KR20120082221A - System for supporting upper limb muscle strength - Google Patents

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KR20120082221A
KR20120082221A KR1020110003598A KR20110003598A KR20120082221A KR 20120082221 A KR20120082221 A KR 20120082221A KR 1020110003598 A KR1020110003598 A KR 1020110003598A KR 20110003598 A KR20110003598 A KR 20110003598A KR 20120082221 A KR20120082221 A KR 20120082221A
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Abstract

PURPOSE: A supporting device for muscular power of upper limbs is provided to improve the stability of the device by reducing load torque applied to an actuator by amplifying the torque of the actuator. CONSTITUTION: A supporting device for muscular power of upper limbs comprises a linear transferring shaft(10), a link combining unit(12), an exoskeleton robot arm(13), a second actuator(14), and a wrist joining unit(15). The linear transferring shaft is driven by a first actuator(11). The link combining unit is reciprocated back and forth along the linear transferring shaft. The exoskeleton robot arm is connected to the link combining unit. The second actuator rotates the exoskeleton robot arm. The wrist joining unit is connected to the front end of the exoskeleton robot arm and a working part for handling weighted materials is installed in the wrist joining unit.

Description

상지 근력 지원 시스템{System for Supporting Upper Limb Muscle Strength}System for Supporting Upper Limb Muscle Strength}

본 발명은 상지 근력 지원 시스템에 관한 것으로서, 특히 산업현장 노동 작업에서 외골격 로봇 착용자의 근력을 지원하는 상지 근력 지원 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an upper extremity muscle strength support system, and more particularly, to an upper extremity muscle strength support system for supporting muscle strength of an exoskeleton robot wearer in industrial labor.

오늘날 외골격 로봇은 다양한 분야에서 활용되고 있다. 일례로 외골격 로봇은 정상적인 운동 및 보행이 어려운 노인과 환자의 거동을 보조하거나 재활을 돕는 보조기로 이용되고 있다. 또한 최근에는 중량물을 다뤄야 하는 산업현장에서 외골격 로봇을 이용하는 사례가 점점 늘고 있다.Today, exoskeleton robots are used in various fields. For example, the exoskeleton robot is used as an aid for assisting or rehabilitation of the elderly and patients who have difficulty in normal exercise and walking. In recent years, more and more cases of exoskeleton robots are used in industrial sites that have to deal with heavy materials.

산업현장 노동 작업에서 외골격 로봇은 착용자의 근력을 지원해 줌으로써 작업 역량과 능률을 향상시킬 수 있게 한다. 즉, 외골격 로봇 착용자는 모터로부터 공급된 힘을 외골격 로봇을 통해 전달 받음으로써 적은 힘으로도 쉽게 중량물을 다룰 수 있게 된다. 이때 모터의 힘은 외골격 로봇의 메커니즘적인 특성에 의해 효과적으로 착용자에게 전달되어진다.In industrial labor, exoskeleton robots support the wearer's strength, enabling them to improve their work capacity and efficiency. That is, the exoskeleton robot wearer can easily handle the heavy object with a small force by receiving the power supplied from the motor through the exoskeleton robot. At this time, the power of the motor is effectively transmitted to the wearer by the mechanism characteristic of the exoskeleton robot.

본 발명의 목적은 일반적인 구조의 착용형 외골격 로봇에 비해 향상된 근력 지원 효과를 가지는 구조 및 메커니즘이 적용된 상지 근력 지원 시스템을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide an upper extremity muscle strength support system to which the structure and mechanism having improved strength support effect compared to the wearable exoskeleton robot of the general structure.

본 발명의 다른 목적은 외골격 로봇 팔을 구동하는 액추에이터의 토크를 증폭시켜 액추에이터에 걸리는 부하 토크를 줄임으로써 시스템의 안정성을 향상시키는 상지 근력 지원 시스템을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide an upper extremity muscle strength support system that improves the stability of the system by amplifying the torque of the actuator driving the exoskeleton robot arm to reduce the load torque applied to the actuator.

본 발명의 또 다른 목적은 기존 2개의 회전축으로 구성된 외골격 팔에 비해 중량물에 대한 모멘트 팔의 길이를 짧게 하여 최대 필요토크를 감소시키는 메커니즘을 가진 상지 근력 지원 시스템을 제공하기 위한 것이다.Still another object of the present invention is to provide an upper extremity muscle strength support system having a mechanism for reducing the maximum required torque by shortening the length of the moment arm relative to the heavy object compared to the existing exoskeletal arm composed of two rotation shafts.

본 발명의 또 다른 목적은 스프링 메커니즘을 중력과의 상쇄균형 장치로 적용하여 최대 필요토크 용량을 줄이는 상지 근력 지원 시스템을 제공하기 위한 것이다.It is still another object of the present invention to provide an upper extremity muscle strength support system which reduces the maximum required torque capacity by applying a spring mechanism as an offset balance device with gravity.

본 발명의 또 다른 목적은 기존 착용형 외골격 로봇에 비해 착용자와의 접합점을 손목 한 곳으로 줄임으로써 착용자의 동작 범위를 향상시키고 착용 피로도와 착탈시간을 감소시키는 상지 근력 지원 시스템을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide an upper extremity muscle strength support system that improves the wearer's range of motion and reduces wear fatigue and detachment time by reducing the junction with the wearer as one wrist compared to the conventional wearable exoskeleton robot.

