KR102665999B1 - An Exoskeleton Device With a Regression Actuator - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 외골격 장치는, 착용시에 인체의 등에 안착되는 본체(100)와 좌우측 회동체(200)를 포함하고, 상기 본체(100)는 메인 배터리(main-battery)와 컨트롤러(controller)로 이루어지고, 상기 좌우측 회동체(200)는 중간 지지대(210)와 상기 중간 지지대의 상측에서 회동하는 상측 지지대(220)와, 상기 중간 지지대의 하측에서 회동하는 하측 지지대(230)를 포함하고, 상기 본체와 좌우측 회동체는 각각 좌측 및 우측 연결대(CC)로 연결된다. 상기 중간 지지대(210)에는 상측 구동부(210U)와 하측 구동부(210D)와 회귀 구동부(210B)가 설치되고, 상기 상측 구동부(210U)는 상측 지지대(220)를 회전시키고, 상기 하측 구동부(210D)는 하측 지지대(230)를 회전시키며, 상기 회귀 구동부(210B)는 환자의 근력구동각도를 획득하고 기계적 보행구동의 보행각도에 대한 근력구동각도의 차각도(Rd)를 획득하는 보조구동데이터 획득모듈(210B0)과, 구동모터로 인가되는 메인전원을 검출하고 구동모터로 메인전원이 공급되지 않는 경우 이벤트 신호를 출력하는 메인전원 검출모듈(210B1)과, 상측 지지대와 중간 지지대가 이루는 상측절곡각도와 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 하측절곡각도를 검출하는 각도 검출모듈(210B2, angle sense)과, 상기 이벤트 신호에 따라, 기 저장된 상측 및 하측 직립각도에 대한 상측 및 하측 절곡각도의 차각도를 계산하고, 상기 차각도를 구동모터를 구동하기 위한 상측 및 하측 회귀구동신호로 변환하는 구동제어모듈(210B3)과, 상기 각도 검출모듈과, 메인 전원검출모듈과, 구동제어모듈에 구동전원을 제공하는 보조 배터리로 이루어진다.The exoskeleton device according to the present invention includes a main body 100 and a left and right rotating body 200 that are placed on the back of the human body when worn, and the main body 100 is composed of a main-battery and a controller. The left and right rotating bodies 200 include a middle support 210, an upper support 220 rotating on the upper side of the middle support, and a lower support 230 rotating on the lower side of the middle support. The main body and the left and right rotating bodies are connected to the left and right connecting bars (CC), respectively. An upper driving unit 210U, a lower driving unit 210D, and a return driving unit 210B are installed on the middle support 210, the upper driving unit 210U rotates the upper support 220, and the lower driving unit 210D Rotates the lower support 230, and the return drive unit 210B is an auxiliary drive data acquisition module that acquires the patient's muscle drive angle and the difference angle (Rd) of the muscle drive angle with respect to the walking angle of the mechanical walking drive. (210B0), a main power detection module (210B1) that detects the main power applied to the drive motor and outputs an event signal when the main power is not supplied to the drive motor, the upper bending angle formed by the upper support and the middle support, and An angle detection module (210B2, angle sense) that detects the lower bending angle formed by the middle support and the lower support, and according to the event signal, calculates the difference angle between the upper and lower bending angles with respect to the previously stored upper and lower upright angles, and , a drive control module (210B3) that converts the difference angle into upper and lower return drive signals for driving the drive motor, the angle detection module, the main power detection module, and the auxiliary unit that provides drive power to the drive control module. It is made up of batteries.
Description
본 발명은 외골격 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보행 도중에 구동모터에 인가되는 전원이 차단되어 구동모터의 회전축이 자유회전하는 것을 방지하기 위한 회귀 구동부를 갖는 외골격 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an exoskeleton device, and more specifically, to an exoskeleton device having a return drive unit to prevent the rotation shaft of the drive motor from freely rotating when the power applied to the drive motor is cut off during walking.
최근 로봇기술의 발달로 인체의 움직임을 보조하는 근력보조 장치들이 개발되고 있다. 대부분의 근력보조 장치는 모터의 회전을 이용하여 움직임 동력을 발생시킨다.Recently, with the development of robotic technology, muscle assistance devices that assist human body movements are being developed. Most muscle assistance devices generate movement power using the rotation of a motor.
일예로, 공개특허공보 제10-2019-0004854호는 착용식 근력보조장치 및 그 제어방법을 개시하고 있다. 상기 선행기술문헌은 착용자의 상체를 지지하는 메인 바디와, 상기 메인 바디의 양측에 각각 배치된 복수의 다리 풀리와, 상기 다리 풀리에 각각 연결된 복수의 와이어부가 설치되어 있으며, 복수의 와이어부에 인장력을 제공하여 복수의 다리풀리 각각을 회전시키는 구동력을 구비하고 있다.For example, Patent Publication No. 10-2019-0004854 discloses a wearable muscle strength assist device and a control method thereof. The prior art document includes a main body supporting the wearer's upper body, a plurality of leg pulleys respectively disposed on both sides of the main body, and a plurality of wire parts respectively connected to the leg pulleys, and a tensile force applied to the plurality of wire parts. It is provided with a driving force to rotate each of the plurality of leg pulleys.
