WO2022114554A1 - 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치 - Google Patents

착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치 Download PDF

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WO2022114554A1
WO2022114554A1 PCT/KR2021/015328 KR2021015328W WO2022114554A1 WO 2022114554 A1 WO2022114554 A1 WO 2022114554A1 KR 2021015328 W KR2021015328 W KR 2021015328W WO 2022114554 A1 WO2022114554 A1 WO 2022114554A1
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WO
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harness
wearer
wire
waist
actuator
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/015328
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English (en)
French (fr)
Inventor
조정산
김진현
김정영
윤성운
Original Assignee
한국생산기술연구원
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Publication date
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/14—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements fluid

Definitions

  • the present invention relates to a wearable device for assisting a wearer's muscle strength, and more particularly, to a wearable device for assisting a wearer's waist and leg muscle strength.
  • a muscle support device or an exoskeleton device is being developed.
  • Such a strength assisting device or exoskeleton device is provided with an actuator such as a motor to actively assist the wearer's muscular strength.
  • the conventional strength assistance device when the wearer wears the conventional strength assistance device and does not perform an operation that applies force to the waist or legs, the conventional strength assistance device has a problem in that the wearer's natural motion is rather hindered.
  • An object of the present invention is to provide a wearable device for assisting a wearer's muscular strength, which improves wearability by preventing an increase in weight due to a plurality of actuators, in order to solve the above problems.
  • Another object of the present invention is to provide a wearable device for assisting the wearer's muscular strength that does not interfere with the wearer's natural motion when the wearer does not perform an operation that applies force to the waist or legs.
  • a wearable device for assisting a wearer's muscular strength includes: an upper harness worn on the wearer's upper body; A flexible comprising a plurality of support members coupled to the upper harness, adjacently arranged in a line along the wearer's spine, and a wire coupled with the plurality of support members to provide rigidity or flexibility between the plurality of support members. link structure;
  • It is coupled with the flexible link structure may include an actuator coupled to any one of the upper harness or the waist harness in order to operate the wire of the flexible link structure.
  • the wearable device for assisting the wearer's muscular strength is coupled with a lower harness worn on one side of the wearer's lower body and the lower harness, is connected to the wire and according to the operation of the actuator, together with the flexible link structure It may further include a tendon member for providing an assistive force to the wearer.
  • the wearable device for assisting the wearer's muscle strength may further include a tendon actuator connected to the tendon member and operating the tendon member.
  • the actuator may be a linear actuator which is any one of a hydraulic cylinder, a pneumatic cylinder, or a ball screw motor.
  • the wearable device for assisting the wearer's muscle strength may include: a cylinder coupled to one of the upper harness and the waist harness; and a piston reciprocally moved inside the cylinder, wherein the cylinder is coupled to the upper harness, and one end of the wire may be connected to the piston.
  • the tendon member connected to the wire pulls the lower harness in the first direction
  • the cylinder moves Pulled in the second direction opposite to the first direction
  • the flexible link structure is compressed between the cylinder and the waist harness and becomes in a rigid state to support the waist of the wearer
  • the tendon member pulls the lower harness in the first direction to provide an auxiliary force to the thigh of the wearer
  • the tendon member releases the force pulling the lower harness in the first direction, and the force pulling the lower harness in the first direction is released, the force pulling the cylinder in the second direction is released, and the As the force pulling the cylinder in the second direction is released, the flexible link structure is in a flexible state between the upper harness and the waist harness, and in the flexible link structure in a flexible state, the tendon member is in the lower harness
  • the cylinder is coupled to the waist harness, one end of the wire is connected to an upper support member arranged on an upper side of the plurality of support members, and the other end of the wire is connected to the cylinder, and the tendon member One end may be connected to the piston, and the other end of the tendon member may be connected to the lower harness.
  • the actuator may include a motor; and a wire pulley connected to one side of the motor and around which the wire is wound.
  • a waist harness worn on the wearer's waist wherein the motor is coupled to the waist harness, and one end of the wire is connected to an upper support member arranged on an upper side of the plurality of support members, and the wire the other end is connected to the wire pulley, one end of the tendon member is connected to the wire pulley, the other end of the tendon member is connected to the lower harness, and the wire pulley has a first outer diameter, and the wire is wound a first wire pulley; and a second wire pulley having a second outer diameter smaller than the first outer diameter, and winding the tendon member.
  • the wearable device for assisting the wearer's muscular strength may include: a waist harness worn on the wearer's waist; an EMG sensor disposed on the waist harness and measuring an EMG signal of the wearer; and a control unit for controlling driving of the actuator based on the EMG signal received from the EMG sensor.
  • the flexible link structure and the lower harness are adjusted by the driving force of one actuator to assist the muscular strength of the waist and legs, so that a plurality of actuators The overall weight is reduced and the fit is improved.
  • FIG. 1 is a front view illustrating a state in which a wearable device for assisting a wearer's muscle strength is worn by a wearer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view illustrating a state in which the wearable device for assisting the wearer's muscle strength is worn by the wearer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a front view illustrating a wearable device for assisting a wearer's muscular strength according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view showing a rigid state of the flexible link structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a perspective view showing a flexible state of the flexible link structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a perspective view showing a rigid state of another structure of the flexible link structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a perspective view showing a flexible state of another structure of the flexible link structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing each of a plurality of support members of another structure of the flexible link structure of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a block diagram of a wearable device supporting muscle strength according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams illustrating an operation of a wearable device supporting muscle strength according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a wearable device that assists muscle strength according to the posture of the wearer of FIG. 2 .
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating an actuator of a wearable device supporting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a front view illustrating a wearable device for assisting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • 15 is a perspective view illustrating an actuator of a wearable device supporting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is a perspective view illustrating an actuator of a wearable device supporting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a perspective view illustrating an actuator of a wearable device supporting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a front view illustrating a state in which a wearable device for assisting muscle strength is worn by a wearer according to another embodiment of the present invention.
  • a plurality of support members 140 wire
  • a “module” or “unit” for a component used in an embodiment of the present invention performs at least one function or operation.
  • a “module” or “unit” may perform a function or operation by hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • a plurality of “modules” or a plurality of “units” other than a “module” or “unit” to be performed in specific hardware or to be executed in at least one processor may be integrated into at least one module.
  • the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
  • FIG. 1 is a front view illustrating a state in which a wearable device for assisting a wearer's muscular strength according to an embodiment of the present invention is worn by a wearer
  • FIG. It is a side view showing a worn state
  • Figure 3 is a front view showing a wearable device assisting muscle strength according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a flexible link structure showing a rigid state according to an embodiment of the present invention
  • a perspective view Figure 5 is a perspective view showing a flexible state of the flexible link structure according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a perspective view showing a rigid state of another structure of the flexible link structure according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a perspective view showing a flexible state of another structure of the flexible link structure according to an embodiment of the present invention
  • Figure 8 is a view showing each of a plurality of support members of another structure of the flexible link structure of Figure 7
  • Figure 9 is a block diagram of a wearable device supporting muscle strength according to an embodiment of the
  • the wearable device 100 for assisting muscle strength includes a harness unit 110 , an actuator 120 , a flexible link structure 130 and a tendon member 150 ).
  • the harness unit 110 includes an upper harness 111 worn on the wearer's upper body, a waist harness 112 worn on the wearer's waist, and a lower harness 113 worn on one side of the wearer's lower body.
  • the upper harness 111 has a band shape and surrounds the wearer's upper body.
  • the upper harness 111 is made of a material having a first elastic force.
  • the upper harness 111 is provided as a pair to be hung on both shoulders of the wearer.
  • the upper harness 111 is not limited to being provided as a pair to be hung on both shoulders, and may have various structures to be worn on the upper side of the wearer's body.
  • the upper harness 111 is provided with a fixing plate 111a to which an actuator 120 to be described later is fixed.
  • the waist harness 112 is formed in a belt shape.
  • the waist harness 112 is detachably worn from the wearer's waist.
  • the waist harness 112 is made of a material having a second elastic force. In this case, the second elastic force is equal to or greater than the first elastic force.
  • the waist harness 112 supports the flexible link structure 130 to be described later.
  • the lower harness 113 is formed in a band shape.
  • the lower harness 113 is provided as a pair so as to be detachably worn on one side of the wearer's lower body, for example, both thighs.
  • the lower harness 113 is made of a material having a third elastic force.
  • the third elastic force is equal to or smaller than the first elastic force.
  • the third elastic force is equal to or smaller than the second elastic force.
  • the lower harness 113 made of a material having the third elastic force is the upper harness 111 and the waist harness 112 . ), it expands and contracts smoothly in response to changes in the thickness of the thigh according to the movement of the legs.
  • the actuator 120 may be a hydraulic cylinder including a cylinder 121 and a piston 122 .
  • the cylinder 121 is coupled to the upper harness 111 . At this time, when the upper harness 111 is worn by the wearer, the cylinder 121 is disposed under the back of the wearer's neck.
  • the cylinder 121 has a cylindrical shape. A fluid is accommodated in the cylinder 121 .
  • the cylinder 121 is not limited to being formed in a cylindrical shape, and may be formed in various shapes for accommodating a fluid while having a predetermined length.
  • the cylinder 121 is made of a plastic material.
  • the cylinder 121 is not limited to a plastic material, and may be formed of a light metal material.
  • the piston 122 reciprocates inside the cylinder 121 . At this time, the piston 122 reciprocates inside the cylinder 121 according to the supply and discharge of the internal fluid to the cylinder 121 .
  • the piston 122 is made of a plastic material. However, the piston 122 is not limited to a plastic material, and may be made of a light metal material.
  • the actuator 120 is not limited to a hydraulic cylinder type, and may be various linear actuators such as a pneumatic cylinder or a ball screw motor.
  • the flexible link structure 130 is disposed between the upper harness 111 and the waist harness 112 . At this time, the flexible link structure 130 is disposed along the wearer's waist. As the flexible link structure 130 is pulled or released by the wire 140 to be described later, it becomes a flexible state or is compressed into a rigid state.
  • the flexible link structure 130 is a wire 140 coupled to a plurality of support members (131, 132, 133) and the plurality of support members (131, 132, 133) disposed adjacently in a line along the wearer's spine (140) includes
  • the plurality of support members 131 , 132 , and 133 are briefly illustrated for convenience of understanding of the plurality of support members 131 , 132 and 133 .
  • a more detailed structure of the plurality of support members 131 , 132 , and 133 will be described with reference to the accompanying drawings.
