KR20170017575A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20170017575A
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Abstract

일 실시예에 따른 배터리 팩은, 케이스; 상기 케이스 내에 수용되고, 상기 케이스에 대하여 상대적으로 이동가능한 배터리; 상기 배터리 상에 고정되고 발전 축을 포함하는 발전기; 및 상기 발전 축에 연결되는 회전부재를 포함하고, 상기 배터리가 이동할 때, 상기 회전부재는 상기 발전 축이 회전하도록 토크를 작용할 수 있다.

Description

배터리 팩{A BATTERY PACK}
아래의 설명은 구동 모듈 및 이를 포함하는 운동 보조 장치에 관한 것이다.
최근 고령화 사회가 심화됨에 따라서 관절에 문제가 있어서 이에 대한 고통과 불편을 호소하는 사람들이 증가하고 있으며, 관절이 불편한 노인이나 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 운동 보조 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 군사용 등의 목적으로 인체의 근력을 강화시키기 위한 운동 보조 장치들이 개발되고 있다.
예를 들어, 운동 보조 장치는, 사용자의 몸통에 장착되는 몸체 프레임과, 몸체 프레임의 하측에 결합되어 사용자의 골반을 감싸는 골반 프레임과, 사용자의 대퇴부 및 종아리, 발 부위에 장착되는 대퇴부 프레임, 종아리 프레임, 발 프레임으로 구성된다. 골반 프레임과 대퇴부 프레임은 고관절부에 의해 회전 가능하도록 연결되고, 대퇴부 프레임과 종아리 프레임은 무릎 관절부에 의해 회전 가능하도록 연결되며, 종아리 프레임과 발 프레임은 발목 관절부에 의해 회전 가능하도록 연결된다.
운동 보조 장치는, 장치 구동중에는, 외부 동력에 의하여 지원 받는 것이 아니라, 자체적인 배터리를 이용할 수 있다. 사용자가 움직이는 동안에는 운동에 필요한 움직임 이외에 다양한 부수적인 동작이 동반 되며, 이러한 동작을 이용하여 배터리를 충전 할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 팩은, 케이스; 상기 케이스 내에 수용되고, 상기 케이스에 대하여 상대적으로 이동가능한 배터리; 상기 배터리 상에 고정되고 발전 축을 포함하는 발전기; 및 상기 발전 축에 연결되는 회전부재를 포함하고, 상기 배터리가 이동할 때, 상기 회전부재는 상기 발전 축이 회전하도록 토크를 작용할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 회전부재는, 일 단이 상기 발전 축과 연결되고 타 단은 상기 발전 축 의 중심으로부터 이격되는 연결체; 및 상기 연결체의 타 단 및 상기 케이스에 연결되는 탄성체를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 연결체는, 상기 발전 축의 중심으로부터 상기 발전 축을 감으면서 연장되는 토션 스프링이 될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 탄성체는 복수 개로 제공되며, 상기 복수 개의 탄성체는, 상기 연결체의 타 단을 기준으로 방사상으로 배치될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 탄성체는 복수 개로 제공되며, 상기 복수 개의 탄성체 중 적어도 하나 이상의 탄성체는 나머지 탄성체와 서로 다른 탄성 계수를 가질 수 있다.
