KR101729025B1 - 하지 외골격 로봇용 리프트 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착용자의 근력을 지원하여 무거운 물체를 들어올릴 수 있도록 하는 하지 외골격 로봇용 리프트 장치에 관한 것으로서, 에너지를 사용하지 않고 기계적인 힘을 이용하여 무거운 물체를 쉽게 들어올릴 수 있으며, 제조 비용을 절감하는 데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, 일단이 하지 외골격 로봇에 고정된 판 스프링(11)이 감겨 있고 후크(20)가 구비된 몸체에 회전 가능하게 결합되는 본체(10)와; 상기 판 스프링(11)이 풀리거나 감길 때 상기 본체(10)의 움직임을 제한하도록 상기 본체(11)의 양측에 각각 설치되는 한 쌍의 래칫(12)(13)과; 상기 본체(10)의 양측에 각각 구비된 측판(18)(19)에 회전 가능하게 설치되어 상기 래칫(12)(13)을 구속하는 복수의 래칫 폴(14)과; 상기 본체(10)에 회전 가능하게 설치되고 상기 래칫 폴(14)에 접하는 구동 돌기(16')를 이용하여 래칫 폴(14)을 회동시킴으로써 상기 래칫(12)(13)을 구속하거나 구속을 해제하는 래칫 폴 구동기(16)와; 일측 측판(19)의 외측에 설치되고 와이어(17)를 이용하여 상기 래칫 폴 구동기(16)를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 트리거(15);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하지 외골격 로봇용 리프트 장치{Lifting Apparatus for Exoskeleton Robot of Lower Limb}

본 발명은 착용자의 근력을 지원하여 무거운 물체를 들어올릴 수 있도록 한 외골격 로봇에 설치되는 리프트 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 스프링의 탄성력을 와이어와 래칫 구조로 제어함으로써 동력을 사용하지 않고도 하지 외골격 로봇의 착용자가 무거운 물체를 쉽게 들어올릴 수 있도록 한 하지 외골격 로봇용 리프트 장치에 관한 것이다.

일반적으로 외골격 로봇은, 착용자의 근력을 지원하여 무거운 물체를 들어올리거나 하반신 마비 환자 등이 원활하게 움직일 수 있도록 착용하는 장치로서, 웨어러블 로봇(Wearable Robot), 장갑 로봇 등으로 불리기도 한다.

이러한 외골격 로봇은 처음에는 팔에 장착하여 무거운 포탄을 쉽게 옮길 수 있도록 하는 등 군사용으로 개발되었는데, 근래에는 장애인이나 노인의 움직임을 지원하거나 하반신 마비 환자가 걸을 수 있도록 지원하는 외골격 로봇과 같이 의료용이나 산업용 등 다양한 분야로 확산되고 있다.

산업용이나 군사용으로 개발된 외골격 로봇은 착용자의 근력을 지원하여 무거운 물체를 드는 것이 가능하도록 하며, 특히 하지 외골격 로봇은 중량물의 힘을 지면에 대신 전달해 줌으로써 그 힘을 사람에게 가해지지 않도록 하는 특징이 있다.

이러한 로봇은 다양한 플랫폼을 설치함으로써 여러 가지 작업을 수행할 수 있는데, 착용자의 상지를 이용하여 물건을 들어올릴 때에는 추가적인 플랫폼이 필요하다.

물건을 들어올리기 위한 플랫폼으로는 구동기를 이용하는 것이 대부분이며, 대표적으로는 상지 외골격 로봇을 들 수 있다. 그런데, 상지 외골격 로봇은 큰 하중과 비싼 개발비용의 단점으로 인해 그 활용도가 높지 않다.

한편, 공장이나 기타 시설에서 중량물을 들어올릴 때에는 크레인 시스템이 주로 사용되고 있다.

이러한 크레인 시스템은 전기 모터와 기어비의 조합으로 구동력을 가지게 되며, 들어올릴 수 있는 페이로드(Payload)는 적게는 30kg부터 크게는 10t에 이르고 있다.

