KR101219795B1 - 근력 지원용 착용형 로봇 - Google Patents

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KR101219795B1
KR101219795B1 KR1020110110193A KR20110110193A KR101219795B1 KR 101219795 B1 KR101219795 B1 KR 101219795B1 KR 1020110110193 A KR1020110110193 A KR 1020110110193A KR 20110110193 A KR20110110193 A KR 20110110193A KR 101219795 B1 KR101219795 B1 KR 101219795B1
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KR1020110110193A
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한창수
김완수
김흥기
이병규
이희돈
임동환
한정수
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

착용자의 체형에 맞추어 형상의 변화가 가능하며, 인체 공학적인 설계로 착용자가 편안한 보행을 할 수 있는 근력 지원용 착용형 로봇이 개시된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇은 착용자의 고관절 굴곡/신전 움직임 축과 허리 착용부에 대한 대퇴부 부재의 전후 요동 축이 동일선상에 위치하고, 착용자의 고관절 외선/내선 움직임 축과 허리 착용부에 대한 대퇴부 부재의 외선/내선 움직임 축이 동일선상에 위치하며, 착용자의 슬관절 굴곡/신전 움직임 축과 대퇴부 부재에 대한 정강이 부재의 굴곡/신전 움직임 축이 동일선상에 위치하는 것을 특징으로 한다.

Description

근력 지원용 착용형 로봇{Wearable robot to assist muscular strength}
본 발명은 근력 지원용 착용형 로봇에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 착용자의 체형에 맞추어 형상의 변화가 가능하며, 인체 공학적인 설계로 착용자가 편안한 보행을 할 수 있는 근력 지원용 착용형 로봇에 관한 것이다.
장애 또는 노화 등으로 인해 근력이 저하되어 보행이 어려운 사람들을 위하여 근력 지원용 착용형 로봇이 개발되어 사용되고 있다. 또한, 이러한 근력 지원용 착용형 로봇은 의료, 복지 분야뿐만 아니라 군사, 산업 자동화 분야에서도 근력 증강 및 보조를 위하여 다양한 시스템으로 개발되고 있다.
하지에 착용되는 근력 지원용 착용형 로봇이 착용자에게 제대로 힘을 전달하기 위해서는 착용자의 관절의 회전축과 로봇 구동부의 회전축을 일치시켜야 한다. 만일 착용자의 관절의 회전축과 로봇 구동부의 회전축이 일치하지 않을 경우 힘이 제대로 전달되지 않을 뿐만 아니라 착용자의 큰 부상을 유발할 수 있게 되므로 이는 보행 보조 장치를 설계함에 있어서 중요한 문제이다. 따라서, 착용자들의 각기 다른 신체 형상에 유연하게 적용 가능한 근력 지원용 착용형 로봇을 개발하는 것이 필요하다.
그리고, 하지 근력 지원용 착용형 로봇은 중량물 이송 및 보상을 위해서 고관절, 슬관절, 족관절의 모든 관절을 능동형 관절구조로 구성하고 있다. 그러나, 이처럼 모든 관절을 능동형 관절구조로 구성하는 경우에는 구동 모터나 유압 시스템의 무게로 인해 로봇 전체의 무게 증가하고 에너지 소모가 많다는 문제점이 있다. 또한, 보행 시 다 자유도의 제어기를 사용하여야 하며 중량물을 짊어진 경우 중량물의 하중에 대한 보상 대책을 모터나 유압 시스템을 통해서 구현되어야 하므로 제어의 어려움이 따르게 된다. 즉, 모든 관절을 능동형 관절구조로 구성하는 하지 근력 지원용 착용형 로봇은 관절의 제어와 에너지의 효율 측면에서 바람직하지 못하다. 따라서, 로봇의 무게 및 크기를 간소화 시키기 위하여 고관절, 슬관절, 족관절 중 적어도 하나의 관절부를 수동 관절로 형성하는 기술이 개발되고 있다. 하지만, 수동 관절로 형성된 관절부에 있어서, 로봇 및 짐 등에 의한 착용자의 부담이 커지게 되어, 이를 제어하기 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 착용자의 허리의 형상, 대퇴부 및 정강이의 길이에 대응하여, 허리 착용부의 형상, 대퇴부 부재 및 정강이 부재의 길이를 조절할 수 있는 근력 지원용 착용형 로봇을 제공하는 것이다. 즉, 본 발명은 로봇 자체의 유연한 구조로 인해 착용자의 착용감을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 하지 관절부의 일부에 수동 관절을 사용하여 모든 관절에 능동 관절을 적용한 것에 비하여 전체적인 무게 및 크기를 간소화하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 수동 관절로 형성된 발목 관절부에 있어서, 로봇의 회전축을 지면과 가깝게 둠으로써 로봇 링크로부터 전달되는 하중을 지면으로 바로 전달 가능케 하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 발목 관절부에 수동 관절을 사용하여 로봇 및 짐 등에 의한 대부분의 하중이 착용자의 발목측에 전달되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 풋 링크에 제한부재를 형성하여, 로봇의 회전축과 착용자의 발목 관절부의 회전축이 불일치하지만, 인체 공학상 착용자의 발목과 유사한 동작 범위를 갖는 근력 지원용 착용형 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 신발 고정부가 착용자의 신발 바닥부의 아치형 중앙부에만 형성되어, 착용자가 보행 시 신발을 신은 것과 동일한 느낌을 받게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 허리 착용부의 벨트 및 신발 고정부의 스트랩부 등을 이용하여 신속한 탈착이 가능케 하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇은 착용자의 허리 부분에 착용되는 허리 착용부; 상기 착용자의 대퇴부에 착용되며, 상기 허리 착용부에 대하여 요동 가능하게 형성되는 대퇴부 부재; 상기 착용자의 정강이에 착용되며, 상기 대퇴부 부재에 대하여 요동 가능하게 형성되는 정강이 부재; 및 상기 착용자의 발측에 착용되며, 상기 정강이 부재의 일단에 결합되는 풋 링크를 포함하며, 상기 착용자의 고관절 굴곡/신전 움직임 축과 상기 허리 착용부에 대한 상기 대퇴부 부재의 전후 요동 축이 동일선상에 위치하고, 상기 착용자의 고관절 외선/내선 움직임 축과 상기 허리 착용부에 대한 상기 대퇴부 부재의 외선/내선 움직임 축이 동일선상에 위치하며, 상기 착용자의 슬관절 굴곡/신전 움직임 축과 상기 대퇴부 부재에 대한 상기 정강이 부재의 굴곡/신전 움직임 축이 동일선상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 허리 착용부는 상기 착용자의 허리의 형상에 대응하여 길이 방향 및 폭 방향으로 길이 조절이 가능하도록 형성되고, 상기 착용자의 슬관절의 위치에 대응하여 상기 정강이 부재에 대한 상기 풋링크의 위치를 조절 가능하도록 형성되며, 상기 대퇴부 부재는 상기 착용자의 고관절의 위치에 대응하여 길이 조절이 가능하도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 허리 착용부는 길이 방향의 길이 조절이 가능하도록 형성되는 길이 조절부를 포함하며, 상기 길이 조절부는 중심부에 형성된 회전부의 회전 조작에 의하여, 상기 회전부를 중심으로 대칭적으로 길이가 조절될 수 있다.
