KR20220116616A - 요추근력보조로봇 및 그 작동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 요추근력보조로봇 및 그 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 착용자에 착용되어 근력을 보조하는 착용형 근력보조로봇에 있어서, 슈트부; 상기 슈트부 외면에 고정설치되는 고강성고정부; 상기 고강성고정부에 슬라이딩 이동이 가능하도록 장착되는 동력전달부; 일측 끝단이 슈트부에 구비된 와이어 고정단에 고정되고, 타측끝단은 상기 동력전달부에 고정되는 와이어; 상기 일측 끝단이 상기 동력전달부에 고정되는 꼬임줄; 및 상기 꼬임줄을 꼬임 구동하여 상기 동력전달부를 슬라이딩시키는 줄꼬임 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇에 관한 것이다.

Description

요추근력보조로봇 및 그 작동방법{Lumbar Assistive Robot and Operation method thereof}

본 발명은 요추근력보조로봇 및 그 작동방법에 대한 것이다.

사람의 요추는 가장 큰 힘을 담당하는 근육 군 (기립근, erector spinae)이 위치하고 있다. 이는 사람이 손을 통해 대다수의 작업을 수행하기 때문에 큰 모멘트암에 따른 큰 근력을 위한 필연적인 요소임. 따라서, 산업현장, 농수산업, 일상생활에서 무거운 물체를 옮기기 위해 허리를 굽히는 도중 허리 부상이 자주 일어난다.

종래에는 부족한 근력을 보조하기 위해 근력 보조 로봇 및 외골격 등이 개발되어 왔다. 사람에게 필요한 근력은 충분히 보조 할 수 있으나, 큰 힘 을 내기 위해서는 고 감속비, 고 중량, 고 마찰, 고 비용의 전동 구동기를 사용한다. 이러한 구동기의 힘을 효율적으로 전달하기 위해 고 강성의 구조체 또한 필수였다. 이런 보조 로봇 및 외골격의 단점은 역구동이 불가능하여 안전을 담보할 수 없고 가격이 비싸 일반인이 쉽게 접할 수 없는 치명적인 단점이 존재한다. 또한, 일반인이 아닌 근력이 상대적으로 부족한 노령인구 및 장애인은 비구동 상태의 보조 로봇 및 외골격의 자중을 감당하기 어려운 문제가 존재한다.

기존의 근력 보조 로봇 및 외골격의 단점을 해결하고자 여러 구동 기술이 연구되어 왔다. 그 중, 줄 꼬임 기반 구동 기술은 가볍고 저렴한 실을 사용하여 유연하고, 인간과 로봇이 협업하는 기계장치에 모터보다 안전하게 사용할 수 있는 구동기술이다. 줄 꼬임 기반 구동 기술에서 실은 모터의 회전운동을 병진운동으로 바꿔주는 기어의 역할을 함. 실의 길이가 기어비를 결정하는데 중요한 요소 중 하나인데 실의 길이가 길수록 기어비가 증가한다. 이러한 줄 꼬임 구동 기술의 특징을 활용하여 인체의 가장 길이가 긴 근육 중 하나인 기립근의 역할로 활용하여 로봇 사용자의 부족한 근력을 상대적으로 낮은 비용으로 보조할 수 있다.

도 1은 종래 요추운동보조장치의 정면도, 측면도를 도시한 것이다. 종래 한국 등록특허 제2091227호(요추운동 보조장치)는 요추지지부재를 기점으로 상/하체 2부위의 고정체를 가지며 신체의 양옆에 부착되는 형태의 보조장치로서, 자세를 유지하기 위해 아이들 상태로 구동될 수 있으며 원하는 방향에 따라 요추지지부재에 내장된 구동기가 요추의 수축/인장을 가해주도록 구성된다.

도 2는 종래 착용시 근력보조장치의 사시도를 도시한 것이다. 종래 한국 등록특허 제1988078호(착용식 근력 보조 장치)는 등 받힘에 구동부가 존재하며 모터 + 와이어 구동방식을 채용하여 골반부에 있는 회전체를 구동하며, 회전체는 허벅지에 위치한 고정체를 구동할 수 있고, 구동 시 허벅지에 힘을 가해서 반력으로 허리에 근력을 보조해주는 구동 방식을 채용하고 있다.

