KR101712722B1

KR101712722B1 - 하지착용형 근력보조로봇

Info

Publication number: KR101712722B1
Application number: KR1020150032453A
Authority: KR
Inventors: 하태준; 박현석
Original assignee: 현대로템 주식회사
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2017-03-07
Also published as: KR20160110590A

Abstract

본 발명은 일측 다리의 고관절 회동부 또는 무릎관절 회동부만 로봇 동역학 해석 방식에 의해 구동을 하고, 적어도 일측 다리의 나머지 관절의 회동부는 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 구동시킴에 따라 두 회동부를 모두 로봇 동역학 해석 방식에 의해 구동되는 종래방식에 비해 간단한 연산만으로 근력보조로봇을 구동할 수 있도록 하는 하지착용형 근력보조로봇에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 하지착용형 근력보조로봇은, 하지에 착용가능하도록 구성된 하지착용형 근력보조로봇으로서, 고관절의 근력을 보조하기 위한 고관절 회동부; 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 무릎관절 회동부; 및 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 고관절 회동부의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 고관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 무릎관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 무릎관절 회동부의 회동을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

Description

하지착용형 근력보조로봇{ROBOT FOR ASSISTING THE MUSCULAR STRENGTH FOR WEARING LOWER BODY}

본 발명은 하지착용형 근력보조로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 일측 다리의 고관절 회동부 또는 무릎관절 회동부만 로봇 동역학 해석 방식에 의해 구동을 하고, 적어도 일측 다리의 나머지 관절의 회동부는 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 구동시킴에 따라 두 회동부를 모두 로봇 동역학 해석 방식에 의해 구동되는 종래방식에 비해 간단한 연산만으로 근력보조로봇을 구동할 수 있도록 하는 하지착용형 근력보조로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 산업현장에서는 무거운 중량의 물체를 들어 옮기거나 들고 있는 상태를 장시간 유지해야 하는 경우가 많다.

이러한 작업은 여러 사람의 인력이 요구되거나 현장 상황에 따라 중장비나 기중기, 도르래 등의 보조장비가 사용되어야 하는 불편이 있다.

그러나, 사람이 직접 작업할 경우에는 높은 작업강도로 인해 작업능률이 낮음은 물론이고 산업재해의 위험이 큰 문제가 있고, 보조장비를 사용할 경우에는 비교적 넓은 이동공간이나 설치공간이 필요하므로 사용범위가 제한적인 문제가 있다.

이러한 문제로 인해 최근에는 모터나 유/공압 실린더 등의 액추에이터를 이용하여 추가적인 힘을 지원할 수 있는 근력보조로봇의 필요성이 대두하고 있다.

근력보조로봇은 액추에이터에 의해 동작하는 관절기구를 사람이 착용하거나 탑승하여 사용하는 것으로서, 액추에이터의 도움으로 사용자가 낼 수 있는 힘보다 훨씬 큰 힘을 낼 수 있도록 해주는 로봇을 의미한다.

한편, 종래의 근력보조로봇의 관절 회동부 제어는 착용자와 근력보조로봇의 상호작용력을 바탕으로 착용자의 동작의도를 추출하여 수식적으로 도출된 동역학식에 의해 유각기 및 입각기의 다리에 해당하는 토크에 근거하여 동작이 이뤄지게 된다.

그러나, 상술한 바와 같이, 근력보조로봇의 물성정보에 의존하는 동역학식 해석 방법은 로봇 제작간, 조립간, 운용간 변경되는 로봇의 물성정보를 정확히 도출하는 것이 현실적으로 불가능하고, 토크에 근거한 동작지령을 생성하기 위한 연산시간이 과다하게 소요되는 문제점이 있었다.

이러한 연산시간의 과다한 소요로 인하여 로봇구동간 시간지연을 유발하게 되고, 이로 인하여 착용자로 하여금 착용상의 이질감으로 느끼게 하는 문제점이 있었다.

