KR20160032489A - Elastic type sole assembly in wearable robot absorbing impact and detecting ground reaction force - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 착용로봇을 구성하는 착용로봇의 발바닥 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지면으로부터 착용자 또는 착용로봇으로 전달되는 충격을 흡수할 수 있고, 지면반발력의 크기와 작용점 위치를 측정할 수 있는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
착용형 외골격 로봇(이하 '착용로봇'이라함)은 사람이 입는 로봇 시스템으로 착용자의 힘 또는 동작을 보조해 주기 위해 사용된다.A wearable exoskeleton robot (hereinafter referred to as a wear robot) is a robot system to be worn by a person to assist the wearer with a force or an operation.
이러한 착용로봇은 하지근력의 보조 또는 증강을 위해 사용되는데, 주로 민수분야에서는 하지근력이 약한 노약자 또는 장애인의 재활치료 또는 일상생활의 근력보조를 위해, 그리고 공장에서 근로자의 근력보조를 통한 작업효율 향상을 위해 개발되어 왔다.These wearable robots are used for supporting or strengthening leg strength, mainly for the rehabilitation of the elderly or handicapped who have weak leg strength in the field of civilian medicine, for supporting the strength of daily life, and for improving work efficiency by supporting the worker ' Has been developed for.
앞서 설명한 민수분야의 착용로봇은 주로 지면이 평평한 실내환경에서 사용되지만, 전장에서 병사들이 착용하는 착용로봇은 야지, 험지와 같은 평평하지 않은 실외환경에서 병사의 빠른 움직임을 보조하기 위한 목적으로 사용되는 차이가 있다.Although the above-described wearing robot of the civilian field is mainly used in a flat indoor environment, a wearing robot to be worn by soldiers on the battlefield is used for assisting the rapid movement of soldiers in an uneven outdoor environment such as a field or a rug There is a difference.
험지 기동시 상기 착용로봇의 발바닥에 전달되는 충격은 착용자 뿐만 아니라 로봇의 주요 구성품에 손상을 야기할 수 있다. The impact transmitted to the soles of the wearer robot at the start of the hammock can cause damage to not only the wearer but also the main components of the robot.
이러한 이유로, 군용 착용 로봇에 있어서 충격흡수를 위한 발바닥 어셈블리의 설계는 로봇의 원활한 작동을 위해 상당히 중요한 요소이다.For this reason, the design of the sole assembly for shock absorption in a military wearing robot is a very important factor for smooth operation of the robot.
이와 더불어 착용자가 움직이려는 동작 의도에 따라 착용로봇이 잘 움직이도록 제어하려면 발바닥이 지면과의 접촉 시 발바닥에 작용하는 반발력 크기 및 작용점의 위치를 측정하는 것이 필요하다.In addition, it is necessary to measure the magnitude of the repulsive force acting on the soles of the sole when the sole comes into contact with the ground and the position of the action point, in order to control the wearing robot to move well according to the intention of the wearer to move.
하지만, 종래의 착용로봇에서 발바닥 어셈블리에서는 착용자와 착용로봇에 작용하는 충격을 흡수하기 적절치 않았으며, 지면반력의 크기와 작용점 위치를 측정하지 않아 착용자의 동작 의도를 원활하게 반영하지 못하는 문제점이 있었다.
However, in the conventional wearing robot, it is not appropriate to absorb the impact acting on the wearer and the wearing robot in the sole assembly, and the magnitude of the floor reaction force and the position of the action point are not measured, so that the wearer's operation intention can not be smoothly reflected.
한편, 하기의 선행기술문헌은 '지능형 근력 및 보행 보조용 로봇의 발바닥 압력 센서'에 관한 것으로서, 착용 로봇의 발목 및 발바닥 작동기구의 신발 내부에 부착하여 사용자의 발바닥이 지면에 닿았는지 떨어졌는지를 감지할 수 있도록 한 지능형 근력 및 보행 보조용 로봇의 발바닥 압력 센서에 관한 기술이 개시되어 있다.
The following prior art documents relate to an 'intelligent muscle force and foot pressure sensor of a walking aid robot', which is attached to the inside of a shoe of an ankle and sole operating mechanism of a wearing robot to detect whether the user's foot is touched A foot pressure sensor of a robot for walking assistance is disclosed.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 착용로봇 착용후 기동시 지면으로부터 착용자와 상기 착용로봇에 전달되는 충격을 완충시킬 수 있는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리를 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a wearable robot which can absorb impact transmitted from a ground to a wearer and the wearable robot, The aim is to provide an assembly.
본 발명에 따른 목적은 착용자의 동작의지를 상기 착용로봇이 잘 반영할 수 있도록 지면반력의 크기와 작용점의 위치를 측정할 수 있는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리를 제공하는데 있다.
