KR20230063835A - 케이블 견인 구동장치 및 이를 포함하는 착용형 슈트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스프링의 비틀림탄성을 이용하여 탄성구동함으로써 소형화 및 경량화가 가능하고, 케이블의 착탈이 용이하여 유지 및 보수가 용이하며, 다양한 종류의 엔드이펙터가 장착될 수 있어 범용성이 우수한 케이블 견인 구동장치 및 이를 포함하는 착용형 슈트를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
Description
본 발명은 케이블을 견인하여 구동력을 발생시키는 케이블 견인 구동장치 및 이를 포함하는 착용형 슈트에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 스프링의 비틀림탄성을 이용하여 탄성구동함으로써 장치의 소형화 및 경량화가 가능하고, 케이블의 착탈이 용이하여 유지 및 보수가 용이하며, 다양한 종류의 엔드이펙터가 장착될 수 있어 범용성이 우수한 케이블 견인 구동장치 및 이를 포함하는 착용형 슈트에 관한 것이다.
최근 소개되는 착용형 슈트는 특수 목적으로 신체에 착용할 수 있도록 구성되는 의복이며, 더 나아가 사용자의 동작 의도 또는 제어 신호를 기반으로 구동되는 액츄에이터를 구비하여 부족한 근력을 보조하는 기능을 수행할 수 있다.
외골격 타입의 착용형 로봇도 소개되고 있으나 착용시 이질감, 로봇의 무게 및 부상의 위험이 있기 때문에, 소프트한 착용형 슈트에 대한 연구가 이루어지고 있다. 소프트 착용형 슈트는 외골격 타입의 착용형 로봇과 달리 구동 자유도의 제한이 없고, 착용슈트가 섬유로 제조된 직물 또는 유연한 수지 시트와 같은 고분자 소재로 구성되어 착용시 유연감과 편안함이 개선되며, 고령자, 마비환자, 재활환자 등의 하체에 보조력을 제공하여 보행을 안내하거나 보조할 수 있다.
소프트 착용형 슈트는 외부 환경에 대해 향상된 적응성과 유연성 및 신축성을 지닐 필요가 있으므로, 소프트 착용형 슈트의 보조력 전달과 제어를 위한 구동 장치는 기존 외골격형 착용형 슈트에 적용되는 장치에 비해 소형화 및 경량화됨과 동시에 사용자의 보행 주기 또는 보행 동작 의사에 따라 적절한 시점에 적절한 보조토크를 제공하기 위하여 와이어 견인 방식이 고려될 수 있다.
이때, 종래 소개된 대부분의 케이블 견인 구동장치는 코일 스프링이 적용된 직렬 탄성케이블 견인 구동장치(Series Elastic Actuator, SEA)를 적용하는 경우가 많은데, 종래의 직렬 탄성케이블 견인 구동장치는 코일 스프링의 길이 변화량을 포텐시오미터로 측정하여 구동력을 전달하도록 구성되는바, 장치의 전체 길이가 매우 길어진다는 문제점이 있다. 따라서 종래의 직렬 탄성케이블 견인 구동장치를 착용형 슈트에 적용하는 경우 로봇의 소형화 및 경량화에 한계가 있다는 단점이 있다.
또한, 종래의 직렬 탄성케이블 견인 구동장치와 같이 모터의 회전력을 스크류에 전달하는 경우, 백래시에 의한 작동 오차가 발생한다는 문제점 즉, 정밀한 동작 제어가 어렵다는 문제점도 있다.
한편, 케이블을 당겨 엔드이펙터를 동작시키는 경우, 사용 기간이 경과됨에 따라 상기 케이블이 늘어나 제어의 정밀도가 떨어지거나 상기 케이블이 단선되는 경우가 발생된다. 그러나 현재까지 개발된 케이블 케이블 견인 구동장치는 케이블을 교체하고자 하는 경우 장치를 분해해야 하는바, 유지 및 보수가 어렵다는 단점도 있다.
또한, 종래의 케이블 견인 구동장치는 사용자의 허리 움직임을 보조하기 위한 제품과, 사용자의 무릎 움직임을 보조하기 위한 제품과, 사용자의 발목 움직임을 보조하기 위한 제품이 각각 별도로 제작되므로, 범용성 및 호환성이 떨어진다는 단점도 있다.
