KR102355852B1

KR102355852B1 - 소프트 웨어러블 구동시스템 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102355852B1
Application number: KR1020210178915A
Authority: KR
Inventors: 이동찬; 허덕재
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2022-02-08

Abstract

본 개시의 일 실시예에 의하면, 사용자의 인체 표면에 부착되며, 인가되는 전압에 기초하여 변형되도록 형성되어 사용자의 근력 또는 보행을 지원하는 몸체부; 몸체부의 일측에 형성되며, 사용자의 근육 활성도를 감지하는 센서부; 및 센서부가 감지한 정보에 기초하여 몸체부를 변형시키도록 몸체부에 접압을 인가하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템을 제공한다.

Description

소프트 웨어러블 구동시스템 및 그 제조방법{Software Wearable Actuacting System And Manufacturing Method Thereof}

본 개시는 소프트 외골격 장치를 제공하는 것으로, 더욱 상세하게는 전기활성물질이 상하면에 도포된 가변강성 메타 구조체를 이용하여 경량 및 유연성을 가지는 소프트 웨어러블 시스템에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

웨어러블 로봇은 사용자의 보행능력을 향상시키거나 무거운 물체를 운반할 때 근력 지원 보조를 할 수 있도록 기계적인 힘을 더해주는 로봇 시스템이다. 이러한 로봇 시스템은 인간을 감싸는 형태로 마련되어, 인간의 지능과 로봇의 신체가 결합되는 장점이 있어, 폭 넓은 분야에 적용이 가능하다. 일반적인 근력지원이나 보행지원인 경우, 하드한 외골격 구조의 로봇 시스템이 제공된다. 또한, 근래에는 공압을 이용한 인공근육 개념의 착용형 소프트 로봇 시스템이나, 와이어, 탄성체 커프(Cuff) 또는 매듭을 이용하여 길이 조절이 가능한 로봇 시스템이 제시되고 있다. 한편, 이러한 다양한 로봇 시스템은 사용자의 움직임을 방해하지 않는 신체 맞춤형 다자유도 외골격, 장시간 큰 출력을 발생시킬 수 있는 이동형 모터 및 유압 구동기, 사용자의 움직임을 인식할 수 있는 센서 등과 같은 다양한 기술 분야에서는 아직 기술력이 미흡하다. 이에 따라, 근래에는 이상과 같은 다양한 기능면에서 로봇 시스템의 성능을 향상시키기 위한 연구가 지속적으로 요구되고 있다.

이에, 본 개시는 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 전기 활성 반응을 이용하여 전기적인 자극에 의한 이온의 농도차이를 발생시킴으로써 몸체부의 기계적인 변형을 야기하고, 가변강성 메타 구조체의 수축과 이완구조를 이용하여 사용자의 근육을 지원함으로써 사용성을 향상시킨 소프트 웨어러블 구동시스템을 제공한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시예에 의하면, 사용자의 인체 표면에 부착되며, 인가되는 전압에 기초하여 변형되도록 형성되어 사용자의 근력 또는 보행을 지원하는 몸체부; 몸체부의 일측에 형성되며, 사용자의 근육 활성도를 감지하는 센서부; 및 센서부가 감지한 정보에 기초하여 몸체부를 변형시키도록 몸체부에 접압을 인가하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 전기 활성 반응을 이용하여 전기적인 자극에 의한 이온의 농도차이를 발생시킴으로써 몸체부의 기계적인 변형을 야기하고, 가변강성 메타 구조체의 수축과 이완구조를 이용하여 사용자의 근육을 지원함으로써 사용성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 소프트 웨어러블 구동시스템이 인체에 부착된 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 소프트 웨어러블 구동시스템을 도시한 개념도이다.
도 3 내지 도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 소프트 웨어러블 구동시스템의 몸체부의 제조 방법을 단계별로 도시한 도면들이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 몸체가 압축변형된 상태를 나타내는 도면이다.
도 9의 도시는 일정 전압 이상의 (+) 전위차에 의한 몸체의 굽힘 가변강성 변형을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10의 도시는 일정 전압 이하의 (-) 전위차에 의한 굽힘 가변강성 변형을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 센서부의 작동상태를 도시한 도면이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 소프트 웨어러블 구동시스템의 작동순서를 나타내는 순서도이다.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 이용해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 소프트 웨어러블 구동시스템이 인체에 부착된 상태를 도시한 도면이다.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 소프트 웨어러블 구동시스템을 도시한 개념도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 소프트 웨어러블 구동시스템(1)은 몸체부(10), 센서부(20) 및 제어부(30)의 전부 또는 일부를 포함한다.

