KR20240124168A - 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇 - Google Patents

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KR20240124168A
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ankle joint
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wearable robot
insole
flexible hinge
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KR1020230131543A
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박용래
백영준
김재진
이민희
황성재
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇은 신발 내 삽입되어 발바닥을 지지하는 인솔 구조부, 발목 위를 감싸며 고정 장착되는 정강이 구조부, 발목 관절 양측에서 상기 인솔 구조부 및 상기 정강이 구조부 사이를 연결하고, 유연 소재로 형성되어 상기 발목 관절의 움직임에 따라 굽혀지는 유연 힌지부 및 보행 동작에 따라 상기 인솔 구조부를 상측으로 잡아당겨 보행을 보조하는 주행보조 동력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇{WEARABLE ROBOT FOR ANKLE JOINT ASSISTANCE}
본 발명은 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신체에 착용되어 발목 관절 움직임(보행)을 보조할 수 있는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇에 관한 것이다.
고령화로 인해 뇌졸증 환자가 증가하고 있는데, 뇌졸증 후 30% 정도의 환자는 완전히 회복하지 못하고 편마비 증상이 남아 일상생활동작(Activities of Daily Living, ADL)에 어려움을 겪는 것으로 알려져 있다. 이때, 신체의 말단으로 갈수록 마비의 정도가 심하여 특히 손과 발의 움직임에 제한을 갖는다.
편마비 환자의 일상생활 회복을 위해 보행 보조장치에 대한 수요가 증가하고 있으나, 과도한 비용으로 공급이 원활하지 못한 상황이다.
보행 보조로봇으로 Rigid exoskeleton 방식과 Soft exosuit 방식의 웨어러블 로봇이 알려져 있다.
Rigid exoskeleton 방식은 강성이 강한 재질로 신체를 감싸는 구조로 형성되어 로봇의 움직임에 따라 사람의 움직임 동작이 구현되어 강한 보조력을 제공할 수 있으나 움직임이 제한되는 문제가 있다. 또한, 사람마다 신체 크기 및 모양이 다르기 때문에, 전용으로 제작되지 않는 한 신체의 관절과 로봇의 관절을 정확하게 정렬시키기가 어렵다는 문제가 있다. 나아가, 무겁고 부피가 커, 착용자에게 거부감이 강하게 발생하는 문제도 있다.
케이블 연결구조를 기반으로 하는 Soft exosuit 방식은 Rigid exoskeleton 방식에 비해 관절 순응도가 높고, 별도의 지지구조가 없어서 부피가 작고 가벼운 장점이 있다. 하지만, 별도의 지지 구조가 없어서 강한 보조력을 제공할 수 없다는 문제가 있다. 별도의 지지 구조가 없어서 더 큰 힘을 보조하기 위해서는 종아리와 같은 신체에 더 세게 조아 고정시켜야 하는데, 이는 착용자에게 불편을 유발하고 심할 경우 피부에 손상을 가할 수 있다.
이에, 본 발명에서는 두 방식의 장점을 모두 가지도록, Rigid exoskeleton 방식처럼 구조적으로 지지함으로써 강한 보조력을 제공할 수 있고, 신체 관절과 정렬될 수 있는 범위를 확장하여 관절 순응도를 높이는 웨어러블 보행 보조로봇을 제안하고자 한다.
대한민국 등록특허 제10-1142240호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인솔 구조부와 정강이 구조부 사이에 발목 관절 양측에 배치되는 유연 재질의 유연 힌지부가 형성됨에 따라서 발목과 정렬될 수 있는 범위를 확장함으로써 관절 순응도를 높이고, Rigid exoskeleton 방식처럼 구조적으로 지지함으로써 강한 보조력을 제공할 수 있는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 신발 내 삽입되어 발바닥을 지지하는 인솔 구조부; 발목 위를 감싸며 고정 장착되는 정강이 구조부; 발목 관절 양측에서 상기 인솔 구조부 및 상기 정강이 구조부 사이를 연결하고, 유연 소재로 형성되어 상기 발목 관절의 움직임에 따라 굽혀지는 유연 힌지부; 및 보행 동작에 따라 상기 인솔 구조부를 상측으로 잡아당겨 보행을 보조하는 주행보조 동력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 인솔 구조부는 신발 내 삽입되어 발바닥 아래의 안창을 형성하는 인솔 베이스; 및 상기 인솔 베이스 후단부로부터 발목을 향하여 상측으로 연장되어 상기 유연 힌지부가 고정되는 힌지 서포트를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 유연 힌지부는 발목의 위치에 따라서 굽힘 위치가 달라지도록 긴 막대 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 유연 힌지부는 보행방향 전후면의 폭이 좌우 양측면의 폭보다 넓게 형성될 수 있다.
