WO2023063737A1 - 하지 보조 로봇 - Google Patents

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WO2023063737A1
WO2023063737A1 PCT/KR2022/015477 KR2022015477W WO2023063737A1 WO 2023063737 A1 WO2023063737 A1 WO 2023063737A1 KR 2022015477 W KR2022015477 W KR 2022015477W WO 2023063737 A1 WO2023063737 A1 WO 2023063737A1
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WO
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joint
actuator
force
link
control module
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/015477
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English (en)
French (fr)
Inventor
조창현
Original Assignee
조선대학교산학협력단
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B23/00—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body
    • A63B23/035—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously
    • A63B23/04—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously for lower limbs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • B25J11/008—Manipulators for service tasks
    • B25J11/009—Nursing, e.g. carrying sick persons, pushing wheelchairs, distributing drugs

Definitions

  • the present invention relates to a robot that assists the movement of the body, and more particularly, to a robot configured to assist the movement of the lower limb of the body.
  • a robot is a mechanical device with a human-like appearance and function, or a mechanical device that can be operated by a computer program and automatically performs a complex set of tasks.
  • a robot is recognized as a mechanical device having the ability to assist a human or process a predetermined task on behalf of a human.
  • assistive robots are classified as mechanical devices configured to help humans control their body posture and movement, and in this respect, assistive robots most closely match the conventional and intuitive definition of robots mentioned above.
  • assistive robots are being applied to replace the physical efforts of existing therapists for people with physical defects in the field of convalescent and rehabilitation medicine.
  • assistive robots are also being utilized to increase the physical capabilities of normal humans by assisting normal human activities using their basic configuration. Due to these various advantages, assistive robots are applied in various fields such as military and industrial fields, not just for rehabilitation purposes, and technology development and policy support for them have been increased.
  • assistive robots can be largely classified into lower extremity assist robots that support posture and motion of the legs and upper extremity assist robots that support posture and motion of the arms.
  • lower extremity assist robots are currently being researched and developed most actively.
  • the lower extremity assisting robot should respond to the user's intentional movement in real time and assist such movement.
  • an electric actuator it is difficult to implement follow-up control for a user's motion due to a delay inevitably occurring in a gear train that transmits power of the motor as well as operation of the motor.
  • the electric lower extremity assist robot always contains instability in terms of both the structure and operation. Therefore, these electric lower extremity assist robots have not yet been developed to assist the user's movements in real time, and users feel inconvenience when actually using these electric lower extremity assist robots.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a lower extremity assist robot configured to assist a user's movement in real time according to the user's intention.
  • Another object of the present invention is to provide a lower extremity assist robot that is inexpensive and lightweight.
  • the present invention is a first link configured to support the lower leg of the lower extremity; a second link configured to support the femoral portion of the lower extremity and including a first joint rotatably connected to the first link and a second joint disposed opposite to the first joint;
  • a first actuator including a first connection part rotatably connected to the first joint and a second connection part rotatably connected to a body of the first link, configured to apply a force of a predetermined magnitude to the first connection part ;
  • a second actuator including a third connection part rotatably connected to the second joint and a fourth connection part rotatably connected to the body of the second link, configured to apply a force of a predetermined magnitude to the third connection part ; and a direction of forces coupled to the first and second actuators and applied by the first and second actuators to the first and third connectors to generate a force in an intended direction while counteracting the applied gravitational force.
  • the first control module may be configured to change positions of the first and third connectors to change directions of forces applied by the first and second actuators.
  • the first control module rotates the first and third connection parts at a predetermined angle around the first and second joints, thereby reducing the component force and intention opposite to the direction of gravity from the forces of the first and second actuators. It can be configured to generate a component force in a direction.
  • the first control module may include: a first pulley rotatably installed on the first joint and rotatably coupled to the first connecting portion of the first actuator; a second pulley rotatably installed on the first joint and rotatably coupled to the third connection part of the second actuator; and a first driver configured to rotate the first and second pulleys and the first and third connecting parts by providing power to the first and second pulleys.
  • the first control module may further include a first synchronizer configured to move the first and third connectors by the same distance in the same direction at the same time.
  • the first tuner may be configured to rotate the first and second pulleys simultaneously in the same direction and at the same angle relative to the first and second joints.
  • the lower extremity assist robot of the present invention selectively engages with the first and second actuators to change the magnitudes of forces applied to the first and third connection parts by the first and second actuators. It may further include a second control module configured.
  • the second control module may set a first distance between the first and second connection parts and a third distance between the third and fourth connection parts to change the magnitudes of forces applied to the first and third connection parts. 2 Can be configured to change the distance. Also, the second control module may be configured to move the second and fourth connectors in the longitudinal direction of the first and second links.
  • the second control module includes: a first rotatably installed on the first joint and configured to linearly move the second connection portion while contacting the second connection portion of the first actuator while rotating; cam; a second cam rotatably installed on the second joint and configured to linearly move the fourth connection portion of the second actuator while contacting the fourth connection portion of the second actuator while rotating; and a second driver coupled to the first and second cams and configured to rotate the first and second cams.
  • the second control module may further include a second tuner configured to simultaneously move the second and fourth connectors by the same distance.
  • the second synchroniser may be configured to rotate the first and second cams relative to the first and second joints at the same angle in the same direction at the same time.
  • the first actuator includes: a first cylinder provided to the first hinge; a first connecting rod including a first end connected to the first joint and a second end movably disposed within the first cylinder to form the first connecting portion; a first spring accommodated in the first cylinder and configured to be deformed by the first connecting rod; and a first hinge shaft installed on the first link, coupled to the first connecting rod, and configured to allow rotational motion and linear motion of the first connecting rod.
  • the second actuator includes: a second cylinder provided to the second hinge; a second connecting rod including a third end connected to the second joint and a fourth end movably disposed within the second cylinder to form the second connection portion; a second spring accommodated in the second cylinder and configured to be deformed by the second connecting rod; and a second hinge shaft installed on the second link, coupled to the second connecting rod, and configured to allow rotational motion and linear motion of the second connecting rod.
  • the lower extremity assist robot uses an actuator that generates a mechanical force such as an elastic force rather than an electric actuator that generates an electric force. These mechanical actuators can generate appropriate force by directly interlocking with the link supporting the lower extremity of the user.
  • the lower extremity assist robot of the present invention includes an adjustment module configured to mechanically control the forces of these actuators, and using these control modules, the direction and size can be appropriately changed according to the operation modes of the lower extremity assist robot. . Therefore, the lower extremity assist robot of the present invention can be configured to provide the required forces without delay while interlocking with the user's movement.
  • the lower extremity assisting robot of the present invention can assist the lower extremity movement according to the user's intention in real time in response to the user's movement. That is, according to the configuration of the present invention, unlike conventional motorized actuators, control in assisting the user's movement is minimized, and in particular, user intention recognition control such as motorized impedance control is not required. As a result, the lower extremity assist robot of the present invention can be conveniently used by the user without feeling of resistance, and can have high reliability and stability.
  • the lower extremity assist robot of the present invention is equipped with an actuator that generates mechanical force and a control module that also mechanically controls the actuator. Therefore, the lower extremity assist robot of the present invention can have a simple and reliable structure. For this reason, the present invention can provide a lower limb assist robot that is inexpensive and lightweight to the user.
  • FIG. 1 is a side view showing a lower extremity assist robot according to the present invention.
  • FIG. 2 is a front view illustrating the lower limb assist robot of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a model of the lower extremity assist robot of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a side view illustrating operation modes of the lower extremity assist robot of FIG. 1 .
  • FIG 5 is a side view showing a modified example of the lower extremity assist robot according to the present invention.
  • FIG. 6 is a front view illustrating the lower limb assist robot of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing a model of the lower extremity assist robot of FIG. 5 .
  • FIG. 8 is a side view illustrating operating modes of the lower leg robot of FIG. 5 .
  • FIG. 9 is a side view showing a further modified example of the lower extremity assist robot according to the present invention.
  • FIG. 10 is a front view illustrating the lower limb assist robot of FIG. 9 .
  • FIG. 11 is a side view illustrating operation diagrams of the lower extremity assist robot of FIG. 9 .
  • the present invention will be described as an example of a robot assisting the lower extremities, i.e., the legs of the body, but the examples of the robots described are the upper extremities, i.e., the arms of the body, without substantial modifications to their principles and configurations. And it can still be applied to robots that assist the movement of the torso.
  • FIG. 1 is a side view showing a lower extremity assist robot according to the present invention
  • FIG. 2 is a front view showing the lower extremity assist robot of FIG. 1
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a model of the lower extremity assist robot of FIG. 1
  • FIG. 4 is a side view illustrating operation modes of the lower extremity assist robot of FIG. 1 .
  • the lower extremity assist robot is configured to support the user's legs as a whole and may include link assemblies 1 and 2 connected to be relatively rotatable.
  • the lower extremity assist robot may include actuators 10 and 20 that apply force to the link assemblies 1 and 2 to assist motion of the user's leg.
  • an attachment that is interlocked with the actuators 10 and 20, that is, the control module 100 is installed in the lower extremity assist robot to assist leg movement, and is shown in FIGS. 5 to 11 As such, other attachments 200 and 300 may also be installed.
  • the control module 100-300 controls the force applied by the actuators 10 and 20 to move the link assemblies 1 and 2 in accordance with the user's intention, thereby appropriately assisting the movement of the user's legs.
  • the lower extremity assist robot of the present invention may include a mounting unit H disposed on the pelvis of the user.
  • the mounting unit H may assist in mounting the main devices 1, 2, 10, 20, 100-400 of the lower extremity assist robot mentioned above on the user's body, but is not required.
  • FIGS. 1 to 4 show the right unit of the lower extremity assist robot provided to the user's right leg as an example, and configurations of the right unit will be described below for convenience of description.
  • the lower extremity assisting robot of the present invention may include a left unit configured identically to the illustrated right unit in order to assist in balanced motion of the user's legs.
  • the left unit and the illustrated right unit may be coupled to the left and right sides of the wearing unit H, respectively. Therefore, even if not specifically mentioned additionally in the following, the lower extremity assist robot of the present invention includes a left unit configured identically to the described right unit, and descriptions related to the right unit provided with reference to FIGS. 1-4 below The same applies to these left units.
  • FIGS. 1 to 4 show the right unit of the lower extremity assist robot provided to the user's right leg as an example, and configurations of the right unit will be described below for convenience of description.
  • the lower extremity assisting robot of the present invention may include a left unit configured identically to the illustrated right unit in order to assist in
  • the lower extremity assist robot may include a first link 1 as a link assembly configured to support a lower leg (ie, a calf portion of a leg) of a user's lower extremity.
  • the first link 1 is made of a body extending along the lower leg and may be provided on the outer side of the lower leg.
  • the first link 1 may have a length extending from the user's ankle to the knee in order to stably support the lower leg.
  • This first link 1 can therefore include a lower end 1a disposed near the ankle and an upper end 1b disposed near the knee.
  • the lower extremity assist robot may include a second link 2 configured to support the user's upper leg (ie, the thigh portion of the leg) as a link assembly.
  • the second link 2 is made of a body extending along the thigh and may be provided on the outer side of the thigh.
  • the second link 2 may have a length extending from the user's knee to the vicinity of the hip, for example, to the hip joint in order to stably support the thigh.
  • This first link 1 may thus include a lower end 2a disposed near the knee and an upper end 2b disposed near the hip.
  • the second link 2 may be pivotably connected to the first link 1 in order to assist motion of the lower leg and the thigh, which relatively rotate.
  • the second link (2) may have a first joint (J1) (joint) rotatably connected to the first link (1), more precisely, the upper end (1b) of the first link (1).
  • the first joint (J1) rotates the upper end (1b) of the first link (1), the lower end (2a) of the second link (2) and these ends (1b, 1a).
  • pivot shafts or pins or hinge shafts or pins, hereinafter “hinge shafts”
  • a hinge axis or a pin itself connecting the first and second links 1 and 2 may be the first joint J1.
  • the second link 2 may include a second joint J2 disposed opposite to the first joint J1.
  • the second joint J2 may be configured to be rotatably connected to the wearing unit H, and accordingly, it may assist the user's relative motion of the thigh with respect to the pelvis. More specifically, as an example, the second joint (J2) rotates the upper end (2b) of the second link (2), the wearing unit (H) and the end and the units (2b, H).
  • a hinge shaft or pin that engages.
  • a hinge pin or shaft itself coupling the second link 2 and the wear unit H may be the second joint J2.
  • the wearing unit H since the wearing unit H is optional, even if the lower extremity assist robot does not include the wearing unit H, the second link 2, that is, its upper end 2b is attached to the thigh. It is rotated relative to the pelvis while receiving force in the state of being.
  • the second joint (J2) will be a hinge axis provided to the upper end (2b) of the second link (2) or the upper end (2b) for the installation of other attachments (100) can
  • the first and second joints J1 and J2 are disposed near the user's knee joint and hip joint, respectively, and assist rotational motion in the knee joint and hip joint.
  • the lower extremity assist robot may include actuators 10 and 20 so as to apply force for movement of the link assemblies 1 and 2 described above.
  • the thigh plays a major role in the motion of the lower extremity while moving relative to both the lower leg and the pelvis.
  • the actuators 10 and 20 may be primarily configured to apply force to the second link 2 that assists the motion of the thigh.
  • the femur is rotated relative to both the pelvis as well as the lower leg to perform the motion of the lower extremities. Therefore, applying force to both the knee joint and the hip joint, which are absolute rotational parts of the lower leg, is required to properly assist the rotation of the lower leg and to stably exercise not only the lower leg but the entire lower leg.
  • the lower extremity assist robot has first and second joints configured to apply force to the second link 2, specifically, the first and second joints J1 and J2 corresponding to the knee joint and the hip joint of the lower leg, respectively. Actuators 10 and 20 may be included.
  • the first and second actuators 10 and 20 are configured to provide forces required for the lower extremity assist robot using only mechanical forces generated from mechanical elements without the help of electrical forces.
  • the first and second actuators 10 and 20 generate an elastic force of a mechanical element, more specifically, a tension or elastic force by deformation and restoration of an elastic member to generate a second link ( 2) can be provided.
  • a typical electric actuator is directly coupled to the axis of the joint to directly apply torque to the axis of the joint.
  • the first and second actuators 10 and 20 use force generated from the deformation of mechanical elements, they require space for such deformation, and therefore are not directly coupled to the corresponding joint axis and may be slightly spaced apart.
  • the first actuator 10 may include a first coupler A1 connected to the first joint J1 so as to appropriately generate and provide mechanical force. there is.
  • the first actuator 10 may include a second connection portion B1 connected to the first link 1 .
  • the first connection part A1 is another member provided to the first joint J1 (for example, the first control module) as will be described later. By being coupled to the first pulley 110 of 100, it can be connected to the first joint (J1).
  • the first actuator 10 first directly applies the force generated to the first connection portion A1, and thus the applied force can be transmitted to the first joint J1 again.
  • the second connection portion B1 may be connected to the second link 2 and other members instead of the first link 1.
  • the second actuator 20 may include a third coupler A2 connected to the second joint J2.
  • the second actuator 20 may include a fourth connection portion B2 connected to the second link 2 to provide support for deformation and restoration of the mechanical element (ie, the elastic member). More specifically, the third connection part A2 is instead of being directly coupled to the second joint J2, as will be described later, another member provided to the second joint J2 (for example, the first control module).
  • the second actuator 20 By being coupled to the second pulley 120 of 100, it can be connected to the second joint (J2). As will be described later, the second actuator 20 first directly applies the force generated to the third connection portion A2, and thus the applied force can be transmitted to the second joint J2 again. In addition, if support for deformation of the mechanical element is possible, the fourth connecting portion B2 may be connected to other adjacent members instead of the second link 2. On the other hand, since the first and second actuators 10 and 20 are connected to the first and second links 1 and 2 by the 1-4 connecting parts A1, B1, A2 and B2, these links 1 For the smooth movement of ,2), the first and second actuators 10 and 20 also need to be configured to move relative to the links 1 and 2.
  • the first connecting portion A1 is rotatably connected to the first joint J1, and the second connecting portion B1 is rotatably connected to the first link 1. It can be configured so that Similarly, in the second actuator 20, the third connecting portion A2 is rotatably connected to the second joint J2, and the fourth connecting portion B2 is rotatably connected to the second link 2. can be connected
  • first and second actuators 10 and 20 In addition to this basic configuration, the detailed configuration of the first and second actuators 10 and 20 will be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2 .
  • the first actuator 10 may include a first cylinder 11 provided to the first hinge 1 .
  • the first cylinder 11 may form a space of a predetermined size formed therein.
  • the first cylinder 11 accommodates a first spring 13 described below in the formed inner space, and protects the first spring 13 from the outside during the operation of the first spring 13, that is, during deformation and restoration.
  • the first actuator 10 may include a first connecting rod 12 extending from the first cylinder 11 to the first joint J1.
  • the first connecting rod 12 connects the first spring 13 and the first cylinder 11 accommodating the first spring 13 with the first joint J1, and thus, the deformation of the first spring 13 causes It may serve to transmit force to the first connection part A1, that is, the first joint J1.
  • the first connecting rod 12 may include a body extending in the longitudinal direction and first and second ends 12a and 12b corresponding to both ends of the body.
  • the first end 12a of the connecting rod 12 is disposed adjacent to the first joint J1 and is rotatably connected to the first joint J1 in a hinge structure, for example.
  • the first end 12a is instead of being directly coupled to the first joint J1, other members (for example, the first control module 100) provided to the first joint J1. It is rotatably coupled to the first pulley 110, and thus can be substantially rotatably connected to the first joint J1. Due to this configuration, the first end 12a can actually form the first connecting portion A1 rotatably connected to the first joint J1 as described above. As will be described later, the first connection portion A1 may be configured to pivot around the first joint J1 or its center. Meanwhile, as shown, the first connecting rod 12 extends long into the first cylinder 11, and thus the second end 12b can be disposed within the first cylinder 11.
  • first connecting rod 12 may be configured to be relatively movable with respect to the first cylinder 11 while being coupled with the first spring 13 .
  • first spring 13 can be deformed while the second end 12b moves within the first cylinder 11 according to the linear movement of the first connecting rod 12 .
  • the first actuator 10 may include a first spring 13 accommodated in the first cylinder 11 as described above.
  • One end of the first spring 13 may be coupled to a part of the cylinder 11, and the other end may be coupled to the second end 12b of the first connecting rod 12. Therefore, in order to move the second link 2 while the first spring 13 is deformed by the movement of the first connecting rod 12 relative to the first cylinder 11, that is, the movement of the second end 12b. Can generate intended force.
  • the first spring 13 may be formed of, for example, a zero-free length spring so as to accurately generate an intended force.
  • the first spring 13, which is such a non-free length spring may be configured to be deformable using a wire, as is known, instead of the first connecting rod 12.
  • the first actuator 10 may include a first hinge shaft 14 installed on the first link 1 and coupled to the first connecting rod 12 . More specifically, the first hinge shaft 14 may extend from the first link 1 and be coupled to a predetermined position in the middle of the first connecting rod 12 . As described above, the first connecting rod 12 is configured to perform a linear reciprocating motion relative to the first cylinder 11 to deform the first spring 12 . At the same time, since the first connecting rod 12 is constrained to the first and second links 1 and 2 by the first end 12a and the first hinge axis 14, the first and second links ( For smooth relative rotation of 1 and 2), similar rotation is required. For this reason, the first hinge shaft 14 can be configured to allow rotational and linear motion of the first connecting rod 12 .
  • the first connecting rod 12 may include a rail 12c extending along its longitudinal direction, and the first hinge shaft 14, precisely, the end coupled with the first connecting rod 12 may include a bracket that is guided by the rail 12c and guides linear motion.
  • a bearing capable of rotating within the rail 12c may be included at an end of the first hinge shaft 14 coupled to the first connecting rod 12 . Therefore, the first connecting rod 12 can perform linear and rotational motions with respect to the first hinge shaft 14 and/or the first link 1, and while performing the intended operation, the first and second Movement of the links 1 and 2 may not be hindered.
  • the first hinge shaft 14 is also coupled to the first link 1, at least the first hinge shaft 14 is also the first link 1 in order not to interfere with the rotational motion of the first link 1.
  • the first hinge shaft 14 is substantially a second connection portion rotatably connecting the first actuator 10 to the first link 1 ( It can function as B1).
  • the first cylinder 11 may be coupled to the first hinge shaft 14 coupled to the first link 1, and thus the first cylinder 11 and One end of the first spring 13 fixed thereto may maintain a relatively fixed position to the moving first connecting rod 12 . Accordingly, the first spring 13 can be deformed by the moving second end 12b of the first connecting rod 12 .
  • the first connecting rod 12 is driven by a separate driving mechanism (for example, the first pulley 110 of the first control module 100 to be described later) to drive the first cylinder. If it moves in a straight line relative to (11), this motion can be stably guided by the first hinge shaft 14 as described above.
  • the second end 12b of the first connecting rod 12 moves in the cylinder 11 together with the other end of the first spring 13, Relative deformation may be generated in the first spring 13 with respect to one fixed end of the first spring 13 . Mechanical force is generated by this deformation, and may be primarily applied to the first connection portion A1 through the first connecting rod 12 .
  • the force applied to the first connection portion A1 may be transferred to the first joint J1 connected thereto.
