KR20200142128A - 착용식 근력 보조 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

착용자의 배면에 위치된 지지부; 지지부에 고정된 상태로 위치된 구동기; 구동기에 슬라이딩 가능하게 연결되고, 구동기의 구동에 의해 지지부를 기준으로 슬라이딩 가능한 슬라이딩부; 착용자의 양측에 위치되도록 지지부에 연결되고, 각각의 일단부가 지지부를 기준으로 회전 가능하게 연결된 제1회전부 및 제2회전부; 및 각각의 단부가 슬라이딩부를 경유하여 제1회전부 및 제2회전부와 결합되고, 슬라이딩부의 슬라이딩에 의해 제1회전부 및 제2회전부에 회전력을 전달하는 동력전달부;를 포함하는 착용식 근력 보조 장치 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

착용식 근력 보조 장치 및 그 제어방법{WEARABLE APPARATUS FOR ASSISTING MUSCULAR STRENGTH AND CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명은 착용식 근력 보조 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 착용자의 허리 근력을 보조하는 장치에 관한 것이다.
다양한 산업 현장 또는 일상 생활에서 사람의 신체적 한계를 넘어서는 신체 능력을 요구하는 경우가 발생될 수 있으며, 이 경우 작업의 효율성이 떨어지고 작업자의 신체 상해가 발생될 수 있는 위험성이 존재한다.
이를 해결하기 위해 작업자가 직접 착용할 수 있으면서 작업자의 움직임에 보조력을 더하는 착용식 로봇이 개발되어 왔는데, 작업자가 로봇을 착용하여 로봇이 작업자의 각 관절을 구동하여 작업자의 관절이 받는 하중을 로봇이 대신 받아 구동하는 방식이었다.
현재까지 대부분의 착용식 로봇은 각 관절을 개별적으로 구동하는 방식으로, 이러한 구조는 각 관절별로 구동기 및 감속기가 필요하여 착용식 로봇의 경량화에 한계를 가짐과 동시에 다수의 구동기를 제어함에 있어서 제어의 불안정성 및 원가 상승의 문제가 있었다.
이에 따라, 하나의 구동기 및 감속기를 통하여 착용자의 허리 근력을 보조하는 착용식 로봇이 개발되었으나, 이러한 착용식 허리 근력 보조 로봇은 착용자가 허리를 굽히거나 펴는 동작을 할 때에는 착용자의 허리 근력을 보조하고, 착용자가 보행할 때에는 착용자가 불편하지 않도록 제어해야될 필요가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1219795 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 하나의 구동장치를 포함한 착용식 근력 보조 장치로서, 착용자의 보행을 간섭하지 않으면서 착용자의 허리 근력의 보조가 가능한 착용식 근력 보조 장치를 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용식 근력 보조 장치는 착용자의 배면에 위치된 지지부; 지지부에 고정된 상태로 위치된 구동기; 구동기에 슬라이딩 가능하게 연결되고, 구동기의 구동에 의해 지지부를 기준으로 슬라이딩 가능한 슬라이딩부; 착용자의 양측에 위치되도록 지지부에 연결되고, 각각의 일단부가 지지부를 기준으로 회전 가능하게 연결된 제1회전부 및 제2회전부; 및 각각의 단부가 슬라이딩부를 경유하여 제1회전부 및 제2회전부와 결합되고, 슬라이딩부의 슬라이딩에 의해 제1회전부 및 제2회전부에 회전력을 발생시키는 동력전달부;를 포함한다.
동력전달부에는, 각각의 단부가 장력 인가시 제1회전부 및 제2회전부를 전방으로 회전시키도록 결합된 제1와이어 및 각각의 단부가 장력 인가시 제1회전부 및 제2회전부를 후방으로 회전시키도록 결합된 제2와이어가 포함될 수 있다.
제1와이어의 단부는 제1회전부 및 제2회전부의 전방부에 결합되고, 제2와이어의 단부는 1회전부 및 제2회전부의 후방부에 결합될 수 있다.
동력전달부에는, 각각의 단부와 제1회전부 또는 제2회전부 사이에 위치되어 동력전달부에 의해 전달되는 전달력에 의해 변형되는 탄성체가 마련될 수 있다.
동력전달부는 슬라이딩부에서 측방으로 이격된 지지부의 일측과 슬라이딩부 사이에 감겨진 상태로 양측 단부로 연장될 수 있다.
슬라이딩부에서 측방으로 이격된 지지부의 일측에 제1고정풀리가 마련되고, 슬라이딩부에는 제1이동풀리가 마련되며, 동력전달부는 각각의 단부 사이에서 제1고정풀리 및 제1이동풀리 사이에 감겨질 수 있다.