소프트 웨어러블 구동시스템(1)은 사용자(H)의 인체 표면, 예컨대, 허벅지, 종아리 등에 부착된다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 개시의 일 실시예에서 설명하는 소프트 웨어러블 구동시스템(1)은 소정의 면적을 형성하고, 사용자(H)에게 적어도 하나가 제공되며 사용자(H)의 인체 표면에 부착된다. 여기서, 소프트 웨어러블 구동시스템(1)은 도 1에 도시된 실시예 외에도 개수, 면적 및 부착 위치 등은 도 1과 상이할 수 있다. 즉, 통상의 기술자라면 도 1의 실시예를 활용하여 개수, 면적 및 부착 위치를 적절하게 조정할 수 있다.

몸체부(10)는 제어부(30)로부터 인가된 전압에 기초하여 소정의 변형이 가능하도록 형성된다. 이를 위해, 몸체부(10)는 유연한 재질로 형성될 수 있으며, 면 방향으로 확장될 수 있다. 여기서, 몸체부(10)의 변형이란, 예를 들어, 입장, 압축 및 굽힘 등의 변형을 의미한다. 한편, 제어부(30)는 몸체부(10)를 변형시키기 위하여 일정 전압 이상을 몸체(11)에 인가해야 한다. 또한, 몸체부(10)는 제어부(30)로부터 인가된 전압에 기초하여 강성이 가변된다. 더욱 상세하게 설명하면, 몸체(11)는 내부에 겔층(13)을 포함하고, 겔층(13)은 제어부(30)로부터 인가된 전압에 기초하여 변형된다. 몸체부(10)는 겔층(13)의 변형에 기초하여 함께 변형함으로써 사용자(H)의 근육의 수축과 이완을 지원한다. 본 개시의 상세한 설명에서는 강성이 가변되는 것을 가변강성이라고 지칭한다. 예를 들어, 본 개시의 일 실시예에 따른 몸체(11)는 전위차에 의하여 가변강성이 정의되고, 몸체(11)는 이러한 가변강성에 의하여 변형, 예컨대, 굽힘변형 될 수 있다.

이하에서는 몸체부의 변형과정을 설명하기 위하여 도 3 내지 도 7을 참조하여 몸체부의 제조방법을 설명한다.

도 3 내지 도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 소프트 웨어러블 구동시스템의 몸체부의 제조 방법을 단계별로 도시한 도면들이다.

몸체부(10)는 몸체(11) 및 접착층(15)을 포함하며, 몸체(11)는 메타 구조체(12), 겔층(13) 및 표면층(14)으로 형성된다.

도 3의 (a)에 도시된 것과 같이, 메타 구조체(12)는 여러 방향, 예를 들어 상하방향 또는 좌우방향 등으로 탄성 변형이 가능한 물질, 예를 들어 메타(meta) 물질로 형성된다. 여기서, 메타 구조체(12)는 도 3의 확대 도시된 (b) 및 (c)와 같이, 음(negative)의 포아송 비(Poisson's Ratio)를 가지는 메타 물질(meta material)로 형성되는 복수의 단위 구조셀(12a)을 포함한다.

도 3의 (b) 및 (c)를 참조하면, 복수의 단위 구조셀(12a)은 서로 연결되는 격자 구조 또는 크로스 카이랄 벌집(cross chiral honeycomb) 구조로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 메타 구조체(12)는 겔층(13)의 변형에 기초하여 팽창 및 수축하도록 복수의 폭방향 연장 줄기(121) 및 복수의 두께방향 연장 줄기(122)를 포함한다.

복수의 폭방향 연장 줄기(121) 및 복수의 두께방향 연장 줄기(122)는 상호 격자 구조로 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 본 개시는 이에 한정되지 않고 다른 실시예를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 단위 구조셀(12a)이 크로스 카이랄 벌집 구조로 형성될 경우, 전술한 격자 구조와 비교하여 강성 변화에 있어 상대적으로 보다 유리할 수 있다.