  • the amount of movement of the first connecting rod 12, that is, the second end 12b the amount of deformation of the first spring 13 and the magnitude of the generated force can be adjusted. Therefore, when the force of the first actuator 10 is transmitted to the first joint J1 in this way, the second link 2 can move by the transmitted force, and according to the direction of the transmitted force, the second link ( The direction of movement of 2) can be determined.
  • the second actuator 20 may also include a structure similar to that of the first actuator 10 described above.
  • the second actuator 20 may include a second cylinder 21 provided to the second hinge 2 .
  • the second cylinder 21 may form a space of a predetermined size formed therein.
  • the second cylinder 21 accommodates a second spring 23 described later in the formed inner space, and protects the second spring 23 from the outside during the operation of the second spring 23, that is, during deformation and restoration.
  • the second actuator 20 may include a second connecting rod 22 extending from the second cylinder 21 to the second joint J2.
  • the second connecting rod 22 connects the second spring 23 and the second cylinder 21 accommodating the second spring 23 with the second joint J2, so that the second spring 23 is deformed. It may serve to transmit force to the third connection part A2, that is, the second joint J2.
  • the second connecting rod 22 may include a body extending in the longitudinal direction and third and fourth ends 22a and 22b corresponding to both ends of the body.
  • the third end 22a of the second connecting rod 22 is disposed adjacent to the second joint J2 and is rotatably connected to the second joint J2 in a hinge structure, for example.
  • the third end 22a is instead of being directly coupled to the second joint J2, instead of being coupled to another member provided to the second joint J2 (for example, of the first control module 100). It is rotatably coupled to the second pulley 120, and thus can be substantially rotatably connected to the second joint J2. Due to this configuration, the third end 22a can actually form the third connecting portion A2 rotatably connected to the second joint J2 as described above. As will be described later, the third connection portion A2 may be configured to pivot around the second joint J2 or its center. Meanwhile, as shown, the second connecting rod 22 extends long into the second cylinder 21, and thus the fourth end 22b can be disposed within the second cylinder 21.
  • the second connecting rod 22 may be configured to be relatively movable with respect to the second cylinder 21 while being coupled with the second spring 23 .
  • the second spring 23 can be deformed while the fourth end 22b moves within the second cylinder 21 according to the linear movement of the second connecting rod 22 .
  • the second actuator 20 may include a second spring 23 accommodated in the second cylinder 21 as described above.
  • One end of the second spring 23 may be coupled to a part of the cylinder 21, and the other end may be coupled to the fourth end 22b of the second connecting rod 22. Therefore, in order to move the second link 2 while the second spring 23 is deformed by the movement of the second connecting rod 22 relative to the second cylinder 21, that is, the movement of the fourth end 22b. Can generate intended force.
  • the second spring 23 may be formed of, for example, a zero-free length spring so as to accurately generate an intended force.
  • the second spring 23, which is such a non-free length spring may be configured deformably using a wire as known in the art instead of the second connecting rod 22.
  • the second actuator 20 may include a second hinge shaft 24 installed on the second link 2 and coupled to the second connecting rod 22 . More specifically, the second hinge shaft 24 may extend from the second link 2 and be coupled to a predetermined position in the middle of the second connecting rod 22 .
  • the second connecting rod 22 is configured to perform a linear reciprocating motion relative to the second cylinder 21 to deform the second spring 22 .
  • the second hinge shaft 24 can be configured to allow rotational and linear motion of the second connecting rod 22 .
  • the second connecting rod 22 may include a rail 22c extending along its longitudinal direction, and the second hinge shaft 24, precisely, the end coupled with the second connecting rod 22 may include a bracket for guiding linear motion while being guided by the rail 22c.
  • a bearing capable of rotating within the rail 22c may be included at an end of the second hinge shaft 24 coupled to the second connecting rod 22 . Therefore, the second connecting rod 22 can perform linear motion and rotational motion with respect to the second hinge shaft 24 and/or the second link 2, and the second link 2 while performing the intended operation. ) may not interfere with the movement of
  • the second hinge shaft 24 is also coupled to the second link 2, at least the second hinge shaft 24 is also coupled to the second link 2 in order not to interfere with the rotational motion of the second link 2.
  • the second hinge shaft 24 is substantially a fourth connection portion rotatably connecting the second actuator 20 to the second link 2 ( It can function as B2).
  • the second cylinder 21 may be coupled to the second hinge shaft 24 coupled to the second link 2, and thus the second cylinder 21 and One end of the second spring 23 fixed thereto may maintain a relatively fixed position to the moving second connecting rod 22 . Accordingly, the second spring 23 can be deformed by the fourth end 22b of the moving second connecting rod 22 .
  • the second connecting rod 22 is driven by a separate drive mechanism (for example, the second pulley 120 of the first control module 100 to be described later) to drive the second cylinder. If it moves in a straight line relative to (21), this motion can be stably guided by the second hinge axis (24) as described above.
  • the fourth end 22b of the second connecting rod 12 moves in the cylinder 21 together with the other end of the second spring 23, and the Relative deformation with respect to one fixed end of the second spring 23 may be generated in the second spring 23. Mechanical force is generated by this deformation, and may be primarily applied to the third connection portion A2 through the second connecting rod 22 .
  • the force applied to the third connection part A2 may be transferred to the second joint J2 connected thereto.
  • the amount of movement of the second connecting rod 22, that is, the fourth end 22b the amount of deformation of the second spring 23 and the magnitude of the generated force can also be adjusted. Therefore, when the force of the second actuator 10 is transmitted to the second joint J2 in this way, the second link 2 can move by the transmitted force, and according to the direction of the transmitted force, the second link ( The direction of movement of 2) can be determined.
  • the lower extremity assist robot of the present invention in order to optimally design the lower extremity assist robot of the present invention to move the links 1 and 2 using only the force of the actuators 10 and 20, its mechanical model needs to be reviewed. . Accordingly, the lower extremity assist robot, that is, its link assemblies 1 and 2 and actuators 10 and 20 are shown in FIG. 3 as a mechanical model.
  • the link assemblies 1 and 2 and the actuators 10 and 20 are simplified and displayed in a two-dimensional coordinate system consisting of an x-axis and a y-axis.
  • the y-axis is set along the direction of gravity, that is, the direction perpendicular to the ground (vertical direction)
  • the x-axis is set along the direction perpendicular to the direction of gravity, that is, the direction parallel to the ground (horizontal direction). That is, the y-axis corresponds to the vertical axis and the x-axis corresponds to the horizontal axis.
  • the link assemblies 1 and 2 are shown as a bar member of a predetermined length, and gravity (g) acts on the link assemblies 1 and 2 by the mass (m) of the lower extremity assist robot and the user. do.
  • the first and second actuators 10 and 20 are shown in the form of first and second springs 13 and 23 that actually generate mechanical forces. Furthermore, since the second and fourth connection parts B1 and B2 of the first and second actuators 10 and 20 are directly coupled to the first and second links 1 and 2, the first and second It is shown connected to links 1 and 2.
  • the first and third connection portions A1 and A2 of the first and second actuators 10 and 20 are connected to the first and second links 1 and 2, but have a direct coupling relationship.
  • the first and third connection portions A1 and A2 ie, the first and second joints J1 and J2 to which the forces of the actuators 10 and 20 are applied are along the vertical axis (y axis) ) Therefore, the force of the actuators 10 and 20 generally acts in a direction opposite to the direction of gravity along the vertical axis (y-axis) (ie, in the vertical direction), and cancels the force of gravity (g) can do.
  • the first and third connection parts A1 and A2 (ie, the first and third connection parts A1 and A2)
  • Directions of forces applied to the first and second joints J1 and J2 may be changed.
  • the positions of the connecting parts A1 and A2 may be changed by moving the connecting parts A1 and A2. More specifically, for such movement and position change, the connecting parts A1 and A2 are offset or revolved at a predetermined angle (a) from the vertical axis (y axis), or spaced apart by a predetermined distance.
  • Such movement and position change may cause the first and third connectors A1 and A2 to be moved relative to the second and fourth connectors B1 and B2 or disposed in different positions.
  • Such movement and position change are performed by the first and third connection parts A1 with respect to the vertical axis (y-axis), which is the direction of gravity applied to the lower extremity assist robot, specifically the first and second joints J1 and J2. , A2) may correspond to the relative movement and position change.
  • the forces fs of the actuators 10 and 20 change the angle a with respect to the vertical direction. It is oriented to have, and accordingly, vertical component force (fg) and horizontal component force (fr) can be generated.
  • the vertical component force (fg) cancels the gravitational force (g) applied to the lower extremity assist robot, while the horizontal component force (fr) acts as an additional force on the lower extremity assist robot.
  • the force fs of the actuators 10 and 20 may be set so that the vertical component force fg generated therefrom completely cancels the gravity g.
  • the first and third connectors A1 and A2 are moved to different positions, for example, if the angle a with respect to the vertical axis y is changed, the vertical and horizontal components fg, fr ) can also be changed.
  • the magnitude of the force applied to the lower extremity assist robot that is, the second link 2
  • the first and third connection parts A1 and A2 have a predetermined center O, for example, the first and second joints J1, J2) or can be revolved at different angles with respect to their centers.
  • the position change of the first and third connection parts A1 and A2 can be actually performed by various mechanisms.
  • the lower extremity control robot of the present invention may include the first control module 100 employing a pulley mechanism driven by a predetermined driving device.
  • the first control module 100 can rotate the first and second connection parts A1 and A2 for position change using a simple mechanical element such as a pulley, thereby performing the intended function while assisting the lower extremities.
  • the structure of the device can be made light and compact. This first control module 100 will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4 in the following.
  • the first control module 100 may include a first pulley 110 rotatably installed on the first joint J1.
  • the first pulley 110 may be installed concentrically with the first joint J1 in order to stably transmit force to the first joint J1. Accordingly, the first pulley 110 is connected to the first joint J1. ) and a hinge axis or hinge pin, and may be rotatably installed on the hinge axis of the first joint (J1).
  • the first pulley 110 may be coupled to the first actuator 10, in detail, to the first end 12a of the connecting rod 12 thereof. That is, the first connection portion A1 of the first actuator 10 may be rotatably hinged to the first pulley 110 .
  • the first connection portion A1 may form a rotatable coupling with the first joint J1 coupled to the first pulley 110 by being coupled with the first pulley 110 .
  • the force of the first actuator 10 may be applied to the first joint J1 through the first connecting portion A1 and the first pulley 110 .
  • the first connecting portion A1 ie, the first end 12a
  • the first connection part A1 is spaced apart from the center of the first joint J1 and/or the first pulley 110 at an arm length r, and accordingly, the first connection part A1 is connected to the first pulley 110 ) rotates, it can turn, that is, revolve around the center.
  • the second end 12b of the first connecting rod 12 is configured to always generate at least a predetermined deformation to the first spring 13, so that a predetermined force is always applied. It can be applied from one actuator 10 to the first connection part A1, that is, the first joint J1.
  • the connecting rod 12 turning at the arm length r performs a linear motion, and as described above in relation to the first actuator 10, the second end 12b ) can change the amount of deformation of the first spring 13 and the magnitude of the generated force.
  • the amount of movement of the connecting rod 12 (that is, the second end 12b) and the amount of deformation of the first spring 13 can be properly designed and controlled according to the amount of force required for motion control of the lower extremity assist robot. can
  • the first control module 100 may include a second pulley 120 rotatably installed at the second joint J2.
  • the second pulley 120 may be installed concentrically with the second joint J2 in order to stably transmit force to the second joint J2. Accordingly, the second pulley 120 is connected to the second joint J2 ) and a hinge shaft or hinge pin, and may be rotatably installed on the hinge pin of the second joint J2.
  • the second pulley 120 may be coupled to the second actuator 20, in detail, to the third end 22a of the connecting rod 22 thereof. That is, the third connection portion A2 of the second actuator 20 may be rotatably hinged to the second pulley 120 .
  • the third connection portion A2 may form a rotatable coupling with the second joint J2 coupled to the second pulley 120 by being coupled with the second pulley 120 .
  • the force of the second actuator 20 may be applied to the second joint J2 through the third connecting portion A2 and the second pulley 120 .
  • the third connection portion A2 ie, the third end 22a
  • the third connection part A2 is spaced apart from the center of the second joint J2 and/or the second pulley 120 at an arm length r, and thus the third connection part A2 is separated from the second pulley 110. ) rotates, it can turn, that is, revolve around the center.
  • the fourth end 22b is configured to always generate at least a predetermined deformation in the second spring 23, so that a predetermined force is always applied from the second actuator 20 to the third. It may be applied to the connection part A2, that is, the second joint J2.
  • the second connecting rod 22 turning at the arm's length r performs a linear motion, and as described above in relation to the second actuator 20, the fourth end
  • the amount of deformation of the second spring 23 and the magnitude of the generated force can be changed by the additional movement of (22b).
  • the amount of movement of the second connecting rod 22 (ie, the fourth end 22b) and the amount of deformation of the second spring 23 are appropriately designed according to the amount of force required for motion control of the lower extremity assist robot. can be controlled
  • the first control module 100 may include a first driver 130 configured to rotate the first and second pulleys 110 and 120 .
  • the first driver 130 may include a power device 131 configured to provide power such as a motor and a driving pulley 132 coupled to the power device 131 and configured to rotate.
  • the first actuator 130 may include a drive belt 133 wound around the auxiliary pulley 120a provided on the second pulley 120 and the drive pulley 132 .
  • the auxiliary pulley 120a may be provided to the first pulley 110 instead of the second pulley 120 .
  • the auxiliary pulley 120a When the drive pulley 132 is rotated by the power device 131, the auxiliary pulley 120a is rotated by the drive belt 133, and thus the second pulley 120 (or the first pulley 110) rotates. It can be.
  • the first and second pulleys 110 and 120 are connected to transmit power to each other by the first tuner 140 to be described later, one of the first and second pulleys 110 and 120 is the first actuator 130. ), the other can also rotate together. Accordingly, the first actuator 130 may be configured to provide power to the first and second pulleys 110 and 120 and rotate the pulleys 110 and 120 .
  • first driver 130 may be configured to rotate the first and third connection parts about the first and second joints J1 and J2 by rotating the first and second pulleys 110 and 120. there is.
  • the first actuator 130 may be formed of a gear train and other various driving mechanisms in addition to the described pulley mechanism.
  • the first and second actuators 10 and 20 include the second link 2 corresponding to the thigh and its joints, which mainly perform the motion of the lower extremity. , that is, it is basically configured to apply force to its first and second joints J1 and J2. If forces are applied to the first and second joints J1 and J2 with a time difference, the second link 2 and furthermore the lower extremity assist robot may move unstably due to the imbalance of the applied forces. Therefore, for the motion of the lower extremity assist robot, that is, the motion of the second link 2, the first and second actuators 10 and 20 must apply force to the second link 2 at the same time.
  • the direction of the force of the actuators 10 and 20 is determined by the positions of the first and third connectors A1 and A2, which are determined by the moving distance and movement of the connectors A1. direction can be determined.
  • the first control module 100 may include a first synchronizer 140 configured to simultaneously move the first and third connectors A1 and A2 by the same distance in the same direction.
  • Various mechanisms can be applied to the first tuner 140, and as described above, since the first control module 100 uses the pulleys 110 and 120, the pulleys 110 and 120 rotate as shown.
  • a belt capable of synchronizing the can be used.
  • the belt as the first synchronizer 140 connects the first and second pulleys 110 and 120 to transmit power to each other, and thus enables synchronized rotation of the pulleys 110 and 120 .
  • a gear train (T) disposed between the first and second pulleys 110 and 120 and meshing with them may be applied, in addition to other transmissions
  • a mechanism may be used as the first tuner 140 .
  • the first tuner 140 may simultaneously rotate the first pulley 110 when any one pulley, for example, the second pulley 120 is rotated by the actuator 130 .
  • rotation of the first and second pulleys 110 and 120 may be performed at the same angle in the same direction.
  • the first and third connectors A1 and A2 are disposed at the same position, and the directions of forces applied by the actuators 10 and 20 can be changed in the same direction. .
  • the first and third connection parts A1 and A2 are It is revolved at the same angles with respect to a predetermined center O, for example, the first and second joints J1 and J2.
  • a predetermined angle a with respect to the vertical axis by the changed direction, as shown in FIG.
  • the vertical component force (fg) for gravity offset and A horizontal component fr may be generated.
  • the first control module 100 is connected to the first and third connection parts A1 and A2 (ie, the first and second joints J1 and J2) by the first and second actuators 10 and 20.
  • the force of the actuators 10 and 20 offsets the gravity applied to the lower extremity assist robot (i.e., the vertical component force (fg)) and the robot, that is, the second
  • the movement of the link 2 can be converted into a force acting in the intended direction (horizontal component force fr). It can be controlled to provide force in both directions.
  • actuators 10 and 20 and the first control module 100 associated therewith may implement various modes of the lower extremity assist robot configured to appropriately perform the user's intention and movement accordingly. These modes are described in detail in the following with reference to FIG. 4 .
  • FIG. 4(a) shows the weightless mode of the lower extremity assist robot.
  • the first control module 100 rotates the first and third connecting parts A1 and A2 to adjust the vertical axis (y-axis) of the lower extremity assist robot, that is, the first and second joints J1 and J2. can be placed on top. More specifically, the first control module 100 is connected to a part of the vertical axis (y-axis) above the horizontal axis (x-axis) of the first and second joints (J1, J2) (A1, A2) ) can be placed. Due to the position of the first and third connection parts A1 and A2, as described above with reference to FIG.
  • the direction of force of the actuators 10 and 20 is generally vertical (y-axis) is oriented in a direction opposite to the direction of gravity along (i.e., vertically).
  • the gravity ( g) is completely offset, and no gravity is applied to the lower extremity assist robot. Therefore, the user can move the link assemblies 1 and 2 even with a slight amount of force, and can stably exercise his lower limbs while being supported by them.
  • the horizontal component fr may be generated and oriented in the forward direction of the motion of the lower limbs. Accordingly, the link assemblies 1 and 2 are moved by the horizontal component force fr, and the user can walk with little use of his or her own force by the movement of the assemblies 1 and 2.
  • FIG. 4(c) shows a standing mode of the lower extremity assist robot.
  • the first control module 100 rotates the first and third connection parts A1 and A2 to position them on the vertical axis (y axis) of the first and second joints J1 and J2.
  • the first control module 100 is a vertical axis (below) of the horizontal axis (x axis) of the first and second joints (J1, J2), contrary to the zero gravity mode of FIG. 4 (a).
  • the connection parts A1 and A2 may be disposed on a part of the y-axis).
  • the direction of force of the actuators 10 and 20 is generally along the vertical axis (y axis) (ie, in the vertical direction) in the same direction as the direction of gravity. is oriented to Accordingly, the force of the actuators 10 and 20 may act as an additional force for the user to support his or her lower extremities against the ground. For this reason, the user can maintain his/her upright posture with little use of one's own strength.
  • the first control module 100 of FIGS. 1 to 4 is connected to the connection parts A1 and A2 in order to change the direction of action of the force at the first and third connection parts A1 and A2. Since the position of ) is changed, the connecting rods 12 and 22 of the first and second actuators 10 and 20 can move by such position change.
  • the connecting parts A1 and A2 are disposed at different positions, the movement amounts of the first and second connecting rods 12 and 22 of the actuators 10 and 20 vary according to these positions, The amount of deformation of the first and second springs 12 and 23 coupled thereto may also be changed.
  • the magnitudes of the forces provided by the actuators 10 and 20 may slightly differ from each other according to the positions of the connecting parts A1 and A2, that is, the modes of the lower extremity assist robot.
  • different forces may be required of the actuators 10 and 20 for smoother movement of the lower extremity assist robot according to operating conditions such as the user's will and state, and the environment. there is.
  • the lower extremity assist robot of the present invention can be configured to adjust the magnitude of the force applied to the first and third connecting parts A1 and A3, that is, the first and second joints J1 and J2.
  • FIG. 5 is a side view showing a modified example of the lower extremity assist robot according to the present invention
  • FIG. 6 is a front view showing the lower extremity assist robot of FIG. 5
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing a model of the lower extremity assist robot of FIG. 5
  • FIG. 8 is a side view showing operation modes of the lower extremity assist robot of FIG. 5 .
  • the modified example of the lower extremity assist robot of the present invention also includes link assemblies 1 and 2, first and second actuators 10 and 20, and a first control module 100.
  • link assemblies 1 and 2 first and second actuators 10 and 20, and a first control module 100.
  • these devices 1, 2, 10, 20, and 100 basically have the same configuration and perform the same operation as those described above with reference to FIGS. 1 to 4, the descriptions of FIGS. , 2, 10, 20, 100), and additional explanations are omitted from the following. Instead, only configurations different from the examples of FIGS. 1 to 4 may be additionally described if necessary in the following.
  • a first length L1 is formed between the first and second connection parts A1 and B1 of the first actuator 10, and the third and fourth connection parts of the second actuator 20 (
  • a second length L2 is formed between A2 and B2).
  • These first and second lengths L1 and L2 determine the amount of deformation of the first and second springs 13 and 23, as shown and described with respect to FIGS. 1, 2, 5 and 6; , and accordingly, the magnitude of the force generated by the first and second actuators 10 and 20 may be determined. If the first and second lengths L1 and L2 are changed to new first and second lengths L1' and L2', the components of the first and second actuators 10 and 20 are changed by the changed lengths.
