KR20160120835A

KR20160120835A - 근력 보조 장치

Info

Publication number: KR20160120835A
Application number: KR1020150049627A
Authority: KR
Inventors: 신완재
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-04-08
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2016-10-19
Also published as: KR101693976B1

Abstract

관절부를 포함한 착용자의 신체부에 설치되는 근력 보조 장치에 있어서, 관절부의 움직임에 따라 신장 또는 수축되어 관절부의 움직임에 보조력을 제공하는 적어도 하나 이상의 탄성부; 탄성부와 탄성부 또는 탄성부와 신체부를 연결한 와이어부; 및 신체부에 마련되고 와이어부를 홀딩 또는 릴리즈 시킴에 따라 탄성부의 변화에 따른 와이어부의 이동을 제한하는 홀딩부;를 포함하는 근력 보조 장치가 소개된다.

Description

근력 보조 장치{APPARATUS FOR ASSISTING MUSCLE STRENGTH}

본 발명은 근력 보조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 착용자의 관절 운동에 대해 보조력을 제공하는 근력 보조 장치에 관한 것이다.

많은 종류의 작업 장비들이 개발되어 왔음에도 불구하고 다양한 산업 현장에서 여전히 사람이 직접 작업해야만 하는 업무 또는 사람이 작업할 때 효율이 증대되는 업무가 존재한다.

하지만 이러한 작업에는 때로 사람의 신체적 한계를 넘어서는 신체 능력을 요구하는 경우가 발생될 수 있으며, 이 경우 다수의 사람이 함께 공동 작업을 수행하거나 또는 소수의 사람들이 자신의 능력을 넘어서 작업을 수행하게 되는 바, 작업의 효율성이 떨어지고 작업자의 신체 상해가 발생될 수 있는 위험성이 항상 존재한다.

이를 해결하기 위해 작업자가 직접 착용할 수 있으면서 작업자의 움직임에 보조력을 더하는 착용식 로봇이 개발되어 왔는데, 종래의 착용식 로봇의 경우 상지 또는 하지를 따라 다수개의 금속성 링크들이 연결되고 각각의 링크 관절부에 구동 모터가 설치되어 착용자의 움직임에 대해 보조력을 제공할 수 있는 형태로 이루어져 있었다.

하지만 이러한 형태의 착용식 로봇은 구동 모터를 이용하여야만 하는 이유로 이를 구동하기 위한 고용량 배터리를 상시 별도로 착용하고 다녀야 하여왔으며 이는 작업 하중의 증가로 이어져 작업자의 작업 피로도를 증가시키는 요인으로 작용하여 왔던 문제가 있었다. 또한 구동 모터의 고장시에는 보조력 제공이 불가능 하게 되는 문제점 또한 있어왔던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR10-2012-0104742A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 구동 모터를 이용한 능동적 구동 외에도 수동적 보조력 발생을 가능하게 하는 근력 보조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근력 보조 장치는 관절부를 포함한 착용자의 신체부에 설치되는 근력 보조 장치에 있어서, 관절부의 움직임에 따라 신장 또는 수축되어 관절부의 움직임에 보조력을 제공하는 적어도 하나 이상의 탄성부; 탄성부와 탄성부 또는 탄성부와 신체부를 연결한 와이어부; 및 신체부에 마련되고 와이어부를 홀딩 또는 릴리즈 시킴에 따라 탄성부의 변화에 따른 와이어부의 이동을 제한하는 홀딩부;를 포함한다.

탄성부는 복수개 마련되고, 와이어부는 양단부가 각각 탄성부 또는 신체부에 결합된 고정 와이어 및 탄성부와 탄성부를 연결하는 연결 와이어를 포함한다.

신체부는 관절을 매개로 연결된 복수개의 파트들을 포함하고, 탄성부 및 홀딩부는 각 파트 마다 마련될 수 있다.

각 와이어부에 마련되고 와이어부의 이동에 따라 홀딩부와 결합되어 와이어의 움직임을 제한하는 걸림부가 더 마련될 수 있다.

