KR101981631B1 - 발목관절과 목말밑관절을 회전축으로 하는 외골격 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발목관절과 목말밑관절을 회전축으로 하는 외골격 로봇에 관한 것으로, 본 발명은 일 실시예로 지면과 수직한 방향으로 형성되어 착용자의 종아리뼈 역할을 하는 종아리 프레임부; 착용자의 발을 지지하는 발바닥 프레임부; 상기 종아리 프레임부와 상기 발바닥 프레임부를 연결하는 링크부; 착용자의 종아리를 상기 종아리 프레임부에 고정하는 체결부; 상기 종아리 프레임부와 상기 링크부가 연결되는 위치에 형성되는 제1 회전부; 상기 발바닥 프레임부와 상기 링크부가 연결되는 위치에 형성되는 제2 회전부; 및 상기 제1 회전부와 제2 회전부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제1 회전부와 제2 회전부가 회전함에 따라 상기 발바닥 프레임부가 3차원 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇을 제공함으로써, 2개의 회전부만으로 발목의 3차원 운동을 모두 구현할 수 있다.

Description

발목관절과 목말밑관절을 회전축으로 하는 외골격 로봇{An Exoskeleton robot with Talocrural Joint and Subtalar Joint as rotation axes}

본 발명은 외골격 로봇에 관한 것으로, 특히 착용자의 발목관절 및 목말밑관절에 대응되는 위치에 회전축을 구비함으로써, 2개의 회전축만으로 발목의 3차원 운동을 구현할 수 있는 외골격 로봇에 관한 것이다.

외골격 로봇은 사람이 입는 로봇의 일종으로, 팔 또는 다리에 장착하여 착용자의 힘 또는 동작을 보조할 수 있는 장치이다.

외골격 로봇은 다양한 용도로 활용될 수 있는데, 구체적으로 외골격 로봇을 통해 근력을 증폭시켜 작업 능력을 향상시킬 수 있으므로 산업 분야에서 활용할 수도 있고, 또한 거동이 불편한 노인, 장애인의 거동을 보조하는 역할을 할 수 있어 재활복지 분야에서도 활용될 수도 있다.

최근 들어, 기술의 발달, 고령화의 심화, 장애인구의 증가 등의 여러 요인으로 인해 외골격 로봇에 대한 관심이 증가함에 따라, 전세계적으로 외골격 로봇에 대한 연구 및 지원이 점차 증가하고 있으며, 우리나라에서도 정부 차원에서 외골격 로봇에 대한 지원을 늘려가고 있다.

특히, 사람의 다리에 장착되어 착용자의 발목 동작을 보조하는 외골격 로봇에 대한 연구가 중점적으로 진행되고 있는데, 종래에 제안되었던 대부분의 외골격 로봇들은 발목의 시상면(Sagittal plane)에 대한 회전만을 고려하여 발등 굽힘(Dorsiflexion)과 까치발(Plantar Flexion)과 같은 움직임만을 구현할 수 있을 뿐, 내번(Inversion), 외번(Eversion) 등의 발목 움직임을 구현하지는 못하였다.

경사진 곳이나 불균형한 땅에서 착용자가 균형을 유지할 수 있도록 하기 위해서는 Inversion 및 Eversion과 같은 발목 움직임이 필수적임에도 종래의 외골격 로봇들은 보행과 관련된 Dorsiflexion, Plantar Flexion과 같은 발목 움직임밖에 구현할 수 없어, 착용자의 거동을 완벽하게 보조하기에는 다소 어려움이 있었다.

물론, 이와 같은 문제점을 인식하고 복수 개의 회전 조인트 및 엑추에이터를 활용하여 3자유도의 발목 움직임을 구현한 외골격 로봇도 존재하였으나, 착용자가 복수 개의 회전 조인트와 엑추에이터에 따른 외골격 로봇의 무게 증가를 버티기 힘들다는 문제가 있었고, 무엇보다 회전 조인트 개수가 증가함에 따라 복수 개의 회전 조인트의 회전 각도를 측정하고 이를 토대로 Kinematics를 계산하여 외골격 로봇의 움직임을 제어하는 것이 어렵다는 문제가 있었다.

즉, 지금까지 제안된 발목 외골격 로봇만으로는 사람의 인체와 동일한 발목 관절 움직임을 구현하기 어려워 착용자의 거동을 완벽하게 보조하기에는 제약이 있으므로, 이를 해결할 수 있는 새로운 외골격 로봇에 대한 연구 및 지원이 요구되는 실정이다.

