WO2023008638A1 - 사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치 - Google Patents

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WO2023008638A1
WO2023008638A1 PCT/KR2021/011337 KR2021011337W WO2023008638A1 WO 2023008638 A1 WO2023008638 A1 WO 2023008638A1 KR 2021011337 W KR2021011337 W KR 2021011337W WO 2023008638 A1 WO2023008638 A1 WO 2023008638A1
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ankle
user
stiffness
movement
unit
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PCT/KR2021/011337
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김정
최준환
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한국과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to an ankle assisting device that assists biaxial stiffness of an ankle according to a user's movement.
  • Non-Patent Document 1 Reducing the energy cost of human walking using an unpowered exoskeleton
  • Nature, vol. 522, pp. 212-215, 2015 an ankle exoskeleton device using a spring, light weight, simple
  • an exoskeleton device assisting a wearer's walking without external power has been disclosed. Specifically, while the calf muscles are relaxed, elastic energy is stored in the spring, and the muscle contraction relieves and assists the ankle.
  • non-patent document 2 (“Design and Analysis of An Anthropomorphic Two-DoF Ankle-Foot Orthosis," in 2019 5th International Conference on Control, Automation and Robotics (ICCAR), 2019, pp. 802-807.) uses a spring Disclosed is an exoskeleton device capable of assisting biaxial motion of the ankle as an exoskeleton device assisting a wearer's walking without external power.
  • the exoskeleton device of Non-Patent Document 2 is a form of assisting ankle movement by a foot unit configuration that supports the sole of the foot, is made of a hard material and has a large overall volume, and is different from the aforementioned Non-Patent Document 1.
  • a device using a spring it causes unnatural movement and has a disadvantage of insufficient energy storage efficiency.
  • Non-Patent Document 3 Bio-inspired active soft orthotic device for ankle foot pathologies
  • 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2011, pp. 4488-4495 pneumatic artificial muscles are ergonomically
  • An ankle exoskeleton device attached with an ideal design is disclosed.
  • external power such as a pump is required, and it is difficult to assist in various movements due to the volume of the actuator, and an additional external sensor is required to measure the ankle angle.
  • the inventors of the present invention are an ankle auxiliary device capable of assisting the biaxial stiffness of the user's ankle, and the ankle movement with light weight and small volume without restricting the user's movement through ergonomic design using soft materials such as silicon and fiber. It is possible to assist the stiffness without external power by using the elastic deformation of the silicone rubber, and the biaxial angle of the ankle is predicted through the tensile sensor and FPGA-based control unit embedded in the silicone rubber, and the stiffness is adjusted accordingly. Development of an ankle support device that changes the assisting force or stiffness according to the user's movement with a small amount of power without the use of additional pneumatic pumps or power transmission devices, as the amount of stiffness can be controlled using additional electrostatic attraction and completed the present invention.
  • An object of the present invention is to provide an ankle exoskeleton device that assists biaxial stiffness of the ankle according to a user's movement.
  • One or more driving modules disposed on the muscle that induces the movement of the user's ankle includes,
  • the drive module includes
  • At least two elastic actuators connected in series, including silicone rubber that stretches and deforms according to a user's ankle movement, and a tensile sensor that detects the stretch and strain of the silicone rubber;
  • an ankle assisting device including a; rigidity adjustment unit for adjusting the rigidity of the drive module by fixing or releasing the movement of the connecting member according to the signal of the tension sensor.
  • the ankle support device The ankle support device
  • At least four of the four or more driving modules are disposed on different muscles that induce motion of the user's ankle.
  • the tensile sensor is embedded in the silicone rubber.
  • the tensile sensor includes at least three conductive fiber layers; and a silicon layer positioned between the at least three conductive fiber layers, and a capacitance type tensile sensor whose capacitance changes according to the elastic deformation of the silicone rubber.
  • the ankle support device The ankle support device
  • a signal processing unit for processing a signal of the tension sensor is further included.
  • the signal processing unit includes
  • a capacitance measuring unit measuring a capacitance change of the tensile sensor.
  • the ankle support device The ankle support device
  • An FPGA-based control unit electrically connected to the capacitance measuring unit, calculating the tensile length of the silicone rubber from the capacitance change of the tensile sensor, and controlling power supply to the stiffness adjusting unit; further included.
  • the ankle assist device The ankle assist device,
  • a power supply unit supplying power to the stiffness adjusting unit
  • a power switch that is electrically connected to the power supply unit and the FPGA-based control unit and turns on/off power supply to the stiffness control unit by the FPGA-based control unit.
  • connection member is disposed between the pair of conductive polymer layers to fix or release the connection member by electrostatic attraction.
  • the connecting member is made of an insulating fiber material.
  • the ankle assist device may be a wearable suit equipped with the FPGA-based control unit and the power supply unit.
  • the wearable suit The wearable suit,
  • a first wearing member connected to one end of the driving module and worn on a user's foot
  • the second wearing member is worn on a body region including the user's calf, knee, or thigh.
  • the ankle support device The ankle support device
  • a second wire connecting the driving module and the second wearing member further includes.
  • the ankle assist device The ankle assist device,
  • first wire length adjusting means formed on the first wearing member to adjust the length of the first wire
  • Ankle assist device can assist ankle movement with light weight and small volume without restricting the user's movement through an ergonomic design using soft materials such as silicon and fiber.
  • the ankle assist device can assist stiffness through elastic deformation of silicone rubber without external power, and predicts an ankle angle through a tension sensor built into the silicone rubber and an FPGA-based control unit, an external additional It does not require a sensor or measuring equipment, so it can be modularized as a closed structure, so the system has high stability and can be manufactured in a small volume.
  • the stiffness control unit controls the amount of stiffness using electrostatic attraction, the assisting force is changed according to the user's movement with little power without the use of an additional pneumatic pump or power transmission device, or the stiffness is reduced. has the advantage of being able to change
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a state in which a user wears a wearable ankle assist device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a driving module according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically illustrating a method of manufacturing an elastic drive unit according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a tension sensor according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a circuit diagram for measuring a tensile length of silicone rubber from a tensile sensor according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram schematically illustrating a stiffness control unit according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a wearable ankle assist device according to an embodiment in more detail.
  • One or more driving modules 10 disposed on the muscles that induce the movement of the user's ankle includes,
  • the driving module 100 The driving module 100,
  • At least two elastic driving units 100 connected in series, including silicone rubber 110 that stretches and deforms according to the user's ankle movement, and a tensile sensor 120 that detects the elastic deformation of the silicone rubber 110;
  • a connecting member 200 formed between the at least two elastic driving units 100 and connecting the at least two elastic driving units;
  • a stiffness adjusting unit 300 that adjusts the stiffness of the drive module 10 by fixing or releasing the motion of the connection member 200 according to the signal of the tension sensor 120; comprising an ankle assist device ( 1) is provided.
  • ankle assist device 1 according to one aspect will be described in detail with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a state in which a user wears an ankle assist device 1 according to an embodiment, and specifically, a driving module 10 is provided for each of the soleus muscle, calf muscle, tibialis anterior muscle, and gastrocnemius muscle of the user's right leg It is a view showing the left side of the right leg in a state in which the ankle assist device 1 according to an embodiment is worn to be disposed.
