KR102497495B1 - 사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치에 관한 것으로, 상세하게는 사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육상에 배치되는 하나 이상의 구동 모듈;을 포함하고, 상기 구동 모듈은, 사용자의 발목 움직임에 따라 신축변형되는 실리콘 고무 및 상기 실리콘 고무의 신축변형을 감지하는 인장센서를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부; 상기 적어도 2개의 탄성 구동부 사이에 형성되어 상기 적어도 2개의 탄성 구동부를 연결하는, 연결부재; 및 상기 인장센서의 신호에 따라 상기 연결부재의 움직임을 고정 또는 고정 해제하여 상기 구동 모듈의 강성을 조절하는 강성 조절부;를 포함하는, 발목 보조 장치에 관한 것이다.

Description

사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치{Ankle-foot orthosis apparatus enabling to support 2-dof stiffness of ankle according to the users' movements}

본 발명은 사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치에 관한 것이다.

전 세계적으로 고령사회로 접어들면서 신체의 노령화로 인한 질환 발병율이 높아지고 있다. 60세 이상의 노인들의 경우 10명 중 9명이 만성질환을 앓고 있으며, 이 중 많은 비율을 차지하는 것이 관절질환이다. 관절 질환은 노인 뿐만 아니라 작업자나 군인, 등산객 등 장시간 보행을 하는 사람들이 무리한 보행을 하는 경우 발목 염좌, 골절 등의 형태로 나타나고 있으며 발등을 위로 올리지 못하는 족하수 현상 또한 이에 포함된다.

최근, 이러한 신체의 노령화 및 장애로 인한 근력이 약화로부터 신체의 각 부위에 착용하여 근력을 보조해줄 수 있는 착용형 로봇이 다양한 형태로 개발되고 있다. 그 중, 무리한 운동 및 과체중으로 인해 발목 근육에 손상이 가해져 보행에 어려움을 겪는 사람들을 위한 보조 장치의 필요성이 증대되고 있으며, 여러 형태의 발목 보조 장치가 개발되고 있다.

이러한 발목 보조 장치는 무거워지고 부피가 커질수록 사용자의 움직임을 방해하고 오히려 발목의 움직임에 부담을 줄 수 있다. 이에 최근 동력을 사용하지 않아 부피가 작고, 가벼운 발목 보조 장치가 공지된 바 있으며, 이러한 장치는 대사 비용과 근육 활동을 줄이는 능력이 입증되었다.

이와 관련하여, 비특허문헌 1에서는 스프링을 이용한 발목 외골격 장치로서, 가벼운 무게, 간단한 시스템으로 외부전력 없이 착용자의 보행을 보조하는 외골격 장치를 개시한 바 있다. 구체적으로, 종아리 근육이 이완되는 동안 스프링에 탄성 에너지를 저장하고 근육의 수축과 함께 발목에 힘을 덜어주며 보조한다.

하지만 이러한 탄성적 요소를 사용한 장치는 움직임의 자유를 반대하며, 발목 강성 측면에서 접근하면, 낮은 강성의 움직임에 강성을 높여 부자연스러운 움직임을 유발하며, 에너지 저장 효율 부족한 단점이 있다. 또한 발목의 한 방향의 움직임만을 보조하므로 2축 운동을하는 발목의 모든 방향 운동을 보조하기 어려운 단점이 있다.

또한 비특허문헌 2에서는 스프링을 이용하여 외부전력 없이 착용자의 보행을보조하는 외골격 장치로서, 발목의 2축 운동을 보조할 수 있는 장치를 개시하다. 하지만, 비특허문헌 2의 외골격 장치는 발바닥을 지지하는 풋 유닛(foot unit)구성에 의해 발목의 운동을 보조하는 형태로서, 딱딱한 소재로 이루어지며 전체적인 부피가 크며, 전술한 비특허문헌 1에서와 같이 스프링을 사용한 장치로서 부자연스러운 움직임을 유발하며, 에너지 저장 효율 부족한 단점이 있다.

한편, 최근 착용자의 불편함을 최소화하기 위하여 인체공학적 설계를 도입한 발목 외골격 장치가 개발되고 있다. 이와 관련하여 비특허문헌 3에서는 공압 인공 근육을 인체 공학적인 설계로 부착한 발목 외골격 장치가 개시한다. 하지만 공압을 이용하기 위해서는 펌프 등 외부 동력이 필요하며, 구동기의 부피로 인해 다양한 움직임의 보조가 어려우며, 발목 각도를 측정하기 위해 추가적인 외부 센서가 필요한 단점을 갖는다.

