KR20210027619A

KR20210027619A - 다자유도 보행 재활 로봇

Info

Publication number: KR20210027619A
Application number: KR1020190106603A
Authority: KR
Inventors: 조홍철; 배동중; 권중원; 여상석; 오승휴
Original assignee: (주)레아테크; 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-03-11
Also published as: KR102229125B1

Abstract

본 발명은 다자유도 보행 재활 로봇에 관한 것으로서, 사사용자의 발이 안착되는 한 쌍의 발판; 상기 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 전진 및 후진시켜 보폭을 제어하는 보폭구동부; 상기 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 상승 및 하강시켜 걸음 높이를 제어하는 승강구동부; 상기 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 보행 전후방향으로 피칭시켜, 발목의 구름각과 디딤각을 제어하는 피칭구동부; 및 보행 운동에 대해 프로그래밍된 보행프로토콜에 의거하여, 상기 보폭구동부와 상기 승강구동부와 상기 피칭구동부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다자유도 보행 재활 로봇{MULTI-DEGREE OF FREEDOM ROBOT FOR GAIT REHABILITATION}

본 발명은 발판 기반형(end effector type) 다자유도 보행 재활 로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 발판 기반형 로봇은 양 발을 전진 및 후진시켜 보폭을 제어하고, 양 발을 상승 및 하강시켜 걸음 높이를 제어하는 움직임에만 초점을 맞추었다.

그러나, 정상보행 패턴은 양 발의 다양한 움직임뿐 아니라 발끝 떼기(toe off)에서 발생하는 발가락의 움직임도 발생한다.

따라서, 발목 관절의 제한적인 움직임과 발가락 움직임을 고려하지 않으면, 정상보행 패턴 학습을 위한 훈련시 사용자가 이질감을 느낄 수 있으며, 정상보행 패턴 학습을 위한 적절한 피드백 제공에 제한이 있다.

또한, 종래에 사용자는 보행패턴 및 속도, 훈련의 시작과 끝을 결정할 때 운영자에게 요청한 후, 운영자는 추가적인 조작을 통해 해당 사용자의 의도를 반영하는 제한이 있다.

이에 따라, 본 출원인은 보행 중에 발끝 떼기 시 발생하는 발가락의 움직임도 커버하여 로봇을 이용한 보행 재활시 발생하는 이질감을 최소한으로 줄일 수 있는 다자유도 보행 재활 로봇을 개발하기에 이르렀다.

한국등록특허공보 제10-1937482호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 발목 관절의 다양한 움직임을 구현할 수 있을 뿐 아니라 사용자에게 정상보행 패턴 교육시 보다 자연스러운 보행패턴을 학습할 수 있는 다자유도 보행 재활 로봇을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 보행 훈련의 시작과 끝을 추가적인 조작 없이, 보행 훈련 중 보행 속도 및 보행 패턴의 변화 또한 사용자의 의도를 파악하여 발판을 능동적으로 다자유도로 움직여 보행 훈련을 할 수 있는 다자유도 보행 재활 로봇을 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은, 보행 중에 발끝 떼기할 때 발생하는 발가락의 움직임을 구현하여 보행 훈련시 발생하는 이질감을 최소한으로 줄이며 보행 훈련을 할 수 있는 다자유도 보행 재활 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은, 사용자의 발이 안착되는 한 쌍의 발판; 상기 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 전진 및 후진시켜 보폭을 제어하는 보폭구동부; 상기 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 상승 및 하강시켜 걸음 높이를 제어하는 승강구동부; 상기 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 보행 전후방향으로 피칭시켜, 발목의 구름각과 디딤각을 제어하는 피칭구동부; 및 보행 운동에 대해 프로그래밍된 보행프로토콜에 의거하여, 상기 보폭구동부와 상기 승강구동부와 상기 피칭구동부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는, 다자유도 보행 재활 로봇에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 발판은, 사용자의 발바닥이 안착되는 발바닥 판; 및 상기 발바닥 판에 대해 경사를 이루거나 또는 수평을 이루도록 상기 발바닥 판에 힌지 결합되어, 사용자의 발가락이 안착되는 발가락 판을 포함할 수 있다.

사용자가 걸음 중 발끝 떼기(toe-off) 후, 상기 발바닥 판과 상기 발가락 판이 수평을 이루도록 상기 발바닥 판에 탄성력을 제공하는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.

상기 발바닥 판에 마련되어, 사용자의 족압을 측정하는 하나 이상의 압력센서를 더 포함할 수 있다.

상기 압력센서는 세 개로 마련되며, 상기 세 개의 압력센서 중 하나의 압력센서는 사용자의 발뒤꿈치에 대응하는 위치에 배치되고, 나머지 한 쌍의 압력센서는 사용자의 발뒤꿈치와 아치를 제외한 나머지 발바닥 영역에 대응하는 위치에 상기 발판의 길이방향 중심축선을 사이에 두고 대향 배치될 수 있다.