The object of the present invention is to provide a resilient sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorbing and surface reaction force capable of measuring the size of a floor reaction force and the position of a point of action so that the wearing robot can reflect the will of the wearer have.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리는, 착용자의 발바닥과 착용로봇의 발부위 사이에 적어도 하나이상 설치되고, 상기 착용로봇의 발부위가 지면과 접촉할 때, 상기 착용자의 발바닥과 상기 착용로봇의 발부위 사이 및 상기 착용로봇의 발부위와 상기 지면 사이에서 발생하는 충격을 흡수하고, 변형되면서 지면과의 반력을 측정하는 발바닥 유닛을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an elasticized sole assembly for a wearable robot, which is capable of measuring shock absorption and ground reaction force, comprising at least one foot between a sole of a wearer and a foot of a wear robot, A foot unit for absorbing an impact generated between the foot of the wearer and the foot of the wearer robot and between the foot of the wearer and the ground when the part is in contact with the ground and measuring the reaction force with the ground while being deformed, .
상기 발바닥유닛은, 상기 착용자의 발바닥의 일측에 접촉되는 상부부재와, 상기 지면에 접촉되는 하부부재와, 상기 상부부재와 상기 하부부재의 사이에 양단이 각각 상기 상부부재와 상기 하부부재에 연결되게 설치되고, 상기 착용자의 움직임 또는 상기 착용로봇의 움직임에 따라 변형되는 순응부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.The foot unit includes an upper member which is in contact with one side of the wearer's sole, a lower member which is in contact with the ground, and both ends of the upper and lower members are connected to the upper member and the lower member, respectively And a compliant member which is installed and deformed according to the movement of the wearer or the movement of the wear robot.
상기 순응부재는, 상기 하부부재에 연결되는 하부연결부와, 상기 하부연결부와 이격되게 배치되는 상부연결부와, 상기 하부연결부와 상기 상부연결부 사이에 배치되고 인접한 두 부위에 대하여 굽힘변형되는 복수의 힌지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The compliant member may include a lower connection portion connected to the lower member, an upper connection portion spaced apart from the lower connection portion, and a plurality of hinge portions disposed between the lower connection portion and the upper connection portion and bending- .
상기 순응부재는, 상기 하부연결부와 상기 상부연결부 사이에는 각각 중력방향의 움직임, 전후방향의 움직임 또는 좌우방향의 움직임 중 어느 하나에 대하여 전담하여 변형되는 제1힌지부, 제2힌지부 및 제3힌지부가 배치되는 것을 특징으로 한다.The compliant member may include a first hinge portion, a second hinge portion, and a third hinge portion that are exclusively deformed between any one of the gravity direction movement, the forward and backward movement, and the left and right direction movement between the lower connection portion and the upper connection portion, And a hinge portion is disposed.
상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부는 직렬로 배치되는 것을 특징으로 한다.And the first hinge portion, the second hinge portion, and the third hinge portion are arranged in series.
상기 순응부재는 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.And the compliant member is integrally formed.
상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부는 동일한 평면에 위치하는 것을 특징으로 한다.And the first hinge portion, the second hinge portion, and the third hinge portion are located on the same plane.
상기 상부부재는 착용로봇의 다른 부위에 연결되는 연결부가 연장되게 형성되는 것을 특징으로 한다.And the upper member is formed so that a connection portion connected to another portion of the wear robot extends.
상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부에는 각 힌지부의 변형량을 측정할 수 있는 변형량 측정수단이 설치되는 것을 특징으로 한다.The first hinge portion, the second hinge portion, and the third hinge portion are provided with deformation amount measuring means capable of measuring deformation amounts of the respective hinge portions.
상기 변형량 측정수단으로부터 출력되는 신호는 증폭기와 필터를 거쳐 제어기로 입력되는 것을 특징으로 한다.And the signal outputted from the deformation amount measuring means is inputted to the controller through the amplifier and the filter.
상기 변형량 측정수단은 각 힌지부의 굽힘변형량을 측정하는 스트레인 게이지인 것을 특징으로 한다.And the deformation amount measuring means is a strain gauge for measuring an amount of bending deformation of each hinge portion.
상기 발바닥 유닛은, 착용자의 발볼부위에 설치되는 제1 발바닥 유닛과, 착용자의 발뒤꿈치부위에 설치되는 제2 발바닥 유닛으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The sole unit is characterized by comprising a first sole unit provided on the football portion of the wearer and a second sole unit provided on the heel of the wearer.
상기 제1 발바닥 유닛과 상기 제2 발바닥 유닛의 저면을 지지하는 바닥케이스와, 상기 제1 발바닥 유닛과 상기 제2 발바닥 유닛의 상부를 덮는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.A bottom case for supporting the bottoms of the first and second soles, and a cover for covering the tops of the first and second soles.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리는, 착용로봇의 발부위에 설치되어 착용자의 움직임 또는 상기 착용로봇의 움직임에 따라 지면의 반발력을 흡수할 수 있다.According to the present invention, the elastic soles of the wearable robot are capable of absorbing shock and absorbing the repulsive force of the ground according to the movement of the wearer or the movement of the wear robot. .