이 때, 상기 회전부는 피니언 기어로 형성되고, 상기 길이 조절부는, 상기 회전부의 상기 피니언 기어에 맞닿는 렉 기어가 각각 형성된 한 쌍의 이동부들을 더 포함하며, 상기 회전부의 회전에 대응하여 상기 한 쌍의 이동부들이 상기 회전부를 중심으로 서로 반대 방향으로 이동함으로써 길이가 조절될 수 있다.
이 때, 상기 허리 착용부는 상기 길이 조절부의 양측 단부에 결합되며, 상기 착용자의 허리의 형상에 대응하여, 형상 조절 가능하도록 상호 결합되는 다수의 단위 링크부재를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 다수의 단위 링크부재는 링크 힌지 결합부에 의해 상호 힌지 결합될 수 있다.
이 때, 상기 대퇴부 부재는 상기 허리 착용부에 힌지 결합되어, 상기 허리 착용부에 대하여 좌우 요동 가능하게 형성될 수 있다.
이 때, 상기 대퇴부 부재에 결합되며, 상기 착용자의 움직임에 대응하여 상기 허리 착용부에 대한 상기 대퇴부 부재의 전후 회전 움직임을 보조하는 토크를 발생시키는 고관절 액츄에이터를 더 포함하며, 상기 고관절 액츄에이터의 회전축, 상기 링크 힌지 결합부의 회전축 및 상기 대퇴부 부재와 상기 허리 착용부의 힌지 결합 회전축은 상호 직교할 수 있다.
이 때, 상기 풋 링크는 상기 정강이 부재에 대하여 슬라이딩 이동 및 고정되도록, 상기 정강이 부재에 결합될 수 있다.
이 때, 상기 대퇴부 부재는 상기 허리 착용부에 결합되는 제 1 대퇴부 부재; 및 상기 대퇴부 부재의 길이 조절을 위하여 상기 제 1 대퇴부 부재에 대하여 슬라이딩 이동 및 고정되도록 형성되며, 상기 정강이 부재와 결합하는 제 2 대퇴부 부재를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 대퇴부 부재에 결합되며, 상기 착용자의 움직임에 대응하여 상기 허리 착용부에 대한 상기 대퇴부 부재의 회전 움직임을 보조하는 토크를 발생시키는 고관절 액츄에이터; 및 상기 정강이 부재에 결합되며, 상기 착용자의 움직임에 대응하여 상기 대퇴부 부재에 대한 상기 정강이 부재의 회전 움직임을 보조하는 토크를 발생시키는 슬관절 액츄에이터를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 풋 링크는 상기 정강이 부재에 결합되는 풋 결합부재; 상기 풋 결합부재에서 연장되는 풋 프레임; 상기 풋 프레임과 상대 회전 가능하게 결합되며, 상기 착용자의 입각시에 지면에 닿도록 형성되는 풋 지지부재; 및 상기 착용자의 신발에 결합되는 신발 고정부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 풋 지지부재는 상기 착용자의 발목의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임, 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임, 외번(eversion) 움직임, 내번(inversion) 움직임, 외선(lateral rotation) 움직임 및 내선(medial rotation) 움직임에 대응하여 상기 풋 프레임에 대하여 상대 회전 가능하게 형성될 수 있다.
이 때, 상기 풋 지지부재와 상기 풋 프레임은 볼 베어링에 의하여 결합될 수 있다.
이 때, 상기 풋 지지부재는 상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임을 제한하는 제 1 제한부재; 및 상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임을 제한하는 제 2 제한부재를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 풋 지지부재는 상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 외번(eversion) 움직임을 제한하는 외번 제한부재; 및 상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 내번(inversion) 움직임을 제한하는 내번 제한부재를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 풋 지지부재는 상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 외선(lateral rotation) 움직임을 제한하는 외선 제한부재; 및 상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 및 내선(medial rotation) 움직임을 제한하는 내선 제한부재를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 착용자의 입각시에, 상기 풋 프레임과 상기 풋 지지부재가 결합하는 위치는 상기 착용자의 발목보다 낮게 형성될 수 있다.
이 때, 상기 신발 고정부는 상기 착용자의 신발의 바닥부의 아치형 중앙부에서 상기 착용자의 신발과 고정될 수 있다.
이 때, 상기 신발 고정부는 상기 착용자의 신발을 감싸도록 형성되며, 탈부착이 가능한 스트랩부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 착용자의 허리의 형상, 대퇴부 및 정강이의 길이에 대응하여, 허리 착용부의 형상, 대퇴부 부재 및 정강이 부재의 길이를 조절할 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 로봇 자체의 유연한 구조로 인해 착용자의 착용감을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 하지 관절부의 일부에 수동 관절을 사용하여 모든 관절에 능동 관절을 적용한 것에 비하여 전체적인 무게 및 크기를 간소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 수동 관절로 형성된 발목 관절부에 있어서, 로봇의 회전축을 지면과 가깝게 둠으로써 로봇 링크로부터 전달되는 하중을 지면으로 바로 전달 가능하다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 발목 관절부에 수동 관절을 사용하여 로봇 및 짐 등에 의한 대부분의 하중이 착용자의 발목측에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 수동 관절을 사용하면서도 착용자에게 주는 부담을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 풋 링크에 제한부재를 형성하여, 로봇의 회전축과 착용자의 발목 관절부의 회전축이 불일치하지만, 인체 공학상 착용자의 발목과 유사한 동작 범위를 갖는 근력 지원용 착용형 로봇을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 착용자가 편안한 보행을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 신발 고정부가 착용자의 신발 바닥부의 아치형 중앙부에만 형성되어, 착용자가 보행 시 신발을 신은 것과 동일한 느낌을 받을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 허리 착용부의 벨트 및 신발 고정부의 스트랩부 등을 이용하여 신속한 탈착이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇과 착용자의 일부 관절의 회전축이 일치하는 것을 보여주기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇과 착용자의 일부 관절의 회전축이 불일치하는 것을 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 정면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 측면도이다.
