KR102417805B1 - 열수축형 인공근육을 적용한 손목 보조용 착용형 로봇 - Google Patents

Abstract

손목 보조를 위한 착용형 로봇으로서, 복수의 유연 액추에이터들과 착용자의 손목 움직임에 따라, 복수의 유연 액추에이터들 중 적어도 하나가 수축되거나 이완되도록 제어하는 제어부를 포함한다. 복수의 유연 액추에이너들은 각각, 제어부에서 인가된 열 또는 전류에 의해 수축 변형이 발생하거나, 열이 소실되면 이완되는 구동부, 그리고 제어부의 제어에 따라, 수축 변형이 발생한 구동부가 냉각되도록 냉매를 순환시키며 구동부를 감싸도록 구현된 냉매 순환부를 포함한다.

Description

열수축형 인공근육을 적용한 손목 보조용 착용형 로봇{Wrist wearable robot using heat-shrink artificial muscle}

본 발명은 열수축형 인공근육을 적용한 손목 보조용 착용형 로봇에 관한 것이다.

상지의 이동성 상실 및 힘의 상실은 말초 신경계 손상, 근육 약화, 힘줄 장애, 근육 수축 사고 및 사고 후의 근육 색조 변화, 또는 뇌성마비와 같은 의학적 장애와, 뇌졸중, 외상성 뇌 손상, 척수 손상과 같은 다양한 원인들에 의해 발생한다. 상지의 장애는 개별적인 원인들에 의해 나타날 수 있지만, 복수의 원인들의 조합으로도 발생한다.

신경계 질환 중 일부는 만성적이며 진행성이다. 이로 인해, 수유, 자가 위생, 드레싱 및 이송과 같은 일상 생활 활동에 필요한 작업을 수행하는 동안 상지의 독립성이 상실되어 재활 치료가 요구된다. 그런데, 재활 치료의 경우 어깨 또는 팔꿈치 재활 치료에 의한 개선에 비해, 손목 이동성이 개선되는 환자의 수는 적다.

따라서, 환자의 손목 이동성 개선을 위해, 연구자들은 많은 로봇 재활 시스템을 연구, 개발하였다. 통상적으로 사용되는 재활 로봇은 견고한 구조를 가진다. 그리고, 환자에게 가해지는 힘은 주로 각 관절에 위치한 모터에 의해 전달된다. 그러나, 견고한 링크와 조인트의 무게, 재활 로봇의 부피가 커서, 착용형 어플리케이션에 적합하지 않다는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해, 최근에는 유압, 유전성 고분자, 이온성 고분자, 형상기억합금, 고분자 및 나노 소재 얀 구조 등 다양한 소재와 로봇 구조를 바탕으로 개발된 유연 액추에이터를 활용하는 유연 로봇 기술이 사용되고 있다.

유압을 이용한 유연 액추에이터는 수축/이완의 선택적 출력 및 응답 특성이 우수하여 착용형 형태의 유연 로봇에 많이 사용되고 있다. 그러나, 고성능을 내기 위해 규모가 큰 공압 장비가 필요하여 소형화가 어렵다. 또한, 유전성 및 이온성 고분자를 이용한 유연 액추에이터는 대변형 이완 운동 구현이 가능하나, 출력 힘에 한계가 있고 수축 운동의 구현이 어렵다.

형상기억합금, 나노/고분자형 꼬임 구조 폴리머 등 열 인가에 의해 동작하는 유연 액추에이터는, 타 소재에 비해 크기가 작고 얇으면서도 큰 힘 및 변위를 낼 수 있어 착용형 로봇에 활용되기에는 적합하다. 그러나, 유연 액추에이터의 반응 속도가 느리며 제어가 어려운 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 인체 혹은 인체의 움직임과 유사하게 동작하며 열에 의해 변형되는 유연한 액추에이터를 이용하여, 손목의 움직임을 모사하는 열수축형 인공근육을 적용한 손목 보조용 착용형 로봇을 제공한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 손목 보조를 위한 착용형 로봇으로서,

복수의 유연 액추에이터들, 착용자의 손목 움직임에 따라, 상기 복수의 유연 액추에이터들 중 적어도 하나가 수축되거나 이완되도록 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 복수의 유연 액추에이터들은 각각 상기 제어부에서 인가된 전류 또는 전달열에 의해 수축 변형이 발생하거나, 상기 열이 소실되면 이완되는 구동부, 그리고 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 수축 변형이 발생한 구동부가 냉각되도록 냉매를 순환시키는, 상기 구동부를 감싸도록 구현된 냉매 순환부를 포함한다.

상기 제어부는, 상기 구동부에 상기 전류 또는 전달열 중 어느 하나를 인가하는 가열 모듈, 그리고 상기 냉매가 상기 냉매 순환부에서 순환하도록 상기 냉매를 제1 방향에 연결된 냉매 이동 튜브로 배출하는 냉각기를 포함할 수 있다.

상기 구동부의 제1 끝점이 연결되는 제1 커넥터, 그리고 상기 구동부의 제1 끝점과 반대인 제2 끝점이 연결되는 제2 커넥터를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각기에서 배출되는 냉매를 상기 냉매 순환부로 유입시키며, 상기 제1 커넥터의 일측에 구비된 냉매 유입구, 그리고 상기 제2 커넥터의 일측에 구비되며, 상기 냉매 순환부에서 상기 구동부의 열을 흡수한 냉매를 상기 냉각기로 배출하는 냉매 배출구를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부와 복수의 유연 액추에이터들은 각각, 상기 냉각기에서 제1 방향으로 배출된 상기 냉매를 상기 냉매 유입구로 전달하고, 상기 냉매 배출구에서 배출된 상기 열을 흡수한 냉매를 상기 냉각기로 전달하는 상기 냉매 이동 튜브, 그리고 상기 제1 커넥터와 제2 커넥터를 통해 상기 구동부의 제1 끝점과 제2 끝점에 연결되고, 상기 가열 모듈에서 인가한 상기 전류 또는 전달열 중 어느 하나를 상기 구동부로 전달하는 전선으로 연결될 수 있다.