또한, 발바닥 유닛의 순응부재에 각 힌지부의 굽힘 변형량을 측정할 수 있는 센서를 구비하여, 각 힌지에 작용하는 굽힘 모멘트 정보를 구할 수 있어서, 최종적으로 지면 반력의 크기와 작용점의 위치를 파악할 수 있다.
In addition, the adaptation member of the sole unit can be provided with a sensor capable of measuring the amount of bending deformation of each hinge portion, so that bending moment information acting on each hinge can be obtained, and finally, the size of the floor reaction force and the position of the action point can be grasped .
도 1은 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 적용된 착용로봇을 착용자가 착용한 상태를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 제1 발바닥 유닛을 도시한 분해사시도.
도 4는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 제2 발바닥 유닛을 도시한 분해사시도.
도 5는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 제1 발바닥 유닛의 순응부재의 사시도.
도 6a 및 도 6b는 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 발바닥 유닛의 순응부재 설계를 위한 하중 및 변형조건을 도시한 착용로봇의 정면도 및 측면도.
도 7은 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 발바닥 유닛의 순응부재 설계를 위해 일차적으로 합성한 등가 토션 스프링 구조를 보여주는 구성도.
도 8은 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 발바닥 유닛의 순응부재로부터 출력되는 신호를 취득하기 위한 시스템을 도시한 블록도.
도 9는 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 지면반발력 1226.3N을 발바닥 유닛의 중앙에 가했을 때의 응력 해석 결과를 도시한 그래프.
도 10은 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 지면반발력 1226.3N을 발바닥 유닛의 중앙에 가했을 때의 변형률 해석 결과를 도시한 그래프.
도 11은 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 지면반발력 1226.3N을 발바닥 유닛의 중앙으로부터 (-12, -10)mm 만큼 오프셋된 위치에 가했을 때의 응력 해석 결과를 도시한 그래프.
도 12는 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에서 지면반발력 1226.3N을 발바닥 유닛의 중앙으로부터 (-12, -10)mm 만큼 오프셋된 위치에 가했을 때의 변형률 해석 결과를 도시한 그래프.1 is a perspective view of a resilient sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a state in which a wearing robot to which an elastic soles assembly of a wearing robot is applied, capable of measuring shock absorption and floor reaction force according to the present invention, is worn by a wearer; FIG.
3 is an exploded perspective view showing a first sole unit in an elastic sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the present invention.
4 is an exploded perspective view showing a second sole unit in an elastic sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the present invention.
5 is a perspective view of a compliant member of a first sole unit in an elastic sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the present invention.
6A and 6B are a front view and a side view of a wear robot showing load and deformation conditions for designing a compliant member of a sole unit of a resilient sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the invention.
FIG. 7 is a view showing an equivalent torsion spring structure synthesized primarily for a compliant member design of a sole unit of an elastic sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and floor reaction force according to the present invention. FIG.
8 is a block diagram showing a system for acquiring a signal output from a compliant member of a sole unit of a resilient sole assembly of a wearing robot capable of shock absorption and ground reaction force measurement according to the invention.
9 is a graph showing a result of stress analysis when a floor reaction force of 1226.3N is applied to the center of a sole unit in an elastic sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the invention.
10 is a graph showing a result of a strain analysis when the ground reaction force of 1226.3N is applied to the center of the sole unit in the elastic sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the invention.
FIG. 11 is a graph showing the result of stress analysis when the ground repulsion force of 1226.3N is applied to a position offset by (-12, -10) mm from the center of the sole unit in the elastic sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the invention FIG.
FIG. 12 is a graph showing the results of analysis of strain when a ground reaction force of 1226.3N is applied to a position offset by (-12, -10) mm from the center of a sole unit in an elastic sole assembly of a wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the invention FIG.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리에 대하여 자세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the elastic soles of a wearing robot according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리는, 착용자의 발바닥과 착용로봇의 발부위 사이에 적어도 하나 이상 설치되는 발바닥 유닛(10)(20)을 포함한다. 상기 발바닥 유닛(10)(20)은 상기 착용자가 움직이거나, 상기 착용로봇이 작동할 때 발생하는 충격을 흡수하고, 변형되면서 지면과의 반력을 측정한다. 즉 상기 발바닥 유닛(10)(20)은 충격이 전달되면 변형되면서 상기 착용자의 발바닥과 상기 착용로봇의 발부위 사이 또는 상기 착용로봇의 발부위와 지면사이에서 발생하는 충격을 흡수하고, 지면과의 반력을 측정할 수 있도록 한다.
