KR101390236B1 - 하지 착용형 근력지원로봇 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇은, 사용자의 종아리에 장착되는 종아리 프레임; 상기 종아리 프레임의 하측에 회전 가능한 구조로 결합되며, 사용자의 보행 시 지면을 딛는 발 프레임; 및 상기 발 프레임이 지면을 딛는 과정에서 복원 탄성력을 형성하고, 상기 발 프레임이 지면으로부터 떨어지는 경우 상기 복원 탄성력을 상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임에 인가하여 상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임이 이루는 결합각도를 사전에 설정된 범위로 복원시키는 회전 복원 유닛을 포함하되, 상기 복원 탄성력은 상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임이 이루는 상기 결합각도가 상기 사전에 설정된 범위를 벗어나는 과정에서 형성된다. 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇을 이용하면, 별도의 동력을 이용하지 아니하고서도 사용자의 근력을 보조할 수 있고, 일부 관절이 수동형 관절로 구성하더라도 사용자의 동작 불편함을 최소화시킬 수 있으며, 구성이 단순화됨으로써 제품의 소형화 및 경량화가 가능해지고 제조비용이 절감된다는 장점이 있다.
Description
본 발명은 사용자의 하체에 착용되어 근력을 지원하는 기능을 하는 하지 착용형 근력지원로봇에 관한 것으로, 더 상세하게는 발목 관절부를 수동관절로 구성하더라도 사용자의 움직임에 불편함을 주지 않으면서 발목 근력을 효과적으로 지원할 수 있는 근력지원로봇에 관한 것이다.
일반적으로 인체 착용방식의 하지용 근력보조로봇은 사람의 다리 힘을 보조하여 보행을 도와주는 역할을 하는 것으로, 인간과 로봇의 동기화를 이용한 입는 형태의 로봇을 말한다.
이러한 인체 착용방식의 하지용 근력보조로봇은 근육병 환자를 위한 재활 보조기구로부터 발전하여 최근에는 노인 등을 위한 근력 보조 역할 및 무거운 군장을 지는 군인용 또는 무거운 짐을 드는 산업현장용 근력 증폭기, 외과수술환자 및 오랫동안 병원생활을 한 내과 환자 등의 보행보조 등에 응용되고 있다. 근육병환자나 노인 등의 근력 보조 역할에 충실하여 무릎관절 부분에 착용하는 방식의 착용형 로봇에 대하여는 많은 개발이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 하지용 근력보조로봇에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 하지용 근력보조로봇의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 하지용 근력보조로봇은, 사용자의 몸통에 장착되는 몸체프레임(10)과, 몸체프레임(10)의 하측에 결합되어 사용자의 골반을 감싸는 골판프레임(20)과, 사용자의 대퇴부 및 종아리, 발 부위에 장착되는 대퇴부 프레임(30), 종아리 프레임(40), 발 프레임(50)으로 구성된다. 골반프레임(20)과 대퇴부 프레임(30)은 고관절부(60)에 의해 회전 가능하도록 연결되고, 프레임(30)과 종아리 프레임(40)은 무릎관절부(70)에 의해 회전 가능하도록 연결되며, 종아리 프레임(40)과 발 프레임(50)은 발목관절(80)에 의해 회전 가능하도록 연결된다. 이때, 발 프레임(50)이 사용자의 발과 일체로 움직일 수 있도록, 발 프레임(50)에는 사용자가 발이 거치 및 고정되는 거치대(90)가 마련된다.
이때, 일반적으로 하지용 근력보조로봇은 사용자의 다리 근력을 보조할 수 있도록 각 관절부(60, 70, 80)들이 능동형 관절구조로 구성되는데, 이와 같이 능동형 관절구조를 구성하기 위해서는 구동 모터나 유압시스템 등이 필수적으로 구비되어야 하므로 로봇 전체 부피 및 중량이 증가된다는 단점이 있다. 또한, 능동형 관절구조의 수가 많을수록 각 관절부(60, 70, 80)의 제어가 복잡해지며, 이에 따라 로봇의 구성이 복잡해지고 제조비용이 증가된다는 문제점이 있다.
