KR101983377B1 - 운동 보조 장치 - Google Patents

Abstract

일 실시 예에 따르면 운동 보조 장치는, 사용자의 등에 장착되는 등 프레임; 상기 등 프레임에 슬라이딩 가능하게 연결되는 하중 지지 프레임; 상기 사용자의 허벅지에 장착되는 허벅지 프레임; 및 상기 허벅지 프레임이 상기 하중 지지 프레임에 대해 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 중 적어도 하나 이상의 회전 동작을 할 수 있도록, 상기 허벅지 프레임 및 하중 지지 프레임을 연결하는 조인트 모듈을 포함할 수 있다.

Description

운동 보조 장치{MOTION ASSIST APPARATUS}

아래의 설명은 운동 보조 장치에 관한 것이다.

착용로봇은 사람의 몸에 착용되어 착용자의 근력의 일부 또는 그 이상을 지원해주는 로봇 시스템이다. 근력지원은 등짐하중을 운반하기 위한 근력을 로봇이 대신하거나 착용자의 근육에 직접적으로 구동력을 전달하여 근력을 지원해주는 형태로 구분할 수 있다. 이러한 시스템은 재활, 산업근로자, 교통약자 등에 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 군사용으로 활용될 수 있고, 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 등짐운반형 착용로봇은 군사용, 산업근로자 등 착용자가 정상인으로 등짐에 의한 육체적 피로를 감소시키는 것을 목표로 개발되며, 근력지원형 착용로봇은 재활환자, 교통약자 등을 위해 착용자의 부족한 근력을 로봇이 일부 지원/담당할 수 있도록 개발된다.

기존 착용로봇의 기구부는 주로 착용자의 착용성을 고려하여 착용자와 자세가 일치될 수 있도록 설계된다. 착용자와 로봇간 자세를 일치시키는 방법은 착용자와 로봇의 관절을 일치시키는 경우와 착용자와 로봇의 끝단 위치를 일치시키는 방법이 있다. 착용자와 로봇의 관절을 일치시키는 경우, 기구학적인 측면에서 로봇이 착용자의 움직임을 제한하지 않으므로 착용성이 우수하나, 무게중심 측면에서 로봇이 착용자에게 불편함을 전달할 수 있다. 즉, 착용자와 로봇의 자세(관절)가 일치하더라도 무게중심의 위치가 다른 경우 로봇이 착용자에게 불편함(저항감)을 전달한다. 불행히도 대부분의 등짐운반형 착용로봇은 착용자와 로봇의 관절을 일치시키는 형태로 설계되었다. 특히, 등짐운반형 착용로봇은 근력지원형에 비해 시스템중량 및 등짐하중의 비중이 커 착용자에게 큰 불편함을 초래한다. 예를 들어, 록히드마틴의 HULC, U.C. Berkeley의 BLEEX가 이러한 경우에 속한다. 이와 같은 등짐운반형 착용로봇은 착용자와의 자세(관절)를 일치시키는 기구설계가 이루어졌지만 등짐하중을 지지하기 위한 기구부가 착용자 하지 측면에 위치하도록 설계되어서, 시상면에 대한 착용자의 무게중심과 로봇의 무게중심 불균형이 발생하고, 이에 따라 착용자 허리를 굽혀 무게중심 균형을 맞춰야 하는 불편함이 존재한다. 또한, 보행 중 한발지지 단계에서 착용자와 로봇간의 하중 지지점의 차이가 발생하므로 이로 인한 불편함이 발생한다. 그리고 등짐하중의 무게중심이 착용자의 무게중심과 불일치하여 로봇의 허리관절에 요구되는 토크가 증가하고, 소모전력이 커지는 문제가 있다.

일 실시 예의 목적은, 사용자가 느끼는 저항감을 최소화하고, 등짐 하중 지지를 위해 생성하는 구동력을 효과적으로 하중 지지 프레임에 전달 가능한 운동 보조 장치를 제공하는 것이다.

일 실시 예의 목적은, 근력 부족으로 인해 사용자가 의도치 않게 내전 동작하는 것을 바로 잡아줄 수 있을 뿐만 아니라, 사용자가 자유롭게 외전 동작하도록 보조하는 운동 보조 장치를 제공하는 것이다.

일 실시 예의 목적은, 사용자가 착용하기 편하고, 시상면 상에서 등짐 하중의 모멘트 암의 길이를 줄인 운동 보조 장치를 제공하는 것이다.

일 실시 예의 목적은, 구동부의 위치를 몸의 중심 쪽에 배치하여, 관성 모멘트의 크기를 감소시킨 운동 보조 장치를 제공하는 것이다.