상기 열 수축형 인공근육 착용형 로봇의 움직임을 측정하며, 유연 스트레인 센서 또는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로 구현된 로봇 동작 측정부, 그리고 상기 열 수축형 인공근육 착용형 로봇을 착용한 착용자의 의도를 센싱하며, 압력 센서, 또는 EMG(ElectroMyoGraphy) 센서로 구현되는 착용자 의도 측정부를 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 손목 보조를 위한 착용형 로봇으로서,

복수의 유연 액추에이터들 각각의 한쪽 끝이 연결되며, 상기 복수의 액추에이터들이 연결되는 제1 착용부, 상기 복수의 유연 액추에이터들의 반대편 끝이 연결되는 제2 착용부, 그리고 상기 제1 착용부와 제2 착용부에 각각의 끝이 연결된 상기 복수의 유연 액추에이터들이 각각 수축 변형하거나 이완되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 복수의 유연 액추에이터들은 각각, 손등 위치에 복수의 유연 액추에이터들이 일정 간격으로 설치되고, 손바닥에서 엄지 손가락의 위치와 새끼 손가락의 위치에 각각 하나의 유연 액추에이터가 설치될 수 있다.

상기 제1 착용부는, 상기 열 수축형 인공근육 착용형 로봇의 움직임을 센싱하는 제1 센서를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 착용부는, 상기 열 수축형 인공근육 착용형 로봇에 가해지는 힘의 세기를 센싱하는 제2 센서를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제2 센서가 센싱한 힘의 세기가 미리 설정한 임계 세기보다 세면, 상기 복수의 유연 액추에이터들 중 수축 변형된 적어도 하나의 유연 액추에이터를 초기 상태로 복원할 수 있다.

상기 복수의 유연 액추에이터들을 통해 손목의 2자유도 운동을 지원할 수 있다.

본 발명에 따르면 근섬유, 운동신경 등으로 구성된 근육의 모사가 가능한 인공 근육을 개발할 수 있다. 즉, 인공 근육을 이용하여 실제 인간 근육의 운동과 유사한 수축/이완 운동이 가능하며, 큰 출력을 발생시킬 수 있는 소형화/경량화된 인공 근육 형태의 유연 액추에이터를 제공할 수 있다.

또한, 신축성이 뛰어난 탄성체와 열수축형 구동기를 이용하여 수축 및 이완이 가능한 액추에이터를 착용형 옷감에 적용함으로써, 신체의 움직임을 보조할 수 있다.

또한, 손목의 굴곡, 신전, 요골이탈, 척골이탈의 2자유도 움직임을 정확하게 모사할 수 있다. 즉, 열 인가를 기반으로 구동되는 열수축형 유연 액추에이터의 구동을 이용하여, 큰 변위로 수축/이완하는 운동 및 고강도의 폭발적 운동을 모사할 수 있다.

또한, 착용이 간편한 의복형 로봇을 통해, 신체의 움직임을 정확하게 모사할 수 있다. 또한, 움직임이 불가능하거나 제한적인 환자의 일상 생활 보조 및 근력의 재활 및 보조용 착용형 기기로 활용할 수 있으며, 뇌졸중 혹은 척수손상에 의한 상지(팔꿈치, 손목)을 이용한 일상생활 활동이 어려운 환자를 대상으로 일상생활 활동 동작을 보조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공근육형 유연 액추에이터의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유연 액추에이터 변형의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형상기억합금 코일 스프링의 파라미터를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유연 액추에이터가 적용된 착용형 로봇의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 손목의 목표된 동작들을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 착용형 로봇의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 로봇의 구동 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 4가지 손목 동작에 대한 평균 관절 가동 범위를 나타낸 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 열수축형 인공근육을 적용한 손목 보조용 착용형 로봇을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공근육형 유연 액추에이터의 예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 열수축형 인공근육을 적용한 손목 보조용 착용형 로봇(100)은 착용형 로봇에 구현되는 유연 액추에이터(110)와, 착용형 로봇에 부착되지 않았으나 유연 액추에이터(110)를 제어하는 제어부(120)로 구성된다. 유연 액추에이터(110)는 복수 개 착용형 로봇(100)에 구현되나, 도 1에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 유연 액추에이터(110)를 도시하여 설명한다.

사람의 근육 기능을 대신하는 인공근육인 유연 액추에이터(110)는 제어부(120)의 제어에 따라 길이가 수축되거나 이완되는 구동부(111), 구동부(111)를 감싸는 형태로 구성되며 구동부(111)에 가해진 열을 식혀주기 위한 냉매(예를 들어, 미네랄 오일 등)가 흐르는 냉매 순환부(112)를 포함한다.

제어부(120)에서 발생한 전류가 인가되거나, 제어부(120)에서 열을 생성하여전달열이 인가되면, 전류 또는 전달열에 의해 구동부(111)가 가열된다. 전류가 인가되어 가열된 구동부(111)는 열에 의해 수축 변형이 발생하고, 제어부(120)의 제어에 따라 냉매가 유연 액추에이터(110)로 유입되면 냉각 공정에 따라 수축 변형된 구동부(111)는 이완된다.