일측에 따르면, 상기 탄성체는 네 개의 코일 스프링으로 제공되며, 상기 네 개의 코일 스프링은 평형 상태에서 상기 연결체의 타 단을 기준으로 서로 직교 할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 케이스는 상기 배터리가 상기 발전 축 방향으로 이동하지 않도록 상기 배터리를 지지하는 지지부재를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지부재는 상기 발전기를 둘러싸고, 상기 발전기는 상기 지지부재 내에서 상대적으로 이동가능할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 배터리의 일 면은 상기 케이스와 접촉하고, 상기 배터리의 타 면은 상기 지지부재와 접촉할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 배터리 및 상기 지지부재 사이에 구비되어, 상기 배터리가 발전 축 방향에 수직한 평면 상에서 이동될 때 발생되는 마찰력을 감소시키는 제 1 베어링을 더 포함하는; 및 상기 케이스 및 상기 배터리 사이에 구비되는 제 2 베어링을 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 발전 축 및 상기 지지부재 사이에 구비되어, 상기 발전 축이 상기 지지부재와 접촉 할 때 발생되는 마찰력을 감소시키는 제 3 베어링을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 마주보는 두 개의 평면을 포함하는 케이스; 상기 두 개의 평면 중 하나의 고정되고, 발전 축을 포함하는 발전기; 상기 발전기가 고정되는 평면과 다른 평면 상에 배치되고, 상기 케이스에 대하여 상대적으로 이동가능한 배터리; 상기 발전기 축의 중심과 상기 중심으로부터 벗어난 위치에서 상기 배터리를 연결하는 연결체; 상기 케이스와 상기 발전기 사이를 연결하는 탄성체를 포함하고, 상기 배터리가 이동할 때, 상기 연결체는 상기 발전 축이 회전하도록 토크를 작용할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 배터리의 일 면에 접하여 상기 배터리의 상기 발전 축 방향의 움직임을 제한하는 지지부재를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 배터리 및 상기 지지부재 사이에 구비되어, 상기 배터리와 상기 지지부재 사이의 마찰력을 감소시키는 제 1 베어링을 더 포함하는; 및 상기 케이스의 평면과 상기 배터리 사이에 구비되는 제 2 베어링을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 운동 보조 장치는, 케이스 내부에 이동 가능하게 삽입되는 배터리와, 상기 배터리에 고정되며 발전 축을 포함하는 발전기와, 상기 발전 축 및 상기 케이스를 연결하는 회전부재를 포함하는 배터리 팩; 상기 배터리 팩에 의하여 전원이 공급되는 구동 모듈; 상기 구동 모듈이 고정되고, 사용자에 고정되는 고정 모듈; 및 상기 사용자의 신체의 일 부분을 지지하며, 상기 구동 모듈에 의해 구동되는 지지 모듈을 포함하고, 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 운동에 따라 상기 배터리가 이동하면, 상기 회전 부재는 상기 발전 축이 회전하도록 토크를 작용할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 회전부재는, 일 단이 상기 발전 축과 연결되고 타 단은 상기 발전 축의 중심으로부터 이격되는 토션 스프링; 및 상기 연결체의 타 단 및 상기 케이스에 연결되는 적어도 하나의 코일 스프링을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 케이스는 상기 배터리가 상기 발전 축 방향으로 이동하지 않도록, 상기 배터리의 일 면과 접촉하여 상기 배터리를 지지하는 지지부재를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 코일 스프링은 복수 개로 제공되며, 적어도 하나 이상의 코일 스프링은 나머지 코일 스프링과 서로 다른 탄성 계수를 가지고, 상기 복수 개의 코일 스프링이 작용하는 합력은, 상기 발전 축에 평행한 방향과 다른 방향으로 작용할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 배면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리팩의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리팩의 회전축 부분을 확대한 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리팩의 회전부재를 위에서 바라본 모습을 나타낸 상면도이다.
도 5은 일 실시예에 따른 배터리팩의 제1 및 제2베어링의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6는 일 실시예에 따른 배터리팩이 위로 이동할 때의 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 배터리팩이 아래로 이동할 때의 모습을 나타낸 도면이다.
도 8는 다른 실시예 따른 배터리팩의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 배면도이다. 도 1을 참조하면, 운동 보조 장치(1)는, 사용자에 착용되어 사용자의 운동을 보조할 수 있다.
사용자는 사람, 동물 또는 로봇 등일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다. 또한, 도 1은 운동 보조 장치(1)가, 사용자의 허벅지의 운동을 보조하는 경우에 대하여 도시하고 있으나, 운동 보조 장치(1)는, 사용자의 손, 상박, 하박 등 상체의 다른 부분이나, 발, 종아리 등의 하체의 다른 부위를 보조하는 것도 가능하다. 다시 말하면, 운동 보조 장치(1)는, 사용자의 일 부분의 운동을 보조할 수 있다.
운동 보조 장치(1)는, 고정 모듈(30), 지지 모듈(40), 구동 모듈(20) 및 구동 모듈(20)에 전원을 공급하기 위한 배터리팩(100)를 포함할 수 있다. 구동 모듈(20)은, 운동 보조 장치의 관절을 구동시키기 위하여 사용자의 고관절(Hip joint)에 위치할 수 있다. 두 개의 구동 모듈(20)는 각각 좌측 및 우측의 고관절에 배치되어, 좌측 및 우측 각각의 회전 운동을 보조할 수 있다.
