WO2014021603A1 - 스트링 꼬임 기반 모션 제어 장치 - Google Patents

스트링 꼬임 기반 모션 제어 장치 Download PDF

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    • Y10T74/18848—Reciprocating or oscillating to or from alternating rotary including flexible drive connector [e.g., belt, chain, strand, etc.] with pulley

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for efficiently assisting movement by using twisting of a string.
  • a number of assistive devices in the form of wearing or mounting are being developed to assist those who have no part of the body or who cannot move a part of the body.
  • a glove-type robot is being developed that is worn like a glove to help people who cannot move their fingers.
  • Conventional armored robots generally have an actuator for moving each joint of each finger using an exoskeleton structure and a sensor for sensing the displacement or angle of the joint. .
  • the exoskeleton structure is a device designed to surround a certain part of the body, and the most serious disadvantage of all current exoskeleton-type glove is that the exoskeleton is much larger when the drive or motor moving the body part is attached to the body, so that it is quite large.
  • the older globes do not apply to real life.
  • One embodiment of the present invention is to provide a motion control device that can provide a large force by arranging a frame supporting the exoskeleton of the body, connecting the frame between the strings, by pulling the string with a motor.
  • One embodiment of the present invention is to provide a motion control device that can efficiently adjust the length of the string by placing the pulley for rotating the string in the joint portion of the body.
  • a separator is disposed between the motor and the pulley to wind the untwisted string to the pulley or to unwind the untwisted string from the pulley so that the pulley can be pulled out with less force.
  • a motion control device is provided, which can be helped to rotate.
  • One embodiment of the present invention by placing a separator between the motor and the pulley, by helping the pulley to rotate the pulley string with less force from the pulley, the separator can provide a large force even when using a small motor, It provides a motion control device.
  • One embodiment of the present invention provides a motion control apparatus capable of moving the second frame in different directions by disposing two motors and two strings.
  • An embodiment of the present invention is to arrange the motor for each part of the body to move, and to place the pulley next to the motor, the pulley to rotate the string, thereby winding the string to the pulley in accordance with the operation direction of the motor Or a motion control device capable of being released or released.
  • One embodiment of the present invention is to arrange the bolt and nut, to provide a motion control device that can adjust the tension manually by adjusting the length of the string according to the size of the body with the bolt and nut.
  • One embodiment of the present invention provides a motion control device capable of placing a motor directly on a glove and pulling a string with the motor to provide a large force using a small motor.
  • One embodiment of the present invention provides a motion control device, the motor is attached to the back of the hand or wrist, and is connected along the guide only by the string, so that the palm is free and easy to pick up objects.
  • Motion control device is one or more frames for supporting the exoskeleton of the body, a string connecting the frames, disposed between the frames, is connected to one end of the string A pulley and a motor connected to the other end of the string to control the string, wherein the pulley may rotate the string according to the control of the motor.
  • a separator is disposed between the motor and the pulley to wind the untwisted string onto the pulley or to unwind the untwisted string from the pulley with little force.
  • the pulley can be helped to rotate.
  • the separator helps the pulley to rotate with less force from the pulley, thereby providing a large force even when using a small motor. have.
  • the second frame may be moved in different directions.
  • the tension can be manually adjusted by adjusting the length of the string according to the size of the body with the bolt and nut.
  • the motor can be placed directly on the glove, and the string can be pulled by the motor to provide a large force using a small motor.
  • the palm is free and easy to pick up.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a motion control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view illustrating the side and the bottom of the motion control device shown in FIG. 1.
  • FIG 3 is a view showing the position of each component of the motion control device when worn by a person.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating each frame included in the motion control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a coupling included in a motion control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view illustrating a joint included in a motion control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example in which components included in a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention are disposed on a body.
  • FIGS 9 to 11 are diagrams showing an example of a separator included in a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a motion control device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a motion control device according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 14 and 15 are diagrams illustrating a pulley included in a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is a side view of a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a motion control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the motion control apparatus 100 may include one or more frames 110 to 130 and a string connecting the frames 110 to 130 to support an exoskeleton of a body.
  • 140 and 160 are connected to the strings 140 and 160 and include a motor 111 for controlling the strings 140 and 160.
  • Body is a concept that includes people, animals, and robots that have movable parts. In general, to move the body has to have an exoskeleton around the joint. In FIG. 1, the body is defined as a 'person' and will be described as having frames formed on the human exoskeleton.
  • the frames 110 to 130 are the forearm frame 110 supporting the exoskeleton of the mid forearm, the wrist frame 120 supporting the exoskeleton of the wrist, and the palm frame supporting the exoskeleton of the palm. 130.
  • the finger of the person may be formed of an elastic material, and the joint 170 may be formed to match the joint of the finger.
  • the joint 170 is made of a flexible or elastic material to be worn to fit the user's fingers with different hand size.
  • the side of the joint 170 may be formed with a connecting portion formed in a form that the two parts are engaged with each other.
  • the strings 140 and 160 may include a first string 140 connecting the forearm frame 110 and the wrist frame 120, and a second string 160 connecting the wrist frame 120 and the palm frame 130. It may be configured as.
  • the strings 140 and 160 may be one or several twisted strings, and may be formed of an elastic material or an inextensible material. In this case, the string 240 may be twisted or may not be twisted.
  • One side of the first string 140 may be connected to the motor 111 by the first coupling 112 formed in the forearm frame 110, and may be twisted by the motor 111.
  • the other side of the first string 140 may be connected to the second string 160 by a second coupling 150 formed on the wrist frame 120.
  • the second string 160 may move the joint 170 and the connection part according to the operation of the motor 111.
  • the rotation imposed on the first string 140 by the motor 111 reduces the length of the first string 140 and produces linear movement in terms of load.
  • the formed motion control device 100 can be formed to have a small, light and large pulling force by using a very small and light electric motor 111 because of its rate of decrease (nonlinearly).
  • the first coupling 112 and the second coupling 150 are intended to prevent the first string 140 or the second string 160 from breaking when twisted.
  • the motor 111 is formed in the forearm frame 110 to operate the first string 140 to be twisted, thereby pulling the second string 160 to control the movement of the human finger.
  • FIG. 2 is a side view illustrating the side and the bottom of the motion control device shown in FIG. 1.
  • connecting parts 113, 121, and 131 may be formed on the side surfaces a of the frames 110 to 130 and the joint 170 to form two parts engaged with each other.
  • the connecting parts 113, 121, and 131 may be connected to one side of the other in one way and may be moved by the second string 160 in one way of performing a rotational motion.
  • the connecting portions 113, 121, 131 have a kind of guide mechanism, and the second string 160 is operated through the guide mechanism. The movement begins when a force appears at the end of the second string 160.
  • the connecting portions 113, 121, and 131 are fixed to the plates 180a and 180b.
  • the connections 113, 121, 131 and the plates 180a, 180b may provide a fixed reference value for all movements of the exoskeleton.
  • the second coupling coupling the first string 140, the first string and the second string 160 to the lower surfaces b of the frames 110 to 130 and the joint 170 is also provided.
  • a first coupling 112 connecting the first string and the motor 111 may be formed.
  • FIG 3 is a view showing the position of each component of the motion control device when worn by a person.
  • (a) shows the positions of the frames 110 to 130 supporting the exoskeleton of the palm of the person
  • (b) shows the frames 110 to 130 supporting the exoskeleton of the palm of the person.
  • Position That is, the motion control apparatus of the present invention forms the joints 170 and the frames 110 to 130 supporting the central forearm, wrist, palm, and fingers in front of and behind the human arm, and between the frames 110 to 130. May be connected to the first string 140 or the second string 160 to help increase the force of the grasping operation.
  • the exoskeleton type glove has an inner layer in direct contact with the human body, an outer layer formed outside the inner layer, and formed to surround the middle layer, which assists the human finger in movement by twisting a string. It may be composed of a skin layer.
