KR20120064410A - 근력 보조 외골격 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 근력 보조 외골격 장치에 관한 것으로, 인체의 능력을 보조할 수 있는 강인한 힘을 일정한 자유도와 함께 제공하여 근력 보조와 함께 필요한 방향으로의 운용이 가능하도록 하기 위한 것이다. 이러한 본 발명에 따른 근력 보조 외골격 장치는 어깨 직렬형 기구, 팔꿈치 직렬형 기구 및 손목부 병렬형 기구를 포함한다. 여기서 어깨 직렬형 기구는 등 관절부와 어깨 전후방 관절부 및 어깨 좌우방 관절부를 포함하며, 각 관절부들을 연결하는 링크부를 포함할 수 있다. 그리고 팔꿈치 직렬형 기구는 어깨 직렬형 기구와 연결되며 일정 각도로 운동이 가능한 팔꿈치 관절부 및 팔꿈치 관절부들의 상완 및 전완을 형성하는 링크부를 포함하며, 손목부 병렬형 기구는 상기 팔꿈치 직렬형 기구와 연결되며 착용자의 손목이 3자유도를 가지며 회전 운동하도록 지지한다.

Description

근력 보조 외골격 장치{Exoskeleton Apparatus For Assistant physical strength}

본 발명은 근력 보조 외골격 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직렬형 기구와 병렬형 기구를 조합하여 높은 기구적 복잡성과 강성을 제공하고 부하부담을 경감시킬 수 있는 근력 보조 외골격 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 로봇은 여러 산업분야에서 광범위하게 이용되고 있는데 처음에는 다이캐스팅, 단조, 스폿 용접과 같이 인간이 하기에 힘들고 위험한 작업에 응용되었다. 이러한 산업용 로봇의 발달과 더불어 현재는 산업용 로봇 이외에도 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행할 수 있을 만큼의 자유도가 높은 다목적의 원격 조정로봇의 필요성이 대두되어지고 있고, 계속해서 연구 개발되고 있는 추세이다.

상기와 같이 로봇이 다양한 동작을 수행하기 위해서는 원격조정장치가 필요하며 이러한 원격조정장치는 현재까지 다양한 형태와 기능을 수행할 수 있도록 개발되고 있다. 이와 같은 로봇 원격조정장치는 로봇의 동작을 작업자가 직접 조정함으로서, 거리가 먼 경우나 위험한 환경 등과 같은 특수한 상황에서 필요한 작업을 수행할 수 있게 된다.

한편 산업용 로봇 또는 인간형 로봇 매니풀레이터를 효율적으로 원격 제어하기 위하여 쓰이는 제어장치로는 일반적으로 제어대상인 노예로봇(Slave Robot)과 같은 형상을 가진 마스터 조정장치가 제작 사용되거나 또는 인간의 팔에 직접 부착할 수 있는 형태의 인간형 마스터 장치(Anthropomorphic master control device)가 사용되고 있다. 상기의 인간형 마스터는 인간의 자연스러운 움직임을 그대로 마스터의 입력으로 사용한다는 장점이 있어 지금까지 많은 연구와 장치가 개발되어 왔다. 이러한 연구 개발은 최근 들어 인간의 근력을 보조할 수 있는 근력 보조 장치로 확대되고 있다.

근력 보조 장치는 인간과 로봇의 동기화를 이용한 입는 형태의 로봇을 말하며, 이러한 근력 보조 장치는 근육병 환자를 위한 재활 보조 기구로부터 최근에는 노인 및 근력저하 환자 등을 위한 근력 보조 역할 및 무거운 군장을 지는 군인용 근력 증폭기 등으로 응용되고 있다. 그런데 종래에 주로 이용되는 근력 보조 장치는 직렬형 기구를 주로 채용한 것이어서 착용자가 요구하는 다양한 자유도 획득이 불가능하여 결과적으로 착용자의 요구에 따라 적절한 운용이 불가능한 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 인체의 능력을 보조할 수 있는 강인한 힘을 일정한 자유도와 함께 제공하여 근력 보조와 함께 필요한 방향으로의 운용이 가능한 근력 보조 외골격 장치를 제공함에 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 근력 보조 외골격 장치는 어깨 직렬형 기구, 팔꿈치 직렬형 기구, 손목부 병렬형 기구 및 장치 연결부를 포함하는 구성을 개시한다.

상기 어깨 직렬형 기구는 등 관절부와 어깨 전후방 관절부 및 어깨 좌우방 관절부를 포함하며, 상기 각 관절부들을 연결하는 링크부를 포함할 수 있다. 그리고 상기 팔꿈치 직렬형 기구는 상기 어깨 직렬형 기구와 연결되며 일정 각도로 운동이 가능한 팔꿈치 관절부 및 상기 팔꿈치 관절부들의 상완 및 전완을 형성하는 링크부를 포함하며, 상기 손목부 병렬형 기구는 상기 팔꿈치 직렬형 기구와 연결되며 착용자의 손목이 3자유도를 가지며 회전 운동하도록 지지한다. 그리고 상기 장치 연결부는 상기 어깨 직렬형 기구와 하지 보조 기구, 휠체어 또는 보행 보조 로봇를 직접 연결하여 상기 어깨 직렬형 기구, 상기 팔꿈치 직렬형 기구 및 상기 손목부 병렬형 기구의 하중을 지지한다.