또한 도 3은 종래 근력운동을 겸한 자세 교정장치의 사시도를 도시한 것이다. 종래 한국 등록특허 제2177307호(근력운동을 겸한 자세 교정 장치)는 근력운동을 겸한 자세 교정 장치로써 날개뼈 사이 등 부위에 압축 및 휨 탄성을 갖는 운동판과 탄성부로 구성된 운동부를 설치하고, 추가적으로 허리 부위에 일정 탄성력을 통해 동작하도록 구비된 허리근육 운동부재를 설치하여 등과 허리 근육의 근력운동이 되면서 자세를 교정할 수 있다.

그러나 기존의 허리 근력 보조 로봇은 착용자에게 요구되는 큰 힘을 보조할 수 있기 위해 고 강성, 고 중량, 고 비용의 구동기를 필연적으로 사용했다. 이는 로봇 시스템의 전체적인 무게, 비용, 부피의 증가가 불가피하다. 또한 이러한 구동기는 오 작동시 역구동(backdrivability)이 불가능하여 착용자의 안전을 담보하지 못한다.

또한, 허리 근력 보조 로봇은 건강한 일반인을 기준으로 설계되었기 때문에 노인, 아동, 장애인과 같이 상대적인 약자들이 사용하기에는 많은 리스크가 존재한다. 특히 큰 힘을 내기 위해서는 큰 지지부/고정부가 필요한데 이는 고 강성의 재질을 요하게 된다. 따라서, 전체적의 시스템의 자체 무게가 증가함에 따라 타인의 도움없이 탈부착이 매우 힘듦고 미구동시 자중을 착용자의 근력으로 지지해야 하기 때문에 부상을 야기할 수 있는 문제가 존재한다.

마찬가지로 강성재질로 이루어져 있는 근력 보조 로봇 및 외골격은 착용자 개개인 신체에 맞춰 크기를 조정해줘야 하며, 이러한 접근 방법은 범용성이 매우 떨어지고 파츠를 교체해야 하는 등 착용성을 저하시키는 단점이 존재한다.

대한민국 등록특허 10-1988078 대한민국 등록특허 10-2129317 대한민국 등록특허 10-2061548 대한민국 공개특허 10-2019-0018070