상기와 같은 능동형 관절구조의 단점을 해결하기 위하여 상기 언급한 관절부(60, 70, 80) 중 일부를 수동형 관절구조로 제작하는 방법이 제안된 바 있으나, 상기 관절부(60, 70, 80) 중 일부를 수동형 관절구조로 제작하는 경우, 상기 수동형 관절구조가 오히려 사용자의 동작을 저해하는 경우가 발생된다는 문제점이 있다. 예를 들어 별도의 외력이 인가되지 아니하는 한 발 프레임(50)과 종아리프레임(40)이 직각을 이루는 상태를 유지시키도록 상기 발목관절부(80)가 발 프레임(50)과 종아리프레임(40)에 탄성력을 가하는 경우, 사용자는 발등을 위로 올리거나 아래로 내리는 동작을 할 때 상기 발목관절부(80)의 탄성력이 오히려 방해가 된다는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 별도의 동력을 이용하지 아니하고서도 사용자의 근력을 보조할 수 있고, 일부 관절을 수동형 관절로 구성하더라도 사용자의 동작 불편함이 최소화될 수 있으며, 구성의 단순화를 통해 제품의 크기 및 중량을 줄일 수 있는 하지 착용형 근력지원로봇을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇은, 사용자의 종아리에 장착되는 종아리 프레임; 상기 종아리 프레임의 하측에 회전 가능한 구조로 결합되며, 사용자의 보행 시 지면을 딛는 발 프레임; 및 상기 발 프레임이 지면을 딛는 과정에서 복원 탄성력을 형성하고, 상기 발 프레임이 지면으로부터 떨어지는 경우 상기 복원 탄성력을 상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임에 인가하여 상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임이 이루는 결합각도를 사전에 설정된 범위로 복원시키는 회전 복원 유닛을 포함하되, 상기 복원 탄성력은 상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임이 이루는 상기 결합각도가 상기 사전에 설정된 범위를 벗어나는 과정에서 형성된다.
상기 회전복원유닛은, 상기 발 프레임의 상부에서 상기 종아리 프레임에 결합되는 실린더와, 상기 실린더의 내부에서 상기 실린더의 길이방향으로 이동 가능하게 제공되며, 끝단부가 상기 실린더와 상기 발 프레임의 사이 공간으로 돌출되는 슬라이드바와, 상기 실린더의 내부에 위치하며, 상기 슬라이드바의 이동으로 압축되는 회전복원탄성체를 포함하되, 상기 발 프레임이 지면을 딛는 과정에서 상기 슬라이드 바의 끝단부가 상기 발 프레임에 눌려 상기 회전복원탄성체가 압축되고, 상기 발 프레임이 지면으로부터 떨어지는 경우 상기 슬라이드 바의 끝단부가 상기 발 프레임에서 이격되어 상기 발 프레임이 상기 슬라이드 바의 끝단부를 누르는 힘이 제거되고 상기 회전복원탄성체의 탄성력이 상기 슬라이드 바에 전달된다.
상기 슬라이드바의 끝단부에는 상기 발 프레임의 상면을 따라 구르는 구름롤러가 구비된다.
상기 종아리 프레임은, 길이방향이 상하를 향하는 제1 종아리 프레임; 상기 제1 종아리 프레임의 하부에 위치되며 하측이 상기 발 프레임에 회전 가능한 구조로 결합되는 제2 종아리 프레임; 및 상기 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임의 사이 거리가 조절되도록 상기 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임을 연결하는 압축복원유닛을 포함하며, 상기 발 프레임이 지면을 딛는 과정에서 상기 압축복원유닛은 압축되어 상기 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임의 사이 거리가 가까워지고, 상기 발 프레임이 지면으로부터 떨어지는 경우 상기 압축복원유닛의 탄성력이 상기 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임에 인가되어 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임의 사이 거리가 멀어진다.
상기 압축복원유닛은, 상측이 상기 제1 종아리 프레임에 고정 결합되고 하측이 상기 제2 종아리 프레임에 삽입되는 슬라이드블록과, 상기 슬라이드블록과 상기 제2 종아리 프레임 사이에 압축되도록 장착되어 상기 슬라이드블록에 탄성력을 인가하는 압축복원탄성체를 포함한다.
상기 실린더는 상기 제1 종아리 프레임에 결합되며, 상기 슬라이드바의 끝단부는, 상기 제1 종아리 프레임과 제2 종아리 프레임이 상호 이격되었을 때 상기 발 프레임과 이격되고, 상기 제1 종아리 프레임과 제2 종아리 프레임이 상호 밀착되었을 때 상기 발 프레임에 접촉된다.
상기 회전복원유닛은, 상기 발 프레임이 지면을 디딘 상태에서 상기 종아리 프레임이 전방으로 기울어지도록 회전될 때, 상기 종아리 프레임에 상기 복원 탄성력을 인가하도록 구성된다.
상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임은, 볼 조인트로 연결된다.