대부분의 근력보조 장치는 인체의 관절을 대신하기 위하여 배터리, 모터의 회전수를 감속하기 위한 감속기, 풀리 등을 구비하고 있고, 이들을 구동하기 위하여 미리 저장된 구동제어에 따라 구동력을 발생시키고 있다. Most muscle assist devices are equipped with a battery, a reducer to reduce the rotation speed of the motor, and a pulley to replace the joints of the human body, and generate driving force according to pre-stored drive control to drive them.
근력보조 장치에 설치되는 배터리는 구동모터와 회로부에 필요한 전력을 공급하고 있으나, 사용상태에 따라 보다 빨리 충전량이 낮아질 수 있다. 근력보조 장치에는 충전된 전력량이 소정 충전량 이하인 경우 경고신호를 출력하도록 하고 있으나, 착용자가 이를 인지하지 못할 수도 있다. 만약 배터리가 완전히 방전되면, 구동모터에 인가되는 전원이 차단되고, 구동모터의 회전축은 자유회전하게 된다. 이에 따라 구동모터에 의해 회전되고 있는 다리 지지체를 지지하지 못하게 되고, 착용자는 무게중심을 잃고 넘어질 수 있다.The battery installed in the muscle assistance device supplies the necessary power to the drive motor and circuit, but the charge may decrease more quickly depending on the usage conditions. The muscle strength assist device outputs a warning signal when the charged power amount is less than a predetermined charge amount, but the wearer may not be aware of this. If the battery is completely discharged, the power applied to the drive motor is cut off, and the rotation shaft of the drive motor rotates freely. As a result, the leg support being rotated by the drive motor cannot be supported, and the wearer may lose the center of gravity and fall.
본 발명은 외골격 장치를 착용한 착용자가 보행 도중에, 전원이 구동모터로 인가되지 않을 때, 회동체가 자유회전하는 것을 방지할 수 있는 회귀 구동부를 갖는 외골격 장치를 제공하려는 데 그 목적이 있다.The purpose of the present invention is to provide an exoskeleton device having a return drive unit that can prevent the rotating body from freely rotating when the wearer wearing the exoskeleton device is walking and power is not applied to the drive motor.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned. Other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명에 따른 외골격 장치는, 착용시에 인체의 등에 안착되는 본체(100)와 좌우측 회동체(200)를 포함하고, 상기 본체(100)는 메인 배터리(main-battery)와 컨트롤러(controller)로 이루어지고, 상기 좌우측 회동체(200)는 중간 지지대(210)와 상기 중간 지지대의 상측에서 회동하는 상측 지지대(220)와, 상기 중간 지지대의 하측에서 회동하는 하측 지지대(230)를 포함하고, 상기 본체와 좌우측 회동체는 각각 좌측 및 우측 연결대(CC)로 연결된다.The exoskeleton device according to the present invention includes a
또한, 상기 중간 지지대(210)에는 상측 구동부(210U)와 하측 구동부(210D)와 회귀 구동부(210B)가 설치되고, 상기 상측 구동부(210U)는 상측 지지대(220)를 회전시키고, 상기 하측 구동부(210D)는 하측 지지대(230)를 회전시키며, 상기 회귀 구동부(210B)는 환자의 근력구동각도를 획득하고 기계적 보행구동의 보행각도에 대한 근력구동각도의 차각도(Rd)를 획득하는 보조구동데이터 획득모듈(210B0)과, 구동모터로 인가되는 메인전원을 검출하고 구동모터로 메인전원이 공급되지 않는 경우 이벤트 신호를 출력하는 메인전원 검출모듈(210B1)과, 상측 지지대와 중간 지지대가 이루는 상측절곡각도와 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 하측절곡각도를 검출하는 각도 검출모듈(210B2, angle sense)과, 상기 이벤트 신호에 따라, 기 저장된 상측 및 하측 직립각도에 대한 상측 및 하측 절곡각도의 차각도를 계산하고, 상기 차각도를 구동모터를 구동하기 위한 상측 및 하측 회귀구동신호로 변환하는 구동제어모듈(210B3)과, 상기 각도 검출모듈과, 메인 전원검출모듈과, 구동제어모듈에 구동전원을 제공하는 보조 배터리로 이루어진다.In addition, an upper driving
또한, 상기 상측 및 하측 회귀구동신호는 상측 및 하측 구동부(210U,210D)로 출력한다.Additionally, the upper and lower return driving signals are output to the upper and
또한, 상기 회귀 구동부(210B)는 상하측 구동부를 구동하여 상측, 중간, 하측 지지대의 배치를 주행상태에서 직립상태로 변화시킨다.In addition, the
또한, 상기 주행상태는 중간 지지대와 상측 지지대가 이루는 각도가 180도 미만이고, 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 각도가 180도 미만이며, 상기 직립상태는 중간 지지대와 상측 지지대가 이루는 각도가 180도이고, 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 각도가 180도일 수 있다.In addition, in the driving state, the angle formed by the middle support and the upper support is less than 180 degrees, the angle formed by the middle support and the lower support is less than 180 degrees, and in the upright state, the angle formed by the middle support and the upper support is 180 degrees. , the angle formed by the middle support and the lower support may be 180 degrees.