동력전달부에는 제1와이어 및 제2와이어가 포함되고, 제1와이어는 각각의 단부 사이에서 제1고정풀리 및 제1이동풀리에 감겨지며, 제2와이어는 슬라이딩부에서 측방으로 이격된 지지부의 타측에 회전 가능하게 결합된 제2고정풀리 및 슬라이딩부에 회전 가능하게 결합된 제2이동풀리 사이에 감겨질 수 있다.
일단부가 지지부의 양측에 각각 결합되고, 타단부가 제1회전부 및 제2회전부에 각각 회전 가능하게 결합된 제1고정부 및 제2고정부;를 더 포함할 수 있다.
제1고정부 및 제2고정부는 일단부가 지지부에 측방으로 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다.
제1고정부 또는 제2고정부에는 일단부 측에 제1고정부 또는 제2고정부에 회전 가능하게 결합된 제1연결풀리가 마련되고, 지지부에는 제1연결풀리에서 외측방으로 이격된 위치에서 지지부에 회전 가능하게 결합된 제2연결풀리가 마련되며, 동력전달부는 각각의 단부 사이에서 제1연결풀리와 제2연결풀리 사이에 감겨질 수 있다.
제1고정부 또는 제2고정부의 일단부는 지지부의 내부에 삽입된 상태로 지지부에 슬라이딩 가능하고, 제2연결풀리의 회전축은 제1고정부 또는 제2고정부를 관통한 상태로 지지부에 결합되며, 제1고정부 또는 제2고정부에는 제2연결풀리의 회전축이 관통된 상태로 슬라이딩되는 슬라이딩홈이 형성될 수 있다.
제1회전부 또는 제2회전부에는, 제1회전부 또는 제2회전부의 회전력을 착용자의 대퇴부로 전달하도록 대퇴부와 제1회전부 또는 제2회전부 사이에 결합된 고정부가 마련될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용식 근력 보조 장치를 제어하는 방법은 제1회전부 및 제2회전부에서 요구되는 토크를 산출하는 단계; 및 산출된 토크 및 동력전달부에 의해 전달되는 전달력을 기반으로 구동기를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
요구되는 토크를 산출하는 단계에서는, 요구되는 토크는 착용자의 상체 숙임에 따른 중력을 보상하는 중력보상토크, 착용자의 대퇴 굽힘에 따른 가상의 스프링에 작용하는 가상탄성토크, 착용자의 상체를 펴는 동작을 보조하는 상체보조토크 및 착용자의 대퇴를 펴는 동작을 보조하는 대퇴보조토크의 합으로 산출할 수 있다.
중력보상토크는, 착용자의 상체 숙임 각도를 기반으로 산출되고, 상체 숙임 각도가 음수인 경우 기설정된 게인값이 곱해질 수 있다.
가상탄성토크는, 착용자의 대퇴 굽힘 각도 및 기설정된 가상의 스프링 상수를 기반으로 산출될 수 있다.
상체보조토크 또는 대퇴보조토크는, 착용자의 상체 펼침 동작 또는 대퇴 펼침 동작의 각속도를 기반으로 산출될 수 있다.
상체보조토크 또는 대퇴보조토크는, 착용자의 상체 숙임 각도 또는 착용자의 대퇴 굽힘 각도가 기설정된 각도 이하에서는 착용자의 상체 숙임 각도 또는 착용자의 대퇴 굽힘 각도가 감소함에 따라 크기가 감소되도록 산출될 수 있다.
동력전달부에는, 각각의 단부와 제1회전부 또는 제2회전부 사이에 위치되어 동력전달부에 의해 전달되는 전달력에 의해 변형되는 탄성체가 마련되고, 구동기를 제어하는 단계에서, 동력전달부에 의해 전달되는 전달력은 탄성체의 변형을 기반으로 추정할 수 있다.
본 발명의 착용식 근력 보조 장치에 따르면, 하나의 구동기만을 이용하여 착용자의 자세를 구동할 수 있어 제조 원가가 감소되고, 동력전달부는 제1회전부와 제2회전부의 회전을 연동시킴으로써 착용자의 보행이 간섭되지 않는 효과를 갖는다.
또한, 착용자의 신체에 밀착되도록 측방 이격거리를 조정하더라도 동력전달부의 작동력이 동일하게 유지되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 착용식 근력 보조 장치를 제어하는 방법에 따르면, 탄성체의 변형을 측정함에 따라 제1와이어 및 제2와이어에 작용하는 장력의 크기를 추정하여 구동기를 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 배면 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 배면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 측면 확대도이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 작동 상태를 도시한 배면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 측면 사시도를 확대한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치를 착용한 착용자를 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 배면 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 배면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 측면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 측면 확대도이다.