고정 모듈(30)은, 사용자에 고정될 수 있다. 고정 모듈(30)은, 사용자의 외면의 적어도 일부에 접촉할 수 있고, 사용자의 외면을 따라서 감싸는 형상일 수 있다. 다시 말하면, 고정 모듈(30)은, 사용자에 접촉하는 만곡면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고정 모듈(30)은, 사용자의 허리의 일측에 고정될 수 있다.
지지 모듈(40)은 지지 프레임(46)을 더 포함할 수 있다. 결합 부재(160)와 결합되는 지지 프레임(46)은 구동 모듈(20)에 의하여 회전되는 결합 부재(160)의 회전 방향에 따라서 회동될 수 있다. 지지 모듈(40)은, 지지 프레임(46)으로부터 연결되는 가압 부재(48)와, 지지 부재(49)를 포함할 수 있다.
가압 부재(48)는, 지지 프레임(46)의 일측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 가압 부재(48)는, 사용자의 다리의 일측에 배치되어, 사용자의 허벅지를 밀거나, 당길 수 있다. 예를 들어, 가압 부재(48)는, 사용자의 허벅지의 전면에 배치될 수 있다.
지지 부재(49)는, 가압 부재(48)의 일측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 지지 부재(49)는, 사용자의 허벅지의 적어도 일부의 둘레를 감싸도록 배치되어, 사용자의 허벅지가 지지 프레임(44)으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 지지 부재(49)는, 사용자의 허벅지를 기준으로 가압 부재(48)의 반대측에 배치될 수 있다.
구동 모듈(20)로부터 발생된 토크는 결합 부재(160)를 통해 지지 모듈(40)로 전달되며, 지지 모듈(40)을 통해 전달되는 토크는 가압부재(46)를 통해 사용자의 허벅지를 들어올려서, 사용자의 운동을 보조할 수 있다.
배터리 팩(100)은 등, 허리, 다리, 등 다양한 곳에 배치될 수 있다. 허리에 착용하는 운동 보조 장치의 경우 배터리 팩(100)은 허리에 위치하게 될 수 있다. 허리는 등과 달리 보행시 상하로 움직이고 더불어 중심 이동을 위해서 좌우 움직임, 롤(roll) 방향 회전 움직임이 크게 일어나므로 에너지 하베스팅(energy harvesting)의 정도를 증가시킬 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리팩(100)의 단면을 개략적으로 나타낸 다. 케이스(110)는 직육면체, 원통형, 또는 원뿔대형으로 형성될 수 있다. 케이스(110) 내부에는 케이스(110)에 대하여 상대적으로 이동가능한 배터리(120)가 수용된다.
발전기(130, G), 충전회로(170, C), 및 배터리(120, B)는 순서대로 배열된다. 배터리(110)상의 일 면에는 발전기(120), 및 발전기(120)와 배터리(110) 사이에 배치되는 충전회로(170)가 배치된다. 충전회로는(170)는 발전기(120)에서 생산된 전력으로 배터리(110)를 충전한다.
배터리(110), 충전회로(170) 및 발전기(120)는 일렬로 배열되고, 하나의 물체로 고정될 수 있다. 따라서, 배터리(110), 충전회로(170) 및 발전기(120)는 케이스(110) 내에서 하나의 물체로써 동일한 방향으로 이동할 수 있다.
발전기(120)는, 회전가능한 발전 축(132), 및 발전 축(132)이 회전할 때 전기를 생성하는 발전본체(131)를 포함할 수 있다. 발전 축(132)는 발전 본체(131)의 중앙으로부터 돌출하고, 케이스(110)의 일 면과 접촉하거나 또는 접촉하기 전 까지 연장할 수 있다.
발전 축(132)에는 회전부재(140)이 연결될 수 있고, 배터리(120) 및 발전기(130)가 이동할 때, 회전부재(140)는 상기 발전 축이 회전하도록 토크를 작용할 수 있다. 회전부재(140)는, 일 단이 발전 축(132)거 연결되고 타 단은 발전 축(132)의 중심으로부터 이격되는 연결체(142), 및 연결체(142)의 타 단 및 케이스(110)에 연결되는 탄성체(142)를 포함할 수 있다.
