게 치합 체결할 수 있기 때문이다.First, the
그리고, 치합 체결되는 구조는 체결부(930)가 서로 톱니형 구조로서 끼워 맞춤 체결되고, 수직으로 상기 체결핀에 의해 체결 고정되는 것으로, 상기 체결핀을 중심으로 회동할 수 있는 구조이다. The fastening structure is a fastening
이처럼 본 발명에 따른 허리 지지구조의 양쪽 지지대(900)의 체결 구조는 지지판(910)과 체결부(930)의 회동연결, 체결부(930) 사이의 치합체결에 의한 회동연결로서 2개의 회전 자유도를 가지고 좌우 양 지지대(900)가 연결되는 구조이다. 2개의 회전 자유도를 갖기 때문에 착용자의 신체 싸이즈에 보다 알맞게 착용할 수 있게 되고, 착용함에 있어서도 용이할 뿐만 아니라, 착용 후 착용자의 움직임도 훨씬 자유롭게 된다.
As described above, the fastening structure of both supports 900 of the waist support structure according to the present invention is a rotational connection of the
이처럼, 본 발명에 따른 허리 지지구조는 인간이 착용하여 사용자와 함께 움직이기 때문에 로봇 슈트가 사용자의 움직임을 추종하지 못하거나 간섭을 주면 사용자가 불편함을 느끼거나 부상을 입게 되므로, 사람이 운동(걷기, 뛰기, 활동하는 것 등)을 함에 있어서 모션을 제안해야 하는 종래 슈트의 문제점을 해결하기 위하여 관절의 운동 범위는 인간의 평균 최대 운동 범위에서 안전을 위해 3°를 줄여 3개의 자유도를 갖는 체결구조를 제안하는 것이다.As such, since the waist support structure according to the present invention is worn by humans and moves together with the user, the robot suit does not follow the user's movements or interferes with the user's movement, and thus the user feels uncomfortable or injured. In order to solve the problem of the conventional suit which has to suggest motion in walking, running, activity, etc., the joint range of motion is 3 degrees of freedom by reducing 3 ° for safety in the average maximum range of motion of human. To propose a structure.
본 발명은 인간의 고관절부(700)은 볼-소켓 조인트로 볼 수 있는데, 조인트의 조합으로 3 자유도를 구현해야 하는데 각 부분에 회전 중심을 사용자의 고관절부(700)에 일치시킴으로써, 보행 시 자연스러운 방향전환이 가능하게 착안 된 것이다. 그리고 본 발명은 고관절부(700)의 굴곡과 신전, 외전과 내전을 동작할 수 있게 외부에서 회전조인트를 구성하여, 두 개의 회전축을 고관절부(700) 중심에서 만나도록 형성되는 구조를 제안한다.According to the present invention, the human hip joint 700 may be viewed as a ball-socket joint, and a combination of joints should realize three degrees of freedom. By matching the center of rotation to each part of the
도 2에 나타낸 바와 같이, 다리 길이 또는 키에 따른 높낮이를 조절할 수 있게 하고, 레일 형식으로 하여 3축 중에 한 축을 제외한 나머지 두 축을 고정하였으며 나머지 한 축은 볼트를 이용하여 고정된다. 이는 높?낮이를 조절함에 있어서 복잡한 과정이 필요한 것이 아니라 원-터치(One-touch) 방식을 적용하여 변경에 용이함을 더한 것이고, 다양한 환경에 적합한 로봇슈트를 제공하기 위함이다.
As shown in Figure 2, it is possible to adjust the height according to the length or height of the legs, and in the form of a rail fixed the other two axes except one axis of the three axes and the other one is fixed using a bolt. This is not a complicated process in adjusting the height and height, but it is easy to change by applying a one-touch method and to provide a robot suit suitable for various environments.
