KR20170137469A

KR20170137469A - 전방착용 기립보조로봇

Info

Publication number: KR20170137469A
Application number: KR1020160069646A
Authority: KR
Inventors: 조백규
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2017-12-13
Also published as: KR101815989B1

Abstract

본 발명은 전방착용 기립보조로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발목부의 구동기를 이용하여 외력에 대해 자동으로 균형을 유지할 수 있고 사용자의 의도를 파악하여 다음 동작을 예측 및 보조할 수 있으며 전방으로 착용할 수 있는 전방착용 기립보조로봇에 관한 것이다.
전방착용 기립보조로봇은 각각이 제1 또는 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하고 각각의 중심 축이 이격된 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기를 각각 포함하는 복수의 보조 다리부들; 각각이 제1 단에서 상기 제1 골반 관절 구동기와 연결되고 상기 사용자의 몸체 전면을 둘러싸고 몸체 후면을 개구하도록 절곡된 복수의 지지 바들(support bars)과 각각이 해당 지지 바의 제2 단에 연결되어 상기 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 골반 관절 구동기를 포함하는 몸체부; 및 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하여 상기 복수의 발목 관절 구동기들을 제어하여 상기 무게중심을 잡는 동작제어모듈을 포함한다.

Description

전방착용 기립보조로봇{FRONT WEARING STAND-UP ASSISTANCE ROBOT}

본 발명은 전방착용 기립보조로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발목부의 구동기를 이용하여 외력에 대해 자동으로 균형을 유지할 수 있고 사용자의 의도를 파악하여 다음 동작을 예측 및 보조할 수 있으며 전방으로 착용할 수 있는 전방착용 기립보조로봇에 관한 것이다.

보행보조로봇은 노약자나 장애인의 보행동작을 보조하는 로봇으로서, 주로 의료 전반에 활용되는 재활치료를 위한 로봇과 실내외 보행환경에서 근력이 저하된 노인이나 장애우의 독립적 활동 및 근력 보조를 위한 로봇의 용도로 개발되고 있다.

보행보조로봇은 사용자의 신체에 착용될 수 있는 형태로 제작되어 사용자의 팔이나 다리의 움직임을 감지하여 구동기가 장착된 로봇의 팔이나 다리를 움직이며 사용자의 움직임을 보조하고 힘을 증폭시키는 보행보조로봇을 말한다. 이러한 보행보조로봇은 자가 재활 치료 적용 시 제약이 많은 기존 보행보조로봇의 단점을 극복하기 위해 개발되고 있고, 사용자의 독립적 자가 보행 재활 훈련을 돕기 위해 사용자의 신체에 착용할 수 있는 형태로 개발되고 있다.

종래의 보행보조로봇은 탑승을 하거나 후방에서 착용하는 형태로 구성되어 사용자 착용 및 기립 시 타인의 보조를 필수적인 전제로 해야 하는 단점이 있다.

종래의 보행보조로봇은 보행 시 외력이 작용하는 경우 복잡한 힘의 균형 상태를 유지하기 위한 구동 모듈의 동작 및 알고리즘이 단순하여 자가 균형 및 동력 제어에 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서 보행 시 발생 가능한 외력 및 사용자의 힘을 기초로 로봇 스스로 균형을 정확하게 잡을 수 있고, 앉거나 서려는 혹은 전후좌우로 움직이거나 움직임을 거부하는 등의 사용자 움직임의 의도를 정확하게 예측하여 동작을 제어할 수 있는 보행보조로봇 기술 개발이 요구되고 있다.

한국 등록특허 제10-1497673호는 간단한 구조 및 구성으로 효율적이고 자연스러운 보행 동작의 구동이 가능한 보행 보조장치를 제공하고, 보행 시 안정감 및 자세유지를 위한 균형을 확보할 뿐만 아니라, 보행에 따르는 충격을 완화하고 탑승자의 탑승감 및 안정성 높일 수 있는 탑승형 2족 보행 보조장치를 제공하는 장치 빛 방법에 관한 것이다.