본 발명은 스프링의 비틀림탄성을 이용하여 탄성구동함으로써 소형화 및 경량화가 가능하고, 케이블의 착탈이 용이하여 유지 및 보수가 용이하며, 다양한 종류의 엔드이펙터가 장착될 수 있어 범용성이 우수한 케이블 견인 구동장치 및 이를 포함하는 착용형 슈트를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 구동샤프트가 상호 평행하게 배열되며 상기 구동샤프트를 회전축으로 회전 가능한 구조로 본체하우징에 장착되는 제1 모터 및 제2 모터와, 상기 제1 모터 및 제2 모터의 외주면을 둘러싸되 일측 끝단이 상기 본체하우징에 고정결합되고 타단이 상기 제1 모터 및 제2 모터에 결합되는 제1 스프링 및 제2 스프링을 구비하는 구동유닛; 및 상기 제1 모터 및 제2 모터의 구동샤프트에 착탈 가능한 구조로 결합되는 제1 풀리 및 제2 풀리와, 상기 제1 풀리 및 제2 풀리에 감겨지는 제1 케이블 및 제2 케이블을 구비하는 풀리유닛;를 포함하여 구성되는 케이블 견인 구동장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 구동유닛은 상기 제1 모터의 회전각도를 측정하는 제1 엔코더와 상기 제2 모터의 회전각도를 측정하는 제2 엔코더를 구비하고, 상기 제1 모터 및 제2 모터의 회전각도를 감지하여 상기 제1 모터 및 제2 모터의 동작을 제어하는 컨트롤러를 더 포함한다.
그리고, 상기 제1 모터 및 제2 모터의 구동샤프트는 상기 본체하우징의 일측 측벽을 관통하여 상기 본체하우징 외부로 돌출되고, 상기 풀리유닛은, 상기 본체하우징의 일측에 착탈 가능한 구조로 결합되며 상기 제1 풀리 및 제2 풀리가 회전 가능한 구조로 장착되는 풀리하우징을 더 포함한다.
여기서, 상기 풀리하우징의 폭방향 양측에는 체결후크가 각각 구비되고, 상기 본체하우징의 폭방향 양측벽에는 상기 체결후크의 끝단이 걸리는 후크홈이 각각 형성된다.
이 경우, 상기 제1 풀리와 제2 풀리는 회전축이 상호 평행하되 서로 다른 평면 상에 위치되어, 상기 풀리하우징 외부로 인출되는 제1 케이블 및 제2 케이블은 상호 이격된 상태로 평행하게 배열된다.
그리고, 상기 풀리하우징의 내부 중 상기 제2 케이블의 인출경로와 인접한 지점에는 상기 제1 풀리와 회전축이 직교하는 방향전환풀리가 구비되고, 상기 제1 풀리에 감겨진 제1 케이블은 상기 방향전환풀리에 걸쳐진 후 상기 풀리하우징 외부로 인출되도록 구성된다.
또한, 상기 풀리하우징 중 상기 제1 케이블 및 제2 케이블이 인출되는 지점에는 상기 제1 케이블 및 제2 케이블이 안착되는 제1 가이드홈 및 제2 가이드홈이 형성되고, 상기 풀리하우징은, 상기 제1 가이드홈 및 제2 가이드홈이 형성된 부위를 덮는 가이드덮개를 더 포함한다.
그리고, 상기 제1 모터의 길이방향 양측을 지지하도록 상기 본체하우징 내부에 설치되는 한 쌍의 제1 베어링과, 상기 제2 모터의 길이방향 양측을 지지하도록 상기 본체하우징 내부에 설치되는 한 쌍의 제2 베어링을 더 포함한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 사용자의 신체 일부에 착용되는 착용슈트; 사용자의 신체 중 관절 부위에 착용되는 엔드이펙터; 및 상기와 같이 구성되어 상기 착용슈트에 장착되며, 상기 제1 케이블과 제2 케이블이 상기 엔드이펙터에 연결되는 케이블 견인 구동장치;를 포함하여 구성되는 착용형 슈트를 제공한다.
그리고, 상기 제1 케이블의 끝단은 상기 엔드이펙터 중 상기 관절로부터 일측으로 이격된 지점에 연결되고, 상기 제2 케이블의 끝단은 상기 엔드이펙터 중 상기 관절로부터 타측으로 이격된 지점에 연결된다.
여기서, 상기 엔드이펙터는 사용자의 고관절과 무릎과 발목 중 어느 하나의 관절에 착용된다.