도 6은 허리 착용부 및 대퇴부 부재를 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 평면도이다.
도 8은 허리 착용부의 길이를 조절하기 위한 구성을 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 착용자의 허리의 형상 또는 사이즈에 따라 허리 착용부의 폭 및 길이가 조절되는 여러 형태를 도시한 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 착용자가 다리를 뒤틀 때 허리 착용부의 동작을 도시한 도면이다.
도 11은 허리 착용부에 대한 대퇴부 부재의 좌우 움직임에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 풋 링크를 도시한 사시도이다.
도 13은 풋 링크를 도시한 정면도이다.
도 14는 풋 링크를 도시한 측면도이다.
도 15a 내지 도 15c는 착용자의 발목의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임 및 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임에 대응하여 움직이는 풋 링크의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 16 내지 도 18은 풋 링크의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임 각도 및 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임 각도의 적정치를 산출하는 내용을 설명하기 위한 도면이다.
도 19a 내지 도 19c는 착용자의 발목의 외번(eversion) 움직임 및 내번(inversion) 움직임에 대응하여 움직이는 풋 링크의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 20a 내지 도 20c는 착용자의 발목의 외선(lateral rotation) 움직임 및 내선(medial rotation) 움직임에 대응하여 움직이는 풋 링크의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 전체적인 구조에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)은 허리 착용부(110), 대퇴부 부재(120), 정강이 부재(140) 및 풋 링크(160)를 포함하여 구성된다. 이 때, 대퇴부 부재(120) 및 정강이 부재(130)를 함께 다리 지지부로 통칭할 수 있다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)은 착용자의 대퇴부 움직임 및 정강이 움직임을 보조하기 위한 고관절 액츄에이터(130) 및 슬관절 액츄에이터(150)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)은 백 프레임(170)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)은 착용자의 고관절 및 슬관절에는 능동 관절이, 발목부의 족관절에는 수동 관절로 형성되는 풋 링크(160)가 형성된다.
허리 착용부(110)는 착용자의 허리 부분에 착용된다. 그리고, 허리 착용부(110)에는 착용자의 허리 부분을 감싸며 결합되는 벨트(미도시)가 더 형성될 수 있다.
대퇴부 부재(120)는 착용자의 대퇴부에 착용된다. 그리고, 대퇴부 부재(120)는 허리 착용부(110)에 대하여 전후 및 좌우 요동 가능하게 형성된다. 이러한, 대퇴부 부재(120)는 제 1 대퇴부 부재(121) 및 제 2 대퇴부 부재(122)를 포함하여 구성된다. 그리고, 대퇴부 부재(120)는 대퇴부 스트랩부(125)를 이용하여 착용자의 대퇴부에 고정될 수 있다. 대퇴부 부재(120)에 대하여는, 이후에서 도 4 내지 도 11과 함께 보다 상세히 설명하도록 한다.
고관절 액츄에이터(130)는 대퇴부 부재(120)에 결합된다. 그리고, 고관절 액츄에이터(130)는 착용자의 움직임에 대응하여 허리 착용부(110)에 대한 대퇴부 부재(120)의 회전 움직임을 보조하는 토크를 발생시킨다. 이 때, 착용자의 움직임을 감지하기 위하여 착용자의 힘을 감지하는 센서, 근육의 활성화도를 측정하는 센서 등이 사용될 수 있으나, 여기서 이를 한정하는 것은 아니다. 또한, 고관절 액츄에이터(130)는 전기식 또는 유압식으로 구성될 수 있다.
정강이 부재(140)는 착용자의 정강이에 착용된다. 그리고, 정강이 부재(130)는 대퇴부 부재(120)에 대하여 요동 가능하게 형성된다.
슬관절 액츄에이터(150)는 정강이 부재(140)에 결합된다. 그리고, 슬관절 액츄에이터(150)는 착용자의 움직임에 대응하여 대퇴부 부재(120)에 대한 정강이 부재(140)의 회전 움직임을 보조하는 토크를 발생시킨다. 이 때, 착용자의 움직임을 감지하기 위하여 착용자의 힘을 감지하는 센서, 근육의 활성화도를 측정하는 센서 등이 사용될 수 있으나, 여기서 이를 한정하는 것은 아니다. 또한, 슬관절 액츄에이터(150)는 전기식 또는 유압식으로 구성될 수 있다.
풋 링크(160)는 착용자의 발측에 착용된다. 이러한, 풋 링크(160)는 풋 결합부재(161), 풋 프레임(162), 풋 지지부재(163) 및 신발 고정부(164)를 포함하여 구성될 수 있다. 풋 링크(160)의 구성 및 동작에 대하여는, 이후 도 12 내지 도 20c와 함께 보다 상세히 설명하도록 한다.
