KR101869968B1 - 하지 외골격을 구비한 보행 보조 로봇 - Google Patents

Abstract

하지 외골격을 구비한 보행 보조 로봇이 개시된다. 개시된 보행 보조 로봇은, 사용자의 한 쌍의 다리에 착용되어 한 쌍의 다리가 움직이도록 외력(外力)을 제공하는 한 쌍의 하지 외골격, 및 한 쌍의 하지 외골격을 지지하며, 하지 외골격을 착용한 사용자의 보행 속도 및 보행 방향에 대응되게 진행하는 본체를 구비한다. 한 쌍의 하지 외골격은 각각, 하지 외골격을 착용하고 일어선 사용자의 고관절(coxa)의 위치와 대응되게 위치하며 고관절의 회전 범위와 대응되게 동력 회전 가능한 제1 관절(joint), 사용자의 무릎 관절의 위치와 대응되게 위치하며 무릎 관절의 회전 범위와 대응되게 동력 회전 가능한 제2 관절, 사용자의 발을 지지하는 발판, 제1 관절과 제2 관절을 연결하는 제1 기둥, 및 제2 관절과 발판을 연결하는 제2 기둥을 구비한다. 제1 관절 및 제2 관절은 각각, 전동 모터의 회전 동력에 의해 회전하는 것으로, 제1 기둥 및 제2 기둥의 상단부가 고정 결합되는 브라켓, 및 브라켓의 회전 각도를 제한하는 회전 스토퍼(stopper)를 구비한다.

Description

하지 외골격을 구비한 보행 보조 로봇{Robot for assisting user to walk with lower body exoskeleton}

본 발명은 노약자, 장애인, 환자 등 보행 능력을 상실한 사람의 보행을 보조하고 보행 재활 운동을 돕는 보행 보조 로봇에 관한 것이다.

고령화 사회의 도래와 헬스 케어(health care)에 대한 관심 증대로 인해 노약자, 장애인, 환자 등 보행 능력을 상실한 사람들의 보행을 돕는 보행 보조 장치들이 개시되고 있다. 보행 보조 장치는 일시적으로 보행 능력을 상실한 사람의 보행 능력을 회복시키는 재활 운동을 보조하거나, 영구적으로 보행 능력을 일부 상실한 사람이 혼자서 보행하는 것을 보조한다.

종래의 보행 보조 장치 중에서 사용자의 다리에 착용하는 하지 외골격을 구비하는 보행 보조 로봇이 있다. 그런데, 이러한 하지 외골격을 구비한 종래의 보행 보조 로봇은 하지 외골격의 관절(joint)이 사용자의 고관절 및 무릎 관절의 실제 회전 범위보다 더 큰 범위로 회전하여, 사용자의 다리에 부상을 초래하고 하지 외골격의 고장이 유발될 수 있다. 또한, 하지 외골격을 형성하고 구동하는 구성과 더불어, 하지 외골격을 착용한 사용자의 상태를 감지하기 위한 센서들을 필요로 하므로, 하지 외골격의 구성이 복잡해지고, 센서에 의한 감지의 신뢰성도 낮다는 문제가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1224056호 대한민국 등록특허공보 제10-1305909호

본 발명은 하지 외골격을 구비한 보행 보조 로봇으로서, 하지 외골격을 착용한 사용자의 부상을 예방하도록 하지 외골격의 관절 회전 범위가 제한되는 보행 보조 로봇을 제공한다.

또한 본 발명은, 로드셀(load cell)를 포함하는 바(bar)를 구비한 하지 외골격을 구성하여, 별도의 추가적인 센서 없이 상기 로드셀로 사용자의 보행 상태를 감지하는, 하지 외골격을 구비한 보행 보조 로봇을 제공한다.

본 발명은, 사용자의 한 쌍의 다리에 착용되어 상기 한 쌍의 다리가 움직이도록 외력(外力)을 제공하는 한 쌍의 하지 외골격, 및 상기 한 쌍의 하지 외골격을 지지하며, 상기 하지 외골격을 착용한 사용자의 보행 속도 및 보행 방향에 대응되게 진행하는 본체를 구비하고, 상기 한 쌍의 하지 외골격은 각각, 상기 하지 외골격을 착용하고 일어선 사용자의 고관절(coxa)의 위치와 대응되게 위치하며 상기 고관절의 회전 범위와 대응되게 동력 회전 가능한 제1 관절(joint), 상기 사용자의 무릎 관절의 위치와 대응되게 위치하며 상기 무릎 관절의 회전 범위와 대응되게 동력 회전 가능한 제2 관절, 상기 사용자의 발을 지지하는 발판, 상기 제1 관절과 상기 제2 관절을 연결하는 제1 기둥, 및 상기 제2 관절과 상기 발판을 연결하는 제2 기둥을 구비하고, 상기 제1 관절 및 상기 제2 관절은 각각, 전동 모터, 상기 전동 모터의 회전 동력에 의해 회전하는 것으로, 상기 제1 기둥 및 상기 제2 기둥의 상단부가 고정 결합되는 브라켓, 및 상기 브라켓의 회전 각도를 제한하는 회전 스토퍼(stopper)를 구비한 보행 보조 로봇을 제공한다.

상기 제1 관절의 회전 스토퍼는 상기 제1 관절의 브라켓의 최대 회전 각도를 120 내지 140°로 제한하고, 상기 제2 관절의 회전 스토퍼는 상기 제2 관절의 브라켓의 최대 회전 각도를 80 내지 95°로 제한할 수 있다.

상기 회전 스토퍼에 리미트 스위치(limit switch)가 탑재되고, 상기 브라켓이 회전하여 상기 리미트 스위치가 눌려지면 상기 전동 모터의 회전 샤프트가 정지할 수 있다.

상기 한 쌍의 하지 외골격은 각각, 상기 제2 기둥의 하단부와 상기 발판을 연결하며 회전 가능한 발목 관절을 더 구비할 수 있다.