한국 공개특허공보 제2015-0142794호는 발바닥부에 마련된 힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하는 판단단계 및 다리가 지지과정인 경우 다리 관절의 구동부에 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완토크를 인가하는 지지단계를 포함하는 착용로봇의 보행제어방법 및 보행시스템을 소개한다.

한국 등록특허 제10-0716597호는 지능형 근력 및 보행 보조용 로봇에 관한 것으로서, 별도의 구동수단이 배제되어 무게가 가볍고 부피가 작아서 사용자가 쉽게 입고 벗을 수 있는 착탈식의 입는 로봇과, 사용자의 신체 하중을 실을 수 있게 손 또는 팔을 올려 놓으며 균형을 잡을 수 있고 전면의 모니터를 통해 여러가지 신체 및 상황정보를 볼 수 있도록 한 캐스터워커와, 캐스터워커에 장착되어 입는 로봇에 움직임을 위한 동력을 전달하는 동력전달장치로 구성함으로써, 고중량 및 큰 부피를 차지하는 동력전달장치가 사용자의 착용부분에 장착되는 기존 장치와 달리 사용자가 밀고 다닐 수 있는 캐스터워커에 장착됨에 따라, 사용자에 직접 착용되는 입는 로봇의 무게 및 부피를 크게 줄일 수 있다.

한국 등록특허 제10-1497673호 (2015.02.24 등록) 한국 공개특허공보 제10-2015-0142794호 (2015.12.12 공개) 한국 등록특허 제10-0716597호 (2007.05.03 등록)

본 발명의 일 실시예는 발목부의 구동기를 이용하여 외력에 대해 자동으로 균형을 유지하는 지능형 보조로봇을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 다축 힘-토크센서 및 EMG 센서 등의 각종 센서를 포함한 동작제어모듈을 통해 사용자의 움직임을 즉각적으로 감지하고 사용자의 다음 행동을 정확하게 예측하여 전체 동작을 제어할 수 있는 보조로봇을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 전방으로 착용할 수 있어 타인의 보조 없이도 사용자의 자가 착용에 용이하고 기립을 보조할 수 있는 전방착용 기립보조로봇을 제공하고자 한다.

실시예들 중에서, 전방착용 기립보조로봇은 각각이 제1 또는 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하고 각각의 중심 축이 이격된 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기를 각각 포함하는 복수의 보조 다리부들; 각각이 제1 단에서 상기 제1 골반 관절 구동기와 연결되고 상기 사용자의 몸체 전면을 둘러싸고 몸체 후면을 개구하도록 절곡된 복수의 지지 바들(support bars)과 각각이 해당 지지 바의 제2 단에 연결되어 상기 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 골반 관절 구동기를 포함하는 몸체부; 및 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하여 상기 복수의 발목 관절 구동기들을 제어하여 상기 무게중심을 잡는 동작제어모듈을 포함한다.

상기 복수의 관절 구동기들 및 상기 제2 골반 관절 구동기들(이하, 보행 보조 구동기들) 각각은 상기 사용자의 동작에 따라 발생되는 해당 관절의 움직임을 센싱하는 다축 힘-토크센서를 포함할 수 있다.

상기 몸체부는 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 측정값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하고 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 변화량들을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 하는 동작제어모듈을 더 포함 할 수 있다.

상기 동작제어모듈은 상기 다축 힘-토크센서를 통해 상기 사용자의 동작에 의해 발생되는 힘-토크 변화량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 동작제어모듈은 상기 사용자의 동작이 발생되기 전에 상기 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서를 통해 측정된 전기적 신호량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 보조 다리부는 상기 사용자의 발로 탑승 가능하게 배치되어 상기 제2 발목 관절 구동기와 연결되는 발판을 더 포함할 수 있다.

상기 보조 다리부는 상기 사용자의 무릎 관절과 대응하여 상기 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 무릎 관절 구동기를 더 포함할 수 있다.

