KR101735214B1 - 하체 보조로봇 - Google Patents

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KR101735214B1
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공경철
우한승
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 사용자의 하체 거동을 보조하는 하체 보조로봇에 관한 것으로, 사용자의 하체 관절에 대한 다-자유도를 허용하여 사용자의 착용감을 향상시키고, 근력이 저하되어 사용자의 양 하지의 중심방향으로 회전되기 쉬운 사용자의 하지에 외전력을 제공하여 보다 안정적이고 자연스러운 사용자의 보행을 보조할 수 있는 하체 보조로봇에 관한 것이다.

Description

하체 보조로봇{Lower-Body Assistance Robot}
본 발명은 하체 보조로봇에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 사용자의 하체 거동을 보조하는 하체 보조로봇에 관한 것으로, 사용자의 하체 관절에 대한 다-자유도를 허용하여 사용자의 착용감을 향상시키고, 근력이 저하되어 양 하지의 중심방향으로 회전(내전)되기 쉬운 사용자의 하지에 외전력을 제공하여 보다 안정적이고 자연스러운 사용자의 보행을 보조할 수 있는 하체 보조로봇에 관한 것이다.
로봇이란 스스로 또는 명령에 의하여 부여된 작업을 처리하거나 작동하는 기계를 의미하며, 최근 다양한 영역에서 광범위하게 사용되고 있다.
이러한 로봇 중 사용자가 착용하여 신체의 움직임을 보조하는 로봇이 다양하게 소개 및 사용되고 있다.
이러한 보조로봇과 관련하여 종래 바퀴 굴림 방식으로 이동 기능을 구비한 로봇들이 사용되었으나, 노면 상태의 제한을 받으므로 이러한 제한으로부터 자유롭기 위하여 사람이나 동물의 주행 동작 또는 움직임을 모방하는 다관절 골격 구조를 갖는 로봇들이 연구 및 소개되고 있다.
또한, 이러한 다관절 골격 구조를 갖는 로봇으로서 사용자가 착용하여 사용자의 하체 거동을 보조하는 하체 보조로봇이 대표적이다.
일반적으로 하체 보조로봇은 전기모터 및 유압구동기와 같은 구동장치로부터 사용자의 보행을 위한 근력에 상응하는 구동력을 제공받아 사용자의 보행을 보조하는 것을 목적으로 한다.
상기 하체 보조로봇은 착용하는 사용자의 하체 기능이 일부 존재하는 경우, 즉, 양 하지 중 하나의 하지의 기능만 상실된 경우, 하체 영역 중 일부 영역의 기능만 상실된 경우, 또는 하체의 움직임은 가능하나 근력 저하를 통해 근력을 보조 받아야 하는 경우와 같이 하체 기능이 완전히 상실된 경우가 아니라면, 상기 하체 보조로봇은 사용자 하체의 관절의 자유도가 어느 정도 허용되는 것이 바람직하다.
만약, 하체의 기능이 기능이 일부 존재하는 사용자가 착용하여 구동되는 상기 하체 보조로봇이 사용자의 관절 자유도가 제한된 상태로 구동될 경우, 사용자의 상기 하체 보조로봇의 착용에 대한 불편함이 유발될 수 있으며, 더 나아가, 상기 하체 보조로봇의 구동 목적이 되는 사용자의 하체뿐만 아니라 하체와 신경 및 근육적으로 연결된 상체의 기관들의 통증이 유발될 수 있다.
따라서, 사용자의 보행을 보조함과 동시에 사용자의 관절 자유도를 적절히 허용할 수 있도록 다관절부의 자유도 조합을 통해 다-자유도를 갖는 하체 보조로봇을 제공하는 것이 바람직하다.
다-자유도를 갖는 하체 보조로봇은 사용자의 하체 영역 중 회전 가능한 영역, 예를 들어, 골반, 고관절 및 무릎 관절 등에 특정 방향의 자유도를 허용할 수 있도록 이에 대응되는 관절부가 특정 방향의 자유도를 갖도록 구성된 로봇으로서, 이러한 다-자유도를 갖는 하체 보조로봇은 사용자 하체의 관절 자유도를 적절히 허용하면서 사용자의 보행 거동을 보조하므로 상기 하체 보조로봇에 대한 사용자의 착용감이 보다 상승될 수 있다.
그러나, 일반적으로 하체의 기능 이상으로 상기 하체 보조로봇을 착용하는 사용자는 양 하지를 보행 방향과 수직한 방향으로 서로 멀어지게 회전시키는 외전근이 약화된 경우가 대부분이며, 이러한 외전근의 약화는 입각기 주행중인 하지가 신체 및 유각기 중인 하지의 하중을 견디지 못하여 양 하지의 중심 방향으로 내전됨으로써 유각기 중인 하지의 골반 영역이 중력 방향으로 내려가는 트렌델렌버그 보행(Trendelenburg gait) 현상을 초래할 수 있다.
이러한, 트렌델렌버그 보행을 신체의 근력 등으로 보정하려고 시도하면 사용자 신체에 부하를 발생시키고 하체 보조로봇의 원래의 목적과 상반되는 결과를 제공할 수 있다.
따라서, 상기 하체 보조로봇은 사용자의 보행을 보조함과 동시에 입각기 주행중인 사용자의 하지의 내전을 방지하여 사용자의 신체에 부하가 발생되는 것을 방지하고 보다 자연스러운 보행 보조가 가능하도록 설계되어야 한다.
그러나, 앞서 설명한, 사용자 하체 관절에 다-자유도의 회전을 허용하는 상기 하체 보조로봇은 사용자의 골반 및/또는 고관절 영역의 외전 및 내전에 해당하는 자유도를 허용하나, 상기 하체 보조로봇을 착용하는 사용자는 하체의 근력저하 또는 기능 이상으로 인한 외전력의 약화로 상기 하체 보조로봇의 하중을 감당하지 못하는 것이 일반적이며, 이에 따라 골반 및/또는 고관절 영역이 쉽게 내전되는 문제가 있다.
또한, 상기 하체 보조로봇을 통해 허용된 사용자의 골반 및/또는 고관절 영역의 외전 및 내전에 해당하는 자유도는 상기 하체 보조로봇의 내전 방지 기능과 상충관계(trade-off)이다.
따라서, 사용자 하체의 관절 자유도를 적절히 허용하여 사용자의 보행을 보조함으로써 사용자의 편안한 보행 보조를 가능하게 함과 동시에, 사용자 하지의 내전을 방지하기 위하여 내전 방지를 위한 지지력으로서 외전 토크를 보조하고 이를 통해 사용자 신체의 불편함 또는 통증을 방지하며 보다 자연스러운 보행 거동을 구현할 수 있는 하체 보조로봇이 요구된다.
본 발명은 사용자가 착용하여 사용자의 보행을 보조함과 동시에 사용자의 하체 관절에 대한 다-자유도를 허용하여 사용자의 착용감을 향상시키고, 사용자의 양 하지의 외전력을 보조하여 사용자의 이상 보행 거동을 방지할 수 있는 하체 보조로봇을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 하체 보조로봇은 X-Y 평면상에서 Z축 방향으로 직립한 사용자의 X축 방향 보행 거동을 보조하는 하체 보조로봇으로서, 사용자의 몸통에 착용되고, 전원 및 제어신호를 제공하기 위한 본체부, 상기 본체부에 장착되어 X축 방향과 평행한 롤축(ROLL AXIS) 중심의 회전 자유도를 갖는 한 쌍의 골반부재, 상기 골반부재에 장착되고 X축 방향 보행을 위한 Y축 방향과 평행한 피치축(PITCH AXIS) 중심의 회전 자유도를 가지며, 하체 보조로봇을 구동하기 위한 구동장치에 의해 회전 구동되는 한 쌍의 고관절부, 상기 고관절부에 일단이 연결되어 상기 고관절부의 구동에 따라 구동되는 한 쌍의 대퇴부재, 상기 대퇴부재의 타단과 상기 구동장치 또는 별도로 구비되는 구동장치에 의하여 구동되는 무릎 관절부를 통해 연결되는 한 쌍의 하퇴부재 및 한 쌍의 상기 골반부재를 연결하며, 상기 골반부재의 롤축 중심의 내측 방향으로의 회전 동작인 내전(內轉)에 대한 복원력을 발생시키는 내전 방지유닛을 포함할 수 있다.