[비특허문헌]

로봇-보조형 보행훈련 모델링 및 동역학 해석을 통한 보행훈련 시뮬레이션(한국정밀공학회 2010년도 춘계학술대회논문집)

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 일측 다리의 고관절 회동부 또는 무릎관절 회동부만 로봇 동역학 해석 방식에 의해 구동을 하고, 적어도 일측 다리의 나머지 관절의 회동부는 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 구동시킴에 따라 두 회동부를 모두 로봇 동역학 해석 방식에 의해 구동되는 종래방식에 비해 간단한 연산만으로 근력보조로봇을 구동할 수 있도록 하는 하지착용형 근력보조로봇을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하지착용형 근력보조로봇은, 하지에 착용가능하도록 구성된 하지착용형 근력보조로봇으로서, 고관절의 근력을 보조하기 위한 고관절 회동부; 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 무릎관절 회동부; 및 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 고관절 회동부의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 고관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 무릎관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 무릎관절 회동부의 회동을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하지착용형 근력보조로봇은, 하지에 착용가능하도록 구성된 하지착용형 근력보조로봇으로서, 고관절의 근력을 보조하기 위한 고관절 회동부; 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 무릎관절 회동부; 및 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 고관절 회동부의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 무릎관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 고관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 고관절 회동부의 회동을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하지착용형 근력보조로봇은, 하지에 착용가능하도록 구성되고, 고관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 고관절 회동부 및 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 무릎관절 회동부가 구비된 하지착용형 근력보조로봇으로서, 착용자 발의 지면 접촉여부를 통해 유각기와 입각기를 감지하도록 착용자의 양측 발바닥에 각각 구비된 한 쌍의 접촉감지수단; 및 한 측 다리가 유각기이고, 다른 한 측 다리가 입각기인 것으로 감지된 경우에, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 한 측 다리의 고관절 회동부의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 다른 한 측 다리의 고관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 회동을 제어하고, 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 한 측 다리의 고관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 회동을 제어하며, 상기 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 다른 한 측 다리의 고관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 다른 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 다른 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 회동을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하지착용형 근력보조로봇은, 하지에 착용가능하도록 구성되고, 고관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 고관절 회동부 및 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 무릎관절 회동부가 구비된 하지착용형 근력보조로봇으로서, 착용자 발의 지면 접촉여부를 통해 유각기와 입각기를 감지하도록 착용자의 양측 발바닥에 각각 구비된 한 쌍의 접촉감지수단; 및 한 측 다리가 유각기이고, 다른 한 측 다리가 입각기인 것으로 감지된 경우에, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 복수의 무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 다른 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 회동을 제어하고, 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 한 측 다리의 고관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 한 측 다리의 고관절 회동부의 회동을 제어하며, 상기 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 다른 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 다른 한 측 다리의 고관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 다른 한 측 다리의 고관절 회동부의 회동을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

바람직하게, 상기 하지착용형 근력보조로봇은, 착용자의 허리에 장착되는 허리장착부; 상기 허리장착부의 하부에 회동가능하게 연결되어 착용자의 대퇴부에 장착되는 한 쌍의 대퇴장착부; 및 상기 한 쌍의 대퇴장착부의 하부에 각각 회동가능하게 연결되어 착용자의 정강이부에 장착되는 한 쌍의 정강이장착부;를 포함하여 구성되며, 상기 고관절 회동부는 상기 허리장착부와 상기 대퇴장착부의 사이에 각각 구비되고, 상기 무릎관절 회동부는 상기 대퇴장착부와 상기 정강이장착부의 사이에 각각 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 허리장착부는, 착용자의 허리를 감싸도록 형성된 허리지지대; 및 상기 허리지지대의 일측에 구비되며 양측 하방으로 연장된 복수의 고정링크가 구비된 허리프레임;을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 대퇴장착부는, 상기 고정링크의 단부에 회동가능하게 연결되어 상기 착용자의 대퇴부를 따라 연장된 제1회동링크; 및 상기 제1회동링크에 구비된 대퇴지지대;를 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 정강이장착부는, 상기 제1회동링크의 단부에 고정결합되어 상기 착용자의 정강이부를 따라 연장된 제2회동링크; 및 상기 제2회동링크에 구비된 정강이지지대;를 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 제2회동링크의 단부에 회동가능하게 연결되어 상기 착용자의 발이 위치되는 발장착 프레임;을 더 포함하여 구성되며, 상기 접촉감지수단은 상기 발장착 프레임의 상면에 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 고관절 회동부는, 상기 고정링크과 상기 제1회동링크의 연결부에 구비되며, 상기 고정링크와 상기 제1회동링크 간의 상대회전구동을 위한 제1회전구동수단; 상기 고정링크와 상기 제1회동링크 간의 회전각을 센싱하기 위한 제1회전각센싱수단; 및 상기 고정링크와 상기 제1회동링크 간의 토크를 센싱하기 위한 제1토크센싱수단;을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 무릎관절 회동부는, 상기 제1회동링크과 상기 제2회동링크의 연결부에 구비되며, 상기 제1회동링크와 상기 제2회동링크 간의 상대회전구동을 위한 제2회전구동수단; 상기 제1회동링크와 상기 제2회동링크 간의 회전각을 센싱하기 위한 제2회전각센싱수단; 및 상기 제1회동링크와 상기 제2회동링크 간의 토크를 센싱하기 위한 제2토크센싱수단;을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 고관절 회동부는, 적어도 1축 회전이 가능하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 무릎관절 회동부는, 적어도 1축 회전이 가능하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 제1회동링크와 상기 대퇴지지대의 사이에는 제1힘감지수단이 구비되며, 다른 한 측 다리의 대퇴장착부에 구비된 상기 제1힘감지수단을 통해 상기 제1회동링크와 상기 대퇴지지대 상호간에 가해지는 힘을 감지하고, 상기 힘이 소정 크기 이상인 경우에 상기 힘의 크기에 근거하여 상기 복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블의 회동각 정보를 갱신할 수 있다.

