WO2023113517A1 - 웨어러블 로봇, 상태 궤적 메모리 버퍼를 이용한 동작 보조 방법 및 시스템 - Google Patents

웨어러블 로봇, 상태 궤적 메모리 버퍼를 이용한 동작 보조 방법 및 시스템 Download PDF

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WO2023113517A1
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WO
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unit
wearable robot
wearable
driving
force
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PCT/KR2022/020513
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최병준
김용재
노창현
임복만
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(주)위로보틱스
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    • A61H2205/00—Devices for specific parts of the body
    • A61H2205/10—Leg

Definitions

  • the present invention relates to a wearable robot capable of assisting a user's walking.
  • the present invention relates to a motion assisting method and system, and more particularly, to a motion assisting method and system capable of immediately responding to a sudden movement change of a user.
  • Wearable robots began to be developed in the 1960s, and wearable robots for muscle strength enhancement and body protection targeting high-load and high-risk workers, and wearable robots for assisting behavior, rehabilitation, and posture correction for the elderly and patients. It has been developed as assistive devices, prosthetic limbs, and prosthetic arms that replace bodily functions for the disabled.
  • Wearable robots started in non-commercial areas such as military/disabled welfare after the 1960s, and since 2010, business areas have been expanded and developed into commercial areas such as rehabilitation/industry/health.
  • the wearable robot Since the wearable robot must move while worn by a person, if it is heavy and bulky, it not only interferes with the person's movement, but can also injure a person when the control is wrong.
  • the wearable robot must be lightweight and must quickly recognize the wearer's intention and move in accordance with the wearer's joint movements.
  • a power management system is important, such as a long battery life.
  • wearable robots that assist the wearer in walking have been clinically confirmed to have effects such as improving walking efficiency, preventing falls, correcting gait, and reducing joint load, in addition to simply helping the wearer walk.
  • the weight of the device should be lighter and the assist power should be greater.
  • a wearable assistive device In the case of such a wearable assistive device, a main body equipped with a battery, a controller, and the like, mounted on a user's back, a joint actuator for driving each joint, and a support unit connected to each joint actuator and supporting a user's body part are provided. Inclusive forms dominate.
  • a joint actuator may be disposed near a user's joint, and an assistive force in the form of an auxiliary torque may be provided to the user's body part according to the user's motion to assist the user's motion.
  • the joint actuator rotates around the y-axis intersecting the x-axis direction, which is the movement direction of the joint, and the z-axis direction, which is the vertical direction, and is designed to provide auxiliary force. It can be.
  • the joint actuator may be a rotary motor-type actuator that is also rotated around the y-axis corresponding to the rotation direction of the joint during the user's movement to provide a driving force.
  • a joint driver is provided outside the joint to generate a driving torque in the y-axis direction, and the assisting force can be transmitted to the user's body part through a support unit surrounding the user's body part.
  • the joints of the body are capable of abduction or adduction around the x-axis and twisting around the z-axis of the body part, and the center of rotation of the joint, which can be defined as the top of the skeleton, exists inside the body.
  • the center of rotation of the joint part of the wearable assistive device and the center of rotation of the joint do not coincide, there is a problem of causing discomfort or pain in the joint part or reducing the range of motion of the joint part because the load is increased on the user's joint part.
  • the existing wearable auxiliary device is mainly composed of a structure in which a waist belt is connected to a driving unit and worn.
  • the driving unit is integrally connected to the waist wearable unit or is coupled to be difficult to mount/detach, so it is inconvenient to store, wear, and use the device.
  • existing wearable assistive devices mainly have a structure in which a thigh force transmission plate is fixed to a thigh frame and worn by connecting a strap to the thigh force transmission plate.
  • the thigh frame is integrally connected to the thigh wearing part or coupled to make it difficult to mount/detach the device, causing inconvenience in storing, wearing, and using the device.
  • An object of the present invention is to solve these conventional problems, and to provide a wearable robot capable of assisting a user's operation.
  • the present invention provides a wearable robot capable of transmitting a strong assisting force during operation even when a actuator having relatively low power is used due to a structurally high force transmission effect, and is lightweight and free of movement without restricting the wearer's movement.
  • Another object of the present invention is to provide a wearable robot capable of providing a large stroke while minimizing the length of the contracted state.
  • Another object of the present invention is to provide a wearable robot capable of preventing some unit members from operating arbitrarily among a plurality of unit members constituting the connecting member.
  • an object of the present invention is to provide a motion assisting method and system that provides a stable assisting force.
  • Another object of the present invention is to provide a motion assisting method and system for providing an adaptive assisting force to a user's motion change.
  • Another object of the present invention is to provide a motion assisting method and system for providing an adaptive assisting force to a user's motion change without delay.
  • the reference body part means a body part that supports the wearable robot so that it is not separated from the body when the wearable robot according to an embodiment of the present invention is worn, and the target body part is the body part of the present invention when operating It refers to a body part to which an assisting force or resistance force can be transmitted by using the wearable robot according to an embodiment.
  • the reference body part may be one body part based on the joint part, and the target body part may be the other body part based on the joint part, but the scope of the present invention is not limited thereto.
  • the above object is, according to an embodiment of the present invention, a first fixing portion mounted on a reference body part; A second fixing part mounted on the target body part; a driving unit mounted to the first fixing unit; and a connecting member that connects the driving unit and the second fixing unit and transfers the driving force provided from the driving unit to the second fixing unit for movement of the target body part, wherein the connecting member is adapted to the motion size of the target body part.
  • a plurality of unit members whose length is adjusted to correspond to the distance between the drive unit and the second fixing unit that varies depending on the length or arranged in a line to form a connecting member, and an interlocking unit connecting the plurality of unit members so that the plurality of unit members interlock with each other. Achieved by a wearable robot that includes.
  • a rotary joint coupled to both left and right sides of the driving unit and rotating in a forward and backward direction around a left and right rotation axis, and the connecting member rotates in a left and right direction around a front and rear rotation axis at a lower end of the rotation joint unit.
  • the driving unit includes two actuators; and a body housing accommodating the driver therein, and the connecting members on both sides may rotate by receiving power from the actuator, respectively.
  • the driving unit includes a single driving unit; an actuator frame that surrounds and accommodates the actuator and rotates in a horizontal axial direction; and a main body housing accommodating the actuator and the actuator frame therein, wherein a connecting member disposed on one side of the main body rotates by receiving power from the actuator, and a connecting member disposed on the other side of the actuator is the actuator frame. can be connected and rotated.
  • the driving unit may further include a bearing mounted outside the actuator frame to rotate the actuator frame with respect to the body housing.
  • a first fixing unit for mounting the driving unit to a reference body part; And it may further include a second fixing part for attaching the connection member to the target body part.
  • the connecting member may be formed of a plurality of links and bent.
  • the upper end of the connecting member may be hinged so as to rotate in the left and right directions around a front and rear rotation axis.
  • the connecting member includes a first member supported by the driving unit, a second member movably connected to the first member, and a third member movably connected to the second member and supported by the second fixing unit.
  • a second slit capable of guiding the movement of the third member is formed on one surface of the second member, and a second slit communicates with the second slit in an overlapping state with the second member on one surface of the first member. 1 slit may be formed.
  • an elastic member for elastically supporting the second member or the third member in the contraction direction may be included.
  • the frictional force of the second member with respect to the first member and the frictional force of the third member with respect to the second member may be set differently.
  • the second member may further include a roller that rolls on a contact surface with the first member.
  • the third member may further include a sliding pad sliding on a contact surface with the second member with a relatively large frictional force compared to the roller.
  • the connecting member may include a first length adjusting portion and a second length adjusting portion disposed in a line between the driving portion and the second fixing portion.
  • the length of the first length adjusting part may be adjusted within a part of the movable range of the joint part, and the length of the second length adjusting part may be adjusted in the remaining part exceeding the part part of the movable range of the joint part.
  • the connecting member may include a permanent magnet capable of fixing a position in a state in which the third member moves in a direction extending on the second member.
  • the permanent magnet may include a first permanent magnet provided at the second end of the second member and a second permanent magnet provided at a position corresponding to the first permanent magnet of the third member.
  • the first end refers to the end of the first member or the second member in the overlapping direction when the first member 141 and the second member 142 overlap
  • the second end refers to the direction opposite to the overlapping direction. It can refer to the end of the first member or the second member for.
  • connection member may further include an elastic member fixed to the third member in a state in which one end is fixed to the first member and the other end is supported by the second member.
  • the second member may include a first pulley supporting the elastic member.
  • the interlocking part is connected to the first cable having one end fixed to the first member and the other end fixed to the third member and the first end of the second member in a state supported by the second end of the second member.
  • a second cable having one end fixed to the first member and the other end fixed to the third unit member in a supported state may be included.
  • a second pulley supporting the first cable may be disposed at the second end of the second member, and a third pulley supporting the second cable may be disposed at the first end of the second member.
  • the interlocking part includes a rack disposed along the longitudinal direction of the first member, a pinion disposed at a contraction-side end of the second member and engaged with the rack, a first pulley rotating together with the pinion, and a second member. It may include a second pulley disposed at an end of the expansion side and a belt having both ends fixed to the third member while being wound around the first pulley and the second pulley.
  • a second slit capable of guiding the movement of the third member is formed on one side of the second member, and a second slit communicates with the second slit in an overlapping state with the second member on one side of the first member. 1 slit may be formed.
  • the waist wearing part is preferably composed of a waist belt and a waist wearing frame.
  • Both ends of the waist belt are coupled to both ends of the waist wearing frame, and the length of the waist belt may be adjusted according to the size of the waist.
  • the waist wear frame preferably includes a detachable button, a lower mechanical part, and an upper mechanical part, and may include a lower hook and an upper hook on one surface of the body housing.
  • the thigh wearing part may be composed of a strap part and a plate.
  • the strap unit may include a second button coupled to one end of the strap unit.
  • both ends of the strap portion may be coupled to both ends of the plate.
  • the length of the strap part may be adjusted at the coupling part at both ends or the strap part may be separated from the plate.
  • the plate may include a plate frame and a first button.
  • the present invention is not limited to an embodiment in which the first fixing part is worn on the waist and the second fixing part is worn on the thigh.
  • An operation assisting method includes sequentially storing operation state values in a state trajectory memory buffer; selecting at least one operating state value from among the operating state values stored in the state trace memory buffer; determining an assisting force using the selected operating state value; and outputting the determined assisting force.
  • a preset number of operating state values may be stored in a first in first out (FIFO) method.
  • the operating state value may be a sensing value obtained by measuring an operating state at regular time intervals or a conversion value of the sensing value using a preset formula.
  • the assisting force may be determined as a weighted sum of the selected operating state values.
  • an operating state value stored in a predetermined position among the operating state values stored in the state trajectory memory buffer may be selected.
  • calculating a state trajectory movement distance by summing a difference between operating state values sequentially stored in the state trace memory buffer; and changing the predetermined position according to the state trajectory movement distance in the step of selecting the at least one operating state value.
  • the predetermined position in the state trace memory buffer is changed toward the first storage location of the memory array, and as the state trajectory movement distance decreases, the predetermined position is changed toward the last storage location of the memory array. location can be changed.
  • the operation assistance system determines the assisting force using at least one operation state value of a state trajectory memory buffer for sequentially storing operating state values and an operation state value stored in the state trajectory memory buffer. It may include a decision unit to.
  • the state trace memory buffer may be a finite size memory buffer that stores the operating state value in a first in first out (FIFO) manner.
  • FIFO first in first out
  • the state trajectory memory buffer may store an operating state value for a user's recent movement for several seconds.
  • the determination unit selects an operating state value stored in a predetermined location of a memory array from the state trace memory buffer, changes the predetermined location according to a change in the operating state value stored in the state trace memory buffer, and stores the value stored in the changed location. You can select the operating state value.
  • the operation assistance program according to an embodiment of the present invention may be a program stored in a medium to execute each step of the operation assistance method according to an embodiment of the present invention in combination with hardware.
  • the safety mode may include detecting an operating angle or operating speed of the driving unit and operating the safety mode by stopping rotation of a motor of the driving unit.
  • a wearable robot whose length can be adjusted in assisting a user's motion is provided.
  • the power transmission effect is high, it has the advantage of being able to transmit a strong auxiliary force to the target body part using a single actuator.
  • the connecting member since the connecting member slides, is bent in a link structure, or rotates in the left and right directions around the front and rear rotation axis, it operates in compliance without restricting various movements of the wearer, so there is an advantage in that the fit and the assisting power transmission effect are excellent. .
  • a wearable robot capable of providing a large stroke while minimizing the length in a contracted state is provided.
  • a wearable robot capable of providing elastic force to each of a plurality of unit members using one elastic member and preventing some of the plurality of unit members constituting the connection member from operating arbitrarily is provided.
  • connection member mounted on the front or rear of the target body part rotates forward and backward around the left and right rotation axis, force is directly transmitted in the direction of movement, thereby increasing the force transmission effect.
  • the motion assisting method and system according to the present invention has an effect of providing a stable assisting force.
  • the motion assisting method and system according to an embodiment of the present invention has an effect of providing an adaptive assisting force to a user's motion change.
  • the motion assisting method and system according to an embodiment of the present invention has an effect of providing adaptive assistance without delay to the user's motion change by immediately reflecting the motion change without recognizing the user's motion pattern.
  • a wearable robot includes a driving unit for driving the wearable robot in any one driving mode of an exercise mode and an auxiliary mode; and a charging circuit unit performing charging while being driven in the exercise mode, wherein the charging circuit unit includes: a battery unit; a switching unit that is turned on and off in response to the driving mode; a diode connected in parallel with the switching unit; and a motor unit generating electrical energy based on rotation while being driven in the movement mode.
  • the switching unit when driven in the auxiliary mode, the switching unit is turned on so that the battery unit can supply driving power to the motor unit.
  • the charging circuit unit may further include first to fourth switches connected to the motor unit, and the first to fourth switches are MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistors), BJTs (Bipolar Junction Transistors), SiC It can be implemented with various devices such as MOSFET and IGBT (insulated gate bipolar mode transistor).
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistors
  • BJTs Bipolar Junction Transistors
  • SiC SiC It can be implemented with various devices such as MOSFET and IGBT (insulated gate bipolar mode transistor).
  • the switching unit when driven in the exercise mode, the switching unit is in an off state, and an electrical connection between the diode and the motor unit may be determined according to the on/off of the first to fourth switches.
  • the electrical energy may be generated by a rotational motion of the motor unit.
  • electrical energy boosted based on the electrical energy generated by the motor unit may be transferred to the battery unit through the diode.
  • the charging circuit unit may include a first node between the battery unit and the switching unit; a second node between the switching unit and the first MOSFET; a third node between the first MOSFET and the second MOSFET; and a fourth node between the third MOSFET and the fourth MOSFET, and the motor unit may be disposed between the third node and the fourth node.
  • the motor unit when driven in the motion mode, when the first MOSFET and the second MOSFET are turned off and the third MOSFET and the fourth MOSFET are turned on, the motor unit generates electrical energy, and the second MOSFET and When the third MOSFET is turned off and the first MOSFET and the fourth MOSFET are turned on, the battery unit may perform charging.
  • the charging circuit unit may further include a capacitor connected in parallel with the battery unit.
  • a wire terminal unit for supplying the electric energy generated in the charging circuit unit to an external device by wire;
  • a wireless charging unit wirelessly supplying electrical energy generated by the charging circuit unit to an external device may be further included.
  • the driving mode selection signal may be automatically generated based on the rotational motion of the motor unit, and the charging circuit unit may turn on or off the switching unit based on the driving mode selection signal.
  • the charging circuit may further include an input unit that receives a driving mode selection signal for the driving mode from a user, and the charging circuit unit may turn on or off the switching unit based on the driving mode selection signal.
  • the wearable robot charging device for receiving a drive mode selection signal for any one of the exercise mode and the auxiliary mode from the wearable robot; and a charging circuit unit configured to perform charging while the wearable robot is driven in the exercise mode, wherein the charging circuit unit includes: a switching unit that is turned on and off in response to a driving mode of the wearable robot; a diode connected in parallel with the switching unit; and a battery unit configured to perform charging based on electrical energy generated by a motor unit included in the wearable robot.
  • a coupling unit for physical coupling with the wearable robot; and a connection unit for electrically connecting the motor unit of the wearable robot and the charging circuit unit.
  • the switching unit when driven in the auxiliary mode, the switching unit is turned on so that the battery unit can supply driving power to the motor unit of the wearable robot.
  • the charging circuit unit may further include first to fourth MOSFETs connected to the motor unit.
  • the switching unit when driven in the exercise mode, the switching unit is turned off, and an electrical connection between the diode and the motor unit of the wearable robot may be determined according to the on/off of the first to fourth MOSFETs.
  • the electrical energy may be generated by rotational motion of the motor unit of the wearable robot.
  • electrical energy boosted based on the electrical energy generated by the motor unit may be transferred to the battery unit through the diode.
  • the charging circuit unit may include a first node between the battery unit and the switching unit; a second node between the switching unit and the first MOSFET; a third node between the first MOSFET and the second MOSFET; A fourth node between the third MOSFET and the fourth MOSFET.
  • the motor unit of the wearable robot may be electrically connected between the third node and the fourth node.
  • the motor unit of the wearable robot when driven in the movement mode, when the first MOSFET and the second MOSFET are off and the third MOSFET and the fourth MOSFET are on, the motor unit of the wearable robot generates electrical energy, and the When the second MOSFET and the third MOSFET are turned off and the first MOSFET and the fourth MOSFET are turned on, the battery unit may perform charging.
  • the charging circuit unit may further include a capacitor connected in parallel with the battery unit.
  • FIG. 1 shows various types of wearable robots to which a driving mode according to the present invention can be applied.
  • FIG. 2 is a perspective view of a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a wearable robot equipped with a reference body part wearing part (first fixing part) and a target body part wearing part (second fixing part) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a wearing state of the modified wearable robot of FIG. 2 .
  • FIG 5 shows another wearing state of the wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a driving unit of a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a sliding operation of a connecting member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a link operation of a connecting member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view illustrating hinge movement of a connecting member in a left and right direction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an operation of a wearable robot during walking according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram explaining the operation of a wearable robot according to an embodiment of the present invention according to the wearer's motion and posture.
  • FIG. 15 is an excerpted perspective view of a connecting member in a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view of a connecting member in a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is an exploded perspective view of part “A” of FIG. 16;
  • FIG. 18 is an exploded perspective view of the third member shown in FIG. 16;
  • 19 to 24 are diagrams showing operating states of the wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • 25 is a working view of a connecting member according to a third embodiment of the present invention.
  • 26 is a working diagram of a connecting member according to a fourth embodiment of the present invention.
  • connection member 27 is an exploded perspective view of a connection member in a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • connection member 28 is a cross-sectional view of a connection member in a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 30 is an enlarged view of part “B” of FIG. 28;
  • 31 and 32 are diagrams showing an operating state of a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • connection member 33 is a working view of a connection member according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 34 is a perspective view of a state in which a waist belt and a waist wearing frame are coupled.
  • 35 to 37 are diagrams illustrating a process of detaching/attaching the waist wearable part of the wearable robot.
  • FIG. 38 is a perspective view of a thigh wearable part in a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 39 is an exploded perspective view of the wearing part on the thigh shown in FIG. 38;
  • 40 is a view for illustrating a process of separating/combining a plate and a strap part.
  • 41 is a diagram showing how the first button operates within the plate.
  • FIG. 42 is a view for illustrating a process of separating/combining a plate and a connecting member.
  • 43 to 45 are diagrams illustrating an elastic member connecting between a waist wearable part and a thigh wearable part in the wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • 46 is a perspective view of an exemplary motion assistance device.
  • FIG. 47 is a view showing a state in which the operation assisting device according to the embodiment shown in FIG. 1 is worn.
  • FIG. 48 is a schematic configuration diagram of an operation assistance system according to an embodiment of the present invention.
  • 49 is a diagram showing rules for storing and updating operating state values in a state trajectory memory buffer.
  • 50 is a diagram showing a mapping relationship between an action state value stored in a state trace memory buffer and a user action.
  • 51 is a flowchart of an operation assisting method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 52 is a diagram showing an assisting force generated by selecting one operating state value during a walking operation according to an embodiment of the present invention.
  • 53 is a diagram showing assisting force generated by selecting one operating state value during a stop operation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 54 is a diagram showing an assisting force generated by selecting one operating state value during a walking operation after stopping according to an embodiment of the present invention.
  • 55 is a diagram showing an assisting force generated by selecting two operating state values during a walking operation according to an embodiment of the present invention.
  • 56 is a diagram showing assisting force generated by selecting two operating state values during a stop operation according to an embodiment of the present invention.
  • 57 is a diagram showing an assisting force generated by selecting two operating state values during a walking operation after stopping according to an embodiment of the present invention.
  • 58 is a flowchart of an operation assisting method according to an embodiment of the present invention.
  • 59 is a diagram showing a method for calculating a state trajectory movement distance.
  • 60 is a diagram showing a relationship between a sudden change in operation and the corresponding output timing of an assisting force according to an embodiment of the present invention when an operating state value selection position is fixed.
  • 61 is a diagram showing a sudden change in operation according to an embodiment of the present invention when an operation state value selection position is adaptively changed and a relationship between the timing of outputting an assisting force according thereto.
  • FIG. 62 is a diagram showing positive power and negative power generation results according to walking and running motions according to an embodiment of the present invention when the operating state value selection position is fixed and adaptively changed.
  • 63 is a flowchart of a safe mode providing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 65 is a graph showing inductor current and voltage according to switching on/off of the step-up converter shown in FIG. 64 .
  • FIG. 66 shows a charging circuit of a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • 68 is a diagram for explaining an operation of a charging circuit unit when a wearable robot according to an embodiment of the present invention operates in an auxiliary mode.
  • 69 is a diagram for explaining an operation of a charging circuit when a wearable robot operates in an exercise mode according to an embodiment of the present invention.
  • 70 is a schematic diagram illustrating a method of charging an external device using electrical energy generated by a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • 71 shows an embodiment of a wearable robot charging device according to the present invention.
  • FIG. 1 shows various types of wearable robots to which a driving mode according to the present invention can be applied.
  • FIG. 2 is a perspective view of a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a wearable robot equipped with a waist wearable part (first fixing part) and a thigh wearable part (second fixing part) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a wearing state of the wearable robot modified according to the embodiment of FIG. 2 .
  • FIG 5 shows another wearing state of the wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a driving unit of a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is an excerpted perspective view of a connecting member in a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view of a connecting member in a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is an exploded perspective view of part “A” in FIG. 16;
  • FIG. 18 is an exploded perspective view of the third member shown in FIG. 16;
  • connection member 27 is an exploded perspective view of a connection member in a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 34 is a perspective view of a waist wearable part of a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 it can be worn on various parts of the user's body according to the structure and operation method of the wearable robot.
  • a wearable robot includes a first fixing part 110, a second fixing part 120, a driving part 130, and a connecting member 140.
  • the wearable robot according to the present invention is attached to the body part 30 and supports the movement of the musculoskeletal system 20 and the center of rotation of the joint 10 or provide a safe exercise load.
  • the joint may be a planar joint, a saddle joint, a hinge joint, a heavy joint, an elliptical joint, or an acetabular joint.
  • the musculoskeletal system includes the skeletal muscles of the clavicle, upper neck, lower neck, back, chest, stomach, pelvis, spine, chest wall, shoulder, upper arm, forearm, hand, hip bone, buttocks, thigh, calf, and foot. It may be a musculoskeletal system composed of one or more of these and bones, ligaments, and the like.
  • the wearable robot according to the present invention when the wearable robot according to the present invention operates in an auxiliary mode for assisting muscle movement and an exercise mode for inducing muscle movement, the auxiliary force provided in the auxiliary mode and Resistance provided in the exercise mode may be applied to the user's body part.
  • assist when the wearable robot according to the present invention operates in an assist mode for assisting walking and a motion mode for inducing lower body movement according to an embodiment of the present invention, assist The assisting force provided in the exercise mode and the resistance force provided in the exercise mode may be applied to the user's lower body.
  • the wearable robot according to the present invention when the wearable robot according to the present invention operates in an assist mode for providing an assist force to the waist muscles and an exercise mode for inducing waist motion, provided in the assist mode
  • the assistive force and the resistive force provided in the exercise mode may be applied to the waist of the user.
  • the wearable robot provides an assistance mode for providing assistance to the upper body (eg, shoulder, back, chest, stomach) or arm, and upper body or arm exercise
  • the assisting force provided in the assisting mode and the resistance force provided in the exercise mode may be applied to the user's upper body.
  • the assisting force provided to the user in the assisting mode and the resistive force provided to the user in the exercise mode may be provided to various positions of the body according to the structure and operation method of the wearable robot.
  • the wearable robot according to an embodiment of the present invention is first mounted on a general body part and operated in an auxiliary mode for assisting motion and a motion mode for inducing motion. It will be described assuming that the wearable robot according to an embodiment of the present invention is mounted on the waist or the thigh and operates in an assist mode for assisting walking and an exercise mode for inducing lower body motion.
  • the scope of the present invention is not limited to a form worn on the waist or thigh, and as described above, it can be applied to other musculoskeletal systems of the body, including the upper body and arms. there is.
  • the wearable robot includes a first fixing part 110, a second fixing part 120, a driving part 130, and a connecting member 140.
  • first fixing part 110 and the second fixing part 120 of the wearable robot according to an embodiment of the present invention may be worn on body parts.
  • the front direction of the user wearing the wearable robot is defined as the x-axis direction
  • the direction on both sides of the user wearing the wearable robot is defined as the y-axis direction
  • the vertical direction is defined as the z-axis direction.
  • the first fixing part 110 can be mounted on the user's standard body part
  • the second fixing part 120 can be mounted on the user's target body part.
  • the connecting member 140 connecting the driving unit 130 provided on the side of the fixing unit 110 and the second fixing unit 120 rotates around the y-axis by the drive of the driving unit 130, and the body centered on the joint It can provide assistance to the movement of the part.
  • the first fixing part 110 and the second fixing part 120 are attached to the body part, and may be formed in the form of a band or belt that can cover the body part, and both ends have Fixing means such as hook and loop fasteners that can be mutually fixed may be provided.
  • the drive unit 130 is provided on the first fixing unit 110 and may be composed of a motor or an actuator for providing rotational torque centered on the y-axis, and may include a reducer or the like for increasing torque. there is.
  • the driver 130 includes an actuator 131 that generates power for assisting force and may be mounted on the front or rear of the collimating body part.
  • the driver 130 may be equipped with a battery 136 that supplies power to the driver 131, but as shown in FIG. 4, the battery 136 is included and the control board 137 is the driver 130 ) and may be formed separately and mounted on other parts of the body.
  • the first fixing part 110 is composed of a conventional belt (or scrap) and a buckle (or Velcro) to which the driving part 130 is mounted and the driving part 130 is wound around the reference body part to move the driving part 130 to the front of the wearer's reference body part (Fig. 20) or on the back of a reference body part (see Fig. 5). At this time, the circumferential length of the first fixing part 110 may be adjusted according to the wearer's reference body part size.
  • the connecting member 140 When the driving unit 130 is mounted on the rear of the reference body part, the connecting member 140 may be located on the rear (see FIG. 5) or the front (see FIG. 12) of the target body part, but is not limited thereto. As shown in FIG. 12, when the connecting member 140 is located in front of the target body part, as shown in FIGS. 13 and 14, the connecting member 140 is connected to the driving unit 130 in an extended state. (130) can be combined.
  • connection members 140 are rotatably coupled to both sides of the device driving unit 130, and each extends along the target body part on both sides to be mounted on the target body part.
  • connection member 140 may be disposed in front or rear of the target body part according to the mounting position of the device driving unit 130 .
  • connection member 140 rotates in the forward and backward directions around the rotational axis by the operation of the driver 131 of the driving unit 130 to transmit auxiliary force to the target body part.
  • connection member 140 may be formed in a long bar shape, and an inner surface in contact with the target body part may be formed in a curved surface according to the shape of contact with the target body part so as to be in close contact with the target body part.
  • the connecting member 140 is rotatably coupled to the drive unit 130 and fixed to the extension frame 145 extending long in a square or circular cross section and the lower end of the extension frame 145 to target body part.
  • a fixed frame 146 having a relatively wide contact area and having a curved inner surface according to the shape of contact with the target body part, and to which the second fixing part 120 for fixing the connection member 140 to the target body part is connected. It can be configured including.
  • the second fixing part 120 is connected to the lower end of the connecting member 140 to fix the lower end of the connecting member 140 to the target body part.
  • the second fixing part 120 may be composed of a belt (or strap) and a buckle (or Velcro).
  • the second fixing part 120 is formed at the lower end of the connecting member 140, but may be formed in a different location or additionally formed at a different location other than the lower end of the connecting member 140.
  • a motion detection sensor 147 for detecting a motion or posture of a target body part of the wearer may be included.
  • the control board 137 predicts the movement of the wearer by receiving signals from the detection sensor, and controls the driver 131 of the driving unit 130 accordingly to drive the connection member 140 to assist the movement of the target body part.
  • the motion detection sensor 147 may be an inertial sensor, an angle sensor, or a limit sensor.
  • the motion detection sensor 147 may be mounted in the body housing 134 to sense an angle of a reference body part of the wearer.
  • the motion detection sensor 147 may be mounted on one side or both sides of the rotation joint units 170a and 170b to measure the forward and backward angles of the target body part of the wearer.
  • the angle of the other target body part may be calculated through the relative angles of the target body part on both sides.
  • the motion detection sensor 147 is mounted on the connecting member 140 and can sense angles in the front-back direction and the left-right rotation direction of the target body part of the wearer.
  • the angle of the sensed left and right rotation direction may be used when calculating information about the wearer's balance.
  • the motion detection sensor 147 may be an encoder, a resolver, a hall sensor, etc. capable of measuring the rotation amount and direction of the motor.
  • the motion detection sensor 147 may measure rotational variation by detecting rotation of the motor shaft.
  • a sensor capable of measuring acceleration or angular velocity may be disposed on the second fixing part 120 .
  • the connecting member 140 can effectively transfer the auxiliary force of the connection member 140 to the target body part.
  • the assisting force can be effectively transmitted compared to the existing structure, it is possible to use the actuator 131 having a relatively small power, and furthermore, as will be described later, a single actuator 131 can be used to assist the target body part on both sides. It can also transmit force, reducing the weight of the device.
  • the connecting member 140 rotates by the driving unit 130 in a state in which one end is connected to the driving unit 130 and the other end is connected to the second fixing unit 120, and the driving unit 130 ) Transmits the driving force provided from the second fixing part 120, and the length is adjusted corresponding to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120, which is changed according to the size of the movement of the joint part. .
  • each of the connecting members 140 on both left and right sides includes rotary joint parts 170a and 170b, and the rotary joint parts 170a and 170b are connected to both left and right ends of the driving part 130.
  • the driving force for rotation about the y-axis by the driving unit 130 may be directly transmitted to the connecting member 140 .
  • This driving force may be transmitted to the second fixing part 120 through the connecting member 140 .
  • the connecting member 140 may include a first member 141 , a second member 142 , a third member 143 and an elastic member 144 .
  • the first member 141 has one end connected to the driving unit 130 .
  • the second member 142 is movable along the longitudinal direction of the first member 141 .
  • the second member 142 may overlap the first member 141 .
  • the second member 142 may be inserted into the first member 141 .
  • the entirety of the second member 142 may be inserted into the first member 141 .
  • the third member 143 may include a protrusion 143b.
  • the third member 143 has one end movable along the longitudinal direction of the second member 142 and the other end fixed to the second fixing part 120 .
  • the elastic member 144 has both ends fixed to the first member 141 and the second member 142, respectively, and applies elastic force in a direction in which the first member 141 and the second member 142 overlap. to provide.
  • an interlocking unit 150 for moving the second member 142 in conjunction with the movement of the third member 143 may be included.
  • the third member 143 is inserted into the second member 142 and is configured to move along the longitudinal direction inside the second member 142, and is connected to the second fixing part 120 on one side.
  • a connector for may be formed.
  • the second member 142 is made of a tubular length member having a passage through which the third member 143 can be inserted, and a second slit 142c for moving the connector is formed on one side along the longitudinal direction. is formed
  • the openings at both ends of the second member 142 may be closed by the 2-1st end cap 142a and the 2-2nd end cap 142b, respectively. Accordingly, both ends of the second slit 142c may be closed. It is presented in closed form.
  • the entirety of the second member 142 may be inserted into the first member 141 . Also, the entirety of the third member 143 may be inserted into the second member 142 .
  • the first member 141 is made of a tubular length member having a passage through which the second member 142 can be inserted, and one side of the second member 142 is inserted inside the second member 142.
  • a first slit 141c capable of communicating with the second slit 142c of 142 is formed along the longitudinal direction.
  • the openings at both ends of the first member 141 may be closed by the 1-1st end cap 141a and the 1-2nd end cap 141b, respectively, at the end where the second member 142 is inserted.
  • the first member 141 has been described as being made of a tubular length member, but it is also possible to be made in the form of a housing.
  • the second member 141 is inside or outside the housing.
  • a passage for guiding the movement of the member 142 may be formed, and a first slit 141c communicating with the second slit 142c may be formed on one surface of the housing.
  • both ends of the connecting member 140 are preferably connected to the driving unit 130 and the second fixing unit 120 to be rotatable, respectively.
  • first member 141 is rotatably connected to the driving part 130 from side to side through a first hinge shaft
  • third member 143 is also connected to the second fixing part 120 through a second hinge shaft. It can be rotatably connected to the left and right.
  • each of the connecting members 140 on both left and right sides includes rotation joint portions 170a and 170b, and the rotation joint portions 170a and 170b are connected to both left and right ends of the drive unit 130.
  • the driving force for rotation about the y-axis by the driving unit 130 may be directly transmitted to the connecting member 140 .
  • connection member 140 may include a first length adjusting unit and a second length adjusting unit.
  • the first length adjustment unit is implemented by moving the second member 142 along the first member 141 .
  • the second length adjustment unit is implemented by moving the third member 143 along the second member 142 .
  • the length is adjusted by the first length adjusting unit in a predetermined range (referred to as the first region), and the second length in a range other than the predetermined range (referred to as the second region).
  • the length can be adjusted by the control unit.
  • the movable range may be, for example, a range of a predetermined angle forward to a predetermined angle backward with respect to the vertical axis of the main body.
  • the first region may be a region requiring length adjustment when the user operates in a small range.
  • the second region may be a region requiring length adjustment in a wide range according to a large range of motion.
  • the first length adjusting unit and the second length adjusting unit may operate sequentially.
  • the first length adjusting unit and the second length adjusting unit may operate in parallel.
  • the frictional force with respect to the first member 141 acting during the movement of the second member 142 is relatively smaller than the frictional force with respect to the second member 142 acting during the movement of the third member 143. can be set.
  • the first length adjusting unit and the second length adjusting unit sequentially operate in the process of changing the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 by the operation of the joint unit.
  • the length is adjusted by the first length adjusting unit, and when the user performs a large range of operation, the length is adjusted by the second length adjusting unit, sequentially. it can work
  • the movement between the second member 142 and the first member 141 having low friction can minimize the wearer's sense of resistance.
  • the third member 143 moves from the second member when the movement angle of the joint is large or the frequency is low.
  • first length adjusting unit and the second length adjusting unit do not necessarily have to operate sequentially, and there may be a period in which both operations overlap for a certain period of time.
  • the first length adjusting unit may operate organically.
  • the third member may reduce the wearer's sense of resistance by moving in parallel with the second member.
  • the interlocking unit 150 may include a first cable 151 and a second cable 152 .
  • the first cable 151 may have one end fixed to the first end of the first member 141 and the other end fixed to the third member 143 via the second end of the second member 142. there is.
  • the second cable 152 may have one end fixed to the second end of the first member 141 and the other end fixed to the third member 143 via the first end of the second member 142. there is.
  • the first end refers to the end of the first member or the second member in the overlapping direction when the first member 141 and the second member 142 overlap
  • the second end refers to the direction opposite to the overlapping direction. It refers to the end of the first member or the second member for.
  • the first cable 151 serves to move the second member 142 together in the contraction direction by interlocking with the movement of the third member 143 while the third member 143 moves in the contraction direction
  • the second cable 152 serves to move the second member 142 together in the expansion direction in conjunction with the movement of the third member 143 while the third member 143 moves in the expansion direction
  • the movement distance of the second member 142 by the first cable 151 and the second cable 152 may be set to 1/2 of the movement distance of the third member 143.
  • a second pulley 142f for supporting the first cable 151 is disposed on the 2-2 end cap 142b coupled to the expansion side end of the second unit member 142, and the second pulley 142f is disposed.
  • a third pulley 142g for supporting the second cable 152 may be disposed on the 2-1st end cap 142a coupled to the contraction-side end of the second member 142 .
  • the elastic member 144 has one end fixed to the 1-1st end cap 141a of the first member 141 and the other end fixed to the 2-2nd end cap 142b of the second member 142.
  • the second member 142 is elastically deformed in the process of moving in the direction of expansion with respect to the first member 141 by an external force, and elastically restored when the external force applied to the second member 142 is released. while providing elastic force for moving the second member 142 in the contraction direction.
  • the elastic member 144 may be formed in the form of a tension spring or elastic string.
  • the elastic member 144 has been described as connecting the first member 141 and the second member 142 to elastically support the second member 142 in the contraction direction, but this It is not limited, and even when the first member 141 and the third member 143 are connected to elastically support the third member 143 in the contraction direction, the third member 143 through the interlocking portion 150 It will be possible to prevent the second member 142 connected to ) from moving in the extension direction by its own weight.
  • the 2-1st end cap 142a coupled to the end of the second member 142 inserted into the passage of the first member 141 has an upper inner wall surface and a lower inner wall surface of the first member 141.
  • a plurality of rollers 142d contacting each may be provided, and the outer surface of the third member 143 has a relatively large frictional force compared to the roller 142d, and at the contact surface with the second member 142
  • a sliding pad 143a that slides may be disposed.
  • the sliding pad 143a may be provided in a form surrounding the outer surface of the third member 143 inserted into the passage of the second member 142, and for maintenance such as replacement, the third member 143 ) can be assembled in a detachable form.
  • the second member 142 which has a relatively small frictional force compared to the third member 143, moves along the first member 141 to form a connection member 140. length is adjusted.
  • the second member 142 moves along the first member 141 within the operating range belonging to the first region, and the length of the connecting member 140 is adjusted. Then, in the operating range of the second region exceeding the first region, the third member 143 moves along the second member 142 and the length of the connecting member 140 is adjusted.
  • connection member 140 As the second member 142 and the third member 143 provided in the connection member 140 are configured to operate sequentially rather than simultaneously, frictional force generated in the operating process can be dispersed.
  • the length of the connecting member 140 is adjusted by the linear reciprocating motion of the second member 142 and the third member 143, respectively, but the connection The member 140 is composed of a plurality of members rotatably coupled to each other, and the rotation angle of the plurality of members is adjusted according to the distance between the drive unit 130 and the second fixing unit 120, and both ends of the connection member 140 It will also be possible to configure so that the length between them is adjustable.
  • the wearable part 110 of the reference body part includes the belt 113 and the wearing frame 116.
  • the wearable part 110 of the reference body part includes the belt 113 and the wearing frame 116.
  • Both ends of the belt 113 may be coupled with both ends of the wearing frame 116 .
  • the length of the belt 113 may be adjusted according to the size of the wearer's reference body part.
  • the wearing frame 116 may include a lower mechanical part 117a, an upper mechanical part 117b, and a detachable button 118.
  • a lower hook 134a and an upper hook 134b may be included on one surface of the body housing 134 of the driving unit 130 to be described later.
  • the lower mechanical part 117a may be coupled with the lower hook 134a.
  • the upper mechanical part 117b may be coupled with the upper hook 134b.
  • the wearable part 110 of the reference body part and the driving part 130 may be coupled.
  • the upper mechanical part 117b and the upper hook 134b may be separated.
  • the lower mechanical part 117a and the lower hook 134a can be easily separated, so that the driving part 130 and the wearable part 110 of the reference body part can be easily attached/detached.
  • the wearable part 120 of the target body part includes the strap part 123 and the plate 126.
  • the strap part 123 and the plate 126 can include
  • the strap part 123 may include a second button 129 coupled to one end of the strap part 123 . Both ends of the strap portion 123 may be coupled to both ends of the plate 126 .
  • the length of the strap part 123 may be adjusted according to the size of the target body part of the wearer.
  • the plate 126 may include a plate frame 127 and a first button 128 .
  • the plate frame 127 may include an opening 127a.
  • the third member 143 may include a protruding portion 143b.
  • the opening 127a of the plate 126 may be coupled with the protrusion 143b of the third member 143 .
  • the plate 126 and the third member 143 may be separated.
  • the plate 126 and the strap part 123 may be separated.
  • the plate 126 and the strap part 123 or the plate 126 and the third member 143 can be easily separated, so that the wearable robot can be easily mounted/detached.
  • first fixing part 110 can be worn on a reference body part and the second fixing part 120 can be worn on a target body part
  • reference numeral 110 will be referred to as the first fixing part or the reference body part in the following description. It can be referred to as a part wearing part, and reference number 120 can be referred to as a second fixing part or a target body part wearing part.
  • a wearing part elastic member 148 may be disposed between the standard body part wearing part 110 and the target body part wearing part 120 .
  • a ring (not shown) or an opening (not shown) of the reference body part wearable part 110 is coupled to one end of the wearable part elastic member 148, and the plate frame 127 in the target body part wearable part 120 )
  • a ring (not shown) or an opening (not shown) may be coupled to the other end of the wearing part elastic member 148 .
  • This bond can be implemented in a variety of ways, not just rings or openings.
  • one end of the wearable elastic member 148 may be coupled to the rotary joint unit 170 and the other end may be coupled to the target body part wearer 120.
  • the length of the wearable elastic member 148 can be adjusted. Meanwhile, due to tension generated in the wearable elastic member 148 , the wearable elastic member 148 may replace the function of the elastic member 144 in the connection member 140 .
  • the wearable robot wearing method wears the reference body part wearable part 110 and the target body part wearable part 120 and adjusting the length of the wearable elastic member 148.
  • a method for wearing a wearable robot includes the steps of coupling a driving unit 130 and a reference body part wearing unit 110 and coupling a connecting member 140 and a target body part wearing unit 120. do.
  • the wearing part elastic member 148 connects the reference body part wearing part 110 and the target body part wearing part 120, it is possible to prevent the target body part wearing part 120 from flowing down.
  • the length of the wearable elastic member 148 is adjusted according to the wearer's body shape, the tension of the wearable elastic member 148 can be minimized.
  • the elastic force of the elastic member 144 in the connecting member 140 can be minimized.
  • the structure of the connecting member 140 can be simplified by omitting the configuration of the elastic member 144 in the connecting member 140 .
  • Figure 6 is an exploded perspective view of the drive unit of the wearable robot according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a view explaining the sliding operation of the connecting member 140 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 8 is the present invention It is a view explaining the link operation of the connecting member 140 according to one embodiment of the present invention
  • Figure 9 is a view explaining the left-right direction hinge movement of the connecting member 140 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 10 is It is a diagram explaining the operation of the wearable robot according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a diagram explaining the operation of the wearable robot according to an embodiment of the present invention according to the motion and posture of the wearer.
  • the driving unit 130 may include a single actuator 131 , an actuator frame 133 and a body housing 134 .
  • the left thigh and the right thigh may be driven in conjunction.
  • the object to which the assisting force or resistance force is transmitted from the target body part may be two points, one of which will be referred to as one target body part and the other as the other target body part.
  • the thigh is only an example of a target body part for specifically describing the embodiment of the drive unit, and the target body part is not limited to the thigh and may correspond to various body parts of the human body.
  • the driver 131 may be composed of a rotation motor capable of changing rotation direction.
  • a connecting member 140a mounted on one side of the target body part is connected to the motor shaft 132 of the rotary motor, and the connecting member 140a can rotate in the forward and backward directions around the left and right rotation shaft by the power of the rotary motor.
  • the actuator frame 133 has a long cylindrical shape and accommodates the actuator 131 therein and rotates in a horizontal axial direction.
  • the actuator frame 133 does not rotate through a separate actuator 131 such as a rotation motor.
  • the actuator frame 133 may not be provided separately, and the actuator frame 133 and the actuator 131 may be integrally configured to constitute the actuator 131 itself.
  • the body housing 134 accommodates the actuator frame 133 therein.
  • the body housing 134 is an area where a cylindrical hole 135 is formed in a horizontal direction to accommodate the driver frame 133 therein and an area where the battery 136 and the control board 137 are mounted. This division can be formed.
  • a bearing 138 may be mounted between the outer side of the actuator frame 133 and the cylindrical hole 135 so that the actuator frame 133 rotates in the axial direction within the cylindrical hole 135 formed in the body housing 134.
  • the actuator 131 positioned inside the actuator frame 133 may be fixed inside the actuator frame 133 . Therefore, when the actuator frame 133 rotates, the actuator 131 may also rotate.
  • the other end of the actuator frame 133 is connected to a connecting member 140b mounted on the other target body part, so that when the actuator frame 133 rotates, the connecting member 140b rotates in the forward and backward directions around the left and right rotation axis. can do.
  • the rotary joint part 170b may be coupled to the other end of the actuator frame 133, and the connecting member 140b may be fixed to the rotary joint part 170b. Also, the rotary joint part 170a may be coupled to the motor shaft 132 of the rotary motor.
  • a bush 139 is separately coupled to the end of the motor shaft 132, and a rotary joint unit 170a is coupled to the bush 139.
  • a bearing 138b is separately mounted. It could be.
  • the connecting member 140 may be hinged to the lower end of the left and right rotary joint units 170 on both left and right sides so as to be rotatable in the left and right directions about the front and rear rotation axis.
  • One side of the upper end of the rotary joint unit 170 may be coupled to the other end of the actuator frame 133 or the bush 139, and the lower end of the rotary joint unit 170 has a shape in which both sides are extended in a plate shape ('U' shape when viewed from the side). shape), the upper end of the connecting member 140 between the two plates may be hinged to be rotatable in the left and right directions around the front and rear rotation axis.
  • the connecting member 140 can rotate in the left and right directions between the plates on both sides with the upper end of the connecting member 140 as an axis.
  • the connecting member 140 can rotate in the left and right directions by the hinge coupling, and can also rotate in the front and rear directions around the left and right rotation axis by the rotation of the rotary joint unit 170 .
  • the connecting member 140 may have a variable length.
  • the driving unit 130 is mounted on a reference body part.
  • the straight line distance between both sides of the driving unit 130 and the lower end of the connecting member 140 may change according to various postures or movements of the wearer, such as when sitting on a chair, bending the waist, or raising an arm.
  • the connecting member 140 may restrict (obstruct) the movement of the wearer.
  • the connecting member 140 it is possible to prevent the connecting member 140 from restricting the movement of the wearer by varying the length of the connecting member 140 according to the posture or movement of the wearer.
  • the connecting member 140 may be formed of a plurality of frames overlapping and sliding.
  • lengths of both ends of the connecting member 140 may be varied according to the posture or movement of the wearer.
  • the connecting member 140 may be formed of a plurality of links to be bent or unfolded in conformity with the movement of the wearer.
  • the link may be linked so as to be bent in the front-rear direction or bent in the left-right direction. Therefore, since the amount of bending of the link changes according to the posture or movement of the wearer, it is possible to prevent the connecting member 140 from restricting the movement of the wearer.
  • the wearable robot according to an embodiment of the present invention configured as described above supports and generates an assisting force in a manner of assisting one target body part relative to the other target body part.
  • the connecting member 14b of the other target body part is connected to the actuator frame 133, and the connecting member 140a of the one target body part can directly receive the rotational force of the actuator 131, for example, the actuator ( 131) and can rotate directly with the output of the actuator 131.
  • the connecting member 140a of one target body part operates in a direction of spreading the one target body part forward or pulling it backward based on the other target body part.
  • the output generated by the driver 131 is transmitted to one target body part through the connection member 140a of the target body part on one side, and the rotational force of the actuator 131 is transmitted to the other target body part.
  • the reaction force to (output) can be transmitted as an auxiliary force.
  • the rotational reaction force acting on the connection member 140b of the other target body part relative to the rotational output of the actuator 131 and the rotational force of the actuator 131 acting on the connection member 140a of the target body part on one side is the actuator frame ( 133), only the reaction force against the assisting force can be transmitted to the wearer.