이러한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 상지 근력 지원 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 상지 근력 지원 시스템은, 제1 액추에이터에 의해 구동되는 직선 이송축; 상기 직선 이송축에 체결되어 상기 직선 이송축을 따라 전후 왕복운동을 하는 링크 결합부; 후단이 소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 상기 링크 결합부에 연결되는 외골격 로봇 팔; 상기 외골격 로봇 팔의 후단에 설치되어 상기 외골격 로봇 팔을 회전시키는 제2 액추에이터; 소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 상기 외골격 로봇 팔의 선단에 연결되며 중량물을 다루기 위한 작업 영역이 설치되는 손목 접합부를 포함하여 구성된다.In order to achieve these objects, the present invention provides an upper extremity muscle strength support system. The upper extremity muscle strength support system according to the present invention, the linear feed shaft driven by the first actuator; A link coupler coupled to the linear feed shaft and configured to reciprocate back and forth along the linear feed shaft; An exoskeleton robot arm connected to the link coupling portion so that a rear end thereof is rotatable within a predetermined range; A second actuator installed at a rear end of the exoskeleton robot arm to rotate the exoskeleton robot arm; It is configured to include a wrist joint is connected to the front end of the exoskeleton robot arm to be rotatable within a predetermined range and a work area for handling a heavy object is installed.

본 발명의 상지 근력 지원 시스템에 있어서, 상기 외골격 로봇 팔은 4절 링크 구조와 스프링 메커니즘 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.In the upper extremity muscle strength support system of the present invention, the exoskeleton robot arm may have at least one of a four-section link structure and a spring mechanism.

또한, 본 발명의 상지 근력 지원 시스템은 상기 직선 이송축의 후단에 연결되어 회전축을 통해 상기 직선 이송축을 회전시키는 제3 액추에이터를 더 포함할 수 있다.In addition, the upper extremity muscle strength support system of the present invention may further include a third actuator connected to the rear end of the linear feed shaft to rotate the linear feed shaft through a rotating shaft.

또한, 본 발명의 상지 근력 지원 시스템에 있어서, 상기 외골격 로봇 팔은, 상기 링크 결합부에 고정되는 고정 링크; 후단이 상기 고정 링크에 회전 가능하게 결합되는 주동 링크; 후단이 상기 고정 링크에 회전 가능하게 결합되고 선단이 상기 손목 접합부에 회전 가능하게 결합되는 제2 로봇 팔 링크; 후단이 상기 주동 링크의 선단에 회전 가능하게 결합되고 선단이 상기 제2 로봇 팔 링크의 선단 근처에 회전 가능하게 결합되는 연결 링크를 포함할 수 있으며, 이때 상기 주동 링크는 상기 제2 로봇 팔 링크에 비하여 길이가 짧고, 상기 고정 링크와 상기 주동 링크의 연결 축은 상기 제2 액추에이터와 체결되어 입력 축이 되고, 상기 고정 링크와 상기 제2 로봇 팔 링크의 연결 축은 출력 축이 되며, 상기 제2 액추에이터가 상기 입력 축을 통해 상기 주동 링크를 회전시키면, 상기 연결 링크에 의해 상기 제2 로봇 팔 링크가 소정의 각도를 회전하는 것이 특징이다.In addition, the upper extremity muscle strength support system of the present invention, the exoskeleton robot arm, a fixed link fixed to the link coupling; A main link having a rear end rotatably coupled to the fixed link; A second robot arm link having a rear end rotatably coupled to the fixed link and a front end rotatably coupled to the wrist junction; A rear end may be rotatably coupled to the front end of the main link, and the front end may include a connection link rotatably coupled near the front end of the second robot arm link, wherein the main link is connected to the second robot arm link. In comparison, the length of the fixed link and the main link is coupled to the second actuator is coupled to the input shaft, the connecting link between the fixed link and the second robot arm link is the output shaft, the second actuator is When the main link is rotated through the input shaft, the second robot arm link is rotated by a predetermined angle by the connection link.

또한, 본 발명의 상지 근력 지원 시스템에 있어서, 상기 외골격 로봇 팔은, 상기 고정 링크와 상기 손목 접합부에 각각 회전 가능하게 결합되는 제1 로봇 팔 링크; 상기 제1 로봇 팔 링크와 상기 제2 로봇 팔 링크 사이에 체결되는 스프링을 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 스프링의 초기 위치는 상기 로봇 팔 링크들이 가장 위로 들어져 있을 때로 설정되고, 상기 로봇 팔 링크들이 아래에 위치할 때에 상기 스프링의 복귀력이 작용하는 것이 특징이다.In addition, the upper extremity muscle strength support system of the present invention, the exoskeleton robot arm, the first robot arm link rotatably coupled to the fixed link and the wrist joint, respectively; It may further include a spring coupled between the first robot arm link and the second robot arm link, wherein the initial position of the spring is set to when the robot arm links are lifted up, the robot arm link It is characterized in that the return force of the spring acts when they are positioned below.