한국등록특허공보(등록번호 : 10-1716761) “착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절”

R.E. ISman, V.T. Inman, 「Anthropometric studies of the human foot and ankle」, Bulletin of Prosthetics Research, 1969, p.97-129

본 발명은 사람의 발목 관절에 관한 인체해부학적 정보를 토대로 착용자의 발목관절(Talocrural Joint)과 목말밑관절(Subtalar Joint)에 대응되는 위치에 2개의 회전축을 형성함으로써, 2개의 회전축만으로 발등 굽힘(Dorsiflexion), 까치발(Plantar Flexion), 내번(Inversion), 외번(Eversion)과 같은 발목의 3차원 운동을 모두 구현하여 착용자의 거동을 보다 완벽하게 보조하고자 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일 실시예로 지면과 수직한 방향으로 형성되어 착용자의 종아리뼈 역할을 하는 종아리 프레임부; 착용자의 발을 지지하는 발바닥 프레임부; 상기 종아리 프레임부와 상기 발바닥 프레임부를 연결하는 링크부; 착용자의 종아리를 상기 종아리 프레임부에 고정하는 체결부; 상기 종아리 프레임부와 상기 링크부가 연결되는 위치에 형성되는 제1 회전부; 상기 발바닥 프레임부와 상기 링크부가 연결되는 위치에 형성되는 제2 회전부; 및 상기 제1 회전부와 제2 회전부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하며,

상기 제1 회전부와 제2 회전부가 회전함에 따라 상기 발바닥 프레임부가 3차원 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇을 제공한다.

여기서, 상기 제1 회전부는 착용자의 발목관절(Talocrural Joint)에 대응되는 위치에 형성되며, 상기 제2 회전부는 착용자의 목말밑관절(Subtalar Joint)에 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.

이를 위해, 착용자의 발 길이, 발 너비, 복사뼈의 위치를 토대로 가상의 기준점을 설정하고, 상기 제1 회전부의 회전축과 상기 제2 회전부의 회전축이 상기 기준점에서 교차하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상단에서 봤을 때, 상기 제1 회전부의 회전축과 상기 기준점의 X축 사이의 각도는 83.5° 내지 85.5°이며, 상기 제1 회전부의 회전축과 상기 기준점의 Z축 사이의 각도는 78.5°내지 81.5°일 수 있다.

또한, 상단에서 봤을 때, 상기 제2 회전부의 회전축과 상기 기준점의 X축 사이의 각도는 22° 내지 26°이며, 상기 제2 회전부의 회전축과 지면 사이의 각도는 30.5° 내지 45°일 수 있다.

아울러, 상기 제1 회전부의 회전축과 상기 제2 회전부의 회전축 사이의 각도는 61° 내지 65°일 수 있다.

본 발명의 외골격 로봇을 구성하는 종아리 프레임부는 두께조절부를 포함하고, 상기 두께조절부는 상기 종아리프레임부의 내측 방향으로 수평 이동하며 착용자의 종아리의 굵기에 맞게 상기 종아리 프레임부의 두께를 조절할 수 있다.

또한, 상기 제1 회전부의 회전 각도를 측정하는 제1 회전센서; 및 상기 제2 회전부의 회전 각도를 측정하는 제2 회전센서;를 더 포함할 수 있다.

아울러, 본 발명의 외골격 로봇은 제1 엑추에이터, 제2 엑추에이터 및 제3 엑추에이터를 더 포함하고, 상기 제1 엑추에이터, 제2 엑추에이터, 제3 엑추에이터는 상기 제1 회전부와 제2 회전부를 구동시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제1 엑추에이터, 제2 엑추에이터, 제3 엑추에이터는 인공 근육일 수 있다.

아울러, 상기 제1 엑추에이터의 일단은 상기 발바닥 프레임부의 뒤꿈치(Heel)부분에 결합되고, 상기 제1 엑추에이터의 다른 일단은 상기 종아리 프레임부의 외주면에 결합되며, 상기 제2 엑추에이터의 일단은 상기 제1 회전부와 인접한 발바닥 프레임부의 측면에 결합되고, 상기 제2 엑추에이터의 다른 일단은 상기 종아리 프레임부의 외주면에 결합되며, 상기 제3 엑추에이터의 일단은 상기 제1 회전부의 반대편에 위치한 발바닥 프레임부 측면에 결합되고, 상기 제3 엑추에이터의 다른 일단은 상기 체결부의 외주면에 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 시상면 방향의 회전만 가능하거나, 3차원 운동을 구현하기 위해서는 복수 개의 회전축을 구비해야만 했던 종래의 발목 외골격 로봇들과 달리, 착용자의 발목관절과 목말밑관절에 대응되는 위치에 형성되는 2개의 회전축만으로 발목의 3차원 운동을 모두 구현할 수 있다.

