KR102252111B1 - 공기냉각장치를 포함하는 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 이의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 유연구동기는, 온도 변화에 따라 수축 상태와 이완 상태 사이에서 변경 가능하도록 구성된 열반응 부재; 상기 열반응 부재를 강제로 냉각시키도록 구성된 냉각부; 및 상기 열반응 부재가 이완 상태로 변경될 때 상기 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 상기 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부를 제어하도록 구성된 제어부를 포함하고, 상기 냉각부는 상기 열반응 부재가 이완 상태에 있는 경우 상기 열반응 부재의 이완 속도를 증가시키기 위하여 상기 열반응 부재와 직접적으로 접촉하도록 구성된 냉각공기를 분사하는 것을 특징으로 한다.

Description

공기냉각장치를 포함하는 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 이의 제어방법{Flexible actuator including air cooling device, wearable robot including the same, and control method therefor}

본 발명은 공기냉각장치가 구비된 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이완 응답성 향상을 위한 공기냉각장치를 포함하는 옷감형 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치 및 이들의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 산업 현장의 근로자, 하역근로자, 택배근로자 등은 무거운 중량의 물체를 반복적으로 들고 이동하는 동작을 수행하는 경우가 많다.

이러한 작업은 여러 사람의 인력이 요구되거나 현장 상황에 따라 중장비나 기중기, 도르래 등의 보조장비가 사용되어야 하는 불편이 있다. 또한, 사람이 직접 작업할 경우에는 높은 작업 강도로 인해 근로자의 피로 증가와 작업능률의 저하는 물론이고, 근골격계 손상 등의 산업재해와 관련 직종의 기피 현상에 대한 문제가 있으며, 보조장비를 사용할 경우에는 비교적 넓은 이동공간이나 설치공간이 필요하므로, 사용범위가 제한적인 문제가 있다.

이러한 문제로 인해 반복적인 하중을 들고 일어서는 동작이나 무거운 하중을 버티는 동작을 완화시키기 위한 착용형 근력보조장치의 필요성이 대두되고 있다.

최근 개발되고 있는 근력보조장치는 모터와 프레임 등을 이용하여 팔이나 다리의 측면에 부착하여 구동되는 방식이 대부분이다.

이러한 방식의 근력보조장치는 프레임이나, 각종 프레임의 구동을 위한 모터 등으로 구성되어 무게가 무겁고 딱딱하여 자연스러운 움직임을 방해할 뿐만 아니라, 착용이 불편한 문제점이 있다.

따라서, 무게가 가볍고, 인체 근육과 유사한 위치에 부착되어 신체의 움직임을 방해하지 않을 뿐만 아니라 다양한 동작의 응답성을 향상시킬 수 있는 웨어러블 로봇(근력 증강용 의복)의 개발이 요구된다.

이러한 요구에 응답하여 형상기억합금 스프링을 이용한 옷감형 유연구동기 및 이를 이용한 근력보조장치가 제안되어 관련 기술들이 현재 연구되고 있다. 다만, 형상기억합금 스프링은 온도 제어 시 자연 냉각에 의존하여 냉각 속도가 느리므로, 이러한 타입의 웨어러블 로봇 또는 근력 보조 장치의 대부분은 이완 속도가 느리다는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 문제 및 이와 연관된 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 예시적 목적은, 인체 근육과 유사한 위치에 부착되어 신체의 움직임을 방해하지 않을 뿐만 아니라 다양한 동작, 특히 이완 동작의 응답성을 향상시킬 수 있는 옷감형 유연구동기 및 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치를 제공하는 것이다.

본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 따른 옷감형 유연구동기 및 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유연구동기는, 온도 변화에 따라 수축 상태와 이완 상태 사이에서 변경 가능하도록 구성된 열반응 부재; 상기 열반응 부재를 강제로 냉각시키도록 구성된 냉각부; 및 상기 열반응 부재가 이완 상태로 변경될 때 상기 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 상기 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부를 제어하도록 구성된 제어부를 포함하고, 상기 냉각부는 상기 열반응 부재가 이완 상태에 있는 경우 상기 열반응 부재의 이완 속도를 증가시키기 위하여 상기 열반응 부재와 직접적으로 접촉하도록 구성된 냉각공기를 분사하는 것을 특징으로 한다.

내부에 상기 열반응 부재의 적어도 일부를 수용하도록 구성되는 본체를 더 포함하며, 상기 냉각공기는 상기 본체 내부에 분사된다.