본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치 및 이를 포함하는 착용형 슈트에 의하면, 비틀림탄성을 갖는 스프링으로 직렬 탄성 구동이 이루어지는바 소형화 및 경량화가 가능해지고 자유도의 제한 없이 보조력을 전달할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치 및 이를 포함하는 착용형 슈트에 의하면, 케이블이 감기는 풀리 유닛(Pulley Assembly)가 착탈 가능한 구조로 장착되므로 사용자가 용이하게 케이블을 교환할 수 있고 이에 따라 유지 보수가 용이하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치 및 이를 포함하는 착용형 슈트에 의하면, 엔드이펙터만을 교체함으로써 고관절 영역, 슬관절 영역 및 발목관절 영역에 선택적으로 적용 가능하므로 활용성 및 범용성이 우수하다는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 착용형 슈트의 하나의 실시예의 정면도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 착용형 슈트의 하나의 실시예의 측면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 착용형 슈트의 하나의 실시예의 후면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 사시도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 내부사시도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 분해사시도를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 후면측 내부사시도를 도시한다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예에 포함되는 풀리의 결합구조를 나타내는 사시도 및 평면도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예에 포함되는 풀리와 케이블의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 착용형 슈트의 하나의 실시예의 측면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 착용형 슈트의 하나의 실시예의 후면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 사시도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 내부사시도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 분해사시도를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 후면측 내부사시도를 도시한다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예에 포함되는 풀리의 결합구조를 나타내는 사시도 및 평면도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예에 포함되는 풀리와 케이블의 사시도를 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 착용형 슈트의 하나의 실시예의 정면도를 도시하고, 도 2는 본 발명에 따른 착용형 슈트의 하나의 실시예의 측면도를 도시하며, 도 3은 본 발명에 따른 착용형 슈트의 하나의 실시예의 후면도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 슈트는 장애인, 노약자 또는 환자 등과 같이 자립 보행에 어려움이 있는 사람(이하, '사용자'라 약칭함)의 하체에 착용되어 보행에 필요한 근력을 보조하기 위한 것이다. 여기서 보행 동작을 보조한다는 의미는 하체의 운동 기능이 일부 존재하는 사용자가 타인의 도움 없이 독립적으로 보행할 수 있도록, 고관절이나 슬관절, 발목관절 등에 부족한 근력을 보전하기 위한 보조력을 제공하는 것을 뜻한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 슈트는, 사용자의 신체 일부(본 실시예에서는 하체)에 착용되는 착용슈트(10)와, 사용자의 신체 중 관절 부위(본 실시예에서는 발목관절)에 착용되는 엔드이펙터(20)와, 상기 엔드이펙터(20)에 연결되는 제1 케이블(222)과 제2 케이블(232)을 감거나 풀어 상기 엔드이펙터(20)를 기동시키는 케이블 견인 구동장치(40)를 기본 구성요소로 구비한다. 이때 상기 케이블 견인 구동장치는 착용슈트(10)에 구비된 착용백(12) 내부에 보관되며, 사용자의 양쪽 다리 모두에 보조력을 제공하고자 하는 경우 상기 케이블 견인 구동장치(40)와 엔드이펙터(20)는 본 실시예에 도시된 바와 같이 쌍으로 구비된다. 물론, 사용자의 다리 중 어느 일측 다리에만 보조력을 제공하고자 하는 경우, 상기 케이블 견인 구동장치(40)와 엔드이펙터(20)는 하나씩만 구비될 수 있다.
한편, 상기 착용슈트(10)는 사용자가 자유롭게 움직일 수 있도록 경질의 고분자 합성 수지 또는 금속 소재 대신 유연성과 신축성이 우수한 연질 고분자 소재, 섬유 소재, 실리콘 소재 등으로 제작됨이 바람직하다. 이때, 본 실시예에서는 상기 착용슈트(10)가 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)을 사용자의 발에 착용된 엔드이펙터(20)까지 안내할 수 있도록 사용자의 허리와 허벅지, 종아리에 착용되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 엔드이펙터(20)가 사용자의 무릎에 착용되는 경우 상기 착용슈트(10)는 사용자의 허리와 허벅지에만 착용될 수 있고, 상기 엔드이펙터(20)가 사용자의 고관절에 착용되는 경우 상기 착용슈트(10)는 사용자의 허리에만 착용될 수도 있다. 즉, 상기 착용슈트(10)의 형상 및 착용구조는 사용자의 신체 중 어느 부위에 보조근력을 제공하기 위한 것인가에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
사용자의 발목관절에 보조력을 전달하고자 하는 경우 상기 엔드이펙터(20)는 본 실시예에 도시된 바와 같이 사용자의 발등과 뒤꿈치를 감싸도록 착용되며, 상기 제1 케이블(222)의 끝단은 상기 엔드이펙터(20) 중 상기 관절로부터 일측으로 이격된 지점(본 실시예에서는 뒤꿈치와 대응되는 지점)에 연결되고, 상기 제2 케이블(232)의 끝단은 상기 엔드이펙터(20) 중 상기 관절로부터 타측으로 이격된 지점(본 실시예에서는 발등과 대응되는 지점)에 연결된다.
