KR102318956B1 - 보행 보조를 위한 스마트 무릎 보호 로봇장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보행 보조를 위한 스마트 무릎 보호 로봇장치에 관한 것으로 사용자의 보행 동작 수행 상태에 따라 적절하게 근력 보조 강도를 조절할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 보행 보조를 위한 스마트 무릎 보호 로봇장치는 사용자의 무릎부위에 탈착가능하도록 마련되는 무릎장착부재, 사용자의 무릎 굽힘 각도 변화를 감지하는 센서, 센서가 감지하는 무릎 굽힘 각도 변화에 대한 각도값에 따라 구동하며, 무릎장착부재에 구비되는 서보모터를 포함하는 구동부, 서보모터가 회전시키는 회전축에 연결되되, 서보모터의 구동에 따라 발생한 인장력으로 무릎장착부재를 수축시키거나 이완시키며 이동가능한 조임부재 및 센서로부터 각도값을 전달받으면 각도값에 따라 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하고, 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태에 따라 조임부재의 인장력이 조절되도록 서보모터의 구동방향 및 구동토크값을 제어하는 제어부를 포함하고, 조임부재는 서보모터가 일방향으로 구동하면 무릎장착부재를 견인하여 수축시키고 서보모터가 타방향으로 구동하면 무릎장착부재를 풀어 이완시키도록 무릎장착부재에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 사용자의 보행 동작 수행 상태에 따라 사용자에 가해지는 압박을 조절하여 혈액순환 방해, 피부 짓물림, 압박으로 인한 답답함 등 부작용을 최소화 할 수 있고 사용자가 무릎을 굽힐수록 조임부재에 의하여 무릎장착부재가 강하게 조여짐에 따라 계단이나 경사진 곳을 오르는 경우와 같이 더욱 강한 지지력이 필요할 때에도 사용자에게 충분한 지지력을 제공할 수 있다.

Description

보행 보조를 위한 스마트 무릎 보호 로봇장치{SMART KNEE PROTECTION ROBOT FOR WALKING ASSISTANCE}

본 발명은 보행 보조를 위한 스마트 무릎 보호 로봇장치에 관한 것이다.

고중량의 무게를 들어올려야하는 작업자를 보조하기 위한 다양한 산업로봇이 개발되어 왔다. 최근에는 이러한 산업로봇 기술을 응용하여 거동이 불편한 장애인, 노인을 위한 로봇 기술이 지속적으로 연구되어 왔으며 이에 따라 다양한 보행 보조 장치에 관한 기술이 개발되어 왔다.

보행 보조 장치는 근력이 부족한 노인이나 무릎 관절에 손상을 입은 장애가 있는 사람이 보행시 무릎에 가해지는 하중을 지지하도록 하여 사용자의 무릎 관절을 보호하고 보행을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.

이러한 보행 보조 장치는 예를 들어 국내 등록실용신안 제20-431104호가 있다. 그러나 이러한 종래 보행 보조 장치들은 사용 도중 파손되거나 고장을 일으키기 쉬운 복잡한 구조로 되어 있으며 실질적으로 보행 보조를 수행하기 어려울 정도로 근력 보조 강도가 약하거나 사용자의 보행 동작에 맞는 지지력을 전달하기 어려운 문제가 있다..

또한, 종래 장치는 사용자의 무릎 부위에 장착하는데 있어서 강한 압박 통증과 장시간 착용시 피부 짓물림이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 사용자의 보행 동작 수행 상태에 따라 적절하게 근력 보조 강도를 조절할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명인 보행 보조를 위한 스마트 무릎 보호 로봇장치는 사용자의 무릎부위에 탈부착가능하도록 마련되는 무릎장착부재, 사용자의 무릎 굽힘 각도 변화를 감지하는 센서, 센서가 감지하는 무릎 굽힘 각도 변화에 대한 각도값에 따라 구동하며, 무릎장착부재에 구비되는 서보모터를 포함하는 구동부, 서보모터가 회전시키는 회전축에 연결되되, 서보모터의 구동에 따라 발생 인장력으로 무릎장착부재를 수축시키거나 이완시키며 이동가능한 조임부재 및 센서로부터 각도값을 전달받으면 각도값에 따라 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하고, 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태에 따라 조임부재의 인장력이 조절되도록 서보모터의 구동방향 및 구동토크값을 제어하는 제어부를 포함하고, 조임부재는 서보모터가 일방향으로 구동하면 무릎장착부재를 견인하여 수축시키고 서보모터가 타방향으로 구동하면 무릎장착부재를 풀어 이완시키도록 무릎장착부재에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