  • the middle layer may include frames 110 to 130 supporting the forearm, wrist, and palm of the person illustrated in FIG. 1, a string connecting the frames 110 to 130 to each other, and the string by pulling the string. It may be composed of a motor that controls the movement of the finger.
  • the strings 140 and 160 may be twisted according to flexors or extenders.
  • string twisting technology is applied, which can be used to mimic flexors and extensors muscles.
  • the string may be imitated and not twisted, and the second string 160 may be formed as a twisted string using extensor.
  • the first string 140 may be formed as a twisted string to emulate the flexor, and the second string 160 may be formed as a string not to be twisted by imitating extensor.
  • both the first string 140 and the second string 160 may be formed as twisted strings.
  • the inner layer may be made of a soft material by being in direct contact with the body of the person.
  • the inner layer may be composed of any of suede, velvet, silicone, urethane, leather and cotton.
  • the sheath layer may be made of any one of polyvinyl chloride (PVC), aluminum, and polarpolis, and may hold the shape of the exoskeleton type glove.
  • PVC polyvinyl chloride
  • FIG. 4 is a diagram illustrating each frame included in the motion control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • (a) shows a forearm frame that serves to support the exoskeleton of the forearm.
  • the side of the forearm frame may be formed with a connecting portion 113 formed in a form in which two portions are engaged with each other.
  • the connector 113 is fitted with an exoskeleton-type glove, the two engaged parts are largely adjusted to be loose, and when the finger is held, the two parts may be reduced by tightening the string.
  • (b) shows a wrist frame that serves to support the exoskeleton of the wrist.
  • the connection portion 121 may be formed on the side of the wrist frame.
  • the connection portion 121 like the connection portion 113 of (a), when the exoskeleton-shaped glove is inserted, the two parts engaged are greatly adjusted to loosen, and when the finger grip operation is reduced by tightening the two parts of the string pull Can give
  • guides 120a and 120e may be formed on the upper and lower surfaces of the wrist frame to fix the string to the wrist frame.
  • (c) shows a palm frame that serves to support the exoskeleton of the palm.
  • the connection portion 131 may be formed on the side of the palm frame.
  • guides 130a to 130d may be formed on the upper and lower surfaces of the palm frame to fix the string to the palm frame.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a coupling included in a motion control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the coupling 112 connects the string with the motor 111 and serves to fix the string (a). That is, the coupling 112 is for preventing the coupling end from breaking when the string is twisted.
  • the coupling 112 may have a plurality of holes.
  • the string is passed through the hole in the coupling 112, and the string is wound around the coupling 112, so that the string can be prevented from being broken even when the motor 111 pulls the string. (B to d).
  • FIG. 6 is a view illustrating a joint included in a motion control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the joint may be formed to coincide with a human finger joint.
  • Each finger except the thumb provides one degree of freedom, while the thumb may provide two degrees of freedom.
  • the joint (a) includes four guides for fixing the second string, and the joint (b) may have three guides.
  • connection part 171 may be formed on the side of the joint (a or b) to form two parts to be engaged with each other.
  • the number and degrees of freedom of the joints and connections vary and depend on the number of fingers.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the motion control apparatus 200 of the second embodiment may include a first frame 210, a second frame portion 220, a motor 230, a string 240, a pulley 250, and a coupling ( 260, and separator 270.
  • the first frame 210 supports the upper exoskeleton of the body.
  • the first frame 210 may be disposed on the exoskeleton located in the upper direction (sky direction) with respect to the joint portion of the body, and may support the upper exoskeleton.
  • the second frame 220 supports the lower exoskeleton connected to the upper exoskeleton.
  • the second frame 220 may be disposed on the exoskeleton located in the lower direction (surface direction) with respect to the joint portion of the body, and may support the lower exoskeleton.
  • first frame 210 and the second frame 220 may be disposed at portions moving in a predetermined direction with respect to the joint portion of the body.
  • the string 240 interconnects the first frame 210 and the second frame 220.
  • one end of the string 240 is connected to the motor 230 disposed in the first frame, and the other end of the string 240 is different from the one end of the string 240 between the first frame 210 and the second frame 220. It may be connected to the pulley 250 disposed in.
  • a string 240 may be composed of one or at least two.
  • the motor 230 is disposed in the first frame 210 to control the string 240.
  • the motor 230 may pull the string 240 from the second frame 220 to allow the second frame 220 to move in the direction of the first frame 210 as the length of the string 240 is reduced. .
  • the pulley 250 may be disposed between the first frame 210 and the second frame 220, and may rotate the string 240 under the control of the motor 230.
  • Pulley 250 is a pulley to rotate string 240.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example in which components included in a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention are disposed on a body.
  • the first frame 210 is disposed at the upper exoskeleton
  • the second frame 220 is disposed at the lower exoskeleton
  • the pulley 250 is the first frame 210 and the second frame 220. It can be placed in between. That is, the pulley 250 is disposed in the joint portion of the body, the first frame 210 is disposed at one end of the pulley 250, the second frame 220 at the other end opposite to the one end of the pulley 250
  • the second frame 220 may be moved in a predetermined direction with respect to the joint portion of the body.
  • the string 240 is wound around the pulley 250 (a), and when the motor 230 pulls the string 240 in the direction of the motor 230, the pulley 250 rotates to the pulley 250. As the wound string 240 is released, the second frame 220 moves in the ⁇ direction (b). On the contrary, when the string 240 pulled by the motor 230 is released, the string 240 is wound around the pulley 250 while the pulley 250 is rotated, so that the second frame 220 moves in the opposite direction to the ⁇ direction. Will move.
  • the strings 240 when the string 240 is at least two or more, when the string 240 is twisted or unwound after being twisted, the strings 240 may be wound together so that the twisted string 240 may not be unwound. Therefore, in the present invention, when the string 240 is at least two, the separator 240 may be disposed between the motor 230 and the pulley 250 to separate the two or more strings 240. .
  • FIGS 9 to 11 are diagrams showing an example of a separator included in a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the separator 270 may be disposed at a portion before the string 240 is wound on the pulley 250. Since the string 240 is twisted by the motor 230 when the string 240 is unwound from the pulley 250, the separator 270 makes the string 240 easy to twist (a). In addition, when the string 240 is wound around the pulley 250 (B? A), the separator 270 opens the twisted string 240 so that the twisted string 240 is unwinded and wound around the pulley 250. (B).
  • the separator 270 may be used when at least two strings 240 are used.
  • the separator 270 may have a number of holes through which the string 240 passes, depending on the number of strings 240. That is, when three strings 240 are used, the separator 270 may have three holes (a). Alternatively, when six strings 240 are used, the separator 270 may have six holes (b).
  • a separator can be placed between the motor and the pulley to wind the untwisted string onto the pulley or to untwist the string from the pulley to help the pulley rotate with less force.
  • the separator helps the pulley to rotate with little force from the pulley by providing a large force even when using a small motor.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a motion control device according to another embodiment of the present invention.
  • the motion control apparatus 200 arranges the first frame 210 and the second frame 220 on a portion moving in a predetermined direction with respect to the joint portion of the body, respectively,
  • the first string is disposed between the frame 210 and the second frame 220, one end is connected to the pulley 250, the other end is different from the one end is connected to the first motor 230a 240a may be included.
  • the first motor 230a is disposed on the first frame 210 to pull the first string 240a from the pulley 250 to move the second frame 220.
  • the motion control apparatus 200 may include two motors and two strings.
  • the motion control apparatus 200 has one end connected to the pulley 250, and the other end different from the one end pulls the second string 240b and the second string 240b connected to the second motor 230b.
  • the second motor 230b may further include a pull from the 250.
  • two pulleys 250 and two separators 270 disposed between the motors 230a and 230b and the pulley 250 are also provided. Dogs. Therefore, when the first string 240a or the second string 240b is at least two, the separator 270 may separate the two or more first strings 240a or the second strings 240b, respectively.