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 줄 꼬임 기반 구동 기술을 사용하여 부족한 근력의 힘을 보조하며, 줄 꼬임 기반 구동 기술은 저 중량, 저 비용, 고 유연 폴리머 섬유 재질을 사용하여 기존 로봇에 사용되는 고 중량, 고 비용, 고 강성 구동기를 대체할 수 있고, 또한, 역구동이 가능하여 사용자의 안전을 담보할 수 있고, 줄 꼬임 구동기는 착용자의 부족한 근력에 맞춰 설계가 자유롭게 가능하고(실의 반지름, 길이, 등) 저 용량의 모터로도 큰 인장력을 낼 수 있고, 줄 꼬임 구동 기술은 길이가 길수록 높은 출력을 낼 수 있어서 허리와 같이 긴 신체에 적합한, 요추근력보조로봇 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 저 중량 탄성재질 소재와 고 강성 고정부를 합친 heterogeneous 소재의 수트를 제작하고, 또한 구동기의 stroke에 따른 요추의 강성을 조절하여 착용자에 필요에 따라 안전한 작업을 진행할 수 있으며, 유연한 탄성재질 소재 기반의 수트는 착용자의 신체와 무관 하게 (성별, 나이, 사이즈, 등) 착용이 용이하고, Heterogeneous 소재의 수트는 무게를 낮추기 위해 가볍고 탄성섬유 소재 기반의 수트 위에 큰 근력을 지지하기 위한 고정부에 고 강성 소재를 활용하는 등 유연한 설계가 가능함. 구동기의 stroke에 따라 강성을 조정하고 역구동이 가능하기 때문에 착용자의 안전을 담보할 수 있고, 고 신축성을 가진 탄성재질 소재 기반의 수트는 착용자의 신체에 맞춰 늘어날 수 있으며 벨크로 타입 압박부로 유연하게 착용 할 수 있고, 착용성이 뛰어나 사용자 개인이 혼자서 손쉽게 탈부착이 가능한, 요추근력보조로봇 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 가속도 및 3축 굽힘 각도를 측정 할 수 있는 Inertial Measurement Unit (IMU) 센서를 부착하여 기립정도를 제어할 수 있고, 사람 개개인이 느끼는 편안한 기립자세(standing posture)은 다르기 때문에 IMU 센서를 통한 피드백으로 부착된 구동기의 stroke를 조정할 수 있는, 요추근력보조로봇 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 착용자에 착용되어 근력을 보조하는 착용형 근력보조로봇에 있어서, 슈트부; 상기 슈트부 외면에 고정설치되는 고강성고정부; 상기 고강성고정부에 슬라이딩 이동이 가능하도록 장착되는 동력전달부; 일측 끝단이 슈트부에 구비된 와이어 고정단에 고정되고, 타측끝단은 상기 동력전달부에 고정되는 와이어; 상기 일측 끝단이 상기 동력전달부에 고정되는 꼬임줄; 및 상기 꼬임줄을 꼬임 구동하여 상기 동력전달부를 슬라이딩시키는 줄꼬임 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 슈트부는 상의이고, 탄성소재로 구성되며 착용자의 신체 사이즈에 맞게 제작되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 고강성고정부는, 수평부재와 수직부재가 연결된 T형 몸체와, 상기 수직부재 내에 형성되어 상기 동력전달부가 슬라이딩되는 이동 가이드홀과, 상기 수평부재에 형성되어 상기 와이어가 관통되는 와이어 연결홀을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 와이어는 한 쌍으로 구성되며, 상기 와이어 연결홀은 상기 수평부재 양단 각각에 구비되며, 상기 와이어 고정단은 슈트부의 가슴측 양단 각각에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 고강성고정부는 상기 슈트부의 척추 측에 고정되며, 상기 줄꼬임 구동부는, 상기 꼬임줄을 꼬임 구동하여 상기 동력전달부를 하측으로 슬라이딩시키거나, 풀도록 구동하여 상측으로 슬라이딩시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 착용자의 허리의 굽힘정도를 측정하는 관성 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 관성 센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 줄꼬임 구동부를 제어하여 상기 착용자의 기립정도가 설정된 기립각도가 되도록 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 착용자에 착용되어 근력을 보조하는 착용형 근력보조로봇의 작동방법에 있어서, 상의이고, 탄성소재로 구성되며 착용자의 신체 사이즈에 맞게 제작된 슈트부를 착용자가 착용하는 단계; 줄꼬임 구동부가 꼬임줄을 꼬임 구동하여, 상기 슈트부 외면에 고정설치되는 고강성고정부 상에서, 동력전달부가 슬라이딩 이동되는 단계; 및 상기 동력전달부가 이동함에 따라, 동력전달부에 고정되는 와이어가 당겨지면서 착용자의 요추 근력이 