도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치는 착용자의 배면에 위치된 지지부(100); 지지부(100)에 고정된 상태로 위치되고, 회전력을 발생시키도록 구동되는 구동기(200); 구동기(200)에 슬라이딩 가능하게 결합되고, 구동기(200)의 구동에 의해 지지부(100)를 기준으로 슬라이딩되는 슬라이딩부(300); 착용자의 양측에 위치되도록 지지부(100)에 연결되고, 각각의 일단부가 지지부(100)를 기준으로 전후방으로 회전 가능하게 결합된 제1회전부(400) 및 제2회전부(500); 및 각각의 단부가 슬라이딩부(300)를 경유하여 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)와 결합되고, 슬라이딩부(300)의 슬라이딩에 의해 제1회전부(400) 또는 제2회전부(500)에 회전력을 발생시키는 동력전달부(600);를 포함한다.
지지부(100)는 착용자의 배면에서 착용자의 등 또는 허리에 위치되어 착용자의 몸통에 지지된다. 지지부(100)는 별도의 하네스를 통하여 착용자의 전방으로 결합될 수도 있다.
지지부(100)는 착용자의 배면에 직접 접촉된 배면지지대(110)와 배면지지대(110)의 양측방으로 연장된 삽입부(120)로 형성될 수 있다. 특히, 삽입부(120)는 양측방으로 연장되면서 전방으로 경사지게 연장될 수 있다. 후술하는 것과 같이, 삽입부(120)에는 제1고정부(410) 및 제2고정부(510)가 삽입되어 서로 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다.
구동기(200)는 지지부(100)에 고정되어 결합될 수 있다. 구동기(200)는 전력을 공급받아 회전력을 발생시키는 회전모터일 수 있다. 구동기(200)는 랙-피니언 구성에 결합되어 회전 운동이 직선 운동으로 변환될 수 있다. 추가로, 모터에 전력을 공급하는 배터리(미도시) 및 구동기(200)를 제어하는 제어기(미도시)도 지지부(100)에 고정되어 결합될 수 있다.
또한, 구동기(200)는 리니어 모터, 유압 액츄에이터 등 직선 운동을 직접 발생시키는 동력장치일 수 있다.
슬라이딩부(300)는 구동기(200)에 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다. 특히, 구동기(200)의 구동에 의해 슬라이딩부(300)는 직선 운동으로 슬라이딩되어 구동기(200)가 고정된 지지부(100)를 기준으로 슬라이딩될 수 있다. 특히, 슬라이딩부(300)는 모터의 회전축에 볼스크류 방식으로 체결될 수 있고, 회전축의 회전에 의해 직선 운동될 수 있다.
제1회전부(400) 및 제2회전부(500)는 착용자의 양측에서 지지부(100)에 연결될 수 있다. 특히, 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)는 지지부(100)에 고정된 일단부를 기준으로 타단부가 전방 또는 후방으로 회전 가능하도록 지지부(100)에 결합될 수 있다. 특히, 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)는 착용자의 대퇴에 지지될 수 있다.
동력전달부(600)는 슬라이딩부(300)를 경유하여 각각의 단부가 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)와 각각 결합될 수 있다. 또한, 동력전달부(600)는 슬라이딩부(300)의 슬라이딩에 의해 장력이 발생될 수 있고, 이에 따라 각각의 단부에 결합된 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)에 회전력을 발생시킬 수 있다.
특히, 동력전달부(600)의 단부는 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)의 일단부가 지지부(100)를 기준으로 회전되는 회전중심에서 이격된 위치에서 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)에 작용하는 장력이 전달되어 회전력이 발생될 수 있다.
이에 따라, 하나의 구동기(200)만을 이용하여 착용자의 자세를 구동할 수 있어 제조 원가가 감소되고, 동력전달부(600)는 제1회전부(400)와 제2회전부(500)의 회전을 연동시킴으로써 착용자의 보행이 간섭되지 않는 효과를 갖는다.
동력전달부(600)에는, 각각의 단부가 장력 인가시 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)를 전방으로 회전시키도록 결합된 제1와이어(610) 및 각각의 단부가 장력 인가시 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)를 후방으로 회전시키도록 결합된 제2와이어(620)가 포함될 수 있다.
일단부가 전방 또는 후방으로 회전 가능하게 지지부(100)에 결합된 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)는 전방 및 후방으로 회전력이 인가되도록 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)를 모두 포함할 수 있다.
이에 따라, 구동기(200)의 구동에 의해 제1와이어(610) 또는 제2와이어(620)에 장력을 발생시킴으로써 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)를 전방으로 회전시키거나 후방으로 회전시키는 동작이 모두 가능한 효과를 갖는다.
다른 실시예로, 착용자가 허리를 펴는 동작(Extension)을 보조하도록 제2와이어(620)만을 포함할 수도 있다. 이에 따라, 제2와이어(620)에 장력을 발생시킴으로써 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)가 후방으로 회전되면서 착용자의 대퇴에 지지될 수도 있다.