도 4는 본 발명에 따른 허리 지지구조를 이용하는 하지 근력지원 로봇슈트 전체 구성을 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇슈트는 인체의 하지를 감싸며 착용하기 위한 지지기구(100); 상기 지지기구(100) 외측에 체결되며, 무릎 위치의 관절부와 상부골격(300), 하부골격(200) 및 고관절부(700)부로 이루어지는 외골격; 상기 관절부의 외측에 체결되어 상부 또는 하부 골격을 회전운동시키는 하부골격(200) 액츄에이터; 상기 상부골격(300) 및 허리 지지부를 연결하는 고관절부(700) 및 상기 고관절부(700)에 체결되어 상기 상부골격(300)의 회동을 구동하는 상부골격(300) 액츄에이터; 상기 상부골격(300)의 측면에 상기 관절부와 연결되어 상기 하부골격(200)의 회전시 선택적으로 댐핑력을 조절할 수 있는 MR 댐퍼부; 상기 상부 및 하부골격(200) 액츄에이터에 설치되어 상기 상부 및 하부골격(200)을 선택적으로 회동시킬 수 있는 레버; 상기 좌우 고관절부(700)와 수직축을 중심으로 회동 연결된 L형 좌우 연결 막대(800); 상기 막대(800)의 타단과 높이를 조절하여 체결 가능한 좌우 연결판(850); 및 상기 연결판(850)과 수직으로 연결되고, 서로 수직축을 중심으로 회동 가능하도록 서로 연결되는 좌우 허리 지지대(900)를 포함하여 구성된다.Figure 4 is a view showing the entire configuration of the lower limb muscle support robot suit using a waist support structure according to the present invention. As shown in Figure 4, the robot chute according to the present invention support mechanism 100 for wrapping and wearing the lower body of the human body; It is fastened to the outside of the support mechanism 100, the exoskeleton consisting of the joint portion of the knee position and the upper skeleton 300, the lower skeleton 200 and the hip joint 700; A lower skeleton 200 actuator coupled to the outside of the joint to rotate the upper or lower skeleton; An upper skeleton (300) actuator coupled to the hip joint (700) and the hip joint (700) connecting the upper skeleton (300) and the waist support to drive the rotation of the upper skeleton (300); MR damper portion connected to the joint portion on the side of the upper skeleton 300 to selectively adjust the damping force during the rotation of the lower skeleton 200; A lever installed in the upper and lower skeletons 200 actuators to selectively rotate the upper and lower skeletons 200; An L-shaped left and right connecting rod 800 pivotally connected with the left and right hip joint 700 about a vertical axis; Left and right connecting plate 850 that can be fastened by adjusting the other end and the height of the bar (800); And left and right waist supports 900 which are vertically connected to the connecting plate 850 and connected to each other so as to be rotatable about a vertical axis.
이하에서 허리지지구조는 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 동일하기 때문에 구체적인 설명을 생략하기로 한다.Hereinafter, since the waist support structure is the same as that shown in FIGS. 1 to 3, a detailed description thereof will be omitted.
지지기구(100)는 발을 포함하는 하지를 감싸고 착용할 수 있는 착용기구로서, 무릎 등의 관절부위에서 체결되어 자연스럽게 회동할 수 있는 구조로 되어 있어서, 발 및 다리 등의 움직임을 방해하지 않고, 로봇 슈트를 착용 지지할 수 있는 지지구조로 형성된다.The
지지기구(100) 외측에는 무릎 위치의 관절부와 상부골격(300) 및 하부골격(200)으로 이루어지는 외골격이 체결 형성되는데, 무릎을 중심으로 상부 및 하부를 지탱 지지하고, 상부 및 하부 골격을 회동할 수 있도록 관절부를 포함하는 구조이다. 지지기구(100)의 관절부는 회전체결 구조이고, 상기 관절부 외측에는 상기 상부 및 하부구조를 외부의 전원에 의해 강제 회동시킬 수 있는 액츄에이터가 설치된 구조이다.Outside the
액츄에이터는 모터(410)를 통해 구동되고, 모터(410)가 디스크를 회동시키면 캘리퍼(430)가 레버(450)에 의해 선택적으로 압착 체결에 의해 연결되어 하부골격(200)이 회동되는 구조로서, 디스크 브레이크에 의해 동력이 전달되는 구조이다. 캘리퍼(430)는 모터(410)와 연결된 디스크를 디스크 패드에 의해 압착하는 기구로서, 디스크 브레이크의 핵심장치이다. 이처럼 본 발명에서는 디스크 브레이크를 통해서 동력이 전달되는 구조를 형성함으로써, 다른 동력전달 기구에 비하여 빠르게 반응할 수 있을 뿐만 아니라 연결구조가 간단하다는 장점이 있다.Actuator is driven through the