제어장치의 고장, 배터리의 소모 등 다양한 이유로 구동모터로 전원이 인가되지 않은 경우에, 구동모터의 회전축은 자유회전하게 되고, 상기 자유회전에 의해 외골격 장치는 자중에 의해 무게중심을 잃게 된다. When power is not applied to the drive motor for various reasons such as failure of the control device, battery consumption, etc., the rotation axis of the drive motor rotates freely, and due to the free rotation, the exoskeleton device loses its center of gravity due to its own weight.
본 발명에 따르면, 메인 전원이 공급되지 않은 상태에서, 보조 전원을 사용하여 회전축의 회전을 구속하고, 이후 보행상태에서 직립상태까지 저속으로 구동모터를 구동한다. 이에 따라 외골격 장치를 착용하는 착용자는 자력에 의해 무게중심을 잃지 않고 안전하게 직립자세를 되돌아갈 수 있다.According to the present invention, when the main power is not supplied, the rotation of the rotation shaft is restrained using the auxiliary power, and then the drive motor is driven at low speed from the walking state to the upright state. Accordingly, the wearer of the exoskeleton device can safely return to the upright posture without losing the center of gravity due to magnetic force.
도 1은 본 발명에 따른 외골격 장치를 착용자가 착용한 상태를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 외골격 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 외골격 장치에 설치되는 회동체의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 회귀 구동부의 구성도이다.
도 5는 기계적 구동과 자유구동에서 측정된 지지대의 회동 각도를 나타낸 것이다.
도 6은 직립상태와 보행상태에서 인체의 상체와 다리가 이루는 각도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 회귀구동방법을 나타낸 것이다.Figure 1 shows a state in which a wearer wears an exoskeleton device according to the present invention.
Figure 2 is a perspective view of an exoskeleton device according to the present invention.
Figure 3 is a perspective view of a rotating body installed in an exoskeleton device according to the present invention.
Figure 4 is a configuration diagram of a return driving unit according to the present invention.
Figure 5 shows the rotation angle of the support measured in mechanical drive and free drive.
Figure 6 shows the angle formed by the upper body and legs of the human body in an upright state and a walking state.
Figure 7 shows a return driving method according to the present invention.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. For convenience of explanation, components shown in the drawings may be exaggerated, omitted, or schematically represented.
본 발명은 충전전원의 방전, 차단, 고장 등 다양한 원인으로, 구동모터로 메인 전원이 인가되지 않을 때, 보조 전원을 사용하여 보행상태에서 직립상태로 변화시킬 수 있는 외골격 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an exoskeleton device that can change from a walking state to an upright state using auxiliary power when the main power is not applied to the drive motor due to various reasons such as discharge, cutoff, or failure of the charging power.
도 1은 본 발명에 따른 외골격 장치를 착용자가 착용한 상태를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 외골격 장치의 사시도이다.Figure 1 shows a state in which a wearer wears an exoskeleton device according to the present invention, and Figure 2 is a perspective view of the exoskeleton device according to the present invention.
본 발명에 따른 외골격 장치는 착용시에 인체의 등에 안착되는 본체(100)와 좌우측 회동체(200)를 포함한다. 도면을 참조하면, 외골격 장치의 본체와 좌우측 회동체는 각각 좌측 및 우측 연결대(CC)로 연결된다. 상기 연결대는 본체의 하부에서 좌측 및 우측으로부터 연장된 후, 전측으로 절곡되어 좌우측 회동체로 각각 연결된다.The exoskeleton device according to the present invention includes a
상기 본체(100)는 메인 배터리(main-battery)와 컨트롤러(controller)로 이루어진다. 상기 메인 배터리는 컨트롤러와 회동체에 설치된 구동모터로 구동 에너지를 제공한다. 상기 메인 배터리는 충전방식으로 충전할 수 있다. 상기 컨트롤러(controller)는 회동체에 설치된 구동모터의 회전을 제어한다. 컨트롤러는 보통속도모드, 빠른속도모드, 계단오름모드, 계단내림모드, 좌회전모드, 우회전모드와 같은 보행모드를 구비하고, 착용자의 선택에 따라 해당 선택된 모드를 구동한다.The
상기 좌우측 회동체(200)는 중간 지지대(210)와 상기 중간 지지대의 상측에서 회동하는 상측 지지대(220)와, 상기 중간 지지대의 하측에서 회동하는 하측 지지대(230)와, 상기 하측 지지대의 하부에 결합되는 풋안착대(240)를 포함한다.The left and right
도 3은 본 발명에 따른 외골격 장치에 설치되는 회동체의 사시도이다.Figure 3 is a perspective view of a rotating body installed in an exoskeleton device according to the present invention.