또한, 본 발명의 상지 근력 지원 시스템에 있어서, 상기 제1 로봇 팔 링크와 상기 제2 로봇 팔 링크는 상기 고정 링크 및 상기 손목 접합부와 4절 링크 구조를 이룰 수 있다.In the upper extremity muscle strength support system of the present invention, the first robot arm link and the second robot arm link may form a four-section link structure with the fixed link and the wrist joint.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 다음 구성의 상지 근력 지원 시스템이 제공된다. 이 경우의 상지 근력 지원 시스템은, 후단이 소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 상기 링크 결합부에 연결되는 외골격 로봇 팔; 상기 외골격 로봇 팔의 후단에 설치되어 상기 외골격 로봇 팔을 회전시키는 액추에이터; 소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 상기 외골격 로봇 팔의 선단에 연결되며 중량물을 다루기 위한 작업 영역이 설치되는 손목 접합부를 포함하며, 상기 외골격 로봇 팔은 4절 링크 구조와 스프링 메커니즘 중 적어도 하나를 구비하는 것이 특징이다.On the other hand, according to another aspect of the present invention, there is provided an upper extremity muscle strength support system of the following configuration. The upper extremity muscle strength support system in this case, the exoskeleton robot arm is connected to the link coupling portion so that the rear end is rotatable within a predetermined range; An actuator installed at a rear end of the exoskeleton robot arm to rotate the exoskeleton robot arm; A wrist joint connected to a distal end of the exoskeleton robot arm to be rotatable within a predetermined range and provided with a work area for handling a heavy object, wherein the exoskeleton robot arm includes at least one of a four-section link structure and a spring mechanism. Is characteristic.

본 발명에 따른 상지 근력 지원 시스템은 일반적인 구조의 착용형 외골격 로봇에 비해 향상된 근력 지원 효과를 가지는 구조 및 메커니즘이 적용된다.The upper extremity muscle strength support system according to the present invention is applied to the structure and mechanism having an improved strength support effect compared to the wearable exoskeleton robot of the general structure.

또한, 본 발명에 따른 상지 근력 지원 시스템은 외골격 로봇 팔을 구동하는 액추에이터의 토크를 증폭시켜 액추에이터에 걸리는 부하 토크를 줄임으로써 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, the upper limb muscle strength support system according to the present invention can improve the stability of the system by reducing the load torque applied to the actuator by amplifying the torque of the actuator for driving the exoskeleton robot arm.

또한, 본 발명에 따른 상지 근력 지원 시스템은 기존 2개의 회전축으로 구성된 외골격 팔에 비해 중량물에 대한 모멘트 팔의 길이를 짧게 하여 최대 필요토크를 감소시키는 메커니즘을 가진다.In addition, the upper extremity muscle strength support system according to the present invention has a mechanism to reduce the maximum required torque by shortening the length of the moment arm relative to the weight compared to the existing exoskeletal arm consisting of two rotation axis.

또한, 본 발명에 따른 상지 근력 지원 시스템은 스프링 메커니즘을 중력과의 상쇄균형 장치로 적용하여 최대 필요토크 용량을 줄일 수 있다.In addition, the upper extremity muscle strength support system according to the present invention can reduce the maximum required torque capacity by applying the spring mechanism as a balance balancing device with gravity.

또한, 본 발명에 따른 상지 근력 지원 시스템은 기존 착용형 외골격 로봇에 비해 착용자와의 접합점을 손목 한 곳으로 줄임으로써 착용자의 동작 범위를 향상시키고 착용 피로도와 착탈시간을 감소시킬 수 있다.In addition, the upper extremity muscle strength support system according to the present invention can improve the operating range of the wearer and reduce wear fatigue and detachment time by reducing the junction with the wearer to one wrist compared to the conventional wearable exoskeleton robot.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상지 근력 지원 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상지 근력 지원 시스템의 측면도 및 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상지 근력 지원 시스템에서 4절 링크 구조의 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 상지 근력 지원 시스템에서 스프링의 작용을 설명하기 위한 개략도이다.1 is a perspective view of an upper extremity muscle strength support system according to an embodiment of the present invention.
2 is a side view and a partially enlarged view of the upper extremity muscle strength support system according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram for explaining the principle of the section 4 link structure in the upper extremity muscle strength support system according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B are schematic diagrams for explaining the action of the spring in the upper extremity muscle strength support system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고 본 발명과 직접 관련이 없는 사항에 대해서는 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 명확히 전달하기 위해 설명을 생략할 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the embodiments, the descriptions may be omitted to clearly convey matters that are well known in the art to which the present invention pertains and are not directly related to the present invention without obscuring the core of the present invention.

한편, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 첨부 도면을 통틀어 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여한다.On the other hand, in the accompanying drawings, some components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated, and the size of each component does not entirely reflect the actual size. Like reference numerals refer to like or corresponding elements throughout the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상지 근력 지원 시스템의 사시도이다.1 is a perspective view of an upper extremity muscle strength support system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 상지(上肢, upper limb) 근력 지원 시스템은 외골격 로봇 팔(13)을 토대로 하여 여러 구성요소들로 이루어지며, 산업현장 노동 작업에 종사하는 사용자의 손목에 착용되어 사용된다. 상지 근력 지원 시스템은 착용자의 근력을 지원해 줌으로써 작업 역량과 능률을 향상시킬 수 있으며, 착용자는 적은 힘으로도 쉽게 중량물을 다룰 수 있게 된다.Referring to Figure 1, the upper limb muscle strength support system of the present embodiment is composed of a number of components based on the exoskeleton robot arm 13, worn on the wrist of a user engaged in industrial labor Used. The upper limb strength support system supports the wearer's strength to improve work capacity and efficiency, and the wearer can easily handle heavy objects with little force.