일 실시 예에 따르면 운동 보조 장치는, 사용자의 등에 장착되는 등 프레임; 상기 등 프레임에 연결되는 하중 지지 프레임; 상기 사용자의 허벅지에 장착되는 허벅지 프레임; 및 상기 허벅지 프레임이 상기 하중 지지 프레임에 대해 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 중 적어도 하나 이상의 회전 동작을 할 수 있도록, 상기 허벅지 프레임 및 하중 지지 프레임을 연결하는 조인트 모듈을 포함할 수 있다.

상기 조인트 모듈은, 상기 사용자의 허벅지의 내전 또는 외전 운동에 순응하여 회전 가능한 롤 프레임; 및 상기 하중 지지 프레임 및 롤 프레임을 회전 가능하게 연결하는 롤 조인트를 포함할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는 상기 하중 지지 프레임 및 롤 프레임 사이의 각도 변화에 따라 신장 또는 수축 가능한 고관절 탄성 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 하중 지지 프레임은 상기 고관절 탄성 부재의 제 1 단부를 지지하는 제 1 고정부를 포함하고, 상기 롤 프레임은 상기 고관절 탄성 부재의 제 2 단부를 지지하는 제 2 고정부를 포함할 수 있다.

상기 제 1 고정부 및 제 2 고정부는 상기 사용자의 내측 방향으로 돌출 형성될 수 있다.

상기 롤 프레임이 상기 하중 지지 프레임에 대해 설정 각도 이상으로 외전할 경우, 상기 고관절 탄성 부재는 상기 제 1 고정부 및 제 2 고정부 중 어느 하나의 고정부로부터 이격될 수 있다.

상기 롤 프레임이 상기 하중 지지 프레임에 대해 상기 설정 각도 미만으로 내전할 경우, 상기 고관절 탄성 부재는 상기 어느 하나의 고정부에 접촉하여 탄성 변형될 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 사용자의 허벅지 프레임의 하측에 회전 가능하게 연결되고, 사용자의 종아리에 장착되는 종아리 프레임; 및 상기 종아리 프레임에 대해 상대적으로 슬라이딩 가능한 발 지지 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는 상기 종아리 프레임 및 발 지지 모듈 사이에 배치되는 종아리 탄성 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 종아리 탄성 모듈은, 상기 종아리 프레임 및 발 지지 모듈의 1자유도 상대 운동을 가이드 하기 위한 케이스; 상기 종아리 프레임 및 발 지지 모듈을 연결하는 종아리 탄성 부재; 및 상기 종아리 프레임 및 발 지지 모듈 사이의 간격을 제한하는 걸림턱을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는 사용자의 등에 장착되고, 복수 개의 슬라이더를 포함하는 등 프레임; 상기 등 프레임에 연결되고, 상기 복수 개의 슬라이더의 슬라이딩을 안내하는 가이드를 포함하는 하중 지지 프레임; 상기 사용자의 허벅지에 장착되는 허벅지 프레임; 및 상기 허벅지 프레임이 상기 하중 지지 프레임에 대해 상대적으로 회전 가능하게 연결하는 조인트 모듈을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는 사용자의 등에 장착되는 등 프레임; 상기 등 프레임에 연결되는 하중 지지 프레임; 상기 하중 지지 프레임의 하측에 연결되고, 상기 사용자의 허벅지에 장착되는 허벅지 프레임; 상기 허벅지 프레임의 하측에 연결되고, 상기 사용자의 종아리에 장착되는 종아리 프레임; 및 상기 종아리 프레임의 하측에 연결되고, 상기 사용자의 발에 장착되는 발 지지 모듈을 포함하고, 상기 발 지지 모듈은 상기 사용자의 발목 관절의 후방에 위치하는 발목 조인트를 포함할 수 있다.

상기 사용자가 직립한 상태를 기준으로, 상기 종아리 프레임은 상기 사용자의 종아리의 측방에 위치하고, 상기 발 지지 모듈은 상기 종아리 프레임 및 발목 조인트를 연결하는 절곡부를 더 포함할 수 있다.

상기 발 지지 모듈은, 상기 사용자의 발에 장착되는 발 지지 프레임; 및 상기 발목 조인트 및 발 지지 프레임을 연결하고, 상기 사용자의 발의 후방을 향하여 상향 경사지는 경사부를 더 포함할 수 있다.

상기 발 지지 프레임은 상기 절곡부에 대해 2자유도 이상의 움직임이 가능할 수 있다.

일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 허벅지에 장착되는 허벅지 프레임; 상기 허벅지 프레임의 하측에 회전 가능하게 연결되고, 상기 사용자의 종아리에 장착되는 종아리 프레임; 상기 허벅지 프레임의 상부에 고정되는 구동원; 및 상기 구동원 및 종아리 프레임을 연결하는 동력 전달 모듈을 포함할 수 있다.