상기 보조 다리부는 상기 복수의 관절 구동기들을 연결하는 링커들을 더 포함할 수 있다.

상기 몸체부는 상기 몸체 플레이트에서 사용자의 반대편 일면에 연결되어 상기 사용자의 손에 의해 파지될 수 있도록 지면에 평행한 방향으로 연장되는 파지봉을 더 포함할 수 있다.

상기 몸체부는 상기 복수의 지지 바들 및 상기 제2 골반 관절 구동기들을 결합한 몸체 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇은 발목부의 구동기를 이용하여 외력에 대해 자동으로 사용자의 균형을 유지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇은 다축 힘-토크센서 및 EMG 센서를 포함한 동작제어모듈을 통해 사용자의 움직임을 즉각적으로 감지하여 다음 행동을 예측함으로써 사용자의 의도를 정확하게 판단하여 전체 동작을 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇은 전방으로 착용할 수 있어 타인의 보조 없이도 사용자의 자가 착용에 용이하고 기립을 보조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 착용한 사용자를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇의 구성을 나타내는 사시도(2a), 전면도(2b), 측면도(2c)이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한, 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇을 설명하는 도면이다.

도 1a는 사용자가 앉은 자세에서 전방착용 기립보조로봇(100)을 착용하는 과정을 나타내고, 전방착용 기립보조로봇(100)은 사용자가 앉아서 착용 가능한 자세를 형성할 수 있다.

전방착용 기립보조로봇(100)의 착용을 위해서, 다음의 과정들이 수행될 수 있다.

우선, 사용자는 발바닥을 발판(114)에 올려놓고, 필요에 따라, 다리 스트랩(130a)을 활용하여 발을 링커(112)에 결합시킨다. 사용자는 손을 파지봉(122)에 올려놓아 파지하고, 힘을 가하여 당김으로써 전방착용 기립보조로봇(100)을 앉아서 착용 가능한 자세로 변경시킨다. 사용자는 필요에 따라, 다리 스트랩(130b)을 활용하여 허벅지를 링커(112)에 결합시키고, 상체 스트랩(130c)을 활용하여 상체를 몸체 플레이트(124)에 결합시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따라 사용자는 앉은 자세에서 타인의 보조 없이도 전방착용 기립보조로봇(100)을 스스로 착용할 수 있다.

도 1b는 사용자가 전방착용 기립보조로봇(100)을 이용하여 보행하는 과정을 나타내고, 전방착용 기립보조로봇(100)은 사용자의 소량의 동작을 기초로 다음 동작을 예측하여 다리 관절 구동기(116)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들(이하, 보행 보조 구동기들)을 구동함으로써 사용자의 보행을 보조할 수 있다.

전방착용 기립보조로봇(100)의 동작을 위해서, 다음의 과정들이 수행될 수 있다.

우선, 전방착용 기립보조로봇(100)은 사용자에 의해 동작이 발생되기 전에 사용자의 근육에 인가되는 전기적인 신호가 가해지면, 동작제어모듈(140) 내에 장착된 근육힘 측정 센서를 이용하여 해당 신호를 근육힘 측정값으로 변환할 수 있다. 이후 동작제어모듈(140)은 상기 근육힘 측정값을 기초로 보행 알고리즘을 적용하여 현재 상태를 연산하고, 사용자의 다음 동작을 예측하여 다리 관절 구동기(116)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들을 가동시켜 사용자의 기립 또는 초기 보행을 보조할 수 있다. 이후, 전방착용 기립보조로봇(100)은 사용자의 동작이 발생하는 경우 보행 보조 구동기들에 장착된 다축 힘-토크 센서를 이용하여 힘-토크 변화량을 측정하여 이를 기초로 사용자의 다음 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 가동시킴으로써 보행을 보조할 수 있다. 또한, 동작제어모듈(140)은 상기 힘-토크 변화량을 기초로 균형 알고리즘을 적용하여 균형을 유지하기 위해 필요한 보행 보조 구동기들의 동작을 예측하여 구동함으로써 전체적인 균형을 유지하여 사용자의 보행을 보조할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇(100)의 구성을 나타내는 사시도(도 2a), 전면도(도 2b) 및 측면도(도 2c)이다.