상기 냉각부는: 상기 냉각공기를 상기 본체 내부로 유도하기 위하여 구성된, 투입구를 포함하는 냉각공기 투입유로; 및 상기 냉각공기를 상기 본체 외부로 유도하기 위하여 구성된, 배출구를 포함하는 냉각공기 배출유로를 포함한다.

상기 열반응 부재는 상기 본체 내부에서 일 방향으로 배열되며, 상기 냉각공기 투입유로의 투입구는 상기 일 방향을 향하여 개구(opening)가 배향되도록 구성된다.

상기 냉각공기 투입유로는 상기 본체의 일 단에 형성되고, 상기 냉각공기 배출유로는 상기 본체의 타 단에 형성된다.

상기 열반응 부재는 상기 본체 내부에서 일 방향으로 배열되며, 상기 냉각공기 투입유로는 상기 냉각공기 투입유로로부터 상기 일 방향으로 연장 형성된 미세투입유로를 포함한다.

상기 미세투입유로는 상기 열반응 부재의 수축상태에서의 길이보다 짧은 길이를 갖도록 구성된다.

상기 미세투입유로와 상기 열반응 부재는 각각 복수로 구성되고, 각각의 미세투입유로는 복수의 열반응 부재들 사이에 배치되어 상기 열반응 부재들 사이의 접촉을 방지하도록 구성된다.

상기 투입구는 상기 미세투입유로에 복수 개 형성되고, 상기 복수개의 투입구 중 적어도 일부는 상기 일 방향에 직교하는 방향으로 개구가 배향된다.

상기 본체는 상기 열반응 부재의 수축 또는 이완 시 함께 수축 또는 이완 가능한 재질로 구성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 로봇은, 의복 본체, 및 상기 의복 본체에 연결되는 앞서 설명한 유연구동기를 포함하며, 상기 유연구동기의 일 측은 제 1 신체고정부에 배치되고, 상기 유연구동기의 타 측은 상기 의복 본체에서 관절이 대응되는 위치를 기준으로 상기 제 1 신체고정부와 반대편에 있는 제 2 신체고정부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

착용자의 동작을 감지하도록 구성된 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 센서가 상기 착용자의 이완 동작을 감지하는 경우, 상기 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 상기 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부를 제어하도록 구성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 마사지 장치는, 탄성 밴드, 및 상기 탄성 밴드에 연결되는 앞서 설명한 유연구동기를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유연구동기의 제어방법은, 온도 변화에 따라 수축 상태와 이완 상태 사이에서 변경 가능하도록 구성된 열반응 부재; 상기 열반응 부재를 강제로 냉각시키도록 구성된 냉각부; 및 상기 열반응 부재가 이완 상태로 변경될 때 상기 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 상기 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부를 제어하도록 구성된 제어부를 포함하는 유연구동기의 제어방법으로서, 상기 열반응 부재가 이완 상태에 있는 경우 상기 열반응 부재의 이완 속도를 증가시키기 위하여 상기 열반응 부재와 직접적으로 접촉하도록 구성된 냉각공기를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각공기는 상기 열반응 부재의 배열 방향과 동일한 방향으로 분사되거나, 상기 열반응 부재의 배열 방향에 직교하는 방향으로 분사되도록 구성된다.

상기 열반응 부재가 최대 이완 상태에 도달하면 상기 냉각부로의 전원 공급이 중단되도록 전기공급부를 제어하는 단계를 더 포함한다.

상기 열반응 부재가 수축 상태로 변경될 때 상기 열반응 부재로의 전원이 공급되도록 전기공급부를 제어하는 단계를 더 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 기록 매체는, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터에 의해 실행되는 경우, 앞서 설명한 제어 방법을 구현한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 로봇용 유연구동기 조립체는, 온도 변화에 따라 수축 상태와 이완 상태 사이에서 변경 가능하도록 구성된 제 1 유연구동기와 제 2 유연구동기; 상기 제 1 유연구동기와 상기 제 2 유연구동기 내부에 냉각 공기를 강제로 주입하도록 구성된 냉각장치; 및 상기 제 1 유연구동기와 상기 제 2 유연구동기의 수축 상태와 이완 상태 사이에서의 작동 변경을 위한 전원 공급을 제어하도록 구성된 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 냉각장치로 하여금 상기 제 1 유연구동기와 상기 제 2 유연구동기 중 이완 상태에 있는 유연구동기의 내부로만 공기를 주입하도록 구성된다.

상기 제 1 유연구동기와 상기 제 2 유연구동기는 각각 굽힘근과 폄근 위치에 배치되도록 구성된다.