  • the second motor 230b is disposed in the first frame 210 so that the first motor 230a pulls the first string 240a in the opposite direction.
  • the second frame 220 may be moved by pulling the second string 240b from the pulley 250.
  • first string 240a and the second string 240b may be formed of an elastic material or an inextensible material. In this case, the first string 240a and the second string 240b may be twisted or non-twisted.
  • the two motors may be attached to the clutches to change directions so that the driving directions are the same.
  • the two motors may operate to pull the strings in opposite directions to each other, the two motors may operate to pull the strings in the same direction with each other using the clutch. Therefore, by driving the motion control device using two motors, it is possible to provide a greater force than when driving using one motor.
  • the rigidity of the exoskeleton arranged in the frame is enhanced.
  • the mechanical rigidity of the exoskeleton is weakened.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a motion control device according to another embodiment of the present invention.
  • the motion control device 300 of the third embodiment includes a guide 10 formed between a joint and a joint of a body, and strings 20a and 20b connected along the guide. And a first motor 30 connected to the string and controlling the string to control a portion of the body to move.
  • the guide 10 may be formed between a joint and a joint of the body, and in FIG. 12, the guide 10 is described as being formed between the node and the node of the hand.
  • the strings 20a and 20b are connected along the guide 10, and two strings may be used according to an embodiment.
  • the string connected along the guide formed in the inner region (palm) of the body is called a first string 20a
  • the string connected along the guide formed in the outer region (hand back) of the body is a second string. It is referred to as (20b).
  • the strings 20a and 20b may be formed of an elastic material or an inextensible material. In this case, the strings 20a and 20b may be twisted or not twisted.
  • the first motor 30 may be connected to the strings 20a and 20b and control the strings 20a and 20b to move a portion of the body.
  • the motor may be disposed for each part of the body to be moved. For example, when the body is a hand, one motor may be installed per finger. That is, since a person has five fingers, five motors can be used.
  • the motor may be disposed at least one of the plurality of parts according to the direction of operation of the part to be moved of the body. For example, for people who do not have mitten gloves or five fingers, one motor for controlling a thumb may be disposed, and one motor may be disposed for the other finger. To this end, two strings may be placed so that the two strings may be wound and released in different directions according to the operation direction of the motor.
  • the motor is placed directly on the glove, and the string can be pulled by the motor to provide a large force using a small motor.
  • the motion control device may arrange the pulley 60 between the strings 20a and 20b and the motors 30 and 40.
  • the pulley 60 serves as a pulley for winding the strings 20a and 20b by rotating the strings 20a and 20b by the motors 30 and 40.
  • the pulley 60 is rotated and the first coil 20a is wound around the pulley 60. 1
  • the fingers are extended in the outward direction of the hand.
  • the first string 20a pulled by the first motor 30 is released, the first string 20a is wound around the pulley 60 while the pulley 60 is rotated. Thumb
  • the second string 20b is wound around the pulley 60, and the second motor 40 pulls the second string 20b, the second coil 20b is wound around the pulley 60 while the pulley 60 is rotated.
  • the fingers are in the inner direction of the hand.
  • the second string 20b released by the second motor 40 is released, the second string 20b is wound around the pulley 60 while the pulley 60 is rotated. (Finger except thumb) is straightened.
  • one more replacement motor 30a is disposed on the left side of the second motor 40.
  • the replacement motor for controlling the thumb ( 30a) may be placed on the back of the hand as shown in (b). That is, the replacement motor 30a may control the movement of the thumb instead of the first motor 30 of the palm.
  • one end of the pulley 60 may be connected to the first string 20a, and the other end of the pulley 60 may be connected to the second string 20b. Accordingly, the pulley 60 may wind the first string 20a and unwind the second string 20b or unwind the first string 20a and wind the second string 20b according to the operation direction of the motor. have.
  • both the first string 20a and the second string 20b may be operated by one motor.
  • the motor rotates in the forward rotation direction
  • one end of the pulley 60 is unwinded and the other end is wound.
  • the motor rotates in the reverse rotation direction
  • one end of the pulley 60 may be wound and the other end may be released.
  • the bidirectional operation exoskeleton type glove may include a support 50 for fixedly mounting the motor 30, 40 and the pulley 60 to the body.
  • Support 50 may be composed of a member that can be fixed to the body, such as silicone, plastic of a hard material.
  • FIG. 14 and 15 are views illustrating a pulley included in a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the pulley 60 may include two holes 60a and 60b having different diameters or sizes. Referring to FIG. 15, the first hole 60a may rotate the first string 20a and the second hole 60b may rotate the second string 20b.
  • the first hole 60a may wind or unwind the first string 20a by the control of the first motor 30 that controls the first string 20a.
  • the second hole 60b may wind or unwind the second string 20b by controlling the second motor 40 that controls the second string 20b.
  • one motor winds up the first string 20a and unwinds the second string 20b using two holes 60a and 60b included in the pulley 60, or the first string 20a. ) And the second string 20b may be wound.
  • the bidirectional operation exoskeleton-type globe may further include a size adjusting unit 70 connected to the motor to adjust the length of the string according to the size of the body.
  • a size adjusting unit 70 connected to the motor to adjust the length of the string according to the size of the body.
  • the bidirectional operation exoskeleton-type glove has a size adjusting unit 70, by adjusting the length of the string according to the size of the body, it is possible to manually adjust the tension.
  • the motor is attached to the back of the hand or the wrist and is connected along the guide only by the string, the palm is free and easy to pick up the object.
  • 16 is a side view of a motion control apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the motion control apparatus 300 may include a first layer 310 directly contacting a body, a second layer 320 on which a support and a motor are formed, and a second layer on the first layer 310.
  • a guide and a string may be formed on the 320 to include a third layer that controls the movement of the body.
  • a soft material such as cotton, suede, velvet, or the like may be used.
  • the second layer 320 mounts the support and the motor, a somewhat hard material of rubber material may be used.
  • the second layer 320 may be made of any one of suede, velvet, silicone, urethane, leather, rubber, and cotton.
  • the third layer may include a guide 10 formed in the inner region and the outer region of the body, and a string formed in the inner region and the outer region of the body along the guide 10.
  • the first string 20a may be disposed in the inner region of the body
  • the second string 20b may be used in the outer region of the body.
  • the second motor 40 may control the second string 20b to move a portion of the body.
  • the pulley may be disposed on the second layer 320 so that the strings 20a and 20b may be rotated by the second motor 40 to wind or unwind the strings 20a and 20b.
  • the pulley acting as a pulley it is possible to provide a large force by using a small motor that can be directly attached to the body.

Abstract

본 발명은 몸체의 외골격을 지지하는 하나 이상의 프레임들, 상기 프레임들 간을 연결하는 스트링, 상기 프레임들 사이에 배치되어, 상기 스트링의 일단과 연결되는 풀리, 및 상기 스트링의 타단과 연결되어, 상기 스트링을 제어하는 모터를 포함하되, 상기 풀리는 상기 모터의 제어에 따라 상기 스트링을 회전시키는, 모션 제어 장치를 제공한다.

Description

스트링 꼬임 기반 모션 제어 장치
본 발명은 스트링의 꼬임을 이용하여 효율적으로 움직임을 보조하기 위한 장치에 관한 것이다.
신체의 일부분이 없거나, 신체의 일부를 움직이지 못하는 사람들을 돕기 위하여, 입거나 장착하는 형태의 보조 기구가 다수 개발되고 있다. 특히, 손가락을 움직이지 못하는 사람들을 돕기 위하여 장갑처럼 손에 끼워서 착용하는 형태의 장갑형 입는 로봇이 개발되고 있다.
