KR20230092716A

KR20230092716A - 웨어러블 로봇

Info

Publication number: KR20230092716A
Application number: KR1020220106728A
Authority: KR
Inventors: 김용재; 이연백; 최병준; 노창현
Original assignee: (주)위로보틱스
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2022-08-25
Publication date: 2023-06-26
Also published as: KR20230092715A; KR20230091764A

Abstract

본 발명은 웨어러블 로봇에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 관절부의 일측 신체 부위에 고정되는 제1고정부; 관절부의 타측 신체 부위에 고정되는 제2고정부; 상기 제1고정부에 고정되는 구동부; 및 상기 구동부와 제2고정부를 연결하고 상기 구동부로부터 제공되는 구동력을 제2고정부로 전달하는 연결부재를 포함하며, 상기 연결부재는 일렬로 배치되는 복수의 단위부재 및 상기 복수의 단위부재가 서로 연동하도록 복수의 단위부재를 연결하는 연동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

웨어러블 로봇{Wearable robot}

본 발명은 웨어러블 로봇에 관한 것으로서, 사용자의 보행동작을 보조할 수 있는 웨어러블 로봇에 관한 것이다.

최근 일상 생활이 불가능한 신체능력을 가진 장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 보조장치 또는 체력이나 신체능력을 강화하기 위한 산업용 또는 군사용 웨어러블 로봇의 개발이 진행되고 있다.

이러한 웨어러블 로봇의 경우, 배터리와 컨트롤러 등이 구비되며 사용자의 등에 장착되는 본체, 각각의 관절을 구동하기 위한 관절 구동기, 각각의 관절 구동기에 연결되고 사용자의 대퇴를 지지하기 위한 지지유닛을 포함하는 형태가 주를 이루고 있다.

이러한 웨어러블 로봇의 경우, 사용자의 관절 근방에 관절 구동기를 배치하고 사용자의 보행동작에 따라 사용자의 대퇴에 보조토크 형태의 보조력을 제공하여 사용자의 보행을 보조할 수 있다.

3차원 좌표 공간에서 사용자가 x축 방향으로 보행한다고 가정하는 경우, 관절 구동기는 고관절의 보행 방향인 x축 방향 및 수직 방향인 z축 방향과 교차하는 y축을 중심으로 회전하며 보조력을 제공하도록 설계될 수 있다.

즉, 관절 구동기는 로터리 모터 형식의 구동기가 채용되어 역시 사용자의 보행시 관절의 회전 방향에 대응하는 y축 중심으로 회전되어 구동력을 제공할수 있다.

외골격 하체 보조장치의 경우 고관절 외측에 관절 구동기가 구비되어 y축 방향 구동토크를 발생시키고 사용자의 대퇴를 감싸는 대퇴 지지유닛을 통해 보조력을 사용자의 대퇴에 전달할 수 있다.

신체의 고관절은 모터 방식의 구동기와 달리 y축 중심 회전 동작 이외에도 대퇴의 x축 중심 외전 또는 내전 그리고 z축 중심 비틀림이 가능하고, 대퇴골 상단으로 정의될 수 있는 고관절 회전 중심은 신체 내부에 존재하는데, 착용형 보조장치의 관절부 회전 중심과 고관절의 회전 중심이 일치하지 않는 경우, 사용자의 관절부에 부하를 가중시키므로 관절부의 불편함 또는 통증을 유발하거나, 관절부의 가동범위를 축소시키는 문제가 있다.

등록특허 10-1517058

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자의 보행동작을 보조할 수 있는 웨어러블 로봇을 제공함에 있다.

또한, 수축 상태의 길이를 최소화하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있는 웨어러블 로봇을 제공함에 있다.

또한, 연결부재를 구성하는 다수의 단위부재 중 일부 단위부재가 임의로 동작하지 않도록 할 수 있는 웨어러블 로봇을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 관절부의 일측 신체 부위에 고정되는 제1고정부; 관절부의 타측 신체 부위에 고정되는 제2고정부; 상기 제1고정부에 고정되는 구동부; 및 상기 구동부와 제2고정부를 연결하고 상기 구동부로부터 제공되는 구동력을 제2고정부로 전달하는 연결부재를 포함하며, 상기 연결부재는 일렬로 배치되는 복수의 단위부재 및 상기 복수의 단위부재가 서로 연동하도록 복수의 단위부재를 연결하는 연동부를 포함하는 웨어러블 로봇에 의해 달성된다.