도 1에 도시된 바와 같이, 상지 근력 지원 시스템은 크게 직선 이송축(10), 제1 액추에이터(11), 링크 결합부(12), 외골격 로봇 팔(13), 제2 액추에이터(14), 손목 접합부(15), 작업 영역(16), 제3 액추에이터(18)로 구성된다. 특히, 외골격 로봇 팔(13)에는 4절 링크(4-Bar linkage) 구조와 스프링 메커니즘이 적용되는데, 이에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 후술한다.As shown in FIG. 1, the upper extremity muscle strength support system includes a linear feed shaft 10, a first actuator 11, a link coupling portion 12, an exoskeleton robot arm 13, a second actuator 14, and a wrist. It consists of the junction part 15, the working area 16, and the 3rd actuator 18. As shown in FIG. In particular, the four-bar linkage structure and the spring mechanism is applied to the exoskeleton robot arm 13, which will be described later with reference to FIGS.

직선 이송축(10)은 제1 액추에이터(11)에 의해 구동된다. 직선 이송축(10)에는 링크 결합부(12)가 체결되며, 링크 결합부(12)는 직선 이송축(10)을 따라 전후 왕복운동을 할 수 있다. 링크 결합부(12)에는 외골격 로봇 팔(13)의 후단이 소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 연결된다. 외골격 로봇 팔(13)의 회전은 외골격 로봇 팔(13)의 후단에 설치된 제2 액추에이터(14)에 의해 이루어진다. 외골격 로봇 팔(13)의 선단에는 손목 접합부(15)가 소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 연결된다. 손목 접합부(15)에는 사용자가 중량물(도 4의 17)을 다루기 위한 작업 영역(16)이 설치된다. 한편, 직선 이송축(10) 후단에는 제3 액추에이터(18)에 의해 직선 이송축(10)을 회전시키는 회전축이 연결될 수 있다.The linear feed shaft 10 is driven by the first actuator 11. The link coupling portion 12 is fastened to the linear feed shaft 10, and the link coupling portion 12 may move back and forth along the linear feed shaft 10. The rear end of the exoskeleton robot arm 13 is rotatably connected to the link coupling portion 12 within a predetermined range. Rotation of the exoskeleton robot arm 13 is made by a second actuator 14 installed at the rear end of the exoskeleton robot arm 13. The wrist joint 15 is rotatably connected to the front end of the exoskeleton robot arm 13 within a predetermined range. The wrist joint 15 is provided with a work area 16 for the user to handle the heavy object (17 in FIG. 4). On the other hand, the rear end of the linear feed shaft 10 may be connected to a rotary shaft for rotating the linear feed shaft 10 by the third actuator (18).

개략적으로 이러한 구성을 가지는 본 실시예의 상지 근력 지원 시스템에 대하여, 이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.The upper extremity muscle strength support system of this embodiment having such a configuration will be described in detail below with reference to FIGS. 1 to 4.

먼저, 도 1과 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상지 근력 지원 시스템의 측면도 및 부분 확대도이다.First, a description will be given with reference to FIGS. 1 and 2. 2 is a side view and a partially enlarged view of the upper extremity muscle strength support system according to an embodiment of the present invention.

전술한 바와 같이, 링크 결합부(12)는 직선 이송축(10)에 체결되며, 제1 액추에이터(11)에 의해 구동되는 직선 이송축(10)을 따라 전후 왕복운동을 한다. 또한, 링크 결합부(12)에는 외골격 로봇 팔(13)의 후단이 회전 가능하도록 연결되고, 외골격 로봇 팔(13)의 후단에는 제2 액추에이터(14)가 설치된다. 따라서 링크 결합부(12)가 직선 이송축(10)을 따라 움직일 때, 외골격 로봇 팔(13)과 제2 액추에이터(14)의 위치도 직선 이송축(10)을 따라 이동하게 되며, 모멘트 중심이 변하게 된다.As described above, the link coupling portion 12 is fastened to the linear feed shaft 10 and moves back and forth along the linear feed shaft 10 driven by the first actuator 11. In addition, the rear end of the exoskeleton robot arm 13 is rotatably connected to the link coupling portion 12, and a second actuator 14 is installed at the rear end of the exoskeleton robot arm 13. Therefore, when the link coupling portion 12 moves along the linear feed shaft 10, the positions of the exoskeleton robot arm 13 and the second actuator 14 also move along the linear feed shaft 10, and the moment center is Will change.

이와 같이, 기존 2개의 회전축으로 구성된 외골격 팔에 비해 중량물에 대한 모멘트 팔의 길이를 짧게 함으로써 최대 필요토크를 감소시킬 수 있다. 즉, 직선 이송축(10)을 이용하여 외골격 로봇 팔(13)의 모멘트 중심을 변화시킴으로써, 중량물에 의해 링크 결합부(12)에 발생되는 토크의 크기를 줄인다. 일반적으로 상지 근력 지원 외골격 로봇은 착용자의 작업 영역(16)을 움직이기 위해 2개의 링크가 필요한데, 본 발명은 필요한 2개의 링크 중 하나를 직선 이송축(10)으로 적용하여 모멘트 중심이 되는 링크 결합부(12)를 이동시킴으로써 중량물로부터의 최종 토크가 걸리는 모멘트 팔(13)의 길이를 감소시켜 최대 필요토크를 감소시킨다. In this way, the maximum required torque can be reduced by shortening the length of the moment arm relative to the heavy object compared to the existing exoskeletal arm composed of two rotation shafts. That is, by changing the moment center of the exoskeleton robot arm 13 by using the linear feed shaft 10, the amount of torque generated in the link coupling portion 12 by the heavy material is reduced. In general, the upper extremity muscle support exoskeleton robot requires two links to move the wearer's working area 16, the present invention is applied to one of the two necessary links as a linear feed shaft (10) link coupling is the moment center Moving the part 12 reduces the length of the moment arm 13 at which the final torque from the weight is applied, thereby reducing the maximum required torque.