여기서, 내측과 외측의 상기 유연 힌지부의 길이는 서로 다를 수 있다.
여기서, 내측에 위치하는 상기 유연 힌지부의 길이가 외측에 위치하는 상기 유연 힌지부의 길이보다 짧을 수 있다.
여기서, 상기 주행보조 동력부는 상기 인솔 베이스에 연결되는 케이블 및 상기 케이블을 잡아 당기는 힘을 제공하는 모터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 케이블은 상기 인솔 베이스의 전방부에 연결되는 제1 케이블 및 상기 인솔 베이스의 후방부에 연결되는 제2 케이블을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인솔 구조부는 상기 인솔 베이스의 중앙부 양측에 연장되는 힘전달 스트랩을 더 포함하고, 상기 케이블은 상기 힘전달 스트랩의 전방부에 연결되는 제1 케이블 및 상기 힘전달 스크랩의 후방부에 연결되는 제2 케이블을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인솔 베이스의 복수의 지점에 배치되어 압력의 변화로 보행 동작을 파악하는 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압력 센서는 상기 인솔 베이스의 발 길이 방향으로 상기 힘전달 스트랩이 형성되지 않는 영역에 배치될 수 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 관절을 형성하는 제1 신체부위와 제2 신체부위에 각각 장착되는 제1 구조부 및 제2 구조부; 상기 관절 양측에서 상기 제1 구조부 및 상기 제2 구조부 사이를 연결하고, 유연 소재로 형성되어 상기 관절의 움직임에 따라 굽혀지는 유연 힌지부; 및 상기 제1 신체부위 또는 상기 제2 신체부위의 움직임에 따라 상기 제1 구조부 또는 상기 제2 구조부를 잡아 당겨 움직임을 보조하는 움직임 보조 동력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇에 의해 달성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇에 따르면 유연 힌지부에 의해 발목과 정렬되어 굽혀지는 범위를 확장하여 관절 순응도를 높이고, Rigid exoskeleton 방식처럼 구조적으로 지지함으로써 강한 보조력을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 기존 Rigid exoskeleton 방식에 비해 구조가 간단하고 가볍다는 장점도 있다.
또한, 실내에서는 신발에 부착하지 않고 착용이 가능하며, 기존 신발에 간단하게 삽입시켜 사용할 수도 있다는 장점도 있다.
또한, 유연 힌지부의 길이, 폭, 두께에 따라 지지력, 자유도, 움직임 범위를 다양하게 조절할 수 있으며, 발목 관절 양측의 유연 힌지부 길이를 다르게 형성하여 양측의 길이에 따라 supination/pronation 움직임에 대한 축 기울기를 조절할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇의 착용부의 사시도 및 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇의 실제 제작된 모습 및 착용 상태를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 유연 힌지부의 구성을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 압력 센서의 배치를 설명하는 도면이고, 도 5는 압력 센서와 힘전달 스트랩을 함께 도시하는 도면이다.
도 6은 보행을 할 때 압력 센서 및 IMU 센서의 센서 값 변화를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 보행 상태에 따라 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇의 주행보조 동력부의 동작을 설명하는 도면이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇의 착용부의 사시도 및 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇의 실제 제작된 모습 및 착용 상태를 도시하고, 도 3은 본 발명에 따른 유연 힌지부의 구성을 설명하는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 압력 센서의 배치를 설명하는 도면이고, 도 5는 압력 센서와 힘전달 스트랩을 함께 도시하는 도면이고, 도 6은 보행을 할 때 압력 센서 및 IMU 센서의 센서 값 변화를 도시하는 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 보행 상태에 따라 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇의 주행보조 동력부의 동작을 설명하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발목 관절을 위한 웨어러블 로봇은 인솔 구조부(110), 정강이 구조부(120), 유연 힌지부(130) 및 주행보조 동력부를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 센서부를 더 포함할 수 있다.