관절의 폄 상태에서 굽힘 상태로 동작시, 상기 굽힘근 측의 제 1 유연구동기는 수축되고 상기 폄근 측의 제 2 유연구동기는 이완되며, 상기 제어부는 상기 냉각장치로 하여금 상기 제 2 유연구동기 내부로 공기를 주입하도록 제어된다.

또한, 관절의 굽힘 상태에서 폄 상태로 동작시, 상기 굽힘근 측의 제 1 유연구동기는 이완되고 상기 폄근 측의 제 2 유연구동기는 수축되며, 상기 제어부는 상기 냉각장치로 하여금 상기 제 1 유연구동기 내부로 공기를 주입하도록 제어된다.

본 발명의 실시예에 따르면 형상기억합금 스프링을 이용하고 이의 온도제어를 위한 공기냉각장치를 구비하는 옷감형 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치의 제공이 가능하다.

구체적으로, 형상기억합금 스프링은 형상기억합금 와이어의 큰 파워밀도를 가지며 동시에 큰 변위(예를 들어 수백%까지)를 발생시킬 수 있기 때문에 소형, 경량 및 무소음 착용형으로 적용 가능하며 특히 신속한 이완 동작의 응답성을 갖는 옷감형 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치를 제공할 수 있다.

한편, 앞서 기재된 효과는 예시적인 것에 불과하며 당업자의 관점에서 본 발명의 세부 구성으로부터 예측되거나 기대되는 효과들 또한 본원발명 고유의 효과에 추가될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 옷감형 유연구동기의 구성도이다.
도 2는 도 1의 옷감형 구동기의 변형예를 나타내는 구성도이다.
도 3는 도 1의 옷감형 유연구동기의 수축 또는 이완 동작을 나타내기 위한 도면이다.
도 4는 도 2의 옷감형 유연구동기의 수축 또는 이완 동작을 나타내기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇의 구성도이다.
도 6은 도 5의 웨어러블 로봇의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치의 구성도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 마사지 장치의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 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.

본 개시내용은 도면 및 이상의 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 본 개시내용은 특성이 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 하고, 단지 소정의 실시형태가 도시되고 설명되었으며, 본 개시내용의 정신 내에 들어가는 모든 변화와 변형은 보호되는 것이 바람직함이 이해될 것이다.

유연구동기

이하 첨부된 도면을 참고하여 먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 옷감형 유연구동기에 대하여 상세히 설명한다. 설명의 편의상, 본 명세서에 기재된 실시예는 전류를 이용한 주울 가열(Joule heating)을 통해 유연구동기가 수축되도록 하는 열반응 부재의 경우에 한정한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 옷감형 유연구동기(10)의 구성도이고, 도 2는 도 1의 옷감형 구동기(10)에 대한 변형예를 나타내는 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 옷감형 유연구동기(10)는 열반응 부재(100), 냉각부(200) 및 제어부(300)를 포함할 수 있다.

열반응 부재(100)는 일 방향을 따라 연장되며, 온도 변화에 따라 연장된 길이방향(D1)을 따라 수축 또는 이완 가능하도록 구성될 수 있다. 예시적으로, 열반응 부재는 전기가 공급되면 발생하는 열에 반응하여 일 방향을 따라 수축될 수 있다. 또한, 전기 공급이 중단되어 온도가 감소되면, 일 방향의 반대 방향으로 이완될 수 있다.

열반응 부재(100)는 열에 반응하는 형상기억합금 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 열반응 부재(100)는 형상기억합금 와이어 또는 형상기억합금 스프링으로 이루어질 수 있다. 또는, 열반응 부재(100)는 형상기억합금 소재뿐만 아니라, 열에 의하여 반응하는 다양한 열반응 물질, 예를 들면, 형상기억수지(shape memory resin), 형상기억고분자(shape memory polymer, SMP), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리아미드(polyamide), 나일론(nylon) 등으로 이루어질 수 있다.

열반응 부재(100)는 복수의 다발로 구성될 수 있으며, 이 때 복수의 열반응 부재는 평행하게 배치될 수 있다.

예시적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 열반응 부재의 일 측의 일부(110a), 일 측의 또 다른 일부(110b), 타 측의 일부(120a), 타 측의 또 다른 일부(120b)는 서로 연결될 수 있다. 또한, 타 측의 일부 및 또 다른 일부(120a, 120b)는 서로 연결될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 열반응 부재의 일 측의 일부(110a), 타 측의 일부 및 또 다른 일부(120a, 120b), 일 측의 또 다른 일부(110b) 순서로 또는 그 반대 순서로 전류가 흐를 수 있다.