홀딩부는 내부에 중공이 형성되고, 와이어부는 홀딩부를 관통하며, 걸림부는 홀딩부 내부에 위치되어 와이어부의 이동에 따라 함께 이동하고, 설정된 지점에서 홀딩부와 걸림 결합하여 와이어부의 이동을 제한할 수 있다.

홀딩부의 양단부에는 와이어부가 관통 하는 통공이 각각 마련되고, 통공의 면적은 각각 걸림부의 단면적보다 작게 형성되어 걸림부의 이동을 제한할 수 있다.

홀딩부와 걸림부는 복수개 마련되고, 각 걸림부는 대응되는 홀딩부 내부에서 서로 다른 이동 가능 길이를 가질 수 있다.

착용자의 신체부를 따라 다수개의 링크가 서로 회전 가능하게 결합된 링크부;를 더 포함하고, 링크부는 착용자의 신체부에 고정되며, 홀딩부는 링크부에 결합될 수 있다.

서로 연결된 링크와 링크의 회전각 변화 또는 토크 변화를 검출하는 센싱부; 링크부의 회전 결합 지점에 마련되어 상호 연결된 링크를 회전시키는 구동부; 및 검출된 회전각 또는 토크값에 따라 구동부를 구동시켜 신체부의 관절 운동에 보조력을 제공하도록 하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

착용자의 상지 또는 하지를 따라 다수개의 링크가 서로 회전 가능하게 결합된 링크부; 링크부의 움직임에 따라 신장 또는 수축되어 링크부의 움직임에 보조력을 제공하는 적어도 하나 이상의 탄성부; 링크부를 따라 마련되고, 탄성부와 탄성부 또는 탄성부와 링크부를 연결한 와이어부; 및

링크부에 마련되고 와이어부를 홀딩 또는 릴리즈 시킴에 따라 탄성부의 변화에 따른 와이어부의 이동을 제어하는 홀딩부;를 포함할 수 있다.

와이어부에는 자성체와 결합 가능한 걸림부가 형성되고, 상기 홀딩부는 와이어의 이동에 따라 걸림부와 접합 가능하도록 전자석을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 근력 보조 장치에 따르면, 구동 모터가 구비되지 않아도 착용자에게 보조력 제공이 가능하게 되어 생산시의 비용과 무게 절감 및 수명 연장 내지는 작업 안정성의 향상 등을 발생시킬 수 있다.

또한 근력 보조 장치의 과도한 무게 증가를 방지하여 작업자의 피로도를 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근력 보조 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀딩부의 실시예를 도시한 도면.
도 3은 착좌 상태일 경우의 탄성부와 홀딩부 및 와이어부의 관계를 도식적으로 도시한 도면

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 근력 보조 장치에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근력 보조 장치의 구성도로서, 도 1(a)는 착용자의 관절부에 변위 발생 전 상태이고 도 1(b)는 착용자의 관절부에 변위가 발생된 상태를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 관절부를 포함한 착용자의 신체부에 설치되는 근력 보조 장치에 있어서, 관절부의 움직임에 따라 신장 또는 수축되어 관절부의 움직임에 보조력을 제공하는 적어도 하나 이상의 탄성부(100); 탄성부(100)와 탄성부(100) 또는 탄성부(100)와 신체부를 연결한 와이어부(200); 신체부에 마련되고 와이어부(200)를 홀딩 또는 릴리즈 시킴에 따라 탄성부(100)의 변화에 따른 와이어부(200)의 이동을 제어하는 홀딩부(300);를 포함한다.

본 일 실시예에 따른 근력 보조 장치는 착용식 근력 보조 장치가 됨이 바람직하며, 상기 신체부는 바람직하게는 하지 또는 상지가 해당될 수 있으나 관절부가 포함된 착용자의 신체 어디라도 해당될 수 있다. 여기서 상지 또는 하지는 팔 끝에서 어깨 관절까지 모두 포함할 수 있으며, 하지는 허리에서 발 끝까지 포함될 수 있다.