도 2를 참조하면, 전방착용 기립보조로봇(100)은 복수의 보조 다리부(110)들과 몸체부(120)를 포함할 수 있다.

복수의 보조 다리부(110)들은 각각이 제1 또는 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하고 각각의 중심 축이 이격된 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기를 각각 포함할 수 있다. 상기 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기들은 다리 관절 구동기(166)로 표현될 수 있다. 보다 구체적으로, 다리 관절 구동기(116)들은 각각이 사용자의 골반 관절들과 대응하여 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 골반 관절 구동기(116a)들, 사용자의 무릎 관절들과 대응하여 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 무릎 관절 구동기(116b)들, 사용자의 발목 관절들과 대응하여 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 발목 관절 구동기(116c)들을 포함하여 구성될 수 있고, 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 발목 관절 구동기(116d)들을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1 발목 관절 구동기(116c)와 제2 발목 관절 구동기(116d)는 각각의 중심 축이 이격되어 있어 넓은 동작 자유도를 제공할 수 있고, 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하는 동작제어모듈에 의해 제어되어 전체 균형을 유지하는 동작을 수행할 수 있다.

상기 다리 관절 구동기(116)들을 포함한 보행 보조 구동기들 각각은 사용자의 관절들과 대응하여 특정 방향의 동작 자유도를 제공한다. 특정 방향에 해당하는 로봇 관절의 움직임은 3차원 직교 좌표의 구조, 즉, X, Y, Z 3차원 공간을 향해 직선 방향으로 로봇이 움직이거나 X, Y, Z축을 중심축으로 그 축을 회전하는 방향(Roll, Pitch, Yaw)으로 표현할 수 있다. 로봇의 좌우를 직교하는 축을 X축으로 놓고 이를 중심으로 회전하는 방향은 Pitch에 대응되고, 앞뒤를 직교하는 축을 Y축으로 놓고 이를 중심으로 회전하는 방향은 Roll에 대응될 수 있으며, 상하면을 직교하는 축을 Z축으로 놓고 이를 중심으로 회전하는 방향은 Yaw에 대응될 수 있다. 이에 따라 제1 골반 관절 구동기(116a)들, 무릎 관절 구동기(116b)들, 제1 발목 관절 구동기(116c)들은 각각이 해당 관절에 대응하여 Pitch 방향으로 동작 자유도를 제공할 수 있고, 제2 발목 관절 구동기(116d)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들은 Roll 방향으로 동작 자유도를 제공할 수 있다.

보행 보조 구동기들 각각은 전력을 이용하여 회전운동의 힘을 얻는 구동기, 감각 관련 신호들을 분석하여 외부의 상태를 감지하는 센서 및 주변 모듈을 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 구동기는 특히 사람의 관절과 대응하여 유사 기능을 수행하면서 제1 및 제2 동작 자유도를 제공할 수 있도록 설계된 구동기를 의미하고, 이와 관련하여 본 발명에서 전력을 이용하여 회전 운동의 힘을 얻는 구동기의 용어를 사용하였으나 이에 한정되지 않으며, 모터, 유압 구동기 및 공기압 구동기 등 로봇을 구동하는데 사용되고 산업에서 이용 가능한 다양한 종류를 포함할 수 있다. 이중에서 구동기로서 주로 사용되는 모터는 최대 토크를 빠르게 출력 가능하여 주로 바퀴를 구동할 때 사용되는 AC모터, 짧은 듀티 사이클에서 강점을 갖는 DC모터, 제어가 편리한 스테핑모터, 컨트롤러의 제어 신호로 인해 높은 정밀도의 구동이 가능한 서보모터 및 이들의 혼합형인 복합 디지털 모터의 예를 들 수 있다. 또한, 센서는 3차원적인 운동을 감지하기 위하여 지표면을 기준으로 기울기를 측정하는 가속도센서와 각속도를 측정하여 얻은 정보를 가지고 기울기를 측정하는 자이로센서 각각에 해당하거나 이들을 조합하여 구성한 다축 힘-토크 센서에 해당할 수 있으며, 사용자의 움직임이 외력으로 나타나기 전에 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서 등에 해당할 수 있다. 복수의 센서들에 의해 감지된 신호들은 동작제어모듈(140)에 전달된 후 균형 알고리즘을 통해 전체적인 균형을 유지하는데 사용될 수 있고, 보행 알고리즘을 통해 다음 동작을 예측하는데 사용될 수 있다. 해당 내용은 동작제어모듈(140)에 대한 설명에서 더 자세히 서술하도록 한다.

