JP2022075499A - 外骨格型着用ロボット - Google Patents

外骨格型着用ロボット Download PDF

Info

Publication number
JP2022075499A
JP2022075499A JP2021134332A JP2021134332A JP2022075499A JP 2022075499 A JP2022075499 A JP 2022075499A JP 2021134332 A JP2021134332 A JP 2021134332A JP 2021134332 A JP2021134332 A JP 2021134332A JP 2022075499 A JP2022075499 A JP 2022075499A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
connecting portion
wearer
link assembly
exoskeleton
center
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021134332A
Other languages
English (en)
Inventor
カン、ソクウォン
Seok Won Kang
キム、ジュンホ
Jung Ho Kim
キム、ユンヨン
Yoon Young Kim
チョン、ジュヨン
Joo Young Chun
ヒョン、トンジン
Dong Jin Hyun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hyundai Motor Co
Seoul National University Industry Foundation
SNU R&DB Foundation
Kia Corp
Original Assignee
Hyundai Motor Co
Seoul National University Industry Foundation
Seoul National University R&DB Foundation
Kia Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hyundai Motor Co, Seoul National University Industry Foundation, Seoul National University R&DB Foundation, Kia Corp filed Critical Hyundai Motor Co
Publication of JP2022075499A publication Critical patent/JP2022075499A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0244Hip
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/08Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/088Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices with position, velocity or acceleration sensors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0009Constructional details, e.g. manipulator supports, bases
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0054Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a spherical joint at the base
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/106Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/106Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links
    • B25J9/1065Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links with parallelograms
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H2003/007Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about secured to the patient, e.g. with belts
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/1628Pelvis
    • A61H2201/163Pelvis holding means therefor
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/165Wearable interfaces
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1657Movement of interface, i.e. force application means
    • A61H2201/1659Free spatial automatic movement of interface within a working area, e.g. Robot
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50Control means thereof
    • A61H2201/5058Sensors or detectors
    • A61H2201/5069Angle sensors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Pain & Pain Management (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

