KR20180050152A - 하지 외골격 로봇용 발목 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사람의 발이 안착될 수 있게 마련되는 발 안착부 및 상기 발 안착부가 수평면(transvers plane) 상 일 방향으로 회전 운동시, 반대 방향으로의 회전력을 보상해 주기 위한 수평면 회전 수단을 포함하는 하지 외골격 로봇용 발목 모듈로서, 본 발명에 의하면, 전기, 유압, 공압 등의 특정된 에너지원으로부터 발생되는 하지 외골격 로봇 시스템의 한계를 극복하여 에너지원이 없이도 구동력을 가질 수 있어 저렴한 가격에 의해 제작이 가능하고, 또한 시상면(sagittal plane, median plane)에 대한 회전만 가능한 한계를 해소할 수 있다.

Description

하지 외골격 로봇용 발목 모듈{ANKLE MODULE FOR LOWER LIMB EXOSKELETON}

본 발명은 하지 외골격 로봇에 관한 것으로서, 구체적으로는 이에 부수적이거나 독립적인 의미를 가지는 하지 외골격 로봇용 발목 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 외골격 로봇은 착용자의 근력을 지원하여 무거운 물체를 들어 올리거나 하반신 마비 환자 등이 원활하게 움직일 수 있도록 사람이 착용하는 장치로서, 웨어러블 로봇(wearable robot), 장갑 로봇 등으로 불리기도 한다.

이러한 외골격 로봇은 처음에는 팔에 장착하여 무거운 포탄을 쉽게 옮길 수 있도록 하는 등 군사용으로 개발되었는데, 산업용이나 군사용으로 개발된 외골격 로봇은 착용자의 근력을 지원하여 무거운 물체를 드는 것이 가능하도록 하며, 특히 하지 외골격 로봇은 중량물의 힘을 지면에 대신 전달해 줌으로써 그 힘을 사람에게 가해지지 않도록 하는 특징이 있다.

이러한 로봇은 다양한 플랫폼을 설치함으로써 여러 가지 작업을 수행할 수 있게 되는데, 현재 이러한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

현재 하지 외골격 로봇의 주동력원은 전기모터 및 유압으로 구성되어 있는데, 동력원이 전기모터로 구성된 로봇의 경우는 모터 및 감속기에 대한 비용이 비싼 단점이 있으며, 유압을 동력원으로 사용하는 로봇의 경우는 설계적인 신뢰성 및 복잡성과 전기모터와 마찬가지로 유압 제품에 대한 높은 가격이 단점이 되고 있다.

한편, 현재 군사 및 의료용 하지 외골격 로봇의 형태는 그 목적에 맞도록 사람의 다리 모양과 유사하게 설계되어 있다.

대부분 허리관절, 고관절, 무릎관절, 발목관절의 자유도를 가진 형태이며, 각 자유도마다 구동부를 배치하여 사람의 의도를 전달받아 일정한 회전 토크를 발생시키게 구동된다.

이 중 하지 절단 환자를 도와주기 위한 의족의 형태는 크게 무릎과 발목의 자유도를 가지는 형태와 발목 부분의 자유도만 가지는 형태로 나눠진다.

의족은 사람 피부가 직접 닿게 되는 부분은 플라스틱 재질로, 사람의 체중을 버티기 위한 부분은 알루미늄 소재로 구성이 되고, 의족의 회전 조인트는 대부분 패시브(passive) 형태의 링크 구조를 이루고 있다.

이러한 링크 구조의 회전 조인트는 대체로 발목의 회전 평면 중 시상면(sagittal plane, median plane)에 대한 회전만 고려하여 메커니즘이 구성되어 잇고, 수평면(transvers plane, horizontal plane) 및 관상면(coronal plane, frontal plane)에 대한 회전 메커니즘은 고려하고 있지 않다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국공개특허공보 제10-2012-0076082호 한국공개특허공보 제10-2010-0082989호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 전기, 유압, 공압 등의 특정된 에너지원으로부터 발생되는 하지 외골격 로봇 시스템의 한계를 극복하여 에너지원이 없이도 구동력을 가질 수 있어 저렴한 가격에 의해 제작이 가능하고, 또한 시상면(sagittal plane, median plane)에 대한 회전만 가능한 한계를 해소할 수 있는 하지 외골격 로봇용 발목 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 하지 외골격 로봇용 발목 모듈은, 사람의 발이 안착될 수 있게 마련되는 발 안착부 및 상기 발 안착부가 수평면(transvers plane) 상 일 방향으로 회전 운동시, 반대 방향으로의 회전력을 보상해 주기 위한 수평면 회전 수단을 포함한다.