이에 본 발명자들은 사용자의 발목 2축 강성을 보조할 수 있는 발목 보조 장치로서, 실리콘 및 섬유등의 소프트한 소재로 사용한 인체공한적 설계를 통해 사용자의 운동을 제한하지 않고 가벼운 무게와 작은 부피로 발목 움직임을 보조할 수 있고, 실리콘 고무의 신축변형을 이용하여 외부 전력없이 강성을 보조할 수 있으며, 상기 실리콘 고무에 내장된 인장센서 및 FPGA 기반 제어부를 통해 발목의 2축 각도를 예측하고 이에 따라 강성 조절부가 정전기적 인력을 이용하여 강성의 크기를 제어할 수 있어 추가적인 공압 펌프, 동력전달장치등의 사용없이 적은 전력으로 사용자의 움직임에 맞추어 보조력을 변화하거나, 강성을 변화는 발목 보조 장치를 개발하고 본 발명을 완성하였다.

S. H. Collins, M. B. Wiggin, and G. S. Sawicki, "Reducing the energy cost of human walking using an unpowered exoskeleton," Nature, vol. 522, pp. 212-215, 2015 R. Ranaweera, R. Abayasiri, R. Gopura, T. Jayawardena, and G. Mann, "Design and Analysis of An Anthropomorphic Two-DoF Ankle-Foot Orthosis," in 2019 5th International Conference on Control, Automation and Robotics (ICCAR), 2019, pp. 802-807. Y.-L. Park, B.-r. Chen, D. Young, L. Stirling, R. J. Wood, E. Goldfield, et al., "Bio-inspired active soft orthotic device for ankle foot pathologies," in 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2011, pp. 4488-4495

일 측면에서의 목적은

사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 외골격 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

일 측면에서는,

사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치로서,

사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육상에 배치되는 하나 이상의 구동 모듈;을 포함하고,

상기 구동 모듈은,

사용자의 발목 움직임에 따라 신축변형되는 실리콘 고무 및 상기 실리콘 고무의 신축변형을 감지하는 인장센서를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부;

상기 적어도 2개의 탄성 구동부 사이에 형성되어 상기 적어도 2개의 탄성 구동부를 연결하는, 연결부재; 및

상기 인장센서의 신호에 따라 상기 연결부재의 움직임을 고정 또는 고정 해제하여 상기 구동 모듈의 강성을 조절하는 강성 조절부;를 포함하는, 발목 보조 장치가 제공된다.

상기 발목 보조 장치는

4개 이상의 구동 모듈을 포함하며,

상기 4개 이상의 구동 모듈 중 적어도 4개의 구동 모듈은 사용자 발목의 움직임을 유도하는 서로 다른 근육상에 배치된다.

상기 인장 센서는 상기 실리콘 고무에 내장된다.

상기 인장센서는 적어도 3개의 전도성 섬유층; 및 상기 적어도 3개의 전도성 섬유층 사이에 위치하는 실리콘층을 포함하며, 상기 실리콘 고무의 신축변형에 따라 정전용량이 변화하는 캐패시터형 인장 센서이다.

상기 발목 보조 장치는

상기 인장 센서의 신호를 처리하는 신호처리부를 더 포함한다.

상기 신호처리부는,

상기 인장 센서의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정부;를 포함한다.

상기 발목 보조 장치는

상기 정전용량 측정부와 전기적으로 연결되어, 상기 인장 센서의 정전용량 변화로부터 상기 실리콘 고무의 인장 길이를 계산하고, 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 제어하는, FPGA 기반 제어부;를 더 포함한다.

상기 발목 보조 장치는,

상기 강성 조절부에 전원을 공급하는 전원공급부; 및

상기 전원공급부 및 상기 FPGA기반 제어부와 전기적으로 연결되며, 상기 FPGA 기반 제어부에 의해 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 온(on)-오프(off)하는 전원 스위치;를 더 포함한다.

상기 강성 조절부는

정전기적 인력에 의해 연결되거나 이격되는 한 쌍의 전도성 고분자층; 및

상기 한 쌍의 전도성 고분자층 각각의 외측면에 형성된 대전방지층;을 포함하고

상기 한 쌍의 전도성 고분자층 사이에 상기 연결부재가 배치되어 정전기적 인력에 의해 상기 연결부재를 고정하거나 또는 고정 해제한다.

상기 연결부재는 절연성의 섬유 소재로 이루어진다.

상기 발목 보조 장치는 상기 FPGA 기반 제어부 및 상기 전원 공급부가 장착된 착용형 슈트일 수 있다.

상기 착용형 슈트는,

상기 구동 모듈의 일단과 연결되며 사용자의 발에 착용되는 제1 착용 부재; 및

상기 구동 모듈의 타단과 연결되며 사용자의 신체 중 상기 구동모듈이 배치되는 사용자 근육보다 상부에 착용되는 제2 착용 부재;를 포함한다.