본 발명의 외골격 로봇은 복수 개의 회전조인트 또는 엑추에이터를 사용하지 않고도 발목의 3차원 운동을 구현할 수 있으므로, 외골격 로봇의 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 종래에 복수 개의 회전축 회전 각도를 토대로 외골격 로봇의 구동을 분석하던 것과 달리, 2개의 회전축의 회전 각도만을 고려하여 외골격 로봇의 Kinematics를 계산할 수 있으므로 외골격 로봇의 구동을 쉽게 제어할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 외골격 로봇을 도시한 사시도이다.
도 2는 사람의 발목에서 발목관절의 회전축이 각 축과 이루는 각도에 대한 인체해부학적 정보를 나타낸 도면이다.
도 3은 사람의 발목에서 목말밑관절의 회전축이 각 축과 이루는 각도에 대한 인체해부학적 정보를 나타낸 도면이다.
도 4는 발목관절의 회전축과 목말밑관절의 회전축 사이의 각도에 대한 인체해부학적 정보를 나타낸 도면이다.
도 5는 체결부를 제외한 본 발명의 외골격 로봇을 도시한 사시도이다.
도 6은 엑추에이터가 부착된 본 발명의 외골격 로봇에 대한 측면도이다.
도 7은 엑추에이터에 의해 힘이 작용하는 방향을 나타낸 도면이다.
도 8은 발목의 3차원 운동을 구현할 수 있는 인체의 근육에 대하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 외골격 로봇이 구현할 수 있는 발목의 움직임에 대하여 나타난 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치한다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 출원에서, “포함하다.” 또는 “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.

사람의 발목 움직임은 크게 발등 굽힘(Dorsiflexion), 까치발(Plantar Flexion), 내번(Inversion), 외번(Eversion) 4가지로 구분할 수 있으며, Dorsiflexion과 Plantar Flexion 움직임을 통해 사람이 보행할 수 있고, 지면이 평평하지 않은 경우에는 Inversion과 Eversion 움직임을 통해 균형을 유지할 수 있다.

착용자의 근력을 증가시키거나, 움직임을 보조하는 역할을 하는 외골격 로봇의 성능을 향상시키기 위해서는 이와 같은 4가지 움직임을 모두 구현할 수 있어야 하나, 종래의 발목 외골격 로봇들은 인체의 보행 동작에만 중점을 두어 시상면(Sagittal plane)에 대한 회전 즉, Dorsiflexion 및 Plantar Flexion 움직임만이 가능하여 착용자가 균형을 잡지 못하고 넘어지는 경우가 많았다.

물론, 종래에도 발목의 4가지 움직임을 모두 구현할 수 있는 외골격 로봇이 존재하였으나, 상기와 같은 발목의 3차원을 구현하기 위해서는 복수 개의 회전축 및 회전축을 구동시키는 엑추에이터를 구비할 수 밖에 없어 외골격 로봇의 무게가 무거워져 노인이나 장애인이 착용하기 어려웠고, 무엇보다 회전축이 증가하여 외골격 로봇을 제어하는 것이 어렵다는 문제가 있었다.

이에 따라, 본 발명은 “Anthropometric studies of the human foot and ankle”에 기재된 사람의 발목에 대한 인체 해부학적 정보를 발목 외골격 로봇에 적용하여 종래의 문제점을 해결하고자 한다.

구체적으로, Dorsiflexion, Plantar Flexion, Inversion, Eversion의 4가지의 발목의 움직임을 구현하는 사람의 발목관절(Talocrural Joint)과 목말밑관절(Subtalar Joint or Talocalcaneal Joint)의 회전축이 이루는 각도는 항상 일정한 범위 내에 있다는 점을 이용하여, 본 발명에서는 착용자의 발목관절 및 목말밑관절에 대응되는 위치에 회전축을 형성함으로써 2개의 회전축만으로 발목의 3차원 운동을 모두 구현하여 종래의 발목 외골격 로봇이 갖는 문제점을 해결하고자 한다.

이하에서는 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 1은 본 발명의 외골격 로봇을 도시한 사시도이다. 도 2는 사람의 발목에서 발목관절의 회전축이 각 축과 이루는 각도에 대한 인체해부학적 정보를 나타낸 도면이다. 도 3은 사람의 발목에서 목말밑관절의 회전축이 각 축과 이루는 각도에 대한 인체해부학적 정보를 나타낸 도면이다. 도 4는 발목관절의 회전축과 목말밑관절의 회전축 사이의 각도에 대한 인체해부학적 정보를 나타낸 도면이다. 도 5는 체결부를 제외한 본 발명의 외골격 로봇을 도시한 사시도이다.

