KR101616263B1 - Ankle muscular strength assistive robot - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 보행 시 발목에 작용하는 근력 패턴을 분석하여 평지, 언덕, 계단 등의 보행시 상황에 따라 발목에 작용하는 근력을 보조해주어 발목에 작용하는 피로를 줄여주는 발목 근력 보조 로봇에 관한 것이다.
The present invention relates to an ankle muscle-assisted robot for analyzing a muscle force pattern acting on the ankle during walking to reduce the fatigue acting on the ankle by supporting the muscle force acting on the ankle according to the walking situation such as flat surface, hill and stairs.
신체의 노령화로 인해 근력이 쇠약해지거나 사고 및 선천적인 장애로 인해 근력이 약화되어 일상생활이 불편한 사람들을 위해 다양한 형태로 신체의 각 부위에 착용하여 근력을 보조해줄 수 있는 착용형 로봇이 개발되어 사용되고 있다.A wearable robot has been developed that can support muscular strength in various parts of the body in various ways for people with discomfort in daily life due to weakness of muscles due to aging of the body or weakness due to accidents or congenital disabilities .
특히 근력이 부족하거나 무리한 운동 및 과체중으로 인해 발목근육에 손상이 가해져 보행에 어려움을 겪는 사람들을 위한 보조 장치의 필요성이 증대됨에 따라 여러 형태의 발목 근력을 보조해주는 장치가 개발되었고, 구체적인 선행기술로써, 등록특허공보 제10-1222914호(등록일자 2013. 01. 10.)의 보행용 발목 보조기구 및 이를 이용한 하지 근력지원 로봇슈트에 관한 기술이 개시되어 있고, 등록특허공보 제10-1258094호(등록일자 2013. 04. 19.)의 근력지원로봇용 토크 발생장치 및 이를 구비한 근력지원로봇의 발목 구조체에 관한 기술이 개시되어 있다.In particular, as a need for an assistive device for people suffering from difficulty in walking due to insufficient muscle strength, excessive exercise, and overweight caused damage to the ankle muscles, an apparatus for assisting various types of ankle muscles has been developed. , No. 10-1222914 (registered on January 1, 2013, 01. October), and a robot suits for supporting leg muscles using the same are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-1258094 (Registered on February 19, 2013. 04)), and a technique relating to an ankle structure of a muscle-supporting robot having the torque-generating device.
그러나, 상기 등록특허공보 제10-1222914호와 등록특허공보 제10-1258094호를 포함하는 종래기술의 경우, 부피가 크거나 구성부품이 다량으로 사용되어 무게가 무거워 사용이 불편하고 사용하지 않을 시에는 휴대가 용이하지 않으며, 비교적 고가의 금액으로 형성되어 가격경쟁력이 떨어지고 상용화되기 어려운 문제점이 있었다.However, in the case of the prior art including the above-described Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-1222914 and Japanese Patent Application No. 10-1258094, it is inconvenient to use because the bulky or heavy component parts are heavy, It is not easy to carry, and it is formed in a relatively expensive amount so that price competitiveness is low and commercialization is difficult.
또한, 발에 완전히 고정되도록 형성되어 사용자의 신체 사이즈에 따라 상호 호환되어 사용하기 어렵고, 신발을 대신하여 지면을 지탱하도록 형성되어 하단면이 마모되어 수명이 길지 않으며 실외 및 실내를 번갈아 사용하기 용이하지 않고, 한쪽 발에만 착용할 시 신발과의 굽높이 차이가 발생하여 균형이 맞지 않아 보행시 피로도가 쌓이는 문제점이 있었다.Also, it is formed so as to be completely fixed to the feet, and is not compatible with each other according to the size of the user's body, and is difficult to use. Instead of shoes, it is formed to support the ground, When the shoes are worn only on one foot, there is a difference in heel height between the shoes and the shoes.
또한, 평지나 경사가 있는 언덕 및 계단에서의 보행과 같이 각각의 상황에 따라 사용되는 발목의 근력에 차이가 있지만, 유동적으로 발목에 작용하는 근력의 패턴을 분석하여 상황에 따라 근력의 크기를 보조해줄 수 없어 착용효과가 떨어지는 문제점이 있었다.
Also, although there is a difference in muscle strength of the ankle used according to each situation, such as walking on a hill or a stair with flat or inclined sides, the pattern of the muscle force acting on the ankle is fluidly analyzed, There is a problem that the wearing effect is deteriorated.
상기의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 착용자의 발등과 정강이에 고정되도록 구성되어 착용자의 신발을 착용한 상태에서 고정시켜 사용할 수 있어 보행시 지면과의 마찰로 인한 마모로 수명이 단축되는 것을 방지하며, 탈착이 용이하여 실내 및 실외를 자유롭게 이동하며 사용할 수 있고, 간단한 구조로 부피 및 구성부품을 최소화하여 무게를 줄이고 제품단가를 낮춰 상용화할 수 있고, 사용자의 보행 속도 및 보행 중 발의 간격을 통해 보행 패턴을 분석하여 평지, 언덕, 계단 등의 보행시 상황에 따라 발목근력의 크기를 보조해줄 수 있는 지능형 발목 근력 보조 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.
In order to solve the above problems, according to the present invention, it is configured to be fixed to the wearer's foot and shank, and can be fixed while wearing the wearer's shoes, so that the life due to abrasion due to friction with the ground during walking can be prevented And it can be freely moved indoors or outdoors because it is easily detachable. It can be used by reducing the volume and the component parts by minimizing the volume and the constituent parts with a simple structure and lowering the product cost and commercializing the product. Also, It is an object of the present invention to provide an intelligent ankle muscle-assisted robot capable of assisting an ankle muscle strength according to a walking situation such as a flat surface, a hill, and a stair by analyzing a walking pattern.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 지능형 발목 근력 보조 로봇은,According to an aspect of the present invention, there is provided an intelligent ankle muscle-assisted robot comprising:
착용자의 정강이 하단에 밀착 고정되어 발목 근력 보조 로봇을 전체적으로 지지하는 정강이 고정부와,A shank fixing part which is tightly fixed to the lower end of the shank of the wearer to entirely support the ankle muscle power assist robot,
정강이 고정부의 하단 양 측면에 축 형태로 결합되고, 착용자의 발등과 밀착 고정되어 회전되며 발목 근력을 보조해주는 발등 고정부와,A foot fixing part coupled to the lower ends of both sides of the shank fixing part in the form of a shaft, being tightly fixed to the foot of the wearer and supporting the ankle muscle strength,
정강이 고정부와 유선으로 연결되어 측정된 신호를 전달받아 모터의 회전 타이밍 및 회전각을 조절하여 발목 근력 보조 로봇의 움직임을 제어하는 제어부로 구성됨으로써 달성된다.
And a control unit for controlling movement of the ankle muscle-assisted robot by controlling the rotation timing and the rotation angle of the motor by receiving signals measured by the wrist and connected to the shank stabilization unit.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 착용자의 발등과 정강이에 고정되도록 구성되어 사용자의 보행 속도 및 보행 중 발의 간격을 통해 보행 패턴을 분석하여 평지, 언덕, 계단 등의 보행시 상황에 따라 발목에 작용하는 근력을 보조해주어 발목에 작용하는 피로를 줄여주고, 신발을 착용한 상태에서 사용할 수 있어 발의 크기와 상관없이 호환하여 사용할 수 있으며, 보행시 지면과의 마찰로 인한 마모로 수명이 단축되는 것을 방지하며, 탈착이 용이하여 실내 및 실외를 자유롭게 이동하며 사용할 수 있고, 간단한 구조로 부피 및 구성부품을 최소화하여 무게를 줄이고 제품단가를 낮춰 상용화할 수 있는 좋은 효과가 있다.
As described above, the present invention is configured to be fixed to the wearer's foot and shin, analyzing the gait pattern based on the walking speed of the user and the distance between the feet during the walking, It helps to reduce fatigue on the ankle by supporting muscular strength, and it can be used in the state wearing shoes. It can be used regardless of the size of the foot. It prevents wear due to abrasion caused by walking on the ground, It is possible to freely move indoors and outdoors because of easy detachment, and it has a simple structure, it is possible to minimize the volume and the constituent parts, thereby reducing the weight and commercializing the product by lowering the product cost.