종래의 장갑 형태의 입는 로봇은 외골격(exoskeleton) 구조를 이용하여 각 손가락의 각 관절마다 그 관절을 움직이는 구동부(actuator)를 구비하고 그 관절의 움직이는 변위 또는 각도를 감지하는 센서를 구비하는 것이 일반적이다.
이는, 손가락의 움직이는 부분에 구동부 또는 센서가 설치되면 장갑형 입는 로봇의 부피가 매우 커지고 무게도 무거워 진다. 이와 같은 복잡한 구조로 인해 제작 비용도 매우 높아지는 문제가 있다. 또한, 글로브를 끼고 벗는 방법을 복잡하게 하고, 사람마다 손의 크기가 상이한데도 불구하고 글로브의 크기는 정해져 있다는 문제점이 있다.
그런데, 외골격 구조는 신체의 특정 부위를 둘러싸도록 디자인된 장치로서, 현재의 모든 외골격형 글로브의 가장 심각한 단점은 신체의 부위를 움직이는 구동부나 모터가 신체에 부착되었을 때, 상당히 큰 크기 때문에, 많은 외골격형 글로브들은 실제 생활에 적용되지 못하고 있다.
본 발명의 일실시예는 몸체의 외골격을 받쳐주는 프레임을 배치하고, 프레임 사이를 스트링으로 연결하여, 스트링을 모터로 잡아당김으로써, 큰 힘을 제공할 수 있는 모션 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 스트링을 회전시키는 풀리를 몸체의 관절 부위에 배치함으로써, 효율적으로 스트링의 길이를 조절할 수 있는 모션 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 적어도 2 이상의 스트링이 사용되는 경우, 모터와 풀리 사이에 세퍼레이터를 배치하여, 꼬이지 않은 스트링을 풀리에 감기게 하거나, 꼬이지 않은 스트링을 풀리로부터 풀어지게 하여 적은 힘으로 풀리가 회전하도록 도와스트링 수 있는, 모션 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 모터와 풀리 사이에 세퍼레이터를 배치하여, 세퍼레이터가 꼬이지 않은 스트링을 풀리로부터 적은 힘으로 풀리가 회전하도록 도와줌으로써, 작은 모터를 사용하는 경우에도 큰 힘을 제공할 수 있는, 모션 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 2개의 모터와 2개의 스트링을 배치함으로써, 서로 다른 방향으로 제2 프레임을 움직이도록 할 수 있는, 모션 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 몸체의 움직이고자 하는 부위별로 모터를 배치하고, 모터 옆에 풀리를 배치하여, 상기 풀리가 스트링을 회전시키도록 함으로써, 상기 모터의 동작방향에 따라 상기 풀리에 스트링을 감기거나 풀리도록 할 수 있는, 모션 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 볼트와 너트를 배치하여, 볼트와 너트로 몸체의 크기에 따라 스트링의 길이를 조절하여 장력을 수동적으로 조절할 수 있는, 모션 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 모터를 글로브에 직접 배치하고, 상기 모터로 스트링을 잡아당겨, 작은 모터를 이용하여 큰 힘을 제공할 수 있는, 모션 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예는 모터가 손등이나 손목에 부착되고, 스트링만으로 가이드를 따라 연결되어 있으므로, 손바닥이 자유로워 물건 집기에 용이한, 모션 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 모션 제어 장치는 몸체의 외골격(exoskeleton)을 지지하는 하나 이상의 프레임들, 상기 프레임들 간을 연결하는 스트링, 상기 프레임들 사이에 배치되어, 상기 스트링의 일단과 연결되는 풀리, 및 상기 스트링의 타단과 연결되어, 상기 스트링을 제어하는 모터를 포함하되, 상기 풀리는 상기 모터의 제어에 따라 상기 스트링을 회전시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 몸체의 외골격을 받쳐주는 프레임을 배치하고, 프레임 사이를 스트링으로 연결하여, 스트링을 모터로 잡아당김으로써, 큰 힘을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 스트링을 회전시키는 풀리를 몸체의 관절 부위에 배치함으로써, 효율적으로 스트링의 길이를 조절할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 적어도 2 이상의 스트링이 사용되는 경우, 모터와 풀리 사이에 세퍼레이터를 배치하여, 꼬이지 않은 스트링을 풀리에 감기게 하거나, 꼬이지 않은 스트링을 풀리로부터 풀어지게 하여 적은 힘으로 풀리가 회전하도록 도와스트링 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 모터와 풀리 사이에 세퍼레이터를 배치하여, 세퍼레이터가 꼬이지 않은 스트링을 풀리로부터 적은 힘으로 풀리가 회전하도록 도와줌으로써, 작은 모터를 사용하는 경우에도 큰 힘을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 2개의 모터와 2개의 스트링을 배치함으로써, 서로 다른 방향으로 제2 프레임을 움직이도록 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 몸체의 움직이고자 하는 부위별로 모터를 배치하고, 모터 옆에 풀리를 배치하여, 상기 풀리가 스트링을 회전시키도록 함으로써, 상기 모터의 동작방향에 따라 상기 풀리에 스트링을 감기거나 풀리도록 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 볼트와 너트를 배치하여, 볼트와 너트로 몸체의 크기에 따라 스트링의 길이를 조절하여 장력을 수동적으로 조절할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 모터를 글로브에 직접 배치하고, 상기 모터로 스트링을 잡아당겨, 작은 모터를 이용하여 큰 힘을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 모터가 손등이나 손목에 부착되고, 스트링만으로 가이드를 따라 연결되어 있으므로, 손바닥이 자유로워 물건 집기에 용이하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모션 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 모션 제어 장치의 측면 및 하면을 도시한 측면도이다.
도 3은 사람이 착용했을 때 모션 제어 장치의 각 구성요소들의 위치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 각 프레임을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 커플링을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 조인트를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 구성요소들이 몸체에 배치되는 일례를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 세퍼레이터의 일례를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 풀리를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치의 측면도를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모션 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예에 따른 모션 제어 장치(100)는 몸체의 외골격(exoskeleton)을 지지하는 하나 이상의 프레임들(110 내지 130), 프레임들(110 내지 130) 간을 연결하는 스트링(140, 160), 스트링(140, 160)과 연결되어, 스트링(140, 160)을 제어하는 모터(111)를 포함한다.
몸체(Body)는 움직일 수 있는 부위를 갖고 있는 사람, 동물, 로봇 등을 포함하는 개념이다. 일반적으로 몸체를 움직이기 위해서는 관절을 중심으로 외골격으로 가지고 있어야 한다. 도 1에서는 몸체를 '사람'으로 정의하고, 사람의 외골격에 프레임들이 형성된 것으로 설명한다.
예컨대, 프레임들(110 내지 130)은 중앙 팔뚝(mid forearm)의 외골격(exoskeleton)을 받쳐주는 팔뚝 프레임(110), 손목의 외골격을 받쳐주는 손목 프레임(120), 손바닥의 외골격을 받쳐주는 손바닥 프레임(130)으로 구성될 수 있다.
사람의 손가락에는 신축성 있는 재질로 형성되어, 상기 손가락의 관절에 일치하게 조인트(170)가 형성될 수 있다. 이러한, 조인트(170)는 유연한 또는 신축성 있는 재질로 만들어져 각기 다른 손의 크기를 가진 사용자의 손가락에 맞게 착용이 가능하도록 한다. 조인트(170)의 측면에는 두 부분이 서로 맞물리는 형태로 형성되는 연결부가 형성될 수 있다.
스트링(140, 160)은 팔뚝 프레임(110)과 손목 프레임(120) 간을 연결하는 제1 스트링(140), 손목 프레임(120)과 손바닥 프레임(130) 간을 연결하는 제2 스트링(160)으로 구성될 수 있다. 이러한, 스트링(140, 160)은 하나 또는 여러 개의 꼬인 스트링이며, 신축성 있는 재질이거나, 늘어나지 않는(inextensible) 재질로 형성될 수도 있다. 이때, 스트링(240)은 꼬임방식이거나, 꼬이지 않는 방식일 수 있다.