상기 하지 외골격의 발목 관절은, 상기 발판이 지면(地面)에 닿을 때 충격을 완화하는 완충기(shock absorber)를 포함할 수 있다.

상기 제1 기둥 및 상기 제2 기둥 중 적어도 하나는, 상기 하지 외골격을 착용한 사용자의 다리의 움직임과 상기 하지 외골격의 움직임의 차이로 인한 하중(load)을 감지하는 로드셀(load cell)을 구비하고, 상기 사용자의 다리의 움직임이 상기 하지 외골격의 움직임을 따라가지 못하는 것으로 상기 로드셀이 감지하면, 상기 하지 외골격의 움직임이 상기 사용자의 다리의 움직임을 추종하도록 상기 제1 관절 및 상기 제2 관절 중 적어도 하나의 움직임이 변경될 수 있다.

상기 로드셀에 의해 감지된 하중이 미리 설정된 한계값을 초과하면, 상기 제1 관절 및 상기 제2 관절의 움직임이 정지될 수 있다.

상기 본체가 상기 하지 외골격의 후방에 배치되고, 상기 한 쌍의 하지 외골격은 각각, 상기 제1 기둥에 결합된 것으로, 상기 사용자의 허벅지 배면(背面)을 접촉 지지하여 상기 제1 기둥과 상기 사용자의 대퇴부를 연계하는 허벅지 하네스(harness), 및 상기 제2 기둥에 결합된 것으로, 상기 사용자의 정강이 전면(前面)을 접촉 지지하여 상기 제2 기둥과 상기 사용자의 정강이를 연계하는 정강이 하네스를 더 구비할 수 있다.

상기 한 쌍의 하지 외골격은 각각, 상기 사용자의 엉덩이를 접촉 지지하는 엉덩이 하네스를 더 구비할 수 있다.

상기 제1 기둥 및 상기 제2 기둥 중 적어도 하나는 길이 조정이 가능하게 구성될 수 있다.

본 발명의 보행 보조 로봇은, 상기 본체를 진행시키기 위해 동력 회전하는 구동 휠(wheel)을 더 구비할 수 있다.

상기 한 쌍의 하지 외골격은, 상기 본체에 대해 높이 조정이 가능하고 양 자 사이의 간격 조정이 가능하게 상기 본체에 지지될 수 있다.

본 발명의 보행 보조 로봇은, 눌려지면 상기 한 쌍의 하지 외골격의 움직임을 즉시 정지시키는 긴급 정지 스위치(emergency switch)를 더 구비할 수 있다.

본 발명에 의하면, 노약자, 장애인, 환자 등 보행 능력을 상실한 사람이 다리에 하지 외골격을 착용하고 보행할 수 있으며, 적절한 보행 속도와 보행 강도로 보행 능력 회복을 위한 재활 훈련을 수행할 수 있다.

본 발명의 보행 보조 로봇은, 하지 외골격의 관절의 회전 범위를 기계적으로 제한하는 수단을 구비하여, 오작동으로 인해 하지 외골격을 착용한 사용자가 당할 수 있는 심각한 부상을 예방한다.

본 발명의 보행 보조 로봇은, 로드셀(load cell)를 포함하는 바(bar)를 구비한 하지 외골격을 구성하여, 별도의 추가적인 센서 없이 상기 로드셀로 사용자의 보행 상태를 감지할 수 있다. 따라서, 하지 외골격의 구성이 단순화되고, 원가가 절감된다. 또한, 격렬한 움직임에 불구하고 견고한 보행 보조 로봇을 구성할 수 있어, 동작의 신뢰성이 향상된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 로봇의 사시도로서, 도 1은 전방 상측에서 본 도면이고, 도 2는 후방 상측에서 본 도면이다.
도 3은 도 1의 보행 보조 로봇의 기능 구현을 위한 구성의 일 예를 도시한 블록도이다.
도 4 및 도 5는 도 1 및 도 2의 좌측 하지 외골격의 사시도로서, 도 4는 전방 상측에서 본 도면이고, 도 5는 후방 하측에서 본 도면이다.
도 6은 도 1 및 도 2의 좌측 하지 외골격의 측면도이다.
도 7은 도 4의 제1 관절의 분해 사시도이다.
도 8은 도 4의 제2 관절의 분해 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하지 외골격을 구비한 보행 보조 로봇을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 로봇의 사시도로서, 도 1은 전방 상측에서 본 도면이고, 도 2는 후방 상측에서 본 도면이며, 도 3은 도 1의 보행 보조 로봇의 기능 구현을 위한 구성의 일 예를 도시한 블록도이다. 도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 보행 보조 로봇(10)은 노인, 장애인, 환자 등 보행 능력을 상실한 사용자(미도시)가 보행 운동 또는 보행 재활 훈련을 하도록 보조하는 로봇으로서, 본체(11)와, 상기 본체(11)에 지지되는 좌측 및 우측 하지 외골격(40)을 구비한다. 한 쌍의 하지 외골격(40)은 사용자의 한 쌍의 다리에 착용되어 상기 한 쌍의 다리가 움직이도록 외력(外力)을 제공한다.

본체(11)는 한 쌍의 하지 외골격(40)의 후방에 배치된다. 즉, 사용자가 한 쌍의 하지 외골격(40)을 착용한 상태에서 본체(11)는 상기 사용자의 후방(後方)에 위치한다. 본체(11)는 육면체 형태의 하부 본체(12)와, 하부 본체(12) 위에 이어지고 하부 본체(12)보다 작은 육면체 형태의 상부 본체(14)와, 상기 상부 본체(14)에 대해 승강 가능하게 체결된 하지 외골격 지지체(20)를 구비한다.