따라서 사용자가 도 2에 도시된 상태에서 발의 앞꿈치를 전개함과 동시에 뒤꿈치를 위로 올리려 하는 경우(plantar flexion) 상기 케이블 견인 구동장치는 제1 케이블(222)을 감는 방법으로 견인하여 사용자의 동작에 보조력을 제공하고, 반대로 사용자가 도 2에 도시된 상태에서 자신의 발등을 위로 굽히는 경우(dorsiflexion) 상기 구동장치는 제2 케이블(232)을 감는 방법으로 견인하여 사용자의 동작에 보조력을 제공하는데, 이와 같이 케이블을 권취하여 사용자에게 보조력을 제공하는 과정에 대해서는 이하 별도의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 사시도를 도시하고, 도 5는 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 내부사시도를 도시하며, 도 6은 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 분해사시도를 도시하고, 도 7은 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예의 후면측 내부사시도를 도시한다.
본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치는 단순히 케이블을 감거나 푸는 것이 아니라, 사용자가 관절을 일측 방향으로 회전시킬 때 보행주기에 따른 제어 알고리즘, 사용자의 동작 의도 또는 별도의 제어신호에 따라 해당 방향으로 보조력을 제공하고, 사용자가 관절을 움직이는 과정에서 불편함을 느끼거나 부상을 입지 아니하도록 탄성적으로 보조력을 제공하도록 구성된다는 점에 구성상의 가장 큰 특징이 있다.
즉, 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치는 동력을 발생시키는 구동유닛(100)과 케이블을 감거나 푸는 풀리유닛(200)로 구분되되, 상기 구동유닛(100)는 구동샤프트가 상호 평행하게 배열되며 상기 구동샤프트를 회전축으로 회전 가능한 구조로 본체하우징(110)에 장착되는 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)와, 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)의 외주면을 둘러싸되 일측 끝단이 상기 본체하우징(110)에 고정결합되고 타단이 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)에 결합되는 제1 스프링(140) 및 제2 스프링(150)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 풀리유닛(200)은, 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)의 구동샤프트에 착탈 가능한 구조로 결합되는 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)와, 일측이 상기 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)에 권취되어 상기 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)의 회전방향에 따라 감겨지거나 풀어지는 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)을 포함하여 구성된다.
이와 같이 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치는 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)가 본체하우징(110)에 고정되는 것이 아니라, 각각의 구동샤프트를 중심으로 회전 가능한 구조로 상기 본체하우징(110)에 장착되되 제1 스프링(140) 및 제2 스프링(150)에 의해 탄성 지지되며 장착된다.
따라서 사용자가 제1 케이블(222)이 당겨지는 방향으로 발목을 전개 회전시키는 경우, 제1 모터(120)는 본체하우징(110)에 장착된 상태를 유지하면서 상기 제1 케이블(222)이 당겨지는 방향으로 비틀리고, 제1 모터(120)가 구동되면 상기 제1 스프링(140)을 매개로 견인력이 전달될 수 있다.
즉, 상기 제1 스프링(140)은 제1 케이블(222)의 장력을 일정 범위 이내로 유지하면서 사용자의 관절 가동범위를 탄성적으로 제한하는바, 사용자는 부드럽게 관절을 움직일 수 있을 뿐만 아니라 관절을 급격하게 회전시키더라도 해당 관절에 충격이 인가되는 현상이 발생하지 아니하게 된다. 또한, 상기 제1 케이블(222)에 기준치 이상의 큰 장력이 인가되더라도 상기 제1 스프링(140)이 인가된 장력을 일부 흡수하는바, 상기 제1 케이블(222)이 단선되는 현상이 감소하게 된다는 장점도 있다.
이때, 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)가 사용자의 움직임에 의하여 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)의 장력에 의해 회전될 때 본체하우징(110)과의 마찰력을 감소시킬 수 있도록, 상기 제1 모터(120)의 길이방향 양측을 지지하도록 상기 본체하우징 내부에 설치되는 한 쌍의 제1 베어링(114)과, 상기 제2 모터(130)의 길이방향 양측을 지지하도록 상기 본체하우징 내부에 설치되는 한 쌍의 제2 베어링(116)이 구비될 수 있다. 상기 제1 베어링(114)과 제2 베어링(116)은 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)가 비틀림 회전을 허용할 수 있다면 다양한 종류가 적용될 수 있다.