여기서, 상기 연결부재는 상기 구동부에 지지되는 제1단위부재, 상기 제1단위부재에 이동 가능하게 연결되는 제2단위부재 및 상기 제2단위부재에 이동 가능하게 연결되고 상기 제2고정부에 지지되는 제3단위부재를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연동부는 상기 제2단위부재의 확장측 단부에 지지된 상태로 일단부가 상기 제1단위부재에 고정되고 타단부가 상기 제3단위부재에 고정되는 제1케이블 및 상기 제2단위부재의 수축측 단부에 지지된 상태로 일단부가 상기 제1단위부재에 고정되고 타단부가 상기 제3단위부재에 고정되는 제2케이블을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2단위부재의 확장측 단부에는 상기 제1케이블을 지지하는 제1도르래가 배치되고, 상기 제2단위부재의 수측측 단부에는 상기 제2케이블을 지지하는 제2도르래가 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연동부는 제1단위부재에 길이방향을 따라 배치되는 래크, 상기 제2단위부재의 수축측 단부에 배치되고 상기 래크와 맞물리는 피니언, 상기 피니언과 함께 회전하는 제1풀리, 상기 제2단위부재의 확장측 단부에 배치되는 제2풀리 및 상기 제1풀리와 제2풀리에 감긴 상태로 양단부가 상기 제3단위부재에 고정되는 벨트를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2단위부재의 일측에는 상기 제3단위부재의 이동을 안내할 수 있는 제2슬릿이 형성되고, 상기 제1단위부재의 일측에는 상기 제2단위부재와 중첩 상태에서 상기 제2슬릿과 연통하는 제1슬릿이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2단위부재 또는 제3단위부재를 수축방향으로 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2단위부재는 상기 제1단위부재와의 접촉면에서 구름운동하는 롤러를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3단위부재는 상기 제2단위부재와의 접촉면에서 미끄럼운동하는 슬라이딩패드를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 사용자의 보행을 보조함에 있어서 길이 조절되도록 할 수 있는 웨어러블 로봇이 제공된다.

또한, 수축 상태의 길이를 최소화하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있는 웨어러블 로봇이 제공된다.

또한, 하나의 탄성부재를 이용해 다수의 단위부재에 각각 탄성력을 제공할 수 있는 것은 물론, 연결부재를 구성하는 다수의 단위부재 중 일부 단위부재가 임의로 동작하지 않도록 할 수 있는 웨어러블 로봇이 제공된다.

도 1은 본 발명 웨어러블 로봇의 사시도,
도 2는 본 발명 웨어러블 로봇에 따른 연결부재의 발췌사시도,
도 3은 본 발명 웨어러블 로봇에 따른 연결부재의 분해사시도,
도 4는 본 발명 웨어러블 로봇의 착용 상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명 웨어러블 로봇에 따른 연결부재의 단면도,
도 6은 도 5의 "A"부분 확대도,
도 7은 도 5의 "B"부분 확대도이고,
도 8 내지 도 11은 본 발명 웨어러블 로봇의 작동 상태를 나타낸 도면이고,
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 연결부재의 작용도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 웨어러블 로봇에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부도면 중 도 1은 본 발명 웨어러블 로봇의 사시도, 도 2는 본 발명 웨어러블 로봇에 따른 연결부재의 발췌사시도, 도 3은 본 발명 웨어러블 로봇에 따른 연결부재의 분해사시도이다.

상기 도면에 도시된 바와 같은 본 발명 웨어러블 로봇은 제1고정부(110), 제2고정부(120), 구동부(130) 및 연결부재(140)를 포함한다.

설명의 편의를 위하여 웨어러블 로봇을 착용한 사용자의 전면 방향 또는 보행 방향을 x축 방향으로 정의하고, 웨어러블 로봇을 착용한 사용자의 양측면 방향을 y축 방향으로 정의하며, 수직방향은 z축 방향으로 정의한다.

본 실시예에서 상기 제1고정부(110)는 사용자의 고관절 상측에 위치하는 허리부위에 고정될 수 있고, 상기 제2고정부(120)는 사용자의 고관절 하측에 위치하는 대퇴부에 고정될 수 있으며, 상기 제1고정부(110) 측에 마련된 구동부(130)와 상기 제2고정부(120)를 연결하는 연결부재(140)가 구동부(130)의 구동에 의해 y축을 중심으로 하여 회동하면서 고관절을 중심으로 하는 대퇴부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있다.

상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)는 관절부의 양측 신체 부위에 각각 고정되는 것으로, 신체부위를 감쌀 수 있는 밴드나 벨트와 같은 형태로 이루어질 수 있으며, 양단부에는 상호 고정될 수 있는 후크 앤드 루프 패스너 등의 고정수단이 마련될 수 있다.

