KR20180050153A

KR20180050153A - 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈

Info

Publication number: KR20180050153A
Application number: KR1020160146983A
Authority: KR
Inventors: 지영훈; 신동빈; 황승훈; 한용훈; 이승찬; 장혜연; 한창수
Original assignee: (주)헥사시스템즈
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2018-05-14
Also published as: KR101912920B1

Abstract

본 발명은 사람의 발이 안착될 수 있게 마련되는 발 안착부 및 상기 발 안착부의 일측에 장착되는 제2 레그, 상기 발 안착부가 굴곡운동 가능하도록 상기 제2 레그에 회전 가능하게 결합되는 제1 레그 및 상기 발 안착부가 저측굴곡 운동시 배측굴곡 운동 방향으로의 복원력을 지원하는 굴곡운동 지원수단을 포함하는 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈로서, 본 발명에 의하면, 발목의 배측굴곡 운동 및 저측굴곡 운동이 원활할 수 있도록 모멘트를 지원하여 재활 치료용으로 적합하게 사용자에 편익을 제공한다.

Description

착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈{ANKLE MODULE FOR GAIT REHABILITATION ROBOT}

본 발명은 착용형 하지 보행 재활 로봇에 관한 것으로서, 구체적으로는 이에 부수적이거나 독립적인 의미를 가지는 하지 보행 재활 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), 착용형 로봇 등으로 불리기도 한다.

산업현장에서 사용되는 외골격 로봇은 단순 반복 작업이나 육체 노동을 필요로 하는 작업에서 발생할 수 있는 근 골격계 부상을 방지하도록 개발되고 있으며, 또한 의료/재활 서비스를 제공할 수 있도록 개발되고 있다. 또한, 군사들의 체력을 증강하는 용도로도 개발되어 소위 슈퍼솔져를 구축하기 위한 방향으로도 연구되고 있다.

현재 산업, 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.

이러한 하지 외골격 로봇 시스템에서 발목의 저측 굴곡(plantarflexion) 운동과 배측 굴곡(dorsiflexion) 운동은 보행에 있어서 중요한 역할을 담당하므로 이를 지원하기 위한 메커니즘은 필수적인 요소가 된다.

한편, 현재 완전 마지 환자나 뇌졸중으로 인한 편마비 환자의 보행 재활 및 보조를 위한 외골격 로봇들이 여럿 개발되고 있는데, 개발되고 있는 장비들은 고관절과 슬관절에 모터를 장착하여 마비로 인해 보행 활동이 불가능한 환자들의 신체를 로봇을 사용하여 움직여서 일반인처럼 보행 활동이 가능하도록 돕는 장비이다.

그러나, 개발된 보행 재활 치료용 로봇들은 발목의 운동을 돕는 기능은 없는 경우가 대부분이다.

그런데, 발목은 인체의 보행에 있어서 사용되는 에너지의 40% 정도를 사용하며, 하지 관절 중에서 가장 치료가 늦게 되는 관절로서, 정상인과 같은 보행을 수행하기 위해서는 필수적으로 치료가 필요한 관절에 해당한다.

이러한 중요성으로 인해 최근에는 보행 재활 로봇에 발목 운동의 지원이 가능한 기술이 여럿 개발되었으나, 족하수(足下垂]를 방지하기 위한 배측 굴곡 운동만을 지원하는 경우가 대부분에 그치고 있다.

또는, 발목에 모터를 직접적으로 장착하여 기능을 구현하는 경우도 있으나, 이 또한 저측 굴곡에 필요한 모멘트를 발생시키기에는 역부족이다.

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 발목의 배측굴곡 운동 및 저측굴곡 운동이 원활할 수 있도록 모멘트를 지원하여 재활 치료용으로 적합하게 사용자에 편익을 제공할 수 있는 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈은, 사람의 발이 안착될 수 있게 마련되는 발 안착부, 상기 발 안착부의 일측에 장착되는 제2 레그, 상기 발 안착부가 굴곡운동 가능하도록 상기 제2 레그에 회전 가능하게 결합되는 제1 레그 및 상기 발 안착부가 저측굴곡 운동시 배측굴곡 운동 방향으로의 복원력을 지원하는 굴곡운동 지원수단을 포함한다.