상기 발 프레임의 일측에 결합되어 사용자의 발이 거치되는 거치프레임과, 사용자의 발을 상기 거치프레임에 고정시키기 위한 체결부를 더 포함한다.
본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇은, 별도의 동력을 이용하지 아니하고서도 사용자의 근력을 보조할 수 있고, 일부 관절이 수동형 관절로 구성하더라도 사용자의 동작 불편함이 최소화되며, 구성이 단순화됨으로써 제품의 소형화 및 경량화가 가능해지고 제조비용이 절감된다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 하지용 근력보조로봇의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 사시도이다.
도 3은 발 프레임의 회전방향을 도시하기 위한 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 단면도이다.
도 5 및 도 6은 압축복원유닛과 회전복원유닛의 내부구성을 도시하는 단면도이다.
도 7은 하향 하중이 인가되어 발 프레임이 지면에 안착된 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 단면도이다.
도 8은 종아리 프레임이 기울어지도록 동작된 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 사시도이다.
도 3은 발 프레임의 회전방향을 도시하기 위한 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 단면도이다.
도 5 및 도 6은 압축복원유닛과 회전복원유닛의 내부구성을 도시하는 단면도이다.
도 7은 하향 하중이 인가되어 발 프레임이 지면에 안착된 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 단면도이다.
도 8은 종아리 프레임이 기울어지도록 동작된 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 사시도이고, 도 3은 발 프레임의 회전방향을 도시하기 위한 분해사시도이다.
본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇은 사용자의 하체에 착용되어, 기계적 동력으로 사용자의 근력을 지원할 수 있는 로봇이다. 이때 하지 착용형 근력지원로봇은 일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 사용자의 하체 전체에 걸쳐 장착될 수 있도록 몸체 프레임(10)과 골반 프레임(20)과 대퇴부 프레임(30)과 종아리 프레임(40)과 발 프레임(50) 등으로 이루어지는데, 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇은 종아리 프레임과 발 프레임 간의 동력보조 구성에 특징이 있는바, 이하에서는 종아리 프레임과 발 프레임 부위만을 도면으로 도시하면서 설명한다.
본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇은, 사용자의 종아리에 장착되는 종아리 프레임(100)과, 종아리 프레임(100)의 하측에 회전 가능한 구조로 결합되어 저면이 지면에 안착되는 발 프레임(200)과, 상기 발 프레임(200)이 지면을 딛는 과정에서 복원 탄성력을 형성하도록 구성되며 상기 복원 탄성력을 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200)에 인가함으로써 상기 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200)이 이루는 결합각도를 사전에 설정된 범위로 복원시키는 회전복원유닛(400)과, 발 프레임(200)의 일측에 결합되어 사용자의 발이 거치되는 거치프레임(500)과, 사용자의 발을 상기 거치프레임(500)에 고정시키기 위한 체결부(510)를 포함하여 구성된다. 한편, 발 프레임(200)의 내부에는 발 프레임(200)의 움직임을 감지하기 위한 자세 및 방위 표시장치(220)(AHRS : attitude / heading reference system)가 구비될 수 있다(도 4 참조).
사용자가 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇을 착용하고 제자리에 서있는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 발 프레임(200)이 지면에 안착되고 종아리 프레임(100)은 수직으로 세워져 있는 상태가 유지되지만, 사용자가 발을 들었다가 내리는 동작을 하거나 걸음을 걷는 동작을 할 때 발 프레임(200)이 지면으로부터 이격되었다가 다시 안착되는 과정을 거치면서 피칭을 하게 되고, 경우에 따라 롤링 및 요잉 동작도 하게 된다. 또한 종아리 프레임(100)은 발 프레임(200)과의 결합 각도가 변경되면서 전후 방향으로 기울어지는 과정을 거치게 된다. 특히, 사용자가 앞으로 걸어가는 경우, 발 프레임(200)이 지면에 안착될 때 종아리 프레임(100)이 수직으로 세워지는 과정과 다리로 몸을 앞으로 밀 때 종아리 프레임(100)이 앞으로 기울어지는 과정을 반복하게 되는데, 종아리 프레임(100)이 앞으로 기울어질 때에는 사용자의 체중이 상기 종아리 프레임(100)에 실리게 되어 상기 종아리 프레임(100)이 쉽게 앞으로 기울어질 수 있지만, 기울어져 있는 종아리 프레임(100)을 다시 수직으로 세울 때에는 비교적 많은 힘이 요구된다.