더 구체적으로, 제1와이어(610)의 단부는 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)의 전방부에 결합되고, 제2와이어(620)의 단부는 1회전부 및 제2회전부(500)의 후방부에 결합될 수 있다.
제1와이어(610)의 단부는 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)의 일단부에 위치된 회전중심보다 전방에서 결합되어 장력 인가시 제1회전부(400)를 전방으로 회전시킬 수 있다. 반대로, 제2와이어(620)의 단부는 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)의 일단부에 위치된 회전중심보다 후방에서 결합되어 장력 인가시 제1회전부(400)를 후방으로 회전시킬 수 있다.
동력전달부(600)에는, 각각의 단부와 제1회전부(400) 또는 제2회전부(500) 사이에 위치되어 동력전달부(600)에 의해 전달되는 전달력에 의해 변형되는 탄성체(630)가 마련될 수 있다.
제1와이어(610) 및 제2와이어(620)는 각각의 단부가 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)에 결합되되, 스프링과 같은 탄성체(630)를 매개하여 결합될 수 있다. 이에 따라, 탄성체(630)는 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)에 작용하는 장력에 의해 변형될 수 있다. 특히, 탄성체(630)는 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)가 연장된 길이 방향으로 변형되는 스프링일 수 있다.
따라서, 탄성체(630)의 변형을 측정함에 따라 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)에 작용하는 장력의 크기를 추정할 수 있는 효과를 갖는다.
동력전달부(600)는 슬라이딩부(300)에서 측방으로 이격된 지지부(100)의 일측과 슬라이딩부(300) 사이에 감겨진 상태로 양단부로 연장될 수 있다.
구체적으로, 동력전달부(600)는 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)에 결합된 각각의 단부 사이에서 지지부(100)의 일측과 슬라이딩부(300) 사이에 감겨지는 것으로, 슬라이딩부(300)와 지지부(100)의 일측 사이의 길이 변화에 따라 동력전달부(600)의 길이가 가변될 수 있다. 따라서, 슬라이딩부(300)가 슬라이딩되면서 지지부(100)의 일측과의 거리가 가변됨에 따라 동력전달부(600)의 길이를 가변시킬 수 있는 효과를 갖는다.
더 구체적으로, 슬라이딩부(300)에서 측방으로 이격된 지지부(100)의 일측에 제1고정풀리(111)가 지지부(100)에 마련되고, 슬라이딩부(300)에는 제1이동풀리(310)가 마련되며, 동력전달부(600)는 각각의 단부 사이에서 제1고정풀리(111) 및 제1이동풀리(310) 사이에 감겨질 수 있다. 제1고정풀리(111) 및 제1이동풀리(310)는 각각 지지부(100) 또는 슬라이딩부(300)에 자체적으로 회전 가능하게 결합될 수 있다.
특히, 동력전달부(600)에는 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)가 포함되고, 제1와이어(610)는 각각의 단부 사이에서 제1고정풀리(111) 및 제1이동풀리(310)에 감겨지며, 제2와이어(620)는 슬라이딩부(300)에서 측방으로 이격된 지지부(100)의 타측에 회전 가능하게 결합된 제2고정풀리(112) 및 슬라이딩부(300)에 회전 가능하게 결합된 제2이동풀리(320) 사이에 감겨질 수 있다.
즉, 제1와이어(610)는 일단부가 제1회전부(400)에 결합된 상태로 지지부(100) 측으로 연장되고, 지지부(100)의 타측을 통과하여 지지부(100)의 일측으로 연장되며, 지지부(100)의 일측에서 제1고정풀리(111)에 걸리면서 다시 지지부(100)의 타측으로 연장되다가 슬라이딩부(300)의 제1이동풀리(310)에 걸리면서 다시 지지부(100)의 일측으로 연장되어 타단부가 제2회전부(500)에 결합될 수 있다.
제2와이어(620)는 일단부가 제1회전부(400)에 결합된 상태로 지지부(100) 측으로 연장되고, 지지부(100)의 타측을 통과하여 슬라이딩부(300)의 제2이동풀리(320)에 걸리면서 다시 제1회전부(400) 측으로 연장되며, 지지부(100)의 일측에서 제2고정풀리(112)에 걸리면서 다시 지지부(100)의 일측으로 연장되어 타단부가 제2회전부(500)에 결합될 수 있다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 작동 상태를 도시한 배면도이다.
도 5a 내지 5c를 더 참조하면, 슬라이딩부(300)는 구동기(200)의 구동에 의해 측방으로 슬라이딩될 수 있다. 특히, 슬라이딩부(300)는 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)의 길이를 가변시킬 수 있다.
도 5a 에서 도 5b 로 같이, 슬라이딩부(300)가 좌측방으로 이동되면, 제1와이어(610)를 인장시키는 장력이 발생된다. 즉, 제1와이어(610)가 감겨진 제1고정풀리(111) 및 제1이동풀리(310) 사이의 거리가 증가함에 따라 제1와이어(610)에 장력이 발생되고, 이에 따라 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)를 전방으로 회전시켜 착용자가 허리를 굽히는 동작(Flexion)을 가능하게 한다.