백 프레임(170)은 허리 착용부(110)에 결합되며, 착용자의 등에 접하도록 형성된다. 백 프레임(170)에는 각종 짐 등이 실릴 수 있도록 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇과 착용자의 관절의 회전축의 관계에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇과 착용자의 일부 관절의 회전축이 일치하는 것을 보여주기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇과 착용자의 일부 관절의 회전축이 불일치하는 것을 보여주기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)은 착용자의 체형에 맞추어, 허리 착용부(110)의 형상의 변형, 대퇴부 부재(120)의 길이 조절 및 정강이 부재(140)에 대한 풋 링크(160)의 위치 조절이 가능하다. 따라서, 착용자의 고관절 신전/굴곡(Hip Extension/Flexion) 움직임 축과 허리 착용부(110)에 대한 대퇴부 부재(120)의 전후 요동 축이 동일선상에 위치한다. 그리고, 착용자의 고관절 내선/외선(Medal/Lateral rotation) 움직임 축과 허리 착용부(110)에 대한 대퇴부 부재(120)의 내선/외선(Medal/Lateral rotation) 움직임 축이 동일선상에 위치한다. 즉, 대퇴부 부재(120)의 길이를 조절하여, 착용자의 고관절 내선/외선(Medal/Lateral rotation) 움직임 축과 고관절 액츄에이터(130)가 동일선상에 위치하게 할 수 있다. 또한, 착용자의 슬관절 신전/굴곡(Knee Extension/Flexion) 움직임 축과 상기 대퇴부 부재(120)에 대한 정강이 부재(140)의 신전/굴곡(Knee Extension/Flexion) 움직임 축이 동일선상에 위치한다. 즉, 정강이 부재(140)에 대한 풋 링크(160)의 위치를 조절하여, 착용자의 슬관절 신전/굴곡(Knee Extension/Flexion) 움직임 축과 슬관절 액츄에이터(150)가 동일선상에 위치하게 할 수 있다. 따라서, 착용자와 로봇의 관절 축을 일치시킴으로써 착용자의 착용감을 향상시킬 뿐만 아니라, 착용자가 보다 편안 보행을 할 수 있게 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)은 착용자의 고관절 외전/내전(Hip Abduction/Adduction) 움직임 축과 허리 착용부(110)에 대한 대퇴부 부재(120)의 외전/내전(Hip Abduction/Adduction) 움직임 축이 불일치한다. 그리고, 착용자의 족관절 즉, 발목의 배측굴곡/저측굴곡(Ankle Dorsiflexion/Plantar flexion) 움직임 축과 로봇의 풋 링크(160)의 배측굴곡/저측굴곡(Ankle Dorsiflexion/Plantar flexion) 움직임 축이 불일치한다. 또한, 착용자의 족관절 즉, 발목의 외번/내번(Ankle Inversion/Eversion) 움직임 축과 풋 링크(160)의 외번/내번(Ankle Inversion/Eversion) 움직임 축이 불일치한다. 또한, 착용자의 족관절 즉, 발목의 내선/외선(Medial/Lateral rotation) 움직임 축과 풋 링크(160)의 내선/외선(Medial/Lateral rotation) 움직임 축이 불일치한다.
본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)은 족관절이 수동 관절로 형성되어 있기 때문에, 착용자의 발목의 관절축과 로봇의 족관절의 관절축이 일치할 경우, 로봇 및 짐 등에 의한 부하가 착용자의 발목 관절에 그대로 전달될 수 있다. 따라서, 도 3과 같이, 착용자의 발목의 관절축과 로봇의 족관절의 관절축을 불일치시킴으로써 착용자에게 부담이 가지 않도록 한다. 그리고, 착용자의 발목의 관절축과 로봇의 족관절의 관절축이 불일치하지만, 로봇의 족관절 즉, 풋 링크(160)의 움직임을 적절히 제한함으로써 착용자의 동작 범위를 만족시킬 수 있다. 이의 구성에 대한 자세한 설명은 도 15a 내지 도 20c와 함께 후술하도록 한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 허리 착용부, 대퇴부 부재 및 고관절 액츄에이터의 구성에 대하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 정면도이다. 도 5는 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 측면도이다. 도 6은 허리 착용부 및 대퇴부 부재를 도시한 사시도이다. 도 7은 도 6의 평면도이다. 도 8은 허리 착용부의 길이를 조절하기 위한 구성을 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다. 도 9a 내지 도 9d는 착용자의 허리의 형상 또는 사이즈에 따라 허리 착용부의 폭 및 길이가 조절되는 여러 형태를 도시한 도면이다. 도 10a 내지 도 10c는 착용자가 다리를 뒤틀 때 허리 착용부의 동작을 도시한 도면이다. 도 11은 허리 착용부에 대한 대퇴부 부재의 좌우 움직임에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)에 있어서, 허리 착용부(110)는 착용자의 허리의 형상에 대응하여 길이 방향(A)의 길이를 조절할 수 있도록 형성된다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)에 있어서, 허리 착용부(110)는 착용자의 허리의 형상에 대응하여 폭 방향(B)의 길이를 조절할 수 있도록 형성된다. 그리고, 대퇴부 부재(120)는 길이(C) 조절 가능하도록 형성된다. 또한, 정강이 부재(140)에 대한 풋 링크(160)의 위치를 조절하여, 슬관절 액츄에이터(150)의 풋 링크(160)의 하단으로부터의 거리(D)를 조절 가능하도록 형성된다.
착용자의 허리의 형상에 대응하여 허리 착용부(110)의 길이 방향(A) 및 폭 방향(B)의 길이를 조절할 수 있다. 그리고, 착용자의 대퇴부 및 정강이의 길이에 대응하여, 대퇴부 부재(120)의 길이(C)를 조절하고, 풋 링크(160)의 하단으로부터 슬관절 액츄에이터(150)까지의 거리(D)를 조절할 수 있다. 따라서, 착용자의 고관절 신전/굴곡(Hip Extension/Flexion) 움직임 축과 허리 착용부(110)에 대한 대퇴부 부재(120)의 전후 요동 축이 동일선상에 위치한다. 그리고, 착용자의 고관절 내선/외선(Medal/Lateral rotation) 움직임 축과 고관절 액츄에이터(130)가 동일선상에 위치하게 한다. 또한, 착용자의 슬관절 신전/굴곡(Knee Extension/Flexion) 움직임 축과 상기 대퇴부 부재(120)에 대한 정강이 부재(140)의 신전/굴곡(Knee Extension/Flexion) 움직임 축이 동일선상에 위치한다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 허리 착용부(110)는 벨트(111), 지지부재(112), 길이 조절부(113), 단위 링크(114), 링크 힌지 결합부(115) 및 결합부(116)를 포함하여 구성된다.
벨트(111)는 착용자의 허리를 감싸도록 형성될 수 있다. 이러한, 벨트(111)는 착용자의 허리에 탈부착 가능하도록 형성될 수 있다.
지지부재(112)는 착용자의 허리 후면에 형성될 수 있다. 그리고, 지지부재(112)는 벨트(111)와의 결합을 위한 적어도 하나 이상의 벨트 지지부(112a)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 지지부재(112)는 후술하는 길이 조절부(113)를 전체적으로 지지하도록 형성된다. 또한, 지지부재(112)에는 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇(100)의 작동을 전체적으로 제어하는 제어 장치(미도시)가 장착될 수 있다.