바람직하게, 상기 제2회동링크와 상기 정강이지지대의 사이에는 제2힘감지수단이 구비되며, 다른 한 측 다리의 정강이장착부에 구비된 상기 제2힘감지수단을 통해 상기 제2회동링크와 상기 정강이지지대 상호간에 가해지는 힘을 감지하고, 상기 힘이 소정 크기 이상인 경우에 상기 힘의 크기에 근거하여 상기 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블의 회동각 정보를 갱신할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하지착용형 근력보조로봇의 제어방법은, 하지에 착용가능하도록 구성되고, 고관절의 근력을 보조하기 위한 고관절 회동부 및 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 무릎관절 회동부가 구비된 하지착용형 근력보조로봇의 제어방법으로서, 착용자 발의 지면 접촉여부를 통해 유각기와 입각기를 감지하도록 착용자의 양측 발바닥에 각각 구비된 한 쌍의 접촉감지수단을 통해 한 측 다리가 유각기이고, 다른 한 측 다리가 입각기인 것으로 감지된 경우에, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 고관절 회동부의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 고관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 무릎관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 무릎관절 회동부의 회동을 제어하도록 이뤄진다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하지착용형 근력보조로봇의 제어방법은, 하지에 착용가능하도록 구성되고, 고관절의 근력을 보조하기 위한 고관절 회동부 및 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 무릎관절 회동부가 구비된 하지착용형 근력보조로봇의 제어방법으로서, 착용자 발의 지면 접촉여부를 통해 유각기와 입각기를 감지하도록 착용자의 양측 발바닥에 각각 구비된 한 쌍의 접촉감지수단을 통해 한 측 다리가 유각기이고, 다른 한 측 다리가 입각기인 것으로 감지된 경우에, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 무릎관절 회동부의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 무릎관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 고관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 고관절 회동부의 회동을 제어하도록 이뤄진다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 일측 다리의 고관절 회동부 또는 무릎관절 회동부만 로봇 동역학 해석 방식에 의해 구동을 하고, 적어도 일측 다리의 나머지 관절의 회동부는 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 구동시킴에 따라 두 회동부를 모두 로봇 동역학 해석 방식에 의해 구동되는 종래방식에 비해 간단한 연산만으로 근력보조로봇을 구동할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 일측 다리의 고관절 회동부만 로봇 동역학 해석 방식에 의해 구동을 하고, 일측 다리의 무릎관절 회동부, 타측 다리의 고관절 회동부, 타측 다리의 무릎관절 회동부를 모두 각각의 기저장된 회동각 선도 테이블에 근거하여 구동시킴에 따라 연산량이 획기적으로 줄어들고, 연산시간이 감소되어 근력보조로봇의 제어속도를 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

또한, 향상된 제어속도에 따라 인체로부터 획득된 동작의도를 처리하는 지연시간을 단축시킬 수 있고, 결과적으로는, 착용자로 전달되는 이질감을 감소시킬 수 있다는 이점이 있다.

또한, 복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블을 주기적으로 갱신함에 따라 착용자의 보행패턴에 맞는 제어가 가능하다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇의 착용상태를 도시한 착용상태도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇을 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇을 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇을 도시한 후면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇의 제어구성을 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇의 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇의 복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇의 복수의 무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇의 제어순서를 도시한 순서도이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

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.