제1 스트링(140)의 한쪽은 팔뚝 프레임(110)에 형성된 제1 커플링(112)에 의해 모터(111)와 연결되어, 모터(111)에 의해 꼬여질 수 있다. 제1 스트링(140)의 다른 쪽은 손목 프레임(120)에 형성된 제2 커플링(150)에 의해 제2 스트링(160)과 연결될 수 있다. 제2 스트링(160)은 모터(111)에 의한 동작에 따라 조인트(170) 및 상기 연결부를 움직일 수 있다.
모터(111)에 의해 제1 스트링(140)에 부과되는 회전은 제1 스트링(140)의 길이를 줄이고, 하중 측면에서 선형적인 움직임을 생산한다. 이렇게, 형성된 모션 제어 장치(100)는 자체 높이(비선형적으로) 감소 비율 때문에, 매우 작고 가벼운 전기적 모터(111)를 이용함으로써, 작고, 가벼우며, 큰 잡아당기는 힘을 가지도록 형성될 수 있다.
제1 커플링(112) 및 제2 커플링(150)은 제1 스트링(140) 또는 제2 스트링(160)이 꼬일 때 끊어지는 것을 방지하기 위한 것이다.
모터(111)는 팔뚝 프레임(110)에 형성되어, 제1 스트링(140)이 꼬여지도록 동작하여, 제2 스트링(160)을 잡아당겨 상기 사람의 손가락이 움직이도록 제어한다.
도 2는 도 1에 도시한 모션 제어 장치의 측면 및 하면을 도시한 측면도이다.
도 2를 참고하면, 프레임들(110 내지 130)과 조인트(170)의 측면(a)에는 두 부분이 서로 맞물리는 형태로 형성되는 연결부(113, 121, 131)가 형성될 수 있다. 연결부(113, 121, 131)는 회전 운동을 수행할 수 있는 하나의 방법으로 한쪽을 다른 한쪽과 연결되고, 제2 스트링(160)에 의해 움직일 수 있다. 연결부(113, 121, 131)는 일종의 안내 매커니즘을 갖고, 제2 스트링(160)은 상기 안내 매커니즘을 통해 작동된다. 상기 움직임은 제2 스트링(160)의 끝부분에 힘이 나타나면 시작된다.
연결부(113, 121, 131)는 플레이트(180a, 180b)에 고정된다. 연결부(113, 121, 131)와 플레이트(180a, 180b)는 외골격의 모든 움직임을 위한 고정된 참조값을 제공할 수 있다.
프레임들(110 내지 130)과 조인트(170)의 하면(b)에도 도 1의 상면과 유사하게, 제1 스트링(140), 제1 스트링과 제2 스트링(160)을 연결하는 제2 커플링(150), 제1 스트링과 모터(111)를 연결하는 제1 커플링(112)이 형성될 수 있다.
도 3은 사람이 착용했을 때 모션 제어 장치의 각 구성요소들의 위치를 도시한 도면이다.
도 3를 참고하면, (a)는 사람의 손바닥 앞면의 외골격을 받쳐주는 프레임들(110 내지 130)의 위치를 나타내고, (b)는 사람의 손바닥 뒷면의 외골격을 받쳐주는 프레임들(110 내지 130)의 위치를 나타낸다. 즉, 본 발명의 모션 제어 장치는 사람의 팔 앞, 뒤에 중앙 팔뚝, 손목, 손바닥, 손가락을 받쳐주는 프레임들(110 내지 130)과 조인트(170)를 형성하고, 프레임들(110 내지 130) 간을 제1 스트링(140) 또는 제2 스트링(160)로 연결시켜, 사람이 잡는(grasping) 동작의 힘을 증가시키는데 도움을 줄 수 있다.
이러한, 외골격형 글로브는 사람의 신체에 직접 접촉되는 내부 레이어와, 상기 내부 레이어의 외부에 형성되어, 스트링의 꼬임으로 상기 사람의 손가락이 움직이도록 보조하는 중간 레이어, 및 상기 중간 레이어를 감싸도록 형성되는 외피 레이어로 구성될 수 있다.
상기 중간 레이어는 상기 도 1에 도시한 사람의 팔뚝, 손목 및 손바닥을 각각 받쳐주는 프레임들(110 내지 130), 프레임들(110 내지 130)을 서로 연결하는 스트링, 및 상기 스트링을 잡아당겨 상기 사람의 손가락이 움직이도록 제어하는 모터로 구성될 수 있다.
실시예로, 스트링(140, 160)은 굴근(Flexor) 또는 신근(Extender)에 따라 꼬임 기술이 적용될 수 있다.
상기 모션 제어 장치를 가볍고 휴대 간편하게 만들기 위해서, 스트링 꼬임 기술이 적용되는데, 스트링 꼬임 기술은 굴근(flexors)과 신근(extensors) 근육들을 모방하여 이용될 수 있다 예컨대, 제1 스트링(140)은 굴근을 모방하여 꼬이지 않는 스트링으로 형성하고, 제2 스트링(160)은 신근을 이용하여 꼬인 스트링으로 형성할 수 있다. 또는, 제1 스트링(140)은 굴근을 모방하여 꼬인 스트링으로 형성하고, 제2 스트링(160)은 신근을 모방하여 꼬이지 않는 스트링으로 형성할 수 있다. 또 달리, 제1 스트링(140)과 제2 스트링(160) 모두 꼬인 스트링으로 형성할 수 있다.
실시예로, 상기 내부 레이어는 상기 사람의 신체에 직접적으로 접촉되는 것으로 부드러운 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 내부 레이어는 스웨이드, 벨벳, 실리콘, 우레탄, 가죽 및 면 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
실시예로, 상기 외피 레이어는 PVC(Polyvinyl chloride), 알루미늄, 및 폴라폴리스 중 어느 하나로 구성되어, 상기 외골격형 글로브의 형태를 잡아줄 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 각 프레임을 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, (a)는 팔뚝의 외골격을 받쳐주는 역할을 하는 팔뚝 프레임을 나타낸 것이다. 팔뚝 프레임의 측면은 두 부분이 서로 맞물리는 형태로 형성되는 연결부(113)가 형성될 수 있다. 연결부(113)는 외골격형 글로브를 끼울 때, 맞물린 두 부분이 크게 조절되어 느슨하게 되고, 손가락으로 잡는 동작을 할 때는 스트링의 당김에 의해 두 부분이 줄어들어 조여줄 수 있다.
(b)는 손목의 외골격을 받쳐주는 역할을 하는 손목 프레임을 나타낸 것이다. 손목 프레임의 측면에도 상기 팔뚝 프레임과 같이, 연결부(121)가 형성될 수 있다. 연결부(121)는 (a)의 연결부(113)와 마찬가지로, 외골격형 글로브를 끼울 때, 맞물린 두 부분이 크게 조절되어 느슨하게 되고, 손가락으로 잡는 동작을 할 때는 스트링의 당김에 의해 두 부분이 줄어들어 조여줄 수 있다. 또한, 손목 프레임의 상면과 하면에는 손목 프레임에 스트링을 고정시키기 위한 가이드(120a, 120e)가 형성될 수 있다.
(c)는 손바닥의 외골격을 받쳐주는 역할을 하는 손바닥 프레임을 나타낸 것이다. 손바닥 프레임의 측면에도 상기 손목 프레임과 같이, 연결부(131)가 형성될 수 있다. 또한, 손바닥 프레임의 상면과 하면에는 손바닥 프레임에 스트링을 고정시키기 위한 가이드(130a 내지 130d)가 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 커플링을 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 커플링(112)은 스트링을 모터(111)와 연결시켜, 스트링을 고정시켜 주는 역할을 한다(a). 즉, 커플링(112)은 스트링이 꼬일 때 커플링 단에서 끊어지는 것을 방지하기 위한 것이다.