이러한 열반응 부재(100)는 본체 내에 수용될 수 있다. 본체는 열반응 부재를 전체적으로 감싸는 형태로 이루어질 수 있다.

본체의 일 측 또는 타 측에는 제 1 및 제 2 고정부(510, 520)가 배치될 수 있다. 앞서 설명한 열반응 부재의 일 측은 제 1 고정부(510)에 고정되고, 열반응 부재의 타 측은 제 2 고정부(520)에 고정될 수 있다.

한편, 제 1 및 제 2 고정부(510, 520)는 홀(530)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 유연 구동기는 이러한 홀을 이용하여 다른 부재와 연결되어 사용될 수 있다.

본체(400)는 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는, 열반응 부재의 수축 또는 이완 시 함께 수축 또는 이완 가능한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본체는 유연한 소재, 보다 바람직하게는 패브릭 소재로 이루어질 수 있다.

도 1을 참고하면, 열반응 부재들 각각이 서로 절연되도록 하기 위해서 본체에는 스티치부(410)가 형성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면 열반응 부재들 각각이 서로 접하는 것이 방지될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 본 실시예에 따른 유연 구동기는 제어부(300), 전기공급부(310), 감지부(320) 및 전원부(330)를 더 포함할 수 있다.

제어부(300)는, 열반응 부재(100)가 수축 상태에서 이완 상태로, 또는 그 반대로 변경 작동될 수 있도록 열반응 부재(100)에 전기 공급 여부를 제어하도록 구성될 수 있다.

구체적으로, 제어부(300)는 전기공급부(310)를 통해 열반응 부재(100)에 전기 공급 여부를 제어할 수 있다. 제어부(300)가 전기공급부(310)에 전기공급신호를 전달하면, 전기공급부(310)는 열반응 부재(100)에 전류를 공급할 수 있다. 또한, 제어부(300)가 전기공급부(310)에 전기공급중단신호를 전달하면, 상기 전기공급부(310)는 열반응 부재(100)에 전류가 더 이상 흐르지 않도록 전류 공급을 중단할 수 있다.

이와 같은 전기 공급 여부 제어에 의하여 열반응 부재(100)에 전류가 공급되면 열이 발생되어 열반응 부재(100)가 수축되고, 전류 공급이 중단되면 온도가 감소되어 열반응 부재(100)가 이완된다. 이 때, 통상적으로 자연냉각에 의존할 경우 열반응 부재(100)의 이완 속도는 상대적으로 느리며, 본 실시예에서는 후술하는 냉각부(200)를 도입하여 열반응 부재의 이완 동작의 응답성을 향상시키고자 하였다.

전기공급부(310)는 열반응 부재에 연결되어 열반응 부재에 전류를 공급하도록 구성될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

감지부(320)는 착용자의 생체정보 또는 동작을 감지하도록 구성된 센서를 포함할 수 있다. 여기서, 생체정보는 근전도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 감지부(320)가 근전도 센서를 포함하는 경우, 상기 센서는 중량물의 파지, 이동, 및 지탱에 따라 착용자의 근육의 움직임 또는 동작(구체적으로, 수축 동작 또는 이완 동작)을 감지할 수 있다. 다른 예로서, 감지부(320)는 음성센서를 포함할 수 있으며, 이 경우 센서는 착용자의 음성정보를 통해 현재 착용자의 행동, 상태, 요구사항 등을 입력 받도록 구성될 수 있다.

또한, 감지부(320)는 열반응 부재(100)의 변형을 감지하도록 구성된 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 감지부(320)는 스트레인 게이지를 포함할 수 있다.

전원부(330)는 제어부(300), 전기공급부(310) 및 감지부(320) 중 적어도 하나에 전기를 공급하도록 구성될 수 있다.

제어부(300)는 감지부(320)에서 감지되는 정보를 기초로 전기공급부(310)가 열반응 부재로 공급하는 전류를 제어할 수 있다.

