KR101814676B1 - 소프트 외골격 근력 보조 장치 - Google Patents

소프트 외골격 근력 보조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치는 유체 공급부, 그리고 상기 유체 공급부와 연결되어 다리에 착용되고, 신축 가능한 소재로 형성되어 상기 다리의 움직임을 모방하며, 내측에 유체의 유동이 가능한 섬유관로를 구비하여 상기 유체 공급부로부터 유체가 공급될 경우, 팽창하여 상기 다리를 지지하는 소프트 외골격부를 포함하고, 상기 소프트 외골격부는 그물망 형태로 배치되어 대퇴부 및 경골부를 감싸는 섬유관, 그리고 상기 섬유관의 내측에 배치되고, 미리 설정된 모양의 셀이 복수로 배치된 구조로 형성되어 내측에 상기 섬유관로를 형성하는 섬유 구조물을 포함한다.
본 발명에 의하면, 사용자의 신체에 착용되는 소프트 외골격부를 상변화 특성을 가지는 신축 가능한 메타물질을 이용하여 제작함으로써, 무게와 부피를 최소화하고, 착용 시 소프트 외골격부가 다리의 움직임 패턴을 그대로 재현하여 보다 신속하고 자연스러운 움직임이 가능할 수 있다.

Description

소프트 외골격 근력 보조 장치{WEARABLE SOFT EXOSKELETON APPARATUS}
본 발명은 소프트 외골격 근력 보조 장치에 관한 것이다.
최근에는 산업현장 뿐만 아니라, 장애인 및 노약자의 거동 시 근력을 보조하여 거동을 도와주거나, 근육병 환자를 위한 재활치료용 또는 무거운 군장을 지는 군인용 또는 무거운 짐을 드는 산업현장용 등의 다양한 목적을 갖는 착용형 로봇(wearable robot)의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
일반적으로 이러한 근력 지원을 위한 착용형 로봇은 상지 거동을 위한 상지용 근력 보조 로봇과 하지 거동을 위한 하지용 근력 보조 로봇을 포함할 수 있다. 이 중, 하지용 근력 보조 로봇은 착용자의 다리 힘을 보조하여 보행을 돕는 역할을 하는 로봇을 말한다. 이러한 하지용 근력 보조 로봇은 착용자의 보행 상태를 감지하고, 감지된 보행 상태에 맞는 근력을 보조하도록 구동될 수 있다
그러나, 상기한 하지용 근력 보조 로봇은 다리에 금속성 뼈대를 입히고, 이를 기계의 힘으로 움직이기 때문에, 무게와 부피가 커짐은 물론, 신속한 동작이나 유연한 움직임이 불가능한 문제점이 있었다.
또한, 상기와 같은 이유로 인하여 사용자에게 오히려 큰 체력의 소모나 운동의 제한을 가하는 문제점이 있었다.
등록특허공보 10-1315199호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속성 뼈대 및 기계적 구조를 갖는 근력 보조 로봇 대신, 상변화 특성을 가지는 신축 가능한 메타물질(meta material)을 이용하여 부피가 작고 유연하며, 사용자의 몸에 잘 밀착되어 자연스러운 움직임이 가능한 소프트 외골격 근력 보조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치는 유체 공급부, 그리고 상기 유체 공급부와 연결되어 사용자의 다리에 착용되고, 신축 가능한 소재로 형성되어 다리의 움직임을 모방하며, 내측에 유체의 유동이 가능한 섬유관로를 구비하여 상기 유체 공급부로부터 유체가 공급될 경우, 팽창하여 상기 사용자의 다리를 지지하는 소프트 외골격부를 포함하고, 상기 소프트 외골격부는 그물망 형태로 배치되어 대퇴부 및 경골부를 감싸는 섬유관, 그리고 상기 섬유관의 내측에 미리 설정된 모양의 셀이 서로 연결된 구조로 배치되어 내측에 상기 섬유관로를 복수 개 형성하는 섬유 구조물을 포함한다.
상기 유체 공급부는 상기 소프트 외골격부에 유체를 공급하거나, 상기 소프트 외골격부에 공급된 유체를 회수하는 유체공급장치, 그리고 상기 유체공급장치를 사용자의 신체에 고정시키는 착용부를 포함할 수 있다.
상기 유체공급장치는 상기 착용부 및 상기 소프트 외골격부가 결합되는 거치부, 상기 거치부에 설치되어 유압을 발생시키는 유압모듈, 그리고 상기 유압모듈과 상기 소프트 외골격부를 연결하는 유체공급배관을 포함할 수 있다.