또한, 상기 내전 방지유닛은 가스 스프링이며, 상기 내전 방지유닛은 상기 골반부재의 내전시 상기 가스 스프링의 압축에 의한 반발에 의하여 상기 복원력을 발생시킬 수 있다.
그리고, 상기 내전 방지유닛은 유각기 중인 사용자 다리의 골반 영역에 대응되는 상기 골반부재의 내전에 따른 회전 구동을 상쇄시키는 상기 복원력을 발생시킬 수 있다.
여기서, 한 쌍의 상기 골반부재는 상기 본체부에 각각의 상기 롤축을 회전축으로 힌지 결합되어, 상기 내전 방지유닛에 의하여 제공되는 복원력이 동시에 작용될 수 있다.
이 경우, 한 쌍의 상기 골반부재의 일단은 상기 본체부의 전면 하부에 힌지 결합되고, 한 쌍의 상기 골반부재의 타단은 상기 고관절부가 사용자의 고관절 영역에 위치하여 장착되도록 사용자의 측면 방향으로 절곡되어 연장될 수 있다.
또한, 상기 고관절부는 상기 골반부재에 대해 Z축 방향과 평행한 요축(YAW) 중심의 회전이 가능하도록 상기 골반부재에 장착될 수 있다.
그리고, 상기 고관절부 및 상기 무릎 관절부는 하나의 구동장치에 의하여 구동되며, 상기 무릎 관절부는 상기 구동장치에 의하여 구동되는 대퇴부재 및 상기 고관절부와 상기 무릎 관절부를 연결하는 별도의 링크부재에 의하여 복합 구동될 수 있다.
여기서, 상기 본체부는 상기 구동장치가 구동되기 위한 전원을 상기 구동장치에 공급하는 배터리와, 사용자의 보행의도에 따른 제어신호를 상기 구동장치에 인가하여 상기 하체 보조로봇의 구동을 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 본체부는 사용자의 등 영역에 전면이 대향되도록 착탈 가능한 배낭 형태일 수 있다.
그리고, 상기 하퇴부재의 하부에 장착되어 지면으로부터 상기 하체 보조로봇을 지지하기 위한 발판부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하체 보조로봇에 의하면, 사용자의 보행을 보조함과 동시에 다관절 구조의 자유도 조합을 통해 사용자 하체에 다-자유도를 허용함으로써 상기 하체 보조로봇에 대한 사용자의 불편함을 최소화할 수 있다.
또한, 사용자 하지의 내전 방지를 위한 지지력으로서의 외전 토크를 보조함으로써 입각기 주행중인 사용자 하지가 양 하지의 중심 방향으로 내전되는 것을 방지하여 더욱 자연스러운 사용자의 보행 거동을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하체 보조로봇의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 별도의 구동장치를 통해 구동되는 고관절부 및 무릎 관절부 각각의 일부를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 동일한 구동장치를 공유하여 구동되는 고관절부 및 무릎 관절부 간의 연결관계를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 회전 가능하도록 골반부재에 장착된 고관절부를 도시한다.
도 5는 사용자의 외전근 저하에 따른 트렌델렌버그 보행 및 정상적인 보행을 도시한다.
도 6은 내전 방지유닛을 포함하지 않는 하지 보조로봇 및 본 발명의 일실시예에 따라 내전 방지유닛을 포함하는 하체 보조로봇 각각의 일부 영역을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 내전 방지유닛의 압축에 의한 반발을 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하체 보조로봇의 사시도이다.
본 발명에 따른 하체 보조로봇(100)은 하체의 기능이 정상적이지 않아 자체의 근육으로는 정상적인 보행이 불가능한 사용자가 착용하여 사용자의 정상적인 하체 거동을 보조하는데 그 목적이 있다.
여기서, 상기 하체 보조로봇(100)을 착용하는 사용자는 X-Y 평면상에서 Z축 방향으로 직립한 것을 기준으로 설명될 수 있으며, 따라서, 사용자가 착용하여 사용자의 하체 거동을 보조하는 상기 하체 보조로봇(100)은, X-Y 평면상에서 Z축 방향으로 직립한 사용자의 X축 방향의 보행 거동을 보조하도록 기능할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 하체 보조로봇(100)은 사용자의 몸통에 착용되고 전원 및 제어신호를 제공하기 위한 본체부(110), 상기 본체부(110)에 장착되어 X축 방향과 평행한 롤축(ROLL AXIS, x') 중심의 회전 자유도를 갖는 한 쌍의 골반부재(120a, 120b), 상기 골반부재(120a, 120b)에 장착되고 X축 방향 보행을 위한 Y축 방향과 평행한 피치축(PITCH AXIS, y') 중심의 회전 자유도를 가지며, 하체 보조로봇(100)을 구동하기 위한 구동장치(50a, 50b)에 의해 회전 구동되는 한 쌍의 고관절부(130a, 130b), 상기 고관절부(130a, 130b)에 일단이 연결되어 상기 고관절부(130a, 130b)의 구동에 따라 구동되는 한 쌍의 대퇴부재(140a, 140b), 상기 대퇴부재(140a, 140b)의 타단과 상기 구동장치(50a, 50b) 또는 별도로 구비되는 구동장치(60a, 60b)에 의하여 구동되는 무릎 관절부(150a, 150b)를 통해 연결되는 한 쌍의 하퇴부재(160a, 160b) 및 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)를 연결하며, 상기 골반부재(120a, 120b)의 롤축(x') 중심의 내측 방향으로의 회전 동작인 내전(內轉)에 대한 복원력을 발생시키는 내전 방지유닛(170)을 포함할 수 있다.
상기 본체부(110)는 사용자의 몸통에 착용되어 상기 하체 보조로봇(100)의 중심을 사용자의 중앙인 몸통부에 체결하는 역할을 하며, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)가 장착되어 상기 본체부(110)에 대해 구동되므로 상기 하체 보조로봇(100)의 구동 중심으로서 기능할 수 있다.
또한, 상기 본체부(110)는 상기 하체 보조로봇(100)이 구동하기 위한 전원 및 제어신호를 제공할 수 있으며, 이를 통해, 상기 하체 보조로봇(100)의 사용자의 보행 보조를 위하여 기능할 수 있다.
구체적으로, 상기 본체부(110)는 상기 구동장치(50a, 50b)가 구동되기 위한 전원을 상기 구동장치(50a, 50b)에 공급하는 배터리(115)와, 사용자의 보행의도에 따른 제어신호를 상기 구동장치(50a, 50b)에 인가하여 상기 하체 보조로봇(100)의 구동을 제어하는 컨트롤러(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 하체 보조로봇(100)을 착용한 사용자의 보행 의도를 판단하여 이에 따른 제어신호를 상기 하체 보조로봇(100)을 구동하는 구동장치(50a, 50b)에 공급할 수 있다.