길이 조절부(113)는 지지부재(112)에 장착되며, 허리 착용부(110)의 전체적인 길이 방향의 길이를 조절 가능하도록 형성된다. 도 8과 함께 참조하면, 길이 조절부(113)는 중심부에 형성된 회전부(113a)의 회전 조작에 의하여, 회전부(113a)를 중심으로 대칭적으로 길이가 조절될 수 있다. 구체적으로, 길이 조절부(113)는 피니언 기어로 형성되는 회전부(113a), 회전부(113a)의 피니언 기어에 맞닿는 제 1 렉 기어(113d) 및 제 2 렉 기어(113e)를 각각 포함하여 구성되는 제 1 이동부(113b) 및 제 2 이동부(113c)를 포함하여 형성될 수 있다. 회전부(113a)의 회전에 대응하여, 제 1 이동부(113b) 및 제 2 이동부(113c)는 각각 회전부(113a)를 중심으로 서로 반대 방향으로 이동함으로써 허리 착용부(110)의 길이 방향의 길이가 조절된다. 그리고, 허리 착용부(110)의 길이 연장 범위를 제한하기 위하여, 제 1 이동부(113b) 및 제 2 이동부(113c)는 각각 회전부(113a)가 소정치 이상 연장 방향으로 회전하면 길이 조절부(112)의 일단부에 닿도록 형성되는 연장 정지부(113f)를 포함하여 구성될 수 있다. 따라서, 회전부(113a)가 과도하게 회전되어 회전부(113a)에서 제 1 이동부(113b) 및 제 2 이동부(113c)가 이탈하는 것을 방지한다. 또한, 허리 착용부(110)의 길이 축소 범위를 제한하기 위하여, 제 1 이동부(113b) 및 제 2 이동부(113c)는 각각 회전부(113a)가 소정치 이상 단축 방향으로 회전할 수 없도록, 다른 이동부의 플레인부(113i)에 맞닿도록 형성되는 단축 정지부(113h)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 회전부(113a)가 소정치 이상 단축 방향으로 회전하면, 회전부(113a)가 더 이상 회전하지 못하도록 하는 단차부(113g)가 제 1 이동부(113b) 및 제 2 이동부(113c) 각각에 형성되어 있을 수 있다.
다수의 단위 링크부재(114)가 길이 조절부(113)의 양측 단부에 결합된다. 이러한, 다수의 단위 링크 부재는 각각 링크 힌지 결합부(115)에 의하여 힌지 상호 결합된다. 따라서, 다수의 단위 링크부재(114)는 착용자의 허리 형상에 대응하여 길이 방향 및 폭 방향의 형상이 조절 가능하도록 형성된다.
따라서, 도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이, 착용자의 허리의 길이 방향 및 폭 방향 길이에 대응하여 다수의 단위 링크부재(114)가 넓게 펼쳐질 수도 있고, 접혀질 수도 있다. 또한, 착용자가 고관절을 비트는 경우, 도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이, 다수의 단위 링크부재(114)가 펴지거나 접혀질 수 있어, 둘레 방향으로의 고관절 동작이 원할하게 이루어질 수 있다. 이와 같이, 허리 착용부(110)는 착용자의 고관절이 동작할 때 다수의 단위 링크부재(114)가 유연성 있게 위치 조절됨으로써, 착용자가 장치에 의한 구속감을 느끼는 것을 최소화할 수 있다. 따라서, 착용자의 착용감이 크게 향상될 수 있다.
결합부(116)는 다수의 단위 링크부재(114)의 양 측단부에 형성된다. 결합부(116)는 벨트(111)와의 결합을 위한 벨트 결합부(116a) 및 대퇴부 부재(120)와의 결합을 위한 대퇴부 결합부(116b)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 도 11과 함께 참조하면, 대퇴부 결합부(116b)는 힌지 결합부로 형성되어, 허리 착용부(110)에 대하여 대퇴부 부재(120)가 좌우 요동 가능하도록 형성된다. 이 때, 대퇴부 부재(120)와 고관절 액츄에이터(130)가 착용자의 일측에 위치할 수 밖에 없기 때문에, 착용자의 고관절 외전/내전(Hip Abduction/Adduction) 움직임 축과 허리 착용부(110)에 대한 대퇴부 부재(120)의 외전/내전(Hip Abduction/Adduction) 움직임 축이 불일치한다. 상기의 관절축이 불일치하여 착용자의 움직임이 제한되는 것을 최소화하기 위하여, 고관절 액츄에이터(130)를 허리 착용부(110)의 하부에 접하도록 대퇴부 부재(120)에 결합시킨다.
도 6 및 도 11을 참조하면, 고관절 액츄에이터(130)의 회전축(1점 쇄선 화살표), 링크 힌지 결합부(115)의 회전축(실선) 및 대퇴부 결합부(116b)의 회전축(점선)은 상호 직교하게 형성된다. 이를 통해, 백 프레임(170)에 장착되는 중량물의 하중을 효과적으로 허리 착용부(130) 및 대퇴부 부재(120)를 통하여 효과적으로 지면에 전달할 수 있다. 즉, 상기 회전축들이 상호 직교하게 형성되지 않으면, 백 프레임(170)에 장착되는 중량물의 하중이 착용자에게 가해질 수 있다. 또한, 상기 회전축들이 상호 직교하게 형성되어 고관절 액츄에이터(130)에서 발생하는 토크가 효과적으로 허리 착용부(130)와 결합된 대퇴부 부재(120)에 전달된다. 즉, 상기 회전축들이 상호 직교하게 형성되지 않으면, 고관절 액츄에이터(130)에서 발생하는 토크가 대퇴부 부재(120)에 정확히 전달되지 않고 손실될 가능성이 커진다.
그리고, 대퇴부 부재(120)는 제 1 대퇴부 부재(121) 및 제 2 대퇴부 부재(122)를 포함하여 구성된다. 제 1 대퇴부 부재(121)는 허리 착용부(110)에 힌지 결합된다. 그리고, 제 1 대퇴부 부재(121)의 상단부에 고관절 액츄에이터(130)가 결합될 수 있다. 제 2 대퇴부 부재(122)는 전체적인 대퇴부 부재(120)의 길이를 조절하기 위하여 제 1 대퇴부 부재(121)에 대하여 슬라이딩 이동 및 고정되도록 형성된다. 그리고, 제 2 대퇴부 부재(122)의 하단부는 정강이 부재(140)와 결합된다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇에 있어서, 풋 링크의 구조에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 12는 풋 링크를 도시한 사시도이다. 도 13은 풋 링크를 도시한 정면도이다. 도 14는 풋 링크를 도시한 측면도이다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 풋 링크(160)는 정강이 부재(140)의 하단부에 결합되며, 수동 관절로 형성된다. 이러한, 풋 링크(160)는 풋 결합부재(161), 풋 프레임(162), 풋 지지부재(163) 및 신발 고정부(164)를 포함하여 구성된다.