  • Ankle assist device 1 is characterized in that it is made of a soft material such as silicon and fiber material.
  • Ankle assist device (1) is made of soft materials such as silicon and fiber material, and can assist the user's ankle movement with a light weight and small volume without restricting the user's movement, and is a suitable position for assisting the ankle movement It can be easily placed in the position to prevent the force that goes against the user's motion.
  • An ankle assisting device 1 includes one or more driving modules 10 on a muscle that induces motion of a user's ankle in order to assist stiffness of the ankle in two axial directions.
  • the number of driving modules 10 may preferably be 4 or more, and at least 4 driving modules among the 4 or more driving modules may be disposed on different muscles that induce motion of the user's ankle.
  • one or more driving modules 10 may be disposed in each of the soleus muscle, calf muscle, tibialis anterior muscle, and gastrocnemius muscle, which induce movement of the ankle in the biaxial direction, and more preferably, the silicone rubber of the driving module 10 110 may be arranged so that the muscle is stretched or contracted parallel to the direction in which the muscle is stretched or contracted.
  • Ankle assist device 1 can prevent a force that goes against the motion of the user's ankle through the arrangement as described above, and can assist motion of the user's ankle in both axial directions.
  • the two axes of the ankle refer to a first axis for performing bending and unfolding motions of the ankle and a second axis for performing left and right motions, and the two axis motions of the ankle are rotational motions with respect to the first axis and the second axis. it means.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a driving module 10 according to an embodiment.
  • the driving module 10 includes silicone rubber 110 that stretches and deforms according to the user's ankle movement and a tensile sensor 120 that detects the stretch and deformation of the silicone rubber 110.
  • Ankle assist device 1 supports stiffness of the ankle through the silicone rubber 110 of the elastic driving unit 100, so it can be manufactured with a small volume and weight without external power.
  • the silicone rubber 110 is stretched and deformed by a user's ankle movement, stores energy when stretched, and restores the stretched deformation, thereby delivering energy to the user.
  • the silicone rubber 110 is disposed on any one of the muscles that induce the movement of the ankle in the biaxial direction in order to assist the stiffness in the biaxial direction of the ankle, and preferably the direction in which the muscle is stretched and It can be arranged to be stretched in parallel.
  • Ankle assist device 1 includes at least two elastic driving units 100 connected in series, and the size of force for assisting stiffness may be adjusted by adjusting the number of elastic driving units 100 .
  • the size of the assisting stiffness may be controlled.
  • the ankle assist device 1 connects at least two elastic driving units 100 in series to assist in a smaller size of stiffness during a tensioning operation, while in a contracting operation, through the stiffness adjusting unit 300. By breaking the series connection, the stiffness can be adjusted to provide greater stiffness (double the stiffness compared to tensile operation).
  • the elastic driving unit 100 includes a tension sensor 120 that detects the elastic deformation of the silicone rubber 110.
  • the tension sensor 120 may be formed on the surface of the silicone rubber 110, but prevents static electricity. It is more preferable to form a form embedded inside the silicone rubber 110 for the convenience of manufacturing that does not require a separate treatment such as processing and to prevent damage from external stimuli.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically illustrating a method of manufacturing an elastic driving unit 100 having a built-in type of a tensile sensor inside a silicone rubber 110 according to an embodiment.
  • the elastic drive unit 100 injects a solution containing silicone rubber 110 into the prepared mold 2, places a tension sensor 120 thereon, and then includes silicone rubber 110 again. It can be prepared by an easy method of curing after adding a solution.
  • Ankle assist device 1 detects the motion of the user's ankle through the tensile sensor 120 embedded in the silicone rubber 110, and through this, the FPGA-based control unit can predict the angle of the ankle, so that the user's Depending on the ankle angle, the amount of stiffness to be automatically assisted can be controlled.
  • the elastic driving unit 100 is a closed system structure in which the driving and measurement are integrated in which the tensile sensor 120 embedded in the silicone rubber 110 measures the motion of the user's ankle, and a separate ( It does not require external components (such as sensors and measuring devices), so the stability of the system is high and the volume can be significantly reduced.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a tension sensor 120 according to an exemplary embodiment.
  • the tensile sensor 120 is a multilayer type capacitor type tensile sensor, and includes at least three conductive fiber layers 121, 122, and 123 and silicon layers 124 and 125 positioned between the at least three conductive fiber layers 121, 122, and 123.
  • the tensile sensor 120 has a form in which three conductive fiber layers 121 , 122 , and 123 and two silicon layers 124 and 125 are alternately stacked, and the two conductive fibers positioned on the outside are alternately stacked.
  • the fiber layers 121 and 123 are in a grounded state and are capacitor-type tensile sensors whose capacitance changes as the silicone rubber 110 stretches and deforms.
  • Ankle assist device 1 further includes a signal processing unit 130 processing a signal of the tension sensor 120 .
  • the signal processing unit includes a capacitance measuring unit 131 for measuring capacitance change of the tensile sensor 120, and optionally further includes a signal amplifying unit 132 for amplifying the signal of the tensile sensor 120. can do.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a circuit diagram for measuring the tensile length of the silicone rubber 110 from the tensile sensor 120.
  • the capacitance changed by the tensile sensor 120 may be measured through the capacitance measuring unit 131 .
  • Ankle assist device 1 is electrically connected to the capacitance measurement unit 131, calculates the tensile length of the silicone rubber from the capacitance change of the tensile sensor 120, and calculates the tensile length of the ankle from this. It may further include; an FPGA-based control unit 500 that predicts an angle and controls power supply to the stiffness adjuster.
  • the ankle assisting device 1 may calculate the tensile length of the silicone rubber from the FPGA-based control unit 500 (see FIG. 7), and predict the angle of the user's ankle from this to calculate the stiffness control unit 300. ) controls whether to fix or release the movement of the connecting member 200, so that the stiffness can be changed according to the user's movement.
  • the stiffness adjusting unit 300 may fix or release the connection member by electrostatic attraction.
  • the stiffness adjusting unit 300 More specifically, the stiffness adjusting unit 300
  • the connecting member 200 may be fixed or unfixed.
  • FIG. 6 is a schematic diagram schematically illustrating a stiffness adjusting unit 300 according to an exemplary embodiment.
  • the stiffness control unit 300 is a pair of polyurethane films (TPU film) 301, and each of the pair of polyurethane films (TPU film) (301) It includes an antistatic layer 302 of fiber material formed on the outer surface, and the polyurethane film (TPU film) 301 and the antistatic layer 302 may be adhered to each other by a conductive paste.
  • the pair of TPU films 301 may be connected to or separated from each other by electrostatic attraction by applying a (+) voltage to one and a (-) voltage to the other.
  • the connecting member 200 is disposed between the pair of TPU films 301, and when a voltage is applied, the movement of the connecting member 200 between the TPU films 301 is fixed by the electrostatic attraction. Also, by not applying voltage, the connection member 200 can move freely.
  • Ankle assist device 1 may control a serial connection between at least two elastic actuators 100 connected in series using the electrostatic attraction, and thereby control the amount of stiffness assisting the user. can do.