이를 위해서, 상기 컨트롤러 또는 상기 하체 보조로봇(100)은 사용자의 보행사이클, 즉, 사용자의 하지가 지면을 지지하는 입각기 또는 사용자의 하지가 지면을 지지하지 않고 스윙(swing)하는 유각기인지 여부를 판단하는 보행사이클 감지센서(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기 보행사이클 감지센서가 감지한 사용자의 보행 사이클 상태에 따라 적절한 제어신호를 상기 구동장치(50a, 50b)에 공급하여 사용자의 보행 보조를 가능하게 할 수 있다.
상기 컨트롤러로부터 제어신호가 수신된 상기 구동장치(50a, 50b)는 상기 배터리(115)로부터 전류를 공급받아 구동방향 또는 구동력의 크기를 결정함으로써 상기 하체 보조로봇(100)의 구동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는 사용자의 상태나 보조력의 종류에 따라 수동적인 조작 또는 세팅으로 다양한 옵션이 선택 및 저장되도록 구성될 수 있다.
종래 소개된 하체 보조로봇(100)은 X-Y 평면상에서 Z축 방향으로 직립한 사용자의 X축 보행에 관한 자유도만을 허용하는 경우가 있었다.
상기 하체 보조로봇(100)이 하지유닛 관절의 Y축 방향의 자유도만(다리 유닛의 X축 방향의 보행 자유도를 의미)을 갖도록 설계되는 경우, 하체의 기능이 완전히 상실되어 상기 하체 보조로봇(100)의 구동만으로 하체의 거동을 의존하는 사용자에 대해서는 보다 단순하고 정확한 보행의 보조를 구현할 수 있다.
그러나, 상기 하체 보조로봇(100)을 착용하는 사용자의 하체 기능이 상기한 바처럼 완전히 상실된 것이 아니라 일부 남아있는 경우, 즉, 사용자의 하체 중 하나의 하지 또는 하지 중의 일부 영역에 대한 기능을 상실한 경우나 노인과 같이 하체의 기능이 저하되어 근력의 보조가 필요한 경우라면, 사용자 하체의 보행 방향에 대한 자유도만을 허용하도록 설계된 상기 하체 보조로봇(100)은 사용자에 대한 이질감을 유발할 수 있다.
다시 말해, 상기 하체 보조로봇(100)이 기능의 일부가 남아 있는 사용자에게 제한된 관절의 자유도만 허용되는 경우, 사용자는 이에 따른 상기 하체 보조로봇(100)에 대한 불편함을 느낄 수 있다.
따라서, 상기 하체 보조로봇(100)은 사용자의 보행을 정확하게 보조하면서도 사용자 관절의 기본적인 자유도를 적절히 허용하도록 설계되는 것이 바람직할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 하체 보조로봇(100)은 사용자 하체의 관절 자유도 중 사용자의 보행 방향, 측면방향, 직립한 방향에 대한 자유도를 허용하기 위해, Y축 방향과 평행한 피치축(y') 중심의 회전 자유도, X축 방향과 평행한 롤축(x') 중심의 회전 자유도, Z축 방향과 평행한 요축(z') 중심의 회전 자유도를 갖도록 설계될 수 있으며, 이를 통해, 사용자에게 관절의 3-자유도를 허용하여 사용자의 상기 하체 보조로봇(100)의 구동에 대한 불편함이 최소화되도록 설계될 수 있다.
이러한 상기 하체 보조로봇(100)의 사용자 하체 관절에 대한 3-자유도 허용은 상기 골반부재(120a, 120b) 및 상기 고관절부(130a, 130b) 연결구조의 구성을 통해 가능하다.
우선, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)는 상기 본체부(110)에 장착되어 X축 방향과 평행한 롤축(x') 중심의 회전 자유도를 가지며, 이를 통해, 사용자의 골반영역 또한 X축 방향과 평행한 롤축(x') 중심의 회전 자유도가 허용될 수 있다.
구체적으로, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 일단은 상기 본체부(110)의 전면 하부에 각각의 롤축(x')을 회전축으로 힌지 결합될 수 있으며, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 타단은 사용자의 양측 골반 영역을 감싸도록 사용자의 측면 방향으로 절곡되어 연장될 수 있다.
따라서, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 일단이 힌지 결합된 상기 본체부(110)에 대하여 각각의 롤축(x')을 중심으로 회전 구동될 수 있으며, 이에 따라, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 영역에 위치하는 사용자의 양측 골반영역 또한, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)와 동일한 롤축(x'), 즉, X축과 평행한 축 중심의 회전 자유도가 허용될 수 있다.
여기서, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)는 각각의 롤축(x') 중심의 회전 자유도를 구비하여, 사용자의 실질적인 보행을 위한 필수적인 요소로서 구동되는 것이 아니라 상기 하체 보조로봇(100)의 구동을 통한 사용자의 보행 보조 중 사용자의 보다 자연스러운 하체 거동을 위해 사용자의 보행 상황에 맞게 움직임이 허용될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
일단이 상기 본체부(110)의 전면 하부에 힌지 결합되고, 타단이 사용자의 측면 방향으로 절곡 및 연장되어 사용자의 골반영역을 감싸는 상기 골반부재(120a, 120b)의 타단에는 상기 고관절부(130a, 130b)가 연결될 수 있으며, 이를 통해, 상기 고관절부(130a, 130b)가 사용자의 고관절 영역에 위치될 수 있다.
여기서, 상기 골반부재(120a, 120b)는 상기 본체부(110)로부터 타단이 사용자의 측면 방향으로 절곡되어 형성되므로 상기 고관절부(130a, 130b)의 일단은 상기 골반부재(120a, 120b)의 타단에서 상기 골반부재(120a, 120b)와 수직하게 장착될 수 있으며, 또는, 상기 골반부재(120a, 120b)의 타단으로부터 지면 방향을 향하도록 장착될 수 있다.
그러나, 상기 골반부재(120a, 120b) 및 상기 고관절부(130a, 130b)의 연결구조는, 상기 골반부재(120a, 120b)가 사용자의 골반영역에 위치하며, 상기 고관절부(130a, 130b)가 사용자의 고관절 영역에 위치한 상태에서 연결된 구조라면 특별히 제한되지 않는다.
한 쌍의 상기 고관절부(130a, 130b)는 각각의 상기 골반부재(120a, 120b)에 장착될 수 있으며, 사용자의 X축 방향 보행을 위한 Y축 방향과 평행한 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 가질 수 있다.
여기서, 상기 고관절부(130a, 130b)의 회전 자유도 및 이를 중심으로 하는 회전 구동은 상기 고관절부(130a, 130b)에 포함되어 상기 하체 보조로봇(100)을 구동하기 위한 구동장치(50a, 50b)에 의해 회전 구동되는 회전 구동부재(135a, 135b)에 의해 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 별도의 구동장치를 통해 구동되는 고관절부 및 무릎 관절부 각각의 일부를 도시한다.
도 1 및 도 2의 (a)를 참조하면, 상기 회전 구동부재(135a, 135b)는 일단이 Y축 방향과 평행한 피치축(y')으로 상기 고관절부(130a, 130b)에 힌지 결합됨으로써 상기 고관절부(130a, 130b)에 포함될 수 있으며, 상기 구동장치(50a, 50b)로부터 구동력을 제공받아 상기 고관절부(130a, 130b)에 대해 피치축(y') 중심의 회전 구동을 구현할 수 있다.
따라서, 상기 고관절부(130a, 130b)는 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 가지며, 상기 고관절부(130a, 130b)의 영역에 위치하는 사용자의 고관절 영역의 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 허용할 수 있다.