Figure 2022075499000001
【課題】回転中心を着用者関節の回転中心と一致させ、単一のアクチュエーターのみでも歩行に必要な屈曲及び伸展と外転及び内転モーメントを同時に補助することができ、より自然な運歩行補助ができるようにする外骨格型着用ロボットを提供する。
【解決手段】着用者の胴体に連結される第1固定部と、第1固定部に回転可能に連結される第1連結部と、第1連結部から離隔して配置され、第1連結部と第1リンク組立体を介して連結される第2連結部と、着用者の腕又は脚に連結され、第2連結部と第2リンク組立体を介して連結される第2固定部とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は外旋及び内旋方向の回転ジョイントを球形の4バーメカニズムに代替することによって回転中心を着用者関節の回転中心と一致させ、屈曲及び伸展方向の回転ジョイントを4バーメカニズムに代替することによって単一のアクチュエーターのみでも歩行に必要な屈曲及び伸展と外転及び内転モーメントを同時に補助することができ、より自然な運歩行補助ができるようにする外骨格型着用ロボットに関するものである。
既存の外骨格ロボットのヒップジョイントメカニズムは回転ジョイントが直列で連結された形態であった。よって、ロボットのヒップジョイントの回転中心と着用者の股関節の回転中心が一致しなくて着心地が落ち、モーションの範囲が限定される問題があった。
また、一つの駆動機のみ使う場合には屈曲及び伸展方向のモーメント補助のみ可能であったから、歩行に必要な屈曲及び伸展の他にも、外転及び内転モーメントの同時補助が不可能な問題があった。
外転及び内転モーメントの同時補助のためには追加の駆動機が必要であったが、駆動機の追加によってロボットの重量が増大し、よって反応性が落ち、着用者に負担を加える問題があった。
前記背景技術として説明した事項は本発明の背景に対する理解増進のためのものであるだけで、当該技術分野で通常の知識を有する者に既に知られた従来技術に相当することを認めるものと受け入れてはいけないであろう。
米国特許第9610208B2号公報
本発明はこのような問題点を解決するために提案されたものであり、外旋及び内旋方向の回転ジョイントを球形の4バーメカニズムに代替することによって回転中心を着用者関節の回転中心と一致させ、屈曲及び伸展方向の回転ジョイントを4バーメカニズムに代替することによって単一のアクチュエーターのみでも歩行に必要な屈曲及び伸展と外転及び内転モーメントを同時に補助することができ、より自然な運歩行補助ができるようにする外骨格型着用ロボットを提供しようとする。
前記の目的を達成するための本発明による外骨格型着用ロボットは、着用者の胴体に連結される第1固定部と、第1固定部に回転可能に連結される第1連結部と、第1連結部から離隔して配置され、第1連結部と第1リンク組立体を介して連結される第2連結部と、着用者の腕又は脚に連結され、第2連結部と第2リンク組立体を介して連結される第2固定部とを含み、第1リンク組立体、第2連結部及び第2リンク組立体を連結するそれぞれの連結点の回転中心が着用者の関節中心に向かうように配置されることができる。
第1固定部は着用者の腰部に連結され、第2固定部は着用者の太ももに連結され、着用者の関節中心は股関節の中心であることができる。
第1連結部と第2連結部、及び第1リンク組立体と第2リンク組立体を構成する複数のリンクは着用者の関節中心を取り囲む球形の一部である曲面形状であることができる。
第1連結部は着用者の後方に配置され、一端が第1固定部の後面に回転可能に連結されることができる。
第1リンク組立体は一対のリンクから構成され、第1リンク組立体は第1連結部及び第2連結部とともに4バーメカニズムを構成することができる。
第2リンク組立体は一対のリンクから構成され、第2リンク組立体は第2連結部及び第2固定部とともに4バーメカニズムを構成することができる。
第2連結部は、一側が第1リンク組立体を介して第1連結部に連結され、他側が第2リンク組立体を介して第2固定部に連結されることができる。
第1連結部は着用者の後方に配置され、第2固定部は着用者の側方に配置され、第2連結部は第1連結部と第2固定部との間に配置されることができる。
第1リンク組立体の瞬間回転軸は着用者の関節中心から垂直方向に延びる垂直軸であり、第1リンク組立体の瞬間回転軸を中心に内旋及び外旋運動が具現されることができる。
第2リンク組立体の瞬間回転軸は、外転又は内転及び屈曲又は伸展運動によって変化することができる。
第2リンク組立体の瞬間回転軸は、着用者の関節中心に向かうことができる。
第1固定部は着用者の腰部に連結され、第2固定部は着用者の太ももに連結され、着用者の関節中心は股関節の中心であり、着用者の歩行立脚期に第2リンク組立体の瞬間回転軸は外転運動と伸展運動成分の和が示す方向から内転運動と屈曲運動成分の和が示す方向に変化することができる。
第1固定部と第1連結部を連結する連結点にはアクチュエーターが設けられ、アクチュエーターは第1固定部を基準に第1連結部に回転力を提供することができる。
第1固定部、第1連結部、第1リンク組立体、第2連結部、第2リンク組立体及び第2固定部をそれぞれ連結する複数の連結点の少なくとも一つ以上の連結点には回転角センサーが設けられることができる。
本発明の外骨格型着用ロボットによれば、外旋及び内旋方向の回転ジョイントを球形の4バーメカニズムに代替することによって回転中心を着用者関節の回転中心と一致させ、屈曲及び伸展方向の回転ジョイントを4バーメカニズムに代替することによって単一のアクチュエーターのみでも歩行に必要な屈曲及び伸展と外転及び内転モーメントを同時に補助することができ、より自然な運歩行補助ができるようにする。
本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットを示す斜視図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの拡大斜視図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの外旋及び内旋動作を説明するための図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの外旋及び内旋動作を説明するための図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの外旋及び内旋動作を説明するための図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に発生するモーメントの変化を示すグラフである。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に発生するモーメントの変化を示すグラフである。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に発生するモーメントの変化を示すグラフである。