KR20230027717A - Modular exoskeleton robot for gait assistance and rehabilitation equipment - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 모듈형 외골격 로봇에 관한 것에 관한 것으로서, 고관절, 슬관절, 발목관절의 각 모듈별 장착 및 탈착에 의한 독립적인 운용이 가능하며 필요에 따라 보행 보조 모드 또는 재활 치료 모드로 사용 가능하여 효율이 우수한 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a modular exoskeleton robot, which is capable of independent operation by attaching and detaching each module of the hip joint, knee joint, and ankle joint, and can be used in a walking assistance mode or rehabilitation treatment mode as needed, thereby increasing efficiency. It relates to a modular exoskeleton robot for an excellent walking aid and rehabilitation device.
일반적으로 근력 지원을 위한 외골격 로봇의 지지 거치부는 소정 하중물의 리프팅(Lifting) 동작시에 가슴부위를 밀어주거나, 등쪽에 위치하여 허리를 당겨주는 방식으로 근력 지원이 이루어진다. 이러한 외골격 로봇의 관절 구동 모듈은 가스 스프링, 코일 스프링, 태엽 스프링 등과 같은 스프링에 탄성에너지를 저장하여 근력 지원에 이용한다. 특히, 관절 구동 모듈은 신체의 요추 및 천추 부위의 인대와 요추 관절 부위에 저장된 탄성력을 출력하여 하중물을 들어 올리거나 옮길 때에 사용자가 앞으로 굽히거나 뒤틀릴 때의 부하를 감소시켜 근력 지원 역할을 수행하게 된다. In general, the supporting portion of an exoskeleton robot for muscle strength support is supported by a method of pushing the chest or pulling the waist when a predetermined load is lifted. The joint drive module of the exoskeleton robot stores elastic energy in springs such as gas springs, coil springs, and springs, and uses them to support muscle strength. In particular, the joint drive module outputs the elastic force stored in the ligaments of the lumbar and sacral vertebrae of the body and the lumbar joint to reduce the load when the user bends forward or twists when lifting or moving a load, thereby supporting muscle strength. will do
한편, 일반적인 보행 및 근력 지원을 위한 외골격 로봇은 일체형으로 고관절, 슬관절, 발목관절 및 발 부분까지 분리되지 않은 상태에서 구동된다. 이로 인해, 외골격 로봇이 보조기능으로써 각 부위를 독립적으로 사용하지 못하는 불편함이 있으며, 각 부위별 사용이 가능하더라도 전체가 제어되는 효율 저하가 있다. 뿐만 아니라, 외골격 로봇의 각 부위별 연결에 의한 무게 증가로 인해 전원 소모량도 증가된다. On the other hand, an exoskeleton robot for general gait and muscle strength support is driven in a state in which the hip joint, knee joint, ankle joint and foot are not separated as an integral unit. For this reason, there is an inconvenience that the exoskeleton robot cannot independently use each part as an auxiliary function, and even if each part can be used individually, the efficiency of controlling the whole is reduced. In addition, power consumption also increases due to an increase in weight due to connection of each part of the exoskeleton robot.
이에 따라, 근래에는 외골격 로봇을 각 부위별로 독립적으로 운용시켜 사용 효율을 향상시키기 위한 연구가 지속적으로 요구되고 있다. Accordingly, in recent years, there is a continuous demand for research on improving the efficiency of use by operating the exoskeleton robot independently for each part.
본 발명의 목적은 인체를 지지하는 각 부위를 각각 독립적으로 장착 및 탈착하여 운용할 수 있으며, 보행 보조 기능 및 재활 치료 기능을 수행할 수 있어 사용 효율성을 향상시킬 수 있는 하지 관절별 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide walking assistance and rehabilitation for each joint of the lower extremity, which can independently attach and detach each part supporting the human body, and can perform a walking assistance function and a rehabilitation treatment function to improve the efficiency of use. It is to provide a modular exoskeleton robot for the device.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇은, 사용자의 각 신체 부위에 착용되는 복수의 어시스트를 포함하는 착용부, 상기 복수의 어시스트 중 적어도 두개 이상을 상호 분리 가능하게 연결시키는 적어도 하나의 연결부, 상기 복수의 어시스트 중 어느 하나에 마련되어, 상기 복수의 어시스트를 통합 제어하는 메인 제어부 및, 상기 복수의 어시스트 중에서 상기 메인 제어부가 마련되지 않은 나머지 어시스트를 독립적으로 제어하도록 적어도 하나 마련되는 서브 제어부를 포함한다. In order to achieve the above object, a modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation equipment according to the present invention is a wearable part including a plurality of assists worn on each body part of a user, and at least two or more of the plurality of assists are mutually connected. At least one connecting part detachably connected, a main control unit provided on any one of the plurality of assists and integrally controlling the plurality of assists, and independently controlling the remaining assists not provided with the main control unit among the plurality of assists. It includes at least one sub-controller provided to do so.
또한, 상기 복수의 어시스트는 상기 사용자의 상지, 하지 또는 전신의 각 관절 부위에 착용되도록 마련될 수 있다. In addition, the plurality of assists may be provided to be worn on each joint of the user's upper limbs, lower limbs, or entire body.
또한, 상기 착용부는, 상기 사용자의 엉덩이(Hip)에 착용되어, 고관절 구동을 어시스트하는 힙-어시스트, 상기 사용자의 무릎(Knee)에 착용되어, 슬관절 구동을 어시스트하는 니-어시스트, 상기 사용자의 발목(Ankle)에 착용되어, 발목관절 구동을 어시스트하는 앵클-어시스트 및, 상기 사용자의 발(Foot)에 착용되어, 족관절 구동을 어시스트하는 풋-어시스트를 포함하여, 상기 사용자의 하지에 착용될 수 있다. In addition, the wearing part may include a hip-assist worn on the user's hip to assist hip joint drive, a knee-assist worn on the user's knee to assist knee joint drive, and the user's ankle It can be worn on the lower extremity of the user, including an ankle-assist worn on an ankle to assist ankle joint drive and a foot-assist worn on the user's foot to assist ankle joint drive. .
또한, 상기 메인 제어부는 상기 힙-어시스트에 마련되고, 상기 서브 제어부는 상기 니, 앵클 및 풋-어시스트를 연결하는 상기 적어도 하나의 연결부에 각각 마련될 수 있다. In addition, the main control unit may be provided on the hip-assist, and the sub-control unit may be provided on the at least one connecting part connecting the knee, ankle, and foot-assist, respectively.
또한, 상기 힙-어시스트가 단독으로 상기 사용자에 착용되거나, 상기 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나, 상기 니, 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나, 상기 힙 및 니-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나, 상기 힙, 니, 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용될 수 있다. In addition, the hip-assist alone is worn on the user, the ankle and foot-assist are connected to the connection part and worn on the user, or the knee, ankle and foot-assist are connected to the connection part to the user The hip and knee-assist may be connected to the connection part and worn on the user, or the hip, knee, ankle, and foot-assist may be connected to the connection part and worn on the user.
또한, 상기 적어도 하나의 연결부는 볼트 고정체결방식, 슬라이드 버튼방식 또는 토글(Toggling) 방식 중 적어도 어느 하나의 연결방식으로 마련될 수 있다. In addition, the at least one connection part may be provided with at least one of a bolt fastening method, a slide button method, or a toggle method.
또한, 상기 메인 제어부는 상위 제어수단, 배터리수단, 무선통신수단, 유선통신수단, 센싱수단 및 전원공급수단 중 적어도 어느 하나를 포함하여, 상기 복수의 어시스트를 통합 구동 제어할 수 있다. In addition, the main control unit may include at least one of an upper control unit, a battery unit, a wireless communication unit, a wired communication unit, a sensing unit, and a power supply unit, and integrally drive and control the plurality of assists.
