KR101565512B1 - 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치에 관한 것으로서, 상박골 및 하박골 프레임; 상기 상박골, 하박골 프레임 및 주관절 각각에 직동되는 제1,2,3 조인트 풀리; 상기 제1,2,3 조인트 폴리와 체결 결합되어 상기 상박골, 하박골 프레임 및 주관절의 일측에서 상기 제1,2,3 조인트 풀리에 각각 연결되는 와이어를 견인하는 다수개의 구동 액추에이터를 포함하고, 상기 상박골, 하박골 프레임 및 주관절은 상기 다수개의 구동 액추에이터의 구동 정지시 무부하 상태로 상기 구동 액추에이터가 움직일 수 있도록 하는 가이드 레일을 형성한 장치를 제공함으로써, 착용자가 자유롭게 움직임이 가능할 수 있도록 외골격 장치가 구동하지 않을 경우에는 구동 상태에서 무부하(자유동작) 상태로의 전환이 편리하게 이루어져 착용자의 요구에 따라 적절한 운용이 가능하다는 효과가 얻어진다.

Description

신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치{Exoskeleton apparatus for estimating body movement}

본 발명은 동력형 외골격 장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 외골격 장치가 구동하지 않을 경우에는 착용자가 자유롭게 움직임이 가능할 수 있도록 자유동작(무부하) 상태로의 전환이 편리한 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치에 관한 것이다.

일반적으로 로봇은 여러 산업분야에서 광범위하게 이용되고 있는데 처음에는 다이캐스팅, 단조, 스폿 용접과 같이 인간이 하기에 힘들고 위험한 작업에 응용되었다. 이러한 산업용 로봇의 발달과 더불어 현재는 산업용 로봇 이외에도 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행할 수 있을 만큼의 자유도가 높은 다목적의 원격 조정로봇의 필요성이 대두되어지고 있고, 계속해서 연구 개발되고 있는 추세이다.

상기와 같이 로봇이 다양한 동작을 수행하기 위해서는 원격조정장치가 필요하며 이러한 원격조정장치는 현재까지 다양한 형태와 기능을 수행할 수 있도록 개발되고 있다. 이와 같은 로봇 원격조정장치는 로봇의 동작을 작업자가 직접 조정함으로서, 거리가 먼 경우나 위험한 환경 등과 같은 특수한 상황에서 필요한 작업을 수행할 수 있게 된다.

한편, 산업용 로봇 또는 인간형 로봇 매니풀레이터를 효율적으로 원격 제어하기 위하여 쓰이는 제어장치로는 일반적으로 제어대상인 노예로봇(Slave Robot)과 같은 형상을 가진 마스터 조정장치가 제작 사용되거나 또는 인간의 팔에 직접 부착할 수 있는 형태의 인간형 마스터 장치(Anthropomorphic master control device)가 사용되고 있다. 상기의 인간형 마스터는 인간의 자연스러운 움직임을 그대로 마스터의 입력으로 사용한다는 장점이 있어 지금까지 많은 연구와 장치가 개발되어 왔다. 이러한 연구 개발은 최근 들어 인간의 근력을 보조할 수 있는 근력 보조 장치로 확대되고 있다.

근력 보조 장치는 인간과 로봇의 동기화를 이용한 입는 형태의 로봇을 말하며, 이러한 근력 보조 장치는 근육병 환자를 위한 재활 보조 기구로부터 최근에는 노인 및 근력저하 환자 등을 위한 근력 보조 역할 및 무거운 군장을 지는 군인용 근력 증폭기 등으로 응용되고 있다.