  • the connecting member 200 is made of an insulating material, preferably a fiber material with high frictional force.
  • the connecting member may be made of at least one material selected from thermoplastic polyurethane (TPU) and polyimide (PI).
  • the ankle assist device 1 may further include a DC/DC converter 310 (see FIG. 7 ), and boosts the applied voltage therefrom to increase the frictional force between the pair of conductive polymer layers. can be higher.
  • a commercially available DC/DC converter can boost a voltage of 5V to 5kV using 0.5W, and through this, the frictional force between a pair of polyurethane films 301 can withstand a maximum of 5kg.
  • the ankle assist device 1 can provide a frictional force of about 5 kgf with low power and has a low risk of injury when worn by a person with a low current compared to a high voltage.
  • the DC/DC converter 310 may be formed on the stiffness adjusting unit 300, but is not limited thereto, and is electrically connected to the stiffness adjusting unit 300 and the power supply unit 600. It can be formed at an appropriate location.
  • Ankle assist device 1 according to one side is
  • a power supply unit 600 supplying power to the stiffness adjusting unit
  • a power switch 610 that is electrically connected to the power supply unit and the FPGA-based control unit and turns on/off power supply to the stiffness control unit by the FPGA-based control unit.
  • the power supply unit 600 and the power switch 610 may be formed at an appropriate location of a wearable suit body to be described later.
  • the power supply unit 600 may supply power of 11.1 Wh to 18.5 Wh.
  • the power supply unit 600 may supply power to the stiffness adjusting unit and the FPGA-based control unit.
  • Ankle assist device 1 includes a power supply unit for generating electrostatic force in the stiffness adjusting unit 300 .
  • the stiffness control unit 300 of the ankle assist device 1 adjusts the stiffness using electrostatic force, so that less The stiffness can be adjusted with power.
  • the applied voltage can be boosted by further including a DC/DC converter, so that the voltage of 5V can be boosted to 5kV using about 0.5W of power, which can withstand a maximum of 5kg of force. It can effectively adjust the stiffness by providing a frictional force.
  • the silicone rubber 110 stretches and deforms according to the user's movement, and the capacitance measuring unit 131 measures the capacitance of the tensile sensor 120 that changes accordingly, Through this, the FPGA-based control unit 500 can predict the user's ankle angle.
  • the FPGA-based controller 500 controls the power switch 610 based on the predicted ankle angle so that the power switch 610 turns on/off the power supply to the stiffness adjuster 300 ( off), the stiffness control unit 300 adjusts whether to fix or release the movement of the connecting member 200, thereby controlling the amount of stiffness that assists the user, and specifically, when the muscles are stretched, the relative By providing a small value of stiffness, it can be easily stretched, and by providing a relatively high value of stiffness during a muscle contraction operation, it is possible to effectively assist the contraction operation to occur smoothly.
  • Ankle assist device 1 may be a wearable suit equipped with the FPGA-based control unit 500 and the power supply unit 600 .
  • FIGS. 1 and 7 are schematic diagrams showing a state in which a user wears the wearable ankle assist device 1 according to an embodiment.
  • the wearable suit The wearable suit,
  • a first wearing member 410 connected to one end of the driving module and worn on a user's foot;
  • a second wearing member 420 connected to the other end of the driving module and worn above the user's muscles on which the driving module is disposed.
  • the second wearing member 420 may be worn on a body region including the user's calf, knee, or thigh, and preferably, as shown in FIG. 7 , it may be worn on the user's knee region.
  • the FPGA-based control unit 500 and the power supply unit 600 may be formed on the second wearing member 420, and in addition to amplifying the signal of the tension sensor 120
  • a signal amplification unit 132 may be further formed on the second wearing member, but is not limited thereto, and may be formed at an appropriate location of the wearing suit body.
  • ankle assist device 1 is a smartphone
  • a second wire 820 connecting the driving module 100 and the second wearing member 420 may be further included.
  • Ankle assist device 1 is a driving module 100 by the first wire 810 and the second wire 820, the body of the wearable suit (body), preferably a first wearing member ( 410) and the second wearing member 420 may be connected on a predetermined position.
  • the first wire 810 and the second wire 820 may preferably be made of a non-stretchable or insignificant material, more preferably made of a polyethylene (PE) material, and may have a thickness according to request. It may vary, but may preferably have a thickness of 0.3 mm to 1.0 mm.
  • PE polyethylene
  • the first wire 810 and the second wire 820 are plied yarns having a thickness of 0.5 mm formed by twisting a plurality of wires made of polyethylene (PE), and can withstand a tension of 59 kgf.
  • PE polyethylene
  • ankle assist device 1 is a smartphone
  • a second wire length adjusting unit 920 formed on the second wearing member to adjust the length of the second wire may be further included.
  • Ankle assist device 1 is the first and second wires (810, 820) to be suitable for use by the first wire length adjusting means 910 and the second wire length adjusting means 920
  • the length can be adjusted, and the first and second wires 810 and 820 are attached to the body of the wearable suit, preferably the first wearing member 410 and the second wearing member 420. can be fixed.
  • the first wire adjusting unit 910 and the second wire adjusting unit 920 adjust the first wearing member so that the stretching direction of the silicone rubber 110 is parallel to the stretching direction of the muscle that induces the motion of the user's ankle.
  • 410 and the second wearing member 420 are more preferably formed at predetermined positions.
  • the ankle assist device 1 according to one aspect is the first wire 810 or the second wire 820 ) may further include one or more fixing means 930 for fixing to the worn suit, through which the biaxial stiffness of the ankle can be more effectively adjusted.
  • the ankle assist device 1 may be worn by the user as follows.
  • the four driving modules 100 are placed in each of the user's soleus muscle, calf muscle, tibialis anterior muscle, and gastrocnemius muscle so that the tensile direction of the muscles and the tensile direction of the silicone rubber 110 of the driving module 100 are parallel.
  • the first wire 810 connecting one end of the driving module 100 is primarily fixed to the first wearing member 410 on the ankle using a fixing means 930, and the right side and left side of the user's foot
  • the length of the first wire 810 is finally fixed.
  • the length of the second wire 820 connecting the other end of the driving module 100 so that tension is generated using the second wire length adjusting means 920 it is fixed to the second wearing member 420.
  • Ankle assist device 1 can assist in the stiffness of an appropriate size for the movement of the user's ankle in the biaxial direction, so that it can be used in the rehabilitation field, for military use requiring long-term labor, for industrial use, and for walking. It can be effectively used to assist the movement of the ankle during human body exercises such as running, jumping, etc.
  • first and second are used herein for purposes of distinction and are not meant to indicate or predict order or order in any way, and are not meant to represent the various components. Although used to describe, the components are not limited by the terms. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
  • the ankle assisting device assists biaxial stiffness of the ankle, it can be effectively used to assist motion of the ankle during human body exercises such as rehabilitation, military and industrial fields requiring long-term labor, walking, running, and jumping.