상기 회전 구동부재(135a, 135b)의 타단에는 사용자의 대퇴영역에 대응되는 대퇴부재(140a, 140b)의 일단이 장착되어 상기 회전 구동부재(135a, 135b)의 회전 구동에 따라 구동될 수 있으며, 상기 대퇴부재(140a, 140b)에 대한 설명은 후술한다.
상기 고관절부(130a, 130b)는 상기한 바로, 상기 회전 구동부재(135a, 135b)의 회전 구동을 통해 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 가지며, 이는, 롤축(x') 중심의 회전 구동을 통해 상기 본체부(110)에 대해 회전 구동되는 상기 골반부재(120a, 120b)와 구동 특성상 차이가 있다.
즉, 상기 골반부재(120a, 120b)는 상기 본체부(110)에 대하여 상기 골반부재(120a, 120b) 자체가 회전 구동됨으로써 상기 하체 보조로봇(100) 및 사용자의 골반 영역에 대한 롤축(x') 중심의 회전 자유도를 허용하는 반면, 상기 골반부재(120a, 120b)에 장착되는 상기 고관절부(130a, 130b)는 상기 고관절부(130a, 130b) 자체가 아닌 상기 회전 구동부재(135a, 135b)의 회전 구동을 통해 상기 하체 보조로봇(100) 및 사용자의 고관절 영역에 대한 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 허용할 수 있다.
따라서, 상기 골반부재(120a, 120b)는 자체의 롤축(x') 중심의 회전 자유도를 통해 해당 영역(사용자의 골반영역)의 회전 자유도를 허용하는 구성으로 이해될 수 있으며, 상기 고관절부(130a, 130b)는 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 통한 상기 회전 구동부재(135a, 135b)의 회전 구동으로 상기 고관절부(130a, 130b)에 대한 상기 대퇴부재(140a, 140b)의 회전각 형성을 통하여 사용자 하체의 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 허용하는 구성으로서 이해될 수 있다.
상기 고관절부(130a, 130b)의 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 통한 회전 구동은 상기 하체 보조로봇(100)의 사용자 보행에 대한 직접적인 보행 보조를 구현할 수 있다.
즉, 상술한 바로, 상기 골반부재(120a, 120b)는 사용자의 보행 사이클 상태에 따라 회전 자유도가 허용되어 사용자의 보다 자연스러운 보행을 구현하게 하는 반면, 상기 고관절부(130a, 130b)는 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 통해 사용자 하체의 피치축(y') 관절 자유도를 허용함과 동시에 상기 구동장치(50a, 50b)에 의한 상기 회전 구동부재(135a, 135b)의 동력적 회전 구동으로 상기 대퇴부재(140a, 140b)를 회전시킬 수 있다.
상기 대퇴부재(140a, 140b)는 사용자의 대퇴영역에 대응되는 구성으로서 상기 고관절부(130a, 130b)에 포함되는 상기 회전 구동부재(135a, 135b)에 일단이 연결되어 상기 회전 구동부재(135a, 135b)의 피치축(y') 중심의 회전 구동에 따라 회전 구동될 수 있다.
상기 대퇴부재(140a, 140b)의 상기 고관절부(130a, 130b)에 대한 구동은 사용자의 고관절 영역에 대한 대퇴영역의 회전각을 형성할 수 있으며, 이를 통해, 사용자의 보행을 구성할 수 있다.
즉, 상기 대퇴부재(140a, 140b)의 상기 고관절부(130a, 130b)에 대한 피치축(y') 중심의 회전 구동은 상기 하체 보조로봇(100)의 보행 방향으로의 보행 영역을 확보하게 함으로 상기 하체 보조로봇(100)을 통한 사용자의 보행 보조에 직접적인 관여를 할 수 있다.
상기 대퇴부재(140a, 140b)의 타단에는 사용자의 무릎 영역에 대응되는 무릎 관절부(150a, 150b)가 연결되어 구동될 수 있으며, 상기 무릎 관절부(150a, 150b)에는 상기 하퇴부재(160a, 160b)의 일단이 연결되어 상기 무릎 관절부(150a, 150b)의 구동에 따라 구동될 수 있다.
상기 무릎 관절부(150a, 150b)는 상기 대퇴부재(140a, 140b)에 타단이 연결되어 상기 대퇴부재(140a, 140b) 및 상기 하퇴부재(160a, 160b) 간의 연결영역을 형성할 수 있으며, 상기 대퇴부재(140a, 140b)에 대하여 구동되어 상기 하퇴부재(160a, 160b)의 구동을 가능하게 할 수 있다.
여기서, 상기 무릎 관절부(150a, 150b)는 상기 고관절부(130a, 130b)를 회전 구동시키는 상기 구동장치(50a, 50b) 또는 상기 구동장치(50a, 50b)와 별도로 구비되는 구동장치(60a, 60b)에 의해 구동될 수 있으며, 상기 고관절부(130a, 130b) 및 상기 무릎 관절부(150a, 150b)가 동일한 구동장치(50a, 50b)를 공유하여 구동되거나 각각의 독립적인 구동장치(50a, 50b, 60a, 60b)를 통해 구동되는지에 따라서 상기 고관절부(130a, 130b)로부터 무릎 관절부(150a, 150b) 간의 골격구조가 상이할 수 있다.
상기 무릎 관절부(150a, 150b)가 상기 고관절부(130a, 130b)와 독립적인 구동장치(50a, 50b, 60a, 60b)를 통해 구동되도록 상기 하체 보조로봇(100)이 설계된 경우, 상기 고관절부(130a, 130b)는 상기 고관절부(130a, 130b) 영역에 구비되는 상기 구동장치(50a, 50b)의 구동을 통해 구동되어 상기 대퇴부재(140a, 140b)의 상기 고관절부(130a, 130b)에 대한 회전 구동을 가능하게 할 수 있으며(도 2의 (a)), 상기 무릎 관절부(150a, 150b)는 상기 무릎 관절부(150a, 150b) 영역에 구비되는 상기 고관절부(130a, 130b)의 구동을 위한 상기 구동장치(50a, 50b)와는 별도의 구동장치(60a, 60b)를 통해 구동되어 상기 무릎 관절부(150a, 150b)에 대한 상기 하퇴부재(160a, 160b)의 회전 구동을 가능하게 할 수 있다(도 2의 (b)).
여기서, 상기 무릎 관절부(150a, 150b)는 상기 하퇴부재(160a, 160b)가 장착되며 상기 구동장치(50a, 50b)에 의해 회전 구동되는 회전 구동부재(155a, 155b)를 포함할 수 있으며, 이는, 상기 고관절부(130a, 130b)의 회전 구동부재(135a, 135b)와 기능이 동일하므로 자세한 설명은 생략될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 동일한 구동장치를 공유하여 구동되는 고관절부 및 무릎 관절부 간의 연결관계를 도시한다.
상기 무릎 관절부(150')는 상기 고관절부(130')를 구동시키는 상기 구동장치(50')를 통해서도 구동될 수 있다.