상기 좌우측 회동체의 중간 지지대(210)에는 상측 구동부(210U)와 하측 구동부(210D)와 회귀 구동부(210B)가 설치된다. 상기 상측 구동부는 상측 지지대(220)를 회전시키고, 상기 하측 구동부는 하측 지지대(230)를 회전시킨다.An upper driving
상기 상측 및 하측 구동부(210U,210D)는 구동모터(211)와 감속기(212)를 포함할 수 있다. 상기 구동모터(211)는 회전력을 발생시키고, 감속기(212)는 구동모터의 회전수를 감소시킨다. The upper and
상기 상측 및 하측 구동부에는 회귀 구동부(210B)가 연결된다. 상기 회귀 구동부(210B)는 상하측 구동부를 구동하여 상측, 중간, 하측 지지대를 주행상태에서 직립상태로 변화시킨다. 이와 같은 회귀 구동부의 구체적 설명은 후술한다.A
상기 하측 지지대(230)의 하부에는 풋안착대(240)가 결합된다. 풋안착대(240)는 착용자의 발목을 감싸는 안착고리(241)와, 상기 안착고리의 양측에 고정되고 착용자의 발바닥을 받치는 절곡대(242)로 이루어진다. 상기 안착고리(241)는 하측 지지대에 고정되는 고정 반원고리(241c)와 상기 고정 반원고리로부터 회동되는 회전 반원고리(241r)로 이루어질 수 있다. 실시예로서, 회전 반원고리를 고정 반원고리로부터 회동시키고, 착용자의 발목을 고정 반원고리의 내측에 안착시킨 후, 회전 반원 고리를 고정 반원고리에 닫아 체결할 수 있다.A
도 4는 본 발명에 따른 회귀 구동부의 구성도이다.Figure 4 is a configuration diagram of a return driving unit according to the present invention.
본 발명에 따른 회귀 구동부(210B)는 보조구동데이터 획득모듈(210B0)과, 메인전원 검출모듈(210B1)과, 각도 검출모듈(210B2, angle sense)과, 구동제어모듈(210B3)과, 보조 배터리(210B4, sub-battery)를 포함한다.The
상기 보조구동데이터 획득모듈(210B0)은 회귀구동을 위한 보조구동데이터를 획득한다. The auxiliary drive data acquisition module 210B0 acquires auxiliary drive data for return drive.
도 5는 기계적 구동과 자유구동에서 측정된 지지대의 회동 각도를 나타낸 것이다.Figure 5 shows the rotation angle of the support measured in mechanical drive and free drive.
보조구동데이터 획득모듈(210B0)은 환자의 근력구동각도를 획득하고, 기계적 보행구동의 보행각도에 대한 근력구동각도의 차각도를 계산한다. 여기서, 기계적 보행구동은 전원이 정상적으로 공급되는 상태에서 구현되는 외골력 장치의 보행 구동을 말하며, 상기 근력 구동각은 외골력 장치의 구동부에 구동력이 인가되지 않은 상태 즉, 외골력 장치의 자유구동 상태에서 측정된 지지대의 각도를 말한다.The auxiliary drive data acquisition module 210B0 acquires the patient's muscle drive angle and calculates the difference angle of the muscle drive angle with respect to the walking angle of the mechanical walking drive. Here, the mechanical walking drive refers to the walking drive of the exoskeleton force device implemented in a state where power is normally supplied, and the muscle force drive angle is a state in which no driving force is applied to the driving part of the exoskeleton force device, that is, a free drive state of the exoskeleton force device. It refers to the angle of the support measured at .
상기 보조구동데이터는 기계적 구동상태에서 구동되는 회동각도(Rd+Rp)와 자유구동 상태에서 환자의 근력을 사용한 회동각도(Rp)에 대한 차각도(Rd)와, 상기 차각도에 대응하는 모터의 토크값일 수 있다. 일 실시예에서, 보조구동데이터의 차각도(Rd)는 음(-)의 차각도는 0의 값이 부여될 수 있다.The auxiliary drive data includes the rotation angle (Rd+Rp) driven in a mechanical drive state, the difference angle (Rd) with respect to the rotation angle (Rp) using the patient's muscle strength in the free drive state, and the difference angle (Rd) of the motor corresponding to the difference angle. It may be a torque value. In one embodiment, the difference angle Rd of the auxiliary drive data may be given a negative (-) value and the difference angle may be given a value of 0.
도면에서, 도면부호 MP는 기계적 구동시 지지대의 회동각도를 나타내고, 도면부호 PP는 자유구동 상태에서 측정된 지지대의 회동각도를 나타낸다. 도면을 참조하면, 구간 0~0.75sec 구간에서는 차각도(Rd)가 양(+)의 값을 나타내고, 0.75~1 구간에서는 음(-)의 차각도 값을 나타낸다. 상기 양의 차각도를 갖는 구간은 부족한 근력상태를 보여주고, 음의 차각도를 갖는 구간에서는 보행에 충분한 근력상태를 보여준다. In the drawings, reference numeral MP represents the rotation angle of the support when mechanically driven, and reference numeral PP represents the rotation angle of the support measured in a free driving state. Referring to the drawing, in the
이와 같이 획득된 차각도(Rd)와 상기 차각도에 대응하는 구동토크값은 구동제어모듈(210B3)의 메모리에 저장될 수 있다.The difference angle Rd obtained in this way and the driving torque value corresponding to the difference angle may be stored in the memory of the drive control module 210B3.