사용자의 발바닥의 안쪽 들림 및 가쪽 들림에 대응하여 상기 발판의 각도를 제어하는 발판 각도조절부를 포함할 수 있다.

상기 피칭구동부는, 상기 발판에 연결되어, 정역 회전하며 상기 발판을 피칭시키는 피칭용 구동모터를 포함할 수 있다.

상기 피칭용 구동모터를 지지하는 연결 암; 상기 연결 암과 피봇가능하게 연결된 연결 링크; 및 상기 연결 링크를 피봇가능하게 지지하는 제1프레임을 포함하며, 상기 승강구동부는, 정역회전하는 승강용 구동모터; 외주에 수나사를 형성하며 상기 승강용 구동모터에 연결되어, 정역회전하는 승강용 스크루축; 및 내주에 상기 승강용 스크루축과 나사 결합되는 암나사를 형성하며 상기 제1프레임에 지지되고, 상기 승강용 스크루축의 정역회전운동을 직선 왕복운동으로 변환하여 상기 제1프레임을 직선 왕복이동시키는 승강용 너트부를 포함하며, 상기 제1프레임이 직선 왕복이동함에 따라, 상기 연결 링크가 정역방향으로 선회함과 동시에 상기 연결 암이 정역방향으로 선회하여 상기 발판이 승강할 수 있다.

상기 연결 암을 피봇가능하게 지지하는 제2프레임을 포함하며, 상기 보폭구동부는, 정역회전하는 보폭용 구동모터; 외주에 수나사를 형성하며 상기 보폭용 구동모터에 연결되어, 정역회전하는 보폭용 스크루축; 및 내주에 상기 보폭용 스크루축과 나사 결합되는 암나사를 형성하며 상기 제2프레임에 지지되고, 상기 보폭용 스크루축의 정역회전운동을 직선 왕복운동으로 변환하여 상기 제2프레임을 직선 왕복이동시키는 보폭용 너트부를 포함하며, 상기 제1프레임이 직선 왕복이동함에 따라, 상기 연결 암이 직선 왕복운동하여 상기 발판을 전진 및 후진시킬 수 있다.

상기 제어부는 상기 압력센서에 의해 측정된 족압데이터에 의거하여, 상기 발판의 안착 여부, 안착된 발의 상태 및 사용자의 보행 상태를 판단하여, 상기 보폭구동부와 상기 승강구동부와 상기 피칭구동부의 구동을 제어할 수 있다.

상기 피칭용 구동모터와 상기 승강용 구동모터와 상기 보폭용 구동모터에 각각 마련되어, 상기 피칭용 구동모터와 상기 승강용 구동모터와 상기 보폭용 구동모터에서 발생하는 토크를 검출하는 토크센서를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 각 토크센서에서 검출된 토크데이터에 의거하여 사용자의 보행 의도를 판단하고, 상기 보폭구동부와 상기 승강구동부와 상기 피칭구동부의 구동을 제어할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 압력센서에 의해 측정된 족압데이터에 의거하여, 상기 발판의 안착된 발 상태에 따라 상기 발판의 각도를 조절하도록 상기 발판 각도조절부를 제어할 수 있다.

사용자가 보행하는 보행 영역을 형성하며, 상기 발판과 상기 보폭구동부와 상기 승강구동부와 상기 피칭구동부가 마련되는 메인프레임; 및 상기 메인프레임에 보행 영역 주변에 마련되는 핸드 레일을 포함할 수 있다.

또한, 상기 메인프레임에 현수 지지되어, 상기 보행 영역에서 보행 훈련하는 사용자가 착용한 하네스를 지지하는 와이어를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 사용자의 발이 안착되는 한 쌍의 발판을 다자유도로 구현시킴으로써, 사용자의 다양한 보폭에 대응할 수 있고, 발목 관절의 다양한 움직임을 구현할 수 있을 뿐 아니라 사용자에게 정상보행 패턴 교육시 보다 자연스러운 보행패턴을 학습할 수 있다.

또한, 보행 훈련의 시작과 끝을 추가적인 조작 없이, 보행 훈련 중 보행 속도 및 보행 패턴의 변화 또한 사용자의 의도를 파악하여 발판을 능동적으로 다자유도로 움직여 보행 훈련을 할 수 있다.

그리고, 보행 중에 발끝 떼기할 때 발생하는 발가락의 움직임을 구현하여 보행 훈련시 발생하는 이질감을 최소한으로 줄이며 보행 훈련을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇의 사시도,
도 2는 도 1의 요부 확대 사시도,
도 3은 도 1의 각 구동부의 관계를 도시한 사시도,
도 4는 도 3의 요부 확대 사시도,
도 5는 도 3을 다른 각도에서 본 사시도,
도 6은 도 5의 요부 확대 사시도,
도 7은 도 3의 저면 사시도,
도 8은 도 3의 요부 확대 좌측면도,
도 9의 (a) 내지 (c)는 도 1의 발판에서의 발의 운동 과정을 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇의 제어 블록도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1 내지 및 도 10에는 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇이 도시되어 있다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇(1)은 메인 프레임(10)과, 한 쌍의 발판(31)과, 보폭구동부(70)와, 승강구동부(80)와, 피칭구동부(90)와, 제어부(100)를 포함한다.