상기 제2 착용 부재는 사용자의 종아리, 무릎 또는 허벅지를 포함하는 신체영역에 착용된다.

상기 발목 보조 장치는

상기 구동 모듈 및 상기 제1 착용 부재를 연결하는 제1 와이어; 및

상기 구동 모듈 및 상기 제2 착용 부재를 연결하는 제2 와이어;를 더 포함한다.

상기 발목 보조 장치는,

상기 제1 착용 부재상에 형성되어 상기 제1 와이어의 길이를 조절하는 제1 와이어 길이 조절수단; 및

상기 제2 착용 부재상에 형성되어 상기 제2 와이어의 길이를 조절하는 제2 와이어 길이 조절수단;을 더 포함한다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치는 발목의 2축 강성을 보조하므로, 재활 분야, 장기간 노동이 필요한 군용, 산업 분야, 보행, 런닝, 점핑 등 인체 운동 시 발목의 움직임을 보조하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치는 실리콘 및 섬유등의 소프트한 소재를 사용한 인체공학적 설계를 통해 사용자의 운동을 제한하지 않고 가벼운 무게와 작은 부피로 발목 움직임을 보조할 수 있다.

또한, 일 측면에 따른 발목 보조 장치는 외부전력없이 실리콘 고무의 신축변형을 통해 강성을 보조할 수 있고, 상기 실리콘 고무에 내장된 인장 센서 및 FPGA 기반 제어부를 통해 발목 각도를 예측하므로, 외부의 추가적인 센서 또는 측정장비가 필요하지 않아 닫힌 구조로서 모듈화가 가능하여 시스템의 안정성이 높고 작은 부피로 제조가능한 장점을 갖는다.

또한 일 측면에 따른 발목 보조 장치는 강성 조절부가 정전기적 인력을 이용하여 강성의 크기를 제어하므로 추가적인 공압 펌프, 동력전달장치등의 사용없이 적은 전력으로 사용자의 움직임에 맞추어 보조력을 변화하거나, 강성을 변화할 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시 예에 따른 발목 보조 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 구동 모듈을 나타낸 모식도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 탄성 구동부를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 인장 센서를 나타낸 모식도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 인장 센서로부터 실리콘 고무의 인장 길이를 측정하기 위한 회로도를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 강성 조절부(300)를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 특정 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

일 측면에서는,

사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치(1)로서,

사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육상에 배치되는 하나 이상의 구동 모듈(10);을 포함하고,

상기 구동 모듈(100)은,

사용자의 발목 움직임에 따라 신축변형되는 실리콘 고무(110) 및 상기 실리콘 고무(110)의 신축변형을 감지하는 인장센서(120)를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부(100);

상기 적어도 2개의 탄성 구동부(100) 사이에 형성되어 상기 적어도 2개의 탄성 구동부를 연결하는, 연결부재(200); 및

상기 인장센서(120)의 신호에 따라 상기 연결부재(200)의 움직임을 고정 또는 고정 해제하여 상기 구동 모듈(10)의 강성을 조절하는 강성 조절부(300);를 포함하는, 발목 보조 장치(1)가 제공된다.

이하, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 사용자가 일 실시 예에 따른 발목 보조 장치(1)를 착용한 상태를 나타낸 모식도로서, 구체적으로는 사용자의 우측 다리의 가자미근, 장딴지근, 전경골근 및 비복근 각각에 구동 모듈(10)이 배치되도록 일 실시 예에 따른 발목 보조 장치(1)를 착용한 상태에서 상기 우측 다리의 좌측면을 나타낸 도면이다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 실리콘 및 섬유 소재등 소프트한 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

종래의 발목 보조 장치의 경우 스프링등 단단한 소재로 이루어지므로 보조하는 힘이 사용자(또는 착용자)의 생물학적 관절과 완벽히 일치하는 것이 어렵고 부피로 인한 큰 관성 모멘트가 사용자의 자연스러운 동작을 방해하는 반면, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 실리콘 및 섬유 소재등 소프트한 소재로 이루어져 사용자의 운동을 제한하지 않고 가벼운 무게와 작은 부피로 사용자의 발목 움직임을 보조할 수 있으며, 발목 움직임을 보조하기 위한 적합한 위치에 용이하게 위치시킬 수 있어 사용자의 동작에 어긋나는 힘을 방지할 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 발목의 2축 방향에 대한 강성을 보조하기 위하여 사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육상에 하나 이상의 구동 모듈(10)을 포함한다.

상기 구동 모듈(10)은 바람직하게는 4개 이상일 수 있고, 상기 4개 이상의 구동 모듈 중 적어도 4개의 구동 모듈은 사용자 발목의 움직임을 유도하는 서로 다른 근육 상에 배치될 수 있다.