따라서, 구동부(111)는 변형 회복이 우수한 형상 기억 소재 또는 열 수축형 나노/고분자 소재를 이용한다. 구동부(111)의 소재를 어느 하나로 한정하지 않으나, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 구동부(111)가 형상기억합금 코일 스프링인 것을 예로 하여 설명한다.

냉매 순환부(112)는 구동부(111)의 수축/이완에 따라 길이가 수축되거나 이완되도록, 탄성 소재로 구현된다. 냉매 순환부(112)의 탄성 소재를 어느 하나로 한정하지 않으나, 본 발명의 실시예에서는 냉매 순환부(112)가 폴리머 튜브로 구현되는 것을 예로 하여 설명한다. 폴리머 튜브는 초기 길이의 300% 이상의 높은 신축성을 보이므로, 형상합금기억 코일 스프링 즉, 구동부(111)의 수축/이완에 따라 냉매 순환부(112)도 수축되거나 이완될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 냉매 순환부(112)의 초기 직경은 7mm로 구현하였으나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 또한, 냉매 순환부(112)는 냉매가 순환할 수 있도록 실린더 형태로 구현하는 것을 예로 하여 설명한다. 그러나, 냉매가 순환할 수 있는 구조라면 어떠한 형태로도 구현될 수 있다.

구동부(111)의 양 끝은 전류 또는 전달열을 구동부(111)에 인가하기 위한 전선(117)이 연결된다. 전선(117)은 커넥터(113, 114)의 일측을 통해 냉매 순환부(112) 내부로 삽입되어, 구동부(111)와 연결된다.

커넥터(113, 114)의 상단에는 제어부(120)의 제어에 따라 냉매 순환부(112)로 냉매를 유입시키는 냉매 유입구(115)와, 냉매 순환부(112)를 통해 이동하면서 구동부(111)의 열을 빼앗은 냉매가 냉매 순환부(112) 외부로 배출되는 냉매 배출구(116)가 구비되어 있다. 여기서, 커넥터(113, 114)는 폴리 카보네이트로 너비와 높이 각각 15mm 미만으로 구현되는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.

냉매 유입구(115)과 냉매 배출구(116)의 다른 쪽 끝은 제어부(120)에 구비된 소형 펌프와 라디에이터, 또는 펠티어 소자 등으로 이루어진 냉각기(122)에 연결된다. 냉각기(122)의 구동에 따라 냉매 이동 튜브(118)를 이동한 냉매가 냉매 유입구(115)를 통해 냉매 순환부(112)로 유입되고, 냉매 배출구(116)로 배출된 냉매는 냉매 이동 튜브(118)를 따라 냉각기(122)로 되돌아오도록 순환시킨다. 이때, 냉각기를 이용하여 냉매를 순환시킬 경우, 제어부(120)는 사용자가 휴대할 수 있도록 소형으로 구현된다.

제어부(120)는 센싱 신호 수신 모듈(121), 가열 모듈(122), 그리고 냉각기(123)를 포함한다.

센싱 신호 수신 모듈(121)은 이후 설명할 착용형 로봇(100)에 구비된 센서로부터 착용형 로봇(100)의 움직임이나 착용형 로봇(100)을 착용한 착용자의 의도를 센싱한 센싱 신호를 수신한다. 센싱 신호 수신 모듈(121)은 수신한 센싱 신호에 따라 가열 모듈(122) 또는 냉각기(123)가 구동하도록 제어 신호를 전달한다. 이때, 센싱 신호에 포함된 정보나 센싱 신호를 토대로 가열 모듈(122) 또는 냉각기(123)를 구동하는 방법은 다양하므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다.

가열 모듈(122)은 센싱 신호 수신 모듈(121)의 제어에 따라 전선(117)을 통해 구동부(111)로 전류를 인가한다. 또는, 가열 모듈(122)은 자체적으로 열을 생성하여 전선(117)을 통해 구동부(111)로 전달열을 인가할 수도 있다. 만약 가열 모듈(122)이 구동부(111)에 전달열을 인가할 경우, 가열 모듈(122)은 열 전도성이 높고 저항이 낮은 소재로 구현되며, 소재의 종류를 어느 하나로 한정하지 않는다.

냉각기(123)는 센싱 신호 수신 모듈(121)의 제어에 따라, 전류 또는 전달열에 의해 이완된 구동부(111)로부터 열을 뺏기 위하여 냉매 순환부(112)의 내부로 냉매를 흘려 보낸다. 그리고 냉각기(123)로 유입되는 열을 흡수한 냉매를 냉각시켜 다시 냉매 순환부(112)로 전달한다.

이를 위해, 냉각기(123)는 소형 펌프와 라디에이터로 구현되거나, 펠티어 소자로 구현될 수 있다. 만약 냉각기(123)가 소형 펌프와 라디에이터로 구현되는 경우, 냉매 순환부(112) 내부로 유입할 냉매의 양이 적기 때문에 5*5cm² 이하의 소형 펌프를 사용할 수 있다.

가열 모듈(122)이 전류를 발생하는 방법, 냉각기(123)가 냉매를 흘리는 방법, 열을 흡수한 냉매를 냉각하는 방법 등은 다양한 제어 방법으로 실행 가능하므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다.

이상에서 설명한 유연 액추에이터(110)가 변형되는 예에 대해 도 2를 참조로 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유연 액추에이터 변형의 예시도이다.