예를 들어, 착용자가 팔을 굽히는 동작과 같이 열반응 부재의 수축이 요구되는 동작을 수행하는 경우, 감지부(320)는 측정된 근전도 정보를 제어부(300)로 전달할 수 있으며, 제어부(300)는 근전도 정보를 기초로 착용자가 팔을 굽히려는 동작을 의도하고 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 착용자가 팔을 굽히는데 필요한 힘을 계산하여, 유연구동기(10)에서 출력되어야 하는 목표력을 산출할 수 있다. 그리고, 이를 구현하기 위해 제어부(300)는 산출된 목표력이 출력되도록 전기공급부(310)에서 열반응 부재에 공급하는 전류를 제어할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 유연구동기의 제어부는, 열반응 부재가 이완 상태로 변경될 때 상기 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부를 제어할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 열반응 부재로의 전원 공급이 차단되어 온도가 감소되기 시작하여 열반응 부재는 이완되기 시작한다. 이와 함께, 냉각부로의 전원은 공급되어 팬 등의 냉각공기투입 장치가 작동되고 열반응 부재의 온도 감소가 가속됨에 따라 열반응 부재의 이완 속도가 증가될 수 있다. 이하, 이러한 냉각부에 대하여 구체적으로 설명한다.

냉각부(200)는 열반응 부재를 강제로 냉각시키도록 구성된다. 본 실시예에서의 냉각부(200)는 열반응 부재(100)가 이완 상태에 있는 경우, 열반응 부재(100)의 이완 속도를 증가시키기 위하여, 냉각공기를 분사하여 이러한 냉각공기가 열반응 부재(100)와 직접적으로 접촉하도록 구성된다. 이로 인하여 자연냉각에 의존할 수 밖에 없어 이완 속도가 느렸던 종래 구동기에서의 문제점을 해결할 수 있다.

냉각공기를 본체(400) 내부에 분사하기 위하여, 냉각부(200)는 냉각공기를 본체(400) 내부로 유도하도록 구성된 냉각공기 투입유로(210)와 내부에 유입된 냉각공기를 본체 외부로 유도하도록 구성된 냉각공기 배출유로(220)를 포함한다. 이러한 투입유로(210)와 배출유로(220)는 유연한 재질로 구성될 수 있다.

한편, 냉각공기의 흐름은 팬이나 블로어 등의 구동수단(미도시)에 의하여 작동한다.

냉각공기 투입유로(210) 및 냉각공기 배출유로(220)는 개방형 개구(opening)로 구성된 투입구(211) 및 배출구(221)를 각각 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각공기 투입유로(210)는 옷감의 상부에 해당하는 본체의 일 단에 형성되고, 냉각공기 배출유로(220)는 옷감의 하부에 해당하는 본체의 타 단에 형성되어, 두 유로들에 형성된 개구들이 서로 마주보도록 배향되어 본체 내부에서의 원활한 공기 흐름을 유도할 수 있다. 바람직하게는, 냉각공기 투입유로(210)의 투입구(211)는, 열반응 부재가 본체 내부에서 배열된 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 배향된다. 이로써 냉각공기가 복수의 열반응 부재들 사이로 흘러 냉각 효율이 상승하게 된다.

한편, 도 2 (a)와 (b)는 앞서 설명한 냉각공기 투입유로(210)의 변형예 및 이러한 변형예에 의한 투입유로(210)가 본체에 설치된 상태의 유연구동기를 각각 나타낸다.

도 2 (a)에 도시된 바와 같이, 냉각공기 투입유로(210)는 냉각공기 투입유로로부터 열반응 부재가 배열된 방향(동 도면에서는 상하 방향)으로 길게 연장 형성된 미세투입유로(210a)를 포함할 수 있다.

복수로 형성된 열반응 부재와 마찬가지로 미세투입유로(210a) 또한 복수로 구성되고, 도 2 (b)에 도시된 바와 같이, 각각의 미세투입유로(210a)는 복수의 열반응 부재들 사이에 배치되도록 설치되는 것이 바람직하다. 이는 열반응 부재들 각각에 대한 냉각효과를 올리는 동시에 열반응 부재들끼리의 접촉을 방지하는 전기 절연 효과를 갖는다. 한편, 이러한 미세투입유로(210a)의 길이는 열반응 부재의 수축상태에서의 길이보다 짧은 길이를 갖도록 구성된다(도 3 (b)의 수축상태 참조).

도 2 (a)에 도시된 바와 같이, 이러한 미세투입유로(210a)에는 투입구(211)가 유로 상에 복수개 형성되고, 복수의 투입구는 열반응 부재가 배열된 방향에 직교하는 방향으로 개구가 배향되도록 설치되어 열반응 부재의 신속한 냉각에 기여한다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 옷감형 유연구동기의 수축 또는 이완 동작을 나타내기 위한 도면이고, 도 4는 앞서 설명한 변형예에 따른 옷감형 유연구동기의 수축 또는 이완 동작을 나타내기 위한 도면이다.