또한, 상기 제1 스프링(140) 및 제2 스프링(150)의 일단은 상기 본체 하우징에 고정되고, 상기 제1 스프링(140) 및 제2 스프링(150)의 타단은 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)에 직접 결합될 수도 있으나, 장착성 또는 모터 손상 방지를 위하여 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)에는 제1 고정브라켓(142) 및 제2 고정브라켓(152)이 각각 고정 장착되고, 상기 제1 스프링(140) 및 제2 스프링(150)의 타단은 상기 제1 고정브라켓(142) 및 제2 고정브라켓(152)에 고정될 수 있다.
이때 제1 고정브라켓(142) 및 제2 고정브라켓(152)의 형상은 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)의 형상 및 규격, 제1 스프링(140) 및 제2 스프링(150)의 타단 형상 등 여러가지 조건에 맞춰 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치는 사용자가 특정 방향으로 발목관절을 움직여 와이어를 견인하였을 때 이를 감지하여 각각의 와이어에 인가되는 장력의 크기를 판단하기 위하여 상기 제1 모터(120)의 회전각도를 측정하는 제1 엔코더(160)와, 상기 제2 모터(130)의 회전각도를 측정하는 제2 엔코더(170)를 구비할 수 있다.
종래 소개된 구동장치의 경우 관절의 회전각 측정을 위한 엔코더와 모터의 엔코더를 각각 구비하는 경우가 많았으나, 본 발명은 별도의 관절각도 변화를 측정하지 않고 사용자의 움직임에 의한 스프링을 매개로 하는 모터의 회전각도를 측정하여 각각의 와이어의 장력을 판단하고 그에 따라 보조력을 제공할 수 있으므로, 엔코더의 개수와 비용을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
이를 위하여, 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)의 회전각도를 감지하여 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)의 동작을 제어하는 컨트롤러(300)를 구비할 수 있다.
상기 컨트롤러(300)는 각각의 엔코더에서 감지된 각도와 보행 상태 등을 참조하여 모터 드라이버(117)을 통해 각각의 모터를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러(300)는 메모리부, 데이터처리부 및 입출력부(센서 데이터, 외부 데이터 또는 전원) 등을 구비하고, 엔코더 신호를 수신하고, 각각의 사용자의 기입력된 보행 패턴 또는 장력 변화에 따른 따른 보행 프로그램이 저장될 수 있고, 보행 프로그램에 따라 모터 드라이버(117)의 제어신호를 전송하며 별도로 구비는 배터리 등의 전원을 제어할 수도 있다. 다양한 사용자에 따라 상기 보행 프로그램은 업데이트 또는 교체될 수 있으며, 무선통신을 위한 통신 모듈을 구비하여 데이터의 무선 통신이 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 모터 드라이버는 2개가 적층되어 하나의 하나의 모터 일측에 배치될 수 있으며, 이와 같은 구조는 상기 제1 풀리와 제2 풀리는 회전축이 상호 평행하되 서로 다른 평면 상에 위치되어, 상기 풀리하우징 외부로 인출되는 제1 케이블 및 제2 케이블은 상호 이격된 상태로 평행하게 배열되도록 하기 위한 구조에 부응할 수 있다.
이와 같이, 상기 모터 드라이버(117)을 적층하여 하나의 모터 후방에 배치하는 방법에 의하여 제1 케이블 및 제2 케이블은 상호 이격된 상태로 평행하게 배열될 수 있으므로, 본 발명에 따른 와이어 견인 구동장치를 도 3에 도시된 바와 같이 착용백(12) 내부에 한 쌍이 장착되는 경우 본체 하우징의 길이방형과 수직한 방향으로 나란하게 제1 케이블과 제2 케이블이 인출되어 사용자의 하지 방향으로 연결될 수 있는 장점이 있다.
상기 컨트롤러(300)의 구동 방법의 예시로서 상기 제1 엔코더(160)는 제1 모터(120)의 회전각도를 측정한 후 제1 스프링(140)의 비틀림 탄성계수를 고려하여 제1 케이블(222)의 인장력 크기를 산출하고, 상기 컨트롤러는 제1 케이블(222)의 인장력 크기에 맞춰 제2 모터(130)를 작동시킨다.
예를 들어 도 2에 도시된 상태에서 사용자가 발의 앞꿈치를 올리고 뒤꿈치를 내리는 방향으로 발목을 회전(dorsiflexion) 시키기 시작하여 제1 케이블(222)에 인장력이 발생되었을 때, 상기 컨트롤러는 제2 모터(130)를 구동시켜 제2 케이블(232)을 감아 당김으로써 상기 엔드이펙터(20)에는 발뒤꿈치가 내려가는 방향으로 보조력을 제공할 수 있다.
