KR20170119762A - 착용로봇의 양중(揚重)장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착용로봇의 양중장치에 관한 것으로, 특히 착용로봇의 일 측에 착용자의 동작에 연동하여 중량물을 적은 힘으로 용이하고 원활하게 들어올리거나 운반토록 하는 회전프레임을 구비하여 부하 발생을 최소화하고 피로도를 감소하는 착용로봇의 양중장치에 관한 것이다. 구성은 착용로봇의 양중장치로서, 상기 착용로봇의 등 프레임을 통해 상, 하로 회전 가능하도록 후단 부분이 힌지에 의해 결합 되고, 선단으로는 작업대상물체를 걸어 달아 올리거나 내릴 수 있도록 훅(hook)이 형성되는 회전프레임과; 상기 등 프레임을 통해 하단이 고정지지 되고, 상단은 상기 회전프레임의 후단을 통해 고정지지 되어 탄성력을 형성하거나 탄성 복원력을 형성하면서 그 동작 길이에 따른 힘이 생성되도록 하는 탄성체와; 일단이 제1 브래킷에 연결되고 타 일단은 제2 브래킷에 연결되는 제1 연결수단과, 일단이 상기 제2 브래킷에 연결되고 타 일단은 대퇴 링크에 연결되는 제2 연결수단으로 이루어지는 연결수단; 을 포함한다.

Description

착용로봇의 양중(揚重)장치{a hoisting apparatus of wearable robot}

본 발명은 착용로봇의 양중장치에 관한 것으로, 특히 착용로봇의 일 측에 착용자의 동작에 연동하여 중량물을 적은 힘으로 용이하고 원활하게 들어올리거나 운반토록 하는 회전프레임을 구비하여 부하 발생을 최소화하고 피로도를 감소하는 착용로봇의 양중장치에 관한 것이다.

일반적으로 노약자나 장애인의 활동을 보조하고, 산업 현장에서는 중량물을 처리하며, 군수 분야에서는 중량물을 운반하거나 정찰하는 일 등에 활용할 수 있는 몸에 착용하는 착용 로봇(wearable robot)이 사용되고 있다.

이러한 착용로봇은 인체와 유사한 관절 작용을 수행하는 링크들이 인체에 착용 될 수 있는 형상으로 관절과 모터와 같은 구동수단 등이 유기적으로 결합 되고, 또 관절마다 착용자의 의도를 파악할 수 있는 토크 센서나 각도센서 등을 설치하며, 그 의도에 따라 각 관절의 모터 등을 구동하여 근력을 지원받는 형식으로 이루어진다.

즉, 산업현장에 사용되는 착용로봇은 착용자의 상지 또는 하지 근력을 보조함으로써 일반적인 인간의 근력 한계를 벗어나는 높은 하중 작업을 수행할 수 있는데 주로 사용된다.

그러나 종래의 착용로봇은 착용자가 허리를 굽히고 펴는 동작에 있어 추가적인 회전력을 발생시킴으로써 허리 부분에 부하를 줄일 수 있으나 실제 물건을 파지하고 인양할 경우에는 착용자의 팔 근력에 의존하여 대상물체를 인양 및 운반하기 때문에 허리 이외의 부분에는 착용자의 근력을 보조하여 높은 하중의 대상물체를 인양하거나 운반하는 작업에 큰 도움이 되지 못하는 문제점이 있었다.

또, 종래의 착용로봇은 인양수단이 구비되는 것도 있으나, 인양수단이 움직임이 자유롭지 못하도록 고정되어 있기 때문에 착용자가 허리를 굽히거나 펴는 동작에 따라 대응하지 못하므로 불편함을 발생시키거나 인양 중에 충격 또는 움직임에 의한 부하가 착용자에게 직접 전달되어 착용자에게 쉽게 피로감을 부여하는 것은 물론 부상을 초래하는 문제점이 있다.

또한, 인양수단이 반드시 액추에이터와 연계하여 구동하므로 메커니즘의 단순화에 한계가 있고, 작업동작의 제약이 많아 위험할 뿐만 아니라, 작업효율을 현저하게 향상시킬 수 없는 문제점이 있다.