상기 발 안착부에 장착되어, 상기 발 안착부가 시상면(sagittal plane) 상 회전 동작 가능하게 하는 시상면 회전 수단을 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 수평면 회전 수단은, 고정된 제1 요(yaw) 축 회전 링크 및 상기 제1 요 축 회전 링크와 이격 배치되어 요 방향 축을 기준으로 회전하는 제2 요 축 회전 링크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수평면 회전 수단은, 일 단은 상기 제1 요 축 회전 링크에 고정되고, 타 단은 상기 제2 요 축 회전 링크에 고정되는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 시상면 회전 수단은, 상기 스프링을 관통하고 상기 발 안착부의 수평면 상 회전시 같은 방향으로 회전되는 제2 피치 축 회전 링크를 포함하고, 상기 제2 요 축 회전 링크는 상기 제2 피치 축 회전 링크와 결합됨으로써, 상기 제2 피치 축 회전 링크가 상기 발 안착부의 수평면 상에서 회전시 상기 제2 요 축 회전 링크도 같은 방향으로 회전되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 시상면 회전 수단은, 상기 발 안착부에 장착되는 피치 축 링크 하우징, 상기 피치 축 링크 하우징 내에 구비되어 상기 발 안착부의 피치 축을 기준으로 회전 가능한 제1 피치 축 회전 링크를 더 포함하고, 상기 제2 피치 축 회전 링크는 상기 제1 피치 축 회전 링크와 결합되어 상기 제2 피치 축 회전 링크의 회전시 피치 축을 기준으로 회전되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제1 요 축 회전 링크가 고정 결합되는 로봇 연결부를 더 포함할 수 있다.

그리고, 일 단은 상기 로봇 연결부에 형성되는 링크 회전 제한 홀에 삽입되고, 타 단은 상기 제1 요 축 회전 링크에 결합되는 링크 회전 제한 로드를 더 포함하여, 상기 제1 요 축 회전 링크의 요 축을 기준으로 한 회전은 상기 링크 회전 제한 홀의 크기에 의해 제한되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하지 외골격 로봇용 발목 모듈은 전기, 유압, 공압 등의 에너지원이 없더라도 간단한 기계적인 구성에 의해서 구동력을 가질 수 있어 환자 등의 사용자의 발목 동작에 도움을 줄 수 있다.

그에 따라 종래에 비해 비교적 저렴한 가격으로 제작이 가능하여 대중적으로 이용이 가능하게 한다.

또한, 발목의 회전을 시상면에 대한 회전만 고려하지 않고, 수평면에 대한 회전 또한 고려함으로써 사용자가 발목을 수평면 상에서 회전 동작하는 것을 용이하게 하고, 사람의 발목의 상태에 적합하게 구현될 수 있게 한다.

도 1은 본 발명에 의한 하지 외골격 발목 모듈을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 하지 외골격 발목 모듈의 일 측면을 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 하지 외골격 발목 모듈을 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 A-A 단면을 나타낸 것이며, 도 3은 본 발명에 의한 하지 외골격 발목 모듈의 일 측면을 도시한 것이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 외골격 로봇용 발목 모듈을 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 하지 외골격 로봇용 발목 모듈은 사용자의 발목 동작을 위해 하지 외골격 로봇과 연결하여 사용되는 발목 모듈로서, 구동장치에 의하지 않고 사용자의 발목 회전 동작에 의한 힘에 의해 회전 동작이 가능하게 하는 것이다.

이를 위해 본 발명에 의한 하지 외골격 로봇용 발목 모듈은 사용자의 발이 안착되도록 대체로 평탄한 발 안착부(10)를 수평면(transvers plane, horizontal plane) 상에서 회전되게 하는 수평면 회전 수단(20)과 시상면(sagittal plane, median plane) 상에서 회전될 수 있도록 하는 시상면 회전 수단(30)을 포함하고, 수평면 회전 수단(20)에 로봇 연결부(40)가 결합되어, 로봇 연결부(40)를 통해 하지 외골격 로봇과 연결이 된다.

시상면 회전 수단(30)은 발 안착부(10)의 시상면 상의 회전 운동, 즉 발 안착부(10)를 기준으로 피치 축(pitch axis)을 기준으로 회전이 가능하게 하기 위한 구성이다.

이를 위해 피치 축 링크 하우징이 발 안착부(10)의 일 측에 장착이 되고, 피치 축 링크 하우징 내에 제1 피치 축 회전 링크(310)가 구비된다.

제1 피치 축 회전 링크(310)는 피치 축을 축으로 회전되는 원통형상의 부재가 된다.

이러한 제1 피치 축 회전 링크(310)는 피치 축 링크 하우징 내측에 마찰부재(320)가 개재되어 장착됨으로써 마찰에 의해서 외력 없이는 쉽게 회전되지 못하고, 사용자에 의해 발 안착부(10)가 피치 축을 기준으로 회전하게 되면 수동적(passive)으로 회전되는 구성이다.