상기 구동부(130)는 상기 제1고정부(110)에 마련되고, y축을 중심으로 하는 회전토크를 제공하기 위한 모터 또는 액추에이터 등으로 구성될 수 있으며, 토크를 상승시키기 위한 감속기 등을 포함할 수 있다.

상기 연결부재(140)는 일단부가 상기 구동부(130)에 연결되고 타단부가 상기 제2고정부(120)에 연결된 상태로 구동부(130)에 의해 회동하면서 상기 구동부(130)로부터 제공되는 구동력을 제2고정부(120)로 전달하며, 상기 관절부의 운동 크기에 따라 변경되는 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절되도록 구성된다.

이러한 연결부재(140)는 일단부가 상기 구동부(130)에 연결되는 제1단위부재(141), 상기 제1단위부재(141)에 길이방향을 따라 이동 가능하게 조립되는 제2단위부재(142), 일단부가 상기 제2단위부재(142)에 길이방향을 따라 이동 가능하게 조립되고 타단부가 상기 제2고정부(120)에 지지되는 제3단위부재(143) 및 상기 제3단위부재(143)의 이동에 연동하여 제2단위부재(142)를 이동시키는 연동부(150)를 포함한다. 구체적인 실시형태에 따르면, 좌우 양측의 연결부재(140) 각각은 회전조인트부(170a, 170b)를 구비하고, 회전조인트부(170a, 170b)는 구동부(130)의 좌우 양단에 연결된다. 회전조인트부(170a, 170b)는 y축과 교차하는 축을 중심으로 연결부재(140)의 회동을 안내할 수 있다. 이로써, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 연결부재(140)에 직접 전달될 수 있다. 이러한 구동력은 연결부재(140)를 통해 제2고정부(120)에 전달될 수 있다.

먼저, 상기 제3단위부재(143)는 제2단위부재(142)의 내측으로 삽입되고 제2단위부재(142) 내부에서 길이방향을 따라 이동할 수 있도록 구성되며, 일면에는 제2고정부(120)와의 연결을 위한 커넥터가 형성될 수 있다.

상기 제2단위부재(142)는 상기 제3단위부재(143)가 삽입될 수 있는 통로가 형성된 관형의 길이부재로 이루어지고, 일면에는 상기 커넥터의 이동을 위한 제2슬릿(142c)이 길이방향을 따라 형성된다. 상기 제2단위부재(142)의 양단 개구는 제2-1엔드캡(142a)과 제2-2엔드캡(142b)에 의해 각각 마감될 수 있으며, 이에 따라 상기 제2슬릿(142c)의 양단부는 폐쇄된 형태로 제공된다.

제2단위부재(142)는 그 전체가 제1단위부재(141) 내에 삽입될 수 있다. 또한 제3단위부재(143)는 그 전체가 제1단위부재(142) 내에 삽입될 수 있다. 이로써, 수축 상태의 길이의 최소화가 가능하다. 또한, 운반과 휴대성이 우수하다. 또한, 완전히 겹치기 때문에 강성이 보강된다.

상기 제1단위부재(141)는 제2단위부재(142)가 삽입될 수 있는 통로가 형성된 관형의 길이부재로 이루어지고, 일면에는 상기 제2단위부재(142)가 내측으로 삽입된 상태에서 상기 제2단위부재(142)의 제2슬릿(142c)과 연통할 수 있는 제1슬릿(141c)이 길이방향을 따라 형성된다. 상기 제1단위부재(141)의 양단 개구는 제1-1엔드캡(141a)과 제1-2엔드캡(141b)에 의해 각각 마감될 수 있으며, 상기 제2단위부재(142)가 삽입되는 단부에 결합되는 제1-2엔드캡(141b)에는 상기 제1슬릿(141c)과 연통하는 개구부가 형성됨에 따라 상기 제1슬릿(141c)의 일측 단부는 개방된 형태로 제공된다.

한편, 본 실시예에서는 상기 제1단위부재(141)가 관형의 길이부재로 이루어지는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 하우징의 형태로 이루어지는 것도 가능하며, 이 경우 하우징의 내측 또는 외측에는 상기 제2단위부재(142)의 이동을 안내하는 통로가 형성되고, 하우징의 일면에는 상기 제2슬릿(142c)과 연통하는 제1슬릿(141c)이 형성될 수 있을 것이다.