반대로, 도 5a 에서 도 5c로 같이, 슬라이딩부(300)가 우측방으로 이동되면, 제2와이어(620)를 인장시키는 장력이 발생된다. 즉, 제2와이어(620)가 감겨진 제2고정풀리(112) 및 제2이동풀리(320) 사이의 거리가 증가함에 따라 제2와이어(620)에 장력이 발생되고, 이에 따라 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)를 후방으로 회전시켜 착용자가 허리를 펴는 동작(Extension)을 가능하게 한다.
또한, 각각의 단부가 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)에 연결된 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)는 슬라이딩부(300)의 이동 없이 이동되어 제1회전부(400)와 제2회전부(500)의 반대 방향 이동을 허용함으로써, 구동기(200)의 구동 및 슬라이딩부(300)의 이동 없이 착용자의 자유로운 보행이 가능한 효과를 갖는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 측면 사시도를 확대한 것이다.
도 6을 더 참조하면, 일단부가 지지부(100)의 양측에 각각 결합되고, 타단부가 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)에 각각 회전 가능하게 결합된 제1고정부(410) 및 제2고정부(510);를 더 포함할 수 있다.
제1고정부(410) 및 제2고정부(510)는 지지부(100)에서 하방으로 연장되어 제1회전부(400) 또는 제2회전부(500)를 연결할 수 있다.
특히, 제1고정부(410) 및 제2고정부(510)는 일단부가 지지부(100)에 측방으로 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다.
제1고정부(410) 및 제2고정부(510)는 지지부(100)의 양측에 마련된 삽입부(120)와 슬라이딩 가능할 수 있다. 특히, 제1고정부(410) 및 제2고정부(510)는 삽입부(120)에 삽입된 상태로 슬라이딩될 수 있고, 삽입부(120)에는 스위치(121)가 마련되어 제1고정부(410) 또는 제2고정부(510)의 삽입부(120)를 기준으로한 슬라이딩이 저지될 수 있다.
일 실시예로 삽입부(120)는 착용자의 측방으로 연장될 수 있고, 다른 실시예로 삽입부(120)는 착용자의 측방에서 전방으로 경사지게 연장될 수도 있다.
제1고정부(410) 및 제2고정부(510)의 일단부 또한 삽입부(120)와 나란한게 연장되어 삽입부(120)를 기준으로 슬라이딩됨에 따라 측방 또는 측방에서 전방으로 경사진 각도로 슬라이딩될 수 있다.
이에 따라, 간단한 스위치(121)의 조작만으로 착용자의 신체에 밀착되도록 측방 이격 거리를 조정할 수 있는 효과를 갖는다.
제1고정부(410) 또는 제2고정부(510)에는 일단부 측에 제1고정부(410) 또는 제2고정부(510)에 회전 가능하게 결합된 제1연결풀리(411,511)가 마련되고, 지지부(100)에는 제1연결풀리(411,511)에서 외측방으로 이격된 위치에서 지지부(100)에 회전 가능하게 결합된 제2연결풀리(412,512)가 마련되며, 동력전달부(600)는 각각의 단부 사이에서 제1연결풀리(411,511)와 제2연결풀리(412,512) 사이에 감겨질 수 있다.
제1고정부(410) 및 제2고정부(510)가 측방으로 슬라이딩되면 제1회전부(400) 및 제2회전부(500) 사이의 거리가 가변되어 제1와이어(610) 및 제2와이어(620) 사이의 길이가 증가되거나 감소되어 장력 인가에 차이가 발생한다. 이를 보상하기 위하여, 제1고정부(410) 및 제2고정부(510)의 측방 슬라이딩에 따라 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)의 길이가 가변될 수 있다.
예시로, 제1고정부(410) 및 제2고정부(510)를 외측방으로 동일한 길이(x)만큼 이동시킨다면, 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)는 제1고정부(410) 및 제2고정부(510)의 이동거리의 2배(2x)만큼 늘어난다. 이를 보상하기 위하여, 제1연결풀리(411,511)와 제2연결풀리(412,512) 사이의 거리(L)를 동일한 길이(x)만큼 감소시키면 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)가 제1고정부(410) 및 제2고정부(510)의 이동거리의 2배(2x)만큼 감소되어 제1와이어(610) 및 제2와이어(620)의 길이는 동일하게 유지될 수 있다.
특히, 제1연결풀리(411,511)는 제1고정부(410) 또는 제2고정부(510)에 고정된 위치에서 회전 가능하게 결합될 수 있고, 제2연결풀리(412,512)는 지지부(100), 특히 삽입부(120)에 고정되어 회전 가능하게 결합될 수 있다. 제1와이어(610) 또는 제2와이어(620)는 제1연결풀리(411,511) 및 제2연결풀리(412,512) 사이에 감겨진 상태로 연장될 수 있다.