센서는 사용자의 발목 부위에 설치되되, 감지한 각도값을 제어부로 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제어부는 각도값의 변화량을 계산하여 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하되, 무릎 굽힘 각도가 좁아지는 동안에는 사용자가 무릎을 굽히는 동작 수행 상태로 판단하고, 무릎 굽힘 각도가 넓어지는 동안에는 사용자가 무릎을 펼치는 동작 수행 상태로 판단하여, 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 일 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어하고, 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에는 타 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제어부는 무릎 굽힘 각도값과 기저장된 기준값을 비교하여 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하되, 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 일 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어하고, 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에는 타 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제어부는 무릎 굽힘 각도값에 따라 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하되, 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 일 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어하고, 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에는 타 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제어부는, 무릎 굽힘 각도값을 받아 최대 무릎 굽힘 각도값의 평균값을 산출하되, 사용자가 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 일 방향으로 [180°/평균값]만큼 구동하도록 서보모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 할 수 있다.

무릎장착부재는 사용자의 무릎을 끼워 넣을 수 있는 수용공간을 형성하도록 무릎을 감싸는 형상으로 마련되며, 신축성을 가지고 있어 수축되거나 이완할 때 사용자의 무릎 부위로 인장력을 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 상대적으로 복잡하지 않은 구조로 설계되어 고장이 잘 나지 않고 유지 보수가 용이하다.

둘째, 기존 단순한 무릎 보호대와 달리 근력이 부족한 사용자에게 충분한 지지력을 전달하여 보행 보조 역할을 수행할 수 있다.

셋째, 사용자의 보행 동작 수행 상태에 따라 사용자에 가해지는 압박을 조절하여 혈액순환 방해, 피부 짓물림, 압박으로 인한 답답함 등 부작용을 최소화 할 수 있다.

넷째, 사용자가 무릎을 굽힐수록 조임부재에 의하여 무릎장착부재가 강하게 조여짐에 따라 계단이나 경사진 곳을 오르는 경우와 같이 더욱 강한 지지력이 필요할 때에도 사용자에게 충분한 지지력을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 스마트 무릎 보호 로봇장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 스마트 무릎 보호 로봇장치의 사용 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 스마트 무릎 보호 로봇장치의 센서가 발목에 설치된 경우를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 스마트 무릎 보호 로봇장치의 무릎장착부재 및 이에 구비된 조임부재를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예인 스마트 무릎 보호 로봇장치의 조임부재를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예인 스마트 무릎 보호 로봇장치의 조임부재와 서보모터의 동작을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예인 스마트 무릎 보호 로봇장치의 제어 방법에 대한 흐름도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지된 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.

도 1 내지 도 2에서 보이는 바와 같이 본 발명인 스마트 무릎 보호 로봇장치 무릎장착부재(100), 센서(200), 구동부(300), 조임부재(400), 제어부(500)를 포함한다.

무릎장착부재(100)는 사용자의 무릎부위에 탈착가능하도록 마련된다.

바람직하게는 무릎장착부재(100)는 사용자의 무릎을 끼워 넣을 수 있는 수용공간을 형성하도록 무릎을 감싸는 형상으로 마련되며, 신축성을 가지고 있어 수축되거나 이완할 때 사용자의 무릎 부위로 조임부재(400)가 갖는 인장력을 전달할 수 있다.

센서(200)는 사용자의 무릎 굽힘 각도 변화를 감지한다. 센서(200)는 사용자의 무릎 움직임에 따른 변화를 감지할 수 있으면 족하다. 센서(200)는 무릎장착부재(100)에 직접 설치될 수 있으나, 도 3과 같이 사용자의 발목 부위와 같이 무릎을 굽히고 펴는 동작에 따라 보다 큰 움직임이 감지되는 위치에 별도로 설치되어 감지 감도를 향상시킬 수 있다. 센서(200)가 나머지 구성과 격리되어 설치되는 경우 제어부와는 유선 또는 무선으로 송수신할 수 있도록 한다.

바람직하게는 센서(200)는 자이로센서, 가속도센서 또는 이들을 모두 포함할 수 있다.

구동부(300)는 센서(100)가 감지하는 무릎 굽힘 각도 변화에 대한 각도값에 따라 구동하며, 무릎장착부재(100)에 구비되는 서보모터를 포함한다.

서보모터에는 서보모터가 구동함에 따라 회전하는 회전축이 구비되어 있으며, 제어하기에 따라 구동방향, 구동토크값, 구동속도 등이 조절될 수 있다. 서보모터는 조임부재(400)를 당기는 일 방향인 0도부터 180도 구간, 조임부재(400)를 이완시키는 타 방향인 180도부터 360도 구간으로 나누어 회전축을 회전시킨다고 할 수 있다.