제2 피치 축 회전 링크(330)는 제1 피치 축 회전 링크(310)와 결합되고 하지 방향의 길이 방향을 가지는 링크로서, 제1 피치 축 회전 링크(310)가 피치 축을 기준으로 회전 동작하면 함께 회전될 수 있게 마련된다.

이를 위해 피치 축 링크 하우징의 상단은 제2 피치 축 회전 링크(330)가 삽입되고, 제2 피치 축 회전 링크(330)의 피치 축을 기준으로 한 회전을 제한하기 위한 제2 피치 축 회전 링크 회전 반경 홈이 형성된다.

다음으로, 수평면 회전 수단(20)은 제1 요 축 회전 링크(210), 제2 요 축 회전 링크(220) 및 스프링(230)을 포함하여 구성된다.

먼저 제2 요 축 회전 링크(220)는 상술한 제2 피치 축 회전 링크(330)와 결합되고, 발 안착부(10)를 기준으로 수평면 상의 회전, 즉 요 축(yaw axis)을 기준으로 한 회전이 가능한 링크이다.

이를 위해 제2 피치 축 회전 링크(330)에는 제2 요 축 회전 링크 결합단(331)이 구성됨으로써 제2 요 축 회전 링크(220)의 하단과 결합될 수 있게 마련된다.

그리고, 제1 요 축 회전 링크(210)에는 로봇 연결부 결합 플레이트(211)가 상부에 형성되어, 로봇 연결부 결합 플레이트(211)에 의해 로봇 연결부(211)와 결합될 수 있다.

또는, 다른 구성에 의해서 하지에 결합되는 구성일 수 있다.

즉, 제1 요 축 회전 링크(210)는 요 축을 기준으로 회전되지 않도록 구성되는 것이다.

이 같은 제1 요 축 회전 링크(210)와 제2 요 축 회전 링크(220)는 후술할 스프링(230) 구성에 대응되게 원통형상으로 마련되는 것이 바람직하고, 양 자는 일정 간격 이격되어 배치됨으로써 서로 상대적인 회전 동작이 이루어지게 된다.

이를 위해서 스프링(230)의 일 단은 제1 요 축 회전 링크(210)에 결합되고, 타 단은 제2 요 축 회전 링크(220)에 결합되며, 상술한 제2 피치 축 회전 링크(330)가 스프링(230)을 관통하는 형태로 구성된다.

수평면 회전 수단(20)이 이와 같이 구성됨에 의해, 발 안착부(10)가 요 축을 기준으로 회전 동작되면, 발 안착부(10)의 회전과 함께 제2 피치 축 회전 링크(330)가 회전하게 되고, 제2 피치 축 회전 링크(330)와 결합된 제2 요 축 회전 링크(220)가 요 축을 기준으로 회전 동작된다.

이 경우, 제1 요 축 회전 링크(210)는 요 축 기준 회전에 대해서 고정되어 있으므로, 스프링(230)은 제2 요 축 회전 링크(220)의 회전에 의해 변위가 발생하게 되고, 회전 동작 후 스프링(230)의 복원력에 의해 제2 요 축 회전 링크(210)는 다시 원점으로 복귀하게 된다.

사람이 걷는 동작에 대해서 발목 관절은 시상면 상의 회전 뿐 아니라 수평면 상 회전도 발생하게 되는데, 본 발명의 수평면 회전 수단(20)은 이 같은 동작을 위한 것이다.

즉, 사람의 편안한 걷는 동작은 수평면 상 회전이 동작되는데, 이를 구동력에 의해서 구동되게 하지 않고 본 발명과 같은 구성에 의해서 자력에 의해 수평면 상 회전 동작된 후 복원력에 의해서 쉽게 회전력을 보상받음으로써 사용자가 힘을 덜 쓰면서 걸을 수 있게 도와주는 것이다.

한편, 사람의 정지 상태에서의 발의 각도는 시선방향의 정면과 완전히 일치하지는 않기 때문에 스프링(230)의 외력이 작용하지 않는 경우의 원점의 위치는 발 안착부(10)의 각도가 정면을 기준으로, 즉 요 축을 기준으로 10도 안팎의 각도의 위치인 것이 바람직하다.

그리고, 이 같은 요 축 기준의 회전을 제한하기 위한 구성이 링크 회전 제한 로드(50)이고, 이를 위해 로봇 연결부(40)에는 링크 회전 제한 홀이 형성된다.

즉, 환자 등의 본 모듈의 필요 대상은 요 축 기준의 회전이 과다한 것이 바람직하지 않기 때문에 이를 제한하기 위한 것으로서, 링크 회전 제한 로드(50)의 일 단이 제2 피치 축 회전 링크(330)의 상단에 결합되고, 타 단은 로봇 연결부(40)에 제한 각도만큼의 크기로 형성되는 링크 회전 제한 홀(410)을 관통하여 제한 폭 내에서 가이드되게 한다.