또한, 상기 서브 제어부는 하위 제어수단, 배터리수단, 무선통신수단, 유선통신수단, 구동수단, 구동원, 감속수단 및 엔코더 중 적어도 어느 하나를 포함하여, 상기 메인 제어부와의 연결에 의해 상기 복수의 어시스트를 구동 제어하거나, 상기 복수의 어시스트를 각각 독립적으로 구동 제어할 수 있다. In addition, the sub control unit includes at least one of a lower control unit, a battery unit, a wireless communication unit, a wired communication unit, a driving unit, a driving source, a deceleration unit, and an encoder, and is connected to the main control unit to perform the plurality of assists. It is possible to drive or control the driving of the plurality of assists independently.
또한, 상기 메인 제어부는, 센서 신호가 입력되면 상기 사용자의 바디(Body)/레그(leg) 역학(Dynamics)을 이용하여 토크(Torque)를 추정하고, 상기 추정된 토크를 토크 컨트롤러(Torque controller)로 제공하여, 조인트 토크(Joint Torque)/포지션(Position)을 명령하며, 상기 조인트 토크/포지션은 상기 추정된 토크와 함께 상기 토크 컨트롤러로 피드백(Feedback)될 수 있다. In addition, the main control unit, when a sensor signal is input, estimates a torque using the dynamics of the user's body/leg, and converts the estimated torque to a torque controller , joint torque/position is commanded, and the joint torque/position may be fed back to the torque controller together with the estimated torque.
또한, 상기 서브 제어부는, 센서 신호가 입력되면 상기 사용자의 바디(Body)/레그(leg) 역학(Dynamics)을 이용하여 토크(Torque)를 추정하고, 상기 추정된 토크를 토크 컨트롤러(Torque controller)로 제공하여, 조인트 토크(Joint Torque)/포지션(Position)을 명령하며, 상기 조인트 토크/포지션은 상기 추정된 토크와 함께 상기 토크 컨트롤러로 피드백(Feedback)될 수 있다. In addition, the sub-controller, when a sensor signal is input, estimates torque using body/leg dynamics of the user, and converts the estimated torque to a torque controller , joint torque/position is commanded, and the joint torque/position may be fed back to the torque controller together with the estimated torque.
또한, 상기 메인 및 서브 제어부는, 보행 보조 모드에서 측정된 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(dead zone factor)보다 클 경우, 관절 속도 및 가속도를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 전달 토크를 생성하며, In addition, when the absolute value of the joint angle measured in the walking assistance mode is greater than the dead zone factor, the main and sub controllers measure joint velocity and acceleration and generate transmission torque by
[수학식 1] [Equation 1]
여기서, 는 전달 토크이다. here, is the transfer torque.
상기 조인트 각도의 절대값이 상기 사각지대 요인보다 작을 경우에는 상기 전달 토크를 0으로 생성하여, 상기 보행 보조 모드로 구동 제어할 수 있다. When the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor, the transmission torque may be generated as 0, and driving may be controlled in the walking assistance mode.
또한, 상기 동작 속도에 비례하여 지원 토크를 하기 수학식 2에 의해 생성하며, In addition, the support torque is generated by Equation 2 in proportion to the operating speed,
[수학식 2][Equation 2]
상기 사용자의 대퇴부, 경골 및 발이 움직이는 방향으로 토크를 전달하여, 상기 보행 보조 모드 판단을 위한 기설정된 각 인자별 가중치를 적용할 수 있다. Torque may be transmitted in the direction in which the thigh, tibia, and foot of the user move, and a predetermined weight for each factor for determining the walking assistance mode may be applied.
또한, 상기 메인 및 서브 제어부는, 재활 치료 모드에서 상기 사용자의 각 관절별 가동 범위, 속도 및 시간을 포함하는 구동 조건을 기 설정한 후, 측정된 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(dead zone factor)보다 클 경우, 관절 속도 및 가속도를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 전달 토크를 생성하며, In addition, after the main and sub controllers previously set driving conditions including the range of motion, speed and time for each joint of the user in the rehabilitation treatment mode, the absolute value of the measured joint angle is the blind spot factor (dead zone). factor), the joint speed and acceleration are measured to generate the transmitted torque by
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 전달 토크이다. here, is the transfer torque.
상기 조인트 각도의 절대값이 상기 사각지대 요인보다 작을 경우에는 입력 토크와 출력 토크를 상호 비교하여, 상기 재활 치료 모드로 구동 제어할 수 있다. When the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor, input torque and output torque may be mutually compared, and driving may be controlled in the rehabilitation treatment mode.
또한, 상기 전달 토크가 생성되면, 상기 사용자의 보행에 대한 피드백을 위한 토크를 생성 및 입력하여 사용 토크와 비교하여 보정된 토크를 상기 사용자의 관절별 토크로 전달하며, 상기 피드백을 위한 토크는 에 의해 계산될 수 있다. In addition, when the transmission torque is generated, a torque for feedback on the user's gait is generated and input, compared with the use torque, and the corrected torque is transmitted as torque for each joint of the user, and the torque for feedback is can be calculated by
본 발명의 바람직한 다른 측면에 의한 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇은, 사용자의 신체에 착용되는 복수의 어시스트를 포함하는 착용부, 상기 복수의 어시스트 중 적어도 두개 이상을 상호 분리 가능하게 연결시키는 적어도 하나의 연결부, 상기 복수의 어시스트를 보행 보조 모드 또는 재활 치료 모드 중 어느 하나의 구동 모드로 구동 제어하는 메인 제어부 및, 상기 메인 제어부와 전기적으로 연결되어 제어되거나, 독립적으로 구동 제어 가능하도록, 상기 복수의 어시스트 중 적어도 어느 하나와 연결되는 적어도 하나의 서브 제어부를 포함한다. A modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices according to another preferred aspect of the present invention includes a wearing part including a plurality of assists worn on a user's body, and at least two or more of the plurality of assists are detachably connected to each other. At least one connection unit for controlling, a main control unit for driving and controlling the plurality of assists in any one of a walking assistance mode and a rehabilitation treatment mode, and electrically connected to and controlled from the main control unit, or independent driving control, and at least one sub-controller connected to at least one of the plurality of assists.
또한, 상기 복수의 어시스트는 상기 사용자의 상지, 하지 또는 전신의 각 관절 부위에 착용되도록 마련되며, 상기 복수의 어시스트 중 어느 하나에 상기 메인 제어부가 마련되고, 상기 서브 제어부는 상기 복수의 어시스트를 상호 연결하는 상기 연결부에 마련될 수 있다. In addition, the plurality of assists are provided to be worn on each joint of the user's upper limbs, lower limbs, or entire body, the main controller is provided in one of the plurality of assists, and the sub-controller transmits the plurality of assists to each other. It may be provided in the connection part to connect.
또한, 상기 착용부는, 상기 사용자의 엉덩이(Hip)에 착용되어, 고관절 구동을 어시스트하는 힙-어시스트, 상기 사용자의 무릎(Knee)에 착용되어, 슬관절 구동을 어시스트하는 니-어시스트, 상기 사용자의 발목(Ankle)에 착용되어, 발목관절 구동을 어시스트하는 앵클-어시스트 및, 상기 사용자의 발(Foot)에 착용되어, 족관절 구동을 어시스트하는 풋-어시스트를 포함하여, 상기 사용자의 하지에 착용될 수 있다. In addition, the wearing part may include a hip-assist worn on the user's hip to assist hip joint drive, a knee-assist worn on the user's knee to assist knee joint drive, and the user's ankle It can be worn on the lower extremity of the user, including an ankle-assist worn on an ankle to assist ankle joint drive and a foot-assist worn on the user's foot to assist ankle joint drive. .