하지 착용형 근력지원로봇은 상기 언급한 바와 같이 사용자가 다리를 움직이거나 걸음을 걷는 등의 동작을 할 때 요구되는 근력을 지원하여 사용자가 보다 편하게 동작을 할 수 있도록 하기 위한 기계적 장치로서, 종래에는 각각의 근력보조 구조를 모두 외부 동력을 이용한 능동적 관절구조로 제작하였으나, 본원발명은 일부 근력보조구조를 수동적 관절구조로 제작한다는 점에 가장 큰 특징이 있다.
이와 같이 수동적 관절구조를 이루는데 가장 중요한 구성요소는 회전복원유닛(400)으로서, 상기 회전복원유닛(400)은 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200) 간의 결합각도가 설정된 범위를 벗어났을 때 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200) 간의 결합각도가 설정된 범위로 되돌아가는 방향으로 복원력을 인가하여 사용자의 근력을 보조하는 역할을 한다. 예를 들어 종아리 프레임(100)이 수직으로 세워진 상태에서 일측으로 기울어졌을 때, 상기 회전복원유닛(400)은 종아리 프레임(100)이 수직으로 세워지는 방향으로 상기 종아리 프레임(100)에 복원탄성력을 인가하도록 구성되는 바, 사용자는 보다 적은 힘으로도 종아리 프레임(100)을 세울 수 있게 된다. 이때, 회전복원유닛(400)의 탄성복원력이 클수록 사용자는 더욱 적은 힘으로 종아리 프레임(100)을 세울 수 있지만, 상기 회전복원유닛(400)의 탄성복원력이 과도하게 크게 설정되면 상기 종아리 프레임(100)에 사용자의 체중을 싣더라도 종아리 프레임(100)이 앞으로 기울어지지 아니하는 경우가 발생될 수 있다. 따라서 상기 회전복원유닛(400)의 탄성복원력은 여러 조건에 따라 적절하게 설정되어야 할 것이다.
한편, 발 프레임(200)이 X축과 Y축과 Z축을 회전축으로 하여 각각 회전될 수 있도록, 상기 발목관절부는 세 개의 회전축을 중심으로 회전 가능한 구조로 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200)을 연결함이 바람직하다. 이때 상기 발 프레임(200)이 사람의 발동작과 유사한 동작을 수행할 수 있도록 상기 세 개의 회전축은 어느 한 지점을 지나도록 배열됨이 바람직하다. 또한, 본 실시예에서는 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200)을 연결하는 발목관절부가 X축을 중심으로 하는 회전과 Y축을 중심으로 하는 회전과 Z축을 중심으로 하는 회전이 각각 개별적으로 이루어지도록 구성되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 발목관절부는 어느 방향으로도 자유롭게 회전될 수 있는 볼조인트 구조로 구성될 수도 있다. 상기와 같은 볼조인트 구조는 이미 본 발명이 해당하는 기술 분야에서 널리 활용되고 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 단면도이고, 도 5 및 도 6은 압축복원유닛(130)과 회전복원유닛(400)의 내부구성을 도시하는 단면도이다.
상기 회전복원유닛(400)은 상하방향으로 압축력을 인가 받을 때 탄성복원력을 발생할 수 있도록, 발 프레임(200)의 상부에서 종아리 프레임(100)에 결합되는 실린더(410)와, 일부(본 실시예에서는 상부)가 실린더(410)의 내부에 인입되어 실린더(410)의 길이방향(본 실시예에서는 상하방향)으로 왕복 가능한 하도록 장착되되 끝단부가 상기 실린더(410)와 상기 발 프레임(200) 사이의 공간으로 돌출되어 상기 발 프레임(200)의 상면에 접촉 가능한 슬라이드바(420)와, 상기 슬라이드바(420)의 상향 이동 시 압축되어 상기 슬라이드바(420)가 발 프레임(200)과 접촉되는 방향(본 실시예에서는 하향)으로 상기 슬라이드바(420)에 탄성력을 인가하는 회전복원탄성체(430)를 포함하여 구성된다.
슬라이드바(420)는, 하측 끝단부가 실린더(410)의 바닥면에 형성된 관통공(412)을 지나 실린더(410) 외부로 돌출되고, 실린더(410) 내부에 위치하는 부위에 관통공(412)보다 외경이 큰 돌출단(422)이 형성되어 실린더(410)로부터 완전히 인출되지는 아니하게 된다. 이때 회전복원탄성체(430)는 상단이 실린더(410) 내부공간의 천장에 접촉되고 하단이 돌출단(422)의 상면에 접촉되는 코일형 스프링으로 적용되어 슬라이드바(420)가 실린더(410)의 내측으로 인입될 때 압축되어 상기 슬라이드바(420)에 하향 탄성력을 인가하도록 구성된다. 또한 상기 슬라이드바(420)는 발 프레임(200)과의 접촉마찰을 줄일 수 있도록 상기 발 프레임(200)과 접촉되는 부위(본 실시예에서는 하단)에 구름롤러(440)가 구비된다.