연결체(142)는, 발전 축(132)의 중심으로부터 발전 축(132)을 감으면서 연장되고, 탄성이 있는 토션 스프링이 될 수 있다. 또한, 탄성체(142)는 복수의 코일 스프링이 될 수 있다. 토션 스프링과 코일스프링은 하나의 접점(143)을 기준으로 서로 연결될 수 있다. 접점(143)으로부터 토션 스프링은 발전 축(132)과 연결되고, 코일 스프링은 케이스(110)과 연결될 수 있다.
케이스(110)는 배터리(110) 발전 축(132) 방향으로 이동하지 않도록 배터리(120)의 상면을 눌러서 지지하는 지지부재(150)를 포함할 수 있다. 지지부재(150)는 케이스(110)와 일체형으로 형성될 수 있고, 배터리(120)가 배치되는 쪽과 반대편에 배치될 수 있다.
배터리(120)의 하면은 케이스(110)와 접촉하고, 배터리(120)의 상면 은 지지부재(150)와 접촉할 수 있다. 지지부재(150)는 배터리(120)의 상면을 눌러서 지지부재(150)를 발전축(132)의 방향으로 이동하지 않도록, 배터리(120)의 이동을 제한할 수 있다.
지지부재(110)는 발전기(130)을 둘러쌓을 수 있도록, 컵 또는 용기와 같은 형상을 가질 수 있다. 발전기(130)는 지지부재(110)가 형성하는 공간 내에서 지지부재(110) 또는 케이스(110) 대하여 상대적으로 이동할 수 있다.
배터리(120)와 발전기(130)가 케이스(110) 내에서 이동할 때, 발전본체(131)가 지지부재(110)와 접촉하는 과정에서 발전본체(131)에 충격을 가할 수 있으므로, 발전본체(131)의 외곽을 따라 발전본체-완충재(133)가 제공될 수 있다. 또한, 배터리(120)와 발전기(130)가 케이스(110) 내에서 이동할 때, 배터리(120)와 케이스(110) 사이에 충격을 가할 수 있으므로, 배터리본체(121)의 외곽을 따라 배터리-완충재(122)가 제공될 수 있다.
배터리 팩(100)에는 세 가지의 베어링(161, 162, 163)이 제공 될 수 있다. 제1베어링(162)는 배터리(120) 상면 및 지지부재(150) 사이에 구비되어, 배터리(120)가 발전 축(132) 방향에 수직한 평면 상에서 이동될 때 발생되는 마찰력을 감소시킬 수 있다. 지지부재(150)와 배터리(120)의 하면 사이에 구비되어 마찰력을 감소시키는 제 2 베어링(161)이 제공될 수 있다. 또한, 발전 축(132)의 끝단과 지지부재(150) 사이에 구비되어, 발전 축(132)이 지지부재(150)와 접촉 할 때 발생되는 마찰력을 감소시키는 제 3 베어링(163)이 더 제공될 수 있다. 베어링 (161, 162, 163)과 관련된 자세한 설명은 도 5와 관련하여 후술한다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리팩(100)의 회전축(132)를 포함하는 부분을 확대한 단면이다. 도3에서는 회전축(132)와 지지부재(150)가 접촉하지 않는 경우를 나타낸다.
회전축(132)와 회전부재(140)는 지지부재(150)가 형성하는 빈 공간 내에 수용되어 있고, 회전축(132)와 지지부재(150) 사이에는 회전부재(140)이 제공된다.
회전부(140)는 접점(143)을 기준으로 토션 스프링 형태의 연결체(142)와 코일 스프링 형태의 복수의 탄성체(141)가 배치되고, 연결체(142)는 접점(143)과 발전 축(132) 사이에 연결된다. 탄성체(141)는 지지부재(150)의 내측면과 접점(143) 사이를 연결한다. 접점(143)과 지지부재(150)의 내측 상면에는 접점(143)이 발전 축(132) 쪽으로 과도하게 이동하는 것을 방지하기 위하여 연결스프링(144)이 제공될 수 있다.