커플링(112)은 복수개의 홀을 구비할 수 있다. 본 발명에서는 커플링(112) 내 홀 안으로 스트링이 통과되어, 상기 스트링이 커플링(112)에 감기게 되어, 모터(111)가 상기 스트링을 잡아당겨도, 상기 스트링이 끊어지는 것을 방지할 수 있다(b 내지 d).
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 조인트를 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 조인트는 사람의 손가락 관절에 일치하게 형성될 수 있다. 엄지 손가락을 제외한 각 손가락은 하나의 자유도(degrees of freedom)를 제공하지만, 엄지 손가락은 두 개의 자유도를 제공할 수 있다.
따라서, 엄지 손가락의 관절에 일치하게 형성되는 조인트(a)와, 나머지 네 개의 손가락에 일치하게 형성되는 조인트(b)로 구분할 수 있다. 조인트(a)는 제2 스트링을 고정시키는 가이드를 4개 포함하며, 조인트(b)는 3개의 가이드가 형성될 수 있다.
예컨대, 조인트(a 또는 b)의 측면에는 두 부분이 서로 맞물리는 형태로 형성되는 연결부(171)가 형성될 수 있다. 관절, 연결부의 수량과 자유도는 가변되고, 손가락의 수량에 의존된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 7을 참고하면, 제2 실시예의 모션 제어 장치(200)는 제1 프레임(210), 제2 프레임부(220), 모터(230), 스트링(240), 풀리(250), 커플링(260), 및 세퍼레이터(270)를 포함할 수 있다.
제1 프레임(210)은 몸체(Body)의 상부 외골격(exoskeleton)을 지지한다. 예컨대, 제1 프레임(210)은 상기 몸체의 관절 부위를 중심으로 상부방향(하늘방향)에 위치한 외골격에 배치되어, 상부 외골격을 지지할 수 있다.
제2 프레임(220)은 상기 상부 외골격과 연결된 하부 외골격을 지지한다. 예컨대, 제2 프레임(220)은 상기 몸체의 관절 부위를 중심으로 하부방향(지표면 방향)에 위치한 외골격에 배치되어, 하부 외골격을 지지할 수 있다.
즉, 제1 프레임(210) 및 제2 프레임(220)은 몸체의 관절 부위를 기준으로 일정방향으로 움직이는 부위에 각각 배치될 수 있다.
스트링(240)은 제1 프레임(210)와 제2 프레임(220)를 상호 연결한다.
실시예로, 스트링(240)의 일단은 제1 프레임에 배치된 모터(230)와 연결되고, 스트링(240)의 상기 일단과 상이한 타단은 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220) 사이에 배치된 풀리(250)와 연결될 수 있다. 이러한, 스트링(240)은 하나 또는 적어도 2 이상으로 구성될 수 있다.
모터(230)는 제1 프레임(210)에 배치되어, 스트링(240)을 제어한다. 모터(230)는 제2 프레임(220)로부터 스트링(240)을 잡아당겨 제2 프레임(220)가 스트링(240)의 길이가 축소됨에 따라 제1 프레임(210)의 방향으로 움직이도록 할 수 있다.
풀리(250, Pulley)는 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220) 사이에 배치되고, 모터(230)의 제어에 따라 스트링(240)을 회전시킬 수 있다. 풀리(250)는 도르래로서, 스트링(240)을 회전시킨다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 구성요소들이 몸체에 배치되는 일례를 도시한 도면이다.
도 8을 참고하면, 제1 프레임(210)은 상부 외골격에 배치되고, 제2 프레임(220)은 하부 외골격에 배치되며, 풀리(250)는 제1 프레임(210)과 제2 프레임(220) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 풀리(250)는 몸체의 관절 부위에 배치되고, 풀리(250)의 일단에 제1 프레임(210)이 배치되고, 풀리(250)의 상기 일단과 대향되는 타단에 제2 프레임(220)이 배치됨으로써, 제2 프레임(220)이 상기 몸체의 관절 부위를 기준으로 일정방향으로 움직이도록 할 수 있다.
예컨대, 풀리(250)에는 스트링(240)이 감겨져 있다가(a), 모터(230)가 스트링(240)을 모터(230) 방향으로 잡아당기면, 풀리(250)가 회전되면서 풀리(250)에 감겨져 있던 스트링(240)이 풀리면서 제2 프레임(220)이 β방향으로 움직이게 된다(b). 이와 반대로, 모터(230)가 잡아당겼던 스트링(240)을 놓으면, 풀리(250)가 회전되면서 풀리(250)에 스트링(240)이 감기면서 제2 프레임(220)이 β방향과 반대방향으로 움직이게 된다.
그런데, 스트링(240)이 적어도 2 이상인 경우, 스트링(240)이 꼬아지거나, 꼬아진 후 풀릴 때, 스트링(240)끼리 서로 감겨져 꼬인 스트링(240)이 풀리지 않을 수도 있다. 따라서, 본 발명에서는 스트링(240)이 적어도 2 이상인 경우, 모터(230)와 풀리(250) 사이에 배치되어, 상기 2 이상의 스트링(240)을 분리하는 세퍼레이터(Separator, 270)를 포함할 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 세퍼레이터의 일례를 도시한 도면이다.
도 9를 참고하면, 세퍼레이터(270)는 스트링(240)이 풀리(250)에 감겨지기 전 부위에 배치될 수 있다. 풀리(250)로부터 스트링(240)이 다 풀리는 경우 모터(230)에 의해 스트링(240)이 꼬아지기 때문에, 세퍼레이터(270)는 스트링(240)이 꼬아지기 용이하도록 한다(a). 또한, 풀리(250)로 스트링(240)이 감겨지는 경우(B?A), 세퍼레이터(270)는 꼬아진 스트링(240)이 풀어져 풀리(250)에 감길 수 있도록, 꼬아진 스트링(240)을 풀 수 있다(b).
도 10을 참고하면, 세퍼레이터(270)는 적어도 2 이상의 스트링(240)이 사용되는 경우에 이용될 수 있다.
도 11을 참고하면, 세퍼레이터(270)는 스트링(240)의 개수에 따라 스트링(240)이 통과되는 홀의 개수를 구비할 수 있다. 즉, 3개의 스트링(240)이 사용되는 경우, 세퍼레이터(270)는 3개의 홀을 구비할 수 있다(a). 또는, 6개의 스트링(240)이 사용되는 경우, 세퍼레이터(270)는 6개의 홀을 구비할 수 있다(b).
이렇게, 적어도 2 이상의 스트링이 사용되는 경우, 모터와 풀리 사이에 세퍼레이터를 배치하여, 꼬이지 않은 스트링을 풀리에 감기게 하거나, 꼬이지 않은 스트링을 풀리로부터 풀어지게 하여 적은 힘으로 풀리가 회전하도록 도와줄 수 있다. 따라서, 세퍼레이터가 꼬이지 않은 스트링을 풀리로부터 적은 힘으로 풀리가 회전하도록 도와줌으로써, 작은 모터를 사용하는 경우에도 큰 힘을 제공할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 12의 (a)를 참고하면, 모션 제어 장치(200)는 제1 프레임(210) 및 제2 프레임(220)를 몸체의 관절 부위를 기준으로 일정방향으로 움직이는 부위에 각각 배치하고, 제1 프레임(210)와 제2 프레임(220)의 사이에 풀리(250)를 배치하며, 일단이 풀리(250)와 연결되고, 상기 일단과 상이한 타단이 제1 모터(230a)와 연결되는 제1 스트링(240a)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 모터(230a)는 제1 프레임(210)에 배치되어, 제1 스트링(240a)을 풀리(250)로부터 잡아당겨 제2 프레임(220)를 움직이도록 한다.