이와 같이 보조력이 인가되면 사용자는 작은 힘으로도 각 관절을 회전시킬 수 있으므로 노약자나 환자도 자립 보행이 가능해진다는 효과를 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치는 직렬탄성 구동을 위한 스프링이 모터를 둘러싸도록 장착되어 비틀림 변형을 일으키는 코일형 스프링으로 적용되므로, 압축변형을 일으켜 직렬탄성 구동을 구현하는 종래의 케이블 견인 구동장치(에 비해 장치의 전체적인 길이를 줄일 수 있다는 장점 즉, 제품의 소형화 및 경량화가 가능해진다는 장점이 있다. 또한, 종래의 직렬탄성 구동기는 모터의 회전력을 스크류에 전달하는 과정에서 마찰과 백래시가 발생하게 되므로 제어의 정밀도를 높이는데 한계가 있었지만, 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치는 스크류 자체가 존재하지 아니하므로 상기 언급한 마찰과 백래시가 발생하지 아니하고 이에 따라 정밀한 제어가 가능해진다는 장점도 있다.
한편, 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)가 서로 수직하거나 비스듬한 각도로 장착되면 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)에 감겨진 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)의 인출 경로가 나란하게 배열되지 못하게 되는바, 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)는 상호 평행하게 배치되어야 한다. 이때, 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)의 구동샤프트(122, 132)가 일렬 횡대로 배열되면 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230) 역시 일렬 횡대로 배열되므로, 상기 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)이 상호 간섭되는 문제가 발생될 수 있다. 물론, 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)가 일렬 횡대로 배열되더라도 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)이 상호 간섭되지 아니하도록 각 케이블의 이동경로를 변형시킬 수도 있지만, 이와 같은 경우 케이블 견인 구동장치의 내부 설계가 복잡해지고, 이에 따라 제품의 소형화 및 경량화가 불가해진다는 문제점이 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 상기 제1 풀리(220)와 제2 풀리(230)는 회전축이 상호 평행하되, 일렬 횡대로 배열되는 것이 아니라 회전축이 상호 평행하되 서로 다른 평면 상에 위치됨이 바람직하다. 이와 같이 제1 풀리(220)와 제2 풀리(230)가 어긋나게 배열되면 상기 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)로부터 상기 풀리하우징(210) 외부로 인출되는 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)이 상호 평행하면서 간섭되지 아니하도록 이격된 상태로 배열된다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치는, 케이블이 권취된 풀리유닛(200)가 본체하우징(110)에 착탈 가능한 구조로 결합된다는 점에 구성상의 또 다른 특징이 있다.
즉, 상기 풀리유닛(200)은 상기 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)가 회전 가능한 구조로 장착되되, 상기 본체하우징(110)의 일측에 착탈 가능한 구조로 결합되는 풀리하우징(210)을 구비할 수 있다. 이때, 상기 제1 모터(120) 및 제2 모터(130)의 구동샤프트(122, 132)는 상기 본체하우징(110)의 일측 측벽을 관통하여 상기 본체하우징(110) 외부로 돌출되는바, 상기 풀리하우징(210)이 본체하우징(110)에 결합될 때 상기 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)는 각각 제1 구동샤프트(122) 및 제2 구동샤프트(132)와 결합된다.
이때, 상기 풀리하우징(210)의 폭방향 양측에는 체결후크(212)가 각각 구비되고, 상기 본체하우징의 폭방향 양측벽에는 상기 체결후크(212)의 끝단이 걸리는 후크홈(112)이 각각 형성되는바, 상기 체결후크(212) 끝단이 후크홈(112)으로부터 빠지지 아니하는 한 상기 풀리하우징(210)은 본체하우징(110)으로부터 분리되지 아니하게 된다. 반대로 사용자가 좌우측 체결후크(212)를 눌러 체결후크(212)의 끝단을 후크홈(112)으로부터 인출시킨 경우, 상기 풀리하우징(210)은 본체하우징(110)으로부터 쉽게 분리될 수 있다.
이와 같이 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)가 장착된 풀리하우징(210)이 본체하우징(110)에 착탈 가능한 구조로 결합되면, 사용자는 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)이 늘어나거나 손상 또는 단선되는 경우, 상기 풀리유닛(200)를 손쉽게 교체할 수 있다는 장점 즉, 유지 및 보수가 매우 용이해진다는 장점이 있다. 이때, 상기 체결후크(212)는 풀리하우징(210)을 본체하우징(110)에 연결시킬 수 있다면 어떠한 구조의 체결유닛으로도 대체될 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예에 포함되는 풀리의 결합구조를 나타내는 사시도 및 평면도를 도시하고, 도 10은 본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치의 하나의 실시예에 포함되는 풀리와 케이블의 사시도를 도시한다.