보조되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇의 작동방법으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 고강성고정부는, 수평부재와 수직부재가 연결된 T형 몸체와, 상기 수직부재 내에 형성되어 상기 동력전달부가 슬라이딩되는 이동 가이드홀과, 상기 수평부재에 형성되어 상기 와이어가 관통되는 와이어 연결홀을 포함하고, 와이어는 한 쌍으로 구성되며, 상기 와이어 연결홀은 상기 수평부재 양단 각각에 구비되며, 상기 와이어 고정단은 슈트부의 가슴측 양단 각각에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 고강성고정부는 상기 슈트부의 척추 측에 고정되며, 상기 요추 근력이 보조되는 단계는, 상기 줄꼬임 구동부가 상기 꼬임줄을 꼬임 구동하여 상기 동력전달부를 하측으로 슬라이딩시켜 요추의 기립력을 보조하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 관성센서가 상기 착용자의 허리의 굽힘정도를 실시간으로 측정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 제어부가 상기 관성 센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 줄꼬임 구동부를 제어하여 상기 착용자의 기립정도가 설정된 기립각도가 되도록 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 요추근력보조로봇 및 그 작동방법에 따르면, 줄 꼬임 기반 구동 기술을 사용하여 부족한 근력의 힘을 보조하며, 줄 꼬임 기반 구동 기술은 저 중량, 저 비용, 고 유연 폴리머 섬유 재질을 사용하여 기존 로봇에 사용되는 고 중량, 고 비용, 고 강성 구동기를 대체할 수 있고, 또한, 역구동이 가능하여 사용자의 안전을 담보할 수 있고, 줄 꼬임 구동기는 착용자의 부족한 근력에 맞춰 설계가 자유롭게 가능하고(실의 반지름, 길이, 등) 저 용량의 모터로도 큰 인장력을 낼 수 있고, 줄 꼬임 구동 기술은 길이가 길수록 높은 출력을 낼 수 있어서 허리와 같이 긴 신체에 적합한 장점이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 요추근력보조로봇 및 그 작동방법에 따르면, 저 중량 탄성재질 소재와 고 강성 고정부를 합친 heterogeneous 소재의 수트를 제작하고, 또한 구동기의 stroke에 따른 요추의 강성을 조절하여 착용자에 필요에 따라 안전한 작업을 진행할 수 있으며, 유연한 탄성재질 소재 기반의 수트는 착용자의 신체와 무관 하게 (성별, 나이, 사이즈, 등) 착용이 용이하고, Heterogeneous 소재의 수트는 무게를 낮추기 위해 가볍고 탄성섬유 소재 기반의 수트 위에 큰 근력을 지지하기 위한 고정부에 고 강성 소재를 활용하는 등 유연한 설계가 가능함. 구동기의 stroke에 따라 강성을 조정하고 역구동이 가능하기 때문에 착용자의 안전을 담보할 수 있고, 고 신축성을 가진 탄성재질 소재 기반의 수트는 착용자의 신체에 맞춰 늘어날 수 있으며 벨크로 타입 압박부로 유연하게 착용 할 수 있고, 착용성이 뛰어나 사용자 개인이 혼자서 손쉽게 탈부착이 가능한 장점이 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 요추근력보조로봇 및 그 작동방법에 따르면, 가속도 및 3축 굽힘 각도를 측정 할 수 있는 Inertial Measurement Unit (IMU) 센서를 부착하여 기립정도를 제어할 수 있고, 사람 개개인이 느끼는 편안한 기립자세(standing posture)은 다르기 때문에 IMU 센서를 통한 피드백으로 부착된 구동기의 stroke를 조정할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 요추운동보조장치의 정면도, 측면도,
도 2는 종래 착용시 근력보조장치의 사시도,
도 3은 종래 근력운동을 겸한 자세 교정장치의 사시도,
도 4는 착용후, 구동전 본 발명의 실시예에 따른 요추근력로봇 사진,
도 5는 구동후 본 발명의 실시예에 따른 요추근력로봇 사진,
도 6은 구동전 본 발명의 실시예에 따른 고강성 고정부의 정면도,
도 7은 구동후 본 발명의 실시예에 따른 고강성 고정부의 정면도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 동력전달부의 사시도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 근력보조장치 착용 후 사진,
도 10b 내지 도 10d는 본 발명의 실시예에 따른 줄 꼬임 정도에 따라 기립각도가 달라진 상태의 사진,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 요추근력로봇의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