연결체(142)의 일 단은 발전 축(132)의 중심에 연결되고 타 단은 발전 축(132)의 중심으로부터 이격된 위치에 있는 접점(143)에 연결된다. 연결체(142)는 발전 축(132)의 회전 축 방향으로 나선형으로 감으면서 연장하고, 점점 지름이 커지도록 발산하는 형상을 가진다.
도 4는 배터리팩(100)의 발전축(132) 및 회전부재(140)를 위에서 바라본 모습을 나타낸다.
도 4(a)는 토션 스프링 형태의 연결체(142)가 발전 축(132)의 중심과 연결된 모습을 나타낸다. 토션 스프링 형태의 연결체(142)의 탄성 계수(Spring Constant)가 K일 때 θ위치에서 연결체(142)가 받는 토크는 τ=-Kθ가 된다.
Figure pat00001
의 관계가 성립하기 때문에 θ가 nπ/2 (n=0,1,…)인 지점에서는 τ가 발생하지 않는다.
따라서, P1과 P2를 비 대칭적으로 배치하는 것이 바람직하다. 도4(a)와 같이 단순 토션 스프링 형태의 연결체(142)을 사용하더라도 P1과 P2를 비 대칭적으로 배치하여 안정 상태(steady state)에서 θ가 nπ/2에 위치하지 않으면 배터리(120)의 직선, 회전 움직임은 토크를 발생시키고 이로 인해 발전 축(132)이 회전하여 전기가 발생할 수 있다.
도 4(b) 및 4(c)는 토션 스프링 형태의 연결체(142)가 코일 스프링 형태의 복수의 탄성체(141)와 연결된 모습을 나타낸다 연결체(142)와 복수의 탄성체(141)는 접점(143)을 기준으로 연결된다.
복수 개의 탄성체(1411, 14121, 1413, 1414)는, 점점(143)을 기준으로 방사상으로 배치될 수 있다. 접점(143)과 연결되는 탄성체(141)의 반대편 단부는 지지부재(150) 또는 케이스(110)의 내면과 연결될 수 있다.
탄성체(141)는 네 개의 코일 스프링으로 제공될 수 있고, 각각의 탄성체 (1411, 14121, 1413, 1414)는 중 적어도 하나 이상의 탄성체는 나머지 탄성체와 서로 다른 탄성 계수를 가질 수 있다. 각각의 탄성체(1411, 14121, 1413, 1414)는 평형 상태에서 접점(143)의 타 단을 기준으로 서로 직교 할 수 있다.
각각의 탄성체(1411, 14121, 1413, 1414)를 비대칭적으로 구성하는 방법을 두 가지가 있다. 도4(b)와 같이 같은 탄성계수를 가지는 코일 스프링의 길이를 다르게 하여 비대칭 형상을 만드는 방법과, 도4(c)와 같이 서로 다른 탄성계수를 가지는 코일 스프링을 배치하는 방법이다.
코일 스프링 자체의 길이를 조절하는 것은 지지부재(150) 또는 케이스(110)와 의 연결 관계상 제약이 있을 수 있으므로, 각각의 코일 스프링의 탄성계수가 달라지도록 다른 종류의 스프링을 사용하는 것이 바람직하다.
도 5은 배터리팩(100)의 제1 및 제2베어링(161, 162)의 단면을 개략적으로 나타낸다. 설명을 위하여 발전기(130)의 형상은 생략되어 있다.
도 5(a)는 배터리본체(121)에 베어링이 결합되지 않은 경우를 나타낸다. 제1 베어링(162)은 지지부재(150)의 끝단에 고정된다. 배터리본체(121)가 이동할 때, 제1 베어링(162)에 의하여 지지부재(150)와 직접적으로 접촉하지 않으므로, 배터리(120)는 원활하게 이동가능하다.
또한, 배터리본체(121)과 접촉하는 케이스(110)의 내면에는 제2 베어링(161)이 고정될 수 있다. 배터리본체(121)의 전체 하면과 케이스(110)의 내면과 접촉하게 되므로, 제2 베어링(161)이 설치되는 면적은, 배터리본체(121)가 제2 베어링(161)에 의하여 완전히 지지될 수 있도록, 배터리본체(121)의 하면보다 큰 것이 바람직하다.
제1 베어링(162) 및 제2 베어링(161)은 롤러베어링, 볼베어링, 또는 어떠한 형태의 베어링 구조이든 상관없이 가능하다.