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Abstract

본 발명은 사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치에 관한 것으로, 상세하게는 사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육 상에 배치되는 하나 이상의 구동 모듈;을 포함하고, 상기 구동 모듈은, 사용자의 발목 움직임에 따라 신축 변형되는 실리콘 고무 및 상기 실리콘 고무의 신축 변형을 감지하는 인장 센서를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부; 상기 적어도 2개의 탄성 구동부 사이에 형성되어 상기 적어도 2개의 탄성 구동부를 연결하는, 연결 부재; 및 상기 인장 센서의 신호에 따라 상기 연결 부재의 움직임을 고정 또는 고정 해제하여 상기 구동 모듈의 강성을 조절하는 강성 조절부;를 포함하는, 발목 보조 장치에 관한 것이다.

Description

사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치
본 발명은 사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치에 관한 것이다.
전 세계적으로 고령사회로 접어들면서 신체의 노령화로 인한 질환 발병율이 높아지고 있다. 60세 이상의 노인들의 경우 10명 중 9명이 만성질환을 앓고 있으며, 이 중 많은 비율을 차지하는 것이 관절질환이다. 관절 질환은 노인 뿐만 아니라 작업자나 군인, 등산객 등 장시간 보행을 하는 사람들이 무리한 보행을 하는 경우 발목 염좌, 골절 등의 형태로 나타나고 있으며 발등을 위로 올리지 못하는 족하수 현상 또한 이에 포함된다.
최근, 이러한 신체의 노령화 및 장애로 인한 근력이 약화로부터 신체의 각 부위에 착용하여 근력을 보조해줄 수 있는 착용형 로봇이 다양한 형태로 개발되고 있다. 그 중, 무리한 운동 및 과체중으로 인해 발목 근육에 손상이 가해져 보행에 어려움을 겪는 사람들을 위한 보조 장치의 필요성이 증대되고 있으며, 여러 형태의 발목 보조 장치가 개발되고 있다.
이러한 발목 보조 장치는 무거워지고 부피가 커질수록 사용자의 움직임을 방해하고 오히려 발목의 움직임에 부담을 줄 수 있다. 이에 최근 동력을 사용하지 않아 부피가 작고, 가벼운 발목 보조 장치가 공지된 바 있으며, 이러한 장치는 대사 비용과 근육 활동을 줄이는 능력이 입증되었다.
이와 관련하여, 비특허문헌 1("Reducing the energy cost of human walking using an unpowered exoskeleton",Nature, vol. 522, pp. 212-215, 2015)에서는 스프링을 이용한 발목 외골격 장치로서, 가벼운 무게, 간단한 시스템으로 외부전력 없이 착용자의 보행을 보조하는 외골격 장치를 개시한 바 있다. 구체적으로, 종아리 근육이 이완되는 동안 스프링에 탄성 에너지를 저장하고 근육의 수축과 함께 발목에 힘을 덜어주며 보조한다.
하지만 이러한 탄성적 요소를 사용한 장치는 움직임의 자유를 반대하며, 발목 강성 측면에서 접근하면, 낮은 강성의 움직임에 강성을 높여 부자연스러운 움직임을 유발하며, 에너지 저장 효율 부족한 단점이 있다. 또한 발목의 한 방향의 움직임만을 보조하므로 2축운동을 하는 발목의 모든 방향 운동을 보조하기 어려운 단점이 있다.
또한 비특허문헌 2("Design and Analysis of An Anthropomorphic Two-DoF Ankle-Foot Orthosis," in 2019 5th International Conference on Control, Automation and Robotics (ICCAR), 2019, pp. 802-807.)에서는 스프링을 이용하여 외부전력 없이 착용자의 보행을보조하는 외골격 장치로서, 발목의 2축운동을 보조할 수 있는 장치를 개시하다. 하지만, 비특허문헌 2의 외골격 장치는 발바닥을 지지하는 풋 유닛(foot unit)구성에 의해 발목의 운동을 보조하는 형태로서, 딱딱한 소재로 이루어지며 전체적인 부피가 크며, 전술한 비특허문헌 1에서와 같이 스프링을 사용한 장치로서 부자연스러운 움직임을 유발하며, 에너지 저장 효율 부족한 단점이 있다.
한편, 최근 착용자의 불편함을 최소화하기 위하여 인체공학적 설계를 도입한 발목 외골격 장치가 개발되고 있다. 이와 관련하여 비특허문헌 3("Bio-inspired active soft orthotic device for ankle foot pathologies", in 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2011, pp. 4488-4495)에서는 공압 인공 근육을 인체 공학적인 설계로 부착한 발목 외골격 장치가 개시한다. 하지만 공압을 이용하기 위해서는 펌프 등 외부 동력이 필요하며, 구동기의 부피로 인해 다양한 움직임의 보조가 어려우며, 발목 각도를 측정하기 위해 추가적인 외부 센서가 필요한 단점을 갖는다.
이에 본 발명자들은 사용자의 발목 2축 강성을 보조할 수 있는 발목 보조 장치로서, 실리콘 및 섬유 등의 소프트한 소재를 사용한 인체공학적 설계를 통해 사용자의 운동을 제한하지 않고 가벼운 무게와 작은 부피로 발목 움직임을 보조할 수 있고, 실리콘 고무의 신축 변형을 이용하여 외부 전력없이 강성을 보조할 수 있으며, 상기 실리콘 고무에 내장된 인장 센서 및 FPGA 기반 제어부를 통해 발목의 2축 각도를 예측하고 이에 따라 강성 조절부가 정전기적 인력을 이용하여 강성의 크기를 제어할 수 있어 추가적인 공압 펌프, 동력전달장치등의 사용없이 적은 전력으로 사용자의 움직임에 맞추어 보조력을 변화시키거나, 강성을 변화시키는 발목 보조 장치를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
일 측면에서의 목적은
사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 외골격 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
일 측면에서는,
사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치로서,
사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육 상에 배치되는 하나 이상의 구동 모듈;을 포함하고,
상기 구동 모듈은,
사용자의 발목 움직임에 따라 신축 변형되는 실리콘 고무 및 상기 실리콘 고무의 신축 변형을 감지하는 인장 센서를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부;
상기 적어도 2개의 탄성 구동부 사이에 형성되어 상기 적어도 2개의 탄성 구동부를 연결하는, 연결 부재; 및
상기 인장 센서의 신호에 따라 상기 연결 부재의 움직임을 고정 또는 고정 해제하여 상기 구동 모듈의 강성을 조절하는 강성 조절부;를 포함하는, 발목 보조 장치가 제공된다.
상기 발목 보조 장치는
4개 이상의 구동 모듈을 포함하며,
상기 4개 이상의 구동 모듈 중 적어도 4개의 구동 모듈은 사용자 발목의 움직임을 유도하는 서로 다른 근육 상에 배치된다.
상기 인장 센서는 상기 실리콘 고무에 내장된다.
상기 인장 센서는 적어도 3개의 전도성 섬유층; 및 상기 적어도 3개의 전도성 섬유층 사이에 위치하는 실리콘층을 포함하며, 상기 실리콘 고무의 신축 변형에 따라 정전용량이 변화하는 캐패시터형 인장 센서이다.
상기 발목 보조 장치는
상기 인장 센서의 신호를 처리하는 신호처리부를 더 포함한다.
상기 신호처리부는,
상기 인장 센서의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정부;를 포함한다.