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 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 요추근력로봇의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에 따른 요추근력로봇(100)은, 줄 꼬임 기반 구동 기술을 사용하여 부족한 근력의 힘을 보조할 수 있다. 또한, 줄 꼬임 기반 구동 기술은 저 중량, 저 비용, 고 유연 폴리머 섬유 재질을 사용하여 기존 로봇에 사용되는 고 중량, 고 비용, 고 강성 구동기를 대체할 수 있으며, 또한, 역구동이 가능하여 사용자의 안전을 담보할 수 있다.

도 4는 착용후, 구동전 본 발명의 실시예에 따른 요추근력로봇 사진을 도시한 것이고, 도 5는 구동후 본 발명의 실시예에 따른 요추근력로봇 사진을 도시한 것이다.

또한 도 6은 구동전 본 발명의 실시예에 따른 고강성 고정부의 정면도를 도시한 것이고, 도 7은 구동후 본 발명의 실시예에 따른 고강성 고정부의 정면도를 도시한 것이다. 그리고 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 동력전달부의 사시도를 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 요추근력보조로봇(100)은 기본적으로 착용형으로 구성된다. 그리고 슈트부(10), 고강성고정부(20), 동력전달부(30), 와이어(31), 꼬임줄(40), 줄꼬임구동부(41) 등을 포함하여 구성된다.

슈트부(10)는 상의에 해당하며, 탄성소재로 구성되며 착용자의 신체 사이즈에 맞게 제작될 수 있다. 그리고 고강성고정부(20)는 슈트부(10) 척추측 외면에 고정설치되게 된다.

즉, 저 중량 탄성재질 소재와 고강성고정부(20)를 합친 heterogeneous 소재의 슈트형태로 구성되며, 줄꼬임 구동부(41)의 stroke에 따른 요추의 강성을 조절하여 착용자에 필요에 따라 안전한 작업을 진행할 수 있게 된다. 유연한 탄성재질 소재 기반의 슈트부(10)는 착용자의 신체와 무관 하게(성별, 나이, 사이즈, 등) 착용이 용이하다.

그리고 슈트부(10)에는 어깨 측 양단에 와이어가이드부(11)가 설치되며, 가슴측 양단에 한 쌍의 와이어 끝단이 고정되는 와이어 고정단(12)이 설치된다.

동력전달부(30)는 고강성고정부(20)에 슬라이딩 이동이 가능하도록 장착된다. 그리고 와이어(31)는 일측 끝단이 슈트부에 구비된 와이어 고정단(12)에 고정되고, 타측끝단은 동력전달부(30)에 고정되게 된다.

또한 꼬임줄(40)은 일측 끝단이 동력전달부(30)에 고정된다. 그리고 줄꼬임 구동부(41)는 꼬임줄을 꼬임 구동하여 동력전달부(30)를 슬라이딩시키도록 구성된다.

즉, 줄꼬임구동부(41)는 전기모터 등으로 구성될 수 있으며, 꼬임줄(40)을 길이방향 축을 기준으로 회전시켜 꼬아 주게 되면 줄의 꼬임운동에 의해 줄의 전체적인 길이가 감소되면서 동력전달부(30)를 선형이동시킬 수 있게 된다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 고강성고정부(20)는 수평부재(21)와 수직부재(22)가 연결된 T형으로 구성되며, 슈트부(10)의 척추 측에 고정된다. 이동 가이드홀(24)은 수직부재(22) 내에 형성되어 동력전달부(30)가 슬라이딩될 수 있도록 한다. 그리고 수평부재(21) 양단에는 와이어 연결홀(23)이 형성되어 한 쌍의 와이어(31) 각각이 관통되어 와이어 고정단(12)에 연결될 수 있도록 구성된다. 그리고 한 쌍의 와이어 고정단(12)은 슈트부(10)의 가슴측 양단 각각에 구비될 수 있다.

동력전달부(30)는 고정강성부(20)의 이동 가이드홀(24)을 따라 슬라이딩 이동가능하게 개제되며, 도 8에 도시된 바와 같이, 상단에는 와이어(31)의 타측 끝단이 고정되는 와이어고정부(31)가 구비되며, 하측에는 꼬임줄(40)이 고정되는 꼬임줄고정부(32)가 마련되어 있음을 알 수 있다.

따라서 줄꼬임 구동부(41)가, 꼬임줄(40)을 꼬임 구동하면 동력전달부(30)는 하측으로 슬라이딩이동되어, 와이어(31)가 당겨지면서 허리를 세우게 되어 요추근력을 보조할 수 있게 된다.

즉, 줄꼬임 구동부(41)가 구동되어 줄이 꼬이면 동력전달부(30)가 T자형 고강성고정부(20) 내에서 아래로 슬라이딩 하게 되며, 이를 통해 동력전달 와이어(31)가 착용자에게 힘을 가해줘 요추를 세워주는 역할을 하게 된다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 그리고 도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 근력보조장치 착용 후 사진, 도 10b 내지 도 10d는 본 발명의 실시예에 따른 줄 꼬임 정도에 따라 기립각도가 달라진 상태의 사진을 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 요추근력보조로봇(100)은 착용자(1)의 허리의 굽힘정도를 실시간으로 측정하는 관성 센서(50)를 포함하여 구성될 수 있다. 관성센서(50)는 가속도 및 3축 굽힘 각도를 측정 할 수 있는 Inertial Measurement Unit (IMU) 센서일 수 있다.