도 3 및 도 4의 (a)는 옷감형 유연구동기(10)의 초기 이완상태로서, 유연구동기(10)의 전원을 off 하고 냉각공기 투입을 off 한 상태를 나타낸다.

다음, 도 3 및 도 4의 (b)는 옷감형 유연구동기(10)가 이완상태에서 수축상태로 변형된 것으로서, 유연구동기(10)의 전원을 on 하고 냉각공기 투입을 off 한 상태를 나타낸다. 열반응 부재에 전류가 흘러 수축되면 본체(패브릭)는 열반응 부재를 따라 함께 수축될 수 있다.

다음, 도 3 및 도 4의 (c)는 옷감형 유연구동기(10)가 수축상태에 이완상태로 변형된 것으로서, 유연구동기(10)의 전원을 off 하고 냉각부(200)에 의한 냉각공기 투입을 on 한 상태를 나타낸다.

마지막으로, 도 3 및 도 4의 (d)는 옷감형 유연구동기(10)가 냉각부(200)의 냉각공기에 의하여 열반응 부재(100)의 냉각속도가 향상되어 최종적으로 빠른 시간에 초기 이완상태에 복귀한 상태를 나타낸다.

웨어러블 로봇

이하에서는, 도 5 내지 도 6을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연구동기를 포함하는 웨어러블 로봇(또는 근력 증강용 의봇)에 대하여 설명하도록 한다.

도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇의 구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇의 동작을 설명하기 위한 상태도이다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇은 의복 본체(20)와, 의복 본체(20)에 연결되는 옷감형 유연구동기(10)를 포함할 수 있다. 옷감형 유연구동기(10)에 대하여는 전술하였으므로 이하에서는 자세한 설명은 생략한다.

의복 본체(20)는 근력 증강용 의복의 베이스를 이루는 부분으로, 여기에서는 상의를 예로 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 하의에 적용될 수도 있다.

의복 본체(20)는 내피 및 외피를 포함할 수 있으며, 옷감형 유연구동기(10)는 예시적으로 내피 및 외피 사이에 마련될 수 있다. 특히, 옷감형 유연구동기(10)는 의복 본체 상에서 착용자 신체의 관절에 대응되는 위치 부근에 배치될 수 있다.

의복 본체(20)는 제 1 및 제 2 신체고정부(510, 520)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 신체고정부(510, 520)는 의복 본체(20)에서 관절이 대응되는 위치를 기준으로 서로 반대편에 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 관절이 팔꿈치인 경우, 제 1 신체고정부(510)는 상박에 대응되는 부분이며, 제 2 신체고정부(520)는 하박에 대응되는 부분일 수 있다.

이때, 유연구동기의 일 측은 제 1 신체고정부에 고정되고, 유연구동기의 타 측은 의복 본체의 제 2 신체고정부에 고정될 수 있다.

한편, 상기 제 1 및 제 2 신체고정부는 밴드를 포함할 수 있고, 상기 밴드는 착용자의 팔을 감싸, 인공 근육이 착용자의 팔에 밀착되거나, 상기 제 1 및 제 2 신체고정부가 착용자의 신체 상에서 이동되지 않고 고정되도록 할 수 있다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 웨어러블 로봇은, 착용자의 동작을 감지하도록 구성된 센서(320a 또는 320b)를 포함하고, 웨어러블 로봇의 제어부(300)는 센서가 착용자의 이완 동작을 감지하는 경우, 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부(310)를 제어할 수 있다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 실시예에 의한 웨어러블 로봇은 한 쌍의 제 1 및 제 2 옷감형 유연구동기(10a, 10b)를 포함할 수 있다. 착용자가 웨어러블 로봇을 착용하면, 제 1 및 제 2 옷감형 유연구동기가 팔(또는 다리)의 내측 및 외측에 위치되도록 제 1 및 제 2 옷감형 유연구동기는 각각 서로 마주보도록 배치될 수 있다.

여기서, 본 발명의 웨어러블 로봇의 제어부는, 착용자의 기 설정된 동작, 예를 들어, 팔(또는 다리)이 굽혀지는 동작이 감지되는 경우 제 1 옷감형 유연구동기(10a)는 수축하고, 및/또는 제 2 옷감형 유연구동기(10b)는 이완하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부는 제 1 옷감형 유연구동기(10a)의 열반응 부재에는 전원이 공급되도록 전기공급부를 제어하고, 및/또는 제 2 옷감형 유연구동기(10b)의 열반응 부재에는 전원 공급이 차단되고 동시에 제 2 옷감형 유연구동기(10b)의 냉각부에는 전원이 공급되도록 전기공급부를 제어할 수 있다.