여기서 상기 어깨 직렬형 기구의 링크부는 상기 등 관절부를 고정 시키며 상기 등 관절부의 위치를 일정 거리만큼 이동 배치가 가능하도록 지지하는 고리부, 상기 등 관절부와 연결되는 등근육 링크부, 상기 어깨 전후방 관절부와 상기 등 관절부 사이에 배치되는 등근육 링크부, 상기 어깨 전후방 관절부와 상기 어깨 좌우방 관절부 사이에 배치되어 상기 어깨 전후방 관절부의 운동에 따라 전방 도는 후방 쪽으로 일정 각도만큼 회전 가능하도록 연결되는 어깨 링크부를 포함할 수 있다. 상기 고리부는 상기 장치 연결부에 연결될 수 있다.

또한 상기 근력 보조 외골격 장치는 상기 고리부와 연결되며 기타 장치와 연결되는 장치 연결부 및 상기 어깨 직렬형 기구들의 링크부들 및 상기 팔꿈치 직렬형 기구들의 링크부들 중 적어도 하나에 마련되어 각 링크부들의 길이를 조정 가능하도록 지원하는 가변 길이 구조물을 더 포함할 수 있다.

한편 상기 손목부 병렬형 기구는 상기 팔꿈치 직렬형 기구의 전완을 형성하는 링크부와 연결되는 전완 지지부, 상기 전완 지지부와 연결되는 병렬형 링크부들, 상기 병렬형 링크부들을 고정시키되 일정 각도만큼 회전이 가능하도록 배치되는 손목 회전부, 상기 손목 회전부에 연결되는 손잡이부를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 손잡이부는 착용자의 압력을 검출하여 상기 각 관절들의 운동을 제어하기 위한 센서 신호를 생성하는 센서들이 배치된다.

추가로 상기 손목부 병렬형 기구에는 상기 손목 회전부의 일측으로부터 신장되는 도구 지지부 및 상기 도구 지지부의 끝단에서 일정 방향으로 형성되어 다양한 도구들과 결합되는 도구 연결부를 포함하는 도구 결합부가 더 마련될 수 있다.

그리고 상기 어깨 직렬형 기구는 등 관절부와 어깨 전후방 관절부 및 어깨 좌우방 관절부들의 운동축이 되는 어깨 관절 중심점을 기준으로 3자유도 운동을 수행할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 근력 보조 외골격 장치에 따르면, 본 발명은 기존 직렬형 근력 보조/강화 기구에서 존재하는 손목부의 직렬형 기구의 운동 방향 한계상 부족한 자유도를 극복하여 팔에 존재하는 모드 자유도에 대하여 근력을 보조 및 강화할 수 있다.

또한 본 발명은 높은 자유도를 통하여 기존 근력 보조/ 강화 기구의 활용 범위를 확대하고 노약자 및 장애인 등에게 편리한 정상 생활을 제공할 수 있도록 하며, 산업체 근로자 등 높은 생산성을 요구하는 직종에 대하여 효과적인 근력 보조 및 강화할 수 있도록 지원 가능하다.