본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 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 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 하지착용형 근력보조로봇은, 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 착용자의 하지에 착용가능하도록 구성되고, 고관절의 근력을 보조하기 위한 고관절 회동부(400), 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 무릎관절 회동부(500) 및 상기 고관절 회동부(400)와 무릎관절 회동부(500)를 제어하기 위한 제어부(600)를 포함하여 구성된 하지착용형 근력보조로봇이다.

예를 들어, 상기 제어부(600)는, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 고관절 회동부(400)의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 고관절 회동부(400)의 토크지령값에 대응하는 무릎관절 회동부(500)의 위치지령값을 생성하여 무릎관절 회동부(500)의 회동을 제어하게 된다.

또는, 예를 들어, 상기 제어부(600)는, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 고관절 회동부(400)의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 무릎관절 회동부(500)의 토크지령값에 대응하는 고관절 회동부(400)의 위치지령값을 생성하여 고관절 회동부(400)의 회동을 제어하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 하지착용형 근력보조로봇은, 하지에 착용가능하도록 구성되고, 고관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 고관절 회동부(400) 및 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 무릎관절 회동부(500)가 구비된 하지착용형 근력보조로봇이다.

구체적으로, 상기 하지착용형 근력보조로봇은, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 착용자의 허리에 장착되는 허리장착부(100), 상기 허리장착부(100)의 하부에 회동가능하게 연결되어 착용자의 대퇴부에 장착되는 한 쌍의 대퇴장착부(200), 상기 한 쌍의 대퇴장착부(200)의 하부에 각각 회동가능하게 연결되어 착용자의 정강이부에 장착되는 한 쌍의 정강이장착부(300), 상기 허리장착부(100)와 상기 대퇴장착부(200)의 사이에 각각 구비된 한 쌍의 고관절 회동부(400), 상기 대퇴장착부(200)와 상기 정강이장착부(300)의 사이에 각각 구비된 무릎관절 회동부(500)를 포함하여 구성된다.

상기 허리장착부(100)는 허리지지대(110)와 허리프레임(120)을 포함하여 구성되며, 상기 허리지지대(110)는 착용자의 허리를 감싸도록 형성되고, 상기 허리프레임(120)은 상기 허리지지대(110)의 후방측을 감싸도록 구비되며 양측 하방으로 연장된 복수의 고정링크(121)가 구비된다.

상기 허리지지대(110)는 밸트 형태로 이뤄지고, 전방측에 버클이 구비되어 사용자가 착용/해제하기 용이하도록 구성될 수 있다. 상기 허리프레임(120)은 금속 등과 같은 강성재질로 이뤄진다.

상기 대퇴장착부(200)는 제1회동링크(210)와 대퇴지지대(220)를 포함하여 구성되며, 상기 제1회동링크(210)는 상기 고정링크(121)의 단부에 상기 고관절 회동부(400)를 통해 회동가능하게 연결되어 상기 착용자의 대퇴부를 따라 연장되고, 상기 대퇴지지대(220)는 상기 제1회동링크(210)의 중간부분에 구비된다.

상기 대퇴지지대(220)도 상기 허리지지대(110)와 동일하게 밸트 형태로 이뤄지고, 상기 제1회동링크(210)는 상기 허리프레임(120)과 동일하게 금속 등의 강성재질로 이뤄진다.

한편, 상기 제1회동링크(210)와 상기 대퇴지지대(220)의 연결부분에는 제1힘감지수단(도 6의 '710')이 구비되며, 상기 제1힘감지수단(710)은 제1회동링크(210)와 대퇴지지대(220) 상호간에 가해지는 힘을 감지하게 된다.

상기 고관절 회동부(400)는 상기 고정링크(121)과 상기 제1회동링크(210)를 힌지연결하도록 구성되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1회전구동수단(410), 제1회전각센싱수단(420), 제1토크센싱수단(430)을 포함하여 구성된다.

상기 제1회전구동수단(410)은 상기 고정링크(121)와 상기 제1회동링크(210) 간의 상대회전구동을 위한 수단으로서, 예를 들어, 상기 제1회전구동수단(410)은 회전모터로 구성될 수 있으며, 상기 회전모터의 몸체가 상기 고정링크(121)의 하단에 고정되고, 상기 회전모터의 회전축이 상기 제1회동링크(210)의 상단에 고정된 형태로 구현될 수 있다.

상기 제1회전각센싱수단(420)은 상기 고정링크(121)와 상기 제1회동링크(210) 간의 회전각을 센싱하기 위한 수단으로서, 예를 들어, 상기 제1회전각센싱수단(420)은 엔코더로 구성될 수 있으며, 상기 엔코더에 의해 상기 고정링크(121)를 기준으로 하는 상기 제1회동링크(210)의 회전각을 센싱할 수 있다.