도 1은 본 발명에 따른 지능형 발목 근력 보조 로봇의 전체적인 구성을 도시하고 착용자가 착용한 실시예를 도시한 실시예도,
도 2는 발목 근력 보조 로봇의 전체적인 형상을 도시하고 구성요소를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 지능형 발목 근력 보조 로봇의 우측면을 도시하고 구성요소를 도시한 우측면도,
도 4는 본 발명에 따른 지능형 발목 근력 보조 로봇의 정면을 도시하고 구성요소를 도시한 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 지능형 발목 근력 보조 로봇의 좌측면을 도시하고, 동력 전달 링크가 시계방향으로 회전하며 수직형 'L'자 링크의 상단을 전방으로 밀어내어 발등 고정부를 하단방향으로 회전시키는 것을 도시한 실시예도,
도 6은 본 발명에 따른 지능형 발목 근력 보조 로봇의 좌측면을 도시하고, 동력 전달 링크가 반시계방향으로 회전하며 수직형 'L'자 링크(210)의 상단을 후방으로 밀어내어 발등 고정부(200)를 상단방향으로 회전시키는 것을 도시한 실시예도,
도 7은 착용자의 다리에 발목 근력 보조 로봇을 고정시키고, 발등 고정부가 상승된 상태를 도시한 실시예도,
도 8은 착용자의 다리에 발목 근력 보조 로봇을 고정시키고, 발등 고정부가 하강된 상태를 도시한 실시예도,
도 9는 본 발명에 따른 제어부의 구성요소를 도시한 블록도,
도 10은 본 발명에 따른 제1 제어모듈의 구성요소를 도시한 블록도,
도 11은 본 발명에 따른 근력보조 회전방향 제어모드를 도시한 블록도,
도 12는 본 발명에 따른 회전각 제어모드의 구성요소를 도시한 블록도.FIG. 1 shows the overall configuration of an intelligent ankle muscle-assisted robot according to the present invention,
FIG. 2 is a perspective view showing the overall shape of the ankle muscle-force-assisted robot and showing the components thereof;
FIG. 3 is a right side view of the right side view of the intelligent ankle muscle-strength-assisted robot according to the present invention,
FIG. 4 is a front view showing the front side of the intelligent ankle muscle-force-assisting robot according to the present invention,
FIG. 5 is a left side view of the intelligent ankle muscle-power assisted robot according to the present invention, in which the power transmission link rotates in a clockwise direction and pushes the upper end of the vertical 'L' Also in the illustrated embodiment,
FIG. 6 is a left side view of the intelligent ankle muscle-assisted robot according to the present invention. The power transmission link rotates counterclockwise and pushes the upper end of the vertical 'L' 200 in the upper direction,
Fig. 7 shows an embodiment in which the ankle muscle-force-assisted robot is fixed on the wearer's foot and the foot-and-mouth fixing portion is elevated,
Fig. 8 shows an embodiment in which the ankle muscle-force-assisted robot is fixed on the wearer's foot and the foot-and-mouth fixing portion is lowered,
9 is a block diagram showing the components of the control unit according to the present invention;
10 is a block diagram illustrating components of a first control module according to the present invention;
11 is a block diagram showing a muscle power assisted rotation direction control mode according to the present invention;
12 is a block diagram showing components of a rotation angle control mode according to the present invention;
본 발명에서 설명되는 dsPIC 제어모듈은 DSP(Digital Signal Processor)와 PIC(Programmable Intelligent Computer)의 합성어로 산술연산자의 기능을 강화한 소규모의 원칩 마이크로 컴퓨터를 의미한다.The dsPIC control module described in the present invention refers to a small-scale one-chip microcomputer in which a function of an arithmetic operator is enhanced by a combination of a DSP (Digital Signal Processor) and a PIC (Programmable Intelligent Computer).
본 발명에서 설명되는 보행주기는 보행시 같은 발이 연속적으로 두 번의 초기 접촉을 하는 사이에 일어나는 움직임의 경로 또는 시간간격을 의미한다.The walking cycle described in the present invention means a movement path or a time interval between two consecutive initial touches of the same foot during a walk.
본 발명에서 설명되는 FSR센서는 'Force Sensing Resister 센서'의 약어로 압력감지센서를 의미한다.The FSR sensor described in the present invention is an abbreviation of 'Force Sensing Resister Sensor', which means a pressure sensor.
본 발명에서 설명되는 풋드롭 현상은 근육이 약화되어 발목을 들지 못하고 발등을 몸쪽 방향으로 당겨 올리지 못하고 발등이 하단방향으로 내려가는 증상을 의미한다.
The foot drop phenomenon described in the present invention means a symptom in which the muscles are weakened and the ankle is not lifted, the foot can not be pulled toward the body, and the foot falls downward.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 지능형 발목 근력 보조 로봇의 전체적인 구성을 도시하고 착용자가 착용한 실시예를 도시한 실시예도에 관한 것으로, 이는 정강이 고정 부(100), 발등 고정부(200)과, 제어부(300)로 구성된다.
FIG. 1 is a perspective view showing an overall configuration of an intelligent ankle muscle-assisted robot according to the present invention and showing an embodiment worn by a wearer, (300).
먼저, 본 발명에 따른 정강이 고정부(100)에 관해 설명한다.First, the
상기 정강이 고정부(100)는 착용자의 정강이 하단에 밀착 고정되어 발목 근력 보조 로봇(1)을 전체적으로 지지하는 역할을 하는 것으로, 이는 프레임 본체(110), 동력 모터(120), 동력전달 링크(130), 센서부(140), 가변저항부(150), 발목 회전축(160), 종아리 지지부(170)로 구성된다.
The
상기 프레임 본체(110)는 3개의 프레임이 'ㄷ'자 형태로 결합되어 기기를 지지하고 보호하는 역할을 하는 것으로, 이는 좌측면을 형성하는 좌측면 프레임(111)과, 우측면을 형성하는 우측면 프레임(112)과 후면을 형성하는 후면 프레임(113)으로 구성된다.The
상기 좌측면 프레임(111)은 프레임 본체(110)의 좌측면을 이루고 전면 상단과 하단이 라운드진 사다리꼴 형상의 프레임으로, 상단 일측에 동력모터(120)의 축이 삽입될 수 있는 동력모터 축 삽입홈이 형성되고, 하단 일측에 발목 회전축이 삽입될 수 있는 발목 회전축 삽입홈이 형성되며, 좌측 외부면 일측에 2개의 포토 인터럽트가 형성된다.The
여기서, 좌측면 프레임(111)은 동력모터 축 삽입홈에 동력전달 축(121)이 관통 삽입되고, 동력전달 축을 기준으로 동력전달 링크의 회전반경 내에 서로 다른 각도로 이격된 2개의 포토 인터럽트(131)가 형성되며, 발목 회전축 삽입홈에 발목 회전축(160)의 좌측이 관통 삽입되어 고정된다.Here, the
이때, 포토 인터럽트(131)는 회전되는 동력전달 링크(130)의 위치를 감지하여 초기값을 설정하는 역할을 하는 것으로, 동력전달 축을 기준으로 동력전달 링크(130)의 회전범위 내의 하단후방 대각선 위치 동일각도 선상에 2개가 이격거리를 두고 형성된 제1 포토 인터럽트(131a)와, 동력전달 링크(130)의 회전범위 내의 하단 일측 동일각도 선상에 2개가 이격거리를 두고 형성된 제2 포토 인터럽트(131b)로 이루어진다.At this time, the photointerrupter 131 detects the position of the
여기서, 제1 포토 인터럽트(131a)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 제어모듈이 발목내림모드(311a)로 설정되었을 때 감지되어 동력전달 링크(130)가 회전하여 동일선상에 위치했을 때를 감지하여 제어신호를 제어부에 전달하고, 제2 제어모듈이 발목올림모드(311b)로 설정되었을 때에는 감지되지 않는다.5, the
이는 동력 전달 링크(130)의 초기위치 감지와, 착용자의 발등이 하단방향으로 내려가는 보행주기마다 전달받은 제어신호에 따라 한바퀴 정방향 회전하며 초기위치로 복귀하는 동력 전달 링크(130)의 복원위치 감지를 통해 발목내림모드(311a)의 회전타이밍 및 정지타이밍을 제어함으로써 보행시 반복적으로 다음 동작이 이루어지도록 준비시킨다.The detection of the initial position of the
여기서, 제2 포토 인터럽트(131b)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 제어모듈이 발목올림모드(311b)로 설정되었을 때 작동되어 동력전달 링크(130)가 회전하여 동일선상에 위치했을 때를 감지하여 제어신호를 제어부에 전달하고, 제2 제어모듈이 발목내림모드(311a)로 설정되었을 때에는 감지되지 않는다.6, the
이는 동력 전달 링크(130)의 초기위치 감지와, 착용자의 발등이 상단방향으로 올라가는 보행주기마다 전달받은 제어신호에 따라 한바퀴 역방향 회전하며 초기 위치로 복귀하는 동력 전달 링크(130)의 복원위치 감지를 통해 발목올림모드(311b)의 회전타이밍 및 정지타이밍을 제어함으로써 보행시 반복적으로 다음 동작이 이루어지도록 준비시킨다.