인솔 구조부(110)와 정강이 구조부(120)는 신체에 착용되어 착용부를 구성한다. 참고로, 도 1에서는 인솔 구조부(110) 및 정강이 구조부(120)를 포함하는 착용부만 도시되어 있고, 케이블을 포함하는 주행보조 동력부의 구성은 도시되어 있지 않다.
인솔 구조부(110)는 신발 내 삽입되어 발바닥을 지지할 수 있다. 보다 자세히는, 상기 인솔 구조부(110)는 인솔 베이스(112) 및 힌지 서포트(114)를 포함하여 구성될 수 있다. 인솔 베이스(112)는 신발 내 삽입되어 발바닥 아래의 안창을 형성한다. 인솔 베이스(112) 소정의 영역에는 후술하는 압력 센서(142)가 배치될 수 있다. 힌지 서포트(114)는 인솔 베이스(112) 후단부(발 뒤꿈치 쪽)로부터 상측으로 연장되어 발목 부위에서 후술하는 유연 힌지부(130)가 고정될 수 있도록 한다. 즉, 힌지 서포트(114)는 유연 힌지부(130)에 의해 정강이 구조부(120)와 연결시키도록 인솔 베이스(112)로부터 발목을 향하여 연장되는 구조물이다. 힌지 서포트(114)는 신발 내에 착용 가능하도록 얇은 구조로 형성되며, 신발 및 신체 구조에 따라 곡면형으로 형성될 수 있다.
인솔 베이스(112)는 기존 신발 안창과 같은 재질로 형성될 수 있으며, 힌지 서포트(114)는 비교적 강성이 강한 재질로 형성될 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명에 따른 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇은 인솔 구조부(110)가 신발 내에 장착되도록 구성되어, 별도의 전용 신발이 필요가 없고 착용자가 기존에 사용해 왔던 신발에 장착하여 사용될 수 있다. 또한, 실내에서 사용할 때에는 인솔 구조부를 별도의 신발에 장착할 필요 없이 착용이 가능하다.
도 2에 별도로 파란색으로 표시된 부분은 신발 내측에서 인솔 베이스(112)로부터 연장된 스트랩 형태의 조임 밴드(116)를 나타내는데, 조임 밴드(116)가 발등을 감싸도록 조여서 인솔 구조부(110)가 발에 정렬될 수 있도록 한다.
정강이 구조부(120)는 발목 위 정강이 부위를 감싸며 고정 장착된다. 정강이 부위를 감싸며 고정될 수 있도록 전면부 일측이 후면부에 힌지 고정되어 회동하는 구조로 형성될 수 있으며 타측에는 벨크로 또는 고정 버클 등으로 후면부와의 고정 구조가 형성될 수 있다.
유연 힌지부(130)는 발목 관절 양측에서 인솔 구조부(110) 및 정강이 구조부(120) 사이를 연결하고, 유연 소재로 형성되어 발목 관절의 움직임에 따라 굽혀질 수 있다. 유연 힌지부(130)는 아주 적은 힘으로 굽어지는 소재로 형성되면 안되며, 적절한 강성을 가지도록 하여 인솔 구조부(110)와 정강이 구조부(120) 사이를 지지하되 발목 관절의 움직임에 따라서 굽혀질 수 있는 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에서 유연 힌지부(130)는 탄소 강화 나일론 재질로 형성될 수 있다.
유연 힌지부(130)는 발목의 위치에 따라서 굽힘 위치가 달라지도록 긴 막대 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 유연 힌지부(130)의 상단은 정강이 구조부(120)에 고정되고, 유연 힌지부(130)의 하단은 인솔 구조부(110)의 힌지 서포트(114)에 고정될 수 있다. 유연 힌지부(130)는 착용자의 발목 움직임에 따라서 굽혀지는 것으로 발목 양측의 내측 복사뼈와 외측 복사뼈 옆에 위치하는 것이 바람직하다. 하지만, 착용자에 따라 신체 크기 및 모양이 다르기 때문에 유연 힌지부(130) 정중앙이 정확하게 내측 복사뼈와 외측 복사뼈 옆에 위치할 수 없다. 하지만, 본 발명에서 유연 힌지부(130)가 상하 방향으로 긴 막대 형상으로 형성됨에 따라서 길이 방향으로 굽힘축의 자유도가 있다. 따라서, 착용자에 따라 발목 위치가 다소 다르더라도 서로 다른 위치에서 유연 힌지부(130)가 굽혀질 수가 있어서, 발목 관절과 정렬될 수 있는 범위를 확장하여 관절 순응도를 높일 수가 있다.