예를 들어 발목의 2축 방향의 움직임을 유도하는 가자미근, 장딴지근, 전경골근 및 비복근 각각에 하나 이상의 구동 모듈(10)을 배치할 수 있고, 보다 바람직하게는 상기 구동 모듈(10)의 실리콘 고무(110)가 상기 근육이 인장 또는 수축되는 방향과 평행하게 인장 또는 수축되도록 배치할 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기와 같은 배치를 통해 사용자의 발목 움직임에 어긋나는 힘을 방지할 수 있고, 사용자 발목의 2축 방향 모두에 대한 움직임을 보조할 수 있다.

이때 상기 발목의 2축은 발목의 굽힘 및 펼침 운동을 수행하는 제1 축 및 좌우 운동을 수행하는 제2 축을 의미하며, 상기 발목의 2축 운동은 상기 제1 축 및 제2 축에 대한 회전 운동을 의미한다.

도 2는 일 실시 예에 따른 구동 모듈(10)을 나타낸 모식도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 구동 모듈(10)은 사용자의 발목 움직임에 따라 신축변형되는 실리콘 고무(110) 및 상기 실리콘 고무(110)의 신축변형을 감지하는 인장센서(120)를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부(100);를 포함한다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 탄성 구동부(100)의 실리콘 고무(110)를 통해 발목의 강성을 보조하므로 외부동력없이 작은 부피 및 무게로 제조될 수 있다.

구체적으로, 상기 실리콘 고무(110)는 사용자의 발목 움직임에 의해 신축 변형되고 신장시 에너지를 저장하고 상기 신축 변형을 복원함으로써 사용자에게 에너지를 전달할 수 있다.

상기 실리콘 고무(110)는 발목의 2축 방향의 강성을 보조하기 위하여, 발목의 2축 방향의 움직임을 유도하는 근육 중 어느 하나의 근육상에 배치되며, 바람직하게는 상기 근육이 인장되는 방향과 평행하게 인장되도록 배치될 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 직렬 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부(100)를 포함하며 탄성 구동부(100)의 개수를 조절하여 강성을 보조하는 힘의 크기를 조절할 수 있다.

또한 상기 강성 조절부(300)를 통해 상기 적어도 2개의 탄성 구동부(100) 사이의 직렬 연결을 제어하여, 에너지 전달을 제어함으로써, 보조하는 강성의 크기를 제어할 수 있다.

일례로, 길이 A cm를 갖는 2개의 탄성 구동부(100)가 직렬 연결된 경우 길이 A cm를 갖는 1개의 탄성 구동부(100)를 사용하는 경우 대비 보조하는 강성의 크기가 1/2로 낮아진다. 이에 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 적어도 2개의 탄성 구동부(100)를 직렬 연결하여 인장되는 동작 시 보다 작은 크기의 강성을 보조하는 반면 수축되는 동작 시 상기 강성 조절부(300)를 통해 직렬 연결을 해제함으로써 보다 큰 강성(인장 동작 대비 2배의 강성)이 제공되도록 강성을 조절할 수 있다.

상기 탄성 구동부(100)는 실리콘 고무(110)의 신축변형을 감지하는 인장센서(120)를 포함하며, 상기 인장센서(120)는 상기 실리콘 고무(110)의 표면에 형성될 수 있으나, 대전 방지 처리등 별도의 처리를 하지 않아도 되는 제조의 편의성, 외부의 자극으로부터의 손상 방지등을 위해 상기 실리콘 고무(110) 내부에 내장된 형태로 형성하는 것이 보다 바람직하다.

도 3은 일 실시예에 따라 실리콘 고무(110)의 내부에 인장센서가 내장된 형태의 탄성 구동부(100)를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 탄성 구동부(100)는 준비된 몰드(2)에 실리콘 고무(110)를 포함하는 용액을 투입하고 인장센서(120)를 배치한 후 다시 실리콘 고무(110)를 포함하는 용액을 투입한 후 경화시키는 용이한 방법으로 제조할 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 실리콘 고무(110)에 내장된 인장 센서(120)를 통해 사용자의 발목 움직임을 감지하고 이를 통해 FPGA 기반 제어부가 발목의 각도를 예측할 수 있어, 사용자의 발목 각도에 따라 자동적으로 보조하고자 하는 강성의 크기를 제어할 수 있다.

일 측면에 따른 탄성 구동부(100)는 실리콘 고무(110)에 내장된 인장센서(120)가 사용자의 발목 움직임을 측정하는, 구동 및 측정이 통합된 닫힌 시스템 구조로서, 강성 제어를 위한 별도의 (센서 및 측정장치등의)외부 구성요소를 필요로 하지 않아, 시스템의 안정성이 높고 부피를 현저히 줄일 수 있다.

도 4는 일 실시 예에 따른 인장 센서(120)를 나타낸 모식도이다.

