KR102123694B1 - 보행보조 웨어러블 로봇장치 - Google Patents

보행보조 웨어러블 로봇장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 보행보조 웨어러블 로봇장치는, 허리를 감싸도록 라운드 형상을 갖는 메인 프레임(100)과, 상기 메인 프레임의 좌우측에 각각 설치되는 좌측 구동부 및 우측 구동부(200A, 200B)와, 좌우측 구동부에 연결되고 좌우측 구동부에 의해 전후 왕복 동작하는 좌우측 지지부(300A, 300B)와, 상기 메인 프레임의 후측에 장착되고, 좌우측 구동부의 동작을 제어하는 컨트롤러(400)와, 상기 메인 프레임의 내측에 설치되고 착용자의 허리에 고정할 수 있도록 하기 위한 허리 고정벨트(500)와, 상기 좌우측 지지부의 하측 단부에 설치되고 착용자의 좌우측 허벅지에 고정할 수 있도록 하기 위한 허벅지 고정밴드(600A, 600B)를 포함하여 이루어진다.

Description

보행보조 웨어러블 로봇장치{ROBOT FOR ASSISTING IN WALKING}
본 발명은 보행보조 웨어러블 로봇장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사고, 질병 등 보행이 정상적으로 이루어지지 않는 환자나 노약자의 보행을 보조하기 위한 로봇장치에 관한 것이다.
최근, 로봇기술의 발달로 재활 보조 장치들이 개발되고 있다. 특히 재활을 돕는 장치들 중 보행보조 장치도 예외는 아니어서 다양한 제어방법이 개발되고 있다.
보행보조 장치는 노화나 장애로 인해 하지 근력이 약화되어 정상적인 보행이 어려운 사람에게 유용하다.
일예로, 공개특허공보 제10-2013-0111763호의 보행 보조장치는 배터리를 사용하여 구동모터를 동작시키고, 구동모터의 회전력으로 보행이 가능하도록 구성되어 있다.
선행기술문헌의 보행보조장치는 인체의 등에 배터리 및 모터를 설치하고, 모터의 회전력을 구동풀리와 종동풀리에 전달되도록 하여 보행이 이루어진다.
공개특허공보 제10-2013-0111763호의 보행 보조장치. 공개특허공보 제10-2013-0105867호의 통합형 기울기 센서를 구비한 보행 보조장치. 공개특허공보 제10-2010-044358호의 지능형 근력 및 보행 보조용 로봇. 공개특허공보 제10-2006-0039970호의 근력증강을 위한 보행보조기기 및 그 제어방법.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 근력이 약화되어 보행이 불편한 사람이 혼자서 컨트롤러를 조작하여 보행할 수 있도록 하는 로봇장치를 제공하려는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
근력이 약화된 사용자가 착용하고 미리 프로그램된 보행모드를 선택하여 보행할 수 있는 보행보조 웨어러블 로봇장치로서, 상기 로봇장치는 허리를 감싸도록 라운드 형상을 갖는 메인 프레임(100)과, 상기 메인 프레임의 좌우측에 각각 설치되는 좌측 구동부 및 우측 구동부(200A, 200B)와, 좌우측 구동부에 연결되고 좌우측 구동부에 의해 전후 왕복 동작하는 좌우측 지지부(300A, 300B)와, 상기 메인 프레임의 후측에 장착되고, 좌우측 구동부의 동작을 제어하는 컨트롤러(400)와, 상기 메인 프레임의 내측에 설치되고 착용자의 허리에 고정할 수 있도록 하기 위한 허리 고정벨트(500)와, 상기 좌우측 지지부의 하측 단부에 설치되고 착용자의 좌우측 허벅지에 고정할 수 있도록 하기 위한 허벅지 고정밴드(600A, 600B)를 포함하여 이루어진다.
실시예로서, 컨트롤러(400)는 좌우측 구동부의 모터 제어모듈로부터 구동정보를 입력받고 모터 제어모듈로 제어신호를 출력하는 상기 구동정보 처리부(410)와, 미리 정해진 하나 이상의 서로 다른 보행속도를 가지는 모드를 입력받는 보행모드 선택부(420)와, 서로 다른 보행 속도를 가지는 하나 이상의 보행 모드를 입력받는 표시부(430)을 포함한다.
본 발명에 따른 구동정보는 지지부의 위치(Position) 정보, 모터의 회전정보로 이루어진다.