상기 굴곡운동 지원수단은, 상기 제1 레그에 결합되는 제1 실린더, 상기 제2 레그에 회전 가능하게 결합되는 제2 실린더 및 상부는 상기 제1 실린더에 삽입되고, 하부는 상기 제2 실린더에 삽입되어, 승하강 동작하는 링크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 실린더와 상기 제2 실린더는 이격 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 링크를 승하강시키는 링크 구동수단을 더 포함할 수 있다.

상기 링크 구동수단은, 상기 링크의 상단에 결합되어 상기 제1 실린더의 상부를 관통하는 와이어 및 상기 와이어를 끌어올리기 위한 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 굴곡운동 지원수단은, 상단이 상기 제1 실린더의 내측 상단에 고정되고, 하단이 상기 제1 스프링과 결합되는 제1 스프링 및 상단이 상기 제2 실린더의 내측 상단에 고정되고, 하단이 상기 제2 스프링과 결합되는 제2 스프링을 더 포함할 수 있다.

나아가, 상기 링크가 상승하여 상기 제1 스프링 압축시 상기 제1 스프링의 압축 해제를 제한시키는 복원 시점 제한 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 복원 시점 제한 수단은, 상기 제1 스프링의 일 측에 결합되는 래칫 및 상기 래칫과 맞물려 상기 링크의 하강을 제한시키는 파울을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 상기 파울의 상기 래칫에 맞물림은 상기 제1 스프링이 일정 이상 압축된 후 해제 가능한 것을 특징으로 한다.

보행 재활에 필요한 모멘트를 순수 모터와 기어만을 사용하여 지원하려면 저측굴곡이 필요한 구간에서 큰 출력(150W 이상)을 요구하게 되며, 이는 모터 크기를 증가시켜 사용성을 저하시키며 가격을 상승시켜 가격 경쟁력도 저하시킨다.

또한, 로봇의 엔드 이펙터 부근에 위치한 발목에 모터를 장착하게 되면, 다른 관절들을 구동하기 위해 필요한 출력이 증가하게 되어 연쇄적으로 문제점을 일으키게 된다.

본 발명의 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈은 발목에 스프링 및 링크 구조, 래칫 메커니즘을 사용하여 인체의 보행 구간 중 원심성 운동이 일어나는 구간에서 에너지를 저장하여 큰 에너지가 필요한 저측굴곡 운동과 입각기 이후 유각기 구간에서 필요한 배측굴곡 운동에 사용할 수 있다.

또한, 모터를 사용하여 일부 필요한 모멘트를 지원할 수 있도록 하여, 결과적으로 40W급 모터로 보행 시 발목의 저측굴곡, 배측굴곡 운동 지원이 가능한 외골격 로봇 개발을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명에 의한 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 측단면을 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 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈을 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 측단면을 도시한 것이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈을 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈은 발 안착부(20), 제1 레그(30), 제2 레그(40), 관절(50) 및 굴곡운동 지원수단(10)을 포함하여, 사람의 발이 안착되는 발 안착부(20)의 일측에 제2 레그(40)가 장착되고, 제1 레그(30)와 제2 레그(40)가 관절에 의해서 결합됨으로써 제2 레그(40)를 기준으로 제1 레그(30)가 관절(50)을 회전축으로 회전됨으로써 굴곡 발 안착부(20)가 굴곡 운동되게 한다.

그리고, 제1 레그(30)는 착용형 하지 보행 재활 로봇에 연결될 수 있다.

이 같이 제1 레그(30)가 배측굴곡 운동과 저측굴곡 운동을 할 때 이의 동력을 지원해 주기 위한 구성이 굴곡운동 지원수단(10)이다.