상기 동력 전달 모듈은, 상기 구동원으로부터 동력을 전달받아 회전 가능한 제 1 링크; 및 상기 제 1 링크 및 종아리 프레임 각각에 회전 가능하게 연결되는 제 2 링크를 포함할 수 있다.

상기 제 2 링크는, 상기 제 1 링크에 회전 가능하게 연결되는 제 1 서브 링크; 상기 종아리 프레임에 회전 가능하게 연결되는 제 2 서브 링크; 및 상기 제 1 서브 링크 및 제 2 서브 링크 사이에 배치되는 링크 탄성 부재를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 착용자가 느끼는 저항감이 줄어들 수 있고, 등짐하중 지지를 위해 생성하는 구동력이 효과적으로 등짐하중 지지에 전달될 수 있다.

또한, 사용자의 의도치 않은 내전 동작을 방지하여, 사용자의 낙성을 방지할 수 있다.

또한, 시상면 상에서 등짐 하중의 모멘트 암의 길이를 줄임으로써, 하중 지지를 위해 사용되는 동력을 감소시킬 수 있다.

또한, 구동부의 위치를 몸의 중심 쪽에 배치함으로써, 관성 모멘트의 크기를 감소시킴으로써, 사용자의 동력을 보조하기 위해 사용되는 동력을 감소시킬 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 운동 보조 장치가 직립 상태에 있는 모습을 도시한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 후면도이고, 운동 보조 장치가 한 발 지지 상태에 있는 모습을 도시한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 운동 보조 장치의 상체 부분이 전방으로 기울어져 있는 모습을 도시한다.
도 4는 일 실시 예에 따른 등 지지 프레임 및 하중 지지 프레임의 연결관계를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 운동 보조 장치의 왼쪽 다리 부분이 유각기(swing phase)에 있고, 오른쪽 다리 부분이 입각기(stance phase)에 있는 모습을 도시한다.
도 6은 일 실시 예에 따른 종아리 탄성 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 동력 전달 모듈을 나타내는 측면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 동력 전달 모듈을 나타내는 측면도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 운동 보조 장치가 직립 상태에 있는 모습을 도시한다.
도 10은 일 실시 예에 따른 발 지지 모듈을 나타내는 측면도와, 발 지지 모듈을 부분적으로 확대한 사시도이다.

이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 운동 보조 장치가 직립 상태에 있는 모습을 도시한다. 도 2는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 후면도이고, 운동 보조 장치가 한 발 지지 상태에 있는 모습을 도시한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(100)는 사용자(U)에 착용되어 사용자(U)의 운동을 보조할 수 있다. 사용자(U)는 인체, 동물 또는 로봇 등일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다.

운동 보조 장치(100)는 등 프레임(110), 하중 지지 프레임(120), 허벅지 구동원(A1)을 구비하는 조인트 모듈(130), 허벅지 프레임(140), 종아리 프레임(150), 발 지지 모듈(160), 동력 전달 모듈(170), 종아리 구동원(A2), 복수 개의 탄성 부재(181, 182, 183) 및 복수 개의 착용 밴드(191, 192, 193, 194)를 포함할 수 있다. 복수 개의 탄성 부재(181, 182, 183)는 고관절 탄성 부재(181), 링크 탄성 부재(182) 및 종아리 탄성 모듈(183)을 포함할 수 있다. 복수 개의 착용 밴드(191, 192, 193, 194)는 등 프레임(110)에 연결되는 제 1 착용 밴드(191), 허벅지 프레임(140)에 연결되는 제 2 착용 밴드(192), 종아리 프레임(150)에 연결되는 제 3 착용 밴드(193) 및 발 지지 모듈(160)에 연결되는 제 4 착용 밴드(194)를 포함할 수 있다.

등 프레임(110)은 사용자(U)의 등에 장착될 수 있다. 등 프레임(110)은 사용자(U)의 등 부분의 굴곡 부분에 안정적으로 착용될 수 있는 형상을 가질 수 있다. 등 프레임(110) 및 사용자(U)의 등 사이에는 섬유 재질의 완충 부재가 구비될 수 있다. 등 프레임(110)은 제 1 착용 밴드(191)에 의해 사용자(U)의 등에 밀착 상태를 유지할 수 있다. 제 1 착용 밴드(191)는 길이 조절 가능하다.

하중 지지 프레임(120)은 등짐 하중(W)을 지지할 수 있다. 하중 지지 프레임(120)은 등 프레임(110)에 대해 슬라이딩 가능하다. 하중 지지 프레임(120)의 슬라이딩에 대해서는 도 3 및 도 4에서 구체적으로 설명하기로 한다. 하중 지지 프레임(120)은 제 1 지지 프레임(121), 제 2 지지 프레임(122) 및 제 3 지지 프레임(123)을 포함할 수 있다.