또한, 상기 메인 제어부는 상기 힙-어시스트에 마련되고, 상기 서브 제어부는 상기 니, 앵클 및 풋-어시스트를 연결하는 상기 적어도 하나의 연결부에 각각 마련될 수 있다. In addition, the main control unit may be provided in the hip-assist, and the sub-control unit may be provided in each of the at least one connecting part connecting the knee, ankle, and foot-assist.
또한, 상기 힙-어시스트가 단독으로 상기 사용자에 착용되거나, 상기 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나, 상기 니, 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나, 상기 힙 및 니-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나, 상기 힙, 니, 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용될 수 있다. In addition, the hip-assist alone is worn on the user, the ankle and foot-assist are connected to the connection part and worn on the user, or the knee, ankle and foot-assist are connected to the connection part to the user The hip and knee-assist may be connected to the connection part and worn on the user, or the hip, knee, ankle, and foot-assist may be connected to the connection part and worn on the user.
또한, 상기 적어도 하나의 연결부는 볼트 고정체결방식, 슬라이드 버튼방식 또는 토글(Toggling) 방식 중 적어도 어느 하나의 연결방식으로 마련될 수 있다. In addition, the at least one connection part may be provided with at least one of a bolt fastening method, a slide button method, or a toggle method.
또한, 상기 메인 제어부는 상위 제어수단, 배터리수단, 무선통신수단, 유선통신수단, 센싱수단 및 전원공급수단 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 서브 제어부는 하위 제어수단, 배터리수단, 무선통신수단, 유선통신수단, 구동수단, 구동원, 감속수단 및 엔코더 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. In addition, the main control unit includes at least one of an upper control unit, a battery unit, a wireless communication unit, a wired communication unit, a sensing unit, and a power supply unit, and the sub-control unit includes a lower control unit, a battery unit, a wireless communication unit, It may include at least one of a wired communication means, a driving means, a driving source, a deceleration means, and an encoder.
또한, 상기 메인 및 서브 제어부는, 센서 신호가 입력되면 상기 사용자의 바디(Body)/레그(leg) 역학(Dynamics)을 이용하여 토크(Torque)를 추정하고, 상기 추정된 토크를 토크 컨트롤러(Torque controller)로 제공하여, 조인트 토크(Joint Torque)/포지션(Position)을 명령하며, 상기 조인트 토크/포지션은 상기 추정된 토크와 함께 상기 토크 컨트롤러로 피드백(Feedback)될 수 있다. In addition, the main and sub controllers, when a sensor signal is input, estimate a torque using the dynamics of the user's body/leg, and convert the estimated torque to a torque controller controller) to command joint torque/position, and the joint torque/position may be fed back to the torque controller together with the estimated torque.
또한, 상기 메인 및 서브 제어부는, 상기 보행 보조 모드에서 측정된 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(dead zone factor)보다 클 경우, 관절 속도 및 가속도를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 전달 토크를 생성하며, In addition, the main and sub controllers, when the absolute value of the joint angle measured in the walking assistance mode is greater than the dead zone factor, measure the joint speed and acceleration and determine the transmission torque by
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 전달 토크이다. here, is the transfer torque.
상기 조인트 각도의 절대값이 상기 사각지대 요인보다 작을 경우에는 상기 전달 토크를 0으로 생성하여, 상기 보행 보조 모드로 구동 제어할 수 있다. When the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor, the transmission torque may be generated as 0, and driving may be controlled in the walking assistance mode.
또한, 상기 동작 속도에 비례하여 지원 토크를 하기 수학식 2에 의해 생성하며, In addition, the support torque is generated by Equation 2 in proportion to the operating speed,
[수학식 2][Equation 2]
상기 사용자의 대퇴부, 경골 및 발이 움직이는 방향으로 토크를 전달하여, 상기 보행 보조 모드 판단을 위한 기설정된 각 인자별 가중치를 적용할 수 있다. Torque may be transmitted in the direction in which the thigh, tibia, and foot of the user move, and a predetermined weight for each factor for determining the walking assistance mode may be applied.
또한, 상기 메인 및 서브 제어부는, 상기 재활 치료 모드에서 상기 사용자의 각 관절별 가동 범위, 속도 및 시간을 포함하는 구동 조건을 기 설정한 후, 측정된 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(dead zone factor)보다 클 경우, 관절 속도 및 가속도를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 전달 토크를 생성하며, In addition, the main and sub controllers, in the rehabilitation treatment mode, after previously setting driving conditions including the range of motion, speed and time for each joint of the user, the absolute value of the measured joint angle is a blind spot factor (dead spot). zone factor), the joint speed and acceleration are measured to generate the transmission torque by
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 전달 토크이다. here, is the transfer torque.
상기 조인트 각도의 절대값이 상기 사각지대 요인보다 작을 경우에는 입력 토크와 출력 토크를 상호 비교하여, 상기 재활 치료 모드로 구동 제어할 수 있다. When the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor, input torque and output torque may be mutually compared, and driving may be controlled in the rehabilitation treatment mode.
또한, 상기 전달 토크가 생성되면, 상기 사용자의 보행에 대한 피드백을 위한 토크를 생성 및 입력하여 사용 토크와 비교하여 보정된 토크를 상기 사용자의 관절별 토크로 전달하며, 상기 피드백을 위한 토크는 에 의해 계산될 수 있다. In addition, when the transmission torque is generated, a torque for feedback on the user's gait is generated and input, compared with the use torque, and the corrected torque is transmitted as torque for each joint of the user, and the torque for feedback is can be calculated by
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 사용자의 움직임을 보조할 수 있는 외골격 로봇이 각 모듈별 장착 및 탈착에 의한 독립적인 운용이 가능하도록 마련됨으로써, 사용자의 사용성과 접근성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention having the configuration as described above, first, the exoskeleton robot capable of assisting the user's movement is provided to enable independent operation by mounting and dismounting of each module, thereby improving the user's usability and accessibility. there is.
둘째, 사용자의 신체를 각 관절별로 구동을 어시스트할 수 있도록 복수의 어시스트를 마련하여 필요에 따라 복수의 어시스트 중 적어도 어느 하나를 선택하거나 다른 어시스트와 연결할 수 있어, 기존의 고정식 외골격 로봇에 비교하여 사용자의 편의성을 증대시킬 수 있다. Second, a plurality of assists are provided so that the user's body can be assisted in driving each joint, and at least one of the plurality of assists can be selected or connected to other assists as needed, compared to existing fixed exoskeleton robots. convenience can be increased.
셋째, 사용자가 외골격 로봇을 착용한 상태에서 보행하는 보행 보조 모드를 비롯하여, 사용자가 의자에 앉아서 재활 치료를 수행하는 좌식 재활 치료 모드도 하나의 외골격 로봇으로 구현할 수 있다. 그로 인해, 보행 보조 또는 재활 치료 모드 등과 같이 다양한 사용 형태로 사용자에게 제공됨에 따른, 하나의 외골격 로봇으로 다양한 기능을 구현함에 따른 경제성 향상의 효과도 기대할 수 있다.Third, a walking assistance mode in which the user walks while wearing the exoskeleton robot and a sitting rehabilitation treatment mode in which the user performs rehabilitation treatment while sitting on a chair can be implemented with a single exoskeleton robot. Therefore, as it is provided to users in various forms of use, such as walking assistance or rehabilitation treatment mode, the effect of improving economic feasibility can be expected by implementing various functions with one exoskeleton robot.