The elasticized sole assembly of the wearing robot capable of measuring the shock absorption and ground reaction force according to the present invention includes a sole unit (10) (20) provided at least one between the sole of the wearer and the foot portion of the wearing robot. The
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리를 구성하는 발바닥 유닛인 제1 발바닥 유닛(10)과 제2 발바닥 유닛(20)은 착용자의 발바닥을 지지하도록 배치되고, 상기 제1 발바닥 유닛(10)은 상기 제2 발바닥 유닛(20)에 대하여 전방에 위치한다. 즉, 상기 제1 발바닥 유닛(10)은 착용자의 발볼부위를 지지하도록 위치하고, 상기 제2 발바닥 유닛(20)는 착용자의 발뒤꿈치를 지지하도록 위치한다.As shown in FIGS. 1 and 2, the first and
상기 제1 발바닥 유닛(10)과 제2 발바닥 유닛(20)은 착용로봇(R)의 발부위가 되거나, 상기 착용로봇(R)의 발부위에 설치되는 케이싱부(30)의 내부에 설치된다. 상기 케이싱부(30)는 상기 제1 발바닥 유닛(10)과 상기 제2 발바닥 유닛(20)의 저면을 지지하는 바닥케이스(31)와, 상기 제1 발바닥 유닛(10)과 상기 제2 발바닥 유닛(20)의 상부를 커버하는 커버(32)를 포함한다. 상기 바닥케이스(31)는 고무와 같은 탄성재질 또는 합성수지나 금속을 재질로 할 수 있다. 상기 커버(32)는 고무와 같은 탄성재질로 이루어질 수 있다.The first and
제1 발바닥 유닛(10)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 커버(32)를 통과하여 착용자의 발바닥과 접촉되는 상부부재(11)와, 상기 바닥케이스(31)를 통과하여 상기 바닥 지면과 접촉되는 하부부재(13)와, 상기 상부부재(11)와 상기 하부부재(13)의 사이에 설치되는 순응부재(12)를 포함한다.3, the
상부부재(11)는 상기 커버(32)에 형성된 관통공을 통하여 상기 커버(32)를 통과하여 본 발명에 따른 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 상부면으로 노출되어, 착용자의 발볼과 접촉한다.The
하부부재(13)는 상기 바닥케이스(31)에 형성된 관통공을 통하여 상기 바닥케이스(31)를 통과하여 본 발명에 따른 착용로봇의 탄성 발바닥어셈블리의 하부면으로 노출되어 지면과 접촉한다.The
순응부재(12)는 양단이 각각 상기 상부부재(11)와 상기 하부부재(13)에 체결되고, 인접한 부위에 대하여 굽힘변형하는 복수의 힌지부(122)(124)(126)가 서로 다른 방향으로 형성되어 있다. 상기 힌지부(122)(124)(126)들이 각각 서로 다른 방향으로 형성되어 있어서, 중력방향, 전후방향 및 좌우방향에 변형에 대하여 충격을 흡수하고, 각 방향에서 작용하는 지면반발력을 측정할 수 있다. 상기 순응부재(12)는 일단의 하부연결부(127)를 통하여 상기 하부부재(13)에 체결되고, 타단의 상부연결부(121)를 통하여 상기 상부부재(11)에 체결된다.The
상기 순응부재(12)는 도 3 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상부부재(11)에 체결되는 상부연결부(121)와, 상기 하부부재(13)와 체결되는 하부연결부(127)와, 상기 하부연결부(127)와 상기 상부연결부(121) 사이에 상기 복수의 힌지부(122)(124)(126)가 형성되는 구조를 갖는다.3 or 5, the
예컨대, 제1힌지부(122)는 상기 상부연결부(121)와 상기 하부연결부(127)의 중간에 위치하고, 상기 상부연결부(121)와 상기 제1힌지부(122) 사이에 제2힌지부(124)가 위치하며, 상기 하부연결부(127)와 상기 제2힌지부(124) 사이에 제3힌지부(126)가 위치한다. 제1힌지부(122)와 제2힌지부(124) 사이에는 상기 제1힌지부(122)와 상기 제2힌지부(124)를 연결하는 제1연결부(123)가 형성되고, 상기 제1힌지부(122)와 제3힌지부(126) 사이에는 상기 제1힌지부(122)와 상기 제3힌지부(126)를 연결하는 제2연결부(125)가 형성된다.For example, the
따라서, 상기 순응부재(12)는 상기 상부연결부(121)로부터, 제2힌지부(124), 제1연결부(123), 제1힌지부(122), 제2연결부(125), 제3힌지부(126)를 거쳐 상기 하부연결부(127)가 직렬로 배치되는 구성을 갖는다.Accordingly, the
또한, 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124) 및 상기 제3힌지부(126)는 동일한 평면에 위치한다. The