또한, 적절한 강성을 가지는 유연 힌지부(130)는 인솔 구조부(110)와 정강이 구조부(120) 사이에서 압축력을 견딜 수 있도록 설계되어, 종래의 soft exosuit 방식과 같이 종아리를 강하게 조이지 않고도 큰 힘을 보조할 수 있다.
도 3에 도시되어 있는 것과 같이, 유연 힌지부(130)는 직사각 단면으로 직교이방성을 가지도록 설계될 수 있다. 또한, 유연 힌지부(130)는 보행 방향인 전후면의 폭이 좌우 양측면의 폭보다 넓게 형성되는 것이 바람직하다. 유연 힌지부(130)가 직사각 단면으로 형성되는 경우, 전후면이 두껍고 양측면이 얇은 형태의 직사각 기둥 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 얇은 단면이 굽혀지는 방향인 sagittal plane 상의 움직임인 dorsiflexion, plantar flexion 움직임은 자유롭고, 두꺼운 단면이 굽혀지는 방향인 inversion-eversion 움직임은 제한하여 발목의 안정성을 높일 수 있다.
이때, 도 3의 (a)에 도시되어 있는 것과 같이 유연 힌지부(130)는 발목 양측이 같은 형태로 형성될 수 있다.
또는, 도 3의 (b)에 도시되어 있는 것과 같이 유연 힌지부(130)는 발목 양측이 서로 길이가 다른 형태로 형성될 수도 있다. 이때, 내측(내측 복사뼈)에 위치하는 유연 힌지부(130)의 길이가 외측에 위치하는 유연 힌지부(130)의 길이보다 짧게 형성될 수 있다. 이 경우, sagittal plane에서 벗어난 움직임(supination/pronation)을 형성할 수 있는데, 양측이 길이에 따라서 supination/pronation시 축 기울기를 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 유연 힌지부(130)의 길이, 폭, 두께에 따라 지지력, 자유도, 움직임 범위를 조절할 수 있다.
주행보조 동력부는 보행 동작에 따라 인솔 구조부(110)를 상측으로 잡아당겨 보행을 보조한다. 주행보조 동력부는 케이블(152) 및 모터(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 케이블(152) 일측은 인솔 베이스(112)에 연결되고, 타측은 케이블(152)을 잡아 당기는 힘을 제공하는 모터에 연결될 수 있다. 따라서, 보행 중에 모터가 케이블(152)을 잡아 당기는 힘에 의해 인솔 베이스(112)를 위로 잡아 당겨 보행 중 보조력을 제공할 수 있다. 도시되어 있지 않지만, 모터는 신체 상부에 별도로 고정되거나 박스 형태의 가방에 배치되어 신체에 착용될 수 있다.
케이블(152)은 인솔 베이스(112)의 전방부에 연결되는 제1 케이블(152a) 및 인솔 베이스(112)의 후방에 연결되는 제2 케이블(152b)로 형성될 수 있다. 이때, 제1 케이블(152a)은 인솔 베이스(112)의 전방부 양측 가장자리에 한 쌍으로 형성될 수 있고, 제2 케이블(152b)도 인솔 베이스(112)의 후방부 양측 가장자리에 한 쌍으로 형성될 수 있다. 제1 케이블(152a)에 연결되는 모터와 제2 케이블(152b)에 연결되는 모터가 각각 배치될 수 있다.
도 7의 (a)에 도시되어 있는 것과 같이 발뒤꿈치가 지면에 지지되고 발앞부분이 지면으로부터 지지된 후 떨어지는 상태(발뒤꿈치만 지지되는 상태)와, 발앞부분이 지면에 지지되고 발뒤꿈치는 지면으로부터 지지된 후 떨어지는 상태(발앞부분만 지지되는 상태)가 양측 발에 반복되며 보행이 진행된다. 이때, 발뒤꿈치만 지지되고 발앞부분이 지면으로부터 떨어질 때 인솔 베이스(112) 전방부에 연결되는 제1 케이블(152a)을 당기고, 발앞부분만 지지되고 발뒤꿈치가 지면으로부터 떨어질 때 인솔 베이스(112) 후방부에 연결되는 제2 케이블(152b)을 당겨서 착용자에게 보행시 발의 dorsiflexion, plantar flexion 움직임에 대하여 보조력을 제공할 수 있다.