한편, 상기 연결부재(140)의 양단부는 상기 구동부(130) 및 제2고정부(120)에 각각 회동 가능하게 연결되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 제1단위부재(141)는 힌지축을 통해 상기 구동부(130)에 좌우로 회동 가능하게 연결되고, 상기 제3단위부재(143) 역시 힌지축을 통해 상기 제2고정부(120)에 좌우로 회동 가능하게 연결될 수 있다. 또한, 좌우 양측의 연결부재(140) 각각은 회전조인트부(170a, 170b)를 구비하고, 회전조인트부(170a, 170b)는 구동부(130)의 좌우 양단에 연결된다. 이로써, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 연결부재(140)에 직접 전달될 수 있다.

상기 연동부(150)는 일단부가 상기 제1단위부재(141)의 수축측 단부에 고정되고 타단부가 상기 제2단위부재(142)의 확장측 단부를 경유하여 제3단위부재(143)에 고정되는 제1케이블(151) 및 일단부가 상기 제1단위부재(141)의 확장측 단부에 고정되고 타단부가 상기 제2단위부재(142)의 수축측 단부를 경유하여 제3단위부재(143)에 고정되는 제2케이블(152)을 포함한다.

상기 제1케이블(151)은 제3단위부재(143)가 수축 방향으로 이동하는 과정에서 제3단위부재(143)의 이동과 연동하여 제2단위부재(142)를 수축 방향으로 함께 이동시키는 역할을 하고, 상기 제2케이블(152)은 제3단위부재(143)가 확장 방향으로 이동하는 과정에서 제3단위부재(143)의 이동과 연동하여 제2단위부재(142)를 확장 방향으로 함께 이동시키는 역할을 하며, 상기 제1케이블(151)과 제2케이블(152)에 의한 제2단위부재(142)의 이동거리는 제3단위부재(143)의 이동거리의 1/2로 설정될 수 있다.

또한, 상기 제2단위부재(142)의 확장측 단부에 결합된 제2-2엔드캡(142b)에는 상기 제1케이블(151)을 지지하기 위한 제1도르래(142e)가 배치되고, 상기 제2단위부재(142)의 수축측 단부에 결합된 제2-1엔드캡(142a)에는 상기 제2케이블(152)을 지지하기 위한 제2도르래(142f)가 배치될 수 있다.

상기 연결부재(140)는 양단부가 상기 제1단위부재(141)와 제2단위부재(142)에 각각 고정되고 상기 제2단위부재(142)에 수축방향으로 탄성력을 제공하는 탄성부재(144)를 더 포함할 수 있다. 이러한 탄성부재(144)는 일단부가 상기 제1단위부재(141)의 제1-1엔드캡(141a)에 고정되고 타단부가 상기 제2단위부재(142)의 제2-2엔드캡(142b)에 고정되며, 상기 제2단위부재(142)가 외력에 의해 제1단위부재(141)에 대하여 확장하는 방향으로 이동하는 과정에서 탄성 변형하고, 상기 제2단위부재(142)에 가해지는 외력이 해제되면 탄성 복원하면서 상기 제2단위부재(142)를 수축 방향으로 이동시키기 위한 탄성력을 제공한다. 이러한 탄성부재(144)는 인장스프링이나 탄성줄 등과 같은 형태로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서 상기 탄성부재(144)는 제1단위부재(141)와 제2단위부재(142)를 연결하여 제2단위부재(142)를 수축 방향으로 탄성지지하는 것으로 예를 들어 설명하였으나 이에 제한하는 것은 아니며, 상기 제1단위부재(141)와 제3단위부재(143)를 연결하여 제3단위부재(143)를 수축 방향으로 탄성지지하는 경우에도, 연동부(150)를 통해 제3단위부재(143)와 연결된 제2단위부재(142)가 자중에 의해 확장 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있을 것이다.

한편, 상기 제2단위부재(142)와 제3단위부재(143)는 마찰력의 감소를 위해 롤러(142d) 또는 슬라이딩패드(143a)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제2단위부재(142)의 수축측 단부 상측과 하측에는 각각 제1단위부재(141)의 내측면과 접촉하여 구름운동하는 롤러(142d)가 배치될 수 있고, 상기 제3단위부재(143)의 외측면에는 상기 제2단위부재(142)와의 접촉면에서 미끄럼운동하는 슬라이딩패드(143a)가 배치될 수 있으며, 이러한 롤러(142d)와 슬라이딩패드(143a)는 유지보수를 위해 각각 탈착 가능한 형태로 조립될 수 있다.