또한 본 발명은 군사지원용으로 적용할 경우, 중량이 무거운 군용 장비의 이동성을 높이고 병상들의 피로도를 낮추어 전투력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 근력 보조 외골격 장치의 외관을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 어깨 직렬형 기구의 자유도 설명을 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 링크부들의 가변 길이 구조물을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 전완 링크부의 가변 길이 구조물을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 손목부 병렬형 기구를 보다 상세히 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 손목부 병렬형 기구에 착용자의 팔이 장착된 형태를 예시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 도구 결합부의 형태 및 결합되는 도구들의 일예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 근력 보조 외골격 장치가 적용된 실제 모델을 촬영한 사진.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 근력 보조 외골격 장치(10)의 외관을 개략적으로 나타낸 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)는 어깨 직렬형 기구(100), 팔꿈치 직렬형 기구(200), 손목부 병렬형 기구(300)를 포함할 수 있으며, 추가로 상기 어깨 직렬형 기구(100)와 기타 장치와의 연결을 위한 장치 연결부(50) 및 도구 결합부(400)를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 구조를 가지는 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)는 장치 연결부(50)를 기준으로 어깨 직렬형 기구(100)가 일정 자유도를 가지는 관절 동작을 수행하며, 상기 어깨 직렬형 기구(100)와 연결되는 팔꿈치 직렬형 기구(200)가 어깨 직렬형 기구(100)를 기준으로 일정 각도를 가지며 관절 동작을 수행할 수 있다. 특히 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)는 상기 팔꿈치 직렬형 기구(200)와 연결되는 손목부 병렬형 기구(300)가 일정 각도의 회전 운동을 지원함으로써 손목부 병렬형 기구(300)에 연결되는 도구 결합부(400)를 일정 각도 만큼 회전시킬 수 있다. 이에 따라 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)는 착용자에게 손목부의 자유도 제공을 통하여 다양한 방향으로의 동작 운용을 지원할 수 있다. 또한 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)는 착용자의 팔과 관련된 동작들을 근력 보조할 수 있으며, 자유도 운용에 따라 다양한 동작의 강성을 지지할 수 있다. 이하 상기 근력 보조 외골격 장치(10)의 각 구조와 연결 상태에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기 장치 연결부(50)는 하지 보조 기구, 휠체어, 보행 보조 로봇 등의 기타 장치에 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)를 연결시키는 구성이다. 이러한 장치 연결부(50)는 보조 기구, 휠체어, 보행 보조 로봇 등과 연결되기 위한 홈 또는 홀이 형성된 관통부와 어깨 직렬형 기구(100)와 연결되기 위하여 홈부를 포함할 수 있다. 장치 연결부(50)의 실제 형태는 하지 보조 기구, 휠체어, 보행 보조 로봇 등에 형성된 연결 장치들과 결합될 수 있는 형태로 변형 가능하다. 이 경우 근력 보조 외골격 장치(10)는 보조 기구, 휠체어, 보행 보조 로봇 등에 고정하여 사용자의 신체적 부담을 최소화할 수도 있다. 그 외 근력 보조 외골격 장치(10)의 자중 및 근력지원의 지지점으로 사용자의 어깨나 허리 등을 사용할 수 있다.

상기 어깨 직렬형 기구(100)는 장치 연결부(50)와 연결되어 인체의 어깨 역할을 지원하는 기구이다. 이러한 어깨 직렬형 기구(100)는 장치 연결부(50)에 연결되는 고리부(103)와, 상기 고리부(103)에 연결되는 등 관절부(101), 상기 등 관절부(101)와 연결되는 등근육 링크부(105), 상기 등근육 링크부(105)에 연결되는 어깨 근육 링크부(107)를 포함한다. 또한 어깨 직렬형 기구(100)는 어깨 근육 링크부(107)에 연결되는 어깨 전후방 관절부(109), 상기 어깨 전후방 관절부(109)와 연결되어 어깨 전후방 관절부(109)의 운동에 따라 전방 또는 후방 쪽으로 일정 각도만큼 회전 가능하도록 연결되는 어깨 링크부(111), 상기 어깨 링크부(111)에 연결되는 어깨 좌우방 관절부(113)를 포함한다. 상기 어깨 직렬형 기구(100)의 관절 동작에 대하여 도 2를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.

한편 상술한 어깨 직렬형 기구(100)의 링크부들 즉 등근육 링크부(105), 어깨 근육 링크부(107)들은 착용자의 신체 사이즈 적용을 위한 가변 길이 기능을 가지는 가변 길이부를 마련할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)를 채용하는 착용자는 상기 등근육 링크부(105)와 어깨 근육 링크부(107)에 마련된 가변 길이부를 조절하여 상기 어깨 직렬형 기구(100)를 자신의 어깨 및 등넓이에 맞는 길이를 가지도록 조절할 수 있다. 이때 상기 등근육 링크부(105) 및 어깨 근육 링크부(107)에 마련된 가변 길이부는 수동 또는 모터나 기어 등의 동력을 구비한 기구물들에 의하여 자동으로 동작할 수 있도록 마련될 수 있다. 상기 가변 길이부 구조에 대하여 도 3을 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.

상기 팔꿈치 직렬형 기구(200)는 상기 어깨 좌우방 관절부(113)와 연결되는 상완 링크부(201), 상기 상완 링크부(201)와 연결되는 팔꿈치 관절부(203), 상기 팔꿈치 관절부(203)와 연결되는 전완 링크부(205)를 포함한다. 상기 상완 링크부(201)는 착용자의 인체 특성에 맞도록 길이가 변경될 수 있는 가변 길이부 구조로 형성될 수 있다. 그리고 상기 상완 링크부(201)는 상기 어깨 좌우방 관절부(113)와 연결됨으로써 상기 어깨 링크부(111)를 기준으로 좌우방으로 운동할 수 있는 자유도를 제공할 수 있다. 한편 상기 팔꿈치 관절부(203)는 상완 링크부(201)와 연결되며 전완 링크부(205)를 지지하면서 상기 전완 링크부(205)가 일정 방향 예를 들면 상하 방향으로 운동할 수 있는 자유도를 제공할 수 있다. 이에 따라 착용자는 상기 팔꿈치 관절부(203)를 기준으로 전완 링크부(205) 및 전완 링크부(205)에 연결되는 손목부 병렬형 기구(300)를 상하 방향으로 운동할 수 있도록 제어할 수 있다. 상기 전완 링크부(205)는 상기 손목부 병렬형 기구(300)와 연결되면서 일정 길이가 변경될 수 있는 형태로 배치될 수 있다. 상기 전완 링크부(205)의 가변 길이 기능에 대하여 도 4를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.