The detection of the initial position of the
상기 우측면 프레임(112)은 프레임 본체(110)의 우측면을 이루고 전면 상단과 하단이 라운드진 사다리꼴 형상의 좌측면 프레임(111)과 대칭으로 형성된 프레임으로, 상단 일측에 동력모터의 우측이 고정되고, 하단 일측에 발목 회전축이 삽입될 수 있는 발목 회전축 삽입홈이 형성된다.The
여기서, 좌측면 프레임(111)과 우측면 프레임(112)의 마주보는 내부면 상단 일측에 양쪽으로 동력 모터(120)가 고정되고 하단 일측에 양쪽으로 발목 회전축(160)이 고정되어 지지된다.Here, the
또한, 우측면 프레임(112)의 우측 외부면 상단에 가속도센서(140)가 결합되고, 발목 회전축 삽입홈에 발목 회전축(160)의 우측이 관통 삽입되어 고정되고, 관통되어 우측으로 돌출된 발목 회전축의 우측에 가변저항부(150)가 결합된다.
The
상기 후면 프레임(113)은 프레임 본체(11)의 후면을 이루는 직사각 형상의 프레임으로 전면 좌우측 끝단에 대칭으로 형성된 좌측면 프레임(111)과 우측면 프레임(112)이 결합되고, 후면 좌우측 끝단에 종아리 지지부(170)와 연결되는 길이조절 벨트(113b)를 고정시키는 프레임 벨트고리(113a)가 형성된다.The
이때, 길이조절 벨트(113b)는 프레임 본체(110)와 종아리 지지부(170)를 연결하고 신체 사이즈에 맞게 길이를 조절할 수 있어 정강이 고정부(100)가 착용자의 정강이에 흔들리지 않고 안정적으로 고정되도록 한다.At this time, the
여기서 각각의 면을 이루는 좌측면 프레임(111), 우측면 프레임(112), 후면 프레임(113)은 기기가 설치되지 않는 부분에 하중감소 홈(110a)이 형성되어 불필요한 하중을 최소화시킴으로써 착용감을 향상시키고 미사용시 휴대가 용이하도록 한다.
Here, the
상기 동력 모터(120)는 프레임 본체의 좌측면 프레임과 우측면 프레임이 마주보는 내부면 상단 일측에 결합되고, 모터 축(121)이 좌측면 프레임에 관통되어 형성되며, 관통되어 좌측으로 돌출된 동력전달 축(121)에 동력전달 링크(130)가 결합되어 회전력을 전달하는 역할을 한다.The
본 발명에서 동력 모터(120)는 동작신호가 전달되었을 때 제어부(300)가 발목내림모드(311a)로 설정되어 있을 경우 우측면을 기준으로 시계방향(이하, 정방향이라 함)으로 회전이 이루어지고, 제어부(300)가 발목올림모드(311b)로 설정되어 있을 경우 우측면을 기준으로 반시계방향(이하, 역방향이라 함)으로 회전이 이루어진다.In the present invention, when the
여기서, 발목내림모드(321)는 도면 5에 도시된 바와 같이, 동력 모터(120)가 우측면을 기준으로 시계방향으로 회전되어 회전축에 결합된 동력전달 링크(130)를 시계방향으로 회전시킴으로써, 수평형 'L'자 링크(210)의 상단부분을 전방으로 밀어내며 발목 회전축(160)을 기준으로 회전시키고 수평형 'L'자 링크(210)의 하단부분과 수평형 'L'자 링크(220)의 전방부분이 하단방향으로 회전되며, 사이에 결합되어 착용자의 발등과 맞닿아 있는 발목 근력보조판(230)이 하단방향으로 회전하며 발등을 하단방향으로 밀어낸다.As shown in FIG. 5, the ankle lowering mode 321 rotates the
이는 일반적으로 거동이 불편한 노약자나 하지에 근력이 부족한 환자 등 신체적으로 보행시 발목근력의 부족으로 보행중 발목을 하단방향으로 내리기 어려운 경우 발목을 하단방향으로 밀어주어 근력을 보조해주는 역할을 한다.
In general, when the ankle is difficult to move downward due to lack of ankle strength during walking, such as the elderly person with inadequate mobility or lack of strength in the lower limb, the ankle is pushed downward to assist the muscular strength.
여기서, 발목올림모드(322)는 도면 6에 도시된 바와 같이, 동력 모터(120)가 우측면을 기준으로 반시계방향으로 회전되어 회전축에 결합된 동력전달 링크(130)를 반시계방향으로 회전시킴으로써, 수평형 'L'자 링크(210)의 상단부분을 후방으로 밀어내며 발목 회전축(160)을 기준으로 회전시키고 수평형 'L'자 링크(210)의 하단부분과 수평형 'L'자 링크(220)의 전방부분이 상단방향으로 회전하며, 사이에 결합되어 착용자의 발등과 맞닿아 있는 발목 근력보조판(230)이 상단방향으로 회전하며 발등을 상단방향으로 올려준다.6, the ankle lifting mode 322 is a mode in which the
이는 발목을 위로 올리는 신경인 비골신경이 마비되거나 근육신경계 질환, 뇌졸증 등의 질환을 앓는 환자에게서 주로 발생하는 풋드롭 현상으로 보행중 발목을 상단방향으로 올리기 어려운 경우 발목을 상단방향으로 올려주어 보행을 보조해주는 역할을 한다.
This is a foot drop phenomenon that occurs mainly in patients with paralysis of the nerves, paralysis of the nerves, muscular nervous system diseases and stroke. If it is difficult to raise the ankle in the upper direction while walking, It serves as an assistant.
상기 동력전달 링크(130)는 프레임 본체의 좌측에 관통된 동력 모터(120)의 모터축(121)과 연결되어 회전력을 전달받아 정방향 또는 역방향으로 회전되며 수직형 'L'자 링크를 밀어내어 발등 고정부(200)를 회전시켜주는 역할을 한다.The
여기서, 동력전달 링크(130)가 정방향으로 회전되면 구체적으로 도 5에 도시한 바와 같이, 발목 근력 보조 로봇(1)의 좌측면을 기준으로 정방향으로 회전되며 수직형 'L'자 링크(210)의 상단을 전방으로 밀어내어 발등 고정부(200)를 하단방향으로 회전시킨다.5, when the
이때, 동력전달 링크(130)는 회전범위 내에 형성된 제1 포토 인터럽트(131a)의 동일 각도 선상에 위치되어 감지된 상태가 초기위치로 설정되어 동력 모터(120)의 회전에 의해 한바퀴 정회전하여 포토 인터럽트(131a)의 동일 각도 선상에 다시 위치하면 감지되어 회전이 정지되며 다음 신호를 기다리며 대기하게 된다.
At this time, the
여기서, 동력전달 링크(130)가 역방향으로 회전되면 구체적으로 도 6에 도시한 바와 같이, 발목 근력 보조 로봇(1)의 좌측면을 기준으로 역방향으로 회전되며 수직형 'L'자 링크(210)의 상단을 후방으로 밀어내어 발등 고정부(200)를 상단방향으로 회전시킨다.6, when the
이때, 동력전달 링크(130)는 회전범위 내에 형성된 제2 포토 인터럽트(131b)의 동일 각도 선상에 위치되어 감지된 상태가 초기위치로 설정되어 동력 모터(120)의 회전에 의해 한바퀴 역회전하여 제2 포토 인터럽트(131b)의 동일 각도 선상에 다시 위치하면 감지되어 회전이 정지되며 다음 신호를 기다리며 대기하게 된다.
At this time, the
상기 센서부(140)는 프레임 본체의 우측에 결합되고, 착용자의 보행시 신체동작을 감지하고, 감지된 정보를 제어부(300)에 전달하는 역할을 한다.The
본 발명에서의 센서부(140)는 프레임 본체의 우측 상단에 결합되고, 직선방향으로 단위시간에 보행 속도 및 보행 중 발의 간격 등 보행 패턴을 감지하여 제어부(300)에 전달하는 역할을 하는 것으로, 가속도 센서(141)를 통해 보행중 발의 순간적인 가속도 값을 지속적으로 측정하여 보행시 착용자의 일정한 보행 패턴을 감지하고, 보행주기별 보행 속도 및 발 간격 등의 최소값, 최대값 정보를 측정하며, 측정된 정보를 바탕으로 적절한 타이밍에 제어부의 구동신호가 전달되도록 한다.
The
여기서 센서부(140)는 가속도 센서(141)뿐만 아니라 FSR 센서(142) 또는 자이로 센서(143)를 통해 신체동작을 감지하여 제어부(300)에 동작신호를 전달함으로써 발목 근력 보조 로봇을 동작시킬 수도 있다.Here, the
이때, 가속도 센서(141)를 대신하여 사용되는 FSR센서(142)는 얇은 필름 방식으로 제작된 압력센서로서 착용자의 정강이와 맞닿는 후면 프레임(113)의 후면 일측에 결합된 제1 FSR센서(142a)와, 착용자의 발등과 맞닿는 발목 근력 보조판(230)의 하부면 일측에 결합된 제2 FSR센서(142b)가 형성되어, 보행시 움직이는 착용자의 정강이와 발등의 움직임을 통해 변화하는 압력을 감지함으로써 착용자의 보행주기 및 보행속도를 측정한다.The FSR sensor 142 used in place of the acceleration sensor 141 is a pressure sensor manufactured by a thin film method and includes a first FSR sensor 142a coupled to one side of the rear surface of the
여기서 제1 FSR센서(142a)는 후면 프레임(113)의 후면중앙 일측에 부착되어 착용자의 정강이와 맞닿으며 보행시 후면 프레임과 정강이 사이 압력의 증가 및 감소를 측정하여 제어부(300)에 전달하는 역할을 한다.Here, the first FSR sensor 142a is attached to one side of the rear center of the
이는 하지가 지면에서 떨어지고 전방으로 내밀며 착용자의 정강이가 전진되면 정강이가 후면 프레임 방향으로 밀착되며 압력이 증가하고, 전방으로 내민 하지가 지면을 딛고 디딤발과 교차되며 신체에서 상대적으로 후방에 위치하면 후면 프레임과 정강이 사이의 압력이 감소하는 보행주기의 반복적인 동작을 감지한다.