  • the driver frame 133 may rotate in the forward and backward directions around the left and right rotation axis within the cylindrical hole 135 of the body housing 134 .
  • the actuator 131 fixed inside the actuator frame 133 may also rotate together with the actuator frame 133 .
  • the reference position of the actuator frame 133 in the rotational direction can be changed based on the main body housing 134 whose position is fixed to the reference body part for various postures and movements of the wearer, so that the wearer's wearing comfort can be improved.
  • FIGS. 11(a), 11(b), and 11(c) For example, in the angle between the connecting member 140a and the connecting member 140b and the horizontal plane according to the user's posture, it is shown in FIGS. 11(a), 11(b), and 11(c) As described above, even in different cases, the operating reference angle of the actuator frame 133 relative to the body housing 134 mounted on the reference body part may be changed according to the posture.
  • the connecting member 140 is hinged and can be rotated left and right, and the length of the connecting member 140 is formed variably or formed in a link structure, so that the connecting member 140 can be adjusted to various postures of the wearer. It is possible to improve the assisting force transmission efficiency and the wearing comfort of the wearable robot by allowing it to move in compliance rather than restricting its movement.
  • the assisting force is directly transmitted to the connection member 140a fixed to one target body part by the single actuator 131, and the connection member 140b fixed to the other target body part to the target body part supported.
  • it is a structure that transmits an auxiliary force as a reaction force by a reaction force, although not shown, it may be provided with two actuators and each actuator may be configured to rotate the connecting member 140 on both sides, respectively.
  • the driver 130 is fixed to the reference body part of the wearer and the connecting member 140 is disposed in the front or rear of the target body part, so that an actuator with relatively low power can be used. .
  • FIGS. 19 to 24 of the accompanying drawings are diagrams illustrating an operating state of the wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • the first fixing part 110 may be attached to a reference body part
  • the second fixing part 120 may be attached to a target part of the body
  • the connection member 140 may be attached to the user's front part. It is possible to connect the drive unit 130 fixed to the side of the first fixing part 110 and the second fixing part 120 in a state of being disposed on the .
  • connection member 140 rotates around the y-axis by the drive unit 130 to provide assistance in the direction of lifting or lowering the second fixing unit 120 mounted on the target body part. It is possible to prevent adduction, abduction or twisting of the center of rotation of the joint part due to the provision of force, and even when the target body part moves left and right while being lifted by the auxiliary force, the connecting member 140 can rotate left and right in compliance with this. Therefore, the range of motion of the joint part may not be limited.
  • the connecting member 140 is configured to be able to adjust the length corresponding to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120, as the connecting member 140 is configured to stretch in multiple stages. It is possible to provide a large stroke while minimizing the length of each member in an overlapped state.
  • one end of the first member 141 of the connecting member 140 is fixed to the drive unit 130 provided on the first fixing unit 110, and the second member 142 is the first member ( 141) in a movable state along the longitudinal direction.
  • the third member 143 fixed to the second fixing part 120 is connected to the second member 142 in a movable state along the longitudinal direction. Both ends of the elastic member 144 are fixed to the second member 142 and the first member 141, and the first member 141 and the second member 142 overlap with the second member 142. provides elasticity in the direction
  • the driving force for rotation about the y-axis by the driving unit 130 may be directly transmitted to the first member 141 .
  • This driving force is applied through the second member 142 movable along the longitudinal direction of the first member 141 and then through the third member 143 movable along the longitudinal direction of the second member 142, the third member ( 143) may be transferred to the second fixing part 120.
  • the moving length of the second member 142 of the connecting member 140 corresponds to a change in the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 according to the small motion of the joint unit, as shown in FIGS. 21 and 22. 23 and 24, the movement length of the third member 143 is set to correspond to the change in the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the large motion of the joint part, as shown in FIGS. 23 and 24. do.
  • FIG. 19 shows a state in which a user wears a wearable robot according to an embodiment of the present invention and extends his/her body.
  • the interval between (120) becomes the maximum.
  • the second member 142 and the third member 143 move in the expansion direction, respectively, as shown in FIG. 20,
  • the elastic member 144 is elastically stretched by an external force.
  • FIG. 21 shows a state in which the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 is changed by a small motion of the joint part, and the range of motion of the joint part in the process of performing a small range of motion is part of the range of motion. It is limited only within the first region, and the connecting member 140 moves the second member 142 in response to a change in the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the small motion of the joint part. The position is set so that it can be adjusted.
  • the connecting member 140 moves in the contraction direction along the first member 141 in a state where the second member 142 supports the third member 143, and the joint part It can be adjusted to a length corresponding to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the small operation of the.
  • the second member 142 and the third member 143 may each move in the contraction direction in response to the decrease in the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120.
  • the second member 142 is elastically supported by the elastic member 144 in the direction of contraction with respect to the first member 141, so that the third member 143 takes precedence over the movement of the second member 142 along the second member 142. (142) moves along the first member (141).
  • the second member 142 since the second member 142 is in a state of being elastically supported in the contraction direction by the elastic member 144, the second member 142 in a state of movement in the contraction direction is arbitrarily moved in the expansion direction by its own weight. It can be prevented.
  • the second member 142 is supported in a rolling motion with respect to the first member 141 through a plurality of rollers 142d, and the third member 143 moves through a sliding pad 143a. It is supported in a sliding state with respect to the two members 142, and the sliding pad 143a is designed to have a relatively large frictional force compared to the roller 142d.
  • the second member 142 can move with a smaller frictional force than the third member 143, the second member 142 has priority over the third member 143 moving along the second member 142. It can move along the first member 141 while supporting the three members 143 .
  • FIG. 23 shows a change in the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the large motion of the joint part, and the range of motion of the joint part in the process of performing a large range of motion covers the first region. It extends to the second region exceeding the second area, and the connecting member 140 responds to a change in the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the large motion of the joint part, together with the second member 142, the third The moving position of the member 143 is set so that it can be adjusted.
  • connection member 140 is completely moved in the contraction direction along the first member 141 in a state where the second member 142 supports the third member 143.
  • the third member 143 moves in the contraction direction along the second member 142, it corresponds to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the large motion of the joint part. can be adjusted to any length.
  • the third member 143 moves in a state in which a part thereof is exposed to the outside through the second slit 142c formed on one surface of the second member 142, and on one surface of the first member 141, the third member 143 moves. Since the first slit 141c communicating with the two slits 142c is formed, even when the second member 142 is overlapped with the first member 141, the third member 143 does not support the second member 142 ) to move in the contraction direction.
  • the connecting member rotates clockwise about the y-axis by forward driving of the driving unit, and the thigh is moved upward to provide an auxiliary force to the movement of the joint.
  • the connecting member 140 may be contracted corresponding to the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 .
  • the connecting member 140 may move the target body part downward while rotating counterclockwise around the y-axis by the reverse driving of the driving unit to provide an auxiliary force to the movement of the joint part, and in this process, the driving unit ( 130) and the second fixing part 120 may be expanded to correspond to the distance between them.
  • connection member 140 Since the expansion process of the connection member 140 is performed in the reverse order of the contraction process described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 25 of the accompanying drawings is a working diagram of a connection member according to a third embodiment of the wearable robot of the present invention.
  • connection member 140 includes a first member 141, a second member 142, a third member 143, and elasticity.
  • the third member includes a member 144, and a first permanent magnet M1 and a second permanent magnet M2 are provided on surfaces of the second member 142 and the third member 143 facing each other. It has a configuration difference from the second embodiment in that the first permanent magnet M1 and the second permanent magnet M2 stick to each other when 143 is completely moved in the expansion direction.
  • a first permanent magnet (M1) is disposed on the surface facing the third member (143) of the 2-2 end cap (142b) closing the end of the expansion side of the second member (142),
  • a second permanent magnet M2 that can stick to the first permanent magnet M1 is disposed on a surface of the third member 143 facing the 2-2 end cap 142b.
  • the fixing force by the magnetic force of the first permanent magnet M1 and the second permanent magnet M2 is set to such a degree that they cannot be arbitrarily separated by the elastic restoring force of the elastic member 144 .
  • the third member 143 is in a state of being fixed to the 2-2nd end cap 142b of the second member 142 by the first permanent magnet M1 and the second permanent magnet M2, Since the second member 142 is elastically supported in the contraction direction by the elastic member 144, the second member 142 contracts on the first member 141 while supporting the third member 143. will move in the direction
  • the pair of permanent magnets are used as an example, but it will be possible to configure either one of the first permanent magnet M1 and the second permanent magnet M2 with a magnetic material.
  • a buffer (not shown) may be disposed between the first permanent magnet M1 and the second permanent magnet M2.
  • the buffer may be disposed on one surface of any one permanent magnet or on one surface of each permanent magnet.
  • the buffer can prevent noise and damage to the permanent magnet.
  • 26 of the accompanying drawings is a working diagram of a connection member according to a fourth embodiment of a wearable robot according to the present invention.
  • the connection member 140 includes a first member 141, a second member 142, a third member 143, and an elastic member 144.
  • a first pulley 142e capable of supporting the elastic member 144 in a movable state is disposed on the 2-2 end cap 142b that closes the end of the expansion side of the second member 142.
  • the elastic member 144 is made in the form of an elastic string, one end is fixed to the first member 141 and the other end is fixed to the third member 143 in a state of being wound around the first pulley (142e) It has a difference in configuration from the above-described embodiment in this respect.
  • the elastic member 144 is elastically deformed and stretched. , and the 2-2nd end cap 142b of the second member 142 can be maintained in a state of being elastically pressed toward the third member 143 by the elastic force of the elastic member 144 .
  • the second member 142 is pressed in the contraction direction by the elastic force of the elastic member 144 on the first member 141, and the third member 143 is on the second member 142 by the elastic member ( 144 is pressed in the expansion direction by the elastic force, the second member 142 moves in the contraction direction on the first member 141 while supporting the third member 143.
  • the elastic member 144 has one end fixed to the first member 141 and the other end fixed to the third member 143 in a state supported by the first pulley 142e, the third member 143 ) is elastically stretched by moving in the contraction direction on the second member 142.
  • the second member 142 is elastically supported in the contraction direction by the elastic member 144, it is possible to prevent the second member 142 from moving arbitrarily in the expansion direction due to its own weight.
  • FIG. 19 is a view showing a wearing state of a wearable robot according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of a connecting member in the wearable robot according to an embodiment of the present invention
  • FIG. A" is an enlarged view
  • FIG. 30 is a "B" partially enlarged view of FIG. 28
  • FIGS. 21, 23, 31 and 32 are diagrams showing the operating state of the wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • the first fixing part 110 may be attached to a reference body part
  • the second fixing part 120 may be attached to a target part of the body
  • the connection member 140 may be attached to the user's front part. It is possible to connect the driving part 130 and the second fixing part 120 mounted on the side of the first fixing part 110 in a state of being disposed on the .
  • the connecting member 140 rotates up and down around the y-axis by the drive unit 130 to provide an assisting force in the direction of lifting or lowering the second fixing unit 120 mounted on the target body part. Therefore, it is possible to prevent adduction, abduction, or twisting of the center of rotation of the joint part due to the provision of the assisting force, and even when the target body part moves left and right while being moved by the assisting force, the connecting member 140 can rotate in compliance therewith. Therefore, the range of motion of the joint part may not be limited.
  • the connecting member 140 is configured to be able to adjust the length corresponding to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120, as the connecting member 140 is configured to stretch in multiple stages. It can provide a large stroke while minimizing the length of the contracted state.
  • one end of the first member 141 of the connecting member 140 is connected to the drive unit 130 provided on the first fixing unit 110, and the second member 142 is In a state inserted into the first member 141, the third member 143 coupled to the movable state along the longitudinal direction of the first member 141 and connected to the second fixing part 120 is a second member.
  • the second member 142 In a state inserted into the inner side of the 142, the second member 142 is coupled in a movable state along the longitudinal direction, and the interlocking part 150 connects the second member 142 and the third member 143 to each other.
  • the elastic member 144 provides elastic force in the contraction direction to the second member 142 in a state where both ends are fixed to the first member 141 and the second member 142 .
  • the driving force for rotation about the y-axis by the driving unit 130 may be directly transmitted to the first member 141 .
  • This driving force is applied through the second member 142 movable along the longitudinal direction of the first member 141 and then through the third member 143 movable along the longitudinal direction of the second member 142, the third member ( 143) may be transferred to the second fixing part 120.
  • the first cable 151 constituting the interlocking part 150 has one end fixed to the 1-1 end cap 141a of the first member 141 and the other end attached to the second member 142. It is fixed to the third member 143 via the second pulley 142f assembled to the 2-2nd end cap 142b, and the second cable 152 has one end of the first member 141 In a state where the -2 end cap (141b) is fixed, the other end is attached to the third member (143) via the third pulley (142g) assembled to the 2-1st end cap (142a) of the second member (142). It is fixed.
  • the first cable 151 connected to the third member 143 contracts the second pulley 142f coupled to the extended end of the second member 142.
  • the second member 142 moves in the contraction direction
  • the second cable 152 connected to the third member 143 moves in the second member 143.
  • the third pulley 142g coupled to the contraction-side end of the member 142 moves in the extension direction
  • the second member 142 moves in the extension direction.
  • the second member 142 has a friction force with respect to the first member 141 as the rollers 142d respectively disposed on the upper and lower sides of the contraction-side end roll along the inner surface of the first member 141. can be minimized, and as the sliding pad 143a disposed in a form surrounding the outer surface of the third member 143 slides along the inner surface of the second member 142, the Friction can be minimized.
  • FIG. 19 shows a state in which a user wears a wearable robot according to an embodiment of the present invention and extends his/her body.
  • the interval between (120) becomes the maximum.
  • the connecting member 140 disposed between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 the third member 143 connected to the second fixing unit 120 moves in the expansion direction as shown in FIG. .
  • the second member 142 connected to the third member 143 through the second cable 152 of the interlocking unit 150 moves in the expansion direction in conjunction with the third member 143
  • the elastic member 144 connecting the first member 141 and the second member 142 is elastically stretched by an external force.
  • FIGS. 21 and 31 show a state in which the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 is changed by a small range of movement, and the connecting member 140 rotates by driving the driving unit 130. While lifting the second fixing part 120 upward, it is possible to provide assistance to the user's operation.
  • connection position of the driving unit 130 and the connecting member 140 does not coincide with the center of rotation of the joint unit, the rotation of the second fixing unit 120 and the driving unit 130 in the process of rotating the target body part upward.
  • the distance between them is changed, and the length of the connecting member 140 may be adjusted in response to the change in the distance between them.
  • FIGS. 23 and 32 show a state in which the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 is changed by a large range of motion, and the connecting member 140 rotates by driving the driving unit 130. while lifting the second fixing part 120 upward to provide assistance to a large range of motion by the user, and since it is composed of multiple stages, it has a short length in a contracted state and can provide a large stroke, so that the joint part It can effectively respond to a large range of motion.
  • the third member 143 of the connection member 140 moves in the contraction direction by an external force applied through the second fixing part 120 while the target body part rotates upward around the joint.
  • force is applied to the second pulley 142f supporting the first cable 151 in the contraction direction.
  • the second member 142 movably disposed along the first member 141 moves along with the third member 143 in the contraction direction.
  • the third member 143 moves in a state in which a portion thereof is exposed to the outside through the second slit 142c formed on one surface of the second member 142, and on one surface of the first member 141 Since the first slit 141c communicating with the two slits 142c is formed, even when the second member 142 is overlapped with the first member 141, the third member 143 is the second member ( 142) to be able to move in the contraction direction.
  • the contraction-side end contacts the 1-1st end cap 141a of the first member 141, thereby limiting further movement in the contraction direction.
  • the movement of the third member 143 connected to the second member 142 through the first cable 151 and the second cable 152 in the contraction direction may also be restricted.
  • the second member 142 moves in both directions of the third member 143 by the first cable 151 and the second cable 152 connecting the first member 141 and the third member 143. Since it is configured to interlock with respect to, it can be prevented from moving in the extension direction arbitrarily by its own weight in a state of movement in the contraction direction.
  • the wearable robot moves the target body part upward while the connecting member rotates clockwise around the y-axis by forward driving of the driving part, thereby moving the joint part.
  • the connection member 140 may be contracted corresponding to the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 .
  • the connecting member 140 rotates counterclockwise about the y-axis by the reverse driving of the drive unit and moves the femur downward to provide an auxiliary force to the movement of the joint unit.
  • the drive unit 130 It may be expanded to correspond to the distance between the and the second fixing part 120 .
  • the third member 143 of the connection member 140 is moved in the expansion direction by the external force applied through the second fixing part 120 while the target body part rotates downward around the joint. .
  • the end of the second cable 152 connected to the third member 143 is pulled in the extension direction, and in this process, the third pulley 142g supporting the second cable 152 is pulled in the extension direction.
  • the second member 142 movably disposed along the first member 141 may move along with the third member 143 in the extension direction.
  • the second member 142 can be moved in the contraction direction with respect to the movement of the third member 143 in the contraction direction through the first cable 151 of the interlocking part 150, The second member 142 can be moved in the expansion direction relative to the movement of the third member 143 in the expansion direction through the second cable 152 of the interlocking unit 150 .
  • the second member 142 and the third member 143 are moved in conjunction with each other by the interlocking unit 150, so that the second member 142 and the third member ( 143), it is possible to provide elastic force to each of them, and some members among a plurality of members constituting the connecting member 140 can be prevented from operating arbitrarily.
  • the connection member 140 of the wearable robot includes a first member 141, a second member 142, a third member 143, and an interlocking unit 150.
  • the interlocking part 150 is a rack 153 disposed along the longitudinal direction on the inner surface of the first member 141, and the contraction-side end of the second member 142
  • a pinion 154 disposed on and engaged with the rack 153, a first pulley 155 rotating together with the pinion 154, and a second pulley disposed at an extended end of the second member 142 ( 156) and the belt 157 having both ends fixed to the third member 143 while being wound around the first pulley 155 and the second pulley 156.
  • Difference in configuration from the fifth embodiment have
  • the first member 141, the second member 142, and the third member 143 are coupled to the contraction-side end of the second member 142 in a state in which they are moved in the expansion direction, respectively.
  • the pinion 154 is engaged with the rack 153 provided on the inner surface of the first member 141, and the third member 143 is connected to the first pulley 155 and the second pulley of the second member 142. It is fixed to the belt 157 wound around 156, and the first pulley 155 is configured to rotate together with the pinion 154.
  • the first fixing part 110 can be worn on the standard body part, it has been described above that the first fixing part 110 can be referred to as a standard body part wearing part.
  • FIG. 3 is a perspective view of a wearable robot equipped with a reference body part wearable part (first fixing part) 110 and a target body part wearable part (second fixing part) according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 34 is a belt 35 to 37 are perspective views of a state in which 113 and the wearing frame 116 are coupled
  • FIGS. 35 to 37 are diagrams illustrating a process of detaching/attaching the reference body part wearable part 110 of the wearable robot.
  • the standard body part wearing part 110 may include a belt 113 and a wearing frame 116 .
  • both ends of the belt 113 may be coupled with both ends of the wearing frame 116 .
  • the length of the belt 113 may be adjusted according to the size of the wearer's reference body part.
  • the waist wearing frame 116 may include a lower mechanical part 117a, an upper mechanical part 117b, and a detachable button 118.
  • a lower hook 134a and an upper hook 134b may be included on one surface of the body housing 134 of the driving unit 130 .
  • the lower mechanical part 117a is combined with the lower hook 134a and the upper mechanical part 117b is combined with the upper hook 134b so that the standard body part wearing part 110 and the driving part 130 can be combined. .
  • the detachment button 118 When the detachment button 118 is pressed, the upper mechanical part 117b and the upper hook 134b are separated, and accordingly, the lower mechanical part 117a and the lower hook 134a can be easily separated, so that the drive unit 130 And the reference body part wearable part 110 can be easily attached/detached.
  • a method for wearing a wearable robot according to an embodiment of the present invention includes the step of hanging the lower hook 134a inside the body housing 134 on the lower end 117a of the mechanism of the wearing frame 116, as shown in FIG. .
  • the drive unit 130 is tilted, and the upper hook 134b inside the body housing 134 is attached to the top of the mechanical unit 117b of the wearing frame 116. Including the step of hanging on
  • the wearable robot attachment method separates the reference body part wearable part 110 from the wearer's reference body part, and as shown in FIG. 37, the reference body part wearable part ( 110) includes the step of pressing the detachable button 118 on the wearing frame 116.
  • the upper end of the driving unit 130 is moved by the weight of the driving unit 130 in a state where the lower hook 134a is caught on the lower end 117a of the mechanical unit. It includes the step of leaning forward of the wearer.
  • the method of attaching and detaching the wearable robot includes the step of separating the driving unit 130 from the reference body part wearing unit 110 while slightly lifting and moving it forward.
  • the driving unit 130 and the reference body part wearing unit 110 can be separated, so that the volume of the wearable robot can be reduced.
  • the time for putting on and taking off the wearable robot can be shortened by separately putting on the reference body part wearable part 110 in advance.
  • the reference body part wearable part 110 similar to a belt shape, it is possible to secure the convenience of use and wear.
  • the configuration of the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
  • the reference body part wearer 110 can be configured by simplifying it in various ways, such as separating from the front or rear of the user's reference body part, or separating from the side.
  • the wearability of the wearable robot may be improved by merging the configuration of the reference body part wearer 110 with clothing so that only the clothing can function as the reference body part wearer 110 .
  • the shape of the hook can be changed so that the upper/lower hooks in the body housing 134 can be combined with existing pants, belts, or other clothing.
  • the standard body part wearable part that can be freely separated while firmly fastened can be implemented through various methods.
  • the second fixing part 120 can be worn on a target body part, it has been described above that the second fixing part 120 can be referred to as a target body part wearing part.
  • FIG. 3 is a perspective view of a wearable robot equipped with a reference body part wearing part (first fixing part) and a target body part wearing part (second fixing part) according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 38 is one part of the present invention. It is a perspective view of the wearable part of the target body part in the wearable robot according to the embodiment
  • FIG. 39 is an exploded perspective view of the wearable part of the target body part shown in FIG. 38 .
  • FIG. 40 is a view showing a process of separating/combining the plate and the strap part
  • FIG. 41 is a view showing how the first button operates in the plate
  • FIG. 42 is a process of separating/combining the plate and the connecting member. It is a drawing to show.
  • the target body part wearing part 120 may include a strap part 123 and a plate 126 .
  • the strap part 123 may include a second button 129 coupled to one end of the strap part 123 .
  • the second button 129 may be configured in the form of a simple buckle, but may also be configured in the form of a hook-spring element coupled.
  • Both ends of the strap part 123 may be coupled with both ends of the plate 126 .
  • the length of the strap part 123 may be adjusted according to the size of the target body part of the wearer.
  • Length adjustment or separation of the strap portion 123 may be performed at both ends where the strap portion 123 and the plate 126 are coupled.
  • one end of both ends to be coupled is fixed, and the length of the strap part 123 can be adjusted and separated only at the other end.
  • the strap part 123 may be composed of a single elastic material or non-elastic material, or a mixture of each, or may be composed of different types of elastic materials.
  • one end of the plate 126 and the second button 129 are brought into contact as shown in FIG. and pushing the second button 129 toward the plate 126 with force.
  • the groove (not shown) of the second button 129 is attached to the plate 126 as shown in FIG. 40 (b). It includes the step of bonding while taking.
  • the separation method between the plate 126 and the strap portion 123 includes pressing the second button 129 of the strap portion 123 as shown in FIG. 40 (b). .
  • the separation method between the plate 126 and the strap portion 123 includes the step of separating the second button 129 from the plate 126 by pushing it, as shown in (a) of FIG. include
  • the plate 126 and the strap part 123 can be easily separated, so that the wearable robot can be easily mounted/detached.
  • the plate 126 may include a plate frame 127 and a first button 128 .
  • the plate frame 127 may include an opening 127a. Also, as shown in FIG. 16 , the third member 143 may include a protrusion 143b.
  • the protruding portion 143b of the third member 143 may be coupled to the opening 127a.
  • the first button 128 when the first button 128 is pressed, as shown in (b) of FIG. 41 , the first button 128 may push the protrusion 143b coupled to the opening 127a.
  • the protrusion 143b of the connection member 140 contacts the opening 127a, as shown in FIG. 42(b). steps may be included.
  • a predetermined force is applied to the connecting member 140 as shown in FIG. 127a) is completely inserted.
  • the separation method between the plate 126 and the connecting member 140 includes pressing the first button 128 as shown in FIG. 42(c).
  • the protrusion 143b protrudes from the opening 127a, as shown in FIG. It includes a step of being in a state where it can be easily separated from the plate 126.
  • the plate 126 and the connection member 140 can be easily separated, so that the wearable robot can be easily mounted/detached.
  • the rotational output generated by the actuator 131 built in the driving part 130 is connected to the connecting member 140. And it can be transmitted to the plate 126 and the strap part 123 through the third member 143 .
  • the wearable robot can transfer the assistive force or resistance force generated by the driving unit 130 to the target body part of the wearer, and lift or lower the target body part.
  • the plate 126 and the strap part 123 are the working parts to which the wearer receives the assisting or resisting force.
  • one or more degrees of freedom may be provided between the plate 126 and the connection member 140 .
  • the protrusion 143b may have a spherical shape, and when the protrusion 143b is combined with the opening 127a, the connecting member 140 rotates without falling off the plate 126. This is possible
  • the protruding portion 143b is not necessarily limited to a spherical shape.
  • a degree of freedom in a different axial direction may be given to the protrusion 143b or another configuration, and in this case, a new degree of freedom is added from the rotational degree of freedom existing in the existing coupling.
  • the wearer can perform various motions even while wearing the wearable robot, and can minimize resistance when performing various motions.
  • the wearable robot and the target body part wearable part 120 can be separated, so that the volume of the wearable robot can be reduced.
  • the configuration of the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
  • the configuration of the target body part wearing unit 120 may be incorporated into clothing so that only clothing can function as the target body part wearing unit 120 .
  • the target body part wearer 120 that can be freely separated while being firmly fastened is a variety of It can be implemented through the method.
  • 46 is a perspective view of an exemplary motion assistance device.
  • the exemplary motion assisting device 1 shown in FIG. 46 detects the user's motion and provides assistive force according to the user's motion when worn by the user.
  • the motion assisting device shown in FIG. 46 may correspond to the wearable robot described above.
  • the assisting force may be provided in the direction of the user's motion to improve the user's motion capability or assist insufficient muscular power, and may be provided in the opposite direction to the user's motion to double the exercise effect.
  • the motion assisting device when used in combination with a VR device, it may provide an experience of a virtual environment by providing assisting force in various directions.
  • the motion assisting device 1 may include a sensor for sensing a user's motion to provide assistive force, a motion assisting system for determining an assistive force according to the sensed user's motion, and an operating unit for providing the determined assistive force to the user. .
  • FIG. 48 shows a configuration diagram of an operation assistance system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the operation assistance system 100 may include a state trace memory buffer 103 and a decision unit 106 .
  • the state trace memory buffer 103 is a storage device that sequentially stores user's operating state values.
  • the first operating state value when the first operating state value is input, it is stored in the first storage location (0) of the memory array.
  • the operating state value stored in the first storage location of the memory array is moved to the second storage location of the memory array, and the newly input operating state value is stored in the first storage location of the memory array. is stored in
  • the operating state values stored in the first and second storage locations of the memory array are moved to the second and third storage locations of the memory array and are newly input.
  • the operating state value is stored in the first storage location of the memory array.
  • N+1 operating state values are stored in all storage locations of the memory array.
  • FIFO first in first out
  • the operating state value stored in the state trace memory buffer 103 may be a sensing value measured by a sensor or a conversion value of a sensing value capable of showing the user's operating state.
  • an angle value (q 0 ) between one target body part and the other target body part of the user measured by a sensor of the motion assisting device shown in FIG. 47 may be an operating state value.
  • a hip angle value (q 0 ) may be an operating state value.
  • a converted value (S 0 ) obtained by converting the measured angle value (q 0 ) between one target body part and the other target body part to the following [Equation 1] may be an operating state value.
  • A is an arbitrary constant value such as -2.
  • the above operating state value may be stored in the state trace memory buffer as an operating state value reflecting the user's operating state according to the user's operation.
  • the auxiliary torque is increased for the motion of the left motion in comparison to the motion of the right motion.
  • the auxiliary torque increases for the motion of the right hand motion compared to the motion of the left hand motion.
  • the asymmetric assistance for the left or right operation can be adjusted with one parameter a.
  • the asymmetry of the left/right motion is determined by the sign of the value a, and the degree of asymmetry can be adjusted by the size of the value a.
  • the value of a may be in the range of -1.0 to 1.0, and a value of -0.5 to 0.5 is preferably used.
  • the asymmetric mode can be used to resolve imbalance in the left/right range of motion and improve posture, and can be used for other purposes depending on the user or purpose.
  • the asymmetric mode when assisting the motion of a person who performs an asymmetric motion due to a disease such as a stroke, the asymmetric mode can be usefully used.
  • the asymmetric mode can be used for walking navigation assistance.
  • pathfinding assistance functions such as reducing torque to induce speed reduction, directional guidance through asymmetrical assistance in curves, and increasing speed in straight distances.
  • a vision sensor in a way such as mounting a smartphone on an exoskeleton device, it may be used for walking movement of the visually impaired.
  • FIG. 50 shows that the operating state value for the user's 1-cycle operation is stored
  • the operating state value stored in the state trajectory memory buffer 103 is the user's recent short time (within several seconds, for example, 1 to movement within 2 seconds).
  • the operating state value stored in the state trajectory memory buffer 103 may include only one action information (half cycle of repetitive movement) of the user. Even if the operating state value stored in the state trajectory memory buffer 103 includes only one action of the user, that is, a half cycle of a repetitive movement, the present invention can be implemented.
  • the operating state value stored in the state trajectory memory buffer 103 may be an operating state value for a movement including one cycle among repetitive movements of the user.
  • the wearable robot according to an embodiment of the present invention when worn on a lower body such as the waist or thigh, the user's 1-cycle motion may be the user's 1-cycle walking motion (eg, walking motion, etc.).
  • the user's 1-cycle walking motion eg, walking motion, etc.
  • the determining unit 106 is a processing device that determines the assisting force to be provided according to the user's movement.
  • the determining unit 106 uses the operating state value stored in the state trajectory memory buffer 103 to determine the assisting force.
  • the determining unit 106 selects at least one operating state value from among the operating state values stored in the state trajectory memory buffer 103, determines an assisting force ⁇ 0 as a weighted sum of the selected operating state values, By outputting the determined assisting force, an appropriate assisting force is provided to the user.
  • the determination unit 106 may be set to select an operating state value stored in a predetermined location (i) in the state trace memory buffer 103.
  • the predetermined location may be any location in the memory array.
  • the motion status value stored in the first storage location (0) of the memory array that stores the current gait status value is not selected. It is preferable not to
  • the operating state value is a value generated every 0.01 second
  • the predetermined position i is 20 to 40, and accordingly, the operating state value S[20] to the operating state value S[40] can be set to be selected.
  • the operating state value may have noise removed using a low-pass filter before being stored in the state trace memory buffer 103, but the determination unit 106 considers the possibility that noise is included among the stored operating state values, and More than one operating state value can be selected.
  • the two or more operating state values are consecutive operating state values (for example, S[i], S[i+1], ...) rather than operating state values stored apart from each other in the memory array.
  • the determination unit 106 may adaptively change the predetermined position (i) for selecting the operating state value according to the user's movement. However, even in this case, it is preferable to set a changeable range (for example, i is 10 to 50) of a position where an operating state value is selected in order to provide a stable assisting force.
  • the determination unit 106 needs to recognize the user's motion speed, cadence, phase, etc. in order to identify the user's motion, it is necessary to analyze the motion state values corresponding to at least two or three cycles, However, due to the time required for analysis, it cannot immediately respond to changes in the user's movement.
  • the determination unit 106 uses the gait state values stored in the state trajectory memory buffer 103 to identify the user's movement, and changes the user's movement change only by changing the position where the operating state value is selected according to the identified result. It can provide an auxiliary force that responds immediately and adaptively.
  • the motion assistance system according to an embodiment of the present invention has been described, and the motion assistance system has been described as a system included in a motion assistance device for control, but the motion assistance system according to an embodiment of the present invention assists motion. It may be the device itself.
  • the assisting force is provided in the same direction as the user's movement to assist the movement, it may be provided in the opposite direction to the user's movement for an exercise effect.
  • 51 is a flowchart of an operation assisting method according to an embodiment of the present invention.
  • the operation assisting method includes an operating state value storage step (S100), an operating state value selection step (S200), an assisting force determining step (S300), an assisting force output step ( S400).
  • the operating state value storage step (S100) is a step in which the operating state value generated by the motion assisting device 1 or the operating state value input to the motion assisting device is stored in the state trace memory buffer 103.
  • the operating state value is a sensing value obtained by measuring the user's operating state at regular time intervals (for example, 0.01 second) or a conversion value obtained by converting the sensing value using a preset formula.
  • the sensed value is stored in the state trace memory buffer 103 as it is or converted using a preset formula and then stored.
  • the operating state value may be stored after removing noise using a low-pass filter or the like.
  • the method of storing and updating operating state values in the state trace memory buffer 103 is sequentially stored in the order in which the operating state values are input to the state trace memory buffer as described above with reference to FIG. 48 .
  • the oldest operating state values are stored from the first storage location to the last storage location of the memory array, and when a new operating state value is input, the oldest operating state value (S[N]) is deleted.
  • FIFO First In First Out
  • the state trajectory memory buffer 103 stores only a preset number of operation state values for recent movements of the user.
  • the operating state value selection step (S200) is a step of selecting at least one operating state value from among the operating state values stored in the state trajectory memory buffer.
  • two or more operating state values may be selected.
  • the assisting force determining step (S300) is a step of determining the assisting force using the selected operating state value.
  • the assisting force may be determined as a weighted sum of the operating state values selected in the operating state value selection step, using Equation 3 below.
  • W is a weight and S is an operating state value.
  • the assisting force output step (S400) is a step of outputting the assisting force determined in the assisting force determining step (S300).
  • the output may be output in the form of a control signal that causes the determined assisting force value to be output as it is or to drive the driving unit of the motion assisting device 1 by the determined assisting force.
  • the determined assisting force according to the motion may be provided to the user.
  • the assisting force according to the operation is provided immediately after a short time t i lapses.
  • Such an operation assistance method can provide an assistance force according to a rapid change in the user's motion within a very short time.
  • the user's rapid movement change has the effect of being buffered by the state trajectory memory buffer, thereby improving the stability of the device and providing predictable and smooth interactions to the user.
  • 58 is a flowchart of an operation assisting method according to an embodiment of the present invention.
  • the motion assisting method includes an operation state value storage step (S100), a state trajectory movement distance calculation step (S210), an operation state value selection position change step (S220), and operation A state value selection step (S230), an assisting force determining step (S300), and an assisting force outputting step (S400) are included.
  • the motion assisting method according to another embodiment of the present invention is more adaptive than the motion assisting method according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It is characterized in that the predetermined position (i) for selection can be changed.
  • Operation state value selection position change step (S220) is further included.
  • the state trajectory movement distance calculation step (S210) is a step of calculating the state trajectory movement distance using the operating state value stored in the state trajectory memory buffer.
  • the state trajectory movement distance d 0 is calculated by summing the difference between operating state values stored in the state trajectory memory buffer 103 .
  • the step of changing the operating state value selection position (S220) is a step of changing the predetermined position (i) for selecting the operating state value according to the calculation result of the state trajectory movement distance (d 0 ).
  • the predetermined position (i) may be proportionally changed according to the state trajectory movement distance (d 0 ).
  • the operation state value selection position is changed from the state trace memory buffer to the first storage location (0) of the memory array.
  • the operating state value selection position can be changed toward position N.
  • the motion assistance method was executed while running after walking.
  • the selected position of the motion state value is fixed, when the motion changes from walking to running, a timing delay occurs and an assisting force that interferes with running is output (see FIG. 60).
  • auxiliary power (positive power) is smoothly generated during walking, but positive power is generated due to delay during running. While the negative power generation rate that was not smoothly generated and interfered with motion increased, positive power was smoothly generated even during running when adaptive control was performed, and the negative power generation rate was relatively very low. There was (see FIG. 62).
  • Adaptive control according to the state trajectory movement distance can also be applied to a low-pass filter for filtering operating state values.
  • the cutoff frequency is lowered and the state trajectory movement distance (d 0 ) performs adaptive control in which the cutoff frequency is increased to more effectively remove noise that may be included in the operating state value.
  • the device changes the timing of the assisting force in real time according to the user's motion, thereby increasing the efficiency of transmitting the assisting force.
  • a method of fixing the operation state value selection position without determining the assisting force adaptively to the user's motion change may be used.
  • it may be used for balance training and virtual environment realism exercise by deliberately shifting the timing from motion and giving a change.
  • Such an operation assisting method may be implemented in a computer program, digital electronic circuit, firmware, or hardware stored in a medium to execute each step, or in a combination of one or more of them. It is stored and executed in the motion assistance system according to the embodiment so that the motion assistance device can provide an appropriate assistance force to the user's motion change.
  • the wearable robot detecting a corresponding situation when abnormally attaching or detaching between the drive unit 130 and the reference body part wearer 110 or the connecting member 140 and the target body part wearer 120 and how the wearable robot device responds.
  • abnormal attachment/detachment includes a case in which the user intentionally attaches or detaches while driving the wearable robot. Also, abnormal attachment/detachment may include a case in which the driving unit and the wearable unit are coupled for first use.
  • the abnormal attachment/detachment includes a case due to a user's negligence, such as when the device is worn while the device is switched to an operation mode.
  • abnormal attachment and detachment may include other situations that may cause danger to the user.
  • the device For example, if the device is not fully coupled, it enters into a safe mode based on the inclination of the device to provide safety to the user.
  • Such abnormal detachment is caused by deterioration of the fastening part between the drive unit 130 and the standard body part wearer 110 or the connection member 140 and the target body part wearer 120, excessive auxiliary force generation in the drive unit 130, and wearing of the wearable robot.
  • interference between the wearable parts 110 and 120 during walking operation, incomplete coupling between the drive unit 130 and the reference body part wearer 110 or the connection member 140 and the target body part wearer 120 may occur due to reasons such as can
  • the wearable robot performs force control of a drive unit including a motor to generate an auxiliary force.
  • control target of the wearable robot is not position or speed, but force, unintentional attachment or detachment of the wearable robot may result in excessive position or speed change during the control process.
  • the output of the driving part reaches the maximum value in a very short time because the target assisting force is not measured.
  • the separated driving unit 130 and the connecting member 140 move greatly without restraint, so that inappropriate injury may be applied to the user's body.
  • the strap portion of the target body part wearer 120 may move like a whip.
  • the safety mode can be entered at the time when the power of the wearable robot is turned on.
  • Abnormal mounting refers to a state in which one or more fastening parts between the wearing parts 110 and 120 and other components are separated or incompletely coupled.
  • the method for providing the safe mode in the above situation can be divided into a detection step (S500), an operation step (S600), a notification step (S700), and a termination step (S800) as shown in FIG.
  • the operating angle output from the driving unit is detected.
  • the wearable robot may be switched to a safe mode.
  • the motion angle may be measured as the user's hip angle value (q 0 ) measured by the sensor of the wearable robot shown in FIG. 47 .
  • the maximum movable angle refers to the maximum angle that the two connecting members 140 can make with respect to the driving unit 130 in a state where the user wears the wearable robot.
  • the maximum operating angle can be estimated based on the user's daily life data.
  • Daily life data may be collected through a user's motion or the like or may be collected from other people's general data statistics.
  • the maximum movable angle is preferably set to be smaller than a mechanical design limit in order to protect a user using the wearable robot according to the present invention.
  • the wearable robot according to the present invention may be provided with a stopper that limits the mechanical movable angle to protect the mechanical structure.
  • the maximum movable angle is set below the range of the mechanical movable angle. it is desirable
  • the operating speed output from the driving unit 130 may be detected and the device may be switched to a safe mode when the operating speed exceeds the maximum operating speed.
  • the operating speed may be a linear speed at the end of the connecting member 140 to which the target body part wearable part 120 is connected when the wearable robot is driven.
  • the maximum operating speed can be set based on the user's daily life data.
  • the maximum operating speed may be set by calculating and measuring the operating speed among the maximum outputs of the driving unit 130 .
  • the operating angle and operating speed can be used as a basis for determining the safe mode conversion at the same time.
  • the safety mode is provided. It can be.
  • Abnormal coupling can be detected by measuring the inclination between a straight line perpendicular to the ground at the center of gravity of the main body of the driving unit 130 and one axis of the main body of the driving unit 130.
  • the inclination may be measured through a motion sensor.
  • the safe mode is entered.
  • Whether the body of the driving unit 130 is abnormally tilted can be estimated based on the user's daily life data.
  • a wired or wireless contact sensor may be embedded in the fastening part of the target body part wearable part 120 .
  • a safe mode may be entered in a detached situation.
  • the contact sensor may be replaced with a short/open sensor that detects loosening of the strap of the target body part wearing part 120 .
  • the power supply to the motor is cut off by short circuiting the phases of the motor while switching to the safe mode, and the rotation of the driving unit can be stopped by the motor's own braking force.
  • rotation of the motor of the drive unit 130 may be stopped by switching the wearable robot to a position or speed control mode.
  • the position control mode refers to a method of quickly providing a safe operation to the wearer without causing the wearer to feel uncomfortable.
  • the speed control mode refers to a method of rapidly delivering a safe assistance force to the wearer without causing the wearer to feel uncomfortable.
  • Position or velocity control modes can be operated individually or simultaneously.
  • the stopping phenomenon of the device due to the drive unit 130 having a fixed rotation may cause additional injury to the user.
  • braking may be stopped so that the driving unit 130 may move freely after a predetermined period of time when the rotation is stopped.
  • the predetermined time is set at a level at which the driving unit 130 sufficiently stops or the inertial force of the strap unit of the target body part wearing unit 120 is resolved.
  • the predetermined time is preferably set as short as 1 to 2 seconds.
  • the wearable robot when the wearable robot enters the safe mode in an abnormal coupling state between the drive unit 130 and the standard body part wearer 110 or between the connection member 140 and the target body part wearer 120 before using the wearable robot, the wearable robot assists Since the power is not provided, the state in which the auxiliary force is not provided can be maintained as it is.
  • the wearable robot may notify the user of the safety mode through vibration, sound, or light.
  • the notification method is not limited to the example mentioned above.
  • one or several means capable of notifying the user of the safety mode may be used.
  • the wearable robot is switched to the safe mode, and may automatically switch to the standby mode after a certain period of time.
  • the safe mode may be terminated by clearly notifying the device that the user has recognized that the wearable robot enters the safe mode.
  • Safe mode can be canceled by pressing a button on the wearable robot or by remotely manipulating it.
  • safe mode termination method is not necessarily limited to the described method.
  • the wearable robot needs to be as lightweight as possible to be worn by the user.
  • the battery for driving the wearable robot corresponds to a necessary configuration, and there is a problem in that volume and weight increase in order to increase the capacity of the battery.
  • the present invention proposes a method of operating in an auxiliary mode and an exercise mode.
  • the present invention proposes a wearable robot capable of self-charging electric energy in exercise mode.
  • the wearable robot according to the present invention may operate in an assist mode and an exercise mode.
  • the assistance mode is a mode that assists the user's movement by providing an assistance force.
  • the exercise mode is a mode inducing a user's exercise by providing a resistance force.
  • the assistive force provided to the user in the assist mode and the resistive force provided to the user in the exercise mode may be provided to various parts of the user's body according to the structure and operation method of the wearable robot.
  • the first fixing part 110 is mounted on the user's standard body part
  • the second fixing part 120 is mounted on the user's target body part
  • the provided driving unit (including the motor) and the second fixing unit 120 are connected to each other by a connecting member 140 .
  • connection member is rotated by the drive of the drive unit (rotation of the motor) to provide an assist force for the movement of the user's target body part centered on the joint.
  • the resistance force that interferes with the user's movement is transmitted to the user's target body part through the connecting member, and the user can achieve an exercise effect by performing a movement that counteracts the resistance force.
  • the resistance force provided to the user in the exercise mode may be generated by adjusting the rotational torque of the driving unit (motor), or may be generated by backdrivability of the motor.
  • Boost Converter Step-up Converter
  • 64 shows the circuit of the step-up converter, and the flow of current according to the on/off of the switch is indicated by an arrow.
  • the step-up converter is a circuit for obtaining an output voltage higher than the input voltage.
  • the battery can be charged only when a higher voltage is applied, and the charging current is determined by the difference between the battery voltage and the applied voltage and the size of the internal resistance.
  • the present invention charges the battery by generating a voltage higher than the voltage of the battery using the principle of a step-up converter.
  • 65 is a graph showing inductor current and voltage according to switching on and off of a step-up converter.
  • V L The inductor voltage (V L ) can be expressed as [Equation 4] below.
  • i L is the current flowing through the inductor, and L is the inductance.
  • V out the output voltage (V out ) can be expressed by [Equation 5] below, and D is the duty cycle (Duty ratio), which is the ratio of the section in which the switch is turned on and the inductor is charged with electric energy within one cycle (f) Ratio), T means time, and V in means input voltage.
  • D the duty cycle (Duty ratio), which is the ratio of the section in which the switch is turned on and the inductor is charged with electric energy within one cycle (f) Ratio)
  • T means time
  • V in means input voltage.
  • the present invention provides an optimal charging circuit applicable to a wearable robot by focusing on the principle of the step-up converter.
  • FIG. 66 shows a charging circuit of the wearable robot according to the present invention.
  • the wearable robot according to the present invention may operate in any one driving mode of an exercise mode and an auxiliary mode, and may include a driving unit for driving the robot.
  • the wearable robot according to the present invention may further include an input unit (not shown) for receiving an input of a driving mode from a user.
  • one of the driving modes among the exercise mode and the auxiliary mode may be automatically selected based on the user's movement pattern and operation pattern.
  • the driving mode selection signal is transmitted to a charging circuit unit to be described later, and the charging circuit unit performs an operation corresponding to the driving mode.
  • the driving mode selection signal may be generated in various ways.
  • a driving mode selection signal may be generated by manipulating a driving mode selection switch provided in the wearable robot.
  • the exercise mode selection signal is transmitted to the charging circuit unit, and the switching unit 510 of the charging circuit unit, which will be described later, is controlled to be off in response to the exercise mode.
  • the auxiliary mode selection signal is transmitted to the charging circuit unit, and the switching unit 510 of the charging circuit unit, which will be described later, is turned on in response to the auxiliary mode, Power is supplied from the battery unit 510 to the motor unit 560 .
  • the driving mode selection switch may be implemented by mechanical means such as a mechanical switch or button, or by electronic means such as a touch pad or touch screen.
  • the driving mode selection signal may be automatically generated based on a user's motion rather than a user's input signal.
  • an exercise mode selection signal may be generated.
  • the charging circuit unit 500 includes a battery unit 510, a capacitor 520, a diode 530, a switching unit 540, a motor unit 560, and first to fourth MOSFETs ( 551 to 554).
  • a first node N1 between the battery unit 510 and the switching unit 540 and a second node N2 between the switching unit 540 and the first MOSFET 551 ), the third node N3 between the first MOSFET 551 and the second MOSFET 552, and the fourth node between the third MOSFET 553 and the fourth MOSFET 554 will be described.
  • MOSFETs may be provided.
  • MOSFETs are required by assuming a boost converter circuit, motor modeling, and a driver circuit for forward and reverse rotation, but three-phase motor inverters such as BLDC (Brushless DC Motor) and PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) Since the circuit is also applicable, a higher number of MOSFETs (eg 6 MOSFETs) may be used.
  • BLDC Batteryless DC Motor
  • PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor
  • a diode 530 for unidirectionally guiding current is connected in parallel with the switching unit 540 .
  • the switching unit 540 when the switching unit 540 is turned on, the current between the first node N1 and the second node N2 flows only through the switching unit 540, and the switching unit 540 is turned off. When in the (OFF) state, the current between the first node N1 and the second node N2 flows only through the diode 530 .
  • On/off of the switching unit 540 may be determined based on a user input signal (a driving mode selection signal) transmitted from the input unit (not shown).