또한, 본 일 실시예에 따른 근력 보조 장치는 상기 신체부에 별도의 고정 가능한 결합 수단을 이용하여 일체로 결합될 수 있으며, 상기 결합 수단으로는 착용자의 신체를 감싸며 결합될 수 있는 밴드, 스트랩, 또는 신체부를 감싼 뒤 상호 체결되는 프레임 등 다양한 형태의 결합 수단들이 사용될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 근력 보조 장치가 착용자의 하지에 설치된 것을 도시한 도면으로서, 상기 홀딩부(300)는 착용자의 하지에 결합 수단을 이용하여 결합될 수 있다. 여기서 상기 홀딩부(300)는 착용자의 신체부에 밴드 또는 스트랩등을 이용해 직접적으로 체결될 수도 있으나, 바람직하게는 착용자 신체부의 길이를 따라 고정되고 다수개의 링크가 서로 회전 가능하게 결합된 링크부(400)를 더 포함하면서 상기 홀딩부(300)가 링크부(400)에 결합될 수도 있다.

상기 링크부(400)는 신체부에 밴드 또는 스트랩 등 별도의 결합 수단을 이용해 고정될 수 있고, 각 링크간의 회전 결합 지점이 신체부의 관절부에 대응되게 위치되어 관절부의 회전시 함께 회전되도록 이루어짐이 바람직하다.

한편, 상기 탄성부(100)는 외력에 따라 신장 또는 압축되는 탄성체, 바람직하게는 외력에 의해 신장되면 압축 복원력을 제공하는 스프링이 될 수 있다. 물론, 반드시 여기에 한정되는 것은 아니며 공압 또는 유압 피스톤을 이용하여 신장 또는 압축을 수행할 수도 있고, 이 외에도 다양한 형태의 탄성수단들이 사용될 수 있다.

또한, 탄성부(100)는 복수개 마련될 수 있는데, 신체부는 관절을 매개로 연결된 복수개의 파트들, 예컨데 하지의 경우 척추와 넙적다리 및 종아리를 포함할 수 있고, 탄성부(100) 및 홀딩부(300)는 상기한 각 파트 마다 마련됨이 바람직하다. 그리고 각 파트별로 탄성부(100)는 하나 또는 복수개 마련될 수 있고 파트별로 그 수는 서로 상이할 수 있다.

한편, 와이어부(200)는 일단부가 탄성부(100)에 결합되고 타단부가 신체부에 결합된 고정 와이어(200a) 및 양단부가 서로 이웃한 한 쌍의 탄성부(100)에 각각 결합되어 탄성부(100)와 탄성부(100)를 연결하는 연결 와이어(200b)를 포함할 수 있다.

상기 고정 와이어(200a)는 복수개 마련되어 각각의 타단부가 신체부 길이의 양 끝단부, 예컨데 하지의 경우 척추와 발등 또는 종아리 등에 고정될 수 있으며, 따라서 신체부의 길이를 따라 고정 와이어(200a)-탄성부(100)-연결 와이어(200b)-탄성부(100)-고정 와이어(200a)의 순으로 순차적으로 결합되도록 함이 바람직하다.

또한, 신체부의 관절부에는 와이어부(200)가 걸려 이동할 수 있도록 풀리(500)가 마련됨이 바람직하다. 상기 풀리(500)는 상기한 결합 수단들을 통해 별도로 신체부에 직접 결합될 수도 있고, 또는 상기한 링크부(400)의 회전 결합 지점에 함께 결합되어 와이어부(200)의 이동경로를 가이드 할 수 있다.

상기한 풀리(500)의 구비를 통해 도 1(b)와 같이 착용자의 자세가 착좌 자세처럼 와이어부(200)와 탄성부(100)의 전체 길이 신장을 요구하는 형태로 변화되는 경우 와이어부(200)의 당김에 의해 탄성부(100)가 신장될 수 있으며, 이에 따라 탄성부(100)의 압축 복원력에 의해 착용자의 자세가 원복함에 대한 보조력이 발생될 수 있다.