제 1 지지 프레임(121)은 등 프레임(110)에 마주할 수 있다. 예를 들어, 제 1 지지 프레임(121)은 등 프레임(110)과 평행한 상태로 배치될 수 있다. 제 1 지지 프레임(121)은 사용자(U)가 직립한 상태를 기준으로 지면에 대해 수직할 수 있다. 제 1 지지 프레임(121) 및 등 프레임(110)은 서로 슬라이딩 가능하다.

제 2 지지 프레임(122)은 등짐 하중(W)의 하측을 지지할 수 있다. 제 2 지지 프레임(122)은 제 1 지지 프레임(121)과 직교할 수 있다. 예를 들어, 제 2 지지 프레임(122)은 지면에 평행할 수 있다. 제 2 지지 프레임(122)은 등짐 하중(W)이 운동 보조 장치(100)로부터 이탈하는 것을 방지하기 위해, 등짐 하중(W)을 고정하는 하중 고정 부재(미도시)를 포함할 수 있다.

제 3 지지 프레임(123)은 제 2 지지 프레임(122)으로부터 하방으로 돌출 형성될 수 있다. 제 3 지지 프레임(123)은 제 2 지지 프레임(122)의 중심축을 기준으로 양측에 각각 하나씩 형성될 수 있다.

조인트 모듈(130)은 하중 지지 프레임(120) 및 허벅지 프레임(140)을 연결할 수 있다. 조인트 모듈(130)에 의해 연결된 허벅지 프레임(140)은 하중 지지 프레임(120)에 대해 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 중 적어도 하나 이상의 회전 동작을 할 수 있다. 예를 들어, 허벅지 프레임(140)은 사용자(U)의 허벅지의 내전(adduction) 또는 외전(abduction)에 대응하여 롤 회전할 수 있고, 사용자(U)의 허벅지의 굽힘(flexion) 또는 신장(extension)에 대응하여 피치 회전할 수 있고, 사용자(U)의 허벅지의 안쪽돌림(internal rotation) 또는 바깥돌림(external rotation)에 대응하여 요 회전할 수 있다. 조인트 모듈(130)은 롤 프레임(131), 롤 조인트(132), 허벅지 구동원(A1), 피치 프레임(133), 요 조인트(134) 및 요 프레임(135)을 포함할 수 있다.

롤 프레임(131)은 사용자(U)의 허벅지의 내전 또는 외전 운동에 순응하여 회전 가능하다. 예를 들어, 사용자(U)가 허벅지를 외전할 경우, 롤 프레임(131)은 도 2를 기준으로 시계 방향으로 회전할 수 있다. 한편, 사용자(U)가 허벅지를 내전할 경우, 롤 프레임(131)은 도 2를 기준으로 반시계 방향으로 회전할 수 있다.

롤 조인트(132)는 하중 지지 프레임(120) 및 롤 프레임(131)을 회전 가능하게 연결할 수 있다. 롤 조인트(132)의 회전 축은 지면과 평행할 수 있다. 롤 조인트(132)의 회전 축은 사용자(U)의 고관절이 롤 회전하는 축과 일치할 수 있다.

허벅지 구동원(A1)은 롤 프레임(131) 및 피치 프레임(133)을 연결하고, 피치 프레임(133)을 롤 프레임(131)에 대해 피치 회전 시킬 수 있다. 예를 들어, 허벅지 구동원(A1)은 도 1을 기준으로 피치 프레임(133)을 반시계 방향으로 회전 시킴으로써 사용자(U)의 고관절의 신장을 보조할 수 있고, 피치 프레임(133)을 시계 방향으로 회전 시킴으로써 사용자(U)의 고관절의 굽힘을 보조할 수 있다.

피치 프레임(133)은 허벅지 구동원(A1)에 의해 구동될 수 있다. 피치 프레임(133)은 사용자(U)의 허벅지의 굽힘 또는 신장에 순응하여 롤 프레임(131)에 대해 피치 회전할 수 있다.

요 조인트(134)는 피치 프레임(133) 및 요 프레임(135)을 회전 가능하게 연결할 수 있다. 요 조인트(134)의 회전 축은 지면에 대해 수직할 수 있다.

요 프레임(135)은 사용자(U)의 허벅지의 안쪽돌림 또는 바깥돌림에 순응하여 피치 프레임(133)에 대해 요 회전할 수 있다.

고관절 탄성 부재(181)는 하중 지지 프레임(120) 및 롤 프레임(131) 사이의 각도 변화에 따라 신장 또는 수축 가능하다. 예를 들어, 도 2를 기준으로, 롤 프레임(131)이 하중 지지 프레임(120)에 대해 반시계 방향으로 회전할 경우, 고관절 탄성 부재(181)는 수축하고, 롤 프레임(131)이 시계 방향으로 회전할 경우, 고관절 탄성 부재(181)는 신장할 수 있다.