지금부터는 상술한 웨어러블 로봇의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

첨부도면 중 도 4는 본 발명 웨어러블 로봇의 착용 상태를 나타낸 도면, 도 5는 본 발명 웨어러블 로봇에 따른 연결부재의 단면도, 도 6은 도 5의 "A"부분 확대도, 도 7은 도 5의 "B"부분 확대도이고, 도 8 내지 도 11은 본 발명 웨어러블 로봇의 작동 상태를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1고정부(110)는 고관절 상측에 위치하는 허리부위에 고정되고, 제2고정부(120)는 고관절 하측에 위치하는 대퇴부에 고정될 수 있으며, 연결부재(140)는 사용자의 앞 부분에 배치된 상태에서 상기 제1고정부(110) 측에 고정된 구동부(130)와 제2고정부(120)를 연결할 수 있다.

이러한 배치구조에서 상기 연결부재(140)는 구동부(130)에 의해 y축을 중심으로 상하로 회동하면서 대퇴부에 고정된 제2고정부(120)를 들어올리거나 내리는 방향으로 보조력을 제공할 수 있으므로 보조력의 제공으로 인한 관절부 회전중심의 내전, 외전 또는 비틀림 등을 예방할 수 있으며, 대퇴부가 보조력에 의해 움직인 상태에서 좌우로 움직이는 경우에도 연결부재(140)가 이에 순응하여 회동할 수 있으므로 관절부의 가동범위를 제한하지 않을 수 있다.

또한, 상기 연결부재(140)는 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절될 수 있도록 구성되는데, 상기 연결부재(140)가 다단으로 신축되도록 구성됨에 따라 수축상태의 길이를 최소화 하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있다. 따라서, 보행과 같이 관절부의 운동범위가 작은 동작으로부터, 앉거나 계단 보행과 같이 관절부의 운동범위가 큰 동작에 이르기까지 보조력을 전달할 수 있다.

도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 연결부재(140)의 제1단위부재(141)는 일단부가 제1고정부(110)에 마련된 구동부(130)에 연결되고, 제2단위부재(142)는 제1단위부재(141)의 내측에 삽입된 상태에서 제1단위부재(141)의 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 결합되고, 제2고정부(120)에 연결된 제3단위부재(143)는 제2단위부재(142)의 내측에 삽입된 상태에서 제2단위부재(142)의 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 결합되고, 연동부(150)는 상기 제2단위부재(142)와 제3단위부재(143)가 서로 연동하도록 하며, 탄성부재(144)는 양단부가 제1단위부재(141)와 제2단위부재(142)에 고정된 상태에서 제2단위부재(142)에 수축 방향으로 탄성력을 제공한다. 여기서, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 제1단위부재(141)에 직접 전달될 수 있다. 이러한 구동력은 제1단위부재(141)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제2단위부재(142)와 이어서 제2단위부재(142)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제3단위부재(143)을 통해, 제3단위부재(143)에 연결된 제2고정부(120)에 전달될 수 있다.

여기서, 상기 연동부(150)를 구성하는 제1케이블(151)은 일단부가 제1단위부재(141)의 제1-1엔드캡(141a)에 고정된 상태에서 타단부가 제2단위부재(142)의 제2-2엔드캡(142b)에 조립된 제1도르래(142e)를 경유하여 제3단위부재(143)에 고정되고, 제2케이블(152)은 일단부가 제1단위부재(141)의 제1-2엔드캡(141b)에 고정된 상태에서 타단부가 제2단위부재(142)의 제2-1엔드캡(142a)에 조립된 제2도르래(142f)를 경유하여 제3단위부재(143)에 고정된다.

즉, 제3단위부재(143)의 수축 방향 이동에 대해서는 제3단위부재(143)와 연결된 제1케이블(151)이 제2단위부재(142)의 확장측 단부에 결합된 제1도르래(142e)를 수축 방향으로 이동시킴에 따라 제2단위부재(142)가 수축 방향으로 이동하게 되고, 반대로 제3단위부재(143)의 확장 방향 이동에 대해서는 제3단위부재(143)와 연결된 제2케이블(152)이 제2단위부재(142)의 수축측 단부에 결합된 제2도르래(142f)를 확장 방향으로 이동시킴에 따라 제2단위부재(142)가 확장 방향으로 이동하게 된다.

또한, 상기 제2단위부재(142)는 수축측 단부의 상측과 하측에 각각 배치된 롤러(142d)가 제1단위부재(141)의 내측면을 따라 구름운동함에 따라 제1단위부재(141)에 대한 마찰력을 최소화할 수 있고, 제3단위부재(143)는 외측면을 감싸는 형태로 배치된 슬라이딩패드(143a)가 제2단위부재(142)의 내측면을 따라 미끄럼운동함에 따라 제2단위부재(142)에 대한 마찰력을 최소화할 수 있다.