제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)는 지름방향으로는 상호 겹치지 아니하도록 어긋나게 배열되는데, 제1 케이블(222)과 제2 케이블(232)이 제1 풀리(220) 및 제2 풀리(230)에서 곧바로 인출되면 상기 제1 케이블(222)과 제2 케이블(232) 간의 이격 거리가 커지게 된다. 이와 같이 제1 케이블(222)과 제2 케이블(232)이 상호 멀리 이격되면, 제1 케이블(222)과 제2 케이블(232)의 인출 경로 및 이를 가이드하기 위한 구조가 커지게 되고, 종국에는 케이블 견인 구동장치의 전체적인 규격이 커지는 문제가 발생된다.
본 발명에 따른 케이블 견인 구동장치는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 제1 풀리(220)와 회전축이 직교하는 방향전환풀리(180)가 상기 풀리하우징(210)의 내부에 구비되고, 상기 제1 풀리(220)에 감겨진 제1 케이블(222)은 상기 방향전환풀리(180)에 걸쳐진 후 상기 풀리하우징(210) 외부로 인출되도록 구성된다. 상기 방향전환풀리(180)는 제2 케이블(232)의 인출경로와 근접한 지점에 위치되는바, 상기 방향전환풀리(180)를 거쳐 풀리하우징(210) 외부로 인출되는 제1 케이블(222)은 제2 케이블(232)과 인접하도록 나란하게 배열된다. 이와 같이 제1 케이블(222)과 제2 케이블(232)이 상호 근접하도록 나란하게 배열되면, 상기 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)의 인출경로 폭을 좁게 제작할 수 있어 케이블 견인 구동장치의 소형화가 가능해진다는 장점이 있다.
또한, 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)의 인출 경로를 보다 안정적으로 가이드할 수 있도록, 상기 풀리하우징(210) 중 상기 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)이 인출되는 지점에는 제1 가이드홈(214) 및 제2 가이드홈(216)이 형성되고, 상기 풀리하우징(210)은 상기 제1 가이드홈(214) 및 제2 가이드홈(216)이 형성된 부위를 덮는 가이드덮개(240)를 추가로 구비할 수 있다. 상기 제1 케이블(222) 및 제2 케이블(232)은 가이드덮개(240)에 의해 덮여진 제1 가이드홈(214)과 제2 가이드홈(216)을 통해 외부로 인출되므로, 풀리하우징(210) 외부로 인출된 이후 상호 간섭되거나 꼬이는 등의 문제가 발생되지 아니하게 된다는 장점이 있다.
한편, 상기 제1 케이블(222)이 제1 풀리(220)로부터 완전히 풀리더라도 상기 제1 풀리(220)와 연결된 상태를 유지할 수 있도록, 상기 제1 풀리(220)에 감기는 측의 끝단에 고정블록(223)이 구비되고, 상기 제1 풀리(220)의 측면에는 상기 고정블록(223)이 인입되는 인입홈(224)이 형성되며, 상기 제1 풀리(220)의 외주면에는 상기 인입홈(224)과 연통되되 상기 제1 케이블(222)은 통과할 수 있지만 상기 고정블록(223)은 통과할 수 없는 크기의 인입홈(224)이 형성된다.
상기 제1 케이블(222) 중 제1 풀리(220)에 감기는 측의 끝단은 케이블 관통공(225)을 통해 인입홈(224) 내측으로 삽입된 후 상기 고정블록(223)과 일체로 결합되는바, 제1 케이블(222)이 제1 풀리(220)로부터 완전히 풀어지더라도 상기 고정블록(223)과 제1 케이블(222)이 분리되지 아니하는 한 상기 제1 케이블(222)은 제1 풀리(220)와 연결된 상태를 유지할 수 있게 된다.