제어부(1200로부터 전류 또는 전달열 중 어느 하나가 인가되면 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 구동부(111)는 수축한다. 이와 함께 구동부(111)를 감싸고 있으며 구동부(111)의 양쪽 끝이 연결된 커넥터(113, 114)가 구비된 냉매 순환부(112)도 구동부(111)와 수축된다.

또한, 냉매 순환부(112)로 유입된 냉매가 열이 가해진 구동부(111)로부터 열을 회수하면, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 구동부(111)와 냉매 순환부(112)가 이완된다. 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 유연 액추에이터(110)만 도시하였으나, 구동부(111)로 전류 또는 전달열을 인가하거나, 냉매 순환부(112)로 냉매를 유입하는 제어부(120)가 함께 구비된다.

여기서, 착용형 로봇(100)에 적용할 유연 액추에이터(110)를 설계하기 위해서는, 구동부(111)의 최대 힘과 변위를 결정하는 액추에이터 파라미터 분석이 요구된다. 본 발명의 실시예에서는 구동부(111)를 형상기억합금 코일 스프링을 예로 하여 설명하고 있으므로, 형상기억합금 코일 스프링의 파라미터를 분석한다. 이에 대해 도 3을 참조로 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형상기억합금 코일 스프링의 파라미터를 나타낸 예시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 열에 의한 수축 또는 냉매에 의한 이완이 작용하는 구동부(111)를 설계하기 위해서는, 구동부(111)에 가해지는 최대 힘과 변위를 결정해야 한다. 힘과 변위 사이의 관계는 다음 수학식 1과 같다.

여기서, F는 구동부(111)에 가해지는 힘, G는 형상기억합금의 전단 탄성 계수, d는 형상기억합금의 와이어 직경, D는 형상기억합금의 코일 직경, n은 코일 회전 수, δ는 형상기억합금 코일 스프링의 변위를 의미한다. 전단 탄성 계수는 형상기억합금 재료 자체의 특성으로 온도 변화에 따라 변한다. D, d 및 n은 구동부(111)를 제조하는 공정에서 변경 될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 유연 액추에이터(110)는 착용형 로봇(100)에 적용되기 때문에, 원하는 변형 범위에서 높은 힘을 생성하도록 설계되어야 한다. 높은 힘을 생성하기 위해서는 구동부(111)의 예압(preload)을 늘려야 하며, 하중 조건 하에서 목표 변형 범위가 결정된다.

필요한 목표 힘은 단일 구동부(111)당 10N이다. 목표 최대 수축률은 초기 신장 길이(stretched length)의 40%보다 길게 선택되며, 이는 인간 근육의 수축률과 유사한 수축률을 나타낸다.

그리고, 10N 하중이 단일 구동부(111)에 가해질 때, 목표 변위 범위는 초기 신장 길이에서 50mm로 선택된다. 구동부(111)의 최대 목표 길이는 150mm로 선택되며, 이는 손목용 소형 착용형 로봇에 적합한 크기이다.

또한 유연 액추에이터를 디자인함에 있어 고려해야 할 주요 사항 중 하나는, 착용자가 착용형 로봇(100)을 휴대하고 착용하기 쉽도록 액추에이터가 가능한 한 얇아야 한다는 것이다. 그리고, 형상기억합금은 온도 상승에 의해 활성화되기 때문에, 착용형 로봇(100)을 착용한 착용자의 피부가 타는 것을 방지하기 위해 최대 표면 온도는 가능한 낮아야 한다.

다음은 상기에서 설명한 유연 액추에이터가 적용된 착용형 로봇에 대해 도 4를 참조로 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유연 액추에이터가 적용된 착용형 로봇의 구조도이다.

본 발명의 실시예에 따른 착용형 로봇(100)은 손목 보조를 위한 착용형 로봇으로서, 제1 착용부(210)와 제2 착용부(220)로 분리된다. 여기서, 제1 착용부(210)는 착용자의 손에 장갑 혹은 반장갑 형태로 착용되며, 제2 착용부(220)는 착용자의 손목에 착용된다.

제1 착용부(210)는 복수의 액추에이터(110-1~110-n)들의 한쪽 끝이 연결된다. 또한, 제1 착용부(210)는 착용형 로봇(100)을 착용한 착용자의 의도와 착용형 로봇(100)의 움직임을 센싱하는 센싱부(130)를 추가로 포함한다.

제2 착용부(220)는 복수의 액추에이터(110-1~110-n)들의 다른 쪽 끝이 연결된다.

*제1 착용부(210)와 제2 착용부(220)에 각각 한쪽 끝이 연결된 복수의 액추에이터(110-1~110-n)들은 제어부(120)와 연동한다. 그리고, 센싱부(130)에서 센싱한 신호도 제어부(120)로 전달된다.

각각의 액추에이터(110-1~110-n)들은 상기 도 1에서 설명한 바와 같이, 구동부(111), 냉매 순환부(112), 커넥터(113, 114), 냉매 유입구(115), 냉매 배출구(116), 그리고 전선(117)으로 구성되나, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 구동부(111)와 냉매 순환부(112)들로만 설명한다.

그리고 제어부(120)는 상기 도 1에서 설명한 바와 같이, 센싱 신호 수신 모듈(121), 가열 모듈(122), 그리고 냉각기(123)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 하나의 제어부(120)가 복수의 액추에이터(110-1~110-n)들을 제어하는 것을 예로 하여 설명하나, 복수의 액추에이터(110-1~110-n)들 각각에 제어부(120)가 연결될 수도 있다.