보조 다리부(110)들은 사용자의 사용자의 발로 탑승 가능하게 배치되어 상기 제2 발목 관절 구동기(116d)와 연결되는 발판(114)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라 보조 다리부(110)들 내에서 사용자의 다리 외측을 따라 각각이 형성된 다리 관절 구동기(116)들은 다리 외측의 하단부에서 발판(114)과 연결될 수 있다. 발판(114)은 제2 발목 관절 구동기(116d)와 결합하여 사용자의 무게를 지지하고 보행을 보조하도록 판형상으로 제작될 수 있다.

보조 다리부(110)들은 복수의 관절 구동기들을 연결하는 링커(112)들을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 링커(112)는 사용자의 다리 외측을 따라 이어지는 다리 관절 구동기(116)들을 해당 관절들과 대응하여 동작할 수 있도록 물리적으로 연결하는 막대형상의 보조 모듈에 해당하고, 해당 구동기들 간의 전기적 신호 전달 및 증폭을 위한 회로 모듈들을 내외부에 더 포함할 수 있다. 또한, 보조 다리부(110)들은 사용자의 다리를 안정적으로 지지하기 위한 고정수단인 다리 스트랩(130a, 130b)을 더 포함할 수 있다.

몸체부(120)는 각각이 제1 단에서 다리 관절 구동기(116)들 중 제1 골반 관절 구동기(116a)들과 연결되고 사용자의 몸체 전면을 둘러싸고 몸체 후면을 개구하도록 절곡된 복수의 지지 바들(support bars)(126)과 각각이 복수의 지지 바(126)들의 제2 단들에 연결되어 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 골반 관절 구동기(128)들을 포함할 수 있다.

몸체부(120)는 복수의 지지 바(126)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들을 결합한 몸체 플레이트(124)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 몸체 플레이트(124)는 사용자의 상체를 고정 및 지지하기 위해 판형상으로 제작되어 제2 골반 관절 구동기들과 연결되는 복수의 지지 바들과 결합하는 보조 모듈을 말한다. 몸체 플레이트(124)는 사용자의 상체를 안정적으로 지지하기 위한 고정수단인 상체 스트랩(130c)을 더 포함할 수 있다.

몸체부(120)는 몸체 플레이트(124)에서 사용자의 반대편 일면에 연결되어 사용자의 손에 의해 파지될 수 있도록 지면에 평행한 방향으로 연장되는 파지봉(122)을 더 포함할 수 있다. 사용자는 파지봉(122)의 일부를 손으로 파지하고 힘을 가하여 당김으로써 보행 전 전방착용 기립보조로봇(100)을 착용하기 위한 수단으로 활용할 수 있고, 보행 중 스스로 신체의 균형을 조정할 수 있으며, 파지봉(122)의 일부를 손으로 쥐고 특정 방향으로 힘을 가하거나 회전시키는 등의 수동 제어를 통해 다리 관절 구동기(116)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들을 가동시킴으로써 원하는 동작을 보조하도록 할 수 있다. 또한, 사용자는 파지봉(122)의 일부에 무게가 있는 짐을 올릴 수 있고, 이 경우, 상기 짐의 무게는 동작제어모듈(140) 내 복수의 센서들에 의해 감지된 후 균형 알고리즘을 통해 전체적인 균형을 유지하는데 사용될 수 있다. 여기에서, 파지봉(122)은 둘레가 둥근 대를 의미하는 봉이라는 용어를 사용하였지만, 이에 제한되지 않고 서술한 기능과 유사하게 사용자의 손에 의해 파지될 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.