  • the relative distance between the connecting rods 12 and 22 and the cylinders 11 and 21 can also be changed.
  • the amount of deformation of the first and second springs 13 and 23 bound to these components is also changed by the change in the distance between these components, and according to the changed amount of deformation, the force (fs) of the actuators 10 and 20 ) can also be changed to a new size of force (fs'). Therefore, when the first and second lengths L1 and L2 are changed, the change in the distance affects the first and third connection parts A1 and A2 (ie, the first and second joints J1 and J2). The size of the losing force can be changed.
  • the first and second lengths L1 and L2 are adjusted by moving the second and fourth connectors B1 and B2 to be disposed at new positions B1' and B2'.
  • Such movement and position change can cause the second and fourth connectors B1 and B2 to be moved to a predetermined position or moved relative to the stationary first and third connectors A1 and A2, or to be positioned in a different position. .
  • the second and fourth connection parts B1 and B2 are moved relative to the first and second joints J1 and J2 instead of the first and third connection parts A1 and A2 and are disposed in a changed position.
  • 7 shows the movement of the second and fourth connecting parts B1 and B2 to change the first and second lengths L1 and L2, but the second and fourth connecting parts B1 and B2
  • the first and third connection portions A1 and A2 may be relatively moved, and the same first and second lengths L1 and L2 may be changed.
  • the force of the actuators 10 and 20 may be changed.
  • the actuators 10 and 20 may also provide different magnitudes of force.
  • the force of the actuators 10 and 20 is increased or decreased in real time by adjusting (eg, real-time adjustment) the lengths L1 and L2 that meet the operating conditions of the lower extremity assist robot. Accordingly, the operation of the lower extremity assist robot can be performed more smoothly and stably.
  • Such change of the first and second lengths L1 and L2 can be performed by various mechanisms.
  • the lower extremity control robot of the present invention adopts a cam mechanism driven by a predetermined driving device.
  • a second control module 200 may be included.
  • the second control module 200 uses a simple mechanical element such as a cam, and this mechanical element can be selectively engaged with the first and second actuators 10 and 20 as needed. Accordingly, the second control module 200 can move the second and fourth connection parts B1 and B2 to change the distances L1 and L2, and thus maintain the structure of the lower extremity assist device while performing the intended function. It can be made light and compact.
  • This second control module 200 will be described in detail with reference to FIGS. 5 to 8 in the following.
  • the second control module 200 may include a first cam 210 rotatably installed on the first joint J1.
  • the first cam 210 may be installed concentrically with the first joint J1, and thus the first cam 210 is connected to the first joint J1 and the hinge axis or It shares a hinge pin and can be rotatably installed on the hinge axis of the first joint (J1).
  • the first cam 210 may be disposed between the first pulley 110 and the first joint J1, on the other hand, in the axial direction of the hinge pin of the first joint J1. It may also be disposed on the outside of one pulley 110.
  • the first cam 210 is made of a disk member or body having a predetermined thickness, and this body has a first base 211 having a predetermined radius and a larger size than the first base 211. It may include a first extension 212 having a radius. That is, the first cam 210 may be configured to have a first extension 212 provided at a predetermined position on the outer circumference of the body. The first extension 212 extends along the outer circumference of the first cam 210, precisely, in the circumferential direction along the outer circumference of the body, and may protrude from the body in the radial direction.
  • the first cam 210 selectively contacts or engages the second connecting portion B1, i.e., the first hinge axis 14, as will be described below, to form a second It may serve to move the connection part B1.
  • the first base 211 may be spaced apart from the first hinge axis 14 .
  • the first base 211 may be configured to contact the first hinge shaft 14, in which case both the first base 211 and the first extension 212 That is, the first cam 210 can stably guide the movement of the shaft 14 while continuously contacting the first hinge shaft 14 .
  • the first hinge shaft 14 may also be configured to be moved by the first cam 210 .
  • the first link 1 may include a groove 1c extending along its body, and the end of the first hinge shaft 14 may be inserted into this groove 1c.
  • the end of the hinge shaft 14 may include a bracket or a flange that is caught on the inner wall of the groove 1c so as not to be separated from the groove 1c. Accordingly, when an external force is applied to the hinge shaft 14 by the cam 210, the hinge shaft 14 can stably move along the groove 1c while being guided by the groove 1c.
  • the second control module 200 may include a second cam 220 rotatably installed on the second joint J2.
  • the second cam 220 may be installed concentrically with the second joint J2, and thus the second cam 220 is connected to the second joint J2 and the hinge axis or It shares a hinge pin and can be rotatably installed on the hinge shaft of the second joint J2.
  • the second cam 220 may be disposed between the second pulley 120 and the second joint J2, on the other hand, in the axial direction of the second joint J2, the second pulley ( 120) may also be disposed outside.
  • the second cam 220 is made of a disc member or body having a predetermined thickness, and this body has a second base 221 having a predetermined radius and a larger size than the second base 221. It may include a second extension 222 having a radius. That is, the first cam 220 may be configured to have a second extension 222 provided at a predetermined position on the outer circumference of the body.
  • the second expansion part 222 extends along the outer circumference of the second cam 210, precisely, in the circumferential direction along the outer circumference of the body, and may extend in the radial direction from the body.
  • the second cam 220 more precisely, the second extension 222 selectively contacts or engages the fourth connecting portion B2, i.e., the second hinge shaft 24, as will be described later. 4 It can play a role of moving the connection part (B2).
  • the second base 221 may be spaced apart from the second hinge axis 24 .
  • the second base 221 may be configured to contact the second hinge axis 24, in which case both the second base 221 and the second extension 222 That is, the second cam 220 can stably guide the movement of the shaft 24 while continuously contacting the second hinge shaft 24 .
  • the second hinge shaft 24 may also be configured to be moved by the second cam 210 .
  • the second link 2 may include a groove 2c extending along its body, and an end of the second hinge shaft 24 may be inserted into this groove 2c.
  • the end of the hinge shaft 24 may include a bracket or a flange that is caught on the inner wall of the groove 2c so as not to be separated from the groove 2c. Accordingly, when an external force is applied to the hinge shaft 24 by the second cam 220, the hinge shaft 24 can stably move along the groove 2c while being guided by the groove 2c.
  • the second control module 200 may include a second driver 230 configured to rotate the first and second cams 210 and 220 .
  • the second actuator 230 may be configured substantially the same as the first actuator 130 and its components 131 , 132 , and 133 previously described with reference to FIGS. 1 to 4 . Therefore, the description related to the first actuator 130 of FIGS. 1 to 4 is equally applied, and further description is omitted.
  • the second driver 230 rotates either one of the first and second cams 210 and 220 using a second synchronizer 240 to be described later so that the other one can also be rotated. can
  • the second control module 100 may include a second synchronizer 240 configured to simultaneously move the second and fourth connection parts B1 and B2 by the same distance.
  • the second tuner 240 causes the extensions 212 and 222 to contact the connectors B1 and B2 at least simultaneously.
  • a belt capable of synchronizing rotations of the cams 210 and 220 may be used.
  • the belt as the second synchronizer 240 connects the first and second cams 210 and 220 to transmit power to each other, and thus enables synchronized rotation of the cams 210 and 220.
  • a gear train (T) disposed between and meshing with the first and second cams 210 and 220 may be applied instead of a belt, in addition to other transmission mechanisms This second tuner 240 can be used.
  • the second synchronizer 240 can rotate the first cam 210 at the same time when any one cam, for example, the second cam 220 is rotated by the second actuator 230. there is. Also, rotation of the first and second pulleys 110 and 120 may be performed at the same angle in the same direction.
  • the extensions 212 and 222 of the cams 210 and 220 are simultaneously engaged with the second and fourth connection parts B1 and B2 by such simultaneous rotation in the same direction and at the same angle, and these connection parts B1 and B2 (ie, the first The first and second hinge axes 14 and 24 may be moved by the same distance. Therefore, the same distance change of the first and second distances L1 and L2 occurs at the same time, and accordingly, the forces applied by the actuators 10 and 20 can also change simultaneously with the same magnitude.
  • the extension parts 212 and 222 form the first and second hinges. It engages with the shafts 14 and 24 and applies force to them. Accordingly, the first and second hinge shafts 14 and 24 move at the same distance along the grooves 1c and 2c, and the first and second distances L1 and L2 may be varied.
  • the first connection portion A1 forms a part of the connecting rod 12, and the second connection portion B1 forms a hinge shaft 14 and a cylinder 11 coupled thereto Since it corresponds to a part of , the change in the first distance L1 between the first and second connection parts A1 and B1 is actually a change in the relative position between the connecting rod 12 and the cylinder 11 and the resulting distance. brings about a change in Therefore, the first spring 13 constrained to the rod and the cylinder 12 and 11 is additionally deformed by the change in the distance between the rod and the cylinder 12 and 11 to apply a changed magnitude of force through the rod 12. It is applied to the first connection part A1, that is, the first joint J1.
  • the second control module 200 is connected to the first and third connection parts A1 and A2 (ie, the first and second joints J1 and J2) by the first and second actuators 10 and 20. It can be configured to change the magnitude of the applied force, and based on the force of the changed magnitude, the lower extremity assist robot can be stably operated. That is, the second control module 200 compensates for the forces of the actuators 10 and 20 generated slightly differently according to the modes, and additionally according to the modes, the forces generated according to the forces required by the lower extremity assist robot can be adjusted
  • the second control module 200 may implement various modes of the lower extremity assist robot in association with the first control module 100 . These modes are described in detail in the following with reference to FIG. 8 .
  • FIG. 8(a) shows the weightless mode of the lower extremity assist robot. Since the operation of the first control module 100 in the zero-gravity mode according to FIG. 8 (a) is the same as that described above with reference to FIG. 4 (a), a detailed description thereof will be omitted below. Meanwhile, in this weightless mode, as shown, the second control module 100 may change the first and second distances L1 and L2 by moving the second and fourth connection parts B1 and B2. . The actuators 10 and 20 can generate additional force by the changed distances L1 and L2 and the resulting additional deformation of the springs 13 and 23 .
  • the second control module 200 Since the direction of the force of the actuators 10 and 20 is set in advance by the first control module 100 to be opposite to gravity along the vertical axis y in zero gravity mode, by the second control module 200 The additional force generated is likewise acting in the opposite direction to gravity. For this reason, even when an additional load and additional gravity (g) are applied to the lower extremity assist robot, the additional force generated by the actuators 10 and 20 by the second control module 200 moves the lower extremity assist robot. As intended, it can be made weightless.
  • FIG. 8(b) shows a swing mode of the lower extremity assist robot. Since the operation of the first control module 100 in this swing mode is the same as that described above with reference to FIG. 4(b), a detailed description thereof will be omitted below. Meanwhile, in this swing mode, as shown, the second control module 100 may change the first and second distances L1 and L2 by moving the second and fourth connection parts B1 and B2. . The actuators 10 and 20 can generate additional force by the changed distances L1 and L2 and the resulting additional deformation of the springs 13 and 23 .
  • FIG. 8(c) shows a standing mode of the lower extremity assist robot. Since the operation of the first control module 100 in the standing mode is the same as that described above with reference to FIG. 8(c), a detailed description thereof will be omitted below. Meanwhile, in this standing mode, as shown, the second control module 100 may change the first and second distances L1 and L2 by moving the second and fourth connection parts B1 and B2. .
  • the actuators 10 and 20 can generate additional force by the changed distances L1 and L2 and the resulting additional deformation of the springs 13 and 23 . Since the direction of the force of the actuators 10 and 20 is preset in the same direction as gravity along the vertical axis y in zero gravity mode, this additional force is also applied in the same direction as gravity. Therefore, the user can stably maintain his or her upright state even when operating conditions change.
  • the first and second control modules 100 and 200 described above are mechanical elements that basically rotate similarly to each other in order to adjust the direction and magnitude of the force of the actuators 10 and 20, that is, the pulleys 110 and 120 and the cam ( 210,220) are used. Accordingly, the first and second control modules 100 and 200 may be integrated into a single mechanism, and accordingly, the direction and magnitude of force may be controlled by a single mechanism. For this reason, the lower extremity assist robot of the present invention can be configured to include a single integrated adjustment mechanism, and this variant is described in the following with reference to the related drawings.
  • FIG. 9 is a side view showing a further modified example of the lower extremity assist robot according to the present invention
  • FIG. 10 is a front view showing the lower extremity assist robot of FIG. 9
  • FIG. 11 is a side view showing operation diagrams of the lower extremity assist robot of FIG. 9 .
  • modified examples of the lower limb assist robot of the present invention may basically include link assemblies 1 and 2 and first and second actuators 10 and 20 . Since these devices 1, 2, 10, 20, and 100 basically have the same configuration and perform the same operation as those described above with reference to FIGS. 1 to 8, the descriptions of FIGS. , 2, 10, 20), and additional explanations are omitted in the following. Instead, only configurations different from the examples of FIGS. 1-8 may be additionally described if necessary in the following.
  • the first and second control modules 100 and 200 can be integrated with each other due to similarities in basic configuration and operating principle, and their integrated mechanism is the third control module 300, which is described above as the first and second control modules 100 and 200. Instead of the second control module 100 or 200, it may be provided to the lower extremity assist robot.
  • the third control module 300 can make the structure of the lower extremity assist device lighter and more compact while performing the functions of the first and second control modules 100 and 200. This third control module 300 will be described in detail with reference to FIGS. 9 and 10 in the following.
  • the third control module 300 may include a first rotor 310 rotatably installed on the first joint J1. Since the basic configuration and function of the first rotor 310 is the same as that of the first pulley 110 described in FIGS. 1 to 4 above, this description is applied and further description is omitted below.
  • the first rotor 310 is made of a disk member or body having a predetermined thickness, and the body includes a first cylinder 311 having a predetermined radius and a first cylinder 311 having a larger radius than the first cylinder 311.
  • a protrusion 312 may be included. Since the first cylinder 311 and the first protrusion 312 are substantially the same as the first base 211 and the first extension 212 of the first cam 210 described in FIGS.
  • the first base 211 and the first extension 212 are applied as they are, and additional descriptions are omitted below.
  • the magnitude of the force is also determined along with the direction of the force.
  • the first protrusion 312 for moving the second connection part B1 so as to be adjustable may be disposed on the first rotor 310 adjacent to the first connection part A1. More specifically, the first protrusion 312 may be provided over at least a portion of the outer circumferential portion of the body of the first rotor 310 where the first connection portion A1 is disposed.
  • the third control module 300 may include a second rotor 320 rotatably installed on the second joint J2. Since the basic configuration and function of the second rotor 320 is the same as that of the second pulley 120 described in FIGS. 1 to 4 above, this description is applied and further description is omitted below.
  • the second rotor 320 is made of a disk member or body having a predetermined thickness, and the body includes a second cylinder 321 having a predetermined radius and a second cylinder 321 having a larger radius than the second cylinder 321.
  • a protrusion 322 may be included.
  • the second cylinder 321 and the second protrusion 322 are substantially the same as the second base 221 and the second extension 222 of the second cam 220 described in FIGS. 5 to 8, Descriptions of the second base 221 and the second extension 222 are applied as they are, and additional descriptions are omitted below.
  • the second protrusion 322 for moving the fourth connection part B2 so as to be adjustable may be disposed on the second rotor 320 adjacent to the third connection part A2. More specifically, the second protrusion 322 may be provided over at least a portion of the outer circumferential portion of the body of the second rotor 320 where the third connection portion A2 is disposed.
  • the third control module 300 may include a third driver 330 configured to rotate the first and second rotors 310 and 320 .
  • the third actuator 330 may be configured substantially the same as the first actuator 130 described above with reference to FIGS. 1 to 4 and the second actuator 230 described with reference to FIGS. 5 to 8 . there is. Therefore, these first and second actuators 130 and 230 are applied as they are, and further descriptions are omitted below.
  • the third control module 300 includes a third synchronizer configured to simultaneously move the first and third connection parts A1 and A3 as well as the second and fourth connection parts B1 and B2 ( 340) may be included. Since this third tuner has substantially the same configuration as the first and second tuners 140 and 240 described above and is configured to perform a combination of their functions, the description of these tuners 140 and 240 is applied as it is and further description is given. omitted in the following.
  • the third control module 300 can implement various modes of the lower extremity assist robot while performing the functions of the first and third control modules 100 and 200 in a combined form. These modes are described in detail in the following with reference to FIG. 11 .
  • FIG. 11(a) shows the zero gravity mode of the lower extremity assist robot
  • FIG. 11(b) shows the standing mode.
  • the third control module 300 basically performs the first control module 100 in FIGS. 4 (a) / 8 (a) and 4 (c) / 4 (c) Since it performs the same operation as doing, the descriptions related to these drawings are applied as they are, and additional descriptions are omitted.
  • the third control module 100 operates the force of the actuators 10 and 20 opposite to the direction of gravity of the first and second joints J1 and J2.
  • the connecting parts A1 and A2 may be disposed on a part of the vertical axis (y-axis) above the horizontal axis (x-axis).
  • the first and second protrusions 312 and 322 of the first and second rotors 310 and 320 are adjacent to the first and third connection portions A1 and A2, similarly, the horizontal axis (x-axis) placed above.
  • these protrusions 312 and 322 do not engage with the second and fourth connection parts B1 and B2, and no additional force is generated from the actuators 10 and 20.
  • the force fs of the actuators 10 and 20 or the vertical component force fg thereof is basically designed to be greater than the gravitational force g acting on the lower extremity assist robot, the actuators 10 and 20 Even without additional force, gravity (g) is completely offset, and the user can still exercise while being supported by the lower extremity assist robot with only a slight force.
  • the third control module 100 operates the first and second joints J1 and J2 to apply the force of the actuators 10 and 20 in the same direction as the direction of gravity.
  • the connecting parts A1 and A2 may be disposed on a part of a vertical axis (y-axis) below a horizontal axis (x-axis) of . Since the first and second protrusions 312 and 322 of the first and second rotors 310 and 320 are adjacent to the first and third connection portions A1 and A2, they are similarly disposed below the horizontal axis (x-axis).
  • these protrusions 312 and 322 engage with the second and fourth connection parts B1 and B2, and additional force may be generated from the actuators 10 and 20.
  • users of lower extremity assist robots do not have the strength to stand on their own, so generating additional force in the standing mode instead of the weightless mode is to exercise according to the user's will (i.e., to maintain a standing state). can be more effective and advantageous in achieving

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Abstract

본 발명은 사용자의 하지의 운동을 보조하도록 구성되는 보조로봇을 개시한다. 본 발명은 하지의 하퇴부를 지지하도록 구성되는 제 1 링크; 상기 하지의 대퇴부를 지지하도록 구성되며, 상기 제 1 링크에 회전가능하게 연결되는 제 1 조인트 및 상기 제 1 조인트에 대향되게 배치되는 제 2 조인트를 포함하는 제 2 링크; 상기 제 1 조인트에 회전가능하게 연결되는 제 1 연결부 및 상기 제 1 링크의 몸체에 회전가능하게 연결되는 제 2 연결부를 포함하며, 상기 제 1 연결부에 소정크기의 힘을 가하도록 구성되는 제 1 엑츄에이터; 상기 제 2 조인트에 회전가능하게 연결되는 제 3 연결부 및 상기 제 2 링크의 몸체에 회전가능하게 연결되는 제 4 연결부를 포함하며, 상기 제 3 연결부에 소정크기의 힘을 가하도록 구성되는 제 2 엑츄에이터; 및 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터에 연결되며, 가해지는 중력을 상쇄하면서 의도된 방향으로 힘을 발생시키도록 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터에 의해 상기 제 1 및 제 3 연결부들에 가해지는 힘들의 방향을 변경하도록 구성되는 제 1 조절모듈을 포함하는 하지보조로봇을 제공한다.

Description

하지 보조 로봇
본 발명은 신체의 운동을 보조하는 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신체중 하지의 운동을 보조하도록 구성된 로봇에 관한 것이다.
로봇은 일반적인 정의에 따르면, 인간과 유사한 모습과 기능을 가진 기계적 장치 또는 컴퓨터 프로그램으로 작동할 수 있고 자동적으로 복잡한 일련의 작업을 수행하는 기계적 장치를 의미한다. 그러나, 통상적으로 가장 직관적 개념에 의해서는 로봇은 인간을 보조하거나 인간을 대신해 소정의 일을 처리하는 능력을 가진 기계장치로 인식된다.
이러한 로봇들중, 보조 로봇은 인간이 자신의 몸의 자세 및 움직임을 제어하는 것을 도와주도록 구성되는 기계장치로 분류되며, 이러한 측면에서 보조 로봇은 앞서 언급된 로봇의 통상적이고 직관적인 정의에 가장 부합한다고 볼 수 있다. 현재, 일 예로서, 보조 로봇은 요양 및 재활의학분야에서 신체적 결함을 갖는 사람에 대한 기존의 치료사의 물리적인 노력을 대체하도록 적용되고 있다. 또한, 보조 로봇은 이의 기본적 구성을 이용하여 정상적인 인간의 활동을 보조하여 정상적인 인간의 신체적 능력을 증가시키기 위해서도 활용되고 있다. 이러한 여러 장점으로 인해, 보조 로봇은 단순한 재활 목적이 아닌 군사 및 산업분야와 같은 다양한 분야에서 적용되고 있으며, 이에 대한 기술개발 및 정책적 지원도 증가되어 오고 있다.