그리고, 크레인 시스템에서는 중량물을 들어올린 후 크레인의 위치 이동을 위하여 건물 내부에 설치되어 있는 이동 메커니즘을 사용하게 되는데, 이 또한 전기 모터와 랙 및 피니언의 기어 시스템으로 이루어져 있는 경우가 대부분이다. 이에 따라 전기가 공급되지 않으면, 크레인 시스템을 사용할 수가 없다.

즉, 산업 분야에서 사용되고 있는 크레인 시스템은, 인간이 들기 힘든 무거운 물체들을 쉽게 들어올릴 수는 있지만, 전기 에너지가 없으면 구동이 불가능하고 작업 영역이 제한적이라는 단점이 있다.

또한, 크레인 시스템은 전기 모터와 정밀기어 메커니즘의 조합으로 인해 제품의 단가가 높아지게 되고, 크레인이 설치된 장소 외에서는 사용할 수 없다는 문제가 있다.

한편, 군사, 산업 분야에 사용할 목적으로 개발된 외골격 로봇은, 인간의 근력을 지원하여 일에 대한 능률을 높이기 위한 것으로, 대부분의 외골격 로봇은 구동기와 구동기 작동에 필요한 에너지원을 구비하고 있다.

그러나, 외골격 로봇이 구비하고 있는 에너지원에는 한계가 있으므로, 종래의 외골격 로봇은 구동기의 사용시간이 짧고, 에너지원에 맞게 제한적으로 운용될 수밖에 없다는 단점이 있다.

외골격 로봇과 관련한 선행기술을 조사한 결과 다수의 특허문헌이 검색되었으며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다.

특허문헌 1은, 와이어 구동방식 외골격 로봇에서, 좌우 한 쌍의 제1 조인트 풀리가 각각 외골격 허벅지 프레임과 직동되고 제1 와이어와 연결되며, 제1 와이어에 장력이 주어지면 제1 조인트 풀리와 외골격 허벅지 프레임이 연동하면서 회전하고, 제1 와이어의 장력이 풀리면 제1 조인트 풀리에 설치된 복귀 스프링의 탄성에 의해 복귀운동을 한다. 또한, 좌우 한 쌍의 제2 조인트 풀리가 각각 양면 풀리로 구성되며, 제2 조인트 풀리의 한 면은 제2 와이어와 연결되고, 제2 조인트 풀리의 반대 면은 제3 와이어를 통해 외골격 종아리 프레임과 연결되며, 제2 와이어에 장력이 주어지면 제2 조인트 풀리가 회전하고, 이와 연동하여 제3 와이어에 의해 외골격 종아리 프레임이 회전하며, 제2 와이어의 장력이 풀리면 외골격 종아리 프레임에 설치된 복귀 스프링의 탄성에 의해 복귀운동을 하도록 함으로써, 복귀 스프링에 의해 와이어의 장력이 항상 충분히 유지되어, 와이어의 교체 및 수리가 수월해지도록 한, 와이어 구동방식 외골격 로봇에 관하여 기재하고 있다.

또한, 특허문헌 2는, 관절의 한 방향의 회전은 구동 액추에이터에 연결된 와이어로, 반대 방향의 회전은 관절에 구비된 복귀 스프링으로 구동하도록 함으로써 하나의 구동 액추에이터로 각 관절을 효율적으로 구동할 수 있고, 사용자의 보행동작을 분석하여 큰 토크가 들어가는 구간에서는 와이어가 전달하는 구동 액추에이터의 힘이 관절에 작용하고 작은 토크가 들어가는 구간에서는 관절에 설치된 복귀 스프링이 작용하도록 함으로써 와이어 구동방식 외골격 로봇의 구동효율을 높일 수 있도록 한, 와이어 구동방식 외골격 로봇과 그 구동방법에 관하여 기재하고 있다.