또한, 복수의 폭방향 연장 줄기(121)는 도 3에 도시된 X축 또는 Y축 방향에 대응되는 폭방향을 따라 연장된다. 복수의 폭방향 연장 줄기(121)는 제1 폭방향 경사부(121a), 제2 폭방향 경사부(121b) 및 폭방향 연결부(121c)를 포함한다. 제1 폭방향 경사부(121a)와 제2 폭방향 경사부(121b)는 서로 반대방향으로 경사지도록 연장되며, 폭방향 연결부(121c)에 의하여 서로 경사지며 연결된다. 더욱 상세하게는, 제1 폭방향 경사부(121a)와 제2 폭방향 경사부(121b)는 폭방향 연결부(121c)를 기준으로 제1 각도를 형성하며 경사진다.

복수의 두께방향 연장 줄기(122)는 도 3에 도시된 Z축 방향에 대응되는 두께 방향으로 연장된다. 복수의 두께방향 연장 줄기(122)는 제1 두께방향 경사부(122a), 제2 두께방향 경사부(122b) 및 두께방향 연결부(122c)를 포함한다. 제1 두께방향 경사부(122a)와 제2 두께방향 경사부(122b)는 서로 반대방향으로 경사지며, 제1 폭방향 경사부(121a) 및 제2 폭방향 경사부(121b)와 각각 교차된다. 두께방향 연결부(122c)는 제1 두께방향 경사부(122a)와 제2 두께방향 경사부(122b)를 서로 경사지게 연결한다. 더욱 상세하게는, 제1 두께방향 경사부(122a)와 제2 두께방향 경사부(122b)는 두께방향 연결부(122c)를 기준으로 제2 각도를 형성하며 경사진다. 여기서, 제2 각도는 전술한 제1 각도와는 상이한 각도이다.

한편, 단위 구조셀(12a)은 복수의 폭방향 연장 줄기(121)와 복수의 두께방향 연장 줄기(122)를 서로 연결하는 연결 줄기(도면부호 미도시)를 더 포함할 수 있다.

결국, 메타 구조체(12)는 복수 개의 단위 구조셀(12a)을 포함하여 형성됨으로써, 수축 및 팽창을 할 때 강성 변화의 특성이 우수할 뿐만 아니라, 제조가 용이한 장점이 있다.

한편, 도 4에 도시된 것과 같이, 겔층(13)은 메타 구조체(12)의 내부에 삽입된다. 겔층(13)은 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르프로필렌(PVDF-HFP, PolyVinyliDene Fluoride-HexaFluoroPropylene)을 포함하는 고분자 공중합체를 겔(Gel) 형태로 형성하며, 메타 구조체(12)의 내부공간에 삽입된다. 여기서, 겔층(13)은 메타 구조체(12)의 내부에 삽입되는 일종의 폴리머 겔층(polymer electrode layer)으로써, 메타 구조체(12)의 형태 변화를 유도한다. 예를 들어, 겔층(13)은 표면층(14) 양단에 형성되는 전압의 차이, 즉, 전위차에 기초하여 강성 변화함으로써, 겔층(13)을 둘러싼 유연한 재질로 형성되는 메타 구조체(12)의 형태를 변형시킨다. 즉, 제어부(30)가 표면층(14)에 소정의 전압을 인가하면, 메타 구조체(12)의 내부에 위치한 겔층(13)은 전자기적 특성에 기초하여 압축 또는 인장된다. 이에 따라, 겔층(13)을 둘러싼 메타 구조체(12)가 변형함으로써 몸체부(10)가 사용자(H)에게 소정의 힘을 공급하며 사용자(H)의 근력을 지원한다.

도 5의 도시된 것과 같이, 메타 구조체(12)의 내부에는 겔층(13)이 삽입되고, 메타 구조체(12)의 표면에는 가스, 예컨대, 아르곤 또는 질소에 의하여 플라즈마 에칭이 진행되어 표면층(14)이 형성된다. 즉, 표면층(14)은 메타 구조체(12)의 양 측면에 형성된다. 한편, 표면층(14)의 내부에 위치하는 기체분자들은 서로 격렬하게 충돌하며 다수의 양이온(+)과 전자(-)를 발생시키며 이온화된다. 여기서, 표면층(14)의 내부에서 발생한 다수의 양이온(+)과 전자(-)는 표면층(14)을 따라 유동할 수 있다.