한편 외골격 장치의 보행모드는 직립상태와 기계적 보행상태를 가질 수 있다. 도 6은 직립상태와 보행상태에서 인체의 상체와 다리가 이루는 각도를 나타낸 것이다. 도면에서 상측 지지대는 인체의 상체, 상기 중간 지지대는 인체의 대퇴부, 하측 지지대는 인체의 하퇴부가 각각 착용될 수 있다.Meanwhile, the walking mode of the exoskeleton device can include an upright state and a mechanical walking state. Figure 6 shows the angle formed by the upper body and legs of the human body in an upright state and a walking state. In the drawing, the upper support may be worn on the upper body of the human body, the middle support may be worn on the thigh of the human body, and the lower support may be worn on the lower leg of the human body.
도 6(a)는 직립상태의 지지대를 나타낸 것이고, 도 6(b)는 기계적 보행상태의 지지대를 나타낸 것이다. 상기 직립상태에서는 인체의 상체, 대퇴부, 하퇴부가 모두 지면으로부터 수직상태를 나타내고, 보행상태에서 인체의 상체, 대퇴부, 하퇴부는 소정의 각도를 이루게 된다. 여기서, 상기 직립상태에서 중간 지지대와 상측 지지대가 이루는 각도 즉, 상측직립각도는 180도가 되고, 또 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 각도 즉, 하측직립각도는 180도가 된다. Figure 6(a) shows the support in an upright state, and Figure 6(b) shows the support in a mechanical walking state. In the upright state, the upper body, thighs, and lower legs of the human body are all vertical from the ground, and in the walking state, the upper body, thighs, and lower legs of the human body form a predetermined angle. Here, in the upright state, the angle formed by the middle support and the upper support, that is, the upper erection angle, is 180 degrees, and the angle formed by the middle support and the lower support, that is, the lower erection angle, is 180 degrees.
상기 회귀 구동부는 기계적 보행상태에서 상측, 중간, 하측 지지대가 이루는 각도를 검출하고, 외골격 장치의 상측, 중간, 하측 지지대가 보행상태에서 직립상태로 변화되도록 구동한다.The return drive unit detects the angle formed by the upper, middle, and lower supports in the mechanical walking state, and drives the upper, middle, and lower supports of the exoskeleton device to change from the walking state to the upright state.
상기 메인전원 검출모듈(210B1)은 구동모터로 인가되는 메인 전원을 검출한다. 검출결과, 구동모터로 전원이 공급되지 않는 경우, 이벤트 신호를 생성한다. 상기 이벤트 신호는 각도 검출모듈(210B2)과 구동제어모듈(210B3)로 출력된다.The main power detection module 210B1 detects the main power applied to the driving motor. As a result of detection, if power is not supplied to the drive motor, an event signal is generated. The event signal is output to the angle detection module 210B2 and the drive control module 210B3.
상기 각도 검출모듈(210B2)은 중간 지지대에 대한 상측 지지대와 하측 지지대가 이루는 상측 및 하측절곡각도를 검출한다. 구체적으로, 각도 검출모듈은 중간 지지대와 상측 지지대가 이루는 상측절곡각도를 검출한다. 또 각도 검출모듈은 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 하측절곡각도를 검출한다. 상기 검출된 상하측 절곡각도는 구동제어모듈로 출력된다.The angle detection module 210B2 detects the upper and lower bending angles formed by the upper and lower supports with respect to the middle support. Specifically, the angle detection module detects the upper bending angle formed by the middle support and the upper support. Additionally, the angle detection module detects the lower bending angle formed by the middle support and lower support. The detected upper and lower bending angles are output to the drive control module.
상기 구동제어모듈(210B3)은 이벤트 신호에 따라, 상기 검출된 상측 및 하측절곡각도를 기초로 상기 상하측 구동부(210U,210D)로 회귀구동신호를 출력한다. 구체적으로 구동제어모듈은 이벤트 신호가 전송되면, 검출된 각도를 기초로 메모리에 저장된 보조구동데이터를 독출하고, 상기 독출된 보조구동데이터를 회귀구동신호로 변환한다. 상기 변환된 회귀구동신호는 상하측 구동부(210U,210D)로 전송한다.According to the event signal, the drive control module 210B3 outputs a return drive signal to the upper and
도 6에서, θ1와 θ2는 각각 상측 및 하측 차각도를 나타낸 것이고, 도면부호 L, R는 각각 Left, Right를 지칭한다. 도면을 참조하면, 회동체의 중간 지지대(210L)에 대하여 상측 지지대(230L)은 θ1의 차각도를 가지며, 회동체의 중간 지지대(210L)에 대하여 하측 지지대(240L)은 θ2의 차각도를 가지게 된다. 상기 차각도는 상측 및 하측 회전각도로 구분되면, 상측 및 하측 회전각도는 보행상태에서 직립상태로 회전하기 위하여 요구되는 각도를 의미한다. 이어서, 구동모터는 상기 상측 및 하측 회귀구동신호에 따라 상기 상측 및 하측절곡각도가 직립상태의 상측 및 하측직립각도가 되도록 구동모터를 회전시킬 수 있다.In Figure 6, θ1 and θ2 represent the upper and lower difference angles, respectively, and reference numerals L and R refer to Left and Right, respectively. Referring to the drawing, the upper support 230L has a differential angle of θ1 with respect to the middle support 210L of the rotating body, and the lower support 240L has a differential angle of θ2 with respect to the middle support 210L of the rotating body. do. The difference angle is divided into upper and lower rotation angles, and the upper and lower rotation angles refer to the angles required to rotate from a walking state to an upright state. Subsequently, the drive motor may rotate according to the upper and lower return drive signals so that the upper and lower bending angles become the upper and lower upright angles in the upright state.