일 실시 예에 따른 인장 센서(120)는 적층방식의 캐패시터형 인장 센서로서, 적어도 3개의 전도성 섬유층(121,122,123) 및 상기 적어도 3개의 전도성 섬유층(121,122,123) 사이에 위치하는 실리콘층(124, 125)을 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 따른 인장 센서(120)는 3개의 전도성 섬유층(121,122,123) 및 2개의 실리콘층(124, 125)이 교번하여 적층된 형태이고 외측에 위치하는 2개의 전도성 섬유층(121,123)은 접지된 상태로서, 실리콘 고무(110)가 신축 변형함에 따라 정전용량이 변하는 캐패시터형 인장 센서이다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 인장 센서(120)의 신호를 처리하는 신호처리부(130)를 더 포함한다.

상기 신호처리부는 인장센서(120)의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정부(131)를 포함하며, 상기 인장 센서(120)의 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭부(132)를 선택적으로 더 포함할 수 있다.

도 5는 상기 인장 센서(120)로부터 실리콘 고무(110)의 인장 길이를 측정하기 위한 회로도를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 인장 센서(120)에 의해 변화된 정전 용량은정전용량 측정부(131)를 통해 측정될 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 정전용량 측정부(131)와 전기적으로 연결되어, 상기 인장 센서(120)의 정전용량 변화로부터 상기 실리콘 고무의 인장 길이를 계산하고, 이로부터 발목의 각도를 예측하여 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 제어하는, FPGA 기반 제어부(500);를 더 포함할 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 FPGA 기반 제어부(500)(도 7 참조)로부터 상기 실리콘 고무의 인장 길이를 계산할 수 있고, 이로부터 사용자의 발목 각도를 예측하여 상기 강성 조절부(300)가 상기 연결부재(200)의 움직임을 고정할지 또는 고정 해제할지를 제어함으로서, 사용자의 움직임에 맞추어 강성을 변화시킬 수 있다.

이때, 상기 강성 조절부(300)는 정전기적 인력에 의해 상기 연결부재를 고정하거나 또는 고정 해제할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 강성 조절부(300)는

정전기적 인력에 의해 연결되거나 이격되는 한 쌍의 전도성 고분자층(301); 및

상기 한 쌍의 전도성 고분자층 각각의 외측면에 형성된 대전방지층(302);을 포함하고, 상기 한 쌍의 전도성 고분자층(301) 사이에 상기 연결부재(200)가 배치되어 정전기적 인력에 의해 상기 연결부재(200)를 고정하거나 또는 고정 해제할 수 있다.

도 6은 일 실시 예에 따른 강성 조절부(300)를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 일 실시 예에 따른 강성 조절부(300)는 한 쌍의 폴리우레탄 필름(TPU film)(301), 및 상기 한 쌍의 폴리우레탄 필름(TPU film)(301) 각각의 외측면에 형성된 섬유 소재의 대전방지층(302)을 포함하고, 상기 폴리우레탄 필름(TPU film)(301) 및 대전 방지층(302)은 전도성 페이스트에 의해 서로 접착된 형태일 수 있다.

이때 상기 한 쌍의 TPU 필름(301)은 어느 하나에는 (+)전압을, 다른 하나에는 (-)전압을 인가함으로써 정전기적 인력에 의해 서로 연결 또는 이격될 수 있다.

이때 상기 연결 부재(200)는 상기 한 쌍의 TPU 필름(301) 사이에 배치되며, 전압이 인가될 경우 상기 정전기적 인력에 의해 TPU 필름(301) 사이의 연결부재(200)의 움직임은 고정될 수 있고 또한 전압을 인가하지 않음으로써 연결부재(200)의 움직임은 자유로울 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 정전기적 인력을 이용해 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동체(100) 사이의 직렬 연결을 제어할 수 있고, 이를 통해 사용자에게 보조하는 강성의 크기를 제어할 수 있다.

이때 상기 연결 부재(200)는 절연성 소재로 이루어지며, 바람직하게는 마찰력 높은 섬유 소재일 수 있다. 예를 들어, 상기 연결 부재는 열가소성 폴리우레탄(TPU) 및 폴리이미드(polyimide, PI) 중 1종 이상의 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 DC/DC 컨버터(310)(도 7 참조)를 더 포함할 수 있고, 이로부터 인가된 전압을 승압시켜 한 쌍의 전도성 고분자층 사이의 마찰력을 보다 높일 수 있다.

일례로, 상용화된 DC/DC 컨버터로 0.5W을 사용해 5V를 전압을 5kV로 승압시킬 수 있고, 이를 통해 한 쌍의 폴리우레탄 필름(301) 사이의 마찰력은 최대 5kg의 힘을 버틸 수 있다.