이 경우, 상기 무릎 관절부(150')는 상기 고관절부(130')를 구동시키는 상기 구동장치(50')를 통해 구동되어야 하므로, 상기 구동장치(50')의 구동력이 상기 무릎 관절부(150')에 전달될 수 있는 골격 구조가 채택되어야 하며, 이는, 상기 대퇴부재(140') 및 상기 고관절부(130')와 상기 무릎 관절부(150')를 연결하는 별도의 링크부재(l)의 복합구동을 통해 가능할 수 있다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 상기 고관절부(130') 및 상기 무릎 관절부(150')가 하나의 상기 구동장치(50')를 통해 구동되는 경우, 상기 고관절부(130')는 동일한 회전축으로 독립적으로 회전 구동되는 제1 회전 구동부재(136) 및 제2 회전 구동부재(137)를 포함할 수 있으며, 상기 구동장치(50')는 상기 제1 회전 구동부재(136) 및 상기 제2 회전 구동부재(137)의 회전 구동에 관여하는 각각의 모터(51a', 51b')를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 회전 구동부재(136)는 상기 대퇴부재(140')의 일단이 장착될 수 있으며, 상기 구동장치(140')를 통한 상기 제1 회전 구동부재(136)의 회전 구동을 통해 상기 대퇴부재(140')의 상기 고관절부(130')에 대한 회전 구동을 가능하게 할 수 있다.
또한, 상기 제2 회전 구동부재(137)는 상기 구동장치(50')로부터 제공되는 구동력이 상기 무릎 관절부(150')로 전달될 수 있도록 타단이 상기 무릎 관절부(150')와 연결되는 상기 링크부재(l)의 일단과 연결될 수 있다.
상기 링크부재(l)는 상기 대퇴부재(140')와 나란한 위치에서 상기 제2 회전 구동부재(136) 및 상기 무릎 관절부(150')와 일단 및 타단이 힌지 결합될 수 있으며, 이를 통해, 상기 링크부재(l)는 상기 구동장치(50')를 통한 상기 제2 회전 구동부재(137)의 회전 구동을 통해 상 또는 하 방향을 지향하도록 견인 구동되어, 상기 대퇴부재(140')에 대한 상기 무릎 관절부(150')의 구동, 즉, 상기 대퇴부재(140') 및 상기 하퇴부재(160')의 골격 구조를 통한 상기 무릎 관절부(150')의 회전각을 형성하여 상기 무릎 관절부(150')에 대한 상기 하퇴부재(160')의 회전 구동을 가능하게 할 수 있다.
하나의 구동장치(50')에 의해 구동되는 상기 고관절부(130') 및 상기 무릎 관절부(150') 구동의 일 예를 도 3을 통해 간략하게 살펴보면, 상기 제1 회전 구동부재(136)는 상기 구동장치(50')를 통해 사용자의 보행 방향으로 회전 구동될 수 있으며, 이를 통해 상기 대퇴부재(140')는 상기 고관절부(130') 대해 사용자의 보행 방향으로 회전 구동될 수 있다.
이어서, 상기 제2 회전 구동부재(137)는 상기 구동장치(50')를 통해 사용자의 보행 반대 방향으로 회전될 수 있으며, 이를 통해 상기 대퇴부재(140')의 구동을 통해 전방으로 위치 변경된 상기 무릎 관절부(150')를 구동시켜 상기 하퇴부재(160')를 상기 무릎 관절부(150')에 대해 사용자의 보행 반대 방향으로 구동시켜 상기 무릎 관절부(150')를 반대방향으로 회전시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 고관절부(130') 및 상기 무릎 관절부(150')는 하나의 구동장치(50')를 통해 동일한 회전축으로 독립적으로 회전 구동되는 상기 제1 회전 구동부재(136) 및 상기 제2 회전 구동부재(137)의 구동과, 이에 따른 상기 대퇴부재(140') 및 상기 링크부재(l)의 복합 구동을 통해 구동될 수 있다.
여기서, 상기 대퇴부재(140') 및 상기 링크부재(l) 각각의 일단은 동일한 회전축으로 회전 구동되는 상기 제1 회전 구동부재(136) 및 상기 제2 회전 구동부재(137)에 연결되고, 각각의 타단은 상기 무릎 관절부(150')에 연결되므로, 상기 대퇴부재(140')의 독립적인 회전 구동만으로도 상기 링크부재(l)는 견인 구동되어 상기 무릎 관절부(150')가 구동될 수 있으며, 또한, 상기 링크부재(l)의 독립적인 회전 구동 만으로도 상기 대퇴부재(140')는 견인 구동되어 상기 무릎 관절부(150')가 구동될 수도 있다.
상술한 바로, 상기 고관절부(130') 및 상기 무릎 관절부(150')가 하나의 상기 구동장치(50')를 통해 구동되거나, 별도의 독립적인 상기 구동장치를 통해 독립적으로 구동되는 것은 상기 링크부재(l)의 유무와 같이 상기 고관절부(130')로부터 상기 무릎 관절부(150')까지의 골격구조 변경을 통해 가능할 수 있다.
상기 고관절부(130')로부터 상기 무릎 관절부(150') 간의 골격구조는 상술한 바와 같이 상기 하체 보조로봇(100)에 구비되는 상기 구동장치(50')의 종류 또는 개수에 따라 상이할 수 있으므로, 이에 대한 더욱 구체적인 설명 및 예시는 생략할 수 있으며, 이하에서는, 본 명세서의 보다 간결한 설명 및 이해를 위해, 도 1 및 도 2에 도시된 바로, 상기 고관절부(130a, 130b) 및 상기 무릎 관절부(150a, 150b)가 각각의 영역에 구비되는 독립적인 상기 구동장치(50a, 50b, 60a, 60b)를 통해 구동되는 것을 일 예로 하여 본 발명에 따른 하체 보조로봇(100)을 설명하기로 한다.
상기 하퇴부재(160a, 160b)의 회전 구동은 상기 대퇴부재(140a, 140b)의 타단 및 상기 하퇴부재(160a, 160b)의 일단의 연결 영역을 제공하는 상기 무릎 관절부(150a, 150b)의 회전각을 형성하며, 상기 무릎 관절부(150a, 150b)의 회전각 형성은 상기 하퇴부재(160a, 160b)의 지면 접촉 또는 미접촉 상태에 따라 상기 하체 보조로봇(100)의 입각기 및 유각기 구동에 따른 보행 형태를 완성할 수 있다.
즉, 상기 하퇴부재(160a, 160b)는 상기 대퇴부재(140a, 140b)를 통해 확보된 상기 하체 보조로봇(100)의 보행 영역 내에서 구동되어 상기 하체 보조로봇(100)의 입각기 또는 유각기 구동을 위한 지면지지 또는 보행 방향의 스윙(swing)동작을 가능하게 하며, 이를 통해 상기 하체 보조로봇(100)의 보행 동작을 완성하게 하는 기능을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 하퇴부재(160a, 160b)의 하부에는 지면으로부터 상기 하체 보조로봇(100)을 지지하기 위한 발판부재(180a, 180b)가 장착될 수 있다.
상기 발판부재(180a, 180b)는 상기 하체 보조로봇(100)의 하중 지지 및 지면 지지에 따라 지면으로부터 전달될 수 있는 지면반력을 상쇄시키기 위하여 탄성력을 갖는 소재로서 구성될 수 있으며, 또한, 상기 하체 보조로봇(100)의 구동 중 보다 유연한 지면지지 및 자연스러운 보행 구현을 위해 X축 방향과 평행한 롤축(x'), Y축 방향과 평행한 피치축(y'), 및 Z축 방향과 평행한 요(YAW)축 중심에 대한 3-자유도를 갖도록 구성될 수도 있다.
여기서, 상기 발판부재(180a, 180b)의 3-자유도는 상기 발판부재(180a, 180b)의 상기 하퇴부재(160a, 160b) 하부에 대한 연결구조 또는 상기 발판부재(180a, 180b)의 내부적인 연결구조를 통해서도 구현 가능할 수 있으며, 이는, 상기 하체 보조로봇(100)의 설계시 다양한 형태로 제공될 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 논외로 할 수 있다.