도 5(b)는 배터리본체(121)에 베어링이 결합된 경우를 나타낸다. 배터리본체(121)의 상면에는 제1 베어링(162)이 설치될 수 있고, 배터리본체(121)의 하면에는 제2 베어링(161)이 설치될 수 있다.
배터리본체(121)의 상면에는, 도1에 도시된 발전기(130)가 배치되어야 하기 때문에, 제1 베어링(162)은 배터리본체(121)의 상면의 발전기(130)가 설치될 수 있는 공간을 남겨두고 테두리 부분에 설치되는 것이 바람직하다.
도 5(c)는, 제1 베어링(162) 및 제2 베어링(161) 대신에 윤활제를 사용하는 경우를 나타낸다. 윤활제와 베어링은 서로 동시에 사용될 수 있다. 액체 윤활제를 사용하는 경우에는 윤활제가 발전기(130)에 유입되어서 고장을 야기시킬 수 있으므로, 고체 형태의 윤활제를 사용하는 것이 바람직하다. 윤활제만을 사용하는 경우에는, 윤활제가 마르지 않도록 지속적으로 윤활제를 공급해 주는 것이 필요하다.
도 6 및 7은, 배터리 팩(100)의 상하 운동시에, 어떠한 형태로 토크가 작용하는지에 대한 과정을 개략적으로 나타낸다. 도1에 도시된 운동 보조 장치(1)를 착용한 사용자의 경우, 사용자가 허리를 들어 올릴 때는 도 6에 도시된 상황이 발생하고, 반대로 사용자가 허리를 바닥 쪽으로 낮출 때에는 도 7에 도시된 상황이 발생할 수 있다.
도 6을 참고하면, 사용자가 배터리 팩(100)을 위로 들어올리는 경우에, 관성에 의하여 발전기(130) 및 배터리(120)가 케이스(110)에 대하여 상대적으로 아래쪽으로 이동한다.
코일 스프링 형태의 복수의 탄성체(1411,1412,1413,1414)는, 이때 아래 쪽으로 끌려 내려가게 되고, 토션 스프링 형태의 연결체(142)에 의하여 발전 축(132)에 시계 방향으로의 토크를 작용한다. 또한. 시간이 지난 후에, 코일 스프링의 복원력에 의하여 코일 스프링은 다시 발전 축(132)에 대하여 반시계 방향으로 토크를 작용한다.
이렇게 토크를 작용하는 동안 발전축(132)이 회전되면서 발전기본체(131)에서 전력을 생산하고, 생산된 전력은 충전회로(170)에 의하여 배터리(120)에 저장된다.
도 7을 참고하면, 사용자가 배터리 팩(100)을 아래로 내리는 경우에, 관성에 의하여 발전기(130)와 배터리(120)가 케이스(110)에 대하여 상대적으로 위쪽으로 이동한다.
코일 스프링 형태의 복수의 탄성체(1411,1412,1413,1414)는, 이때 위 쪽으로 끌려 내려가게 되고, 토션 스프링 형태의 연결체(142)에 의하여 발전 축(132)에 반시계 방향으로의 토크를 작용한다. 또한. 시간이 지난 후에, 코일 스프링의 복원력에 의하여 코일 스프링은 다시 발전 축(132)에 대하여 시계 방향으로 토크를 작용한다.
도8는 다른 실시예에 따른 배터리 팩(200)의 개략적인 단면을 나타낸다. 배터리 팩(200)은 발전기(230)과 배터리(260)이 이격되어 있다.
배터리 팩(200)은 마주보는 두 개의 평면을 포함하는 케이스(210) 케이스(210)의 두 개의 평면(211, 212) 중 하나(211)의 고정되고, 발전 축(232)을 포함하는 발전기(220), 발전기(230)가 고정되는 평면(211)과 다른 평면(212) 상에 배치되고, 케이스(210)에 대하여 상대적으로 이동가능한 배터리(260), 발전기 축(232)의 중심과 중심으로부터 벗어난 위치에서 배터리(13를 연결하는 연결체(242), 케이스(210)와 상기 배터리(262) 사이를 연결하는 탄성체(241)를 포함하고, 배터리(260)가 이동할 때, 연결체(242)는 발전 축(232)이 회전하도록 토크를 작용할 수 있다.