  • the flexible link structure 130 When the plurality of support members (131, 132, 133) are compressed with each other, the flexible link structure 130 is in a rigid state to support the wearer's waist, and the plurality of support members (131, 132, 133) are predetermined. When spaced apart from each other at the interval ( ⁇ t), the flexible link structure 130 is in a flexible state to minimize the restrictions on the wearer's free movement. Meanwhile, in FIG. 3 , for the convenience of understanding the predetermined interval ⁇ t, the predetermined interval ⁇ t is exaggeratedly enlarged.
  • the wire 140 passes through the plurality of support members 131 , 132 , and 133 , and one end of the wire 140 is connected to the piston 122 .
  • the wire 140 is coupled to the plurality of support members 131 , 132 , 133 to provide rigidity or flexibility between the plurality of support members 131 , 132 , 133 .
  • the tendon member 150 is coupled to the lower harness 113 .
  • the tendon member 150 is connected to the wire 140 and moves according to the operation of the actuator 120 .
  • the tendon member 150 is connected to each of the pair of lower harnesses 113 .
  • the tendon member 150 pulls or releases the pair of lower harnesses 113 according to the movement of the piston 122 .
  • the lower harness 113 is provided with a guide member 112b for guiding the tendon member 150 .
  • the flexible link structure 130 includes an upper support member 131 , an intermediate support member 132 and a lower support member 133 .
  • the upper support member 131 is coupled to the cylinder 121 .
  • the lower support member 133 is caught on the waist harness 112 .
  • the intermediate support member 132 is arranged in series between the upper support member 131 and the lower support member 133 .
  • the intermediate support member 132 is configured in plurality.
  • a hemispherical convex portion 132a is formed on one side surface of the intermediate support member 132 .
  • a hemispherical concave portion 132d corresponding to the hemispherical convex portion 132a is formed on the other side surface of the intermediate support member 132 .
  • the intermediate support members 132 adjacent to each other are arranged in a line such that the hemispherical convex portion 132a and the hemispherical concave portion 132d face each other.
  • a hemispherical concave portion 131a corresponding to the hemispherical convex portion 132a of the intermediate support member 132 is formed on the other side surface of the upper support member 131 .
  • the upper support member 131 and the intermediate support member 132 are arranged in a line such that the hemispherical convex portion 132a and the hemispherical concave portion 131a face each other.
  • a hemispherical convex portion 133a corresponding to the hemispherical concave portion 132d of the intermediate support member 132 is formed on one side surface of the lower support member 133 .
  • the lower support member 133 and the intermediate support member 132 are arranged in a line such that the hemispherical concave portion 132d and the hemispherical convex portion 133a face each other.
  • a ring-shaped elastic member 135 is provided between the upper support member 131 , the intermediate support member 132 , and the lower support member 133 .
  • the elastic member 135 is disposed between the upper support member 131 and the intermediate support member 132 , between the adjacent intermediate support members 132 , and between the lower support member 133 and the intermediate support member 132 . ) to prevent slipping between
  • the flexible link structure 130' includes an upper support member 131', an intermediate support member 132' and a lower support member 133'.
  • a hemispherical convex portion 132a' is formed on one side of the intermediate support member 132', and a hemispherical corresponding to the hemispherical convex portion 132a' is formed on the other side of the intermediate support member 132'.
  • a shaped concave portion 132b' is formed.
  • the intermediate support members 132' adjacent to each other are arranged in a line so that the hemispherical convex portion 132a' and the hemispherical concave portion 132b' face each other.
  • a hemispherical concave portion 131a ′ corresponding to the hemispherical convex portion 132a ′ of the intermediate support member 132 ′ is formed on the other side surface of the upper support member 131 ′.
  • the upper support member 131 ′ and the middle support member 132 ′ are arranged in a line such that the hemispherical convex portion 132a ′ and the hemispherical concave portion 131a ′ face each other.
  • a hemispherical convex portion 133a ′ corresponding to the hemispherical concave portion 132b ′ of the intermediate support member 132 ′ is formed on one side surface of the lower support member 133 ′.
  • the lower support member 133' and the intermediate support member 132' are arranged in a line such that the hemispherical concave portion 132b' and the hemispherical convex portion 133a' face each other.
  • an inclined groove portion 132c' inclined outwardly is formed at one end of the intermediate support member 132', and the inclined groove portion 132c' is formed at the other end of the intermediate support member 132'.
  • a stepped portion 132d' located on the opposite side is formed.
  • the inclined groove portion (132c') induces the plurality of support members (131', 132', 133') to be smoothly arranged in a line while minimizing friction with each other in the process of arranging them in a line again in a state misaligned with each other,
  • the stepped portion 132d' maintains a state in which the plurality of support members 131', 132', and 133' are arranged in a line.
  • the upper support member 131' has a first upper hole 131h1', a second upper hole 131h2', and a third upper hole (131h2') through which the wire 140 passes. 131h3') and a fourth upper hole 131h4' are formed.
  • the intermediate support member 132' includes a first intermediate hole 132h1', a second intermediate hole 132h2', a third intermediate hole 132h3', and a fourth intermediate hole 132h4 through which the wire 140 passes. ') is formed.
  • the lower support member 132' includes a first lower hole 133h1', a second lower hole 133h2', a third lower hole 133h3', and a fourth lower hole 133h4 through which the wire 140 passes. ') is formed.
  • the wire 140 has a first wire 141 , a second wire 142 , a third wire 143 having one end connected to the actuator 120 and the other end connected to the tendon member 150 , and and a fourth wire 144 .
  • the first wire 141 sequentially passes through the first upper hole 131h1 ′, the first middle hole 132h1 ′, and the first lower hole 133h1 ′.
  • the second wire 142 sequentially passes through the second upper hole 131h2', the second middle hole 132h2', and the second lower hole 133h2'.
  • the third wire 143 sequentially passes through the third upper hole 131h3', the third intermediate hole 132h3', and the third lower hole 133h3'.
  • the fourth wire 144 sequentially passes through the fourth upper hole 131h4', the fourth middle hole 132h4', and the fourth lower hole 133h4'.
  • the flexible link structure 130' shown in FIGS. 6 to 8 is the shape and structure of the plurality of support members 131', 132', 133' and a plurality of wires 141, 142, 143, 144 ) to provide rigidity or flexibility between the plurality of support members 131', 132', and 133' by means of which a driving similar to that of the human spine can be shown.
  • the harness unit 110 is provided with an EMG sensor 170 , a control unit 160 , and a power supply unit 161 .
  • the EMG sensor 170 is disposed on the waist harness 112 .
  • the EMG sensor 170 measures the EMG signal of the wearer.
  • the control unit 160 controls the driving of the actuator 120 based on the EMG signal from the EMG sensor 170 .
  • control unit 160 determines whether the EMG signal corresponds to a case where the wearer applies force to the abdomen, and drives the actuator 120 so that the flexible link structure 130 is the wearer of the waist and the lower harness 113 assists the muscle strength of the thigh.
  • control unit 160 controls the actuator 120 to convert the flexible link structure 130 to a flexible state and the lower portion Release the force pulling the harness (113).
  • the power supply unit 161 is electrically connected to the control unit 160 and electrically connected to the actuator 120 .
  • the power supply unit 161 supplies the actuator 120 with power for driving the actuator 120 according to the control signal of the control unit 160 .
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams illustrating an operation of a wearable device supporting muscle strength according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10 and 11 An operation of the wearable device 100 that assists muscle strength according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10 and 11 .
  • the lower harness 113 pulls the piston 122 by the reaction of the force that the piston 122 pulls the lower harness 113 .
  • the cylinder 121 moves in the opposite direction to the first direction (1). You will receive a reaction force in the 2nd direction (2). That is, the cylinder 121 is pulled in the second direction (2) by the reaction.
  • the flexible link structure 130 As the cylinder 121 is pulled in the second direction (2), the flexible link structure 130 is moved by receiving a force in the second direction (2) by the cylinder 121 . At this time, the waist harness 112 performs the function of a stopper to limit the movement of the flexible link structure (130). That is, the flexible link structure 130 is compressed between the cylinder 121 and the waist harness 112 to be in a rigid state. Accordingly, the flexible link structure 130 supports the wearer's waist to prevent damage to the waist according to the wearer's motion (eg, getting up, lifting an object, etc.).
  • the lower harness 113 assists the muscle strength of the wearer's thigh.
  • the piston 122 is moved in the second direction (2). As the piston 122 moves in the second direction (2), the force of the tendon member 150 pulling the lower harness 113 in the first direction (1) is released.
  • the force pulling the lower harness 113 in the first direction (1) is released, the force pulling the cylinder 121 in the second direction (2) is released.
  • the flexible link structure 130 is in a flexible state between the cylinder 121 and the waist harness 112 . Accordingly, the wearer is out of the state supported by the flexible link structure 130, the flexible link structure 130 does not limit the wearer's free movement.
  • the tendon member 150 releases the force pulling the lower harness 113 in the first direction (1). Accordingly, the lower harness 113 does not limit the movement of the wearer's thigh.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a wearable device that assists muscle strength according to the posture of the wearer of FIG. 2 .
  • Fig. 12 (a) shows the wearer's sitting posture
  • Fig. 12 (b) shows the wearer's rising from the sitting position
  • Fig. 12 (c) shows the wearer's waist stretched
  • Fig. (d) of 12 shows the posture in which the wearer is standing.
  • the actuator 120 applies a force in the second direction (2). That is, the actuator 120 applies a force to the flexible link structure 130 in the second direction (2).
  • the flexible link structure 130 is compressed between the actuator 120 and the waist harness 112 to be in a rigid state. Accordingly, the flexible link structure 130 in a rigid state supports the wearer's waist, and stably maintains the wearer's rising posture.
  • the actuator 120 releases the wire 140 . Then, the force of the tendon member 150 connected to the wire 140 pulling the lower harness 113 in the first direction (1) is released. At this time, the force applied by the actuator 120 in the second direction (2) is released. That is, the actuator 120 is the force applied to the flexible link structure 130 is released, the flexible link structure 130 is a flexible state between the actuator 120 and the waist harness 112. Accordingly, the wearer is out of the state of supporting the waist by the flexible link structure 130, so that a free operation is possible.
  • the tendon member 150 releases the force pulling the lower harness 113 in the first direction (1). Accordingly, the wearer is freed from the force applied to the thigh by the lower harness 113, and free movement is possible.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating an actuator of a wearable device supporting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • the actuator 220 of the wearable device for assisting muscle strength according to another embodiment of the present invention is a rotary motor, unlike the hydraulic cylinder described above.
  • the description of the components of the wearable device that assists muscle strength according to another embodiment of the present invention with respect to the same or similar components as the components of the above-described embodiment will be replaced with the above description and focus on the actuator 220 to be explained as
  • the actuator 220 includes a motor 221 and a wire pulley 222 .