마사지 장치

이하에서는, 도 7 내지 도 9를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치에 대하여 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치(30)는, 적어도 하나의 탄성 밴드(610, 620) 및 상기 탄성 밴드에 연결되는 옷감형 유연구동기(10)를 포함할 수 있다. 옷감형 유연구동기에 대하여는 전술하였으므로 이하 자세한 설명은 생략한다.

도 7을 참고하면, 제 1 및 제 2 탄성밴드(610, 620) 각각은 유연구동기의 본체의 일 측 및 타 측에 각각 연결될 수 있다. 여기서, 제 1 탄성밴드(610)의 일 측에는 제어부 및/또는 전원부(700)이 연결될 수 있다. 또한, 제 2 탄성밴드(620)의 일 측에는 전원 커넥터(720)가 형성되며, 이는 전원부(700)에 형성된 또 다른 커넥터(710)에 결합 가능하도록 이루어질 수 있다. 즉, 이와 같은 구조에 의하면 전원 커넥터들(710, 720)이 연결되면 전원부(700)로부터 열반응 부재(100)로의 전원 공급이 가능해진다.

도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치의 작동에 따른 이완 및 수축 상태를 각각 나타낸다. 또한, 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)는 마사지 장치의 커넥터가 전원부와 연결된 상태에서 마사지 장치의 작동에 따른 이완 및 수축 상태를 각각 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치는 사용시에는 수축되고, 비사용시에는 이완되도록 구성될 수 있다.

제어부는 사용자로부터 사용자 입력부 등을 통하여 비사용과 관련된 입력을 수신한 경우, 마사지 장치가 이완되도록 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 냉각부의 전원은 공급되도록 전기공급부를 제어할 수 있다.

또한, 제어부는 사용자로부터 사용자 입력부 등을 통하여 사용과 관련된 입력을 수신한 경우, 마사지 장치가 수축되도록 열반응 부재로 전원은 공급되고 냉각부로의 전원 공급은 차단되도록 전기공급부를 제어할 수 있다.

유연구동기의 제어

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 옷감형 유연구동기(10)의 제어 방법을 설명하도록 한다.

옷감형 유연구동기(10)의 제어방법은 이완단계(S1110), 최대이완도달단계(S1120), 및 수축단계(S1130)를 포함할 수 있다.

이완단계(S1110)에서는 열반응 부재가 이완 상태로 변경될 때 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 냉각부로의 전원은 공급될 수 있다.

구체적으로, 열반응 부재로의 전원 공급이 차단되면 열반응 부재의 온도가 감소되기 시작하여 이완되기 시작한다. 이와 함께, 냉각부로의 전원은 공급되므로, 냉각공기가 본체 내부로 흘러 들어감에 따라 열반응 부재의 온도 감소가 가속됨에 따라 열반응 부재의 이완 속도가 증가될 수 있다.

최대이완도달단계(S1120)에서는, 열반응 부재가 최대 이완 상태에 도달하면, 냉각부로의 전원 공급이 중단되도록 전기공급부를 제어할 수 있다.

수축 단계(S1130)에서는, 센서 등을 통하여 열반응 부재의 수축과 관련된 입력 신호가 수신되는 경우 제어부는 열반응 부재로의 전원이 공급되도록 전기공급부를 제어할 수 있다. 이에 따라, 열반응 부재의 온도가 상승하게 되고 열반응 부재는 수축 상태로 변경될 수 있다.

이상에서 설명된 장치 및 이에 대한 제어는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소, 물리적 장치, 가상 장치, 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 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 시스템, 구조, 장치, 회로 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 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

10 유연구동기
100 열반응 부재
200 냉각부
210 냉각공기 투입유로 210a 미세투입유로
211 냉각공기 투입구
220 냉각공기 배출유로 221 냉각공기 배출구
300 제어부

Claims (23)