This is because when the leg falls from the ground and pushes forward, the shank is tightened in the direction of the rear frame and the pressure is increased. When the foot is in front of the ground, And a repetitive motion of the walking cycle in which the pressure between the shin and the shin decreases.
여기서 제2 FSR센서(142b)는 발목 근력 보조판의 하부면 일측에 부착되어 착용자의 발등과 맞닿으며 보행시 발목 근력 보조판과 발등의 사잇각이 커지고 작아짐에 따라 발생하는 압력의 증가 및 감소를 측정하여 제어부(300)에 전달하는 역할을 한다.Here, the second FSR sensor 142b is attached to one side of the lower surface of the ankle muscle aiding plate to measure the increase and decrease of the pressure caused by increasing and decreasing the angle of the ankle muscle aiding plate and the foot during walking, (300).
이는 하지가 지면에서 떨어지고 전방으로 내밀며 착용자의 발목이 상승하면 발목 근력 보조판과 발등의 사잇각이 작아지며 압력이 증가하고, 전방으로 내밀어 발바닥 전체를 지면에 디딜 때 사잇각이 커지며 압력이 감소하고, 디딤발과 교차되며 신체에서 상대적으로 후방에 위치하게 되면 다시 사잇각이 작아지며 압력이 증가하고, 발뒤꿈치를 지면에서 들어 재도약을 준비하면 사잇각이 커지며 압력이 감소하는 보행주기의 반복적인 동작을 감지한다.This is because when the legs fall from the ground and push forward and the wearer's ankle rises, the angle of the ankle ankle assistant and the foot becomes smaller and the pressure increases. When the whole foot of the sole reaches the ground, the angle increases and the pressure decreases. When it is crossed and relatively rearward in the body, the back angle decreases and the pressure increases, and when the heel comes back to the ground and ready to jump again, the angle of incidence increases and the repetitive motion of the walking cycle in which the pressure decreases is detected.
이와 같이 FSR센서(142)는 제1 FSR센서(142a)와 제2 FSR센서(142b)를 통해 착용자 하지의 움직임을 감지된 정보를 제어부(300)에 전달함으로써 보행주기 및 보행속도를 측정하고, 측정된 정보를 바탕으로 적절한 타이밍에 제어부의 구동신호가 전달되도록 한다.
Thus, the FSR sensor 142 measures the walking cycle and the walking speed by transmitting the sensed information of the wearer's movement to the
또한, 가속도 센서(141)를 대신하여 사용되는 자이로센서(143)는 x, y, z축의 각가속도를 인지하고, 한 축을 기준으로 물체가 회전한 방향과 각도의 값을 수치정보로 측정하는 센서로써, 프레임 본체의 우측 상단에 결합되고, 보행 속도 및 보행 중 발의 간격 등 보행 패턴을 감지하여 제어부(300)에 전달하는 역할을 한다.The gyro sensor 143 used in place of the acceleration sensor 141 is a sensor for recognizing the angular acceleration of the x, y, and z axes and measuring the direction and angle of rotation of the object on one axis with numerical information And detects the gait pattern, such as the walking speed and the distance between the feet while walking, and transmits the detected gait pattern to the
이를 통해 보행전 착용자가 서있는 것을 기준으로 보행중 발의 순간적인 가속도 값을 지속적으로 측정하여 보행시 착용자의 일정한 보행 패턴을 감지하고, 보행주기별 보행 속도 및 발 간격 등의 최소값, 최대값 정보를 측정하며, 측정된 정보를 바탕으로 적절한 타이밍에 제어부의 구동신호가 전달되도록 한다.
As a result, it is possible to measure the instantaneous acceleration value of the foot during the walking based on the standing of the wearer before the walking, to detect a certain walking pattern of the wearer while walking, and to measure the minimum value and the maximum value information And the driving signal of the control unit is transmitted at an appropriate timing based on the measured information.
상기 가변저항부(150)는 발목 회전축(160)의 우측에 돌출되어 결합되고, 정강이와 발등의 사잇각을 감지하여 측정된 신호를 제어부(300)에 전달하는 역할을 하는 것으로, 착용자의 정강이와 발등 사잇각의 감지를 통해 지면 기울기를 파악하여 착용자의 보행위치가 평지 또는 경사면인지 여부를 파악한다.The
이는 가변저항 프레임(151), 가변저항 축(152), 가변저항 소자(153)로 구성된다.This is constituted by a
상기 가변저항 프레임(151)은 프레임 본체(110)의 우측 하단 외부방향에 결합된 'ㄱ'자 형상의 프레임으로 가변저항 소자를 지지하는 역할을 한다.The
상기 가변저항 축(152)은 발목 회전축(160)과 연결되어 동일한 속도로 회전하며 착용자의 발목 회전각 및 회전주기 변화를 가변저항 소자에 전달하는 역할을 한다.The
상기 가변저항 소자(153)는 가변저항 프레임(151)의 우측에 결합되고 가변저항 축(152)과 연결되어 가변저항 축(152)의 반복적으로 변화하는 회전각을 감지하여 정강이 고정부(100)와 발등 고정부(200)와의 사잇각을 측정하고, 보행시 회전되는 발등의 회전각 변화를 측정하는 역할을 한다.The
이를 통해 착용자가 보행 중 측정되는 최대회전각과 최소회전각의 차이를 측정하여 착용자가 보행하는 위치의 평지 및 경사면 여부 신호를 제어부에 전달한다.
The wearer measures the difference between the maximum rotation angle and the minimum rotation angle measured during walking and transmits a signal indicating whether the wearer is walking or not.
상기 발목 회전축(160)은 프레임 본체의 좌측과 우측 내부면 하단 일측에 양쪽으로 관통되어 정강이 고정부(100)와 발등 고정부(200)를 연결시키고, 발등 고정부(200)에 회전력을 전달하는 역할을 한다.The
이는 좌측면 프레임을 관통한 좌측 돌출부가 수직형 'L'자 링크(210)와 결합되고, 좌측면 프레임과 우측면 프레임 사이의 중앙 회전부가 수평형 'L'자 링크(220)와 결합되며, 우측면 프레임을 관통한 우측 돌출부가 가변저항 축(152)과 결합되고, 수직형 'L'자 링크(210)와 좌측면 프레임(111) 사이에 토션 스프링(161)이 결합된다.This is because the left protruding portion penetrating the left side frame is coupled with the vertical 'L' shaped
본 발명에서의 발목 회전축(160)은 동력 전달 링크(130)의 회전으로 인해 좌측에 결합된 수직형 'L'자 링크(210)의 상단이 전방 또는 후방으로 밀려나며 회전력을 전달받고 수평형 'L'자 링크(220)와 가변저항 축(152)을 동일한 속도로 회전시키며 발등 고정부(200)의 상하방향 회전을 돕고, 가변저항 축(153)을 회전시켜 가변저항 소자(153)가 착용자 발등의 회전각을 측정할 수 있도록 한다.The upper end of the vertical 'L' -shaped
여기서, 토션 스프링(161)은 발목 근력 보조 로봇을 착용하지 않은 상태에서 상단을 들어올렸을 때 정강이 고정부(100)와 발등 고정부(200)가 일직선이 되도록 초기위치가 설정되고, 정강이 고정부(100)와 180°의 각을 이루는 발등 고정부(200)가 회전되면 스프링의 탄성복원력에 의해 복원되도록 이루어진다.Here, the
구체적으로, 토션 스프링(161)은 착용자(2)가 발목 근력 보조 로봇(1)을 착용했을 때 정강이(2a)와 발등(2b)의 최대 사잇각이 180°이상이 되지 않는 신체특성을 이용해 착용시 발등 고정부(200)가 항상 하단방향으로 회전하려는 탄성복원력이 작용하며 발등(2b)에 발등 고정부(200)가 밀착되도록 하여, 발등 고정부가 하단으로 회전되는 경우에는 밀착고정된 발등 고정부(200)에 의해 발목 보조근력이 감쇠되지 않고 발목에 정확하게 전달되도록 하고, 발등 고정부가 상단으로 회전되는 경우에는 탄성력에 의해 복귀하여 착용자의 발목에 발등 고정부(200)의 하중이 작용하는 것을 방지하며 상단으로 회전될 수 있도록 한다.