상기 손목부 병렬형 기구(300)는 상기 전완 링크부(205)와 연결되는 전완 지지부(301), 상기 전완 지지부(301)와 연결되는 병렬형 링크부(310)들, 상기 병렬형 링크부(310)들을 고정시키는 손목 회전부(305), 상기 손목 회전부(305)에 연결되는 손잡이부(307)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구조를 가지는 본 발명의 손목부 병렬형 기구(300)는 착용자의 팔이 관통하는 고리 형태의 환형으로 제작된 전완 지지부(301)와 연결되는 병렬형 링크부(310)들이 착용자의 손 운동에 따라 일정 각도만큼 회전될 수 있도록 손목 회전부(305)에 연결될 수 있다. 상술한 손목부 병렬형 기구(300)의 구조 및 손목 회전 운동에 대하여 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.

상기 도구 결합부(400)는 상기 손목 회전부(305) 일측과 연결되며, 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)의 목적에 따라 추가되는 다양한 도구들이 결합되는 영역이다. 상기 도구 결합부(400)에 결합되는 다양한 도구들에 대하여 도 7을 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 근력 보조 외골격 장치(10)는 등 관절부(101), 어깨 전후방 관절부(109), 어깨 좌우방 관절부(113)를 기반으로 어깨의 3자유도를 제공하며, 손목 부분에 3자유도를 제공하는 병렬형 기구를 제공하여 다양한 형태의 손목 회전을 가이드할 수 있도록 지원할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)는 착용자의 다양한 근육 운동과 관절 운동에 대한 근력을 자연스럽게 보조함으로써 착용자가 의도하는 다양한 동작을 용이하게 구현 및 보조할 수 있다.

도 2는 본 발명의 어깨 직렬형 기구(100)의 자유도 설명을 위한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 어깨 직렬형 기구(100)는 장치 연결부(50)에 연결된 고리부(103)와 등근육 링크부(105) 사이에 상기 등 관절부(101)가 배치되고, 어깨 근육 링크부(107)와 어깨 링크부(111) 사이에 상기 어깨 전후방 관절부(109)가 배치되며, 어깨 근육 링크부(107) 끝단에 상기 어깨 좌우방 관절부(113)가 배치된다. 이때 등 관절부(101)는 상기 등근육 링크부(105)가 앞뒤 방향으로 운동할 수 있도록 지원하며, 어깨 전후방 관절부(109)는 상기 어깨 링크부(111)가 전후방으로 운동할 수 있도록 지원하며, 어깨 좌우방 관절부(113)는 상기 상완 링크부(201)가 좌우방으로 운동할 수 있도록 지원한다. 상술한 등 관절부(101), 어깨 전후방 관절부(109) 및 어깨 좌우방 관절부(113)는 도시된 바와 같이 3개의 회전축이 만나는 어깨 관절 중심점 "F"를 제공함으로써, "F"를 중심으로 하여 3자유도 운동을 지원할 수 있다. 여기서 각 방향으로의 운동은 지지의 필요에 따라 수동 관절 또는 능동 관절을 혼합하여 적용될 수 있다. 즉 상술한 등 관절부(101), 어깨 전후방 관절부(109) 및 어깨 좌우방 관절부(113)는 설계자의 의도나 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)의 사용 목적 등에 따라 수동 관절 또는 능동 관절 중 어느 하나의 형태로 구성될 수 있다. 그리고 상술한 어깨의 3자유도 각각은 전기모터, 유압모터 등 다양한 회전 구동 방법의 적용으로서 지원이 가능하다.

도 3은 어깨 직렬형 기구(100)에 포함된 링크부들과 팔꿈치 직렬형 기구(200)에 마련된 링크부에 마련된 가변 길이 기능을 설명하기 위한 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 장치 연결부(50)의 홈에 연결되는 고리부(103)는 중심부가 빈 사각테 형태로 마련될 수 있으며, 비어있는 중심부에는 등 관절부(101)의 일측이 삽입 고정된다. 이때 상기 고리부(103)의 중심부는 상기 등 관절부(101)의 전체 폭보다 크게 형성되어 상기 등 관절부(101)가 내부 빈 공동의 특정 위치에 위치할 수 있도록 지원할 수 있다. 즉 등 관절부(101)의 일측은 고리부(103)의 내부 중심부에서 길이 방향으로 일정 거리만큼씩 이동 가능하도록 배치될 수 있다. 상기 고리부(103) 공동에 배치되는 등 관절부(101) 일측은 볼트 나사 결합으로 삽입 고정되거나, 기어 결합으로 삽입 고정되는 등 다양한 방식에 의하여 삽입 고정될 수 있다.