또한, 직선 이송축(10)을 구동하는 제1 액추에이터(11)는 중량물이 걸리는 방향에 수직 방향으로 직선 이송축(10)을 구동하므로 기존의 회전구동축에 비해 적은 용량을 사용할 수 있다. 따라서 전원공급의 효율이 향상되고 전체 시스템의 경량화를 가져올 수 있다.In addition, since the first actuator 11 driving the linear feed shaft 10 drives the linear feed shaft 10 in a direction perpendicular to the direction in which the heavy object is caught, it is possible to use a smaller capacity than the conventional rotary drive shaft. Therefore, the efficiency of power supply can be improved and the overall system weight can be reduced.

아울러, 후단에서 직선 이송축(10)을 회전시키는 제3 액추에이터(18)도 중량물이 걸리는 방향에 수직 방향으로 구동되므로 기존의 구동축에 비해 적은 용량을 사용할 수 있다. 이로 인해 제1 액추에이터(11)와 같이 전원공급의 효율 향상과 시스템 경량화를 가져올 수 있다.In addition, since the third actuator 18 which rotates the linear feed shaft 10 at the rear end is also driven in a direction perpendicular to the direction in which the heavy object is caught, it is possible to use a smaller capacity than the conventional drive shaft. As a result, like the first actuator 11, the efficiency of power supply can be improved and the system weight can be reduced.

한편, 전술한 바와 같이, 외골격 로봇 팔(13)은 그 후단이 링크 결합부(12)에 회전 가능하도록 연결되고 그 선단이 손목 접합부(15)에 회전 가능하도록 연결된다. 즉, 외골격 로봇 팔(13)은 링크 결합부(12)와 손목 접합부(15)를 서로 연결한다. 외골격 로봇 팔(13)은 제2 액추에이터(14)에 의해 소정의 범위 내에서 회전이 가능하며, 이때 사용자와의 접합점에 해당하는 손목 접합부(15)도 외골격 로봇 팔(13)에 대하여 소정의 범위 내에서 회전한다.On the other hand, as described above, the exoskeleton robot arm 13 is rotatably connected to the rear end of the link coupling portion 12 and the tip thereof is rotatably connected to the wrist joint 15. That is, the exoskeleton robot arm 13 connects the link coupling portion 12 and the wrist joint 15 to each other. The exoskeleton robot arm 13 can be rotated within a predetermined range by the second actuator 14, and at this time, the wrist joint 15 corresponding to the junction point with the user also has a predetermined range with respect to the exoskeleton robot arm 13. Rotate within.

이를 위하여, 본 실시예의 외골격 로봇 팔(13)은 4절 링크(4-Bar linkage) 구조와 스프링 메커니즘을 구비한다.To this end, the exoskeleton robot arm 13 of this embodiment has a four-bar linkage structure and a spring mechanism.

도 2의 부분 확대도에 잘 나타난 바와 같이, 외골격 로봇 팔(13)은 제1 로봇 팔 링크(21), 제2 로봇 팔 링크(22), 고정 링크(23), 주동 링크(24), 연결 링크(25), 스프링(28)을 포함한다.As well shown in the partial enlarged view of FIG. 2, the exoskeleton robot arm 13 is connected to the first robot arm link 21, the second robot arm link 22, the stationary link 23, the main link 24, and the connection. A link 25, a spring 28.

고정 링크(23)는 링크 결합부(12)에 고정된다. 고정 링크(23)에는 제1 로봇 팔 링크(21)의 후단, 제2 로봇 팔 링크(22)의 후단, 주동 링크(24)의 후단이 각각 회전 가능하게 결합된다. 제1 로봇 팔 링크(21)와 제2 로봇 팔 링크(22)의 선단은 각각 손목 접합부(15)에 회전 가능하게 결합되고, 주동 링크(24)의 선단은 연결 링크(25)의 후단에 회전 가능하게 결합된다. 연결 링크(25)의 선단은 제2 로봇 팔 링크(22)의 선단 근처에 회전 가능하게 결합된다.The stationary link 23 is fixed to the link coupler 12. The rear end of the first robot arm link 21, the rear end of the second robot arm link 22, and the rear end of the coarse link 24 are rotatably coupled to the fixed link 23, respectively. The front ends of the first robot arm link 21 and the second robot arm link 22 are rotatably coupled to the wrist joint 15, respectively, and the front end of the main link 24 rotates at the rear end of the link link 25. Possibly combined. The tip of the connecting link 25 is rotatably coupled near the tip of the second robotic arm link 22.