상기 제1토크센싱수단(430)은 상기 고정링크(121)와 상기 제1회동링크(210) 간의 토크를 센싱하기 위한 수단으로서, 예를 들어, 상기 제1토크센싱수단(430)은 토크센서로 구성될 수 있다.

한편, 본 실시예의 고관절 회동부(400)는, 피칭방향의 1축 회전이 가능하도록 구성된 경우에 대해 예시하였지만, 2축 이상, 예를 들어, 피칭축, 롤축, 요잉축과 같이 3축으로 회동 가능하도록 구성될 수 있음은 물론이다.

상기 종아리장착부(300)는 제2회동링크(310)와 종아리지지대(320)를 포함하여 구성되며, 상기 제2회동링크(310)는 상기 제1회동링크(210)의 하단부에 상기 무릎관절 회동부(500)를 통해 회동가능하게 연결되어 상기 착용자의 종아리를 따라 연장되고, 상기 종아리지지대(320)는 상기 제2회동링크(310)와 중간부분에 구비된다.

상기 종아리지지대(320)는 상기 대퇴지지대(220)와 동일하게 밸트 형태로 이뤄지고, 상기 제2회동링크(310)는 상기 제1회동링크(210)와 동일하게 금속 등의 강성재질로 이뤄진다.

한편, 상기 제2회동링크(310)와 상기 종아리지지대(320)의 연결부분에는 제2힘감지수단(도 6의 '720')이 구비되며, 상기 제2힘감지수단(720)은 제2회동링크(310)와 종아리지지대(320) 상호간에 가해지는 힘을 감지하게 된다.

상기 무릎관절 회동부(500)는 상기 제1회동링크(210)와 상기 제2회동링크(310)를 힌지연결하도록 구성되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2회전구동수단(510), 제2회전각센싱수단(520), 제2토크센싱수단(530)을 포함하여 구성된다.

상기 제2회전구동수단(510)은 상기 제1회동링크(210)와 상기 제2회동링크(310) 간의 상대회전구동을 위한 수단으로서, 예를 들어, 상기 제2회전구동수단(510)은 회전모터로 구성될 수 있으며, 상기 회전모터의 몸체가 상기 제1회동링크(210)의 하단에 고정되고, 상기 회전모터의 회전축이 상기 제2회동링크(310)의 상단에 고정된 형태로 구현될 수 있다.

상기 제2회전각센싱수단(520)은 상기 제1회동링크(210)와 상기 제2회동링크(310) 간의 회전각을 센싱하기 위한 수단으로서, 예를 들어, 상기 제2회전각센싱수단(520)은 엔코더로 구성될 수 있으며, 상기 엔코더에 의해 상기 제1회동링크(210)를 기준으로 하는 상기 제2회동링크(310)의 회전각을 센싱할 수 있다.

상기 제2토크센싱수단(530)은 상기 제1회동링크(210)와 상기 제2회동링크(310) 간의 토크를 센싱하기 위한 수단으로서, 예를 들어, 상기 제2토크센싱수단(530)은 토크센서로 구성될 수 있다.

한편, 본 실시예의 무릎관절 회동부(500)는, 피칭방향의 1축 회전이 가능하도록 구성된 경우에 대해 예시하였지만, 2축 이상, 예를 들어, 피칭축, 롤축, 요잉축과 같이 3축으로 회동 가능하도록 구성될 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 제2회동링크(310)의 단부에 회동가능하게 연결되어 상기 착용자의 발이 위치되는 발장착 프레임(330)이 구비되며, 상기 발장착 프레임(330)의 상면에는 접촉감지수단(331)이 구비된다.

상기 접촉감지수단(331)은 착용자 발의 지면 접촉여부를 통해 유각기와 입각기를 감지하도록 착용자의 양측 발바닥에 대응하여 상기 발장착 프레임(330)의 상면에 구비되며, 상기 접촉감지수단(331) 압전센서로 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 하지작용형 근력보조로봇은, 상기 접촉감지수단(331)을 통해 감지된 착용자의 걸음 상태(유각기 또는 입각기)에 근거하여 상기 고관절 회동부(400) 및 무릎관절 회동부(500)를 제어하기 위한 제어부(600)가 구비된다.

상기 제어부(600)는, 착용자의 한 측 다리가 유각기이고, 착용자의 다른 한 측 다리가 입각기인 것으로 감지된 경우에 양측의 고관절 회동부(400) 및 양측의 무릎관절 회동부(500)를 제어하게 된다.