한편, 사용자가 발을 들어 발 프레임(200)이 지면으로부터 이격된 상태에서는 사용자가 발등을 위로 들어 올리거나 아래로 내리는 피칭동작을 용이하게 할 수 있도록, 도 4에 도시된 바와 같이 슬라이드바(420)가 발 프레임(200)의 상면으로부터 이격되어야 하는데, 발 프레임(200)이 지면에 안착된 상태에서도 슬라이드바(420)와 발 프레임(200)이 이격된 상태가 되면 종아리 프레임(100)이 어느 정도 이상으로 기울어지기 전까지는 회전복원유닛(400)에 의해 탄성복원력이 발생되지 아니한다는 문제점이 있다. 따라서 상기 회전복원유닛(400)은 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200) 간의 결합각도가 변경될 때 탄성 복원력을 발생시키되, 발 프레임(200)이 지면에 안착되었는지 또는 지면으로부터 이격되었는지에 따라 종아리 프레임(100) 및 발 프레임(200)으로의 탄성력 인가 여부가 결정되도록 구성됨이 바람직하다. 즉, 회전복원유닛(400)은, 발 프레임(200)이 지면을 딛고 있는 상태에서는 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200)이 상호간의 결합각도가 작아지는 방향으로 회전되는 즉시(더 명확하게는 종아리 프레임(100)이 발 프레임(200)에 대해 상대 회전되는 즉시) 종아리 프레임(100)에 복원 탄성력을 인가하지만, 발 프레임(200)이 지면으로부터 떨어져 있는 상태에서는 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200)이 상호간의 결합각도가 작아지도록 회전되더라도(더 명확하게는 발 프레임(200)이 종아리 프레임(100)에 대해 상대 회전 되더라도) 발 프레임(200)이 사전에 설정된 범위 내에서 회전하는 동안에는 발 프레임(200)에 복원 탄성력을 인가하지 아니하도록 구성됨이 바람직하다. 본 실시예에 도시된 바와 같이 슬라이드바(420)가 발 프레임(200)에 접촉되는 지의 여부에 따라 복원 탄성력 발생 여부가 결정되도록 구성되는 경우, 발 프레임(200)이 지면과 이격되어 있는 상태에서는 슬라이드바(420)가 발 프레임(200)과 이격되고, 발 프레임(200)이 지면에 안착되면 슬라이드바(420)가 발 프레임(200)의 상면에 접촉될 수 있도록, 상기 종아리 프레임(100)이 길이 변경 가능한 구조로 구성됨이 바람직하다. 물론, 발 프레임(200)이 지면으로 이격된 상태라 하더라도, 발 프레임(200)이 과도하게 회전되는 경우 즉, 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200) 간의 결합각도가 사전에 설정된 범위의 각도를 벗어나는 경우에는, 상기 회전복원유닛(400)은 종아리 프레임(100)과 발 프레임(200)에 복원탄성력을 인가하도록 구성되어야 할 것이다.
상기와 같은 동작이 가능해질 수 있도록 상기 종아리 프레임(100)은 외력 인가 여부에 따라 길이가 변경되는 구조로 구성될 수 있다. 즉, 상기 종아리 프레임(100)은, 길이방향이 상하를 향하는 제1 종아리 프레임(110)과, 제1 종아리 프레임(110)의 하부에 위치되며 하측이 상기 발 프레임(200)에 회전 가능한 구조로 결합되는 제2 종아리 프레임(120)과, 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)의 사이 거리가 조절되도록 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)을 연결하는 압축복원유닛(130)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 압축복원유닛(130)은 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)이 상호 멀어지는 방향으로 탄성력을 인가하도록 구성되는바, 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)에 별도의 외력이 인가되지 아니하는 한 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)은 도 4에 도시된 바와 같이 이격된 상태를 유지하게 된다.
이와 같이 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)이 상호 이격되면, 종아리 프레임(100)의 전체 길이가 길어지므로, 슬라이드바(420)는 발 프레임(200)과 이격된 상태가 된다. 그러나 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)이 외력에 의해 상호 맞닿게 되면 예를 들어, 발 프레임(200)이 지면을 딛게 되어 압축복원유닛(130)이 압축되는 방향으로 하중이 인가되어 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)이 맞닿게 되면, 종아리 프레임(100)의 전체 길이가 짧아지므로, 슬라이드바(420)의 끝단부는 발 프레임(200)과 접촉된 상태가 된다. 이와 같이 슬라이드바(420)가 발 프레임(200)과 접촉된 상태에서는 종아리 프레임(100)이 약간만 기울어지더라도 회전복원유닛(400)이 탄성복원력을 발생시키게 되므로, 사용자의 근력 보조 효과가 커지게 된다.