상기 발목 보조 장치는
상기 정전용량 측정부와 전기적으로 연결되어, 상기 인장 센서의 정전용량 변화로부터 상기 실리콘 고무의 인장 길이를 계산하고, 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 제어하는, FPGA 기반 제어부;를 더 포함한다.
상기 발목 보조 장치는,
상기 강성 조절부에 전원을 공급하는 전원공급부; 및
상기 전원공급부 및 상기 FPGA기반 제어부와 전기적으로 연결되며, 상기 FPGA 기반 제어부에 의해 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 온(on)-오프(off)하는 전원 스위치;를 더 포함한다.
상기 강성 조절부는
정전기적 인력에 의해 연결되거나 이격되는 한 쌍의 전도성 고분자층; 및
상기 한 쌍의 전도성 고분자층 각각의 외측면에 형성된 대전방지층;을 포함하고
상기 한 쌍의 전도성 고분자층 사이에 상기 연결 부재가 배치되어 정전기적 인력에 의해 상기 연결 부재를 고정하거나 또는 고정 해제한다.
상기 연결 부재는 절연성의 섬유 소재로 이루어진다.
상기 발목 보조 장치는 상기 FPGA 기반 제어부 및 상기 전원 공급부가 장착된 착용형 슈트일 수 있다.
상기 착용형 슈트는,
상기 구동 모듈의 일단과 연결되며 사용자의 발에 착용되는 제1 착용 부재; 및
상기 구동 모듈의 타단과 연결되며 사용자의 신체 중 상기 구동모듈이 배치되는 사용자 근육보다 상부에 착용되는 제2 착용 부재;를 포함한다.
상기 제2 착용 부재는 사용자의 종아리, 무릎 또는 허벅지를 포함하는 신체영역에 착용된다.
상기 발목 보조 장치는
상기 구동 모듈 및 상기 제1 착용 부재를 연결하는 제1 와이어; 및
상기 구동 모듈 및 상기 제2 착용 부재를 연결하는 제2 와이어;를 더 포함한다.
상기 발목 보조 장치는,
상기 제1 착용 부재 상에 형성되어 상기 제1 와이어의 길이를 조절하는 제1 와이어 길이 조절 수단; 및
상기 제2 착용 부재 상에 형성되어 상기 제2 와이어의 길이를 조절하는 제2 와이어 길이 조절 수단;을 더 포함한다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치는 실리콘 및 섬유 등의 소프트한 소재를 사용한 인체공학적 설계를 통해 사용자의 운동을 제한하지 않고 가벼운 무게와 작은 부피로 발목 움직임을 보조할 수 있다.
또한, 일 측면에 따른 발목 보조 장치는 외부전력없이 실리콘 고무의 신축 변형을 통해 강성을 보조할 수 있고, 상기 실리콘 고무에 내장된 인장 센서 및 FPGA 기반 제어부를 통해 발목 각도를 예측하므로, 외부의 추가적인 센서 또는 측정 장비가 필요하지 않아 닫힌 구조로서 모듈화가 가능하여 시스템의 안정성이 높고 작은 부피로 제조 가능한 장점을 갖는다.
또한 일 측면에 따른 발목 보조 장치는 강성 조절부가 정전기적 인력을 이용하여 강성의 크기를 제어하므로 추가적인 공압 펌프, 동력전달장치등의 사용없이 적은 전력으로 사용자의 움직임에 맞추어 보조력을 변화하거나, 강성을 변화할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 사용자가 일 실시 예에 따른 착용형 발목 보조 장치를 착용한 상태를 나타낸 모식도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 구동 모듈을 나타낸 모식도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 탄성 구동부를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 인장 센서를 나타낸 모식도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 인장 센서로부터 실리콘 고무의 인장 길이를 측정하기 위한 회로도를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 강성 조절부를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 착용형 발목 보조 장치를 보다 구체적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 특정 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
일 측면에서는,
사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치(1)로서,
사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육 상에 배치되는 하나 이상의 구동 모듈(10);을 포함하고,
상기 구동 모듈(100)은,
사용자의 발목 움직임에 따라 신축 변형되는 실리콘 고무(110) 및 상기 실리콘 고무(110)의 신축 변형을 감지하는 인장 센서(120)를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부(100);
상기 적어도 2개의 탄성 구동부(100) 사이에 형성되어 상기 적어도 2개의 탄성 구동부를 연결하는, 연결 부재(200); 및
상기 인장 센서(120)의 신호에 따라 상기 연결 부재(200)의 움직임을 고정 또는 고정 해제하여 상기 구동 모듈(10)의 강성을 조절하는 강성 조절부(300);를 포함하는, 발목 보조 장치(1)가 제공된다.
이하, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 사용자가 일 실시 예에 따른 발목 보조 장치(1)를 착용한 상태를 나타낸 모식도로서, 구체적으로는 사용자의 우측 다리의 가자미근, 장딴지근, 전경골근 및 비복근 각각에 구동 모듈(10)이 배치되도록 일 실시 예에 따른 발목 보조 장치(1)를 착용한 상태에서 상기 우측 다리의 좌측면을 나타낸 도면이다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 실리콘 및 섬유 소재등 소프트한 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
종래의 발목 보조 장치의 경우 스프링등 단단한 소재로 이루어지므로 보조하는 힘이 사용자(또는 착용자)의 생물학적 관절과 완벽히 일치하는 것이 어렵고 부피로 인한 큰 관성 모멘트가 사용자의 자연스러운 동작을 방해하는 반면, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 실리콘 및 섬유 소재등 소프트한 소재로 이루어져 사용자의 운동을 제한하지 않고 가벼운 무게와 작은 부피로 사용자의 발목 움직임을 보조할 수 있으며, 발목 움직임을 보조하기 위한 적합한 위치에 용이하게 위치시킬 수 있어 사용자의 동작에 어긋나는 힘을 방지할 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 발목의 2축 방향에 대한 강성을 보조하기 위하여 사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육 상에 하나 이상의 구동 모듈(10)을 포함한다.
상기 구동 모듈(10)은 바람직하게는 4개 이상일 수 있고, 상기 4개 이상의 구동 모듈 중 적어도 4개의 구동 모듈은 사용자 발목의 움직임을 유도하는 서로 다른 근육 상에 배치될 수 있다.
예를 들어 발목의 2축 방향의 움직임을 유도하는 가자미근, 장딴지근, 전경골근 및 비복근 각각에 하나 이상의 구동 모듈(10)을 배치할 수 있고, 보다 바람직하게는 상기 구동 모듈(10)의 실리콘 고무(110)가 상기 근육이 인장 또는 수축되는 방향과 평행하게 인장 또는 수축되도록 배치할 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기와 같은 배치를 통해 사용자의 발목 움직임에 어긋나는 힘을 방지할 수 있고, 사용자 발목의 2축 방향 모두에 대한 움직임을 보조할 수 있다.