즉, 본 발명의 실시예는 허리 지지구조와 함께 관절부의 하부골격(200) 액츄에이터는 디스크 브레이크에 의한 동력전달 방식이고, 모터(410)구동과의 연결은 선택적으로 레버(450)를 통해 연결한다는 점이 핵심적 특징이다. 즉, 레버(450)의 회동으로 선택적으로 캘리퍼(430)의 디스크 패드가 압착연결됨으로써, 모터(410)와 연결되어 동력이 전달되는 구조라는 점에서, 외부의 전원에 의해 다리를 들어올리는 근력을 증강 또는 지원하게 된다.That is, in the embodiment of the present invention, the lower
이처럼 근력 지원 또는 증강을 용이하게 선택적으로 할 수 있도록 함으로써, 착용자가 필요에 따라 근력증강 할 수 있다는 점에서 종래의 로봇슈트 보다 훨씬 편리하고 구동 범위가 넓어지는 장점이 있다. 즉, 평상시에는 자연 보행을 선택하고, 동산 그리고 무거운 짐을 들어올리는 등의 경우에는 레버(450)를 회동하여 모터(410)와 연결함으로써, 근력지원 또는 근력증강을 선택할 수 있게 된다.
By making it easy to selectively support muscle strength or buildup as described above, there is an advantage in that the wearer can increase muscle strength as needed and is much more convenient than the conventional robot suit and has a wider driving range. That is, in the usual case of selecting natural walking, and in the case of lifting the mountain and heavy load, etc., by rotating the
그리고, 본 발명의 실시예에 사용되는 MR 댐퍼부(500)는, 하부골격(200) 액츄에이터(400)의 상부에 위치하고, MR 유체가 충진된 실린더(510); 상기 하부골격(200)이 상기 관절을 중심으로 회전하는 경우, 상기 실린더(510)에 삽입되어 상하 직선운동을 하는 피스톤 로드; 상기 실린더(510) 상하부에 관통 연결된 적어도 하나의 가지튜브(530); 및 상기 가지튜브(530) 일부에 선택적으로 자기장을 인가할 수 있는 자석부(550)를 포함하여 구성된다.In addition, the MR damper unit 500 used in the embodiment of the present invention is located on the upper portion of the actuator 400, the
이처럼 본 발명의 MR 댐퍼부(500)는 관절부를 통하여 상부골격(300) 또는 하부골격(200)이 회동되는 경우, 또는 각 포지션에서 갑작스런 변화로 인체에 무리한 자세 또는 모션이 요구되는 경우, 상기 골격의 회동에 일정한 댐핑력을 가함으로써, 각종의 근육통 또는 염좌를 방지할 수 구조를 제공한다.As described above, the MR damper part 500 of the present invention has the skeleton when the
MR 댐퍼부(500)는 상부골격(300)에 설치하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 댐퍼 구조는 상술한 바와 같이, 하부골격(200)과 수직으로 연결되는 피스톤 및 피스톤이 상하운동을 할 수 있는 MR 유체가 충진된 실린더(510), 상기 실린더(510) 상하부에 관통 연결되고, 상기 MR 유체가 충진된 가지튜브(530) 및 상기 가지튜브(530)에 선택적으로 자기장을 인가할 수 있는 자석부(550)를 포함하여 구성된다.MR damper 500 is preferably installed on the upper skeleton (300). As described above, the damper structure according to the present invention, the piston and vertically connected to the
보다 상세히 설명하면, 수직 하방으로 갑작스런 큰 힘을 받을 때 관절을 중심으로 인체 하지에 과도한 하중이 전달되고, 이 하중으로 인하여 상당한 충격을 줄 수 있기 때문에, 상기 충격을 완화시키기 위한 댐핑력을 생성하는 구조이다. 본 발명에서 무릎 관절 등 하지에 갑작스런 충격을 받는 경우에 이를 지지하고 완화하기 위해 MR 유체를 이용한 댐퍼 구조를 형성하여 보호하고자 하는 것이다. 여기서, 댐퍼는 쇼크 업서버(shock absorber)의 역할로서, 위치의 이동을 억제하기 위한 장치다. In more detail, when a sudden large force is applied vertically downward, excessive load is transmitted to the lower extremities of the human body around the joint, and due to this load, a considerable shock can be generated, thereby generating a damping force for mitigating the impact. Structure. In the present invention, when a sudden impact on the lower extremities such as the knee joint is intended to protect by forming a damper structure using MR fluid to support and alleviate it. Here, the damper serves as a shock absorber and is a device for suppressing the movement of the position.