넷째, 상위 제어기인 메인 제어부와, 메인 제어부와 유무선 통신을 통해 신호 교환 가능한 하위 제어기인 서브 제어부가 복수의 어시스트 사이에 마련됨으로써, 외골격 로봇의 통합 구동 제어 및 단독 구동 제어가 가능하다. Fourth, a main controller, which is an upper controller, and a sub-controller, which is a lower controller, capable of exchanging signals with the main controller through wired/wireless communication, are provided between a plurality of assists, thereby enabling integrated drive control and independent drive control of the exoskeleton robot.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇을 다른 방향에서 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 착용부의 힙-어시스트와 니-어시스트가 연결부에 의해 연결된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 착용부의 니-어시스트와 앵클-어시스트가 연결부에 의해 연결된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 착용부의 힙-어시스트, 니-어시스트 및 앵클-어시스트가 연결부에 의해 연결된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 메인 및 서브 제어부의 제어 알고리즘을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇의 보행 보조 모드에서의 제어 알고리즘을 개략적으로 도시한 순서도이다. 그리고,
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇의 재활 치료 모드에서의 제어 알고리즘을 개략적으로 도시한 순서도이다. 1 is a perspective view schematically showing a modular exoskeleton robot for a walking assistance and rehabilitation device according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices shown in FIG. 1 from another direction.
FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating a state in which the hip-assist and knee-assist of the wearable part shown in FIG. 1 are connected by a connection part.
FIG. 4 is a perspective view schematically illustrating a state in which the knee-assist and ankle-assist of the wearable part shown in FIG. 1 are connected by a connection part.
FIG. 5 is a perspective view schematically illustrating a state in which the hip-assist, knee-assist, and ankle-assist of the wearable part shown in FIG. 1 are connected by a connection part.
FIG. 6 is a block diagram schematically illustrating a control algorithm of the main and sub controllers shown in FIG. 1 .
7 is a flowchart schematically showing a control algorithm in walking assistance mode of a modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation equipment according to a preferred embodiment of the present invention. and,
8 is a flowchart schematically showing a control algorithm in a rehabilitation treatment mode of a modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation equipment according to a preferred embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the spirit of the present invention is not limited to such embodiments, and the spirit of the present invention may be proposed differently by adding, changing, and deleting components constituting the embodiments, but this is also included in the spirit of the present invention. It will be.
도 1 및 도 2를 참고하면 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇(1)이 개략적으로 도시된다. 도 1 및 도 2의 도시와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇(1)은 착용부(10), 연결부(20), 메인 제어부(30) 및 서브 제어부(40)를 포함한다. Referring to FIGS. 1 and 2 , a
착용부(10)는 사용자(H)의 각 신체 부위에 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)로 착용된다. 여기서, 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)는 사용자(H)의 관절 부위에 대응하도록 복수개 마련된다. 본 실시예에서는 도 1 및 도 2와 같이, 착용부(10)가 사용자(H)의 허리 아래 즉, 하지에 착용되는 것으로 예시한다. 이를 위해, 착용부(10)는 힙-어시스트(11), 니-어시스트(12), 앵클-어시스트(13) 및 풋-어시스트(14)를 포함할 수 있다. The
참고로, 본 실시예에서는 착용부(10)각 사용자(H)의 하지의 움직임을 지지하기 위해 하지에 착용하는 것으로 예시하나, 꼭 이에 한정하는 것은 아니다. 예컨대, 착용부(10)가 사용자(H)의 상지 영역에도 착용 가능하도록 복수의 어시스트(미도시)를 포함할 수 있으며, 상지 및 하지 즉, 전신에 모두 착용되는 변형예도 가능하다. For reference, in this embodiment, the
힙-어시스트(11)는 사용자(H)의 엉덩이(Hip)에 착용되어, 고관절(Hip joint) 구동을 어시스트한다. 니-어시스트(12)는 사용자(H)의 무릎(Knee)에 착용되어, 슬관절(knee joint) 구동을 어시스트한다. 앵클-어시스트(13)는 사용자(H)의 발목(Ankle)에 착용되어, 발목관절(Ankle joint) 구동을 어시스트한다. 또한, 풋-어시스트(14)는 사용자(H)의 발(Foot)에 착용되어, 족관절(foot joint) 구동을 어시스트한다. 이러한 힙, 니, 앵클 및 풋-어시스트(11)(12)(13)(14)는 각각 사용자(H)의 엉덩이, 니, 앵클 및 발목에 밀착되도록 착용되며, 각각 개별적으로 분리 가능하다. 또한, 힙, 니, 앵클 및 풋-어시스트(11)(12)(13)(14)는 일종의 탄성을 가지는 벨트와 같은 적어도 하나 이상의 착용수단으로 마련될 수 있다. The hip-
한편, 힙, 니, 앵클 및 풋-어시스트(11)(12)(13)(14)의 형상, 두께 및 개수 등은 도 1 및 도 2의 도시로만 한정되지 않는다. Meanwhile, the shape, thickness, and number of the hip, knee, ankle, and foot-
연결부(20)는 착용부(10)의 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14) 중 적어도 두개 이상을 상호 분리 가능하게 연결시킨다. 이러한 연결부(20)는 볼트 고정체결방식, 슬라이드 버튼방식 또는 토글(Toggling) 방식 중 적어도 어느 하나의 연결방식으로 마련된다. 즉, 연결부(20)는 서로 다른 두 부재를 상호 연결시킬 수 있는 다양한 연결방식 중 어느 하나의 방식이 적용된다. 여기서, 볼트 고정체결방식, 슬라이드 버튼방식 또는 토글방식은 기 공지된 기술로부터 이해 가능하므로, 자세한 설명은 생략한다. The connecting
참고로, 연결부(20)는 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)들을 착탈 가능하게 상호 연결시키는 구성을 메인 특징으로 한다. 그로 인해, 연결부(20)는 상술한 볼트 고정체결방식, 슬라이드 버튼방식 또는 토글방식 중 어느 하나로 채용되어 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)들을 사용자가 간편하게 상호 연결 또는 분리시킨다. For reference, the main feature of the
도 3 내지 도 5를 참고하면, 연결부(20)를 이용하여 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)가 연결된 상태가 개략적으로 도시된다. Referring to FIGS. 3 to 5 , a state in which a plurality of
도 3을 참고하면, 힙-어시스트(11)와 니-어시스트(12)가 연결부(20)에 의해 상호 연결된 HKO(Hip-Knee-Orthosis)가 도시되며, 도 4에서는 니-어시스트(12), 앵클-어시스트(13) 및 풋-어시스트(14)가 연결부(20)에 의해 상호 연결된 KAFO(Knee-Ankle-Foot Orthosis)가 도시된다. 또한, 도 5를 참고하면, 힙-어시스트(11), 니-어시스트(12) 및 앵클-어시스트(13)가 연결부(20)에 의해 상호 연결된 상태가 도시된다. 참고로, 도 1 및 도 2와 같이, 힙-어시스트(11), 니-어시스트(12), 앵클-어시스트(13) 및 풋-어시스트(14)가 모두 연결부(20)에 의해 연결된 HKAFO(Hip-Knee-Ankle-Foot Orthosis)도 가능하다. Referring to FIG. 3 , a hip-knee-orthosis (HKO) is shown in which a hip-