구동부(111)는 제어부(120)의 제어에 따라 전류 또는 전달열이 인가되면, 전류 또는 전달열에 의해 수축 변형이 발생하여 수축한다. 그리고 제어부(120)의 제어에 따라 냉각 공정을 통해 냉매가 구동부(111)를 감싸고 있는 냉매 순환부(112)로 유입되면, 구동부(111)가 이완된다. 구동부(111)와 냉매 순환부(112)는 반복적으로 수축과 이완되도록, 탄성이 있는 소재로 구현된다.

센싱부(130)는 착용형 로봇(100)을 착용한 착용자의 의도를 파악하고, 착용형 로봇(100)의 정밀한 제어를 위하여, 로봇 동작 측정부(131)와 착용자 의도 측정부(132)를 포함한다.

로봇 동작 측정부(131)는 손목과 손에 착용된 착용형 로봇(100)의 움직임을 측정한다. 그리고 로봇 동작 측정부(131)에서 측정한 착용형 로봇(100)의 움직임 정보는 제어부(120)로 전달되어, 유연 액추에이터(110)를 제어하기 위한 센싱 데이터로 사용된다. 이때, 착용형 로봇(100)이 착용자의 2자유도 움직임을 정확하게 모사하기 위해서는, 센싱부(130)도 유연한 특성을 유지해야 한다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 로봇 동작 측정부(131)가 유연 스트레인 센서 또는 크기가 작은 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로 구현되는 것을 예로 하여 설명한다. 이를 통해, 착용형 로봇(100)의 움직임을 측정하기 위하여 구동부(111)의 길이를 직접 측정하거나, 착용자의 신체 부위의 움직임을 직접 측정할 수 있다. 각각의 센서가 움직임을 측정하는 방법은 이미 알려진 것으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.

또한, 센싱부(130)는 착용형 로봇(100)의 움직임 구현 여부를 확인하기 위해, 착용자 의도 측정부(132)를 통해 착용자의 의도를 착용자 의도 정보로 수집한다. 착용자 의도 측정부(132)를 통해 착용자의 의도를 측정하는 방법으로는, 버튼을 이용한 신호 제공, 압력 센서 부착을 통한 착용자의 움직임 파악, EMG(ElectroMyoGraphy) 센서를 이용한 근전도 신호 파악 등의 방법을 활용할 수 있다.

즉, 착용자가 직접 버튼을 눌러 움직이고자 하는 손목 정보를 입력하거나, 착용자의 근전도 신호를 파악하여, 착용자의 의도를 측정할 수 있다. 각 방법은 이미 알려진 내용으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명은 생략한다.

센싱부(130)에서 측정된 착용형 로봇(100)의 움직임과 착용자 의도 정보는 제어부(120)에 센싱 신호로 전달된다. 센싱 신호를 토대로 제어부(120)는 유연 액추에이터(110)에 전류/열을 인가하거나 또는 냉매가 순환되도록 제어 신호를 생성하여 구동부(111)의 움직임을 제어할 수 있다.

제어부(120)에 의해 동작되는 유연 액추에이터(110)의 움직임은, 착용형 로봇(100)을 착용하고 있는 착용자의 신체 움직임을 발생시킬 수 있다.

예를 들어, 사용자가 문을 여는 행위, 음식 섭취를 위해 숟가락이나 포크를 들어 올리는 행위, 물건을 다루는 것과 같은 일상 생활의 활동을 위해서는 손목 동작이 필요하다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 착용형 로봇(100)은 플렉션/확장 및 척골/방사선 편차의 2자유도 동작을 위한 충분한 양의 토크와 관절 가동 범위(ROM: Range Of Motion)를 제공해야 한다.

본 발명의 실시예에서는 도 4의 센싱부(130)에 착용형 로봇(100)의 움직임과 착용자의 의도 정보를 센싱하는 측정부들 즉, 센서만을 도시하였으나, 착용형 로봇(100)에 가해지는 힘의 세기를 센싱하는 또 다른 센서가 추가될 수 있다. 추가된 센서는 다양한 방법으로 착용형 로봇(100)에 가해지는 힘의 세기를 센싱할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 방법으로 한정하지 않는다.

착용형 로봇(100)의 착용자가 경직 환자 또는 관절 구축이 심한 환자인 경우, 착용형 로봇(100)에 착용자의 의도와 관계 없이 강한 힘을 가할 수 있다. 또는, 착용자의 의도가 있더라도, 통상 가해지는 힘보다 더 강한 힘이 가해질 수 있다.

따라서, 의도치 않은 강한 힘, 또는 통상 가해지는 힘보다 더 강한 힘이 착용형 로봇(100)에 가해지더라도, 제어부(120)는 가해진 힘에 대응하는 수축 변형 정도 또는 이완 정도를 모두 유연 액추에이터(110)에 반영하지 않아야 한다.

따라서, 착용형 로봇(100)은 미리 임계 세기를 설정해 두고, 추가된 센서가 센싱한 착용형 로봇(100)에 가해진 힘의 세기가 미리 설정한 임계 세기보다 센지 확인한다. 만약 착용형 로봇(100)에 가해진 힘의 세기가 임계 세기보다 세면, 제어부(120)는 복수의 유연 액추에이터(110)들 중 수축 변형되거나 또는 이완된 적어도 하나의 유연 액추에이터(110)가 초기 상태로 복원되도록 제어한다. 여기서, 유연 액추에이터(110)의 초기 상태라 함은, 구동부(111)가 열에 의해 수축되지 않고 이완된 때의 유연 액추에이터(110)의 상태를 의미한다.