More specifically, the
상기 종아리 지지부(170)는 내부면이 오목한 형태의 지지판으로 양측면에 상하방향으로 이격된 지지부 벨트고리(113c)가 형성되어 길이 조절 벨트(113b)가 삽입되고, 길이 조절 벨트의 벨트 길이 조절을 통해 프레임 본체와 마주보며 결합되며 착용자의 종아리를 감싸도록 형성되어 발목 근력 보조 로봇(1)의 상단이 흔들리거나 흘러내리는 것을 방지하고 방향이 틀어지지 않도록 안정적으로 지지해주는 역할을 한다.The
이는 착용자의 종아리와 직접 맞닿는 종아리 지지부의 내부면에 스폰지를 덧대어 착용감을 더욱 좋게 한다.
This improves comfort by attaching a sponge to the inner surface of the calf support that directly contacts the wearer's calf.
다음으로, 본 발명에 따른 발등 고정부(200)에 관해 설명한다.Next, the
상기 발등 고정부(200)는 정강이 고정부(100)의 하단 양 측면에 축 형태로 결합되고, 착용자의 발등과 밀착 고정되어 회전되며 발목 근력을 보조해주는 역할을 하는 것으로, 이는 수직형 'L'자 링크(210), 수평형 'L'자 링크(220), 발목 근력보조판(230), 발목 지지부(240)로 구성된다.
The
상기 수직형 'L'자 링크(210)는 수직으로 세워지고 회전축이 프레임 본체 좌측에 관통되어 돌출된 발목 회전축(160)과 축 결합되고, 하단부의 우측 방향으로 발목 근력보조판(230)이 결합된 'L'자형상의 링크로, 동력 전달 링크의 회전에 의해 상단부가 전방 또는 후방으로 밀리며 회전되어 발목 회전축(160)과 발목 근력보조판(230)의 좌측면에 회전력을 전달하는 역할을 한다.The vertical 'L' shaped
본 발명에서 수직형 'L'자 링크(210)는 상단부가 동력전달 링크(130)의 회전시 맞닿는 위치에 형성되어, 발목 근력 보조 로봇(1)의 동력전달 링크(130)가 정방향으로 회전하면 상단부가 전방으로 밀리며 회전력을 전달하여 하단부에 결합된 발목 근력 보조판을 하단방향으로 회전시키고, 동력전달 링크(130)가 역방향으로 회전하면 상단부가 후방으로 밀리며 회전력을 전달하여 하단부에 결합된 발목 근력 보조판을 상단방향으로 회전시킨다.
In the present invention, when the
상기 수평형 'L'자 링크(220)는 수평으로 누워지고 후단부가 길이방향으로 발목 회전축(160)의 중앙에 관통되어 형성되고, 전단부가 좌측방향으로 수직형 'L'자 링크(210)의 하단부와 마주보며 발목 근력보조판(230)이 결합된 'L'자형상의 링크로, 발목 회전축(160)의 회전에 따라 발목 근력보조판(230)의 우측면에 회전력을 전달하는 역할을 한다.The horizontal L "-shaped
본 발명에서 수평형 'L'자 링크(220)는 후단부의 중심이 발목 회전축(160)에 관통되고, 전단부가 수직형 'L'자 링크(210)와 마주보며 발목 회전축의 회전에 따라 동일한 각도로 회전되며 발목 근력보조판(230)을 회전시킨다.In the present invention, the horizontal 'L' shaped
이를 통해 회전력을 전달받아 회전되는 발목 근력보조판(230)이 좌측이나 우측 중 어느 한쪽으로 치우쳐지지 않고 동일한 각도로 일정하게 회전되도록 하여 착용자의 착용감을 상승시키고, 보조되는 발목근력의 세기 오차를 최소화시킬 수 있다.
The ankle
상기 발목 근력보조판(230)은 직사각형상의 판으로 마주보는 수직형 'L'자 링크(210)의 하단부와 수평형 'L'자 링크(220)의 전단부의 내측면에 결합되어 회전되며 착용자의 보행주기마다 발등을 하단방향으로 밀어주며 회전력을 가하여 발목에 작용하는 근력을 보조해주고 복귀되는 반복현상이 이루어져 보행주기에 따라 발목근력을 보조해주는 역할을 한다.The ankle muscle
이는 상단면과 하단면에 형태를 유지하고 미끄럼을 방지하는 고무판(231)이 형성되고, 상하단 고무판 사이에 스펀지(232)를 삽입하여 착용자의 발등에 전달되는 보조 발목근력을 감쇠없이 전달하고, 미끄러지지 않고 통증없이 하단방향으로 부드럽게 밀어줄 수 있도록 한다.The
이를 통해 착용자가 보행시 내딛은 발이 지면에서 떨어지며 발목과 정강이 사잇각이 커질 때 착용자의 발목에 작용하는 하중을 감소시켜줌으로써 근력을 보조하여 발목에 작용하는 피로를 줄여준다.
This reduces the fatigue on the ankle by supporting the strength by reducing the load acting on the wearer's ankle when the wearer's foot falls off the ground and the angle of the ankle and shin becomes large.
상기 신발 지지부(240)는 발목 근력보조판(230)의 전면에 결합되고 착용자의 신발에 4단계로 결합되어 발목 근력보조판(230)이 신발에 밀착되도록 하는 역할을 한다.The
이는 발목 근력보조판(230)의 전면에서 양 갈래로 나뉘며 착용자의 신발 앞코 하단까지 감싸는 전면결합 고무띠(241)가 끼워지고, 신발의 전방 둘레를 따라 감싸는 제1 결합끈(242)과, 발목 근력보조판의 상단을 감싸고 수직형 'L'자 링크와 수평형 'L'자 링크 사이에 삽입되며 신발의 중앙 둘레를 따라 감싸는 제2 결합끈(243)과, 신발 밑창을 지나는 제2 결합끈(243)의 중앙에서 양 갈래로 나뉘는 고리형태로 신발 뒤꿈치에 걸리며 신발의 후방을 감싸는 제3 결합끈(244)로 형성된다.A first joint string 242 which is divided into two halves at the front of the ankle
이를 통해 신발을 전면, 전방, 중앙, 후방의 4단계로 감싸며 착용자의 신발과 발목 근력 보조판(230)을 밀착시킴으로써 신발이 좌우방향으로 틀어지거나 흔들림 또는 근력 보조판(230)과 이격되어 회전력 손실로 인해 보조되는 발목근력이 상쇄되는 것을 최소화시키는 역할을 한다.
The shoe is wrapped around the front, front, center, and rear of the shoe so that the wearer's shoe and the ankle
다음으로, 본 발명에 따른 제어부(300)에 관해 설명한다.Next, the
상기 제어부(300)는 정강이 고정부(100)와 유선으로 연결되어 측정된 신호를 전달받아 모터의 회전 타이밍 및 회전각을 조절하여 발목 근력 보조 로봇의 움직임을 제어하는 역할을 한다.The
이는 제1 제어모듈(310), 제2 제어모듈(320)로 구성된다.It is composed of a
상기 제1 제어모듈(310)은 발목 근력 보조 로봇(1)의 전반적인 동작을 제어하고, 전원공급을 제어하는 역할을 한다.The
구체적으로 제1 제어모듈(310)은 dsPIC 회로로 이루어진 제어모듈로 구성되어 일정한 패턴으로 감지되는 보행 주기별 보행 속도 및 보폭 등의 정보를 분석하여 동력 모터의 회전 타이밍 및 회전각을 조절하여 제어하고, 발목근력을 보조할 회전방향을 선택적으로 설정하여 제어하고, 정강이와 발등의 사이 각도변화를 분석하여 평지, 오르막 경사면 등의 보행 위치를 판단하며, 착용자의 보행 여부 판단 및 발목 보조 근력을 실시간으로 디스플레이부에 표시하고, 발목 근력 보조 로봇(1)의 회전반응속도를 제어하는 역할을 한다.Specifically, the
여기서, 회전반응속도를 제어하는 이유는 사람마다 보행속도가 일정하지 않기 때문에 회전반응속도가 보행속도보다 높아 발목 근력보조판이 빠르게 하강할 경우 오히려 착용자의 발목에 무리가 갈 수 있고, 회전반응속도가 보행속도보다 낮아 발목 근력보조판이 느리게 하강할 경우 발목에 작용하는 보조 근력을 효과적으로 제공받을 수 없기 때문이다.Here, the reason for controlling the rotational reaction speed is that since the walking speed is not constant for each person, the rotational reaction speed is higher than the walking speed, so that when the ankle power assist plate is rapidly lowered, This is because the lowering of the ankle power assist plate slower than the walking speed can not effectively provide the auxiliary muscles acting on the ankle.
