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원웨이 클러치를 이용한 stance control 슬관절 모듈 개발
장대진,최혁재,김규석,이석민 한국재활복지공학회 2022 재활복지공학회논문지 Vol.16 No.4
This paper presents how to design a one-way clutch with a maximum allowable torque of 100Nm and apply it to HKAFO to develop a knee joint module. In the conventional lower orthosis, normal walking was impossible and energy consumption was very high during walking because the knee joint was fixed. To solve this problem, a one-way clutch was used to control the knee joint in the stance and swing phase in this study. The one-way clutch was designed to be compact considering the strut angle, contact stress, and hoop stress. It was manufactured from bearing steel to have a stable brake function even with the maximum allowable torque. In order to control the knee joint, extension of the knee joint was allowed but flexion was prevented in the stance phase, and extension/flexion of the knee joint was allowed in the swing phase using a cage that can move the roller and a solenoid that can operate the cage. The designed knee joint module was applied to the HKAFO, and a gait test was performed on subjects with spinal cord injuries. As a result of the experiment, the knee joint was flexed as the one-way clutch was in freewheel mode from 15% to 82% of the gait cycle, and the knee joint was prevented from flexing as the one-way clutch was in engage mode in the rest of gait cycle. 본 논문은 슬관절 모듈을 개발하기 위해 최대 허용토크가 100 Nm인 원웨이 클러치를 설계하고 고관절-슬관절-족관절 보조기(HKAFO)에 적용하는 것이다. 기존의 하지보조기는 슬관절이 고정되어 있어서 정상 보행이 불가능하여 보행시 에너지 소모가 매우 컸다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서는 원웨이 클러치를 이용하여 입각기와 유각기에서 슬관절이 제어되도록 하였다. 원웨이 클러치는 스트럿 각도와 접촉응력, 후프응력을 고려하여 소형으로 설계되었으며 최대 허용토크에도 안정적으로 브레이크 기능을 가질 수 있도록 베어링강으로 제작되었다. 슬관절을 제어하기 위해서 롤러를 이동시킬 수 있는 케이지와 이를 작동시킬 수 있는 솔레노이드를 이용하여 입각기에서는 슬관절의 신전은 허용하고 굴곡을 방지하며 유각기에서는 슬관절의 신전/굴곡을 허용하였다. 설계된 슬관절 모듈은 고관절-슬관절-족관절 보조기에 적용되어 척수손상 장애인을 대상으로 보행 테스트를 진행하였다. 실험결과 보행주기 중 15% 부터 82%까지 원웨이 클러치가 프리휠 모드 상태로서 슬관절의 굴곡이 이루어졌으며 나머지 보행주기에서는 원웨이 클러치가 작동 모드로서 슬관절의 굴곡을 방지하였다.
장대진,강성재,배태수,김신기,류제청,문무성 제어로봇시스템학회 2009 제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집 Vol.2009 No.9
Lumbar exercise system technique which important the human and machine interface, requires precision processing technology, control technology, mechatronics engineering technology, computer hardware and software engineering technology. Lumbar exercise system of existing is the bulk and heavy because it uses the weight and motor. In this study, we will develop lumbar exercise system using MR fluid control system. A typical MR fluid consists of 20-40 percent by volume of relatively pure, 3-10 micron diameter iron particles, suspended in a carrier liquid such as mineral oil, synthetic oil, water or glycol. Magneto- Rheological (MR) fluids respond to a magnetic field with a dramatic change in rheological behavior. These fluids can reversibly and instantaneously change from a free-flowing liquid to a semi-solid with controllable yield strength when exposed to a magnetic field. MRF control units require the precision control of MR. Exercise progam of lumbar is phased by kinetic program which follows in lumbar spine muscular power of user. Exercise program can show user information such as the height and age and results such as range of motion, exercise torque, angular velocty and exercise time in lumbar spine by touch screen attached on lumbar exercise system.
장대진(Dae-Jin Jang),김용철(Yong-Cheol Kim),김규석(Gyoo-Suk Kim),홍응표(Eung-Pyo Hong) 한국재활복지공학회 2021 재활복지공학회논문지 Vol.15 No.4
본 논문의 목적은 2중 4절 링크시스템을 이용하여 시트 리프트 메커니즘을 설계하고 좌위변환이 가능한 전동휠체어에 적용하여 시뮬레이션을 통해 다양한 휠체어 동작이 가능함을 보이는 것이다. 기존의 시트 리프트 메커니즘은 리프팅 높이가 충분하지 않거나 후방으로 이동량이 많아서 일상활동 제한과 기구적 안정성에 문제가 있었다. 2중 4절 링크시스템 설계시 1개의 모터로 시트를 리프팅 할 수 있는 연결링크의 길이조건을 계산하여 하부 링크시스템을 설계하였으며, 시트를 상승했을 때 후방으로의 이동거리를 최소화할 수 있도록 상부 링크시스템을 설계하였다. 그 결과 새로운 시트 리프팅 메커니즘은 후방 이동이 적고 시트를 높게 상승시킬 수 있었다. 제안된 시트 리프트 메커니즘은 장애인들에게 필수적인 좌위변환 기능을 제공할 수 있으며 이동관련 일상생활이나 독립적인 생활지원에 사용할 수 있을 것으로 기대한다. The purpose of this paper is to design a lifting seat mechanism using a dual 4-bar linkage, to apply it to a power wheelchair, and to show that various sitting position transitions are possible through simulation. The existing lifting seat mechanism was limited to daily activities because the lifting height is not enough, or it was not safe due to a lot of seat moving backward. When designing a dual 4-bar linkage, the lower 4-bar linkage was designed by calculating length conditions of the coupler link that can lift the seat with one motor, and the upper 4-bar linkage was designed to minimize the seat moving backward when the seat is lifted. As a result, the new lifting seat mechanism was able to lift the seat higher with low backward movement. The proposed lifting seat mechanism can provide an essential sitting position transition function for people with disabilities and is expected to be used for mobility-related activities of daily living or independent living support.