이상과 같이, 착용부(10)의 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)들은 앵클 및 풋-어시스트(13)(14)가 상호 연결된 AFO(Ankle-Foot ??Orthosis)인 앵클-풋 모듈, 니, 앵클 및 풋-어시스트(12)(13)(14)가 상호 연결된 KAFO(Knee-Ankle-Foot Orthosis)인 니-앵클-풋 모듈, 힙 및 니-어시스트(11)(12)가 상호 연결된 HKO(Hip-Knee-Orthosis)인 힙-니 모듈, 힙-어시스트(11) 단독으로 마련되는 HA(Hip Assist)인 힙 모듈 및 힙, 니, 앵클 및 풋-어시스트(11)(12)(13)(14)가 모두 연결된 HKAFO(Hip-Knee-Ankle-Foot Orthosis)인 힙-니-앵클-풋 모듈로 마련될 수 있다. 정리하면, 착용부(10)는 연결부(20)에 의해 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)들이 상호 연결 및 분리됨으로써, 사용자의 사용 조건에 따라 앵클-풋 모듈, 니-앵클-풋 모듈, 힙-니 모듈, 힙 모듈 및 힙-니-앵클-풋 모듈 중 적어도 어느 하나의 모듈로 제공될 수 있는 것이다. As described above, the plurality of
이렇게 착용부(10)가 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)를 구비하여, 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)가 사용 요건에 따라 다양한 형태로 연결될 수 있다. 그로 인해, 모듈형 외골격 로봇(1)이 하지 보행 보조 또는 재활 치료 등에 적합하도록 다양한 형태로 모듈 변형이 가능하다. In this way, the
메인 제어부(30)는 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14) 중 어느 하나에 마련되어, 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)를 통합 제어한다. 이러한 메인 제어부(30)는 도 2의 도시와 같이, 힙-어시스트(11)에 마련될 수 있다. 그러나, 꼭 이에 한정하는 것은 아니며, 니-어시스트(12), 앵클-어시스트(13) 및 풋-어시스트(14) 중 어느 하나에 마련될 수도 있다. The
한편, 메인 제어부(30)는 상위 제어수단, 배터리수단, 무선통신수단, 유선통신수단, 센싱수단 및 전원공급수단 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그로 인해, 메인 제어부(30)는 사용자가 착용부(10)를 착용한 상태에서의 근력 변화를 감지하여 유/무선으로 연결된 통신수단을 통해 후술할 서브 제어부(40)로 제어 신호를 송수신할 수 있다. 본 실시예에서는 도 2와 같이 메인 신호라인(31)을 통해 후술할 서브 제어부(40)로 제어 신호를 송수신하는 것으로 예시한다. Meanwhile, the
서브 제어부(40)는 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14) 중에서 메인 제어부(30)가 마련되지 않은 나머지 어시스트들을 각각 독립적으로 제어하기 위해 적어도 하나 마련된다. 이러한 서브 제어부(40)는 메인 제어부(30)와 전기적으로 연결되어 통합 제어되거나, 각각 독립된 구동 제어 수단으로 마련될 수 있다. 이를 위해, 서브 제어부(40)는 메인 제어부(30)와 마찬가지로, 하위 제어수단, 무선통신수단, 유선통신수단 및 센싱수단 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 서브 제어부(40)는 자세히 도시되지 않았으나, 구동수단, 구동원, 감속수단 및 엔코더 중 적어도 어느 하나를 포함하여, 독립적인 구동이 가능하다. At least one
한편, 본 실시예에서는 도 1 및 도 2의 도시와 같이, 메인 제어부(30)가 힙-어시스트(11)에 마련되고, 서브 제어부(40)는 니, 앵클 및 풋-어시스트(12)(13)(14)를 상호 연결하는 연결부(20)에 마련되는 것으로 예시한다. 이러한 서브 제어부(40)의 설치 위치, 개수 등은 도시된 예로만 한정되지 않으며, 다양한 변형예가 가능함은 당연하다. Meanwhile, in this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2 , the
또한, 도 2의 도시와 같이, 메인 제어부(30)는 이웃하는 서브 제어부(40)와 메인 신호라인(31)을 통해 상호 전기적으로 연결되고, 서브 제어부(40)들은 이웃하는 서브 제어부(40)와 서브 신호라인(41)을 통해 상호 전기적으로 연결되는 것으로 예시한다. 그러나, 도시된 예로만 한정되지 않고, 메인 및 서브 제어부(30)(40)가 상호 무선으로 연결되는 것과 같이, 다양한 변형예가 가능하다. In addition, as shown in FIG. 2 , the
이상과 같이, 메인 제어부(30)는 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14) 중 어느 하나인 힙-어시스트(11)에 마련되어 모듈형 외골격 로봇(1)의 통합적인 제어 신호를 발생시키며, 서브 제어부(40)는 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)를 각각 개별적으로 제어한다. 그로 인해, 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14)들은 통합 또는 단독 구동이 가능하다. As described above, the
보다 구체적으로, 메인 제어부(30)는 모듈형 외골격 로봇(1)의 주된 보행 보조 및 재활 치료를 위한 제어기가 탑재된다. 참고로, 기본적으로 복수의 어시스트(11)(12)(13)(14) 각각에 마련된 서브 제어부(40)의 센싱수단은 상위 제어기인 메인 제어부(30)와 유/무선 통신이 가능하며, 유/무선 통신을 사용하여 하위 제어기인 서브 제어부(40)의 센서 신호가 상위 제어기인 메인 제어부(30)로 전송된다. More specifically, the
메인 및 서브 제어부(30)(40)가 상호 연결된 경우, 상위 제어기인 메인 제어부(30)에서 통합적인 구동 제어가 이루어진다. 예컨대, 힙, 니, 앵클 및 풋-어시스트(11)(12)(13)(14)가 모두 연결된 HKAFO일 때, 복수의 서브 제어부(40)에 마련된 고관절 센서, 슬관절 센서 및 족관절 센서를 조합하여 힙-어시스트(11)에 마련된 메인 제어부(30)에서 구동이 운용된다. 또한, 니, 앵클 및 풋-어시스트(12)(13)(14)가 연결된 KAFO일 때는, 서브 제어부(40)에 마련된 슬관절 및 족관절 센서를 기반으로 슬관절 제어기 즉, 니-조인트(Knee joint)에 마련된 서브 제어부(40)에서 독립적으로 구동이 운용된다. When the main and sub-controllers 30 and 40 are interconnected, integrated driving control is performed by the
아울러, 앵클 및 풋-어시스트(13)(14)가 연결된 AFO에서는 사용자(H)의 발목에 위치하는 연결부(20)에 마련된 서브 제어부(40)의 족관절센서(미도시)를 이용하여 독립적인 구동을 운용할 수 있다. 또한, HA 및 HKO는 HA에 마련된 메인 제어부(30)를 구동모듈 제어기로써, 운용 가능하다. 여기서, 메뉴구성은 앱 구현 및 PC GUI구현이 가능하며, 데이터 전송은 유선 또는 무선 연결이 가능하다. In addition, in the AFO to which the ankle and foot-
이상과 같은 메인 및 서브 제어부(30)(40)의 제어 알고리즘을 도 6을 참고하여, 보다 자세히 설명한다. The above control algorithm of the main and
메인 제어부(30)는 입력된 센서 신호(32)를 통해 사용자(H)의 바디(Body)/레그(leg) 역학(Dynamics)(33)을 이용하여, 토크(Torque)를 추정한다(34). 또한, 메인 제어부(30)는 추정된 토크를 토크 컨트롤러(Torque controller)(35)로 제공하여, 각 관절의 조인트 토크(Joint Torque)/포지션(Position)을 명령한다(36), 이때, 조인트 토크/포지션은 단계 34에서 추정된 토크와 함께 토크 컨트롤러(35)로 피드백(37)된다. The
서브 제어부(40)의 제어 알고리즘은 상술한 메인 제어부(30)의 제어 알고리즘과 유사함으로써, 독립적인 구동이 가능하다. 보다 구체적으로, 서브 제어부(40)는 센서 신호(42)를 입력 받아 사용자(H)의 바디/레그 역학(43)을 이용하여, 토크를 추정한다(44). 서브 제어부(40)는 추정된 토크를 토크 컨트롤러(45)로 제공하여, 조인트 토크/포지션을 명령한다(46). 이때, 조인트 토크/포지션은 단계 44에서 추정된 토크와 함께 토크 컨트롤러(45)로 피드백(47)된다. The control algorithm of the
이상과 같이, 메인 및 서브 제어부(30)(40)의 각각 독립적인 모듈 구동을 통해, 사용자(H)와 모듈형 외골격 로봇(1) 사이의 인지적인 상호 작용 기반의 조인트 토크 즉, 관절 토크를 제어할 수 있다. As described above, the joint torque based on the cognitive interaction between the user H and the
도 7을 참고하여, 모듈형 외골격 로봇(1)을 이용한 보행 보조 모드에서의 제어 알고리즘(100)을 설명한다. Referring to FIG. 7 , a
도 7을 참고하면, 보행 보조 모드에서의 관절 각도 즉, 조인트 각도(q)를 측정한다(110). 이때, 조인트 각도(q)는 메인 및 서브 제어부(30)(40)에 각각 마련된 센싱수단을 통해 측정될 수 있다. Referring to FIG. 7 , a joint angle in walking assistance mode, that is, a joint angle q is measured (110). At this time, the joint angle q may be measured through sensing means provided in the main and
이렇게 측정된 조인트 각도(q)는 단계 120에서 사각지대 요인(dead zone factor)을 나타내는 d값과 절대값을 비교한다. 만약, 조인트 각도(q)의 절대값이 사각지대 요인값인 d보다 크면, 관절 속도 및 가속도를 측정한다(130). 그로 인해, 하기 수학식 1과 같은 전달 토크가 생성되어(140), 보행 보조 기능을 운용하게 된다. In
여기서, 는 전달 토크이다. here, is the transfer torque.