메인 프레임(10)은 다수의 거더가 직육면체의 골격을 이루며 연결되어, 내부와 외부를 구획하는 하나의 틀 형상을 가진다.

메인 프레임(10)의 내부에는 한 쌍의 발판(31)이 다자유도롤 운동하여 사용자가 보행 훈련을 하는 보행 영역(11)이 마련되고, 메인 프레임(10)의 일측에는 보행 영역(11)으로 출입하기 위한 출입구(13)가 마련된다.

메인 프레임(10)의 내부에는 한 쌍의 발판(31)과, 보폭구동부(70)와, 승강구동부(80)와, 피칭구동부(90)가 배치된다.

또한, 메인 프레임(10)의 일측에는 예컨대 출입구(13)에는, 사용자가 보행 영역(11)을 향해 출입가능하도록 플랫폼(15)이 마련된다. 플랫폼(15)은 절첩가능하게 마련되어, 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇(1)을 사용할 경우에는 한 쌍의 발판(31)과, 보폭구동부(70)와, 승강구동부(80)와, 피칭구동부(90)가 노출되도록 절첩되고, 다자유도 보행 재활 로봇(1)을 사용하지 않을 경우에는 한 쌍의 발판(31)과, 보폭구동부(70)와, 승강구동부(80)와, 피칭구동부(90)가 노출되지 않도록 커버한다.

그리고, 메인프레임의 보행 영역(11) 주변에는 사용자가 잡을 수 있는 핸드 레일(17)이 배치된다. 핸드 레일(17)은, 사용자가 보행 영역(11)으로 출입시 충돌하지 않도록, 메인 프레임(10)의 상부에 지지된 핸드 레일 승강기(19)에 의해 승강한다. 이와 같이, 보행 영역(11) 주변에 핸드 레일(17)을 마련함으로써, 사용자는 핸드 레일(17)을 안전하게 잡고 보행 훈련을 할 수 있게 된다.

또한, 도시되어 있지 않지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇의 사용 중 안전을 위해, 메인 프레임의 상부에 현수 지지된 와이어(미도시)를 사용자가 착용한 하네스(미도시)를 지지시켜, 사용자가 보행 훈련 중에 발판으로부터 낙상하는 것을 방지할 수도 있다.

메인 프레임(10)의 타측에는 예컨대, 출입구(13)의 반대측에는 사용자가 보행 훈련 상태 등의 훈련 정보를 확인할 수 있는 디스플레이부(21)가 마련되어 있다.

이하에서는, 후술할 발명의 동작의 이해를 돕기 위해 설명의 편리상, 도 1에서 메인 프레임(10)의 출입구(13)로부터 보행 영역(11)을 거쳐 디스플레이부(21)로 이어지는 가상의 축선방향을 x축이라 하고, 메인프레임의 저부로부터 상부로 이어지는 가상의 축선방향을 y축이라 하고, x축 및 y축이 이루는 평면에 대해 직각을 이루는 가상의 축선방향을 z축으로 정의하여, 설명한다.

메인 프레임(10)의 저부에는 다수의 캐스터(23)가 롤링가능하게 장착되어, 메인 프레임(10)을 간편하게 이동시킬 수도 있다.

한 쌍의 발판(31)은 장방형의 판 형상을 가지며, 보행 영역(11)에 배치되어 사용자의 발(1000, 도 9 참조)이 안착된다.

한 쌍의 발판(31)은 발판 조립체(30)의 하나의 구성요소에 해당한다.

발판 조립체(30)는 사용자의 발(1000)이 안착되는 발판(31)과, 발판(31)의 하부에 순차적으로 배치되는 제1보조발판(41)과, 제2보조발판(51)과, 지지판(61)을 포함한다.

발판(31)은 발바닥 판(33)과 발가락 판(37)을 포함한다.

발바닥 판(33)은 발가락(1100, 도 9 참조)을 제외한 사용자의 발바닥 예컨대, 사용자의 발 볼부터 발뒤꿈치가 안착된다.

발이 안착되는 발바닥 판의 판면에는, 도시되어 있지 않지만 발바닥과의 마찰을 증대시키며 슬립을 방지하기 위해 발바닥 판의 판면으로부터 돌출된 복수의 돌기 또는 발바닥 판의 판면에 부착된 슬립방지 테이프가 마련될 수 있다.