또한, 회전방향을 선택적으로 제어하는 이유는 착용자의 신체적 특성에 따라 보행시 발목근력의 부족으로 보행중 발목을 하단방향으로 내리기 어려운 착용자의 경우 발목을 하단방향으로 밀어주는 근력을 보조해주고, 질환으로 인해 풋드롭 현상이 발생하여 발목을 위로 올리는 것이 어려운 착용자의 경우 발목을 상단방향으로 올려주는 근력을 보조해주기 위함이다.In addition, the reason for selectively controlling the direction of rotation is that the wearer who is difficult to lower his / her ankle in the downward direction due to the lack of ankle muscle strength during walking according to the physical characteristics of the wearer assists the muscle force to push the ankle in the lower direction, In the case of a wearer who has difficulty in raising his / her ankle due to a foot drop phenomenon, it is necessary to support the muscular strength to raise the ankle upward.
본 발명에서 제1 제어모듈(310)은 근력보조 회전방향 제어모드(311), 회전 타이밍 제어모드(312), 회전각 제어모드(313)로 구성된다.In the present invention, the
상기 근력보조 회전방향 제어모드(311)는 착용자가 발목의 상하방향 회전운동 중 근력부족 및 질환으로 인해 움직임이 어려운 발목회전동작을 선택적으로 설정하여 발목에 작용하는 회전근력을 보조해주는 것으로, 이는 발목내림모드(311a), 발목올림모드(311b)로 이루어진다.The muscle force auxiliary rotation
여기서 발목내림모드(311a)를 설정할 경우 회전 타이밍에 따라 동력 모터(120)를 정방향으로 회전시켜 동력 전달 링크(130)를 통해 발목근력 보조판(230)이 하단방향으로 회전되도록 하여 착용자의 발등을 하단방향으로 밀어주어 하단방향으로 회전하는 발목근력을 보조해준다.When the
여기서 발목올림모드(311b)를 설정할 경우 회전 타이밍에 따라 동력 모터(120)를 역방향으로 회전시켜 동력 전달 링크(130)를 통해 발목근력 보조판(230)이 상단방향으로 회전되도록 하여 착용자의 발등을 상단방향으로 밀어주어 상단방향으로 회전하는 발목근력을 보조해준다.
When the
상기 회전 타이밍 제어모드(312)는 센서부(140)를 통해 측정된 보행 속도 및 보행 중 발의 간격 등 보행 패턴을 바탕으로 일정한 패턴으로 감지되는 보행 주기별 보행 속도 및 보폭 등의 최소값, 최대값 정보를 분석하여 보행단계를 예측하여 발목이 상승하거나 하강하는 타이밍에 제2 제어모듈(320)의 모터 드라이버에 동력모터(120)의 구동신호를 전달한다.The rotation
이는 근력보조 회전방향 제어모드(311)가 발목내림모드(311a)로 설정되어 있을 경우 착용자의 보행 속도에 맞춰 발등이 하단방향으로 회전되는 시점에 동력모터가 정방향으로 구동되도록 타이밍을 일치시켜, 발목근력이 필요로 하는 보행 주기에 맞춰 발목근력 보조판(230)을 통해 착용자의 발등을 하단방향으로 밀어 하단방향으로 회전되는 발목에 보조근력을 전달하도록 한다.When the power assistant rotation
반대로 근력보조 회전방향 제어모드(311)가 발목올림모드(311b)로 설정되어 있을 경우 착용자의 보행 속도에 맞춰 발등이 상단방향으로 회전되는 시점에 동력모터가 역방향으로 구동되도록 타이밍을 일치시켜, 발목근력이 필요로 하는 보행 주기에 맞춰 신발과 밀착결합된 발목근력 보조판(230)을 상단방향으로 올려 상단방향으로 회전되는 발목에 보조근력을 전달하도록 한다.
On the contrary, when the muscle force auxiliary rotation
상기 회전각 제어모드(313)는 가변저항부(150)를 통해 착용자의 정강이와 발등의 사이 각도 정보를 전달받아 지면 기울기를 파악하여 착용자의 보행위치가 평지 또는 경사면인지 여부를 파악함에 따라 자동적으로 제어모드가 변경됨으로써 이루어진다.The rotation
여기서 정강이와 발등의 사이 각도는 착용자가 발목 근력 보조 로봇(1)을 착용한 후 지면에 서있는 상태에서의 각도를 기준 각도 0°로 설정하고, 보행 중 발등이 회전함에 따라 발등 고정부(200)가 하단으로 회전되는 방향을 (+)각으로 표시하고, 발등 고정부(200)가 상단으로 회전되는 방향을 (-)각으로 표시한다.Here, the angle between the shin and the foot is set to a reference angle of 0 ° when the wearer wears the ankle muscle-assisted
이는 평지 보행 제어모드(313a), 오르막 보행 제어모드(313b)로 구성된다.It is composed of a flat
상기 평지 보행 제어모드(313a)는 착용자가 평지를 보행할 때 가변저항부를 통해 착용자의 정강이와 발등 사잇각을 측정하여 발등의 최대 상승 각이 착용자가 지면에 서있는 상태에서의 기준 각도인 0°를 오차범위 ±3°이내에서 반복적으로 유지하면 자동으로 변경되며 평지에서 발목 근력 보조가 이루어지도록 한다.The flat
이때, 평지에서는 발등 고정부(200)의 회전이 약 0°~35°의 사이 구간에서 반복적으로 회전되는데, 발목내림모드(311a)가 설정될 경우 0°의 회전이 시작되는 시점부터 하단방향으로의 회전이 정지되는 35°까지의 회전구간에서 동력 모터(120)가 정방향으로 회전되어 하단방향으로의 발목 근력을 보조하고, 발목올림모드(311b)가 설정된 경우 35°의 회전이 시작되는 시점부터 상단방향으로의 회전이 정지되는 0°까지의 회전구간에서 동력 모터(120)가 역방향으로 회전되어 상단방향으로의 발목 근력을 보조한다.
When the
상기 오르막 보행 제어모드(313b)는 착용자가 오르막 경사면을 보행할 때 가변저항부를 통해 착용자의 정강이와 발등 사잇각을 측정하여 발등의 최대 상승 각이 착용자가 발목 근력 보조 로봇(1)을 착용한 후 지면에 서있는 상태에서의 기준 각도인 0°이상으로 상승되어 (-)각을 반복적으로 유지하면 자동으로 변경되며 오르막 경사면에서 발목 근력 보조가 이루어지도록 한다.The uphill
이때, 오르막길에서는 발등 고정부(200)의 회전이 (-)경사면의 경사각°~40°의 사이 구간을 반복적으로 회전되는데, 발목내림모드(311a)가 설정된 경우 경사면의 각도로 상단으로 회전된 (-)경사면의 경사각°에서 기준 각도인 0°까지의 회전구간에서는 하강하는 구간이지만 구동되지 않고, 기준각도인 0°부터 하단방향으로의 회전이 정지되는 40°까지의 회전구간에서는 동력 모터(120)가 정방향으로 회전되어 하단방향으로의 발목 근력을 보조하고, 발목올림모드(311b)가 설정된 경우 40°의 회전이 시작되는 시점부터 상단방향으로의 회전이 정지되는 (-)경사면의 경사각°까지의 회전구간에서 동력 모터(120)가 역방향으로 회전되어 상단방향으로의 발목 근력을 보조한다.At this time, in the uphill road, the rotation of the
예를 들어 10°의 경사면을 가진 오르막에서 발목내림모드(311a)가 설정된 경우 발등 고정부(200)의 회전이 약 -10°~40°의 사이 구간을 반복적으로 회전하는데, 발등 고정부(200)가 -10°에서 0°까지 발목이 내려가는 회전구간에서는 동력 모터가 구동되지 않고, 0°에서 40°까지 발목이 내려가는 회전구간에서는 동력 모터가 정방향으로 구동되도록 하며, 40°에서 -10°까지 발목이 올라가는 회전구간에서는 동력 모터가 구동되지 않도록 한다.For example, when the
이는 오르막길의 경사 각도가 커져 (-) 방향의 회전구간이 커지면 동력 모터(120)의 정지구간이 길어지고, 오르막길의 경사 각도가 작아져 (-) 방향의 회전구간이 작아지면 동력 모터(120)의 정지구간이 짧아지며 경사면의 경사각에 따라 비례적으로 동력 모터의 회전 타이밍을 늦추고, 발등 고정부(200)가 기준 각도 이하로 회전되는 경우에만 회전되도록 한다.When the angle of inclination of the uphill road becomes larger and the rotation section in the negative direction becomes larger, the stopping period of the
이를 통해 오르막 경사면에서도 평지와 동일한 회전구간에서 하단방향으로의 발목근력 보조동력을 전달받도록 하여 오르막길에서 착용자의 자유도를 높이고, 각도 측정 오류로 인해 착용자의 발목에 무리가 가는 것을 방지한다.
This allows the ankle muscle ancillary power to be transmitted in the downward direction on the ascending slope in the same rotational section as the flat surface, thereby increasing the degree of freedom of the wearer in the uphill road and preventing the wearer's ankle from being overloaded due to an angular measurement error.