또한, 단계 120에서 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(d)보다 작으면, 전달 토크는 0으로 생성하여, 보행 보조 기능을 운용한다(125). In addition, if the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor (d) in
참고로, 보행 보조 기능시, 동작 속도에 비례하여 지원 토크를 생성하며, 이는 다음 수학식 2와 같다. For reference, during the walking assistance function, support torque is generated in proportion to the operating speed, which is expressed in Equation 2 below.
이때, 사용자(H)의 대퇴부, 경골 및 발이 움직이는 방향으로 토크를 전달하며, 보행 보조 모드 판단을 위한 기설정된 각 인자별 가중치를 적용한다. At this time, torque is transmitted in the direction in which the thigh, tibia, and foot of the user H move, and weights for each predetermined factor for determining the walking assistance mode are applied.
도 8을 참고하여, 모듈형 외골격 로봇(1)을 이용한 재활 치료 모드에서의 제어 알고리즘(200)을 설명한다. Referring to FIG. 8 , a
우선, 재활 치료 모드에서는 기본적인 각 관절별 구동 조건 즉, 가동 범위, 속도 및 시간 등을 사용자가 입력하여 설정한 상태에서, 재활 치료 동작이 제어된다. First, in the rehabilitation treatment mode, a rehabilitation treatment operation is controlled in a state in which a user inputs and sets basic driving conditions for each joint, that is, a motion range, speed, and time.
기본적인 관절에 따른 구동조건이 입력된 상태에서, 관절 각도 즉, 조인트 각도(q)가 측정된다(210). 측정된 관절 각도(q)의 절대값은 사각지대 요인(d)과 비교하며(220), 관절 각도(q)의 절대값이 사각지대 요인(d)보다 클 경우에는 관절 속도 및 가속도를 측정한다(230). 그로 인해, 도 7에서 설명한 보행 보조 모드에서와 마찬가지로, 수학식 1을 이용하여 전달 토크가 생성되어(240), 재활 치료 모드 기능을 운용하게 된다. 여기서, 전달 토크 생성단계(240)는 동작 속도에 비례하여 지원 토크를 생성한다. In a state in which driving conditions according to basic joints are input, a joint angle, that is, a joint angle q is measured (210). The absolute value of the measured joint angle (q) is compared with the blind spot factor (d) (220), and if the absolute value of the joint angle (q) is greater than the blind spot factor (d), joint velocity and acceleration are measured. (230). Therefore, as in the walking assistance mode described with reference to FIG. 7 , transmission torque is generated using Equation 1 (240), and the rehabilitation treatment mode function is operated. Here, in the transfer
전달 토크가 생성되면(240), 재활 치료 모드가 작동 운용된다. 여기서, 사용자 보행에 대한 피드백을 위한 토크를 생성 및 입력하여 사용 토크와 비교하여 보정된 토크를 관절별 토크로 전달하게 된다. 이때, 피드백을 위한 토크는 상술한 수학식 2를 이용해 계산될 수 있다.When the transmission torque is generated (240), the rehabilitation treatment mode is operated. Here, torque for feedback on the user's gait is generated and input, compared with the used torque, and the corrected torque is transmitted as torque for each joint. At this time, the torque for feedback may be calculated using Equation 2 described above.
만약, 단계 220에서 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(d)보다 작으면, 입력 토크와 출력 토크를 상호 비교하여 재활 치료 모드를 운용한다. If the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor (d) in
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although it has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that it can be done.
1: 외골격 로봇
H: 사용자
10: 착용부
11: 힙-어시스트
12: 니-어시스트
13: 앵클-어시스트
14: 풋-어시스트
20: 연결부
30: 메인 제어부
31: 메인 신호라인
40: 서브 제어부
41: 서브 신호라인1: exoskeleton robot H: user
10: wearing part 11: hip-assist
12: knee-assist 13: ankle-assist
14: foot-assist 20: connection
30: main control unit 31: main signal line
40: sub control unit 41: sub signal line
Claims (26)
상기 복수의 어시스트 중 적어도 두개 이상을 상호 분리 가능하게 연결시키는 적어도 하나의 연결부;
상기 복수의 어시스트 중 어느 하나에 마련되어, 상기 복수의 어시스트를 통합 제어하는 메인 제어부; 및
상기 복수의 어시스트 중에서 상기 메인 제어부가 마련되지 않은 나머지 어시스트를 독립적으로 제어하도록 적어도 하나 마련되는 서브 제어부;
를 포함하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. a wearing unit including a plurality of assists worn on each body part of the user;
at least one connection part for detachably connecting at least two or more of the plurality of assists;
a main control unit provided in one of the plurality of assists and integrally controlling the plurality of assists; and
at least one sub-controller provided to independently control the remaining assists not provided by the main controller among the plurality of assists;
A modular exoskeleton robot for walking aids and rehabilitation devices comprising a.
상기 복수의 어시스트는 상기 사용자의 상지, 하지 또는 전신의 각 관절 부위에 착용되도록 마련되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 1,
The plurality of assists are modular exoskeleton robots for walking assistance and rehabilitation devices provided to be worn on each joint of the user's upper limbs, lower limbs or whole body.
상기 착용부는,
상기 사용자의 엉덩이(Hip)에 착용되어, 고관절 구동을 어시스트하는 힙-어시스트;
상기 사용자의 무릎(Knee)에 착용되어, 슬관절 구동을 어시스트하는 니-어시스트;
상기 사용자의 발목(Ankle)에 착용되어, 발목관절 구동을 어시스트하는 앵클-어시스트; 및
상기 사용자의 발(Foot)에 착용되어, 족관절 구동을 어시스트하는 풋-어시스트;
를 포함하여,
상기 사용자의 하지에 착용되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 1,
The wearing part,
a hip-assist that is worn on the user's hip and assists in driving the hip joint;
a knee-assist that is worn on the user's knee and assists in driving the knee joint;
an ankle-assist worn on the user's ankle to assist in driving an ankle joint; and
a foot-assist worn on the user's foot to assist in driving the ankle joint;
including,
A modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices worn on the lower extremities of the user.
상기 메인 제어부는 상기 힙-어시스트에 마련되고,
상기 서브 제어부는 상기 니, 앵클 및 풋-어시스트를 연결하는 상기 적어도 하나의 연결부에 각각 마련되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇.According to claim 3,
The main control unit is provided in the hip-assist,
The sub-controller is a modular exoskeleton robot for a walking assistance and rehabilitation device, respectively provided in the at least one connecting part connecting the knee, ankle, and foot-assist.