한국 특허 제10-1500525호

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 착용자의 허리 굽힘 동작과 펴는 동작에 의해 회전프레임이 착용로봇의 등 프레임을 기준으로 지렛대작용(lever action : 지점을 중심으로 회전력의 모멘트의 이용에 의해 중량물을 움직이는데 사용하는 막대인 지렛대가 움직이는 작용을 말함.)을 이루도록 함으로써, 회전프레임의 일단으로 중량물을 걸어 부하 없이 원활하고 용이하게 들어올리거나 운반하여 착용자의 피로감을 최소화하거나 해소하고 부상 발생을 예방하는 착용로봇의 양중장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 착용로봇의 양중장치로서, 상기 착용로봇의 등 프레임을 통해 상, 하로 회전 가능하도록 후단 부분이 힌지에 의해 결합 되고, 선단으로는 작업대상물체를 걸어 달아 올리거나 내릴 수 있도록 훅(hook)이 형성되는 회전프레임과; 상기 등 프레임을 통해 하단이 고정지지 되고, 상단은 상기 회전프레임의 후단을 통해 고정지지 되어 탄성력을 형성하거나 탄성 복원력을 형성하면서 그 동작길이에 따른 힘이 생성되도록 하는 탄성체와; 일단이 제1 브래킷에 연결되고 타 일단은 제2 브래킷에 연결되는 제1 연결수단과, 일단이 상기 제2 브래킷에 연결되고 타 일단은 대퇴 링크에 연결되는 제2 연결수단으로 이루어지는 연결수단; 을 포함한다.

상기 회전프레임은 등 프레임의 양측으로 한 쌍을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 탄성체는 착용자가 기립하여 허리를 펴 작업대상물체의 양중을 완료하게 되면 고관절 움직임에 따른 회전프레임의 불필요한 움직임을 방지하기 위한 잠금장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 연결수단은 착용자가 다리와 허리를 굽힐 경우 길이가 수축하고, 착용자가 다리와 허리를 펼 경우 길이가 늘어나 인장력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 잠금장치는 탄성체의 상부에 고정 설치되는 원추형의 스토퍼와, 상기 스토퍼의 움직임을 구속하거나 구속을 해제하는 잠금/해제부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 잠금/해제부는 회전 가능토록 중간 부분에 힌지를 통해 고정되는 와이어와, 상기 와이어의 상단에 결합 형성되는 고리와, 상기 와이어의 하단에 결합 형성되는 무게 추로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 착용자의 허리를 굽히거나 펴는 동작에 연동하여 등 프레임을 기준으로 상, 하로 회전동작하는 회전프레임을 통해 중량의 작업대상물체를 부하 없이 용이하고 원활하게 들어올리거나 내리고 운반할 수 있도록 함으로써, 착용로봇을 착용한 작업자의 안전성과 편의성을 향상시킴은 물론 움직임 중에 발생될 수 있는 충격을 흡수하여 부상을 예방하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 작업대상물체의 들어올리거나 내릴 경우 또는 운반시 착용로봇 작업자의 팔에 부하를 최소화하여 작업시 발생 되는 피로감을 덜어 주는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 양중장치를 착용로봇에 조립한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 양중장치가 조립된 착용로봇을 착용자가 착용한 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 착용자가 작업대상물체를 양중 하기 위해 허리를 굽히는 사용 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 착용자가 허리를 펴 작업대상물체를 양중한 사용 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 착용로봇의 양중장치에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1 내지, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 착용로봇의 양중(揚重)장치(100)는 등 프레임(210)과 대퇴 링크(220)를 통해 지지 되어 착용자의 움직임에 연동하여 중량의 작업대상물체를 부하 없이 용이하고 원활하게 들어올리거나 내리고 운반할 수 있도록 회전프레임(110)과 탄성체(120) 및 연결수단(130)으로 대별되어 이루어진다.

상기 회전프레임(110)은 착용로봇의 등 프레임(210)을 통해 상, 하로 회전 가능하도록 후단 부분이 힌지(111)에 의해 결합 되고, 선단으로는 중량의 작업대상물체(300)를 걸어 달아 올리거나 내릴 수 있도록 훅(hook)(112)이 형성된다.