아울러, 상기 순응부재(12)는 하나의 부재를 가공하여 제작되는 것으로서, 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124) 및 상기 제3힌지부(126)는 인접한 부위보다 상대적으로 높이가 작아지는 형태로 형성되어 외력에 대하여 굽힘변형이 용이하도록 형성된다.The
상기 순응부재(12)는 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124) 및 상기 제3힌지부(126)를 중심으로 서로 인접한 두 부분이 굽힘 변형하면서 지면에 대한 반발력, 전후/좌우방향에 대한 모멘트를 흡수한다. 즉, 상기 순응부재(12)는 하부연결부(127)에 대하여 3자유도 미소운동을 하는 공간스프링으로 모델링될 수 있고, 상기 하부부재(13)가 지면과 접촉할 때 발생하는 중력방향의 반발력 및 전후방향, 좌우방향의 충격 모멘트를 흡수하는 역할을 한다. 도 5를 참조로 하면, 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124) 및 상기 제3힌지부(126)는 서로 다른 방향으로 굽힘변형의 중심축선을 갖도록 배치되는 것으로서, 상기 제1힌지부(122)는 좌우방향으로 모멘트가 작용할 때 변형되면서 좌우방향의 모멘트를 흡수하고, 상기 제2힌지부(124)는 전후방향의 모멘트를 흡수하며, 상기 제3힌지부(126)는 중력방향으로 작용하는 지면 반발력을 흡수할 수 있도록 형성된다.The
제2 발바닥 유닛(20)도 상기 제1 발바닥 유닛(10)과 유사한 구성을 갖는다.The second
즉, 상기 제2 발바닥 유닛(20)도 상부부재(21), 하부부재(23) 및 순응부재(22)로 이루어지고, 상기 순응부재(22)도 상부연결부(221)와 하부연결부(227) 사이에 제1힌지부(222), 제2힌지부(224) 및 제3힌지부(226)가 배치된다. 상기 제1힌지부(222)는 상기 상부연결부(221)와 상기 하부연결부(227)의 중간부분에 위치하고, 상기 제2힌지부(224)는 상기 상부연결부(221)와 상기 제1힌지부(222) 사이에 배치된다. 또한, 상기 제3힌지부(226)는 상기 하부연결부(227)와 상기 제1힌지부(222) 사이에 배치된다. 아울러 제1힌지부(222)와 상기 제2힌지부(224)는 제1연결부(223)로 연결되고, 상기 제1힌지부(222)와 상기 제3힌지부(226)는 제2연결부(225)로 연결된다. 아울러, 상기 제2 발바닥 유닛(20)에서도 상기 제1힌지부(222), 상기 제2힌지부(224) 및 제3힌지부(226)는 동일한 평면에 위치하여, 중력방향으로 작용하는 지면 반발력, 전후/좌우방향으로 작용하는 모멘트에 대한 충격을 흡수할 수 있다.That is, the
상기 제2 발바닥 유닛(20)은 기본적으로 상기 제1 발바닥 유닛(10)과 유사한 구성을 갖는다.The second
다만, 상기 제2 발바닥 유닛(20)은 착용로봇(R)의 다른 부위에 연결되는 연결부가 상기 상부부재(21)로부터 연장되게 형성된다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 상부부재(21)는 착용로봇(R)의 종아리부위에 연결되는 연결부(24)가 형성된다.The
상기 제1 발바닥 유닛(10)이 상기 제2 발바닥 유닛(20)의 전방에 배치되어, 상기 제1 발바닥 유닛(10)은 착용자의 발바닥 중에서 발볼부위에 위치하고, 상기 제2 발바닥 유닛(20)은 발뒤꿈치쪽에 위치하는 것으로서, 상기 제2 발바닥 유닛(20)의 상부부재(21)는 착용자의 발뒤꿈치에 접촉하게 된다.The first
또한, 상기 제1 발바닥 유닛(10)의 순응부재(12)와 제2 발바닥 유닛(20)의 순응부재(22)는 서로 탄성특성이 동일할 필요는 없지만, 아래에서는 서로 탄성 특성이 동일한 것으로 한다.The
이하에서는 상기 발바닥 유닛(10)(20)의 순응부재(12)(22)의 구조를 상세히 살펴봄으로써, 상기 순응부재(12)(22)에 의해 충격이 흡수되고 반력이 측정되는 원리에 대하여 제1 발바닥 유닛(10)의 순응부재(12)를 이용하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the structure of the
도 3에는 상기 순응부재(12)의 제1힌지부(122), 제2힌지부(124) 및 제3힌지부(126)의 회전중심축을 각각 , , 로 표현할 수 있다.3 shows the rotation center axes of the
한편, 도 6a 및 도 6b에 도시되고 본 발명에 따른 탄성 발바닥 어셈블리가 적용된 착용로봇을 이용하여 상기 순응부재(12)의 구체적으로 설명하면 다음과 같다.6A and 6B, the
도 6a 및 도 6b에 제시된 바와 같은 착용로봇의 하중 조건과 이에 따른 순응부재(12)의 3축방향 변형량 조건을 고려하면, 상기 순응부재(12)가 구현해야 하는 탄성 특성은 다음과 같은 순응행렬로 표현할 수 있다.Considering the load conditions of the wearing robot as shown in FIGS. 6A and 6B and the three-axis direction deformation amount of the