발전축(232)과 배터리(260) 사이는 토션 스프링 형태의 연결체(242)로 연결될 수 있다. 연결체(242)의 일 단은 발전 축(232)의 중심에 연결되고, 연결체(242)의 타 단은 발전 축(232)의 중심에서 벗어난 위치에서 배터리(26)의 일 면에 연결될 수 있다.
배터리(260)의 측면에는 복수 개의 코일 스프링 형태의 탄성체(241)가 제공될 수 있다. 탄성체(241)은 케이스(210)의 내측면과 배터리(260) 사이를 연결할 수 있다.
배터리(260)의 발전 축(232) 방향 움직임을 제한하기 위하여, 배터리(260)의 상면 또는 하면에 접하고 배터리(260)의 발전 축(232) 방향의 움직임을 제한하는 제1 지지부재(251)가 제공될 수 있다. 제1 지지부재(251)는 케이스(210)의 내측 면에 고정될 수 있고, 발전축(232)이 통과할 수 있도록 중앙에 구멍이 있는 판 형태로 형성될 수 있다.
또한, 배터리(260)를 사이에 두고, 제1 지지부재(251)의 반대 편 면에는 제2 지지부재(252)가 제공될 수 있다. 제2 지지부재(252)는 배터리(260)와 발전기(230) 사이의 간격을 조절할 수 있다.
배터리(26) 및 상기 제1 지지부재(251) 사이에는 배터리(260)와 제1 지지부재(251) 사이의 마찰력을 감소시키는 제 1 베어링(262)이 제공될 수 있고, 케이스(210)의 평면(252)과 배터리(260) 사이의 마찰력을 감소시키기 위한 제 2 베어링(261)이 제공될 수 있다. 케이스(210)의 평면(252)과 배터리(262)과 제2 지지부재(252)가 직접 접촉하는 경우에는 제 2 베어링(261)은 배터리(260)와 제2 지지부재(252) 사이의 마찰력을 감소시킨다.
배터리(260)의 일 면과 연결체(242) 사이에는 충전회로(270)가 배치될 수 있다. 발전축(242)와 배터리(262) 사이는 도전성의 연결체(242)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 충전회로(270)는 발전기(230)에서 생산된 전력으로 배터리(260)를 충전한다.
발전기(230)는 고정되어 있으므로, 케이스(210) 내에서 배터리(260) 가 발전기(230)에 대하여 상대적으로 이동할 수 있다. 배터리 팩(200)이 움직일 때, 배터리(260)는 흔들리게 되고, 이러한 움직임은 연결체(242)에 의하여 발전기(230)의 발전축(232)에 토크를 발생시킨다. 이때, 탄성체(241)는 배터리(260)가 한쪽으로 치우쳐서 움직임을 멈추지 않도록 복원력을 제공할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
앞서 설명한 바와 같이, 에너지 하베스팅 기능을 갖춘 배터리 팩(100, 200)을 사용하는 경우 보행 보조 장치(10)의 사용 시간을 늘려 사용자가 충전을 위해 배터리 팩(100, 200)를 분리하거나 충전기에 연결하는 불편함을 줄일 수 있다. 또한, 배터리 팩(100, 200)이 완전히 방전된 상황에서도 충전기에 연결하지 않고 춤을 추거나 허리를 흔들어서 배터리 팩(100, 200)을 충전하여 다시 장치를 구동할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 케이스;
    상기 케이스 내에 수용되고, 상기 케이스에 대하여 상대적으로 이동가능한 배터리;
    상기 배터리 상에 고정되고 발전 축을 포함하는 발전기; 및
    상기 발전 축에 연결되는 회전부재를 포함하고,
    상기 배터리가 이동할 때, 상기 회전부재는 상기 발전 축이 회전하도록 토크를 작용하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전부재는, 일 단이 상기 발전 축과 연결되고 타 단은 상기 발전 축 의 중심으로부터 이격되는 연결체; 및
    상기 연결체의 타 단 및 상기 케이스에 연결되는 탄성체를 포함하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결체는, 상기 발전 축의 중심으로부터 상기 발전 축을 감으면서 연장되는 토션 스프링인 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 탄성체는 복수 개로 제공되며, 상기 복수 개의 탄성체는, 상기 연결체의 타 단을 기준으로 방사상으로 배치되는 배터리 팩.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 탄성체는 복수 개로 제공되며, 상기 복수 개의 탄성체 중 적어도 하나 이상의 탄성체는 나머지 탄성체와 서로 다른 탄성 계수를 가지는 배터리 팩.