여기서, 상기 회전프레임(110)은 등 프레임(210)의 일 측으로 형성될 수도 있으나, 양측으로 한 쌍을 이루도록 형성되는 것이 중량물을 달아 올리거나 내릴 경우 무게 중심에 의한 균형을 이룰 수 있고 편심을 예방하여 하중 부하를 최소화할 수 있다.

상기 탄성체(120)는 등 프레임(210)의 하부 외 측으로 형성되는 제1 브래킷(151)을 통해 하단이 고정지지 되고, 상단은 상기 회전프레임(110)의 후단을 통해 고정지지 되어 착용자의 움직임에 연동하는 대퇴 링크(220)의 회전동작에 연동하여 탄성력을 형성하거나 탄성 복원력을 형성하면서 그 동작 길이에 따른 힘이 생성되도록 한다.

즉, 상기 탄성체(120)는 본 발명에 따른 양중 장치(100)가 설치된 착용로봇의 착용자가 다리와 허리를 굽힐 경우 상기 대퇴 링크(220)와 등 프레임(210)이 고관절 구동부(230)를 기준으로 회전동작하게 되는데 이때, 인장(팽창) 탄성력을 형성하면서 인장(팽창) 길이에 따른 힘이 생성되도록 한다.

또, 상기 착용자가 다리와 허리를 펼 경우 상기 대퇴 링크(220)와 등 프레임(210)이 고관절 구동부(230)를 기준으로 반대로 회전동작하게 되는데 이때, 탄성체(120)는 탄성 복원력을 형성하면서 복원 길이에 따른 힘이 생성되도록 한다.

이와 같이 본 발명은 탄성체(120)를 형성함에 따라 상기 회전프레임(110)의 훅(112)에 중량의 작업대상물체(300)를 걸어 들어올릴 경우 탄성력에 의해 움직임 간에 발생할 수 있는 충격을 흡수할 수 있게 되어 착용자의 상해를 예방할 수 있다.

또한, 상기 탄성체(120)는 착용자가 기립하여 허리를 펴 작업대상물체(300)의 양중을 완료하게 되면 고관절 움직임에 따른 회전프레임(110)의 불필요한 움직임을 방지하기 위해 고정할 수 있는 잠금장치(130)를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 잠금장치(130)는 탄성체(120)의 상부에 고정 설치되는 원추형의 스토퍼(131)와, 상기 탄성체(120)의 일 측에 회전 가능하도록 설치되어 착용자가 허리를 굽히거나 펼 경우 상기 스토퍼(131)의 움직임을 구속하거나 구속을 해제하는 잠금/해제부(132)로 구성된다.

여기서, 상기 잠금/해제부(132)는 회전 가능토록 중간 부분에 힌지(132b)를 통해 고정되는 와이어(132a)와 상기 와이어(132a)의 상단에 결합 형성되는 고리(132c)와 상기 와이어(132c)의 하단에 결합 형성되는 무게 추(132d)로 이루어진다.

이와 같은 구성의 잠금장치(132)는 착용자가 허리를 굽힐 경우에는 상기 고리(132c)가 스토퍼(131)로부터 분리(이탈)되어 스토퍼(131)의 움직임이 원활하도록 구속을 해제하게 된다.

반대로, 착용자가 허리를 펼 경우에는 상기 고리(132c)가 스토퍼(131)의 상부로 끼워져 스토퍼(131)의 움직임을 구속하게 된다.

이때, 상기 무게 추(132d)가 와이어(132a)를 아래로 당기게 되어 고리(132c)가 스토퍼(131)를 지지하여 움직임을 구속하게 된다.

여기서, 상기 무게 추(132d)와 힌지(132b)가 이루는 각도는 원하는 각도에서 잠김이 이루어질수 있도록 배치하는 것이 바람직하다.

예컨대, 지면에 대해 등 프레임(210)이 수직 상태를 이루는 기준자세에서 무게 추(132d)와 힌지(132b) 사이의 각을 10°로 할 경우, 등 프레임(210)이 전방으로 10°이내의 기울기에서는 고리(132c)가 스토퍼(131)를 지지하여 잠금 상태를 유지하게 된다.