상기 하부 본체(12)에는 본체(11)를 진행시키기 위해 동력 회전하는 한 쌍의 구동 휠(wheel)(16)이 구비된다. 하부 본체(12) 내부에는 상기 구동 휠(16)에 동력을 공급하는 전동 모터(motor)가 구비될 수 있다. 본체(11)가 진행 방향을 좌측 또는 우측으로 변환할 수 있도록 한 쌍의 구동 휠(16)이 서로 다른 속도로 회전하거나, 한 쌍의 구동 휠(16)이 상하 방향으로 연장된 가상의 피봇(pivot) 중심축에 대해 피봇 회전할 수도 있다. 상기 한 쌍의 구동 휠(16)이 회전함에 의해 본체(11)는 한 쌍의 하지 외골격(40)을 착용한 사용자의 보행 속도 및 보행 방향에 대응되게 진행할 수 있다.

상기 하부 본체(12)에는 한 쌍의 구동 휠(16)과 함께 상기 본체(11)가 쓰러지지 않도록 지지하는 한 쌍의 보조 휠(17)이 더 구비된다. 상기 한 쌍의 보조 휠(17)은 하부 본체(12)에서 전방으로 연장된 휠 지지대에 체결 지지된다. 상기 한 쌍의 보조 휠(17)은 한 쌍의 구동 휠(16)이 동력 회전할 때 본체(11)의 진행을 방해하지 않도록 아이들링(idling) 회전한다.

하부 본체(12)에는 긴급 정지 스위치(emergency switch)(26)가 마련된다. 긴급 정지 스위치(26)가 눌려지면 한 쌍의 하지 외골격(40) 및 한 쌍의 구동 휠(16)의 움직임이 즉시 정지된다. 보행 보조 로봇(10)의 사용자를 도와주는 예컨대, 간호사, 재활치료사 등의 조력자는, 하지 외골격(40)을 착용한 사용자가 하지 외골격(40)의 움직임에 적응하지 못하고 너무 힘들어하거나, 하지 외골격(40)이 비정상적으로 움직여 사고 위험이 있다고 판단하는 경우 상기 긴급 정지 스위치(26)를 눌러 보행 보조 로봇(10)의 작동을 강제 종료시킬 수 있다. 상부 본체(14)에는 한 쌍의 운반용 손잡이(25)가 마련된다. 상기 보행 보조 로봇(10)이 정지된 상태에서 상기 한 쌍의 운반용 손잡이(25)를 잡고 전방으로 밀어 상기 보행 보조 로봇(10)을 이동시킬 수 있다.

상부 본체(14)에는 한 쌍의 수직 가이드 레일(21)이 마련되고, 하지 외골격 지지체(20)는 상기 한 쌍의 수직 가이드 레일(21)을 따라 슬라이딩(sliding) 가능하게 상부 본체(14)에 체결된다. 도시되진 않았으나, 본체(11) 내부에는 상기 하지 외골격 지지체(20)를 승강시키는 동력을 제공하는 전동 액추에이터(actuator)가 구비된다.

도 4 및 도 5는 도 1 및 도 2의 좌측 하지 외골격의 사시도로서, 도 4는 전방 상측에서 본 도면이고, 도 5는 후방 하측에서 본 도면이며, 도 6은 도 1 및 도 2의 좌측 하지 외골격의 측면도이고, 도 7은 도 4의 제1 관절의 분해 사시도이고, 도 8은 도 4의 제2 관절의 분해 사시도이다. 도 1, 도 2, 및 도 4 내지 도 6을 함께 참조하면, 사용자의 한 쌍의 다리에 대응되게 한 쌍이 구비된 하지 외골격(40)은 상기 하지 외골격 지지체(20)에 체결 지지된다. 한 쌍의 하지 외골격(40)은 좌우 대칭되는 형상으로 동일한 구성을 구비하므로, 이하에서는 좌측 하지 외골격(40)에 대해 중점적으로 설명한다. 하지 외골격(40)은 연결 프레임(41)과, 제1 관절(45)과, 제2 관절(75)과, 발목 관절(105)과, 발판(115)과, 제1 기둥(68, 70, 72)과, 제2 기둥(98, 100, 102)을 구비한다.

연결 프레임(41)은 하지 외골격 지지체(20)에 체결되어 하지 외골격(40)과 하지 외골격 지지체(20)를 연결한다. 하지 외골격 지지체(20)에는 수평 방향으로 연장된 수평 가이드 레일(23)이 구비되고, 연결 프레임(41) 일 측단부의 가이드 브라켓(43)이 상기 수평 가이드 레일(23)에 슬라이딩(sliding) 가능하게 체결된다. 사용자의 보행 보조 로봇(10) 사용을 도와주는 조력자가 한 쌍의 하지 외골격(40)의 연결 프레임(41)을 상기 수평 가이드 레일(23)을 따라 수평 이동하고 그 위치를 고정함으로써, 사용자의 체격에 대응되게 한 쌍의 하지 외골격(40) 사이의 간격을 조정할 수 있다. 또한, 상기 조력자가 리모트 콘트롤러(remote controller)(미도시)와 같은 입력 유닛(36)(도 3 참조)을 조작하여 하지 외골격 지지체(20)를 상기 수직 가이드 레일(21)을 따라 승강 이동시켜 사용자의 하체의 신장에 대응되게 한 쌍의 하지 외골격(40)의 높이를 조정할 수 있다. 도시된 실시예의 보행 보조 로봇(10)은, 조력자가 한 쌍의 하지 외골격(40)을 잡고 수평 이동시키고 위치 고정하여 한 쌍의 하지 외골격(40) 사이의 간격을 조정하도록 구성되어 있으나, 한 쌍의 하지 외골격(40)의 높이를 조정하는 방식과 마찬가지로 리모트 콘트롤러를 조작하여 한 쌍의 하지 외골격(40) 사이의 간격을 조정하도록 구성될 수도 있다.

한 쌍의 하지 외골격(40)을 착용한 사용자는 한 쌍의 팔걸이(27)에 자신의 한 쌍의 팔을 지지할 수 있다. 상기 한 쌍의 팔걸이(27)는 하부 본체(12)에서 전방으로 연장된 한 쌍의 팔걸이 지지관(28)의 전단부에 고정 지지된다. 상기 팔걸이 지지관(管)(28)은 연결 프레임(41)에 마련된 관부(管部)(42)를 관통하여 쳐지지 않게 지지되고, 제1 관절(45)의 하우징(46)에 마련된 지지부(27)에 지지된다.