그런데, 모션 제어 장치(200)는 두 개의 모터와 두 개의 스트링을 구비할 수 있다. 즉, 모션 제어 장치(200)는 일단이 풀리(250)와 연결되고, 상기 일단과 상이한 타단이 제2 모터(230b)와 연결되는 제2 스트링(240b), 및 제2 스트링(240b)을 풀리(250)로부터 잡아당기는 제2 모터(230b)를 더 포함할 수 있다. 이때, 모션 제어 장치(200)는 두 개의 모터와 두 개의 스트링을 구비한 경우, 풀리(250)도 두 개, 모터(230a, 230b)와 풀리(250) 사이에 배치되는 세퍼레이터(270)도 두 개를 구비할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(270)는 제1 스트링(240a) 또는 제2 스트링(240b)이 각각 적어도 2 이상인 경우, 상기 2 이상의 제1 스트링(240a) 또는 제2 스트링(240b)을 각각 분리할 수 있다.
이 경우, 도 12의 (b)를 참고하면, 제2 모터(230b)는 제1 프레임(210)에 배치되어, 제1 모터(230a)가 제1 스트링(240a)을 잡아당기는 방향과 반대방향으로 제2 스트링(240b)을 풀리(250)로부터 잡아당겨 제2 프레임(220)를 움직일 수 있다.
실시예로, 제1 스트링(240a)과 제2 스트링(240b)은 신축성 있는 재질이거나, 늘어나지 않는(inextensible) 재질로 형성될 수도 있다. 이때, 제1 스트링(240a)과 제2 스트링(240b)은 꼬임방식이거나, 꼬이지 않는 방식일 수 있다.
다른 실시예로, 두 개의 모터에 각각 방향을 바꿔주는 클러치를 부착하여, 동작방향이 같도록 제어할 수 있다. 따라서, 두 개의 모터는 서로 반대방향으로 스트링을 잡아당기도록 동작할 수도 있지만, 상기 클러치를 이용하여 서로 같은 방향으로 스트링을 잡아당기도록 동작할 수 있다. 따라서, 두 개의 모터를 이용하여 모션 제어 장치를 구동함으로써, 한 개의 모터를 이용하여 구동할 때보다 큰 힘을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 2개의 스트링을 모두 다 꼬아주는 경우 프레임에 배치된 외골격의 강성이 강해지는 장점이 있다. 또한, 2개의 스트링을 모두 풀어줄 경우, 외골격의 기구적인 강성이 약해진다. 또한, 외부에서 힘이 가해질 때 꼬였던 스트링이 힘에 비례하여 풀리는 성질을 이용하여 외부에서 가해지는 힘을 쉽게 측정할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 13의 (a)를 참고하면, 제3 실시예의 모션 제어 장치(300)는 몸체(Body)의 관절과 관절 사이에 형성되는 가이드(10), 상기 가이드를 따라 연결되는 스트링(20a, 20b), 및 상기 스트링과 연결되고, 상기 스트링을 제어하여 상기 몸체의 일부분이 움직이도록 제어하는 제1 모터(30)를 포함한다. 예컨대, 가이드(10)는 몸체의 관절과 관절 사이에 형성될 수 있으며, 도 12에서는 가이드(10)가 손의 마디와 마디 사이에 형성된 것으로 설명한다.
스트링(20a, 20b)은 가이드(10)를 따라 연결되는데, 실시예에 따라 두 개의 스트링이 이용될 수 있다. 실시예로, 상기 몸체의 내부 영역(손바닥)에 형성된 가이드를 따라 연결되는 스트링을 제1 스트링(20a)라 하고, 상기 몸체의 외부 영역(손등)에 형성된 가이드를 따라 연결되는 스트링을 제2 스트링(20b)라 한다.
스트링(20a, 20b)은 신축성 있는 재질이거나, 늘어나지 않는(inextensible) 재질로 형성될 수도 있다. 이때, 스트링(20a, 20b)은 꼬임방식이거나, 꼬이지 않는 방식일 수 있다.
제1 모터(30)는 스트링(20a, 20b)과 연결되고, 스트링(20a, 20b)를 제어하여 상기 몸체의 일부분이 움직이도록 제어할 수 있다. 실시예로, 상기 모터는 상기 몸체의 움직이고자 하는 부위별로 각각 배치될 수 있다. 예컨대, 몸체가 손인 경우, 손가락 하나당 하나의 모터가 설치될 수 있다. 즉, 사람은 5개의 손가락을 가지고 있기 때문에, 5개의 모터가 사용될 수 있다.
다른 실시예로, 상기 모터는 상기 몸체의 움직이고자 하는 부위의 동작방향에 따라 복수의 부위들에 적어도 하나 이상 배치될 수도 있다. 예컨대, 벙어리 장갑이나 손가락이 5개가 되지 않는 사람들을 위하여, 엄지 손가락을 제어하는 모터를 하나 배치하고, 나머지 손가락에 하나의 모터를 배치할 수도 있다. 이를 위해서는, 두 개의 스트링을 두어, 모터의 동작방향에 따라 두 개의 스트링이 서로 상이한 방향으로 감기고 풀어지도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 모터를 글로브에 직접 배치하고, 상기 모터로 스트링을 잡아당겨, 작은 모터를 이용하여 큰 힘을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 13의 (b)를 참고하면, (a)와 같이 몸체의 내부 영역에 제1 스트링(20a)를 두고, 몸체의 외부 영역에 제2 스트링(20b)를 사용하는 경우, 모터의 동작방향에 따라 두 개의 스트링이 감기고 풀어지게 하도록 하기 위한 것이다. 이를 위해, 모션 제어 장치는 스트링(20a, 20b)과 모터(30, 40) 사이에 풀리(60)를 배치할 수 있다.
풀리(Pulley, 60)는 모터(30, 40)에 의해 스트링(20a, 20b)를 회전시켜 스트링(20a, 20b)를 감거나 풀리게 하는 도르래 역할을 한다.
예컨대, 풀리(60)에는 제1 스트링(20a)가 감겨져 있다가, 제1 모터(30)가 제1 스트링(20a)를 잡아당기면, 풀리(60)가 회전되면서 풀리(60)에 감겨져 있던 제1 스트링(20a)가 풀리면서 손의 바깥쪽 방향으로 손가락(엄지 손가락)이 펴지게 된다. 이와 반대로, 제1 모터(30)가 잡아당겼던 제1 스트링(20a)를 놓으면, 풀리(60)가 회전되면서 풀리(60)에 제1 스트링(20a)가 감기면서 손의 안쪽 방향으로 손가락(엄지 손가락)이 오무려 지게 된다.
예컨대, 풀리(60)에는 제2 스트링(20b)가 감겨져 있다가, 제2 모터(40)가 제2 스트링(20b)를 잡아당기면, 풀리(60)가 회전되면서 풀리(60)에 감겨져 있던 제2 스트링(20b)가 풀리면서 손의 안쪽 방향으로 손가락(엄지 손가락을 제외한 손가락)이 오무려 지게 된다. 이와 반대로, 제2 모터(40)가 잡아당겼던 제2 스트링(20b)를 놓으면, 풀리(60)가 회전되면서 풀리(60)에 제2 스트링(20b)가 감기면서 손의 바깥쪽 방향으로 손가락(엄지 손가락을 제외한 손가락)이 펴지게 된다.
이때, 제2 모터(40) 왼쪽에 대체 모터(30a)가 하나 더 배치되어 있는데, (a)와 같이 손바닥에 제1 모터(30)가 형성되어 있지 않은 경우, 엄지 손가락을 제어하는 대체 모터(30a)를 (b)와 같이 손등에 배치할 수도 있다. 즉, 대체 모터(30a)는 손바닥의 제1 모터(30)를 대신하여, 엄지 손가락의 움직임을 제어할 수 있다.