한편 상기 등 관절부(101)에 연결되는 등근육 링크부(105)는 등 관절부(101)가 배치된 방향으로 좌우 길이가 가변될 수 있다. 이를 위하여 등근육 링크부(105)는 제1 등근육 링크 레이어(11)와 제2 등근육 링크 레이어(12)가 마련될 수 있다. 제1 등근육 링크 레이어(11)의 전면에는 일정 길이를 가지는 다수개의 관통홀이 마련될 수 있으며, 제2 등근육 링크 레이어(12)는 상기 제1 등근육 링크 레이어(11)에 마련된 다수개의 관통홀에 삽입되는 다수개의 조임 구조물을 포함할 수 있다. 이에 따라 제2 등근육 링크 레이어(12)가 제1 등근육 링크 레이어(11)의 전면에 배치되면서 상기 조임 구조물이 상기 관통홀에 삽입 고정되어 제1 등근육 링크 레이어(11)와 제2 등근육 링크 레이어(12)를 고정시킬 수 있다. 이때 상기 조임 구조물은 상기 관통홀의 길이 방향으로 일정 거리만큼 이동이 가능하기 때문에 설계자 또는 착용자의 의도에 따라 상기 관통홀 상의 조임 구조물 위치를 조정함으로써 상기 등근육 링크부(105)의 전체 길이는 조정될 수 있다.

이와 유사한 방식으로 어깨 근육 링크부(107) 또한 제1 어깨 근육 링크 레이어(21)와 제2 어깨 근육 링크 레이어(22)를 마련하고, 제1 어깨 근육 링크 레이어(21)에 마련된 일정 길이를 가지며 전면을 관통하는 관통홀에 제2 어깨 근육 링크 레이어(22)에 마련된 조임 구조물을 삽입 고정하는 구조를 채용할 수 있다. 이때 제2 어깨 근육 링크 레이어(22)의 관통홀 상의 조임 구조물 위치 조정을 통하여 어깨 근육 링크부(107)의 전체 길이가 조정될 수 있다.

상기 상완 링크부(201)는 어깨 좌우방 관절부(113)와 연결되는 제1 상완 링크 레이어(31)와 상기 제1 상완 링크 레이어(31)의 전면을 관통하며 일정 길이를 가지며 형성되는 다수개의 관통홀에 연결되는 제2 상완 링크 레이어(32)를 포함할 수 있다. 여기서 제2 상완 링크 레이어(32)는 제1 상완 링크 레이어(31)의 관통홀에 삽입 고정되는 조임 구조물을 마련할 수 있다. 그리고 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)의 설계자 또는 착용자는 상술한 상기 제2 상완 링크 레이어(32)의 조임 구조물의 조정을 통하여 상기 상완 링크부(201)의 길이를 조절할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)에서 각 관절들을 잇는 링크부들은 각각 관통홀이 형성된 링크 레이어와 조임 구조물이 형성된 링크 레이어의 복층 구조를 통하여 일정 길이만큼 조정이 가능하도록 구성될 수 있다. 한편 본 발명은 상기 링크 레이어의 복층 구조에 한정되는 것이 아니다. 즉 상술한 링크부들의 길이를 조정할 수 있는 다른 형태의 가변 길이 구조물이 상기 링크 레이어의 복층 구조를 대체할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 링크 레이어의 복층 구조는 가변 길이 구조물의 일예로서 이해되어야 할 것이다.

한편 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)는 어깨 관절들의 중심점으로 각 운동축을 일치키기 위하여 상술한 등근육 링크부(105), 어깨 근육 링크부(107) 및 상완 링크부(201)의 길이 조정을 수행할 수 있다. 그리고 상술한 각 링크부들의 길이 조정 방식은 앞에서도 언급하였지만 도시된 조임 구조물과 관통홀을 이용한 슬라이드 방식에 국한되지 않고, 볼스크류형, 링크형 등 다양한 길이 조정 방식이 적용될 수 있다. 또한 상술한 각 링크부들의 길이 조절은 수동 조정에 의하여 적용될 수 도 있으며, 설계자의 의도나 상기 근력 보조 외골격 장치(10)의 적용 목적에 따라 모터 구동 등을 이용한 능동형 조정 방식도 적용 가능하다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전완 링크부(205) 길이 조정을 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.