상기 팔걸이(27) 전방의 팔걸이 지지관(28)에는 입력 스틱(stick)(29)이 마련된다. 다만, 상기 입력 스틱(29)은 하지 외골격(40) 및 구동 휠(16)에 작동 명령을 입력하기 위한 입력 유닛(36)의 일 예에 불과하며, 예를 들어, 무선 조작이 가능한 리모트 콘트롤러(미도시)가 입력 유닛(36)으로 더 구비될 수도 있다. 한편, 상부 본체(14)의 상측에 모니터(32)는 하지 외골격(40)의 작동 상태와, 하지 외골격(40)에 구비된 센서에 의해 감지된 사용자의 상태 등을 상기 조력자가 볼 수 있도록 표시하는 출력 유닛으로서 기능을 수행한다. 한편, 상기 모니터(32)는 터치스크린 패널(touch screen panel)을 구비하여, 입력 유닛(36)의 일 예인 GUI(graphic user interface)로서 기능을 수행할 수도 있다.

도 4 내지 도 7을 함께 참조하면, 제1 관절(45)은 한 쌍의 하지 외골격(40)을 착용하고 일어선 사용자의 고관절(coxa)의 위치에 대응되게 위치하며, 상기 고관절의 회전 범위에 대응되게 동력 회전 가능하다. 제1 관절(45)은, 분리 가능하게 서로 결합되는 내측 커버(46a)와 외측 커버(46b)로 이루어진 하우징(46) 내부에, 감속기 고정 부재(48), 감속기(50), 전동 모터(54), 결합 부재(52), 제1 관절 브라켓(56), 및 제1 회전 스토퍼(63)를 구비한다.

감속기 고정 부재(48)는 연결 프레임(41)의 타 측 말단에 고정 결합되고, 감속기(50)는 감속기 고정 브라켓(48)에 고정 결합된다. 회전 동력을 제공하는 전동 모터(54)가 상기 감속기(50)에 대해 고정되도록, 전동 모터(54)와 감속기(50) 사이에 링(ring) 형상의 결합 부재(52)가 개재된다. 전동 모터(54)의 회전 샤프트(55)는 전동 모터 결합 부재(52)를 관통하여 감속기(50)에 체결된다. 감속기(50)는 회전 샤프트(55)의 회전 속도를 감속하는 기구로서, 감속기 고정 부재(48)의 원형 통공(49)을 관통하여 제1 관절 브라켓(56)에 고정 체결된다. 따라서, 제1 관절 브라켓(56)은 회전 샤프트(55)가 회전하면 그 회전 방향과 동일 회전 방향으로 회전하되, 감속기(50)에 의해 회전 샤프트(55)의 회전 속도보다 감속된 속도로 회전한다. 제1 회전 스토퍼(63)는 제1 관절 브라켓(56)의 회전 각도를 제한한다.

구체적으로, 제1 관절 브라켓(56)은 상기 제1 기둥의 제1 로드셀 바(load cell bar)(68)의 상단이 삽입 고정되는 홈부(57)를 구비한다. 상기 홈부(57) 주변의 외주면은 말굽(horseshoe) 형상으로서, 반원형으로 굽어진 중앙 곡면(58)과, 상기 중앙 곡면(58)의 일 측 단에서 평면 형상으로 이어진 제1 평면(59)과, 상기 중앙 곡면(58)의 타 측 단에서 평면 형상으로 이어진 제2 평면(60)으로 이루어진다. 상기 제1 회전 스토퍼(63)는 상기 제1 관절 브라켓(56)의 제1 평면(59)과 마주보는 제1 평면(64)과, 상기 제2 평면(60)과 마주보는 제2 평면(65)과, 상기 제1 평면(64)과 제2 평면(65)을 연결하며 상기 중앙 곡면(58)과 마주보는 연결 곡면(66)을 구비한다.

도 6을 기준으로 볼 때, 제1 관절 브라켓(56)이 시계 방향으로 회전하는 경우 제1 관절 브라켓(56)의 제1 평면(59)이 제1 회전 스토퍼(63)의 제1 평면(64)에 가로막혀 상기 시계 방향의 회전 각도가 제한된다. 또한, 제1 관절 브라켓(56)이 반시계 방향으로 회전하는 경우 제1 관절 브라켓(56)의 제2 평면(60)이 제1 회전 스토퍼(63)의 제2 평면(65)에 가로막혀 상기 반시계 방향의 회전 각도가 제한된다. 제1 회전 스토퍼(63)의 제1 평면(64)과 평행한 가상의 직선(L11)과 제2 평면(65)과 평행한 가상의 직선(L12)이 교차하여 형성되는 각도(A1)는 120 내지 140°로서, 상기 제1 관절 브라켓(56)의 최대 회전 각도는 이 각도(A1)로 제한된다. 상기 최대 회전 각도(A1)는 통상적인 사람의 고관절이 회전 가능한 각도에 대응된다.

도면에 도시되진 않았으나, 제1 회전 스토퍼(63)의 제1 평면(64)과 제2 평면(65)에 각각 리미트 스위치(limit switch)가 탑재될 수도 있다. 이 경우에, 제1 관절 브라켓(56)이 시계 방향으로 회전하여 상기 제1 평면(64)에 탑재된 리미트 스위치가 눌려지면 전동 모터(54)의 회전 샤프트(55)가 시계 방향 회전을 정지하도록 제어될 수 있다. 반대로, 제1 관절 브라켓(56)이 반시계 방향으로 회전하여 상기 제2 평면(65)에 탑재된 리미트 스위치가 눌려지면 전동 모터(54)의 회전 샤프트(55)가 반시계 방향 회전을 정지하도록 제어될 수 있다.