앞서 설명한 상기 하체 보조로봇(100)은 상기 골반부재(120a, 120b)의 롤축(x') 중심의 회전 자유도 및 상기 고관절부(130a, 130b)의 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 통해 사용자에게 보행 방향, 즉, X축 방향의 주행 방향에 대한 롤축(x') 및 피치축(y') 회전 자유도를 허용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 회전이 가능하도록 골반부재(120a, 120b)에 장착된 고관절부(130a, 130b)를 도시한다.
여기서, 상기 피치축(y') 중심의 회전 자유도로 구동되는 상기 고관절부(130a, 130b)는 피치축(y') 중심의 회전 자유도 뿐만 아니라 Z축 방향과 평행한 요(YAW)축 중심의 회전 자유도 또한 제공할 수 있으며, 이는, 상기 고관절부(130a, 130b)가 상기 골반부재(120a, 120b)에 요축(z') 중심의 회전이 가능하도록 상기 골반부재(120a, 120b)에 장착되는 것으로 구현 가능하다.
상기 골반부재(120a, 120b)에 대한 상기 고관절부(130a, 130b)의 회전은 사용자에 대한 상기 하체 보조로봇(100)의 구동을 통한 직접적인 구현이 아니라, 상기 하체 보조로봇(100)의 지면지지 또는 상기 하체 보조로봇(100)을 착용하는 사용자 하체의 자체적인 회전 자유도에 대한 회전 의지에 따라서만 구현 가능할 수 있으며, 이를 통해, 상기 하체 보조로봇(100)을 착용하는 사용자의 지면지지에 따른 하체의 Z축 방향과 평행한 요축(z') 중심의 내회전 및 외회전에 대한 자유도를 제공하여 상기 하체 보조로봇(100)을 착용하는 사용자에게 상기 하체 보조로봇의 구동에 대한 불편함과 통증을 완화할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명에 따른 하체 보조로봇(100)은 피치축(y') 중심의 회전 자유도를 갖는 상기 고관절부(130a, 130b) 및 상기 무릎 관절부(150a, 150b)의 피치축(y')중심의 구동을 통해 사용자의 보행 방향으로의 보행 보조를 가능하게 할 수 있다.
또한, 상기 고관절부(130a, 130b)는 상기 피치축(y') 중심의 회전 자유도와 함께 요축(z') 중심의 회전 자유도를 사용자에게 허용하며, 상기 골반부재(120a, 120b)는 롤축(x') 중심의 회전 자유도를 사용자에게 허용하므로, 상기 하체 보조로봇(100)은 사용자 하체에 3-자유도(고관절 영역의 피치축(y') 및 요축(z') 중심의 각각의 일 자유도, 골반 영역의 롤축(x') 중심의 일 자유도)를 허용할 수 있다.
이러한, 상기 하체 보조로봇(100)의 사용자 하체에 대한 3-자유도 회전의 허용은 하체의 기능을 완전히 상실하지 않고 일부 기능 또는 근력이 남아있는 사용자에 장착되어 관절 자유도에 대한 사용자의 하체 거동 의도를 반영하면서도 보행 방향으로의 보행 보조를 가능하게 할 수 있으며, 하체의 기능이 완전히 상실된 사용자에게 장착되어서도 정상인의 하체 거동에 따라 수반되는 관절의 자유도를 최대한 모방 가능하므로 보다 자연스러운 사용자의 보행 거동을 가능하게 할 수 있다.
상기 하체 보조로봇(100)을 장착하는 사용자는 하체 근력의 저하 또는 상실로 인해 보행을 목적으로 하는 하체의 근력을 상기 하체 보조로봇(100)으로부터 제공 받을 수 있다.
그러나, 하체 근력이 저하되거나 상실된 상기 하체 보조로봇(100)의 사용자는 보행 방향으로의 관절 회전에 대한 근력 외에도 정상적인 보행 거동을 위해 필수적으로 수반되어야 하는 하체의 기능, 예를 들어, 보행 중 양 하지의 외전에 대한 기능의 이상을 나타낼 수 있다.
도 5는 사용자의 외전근 저하에 따른 트렌델렌버그 보행 및 정상적인 보행을 도시한다.
특히, 정상인의 하체는 보행시 골반의 장골능(腸骨稜, iliac crest)에서 시작해서 대퇴골의 대전자(큰 돌기)에 걸쳐 형성된 중둔근(中臀筋, Musculus　glutaeus　medius)을 통해 유각기 및 입각기를 번갈아 수행하는 양 하지를 중심으로부터 서로 멀어지게 회전하는 운동(외전)을 병행하여 골반의 정상적인 신체 하중의 지지를 구현(도 5의 (b))할 수 있으나, 하체 근력이 저하되거나 상실된 사용자는 중둔근의 약화로 양 하지가 중심 방향으로 가까워지는 운동(내전)이 발생되어 유각기 중인 하지의 골반이 중력 방향으로 내려가는 트렌델렌버그 보행(Trendelenburg gait) 현상(도 5의 (a))을 나타낼 수 있다.
이러한, 트렌델렌버그 보행은 사용자의 요축, 천장관절, 고관절과 무릎 구조에 과부하의 발생을 유발하며, 사용자 하체 관절이 과도하게 마모되는 원인이 될 수 있으므로, 상기 하체 보조로봇(100)이 상기한 바와 같은 사용자의 트렌델렌버그 보행의 방지를 고려하지 않고 설계된다면, 하체의 근력 보조를 필요로 하는 사용자의 더욱 심각한 하체 장애를 유발할 수 있다.
그러나, 상기 하체 보조로봇(100)은 구성부품이 많고 금속 재료가 많이 사용되므로 그 자체의 하중이 존재하고, 이러한 상기 하체 보조로봇(100)의 하중과 골반부재의 구조에 의하여 유각기 동작중인 사용자 하지의 내전 현상을 심화하여 상기한 트렌델렌버그 보행과 같은 이상 보행을 유발 또는 악화시킬 수 있다.
구체적으로, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)는 사용자의 골반 영역을 감싸기 위해 각각의 상기 본체부(110)에 대한 힌지 결합축인 각각의 롤축으로부터 사용자의 골반 영역을 감싸도록 연장되고, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b) 각각으로부터 골격구조를 형성하는 상기 골반부재(130a, 130b) 내지 상기 하퇴부재(160a, 160b)를 구성하는 구성요소들의 무게는 유각기 중인 롤축에 대하여 내전 현상이 발생되도록 회전 토크가 발생될 수 있다.
따라서, 상기 하체 보조로봇(100)의 구동 시, 유각기 중인 사용자 하지에 대응되는 상기 골반부재(120a, 120b)는 상기 골반부재(120a, 120b)에 연결된 상기 고관절부(130a, 130b) 이하의 모든 골격구조를 상기 본체부(110) 상의 롤축을 통해 지지해야 하므로, 상기한 바와 같이 외측으로 치중된 골격 구조의 무게로 인해 롤축을 중심으로 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b) 간의 중심 방향으로 내전될 수 있다.
여기서, 일반적으로 상기 하체 보조로봇(100)을 착용하는 사용자의 유각기 중인 하지는 저하된 근력으로 인해 내전되는 상기 골반부재(120a, 120b)의 하중을 지지하지 못하므로 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전에 의한 회전 토크가 발생될 수 있다.
따라서, 상기 하체 보조로봇(100)은 유각기 중인 사용자 하지에 대응되는 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전을 유발하는 회전토크를 억지하기 위한 지지력 또는 지지토크의 보상이 필요하다.