한편, 상기 제2 케이블(232) 역시 도 10에 도시된 구조로 제2 풀리(230)에 연결되는데, 제2 케이블(232)이 제2 풀리(230)에 연결되는 구조는 상기 제1 케이블(222)이 제1 풀리(220)에 연결되는 구조와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
10 : 착용슈트
100 : 구동유닛
110 : 본체하우징
120 : 제1 모터
130 : 제2 모터
140 : 제1 스프링
150 : 제2 스프링
160 : 제1 엔코더
170 : 제2 엔코더
200 : 풀리유닛
210 : 풀리하우징
220 : 제1 풀리
230 : 제2 풀리
300 : 컨트롤러
100 : 구동유닛
110 : 본체하우징
120 : 제1 모터
130 : 제2 모터
140 : 제1 스프링
150 : 제2 스프링
160 : 제1 엔코더
170 : 제2 엔코더
200 : 풀리유닛
210 : 풀리하우징
220 : 제1 풀리
230 : 제2 풀리
300 : 컨트롤러
Claims (11)
- 구동샤프트가 상호 평행하게 배열되며 상기 구동샤프트를 회전축으로 회전 가능한 구조로 본체하우징에 장착되는 제1 모터 및 제2 모터와, 상기 제1 모터 및 제2 모터의 외주면을 둘러싸되 일측 끝단이 상기 본체하우징에 고정결합되고 타단이 상기 제1 모터 및 제2 모터에 결합되는 제1 스프링 및 제2 스프링을 구비하는 구동유닛; 및
상기 제1 모터 및 제2 모터의 구동샤프트에 착탈 가능한 구조로 결합되는 제1 풀리 및 제2 풀리와, 상기 제1 풀리 및 제2 풀리에 감겨지는 제1 케이블 및 제2 케이블을 구비하는 풀리유닛;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 케이블 견인 구동장치. - 제1항에 있어서,
상기 구동유닛은, 상기 제1 모터의 회전각도를 측정하는 제1 엔코더와, 상기 제2 모터의 회전각도를 측정하는 제2 엔코더를 구비하고,
상기 제1 모터 및 제2 모터의 회전각도를 감지하여 상기 제1 모터 및 제2 모터의 동작을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 견인 구동장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 모터 및 제2 모터의 구동샤프트는 상기 본체하우징의 일측 측벽을 관통하여 상기 본체하우징 외부로 돌출되고,
상기 풀리유닛은, 상기 본체하우징의 일측에 착탈 가능한 구조로 결합되며 상기 제1 풀리 및 제2 풀리가 회전 가능한 구조로 장착되는 풀리하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 견인 구동장치. - 제3항에 있어서,
상기 풀리하우징의 폭방향 양측에는 체결후크가 각각 구비되고,
상기 본체하우징의 폭방향 양측벽에는 상기 체결후크의 끝단이 걸리는 후크홈이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 케이블 견인 구동장치. - 제3항에 있어서,
상기 제1 풀리와 제2 풀리는 회전축이 상호 평행하되 서로 다른 평면 상에 위치되어,
상기 풀리하우징 외부로 인출되는 제1 케이블 및 제2 케이블은 상호 이격된 상태로 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 케이블 견인 구동장치. - 제5항에 있어서,
상기 풀리하우징의 내부 중 상기 제2 케이블의 인출경로와 인접한 지점에는 상기 제1 풀리와 회전축이 직교하는 방향전환풀리가 구비되고,
상기 제1 풀리에 감겨진 제1 케이블은 상기 방향전환풀리에 걸쳐진 후 상기 풀리하우징 외부로 인출되는 것을 특징으로 하는 케이블 견인 구동장치. - 제5항에 있어서,
상기 풀리하우징 중 상기 제1 케이블 및 제2 케이블이 인출되는 지점에는 상기 제1 케이블 및 제2 케이블이 안착되는 제1 가이드홈 및 제2 가이드홈이 형성되고,
상기 풀리하우징은, 상기 제1 가이드홈 및 제2 가이드홈이 형성된 부위를 덮는 가이드덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 견인 구동장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 모터의 길이방향 양측을 지지하도록 상기 본체하우징 내부에 설치되는 한 쌍의 제1 베어링과, 상기 제2 모터의 길이방향 양측을 지지하도록 상기 본체하우징 내부에 설치되는 한 쌍의 제2 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 견인 구동장치. - 사용자의 신체 일부에 착용되는 착용슈트;
사용자의 신체 중 관절 부위에 착용되는 엔드이펙터; 및
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 의한 케이블 견인 구동장치;
를 포함하며,
상기 케이블 견인 구동장치는 상기 착용슈트에 장착되고, 상기 제1 케이블과 제2 케이블이 상기 엔드이펙터에 연결되는 것을 특징으로 하는 착용형 슈트. - 제9항에 있어서,
상기 제1 케이블의 끝단은 상기 엔드이펙터 중 상기 관절로부터 일측으로 이격된 지점에 연결되고, 상기 제2 케이블의 끝단은 상기 엔드이펙터 중 상기 관절로부터 타측으로 이격된 지점에 연결되는 것을 특징으로 하는 착용형 슈트. - 제9항에 있어서,
상기 엔드이펙터는 사용자의 고관절과 무릎과 발목 중 어느 하나의 관절에 착용되는 것을 특징으로 하는 착용형 슈트.
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2022
- 2022-04-04 KR KR1020220041802A patent/KR102649630B1/ko active IP Right Grant
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