굴곡운동 지원수단(10)은 링크(110)와 링크(110)의 상부 일부가 삽입되는 제1 실린더(120), 링크(110)의 하부 일부가 삽입되는 제2 실린더(160) 및 제1 실린더(120)와 제2 실린더(160) 내에 구비되는 제1 스프링(130), 제2 스프링(170) 등을 포함한다.

제1 실린더(120)는 제1 레그(30)에 회전 가능하게 결합되고, 제2 실린더(160)는 회전 로드(180)를 매개로 제2 레그(40)에 회전 가능하게 결합되며, 제1 실린더(120)와 제2 실린더(160)는 간격을 두고 배치된다.

그리고, 이들은 사람의 정면을 기준으로 제1 레그(30)와 제2 레그(40)의 후측에 배치되는 것이 동작상 용이하다.

이러한 굴곡운동 지원수단의 링크(110)는 링크 구동수단에 의해서 구동된다.

링크 구동수단은 착용형 하지 보행 재활 로봇 등에 별도로 마련되는 구동원으로서의 모터(미도시)와 와이어(190)를 포함한다.

즉, 제1 실린더(120) 상단은 와이어(190)의 관통을 위해 일부 홀이 형성되고, 홀에 관통되는 와이어(190)가 모터와 링크(110) 간에 연결된다.

그래서, 모터를 동작시켜 와이어(190)를 감게 되면 링크(110)는 제1 실린더(120) 내측 상부에 허락된 공간으로 상승되게 되며, 제1 레그(30)를 당겨서 일정 각도 회전시키게 된다.

그에 따라, 제2 레그(40)는 반대 방향으로 회전하여 발 안착부(20)는 저측굴곡 운동을 하게 되고, 이와 반대로 링크(110)가 하향하게 되면 발 안착부(20)가 배측굴곡 운동을 하게 되는 것이다.

본 발명은 이러한 굴곡운동의 모멘트를 보상해줌으로써 사용자의 편의를 돕고 낮은 출력의 모터에 의해서도 구동이 가능하여 비교적 낮은 가격의 제품으로 제작 가능하게 한다.

즉, 링크(110)가 당겨져서 저측굴곡 운동이 일어날 경우 제1 실린더(120) 내에 구비되는 제1 스프링(130)과 제2 실린더(160) 내에 구비되는 제2 스프링(170)이 상방향으로 압축이 됨으로써, 압축 해제시의 복원력이 작용하여 배측굴곡 운동을 보조하게 된다.

이를 위해서 제1 스프링(130)은 상단은 제1 실린더(120)의 내부 상단에 고정되고, 하단은 제1 스프링(130)과 결합된다.

또한, 제2 스프링(170)은 상단은 제2 실린더(160)의 내부 상단에 고정되고, 하단은 제2 스프링(170)과 결합된다.

그에 따라 링크(110) 상향에 의한 저측굴곡 운동시 제1 스프링(130)과 제2 스프링(170)이 압축되어 에너지를 저장하고, 압축이 해제되면서 복원력에 의해 발 안착부(20)가 배측굴곡 운동하게 한다.

다만, 저측굴곡 운동에 의해 제1 스프링(130)의 압축시 탄성력이 즉시 작용하여 제1 스프링(130)이 복원되면 발 안착부(20)의 바람직한 운동을 방해하는 결과를 초래하게 되며, 저측굴곡 운동시 에너지를 모아서 배측굴곡을 위해 사용되게 하는 목적이 달성되지 못할 수 있다.

따라서, 제1 스프링(130)의 압축 해제 시점을 제한하기 위한 수단으로서, 래칫(140)과 파울(140)이 부가된다.

즉, 링크(110)의 제1 스프링(130) 결합 지점 하부에 래칫(140)이 결합되고, 래칫(140)에 대응되게 회전 가능한 파울(150)이 제1 실린더(120) 외측에 결합이 된다.