한편, 압축복원유닛(130)은 도 5에 도시된 바와 같이, 상측이 상기 제1 종아리 프레임(110)에 고정 결합되고 하측이 상기 제2 종아리 프레임(120)에 슬라이딩 가능한 구조로 되는 삽입되는 슬라이드블록(132)과, 상기 슬라이드블록(132)과 상기 제2 종아리 프레임(120) 사이에서 압축되도록 장착되어 슬라이드블록(132)에 상향 탄성력을 인가하는 압축복원탄성체(136)를 포함하도록 구성될 수 있다. 압축복원탄성체(136)가 수직 방향으로만 압축 및 복원될 수 있도록 상기 슬라이드블록(132)에는 압축복원탄성체(136)의 상측이 삽입되는 인입홈(134)이 마련될 수 있다. 또한, 상기 슬라이드블록(132)이 완전하게 제2 종아리 프레임(120)으로부터 인출되지 아니하도록, 슬라이드블록(132) 중 제2 종아리 프레임(120)의 내부에 삽입되는 지점에는 제2 종아리 프레임(120)의 상측 입구에 걸리는 걸림턱(138)이 형성된다. 한편, 슬라이드블록(132)과 제2 종아리 프레임(120) 간의 마찰력을 감소시킬 수 있도록, 슬라이드블록(132)의 외경과 제2 종아리 프레임(120)의 내경 사이에는 플랫롤러(140)가 추가로 마련될 수 있다. 상기 압축복원유닛(130)의 동작 및 이에 따른 효과에 대해서는 이하 별도의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 하향 하중이 인가되어 발 프레임(200)이 지면에 안착된 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 단면도이고, 도 8은 종아리 프레임(100)이 기울어지도록 동작된 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇의 단면도이다.
도 4에 도시된 상태에서 사용자가 발을 내려 발 프레임(200)이 지면을 딛고 있는 상태 즉, 사용자가 지면에 서 있는 상태가 되면, 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)은 사용자의 체중 및 사용자가 들고 있는 물건의 하중 등에 의해 수직방향의 압축력을 인가받으므로, 상기 제1 종아리 프레임(110)은 도 7에 도시된 바와 같이 아래로 내려와 제2 종아리 프레임(120)과 접촉하게 된다. 이때 실린더(410)는 제1 종아리 프레임(110)에 고정 결합되어 상기 제1 종아리 프레임(110)과 일체로 움직이게 되므로, 실린더(410)에 삽입 장착된 슬라이드바(420)는 하단에 마련된 구름롤러(440)가 발 프레임의 상면에 접촉된 상태를 유지하게 된다.
도 7에 도시된 상태에서 종아리 프레임(100)이 전방(도 7에서는 좌측방향)으로 기울어지면, 도 8에 도시된 바와 같이 슬라이드바(420)는 실린더(410) 내측으로 인입되고 회전복원탄성체(430)는 압축된다. 이때, 상기 슬라이드바(420)가 발 프레임(200)의 상면 중 종아리 프레임(100)의 회전축 연장선상에 위치하는 지점에 접촉되면 종아리 프레임(100)이 전방으로 기울어지더라도 상기 슬라이드바(420)는 실린더(410) 내측으로 인입되지 아니하므로, 상기 슬라이드바(420)는 종아리 프레임(100)의 회전축 연장선상으로부터 일정 거리 이격된 지점에서 상기 발 프레임(200)에 접촉되도록 구성됨이 바람직하다.
도 8에 도시된 바와 같이 회전복원탄성체(430)가 압축되면, 종아리 프레임(100)이 수직으로 세워지는 방향으로 탄성복원력을 인가 받으므로, 사용자는 약간의 힘만으로 도 7에 도시된 상태로 되돌아갈 수 있게 된다. 또한, 종아리 프레임(100)이 일정 각도 이상 과다하게 기울어지지 못하도록, 발 프레임(200)의 상면에는 회전복원유닛(400)이 일정 각도 회전되었을 때 상기 회전복원유닛(400)을 지지하는 지지턱(210)이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇은, 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)이 상호 접촉되도록 종아리 프레임(100)의 전체 길이가 짧아졌을 때 상기 회전복원유닛(400)은 슬라이드바(420)가 발 프레임(200)과 접촉되지 아니하고 일정 거리 이격됨으로써, 종아리 프레임(100)이 사전에 설정된 범위의 각도를 벗어날 때에만 탄성복원력이 발생되도록 구성될 수도 있다. 그러나 종아리 프레임(100)의 회전이 발생됨과 즉시 회전복원유닛(400)으로부터 탄성복원력이 발생될 수 있도록, 상기 슬라이드바(420)의 끝단부는 제1 종아리 프레임(110)과 제2 종아리 프레임(120)이 상호 밀착되었을 때 발 프레임(200)에 접촉되도록 구성됨이 바람직하다.