한편, 각 와이어부(200)에는 와이어부(200)의 이동에 따라 홀딩부(300)와 결합되어 와이어의 움직임을 제한하는 걸림부(310)가 더 마련될 수 있는데, 상기 걸림부(310)의 형태로는 다양한 실시예가 가능하다.

우선 도 2는 걸림부(310)와 홀딩부(300)의 다양한 실시예를 도시한 도면으로서, 상기 걸림부(310)는 볼 형태의 블록으로 이루어져 와이어부(200)에 고정되고, 홀딩부(300)는 내부에 중공이 형성된 하우징 형태가 될 수 있으며, 와이어부(200)는 홀딩부를 관통하고, 걸림부(310)는 홀딩부(300) 내부의 중공에 위치되어 와이어부(200)의 이동에 따라 중공 내에서 함께 이동하고, 설정된 지점에서 홀딩부(300)와 걸림 결합하여 와이어부(200)의 이동을 제한하도록 이루어질 수 있다. 상기 설정된 지점은 설계자의 의도에 따라 다양하게 정해질 수 있으나, 바람직하게는 홀딩부(300)의 양 끝단이 될 수 있다.

상기 걸림부(310)는 볼 형태가 아니더라도 걸림 돌기, 구조체 등 다양한 형태를 가질 수 있으며 홀딩부(300) 내부 중공에는 걸림부(310) 보다 단면적 또는 직경이 더 작은 홀이 형성된 패널 또는 걸림부(310)와 체결되는 걸림 수단이 마련되어 걸림부(310)의 이동을 방해할 수 있다. 바람직하게는 홀딩부(300)의 양단부에 와이어부(200)가 관통 하는 통공이 각각 마련되고, 통공의 면적 또는 직경이 각각 걸림부(310)의 단면적 또는 직경보다 작게 형성되어 걸림부(310)의 이동을 제한하도록 할 수 있다.

이에 대해 도 2(a) 내지 도 2(e)는 상기 홀딩부(300)의 다양한 실시예를 도식적으로 나타낸 도면들로서, 홀딩부(300)는 도 2(a)와 같이 원통형 형상으로 이루어 지거나, 도 2(b) 내지 도 2(c)와 같이 다양한 길이를 가지고 양단부가 점진적으로 좁아지는 형상으로 이루질 수도 있으며, 도 2(d)와 같이 양단부가 완곡한 형상을 이룰 수도 있다. 또한 상기 홀딩부(300)는 도 2(a) 내지 도 2(d)와 같이 탄성부(100)가 홀딩부(300)의 외부에 위치할 수도 있으나 도 2(e)와 같이 걸림부(310)와 탄성부(100)가 모두 홀딩부(300) 내부에 위치할 수도 있다. 또한, 상기 걸림부(310)는 복수개 마련되어 탄성부(100)의 신장에 따라 홀딩부(300)의 양단부에 형성된 통공에 각각 걸릴 수 있도록 할 수도 있다.

또한, 상기 걸림부(310)와 홀딩부(300)의 또 다른 실시예로서, 걸림부(310)는 자성체와 결합 가능한 소재를 포함하고, 상기 홀딩부(300)는 와이어부(200)의 이동에 따라 걸림부(310)와 접합 가능하도록 전자석을 포함할 수 있다.

따라서, 탄성부(100)가 신장되면서 걸림부(310)의 위치가 이동하던 중 홀딩부(300)에 대응되게 위치되는 경우 상기 홀딩부(300)와 걸림부(310)가 자성 접합되어 와이어부(200)의 이동이 제한될 수 있는 것이다.

전술한 형태 외에도 상기 걸림부(310)와 홀딩부(300)는 다양한 형태로 구현될 수 있다.