상기 도 4를 참조하면, 본 발명의 전완 링크부(205)는 팔꿈치 관절부(203)에 연결되면서 손목부 병렬형 기구(300) 중 전완 지지부(301) 일측에 마련된 구조물에 삽입 고정될 수 있다. 상기 전완 지지부(301) 일측에는 상기 전완 링크부(205)의 길이 조정 및 삽입 고정을 위하여 가변 길이 구조물(210)이 마련될 수 있다. 가변 길이 구조물(210)은 전완 지지부(301) 일측에서 전완 링크부(205)가 배치되는 영역에 터널형으로 마련된 터널 구조물(211)과, 상기 터널 구조물(211)에 관통되는 전완 링크부(205)를 삽입 고정하기 위한 조임 나사(212)를 포함할 수 있다. 이와 같은 가변 길이 구조물(210)은 설계자 또는 착용자가 전완 링크부(205)를 상기 터널 구조물(211)의 터널을 관통하면서 일정 길이만큼 배치시키고, 상기 조임 나사(212)를 운용하여 전완 링크부(205)를 해당 위치에서 고정시킬 수 있다.

한편 본 발명의 전완 링크부(205)의 가변 길이 구조물(210)은 상술한 터널형 구조에 한정되는 것은 아니며, 앞서 설명한 봐와 같은 상완 링크부(201) 형태의 구조 역시 채용 가능하다. 또한 상기 전완 링크부(205)는 수동 방식 조정 및 자동 방식 조정을 모두 지원할 수 있으며, 자동 방식 지원을 위하여 동력부, 동력부가 전달한 동력에 의하여 동작하는 기어부 등을 더 포함할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 손목부 병렬형 기구(300)의 구조물을 보다 상세히 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 손목부 병렬형 기구(300)에 팔이 장착된 형태를 나타낸 도면이다.

상기 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 손목부 병렬형 기구(300)는 전완 링크부(205)와 연결되는 전완 지지부(301)와, 전완 지지부(301)와 연결되는 병렬형 링크(313)들, 상기 병렬형 링크(313)들과 연결되는 손목 회전부(305) 및 손목 회전부(305)에 연결되는 손잡이부(307)를 포함할 수 있다.

여기서 상기 전완 지지부(301)는 도 4에서 설명한 바와 같은 가변 길이 구조물(210)을 일측에 마련하고, 이를 기반으로 전완 지지부(301)를 체결 고정하도록 지원할 수 있다. 이를 위하여 전완 지지부(301)는 일정 폭과 넓이를 가지는 환형 고리 형상으로 마련될 수 있으며, 환형의 측면 일측에 상기 가변 길이 구조물(210)이 배치될 수 있다. 그리고 상기 전완 지지부(301)의 전면 일측에는 적어도 하나의 병렬형 링크(313)들이 고정될 수 있는 고정 구조물(311)들이 배치될 수 있다. 이하 설명에서는 병렬형 링크(313)들이 3개가 마련되는 구조를 기준으로 설명하기로 한다. 그러나 본 발명이 상기 병렬형 링크(313)들의 개수에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 손목부 병렬형 기구(300)는 상기 전완 지지부(301)와 상기 손목 회전부(305)를 연결하여 손목 회전부(305)의 회전을 일정 각도 이상으로 회전할 수 있도록 지원하는 다양한 형태 및 개수를 포함할 수 있다.

상기 고정 구조물(311)은 상기 전완 지지부(301) 전면에서 돌출되어 배치되데 상기 병렬형 링크(313)들이 고정될 수 있는 요철형태의 돌출부들이 마련되고, 상기 돌출부들의 요철 형태의 홈에 상기 병렬형 링크(313)들이 삽입되면 해당 병렬형 링크(313)들을 고정시킬 수 있도록 추가 구조물 예를 들면 돌출부들의 측면을 관통하여 상기 병렬형 링크(313)들을 고정시킬 수 있는 나사 등이 더 마련될 수 있다.

상기 병렬형 링크(313)들은 상기 전완 지지부(301)의 고정 구조물(311)에 일측이 고정되며 상기 손목 회전부(305)에 마련되는 유동 구조물(315)에 일측이 고정되어 손목 회전부(305)가 전완 지지부(301)를 기준으로 일정 각도만큼 회전 가능하도록 지원하며, 손목 회전부(305)를 지지하는 역할을 수행한다. 이러한 병렬형 링크(313)들은 전완 지지부(301)와 연결되는 부분은 일정 방향으로의 회전이 가능하되 실질적으로 전완 지지부(301)의 지지력만을 주로 획득하기 위한 구조로서 일정 폭을 가지는 일정 방향으로 회전 가능하도록 조립될 수 있다. 그리고 상기 손목 회전부(305)와 연결되는 병렬형 링크(313)들의 일정 부분은 상기 전완 지지부(301)의 회전 가능 각도보다 큰 각도의 손목 회전부(305)의 회전 운동을 지지하도록 지원하는 구조물로서 조립될 수 있다.