이 때, 도 1 및 도 5에 도시된 본 발명의 외골격 로봇은 사람의 왼발에 착용하는 로봇이며, 오른발에 착용하는 로봇은 도 1 및 도 5에 도시된 외골격 로봇과 대칭적으로 형성되는 바, 이하에서는 왼발에 착용하는 외골격 로봇에 대해서만 설명하도록 한다.

본 발명은 일 실시예로 도 1과 같이 지면과 수직한 방향으로 형성되어 착용자의 종아리뼈 역할을 하는 종아리 프레임부(100); 착용자의 발을 지지하는 발바닥 프레임부(200); 상기 종아리 프레임부(100)와 상기 발바닥 프레임부(200)를 연결하는 링크부(300); 착용자의 종아리를 상기 종아리 프레임부(100)에 고정하는 체결부(400); 상기 종아리 프레임부(100)와 상기 링크부(300)가 연결되는 위치에 형성되는 제1 회전부(310); 상기 발바닥 프레임부(200)와 상기 링크부(300)가 연결되는 위치에 형성되는 제2 회전부(320); 및 상기 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)의 구동을 제어하는 제어부(미도시);를 포함하며, 상기 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)가 회전함에 따라 상기 발바닥 프레임부(200)가 3차원 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇을 제공한다.

이 때, 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)는 도 1과 같이 착용자의 복사뼈가 위치하는 방향 쪽에 위치하는 것이 일반적이나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 로봇은 제1 회전부(310)의 회전축(A)과 및 제2 회전부(320)의 회전축(B)이 일정한 각도를 이루도록 배치함으로써, 발목의 3차원 움직임(Dorsiflexion, Plantar Flexion, Inversion, Eversion)을 모두 구현할 수 있는데, 제1 회전축(310)과 제2 회전축이 어떤 위치에 있더라도 발목의 3차원 움직임을 구현할 수 있는 것은 아니므로, 본 발명의 외골격 로봇에서는 제1 회전부(310)는 착용자의 발목관절(Talocrural Joint)에 대응되는 위치에 형성되며, 상기 제2 회전부(320)는 착용자의 목말밑관절(Subtalar Joint)에 대응되는 위치에 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 외골격 로봇은 착용자의 발 형상에 따라 제1 회전축(310)과 제2 회전축(320)의 위치를 조절하는데, 이 때 발목에 대한 인체 해부학적 정보를 활용할 수 있다.

사람의 발 형상 즉, 발 길이, 발 너비, 복사뼈의 위치를 토대로 발목의 기준점을 설정하는 것은 종래에 이미 밝혀져 있는 내용이므로, 본 발명의 외골격 로봇은 착용자의 ⅰ) 발 길이, ⅱ) 발 너비, ⅲ) 복사뼈의 위치를 확인하고 종래에 알려진 인체 해부학적 정보를 토대로 착용자의 발목에서 가상의 기준점(Origin)을 설정한다.

상기와 같이 가상의 기준점이 설정되면, 착용자의 발 중심을 지나는 Midline of foot과 지면과 수직한 정강이뼈(Tibia)의 축(Axis of Tibia)이 상기 기준점을 지나게 되며, 아울러 상기 제1 회전부(310)의 회전축(A)과 상기 제2 회전부(320)의 회전축(B)까지도 상기 기준점에서 교차하게 된다.

이하에서는 X축, Y축, Z축과 같은 표현을 나타날 수 있는데, ⅰ) X축은 상기 가상의 기준점을 지나는 Midline of foot을 의미하고, ⅱ) Z축은 상기 기준점을 지나며 지면과 수직한 Axis of Tibia를 의미하며, ⅲ) Y축은 X축 및 Z축과 모두 수직한 선(line)을 의미한다.

다음으로 도 2 내지 도 4를 참조하여, 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)가 각각 착용자의 발목관절 및 목말밑관절에 대응되는 위치에 형성되기 위한 제1 회전부(310)의 회전축(A) 및 제2 회전부(320)의 회전축(B)의 구체적인 위치에 대하여 살펴본다.

이 때, 도 2 내지 도 4에 나타난 발목의 인체 해부학적 정보는 오른쪽 발목에 대한 정보이나, 왼쪽 발목에 대한 정보도 이와 동일하다.