도 6의 도시된 것과 같이, 양 측면에 표면층(14)이 형성된 메타 구조체(12)는 전극용액(electrolde solution)을 접촉시킴으로써 유동가능한 상태에 있는 양이온(+)과 전자(-)를 메타 구조체(12)의 양 측면에 고착시킨다. 즉, 이온의 응집성을 증가시켜 비유동 상태로 만든다. 양이온(+)과 전자(-)는 전극용액에 의하여 고착되어 비유동 상태가 되고, 이에 따라, 메타 구조체(12)의 양 측면에 대한 양이온(+)과 전자(-)의 응집성이 향상된다.

마지막으로, 도 7의 (a)와 같이, 양 측면에 양이온(+)과 전자(-)가 비유동된 상태로 형성된 메타 구조체(12)를 이온화 용액(L)에 침수시킴으로써 양이온(+)과 전자(-)의 이온화 영동(ionic migration)은 더욱 가속화된다. 전술한 과정을 모두 거친 후 메타 구조체(12)를 이온화 용액(L)에서 분리시켜 건조시키면, 메타 구조체(12)의 양 측면에 전극이 활성화된다. 따라서, 본 개시의 일 실시예에 따른 몸체(11)는 전극이 활성화된 메타 구조체(12)를 포함한다.

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 몸체가 압축변형된 상태를 나타내는 도면이다.

도 8의 도시된 것과 같이, 몸체(11)는 메타 구조체(12)의 내부에 겔층(13)이 삽입된다. 이에 따라, 몸체(11)는 유연한 특성을 가지는 메타 구조체(12)에 의하여 소정의 변형이 가능하도록 형성된다. 또한, 메타 구조체(12)의 내부에는 전극의 중간 매개층인 겔층(13)이 삽입된다. 여기서, 전극이란, 표면층(14)의 양단에 의하여 발생되는 (+)극과 (-)극을 의미한다. 이에 따라, 몸체(11)는 인가된 전압에 기초하여 스프링과 같은 가변강성이 가능하도록 형성된다. 즉, 몸체(11)에 전압이 가해지면, 메타 구조체(12) 내부에 삽입된 겔층(13)은 전자기적 특성에 의하며 변형된다. 여기서, 겔층(13)은 메타 구조체(12)의 내부에 형성되지만, 메타 구조체(12)가 스프링과 같은 탄성구조로 형성되기 때문에 메타 구조체(12)는 전압에 기초하여 변형되는 겔층(13)과 함께 변형될 수 있다. 또한, 메타 구조체(12)는 탄성 구조로 형성되는 복수의 단위 구조셀(12a)에 의하여 탄성구조로 형성된다.

도 9의 도시는 일정 전압 이상의 (+) 전위차에 의한 몸체의 굽힘 가변강성 변형을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 10의 도시는 일정 전압 이하의 (-) 전위차에 의한 굽힘 가변강성 변형을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하에서는 도9 및 도 10을 참조하여 (+) 전위차 또는 (-) 전위차에 기초한 몸체(11)의 가변 강성구동을 설명한다.

예를 들어, 도 9에 도시된 것과 같이, 몸체(11)에 제1 특정값 이상의 전압이 인가되어 표면층에 (+) 전위차가 형성되면, 몸체(11) 내부의 전자(-)는 몸체(11)의 상단으로 이동하게 된다. 여기서, 표면층(14)에 형성되는 (+) 전위차는 제어부(30)가 표면층(14)에 제1 특정값 이상의 전압을 인가함으로써 형성되는 전위차 일 수 있다. 이에 따라 몸체(11)의 하단은 상대적으로 전자(-)의 수가 줄어들게 되므로 양이온(+)의 밀도가 높아져서 양극(+)을 형성한다. 따라서, 몸체(11)는 하부가 볼록한 형태로 휘어진다. 여기서 제어부(30)는 겔층(13)이 전자기적 특성에 의하여 변형될 수 있을 정도의 전압을 표면층(14)에 인가하여야 한다.