상기 착용부는 상기 유체공급장치와 결합되어 사용자의 허리에 착용 가능한 제1 지지부, 그리고 상기 유체공급장치에 결합되어 사용자의 어깨에 착용 가능한 제2 지지부를 포함할 수 있다.
상기 소프트 외골격부는 상기 대퇴부를 지지하는 제1 소프트 외골격 링크, 상기 경골부를 지지하는 제2 소프트 외골격 링크, 사용자의 발을 지지하고, 사용자의 움직임을 감지하여 상기 유체 공급부의 작동을 제어하는 감지부, 그리고 상기 유체 공급부, 상기 제1 소프트 외골격 링크, 상기 제2 소프트 외골격 링크 및 상기 감지부를 서로 회동 가능하게 연결하는 조인트부를 포함할 수 있다.
상기 소프트 외골격부는 상기 제1 소프트 외골격 링크, 상기 제2 소프트 외골격 링크 및 상기 감지부를 사용자의 신체에 고정시키는 고정장치를 더 포함할 수 있다.
상기 감지부는 상기 제2 소프트 외골격 링크에 회동 가능하게 연결되어 사용자의 발목을 지지하는 제1 지지부, 그리고 사용자의 발바닥에 배치되고 복수 개의 압력센서가 구비되는 제2 지지부를 포함할 수 있다.
상기 신축 가능한 소재는 상변화 (Phase-Change) 특성을 가지는 메타물질(meta material)로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 사용자의 신체에 착용되는 소프트 외골격부를 상변화 특성을 가지는 신축 가능한 메타물질을 이용하여 제작함으로써, 무게와 부피를 최소화하고, 착용 시 소프트 외골격부가 다리의 움직임 패턴을 그대로 재현하여 보다 신속하고 자연스러운 움직임이 가능할 수 있다.
또한, 소프트 외골격부를 유체의 유입에 따라 팽창 및 수축 가능하고, 사용자의 대퇴부 및 경골부를 감싸는 그물망 형태의 섬유관 구조로 형성함으로써, 사용자의 신체를 지지함은 물론, 사용자의 대퇴부 및 경골부를 외부 충격으로부터 보호할 수 있다.
또한, 착용부를 통하여 사용자의 신체에 손쉽게 탈부착이 가능하고, 사용자의 발바닥에 압력을 감지하여 유체공급장치를 제어하는 복수 개의 압력센서를 배치함으로써, 사용자가 거부감 없이 착용 가능하고, 보다 신속하게 사용자의 근력 보조 필요 유무를 파악하여 사용자의 의도대로 정확한 동작을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치를 사용자가 착용한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치의 유체공급장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치의 소프트 외골격부의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 유체의 공급에 따른 소프트 외골격부의 변화과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치의 제2 지지부에 배치된 압력센서의 배치구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치를 사용자가 착용한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치의 유체공급장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치의 소프트 외골격부의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 또한, 도 4는 유체의 공급에 따른 소프트 외골격부의 변화과정을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치의 제2 지지부에 배치된 압력센서의 배치구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소프트 외골격 근력 보조 장치(1)(이하 '소프트 외골격 근력 보조 장치(1)'라 함)는 금속성 뼈대 및 기계적 구조를 갖는 근력 보조 로봇 대신, 상변화 특성을 가지는 신축 가능한 메타물질(meta material)을 이용하여 부피가 작고 유연하며, 사용자의 몸에 잘 밀착되어 자연스러운 움직임이 가능한 소프트 외골격 근력 보조 장치(1)로서, 유체 공급부(10)를 포함한다.
유체 공급부(10)는 사용자(A)의 신체에 착용되어 후술할 소프트 외골격부(20)와 연결되고, 소프트 외골격부(20)로 유입되는 유체, 유체의 압력, 유체의 속도 등을 조절한다.
상세하게는, 유체 공급부(10)는 유체공급장치(11) 및 착용부(13)를 포함할 수 있다.
유체공급장치(11)는 소프트 외골격부(20)에 유체를 공급하거나, 상기 소프트 외골격부(20)에 공급된 유체를 회수할 수 있다.
도1 및 도 2를 참조하면, 유체공급장치(11)는 착용부(13) 및 소프트 외골격부(20)가 결합되는 거치부(111)를 포함할 수 있다. 거치부(111)는 착용부(13)를 통하여 사용자(A)의 허리부위에 배치되고, 내측에 안착홈(미도시) 등이 형성되어 후술할 유압모듈(113)이 거치될 수 있다. 또한, 거치부(111)의 둘레에는 착용부(13) 및 소프트 외골격부(20)와 결합 가능한 결합수단이 형성될 수 있다. 예컨대, 결합수단은 고리 또는 홈 등으로 형성될 수 있다.