상기 힙-어시스트가 단독으로 상기 사용자에 착용되거나,
상기 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나,
상기 니, 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나,
상기 힙 및 니-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나,
상기 힙, 니, 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 3,
The hip-assist is worn by the user alone, or
The ankle and the foot-assist are connected to the connection part and worn by the user,
The knee, ankle, and foot-assist are connected to the connection part and worn by the user,
The hip and knee-assist are connected to the connection part and worn by the user,
A modular exoskeleton robot for a walking assistance and rehabilitation device in which the hip, knee, ankle, and foot-assist are connected to the connection part and worn by the user.
상기 적어도 하나의 연결부는 볼트 고정체결방식, 슬라이드 버튼방식 또는 토글(Toggling) 방식 중 적어도 어느 하나의 연결방식으로 마련되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇.According to claim 1,
The modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices, wherein the at least one connection part is provided by at least one of a bolt fastening method, a slide button method, and a toggle method.
상기 메인 제어부는 상위 제어수단, 배터리수단, 무선통신수단, 유선통신수단, 센싱수단 및 전원공급수단 중 적어도 어느 하나를 포함하여, 상기 복수의 어시스트를 통합 구동 제어하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇.According to claim 1,
The main control unit includes at least one of an upper control unit, a battery unit, a wireless communication unit, a wired communication unit, a sensing unit, and a power supply unit, and is a module for walking assistance and rehabilitation devices that integrally drives and controls the plurality of assists. exoskeleton robot.
상기 서브 제어부는 하위 제어수단, 배터리수단, 무선통신수단, 유선통신수단, 구동수단, 구동원, 감속수단 및 엔코더 중 적어도 어느 하나를 포함하여,
상기 메인 제어부와의 연결에 의해 상기 복수의 어시스트를 구동 제어하거나, 상기 복수의 어시스트를 각각 독립적으로 구동 제어하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 1,
The sub control unit includes at least one of a lower control means, a battery means, a wireless communication means, a wired communication means, a driving means, a driving source, a deceleration means, and an encoder,
A modular exoskeleton robot for a walking assistance and rehabilitation device that drives and controls the plurality of assists by connecting to the main control unit or independently drives and controls the plurality of assists.
상기 메인 제어부는,
센서 신호가 입력되면 상기 사용자의 바디(Body)/레그(leg) 역학(Dynamics)을 이용하여 토크(Torque)를 추정하고,
상기 추정된 토크를 토크 컨트롤러(Torque controller)로 제공하여, 조인트 토크(Joint Torque)/포지션(Position)을 명령하며,
상기 조인트 토크/포지션은 상기 추정된 토크와 함께 상기 토크 컨트롤러로 피드백(Feedback)되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇.According to claim 1,
The main control unit,
When a sensor signal is input, torque is estimated using the user's body/leg dynamics;
Providing the estimated torque to a torque controller to command joint torque/position;
The joint torque/position is a modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices that is fed back to the torque controller together with the estimated torque.
상기 서브 제어부는,
센서 신호가 입력되면 상기 사용자의 바디(Body)/레그(leg) 역학(Dynamics)을 이용하여 토크(Torque)를 추정하고,
상기 추정된 토크를 토크 컨트롤러(Torque controller)로 제공하여, 조인트 토크(Joint Torque)/포지션(Position)을 명령하며,
상기 조인트 토크/포지션은 상기 추정된 토크와 함께 상기 토크 컨트롤러로 피드백(Feedback)되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 1,
The sub-controller,
When a sensor signal is input, torque is estimated using the user's body/leg dynamics;
Providing the estimated torque to a torque controller to command joint torque/position;
The joint torque/position is a modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices that is fed back to the torque controller together with the estimated torque.
상기 메인 및 서브 제어부는, 보행 보조 모드에서 측정된 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(dead zone factor)보다 클 경우, 관절 속도 및 가속도를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 전달 토크를 생성하며,
[수학식 1]
여기서, 는 전달 토크이다.
상기 조인트 각도의 절대값이 상기 사각지대 요인보다 작을 경우에는 상기 전달 토크를 0으로 생성하여, 상기 보행 보조 모드로 구동 제어하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 1,
The main and sub controllers, when the absolute value of the joint angle measured in the walking assistance mode is greater than the dead zone factor, measure joint velocity and acceleration and generate transmission torque by Equation 1 below,
[Equation 1]
here, is the transfer torque.
A modular exoskeleton robot for a walking assistance and rehabilitation device that generates the transmitted torque as 0 when the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor and controls driving in the walking assistance mode.
상기 동작 속도에 비례하여 지원 토크를 하기 수학식 2에 의해 생성하며,
[수학식 2]
상기 사용자의 대퇴부, 경골 및 발이 움직이는 방향으로 토크를 전달하여, 상기 보행 보조 모드 판단을 위한 기설정된 각 인자별 가중치를 적용하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 11,
A support torque is generated by Equation 2 in proportion to the operating speed,
[Equation 2]
A modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices that transmits torque in the direction in which the user's thigh, tibia, and foot move, and applies a predetermined weight for each factor for determining the walking assistance mode.
상기 메인 및 서브 제어부는, 재활 치료 모드에서 상기 사용자의 각 관절별 가동 범위, 속도 및 시간을 포함하는 구동 조건을 기 설정한 후,
측정된 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(dead zone factor)보다 클 경우, 관절 속도 및 가속도를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 전달 토크를 생성하며,
[수학식 1]
여기서, 는 전달 토크이다.
상기 조인트 각도의 절대값이 상기 사각지대 요인보다 작을 경우에는 입력 토크와 출력 토크를 상호 비교하여, 상기 재활 치료 모드로 구동 제어하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇.According to claim 1,
After the main and sub controllers preset driving conditions including the range of motion, speed and time for each joint of the user in the rehabilitation treatment mode,
When the absolute value of the measured joint angle is greater than the dead zone factor, the joint speed and acceleration are measured to generate a transmission torque by Equation 1 below,
[Equation 1]
here, is the transfer torque.
A modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices that drives and controls the rehabilitation treatment mode by mutually comparing input torque and output torque when the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor.
상기 전달 토크가 생성되면, 상기 사용자의 보행에 대한 피드백을 위한 토크를 생성 및 입력하여 사용 토크와 비교하여 보정된 토크를 상기 사용자의 관절별 토크로 전달하며, 상기 피드백을 위한 토크는 에 의해 계산되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 13,
When the transmission torque is generated, torque for feedback on the user's gait is generated and input, compared with the used torque, and the corrected torque is transmitted as torque for each joint of the user, and the torque for feedback is calculated by modular exoskeleton robots for walking aids and rehabilitation devices.
상기 복수의 어시스트 중 적어도 두개 이상을 상호 분리 가능하게 연결시키는 적어도 하나의 연결부;
상기 복수의 어시스트를 보행 보조 모드 또는 재활 치료 모드 중 어느 하나의 구동 모드로 구동 제어하는 메인 제어부; 및
상기 메인 제어부와 전기적으로 연결되어 제어되거나, 독립적으로 구동 제어 가능하도록, 상기 복수의 어시스트 중 적어도 어느 하나와 연결되는 적어도 하나의 서브 제어부;
를 포함하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. a wearing unit including a plurality of assists worn on a user's body;
at least one connection part for detachably connecting at least two or more of the plurality of assists;
a main controller for driving and controlling the plurality of assists in one of a walking assistance mode and a rehabilitation treatment mode; and
at least one sub-controller connected to at least one of the plurality of assists so as to be electrically connected to and controlled from the main control unit or to be driven independently;
A modular exoskeleton robot for walking aids and rehabilitation devices comprising a.