상기 보조 배터리(210B4)는 메인 전원검출모듈(210B1)과, 각도 검출모듈(210B2)과, 구동제어모듈(210B3)로 필요한 전원을 제공한다. 상기 보조 배터리는 메인 배터리(main battery)로부터 충전될 수 있다.The auxiliary battery 210B4 provides the necessary power to the main power detection module 210B1, the angle detection module 210B2, and the drive control module 210B3. The auxiliary battery can be charged from the main battery.
도 7은 본 발명에 따른 회귀구동방법을 나타낸 것이다.Figure 7 shows a return driving method according to the present invention.
본 발명에 따른 회귀구동방법은, 보조구동데이터를 획득하는 단계(S100)와, 구동모터로 인가되는 메인전원을 검출하는 단계(S200)와, 메인 전원이 검출되지 않는 경우, 기 저장된 상하측직립각도에 대한 상하측절곡각도의 차각도를 계산하는 단계(S300)와, 상기 획득된 차각도를 기초로 구동모터를 회동시켜 상측, 중앙, 하측 지지대를 직립상태로 변화시키는 단계(S400)을 포함한다.The return drive method according to the present invention includes a step of acquiring auxiliary drive data (S100), a step of detecting the main power applied to the drive motor (S200), and when the main power is not detected, the previously stored upper and lower upright It includes calculating the difference angle between the upper and lower side bending angles relative to the angle (S300) and rotating the drive motor based on the obtained difference angle to change the upper, middle, and lower supports to an upright state (S400). do.
1. 보조구동데이터를 획득하는 단계(S100); 1. Obtaining auxiliary drive data (S100);
이 단계는 보조구동데이터 획득모듈에서 수행된다. 우선, 보조구동데이터는 환자의 근력구동각도를 획득하고 기계적 보행구동의 보행각도에 대한 근력구동각도의 차각도(Rd)를 계산한다. 이어서, 차각도에 대응하는 구동토크값을 계산한다. 이와 같이 획득된 보조구동데이터 즉, 차각도, 구동토크값은 구동제어모듈의 메모리로 전송된다.This step is performed in the auxiliary drive data acquisition module. First, the auxiliary drive data obtains the patient's muscle drive angle and calculates the difference angle (Rd) of the muscle drive angle with respect to the walking angle of the mechanical walking drive. Next, the driving torque value corresponding to the difference angle is calculated. The auxiliary drive data obtained in this way, that is, the differential angle and driving torque values, are transmitted to the memory of the drive control module.
2. 구동모터로 인가되는 메인 전원을 검출하는 단계(S200); 2. Detecting the main power applied to the driving motor (S200);
이 단계는 메인전원 검출모듈에서 수행된다. 메인전원 검출모듈은 구동모터로 인가되는 메인전원을 검출한다. 외골격 장치의 컨트롤러(controller)는 선택된 보행모드에 따라 구동모터를 구동한다. 상기 보행모드는 보통속도모드, 빠른속도모드, 계단오름모드, 계단내림모드, 좌회전모드, 우회전모드 등일 수 있으며, 각 모드들은 상측 지지대와 중간 지지대, 그리고 중간 지지대와 하측 지지대가 모두 180도 각도를 갖는 직립상태와, 상측 지지대와 중간 지지대, 그리고 중간 지지대와 하측 지지대가 모두 180도 미만의 각도를 갖는 보행상태를 가질 수 있다.This step is performed in the main power detection module. The main power detection module detects the main power applied to the drive motor. The controller of the exoskeleton device drives the drive motor according to the selected walking mode. The walking mode may be a normal speed mode, a fast speed mode, a stair ascending mode, a stair descending mode, a left turn mode, a right turn mode, etc., and in each mode, the upper support, the middle support, and the middle and lower supports all have an angle of 180 degrees. It can have an upright state, a walking state in which the upper support, middle support, and middle support and lower support all have angles of less than 180 degrees.