도 4 내지 도 6 및 도 8을 함께 참조하면, 제2 관절(75)은 한 쌍의 하지 외골격(40)을 착용하고 일어선 사용자의 무릎 관절의 위치에 대응되게 위치하며, 상기 무릎 관절의 회전 범위에 대응되게 동력 회전 가능하다. 제2 관절(75)은, 분리 가능하게 서로 결합되는 내측 커버(76a)와 외측 커버(76b)로 이루어진 하우징(76) 내부에, 감속기 고정 부재(78), 감속기(80), 전동 모터(84), 결합 부재(82), 제2 관절 브라켓(86), 및 제2 회전 스토퍼(93)를 구비한다.

감속기 고정 부재(78)는 상기 제1 기둥의 제1 삽입 바(bar)(72)의 하단에 고정 결합되고, 감속기(80)는 감속기 고정 브라켓(78)에 고정 결합된다. 회전 동력을 제공하는 전동 모터(84)가 상기 감속기(80)에 대해 고정되도록, 전동 모터(84)와 감속기(80) 사이에 링(ring) 형상의 결합 부재(82)가 개재된다. 전동 모터(84)의 회전 샤프트(85)는 전동 모터 결합 부재(82)를 관통하여 감속기(80)에 체결된다. 감속기(80)는 회전 샤프트(85)의 회전 속도를 감속하는 기구로서, 감속기 고정 부재(78)의 원형 통공(79)을 관통하여 제2 관절 브라켓(86)에 고정 체결된다. 따라서, 제2 관절 브라켓(86)은 회전 샤프트(85)가 회전하면 그 회전 방향과 동일 회전 방향으로 회전하되, 감속기(80)에 의해 회전 샤프트(85)의 회전 속도보다 감속된 속도로 회전한다. 제2 회전 스토퍼(93)는 제2 관절 브라켓(86)의 회전 각도를 제한한다.

구체적으로, 제2 관절 브라켓(86)은 상기 제2 기둥의 제2 로드셀 바(98)의 상단이 삽입 고정되는 홈부(87)를 구비한다. 상기 홈부(87) 주변의 외주면은 말굽 형상으로서, 반원형으로 굽어진 중앙 곡면(88)과, 상기 중앙 곡면(88)의 일 측 단에서 평면 형상으로 이어진 제1 평면(89)과, 상기 중앙 곡면(88)의 타 측 단에서 평면 형상으로 이어진 제2 평면(90)으로 이루어진다. 상기 제2 회전 스토퍼(93)는 굽은 막대 형상의 부재로서, 상기 제2 관절 브라켓(86)의 제1 평면(89)과 마주보는 제1 평면(94)과, 상기 제2 평면(90)과 마주보는 제2 평면(95)과, 상기 제1 평면(94)과 제2 평면(95)을 연결하며 상기 중앙 곡면(88)과 마주보는 연결 곡면(96)을 구비한다.

도 6을 기준으로 볼 때, 제2 관절 브라켓(86)이 시계 방향으로 회전하는 경우 제2 관절 브라켓(86)의 제1 평면(89)이 제2 회전 스토퍼(63)의 제1 평면(94)에 가로막혀 상기 시계 방향의 회전 각도가 제한된다. 또한, 제2 관절 브라켓(86)이 반시계 방향으로 회전하는 경우 제2 관절 브라켓(86)의 제2 평면(90)이 제2 회전 스토퍼(93)의 제2 평면(95)에 가로막혀 상기 반시계 방향의 회전 각도가 제한된다. 제2 회전 스토퍼(93)의 제1 평면(94)과 평행한 가상의 직선(L21)과 제2 평면(95)과 평행한 가상의 직선(L22)이 교차하여 형성되는 각도(A2)는 80 내지 95°로서, 상기 제2 관절 브라켓(86)의 최대 회전 각도는 이 각도(A2)로 제한된다. 상기 최대 회전 각도(A2)는 통상적인 사람의 무릎 관절이 회전 가능한 각도에 대응된다.

도면에 도시되진 않았으나, 제2 회전 스토퍼(93)의 제1 평면(94)과 제2 평면(95)에 각각 리미트 스위치(limit switch)가 탑재될 수도 있다. 이 경우에, 제2 관절 브라켓(86)이 시계 방향으로 회전하여 상기 제1 평면(94)에 탑재된 리미트 스위치가 눌려지면 전동 모터(84)의 회전 샤프트(85)가 시계 방향 회전을 정지하도록 제어될 수 있다. 반대로, 제2 관절 브라켓(86)이 반시계 방향으로 회전하여 상기 제2 평면(95)에 탑재된 리미트 스위치가 눌려지면 전동 모터(84)의 회전 샤프트(85)가 반시계 방향 회전을 정지하도록 제어될 수 있다.

도 4 내지 도 6을 함께 참조하면, 제1 기둥은 제1 관절(45)과 제2 관절(75)을 연결한다. 발판(115)은 하지 외골격(40)을 착용하는 사용자의 발을 지지한다. 제2 기둥은 제2 관절(75)과 발판(115)을 연결한다. 발목 관절(105)은 상기 제2 기둥의 하단부, 구체적으로 제2 기둥의 제2 삽입 바(102)의 하단부와 상기 발판(115)을 연결하며 상기 사용자의 발목 관절의 회전에 대응되게 회전 가능하다.

상기 제1 기둥은, 제1 관절 브라켓(56)의 홈부(57)(도 7 참조)에 상단부가 고정 결합되는 제1 로드셀 바(load cell bar)(68)와, 제1 로드셀 바(68)의 하단부에 고정 결합되며 자신의 길이 방향으로 연장된 중공(中孔)이 형성된 제1 중공 빔(beam)(70)과, 상기 제1 중공 빔(70)의 중공에 삽입되고 자신의 하단은 상기 중공 아래로 돌출되어 제2 관절(75)의 감속기 고정 부재(78)의 상단부에 고정 결합된 제1 삽입 바(72)를 구비한다. 제1 삽입 바(72)를 제1 중공 빔(70)의 중공에 얼마나 많이 삽입하는가에 따라 상기 제1 기둥의 길이를 조정할 수 있다. 예를 들어, 핀(pin)과 같은 고정 수단을 이용하여 제1 중공 빔(70)과 제1 삽입 바(72)를 관통하도록 끼움으로써 제1 중공 빔(70)에 대해 제1 삽입 바(72)를 고정할 수 있고, 상기 제1 기둥의 길이를 조정된 상태로 고정할 수 있다.