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に発生するモーメントの変化を示す図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行時の瞬間回転軸の変化を説明する図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行時の瞬間回転軸の変化を説明する図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行時の瞬間回転軸の変化を説明する図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行時の瞬間回転軸の変化を説明する図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行時の瞬間回転軸の変化を説明する図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行時の瞬間回転軸の変化を説明する図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行時の瞬間回転軸の変化を説明する図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行時の瞬間回転軸の変化を説明する図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に出力されるモーメントを示すグラフである。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に出力されるモーメントを示すグラフである。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットのサイズ調節機能を示す図である。 本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットのサイズ調節機能を示す図である。
図1は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットを示す斜視図、図2は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの拡大斜視図、図3~図5は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの外旋及び内旋動作を説明するための図、図6~図8は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に発生するモーメントの変化を示すグラフ、図9は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に発生するモーメントの変化を示す図、図10~図17は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行時の瞬間回転軸の変化を説明する図、図18及び図19は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に出力されるモーメントを示すグラフ、図20及び図21は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットのサイズ調節機能を示す図である。
本発明による外骨格型着用ロボットは、着用者の胴体に連結される第1固定部100と、第1固定部100に回転可能に連結される第1連結部200と、第1連結部200から離隔して配置され、第1連結部200と第1リンク組立体300を介して連結される第2連結部400と、着用者の腕又は脚に連結され、第2連結部400と第2リンク組立体500を介して連結される第2固定部600とを含み、第1リンク組立体300、第2連結部400、第2リンク組立体500を連結するそれぞれの連結点の回転中心が着用者の関節中心に向かうように配置されることができる。
本発明は外骨格型着用ロボットに関するものであり、着用者の外部で骨格を成して着用者の動きを支持する。したがって、外骨格ロボットでは、ロボットの回転中心ができるだけ着用者の回転中心と一致するようにすることが重要である。着用中心が互いに一致しない場合、異質感が感じられて着用者に不便さが発生することになる。
具体的に、図1及び図2に示すように、本発明は、着用者の多様な部分に装着されて駆動可能であるが、特に第1固定部100は部分120を介して着用者の腰部Wに連結され、第2固定部600は部分620を介して着用者の太ももLに連結され、着用者の関節中心は股関節の中心であることができる。これにより、着用者の歩行の際、着用者の脚部Lを補助するように構成されることができ、根本的に着用者の股関節の動きを補助することができるようにするものである。
具体的に、第1固定部100は着用者の腰部Wに連結される。第1固定部100は着用者の腰部Wに固定されることにより、着用者の歩行の際にもその位置が維持される。そして、第1固定部100には第1連結部200が連結される。第1連結部200はモーターMを介して第1固定部100に連結され、モーターMの駆動の際、第1連結部200が回転して着用者の歩行を補助する。
このような第1連結部200は着用者の後方に配置され、一端が第1固定部100の後面に回転可能に連結されることができる。そして、第1連結部200は左側と右側にそれぞれ配置されて左右の太ももをそれぞれ独立的に支持することができる。
第1連結部200の端部には、第1連結部200から離隔して配置され、第1連結部200と第1リンク組立体300を介して連結された第2連結部400が設けられる。第2連結部400は中心が折れたバー(bar)型のものであり、図示のように、一側が第1リンク組立体300と連結され、他側が第2リンク組立体500と連結される。そして、第1リンク組立体300は一対のリンク310、320から構成され、第1リンク組立体300は第1連結部200及び第2連結部400とともに4バーメカニズムを構成することができる。また、第2リンク組立体500は一対のリンク510、520から構成され、第2リンク組立体500は第2連結部400及び第2固定部600とともに4バーメカニズムを構成することができる。
すなわち、第2連結部400は4バーメカニズムを介して第1連結部200及び第2固定部600と連結される。そして、第2固定部600は着用者の腕又は脚に連結され、第2連結部400と第2リンク組立体500を介して連結される。そして、第1リンク組立体300、第2連結部400、第2リンク組立体500を連結するそれぞれの連結点の回転中心は着用者の関節中心に向かうように配置されることにより、ロボットの回転中心と着用者の関節の回転中心が一致して、ロボットの動作の際、着用者にとって異質感がないようにする。
具体的に、第1連結部200と第2連結部400、及び第1リンク組立体300と第2リンク組立体500を構成する複数のリンクは着用者の関節中心を取り囲む球形の一部である曲面形状であることができる。すなわち、それぞれのリンクとパートが全て球形の曲面上に配置され、形状もその球形を取り囲むように曲面に形成されることにより、実際のロボットの回転中心が着用者関節の回転中心に位置するようにする。
一方、第2連結部400は、一側が第1リンク組立体300を介して第1連結部200に連結され、他側が第2リンク組立体500を介して第2固定部600に連結されることができる。そして、第1連結部200は着用者の後方に配置され、第2固定部600は着用者の側方に配置され、第2連結部400は第1連結部200と第2固定部600との間に配置されることができる。
また、第1リンク組立体300の瞬間回転軸は着用者の関節中心から垂直方向に延びる垂直軸X1であり、第1リンク組立体300の瞬間回転軸を中心に内旋及び外旋運動が具現されることができる。図3~図5は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの外旋及び内旋動作を説明するための図である。