구동모터로 인가되는 메인전원은 보행모드를 동작하는 데 필요한 구동 에너지를 제공한다. 메인전원 검출모듈은 구동모터로 인가되는 전원의 on 상태와 off 상태를 검출한다. 상기 on 상태인 경우 정상구동상태일 수 있고, off 상태인 경우, 메인 배터리가 완전히 방전된 상태일 수 있다. 또 외골격 장치를 착용한 착용자가 비상정지버튼을 누른 경우에 발생될 수도 있다.The main power supplied to the drive motor provides the drive energy required to operate the walking mode. The main power detection module detects the on and off states of the power supplied to the drive motor. When in the on state, it may be in a normal driving state, and when in the off state, the main battery may be completely discharged. It can also occur when the wearer of the exoskeleton device presses the emergency stop button.
3. 메인 전원이 검출되지 않는 경우, 기 저장된 상하측직립각도에 대한 상하측절곡각도의 차각도를 계산하는 단계(S300);3. When the main power is not detected, calculating the difference angle of the upper and lower side bending angle with respect to the previously stored upper and lower upright angle (S300);
이 단계는 각도 검출모듈과 구동제어모듈에서 수행된다. 메인전원이 구동모터로 인가되지 않을 때, 구동제어모듈은 각도 검출모듈로부터 상측 및 하측절곡각도를 전송받고, 기 저장된 상측 및 하측직립각도와 상측 및 하측 절곡각도의 차각도를 계산한다. 이와 같이 계산된 상측 및 하측 차각도를 모터 구동모듈로 출력한다.This step is performed in the angle detection module and drive control module. When the main power is not applied to the drive motor, the drive control module receives the upper and lower bending angles from the angle detection module and calculates the difference angle between the previously stored upper and lower upright angles and the upper and lower bending angles. The upper and lower difference angles calculated in this way are output to the motor drive module.
4. 획득된 차각도를 기초로 구동모터를 회동시켜 상측, 중앙, 하측 지지대를 직립상태로 변화시키는 단계(S400);4. A step of changing the upper, middle, and lower supports to an upright state by rotating the drive motor based on the obtained difference angle (S400);
이 단계는 외골격 장치의 상측 및 하측 구동부(210U,210D)에서 수행된다. 모터 구동모듈은 상측 및 하측 차각도를 기초로 구동모터를 회동시킨다. 상기 상측 차각도는 상측 구동부(210U)로 전송되고, 또 하측 차각도는 하측 구동부(210D)로 전송된다. 이에 따라 상하측 구동부는 구동모터를 구동하여, 상기 상측 지지대, 중간 지지대, 하측 지지대가 이루는 각도가 180도 상태 즉, 직립상태가 되도록 제어한다.This step is performed on the upper and
제어장치의 고장, 배터리의 소모 등 다양한 이유로 구동모터로 전원이 인가되지 않은 경우에, 구동모터의 회전축은 자유회전하게 되고, 상기 자유회전에 의해 외골격 장치는 자중에 의해 무게중심을 잃게 된다. 본 발명에 따르면, 메인 전원이 공급되지 않은 상태에서, 보조 전원을 사용하여 회전축의 회전을 구속하고, 이후 보행상태에서 직립상태까지 저속으로 구동모터를 구동한다. 이에 따라 외골격 장치를 착용하는 착용자는 자력에 의해 무게중심을 잃지 않고 안전하게 직립자세를 되돌아갈 수 있다.When power is not applied to the drive motor for various reasons such as failure of the control device, battery consumption, etc., the rotation axis of the drive motor rotates freely, and due to the free rotation, the exoskeleton device loses its center of gravity due to its own weight. According to the present invention, when the main power is not supplied, the rotation of the rotation shaft is restrained using the auxiliary power, and then the drive motor is driven at low speed from the walking state to the upright state. Accordingly, the wearer of the exoskeleton device can safely return to the upright posture without losing the center of gravity due to magnetic force.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.Above, the present invention has been described in detail through specific embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.