또한, 발바닥 판에는 도시되어 있지 않지만, 발바닥을 발바닥 판에 고정하여 발이 발판으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위한 발 고정밴드가 마련될 수 있다.

발가락 판(37)은 사용자의 발가락(1100)이 안착된다. 발가락 판(37)은, 도 9에 도시된 바와 같이 발바닥 판(33)에 대해 경사를 이루거나 또는 수평을 이루도록, 발바닥 판(33)과 힌지축(39)에 의해 힌지 결합된다. 발가락 판(37)은 발끝 떼기(toe-off) 동작 전과 동작 후에 후술할 탄성부재(43, 도 9 참조)에 의해 발바닥 판(33)과 동일 평면 예컨대, 수평을 이룬다.

이와 같이, 발가락 판(37)과 발바닥 판(33)이 힌지 결합함에 따라, 사용자가 보행 중에 발(1000)을 디딛고 발판(31)으로부터 발끝 떼기(toe-off) 동작을 할 때 발가락 판(37)이 발바닥 판(33)에 대해 경사를 이룬 후, 발끝 떼기 후에는 발가락 판(37)과 발바닥 판(33)이 수평을 이룸에 따라 발가락(1100)의 움직임을 자연스럽게 유도하여, 보행 훈련시 발생하는 이질감을 최소한으로 줄이며 자연스럽게 보행 훈련을 할 수 있게 된다.

발판(31)과 제1보조발판(41) 사이에는 구체적으로는 발바닥 판(33)과 제1보조발판(41) 사이에는 도 9에 도시된 바와 같이 탄성부재(43)가 마련된다.

탄성부재(43)는 발바닥 판(33)과 제1보조발판(41)이 간격을 유지하며 수평을 이루도록 탄성력을 발생한다.

이에 따라, 사용자가 걸음 중 발끝 떼기(toe-off) 후, 발바닥 판(33)과 발가락 판(37)이 동일 평면을 이루도록 발바닥 판(33)에 탄성력을 제공한다.

제2보조발판(51)과 제1보조발판(41)은 도 8에 도시된 바와 같이 한 쌍의 힌지 브래킷(53a,53b)과 힌지핀(59)에 의해 힌지 결합된다. 제1보조발판(41)에 마련되는 힌지 브래킷(53a)에는 제1보조발판(41)과 제2보조발판(51)의 힌지 결합에 따른 선회 운동에 대응하여 일정 길이의 원호 형상의 가이드공(55)이 형성되어 있다. 제2보조발판(51)에 마련되는 힌지 브래킷(53b)에는 제1보조발판(41)의 가이드공(55)에 결합되는 가이드핀(57)이 마련되어 있다.

이와 같이 제1보조발판(41)과 제2보조발판(51)이 힌지 결합됨에 따라, 발목이 한쪽으로 꺾여진 사용자의 발(1000)에 대응하여 예컨대, 안쪽으로 들리거나 또는 가쪽으로 들린 발(1000)의 상태에 대응하여 발판(31)의 각도를 용이하게 변형시킬 수 있게 된다.

또한, 지지판(61)은 제1보조발판(41)을 지지함과 동시에, 후술할 피칭용 구동 모터(91)가 연결된다. 이로써, 피칭용 구동모터(71)가 정역회전함에 따라, 발판 조립체(30)는 보행 전후방향으로 피칭(pitching)하게 된다.

이러한 한 쌍의 발판(31)은 기본적인 보폭에 대응하여 간격을 두고 이격 배치된다.

보폭구동부(70)는 한 쌍의 발판(31)을 주기적으로 상반되게 전진 및 후진시켜, 사용자의 보폭을 제어한다. 보폭구동부(70)는 각 발판(31)에 대응하여 각각 마련된다.

보폭구동부(70)는 보폭용 구동모터(71)와, 보폭용 스크루축(73)과, 보폭용 너트부(75)를 포함한다.

보폭용 구동모터(71)는 정역회전하며, 메인 프레임(10)의 보행 영역(11)의 하방에 위치한다.

보폭용 스크루축(73)은 일정 길이의 봉 형상을 가지며, 보폭용 구동모터(71)의 축에 연결되어 있다. 보폭용 스크루축(73)의 외주에는 보폭용 스크루축(73)의 길이방향을 따라 일정 규격의 수나사가 형성되어 있다.

보폭용 너트부(75)는 블록형상을 가지며, 내주에 보폭용 스크루축(73)의 수나사와 나사 결합되는 암나사가 형성되어 있다. 보폭용 너트부(75)는 제2프레임(77)에 지지된다. 보폭용 너트부(75)는 보폭용 스크루축(73)의 정역회전운동을 직선 왕복운동으로 변환하여, 제2프레임(77)을 직선 왕복이동시킨다.

제2프레임(77)은 보폭구동부(70)에 의해 메인프레임의 x축방향을 따라 직선 왕복이동한다. 또한, 제2프레임(77)에는, 피칭용 구동모터(91)를 지지하는 연결 암(79)의 일단부가 피봇가능하게 지지된다.