이에, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 저전력으로 약 5kgf의 마찰력을 제공할 수 있고, 높은 전압에 비해 낮은 전류로 사람이 착용하는데 부상의 위험이 적은 장점을 갖는다.

도 7을 참조하면, 상기 DC/DC 컨버터(310)는 상기 강성조절부(300)상에 형성될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 강성 조절부(300) 및 전원 공급부(600)와 전기적으로 연결되는 적절한 위치에 형성될 수 있다.

일 측면엔 따른 발목 보조 장치(1)는

상기 강성 조절부에 전원을 공급하는 전원공급부(600); 및

상기 전원공급부 및 상기 FPGA기반 제어부와 전기적으로 연결되며, 상기 FPGA 기반 제어부에 의해 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 온(on)-오프(off)하는 전원 스위치(610);를 더 포함한다.

도 7을 참조하면, 상기 전원공급부(600) 및 전원 스위치(610)는 후술할 착용용 슈트 몸체(body)의 적절한 위치에 형성될 수 있다.

상기 전원공급부(600)는 11.1Wh 내지 18.5Wh의 전력을 공급할 수 있다.

상기 전원공급부(600)는 상기 강성 조절부 및 FPGA 기반 제어부에 전력을 공급할 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 강성 조절부(300)에 정전기력을 발생시키기 위한 전원공급부를 포함한다.

종래의 경우, 강성을 변화하거나 조절하기 위해 추가적인 공압 펌프, 동력 전달 장치를 사용한 반면, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)의 강성 조절부(300)는 정전기력을 이용하여 강성을 조절하므로, 적은 전력으로 강성을 조절할 수 있다.

또한 전술한 바와 같이, DC/DC 컨버터를 더 포함하여 인가된 전압을 승압시킬 수 있어, 약 0.5W의 전력을 사용해 5V를 전압을 5kV로 승압시킬 수 있고, 이를 통해 최대 5kg의 힘을 버틸 수 있는 마찰력을 제공하여 효과적으로 강성을 조절할 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 사용자의 움직임에 따라 실리콘 고무(110)가 신축 변형하고, 이에 따라 변화하는 인장센서(120)의 정전용량을 정전용량 측정부(131)가 측정하고, 이를 통해 FPGA 기반 제어부(500)가 사용자의 발목 각도를 예측할 수 있다. 또한, FPGA 기반 제어부(500)가 예측된 발목 각도를 기반으로 상기 전원 스위치(610)를 제어하여 상기 전원 스위치(610)가 상기 강성 조절부(300)로의 전원 공급을 온(on)-오프(off)함으로써 상기 강성 조절부(300)가 상기 연결부재(200)의 움직임을 고정할지 또는 고정 해제할지를 조절함으로서, 사용자에게 보조하는 강성크기를 제어할 수 있고, 구체적으로 근육이 인장되는 동작 시 상대적으로 작은 값의 강성을 제공함으로써 용이하게 인장되도록할 수 있고 근육이 수축되는 동작 시 상대적으로 높은 값의 강성을 제공함으로서 수축 동작이 원활히 일어날 수 있도록 효과적으로 보조할 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 FPGA 기반 제어부(500) 및 상기 전원 공급부(600)가 장착된 착용형 슈트일 수 있다.

도 7은 사용자가 일 실시 예에 따른 착용형 발목 보조 장치(1)를 착용한 상태를 나타낸 모식도이다.

상기 착용형 슈트는,

상기 구동 모듈의 일단과 연결되며 사용자의 발에 착용되는 제1 착용 부재(410); 및

상기 구동 모듈의 타단과 연결되며 사용자의 신체 중 상기 구동모듈이 배치되는 사용자 근육보다 상부에 착용되는 제2 착용 부재(420);를 포함한다.

이때 상기 제2 착용 부재(420)는 사용자의 종아리, 무릎 또는 허벅지를 포함하는 신체영역에 착용될 수 있고, 바람직하게는 도 7에 도시된 바와 같이, 사용자의 무릎 영역에 착용될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 FPGA 기반 제어부(500) 및 상기 전원 공급부(600)는 상기 제2 착용 부재(420)에 형성될 수 있으며, 그 외 상기 인장 센서(120)의 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭부(132)가 상기 제2 착용 부재 상에 더 형성될 수 있으나 이에 제한 된 것은 아니며, 착용 슈트 몸체의 적절한 위치에 형성될 수 있다.

또한, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는

상기 구동 모듈(100) 및 상기 제1 착용 부재(410)를 연결하는 제1 와이어(810); 및

상기 구동 모듈(100) 및 상기 제2 착용 부재(420)를 연결하는 제2 와이어(820);를 더 포함할 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 제1 와이어(810) 및 제2 와이어(820)에 의해 구동 모듈(100)을 착용형 슈트의 몸체(body), 바람직하게는 제1 착용 부재(410) 및 제2 착용 부재(420)의 소정의 위치 상에 연결할 수 있다.