인간의 신체의 여러부분중, 다리 및 팔이 가장 많은 운동을 수행하므로, 보조 로봇은 크게 다리의 자세 및 운동을 지원하는 하지 보조로봇 및 팔의 자세 및 운동을 지원하는 상지 보조로봇으로 크게 분류될 수 있다. 특히, 다리는 인간의 이동에 필수불가결한 역할을 수행하므로, 하지 보조로봇이 현재 가장 활발하게 연구 및 개발되고 있다.
현재 상용화된 하지 보조로봇들은 전동방식을 채택하는 외골격 형태의 보행 보조장치들로 이루어진다. 보다 상세하게는, 이러한 전동형 하지 보조로봇에서, 로봇의 주요 관절들에 모터 및 기어장치들을 포함하는 액츄에이터가 장착되며, 액츄에이터들에 의해 상기 주요관절들에 운동을 위한 토크가 직접적으로 가해진다. 그러나, 이와 같은 전동형 액츄에이터들은 높은 가격 뿐만 아니라 큰 중량을 갖는다. 따라서, 전동형 보조로봇들은 낮은 가격을 가지면서도 경량화되기 어렵다.
또한, 하지 보조 로봇은 사용자의 의도에 따른 움직임에 실시간적으로 반응하면서 그와 같은 움직임을 보조해야 한다. 그러나, 전동형 액츄에이터에서는, 모터의 운전뿐만 아니라 상기 모터의 동력을 전달하는 기어 트레인에서 불가피하게 발생되는 지연으로 인해, 사용자의 움직임에 대한 추종 제어가 구현되기 어렵다. 또한, 이와 같은 제어의 어려움으로 인해, 전동형 하지보조로봇은 시스템적인, 즉 구조 및 작동측면 둘 다에 있어서 불안정성을 항상 내포하게 된다. 따라서, 이러한 전동형 하지 보조로봇들은 아직까지 사용자의 움직임을 실시간적으로 보조하도록 개발되지 못하고 있으며, 사용자들은 실제적으로 이러한 전동형 하지보조로봇들을 사용시에 불편함을 느끼게 된다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 사용자의 의도에 따라 실시간적으로 사용자의 움직임을 보조하도록 구성되는 하지 보조로봇을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 저렴하고 경량화된 하지 보조로봇을 제공하는 것이다.
상술된 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 하지의 하퇴부를 지지하도록 구성되는 제 1 링크; 상기 하지의 대퇴부를 지지하도록 구성되며, 상기 제 1 링크에 회전가능하게 연결되는 제 1 조인트 및 상기 제 1 조인트에 대향되게 배치되는 제 2 조인트를 포함하는 제 2 링크; 상기 제 1 조인트에 회전가능하게 연결되는 제 1 연결부 및 상기 제 1 링크의 몸체에 회전가능하게 연결되는 제 2 연결부를 포함하며, 상기 제 1 연결부에 소정크기의 힘을 가하도록 구성되는 제 1 엑츄에이터; 상기 제 2 조인트에 회전가능하게 연결되는 제 3 연결부 및 상기 제 2 링크의 몸체에 회전가능하게 연결되는 제 4 연결부를 포함하며, 상기 제 3 연결부에 소정크기의 힘을 가하도록 구성되는 제 2 엑츄에이터; 및 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터에 연결되며, 가해지는 중력을 상쇄하면서 의도된 방향으로 힘을 발생시키도록 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터에 의해 상기 제 1 및 제 3 연결부들에 가해지는 힘들의 방향을 변경하도록 구성되는 제 1 조절모듈을 포함하는 하지보조로봇을 제공할 수 있다.
상기 제 1 조절모듈은 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터에 의해 가해지는 힘들의 방향들을 변경하기 위해, 상기 제 1 및 제 3 연결부들의 위치들을 변경하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 조절모듈은 상기 제 1 및 제 2 조인트들주위로 소정각도로 상기 제 1 및 제 3 연결부들을 선회시켜, 상기 제 1 및 제 2 액츄에이터들의 힘들로부터 중력방향에 대향되는 분력 및 의도된 방향으로의 분력을 발생시키도록 구성될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 조절모듈은: 상기 제 1 조인트에 회전가능하게 설치되며, 상기 제 1 엑츄에이터의 제 1 연결부와 회전가능하게 결합되는 제 1 풀리(pulley); 상기 제 1 조인트에 회전가능하게 설치되며, 상기 제 2 엑츄이이터의 제 3 연결부와 회전가능하게 결합되는 제 2 풀리; 및 상기 제 1 및 제 2 풀리들에 동력을 제공하여 상기 제 1 및 제 2 풀리들과 상기 제 1 및 제 3 연결부들을 회전시키도록 구성되는 제 1 구동기(driver)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 조절모듈은 상기 제 1 및 제 3 연결부들을 동시에 동일방향으로 동일한 거리만큼 이동시키도록 구성되는 제 1 동조기(synchronizer)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 동조기는 상기 제 1 및 제 2 풀리들을 동시에 동일방향으로 동일한 각도로 상기 제 1 및 제 2 조인트에 대해 회전시키도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 하지보조로봇은 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터들에 선택적으로 맞물리어, 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터들에 의해 상기 제 1 및 제 3 연결부들에 가해지는 힘들의 크기들을 변경하도록 구성되는 제 2 조절모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 조절모듈은 상기 제 1 및 제 3 연결부들에 가해지는 힘들의 크기들을 변경하기 위해, 상기 제 1 및 제 2 연결부들사이의 제 1 거리 및 상기 제 3 및 제 4 연결부들사이의 제 2 거리를 변경하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제 2 조절모듈은 상기 제 2 및 제 4 연결부들을 상기 제 1 및 제 2 링크들의 길이방향으로 이동시키도록 구성될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 2 조절모듈은: 상기 제 1 조인트에 회전가능하게 설치되며, 회전하는 동안 상기 제 1 액츄에이터의 제 2 연결부와 접촉하면서 상기 제 2 연결부를 직선운동시키도록 구성되는 제 1 캠(cam); 상기 제 2 조인트에 회전가능하게 설치되며, 회전하는 동안 상기 제 2 액츄에이터의 제 4 연결부와 접촉하면서 상기 제 4 연결부를 직선운동시키도록 구성되는 제 2 캠; 및 상기 제 1 및 제 2 캠들에 결합되어 상기 제 1 및 제 2 캠들을 회전시키도록 구성되는 제 2 구동기를 포함할 수 있다. 상기 제 2 조절모듈은 상기 제 2 및 제 4 연결부들을 동시에 동일한 거리만큼 이동시키도록 구성되는 제 2 동조기를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 동조기는 상기 제 1 및 제 2 캠들을 동시에 동일방향으로 동일한 각도로 상기 제 1 및 제 2 조인트들에 대해 회전시키도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 제 1 엑츄에이터는: 상기 제 1 힌지에 제공되는 제 1 실린더(cylinder); 상기 제 1 연결부를 형성하도록 상기 제 1 조인트에 연결되는 제 1 끝단 및 상기 제 1 실린더내에 이동가능하게 배치되는 제 2 끝단을 포함하는 제 1 커넥팅 로드(connecting rod); 상기 제 1 실린더내에 수용되며, 상기 제 1 커넥팅 로드에 의해 변형되도록 구성되는 제 1 스프링; 및 상기 제 1 링크에 설치되어 상기 제 1 커넥팅 로드와 결합되며, 상기 제 1 커넥팅 로드의 회전운동 및 선형운동을 허용하도록 구성되는 제 1 힌지축(hinge shaft)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 엑츄에이터는: 상기 제 2 힌지에 제공되는 제 2 실린더; 상기 제 2 연결부를 형성하도록 상기 제 2 조인트에 연결되는 제 3 끝단 및 상기 제 2 실린더내에 이동가능하게 배치되는 제 4 끝단을 포함하는 제 2 커넥팅 로드; 상기 제 2 실린더내에 수용되며, 상기 제 2 커넥팅 로드에 의해 변형되도록 구성되는 제 2 스프링; 및 상기 제 2 링크에 설치되어 상기 제 2 커넥팅 로드와 결합되며, 상기 제 2 커넥팅 로드의 회전운동 및 선형운동을 허용하도록 구성되는 제 2 힌지축을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하지보조로봇은 전동력을 발생시키는 전동방식의 액츄에이터가 아닌 탄성력과 같은 기계적 힘을 발생시키는 액츄에이터를 사용한다. 이러한 기계적 방식의 액츄에이터는 사용자의 하지를 지지하는 링크와 직접적으로 연동되어 적절한 힘을 발생시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 하지보조로봇은 이러한 액츄에이터의 힘들을 기계적으로 제어하도록 구성되는 조절모듈을 포함하며, 이들 조절모듈을 사용하여 방향 및 크기를 하지보조로봇의 작동모드들에 따라 적절하게 변경할 수 있다. 따라서, 본 발명의 하지보조로봇은 사용자의 움직임과 연동하면서 지연없이 요구되는 힘들을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명의 하지보조로봇은 사용자의 움직임에 응답하여, 실시간적으로 사용자의 의도에 따라 하지의 움직임을 보조할 수 있다. 즉, 본 발명의 구성에 의해, 기존의 전동방식 엑츄에이터와는 달리, 사용자의 움직임을 보조하는 데 있어서 제어가 최소화되며, 특히 전동방식의 임피던스 제어와 같은 사용자 의도인식 제어가 요구되지 않는다. 결과적으로, 본 발명의 하지보조로봇은 저항감없이 편리하게 사용자에게 사용될 수 있으며, 높은 신뢰성 및 안정성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 하지보조로봇은 기계적 힘을 발생시키는 액츄에이터 및 이를 또한 기계적으로 제어하는 조절모듈을 탑재한다. 따라서, 본 발명의 하지보조로봇은 단순하고 신뢰성있는 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명은 저렴하고 경량화된 하지보조로봇을 사용자에게 제공할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 다음의 상세한 설명에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 효과들은 첨부된 도면들과 함께 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 하지보조로봇을 나타내는 측면도이다.
도 2는 도 1의 하지보조로봇을 나타내는 정면도이다.
도 3은 도 1의 하지보조로봇의 모델을 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 1의 하지보조로봇의 작동 모드들을 나타내는 측면도들이다.
도 5는 본 발명에 따른 하지보조로봇의 변형예를 나타내는 측면도이다.
도 6은 도 5의 하지보조로봇을 나타내는 정면도이다.
도 7은 도 5의 하지보조로봇의 모델을 나타내는 개념도이다.
도 8은 도 5의 하지로봇의 작동모들들을 나타내는 측면도들이다.
도 9는 본 발명에 따른 하지보조로봇의 추가 변형예를 나타내는 측면도이다.
도 10은 도 9의 하지보조로봇의 나타내는 정면도이다.
도 11은 도 9의 하지보조로봇의 작동모도들을 나타내는 측면도들이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하지보조로봇의 예들이 다음에서 상세히 설명된다.
이러한 예들의 설명에 있어서, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서, "이루어진다(comprise)", "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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. 또한, 같은 이유에서, 본 발명은 개시된 발명의 의도된 기술적 목적 및 효과에서 벗어나지 않는 한 앞선 언급된 용어를 사용하여 설명된 관련 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품의 조합으로부터도 일부 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품등이 생략된 조합도 포괄하고 있음도 이해되어야 한다.
다음에서 본 발명은 하지, 즉 신체의 다리를 보조하는 로봇을 일 예로서 설명하지만, 설명된 로봇의 예들은 이들의 원리(principle) 및 구성(configuration)에 대한 실질적인 변형없이 상지, 즉 신체의 팔 및 몸통의 움직임을 보조하는 로봇들에도 그래도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하지보조로봇을 나타내는 측면도이며, 도 2는 도 1의 하지보조로봇을 나타내는 정면도이다. 또한, 도 3은 도 1의 하지보조로봇의 모델을 나타내는 개념도이다. 끝으로, 도 4는 도 1의 하지보조로봇의 작동 모드들을 나타내는 측면도들이다. 이들 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 하지보조로봇의 구성이 다음에서 상세하게 설명된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하지보조로봇은 사용자의 다리를 전체적으로 지지하도록 구성되며, 상대적으로 회전가능하게 연결된 링크 어셈블리(1,2)를 포함할 수 있다. 또한, 하지보조로봇은 사용자 다리의 운동을 보조하도록 링크 어셈블리(1,2)에 힘을 가하는 액츄에이터들(10,20)을 포함할 수 있다. 또한, 나중에 상세하게 설명되는 바와 같이, 다리운동의 보조를 위해 액츄에이터(10,20)와 연동되는 부속장치, 즉 조절모듈(100)이 하지보조로봇에 설치되며, 도 5-도 11에 도시되는 바와 같이, 다른 부속장치(200,300)도 설치될 수 있다. 조절모듈(100-300)은 액츄레이터(10,20)에서 가해지는 힘을 제어하여 사용자의 의도에 부합하게 링크 어셈블리(1,2)를 이동시키며 이에 따라 사용자 다리의 운동을 적절하게 보조할 수 있다. 또한, 본 발명의 하지보조로봇은 도 1에 도시된 바와 같이, 사용자의 골반에 배치되는 장착유닛(H)을 포함할 수 있다. 장착유닛(H)은 앞서 언급된 하지보조로봇의 주요장치들(1,2,10,20,100-400)을 사용자의 신체에 장착하는 것을 보조할 수 있으나, 반드시 요구되지는 않는다.
한편, 도 1-도 4는 일 예로서, 사용자의 우측 다리에 제공된 하지보조로봇의 우측유닛을 보여주며, 설명의 편의를 위해 이러한 우측 유닛의 구성들이 다음에서 설명된다. 그러나, 본 발명의 하지보조로봇은 사용자 다리의 균형된 운동보조를 위해 도시된 우측 유닛과 동일하게 구성되는 좌측유닛을 포함할 수 있다. 일 예로, 이러한 좌측유닛 및 도시된 우측유닛은 착용유닛(H)의 좌우측에 각각 결합될 수 있다. 따라서, 다음에서 특별하게 추가적으로 언급되지 않아도, 본 발명의 하지보조로봇은 설명되는 우측유닛과 동일하게 구성되는 좌측유닛을 포함하며, 다음의 도 1-4를 참조하여 제공되는 우측유닛과 관련된 설명들도 동일하게 이러한 좌측유닛에 적용된다. 마찬가지로, 본원의 도 5-도 11의 예들도 모두 하지보조로봇의 우측유닛에 관한 것이나, 본 발명의 하지보조로봇은 이러한 예들과 동일하게 구성된 좌측유닛을 포함하며, 상기 예들에 대한 설명들도 이와 같은 좌측유닛에 동일하게 적용된다. 이러한 전제하에서, 본 발명에 따른 하지보조로봇의 개별적인 구성요소들이 다음에서 보다 상세하게 설명된다.
먼저, 하지보조로봇은 링크 어셈블리로서, 사용자의 하지의 하퇴부(lower leg)(즉, 다리의 종아리부)를 지지하도록 구성되는 제 1 링크(link)(1)를 포함할 수 있다. 제 1 링크(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하퇴부를 따라 연장되는 몸체로 이루어지며 상기 하퇴부의 외측부에 제공될 수 있다. 제 1 링크(1)는 하퇴부를 안정적으로 지지하기 위해 사용자의 발목부터 무릎까지 연장되는 길이를 가질 수 있다. 이러한 제 1 링크(1)는 따라서, 발목 부근에 배치되는 하부끝단부(1a) 및 무릎 부근에 배치되는 상부 끝단부(1b)을 포함할 수 있다.
또한, 하지보조로봇은 링크 어셈블리로서, 사용자의 하지의 대퇴부(upper leg)(즉, 다리의 허벅지부)를 지지하도록 구성되는 제 2 링크(link)(2)를 포함할 수 있다. 제 2 링크(2)는 대퇴부를 따라 연장되는 몸체로 이루어지며 상기 대퇴부의 외측부에 제공될 수 있다. 제 2 링크(2)는 대퇴부를 안정적으로 지지하기 위해 사용자의 무릎부터 엉덩이 부근, 예를 들어 고관절까지 연장되는 길이를 가질 수 있다. 이러한 제 1 링크(1)는 따라서, 무릎부근에 배치되는 하부 끝단부(2a) 및 엉덩이 부근에 배치되는 상부 끝단(2b)을 포함할 수 있다.
또한, 제 2 링크(2)는 상대적으로 회전운동을 하는 하퇴부 및 대퇴부의 운동을 보조하기 위해, 제 1 링크(1)에 회전가능하게(pivotably) 연결될 수 있다. 즉, 제 2 링크(2)는 제 1 링크(1), 정확하게는 제 1 링크(1)의 상부끝단(1b)에 상대적으로 회전가능하게 연결되는 제 1 조인트(J1)(joint)를 가질 수 있다. 보다 상세하게는, 제 1 조인트(J1)는 제 1 링크(1)의 상부 끝단부(1b), 제 2 링크(2)의 하부 끝단부(2a) 및 이들 끝단부들(1b,1a)를 회전가능하게 결합시키는 피봇 축 또는 핀(또는 힌지 축 또는 핀, 이하 "힌지 축")으로 이루어질 수 있다. 또는, 이러한 제 1 및 제 2 링크(1,2)를 결합시키는 힌지 축 또는 핀 자체가 제 1 조인트(J1)가 될 수 있다. 다른 한편, 실제적으로 힘을 받으면서 제 1 및 제 2 링크(1,2)를 연결시키는 제 1 링크(1)의 상부 끝단부(1b) 및 제 2 링크(2)의 하부 끝단부(2a)만이 제 1 조인트(J1)으로 정의될 수도 있다. 또한, 제 2 링크(2)는 제 1 조인트(J1)에 대향되게 배치되는 제 2 조인트(J2)를 포함할 수 있다. 제 2 조인트(J2)는 예를 들어, 착용유닛(H)에 상대적으로 회전가능하게 연결되게 구성될 수 있으며, 이에 따라 상대적으로 사용자의 골반에 대한 대퇴부의 상대적인 운동을 보조할 수 있다. 보다 상세하게는, 일 예로서, 제 2 조인트(J2)는 제 2 링크(2)의 상부 끝단부(2b), 착용유닛(H) 및 상기 끝단부 및 유닛(2b,H)을 회전가능하게 결합시키는 피봇 축 또는 핀(또는 힌지 축 또는 핀, 이하 "힌지 축")으로 이루어질 수 있다. 또는, 이러한 제 2 링크(2) 및 착용유닛(H)를 결합시키는 힌지 핀 또는 축 자체가 제 2 조인트(J2)가 될 수 있다. 한편, 실제적으로 힘을 받으면서 제 2 링크(2)와 착용유닛(H)을 연결시키는 제 2 링크(1)의 상부 끝단부(2b) 및 착용유닛(H)의 하부만이 제 2 조인트(J2)으로 정의될 수도 있다. 다른 한편, 착용유닛(H)은 선택적인 구성이므로, 만일 하지보조로봇이 착용유닛(H)을 포함하지 않는 경우에도, 제 2 링크(2), 즉 이의 상부 끝단부(2b)는 대퇴부에 부착된 상태로 힘을 받으면서 골반에 대해 상대적으로 회전하게 된다. 따라서, 이러한 경우, 제 2 조인트(J2)는 제 2 링크(2)의 상부 끝단부(2b) 또는 다른 부속장치(100)의 설치를 위해 상기 상부 끝단부(2b)에 제공되는 힌지 축이 될 수 있다. 이와 같은 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)는 사용자의 무릎관절 및 고관절 부근에 각각 배치되며, 상기 무릎관절 및 고관절에서의 회전운동을 보조하게 된다.
상술된 링크 어셈블리(1,2)의 운동을 위한 힘을 가하도록, 하지보조로봇은 액츄에이터(10,20)을 포함할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 사용자의 하지에서 대퇴부는 하퇴부 및 골반 둘 다에 대해 상대적으로 운동하면서 상기 하지의 운동에서 주된 역할을 하게 된다. 따라서, 일차적으로 액츄에이터(10,20)는 이와 같은 대퇴부의 운동을 보조하는 제 2 링크(2)에 힘을 가하도록 구성될 수 있다. 또한, 대퇴부는 하지의 운동을 수행하기 위해 하퇴부 뿐만 아니라 골반 둘 다에 대해 회전하게 된다. 따라서, 상기 하퇴부의 절대적인 회전부위들인 무릎관절 및 고관절 둘 다에 힘이 가해지는 것이 하퇴부의 회전을 적절하게 보조하고 하퇴부뿐만 아니라 하지 전체를 안정적으로 운동시키는데 요구된다. 이러한 이유로, 하지보조로봇은 제 2 링크(2), 상세하게는 하퇴부의 무릎관절 및 고관절에 해당하는 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)에 각각 힘을 가하도록 구성되는 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)를 포함할 수 있다.