상기 복수의 어시스트는 상기 사용자의 상지, 하지 또는 전신의 각 관절 부위에 착용되도록 마련되며,
상기 복수의 어시스트 중 어느 하나에 상기 메인 제어부가 마련되고,
상기 서브 제어부는 상기 복수의 어시스트를 상호 연결하는 상기 연결부에 마련되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 15,
The plurality of assists are provided to be worn on each joint of the user's upper limbs, lower limbs or whole body,
The main control unit is provided in any one of the plurality of assists,
The sub-controller is a modular exoskeleton robot for a walking assistance and rehabilitation device provided in the connection part for interconnecting the plurality of assists.
상기 착용부는,
상기 사용자의 엉덩이(Hip)에 착용되어, 고관절 구동을 어시스트하는 힙-어시스트;
상기 사용자의 무릎(Knee)에 착용되어, 슬관절 구동을 어시스트하는 니-어시스트;
상기 사용자의 발목(Ankle)에 착용되어, 발목관절 구동을 어시스트하는 앵클-어시스트; 및
상기 사용자의 발(Foot)에 착용되어, 족관절 구동을 어시스트하는 풋-어시스트;
를 포함하여,
상기 사용자의 하지에 착용되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 15,
The wearing part,
a hip-assist that is worn on the user's hip and assists in driving the hip joint;
a knee-assist that is worn on the user's knee and assists in driving the knee joint;
an ankle-assist worn on the user's ankle to assist in driving an ankle joint; and
a foot-assist worn on the user's foot to assist in driving the ankle joint;
including,
A modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices worn on the lower extremities of the user.
상기 메인 제어부는 상기 힙-어시스트에 마련되고,
상기 서브 제어부는 상기 니, 앵클 및 풋-어시스트를 연결하는 상기 적어도 하나의 연결부에 각각 마련되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇.According to claim 17,
The main control unit is provided in the hip-assist,
The sub-controller is a modular exoskeleton robot for a walking assistance and rehabilitation device, respectively provided in the at least one connecting part connecting the knee, ankle, and foot-assist.
상기 힙-어시스트가 단독으로 상기 사용자에 착용되거나,
상기 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나,
상기 니, 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나,
상기 힙 및 니-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되거나,
상기 힙, 니, 앵클 및 풋-어시스트가 상기 연결부로 연결되어 상기 사용자에 착용되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 17,
The hip-assist is worn by the user alone, or
The ankle and the foot-assist are connected to the connection part and worn by the user,
The knee, ankle, and foot-assist are connected to the connection part and worn by the user,
The hip and knee-assist are connected to the connection part and worn by the user,
A modular exoskeleton robot for a walking assistance and rehabilitation device in which the hip, knee, ankle, and foot-assist are connected to the connection part and worn by the user.
상기 적어도 하나의 연결부는 볼트 고정체결방식, 슬라이드 버튼방식 또는 토글(Toggling) 방식 중 적어도 어느 하나의 연결방식으로 마련되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇.According to claim 15,
The modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices, wherein the at least one connection part is provided by at least one of a bolt fastening method, a slide button method, and a toggle method.
상기 메인 제어부는 상위 제어수단, 배터리수단, 무선통신수단, 유선통신수단, 센싱수단 및 전원공급수단 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
상기 서브 제어부는 하위 제어수단, 배터리수단, 무선통신수단, 유선통신수단, 구동수단, 구동원, 감속수단 및 엔코더 중 적어도 어느 하나를 포함하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 15,
The main controller includes at least one of an upper control means, a battery means, a wireless communication means, a wired communication means, a sensing means, and a power supply means,
The sub-control unit includes at least one of a lower control means, a battery means, a wireless communication means, a wired communication means, a driving means, a driving source, a deceleration means, and an encoder.
상기 메인 및 서브 제어부는,
센서 신호가 입력되면 상기 사용자의 바디(Body)/레그(leg) 역학(Dynamics)을 이용하여 토크(Torque)를 추정하고,
상기 추정된 토크를 토크 컨트롤러(Torque controller)로 제공하여, 조인트 토크(Joint Torque)/포지션(Position)을 명령하며,
상기 조인트 토크/포지션은 상기 추정된 토크와 함께 상기 토크 컨트롤러로 피드백(Feedback)되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 15,
The main and sub control units,
When a sensor signal is input, torque is estimated using the user's body/leg dynamics;
Providing the estimated torque to a torque controller to command joint torque/position;
The joint torque/position is a modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices that is fed back to the torque controller together with the estimated torque.
상기 메인 및 서브 제어부는, 상기 보행 보조 모드에서 측정된 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(dead zone factor)보다 클 경우, 관절 속도 및 가속도를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 전달 토크를 생성하며,
[수학식 1]
여기서, 는 전달 토크이다.
상기 조인트 각도의 절대값이 상기 사각지대 요인보다 작을 경우에는 상기 전달 토크를 0으로 생성하여, 상기 보행 보조 모드로 구동 제어하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 15,
The main and sub controllers, when the absolute value of the joint angle measured in the walking assistance mode is greater than a dead zone factor, measure joint velocity and acceleration to generate transmission torque by Equation 1 below, ,
[Equation 1]
here, is the transfer torque.
A modular exoskeleton robot for a walking assistance and rehabilitation device that generates the transmitted torque as 0 when the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor and controls driving in the walking assistance mode.
상기 동작 속도에 비례하여 지원 토크를 하기 수학식 2에 의해 생성하며,
[수학식 2]
상기 사용자의 대퇴부, 경골 및 발이 움직이는 방향으로 토크를 전달하여, 상기 보행 보조 모드 판단을 위한 기설정된 각 인자별 가중치를 적용하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 23,
A support torque is generated by Equation 2 in proportion to the operating speed,
[Equation 2]
A modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices that transmits torque in the direction in which the user's thigh, tibia, and foot move, and applies a predetermined weight for each factor for determining the walking assistance mode.
상기 메인 및 서브 제어부는, 상기 재활 치료 모드에서 상기 사용자의 각 관절별 가동 범위, 속도 및 시간을 포함하는 구동 조건을 기 설정한 후,
측정된 조인트 각도의 절대값이 사각지대 요인(dead zone factor)보다 클 경우, 관절 속도 및 가속도를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 전달 토크를 생성하며,
[수학식 1]
여기서, 는 전달 토크이다.
상기 조인트 각도의 절대값이 상기 사각지대 요인보다 작을 경우에는 입력 토크와 출력 토크를 상호 비교하여, 상기 재활 치료 모드로 구동 제어하는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇.According to claim 15,
After the main and sub controllers preset drive conditions including the range of motion, speed and time for each joint of the user in the rehabilitation treatment mode,
When the absolute value of the measured joint angle is greater than the dead zone factor, the joint speed and acceleration are measured to generate a transmission torque by Equation 1 below,
[Equation 1]
here, is the transfer torque.
A modular exoskeleton robot for walking assistance and rehabilitation devices that drives and controls the rehabilitation treatment mode by mutually comparing input torque and output torque when the absolute value of the joint angle is smaller than the blind spot factor.
상기 전달 토크가 생성되면, 상기 사용자의 보행에 대한 피드백을 위한 토크를 생성 및 입력하여 사용 토크와 비교하여 보정된 토크를 상기 사용자의 관절별 토크로 전달하며, 상기 피드백을 위한 토크는 에 의해 계산되는 보행 보조 및 재활기기를 위한 모듈형 외골격 로봇. According to claim 25,
When the transmission torque is generated, torque for feedback on the user's gait is generated and input, compared with the used torque, and the corrected torque is transmitted as torque for each joint of the user, and the torque for feedback is calculated by modular exoskeleton robots for walking aids and rehabilitation devices.
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