풋 결합부재(161)는 정강이 부재(140)에 결합된다. 그리고, 풋 결합부재(161)는 정강이 부재(140)에 대한 풋 링크(160)의 위치를 조절하기 위하여, 슬라이딩 이동 및 고정되도록 결합된다. 즉, 풋 결합부재(161)는 정강이 부재(140)에 형성된 슬라이딩 결합부(140a)와 슬라이딩 결합될 수 있다.
풋 프레임(162)은 풋 결합부재(161)에서 하부로 연장되어 형성된다.
풋 지지부재(163)는 풋 프레임(162)과 상대 회전 가능하게 결합된다. 즉, 풋 지지부재(163)는 착용자의 족관절 움직임에 대응하여 풋 프레임(162)에 대하여 회동 가능하도록 형성된다. 풋 지지부재(163)와 풋 프레임(162)는 볼 베어링에 의하여 결합될 수 있다. 그리고, 풋 지지부재(163)는 착용자의 입각시에 지면에 닿도록 형성될 수 있다. 또한, 풋 지지부재(163)와 풋 프레임(162)의 결합점은 착용자의 입각시에, 착용자의 발목보다 낮게 형성된다. 따라서, 풋 지지부재(163)에 전달되는 로봇 및 짐 등의 하중이 지면에 그대로 전달 될 수 있다. 이러한, 풋 지지부재(163)는 제 1 제한부재(163a), 제 2 제한부재(163b), 외번 제한부재(163c), 내번 제한부재(163d), 외선 제한부재(미도시) 및 내선 제한부재(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
제 1 제한부재(163a)는 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 소정치 이상의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임을 제한한다. 제 2 제한부재(163b)는 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 소정치 이상의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임을 제한한다. 외번 제한부재(163c)는 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 소정치 이상의 외번(eversion) 움직임을 제한한다. 내번 제한부재(163d)는 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 소정치 이상의 내번(inversion) 움직임을 제한한다. 제 1 제한부재(163a), 제 2 제한부재(163b), 외번 제한부재(163C) 및 내번 제한부재(163d)는 내측에 중공이 형성된 틀의 형상으로 형성되며, 중공에서 풋 프레임(162)이 상대 회전 가능하도록 형성될 수 있다. 외선 제한부재는 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 소정치 이상의 외선(lateral rotation) 움직임을 제한한다. 내선 제한부재는 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 소정치 이상의 (medial rotation) 움직임을 제한한다. 따라서, 풋 링크(160)의 관절축과 착용자의 족관절 관절축이 불일치하지만, 상기와 같은 제한부재들을 형성하여, 인체공학상 착용자의 발목과 유사한 동작 범위를 갖는 근력 지원용 착용형 로봇을 제공할 수 있다. 그리고, 상기와 같은 제한부재들을 통하여 착용자의 발목의 부상을 방지할 수 있다.
신발 고정부(164)는 착용자의 신발에 고정 결합된다. 이러한, 신발 고정부(164)는 착용자의 신발의 바닥부에 있어서, 아치형 중앙부에만 형성될 수 있다. 따라서, 풋 링크와 관련하여, 착용자가 보행 시 신발만을 신은 것과 동일한 느낌을 받을 수 있다. 신발 고정부(164)에는 착용자의 신발 크기에 대응하여 길이 조절이 가능하도록 형성되는 서브 신발 고정부(164a)가 더 형성될 수 있다. 그리고, 신발 고정부(164)에는 착용자의 신발을 감싸도록 형성되며, 탈부착이 가능하도록 형성되는 스트랩부(164b)가 더 형성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 풋 링크에 있어서, 착용자의 족관절 움직임에 대응하는 풋 지지부재에 대한 풋 프레임의 움직임에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 15a 내지 도 15c는 착용자의 발목의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임 및 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임에 대응하여 움직이는 풋 링크의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 16 내지 도 18은 풋 링크의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임 각도 및 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임 각도의 적정치를 산출하는 내용을 설명하기 위한 도면이다. 도 19a 내지 도 19c는 착용자의 발목의 외번(eversion) 움직임 및 내번(inversion) 움직임에 대응하여 움직이는 풋 링크의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 20a 내지 도 20c는 착용자의 발목의 외선(lateral rotation) 움직임 및 내선(medial rotation) 움직임에 대응하여 움직이는 풋 링크의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 15a는 착용자의 입각 시의 풋 지지부재(163)에 대한 풋 프레임(162)의 위치 관계를 도시한 것이다.
도 15b는 착용자의 족관절 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임이 있는 경우의 풋 지지부재(163)에 대한 풋 프레임(162)의 위치 관계를 도시한 것이다. 이 때, 풋 프레임(162)은 풋 지지부재(163)의 제 1 제한부재(163a)와 맞닿는 곳까지만 움직일 수 있다. 구체적으로, 인체공학적 풋 링크(160)의 움직임을 위하여, 제 1 제한부재(163a)는 착용자의 입각시를 기준으로 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임을 40도 이하로 제한하도록 형성될 수 있다.
도 15c는 착용자의 족관절 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임이 있는 경우의 풋 지지부재(163)에 대한 풋 프레임(162)의 위치 관계를 도시한 것이다. 이 때, 풋 프레임(162)은 풋 지지부재(163)의 제 2 제한부재(163b)와 맞닿는 곳까지만 움직일 수 있다. 구체적으로, 인체공학적 풋 링크(160)의 움직임을 위하여, 제 2 제한부재(163b)는 착용자의 입각시를 기준으로 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임을 20도 이하로 제한하도록 형성될 수 있다.
상기의 제 1 제한부재(163a) 및 제 2 제한부재(163b)의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임 및 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임의 제한 각도는 다음과 같이 도출된다.