제1 로봇 팔 링크(21)를 제외한 제2 로봇 팔 링크(22), 고정 링크(23), 주동 링크(24), 연결 링크(25)는 4절 링크 구조를 이룬다. 고정 링크(23)와 주동 링크(24)의 연결 축은 제2 액추에이터(14)와 체결되어 입력 축(26)이 된다. 제2 액추에이터(14)가 입력 축(26)을 통해 주동 링크(24)를 회전시키면, 주동 링크(24)에 결합된 연결 링크(25)에 의해 제2 로봇 팔 링크(22)가 회전한다. 즉, 제2 로봇 팔 링크(22)는 종동 링크이다. 또한, 고정 링크(23)와 제2 로봇 팔 링크(22)의 연결 축은 출력 축(27)이 된다.The second robot arm link 22, the fixed link 23, the coarse link 24, and the connection link 25 except for the first robot arm link 21 form a four-section link structure. The connecting shaft of the fixed link 23 and the main link 24 is engaged with the second actuator 14 to become the input shaft 26. When the second actuator 14 rotates the coordinating link 24 through the input shaft 26, the second robot arm link 22 is rotated by the connecting link 25 coupled to the coordinating link 24. In other words, the second robotic arm link 22 is a driven link. In addition, the connecting shaft of the fixed link 23 and the second robotic arm link 22 becomes the output shaft 27.

이러한 4절 링크 구조의 원리가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서 Q는 고정 링크(23), S는 주동 링크(24), L은 연결 링크(25), P는 종동 링크인 제2 로봇 팔 링크(22)에 해당한다. 도시된 바와 같이, 주동 링크(24, S)는 종동 링크(22, P)에 비하여 그 길이가 짧다. 따라서 주동 링크(24, S)가 회전할 때 종동 링크(22, P)는 소정의 각도를 왕복운동하게 된다.The principle of such a four-link structure is shown in FIG. In FIG. 3, Q corresponds to the fixed link 23, S corresponds to the main link 24, L corresponds to the link link 25, and P corresponds to the second robot arm link 22. As shown, the primary links 24, S are shorter in length than the driven links 22, P. Accordingly, when the main link 24, S rotates, the driven link 22, P reciprocates a predetermined angle.

이러한 외골격 로봇 팔(13)의 4절 링크 구조에서는 입력 축(26)에 가해지는 입력토크가 출력 축(27)에서 발생하는 출력토크로 증폭된다. 이와 같이 제2 액추에이터(14)의 토크를 증폭시킴으로써, 제2 액추에이터(14)가 중량물(도 4의 17)을 들 수 있는 수준의 힘을 출력시킬 수 있으며, 제2 액추에이터(14)에 걸리는 부하 토크를 줄일 수 있다. 전기식 액추에이터로 많이 쓰이는 모터와 이에 장착되는 감속기에는 일반적으로 고용량으로 갈수록 모터와 감속기가 낼 수 있는 토크보다 적은 수준의 허용가능 토크 용량이 설정되어 있다. 따라서 4절 링크 구조를 통해 제2 액추에이터(14)에 걸리는 부하 토크를 줄임으로써 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.In the four-section link structure of the exoskeleton robot arm 13, the input torque applied to the input shaft 26 is amplified by the output torque generated at the output shaft 27. In this way, by amplifying the torque of the second actuator 14, the second actuator 14 can output a level of force capable of lifting a heavy object (17 in Fig. 4), the load applied to the second actuator 14 The torque can be reduced. Motors that are commonly used as electric actuators and reducers mounted on them are typically set to allowable torque capacities that are less than the motor and reducer can achieve. Therefore, the stability of the system can be improved by reducing the load torque applied to the second actuator 14 through the four-section link structure.

한편, 고정 링크(23)와 손목 접합부(15) 사이에는 4절 링크 구조의 제2 로봇 팔 링크(22) 외에도 제1 로봇 팔 링크(21)가 연결된다. 그리고 제1 로봇 팔 링크(21)와 제2 로봇 팔 링크(22) 사이에는 스프링(28)이 체결된다. 특히, 스프링(28)의 초기 위치는 로봇 팔 링크들(21, 22)이 가장 위로 들어져 있을 때로 설정된다. 따라서 로봇 팔 링크들(21, 22)이 아래에 위치할 때에는 스프링(28)의 복귀력이 작용하게 된다.Meanwhile, the first robot arm link 21 is connected between the fixed link 23 and the wrist joint 15 in addition to the second robot arm link 22 having a four-section link structure. A spring 28 is coupled between the first robot arm link 21 and the second robot arm link 22. In particular, the initial position of the spring 28 is set when the robot arm links 21, 22 are lifted up. Therefore, when the robot arm links 21 and 22 are positioned below, the return force of the spring 28 is applied.

이러한 스프링(28)의 작용은 도 4a 및 도 4b를 통해 더 잘 이해할 수 있을 것이다. 도 4a는 중량물(17)을 드는 동작을, 도 4b는 중량물(17)을 내리는 동작을 각각 보여주고 있다.The action of this spring 28 will be better understood through FIGS. 4A and 4B. FIG. 4A shows the operation of lifting the weight 17 and FIG. 4B shows the operation of lowering the weight 17.