도 4는 사용자가 본 발명 웨어러블 로봇을 착용하고 제자리에 서 있는 상태를 나타낸 것으로서, 이러한 상태에서 고관절 상측의 허리부위에 배치된 구동부(130)와 하측의 대퇴부에 고정된 제2고정부(120)의 사이 간격은 최대가 된다. 이에 따라 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이에 배치된 연결부재(140)는 도 5와 같이 제2고정부(120)에 연결된 제3단위부재(143)가 확장 방향으로 이동하게 되고, 이 과정에서 연동부(150)의 제2케이블(152)을 통해 상기 제3단위부재(143)와 연결된 제2단위부재(142)가 제3단위부재(143)와 함께 연동하여 확장 방향으로 이동하게 되며, 이 과정에서 제1단위부재(141)와 제2단위부재(142)를 연결하는 탄성부재(144)는 외력에 의해 탄력적으로 인장된 상태가 된다.

이어, 도 8 및 도 9는 보행 동작과 같은 작은 범위의 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화된 상태를 나타낸 것으로서, 연결부재(140)는 구동부(130)의 구동에 의해 회동하면서 제2고정부(120)를 상측으로 들어올려 사용자의 보행 동작에 보조력을 제공할 수 있다. 이때, 구동부(130)와 연결부재(140)의 연결위치가 관절부의 회전중심과 일치하지 않기 때문에, 대퇴부가 상측 방향으로 회동하는 과정에서 제2고정부(120)와 구동부(130)의 사이 간격이 변화하게 되며, 이러한 사이 간격의 변화에 대응하여 연결부재(140)의 길이가 조절될 수 있다.

구체적으로, 도 8과 같이 대퇴부가 고관절을 중심으로 상측 방향으로 회동하는 경우, 대퇴부에 위치한 제2고정부(120)와 허리부위에 위치한 구동부(130) 사이 간격이 줄어들게 되고, 이 과정에서 상기 제2고정부(120)에 연결된 연결부재(140)에는 수축 방향으로 외력이 작용하게 된다.

즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2단위부재(142) 상에서 길이방향을 따라 이동 가능하게 배치된 제3단위부재(143)가 외력에 의해 수축 방향으로 이동하게 되면, 상기 제3단위부재(143)에 연결된 제1케이블(151)의 단부가 수축 방향으로 잡아당겨지게 되고, 이 과정에서 제1케이블(151)을 지지하고 있는 제1도르래(142e)에 수축 방향으로 힘이 작용함에 따라 제1단위부재(141)를 따라 이동 가능하게 배치된 제2단위부재(142)가 제3단위부재(143)와 함께 수축 방향으로 이동하게 된다.

이어, 도 10 및 도 11은 앉는 동작이나 계단 보행과 같은 큰 범위의 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화된 상태를 나타낸 것으로서, 연결부재(140)는 구동부(130)의 구동에 의해 회동하면서 제2고정부(120)를 상측으로 들어올려 사용자의 앉는 동작이나 계단 보행과 같은 동작에 보조력을 제공할 수 있으며, 다단으로 구성되어 수축 상태에서 짧은 길이를 갖는 동시에 큰 스크로크를 제공할 수 있으므로 관절부의 큰 범위의 동작에 대해서도 효과적으로 대응할 수 있다.

구체적으로, 연결부재(140)의 제3단위부재(143)는 대퇴부가 고관절을 중심으로 상측 방향으로 회동하는 과정에서 제2고정부(120)를 통해 인가되는 외력에 의해 수축 방향으로 이동하게 되는데, 이 과정에서 제3단위부재(143)에 연결된 제1케이블(151)의 단부가 수축 방향으로 잡아당겨지게 되면서 제1케이블(151)을 지지하고 있는 제1도르래(142e)에 수축 방향으로 힘이 작용함에 따라 제1단위부재(141)를 따라 이동 가능하게 배치된 제2단위부재(142)가 제3단위부재(143)와 함께 수축 방향으로 이동하게 된다.

여기서, 상기 제3단위부재(143)는 제2단위부재(142)의 일면에 형성된 제2슬릿(142c)을 통해 일부가 외부로 노출된 상태로 이동하는데, 제1단위부재(141)의 일면에는 상기 제2슬릿(142c)과 연통하는 제1슬릿(141c)이 형성되어 있으므로, 상기 제2단위부재(142)가 제1단위부재(141)와 중첩된 상태에서도 상기 제3단위부재(143)가 제2단위부재(142)를 따라 수축 방향으로 이동할 수 있게 된다.