실시예로서, 좌우측 구동부(200A, 200B)는 모터 제어모듈과, 모터와, 감속기와, 체결구를 포함하고, 상기 모터는 모터 제어모듈의 구동신호에 따라 회전하고, 감속기는 모터의 회전속도를 감속하며, 상기 지지부는 감속기와 연결되고, 상기 감속기에에는 모터의 회전수를 검출하는 제1 센서가 설치되고, 상기 체결구에는 지지부의 위치를 검출하는 제2 센서가 설치되고, 상기 모터 제어모듈은 제1 센서의 센싱값으로부터 모터의 회전속도를 전송받고 모터가 설정된 보행모드에 따른 회전속도로 회전하는지를 확인하고, 제2 센서의 센싱값으로부터 지지부의 수직 이격각도를 검출하고 모터의 회전량을 결정하도록 구성된다.
실시예로서, 상기 좌우측 구동부에 연결된 좌우측 지지부는 소정 각도로 좌우 유동될 수 있도록 체결구와 결합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 보행을 불편한 사람이 로봇장치를 착용하고 컨트롤러를 조작하여 혼자서 보행이 가능하다.
또한 로봇장치를 이용하여 보행을 함으로써 인체의 다리 근육의 근력증강을 증진시킬 수 있다.
또한 로봇장치의 좌우측 구동부에 연결된 좌우측 지지부를 소정 각도로 좌우 유동될 수 있도록 구성하여, 착용자가 보행 편의성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행보조 웨어러블 로봇장치를 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행보조 웨어러블 로봇장치를 착용자가 착용한 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 컨트롤러와 구동부를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 구동부를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 구동부의 제어흐름을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 지지부의 회동범위를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.
본 발명은 근력이 약화된 사용자가 착용하고 미리 프로그램된 보행모드를 선택하여 보행할 수 있는 보행보조 웨어러블 로봇장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행보조 웨어러블 로봇장치를 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇장치는 허리를 감싸도록 라운드 형상을 갖는 메인 프레임(100)과, 상기 메인 프레임의 좌우측에 각각 설치되는 좌측 구동부 및 우측 구동부(200A, 200B)와, 좌우측 구동부에 연결되고 좌우측 구동부에 의해 전후 왕복 동작하는 좌우측 지지부(300A, 300B)와, 상기 메인 프레임의 후측에 장착되고, 좌우측 구동부의 동작을 제어하는 컨트롤러(400)를 포함한다.
추가적으로 상기 메인 프레임에는 착용자의 허리에 고정할 수 있도록 하기 위한 허리 고정벨트(500)가 구비되고, 상기 좌우측 지지부의 하측 단부에는 착용자의 좌우측 허벅지에 고정할 수 있도록 하기 위한 허벅지 고정밴드(600A, 600B)가 더욱 구비될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행보조 웨어러블 로봇장치를 착용자가 착용한 상태를 나타낸 것이다.
도면을 참조하면, 착용자는 메인 프레임의 내측에 설치된 허리 고정벨트를 허리에 결속하고, 착용자의 좌측 및 우측 허벅지에 좌측 및 우측 지지부의 하측 단부에 구비된 허벅지 고정밴드를 각각 결속한다.
이와 같이 허리 고정벨트와 허벅지 고정밴드를 결속하면, 착용자는 컨트롤러의 제어신호에 따라 좌우측 지지부가 움직이게 된다. 착용자는 컨트롤러의 미리 설정된 보행모드에 따라 보행을 할 수 있다.
보행보조 웨어러블 로봇장치의 메인 프레임(100)은 착용자의 뒤쪽에서 허리를 감싸도록 오목한 라운드 형상으로 이루어진다. 메인 프레임은 후측 프레임(110)과, 좌측 프레임(120A)과, 우측 프레임(120B)을 포함한다. 상기 후측 프레임, 좌측 프레임, 우측 프레임은 일체로 형성되고, 전체적으로 전측이 오목한 라운드 형상을 가진다.
상기 후측 프레임의 후측에는 컨트롤러가 장착되고 메인 프레임의 내측에는 허리에 메인 프레임을 견고히 고정하기 위한 허리 고정벨트가 구비된다. 또한 좌측 및 우측 프레임에는 각각 좌측 및 우측 구동부가 장착된다.
도 3은 본 발명에 따른 컨트롤러와 구동부를 나타낸 것이다.
좌측 및 우측 구동부(200A, 200B)는 각각 좌측 및 우측 프레임에 고정된다. 좌측 및 우측 구동부는 컨트롤러의 제어신호에 따라 구동된다. 좌측 및 우측 구동부는 모터 제어모듈(MC)과, 모터(M)와, 감속기(R), 체결구(C)를 포함한다. 모터는 모터 제어모듈의 구동신호에 따라 회전하며, 감속기는 모터의 회전속도를 감속한다. 상기 체결구는 감속기와 축연결되고 지지부가 고정된다.