반면, 도 10에 도시된 것과 같이, 몸체(11)에 제2 특정값 이하의 전압이 인가되어 표면층에 (-) 전위차가 형성되면, 몸체(11) 내부의 전자(-)는 몸체(11)의 하단으로 이동하게 된다. 여기서, 표면층(14)에 형성되는 (-) 전위차는 제어부(30)가 표면층(14)에 제2 특정값 이하의 전압을 인가함으로써 형성되는 전위차 일 수 있다. 이에 따라 몸체(11)의 상단은 상대적으로 전자(-)의 수가 줄어들게 되므로 양이온(+)의 밀도가 높아져서 양극(+)을 형성한다. 따라서, 몸체(11)는 상부가 볼록한 형태로 휘어진다. 여기서 제어부(30)는 겔층(13)이 전자기적 특성에 의하여 변형될 수 있을 정도의 전압을 표면층(14)에 인가하여야 한다.

결국, 몸체(11)는 제어부(30)로부터 인가된 전압에 기초하여 상부가 볼록한 형상 또는 하부가 볼록한 형상으로 휘어진다. 뿐만 아니라, 몸체(11)는 제어부(30)로부터 인가된 전압에 기초하여 인장, 압축 및 굽힘 변형 등의 형태로 변형될 수 있다.

전술한 설명과 같이, 내부에 겔층(13)이 삽입된 몸체(11)가 유연한 재질의 메타 구조체(12)로 형성됨으로, 몸체(11)는 일정 전압 이상 또는 일정 전압과 이하에서 인장, 압축 및 굽힘 변형한다.

한편, 접착층(15)은 몸체(11)가 사용자(H)에 부착될 수 있도록 형성되는 층이다. 여기서, 접착층(15)은 센서부(20)를 사이에 두고 몸체(11)의 일 측에 형성된다. 즉, 접착층(15), 센서부(20), 몸체(11) 순으로 형성된다.

몸체(11)와 센서부(20) 사이에 형성된다. 접착층(15)은 몸체(11)의 일측에 적층되어 몸체(11)가 센서부(20)와 결합될 수 있도록 접착력을 제공한다. 즉, 접착층(15)은 사용자(H)의 몸에 몸체(11)를 부착시키기 위한 접착력을 제공하는 수단이다.

센서부(20)는 유연한 재질로 형성되며, 몸체부(10)의 일측에 형성된다. 센서부(20)는 몸체부(10)의 전압 부하에 기초한 전극의 활성 여부를 감지한다. 센서부(20)는 접착층(15)을 사이에 두고 몸체부(10)의 일측에 형성되며, 몸체부(10)와 일종의 패치와 같이 일체로 형성된다. 이에 따라, 센서부(20)는 사용자(H)에 부착된 상태에서 근육의 활성도를 측정한다.

도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 센서부의 작동상태를 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 센서부(20)에는 한 쌍의 지지층(21) 사이에 공극(23)을 형성하는 멀티스케일(Multiscale)의 스폰지층(Sponge layer, 22)을 포함한다. 여기서, 스폰지층(22)은 도 11의 (a)에 도시된 것과 같이, 한 쌍의 지지층(21) 중 어느 하나로부터 다른 하나로 갈수록 공극(23)의 크기가 점점 커지거나 작아지도록 형성된다. 스폰지층(22)의 형상은 공극(23)의 크기에 반비례하도록 변형된다. 예를 들어, 도 11의 (b)와 같이, 스폰지층(22)의 공극(23)이 점점 커질수록 낮은 압력에도 스폰지층(22)의 형상이 쉽게 변형되고, 도 11의 (c)와 같이, 스폰지층(22)의 공극(23)이 점점 작아질수록 센서부(20)에 높은 압력이 가해져야 스폰지층(22)의 형상이 변형된다. 이러한 스폰지층(22)의 공극(23)이 센서부(20)에 가해지는 압력에 기초하여 변형되는 특징을 이용하여, 센서부(20)는 몸체부(10)가 부착된 사용자(H)의 각 부위별 근육 활성도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 근육이 상대적으로 많이 움직이면 센서부(20)에 가해지는 압력이 클 것이며, 근육이 상대적으로 적게 움직이면 센서부(20)에 가해지는 압력이 작을 것이다.