하지보조로봇에 적용되는 통상적인 엑츄에이터는 전기를 이용하여 요구되는 힘을 발생시키는 전동 메커니즘을 갖는다. 이러한 통상적인 엑츄에이터와 달리, 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)는 전기력의 도움없이 기계 요소들에서 발생되는 기계적 힘만을 이용하여 하지보조로봇에 요구되는 힘을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 후술되는 바와 같이, 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)는 기계요소의 탄성력, 보다 상세하게는 탄성 부재의 변형 및 복원에 의한 장력 또는 탄성적 힘을 발생시켜 제 2 링크(2)에 제공할 수 있다. 또한, 통상적인 전동 액츄이에터는 조인트의 축에 직접 결합되어 토크를 상기 조인트의 축에 직접적으로 부가하도록 구성된다. 반면, 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)는 기계요소의 변형에서 발생되는 힘을 이용하므로, 그과 같은 변형을 위한 공간을 필요로 하며, 이에 따라 해당 조인트 축에 직접적으로 결합되지 않고 이로부터 약간 이격될 수도 있다.
이와 같은 통상적 전동 엑츄에이터와의 구조적 차이로 인해, 기계적 힘을 적절하게 발생시켜 제공하도록 제 1 액츄에이터(10)는 제 1 조인트(J1)에 연결되는 제 1 연결부(coupler)(A1)를 포함할 수 있다. 또한, 기계요소(즉, 탄성부재)의 변형 및 복원을 위한 지지를 제공하기 위해 제 1 액츄에이터(10)는 제 1 링크(1)에 연결되는 제 2 연결부(B1)를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 제 1 연결부(A1)는 제 1 조인트(J1)에 직접적으로 결합되는 대신에, 후술되는 바와 같이 제 1 조인트(J1)에 제공되는 다른 부재(예를 들어, 제 1 조절모듈(100)의 제 1 풀리(110))에 결합됨으로써 상기 제 1 조인트(J1)에 연결될 수 있다. 제 1 액츄에이터(10)는 후술되는 바와 같이, 먼저 제 1 연결부(A1)에 발생된 힘을 직접적으로 가하며, 이에 따라 가해진 힘이 다시 제 1 조인트(J1)에 전달될 수 있다. 또한, 기계요소의 변형을 위한 지지가 가능하다면, 제 2 연결부(B1)은 제 1 링크(1)대신에 제 2 링크(2) 및 다른 부재들에 연결될 수도 있다. 이러한 제 1 액츄에이터(10)와 유사하게, 제 2 액츄에이터(20)는 제 2 조인트(J2)에 연결되는 제 3 연결부(coupler)(A2)를 포함할 수 있다. 또한, 기계요소(즉, 탄성부재)의 변형 및 복원을 위한 지지를 제공하기 위해 제 2 액츄에이터(20)는 제 2 링크(2)에 연결되는 제 4 연결부(B2)를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 제 3 연결부(A2)는 제 2 조인트(J2)에 직접적으로 결합되는 대신에, 후술되는 바와 같이 제 2 조인트(J2)에 제공되는 다른 부재(예를 들어, 제 1 조절모듈(100)의 제 2 풀리(120))에 결합됨으로써 상기 제 2 조인트(J2)에 연결될 수 있다. 제 2 액츄에이터(20)는 후술되는 바와 같이, 먼저 제 3 연결부(A2)에 발생된 힘을 직접적으로 가하며, 이에 따라 가해진 힘이 다시 제 2 조인트(J2)에 전달될 수 있다. 또한, 기계요소의 변형을 위한 지지가 가능하다면, 제 4 연결부(B2)은 제 2 링크(2)대신에 인접하는 다른 부재들에 연결될 수도 있다. 한편, 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)은 제 1-4 연결부(A1,B1,A2,B2)에 의해 제 1 및 제 2 링크(1,2)에 연결되므로, 이들의 링크(1,2)의 원활한 운동을 위해서는 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)도 상기 링크(1,2)에 대해 상대적으로 운동하도록 구성될 필요가 있다. 이러한 이유로, 제 1 액츄에이터(10)에 있어서, 제 1 연결부(A1)는 제 1 조인트(J1)에 회전가능하게 연결되며, 제 2 연결부(B1)는 제 1 링크(1)에 회전가능하게 연결되도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 제 2 액츄에이터(20)에 있어서, 제 3 연결부(A2)는 제 2 조인트(J2)에 회전가능하게 연결되게 구성되며, 제 4 연결부(B2)는 제 2 링크(2)에 회전가능하게 연결될 수 있다.
이러한 기본적 구성에 추가적으로, 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)의 상세한 구성을 도 1 및 도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제 1 액츄에이터(10)는 제 1 힌지(1)에 제공되는 제 1 실린더(11)를 포함할 수 있다. 제 1 실린더(11)는 이의 내부에 형성된 소정크기의 공간을 형성할 수 있다. 제 1 실린더(11)는 형성된 내부공간내에 후술되는 제 1 스프링(13)을 수용하며, 상기 제 1 스프링(13)의 작동, 즉 변형 및 복원동안 상기 제 1 스프링(13)을 외부로부터 보호할 수 있다.
또한, 제 1 액츄에이터(10)는 제 1 실린더(11)로부터 제 1 조인트(J1)까지 연장되는 제 1 커넥팅 로드(12)를 포함할 수 있다. 제 1 커넥팅 로드(12)는 제 1 스프링(13) 및 이를 수용하는 제 1 실린더(11)를 제 1 조인트(J1)와 연결시키며, 이에 따라 상기 제 1 스프링(13)의 변형에 의해 발생되는 힘을 제 1 연결부(A1), 즉 제 1 조인트(J1)로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 보다 상세하게는, 제 1 커넥팅 로드(12)는 길이방향으로 길게 연장되는 몸체와 상기 몸체의 양 끝단들에 해당하는 제 1 및 제 2 끝단(12a,12b)를 포함할 수 있다. 이러한 커넥팅 로드(12)의 제 1 끝단(12a)은 제 1 조인트(J1)에 인접하게 배치되며 상기 제 1 조인트(J1)에 예를 들어 힌지 구조로 회전가능하게 연결된다. 후술되는 바와 같이, 제 1 끝단(12a)는 제 1 조인트(J1)에 직접적으로 결합되는 대신에, 제 1 조인트(J1)에 제공되는 다른 부재(예를 들어, 제 1 조절모듈(100)의 제 1 풀리(110))에 회전가능하게 결합되며, 이에 따라 실질적으로 상기 제 1 조인트(J1)에도 회전가능하게 연결될 수 있다. 이러한 구성으로 인해, 제 1 끝단(12a)이 앞서 설명된 바와 같은 제 1 조인트(J1)에 회전가능하게 연결되는 제 1 연결부(A1)를 실제적으로 형성할 수 있다. 이러한 제 1 연결부(A1)는 후술되는 바와 같이, 제 1 조인트(J1) 또는 이의 중심 주위로 선회하도록 구성될 수 있다. 한편, 제 1 커넥팅 로드(12)는 도시된 바와 같이, 제 1 실린더(11)내로 길게 연장되며, 이에 따라 제 2 끝단(12b)은 상기 제 1 실린더(11)내에 배치될 수 있다. 또한, 제 1 커넥팅 로드(12)는 제 1 스프링(13)과 결합되면서 제 1 실린더(11)에 대해 상대적으로 이동가능하도록 구성될 수 있다. 특히, 제 1 커넥팅 로드(12)의 선형이동에 따라 제 2 끝단(12b)이 제 1 실린더(11)내에서 이동하면서 제 1 스프링(13)을 변형시킬 수 있다.
또한, 제 1 액츄에이터(10)는 앞서 설명된 바와 같이, 제 1 실린더(11)내에 수용되는 제 1 스프링(13)을 포함할 수 있다. 제 1 스프링(13)의 일측 끝단은 실린더(11)의 일부에 결합되며, 타측 끝단은 제 1 커넥팅 로드(12)의 제 2 끝단(12b)에 결합될 수 있다. 따라서, 제 1 실린더(11)에 대한 제 1 커넥팅 로드(12)의 이동, 즉 제 2 끝단(12b)의 이동에 의해 제 1 스프링(13)은 변형되면서 제 2 링크(2)를 이동시키기 위해 의도된 힘을 발생시킬 수 있다. 이와 같은 제 1 스프링(13)은 의도된 힘을 정확하게 발생시킬 수 있도록 예를 들어, 무자유길이 스프링(zero-free length spring)으로 이루어질 수 있다. 이러한 무자유길이 스프링인 제 1 스프링(13)은 제 1 커넥팅 로드(12) 대신에 공지된 바와 같이 와이어를 이용하여 변형가능하게 구성될 수 있다.
더 나아가, 제 1 액츄에이터(10)는 제 1 링크(1)에 설치되며 제 1 커넥팅 로드(12)와 결합하는 제 1 힌지축(hinge shaft)(14)를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 제 1 힌지축(14)은 제 1 링크(1)로부터 연장되어 제 1 커넥팅 로드(12)의 중간부의 소정 위치에 결합될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 제 1 커넥팅 로드(12)는 제 1 스프링(12)을 변형시키기 위해 제 1 실린더(11)에 대해 직선 왕복운동을 수행하도록 구성된다. 동시에, 제 1 커넥팅 로드(12)는 제 1 끝단(12a) 및 제 1 힌지축(14)에 의해 제 1 및 제 2 링크(1,2)에 구속되어 있으므로, 상기 제 1 및 제 2 링크(1,2)의 원활할 상대회전을 위해서는 마찬가지로 회전할 것이 요구된다. 이러한 이유로, 제 1 힌지축(14)은 제 1 커넥팅 로드(12)의 회전운동 및 선형운동을 허용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 커넥팅 로드(12)는 이의 길이방향을 따라 연장되는 레일(12c)을 포함할 수 있으며, 제 1 힌지축(14), 정확하게는 제 1 커넥팅 로드(12)와 결합되는 끝단에는 상기 레일(12c)에 의해 안내되어 직선운동을 안내하는 브라켓을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 커넥팅 로드(12)와 결합되는 제 1 힌지축(14)의 끝단에는 레일(12c)내에서 이의 회전운동을 가능하게 하는 베어링을 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 커넥팅 로드(12)는 제 1 힌지축(14) 및/또는 제 1 링크(1)에 대해 직선운동 및 회전운동을 수행할 수 있으며, 의도된 작동을 수행하면서도 제 1 및 제 2 링크(1,2)의 운동을 방해하지 않을 수 있다. 또한, 제 1 힌지축(14)도 제 1 링크(1)에 결합된 상태이므로, 적어도 제 1 링크(1)의 회전운동을 방해하지 않기 위해서 제 1 힌지축(14)도 제 1 링크(1)에 움직이지 않게 고정되는 대신에 제 1 링크(1)에 대해 적어도 회전가능하게 구성될 수 있다. 이러한 경우, 제 1 힌지축(14)과 제 1 커넥팅 로드(12)가 서로 회전가능하지 않게 구성되어도, 이들 부재들(12,14)는 제 1 및 제 2 링크(1,2)에 대해 회전가능하게 되며, 제 1 및 제 2 링크(1,2)와 함께 회전가능하게 된다. 따라서, 이러한 제 1 힌지축(14)의 구성을 고려할 때, 상기 제 1 힌지축(14)은 실질적으로 제 1 액츄에이터(10)을 제 1 링크(1)에 회전가능하게 연결시키는 제 2 연결부(B1)으로 기능할 수 있다. 또한, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 제 1 실린더(11)는 제 1 링크(1)에 결합된 제 1 힌지축(14)에 결합될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1 실린더(11) 및 이에 고정된 제 1 스프링(13)의 일측 끝단은 이동하는 제 1 커넥팅 로드(12)에 상대적으로 고정된 위치를 유지할 수 있다. 따라서, 이동하는 제 1 커넥팅 로드(12)의 제 2 끝단(12b)에 의해 제 1 스프링(13)의 변형이 가능하게 된다.
이와 같은 제 1 액츄에이터(10)에 있어서, 제 1 커넥팅 로드(12)가 별도의 구동 메커니즘(예를 들어, 후술되는 제 1 조절모듈(100)의 제 1 풀리(110))에 의해 제 1 실린더(11)에 상대적으로 직선으로 운동하면, 이러한 운동은 앞서 설명된 바와 같이 제 1 힌지축(14)에 의해 안정적으로 안내될 수 있다. 또한, 제 1 커넥팅 로드(12)의 이동에 의해 제 1 커넥팅 로드(12)의 제 2 끝단(12b)이 제 1 스프링(13)의 타측 끝단과 함께 실린더(11)내에서 이동하며, 상기 제 1 스프링(13)의 고정된 일측 끝단에 대해 상대적인 변형이 상기 제 1 스프링(13)에 발생될 수 있다. 이러한 변형에 의해 기계적 힘이 발생되며, 제 1 커넥팅 로드(12)를 통해 제 1 연결부(A1)에 일차적으로 가해질 수 있다. 이 후, 제 1 연결부(A1)에 가해진 힘은 이에 연결된 제 1 조인트(J1)로 전달될 수 있다. 또한, 제 1 커넥팅 로드(12), 즉 제 2 끝단(12b)의 이동량을 조절함으로써 제 1 스프링(13)의 변형량 및 발생되는 힘의 크기도 조절될 수 있다. 따라서, 이와 같이 제 1 액츄에이터(10)의 힘이 제 1 조인트(J1)에 전달되면, 전달된 힘에 의해 제 2 링크(2)는 이동할 수 있으며, 전달된 힘의 방향에 따라 제 2 링크(2)의 이동방향이 결정될 수 있다.
또한, 제 2 액츄에이터(20)도 앞서 설명된 제 1 액츄에이터(10)과 유사한 구성을 포함할 수 있다. 먼저, 제 2 액츄에이터(20)는 제 2 힌지(2)에 제공되는 제 2 실린더(21)를 포함할 수 있다. 제 2 실린더(21)는 이의 내부에 형성된 소정크기의 공간을 형성할 수 있다. 제 2 실린더(21)는 형성된 내부공간내에 후술되는 제 2 스프링(23)을 수용하며, 상기 제 2 스프링(23)의 작동, 즉 변형 및 복원동안 상기 제 2 스프링(23)을 외부로부터 보호할 수 있다.
또한, 제 2 액츄에이터(20)는 제 2 실린더(21)로부터 제 2 조인트(J2)까지 연장되는 제 2 커넥팅 로드(22)를 포함할 수 있다. 제 2 커넥팅 로드(22)는 제 2 스프링(23) 및 이를 수용하는 제 2 실린더(21)를 제 2 조인트(J2)와 연결시키며, 이에 따라 상기 제 2 스프링(23)의 변형에 의해 발생되는 힘을 제 3 연결부(A2), 즉 제 2 조인트(J2)로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 보다 상세하게는, 제 2 커넥팅 로드(22)는 길이방향으로 길게 연장되는 몸체와 상기 몸체의 양 끝단들에 해당하는 제 3 및 제 4 끝단(22a,22b)를 포함할 수 있다. 이러한 제 2 커넥팅 로드(22)의 제 3 끝단(22a)은 제 2 조인트(J2)에 인접하게 배치되며 상기 제 2 조인트(J2)에 예를 들어 힌지 구조로 회전가능하게 연결된다. 후술되는 바와 같이, 제 3 끝단(22a)는 제 2 조인트(J2)에 직접적으로 결합되는 대신에, 제 2 조인트(J2)에 제공되는 다른 부재(예를 들어, 제 1 조절모듈(100)의 제 2 풀리(120))에 회전가능하게 결합되며, 이에 따라 실질적으로 상기 제 2 조인트(J2)에도 회전가능하게 연결될 수 있다. 이러한 구성으로 인해, 제 3 끝단(22a)이 앞서 설명된 바와 같은 제 2 조인트(J2)에 회전가능하게 연결되는 제 3 연결부(A2)를 실제적으로 형성할 수 있다. 이러한 제 3 연결부(A2)는 후술되는 바와 같이, 제 2 조인트(J2) 또는 이의 중심 주위로 선회하도록 구성될 수 있다. 한편, 제 2 커넥팅 로드(22)는 도시된 바와 같이, 제 2 실린더(21)내로 길게 연장되며, 이에 따라 제 4 끝단(22b)은 상기 제 2 실린더(21)내에 배치될 수 있다. 또한, 제 2 커넥팅 로드(22)는 제 2 스프링(23)과 결합되면서 제 2 실린더(21)에 대해 상대적으로 이동가능하도록 구성될 수 있다. 특히, 제 2 커넥팅 로드(22)의 선형이동에 따라 제 4 끝단(22b)이 제 2 실린더(21)내에서 이동하면서 제 2 스프링(23)을 변형시킬 수 있다.
또한, 제 2 액츄에이터(20)는 앞서 설명된 바와 같이, 제 2 실린더(21)내에 수용되는 제 2 스프링(23)을 포함할 수 있다. 제 2 스프링(23)의 일측 끝단은 실린더(21)의 일부에 결합되며, 타측 끝단은 제 2 커넥팅 로드(22)의 제 4 끝단(22b)에 결합될 수 있다. 따라서, 제 2 실린더(21)에 대한 제 2 커넥팅 로드(22)의 이동, 즉 제 4 끝단(22b)의 이동에 의해 제 2 스프링(23)은 변형되면서 제 2 링크(2)를 이동시키기 위해 의도된 힘을 발생시킬 수 있다. 이와 같은 제 2 스프링(23)은 의도된 힘을 정확하게 발생시킬 수 있도록 예를 들어, 무자유길이 스프링(zero-free length spring)으로 이루어질 수 있다. 이러한 무자유길이 스프링인 제 2 스프링(23)은 제 2 커넥팅 로드(22) 대신에 공지된 바와 같이 와이어를 이용하여 변형가능하게 구성될 수 있다.
더 나아가, 제 2 액츄에이터(20)는 제 2 링크(2)에 설치되며 제 2 커넥팅 로드(22)와 결합하는 제 2 힌지축(hinge shaft)(24)를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 제 2 힌지축(24)은 제 2 링크(2)로부터 연장되어 제 2 커넥팅 로드(22)의 중간부의 소정 위치에 결합될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 제 2 커넥팅 로드(22)는 제 2 스프링(22)을 변형시키기 위해 제 2 실린더(21)에 대해 직선 왕복운동을 수행하도록 구성된다. 동시에, 제 2 커넥팅 로드(22)는 제 3 끝단(22a) 및 제 2 힌지축(24)에 의해 제 2 링크(2)에 구속되어 있으므로, 상기 제 2 링크(2)의 원활할 상대회전을 위해서는 마찬가지로 회전할 것이 요구된다. 이러한 이유로, 제 2 힌지축(24)은 제 2 커넥팅 로드(22)의 회전운동 및 선형운동을 허용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 커넥팅 로드(22)는 이의 길이방향을 따라 연장되는 레일(22c)을 포함할 수 있으며, 제 2 힌지축(24), 정확하게는 제 2 커넥팅 로드(22)와 결합되는 끝단에는 상기 레일(22c)에 의해 안내되면서 직선운동을 안내하는 브라켓을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 커넥팅 로드(22)와 결합되는 제 2 힌지축(24)의 끝단에는 레일(22c)내에서 이의 회전운동을 가능하게 하는 베어링을 포함할 수 있다. 따라서, 제 2 커넥팅 로드(22)는 제 2 힌지축(24) 및/또는 제 2 링크(2)에 대해 직선운동 및 회전운동을 수행할 수 있으며, 의도된 작동을 수행하면서도 제 2 링크(2)의 운동을 방해하지 않을 수 있다. 또한, 제 2 힌지축(24)도 제 2 링크(2)에 결합된 상태이므로, 적어도 제 2 링크(2)의 회전운동을 방해하지 않기 위해서 제 2 힌지축(24)도 제 2 링크(2)에 움직이지 않게 고정되는 대신에 제 2 링크(2)에 대해 적어도 회전가능하게 구성될 수 있다. 이러한 경우, 제 2 힌지축(24)과 제 2 커넥팅 로드(22)가 서로 회전가능하지 않게 구성되어도, 이들 부재들(22,24)는 제 2 링크(2)에 대해 회전가능하게 되며, 제 1 및 제 2 링크(1,2)와 함께 원활하게 이동할 수 있다. 따라서, 이러한 제 2 힌지축(24)의 구성을 고려할 때, 상기 제 2 힌지축(24)은 실질적으로 제 2 액츄에이터(20)을 제 2 링크(2)에 회전가능하게 연결시키는 제 4 연결부(B2)로 기능할 수 있다. 또한, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 제 2 실린더(21)는 제 2 링크(2)에 결합된 제 2 힌지축(24)에 결합될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 2 실린더(21) 및 이에 고정된 제 2 스프링(23)의 일측 끝단은 이동하는 제 2 커넥팅 로드(22)에 상대적으로 고정된 위치를 유지할 수 있다. 따라서, 이동하는 제 2 커넥팅 로드(22)의 제 4 끝단(22b)에 의해 제 2 스프링(23)의 변형이 가능하게 된다.