  • a driving mode may be automatically selected based on a user's movement pattern and operation pattern, and on/off of the switching unit 540 may be determined based on the selected driving mode.
  • the first to fourth MOSFETs 551 to 554 may be selected from various semiconductor devices such as n-MOSFET, p-MOSFET, and CMOS, but are not limited thereto, and any device may be used as long as it can realize a switching operation. do.
  • the capacitor 520 is connected in parallel with the battery unit 510, and the motor unit 560 is provided between the third node and the fourth node.
  • first to fourth MOSFETs 551 to 554 form a bridge circuit
  • the third node between the first and second MOSFETs 551 and 552 and the third and fourth MOSFETs 553 and 554 form a bridge circuit
  • a motor unit 560 is provided between the four nodes.
  • Whether or not to supply current to the motor unit 560 and the direction of the current can be controlled by turning on or off the first to fourth MOSFETs 551 to 554 .
  • the switching unit 540 when the wearable robot operates in an auxiliary mode (ASSIST MODE) among driving modes, the switching unit 540 is turned on, and the current supplied from the battery unit 510 passes through the switching unit 540 will flow through
  • the switching unit 540 is turned off and current flows toward the battery unit 510 through the diode 530.
  • 68 is a diagram for explaining the operation of the charging circuit unit when the wearable robot according to the present invention operates in an auxiliary mode.
  • the switching unit 540 When the wearable robot operates in the assist mode, the switching unit 540 is turned on. That is, when driving in the auxiliary mode, the switching unit 540 is turned on so that the battery unit 510 supplies driving power to the motor unit 560 .
  • the first node and the second node are shown as being connected.
  • the wearable robot when the wearable robot is driven in the auxiliary mode, the first MOSFET 551 and the fourth MOSFET 554 are turned on, and the second MOSFET 552 and the third MOSFET 553 are turned off.
  • the motor unit 560 By being in the (OFF) state, forward current is supplied from the battery unit 510 to the motor unit 560 .
  • the motor unit 560 rotates in the first direction by forward current.
  • the motor unit 560 rotates in a second direction opposite to the first direction by a reverse current.
  • a controller for controlling the on/off of the first to fourth MOSFETs 551 to 554 may be provided separately.
  • the first to fourth MOSFETs 551 to 554 can be controlled so that power from the battery unit 510 can be supplied to the motor unit 560, and the motor unit 560 can control the battery unit 510. ) can be rotated based on the power supplied from
  • 69 is a diagram for explaining the operation of the charging circuit unit when the wearable robot according to the present invention operates in exercise mode.
  • the switching unit 540 is controlled to be in an OFF state.
  • a diode 530 is shown to be provided between the first node and the second node.
  • the switching unit 540 When the wearable robot operates in the movement mode, the switching unit 540 is turned off, so that the diode 530 and the motor unit 560 are electrically connected based on the on/off of the first to fourth MOSFETs. can be determined
  • the first MOSFET 551 and the third MOSFET 553 are controlled to be OFF, and the second MOSFET 552 and the fourth MOSFET 554 are controlled to be ON.
  • the motor unit 560 is rotated by the user's movement, and back electro-motive force (BEMF) is generated by the rotation of the motor unit 560, and the motor unit 560 ), electrical energy is stored in the inductor included in
  • the magnitude of the back electromotive force may be determined by the rotational speed of the motor unit 560 according to the user's movement (walking, arm movement, waist movement, etc.).
  • the converted (boosted) electrical energy based on the electrical energy BEMF generated by the motor unit 560 drives the diode 530. Through this, it is stored in the capacitor 520, whereby the battery unit 510 is charged.
  • the duty ratio is a ratio between a state in which the first/third MOSFETs are off and the second/fourth MOSFETs are on, and a state in which the first/fourth MOSFETs are on and the second/third MOSFETs are off.
  • the duty ratio can be maximized within a range in which the battery is not damaged, and may be within 90 to 99%.
  • the motor unit 560 is connected to one end of the connection member, and the other end of the connection member may be fixed to various parts of the user's body, such as a leg (thigh), back, shoulder, arm (wrist), and the like.
  • the movement of the connecting member (rotation, rotation, etc.) can be made in conjunction with user movements such as walking, running, waist bending, shoulder rotation, and arm movement, and the motor unit 560 connected to the other end of the connecting member rotates. do.
  • the rotation of the motor unit 560 generates counter electromotive force, and since the magnitude of the counter electromotive force corresponds to the rotational speed of the motor unit 560, the magnitude of the counter electromotive force may be determined according to the user's movement speed.
  • the charging method of the wearable robot according to the present invention will be understood in connection with the structure of the wearable robot to be described in detail below.
  • the first MOSFET 551 and the fourth MOSFET 554 are controlled to be ON, and the second MOSFET 552 and the third MOSFET 553 are controlled to be turned on. ) is turned OFF, the battery unit 510 is charged using the electrical energy stored in the inductor included in the motor unit 560 .
  • the size of the output voltage and the charge amount of the battery unit may be determined according to the time ratio of charging and discharging electric energy of the inductor included in the motor unit 560, and the size of the exercise load provided to the user may be determined according to the corresponding time ratio. .
  • the wearable robot According to the wearable robot according to the present invention, it is possible to provide a safe load without using a motor drive (provision of an exercise mode), and at this time, an exercise effect similar to that of an underwater exercise can be given with a braking resistance proportional to speed.
  • the use time of the wearable robot can be greatly increased through the charging function according to the present invention, and the size of the exercise load can also be controlled by adjusting the charging capacity. That is, it is possible to control with a concept relative to each other.
  • the time ratio (duty ratio) that the motor is short-circuited must be increased.
  • the back EMF is generated high and the input voltage of the boost converter increases, so the charge amount increases.
  • 70 is a schematic diagram showing a method of charging an external device using electric energy generated by a wearable robot according to the present invention.
  • a converter (not shown) that appropriately converts the generated electrical energy to a voltage required by an external device may be further provided.
  • a converter may convert the voltage to a low voltage and transmit the converted voltage to the external device.
  • the wearable robot according to the present invention may further include a wired terminal unit (not shown) that transfers electrical energy generated in the charging circuit unit 500 to an external device such as a smart phone by wire.
  • a wired terminal unit (not shown) that transfers electrical energy generated in the charging circuit unit 500 to an external device such as a smart phone by wire.
  • the wired terminal unit (not shown) is electrically connected to the battery unit 510 or the capacitor 520, and the other end may be implemented in a form capable of connecting an appropriate terminal such as a C type, 8 pin, or 5 pin.
  • the wearable robot according to the present invention may further include a wireless charging unit (not shown) for wirelessly transferring electric energy from the charging circuit unit 500 to an external device.
  • a wireless charging unit (not shown) for wirelessly transferring electric energy from the charging circuit unit 500 to an external device.
  • the wireless charging unit may use an induction method or a resonance method, and may include a charging coil for interacting with an internal coil of an external device.
  • a charging terminal for charging the wearable robot using an external charging device may be further included.
  • the charging terminal is electrically connected to the battery unit 510 and supplies power supplied from an external charging device to the battery unit 510 to charge the battery unit 510 or power required to drive the motor unit 560. can be delivered directly.
  • FIG. 71 (b) an embodiment in which a charging device and a wearable robot are separately provided will be described.
  • the motor unit may be included in the wearable robot, and the charging device may include a charging circuit including a battery.
  • the wearable robot charging device may include a charging circuit unit 500 that charges electric energy while operating in an exercise mode, and the charging circuit unit 500 may include a battery unit 510 and a switching unit 540.
  • the switching unit 540 is turned on and off in response to the driving mode of the wearable robot.
  • the battery unit 510 receives electrical energy generated by the motor unit 560 included in the wearable robot and performs charging.
  • it may further include a signal receiving unit (not shown) for receiving a drive mode selection signal for any one of the exercise mode and the assist mode from the wearable robot.
  • a signal receiving unit (not shown) for receiving a drive mode selection signal for any one of the exercise mode and the assist mode from the wearable robot.
  • the wearable robot charging device When the wearable robot charging device according to the present invention operates in the auxiliary mode based on the driving mode selection signal, the battery unit 510 supplies power to the motor unit 560 of the wearable robot, and for this purpose, the switching unit 540 is controlled by on.
  • the battery unit 510 is charged from electrical energy generated by the motor unit 560 of the wearable robot, and at this time, the switching unit 540 is controlled to be off.
  • a coupling unit (not shown) for physically coupling the wearable robot and the charging device may be provided.
  • the coupling portion of the charging device may include a coupling groove and a fixing portion to be coupled to the wearable robot.
  • the coupling portion of the charging device may include a protrusion and a fixing portion to be mounted on the hook provided in the wearable robot.
  • the coupling part of the charging device When coupled using a separate connector such as a bolt or screw, the coupling part of the charging device may include a through hole through which a bolt or screw may pass.
  • the wearable robot and the charging device may be physically coupled in various ways.
  • the wearable robot charging device may further include a connection part (not shown) electrically connected to the motor part 540 of the wearable robot.
  • connection part (not shown) may be composed of wires, pads, connectors, terminals, and the like.
  • the motor unit 540 of the wearable robot may be electrically connected to the first to fourth MOSFETs 551 to 554 of the charging device by a connection unit (not shown).
  • the charging circuit unit includes the first to fourth MOSFETs 551 to 554, and the first node N1 between the battery unit 510 and the switching unit 540, the switching unit 540 and the second 1
  • the second node (N2) between the MOSFET 551, the third node (N3) between the first MOSFET 551 and the second MOSFET 552, between the third MOSFET 553 and the fourth MOSFET 554 It includes a fourth node of, but between the third node (N3) and the fourth node (N4) is provided in an open form.
  • the charging device and the wearable robot are physically coupled in the above-described manner, and at the same time, the motor unit 540 of the wearable robot is electrically connected between the third node N3 and the fourth node N4.
  • the circuit structure shown in FIG. 66 is finally created by physical and electrical coupling between the charging device and the wearable robot.
  • the first to fourth MOSFETs determine the direction of current from the battery unit 510 to the motor unit 560 of the wearable robot, and the charging device is a diode 530 connected in parallel with the switching unit 540 And, a capacitor 510 connected in parallel with the battery unit 510 may be further included.
  • the inductor included in the motor unit 560 of the wearable robot stores electrical energy due to rotational motion, and the battery unit 510 of the charging device is charged based on the electrical energy.
  • the charging circuit unit may be controlled by a controller that generally controls the wearable robot according to the present invention. That is, the controller may drive the wearable robot in an auxiliary mode or an exercise mode and simultaneously generate a control signal for turning on/off the switching unit and the first to fourth MOSFETs included in the charging circuit unit according to the driving mode.
  • the wearable robot can be operated in an auxiliary mode and an exercise mode, and when driven in the exercise mode, it can generate electric energy by itself to charge a battery or an external device.
  • the wearable robot includes a first fixing part 110, a second fixing part 120, a driving part 130, and a connecting member 140.
  • the first fixing part 110 of the wearable robot according to an embodiment of the present invention may be a waist wearable part.
  • reference numeral 110 will be referred to as a first fixing part or a waist wearing part.
  • the front direction or walking direction of the user wearing the wearable robot is defined as the x-axis direction
  • the side direction of the user wearing the wearable robot is defined as the y-axis direction
  • the vertical direction is the z-axis direction
  • the first fixing part 110 may be mounted on a waist part located above the user's hip joint, and the second fixing part 120 is mounted on the thigh part located below the user's hip joint.
  • the connection member 140 connecting the driving unit 130 provided on the side of the first fixing unit 110 and the second fixing unit 120 rotates around the y-axis by driving the driving unit 130 It can provide assistance to the movement of the femur centered on the hip joint while doing so.
  • the first fixing part 110 and the second fixing part 120 are fixed to body parts on both sides of the joint part, and may be formed in the form of a band or belt that can wrap the body part, , Fixing means such as hook and loop fasteners that can be mutually fixed may be provided at both ends.
  • the drive unit 130 is provided on the first fixing unit 110 and may be composed of a motor or an actuator for providing rotational torque centered on the y-axis, and may include a reducer or the like for increasing torque. there is.
  • the driver 130 includes an actuator 131 that generates power for assisting force and may be mounted on the front or rear of the waist.
  • the driver 130 may be equipped with a battery 136 that supplies power to the driver 131, but as shown in FIG. 4, the battery 136 is included and the control board 137 is the driver 130 ) and can be attached to other parts of the waist.
  • the first fixing part 110 is composed of a conventional belt (or scrap) and a buckle (or Velcro) to connect the driving part 130 and wrap the driving part 130 around the waist to move the driving part 130 to the front of the wearer's waist (see FIG. 20) or It can be attached to the back of the waist (see Fig. 5).
  • the circumferential length of the first fixing part 110 may be adjusted according to the wearer's body size.
  • the connecting member 140 When the driving unit 130 is mounted on the rear of the waist, the connecting member 140 may be located on the rear (see FIG. 5) or front (see FIG. 12) of the thigh, but is not limited thereto. As shown in FIG. 12, when the connecting member 140 is located in the front of the thigh, as shown in FIGS. 13 and 14, the connecting member 140 is connected to the driving unit 130 in an extended state. ) can be combined with
  • the connecting members 140 are rotatably coupled to both sides of the device driving unit 130, and each extends along both sides of the thigh to be mounted on the thigh.
  • connection member 140 may be disposed on the front or rear of the thigh according to the connection position of the device driving unit 130 .
  • the connecting member 140 may transmit assisting force to the thigh by rotating in the front and rear directions around the pivot axis by the operation of the driver 131 of the driving unit 130 .
  • connection member 140 may be formed in a long bar shape, and an inner surface in contact with the thigh may be formed in a curved surface according to a shape in contact with the thigh so as to be in close contact with the thigh.
  • the connecting member 140 is rotatably coupled to the driving unit 130 and is fixed to the extension frame 145 extending long in a square or circular cross section and the lower end of the extension frame 145 so as to be relatively close to the thigh. It may include a fixing frame 146 having a wide contact area and an inner surface formed in a curved shape according to the shape of contact with the thigh and to which the second fixing part 120 for fixing the connecting member 140 to the thigh is connected. there is.
  • the second fixing part 120 is connected to the lower end of the connecting member 140 to fix the lower end of the connecting member 140 to the thigh.
  • the second fixing part 120 may be composed of a belt (or strap) and a buckle (or Velcro).
  • the second fixing part 120 is formed at the lower end of the connecting member 140, but may be formed in a different location or additionally formed at a different location other than the lower end of the connecting member 140.
  • a motion detection sensor 147 for detecting a wearer's thigh motion or posture may be included.
  • the control board 137 receives signals from the detection sensor, predicts the movement of the wearer, and controls the driver 131 of the driving unit 130 accordingly to drive the connection member 140 to assist the movement of the thigh.
  • the motion detection sensor 147 may be an inertial sensor, an angle sensor, or a limit sensor.
  • the motion detection sensor 147 may be mounted in the body housing 134 to sense the wearer's upper body angle.
  • the motion detection sensor 147 may be mounted on one side or both sides of the rotation joint parts 170a and 170b to measure the forward and backward angles of each leg of the wearer.
  • the angle of the other leg may be calculated through the relative angles of both legs.
  • the motion detection sensor 147 is mounted on the connecting member 140 and can sense angles in the front-back direction and the left-right rotation direction of each leg of the wearer.
  • the angle of the sensed left and right rotation direction may be used when calculating information about the wearer's balance.
  • the motion detection sensor 147 may be an encoder, a resolver, a hall sensor, etc. capable of measuring the rotation amount and direction of the motor.
  • the motion detection sensor 147 may measure rotational variation by detecting rotation of the motor shaft.
  • a sensor capable of measuring acceleration or angular velocity may be disposed on the second fixing part 120 .
  • a general structure of a conventional wearable robot that assists walking is a structure in which there are actuators (motors) on both sides of the hip joint, and a battery and a control board are disposed on the waist. It is a structure that conveys
  • connecting member extends to the side of the thigh, it is difficult for the connecting member to effectively transmit an auxiliary force to the thigh.
  • the driver 130 including the actuator 131 is disposed in front or rear of the waist and the connecting member 140 is located in the front and rear direction of the thigh movement during walking, the connecting member 140 The auxiliary force of the connection member 140 can be effectively transmitted to the thigh.
  • the actuator 131 having relatively small power can be used, and furthermore, as will be described later, the assisting force can be applied to both thighs using a single actuator 131. It can also be transported to reduce the weight of the device.
  • the connecting member 140 rotates by the driving unit 130 in a state in which one end is connected to the driving unit 130 and the other end is connected to the second fixing unit 120, and the driving unit 130 ) Transmits the driving force provided from the second fixing part 120, and the length is adjusted corresponding to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120, which is changed according to the size of the movement of the joint part. .
  • each of the connecting members 140 on both left and right sides includes rotary joint parts 170a and 170b, and the rotary joint parts 170a and 170b are connected to both left and right ends of the driving part 130.
  • the driving force for rotation about the y-axis by the driving unit 130 may be directly transmitted to the connecting member 140 .
  • This driving force may be transmitted to the second fixing part 120 through the connecting member 140 .
  • the connecting member 140 may include a first member 141 , a second member 142 , a third member 143 and an elastic member 144 .
  • the first member 141 has one end connected to the driving unit 130 .
  • the second member 142 is movable along the longitudinal direction of the first member 141 .
  • the second member 142 may overlap the first member 141 . According to one embodiment, the second member 142 may be inserted into the first member 141 .
  • the entirety of the second member 142 may be inserted into the first member 141 .
  • the third member 143 may include a protrusion 143b.
  • the third member 143 has one end movable along the longitudinal direction of the second member 142 and the other end fixed to the second fixing part 120 .
  • the elastic member 144 has both ends fixed to the first member 141 and the second member 142, respectively, and applies elastic force in a direction in which the first member 141 and the second member 142 overlap. to provide.
  • an interlocking unit 150 for moving the second member 142 in conjunction with the movement of the third member 143 may be included.
  • the third member 143 is inserted into the second member 142 and is configured to move along the longitudinal direction inside the second member 142, and is connected to the second fixing part 120 on one side.
  • a connector can be formed for
  • the second member 142 is made of a tubular length member having a passage through which the third member 143 can be inserted, and a second slit 142c for moving the connector is formed on one side along the longitudinal direction. is formed
  • the openings at both ends of the second member 142 may be closed by the 2-1st end cap 142a and the 2-2nd end cap 142b, respectively. Accordingly, both ends of the second slit 142c may be closed. It is presented in closed form.
  • the entirety of the second member 142 may be inserted into the first member 141 .
  • the entirety of the third member 143 may be inserted into the second member 142 .
  • the first member 141 is made of a tubular length member having a passage through which the second member 142 can be inserted, and one side of the second member 142 is inserted inside the second member 142.
  • a first slit 141c capable of communicating with the second slit 142c of 142 is formed along the longitudinal direction.
  • the openings at both ends of the first member 141 may be closed by the 1-1st end cap 141a and the 1-2nd end cap 141b, respectively, at the end where the second member 142 is inserted.
  • an opening communicating with the first slit 141c is formed in the coupled 1-2 end cap 141b, one end of the first slit 141c is provided in an open form.
  • the first member 141 has been described as being made of a tubular length member, but it is also possible to be made in the form of a housing.
  • the second member 141 is inside or outside the housing.
  • a passage for guiding the movement of the member 142 may be formed, and a first slit 141c communicating with the second slit 142c may be formed on one surface of the housing.
  • both ends of the connecting member 140 are preferably connected to the driving unit 130 and the second fixing unit 120 to be rotatable, respectively.
  • first member 141 is rotatably connected to the driving part 130 from side to side through a first hinge shaft
  • third member 143 is also connected to the second fixing part 120 through a second hinge shaft. It can be rotatably connected to the left and right.
  • each of the connecting members 140 on both left and right sides includes rotation joint portions 170a and 170b, and the rotation joint portions 170a and 170b are connected to both left and right ends of the drive unit 130.
  • the driving force for rotation about the y-axis by the driving unit 130 may be directly transmitted to the connecting member 140 .
  • connection member 140 may include a first length adjusting unit and a second length adjusting unit.
  • the first length adjustment unit is implemented by moving the second member 142 along the first member 141 .
  • the second length adjustment unit is implemented by moving the third member 143 along the second member 142 .
  • the length is adjusted by the first length adjusting unit in a predetermined range (referred to as the first region), and the second length in a range other than the predetermined range (referred to as the second region).
  • the length can be adjusted by the control unit.
  • the movable range may be, for example, a range of a predetermined angle forward to a predetermined angle backward with respect to the vertical axis of the main body.
  • the first area may be an area requiring length adjustment when the user walks.
  • the second area may be an area that requires a wide range of length adjustment, such as when a user sits down.
  • the first length adjusting unit and the second length adjusting unit may operate sequentially.
  • the first length adjusting unit and the second length adjusting unit may operate in parallel.
  • the frictional force with respect to the first member 141 acting during the movement of the second member 142 is relatively smaller than the frictional force with respect to the second member 142 acting during the movement of the third member 143. can be set.
  • the first length adjusting unit and the second length adjusting unit sequentially operate in the process of changing the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 by the operation of the joint unit.
  • the length is adjusted by the first length adjusting unit when the user is walking, and the length is adjusted by the second length adjusting unit when the user sits down while walking, so that they can operate sequentially.
  • the movement between the second member 142 and the first member 141 having low friction during walking can minimize the wearer's sense of resistance.
  • the third member 143 moves from the second member when the motion angle of the hip joint is large or when the frequency of motion is low, such as sitting or climbing stairs.
  • first length adjusting unit and the second length adjusting unit do not necessarily have to operate sequentially, and there may be a period in which both operations overlap for a certain period of time.
  • first length adjusting unit and the second length adjusting unit generally operate in parallel is also possible, and such an embodiment is also included in the scope of the present invention.
  • the first length adjusting unit may operate organically.
  • the third member may reduce the wearer's sense of resistance by moving in parallel with the second member.
  • the interlocking unit 150 may include a first cable 151 and a second cable 152 .
  • the first cable 151 may have one end fixed to the first end of the first member 141 and the other end fixed to the third member 143 via the second end of the second member 142. there is.
  • the second cable 152 may have one end fixed to the second end of the first member 141 and the other end fixed to the third member 143 via the first end of the second member 142. there is.
  • the first end refers to the end of the first member or the second member in the overlapping direction when the first member 141 and the second member 142 overlap
  • the second end refers to the direction opposite to the overlapping direction. It refers to the end of the first member or the second member for.
  • the first cable 151 serves to move the second member 142 together in the contraction direction by interlocking with the movement of the third member 143 while the third member 143 moves in the contraction direction
  • the second cable 152 serves to move the second member 142 together in the expansion direction in conjunction with the movement of the third member 143 while the third member 143 moves in the expansion direction
  • the movement distance of the second member 142 by the first cable 151 and the second cable 152 may be set to 1/2 of the movement distance of the third member 143.
  • a second pulley 142f for supporting the first cable 151 is disposed on the 2-2 end cap 142b coupled to the expansion side end of the second unit member 142, and the second pulley 142f is disposed.
  • a third pulley 142g for supporting the second cable 152 may be disposed on the 2-1st end cap 142a coupled to the contraction-side end of the second member 142 .
  • the elastic member 144 has one end fixed to the 1-1st end cap 141a of the first member 141 and the other end fixed to the 2-2nd end cap 142b of the second member 142.
  • the second member 142 is elastically deformed in the process of moving in the direction of expansion with respect to the first member 141 by an external force, and elastically restored when the external force applied to the second member 142 is released. while providing elastic force for moving the second member 142 in the contraction direction.
  • the elastic member 144 may be formed in the form of a tension spring or elastic string.
  • the elastic member 144 has been described as connecting the first member 141 and the second member 142 to elastically support the second member 142 in the contraction direction, but this It is not limited, and even when the first member 141 and the third member 143 are connected to elastically support the third member 143 in the contraction direction, the third member 143 through the interlocking portion 150 It will be possible to prevent the second member 142 connected to ) from moving in the extension direction by its own weight.
  • the 2-1st end cap 142a coupled to the end of the second member 142 inserted into the passage of the first member 141 has an upper inner wall surface and a lower inner wall surface of the first member 141.
  • a plurality of rollers 142d contacting each may be provided, and the outer surface of the third member 143 has a relatively large frictional force compared to the roller 142d, and at the contact surface with the second member 142
  • a sliding pad 143a that slides may be disposed.
  • the sliding pad 143a may be provided in a form surrounding the outer surface of the third member 143 inserted into the passage of the second member 142, and for maintenance such as replacement, the third member 143 ) can be assembled in a detachable form.
  • the second member 142 which has a relatively small frictional force compared to the third member 143, moves along the first member 141 to be connected.
  • the length of member 140 is adjusted.
  • the second member 142 moves along the first member 141 within the motion range belonging to the first region, thereby forming a connecting member.
  • the length of 140 is adjusted, and then, in the operating range of the second region exceeding the first region, the third member 143 moves along the second member 142 to adjust the length of the connecting member 140. .
  • connection member 140 As the second member 142 and the third member 143 provided in the connection member 140 are configured to operate sequentially rather than simultaneously, frictional force generated in the operating process can be dispersed.
  • the length of the connecting member 140 is adjusted by the linear reciprocating motion of the second member 142 and the third member 143, respectively, but the connection The member 140 is composed of a plurality of members rotatably coupled to each other, and the rotation angle of the plurality of members is adjusted according to the distance between the drive unit 130 and the second fixing unit 120, and both ends of the connection member 140 It will also be possible to configure so that the length between them is adjustable.
  • the waist wearing part 110 may include a waist belt 113 and a waist wearing frame 116. Both ends of the waist belt 113 may be coupled with both ends of the waist wear frame 116 . The length of the waist belt 113 may be adjusted according to the wearer's waist size.
  • the waist wear frame 116 may include a lower mechanical part 117a, an upper mechanical part 117b, and a detachable button 118.
  • a lower hook 134a and an upper hook 134b may be included on one surface of the body housing 134 of the driving unit 130 to be described later.
  • the lower mechanical part 117a may be coupled with the lower hook 134a.
  • the upper mechanical part 117b may be coupled with the upper hook 134b. Accordingly, the waist wearing unit 110 and the driving unit 130 may be coupled.
  • the upper mechanical part 117b and the upper hook 134b may be separated.
  • the lower mechanical part 117a and the lower hook 134a can be easily separated, so that the driving part 130 and the waist wearing part 110 can be easily attached/detached.
  • the thigh wearing part 120 may include a strap part 123 and a plate 126.
  • the strap part 123 may include a second button 129 coupled to one end of the strap part 123 .
  • Both ends of the strap portion 123 may be coupled to both ends of the plate 126 .
  • the length of the strap part 123 may be adjusted according to the wearer's thigh size.
  • the plate 126 may include a plate frame 127 and a first button 128 .
  • the plate frame 127 may include an opening 127a.
  • the third member 143 may include a protruding portion 143b.
  • the opening 127a of the plate 126 may be coupled with the protrusion 143b of the third member 143 .
  • the plate 126 and the third member 143 may be separated.
  • the plate 126 and the strap part 123 may be separated.
  • the plate 126 and the strap part 123 or the plate 126 and the third member 143 can be easily separated, so that the wearable robot can be easily mounted/detached.
  • a wearing part elastic member 148 may be disposed between the waist wearing part 110 and the thigh wearing part 120 .
  • a ring (not shown) or an opening (not shown) of the waist wear part 110 is coupled to one end of the wear part elastic member 148, and the ring of the plate frame 127 in the thigh wear part 120 ( (not shown) or an opening (not shown) may be coupled to the other end of the wearable elastic member 148 .
  • This bond can be implemented in a variety of ways, not just rings or openings.
  • one end of the wearable elastic member 148 may be coupled to the rotary joint 170 and the other end may be coupled to the thigh wearable portion 120.
  • the length of the wearable elastic member 148 can be adjusted.
  • the wearable elastic member 148 may replace the function of the elastic member 144 in the connection member 140 .
  • a method for wearing a wearable robot wears the waist wearable part 110 and the thigh wearable part 120 and wears the elastic wearable part and adjusting the length of member 148.
  • a method for wearing a wearable robot includes coupling the driving unit 130 and the waist wearing unit 110 and coupling the connecting member 140 and the thigh wearing unit 120 .
  • the wearing part elastic member 148 connects the waist wearing part 110 and the thigh wearing part 120, it is possible to prevent the thigh wearing part 120 from flowing down.
  • the tension of the wearable elastic member 148 can be minimized.
  • the elastic force of the elastic member 144 in the connecting member 140 can be minimized.
  • the structure of the connecting member 140 can be simplified by omitting the configuration of the elastic member 144 in the connecting member 140 .
  • Figure 6 is an exploded perspective view of the drive unit of the wearable robot according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a view explaining the sliding operation of the connecting member 140 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 8 is the present invention It is a view explaining the link operation of the connecting member 140 according to one embodiment of the present invention
  • Figure 9 is a view explaining the left-right direction hinge movement of the connecting member 140 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 10 is 11 is a diagram illustrating an operation of a wearable robot according to an embodiment of the present invention while walking
  • the driving unit 130 may include a single actuator 131 , an actuator frame 133 and a body housing 134 .
  • the driver 131 may be composed of a rotation motor capable of changing rotation direction.
  • a connecting member 140a mounted on one thigh is connected to the motor shaft 132 of the rotary motor, so that the connecting member 140a can rotate in the front and rear directions around the left-right rotation axis by the power of the rotary motor.
  • the actuator frame 133 has a long cylindrical shape and accommodates the actuator 131 therein and rotates in a horizontal axial direction.
  • the actuator frame 133 does not rotate through a separate actuator 131 such as a rotation motor.
  • the actuator frame 133 may not be provided separately, and the actuator frame 133 and the actuator 131 may be integrally configured to constitute the actuator 131 itself.
  • the body housing 134 accommodates the actuator frame 133 therein.
  • the body housing 134 is an area where a cylindrical hole 135 is formed in a horizontal direction to accommodate the driver frame 133 therein and an area where the battery 136 and the control board 137 are mounted. This division can be formed.
  • a bearing 138 may be mounted between the outer side of the actuator frame 133 and the cylindrical hole 135 so that the actuator frame 133 rotates in the axial direction within the cylindrical hole 135 formed in the body housing 134.
  • the actuator 131 positioned inside the actuator frame 133 may be fixed inside the actuator frame 133 .
  • the actuator 131 may also rotate.
  • a connecting member 140b mounted on the other thigh is connected to the other end of the actuator frame 133 so that when the actuator frame 133 rotates, the connecting member 140b can rotate in the forward and backward directions around the left and right rotation axis. there is.
  • the rotary joint part 170b may be coupled to the other end of the actuator frame 133, and the connecting member 140b may be fixed to the rotary joint part 170b.
  • the rotary joint part 170a may be coupled to the motor shaft 132 of the rotary motor.
  • a bush 139 is separately coupled to the end of the motor shaft 132, and a rotary joint unit 170a is coupled to the bush 139.
  • a bearing 138b is separately mounted. It could be.
  • the connecting member 140 may be hinged to the lower end of the left and right rotary joint units 170 on both left and right sides so as to be rotatable in the left and right directions about the front and rear rotation axis.
  • One side of the upper end of the rotary joint unit 170 may be coupled to the other end of the actuator frame 133 or the bush 139, and the lower end of the rotary joint unit 170 has a shape in which both sides are extended in a plate shape ('U' shape when viewed from the side). shape), the upper end of the connecting member 140 between the two plates may be hinged to be rotatable in the left and right directions around the front and rear rotation axis.
  • the connecting member 140 can rotate in the left and right directions between the plates on both sides with the upper end of the connecting member 140 as an axis.
  • the connecting member 140 can rotate in the left and right directions by the hinge coupling, and can also rotate in the front and rear directions around the left and right rotation axis by the rotation of the rotary joint unit 170 .
  • the connecting member 140 may have a variable length.
  • the driving unit 130 is mounted on the waist rather than the hip joint.
  • the straight line distance between both sides of the driving unit 130 and the lower end of the connecting member 140 may change according to the posture or movement of the wearer, such as when sitting on a chair or bending the waist.
  • the connecting member 140 may restrict (obstruct) the movement of the wearer.
  • the connecting member 140 it is possible to prevent the connecting member 140 from restricting the movement of the wearer by allowing the length of the connecting member 140 to be varied according to the posture or movement of the wearer.
  • the connecting member 140 may be formed of a plurality of frames overlapping and sliding.
  • lengths of both ends of the connecting member 140 may be varied according to the posture or movement of the wearer.
  • the connecting member 140 may be formed of a plurality of links to be bent or unfolded in conformity with the movement of the wearer.
  • the link may be linked so as to be bent in the front-rear direction or bent in the left-right direction.
  • the wearable robot according to an embodiment of the present invention configured as described above supports and generates an assisting force in a manner of assisting one thigh relative to the other thigh.
  • the connecting member 14b of the other thigh is connected to the actuator frame 133, and the connecting member 140a of the one thigh can directly receive the rotational force of the actuator 131, for example, the motor of the actuator 131. It is connected to the shaft and can rotate directly with the output of the driver 131.
  • connection member 140a of one thigh is operated in a direction of spreading the one thigh (leg) forward or pulling it backward based on the other thigh (leg).
  • the output generated by the driver 131 is transmitted to one thigh through the connecting member 140a of the thigh, and the opposite thigh reacts to the rotational force (output) of the actuator 131.
  • power can be transmitted as an auxiliary force.
  • the assisting force can be simultaneously transmitted to both thighs (legs) with rotational force in opposite directions using a single driver 131 .
  • the driver frame 133 may rotate in the forward and backward directions around the left and right rotation axis within the cylindrical hole 135 of the body housing 134 .
  • the actuator 131 fixed inside the actuator frame 133 may also rotate together with the actuator frame 133 .
  • the rotation direction reference position of the actuator frame 133 can be changed based on the main body housing 134 whose position is fixed to the waist with respect to various postures and movements of the wearer, the wearer's wearing comfort can be improved.
  • the connecting member 140 is hinged and can be rotated left and right, and the length of the connecting member 140 is formed variably or formed in a link structure, so that various postures of the wearer (bend the waist in the forward and backward directions) Or the posture of sitting on a chair, etc.) and the posture of the thighs widened or closed from side to side, etc., the connecting member 140 does not restrict the movement, but moves in compliance, thereby improving the efficiency of transmitting the assisting force and the comfort of the wearable robot. can
  • the auxiliary force is directly transmitted to the connecting member 140a fixed to one thigh by the single actuator 131, and the auxiliary force is applied to the connecting member 140b fixed to the other thigh as a reaction force by the supported leg.
  • it may be provided with two actuators, and each actuator may be configured to rotate the connecting member 140 on both sides, respectively.
  • the driving unit 130 is fixed to the wearer's waist and the connecting member 140 is disposed on the front or rear of the thigh, the power transmission efficiency of the assisting force is good, so that an actuator with relatively low power can be used.
  • 19 to 24 of the accompanying drawings are diagrams illustrating an operating state of the wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • the first fixing part 110 may be mounted on the waist located above the hip joint, and the second fixing part 120 may be mounted on the thigh located below the hip joint, and the connecting member ( 140) may connect the driving unit 130 and the second fixing unit 120 fixed to the side of the first fixing unit 110 in a state disposed in front of the user.
  • the connecting member 140 can provide assisting force in the direction of lifting or lowering the second fixing part 120 mounted on the femur while rotating about the y-axis by the driving unit 130, thereby providing an assisting force. Adduction, abduction, or twisting of the center of rotation of the joint due to the provision can be prevented, and even when the femur moves left and right while being lifted by the auxiliary force, the connecting member 140 can rotate left and right in compliance with this, so that the joint part The range of motion may not be limited.
  • the connecting member 140 is configured to be able to adjust the length corresponding to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120, as the connecting member 140 is configured to stretch in multiple stages. It is possible to provide a large stroke while minimizing the length of each member in an overlapped state.
  • one end of the first member 141 of the connecting member 140 is fixed to the drive unit 130 provided on the first fixing unit 110, and the second member 142 is the first member ( 141) in a movable state along the longitudinal direction.
  • the third member 143 fixed to the second fixing part 120 is connected to the second member 142 in a movable state along the longitudinal direction.
  • Both ends of the elastic member 144 are fixed to the second member 142 and the first member 141, and the first member 141 and the second member 142 overlap with the second member 142. provides elasticity in the direction
  • the driving force for rotation about the y-axis by the driving unit 130 may be directly transmitted to the first member 141 .
  • This driving force is applied through the second member 142 movable along the longitudinal direction of the first member 141 and then through the third member 143 movable along the longitudinal direction of the second member 142, the third member ( 143) may be transferred to the second fixing part 120.
  • the moving length of the second member 142 of the connecting member 140 corresponds to a change in the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 according to the small motion of the joint unit, as shown in FIGS. 21 and 22. 23 and 24, the movement length of the third member 143 is set to correspond to the change in the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the large motion of the joint part, as shown in FIGS. 23 and 24. do.
  • FIG. 19 shows a state in which a user wears a wearable robot according to an embodiment of the present invention on the waist and thighs and is standing in place, and in this state, the drive unit 130 disposed on the upper waist of the hip joint and the lower side The distance between the second fixing parts 120 mounted on the thigh becomes the maximum.
  • the second member 142 and the third member 143 move in the expansion direction, respectively, as shown in FIG. 20,
  • the elastic member 144 is elastically stretched by an external force.
  • FIG. 21 shows a state in which the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 is changed by a small motion of the joint part, and the range of motion of the joint part during walking is only within the first region, which is part of the movable range.
  • the movement position of the second member 142 can be adjusted in response to a change in the distance between the drive unit 130 and the second fixing unit 120 according to the small motion of the joint unit 140. is set so that
  • the connecting member 140 moves in the contraction direction along the first member 141 in a state where the second member 142 supports the third member 143, and the joint part It can be adjusted to a length corresponding to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the small operation of the.
  • the second member 142 and the third member 143 may each move in the contraction direction in response to the decrease in the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120.
  • the second member 142 is elastically supported by the elastic member 144 in the direction of contraction with respect to the first member 141, so that the third member 143 takes precedence over the movement of the second member 142 along the second member 142. (142) moves along the first member (141).
  • the second member 142 since the second member 142 is in a state of being elastically supported in the contraction direction by the elastic member 144, the second member 142 in a state of movement in the contraction direction is arbitrarily moved in the expansion direction by its own weight. It can be prevented.
  • the second member 142 is supported in a rolling motion with respect to the first member 141 through a plurality of rollers 142d, and the third member 143 moves through a sliding pad 143a. It is supported in a sliding state with respect to the two members 142, and the sliding pad 143a is designed to have a relatively large frictional force compared to the roller 142d. Therefore, since the second member 142 can move with a smaller frictional force than the third member 143, the second member 142 has priority over the third member 143 moving along the second member 142. It can move along the first member 141 while supporting the three members 143 .
  • FIG. 23 shows a change in the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the large motion of the joint part, and the range of motion of the joint part during a sitting motion or stair walking process exceeds the first region.
  • the connection member 140 is a third member together with the second member 142 in response to a change in the distance between the drive unit 130 and the second fixing unit 120 according to the large motion of the joint unit.
  • the moving position of (143) is set so that it can be adjusted.
  • connection member 140 is completely moved in the contraction direction along the first member 141 in a state where the second member 142 supports the third member 143.
  • the third member 143 moves in the contraction direction along the second member 142, it corresponds to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120 according to the large motion of the joint part. can be adjusted to any length.
  • the third member 143 moves in a state in which a part thereof is exposed to the outside through the second slit 142c formed on one surface of the second member 142, and on one surface of the first member 141, the third member 143 moves. Since the first slit 141c communicating with the two slits 142c is formed, even when the second member 142 is overlapped with the first member 141, the third member 143 does not support the second member 142 ) to move in the contraction direction.
  • the connecting member rotates clockwise about the y-axis by forward driving of the driving unit, and the thigh is moved upward to provide an auxiliary force to the movement of the joint.
  • the connecting member 140 may be contracted corresponding to the distance between the driving unit 130 and the second fixing unit 120 .
  • the connecting member 140 rotates counterclockwise about the y-axis by the reverse driving of the drive unit and moves the femur downward to provide an auxiliary force to the movement of the joint unit.
  • the drive unit 130 It may be expanded to correspond to the distance between the and the second fixing part 120 .
  • connection member 140 Since the expansion process of the connection member 140 is performed in the reverse order of the contraction process described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 19 is a view showing a wearing state of a wearable robot according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of a connecting member in the wearable robot according to an embodiment of the present invention
  • FIG. A" is an enlarged view
  • FIG. 30 is a "B" partially enlarged view of FIG. 28
  • FIGS. 21, 23, 31 and 32 are diagrams showing the operating state of the wearable robot according to an embodiment of the present invention.
  • the first fixing part 110 may be mounted on the waist located above the hip joint, and the second fixing part 120 may be mounted on the thigh located below the hip joint, and the connecting member ( 140) may connect the driving unit 130 and the second fixing unit 120 fixed to the side of the first fixing unit 110 in a state disposed in front of the user.
  • the connecting member 140 rotates up and down around the y-axis by the drive unit 130 to provide an assisting force in the direction of lifting or lowering the second fixing unit 120 mounted on the femur. Adduction, abduction or torsion of the center of rotation of the joint part due to the provision of force can be prevented, and even when the thigh moves left and right while being moved by the auxiliary force, the connecting member 140 can rotate in response to this, so the joint part
  • the range of motion may not be limited.
  • the connecting member 140 is configured to be able to adjust the length corresponding to the distance between the driving part 130 and the second fixing part 120, as the connecting member 140 is configured to stretch in multiple stages. It can provide a large stroke while minimizing the length of the contracted state.
  • one end of the first member 141 of the connecting member 140 is connected to the drive unit 130 provided on the first fixing unit 110, and the second member 142 is In a state inserted into the first member 141, the third member 143 coupled to the movable state along the longitudinal direction of the first member 141 and connected to the second fixing part 120 is a second member.
  • the second member 142 In a state inserted into the inner side of the 142, the second member 142 is coupled in a movable state along the longitudinal direction, and the interlocking part 150 connects the second member 142 and the third member 143 to each other.
  • the elastic member 144 provides elastic force in the contraction direction to the second member 142 in a state where both ends are fixed to the first member 141 and the second member 142 .

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Abstract

본 발명은 웨어러블 로봇에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 관절부의 일측 신체 부위에 고정되는 제1고정부, 관절부의 타측 신체 부위에 고정되는 제2고정부; 상기 제1고정부에 고정되는 구동부, 및 상기 구동부와 제2고정부를 연결하고 상기 관절부의 움직임을 위해 상기 구동부로부터 제공되는 구동력을 제2고정부로 전달하는 연결부재를 포함하며, 상기 연결부재는 관절부의 동작 크기에 따라 달라지는 구동부와 제2고정부의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절되거나, 일렬로 배치되는 복수의 부재 및 상기 복수의 부재가 서로 연동하도록 복수의 부재를 연결하는 연동부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 구동부는 보조력을 위한 동력을 발생시키는 구동기를 포함한다.

Description

웨어러블 로봇, 상태 궤적 메모리 버퍼를 이용한 동작 보조 방법 및 시스템
본 발명은 사용자의 보행을 보조할 수 있는 웨어러블 로봇에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 동작 보조 방법 및 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 사용자의 급격한 움직임 변화에 즉각적 대응이 가능한 동작 보조 방법 및 시스템에 관한 것이다.
착용형 로봇은 1960년대부터 개발되기 시작하여 고부하, 고위험 작업자를 대상으로 근력증강, 신체보호를 위한 근력증강용 착용형 로봇, 노인 및 환자를 대상으로 거동을 보조하고 재활, 자세 교정을 하기 위한 착용형 보조 장치, 장애인 대상으로 신체 기능 대체하는 의족, 의수 등으로 개발되어 오고 있다.
착용형 로봇은 60년대 이후 군사/장애인 복지 등 비상업적 영역에서 시작하여 2010년 이후에는 상업적 영역인 재활/산업/건강부분으로 사업영역이 확장되어 개발되고 있다.
착용형 로봇은 사람이 착용한 상태에서 움직여야 하기 때문에 무게가 무겁고 부피가 크게 되면 사람의 움직임을 방해할 뿐만 아니라 제어가 잘못되었을 때 사람을 오히려 다치게 할 수 있다.
이러한 연유로, 무게가 무겁고 이동이 불편할 수 있지만 사람이 하지 못하는 고부하, 고위험 작업자를 도와주거나, 걷지 못하는 사람을 걸을 수 있게 도와주는 등의 사용자 니즈가 큰 분야에서 먼저 활용되었다.
산업/군사용 및 의료용이 아닌 상업적 영역에서 착용형 로봇을 적용하기 위해서는 착용자의 움직임을 제한하지 않으면서 착용자의 의도를 파악하는 것이 중요하다.
따라서, 착용형 로봇이 가벼울 뿐만 아니라 착용자의 의도를 빠르게 인식하여 착용자의 관절 움직임에 순응하여 움직여야 한다.
또한, 사람이 착용하고 움직여야 하므로 배터리 사용시간이 길어야 하는 등 전원관리시스템이 중요하다.
여러 가지 종류의 착용형 로봇 중에서도 착용자의 보행을 도와주는 착용형 로봇은 보행을 단순하게 도와주는 것 외에도 보행 효율 개선, 낙상 예방, 보행 교정, 관절부하 감소 등의 효과를 임상적으로 확인되고 있다.
사람의 활동 중에서 가장 많이 하는 것이 보행이기 때문에 보행을 돕는 착용형 로봇의 활용 가치는 높게 평가된다.
하지만 인간이 진화하면서 최적화되어 고효율 동작인 보행을 돕기 위해서는 장치의 무게가 더 가벼우면서도 보조력이 커야 한다.
나아가, 인체 관절의 가동범위를 제한하지 않음으로써 착용시 불편함이 최소화 되어야 하므로, 보행 특성(걷기, 계단 오르기, 달리기)뿐만 아니라 다양한 움직임에 맞추어 보조를 할 수 있어야 한다.
노인이나 병증환자뿐만 아니라 일반인들이 이동 시 사용할 수 있을 정도의 착용형 로봇이 되기 위해서는 앞서 얘기한 기술들이 더욱더 고도화되어야 한다.
이러한 착용형 보조장치의 경우, 배터리와 컨트롤러 등이 구비되며 사용자의 등에 장착되는 본체, 각각의 관절을 구동하기 위한 관절 구동기, 각각의 관절 구동기에 연결되고 사용자의 신체부위를 지지하기 위한 지지유닛을 포함하는 형태가 주를 이루고 있다.
이러한 착용형 보조장치의 경우, 사용자의 관절 근방에 관절 구동기를 배치하고 사용자의 동작에 따라 사용자의 신체부위에 보조토크 형태의 보조력을 제공하여 사용자의 동작을 보조할 수 있다.
3차원 좌표 공간에서 사용자가 x축 방향으로 운동한다고 가정하는 경우, 관절 구동기는 관절의 운동 방향인 x축 방향 및 수직 방향인 z축 방향과 교차하는 y축을 중심으로 회전하며 보조력을 제공하도록 설계될 수 있다.
즉, 관절 구동기는 로터리 모터 형식의 구동기가 채용되어 역시 사용자의 운동시 관절의 회전 방향에 대응하는 y축 중심으로 회전되어 구동력을 제공할 수 있다.
외골격 보조장치의 경우 관절 외측에 관절 구동기가 구비되어 y축 방향 구동토크를 발생시키고 사용자의 신체부위를 감싸는 지지유닛을 통해 보조력을 사용자의 신체부위에 전달할 수 있다.
신체의 관절은 모터 방식의 구동기와 달리 y축 중심 회전 동작 이외에도 신체부위의 x축 중심 외전 또는 내전 그리고 z축 중심 비틀림이 가능하고, 골격 상단으로 정의될 수 있는 관절 회전 중심은 신체 내부에 존재하는데, 착용형 보조장치의 관절부 회전 중심과 관절의 회전 중심이 일치하지 않는 경우, 사용자의 관절부에 부하를 가중시키므로 관절부의 불편함 또는 통증을 유발하거나, 관절부의 가동범위를 축소시키는 문제가 있다.
또한, 기존의 착용형 보조장치는 구동부에 허리 벨트를 연결하여 착용하는 구조가 주를 이루고 있다. 이 경우, 구동부가 허리 착용부와 일체로 연결되어 있거나 장/탈착이 어렵도록 결합되어서, 장치를 보관, 착용, 사용하는데 불편함이 있었다.