먼저, 도 2 (a)를 살펴보면 일반적으로 인체의 발목관절의 회전축(Axis of Talocrural joint)과 Z축(Axis of Tibia) 사이의 각도는 75° 내지 85° 범위 내에 존재하며, 특히 발목관절 회전축과 Z축 사이의 각도가 78.5° 내지 81.5° 범위 내에 속하는 경우가 가장 많다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 2 (b)를 살펴보면 상단에서 봤을 때, 발목관절의 회전축과 X축(Midline of foot) 사이의 각도는 76° 내지 85° 범위 내에 존재하는 것이 일반적이며, 특히 83.5° 내지 85.5° 범위 내에 속하는 경우가 가장 많다는 것을 확인할 수 있다.

즉, 상기와 같은 인체 해부학적 정보로 봤을 때 발목관절은 일반적으로 ⅰ) 상단에서 봤을 때, 발목관절의 회전축과 가상의 기준점의 X축 사이의 각도는 83.5° 내지 85.5°이며, ⅱ) 상기 제1 회전부의 회전축과 상기 기준점의 Z축 사이의 각도는 78.5°내지 81.5°범위 내에 속하도록 위치한다는 것을 알 수 있으므로,

제1 회전부(310)를 착용자의 발목관절에 대응되는 위치에 형성하기 위해서는 상단에서 봤을 때, 상기 제1 회전부의 회전축과 상기 기준점의 X축 사이의 각도는 83.5° 내지 85.5°이내이면서도, 상기 제1 회전부의 회전축과 상기 기준점의 Z축 사이의 각도는 78.5°내지 81.5°범위 내에 포함되도록 배치해야 한다.

이 때, "상단에서 봤을 때"라는 표현의 의미는 상기 제1 회전부(310)의 회전축(A)을 XY 평면으로 정사영시킨 후, 정사영된 제1 회전부(310)와 X축 사이의 각도를 측정하였을 때 특정 범위 내에 속한다는 것을 의미하며, 이하에서도 동일한 의미로 사용된다.

다음으로, 도 3 (a)와 같이 목말밑관절의 회전축을 상단에서 봤을 때, 인체의 목말밑관절의 회전축(Axis of Talocalcaneal Joint or Axis of Subtalar Joint)와 X축(Midline of foot) 사이의 각도는 일반적으로 13° 내지 35° 범위 내에 존재하며, 특히 목말밑관절의 회전축과 X축 사이의 각도가 22° 내지 26°범위 내에 속하는 경우가 가장 많았다. 또한, 도 3 (b)와 같이 목말밑관절의 회전축과 지면(평평한 지면) 사이의 각도는 30.5° 내지 50°범위 내에 존재하는 것이 일반적이며, 특히 목말밑관절의 회전축과 지면 사이의 각도가 30.5° 내지 45°범위 내에 속하는 경우가 가장 많은 것을 알 수 있다.

즉, 이와 같은 인체 해부학적 정보로 봤을 때 목말밑관절은 일반적으로 ⅰ) 상단에서 봤을 때, 목말밑관절의 회전축과 가상의 기준점의 X축 사이의 각도는 22° 내지 26° 이내이고, ⅱ) 목말밑관절의 회전축과 지면(평평한 지면) 사이의 각도는 30.5° 내지 45° 범위 내에 속하도록 위치한다는 것을 알 수 있으므로,

제2 회전부(320)를 착용자의 목말밑관절에 대응되는 위치에 형성하기 위해서는 상단에서 봤을 때, 상기 제2 회전부의 회전축과 상기 기준점의 X축 사이의 각도는 22° 내지 26°이내이며, 상기 제2 회전부의 회전축과 지면 사이의 각도는 30.5° 내지 45°범위 내에 포함되도록 배치해야 한다.

아울러, 도 4와 같이 발목관절의 회전축과 목말밑관절의 회전축 사이의 각도는 61° 내지 65°인 것이 일반적이므로, 상기 제1 회전부(310)의 회전축(A)과 상기 제2 회전부(320)의 회전축(B) 사이의 각도가 61° 내지 65°범위 내에 속할 수 있도록 상기 제1 회전부(310) 및 제2 회전부(320)를 배치하여야만, 상기 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)를 각각 착용자의 발목관절 및 목말밑관절에 대응되는 위치에 형성할 수 있다.

즉, 본 발명의 외골격 로봇은 상기와 같이 발목관절의 회전축과 목말밑관절의 회전축이 일반적으로 일정한 범위 내에 위치한다는 점을 이용하여, 제1 회전부(310)를 착용자의 발목관절에 대응되는 위치에, 제2 회전부(320)를 착용자의 목말밑관절에 대응되는 위치에 손쉽게 배치할 수 있다.