일 실시예로, 제1고정부(410) 또는 제2고정부(510)의 일단부는 지지대의 내부에 삽입된 상태로 지지대에 슬라이딩 가능하고, 제2연결풀리(412,512)의 회전축은 제1고정부(410) 또는 제2고정부(510)를 관통한 상태로 지지부(100)에 결합되며, 제1고정부(410) 또는 제2고정부(510)에는 제2연결풀리(412,512)의 회전축이 관통된 상태로 슬라이딩되는 슬라이딩홈(413)이 형성될 수 있다.
따라서, 제2연결풀리(412,512)의 회전축은 지지부(100)에 고정된 상태로 제1고정부(410) 또는 제2고정부(510)의 슬라이딩홈(413)을 따라 슬라이딩될 수 있고, 제2연결풀리(412,512)는 제1고정부(410) 또는 제2고정부(510)가 지지대에 슬라이딩됨에 따라 제1연결풀리(411,511)와의 이격 거리가 가변될 수 있다.
즉, 착용자의 신체에 밀착되도록 조정하더라도 동력전달부(600)의 작동력은 동일하게 유지되는 효과를 갖는다.
제1회전부(400) 또는 제2회전부(500)에는, 제1회전부(400) 또는 제2회전부(500)의 회전력을 착용자의 대퇴부로 전달하도록 대퇴부와 제1회전부(400) 또는 제2회전부(500) 사이에 결합된 결속부(420,520)가 마련될 수 있다.
특히, 착용자가 허리를 펴는 동작(Extension)을 보조하는 것이 더 중요한 점에서 결속부(420,520)는 착용자의 대퇴부 전방에 위치되어 제2와이어(620)에 장력 인가시 대퇴부를 후방으로 가압하도록 작용할 수 있다. 또한, 결속부(420,520)는 착용자의 대퇴부와 하네스 등으로 더 결합될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치를 착용한 착용자를 도시한 것이다.
도 7을 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 제어방법은 제1회전부(400) 및 제2회전부(500)에서 요구되는 토크를 산출하는 단계; 및 산출된 토크 및 동력전달부(600)에 의해 전달되는 전달력을 기반으로 구동기(200)를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 근력 보조 장치의 제어방법은 지지부에 탑재된 제어기(미도시)에서 수행할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어기(미도시)는 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
구체적으로, 요구되는 토크를 산출하는 단계에서는, 요구되는 토크(
Figure pat00001
)는 착용자의 상체 숙임에 따른 중력을 보상하는 중력보상토크(
Figure pat00002
), 착용자의 대퇴 굽힘에 따른 가상의 스프링에 작용하는 가상탄성토크(
Figure pat00003
), 착용자의 상체를 펴는 동작을 보조하는 상체보조토크(
Figure pat00004
) 및 착용자의 대퇴를 펴는 동작을 보조하는 대퇴보조토크(
Figure pat00005
)의 합으로 산출할 수 있다.
즉, 요구되는 토크(
Figure pat00006
)는 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00007
구체적으로 중력보상토크(
Figure pat00008
)는, 착용자의 상체 숙임 각도를 기반으로 산출되고, 상체 숙임 각도가 음수인 경우 기설정된 게인값(
Figure pat00009
)이 곱해질 수 있다.
중력보상토크(
Figure pat00010
)는, 착용자의 상체 숙임에 따른 중력을 보상하는 토크로, 구체적으로 상체 숙임 각도(
Figure pat00011
)를 기반으로 아래와 같이 산출될 수 있다. 특히, 상체 숙임 각도가 음수인 경우라면 착용자의 허리가 후방으로 젖혀지는 자세로 특히 이를 보상하도록 토크가 증폭될 수 있다.
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 착용자의 무게중심 또는 상체의 회전 중심으로부터 상체의 무게중심 사이의 거리이고,
Figure pat00014
는 착용자 상체의 질량이며, g는 중력가속도이고,
Figure pat00015
는 기설정된 게인값이다.
또한 가상탄성토크(
Figure pat00016
)는, 착용자의 대퇴 굽힘 각도(
Figure pat00017
) 및 기설정된 가상의 스프링 상수(
Figure pat00018
)를 기반으로 산출될 수 있다. 특히, 가상탄성토크(
Figure pat00019
)는 착용자의 대퇴와 착용자의 몸통 사이에 가상의 스프링이 있는 것처럼 아래의 수식과 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00020
여기서, 착용자의 대퇴 굽힘 각도(
Figure pat00021
)는 양측 대퇴의 굽힘 각도를 평균한 값으로 산출할 수 있다.