제1 스프링(130)의 하향 제한은 제1 실린더(120) 내측의 스프링 제한단(121)에 의해 제한되는데, 스프링 제한단(121) 하측에 래칫(140)이 구비된다.

그리고, 래칫(140)과 파울(150)의 상호 관계를 위해 제1 실린더(120)의 하측부 일부는 절개되어 마련된다.

그래서, 링크(110) 상향시 래칫(140)이 파울(150)에 걸리게 되어 링크(110)는 쉽게 하향되지 못하게 되고, 일정 이상 제1 스프링(130)이 압축된 후에 파울(150)이 해제되는 크기의 복원력이 작용하여 래칫(140)이 풀려 제1 스프링(130)이 하강될 수 있게 제한하는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의한 착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈은 스프링에 의한 복원력을 통해서 작은 힘의 모터 출력에 의해서도 힘을 보상시켜 발 안착부가 굴곡운동이 용이하게 하여 원활한 저측굴곡 운동 및 배측굴곡 운동이 이루어지게 하여 착용자에 편의적이면서도 비교적 낮은 가격으로 제작이 가능하다.

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 : 굴곡운동 지원수단
110 : 링크
120 : 제1 실린더 121 : 스프링 제한단
130 : 제1 스프링
140 : 래칫
150 : 파울
160 : 제2 실린더
170 : 제2 스프링
180 : 회전 로드
190 : 와이어
20 : 발 안착부
30 : 제1 레그
40 : 제2 레그
50 : 관절

Claims

사람의 발이 안착될 수 있게 마련되는 발 안착부;
상기 발 안착부의 일측에 장착되는 제2 레그;
상기 발 안착부가 굴곡운동 가능하도록 상기 제2 레그에 회전 가능하게 결합되는 제1 레그; 및
상기 발 안착부가 저측굴곡 운동시 배측굴곡 운동 방향으로의 복원력을 지원하는 굴곡운동 지원수단을 포함하는,
착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 굴곡운동 지원수단은,
상기 제1 레그에 결합되는 제1 실린더;
상기 제2 레그에 회전 가능하게 결합되는 제2 실린더; 및
상부는 상기 제1 실린더에 삽입되고, 하부는 상기 제2 실린더에 삽입되어, 승하강 동작하는 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는,
착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 실린더와 상기 제2 실린더는 이격 배치되는 것을 특징으로 하는,
착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈.
청구항 3에 있어서,
상기 링크를 승하강시키는 링크 구동수단을 더 포함하는,
착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈.
청구항 4에 있어서,
상기 링크 구동수단은,
상기 링크의 상단에 결합되어 상기 제1 실린더의 상부를 관통하는 와이어; 및
상기 와이어를 끌어올리기 위한 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈.
청구항 5에 있어서,
상기 굴곡운동 지원수단은,
상단이 상기 제1 실린더의 내측 상단에 고정되고, 하단이 상기 제1 스프링과 결합되는 제1 스프링; 및
상단이 상기 제2 실린더의 내측 상단에 고정되고, 하단이 상기 제2 스프링과 결합되는 제2 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈.
청구항 6에 있어서,
상기 링크가 상승하여 상기 제1 스프링 압축시 상기 제1 스프링의 압축 해제를 제한시키는 복원 시점 제한 수단을 더 포함하는,
착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈.
청구항 7에 있어서,
상기 복원 시점 제한 수단은,
상기 제1 스프링의 일 측에 결합되는 래칫; 및
상기 래칫과 맞물려 상기 링크의 하강을 제한시키는 파울을 포함하는 것을 특징으로 하는,
착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈.
청구항 8에 있어서,
상기 파울의 상기 래칫에 맞물림은 상기 제1 스프링이 일정 이상 압축된 후 해제 가능한 것을 특징으로 하는,
착용형 하지 보행 재활 로봇용 발목 모듈.