  • the motor 221 is coupled to the upper harness 111 (refer to FIG. 2 ).
  • the motor 221 is an electric motor that receives power and provides rotational force.
  • the wire pulley 222 is connected to one side 221a of the motor 221 .
  • the wire pulley 222 has a cylindrical shape.
  • the wire 240 is wound around the outer peripheral surface of the wire pulley 222 .
  • the wire pulley 222 is not limited to being formed in a cylindrical shape, and may have various structures around which the wire 240 can be wound.
  • One end of the wire 240 is connected to the wire pulley 222 , and the other end of the wire 240 is connected to the lower harness 113 (refer to FIG. 2 ).
  • the wire pulley 222 is rotated by receiving the rotational force of the motor 221 . As the wire pulley 222 rotates, the wire 240 is wound around the wire pulley 222 . At this time, depending on the rotation direction of the motor 221 , the wire 240 is pulled in the first direction (1) or moved in the second direction (2) to be released.
  • the actuator of the wearable device that assists muscle strength is not limited to the hydraulic cylinder and the rotary motor described above, and pulls or releases the wire 240 such as an artificial muscle or a shape memory alloy.
  • the wire 240 such as an artificial muscle or a shape memory alloy.
  • Various structures for providing a driving force may be applied.
  • FIG. 14 is a front view illustrating a wearable device for assisting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • the wearable device 300 for assisting muscle strength includes a harness unit 310 including an upper harness 311, a waist harness 312, and a lower harness 313,
  • the actuator 320 including the flexible link structure 330 and the tendon member 350 including the plurality of support members 331 and the wire 340, and the same or similar components to the components of the above-described embodiment Description of components is replaced by the above description.
  • the actuator 320 is coupled to the waist harness 112, unlike the above-described embodiment.
  • the actuator 320 includes a cylinder 321 and a piston 322 .
  • One end of the wire 340 is connected to an upper support member 331a arranged on an upper side of the plurality of support members 331 .
  • the other end of the wire 340 is connected to the cylinder 321 .
  • One end of the tendon member 350 is connected to the piston 322 .
  • the other end of the tendon member 350 is connected to the lower harness 313 .
  • the lower harness 313 pulls the piston 322 in the second direction (2).
  • the cylinder 321 counteracts the force of reaction in the second direction (2). will receive That is, the cylinder 321 is pulled in the second direction (2) by the reaction.
  • the cylinder 321 pulls the wire 340 in the second direction (2).
  • the upper support member 331a is moved in the second direction (2) by the wire 340 .
  • the flexible link structure 330 is moved in the second direction (2).
  • the lower support member 331b disposed on the lower side of the flexible link structure 330 is caught on the waist harness 312 .
  • the flexible link structure 330 is compressed between the upper support member 331a and the waist harness 312 to be in a rigid state.
  • 15 is a perspective view illustrating an actuator of a wearable device supporting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • the actuator 420 of the wearable device for assisting muscle strength according to another embodiment of the present invention is a rotary motor, unlike the hydraulic cylinder of FIG. 14 described above.
  • the description of the components of the wearable device that assists muscle strength according to another embodiment of the present invention with respect to the same or similar components as those of the above-described embodiment will be replaced with the above description and focus on the actuator 420 to be explained as
  • the actuator 420 includes a motor 421 and a wire pulley 422 .
  • the motor 421 is coupled to the waist harness 312 (see FIG. 14 ).
  • the motor 421 is an electric motor that receives power and provides rotational force.
  • the wire pulley 422 is connected to the rotation shaft 421a of the motor 421 .
  • the wire pulley 422 includes a first wire pulley 422a having a first outer diameter r1 and a second wire pulley 422b having a second outer diameter r2.
  • the second outer diameter r2 is greater than the first outer diameter r1.
  • the first wire pulley 422a has a cylindrical shape.
  • the center c of the first wire pulley 422a is the same as the center of the rotation shaft 421a.
  • the first wire pulley 422a is rotated by the rotation of the rotation shaft 421a of the motor 421 .
  • the second wire pulley 422b is coupled to the first wire pulley 422a.
  • the center c of the second wire pulley 422b is the same as the center of the first wire 422a.
  • the second wire pulley 422b is rotated by the rotation of the first wire pulley 422a.
  • One end of the wire 440 is connected to the upper support member 331a arranged on the upper side of the flexible link structure 330 (see FIG. 14), and the other end of the wire 440 is the first wire pulley 422a and connected
  • the wire 440 is wound or unwound around the first wire pulley 422a according to the rotation of the first wire pulley 422a.
  • One end of the tendon member 350 is connected to the second wire pulley 422a, and the other end of the tendon member 350 is connected to the lower harness 313 (refer to FIG. 14 ).
  • the tendon member 350 is wound around or unwound from the second wire pulley 422b according to the rotation of the second wire pulley 422b.
  • the first outer diameter r1 of the first wire pulley 422a is greater than the second outer diameter r2 of the second wire pulley 422b. Since it is small, the change ⁇ x1 in the length of the first wire 441 is smaller than the change ⁇ x2 in the length of the second wire 442 .
  • the change ( ⁇ x1) of the length of the first wire 441 is about 10 mm
  • the change ( ⁇ x2) of the length of the second wire 442 is about 100 ⁇ 150 mm.
  • the force f1 of the wire 440 pulling the upper support member 331a is greater than the force f2 by the tendon member 450 pulling the lower harness 313 (refer to FIG. 14). small. Accordingly, the force applied so that the flexible link structure (330, see FIG. 14) is in a rigid state is smaller than the force that pulls the lower harness (313, see FIG. 14), and the flexible by driving one actuator. The operation of the link structure 330 (refer to FIG. 14) and the lower harness 313 (refer to FIG. 14) is smoothly controlled.
  • 16 is a perspective view illustrating an actuator of a wearable device supporting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 shows an actuator 520 of a wearable device that assists muscle strength according to another embodiment of the present invention, which is a hydraulic cylinder using the principle of a lever, unlike the rotary motor of FIG. 15 described above.
  • the description of the components of the wearable device that assists muscle strength according to another embodiment of the present invention with respect to the same or similar components as the components of the above-described embodiment is replaced with the above description and focuses on the actuator 520 . to be explained as
  • the lever 523 is provided on the waist harness 312 (refer to FIG. 14 ).
  • the lever 523 is rotatably coupled to the waist harness 312 (refer to FIG. 14 ) through a first rotation shaft 523a.
  • the waist harness 312 is provided with an extension portion 523c extending toward the lever 523 .
  • the first rotation shaft 523a is connected to the extension portion 523c.
  • the actuator 520 includes a cylinder 521 and a piston 522 .
  • the cylinder 521 is provided with a connection part 523d connected to the second rotation shaft 523b formed at one end of the lever 523 .
  • the cylinder 521 is rotatably coupled to the lever 523 through the connection part 523d.
  • One end of the wire 540 is connected to the upper support member 331a (see FIG. 14 ), and the other end of the wire 540 is on a third rotational shaft 523e that is spaced apart from one end of the lever 523 . connected
  • One end of the tendon member 550 is connected to the piston 522 , and the other end of the tendon member 550 is connected to the lower harness 313 (refer to FIG. 14 ).
  • the first distance l1 between the first rotation shaft 523a and the third rotation shaft 523e is the second distance l2 between the third rotation shaft 523e and the second rotation shaft 523b. smaller than Accordingly, using the principle of the lever, the change ( ⁇ x1) in the length of the first wire 541 is smaller than the change in the length ( ⁇ x2) of the second wire 542 .
  • the change ( ⁇ x1) of the length of the first wire 541 is about 10 mm
  • the change ( ⁇ x2) of the length of the second wire 542 is about 100 ⁇ 150 mm.
  • the force f1 of the wire 540 pulling the upper support member 331a is greater than the force f2 of the tendon member 550 pulling the lower harness 313 (see FIG. 14 ). small. Accordingly, the force applied so that the flexible link structure (330, see FIG. 14) is in a rigid state is smaller than the force that pulls the lower harness (313, see FIG. 14), and the flexible by driving one actuator. The operation of the link structure 330 (refer to FIG. 14) and the lower harness 313 (refer to FIG. 14) is smoothly controlled.
  • FIG. 17 is a perspective view illustrating an actuator of a wearable device supporting muscle strength according to another embodiment of the present invention.
  • a wearable device 600 supporting muscle strength includes a harness unit 610 including an upper harness 611, a waist harness 612, and a lower harness 613, An actuator 620 including a cylinder 621 and a piston 622, a flexible link structure 630 and a tendon member 650 including a plurality of support members 631 and a wire 640, and the above-described embodiment
  • a harness unit 610 including an upper harness 611, a waist harness 612, and a lower harness 613
  • An actuator 620 including a cylinder 621 and a piston 622, a flexible link structure 630 and a tendon member 650 including a plurality of support members 631 and a wire 640, and the above-described embodiment
  • the description of the same or similar components as the components is replaced with the above description.
  • the actuator 620 is not arranged in series with the flexible link structure 630, unlike the actuator 620 of FIG. 3 described above, and is disposed spaced apart from the flexible link structure 630.
  • a first pulley 651 connected to the wire 640 is provided on the waist harness 612 .
  • the first pulley 651 reverses the direction of the force of the wire 640 .
  • piston 622 is provided with a second pulley 652 extending downward of the piston 622 .
  • the tendon member 650 is sequentially connected to the first pulley 651 and the second pulley 652 .
  • the wire 640 connected to the tendon member 650 pulls an upper support member of the plurality of support members 631 .
  • the flexible link structure 630 is moved in the downward direction, the flexible link structure 630 is caught on the waist harness (612). Accordingly, the flexible link structure 630 is compressed between the upper support member and the waist harness 612 to be in a rigid state.
  • FIG. 18 is a front view illustrating a state in which a wearable device for assisting muscle strength is worn by a wearer according to another embodiment of the present invention.
  • a wearable device 700 supporting muscle strength includes a harness unit 710 including an upper harness 711 , a waist harness 712 , and a lower harness 713 .
  • a harness unit 710 including an upper harness 711 , a waist harness 712 , and a lower harness 713 .
  • the actuator 720, the flexible link structure 730, the tendon member 750 and the tendon actuator 760 the description of the same or similar components as the components of the above-described embodiment is replaced with the above description and , the tendon actuator 760 will be mainly described.
  • the actuator 720 is connected to the flexible link structure 730 and is not connected to the tendon member 750, unlike the above-described embodiment. And, according to the driving of the actuator 720, the flexible link structure 730 is in a flexible state or is in a rigid state.
  • the tendon actuator 760 is connected to the tendon member 750 .
  • the tendon member 750 includes a first tendon member 751 and a second tendon member 752 .