몸체부(120)는 몸체 플레이트(124)에서 사용자의 반대편 일면에 장착되어 전방착용 기립보조로봇(100) 내부의 전원을 공급하는 대용량의 배터리팩(135)을 포함할 수 있고, 상기 배터리팩(135)은 탈부착 및 휴대 가능하도록 제작될 수 있다.

보행 보조 구동기들 각각은 사용자의 동작에 따라 발생되는 해당 관절의 움직임을 센싱하는 다축 힘-토크센서를 포함할 수 있다. 여기에서, 다축 힘-토크센서는 3차원적인 운동을 감지하기 위하여 지표면을 기준으로 기울기를 측정하는 가속도센서와 각속도를 측정하여 얻은 정보를 가지고 기울기를 측정하는 자이로센서 다수 개의 조합으로 구성될 수 있고, 그 예로는 3개의 자이로센서와 3개의 가속도센서를 포함하여 6자유도를 갖도록 구성된 6축 힘-토크 센서를 들 수 있다. 다축 힘-토크센서에 의해 감지된 신호는 균형 알고리즘을 통해 전체적인 균형을 유지하는데 사용될 수 있다.

몸체부(120)는 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하여 상기 복수의 발목 관절 구동기들을 제어하여 상기 무게중심을 잡는 동작제어모듈(140)을 포함할 수 있다.

동작제어모듈(140)은 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 측정값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하고 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 다축 힘-토크센서의 힘-토크 변화량들을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

동작제어모듈(140)은 사용자가 힘을 가하였을 때 외력을 측정하는 다축 힘-토크센서 외에도 관절을 움직일 때의 각도 변화를 측정하는 엔코더, 압력에 따른 저항 변화량을 측정하는 FSR(Force-Sensing Resistor) 센서, 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 EMG(Electromyograph) 센서와 같은 근육힘 측정 센서 등 복수의 센서들과, 상기 센서들에 의해 측정되는 정보들을 기초로 종합적인 컴퓨팅을 수행하는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서 MCU는 마이크로프로세서와 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터를 말하고, CPU(Central Processing Unit) 코어와 메모리 그리고 프로그램 가능한 입/출력을 가지고 있어 정해진 기능을 수행하도록 프로그래밍 코딩 및 기계어 코드를 써 넣을 수 있다.

동작제어모듈(140)은 복수의 센서들로부터 측정한 값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하여 현재의 균형 상태를 연산할 수 있고, 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 보행 보조 구동기들의 동작 변화량을 예측하여 해당 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다.

동작제어모듈(140)은 상기 복수의 센서들로부터 측정한 값들을 기초로 다음의 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다. 예를 들어, 다축 힘-토크센서를 통해 사용자의 동작에 의해 발생되는 힘-토크 변화량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있고, 혹은 사용자의 동작에 의한 움직임이 외력으로 나타나기 전에 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서를 통해 측정된 전기적 신호량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다.

동작제어모듈(140)은 상기 다음의 동작 예측에 있어서 보행패턴을 구분 및 인식할 수 있는 알고리즘을 적용할 수 있다. 사람의 보행패턴은 Foot Flat → Midstance → Terminal Stance → PreSwing → Initial-Swing → Midswing → TerminalSwing 총 7단계의 연속적으로 이어지는 보행 단계를 갖기 때문에 사용자의 보행을 보조하기 위해서 각 단계를 정확하게 구분하고 현재 상태에 따른 지지 방식을 다르게 가져갈 필요가 있다. 따라서 동작제어모듈(140)은 다축 힘-토크센서 및 근육힘 측정 센서 등 복수의 센서들로부터 변환한 측정값들을 기초로 사용자의 현재 상태를 연산하여 현재 보행 단계를 인식할 수 있다. 동작제어모듈(140)은 인식한 현재 보행 단계에 따라 다음 단계를 예측할 수 있고, 사용자의 근력을 연속적으로 지지할 수 있도록 보행 보조 구동기들을 제어하여 사용자의 보행을 보조할 수 있다.