또 다른 예로 10°의 경사면을 가진 오르막에서 발목올림모드(311b)가 설정된 경우 발등 고정부(200)의 회전이 약 -10°~40°의 사이 구간을 반복적으로 회전하는데, 발등 고정부(200)가 -10°에서 40°까지 발목이 내려가는 회전구간에서는 동력 모터가 구동되지 않도록 하고, 40°에서 -10°까지 발목이 올라가는 회전구간에서는 동력 모터가 역방향으로 구동되도록 한다.As another example, when the
이를 통해 발등 고정부(200)의 회전각만큼 상단방향으로의 발목근력 보조동력을 전달받도록 하여 오르막길에서 착용자의 자유도를 높이고, 각도 측정 오류로 인해 착용자의 발목에 무리가 가는 것을 방지한다.
As a result, the assist force of the ankle muscular force in the upper direction is received by the rotation angle of the toe-up fixing
상기 제2 제어모듈(320)은 제1 제어모듈(310)을 통해 측정된 신호를 바탕으로 동력 모터(120)의 회전 타이밍 및 회전각 등 동력 모터에 알맞은 출력값을 전달하여 구동시키는 모터 드라이버 역할을 한다.
The
이하, 본 발명에 따른 지능형 발목 근력 보조 로봇의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
Hereinafter, the specific operation of the intelligent ankle muscle-assisted robot according to the present invention will be described.
먼저, 프레임 본체를 정강이 정면에 위치시키고, 종아리 지지부의 내부면에 종아리를 밀착시킨 후 길이조절 벨트를 조여 정강이 고정부가 흔들리지 않도록 고정시키고, 발등에 발등 고정부의 발목 근력보조판이 밀착되도록 발목 근력 보조 로봇을 착용한다.
First, the frame body is placed on the front face of the shank, the calf is tightly attached to the inner surface of the calf support, the length adjusting belt is tightened to fix the shank fixation unit so as not to shake, and the ankle muscle aids Wear robots.
다음으로, 제어부를 통해 발목의 근력이 부족한 일반적인 환자의 경우 발목내림모드를 설정하고, 발목을 들어올리는 힘이 부족한 뇌졸증을 앓고 있는 환자의 경우 발목올림모드를 설정하여 선택적으로 변경한다.Next, an ankle lowering mode is set for a general patient having an ankle muscle weakness through a control unit, and an ankle lifting mode is set for a patient suffering a stroke with insufficient strength for lifting the ankle.
이때, 제어부의 설정을 발목내림모드로 설정할 경우 제어신호에 따라 우측면을 기준으로 시계방향으로 회전하며 동력전달 링크를 회전시키면 수직형 'L'자 링크의 링크 상단부를 전방으로 밀어내며 발목 근력보조판이 하단방향으로 회전하여 착용자의 발목을 하단방향으로 내리는 근력을 보조해준다.In this case, when the setting of the control unit is set to the ankle lowering mode, the right side is rotated clockwise according to the control signal, and when the power transmission link is rotated, the link upper end of the vertical 'L' And rotates in the lower direction to assist the muscular strength of lowering the ankle of the wearer.
또한, 제어부의 설정을 발목올림모드로 설정할 경우 제어신호에 따라 우측면을 기준으로 반시계방향으로 회전하며 동력전달 링크를 회전시키면 수직형 'L'링크의 링크 상단부를 후방으로 밀어내며 발목 근력보조판이 상단방향으로 회전하여 착용자의 발목을 상단방향으로 올리는 근력을 보조해준다.
When the setting of the control unit is set to the ankle lifting mode, the control unit rotates counterclockwise with respect to the right side according to the control signal. When the power transmission link is rotated, the link upper end of the vertical 'L' link is pushed backward, It rotates in the upper direction and assists the muscular strength to raise the ankle of the wearer in the upper direction.
또한, 제어부는 착용자의 보행이 이루어짐에 따라 가변저항부를 통해 측정되는 정강이 고정부와 발등 고정부의 변화하는 최대·최소의 사잇각 정보에 의해 측정된 지면의 경사각 정보를 바탕으로 착용자의 보행위치가 평지 또는 경사면인지 여부를 파악하여 자동적으로 평지 보행 제어모드 또는 오르막 보행 제어모드가 선택적으로 변경된다.In addition, the control unit determines whether or not the wearer's walking position is a flat position based on the inclination angle information of the ground measured by the changing maximum and minimum angle information of the shin foot fixing unit and the foot fixing unit measured through the variable resistance unit as the wearer is walking. Or the inclined plane, and automatically selects either the flat walking control mode or the uphill walking control mode.
또한, 제어부는 가속도센서 또는 FSR 센서나 자이로 센서를 통해 보행 속도 및 보폭 등의 보행 패턴을 감지하여 보행 단계 중 발 뒷꿈치가 지면에서 떨어지는 순간을 예측하여 제2 제어모듈의 모터 드라이버에 동력 모터 구동신호를 전달한다.
The control unit senses a walking pattern such as a walking speed and a stride through an acceleration sensor or an FSR sensor or a gyro sensor to predict a moment when the heel falls from the ground during the walking step, .
다음으로, 하단으로 회전되었던 발목 근력보조판이 상단방향으로 회전되는 발목에 의해 밀착된 형태를 유지하며 회전되어 원위치되고, 착용자의 보행시 한걸음 이동할 때마다 상기와 같은 동작이 반복적으로 이루어지며 발목에 작용하는 근력을 보조한다.
Next, the ankle muscle supporting plate rotated to the lower side is rotated and held in a state of being closely contacted by the ankle rotated in the upper direction, and the above-mentioned operation is repeatedly performed each time the wearer moves on the foot, Assist the muscular strength.
100 : 정강이 고정부 110 : 프레임 본체
120 : 동력 모터 130 : 동력전달 링크
140 : 센서부 150 : 가변저항부
160 : 발목 회전축 170 : 종아리 지지부
200 : 발등 고정부 210 : 수직형 'L'자 링크
220 : 수평형 'L'자 링크 230 : 발목 근력보조판
300 : 제어부100: shin fixing part 110: frame body
120: Power motor 130: Power transmission link
140: sensor part 150: variable resistance part
160: ankle spindle 170: calf support
200: Stem height fixing unit 210: Vertical type 'L'
220: Horizontal L-shaped link 230: ankle muscle aiding plate
300:
Claims (7)
정강이 고정부(100)의 하단 양 측면에 축 형태로 결합되고, 착용자의 발등과 밀착 고정되어 회전되며 발목 근력을 보조해주는 발등 고정부(200)와,
정강이 고정부(100)와 유선으로 연결되어 측정된 신호를 전달받아 모터의 회전 타이밍 및 회전각을 조절하여 발목 근력 보조 로봇의 움직임을 제어하는 제어부(300)로 구성되는 지능형 발목 근력 보조 로봇에 있어서,
상기 정강이 고정부(100)는
3개의 프레임이 'ㄷ'자 형태로 결합되어 기기를 지지하고 보호하는 프레임 본체(110)와,
프레임 본체의 좌측면 프레임과 우측면 프레임이 마주보는 내부면 상단 일측에 결합되고, 모터 축(121)이 좌측면 프레임에 관통되어 형성되며, 관통되어 좌측으로 돌출된 동력전달 링크(130)와 결합되어 회전력을 전달하는 동력 모터(120)와,
프레임 본체의 좌측에 관통된 동력 모터(120)의 모터 축(121)과 연결되어 회전력을 전달받아 정방향 또는 역방향으로 회전되며 수직형 'L'자 링크를 밀어내어 발등 고정부(200)을 회전시켜주는 동력전달 링크(130)와,
프레임 본체의 우측에 결합되고, 착용자의 보행시 신체동작을 감지하고, 감지된 정보를 제어부(300)에 전달하는 센서부(140)와,
발목 회전축(160)의 우측에 돌출되어 결합되고, 정강이와 발등의 사이 각도를 측정하여 측정된 신호를 제어부(300)에 전달하는 가변저항부(150)와,
프레임 본체의 좌측과 우측 내부면 하단 일측에 양쪽으로 관통되어 정강이 고정부(100)와 발등 고정부(200)를 연결시키고, 발등 고정부(200)에 회전력을 전달하는 발목 회전축(160)과,
내부면이 오목한 형태의 지지판으로 길이 조절 벨트의 벨트 길이 조절을 통해 프레임 본체와 마주보며 결합되는 종아리 지지부(170)로 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 발목 근력 보조 로봇.