조임부재(400)는 서보모터가 회전시키는 회전축에 연결되되, 서보모터의 구동에 따라 형성된 인장력으로 무릎장착부재(100)를 수축시키거나 이완시키며 이동가능하다.

조임부재(400)는 서보모터가 일 방향으로 구동하면 무릎장착부재(100)를 견인하여 수축시키고 서보모터가 타 방향으로 구동하면 무릎장착부재(100)를 풀어 이완시키도록 무릎장착부재(100)에 구비된다.

도 4 내지 6에서 보이는 바와 같이, 예를 들어, 조임부재(400)는 무릎장착부재(100)를 감싸며 일부분과 부착되거나 무릎장착부재(100)에 꿰이는 형태가 있을 수 있다. 조임부재(400)의 타측은 회전축과 연결되어 있을 수 있다. 서보모터의 구동에 따라 회전축이 회전하면서 회전축에 연결된 조임부재(400)를 견인하며 당기거나 풀어 이완시킬 수 있다. 조임부재(400)가 인장력에 의해 당겨지면 무릎장착부재(100)를 조여 수축시킬 수 있고, 당기는 인장력이 풀어지면 조여진 무릎장착부재(100)를 풀어 이완시킬 수 있다.

제어부(500)는 센서(200)로부터 각도값을 전달받으면 각도값에 따라 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하고, 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태에 조임부재(400)의 인장력이 조절되도록 서보모터의 구동방향, 구동각도 내지 구동토크값을 제어한다.

도 7을 참고하여 설명한다. 제어부(500)는 여러 방법으로 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단할 수 있다.

예를 들어 제어부(500)는 센서(200)로부터 무릎 굽힘 각도값을 받아 사용자 내지 사용자군이 최대로 무릎을 굽힌 상태의 각도값을 저장하여 이들의 평균값을 산출할 수 있다. 제어부(500)는 사용자가 무릎을 1°(1 도)굽힐때마다 서보모터가 일 방향으로 [180°/평균값]만큼 구동하도록 서보모터를 제어할 수 있다. 즉, 사용자의 무릎 굽힘 각도값이 위의 평균값에 이르면 서보모터가 최대로 조임부재(400)를 견인하는 각도인 180°만큼 회전축을 회전시킬 수 있게 된다. 제어부(500)의 이러한 서보모터 제어를 통해 서보모터가 180도만큼 구동하여 회전축에 연결된 조임부재(400)가 최대한 당겨질 수 있다. 이를 통해 무릎장착부재(100)가 최대한 조여지면 사용자에게 지지력이 가장 필요한 상태에서 최대한의 지지력이 제공될 수 있다.

또는, 각도값의 변화량을 계산하여 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단할 수도 있다. 무릎 굽힘 각도가 좁아지는 동안에는 사용자가 무릎을 굽히는 동작 수행 상태로 판단하고, 무릎 굽힘 각도가 넓어지는 동안에는 사용자가 무릎을 펼치는 동작 수행 상태로 판단한다. 판단에 따라 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 일 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어하고, 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에는 타 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어할 수 있다.

예를 들어, 각도값의 변화량이 0보다 크면 무릎 굽힘 동작 수행 상태라고 설정할 경우, 센서(200)에서 감지한 각도값의 변화량이 0보다 큰 상태에서는 서보모터를 일 방향으로 구동시켜 무릎장착부재(100)를 수축시키고, 반대로 각도값의 변화량이 0보다 작은 상태에서는 서보모터를 타 방향으로 구동시켜 무릎장착부재(100)를 이완시키도록 제어할 수 있다.

또 다른 방법으로는 제어부(500)가 측정된 무릎 굽힘 각도값과 기저장된 기준값을 비교하여 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단할 수 있다. 판단에 따른 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 일 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어하고, 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에는 타 방향으로 구동하도록 서보모터를 제어할 수 있다.

기준값은 사용자 군이나 개별 사용자의 무릎 굽힘 각도에 대한 평균값을 내어 계산할 수 있다.

예를 들어 센서(200)에서 감지한 각도값이 기준값 최대를 넘는 경우 사용자는 무릎을 최대한 굽혔고 곧 펼치는 동작 수행이 시작된다고 판단할 수 있고 기준값 최소 미만이면 사용자의 무릎을 펼치는 동작 마무리되고 펼치는 동작이 시작된다고 판단할 수 있을 것이다.