KR 10-2011-0104781 A KR 10-2012-0082219 A

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제한된 외골격 로봇의 에너지를 사용하지 않고 기계적인 힘을 이용하여 무거운 물체를 쉽게 들어올릴 수 있도록 하는 하지 외골격 로봇용 리프트 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 하중이 비교적 작은 하지 외골격 로봇에 유용하게 적용될 수 있고, 단순한 구조로 형성되어 제조 비용을 줄일 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 이동이 가능한 하지 외골격 로봇에 적용되어 작업 장소에 구애받지 않고 사용할 수 있도록 하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일단이 하지 외골격 로봇에 고정된 판 스프링이 감겨 있고 후크가 구비된 몸체에 회전 가능하게 결합되는 본체와; 상기 판 스프링이 풀리거나 감길 때 상기 본체의 움직임을 제한하도록 상기 본체의 양측에 각각 설치되는 한 쌍의 래칫과; 상기 본체의 양측에 각각 구비된 측판에 회전 가능하게 설치되어 상기 래칫을 구속하는 복수의 래칫 폴과; 상기 본체에 회전 가능하게 설치되고 상기 래칫 폴에 접하는 구동 돌기를 이용하여 래칫 폴을 회동시킴으로써 상기 래칫을 구속하거나 구속을 해제하는 래칫 폴 구동기와; 일측 측판의 외측에 설치되고 와이어를 이용하여 상기 래칫 폴 구동기를 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 트리거;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 래칫은, 본체의 일측면에 구비되어 판 스프링이 풀리면서 몸체가 하강할 때 구속되는 제1래칫과, 상기 본체의 타측면에 구비되어 상기 판 스프링이 본체에 감기면서 몸체가 상승할 때 구속되는 제2래칫으로 구비되고, 상기 제1래칫과 제2래칫은 서로 반대 방향의 래칫 톱니를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 래칫 폴 구동기는 더블 클러치 방식으로 구성되어, 상기 트리거를 아래쪽으로 당기면 시계 방향으로 회전하면서 제1래칫은 구속되고 제2래칫의 구속은 해제되도록 하고, 상기 트리거를 위쪽으로 당기면 반시계 방향으로 회전하면서 제1래칫의 구속은 해제하고 제2래칫이 구속되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 래칫 폴은, 상기 래칫 폴 구동기의 구동 돌기가 접촉될 경우 회전되어 상기 래칫를 구속하고, 상기 구동 돌기가 접촉되지 않으면 탄성 회전되어 래칫의 구속을 해제하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 판 스프링의 일단은 하지 외골격 로봇의 상지 쪽에 고정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 에너지원을 필요로 하는 구동기 메커니즘 대신 기계적인 힘을 이용하는 수동형 리프트 구조를 적용함으로써, 에너지원이 불필요하고 외골격 로봇의 에너지 소비에 영향을 주지 않게 되어 외골격 로봇의 가동 시간이 길어지게 되는 효과가 있다.

또한, 모터나 기어와 같은 고가의 부품을 사용하지 않고 판 스프링의 탄성력과 래칫 및 와이어만으로 구동 제어를 하게 되므로, 저렴한 비용으로 제품을 생산할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 하지 외골격 로봇과 같이 사람의 이동을 돕는 이동수단에 쉽게 장착하여 사용할 수 있으므로, 사용장소에 대한 제한을 받지 않는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하지 외골격 로봇용 리프트 장치가 도시된 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 리프트 장치의 작동 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 리프트 장치의 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 리프트 장치의 좌측면도.
도 5는 본 발명의 요부인 제1 래칫의 작동 개념도.
도 6은 본 발명의 요부인 제1 래칫의 하강시 작동 상태도.
도 7은 본 발명의 요부인 제1 래칫의 상승시 작동 상태도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 하지 외골격 로봇용 리프트 장치의 바람직할 실시예를 설명한다.