또한, 기존의 착용형 보조장치는 허벅지 힘전달 플레이트가 허벅지 프레임에 고정되어 있고, 허벅지 힘전달 플레이트에 스트랩을 연결하여 착용하는 구조가 주를 이루고 있다.
이 경우, 허벅지 프레임이 허벅지 착용부와 일체로 연결되어 있거나 장치의 장/탈착이 어렵도록 결합되어서, 장치를 보관, 착용, 사용하는데 불편함이 있었다.
미국특허 US10,350,129 "보행 보조 장치" 등과 같은 종래 기술은 사용자의 동작 속도, 케이던스(cadence), 페이즈(phase) 등을 인식한 후 사용자의 움직임에 따른 보조력을 제공한다.
그러나 사용자의 이전 움직임의 패턴을 인식하고 이를 기반으로 현재 패턴을 추정한 후 이를 기반으로 보조력을 제공하는 종래 기술들은 급격하고 비주기적인 동작 변화가 발생했을 때 즉각적으로 대응하지 못하는 문제가 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
대한민국 등록특허 10-1517058
대한민국 공개특허 제2022-0053349호
본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자의 동작을 보조할 수 있는 웨어러블 로봇을 제공함에 있다.
또한, 구조적으로 힘 전달 효과가 높아 비교적 파워가 약한 구동기를 사용하여도 동작시 강한 보조력을 전달시킬 수 있고, 가볍고 착용자의 움직임을 제한하지 않아 자유로운 움직임이 가능한 착용형 로봇을 제공함에 있다.
또한, 수축 상태의 길이를 최소화하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있는 웨어러블 로봇을 제공함에 있다.
또한, 마찰력을 최소화할 수 있는 웨어러블 로봇을 제공함에 있다.
또한, 연결부재를 구성하는 다수의 단위부재 중 일부 단위부재가 임의로 동작하지 않도록 할 수 있는 웨어러블 로봇을 제공함에 있다.
또한, 웨어러블 로봇의 각 착용부를 장/탈착이 쉬운 구조로 제작하여 보관이 용이하고 사용 편의성과 착용 편의성이 있는 웨어러블 로봇을 제공함에 있다.
또한, 동작 보조 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
또한, 안정적인 보조력을 제공하는 동작 보조 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
또한, 사용자의 동작 변화에 적응적인 보조력을 제공하는 동작 보조 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
또한, 사용자의 동작 변화에 지연 없이 적응적인 보조력을 제공하는 동작 보조 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
또한, 구동부와 착용부 간의 비의도적 장착, 탈착 시 사용자의 안전을 위한 안전모드를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에서, 기준 신체부위란 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 착용하였을 때, 웨어러블 로봇이 신체로부터 분리되지 않도록 지지해주는 신체부위를 의미하며, 목적 신체부위란 동작을 할 때에 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 사용함으로써 보조력 또는 저항력이 전달될 수 있는 신체부위를 의미한다.
예를 들어, 기준 신체부위는 관절부를 기준으로 일측 신체부위가 될 수 있고, 목적 신체부위는 관절부를 기준으로 타측 신체부위가 될 수 있으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는다.
상기 목적은, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 기준 신체부위에 장착되는 제1고정부; 목적 신체부위에 장착되는 제2고정부; 상기 제1고정부에 장착되는 구동부; 및 상기 구동부와 제2고정부를 연결하고 목적 신체부위의 움직임을 위해 상기 구동부로부터 제공되는 구동력을 제2고정부로 전달하는 연결부재;를 포함하며, 상기 연결부재는 목적 신체부위의 동작 크기에 따라 달라지는 구동부와 제2고정부의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절되거나, 일렬로 배치되어 연결부재를 이루는 복수의 단위부재 및 상기 복수의 단위부재가 서로 연동하도록 복수의 단위부재를 연결하는 연동부를 포함하는 웨어러블 로봇에 의해 달성된다.
여기서, 상기 구동부의 좌우 양측에 각각 결합되어 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로 회동하는 회전 조인트부를 더 포함하고, 상기 연결부재는 상기 회전 조인트부의 하단부에 전후 방향 회전축을 중심으로 좌우 방향으로 회동하도록 힌지 결합될 수 있다.
여기서, 상기 구동부는 두 개의 구동기; 및 상기 구동기를 내부에 수용하는 본체 하우징을 포함하고, 양측의 상기 연결부재는 상기 구동기로부터 각각 동력을 전달받아 회전할 수 있다.
여기서, 상기 구동부는 단일의 구동기; 상기 구동기를 둘러싸 내부에 수용하고 수평의 축 방향으로 회전하는 구동기 프레임; 및 상기 구동기 및 상기 구동기 프레임을 내부에 수용하는 본체 하우징을 포함하고, 상기 본체부의 일측에 배치되는 연결부재는 상기 구동기에서 동력을 전달 받아 회전하고, 상기 구동부의 타측에 배치되는 연결부재는 구동기 프레임에 연결되어 회전할 수 있다.
여기서, 상기 구동부는 상기 구동기 프레임 외측에 장착되어 상기 본체 하우징에 대하여 상기 구동기 프레임을 회전시키는 베어링을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 구동부를 기준 신체부위에 장착시키는 제1고정부; 및 상기 연결부재를 목적 신체부위에 장착시키는 제2고정부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 연결부재는 복수의 링크로 형성되어 절곡될 수 있다.
여기서, 상기 연결부재의 상단은 전후 방향 회전축을 주심으로 좌우 방향으로 회동하도록 힌지 결합될 수 있다.
여기서, 상기 연결부재는 상기 구동부에 지지되는 제1부재, 상기 제1부재에 이동 가능하게 연결되는 제2부재 및 상기 제2부재에 이동 가능하게 연결되고 상기 제2고정부에 지지되는 제3부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2부재의 일면에는 상기 제3부재의 이동을 안내할 수 있는 제2슬릿이 형성되고, 상기 제1부재의 일면에는 상기 제2부재와 중첩 상태에서 상기 제2슬릿과 연통하는 제1슬릿이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2부재 또는 제3부재를 수축방향으로 탄성 지지하는 탄성부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1부재에 대한 제2부재의 마찰력과 상기 제2부재에 대한 제3부재의 마찰력은 서로 다르게 설정될 수 있다.
또한, 상기 제2부재는 제1부재와의 접촉면에서 구름운동하는 롤러를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3부재는 상기 롤러에 비해 상대적으로 큰 마찰력을 가지고 상기 제2부재와의 접촉면에서 미끄럼운동하는 슬라이딩패드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연결부재는 상기 구동부와 제2고정부 사이에 일렬로 배치되는 제1길이조절부와 제2길이조절부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1길이조절부는 관절부의 가동범위 중 일부 영역 내에서 길이가 조절되고, 상기 제2길이조절부는 관절부의 가동범위 중 상기 일부 영역을 초과하는 나머지 영역에서 길이가 조절될 수 있다.
또한, 상기 연결부재는 상기 제3부재가 제2부재 상에서 확장하는 방향으로 이동한 상태에서 위치를 고정할 수 있는 영구자석을 포함할 수 있다.
또한, 상기 영구자석은 상기 제2부재의 제2 단부에 마련되는 제1영구자석과 상기 제3부재의 상기 제1영구자석에 대응하는 위치에 마련되는 제2영구자석을 포함할 수 있다.
제1 단부란 제1부재(141)와 제2부재(142)가 중첩되는 경우 중첩되는 방향에 대하여 제1 부재 또는 제2 부재의 끝부분을 말하며, 제2 단부란 상기 중첩되는 방향과 반대 방향에 대하여 제1 부재 또는 제2 부재의 끝부분을 말할 수 있다.
또한, 상기 연결부재는 일단부가 상기 제1부재에 고정되고 타단부가 상기 제2부재에 지지된 상태로 상기 제3부재에 고정되는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2부재는 상기 탄성부재를 지지하는 제1도르래를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연동부는 상기 제2부재의 제2 단부에 지지된 상태로 일단부가 상기 제1부재에 고정되고 타단부가 상기 제3부재에 고정되는 제1케이블 및 상기 제2부재의 제1 단부에 지지된 상태로 일단부가 상기 제1부재에 고정되고 타단부가 상기 제3단위부재에 고정되는 제2케이블을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2부재의 제2 단부에는 상기 제1케이블을 지지하는 제2도르래가 배치되고, 상기 제2부재의 제1 단부에는 상기 제2케이블을 지지하는 제3도르래가 배치될 수 있다.
또한, 상기 연동부는 제1부재에 길이방향을 따라 배치되는 래크, 상기 제2부재의 수축측 단부에 배치되고 상기 래크와 맞물리는 피니언, 상기 피니언과 함께 회전하는 제1풀리, 상기 제2부재의 확장측 단부에 배치되는 제2풀리 및 상기 제1풀리와 제2풀리에 감긴 상태로 양단부가 상기 제3부재에 고정되는 벨트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2부재의 일측에는 상기 제3부재의 이동을 안내할 수 있는 제2슬릿이 형성되고, 상기 제1부재의 일측에는 상기 제2부재와 중첩 상태에서 상기 제2슬릿과 연통하는 제1슬릿이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1고정부가 허리에 착용되는 경우, 허리 착용부는 허리 벨트와 허리 착용 프레임으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 허리 벨트의 양단이 상기 허리 착용 프레임의 양단과 결합하고, 허리 크기에 따라 허리 벨트의 길이가 조절될 수 있다.
또한, 상기 허리 착용 프레임은 탈착 버튼과 하단 기구부, 상단 기구부를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 본체 하우징의 일면에는 하단 후크와 상단 후크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2고정부가 허벅지에 착용되어 허벅지 착용부로 기능하는 경우, 상기 허벅지 착용부는 스트랩부와 플레이트로 구성될 수 있다.
또한, 상기 스트랩부는 스트랩부 일단과 결합하는 제2 버튼을 포함할 수 있다.
또한, 상기 스트랩부의 양단은 상기 플레이트의 양단에 결합할 수 있다.
또한, 양단의 결합부분에서 스트랩부의 길이를 조절하거나 스트랩부를 플레이트와 분리시킬 수 있다.
또한, 상기 플레이트는 플레이트 프레임과 제1 버튼을 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명은 상기 제1고정부가 허리에 착용되고, 상기 제2고정부가 허벅지에 착용되는 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법은, 상태 궤적 메모리 버퍼에 순차적으로 동작 상태값을 저장하는 단계; 상기 상태 궤적 메모리 버퍼에 저장된 동작 상태값 중 적어도 하나의 동작 상태값을 선택하는 단계; 선택된 동작 상태값을 이용하여 보조력을 결정하는 단계; 및 결정된 보조력을 출력하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 동작 상태값을 저장하는 단계는 FIFO(First In First Out) 방식으로 미리 설정된 개수의 동작 상태값만 저장할 수 있다.
또한, 상기 동작 상태값은 일정한 시간 간격으로 동작 상태를 측정한 센싱값 또는 미리 설정된 수식을 이용한 상기 센싱값의 변환값일 수 있다.
또한, 상기 보조력을 결정하는 단계에서 상기 선택된 동작 상태값의 가중치 합으로 상기 보조력을 결정할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 동작 상태값을 선택하는 단계에서, 상기 상태 궤적 메모리 버퍼에 저장된 동작 상태값 중 미리 결정된 위치에 저장된 동작 상태값을 선택할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 동작 상태값을 선택하는 단계 이전에, 상기 상태 궤적 메모리 버퍼에 순차적으로 저장된 동작 상태값들 사이의 차이를 합산하여 상태 궤적 이동 거리를 계산하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 동작 상태값을 선택하는 단계에서 상기 상태 궤적 이동 거리에 따라 상기 미리 결정된 위치를 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상태 궤적 이동 거리가 클수록 상기 상태 궤적 메모리 버퍼에서 메모리 어레이의 첫 번째 저장위치 쪽으로 상기 미리 결정된 위치를 변경하고, 상기 상태 궤적 이동 거리가 작을수록 상기 메모리 어레이의 마지막 저장위치 쪽으로 상기 미리 결정된 위치를 변경할 수 있다.
또한, 상기 동작 상태값은 센싱된 목적 신체부위의 각도 값(q0)을 변환식 S0=Asin(q0/2)을 이용하여 변환한 변환값일 수 있으며, A는 상수일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 시스템은 동작 상태값을 순차적으로 저장하는 상태 궤적 메모리 버퍼 및 상기 상태 궤적 메모리 버퍼에 저장된 동작 상태값 중 하나 이상의 동작 상태값을 이용하여 보조력을 결정하는 결정부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 상태 궤적 메모리 버퍼는 상기 동작 상태값을 FIFO(First In First Out) 방식으로 저장하는 유한한 크기의 메모리 버퍼일 수 있다.
또한, 상기 상태 궤적 메모리 버퍼는 사용자의 최근 수 초(seconds) 동안의 움직임에 대한 동작 상태값을 저장할 수 있다.
또한, 상기 결정부는 상기 상태 궤적 메모리 버퍼에서 메모리 어레이의 미리 결정된 위치에 저장된 동작 상태값을 선택하되 상기 상태 궤적 메모리 버퍼에 저장된 동작 상태값의 변화에 따라 상기 미리 결정된 위치를 변경하고 변경된 위치에 저장된 동작 상태값을 선택할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 프로그램은 하드웨어와 결합되어 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법의 각 단계들을 실행시키기 위해 매체에 저장된 프로그램일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 안전모드에는 구동부의 동작각이나 동작 속도를 검출하는 단계, 구동부의 모터 회전을 중지하여 안전모드를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 사용자의 동작을 보조함에 있어서 길이 조절되도록 할 수 있는 웨어러블 로봇이 제공된다.
또한, 힘 전달 효과가 높아서 단일 구동기를 사용하여 목적 신체부위에 강한 보조력을 전달시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 연결부재가 슬라이딩 이동하거나 링크 구조로 절곡되거나 전후 방향 회전축을 중심으로 좌우 방향으로 회동하도록 하여 착용자의 다양한 움직임을 제한하지 않고 순응하여 동작하기 때문에 착용감 및 보조력 전달 효과가 뛰어나다는 장점도 있다.
또한, 수축 상태의 길이를 최소화하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있는 웨어러블 로봇이 제공된다.
또한, 마찰력을 최소화할 수 있는 웨어러블 로봇이 제공된다.
또한, 하나의 탄성부재를 이용해 다수의 단위부재에 각각 탄성력을 제공할 수 있는 것은 물론, 연결부재를 구성하는 다수의 단위부재 중 일부 단위부재가 임의로 동작하지 않도록 할 수 있는 웨어러블 로봇이 제공된다.
또한, 목적 신체부위 전방 또는 후방에 장착되는 연결부재가 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로 회동함에 따라 운동 방향으로 직접 힘을 전달하여 힘 전달 효과가 높다는 장점이 있다.
또한, 웨어러블 로봇의 부피를 줄여 보관이 용이하고, 웨어러블 로봇의 착용 및 분리 시간을 단축할 수 있으며, 웨어러블 로봇의 사용 편의성과 착용 편의성을 확보할 수 있다.
또한, 발명에 따른 동작 보조 방법 및 시스템은 안정적인 보조력을 제공하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법 및 시스템은 사용자의 동작 변화에 적응적인 보조력을 제공하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법 및 시스템은 사용자 동작에 대한 패턴 인식 없이 동작 변화를 즉각적으로 반영함으로써 사용자의 동작 변화에 지연 없이 적응적인 보조력을 제공하는 효과를 갖는다.
또한, 구동부와 착용부 간 비의도적 탈착의 경우라도 사용자의 안전을 도모할 수 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇은, 운동모드 및 보조모드 중 어느 하나의 구동모드로 웨어러블 로봇을 구동시키는 구동부; 및 상기 운동모드로 구동되는 동안 충전을 수행하는 충전회로부;를 포함하고, 상기 충전회로부는, 배터리부; 상기 구동모드에 대응하여 온오프되는 스위칭부; 상기 스위칭부와 병렬 연결된 다이오드; 및 상기 운동모드로 구동되는 동안, 회전운동에 기초하여 전기에너지를 생성하는 모터부;를 포함한다.
그리고, 상기 보조모드로 구동시, 상기 스위칭부는 온 상태가 되어 상기 배터리부가 상기 모터부에 구동전력을 공급할 수 있다.
또한, 상기 충전회로부는 상기 모터부와 연결되는 제1 내지 제4 스위치를 더 포함할 수 있고, 제1 내지 제4 스위치는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), SiC MOSFET, IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 등의 다양한 소자로 구현될 수 있다.
그리고, 상기 운동모드로 구동시, 상기 스위칭부는 오프 상태가 되고, 상기 제1 내지 제4 스위치의 온오프에 따라 상기 다이오드와 상기 모터부의 전기적 연결이 결정될 수 있다.
또한, 상기 다이오드와 상기 모터부가 전기적으로 연결되지 않는 경우, 상기 모터부의 회전운동에 의하여 상기 전기에너지가 생성될 수 있다.
그리고, 상기 다이오드와 상기 모터부가 전기적으로 연결되는 경우, 상기 모터부에서 생성된 전기에너지에 기초하여 승압된 전기에너지가 상기 다이오드를 통해 상기 배터리부로 전달될 수 있다.
또한, 상기 충전회로부는, 상기 배터리부와 상기 스위칭부 사이의 제1 노드; 상기 스위칭부와 상기 제1 MOSFET 사이의 제2 노드; 상기 제1 MOSFET과 상기 제2 MOSFET 사이의 제3 노드; 상기 제3 MOSFET과 상기 제4 MOSFET 사이의 제4 노드;를 포함하고, 상기 모터부는 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 운동모드로 구동시, 상기 제1 MOSFET과 상기 제2 MOSFET이 오프 상태가 되고 상기 제3 MOSFET 및 제4 MOSFET이 온 상태가 되면 상기 모터부가 전기에너지를 생성하고, 상기 제2 MOSFET과 상기 제3 MOSFET이 오프 상태가 되고 상기 제1 MOSFET과 상기 제4 MOSFET이 온 상태가 되면 상기 배터리부가 충전을 수행할 수 있다.
또한, 상기 충전회로부는 상기 배터리부와 병렬 연결된 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 충전회로부에서 생성된 전기에너지를 외부기기에 유선으로 공급하는 유선 단자부; 또는 상기 충전회로부에서 생성된 전기에너지를 외부기기에 무선으로 공급하는 무선 충전부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 모터부의 회전운동에 기초하여 구동모드 선택신호를 자동 생성하고, 상기 충전회로부는 상기 구동모드 선택신호에 기초하여 상기 스위칭부를 온오프시킬 수 있다.
그리고, 상기 구동모드에 대한 구동모드 선택신호를 사용자로부터 입력받는 입력부;를 더 포함하고, 상기 충전회로부는 상기 구동모드 선택신호에 기초하여 상기 스위칭부를 온오프시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇 충전장치는, 웨어러블 로봇으로부터 운동모드 및 보조모드 중 어느 하나에 대한 구동모드 선택신호를 수신하는 수신부; 및 상기 웨어러블 로봇이 상기 운동모드로 구동되는 동안 충전을 수행하는 충전회로부;를 포함하고, 상기 충전회로부는, 상기 웨어러블 로봇의 구동모드에 대응하여 온오프되는 스위칭부; 상기 스위칭부와 병렬 연결된 다이오드; 및 상기 웨어러블 로봇에 구비된 모터부가 생성한 전기에너지에 기초하여 충전을 수행하는 배터리부;를 포함한다.
그리고, 상기 웨어러블 로봇과의 물리적 결합을 위한 결합부; 및 상기 웨어러블 로봇의 상기 모터부와 상기 충전회로부의 전기적 연결을 위한 연결부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조모드로 구동시, 상기 스위칭부는 온 상태가 되어 상기 배터리부가 상기 웨어러블 로봇의 모터부에 구동전력을 공급할 수 있다.
그리고, 상기 충전회로부는 상기 모터부와 연결되는 제1 내지 제4 MOSFET을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 운동모드로 구동시, 상기 스위칭부는 오프 상태가 되고, 상기 제1 내지 제4 MOSFET의 온오프에 따라 상기 다이오드와 상기 웨어러블 로봇의 상기 모터부의 전기적 연결이 결정될 수 있다.
그리고, 상기 다이오드와 상기 모터부가 전기적으로 연결되지 않는 경우, 상기 웨어러블 로봇의 모터부의 회전운동에 의하여 상기 전기에너지가 생성될 수 있다.
또한, 상기 다이오드와 상기 모터부가 전기적으로 연결되는 경우, 상기 모터부에서 생성된 전기에너지에 기초하여 승압된 전기에너지가 상기 다이오드를 통해 상기 배터리부로 전달될 수 있다.
그리고, 상기 충전회로부는, 상기 배터리부와 상기 스위칭부 사이의 제1 노드; 상기 스위칭부와 상기 제1 MOSFET 사이의 제2 노드; 상기 제1 MOSFET과 상기 제2 MOSFET 사이의 제3 노드; 상기 제3 MOSFET과 상기 제4 MOSFET 사이의 제4 노드;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 웨어러블 로봇의 모터부는 상기 제3 노드 및 상기 제4 노드 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
그리고, 상기 운동모드로 구동시, 상기 제1 MOSFET과 상기 제2 MOSFET이 오프 상태가 되고 상기 제3 MOSFET 및 제4 MOSFET이 온 상태가 되면 상기 웨어러블 로봇의 모터부가 전기에너지를 생성하고, 상기 제2 MOSFET과 상기 제3 MOSFET이 오프 상태가 되고 상기 제1 MOSFET과 상기 제4 MOSFET이 온 상태가 되면 상기 배터리부가 충전을 수행할 수 있다.
또한, 상기 충전회로부는 상기 배터리부와 병렬 연결된 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 구동모드가 적용될 수 있는 다양한 형태의 웨어러블 로봇을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 있어 기준 신체부위 착용부(제1고정부)와 목적 신체부위 착용부(제2고정부)가 장착된 웨어러블 로봇의 사시도이다.
도 4는 도 2의 변형된 웨어러블 로봇의 착용 상태를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 또 다른 착용 상태를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 구동부의 분리 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연결부재의 슬라이딩 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연결부재의 링크 동작을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연결부재의 좌우 방향 힌지 움직임을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 착용형 로봇의 보행 중 동작을 설명하는 도면이다.
도 11은 착용자의 동작 및 자세에 따른 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 동작을 설명하는 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 또 다른 착용 상태를 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 연결부재의 발췌사시도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 연결부재의 분해사시도이다.
도 17은 도 16의 "A"부분 분해사시도이다.
도 18은 도 16에 도시된 제3부재의 분해사시도이다.
도 19 내지 도 24는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 작동 상태를 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 제3실시예에 따른 연결부재의 작용도이다.
도 26은 본 발명의 제4실시예에 따른 연결부재의 작용도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 연결부재의 분해사시도이다.
도 28은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 연결부재의 단면도이다.
도 29는 도 28의 "A"부분 확대도이다.
도 30은 도 28의 "B"부분 확대도이다.
도 31 및 도 32는 본 발명의 일 실시형태 따른 웨어러블 로봇의 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 33은 본 발명의 제6실시예에 따른 연결부재의 작용도이다.
도 34는 허리 벨트와 허리 착용 프레임이 결합된 상태의 사시도이다.
도 35 내지 도 37은 웨어러블 로봇의 허리 착용부를 탈/부착 하는 과정을 나타내기 위한 도면이다.
도 38은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 허벅지 착용부의 사시도이다.
도 39은 도 38에 도시된 허벅지 착용부의 분해사시도이다.
도 40은 플레이트와 스트랩부가 분리/결합하는 과정을 나타내기 위한 도면이다.
도 41은 제1 버튼이 플레이트 내에서 동작하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 42는 플레이트와 연결부재가 분리/결합하는 과정을 나타내기 위한 도면이다.
도 43 내지 도 45는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 허리 착용부와 허벅지 착용부 사이를 연결하는 탄성부재를 나타낸 도면이다.
도 46은 예시적인 동작 보조 장치의 사시도이다.
도 47은 도 1에 도시된 일 실시형태에 따른 동작 보조 장치를 착용한 모습을 보여주는 도면이다.
도 48은 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 49는 상태 궤적 메모리 버퍼에 동작 상태값이 저장되고 업데이트되는 규칙을 보여주는 도면이다.
도 50은 상태 궤적 메모리 버퍼에 저장된 동작 상태값과 사용자 동작 사이의 맵핑 관계를 보여주는 도면이다.
도 51은 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법의 순서도이다.
도 52는 본 발명의 일 실시형태에 따른 보행 동작시 하나의 동작 상태값을 선택하여 생성되는 보조력을 보여주는 도면이다.
도 53은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정지 동작시 하나의 동작 상태값을 선택하여 생성되는 보조력을 보여주는 도면이다.
도 54는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정지 후 보행 동작시 하나의 동작 상태값을 선택하여 생성되는 보조력을 보여주는 도면이다.
도 55는 본 발명의 일 실시형태에 따른 보행 동작시 두 개의 동작 상태값을 선택하여 생성되는 보조력을 보여주는 도면이다.
도 56은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정지 동작시 두 개의 동작 상태값을 선택하여 생성되는 보조력을 보여주는 도면이다.
도 57은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정지 후 보행 동작시 두 개의 동작 상태값을 선택하여 생성되는 보조력을 보여주는 도면이다.
도 58은 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법의 순서도이다.
도 59는 상태 궤적 이동 거리 계산 방법을 보여주는 도면이다.
도 60은 동작 상태값 선택 위치를 고정시켰을 때 본 발명의 일 실시형태에 따른 급격한 동작 변화와 그에 따른 보조력 출력 타이밍 관계를 보여주는 도면이다.
도 61은 동작 상태값 선택 위치를 적응적으로 변경시켰을 때 본 발명의 일 실시형태에 따른 급격한 동작 변화와 그에 따른 보조력 출력 타이밍 관계를 보여주는 도면이다.
도 62는 동작 상태값 선택 위치를 고정시킨 경우와 적응적으로 변경시킨 경우에 본 발명의 일 실시형태에 따른 걷기 및 달리기 동작에 따른 양의 파워, 음의파워 생성 결과를 보여주는 도면이다.
도 63은 본 발명의 일 실시형태에 따른 안전 모드 제공 방법의 순서도이다.
도 64는 승압형 컨버터 회로를 도시한다.
도 65는 도 64에 도시된 승압형 컨버터의 스위치 온오프에 따른 인덕터 전류 및 전압을 도시하는 그래프이다.
도 66은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 충전회로부를 도시한다.
도 67은 구동모드에 따른 전류의 흐름을 도시한다.
도 68은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇이 보조모드로 동작하는 경우 충전회로부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 69는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇이 운동모드로 동작하는 경우 충전 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 70은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 생성된 전기에너지를 이용하여 외부기기를 충전하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 71은 본 발명에 따른 웨어러블 로봇 충전장치의 일 실시형태를 도시한다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시형태들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시형태들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이고, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 구동모드가 적용될 수 있는 다양한 형태의 웨어러블 로봇을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라서 허리 착용부(제1고정부)와 허벅지 착용부(제2 고정부)가 장착된 웨어러블 로봇의 사시도이다.
도 4는 도 2의 실시형태에 따라 변형된 웨어러블 로봇의 착용 상태를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 또 다른 착용 상태를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 구동부의 분리 사시도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 연결부재의 발췌사시도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 연결부재의 분해사시도이다.
도 17은 도 16의 "A" 부분의 분해사시도이다.
도 18은 도 16에 도시된 제3부재의 분해사시도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 연결부재의 분해사시도이다.
도 34는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 허리 착용부의 사시도이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 착용 모습
도 1에 도시된 바와 같이, 웨어러블 로봇의 구조 및 동작방식에 따라 사용자 신체의 다양한 부위에 착용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇은 제1고정부(110), 제2고정부(120), 구동부(130) 및 연결부재(140)를 포함한다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 신체부위(30)에 부착되어, 신체부위(30)를 지지하는 근골격계(20) 및 관절의 회전 중심(10)의 동작을 보조하거나 안전한 운동 부하를 제공할 수 있다.
상기 관절은 평면관절, 안장관절, 경첩관절, 중쇠관절, 타원관절, 절구관절일 수 있다.
또한 상기 근골격계는 빗장뼈, 목뿔위, 목뿔아래, 목, 등, 가슴, 배, 골반, 척추, 흉벽, 어깨, 상완, 전완, 손, 엉덩뼈 부위, 볼기 부위, 넓적다리, 종아리, 발 부위의 골격근 중 하나 또는 둘 이상과 뼈, 인대 등으로 구성된 근골격계일 수 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇이, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 근육의 운동을 보조하는 보조모드와 근육의 운동을 유도하는 운동모드로 동작하는 경우, 보조모드에서 제공되는 보조력과 운동모드에서 제공되는 저항력은 사용자의 신체 부분에 인가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇이, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따라 보행을 보조하는 보조모드와 하체운동을 유도하는 운동모드로 동작하는 경우, 보조모드에서 제공되는 보조력과 운동모드에서 제공되는 저항력은 사용자의 하체 부분에 인가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇이, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 허리근육에 보조력을 제공하는 보조모드와 허리운동을 유도하는 운동모드로 동작하는 경우, 보조모드에서 제공되는 보조력과 운동모드에서 제공되는 저항력은 사용자의 허리 부분에 인가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇이, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 상체(예: 어깨, 등, 가슴, 배)나 팔에 보조력을 제공하는 보조모드와 상체운동이나 팔운동을 유도하는 운동모드로 동작하는 경우, 보조모드에서 제공되는 보조력과 운동모드에서 제공되는 저항력은 사용자의 상체 부분에 인가될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 있어서 보조모드에서 사용자에 제공되는 보조력과, 운동모드에서 사용자에 제공되는 저항력은 웨어러블 로봇의 구조 및 동작방식에 따라 신체의 다양한 위치에 제공될 수 있으나, 아래에서는 설명과 이해의 편의를 위하여, 우선 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 일반적인 신체부위에 장착하여, 동작을 보조하는 보조모드와 운동을 유도하는 운동모드로 동작하는 경우로 상정하여 설명한 다음에, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 허리 또는 대퇴부 등에 장착하여, 보행을 보조하는 보조모드와 하체운동을 유도하는 운동모드로 동작하는 경우로 상정하여 설명하기로 한다.
다만, 이는 설명과 이해의 편의를 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 권리범위는 허리 또는 대퇴부 등에 착용하는 형태로 제한되지 않으며, 상기한 바와 같이 상체, 팔을 포함하여 몸의 다른 근골격계에도 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 전체 구조
상기 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇은 제1고정부(110), 제2고정부(120), 구동부(130) 및 연결부재(140)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 제1고정부(110)와 제2고정부(120)는 신체부위에 착용될 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 웨어러블 로봇을 착용한 사용자의 전면 방향을 x축 방향으로 정의하고, 웨어러블 로봇을 착용한 사용자의 양 측면 방향을 y축 방향으로 정의하며, 수직방향은 z축 방향으로 정의한다.
본 발명의 일 실시형태에서 상기 제1고정부(110)는 사용자의 기준 신체부위에 장착될 수 있고, 상기 제2고정부(120)는 사용자의 목적 신체부위에 장착될 수 있으며, 상기 제1고정부(110) 측에 마련된 구동부(130)와 상기 제2고정부(120)를 연결하는 연결부재(140)가 구동부(130)의 구동에 의해 y축을 중심으로 회동하면서 관절을 중심으로 하는 신체부위의 움직임에 보조력을 제공할 수 있다.
상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)는 신체 부위에 각각 장착되는 것으로, 신체 부위를 감쌀 수 있는 밴드(band)나 벨트(belt)와 같은 형태로 이루어질 수 있으며, 양단부에는 상호 고정될 수 있는 후크 앤드 루프 패스너 등의 고정수단이 마련될 수 있다.
상기 구동부(130)는 상기 제1고정부(110)에 마련되고, y축을 중심으로 하는 회전토크를 제공하기 위한 모터 또는 액추에이터 등으로 구성될 수 있으며, 토크를 상승시키기 위한 감속기 등을 포함할 수 있다.
구동부(130)는 보조력을 위한 동력을 발생시키는 구동기(131)를 포함하고 시준 신체부위 전방 또는 후방에 장착될 수 있다.
구동부(130)에는 구동기(131)에 전원을 공급하는 배터리(136)가 함께 장착될 수 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리(136)를 포함하고, 제어 기판(137)이 구동부(130)와 별도로 형성되어 신체의 다른 부위에 장착될 수도 있다.
제1고정부(110)는 통상적인 벨트(또는 스크랩) 및 버클(또는 벨크로) 등으로 구성되어 구동부(130)를 장착시키고 기준 신체부위를 감아 구동부(130)를 착용자의 기준 신체부위 전방(도 20 참조) 또는 기준 신체부위 후방(도 5 참조)에 장착시킬 수 있다. 이때, 착용자의 기준 신체부위 사이즈에 맞게 제1고정부(110)의 둘레 길이를 조절할 수 있다.
구동부(130)를 기준 신체부위 후방에 장착시키는 경우, 연결부재(140)는 목적 신체부위의 후방(도 5 참조) 또는 전방(도 12 참조)에 위치할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 12에서와 같이, 연결부재(140)가 목적 신체부위의 전방에 위치하는 경우, 도 13 및 도 14에서와 같이 연결부재(140)는 구동부(130)와 결합하는 부분이 연장된 상태로 구동부(130)와 결합할 수 있다.
연결부재(140)는 장치 구동부(130)의 양측에 회동 가능하게 결합되어 각각은 양측 목적 신체부위를 따라서 연장되어 목적 신체부위에 장착될 수 있다.
이때, 연결부재(140)는 장치 구동부(130)의 장착 위치에 따라서 목적 신체부위의 전방 또는 후방에 배치될 수 있다.
연결부재(140)는 구동부(130)의 구동기(131) 동작에 의해 회동축을 중심으로 전후 방향으로 회동하여 목적 신체부위에 보조력을 전달할 수 있다.
연결부재(140)는 긴 막대 형상으로 형성될 수 있고, 목적 신체부위와 접촉하는 내측면은 목적 신체부위에 밀착할 수 있도록 목적 신체부위와 접촉하는 모양에 따라 곡면으로 형성될 수 있다.
또는, 도시된 실시예와 같이 연결부재(140)는 구동부(130)에 회동 가능하게 결합되어 사각 또는 원형 단면으로 길게 연장되는 연장 프레임(145) 및 연장 프레임(145) 하단부에 고정되어 목적 신체부위와 비교적 넓은 접촉 면적을 가지고 목적 신체부위와 접촉하는 모양에 따라 내측면이 곡면으로 형성되고 연결부재(140)를 목적 신체부위에 고정시키는 제2고정부(120)가 연결되는 고정 프레임(146)을 포함하여 구성될 수 있다.
제2고정부(120)는 연결부재(140)의 하단부에 연결되어 연결부재(140)의 하단부를 목적 신체부위에 고정시킬 수 있다.
제2고정부(120)는 제1고정부(110)와 마찬가지로 벨트(또는 스트랩) 및 버클(또는 벨크로) 등으로 구성될 수 있다.
도면에서는 연결부재(140)의 하단부에 제2고정부(120)가 형성되어 있으나 다른 위치에 형성되거나 연결부재(140) 하단부 외 다른 위치에 추가로 형성될 수도 있다.
또한, 착용자의 목적 신체부위의 움직임 또는 자세를 감지하는 움직임 감지 센서(147)를 포함할 수 있다.
제어 기판(137)은 감지 센서의 신호를 수신하여 착용자의 움직임을 예측하고, 이에 따라 구동부(130)의 구동기(131)를 제어하여 연결부재(140)를 구동시켜 목적 신체부위의 움직임을 보조할 수 있다.
상기 움직임 감지 센서(147)는 관성 센서, 각도 센서, 또는 리밋 센서 등이 될 수 있다. 상기 움직임 감지 센서(147)는 본체 하우징(134) 내에 장착되어 착용자의 기준 신체부위의 각도를 센싱할 수 있다.
또한, 움직임 감지 센서(147)는 단측 또는 양측의 회전 조인트부(170a, 170b)에 장착되어 착용자의 목적 신체부위의 전후방향 각도를 측정할 수 있다.
또는, 한 측의 목적 신체부위의 각도만 센싱한 후, 양측 목적 신체부위의 상대적인 각도를 통하여 타측 목적 신체부위의 각도를 계산할 수 있다.
또한, 움직임 감지 센서(147)는 연결부재(140)에 장착되어 착용자의 목적 신체부위의 전후방향과 좌우 회동방향의 각도를 센싱할 수 있다.
센싱된 좌우 회동방향의 각도는 착용자의 균형에 대한 정보를 계산할 때 사용될 수 있다.
또한, 상기 움직임 감지 센서(147)는 모터의 회전량과 방향을 측정할 수 있는 엔코더, 리졸버, 홀 센서 등이 될 수 있다.
상기 움직임 감지 센서(147)는 모터 축의 회전을 감지하여 회전 변량을 측할 수 있다.
또한, 가속도나 각속도를 측정할 수 있는 센서를 제2고정부(120)에 배치시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 구동기(131)를 포함하는 구동부(130)가 기준 신체부위의 전방 또는 후방에 배치되고 동작 중 목적 신체부위가 움직이는 전후 방향에 연결부재(140)가 위치하므로 연결부재(140)가 연결부재(140)의 보조력을 목적 신체부위에 효과적으로 전달시킬 수가 있다.
따라서, 기존의 구조에 비하여 효과적으로 보조력을 전달시킬 수 있으므로 비교적 작은 파워를 가지는 구동기(131)를 사용할 수 있고, 나아가 후술하는 바와 같이 단일의 구동기(131)를 이용하여 양측의 목적 신체부위에 보조력을 전달시킬 수도 있어서 장치 무게를 줄일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 연결부재(140)는 일단부가 상기 구동부(130)에 연결되고 타단부가 상기 제2고정부(120)에 연결된 상태로 구동부(130)에 의해 회동하면서 상기 구동부(130)로부터 제공되는 구동력을 제2고정부(120)로 전달하며, 상기 관절부의 운동 크기에 따라 변경되는 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절되도록 구성된다.
구체적인 실시형태에 따르면, 좌우 양측의 연결부재(140) 각각은 회전조인트부(170a, 170b)를 구비하고, 회전조인트부(170a, 170b)는 구동부(130)의 좌우 양단에 연결된다.
이로써, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 연결부재(140)에 직접 전달될 수 있다.
이러한 구동력은 연결부재(140)를 통해 제2고정부(120)에 전달될 수 있다.
도 16을 참조하면, 이러한 연결부재(140)는 제1부재(141), 제2부재(142), 제3부재(143) 및 탄성부재(144)를 포함할 수 있다.
제1부재(141)는, 그 일단부가 상기 구동부(130)에 연결된다.
제2부재(142)는, 상기 제1부재(141)의 길이방향을 따라 이동 가능하다.
제2부재(142)는 제1부재(141)와 중첩될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제2부재(142)는 제1부재(141) 내부에 삽입될 수 있다.
제2부재(142)는 그 전체가 제1부재(141) 내부에 삽입될 수 있다.
제3부재(143)는 돌출부(143b)를 포함할 수 있다.
또한, 제3부재(143)는, 그 일단부가 상기 제2부재(142)의 길이방향을 따라 이동 가능하고 그 타단부가 상기 제2고정부(120)에 고정된다.
탄성부재(144)는, 그 양단부가 상기 제1부재(141)와 제2부재(142)에 각각 고정되고 상기 제1부재(141)와 상기 제2부재(142)가 중첩되는 방향으로 탄성력을 제공한다.
또한, 도 27에 도시된 바와 같이, 상기 제3부재(143)의 이동에 연동하여 제2부재(142)를 이동시키는 연동부(150)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 제3부재(143)는 제2부재(142)의 내측으로 삽입되고 제2부재(142) 내부에서 길이방향을 따라 이동할 수 있도록 구성되며, 일면에는 제2고정부(120)와의 연결을 위한 커넥터가 형성될 수 있다.
상기 제2부재(142)는 상기 제3부재(143)가 삽입될 수 있는 통로가 형성된 관형의 길이부재로 이루어지고, 일면에는 상기 커넥터의 이동을 위한 제2슬릿(142c)이 길이방향을 따라 형성된다.
상기 제2부재(142)의 양단 개구는 제2-1엔드캡(142a)과 제2-2엔드캡(142b)에 의해 각각 마감될 수 있으며, 이에 따라 상기 제2슬릿(142c)의 양단부는 폐쇄된 형태로 제공된다.
제2부재(142)는 그 전체가 제1부재(141) 내에 삽입될 수 있다. 또한 제3부재(143)는 그 전체가 제2부재(142) 내에 삽입될 수 있다.
이로서, 수축 상태의 길이의 최소화가 가능하다.
또한, 운반과 휴대성이 우수하다.
또한, 완전히 겹치기 때문에 강성이 보강된다.
상기 제1부재(141)는 제2부재(142)가 삽입될 수 있는 통로가 형성된 관형의 길이부재로 이루어지고, 일면에는 상기 제2부재(142)가 내측으로 삽입된 상태에서 상기 제2부재(142)의 제2슬릿(142c)과 연통할 수 있는 제1슬릿(141c)이 길이방향을 따라 형성된다.
상기 제1부재(141)의 양단 개구는 제1-1엔드캡(141a)과 제1-2엔드캡(141b)에 의해 각각 마감될 수 있으며, 상기 제2부재(142)가 삽입되는 단부에 결합되는 제1-2엔드캡(141b)에는 상기 제1슬릿(141c)과 연통하는 개구부가 형성됨에 따라 상기 제1슬릿(141c)의 일측 단부가 개방된 형태로 제공된다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서는 상기 제1부재(141)가 관형의 길이부재로 이루어지는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 하우징의 형태로 이루어지는 것도 가능하며, 이 경우 하우징의 내측 또는 외측에는 상기 제2부재(142)의 이동을 안내하는 통로가 형성되고, 하우징의 일면에는 상기 제2슬릿(142c)과 연통하는 제1슬릿(141c)이 형성될 수 있을 것이다.
한편, 상기 연결부재(140)의 양단부는 상기 구동부(130) 및 제2고정부(120)에 각각 회동 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.
예컨대, 상기 제1부재(141)는 제1힌지축을 통해 상기 구동부(130)에 좌우로 회동 가능하게 연결되고, 상기 제3부재(143) 역시 제2힌지축을 통해 상기 제2고정부(120)에 좌우로 회동 가능하게 연결될 수 있다.
또한, 좌우 양측의 연결부재(140) 각각은 회전조인트부(170a, 170b)를 구비하고, 회전조인트부(170a, 170b)는 구동부(130)의 좌우 양단에 연결된다.
이로써, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 연결부재(140)에 직접 전달될 수 있다.
한편, 상기 연결부재(140)는 제1길이조절부와 제2길이조절부를 포함할 수 있다.
상기 제1길이조절부는 제2부재(142)가 제1부재(141)를 따라 이동함으로써 구현된다.
상기 제2길이조절부는 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 이동함으로써 구현된다.
관절부의 가동범위 중에서 소정의 범위(이를 제1영역이라 한다)에서는 상기 제1길이조절부에 의해서 길이가 조절되고, 상기 소정의 범위 이외의 범위(이를 제2영역이라 한다)에서는 상기 제2길이조절부에 의해서 길이가 조절될 수 있다.
상기 가동범위는 에를 들어, 본체부 수직축을 기준으로 전방 소정 각도 내지 후방 소정 각도의 범위일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1영역은 사용자의 작은 범위의 동작시에 길이조절이 필요한 영역일 수 있다.
상기 제2영역은 큰 범위의 동작에 따른 넓은 범위의 길이조절이 필요한 영역일 수 있다.
다른 실시형태에 의하면, 상기 제1길이조절부와 제2길이조절부는 순차적으로 동작할 수 있다.
또 다른 실시형태에 의하면, 상기 제1길이조절부와 제2길이조절부는 병행하여 동작할 수 있다.
상기 제2부재(142)의 이동 과정에서 작용하는 제1부재(141)에 대한 마찰력은 상기 제3부재(143)의 이동 과정에서 작용하는 제2부재(142)에 대한 마찰력에 비해 상대적으로 작게 설정될 수 있다.
이에 따라, 상기 연결부재(140)는 관절부의 동작에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화하는 과정에서 상기 제1길이조절부와 제2길이조절부가 순차적으로 작동할 수 있다.
예를 들어, 사용자가 작은 범위의 동작시에는 제1길이조절부에 의해 길이가 조절되고, 사용자가 동작 도중에 큰 범위의 동작을 하는 경우에는 제2길이조절부에 의해 길이가 조절됨으로써, 순차적으로 작동할 수 있다.
이에 따르면, 동작 시에는 마찰이 작은 제2부재(142)와 제1부재(141)간의 이동으로 착용자의 저항감을 최소화할 수 있다.
반면에, 관절의 가동각이 크거나 빈도수가 낮은 동작 등에서는 상기 제3부재(143)가 제2부재에서 이동하게 된다.
따라서, 상기 제1길이조절부와 제2길이조절부가 순차적으로 작동함으로써 넓은 범위의 길이조절이 가능하며 착용자의 저항감을 최소화할 수 있다.
한편, 제1길이조절부와 제2길이조절부가 반드시 순차적으로 작동해야 하는 것은 아니며, 일정시간은 양자의 작동이 겹치는 기간이 있을 수 있다.
이러한 실시형태도 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 제1길이조절부와 제2길이조절부가 전반적으로 병행하여 작동하는 태양도 가능하며, 이러한 실시형태도 본 발명의 범위에 포함된다.
즉, 제1길이조절부가 먼저 작동하는 것이 일반적일 것이지만, 신체구조는 사람마다 다를 뿐만 아니라, 연결부재를 구성하는 각 부재에 가해지는 힘의 크기, 방향 등을 고려하면, 제1길이조절부와 제2길이조절부는 유기적으로 작동할 수 있다.
이와 같이 제1길이조절부와 제2길이조절부가 병행하여 작동하는 경우로써, 상기 제2부재(142)와 제1부재(141)간의 마찰력이 웨어러블 로봇 착용 및 작동시의 비틀림으로 인해 증가할 때, 제3부재가 제2부재에서 병행하여 이동함으로써 착용자의 저항감을 줄여줄 수도 있다.
상기 연동부(150)는 제1케이블(151), 제2케이블(152)을 포함할 수 있다.
제1케이블(151)은 일단부가 상기 제1부재(141)의 제1 단부에 고정되고 타단부가 상기 제2부재(142)의 제2 단부를 경유하여 제3부재(143)에 고정될 수 있다.
제2 케이블(152)은 일단부가 상기 제1부재(141)의 제2 단부에 고정되고 타단부가 상기 제2부재(142)의 제1 단부를 경유하여 제3부재(143)에 고정될 수 있다.
제1 단부란 제1부재(141)와 제2부재(142)가 중첩되는 경우 중첩되는 방향에 대하여 제1 부재 또는 제2 부재의 끝부분을 말하며, 제2 단부란 상기 중첩되는 방향과 반대 방향에 대하여 제1 부재 또는 제2 부재의 끝부분을 말한다.
상기 제1케이블(151)은 제3부재(143)가 수축 방향으로 이동하는 과정에서 제3부재(143)의 이동과 연동하여 제2부재(142)를 수축 방향으로 함께 이동시키는 역할을 하고, 상기 제2케이블(152)은 제3부재(143)가 확장 방향으로 이동하는 과정에서 제3부재(143)의 이동과 연동하여 제2부재(142)를 확장 방향으로 함께 이동시키는 역할을 하며, 상기 제1케이블(151)과 제2케이블(152)에 의한 제2부재(142)의 이동거리는 제3부재(143)의 이동거리의 1/2로 설정될 수 있다.
또한, 상기 제2단위부재(142)의 확장측 단부에 결합된 제2-2엔드캡(142b)에는 상기 제1케이블(151)을 지지하기 위한 제2도르래(142f)가 배치되고, 상기 제2부재(142)의 수축측 단부에 결합된 제2-1엔드캡(142a)에는 상기 제2케이블(152)을 지지하기 위한 제3도르래(142g)가 배치될 수 있다.
상기 탄성부재(144)는 일단부가 상기 제1부재(141)의 제1-1엔드캡(141a)에 고정되고 타단부가 상기 제2부재(142)의 제2-2엔드캡(142b)에 고정되며, 상기 제2부재(142)가 외력에 의해 제1부재(141)에 대하여 확장하는 방향으로 이동하는 과정에서 탄성 변형하고, 상기 제2부재(142)에 가해지는 외력이 해제되면 탄성 복원하면서 상기 제2부재(142)를 수축 방향으로 이동시키기 위한 탄성력을 제공한다.