실시예로, 풀리(60)는 일단이 제1 스트링(20a)와 연결되고, 상기 일단에 대향하는 타단이 제2 스트링(20b)와 연결될 수 있다. 따라서, 풀리(60)는 상기 모터의 동작방향에 따라 제1 스트링(20a)를 감고 제2 스트링(20b)를 풀거나, 또는 제1 스트링(20a)를 풀고 제2 스트링(20b)를 감을 수 있다.
이 경우, 하나의 모터로 제1 스트링(20a)와 제2 스트링(20b)를 모두 동작시킬 수 있다. 예컨대, 모터가 정회전 방향으로 회전하면, 풀리(60)의 일단은 풀리고, 타단은 감기며, 모터가 역회전 방향으로 회전하면, 풀리(60)의 일단은 감기고 타단은 풀릴 수 있다.
또한, 양방향 동작 외골격형 글로브는 상기 모터(30, 40)와 풀리(60)를 상기 몸체에 고정 장착하는 지지대(50)를 포함할 수 있다. 지지대(50)는 딱딱한 소재의 실리콘, 플라스틱 등 몸체에 고정 부착 가능한 부재로 구성될 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치에 포함된 풀리를 도시한 도면이다.
도 14를 참고하면, 풀리(60)는 지름 또는 크기가 서로 다른 두 개의 홀(60a, 60b)을 포함할 수 있다. 도 15를 참고하면, 제1 홀(60a)은 제1 스트링(20a)을 회전시키고, 제2 홀(60b)은 제2 스트링(20b)을 회전시킬 수 있다.
실시예로, 제1 홀(60a)은 제1 스트링(20a)을 제어하는 제1 모터(30)의 제어에 의해 제1 스트링(20a)을 감거나, 풀 수 있다. 또한, 제2 홀(60b)은 제2 스트링(20b)을 제어하는 제2 모터(40)의 제어에 의해 제2 스트링(20b)을 감거나, 풀 수 있다.
다른 실시예로, 하나의 모터가 풀리(60)에 포함된 두 개의 홀(60a, 60b)을 이용하여 제1 스트링(20a)을 감고 제2 스트링(20b)을 풀거나, 제1 스트링(20a)을 풀고 제2 스트링(20b)을 감도록 제어할 수 있다.
또한, 도 14에서는, 양방향 동작 외골격형 글로브가 상기 모터와 연결되어, 상기 몸체의 크기에 따라 상기 스트링의 길이를 조절하는 크기 조절부(70)를 더 포함할 수 있다. 크기 조절부(70)로서 볼트와 너트를 배치하여, 볼트와 너트로 몸체의 크기에 따라 스트링의 길이를 조절하는 역할을 한다. 몸체는 그 객체마다 크기가 매우 다양하며 각각 상이하다. 따라서, 양방향 동작 외골격형 글로브는 크기 조절부(70)를 두어, 몸체의 크기에 따라 스트링의 길이를 조절함으로써, 장력을 수동적으로 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 모터가 손등이나 손목에 부착되고, 스트링만으로 가이드를 따라 연결되어 있으므로, 손바닥이 자유로워 물건 집기에 용이하다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모션 제어 장치의 측면도를 도시한 도면이다.
도 16을 참고하면, 모션 제어 장치(300)는 몸체에 직접 접촉되는 제1 레이어(310), 제1 레이어(310) 상에 지지대 및 모터가 형성되는 제2 레이어(320), 및 제2 레이어(320) 상에 가이드 및 스트링이 형성되어, 상기 몸체의 움직임을 제어하는 제3 레이어를 포함할 수 있다.
제1 레이어(310)는 몸체에 직접 접촉되므로 면, 스웨이드, 벨벳 등의 부드러운 소재가 이용될 수 있다.
제2 레이어(320)는 지지대와 모터를 장착하는 것이므로, 고무 소재의 다소 단단한 소재가 이용될 수 있다. 또는, 제2 레이어(320)는 스웨이드, 벨벳, 실리콘, 우레탄, 가죽, 고무 및 면 중 어느 하나로 구성될 수도 있다.
제3 레이어는 몸체의 내부 영역과 외부 영역에 형성되는 가이드(10)와, 가이드(10)를 따라 몸체의 내부 영역과 외부 영역에 형성되는 스트링이 포함될 수 있다. 예컨대, 몸체의 내부 영역에는 제1 스트링(20a)를 두고, 몸체의 외부 영역에는 제2 스트링(20b)를 사용할 수 있다. 제2 모터(40)는 제2 스트링(20b)를 제어하여 몸체의 일부분이 움직이도록 제어할 수 있다.
또한, 풀리는 제2 레이어(320) 상에 배치되어, 제2 모터(40)에 의해 상기 스트링(20a, 20b)를 회전시켜 상기 스트링(20a, 20b)를 감거나 풀리게 할 수 있다. 따라서, 풀리가 도드래로서 역할을 함으로써, 몸체에 직접 부착할 수 있는 작은 모터를 이용하여 큰 힘을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (12)

  1. 몸체의 외골격(exoskeleton)을 지지하는 하나 이상의 프레임들;
    상기 프레임들 간을 연결하는 스트링;
    상기 프레임들 사이에 배치되어, 상기 스트링의 일단과 연결되는 풀리; 및
    상기 스트링의 타단과 연결되어, 상기 스트링을 제어하는 모터를 포함하되,
    상기 풀리는 상기 모터의 제어에 따라 상기 스트링을 회전시키는, 모션 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레임들의 일 측면은,
    두 부분이 서로 맞물리는 형태로 형성되는 연결부를 포함하는, 모션 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스트링은,
    하나 또는 여러 개의 꼬인 스트링으로 구성되는, 모션 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스트링이 적어도 2 이상인 경우, 상기 모터와 상기 풀리 사이에 배치되어, 상기 2 이상의 스트링을 분리하는 세퍼레이터(Separator)
    를 더 포함하는, 모션 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 모터는,
    상기 스트링이 꼬여(twist)지도록 동작하여, 상기 몸체의 외골격이 움직이도록 제어하는, 모션 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 풀리는,
    상기 몸체의 관절 부위에 배치되는, 모션 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프레임들은,
    상기 풀리를 기준으로 일정방향으로 움직이는 부위에 각각 배치되는 제1 프레임 및 제2 프레임을 포함하고,
    일단이 상기 풀리와 연결되고, 상기 일단과 상이한 타단이 제1 모터와 연결되는 제1 스트링
    을 포함하는 모션 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 모터는,
    상기 제1 프레임에 배치되어, 상기 제1 스트링을 상기 풀리로부터 잡아당겨 상기 제2 프레임을 움직이는, 모션 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    일단이 상기 풀리와 연결되고, 상기 일단과 상이한 타단이 제2 모터와 연결되는 제2 스트링; 및
    상기 제2 스트링을 상기 풀리로부터 잡아당기는 제2 모터
    를 더 포함하는, 모션 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 모터는,
    상기 제1 프레임에 배치되어, 상기 제1 모터가 상기 제1 스트링을 잡아당기는 방향과 반대방향으로 상기 제2 스트링을 상기 풀리로부터 잡아당겨 상기 제2 프레임을 움직이는, 모션 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 모터와 연결되어, 상기 모터의 동작방향을 조작하는 기어 조작부
    를 더 포함하고,
    상기 모터는,
    상기 기어 조작부에 의해 조작된 동작방향에 따라 상기 스트링을 정방향 또는 역방향으로 잡아당기는, 모션 제어 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 풀리는 적어도 두 개의 홀을 포함하고,
    상기 스트링은 상기 풀리의 제1 홀과 연결된 제1 스트링, 상기 풀리의 제2 홀과 연결된 제2 스트링을 포함하고,
    상기 모터는,
    상기 풀리에 포함된 두 개의 홀을 이용하여 상기 제1 스트링을 감고 상기 제2 스트링을 풀거나, 상기 제1 스트링을 풀고 상기 제2 스트링을 감도록 제어하는, 모션 제어 장치.
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