  • the tendon actuator 760 includes a first tendon actuator 761 connected to the first tendon member 751 and a second tendon actuator 762 connected to the second tendon member 752 .
  • the first tendon actuator 761 pulls or releases the first tendon member 751 , and pulls or releases the lower harness 713 connected to the first tendon member 751 .
  • the second tendon actuator 762 pulls or releases the first tendon member 752 , and pulls or releases the lower harness 713 connected to the second tendon member 752 .
  • the first tendon actuator 761 operates simultaneously with the second tendon actuator 762 to pull or release the lower harness 713 .
  • the second tendon actuator 762 may operate separately from the first tendon actuator 761 . Accordingly, the lower harness 713 connected to the first tendon member 751 and the lower harness 713 connected to the second tendon member 752 are individually pulled or released.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치는, 착용자의 상체에 착용되는 상부 하네스; 상기 상부 하네스에 결합되되, 상기 착용자의 척추를 따라 인접하게 일렬로 배치되는 복수의 지지 부재 및 상기 복수의 지지 부재 사이에 강성 또는 유연성을 제공하도록 상기 복수의 지지 부재와 결합되는 와이어를 포함하는 유연 링크 구조체; 상기 착용자의 허리에 착용되는 허리 하네스 및 상기 유연 링크 구조체와 결합되어 상기 유연 링크 구조체의 와이어를 작동시키기 위 하여 상기 상부 하네스 또는 상기 허리 하네스 중 어느 하나에 결합되는 액추에이터를 포함할 수 있다.

Description

착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치
본 발명은 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 착용자의 허리 및 다리 부위의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치에 관한 것이다.
공장이나 물류산업 종사자나 소방관 및 군인 등 무거운 중량물을 들고 옮기거나 휴대해야 하는 분야 및 신체거동이 불편한 환자들에게 부담을 경감시켜 주기 위하여 근력보조장치 또는 외골격 장치 등이 개발되고 있다.
이러한 근력보조장치 또는 외골격장치는 모터와 같은 액추에이터 등을 구비하여 착용자의 근력을 능동적으로 보조한다.
그러나, 이러한 근력보조장치나 외골격장치는 다수의 액추에이터 등으로 인해 그 제조비용이 고가이며, 복잡한 제어가 필요하고, 무게가 무거운 한계가 있다.
또한, 착용자가 종래의 근력보조장치를 착용한 상태에서, 허리 또는 다리에 힘이 들어가는 동작을 수행하지 않는 경우, 종래의 근력보조장치는 착용자의 자연스러운 동작을 오히려 방해하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다수의 액추에이터로 인하여 무게가 증가하는 것을 방지하여 착용의 편의성이 개선되는 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치를 제공하고자 한다.
또한, 착용자가 허리 또는 다리 등에 힘이 들어가는 동작을 수행하지 않는 경우, 착용자의 자연스러운 동작을 방해하지 않는 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치는, 착용자의 상체에 착용되는 상부 하네스; 상기 상부 하네스에 결합되되, 상기 착용자의 척추를 따라 인접하게 일렬로 배치되는 복수의 지지 부재 및 상기 복수의 지지 부재 사이에 강성 또는 유연성을 제공하도록 상기 복수의 지지 부재와 결합되는 와이어를 포함하는 유연 링크 구조체;
상기 착용자의 허리에 착용되는 허리 하네스 및
상기 유연 링크 구조체와 결합되어 상기 유연 링크 구조체의 와이어를 작동시키기 위 하여 상기 상부 하네스 또는 상기 허리 하네스 중 어느 하나에 결합되는 액추에이터를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치는, 상기 착용자의 하체 일측에 착용하는 하부 하네스 및 상기 하부 하네스와 결합되되, 상기 와이어와 연결되어 상기 액추에이터의 작동에 따라 상기 유연 링크 구조체와 함께 상기 착용자에 보조 힘을 제공하는 텐던 부재를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치는, 상기 텐던 부재와 연결되고, 상기 텐던 부재를 작동시키기 위한 텐던 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 액추에이터는 유압 실린더, 공압 실린더 또는 볼스크류모터 중 어느 하나인 선형 구동기일 수 있다.
이 때, 상기 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치는, 상기 액추에이터는, 상기 상부 하네스 또는 상기 허리 하네스 중 하나에 결합되는 실린더; 및 상기 실린더의 내부에서 왕복 이동되는 피스톤을 포함하고, 상기 실린더는 상기 상부 하네스에 결합되고, 상기 와이어의 일단은 상기 피스톤에 연결될 수 있다.
이 때, 상기 피스톤이 제1 방향으로 이동됨에 따라, 상기 와이어와 연결된 상기 텐던 부재는 상기 하부 하네스를 상기 제1 방향으로 당기고, 상기 하부 하네스가 상기 제1 방향으로 당겨짐에 따라, 상기 실린더는 상기 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 당겨지고, 상기 실린더가 상기 제2 방향으로 당겨짐에 따라, 상기 유연 링크 구조체는 상기 실린더와 상기 허리 하네스 사이에서 압축되어 경직된 상태가 되어 상기 착용자의 허리를 지지하고, 상기 유연 링크 구조체가 경직된 상태에서, 상기 텐던 부재는 상기 하부 하네스를 상기 제1 방향으로 당겨 착용자의 허벅지에 보조 힘을 제공하고, 상기 피스톤이 상기 제2 방향으로 이동됨에 따라, 상기 텐던 부재가 상기 하부 하네스를 상기 제1 방향으로 당기는 힘이 해제되고, 상기 하부 하네스가 상기 제1 방향으로 당겨지는 힘이 해제됨에 따라, 상기 실린더는 상기 제2 방향으로 당겨지는 힘이 해제되고, 상기 실린더가 상기 제2 방향으로 당겨지는 힘이 해제됨에 따라, 상기 유연 링크 구조체는 상기 상부 하네스와 상기 허리 하네스 사이에서 유연한 상태가 되고, 상기 유연 링크 구조체가 유연한 상태에서, 상기 텐던 부재가 상기 하부 하네스를 상기 제1 방향으로 당기는 힘을 해제하여 착용자의 허벅지가 상기 하부 하네스의 구속에서 벗어날 수 있다.
이 때, 상기 실린더는 상기 허리 하네스에 결합되고, 상기 와이어의 일단은 상기 복수의 지지 부재 중 상측에 배열되는 상측 지지 부재와 연결되고, 상기 와이어의 타단은 상기 실린더와 연결되고, 상기 텐던 부재의 일단은 상기 피스톤에 연결되고, 상기 텐던 부재의 타단은 상기 하부 하네스에 연결될 수 있다.
이 때, 상기 액추에이터는, 모터; 및 상기 모터의 일측에 연결되고, 상기 와이어가 감기는 와이어 풀리를 포함할 수 있다.
이 때, 착용자의 허리에 착용되는 허리 하네스를 더 포함하고, 상기 모터는 상기 허리 하네스와 결합되고, 상기 와이어의 일단은 상기 복수의 지지 부재 중 상측에 배열되는 상측 지지 부재와 연결되고, 상기 와이어의 타단은 상기 와이어 풀리와 연결되고, 상기 텐던 부재의 일단은 상기 와이어 풀리에 연결되고, 상기 텐던 부재의 타단은 상기 하부 하네스에 연결되고, 상기 와이어 풀리는, 제1 외경을 가지고, 상기 와이어를 감는 제1 와이어 풀리; 및 상기 제1 외경보다 작은 제2 외경을 가지고, 상기 텐던 부재를 감는 제2 와이어 풀리를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치는, 상기 착용자의 허리에 착용되는 허리 하네스; 상기 허리 하네스에 배치되고, 착용자의 근전도신호를 측정하는 근전도센서; 및 상기 근전도센서로부터 전달받은 상기 근전도신호를 기반으로 하여 상기 액추에이터의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치는, 하나의 액추에이터에 의한 구동력에 의해 유연 링크 구조체와 하부 하네스를 조절하여 허리와 다리의 근력을 보조하게 됨에 따라, 다수의 액추에이터가 필요 없게 되어 전체적인 무게를 줄여 착용감이 개선된다.
또한, 착용자가 허리 또는 다리 등에 힘이 들어가는 동작을 수행하지 않는 경우, 하나의 액추에이터의 구동에 의해 유연 링크 구조체와 하부 하네스를 조절하게 됨에 따라, 착용자의 자연스러운 동작이 제약되는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치가 착용자에 착용된 상태를 나타내는 정면도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치가 착용자에 착용된 상태를 나타내는 측면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치를 나타내는 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 링크 구조체의 경직된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 링크 구조체의 유연한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 링크 구조체의 다른 구조의 경직된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 링크 구조체의 다른 구조의 유연한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 유연 링크 구조체의 다른 구조의 복수의 지지 부재 각각을 나타내는 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 블록도이다.
도 10 및 도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 동작을 나타내는 도면이다.
도 12은 도 2의 착용자의 자세에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터를 나타내는 사시도이다.
도 14은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치를 나타내는 정면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터를 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터를 나타내는 사시도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터를 나타내는 사시도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치가 착용자에 착용된 상태를 나타내는 정면도이다.
100: 근력을 보조하는 웨어러블 장치 111: 상부 하네스
112: 허리 하네스 113: 하부 하네스
120: 액추에이터 121: 실린더
122: 피스톤 130: 유연 링크 구조체
131: 복수의 지지 부재 140: 와이어
150: 텐던 부재
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 실시예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시예는 다양한 실시예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명의 실시예에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 발명의 실시예에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 프로세서에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그 밖에도, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치가 착용자에 착용된 상태를 나타내는 정면도이고, 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치가 착용자에 착용된 상태를 나타내는 측면도이고, 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치를 나타내는 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 링크 구조체의 경직된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 링크 구조체의 유연한 상태를 나타내는 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 링크 구조체의 다른 구조의 경직된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 링크 구조체의 다른 구조의 유연한 상태를 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7의 유연 링크 구조체의 다른 구조의 복수의 지지 부재 각각을 나타내는 도면이고, 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 블록도이다.
도 1 내지 도 9을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치(100)는 하네스부(110), 액추에이터(120), 유연 링크 구조체(130) 및 텐던 부재(150)를 포함한다.
상기 하네스부(110)는 착용자의 상체에 착용되는 상부 하네스(111), 착용자의 허리에 착용되는 허리 하네스(112) 및 착용자의 하체의 일측에 착용되는 하부 하네스(113)를 포함한다.