이에 따라, 보폭용 구동모터(71)가 정역회전하면, 보폭용 스크루축(73)과 보폭용 너트부(75)는 나사운동을 하며 보폭용 스크루축(73)의 회전운동을 직선운동으로 변환하여, 제2프레임(77)을 x축방향을 따라 전진 또는 후진시킨다. 이에 의해, 연결 암(79)이 직선 왕복운동하여, 발판(31)을 x축방향을 따라 전진 또는 후진시켜, 사용자의 보폭을 제어한다. 또한, 각 보폭용 구동모터(71)의 회전시간 및 회전속도를 조절하여, 사용자의 다양한 보폭에 대응하여 한 쌍의 발판(31) 사이의 이격 간격을 조절할 수 있다.

여기서, 도시되어 있지 않지만, 다른 실시예로서 보폭구동부는 각 발판에 독립적으로 연결되어, 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 전진 및 후진시킬 수도 있다.

승강구동부(80)는 한 쌍의 발판(31)을 주기적으로 상반되게 상승 및 하강시켜, 사용자의 걸음 높이를 제어한다. 승강구동부(80)는 각 발판(31)에 대응하여 각각 마련된다.

승강구동부(80)는 승강용 구동모터(81)와, 승강용 스크루축(83)과, 승강용 너트부(85)를 포함한다.

승강용 구동모터(81)는 정역회전하며, 메인프레임의 보행 영역(11)의 하방에 위치한다.

승강용 스크루축(83)은 일정 길이의 봉 형상을 가지며, 승강용 구동모터(81)의 축에 연결되어 있다. 승강용 스크루축(83)의 외주에는 승강용 스크루축(83)의 길이방향을 따라 일정 규격의 수나사가 형성되어 있다.

승강용 너트부(85)는 블록형상을 가지며, 내주에 승강용 스크루축(83)의 수나사와 나사 결합되는 암나사가 형성되어 있다. 승강용 너트부(85)는 제1프레임(87)에 지지된다. 승강용 너트부(85)는 승강용 스크루축(83)의 정역회전운동을 직선 왕복운동으로 변환하여, 제1프레임(87)을 직선 왕복이동시킨다.

제1프레임(87)은 승강구동부(80)에 의해 메인 프레임(10)의 x축방향을 따라 직선 왕복이동한다. 또한, 제1프레임(87)에는, 연결 링크(89)의 일단부가 피봇가능하게 지지된다.

연결 링크(89)의 타단부는 피칭용 구동모터(91)를 지지하는 연결 암(79)의 중간에 피봇가능하게 지지된다.

이로써, 제1프레임(87)과 연결 암(79)은 연결 링크(89)에 의해 연결되고, 제1프레임(87)이 x축방향을 따라 직선 왕복이동하면 연결 링크(89)는 제1프레임(87)에 대해 정역방향으로 선회함과 동시에, 연결 암(79)을 정역방향으로 선회시킨다.

이에 따라, 승강용 구동모터(81)가 정역회전하면, 승강용 스크루축(83)과 승강용 너트부(85)는 나사운동을 하며 승강용 스크루축(83)의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 제1프레임(87)을 x축방향을 따라 전진 또는 후진시킨다. 이에 의해, 연결 링크(89)가 정역방향으로 선회하여 연결 링크(89)의 링크 운동에 의해 연결 암(79)이 정역방향으로 선회하며, 발판(31)을 y축방향을 따라 상승 또는 하강시켜, 사용자의 걸음 높이를 제어한다.

여기서, 도시되어 있지 않지만, 다른 실시예로서 승강구동부는 각 발판에 독립적으로 연결되어, 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 상승 및 하강시킬 수도 있다.

피칭구동부(90)는 한 쌍의 발판(31)을 주기적으로 보행 전후방향으로 피칭시킨다. 피칭구동부(90)는 보행시 발(1000)을 구를 때의 발목의 구름각과, 발(1000)을 디딜 때의 발목의 디딤각을 제어한다. 피칭구동부(90)는 각 발판(31)에 대응하여 각각 마련된다.

피칭구동부(90)는 피칭용 구동모터(91)를 포함한다.

피칭용 구동모터(91)의 축은 발판(31)의 길이방향에 대해 가로로 발판 조립체(30)의 지지판(61)에 연결된다.

그리고, 피칭용 구동모터(91)는 연결 암(79)의 단부에 지지된다.

이에 따라, 피칭용 구동모터(91)를 정역 회전시키면, 발판(31)은 보행 전후방향으로 예컨대, 발판(31)은 z축선에 대해 정역방향으로 선회하며 피칭한다. 이에 의해, 발판(31)에 안착된 사용자 발목의 구름각과 디딤각을 제어하여 사용자 발목의 굽힘(flexion) 및 펼침(extension) 보행 훈련을 하게 된다.