하중 지지 프레임(120)의 제 3 지지 프레임(123)은 고관절 탄성 부재(811)의 제 1 단부를 지지 하는 제 1 고정부(1231)를 포함할 수 있다. 롤 프레임(131)은 고관절 탄성 부재(811)의 제 2 단부를 지지하는 제 2 고정부(1311)를 포함할 수 있다. 제 1 고정부(1231) 및 제 2 고정부(1311)는 사용자(U)의 내측 방향으로 돌출 형성될 수 있고, 고관절 탄성 부재(811)는 제 3 지지 프레임(123) 및 롤 프레임(131)을 기준으로 사용자(U)의 내측 방향에 배치될 수 있다. 이와 같은 경우, 사용자(U)의 고관절이 의도하지 않게 내전되는 것이 방지될 수 있고, 운동 보조 장치(100)는 사용자(U)의 낙상을 방지할 수 있다.

이하, 롤 프레임(131)이 롤 조인트(132)를 중심으로 시계 방향(도 2 기준)으로 회전할 때, 고관절 탄성 부재(181)가 제 2 고정부(1311)로부터 이격되는 순간에서, 롤 프레임(131)이 하중 지지 프레임(120)에 대해 이루는 시계 방향의 회전 각도를 설정 각도로 정의하기로 한다.

고관절 탄성 부재(181)는, 롤 프레임(131)이 하중 지지 프레임(120)에 대해 설정 각도 이상으로 외전할 경우, 제 2 고정부(1311)로부터 이격될 수 있다. 예를 들어, 고관절 탄성 부재(181)의 제 1 단부는 제 1 고정부(1231)에 고정될 수 있고, 제 2 단부는 제 2 고정부(1311)에 접촉하거나, 제 2 고정부(1311)로부터 이격될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면. 사용자(U)는 고관절 탄성 부재(811)의 저항 없이 허벅지를 자유롭게 외전할 수 있다.

고관절 탄성 부재(181)는, 롤 프레임(131)이 하중 지지 프레임(120)에 대해 설정 각도 미만으로 내전할 경우, 제 2 고정부(1311)에 접촉하여 탄성 변형될 수 있다. 탄성 변형된 고관절 탄성 부재(181)는 롤 프레임(131)에 복원력을 인가하여 사용자(U)가 안정된 자세로 복귀하도록 보조할 수 있다.

고관절 탄성 부재(181, 181`)는 운동 보조 장치의 왼쪽 하체 부분 및 오른쪽 하체 부분에 각각 하나씩 구비될 수 있다.

허벅지 프레임(140)은 사용자(U)의 허벅지에 장착될 수 있다. 예를 들어, 허벅지 프레임(140)은 제 2 착용 밴드(192)에 의해 사용자(U)의 허벅지에 장착될 수 있다. 제 2 착용 밴드(192)는 길이 조절 가능하다.

종아리 프레임(150)은 사용자(U)의 종아리에 장착될 수 있다. 예를 들어, 종아리 프레임(150)은 제 3 착용 밴드(193)에 의해 사용자(U)의 종아리에 장착될 수 있다. 제 3 착용 밴드(193)는 길이 조절 가능하다. 종아리 프레임(150)은 허벅지 프레임(140)의 하측에 회전 가능하게 연결된다. 예를 들어, 제 1 조인트(J1)는 허벅지 프레임(140) 및 종아리 프레임(150)을 1자유도 회전 가능하게 연결할 수 있다. 예를 들어, 제 1 조인트(J1)는 힌지일 수 있다.

발 지지 모듈(160)은 사용자(U)의 발을 지지할 수 있다. 예를 들어, 발 지지 모듈(160)은 제 4 착용 밴드(194)에 의해 사용자(U)의 발에 장착될 수 있다. 제 4 착용 밴드(194)는 길이 조절 가능하다. 발 지지 모듈(160)은 종아리 프레임(150)에 대해 슬라이딩 가능하다. 예를 들어, 발 지지 모듈(160)은 종아리 탄성 모듈(183)에 의해 종아리 프레임(150)에 연결될 수 있다. 발 지지 모듈(160)은 지면 반발력을 측정 가능한 힘 센서(FS)를 구비할 수 있다. 힘 센서(FS)에서 측정된 지면 반발력에 대한 정보는 제어부(미도시)에 전달되고, 제어부는 지면 반발력에 기초하여 사용자의 보행 단계를 판별할 수 있다.