상기 상부 하네스(111)는 띠 형상으로 이루어지고, 착용자의 상체를 둘러싼다. 상기 상부 하네스(111)는 제1 탄성력을 가지는 재질로 이루어진다. 상기 상부 하네스(111)는 착용자의 양쪽 어깨에 걸리도록 한 쌍으로 구비된다. 다만, 상기 상부 하네스(111)는 양쪽 어깨에 걸리도록 한 쌍으로 구비되는 것에 한정되지 않고, 상기 착용자의 신체의 상측에 착용되도록 다양한 구조로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 상부 하네스(111)에는 후술할 액추에이터(120)가 고정되는 고정판(111a)이 구비된다.
상기 허리 하네스(112)는 띠 형상으로 이루어진다. 상기 허리 하네스(112)는 상기 착용자의 허리에서 탈착 가능하게 착용된다. 상기 허리 하네스(112)는 제2 탄성력을 가지는 재질로 이루어진다. 이 때, 상기 제2 탄성력은 상기 제1 탄성력과 동일하거나 크다. 상기 허리 하네스(112)는 후술할 유연 링크 구조체(130)를 지지한다.
상기 하부 하네스(113)는 띠 형상으로 이루어진다. 상기 하부 하네스(113)는 착용자의 하체 일측, 예를 들어, 양쪽 허벅지에 착탈 가능하게 착용되도록 한 쌍으로 구비된다. 상기 하부 하네스(113)는 제3 탄성력을 가지는 재질로 이루어진다.
이 때, 상기 제3 탄성력은 상기 제1 탄성력과 동일하거나 작다. 또한, 상기 제3 탄성력은 상기 제2 탄성력과 동일하거나 작다. 예를 들면, 상기 제3 탄성력이 상기 제1 탄성력과 상기 제2 탄성력보다 작을 경우, 상기 제3 탄성력을 가지는 재질로 이루어진 상기 하부 하네스(113)는 상기 상부 하네스(111)와 상기 허리 하네스(112)보다 더 크게 신축되어, 다리의 동작에 따라 허벅지의 두께에 변화에 대응하여 원활하게 신축된다.
상기 액추에이터(120)는 실린더(121) 및 피스톤(122)을 포함하는 유압 실린더일 수 있다.
상기 실린더(121)는 상기 상부 하네스(111)에 결합된다. 이 때, 상기 상부 하네스(111)가 착용자에 착용되면, 상기 실린더(121)는 상기 착용자의 목 뒤쪽 아래에 배치된다. 상기 실린더(121)는 원통 형상으로 이루어진다. 상기 실린더(121)의 내부에는 유체가 수용된다. 다만, 상기 실린더(121)는 원통 형상으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 소정의 길이를 가지면서 유체를 수용하는 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 실린더(121)는 플라스틱 재질로 이루어진다. 다만, 상기 실린더(121)는 플라스틱 재질에 한정되지 않고, 중량이 가벼운 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 피스톤(122)은 상기 실린더(121)의 내부에서 왕복 이동된다. 이 때, 상기 피스톤(122)은 상기 실린더(121)에 내부의 유체의 공급 및 배출에 따라, 상기 실린더(121)의 내부에서 왕복 이동된다. 상기 피스톤(122)은 플라스틱 재질로 이루어진다. 다만, 상기 피스톤(122)은 플라스틱 재질에 한정되지 않고, 중량이 가벼운 금속 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 액추에이터(120)는 유압 실린더 방식에 한정되지 않고, 공압 실린더 또는 볼스크류모터와 같이 다양한 선형 구동기일 수 있다.
상기 유연 링크 구조체(130)는 상기 상부 하네스(111)와 상기 허리 하네스(112) 사이에 배치된다. 이 때, 상기 유연 링크 구조체(130)는 착용자의 허리를 따라 배치된다. 상기 유연 링크 구조체(130)는 후술할 와이어(140)에 의해 당겨지거나 풀어짐에 따라, 유연한 상태가 되거나 압축되어 경직된 상태가 된다. 상기 유연 링크 구조체(130)는 착용자의 척추를 따라 인접하게 일렬로 배치되는 복수의 지지 부재(131, 132, 133) 및 상기 복수의 지지 부재(131, 132, 133)와 결합되는 와이어(140)를 포함한다.
먼저, 도 3에서는 상기 복수의 지지 부재(131, 132, 133)의 이해의 편의를 위해서, 상기 복수의 지지 부재(131, 132, 133)를 간략하게 도시하였다. 상기 복수의 지지 부재(131, 132, 133)에 대한 보다 구체적인 구조에 대해서는 이후 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
상기 복수의 지지 부재(131, 132, 133)가 서로 압착되면, 상기 유연 링크 구조체(130)는 경직된 상태가 되어 착용자의 허리를 지지하고, 상기 복수의 지지 부재(131, 132, 133)가 소정 간격(Δt)으로 서로 이격되면, 상기 유연 링크 구조체(130)는 유연한 상태가 되어 착용자의 자유로운 동작에 제약을 최소화한다. 한편, 도 3에서는 상기 소정 간격(Δt)의 이해의 편의를 위해, 상기 소정 간격(Δt)을 과장되게 크게 도시하였다.
상기 와이어(140)는 상기 복수의 지지 부재(131, 132, 133)를 관통하고, 상기 와이어(140)의 일단은 상기 피스톤(122)에 연결된다. 상기 와이어(140)는 상기 복수의 지지 부재(131, 132, 133) 사이에 강성 또는 유연성을 제공하도록 상기 복수의 지지 부재(131, 132, 133)와 결합된다.
상기 텐던 부재(150)는 상기 하부 하네스(113)와 결합된다. 상기 텐던 부재(150)는 상기 와이어(140)와 연결되어 상기 액추에이터(120)의 작동에 따라 이동된다.
또한, 상기 하부 하네스(113)가 한 쌍으로 구비되는 경우, 상기 텐던 부재(150)는 상기 한 쌍의 하부 하네스(113) 각각에 연결된다. 그리고, 상기 텐던 부재(150)는 상기 피스톤(122)의 이동에 따라, 상기 한 쌍의 하부 하네스(113)를 당기거나 풀어준다. 이 때, 상기 하부 하네스(113)에는 상기 텐던 부재(150)를 가이드하는 가이드 부재(112b)가 구비된다.
다음으로, 상기 유연 링크 구조체(130)에 대한 자세한 설명은, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 유연 링크 구조체(130)는 상측 지지 부재(131), 중간 지지 부재(132) 및 하측 지지 부재(133)를 포함한다.
상기 상측 지지 부재(131)는 상기 실린더(121)와 결합된다.
상기 하측 지지 부재(133)는 상기 허리 하네스(112)에 걸린다.
상기 중간 지지 부재(132)는 상기 상측 지지 부재(131)와 상기 하측 지지 부재(133) 사이에 직렬로 배열된다. 상기 중간 지지 부재(132)는 복수로 구성된다. 상기 중간 지지 부재(132)의 일측면에는 반구 형상의 볼록부(132a)가 형성된다. 상기 중간 지지 부재(132)의 타측면에는 반구 형상의 상기 볼록부(132a)에 대응하는 반구 형상의 오목부(132d)가 형성된다.
서로 인접하는 중간 지지 부재(132)는 반구 형상의 상기 볼록부(132a)와 반구 형상의 상기 오목부(132d)가 서로 대면하도록 일렬로 배치된다.
그리고, 상기 상측 지지 부재(131)의 타측면에는 상기 중간 지지 부재(132)의 반구 형상의 상기 볼록부(132a)에 대응하는 반구 형상의 오목부(131a)가 형성된다. 상기 상측 지지 부재(131)와 상기 중간 지지 부재(132)는 상기 반구 형상의 상기 볼록부(132a)와 반구 형상의 상기 오목부(131a)가 서로 대면하도록 일렬로 배치된다.
그리고, 상기 하측 지지 부재(133)의 일측면에는 상기 중간 지지 부재(132)의 반구 형상의 상기 오목부(132d)에 대응하는 반구 형상의 볼록부(133a)가 형성된다. 상기 하측 지지 부재(133)와 상기 중간 지지 부재(132)는 상기 반구 형상의 상기 오목부(132d)와 반구 형상의 상기 볼록부(133a)가 서로 대면하도록 일렬로 배치된다.
한편, 상기 상측 지지 부재(131), 상기 중간 지지 부재(132), 상기 하측 지지 부재(133) 사이에는 링 형상의 탄성 부재(135)가 구비된다.
상기 탄성 부재(135)는 상기 상측 지지 부재(131)와 상기 중간 지지 부재(132) 사이, 서로 이웃하는 상기 중간 지지 부재(132) 사이 및 상기 하측 지지 부재(133)와 상기 중간 지지 부재(132) 사이의 미끄럼을 방지한다.
또한, 상기 유연 링크 구조체(130)의 다른 구조에 대한 자세한 설명은, 도 6 내지 도 8를 참조하여 설명하기로 한다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 유연 링크 구조체(130')는 상측 지지 부재(131'), 중간 지지 부재(132') 및 하측 지지 부재(133')를 포함한다.
상기 중간 지지 부재(132')의 일측면에는 반구 형상의 볼록부(132a')가 형성되고, 상기 중간 지지 부재(132')의 타측면에는 반구 형상의 볼록부(132a')에 대응하는 반구 형상의 오목부(132b')가 형성된다.
서로 인접하는 중간 지지 부재(132')는 반구 형상의 상기 볼록부(132a')와 반구 형상의 상기 오목부(132b')가 서로 대면하도록 일렬로 배치된다.
그리고, 상기 상측 지지 부재(131')의 타측면에는 상기 중간 지지 부재(132')의 반구 형상의 상기 볼록부(132a')에 대응하는 반구 형상의 오목부(131a')가 형성된다. 상기 상측 지지 부재(131')와 상기 중간 지지 부재(132')는 상기 반구 형상의 상기 볼록부(132a')와 반구 형상의 상기 오목부(131a')가 서로 대면하도록 일렬로 배치된다.
그리고, 상기 하측 지지 부재(133')의 일측면에는 상기 중간 지지 부재(132')의 반구 형상의 상기 오목부(132b')에 대응하는 반구 형상의 볼록부(133a')가 형성된다. 상기 하측 지지 부재(133')와 상기 중간 지지 부재(132')는 상기 반구 형상의 상기 오목부(132b')와 반구 형상의 상기 볼록부(133a')가 서로 대면하도록 일렬로 배치된다.
이 때, 상기 중간 지지 부재(132')의 일측 단부에는 외측 방향으로 기울어지는 경사홈부(132c')가 형성되고, 상기 중간 지지 부재(132')의 타측 단부에는 상기 경사홈부(132c')의 반대편에 위치하는 단턱부(132d')가 형성된다. 상기 경사홈부(132c')는 상기 복수의 지지 부재(131', 132', 133')가 서로 어긋난 상태에서 다시 일렬로 배열되는 과정에서 서로 마찰되는 것을 최소화하면서 원활하게 일렬로 배열되도록 유도하고, 상기 단턱부(132d')는 상기 복수의 지지 부재(131', 132', 133')가 일렬로 배열된 상태를 유지하도록 한다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 상측 지지 부재(131')에는 상기 와이어(140)가 관통하는 제1 상측홀(131h1'), 제2 상측홀(131h2'), 제3 상측홀(131h3') 및 제4 상측홀(131h4')이 형성된다.