그러나, 종래에 주로 이용되는 근력 보조 장치는 동력에 의해 움직이는 직렬형 기구를 주로 채용한 것이어서 근력 보조 장치를 착용한 상태에서는 착용자가 자유롭게 움직이지 못하기 때문에 결과적으로 착용자의 요구에 따라 적절한 운용이 불가능한 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 착용자가 자유롭게 움직임이 가능할 수 있도록 외골격 장치가 구동하지 않을 경우에는 구동 상태에서 무부하(자유동작) 상태로의 전환이 편리하게 이루어지는 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치는, 상박골 및 하박골 프레임; 상기 상박골, 하박골 프레임 및 주관절 각각에 직동되는 제1,2,3 조인트 풀리; 상기 제1,2,3 조인트 폴리와 체결 결합되어 상기 상박골, 하박골 프레임 및 주관절의 일측에서 상기 제1,2,3 조인트 풀리에 각각 연결되는 와이어를 견인하는 다수개의 구동 액추에이터를 포함하고, 상기 상박골, 하박골 프레임 및 주관절은 상기 다수개의 구동 액추에이터의 구동 정지시 무부하 상태로 상기 구동 액추에이터가 움직일 수 있도록 하는 가이드 레일을 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동 액추에이터는 정지시에 상기 와이어를 풀어 일정 범위 내에서 움직일 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동 액추에이터는 구동시에 상기 와이어를 당기어 상기 가이드 레일의 끝단에 고정시켜 신체의 움직임을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동 액추에이터는 상기 가이드 레일 위에서 슬라이드되는 슬라이드바 또는 레일 바퀴가 하부면에 형성되고, 상기 가이드 레일은 한쪽 또는 양쪽 끝단에 상기 슬라이드바 또는 레일 바퀴가 가이드 레일에서 분리되지 않도록 하는 분리방지용 캡이 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동 액추에이터는 리니어(Linear) 액추에이터, 서보(servo) 모터 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치에 의하면, 착용자가 자유롭게 움직임이 가능할 수 있도록 외골격 장치가 구동하지 않을 경우에는 구동 상태에서 무부하(자유동작) 상태로의 전환이 편리하게 이루어져 착용자의 요구에 따라 적절한 운용이 가능하다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동력형 외골격 장치의 구성을 간략하게 보인 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가이드 레일과 슬라이드바의 구성을 간략하게 보인 도면.
도 3a, 3b는 본 발명의 실시예에 따른 구동 액추에이터의 이동 제어를 보인 도면.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동력형 외골격 장치의 구성을 간략하게 보인 사시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 동력형 외골격 장치(100)는, 상박골 프레임(200), 하박골 프레임(300), 제1,2,3 조인트 풀리(400, 410, 411, 420), 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)를 포함하여 구성한다.

상기 제1,2 조인트 풀리(400, 410, 411)는 상박골 및 하박골 프레임(200, 300) 각각에 직동하는 것으로, 제1 조인트 풀리(400)는 상박골 프레임(200)에 위치하고, 제2 조인트 폴리(410, 411)는 하박골 프레임(300)에 위치하며, 제3 조인트 풀리(430)는 주관절(팔꿈치)에 위치한다.

상기 다수개의 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)는 제1,2,3 조인트 폴리(400, 410, 411, 420)와 체결 결합되어 상기 상박골 및 하박골 프레임(200, 300)의 일측에서 상기 제1,2,3 조인트 풀리(400, 410, 411, 420)에 각각 연결되는 와이어(10)를 견인하는 것으로, 상기 상박골, 하박골 프레임(200, 300) 및 주관절에는 상기 다수개의 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)의 구동 정지시 무부하 상태로 상기 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)가 움직일 수 있도록 하는 가이드 레일(600)을 형성한다. 이때 상기 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)는 리니어(Linear) 액추에이터, 서보(servo) 모터 등 동력원을 제공할 수 있는 모터를 채용한다.

또한, 상기 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)는 상기 가이드 레일(600) 위에서 슬라이드되는 슬라이드바(610) 또는 레일 바퀴가 하부면에 형성되고, 상기 가이드 레일(600)은 한쪽 또는 양쪽 끝단에 상기 슬라이드바(610) 또는 레일 바퀴가 가이드 레일(600)에서 분리되지 않도록 하는 분리방지용 캡(620)이 결합한다.