<식-1><Expression-1>
여기서, , , 는 순응 부재의 각 좌표축 방향 미소 이동량이고, , , 는 각 좌표축에 대한 미소 회전량이며, , , 는 착용자 무게 포함 착용로봇에 의해 순응부재에 작용하는 각 좌표축 방향 힘이고, , , 는 각 좌표축에 대한 원점에서의 모멘트이다. 상기 식-1에서 순응행렬의 각 요소인, c33, c44, c55는 각각 c33 = 8.1559ㅧ10-4 mm/N, c44 = 6.4695ㅧ10-7 rad/Nmm, c55 = 8.8965ㅧㅧ10-7 rad/Nmm 가 될 수 있다.here, , , Is the micro-movement amount in the coordinate axis direction of the compliant member, , , Is a minute rotation amount with respect to each coordinate axis, , , Is a force in each coordinate axis acting on the adaptation member by the wearer robot including the weight of the wearer, , , Is the moment at the origin for each coordinate axis. Of each element of the compliance matrix in the formula -1, c 33, c 44, c 55 are each c 33 = 8.1559 ㅧ 10 -4 mm / N, c 44 = 6.4695 ㅧ 10 -7 rad / Nmm, c 55 = 8.8965 ㅧ ㅧ can be 10 -7 rad / Nmm.
상기 식-1과 같이, 상기 순응부재(12)에 요구되는 순응행렬이 구해지면, 이는 3개의 토션스프링의 직렬연결로 합성할 수 있다. 즉, 상기 순응부재(12)는 도 7에 도시된 바와 같이 모델링될 수 있고, 도 7에 도시된 바와 토션스프링으로 모델링된 상기 순응부재(12)의 강성계수는 하기의 식-2와 같이 표현할 수 있다.If the adaptation matrix required for the
<식-2><Formula-2>
여기서, ki는 토션스프링으로 모델링된 순응부재의 강성계수이고, ri, bi, ti는 힌지의 컷팅 반경, 폭, 최소 힌지 두께이며, E는 순응부재 재질의 탄성계수이다.Here, k i is the stiffness coefficient of the compliant member modeled by the torsion spring, r i , b i , and t i are the cutting radius, width, and minimum hinge thickness of the hinge, and E is the modulus of elasticity of the compliant member material.
상기와 같이 설계된 순응부재(12)를 이용하여 제1 발바닥 유닛(10) 및 제2 발바닥 유닛(20)을 구성하면, 도 6a 내지 도 6b에 제시된 특성을 지니며, 이러한 탄성특성에 의해 발바닥이 지면과 접촉시 발생하는 충력방향의 지면반발력, 전후/좌우방향으로 발생하는 회전모멘트에 대한 충격을 흡수할 수 있다.6A to 6B, when the first and
한편, 변형률 측정수단을 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124), 상기 제3힌지부(126)에 부착하여 변형에 따른 변형량을 측정한다 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124), 상기 제3힌지부(126)에 변형량 측정수단의 하나인 스트레인 게이지(41)를 부착하면, 각 힌지부(122)(124)(126)의 변형량을 측정할 수 있다.On the other hand, strain measuring means is attached to the
상기 제1힌지부(122), 상기 제2힌지부(124), 상기 제3힌지부(126)에 굽힘변형이 발생하며, 각 힌지부(122)(124)(126)에 설치된 상기 스트레인 게이지(41)를 통하여 변형에 따른 신호가 출력된다. 이를 하프타입 휘트스톤 브릿지(half-type Wheatstone bridge, 42)를 통하여 정류하고, 증폭기(43)와 필터(44)를 거쳐 제어기(45)로 입력되도록 한다. 상기 제어기(45)에서는 입력된 변형값으로 해당 힌지부의 미소 회전량을 하기의 식-3을 이용하여 계산한다.The bending deformation occurs in the
여기서, here,
, ,
가 된다. .
상기 식-3에서 는 해당 힌지부에서 측정된 굽힘 변형률, Φi는 회전량을 의미한다.In Equation (3) Denotes the bending strain measured at the corresponding hinge portion, and? I denotes the rotation amount.