상기 중간 지지 부재(132')에는 상기 와이어(140)가 관통하는 제1 중간홀(132h1'), 제2 중간홀(132h2'), 제3 중간홀(132h3') 및 제4 중간홀(132h4')이 형성된다.
상기 하측 지지 부재(132')에는 상기 와이어(140)가 관통하는 제1 하측홀(133h1'), 제2 하측홀(133h2'), 제3 하측홀(133h3') 및 제4 하측홀(133h4')이 형성된다.
상기 와이어(140)는 그 일단이 상기 액추에이터(120)에 연결되고 그 타단이 상기 텐던 부재(150)에 연결되는 제1 와이어(141), 제2 와이어(142), 제3 와이어(143) 및 제4 와이어(144)를 포함한다.
상기 제1 와이어(141)는 제1 상측홀(131h1'), 제1 중간홀(132h1') 및 제1 하측홀(133h1')을 순차적으로 통과한다.
상기 제2 와이어(142)는 제2 상측홀(131h2'), 제2 중간홀(132h2') 및 제2 하측홀(133h2')을 순차적으로 통과한다.
상기 제3 와이어(143)는 제3 상측홀(131h3'), 제3 중간홀(132h3') 및 제3 하측홀(133h3')을 순차적으로 통과한다.
상기 제4 와이어(144)는 제4 상측홀(131h4'), 제4 중간홀(132h4') 및 제4 하측홀(133h4')을 순차적으로 통과한다.
이와 같이, 도 6 내지 도 8에 도시된 유연 링크 구조체(130')는 상기 복수의 지지 부재(131', 132', 133')의 형상과 구조 및 복수의 와이어(141, 142, 143, 144)에 의해 복수의 지지 부재(131', 132', 133') 사이에 강성 또는 유연성을 제공하도록 하여 인체의 척추와 유사한 구동을 보일 수 있다.
그리고, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 하네스부(110)에는 근전도센서(170), 제어부(160) 및 전원부(161)가 구비된다.
상기 근전도센서(170)는 상기 허리 하네스(112)에 배치된다. 상기 근전도센서(170)는 착용자의 근전도신호를 측정한다.
상기 제어부(160)는 상기 근전도센서(170)로부터 상기 근전도신호를 기반으로 하여 상기 액추에이터(120)의 구동을 제어한다.
예를 들면, 상기 제어부(160)는 상기 근전도신호가 상기 착용자가 복부에 힘을 주는 경우에 해당되는 지 여부를 판단하고, 상기 액추에이터(120)를 구동하도록 하여 상기 유연 링크 구조체(130)가 착용자의 허리를 보조하고 상기 하부 하네스(113)가 허벅지의 근력을 보조한다.
또한, 상기 제어부(160)는 상기 근전도신호가 상기 착용자가 복부에 힘을 주지 않는 경우에 해당된 경우, 상기 액추에이터(120)를 제어하여 상기 유연 링크 구조체(130)를 유연한 상태로 전환시키고 상기 하부 하네스(113)를 당기는 힘을 해제한다.
상기 전원부(161)는 상기 제어부(160)와 전기적으로 연결되고, 상기 액추에이터(120)와 전기적으로 연결된다.
그리고, 상기 전원부(161)는 상기 제어부(160)의 제어 신호에 따라 상기 액추에이터(120)를 구동시키기 위한 전원을 상기 액추에이터(120)에 공급한다.
도 10 및 도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 동작을 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치(100)의 동작을 설명하기로 한다.
먼저, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤(122)이 제1 방향(①)으로 이동되면, 상기 와이어(140)에 연결된 상기 텐던 부재(150)는 상기 하부 하네스(113)를 상기 제1 방향(①)으로 당긴다.
그리고, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤(122)이 상기 하부 하네스(113)를 당기는 힘의 반작용에 의해, 상기 하부 하네스(113)는 상기 피스톤(122)을 당긴다. 이 때, 상기 피스톤(122)이 상기 실린더(121)의 내부에서 상기 제1 방향(①)으로 이동되는 힘이 가해지므로, 상기 실린더(121)가 상기 제1 방향(①)의 반대 방향인 제2 방향(②)으로 반작용의 힘을 받게 된다. 즉, 상기 실린더(121)가 반작용에 의해 상기 제2 방향(②)으로 당겨진다.
상기 실린더(121)가 상기 제2 방향(②)으로 당겨짐에 따라, 상기 유연 링크 구조체(130)는 상기 실린더(121)의 의해 상기 제2 방향(②)으로 힘을 받아 이동된다. 이 때, 상기 허리 하네스(112)는 상기 유연 링크 구조체(130)의 이동을 제한하는 스토퍼의 기능을 수행한다. 즉, 상기 유연 링크 구조체(130)는 상기 실린더(121)와 상기 허리 하네스(112) 사이에서 압축되어 경직된 상태가 된다. 이에 따라, 상기 유연 링크 구조체(130)는 착용자의 허리를 지지하여 착용자의 동작(예: 일어나기, 물건을 들기 등)에 따른 허리 손상을 방지한다.
그리고, 상기 유연 링크 구조체(130)가 경직된 상태에서, 상기 피스톤(122)이 상기 제1 방향(①)으로 이동되면, 상기 텐던 부재(150)는 상기 하부 하네스(113)를 상기 제1 방향(①)으로 당긴다. 이에 따라, 상기 하부 하네스(113)는 착용자의 동작(예: 일어나기, 물건을 들기 등)의 경우, 착용자의 허벅지의 근력을 보조한다.
이와 같이, 상기 액추에이터(120)의 하나의 구동력에 의해 상기 유연 링크 구조체(130)와 상기 하부 하네스(113)를 당기게 됨에 따라, 다수의 액추에이터가 필요 없게 되어 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치(100)의 전체적인 무게를 줄여 착용감이 개선된다.
또한, 착용자가 허리 또는 다리 등에 힘이 들어가는 동작을 수행하지 않는 자유로운 동작에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치(100)의 동작을 살펴보기로 한다.
상기 피스톤(122)은 상기 제2 방향(②)으로 이동된다. 상기 피스톤(122)이 상기 제2 방향(②)으로 이동됨에 따라, 상기 텐던 부재(150)가 상기 하부 하네스(113)를 상기 제1 방향(①)으로 당기는 힘이 해제된다.
그리고, 상기 하부 하네스(113)가 상기 제1 방향(①)으로 당겨지는 힘이 해제됨에 따라, 상기 실린더(121)는 상기 제2 방향(②)으로 당겨지는 힘이 해제된다. 상기 실린더(121)가 상기 제2 방향(②)으로 당겨지는 힘이 해제됨에 따라, 상기 유연 링크 구조체(130)는 상기 실린더(121)와 상기 허리 하네스(112) 사이에서 유연한 상태가 된다. 이에 따라, 착용자는 상기 유연 링크 구조체(130)에 의해 지지되는 상태에서 벗어나게 되고, 상기 유연 링크 구조체(130)는 착용자의 자유로운 동작을 제한하지 않게 된다.
그리고, 상기 유연 링크 구조체(130)가 유연한 상태에서, 상기 텐던 부재(150)가 상기 하부 하네스(113)를 상기 제1 방향(①)으로 당기는 힘을 해제된다. 이에 따라, 상기 하부 하네스(113)는 착용자의 허벅지의 동작을 제한하지 않게 된다.
도 12은 도 2의 착용자의 자세에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치를 나타내는 도면이다.
도 12의 (a)는 착용자가 앉아있는 자세를 나타내고, 도 12의 (b)는 착용자가 앉아있는 자세에서 일어나는 모습을 나타내고, 도 12의 (c)는 착용자의 허리가 펴진 모습을 나타내고, 도 12의 (d)는 착용자가 서 있는 자세를 나타낸다.
먼저, 도 12의 (a) 및 도 12(b)에 도시된 바와 같이, 착용자가 앉아있는 자세에서 일어나게 되면, 상기 액추에이터(120)가 상기 와이어(140)를 상기 제1 방향(①)으로 당긴다.
이 때, 상기 액추에이터(120)가 상기 와이어(140)를 상기 제1 방향(①)으로 당기는 힘에 의한 반작용에 따라, 상기 액추에이터(120)가 상기 제2 방향(②)으로 힘을 가한다. 즉, 상기 액추에이터(120)가 상기 유연 링크 구조체(130)를 제2 방향(②)으로 힘을 가한다. 상기 유연 링크 구조체(130)는 상기 액추에이터(120)와 상기 허리 하네스(112) 사이에 압축되어 경직된 상태가 된다. 이에 따라, 경직된 상태의 유연 링크 구조체(130)는 착용자의 허리를 지지하여, 착용자가 일어나는 자세를 안정적으로 유지시킨다.
그리고, 도 12의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 액추에이터(120)가 상기 와이어(140)를 상기 제1 방향(①)으로 계속 당기면, 상기 와이어(140)에 연결된 상기 텐던 부재(150)는 상기 하부 하네스(113)가 상기 제1 방향(①)으로 당긴다. 이에 따라, 착용자는 상기 하부 하네스(113)에 의해 허벅지의 근력을 보조받아 안정적으로 일어서게 된다.
도 12의 (d)에 도시된 바와 같이, 착용자가 완전히 일어서게 되면, 상기 액추에이터(120)는 상기 와이어(140)를 풀어준다. 그리고, 상기 와이어(140)에 연결된 상기 텐던 부재(150)가 상기 하부 하네스(113)를 상기 제1 방향(①)으로 당기는 힘이 해제된다. 이 때, 상기 액추에이터(120)가 상기 제2 방향(②)으로 가해지는 힘이 해제된다. 즉, 상기 액추에이터(120)가 상기 유연 링크 구조체(130)에 가해지는 힘이 해제되고, 상기 유연 링크 구조체(130)는 상기 액추에이터(120)와 상기 허리 하네스(112) 사이에서 유연한 상태가 된다. 이에 따라, 착용자는 상기 유연 링크 구조체(130)에 의해 허리를 지지하는 상태에서 벗어나게 되어, 자유로운 동작이 가능하게 된다.