제1 로봇 팔 링크(21)와 제2 로봇 팔 링크(22)도 고정 링크(23) 및 손목 접합부(15)와 4절 링크 구조를 이룬다. 따라서 별도의 액추에이터 없이도 손목 접합부(15)와 연결된 작업 영역(16)이 항상 지면과 평행을 이루도록 한다. 이로 인해 로봇의 자세와 상관없이 중량물(17)을 안정적으로 들 수 있고 전체 시스템의 전원공급 효율 향상과 경량화를 이룰 수 있다. 특히, 외골격 로봇 팔(13)의 선단에 작용하는 손목 접합부(15)의 경량화는 외골격 로봇 팔(13)의 길이와 연관되어 에너지 측면에서 효과적으로 작용된다. 이러한 효과로써 제2 액추에이터(14)의 최대 필요토크를 감소시킨다.The first robotic arm link 21 and the second robotic arm link 22 also form a four-section link structure with the fixed link 23 and the wrist joint 15. Therefore, the working region 16 connected to the wrist joint 15 is always parallel to the ground even without a separate actuator. As a result, the weight 17 can be stably lifted regardless of the position of the robot, and the power supply efficiency of the entire system can be improved and reduced in weight. In particular, the weight reduction of the wrist joint 15 acting on the tip of the exoskeleton robotic arm 13 effectively works in terms of energy in relation to the length of the exoskeleton robotic arm 13. This effect reduces the maximum required torque of the second actuator 14.

본 발명의 상지 근력 지원 시스템은 중량물 들기 동작에서 상대적으로 높은 액추에이터 토크가 필요하고 내리기 동작에서는 중력에 의해 토크가 적게 필요한 특성을 가진다. 따라서 스프링 메커니즘을 중력과의 상쇄균형(counter-balancing) 장치로 적용함으로써 최대 필요토크 용량을 줄일 수 있다.The upper extremity muscle strength support system of the present invention requires a relatively high actuator torque in a heavy lifting operation and requires a small torque by gravity in the lowering operation. Therefore, the maximum required torque capacity can be reduced by applying the spring mechanism as a counter-balancing device with gravity.

구체적으로 설명하면, 중량물 들기 동작에서는 상대적으로 높은 액추에이터 토크가 필요하고 내리기 동작에서는 중량물이나 링크들의 무게로 인한 중력의 보상을 받아 토크가 거의 필요하지 않다. 이러한 시스템의 특성을 이용하여 스프링(28)을 링크에 장착해 줌으로써 액추에이터 에너지 효율성을 가진다. 전술한 바와 같이, 스프링(28)의 초기 위치는 로봇 팔 링크들(21, 22)이 가장 위로 들어져 있을 때로 설정된다. 따라서 로봇 팔 링크들(21, 22)이 아래에 위치할 때에는 스프링(28)의 복귀력이 작용하게 된다. 이를 통해 높은 토크가 필요한 중량물 들기 동작에서는 스프링(28) 복귀력의 도움을 받아 최대 필요토크 용량을 감소시키고, 반대로 중량물 내리기 동작에서는 스프링(28) 복귀력에 반하는 힘을 중량물이나 링크들의 중력 보상을 받아 내릴 수 있도록 한다. 이로 인해 액추에이터 관점에서 전체적인 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.Specifically, in the lifting operation, a relatively high actuator torque is required, and in the lowering operation, torque is hardly required due to the compensation of gravity due to the weight of the heavy objects or links. By utilizing the characteristics of this system, the spring 28 is mounted on the link to have actuator energy efficiency. As described above, the initial position of the spring 28 is set when the robot arm links 21, 22 are lifted up. Therefore, when the robot arm links 21 and 22 are positioned below, the return force of the spring 28 is applied. This reduces the maximum required torque capacity with the help of the spring 28 return force in heavy lifting operations that require high torque, and in contrast to the gravity compensation of heavy loads or links against the force of the spring 28 returning force in the heavy lifting operation. Make sure you get it. This improves the overall energy efficiency from the actuator point of view.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.The embodiments of the present invention disclosed in the specification and the drawings are only intended to provide specific examples to easily explain the technical contents and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

10: 직선 이송축 11: 제1 액추에이터
12: 링크 결합부 13: 외골격 로봇 팔
14: 제2 액추에이터 15: 손목 접합부
16: 작업 영역 17: 중량물
18: 제3 액추에이터 21: 제1 로봇 팔 링크
22: 제2 로봇 팔 링크(종동 링크) 23: 고정 링크
24: 주동 링크 25: 연결 링크
26: 입력 축 27: 출력 축
28: 스프링10: linear feed shaft 11: first actuator
12: link coupling 13: exoskeleton robot arm
14: second actuator 15: wrist joint
16: working area 17: heavy weight
18: Third Actuator 21: First Robot Arm Link
22: second robot arm link (drive link) 23: fixed link
24: main link 25: connection link
26: input shaft 27: output shaft
28: spring

Claims (7)