이와 같은 제 2 액츄에이터(20)에 있어서, 제 2 커넥팅 로드(22)가 별도의 구동 메커니즘(예를 들어, 후술되는 제 1 조절모듈(100)의 제 2 풀리(120))에 의해 제 2 실린더(21)에 상대적으로 직선으로 운동하면, 이러한 운동은 앞서 설명된 바와 같이 제 2 힌지축(24)에 의해 안정적으로 안내될 수 있다. 또한, 제 2 커넥팅 로드(22)의 이동에 의해 제 2 커넥팅 로드(12)의 제 4 끝단(22b)이 제 2 스프링(23)의 타측 끝단과 함께 실린더(21)내에서 이동하며, 상기 제 2 스프링(23)의 고정된 일측 끝단에 대해 상대적인 변형이 상기 제 2 스프링(23)에 발생될 수 있다. 이러한 변형에 의해 기계적 힘이 발생되며, 제 2 커넥팅 로드(22)를 통해 제 3 연결부(A2)에 일차적으로 가해질 수 있다. 이 후, 제 3 연결부(A2)에 가해진 힘은 이에 연결된 제 2 조인트(J2)로 전달될 수 있다. 또한, 제 2 커넥팅 로드(22), 즉 제 4 끝단(22b)의 이동량을 조절함으로써 제 2 스프링(23)의 변형량 및 발생되는 힘의 크기도 조절될 수 있다. 따라서, 이와 같이 제 2 액츄에이터(10)의 힘이 제 2 조인트(J2)에 전달되면, 전달된 힘에 의해 제 2 링크(2)는 이동할 수 있으며, 전달된 힘의 방향에 따라 제 2 링크(2)의 이동방향이 결정될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같은 본 발명의 하지보조로봇이 액츄에이터들(10,20)의 힘만을 이용하여 링크들(1,2)를 이동시키기도록 최적으로 설계되기 위해서는, 이의 역학적 모델이 검토될 필요가 있다. 따라서, 하지보조로봇, 즉 이의 링크 어셈블리(1,2) 및 액츄에이터들(10,20)이 역학적 모델로서 도 3에 도시된다.
도 3(a)을 참조하면, x축 및 y축으로 이루어진 2차원 좌표계내에 링크 어셈블리(1,2) 및 액츄에이터들(10,20)들이 단순화되어 표시된다. y축은 중력의 작용방향, 즉 지면에 수직한 방향(수직방향)을 따라 설정되며, x축은 중력작용방향에 수직한 방향, 즉 지면에 대해 평행한 방향(수평방향)을 따라서 설정된다. 즉, y축은 수직축에 해당되고, x축은 수평축에 해당된다. 이러한 좌표계내에, 링크 어셈블리(1,2)는 소정길이의 바(bar) 부재로 도시되며, 하지보조로봇과 사용자의 질량(m)에 의해 중력(g)이 링크 어셈블리(1,2)에 작용된다. 또한, 제 1 및 제 2 액츄에이터들(10,20)은 실제적으로 기계적 힘을 발생시키는 제 1 및 제 2 스프링(13,23)의 형태로 도시된다. 더 나아가, 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)의 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)는 제 1 및 제 2 링크(1,2)에 직접적으로 결합되므로, 상기 제 1 및 제 2 링크(1,2)에 연결되게 도시된다. 반면, 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)의 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)는 앞서 설명된 바와 같이, 제 1 및 제 2 링크(1,2)에 연결되기는 하나 직접적인 결합관계를 가지지 않으므로, 도시된 제 1 및 제 2 링크(1,2)로부터 이격되게 도시된다. 이러한 도 3(a)에서, 액츄에이터들(10,20)의 힘이 가해지는 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)(즉, 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)는 수직축(y축)상에 배치된다. 따라서, 액츄에이터들(10,20)의 힘은 대체적으로 수직축(y축)을 따라(즉, 수직방향으로) 중력방향에 반대되는 방향으로 작용하며, 중력(g)을 상쇄할 수 있다.
한편, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)의 위치가 변경되면, 이러한 위치변경에 의해 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)(즉, 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2))에 가해지는 힘의 방향이 변경될 수 있다. 구체적으로 연결부들(A1,A2)의 위치는 연결부들(A1,A2)을 이동시킴으로써 변경시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 이와 같은 이동 및 위치변경을 위해, 연결부들(A1,A2)은 수직축(y축)으로부터 소정각도(a)로 옵셋(offset) 또는 선회(revolve)되거나 소정거리도 이격(spaced apart)될 수 있다. 이러한 이동 및 위치변경은 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)가 제 2 및 제 4 연결부들(B1,B2)에 대해 상대적으로 이동되거나 다른 위치에 배치되게 할 수 있다. 다른 한편으로, 이러한 이동 및 위치변경은 하지보조로봇, 상세하게는 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)에 설정되는 중력작용방향인 수직축(y축)에 대한 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)의 상대적 이동 및 위치변경에 해당될 수 있다.
이와 같이, 연결부들(A1,A2)의 위치가 변경되면, 도 3(b)에 잘 도시된 바와 같이, 액츄에이터들(10,20)의 힘(fs)은 수직방향에 대해 각도(a)를 갖도록 배향되며, 이에 따라 수직분력(fg) 및 수평분력(fr)이 발생될 수 있다. 여기서, 수직분력(fg)는 하지보조로봇에 가해지는 중력(g)를 상쇄하게 되는 반면 수평분력(fr)은 하지보조로봇에 추가적인 힘으로서 작용된다. 또한, 액츄에이터들(10,20)의 힘(fs)은 이로부터 발생되는 수직분력(fg)가 중력(g)를 완전하게 상쇄하도록 설정될 수 다. 이러한 경우, 발생된 모든 수평분력(fr)은 일종의 추력으로 작용하며, 이에 따라 사용자의 힘이 가해지지 않아도 제 2 링크(2), 즉 하지보조로봇을 이동시킬 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)의 위치변경에 의해 힘의 방향을 변경함으로써, 액츄에이터(10,20)의 힘은 가해지는 중력을 상쇄하면서도 의도된 방향으로 힘을 발생키도록 이용될 수 있다.
더 나아가, 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)가 서로 다른 위치들로 이동되면, 일 예로서, 즉 수직축(y)에 대한 각도(a)가 변경되면, 수직 및 수평분력(fg,fr)의 크기도 변경될 수 있다. 특히, 수평분력(fr)의 변경에 의해 하지보조로봇, 즉 제 2 링크(2)에 가해지는 힘의 크기도 실제로 요구되는 힘의 크기에 부합하도록 조절될 수 있다. 따라서, 이러한 수직축(y축)에 대한 각도(a)의 변경을 위해, 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)는 소정의 중심(O), 예를 들어 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2) 또는 이들의 중심들에 대해 서로 다른 각도들로 선회(revolve)될 수 있다. 이러한 선회에 의해 각도(a) 및 이에 따른 수평분력(fr)이 요구되는 힘에 따라 조절될 수 있으며, 하지보조로봇의 운동제어가 원활하게 수행될 수 있다.
이와 같은 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)의 위치변경은 다양한 메커니즘들에 의해 실제적으로 수행될 수 있다. 이러한 메커니즘들중, 일 예로서 본 발명의 하지조절로봇은 소정 구동장치에 의해 구동되는 풀리 메커니즘을 채택한 제 1 조절모듈(100)을 포함할 수 있다. 이러한 제 1 조절모듈(100)은 풀리와 같은 단순한 기계요소를 이용하여, 위치변경을 위해 제 1 및 제 2 연결부(A1,A2)를 선회시킬 수 있으며, 이에 따라 의도된 기능을 수행하면서도 하지보조장치의 구조를 가볍고 컴팩하게 만들수 있다. 이러한 제 1 조절모듈(100)이 다음에서 도 1-도 4를 다시 참조하여 상세하게 설명된다.
먼저, 제 1 조절모듈(100)은 제 1 조인트(J1)에 회전가능하게 설치되는 제 1 풀리(pulley)(110)를 포함할 수 있다. 제 1 풀리(110)는 제 1 조인트(J1)에 안정적인 힘의 전달을 위해 제 1 조인트(J1)와 동심상으로 설치될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1 풀리(110)는 제 1 조인트(J1)와 힌지 축 또는 힌지 핀을 공유하며, 그와 같은 상기 제 1 조인트(J1)의 힌지축에 회전가능하게 설치될 수 있다. 또한, 제 1 풀리(110)는 제 1 액츄에이터(10), 상세하게는 이의 커넥팅 로드(12)의 제 1 끝단(12a)과 결합될 수 있다. 즉, 제 1 액츄에이터(10)의 제 1 연결부(A1)가 제 1 풀리(110)에 회전가능하게 힌지결합될 수 있다. 따라서, 제 1 연결부(A1)는 제 1 풀리(110)와의 결합에 의해 상기 제 1 풀리(110)와 결합된 제 1 조인트(J1)와의 회전가능한 결합을 형성할 수 있다. 또한, 제 1 액츄에이터(10)의 힘은 이러한 제 1 연결부(A1) 및 제 1 풀리(110)를 통해 제 1 조인트(J1)에 가해질 수 있다. 보다 상세하게는, 제 1 연결부(A1)(즉, 제 1 끝단(12a))는 제 1 풀리(110)의 외주부에 회전가능하게 연결된다. 즉, 제 1 연결부(A1)는 팔길이(r)로 제 1 조인트(J1) 및/또는 제 1 풀리(110)의 중심으로부터 이격되며, 이에 따라 제 1 연결부(A1)는 제 1 풀리(110)가 회전하면, 상기 중심주위로 선회, 즉 공전할 수 있다. 제 1 액츄에이터(10)에서, 제 1 커넥팅 로드(12)의 제 2 끝단(12b)은 적어도 소정의 변형을 항상 제 1 스프링(13)에 발생시키도록 구성되며, 이에 따라 소정의 힘이 항상 제 1 액추에이터(10)로부터 제 1 연결부(A1), 즉 제 1 조인트(J1)에 가해질 수 있다. 또한, 제 1 풀리(110)이 회전하면 팔길이(r)로 선회하는 커넥팅 로드(12)는 직선운동을 하며, 앞서 제 1 액츄에이터(10)와 관련하여 설명된 바와 같이, 제 2 끝단(12b)의 추가적인 이동에 의해 제 1 스프링(13)의 변형량 및 발생되는 힘의 크기가 변화될 수 있다. 이와 같은 커넥팅 로드(12)(즉, 제 2 끝단(12b))의 이동량 및 제 1 스프링(13)의 변형량은 하지보조로봇의 운동제어에서 요구되는 힘의 크기에 따라 적절하게 설계되어가 제어될 수 있다.
또한, 제 1 조절모듈(100)은 제 2 조인트(J2)에 회전가능하게 설치되는 제 2 풀리(pulley)(120)를 포함할 수 있다. 제 2 풀리(120)는 제 2 조인트(J2)에 안정적인 힘의 전달을 위해 제 2 조인트(J2)와 동심상으로 설치될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 2 풀리(120)는 제 2 조인트(J2)와 힌지 축 또는 힌지 핀을 공유하며, 그와 같은 제 2 조인트(J2)의 힌지 핀에 회전가능하게 설치될 수 있다. 또한, 제 2 풀리(120)는 제 2 액츄에이터(20), 상세하게는 이의 커넥팅 로드(22)의 제 3 끝단(22a)과 결합될 수 있다. 즉, 제 2 액츄에이터(20)의 제 3 연결부(A2)이 제 2 풀리(120)에 회전가능하게 힌지결합될 수 있다. 따라서, 제 3 연결부(A2)는 제 2 풀리(120)와의 결합에 의해 상기 제 2 풀리(120)와 결합된 제 2 조인트(J2)와의 회전가능한 결합을 형성할 수 있다. 또한, 제 2 액츄에이터(20)의 힘은 이러한 제 3 연결부(A2) 및 제 2 풀리(120)를 통해 제 2 조인트(J2)에 가해질 수 있다. 보다 상세하게는, 제 3 연결부(A2)(즉, 제 3 끝단(22a))는 제 2 풀리(120)의 외주부에 회전가능하게 연결된다. 즉, 제 3 연결부(A2)는 팔길이(r)로 제 2 조인트(J2) 및/또는 제 2 풀리(120)의 중심으로부터 이격되며, 이에 따라 제 3 연결부(A2)는 제 2 풀리(110)가 회전하면, 상기 중심주위로 선회, 즉 공전할 수 있다. 제 2 액츄에이터(20)에서, 제 4 끝단(22b)는 적어도 소정의 변형을 항상 제 2 스프링(23)에 발생시키도록 구성되며, 이에 따라 소정의 힘이 항상 제 2 액추에이터(20)로부터 제 3 연결부(A2), 즉 제 2 조인트(J2)에 가해질 수 있다. 또한, 제 2 풀리(120)이 회전하면 팔길이(r)로 선회하는 제 2 커넥팅 로드(22)는 직선운동을 하며, 앞서 제 2 액츄에이터(20)와 관련하여 설명된 바와 같이, 제 4 끝단(22b)의 추가적인 이동에 의해 제 2 스프링(23)의 변형량 및 발생되는 힘의 크기가 변화될 수 있다. 이와 같은 제 2 커넥팅 로드(22)(즉, 제 4 끝단(22b))의 이동량 및 제 2 스프링(23)의 변형량은 하지보조로봇의 운동제어에서 요구되는 힘의 크기에 따라 적절하게 설계되어가 제어될 수 있다.
또한, 제 1 조절모듈(100)은 제 1 및 제 2 풀리(110,120)의 회전시키도록 구성되는 제 1 구동기(driver)(130)를 포함할 수 있다. 일 예로서, 제 1 구동기(130)는 모터와 같은 동력을 제공하도록 구성되는 동력장치(131)와 상기 동력장치(131)에 결합되어 회전하도록 구성되는 구동풀리(132)를 포함할 수 있다. 또한, 제 1 구동기(130)는 제 2 풀리(120)에 제공되는 보조풀리(120a)와 구동풀리(132)에 감기는 구동벨트(133)을 포함할 수 있다. 한편으로, 보조풀리(120a)는 제 2 풀리(120)대신에 제 1 풀리(110)에 제공될 수 있다. 동력장치(131)에 의해 구동풀리(132)가 회전하면 구동벨트(133)에 의해 보조풀리(120a)가 회전되며, 이에 따라 제 2 풀리(120)(또는 제 1 풀리(110))가 회전될 수 있다. 또한, 후술되는 제 1 동조기(140)에 의해 제 1 및 제 2 풀리들(110,120)가 서로 동력을 전달하도록 연결되므로, 제 1 및 제 2 풀리들(110,120)중 어느 하나가 제 1 구동기(130)에 의해 회전되면, 다른 하나도 함께 회전할 수 있다. 따라서, 제 1 구동기(130)는 제 1 및 제 2 풀리들(110,120)에 동력을 제공하고 이들 풀리들(110,120)를 회전시키도록 구성될 수 있다. 또한, 제 1 구동기(130)는 제 1 및 제 2 풀리들(110,120)을 회전시킴으로써 제 1 및 제 3 연결부들도 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)를 중심으로 선회시키도록 구성될 수 있다. 이러한 제 1 구동기(130)는 설명된 풀리 메커니즘 이외에도 기어 트레인 및 다른 여러 구동 메커니즘으로 이루질 수 있다.
한편, 앞서 설명된 바와 같이, 하지보조로봇을 운동시키기 위해, 제 1 및 제 2 액츄에이터들(10,20)는 하지의 운동을 주로 수행하는 대퇴부 및 이의 관절들에 해당하는 제 2 링크(2), 즉 이의 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)에 힘을 가하도록 기본적으로 구성된다. 만일 제 1 및 제 2 조인트들(J1,J2)에 힘이 시차를 두고 가해지면 가해지는 힘의 불균형으로 인해 제 2 링크(2), 더 나아가 하지보조로봇이 불안정하게 운동할 수 있다. 따라서, 안정적인 하지보조로봇의 운동, 즉 제 2 링크(2)의 운동을 위해서는 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)는 동시에 제 2 링크(2)에 힘을 가해야 한다. 또한, 같은 이유로, 이들 액츄에이터들(10,20)에서 가해지는 힘의 방향이 변경되는 경우, 안정적인 운동을 위해서는 힘의 방향도 같은 방향으로 변경될 필요가 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 액츄에이터들(10,20)의 힘의 방향은 제 1 및 제 3 연결부들(A1,A2)의 위치에 의해 결정되며, 이러한 위치는 연결부들(A1)의 이동거리 및 이동방향에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 제 1 조절모듈(100)은 제 1 및 제 3 연결부들(A1,A2)을 동시에 동일방향으로 동일한 거리만큼 이동시키도록 구성되는 제 1 동조기(synchronizer)(140)를 포함할 수 있다. 이와 같은 제 1 동조기(140)에는 다양한 메커니즘이 적용될 수 있으며, 앞서 설명된 바와 같이, 제 1 조절모듈(100)이 풀리(110,120)를 사용하므로, 도시된 바와 같이 이들 풀리들(110,120)의 회전을 동기화시킬 수 있는 벨트가 사용될 수 있다. 이러한 제 1 동조기(140)로서의 벨트는 제 1 및 제 2 풀리(110,120)를 서로 동력을 전달하도록 연계시키며, 이에 따라 풀리들(110,120)의 동기화된 회전을 가능하게 할 수 있다. 한편으로, 도 1에 점선으로 도시된 바와 같이, 벨트를 대신하여 제 1 및 제 2 풀리(110,120)사이에 배치되어 이들과 맞물리는 기어 트레인(T)이 적용될 수 있으며, 이외에도 다른 전동(transmission) 메커니즘이 제 1 동조기(140)로 사용될 수 있다. 이러한 제 1 동조기(140)는 구동기(130)에 의해 어느 하나의 풀리, 예를 들어 도시된 바와 같이, 제 2 풀리(120)가 회전되면, 동시에 제 1 풀리(110)도 회전시킬 수 있다. 또한, 이러한 제 1 및 제 2 풀리(110,120)의 회전은 동일한 방향으로 동일한 각도로 수행될 수 있다. 이와 같은 동일방향 및 동일각도의 회전에 의해 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)는 동일한 위치에 배치되며, 액츄에이터들(10,20)에서 가해지는 힘의 방향들을 같은 방향으로 변화시킬 수 있다.
이와 같은 제 1 조절모듈(100)에서, 제 1 구동기(130)가 제 1 및 제 2 풀리(110,120)를 동시에 같은 방향으로 같은 각도로 회전시키면, 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)는 소정의 중심(O), 예를 들어 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)에 대해 같은 각도들로 선회(revolve)된다. 이러한 선회에 의해 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)의 위치는 변화되며, 액츄에이터들(10,20)에 의해 이들 연결부(A1,A2)(즉, 조인트들(J1,J2))에 가해지는 힘들의 방향들도 변화될 수 있다. 예를 들어, 만일 변화된 방향에 의해 힘들이 수직축에 대해 소정각도(a)를 갖도록 배향되면, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 중력상쇄를 위한 수직분력(fg) 및 로봇의 이동에 이용가능한 수평분력(fr)이 발생될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 풀리(110,120)의 회전에 따라 각도(a)가 변경되면, 수직 및 수평분력(fg,fr)도 적절하게 변경될 수 있다. 따라서, 제 1 조절모듈(100)은 제 1 및 제 2 엑츄에이터(10,20)에 의해 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)(즉, 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2))에 가해지는 힘의 방향을 변경하도록 구성되며, 이에 따라 액츄에이터들(10,20)의 힘을 하지보조로봇에 가해지는 중력을 상쇄하는 힘 (즉, 수직분력(fg)) 및 상기 로봇, 즉 제 2 링크(2)의 운동으로 위해 의도된 방향으로 작용하는 힘(수평분력(fr)로 변환할 수 있다. 즉, 제 1 조절모듈(100)은 액츄에이터(10,20)가 중력반대방향 및 의도된 방향으로 둘 다로 힘을 제공하도록 제어할 수 있다.
또한, 이러한 액츄에이터들(10,20) 및 이에 연계된 제 1 조절모듈(100)은 사용자의 의도 및 이에 따른 운동을 적절하게 수행하도록 구성된 하지보조로봇의 다양한 모드들을 구현할 수 있다. 이러한 모드들이 도 4를 참조하여 다음에서 상세하게 설명된다.
먼저, 도 4(a)는 하지보조로봇의 무중력모드를 보여준다. 이러한 무중력 모드에서, 제 1 조절모듈(100)은 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)를 선회시켜, 하지보조로봇, 즉 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)의 수직축(y축)상에 위치시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 제 1 조절모듈(100)은 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)의 수평축(x축)의 위쪽(above)의 수직축(y축)의 일부에 연결부들(A1,A2)를 배치시킬 수 있다. 이러한 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)의 위치에 의해, 앞서 도 3(a)를 참조하여 설명된 바와 같이, 액츄에이터들(10,20)의 힘의 방향은 대체적으로 수직축(y축)을 따라(즉, 수직방향으로) 중력방향에 반대되는 방향으로 배향된다. 앞서 설명된 바와 같이, 액츄에이터들(10,20)의 힘(fs) 뿐만 아니라 이들의 수직분력(fr)은 항상 하지보조로봇에 작용하는 중력(g)보다 크게 설정되므로, 이러한 배향에 의해 중력(g)은 완전하게 상쇄되며, 하지보조로봇에는 어떠한 중력도 작용하지 않는 상태가 된다. 따라서, 사용자는 자신의 힘을 약간만 가해도 링크 어셈블리(1,2)를 이동시킬 수 있으며, 이들에 의해 지지되면서 안정적으로 하지를 운동시킬 수 있다.