제1 발바닥 유닛(10)에서 하부부재(13)에 지면으로부터 입력되는 지면 반발력은 상기 순응부재(12)의 각 힌지부(122)(124)(126)의 굽힘변형을 발생시키고, 상기의 굽힘변형에 의해 각 힌지부(122)(124)(126)에서는 굽힘모멘트가 작용한다. 각 힌지부(122)(124)(126)의 강성계수 ki와 회전변형량 Φi를 알고 있으므로, 각 힌지부(122)(124)(126)에 작용하는 굽힘모멘트 τi는 'τi = ki ㅧΦi '로 구할 수 있다.The ground reaction force inputted from the ground to the
이로부터, 도 5에 도시된 순응부재(12)에서 각 힌지부(122)(124)(126)의 중심축 , , 와 이들에 의해 결정되는 힘 작용선인 , , 에 의해 구성되는 자코비안 행렬들을 통하여 상기 순응부재(12)의 하부연결부에 발생하는 지면 발반력의 크기 및 작용점의 위치를 구할 수 있다.5, the central axis of each of the
도 9 내지 도 12에는 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리의 발바닥 유닛(10)(20)에 대한 반발력 측정성능을 보기위한 구조해석 결과가 도시되어 있다. 9 to 12 show results of structural analysis for measuring the repulsive force of the soles of the wearing soles of the wearable robots with respect to the
도 9와 도 10에는 상기 발바닥 유닛(10)(20)의 정중앙에 1226.3N의 힘을 가했을 때의 응력 및 변형률이 도시되어 있고, 도 11과 도 12에는 상기 발바닥 유닛(10)(20)의 정중앙으로부터 X축으로 ??12mm, Y축으로 ??10mm 만큼 작용점이 오프셋된 상태에서 1226.3N의 힘을 가했을 때의 응력 및 변형률이 도시되어 있다.9 and 10 show stresses and strains when a force of 1226.3 N is applied to the center of the
도 10의 결과에서 각 힌지부(122)(124)(126)에 작용하는 굽힘변형률은 측정하면 다음의 식-4와 같다.10, the bending strain acting on each of the
<식-4><Equation -4>
상기 식-4에서 측정된 굽힘 변형률을 이용하여 앞의 계산과정을 통해 계산해보면, 반발력의 크기는 1151.97N으로, 그리고 힘의 작용점은 (-0.55, 0.32) mm 로 예측된다.Using the bending strain measured in Eq. (4), the repulsion force is estimated to be 1151.97 N and the force acting point (-0.55, 0.32) mm.
한편, 상기 발바닥 유닛(10)(20)으로 힘이 오프셋된 상태로 입력되는 경우에는 도 12에 주어진 변형률 해석 결과에서 각 힌지부(122)(124)(126)에 작용하는 굽힘변형률은 다음의 식-5와 같다.12, the bending strain acting on each of the
<식-5><Formula-5>
상기 식-5에서 측정된 굽힘 변형률을 이용하여 앞의 계산과정을 통해 계산해 보면 반발력 크기는 1152.17N으로, 그리고 힘의 작용점은 (-12.41, -9.47) mm 로 예측된다.Using the bending strain measured in Eq. (5), the repulsive force is estimated to be 1152.17 N and the force acting point (-12.41, -9.47) mm.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리를 이용하여 발바닥에 작용하는 지면 반발력의 크기 및 작용점 위치를 높은 정확도로 측정할 수 있음을 볼 수 있다.
As described above, it can be seen that the magnitude of the ground reaction force acting on the sole and the position of the point of action acting on the soles can be measured with high accuracy by using the elastic sole assembly of the wearing robot capable of measuring shock absorption and ground reaction force according to the present invention.
1 : 탄성 발바닥 어셈블리 10 : 제1 발바닥 유닛
11 : 상부부재 12 : 순응부재
121 : 상부연결부 122 : 제1힌지부
123 : 제1연결부 124 : 제2힌지부
125 : 제2연결부 126 : 제3힌지부
127 : 하부연결부 13 : 하부부재
20 : 제2 발바닥 유닛 21 : 상부부재
22 : 순응부재 221 : 상부연결부
222 : 제1힌지부 223 : 제1연결부
224 : 제2힌지부 225 : 제2연결부
226 : 제3힌지부 227 : 하부연결부
23 : 하부부재 24 : 종아리 연결부
30 : 케이싱부 31 : 바닥케이스
32 : 커버 41 : 스트레인게이지
42 : 휘트스톤 브릿지 43 : 앰프
44 : 필터 45 : 제어기1: Elastic sole assembly 10: First sole unit
11: upper member 12: compliant member
121: upper connection part 122: first hinge part
123: first connection part 124: second hinge part
125: second connection part 126: third hinge part
127: lower connection part 13: lower member
20: second sole unit 21: upper member
22: conformable member 221: upper connection
222: first hinge part 223: first connection part
224: second hinge part 225: second connection part
226: Third hinge part 227: Lower connection part
23: lower member 24: calf connecting portion
30: casing part 31: bottom case
32: Cover 41: Strain gauge
42: Wheatstone Bridge 43: Amplifier
44: filter 45: controller
Claims (13)
상기 발바닥유닛은,
상기 착용자의 발바닥의 일측에 접촉되는 상부부재와,
상기 지면에 접촉되는 하부부재와,
상기 상부부재와 상기 하부부재의 사이에 양단이 각각 상기 상부부재와 상기 하부부재에 연결되게 설치되고, 상기 착용자의 움직임 또는 상기 착용로봇의 움직임에 따라 변형되는 순응부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.The method according to claim 1,
The sole unit comprises:
An upper member contacting one side of the wearer's sole;
A lower member contacting the ground,
And a compliant member which is installed between the upper member and the lower member so as to be connected to the upper member and the lower member at both ends thereof and is deformed in accordance with the movement of the wearer or the movement of the wearer robot, Elastic sole assembly of wearing robot capable of absorbing and measuring ground reaction force.