이때 상기 발목의 2축은 발목의 굽힘 및 펼침 운동을 수행하는 제1 축 및 좌우 운동을 수행하는 제2 축을 의미하며, 상기 발목의 2축 운동은 상기 제1 축 및 제2 축에 대한 회전 운동을 의미한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 구동 모듈(10)을 나타낸 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 구동 모듈(10)은 사용자의 발목 움직임에 따라 신축 변형되는 실리콘 고무(110) 및 상기 실리콘 고무(110)의 신축 변형을 감지하는 인장 센서(120)를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부(100);를 포함한다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 탄성 구동부(100)의 실리콘 고무(110)를 통해 발목의 강성을 보조하므로 외부동력없이 작은 부피 및 무게로 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 실리콘 고무(110)는 사용자의 발목 움직임에 의해 신축 변형되고 신장시 에너지를 저장하고 상기 신축 변형을 복원함으로써 사용자에게 에너지를 전달할 수 있다.
상기 실리콘 고무(110)는 발목의 2축 방향의 강성을 보조하기 위하여, 발목의 2축 방향의 움직임을 유도하는 근육 중 어느 하나의 근육 상에 배치되며, 바람직하게는 상기 근육이 인장되는 방향과 평행하게 인장되도록 배치될 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 직렬 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부(100)를 포함하며 탄성 구동부(100)의 개수를 조절하여 강성을 보조하는 힘의 크기를 조절할 수 있다.
또한 상기 강성 조절부(300)를 통해 상기 적어도 2개의 탄성 구동부(100) 사이의 직렬 연결을 제어하여, 에너지 전달을 제어함으로써, 보조하는 강성의 크기를 제어할 수 있다.
일례로, 길이 A cm를 갖는 2개의 탄성 구동부(100)가 직렬 연결된 경우 길이 A cm를 갖는 1개의 탄성 구동부(100)를 사용하는 경우 대비 보조하는 강성의 크기가 1/2로 낮아진다. 이에 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 적어도 2개의 탄성 구동부(100)를 직렬 연결하여 인장되는 동작 시 보다 작은 크기의 강성을 보조하는 반면 수축되는 동작 시 상기 강성 조절부(300)를 통해 직렬 연결을 해제함으로써 보다 큰 강성(인장 동작 대비 2배의 강성)이 제공되도록 강성을 조절할 수 있다.
상기 탄성 구동부(100)는 실리콘 고무(110)의 신축 변형을 감지하는 인장 센서(120)를 포함하며, 상기 인장 센서(120)는 상기 실리콘 고무(110)의 표면에 형성될 수 있으나, 대전 방지 처리등 별도의 처리를 하지 않아도 되는 제조의 편의성, 외부의 자극으로부터의 손상 방지 등을 위해 상기 실리콘 고무(110) 내부에 내장된 형태로 형성하는 것이 보다 바람직하다.
도 3은 일 실시 예에 따라 실리콘 고무(110)의 내부에 인장 센서가 내장된 형태의 탄성 구동부(100)를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 탄성 구동부(100)는 준비된 몰드(2)에 실리콘 고무(110)를 포함하는 용액을 투입하고 인장 센서(120)를 배치한 후 다시 실리콘 고무(110)를 포함하는 용액을 투입한 후 경화시키는 용이한 방법으로 제조할 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 실리콘 고무(110)에 내장된 인장 센서(120)를 통해 사용자의 발목 움직임을 감지하고 이를 통해 FPGA 기반 제어부가 발목의 각도를 예측할 수 있어, 사용자의 발목 각도에 따라 자동적으로 보조하고자 하는 강성의 크기를 제어할 수 있다.
일 측면에 따른 탄성 구동부(100)는 실리콘 고무(110)에 내장된 인장 센서(120)가 사용자의 발목 움직임을 측정하는, 구동 및 측정이 통합된 닫힌 시스템 구조로서, 강성 제어를 위한 별도의 (센서 및 측정장치등의)외부 구성요소를 필요로 하지 않아, 시스템의 안정성이 높고 부피를 현저히 줄일 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 인장 센서(120)를 나타낸 모식도이다.
일 실시 예에 따른 인장 센서(120)는 적층방식의 캐패시터형 인장 센서로서, 적어도 3개의 전도성 섬유층(121,122,123) 및 상기 적어도 3개의 전도성 섬유층(121,122,123) 사이에 위치하는 실리콘층(124, 125)을 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 따른 인장 센서(120)는 3개의 전도성 섬유층(121,122,123) 및 2개의 실리콘층(124, 125)이 교번하여 적층된 형태이고 외측에 위치하는 2개의 전도성 섬유층(121,123)은 접지된 상태로서, 실리콘 고무(110)가 신축 변형함에 따라 정전용량이 변하는 캐패시터형 인장 센서이다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 인장 센서(120)의 신호를 처리하는 신호처리부(130)를 더 포함한다.
상기 신호처리부는 인장 센서(120)의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정부(131)를 포함하며, 상기 인장 센서(120)의 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭부(132)를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
도 5는 상기 인장 센서(120)로부터 실리콘 고무(110)의 인장 길이를 측정하기 위한 회로도를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 인장 센서(120)에 의해 변화된 정전 용량은정전용량 측정부(131)를 통해 측정될 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 정전용량 측정부(131)와 전기적으로 연결되어, 상기 인장 센서(120)의 정전용량 변화로부터 상기 실리콘 고무의 인장 길이를 계산하고, 이로부터 발목의 각도를 예측하여 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 제어하는, FPGA 기반 제어부(500);를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 FPGA 기반 제어부(500)(도 7 참조)로부터 상기 실리콘 고무의 인장 길이를 계산할 수 있고, 이로부터 사용자의 발목 각도를 예측하여 상기 강성 조절부(300)가 상기 연결 부재(200)의 움직임을 고정할지 또는 고정 해제할지를 제어함으로서, 사용자의 움직임에 맞추어 강성을 변화시킬 수 있다.
이때, 상기 강성 조절부(300)는 정전기적 인력에 의해 상기 연결 부재를 고정하거나 또는 고정 해제할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 강성 조절부(300)는
정전기적 인력에 의해 연결되거나 이격되는 한 쌍의 전도성 고분자층(301); 및
상기 한 쌍의 전도성 고분자층 각각의 외측면에 형성된 대전방지층(302);을 포함하고, 상기 한 쌍의 전도성 고분자층(301) 사이에 상기 연결 부재(200)가 배치되어 정전기적 인력에 의해 상기 연결 부재(200)를 고정하거나 또는 고정 해제할 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 강성 조절부(300)를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 일 실시 예에 따른 강성 조절부(300)는 한 쌍의 폴리우레탄 필름(TPU film)(301), 및 상기 한 쌍의 폴리우레탄 필름(TPU film)(301) 각각의 외측면에 형성된 섬유 소재의 대전방지층(302)을 포함하고, 상기 폴리우레탄 필름(TPU film)(301) 및 대전 방지층(302)은 전도성 페이스트에 의해 서로 접착된 형태일 수 있다.
이때 상기 한 쌍의 TPU 필름(301)은 어느 하나에는 (+)전압을, 다른 하나에는 (-)전압을 인가함으로써 정전기적 인력에 의해 서로 연결 또는 이격될 수 있다.
이때 상기 연결 부재(200)는 상기 한 쌍의 TPU 필름(301) 사이에 배치되며, 전압이 인가될 경우 상기 정전기적 인력에 의해 TPU 필름(301) 사이의 연결 부재(200)의 움직임은 고정될 수 있고 또한 전압을 인가하지 않음으로써 연결 부재(200)의 움직임은 자유로울 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 정전기적 인력을 이용해 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동체(100) 사이의 직렬 연결을 제어할 수 있고, 이를 통해 사용자에게 보조하는 강성의 크기를 제어할 수 있다.