도 8에 도시된 상태에서 발 프레임(200)이 지면으로부터 떨어지면, 슬라이드바(420)는 회전복원탄성체(430)의 탄성력을 전달받아 발 프레임(200)을 밀어내므로, 종국에는 도 4에 도시된 바와 같이 발 프레임(200)의 상면과 슬라이드바(420)의 끝단부가 상호 이격된 상태가 된다. 발 프레임(200)의 상면과 슬라이드바(420)의 끝단부가 상호 이격되면, 상기 발 프레임(200)은 사전에 설정된 범위의 각도 내에서 회전복원유닛(400)의 복원력을 인가받을 우려 없이 자유롭게 회전될 수 있게 된다. 즉, 상기 언급한 바와 같이 발 프레임(200)이 지면으로부터 떨어져 있을 때에만 발 프레임(200)이 자유롭게 움직일 수 있도록 구성되면, 사용자는 지면을 디딜 때와 같이 큰 근력이 요구되는 경우 회전복원유닛(400)으로부터 근력지원을 받을 수 있고, 발을 공중에 들어 올렸을 때와 같이 근력이 요구되지 아니하는 경우에는 자신의 발목을 매우 자유롭게 움직일 수 있게 된다.
일반적으로 하지 착용형 근력지원로봇은 사용자가 무릎을 굽히거나 걷는 동작을 할 때 종아리 프레임(100)이 전방으로 기울어졌다가 수직으로 세워지는 과정이 반복되는 경우가 많으므로, 상기 회전복원유닛(400)은 본 실시예에 도시된 바와 같이 종아리 프레임(100)이 전방으로 기울어지도록 회전될 때 상기 종아리 프레임(100)에 탄성복원력을 인가하도록 구성됨이 바람직하다. 그러나, 종아리 프레임(100)이 좌우 측방 및 후방으로 기울어졌다가 수직으로 세워지는 동작을 할 때에도 탄성복원력을 받을 수 있기를 원하는 경우, 상기 회전복원유닛(400)은 종아리 프레임(100)의 좌우측 및 후방측에도 추가적으로 구비될 수 있다.
상기 언급한 바와 같이 본 발명에 의한 하지 착용형 근력지원로봇은 전동모터 및 이를 제어하는 별도의 제어장치를 구비하지 아니하더라도 사용자의 하체 동작 근력을 지원할 수 있으므로, 에너지 절감의 효과를 얻을 수 있고, 구성의 단순화를 통해 제품의 소형화 및 경량화가 가능해지며, 이를 통해 제조원가가 절감될 수 있다는 장점이 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100 : 종아리 프레임 110 : 제1 종아리 프레임
120 : 제2 종아리 프레임 130 : 압축복원유닛
132 : 슬라이드블록 134 : 인입홈
136 : 압축복원탄성체 138 : 걸림턱
140 : 플랫롤러 200 : 발 프레임
210 : 지지턱 220 : 자세 및 방위 표시장치
300 : 발목관절부 400 : 회전복원유닛
410 : 실린더 412 : 관통공
420 : 슬라이드바 422 : 돌출단
430 : 회전복원탄성체 440 : 구름롤러
500 : 거치프레임 510 : 체결부
120 : 제2 종아리 프레임 130 : 압축복원유닛
132 : 슬라이드블록 134 : 인입홈
136 : 압축복원탄성체 138 : 걸림턱
140 : 플랫롤러 200 : 발 프레임
210 : 지지턱 220 : 자세 및 방위 표시장치
300 : 발목관절부 400 : 회전복원유닛
410 : 실린더 412 : 관통공
420 : 슬라이드바 422 : 돌출단
430 : 회전복원탄성체 440 : 구름롤러
500 : 거치프레임 510 : 체결부
Claims (9)
- 사용자의 종아리에 장착되는 종아리 프레임;
상기 종아리 프레임의 하측에 회전 가능한 구조로 결합되며, 사용자의 보행 시 지면을 딛는 발 프레임; 및
상기 발 프레임이 지면을 딛는 과정에서 복원 탄성력을 형성하고, 상기 발 프레임이 지면으로부터 떨어지는 경우 상기 복원 탄성력을 상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임에 인가하여 상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임이 이루는 결합각도를 사전에 설정된 범위로 복원시키는 회전 복원 유닛을 포함하되,
상기 복원 탄성력은 상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임이 이루는 상기 결합각도가 상기 사전에 설정된 범위를 벗어나는 과정에서 형성되고,
