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비틈 봉 중력보상기를 적용한 외력증강기 구조해석
Structure Analysis of an Exoskeleton with a Torsion Bar Gravity Compensator 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.36 no.4, 2012년, pp.467 - 475  

최형식 (한국해양대학교 기계시스템공학과) ,  이동준 (한국해양대학교 기계시스템공학과) ,  조종래 (한국해양대학교 기계시스템공학과)

초록

이 논문에서는 비틈 봉을 기반으로 한 중력보상기가 적용된 새로운 외력증강기를 이용하여 인체 다리관절에 작용하는 부하를 경감시키는 방법에 대해 제안한다. 비틈 봉 특성을 추정하고 측정하기 위하여 설계와 구조 해석을 행하였다. 설계와 구조해석을 바탕으로 매우 경량이고 소형인 새로운 외력증강기를 개발하였다. 구조해석은 외력증강기를 매우 경량으로 하기위해 최적두께의 링크에 대한 FEM해석을 행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a technical method of reducing torque load of exoskeleton device, with using of a gravity compensator based on a torsion bar, for human leg joints, is proposed. Design and structure analyses and also performance test were performed to estimate and to measure the characteristics of the...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 최적의 중력보상기를 외골격기구에 적용하면 전동기와 같은 전기장치를 사용하지 않아도 작업자 또는 장애자가 보행할 때 하지관절에 작용하는 토크를 회전각에 비례하여 보상할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 중력보상기의 핵심 부품인 비틈 봉의 특성을 규명하는데 중점을 두었다.
  • 본 논문에서는 비틈 봉의 기계적 특성을 알아보기 위하여 실험 장치를 제작, 성능 실험을 진행하였다. 실험결과의 신빙성확보를 위해 앞 절의 해석식을 통해 산출한 결과를 Table 4에 나타내었다.
  • 본 연구에서는 비틈 봉의 복원력을 이용하여 중력으로 인해 인체에 가해지는 하중을 저감시키기 위해 중력보상기구를 도입하고, 기존의 전동식 하지용 외력증강기의 단점인 전원공급문제를 개선한 신개념의 외력증강기의 설계방법을 검토하였다. 관절기구의 동작반경과 보상력을 최대로 할 수 있는 비틈 봉의 기구학적인 해석과 운동특성을 분석하고, 유한요소해석과 시험을 통한 비틈 봉의 성능을 확인한 결과 계산결과와 유사함을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 전원공급 문제를 대폭 개선하거나 외부전원을 사용하지 않고 비틈 봉 스프링의 복원력으로 관절기구에 가해지는 관절의 비틈하중을 저감시키는 중력보상기구를 갖는 신개념의 하지외골격기구를 개발하였다. 중력으로 인해 다리관절에 가해지는 토크부하를 저감시키는 새로운 개념의 하지용 외력증강기를 제작하여 장치의 구조와 동작특성에 대한 연구를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 전원공급 문제를 대폭 개선하거나 외부전원을 사용하지 않고 비틈 봉 스프링의 복원력으로 관절기구에 가해지는 관절의 비틈하중을 저감시키는 중력보상기구를 갖는 신개념의 하지외골격기구를 개발하였다. 중력으로 인해 다리관절에 가해지는 토크부하를 저감시키는 새로운 개념의 하지용 외력증강기를 제작하여 장치의 구조와 동작특성에 대한 연구를 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
중력보상기가 수직하중을 받는 회전관절 기구부에 적용하는 것이 적합한 이유는? 중력보상기는 요구되는 보상력으로부터 비틈 봉의 지름과 길이를 산정한 후 기구부를 설계하여 수직하중을 받는 회전관절 기구부에 적용하는 것이 적합하다.
비틈 봉을 적용한 중력보상기의 구조의 장점은 무엇인가? 비틈 봉을 적용한 중력보상기의 구조는 Figure 1에서와 같이 링크와 링크 사이에서 일어나는 관절의 회전운동을 장치의 링크내부를 따라 설치되는 비틈 봉의 비틀림 탄성력을 이용하여 베벨기어를 통해 힘의 방향을 90도 변경하여 외부에서 가해지는 힘을 감쇄시키는 구조이다. 이와 같은 구조는 비틈 봉이 링크 역할을 함으로써 링크의 두께를 줄이는 반면 강성을 높일 수 있는 장점이 있다.
비틈 봉을 적용한 중력보상기는 어떤 구조를 가지는가? 비틈 봉을 적용한 중력보상기의 구조는 Figure 1에서와 같이 링크와 링크 사이에서 일어나는 관절의 회전운동을 장치의 링크내부를 따라 설치되는 비틈 봉의 비틀림 탄성력을 이용하여 베벨기어를 통해 힘의 방향을 90도 변경하여 외부에서 가해지는 힘을 감쇄시키는 구조이다. 이와 같은 구조는 비틈 봉이 링크 역할을 함으로써 링크의 두께를 줄이는 반면 강성을 높일 수 있는 장점이 있다.
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참고문헌 (7)

  1. H. Kazerooni, "Human power extender : An example of human-machine interaction via the Transfer of Power and Information Signals", Proceedings of the 5th International Workshop on Advanced Motion Control, pp. 565-572, 1998. 

  2. Erico Guizzo, Sarcos Exoskeleton Bringing Iron Man Suit Closer To Reality, US Army Research Laboratory, ARO in Review, Spectrum IEEE, 2010. 

  3. C. J. Walsh, K. Pasch and H. Herr, "An autonomous, underactuated exoskeleton for load-carrying augmentation", Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intellegent Robots Systems, pp. 1410-1415, 2006. 

  4. H. Kawamoto and Y. Sankai, "Comfortable power assist control method for walking aid by HAL-3," IEEE Int. Conference on Systems, Man and Cybernetics, vol. 4, pp. 55-62, 2002. 

  5. T. Wakisaka, "Automated construction system for high-rise reinforced concrete buildings", vol.9, no.3, pp. 229-250, 2000. 

  6. C. Lee, I. Jeong, K. Seo and L. Lee, "Development of rehabilitation robot system for walking aid", IEEE Int. Conf. on Rob. & Auto., pp. 2468-2473, 2004. 

  7. M. I. No, K. Y. Lee, J. W. Lee and J. S. Lee, "Conceptual design of support robot for shipbuilding to prevent musculoskeletal disorders", 2007 Korea CAD/CAM Conference, pp. 726-734, 2007. 

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