Figure pat00022
상체보조토크(
Figure pat00023
) 또는 대퇴보조토크(
Figure pat00024
)는, 착용자의 상체 펼침 동작 또는 대퇴 펼침 동작의 각속도를 기반으로 산출될 수 있다. 특히, 상체보조토크(
Figure pat00025
) 또는 대퇴보조토크(
Figure pat00026
)은 착용자의 상체 또는 대퇴의 움직임을 보조하는 힘으로, 아래의 수식으로 산출될 수 있다.
Figure pat00027
Figure pat00028
여기서,
Figure pat00029
및
Figure pat00030
은 기설정된 weighting factor이고,
Figure pat00031
및
Figure pat00032
은 상체 숙임 각도(
Figure pat00033
) 또는 착용자의 대퇴 굽힘 각도(
Figure pat00034
)에 따라 아래와 같이 가변되는 함수일 수 있다.
Figure pat00035
상체보조토크(
Figure pat00036
) 또는 대퇴보조토크(
Figure pat00037
)는, 착용자의 상체 숙임 각도(
Figure pat00038
) 또는 착용자의 대퇴 굽힘 각도(
Figure pat00039
)가 기설정된 각도 이하에서는 착용자의 상체 숙임 각도 또는 착용자의 대퇴 굽힘 각도가 감소함에 따라 크기가 감소되도록 산출될 수 있다.
특히, 상체 숙임 각도(
Figure pat00040
) 또는 착용자의 대퇴 굽힘 각도(
Figure pat00041
)가 기설정된 각도 이하로 감소되면, 상체보조토크(
Figure pat00042
) 또는 대퇴보조토크(
Figure pat00043
)가 0에 가깝게 작아지도록 설정될 수 있다. 또한, 상체 숙임 각도(
Figure pat00044
) 또는 착용자의 대퇴 굽힘 각도(
Figure pat00045
)가 기설정된 각도를 초과한 경우, 일정한 값으로 유지될 수 있다.
동력전달부(600)에는, 각각의 단부와 제1회전부(400) 또는 제2회전부(500) 사이에 위치되어 동력전달부(600)에 의해 전달되는 전달력에 의해 변형되는 탄성체(630)가 마련되고, 구동기(200)를 제어하는 단계에서, 동력전달부(600)에 의해 전달되는 전달력은 탄성체(630)의 변형을 기반으로 추정할 수 있다.
일 실시예로, 구동기(200)를 제어하는 단계에서는 산출한 요구 토크를 기반으로 아래와 같은 관계식을 이용하여 동력전달부(600)에 요구되는 힘(
Figure pat00046
)을 산출할 수 있다.
Figure pat00047
또한, 동력전달부(600)에 실제 작용하는 힘(F)은 아래와 같이 탄성체(630)의 변형(
Figure pat00048
) 및 탄성체(630)의 탄성상수(k)를 기반으로 산출할 수 있다.
Figure pat00049
특히, 동력전달부(600)에 요구되는 힘(
Figure pat00050
) 및 동력전달부(600)에 실제 작용하는 힘(F)을 이용하여, 아래와 같이 Indirect Force Control로 구동기(200)를 제어할 수 있다.
Figure pat00051
여기서,
Figure pat00052
는 P 게인(Gain)이고,
Figure pat00053
는 D 게인(Gain)이다.
일 실시예로, 구동기(200)가 모터인 경우 아래의 수식과 같이 모터에 공급하는 전류의 크기를 산출할 수 있다.
Figure pat00054
여기서,
Figure pat00055
는 모터 상수이고,
Figure pat00056
는 탄성상수이다.