상기 제2 기둥은, 제2 관절 브라켓(8)의 홈부(87)(도 8 참조)에 상단부가 고정 결합되는 제2 로드셀 바(load cell bar)(98)와, 제2 로드셀 바(98)의 하단부에 고정 결합되며 자신의 길이 방향으로 연장된 중공(中孔)이 형성된 제2 중공 빔(beam)(100)과, 상기 제2 중공 빔(100)의 중공에 삽입되고 자신의 하단은 상기 중공 아래로 돌출되어 발목 관절(105)의 연결 부재(106)에 고정 결합된 제2 삽입 바(102)를 구비한다. 제2 삽입 바(102)를 제2 중공 빔(100)의 중공에 얼마나 많이 삽입하는가에 따라 상기 제2 기둥의 길이를 조정할 수 있다. 예를 들어, 핀(pin)과 같은 고정 수단을 이용하여 제2 중공 빔(100)과 제2 삽입 바(102)를 관통하도록 끼움으로써 제2 중공 빔(100)에 대해 제2 삽입 바(102)를 고정할 수 있고, 상기 제2 기둥의 길이를 조정된 상태로 고정할 수 있다.

상기 발목 관절(105)은, 상기 제2 삽입 바(102)의 하단이 고정 결합된 연결 부재(106)와, 힌지(hinge)(107)로 서로 연결된 상부 로드(rod)(108)와 하부 로드(109)와, 완충기(shock absorber)(110)를 구비한다. 상부 로드(108)의 상단부는 상기 연결 부재(106)에 고정 결합되고, 하부 로드(108)의 하단부는 발판(115)에 고정 결합된다. 완충기(110)는 내부에 완충 스프링(spring)(미도시)이 삽입되고 상기 연결 부재(106)에 고정 결합된 실린더(cylinder)(111)와, 상기 실린더(111)에 삽입되어 상기 실린더(111)에 대해 승강 가능하고 하단이 상기 하부 로드(108)에 체결된 완충기 로드(112)를 구비한다.

하지 외골격(40)을 착용한 사용자가 보행하면서 사용자의 발을 지지한 발판(115)이 지면(地面)에 닿을 때 완충기 로드(112)가 실린더(111) 내부로 삽입되도록 상승하면서 실린더(111) 내부의 완충 스프링이 탄성 수축하여 발판(115)을 통해 상기 사용자의 발과 발목에 가해지는 충격을 완화해준다. 참조번호 '116'은 사용자의 발이 발판(115)에 고정 지지되도록 고정하는 고정 수단으로서, 발판(115) 위에 발을 접촉되게 놓고 상기 고정 수단에 스트랩(strap)을 묶어 사용자의 발을 발판(115)에 고정할 수 있다. 보행 보조 로봇(10) 사용자를 도와주는 조력자가 상기 사용자의 발을 발판(115)에 고정해 줄 수 있다.

한 쌍의 하지 외골격(40)은 각각, 허벅지 하네스(harness)(120), 엉덩이 하네스(127), 및 정강이 하네스(130)를 더 구비한다. 허벅지 하네스(120)는 상기 제1 기둥에 결합된 것으로, 하지 외골격(40)을 착용하는 사용자의 허벅지 배면(背面)을 접촉 지지하며 상기 제1 기둥과 상기 사용자의 대퇴부를 연계한다. 구체적으로, 허벅지 하네스(120)는 제1 중공 빔(70)에 고정 체결되는 체결구(121)와, 사용자의 허벅지 배면에 직접 접촉되는 허벅지 접촉 패드(pad)(125)와, 절곡되게 연장되는 것으로 일 측은 상기 체결구(121)에 체결되고 타 측은 상기 허벅지 접촉 패드(125)가 체결되는 허벅지 하네스 브라켓(123)을 구비한다.

상기 허벅지 하네스 브라켓(123)의 일 측은 상기 체결구(121)에 대해 X축과 평행한 방향으로 이동 가능하고, 상기 허벅지 접촉 패드(125)는 상기 허벅지 하네스 브라켓(123)의 타 측에 대해 Y축과 평행한 방향으로 이동 가능하다. 보행 보조 로봇(10)의 사용자를 도와주는 조력자가 상기 사용자의 허벅지 배면에 상기 허벅지 접촉 패드(125)가 접촉되도록 허벅지 접촉 패드(125)의 위치를 조정할 수 있다.

엉덩이 하네스(127)는 하지 외골격(40)을 착용하는 사용자의 엉덩이를 접촉 지지한다. 엉덩이 하네스(127)는 허벅지 하네스(120)의 체결구(121)에 고정 지지된다.

정강이 하네스(130)는 상기 제2 기둥에 결합된 것으로, 하지 외골격(40)을 착용하는 사용자의 정강이 전면(前面을 접촉 지지하며 상기 제2 기둥과 상기 사용자의 정강이를 연계한다. 구체적으로, 정강이 하네스(130)는 제2 중공 빔(100)에 고정 체결되는 체결구(131)와, 사용자의 정강이 전면에 직접 접촉되는 정강이 접촉 패드(135)와, 절곡되게 연장되는 것으로 일 측은 상기 체결구(131)에 체결되고 타 측은 상기 정강이 접촉 패드(135)가 체결되는 정강이 하네스 브라켓(133)을 구비한다.

상기 정강이 하네스 브라켓(133)의 일 측은 상기 체결구(131)에 대해 X축과 평행한 방향으로 이동 가능하고, 상기 정강이 접촉 패드(135)는 상기 정강이 하네스 브라켓(133)의 타 측에 대해 Y축과 평행한 방향으로 이동 가능하다. 보행 보조 로봇(10)의 사용자를 도와주는 조력자가 상기 사용자의 정강이 전면에 상기 정강이 접촉 패드(135)가 접촉되도록 정강이 접촉 패드(135)의 위치를 조정할 수 있다.