제1 액추에이터에 의해 구동되는 직선 이송축;
상기 직선 이송축에 체결되어 상기 직선 이송축을 따라 전후 왕복운동을 하는 링크 결합부;
후단이 소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 상기 링크 결합부에 연결되는 외골격 로봇 팔;
상기 외골격 로봇 팔의 후단에 설치되어 상기 외골격 로봇 팔을 회전시키는 제2 액추에이터;
소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 상기 외골격 로봇 팔의 선단에 연결되며 중량물을 다루기 위한 작업 영역이 설치되는 손목 접합부;
를 포함하는 상지 근력 지원 시스템.A linear feed shaft driven by the first actuator;
A link coupler coupled to the linear feed shaft and configured to reciprocate back and forth along the linear feed shaft;
An exoskeleton robot arm connected to the link coupling portion so that a rear end thereof is rotatable within a predetermined range;
A second actuator installed at a rear end of the exoskeleton robot arm to rotate the exoskeleton robot arm;
A wrist joint connected to a distal end of the exoskeleton robot arm to be rotatable within a predetermined range and provided with a work area for handling a heavy object;
Upper extremity muscle strength support system comprising a. 제1항에 있어서,
상기 외골격 로봇 팔은 4절 링크 구조와 스프링 메커니즘 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 지원 시스템.The method of claim 1,
The exoskeleton robotic arm includes at least one of a four-section link structure and a spring mechanism. 제1항에 있어서,
상기 직선 이송축의 후단에 연결되어 회전축을 통해 상기 직선 이송축을 회전시키는 제3 액추에이터;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 지원 시스템.The method of claim 1,
A third actuator connected to a rear end of the linear feed shaft to rotate the linear feed shaft through a rotating shaft;
Upper extremity muscle strength support system further comprises. 제1항에 있어서,
상기 외골격 로봇 팔은,
상기 링크 결합부에 고정되는 고정 링크;
후단이 상기 고정 링크에 회전 가능하게 결합되는 주동 링크;
후단이 상기 고정 링크에 회전 가능하게 결합되고 선단이 상기 손목 접합부에 회전 가능하게 결합되는 제2 로봇 팔 링크;
후단이 상기 주동 링크의 선단에 회전 가능하게 결합되고 선단이 상기 제2 로봇 팔 링크의 선단 근처에 회전 가능하게 결합되는 연결 링크;
를 포함하며,
상기 주동 링크는 상기 제2 로봇 팔 링크에 비하여 길이가 짧고, 상기 고정 링크와 상기 주동 링크의 연결 축은 상기 제2 액추에이터와 체결되어 입력 축이 되고, 상기 고정 링크와 상기 제2 로봇 팔 링크의 연결 축은 출력 축이 되며, 상기 제2 액추에이터가 상기 입력 축을 통해 상기 주동 링크를 회전시키면, 상기 연결 링크에 의해 상기 제2 로봇 팔 링크가 소정의 각도를 회전하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 지원 시스템.The method of claim 1,
The exoskeleton robot arm,
A fixed link fixed to the link coupler;
A main link having a rear end rotatably coupled to the fixed link;
A second robot arm link having a rear end rotatably coupled to the fixed link and a front end rotatably coupled to the wrist junction;
A connecting link having a rear end rotatably coupled to the front end of the main link and a front end rotatably coupled near the front end of the second robot arm link;
Including;
The main link is shorter in length than the second robot arm link, and the connecting axis of the fixed link and the main link is engaged with the second actuator to become an input shaft, and the fixed link and the second robot arm link are connected to each other. And the axis is an output axis, and when the second actuator rotates the main link through the input axis, the second robot arm link rotates a predetermined angle by the connecting link. 제4항에 있어서,
상기 외골격 로봇 팔은,
상기 고정 링크와 상기 손목 접합부에 각각 회전 가능하게 결합되는 제1 로봇 팔 링크;
상기 제1 로봇 팔 링크와 상기 제2 로봇 팔 링크 사이에 체결되는 스프링;
을 더 포함하며,
상기 스프링의 초기 위치는 상기 로봇 팔 링크들이 가장 위로 들어져 있을 때로 설정되고, 상기 로봇 팔 링크들이 아래에 위치할 때에 상기 스프링의 복귀력이 작용하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 지원 시스템.The method of claim 4, wherein
The exoskeleton robot arm,
A first robotic arm link rotatably coupled to the fixed link and the wrist junction respectively;
A spring coupled between the first robot arm link and the second robot arm link;
More,
And the initial position of the spring is set when the robot arm links are in the uppermost position, and the return force of the spring acts when the robot arm links are in the lower position. 제5항에 있어서,
상기 제1 로봇 팔 링크와 상기 제2 로봇 팔 링크는 상기 고정 링크 및 상기 손목 접합부와 4절 링크 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 상지 근력 지원 시스템.The method of claim 5,
And the first robot arm link and the second robot arm link form a four-section link structure with the fixed link and the wrist joint. 후단이 소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 상기 링크 결합부에 연결되는 외골격 로봇 팔;
상기 외골격 로봇 팔의 후단에 설치되어 상기 외골격 로봇 팔을 회전시키는 액추에이터;
소정의 범위 내에서 회전 가능하도록 상기 외골격 로봇 팔의 선단에 연결되며 중량물을 다루기 위한 작업 영역이 설치되는 손목 접합부;
를 포함하며,
상기 외골격 로봇 팔은 4절 링크 구조와 스프링 메커니즘 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 상지 근력 지원 시스템.An exoskeleton robot arm connected to the link coupling portion so that a rear end thereof is rotatable within a predetermined range;
An actuator installed at a rear end of the exoskeleton robot arm to rotate the exoskeleton robot arm;
A wrist joint connected to a distal end of the exoskeleton robot arm to be rotatable within a predetermined range and provided with a work area for handling a heavy object;
Including;
The exoskeleton robotic arm includes at least one of a four-section link structure and a spring mechanism.
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