본 발명에 따른 하지 외골격 로봇용 리프트 장치는, 도 1 내지 7에 도시된 바와 같이, 일단이 하지 외골격 로봇에 고정된 판 스프링(11)이 감겨 있고 후크(20)가 구비된 몸체에 회전 가능하게 결합되는 본체(10)와; 상기 판 스프링(11)이 풀리거나 감길 때 상기 본체(10)의 움직임을 제한하도록 상기 본체(11)의 양측에 각각 설치되는 한 쌍의 래칫(12)(13)과; 상기 본체(10)의 양측에 각각 구비된 측판(18)(19)에 회전 가능하게 설치되어 상기 래칫(12)(13)을 구속하는 복수의 래칫 폴(14)과; 상기 본체(10)에 회전 가능하게 설치되고 상기 래칫 폴(14)에 접하는 구동 돌기(16')를 이용하여 래칫 폴(14)을 회동시킴으로써 상기 래칫(12)(13)를 구속하거나 구속을 해제하는 래칫 폴 구동기(16)와; 일측 측판(19)의 외측에 설치되고 와이어(17)를 이용하여 상기 래칫 폴 구동기(16)를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 트리거(15);를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 래칫은, 본체(10)의 일측면에 구비되어 판 스프링(11)이 풀리면서 몸체가 하강할 때 구속되는 제1래칫(12)과, 상기 본체(10)의 타측면에 구비되어 상기 판 스프링(11)이 본체(10)에 감기면서 몸체가 상승할 때 구속되는 제2래칫(13)으로 구비되고, 상기 제1래칫(12)과 제2래칫(13)에는 래칫 톱니가 서로 반대 방향으로 형성되어 있다.

그리고, 상기 래칫 폴 구동기(16)는 더블 클러치 방식으로 구성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 트리거(15)를 아래쪽으로 당기면 시계 방향으로 회전하면서 제1래칫(12)은 구속되고 제2래칫(13)의 구속은 해제되도록 하고, 상기 트리거(15)를 위쪽으로 당기면 반시계 방향으로 회전하면서 제1래칫(12)의 구속은 해제하고 제2래칫(13)이 구속되도록 한다.

이때, 상기 래칫 폴(14)은 상기 래칫 폴 구동기(16)의 구동 돌기(16')가 접촉될 경우 회전되어 상기 래칫(12)(13)을 구속하고, 상기 구동 돌기(16')가 접촉되지 않으면 탄성 회전되어 래칫(12)(13)의 구속을 해제하도록 구성된다.

한편, 상기 판 스프링(11)의 일단은 하지 외골격 로봇의 상지 쪽에 고정되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 하지 외골격 로봇용 리프트 장치는, 전기적 에너지를 이용하지 않고 판 스프링의 기계적 에너지만을 이용하여 중량물을 쉽게 들어올릴 수 있게 한다.

이하 본 발명에 따른 리프트 장치의 작용 효과를 설명한다.

바닥에 있는 물체를 들어올리기 위해서는, 먼저 트리거(15)를 아래쪽으로 당겨 래칫 폴 구동기(16)를 시계 방향으로 회전시킨다.

그러면, 상기 래칫 폴 구동기(16)의 구동 돌기(16')가 제1래칫(12) 측의 래칫(14)을 밀어 제1래칫(12)의 래칫 톱니에 걸리게 되고, 그로 인해 제1래칫(12)은 구속상태가 된다.

이때, 상기 제1래칫(12)의 반대편에 위치한 제2래칫(13)은 상기 래칫 폴 구동기(16)에 의해 구속이 해제되어, 본체(10)가 시계 방향으로는 자유롭게 회전되지만 반시계 방향으로는 회전할 수가 없다.

이 상태에서 몸체를 하강시키면, 상기 본체(10)가 회전하면서 판 스프링(11)이 풀리게 되는데, 이때 상기 제1래칫(12)이 구속되어 있으므로 상기 판 스프링(11)의 탄성력이 작용하더라도 몸체는 상승하지 않는다.

몸체가 충분히 하강하면 몸체에 구비된 후크(20)에 물체를 연결하여 들어올릴 준비를 한다.

이어서, 상기 트리거(15)를 위쪽으로 당기게 되면, 상기 래칫 폴 구동기(16)가 반시계 방향으로 회전하면서 제1래칫(12)의 구속이 해제되고 제2래칫(13)이 구속된다.

즉, 상기 래칫 폴 구동기(16)가 반시계 방향으로 회전하면서 구동 돌기(16')가 제1래칫(12)측의 래칫 폴(14)로부터 이탈되도록 하면, 상기 래칫 폴(14)이 탄성 회전되어 상기 제1래칫(12)의 래칫 톱니로부터 벗어나게 된다.