여기서, MR(magneto-rheological) 유체는 비전도성 용매에 수 미크론 크기의 극성 입자를 분산시킨 현탁액(suspension)이다. MR 유체는 외부에서 부하된 자기장 강도에 따라 수 msec 이내에 유변학적 특성이 연속적이면서 가역적으로 변하는 기능성 유체이다. 이러한 특징 때문에, MR 유체는 충격 흡수장치, 진동 절연장치 그리고 브레이크 및 클러치와 같은 다양한 장치에 적용되어 왔다.Here, a magneto-rheological (MR) fluid is a suspension in which polar particles of several microns in size are dispersed in a non-conductive solvent. MR fluids are functional fluids whose rheological properties change continuously and reversibly within several msec depending on the externally loaded magnetic field strength. Because of this feature, MR fluids have been applied to various devices such as shock absorbers, vibration isolators and brakes and clutches.
즉, MR유체는 외부에서 자기장을 인가하면, 유체 중에 분산된 입자가 자화(magnetization) 현상을 일으켜 자기장과 평행한 방향으로 섬유상 구조의 고리 모양의 클러스터를 형성하는 유체를 칭하는 것이며, 자기장에 의해 형성된 클러스터들의 결합력에 의해 유체의 유동이나 외부에서 가해지는 전단력에 대하여 저항하는 성질을 갖고 있으며, 클러스터의 결합력은 인가되는 자기장의 세기에 따라 달라진다.That is, MR fluid refers to a fluid in which particles dispersed in a fluid cause magnetization when an external magnetic field is applied to form a ring-shaped cluster of fibrous structure in a direction parallel to the magnetic field. The coupling force of the clusters has a property of resisting the flow of the fluid or the shear force applied from the outside, the coupling force of the cluster depends on the strength of the applied magnetic field.
그러므로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 하부골격(200)과 연결되는 피스톤 로드가 상기 하부골격(200)이 회동하는 경우 수직 이동하게 되고, 이동되는 상기 피스톤 로드(515)의 이동에 따라 실린더(510) 내부에 충진된 MR 유체가 가압되어 밀리게 되고 가지튜브(530)에서 이동하게 된다.Therefore, as shown in FIG. 4, the piston rod connected to the
이와 같은 MR 유체의 유동에 상기 가지튜브(530)에 인접하여 설치된 자석을 통하여 자기장을 인가하게 되면, MR 유체가 상술한 바와 같이, 자화현상을 일으켜 자기장과 평행한 방향으로 섬유상 구조의 고리 모양의 클러스터를 형성함으로써 유체의 이동에 대한 저항력을 생성하게 되는 것으로, 자기장의 세기를 조절에 의하여 선택적인 댐핑력을 갖는 MR 댐퍼부를 형성하게 된다.When the magnetic field is applied to the flow of the MR fluid through the magnet installed adjacent to the
더하여, 자석이 영구자석이 아니라, 전자석을 이용하는 것도 가능한데, 영구자석인 경우 상기 가지튜브(530)와의 인접 거리로 인가되는 자기장의 세기를 조절할 수 있지만, 전자석의 경우 외부 전원을 통하여 코일에 인가되는 전류의 세기를 조절하여 인가되는 자기장의 세기를 조정한다. 또한, 전자석의 경우는 다른 장치가 필요하기 않고, 미세하게 자기장의 세기를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 신호에 의해 반응속도가 매우 빠르다는 장점이 있다.(도시하지 않음) In addition, the magnet is not a permanent magnet, it is also possible to use an electromagnet, in the case of a permanent magnet it is possible to adjust the strength of the magnetic field applied to the adjacent distance to the
더하여, 가지튜브(530)의 어느 일부에는 솔레노이드 밸브(570)를 설치하여, 착용자가 선택적으로 MR 유체의 이동을 막아 피스톤 이동을 저지함으로써, 캠으로 연결된 하부골격(200)의 회동을 멈추게 할 수 있다. 이와 같이 가지튜브(530)에 솔레노이드 밸브(570)를 설치함으로써, 관절부의 하부골격(200) 회동을 정지시킬 수 있는 제동장치를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이는 다양한 환경과 상황에서 강제로 제동을 걸어야하는 경우, 가장 빠르고 확실하게 제동할 수 있으며, 설치 구성이 용이하기 때문이다.