제어부(500)는 무릎 굽힘 각도값에 따라 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하되, 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 일 방향으로 구동하며 구동토크값이 증가하도록 서보모터를 제어하고, 반대로 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에는 타 방향으로 구동하며 구동토크값이 감소하도록 서보모터를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이에 따라 사용자에게 가장 근력 보조가 필요한 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에서 점점 강하게 가해지는 구동토크값에 의한 조임부재(400)의 인장력에 의하여 무릎장착부재(100)가 조여져 사용자의 무릎을 더 강하게 지지해줄 수 있다. 이러한 제어를 통해 계단이나 경사진 곳을 오르는 경우와 같이 더욱 강한 지지력이 필요할 때에도 사용자에게 충분한 지지력을 제공할 수 있게 된다.

또한, 별도의 근력 보조가 필요하지 않을 수 있는 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에서는 서보모터를 반대로 구동시키며 구동토크값도 감소시키도록 제어하므로 이에 따라 조임부재(400)가 풀려 느슨해지면서 사용자의 무릎을 조이는 무릎장착부재(100)가 이완되고, 무릎에 가하는 압박이 줄어들어 사용자의 착용감이 향상된다.

제어부(500)의 서보모터 제어에 의해 사용자의 보행 동작 수행 상태에 따라 사용자의 무릎에 가해지는 압박을 조절할 수 있으므로 불필요한 압박에 따른 혈액순환 방해, 피부 짓물림, 압박으로 인한 답답함 등의 부작용을 최소화 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형, 균등 내지 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 무릎장착부재
200: 센서
300: 구동부
400: 조임부재
500: 제어부

Claims (7)

1. 사용자의 무릎부위에 탈부착가능하도록 마련되는 무릎장착부재;
   상기 사용자의 무릎 굽힘 각도 변화를 감지하는 센서;
   상기 센서가 감지하는 무릎 굽힘 각도 변화에 대한 각도값에 따라 구동하며, 상기 무릎장착부재에 구비되는 서보모터를 포함하는 구동부;
   상기 서보모터가 회전시키는 회전축에 연결되되, 상기 서보모터의 구동으로발생한 인장력으로 상기 무릎장착부재를 수축시키거나 이완시키며 이동가능한 조임부재; 및
   상기 센서로부터 상기 각도값을 전달받으면 상기 각도값에 따라 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하고, 상기 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태에 따라 상기 조임부재의 인장력이 조절되도록 상기 서보모터의 구동방향 및 구동토크값을 제어하는 제어부;
   를 포함하고,
   상기 조임부재는 상기 서보모터가 일방향으로 구동하면 상기 무릎장착부재를 견인하여 수축시키고 상기 서보모터가 타방향으로 구동하면 상기 무릎장착부재를 풀어 이완시키도록 상기 무릎장착부재에 구비되고,
   상기 무릎장착부재는,
   사용자의 무릎을 끼워 넣을 수 있는 수용공간을 형성하도록 무릎을 감싸는 형상으로 마련되며,
   신축성을 가지고 있어 수축되거나 이완할 때 사용자의 무릎 부위로 상기 인장력을 전달하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는
   스마트 무릎 보호 로봇장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 센서는,
   사용자의 발목 부위에 설치되되, 감지한 상기 각도값을 상기 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는
   스마트 무릎 보호 로봇장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 각도값의 변화량을 계산하여 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하되, 무릎 굽힘 각도가 좁아지는 동안에는 사용자가 무릎을 굽히는 동작 수행 상태로 판단하고, 무릎 굽힘 각도가 넓어지는 동안에는 사용자가 무릎을 펼치는 동작 수행 상태로 판단하여, 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 상기 일 방향으로 구동하도록 상기 서보모터를 제어하고, 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에는 상기 타 방향으로 구동하도록 상기 서보모터를 제어하는 것을 특징으로 하는
   스마트 무릎 보호 로봇장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 무릎 굽힘 각도값과 기저장된 기준값을 비교하여 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하되, 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 상기 일 방향으로 구동하도록 상기 서보모터를 제어하고, 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에는 상기 타 방향으로 구동하도록 상기 서보모터를 제어하는 것을 특징으로 하는
   스마트 무릎 보호 로봇장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 무릎 굽힘 각도값에 따라 사용자의 무릎 굽힘 동작 수행 상태를 판단하되, 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 상기 일 방향으로 구동하며 구동토크값이 증가하도록 상기 서보모터를 제어하고, 무릎을 펼치는 동작 수행 상태에는 상기 타 방향으로 구동하며 구동토크값이 감소하도록 상기 서보모터를 제어하는 것을 특징으로 하는
   스마트 무릎 보호 로봇장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 무릎 굽힘 각도값을 받아 최대 무릎 굽힘 각도값의 평균값을 산출하되, 사용자가 무릎을 굽히는 동작 수행 상태에는 상기 일 방향으로 [180°/상기 평균값]만큼 구동하도록 상기 서보모터를 제어하는 것을 특징으로 하는
   스마트 무릎 보호 로봇장치.
   
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