도 16은 착용자의 족관절부 및 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절부의, 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임 및 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임의 각도 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 16에서, a 점은 착용자의 족관절 회전축의 위치를 나타낸다. b 점은 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절 회전축의 위치 즉, 풋 프레임과 풋 지지부재의 결합점을 나타낸다. c 점은 입각시의 착용자의 발이 풋 링크와 체결되는 지점(이하, '발 체결점') 즉, 입각시의 신발 고정부의 위치를 나타낸다. L1은 지면으로부터 착용자의 족관절 회전축까지의 거리이다. L1'은 지면으로부터 근력 지원용 착용형 로봇의 풋 프레임과 풋 지지부재의 결합점까지의 거리이다. L2는 착용자의 족관절 회전축 및 근력 지원용 착용형 로봇의 풋 프레임과 풋 지지부재의 결합점을 잇는 연장선이 지면과 맞닿는 점(d)으로부터 입각시의 신발 고정부까지의 거리이다. θ2는 보행 시 착용자의 족관절이 회전한 각도이다. θa는 보행 시 착용자의 족관절의 회전에 대응하여 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절이 회전한 각도이다. 도 16에서 보는 바와 같이, 착용자의 족관절과 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절의 회전축의 위치가 불일치하기 때문에, 각각의 관절의 동작 각도가 상이하다. 도 16에 있어서, θ1, θ3 및 θ4는 다음의 수학식 1 내지 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011084138763-pat00001
Figure 112011084138763-pat00002
Figure 112011084138763-pat00003
수학식 3에서, L3 및 L4는 다음의 수학식 4 및 5와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112011084138763-pat00004
Figure 112011084138763-pat00005
수학식 1 내지 5 및 다음의 수학식 6을 통하여, θa를 산출할 수 있다.
Figure 112011084138763-pat00006
도 17은 평지 보행 시, 착용자의 족관절의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임 및 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임 각도 θ2에 대한, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임 및 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임 각도 θa의 변화도를 나타낸 그래프이다. 도 17을 참조하면, 평지 보행 시, 착용자의 족관절은 -20도 내지 10도의 범위에서 동작하며, 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절은 -28도 내지 13도의 범위에서 동작하는 것을 볼 수 있다.
도 18은 계단 보행 시, 착용자의 족관절의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임 및 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임 각도 θ2에 대한, 본 발명의 실시예에 따른 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임 및 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임 각도 θa의 변화도를 나타낸 그래프이다. 도 18을 참조하면, 계단 보행 시, 착용자의 족관절은 -25도 내지 18도로 동작하며, 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절은 -34도 내지 23도의 범위에서 동작하는 것을 볼 수 있다.
상기의 결과를 토대로, 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절은 평지 보행 시에 -28도, 계단 보행 시에 -34도의 최소 움직임 범위를 갖는 것을 알 수 있다. 이의 수치의 절대값은 풋 프레임에 대한 풋 지지부재의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임의 각도를 나타낸다. 따라서, 각기 다른 체형의 착용자들을 고려하였을 때, 풋 프레임에 대한 풋 지지부재의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임을 상기 최소 움직임 범위의 절대값보다 큰 40도 이하로 제한하는 것이 인체 공학상 가장 효과적이다.
또한, 근력 지원용 착용형 로봇의 족관절은 평지 보행시에 13도, 계단 보행 시에 23도의 최대 움직임 범위를 갖는 것을 알 수 있다. 이의 수치의 절대값은 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임의 각도를 나타낸다. 따라서, 착용자의 족관절에 가해지는 부담을 최소화하기 위하여, 풋 프레임에 대한 풋 지지부재의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임을 평지 보행시의 움직임 각도와 계단 보행시의 움직임 각도 사이인 20도 이하로 제한하는 것이 인체 공학상 가장 효과적이다.
도 19a는 착용자의 입각 시의 풋 지지부재(163)에 대한 풋 프레임(162)의 위치 관계를 도시한 것이다.
도 19b는 착용자의 족관절 외번(eversion) 움직임이 있는 경우의 풋 지지부재(163)에 대한 풋 프레임(162)의 위치 관계를 도시한 것이다. 이 때, 풋 프레임(162)은 풋 지지부재(163)의 외번 제한부재(163c)와 맞닿는 곳까지만 움직일 수 있다. 구체적으로, 인체공학적 풋 링크(160)의 움직임을 위하여, 외번 제한부재(163c)는 착용자의 입각시를 기준으로 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 외번(eversion) 움직임을 10도 이하로 제한하도록 형성될 수 있다.
도 19c는 착용자의 족관절 내번(inversion) 움직임이 있는 경우의 풋 지지부재(163)에 대한 풋 프레임(162)의 위치 관계를 도시한 것이다. 이 때, 풋 프레임(162)은 풋 지지부재(163)의 내번 제한부재(163d)와 맞닿는 곳까지만 움직일 수 있다. 구체적으로, 인체공학적 풋 링크(160)의 움직임을 위하여, 내번 제한부재(163d)는 착용자의 입각시를 기준으로 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 내번(inversion) 움직임을 10도 이하로 제한하도록 형성될 수 있다.
도 20a는 착용자의 입각 시의 풋 지지부재(163)에 대한 풋 프레임(162)의 위치 관계를 도시한 것이다.
도 20b는 착용자의 족관절 외선(lateral rotation) 움직임이 있는 경우의 풋 지지부재(163)에 대한 풋 프레임(162)의 위치 관계를 도시한 것이다. 이 때, 풋 프레임(162)은 풋 지지부재(163)의 외선 제한부재와 맞닿는 곳까지만 움직일 수 있다. 구체적으로, 인체공학적 풋 링크(160)의 움직임을 위하여, 외선 제한부재는 착용자의 입각시를 기준으로 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 외선(lateral rotation) 움직임을 10도 이하로 제한하도록 형성될 수 있다.