이때, 상기 제1 와이어(810) 및 제2 와이어(820)는 바람직하게는 신축성이 없거나 미비한 소재로 이루어질 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌(polyethylene, PE)소재로 이루어질 수 있으며, 요구에 따라 두께가 달라질 수 이으나 바람직하게는 0.3mm 내지 1.0mm의 두께를 가질 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 와이어(810) 및 제2 와이어(820)는 폴리에틸렌(polyethylene, PE)으로 이루어진 와이어를 복수개 꼬아 형성된 0.5mm의 두께를 갖는 합사로서, 59kgf의 장력을 버틸 수 있다.

또한, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는

상기 제1 착용 부재(410)상에 형성되어 상기 제1 와이어(810)의 길이를 조절하는 제1 와이어 길이 조절수단(910); 및

상기 제2 착용 부재상에 형성되어 상기 제2 와이어의 길이를 조절하는 제2 와이어 길이 조절수단(920);을 더 포함할 수 있다.

일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 제1 와이어 길이 조절수단(910) 및 제2 와이어 길이 조절수단(920)에 의해 사용에 적절하도록 상기 제1 및 제2 와이어(810, 820)의 길이를 조절할 수 있고, 상기 제1 와이어 및 제2 와이어(810, 820)를 착용형 슈트의 몸체(body), 바람직하게는 제1 착용 부재(410) 및 제2 착용 부재(420)에 상에 고정시킬 수 있다.

이때 상기 제1 와이어 조절수단(910) 및 제2 와이어 조절 수단(920)은 상기 실리콘 고무(110)의 인장 방향이 사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육의 인장방향과 평행하도록, 상기 제1 착용 부재(410) 및 제2 착용 부재(420)의 소정의 위치에 형성하는 것이 보다 바람직하며, 이를 위해, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 제1 와이어(810) 또는 제2 와이어(820)를 상기 착용슈트에 고정하기 위한 하나 이상의 고정수단(930)을 더 포함할 수 있고, 이를 통해 발목의 2축 강성을 보다 효과적으로 조절할 수 있다.

예를 들어, 사용자의 발목 강성 보조를 위해, 4개의 구동모듈(100)을 갖는 일 실시 예에 따른 발목 보조 장치(1)가 사용자에게 아래와 같이 착용될 수 있다.

구체적으로, 사용자의 가자미근, 장딴지근, 전경골근 및 비복근 각각에 상기 근육이 인장방향과 상기 구동 모듈(100)의 실리콘 고무(110)의 인장 방향이 평행하도록 4개의 구동 모듈(100)을 배치한다. 이를 위해, 상기 구동 모듈(100)의 일단을 연결하는 제1 와이어(810)를 고정수단(930)을 이용하여 발목상의 제1 착용부재(410)에 일차 고정하고, 사용자 발의 우측 옆면, 좌측 옆면, 우측 뒷꿈치 영역 및 좌측 뒤꿈치 영역상의 제2 착용부재(410)에 형성된 제1 와이어 길이 조절 수단(910)을 이용해 장력이 발생되도록 상기 제1 와이어(810)의 길이를 조정한 후 최종 고정한다. 또한, 제2 와이어 길이 조절 수단(920)을 이용해 장력이 발생되도록 상기 구동 모듈(100)의 타단을 연결하는 제2 와이어(820)의 길이를 조정한 후 제2 착용부재(420)에 고정할 수 있다.

상기와 같이 착용된 일 실시 예에 따른 발목 보조 장치(1)는 사용자 발목의 2축 방향의 움직임에 대해 적절한 크기의 강성이 보조될 수 있어, 재활 분야, 장기간 노동이 필요한 군용, 산업 분야, 보행, 런닝, 점핑 등 인체 운동 시 발목의 움직임을 보조하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 이에 본 발명이 한정되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, "제 1"및 "제 2"라는 용어는 본 명세서에서 구별 목적으로서 사용되며, 어떠한 방식으로도 서열 또는 우선 순위를 나타내거나 예상하는 것을 의미하지 않으며, 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 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.