또한, 상기 제2단위부재(142)는 수축 방향으로 이동한 상태에서 수축측 단부가 제1단위부재(141)의 제1-1엔드캡(141a)에 접촉하는 것에 의해 수축 방향으로의 추가 이동이 제한될 수 있으며, 이러한 상태에서는 제1케이블(151) 및 제2케이블(152)을 통해 제2단위부재(142)와 연결된 제3단위부재(143)의 수축 방향으로의 이동 역시 제한될 수 있다.

한편, 상기 제2단위부재(142)는 제1단위부재(141)와 제3단위부재(143)를 연결하는 제1케이블(151)과 제2케이블(152)에 의해 제3단위부재(143)의 양방향 이동에 대하여 연동하도록 구성되므로, 수축 방향으로 이동한 상태에서 자중에 의해 임의로 확장 방향으로 이동하는 것이 방지될 수 있다.

본 실시예의 웨어러블 로봇은 도 8 내지 도 11과 같이 구동부의 정방향 구동에 의해 연결부재가 y축을 중심으로 시계방향으로 회전하면서 대퇴부를 상측으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 연결부재(140)가 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 수축될 수 있다.

반대로, 연결부재(140)는 구동부의 역방향 구동에 의해 y축을 중심으로 반시계방향으로 회전하면서 대퇴부를 하측 방향으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 확장될 수 있다.

즉, 연결부재(140)의 제3단위부재(143)는 대퇴부가 고관절을 중심으로 하측 방향으로 회동하는 과정에서 제2고정부(120)를 통해 인가되는 외력에 의해 확장 방향으로 이동하게 된다. 이때, 제3단위부재(143)에 연결된 제2케이블(152)의 단부가 확장 방향으로 잡아당겨지게 되고, 이 과정에서 제2케이블(152)을 지지하고 있는 제2도르래(142f)에 확장 방향으로 힘이 작용함에 따라 제1단위부재(141)를 따라 이동 가능하게 배치된 제2단위부재(142)가 제3단위부재(143)와 함께 확장 방향으로 이동할 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 따르면, 연동부(150)의 제1케이블(151)을 통해 제3단위부재(143)의 수축 방향 이동에 대하여 제2단위부재(142)를 수축 방향으로 이동시킬 수 있고, 연동부(150)의 제2케이블(152)을 통해 제3단위부재(143)의 확장 방향 이동에 대하여 제2단위부재(142)를 확장 방향으로 이동시킬 수 있다. 이와 같이 제2단위부재(142)와 제3단위부재(143)가 연동부(150)에 의해 서로 연동하여 이동하도록 함으로써, 하나의 탄성부재(144)를 이용해 제2단위부재(142)와 제3단위부재(143)에 각각 탄성력을 제공할 수 있는 것은 물론, 연결부재(140)를 구성하는 다수의 단위부재 중 일부 단위부재가 임의로 동작하지 않도록 할 수 있다.

다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 웨어러블 로봇에 대하여 설명한다.

첨부도면 중 도 12는 본 발명 웨어러블 로봇의 제2실시예에 따른 연결부재의 작용도이다.

본 발명 웨어러블 로봇의 제2실시예에 따른 연결부재(140)는 도 12에 도시된 바와 같이 제1단위부재(141), 제2단위부재(142), 제3단위부재(143), 연동부(150) 및 탄성부재(144)를 포함하며, 상기 연동부(150)는 제1단위부재(141)의 내측면에 길이방향을 따라 배치되는 래크(153), 상기 제2단위부재(142)의 수축측 단부에 배치되고 상기 래크(153)와 맞물리는 피니언(154), 상기 피니언(154)과 함께 회전하는 제1풀리(155), 상기 제2단위부재(142)의 확장측 단부에 배치되는 제2풀리(156) 및 상기 제1풀리(155)와 제2풀리(156)에 감긴 상태로 양단부가 상기 제3단위부재(143)에 고정되는 벨트(157)를 포함하는 점에서 제1실시예와 구성의 차이를 갖는다.

상기 연동부(150)를 제외한 나머지 구성은 상술한 제1실시예와 동일하므로, 동일 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 12의 (a)와 같이 제1단위부재(141), 제2단위부재(142) 및 제3단위부재(143)가 각각 확장 방향으로 이동한 상태에서, 제2단위부재(142)의 수축측 단부에 결합된 피니언(154)은 제1단위부재(141)의 내측면에 마련된 래크(153)와 맞물리고, 상기 제3단위부재(143)는 제2단위부재(142)의 제1풀리(155)와 제2풀리(156)에 감겨진 벨트(157)에 고정되며, 상기 제1풀리(155)는 피니언(154)과 함께 회전하도록 구성된다.