이상에서 설명한 착용형 로봇(100)을 착용하여 재활 훈련을 할 때, 착용자의 목표된 손목 동작의 예에 대해 도 5를 참조로 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 손목의 목표된 동작들을 나타낸 예시도이다.

손목에는 손수근과 손을 연결하는 손목 근 관절, 간 수근 관절 및 5개의 수근 관절을 포함한 여러 개의 관절이 있다. 조인트는 두 개의 정렬되지 않은 회전축을 갖는 단일 손목 조인트로 근사될 수 있다.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 손바닥이 팔뚝의 앞쪽 표면에 가까워 지도록 손목을 구부리면(flexion) 융기가 발생한다. 그리고 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 확장은, 손목 구부리기의 반대 방향으로 손목을 움직이는 것이다.

도 5의 (c)에 도시된 척골 플렉션이라고도 알려진 척골 편차는 손목이 척골 뼈쪽으로 움직이는 것이다. 그리고 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 척골 골의 반대 방향인 반경 뼈를 향한 손목의 움직임은 광선 편차를 초래한다.

이와 같이 횡축 내에서 플렉션 및 신장이 발생하는 반면, 앞뒤 축 내에서 척골 및 반경 방향 편차가 발생한다. 굴곡과 연장은 같은 평면에서 길항적인 움직임이며, 척골와 방사형 편차는 다른 평면에서도 길항적이다.

다음은 착용형 로봇(100)을 착용한 예와, 착용형 로봇(100)을 착용한 착용자가 도 5에서 설명한 목표된 동작들을 수행하는 실시예에 대해 도 6 및 도 7을 참조로 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 착용형 로봇의 예시도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 착용형 로봇(100)은 제1 착용부(210)와 제2 착용부(220)로 분리되며, 각 액추에이터(110-1~100-5)들은 두 착용부(210, 220)의 부분에 양 끝이 각각 고정되어, 작동부(110)의 수축 및 이완으로 손목의 움직임을 구현할 수 있다.

손목의 2자유도 운동을 달성하기 위해, 도 6의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 착용형 로봇(100)은 다양한 위치에 액추에이터들(110-1~110-5)을 위치시킨다.

본 발명의 실시예에서는 5개의 유연 액추에이터(110-1~110-5)들이 착용형 로봇(100)에 구성되어 있는 것을 예로 하여 설명한다. 먼저 도 6의 (a)와 같이 착용자의 손등 부분에 3개의 유연 액추에이터(110-1~110-3)를 구성하였다. 그리고 도 6의 (b)와 같이 손바닥에서 엄지 손가락에서 손목 방향으로 일정 거리 떨어진 위치에서 시작하여 제2 착용부(220)의 한쪽 끝까지 하나의 유연 액추에이터(110-4)가 설치되어 있다. 마찬가지로 손바닥에서 새끼 손가락에서 손목 방향으로 일정 거리 떨어진 위치에서 시작하여 제2 착용부(220)의 한쪽 끝까지 또 다른 유연 액추에이터(110-5)가 설치되어 있다.

유연 액추에이터(110-1~100-5)들의 부착 위치와 개수에 따라 구동되는 힘 또는 구동 범위가 조정된다. 유연 액추에이터(110-1~100-5)가 여러 개 배치될 경우 제어부(120)를 통해 각 유연 액추에이터(110-1~100-5)들을 개별적으로 제어하여, 2 자유도의 어떠한 손목 움직임도 자연스럽게 구현할 수 있다.

착용형 로봇(100)을 설계 할 때 고려해야 할 또 다른 중요한 사항은 착용자가 손목 동작과 관련된 일상생활 활동을 수행 할 수 있도록, 가볍고 착용하기 쉬워야 한다는 것이다. 이를 통해 착용자의 손목 움직임 보조 및 근력 재활을 위한 힘 제공 로봇으로 활용되는 것이 가능하다. 또한, 옷감 착용형으로 제작되어 옷처럼 쉽게 입고 벗을 수 있는 구조로 설계되어 탈착이 간편하고 일상 생활에서도 착용을 유지하는 것이 가능하다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 로봇의 구동 예시도이다.

도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 착용자가 손목을 구부릴 경우, 착용형 로봇(100)의 손등 부분에 구비된 세 개의 유연 액추에이터(110-1~110-3)들이 구동되어, 손목의 굴곡 움직임을 구현할 수 있다. 또한, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 착용자가 손등을 뒤로 제칠 경우, 손등 부분의 세 개의 유연 액추에이터(110-1~110-3)들의 각 구동기가 수축하여, 손목의 신전 움직임을 구현할 수 있다.

마찬가지로, 착용자의 움직임에 따라 엄지 손가락 부위의 유연 액추에이터의 구동부가 구동되면, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 손목의 척골이탈 동작을 구현할 수 있다. 그리고 착용자의 움직임에 따라 새끼손가락 부위에 부착된 유연 액추에이터의 구동부를 동작시키면, 도 7의 (d)와 같이 손목의 요골이탈 움직임을 구현할 수 있다.

상기 도 6과 도 7에서는 착용형 로봇(100)의 착용에 따른 유연 액추에이터의 모습을 나타내기 위해, 유연 액추에이터들과 일부 전선들만을 나타내었으나, 유연 액추에이터(110)와 전선(117) 그리고 냉매 이동 튜브(118)로 연결된 제어부(120)가 반드시 구비되어야 한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 4가지 손목 동작에 대한 평균 관절 가동 범위를 나타낸 그래프이다.