또한, 상기 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)가 발목관절과 목말밑관절의 위치에 형성되면, 제1 회전부(310)의 회전축(A)과 제2 회전부(320)의 회전축(B) 이 기준점에서 교차하게 되므로, 발바닥 프레임부(200)가 회전할 때 제1 회전부(310)의 회전축(A)과 제2 회전부(320)의 회전축(B) 사이의 어긋남(Misalignment)이 발생하지 않게 되며, 이에 따라 동력 손실을 최소화면서도 착용자의 불편함을 줄일 수 있다.

본 발명의 상기 종아리 프레임부(100)는 도 5와 같이 두께조절부(500)를 더 포함할 수 있다.

상기 두께조절부(500)는 종아리 프레임부(100) 내측의 착용자의 종아리와 맞닿는 부분에 위치하며, 상기 두께조절부(500)를 상기 종아리 프레임부(100)의 외측에서 수평 이동시킬 수 있어, 상기 두께조절부(500)가 종아리 프레임부(100)의 내측 방향으로 수평 이동하며 착용자의 종아리의 굵기에 맞게 상기 종아리 프레임부(100)의 두께를 조절할 수 있다.

착용자마다 종아리의 두께가 상이함에도 종아리 두께 별로 상기 종아리 프레임부(100)를 설계할 수는 없으므로, 본 발명의 외골격 로봇은 상기와 같은 두께조절부(500)를 구비함으로써 착용자의 종아리가 상기 종아리 프레임부(100)에 견고하게 결합되도록 할 수 있다.

아울러, 본 발명의 외골격 로봇은 도면 상에 도시한 바는 없으나, 상기 종아리 프레임부(100)의 수직 길이와 상기 제1 회전부(310) 및 제2 회전부(320)가 형성되는 상기 링크부(300)의 길이를 조절할 수 있게 만듦으로써, 착용자의 발 길이, 너비, 복사 뼈의 위치 등에 따라 종아리 프레임부(100) 및 링크부(300)의 길이를 조절하여 상기 제1 회전부(310)와 상기 제2 회전부(320)가 각각 착용자의 발목관절 및 목말밑관절에 대응되는 위치에 형성되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 외골격 로봇은 상기 제1 회전부(310)의 회전 각도를 측정하는 제1 회전센서(330); 및 상기 제2 회전부(320)의 회전 각도를 측정하는 제2 회전센서(340);를 더 포함하며, 상기 제1 회전센서(330) 및 제2 회전센서(340)에서 측정된 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)의 회전 정보는 상기 제어부(미도시)로 송신될 수 있다.

상기 제어부에서는 상기 제1 회전센서(330) 및 제2 회전센서(340)로부터 수신한 2개의 회전축의 회전 정보를 토대로 외골격 로봇의 Kinematics를 분석하고, 이를 토대로 후술할 엑추에이터를 구동시켜 발목의 3차원 움직임을 구현할 수 있다.

이 때, 상기 제1 회전센서(330)와 제2 회전센서(340)는 바람직하게 포텐셔미터(Potentiometer)일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)의 회전 정보를 측정할 수만 있다면 어떤 센서를 사용하더라도 무관하다.

다음으로 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 또 다른 핵심 구성 요소인 엑추에이터에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 6은 엑추에이터가 부착된 본 발명의 외골격 로봇에 대한 측면도이다. 도 7은 엑추에이터에 의해 힘이 작용하는 방향을 나타낸 도면이다. 도 8은 발목의 3차원 운동을 구현할 수 있는 인체의 근육에 대하여 나타낸 도면이다.

본 발명의 외골격 로봇은 발바닥 프레임부(200)에 힘을 전달하는 제1 엑추에이터(600), 제2 엑추에이터(610), 제3 엑추에이터(620)를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 엑추에이터(600), 제2 엑추에이터(610), 제3 엑추에이터(620)는 발바닥 프레임부(200)에 힘을 전달함으로써 상기 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)를 구동시킬 수 있는 바, 상기 제어부에서는 각각의 엑추에이터의 구동을 제어하여 제1 회전부(310)와 제2 회전부(320)의 구동을 제어할 수 있다.

상기 제1 엑추에이터(600), 제2 엑추에이터(610), 제3 엑추에이터(620)는 인공 근육인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 전기 또는 압축 공기를 사용하는 엑추에이터(Actuator)일 수도 있다.