그리고 제어부(60)는 관성 센서(50)에서 측정된 값을 기반으로 줄꼬임 구동부(41)를 제어하여 착용자(1)의 기립정도가 설정된 기립각도가 되도록 조절할 수 있다.

여기서 와이어(31)가 고정되는 와이어고정단(12)은 도 10a에 도시된 바와 같이, 착용자(1)의 양측 가슴팍에 위치해 있으며, 도 10d에 도시된 바와 같이, 동력전달부(30)가 T자형 고강성고정부(20)의 가장 아랫단에 닿으면 사람이 완전한 기립자세가 될 수 있다.

반대로 줄 꼬임을 풀어주면 도 10b에 도시된 사진과 같이 다시 허리를 굽힌 상태로 원위치될 수 있다. 여기서 관성 센서(50)의 역할은 착용자의 허리 굽힘의 정도를 각도 값으로 환산하여 기립의 정도를 기준으로 피드백 제어를 시행하게 된다.

지면과 수직, 즉 중력과 수평 되는 방향의 각도를 0도를 기준으로 하면 기립한 자세를 -10도 ~ 0도, 허리 완전 굽힘 상태를 30도 ~ 40도로 정의하며, 기립한 자세의 각도까지 모터가 꼬임을 가해줄 수 있도록 피드백 제어를 가해줄 수 있다. 여기서 각도 값은 절대적이지 않으며, 착용자 개개인이 느끼기에 가장 편한 자세를 기준으로 할 수 있다.

이하에서는 앞서 언급한 요추근력로봇(100)의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 요추근력로봇의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.

먼저, 상의이고, 탄성소재로 구성되며 착용자의 신체 사이즈에 맞게 제작된 슈트부(10)를 착용자(1)가 착용하게 된다(S1).

착용후, 줄꼬임 구동부(41)가 구동되어(S2) 꼬임줄(40)을 회전시켜 꼬임 구동하게 된다(S3).

줄(40)의 꼬임구동에 의해, 슈트부(10) 외면에 고정설치되는 T 자형 고강성고정부(20) 상에서, 동력전달부(30)가 하측으로 슬라이딩 이동되게 된다(S4).

그리고 동력전달부(30)가 하측으로 이동함에 따라, 동력전달부(30)에 고정된 와이어(31)가 당겨지면서 착용자(1)의 요추 근력이 보조되게 된다(S5).

즉, 줄꼬임 구동부(41)가, 꼬임줄(40)을 꼬임 구동하여 동력전달부(30)를 하측으로 슬라이딩시켜 요추의 기립력을 보조한다.

이때, 관성센서(50)는 착용자(1)의 허리의 굽힘정도를 실시간으로 측정하게 된다(S6). 측정된 기립정도가 설정된 기립각도가 될 때 까지 줄 꼬임 구동을 진행하게 된다(S7).

즉, 제어부(60)는 관성 센서(50)에서 측정된 값을 기반으로 줄꼬임 구동부(41)를 제어하여 착용자(1)의 기립정도가 설정된 기립각도로 유지되도록 제어하게 된다.

예를 들어, 설정된 기립각도를 -10 ~ 0도로 한 경우, 관성 센서(50)에서 측정된 기립각도가 설정된 범위 내이면 줄 꼬임 정도와 요추보조근력을 유지하게 되고, 측정된 기립각도가 설정된 범위 밖인 예를 들어 25도 정도가 되면 다시 줄꼬임 구동부(41)를 작동시켜 줄 꼬임 구동을 추가로 작동시켜 와이어(31)를 더 당겨 기립정도가 설정된 기립각도 범위 내가 되도록 요추를 세워주게 된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:착용자
2:와이어
10:슈트부
11:와이어가이드부
12:와이어고정단
20:고강성고정부
21:수평부재
22:수직부재
23:와이어연결홀
24:이동가이드홀
30:동력전달부
31:와이어고정부
32:꼬임줄고정부
40:꼬임줄
41:줄꼬임구동부
50:관성센서
60:제어부
100:요추근력보조로봇