A shank fixing part 100 fixedly attached to the lower end of the shank of the wearer to support the ankle muscle-power-assisted robot 1 as a whole,
A foot fixing part 200 coupled to both lower sides of the lower end of the shin fixing part 100 in a shaft form and supporting the ankle muscular force by being tightly fixed to the foot of the wearer,
And a control unit 300 connected to the shin-joint fixing unit 100 by wire to control the motion of the ankle muscle-assisted robot by receiving the measured signal and adjusting the rotation timing and the rotation angle of the motor. In the intelligent ankle muscle- ,
The shank fixing part 100
A frame body 110 for supporting and protecting the device by combining the three frames in a 'C' shape,
The motor shaft 121 is coupled to the power transmission link 130 through which the left side frame and the right side frame of the frame body are coupled to one side of the upper side of the inner surface facing the left side frame, A power motor 120 for transmitting rotational force,
And is connected to the motor shaft 121 of the power motor 120 passing through the left side of the frame body, receives the rotational force and is rotated in the forward direction or the reverse direction and pushes the vertical 'L' shaped link to rotate the foot fixing part 200 A power transmission link 130,
A sensor unit 140 coupled to the right side of the frame body for detecting a body motion of the wearer during walking and transmitting the sensed information to the control unit 300,
A variable resistance unit 150 protruding from the right side of the ankle rotation shaft 160 and measuring an angle between the shank and the foot and transmitting the measured signal to the control unit 300,
An ankle rotation shaft 160 penetrating both sides of a lower end of the left and right inner surfaces of the frame body to connect the shank fixation unit 100 and the foot fixation unit 200 and transmit the rotation force to the foot fixation unit 200,
And a calf supporting portion (170) which is coupled to the frame body (110) by adjusting the belt length of the length adjusting belt (120).
프레임 본체(110)의 우측 하단 외부방향에 결합된 'ㄱ'자 형상의 프레임으로 가변저항 소자를 지지하는 가변저항 프레임(151)과,
발목 회전축(160)과 연결되어 동일한 속도로 회전하며 착용자의 발목 회전각 및 회전주기 변화를 가변저항 소자에 전달하는 가변저항 축(152)과,
가변저항 프레임(151)의 우측에 결합되고 가변저항 축(152)과 연결되어 가변저항 축(152)의 반복적으로 변화하는 회전각을 감지하여 정강이 고정부(100)와 발등 고정부(200)와의 사이 각도를 측정하고, 보행시 회전되는 발등의 회전각 변화를 측정하는 가변저항 소자(153)로 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 발목 근력 보조 로봇.
The variable resistor unit according to claim 1,
A variable resistive frame 151 for supporting the variable resistive element in a frame of '?' Shape coupled to the lower right end of the frame body 110,
A variable resistance shaft 152 connected to the ankle rotary shaft 160 to rotate at the same speed and to transmit a change in the wearer's ankle rotation angle and rotation period to the variable resistive element,
And is coupled to the right side of the variable resistance frame 151 and connected to the variable resistance shaft 152 to sense the repeatedly varying rotation angle of the variable resistance shaft 152, And a variable resistance element (153) for measuring a change in the rotational angle of the foot, which is rotated when walking.
수직으로 세워지고 회전축이 프레임 본체 좌측에 관통되어 돌출된 발목 회전축(160)과 축 결합되고, 하단부의 우측 방향으로 발목 근력보조판(230)이 결합된 수직형 'L'자 링크(210)와,
수평으로 누워지고 후단부가 길이방향으로 발목 회전축(160)의 중앙에 관통되어 형성되고, 전단부가 좌측방향으로 수직형 'L'자 링크(210)의 하단부와 마주보며 발목 근력보조판(230)이 결합된 수평형 'L'자 링크(220)와,
직사각형상의 판으로 마주보는 수직형 'L'자 링크(210)의 하단부와 수평형 'L'자 링크(220)의 전단부의 내측면에 결합되어 회전되며 착용자의 보행주기마다 발등을 하단방향으로 밀어주며 회전력을 가하여 발목에 작용하는 근력을 보조해주고 복귀되는 반복현상이 이루어져 보행주기에 따라 발목근력을 보조해주는 발목 근력보조판(230)과,
발목 근력보조판(230)의 전면에 결합되고 착용자의 신발에 4단계로 결합되어 발목 근력보조판(230)이 신발에 밀착되도록 하는 신발 지지부(240)로 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 발목 근력 보조 로봇.
The footrest according to claim 1,
A vertical 'L' shaped link 210 which is vertically erected and is pivotally connected to an ankle rotation axis 160 protruding from a rotating shaft through a left side of the frame body and coupled with an ankle muscle strength assisting plate 230 in a right side direction of a lower end,
L "shaped link 210 in the left direction, and the ankle muscle supporting plate 230 is coupled with the lower end of the 'L' L "-shaped links 220,
L "-shaped link 210 facing the rectangular plate and the inner surface of the front end of the horizontal" L "-shaped link 220 and rotated to push the foot lamp in the lower end direction every walk cycle of the wearer Ankle muscle assisting plate 230 for supporting the ankle muscular strength in accordance with the gait cycle by repeating the returning action by supporting the muscular force acting on the ankle by applying a rotational force,
And a shoe support part (240) coupled to the front surface of the ankle muscle aiding plate (230) and coupled to the wearer 's foot in four steps to allow the ankle muscle aiding plate (230) to come into close contact with the shoe.
일정한 패턴으로 감지되는 보행 주기별 보행 속도 및 보폭 등의 정보를 분석하여 동력 모터의 회전 타이밍 및 회전각을 조절하여 제어하고, 발목근력을 보조할 회전방향을 선택적으로 설정하여 제어하고, 정강이와 발등의 사이 각도변화를 분석하여 평지, 오르막 경사면 등의 보행 위치를 판단하여 발목 근력 보조 로봇(1)의 회전반응속도를 제어하도록 근력보조 회전방향 제어모드(311), 회전 타이밍 제어모드(312), 회전각 제어모드(313)로 이루어진 제1 제어모듈(310)이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 발목 근력 보조 로봇.
The apparatus of claim 1, wherein the controller (300)
By controlling information such as the walking speed and stride width of each walking cycle detected by a certain pattern, it is possible to control by controlling the rotation timing and rotation angle of the power motor, selectively controlling the rotation direction to assist the ankle muscle force, A rotation timing control mode 312, a rotation timing control mode 312, and a rotation timing control mode 313, so as to control the rotational reaction speed of the ankle muscle-assisted robot 1 by determining a walking position such as a flat surface and an ascending slope, And a first control module (310) composed of a rotation angle control mode (313).
회전 타이밍에 따라 동력 모터(120)를 정방향으로 회전시켜 동력 전달 링크(130)를 통해 발목근력 보조판(230)이 하단방향으로 회전되도록 하여 착용자의 발등을 하단방향으로 밀어주어 하단방향으로 회전하는 발목근력을 보조해주는 발목내림모드(311a)와,
회전 타이밍에 따라 동력 모터(120)를 역방향으로 회전시켜 동력 전달 링크(130)를 통해 발목근력 보조판(230)이 상단방향으로 회전되도록 하여 착용자의 발등을 상단방향으로 밀어주어 상단방향으로 회전하는 발목근력을 보조해주는 발목올림모드(311b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 발목 근력 보조 로봇.
6. The method according to claim 5, wherein the muscle power assist rotation direction control mode (311)
The power motor 120 is rotated in the forward direction according to the rotation timing so that the ankle muscle aiding plate 230 is rotated in the lower direction through the power transmission link 130 to push the wearer's foot in the lower direction, An ankle lowering mode 311a for assisting muscle strength,
The power motor 120 is rotated in the reverse direction according to the rotation timing so that the ankle muscle aiding plate 230 is rotated in the upper direction through the power transmission link 130 to push the wearer's foot in the upper direction, And an ankle lifting mode (311b) for assisting muscle strength.
착용자가 평지를 보행할 때 가변저항부를 통해 착용자의 정강이와 발등 사잇각을 측정하여 발등의 최대 상승 각이 착용자가 지면에 서있는 상태에서의 기준 각도인 0°를 오차범위 ±3°이내에서 반복적으로 유지하면 자동으로 변경되며 평지에서 발목 근력 보조가 이루어지도록 하는 평지 보행 제어모드(313a)와,
착용자가 오르막 경사면을 보행할 때 가변저항부를 통해 착용자의 정강이와 발등 사잇각을 측정하여 발등의 최대 상승 각이 착용자가 발목 근력 보조 로봇(1)을 착용한 후 지면에 서있는 상태에서의 기준 각도인 0°이상으로 상승되어 (-)각을 반복적으로 유지하면 자동으로 변경되며 오르막 경사면에서 발목 근력 보조가 이루어지도록 하는 오르막 보행 제어모드(313b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 지능형 발목 근력 보조 로봇.
6. The method according to claim 5, wherein the rotation angle control mode (313)
When the wearer walks on the flat surface, the wearer's shin and foot angle are measured through the variable resistance part, and the maximum elevation angle of the foot is repeatedly maintained within the error range of ± 3 °, which is the reference angle in the state where the wearer is standing on the ground A gait control mode 313a for automatically changing an ankle muscle force in the flat area,
When the wearer is walking on an ascending slope, the wearer's shin and foot angle are measured through the variable resistance portion, and the maximum elevation angle of the foot is set to 0 (zero) in a state where the wearer wears the ankle muscle- And an uphill walking control mode (313b) that automatically changes when the (-) angle is repeatedly maintained and the ankle muscular power assistance is performed on the ascending slope.
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