In addition, by installing a
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
While the invention has been shown and described with respect to the specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Anyone with it will know easily.
100: 지지기구, 200: 하부골격, 300: 상부골격, 410: 모터,
430: 캘리퍼, 450: 레버, 500: MR 댐퍼부, 510: 실린더,
530: 가지튜브, 550: 자석부, 570: 솔레노이드 밸브
700: 고관절부, 800: 연결 막대, 850: 연결판, 910: 지지판,
930: 체결부100: support mechanism, 200: lower frame, 300: upper frame, 410: motor,
430: caliper, 450: lever, 500: MR damper portion, 510: cylinder,
530: branch tube, 550: magnet portion, 570: solenoid valve
700: hip joint, 800: connecting rod, 850: connecting plate, 910: support plate,
930: fastening
Claims (12)
상기 좌우 고관절부와 수직축을 중심으로 회동 연결된 L형 좌우 연결 막대;
상기 막대의 타단과 높이를 조절하여 체결 가능한 좌우 연결판; 및
상기 연결판과 수직으로 연결되고, 서로 수직축을 중심으로 회동 가능하도록 연결되는 좌우 허리 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 허리 지지구조.
In the walking aid device connected to the hip joint of the exoskeleton to support the waist of the human body,
An L-shaped left and right connecting rod pivotally connected about the left and right hip joints and a vertical axis;
Left and right connecting plate that can be fastened by adjusting the other end and the height of the bar; And
Waist support structure characterized in that it comprises a left and right waist support connected to the connecting plate vertically, rotatably connected to each other about a vertical axis.
상기 연결판은 수직으로 배열된 복수개의 관통공 중에서 어느 하나의 관통공과 상기 막대의 관통공을 통해 볼트로 연결된 것을 특징으로 하는 허리 지지구조.
The method of claim 1,
The connecting plate is a waist support structure, characterized in that connected through the bolt through any one of the through-hole and the through-hole of the plurality of through-holes arranged vertically.
상기 허리 지지대는,
상기 연결판과 연결되는 지지판과,
상기 지지판에 수평축으로 회동 연결되고, 다른 지지대와 체결되는 체결부(930)를 포함하는 것을 특징으로 하는 허리 지지구조.
The method of claim 1,
The waist support,
A support plate connected to the connecting plate,
The support structure is pivotally connected to the support plate in a horizontal axis, characterized in that it comprises a fastening portion 930 is fastened with the other support.
상기 체결부(930)는,
다른 체결부와 치합되어 체결되고, 상기 치합 체결핀을 중심으로 회동이 가능한 것을 특징으로 하는 허리 지지구조.
The method of claim 3,
The fastening part 930 is,
Is engaged with other fastening portion is fastened, the waist support structure, characterized in that the pivoting around the fastening fastening pin.
상기 지지기구 외측에 체결되며, 무릎 위치의 관절부와 상부골격, 하부골격 및 고관절부부로 이루어지는 외골격;
상기 관절부의 외측에 체결되어 상부 또는 하부 골격을 회전운동시키는 하부골격 액츄에이터;
상기 상부골격 및 허리 지지부를 연결하는 고관절부 및 상기 고관절부에 체결되어 상기 상부골격의 회동을 구동하는 상부골격 액츄에이터;
상기 상부골격의 측면에 상기 관절부와 연결되어 상기 하부골격의 회전시 선택적으로 댐핑력을 조절할 수 있는 MR 댐퍼부;
상기 상부 및 하부골격 액츄에이터에 설치되어 상기 상부 및 하부골격을 선택적으로 회동시킬 수 있는 레버;
상기 좌우 고관절부와 수직축을 중심으로 회동 연결된 L형 좌우 연결 막대;
상기 막대의 타단과 높이를 조절하여 체결 가능한 좌우 연결판; 및
상기 연결판과 수직으로 연결되고, 서로 수직축을 중심으로 회동 가능하도록 연결되는 좌우 허리 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 하지 근력지원 로봇슈트.