Claims (12)

1. 착용자에 착용되어 근력을 보조하는 착용형 근력보조로봇에 있어서,
   슈트부;
   상기 슈트부 외면에 고정설치되는 고강성고정부;
   상기 고강성고정부에 슬라이딩 이동이 가능하도록 장착되는 동력전달부;
   일측 끝단이 슈트부에 구비된 와이어 고정단에 고정되고, 타측끝단은 상기 동력전달부에 고정되는 와이어;
   상기 일측 끝단이 상기 동력전달부에 고정되는 꼬임줄; 및
   상기 꼬임줄을 꼬임 구동하여 상기 동력전달부를 슬라이딩시키는 줄꼬임 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 슈트부는 상의이고, 탄성소재로 구성되며 착용자의 신체 사이즈에 맞게 제작되는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 고강성고정부는,
   수평부재와 수직부재가 연결된 T형 몸체와, 상기 수직부재 내에 형성되어 상기 동력전달부가 슬라이딩되는 이동 가이드홀과, 상기 수평부재에 형성되어 상기 와이어가 관통되는 와이어 연결홀을 포함하는 것을 특징으호 하는 요추근력보조로봇.
   
4. 제 3항에 있어서,
   와이어는 한 쌍으로 구성되며, 상기 와이어 연결홀은 상기 수평부재 양단 각각에 구비되며, 상기 와이어 고정단은 슈트부의 가슴측 양단 각각에 구비되는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 고강성고정부는 상기 슈트부의 척추 측에 고정되며,
   상기 줄꼬임 구동부는, 상기 꼬임줄을 꼬임 구동하여 상기 동력전달부를 하측으로 슬라이딩시키거나, 풀도록 구동하여 상측으로 슬라이딩시키는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 착용자의 허리의 굽힘정도를 측정하는 관성 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 관성 센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 줄꼬임 구동부를 제어하여 상기 착용자의 기립정도가 설정된 기립각도가 되도록 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇.
   
8. 착용자에 착용되어 근력을 보조하는 착용형 근력보조로봇의 작동방법에 있어서,
   상의이고, 탄성소재로 구성되며 착용자의 신체 사이즈에 맞게 제작된 슈트부를 착용자가 착용하는 단계;
   줄꼬임 구동부가 꼬임줄을 꼬임 구동하여, 상기 슈트부 외면에 고정설치되는 고강성고정부 상에서, 동력전달부가 슬라이딩 이동되는 단계; 및
   상기 동력전달부가 이동함에 따라, 동력전달부에 고정되는 와이어가 당겨지면서 착용자의 요추 근력이 보조되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇의 작동방법.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 고강성고정부는, 수평부재와 수직부재가 연결된 T형 몸체와, 상기 수직부재 내에 형성되어 상기 동력전달부가 슬라이딩되는 이동 가이드홀과, 상기 수평부재에 형성되어 상기 와이어가 관통되는 와이어 연결홀을 포함하고,
   와이어는 한 쌍으로 구성되며, 상기 와이어 연결홀은 상기 수평부재 양단 각각에 구비되며, 상기 와이어 고정단은 슈트부의 가슴측 양단 각각에 구비되는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇의 작동방법.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 고강성고정부는 상기 슈트부의 척추 측에 고정되며,
    상기 요추 근력이 보조되는 단계는, 상기 줄꼬임 구동부가 상기 꼬임줄을 꼬임 구동하여 상기 동력전달부를 하측으로 슬라이딩시켜 요추의 기립력을 보조하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇의 작동방법.
    
11. 제 10항에 있어서,
    관성센서가 상기 착용자의 허리의 굽힘정도를 실시간으로 측정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇의 작동방법.
    
12. 제 11항에 있어서,
    제어부가 상기 관성 센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 줄꼬임 구동부를 제어하여 상기 착용자의 기립정도가 설정된 기립각도가 되도록 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요추근력보조로봇의 작동방법.
    
    
    
    
    

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