이때, 도 2 및 도 5에 별도로 표시하고 있는 것과 같이, 인솔 베이스(112)의 중앙부 양측에서 연장되는 힘전달 스트랩(118)이 형성되고, 제1 케이블(152a)은 힘전달 스트랩(118)의 전방부에 연결되고, 제2 케이블(152b)은 힘전달 스트랩(118)의 후방부에 연결되는 형태로 케이블(152)을 인솔 구조부(110)에 연결시킬 수 있다.
또한, 인솔 베이스(112)에는 보행 동작을 파악하기 위한 압력 센서(142)가 배치될 수 있다. 이때, 인솔 베이스(112)의 복수의 지점에 압력 센서(142)가 배치될 수 있는데, 전술한 힘전달 스트랩(118)은 발바닥의 중앙부에 배치시켜 발앞부분과 발뒷꿈치에는 케이블(152)에 의한 직접적인 힘전달을 방지함과 동시에, 도 4 및 도 5에 도시되어 있는 것과 같이 압력 센서(142)는 힘전달 스트랩(118)이 배치되지 않은 발앞부분과 발뒷꿈치 쪽(heel, metatarsal, toe)에 배치시키도록 한다. 즉, 본 실시예에서는 인솔 베이스(112)의 발 길이 방향으로 힘전달 스트랩(118)이 형성되는 중앙 영역에는 압력 센서(142)를 배치하지 않고, 이외의 영역에 압력 센서(142)를 배치한다. 이는 케이블(152)이 당겨져서 보행을 보조할 때, 보조력에 의해 압력 센서(142)의 값이 영향을 받는 것을 최소화하여 보행 상태를 정확하게 파악할 수 있도록 하기 위함이다.
센서부는 보행 중 보행 상태를 파악한다. 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 보행 중에는 좌우 양측의 발이 지면과 닿은 부분이 연속적으로 달라지게 되는데, 센서부는 감지되는 센서값으로부터 현재의 보행 상태를 파악하여, 주행보조 동력부의 움직임을 제어하여 주행을 보조할 수 있다.
본 발명에서 센서부는 전술한 바와 같이 인솔 베이스(112)에 배치되는 압력 센서(142)와 함께 IMU 센서(144)로 구성될 수 있다. 압력 센서(142)로부터 해당 발바닥 부위의 지면 반발력(ground reaction force)을 파악할 수 있고, 다리에 부착된 IMU 센서(144)로부터 다리의 움직임 방향(limb orientation)을 감지할 수 있다. 이때, 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 보행 상태에 따라 압력 센서(142)로부터 측정되는 값과 IMU 센서(144)로부터 측정되는 값이 각각 달라져, 측정되는 센서 값 또는 센서값의 변화 추이를 파악하여 현재 보행 상태를 파악할 수 있다. 이와 같이 센서부로부터 보행 상태를 파악하여, 보행 상태에 따라서 제1 케이블(152a)을 잡아 당기거나 제2 케이블(152b)을 잡아당기도록 모터를 제어하여 보행시 적절한 보조력을 제공할 수 있다.
센서부는 인솔 베이스(112)에 배치되는 압력 센서(142)만으로도 구성될 수 있으나, 본 실시예에서와 같이 다리에 부착되는 IMU 센서(144)를 더할 경우 보행 동작을 보다 정확하게 파악할 수 있다.
본 발명에 따른 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇은 뇌졸증 후 반신마비 환자의 보행을 보조하기 위해 사용될 뿐만 아니라, 단순 보조를 넘어 재활 훈련에도 사용 가능하다. 또한, 정상인의 근력 증강을 위한 운동 보조장치로도 사용이 가능하다.
나아가, 전술한 실시예에서는 발목 관절의 움직임에 따른 보행을 보조하는 웨어러블 로봇을 설명하였으나, 발목이 아닌 무릎 또는 팔꿈치와 같은 다른 관절의 움직임을 보조하는 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇으로 변형이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇은 제1 구조부, 제2 구조부, 유연 힌지부, 및 움직임 보조 동력부를 포함하여 구성될 수 있다.