좌측 및 우측 구동부에는 각각 좌측 및 우측 지지부가 연결되어 있고, 좌우측 지지부는 좌우측 구동부의 구동에 따라 보행동작과 대응되는 전후 왕복 동작된다.
도 4는 본 발명에 따른 구동부를 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명에 따른 구동부의 제어흐름을 나타낸 것이다.
도면을 참조하면, 모터(M)는 벨트(V)를 통해 감속기(R)와 연결되어 있고, 감속기(R)에는 체결구(C)가 결합되어 있다. 또한 감속기(R)에는 제1 센서(S1)가 설치되어 있으며, 체결구(C)에는 제2 센서(S2)가 설치되어 있다.
제1 센서(S1)는 모터(M)의 회전수를 검출하고, 제2 센서(S2)는 지지부의 위치를 검출한다. 제1 및 제2 센서로부터 검출된 센싱값은 모터 제어모듈로 전송된다.
모터 제어모듈은 제1 센서의 센싱값으로부터 모터의 회전속도를 전송받고 모터가 설정된 보행모드에 따른 회전속도로 회전하는지를 확인한다. 또한 모터제어모듈은 제2 센서의 센싱값으로부터 지지부의 수직 이격각도를 검출하고 모터의 회전량을 결정한다. 실시예로서 제2 센서의 지지부의 수직 이격각도로부터 모터의 역회전 시점을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 모터는 BLDC(Brushless Direct Current) 모터로 구성할 수 있으며, 모터 제어모듈은 BLDC 위상제어를 통해 모터의 회전수를 제어하고, 지지부를 목표위치로 이동시킬 수 있다. 초기 구동시 착용자가 선택한 부하율 및 허벅지 위치에 따라 모터를 구동시킴으로써, 과도한 보행 부하를 방지할 수 있다.
상기 좌우측 지지부(300A, 300B)의 상측 단부는 좌측 및 우측 구동부의 감속기에 연결되어 있고, 좌우측 지지부(300A, 300B)의 하측 단부에는 허벅지 고정밴드(600A, 600B)가 구비되어 있다.
착용자는 허벅지 고정밴드를 사용하여 좌우측 허벅지를 결속한다. 이에 따라, 좌우측 지지부의 움직임에 따라 좌우측 허벅지가 움직일 수 있다. 실시예로서 상기 고정밴드는 벨크로(Velcro)로 구성하고, 허벅지 사이즈에 따라 결속위치를 조절할 수 있다.
한편, 좌우측 지지부(300A, 300B)는 사이즈별 예컨대, Large size, Medium size, Small size로 제작할 수 있고, 체형에 맞게 탈부착하거나 교체가 가능하게 구성할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 지지부의 회동범위를 나타낸 것이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 좌우측 구동부에 연결된 좌우측 지지부는 소정 각도로 좌우 유동될 수 있다. 이에 따라 착용자가 보행 편의성을 증대시킬 수 있다.
컨트롤러(400)는 메인 프레임의 후측에 장착되고, 좌우측 구동부를 제어한다. 컨트롤러는 CAN(Controller Area Network) 통신으로 좌우측 구동부를 제어할 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않지만, 컨트롤러에는 모터구동을 위한 배터리가 연결될 수 있다.
컨트롤러(400)는 구동정보 처리부(410), 보행모드 선택부(420), 표시부(430)를 포함한다. 컨트롤러는 좌우측 구동부의 모터 제어모듈로부터 전송되는 구동정보를 입력받고, 구동부의 모터 제어모듈로 제어신호를 출력한다.
상기 구동정보 처리부(410)는 구동부의 모터 제어모듈로부터 구동정보를 입력받고 모터 제어모듈로 제어신호를 출력한다. 실시예로서 구동정보는 지지부의 위치(Position) 정보, 모터의 회전정보로 이루어지는 정보일 수 있다.
상기 보행모드 선택부(420)는 미리 정해진 하나 이상의 서로 다른 보행속도를 가지는 모드를 입력받는다. 착용자는 표시부에서 선택되는 보행 모드를 선택할 수 있다.
상기 표시부(430)는 배터리의 충전량, 지지부의 위치정보, 모터의 부하율, 모터의 구동정보가 표시될 수 있으며, 착용자의 보행의 속도를 결정하는 보행 모드를 입력받을 수 있다. 표시부는 착용자의 조작 편의성을 위해 터치패드로 구성할 수 있다.
실시예로서, 컨트롤러는 좌우측 구동부에 각각 제어신호를 출력한다. 좌우측 구동부의 모터 제어모듈은 모터의 회전제어를 수행한다. 제어신호에 따라 모터는 회전한다.