상기 손목 회전부(305)는 상기 전완 지지부(301)의 형태와 유사한 환형의 형상으로 구성되며, 환형의 형상 중 상기 전완 지지부(301)를 바라보는 전면에는 상기 병렬형 링크(313)들을 고정함과 아울러 착용자의 손목 비틈에 따라 일정 각도만큼 회전이 가능하도록 형성되는 유동 구조물(315)이 마련될 수 있다. 이 유동 구조물(315)은 기어나 스프링 등을 이용하여 마련될 수 있으며, 좌우 방향으로 회전 가능한 각도가 일정 각도 예를 들면 0~270도 가량 또는 필요에 따라 그 이상의 각도로 회전될 수 있도록 마련될 수 있다. 이에 따라 착용자는 상기 손목 회전부(305)를 이용하여 손등과, 손바닥, 바닥을 향한 손날과 하늘을 향상 손날 등의 위치를 점할 수 있다. 여기서 상기 유동 구조물(315)은 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)의 설계자 의도 또는 사용 목적 등에 따라 상기 손목 회전부(305)의 회전 가능 각도가 일정 각도로 조정될 수 있도록 상기 유동 구조물(315)이 마련될 수 있다.

상기 손목 회전부(305)에서 유동 구조물(315)이 형성된 반대측 전면에는 손잡이부(307)가 배치될 수 있다. 이 손잡이부(307)는 상기 손목 회전부(305)로부터 돌출된 두개의 지지부 끝단을 연결하는 봉 형상으로 마련될 수 있다.

상기 손잡이부(307)는 손의 운동을 감지하여 팔, 손목 및 손의 운동을 보조/강화하기 위하여 착용자의 힘 및 토크를 측정하는 구성이 마련될 수 있다. 이때 상기 손잡이부(307)는 힘 및 토크 측정 시 필요에 따라 3방향 힘측정만을 수행하거나 6방향 힘측정을 수행할 수 있으며, 각 방향별 분리된 압력 센서의 사용 등이 가능하다. 상술한 손잡이부(307)에 마련된 센서들이 착용자의 힘 방향을 측정한 뒤 이를 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)의 제어부에 전달하면, 제어부에 의하여 해당 방향으로 근력 보조 외골격 장치(10)가 운동할 수 있도록 각각의 관절부들을 운동시킬 수 있다. 그러면 착용자는 일정 방향으로 힘을 주기 위한 모션을 손잡이부(307)에 제공함으로써 근력 보조 외골격 장치(10)의 운동에 의하여 근력 보조를 받을 수 있게 된다. 즉 도 6에 도시된 바와 같이 착용자가 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)를 착용하면서 환형의 전완 지지부(301) 및 환형의 손목 회전부(305)에 팔을 관통시킨 후 손잡이부(307)를 잡도록 배치하고, 손에 일정한 힘을 가함으로써 손잡이부(307)에 마련된 센서들에 압력에 제공할 수 있다. 그러면 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)는 해당 센서 신호에 따른 관절들의 운동을 제어하여 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)가 일정한 동작을 수행할 수 있도록 지원할 수 있다. 특히 사용자가 손잡이부(307)를 잡고 회전하는 경우 그에 따른 센서 신호 제어에 따라 팔꿈치 관절부(203)와 어깨 좌우방 관절부(113), 어깨 전후방 관절부(109) 등의 관절 운동에 따라 손목 회전부(305)가 일정 각도로 회전이 가능하도록 함으로써 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)는 착용자에게 보다 다양한 자유도 획득을 지원할 수 있다.

도 7은 본 발명의 도구 결합부(400)의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.

상기 도 7을 참조하면, 본 발명의 도구 결합부(400)는 손목 회전부(305)의 일측으로부터 신장되는 도구 지지부(401)와 상기 도구 지지부(401)의 끝단에서 일정 방향으로 형성되어 도구(410)들과 결합되는 도구 연결부(403)를 포함할 수 있다. 상기 도구 지지부(401)는 일정 두께를 가지며 상기 손목 회전부(305)로부터 신장되며 손잡이부(307)에 장착되는 착용자의 손을 보호가 위하여 상기 손잡이부(307)를 감싸는 구조를 가지며 형성되는 것이 바람직하다.

상기 도구 연결부(403)는 상기 도구 지지부(401)의 바깥면에서 일정 방향으로 신장되어 다양한 도구(410)들이 결합될 수 있도록 배치될 수 있다. 여기서 상기 도구 연결부(403)는 다양한 도구(410)들 예를 들면 둥근머리 고정부(411), 후크형 고정부(413), 무기형 고정부(145) 등이 결합될 수 있는 형태를 가질 수 있다. 뿐만 아니라 상기 도구 연결부(403)는 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)의 사용 목적에 따라 보다 다양한 도구(410)들이 마련 및 배치될 수 있으며, 이를 위하여 상기 도구 연결부(403)는 특정 도구(410)가 삽입 고정될 수 있는 형태로 변형 가능할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 근력 보조 외골격 장치(10)는 어깨의 3자유도를 제공하는 한편, 손목의 3자유도를 제공함으로써 착용자의 다양한 근력 방향으로의 힘을 보조 및 강화할 수 있다. 이러한 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)가 실제 적용된 모델을 도 8에 나타내었다. 도 8에 나타낸 사진은 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)가 적용되는 실제 모델을 촬영한 것으로서, 앞서 설명한 바와 같이 착용자가 전완 지지부(301)와 손목 회전부(305)를 통하여 손잡이부(307)를 잡고 일정 방향으로 근력 운동을 하는 경우 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)가 해당 운동 방향으로 일정한 힘을 제공할 수 있도록 지원할 수 있다. 이에 따라 노약자나 장애인 및 기타 특수 목적인 등이 본 발명의 근력 보조 외골격 장치(10)를 기반으로 일정 방향으로의 팔 운동을 수행할 수 있으며, 이때 어깨 3자유도와 손목 3자유도를 기반으로 보다 다양한 방향으로의 운동을 지지받을 수 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