한편, 센서부(20)는 도 11에 도시된 공극(23)을 가지는 스폰지층(22)을 구비하는 것으로만 한정하지 않으며, 몸체부(10)의 일측에 소정 패턴으로 프린팅되는 스트레인 게이지(Strain gauges)를 포함하는 다른 실시예도 가능하다. 즉, 센서부(20)는 3차원 압력 텍스타일 센서로써, 다양하게 적용될 수 있다.

제어부(30)는 센서부(20)에서 감지된 활성정보에 기초하여 몸체부(10)에 인가되는 전압을 제어한다. 제어부(30)는 센서부(20)에 의하여 감지된 근육 활성도에 기초하여 몸체부(10)에 인가되는 전압을 제어함으로써 몸체부(10)의 변형을 유도한다. 예를 들어, 센서부(20)가 사용자(H)의 각 부위별 근육 활성도를 감지한 정보를 제어부(30)에 전송하면, 제어부(30)는 수신한 정보에 기초하여 몸체부(10)에 인가되는 전압을 제어함으로써 몸체부(10)의 인장, 압축 및 굽힘 변형을 유도한다. 여기서, 제어부(30)는 표면층(14)에 소정의 전압을 인가함으로써 겔층(13)의 변형을 유도하고, 내부에 겔층(13)이 삽입된 메타 구조체(12)는 겔층(13)에 변형에 기초하여 함께 변형된다. 즉, 제어부(30)는 센서부(20)에 의해 감지된 근육 활성도에 기초하여 몸체부(10)의 변형을 유도함으로써, 사용자(H)의 근력 지원 및 보행 지원 시스템을 저전압 상태에서도 수행할 수 있다.

이하에서는 본 개시의 일 실시예에 따른 소프트 웨어러블 시스템의 작동과정을 설명한다.

몸체부(10)는 면방향으로 확장되어 형성되고, 접착층(15)을 포함하며, 접착층(15)이 사용자(H)에 부착된다. 이때, 사용자(H)의 근력 지원이 요구되는 다양한 위치에 복수의 몸체부(10)가 접착될 수 있다.

몸체부(10)는 센서부(20)를 사이에 두고 사용자(H)에 부착됨으로써, 센서부(20)가 사용자(H)의 인체의 각 부위별 근육 활성도를 감지한다. 여기서, 근육 활성도는 근육이 활성화되어 움직이는 정도를 의미한다. 이때, 센서부(20)는 유연한 재질의 3차원 압력 텍스타일 센서로 마련되어, 각 부위별 근육 활성도에 따른 전압에 따른 압력 차이로 변형이 유도된다(도 11 참고).

센서부(20)로 감지된 각 부위별 근육 활성도에 기초하여, 제어부(30)는 몸체부(10)에 제공되는 전압을 제어한다. 여기서, 몸체부(10)는 도 3 내지 도 7과 같이 메타 구조체(12), 메타 구조체(12) 내부에 삽입된 겔 형태의 겔층(13)을 포함하도록 마련되며, 양 측면에는 표면층(14)이 마련된 상태이다. 제어부(30)는 표면층(14)과 연결되어 소정 전압을 인가함으로써, 겔층(13)의 전압에 따른 변형을 유도한다.

보다 구체적으로, 몸체부(10)는 도 8 내지 도 10과 같이 몸체부(10)에 전압이 가해지면, 탄성력을 가지는 메타 구조체(12)의 내부에 삽입된 겔층(13)에서 전자기 특성으로 압축 또는 인장이 야기된다. 그로 인해, 겔층(13)에서 발생된 변형으로 메타 구조체(12)가 굽힘 변형됨으로써, 가변 강성을 발생시켜 사용자(H)의 근력을 지원하게 된다.

도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 소프트 웨어러블 구동시스템의 작동순서를 나타내는 순서도이다.

제어부(30)는 센서부(20)가 감지한 정보에 기초하여 몸체부(10)에 인가할 전압 등을 연산한다. 여기서, 센서부(20)가 측정하는 압력 및 하중이 경계값보다 크지 않은 경우 제어부(30)는 센서부(20)가 계속해서 압력 및 하중을 감지하도록 제어한다. 한편, 센서부(20)가 측정하는 압력 및 하중이 경계값보다 큰 경우 제어부(30)는 몸체부(10)에 인가하는 전압의 비율을 조정할 수 있다.