구체적으로, 착용자의 한 측 다리가 유각기이고, 착용자의 다른 한 측 다리가 입각기인 것으로 감지되면, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 유각기인 다리의 고관절 회동부(400)의 회동을 제어함과 함께 기저장된 '고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'에 근거하여 유각기인 다리의 무릎관절 회동부(500)의 회동을 제어하게 된다.

예를 들어, 착용자의 왼쪽발에 구비된 접촉감지수단(331)인 압전센서가 가압되지 않고, 착용자의 오른쪽발에 구비된 압전센서가 가압된 상태일 경우, 상기 제어부(600)는 상기 양측의 압전센서를 통해 착용자의 왼다리가 유각기이고, 오른다리가 입각기인 것으로 판단하게 된다.

따라서, 상기 제어부(600)는 왼측 고관절 회동부(400)의 제1토크센싱수단(430)에 의해 센싱되는 토크값을 기준으로 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 왼측 고관절 회동부(400)의 제1회전구동수단(410)의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어하게 된다. 즉, 왼측 고관절 회동부(400)의 제1회전구동수단(410)의 회전토크를 제어하는 것이다. 이때, 상기 제어부(600)는 왼측 고관절 회동부(400)의 제1회전각센싱수단(420)을 통해 왼측 고관절 회동부(400)의 회동각을 전송받는다.

한편, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 고관절 회동부(400)의 제1회전구동수단(410)의 회동을 제어하는 것은 공지의 다양한 로봇의 동역학식을 유도하는 방법이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 뉴튼-오일러(Newton-Euler) 방식 또는 오일러-랑그라지(Euler-Lagrangian) 방식 등이 적용될 수 있다.

그리고, 상기 제어부(600)는 왼측 고관절 회동부(400)의 회동각을 전송받아 '고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'에 근거하여 왼측 무릎관절 회동부(500)의 회동각 위치지령값을 생성하여 제어하게 된다.

구체적으로, 왼측 고관절 회동부(400)의 회동각과 왼측 무릎관절 회동부(500)의 회동각은, 도 7에 도시된 바와 같이, 소정의 패턴으로 선을 그리며 대응하는 관계를 갖게 되는데, 이러한 선도를 고려하여, 왼측 고관절 회동부(400)와 왼측 무릎관절 회동부(500)의 회동각이 상기 선도에 맞춰 대응되도록 제어할 수 있다.

한편, 상기 제어부(600)는 왼측 무릎관절 회동부(500)의 제2회전구동수단(510)의 회동을 제어하는 중에, 왼측 무릎관절 회동부(500)의 정강이장착부(300)에 구비된 제2힘감지수단(720)을 통해 제2회동링크(310)와 정강이지지대(320) 상호간에 가해지는 힘을 전송받으며, 상기 힘이 소정 크기 이상인 경우에 상기 힘의 크기에 근거하여 상기 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블의 회동각 지령 정보를 갱신한다.

구체적으로, 상기 제2힘감지수단(720)이 소정 크기 이상의 힘을 감지한 경우라면, 착용자가 상기 '고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'의 소정 패턴의 선도 범위를 벗어난 형태로 동작하는 것으로 판단되는 것이므로, 이를 고려하여 상기 '고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'을 갱신하여 착용자의 이질감을 최소화하는 것이다.

한편, 상기 제어부(600)는 상기 유각기인 다리의 고관절 회동부(400)의 회동, 상기 유각기인 다리의 무릎관절 회동부(500)의 회동을 제어함과 함께, 기저장된 '복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'에 근거하여 입각기인 다리의 고관절 회동부(400)의 회동을 제어하게 된다.

구체적으로, 상기 제어부(600)는 왼측 고관절 회동부(400)의 회동각을 전송받아 '복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'에 근거하여 오른측 고관절 회동부(400)의 회동각 위치지령값을 생성하여 제어하게 된다.

구체적으로, 왼측 고관절 회동부(400)의 회동각과 오른측 고관절 회동부(400)의 회동각은, 도 8에 도시된 바와 같이, 소정의 패턴으로 선을 그리며 대응하는 관계를 갖게 되는데, 이러한 선도를 고려하여, 양측 고관절 회동부(400)의 회동각이 상기 선도에 맞춰 대응되도록 제어할 수 있다.