계속해서, 상기 액추에이터(120)가 상기 와이어(140)를 풀어주면, 상기 텐던 부재(150)는 상기 하부 하네스(113)를 상기 제1 방향(①)으로 당기는 힘이 해제된다. 이에 따라, 착용자는 상기 하부 하네스(113)에 의해 허벅지에 가해지는 힘에서 벗어나게 되어, 자유로운 동작이 가능하게 된다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터를 나타내는 사시도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터(220)는 전술한 유압 실린더와 달리, 회전형 모터이다. 그리고, 전술한 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 본 발명의 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 구성요소에 대한 설명은 전술한 설명으로 대체하고 액추에이터(220)에 대해서 중점적으로 설명하기로 한다.
상기 액추에이터(220)는 모터(221) 및 와이어 풀리(222)를 포함한다.
상기 모터(221)는 상기 상부 하네스(111, 도 2 참조)에 결합된다. 상기 모터(221)는 전원을 공급받아 회전력을 제공하는 전기 모터이다.
상기 와이어 풀리(222)는 상기 모터(221)의 일측(221a)에 연결된다. 상기 와이어 풀리(222)는 원통 형상으로 이루어진다. 상기 와이어 풀리(222)의 외주면에는 상기 와이어(240)가 감긴다. 다만, 상기 와이어 풀리(222)는 원통 형상으로 이루어진 것에 한정되지 않고, 상기 와이어(240)가 감길 수 있는 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
상기 와이어(240)의 일단은 상기 와이어 풀리(222)에 연결되고, 상기 와이어(240)의 타단은 상기 하부 하네스(113, 도 2 참조)에 연결된다.
상기 와이어 풀리(222)는 상기 모터(221)의 회전력을 제공받아 회전된다. 상기 와이어 풀리(222)가 회전함에 따라, 상기 와이어(240)가 상기 와이어 풀리(222)에 감긴다. 이 때, 상기 모터(221)의 회전 방향에 따라, 상기 와이어(240)가 상기 제1 방향(①)으로 당겨지거나 상기 제2 방향(②)으로 이동되어 풀어지게 된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터는 전술한 유압 실린더와 회전형 모터에 한정되지 않고, 인공 근육, 형상기억합금과 같이 상기 와이어(240)를 당기거나 풀어주는 구동력을 제공하는 다양한 구조가 적용될 수 있다.
도 14은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치를 나타내는 정면도이다.
도 14을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치(300)는 상부 하네스(311), 허리 하네스(312) 및 하부 하네스(313)를 포함한 하네스부(310), 액추에이터(320), 복수의 지지 부재(331) 및 와이어(340)를 포함한 유연 링크 구조체(330) 및 텐던 부재(350)를 포함하고, 전술한 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명은 전술한 설명으로 대체한다.
상기 액추에이터(320)는 전술한 실시예에 달리, 상기 허리 하네스(112)에 결합된다. 상기 액추에이터(320)는 실린더(321) 및 피스톤(322)을 포함한다.
상기 와이어(340)의 일단은 상기 복수의 지지 부재(331) 중 상측에 배열되는 상측 지지 부재(331a)와 연결된다. 그리고, 상기 와이어(340)의 타단은 상기 실린더(321)와 연결된다.
상기 텐던 부재(350)의 일단은 상기 피스톤(322)에 연결된다. 그리고, 상기 텐던 부재(350)의 타단은 상기 하부 하네스(313)에 연결된다.
상기 피스톤(322)이 상기 제1 방향(①)으로 이동되면, 상기 텐던 부재(350)는 상기 하부 하네스(313)를 상기 제1 방향(①)으로 당긴다.
그리고, 상기 피스톤(322)이 상기 하부 하네스(313)를 당기는 힘의 반작용에 의해, 상기 하부 하네스(313)는 상기 피스톤(322)을 상기 제2 방향(②)으로 당긴다. 이 때, 상기 피스톤(322)이 상기 실린더(321)의 내부에서 상기 제1 방향(①)으로 이동되는 힘이 가해지므로, 상기 실린더(321)가 상기 제2 방향(②)으로 반작용의 힘을 받게 된다. 즉, 상기 실린더(321)가 반작용에 의해 상기 제2 방향(②)으로 당겨진다.
상기 실린더(321)가 상기 제2 방향(②)으로 당겨짐에 따라, 상기 실린더(321)는 상기 와이어(340)를 상기 제2 방향(②)으로 당긴다. 이 때, 상측 지지 부재(331a)는 상기 와이어(340)에 의해, 상기 제2 방향(②)으로 이동된다. 이에 따라, 상기 유연 링크 구조체(330)는 상기 제2 방향(②)으로 이동된다. 그리고, 상기 유연 링크 구조체(330) 중 하측에 배치되는 하측 지지 부재(331b)는 상기 허리 하네스(312)에 걸린다. 상기 유연 링크 구조체(330)는 상기 상측 지지 부재(331a)와 상기 허리 하네스(312) 사이에서 압축되어 경직된 상태가 된다.
그리고, 상기 유연 링크 구조체(330)가 경직된 상태에서, 상기 피스톤(322)이 상기 제1 방향(①)으로 이동되면, 상기 제2 와이어(342)는 상기 하부 하네스(313)를 상기 제1 방향(①)으로 당긴다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터를 나타내는 사시도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터(420)는 전술한 도 14의 유압 실린더와 달리, 회전형 모터이다. 그리고, 전술한 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 본 발명의 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 구성요소에 대한 설명은 전술한 설명으로 대체하고 액추에이터(420)에 대해서 중점적으로 설명하기로 한다.
상기 액추에이터(420)는 모터(421) 및 와이어 풀리(422)를 포함한다.
상기 모터(421)는 상기 허리 하네스(312, 도 14 참조)에 결합된다. 상기 모터(421)는 전원을 공급받아 회전력을 제공하는 전기 모터이다.
상기 와이어 풀리(422)는 상기 모터(421)의 회전축(421a)에 연결된다. 상기 와이어 풀리(422)는 제1 외경(r1)을 가지는 제1 와이어 풀리(422a) 및 제2 외경(r2)을 가지는 제2 와이어 풀리(422b)를 포함한다. 상기 제2 외경(r2)은 상기 제1 외경(r1)보다 크다.
상기 제1 와이어 풀리(422a)는 원통 형상으로 이루어진다. 상기 제1 와이어 풀리(422a)의 중심(c)은 상기 회전축(421a)의 중심과 동일하다. 상기 제1 와이어 풀리(422a)는 상기 모터(421)의 회전축(421a)의 회전에 의해, 회전된다.
상기 제2 와이어 풀리(422b)는 상기 제1 와이어 풀리(422a)와 결합된다. 상기 제2 와이어 풀리(422b)의 중심(c)은 상기 제1 와이어(422a)의 중심과 동일하다. 상기 제2 와이어 풀리(422b)는 상기 제1 와이어 풀리(422a)의 회전에 의해, 회전된다.
상기 와이어(440)의 일단은 상기 유연 링크 구조체(330, 도 14 참조) 중 상측에 배열되는 상측 지지 부재(331a)와 연결되고, 와이어(440)의 타단은 상기 제1 와이어 풀리(422a)와 연결된다. 상기 와이어(440)는 상기 제1 와이어 풀리(422a)의 회전에 따라, 상기 제1 와이어 풀리(422a)에 감기거나 풀린다.
상기 텐던 부재(350)의 일단은 상기 제2 와이어 풀리(422a)에 연결되고, 상기 텐던 부재(350)의 타단은 상기 하부 하네스(313, 도 14 참조)에 연결된다. 상기 텐던 부재(350)는 상기 제2 와이어 풀리(422b)의 회전에 따라, 상기 제2 와이어 풀리(422b)에 감기거나 풀린다.
상기 와이어 풀리(422)가 상기 모터(421)로부터 회전력을 제공받으면, 상기 제1 와이어 풀리(422a)의 제1 외경(r1)은 상기 제2 와이어 풀리(422b)의 제2 외경(r2)보다 작으므로, 상기 제1 와이어(441)의 길이의 변화(Δx1)는 상기 제2 와이어(442)의 길이의 변화(Δx2)보다 작다. 예를 들면, 상기 제1 와이어(441)의 길이의 변화(Δx1)는 대략 10 mm 이고, 상기 제2 와이어(442)의 길이의 변화(Δx2)는 대략 100 ~ 150 mm 이다.
그리고, 상기 와이어(440)가 상기 상측 지지 부재(331a, 도 14 참조)를 당기는 힘(f1)은 상기 텐던 부재(450)가 상기 하부 하네스(313, 도 14 참조)를 당기는 힘(f2)보다 작다. 이에 따라, 상기 유연 링크 구조체(330, 도 14 참조)가 경직된 상태가 되도록 가해지는 힘이 상기 하부 하네스(313, 도 14 참조)를 당기는 힘에 비하여 작게 하여, 하나의 액추에이터의 구동에 의해 상기 유연 링크 구조체(330, 도 14 참조)와 상기 하부 하네스(313, 도 14 참조)의 동작을 원활하게 조절한다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터를 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터(520)는 전술한 도 15의 회전형 모터와 달리, 지렛대의 원리를 이용한 유압 실린더이다. 그리고, 전술한 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 본 발명의 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 구성요소에 대한 설명은 전술한 설명으로 대체하고 액추에이터(520)에 대해서 중점적으로 설명하기로 한다.
먼저, 상기 허리 하네스(312, 도 14 참조)에는 상기 지렛대(523)가 구비된다.
상기 지렛대(523)는 제1 회전축(523a)을 통하여 상기 허리 하네스(312, 도 14 참조)에 회전 가능하게 결합된다. 이 때, 상기 허리 하네스(312)에는 상기 지렛대(523)를 향하여 연장되는 연장부(523c)가 구비된다. 상기 연장부(523c)에는 상기 제1 회전축(523a)이 연결된다.
상기 액추에이터(520)는 실린더(521) 및 피스톤(522)을 포함한다.
상기 실린더(521)에는 상기 지렛대(523)의 일단에 형성된 제2 회전축(523b)과 연결되는 연결부(523d)가 구비된다.
상기 실린더(521)는 상기 연결부(523d)를 통하여 상기 지렛대(523)에 회전 가능하게 결합된다.
상기 와이어(540)의 일단은 상기 상측 지지 부재(331a, 도 14 참조)와 연결되고, 상기 와이어(540)의 타단은 상기 지렛대(523)의 일단과 이격된 부분인 제3 회전축(523e)에 연결된다.
상기 텐던 부재(550)의 일단은 상기 피스톤(522)에 연결되고, 상기 텐던 부재(550)의 타단은 상기 하부 하네스(313, 도 14 참조)에 연결된다.