図3は第1連結部200、第1リンク組立体300及び第2連結部400が成す第1の4バーメカニズムの模式図である。第1の4バーメカニズムは球形の座標上に配置されるものと理解することができ、図3のように概念的に表現することができる。図3のように、第2連結部(リンク)400の第1連結部(リンク)200に対する瞬間的な動きはジョイント304、301を通る球上の曲線とジョイント303、302を通る球上の曲線の交点と球の中心を連結する軸を基準に回転運動するものと理解することができる。すなわち、第1リンク組立体が4バーメカニズムを成し、この4バーメカニズムが球上で回転するから、究極に太ももLの外旋及び内旋運動を具現するようになる。
図4のように、第1連結部200、第1リンク組立体300及び第2連結部400が成す第1の4バーメカニズムは垂直軸X1を基準に回転する外旋及び内旋動作を具現するようにする。これにより、図5のように、第1リンク組立体300は着用者の尻の後方に位置しながらも股関節の内旋及び外旋動作ができるようにするため、着用者の脚の回転時にもかからないようにして異質感を減らし、動作範囲(Range Of Motion、ROM)を増大させることができる。
図6~図8は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に発生するモーメントの変化を示すグラフである。ヒトの歩行周期は、立脚期(stance phase)と遊脚期(swing phase)とからなっている。足で地を踏むことになる立脚期には身体が地面反力(GRF:ground reaction force)を受けるから、筋肉が発生させるモーメントが増大する。したがって、本発明のロボットは、まず立脚期に必要な股関節モーメントの方向を具現することができる構造を提示する。図6~図8は立脚期に必要な股関節のモーメントを示す。立脚期には、図6のように、外転モーメント(Abduction)の増大-減少-増大-減少が現れることが分かる。そして、図7のように、伸展-屈曲-伸展のモーメントが現れることが分かる。また、外旋及び内旋のモーメントは非常に小さく現れることが分かる。
このようなモーメントの変化を総合すると、図9のように、回転(Rotation)成分の値は非常に小さく、外転(Abduction)成分の値が+を維持するうちに伸展(Extension)成分の値が+から-に変わることが分かる。すなわち、立脚期の間に股関節モーメントの軸方向は、概略的に、図9のように、伸展(Extension)/屈曲(Flexion)軸と内転(Adduction)/外転(Abduction)軸がある平面内で変更され、外転(Abduction)方向と伸展(Extension)方向の中間から外転(Abduction)方向と屈曲(Flexion)方向の中間に移動する形態を有する。
図10~図17は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの第2リンク組立体の歩行の際、瞬間回転軸の変化を説明する図である。
図10及び図11は後方に20度伸展される場合を示し、図12及び図13は中立状態を示し、図14及び図15は前方に20度屈曲される場合を示し、図16及び図17は前方に40度屈曲される場合を示す。
第2固定部600のリンクと第2連結部400のリンクは1自由度を有する球形の4バーメカニズム(ジョイント501、502、503、504)を介して連結されている。第2固定部600の第2連結部400に対する瞬間的な動作は、図10及び図11のように、ジョイント501、502を通る球上の曲線とジョイント504、503を通る球上の曲線の交点と球の中心を連結した軸X2を基準に回転運動するものと理解することができる。これにより、図10~図17のように、着用者が伸展から屈曲までの動作を行うとき、第2固定部600の第2連結部400に対する瞬間回転軸が内転(Adduction)軸と屈曲(Flexion)軸との間から屈曲(Flexion)軸の方向に移動した後、屈曲(Flexion)軸と外転(Abduction)軸との間に移動する。
図18及び図19は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットの歩行立脚期に出力されるモーメントを示すグラフで、歩行立脚期に必要なモーメント方向と股関節ジョイントメカニズムが歩行立脚期に着用者に加えることができる出力モーメントの方向を比較したグラフである。図18はモーメント方向を球面座標(spherical coordinate)で見るとき、Z軸方向に成す角度であるφ値を示し、図19はXY平面での角度であるθ値を示す。そして、グラフで、aはロボットの出力モーメントであり、bは着用者の歩行立脚期に必要なモーメントである。モーメントのサイズが大きい主要中間部分で出力モーメントと所要モーメントの角度がよく一致することを確認することができる。特に、φ値はモーメント成分のうち外転(abduction)方向モーメントと屈曲(flexion)方向モーメントの比に関連し、主要区間(20%~90%)でほとんど一致することを確認することができる。すなわち、ここで提案する股関節ジョイントメカニズムを使えば、単一の駆動機のみ使っても歩行に必要な方向の3次元モーメントを具現することができることが分かる。
これにより、第1固定部100と第1連結部200を連結する連結点にはアクチュエーターMが設けられ、アクチュエーターMは第1固定部100を基準に第1連結部200に回転力を提供することができる。このようなアクチュエーターMはモーターを例として挙げることができ、単一のモーターMのみでも外転/内転及び屈曲/伸展の動作の全部を自然に表現し、着用者の歩行に支持力を提供することが可能である。そして、それぞれの4バーメカニズムの動力学的分析及び逆運動学的分析のために、それぞれのメカニズムにリンク回転角を測定する回転角センサーS1、S2が設けられることができる。よって、第1固定部100、第1連結部200、第1リンク組立体300、第2連結部400、第2リンク組立体500、及び第2固定部600をそれぞれ連結する複数の連結点の少なくとも一つ以上の連結点には回転角センサーS1、S2が設けられることができる。
図20及び図21は本発明の一実施例による外骨格型着用ロボットのサイズ調節機能を示す図である。図示のように、固定部には左右に一対の第1連結部200が連結され、各第1連結部200の間の距離は第1連結部200のスライドによって調節可能である。これにより、着用者の体形に合うように第1連結部200とモーターMの側方向への位置調整が可能である。そして、着用者の太ももLには部分620を介して第2固定部600が連結され、第2固定部600も着用者の太ももLに結合される部分620との相対的な距離の調整が可能である。
本発明の外骨格型着用ロボットによれば、外旋及び内旋方向の回転ジョイントを球形の4バーメカニズムに代替することによって回転中心を着用者関節の回転中心と一致させ、屈曲及び伸展方向の回転ジョイントを4バーメカニズムに代替することによって単一のアクチュエーターのみでも歩行に必要な屈曲及び伸展と外転及び内転モーメントを同時に補助することができ、より自然な運歩行補助ができるようにする。
本発明の特定の実施例について示して説明したが、以下の特許請求範囲によって提供される本発明の技術的思想を逸脱しない範疇内で本発明が多様に改良及び変化可能であるというのは当該分野で通常の知識を有する者に明らかであろう。
100 第1固定部
200 第1連結部
300 第1リンク組立体
310、320 リンク
400 第2連結部
500 第2リンク組立体
501、502、503、504 ジョイント
510、520 リンク
600 第2固定部