도 1 내지 도 5를 함께 참조하면, 본 발명의 보행 보조 로봇(10)은, 한 쌍의 하지 외골격(40)과 한 쌍의 구동 휠(16)을 동작시키는 구동 유닛(39)과, 상기 구동 유닛(39)의 동작을 제어하는 제어 유닛(37)과, 상기 구동 유닛(39)이 특정된 동작을 하도록 명령을 입력하는 입력 유닛(36)과, 상기 한 쌍의 하지 외골격(40)을 착용한 사용자의 상태를 감지하는 감지 유닛(38)을 구비한다. 상기 구동 유닛(39)은, 한 쌍의 하지 외골격(40)의 제1 관절(45)에 회전 동력을 제공하는 전동 모터(54), 한 쌍의 하지 외골격(40)의 제2 관절(75)에 회전 동력을 제공하는 전동 모터(84), 및 한 쌍의 구동 휠(16)에 회전 동력을 제공하는 전동 모터(미도시)를 포함한다.

상술한 바와 같이, 상기 입력 유닛(36)은 입력 스틱(29), GUI 로서 사용되는 모니터(32), 및 리모트 콘트롤러(미도시)를 포함한다. 상기 감지 유닛(38)은 상기 제1 로드셀 바(68)와 상기 제2 로드셀 바(98)에 각각 내재된 로드셀을 포함한다. 상기 제1 및 제2 로드셀 바(68, 98)에 내재된 로드셀들은 하지 외골격(40)을 착용한 사용자의 다리의 움직임과 하지 외골격(40)의 움직임의 차이로 인한 하중(load)을 감지하는 센서(sensor)로서 기능을 수행한다.

상기 제어 유닛(37)은 상기 감지 유닛(38)에 포함된 복수의 로드셀에서 송신된 감지 신호에 의해 보행 보조 장치(10) 사용자의 상태를 파악하고, 상기 구동 유닛(39)에 포함된 전동 모터를 작동시키는 제어 신호를 상기 전동 모터에 송신한다. 또한, 상기 제어 유닛(37)은 상술한 입력 유닛(36)를 통해 입력된 명령에 대응되게 상기 구동 유닛(39)에 포함된 전동 모터가 작동하도록 제어 신호를 상기 전동 모터에 송신한다. 상기 입력 유닛(36)을 통한 동작 명령의 입력은 보행 보조 장치(10)의 사용자가 직접 할 수도 있고, 상기 사용자를 돕는 조력자가 대신 해 줄 수도 있다.

예를 들어, 재활 운동 모드(mode)에서는, 상기 사용자의 다리에 한 쌍의 하지 외골격(40)이 착용된 상태에서 입력 유닛(36)을 통해 특정된 보행 속도와 보폭이 입력되면, 제어 유닛(37)이 상기 특정된 보행 속도와 보폭에 대응되는 구동 신호를 구동 유닛(39)의 전동 모터에 송신하고, 한 쌍의 하지 외골격(40)의 제1 관절(45)과 제2 관절(75)과, 한 쌍의 구동 휠(16)은 상기 특정된 보행 속도와 보폭에 대응되게 동작한다.

그런데, 상기 한 쌍의 하지 외골격(40)과 한 쌍의 구동 휠(16)의 동작 중에 상기 제1 및 제2 로드셀 바(68, 98)에 내재된 로드셀이 감지한 감지 신호를 통해 사용자의 다리의 움직임이 한 쌍의 하지 외골격(40)의 움직임을 따라가지 못하는 것으로 판단되면, 제어 유닛(37)이 적절한 제어 신호를 송신하며, 사용자의 다리의 움직임을 추종하도록 상기 제어 신호에 의해 한 쌍의 하지 외골격(40)의 제1 관절(45) 및 제2 관절(75) 중 적어도 하나의 움직임이 변경되고, 한 쌍의 구동 휠(16)의 움직임도 변경된다. 즉, 한 쌍의 하지 외골격(40)의 보행 속도와 보폭이 사용자의 상태에 맞춰져서 감소되며, 한 쌍의 구동 휠(16)의 회전 속도도 감속된다.

만약, 제1 및 제2 로드셀 바(68, 98)에 내재된 로드셀에 의해 의해 감지된 하중이 미리 설정된 한계값을 초과하는 것으로 제어 유닛(37)이 판단하면, 제어 유닛(37)이 제어 신호를 송신하여 제1 관절(45), 제2 관절(75), 및 구동 휠(16)의 움직임을 정지시킨다. 이를 통하여 보행 보조 로봇(10)을 이용하는 사용자의 사고 및 건강 상태 악화를 예방할 수 있다.

다른 예로서, 다리의 힘이 부족한 사용자가 보행할 수 있게 돕는 보행 보조 모드에서는, 상기 사용자의 다리에 한 쌍의 하지 외골격(40)이 착용된 상태에서 상기 제1 및 제2 로드셀 바(68, 98)에 내재된 로드셀이 감지한 감지 신호를 통해 상기 사용자의 다리가 미약하게 움직이는 것으로 판단되면, 제어 유닛(37)이 적절한 제어 신호를 송신하며, 사용자의 다리의 움직임, 즉 보행 동작이 증폭되도록 상기 제어 신호에 의해 한 쌍의 하지 외골격(40)의 제1 관절(45) 및 제2 관절(75)이 움직이고, 한 쌍의 구동 휠(16)도 회전한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 보행 보조 로봇 11: 본체
16: 구동 휠 20: 승강체
26: 긴급 정지 스위치 40: 하지 외골격
45: 제1 관절 63: 제1 회전 스토퍼
68: 제1 로드셀 바 75: 제2 관절
93: 제2 회전 스토퍼 98: 제2 로드셀 바
105: 발목 관절 110: 완충기
115: 발판 120: 허벅지 하네스
127: 엉덩이 하네스 130: 정강이 하네스