한편, 상기 제어부(600)는 오른측 고관절 회동부(400)의 제1회전구동수단(410)의 회동을 제어하는 중에, 오른측 고관절 회동부(400)의 대퇴장착부(200)에 구비된 제1힘감지수단(710)을 통해 제1회동링크(210)와 대퇴지지대(220) 상호간에 가해지는 힘을 전송받으며, 상기 힘이 소정 크기 이상인 경우에 상기 힘의 크기에 근거하여 상기 복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블의 회동각 지령 정보를 갱신한다.

구체적으로, 상기 힘감기수단이 소정 크기 이상의 힘을 감지한 경우라면, 착용자가 상기 '복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'의 소정 패턴의 선도 범위를 벗어난 형태로 동작하는 것으로 판단되는 것이므로, 이를 고려하여 상기 '복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'을 갱신하여 착용자의 이질감을 최소화하는 것이다.

한편, 상기 제어부(600)는 상기 유각기인 다리의 고관절 회동부(400)의 회동, 상기 유각기인 다리의 무릎관절 회동부(500)의 회동 및 상기 입각기인 다리의 고관절 회동부(400)의 회동을 제어함과 함께, 기저장된 '고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'에 근거하여 입각기인 다리의 무릎관절 회동부(500)의 회동을 제어하게 된다.

여기서, 상기 입각기인 다리의 무릎관절 회동부(500)의 회동 제어는 유각기인 다리의 고관절 회동부(400)와 무릎관절 회동부(500)의 관계를 고려한 제어방식과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

한편, 상기에서는 고관절 회동부(400)의 회동을 기준으로 무릎관절 회동부(500)의 회동을 제어하는 경우에 대해 설명하였지만, 무릎관절 회동부(500)의 회동을 기준으로 고관절 회동부(400)의 회동을 제어할 수도 있음은 물론이다.

또한, 상기에서는 유각기인 다리의 고관절 회동부(400)를 기준으로 하여, 유각기인 다리의 무릎관절 회동부(500), 입각기인 다리의 고관절 회동부(400)와 무릎관절 회동부(500)를 제어하는 경우에 대해 설명하였지만, 유각기인 다리의 무릎관절 회동부(500)를 기준으로 하여, 유각기인 다리의 고관절 회동부(400), 입각기인 다리의 무릎관절 회동부(500)와 고관절 회동부(400)를 제어하는 것도 가능함은 물론이다.

즉, 도 7에 도시된 '고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블', 도 8에 도시된 ' 복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블, 도 9에 도시된 '복수의 무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블'을 선택적으로 활용하여 각각의 관계를 적용하여 제어가 가능한 것이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

100:허리장착부 110:허리지지대
120:허리프레임 121:고정링크
200:대퇴장착부 210:제1회동링크
220:대퇴지지대 300:정강이장착부
310:제2회동링크 320:정강이지지대
330:발장착 프레임 331:접촉감지수단
400:고관절 회동부 410:제1회전구동수단
420:제1회전각센싱수단 430:제1토크센싱수단
500:무릎관절 회동부 510:제2회전구동수단
520:제2회전각센싱수단 530:제2토크센싱수단
600:제어부 710:제1힘감지수단
720:제2힘감지수단