인공 근육은 생체 근육의 기능을 수행하는 물질으로, 값이 싸면서도 생체 근육과 유사한 성질을 지녀 외골격 로봇의 엑추에이터로 적합하므로, 본 발명의 외골격 로봇에서는 인공 근육인 제1 엑추에이터(600), 제2 엑추에이터(610), 제3 엑추에이터(620)의 일단을 발바닥 프레임부(200)에 부착하고, 상기 인공 근육을 수축, 팽창시킴으로써 상기 발바닥 프레임부(200)를 구동시킬 수 있다.

구체적으로 도 6 (a)는 본 발명의 외골격 로봇을 제1 회전부의 반대편 측면에서 바라본 도면이며, 도 6 (b)는 본 발명의 외골격 로봇은 제1 회전부 측면에서 바라본 도면인데, 상기 도 6 (a), (b)와 같이 본 발명은 ⅰ) 상기 제1 엑추에이터(600)의 일단은 상기 발바닥 프레임부(200)의 뒤꿈치(Heel)부분에 결합되고, 상기 제1 엑추에이터(600)의 다른 일단은 상기 종아리 프레임부의 외주면에 결합되게 배치하며, ⅱ) 상기 제2 엑추에이터(610)의 일단은 상기 제1 회전부(310)와 인접한 발바닥 프레임부(200)의 측면에 결합되고, 상기 제2 엑추에이터(610)의 다른 일단은 상기 종아리 프레임부(100)의 외주면에 결합되도록 배치하며, 마지막으로 상기 제3 엑추에이터(620)의 일단은 상기 제1 회전부(310)의 반대편에 위치한 발바닥 프레임부(200) 측면에 결합되고, 상기 제3 엑추에이터(620)의 다른 일단은 상기 체결부(400)의 외주면에 결합되도록 배치한다.

제어부에서는 상기와 같이 배치된 상기 제1 엑추에이터(600), 제2 엑추에이터(610), 제3 엑추에이터(620)를 수축 팽창시켜 발바닥 프레임부(200)의 움직임을 조절할 수 있고, 발바닥 프레임부(200)의 움직임에 따라 이와 결합된 상기 제1 회전부(310) 및 제2 회전부(320)까지 구동하게 된다.

특히, 도 7과 같이 상기 제1 엑추에이터(600)는 수축되면서 발바닥 프레임부(200)의 뒤꿈치 부분을 수직 방향으로 끌어 당기므로, 인체의 장딴지근(Gastrocnemius)의 역할을 수행한다.

또한, 상기 제2 엑추에이터(610)는 대각선 방향으로 배치되어, 제어부에 의해 수축되면서 제1 회전부(310)가 위치한 발바닥 프레임부(200)의 측면을 비스듬하게 끌어 당기므로, 인체의 장비골근(또는 긴종아리근, Fibularis longus) 및 단비골근(또는 짧은종아리근, Fibularis brevis)의 역할을 수행하며,

상기 제3 엑추에이터(620)도 상기 제2 엑추에이터(610)와 같이 대각선 방향으로 배치되어, 제어부에 의해 수축되면서 제1 회전부(310)의 반대편에 위치한 발바닥 프레임부(200)의 측면을 비스듬하게 끌어 당겨, 인체의 전경골근(앞정강근, Tibialis anterior) 역할을 할 수 있다.

이 때, 상기 제1 엑추에이터(600), 제2 엑추에이터(610), 제3 엑추에이터(620)의 수축과 팽창을 위해 전기를 공급하는 방법도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 일 예시로 각각의 엑추에이터에 유로를 연결하고, 밸브를 통해 엑추에이터에 공급되는 유압을 조절함으로써 수축, 팽창시킬 수도 있다.

또한, 도면상에 도시하지는 않았으나, 본 발명의 외골격 로봇은 3개의 엑추에이터를 활용하는 대신 상기 제1 회전부(310) 및 제2 회전부(320)에 모터를 설치하고, 상기 제어부에서 모터의 구동을 제어함으로써 발목의 3차원 운동을 구현할 수도 있다.

정리하면, 본 발명의 외골격 로봇은 제1 회전부(310)를 착용자의 발목관절에 대응되는 위치에 형성하고, 제2 회전부(320)를 착용자의 목말밑관절에 대응되는 위치에 형성함으로써, 종래의 외골격 로봇과 달리 도 9와 같이 회전축간의 어긋남(Misalignment) 없이 발목의 3차원 운동(도 9 (a)는 Dorsiflexion, 도 9 (b)는 Plantar Flexion, 도 9 (c) 는 Inversion, 도 9 (d)는 Eversion)을 모두 구현할 수 있으므로, 착용자의 안정감을 높일 수 있다.