Claims (13)

1. 사용자의 한 쌍의 다리에 착용되어, 상기 사용자의 움직임에 앞서 회전하여 상기 한 쌍의 다리가 움직이도록 외력(外力)을 제공하는 한 쌍의 하지 외골격; 및, 상기 한 쌍의 하지 외골격을 지지하며, 상기 하지 외골격을 착용한 사용자의 보행 속도 및 보행 방향에 대응되게 진행하는 본체;를 구비하고,
   상기 한 쌍의 하지 외골격은 각각, 상기 하지 외골격을 착용하고 일어선 사용자의 고관절(coxa)의 위치와 대응되게 위치하며 상기 고관절의 회전 범위와 대응되게 동력 회전 가능한 제1 관절(joint), 상기 사용자의 무릎 관절의 위치와 대응되게 위치하며 상기 무릎 관절의 회전 범위와 대응되게 동력 회전 가능한 제2 관절, 상기 사용자의 발을 지지하는 발판, 상기 제1 관절과 상기 제2 관절을 연결하는 제1 기둥, 및 상기 제2 관절과 상기 발판을 연결하는 제2 기둥을 구비하고,
   상기 제1 기둥은, 상기 제1 관절과 직접 결합되는 제1 로드셀 바와, 상기 제2 관절과 결합되는 제1 삽입 바와, 상기 제1 로드셀 바와 제1 삽입 바를 연결하는 제1 중공빔을 포함하고,
   상기 제2 기둥은, 상단이 상기 제2 관절과 직접 결합되는 제2 로드셀 바와, 하단이 상기 발판과 결합되는 제2 삽입 바와, 상기 제2 로드셀 바와 제2 삽입 바를 연결하는 제2 중공빔을 포함하고,
   상기 한 쌍의 하지 외골격은 각각, 상기 제1 기둥에 결합된 것으로, 상기 사용자의 허벅지 배면(背面)을 접촉 지지하여 상기 제1 기둥과 상기 사용자의 대퇴부를 연계하는 허벅지 하네스(harness), 및 상기 제2 기둥에 결합된 것으로, 상기 사용자의 정강이 전면(前面)을 접촉 지지하여 상기 제2 기둥과 상기 사용자의 정강이를 연계하는 정강이 하네스를 구비하고,
   상기 제1, 2 로드셀 바는 각각, 하지 외골격을 착용한 사용자의 다리의 움직임과 상기 하지 외골격의 움직임의 차이로 인한 하중(load)을 감지하는 로드셀(load cell)을 구비하여,
   상기 로드셀의 하중 감지를 통하여 상기 제1 관절 및 제2 관절의 회전을 조절하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 관절 및 상기 제2 관절은 각각, 전동 모터, 상기 전동 모터의 회전 동력에 의해 회전하는 것으로, 상기 제1 기둥 및 상기 제2 기둥의 상단부가 고정 결합되는 브라켓, 및 상기 브라켓의 회전 각도를 제한하는 회전 스토퍼(stopper)를 더 구비하고,
   상기 제1 관절의 회전 스토퍼는 상기 제1 관절의 브라켓의 최대 회전 각도를 120 내지 140°로 제한하고,
   상기 제2 관절의 회전 스토퍼는 상기 제2 관절의 브라켓의 최대 회전 각도를 80 내지 95°로 제한하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 관절 및 상기 제2 관절은 각각, 전동 모터, 상기 전동 모터의 회전 동력에 의해 회전하는 것으로, 상기 제1 기둥 및 상기 제2 기둥의 상단부가 고정 결합되는 브라켓, 및 상기 브라켓의 회전 각도를 제한하는 회전 스토퍼(stopper)를 더 구비하고,
   상기 회전 스토퍼에 리미트 스위치(limit switch)가 탑재되고, 상기 브라켓이 회전하여 상기 리미트 스위치가 눌려지면 상기 전동 모터의 회전 샤프트가 정지하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 하지 외골격은 각각, 상기 제2 기둥의 하단부와 상기 발판을 연결하며 회전 가능한 발목 관절을 더 구비하고,
   상기 제2 삽입 바의 하단은 상기 발목 관절과 연결되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 하지 외골격의 발목 관절은, 상기 발판이 지면(地面)에 닿을 때 충격을 완화하는 완충기(shock absorber)를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 사용자의 다리의 움직임이 상기 하지 외골격의 움직임을 따라가지 못하는 것으로 상기 로드 셀이 감지하면, 상기 하지 외골격의 움직임이 상기 사용자의 다리의 움직임을 추종하도록 상기 제1 관절 및 상기 제2 관절 중 적어도 하나의 움직임이 변경되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 로드셀에 의해 감지된 하중이 미리 설정된 한계값을 초과하면, 상기 제1 관절 및 상기 제2 관절의 움직임이 정지되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 본체가 상기 하지 외골격의 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 하지 외골격은 각각, 상기 사용자의 엉덩이를 접촉 지지하는 엉덩이 하네스를 더 구비한 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 중공 빔은 중공 형상으로, 상기 제1 삽입 바의 일부가 상기 제1 중공 빔의 중공에 삽입되어서 고정되고,
    상기 제2 중공 빔은 중공 형상으로, 상기 제2 삽입 바의 일부가 상기 제2 중공 빔의 중공에 삽입되어서 고정되며,
    상기 제1, 2 삽입 바가 상기 제1, 2 중공 빔에 삽입되는 길이를 조절하여 각각, 제1, 2 기둥의 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 본체를 진행시키기 위해 동력 회전하는 구동 휠(wheel)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
12. 제1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 하지 외골격은, 상기 본체에 대해 높이 조정이 가능하고 양 자 사이의 간격 조정이 가능하게 상기 본체에 지지되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
13. 제1 항에 있어서,
    눌려지면 상기 한 쌍의 하지 외골격의 움직임을 즉시 정지시키는 긴급 정지 스위치(emergency switch)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.

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