그러나 착용자가 허리를 굽혀 등 프레임(210)이 전방으로 10° 이상으로 기울어지게 되면 고리(132c)가 스토퍼(131)로부터 분리되어 잠금 상태를 해제하게 된다.

상기 연결수단(140)은 와이어 등으로 이루어지고, 일단이 제1 브래킷(151)에 연결되고 타 일단은 고관절 구동부(23)의 회전축(231)을 통해 결합 형성되는 제2 브래킷(152)에 연결되는 제1 연결수단(141)과, 일단이 상기 제2 브래킷(152)에 연결되고 타 일단은 대퇴 링크(220)에 연결되는 제2 연결수단(142)으로 구성된다.

여기서 상기 연결수단(140)은 착용로봇의 착용자가 다리와 허리를 굽힐 경우 상기 대퇴 링크(220)와 등 프레임(210)이 고관절 구동부(230)를 기준으로 회전동작하게 되는데 이때, 길이가 수축하게 된다.

또, 상기 착용자가 다리와 허리를 펼 경우 상기 대퇴 링크(220)와 등 프레임(210)이 고관절 구동부(230)를 기준으로 반대로 회전동작하게 되는데 이때, 연결수단(140)은 길이가 늘어나 인장력을 발생시킨다.

이와 같은 구성의 연결수단(140)은 착용자가 허리를 펴 상체가 세워지는 경우 상기 제2 연결수단(142)의 길이가 늘어나 발생 되는 인장력이 상기 탄성체(120)와 일단이 연결된 회전프레임(110)으로 전달되어 훅(112)에 걸어지는 중량의 작업대상물체(300)를 훨씬 용이하게 달아 올리도록 하여 착용로봇 작업자의 부하를 최소화하거나 없앨 수 있다.

이에 따라, 착용로봇을 착용한 작업자의 피로감을 덜어주고 안전성과 편의성을 향상시킴은 물론 움직임 중에 발생될 수 있는 충격을 흡수하여 부상을 예방할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 착용로봇은 착용자의 상반신 중 등 부분을 통해 장착되도록 넓은 패널 형태로 형성되는 등 프레임(210)과, 상기 등 프레임(210)의 하부에 위치하도록 설치되는 대퇴 링크 고정부(221)와 대퇴 링크 회전부(222)로 이루어지는 대퇴 링크(220)와, 상기 대퇴 링크 고정부(221)와 대퇴 링크 회전부(222) 사이에 위치하여 착용자의 하지 동작에 연동하는 고관절 구동부(230)를 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 양중장치(100)가 장착된 착용로봇을 착용하여 중량의 작업대상물체(300)를 들어올리거나 운반하고자 할 경우, 착용자가 허리를 굽히(숙여)게 되면 이에 연동하여 상기 대퇴 링크(220)의 대퇴 링크 회전부(222)가 고관절 구동부(230)를 기준으로 예컨대 시계방향으로 회전동작하게 되고, 등 프레임(210)은 반시계방향으로 회전동작하게 된다.

이때, 상기 등 프레임(210)이 전방으로 10° 이상으로 기울어지게 되면 잠금장치(130)의 고리(132c)가 스토퍼(131)로부터 분리되어 잠금 상태를 해제하게 되고, 상기 연결수단(140)은 대퇴 링크 회전부(222)와 제2 브래킷(152)의 간격이 좁아짐에 따라 길이가 수축하게 된다.

이와 동시에 상기 회전프레임(110)이 힌지(111)를 기준으로 반시계방향으로 회전하여 훅(112)이 작업대상물체(300)를 쉽게 걸어 올릴 수 있도록 한다.

다음, 상기 훅(112)에 작업대상물체(300)가 걸어지도록 한 후, 착용자가 허리를 펴게 되면 이에 연동하여 상기 대퇴 링크(220)의 대퇴 링크 회전부(222)가 고관절 구동부(230)를 기준으로 예컨대 반시계방향으로 회전동작하게 되고, 등 프레임(210)은 시계방향으로 회전동작하게 된다.

이와 동시에 상기 회전프레임(110)이 힌지(111)를 기준으로 시계방향으로 회전하면서 작업대상물체(300)를 쉽게 들어올린다.