또한, 3개의 인공 근육 엑추에이터를 통해 인체의 장딴지근, 종아리근, 전경골근의 역할을 구현함으로써, 외골격 로봇의 무게를 경량화하면서도 착용감을 높일 수 있다는 장점이 있어, 의생물공학(Biomedical Engineering) 분야에서 핵심적인 기술로 활용될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

또한, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 종아리 프레임부
200 : 발바닥 프레임부
300 : 링크부
310 : 제1 회전부
320 : 제2 회전부
330 : 제1 회전센서
340 : 제2 회전센서
400 : 체결부
500 : 두께조절부
600 : 제1 엑추에이터
610 : 제2 엑추에이터
630 : 제3 엑추에이터
A : 제1 회전부의 회전축
B : 제2 회전부의 회전축

Claims (11)

1. 지면과 수직한 방향으로 형성되어 착용자의 종아리뼈 역할을 하는 종아리 프레임부;
   착용자의 발을 지지하는 발바닥 프레임부;
   상기 종아리 프레임부와 상기 발바닥 프레임부를 연결하는 링크부;
   착용자의 종아리를 상기 종아리 프레임부에 고정하는 체결부;
   상기 종아리 프레임부와 상기 링크부가 연결되는 위치에 형성되는 제1 회전부;
   상기 발바닥 프레임부와 상기 링크부가 연결되는 위치에 형성되는 제2 회전부; 및
   상기 제1 회전부와 제2 회전부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하며,
   상기 제1 회전부는 착용자의 발목관절(Talocrural Joint)에 대응되는 위치에 형성되고, 상기 제2 회전부는 착용자의 목말밑관절(Subtalar Joint)에 대응되는 위치에 형성되되,
   착용자의 발 길이, 발 너비, 복사뼈의 위치를 토대로 가상의 기준점을 설정하고, 상기 제1 회전부의 회전축과 상기 제2 회전부의 회전축이 상기 기준점에서 교차하도록 형성되어, 상기 제1 회전부와 제2 회전부가 회전함에 따라 상기 발바닥 프레임부가 3차원 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상단에서 봤을 때, 상기 제1 회전부의 회전축과 상기 기준점의 X축 사이의 각도는 83.5° 내지 85.5°이며,
   상기 제1 회전부의 회전축과 상기 기준점의 Z축 사이의 각도는 78.5°내지 81.5°인 것을 특징으로 하는 외골격 로봇
   
5. 제 1항에 있어서,
   상단에서 봤을 때, 상기 제2 회전부의 회전축과 상기 기준점의 X축 사이의 각도는 22° 내지 26°이며,
   상기 제2 회전부의 회전축과 지면 사이의 각도는 30.5° 내지 45°인 것을 특징으로 하는 외골격 로봇
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 회전부의 회전축과 상기 제2 회전부의 회전축 사이의 각도는 61° 내지 65°인 것을 특징으로 하는 외골격 로봇
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 종아리 프레임부는 두께조절부를 포함하고,
   상기 두께조절부는 상기 종아리 프레임부의 내측 방향으로 수평 이동하며 착용자의 종아리의 굵기에 맞게 상기 종아리 프레임부의 두께를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 회전부의 회전 각도를 측정하는 제1 회전센서; 및
   상기 제2 회전부의 회전 각도를 측정하는 제2 회전센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇
   
9. 제 1항에 있어서,
   제1 엑추에이터, 제2 엑추에이터 및 제3 엑추에이터를 더 포함하고,
   상기 제1 엑추에이터, 제2 엑추에이터, 제3 엑추에이터는 상기 제1 회전부와 제2 회전부를 구동시키되,
   상기 제1 엑추에이터의 일단은 상기 발바닥 프레임부의 뒤꿈치(Heel)부분에 결합되고, 상기 제1 엑추에이터의 다른 일단은 상기 종아리 프레임부의 외주면에 결합되며,
   상기 제2 엑추에이터의 일단은 상기 제1 회전부와 인접한 발바닥 프레임부의 측면에 결합되고, 상기 제2 엑추에이터의 다른 일단은 상기 종아리 프레임부의 외주면에 결합되며,
   상기 제3 엑추에이터의 일단은 상기 제1 회전부의 반대편에 위치한 발바닥 프레임부 측면에 결합되고, 상기 제3 엑추에이터의 다른 일단은 상기 체결부의 외주면에 결합되는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 엑추에이터, 제2 엑추에이터, 제3 엑추에이터는 인공 근육인 것을 특징으로 하는 외골격 로봇
    
11. 삭제

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