제어부(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 별도로 마련되는 콘트롤 박스(105)에 마련되거나, 메인 프레임(10)의 일측에 마련될 수도 있다.

제어부(100)는 사용자의 보행 운동에 대해 프로그래밍된 보행프로토콜에 의거하여, 보폭구동부(70)와 승강구동부(80)와 피칭구동부(90)의 구동을 제어하여, 사용자는 수동적으로 보행 훈련을 할 수 있게 된다.

즉, 제어부(100)는 각 발판(31)을 기본적인 보폭에 대응하여 간격을 두고 이격 배치한 상태에서 보폭구동부(70)를 구동하여, 각 발판(31)을 주기적으로 상반되게 x축방향으로 전진 및 후진시켜, 사용자의 보폭을 제어한다.

또한, 제어부(100)는 승강구동부(80)를 구동하여, 각 발판(31)을 주기적으로 상반되게 y축방향으로 상승 및 하강시켜 걸음 높이를 제어한다.

그리고, 제어부(100)는 피칭구동부(90)를 구동하여, 각 발판(31)을 주기적으로 상반되게 z축을 중심으로 보행 전후방향으로 피칭시켜, 사용자의 발목이 굽힘(flexion) 및 펼침(extension) 동작하도록 제어한다.

이로써, 사용자의 발(1000)이 안착되는 각 발판(31)의 동작을 다자유도로 구현할 수 있고, 사용자의 다양한 보폭에 대응할 수 있으며, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 발(1000)을 발판(31)에 디딜 때와, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 발(1000)이 발판(31)과 수평을 이룰 때와, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 발(1000)의 발가락(1100)이 발판(31)에 구를 때의 일련의 동작 중 발목 관절의 다양한 움직임 예컨대, 굽힘(flexion), 펼침(extension), 앞으로 굽음(anteversion), 뒤로 굽음(retroversion) 움직임을 구현할 수 있을 뿐 아니라 사용자에게 정상보행 패턴 교육시 보다 자연스러운 보행패턴을 학습할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇(1)은 사용자의 족압을 측정하는 압력센서(110)를 더 포함할 수 있다.

압력센서(110)는 로드셀 형태를 가지며, 발바닥 판(33)에 마련되어 발바닥 판(33)에 작용하는 사용자의 족압을 측정하여 제어부(100)로 전송한다.

본 실시예에서는 3개의 압력센서(110)가 마련되어 있지만 이에 한정되지 않고, 압력센서는 하나 이상 마련될 수 있다.

3개의 압력센서(110) 중 하나의 압력센서는 사용자의 발뒤꿈치에 대응하는 위치에 배치된다.

나머지 한 쌍의 압력센서는 사용자의 발뒤꿈치와 아치를 제외한 나머지 발바닥 영역에 대응하는 위치에 마련된다. 본 실시예에서, 한 쌍의 압력센서는 발바닥의 볼에 대응하는 영역에, 발판(31)의 길이방향 중심축선을 사이에 두고 간격을 두고 대향 배치되어 있다.

이와 같이, 압력센서(110)를 마련함으로써, 제어부(100)는 압력센서(110)에 의해 측정된 족압데이터에 의거하여, 사용자의 발(1000)이 발판(31)에 정상적으로 안착되었는지, 안착된 발(1000)이 좌우로 기울어져 있는지, 보행 훈련 중에 발(1000)에 힘을 가하는지 등의 보행 상태를 파악할 수 있게 된다.

그리고, 제어부(100)는 사용자가 보행 훈련하는 중에 족압데이터에 의거하여, 보행 훈련 중에 발(1000)이 기울어지는지, 사용자의 발 디딤각, 발 구름각 등을 분석하여 보행 패턴을 판단한다.

또한, 제어부(100)는 사용자의 보행 패턴에 맞추어 보행 폭과 보행 속도에 대한 새로운 보행프로토콜을 프로그래밍하여, 보폭구동부(70)와 승강구동부(80)와 피칭구동부(90)의 구동을 제어하여, 사용자는 능동적으로 보행 훈련을 할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇(1)은 사용자의 발바닥의 안쪽 들림 및 가쪽 들림에 대응하여, 발판(31)의 각도를 제어하는 발판 각도조절부(120)를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에서는 발판 각도조절부(120)로서 발판(31)의 저부에 장착되는 발판 각도 조절볼트(121)와, 발판(31)을 발판 각도 조절볼트(121)에 고정하기 위한 각도 조절너트(125)를 포함한다.