착용형 로봇(100)은 손목 조작에 어려움이 있는 환자들에게 초점을 맞추기 때문에, 착용성과 관절 가동 범위(ROM)도 고려해야 할 중요한 요소이다. 이러한 요소의 성능을 관찰하기 위해 수행된 실험 결과로, 도 8의 (a)는 네 가지 손목 동작에 대한 평균 관절 각도 범위를 나타낸다.

5명의 대상체의 평균 관절 가동 범위는 각각 플렉시 온, 신장, 방사형 편차 및 척골 편차에 대해 33.8, 30.4, 21.4 및 15.4도였다. 가장 큰 관절 가동 범위는 플렉시 온 운동에서 측정되었으며, 가장 작은 관절 가동 범위는 척골 편차 운동에서 측정되었다.

플렉시 및 확장 모션의 관절 가동 범위에 대한 표준 편차는 13 주변이며, 이는 큰 관절 가동 범위가 있는 방향이다. 최소 표준 편차는 약 3의 척골 편차에서 관찰되었다.

도 8의 (b)는 두 실험의 측정 된 평균 착용 시간을 보여준다. 자가 착용에 소요 된 평균 시간은 87 초로 측정되었다. 평균 보조 착용 시간은 75 초에서 측정되었다.

가장 많은 시간을 소비 한 단계는 두 실험에서 손가락을 장갑에 삽입하는 것이 었다. 착용형 로봇(100)을 착용하는 데 2분도 걸리지 않는다는 사실은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 로봇 시스템을 쉽게 착용 할 수 있음을 의미한다. 특히, 자가 착용의 실험 결과는 본 발명의 실시예에 따른 착용형 로봇(100)이 한 손으로 약 80 내지 90 초 동안 환자에 의해서만 착용 될 수 있음을 의미한다. 따라서 손목에 운동 장애가 있는 환자는 외부 지원 없이도 로봇을 착용 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 열에 의해 그 형태가 변화하는 열수축형 구동기의 빠른 냉각을 위하여, 손목형 착용형 로봇에 냉매 순환 구조를 적용하였다. 그리고, 유연 액추에이터를 착용형 로봇에 적용함으로써, 착용형 로봇을 착용한 착용자가 인간 근육의 움직임과 유사한 손목 근육의 수축/이완 운동을 가능하게 하여, 사람 손목의 움직임을 정확하게 모사할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 열을 통해 큰 변위 및 힘을 낼 수 있는 열수축형 구동부에 빠른 냉각을 위해 냉매 순환 시스템을 도입하여 빠른 속도의 수축/이완 운동 및 반복적/지구적인 운동이 가능하며, 이를 착용형 로봇에 적용하여 유연하여 사람의 움직임에 방해를 주지 않으면서도 손목의 움직임을 모사할 수 있는 착용형 로봇의 구현이 가능하다.

본 발명의 실시예에서 제안하는 유연 액추에이터 구동부의 경우, 직접적으로 수축/이완 발생시키는 열 수축형 구동부와 빠른 냉각을 위한 냉매 순환 통로로 사용되는 튜브형 탄성체부, 냉매의 순환을 위한 냉매 순환부, 구동부에 열을 가하여 움직임을 제어하는 제어부로 구성될 수 있다.

또한, 유연 액추에이터를 적용한 손목 착용형 로봇의 경우, 손에 장갑 형태로 착용하는 장갑 착용부와 손목 위에 밴드 형태로 착용하는 손목 착용부로 구성함으로써, 착용자가 용이하게 착용형 로봇을 착용할 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 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (13)