한편, 보행 모드는 착용자의 보행 상태에 따라 서로 다른 보행 속도를 가진다. 예컨대, 보행 모드는 슬러우 모드, 노멀 모드, 패스트 모드 등일 수 있다.
모터 제어모듈에 따라 모터가 회전하면, 감속기는 모터의 회전속도를 감속한다. 이에 따라 구동부의 감속기에 연결된 지지부는 선택된 보행모드의 보행속도에 대응하는 전후 동작 속도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 컨트롤러는 착용자가 휴대하는 단말기를 통해 제어될 수 있다. 상기 단말기는 컨트롤러와 무선통신으로 신호를 송수신할 수 있다. 실시예로서, 무선통신은 Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, WCDMA, CDMA, LTE 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 통신방법일 수 있다.
단말기를 스마트 기기를 사용할 경우 착용자가 모바일 앱을 통해 컨트롤러의 제어를 대신할 수 있다. 로봇장치의 착용자는 모바일 앱을 통해 보행모드를 선택할 수 있고, 컨트롤러가 전송하는 배터리의 충전량, 지지부의 위치정보, 모터의 부하율, 모터의 구동정보를 디스플레이 화면을 통해 볼 수 있다.
본 발명에 따르면, 미리 프로그램된 서로 다른 속도를 가지는 보행 모드를 선택할 수 있으므로, 착용자가 원하는 보행 속도를 결정할 수 있다. 아울러, 보행이 불편한 사람에게 재활용도로 로봇장치를 사용할 수 있도록 하여 착용자의 다리 근육의 근력을 증강시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100 : 메인 프레임
110 : 후측 프레임
120A : 좌측 프레임
120B : 우측 프레임
200A, 200B : 좌측 및 우측 구동부
300A, 300B : 좌측 및 우측 지지부
400 : 컨트롤러
410 : 구동정보 처리부
420 : 보행모드 선택부
430 : 표시부
500 : 허리 고정벨트
600A, 600B : 허벅지 고정밴드
M : 모터
R : 감속기
C : 체결구

Claims (3)

  1. 허리를 감싸도록 라운드 형상을 갖는 메인 프레임(100)과,
    상기 메인 프레임의 좌우측에 각각 설치되는 좌측 구동부 및 우측 구동부(200A, 200B)와,
    좌우측 구동부에 연결되고 좌우측 구동부에 의해 전후 왕복 동작하는 좌우측 지지부(300A, 300B)와,
    상기 메인 프레임의 후측에 장착되고, 좌우측 구동부의 동작을 제어하는 컨트롤러(400)와,
    상기 메인 프레임의 내측에 설치되고 착용자의 허리에 고정할 수 있도록 하기 위한 허리 고정벨트(500)와,
    상기 좌우측 지지부의 하측 단부에 설치되고 착용자의 좌우측 허벅지에 고정할 수 있도록 하기 위한 허벅지 고정밴드(600A, 600B)를 포함하여 이루어지고,
    상기 좌우측 구동부(200A, 200B)는 모터 제어모듈과, 모터와, 감속기와, 체결구를 포함하고,
    상기 모터는 모터 제어모듈의 구동신호에 따라 회전하고, 감속기는 모터의 회전속도를 감속하며, 상기 지지부는 감속기와 연결되고,
    상기 감속기에는 모터의 회전수를 검출하는 제1 센서가 설치되고, 상기 체결구에는 지지부의 위치를 검출하는 제2 센서가 설치되고,
    상기 모터 제어모듈은 제1 센서의 센싱값으로부터 모터의 회전속도를 전송받고 모터가 설정된 보행모드에 따른 회전속도로 회전하는지를 확인하고, 제2 센서의 센싱값으로부터 지지부의 수직 이격각도를 검출하고 모터의 회전량을 결정하고,
    상기 컨트롤러(400)는 좌우측 구동부의 모터 제어모듈로부터 구동정보를 입력받고 모터 제어모듈로 구동신호를 출력하는 구동정보 처리부(410)와, 미리 정해진 하나 이상의 서로 다른 보행속도를 가지는 모드를 입력받는 보행모드 선택부(420)와, 서로 다른 보행 속도를 가지는 하나 이상의 보행 모드를 입력받는 표시부(430)을 포함하고,
    상기 구동정보는 지지부의 위치(Position) 정보 및 모터의 회전정보이고,
    상기 좌우측 구동부에 연결된 좌우측 지지부는 좌우로 소정각도 유동되도록 구성한 것을 특징으로 하는 보행보조 웨어러블 로봇장치.
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