이 때, 상기 제1 회전축(523a)과 상기 제3 회전축(523e) 사이의 제1 거리(l1)는 상기 제3 회전축(523e)과 상기 제2 회전축(523b) 사이의 제2 거리(l2)보다 작다. 이에 따라, 지렛대의 원리를 이용하여 상기 제1 와이어(541)의 길이의 변화(Δx1)는 상기 제2 와이어(542)의 길이의 변화(Δx2)보다 작다. 예를 들면, 상기 제1 와이어(541)의 길이의 변화(Δx1)는 대략 10 mm 이고, 상기 제2 와이어(542)의 길이의 변화(Δx2)는 대략 100 ~ 150 mm 이다.
그리고, 상기 와이어(540)가 상기 상측 지지 부재(331a, 도 14 참조)를 당기는 힘(f1)은 상기 텐던 부재(550)가 상기 하부 하네스(313, 도 14 참조)를 당기는 힘(f2)보다 작다. 이에 따라, 상기 유연 링크 구조체(330, 도 14 참조)가 경직된 상태가 되도록 가해지는 힘이 상기 하부 하네스(313, 도 14 참조)를 당기는 힘에 비하여 작게 하여, 하나의 액추에이터의 구동에 의해 상기 유연 링크 구조체(330, 도 14 참조)와 상기 하부 하네스(313, 도 14 참조)의 동작을 원활하게 조절한다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치의 액추에이터를 나타내는 사시도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치(600)는 상부 하네스(611), 허리 하네스(612) 및 하부 하네스(613)를 포함한 하네스부(610), 실린더(621)와 피스톤(622)을 포함한 액추에이터(620), 복수의 지지 부재(631) 및 와이어(640) 를 포함한 유연 링크 구조체(630) 및 텐던 부재(650)를 포함하고, 전술한 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명은 전술한 설명으로 대체한다.
상기 액추에이터(620)는 전술한 도 3의 액추에이터(620)와 달리, 상기 유연 링크 구조체(630)와 직렬로 배열되지 않고, 상기 유연 링크 구조체(630)와 이격되어 배치된다.
상기 허리 하네스(612)에는 상기 와이어(640)와 연결되는 제1 풀리(651)가 구비된다. 상기 제1 풀리(651)는 상기 와이어(640)의 힘의 방향을 반대로 바꾼다.
그리고, 상기 피스톤(622)에는 상기 피스톤(622)의 하측 방향으로 연장되는 제2 풀리(652)가 구비된다.
상기 텐던 부재(650)는 상기 제1 풀리(651)와 상기 제2 풀리(652)에 순차적으로 연결된다.
상기 피스톤(622)이 상측 방향으로 이동되면, 상기 제2 풀리(652)는 상측 방향으로 이동된다. 상기 제2 풀리(652)에 연결된 상기 텐던 부재(650)는 상측 방향으로 당겨진다.
그리고, 상기 텐던 부재(650)에 연결된 상기 와이어(640)는 상기 복수의 지지 부재(631) 중 상측 지지 부재를 당긴다. 상기 유연 링크 구조체(630)는 하측 방향으로 이동되고, 상기 유연 링크 구조체(630)는 상기 허리 하네스(612)에 걸린다. 이에 따라, 상기 유연 링크 구조체(630)는 상기 상측 지지 부재와 상기 허리 하네스(612) 사이에서 압축되어 경직된 상태가 된다.
그리고, 상기 유연 링크 구조체(630)가 경직된 상태에서, 상기 피스톤(622)이 상측 방향으로 계속 이동되면, 상기 텐던 부재(650)는 상기 하부 하네스(613)를 상측 방향으로 당긴다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치가 착용자에 착용된 상태를 나타내는 정면도이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 근력을 보조하는 웨어러블 장치(700)는 상부 하네스(711), 허리 하네스(712)와 하부 하네스(713)를 포함하는 하네스부(710), 액추에이터(720), 유연 링크 구조체(730), 텐던 부재(750) 및 텐던 액추에이터(760)를 포함하고, 전술한 실시예의 구성 요소와 동일하거나 유사한 구성 요소에 대한 설명은 전술한 설명으로 대체하고, 텐던 액추에이터(760)를 중점적으로 설명하기로 한다.
먼저, 상기 액추에이터(720)는 전술한 실시예와 달리, 상기 유연 링크 구조체(730)와 연결되고, 상기 텐던 부재(750)와 연결되지 않는다. 그리고, 상기 액추에이터(720)의 구동에 따라, 상기 유연 링크 구조체(730)가 유연한 상태가 되거나 경직된 상태가 된다.
상기 텐던 액추에이터(760)는 상기 텐던 부재(750)와 연결된다. 이 때, 상기 텐던 부재(750)는 제1 텐던 부재(751)와 제2 텐던 부재(752)를 포함한다. 그리고, 상기 텐던 액추에이터(760)는 상기 제1 텐던 부재(751)와 연결되는 제1 텐던 액추에이터(761) 및 상기 제2 텐던 부재(752)와 연결되는 제2 텐던 액추에이터(762)를 포함한다.
상기 제1 텐던 액추에이터(761)는 상기 제1 텐던 부재(751)를 당기거나 풀어주어, 상기 제1 텐던 부재(751)에 연결된 상기 하부 하네스(713)를 당기거나 풀어준다.
상기 제2 텐던 액추에이터(762)는 상기 제1 텐던 부재(752)를 당기거나 풀어주어, 상기 제2 텐던 부재(752)에 연결된 상기 하부 하네스(713)를 당기거나 풀어준다.
상기 제1 텐던 액추에이터(761)는 상기 제2 텐던 액추에이터(762)와 동시에 작동되어, 상기 하부 하네스(713)를 당기거나 풀어준다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 텐던 액추에이터(762)는 상기 제1 텐던 액추에이터(761)와 개별적으로 작동될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 텐던 부재(751)에 연결된 상기 하부 하네스(713)와 상기 제2 텐던 부재(752)에 연결된 상기 하부 하네스(713)가 개별적으로 당겨지거나 풀어진다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 착용자의 상체에 착용되는 상부 하네스;
    상기 상부 하네스에 결합되되, 상기 착용자의 척추를 따라 인접하게 일렬로 배치되는 복수의 지지 부재 및 상기 복수의 지지 부재 사이에 강성 또는 유연성을 제공하도록 상기 복수의 지지 부재와 결합되는 와이어를 포함하는 유연 링크 구조체;
    상기 착용자의 허리에 착용되는 허리 하네스 및
    상기 유연 링크 구조체와 결합되어 상기 유연 링크 구조체의 와이어를 작동시키기 위하여 상기 상부 하네스 또는 상기 허리 하네스 중 어느 하나에 결합되는 액추에이터를 포함하는, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 착용자의 하체 일측에 착용하는 하부 하네스 및
    상기 하부 하네스와 결합되되, 상기 와이어와 연결되어 상기 액추에이터의 작동에 따라 상기 유연 링크 구조체와 함께 상기 착용자에 보조 힘을 제공하는 텐던 부재를 더 포함하는, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 텐던 부재와 연결되고, 상기 텐던 부재를 작동시키기 위한 텐던 액추에이터를 더 포함하는, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 유압 실린더, 공압 실린더 또는 볼스크류모터 중 어느 하나인 선형 구동기인, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 액추에이터는,
    상기 상부 하네스 또는 상기 허리 하네스 중 하나에 결합되는 실린더; 및
    상기 실린더의 내부에서 왕복 이동되는 피스톤을 포함하고,
    상기 실린더는 상기 상부 하네스에 결합되고,
    상기 와이어의 일단은 상기 피스톤에 연결되는, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 피스톤이 제1 방향으로 이동됨에 따라,
    상기 와이어와 연결된 상기 텐던 부재는 상기 하부 하네스를 상기 제1 방향으로 당기고,
    상기 하부 하네스가 상기 제1 방향으로 당겨짐에 따라, 상기 실린더는 상기 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 당겨지고,
    상기 실린더가 상기 제2 방향으로 당겨짐에 따라, 상기 유연 링크 구조체는 상기 실린더와 상기 허리 하네스 사이에서 압축되어 경직된 상태가 되어 상기 착용자의 허리를 지지하고,
    상기 유연 링크 구조체가 경직된 상태에서, 상기 텐던 부재는 상기 하부 하네스를 상기 제1 방향으로 당겨 착용자의 허벅지에 보조 힘을 제공하고,
    상기 피스톤이 상기 제2 방향으로 이동됨에 따라,
    상기 텐던 부재가 상기 하부 하네스를 상기 제1 방향으로 당기는 힘이 해제되고,
    상기 하부 하네스가 상기 제1 방향으로 당겨지는 힘이 해제됨에 따라, 상기 실린더는 상기 제2 방향으로 당겨지는 힘이 해제되고,
    상기 실린더가 상기 제2 방향으로 당겨지는 힘이 해제됨에 따라, 상기 유연 링크 구조체는 상기 상부 하네스와 상기 허리 하네스 사이에서 유연한 상태가 되고,
    상기 유연 링크 구조체가 유연한 상태에서, 상기 텐던 부재가 상기 하부 하네스를 상기 제1 방향으로 당기는 힘을 해제하여 착용자의 허벅지가 상기 하부 하네스의 구속에서 벗어나는, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 실린더는 상기 허리 하네스에 결합되고,
    상기 와이어의 일단은 상기 복수의 지지 부재 중 상측에 배열되는 상측 지지 부재와 연결되고, 상기 와이어의 타단은 상기 실린더와 연결되고,
    상기 텐던 부재의 일단은 상기 피스톤에 연결되고, 상기 텐던 부재의 타단은 상기 하부 하네스에 연결되는, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 액추에이터는,
    모터; 및
    상기 모터의 일측에 연결되고, 상기 와이어가 감기는 와이어 풀리를 포함하는, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    착용자의 허리에 착용되는 허리 하네스를 더 포함하고,
    상기 모터는 상기 허리 하네스와 결합되고,
    상기 와이어의 일단은 상기 복수의 지지 부재 중 상측에 배열되는 상측 지지 부재와 연결되고, 상기 와이어의 타단은 상기 와이어 풀리와 연결되고,
    상기 텐던 부재의 일단은 상기 와이어 풀리에 연결되고, 상기 텐던 부재의 타단은 상기 하부 하네스에 연결되고, 상기 와이어 풀리는,
    제1 외경을 가지고, 상기 와이어를 감는 제1 와이어 풀리; 및
    상기 제1 외경보다 작은 제2 외경을 가지고, 상기 텐던 부재를 감는 제2 와이어 풀리를 포함하는, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 허리 하네스에 배치되고, 착용자의 근전도신호를 측정하는 근전도센서; 및
    상기 근전도센서로부터 전달받은 상기 근전도신호를 기반으로 하여 상기 액추에이터의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하는, 착용자의 근력을 보조하기 위한 웨어러블 장치.
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