1. 손목 보조를 위한 착용형 로봇으로서,
   복수의 유연 액추에이터들,
   착용자의 손목 움직임 의도와 상기 착용자가 착용한 열 수축형 인공근육 착용형 로봇의 움직임에 따라, 상기 복수의 유연 액추에이터들 중 적어도 하나가 수축되거나 이완되도록 제어하는 제어부
   를 포함하고,
   상기 복수의 유연 액추에이터들은 각각,
   상기 제어부에서 인가된 전류 또는 전달열에 의해 수축 변형이 발생하거나, 상기 열이 소실되면 이완되는 구동부, 그리고
   상기 구동부를 감싸고 신축성 소재로 구현되며, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 수축 변형이 발생한 구동부가 냉각되도록 냉매를 순환시키는 냉매 순환부, 그리고
   펠티어 소자 또는 펌프와 라디에이터 중 어느 하나의 형태로 냉매 이동 튜브에 연결되며, 상기 냉매 순환부에서 상기 냉매가 상기 냉매 이동 튜브로 배출되거나 상기 배출된 냉매가 상기 냉매 순환부로 유입시키기는 냉각기
   를 포함하며,
   상기 착용형 로봇의 움직임은 각 유연 액추에이터에 부착되는 유연 스트레인 센서로 구현된 로봇 동작 측정부에서 측정하며,
   상기 복수의 유연 액추에이터들 중 제1 유연 액추에이터들 각각의 한 끝은 손등에 설치되고 다른 한 끝은 손목에 설치되어 상기 손목의 폄 동작을 구현하고, 상기 복수의 유연 액추에이터들 중 제2 유연 액추에이터들 각각의 한 끝은 손바닥에 설치되고 다른 한 끝은 손목에 설치되어 상기 손목의 굽힘 동작을 구현하며, 상기 제1 유연 액추에이터들과 제2 유연 액추에이터들 중 상기 착용자의 엄지 손가락에 위치한 두 개의 유연 액추에이터는 상기 손목의 요골이탈 동작을 구현하고, 상기 제1 유연 액추에이터들과 제2 유연 액추에이터들 중 상기 착용자의 새끼 손가락에 위치한 또 다른 두 개의 유연 액추에이터는 상기 손목의 척골이탈 동작을 구현하여, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 손목의 굽힘 동작 또는 폄 동작과 동시에 상기 요골이탈 동작 또는 척골이탈 동작 중 어느 하나의 동작이 구현되어 손목의 2자유도 움직임을 구현하는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 구동부에 상기 전류 또는 전달열 중 어느 하나를 인가하는 가열 모듈
   을 포함하는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
3. 제2항에 있어서,
   상기 구동부의 제1 끝점이 연결되는 제1 커넥터, 그리고
   상기 구동부의 제1 끝점과 반대인 제2 끝점이 연결되는 제2 커넥터
   를 더 포함하는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
4. 제3항에 있어서,
   상기 냉매가 상기 냉매 순환부에서 순환하도록 상기 냉매를 제1 방향에 연결된 냉매 이동튜브로 배출하도록 펌프를 포함하며 펠티어 소자로 구성되거나 라디에이터로 구성되는 냉각기,
   상기 냉각기에서 배출되는 냉매를 상기 냉매 순환부로 유입시키며, 상기 제1 커넥터의 일측에 구비된 냉매 유입구, 그리고
   상기 제2 커넥터의 일측에 구비되며, 상기 냉매 순환부를 따라 순환하며 상기 구동부의 열을 흡수한 냉매를 상기 냉각기로 배출하는 냉매 배출구
   를 더 포함하는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
5. 제4항에 있어서,
   상기 구동부는,
   형상기억합금 코일 스프링으로 구현되는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제어부와 복수의 유연 액추에이터들은 각각,
   상기 냉각기에서 제1 방향으로 배출된 상기 냉매를 상기 냉매 유입구로 전달하고, 상기 냉매 배출구에서 배출된 상기 열을 흡수한 냉매를 상기 냉각기로 전달하는 상기 냉매 이동 튜브, 그리고
   상기 제1 커넥터와 제2 커넥터를 통해 상기 구동부의 제1 끝점과 제2 끝점에 연결되고, 상기 가열 모듈에서 인가한 상기 전류 또는 전달열 중 어느 하나를 상기 구동부로 전달하는 전선으로 연결되는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
7. 제1항에 있어서,
   상기 열 수축형 인공근육 착용형 로봇을 착용한 착용자의 상기 손목 움직임 의도를 센싱하며, 압력 센서, 또는 EMG(ElectroMyoGraphy) 센서로 구현되는 착용자 의도 측정부
   를 포함하는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
8. 손목 보조를 위한 착용형 로봇으로서,
   착용자의 손 위치에 착용되며, 복수의 유연 액추에이터들 각각의 한쪽 끝이 연결되는 제1 착용부,
   상기 착용자의 손목 위치에 착용되며, 상기 복수의 유연 액추에이터들의 반대편 끝이 연결되는 제2 착용부, 그리고
   착용형 로봇을 착용한 착용자의 손목 움직임 의도와 상기 착용형 로봇의 움직임을 기초로, 상기 제1 착용부와 제2 착용부에 각각의 끝이 연결된 상기 복수의 유연 액추에이터들이 각각 수축 변형하거나 이완되도록 제어하는 제어부
   를 포함하고,
   냉매에 의해 수축 변형이나 이완이 발생되는 상기 복수의 유연 액추에이터들 각각은 냉매를 제1 방향에 연결된 냉매 이동 튜브로 배출하도록 펌프를 포함하여 펠티어 소자 또는 라디에이터 중 어느 하나로 구현되는 냉각기에 연결되고,
   상기 복수의 유연 액추에이터들 중 제1 유연 액추에이터들 각각의 한 끝은 손등에 일정 간격으로 설치되고 다른 한 끝은 손목에 설치되어 상기 손목의 폄 동작을 구현하고, 상기 복수의 유연 액추에이터들 중 제2 유연 액추에이터들 각각의 한 끝은 손바닥에 일정 간격으로 설치되고 다른 한 끝은 손목에 설치되어 상기 손목의 굽힘 동작을 구현하며, 상기 제1 유연 액추에이터들과 제2 유연 액추에이터들 중 상기 착용자의 엄지 손가락에 위치한 두 개의 유연 액추에이터는 상기 손목의 요골이탈 동작을 구현하고, 상기 제1 유연 액추에이터들과 제2 유연 액추에이터들 중 상기 착용자의 새끼 손가락에 위치한 또 다른 두 개의 유연 액추에이터는 상기 손목의 척골이탈 동작을 구현하여, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 손목의 굽힘 동작 또는 폄 동작과 함께 상기 요골이탈 동작 또는 척골이탈 동작 중 어느 하나의 동작이 동시에 구현되어 상기 착용자의 움직임에 방해 없이 손목의 2자유도 움직임을 구현하는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
   
9. 삭제
10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 착용부는,
    상기 열 수축형 인공근육 착용형 로봇의 움직임을 센싱하는 제1 센서
    를 더 포함하는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 착용부는,
    상기 열 수축형 인공근육 착용형 로봇에 가해지는 힘의 세기를 센싱하는 제2 센서
    를 더 포함하는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 센서가 센싱한 힘의 세기가 미리 설정한 임계 세기보다 세면, 상기 복수의 유연 액추에이터들 중 수축 변형된 적어도 하나의 유연 액추에이터를 초기 상태로 복원하는, 열 수축형 인공근육을 적용한 착용형 로봇.
13. 삭제

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