상기 순응부재는,
상기 하부부재에 연결되는 하부연결부와,
상기 하부연결부와 이격되게 배치되는 상부연결부와,
상기 하부연결부와 상기 상부연결부 사이에 배치되고 인접한 두 부위에 대하여 굽힘변형되는 복수의 힌지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.3. The method of claim 2,
The compliant member
A lower connection portion connected to the lower member,
An upper connection part arranged to be spaced apart from the lower connection part,
And a plurality of hinge portions disposed between the lower connection portion and the upper connection portion and bending-deforming with respect to two adjacent portions, wherein the hinge portions are capable of measuring shock absorption and ground reaction force.
상기 순응부재는,
상기 하부연결부와 상기 상부연결부 사이에는 각각 중력방향의 움직임, 전후방향의 움직임 또는 좌우방향의 움직임 중 어느 하나에 대하여 전담하여 변형되는 제1힌지부, 제2힌지부 및 제3힌지부가 배치되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.The method of claim 3,
The compliant member
A first hinge portion, a second hinge portion, and a third hinge portion are disposed between the lower connection portion and the upper connection portion and each of the first hinge portion, the second hinge portion, and the third hinge portion are exclusively deformed in any one of gravity direction movement, forward / backward movement, It is characterized by a shock absorbing and ground reaction force measurement.
상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부는 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.5. The method of claim 4,
Wherein the first hinge portion, the second hinge portion, and the third hinge portion are arranged in series, wherein the first hinge portion, the second hinge portion, and the third hinge portion are arranged in series.
상기 순응부재는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.
5. The method of claim 4,
Wherein the compliant member is integrally formed with the elastic member.
상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부는 동일한 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.5. The method of claim 4,
Wherein the first hinge portion, the second hinge portion, and the third hinge portion are located on the same plane.
상기 상부부재는 착용로봇의 다른 부위에 연결되는 연결부가 연장되게 형성되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.The method of claim 4,
Wherein the upper member is formed so that a connecting portion connected to another portion of the wear robot is extended.
상기 제1힌지부, 상기 제2힌지부 및 상기 제3힌지부에는 각 힌지부의 변형량을 측정할 수 있는 변형량 측정수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.5. The method of claim 4,
Wherein the first hinge portion, the second hinge portion, and the third hinge portion are provided with deformation amount measuring means capable of measuring deformation amounts of the respective hinge portions. assembly.
상기 변형량 측정수단으로부터 출력되는 신호는 증폭기와 필터를 거쳐 제어기로 입력되는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.10. The method of claim 9,
Wherein a signal outputted from the deformation amount measuring means is inputted to a controller through an amplifier and a filter. The elastic foot of the wearing robot is capable of measuring shock absorption and ground reaction force.
상기 변형량 측정수단은 각 힌지부의 굽힘변형량을 측정하는 스트레인 게이지인 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.10. The method of claim 9,
Wherein the deformation amount measuring means is a strain gauge for measuring a bending deformation amount of each hinge portion.
상기 발바닥 유닛은,
착용자의 발볼부위에 설치되는 제1 발바닥 유닛과,
착용자의 발뒤꿈치부위에 설치되는 제2 발바닥 유닛으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.The method according to claim 1,
The sole unit comprises:
A first sole unit provided on the football portion of the wearer,
And a second sole unit provided on the heel of the wearer. The elastic foot of the wearing robot is capable of measuring shock absorption and ground reaction force.
상기 제1 발바닥 유닛과 상기 제2 발바닥 유닛의 저면을 지지하는 바닥케이스와,
상기 제1 발바닥 유닛과 상기 제2 발바닥 유닛의 상부를 덮는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격흡수와 지면반력 측정이 가능한 착용로봇의 탄성 발바닥 어셈블리.9. The method of claim 8,
A bottom case for supporting the bottom surfaces of the first and second sole units,
Further comprising a cover covering an upper portion of the first soles unit and the second soles unit, wherein the cover and the cover cover the upper portion of the first soles unit and the second soles unit.
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2014
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