관절을 형성하는 제1 신체부위와 제2 신체부위에 각각 장착되는 제1 구조부 및 제2 구조부, 상기 관절 양측에서 제1 구조부 및 제2 구조부 사이를 연결하고, 유연 소재로 형성되어 상기 관절의 움직임에 따라 굽혀지는 유연 힌지부(130) 및 제1 신체부위 또는 제2 신체부위의 움직임에 따라 제1 구조부 또는 제2 구조부를 잡아 당겨 제1 신체부위 또는 제2 신체부위의 움직임을 보조하는 움직임 보조 동력부를 포함하여 구성될 수 있다. 전술한 실시예와 마찬가지로 움직임 보조 동력부는 케이블 및 모터로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇이 무릎 움직임을 보조하기 위한 것이라면 상기 제1 신체부위와 상기 제2 신체부위는 각각 무릎 위 허벅지 및 무릎 아래 정강이 일 수 있다.
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: 인솔 구조부
112: 인솔 베이스
114: 힌지 서포트
116: 조임 밴드
118: 힘전달 스트랩
120: 정강이 구조부
130: 유연 힌지부
142: 압력 센서
144: IMU 센서
152: 케이블

Claims (12)

  1. 신발 내 삽입되어 발바닥을 지지하는 인솔 구조부;
    발목 위를 감싸며 고정 장착되는 정강이 구조부;
    발목 관절 양측에서 상기 인솔 구조부 및 상기 정강이 구조부 사이를 연결하고, 유연 소재로 형성되어 상기 발목 관절의 움직임에 따라 굽혀지는 유연 힌지부; 및
    보행 동작에 따라 상기 인솔 구조부를 상측으로 잡아당겨 보행을 보조하는 주행보조 동력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 인솔 구조부는
    신발 내 삽입되어 발바닥 아래의 안창을 형성하는 인솔 베이스; 및
    상기 인솔 베이스 후단부로부터 발목을 향하여 상측으로 연장되어 상기 유연 힌지부가 고정되는 힌지 서포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유연 힌지부는 발목의 위치에 따라서 굽힘 위치가 달라지도록 긴 막대 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 유연 힌지부는 보행방향 전후면의 폭이 좌우 양측면의 폭보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  5. 제3 항에 있어서,
    내측과 외측의 상기 유연 힌지부의 길이는 서로 다른 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  6. 제5 항에 있어서,
    내측에 위치하는 상기 유연 힌지부의 길이가 외측에 위치하는 상기 유연 힌지부의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 주행보조 동력부는 상기 인솔 베이스에 연결되는 케이블 및 상기 케이블을 잡아 당기는 힘을 제공하는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 케이블은 상기 인솔 베이스의 전방부에 연결되는 제1 케이블 및 상기 인솔 베이스의 후방부에 연결되는 제2 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 인솔 구조부는 상기 인솔 베이스의 중앙부 양측에 연장되는 힘전달 스트랩을 더 포함하고,
    상기 케이블은 상기 힘전달 스트랩의 전방부에 연결되는 제1 케이블 및 상기 힘전달 스크랩의 후방부에 연결되는 제2 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 인솔 베이스의 복수의 지점에 배치되어 압력의 변화로 보행 동작을 파악하는 압력 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 상기 인솔 베이스의 발 길이 방향으로 상기 힘전달 스트랩이 형성되지 않는 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
  12. 관절을 형성하는 제1 신체부위와 제2 신체부위에 각각 장착되는 제1 구조부 및 제2 구조부;
    상기 관절 양측에서 상기 제1 구조부 및 상기 제2 구조부 사이를 연결하고, 유연 소재로 형성되어 상기 관절의 움직임에 따라 굽혀지는 유연 힌지부; 및
    상기 제1 신체부위 또는 상기 제2 신체부위의 움직임에 따라 상기 제1 구조부 또는 상기 제2 구조부를 잡아 당겨 움직임을 보조하는 움직임 보조 동력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇.
KR1020230131543A 2023-02-07 2023-10-04 발목 관절 보조를 위한 웨어러블 로봇 KR20240124168A (ko)

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