운동 보조 장치(100)는 복수 개의 관성 측정 장치(IMU, inertial measurement unit)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 운동 보조 장치(100)는 사용자의 상체에 부착 가능한 제 1 관성 측정 장치(IMU1), 사용자의 허벅지의 부착 가능한 제 2 관성 측정 장치(IMU2) 및 사용자의 종아리에 부착 가능한 제 3 관성 측정 장치(IMU3)를 포함할 수 있다. 복수 개의 관성 측정 장치에서 측정된 정보는 제어부에 전달되고, 제어부는 지면 반발력에 기초하여 사용자의 자세를 판별할 수 있다.

도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 운동 보조 장치의 상체 부분이 전방으로 기울어져 있는 모습을 도시한다. 도 4는 일 실시 예에 따른 등 지지 프레임 및 하중 지지 프레임의 연결관계를 개략적으로 나타내는 측면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(100)는 등 프레임(110) 및 하중 지지 프레임(120)을 포함할 수 있다.

등 프레임(110)은 베이스(111)와, 베이스(111)의 일면으로부터 돌출 형성되는 복수 개의 슬라이더(112)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 슬라이더(112)는 베이스(111)의 길이 방향으로 일정 간격 이격 배치될 수 있다. 복수 개의 슬라이더(112)는 하중 지지 프레임(120)에 끼워져 슬라이딩 가능한 형상을 가질 수 있다.

하중 지지 프레임(120)의 제 1 지지 프레임(121)은 등 프레임(110)에 대해 화살표 방향으로 상대적으로 슬라이딩 가능하다. 예를 들어, 제 1 지지 프레임(121)은 복수 개의 슬라이더(112)의 슬라이딩을 안내하기 위한 가이드(1211)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 3에서와 같이, 사용자가 상체를 전방으로 기울일 경우, 하중 지지 프레임(120)은 등 프레임(110)에 대해 상대적으로 하강 운동할 수 있다. 마찬가지로, 사용자가 상체를 후방으로 기울일 경우, 하중 지지 프레임(120)은 등 프레임(110)에 대해 상대적으로 상승 운동 할 수 있다. 이와 같이, 등 프레임(110) 및 하중 지지 프레임(120) 사이의 상대적인 슬라이딩은 운동 보조 장치(100)의 착용감을 향상시킬 수 있다.

도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 운동 보조 장치의 왼쪽 다리 부분이 유각기(swing phase)에 있고, 오른쪽 다리 부분이 입각기(stance phase)에 있는 모습을 도시한다. 도 6은 일 실시 예에 따른 종아리 탄성 모듈을 나타내는 단면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(100)는 허벅지 프레임(140), 종아리 프레임(150), 발 지지 모듈(160) 및 종아리 탄성 모듈(183)을 포함할 수 있다.

종아리 프레임(150)은 허벅지 프레임(140)의 하측에 회전 가능하게 연결되고, 사용자(U)의 종아리에 장착될 수 있다.

발 지지 모듈(160)은 종아리 프레임(150)에 대해 상대적으로 슬라이딩 가능하다.

종아리 탄성 모듈(183)은 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160) 사이에 배치될 수 있다. 종아리 탄성 모듈(183)은 케이스(1831), 종아리 탄성 부재(1832), 걸림턱(1833) 및 베어링(1834)을 포함할 수 있다.

케이스(1831)는 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160)의 1자유도 상대 운동을 가이드할 수 있다. 예를 들어, 케이스(1831)는 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160) 각각의 적어도 일부를 감쌀 수 있고, 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160)이 상대적으로 회전하는 것을 제한할 수 있다. 케이스(1831)는 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160) 사이의 자유도를 제한할 수 있고, 불필요하게 낭비되는 동력이 감소될 수 있다.

종아리 탄성 부재(1832)는 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160)을 연결할 수 있다. 종아리 탄성 부재(1832)는 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160) 사이의 간격에 따라 탄성 변형될 수 있다. 예를 들어, 운동 보조 장치(100)의 허벅지 구동원(A1)의 회전 축은 사용자(U)의 고관절의 굽힘 및 신장 축과 일치하지 않고, 운동 보조 장치(100)의 제 1 조인트(J1)는 사용자(U)의 무릎 관절의 굽힘 및 신장 축과 일치하지 않을 경우, 사용자(U)가 보행하는 동안, 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160) 사이의 간격은 변화할 수 있다. 예를 들어, 종아리 구동원(A2)으로부터 발 지지 모듈(160) 사이의 간격은, 사용자가 직립 상태(도 1 참조)에 비해, 유각기 상태(도 5 참조)에서 증가할 수 있다. 종아리 탄성 부재(1832)는 사용자가 보행 단계에 따라 신장 또는 수축함으로써, 보행 동안 사용자(U)에 인가되는 저항을 줄여줄 수 있다.