이때, 상기 연결수단(140)은 착용자가 허리를 펴는 동작에 연동하여 상기 제2 연결수단(142)의 길이가 늘어나 인장력이 발생하면서 상기 탄성체(120)와 일단이 연결된 회전프레임(110)을 당기게 되므로 회전프레임(110)의 훅(112)에 걸어진 중량의 작업대상물체(300)를 훨씬 용이하게 달아 올리게 된다.

따라서, 착용자의 부하를 최소화하고 피로감을 덜어줌과 동시에 안전성과 편의성을 향상시키게 된다.

그리고 상기 등 프레임(210)이 완전히 펴지고 작업대상물체(300)의 양중이 완료되면 고관절의 움직임에 따른 회전프레임(110)의 불필요한 움직임을 방지하도록 상기 고리(132c)가 스토퍼(131)의 상부로 끼워지게 되고 무게 추(132d)가 와이어(132a)를 아래로 당기게 되어 고리(132c)가 스토퍼(131)를 지지하여 움직임을 구속하게 된다.

이에 따라, 지면에 대해 등 프레임(210)이 수직 상태를 이루는 기준자세를 유지하게 되고 회전프레임(110)은 수평 상태를 유지하게 되므로 착용자의 양중 보행간 작업대상물체(300)는 흔들림이 방지되어 원활한 이동을 이룰 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 양중장치는 상기와 같은 작용을 통해 착용로봇을 착용한 작업자의 안전성과 편의성을 향상시킴은 물론 움직임 중에 발생될 수 있는 충격을 흡수하여 부상을 예방하고 착용자의 팔에 부하를 최소화하여 작업시 발생 되는 피로감을 덜 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 양중장치 110 : 회전프레임
111 : 힌지 112 : 훅(hook)
120 : 스프링 130 : 잠금장치
131 : 스토퍼 133 : 잠금/해제부
132a : 와이어 132b : 힌지
132c : 고리 132d : 무게 추
140 : 연결수단 141 : 제1 연결수단
142 : 제2 연결수단 210 : 등 프레임
220 : 대퇴 링크 221 : 대퇴 링크 고정부
222 : 대퇴 링크 고정부 230 : 고관절 구동부
300 : 작업대상물체

Claims (6)

1. 착용로봇의 양중장치로서,
   상기 착용로봇의 등 프레임을 통해 상, 하로 회전 가능하도록 후단 부분이 힌지에 의해 결합 되고, 선단으로는 작업대상물체를 걸어 달아 올리거나 내릴 수 있도록 훅(hook)이 형성되는 회전프레임과;
   상기 등 프레임을 통해 하단이 고정지지 되고, 상단은 상기 회전프레임의 후단을 통해 고정지지 되어 탄성력을 형성하거나 탄성 복원력을 형성하면서 그 동작길이에 따른 힘이 생성되도록 하는 탄성체와;
   일단이 제1 브래킷에 연결되고 타 일단은 제2 브래킷에 연결되는 제1 연결수단과, 일단이 상기 제2 브래킷에 연결되고 타 일단은 대퇴 링크에 연결되는 제2 연결수단으로 이루어지는 연결수단; 을 포함하는 착용로봇의 양중장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전프레임은 등 프레임의 양측으로 한 쌍을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 양중장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 탄성체는 착용자가 기립하여 허리를 펴 작업대상물체의 양중을 완료하게 되면 고관절 움직임에 따른 회전프레임의 불필요한 움직임을 방지하기 위한 잠금장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 양중장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 연결수단은 착용자가 다리와 허리를 굽힐 경우 길이가 수축하고, 착용자가 다리와 허리를 펼 경우 길이가 늘어나 인장력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 양중장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 잠금장치는 탄성체의 상부에 고정 설치되는 원추형의 스토퍼와, 상기 스토퍼의 움직임을 구속하거나 구속을 해제하는 잠금/해제부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 양중장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 잠금/해제부는 회전 가능토록 중간 부분에 힌지를 통해 고정되는 와이어와, 상기 와이어의 상단에 결합 형성되는 고리와, 상기 와이어의 하단에 결합 형성되는 무게 추로 이루어지는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 양중장치.

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