이러한 탄성부재(144)는 인장스프링이나 탄성줄 등과 같은 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서 상기 탄성부재(144)는 제1부재(141)와 제2부재(142)를 연결하여 제2부재(142)를 수축 방향으로 탄성지지하는 것으로 예를 들어 설명하였으나 이에 제한하는 것은 아니며, 상기 제1부재(141)와 제3부재(143)를 연결하여 제3부재(143)를 수축 방향으로 탄성지지하는 경우에도, 연동부(150)를 통해 제3부재(143)와 연결된 제2부재(142)가 자중에 의해 확장 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있을 것이다.
예컨대, 상기 제2부재(142)의 상기 제1부재(141)의 통로로 삽입되는 단부에 결합되는 제2-1엔드캡(142a)에는 제1부재(141)의 상측 내벽면과 하측 내벽면에 각각 접촉하는 복수의 롤러(142d)가 마련될 수 있고, 상기 제3부재(143)의 외측면에는 상기 롤러(142d)에 비해 상대적으로 큰 마찰력을 가지고 상기 제2부재(142)와의 접촉면에서 미끄럼운동하는 슬라이딩패드(143a)가 배치될 수 있다.
한편, 상기 슬라이딩패드(143a)는 제2부재(142)의 통로 내에 삽입되는 제3부재(143)의 외측면을 감싸는 형태로 제공될 수 있으며, 교환 등의 유지보수를 위해 제3부재(143)에 탈착 가능한 형태로 조립될 수 있다.
즉, 작은 범위(제1영역)의 동작이 이루어지는 경우, 제3부재(143)에 비해 상대적으로 마찰력이 작은 제2부재(142)가 제1부재(141)를 따라 이동하여 연결부재(140)의 길이가 조절된다.
또한, 큰 범위(제2영역)의 동작이 이루어지는 경우, 제1영역 내에 속하는 동작 범위 내에서는 제2부재(142)가 제1부재(141)를 따라 이동하여 연결부재(140)의 길이가 조절되고, 이후 제1영역을 초과하는 제2영역의 동작 범위에서는 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 이동하여 연결부재(140)의 길이가 조절된다.
이와 같이 연결부재(140)를 다단으로 구성하는 경우 수축상태에서의 전체 길이를 짧게 하는 것이 가능하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있다.
또한, 연결부재(140)에 마련된 제2부재(142)와 제3부재(143)이 동시에 동작하지 않고 순차적으로 동작하도록 구성함에 따라 동작과정에서 발생하는 마찰력을 분산시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서는 상기 제2부재(142)와 제3부재(143)가 각각 직선 왕복 운동하는 것에 의해 연결부재(140)의 길이가 조절되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 상기 연결부재(140)가 서로 회동 가능하게 결합되는 복수의 부재로 구성되어 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 따라 복수의 부재의 회동 각도가 조절되면서 연결부재(140)의 양단부 사이 길이가 조절되도록 구성하는 것도 가능할 것이다.
도 34에 도시된 바와 같이, 상기 제1고정부가 기준 신체부위의 착용부(110)의 형태로 구현되는 경우, 기준 신체부위의 착용부(110)는 벨트(113)와 착용 프레임(116)을 포함할 수 있다.
벨트(113)의 양단은 착용 프레임(116)의 양단과 결합할 수 있다. 벨트(113)는, 착용자의 기준 신체부위의 크기에 따라 그 길이가 조절될 수 있다.
도 35에 도시된 바와 같이, 상기 착용 프레임(116)은 하단 기구부(117a)와 상단 기구부(117b) 및 탈착 버튼(118)을 포함할 수 있다.
한편, 후술하는 구동부(130)의 본체 하우징(134)의 일면에는 하단 후크(134a)와 상단 후크(134b)가 포함될 수 있다.
상기 하단 기구부(117a)는 상기 하단 후크(134a)와 결합할 수 있다.
상기 상단 기구부(117b)는 상기 상단 후크(134b)와 결합할 수 있다.
그에 따라 기준 신체부위의 착용부(110)와 구동부(130)는 결합할 수 있다.
도 37에 도시된 바와 같이, 탈착 버튼(118)을 누르면, 상기 상단 기구부(117b)와 상기 상단 후크(134b)는 분리될 수 있다.
이에 따라 상기 하단 기구부(117a)와 상기 하단 후크(134a)는 쉽게 분리될 수 있어서, 구동부(130)와 기준 신체부위의 착용부(110)를 용이하게 장/탈착할 수 있다.
도 38에 도시된 바와 같이, 상기 제2고정부가 목적 신체부위의 착용부(120)의 형태로 구현되는 경우, 목적 신체부위의 착용부(120)는 스트랩부(123)와 플레이트(126)를 포함할 수 있다.
상기 스트랩부(123)는 스트랩부(123)의 일단에 결합하는 제2 버튼(129)을 포함할 수 있다. 스트랩부(123)의 양단은 플레이트(126)의 양단과 결합할 수 있다.
스트랩부(123)는, 착용자의 목적 신체부위의 크기에 따라 그 길이가 조절될 수 있다.
도 39에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트(126)는 플레이트 프레임(127)과 제1 버튼(128)을 포함할 수 있다.
상기 플레이트 프레임(127)은 개구부(127a)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제3부재(143)는 돌출부(143b)를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 플레이트(126)의 개구부(127a)가 상기 제3부재(143)의 돌출부(143b)와 결합할 수 있다.
제1 버튼(128)을 누르면, 상기 플레이트(126)와 상기 제3부재(143)는 분리될 수 있다.
제2 버튼(129)을 누르면, 상기 플레이트(126)와 상기 스트랩부(123)는 분리될 수 있다.
이와 같이, 상기 플레이트(126)와 스트랩부(123) 또는 상기 플레이트(126)와 상기 제3부재(143)는 쉽게 분리될 수 있어서, 웨어러블 로봇을 용이하게 장/탈착할 수 있다.
제1고정부(110)는 기준 신체부위에 착용될 수 있고, 제2고정부(120)는 목적 신체부위에 착용될 수 있기 때문에, 아래의 설명에서는 도면번호 110을 제1고정부 또는 기준 신체부위 착용부로 지칭할 수 있고, 도면번호 120을 제2고정부 또는 목적 신체부위 착용부로 지칭할 수 있다.
한편, 도 43 내지 도 45에 도시된 바와 같이, 기준 신체부위 착용부(110)와 목적 신체부위 착용부(120) 사이에는 착용부 탄성부재(148)가 배치될 수 있다.
이 경우, 기준 신체부위 착용부(110)의 고리(미도시) 또는 개구부(미도시)가 착용부 탄성부재(148)의 일단과 결합하고, 목적 신체부위 착용부(120)에서 플레이트 프레임(127)의 고리(미도시) 또는 개구부(미도시)가 착용부 탄성부재(148)의 타단과 결합할 수 있다.
이러한 결합은 고리나 개구부 뿐만 아니라, 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 또한, 도 43의 (b)에 도시된 바와 같이 착용부 탄성부재(148)의 일단은 회전 조인트부(170)와 결합하고 타단은 목적 신체부위 착용부(120)와 결합할 수 있다.
상기와 같은 결합상태에서 착용부 탄성부재(148)는 길이 조절이 가능하다. 한편, 착용부 탄성부재(148)에 생기는 장력으로 인해, 착용부 탄성부재(148)는 연결부재(140)에서 탄성부재(144)의 기능을 대신할 수 있다.
이에 따라, 연결부재(140)내의 탄성부재(144)가 생략된 채로 웨어러블 로봇의 구현이 가능하다.
착용부 탄성부재(148)가 포함된 웨어러블 로봇을 착용하는 경우, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 기준 신체부위 착용부(110)와 목적 신체부위 착용부(120)를 착용하고 착용부 탄성부재(148)의 길이를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110)를 결합하고 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120)를 결합하는 단계를 포함한다.
착용부 탄성부재(148)가 기준 신체부위 착용부(110)와 목적 신체부위 착용부(120)사이를 연결하는 경우, 목적 신체부위 착용부(120)의 흘러내림을 방지할 수 있다. 또한, 착용자의 체형에 맞추어 착용부 탄성부재(148)의 길이가 조절되면 착용부 탄성부재(148)의 장력을 최소화 할 수 있다.
이에 따라 기준 신체부위 착용부(110)를 목적 신체부위 착용부(120)가 당기는 힘을 최소화하여 착용자가 느끼는 무게감을 최소화할 수 있다.
또한, 연결부재(140)내에서 탄성부재(144)의 탄성력을 최소화 할 수 있다.
또한, 연결부재(140)에서 탄성부재(144) 구성을 생략하여 연결부재(140)의 구조를 단순화 시킬 수 있다.
구동부의 실시형태
본 발명의 제1실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 상세구성에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 구동부의 분리 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연결부재(140)의 슬라이딩 동작을 설명하는 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연결부재(140)의 링크 동작을 설명하는 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연결부재(140)의 좌우 방향 힌지 움직임을 설명하는 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 동작을 설명하는 도면이고, 도 11은 착용자의 동작 및 자세에 따른 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 동작을 설명하는 도면이다.
구동부(130)는 단일의 구동기(131), 구동기 프레임(133) 및 본체 하우징(134)을 포함하여 구성될 수 있다.
목적 신체부위가 허벅지인 경우에, 왼쪽 허벅지와 오른쪽 허벅지를 연동하여 구동할 수 있다.
이 경우 목적 신체부위에서 보조력 또는 저항력이 전달되는 대상은 두 개의 지점이 될 수 있으며, 그 중 하나를 일측 목적 신체부위, 다른 하나를 타측 목적 신체부위라 칭하기로 한다.
여기서 허벅지는 구동부의 실시형태를 구체적으로 설명하기 위한 목적 신체부위의 예시일 뿐이며, 목적 신체부위는 허벅지에 한정되지 않고, 인체의 다양한 신체부위에 해당할 수 있다.
구동기(131)는 회전 방향을 바꿀 수 있는 회전 모터로 구성될 수 있다.
회전 모터의 모터축(132)에는 일측 목적 신체부위에 장착되는 연결부재(140a)가 연결되어 연결부재(140a)는 회전 모터의 동력에 의해 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로 회동할 수가 있다.
구동기 프레임(133)은 긴 원통형으로 구동기(131)를 내부에 수용하고 수평의 축 방향으로 회전한다.
후술하는 바와 같이 구동기 프레임(133)은 회전 모터와 같은 별도의 구동기(131)를 통해 회전하지 않는다.
한편, 구동기 프레임(133)이 별도로 구비되지 않고, 구동기 프레임(133)과 구동기(131)가 일체가 되어 구동기(131) 자체를 구성할 수도 있다.
본체 하우징(134)은 구동기 프레임(133)을 내부에 수용한다.
본 발명의 일 실시형태에서 본체 하우징(134)은 구동기 프레임(133)을 내부에 수용하도록 원통형 홀(135)이 수평 방향으로 형성되는 영역 및 배터리(136)와 제어 기판(137)이 장착되는 영역이 구분 형성될 수 있다.
본체 하우징(134)에 형성된 원통형 홀(135) 내에서 구동기 프레임(133)이 축 방향으로 회전하도록 구동기 프레임(133) 외측과 원통형 홀(135) 사이에는 베어링(138)이 장착될 수 있다.
구동기 프레임(133) 내부에 위치하는 구동기(131)는 구동기 프레임(133) 내부에 고정될 수 있다. 따라서, 구동기 프레임(133)이 회전할 때 구동기(131)도 함께 회전할 수 있다.
구동기 프레임(133)의 타단에는 타측 목적 신체부위에 장착되는 연결부재(140b)가 연결되어 구동기 프레임(133)이 회전할 때 상기 연결부재(140b)가 함께 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로 회동할 수 있다.
도시되어 있는 것과 같이 구동기 프레임(133)의 타단에는 회전 조인트부(170b)가 결합될 수 있고, 회전 조인트부(170b)에 연결부재(140b)가 고정될 수 있다. 또한, 회전 모터의 모터축(132)에도 회전 조인트부(170a)가 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 모터축(132) 단부에 별도로 부쉬(139)가 결합되고, 부쉬(139)에 회전 조인트부(170a)가 결합된다.
모터축(132)의 외측면과 본체 하우징(134)의 원통형 홀(135) 사이 또는 부쉬(139)의 외측면과 본체 하우징(134)의 원통형 홀(135) 사이에는 베어링(138b)이 별도 장착될 수도 있다.
좌우 양측의 회전 조인트부(170)의 하단부에는 연결부재(140)가 전후 방향 회전축을 중심으로 좌우 방향으로 회동 가능하도록 힌지 결합될 수 있다.
회전 조인트부(170) 상단부 일측은 구동기 프레임(133) 타단 또는 부쉬(139)와 결합될 수 있고, 회전 조인트부(170) 하단부는 양측이 판상으로 연장된 형태(측면에서 보았을 때 'U'자 형태)로 형성되어 양측 판 사이에 연결부재(140) 상단부가 전후 방향 회전축을 중심으로 좌우 방향으로 회동 가능하게 힌지 결합될 수 있다.
따라서, 도 9에 도시되어 있는 것과 같이 연결부재(140)의 상단부를 축으로 양측의 판 사이에서 연결부재(140)는 좌우 방향으로 회동이 가능하다.
따라서, 연결부재(140)는 힌지 결합에 의해 좌우 방향으로 회동할 수 있고, 회전 조인트부(170)의 회전에 의해 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로도 회동할 수가 있다.
또한, 연결부재(140)는 길이가 가변될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서 구동부(130)는 기준 신체부위에 장착된다.
따라서, 의자에 앉거나 허리를 굽히는 경우, 팔을 들어올리는 경우 등과 같이 착용자의 다양한 자세 또는 움직임에 따라서 구동부(130) 양측과 연결부재(140) 하단 사이의 직선 거리가 바뀔 수 있다.
이때, 연결부재(140)의 길이가 고정되면 연결부재(140)가 착용자의 움직임을 제한(방해)할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시형태에서는 착용자의 자세 또는 움직임 따라서 순응하여 연결부재(140)의 길이가 가변되도록 하여 연결부재(140)가 착용자의 움직임을 제한하는 것을 방지할 수가 있다.
도 7에 도시되어 있는 것과 같이 연결부재(140)는 중첩되어 슬라이딩 이동을 하는 복수의 프레임으로 형성될 수 있다.
따라서, 착용자의 자세 또는 움직임에 따라서 순응하여 연결부재(140)의 양단 길이가 가변될 수 있다.
또는, 도 8에 도시되어 있는 것과 같이 연결부재(140)는 복수의 링크로 형성되어 착용자의 움직임에 따라서 순응하여 절곡되거나 펴지도록 구성될 수 있다.
이때 링크는 전후 방향으로 절곡되거나 좌우 방향으로 절곡되도록 링크 결합될 수 있다. 따라서, 착용자의 자세 또는 움직임에 따라서 순응하여 링크의 절곡양이 달라지기 때문에 연결부재(140)가 착용자의 움직임을 제한하는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 착용형 로봇은 타측 목적 신체부위를 기준으로 일측 목적 신체부위를 보조하는 방식으로 보조력을 지지 및 발생시킨다.
즉, 타측 목적 신체부위의 연결부재(14b)는 구동기 프레임(133)과 연결되며, 일측 목적 신체부위의 연결부재(140a)는 구동기(131)의 회전력을 직접 받을 수 있도록, 예를 들면 구동기(131)의 모터축에 연결되어 구동기(131)의 출력으로 직접 회전할 수 있다.
따라서, 구동기(131)가 동력을 발생시키면 타측 목적 신체부위를 기준으로 일측 목적 신체부위의 연결부재(140a)는 일측 목적 신체부위를 전방으로 벌리거나 후방으로 당기는 방향으로 동작하게 된다.
따라서, 도 10에 도시되어 있는 것과 같이 구동기(131)에서 발생하는 출력은 일측 목적 신체부위의 연결부재(140a)를 통해 일측 목적 신체부위에 전달하게 되고, 타측 목적 신체부위에는 구동기(131) 회전력(출력)에 대한 반작용력이 보조력으로 전달될 수 있다.
즉, 단일 구동기(131)를 이용하여 양측 목적 신체부위를 서로 반대 방향의 회전력으로 동시에 보조력을 전달시킬 수 있다.
이때, 일측 목적 신체부위의 연결부재(140a)에 작용하는 구동기(131)의 회전출력과 구동기(131) 회전력에 대하여 타측 목적 신체부위의 연결부재(140b)에 작용하는 회전반작용력이 구동기 프레임(133)에서 서로 상쇄되어 보조력에 대한 반작용력만 착용자에게 전달될 수 있다.
따라서, 구동부(130)에는 작은힘만 전달되어 착용자가 느끼는 반발력이 작아 구조적으로 착용감이 개선될 수 있다.
또한, 도 11에 도시되어 있는 것과 같이 구동기 프레임(133)은 본체 하우징(134)의 원통형 홀(135) 내에서 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로 회동할 수 있다.
이때, 구동기 프레임(133) 내부에 고정되는 구동기(131)도 구동기 프레임(133)과 함께 회전할 수 있다.
따라서, 착용자의 다양한 자세 및 움직임에 대하여 기준 신체부위에 위치가 고정되는 본체 하우징(134)을 기준으로 구동기 프레임(133)의 회전 방향 기준 위치가 순응하여 바뀔 수 있으므로 착용자의 착용감이 향상될 수 있다.
예를 들어, 사용자의 자세에 따라 연결부재(140a) 및 연결부재(140b)가 지평면과 이루는 각도에 있어서, 도 11의 (a),도 11의 (b), 도 11의 (c)에 도시된 바와 같이 서로 다른 경우에도, 기준 신체부위에 위치가 장착되는 본체 하우징(134)에 대한 구동기 프레임(133)의 동작 기준 각도를 자세에 따라 순응하여 바뀔 수가 있다.
또한, 전술한 바와 같이 연결부재(140)는 힌지 결합되어 좌우로도 회전 가능하고 연결부재(140)의 길이가 가변적으로 형성되거나 링크 구조로 형성되어, 착용자의 다양한 자세에 대하여 연결부재(140)가 움직임을 제한하는 것이 아니라 순응하여 움직이도록 하여 착용형 로봇의 보조력 전달 효율 및 착용감을 개선시킬 수 있다.
전술한 실시예에서는 단일 구동기(131)에 의해 일측 목적 신체부위에 고정되는 연결부재(140a)에 보조력을 직접 전달하고 타측 목적 신체부위에 고정되는 연결부재(140b)에는 지지되는 목적 신체부위에 의한 반작용력으로 보조력을 전달하는 구조이나, 도시되어 있지 않지만 두 개의 구동기를 구비하고 각 구동기가 양측의 연결부재(140)을 각각 회전시키도록 구성될 수도 있다.
이때, 구동부(130)는 착용자의 기준 신체부위에 고정되고 연결부재(140)는 목적 신체부위의 전방 또는 후방에 배치되므로 보조력의 힘전달 효율이 좋아서, 상대적으로 적은 파워의 구동기를 사용할 수가 있다.
연결부재의 실시형태
이하에서는 상술한 웨어러블 로봇의 제2실시형태에 따른 작동 방식에 대하여 설명한다. 첨부도면 중 도 19 내지 도 24는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 제1고정부(110)는 기준 신체부위에 장착되고, 제2고정부(120)는 목적 신체부위에 장착될 수 있으며, 연결부재(140)는 사용자의 앞 부분에 배치된 상태에서 상기 제1고정부(110) 측에 고정된 구동부(130)와 제2고정부(120)를 연결할 수 있다.
이러한 배치구조에서 상기 연결부재(140)는 구동부(130)에 의해 y축을 중심으로 회동하면서 목적 신체부위에 장착된 제2고정부(120)를 들어올리거나 내리는 방향으로 보조력을 제공할 수 있으므로 보조력의 제공으로 인한 관절부 회전중심의 내전, 외전 또는 비틀림 등을 예방할 수 있으며, 목적 신체부위가 보조력에 의해 들어올려진 상태에서 좌우로 움직이는 경우에도 연결부재(140)가 이에 순응하여 좌우로 회동할 수 있으므로 관절부의 가동범위를 제한하지 않을 수 있다.
또한, 상기 연결부재(140)는 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절될 수 있도록 구성되는데, 상기 연결부재(140)가 다단으로 신축되도록 구성됨에 따라 각 부재가 중첩된 상태의 길이를 최소화 하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있다.
따라서, 관절부의 운동범위가 작은 동작으로부터, 관절부의 운동범위가 큰 동작에 이르기까지 보조력을 전달할 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이 연결부재(140)의 제1부재(141)는 일단부가 제1고정부(110)에 마련된 구동부(130)에 고정되고, 제2부재(142)는 제1부재(141)에 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 연결된다.
제2고정부(120)에 고정된 제3부재(143)는 제2부재(142)에 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 연결된다. 탄성부재(144)는 양단부가 제2부재(142)와 제1부재(141)에 고정되고, 제2부재(142)에게 상기 제1부재(141)와 상기 제2부재(142)가 중첩되는 방향으로 탄성력을 제공한다.
여기서, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 제1부재(141)에 직접 전달될 수 있다.
이러한 구동력은 제1부재(141)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제2부재(142)와 이어서 제2부재(142)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제3부재(143)을 통해, 제3부재(143)에 연결된 제2고정부(120)에 전달될 수 있다.
여기서, 상기 연결부재(140)의 제2부재(142)의 이동길이는 도 21 및 도 22와 같이 관절부의 작은 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격의 변화에 대응할 수 있도록 설정되고, 제3부재(143)의 이동길이는 도 23 및 도 24와 같이 관절부의 큰 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격의 변화에 대응할 수 있도록 설정된다.
도 19는 사용자가 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 착용하고 신체를 뻗은 상태를 나타낸 것으로서, 이러한 상태에서 기준 신체부위에 배치된 구동부(130)와 목적 신체부위에 고정된 제2고정부(120)의 사이 간격은 최대가 된다.
이에 따라 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이에 배치된 연결부재(140)는 도 20과 같이 제2부재(142)와 제3부재(143)가 각각 확장 방향으로 이동하게 되고, 이 과정에서 탄성부재(144)는 외력에 의해 탄력적으로 인장된 상태가 된다.
이어서, 도 21은 관절부의 작은 동작에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화된 상태를 나타낸 것으로서, 작은 범위의 동작을 하는 과정에서의 관절부의 운동범위는 가동범위의 일부인 제1영역 내에서만 제한적으로 이루어지게 되며, 연결부재(140)는 관절부의 작은 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격의 변화에 대응하여 제2부재(142)의 이동 위치가 조절될 수 있도록 설정된다.
즉, 도 22에 도시된 바와 같이 상기 연결부재(140)는 제2부재(142)가 제3부재(143)를 지지한 상태로 제1부재(141)를 따라 수축 방향으로 이동함에 따라, 관절부의 작은 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하는 길이로 조절될 수 있다.
여기서, 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격이 줄어드는 것에 대응하여 제2부재(142)와 제3부재(143)가 각각 수축 방향으로 이동할 수 있는데, 상기 제2부재(142)는 탄성부재(144)에 의해 제1부재(141)에 대하여 수축하는 방향으로 탄성 지지된 상태이므로, 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 이동하는 것에 우선하여 제2부재(142)가 제1부재(141)를 따라 이동하게 된다.
아울러, 제2부재(142)는 탄성부재(144)에 의해 수축 방향으로 탄성지지되는 상태가 되므로, 수축 방향으로 이동한 상태에서 제2부재(142)가 자중에 의해 임의로 확장 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 상기 제2부재(142)는 복수의 롤러(142d)를 통해 제1부재(141)에 대하여 구름운동 가능한 상태로 지지되고, 상기 제3부재(143)는 슬라이딩패드(143a)를 통해 제2부재(142)에 대하여 미끄럼운동 가능한 상태로 지지되는데, 상기 슬라이딩패드(143a)는 상기 롤러(142d)에 비해 상대적으로 큰 마찰력을 갖도록 설계된다.
따라서 제2부재(142)는 제3부재(143)보다 작은 마찰력으로 이동할 수 있으므로, 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 이동하는 것에 우선하여 제2부재(142)가 제3부재(143)를 지지한 상태로 제1부재(141)를 따라 이동할 수 있다.
이어서, 도 23은 관절부의 큰 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격의 변화를 나타낸 것으로서, 큰 범위의 동작을 하는 과정에서의 관절부의 운동범위는 제1영역을 초과하는 제2영역으로 확장되며, 연결부재(140)는 관절부의 큰 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격의 변화에 대응하여 제2부재(142)와 함께 제3부재(143)의 이동 위치가 조절될 수 있도록 설정된다.
즉, 상기 연결부재(140)는 도 22에 도시된 바와 같이 제2부재(142)가 제3부재(143)를 지지한 상태로 제1부재(141)를 따라 수축 방향으로 완전히 이동한 상태에서, 도 24과 같이 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 수축 방향으로 이동함에 따라, 관절부의 큰 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하는 길이로 조절될 수 있다.
이때, 상기 제3부재(143)는 제2부재(142)의 일면에 형성된 제2슬릿(142c)을 통해 일부가 외부로 노출된 상태로 이동하는데, 제1부재(141)의 일면에는 상기 제2슬릿(142c)과 연통하는 제1슬릿(141c)이 형성되어 있으므로, 상기 제2부재(142)가 제1부재(141)와 중첩된 상태에서도 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 수축 방향으로 이동할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇은 도 19 내지 도 24와 같이 구동부의 정방향 구동에 의해 연결부재가 y축을 중심으로 시계방향으로 회전하면서 대퇴부를 상측으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 연결부재(140)가 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 수축될 수 있다.
반대로, 연결부재(140)는 구동부의 역방향 구동에 의해 y축을 중심으로 반시계방향으로 회전하면서 목적 신체부위를 하측 방향으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 확장될 수 있다.
이러한 연결부재(140)의 확장과정은 상술한 수축과정의 역순으로 이루어지므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 제3실시형태 따른 웨어러블 로봇에 대하여 설명한다. 첨부도면 중 도 25는 본 발명 웨어러블 로봇의 제3실시예에 따른 연결부재의 작용도이다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇의 제3실시예에 따른 연결부재(140)는, 도 25에 도시된 바와 같이, 제1부재(141), 제2부재(142), 제3부재(143) 및 탄성부재(144)를 포함하고, 상기 제2부재(142)와 제3부재(143)의 서로 마주하는 면에 제1영구자석(M1)과 제2영구자석(M2)을 구비하여 상기 제3부재(143)가 확장 방향으로 완전히 이동하였을 때 상기 제1영구자석(M1)과 제2영구자석(M2)이 서로 달라붙도록 한 점에서 제2실시예와 구성의 차이를 갖는다.
상기 제1영구자석(M1)과 제2영구자석(M2)을 제외한 나머지 구성은 상술한 제2실시예와 동일하므로, 동일 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
구체적으로, 상기 제2부재(142)의 확장 측 단부를 마감하는 제2-2엔드캡(142b)의 상기 제3부재(143)와 마주하는 면에는 제1영구자석(M1)이 배치되고, 상기 제3부재(143)의 상기 제2-2엔드캡(142b)과 마주하는 면에는 상기 제1영구자석(M1)에 달라붙을 수 있는 제2영구자석(M2)이 배치된다.
상기 제1영구자석(M1)과 제2영구자석(M2)의 자력에 의한 고정력은 상기 탄성부재(144)의 탄성 복원력에 의해 임의로 분리되지 않을 수 있는 정도로 설정되는 것이 바람직하다.
즉, 도 25의 (a)와 같이 제1부재(141), 제2부재(142) 및 제3부재(143)가 각각 확장 방향으로 이동한 상태에서, 제1부재(141)와 제2부재(142)를 연결하는 탄성부재(144)는 탄력적으로 인장되고, 제2부재(142)의 제1영구자석(M1)과 제3부재(143)의 제2영구자석(M2)은 자력에 의해 서로 달라붙게 된다.
이어, 도 25의 (b)와 같이 관절부의 작은 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 줄어드는 경우, 제2고정부(120)에 연결된 제3부재(143)가 수축방향으로 이동하게 된다.
이때, 상기 제3부재(143)는 제1영구자석(M1)과 제2영구자석(M2)에 의해 제2부재(142)의 제2-2엔드캡(142b)에 고정된 상태이고, 상기 제2부재(142)는 탄성부재(144)에 의해 수축 방향으로 탄성지지된 상태이므로, 상기 제2부재(142)가 제3부재(143)를 지지한 상태로 제1부재(141) 상에서 수축 방향으로 이동하게 된다.
이어서, 도 25의 (c)와 같이 관절부의 큰 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 줄어드는 경우, 제2고정부(120)에 연결된 제3부재(143)가 추가로 수축방향으로 이동하게 된다.
이때, 상기 제2부재(142)는 제1부재(141)에 대하여 수축 방향으로 완전히 이동한 상태에서 추가 이동이 제한됨에 따라, 외력에 의해 제1영구자석(M1)과 제2영구자석(M2)이 분리되면서 제3부재(143)가 제2부재(142) 상에서 수축 방향으로 이동하게 된다.
한편, 본 실시예에서는 상기 한 쌍의 영구자석이 이용되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 상기 제1영구자석(M1)과 제2영구자석(M2) 중 어느 하나를 자성체로 구성하는 것도 가능할 것이다.
또한, 제1영구자석(M1)과 제2영구자석(M2)사이에는 완충제(미도시)가 배치될 수 있다. 상기 완충제는 어느 한 영구자석의 일면 또는, 각 영구자석의 일면에 배치될 수 있다. 제3부재(143)가 제2부제(142)안에서 도 25의 (c)에서 (b)로 이동할 때, 제1영구자석(M1)과 제2영구자석(M2)은 결합한다.
이 경우 상기 완충제는 소음과 영구자석의 파손을 막을 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제4실시형태 따른 웨어러블 로봇에 대하여 설명한다. 첨부도면 중 도 26은 본 발명에 따른 웨어러블 로봇의 제4실시예에 따른 연결부재의 작용도이다.
본 발명 웨어러블 로봇의 제4실시예에 따른 연결부재(140)는 도 26에 도시된 바와 같이 제1부재(141), 제2부재(142), 제3부재(143) 및 탄성부재(144)를 포함하되, 상기 제2부재(142)의 확장 측 단부를 마감하는 제2-2엔드캡(142b)에는 탄성부재(144)를 이동 가능한 상태로 지지할 수 있는 제1도르래(142e)가 배치되고, 상기 탄성부재(144)는 탄성줄 형태로 이루어지고 일단부가 제1부재(141)에 고정되고 타단부가 상기 제1도르래(142e)에 감겨진 상태로 제3부재(143)에 고정되는 점에서 상술한 실시예와 구성의 차이를 갖는다.
한편, 상기 제1도르래(142e)와 탄성부재(144)를 제외한 나머지 구성은 상술한 제2실시예와 동일하므로, 동일 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 26의 (a)와 같이 제1부재(141), 제2부재(142) 및 제3부재(143)가 각각 확장 방향으로 이동한 상태에서는, 탄성부재(144)가 탄성 변형하여 인장된 상태가 되고, 상기 제2부재(142)의 제2-2엔드캡(142b)은 탄성부재(144)의 탄성력에 의해 제3부재(143)를 향해 탄력적으로 가압된 상태가 유지될 수 있다.
이어서, 도 26의 (b)와 같이 관절부의 작은 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 줄어드는 경우, 제2고정부(120)에 연결된 제3부재(143)가 수축방향으로 이동하게 된다.
이때, 상기 제2부재(142)는 제1부재(141) 상에서 탄성부재(144)의 탄성력에 의해 수축 방향으로 가압되고, 상기 제3부재(143)는 제2부재(142) 상에서 탄성부재(144)의 탄성력에 의해 확장 방향으로 가압된 상태이므로, 상기 제2부재(142)가 제3부재(143)를 지지한 상태로 제1부재(141) 상에서 수축 방향으로 이동하게 된다.
도 26의 (c)와 같이 관절부의 큰 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 추가로 줄어드는 경우, 제2고정부(120)를 통해 제3부재(143)에 작용하는 수축 방향 외력에 의해 제3부재(143)가 제2부재(142) 상에서 수축 방향으로 이동하게 된다.
이때, 상기 탄성부재(144)는 일단부가 제1부재(141)에 고정되고 타단부가 상기 제1도르래(142e)에 지지된 상태로 제3부재(143)에 고정되므로, 제3부재(143)가 제2부재(142) 상에서 수축방향으로 이동하는 것에 의해 탄력적으로 인장된다.
즉, 제2부재(142)는 탄성부재(144)에 의해 수축 방향으로 탄성 지지된 상태가 되므로, 제2부재(142)가 자중에 의해 임의로 확장 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 웨어러블 로봇의 제5실시형태의 작동에 대하여 설명한다. 첨부도면 중 도 19는 본 발명의 일 실시형태 따른 웨어러블 로봇의 착용 상태를 나타낸 도면이고, 도 28은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 연결부재의 단면도이며, 도 29는 도 28의 "A"부분 확대도이고, 도 30은 도 28의 "B"부분 확대도이고, 도 21, 도 23, 도 31 및 도 32는 본 발명의 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 제1고정부(110)는 기준 신체부위에 장착되고, 제2고정부(120)는 목적 신체부위에 장착될 수 있으며, 연결부재(140)는 사용자의 앞 부분에 배치된 상태에서 상기 제1고정부(110) 측에 장착된 구동부(130)와 제2고정부(120)를 연결할 수 있다.
이러한 배치구조에서 상기 연결부재(140)는 구동부(130)에 의해 y축을 중심으로 상하로 회동하면서 목적 신체부위에 장착된 제2고정부(120)를 들어올리거나 내리는 방향으로 보조력을 제공할 수 있으므로 보조력의 제공으로 인한 관절부 회전중심의 내전, 외전 또는 비틀림 등을 예방할 수 있으며, 목적 신체부위가 보조력에 의해 움직인 상태에서 좌우로 움직이는 경우에도 연결부재(140)가 이에 순응하여 회동할 수 있으므로 관절부의 가동범위를 제한하지 않을 수 있다.
또한, 상기 연결부재(140)는 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절될 수 있도록 구성되는데, 상기 연결부재(140)가 다단으로 신축되도록 구성됨에 따라 수축상태의 길이를 최소화 하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있다.
따라서, 관절부의 운동범위가 작은 동작으로부터, 관절부의 운동범위가 큰 동작에 이르기까지 보조력을 전달할 수 있다.
도 28 내지 도 30에 도시된 바와 같이, 연결부재(140)의 제1부재(141)는 일단부가 제1고정부(110)에 마련된 구동부(130)에 연결되고, 제2부재(142)는 제1부재(141)의 내측에 삽입된 상태에서 제1부재(141)의 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 결합되고, 제2고정부(120)에 연결된 제3부재(143)는 제2부재(142)의 내측에 삽입된 상태에서 제2부재(142)의 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 결합되고, 연동부(150)는 상기 제2부재(142)와 제3부재(143)가 서로 연동하도록 하며, 탄성부재(144)는 양단부가 제1부재(141)와 제2부재(142)에 고정된 상태에서 제2부재(142)에 수축 방향으로 탄성력을 제공한다.
여기서, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 제1부재(141)에 직접 전달될 수 있다.
이러한 구동력은 제1부재(141)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제2부재(142)와 이어서 제2부재(142)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제3부재(143)을 통해, 제3부재(143)에 연결된 제2고정부(120)에 전달될 수 있다.
여기서, 상기 연동부(150)를 구성하는 제1케이블(151)은 일단부가 제1부재(141)의 제1-1엔드캡(141a)에 고정된 상태에서 타단부가 제2부재(142)의 제2-2엔드캡(142b)에 조립된 제2도르래(142f)를 경유하여 제3부재(143)에 고정되고, 제2케이블(152)은 일단부가 제1부재(141)의 제1-2엔드캡(141b)에 고정된 상태에서 타단부가 제2부재(142)의 제2-1엔드캡(142a)에 조립된 제3도르래(142g)를 경유하여 제3부재(143)에 고정된다.
즉, 제3부재(143)의 수축 방향 이동에 대해서는 제3부재(143)와 연결된 제1케이블(151)이 제2부재(142)의 확장측 단부에 결합된 제2도르래(142f)를 수축 방향으로 이동시킴에 따라 제2부재(142)가 수축 방향으로 이동하게 되고, 반대로 제3부재(143)의 확장 방향 이동에 대해서는 제3부재(143)와 연결된 제2케이블(152)이 제2부재(142)의 수축측 단부에 결합된 제3도르래(142g)를 확장 방향으로 이동시킴에 따라 제2부재(142)가 확장 방향으로 이동하게 된다.
또한, 상기 제2부재(142)는 수축측 단부의 상측과 하측에 각각 배치된 롤러(142d)가 제1부재(141)의 내측면을 따라 구름운동함에 따라 제1부재(141)에 대한 마찰력을 최소화할 수 있고, 제3부재(143)는 외측면을 감싸는 형태로 배치된 슬라이딩패드(143a)가 제2부재(142)의 내측면을 따라 미끄럼운동함에 따라 제2부재(142)에 대한 마찰력을 최소화할 수 있다.
도 19는 사용자가 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 착용하고 신체를 뻗은 상태를 나타낸 것으로서, 이러한 상태에서 기준 신체부위에 배치된 구동부(130)와 목적 신체부위에 고정된 제2고정부(120)의 사이 간격은 최대가 된다. 이에 따라 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이에 배치된 연결부재(140)는 도 28과 같이 제2고정부(120)에 연결된 제3부재(143)가 확장 방향으로 이동하게 되고, 이 과정에서 연동부(150)의 제2케이블(152)을 통해 상기 제3부재(143)와 연결된 제2부재(142)가 제3부재(143)와 함께 연동하여 확장 방향으로 이동하게 되며, 이 과정에서 제1부재(141)와 제2부재(142)를 연결하는 탄성부재(144)는 외력에 의해 탄력적으로 인장된 상태가 된다.
이어서, 도 21 및 도 31은 작은 범위의 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화된 상태를 나타낸 것으로서, 연결부재(140)는 구동부(130)의 구동에 의해 회동하면서 제2고정부(120)를 상측으로 들어올려 사용자의 동작에 보조력을 제공할 수 있다.
이때, 구동부(130)와 연결부재(140)의 연결위치가 관절부의 회전중심과 일치하지 않기 때문에, 목적 신체부위가 상측 방향으로 회동하는 과정에서 제2고정부(120)와 구동부(130)의 사이 간격이 변화하게 되며, 이러한 사이 간격의 변화에 대응하여 연결부재(140)의 길이가 조절될 수 있다.
구체적으로, 도 21과 같이 목적 신체부위가 관절을 중심으로 상측 방향으로 회동하는 경우, 목적 신체부위에 위치한 제2고정부(120)와 기준 신체부위에 위치한 구동부(130) 사이 간격이 줄어들게 되고, 이 과정에서 상기 제2고정부(120)에 연결된 연결부재(140)에는 수축 방향으로 외력이 작용하게 된다.
즉, 도 31에 도시된 바와 같이, 제2부재(142) 상에서 길이방향을 따라 이동 가능하게 배치된 제3부재(143)가 외력에 의해 수축 방향으로 이동하게 되면, 상기 제3부재(143)에 연결된 제1케이블(151)의 단부가 수축 방향으로 잡아당겨지게 되고, 이 과정에서 제1케이블(151)을 지지하고 있는 제2도르래(142f)에 수축 방향으로 힘이 작용함에 따라 제1부재(141)를 따라 이동 가능하게 배치된 제2부재(142)가 제3부재(143)와 함께 수축 방향으로 이동하게 된다.
이어, 도 23 및 도 32는 큰 범위의 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화된 상태를 나타낸 것으로서, 연결부재(140)는 구동부(130)의 구동에 의해 회동하면서 제2고정부(120)를 상측으로 들어올려 사용자의 큰 범위의 동작에 보조력을 제공할 수 있으며, 다단으로 구성되어 수축 상태에서 짧은 길이를 갖는 동시에 큰 스크로크를 제공할 수 있으므로 관절부의 큰 범위의 동작에 대해서도 효과적으로 대응할 수 있다.
구체적으로, 연결부재(140)의 제3부재(143)는 목적 신체부위가 관절을 중심으로 상측 방향으로 회동하는 과정에서 제2고정부(120)를 통해 인가되는 외력에 의해 수축 방향으로 이동하게 되는데, 이 과정에서 제3부재(143)에 연결된 제1케이블(151)의 단부가 수축 방향으로 잡아당겨지게 되면서 제1케이블(151)을 지지하고 있는 제2도르래(142f)에 수축 방향으로 힘이 작용함에 따라 제1부재(141)를 따라 이동 가능하게 배치된 제2부재(142)가 제3부재(143)와 함께 수축 방향으로 이동하게 된다.
여기서, 상기 제3부재(143)는 제2부재(142)의 일면에 형성된 제2슬릿(142c)을 통해 일부가 외부로 노출된 상태로 이동하는데, 제1부재(141)의 일면에는 상기 제2슬릿(142c)과 연통하는 제1슬릿(141c)이 형성되어 있으므로, 상기 제2부재(142)가 제1부재(141)와 중첩된 상태에서도 상기 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 수축 방향으로 이동할 수 있게 된다.
또한, 상기 제2부재(142)는 수축 방향으로 이동한 상태에서 수축측 단부가 제1부재(141)의 제1-1엔드캡(141a)에 접촉하는 것에 의해 수축 방향으로의 추가 이동이 제한될 수 있으며, 이러한 상태에서는 제1케이블(151) 및 제2케이블(152)을 통해 제2부재(142)와 연결된 제3부재(143)의 수축 방향으로의 이동 역시 제한될 수 있다.
한편, 상기 제2부재(142)는 제1부재(141)와 제3부재(143)를 연결하는 제1케이블(151)과 제2케이블(152)에 의해 제3부재(143)의 양방향 이동에 대하여 연동하도록 구성되므로, 수축 방향으로 이동한 상태에서 자중에 의해 임의로 확장 방향으로 이동하는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇은 도 21, 23, 31, 32와 같이 구동부의 정방향 구동에 의해 연결부재가 y축을 중심으로 시계방향으로 회전하면서 목적 신체부위를 상측으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 연결부재(140)가 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 수축될 수 있다.
반대로, 연결부재(140)는 구동부의 역방향 구동에 의해 y축을 중심으로 반시계방향으로 회전하면서 대퇴부를 하측 방향으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 확장될 수 있다.
즉, 연결부재(140)의 제3부재(143)는 목적 신체부위가 관절을 중심으로 하측 방향으로 회동하는 과정에서 제2고정부(120)를 통해 인가되는 외력에 의해 확장 방향으로 이동하게 된다.
이때, 제3부재(143)에 연결된 제2케이블(152)의 단부가 확장 방향으로 잡아당겨지게 되고, 이 과정에서 제2케이블(152)을 지지하고 있는 제3도르래(142g)에 확장 방향으로 힘이 작용함에 따라 제1부재(141)를 따라 이동 가능하게 배치된 제2부재(142)가 제3부재(143)와 함께 확장 방향으로 이동할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 연동부(150)의 제1케이블(151)을 통해 제3부재(143)의 수축 방향 이동에 대하여 제2부재(142)를 수축 방향으로 이동시킬 수 있고, 연동부(150)의 제2케이블(152)을 통해 제3부재(143)의 확장 방향 이동에 대하여 제2부재(142)를 확장 방향으로 이동시킬 수 있다.
이와 같이 제2부재(142)와 제3부재(143)가 연동부(150)에 의해 서로 연동하여 이동하도록 함으로써, 하나의 탄성부재(144)를 이용해 제2부재(142)와 제3부재(143)에 각각 탄성력을 제공할 수 있는 것은 물론, 연결부재(140)를 구성하는 다수의 부재 중 일부 부재가 임의로 동작하지 않도록 할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제6실시형태에 따른 웨어러블 로봇에 대하여 설명한다. 첨부도면 중 도 33은 본 발명 웨어러블 로봇의 제6실시예에 따른 연결부재의 작용도이다. 앞의 실시예와 공통되는 구성에 대해서는 도시를 생략할 수 있다.
본 발명의 제6실시예에 따른 웨어러블 로봇의 연결부재(140)는 도 33에 도시된 바와 같이 제1부재(141), 제2부재(142), 제3부재(143), 연동부(150) 및 탄성부재(144)를 포함하며, 상기 연동부(150)는 제1부재(141)의 내측면에 길이방향을 따라 배치되는 래크(153), 상기 제2부재(142)의 수축측 단부에 배치되고 상기 래크(153)와 맞물리는 피니언(154), 상기 피니언(154)과 함께 회전하는 제1풀리(155), 상기 제2부재(142)의 확장측 단부에 배치되는 제2풀리(156) 및 상기 제1풀리(155)와 제2풀리(156)에 감긴 상태로 양단부가 상기 제3부재(143)에 고정되는 벨트(157)를 포함하는 점에서 제5실시예와 구성의 차이를 갖는다.
상기 연동부(150)를 제외한 나머지 구성은 상술한 제5실시예와 동일하므로, 동일 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 33의 (a)와 같이 제1부재(141), 제2부재(142) 및 제3부재(143)가 각각 확장 방향으로 이동한 상태에서, 제2부재(142)의 수축측 단부에 결합된 피니언(154)은 제1부재(141)의 내측면에 마련된 래크(153)와 맞물리고, 상기 제3부재(143)는 제2부재(142)의 제1풀리(155)와 제2풀리(156)에 감겨진 벨트(157)에 고정되며, 상기 제1풀리(155)는 피니언(154)과 함께 회전하도록 구성된다.
이러한 상태에서, 도 33의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 제3부재(143)가 외력에 의해 수축 방향으로 이동하는 과정에서, 제3부재(143)에 고정된 벨트(157)에 의해 제1풀리(155)와 제2풀리(156)가 각각 반시계방향으로 회전한다.
이때, 상기 제2부재(142)에 지지되고 제1부재(141)의 래크(153)에 맞물린 피니언(154)이 제1풀리(155)와 함께 반시계방향으로 회전함에 따라, 상기 제2부재(142)가 상기 제3부재(143)의 수축 방향 이동에 따라 연동하여 수축 방향으로 이동하게 된다.
기준 신체부위 착용부의 실시형태
제1고정부(110)는 기준 신체부위에 착용될 수 있기 때문에, 제1고정부(110)를 기준 신체부위 착용부라고 지칭할 수 있음은 상술하였다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 기준 신체부위 착용부(제1고정부)(110)의 상세 구성을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기준 신체부위 착용부(제1고정부)(110)와 목적 신체부위 착용부(제2고정부)가 장착된 웨어러블 로봇의 사시도이고, 도 34는 벨트(113)와 착용 프레임(116)이 결합된 상태의 사시도, 도 35 내지 37은 웨어러블 로봇의 기준 신체부위 착용부(110)를 탈/부착하는 과정을 나타내기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 기준 신체부위 착용부(110)는, 벨트(113)와 착용 프레임(116)을 포함할 수 있다.
또한 벨트(113)의 양단은 착용 프레임(116)의 양단과 결합할 수 있다.
벨트(113)는, 착용자의 기준 신체부위의 크기에 따라 그 길이가 조절될 수 있다.
상기 허리 착용 프레임(116)은 하단 기구부(117a)와 상단 기구부(117b) 및 탈착 버튼(118)을 포함할 수 있다.
상기 구동부(130)의 본체 하우징(134)의 일면에는 하단 후크(134a)와 상단 후크(134b)가 포함될 수 있다.
상기 하단 기구부(117a)는 상기 하단 후크(134a)와 결합하고 상기 상단 기구부(117b)는 상기 상단 후크(134b)와 결합하여 기준 신체부위 착용부(110)와 구동부(130)는 결합할 수 있다.
상기 탈착 버튼(118)을 누르면 상기 상단 기구부(117b)와 상기 상단 후크(134b)는 분리되고, 이에 따라 상기 하단 기구부(117a)와 상기 하단 후크(134a)는 쉽게 분리될 수 있어서 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110)를 용이하게 장/탈착할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 구동부(130) 장/탈착시 기준 신체부위 착용부(110)의 동작을 설명하기로 한다.