또한, 도 4(b)는 하지보조로봇의 스윙모드(swing mode)를 보여준다. 이러한 스윙모드에서, 제 1 조절모듈(100)는 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)를 선회시켜, 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)의 수직축에 대해 소정각도(a)를 갖도록 배치할 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)는 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)의 수평축(x)상에 수직축(y축)에 대해 90도의 위상각(a)를 갖도록 배치될 수 있다. 이러한 연결부들(A1,A2)의 위치에 의해 앞서 도 3(b)를 참조하여 설명된 바와 같이, 수직분력(fg)에 의해 작용되는 중력(g)는 완전하게 상쇄될 수 있다. 또한, 수평분력(fr)이 도시된 바와 같이, 하지운동의 진행방향, 즉 전방방향으로 발생 및 배향될 수 있다. 따라서, 이러한 수평분력(fr)에 의해 링크 어셈블리(1,2)가 이동되며, 사용자는 이러한 어셈블리(1,2)의 이동에 의해 자신의 힘을 거의 사용하지 않고도 보행할 수 있다.
더 나아가, 도 4(c)는 하지보조로봇의 스탠딩 모드(standing mode)를 보여준다. 이러한 스탠딩 모드에서, 제 1 조절모듈(100)은 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)를 선회시켜, 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)의 수직축(y축)상에 위치시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 제 1 조절모듈(100)은 도 4(a)의 무중력모드와는 반대로, 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)의 수평축(x축)의 아래쪽(below)의 수직축(y축)의 일부에 연결부들(A1,A2)를 배치시킬 수 있다. 이러한 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)의 위치에 의해, 액츄에이터들(10,20)의 힘의 방향은 대체적으로 수직축(y축)을 따라(즉, 수직방향으로) 중력방향과 동일한 방향으로 배향된다. 따라서, 이러한 액츄에이터들(10,20)의 힘은 사용자에게 지면에 대해 자신의 하지를 지탱할 수 있는 부가적인 힘으로서 작용할 수 있다. 이러한 이유로 사용자는 직립한 자신의 자세를 자신의 힘을 거의 사용하지 않고도 유지할 수 있다.
한편, 앞서 설명된 바와 같이, 도 1-도 4의 제 1 조절모듈(100)은 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)에서의 힘의 작용방향을 변화시키기 위해 상기 연결부들(A1,A2)의 위치를 변경시키므로, 이러한 위치변경에 의해 제 1 및 제 2 액츄에이터들(10,20)의 커넥팅 로드들(12,22)은 운동할 수 있다. 또한, 연결부들(A1,A2)가 서로 다른 위치들에 배치되면, 이러한 위치들에 따라 액츄에이터들(10,20)의 제 1 및 제 2 커넥팅 로드들(12,22)의 이동량도 변화하며, 이에 결합된 제 1 및 제 2 스프링들(12,23)의 변형량도 변화될 수 있다. 따라서, 연결부들(A1,A2)의 위치들, 즉 하지보조로봇의 모드들에 따라 액츄에이터들(10,20)에서 제공되는 힘의 크기들이 약간 서로 달라질 수 있다. 또한, 하지보조로봇의 각 모드에서, 사용자의 의지 및 상태, 환경과 같은 작동조건들에 따라, 상기 하지보조로봇의 보다 원활한 운동을 위해 액츄에이터들(10,20)에게 서로 다른 힘들이 요구될 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명의 하지보조로봇은 제 1 및 제 3 연결부(A1,A3), 즉 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)에 작용되는 힘의 크기를 조절하도록 구성될 수 있으며, 이러한 변형예가 관련된 도면들을 참조하면 다음에서 설명된다.
도 5는 본 발명에 따른 하지보조로봇의 변형예를 나타내는 측면도이며, 도 6은 도 5의 하지보조로봇을 나타내는 정면도이다. 또한, 도 7은 도 5의 하지보조로봇의 모델을 나타내는 개념도이다. 끝으로, 도 8은 도 5의 하지보조로봇의 작동모들들을 나타내는 측면도들이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 하지보조로봇의 변형예도 기본적으로 링크 어셈블리(1,2), 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20) 및 제 1 조절모듈(100)을 포함할 수 있다. 이러한 장치들(1,2,10,20,100)은 기본적으로 앞서 도 1-도 4를 참조하면 설명된 것과 동일한 구성을 가지며 동일한 작동을 수행하므로, 도 1-도 4의 설명들이 이들 장치들(1,2,10,20,100)에 적용되며 추가적인 설명은 다음에서 생략된다. 대신에, 도 1-도 4의 예와 다른 구성들만이 다음에서 필요한 경우 추가적으로 설명될 수 있다.
도 1-도 4의 예와 마찬가지로, 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)에 작용되는 힘의 크기를 조절하도록 설계되기 위해서는 하지보조로봇의 역학적 모델이 먼저 검토될 수 있으며, 그와 같은 역학적 모델이 도 7에 도시된다. 하지보조로봇의 역학적 모델의 기본 설정은 앞서 도 3을 참조하여 설명되었으므로, 도 3과 관련된 설명이 적용되며 추가적인 설명은 생략된다.
도 7을 참조하면, 제 1 액츄에이터(10)의 제 1 및 제 2 연결부(A1,B1)사이에는 제 1 길이(L1)이 형성되며, 제 2 액츄에이터(20)의 제 3 및 제 4 연결부(A2,B2)사이에는 제 2 길이(L2)이 형성된다. 이러한 제 1 및 제 2 길이(L1,L2)는 도 1, 도 2, 도 5 및 도 6와 관련하여 도시되고 설명된 바와 같이, 제 1 및 제 2 스프링(13,23)의 변형량을 결정하며, 이에 따라 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)에서 생성하는 힘의 크기도 결정할 수 있다. 만일 제 1 및 제 2 길이(L1,L2)가 새로운 제 1 및 제 2 길이(L1',L2')로 변경되면, 변경된 길이만큼 제 1 및 제 2 액츄에이터들(10,20)의 구성요소들(예를 들어, 커넥팅 로드(12,22)와 실린더(11,21))사이의 상대거리도 변경될 수 있다. 또한, 이러한 구성요소들사이의 거리변화에 의해 이들 구성요소들에 구속된 제 1 및 제 2 스프링(13,23)의 변형량도 변화되며 변화된 변형량에 따라 액츄에이터들(10,20)의 힘(fs) 크기도 새로운 크기의 힘(fs')으로 변경될 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 길이(L1,L2)가 변경되면, 이러한 거리변화에 의해 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)(즉, 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2))에 가해지는 힘의 크기가 변경될 수 있다.
일 예로서, 제 1 및 제 2 길이(L1,L2)는 도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)를 새로운 위치(B1',B2')에 배치되도록 이동시킴으로써 변경될 수 있다. 보다 상세하게는, 이와 같은 이동 및 위치변경을 위해, 제 2 및 제 4 연결부들(B1,B2)은 제 1 및 제 2 링크들(1,2)의 몸체를 따라(즉, 이의 길이방향을 따라) 이동될 수 있다. 이러한 이동 및 위치변경은 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)가 소정위치에 배치 또는 정지된 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)에 대해 상대적으로 이동되거나 다른 위치로 배치되게 할 수 있다. 다른 한편, 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)는 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2) 대신에 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)에 대해 상대적으로 이동되어 변경된 위치로 배치된다고 설명될 수도 있다. 또한, 도 7은 제 1 및 제 2 길이(L1,L2)의 변경을 위해 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)의 이동을 보여주나, 이러한 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)에 상대적으로 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)가 이동될 수도 있으며, 동일한 제 1 및 제 2 길이(L1,L2)의 변경을 가져올 수 있다.
이와 같이, 길이(L1,L2)의 변화에 의해 스프링(13,23)의 변형량이 변화되면, 액츄에이터들(10,20)의 힘의 크기가 변형될 수 있다. 또한, 길이(L1,L2)를 서로 다른 값으로 조절하면, 액츄에이터들(10,20)도 서로 다른 크기들의 힘을 제공할 수 있다. 예를 들어, 앞서 언급된 하지보조로봇의 작동조건에 부합하는 길이(L1,L2)의 조절(예를 들어, 실시간적 조절)에 의해 액츄에이터(10,20)의 힘은 실시간적으로 증가되거나 감소될 수 있으며, 이에 따라 하지보조로봇의 작동은 보다 원활하고 안정적으로 수행될 수 있다.
이와 같은 제 1 및 제 2 길이(L1,L2)의 변경은 다양한 메커니즘들에 의해 수행될 수 있으며, 일 예로서 본 발명의 하지조절로봇은 소정 구동장치에 의해 구동되는 캠(cam) 메커니즘을 채택한 제 2 조절모듈(200)을 포함할 수 있다. 이러한 제 2 조절모듈(200)은 캠과 같은 단순한 기계요소를 이용하여, 이러한 기계요소는 필요에 따라 선택적으로 제 1 및 제 2 액츄에이터들(10,20)과 맞물릴 수 있다(engage). 따라서, 제 2 조절모듈(200)은 거리(L1,L2)변경을 위해 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)를 이동시킬 수 있으며, 이에 따라 의도된 기능을 수행하면서도 하지보조장치의 구조를 가볍고 컴팩트하게 만들수 있다. 이러한 제 2 조절모듈(200)이 다음에서 도 5-도 8를 다시 참조하여 상세하게 설명된다.
먼저, 제 2 조절모듈(200)은 제 1 조인트(J1)에 회전가능하게 설치되는 제 1 캠(cam)(210)를 포함할 수 있다. 제 1 캠(210)은 제 1 풀리(110)와 마찬가지로 제 1 조인트(J1)와 동심상으로 설치될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1 캠(210)는 제 1 조인트(J1)와 힌지 축 또는 힌지 핀을 공유하며, 그와 같은 제 1 조인트(J1)의 힌지축에 회전가능하게 설치될 수 있다. 제 1 캠(210)은 도시된 바와 같이, 제 1 풀리(110)과 제 1 조인트(J1)사이에 배치될 수 있으며, 다른 한편으로, 제 1 조인트(J1)의 힌지 핀의 축방향으로 제 1 풀리(110)의 바깥쪽에도 배치될 수 있다.
제 1 캠(210)은 도시된 바와 같이 소정두께를 갖는 디스크 부재 또는 몸체로 이루어지며, 이러한 몸체는 소정의 반경을 갖는 제 1 베이스(base)(211)와 상기 제 1 베이스(211)보다 큰 반경을 갖는 제 1 확장부(212)를 포함할 수 있다. 즉, 제 1 캠(210)은 몸체 외주부의 소정 위치에 제공되는 제 1 확장부(212)를 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 제 1 확장부(212)는 제 1 캠(210), 정확하게는 이의 몸체의 외주부를 따라 원주방향으로 소정길이로 연장되며, 상기 몸체로부터 반경방향으로 돌출될 수 있다. 따라서, 제 1 캠(210), 정확하게는 제 1 확장부(212)는 후술되는 바와 같이 선택적으로 제 2 연결부(B1), 즉 제 1 힌지축(14)와 접촉하거나 맞물리어(engage) 제 2 연결부(B1)를 이동시키는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제 1 베이스(211)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 힌지축(14)으로부터 이격될 수 있다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 베이스(211)은 제 1 힌지축(14)과 접촉하도록 구성될 수 있으며, 이러한 경우 제 1 베이스(211) 및 제 1 확장부(212) 둘 다, 즉 제 1 캠(210)은 계속적으로 제 1 힌지축(14)과 접촉하면서 상기 축(14)의 이동을 안정적으로 안내할 수 있다. 한편, 제 1 힌지축(14)도 제 1 캠(210)에 의해 이동될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 링크(1)는 이의 몸체를 따라 연장되는 홈(1c)를 포함할 수 있으며, 제 1 힌지축(14)의 끝단은 이러한 홈(1c)내에 삽입될 수 있다. 또한, 이러한 힌지축(14)의 끝단은 홈(1c)로부터 분리되지 않게 상기 홈(1c)의 내벽에 걸리는 브라켓 또는 플랜지를 포함할 수 있다. 따라서, 힌지축(14)에 캠(210)에 의해 외력이 작용하면, 힌지축(14)는 홈(1c)에 의해 안내되면서 안정적으로 상기 홈(1c)을 따라 이동할 수 있다.
또한, 제 2 조절모듈(200)은 제 2 조인트(J2)에 회전가능하게 설치되는 제 2 캠(220)을 포함할 수 있다. 제 2 캠(220)은 제 2 풀리(120)와 마찬가지로 제 2 조인트(J2)와 동심상으로 설치될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 2 캠(220)는 제 2 조인트(J2)와 힌지 축 또는 힌지 핀을 공유하며, 그와 같은 제 2 조인트(J2)의 힌지축에 회전가능하게 설치될 수 있다. 제 2 캠(220)은 도시된 바와 같이, 제 2 풀리(120)와 제 2 조인트(J2)사이에 배치될 수 있으며, 다른 한편으로, 제 2 조인트(J2)의 축방향으로 제 2 풀리(120)의 바깥쪽에도 배치될 수 있다.
제 2 캠(220)은 도시된 바와 같이 소정두께를 갖는 디스크 부재 또는 몸체로 이루어지며, 이러한 몸체는 소정의 반경을 갖는 제 2 베이스(base)(221)와 상기 제 2 베이스(221)보다 큰 반경을 갖는 제 2 확장부(222)를 포함할 수 있다. 즉, 제 1 캠(220)은 몸체 외주부의 소정 위치에 제공되는 제 2 확장부(222)를 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 제 2 확장부(222)는 제 2 캠(210), 정확하게는 이의 몸체의 외주부를 따라 원주방향으로 소정길이로 연장되며, 상기 몸체로부터 반경방향으로 연장될 수 있다. 따라서, 제 2 캠(220), 정확하게는, 제 2 확장부(222)는 후술되는 바와 같이 선택적으로 제 4 연결부(B2), 즉 제 2 힌지축(24)와 접촉하거나 맞물리어(engage) 제 4 연결부(B2)를 이동시키는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제 2 베이스(221)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 힌지축(24)으로부터 이격될 수 있다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 2 베이스(221)은 제 2 힌지축(24)과 접촉하도록 구성될 수 있으며, 이러한 경우 제 2 베이스(221) 및 제 2 확장부(222) 둘 다, 즉 제 2 캠(220)은 계속적으로 제 2 힌지축(24)과 접촉하면서 상기 축(24)의 이동을 안정적으로 안내할 수 있다. 한편, 제 2 힌지축(24)도 제 2 캠(210)에 의해 이동될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 링크(2)는 이의 몸체를 따라 연장되는 홈(2c)를 포함할 수 있으며, 제 2 힌지축(24)의 끝단은 이러한 홈(2c)내에 삽입될 수 있다. 또한, 이러한 힌지축(24)의 끝단은 홈(2c)로부터 분리되지 않게 상기 홈(2c)의 내벽에 걸리는 브라켓 또는 플랜지를 포함할 수 있다. 따라서, 힌지축(24)에 제 2 캠(220)에 의해 외력이 작용하면, 힌지축(24)는 홈(2c)에 의해 안내되면서 안정적으로 상기 홈(2c)을 따라 이동할 수 있다.
또한, 제 2 조절모듈(200)은 제 1 및 제 2 캠(210,220)을 회전시키도록 구성되는 제 2 구동기(driver)(230)를 포함할 수 있다. 이러한 제 2 구동기(230)는 앞서 도 1-도 4를 참조하여 설명된 제 1 구동기(130) 및 이의 구성요소들(131,132,133)과 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다. 따라서, 이러한 도 1-도 4의 제 1 구동기(130)관련 설명이 동일하게 적용되며, 추가적인 설명은 생략된다. 한편, 제 1 조절모듈(100)과 마찬가지로, 제 2 구동기(230)도 후술되는 제 2 동조기(240)를 이용하여 제 1 및 제 2 캠들(210,220)중 어느 하나를 회전시킴으로써 다른 하나도 함께 회전시킬 수 있다.
한편, 앞서 제 1 조절모듈(100)의 제 1 동조기(140)과 관련하여 설명된 바와 같이, 안정적인 하지보조로봇의 운동, 즉 제 2 링크(2)의 운동을 위해서는 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)에서 가해지는 힘의 크기변화는 동시에 수행될 필요가 있다. 또한, 도 7을 참조하여 설명된 같이, 액츄에이터들(10,20)의 힘의 크기에서의 변화는 제 1 및 제 2 거리(L1,L2)의 변화에 의해 결정되며, 이러한 거리변화는 연결부들(B1,B2)의 이동거리에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 제 2 조절모듈(100)은 제 2 및 제 4 연결부들(B1,B2)을 동시에 동일한 거리만큼 이동시키도록 구성되는 제 2 동조기(synchronizer)(240)를 포함할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 확장부(212,222)가 연결부들(B1,B2)의 이동을 수행하므로, 제 2 동조기(240)는 상기 확장부(212,222)가 적어도 동시에 연결부들(B1,B2)와 접촉하거나 맞물리게 하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 제 2 동조기(140)에는 다양한 메커니즘이 적용될 수 있으며, 제 1 동조기(140)와 유사하게 도시된 바와 같이 캠들(210,220)의 회전을 동기화시킬 수 있는 벨트가 사용될 수 있다. 이러한 제 2 동조기(240)로서의 벨트는 제 1 및 제 2 캠(210,220)를 서로 동력을 전달하도록 연계시키며, 이에 따라 캠들(210,220)의 동기화된 회전을 가능하게 할 수 있다. 한편으로, 제 1 동조기(140)과 마찬가지로, 벨트를 대신하여 제 1 및 제 2 캠(210,220)사이에 배치되어 이들과 맞물리는 기어 트레인(T)이 적용될 수 있으며, 이외에도 다른 전동(transmission) 메커니즘이 제 2 동조기(240)로 사용될 수 있다. 이러한 제 2 동조기(240)는 제 2 구동기(230)에 의해 어느 하나의 캠, 예를 들어 도시된 바와 같이, 제 2 캠(220)가 회전되면, 동시에 제 1 캠(210)도 회전시킬 수 있다. 또한, 이러한 제 1 및 제 2 풀리(110,120)의 회전은 동일한 방향으로 동일한 각도로 수행될 수 있다. 이와 같은 동시적인 동일방향 및 동일각도의 회전에 의해 캠들(210,220)의 확장부(212,222)가 동시에 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)와 맞물리면서 이들 연결부들(B1,B2)(즉, 제 1 및 제 2 힌지축들(14,24))를 동일한 거리로 이동시킬 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 거리(L1,L2)의 동일한 거리변화가 동시에 발생되며, 이에 따라 액츄에이터(10,20)에서 가해지는 힘도 동일한 크기로 동시에 변화될 수 있다.
이와 같은 제 2 조절모듈(100)에서, 제 2 구동기(230)가 제 1 및 제 2 캠(210,220)를 동시에 같은 방향으로 같은 각도로 회전시키면, 확장부(212,222)가 제 1 및 제 2 힌지축(14,24)와 맞물리며, 이들에 힘을 가하게 된다. 따라서, 제 1 및 제 2 힌지축(14,24)는 홈들(1c,2c)를 따라 동일거리로 이동하게 되며, 제 1 및 제 2 거리(L1,L2)가 변화될 수 있다. 예를 들어, 제 1 액츄에이터(10)의 경우, 제 1 연결부(A1)는 커넥팅 로드(12)의 일부를 형성하며 제 2 연결부(B1)은 힌지축(14) 및 이에 결합된 실린더(11)의 일부에 해당하므로, 제 1 및 제 2 연결부(A1,B1)사이의 제 1 거리(L1)의 변화는 실제적으로 커넥팅 로드(12)와 실린더(11)사이의 상대적 위치의 변화 및 이에 따른 거리의 변화를 가져온다. 따라서, 로드 및 실린더(12,11)에 구속된 제 1 스프링(13)은 이와 같은 로드 및 실린더(12,11)사이의 거리변화에 의해 추가적으로 변형되면서 로드(12)를 통해 변화된 크기의 힘을 제 1 연결부(A1), 즉 제 1 조인트(J1)에 가하게 된다. 같은 과정으로, 제 2 액츄에이터(20)의 제 2 스프링(23)도 추가적으로 변형되면서 제 2 커넥팅 로드(22)를 통해 변화된 크기의 힘을 제 3 연결부(A2), 즉 제 2 조인트(J2)에 가하게 된다. 따라서, 제 2 조절모듈(200)은 제 1 및 제 2 엑츄에이터(10,20)에 의해 제 1 및 제 3 연결부(A1,A2)(즉, 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2))에 가해지는 힘의 크기를 변경하도록 구성될 수 있으며, 변경된 크기의 힘에 기초하여 하지보조로봇의 작동도 안정적으로 수행될 수 있다. 즉, 제 2 조절모듈(200)은 모드들에 따라 약간씩 다르게 발생되는 액츄에이터들(10,20)의 힘들을 보상하며, 모드들에 따라 추가적으로 하지보조로봇에서 요구되는 힘들에 맞게 발생되는 힘들을 조절할 수 있다.
또한, 이러한 제 2 조절모듈(200)은 제 1 조절모듈(100)과 연계하여 하지보조로봇의 다양한 모드들을 구현할 수 있다. 이러한 모드들이 도 8을 참조하여 다음에서 상세하게 설명된다.