이때 상기 연결 부재(200)는 절연성 소재로 이루어지며, 바람직하게는 마찰력 높은 섬유 소재일 수 있다. 예를 들어, 상기 연결 부재는 열가소성 폴리우레탄(TPU) 및 폴리이미드(polyimide, PI) 중 1종 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
또한, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 DC/DC 컨버터(310)(도 7 참조)를 더 포함할 수 있고, 이로부터 인가된 전압을 승압시켜 한 쌍의 전도성 고분자층 사이의 마찰력을 보다 높일 수 있다.
일례로, 상용화된 DC/DC 컨버터로 0.5W을 사용해 5V를 전압을 5kV로 승압시킬 수 있고, 이를 통해 한 쌍의 폴리우레탄 필름(301) 사이의 마찰력은 최대 5kg의 힘을 버틸 수 있다.
이에, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 저전력으로 약 5kgf의 마찰력을 제공할 수 있고, 높은 전압에 비해 낮은 전류로 사람이 착용하는데 부상의 위험이 적은 장점을 갖는다.
도 7을 참조하면, 상기 DC/DC 컨버터(310)는 상기 강성조절부(300)상에 형성될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 강성 조절부(300) 및 전원 공급부(600)와 전기적으로 연결되는 적절한 위치에 형성될 수 있다.
일 측면엔 따른 발목 보조 장치(1)는
상기 강성 조절부에 전원을 공급하는 전원공급부(600); 및
상기 전원공급부 및 상기 FPGA기반 제어부와 전기적으로 연결되며, 상기 FPGA 기반 제어부에 의해 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 온(on)-오프(off)하는 전원 스위치(610);를 더 포함한다.
도 7을 참조하면, 상기 전원공급부(600) 및 전원 스위치(610)는 후술할 착용용 슈트 몸체(body)의 적절한 위치에 형성될 수 있다.
상기 전원공급부(600)는 11.1Wh 내지 18.5Wh의 전력을 공급할 수 있다.
상기 전원공급부(600)는 상기 강성 조절부 및 FPGA 기반 제어부에 전력을 공급할 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 강성 조절부(300)에 정전기력을 발생시키기 위한 전원공급부를 포함한다.
종래의 경우, 강성을 변화하거나 조절하기 위해 추가적인 공압 펌프, 동력 전달 장치를 사용한 반면, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)의 강성 조절부(300)는 정전기력을 이용하여 강성을 조절하므로, 적은 전력으로 강성을 조절할 수 있다.
또한 전술한 바와 같이, DC/DC 컨버터를 더 포함하여 인가된 전압을 승압시킬 수 있어, 약 0.5W의 전력을 사용해 5V를 전압을 5kV로 승압시킬 수 있고, 이를 통해 최대 5kg의 힘을 버틸 수 있는 마찰력을 제공하여 효과적으로 강성을 조절할 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 사용자의 움직임에 따라 실리콘 고무(110)가 신축 변형하고, 이에 따라 변화하는 인장 센서(120)의 정전용량을 정전용량 측정부(131)가 측정하고, 이를 통해 FPGA 기반 제어부(500)가 사용자의 발목 각도를 예측할 수 있다. 또한, FPGA 기반 제어부(500)가 예측된 발목 각도를 기반으로 상기 전원 스위치(610)를 제어하여 상기 전원 스위치(610)가 상기 강성 조절부(300)로의 전원 공급을 온(on)-오프(off)함으로써 상기 강성 조절부(300)가 상기 연결 부재(200)의 움직임을 고정할지 또는 고정 해제할지를 조절함으로서, 사용자에게 보조하는 강성크기를 제어할 수 있고, 구체적으로 근육이 인장되는 동작 시 상대적으로 작은 값의 강성을 제공함으로써 용이하게 인장되도록할 수 있고 근육이 수축되는 동작 시 상대적으로 높은 값의 강성을 제공함으로서 수축 동작이 원활히 일어날 수 있도록 효과적으로 보조할 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 FPGA 기반 제어부(500) 및 상기 전원 공급부(600)가 장착된 착용형 슈트일 수 있다.
도 1 및 7은 사용자가 일 실시 예에 따른 착용형 발목 보조 장치(1)를 착용한 상태를 나타낸 모식도이다.
상기 착용형 슈트는,
상기 구동 모듈의 일단과 연결되며 사용자의 발에 착용되는 제1 착용 부재(410); 및
상기 구동 모듈의 타단과 연결되며 사용자의 신체 중 상기 구동모듈이 배치되는 사용자 근육보다 상부에 착용되는 제2 착용 부재(420);를 포함한다.
이때 상기 제2 착용 부재(420)는 사용자의 종아리, 무릎 또는 허벅지를 포함하는 신체영역에 착용될 수 있고, 바람직하게는 도 7에 도시된 바와 같이, 사용자의 무릎 영역에 착용될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 FPGA 기반 제어부(500) 및 상기 전원 공급부(600)는 상기 제2 착용 부재(420)에 형성될 수 있으며, 그 외 상기 인장 센서(120)의 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭부(132)가 상기 제2 착용 부재 상에 더 형성될 수 있으나 이에 제한 된 것은 아니며, 착용 슈트 몸체의 적절한 위치에 형성될 수 있다.
또한, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는
상기 구동 모듈(100) 및 상기 제1 착용 부재(410)를 연결하는 제1 와이어(810); 및
상기 구동 모듈(100) 및 상기 제2 착용 부재(420)를 연결하는 제2 와이어(820);를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 제1 와이어(810) 및 제2 와이어(820)에 의해 구동 모듈(100)을 착용형 슈트의 몸체(body), 바람직하게는 제1 착용 부재(410) 및 제2 착용 부재(420)의 소정의 위치 상에 연결할 수 있다.
이때, 상기 제1 와이어(810) 및 제2 와이어(820)는 바람직하게는 신축성이 없거나 미비한 소재로 이루어질 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌(polyethylene, PE)소재로 이루어질 수 있으며, 요구에 따라 두께가 달라질 수 이으나 바람직하게는 0.3mm 내지 1.0mm의 두께를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 와이어(810) 및 제2 와이어(820)는 폴리에틸렌(polyethylene, PE)으로 이루어진 와이어를 복수개 꼬아 형성된 0.5mm의 두께를 갖는 합사로서, 59kgf의 장력을 버틸 수 있다.
또한, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는
상기 제1 착용 부재(410)상에 형성되어 상기 제1 와이어(810)의 길이를 조절하는 제1 와이어 길이 조절 수단(910); 및
상기 제2 착용 부재 상에 형성되어 상기 제2 와이어의 길이를 조절하는 제2 와이어 길이 조절 수단(920);을 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 제1 와이어 길이 조절 수단(910) 및 제2 와이어 길이 조절 수단(920)에 의해 사용에 적절하도록 상기 제1 및 제2 와이어(810, 820)의 길이를 조절할 수 있고, 상기 제1 와이어 및 제2 와이어(810, 820)를 착용형 슈트의 몸체(body), 바람직하게는 제1 착용 부재(410) 및 제2 착용 부재(420)에 상에 고정시킬 수 있다.