웨어러블 로봇을 착용하는 경우, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 도 35에서와 같이 기준 신체부위 착용부(110)를 착용자의 기준 신체부위에 착용하고 구동부(130)를 기준 신체부위 착용부(110) 근처로 가져오는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 도 36에서와 같이 본체 하우징(134) 내측에 있는 하단 후크(134a)를 착용 프레임(116)의 기구부 하단(117a)에 거는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 도 37에서와 같이 구동부(130)를 기울여 본체 하우징(134) 내측에 있는 상단 후크(134b)를 착용 프레임(116)의 기구부 상단(117b)에 거는 단계를 포함한다.
이때, 기구부 상단(117b)에는 고정쇠가 있어서 자동으로 상기 기구부 상단(117b)과 상단 후크(134b)가 체결되어 본체 하우징(134)과 착용 프레임(116)이 결합한다. 그에 따라 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부 (110)가 결합하게 된다.
웨어러블 로봇을 탈착하는 경우, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 탈착 방법은, 기준 신체부위 착용부(110)를 착용자의 기준 신체부위로부터 분리하고, 도 37에서와 같이 기준 신체부위 착용부(110)의 착용 프레임(116)에 있는 탈착 버튼(118)을 누르는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 탈착 방법은, 도 36에서와 같이 하단 후크(134a)가 기구부 하단(117a)에 걸려 있는 상태로 구동부(130)의 자중에 의해 구동부(130)의 상단이 착용자의 앞으로 기울어지는 단계를 포함한다.
발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 탈착 방법은, 도 35에서와 같이 구동부(130)를 살짝 들어 전방으로 이동시키면서 기준 신체부위 착용부(110)와 분리시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110)를 분리할 수 있어 웨어러블 로봇의 부피를 줄일 수 있다.
또한, 분리된 각각의 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110)에 대한 보관이 용이하다.
또한, 기준 신체부위 착용부(110)를 별도로 미리 착용하여 웨어러블 로봇의 착용 및 분리 시간을 단축할 수 있다.
또한 기준 신체부위 착용부(110)는 벨트 형상과 유사하게 만듦으로써 사용 편의성과 착용 편의성을 확보할 수 있다.
본 발명의 구성은 앞서 언급한 실시예에 한정하는 것은 아니다.
기준 신체부위 착용부(110)는 사용자의 기준 신체부위의 전방 또는 후방에서 분리하거나 측면에서 분리하는 것과 같이 다양한 방법으로 단순화 하여 구성할 수 있다.
또한, 의류만으로도 기준 신체부위 착용부(110)의 기능을 할 수 있도록 기준 신체부위 착용부(110)의 구성을 의류에 병합하여 웨어러블 로봇의 착용성을 개선할 수 있다.
또한, 본체 하우징(134)에 있는 상/하단의 후크가 기존의 바지 또는 벨트 또는 기타 의류와 결합할 수 있도록 후크의 형상을 변경할 수 있다.
그리하여, 별도의 기준 신체부위 착용부(110)가 없어도 웨어러블 로봇의 사용 편의성과 착용 편의성을 유지할 수 있다.
지금까지 특정 실시형태에 따른 기준 신체부위 착용부(110)나 그 체결부의 구성 등에 대해서 언급하였다.
그러나 상기에서 언급한 사항들의 일부 또는 전부를 이용하지 않더라도, 단단하게 체결되면서도 자유롭게 분리할 수 있는 기준 신체부위 착용부는 다양한 방법을 통하여 구현될 수 있을 것이다.
즉, 이상에서 설명한 기준 신체부위 착용부(110)의 일 실시형태는 상술한 일 실시형태 및 첨부된 도면에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시형태의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명의 일 실시형태가 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
목적 신체부위 착용부의 실시형태
제2고정부(120)는 목적 신체부위에 착용될 수 있기 때문에, 제2고정부(120)를 목적 신체부위 착용부라고 지칭할 수 있음은 상술하였다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 목적 신체부위 착용부(120)의 상세 구성을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기준 신체부위 착용부(제1고정부)와 목적 신체부위 착용부(제2고정부)가 장착된 웨어러블 로봇의 사시도이고, 도 38은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 목적 신체부위 착용부의 사시도이며, 도 39는 도 38에 도시된 목적 신체부위 착용부의 분해사시도이다.
도 40은 플레이트와 스트랩부가 분리/결합하는 과정을 나타내기 위한 도면이고, 도 41은 제1 버튼이 플레이트 내에서 동작하는 방법을 나타낸 도면이며, 도 42는 플레이트와 연결부재가 분리/결합하는 과정을 나타내기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 목적 신체부위 착용부(120)는, 스트랩부(123)와 플레이트(126)를 포함할 수 있다.
상기 스트랩부(123)는 스트랩부(123)의 일단에 결합하는 제2 버튼(129)을 포함할 수 있다. 상기 제2 버튼(129)은 단순 버클형태로 구성될 수 있으나, 후크-스프링 요소가 결합한 형태로 구성될 수도 있다.
상기 스트랩부(123)의 양단은 상기 플레이트(126) 양단과 결합할 수 있다.
스트랩부(123)는, 착용자의 목적 신체부위 크기에 따라 그 길이가 조절될 수 있다.
스트랩부(123)의 길이 조절이나 분리는 스트랩부(123)와 플레이트(126)가 결합하는 양단에서 이루어질 수 있다.
또한, 상기 결합하는 양단 중 일단을 고정하고, 타단에서만 스트랩부(123)를 길이 조절, 분리시킬 수 있다.
또한, 상기 스트랩부(123)는 단일의 탄성 소재나 비탄성 소재, 또는 각각을 혼용하여 구성할 수 있고, 이종의 탄성 소재로 구성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 스트랩부(123)간 결합방법은, 도 40의 (a)에서와 같이 플레이트(126)의 일단과 제2 버튼(129)을 접촉하고 소정의 힘으로 제2 버튼(129)을 플레이트(126) 방향으로 미는 단계를 포함한다.
본 발멸의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 스트랩부(123)간 결합방법은, 도 40의 (b)에서와 같이 제2 버튼(129)의 홈(미도시)이 플레이트(126)에 걸리면서 결합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 스트랩부(123)간 분리방법은, 도 40의 (b)에서와 같이 스트랩부(123)의 제2 버튼(129)을 누르는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 스트랩부(123)간 분리방법은, 도 40의 (a)에서와 같이 제2 버튼(129)이 플레이트(126)로부터 밀어나서 분리되는 단계를 포함한다.
이와 같이, 상기 플레이트(126)와 스트랩부(123)는 쉽게 분리될 수 있어서, 웨어러블 로봇을 용이하게 장/탈착할 수 있다.
도 39에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트(126)는 플레이트 프레임(127)과 제1 버튼(128)을 포함할 수 있다.
상기 플레이트 프레임(127)은 개구부(127a)를 포함할 수 있다. 또한, 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 제3부재(143)는 돌출부(143b)를 포함할 수 있다.
도 41의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 버튼(128)을 누르지 않은 상태에서는, 개구부(127a)는 열려있는 상태이다.
따라서, 상기 제3부재(143)의 돌출부(143b)가 개구부(127a)와 결합할 수 있다.
반면에, 제1 버튼(128)을 누르는 경우에는 도 41의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 버튼(128)이 개구부(127a)에 결합한 돌출부(143b)을 밀어낼 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 연결부재(140)간 결합방법은, 도 42의 (b)에서와 같이 연결부재(140)의 돌출부(143b)가 개구부(127a)에 접촉하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 연결부재(140)간 결합방법은, 도 42의 (c)에서와 같이 연결부재(140)에 소정의 힘을 가하여 돌출부(143b)가 개구부(127a)에 완전히 삽입되는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 연결부재(140)간 분리방법은, 도 42의 (c)에서와 같이 제1 버튼(128)를 누르는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 연결부재(140)간 분리방법은, 도 42의 (b)에서와 같이 돌출부(143b)가 개구부(127a)로부터 튀어나와, 연결부재(140)가 플레이트(126)와 쉽게 분리될 수 있는 상태가 되는 단계를 포함한다.
이와 같이, 상기 플레이트(126)와 상기 연결부재(140)는 쉽게 분리될 수 있어서, 웨어러블 로봇을 용이하게 장/탈착할 수 있다.
플레이트(126)와 연결부재(140) 및 플레이트(126)와 스트랩부(123)가 결합하면, 상기 구동부(130)에 내장되어 있는 상기 구동기(131)가 내는 회전 출력이 상기 연결부재(140) 및 제3부재(143)를 통해 상기 플레이트(126) 및 상기 스트랩부(123)로 전달될 수 있다.
이를 통하여, 웨어러블 로봇은 상기 구동부(130)가 생성한 보조력 또는 저항력을 착용자의 목적 신체부위에 전달하여, 목적 신체부위를 들어주거나 내려줄 수 있다.
즉, 착용자가 보조력 또는 저항력을 전달받는 작용 부위가 상기 플레이트(126) 및 스트랩부(123)이다.
또한, 상기 플레이트(126)와 연결부재(140)간에는 하나 이상의 자유도를 부여할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시형태로써 돌출부(143b)는 구 형태를 이룰 수 있고, 돌출부(143b)가 개구부(127a)와 결합하면 연결부재(140)는 플레이트(126)로부터 빠지지 않으면서 회전이 가능하다.
즉, 플레이트(126)와 연결부재(140)사이에 있는 피봇(pivot)이나 조인트(joint) 형태의 관절부 기능을 하는 구성이 자유도를 부여하게 된다.
한편, 돌출부(143b)는 반드시 구 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 돌출부(143b) 또는 다른 구성에서 다른 축 방향으로의 자유도를 부여할 수 있고, 이 경우 기존의 결합으로 있던 회전 자유도에서 새로운 자유도가 추가된다.
상기와 같은 자유도를 통하여 착용자는 웨어러블 로봇을 착용하고도 다양한 모션을 취할 수 있고, 다양한 모션을 취할 시에 저항감을 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 웨어러블 로봇과 목적 신체부위 착용부(120)를 분리할 수 있어 웨어러블 로봇의 부피를 줄일 수 있다.
또한, 분리된 각각의 웨어러블 로봇과 목적 신체부위 착용부(120)에 대한 보관이 용이하다. 또한, 목적 신체부위 착용부(120)를 별도로 미리 착용하여 웨어러블 로봇의 착용 및 분리 시간을 단축할 수 있다.
또한, 스트랩부(123)에 비탄성 소재와 탄성 소재를 적절히 사용함으로써, 웨어러블 로봇의 사용 편의성과 착용 편의성을 확보할 수 있다.
본 발명의 구성은 앞서 언급한 실시예에 한정하는 것은 아니다.
예를 들면, 의류만으로도 목적 신체부위 착용부(120)의 기능을 할 수 있도록 목적 신체부위 착용부(120)의 구성을 의류에 병합할 수 있다.
그리하여, 별도의 목적 신체부위 착용부(120)가 없어도 웨어러블 로봇의 사용 편의성과 착용 편의성을 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 목적 신체부위 착용부(120)와 관련한 설명에 있어서, 위에서 언급한 사항들의 일부 또는 전부를 이용하지 않더라도, 단단하게 체결되면서도 자유롭게 분리할 수 있는 목적 신체부위 착용부(120)는 다양한 방법을 통하여 구현될 수 있을 것이다.
즉, 목적 신체부위 착용부(120)의 일 실시형태는 상술한 일 실시형태 및 첨부된 도면에 한정되지 않을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법
이하에서는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 상태 궤적 메모리 버퍼를 이용한 동작 보조 방법 및 시스템에 대해 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 일 실시형태에 따른 상태 궤적 메모리 버퍼를 이용한 동작 보조 방법 및 시스템을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.
도 46은 예시적인 동작 보조 장치의 사시도이다.
도 46에 도시된 예시적인 동작 보조 장치(1)는 도 47에 도시된 바와 같이 사용자가 착용할 경우 사용자의 동작을 감지하고 사용자 동작에 따른 보조력을 제공한다.
도 46에 도시된 동작 보조 장치는 위에서 설명한 웨어러블 로봇에 대응될 수 있다.
이때 보조력은 사용자의 동작 방향으로 제공되어 사용자의 동작 능력을 향상시켜 주거나 부족한 근력 파워를 보조해 줄 수 있고, 사용자의 동작 반대 방향으로 제공되어 운동 효과를 배가시킬 수도 있다.
또한, 동작 보조 장치는 VR 장치와 결합하여 사용될 때 다양한 방향의 보조력을 제공함으로써 가상 환경의 경험을 제공해줄 수도 있다.
이와 같은 동작 보조 장치(1)는 보조력 제공을 위해 사용자 동작을 센싱하는 센서, 센싱된 사용자 동작에 따른 보조력을 결정하는 동작 보조 시스템, 결정된 보조력을 사용자에게 제공하는 동작부를 포함할 수 있다.
이하에서는 센싱된 사용자 동작에 따른 보조력을 결정하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 시스템 및 동작 보조 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 48에 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 시스템(100)의 구성도가 도시되어 있다.
도 48에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 시스템(100)은 상태 궤적 메모리 버퍼(103)와 결정부(106)를 포함할 수 있다.
상태 궤적 메모리 버퍼(103)는 사용자의 동작 상태값을 순차적으로 저장하는 저장장치이다.
구체적으로, 도 49에 도시된 바와 같이 첫 번째 동작 상태값이 입력되면 메모리 어레이의 첫 번째 저장위치(0)에 저장된다.
그런 다음, 새로운 동작 상태값이 입력되면, 메모리 어레이의 첫 번째 저장위치에 저장되어 있던 동작 상태값은 메모리 어레이의 두 번째 저장위치로 이동되고 새로 입력된 동작 상태값이 메모리 어레이의 첫 번째 저장위치에 저장된다.
그런 다음, 새로운 동작 상태값이 입력되면, 메모리 어레이의 첫 번째 저장위치와 두 번째 저장위치에 각각 저장되어 있던 동작 상태값들은 메모리 어레이의 두 번째 저장위치와 세 번째 저장위치로 이동되고 새로 입력된 동작 상태값이 메모리 어레이의 첫 번째 저장위치에 저장된다.
이와 같은 쉬프트 연산을 반복하면, 메모리 어레이의 모든 저장 위치에 N+1개의 동작 상태값이 저장된다.
그런 다음, 새로운 동작 상태값이 입력되면 메모리 어레이에 저장된 동작 상태값은 다음 위치로 이동되지만 더 이상 이동할 곳이 없는 마지막 저장위치(N)에 저장된 동작 상태값은 상태 궤적 메모리 버퍼에서 삭제된다.
이와 같은 FIFO(First In First Out) 방식으로 동작 상태값을 저장함으로써 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에는 사용자의 최근 움직임에 대한 미리 설정된 개수의 동작 상태값만 저장될 수 있다.
또한 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장되는 동작 상태값은 센서가 측정한 센싱값 또는 사용자의 동작 상태를 보여줄 수 있는 센싱값의 변환값일 수 있다.
예를 들어, 도 47에 도시된 동작 보조 장치의 센서가 측정한 사용자의 일측 목적 신체부위와 타측 목적 신체부위 사이의 각도 값(q0)이 동작 상태값일 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 허리 또는 허벅지 등의 하체부위에 착용하는 경우에 힙 각도 값(q0)이 동작 상태값일 수 있다.
또한 측정한 일측 목적 신체부위와 타측 목적 신체부위 사이의 각도 값(q0)을 아래와 같은 [수학식1]로 변환한 변환값(S0)이 동작 상태값일 수 있다.
[수학식1]
Figure PCTKR2022020513-appb-img-000001
여기서, A는 예를 들어 -2와 같은 임의의 상수값이다.
위와 같은 동작 상태값은 도 50에 도시된 바와 같이 사용자의 동작에 따라 사용자의 동작 상태를 반영한 동작 상태값으로서 상태 궤적 메모리 버퍼에 저장될 수 있다.
또한, 원래의 상태변수에서 다음의 [수학식2]와 같이 비대칭(asymmetry) 파리미터 a를 추가한 아래의 상태변수를 사용할 수 있다.
[수학식2]
Figure PCTKR2022020513-appb-img-000002
여기서, a=0이면 비대칭 정도가 없다는 의미로, 좌우 동작에 동일한 토크가 대칭적으로 제공된다.
a값이 음수이면, 우측 동작의 모션에 대비하여 좌측 동작의 모션에 보조 토크가 증가된다.
a값이 양수이면, 좌측 동작의 모션에 대비하여 우측 동작의 모션에 보조 토크가 증가한다.
즉, 좌측 혹은 우측 동작에 대한 비대칭 보조를 파라미터 a 하나로 조절할 수 있다.
a값의 부호로 좌/우측 동작의 비대칭이 결정되고, a값의 크기로 비대칭성의 정도를 조절할 수 있다.
가령, a=0.10 일 때와 비교하여 a=0.20인 경우, 우측 비대칭 보조를 더 강화하게 된다.
a값은 -1.0∼1.0 범위내일 수 있으며, -0.5∼0.5 값이 사용되는 게 바람직하다.
위의 방식을 이용하게 되면, 단일 액추에이터를 사용하는 동작보조장치에서도 비대칭 토크 생성이 가능해진다.
비대칭 모드는 좌/우측 가동범위의 불균형 해결 및 자세 개선에 사용될 수 있으며, 사용자나 용도에 따라 다른 목적으로 사용될 수 있다.
가령, 뇌졸중 등의 질환으로 인해 비대칭 동작을 수행하는 사람의 동작을 보조할 때, 비대칭 모드가 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 예를 들어 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 보행 동작의 보조에 이용하는 경우에, 비대칭 모드는 보행 네비게이션 보조에 활용될 수 있다.
복잡한 환경에 가면 토크 세기를 줄여 속도 감소를 유도하고, 커브에서는 비대칭 보조를 통한 방향 안내, 직선 거리에서는 속도를 증가시키는 등 길찾기 보조 기능이 가능할 것이다.
또한, exoskeleton 장치에 스마트폰을 장착하는 등의 방법으로 비전 센서를 이용한다면 시각장애인 보행 이동에 사용될 수도 있을 것이다.
비록 도 50에는 사용자의 1주기 동작에 대한 동작 상태값이 저장된 것으로 도시되어 있지만, 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장되는 동작 상태값은 사용자의 최근 짧은 시간(수 초 이내, 예를 들어 1∼2초 이내) 동안의 움직임을 나타내면 된다.
예를 들어, 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장되는 동작 상태값은 사용자의 한 동작 정보(반복적인 움직임의 반주기)만을 포함할 수도 있다. 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장되는 동작 상태값이 사용자의 한 동작, 즉 반복적인 움직임의 반주기 만을 포함하더라도 본 발명의 실시가 가능하다.
바람직하게는, 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장되는 동작 상태값은 사용자의 반복적인 움직임 중 한 주기를 포함하는 움직임에 대한 동작 상태값이 저장될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 허리 또는 허벅지 등의 하체부위에 착용하는 경우, 사용자의 1주기 동작은 사용자의 1주기 보행동작(예컨대, 걸음동작 등)일 수 있다.
다음으로, 결정부(106)는 사용자의 움직임에 따라 제공될 보조력을 결정하는 처리장치이다.
결정부(106)는 보조력 결정을 위해 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장된 동작 상태값을 이용한다.
구체적으로, 결정부(106)는 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장된 동작 상태값 중 적어도 하나의 동작 상태값을 선택하고, 선택된 동작 상태값들의 가중치 합으로 보조력(τ0)을 결정하고, 결정된 보조력을 출력함으로써 적절한 보조력이 사용자에게 제공되도록 한다.
이때 결정부(106)는 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에서 미리 결정된 위치(i)에 저장된 동작 상태값을 선택하도록 설정될 수 있다.
미리 정해진 위치는 메모리 어레이의 어느 위치이어도 상관없다. 그러나 사용자의 급격한 동작 변화에도 운동 보조 장치의 안정성을 향상시키고 사용자에게 부드러운 보조력을 제공하기 위해 현재 보행 상태값을 저장하고 있는 메모리 어레이의 첫 번째 저장위치(0)에 저장된 동작 상태값은 선택하지 않는 것이 바람직하다.
예를 들어 동작 상태값이 0.01초마다 생성된 값일 때 미리 결정된 위치 i는 20 내지 40인 것이 바람직하고 따라서 동작 상태값 S[20] 내지 동작 상태값 S[40]이 선택되도록 설정할 수 있다.
다만 반드시 이러한 범위로 한정되는 것은 아니다.
또한 동작 상태값은 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장되기 전 저대역 통과 필터를 이용하여 노이즈가 제거될 수 있으나 결정부(106)는 저장된 동작 상태값들 중에 노이즈가 포함되었을 가능성을 고려하여 2개 이상의 동작 상태값을 선택할 수 있다.
이때 2개 이상의 동작 상태값은 메모리 어레이에 이격되어 저장된 동작 상태값 보다는 연속된 동작 상태값들(예를 들어 S[i], S[i+1], ...)인 것이 바람직하다.
또한 결정부(106)는 사용자의 움직임에 따라 동작 상태값을 선택하기 위한 미리 결정된 위치(i)를 적응적으로 변경할 수도 있다. 다만 이 경우에도 안정적인 보조력 제공을 위해 동작 상태값을 선택하는 위치의 변경 가능 범위(예를 들어 i는 10 내지 50)를 설정해 놓는 것이 바람직하다.
이때 결정부(106)가 사용자의 움직임을 파악하기 위해 종래 기술들처럼 사용자의 동작 속도, 케이던스(cadence), 페이즈(phase) 등을 인식해야 한다면 적어도 두세주기에 해당하는 동작 상태값들을 분석해야하고, 분석에 소요되는 시간으로 인해 사용자의 움직임 변화에 즉각적으로 반응할 수 없다.
그러나 결정부(106)는 사용자의 움직임 파악을 위해 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장된 보행 상태값들을 이용하고, 파악된 결과에 따라 동작 상태값을 선택하는 위치를 변경하는 것만으로 사용자 움직임 변화에 즉각적이고 적응적으로 대응하는 보조력을 제공할 수 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 시스템에 대해 설명하였으며, 이러한 동작 보조 시스템이 제어를 위해 동작 보조 장치에 포함되는 시스템으로 설명하였으나 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 시스템은 동작 보조 장치 그 자체일 수도 있다.
또한 보조력은 사용자의 움직임과 같은 방향으로 제공되어 움직임을 보조하는 것으로 설명하였으나 운동 효과를 위해 사용자의 움직임에 대해 반대 방향으로 제공될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 상태 궤적 메모리 버퍼를 이용한 동작 보조 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 51은 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법의 순서도이다.
도 51에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법은 동작 상태값 저장 단계(S100), 동작 상태값 선택 단계(S200), 보조력 결정 단계(S300), 보조력 출력 단계(S400)를 포함한다.
동작 상태값 저장 단계(S100)는 동작 보조 장치(1)에서 생성된 동작 상태값 또는 동작 보조 장치로 입력된 동작 상태값 등이 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장되는 단계이다.
동작 상태값은 일정한 시간 간격(예를 들어 0.01초)으로 사용자의 동작 상태를 측정한 센싱값이거나 센싱값을 미리 설정된 수식을 이용하여 변환한 변환값이다.
따라서 센싱값을 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 그대로 저장하거나 미리 설정된 수식을 이용하여 센싱값을 변환한 다음에 저장한다.
또한 동작 상태값은 저역 통과 필터 등을 이용하여 노이즈를 제거한 후 저장될 수도 있다.
상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 동작 상태값을 저장하고 업데이트하는 방법은 도 48을 참고로 앞서 설명한 바와 같이 동작 상태값이 상태 궤적 메모리 버퍼에 입력된 순서대로 순차적으로 저장된다.
따라서 메모리 어레이의 첫 번째 저장위치에서 마지막 저장위치로 갈수록 오래된 동작 상태값이 저장되어 있으며, 새로운 동작 상태값이 입력되면 가장 오래된 동작 상태값(S[N])이 삭제되는 FIFO(First In First Out) 방식으로 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에는 사용자의 최근 움직임에 대한 미리 설정된 개수의 동작 상태값만 저장된다.
다음으로, 동작 상태값 선택 단계(S200)는 상태 궤적 메모리 버퍼에 저장된 동작 상태값 중 적어도 하나의 동작 상태값을 선택하는 단계이다.
이때 동작 상태값은 메모리 어레이의 미리 결정된 위치에 저장된 동작 상태값이 선택되도록 할 수 있다(예를 들어 S[i]를 선택, i=30).
본 발명의 다른 실시형태로써, 2개 이상의 동작 상태값을 선택할 수 있다.
이 때에는 연속하여 저장된 동작 상태값들이 선택되도록 할 수 있다(예를 들어 S[i], S[i+1]을 선택, i=30).
다음으로, 보조력 결정 단계(S300)는 선택된 동작 상태값을 이용하여 보조력을 결정하는 단계이다.
보조력 결정 단계에서는 동작 상태값 선택 단계에서 선택된 동작 상태값의 가중치 합으로, 아래의 [수학식3]으로 보조력을 결정할 수 있다.
[수학식3]
Figure PCTKR2022020513-appb-img-000003
여기서, W는 가중치, S는 동작 상태값이다.
다음으로, 보조력 출력 단계(S400)는 보조력 결정 단계(S300)에서 결정된 보조력을 출력하는 단계이다.
출력은 결정된 보조력 값이 그대로 출력되거나 결정된 보조력만큼 동작 보조 장치(1)의 구동부가 구동되도록 하는 제어 신호의 형태로 출력될 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법을 사용할 경우, 도 52에 도시된 바와 같이 사용자가 동작하고 있을 때 동작에 따른 결정된 보조력이 사용자에게 제공될 수 있다.
또한 도 53에 도시된 바와 같이 사용자가 정지한 상태인 경우 보조력은 0이며, 도 54에 도시된 바와 같이 사용자가 다시 동작을 시작하면, 메모리 어레이 중 미리 선택된 위치(i)에 저장된 동작 상태값이, 그 선택된 위치(i)로부터 동작 상태가 될 때까지의 매우 짧은 시간 ti(예를 들어 0.01초 간격으로 동작 상태값이 생성될 경우 ti=0.01×i초)까지는 보조력이 0으로 유지된다.
그리고, 짧은 시간 ti 경과 후에 바로 동작에 따른 보조력이 제공된다.
이와 같은 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법은 급격한 사용자의 움직임 변화에 따른 보조력을 매우 짧은 시간 내에 제공해줄 수 있다.
또한 사용자의 급격한 움직임 변화가 상태 궤적 메모리 버퍼에 의해 완충되는 효과가 있어 장치의 안정성을 향상시키는 것은 물론 사용자에게 예측 가능한 부드러운 상호작용을 제공할 수 있다.
또한 도 55 내지 도 57과 같이 두 개 이상의 동작 상태값을 선택하는 경우 센서 노이즈에 더 안전하고 부드러운 보조력을 제공해줄 수 있을 뿐만 아니라 다양한 보조력 프로파일을 생성할 수 있는 효과를 더 제공할 수 있다.
도 58에 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법의 순서도가 도시되어 있다.
도 58에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시형태에 따른 동작 보조 방법은 동작 상태값 저장 단계(S100), 상태 궤적 이동 거리 계산 단계(S210), 동작 상태값 선택 위치 변경 단계(S220), 동작 상태값 선택 단계(S230), 보조력 결정 단계(S300), 보조력 출력 단계(S400)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 동작 보조 방법은 도 51에 도시된 본 발명의 일 실시형태 따른 동작 보조 방법보다 더 사용자의 급격한 동작 변화에 적응적으로 대응하기 위해 사용자의 동작 상태에 따라 동작 상태값 선택하기 위한 미리 결정된 위치(i)를 변경할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명의 다른 실시형태에 따른 동작 보조 방법은 도 58에 도시된 바와 같이 동작 상태값 저장 단계(S100)와 동작 상태값 선택 단계(S230) 사이에 상태 궤적 이동 거리 계산 단계(S210)와 동작 상태값 선택 위치 변경 단계(S220)를 더 포함한다.
상태 궤적 이동 거리 계산 단계(S210)는 상태 궤적 메모리 버퍼에 저장된 동작 상태값을 이용하여 상태 궤적 이동 거리를 계산하는 단계이다.
상태 궤적 이동 거리(d0)는 도 59에 도시된 바와 같이 상태 궤적 메모리 버퍼(103)에 저장된 동작 상태값 사이의 차이를 합산하여 계산한다.
동작 상태값이 일정한 시간 간격으로 생성되어 저장되기 때문에 상태 궤적 이동 거리가 클수록 사용자가 급격한 동작 변화를 하였음을 알 수 있다.
동작 상태값 선택 위치 변경 단계(S220)는 동작 상태값 선택하기 위한 미리 결정된 위치(i)를 상태 궤적 이동 거리(d0) 계산 결과에 따라 변경하는 단계이다.
구체적으로 상태 궤적 이동 거리(d0)에 따라 미리 결정된 위치(i)를 비례적으로 변경할 수 있다.
즉, 상태 궤적 이동 거리(d0)가 클수록 상태 궤적 메모리 버퍼에서 메모리 어레이의 첫번째 저장위치(0) 쪽으로 동작 상태값 선택 위치를 변경하고, 상기 상태 궤적 이동 거리가 작을수록 상기 메모리 어레이의 마지막 저장위치(N) 쪽으로 동작 상태값 선택 위치를 변경할 수 있다.
이는 사용자의 동작 변화가 급격할수록 더 최근에 입력된 동작 상태값으로 보조력을 결정함을 의미한다.
이와 같이 사용자의 동작 변화에 따라 적응적으로 동작 상태값을 선택하여 보조력을 결정하면 동작 상태값 선택 위치를 고정시킨 경우보다 사용자의 동작 변화에 빠르게 대응할 수 있다.
이를 확인하기 위해 보행 후 달리는 동작을 하면서 동작 보조 방법을 실행하였다. 그 결과 동작 상태값을 선택 위치를 고정시킨 경우에는 보행에서 달리기로 동작 변화가 발생했을 때에는 타이밍 지연이 발생하여 달리기에 방해되는 보조력이 출력되었다(도 60 참조).
반면 본 발명의 다른 실시형태에 따른 동작 보조 방법과 같이 동작 상태값 선택 위치를 적응적으로 변경한 경우 동작 패턴 변화에 더 빠르게 대응함을 확인할 수 있었다(도 61 참조).
또한 상태 궤적 이동 거리에 따라 동작 상태값 선택 위치를 변경하는 적응적 제어를 수행하지 않더라도 보행 동작을 하는 동안에는 보조파워(양의 파워)가 원활하게 생성되지만 달리기를 하는 동안에는 지연에 의해 양의 파워가 원활하게 생성되지 못하고 동작을 방해하는 음의 파워 생성 비율이 증가한 반면, 적응적 제어를 수행한 경우 달리기를 하는 동안에도 양의 파워가 원활히 생성되고 음의 파워 생성 비율은 상대적으로 매우 낮음을 확인할 수 있었다(도 62 참조).
상태 궤적 이동 거리에 따른 적응적 제어는 동작 상태값을 필터링하기 위한 저대역 통과 필터에도 적용할 수 있다.
즉, 상태 궤적 이동 거리(d0)가 작을수록 컷오프 주파수를 낮추고 상태 궤적 이동 거리(d0)가 컷오프 주파수를 높이는 적응적 제어를 함으로써 동작 상태값에 포함될 수 있는 노이즈를 더 효과적으로 제거할 수 있다.
위의 방법은 사용자 동작에 맞추어 장치가 보조력 타이밍을 실시간으로 변화시킴으로써, 보조력 전달 효율을 증가시킨다.
반면, 사용자 동작 변화에 적응적으로 보조력을 결정하지 않고 동작 상태값 선택 위치를 고정시키는 방식을 사용할 수 있다.
사용자의 동작 변화에 연동되지 않고 일정한 타이밍에 보조력을 제공할 필요가 있을 수 있기 때문이다.
가령 운동 및 재활에 있어 의도적으로 사용자 동작에 맞지 않는 타이밍에 보조력을 인가하여, 특정 동작 기능을 강화시키는 용도로 사용할 수 있다.
보조 타이밍을 의도적으로 늦추거나 빠르게 함으로써 보폭 증가를 유도하거나 또는 케이던스 증가를 유도할 수 있기 때문이다.
보통의 동작 시 자극하기 힘든 근육 부위 활성화를 유도할 수도 있을 것이다.
또는 의도적으로 타이밍을 동작과 어긋나게, 변화를 줌으로써 밸런스 트레이닝 및 가상 환경 실감 운동에 사용될 수도 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법에 대해 설명하였다.
이와 같은 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법은 각 단계들을 실행시키기 위해 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램, 디지털 전자 회로, 펌웨어 또는 하드웨어에서 또는 이들 중 하나 이상의 조합으로 구현될 수 있으며, 본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 시스템에 저장되고 실행되어 동작 보조 장치가 사용자 동작 변화에 적절한 보조력을 제공하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 안전모드 제공방법
이하에서는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 안전모드 제공 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
구체적으로, 웨어러블 로봇 사용자의 안전을 위하여, 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110) 또는 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120) 간의 비정상적 장착, 탈착 시, 해당 상황을 검출하고, 웨어러블 로봇 장치가 대응하는 방법을 설명한다.
구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110) 또는 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120) 간의 비정상적 탈착은, 웨어러블 로봇의 동작 중에 사용자가 의도하지 않았음에도 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110) 또는 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120)가 분리되는 상황을 포함한다.
또한, 비정상적 탈착은 웨어러블 로봇 구동 중에 사용자가 의도적으로 탈착하는 경우도 포함한다. 또한, 비정상적 탈착은 최초 사용을 위해 구동부와 착용부를 결합하는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 비정상적 탈착은 장치가 동작 모드로 전환된 상태에서 장치를 착용하는 경우와 같이 사용자의 부주의로 인한 경우를 포함한다.
또한, 비정상적 탈착은 사용자의 위험을 초래할 수 있는 다른 상황들을 포함할 수 있다.
예를 들면 장치가 온전히 결합된 상태가 아니라면 장치의 경사도를 기준으로 안전모드로 진입하여 사용자에게 안전을 제공한다.
이러한 비정상적 탈착은 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110) 또는 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120)간 체결부의 노후화, 구동부(130)에서 과도한 보조력 생성, 웨어러블 로봇 착용 상태에서 보행 동작 중 착용부(110, 120) 간의 간섭, 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110) 또는 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120)간의 불완전한 결합 등을 이유로 발생할 수 있다.
웨어러블 로봇은 보조력을 생성하기 위해 모터를 포함한 구동부의 힘 제어를 수행한다.
웨어러블 로봇의 제어 목표가 위치나 속도가 아닌 힘을 대상으로 하기 때문에, 웨어러블 로봇의 비의도적 탈착 시, 제어 과정에서 과도한 위치나 속도 변화의 결과를 초래할 수 있다.
힘 제어 과정 중에 체결부가 분리되면 목표하는 보조력이 측정되지 않기 때문에 매우 짧은 시간안에 구동부의 출력이 최대치에 이르게 된다.
해당 출력으로 인해 분리된 구동부(130)와 연결부재(140)가 제지 없이 크게 움직이므로 사용자의 신체에 부적절한 상해를 가할 수 있다.
일례로 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120) 부분에서 비의도적인 탈착이 이루어진 경우, 목적 신체부위 착용부(120)의 스트랩부분이 채찍처럼 움직일 수 있다.
또한, 웨어러블 로봇의 사용 중 탈착 뿐만 아니라, 웨어러블 로봇 사용 전에 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110) 또는 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120)가 비정상적으로 장착된 경우, 웨어러블 로봇의 전원을 투입하는 시점에서 안전모드로 진입할 수 있다. 비정상적 장착이란, 착용부(110, 120)와 다른 구성 사이의 하나 이상의 체결부가 분리되거나 불완전하게 결합된 상태를 말한다.
위와 같은 상황에서 안전모드를 제공하는 방법은 도 63에서와 같이 검출단계(S500), 동작단계(S600), 알림단계(S700), 해지단계(S800)로 나뉠 수 있다.
먼저 검출단계(S500)에서는, 구동부로부터 출력된 동작각을 검출한다.
검출된 동작각이 최대 가동각을 초과하면, 웨어러블 로봇을 안전 모드로 전환할 수 있다.
동작각은 도 47에서 도시된 웨어러블 로봇의 센서가 측정한 사용자의 힙 각도 값(q0)으로 측정될 수 있다.
최대 가동각이란 사용자가 웨어러블 로봇을 착용한 상태에서 구동부(130)를 기준으로 두 연결부재(140)가 낼 수 있는 최대의 각도를 말한다.
최대 가동각은 사용자의 일상 생활 데이터를 바탕으로 추정할 수 있다.
일상 생활 데이터는 사용자의 동작 등을 통해 수집되거나 타인의 일반적 데이터 통계로부터 수집될 수 있다.
상기 최대 가동각은 본 발명에 따른 웨어러블 로봇을 사용하는 사용자의 보호를 위하여, 기계적 설계 한계치보다 작게 설정되는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 기계적 구조를 보호하기 위하여 기계적 가동각을 제한하는 스톱퍼(Stopper)가 구비될 수 있는데, 사용자를 보호하기 위하여 상기 최대 가동각은 기계적 가동각의 범위 이하로 설정되는 것이 바람직하다.
검출의 다른 방법 중의 하나로써, 구동부(130)로부터 출력된 동작 속도를 검출하여 최대 동작 속도를 초과하면 장치를 안전 모드로 전환할 수 있다.
동작 속도는 웨어러블 로봇 구동 시, 목적 신체부위 착용부(120)가 연결된 연결부재(140) 끝단에서의 선속도일 수 있다.
최대 동작 속도는 사용자의 일상 생활 데이터를 바탕으로 설정할 수 있다. 최대 동작 속도는 구동부(130)의 최대 출력 중 동작 속도 계산 및 측정을 통해 설정할 수 있다.
정상적인 사용 중 장치의 안전모드 오검출을 방지하기 위해, 가동각과 동작 속도를 동시에 안전 모드 전환에 대한 판단 근거로 사용할 수 있다.
또한, 웨어러블 로봇의 장치 전원을 투입하는 시점에서 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110) 또는 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120)의 비정상적인 결합이 검출되면 안전모드가 제공될 수 있다.
비정상적인 결합은 구동부(130) 본체의 무게중심에서 지면과 수직을 이루는 직선과 구동부(130) 본체에서 하나의 축 사이 경사도 측정을 통하여 검출할 수 있다. 상기 경사도는 모션 센서를 통해 측정할 수 있다.
경사도를 측정한 결과, 구동부(130)의 본체가 비정상적으로 기울어져 있다면 안전모드로 진입하게 된다.
구동부(130) 본체가 비정상적으로 기울어져 있는지는 사용자의 일상 생활 데이터를 바탕으로 추정할 수 있다.
검출의 다른 방법 중의 하나로써, 목적 신체부위 착용부(120)의 체결부에 유선 또는 무선의 접촉 센서를 내장할 수 있다.
상기 접촉 센서가 감지한 결과, 탈착 상황이면 안전모드로 진입할 수 있다. 상기 접촉센서는 목적 신체부위 착용부(120)의 스트랩 풀림을 감지하는 단락/개방 센서로 대치될 수 있다.
동작단계(S600)에서는, 안전모드로 전환하면서 회로적으로 모터 상을 단락하여 모터로의 전력 공급을 차단하고, 모터가 지닌 자체의 제동력으로 구동부 회전을 중지할 수 있다.
안전모드를 제공하기 위한 방법으로써, 웨어러블 로봇을 위치나 속도 제어 모드로 전환하여 구동부(130)의 모터 회전을 멈출 수 있다.
위치 제어 모드란 착용자가 불편함을 느끼지 않으면서 착용자에게 안전한 동작을 신속하게 제공하는 방법을 뜻한다.
속도 제어 모드란 착용자가 불편함을 느끼지 않으면서 착용자에게 안전한 보조력을 신속하게 전달하는 방법을 뜻한다.
위치나 속도 제어 모드는 개별적으로, 또는 동시에 작동할 수 있다.
한편, 회전이 고정된 구동부(130)로 인한 장치의 멈춤 현상은 사용자에게 추가적인 상해를 가할 수 있다.
따라서 회전이 중지된 일정 시간 후에 구동부(130)가 자유롭게 움직일 수 있도록 제동을 중지할 수 있다.
상기 일정 시간은 구동부(130)가 충분히 멈추거나 목적 신체부위 착용부(120)의 스트랩부의 관성력이 해소되는 수준에서 설정되는 것이 적절하다.
상기 일정 시간은 1∼2초 이내로 짧게 설정되는 것이 바람직하다.
또는, 웨어러블 로봇 사용전에 구동부(130)와 기준 신체부위 착용부(110) 또는 연결부재(140)와 목적 신체부위 착용부(120)간의 비정상적인 결합상태에서 안전모드로 진입하는 경우, 웨어러블 로봇이 보조력을 제공하지 않고 있었으므로, 보조력을 제공하지 않는 상태를 그대로 유지할 수 있다.
알림단계(S700)에서는, 안전모드로 전환되면 웨어러블 로봇이 사용자에게 진동, 소리 또는 빛으로 안전모드임을 통지할 수 있다.
이 때, 통지하는 방법은 위에서 언급한 예로 한정하지 않는다.
또한, 사용자에게 안전모드임을 알릴 수 있는 하나 또는 여러 수단이 사용될 수 있다.
또한, 통지하는 방법이나 세기와 같은 사항은 사용자가 임의로 설정하도록 할 수 있다. 본 단계를 생략하는 것도 가능하다.
해지단계(S800)에서는, 웨어러블 로봇이 안전모드로 전환되고, 일정 시간이 지난 후에 대기모드로 자동 전환할 수 있다.
또는, 사용자가 웨어러블 로봇의 안전모드 진입을 인식했다는 것을 장치에게 명확히 알려서, 안전모드를 해지할 수 있다.
그리하여, 웨어러블 로봇의 정상적인 사용이 가능해질 수 있다.
안전모드는 웨어러블 로봇에 달려있는 버튼을 누르거나 원격으로 조작하는 방법 등으로 해지될 수 있다.
또한, 안전모드 해지 방법이 반드시 기재된 방법으로만 한정되는 것은 아니다.
지금까지 본 발명의 일 실시형태에 따른 상태 궤적 메모리 버퍼를 이용한 동작 보조 방법 및 시스템을 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다.
그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 충전방법
이하에서는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 충전방법에 대해서 설명하기로 한다.
종래의 웨어러블 보행 보조 장치는 단순히 사용자의 보행을 보조하는 기능에만 초점이 맞춰져 개발되어 왔다.
따라서, 보행 보조, 치료, 재활 등 기존의 국한된 목적에 한정되어 제품화됨으로써 사용자의 범위가 매우 협소하다는 문제점이 있었다.
하지만, 착용형 로봇의 사용 범위가 확장되어가고 있는 만큼 보행 보조 기능을 벗어난 다양한 기능을 구현할 수 있는 착용형 로봇이 개발될 필요가 있었다.
또한, 웨어러블 로봇은 사용자에 착용되는 만큼 최대한 경량화될 필요가 있다.
하지만, 웨어러블 로봇을 구동하기 위한 배터리는 반드시 필요한 구성에 해당하며, 배터리의 용량을 늘리기 위해서는 부피와 무게의 증가를 수반한다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 보조모드와 운동모드로 동작하는 방법을 제시한다. 또한, 본 발명은 운동 모드시에 자체적으로 전기 에너지를 충전할 수 있는 웨어러블 로봇을 제안한다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 도 1을 참고로 앞서 설명한 바와 같이 보조모드 및 운동모드로 동작할 수 있다.
보조모드는 보조력을 제공하여 사용자의 움직임을 보조하는 모드이다.
운동모드는 저항력을 제공함으로써 사용자의 운동을 유도하는 모드이다.
보조모드에서 사용자에 제공되는 보조력과, 운동모드에서 사용자에 제공되는 저항력은, 도 1에 도시된 바와 같이, 웨어러블 로봇의 구조 및 동작방식에 따라 사용자 신체의 다양한 부위에 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 제1고정부(110)가 사용자의 기준 신체부위에 장착되고, 제2고정부(120)가 사용자의 목적 신체부위에 장착되며, 제1고정부(110) 측에 마련된 구동부(모터 포함)와 제2고정부(120)가 연결부재(140)에 의해 서로 연결된다.
보조모드에서는 구동부의 구동(모터의 회전)에 의해 연결부재가 회동하면서 관절을 중심으로 하는 사용자 목적 신체부위의 움직임에 보조력을 제공한다.
반면, 운동모드에서는 사용자의 움직임을 방해하는 저항력이 상기 연결부재를 통해 사용자의 목적 신체부위에 전달되며, 사용자는 저항력에 반발하는 움직임을 수행함으로써 운동 효과를 도모할 수 있다.
이때, 운동모드에서 사용자에게 제공되는 저항력은 구동부(모터)의 회전토크를 조절함으로써 생성될 수도 있으나, 모터의 백드라이버빌리티(backdrivability)에 의하여 생성될 수도 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇의 충전 방식의 이해를 돕기 위하여 먼저 승압형 컨버터(Boost Converter, Step-up Converter)에 대해 설명하기로 한다.
도 64는 승압형 컨버터의 회로를 도시한 것으로, 스위치의 온/오프에 따른 전류의 흐름을 화살표로 표시했다.
승압형 컨버터는 입력전압보다 높은 출력전압을 얻기 위한 회로이다. 배터리는 그보다 높은 전압이 인가되어야 충전이 가능해지며, 충전 전류는 배터리 전압과 인가 전압의 차이와 내부 저항의 크기로 결정된다.
본 발명은 승압형 컨버터의 원리를 이용하여 배터리의 전압보다 높은 전압을 생성함으로써 배터리를 충전한다.
도 65는 승압형 컨버터의 스위치 온오프에 따른 인덕터 전류 및 전압을 도시하는 그래프이다.
인덕터 전압(VL)은 아래의 [수학식4]로 나타낼 수 있다. iL은 인덕터에 흐르는 전류이고, L은 인덕턴스이다.
[수학식4]
Figure PCTKR2022020513-appb-img-000004
이때, 출력전압(Vout)은 아래의 [수학식5]로 나타낼 수 있으며, D는 한 주기(f) 내에서 스위치가 온이 되어 인덕터에 전기에너지가 충전되는 구간의 비율인 듀티비(Duty Ratio)를 의미하고, T는 시간을 의미하며, Vin은 입력 전압을 의미한다.
[수학식5]
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[수학식2]에 근거하면, 출력 전압(Vout)은 듀티비가 클수록, 다시 말해 1에 가까울수록 커지며, 듀티비가 작을수록 입력 전압(Vin)과 비슷해짐을 알 수 있다.
본 발명은 이러한 승압형 컨버터의 원리를 착안하여 웨어러블 로봇에 적용가능한 최적의 충전 회로를 제시한다.
승압형 컨버터의 고전압 변환율을 높이기 위해서는 인덕터로의 전기에너지 충전시간을 늘릴 필요가 있다.
도 66은 본 발명에 따른 웨어러블 로봇의 충전회로부를 도시한다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 운동모드 및 보조모드 중 어느 하나의 구동모드로 동작할 수 있고, 이를 구동하기 위한 구동부를 포함할 수 있다.
운동모드 및 보조모드 중 어느 하나의 구동모드는 사용자에 의해서 선택될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 구동모드를 사용자로부터 입력받기 위한 입력부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서는, 운동모드 및 보조모드 중 어느 하나의 구동모드가 사용자의 움직임 패턴, 동작 패턴에 기초하여 자동적으로 선택될 수 있다.
더욱 구체적으로, 구동모드 선택신호는 후술할 충전회로부로 전달되고, 충전회로부는 구동모드에 대응되는 동작을 수행한다.
구동모드 선택신호는 다양한 방법으로 생성될 수 있다.
예를 들어, 웨어러블 로봇에 구비된 구동모드 선택스위치 조작에 의하여 구동모드 선택신호가 생성될 수 있다.
즉, 사용자가 구동모드 선택스위치를 조작하여 운동모드로 구동하는 경우, 운동모드 선택신호가 충전회로부로 전달되고, 후술할 충전회로부의 스위칭부(510)는 운동모드에 대응하여 오프 상태로 제어된다.
반대로 사용자가 구동모드 선택스위치를 조작하여 보조모드로 구동하는 경우, 보조모드 선택신호가 충전회로부로 전달되고, 후술할 충전회로부의 스위칭부(510)는 보조모드에 대응하여 온 상태로 전환되어, 배터리부(510)로부터 모터부(560)로의 전력 공급이 이루어진다.