이와 같이 구성한 본 발명에 따른 실시예의 동작 과정을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가이드 레일과 슬라이드바의 구성을 간략하게 보인 도면이고, 도 3a, 3b는 본 발명의 실시예에 따른 구동 액추에이터의 이동 제어를 보인 도면이다.

본 발명의 동력형 외골격 장치는 착용자의 좌우 팔에 착용하는 좌우 한 쌍으로 이루어지지만, 편의상 본 명세서 및 도면에서는 한쪽 부분만을 다루기로 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 동력형 외골격 장치(100)는 세 개의 조인트 풀리(400, 410, 420)를 구비하는데, 제1 조인트 풀리(400)는 상박골 프레임(200)에 위치하고, 제2 조인트 풀리(410, 411)는 하박골 프레임(300)에 위치하며, 제3 조인트 풀리(420)는 주관절에 위치하여 각각 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)의 제어를 받는 와이어(10)에 의해서 구동한다.

즉, 상기 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)는 도 3a에 도시한 바와 같이 구동시에 상기 와이어(10)를 당기어 장력이 주어지면 제1,2,3 조인트 풀리(400, 410, 411, 420)가 회전하여 상기 가이드 레일(600)의 끝단에 고정되어 신체의 움직임이 제어된다.

만약, 상기 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)의 구동이 정지시에는 도 3b에 도시한 바와 같이 상기 와이어(10)를 풀어 장력을 해소시키면 일정 범위 내에서 상기 구동 액추에이터(500, 510, 511, 520)가 가이드 레일(600)을 따라 움직일 수 있도록 제어가 된다.

이에 따라 착용자는 자유롭게 움직임이 가능해지기 때문에 착용자의 요구에 따른 적절한 운용이 가능하여진다.

이와 같이 동력형 외골격 장치(100)는 상박골 프레임(200)과 하박골 프레임(300)에 장착된 구동 액추에이터(500, 510, 511)에 의해 전달되는 장력이 작용하는 와이어(10)를 통해 구동될 뿐만 아니라, 상박골 프레임(200)과 하박골 프레임(300)의 유기적인 연결을 위하여 주관절에 위치한 구동 액추에이터(520)와 제3 조인트 풀리(420)에 의해 근력 보조 장치로서의 기능을 수행할 수 있게 된다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100 : 동력형 외골격 장치
200 : 상박골 프레임
300 : 하박골 프레임
400, 410, 411, 420 : 제1,2,3 조인트 풀리
500, 510, 511, 520 : 구동 액추에이터
600 : 가이드 레일
610 : 슬라이드바
620 : 분리방지용 캡

Claims (5)

1. 상기 상박골, 하박골 프레임 및 주관절 각각에 직동되는 제1,2,3 조인트 풀리;
   상기 제1,2,3 조인트 폴리와 체결 결합되어 상기 상박골, 하박골 프레임 및 주관절의 일측에서 상기 제1,2,3 조인트 풀리에 각각 연결되는 와이어를 견인하는 다수개의 구동 액추에이터를 포함하고,
   상기 상박골, 하박골 프레임 및 주관절은 상기 다수개의 구동 액추에이터의 구동 정지시 무부하 상태로 상기 구동 액추에이터가 움직일 수 있도록 하는 가이드 레일을 형성하며,
   상기 구동 액추에이터는 정지시에 상기 와이어를 풀어 일정 범위 내에서 움직일 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 구동 액추에이터는 구동시에 상기 와이어를 당기어 상기 가이드 레일의 끝단에 고정시켜 신체의 움직임을 제어하는 것을 특징으로 하는 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동 액추에이터는 상기 가이드 레일 위에서 슬라이드되는 슬라이드바 또는 레일 바퀴가 하부면에 형성되고,
   상기 가이드 레일은 한쪽 또는 양쪽 끝단에 상기 슬라이드바 또는 레일 바퀴가 가이드 레일에서 분리되지 않도록 하는 분리방지용 캡이 결합되는 것을 특징으로 하는 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 구동 액추에이터는 리니어(Linear) 액추에이터, 서보(servo) 모터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 신체의 움직임을 재현하는 동력형 외골격 장치.

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