걸림턱(1833)은 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160)의 간격을 제한할 수 있다. 걸림턱(1833)은 사용자(U)에게 운동 보조 장치(100)의 하중이 직접적으로 인가되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 사용자(U)가 직립한 상태에서, 걸림턱(1833)은 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160)이 서로 근접하지 못하게 막아줄 수 있고, 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160)은 간격을 유지할 수 있다. 이와 같은 경우, 운동 보조 장치(100)의 하중은 케이스(1831)를 따라 발 지지 모듈(160)로 전달되고, 결과적으로 지면에 전달될 수 있다.

복수 개의 베어링(1834)은 종아리 프레임(150) 및 발 지지 모듈(160)과, 케이스(1831) 사이의 마찰을 줄여줄 수 있다.

도 7은 일 실시 예에 따른 동력 전달 모듈을 나타내는 측면도이고, 도 8은 일 실시 예에 따른 동력 전달 모듈을 나타내는 측면도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 종아리 구동원(A2), 허벅지 프레임(140), 종아리 프레임(150), 동력 전달 모듈(170)을 포함할 수 있다.

종아리 구동원(A2)은 허벅지 프레임(140) 및 종아리 프레임(150)이 연결되는 제 1 조인트(J1)가 아닌 허벅지 프레임(140)의 상부에 고정될 수 있다. 종아리 구동원(A2)은 동력 전달 모듈(170)을 통해 종아리 프레임(150)으로 동력을 전달할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 중량이 무거운 구동원(A2)이 사용자의 무게 중심에 가까이 위치할 수 있으므로, 운동 보조 장치의 관성 모멘트가 감소할 수 있다.

동력 전달 모듈(170)은, 종아리 구동원(A2)으로부터 동력을 전달받아 회전 가능한 제 1 링크(171)와, 제 1 링크(171) 및 종아리 프레임(150) 각각에 회전 가능하게 연결되는 제 2 링크(172)를 포함할 수 있다. 제 1 링크(171) 및 제 2 링크(172)는 제 1 링크 조인트(L1)에서 회전 가능하게 연결될 수 있고, 제 2 링크(172) 및 종아리 프레임(150)은 제 2 링크 조인트(L2)에서 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 2 링크 조인트(L2)는 종아리 프레임(150)으로부터 후방으로 돌출 형성되는 종아리 프레임 돌출부(151)에 구비될 수 있다.

예를 들어, 허벅지 프레임(140)이 허벅지 구동원(A1, 도 1 참조)에 의해 시계 방향으로 회전할 때(도 8 참조), 종아리 구동원(A2)은 종아리 프레임(150)은 제 1 링크(171)를 화살표 방향으로 회전시킴으로써, 종아리 프레임(150)이 제 1 조인트(J1)를 중심으로 시계 방향으로 회전하게 할 수 있다.

제 2 링크(172)는, 제 1 링크(171)에 회전 가능하게 연결되는 제 1 서브 링크(1721)와, 종아리 프레임(150)에 회전 가능하게 연결되는 제 2 서브 링크(1722)와, 제 1 서브 링크(1721) 및 제 2 서브 링크(1722) 사이에 배치되는 링크 탄성 부재(1723)를 포함할 수 있다.

운동 보조 장치는 제 1 서브 링크(1721), 제 2 서브 링크(1722) 및 링크 탄성 부재(1723)의 적어도 일부를 둘러싸고, 제 1 서브 링크(1721) 및 제 2 서브 링크(1722)의 1자유로 슬라이딩을 보조하는 링크 케이스(미도시)를 포함할 수 있다.

링크 탄성 부재(1723)는 사용자의 무릎에 큰 힘 또는 토크가 순간적으로 인가되는 것을 방지할 수 있다.

도 9는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이고, 운동 보조 장치가 직립 상태에 있는 모습을 도시한다. 도 10은 일 실시 예에 따른 발 지지 모듈을 나타내는 측면도와, 발 지지 모듈을 부분적으로 확대한 사시도이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(200)는 등 프레임(210), 하중 지지 프레임(220), 허벅지 구동원(A1)을 구비하는 조인트 모듈(230), 허벅지 프레임(240), 종아리 프레임(250), 발 지지 모듈(260), 동력 전달 모듈(270) 및 종아리 구동원(A2)을 포함할 수 있다.

발 지지 모듈(260)은 종아리 프레임(250)의 하측에 연결되고, 사용자의 발에 장착될 수 있다. 발 지지 모듈(260)은 절곡부(261), 발목 조인트(262), 경사부(263) 및 발 지지 프레임(264)을 포함할 수 있다.

발목 조인트(262)는 사용자의 발목 관절의 후방에 위치할 수 있다. 발목 조인트(262)는 사용자의 발목의 롤, 피치 및 요 중 적어도 하나 이상의 회전 동작을 구현할 수 있다. 예를 들어, 발목 조인트(262)는 유니버셜 조인트 또는 볼 조인트일 수 있다. 발목 조인트(262)의 회전 축은 사용자(U)의 발목 관절의 롤 회전 축과 대략 일치할 수 있고, 사용자는 운동 보조 장치(200)를 착용한 상태에서 원활하게 발목을 롤 회전할 수 있다.