구동모드 선택스위치는 기계식 스위치나 버튼 등의 매커니컬한 수단으로 구현될 수도 있고, 터치패드나 터치스크린 등의 전자적 수단으로 구현될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 구동모드 선택신호는 사용자의 입력 신호가 아닌 사용자의 움직임에 기초하여 자동적으로 생성될 수도 있다.
예를 들어, 사용자의 움직임에 의하여 모터부(560)가 회전되고, 이에 따라 기설정된 임계치 이상의 역기전력이 생성되는 경우에는 운동모드로 동작하는 것으로 판단하여 운동모드 선택신호를 생성할 수 있다.
도 66에 도시된 바와 같이, 충전회로부(500)는, 배터리부(510), 캐패시터(520), 다이오드(530), 스위칭부(540), 모터부(560) 및 제1 내지 제4 MOSFET(551 내지 554)를 포함한다.
충전회로부(500)의 이해를 돕기 위하여, 배터리부(510) 및 스위칭부(540) 사이의 제1 노드(N1), 스위칭부(540)와 제1 MOSFET(551) 사이의 제2 노드(N2), 제1 MOSFET(551)과 제2 MOSFET(552) 사이의 제3 노드(N3), 제3 MOSFET(553)과 제4 MOSFET(554) 사이의 제4 노드를 상정하여 설명하기로 한다.
다른 실시예에서는 더 많은 수의 MOSFET이 구비될 수 있다.
이하의 설명에서는 부스트 컨버터 회로, 모터의 모델링과 정역회전을 위한 드라이버 회로를 상정하여 4개의 MOSFET이 필요한 것으로 기재하였으나, BLDC(Brushless DC Motor), PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) 등의 3상 모터 인버터 회로에도 적용이 가능하므로 더 많은 수의 MOSFET(예: 6개의 MOSFET)이 이용될 수도 있다.
전류를 일방향으로 가이드하는 다이오드(530)는 스위칭부(540)와 병렬 연결된다.
이에 따라, 스위칭부(540)가 온(ON) 상태가 되는 경우 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이의 전류는 스위칭부(540)를 통해서만 흐르고, 스위칭부(540)가 오프(OFF) 상태가 되는 경우 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이의 전류는 다이오드(530)를 통해서만 흐르게 된다.
스위칭부(540)의 온오프는 상기 입력부(미도시)로부터 전달된 사용자 입력 신호(구동모드 선택신호)에 기초하여 결정될 수 있다.
다른 실시예에서는, 사용자의 움직임 패턴, 동작 패턴에 기초하여 구동모드가 자동적으로 선택되고, 선택된 구동모드에 기초하여 스위칭부(540)의 온오프가 결정될 수 있다.
제1 내지 제4 MOSFET(551 내지 554)은 n-MOSFET, p-MOSFET, CMOS 등 다양한 반도체 소자 중에서 선택될 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 스위칭 동작을 실현할 수 있는 소자라면 어떠한 소자를 채용해도 무방하다.
캐패시터(520)는 배터리부(510)와 병렬로 연결되며, 모터부(560)는 제3 노드와 상기 제4 노드 사이에 구비된다.
즉, 제1 내지 제4 MOSFET(551 내지 554)는 브릿지 회로를 이루고, 제1 및 제2 MOSFET(551, 552) 사이의 제3 노드와 제3 및 제4 MOSFET(553, 554) 사이의 제4 노드 사이에 모터부(560)가 구비된다.
모터부(560)에 대한 전류의 공급여부 및 전류방향은 제1 내지 제4 MOSFET(551 내지 554)의 온오프를 통해 제어할 수 있다.
도 67은 각 구동모드에 있어서의 전류의 흐름을 도시한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 웨어러블 로봇의 구동모드 중 보조모드(ASSIST MODE)로 동작하는 경우에는 스위칭부(540)가 온이 되고, 배터리부(510)로부터 공급된 전류는 스위칭부(540)를 통하여 흐르게 된다.
반대로, 웨어러블 로봇의 구동모드 중 운동모드(EXERCISE MODE)로 동작하는 경우에는 스위칭부(540)가 오프가 되고, 다이오드(530)를 통해 배터리부(510)를 향하여 전류가 흐르게 된다.
도 68은 본 발명에 따른 웨어러블 로봇이 보조모드로 동작하는 경우 충전회로부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
웨어러블 로봇이 보조모드로 동작하는 경우, 스위칭부(540)는 온(ON)이 된다. 즉, 보조모드로 구동시, 스위칭부(540)는 온 상태가 되어 배터리부(510)가 모터부(560)에 구동전력을 공급하게 된다.
따라서, 도 68에서는 제1 노드와 제2 노드가 연결된 것으로 도시했다.
구체적으로, 웨어러블 로봇이 보조모드로 구동되는 경우, 제1 MOSFET(551) 및 제4 MOSFET(554)은 온(ON) 상태가 되고, 제2 MOSFET(552)과 제3 MOSFET(553)은 오프(OFF) 상태가 됨으로써, 배터리부(510)로부터 모터부(560)로 순방향의 전류가 공급된다. 모터부(560)는 순방향 전류에 의하여 제1 방향으로 회전한다.
이와 반대로, 제1 MOSFET(551) 및 제4 MOSFET(554)이 오프(OFF) 상태가 되고, 제2 MOSFET(552)과 제3 MOSFET(553)이 온(ON) 상태가 되면, 배터리부(510)로부터 모터부(560)로 역방향의 전류가 공급된다.
모터부(560)는 역방향 전류에 의하여 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 회전한다.
이때, 제1 내지 제4 MOSFET(551 내지 554)의 온오프를 제어하기 위한 컨트롤러가 별도로 구비될 수 있다.
즉, 보조모드에서는 배터리부(510)의 전력이 모터부(560)로 공급될 수 있도록 제1 내지 제4 MOSFET(551 내지 554)가 제어될 수 있고, 모터부(560)는 배터리부(510)로부터 공급받은 전력에 기초하여 회전될 수 있다.
도 69는 본 발명에 따른 웨어러블 로봇이 운동모드로 동작하는 경우 충전회로부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
웨어러블 로봇이 운동모드로 동작하는 경우, 스위칭부(540)는 오프(OFF) 상태로 제어된다.
따라서, 도 69에서는 제1 노드와 제2 노드 사이에 다이오드(530)가 구비되는 것으로 도시되어 있다.
웨어러블 로봇이 운동모드로 동작하는 경우, 스위칭부(540)는 오프(OFF) 상태가 되므로, 제1 내지 제4 MOSFET의 온오프에 기초하여 다이오드(530)와 모터부(560)의 전기적 연결이 결정될 수 있다.
구체적으로, 제1 MOSFET(551)과 제3 MOSFET(553)은 오프(OFF)로 제어되고, 제2 MOSFET(552)과 제4 MOSFET(554)은 온(ON)으로 제어된다.
이때, 사용자의 움직임에 의하여 모터부(560)가 회전하게 되고, 모터부(560)에 회전에 의하여 역기전력(Back Electro-Motive Force; BEMF)이 발생하며, 역기전력(BEMF)에 의하여 모터부(560)에 포함된 인덕터에 전기에너지가 저장된다.
다시 말해, 다이오드(530)와 모터부(560)가 전기적으로 연결되지 않는 경우, 모터부(560)의 회전운동에 의하여 전기에너지가 생성되고 저장될 수 있다.
이때, 역기전력(BEMF)의 크기는 사용자의 움직임(보행, 팔운동, 허리운동 등)에 따른 모터부(560)의 회전속도에 의하여 결정될 수 있다.
이후, 제1 MOSFET(551)과 제4 MOSFET(554)이 온(ON)으로 제어되고, 제2 MOSFET(552)과 제3 MOSFET(553)이 오프(OFF)로 제어되면, 도 64에서 설명한 승압형 컨버터의 원리에 의하여, 더 큰 전압이 생성되어 모터부(5600)의 인덕터로부터 다이오드(530)의 방향을 따라 전류가 흘러 캐패시터(520)에 저장되며, 캐패시터(520)와 병렬로 연결된 배터리부(510)의 충전이 이루어진다.
다시 말해, 다이오드(530)와 모터부(560)가 전기적으로 연결되는 경우, 모터부(560)에서 생성된 전기에너지(BEMF)에 기초하여 변환된(승압된) 전기에너지가 다이오드(530)를 통해 캐패시터(520)에 저장되고, 이에 의하여 배터리부(510)의 충전이 이루어진다.
여기서, 듀티비(Duty Ratio)는 제1/제3 MOSFET이 오프이고 제2/제4 MOSFET이 온인 상태와, 제1/제4 MOSFET이 온이고 제2/제3 MOSFET이 오프인 상태의 비율을 의미할 수 있다. 듀티비는 배터리 손상이 없는 범위내에서 최대화할 수 있으며, 90~99% 이내일 수 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇의 구조와 연관하여 기계적 원리를 설명한다.
모터부(560)는 연결부재의 일단과 연결되며, 연결부재의 타단은 사용자의 다리(허벅지), 등, 어깨, 팔(손목) 등 신체의 다양한 부위에 고정될 수 있다.
이때, 걷기, 달리기, 허리굽힘, 어깨회전, 팔운동과 같은 사용자 움직임에 연동하여 연결부재의 움직임(회동, 회전 등)이 이루어질 수 있고, 연결부재의 타단에 연결된 모터부(560)가 회전하게 된다.
모터부(560)의 회전은 역기전력을 생성하게 되며, 역기전력의 크기는 모터부(560)의 회전속도에 대응하므로 사용자 움직임의 속도에 따라 역기전력의 크기가 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇의 충전방식은 아래에서 상세히 설명될 웨어러블 로봇의 구조와 연관하여 이해될 수 있을 것이다.
모터부(560)에 포함된 인덕터에 전기에너지가 저장되면, 제1 MOSFET(551) 및 제4 MOSFET(554)을 온(ON)으로 제어하고, 제2 MOSFET(552) 및 제3 MOSFET(553)을 오프(OFF)로 제어함으로써, 모터부(560)에 포함된 인덕터에 저장된 전기에너지를 이용해 배터리부(510)의 충전이 이루어진다.
모터부(560)에 포함된 인덕터의 전기 에너지 충전과 방전의 시간 비율에 따라 출력 전압의 크기와 배터리부의 충전량이 결정될 수 있으며, 해당 시간 비율에 따라서 사용자에게 제공되는 운동 부하의 크기가 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇에 의하면, 모터 구동을 사용하지 않는 안전한 부하 제공이 가능해지며(운동모드 제공), 이때, 속도에 비례한 제동저항력으로 수중 운동과 유사한 운동 효과를 부여할 수 있다.
또한, 보조장치로 작용한 경우, 동작의 속도에 비례한 수동적 운동 부하로 안전한 근력운동을 제공할 수 있다.
부연 설명하면, 이는 모터 출력에 의해 저항력을 제공하는 동적인 방법과 비교하여 중요한 차이이다.
의도하지 않는 힘이 동작과 역방향으로 걸리지 않는다.
사용자가 움직이지 않거나 천천히 움직일수록 저항력이 적기 때문에 움직임을 방해하지 않고 안전하게 동작을 변경할 수 있다.
더 큰 저항력을 받고 싶다면 빠르게 움직이면 된다.
특히, 본 발명에 따른 충전 기능을 통하여 웨어러블 로봇의 사용시간을 월등히 증대시킬 수 있고, 충전 용량 조절을 통하여 운동부하의 크기 또한 제어가 가능해진다. 즉, 서로 상대적인 개념으로 제어가 가능하다.
배터리 충전량을 높이기 위해 전기에너지의 충전 시간 비율(듀티비)를 높이면 사용자의 동작 속도에 비례한 저항력이 커져서 운동 부하가 커지게 된다.
운동 부하를 높이기 위해서는 모터가 단락되는 시간 비율(듀티비)를 높여야 하는데 이러면 역기전력이 높게 생성되어 부스트 컨버터의 입력 전압이 높아지므로 충전량이 커지게 된다.
본 발명에 따른 충전 용량 설정과 운동 부하 매칭을 이용하면 다양한 운동 프로그램을 수립할 수 있으며, 별도의 충전 하드웨어 없이 기존의 모터 기반 하드웨어만으로도 배터리 충전을 수행할 수 있게 된다.
도 70은 본 발명에 따른 웨어러블 로봇에서 생성된 전기에너지를 이용하여 외부기기를 충전하는 방법을 나타내는 개략도이다.
위에서는 배터리 전압보다 높은 전압을 생성해서 충전하는 기능에 대해서 주로 기술했으나, 생성된 전기에너지를 외부기기가 필요로 하는 전압에 맞게 적절하게 변환시켜주는 컨버터(미도시)가 더 구비될 수 있다.
예를 들어, 외부기기의 충전 인가 전압이 낮게 고정되어 있다면, 컨버터(미도시)는 낮은 전압으로 변환하여 외부기기에 전달할 수 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 충전회로부(500)에서 생성된 전기에너지를 스마트폰과 같은 외부기기에 유선으로 전달하는 유선 단자부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
유선 단자부(미도시)는 배터리부(510)나 캐피시터(520)와 전기적으로 연결되고, 타단은 C타입, 8핀, 5핀 등 적절한 단자를 연결할 수 있는 형태로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 충전회로부(500)에서 전기에너지를 외부기기에 무선으로 전달하는 무선 충전부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 무선 충전부(미도시)는 유도 방식 또는 공진 방식을 이용할 수 있으며, 외부기기의 내부 코일과 상호작용하기 위한 충전 코일을 포함할 수 있다.
한편, 다른 실시예에서는 웨어러블 로봇이 저전력 상태에 있는 경우 외부 충전장치를 이용하여 웨어러블 로봇을 충전하기 위한 충전 단자를 더 포함할 수도 있다.
충전 단자는 배터리부(510)와 전기적으로 연결되어 외부 충전장치로부터 공급된 전력을 배터리부(510)로 공급하여 배터리부(510)를 충전시키거나, 모터부(560)를 구동하는 데 필요한 전력을 직접 전달할 수 있다.
위에서는 도 71의 (a)에 도시된 바와 같이 웨어러블 로봇이 충전회로부를 포함하는 실시형태를 설명했다.
이하에서는, 도 71의 (b)에 도시된 바와 같이 충전장치와 웨어러블 로봇이 별도로 구비되는 실시형태를 설명한다.
도 71의 (b)에 도시된 바와 같이, 충전장치와 웨어러블 로봇이 별도로 구비되는 경우, 모터부는 웨어러블 로봇에 포함되고, 충전장치는 배터리를 포함한 충전회로부를 포함할 수 있다.
웨어러블 로봇과 충전장치의 물리적, 전기적 결합에 의하여, 도 66과 같은 회로가 완성되어 전력공급과 충전을 수행할 수 있게 된다.
웨어러블 로봇 충전장치는 운동모드로 동작하는 동안 전기에너지를 충전하는 충전회로부(500)를 포함하고, 충전회로부(500)는 배터리부(510)와 스위칭부(540)를 포함할 수 있다. 스위칭부(540)는 웨어러블 로봇의 구동모드에 대응하여 온오프된다. 배터리부(510)는 웨어러블 로봇에 구비된 모터부(560)가 생성한 전기에너지를 전달받아 충전을 수행한다.
이때, 웨어러블 로봇으로부터 운동모드 및 보조모드 중 어느 하나에 대한 구동모드 선택신호를 수신하는 신호 수신부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇 충전장치는 구동모드 선택신호에 기초하여, 보조모드로 동작하는 경우 배터리부(510)는 웨어러블 로봇의 모터부(560)로 전력을 공급하고, 이를 위하여 스위칭부(540)는 온으로 제어된다.
반대로, 운동모드로 동작하는 경우 배터리부(510)는 웨어러블 로봇의 모터부(560)에서 생성한 전기에너지로부터 충전되며, 이때, 스위칭부(540)는 오프로 제어된다.
한편, 웨어러블 로봇과 충전장치의 물리적 결합을 위한 결합부(미도시)가 구비될 수 있다.
충전장치가 웨어러블 로봇 내부로 삽입 및 장착되는 경우 충전장치의 결합부는 웨어러블 로봇에 결합되기 위한 결합홈과 고정부를 포함할 수 있다.
충전장치가 웨어러블 로봇 외부에 걸침 형태로 장착되는 경우 충전장치의 결합부는 웨어러블 로봇에 구비된 걸림턱에 장착되기 위한 돌출부와 고정부를 포함할 수 있다.
볼트나 나사 등의 별도 연결구를 이용하여 결합되는 경우, 충전장치의 결합부는 볼트나 나사 등이 통과할 수 있는 쓰루홀을 포함할 수 있다.
이와 같이, 웨어러블 로봇과 충전장치는 다양한 방식으로 물리적 결합을 이룰 수 있다.
웨어러블 로봇 충전장치는 웨어러블 로봇의 모터부(540)와 전기적 연결을 이루는 연결부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
연결부(미도시)는 와이어, 패드, 커넥터, 단자 등으로 구성될 수 있다. 연결부(미도시)에 의하여 웨어러블 로봇의 모터부(540)는 충전장치의 제1 내지 제4 MOSFET(551 내지 554)과 전기적으로 연결될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 충전회로부는 제1 내지 제4 MOSFET(551 내지 554)를 포함하고, 배터리부(510) 및 스위칭부(540) 사이의 제1 노드(N1), 스위칭부(540)와 제1 MOSFET(551) 사이의 제2 노드(N2), 제1 MOSFET(551)과 제2 MOSFET(552) 사이의 제3 노드(N3), 제3 MOSFET(553)과 제4 MOSFET(554) 사이의 제4 노드를 포함하되, 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이는 오픈된 형태로 구비된다.
이때, 상술한 방법으로 충전장치와 웨어러블 로봇이 물리적 결합을 이루는 동시에, 웨어러블 로봇의 모터부(540)는 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이에 전기적으로 연결된다.
충전장치와 웨어러블 로봇의 물리적, 전기적 결합에 의하여, 최종적으로는 도 66에 도시된 바와 같은 회로구조가 생성된다.
이후부터의 동작 방식은 위에서 설명한 바와 동일하므로 중복 설명은 생략하기로 한다.
한편, 제1 내지 제4 MOSFET(N1 내지 N4)은 배터리부(510)로부터 웨어러블 로봇의 모터부(560)로의 전류 방향을 결정하며, 충전장치는 스위칭부(540)와 병렬 연결된 다이오드(530)과, 배터리부(510)와 병렬 연결된 캐패시터(510)를 더 포함할 수 있다.
웨어러블 로봇이 운동모드로 동작하는 동안, 웨어러블 로봇의 모터부(560)에 포함된 인덕터는 회전운동에 의한 전기에너지를 저장하고, 충전장치의 배터리부(510)는 전기에너지에 기초하여 충전이 이루어진다.
웨어러블 로봇이 보조모드로 동작하는 동안에는 충전장치의 배터리부(510) 웨어러블 로봇의 모터부(560)에 구동전력을 공급하여 보조력을 인가한다.
충전회로부는 본 발명에 따른 웨어러블 로봇을 전반적으로 제어하는 컨트롤러에 의해서 제어될 수 있다. 즉, 컨트롤러는 웨어러블 로봇을 보조모드 또는 운동모드로 구동하는 동시에 구동모드에 따라 충전회로부에 포함된 스위칭부와 제1 내지 제4 MOSFET를 온오프시키기 위한 제어신호를 생성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 웨어러블 로봇을 보조모드와 운동모드로 동작시킬 수 있고, 운동모드로 구동되는 경우 자체적으로 전기에너지를 생성하여 배터리 또는 외부기기를 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 전체 구조
상기 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇은 제1고정부(110), 제2고정부(120), 구동부(130) 및 연결부재(140)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 제1고정부(110)는 허리 착용부일 수 있다.
따라서, 아래의 설명에서는 도면번호 110을 제1고정부 또는 허리착용부로 지칭하기로 한다.
다만, 이는 발명을 더 구체적으로 이해하도록 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위는 허리 또는 하체에 적용하는 것으로 한정되는 것은 아니며, 상술한 내용과 같이 상체, 팔 등의 다양한 신체부위에도 적용될 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 웨어러블 로봇을 착용한 사용자의 전면 방향 또는 보행 방향을 x축 방향으로 정의하고, 웨어러블 로봇을 착용한 사용자의 양 측면 방향을 y축 방향으로 정의하며, 수직방향은 z축 방향으로 정의한다.
본 발명의 일 실시형태에서 상기 제1고정부(110)는 사용자의 고관절 상측에 위치하는 허리부위에 장착될 수 있고, 상기 제2고정부(120)는 사용자의 고관절 하측에 위치하는 대퇴부에 장착될 수 있으며, 상기 제1고정부(110) 측에 마련된 구동부(130)와 상기 제2고정부(120)를 연결하는 연결부재(140)가 구동부(130)의 구동에 의해 y축을 중심으로 회동하면서 고관절을 중심으로 하는 대퇴부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있다.
상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)는 관절부의 양측 신체 부위에 각각 고정되는 것으로, 신체 부위를 감쌀 수 있는 밴드(band)나 벨트(belt)와 같은 형태로 이루어질 수 있으며, 양단부에는 상호 고정될 수 있는 후크 앤드 루프 패스너 등의 고정수단이 마련될 수 있다.
상기 구동부(130)는 상기 제1고정부(110)에 마련되고, y축을 중심으로 하는 회전토크를 제공하기 위한 모터 또는 액추에이터 등으로 구성될 수 있으며, 토크를 상승시키기 위한 감속기 등을 포함할 수 있다.
구동부(130)는 보조력을 위한 동력을 발생시키는 구동기(131)를 포함하고 허리 전방 또는 후방에 장착될 수 있다.
구동부(130)에는 구동기(131)에 전원을 공급하는 배터리(136)가 함께 장착될 수 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리(136)를 포함하고, 제어 기판(137)이 구동부(130)와 별도로 형성되어 허리의 다른 부위에 장착될 수도 있다.
제1고정부(110)는 통상적인 벨트(또는 스크랩) 및 버클(또는 벨크로) 등으로 구성되어 구동부(130)를 연결시키고 허리를 감아 구동부(130)를 착용자의 허리 전방(도 20 참조) 또는 허리 후방(도 5 참조)에 장착시킬 수 있다.
이때, 착용자의 신체 사이즈에 맞게 제1고정부(110)의 둘레 길이를 조절할 수 있다.
구동부(130)를 허리 후방에 장착시키는 경우, 연결부재(140)는 허벅지의 후방(도 5 참조) 또는 전방(도 12 참조)에 위치할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 12에서와 같이, 연결부재(140)가 허벅지의 전방에 위치하는 경우, 도 13 및 도 14에서와 같이 연결부재(140)는 구동부(130)와 결합하는 부분이 연장된 상태로 구동부(130)와 결합할 수 있다.
연결부재(140)는 장치 구동부(130)의 양측에 회동 가능하게 결합되어 각각은 양측 허벅지를 따라서 연장되어 허벅지에 장착될 수 있다.
이때, 연결부재(140)는 장치 구동부(130)의 연결 위치에 따라서 허벅지 전방 또는 후방에 배치될 수 있다.
연결부재(140)는 구동부(130)의 구동기(131) 동작에 의해 회동축을 중심으로 전후 방향으로 회동하여 허벅지에 보조력을 전달할 수 있다.
연결부재(140)는 긴 막대 형상으로 형성될 수 있고, 허벅지와 접촉하는 내측면은 허벅지에 밀착할 수 있도록 허벅지와 접촉하는 모양에 따라 곡면으로 형성될 수 있다.
또는, 도시된 실시예와 같이 연결부재(140)는 구동부(130)에 회동 가능하게 결합되어 사각 또는 원형 단면으로 길게 연장되는 연장 프레임(145) 및 연장 프레임(145) 하단부에 고정되어 허벅지와 비교적 넓은 접촉 면적을 가지고 허벅지와 접촉하는 모양에 따라 내측면이 곡면으로 형성되고 연결부재(140)를 허벅지에 고정시키는 제2고정부(120)가 연결되는 고정 프레임(146)을 포함하여 구성될 수 있다.
제2고정부(120)는 연결부재(140)의 하단부에 연결되어 연결부재(140)의 하단부를 허벅지에 고정시킬 수 있다.
제2고정부(120)는 제1고정부(110)와 마찬가지로 벨트(또는 스트랩) 및 버클(또는 벨크로) 등으로 구성될 수 있다.
도면에서는 연결부재(140)의 하단부에 제2고정부(120)가 형성되어 있으나 다른 위치에 형성되거나 연결부재(140) 하단부 외 다른 위치에 추가로 형성될 수도 있다.
또한, 착용자의 허벅지 움직임 또는 자세를 감지하는 움직임 감지 센서(147)를 포함할 수 있다.
제어 기판(137)은 감지 센서의 신호를 수신하여 착용자의 움직임을 예측하고, 이에 따라 구동부(130)의 구동기(131)를 제어하여 연결부재(140)를 구동시켜 허벅지 움직임을 보조할 수 있다.
상기 움직임 감지 센서(147)는 관성 센서, 각도 센서, 또는 리밋 센서 등이 될 수 있다.
상기 움직임 감지 센서(147)는 본체 하우징(134) 내에 장착되어 착용자의 상체 각도를 센싱할 수 있다.
또한, 움직임 감지 센서(147)는 단측 또는 양측의 회전 조인트부(170a, 170b)에 장착되어 착용자의 각 다리의 전후방향 각도를 측정할 수 있다.
또는, 한 측의 다리의 각도만 센싱한 후, 양다리의 상대적인 각도를 통하여 다른 측의 다리의 각도를 계산할 수 있다.
또한, 움직임 감지 센서(147)는 연결부재(140)에 장착되어 착용자의 각 다리의 전후방향과 좌우 회동방향의 각도를 센싱할 수 있다.
센싱된 좌우 회동방향의 각도는 착용자의 균형에 대한 정보를 계산할 때 사용될 수 있다.
또한, 상기 움직임 감지 센서(147)는 모터의 회전량과 방향을 측정할 수 있는 엔코더, 리졸버, 홀 센서 등이 될 수 있다.
상기 움직임 감지 센서(147)는 모터 축의 회전을 감지하여 회전 변량을 측할 수 있다.
또한, 가속도나 각속도를 측정할 수 있는 센서를 제2고정부(120)에 배치시킬 수 있다.
종래 보행을 보조하는 착용형 로봇의 일반적인 구조는 고관절 양측에 구동기(모터)가 있고, 배터리와 제어 기판은 허리에 배치되는 구조이며, 고관절 양측의 구동기에서 허벅지 측면으로 연장되는 연결부재에 의해 보조력을 전달하는 구조이다.
연결부재가 허벅지 측면으로 연장 배치되기 때문에, 연결부재가 허벅지에 효과적으로 보조력을 전달하는 것이 어렵다.
하지만, 본 발명의 일 실시형태에서는 구동기(131)를 포함하는 구동부(130)가 허리 전방 또는 후방에 배치되고 보행 중 허벅지가 움직이는 전후 방향에 연결부재(140)가 위치하므로 연결부재(140)가 연결부재(140)의 보조력을 허벅지에 효과적으로 전달시킬 수가 있다.
따라서, 기존의 구조에 비하여 효과적으로 보조력을 전달시킬 수 있으므로 비교적 작은 파워를 가지는 구동기(131)를 사용할 수 있고, 나아가 후술하는 바와 같이 단일의 구동기(131)를 이용하여 양측의 허벅지에 보조력을 전달시킬 수도 있어서 장치 무게를 줄일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 연결부재(140)는 일단부가 상기 구동부(130)에 연결되고 타단부가 상기 제2고정부(120)에 연결된 상태로 구동부(130)에 의해 회동하면서 상기 구동부(130)로부터 제공되는 구동력을 제2고정부(120)로 전달하며, 상기 관절부의 운동 크기에 따라 변경되는 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절되도록 구성된다.
구체적인 실시형태에 따르면, 좌우 양측의 연결부재(140) 각각은 회전조인트부(170a, 170b)를 구비하고, 회전조인트부(170a, 170b)는 구동부(130)의 좌우 양단에 연결된다.
이로써, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 연결부재(140)에 직접 전달될 수 있다.
이러한 구동력은 연결부재(140)를 통해 제2고정부(120)에 전달될 수 있다.
도 16을 참조하면, 이러한 연결부재(140)는 제1부재(141), 제2부재(142), 제3부재(143) 및 탄성부재(144)를 포함할 수 있다.
제1부재(141)는, 그 일단부가 상기 구동부(130)에 연결된다. 제2부재(142)는, 상기 제1부재(141)의 길이방향을 따라 이동 가능하다.
제2부재(142)는 제1부재(141)와 중첩될 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 제2부재(142)는 제1부재(141) 내부에 삽입될 수 있다.
제2부재(142)는 그 전체가 제1부재(141) 내부에 삽입될 수 있다. 제3부재(143)는 돌출부(143b)를 포함할 수 있다.
또한, 제3부재(143)는, 그 일단부가 상기 제2부재(142)의 길이방향을 따라 이동 가능하고 그 타단부가 상기 제2고정부(120)에 고정된다.
탄성부재(144)는, 그 양단부가 상기 제1부재(141)와 제2부재(142)에 각각 고정되고 상기 제1부재(141)와 상기 제2부재(142)가 중첩되는 방향으로 탄성력을 제공한다.
또한, 도 27에 도시된 바와 같이, 상기 제3부재(143)의 이동에 연동하여 제2부재(142)를 이동시키는 연동부(150)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 제3부재(143)는 제2부재(142)의 내측으로 삽입되고 제2부재(142) 내부에서 길이방향을 따라 이동할 수 있도록 구성되며, 일면에는 제2고정부(120)와의 연결을 위한 커넥터가 형성될 수 있다
상기 제2부재(142)는 상기 제3부재(143)가 삽입될 수 있는 통로가 형성된 관형의 길이부재로 이루어지고, 일면에는 상기 커넥터의 이동을 위한 제2슬릿(142c)이 길이방향을 따라 형성된다.
상기 제2부재(142)의 양단 개구는 제2-1엔드캡(142a)과 제2-2엔드캡(142b)에 의해 각각 마감될 수 있으며, 이에 따라 상기 제2슬릿(142c)의 양단부는 폐쇄된 형태로 제공된다.
제2부재(142)는 그 전체가 제1부재(141) 내에 삽입될 수 있다.
또한 제3부재(143)는 그 전체가 제2부재(142) 내에 삽입될 수 있다.
이로서, 수축 상태의 길이의 최소화가 가능하다.
또한, 운반과 휴대성이 우수하다.
또한, 완전히 겹치기 때문에 강성이 보강된다.
상기 제1부재(141)는 제2부재(142)가 삽입될 수 있는 통로가 형성된 관형의 길이부재로 이루어지고, 일면에는 상기 제2부재(142)가 내측으로 삽입된 상태에서 상기 제2부재(142)의 제2슬릿(142c)과 연통할 수 있는 제1슬릿(141c)이 길이방향을 따라 형성된다. 상기 제1부재(141)의 양단 개구는 제1-1엔드캡(141a)과 제1-2엔드캡(141b)에 의해 각각 마감될 수 있으며, 상기 제2부재(142)가 삽입되는 단부에 결합되는 제1-2엔드캡(141b)에는 상기 제1슬릿(141c)과 연통하는 개구부가 형성됨에 따라 상기 제1슬릿(141c)의 일측 단부가 개방된 형태로 제공된다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서는 상기 제1부재(141)가 관형의 길이부재로 이루어지는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 하우징의 형태로 이루어지는 것도 가능하며, 이 경우 하우징의 내측 또는 외측에는 상기 제2부재(142)의 이동을 안내하는 통로가 형성되고, 하우징의 일면에는 상기 제2슬릿(142c)과 연통하는 제1슬릿(141c)이 형성될 수 있을 것이다.
한편, 상기 연결부재(140)의 양단부는 상기 구동부(130) 및 제2고정부(120)에 각각 회동 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.
예컨대, 상기 제1부재(141)는 제1힌지축을 통해 상기 구동부(130)에 좌우로 회동 가능하게 연결되고, 상기 제3부재(143) 역시 제2힌지축을 통해 상기 제2고정부(120)에 좌우로 회동 가능하게 연결될 수 있다.
또한, 좌우 양측의 연결부재(140) 각각은 회전조인트부(170a, 170b)를 구비하고, 회전조인트부(170a, 170b)는 구동부(130)의 좌우 양단에 연결된다.
이로써, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 연결부재(140)에 직접 전달될 수 있다.
한편, 상기 연결부재(140)는 제1길이조절부와 제2길이조절부를 포함할 수 있다. 상기 제1길이조절부는 제2부재(142)가 제1부재(141)를 따라 이동함으로써 구현된다.
상기 제2길이조절부는 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 이동함으로써 구현된다.
관절부의 가동범위 중에서 소정의 범위(이를 제1영역이라 한다)에서는 상기 제1길이조절부에 의해서 길이가 조절되고, 상기 소정의 범위 이외의 범위(이를 제2영역이라 한다)에서는 상기 제2길이조절부에 의해서 길이가 조절될 수 있다.
상기 가동범위는 예를 들어, 본체부 수직축을 기준으로 전방 소정 각도 내지 후방 소정 각도의 범위일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1영역은 사용자의 보행시에 길이조절이 필요한 영역일 수 있다. 상기 제2영역은 사용자가 앉는 등의 넓은 범위의 길이조절이 필요한 영역일 수 있다.
다른 실시형태에 의하면, 상기 제1길이조절부와 제2길이조절부는 순차적으로 동작할 수있다.
또 다른 실시형태에 의하면, 상기 제1길이조절부와 제2길이조절부는 병행하여 동작할 수 있다.
상기 제2부재(142)의 이동 과정에서 작용하는 제1부재(141)에 대한 마찰력은 상기 제3부재(143)의 이동 과정에서 작용하는 제2부재(142)에 대한 마찰력에 비해 상대적으로 작게 설정될 수 있다.
이에 따라, 상기 연결부재(140)는 관절부의 동작에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화하는 과정에서 상기 제1길이조절부와 제2길이조절부가 순차적으로 작동할 수 있다.
예를 들어, 사용자가 보행시에는 제1길이조절부에 의해 길이가 조절되고, 사용자가 보행 도중에 앉는 경우에는 제2길이조절부에 의해 길이가 조절됨으로써, 순차적으로 작동할 수 있다.
이에 따르면, 보행 시에는 마찰이 작은 제2부재(142)와 제1부재(141)간의 이동으로 착용자의 저항감을 최소화할 수 있다.
반면에, 고관절의 가동각이 크거나 동작 빈도수가 낮은 앉기 및 계단 오르기 등에서는 상기 제3부재(143)가 제2부재에서 이동하게 된다.
따라서, 상기 제1길이조절부와 제2길이조절부가 순차적으로 작동함으로써 넓은 범위의 길이조절이 가능하며 착용자의 저항감을 최소화할 수 있다.
한편, 제1길이조절부와 제2길이조절부가 반드시 순차적으로 작동해야 하는 것은 아니며, 일정시간은 양자의 작동이 겹치는 기간이 있을 수 있다.
이러한 실시형태도 본 발명의 범위에 포함된다.
또한, 제1길이조절부와 제2길이조절부가 전반적으로 병행하여 작동하는 태양도 가능하며, 이러한 실시형태도 본 발명의 범위에 포함된다.
즉, 제1길이조절부가 먼저 작동하는 것이 일반적일 것이지만, 신체구조는 사람마다 다를 뿐만 아니라, 연결부재를 구성하는 각 부재에 가해지는 힘의 크기, 방향 등을 고려하면, 제1길이조절부와 제2길이조절부는 유기적으로 작동할 수 있다.
이와 같이 제1길이조절부와 제2길이조절부가 병행하여 작동하는 경우로써, 상기 제2부재(142)와 제1부재(141)간의 마찰력이 웨어러블 로봇 착용 및 작동시의 비틀림으로 인해 증가할 때, 제3부재가 제2부재에서 병행하여 이동함으로써 착용자의 저항감을 줄여줄 수도 있다.
상기 연동부(150)는 제1케이블(151), 제2케이블(152)을 포함할 수 있다. 제1케이블(151)은 일단부가 상기 제1부재(141)의 제1 단부에 고정되고 타단부가 상기 제2부재(142)의 제2 단부를 경유하여 제3부재(143)에 고정될 수 있다.
제2 케이블(152)은 일단부가 상기 제1부재(141)의 제2 단부에 고정되고 타단부가 상기 제2부재(142)의 제1 단부를 경유하여 제3부재(143)에 고정될 수 있다.
제1 단부란 제1부재(141)와 제2부재(142)가 중첩되는 경우 중첩되는 방향에 대하여 제1 부재 또는 제2 부재의 끝부분을 말하며, 제2 단부란 상기 중첩되는 방향과 반대 방향에 대하여 제1 부재 또는 제2 부재의 끝부분을 말한다.
상기 제1케이블(151)은 제3부재(143)가 수축 방향으로 이동하는 과정에서 제3부재(143)의 이동과 연동하여 제2부재(142)를 수축 방향으로 함께 이동시키는 역할을 하고, 상기 제2케이블(152)은 제3부재(143)가 확장 방향으로 이동하는 과정에서 제3부재(143)의 이동과 연동하여 제2부재(142)를 확장 방향으로 함께 이동시키는 역할을 하며, 상기 제1케이블(151)과 제2케이블(152)에 의한 제2부재(142)의 이동거리는 제3부재(143)의 이동거리의 1/2로 설정될 수 있다.
또한, 상기 제2단위부재(142)의 확장측 단부에 결합된 제2-2엔드캡(142b)에는 상기 제1케이블(151)을 지지하기 위한 제2도르래(142f)가 배치되고, 상기 제2부재(142)의 수축측 단부에 결합된 제2-1엔드캡(142a)에는 상기 제2케이블(152)을 지지하기 위한 제3도르래(142g)가 배치될 수 있다.
상기 탄성부재(144)는 일단부가 상기 제1부재(141)의 제1-1엔드캡(141a)에 고정되고 타단부가 상기 제2부재(142)의 제2-2엔드캡(142b)에 고정되며, 상기 제2부재(142)가 외력에 의해 제1부재(141)에 대하여 확장하는 방향으로 이동하는 과정에서 탄성 변형하고, 상기 제2부재(142)에 가해지는 외력이 해제되면 탄성 복원하면서 상기 제2부재(142)를 수축 방향으로 이동시키기 위한 탄성력을 제공한다.
이러한 탄성부재(144)는 인장스프링이나 탄성줄 등과 같은 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서 상기 탄성부재(144)는 제1부재(141)와 제2부재(142)를 연결하여 제2부재(142)를 수축 방향으로 탄성지지하는 것으로 예를 들어 설명하였으나 이에 제한하는 것은 아니며, 상기 제1부재(141)와 제3부재(143)를 연결하여 제3부재(143)를 수축 방향으로 탄성지지하는 경우에도, 연동부(150)를 통해 제3부재(143)와 연결된 제2부재(142)가 자중에 의해 확장 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있을 것이다.
예컨대, 상기 제2부재(142)의 상기 제1부재(141)의 통로로 삽입되는 단부에 결합되는 제2-1엔드캡(142a)에는 제1부재(141)의 상측 내벽면과 하측 내벽면에 각각 접촉하는 복수의 롤러(142d)가 마련될 수 있고, 상기 제3부재(143)의 외측면에는 상기 롤러(142d)에 비해 상대적으로 큰 마찰력을 가지고 상기 제2부재(142)와의 접촉면에서 미끄럼운동하는 슬라이딩패드(143a)가 배치될 수 있다.
한편, 상기 슬라이딩패드(143a)는 제2부재(142)의 통로 내에 삽입되는 제3부재(143)의 외측면을 감싸는 형태로 제공될 수 있으며, 교환 등의 유지보수를 위해 제3부재(143)에 탈착 가능한 형태로 조립될 수 있다.
즉, 보행 동작과 같은 작은 범위(제1영역)의 동작이 이루어지는 경우, 제3부재(143)에 비해 상대적으로 마찰력이 작은 제2부재(142)가 제1부재(141)를 따라 이동하여 연결부재(140)의 길이가 조절된다.
또한, 앉는 동작이나 계단보행 등과 같은 큰 범위(제2영역)의 동작이 이루어지는 경우, 제1영역 내에 속하는 동작 범위 내에서는 제2부재(142)가 제1부재(141)를 따라 이동하여 연결부재(140)의 길이가 조절되고, 이후 제1영역을 초과하는 제2영역의 동작 범위에서는 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 이동하여 연결부재(140)의 길이가 조절된다.
이와 같이 연결부재(140)를 다단으로 구성하는 경우 수축상태에서의 전체 길이를 짧게 하는 것이 가능하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있다.
또한, 연결부재(140)에 마련된 제2부재(142)와 제3부재(143)이 동시에 동작하지 않고 순차적으로 동작하도록 구성함에 따라 동작과정에서 발생하는 마찰력을 분산시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서는 상기 제2부재(142)와 제3부재(143)가 각각 직선 왕복 운동하는 것에 의해 연결부재(140)의 길이가 조절되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 상기 연결부재(140)가 서로 회동 가능하게 결합되는 복수의 부재로 구성되어 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 따라 복수의 부재의 회동 각도가 조절되면서 연결부재(140)의 양단부 사이 길이가 조절되도록 구성하는 것도 가능할 것이다.
도 34에 도시된 바와 같이, 상기 제1고정부가 허리 착용부(110)의 형태로 구현되는 경우, 허리 착용부(110)는 허리 벨트(113)와 허리 착용 프레임(116)을 포함할 수 있다. 허리 벨트(113)의 양단은 허리 착용 프레임(116)의 양단과 결합할 수 있다. 허리 벨트(113)는, 착용자의 허리 크기에 따라 그 길이가 조절될 수 있다.
도 35에 도시된 바와 같이, 상기 허리 착용 프레임(116)은 하단 기구부(117a)와 상단 기구부(117b) 및 탈착 버튼(118)을 포함할 수 있다.
한편, 후술하는 구동부(130)의 본체 하우징(134)의 일면에는 하단 후크(134a)와 상단 후크(134b)가 포함될 수 있다.
상기 하단 기구부(117a)는 상기 하단 후크(134a)와 결합할 수 있다. 상기 상단 기구부(117b)는 상기 상단 후크(134b)와 결합할 수 있다. 그에 따라 허리 착용부(110)와 구동부(130)는 결합할 수 있다.
도 37에 도시된 바와 같이, 탈착 버튼(118)을 누르면, 상기 상단 기구부(117b)와 상기 상단 후크(134b)는 분리될 수 있다.
이에 따라 상기 하단 기구부(117a)와 상기 하단 후크(134a)는 쉽게 분리될 수 있어서, 구동부(130)와 허리 착용부(110)를 용이하게 장/탈착할 수 있다.
도 38에 도시된 바와 같이, 상기 제2고정부가 허벅지 착용부(120)의 형태로 구현되는 경우, 허벅지 착용부(120)는 스트랩부(123)와 플레이트(126)를 포함할 수 있다.
상기 스트랩부(123)는 스트랩부(123)의 일단에 결합하는 제2 버튼(129)을 포함할 수 있다.
스트랩부(123)의 양단은 플레이트(126)의 양단과 결합할 수 있다. 스트랩부(123)는, 착용자의 허벅지 크기에 따라 그 길이가 조절될 수 있다.
도 39에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트(126)는 플레이트 프레임(127)과 제1 버튼(128)을 포함할 수 있다.
상기 플레이트 프레임(127)은 개구부(127a)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제3부재(143)는 돌출부(143b)를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 플레이트(126)의 개구부(127a)가 상기 제3부재(143)의 돌출부(143b)와 결합할 수 있다.
제1 버튼(128)을 누르면, 상기 플레이트(126)와 상기 제3부재(143)는 분리될 수 있다.
제2 버튼(129)을 누르면, 상기 플레이트(126)와 상기 스트랩부(123)는 분리될 수 있다.
이와 같이, 상기 플레이트(126)와 스트랩부(123) 또는 상기 플레이트(126)와 상기 제3부재(143)는 쉽게 분리될 수 있어서, 웨어러블 로봇을 용이하게 장/탈착할 수 있다.
한편, 도 43 내지 도 45에 도시된 바와 같이, 허리 착용부(110)와 허벅지 착용부(120) 사이에는 착용부 탄성부재(148)가 배치될 수 있다.
이 경우, 허리 착용부(110)의 고리(미도시) 또는 개구부(미도시)가 착용부 탄성부재(148)의 일단과 결합하고, 허벅지 착용부(120)에서 플레이트 프레임(127)의 고리(미도시) 또는 개구부(미도시)가 착용부 탄성부재(148)의 타단과 결합할 수 있다.
이러한 결합은 고리나 개구부 뿐만 아니라, 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
또한, 도 43의 (b)에 도시된 바와 같이 착용부 탄성부재(148)의 일단은 회전 조인트부(170)와 결합하고 타단은 허벅지 착용부(120)와 결합할 수 있다.
상기와 같은 결합상태에서 착용부 탄성부재(148)은 길이 조절이 가능하다.
한편, 착용부 탄성부재(148)에 생기는 장력으로 인해, 착용부 탄성부재(148)는 연결부재(140)에서 탄성부재(144)의 기능을 대신할 수 있다.
이에 따라, 연결부재(140)내의 탄성부재(144)가 생략된 채로 웨어러블 로봇의 구현이 가능하다.
착용부 탄성부재(148)가 포함된 웨어러블 로봇을 착용하는 경우, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 허리 착용부(110)와 허벅지 착용부(120)를 착용하고 착용부 탄성부재(148)의 길이를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 구동부(130)와 허리 착용부(110)를 결합하고 연결부재(140)와 허벅지 착용부(120)를 결합하는 단계를 포함한다.
착용부 탄성부재(148)가 허리 착용부(110)와 허벅지 착용부(120)사이를 연결하는 경우, 허벅지 착용부(120)의 흘러내림을 방지할 수 있다.
또한, 착용자의 체형에 맞추어 착용부 탄성부재(148)의 길이가 조절되면 착용부 탄성부재(148)의 장력을 최소화 할 수 있다.
이에 따라 허리 착용부(110)를 허벅지 착용부(120)가 아래로 당기는 힘을 최소화하여 착용자가 느끼는 무게감을 최소화할 수 있다.
또한, 연결부재(140)내에서 탄성부재(144)의 탄성력을 최소화 할 수 있다.
또한, 연결부재(140)에서 탄성부재(144) 구성을 생략하여 연결부재(140)의 구조를 단순화 시킬 수 있다.
구동부의 실시형태
본 발명의 제1실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 상세구성에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 구동부의 분리 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연결부재(140)의 슬라이딩 동작을 설명하는 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연결부재(140)의 링크 동작을 설명하는 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연결부재(140)의 좌우 방향 힌지 움직임을 설명하는 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 보행 중 동작을 설명하는 도면이고, 도 11은 착용자의 동작 및 자세에 따른 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 동작을 설명하는 도면이다.
구동부(130)는 단일의 구동기(131), 구동기 프레임(133) 및 본체 하우징(134)을 포함하여 구성될 수 있다.
구동기(131)는 회전 방향을 바꿀 수 있는 회전 모터로 구성될 수 있다.
회전 모터의 모터축(132)에는 일측 허벅지에 장착되는 연결부재(140a)가 연결되어 연결부재(140a)는 회전 모터의 동력에 의해 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로 회동할 수가 있다.
구동기 프레임(133)은 긴 원통형으로 구동기(131)를 내부에 수용하고 수평의 축 방향으로 회전한다.
후술하는 바와 같이 구동기 프레임(133)은 회전 모터와 같은 별도의 구동기(131)를 통해 회전하지 않는다.
한편, 구동기 프레임(133)이 별도로 구비되지 않고, 구동기 프레임(133)과 구동기(131)가 일체가 되어 구동기(131) 자체를 구성할 수도 있다.
본체 하우징(134)은 구동기 프레임(133)을 내부에 수용한다.
본 발명의 일 실시형태에서 본체 하우징(134)은 구동기 프레임(133)을 내부에 수용하도록 원통형 홀(135)이 수평 방향으로 형성되는 영역 및 배터리(136)와 제어 기판(137)이 장착되는 영역이 구분 형성될 수 있다.
본체 하우징(134)에 형성된 원통형 홀(135) 내에서 구동기 프레임(133)이 축 방향으로 회전하도록 구동기 프레임(133) 외측과 원통형 홀(135) 사이에는 베어링(138)이 장착될 수 있다.
구동기 프레임(133) 내부에 위치하는 구동기(131)는 구동기 프레임(133) 내부에 고정될 수 있다.