A support mechanism for wrapping the lower body of the human body;
It is fastened to the outside of the support mechanism, the exoskeleton consisting of the joint portion and the upper skeleton, lower skeleton and hip joint portion of the knee position;
A lower skeletal actuator coupled to the outside of the joint to rotate the upper or lower skeleton;
An upper skeletal actuator coupled to the hip joint and the hip joint connecting the upper skeleton and the lower back support to drive the rotation of the upper skeleton;
An MR damper part connected to the joint part at a side of the upper skeleton to selectively adjust a damping force when the lower skeleton is rotated;
A lever installed in the upper and lower skeleton actuators to selectively rotate the upper and lower skeletons;
An L-shaped left and right connecting rod pivotally connected about the left and right hip joints and a vertical axis;
Left and right connecting plate that can be fastened by adjusting the other end and the height of the bar; And
The lower limb muscle strength support robot suit, characterized in that it comprises a left and right waist support connected to the connecting plate and vertically connected to be rotatable about a vertical axis with each other.
상기 액츄에이터는
모터, 상기 모터와 고정연결된 디스크, 상기 디스크를 선택적으로 압착할 수 있는 캘리퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇슈트.
The method of claim 5,
The actuator is
And a motor, a disk fixedly connected to the motor, and a lower leg muscle support robot suit comprising a caliper capable of selectively compressing the disk.
상기 MR 댐퍼부는,
상기 하부골격 액츄에이터의 상부에 위치하고, MR 유체가 충진된 실린더;
상기 하부골격이 상기 관절을 중심으로 회전하는 경우, 상기 실린더에 삽입되어 상하 직선운동을 하는 피스톤 로드;
상기 실린더 상하부에 관통 연결된 적어도 하나의 가지튜브;
상기 가지튜브 일부에 선택적으로 자기장을 인가할 수 있는 자석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇슈트.
The method of claim 6,
The MR damper unit,
A cylinder located above the lower skeletal actuator and filled with MR fluid;
A piston rod inserted into the cylinder and vertically moving when the lower skeleton rotates about the joint;
At least one branch tube connected to upper and lower parts of the cylinder;
The lower leg muscle support robot suit, characterized in that it comprises a magnet portion for selectively applying a magnetic field to a portion of the branch tube.
상기 자석부는 영구자석 또는 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇슈트.
The method of claim 7, wherein
The magnet portion lower body strength support robot suit, characterized in that it comprises a permanent magnet or an electromagnet.
상기 가지튜브의 어느 일부분에 솔레노이드 밸브가 장착되어 상기 관절부의 하부골격부 회동을 선택적으로 구동할 수 있는 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇슈트.
The method of claim 7, wherein
A solenoid valve is attached to any part of the branch tube to support the lower muscle strength robot suit, characterized in that to selectively drive the lower skeletal portion rotation of the joint.
상기 연결판은 수직으로 배열된 복수개의 관통공 중에서 어느 하나의 관통공과 상기 막대의 관통공을 통해 볼트로 연결된 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇슈트.
10. The method according to any one of claims 5 to 9,
The connecting plate is a lower body strength support robot suit, characterized in that connected via a bolt through any one of the through-hole and the through-hole of the plurality of through-holes arranged vertically.
상기 허리 지지대는,
상기 연결판과 연결되는 지지판과,
상기 지지판에 수평축으로 회동 연결되고, 다른 지지대와 체결되는 체결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇슈트.
10. The method according to any one of claims 5 to 9,
The waist support,
A support plate connected to the connecting plate,
Rotating strength support robot suit characterized in that it comprises a fastening portion which is pivotally connected to the support plate in a horizontal axis, and fastened with another support.
상기 체결부는,
다른 체결부와 치합되어 체결되고, 상기 치합 체결핀을 중심으로 회동이 가능한 것을 특징으로 하는 하지 근력지원 로봇슈트.
10. The method according to any one of claims 5 to 9,
The fastening portion
The lower extremity muscle support robot suit, characterized in that the fastening is engaged with the other fastening portion, it is possible to rotate around the engagement fastening pin.
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