또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

1: 발목 보조 장치
2: 탄성 구동부 제조용 몰드
10: 구동 모듈
100: 탄성구동부
110: 실리콘 고무
120: 인장 센서
121,122,123: 전도성 섬유층
124,125: 실리콘층
130: 신호처리부
131: 정전용량 측정부
132: 신호 증폭부
200: 연결부재
300: 강성 조절부
301: 전도성 고분자층
302: 대전방지층
310: DC/DC 컨버터
410: 제1 착용부재
420: 제2 착용부재
500: FPGA 기반 제어부
600: 전원 공급부
810: 제1 와이어
820: 제2 와이어
910: 제1 와이어 길이조절부
920: 제2 와이어 길이조절부
930: 고정수단

Claims (15)

1. 사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치로서,
   사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육상에 배치되는 하나 이상의 구동 모듈;
   상기 구동 모듈과 전기적으로 연결되는 FPGA 기반 제어부; 및
   상기 FPGA 기반 제어부 및 강성제어부에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하고,
   상기 구동 모듈은,
   사용자의 발목 움직임에 따라 신축변형되어 발목의 움직임을 보조하는 강성을 제공하는 실리콘 고무 및 상기 실리콘 고무의 표면 또는 내부에 배치되어 상기 실리콘 고무의 신축변형을 감지하는 인장센서를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부;
   상기 적어도 2개의 탄성 구동부 사이에 형성되어 상기 적어도 2개의 탄성 구동부를 연결하는, 연결부재; 및
   상기 연결부재를 사이에 두고 배치되는 한 쌍의 전도성 고분자층을 포함하는 강성 조절부;를 포함하고,
   상기 FPGA 기반 제어부는 상기 인장 센서의 신호에 따라 상기 실리콘 고무의 인장 길이를 계산하여 발목의 각도를 예측하고 상기 발목의 각도에 따라 상기 전원공급부에서 상기 강성 조절부로 공급되는 전원 공급을 제어하고,
   상기 강성 조절부는 상기 전원 공급부로부터 공급된 전원에 의해 정전기적 인력으로 상기 한 쌍의 전도성 고분자층을 연결하거나 이격하여 상기 연결부재의 움직임을 고정 또는 고정 해제하여 발목의 움직임을 보조하는 강성의 크기를 제어하는, 발목 보조 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 발목 보조 장치는
   4개 이상의 구동 모듈을 포함하며,
   상기 4개 이상의 구동 모듈 중 적어도 4개의 구동 모듈은 사용자 발목의 움직임을 유도하는 서로 다른 근육상에 배치되는, 발목 보조 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 인장 센서는 상기 실리콘 고무에 내장되는, 발목 보조 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 인장 센서는 적어도 3개의 전도성 섬유층; 및 상기 적어도 3개의 전도성 섬유층 사이에 위치하는 실리콘층을 포함하며, 상기 실리콘 고무의 신축변형에 따라 정전용량이 변화하는 캐패시터형 인장 센서인, 발목 보조 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 발목 보조 장치는
   상기 인장 센서의 신호를 처리하는 신호처리부를 더 포함하는, 발목 보조 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 신호처리부는,
   상기 인장 센서의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정부;를 포함하는, 발목 보조 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 FPGA 기반 제어부는
   상기 정전용량 측정부와 전기적으로 연결되어, 상기 인장 센서의 정전용량 변화로부터 상기 실리콘 고무의 인장 길이를 계산하고, 발목의 각도를 예측하여 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 제어하는, 발목 보조 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 발목 보조 장치는,
   상기 전원공급부 및 상기 FPGA기반 제어부와 전기적으로 연결되며, 상기 FPGA 기반 제어부에 의해 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 온(on)-오프(off)하는 전원 스위치;를 더 포함하는, 발목 보조 장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 강성 조절부는
   상기 한 쌍의 전도성 고분자층 각각의 외측면에 형성된 대전방지층;을 더 포함하는, 발목 보조 장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재는 절연성의 섬유 소재로 이루어진, 발목 보조 장치.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는 상기 FPGA 기반 제어부 및 상기 전원 공급부가 장착된 착용형 슈트인, 발목 보조 장치.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 착용형 슈트는,
    상기 구동 모듈의 일단과 연결되며 사용자의 발에 착용되는 제1 착용 부재; 및
    상기 구동 모듈의 타단과 연결되며 사용자의 신체 중 상기 구동모듈이 배치되는 사용자 근육보다 상부에 착용되는 제2 착용 부재;를 포함하는, 발목 보조 장치.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 착용 부재는 사용자의 종아리, 무릎 또는 허벅지를 포함하는 신체영역에 착용되는, 발목 보조 장치.
    
14. 제12항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는
    상기 구동 모듈 및 상기 제1 착용 부재를 연결하는 제1 와이어; 및
    상기 구동 모듈 및 상기 제2 착용 부재를 연결하는 제2 와이어;를 더 포함하는, 발목 보조 장치.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는,
    상기 제1 착용 부재상에 형성되어 상기 제1 와이어의 길이를 조절하는 제1 와이어 길이 조절수단; 및
    상기 제2 착용 부재상에 형성되어 상기 제2 와이어의 길이를 조절하는 제2 와이어 길이 조절수단;을 더 포함하는, 발목 보조 장치.

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