따라서, 구동기 프레임(133)이 회전할 때 구동기(131)도 함께 회전할 수 있다.
구동기 프레임(133)의 타단에는 타측 허벅지에 장착되는 연결부재(140b)가 연결되어 구동기 프레임(133)이 회전할 때 상기 연결부재(140b)가 함께 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로 회동할 수 있다.
도시되어 있는 것과 같이 구동기 프레임(133)의 타단에는 회전 조인트부(170b)가 결합될 수 있고, 회전 조인트부(170b)에 연결부재(140b)가 고정될 수 있다.
또한, 회전 모터의 모터축(132)에도 회전 조인트부(170a)가 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 모터축(132) 단부에 별도로 부쉬(139)가 결합되고, 부쉬(139)에 회전 조인트부(170a)가 결합된다.
모터축(132)의 외측면과 본체 하우징(134)의 원통형 홀(135) 사이 또는 부쉬(139)의 외측면과 본체 하우징(134)의 원통형 홀(135) 사이에는 베어링(138b)이 별도 장착될 수도 있다.
좌우 양측의 회전 조인트부(170)의 하단부에는 연결부재(140)가 전후 방향 회전축을 중심으로 좌우 방향으로 회동 가능하도록 힌지 결합될 수 있다.
회전 조인트부(170) 상단부 일측은 구동기 프레임(133) 타단 또는 부쉬(139)와 결합될 수 있고, 회전 조인트부(170) 하단부는 양측이 판상으로 연장된 형태(측면에서 보았을 때 'U'자 형태)로 형성되어 양측 판 사이에 연결부재(140) 상단부가 전후 방향 회전축을 중심으로 좌우 방향으로 회동 가능하게 힌지 결합될 수 있다.
따라서, 도 9에 도시되어 있는 것과 같이 연결부재(140)의 상단부를 축으로 양측의 판 사이에서 연결부재(140)는 좌우 방향으로 회동이 가능하다.
따라서, 연결부재(140)는 힌지 결합에 의해 좌우 방향으로 회동할 수 있고, 회전 조인트부(170)의 회전에 의해 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로도 회동할 수가 있다.
또한, 연결부재(140)는 길이가 가변될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서 구동부(130)는 고관절이 아닌 허리에 장착된다.
따라서, 의자에 앉거나 허리를 굽히는 경우와 같이 착용자의 자세 또는 움직임에 따라서 구동부(130) 양측과 연결부재(140) 하단 사이의 직선 거리가 바뀔 수 있다.
이때, 연결부재(140)의 길이가 고정되면 연결부재(140)가 착용자의 움직임을 제한(방해)할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시형태에서는 착용자의 자세 또는 움직임에 따라서 순응하여 연결부재(140)의 길이가 가변되도록 하여 연결부재(140)가 착용자의 움직임을 제한하는 것을 방지할 수가 있다.
도 7에 도시되어 있는 것과 같이 연결부재(140)는 중첩되어 슬라이딩 이동을 하는 복수의 프레임으로 형성될 수 있다.
따라서, 착용자의 자세 또는 움직임에 따라서 순응하여 연결부재(140)의 양단 길이가 가변될 수 있다.
또는, 도 8에 도시되어 있는 것과 같이 연결부재(140)는 복수의 링크로 형성되어 착용자의 움직임에 따라서 순응하여 절곡되거나 펴지도록 구성될 수 있다.
이때 링크는 전후 방향으로 절곡되거나 좌우 방향으로 절곡되도록 링크 결합될 수 있다.
따라서, 착용자의 자세 또는 움직임에 따라서 순응하여 링크의 절곡양이 달라지기 때문에 연결부재(140)가 착용자의 움직임을 제한하는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 착용형 로봇은 타측 허벅지를 기준으로 일측 허벅지를 보조하는 방식으로 보조력을 지지 및 발생시킨다.
즉, 타측 허벅지의 연결부재(14b)는 구동기 프레임(133)과 연결되며, 일측 허벅지의 연결부재(140a)는 구동기(131)의 회전력을 직접 받을 수 있도록, 예를 들면 구동기(131)의 모터축에 연결되어 구동기(131)의 출력으로 직접 회전할 수 있다.
따라서, 구동기(131)가 동력을 발생시키면 타측 허벅지(다리)를 기준으로 일측 허벅지의 연결부재(140a)는 일측 허벅지(다리)를 전방으로 벌리거나 후방으로 당기는 방향으로 동작하게 된다.
따라서, 도 10에 도시되어 있는 것과 같이 구동기(131)에서 발생하는 출력은 일측 허벅지의 연결부재(140a)를 통해 일측 허벅지에 전달하게 되고, 반대쪽 허벅지에는 구동기(131) 회전력(출력)에 대한 반작용력이 보조력으로 전달될 수 있다.
즉, 단일 구동기(131)를 이용하여 양쪽 허벅지(다리)를 서로 반대 방향의 회전력으로 동시에 보조력을 전달시킬 수 있다.
이때, 일측 허벅지의 연결부재(140a)에 작용하는 구동기(131)의 회전출력과 구동기(131) 회전력에 대하여 타측 허벅지의 연결부재(140b)에 작용하는 회전반작용력이 구동기 프레임(133)에서 서로 상쇄되어 보조력에 대한 반작용력만 착용자에게 전달될 수 있다.
따라서, 구동부(130)에는 작은힘만 전달되어 착용자가 느끼는 반발력이 작아 구조적으로 착용감이 개선될 수 있다.
또한, 도 11에 도시되어 있는 것과 같이 구동기 프레임(133)은 본체 하우징(134)의 원통형 홀(135) 내에서 좌우 방향 회전축을 중심으로 전후 방향으로 회동할 수 있다.
이때, 구동기 프레임(133) 내부에 고정되는 구동기(131)도 구동기 프레임(133)과 함께 회전할 수 있다.
따라서, 착용자의 다양한 자세 및 움직임에 대하여 허리에 위치가 고정되는 본체 하우징(134)을 기준으로 구동기 프레임(133)의 회전 방향 기준 위치가 순응하여 바뀔 수 있으므로 착용자의 착용감이 향상될 수 있다.
예를 들어, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 평지를 보행할 때, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이 계단을 올라가거나 내려갈 때, 도 11의 (c)에 도시된 바와 같이 의자에 앉았을 때, 허리에 위치가 고정되는 본체 하우징(134)에 대한 구동기 프레임(133)의 동작 기준 각도를 자세에 따라 순응하여 바뀔 수가 있다.
도 11의 (c)에 도시된 바와 같이 의자에 앉았을 때에는 양 다리의 상대 움직임이 없으므로 구동기(131)의 출력 없이(보조력의 발생 없이) 구동기 프레임(133)이 본체 하우징(134) 내에서 자유 회전만 일어나게 된다.
또한, 전술한 바와 같이 연결부재(140)는 힌지 결합되어 좌우로도 회전 가능하고 연결부재(140)의 길이가 가변적으로 형성되거나 링크 구조로 형성되어, 착용자의 다양한 자세(허리를 전후 방향으로 굽히거나 의자에 착석하는 자세 등) 및 좌우로 벌리거나 오므리는 허벅지의 자세 등에 대하여 연결부재(140)가 움직임을 제한하는 것이 아니라 순응하여 움직이도록 하여 착용형 로봇의 보조력 전달 효율 및 착용감을 개선시킬 수 있다.
전술한 실시예에서는 단일 구동기(131)에 의해 일측 허벅지에 고정되는 연결부재(140a)에 보조력을 직접 전달하고 타측 허벅지에 고정되는 연결부재(140b)에는 지지되는 다리에 의한 반작용력으로 보조력을 전달하는 구조이나, 도시되어 있지 않지만 두 개의 구동기를 구비하고 각 구동기가 양측의 연결부재(140)을 각각 회전시키도록 구성될 수도 있다.
이때, 구동부(130)는 착용자의 허리에 고정되고 연결부재(140)는 허벅지의 전방 또는 후방에 배치되므로 보조력의 힘전달 효율이 좋아서, 상대적으로 적은 파워의 구동기를 사용할 수가 있다.
연결부재의 실시형태
이하에서는 상술한 웨어러블 로봇의 제2실시형태에 따른 작동 방식에 대하여 설명한다.
첨부도면 중 도 19 내지 도 24는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 제1고정부(110)는 고관절 상측에 위치하는 허리부위에 장착되고, 제2고정부(120)는 고관절 하측에 위치하는 대퇴부에 장착될 수 있으며, 연결부재(140)는 사용자의 앞 부분에 배치된 상태에서 상기 제1고정부(110) 측에 고정된 구동부(130)와 제2고정부(120)를 연결할 수 있다.
이러한 배치구조에서 상기 연결부재(140)는 구동부(130)에 의해 y축을 중심으로 회동하면서 대퇴부에 장착된 제2고정부(120)를 들어올리거나 내리는 방향으로 보조력을 제공할 수 있으므로 보조력의 제공으로 인한 관절부 회전중심의 내전, 외전 또는 비틀림 등을 예방할 수 있으며, 대퇴부가 보조력에 의해 들어올려진 상태에서 좌우로 움직이는 경우에도 연결부재(140)가 이에 순응하여 좌우로 회동할 수 있으므로 관절부의 가동범위를 제한하지 않을 수 있다.
또한, 상기 연결부재(140)는 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절될 수 있도록 구성되는데, 상기 연결부재(140)가 다단으로 신축되도록 구성됨에 따라 각 부재가 중첩된 상태의 길이를 최소화 하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있다.
따라서, 보행과 같이 관절부의 운동범위가 작은 동작으로부터, 앉거나 계단 보행과 같이 관절부의 운동범위가 큰 동작에 이르기까지 보조력을 전달할 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이 연결부재(140)의 제1부재(141)는 일단부가 제1고정부(110)에 마련된 구동부(130)에 고정되고, 제2부재(142)는 제1부재(141)에 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 연결된다. 제2고정부(120)에 고정된 제3부재(143)는 제2부재(142)에 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 연결된다.
탄성부재(144)는 양단부가 제2부재(142)와 제1부재(141)에 고정되고, 제2부재(142)에게 상기 제1부재(141)와 상기 제2부재(142)가 중첩되는 방향으로 탄성력을 제공한다.
여기서, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 제1부재(141)에 직접 전달될 수 있다.
이러한 구동력은 제1부재(141)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제2부재(142)와 이어서 제2부재(142)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제3부재(143)을 통해, 제3부재(143)에 연결된 제2고정부(120)에 전달될 수 있다.
여기서, 상기 연결부재(140)의 제2부재(142)의 이동길이는 도 21 및 도 22와 같이 관절부의 작은 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격의 변화에 대응할 수 있도록 설정되고, 제3부재(143)의 이동길이는 도 23 및 도 24와 같이 관절부의 큰 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격의 변화에 대응할 수 있도록 설정된다.
도 19는 사용자가 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 허리와 허벅지 부분에 착용하고 제자리에 서 있는 상태를 나타낸 것으로서, 이러한 상태에서 고관절 상측의 허리부위에 배치된 구동부(130)와 하측의 대퇴부에 장착된 제2고정부(120)의 사이 간격은 최대가 된다.
이에 따라 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이에 배치된 연결부재(140)는 도 20과 같이 제2부재(142)와 제3부재(143)가 각각 확장 방향으로 이동하게 되고, 이 과정에서 탄성부재(144)는 외력에 의해 탄력적으로 인장된 상태가 된다.
이어서, 도 21은 관절부의 작은 동작에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화된 상태를 나타낸 것으로서, 보행 과정에서의 관절부의 운동범위는 가동범위의 일부인 제1영역 내에서만 제한적으로 이루어지게 되며, 연결부재(140)는 관절부의 작은 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격의 변화에 대응하여 제2부재(142)의 이동 위치가 조절될 수 있도록 설정된다.
즉, 도 22에 도시된 바와 같이 상기 연결부재(140)는 제2부재(142)가 제3부재(143)를 지지한 상태로 제1부재(141)를 따라 수축 방향으로 이동함에 따라, 관절부의 작은 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하는 길이로 조절될 수 있다.
여기서, 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격이 줄어드는 것에 대응하여 제2부재(142)와 제3부재(143)가 각각 수축 방향으로 이동할 수 있는데, 상기 제2부재(142)는 탄성부재(144)에 의해 제1부재(141)에 대하여 수축하는 방향으로 탄성 지지된 상태이므로, 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 이동하는 것에 우선하여 제2부재(142)가 제1부재(141)를 따라 이동하게 된다.
아울러, 제2부재(142)는 탄성부재(144)에 의해 수축 방향으로 탄성지지되는 상태가 되므로, 수축 방향으로 이동한 상태에서 제2부재(142)가 자중에 의해 임의로 확장 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 상기 제2부재(142)는 복수의 롤러(142d)를 통해 제1부재(141)에 대하여 구름운동 가능한 상태로 지지되고, 상기 제3부재(143)는 슬라이딩패드(143a)를 통해 제2부재(142)에 대하여 미끄럼운동 가능한 상태로 지지되는데, 상기 슬라이딩패드(143a)는 상기 롤러(142d)에 비해 상대적으로 큰 마찰력을 갖도록 설계된다. 따라서 제2부재(142)는 제3부재(143)보다 작은 마찰력으로 이동할 수 있으므로, 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 이동하는 것에 우선하여 제2부재(142)가 제3부재(143)를 지지한 상태로 제1부재(141)를 따라 이동할 수 있다.
이어서, 도 23은 관절부의 큰 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격의 변화를 나타낸 것으로서, 앉는 동작이나 계단 보행 과정에서의 관절부의 운동범위는 제1영역을 초과하는 제2영역으로 확장되며, 연결부재(140)는 관절부의 큰 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격의 변화에 대응하여 제2부재(142)와 함께 제3부재(143)의 이동 위치가 조절될 수 있도록 설정된다.
즉, 상기 연결부재(140)는 도 22에 도시된 바와 같이 제2부재(142)가 제3부재(143)를 지지한 상태로 제1부재(141)를 따라 수축 방향으로 완전히 이동한 상태에서, 도 24과 같이 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 수축 방향으로 이동함에 따라, 관절부의 큰 동작에 따른 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하는 길이로 조절될 수 있다.
이때, 상기 제3부재(143)는 제2부재(142)의 일면에 형성된 제2슬릿(142c)을 통해 일부가 외부로 노출된 상태로 이동하는데, 제1부재(141)의 일면에는 상기 제2슬릿(142c)과 연통하는 제1슬릿(141c)이 형성되어 있으므로, 상기 제2부재(142)가 제1부재(141)와 중첩된 상태에서도 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 수축 방향으로 이동할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇은 도 19 내지 도 24와 같이 구동부의 정방향 구동에 의해 연결부재가 y축을 중심으로 시계방향으로 회전하면서 대퇴부를 상측으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 연결부재(140)가 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 수축될 수 있다.
반대로, 연결부재(140)는 구동부의 역방향 구동에 의해 y축을 중심으로 반시계방향으로 회전하면서 대퇴부를 하측 방향으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 확장될 수 있다.
이러한 연결부재(140)의 확장과정은 상술한 수축과정의 역순으로 이루어지므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 제3실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 구성 및 작용에 대하여는 상술하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 제4실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 구성 및 작용에 대하여도 상술하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.
이하에서는 본 발명에 따른 웨어러블 로봇의 제5실시형태의 작동에 대하여 설명한다.
첨부도면 중 도 19는 본 발명의 일 실시형태 따른 웨어러블 로봇의 착용 상태를 나타낸 도면이고, 도 28은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 연결부재의 단면도이며, 도 29는 도 28의 "A"부분 확대도이고, 도 30은 도 28의 "B"부분 확대도이고, 도 21, 도 23, 도 31 및 도 32는 본 발명의 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 제1고정부(110)는 고관절 상측에 위치하는 허리부위에 장착되고, 제2고정부(120)는 고관절 하측에 위치하는 대퇴부에 장착될 수 있으며, 연결부재(140)는 사용자의 앞 부분에 배치된 상태에서 상기 제1고정부(110) 측에 고정된 구동부(130)와 제2고정부(120)를 연결할 수 있다.
이러한 배치구조에서 상기 연결부재(140)는 구동부(130)에 의해 y축을 중심으로 상하로 회동하면서 대퇴부에 장착된 제2고정부(120)를 들어올리거나 내리는 방향으로 보조력을 제공할 수 있으므로 보조력의 제공으로 인한 관절부 회전중심의 내전, 외전 또는 비틀림 등을 예방할 수 있으며, 대퇴부가 보조력에 의해 움직인 상태에서 좌우로 움직이는 경우에도 연결부재(140)가 이에 순응하여 회동할 수 있으므로 관절부의 가동범위를 제한하지 않을 수 있다.
또한, 상기 연결부재(140)는 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 길이가 조절될 수 있도록 구성되는데, 상기 연결부재(140)가 다단으로 신축되도록 구성됨에 따라 수축상태의 길이를 최소화 하면서도 큰 스트로크를 제공할 수 있다.
따라서, 보행과 같이 관절부의 운동범위가 작은 동작으로부터, 앉거나 계단 보행과 같이 관절부의 운동범위가 큰 동작에 이르기까지 보조력을 전달할 수 있다.
도 28 내지 도 30에 도시된 바와 같이, 연결부재(140)의 제1부재(141)는 일단부가 제1고정부(110)에 마련된 구동부(130)에 연결되고, 제2부재(142)는 제1부재(141)의 내측에 삽입된 상태에서 제1부재(141)의 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 결합되고, 제2고정부(120)에 연결된 제3부재(143)는 제2부재(142)의 내측에 삽입된 상태에서 제2부재(142)의 길이방향을 따라 이동 가능한 상태로 결합되고, 연동부(150)는 상기 제2부재(142)와 제3부재(143)가 서로 연동하도록 하며, 탄성부재(144)는 양단부가 제1부재(141)와 제2부재(142)에 고정된 상태에서 제2부재(142)에 수축 방향으로 탄성력을 제공한다.
여기서, 구동부(130)에 의한 y축을 중심으로 하는 회동시키는 구동력은 제1부재(141)에 직접 전달될 수 있다.
이러한 구동력은 제1부재(141)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제2부재(142)와 이어서 제2부재(142)에 길이방향을 따라 이동 가능한 제3부재(143)을 통해, 제3부재(143)에 연결된 제2고정부(120)에 전달될 수 있다.
여기서, 상기 연동부(150)를 구성하는 제1케이블(151)은 일단부가 제1부재(141)의 제1-1엔드캡(141a)에 고정된 상태에서 타단부가 제2부재(142)의 제2-2엔드캡(142b)에 조립된 제2도르래(142f)를 경유하여 제3부재(143)에 고정되고, 제2케이블(152)은 일단부가 제1부재(141)의 제1-2엔드캡(141b)에 고정된 상태에서 타단부가 제2부재(142)의 제2-1엔드캡(142a)에 조립된 제3도르래(142g)를 경유하여 제3부재(143)에 고정된다.
즉, 제3부재(143)의 수축 방향 이동에 대해서는 제3부재(143)와 연결된 제1케이블(151)이 제2부재(142)의 확장측 단부에 결합된 제2도르래(142f)를 수축 방향으로 이동시킴에 따라 제2부재(142)가 수축 방향으로 이동하게 되고, 반대로 제3부재(143)의 확장 방향 이동에 대해서는 제3부재(143)와 연결된 제2케이블(152)이 제2부재(142)의 수축측 단부에 결합된 제3도르래(142g)를 확장 방향으로 이동시킴에 따라 제2부재(142)가 확장 방향으로 이동하게 된다.
또한, 상기 제2부재(142)는 수축측 단부의 상측과 하측에 각각 배치된 롤러(142d)가 제1부재(141)의 내측면을 따라 구름운동함에 따라 제1부재(141)에 대한 마찰력을 최소화할 수 있고, 제3부재(143)는 외측면을 감싸는 형태로 배치된 슬라이딩패드(143a)가 제2부재(142)의 내측면을 따라 미끄럼운동함에 따라 제2부재(142)에 대한 마찰력을 최소화할 수 있다.
도 19는 사용자가 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇을 착용하고 제자리에 서 있는 상태를 나타낸 것으로서, 이러한 상태에서 고관절 상측의 허리부위에 배치된 구동부(130)와 하측의 대퇴부에 장착된 제2고정부(120)의 사이 간격은 최대가 된다.
이에 따라 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이에 배치된 연결부재(140)는 도 28과 같이 제2고정부(120)에 연결된 제3부재(143)가 확장 방향으로 이동하게 되고, 이 과정에서 연동부(150)의 제2케이블(152)을 통해 상기 제3부재(143)와 연결된 제2부재(142)가 제3부재(143)와 함께 연동하여 확장 방향으로 이동하게 되며, 이 과정에서 제1부재(141)와 제2부재(142)를 연결하는 탄성부재(144)는 외력에 의해 탄력적으로 인장된 상태가 된다.
이어서, 도 21 및 도 31은 보행 동작과 같은 작은 범위의 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화된 상태를 나타낸 것으로서, 연결부재(140)는 구동부(130)의 구동에 의해 회동하면서 제2고정부(120)를 상측으로 들어올려 사용자의 보행 동작에 보조력을 제공할 수 있다.
이때, 구동부(130)와 연결부재(140)의 연결위치가 관절부의 회전중심과 일치하지 않기 때문에, 대퇴부가 상측 방향으로 회동하는 과정에서 제2고정부(120)와 구동부(130)의 사이 간격이 변화하게 되며, 이러한 사이 간격의 변화에 대응하여 연결부재(140)의 길이가 조절될 수 있다.
구체적으로, 도 21과 같이 대퇴부가 고관절을 중심으로 상측 방향으로 회동하는 경우, 대퇴부에 위치한 제2고정부(120)와 허리부위에 위치한 구동부(130) 사이 간격이 줄어들게 되고, 이 과정에서 상기 제2고정부(120)에 연결된 연결부재(140)에는 수축 방향으로 외력이 작용하게 된다.
즉, 도 31에 도시된 바와 같이, 제2부재(142) 상에서 길이방향을 따라 이동 가능하게 배치된 제3부재(143)가 외력에 의해 수축 방향으로 이동하게 되면, 상기 제3부재(143)에 연결된 제1케이블(151)의 단부가 수축 방향으로 잡아당겨지게 되고, 이 과정에서 제1케이블(151)을 지지하고 있는 제2도르래(142f)에 수축 방향으로 힘이 작용함에 따라 제1부재(141)를 따라 이동 가능하게 배치된 제2부재(142)가 제3부재(143)와 함께 수축 방향으로 이동하게 된다.
이어, 도 23 및 도 32는 앉는 동작이나 계단 보행과 같은 큰 범위의 움직임에 의해 구동부(130)와 제2고정부(120) 사이 간격이 변화된 상태를 나타낸 것으로서, 연결부재(140)는 구동부(130)의 구동에 의해 회동하면서 제2고정부(120)를 상측으로 들어올려 사용자의 앉는 동작이나 계단 보행과 같은 동작에 보조력을 제공할 수 있으며, 다단으로 구성되어 수축 상태에서 짧은 길이를 갖는 동시에 큰 스크로크를 제공할 수 있으므로 관절부의 큰 범위의 동작에 대해서도 효과적으로 대응할 수 있다.
구체적으로, 연결부재(140)의 제3부재(143)는 대퇴부가 고관절을 중심으로 상측 방향으로 회동하는 과정에서 제2고정부(120)를 통해 인가되는 외력에 의해 수축 방향으로 이동하게 되는데, 이 과정에서 제3부재(143)에 연결된 제1케이블(151)의 단부가 수축 방향으로 잡아당겨지게 되면서 제1케이블(151)을 지지하고 있는 제2도르래(142f)에 수축 방향으로 힘이 작용함에 따라 제1부재(141)를 따라 이동 가능하게 배치된 제2부재(142)가 제3부재(143)와 함께 수축 방향으로 이동하게 된다.
여기서, 상기 제3부재(143)는 제2부재(142)의 일면에 형성된 제2슬릿(142c)을 통해 일부가 외부로 노출된 상태로 이동하는데, 제1부재(141)의 일면에는 상기 제2슬릿(142c)과 연통하는 제1슬릿(141c)이 형성되어 있으므로, 상기 제2부재(142)가 제1부재(141)와 중첩된 상태에서도 상기 제3부재(143)가 제2부재(142)를 따라 수축 방향으로 이동할 수 있게 된다.
또한, 상기 제2부재(142)는 수축 방향으로 이동한 상태에서 수축측 단부가 제1부재(141)의 제1-1엔드캡(141a)에 접촉하는 것에 의해 수축 방향으로의 추가 이동이 제한될 수 있으며, 이러한 상태에서는 제1케이블(151) 및 제2케이블(152)을 통해 제2부재(142)와 연결된 제3부재(143)의 수축 방향으로의 이동 역시 제한될 수 있다.
한편, 상기 제2부재(142)는 제1부재(141)와 제3부재(143)를 연결하는 제1케이블(151)과 제2케이블(152)에 의해 제3부재(143)의 양방향 이동에 대하여 연동하도록 구성되므로, 수축 방향으로 이동한 상태에서 자중에 의해 임의로 확장 방향으로 이동하는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇은 도 21, 23, 31, 32와 같이 구동부의 정방향 구동에 의해 연결부재가 y축을 중심으로 시계방향으로 회전하면서 대퇴부를 상측으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 연결부재(140)가 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 수축될 수 있다.
반대로, 연결부재(140)는 구동부의 역방향 구동에 의해 y축을 중심으로 반시계방향으로 회전하면서 대퇴부를 하측 방향으로 이동시켜 관절부의 움직임에 보조력을 제공할 수 있으며, 이 과정에서 구동부(130)와 제2고정부(120)의 사이 간격에 대응하여 확장될 수 있다.
즉, 연결부재(140)의 제3부재(143)는 대퇴부가 고관절을 중심으로 하측 방향으로 회동하는 과정에서 제2고정부(120)를 통해 인가되는 외력에 의해 확장 방향으로 이동하게 된다.
이때, 제3부재(143)에 연결된 제2케이블(152)의 단부가 확장 방향으로 잡아당겨지게 되고, 이 과정에서 제2케이블(152)을 지지하고 있는 제3도르래(142g)에 확장 방향으로 힘이 작용함에 따라 제1부재(141)를 따라 이동 가능하게 배치된 제2부재(142)가 제3부재(143)와 함께 확장 방향으로 이동할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 연동부(150)의 제1케이블(151)을 통해 제3부재(143)의 수축 방향 이동에 대하여 제2부재(142)를 수축 방향으로 이동시킬 수 있고, 연동부(150)의 제2케이블(152)을 통해 제3부재(143)의 확장 방향 이동에 대하여 제2부재(142)를 확장 방향으로 이동시킬 수 있다.
이와 같이 제2부재(142)와 제3부재(143)가 연동부(150)에 의해 서로 연동하여 이동하도록 함으로써, 하나의 탄성부재(144)를 이용해 제2부재(142)와 제3부재(143)에 각각 탄성력을 제공할 수 있는 것은 물론, 연결부재(140)를 구성하는 다수의 부재 중 일부 부재가 임의로 동작하지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 제6실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 구성 및 작용에 대하여는 상술하였으므로 구체적인 서술은 생략한다.
허리 착용부의 실시형태
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 허리 착용부(110)의 상세 구성을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 허리 착용부(제1고정부)(110)와 허벅지 착용부(제2고정부)가 장착된 웨어러블 로봇의 사시도이고, 도 34는 허리 벨트(113)와 허리 착용 프레임(116)이 결합된 상태의 사시도, 도 35 내지 37은 웨어러블 로봇의 허리 착용부(110)를 탈/부착하는 과정을 나타내기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 허리 착용부(110)는, 허리 벨트(113)와 허리 착용 프레임(116)을 포함할 수 있다.
또한 허리 벨트(113)의 양단은 허리 착용 프레임(116)의 양단과 결합할 수 있다.
허리 벨트(113)는, 착용자의 허리 크기에 따라 그 길이가 조절될 수 있다.
상기 허리 착용 프레임(116)은 하단 기구부(117a)와 상단 기구부(117b) 및 탈착 버튼(118)을 포함할 수 있다.
상기 구동부(130)의 본체 하우징(134)의 일면에는 하단 후크(134a)와 상단 후크(134b)가 포함될 수 있다.
상기 하단 기구부(117a)는 상기 하단 후크(134a)와 결합하고 상기 상단 기구부(117b)는 상기 상단 후크(134b)와 결합하여 허리 착용부(110)와 구동부(130)는 결합할 수 있다.
상기 탈착 버튼(118)을 누르면 상기 상단 기구부(117b)와 상기 상단 후크(134b)는 분리되고, 이에 따라 상기 하단 기구부(117a)와 상기 하단 후크(134a)는 쉽게 분리될 수 있어서 구동부(130)와 허리 착용부(110)를 용이하게 장/탈착할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 구동부(130) 장/탈착시 허리 착용부(110)의 동작을 설명하기로 한다.
웨어러블 로봇을 착용하는 경우, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 도 35에서와 같이 허리 착용부(110)를 착용자의 허리에 착용하고 구동부(130)를 허리 착용부(110) 근처로 가져오는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 도 36에서와 같이 본체 하우징(134) 내측에 있는 하단 후크(134a)를 허리 착용 프레임(116)의 기구부 하단(117a)에 거는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 착용 방법은, 도 37에서와 같이 구동부(130)를 기울여 본체 하우징(134) 내측에 있는 상단 후크(134b)를 허리 착용 프레임(116)의 기구부 상단(117b)에 거는 단계를 포함한다.
이때, 기구부 상단(117b)에는 고정쇠가 있어서 자동으로 상기 기구부 상단(117b)과 상단 후크(134b)가 체결되어 본체 하우징(134)과 허리 착용 프레임(116)이 결합한다. 그에 따라 구동부(130)와 허리 착용부가(110) 결합하게 된다.
웨어러블 로봇을 탈착하는 경우, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 탈착 방법은, 허리 착용부를 착용자의 허리로부터 분리하고, 도 37에서와 같이 허리 착용부(110)의 허리 착용 프레임(116)에 있는 탈착 버튼(118)을 누르는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 탈착 방법은, 도 36에서와 같이 하단 후크(134a)가 기구부 하단(117a)에 걸려 있는 상태로 구동부(130)의 자중에 의해 구동부(130)의 상단이 착용자의 앞으로 기울어지는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇 탈착 방법은, 도 35에서와 같이 구동부(130)를 살짝 들어 전방으로 이동시키면서 허리 착용부(110)와 분리시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 구동부(130)와 허리 착용부(110)를 분리할 수 있어 웨어러블 로봇의 부피를 줄일 수 있다.
또한, 분리된 각각의 구동부(130)와 허리 착용부(110)에 대한 보관이 용이하다.
또한, 허리 착용부(110)를 별도로 미리 착용하여 웨어러블 로봇의 착용 및 분리 시간을 단축할 수 있다.
또한 허리 착용부(110)는 벨트 형상과 유사하게 만듦으로써 사용 편의성과 착용 편의성을 확보할 수 있다.
본 발명의 구성은 앞서 언급한 실시예에 한정하는 것은 아니다.
허리 착용부(110)는 복부에서 분리하거나 측면에서 분리하는 것과 같이 다양한 방법으로 단순화 하여 구성할 수 있다.
또한, 의류만으로도 허리 착용부(110)의 기능을 할 수 있도록 허리 착용부(110)의 구성을 의류에 병합하여 웨어러블 로봇의 착용성을 개선할 수 있다.
또한, 본체 하우징(134)에 있는 상/하단의 후크가 기존의 바지 또는 벨트와 결합할 수 있도록 후크의 형상을 변경할 수 있다.
그리하여, 별도의 허리 착용부(110)가 없어도 웨어러블 로봇의 사용 편의성과 착용 편의성을 유지할 수 있다.
지금까지 특정 실시형태에 따른 허리 착용부(110)나 그 체결부의 구성 등에 대해서 언급하였다.
그러나 상기에서 언급한 사항들의 일부 또는 전부를 이용하지 않더라도, 단단하게 체결되면서도 자유롭게 분리할 수 있는 허리 착용부는 다양한 방법을 통하여 구현될 수 있을 것이다.
즉, 이상에서 설명한 허리 착용부(110)의 일 실시형태는 상술한 일 실시형태 및 첨부된 도면에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시형태의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명의 일 실시형태가 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
허벅지 착용부의 실시형태
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 허벅지 착용부(120)의 상세 구성을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 허리 착용부(제1고정부)와 허벅지 착용부(제2고정부)가 장착된 웨어러블 로봇의 사시도이고, 도 38은 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇에서 허벅지 착용부의 사시도이며, 도 39는 도 38에 도시된 허벅지 착용부의 분해사시도이다.
도 40은 플레이트와 스트랩부가 분리/결합하는 과정을 나타내기 위한 도면이고, 도 41은 제1 버튼이 플레이트 내에서 동작하는 방법을 나타낸 도면이며, 도 42는 플레이트와 연결부재가 분리/결합하는 과정을 나타내기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 허벅지 착용부(120)는, 스트랩부(123)와 플레이트(126)를 포함할 수 있다.
상기 스트랩부(123)는 스트랩부(123)의 일단에 결합하는 제2 버튼(129)을 포함할 수 있다.
상기 제2 버튼(129)은 단순 버클형태로 구성될 수 있으나, 후크-스프링 요소가 결합한 형태로 구성될 수도 있다.
상기 스트랩부(123)의 양단은 상기 플레이트(126) 양단과 결합할 수 있다.
스트랩부(123)는, 착용자의 허벅지 크기에 따라 그 길이가 조절될 수 있다.
스트랩부(123)의 길이 조절이나 분리는 스트랩부(123)와 플레이트(126)가 결합하는 양단에서 이루어질 수 있다.
또한, 상기 결합하는 양단 중 일단을 고정하고, 타단에서만 스트랩부(123)를 길이 조절, 분리시킬 수 있다.
또한, 상기 스트랩부(123)는 단일의 탄성 소재나 비탄성 소재, 또는 각각을 혼용하여 구성할 수 있고, 이종의 탄성 소재로 구성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 스트랩부(123)간 결합방법은, 도 40의 (a)에서와 같이 플레이트(126)의 일단과 제2 버튼(129)을 접촉하고 소정의 힘으로 제2 버튼(129)을 플레이트(126) 방향으로 미는 단계를 포함한다.
본 발멸의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 스트랩부(123)간 결합방법은, 도 40의 (b)에서와 같이 제2 버튼(129)의 홈(미도시)이 플레이트(126)에 걸리면서 결합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 스트랩부(123)간 분리방법은, 도 40의 (b)에서와 같이 스트랩부(123)의 제2 버튼(129)을 누르는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 스트랩부(123)간 분리방법은, 도 40의 (a)에서와 같이 제2 버튼(129)이 플레이트(126)로부터 밀어나서 분리되는 단계를 포함한다.
이와 같이, 상기 플레이트(126)와 스트랩부(123)는 쉽게 분리될 수 있어서, 웨어러블 로봇을 용이하게 장/탈착할 수 있다.
도 39에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트(126)는 플레이트 프레임(127)과 제1 버튼(128)을 포함할 수 있다.
상기 플레이트 프레임(127)은 개구부(127a)를 포함할 수 있다.
또한, 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 제3부재(143)는 돌출부(143b)를 포함할 수 있다.
도 41의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 버튼(128)을 누르지 않은 상태에서는, 개구부(127a)는 열려있는 상태이다.
따라서, 상기 제3부재(143)의 돌출부(143b)가 개구부(127a)와 결합할 수 있다.
반면에, 제1 버튼(128)을 누르는 경우에는 도 41의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 버튼(128)이 개구부(127a)에 결합한 돌출부(143b)을 밀어낼 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 연결부재(140)간 결합방법은, 도 42의 (b)에서와 같이 연결부재(140)의 돌출부(143b)가 개구부(127a)에 접촉하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 연결부재(140)간 결합방법은, 도 42의 (c)에서와 같이 연결부재(140)에 소정의 힘을 가하여 돌출부(143b)가 개구부(127a)에 완전히 삽입되는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 연결부재(140)간 분리방법은, 도 42의 (c)에서와 같이 제1 버튼(128)를 누르는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 플레이트(126)와 연결부재(140)간 분리방법은, 도 42의 (b)에서와 같이 돌출부(143b)가 개구부(127a)로부터 튀어나와, 연결부재(140)가 플레이트(126)와 쉽게 분리될 수 있는 상태가 되는 단계를 포함한다.
이와 같이, 상기 플레이트(126)와 상기 연결부재(140)는 쉽게 분리될 수 있어서, 웨어러블 로봇을 용이하게 장/탈착할 수 있다.
플레이트(126)와 연결부재(140) 및 플레이트(126)와 스트랩부(123)가 결합하면, 상기 구동부(130)에 내장되어 있는 상기 구동기(131)가 내는 회전 출력이 상기 연결부재(140) 및 제3부재(143)를 통해 상기 플레이트(126) 및 상기 스트랩부(123)로 전달될 수 있다.
이를 통하여, 웨어러블 로봇은 상기 구동부(130)가 생성한 보조력 또는 저항력을 착용자의 허벅지에 전달하여, 허벅지를 들어주거나 내려줄 수 있다.
즉, 착용자가 보조력 또는 저항력을 전달받는 작용 부위가 상기 플레이트(126) 및 스트랩부(123)이다.
또한, 상기 플레이트(126)와 연결부재(140)간에는 하나 이상의 자유도를 부여할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시형태로써 돌출부(143b)는 구 형태를 이룰 수 있고, 돌출부(143b)가 개구부(127a)와 결합하면 연결부재(140)는 플레이트(126)로부터 빠지지 않으면서 회전이 가능하다.
즉, 플레이트(126)와 연결부재(140)사이에 있는 피봇(pivot)이나 조인트(joint) 형태의 관절부 기능을 하는 구성이 자유도를 부여하게 된다.
한편, 돌출부(143b)는 반드시 구 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 돌출부(143b) 또는 다른 구성에서 다른 축 방향으로의 자유도를 부여할 수 있고, 이 경우 기존의 결합으로 있던 회전 자유도에서 새로운 자유도가 추가된다. 상기와 같은 자유도를 통하여 착용자는 웨어러블 로봇을 착용하고도 다양한 모션을 취할 수 있고, 다양한 모션을 취할 시에 저항감을 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 웨어러블 로봇과 허벅지 착용부(120)를 분리할 수 있어 웨어러블 로봇의 부피를 줄일 수 있다.
또한, 분리된 각각의 웨어러블 로봇과 허벅지 착용부(120)에 대한 보관이 용이하다.
또한, 허벅지 착용부(120)를 별도로 미리 착용하여 웨어러블 로봇의 착용 및 분리 시간을 단축할 수 있다.
또한, 스트랩부(123)에 비탄성 소재와 탄성 소재를 적절히 사용함으로써, 웨어러블 로봇의 사용 편의성과 착용 편의성을 확보할 수 있다.
본 발명의 구성은 앞서 언급한 실시예에 한정하는 것은 아니다.
예를 들면, 의류만으로도 허벅지 착용부(120)의 기능을 할 수 있도록 허벅지 착용부(120)의 구성을 의류에 병합할 수 있다.
그리하여, 별도의 허벅지 착용부(120)가 없어도 웨어러블 로봇의 사용 편의성과 착용 편의성을 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 허벅지 착용부(120)와 관련한 설명에 있어서, 위에서 언급한 사항들의 일부 또는 전부를 이용하지 않더라도, 단단하게 체결되면서도 자유롭게 분리할 수 있는 허벅지 착용부(120)는 다양한 방법을 통하여 구현될 수 있을 것이다.
즉, 허벅지 착용부(120)의 일 실시형태는 상술한 일 실시형태 및 첨부된 도면에 한정되지 않을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 동작 보조 방법
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇이 적용되는 기준 신체부위가 허리에 해당하고, 목적 신체부위가 허벅지에 해당하는 경우뿐만 아니라, 일반적인 신체부위에 적용되는 경우의 본 발명의 일 실시형태에 따른 상태 궤적 메모리 버퍼를 이용한 동작 보조 방법 및 시스템에 관련한 자세한 내용은 상술하였으므로, 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 안전모드 제공방법
본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇이 적용되는 기준 신체부위가 허리에 해당하고, 목적 신체부위가 허벅지에 해당하는 경우뿐만 아니라, 일반적인 신체부위에 적용되는 경우의 안전모드 제공 방법과 관련한 자세한 내용은 상술하였으므로, 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 충전방법
이하에서는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨어러블 로봇의 충전방법에 대해서 설명하기로 한다.
종래의 웨어러블 보행 보조 장치는 단순히 사용자의 보행을 보조하는 기능에만 초점이 맞춰져 개발되어 왔다.
따라서, 보행 보조, 치료, 재활 등 기존의 국한된 목적에 한정되어 제품화됨으로써 사용자의 범위가 매우 협소하다는 문제점이 있었다.
하지만, 착용형 로봇의 사용 범위가 확장되어가고 있는 만큼 보행 보조 기능을 벗어난 다양한 기능을 구현할 수 있는 착용형 로봇이 개발될 필요가 있었다.
또한, 웨어러블 로봇은 사용자에 착용되는 만큼 최대한 경량화될 필요가 있다.
하지만, 웨어러블 로봇을 구동하기 위한 배터리는 반드시 필요한 구성에 해당하며, 배터리의 용량을 늘리기 위해서는 부피와 무게의 증가를 수반한다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 보조모드와 운동모드로 동작하는 방법을 제시한다.
또한, 본 발명은 운동 모드시에 자체적으로 전기 에너지를 충전할 수 있는 웨어러블 로봇을 제안한다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 도 1을 참고로 앞서 설명한 바와 같이 보조모드 및 운동모드로 동작할 수 있다.
보조모드는 보조력을 제공하여 사용자의 움직임을 보조하는 모드이다. 운동모드는 저항력을 제공함으로써 사용자의 운동을 유도하는 모드이다.
보조모드에서 사용자에 제공되는 보조력과, 운동모드에서 사용자에 제공되는 저항력은, 도 1에 도시된 바와 같이, 웨어러블 로봇의 구조 및 동작방식에 따라 사용자 신체의 다양한 부위에 제공될 수 있으나, 아래에서는 충전방법에 대한 설명과 이해의 편의를 위하여, 보행을 보조하는 보조모드와 하체운동을 유도하는 운동모드로 동작하는 경우로 상정하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 웨어러블 로봇은 제1 고정부가 사용자의 고관절 상측에 위치하는 허리부위에 장착되고, 제2 고정부가 사용자의 고관절 하측에 위치하는 대퇴부에 장착되며, 제1 고정부 측에 마련된 구동부(모터 포함)와 제2 고정부가 연결부재에 의해 서로 연결된다.
보행보조모드에서는 구동부의 구동(모터의 회전)에 의해 연결부재가 회동하면서 고관절을 중심으로 하는 사용자 대퇴부의 움직임에 보조력을 제공한다.
반면, 운동모드에서는 사용자의 움직임을 방해하는 저항력이 상기 연결부재를 통해 사용자의 하체에 전달되며, 사용자는 저항력에 반발하는 움직임을 수행함으로써 운동 효과를 도모할 수 있다.
이때, 운동모드에서 사용자에게 제공되는 저항력은 구동부(모터)의 회전토크를 조절함으로써 생성될 수도 있으나, 모터의 백드라이버빌리티(backdrivability)에 의하여 생성될 수도 있다.
이후부터의 본 발명에 따른 웨어러블 로봇의 충전 방식은 위에서 설명한 바와 동일하므로 중복 설명은 생략하기로 한다.

Claims (24)

  1. 기준 신체부위에 장착되는 제1고정부;
    목적 신체부위에 장착되는 제2고정부;
    상기 제1고정부에 장착되는 구동부; 및
    상기 구동부와 제2고정부를 연결하고, 상기 구동부로부터 제공되는 구동력을 제2고정부로 전달하는 연결부재;를 포함하고,
    상기 연결부재는 상기 구동부와 제2고정부 사이 간격에 대응하여 길이가 조절되는 웨어러블 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    상기 구동부에 지지되는 제1부재;
    상기 제1부재에 이동 가능하게 연결되고, 제2고정부에 지지되는 제2부재;를 포함하는 웨어러블 로봇.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2부재에 이동 가능하게 연결되고, 상기 제2고정부에 지지되는 제3부재를 포함하는 웨어러블 로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연결부재는 상기 구동부와 제2고정부 사이에 일렬로 배치되는 하나 이상의 길이조절부를 포함하는 웨어러블 로봇.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재가 일렬로 배치되어 이루는 복수의 단위부재;
    상기 복수의 단위부재가 서로 연동하도록 상기 복수의 단위부재를 연결하는 연동부를 포함하는 웨어러블 로봇.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 구동부에 결합되는 회전 조인트부를 포함하고,
    상기 연결부재는 상기 회전 조인트부에 힌지 결합되는 웨어러블 로봇.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동부는 하나 이상의 구동기를 포함하고,
    상기 구동기를 내부에 수용하는 본체 하우징을 포함하는 웨어러블 로봇.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구동부는 수평의 축 방향으로 회전하는 구동기 프레임을 포함하고,
    상기 구동기 및 상기 구동기 프레임을 내부에 수용하는 본체 하우징을 포함하고,
    상기 연결부재는 상기 구동부에 연결되어 회전하는 웨어러블 로봇.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 본체 하우징에 대하여 상기 구동기 프레임을 회전시키는 베어링을 포함하는 웨어러블 로봇.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    상기 구동부에 지지되는 제1부재;
    상기 제1부재에 이동 가능하게 연결되는 제2부재;
    상기 제2부재에 이동 가능하게 연결되고 상기 제2고정부에 지지되는 제3부재;를 포함하는 웨어러블 로봇.
  11. 제3항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제2부재는 상기 제3부재의 이동을 안내할 수 있는 제2슬릿이 형성되고,
    상기 제1부재는 상기 제2부재와 중첩 상태에서 상기 제2슬릿과 연통하는 제1슬릿이 형성되는 웨어러블 로봇.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2부재 또는 상기 제3부재를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하는 웨어러블 로봇.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2부재는 상기 제1부재와의 접촉면에서 구름운동하는 롤러를 더 포함하고,
    상기 제3부재는 상기 제2부재와의 접촉면에서 미끄럼운동하는 슬라이딩패드를 더 포함하는 웨어러블 로봇.
  14. 제3항 또는 제10항에 있어서,
    상기 연결부재는 상기 제3부재가 상기 제2부재 상에서 확장 방향으로 이동한 상태에서 위치를 고정할 수 있는 영구자석을 포함하는 웨어러블 로봇.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    일단부가 상기 제1부재에 고정되고, 타단부가 상기 제2부재에 지지된 상태로 상기 제3부재에 고정되는 탄성부재를 포함하는 웨어러블 로봇.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2부재는 상기 탄성부재를 지지하는 도르래를 포함하는 웨어러블 로봇.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연동부는,
    상기 제2부재에 지지된 상태로 일단부가 상기 제1부재에 고정되고 타단부가 상기 제3부재에 고정되는 하나 이상의 케이블을 포함하는 웨어러블 로봇.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1케이블을 지지하는 도르래;
    상기 제2케이블을 지지하는 도르래;를 포함하는 웨어러블 로봇.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 연동부는 제1부재에 배치되는 래크;
    상기 제2부재에 배치되고 상기 래크과 맞물리는 피니언;
    상기 피니언과 함께 회전하는 제1풀리;
    상기 제2부재에 배치되는 제2풀리; 및
    상기 제1풀리와 제2풀리에 감긴 상대로 제3부재에 고정되는 벨트;를 포함하는 웨어러블 로봇.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 제1고정부는 벨트와 착용 프레임을 포함하는 웨어러블 로봇.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 벨트의 양단이 상기 착용 프레임의 양단과 결합하고, 벨트의 길이가 조절되는 웨어러블 로봇.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 착용 프레임은,
    탈착 버튼과 하단 기구부 및 상단 기구부를 포함하고,
    상기 구동부는 본체 하우징을 포함하고,
    상기 본체 하우징은 하단 후크와 상단 후크를 포함하는 웨어러블 로봇.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제2고정부는 스트랩부와 플레이트를 포함하고,
    상기 스트랩부는 스트랩부 일단과 결합하는 제2버튼을 포함하고,
    상기 스트랩부는 상기 플레이트의 양단에 연결되는 웨어러블 로봇.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 스트랩부는 상기 플레이트와의 결합부분에서 스트랩부의 길이를 조절하거나 상기 플레이트와 분리할 수 있는 웨어러블 로봇.
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