도 20c는 착용자의 족관절 내선(medial rotation) 움직임이 있는 경우의 풋 지지부재(163)에 대한 풋 프레임(162)의 위치 관계를 도시한 것이다. 이 때, 풋 프레임(162)은 풋 지지부재(163)의 내선 제한부재와 맞닿는 곳까지만 움직일 수 있다. 구체적으로, 인체공학적 풋 링크(160)의 움직임을 위하여, 내선 제한부재는 착용자의 입각시를 기준으로 풋 프레임(162)에 대한 풋 지지부재(163)의 내선(medial rotation) 움직임을 10도 이하로 제한하도록 형성될 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 근력 지원용 착용형 로봇은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100; 근력 지원용 착용형 로봇
110; 허리 착용부
111; 벨트 112; 지지부재
112a; 벨트 지지부 113; 길이 조절부
113a; 회전부 113b; 제 1 이동부
113c; 제 2 이동부 113d; 제 1 렉 기어
113e; 제 2 렉 기어 113f; 연장 정지부
113g; 단차부 113h; 단축 정지부
113i; 플레인부
114; 단위 링크부재 115; 링크 힌지 결합부
116; 결합부
116a; 벨트 결합부 116b; 대퇴부 결합부
120; 대퇴부 부재
121; 제 1 대퇴부 부재 122; 제 2 대퇴부 부재
125; 대퇴부 스트랩부
130; 고관절 액츄에이터
140; 정강이 부재
140a; 슬라이딩 결합부 145; 정강이 스트랩부
150; 슬관절 액츄에이터
160; 풋 링크
161; 풋 결합부재 162; 풋 프레임
163; 풋 지지부재 163a; 제 1 제한부재
163b; 제 2 제한부재 163c; 외번 제한부재
163d; 내번 제한부재
164; 신발 고정부 164a; 서브 신발 고정부
164b; 스트랩부
170; 백 프레임

Claims (20)

  1. 착용자의 허리 부분에 착용되는 허리 착용부;
    상기 착용자의 대퇴부에 착용되며, 상기 허리 착용부에 대하여 요동 가능하게 형성되는 대퇴부 부재;
    상기 착용자의 정강이에 착용되며, 상기 대퇴부 부재에 대하여 요동 가능하게 형성되는 정강이 부재; 및
    상기 착용자의 발측에 착용되며, 상기 정강이 부재의 일단에 결합되는 풋 링크를 포함하며,
    상기 착용자의 고관절 굴곡/신전 움직임 축과 상기 허리 착용부에 대한 상기 대퇴부 부재의 전후 요동 축이 동일선상에 위치하고,
    상기 착용자의 고관절 외선/내선 움직임 축과 상기 허리 착용부에 대한 상기 대퇴부 부재의 외선/내선 움직임 축이 동일선상에 위치하며,
    상기 착용자의 슬관절 굴곡/신전 움직임 축과 상기 대퇴부 부재에 대한 상기 정강이 부재의 굴곡/신전 움직임 축이 동일선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 허리 착용부는 상기 착용자의 허리의 형상에 대응하여 길이 방향 및 폭 방향으로 길이 조절이 가능하도록 형성되고,
    상기 착용자의 슬관절의 위치에 대응하여 상기 정강이 부재에 대한 상기 풋링크의 위치를 조절 가능하도록 형성되며,
    상기 대퇴부 부재는 상기 착용자의 고관절의 위치에 대응하여 길이 조절이 가능하도록 형성된 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 허리 착용부는 길이 방향의 길이 조절이 가능하도록 형성되는 길이 조절부를 포함하며, 상기 길이 조절부는 중심부에 형성된 회전부의 회전 조작에 의하여, 상기 회전부를 중심으로 대칭적으로 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 회전부는 피니언 기어로 형성되고,
    상기 길이 조절부는,
    상기 회전부의 상기 피니언 기어에 맞닿는 렉 기어가 각각 형성된 한 쌍의 이동부들을 더 포함하며, 상기 회전부의 회전에 대응하여 상기 한 쌍의 이동부들이 상기 회전부를 중심으로 서로 반대 방향으로 이동함으로써 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 허리 착용부는
    상기 길이 조절부의 양측 단부에 결합되며, 상기 착용자의 허리의 형상에 대응하여, 형상 조절 가능하도록 상호 결합되는 다수의 단위 링크부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  6. 청구항 5항에 있어서,
    상기 다수의 단위 링크부재는 링크 힌지 결합부에 의해 상호 힌지 결합되는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 대퇴부 부재는
    상기 허리 착용부에 힌지 결합되어, 상기 허리 착용부에 대하여 좌우 요동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 대퇴부 부재에 결합되며, 상기 착용자의 움직임에 대응하여 상기 허리 착용부에 대한 상기 대퇴부 부재의 전후 회전 움직임을 보조하는 토크를 발생시키는 고관절 액츄에이터를 더 포함하며,
    상기 고관절 액츄에이터의 회전축, 상기 링크 힌지 결합부의 회전축 및 상기 대퇴부 부재와 상기 허리 착용부의 힌지 결합 회전축은 상호 직교하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 풋 링크는 상기 정강이 부재에 대하여 슬라이딩 이동 및 고정되도록, 상기 정강이 부재에 결합되는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 대퇴부 부재는
    상기 허리 착용부에 결합되는 제 1 대퇴부 부재; 및
    상기 대퇴부 부재의 길이 조절을 위하여 상기 제 1 대퇴부 부재에 대하여 슬라이딩 이동 및 고정되도록 형성되며, 상기 정강이 부재와 결합하는 제 2 대퇴부 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 대퇴부 부재에 결합되며, 상기 착용자의 움직임에 대응하여 상기 허리 착용부에 대한 상기 대퇴부 부재의 회전 움직임을 보조하는 토크를 발생시키는 고관절 액츄에이터; 및
    상기 정강이 부재에 결합되며, 상기 착용자의 움직임에 대응하여 상기 대퇴부 부재에 대한 상기 정강이 부재의 회전 움직임을 보조하는 토크를 발생시키는 슬관절 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 풋 링크는
    상기 정강이 부재에 결합되는 풋 결합부재;
    상기 풋 결합부재에서 연장되는 풋 프레임;
    상기 풋 프레임과 상대 회전 가능하게 결합되며, 상기 착용자의 입각시에 지면에 닿도록 형성되는 풋 지지부재; 및
    상기 착용자의 신발에 결합되는 신발 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 풋 지지부재는
    상기 착용자의 발목의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임, 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임, 외번(eversion) 움직임, 내번(inversion) 움직임, 외선(lateral rotation) 움직임 및 내선(medial rotation) 움직임에 대응하여 상기 풋 프레임에 대하여 상대 회전 가능하게 형성된 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 풋 지지부재와 상기 풋 프레임은 볼 베어링에 의하여 결합된 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 풋 지지부재는
    상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 배측굴곡(Dorsiflexion) 움직임을 제한하는 제 1 제한부재; 및
    상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 저측굴곡(Plantar flexion) 움직임을 제한하는 제 2 제한부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 풋 지지부재는
    상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 외번(eversion) 움직임을 제한하는 외번 제한부재; 및
    상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 내번(inversion) 움직임을 제한하는 내번 제한부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 풋 지지부재는
    상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 외선(lateral rotation) 움직임을 제한하는 외선 제한부재; 및
    상기 풋 프레임에 대한 상기 풋 지지부재의 소정치 이상의 및 내선(medial rotation) 움직임을 제한하는 내선 제한부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 착용자의 입각시에, 상기 풋 프레임과 상기 풋 지지부재가 결합하는 위치는 상기 착용자의 발목보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 신발 고정부는
    상기 착용자의 신발의 바닥부의 아치형 중앙부에서 상기 착용자의 신발과 고정되는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 신발 고정부는
    상기 착용자의 신발을 감싸도록 형성되며, 탈부착이 가능한 스트랩부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 지원용 착용형 로봇.
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