이러한 상태에서 도 12의 (b), (c)와 같이 제3단위부재(143)가 외력에 의해 수축 방향으로 이동하는 과정에서, 제3단위부재(143)에 고정된 벨트(157)에 의해 제1풀리(155)와 제2풀리(156)가 각각 반시계방향으로 회전한다. 이때, 상기 제2단위부재(142)에 지지되고 제1단위부재(141)의 래크(153)에 맞물린 피니언(154)이 제1풀리(155)와 함께 반시계방향으로 회전함에 따라, 상기 제2단위부재(142)가 상기 제3단위부재(143)의 수축 방향 이동에 따라 연동하여 수축 방향으로 이동하게 된다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110:제1고정부, 120:제2고정부, 130:구동부,
140:연결부재, 141:제1단위부재, 141a:제1-1엔드캡,
141b:제1-2엔드캡, 141c:제1슬릿, 142:제2단위부재,
142a:제2-1엔드캡, 142b:제2-2엔드캡, 142c:제2슬릿,
142d:롤러, 142e:제1도르래, 142f:제2도르래,
143:제3단위부재, 143a:슬라이딩패드, 144:탄성부재,
150:연동부, 151:제1케이블, 152:제2케이블,
153:래크, 154:피니언, 155:제1풀리,
156:제2풀리, 157:벨트

Claims

관절부의 일측 신체 부위에 고정되는 제1고정부;
관절부의 타측 신체 부위에 고정되는 제2고정부;
상기 제1고정부에 고정되는 구동부; 및
상기 구동부와 제2고정부를 연결하고 상기 구동부로부터 제공되는 구동력을 제2고정부로 전달하는 연결부재를 포함하며,
상기 연결부재는 일렬로 배치되는 복수의 단위부재 및 상기 복수의 단위부재가 서로 연동하도록 복수의 단위부재를 연결하는 연동부를 포함하는 웨어러블 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 연결부재는 상기 구동부에 지지되는 제1단위부재, 상기 제1단위부재에 이동 가능하게 연결되는 제2단위부재 및 상기 제2단위부재에 이동 가능하게 연결되고 상기 제2고정부에 지지되는 제3단위부재를 포함하는 웨어러블 로봇.
제 2항에 있어서,
상기 연동부는 상기 제2단위부재의 확장측 단부에 지지된 상태로 일단부가 상기 제1단위부재에 고정되고 타단부가 상기 제3단위부재에 고정되는 제1케이블 및 상기 제2단위부재의 수축측 단부에 지지된 상태로 일단부가 상기 제1단위부재에 고정되고 타단부가 상기 제3단위부재에 고정되는 제2케이블을 포함하는 웨어러블 로봇.
제 3항에 있어서,
상기 제2단위부재의 확장측 단부에는 상기 제1케이블을 지지하는 제1도르래가 배치되고, 상기 제2단위부재의 수측측 단부에는 상기 제2케이블을 지지하는 제2도르래가 배치되는 웨어러블 로봇.
제 2항에 있어서,
상기 연동부는 제1단위부재에 길이방향을 따라 배치되는 래크, 상기 제2단위부재의 수축측 단부에 배치되고 상기 래크와 맞물리는 피니언, 상기 피니언과 함께 회전하는 제1풀리, 상기 제2단위부재의 확장측 단부에 배치되는 제2풀리 및 상기 제1풀리와 제2풀리에 감긴 상태로 양단부가 상기 제3단위부재에 고정되는 벨트를 포함하는 웨어러블 로봇.
제 2항에 있어서,
상기 제2단위부재의 일측에는 상기 제3단위부재의 이동을 안내할 수 있는 제2슬릿이 형성되고, 상기 제1단위부재의 일측에는 상기 제2단위부재와 중첩 상태에서 상기 제2슬릿과 연통하는 제1슬릿이 형성되는 웨어러블 로봇.
제 2항에 있어서,
상기 제2단위부재 또는 제3단위부재를 수축방향으로 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하는 웨어러블 로봇.
제 2항에 있어서,
상기 제2단위부재는 상기 제1단위부재와의 접촉면에서 구름운동하는 롤러를 더 포함하는 웨어러블 로봇.
제 2항에 있어서,
상기 제3단위부재는 상기 제2단위부재와의 접촉면에서 미끄럼운동하는 슬라이딩패드를 더 포함하는 웨어러블 로봇.