본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 지지부 200 : 구동기
300 : 슬라이딩부 400 : 제1회전부
500 : 제2회전부 600 : 동력전달부

Claims (19)

  1. 착용자의 배면에 위치된 지지부;
    지지부에 고정된 상태로 위치된 구동기;
    구동기에 슬라이딩 가능하게 연결되고, 구동기의 구동에 의해 지지부를 기준으로 슬라이딩 가능한 슬라이딩부;
    착용자의 양측에 위치되도록 지지부에 연결되고, 각각의 일단부가 지지부를 기준으로 회전 가능하게 연결된 제1회전부 및 제2회전부; 및
    각각의 단부가 슬라이딩부를 경유하여 제1회전부 및 제2회전부와 결합되고, 슬라이딩부의 슬라이딩에 의해 제1회전부 및 제2회전부에 회전력을 발생시키는 동력전달부;를 포함하는 착용식 근력 보조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    동력전달부에는, 각각의 단부가 장력 인가시 제1회전부 및 제2회전부를 전방으로 회전시키도록 결합된 제1와이어 및 각각의 단부가 장력 인가시 제1회전부 및 제2회전부를 후방으로 회전시키도록 결합된 제2와이어가 포함된 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제1와이어의 단부는 제1회전부 및 제2회전부의 전방부에 결합되고, 제2와이어의 단부는 1회전부 및 제2회전부의 후방부에 결합된 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    동력전달부에는, 각각의 단부와 제1회전부 또는 제2회전부 사이에 위치되어 동력전달부에 의해 전달되는 전달력에 의해 변형되는 탄성체가 마련된 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    동력전달부는 슬라이딩부에서 측방으로 이격된 지지부의 일측과 슬라이딩부 사이에 감겨진 상태로 양측 단부로 연장된 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    슬라이딩부에서 측방으로 이격된 지지부의 일측에 제1고정풀리가 마련되고, 슬라이딩부에는 제1이동풀리가 마련되며,
    동력전달부는 각각의 단부 사이에서 제1고정풀리 및 제1이동풀리 사이에 감겨진 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    동력전달부에는 제1와이어 및 제2와이어가 포함되고,
    제1와이어는 각각의 단부 사이에서 제1고정풀리 및 제1이동풀리에 감겨지며,
    제2와이어는 슬라이딩부에서 측방으로 이격된 지지부의 타측에 회전 가능하게 결합된 제2고정풀리 및 슬라이딩부에 회전 가능하게 결합된 제2이동풀리 사이에 감겨진 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    일단부가 지지부의 양측에 각각 결합되고, 타단부가 제1회전부 및 제2회전부에 각각 회전 가능하게 결합된 제1고정부 및 제2고정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    제1고정부 및 제2고정부는 일단부가 지지부에 측방으로 슬라이딩 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제1고정부 또는 제2고정부에는 일단부 측에 제1고정부 또는 제2고정부에 회전 가능하게 결합된 제1연결풀리가 마련되고,
    지지부에는 제1연결풀리에서 외측방으로 이격된 위치에서 지지부에 회전 가능하게 결합된 제2연결풀리가 마련되며,
    동력전달부는 각각의 단부 사이에서 제1연결풀리와 제2연결풀리 사이에 감겨진 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    제1고정부 또는 제2고정부의 일단부는 지지부의 내부에 삽입된 상태로 지지부에 슬라이딩 가능하고,
    제2연결풀리의 회전축은 제1고정부 또는 제2고정부를 관통한 상태로 지지부에 결합되며, 제1고정부 또는 제2고정부에는 제2연결풀리의 회전축이 관통된 상태로 슬라이딩되는 슬라이딩홈이 형성된 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    제1회전부 또는 제2회전부에는, 제1회전부 또는 제2회전부의 회전력을 착용자의 대퇴부로 전달하도록 대퇴부와 제1회전부 또는 제2회전부 사이에 결합된 결속부가 마련된 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치.
  13. 청구항 1의 착용식 근력 보조 장치를 제어하는 방법으로서,
    제1회전부 및 제2회전부에서 요구되는 토크를 산출하는 단계; 및
    산출된 토크 및 동력전달부에 의해 전달되는 전달력을 기반으로 구동기를 제어하는 단계;를 포함하는 착용식 근력 보조 장치의 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    요구되는 토크를 산출하는 단계에서는, 요구되는 토크는 착용자의 상체 숙임에 따른 중력을 보상하는 중력보상토크, 착용자의 대퇴 굽힘에 따른 가상의 스프링에 작용하는 가상탄성토크, 착용자의 상체를 펴는 동작을 보조하는 상체보조토크 및 착용자의 대퇴를 펴는 동작을 보조하는 대퇴보조토크의 합으로 산출하는 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치의 제어방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    중력보상토크는, 착용자의 상체 숙임 각도를 기반으로 산출되고, 상체 숙임 각도가 음수인 경우 기설정된 게인값이 곱해지는 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치의 제어방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    가상탄성토크는, 착용자의 대퇴 굽힘 각도 및 기설정된 가상의 스프링 상수를 기반으로 산출되는 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치의 제어방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상체보조토크 또는 대퇴보조토크는, 착용자의 상체 펼침 동작 또는 대퇴 펼침 동작의 각속도를 기반으로 산출되는 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치의 제어방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상체보조토크 또는 대퇴보조토크는, 착용자의 상체 숙임 각도 또는 착용자의 대퇴 굽힘 각도가 기설정된 각도 이하에서는 착용자의 상체 숙임 각도 또는 착용자의 대퇴 굽힘 각도가 감소함에 따라 크기가 감소되도록 산출되는 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치의 제어방법.
  19. 청구항 13에 있어서,
    동력전달부에는, 각각의 단부와 제1회전부 또는 제2회전부 사이에 위치되어 동력전달부에 의해 전달되는 전달력에 의해 변형되는 탄성체가 마련되고,
    구동기를 제어하는 단계에서, 동력전달부에 의해 전달되는 전달력은 탄성체의 변형을 기반으로 추정하는 것을 특징으로 하는 착용식 근력 보조 장치의 제어방법.
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