또한, 제2 피치 축 회전 링크(330)의 축의 이탈을 방지하여 원활한 회전을 보장하기 위해서 제2 피치 축 회전 링크(330)와 제1 요 축 회전 링크(220) 사이 공간에는 보호부재(60)가 개재되게 한다.

그리고, 보호부재(60)의 지지를 위해서 제2 피치 축 회전 링크(330)에는 보호부재 지지단(332)이 단차지게 형성되는 것이 바람직하다.

나아가, 도 3에서와 같이 스프링(230)의 일 단과 타 단은 제1 요 축 회전 링크(210)에 마련되는 절개 홈(212)과 제2 요 축 회전 링크(220)에 마련되는 절개 홈(221)을 통해 각각 돌출되게 마련되는 형태로 결합될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의한 하지 외골격 로봇용 발목 모듈은 하지 외골격 로봇의 일 구성으로 결합될 수 있으며, 독립적으로 착용될 수 있게 마련될 수 있는데, 발의 시상면 상 회전 및 수평면 상 회전 동작을 구동력 없이 동작할 수 있게 하고, 특히 수평면 상 회전에 대해서 힘을 보상해 줌으로써 착용자의 걷는 동작을 용이하게 하고 또한 인체 적합하게 구현될 수 있게 한다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10 : 발 안착부
20 : 수평면 회전 수단
210 : 제1 요 축 회전 링크
211 : 로봇 연결부 결합 플레이트
212 : 절개 홈
220 : 제2 요 축 회전 링크
221 : 절개 홈
230 : 스프링
30 : 시상면 회전 수단
310 : 제1 피치 축 회전 링크
320 :마찰부재
330 : 제2 피치 축 회전 링크
331 : 제2 요축 회전 링크 결합단
332 : 보호부재 지지단
40 : 로봇 연결부
41 : 링크 회전 제한 홀
50 : 링크 회전 제한 로드
60 : 보호부재

Claims (8)

1. 사람의 발이 안착될 수 있게 마련되는 발 안착부; 및
   상기 발 안착부가 수평면(transvers plane) 상 일 방향으로 회전 운동시, 반대 방향으로의 회전력을 보상해 주기 위한 수평면 회전 수단을 포함하는,
   하지 외골격 로봇용 발목 모듈.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 발 안착부에 장착되어, 상기 발 안착부가 시상면(sagittal plane) 상 회전 동작 가능하게 하는 시상면 회전 수단을 더 포함하는,
   하지 외골격 로봇용 발목 모듈.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 수평면 회전 수단은,
   고정된 제1 요(yaw) 축 회전 링크; 및
   상기 제1 요 축 회전 링크와 이격 배치되어 요 방향 축을 기준으로 회전하는 제2 요 축 회전 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   하지 외골격 로봇용 발목 모듈.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 수평면 회전 수단은,
   일 단은 상기 제1 요 축 회전 링크에 고정되고, 타 단은 상기 제2 요 축 회전 링크에 고정되는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   하지 외골격 로봇용 발목 모듈.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 시상면 회전 수단은, 상기 스프링을 관통하고 상기 발 안착부의 수평면 상 회전시 같은 방향으로 회전되는 제2 피치 축 회전 링크를 포함하고,
   상기 제2 요 축 회전 링크는 상기 제2 피치 축 회전 링크와 결합됨으로써,
   상기 제2 피치 축 회전 링크가 상기 발 안착부의 수평면 상에서 회전시 상기 제2 요 축 회전 링크도 같은 방향으로 회전되는 것을 특징으로 하는,
   하지 외골격 로봇용 발목 모듈.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 시상면 회전 수단은,
   상기 발 안착부에 장착되는 피치 축 링크 하우징;
   상기 피치 축 링크 하우징 내에 구비되어 상기 발 안착부의 피치 축을 기준으로 회전 가능한 제1 피치 축 회전 링크를 더 포함하고,
   상기 제2 피치 축 회전 링크는 상기 제1 피치 축 회전 링크와 결합되어 상기 제2 피치 축 회전 링크의 회전시 피치 축을 기준으로 회전되는 것을 특징으로 하는,
   하지 외골격 로봇용 발목 모듈.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 제1 요 축 회전 링크가 고정 결합되는 로봇 연결부를 더 포함하는,
   하지 외골격 로봇용 발목 모듈.
8. 청구항 7에 있어서,
   일 단은 상기 로봇 연결부에 형성되는 링크 회전 제한 홀에 삽입되고, 타 단은 상기 제1 요 축 회전 링크에 결합되는 링크 회전 제한 로드를 더 포함하여, 상기 제1 요 축 회전 링크의 요 축을 기준으로 한 회전은 상기 링크 회전 제한 홀의 크기에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는,
   하지 외골격 로봇용 발목 모듈.

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