Claims

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하지에 착용가능하도록 구성되고, 고관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 고관절 회동부 및 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 무릎관절 회동부가 구비된 하지착용형 근력보조로봇으로서,
착용자 발의 지면 접촉여부를 통해 유각기와 입각기를 감지하도록 착용자의 양측 발바닥에 각각 구비된 한 쌍의 접촉감지수단; 및
한 측 다리가 유각기이고, 다른 한 측 다리가 입각기인 것으로 감지된 경우에, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 한 측 다리의 고관절 회동부의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 다른 한 측 다리의 고관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 회동을 제어하고, 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 한 측 다리의 고관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 회동을 제어하며, 상기 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 다른 한 측 다리의 고관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 다른 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 다른 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 회동을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된 하지착용형 근력보조로봇.
하지에 착용가능하도록 구성되고, 고관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 고관절 회동부 및 무릎관절의 근력을 보조하기 위한 복수의 무릎관절 회동부가 구비된 하지착용형 근력보조로봇으로서,
착용자 발의 지면 접촉여부를 통해 유각기와 입각기를 감지하도록 착용자의 양측 발바닥에 각각 구비된 한 쌍의 접촉감지수단; 및
한 측 다리가 유각기이고, 다른 한 측 다리가 입각기인 것으로 감지된 경우에, 로봇 동역학 해석 방식에 근거하여 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 토크지령값을 생성하여 회동을 제어함과 함께 기저장된 복수의 무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 다른 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 회동을 제어하고, 기저장된 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 한 측 다리의 고관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 한 측 다리의 고관절 회동부의 회동을 제어하며, 상기 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블에 근거하여 상기 다른 한 측 다리의 무릎관절 회동부의 토크지령값에 대응하는 다른 한 측 다리의 고관절 회동부의 위치지령값을 생성하여 다른 한 측 다리의 고관절 회동부의 회동을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된 하지착용형 근력보조로봇.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 하지착용형 근력보조로봇은,
착용자의 허리에 장착되는 허리장착부;
상기 허리장착부의 하부에 회동가능하게 연결되어 착용자의 대퇴부에 장착되는 한 쌍의 대퇴장착부; 및
상기 한 쌍의 대퇴장착부의 하부에 각각 회동가능하게 연결되어 착용자의 정강이부에 장착되는 한 쌍의 정강이장착부;를 포함하여 구성되며,
상기 고관절 회동부는 상기 허리장착부와 상기 대퇴장착부의 사이에 각각 구비되고, 상기 무릎관절 회동부는 상기 대퇴장착부와 상기 정강이장착부의 사이에 각각 구비된 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제5항에 있어서,
상기 허리장착부는,
착용자의 허리를 감싸도록 형성된 허리지지대; 및 상기 허리지지대의 일측에 구비되며 양측 하방으로 연장된 복수의 고정링크가 구비된 허리프레임;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제6항에 있어서,
상기 대퇴장착부는,
상기 고정링크의 단부에 회동가능하게 연결되어 상기 착용자의 대퇴부를 따라 연장된 제1회동링크; 및 상기 제1회동링크에 구비된 대퇴지지대;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제7항에 있어서,
상기 정강이장착부는,
상기 제1회동링크의 단부에 고정결합되어 상기 착용자의 정강이부를 따라 연장된 제2회동링크; 및 상기 제2회동링크에 구비된 정강이지지대;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제8항에 있어서,
상기 제2회동링크의 단부에 회동가능하게 연결되어 상기 착용자의 발이 위치되는 발장착 프레임;을 더 포함하여 구성되며, 상기 접촉감지수단은 상기 발장착 프레임의 상면에 구비되는 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제7항에 있어서,
상기 고관절 회동부는,
상기 고정링크과 상기 제1회동링크의 연결부에 구비되며, 상기 고정링크와 상기 제1회동링크 간의 상대회전구동을 위한 제1회전구동수단; 상기 고정링크와 상기 제1회동링크 간의 회전각을 센싱하기 위한 제1회전각센싱수단; 및 상기 고정링크와 상기 제1회동링크 간의 토크를 센싱하기 위한 제1토크센싱수단;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제8항에 있어서,
상기 무릎관절 회동부는,
상기 제1회동링크과 상기 제2회동링크의 연결부에 구비되며, 상기 제1회동링크와 상기 제2회동링크 간의 상대회전구동을 위한 제2회전구동수단; 상기 제1회동링크와 상기 제2회동링크 간의 회전각을 센싱하기 위한 제2회전각센싱수단; 및 상기 제1회동링크와 상기 제2회동링크 간의 토크를 센싱하기 위한 제2토크센싱수단;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 고관절 회동부는,
적어도 1축 회전이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 무릎관절 회동부는,
적어도 1축 회전이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제7항에 있어서,
상기 제1회동링크와 상기 대퇴지지대의 사이에는 제1힘감지수단이 구비되며,
다른 한 측 다리의 대퇴장착부에 구비된 상기 제1힘감지수단을 통해 상기 제1회동링크와 상기 대퇴지지대 상호간에 가해지는 힘을 감지하고, 상기 힘이 소정 크기 이상인 경우에 상기 힘의 크기에 근거하여 상기 복수의 고관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블의 회동각 정보를 갱신하는 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
제8항에 있어서,
상기 제2회동링크와 상기 정강이지지대의 사이에는 제2힘감지수단이 구비되며,
다른 한 측 다리의 정강이장착부에 구비된 상기 제2힘감지수단을 통해 상기 제2회동링크와 상기 정강이지지대 상호간에 가해지는 힘을 감지하고, 상기 힘이 소정 크기 이상인 경우에 상기 힘의 크기에 근거하여 상기 고관절-무릎관절 회동부의 대응 회동각 선도 테이블의 회동각 정보를 갱신하는 것을 특징으로 하는 하지착용형 근력보조로봇.
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