또한, 상기 하체 보조로봇(100)은 상술한 바와 같이 상기 골반부재(120a, 120b)로부터 형성되는 골격구조의 하중으로 인해 발생되는 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전을 방지하기 위한 목적 외에도, 중둔근과 같은 하체 근육의 저하로 외전 기능이 저하된 사용자의 하체에 사용자의 신체 및 상기 하체 보조로봇(100)의 하중에 따른 내전을 방지하기 위한 외전력을 보조하여 상기 트렌델렌버그 보행을 근본적으로 방지하기 위한 목적으로도 상기 하체 보조로봇(100)은 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전이 방지되도록 설계되는 것이 타당하다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 하체 보조로봇(100)은 앞서 설명한 바와 같이 사용자 하체 관절의 피치축(y'), 롤축(x'), 요축(z') 중심에 대한 3-자유도를 허용함과 동시에, 상기 하체 보조로봇(100)의 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전을 방지하기 위해 상기 내전 방지수단(170)을 포함할 수 있다.
도 6은 내전 방지유닛을 포함하지 않는 하체 보조로봇 및 본 발명의 일실시예에 따라 내전 방지유닛을 포함하는 하체 보조로봇 각각의 일부 영역을 도시한다.
본 발명의 일실시예에 따라 내전 방지유닛(170)을 포함하는 상기 하체 보조로봇(100)에 대해 살펴보기에 앞서, 도 6의 (a)를 참조하여, 상기 내전 방지유닛(170)을 포함하지 않는 상기 하체 보조로봇(100)에 대해 검토한다.
도 6의 (a)를 참조하면, 상기 내전 방지유닛(170)을 포함하지 않는 상기 하체 보조로봇(100)은 전술한 바와 같이, 상기 본체부(110)에 각각의 롤축으로 힌지 결합된 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)를 통하여 롤축 중심의 회전 자유도를 가질 수 있다.
여기서, 상기 골반부재(120a, 120b)의 역할은, 상기 하체 보조로봇(100)을 통해 거동을 보조받는 사용자에게 골반영역의 롤축 중심의 외전 및 내전에 대한 자유도를 허용하는데 있으나, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)는 각각으로부터 골격구조를 형성할 수 있는 상기 고관절부(130a, 130b), 상기 대퇴부재(140a, 140b), 상기 무릎 관절부(150a, 150b) 및 하퇴부재(160a, 160b) 등의 상기 본체부(110)에 대한 구동의 중심축으로서 작용할 수 있다.
구체적으로, 유각기 중인 사용자 하지에 대응되는 상기 골반부재(120b)는 유각기에 따라 스윙(swing)동작을 취하거나 지면으로부터 이격되어 지면을 지지하지 않는 하지의 하중을 상기 본체부(110)로부터 지지해야 하며, 입각기 중인 사용자 하지에 대응되는 상기 골반부재(120a)는 입각기 중인 하지의 지면 지지에 따라 전달될 수 있는 지면반력과 사용자의 신체 및 상기 하체 보조로봇(100)의 하중을 지지해야 한다.
그러나, 유각기 중인 사용자의 하지에 대응되는 상기 골반부재(120b)는 상기 골반부재(120b)와 골격관계를 형성하는 상기 고관절부(130b) 내지 상기 하퇴부재(160b)의 무게를 상기 본체부(110)로부터 지지하면서, 상기 본체부(110) 상에 힌지 축으로 작용하는 롤축으로부터 외측으로 치중된 하중으로 인해 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)간의 중심 방향으로 내전 토크가 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 하체 보조로봇(100)은 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)간을 연결하여, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)가 상호 외전을 지향하도록 하는 상기 내전 방지유닛(170)을 포함할 수 있다.
상기 내전 방지유닛(170)은 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)를 연결하며, 상기 골반부재(120a, 120b)의 롤축(x') 중심의 내측 방향으로의 회전 동작인 내전 토크에 대한 복원력 또는 복원 토크를 발생시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 내전 방지유닛(170)의 압축에 대한 반발을 도시한다.
구체적으로, 상기 내전방지 유닛(170)은 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전에 반발력을 통한 외전력을 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)에 전달함으로써 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전을 방지할 수 있는 구성이라면, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 탄성력을 통해 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b) 간의 반발력을 유발시켜 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)가 상호 외전을 지향하도록 하는 탄성부재를 들 수 있으며, 바람직하게는, 가스 스프링(170) 형태로서 제공될 수 있다.
상기 가스 스프링(170)은, 예를 들어, 일단측이 폐색되고 타단측이 개구되는 실린더(171) 및 상기 실린더(171)의 개구를 통해 상기 실린더(171) 내부를 왕복 운동하는 로드(172)를 포함할 수 있으며, 상기 가스 스프링(170)의 양단, 즉, 상기 실린더(171)의 폐색단 및 상기 로드(172)의 상기 실린더(171)로부터 돌출된 가장 끝단은 각각의 상기 골반부재(120a, 120b)와 힌지 결합되어 한 쌍의 골반부재(120a, 120b)를 상호 연결할 수 있다.
상기 가스 스프링(170)은 양단을 통해 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)를 연결하므로, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b) 중 적어도 하나가 내전될 경우, 상기 로드(172)가 상기 실린더(171) 내부로 삽입되어 상기 실린더(171) 내부의 기체가 압축되고, 기체의 압축에 따른 반발로 상기 실린더(171) 내부로부터 돌출되는 상기 로드(172)를 통해 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)에 외전력 또는 외전토크를 발생시켜 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전을 방지 또는 완화할 수 있다.
이하에서는, 상기 내전 방지유닛(170)이 상기 가스 스프링(170) 형태로서 제공되는 것을 예로 하여 본 발명에 따른 하체 보조로봇(100)을 설명할 수 있으며, 상술한 바로 상기 내전 방지유닛(170)은 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 상호 외전 지향을 보조할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는 바, 이하에서 언급될 상기 가스 스프링(170) 외에 다른 방식의 상기 내전 방지유닛(170)의 상기 하체 보조에 대한 적용도 가능하다는 것을 이해해야 할 것이다.
상기 가스 스프링(170)은 전술한 바와 같이, 상기 고관절부(130a, 130b)와 같이 구동장치(50a, 50b)에 의해 능동적으로 구동되는 것이 아니라, 상기 하체 보조로봇(100)이 사용자의 보행을 보조함에 따른 사용자의 유각기 또는 입각기 보행에 따라 상기 골반부재 등의 회전 자유도에 따른 내전 동작을 복원 또는 보상하기 위한 복원력을 제공할 수 있다.
이러한, 상기 가스 스프링(170)의 복원력 제공은 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b) 각각이 상기 가스 스프링(170)의 양단과 보상 토크가 발생 가능하게 결합되는 방식으로 제공될 수 있다.
상기 가스 스프링(170)은 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전을 통한 상기 실린더(171) 내부의 기체 압축을 통해 이에 따른 반발력을 발생시켜 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전 토크에 대한 복원력 또는 복원 토크를 발생시키므로 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전 지향 특성을 외전 지향 특성으로 변환시킬 수 있다.
즉, 상기 가스 스프링(170)은 유각기 또는 입각기 중인 사용자 다리의 골반 영역에 대응되는 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전에 따른 회전 구동을 상쇄시키는 상기 복원력을 발생시킬 수 있으며, 이를 통해, 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전 지향 특성은 외전 지향 특성으로 변환될 수 있다.