상기 종아리 프레임은, 길이방향이 상하를 향하는 제1 종아리 프레임; 상기 제1 종아리 프레임의 하부에 위치되며 하측이 상기 발 프레임에 회전 가능한 구조로 결합되는 제2 종아리 프레임; 및 상기 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임의 사이 거리가 조절되도록 상기 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임을 연결하는 압축복원유닛을 포함하며, 상기 발 프레임이 지면을 딛는 과정에서 상기 압축복원유닛은 압축되어 상기 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임의 사이 거리가 가까워지고, 상기 발 프레임이 지면으로부터 떨어지는 경우 상기 압축복원유닛의 탄성력이 상기 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임에 인가되어 제1 종아리 프레임과 상기 제2 종아리 프레임의 사이 거리가 멀어지는 하지 착용형 근력지원로봇.
- 제1항에 있어서,
상기 회전복원유닛은, 상기 발 프레임의 상부에서 상기 종아리 프레임에 결합되는 실린더와, 상기 실린더의 내부에서 상기 실린더의 길이방향으로 이동 가능하게 제공되며, 끝단부가 상기 실린더와 상기 발 프레임의 사이 공간으로 돌출되는 슬라이드바와, 상기 실린더의 내부에 위치하며, 상기 슬라이드바의 이동으로 압축되는 회전복원탄성체를 포함하되,
상기 발 프레임이 지면을 딛는 과정에서 상기 슬라이드 바의 끝단부가 상기 발 프레임에 눌려 상기 회전복원탄성체가 압축되고, 상기 발 프레임이 지면으로부터 떨어지는 경우 상기 슬라이드 바의 끝단부가 상기 발 프레임에서 이격되어 상기 발 프레임이 상기 슬라이드 바의 끝단부를 누르는 힘이 제거되고 상기 회전복원탄성체의 탄성력이 상기 슬라이드 바에 전달되는 하지 착용형 근력지원로봇.
- 제2항에 있어서,
상기 슬라이드바의 끝단부에는 상기 발 프레임의 상면을 따라 구르는 구름롤러가 구비되는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 근력지원로봇.
- 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 압축복원유닛은, 상측이 상기 제1 종아리 프레임에 고정 결합되고 하측이 상기 제2 종아리 프레임에 삽입되는 슬라이드블록과, 상기 슬라이드블록과 상기 제2 종아리 프레임 사이에 압축되도록 장착되어 상기 슬라이드블록에 탄성력을 인가하는 압축복원탄성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 근력지원로봇.
- 제2항에 있어서,
상기 실린더는 상기 제1 종아리 프레임에 결합되며,
상기 슬라이드바의 끝단부는, 상기 제1 종아리 프레임과 제2 종아리 프레임이 상호 이격되었을 때 상기 발 프레임과 이격되고, 상기 제1 종아리 프레임과 제2 종아리 프레임이 상호 밀착되었을 때 상기 발 프레임에 접촉되는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 근력지원로봇.
- 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항에 있어서,
상기 회전복원유닛은, 상기 발 프레임이 지면을 디딘 상태에서 상기 종아리 프레임이 전방으로 기울어지도록 회전될 때, 상기 종아리 프레임에 상기 복원 탄성력을 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 근력지원로봇.
- 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항에 있어서,
상기 종아리 프레임과 상기 발 프레임은, 볼 조인트로 연결되는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 근력지원로봇.
- 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제1항에 있어서,
상기 발 프레임의 일측에 결합되어 사용자의 발이 거치되는 거치프레임과, 사용자의 발을 상기 거치프레임에 고정시키기 위한 체결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용형 근력지원로봇.
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| KR1020120068929A KR101390236B1 (ko) | 2012-06-27 | 2012-06-27 | 하지 착용형 근력지원로봇 |
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| KR1020120068929A KR101390236B1 (ko) | 2012-06-27 | 2012-06-27 | 하지 착용형 근력지원로봇 |
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| KR20140001419A (ko) | 2014-01-07 |
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