상기한 바와 같이, 홀딩부(300)는 걸림부(310)와의 결합을 통해 걸림부(310)가 결합된 와이어의 움직임을 제한하며, 이로써 다수개의 탄성부(100)가 모두 균일한 변위를 가지지 않고 서로 다른 변위를 가지도록 할 수 있으며, 탄성부(100)가 위치한 지점에 상대적으로 더 많은 또는 더 적은 탄성 복원력을 부여하여 관절부 마다 서로 다른 크기의 보조력을 받도록 할 수 있다. 또한 복수개의 홀딩부(300)의 길이 또는 홀딩부(300)와 걸림부(310) 사이의 결합 지점을 서로 다르게 하여 각 걸림부(310)가 대응되는 홀딩부(300) 내부에서 서로 다른 이동 가능 길이를 가지도록 하여 탄성부(100)의 신장 범위를 서로 다르게 설정할 수 있다.

예를 들어, 도 3은 착좌 상태일 경우의 탄성부(100)와 홀딩부(300) 및 와이어부(200)의 관계를 도식적으로 도시한 도면으로써, 탄성부(100)의 탄성계수는 모두 동일하고 홀딩부(300)의 길이는 제1홀딩부(300a)가 제2홀딩부(300b) 및 제3홀딩부(300c) 보다 클 때, 착용자의 착좌시 탄성부(100)가 모두 신장되되, 제2홀딩부(300b) 및 제3홀딩부(300c)에서 걸림부(310)의 걸림으로 인해 록킹이 먼저 발생되며 이 경우 제2홀딩부(300b)와 제3홀딩부(300c)에 대응되는 제2탄성부(100b)와 제3탄성부(100c)의 신장은 더 이상 발생되지 않는다. 이후 추가적인 신장분에 대해서는 제1홀딩부(300a)의 걸림부(310)가 제1홀딩부(300a) 내부를 이동하면서 제1탄성부(100a)를 신장시키게 되는 것이며, 이로 인해 제1홀딩부(300a)에 대응되는 관절부에 작용되는 보조력은 제2홀딩부(300b) 및 제3홀딩부(300c)에 작용되는 보조력 보다 큰 보조력이 인가되는 것이다.

만약, 상기 제1탄성부(100a)에 결합된 고정 와이어(200a)가 발목 측에 결합된 경우라면, 착용자의 착좌시 제1탄성부(100a)의 변위가 가장 크게 발생되며 이때 제1탄성부(100a)와 제2탄성부(100b) 사이를 잇는 연결 와이어(200b)에 가장 큰 복원력이 걸리게 되어 연결 와이어(200b)가 복원력을 가하는 무릎 관절부에 가장 큰 복원력이 가해지게 될 수 있는 것이다.

각 탄성부(100)의 탄성계수와 홀딩부(300)의 길이는 다양한 설정이 가능하며, 필요에 따라 실험 및 설계자의 의도에 따라 설정될 수 있다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 근력 보조 장치는 신체부의 길이를 따라 다수개의 링크로 이루어진 링크부(400)가 설치될 수 있으며, 서로 연결된 링크와 링크의 회전각 변화 또는 토크 변화를 검출하는 센싱부(미도시); 링크부(400)의 회전 결합 지점에 마련되어 상호 연결된 링크를 회전시키는 구동부(미도시); 및 검출된 회전각 또는 토크값에 따라 구동부를 구동시켜 신체부의 관절 운동에 보조력을 제공하도록 하는 제어부(600);를 더 포함할 수 있다.

상기 센싱부는 회전각 센서 및 토크 센서가 될 수 있으며, 구동부는 링크를 회전시키는 모터가 될 수 있고, 상기 제어부(600)는 탄성부(100)의 보조력이 충분하지 않다고 판단되거나 추가적인 구동력이 필요하다고 판단되는 경우, 또는 능동적인 구동이 필요하다고 판단되는 상황 등 미리 설정된 다양한 상황에 대해 구동부를 구동시켜 적절한 구동력을 제공할 수 있다.