예를 들어, 제어부(30)는 사용자(H)의 근력을 지원하려는 지원목표를 달성하기 위한 전압 또는 전류를 연산하고, 이를 실제로 측정된 전압 또는 전류를 비교하여 오차범위 이내이면 계속해서 몸체부(10)를 구동하도록 제어한다. 반면 오차범위를 벗어나는 경우 제어부(30)는 몸체부(10)에 인가하는 전압의 비율을 조정할 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 12를 참조한 전술한 설명들에 따르면 본 개시가 사용자(H)의 근육 활성도에 기초하여 작동하는 상태를 설명하였으나 본 개시의 또 다른 실시예에서는 뇌파를 이용하여 본 개시를 구현할 수도 있다.

구동 방식으로 일반적인 센서에 의한 제어 알고리즘을 통한 전기활성 인가를 할 수 있으며, 뇌파를 기반으로 인간의 생각에 의한 뇌의 변화(뇌파 또는 뇌신경의 활성화)를 감지하여 기계, 로봇, 컴퓨터 등을 제어하는 뇌-기계 인터페이스(Brain-Machine Interface, BMI)기술을 이용하여 뇌파감응 신호 장치로 뇌의 활동을 감지 또는 인공지능을 이용하여 거동분석을 통하여 개인 맞춤형으로 거동에 대한 분석과 실현이 적용될 수 있다. 이러한 BMI 기술은 1) 뇌파를 뇌파계(EEG)로 검출하여 생각한대로 기계, 로봇, 컴퓨터 등을 작동시키는 방법, 2) 특정생각을 할 때 뇌에서 일어나는 혈류의 변화를 fMRI BOLD 신호로 검출하여 기계와 연동시키는 방법, 3) 뇌에 직접 전극어레이(두뇌 칩)을 이식시키는 방법등 사용할 수 있다.

뇌파는 인간의 생체에서 직접 발생하는 신호로 특정 동작없이 제어기를 작동시킬 수 있으며, 두피에 시술하지 않는 비침습형 방식을 이용하면 인체에 아무런 해가 없다. 이에 뇌파 정보를 실시간으로 제공받아 사용할 수 있어 일반적인 응답속도의 차이를 줄일 수 있다. 기본적인 각 구조체의 거동 데이터는 AI(Artificial Intelligence)/ML(Machine Learning)/DL(Deep Learning)을 통해 많은 임상 데이터상에 특정 거동에 대하여 기준이 되는 메타모델을 구성하고 경로 추적법(path tracking method)을 이용하여 여러 상황에 발생할 때, 전기활성을 이용하여 일정 신호를 입력하여 지원 목표량을 매칭할 수 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 소프트 웨어러블 시스템 10: 몸체부
11: 몸체 12: 메타 구조체
12a: 복수의 단위 구조셀 121: 폭방향 연장 줄기
121a: 제1 폭방향 경사부 121b: 제2 폭방향 경사부
121c: 폭방향 연결부 122: 두께방향 연장 줄기
122a: 제1 두께방향 경사부 122b: 제2 두께방향 경사부
122c: 두께방향 연결부 13: 겔층
14: 표면층 20: 센서부
21: 지지층 22: 스폰지층
23: 공극 30: 제어부