100 : 본체
200 : 회동체
210 : 중간 지지대
210U : 상측 구동부
220D : 하측 구동부
210B : 회귀 구동부
210B0 : 보조구동데이터 획득모듈
210B1 : 메인전원 검출모듈
210B2 : 각도 검출모듈
210B3 : 구동제어모듈
210B4 : 보조 배터리
211 : 구동모터
212 : 감속기
220 : 상측 지지대
230 : 하측 지지대
240 : 풋안착대100: main body
200: Rotating body
210: middle support
210U: upper driving part
220D: lower driving part
210B: return driving unit
210B0: Auxiliary drive data acquisition module
210B1: Main power detection module
210B2: Angle detection module
210B3: Drive control module
210B4 : Auxiliary battery
211: driving motor
212: reducer
220: upper support
230: lower support
240: Foot seating stand
Claims (5)
상기 본체(100)는 메인 배터리(main-battery)와 컨트롤러(controller)를 포함하여 이루어지고,
상기 좌우측 회동체(200)는 중간 지지대(210)와 상기 중간 지지대의 상측에서 회동하는 상측 지지대(220)와, 상기 중간 지지대의 하측에서 회동하는 하측 지지대(230)를 포함하고, 상기 중간 지지대(210)에는 상측 구동부(210U)와 하측 구동부(210D)와 회귀 구동부(210B)가 설치되고, 상기 상측 구동부(210U)는 상측 지지대(220)를 회전시키고, 상기 하측 구동부(210D)는 하측 지지대(230)를 회전시키며,
상기 본체와 좌우측 회동체는 각각 좌측 및 우측 연결대(CC)로 연결되고,
상기 회귀 구동부(210B)는 환자의 근력구동각도를 획득하고 기계적 보행구동의 보행각도에 대한 근력구동각도의 차각도(Rd)를 획득하는 보조구동데이터 획득모듈(210B0)과, 구동모터로 인가되는 메인전원을 검출하고 구동모터로 메인전원이 공급되지 않는 경우 이벤트 신호를 출력하는 메인전원 검출모듈(210B1)과, 상측 지지대와 중간 지지대가 이루는 상측절곡각도와 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 하측절곡각도를 검출하는 각도 검출모듈(210B2)과, 상기 이벤트 신호에 따라, 기 저장된 상측 및 하측 직립각도에 대한 상측 및 하측 절곡각도의 차각도를 계산하고, 상기 차각도를 기초로 보조구동데이터를 구동모터를 구동하기 위한 상측 및 하측 회귀구동신호로 변환하는 구동제어모듈(210B3)로 이루어지고,
상기 상측 및 하측 회귀구동신호는 상하측 구동부(210U,210D)로 전송되며,
상기 구동제어모듈의 구동전원은 보조 배터리로부터 제공받는 것을 특징으로 하는 외골격 장치.
It includes a main body 100 and left and right rotating bodies 200 that are placed on the back of the human body when worn,
The main body 100 includes a main battery and a controller,
The left and right rotating bodies 200 include a middle support 210, an upper support 220 rotating on the upper side of the middle support, and a lower support 230 rotating on the lower side of the middle support, and the middle support ( 210) is installed with an upper driving part 210U, a lower driving part 210D, and a return driving part 210B, the upper driving part 210U rotates the upper support 220, and the lower driving part 210D rotates the lower support ( 230) is rotated,
The main body and the left and right rotating bodies are connected by left and right connecting bars (CC), respectively,
The regression drive unit 210B includes an auxiliary drive data acquisition module 210B0 that acquires the patient's muscle drive angle and the difference angle (Rd) of the muscle drive angle with respect to the walking angle of the mechanical walking drive, and an auxiliary drive data acquisition module 210B0 that is applied to the drive motor. A main power detection module (210B1) that detects the main power and outputs an event signal when the main power is not supplied to the drive motor, the upper bending angle formed by the upper support and the middle support, and the lower bending angle formed by the middle support and the lower support. An angle detection module 210B2 that detects, calculates the angle difference between the upper and lower bending angles with respect to the previously stored upper and lower upright angles according to the event signal, and sends auxiliary drive data to the drive motor based on the difference angle. It consists of a drive control module (210B3) that converts the upper and lower return drive signals to drive,
The upper and lower return driving signals are transmitted to the upper and lower driving units (210U, 210D),
An exoskeleton device, characterized in that the driving power of the driving control module is provided from an auxiliary battery.
상기 보조구동데이터는 기계적 구동상태에서 구동되는 회동각도(Rd+Rp)와 자유구동 상태에서 환자의 근력을 사용한 회동각도(Rp)에 대한 차각도(Rd)와, 상기 차각도에 대응하는 모터의 토크값이고, 상기 보조구동데이터의 차각도(Rd)는 음(-)의 차각도는 0의 값이 부여되는 것을 특징으로 하는 외골격 장치.
In claim 1,
The auxiliary drive data includes the rotation angle (Rd+Rp) driven in a mechanical drive state, the difference angle (Rd) with respect to the rotation angle (Rp) using the patient's muscle strength in the free drive state, and the difference angle (Rd) of the motor corresponding to the difference angle. It is a torque value, and the difference angle (Rd) of the auxiliary drive data is negative (-), and the difference angle is given a value of 0.
상기 회귀 구동부(210B)는 상하측 구동부를 구동하여 상측, 중간, 하측 지지대의 배치를 주행상태에서 직립상태로 변화시키는 것을 특징으로 하는 외골격 장치.
In claim 1,
The exoskeleton device is characterized in that the return driving unit (210B) drives the upper and lower driving units to change the arrangement of the upper, middle, and lower supports from a running state to an upright state.
상기 주행상태는 중간 지지대와 상측 지지대가 이루는 각도가 180도 미만이고, 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 각도가 180도 미만이며,
상기 직립상태는 중간 지지대와 상측 지지대가 이루는 각도가 180도이고, 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 각도가 180도인 것을 특징으로 하는 외골격 장치.
In claim 4,
In the driving state, the angle formed by the middle support and the upper support is less than 180 degrees, and the angle formed by the middle support and the lower support is less than 180 degrees,
In the upright state, the angle formed by the middle support and the upper support is 180 degrees, and the angle formed by the middle support and the lower support is 180 degrees.
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GRNT | Written decision to grant |