절곡부(261)는 종아리 프레임(250) 및 발목 조인트(262)를 연결할 수 있다. 사용자(U)가 직립한 상태를 기준으로, 종아리 프레임(250)은 사용자의 종아리 측방에 위치할 수 있고, 절곡부(261)는 사용자의 측방에 위치한 종아리 프레임(250)과 사용자의 후방에 위치한 발목 조인트(262)를 연결할 수 있다. 예를 들어, 절곡부(261)는 중력 방향으로 설치되는 제 1 파트(2611)와, 제 1 파트(2611)로부터 후방으로 돌출 형성되는 제 2 파트(2612)와, 제 2 파트(2612)로부터 사용자의 내측 방향으로 돌출 형성되는 제 3 파트(2613)를 포함할 수 있다. 발 지지 모듈(260)은 등짐 하중(W)에 대한 작용점으로 기능할 수 있고, 절곡부(261)의 이러한 형상으로 인해, 등짐 하중(W)의 모멘트 암의 길이(L)는 감소할 수 있다. 따라서, 등짐 하중(W)으로 인해 운동 보조 장치(200)가 뒤쪽으로 뒤집어지는 현상이 감소할 수 있다.

경사부(263)는 발목 조인트(262) 및 발 지지 프레임(264)을 연결하고, 사용자의 발의 후방을 향하여 상향 경사질 수 있다. 경사부(263)는 발 지지 프레임(264)과 일정 각도를 형성할 수 있다. 사용자(U)는 경사부(263)에 발 뒤꿈치를 맞추는 방식으로 간편하게 운동 보조 장치(200)를 착용할 수 있다. 경사부(263)는 사용자(U)의 발이 후방으로 밀리는 것을 방지할 수 있다.

발 지지 프레임(264)은 사용자의 발을 지지할 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

1. 사용자의 등에 장착되는 등 프레임;
   상기 등 프레임에 연결되는 하중 지지 프레임;
   상기 사용자의 허벅지에 장착되는 허벅지 프레임; 및
   상기 허벅지 프레임이 상기 하중 지지 프레임에 대해 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 중 적어도 하나 이상의 회전 동작을 할 수 있도록, 상기 허벅지 프레임 및 하중 지지 프레임을 연결하는 조인트 모듈을 포함하고,
   상기 조인트 모듈은,
   상기 사용자의 허벅지의 내전 또는 외전 운동에 순응하여 회전 가능한 롤 프레임; 및
   상기 하중 지지 프레임 및 롤 프레임을 회전 가능하게 연결하는 롤 조인트를 포함하고,
   상기 하중 지지 프레임 및 롤 프레임 사이의 각도 변화에 따라 신장 또는 수축 가능한 고관절 탄성 부재를 더 포함하는 운동 보조 장치.
   
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3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 하중 지지 프레임은 상기 고관절 탄성 부재의 제 1 단부를 지지하는 제 1 고정부를 포함하고,
   상기 롤 프레임은 상기 고관절 탄성 부재의 제 2 단부를 지지하는 제 2 고정부를 포함하는 운동 보조 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 1 고정부 및 제 2 고정부는 상기 사용자의 내측 방향으로 돌출 형성되는 운동 보조 장치.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 롤 프레임이 상기 하중 지지 프레임에 대해 설정 각도 이상으로 외전할 경우, 상기 고관절 탄성 부재는 상기 제 1 고정부 및 제 2 고정부 중 어느 하나의 고정부로부터 이격되고,
   상기 롤 프레임이 상기 하중 지지 프레임에 대해 상기 설정 각도 미만으로 내전할 경우, 상기 고관절 탄성 부재는 상기 어느 하나의 고정부에 접촉하여 탄성 변형되는 운동 보조 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 사용자의 허벅지 프레임의 하측에 회전 가능하게 연결되고, 사용자의 종아리에 장착되는 종아리 프레임; 및
   상기 종아리 프레임에 대해 상대적으로 슬라이딩 가능한 발 지지 모듈을 더 포함하는 운동 보조 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 종아리 프레임 및 발 지지 모듈 사이에 배치되는 종아리 탄성 모듈을 더 포함하는 운동 보조 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 종아리 탄성 모듈은,
   상기 종아리 프레임 및 발 지지 모듈의 1자유도 상대 운동을 가이드 하기 위한 케이스;
   상기 종아리 프레임 및 발 지지 모듈을 연결하는 종아리 탄성 부재; 및
   상기 종아리 프레임 및 발 지지 모듈 사이의 간격을 제한하는 걸림턱을 포함하는 운동 보조 장치.
   
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