먼저, 도 8(a)는 하지보조로봇의 무중력모드를 보여준다. 이러한 도 8(a)에 따른 무중력 모드에서의 제 1 조절모듈(100)의 작동은 앞서 도 4(a)를 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 다음에서 생략된다. 한편, 이러한 무중력 모드에서, 도시된 바와 같이, 제 2 조절모듈(100)은 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)를 이동시켜, 제 1 및 제 2 거리(L1,L2)를 변경할 수 있다. 액츄에이터(10,20)는 변경된 거리들(L1,L2) 및 이에 따른 스프링들(13,23)의 추가적인 변형에 의해 추가적인 힘을 발생시킬 수 있다. 제 1 조절모듈(100)에 의해 액츄에이터들(10,20)의 힘의 방향은 무중력모드에서 수직축(y)을 따라 중력에 반대되는 방향으로 사전에 설정되므로, 제 2 조절모듈(200)에 의해 발생되는 추가적인 힘도 마찬가지로 중력에 반대되는 방향으로 작용된다. 이러한 이유로, 추가적인 하중 및 이에 의한 추가적인 중력(g)이 하지보조로봇에 작용되는 경우에도, 제 2 조절모듈(200)에 의해 액츄에이터들(10,20)에서 발생되는 추가적인 힘에 의해 하지보조로봇을 의도된 바와 같이 무중력상태로 만들 수 있다.
또한, 도 8(b)은 하지보조로봇의 스윙모드(swing mode)를 보여준다. 이러한 스윙 모드에서의 제 1 조절모듈(100)의 작동은 앞서 도 4(b)를 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 다음에서 생략된다. 한편, 이러한 스윙 모드에서, 도시된 바와 같이, 제 2 조절모듈(100)은 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)를 이동시켜, 제 1 및 제 2 거리(L1,L2)를 변경할 수 있다. 액츄에이터(10,20)는 변경된 거리들(L1,L2) 및 이에 따른 스프링들(13,23)의 추가적인 변형에 의해 추가적인 힘을 발생시킬 수 있다. 제 1 조절모듈(100)에 의해 액츄에이터들(10,20)의 힘의 방향, 정확하게 수평분력(fr)은 하지운동의 진행방향, 즉 전방방향으로 사전에 배향되므로, 이러한 추가적인 힘의 수평분력(fr)도 마찬가지로 전방방향으로 작용된다. 이러한 이유로, 사용자는 이러한 추가적인 힘을 이용하여 작동조건이 변경되는 경우에도 원활하게 보행할 수 있다.
더 나아가, 도 8(c)는 하지보조로봇의 스탠딩 모드(standing mode)를 보여준다. 이러한 스탠딩 모드에서의 제 1 조절모듈(100)의 작동은 앞서 도 8(c)를 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 다음에서 생략된다. 한편, 이러한 스탠딩 모드에서, 도시된 바와 같이, 제 2 조절모듈(100)은 제 2 및 제 4 연결부(B1,B2)를 이동시켜, 제 1 및 제 2 거리(L1,L2)를 변경할 수 있다. 액츄에이터(10,20)는 변경된 거리들(L1,L2) 및 이에 따른 스프링들(13,23)의 추가적인 변형에 의해 추가적인 힘을 발생시킬 수 있다. 액츄에이터들(10,20)의 힘의 방향은 무중력모드에서 수직축(y)을 따라 중력과 동일한 방향으로 사전에 설정되므로, 이러한 추가적인 힘도 마찬가지로 중력과 동일한 방향으로 작용된다. 따라서, 사용자는 작동조건의 변화에도 안정적으로 자신의 직립상태를 유지할 수 있다.
한편, 앞서 설명된 제 1 및 제 2 조절모듈(100,200)은 액츄에이터(10,20)의 힘의 방향 및 크기를 조절하기 위해 기본적으로 서로 유사하게 회전하는 기계요소, 즉 풀리(110,120) 및 캠(210,220)을 사용한다. 따라서, 이러한 제 1 및 제 2 조절모듈(100,200)은 하나의 메커니즘으로 통합될 수 있으며, 이에 따라 단일의 메커니즘으로 힘의 방향 및 크기의 조절이 수행될 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명의 하지보조로봇은 통합된 단일 조절 메커니즘을 포함하도록 구성될 수 있으며, 이러한 변형예가 관련된 도면들을 참조하여 다음에서 설명된다.
도 9는 본 발명에 따른 하지보조로봇의 추가 변형예를 나타내는 측면도이며, 도 10은 도 9의 하지보조로봇의 나타내는 정면도이다. 또한, 도 11은 도 9의 하지보조로봇의 작동모도들을 나타내는 측면도들이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 하지보조로봇의 변형예도 기본적으로 링크 어셈블리(1,2), 제 1 및 제 2 액츄에이터(10,20)을 포함할 수 있다. 이러한 장치들(1,2,10,20,100)은 기본적으로 앞서 도 1-도 8를 참조하면 설명된 것과 동일한 구성을 가지며 동일한 작동을 수행하므로, 도 1-도 8의 설명들이 이들 장치들(1,2,10,20)에 적용되며 추가적인 설명은 다음에서 생략된다. 대신에, 도 1-도 8의 예와 다른 구성들만이 다음에서 필요한 경우 추가적으로 설명될 수 있다.
앞서 논의된 바와 같이, 제 1 및 제 2 조절모듈(100,200)은 기본적 구성 및 작동원리의 유사성으로 인해 서로 통합가능하며, 이들의 통합된 메커니즘이 제 3 조절모듈(300)로서 상술된 제 1 및 제 2 조절모듈(100,200)을 대신하여, 하지보조로봇에 제공될 수 있다. 이와 같은 제 3 조절모듈(300)은 제 1 및 제 2 조절모듈(100,200)의 기능들을 수행하면서도 하지보조장치의 구조를 보다 가볍고 컴팩트하게 만들수 있다. 이러한 제 3 조절모듈(300)이 다음에서 도 9 및 도 10을 참조하여 상세하게 설명된다.
먼저, 제 3 조절모듈(300)은 제 1 조인트(J1)에 회전가능하게 설치되는 제 1 로터(rotor)(310)을 포함할 수 있다. 이러한 제 1 로터(310)의 기본적인 구성 및 기능은 앞서 도 1-도 4에 설명된 제 1 풀리(110)와 동일하므로, 이러한 설명이 적용되며 추가적인 설명은 다음에서 생략된다. 또한, 제 1 로터(310)는 소정두께를 갖는 디스크 부재 또는 몸체로 이루어지며, 이러한 몸체는 소정의 반경을 갖는 제 1 실린더(311)와 상기 제 1 실린더(311)보다 큰 반경을 갖는 제 1 돌출부(312)를 포함할 수 있다. 이러한 제 1 실린더(311) 및 제 1 돌출부(312)는 도 5-도 8에서 설명된 제 1 캠(210)의 제 1 베이스(211) 및 제 1 확장부(212)와 실질적으로 동일하므로, 제 1 베이스(211) 및 제 1 확장부(212)의 설명이 그대로 적용되며, 추가적인 설명은 다음에서 생략된다. 한편, 앞서 설명된 바와 같이, 제 1 로터(310)에 연결되는 제 1 연결부(A1)의 위치가 제 1 액츄에이터(10)에서 주어지는 힘의 방향을 결정하므로, 힘의 크기도 힘의 방향과 함께 조절될 수 있도록 제 2 연결부(B1)을 이동시키는 제 1 돌출부(312)는 도시된 바와 같이, 제 1 연결부(A1)에 인접하게 상기 제 1 로터(310)에 배치될 수 있다. 보다 상세하게는, 제 1 돌출부(312)는 적어도 제 1 연결부(A1)가 배치되는 제 1 로터(310)의 몸체의 외주부 일부에 걸쳐 제공될 수 있다.
또한, 제 3 조절모듈(300)은 제 2 조인트(J2)에 회전가능하게 설치되는 제 2 로터(rotor)(320)을 포함할 수 있다. 이러한 제 2 로터(320)의 기본적인 구성 및 기능은 앞서 도 1-도 4에 설명된 제 2 풀리(120)와 동일하므로, 이러한 설명이 적용되며 추가적인 설명은 다음에서 생략된다. 또한, 제 2 로터(320)는 소정두께를 갖는 디스크 부재 또는 몸체로 이루어지며, 이러한 몸체는 소정의 반경을 갖는 제 2 실린더(321)와 상기 제 2 실린더(321)보다 큰 반경을 갖는 제 2 돌출부(322)를 포함할 수 있다. 이러한 제 2 실린더(321) 및 제 2 돌출부(322)는 도 5-도 8에서 설명된 제 2 캠(220)의 제 2 베이스(221) 및 제 2 확장부(222)와 실질적으로 동일하므로, 제 2 베이스(221) 및 제 2 확장부(222)의 설명이 그대로 적용되며, 추가적인 설명은 다음에서 생략된다. 한편, 앞서 설명된 바와 같이, 제 2 로터(320)에 연결되는 제 3 연결부(A2)의 위치가 제 2 액츄에이터(20)에서 주어지는 힘의 방향을 결정하므로, 힘의 크기도 힘의 방향과 함께 조절될 수 있도록 제 4 연결부(B2)을 이동시키는 제 2 돌출부(322)는 도시된 바와 같이, 제 3 연결부(A2)에 인접하게 상기 제 2 로터(320)에 배치될 수 있다. 보다 상세하게는, 제 2 돌출부(322)는 적어도 제 3 연결부(A2)가 배치되는 제 2 로터(320)의 몸체의 외주부 일부에 걸쳐 제공될 수 있다.
또한, 제 3 조절모듈(300)은 제 1 및 제 2 로터(310,320)을 회전시키도록 구성되는 제 3 구동기(driver)(330)를 포함할 수 있다. 이러한 제 3 구동기(330)는 앞서 도 1-도 4를 참조하여 설명된 제 1 구동기(130) 및 도 5-도 8을 참조하여 설명된 제 2 구동기(230)와 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다. 따라서, 이들 제 1 및 제 2 구동기(130,230)이 그대로 적용되며, 추가적인 설명은 다음에서 생략된다.
더 나아가, 제 3 조절모듈(300)은 제 1 및 제 3 연결부(A1,A3) 뿐만 아니라 제 2 및 제 4 연결부들(B1,B2)을 동시에 이동시키도록 구성되는 제 3 동조기(synchronizer)(340)를 포함할 수 있다. 이러한 제 3 동조기는 앞서 설명된 제 1 및 제 2 동조기(140,240)와 실질적으로 동일한 구성을 가지며 이들의 기능들을 조합하여 수행하도록 구성되므로, 이들 동조기들(140,240)의 설명이 그대로 적용되며 추가적인 설명은 다음에서 생략된다.
이와 같은 제 3 조절모듈(300)은 제 1 및 제 3 조절모듈(100,200)의 기능들을 조합된 형태로 수행하면서 하지보조로봇의 다양한 모드들을 구현할 수 있다. 이러한 모드들이 도 11을 참조하여 다음에서 상세하게 설명된다.
먼저, 도 11(a)는 하지보조로봇의 무중력모드를 보여주며, 도 11(b)는 스탠딩 모드를 보여준다. 이러한 무중력 모드 및 스탠딩 모드에서 제 3 조절모듈(300)은 기본적으로 도 4(a)/도 8(a) 및 도 4(c)/도 4(c)에서 제 1 조절모듈(100)이 수행하는 것과 동일한 작동을 수행하므로, 이들 도면들과 관련된 설명들이 그대로 적용되며, 추가적인 설명은 생략된다.
한편, 도 11(a)의 무중력모드에서, 제 3 조절모듈(100)은 중력방향에 반대되게 액츄에이터들(10,20)의 힘을 작용시키기 위해 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)의 수평축(x축)의 위쪽(above)의 수직축(y축)의 일부에 연결부들(A1,A2)를 배치시킬 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 제 1 및 제 2 로터(310,320)의 제 1 및 제 2 돌출부(312,322)는 이러한 제 1 및 제 3 연결부들(A1,A2)에 인접하므로, 마찬가지로 수평축(x축)의 위쪽(above)에 배치된다. 따라서, 이들 돌출부(312,322)는 제 2 및 제 4 연결부들(B1,B2)와 맞물리지 않으며, 액츄에이터(10,20)으로부터 추가적인 힘이 발생되지 않는다. 앞서 설명된 바와 같이, 기본적으로 액츄에이터(10,20)의 힘(fs) 또는 이의 수직분력(fg)는 적어도 하지보조로봇에 작용하는 중력(g)보다 크게 설계되므로, 액츄에이터(10,20)의 추가적인 힘이 없이도 중력(g)은 완전하게 상쇄되며, 사용자는 여전히 약간의 힘만으로도 여전히 하지보조로봇에 지지되면서 운동할 수 있다.
반면, 도 11(b)의 스탠딩 모드에서, 제 3 조절모듈(100)은 중력방향과 동일한 방향으로 액츄에이터들(10,20)의 힘을 작용시키기 위해 제 1 및 제 2 조인트(J1,J2)의 수평축(x축)의 아래쪽의 수직축(y축)의 일부에 연결부들(A1,A2)를 배치시킬 수 있다. 제 1 및 제 2 로터(310,320)의 제 1 및 제 2 돌출부(312,322)는 이러한 제 1 및 제 3 연결부들(A1,A2)에 인접하므로, 마찬가지로 수평축(x축)의 아래쪽에 배치된다. 따라서, 이들 돌출부(312,322)는 제 2 및 제 4 연결부들(B1,B2)와 맞물리며, 액츄에이터(10,20)으로부터 추가적인 힘이 발생될 수 있다. 일반적으로 하지보조로봇을 사용하는 사용자는 스스로 설 수 있을 정도로 힘을 가지고 있지 않기 때문에, 이와 같이 무중력 모드 대신에 스탠딩 모드에서 추가적인 힘을 발생시키는 것이 사용자의 의지에 따른 운동(즉, 서있는 상태를 유지하는 것)을 달성하는 데 있어서 더 효과적이고 유리할 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되며 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (14)

  1. 하지의 하퇴부를 지지하도록 구성되는 제 1 링크;
    상기 하지의 대퇴부를 지지하도록 구성되며, 상기 제 1 링크에 회전가능하게 연결되는 제 1 조인트 및 상기 제 1 조인트에 대향되게 배치되는 제 2 조인트를 포함하는 제 2 링크;
    상기 제 1 조인트에 회전가능하게 연결되는 제 1 연결부 및 상기 제 1 링크의 몸체에 회전가능하게 연결되는 제 2 연결부를 포함하며, 상기 제 1 연결부에 소정크기의 힘을 가하도록 구성되는 제 1 엑츄에이터;
    상기 제 2 조인트에 회전가능하게 연결되는 제 3 연결부 및 상기 제 2 링크의 몸체에 회전가능하게 연결되는 제 4 연결부를 포함하며, 상기 제 3 연결부에 소정크기의 힘을 가하도록 구성되는 제 2 엑츄에이터; 및
    상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터에 연결되며, 가해지는 중력을 상쇄하면서 의도된 방향으로 힘을 발생시키도록 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터에 의해 상기 제 1 및 제 3 연결부들에 가해지는 힘들의 방향을 변경하도록 구성되는 제 1 조절모듈을 포함하는 하지보조로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 조절모듈은 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터에 의해 가해지는 힘들의 방향들을 변경하기 위해, 상기 제 1 및 제 3 연결부들의 위치들을 변경하도록 구성되는 하지보조로봇.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 조절모듈은 상기 제 1 및 제 2 조인트들주위로 소정각도로 상기 제 1 및 제 3 연결부들을 선회시켜, 상기 제 1 및 제 2 액츄에이터들의 힘들로부터 중력방향에 대향되는 분력 및 의도된 방향으로의 분력을 발생시키도록 구성되는 하지 보조 로봇.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 조절모듈은:
    상기 제 1 조인트에 회전가능하게 설치되며, 상기 제 1 엑츄에이터의 제 1 연결부와 회전가능하게 결합되는 제 1 풀리(pulley);
    상기 제 1 조인트에 회전가능하게 설치되며, 상기 제 2 엑츄이이터의 제 3 연결부와 회전가능하게 결합되는 제 2 풀리; 및
    상기 제 1 및 제 2 풀리들에 동력을 제공하여 상기 제 1 및 제 2 풀리들과 상기 제 1 및 제 3 연결부들을 회전시키도록 구성되는 제 1 구동기(driver)를 포함하는 하지보조로봇.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 조절모듈은 상기 제 1 및 제 3 연결부들을 동시에 동일방향으로 동일한 거리만큼 이동시키도록 구성되는 제 1 동조기(synchronizer)를 더 포함하는 하지보조로봇.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 동조기는 상기 제 1 및 제 2 풀리들을 동시에 동일방향으로 동일한 각도로 상기 제 1 및 제 2 조인트에 대해 회전시키도록 구성되는 하지보조로봇.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터들에 선택적으로 맞물리어, 상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터들에 의해 상기 제 1 및 제 3 연결부들에 가해지는 힘들의 크기들을 변경하도록 구성되는 제 2 조절모듈을 더 포함하는 하지보조로봇.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 조절모듈은 상기 제 1 및 제 3 연결부들에 가해지는 힘들의 크기들을 변경하기 위해, 상기 제 1 및 제 2 연결부들사이의 제 1 거리 및 상기 제 3 및 제 4 연결부들사이의 제 2 거리를 변경하도록 구성되는 하지보조로봇.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 조절모듈은 상기 제 2 및 제 4 연결부들을 상기 제 1 및 제 2 링크들의 길이방향으로 이동시키도록 구성되는 하지보조로봇.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 조절모듈은:
    상기 제 1 조인트에 회전가능하게 설치되며, 회전하는 동안 상기 제 1 액츄에이터의 제 2 연결부와 접촉하면서 상기 제 2 연결부를 직선운동시키도록 구성되는 제 1 캠(cam);
    상기 제 2 조인트에 회전가능하게 설치되며, 회전하는 동안 상기 제 2 액츄에이터의 제 4 연결부와 접촉하면서 상기 제 4 연결부를 직선운동시키도록 구성되는 제 2 캠; 및
    상기 제 1 및 제 2 캠들에 결합되어 상기 제 1 및 제 2 캠들을 회전시키도록 구성되는 제 2 구동기를 포함하는 하지보조로봇.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 조절모듈은 상기 제 2 및 제 4 연결부들을 동시에 동일한 거리만큼 이동시키도록 구성되는 제 2 동조기를 더 포함하는 하지보조로봇.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 동조기는 상기 제 1 및 제 2 캠들을 동시에 동일방향으로 동일한 각도로 상기 제 1 및 제 2 조인트들에 대해 회전시키도록 구성되는 하지보조로봇.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 엑츄에이터는:
    상기 제 1 힌지에 제공되는 제 1 실린더(cylinder);
    상기 제 1 연결부를 형성하도록 상기 제 1 조인트에 연결되는 제 1 끝단 및 상기 제 1 실린더내에 이동가능하게 배치되는 제 2 끝단을 포함하는 제 1 커넥팅 로드(connecting rod);
    상기 제 1 실린더내에 수용되며, 상기 제 1 커넥팅 로드에 의해 변형되도록 구성되는 제 1 스프링; 및
    상기 제 1 링크에 설치되어 상기 제 1 커넥팅 로드와 결합되며, 상기 제 1 커넥팅 로드의 회전운동 및 선형운동을 허용하도록 구성되는 제 1 힌지축(hinge shaft)를 포함하는 하지보조로봇.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 엑츄에이터는:
    상기 제 2 힌지에 제공되는 제 2 실린더;
    상기 제 2 연결부를 형성하도록 상기 제 2 조인트에 연결되는 제 3 끝단 및 상기 제 2 실린더내에 이동가능하게 배치되는 제 4 끝단을 포함하는 제 2 커넥팅 로드;
    상기 제 2 실린더내에 수용되며, 상기 제 2 커넥팅 로드에 의해 변형되도록 구성되는 제 2 스프링; 및
    상기 제 2 링크에 설치되어 상기 제 2 커넥팅 로드와 결합되며, 상기 제 2 커넥팅 로드의 회전운동 및 선형운동을 허용하도록 구성되는 제 2 힌지축을 포함하는 하지 보조 로봇.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090126690A (ko) * 2008-06-05 2009-12-09 삼성전자주식회사 보행로봇
US20160166454A1 (en) * 2008-01-07 2016-06-16 Lite Run, Inc. Body lift-assist walker device
KR20170021018A (ko) * 2015-08-17 2017-02-27 서강대학교산학협력단 하지 보조로봇의 골격구조
KR101740253B1 (ko) * 2015-06-26 2017-05-26 국방과학연구소 착용로봇의 보행천이 제어방법
KR101797967B1 (ko) * 2016-03-30 2017-11-15 한양대학교 에리카산학협력단 하지 보조 보행기

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5475527B2 (ja) * 2010-04-06 2014-04-16 学校法人慶應義塾 自重補償型脚歩行アシスト装置
KR102241853B1 (ko) * 2014-03-28 2021-04-19 삼성전자주식회사 관절 어셈블리 및 이를 포함하는 보행보조로봇
KR20150139056A (ko) * 2014-06-02 2015-12-11 대우조선해양 주식회사 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇
CN109328046B (zh) * 2016-06-24 2022-02-11 加利福尼亚大学董事会 半主动型机械关节

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160166454A1 (en) * 2008-01-07 2016-06-16 Lite Run, Inc. Body lift-assist walker device
KR20090126690A (ko) * 2008-06-05 2009-12-09 삼성전자주식회사 보행로봇
KR101740253B1 (ko) * 2015-06-26 2017-05-26 국방과학연구소 착용로봇의 보행천이 제어방법
KR20170021018A (ko) * 2015-08-17 2017-02-27 서강대학교산학협력단 하지 보조로봇의 골격구조
KR101797967B1 (ko) * 2016-03-30 2017-11-15 한양대학교 에리카산학협력단 하지 보조 보행기

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