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 탄성체는 네 개의 코일 스프링으로 제공되며, 상기 네 개의 코일 스프링은 평형 상태에서 상기 연결체의 타 단을 기준으로 서로 직교하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 배터리가 상기 발전 축 방향으로 이동하지 않도록 상기 배터리를 지지하는 지지부재를 포함하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지부재는 상기 발전기를 둘러싸고, 상기 발전기는 상기 지지부재 내에서 상대적으로 이동가능한 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 배터리의 일 면은 상기 케이스와 접촉하고, 상기 배터리의 타 면은 상기 지지부재와 접촉하는 배터리 팩.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 배터리 및 상기 지지부재 사이에 구비되어, 상기 배터리가 발전 축 방향에 수직한 평면 상에서 이동될 때 발생되는 마찰력을 감소시키는 제 1 베어링을 더 포함하는; 및
    상기 케이스 및 상기 배터리 사이에 구비되는 제 2 베어링을 더 포함하는 배터리 팩.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 발전 축 및 상기 지지부재 사이에 구비되어, 상기 발전 축이 상기 지지부재와 접촉 할 때 발생되는 마찰력을 감소시키는 제 3 베어링을 더 포함하는 배터리 팩.
  12. 마주보는 두 개의 평면을 포함하는 케이스;
    상기 두 개의 평면 중 하나의 고정되고, 발전 축을 포함하는 발전기;
    상기 발전기가 고정되는 평면과 다른 평면 상에 배치되고, 상기 케이스에 대하여 상대적으로 이동가능한 배터리;
    상기 발전기 축의 중심과 상기 중심으로부터 벗어난 위치에서 상기 배터리를 연결하는 연결체;
    상기 케이스와 상기 배터리 사이를 연결하는 탄성체를 포함하고,
    상기 배터리가 이동할 때, 상기 연결체는 상기 발전 축이 회전하도록 토크를 작용하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리의 일 면에 접하여 상기 배터리의 상기 발전 축 방향의 움직임을 제한하는 지지부재를 더 포함하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배터리 및 상기 지지부재 사이에 구비되어, 상기 배터리와 상기 지지부재 사이의 마찰력을 감소시키는 제 1 베어링; 및
    상기 케이스의 평면과 상기 배터리 사이에 구비되는 제 2 베어링을 더 포함하는 배터리 팩.
  15. 케이스 내부에 이동 가능하게 삽입되는 배터리와, 상기 배터리에 고정되며 발전 축을 포함하는 발전기와, 상기 발전 축 및 상기 케이스를 연결하는 회전부재를 포함하는 배터리 팩;
    상기 배터리 팩에 의하여 전원이 공급되는 구동 모듈;
    상기 구동 모듈이 고정되고, 사용자에 고정되는 고정 모듈; 및
    상기 사용자의 신체의 일 부분을 지지하며, 상기 구동 모듈에 의해 구동되는 지지 모듈을 포함하고,
    운동 보조 장치를 착용한 사용자의 운동에 따라 상기 배터리가 이동하면, 상기 회전 부재는 상기 발전 축이 회전하도록 토크를 작용하는 운동 보조 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 회전부재는, 일 단이 상기 발전 축과 연결되고 타 단은 상기 발전 축 의 중심으로부터 이격되는 토션 스프링; 및
    상기 연결체의 타 단 및 상기 케이스에 연결되는 적어도 하나의 코일 스프링을 포함하는 운동 보조 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 배터리가 상기 발전 축 방향으로 이동하지 않도록, 상기 배터리의 일 면과 접촉하여 상기 배터리를 지지하는 지지부재를 포함하는 운동 보조 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 코일 스프링은 복수 개로 제공되며, 적어도 하나 이상의 코일 스프링은 나머지 코일 스프링과 서로 다른 탄성 계수를 가지고,
    상기 복수 개의 코일 스프링이 작용하는 합력은, 상기 발전 축에 평행한 방향과 다른 방향으로 작용하는 운동 보조 장치.
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