이로써, 사용자의 발바닥의 안쪽 들림 및 가쪽 들림 각도에 대응하여, 발판(31)을 발판 각도 조절볼트(121)에 발판 각도 조절너트(125)로 수동으로 고정하여, 발판(31)의 각도를 조절할 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에서는 발판 각도 조절볼트(121)와 발판 각도 조절너트(125)로 발판(31)의 각도를 수동으로 조절하도록 도시되어 있지만 이에 한정되지 않고, 발판 각도조절부로서 독립적으로 구동하는 구동모터를 마련하여, 사용자의 발바닥의 안쪽 들림 및 가쪽 들림 각도에 대응하여 발판의 각도를 자동으로 조절할 수도 있다. 즉, 압력센서에 의해 검출된 족압데이터에 의거하여 사용자의 발 상태에 따라 기울어진 정도를 조저라고, 사용자의 발 상태가 호전됨에 따라 발판을 편평한 각도로 조금씩 조절할 수 있다.

이와 같이, 발판 각도조절부(120)를 마련함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇(1)은 보폭구동부(70)와 승강구동부(80)와 피칭구동부(90)와 함께 사용자의 발(1000)이 안착되는 한 쌍의 발판(31)을 더 넓은 범위의 다자유도로 구현시킴으로써, 발목 관절이 굽힘(flexion), 펼침(extension), 앞으로 굽음(anteversion), 뒤로 굽음(retroversion) 움직임뿐만 아니라 안쪽 들림(inversion), 가쪽 들림(eversion) 움직임에 대응할 수 있게 되어, 사용자에게 정상보행 패턴 교육시 보다 더 자연스러운 보행패턴을 학습할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇(1)은 토크를 검출하는 토크센서(130a,130b,130c, 도 10 참조)를 더 포함할 수 있다.

토크센서(130a,130b,130c)는 피칭용 구동모터(91)와 승강용 구동모터(81)와 보폭용 구동모터(71)에 각각 마련되어, 피칭용 구동모터(91)와 승강용 구동모터(81)와 보폭용 구동모터(71)에서 각각 발생하는 토크를 검출하여, 검출된 토크데이터를 제어부(100)로 전송한다.

제어부(100)는 각 토크센서(130a,130b,130c)에서 검출된 토크데이터에 의거하여 사용자의 보행 의도를 판단한다.

예컨대, 사용자가 보행 훈련 중에, 제어부(100)는 일측 발판 또는 양측 발판에 대응하는 각 구동부의 각 토크센서(130a,130b,130c)에서 검출된 토크데이터에 의거하여, 사용자가 발판(31)을 움직이려고 하는 힘과 보행 속도를 통해 사용자의 보행 패턴 분석 및 변화를 판단한다. 이에 따라, 제어부(100)는 사용자의 보행 의도를 파악하여, 발판(31)의 보폭을 조절하거나 보행 속도를 조절하도록 보폭구동부(70)를 제어하고, 발판(31)의 걸음 높이를 조절하거나 발판(31)의 승강 속도를 조절하도록 승강구동부(80)를 제어하고, 발판(31)의 피칭 폭 및 피칭 속도를 조절하도록 피칭구동부(90)를 제어하는 새로운 보행프로토콜을 프로그래밍하여, 새로이 프로그래밍된 보행프로토콜에 의거하여 보폭구동부(70)와 승강구동부(80)와 피칭구동부(90)의 구동을 제어한다.

이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 보행 재활 로봇(1)은, 보행 훈련의 시작과 끝을 추가적인 조작 없이, 보행 훈련 중 보행 속도 및 보행 패턴의 변화 등 사용자의 의도를 파악하고, 보행 패턴 및 보행 속도를 새로이 프로그래밍한 보행프로토콜을 마련하여, 사용자는 능동적으로 보행 훈련을 할 수 있게 된다. 또한, 새로이 프로그래밍된 보행프로토콜을 통해, 평지 빨리 걷기 이외에 계단 오르기 등과 같이 난이도가 요구되는 다양한 보행 훈련을 할 수도 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 다자유도 보행 재활 로봇
10: 메인 프레임
31: 발판
33: 발바닥 판
37: 발가락 판
41: 제1보조발판
43: 탄성부재
51: 제2보조발판
70: 보폭구동부
80: 승강구동부
90: 피칭구동부
100: 제어부
110: 압력센서
120: 발판 각도조절부
130: 토크센서