Claims (14)

  1. 着用者の胴体に連結される第1固定部と、
    第1固定部に回転可能に連結される第1連結部と、
    第1連結部から離隔して配置され、第1連結部と第1リンク組立体を介して連結される第2連結部と、
    着用者の腕又は脚に連結され、第2連結部と第2リンク組立体を介して連結される第2固定部と、を含み、
    第1リンク組立体、第2連結部及び第2リンク組立体を連結するそれぞれの連結点の回転中心が着用者の関節中心に向かうように配置されることを特徴とする、外骨格型着用ロボット。
  2. 第1固定部は着用者の腰部に連結され、第2固定部は着用者の太ももに連結され、着用者の関節中心は股関節の中心であることを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  3. 第1連結部と第2連結部、及び第1リンク組立体と第2リンク組立体を構成する複数のリンクは着用者の関節中心を取り囲む球形の一部である曲面形状であることを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  4. 第1連結部は着用者の後方に配置され、一端が第1固定部の後面に回転可能に連結されることを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  5. 第1リンク組立体は一対のリンクから構成され、第1リンク組立体は第1連結部及び第2連結部とともに4バーメカニズムを構成することを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  6. 第2リンク組立体は一対のリンクから構成され、第2リンク組立体は第2連結部及び第2固定部とともに4バーメカニズムを構成することを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  7. 第2連結部は、一側が第1リンク組立体を介して第1連結部に連結され、他側が第2リンク組立体を介して第2固定部に連結されることを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  8. 第1連結部は着用者の後方に配置され、第2固定部は着用者の側方に配置され、第2連結部は第1連結部と第2固定部との間に配置されることを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  9. 第1リンク組立体の瞬間回転軸は着用者の関節中心から垂直方向に延びる垂直軸であり、第1リンク組立体の瞬間回転軸を中心に内旋及び外旋運動が具現されることを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  10. 第2リンク組立体の瞬間回転軸は、外転又は内転及び屈曲又は伸展運動によって変化することを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  11. 第2リンク組立体の瞬間回転軸は、着用者の関節中心に向かうことを特徴とする、請求項10に記載の外骨格型着用ロボット。
  12. 第1固定部は着用者の腰部に連結され、第2固定部は着用者の太ももに連結され、着用者の関節中心は股関節の中心であり、着用者の歩行立脚期に第2リンク組立体の瞬間回転軸は外転運動と伸展運動成分の和が示す方向から内転運動と屈曲運動成分の和が示す方向に変化することを特徴とする、請求項11に記載の外骨格型着用ロボット。
  13. 第1固定部と第1連結部を連結する連結点にはアクチュエーターが設けられ、アクチュエーターは第1固定部を基準に第1連結部に回転力を提供することを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
  14. 第1固定部、第1連結部、第1リンク組立体、第2連結部、第2リンク組立体及び第2固定部をそれぞれ連結する複数の連結点の少なくとも一つ以上の連結点には回転角センサーが設けられることを特徴とする、請求項1に記載の外骨格型着用ロボット。
JP2021134332A 2020-11-04 2021-08-19 外骨格型着用ロボット Pending JP2022075499A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200146019A KR20220060241A (ko) 2020-11-04 2020-11-04 외골격 타입의 착용 로봇
KR10-2020-0146019 2020-11-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022075499A true JP2022075499A (ja) 2022-05-18