이때 상기 제1 와이어 조절 수단(910) 및 제2 와이어 조절 수단(920)은 상기 실리콘 고무(110)의 인장 방향이 사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육의 인장방향과 평행하도록, 상기 제1 착용 부재(410) 및 제2 착용 부재(420)의 소정의 위치에 형성하는 것이 보다 바람직하며, 이를 위해, 일 측면에 따른 발목 보조 장치(1)는 상기 제1 와이어(810) 또는 제2 와이어(820)를 상기 착용슈트에 고정하기 위한 하나 이상의 고정수단(930)을 더 포함할 수 있고, 이를 통해 발목의 2축 강성을 보다 효과적으로 조절할 수 있다.
예를 들어, 사용자의 발목 강성 보조를 위해, 4개의 구동모듈(100)을 갖는 일 실시 예에 따른 발목 보조 장치(1)가 사용자에게 아래와 같이 착용될 수 있다.
구체적으로, 사용자의 가자미근, 장딴지근, 전경골근 및 비복근 각각에 상기 근육이 인장방향과 상기 구동 모듈(100)의 실리콘 고무(110)의 인장 방향이 평행하도록 4개의 구동 모듈(100)을 배치한다. 이를 위해, 상기 구동 모듈(100)의 일단을 연결하는 제1 와이어(810)를 고정수단(930)을 이용하여 발목상의 제1 착용부재(410)에 일차 고정하고, 사용자 발의 우측 옆면, 좌측 옆면, 우측 뒷꿈치 영역 및 좌측 뒤꿈치 영역상의 제2 착용부재(410)에 형성된 제1 와이어 길이 조절 수단(910)을 이용해 장력이 발생되도록 상기 제1 와이어(810)의 길이를 조정한 후 최종 고정한다. 또한, 제2 와이어 길이 조절 수단(920)을 이용해 장력이 발생되도록 상기 구동 모듈(100)의 타단을 연결하는 제2 와이어(820)의 길이를 조정한 후 제2 착용부재(420)에 고정할 수 있다.
상기와 같이 착용된 일 실시 예에 따른 발목 보조 장치(1)는 사용자 발목의 2축 방향의 움직임에 대해 적절한 크기의 강성이 보조될 수 있어, 재활 분야, 장기간 노동이 필요한 군용, 산업 분야, 보행, 런닝, 점핑 등 인체 운동 시 발목의 움직임을 보조하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 이에 본 발명이 한정되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, "제 1"및 "제 2"라는 용어는 본 명세서에서 구별 목적으로서 사용되며, 어떠한 방식으로도 서열 또는 우선 순위를 나타내거나 예상하는 것을 의미하지 않으며, 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 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.
또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
일 측면에 따른 발목 보조 장치는 발목의 2축 강성을 보조하므로, 재활 분야, 장기간 노동이 필요한 군용, 산업 분야, 보행, 런닝, 점핑 등 인체 운동 시 발목의 움직임을 보조하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 사용자의 움직임에 따라 발목의 2축 강성을 보조하는 발목 보조 장치로서,
    사용자 발목의 움직임을 유도하는 근육 상에 배치되는 하나 이상의 구동 모듈;을 포함하고,
    상기 구동 모듈은,
    사용자의 발목 움직임에 따라 신축 변형되는 실리콘 고무 및 상기 실리콘 고무의 신축 변형을 감지하는 인장 센서를 포함하는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 탄성 구동부;
    상기 적어도 2개의 탄성 구동부 사이에 형성되어 상기 적어도 2개의 탄성 구동부를 연결하는, 연결 부재; 및
    상기 인장 센서의 신호에 따라 상기 연결 부재의 움직임을 고정 또는 고정 해제하여 상기 구동 모듈의 강성을 조절하는 강성 조절부;를 포함하는, 발목 보조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는
    4개 이상의 구동 모듈을 포함하며,
    상기 4개 이상의 구동 모듈 중 적어도 4개의 구동 모듈은 사용자 발목의 움직임을 유도하는 서로 다른 근육 상에 배치되는, 발목 보조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인장 센서는 상기 실리콘 고무에 내장되는, 발목 보조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인장 센서는 적어도 3개의 전도성 섬유층; 및 상기 적어도 3개의 전도성 섬유층 사이에 위치하는 실리콘층을 포함하며, 상기 실리콘 고무의 신축 변형에 따라 정전용량이 변화하는 캐패시터형 인장 센서인, 발목 보조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는
    상기 인장 센서의 신호를 처리하는 신호처리부를 더 포함하는, 발목 보조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 인장 센서의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정부;를 포함하는, 발목 보조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는
    상기 정전용량 측정부와 전기적으로 연결되어, 상기 인장 센서의 정전용량 변화로부터 상기 실리콘 고무의 인장 길이를 계산하고, 발목의 각도를 예측하여 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 제어하는, FPGA 기반 제어부;를 더 포함하는, 발목 보조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는,
    상기 강성 조절부에 전원을 공급하는 전원공급부; 및
    상기 전원공급부 및 상기 FPGA기반 제어부와 전기적으로 연결되며, 상기 FPGA 기반 제어부에 의해 상기 강성 조절부로의 전원 공급을 온(on)-오프(off)하는 전원 스위치;를 더 포함하는, 발목 보조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 강성 조절부는
    정전기적 인력에 의해 연결되거나 이격되는 한 쌍의 전도성 고분자층; 및
    상기 한 쌍의 전도성 고분자층 각각의 외측면에 형성된 대전방지층;을 포함하고
    상기 한 쌍의 전도성 고분자층 사이에 상기 연결 부재가 배치되어 정전기적 인력에 의해 상기 연결 부재를 고정하거나 또는 고정 해제하는, 발목 보조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연결 부재는 절연성의 섬유 소재로 이루어진, 발목 보조 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는 상기 FPGA 기반 제어부 및 상기 전원 공급부가 장착된 착용형 슈트인, 발목 보조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 착용형 슈트는,
    상기 구동 모듈의 일단과 연결되며 사용자의 발에 착용되는 제1 착용 부재; 및
    상기 구동 모듈의 타단과 연결되며 사용자의 신체 중 상기 구동모듈이 배치되는 사용자 근육보다 상부에 착용되는 제2 착용 부재;를 포함하는, 발목 보조 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 착용 부재는 사용자의 종아리, 무릎 또는 허벅지를 포함하는 신체영역에 착용되는, 발목 보조 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는
    상기 구동 모듈 및 상기 제1 착용 부재를 연결하는 제1 와이어; 및
    상기 구동 모듈 및 상기 제2 착용 부재를 연결하는 제2 와이어;를 더 포함하는, 발목 보조 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 발목 보조 장치는,
    상기 제1 착용 부재 상에 형성되어 상기 제1 와이어의 길이를 조절하는 제1 와이어 길이 조절 수단; 및
    상기 제2 착용 부재 상에 형성되어 상기 제2 와이어의 길이를 조절하는 제2 와이어 길이 조절 수단;을 더 포함하는, 발목 보조 장치.
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