Claims

사용자의 발이 안착되는 한 쌍의 발판;
상기 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 전진 및 후진시켜 보폭을 제어하는 보폭구동부;
상기 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 상승 및 하강시켜 걸음 높이를 제어하는 승강구동부;
상기 한 쌍의 발판을 주기적으로 상반되게 보행 전후방향으로 피칭시켜, 발목의 구름각과 디딤각을 제어하는 피칭구동부; 및
보행 운동에 대해 프로그래밍된 보행프로토콜에 의거하여, 상기 보폭구동부와 상기 승강구동부와 상기 피칭구동부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제1항에 있어서,
상기 발판은,
사용자의 발바닥이 안착되는 발바닥 판; 및
상기 발바닥 판에 대해 경사를 이루거나 또는 수평을 이루도록 상기 발바닥 판에 힌지 결합되어, 사용자의 발가락이 안착되는 발가락 판을 포함하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제2항에 있어서,
사용자가 걸음 중 발끝 떼기(toe-off) 후, 상기 발바닥 판과 상기 발가락 판이 수평을 이루도록 상기 발바닥 판에 탄성력을 제공하는 탄성부재를 더 포함하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제2항에 있어서,
상기 발바닥 판에 마련되어, 사용자의 족압을 측정하는 하나 이상의 압력센서를 더 포함하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제4항에 있어서,
상기 압력센서는 세 개로 마련되며,
상기 세 개의 압력센서 중 하나의 압력센서는 사용자의 발뒤꿈치에 대응하는 위치에 배치되고, 나머지 한 쌍의 압력센서는 사용자의 발뒤꿈치와 아치를 제외한 나머지 발바닥 영역에 대응하는 위치에 상기 발판의 길이방향 중심축선을 사이에 두고 대향 배치되는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제4항에 있어서,
사용자의 발바닥의 안쪽 들림 및 가쪽 들림에 대응하여 상기 발판의 각도를 제어하는 발판 각도조절부를 포함하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제1항에 있어서,
상기 피칭구동부는,
상기 발판에 연결되어, 정역 회전하며 상기 발판을 피칭시키는 피칭용 구동모터를 포함하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제7항에 있어서,
상기 피칭용 구동모터를 지지하는 연결 암;
상기 연결 암과 피봇가능하게 연결된 연결 링크; 및
상기 연결 링크를 피봇가능하게 지지하는 제1프레임을 포함하며,
상기 승강구동부는,
정역회전하는 승강용 구동모터;
외주에 수나사를 형성하며 상기 승강용 구동모터에 연결되어, 정역회전하는 승강용 스크루축; 및
내주에 상기 승강용 스크루축과 나사 결합되는 암나사를 형성하며 상기 제1프레임에 지지되고, 상기 승강용 스크루축의 정역회전운동을 직선 왕복운동으로 변환하여 상기 제1프레임을 직선 왕복이동시키는 승강용 너트부를 포함하며,
상기 제1프레임이 직선 왕복이동함에 따라, 상기 연결 링크가 정역방향으로 선회함과 동시에 상기 연결 암이 정역방향으로 선회하여 상기 발판이 승강하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제8항에 있어서,
상기 연결 암을 피봇가능하게 지지하는 제2프레임을 포함하며,
상기 보폭구동부는,
정역회전하는 보폭용 구동모터;
외주에 수나사를 형성하며 상기 보폭용 구동모터에 연결되어, 정역회전하는 보폭용 스크루축; 및
내주에 상기 보폭용 스크루축과 나사 결합되는 암나사를 형성하며 상기 제2프레임에 지지되고, 상기 보폭용 스크루축의 정역회전운동을 직선 왕복운동으로 변환하여 상기 제2프레임을 직선 왕복이동시키는 보폭용 너트부를 포함하며,
상기 제1프레임이 직선 왕복이동함에 따라, 상기 연결 암이 직선 왕복운동하여 상기 발판을 전진 및 후진시키는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제4항에 있어서,
상기 제어부는 상기 압력센서에 의해 측정된 족압데이터에 의거하여, 상기 발판의 안착 여부, 안착된 발의 상태 및 사용자의 보행 상태를 판단하여, 상기 보폭구동부와 상기 승강구동부와 상기 피칭구동부의 구동을 제어하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제9항에 있어서,
상기 피칭용 구동모터와 상기 승강용 구동모터와 상기 보폭용 구동모터에 각각 마련되어, 상기 피칭용 구동모터와 상기 승강용 구동모터와 상기 보폭용 구동모터에서 발생하는 토크를 검출하는 토크센서를 더 포함하며,
상기 제어부는 상기 각 토크센서에서 검출된 토크데이터에 의거하여 사용자의 보행 의도를 판단하고, 상기 보폭구동부와 상기 승강구동부와 상기 피칭구동부의 구동을 제어하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 압력센서에 의해 측정된 족압데이터에 의거하여, 상기 발판의 안착된 발 상태에 따라 상기 발판의 각도를 조절하도록 상기 발판 각도조절부를 제어하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제1항에 있어서,
사용자가 보행하는 보행 영역을 형성하며, 상기 발판과 상기 보폭구동부와 상기 승강구동부와 상기 피칭구동부가 마련되는 메인프레임; 및
상기 메인프레임에 보행 영역 주변에 마련되는 핸드 레일을 포함하는, 다자유도 보행 재활 로봇.
제13항에 있어서,
상기 메인프레임에 현수 지지되어, 상기 보행 영역에서 보행 훈련하는 사용자가 착용한 하네스를 지지하는 와이어를 포함하는, 다자유도 보행 재활 로봇.