따라서 상기 제1래칫(12)은 자유롭게 회전될 수 있는 상태가 되고, 상기 제1래칫(12)의 반대쪽에 위치한 제2래칫(13)은 상기 래칫 폴 구동기(16)에 의해 구속된 상태가 된다.

이 상태에서 몸체를 상측으로 들어올리면, 상기 판 스프링(11)이 탄성력에 의해 본체(10)에 감겨지면서 몸체가 상측으로 이동되게 한다. 이에 따라 작은 힘으로도 물체를 들어올릴 수 있게 된다.

이때, 상기 제2래칫(13)은 구속되어 있으므로, 몸체에 추가적인 힘을 가하지 않더라도 상기 본체(10)가 역회전되어 물체가 하강하는 일은 발생하지 않게 된다.

그리고, 물체를 들어올리기 위하여 몸체에 가하는 힘은, 물체의 중량과 판 스프링(11)의 탄성력 사이의 차이보다 크면 된다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 실시예를 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

본 발명의 리프트 장치는 하지 외골격 로봇 외에 평지에서 이송 작업이 필요한 군사 분야, 각종 공사 현장이나 제조 시설 등에서도 적용이 가능하다.

10...본체
11...판 스프링
12...제1래칫(Rachet)
13...제2래칫
14...래칫 폴(Rachet Pawl)
15....트리거(Trigger)
16...래칫 폴 구동기
16'...구동 돌기
17....와이어(Wire)
18, 19...측판
20...후크(Hook)

Claims (5)

1. 일단이 하지 외골격 로봇에 고정된 판 스프링(11)이 감겨 있고 후크(20)가 구비된 몸체에 회전 가능하게 결합되는 본체(10)와;
   상기 판 스프링(11)이 풀리거나 감길 때 상기 본체(10)의 움직임을 제한하도록 상기 본체(10)의 양측에 각각 설치되는 한 쌍의 래칫(12)(13)과;
   상기 본체(10)의 양측에 각각 구비된 측판(18)(19)에 회전 가능하게 설치되어 상기 래칫(12)(13)을 구속하는 복수의 래칫 폴(14)과;
   상기 본체(10)에 회전 가능하게 설치되고 상기 래칫 폴(14)에 접하는 구동 돌기(16')를 이용하여 래칫 폴(14)을 회동시킴으로써 상기 래칫(12)(13)을 구속하거나 구속을 해제하는 래칫 폴 구동기(16)와;
   일측 측판(19)의 외측에 설치되고 와이어(17)를 이용하여 상기 래칫 폴 구동기(16)를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 트리거(15);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇용 리프트 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 래칫은, 본체(10)의 일측면에 구비되어 판 스프링(11)이 풀리면서 몸체가 하강할 때 구속되는 제1래칫(12)과, 상기 본체(10)의 타측면에 구비되어 상기 판 스프링(11)이 본체(10)에 감기면서 몸체가 상승할 때 구속되는 제2래칫(13)으로 구성되고,
   상기 제1래칫(12)과 제2래칫(13)은 서로 반대 방향의 래칫 톱니를 구비하는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇용 리프트 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 래칫 폴 구동기(16)는 더블 클러치 방식으로 구성되어,
   상기 트리거(15)를 아래쪽으로 당기면, 시계 방향으로 회전하면서 제1래칫(12)은 구속되고 제2래칫(13)의 구속은 해제되도록 하고,
   상기 트리거(15)를 위쪽으로 당기면, 반시계 방향으로 회전하면서 제1래칫(12)의 구속은 해제하고 제2래칫(13)이 구속되도록 하는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇용 리프트 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 래칫 폴(14)은, 상기 래칫 폴 구동기(16)의 구동 돌기(16')가 접촉될 경우 회전되어 상기 래칫(12)(13)을 구속하고, 상기 구동 돌기(16')가 접촉되지 않으면 탄성 회전되어 래칫(12)(13)의 구속을 해제하는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇용 리프트 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 판 스프링(11)의 일단은 하지 외골격 로봇의 상지 쪽에 고정되는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇용 리프트 장치.

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