이와 같이, 상기 가스 스프링(170)은 상기 하체 보조로봇(100)의 구동 중 일반적으로 나타날 수 있는 상기 골반부재(120a, 120b)의 내전 현상을 통해 자연스럽게 내전 토크에 대한 복원력 또는 복원 토크를 발생시키므로, 별도의 구동장치가 필요 없이 수동적 구동이 가능하며, 상기 하체 보조로봇(100)의 구동 중 효율의 저하로 이어질 수 있는 구동요소를 통해 자연스럽게 구동 효율을 증가시킬 수 있으므로 상기 하체 보조로봇(100)의 효율성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 가스 스프링(170)의 내부 기체의 압축에 따른 반발력은, 상기 실린더(171) 내부에서 피스톤 운동할 수 있는 상기 로드(172)의 삽입 및 돌출에 따른 선형적인 운동을 발생시키는데, 양단을 통해 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)와의 힌지 결합을 형성하는 상기 가스 스프링(170)의 선형적인 운동 발생은 상기 본체부(110)에 각각의 상기 롤축(x')을 회전축으로 힌지 결합된 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 외전에 대한 회전 운동으로 변환될 수 있다.
또한, 상기 가스 스프링(170)을 통한 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 연결은 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 외전되는 정도를 조절하여 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)가 적절한 각도 범위 내에서 구동되도록 할 수 있다.
즉, 상기 가스 스프링(170)은 상기 로드(172)의 삽입 및 돌출에 따른 길이 범위를 가지므로, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)는, 어느 하나의 골반부재의 내전에 대한 상기 실린더(171) 내부의 기체 압축에 따른 반발로 인해 상기 로드(172)가 돌출될 수 있는 길이와 대응되는 회전각도 만큼 회전 구동될 수 있으므로, 나머지 골반부재의 과도한 외전을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 상기 가스 스프링(170)을 통한 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 연결 및 이를 통한 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b) 중 어느 하나의 내전에 대한 한 쌍의 상기 골반부재의 복원력은 상기 골반부재의 내전을 효과적으로 방지할 수 있으며, 또한, 연결된 타측 골반부재가 과도하게 외전되는 것을 방지하여 상기 하체 보조로봇(100)의 안정적이고 자연스러운 사용자의 보행 보조를 가능하게 할 수 있다.
만약, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)가 하나의 상기 가스 스프링(170)를 통해 상호 연결되어 동시에 외전을 지지받는 구조가 아니라, 각각의 영역에 구비되는 상기 가스 스프링(170), 혹은, 상기 가스 스프링(170) 외에 다른 종류의 상기 내전 방지유닛(170)을 통해 외전을 지지받는 구조라면, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b) 각각은 상호작용 없이 과도하게 외전 보조 토크가 발생되어 자연스러운 보행 자체가 불가능할 수 있다.
따라서, 상기 내전 방지유닛(170)에 의하여 상호 연결된 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)의 견고한 내전 방지는 상기 골반부재(120a, 120b)에 장착되는 상기 고관절부(130a, 130b)의 안정적인 구동을 가능하게 할 수 있다.
더 나아가, 한 쌍의 상기 골반부재(120a, 120b)를 통해 안정적으로 지지된 한 쌍의 상기 고관절부(130a, 130b)의 회전 구동은 한 쌍의 상기 고관절부(130a, 130b)와 연결된 한 쌍의 상기 대퇴부재(140a, 140b) 뿐만 아니라, 이와 연결관계를 형성하는 상기 무릎 관절부(150a, 150b), 상기 하퇴부재(160a, 160b) 및 상기 발판부재(180a, 180b)의 안정적인 구동을 가능하게 함은 당연하다.
앞서 설명한 본 발명에 따른 하체 보조로봇(100)은 사용자 하체 관절의 기본적인 자유도를 적절히 허용함으로써 상기 하체 보조로봇(100)의 구동에 대한 사용자의 불편함을 해소함과 동시에, 사용자의 보행을 효과적으로 보조할 수 있다.
또한, 상기 하체 보조로봇(100)은 상기한 자유도 구성을 포함함과 동시에, 상기 하체 보조로봇(100)의 자유도 구성, 보다 구체적으로, 상기 골반부재(120a, 122b)의 롤축 중심의 회전 자유도와는 상충관계일 수 있는 상기 골반부재(120a, 102b)의 내전 방지 기능을 제공함으로써, 사용자에 대한 상기 하체 보조로봇(100)의 더욱 안정적이며 자연스러운 보행 보조를 가능하게 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 하체 보조로봇 110 : 본체부
120a, 120b : 골반부재 130a, 130b : 고관절부
140a, 140b : 대퇴부재 150a, 150b : 무릎 관절부
160a, 160b : 하퇴부재 170 : 내전 방지유닛

Claims (10)

  1. X-Y 평면상에서 Z축 방향으로 직립한 사용자의 X축 방향 보행 거동을 보조하는 하체 보조로봇에 있어서,
    사용자의 몸통에 착용되고, 전원 및 제어신호를 제공하기 위한 본체부;
    상기 본체부에 장착되어 X축 방향과 평행한 롤축(ROLL AXIS) 중심의 회전 자유도를 갖는 한 쌍의 골반부재;
    상기 골반부재에 장착되고 X축 방향 보행을 위한 Y축 방향과 평행한 피치축(PITCH AXIS) 중심의 회전 자유도를 가지며, 하체 보조로봇을 구동하기 위한 구동장치에 의해 회전 구동되는 한 쌍의 고관절부;
    상기 고관절부에 일단이 연결되어 상기 고관절부의 구동에 따라 구동되는 한 쌍의 대퇴부재;
    상기 대퇴부재의 타단과 상기 구동장치 또는 별도로 구비되는 구동장치에 의하여 구동되는 무릎 관절부를 통해 연결되는 한 쌍의 하퇴부재; 및
    한 쌍의 상기 골반부재를 연결하며, 상기 골반부재의 롤축 중심의 내측 방향으로의 회전 동작인 내전(內轉)에 대한 복원력을 발생시키는 내전 방지유닛;을 포함하고,
    한 쌍의 상기 골반부재의 일단은 상기 본체부의 전면 하부에 상기 롤축을 회전축으로 회전 가능하게 힌지 결합되고, 한 쌍의 상기 골반부재의 타단에 상기 고관절부가 장착되며 상기 고관절부가 사용자의 고관절 영역에 위치하도록 상기 골반부재의 타단은 사용자의 측면 방향으로 절곡되어 연장되고, 상기 고관절부는 상기 골반부재에 대해 Z축 방향과 평행한 요축(YAW) 중심 회전이 가능하도록 상기 골반부재의 타단에 힌지 결합되며,
    상기 내전 방지유닛은 한 쌍의 상기 골반부재의 일단의 하부 영역에 수평하게 장착되는 가스 스프링이며, 한 쌍의 상기 골반부재 중 어느 하나의 골반부재의 내전 방향 회전시 상기 내전 방지유닛의 압축에 의한 반발로 발생되는 복원력은 한 쌍의 골반부재에 함께 작용되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고관절부 및 상기 무릎 관절부는 하나의 구동장치에 의하여 구동되며, 상기 무릎 관절부는 상기 구동장치에 의하여 구동되는 대퇴부재 및 상기 고관절부와 상기 무릎 관절부를 연결하는 별도의 링크부재에 의하여 복합 구동되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는 상기 구동장치가 구동되기 위한 전원을 상기 구동장치에 공급하는 배터리와, 사용자의 보행의도에 따른 제어신호를 상기 구동장치에 인가하여 상기 하체 보조로봇의 구동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는 사용자의 등 영역에 전면이 대향되도록 착탈 가능한 배낭 형태인 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하퇴부재의 하부에 장착되어 지면으로부터 상기 하체 보조로봇을 지지하기 위한 발판부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
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