Claims

사용자의 인체 표면에 부착되며, 인가되는 전압에 기초하여 변형되도록 형성되어 상기 사용자의 근력 또는 보행을 지원하는 몸체부;
상기 몸체부의 일측에 형성되며, 상기 사용자의 근육 활성도를 감지하는 센서부; 및
상기 센서부가 감지한 정보에 기초하여 상기 몸체부를 변형시키도록 상기 몸체부에 접압을 인가하는 제어부를 포함하되,
상기 몸체부는,
탄성 변형 가능한 물질로 형성되는 메타 구조체; 상기 메타 구조체의 표면에 형성되며 상기 전압에 기초하여 전위차를 형성하는 표면층; 및 상기 메타 구조체의 내부에 삽입되며 상기 전위차에 기초하여 변형하는 겔층으로 형성되는 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 1항에 있어서,
상기 몸체부는, 인장, 압축 및 굽힘 중 적어도 하나의 방식으로 변형되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 메타 구조체는, 내부에 삽입된 상기 겔층의 변형에 대응되도록 변형되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 표면층과 연결되며 상기 표면층의 양 측면에 소정 전압을 인가함으로써 상기 표면층의 양단에 전위차를 형성시키는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 5항에 있어서,
상기 겔층은, 상기 전위차에 의하여 굽힘변형 되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 6항에 있어서,
상기 표면층에 + 전위차가 발생하면 상기 겔층은 하부가 볼록한 형태로 휘어지고,
상기 표면층에 - 전위차가 발생하면 상기 겔층은 상부가 볼록한 형태로 휘어지는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 1항에 있어서,
상기 겔층은,
폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르프로필렌(PolyVinyliDene Fluoride-HexaFluoroPropylene)을 포함하는 고분자 공중합체인 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 1항에 있어서,
상기 메타 구조체는,
음(negative)의 포아송 비(Poisson's Ratio)를 가지는 메타 물질로 형성되는 복수의 단위 구조셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 9항에 있어서,
상기 복수의 단위 구조셀은,
상기 메타 구조체는, 제어부에 의하여 인가된 전압에 기초하여 변형되는 겔층과 연동하여 팽창 및 수축하도록 형성되는 복수의 폭방향 연장 줄기 및 복수의 두께방향 연장 줄기로 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 10항에 있어서,
상기 복수의 단위 구조셀은, 상기 복수의 폭방향 연장 줄기와 상기 복수의 두께방향 연장 줄기가 상호 격자 구조로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 10항에 있어서,
상기 복수의 단위 구조셀은, 크로스 카이랄 벌집(cross chiral honeycomb) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 10항에 있어서,
상기 복수의 폭방향 연장 줄기는,
X축 또는 Y축 방향에 대응되는 폭방향을 따라 경사지며 연장되는 복수의 제1 폭방향 경사부;
상기 제1 폭방향 경사부와 반대 방향으로 경사지며 연장되는 복수의 제2 폭방향 경사부; 및
상기 복수의 제1 폭방향 경사부와 상기 복수의 제2 폭방향 경사부를 연결하는 복수의 폭방향 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 10항에 있어서,
상기 복수의 두께방향 연장 줄기는,
Y축 방향에 대응되는 두께방향을 따라 경사지며 연장되는 복수의 제1 두께방향 경사부;
상기 복수의 제1 두께방향 경사부와 반대 방향으로 경사지며 연장되는 복수의 제2 두께방향 경사부; 및
상기 복수의 제1 두께방향 경사부와 상기 복수의 제2 두께방향 경사부를 연결하는 복수의 두께방향 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 1항에 있어서,
상기 표면층은,
메타 구조체의 표면에 아르곤 또는 질소에 의하여 플라즈마 에칭이 진행되어 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 1항에 있어서,
상기 몸체부는, 일측에 상기 몸체가 상기 사용자에게 부착될 수 있도록 형성되는 접착층을 포함하며,
상기 센서부는, 상기 몸체와 상기 접착층의 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 16항에 있어서,
상기 몸체부는,
센서부와 일체로 형성되어 상기 사용자의 몸에 착탈가능한 하나의 패치로 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 1항에 있어서,
상기 센서부는,
한 쌍의 지지층 사이에 공극을 형성하는 멀티스케일(Multiscale)의 스폰지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 18항에 있어서,
상기 한 쌍의 지지층 중 어느 하나로부터 다른 하나로 갈수록 상기 공극의 크기가 점점 커지거나 작아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
제 18항에 있어서,
상기 스폰지층은, 상기 공극의 크기에 반비례하도록 변형되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 웨어러블 구동시스템.
몸체부를 형성하는 메타 구조체의 표면에 아르곤 또는 질소에 의하여 플라즈마 에칭을 진행하여 이온을 유동 상태로 만드는 과정;
상기 메타 구조체의 표면에 전극용액을 부착시켜 유동 상태인 이온을 상기 메타 구조체의 양면에 고착시키켜 표면층을 형성시키는 과정;
상기 표면층이 형성된 메타 구조체를 이온화 용액에 침수시켜 이온을 이동시키는 이온화 영동(ionic migration) 과정;
상기 메타 구조체를 이온화 용액에 침수시켜 상기 이온화 영동을 가속화시키는 과정; 및
상기 메타 구조체를 상기 이온화 용액으로부터 건조시켜 전극을 활성화시키는 과정을 포함하는
소프트 웨어러블 구동시스템의 몸체부의 제조 방법.