1. 본체;
   상기 본체의 내부에 적어도 일부가 수용되며, 온도 변화에 따라 수축 상태와 이완 상태 사이에서 변경 가능하도록 구성된 열반응 부재;
   상기 본체 내부에 냉각공기가 분사되어 상기 열반응 부재를 강제로 냉각시키도록 구성된 냉각부; 및
   상기 열반응 부재가 이완 상태로 변경될 때 상기 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 상기 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부를 제어하도록 구성된 제어부를 포함하고,
   상기 냉각부는:
   상기 냉각공기를 상기 본체 내부로 유도하기 위하여 구성된, 투입구를 포함하는 냉각공기 투입유로; 및
   상기 냉각공기를 상기 본체 외부로 유도하기 위하여 구성된, 배출구를 포함하는 냉각공기 배출유로를 포함하고,
   상기 열반응 부재는 상기 본체 내부에서 일 방향으로 배열되며, 상기 냉각공기 투입유로는 상기 냉각공기 투입유로로부터 상기 일 방향으로 연장 형성된 미세투입유로를 포함하는 유연구동기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 열반응 부재는 상기 본체 내부에서 일 방향으로 배열되며, 상기 냉각공기 투입유로의 투입구는 상기 일 방향을 향하여 개구(opening)가 배향된 유연구동기.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각공기 투입유로는 상기 본체의 일 단에 형성되고, 상기 냉각공기 배출유로는 상기 본체의 타 단에 형성되는 유연구동기.
   
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 미세투입유로는 상기 열반응 부재의 수축상태에서의 길이보다 짧은 길이를 갖도록 구성된 유연구동기.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 미세투입유로와 상기 열반응 부재는 각각 복수로 구성되고, 각각의 미세투입유로는 복수의 열반응 부재들 사이에 배치되어 상기 열반응 부재들 사이의 접촉을 방지하는 유연구동기.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 투입구는 상기 미세투입유로에 복수개 형성되고, 상기 복수개의 투입구 중 적어도 일부는 상기 일 방향에 직교하는 방향으로 개구가 배향된 유연구동기.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체는 상기 열반응 부재의 수축 또는 이완시 함께 수축 또는 이완 가능한 재질로 구성된 유연구동기.
    
11. 의복 본체, 및
    상기 의복 본체에 연결되는 제 1, 4, 5, 7 내지 10 항 중 어느 한 항에 따른 유연구동기를 포함하며,
    상기 유연구동기의 일 측은 제 1 신체고정부에 배치되고, 상기 유연구동기의 타 측은 상기 의복 본체에서 관절이 대응되는 위치를 기준으로 상기 제 1 신체고정부와 반대편에 있는 제 2 신체고정부에 배치되는 웨어러블 로봇.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    착용자의 동작을 감지하도록 구성된 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 센서가 상기 착용자의 이완 동작을 감지하는 경우, 상기 열반응 부재로의 전원 공급은 차단되고 상기 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부를 제어하는 웨어러블 로봇.
    
13. 탄성 밴드, 및
    상기 탄성 밴드에 연결되는 제 1, 4, 5, 7 내지 10 항 중 어느 한 항에 따른 유연구동기를 포함하는 마사지 장치.
    
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 웨어러블 로봇용 유연구동기 조립체로서,
    온도 변화에 따라 수축 상태와 이완 상태 사이에서 변경 가능하도록 구성된 제 1 유연구동기와 제 2 유연구동기 - 상기 제 1 및 제 2 유연구동기는 제 1, 4, 5, 7 내지 10 항 중 어느 한 항에 따른 유연구동기임 - ;
    상기 제 1 및 제 2 유연구동기 내부에 냉각 공기를 강제로 주입하도록 구성된 냉각장치; 및
    상기 제 1 및 제 2 유연구동기의 수축 상태와 이완 상태 사이에서의 작동 변경을 위한 전원 공급을 제어하도록 구성된 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 냉각장치로 하여금 상기 제 1 및 제 2 유연구동기 중 이완 상태에 있는 유연구동기의 내부로만 공기를 주입하도록 구성되는, 유연구동기 조립체.
    
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 유연구동기와 상기 제 2 유연구동기는 각각 굽힘근과 폄근 위치에 배치되도록 구성되는, 유연구동기 조립체.
    
22. 제 21 항에 있어서,
    관절의 폄 상태에서 굽힘 상태로 동작시, 상기 굽힘근 측의 제 1 유연구동기는 수축되고 상기 폄근 측의 제 2 유연구동기는 이완되며, 상기 제어부는 상기 냉각장치로 하여금 상기 제 2 유연구동기 내부로 공기를 주입하도록 제어되는, 유연구동기 조립체.
    
23. 제 21 항에 있어서,
    관절의 굽힘 상태에서 폄 상태로 동작시, 상기 굽힘근 측의 제 1 유연구동기는 이완되고 상기 폄근 측의 제 2 유연구동기는 수축되며, 상기 제어부는 상기 냉각장치로 하여금 상기 제 1 유연구동기 내부로 공기를 주입하도록 제어되는,
    유연구동기 조립체.

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