10 : 근력 보조 외골격 장치 50 : 장치 연결부
100 : 어깨 직렬형 기구 101 : 등 관절부
103 : 고리부 105 : 등근육 링크부
107 : 어깨 근육 링크부 109 : 어깨 전후방 관절부
111 : 어깨 링크부 113 : 어깨 좌우방 관절부
200 : 팔꿈치 직렬형 기구 201 : 상완 링크부
203 : 팔꿈치 관절부 205 : 전완 링크부
210 : 가변 길이 구조물 211 : 터널 구조물
212 : 조임 나사 300 : 손목부 병렬형 기구
301 : 전완 지지부 305 : 손목 회전부
307 : 손잡이부 310 : 병렬형 링크부
311 : 고정 구조물 313 : 병렬형 링크
315 : 유동 구조물 400 : 도구 결합부
401 : 도구 지지부 403 : 도구 연결부

Claims (8)

1. 등 관절부와 어깨 전후방 관절부 및 어깨 좌우방 관절부를 포함하며, 상기 각 관절부들을 연결하는 링크부를 포함하는 어깨 직렬형 기구;
   상기 어깨 직렬형 기구와 연결되며 일정 각도로 운동이 가능한 팔꿈치 관절부 및 상기 팔꿈치 관절부들의 상완 및 전완을 형성하는 링크부를 포함하는 팔꿈치 직렬형 기구;
   상기 팔꿈치 직렬형 기구와 연결되며 착용자의 손목이 3자유도를 가지며 회전 운동하도록 지지하는 손목부 병렬형 기구;
   상기 어깨 직렬형 기구와 하지 보조 기구, 휠체어 또는 보행 보조 로봇를 직접 연결하여 상기 어깨 직렬형 기구, 상기 팔꿈치 직렬형 기구 및 상기 손목부 병렬형 기구의 하중을 지지하는 장치 연결부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 외골격 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 어깨 직렬형 기구의 링크부는
   상기 등 관절부를 고정 시키며 상기 등 관절부의 위치를 일정 거리만큼 이동 배치가 가능하도록 지지하는 고리부;
   상기 등 관절부와 연결되는 등근육 링크부;
   상기 어깨 전후방 관절부와 상기 등 관절부 사이에 배치되는 등근육 링크부;
   상기 어깨 전후방 관절부와 상기 어깨 좌우방 관절부 사이에 배치되어 상기 어깨 전후방 관절부의 운동에 따라 전방 도는 후방 쪽으로 일정 각도만큼 회전 가능하도록 연결되는 어깨 링크부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 외골격 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 고리부는 상기 장치 연결부에 연결되는 것을 특징으로 하는 근력 보조 외골격 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 어깨 직렬형 기구들의 링크부들 및 상기 팔꿈치 직렬형 기구들의 링크부들 중 적어도 하나에 마련되어 각 링크부들의 길이를 조정 가능하도록 지원하는 가변 길이 구조물;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 외골격 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 손목부 병렬형 기구는
   상기 팔꿈치 직렬형 기구의 전완을 형성하는 링크부와 연결되는 전완 지지부;
   상기 전완 지지부와 연결되는 병렬형 링크부들;
   상기 병렬형 링크부들을 고정시키되 일정 각도만큼 회전이 가능하도록 배치되는 손목 회전부;
   상기 손목 회전부에 연결되는 손잡이부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 외골격 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 손잡이부는
   착용자의 압력을 검출하여 상기 각 관절들의 운동을 제어하기 위한 센서 신호를 생성하는 센서들이 배치되는 것을 특징으로 하는 근력 보조 외골격 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 손목 회전부의 일측으로부터 신장되는 도구 지지부 및 상기 도구 지지부의 끝단에서 일정 방향으로 형성되어 다양한 도구들과 결합되는 도구 연결부를 포함하는 도구 결합부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 외골격 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 어깨 직렬형 기구는
   등 관절부와 어깨 전후방 관절부 및 어깨 좌우방 관절부들의 운동축이 되는 어깨 관절 중심점을 기준으로 3자유도 운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 외골격 장치.

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