동작제어모듈(140)은 상기 균형 알고리즘과 일반 보행 패턴 알고리즘 외에도 전방착용 기립보조로봇(100)의 착용 및 해제 알고리즘, 계단보행보조 알고리즘, 뒤로 걷기 알고리즘, 좌우 움직임 알고리즘 및 그 밖에 사용자의 동작 전반에 관한 움직임의 의도를 종합적으로 파악할 수 있는 다양한 알고리즘을 적용하여 사용자의 복합적인 의도에 따라 예측되는 다음 동작을 기초로 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 전방착용 기립보조로봇
110: 보조 다리부
112: 링커
114: 발판
116: 다리 관절 구동기
116a: 제1 골반 관절 구동기
116b: 무릎 관절 구동기
116c: 제1 발목 관절 구동기
116d: 제2 발목 관절 구동기
120: 몸체부
122: 파지봉
124: 몸체 플레이트
126: 지지 바
128: 제2 골반 관절 구동기
130: 스트랩
130a: 다리 스트랩
130b: 다리 스트랩
130c: 상체 스트랩
135: 배터리팩
140: 동작제어모듈

Claims

각각이 제1 또는 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하고 각각의 중심 축이 이격된 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기를 각각 포함하는 복수의 보조 다리부들;
각각이 제1 단에서 상기 제1 골반 관절 구동기와 연결되고 상기 사용자의 몸체 전면을 둘러싸고 몸체 후면을 개구하도록 절곡된 복수의 지지 바들(support bars)과 각각이 해당 지지 바의 제2 단에 연결되어 상기 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 골반 관절 구동기를 포함하는 몸체부; 및
사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하여 상기 복수의 발목 관절 구동기들을 제어하여 상기 무게중심을 잡는 동작제어모듈을 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
제1항에 있어서, 상기 복수의 관절 구동기들 및 상기 제2 골반 관절 구동기들(이하, 보행 보조 구동기들) 각각은
상기 사용자의 동작에 따라 발생되는 해당 관절의 움직임을 센싱하는 다축 힘-토크센서를 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
제2항에 있어서, 상기 몸체부는
상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 측정값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하고 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 변화량들을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 하는 동작제어모듈을 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
제3항에 있어서, 상기 동작제어모듈은
상기 다축 힘-토크센서를 통해 상기 사용자의 동작에 의해 발생되는 힘-토크 변화량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 하는 전방착용 기립보조로봇.
제3항에 있어서, 상기 동작제어모듈은
상기 사용자의 동작이 발생되기 전에 상기 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서를 통해 측정된 전기적 신호량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 하는 전방착용 기립보조로봇.
제1항에 있어서, 상기 보조 다리부는
상기 사용자의 발로 탑승 가능하게 배치되어 상기 제2 발목 관절 구동기와 연결되는 발판을 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
제6항에 있어서, 상기 보조 다리부는
상기 사용자의 무릎 관절과 대응하여 상기 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 무릎 관절 구동기를 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
제7항에 있어서, 상기 보조 다리부는
상기 복수의 관절 구동기들을 연결하는 링커들을 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
제1항에 있어서, 상기 몸체부는
상기 몸체 플레이트에서 사용자의 반대편 일면에 연결되어 상기 사용자의 손에 의해 파지될 수 있도록 지면에 평행한 방향으로 연장되는 파지봉을 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
제9항에 있어서, 상기 몸체부는
상기 복수의 지지 바들 및 상기 제2 골반 관절 구동기들을 결합한 몸체 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전방착용 기립보조로봇.