Family

ID=81379736

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021134332A Pending JP2022075499A (ja) 2020-11-04 2021-08-19 外骨格型着用ロボット

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220133579A1 (ja)
JP (1) JP2022075499A (ja)
KR (1) KR20220060241A (ja)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2687339B1 (en) 2008-05-20 2015-10-21 Ekso Bionics, Inc. Device and method for decreasing energy consumption of a person by use of a lower extremity exoskeleton

Also Published As

Publication number Publication date
US20220133579A1 (en) 2022-05-05
KR20220060241A (ko) 2022-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101589983B (zh) 穿戴式下肢外骨骼装置
KR101219795B1 (ko) 근력 지원용 착용형 로봇
KR101828256B1 (ko) 멀티링크 무릎관절을 구비한 하지 로봇 및 그 제어 방법
CN106965156A (zh) 一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼
CN211188112U (zh) 一种可穿戴康复型下肢外骨骼机器人
JPWO2011049171A1 (ja) 運動補助装置およびその制御方法ならびにリハビリテーション方法
KR20180023708A (ko) 운동 보조 장치
CN109646245A (zh) 一种用于下肢外骨骼机器人转向机构
CN105943316A (zh) 一种具有回力结构的人体下肢外骨骼
KR20170021018A (ko) 하지 보조로봇의 골격구조
WO2015084177A1 (en) Upper limb exoskeleton
KR20170075699A (ko) 하지 보조로봇의 골격구조
EP2981240B1 (en) Mechanical linkage
KR20140064217A (ko) 병렬 링크형 착용로봇
CN111113372A (zh) 运动辅助设备
CN110897834A (zh) 一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置
JP7398910B2 (ja) ロボットの歩行制御システム及び制御方法
CN115300864A (zh) 一种用于横向行走康复的髋关节外骨骼
KR101981631B1 (ko) 발목관절과 목말밑관절을 회전축으로 하는 외골격 로봇
JP2022075499A (ja) 外骨格型着用ロボット
Séguin et al. Review and assessment of walking assist exoskeleton knee joints
KR102633470B1 (ko) 착용형 보조장치
CN210785246U (zh) 一种球面外骨骼髋关节康复机构
JP2012065704A (ja) 歩行補助装置、歩行補助方法、及び歩行補助プログラム等
KR101486016B1 (ko) 근력지원 골반 지지구조

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231124