또한, 유체공급장치(11)는 거치부(111)에 설치되어 유압을 발생시키는 유압모듈(113)을 포함할 수 있다. 예컨대, 유압모듈(113)은 유압탱크, 유압구동모터, 유압밸브, 유압펌프기어, 구동회로보드, 배터리 팩 등으로 구성될 수 있다. 이와 같은, 유압모듈(113)은 하나의 유압탱크에 복수 개의 유압구동모터, 유압밸브 및 유압펌프기어가 설치되는 일체형 압유 공급 방식이 적용될 수 있다.
또한, 유체공급장치(11)는 유압모듈(113)과 소프트 외골격부(20)를 연결하는 유체공급배관(115)을 포함할 수 있다. 예컨대, 유체공급배관(115)은 하나의 배관으로 구비되어 유체의 유출입이 동시에 이루어지거나, 복수 개로 구비되어 유체의 유출입이 각각 개별적으로 이루어 질 수 있다.
착용부(13)는 유체공급장치(11)를 사용자(A)의 신체에 고정시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 착용부(13)는 유체공급장치(11)의 거치부(111)와 결합되어 사용자(A)의 허리에 착용 가능한 제1 지지부(131)와, 유체공급장치(11)의 거치부(111)에 결합되어 사용자(A)의 어깨에 착용 가능한 제2 지지부(133)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 지지부(131)와 제2 지지부(133)에는 원터치 방식의 체결수단 및 길이조절 수단(미도시)이 구비될 수 있다.
한편, 본 소프트 외골격 근력 보조 장치(1)는 소프트 외골격부(20)를 포함한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 소프트 외골격부(20)는 유체 공급부(10)와 연결되어 사용자(A)의 다리에 착용되고, 신축 가능한 소재로 형성되어 다리의 움직임을 모방하며, 내측에 유체의 유동이 가능한 섬유관로(20c)를 구비하여, 유체 공급부(10)로부터 유체가 공급될 경우, 팽창하여 사용자(A)의 다리를 지지한다.
더 자세하게는, 소프트 외골격부(20)는 내측에 섬유관로(20c)를 구비하는 섬유관(20a) 및 섬유관(20a)의 내측에 배치되어 섬유관로(20c)를 복수 개 형성하는 섬유 구조물(20b)을 포함한다.
섬유관(20a)은 그물망(mesh) 형태로 배치되어 대퇴부(A1) 및 경골부(A2)를 감싸고, 신축 가능한 소재로 형성되어 후술할 섬유 구조물(20b)과 함께 팽창과 수축 운동을 수행한다. 예컨대, 섬유관(20a)은 섬유 구조물(20b)과 함께, 신축 가능한 소재로 형성될 수 있으나, 유체가 유입될 경우, 팽창의 정도를 미리 설정된 임계수치 이내로 제한할 수 있도록 섬유 구조물(20b)에 비하여 층의 두께가 두껍거나, 비탄성 소재가 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
섬유 구조물(20b)은 섬유관(20a)의 내측에 배치되되, 미리 설정된 모양의 셀이 서로 연결된 구조로 배치되어 내측에 섬유관로(20c)를 복수 개 형성한다. 예컨대, 섬유 구조물(20b)을 형성하는 각 셀의 모양은 허니콤(honeycomb), 요각육면체(re-entrant hexagonal honeycomb), 화살촉 구조(arrowhead), 나선형 에어백(air-bag) 등의 모양으로 형성되며, 섬유 구조물(20b)을 형성하는 복수의 셀들은 서로 동일한 크기로 형성되거나, 유체의 압력이 높아지는 부위 또는 지지되는 부위 등에 따라 상호 상이한 크기로 형성될 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 소프트 외골격부(20)는 근육의 수축 및 이완 원리와 동일한 과정(유체공급장치(11)를 통해 섬유관로(20c)에 유체를 적절하게 공급하거나, 공급된 유체를 회수하면서, 소프트 외골격부(20)의 폭과 길이를 조절하는 과정, 예컨대, 근육이 수축된 상태를 모방할 경우에는, 유체를 유입하여 길이는 감소시키고 폭은 증가시키며, 반대로 근육이 이완된 상태를 모방할 경우에는, 유체를 회수하여 길이는 증가시키고 폭은 감소시킬 수 있다.)을 수행하여 다리의 움직임을 모방할 수 있다. 따라서, 근력 보조가 필요할 경우, 유체공급장치(11)로부터 섬유관로(20c)에 유체(F)를 공급하여 소프트 외골격부(20)를 팽창시킴으로써, 사용자(A)의 다리를 지지하고, 반대로, 근력 보조가 필요하지 않을 경우, 유체공급장치(11)로부터 섬유관로(20c)에 공급된 유체(F)를 회수하여 소프트 외골격부(20)를 이완시킴으로써, 사용자(A)의 다리가 자유롭게 움직일 수 있도록 한다.