또한 구동 모터를 구비한 경우라 할지라도 배터리, 모터의 크기를 소형화 할 수 있어 근력 보조 장치의 과도한 무게 증가를 방지하여 작업자의 피로도를 감소시킬 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 탄성부 200 : 와이어부
300 : 홀딩부 400 : 링크부
500 : 풀리 600 : 제어부

Claims

관절부를 포함한 착용자의 신체부에 설치되는 근력 보조 장치에 있어서,
관절부의 움직임에 따라 신장 또는 수축되어 관절부의 움직임에 보조력을 제공하는 적어도 하나 이상의 탄성부;
탄성부와 탄성부 또는 탄성부와 신체부를 연결한 와이어부; 및
신체부에 마련되고 와이어부를 홀딩 또는 릴리즈 시킴에 따라 탄성부의 변화에 따른 와이어부의 이동을 제한하는 홀딩부;를 포함하는 근력 보조 장치.
청구항 1에 있어서,
탄성부는 복수개 마련되고, 와이어부는 양단부가 각각 탄성부 또는 신체부에 결합된 고정 와이어 및 탄성부와 탄성부를 연결하는 연결 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 장치.
청구항 1에 있어서
신체부는 관절을 매개로 연결된 복수개의 파트들을 포함하고, 탄성부 및 홀딩부는 각 파트 마다 마련된 것을 특징으로 하는 근력 보조 장치.
청구항 1에 있어서
각 와이어부에 마련되고 와이어부의 이동에 따라 홀딩부와 결합되어 와이어의 움직임을 제한하는 걸림부가 더 마련된 것을 특징으로 하는 근력 보조 장치.
청구항 4에 있어서
홀딩부는 내부에 중공이 형성되고, 와이어부는 홀딩부를 관통하며, 걸림부는 홀딩부 내부에 위치되어 와이어부의 이동에 따라 함께 이동하고, 설정된 지점에서 홀딩부와 걸림 결합하여 와이어부의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 장치.
청구항 5에 있어서
홀딩부의 양단부에는 와이어부가 관통 하는 통공이 각각 마련되고, 통공의 면적은 각각 걸림부의 단면적보다 작게 형성되어 걸림부의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 장치.
청구항 5에 있어서
홀딩부와 걸림부는 복수개 마련되고, 각 걸림부는 대응되는 홀딩부 내부에서 서로 다른 이동 가능 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 근력 보조 장치.
청구항 1에 있어서
착용자의 신체부를 따라 다수개의 링크가 서로 회전 가능하게 결합된 링크부;를 더 포함하고, 링크부는 착용자의 신체부에 고정되며, 홀딩부는 링크부에 결합된 것을 특징으로 하는 근력 보조 장치.
청구항 8에 있어서
서로 연결된 링크와 링크의 회전각 변화 또는 토크 변화를 검출하는 센싱부; 링크부의 회전 결합 지점에 마련되어 상호 연결된 링크를 회전시키는 구동부; 및 검출된 회전각 또는 토크값에 따라 구동부를 구동시켜 신체부의 관절 운동에 보조력을 제공하도록 하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 장치.
착용자의 상지 또는 하지를 따라 다수개의 링크가 서로 회전 가능하게 결합된 링크부;
링크부의 움직임에 따라 신장 또는 수축되어 링크부의 움직임에 보조력을 제공하는 적어도 하나 이상의 탄성부;
링크부를 따라 마련되고, 탄성부와 탄성부 또는 탄성부와 링크부를 연결한 와이어부;
링크부에 마련되고 와이어부를 홀딩 또는 릴리즈 시킴에 따라 탄성부의 변화에 따른 와이어부의 이동을 제어하는 홀딩부;를 포함하는 근력 보조 장치.
청구항 10에 있어서
와이어부에는 자성체와 결합 가능한 걸림부가 형성되고, 상기 홀딩부는 와이어의 이동에 따라 걸림부와 접합 가능하도록 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 근력 보조 장치.