여기서, 소프트 외골격부(20)를 형성하는 신축 가능한 소재는 상변화 (Phase-Change) 특성을 가지는 메타물질(meta material)로 형성될 수 있다.
또한, 소프트 외골격부(20)는 기능에 따라 대퇴부(A1)를 지지하는 제1 소프트 외골격 링크(21), 경골부(A2)를 지지하는 제2 소프트 외골격 링크(23), 그리고 유체 공급부(10), 제1 소프트 외골격 링크(21), 제2 소프트 외골격 링크(23)를 서로 회동 가능하게 연결하는 조인트부(27)를 포함할 수 있다.
따라서, 본 소프트 외골격 근력 보조 장치(1)는 소프트 외골격부(20)를 복수로 분할하여 신체 부위가 각각 지지되도록 함은 물론, 복수로 분할된 각 소프트 외골격 링크(21, 23)를 조인트부(27)로 연결하여 사용자(A)의 다리 움직임이 보다 자연스럽게 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 본 소프트 외골격 근력 보조 장치(1)는 대퇴부(A1) 및 경골부(A2)의 근력보조뿐만 아니라, 대퇴부(A1) 및 경골부(A2)를 감싸도록 형성되어 외부로부터의 충격을 흡수하는 역할을 동시에 수행할 수 있다.
또한, 소프트 외골격부(20)는 조인트부(27)를 통하여 제2 소프트 외골격 링크(23)에 회동 가능하게 연결되어 사용자(A)의 발을 지지하고, 사용자(A)의 움직임을 감지하여 유체 공급부(10)의 작동을 제어하는 감지부(25)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 감지부(25)는 제2 소프트 외골격 링크(23)에 회동 가능하게 연결되어 사용자(A)의 발목을 지지하는 제1 지지부(251), 그리고 사용자(A)의 발바닥에 배치되고 복수 개의 압력센서(253a)가 구비되는 제2 지지부(253)를 포함할 수 있다.
즉, 제2 지지부(253)에 사용자(A)의 발이 안착되어 복수 개의 압력센서(253a)에 압력이 전달될 경우, 유체공급장치(11)에 구비된 구동회로보드에 압력에 대한 신호가 전달되어 유압구동모터가 구동되고, 이로 인하여 유압탱크의 유압밸브가 개방되어 유압모듈(113)과 소프트 외골격부(20)에 연결되어있는 유체공급배관(115)을 통하여 고압의 유체가 공급된다. 반대로, 구동회로보드에 전달되는 압력에 대한 신호가 미리 설정된 기준치 이하로 떨어질 경우, 구동회로보드는 사용자의 움직임에 부하하중이 더 이상 작용하지 않는 것으로 판단하여 유압밸브를 폐쇄시키고, 소프트 외골격부(20)에 공급된 유체를 회수한다.
또한, 소프트 외골격부(20)는 제1 소프트 외골격 링크(21), 제2 소프트 외골격 링크(23) 및 감지부(25)를 사용자(A)의 신체에 고정시키는 고정장치(29)를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 고정장치(29)는 제1 소프트 외골격 링크(21), 제2 소프트 외골격 링크(23) 및 감지부(25)에 각각 구비되어 신체 부위를 감싸는 스트랩(strap) 구조로 형성되며, 제1 소프트 외골격 링크(21), 제2 소프트 외골격 링크(23) 및 감지부(25)를 사용자(A)의 대퇴부(A1), 경골부(A2), 발목 및 발등에 고정시킬 수 있다.
이처럼 본 발명에 의하면, 사용자(A)의 신체에 착용되는 소트프 외골격부(20)를 상변화 특성을 가지는 신축 가능한 메타물질을 이용하여 제작함으로써, 무게와 부피를 최소화하고, 착용 시 소프트 외골격부(20)가 다리의 움직임 패턴을 그대로 재현하여 보다 신속하고 자연스러운 움직임이 가능할 수 있다.
또한, 소프트 외골격부(20)를 유체의 유입에 따라 팽창 및 수축 가능하고, 사용자(A)의 대퇴부(A1) 및 경골부(A2)를 감싸는 그물망 형태의 섬유관(20a) 구조로 형성함으로써, 사용자(A)의 신체를 지지함은 물론, 사용자(A)의 대퇴부(A1) 및 경골부(A2)를 외부 충격으로부터 보호할 수 있다.
또한, 착용부(13)를 통하여 사용자(A)의 신체에 손쉽게 탈부착이 가능하고, 사용자(A)의 발바닥에 압력을 감지하여 유체공급장치(11)를 제어하는 복수 개의 압력센서(253a)를 배치함으로써, 사용자(A)가 거부감 없이 착용 가능하고, 보다 신속하게 사용자(A)의 근력 보조 필요 유무를 파악하여 사용자(A)의 의도대로 정확한 동작을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 한 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
1. 소프트 외골격 근력 보조 장치
10. 유체 공급부
11. 유체공급장치
111. 거치부 113. 유압모듈
115. 유체공급배관
13. 착용부
131. 제1 지지부 133. 제2 지지부
20. 소프트 외골격부
20a. 섬유관 20b. 섬유 구조물
20c. 섬유관로
21. 제1 소프트 외골격 링크 23. 제2 소프트 외골격 링크
25. 감지부
251. 제1 지지부
253. 제2 지지부 253a. 압력센서
27. 조인트부 29. 고정장치
A. 사용자
A1. 대퇴부 A2. 경골부
F. 유체

Claims (8)

  1. 유체 공급부, 그리고
    상기 유체 공급부와 연결되어 사용자의 다리에 착용되고, 신축 가능한 소재로 형성되어 다리의 움직임을 모방하며, 내측에 유체의 유동이 가능한 섬유관로를 구비하여 상기 유체 공급부로부터 유체가 공급될 경우, 팽창하여 상기 사용자의 다리를 지지하는 소프트 외골격부
    를 포함하고,
    상기 소프트 외골격부는
    그물망 형태로 배치되어 대퇴부 및 경골부를 감싸는 섬유관, 그리고
    상기 섬유관의 내측에 미리 설정된 모양의 셀이 서로 연결된 구조로 배치되어 내측에 상기 섬유관로를 복수 개 형성하는 섬유 구조물
    을 포함하고,
    상기 소프트 외골격부는
    상기 대퇴부를 지지하는 제1 소프트 외골격 링크,
    상기 경골부를 지지하는 제2 소프트 외골격 링크,
    사용자의 발을 지지하고, 사용자의 움직임을 감지하여 상기 유체 공급부의 작동을 제어하는 감지부, 그리고
    상기 유체 공급부, 상기 제1 소프트 외골격 링크, 상기 제2 소프트 외골격 링크 및 상기 감지부를 서로 회동 가능하게 연결하는 조인트부
    를 포함하는 소프트 외골격 근력 보조 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 유체 공급부는
    상기 소프트 외골격부에 유체를 공급하거나, 상기 소프트 외골격부에 공급된 유체를 회수하는 유체공급장치, 그리고
    상기 유체공급장치를 사용자의 신체에 고정시키는 착용부
    를 포함하는 소프트 외골격 근력 보조 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 유체공급장치는
    상기 착용부 및 상기 소프트 외골격부가 결합되는 거치부,
    상기 거치부에 설치되어 유압을 발생시키는 유압모듈, 그리고
    상기 유압모듈과 상기 소프트 외골격부를 연결하는 유체공급배관
    을 포함하는 소프트 외골격 근력 보조 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 착용부는
    상기 유체공급장치와 결합되어 사용자의 허리에 착용 가능한 제1 지지부, 그리고
    상기 유체공급장치에 결합되어 사용자의 어깨에 착용 가능한 제2 지지부
    를 포함하는 소프트 외골격 근력 보조 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 소프트 외골격부는
    상기 제1 소프트 외골격 링크, 상기 제2 소프트 외골격 링크 및 상기 감지부를 사용자의 신체에 고정시키는 고정장치를 더 포함하는 소프트 외골격 근력 보조 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 감지부는
    상기 제2 소프트 외골격 링크에 회동 가능하게 연결되어 사용자의 발목을 지지하는 제1 지지부, 그리고
    사용자의 발바닥에 배치되고 복수 개의 압력센서가 구비되는 제2 지지부
    를 포함하는 소프트 외골격 근력 보조 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 신축 가능한 소재는
    상변화 (Phase-Change) 특성을 가지는 메타물질(meta material)로 형성되는 소프트 외골격 근력 보조 장치.
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