KR102077737B1

KR102077737B1 - 다중 힘 생성이 가능한 3자유도 균형 훈련 시스템

Info

Publication number: KR102077737B1
Application number: KR1020180099428A
Authority: KR
Inventors: 이현주; 강태훈; 박성호
Original assignee: 재단법인대구경북과학기술원
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2038-08-24

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 상부면을 갖는 베이스, 상기 베이스로부터 이격 배치되는 디딤판, 상기 베이스에 대하여 상기 디딤판의 중심을 지지하는 지지부재 및 상기 지지부재를 중심으로 동일한 간격으로 서로 이격되어 배치되며, 상기 디딤판의 3자유도 회전운동이 가능하도록 상기 베이스와 상기 디딤판을 연결하는 복수의 연결부재를 구비하고, 상기 복수의 연결부재 각각은, 일측이 상기 베이스에 연결되며 직선운동을 생성하는 힘 생성부 및 일측이 상기 힘생성부의 타측에 연결되고 타측이 상기 디딤판과 연결되며, 상기 힘 생성부에서 생성된 직선운동을 3자유도 회전운동으로 변환시키는 운동 변환부를 포함하는, 3자유도 균형 훈련 시스템를 제공한다.

Description

다중 힘 생성이 가능한 3자유도 균형 훈련 시스템{Three degree of freedom balance training system generating various force}

본 발명은 3자유도 균형 훈련 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 훈련자에 의한 반발력에 대응되도록 다중 힘 생성이 가능한 균형 훈련 시스템에 관한 것이다.

나이가 들어 자연적으로 균형 감각이 떨어진 노인이나 선후천적인 영향으로 균형 감각이 약해져 정상적인 생활을 할 수 없는 환자 등에게는 자신의 균형 상태를 인지하고 체중의 이동 방법 등을 몸으로 숙지하여 균형 감각을 회복할 수 있는 균형 훈련이 필요하다.

하지만, 환자가 다른 도움없이 스스로 균형 감각 회복을 위한 훈련을 하기에는 상당한 어려움이 따른다. 따라서, 사용자의 균형 감각 향상을 돕기 위한 균형 훈련 시스템이 제공되고 있다.

그러나, 종래의 균형 훈련 시스템은 회전판을 사용하여 단순 3자유도 자세 훈련만이 가능하거나, 탄성을 갖는 원형 물체를 활용하는 훈련에 국한되어 있어, 다양하고 가변적인 속도와 변위에 대한 운동은 불가능하다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 균형 훈련 시스템은 균형 훈련에 절대적으로 중요한 힘 성분에 대한 고려하지 않으며, 훈련 시 지면반력과 같은 환자의 힘 분포와 같은 중요 데이터 측정이 불가능하며 목적하는 운동에서 요구하는 반응을 구현할 수 없어 운동의 효과를 향상시키는데 한계가 있었다.

KR 10-2008-0071039 A, 2008.08.01

본 발명은, 3자유도 자세 운동이 가능할 뿐만 아니라 가변적 부하를 생성할 수 있는 다중 힘 생성이 가능한 3자유도 균형 훈련 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 힘 생성부는 상기 베이스의 상부면에 대하여 수직한 방향으로 직선운동을 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 힘 생성부는 구동력을 생성하는 구동수단과, 탄성부재를 포함하는 직렬탄성기와, 상기 구동력을 직선운동으로 변환하여 상기 직렬탄성기로 전달하는 전달수단을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 힘 생성부는 상기 탄성부재의 변위를 측정하는 변위 측정 센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탄성부재는 사전에 설정된 스프링 상수를 갖는 스프링을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스프링 상수 및 상기 변위 측정 센서의 측정값을 이용하여 상기 스프링의 변형량을 획득하고, 상기 스프링의 변형량을 통해 외부에서 인가되는 작용력을 계산하고, 상기 작용력을 이용하여 운동부하를 생성하도록 상기 힘 생성부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 디딤판은 상기 복수의 연결부재에 의해 롤링 모션(rolling motion), 피칭 모션(pitching motion) 및 요잉 모션(yawing motion)이 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 디딤판의 중심은 상기 베이스에 대하여 일정 거리를 유지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 지지부재는 볼 조인트를 포함할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 실시예들에 따른 3자유도 균형 시스템은 디딤판과 베이스를 연결하는 복수의 연결부재들을 통해 3자유도 회전운동뿐만 아니라, 3자유도 힘 제어가 가능하게 되어, 균형 훈련의 목적에 따라 다양한 부하를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 관성력, 점성력, 탄성력과 같은 계획된 부하에 따라 일반인 또는 재활 환자를 대상으로 활용될 수 있다.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3자유도 균형 훈련 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 3자유도 균형 훈련 시스템의 측면도이다.
도 3은 도 1의 3자유도 균형 훈련 시스템 중 일부 구성요소만을 발췌하여 도시한 배면도이다.
도 4는 도 1의 3자유도 균형 훈련 시스템에서 연결부재를 설명하기 위해 구성요소 중 일부를 발췌하여 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 연결부재를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6 내지 도 8은 도 1의 디딤판이 3자유도 회전운동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3자유도 균형 시스템의 제어부의 제어방법을 도시한 블록도이다.

이하, 본 개시의 다양한 실시예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 개시의 다양한 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 개시의 다양한 실시예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 다양한 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.

본 개시의 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 개시(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 개시의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 개시의 다양한 실시예에서 "또는" 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, "A 또는 B"는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.

본 개시의 다양한 실시예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 실시예들의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 사용자 기기와 제2 사용자 기기는 모두 사용자 기기이며, 서로 다른 사용자 기기를 나타낸다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 개시의 다양한 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시의 다양한 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 다양한 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시의 다양한 실시예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3자유도 균형 훈련 시스템(10)을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 3자유도 균형 훈련 시스템(10)의 측면도이며, 도 3은 도 1의 3자유도 균형 훈련 시스템(10) 중 일부 구성요소만을 발췌하여 도시한 배면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3자유도 균형 훈련 시스템(10)은 베이스(100), 디딤판(200), 지지부재(300), 복수의 연결부재(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.

베이스(100)는 지면에 수평으로 놓여져 유동하지 않도록 고정되는 것으로, 상부면(101)을 갖는 판 상으로 형성될 수 있다. 베이스(100)는 하나의 몸체를 통해 지면에 놓여질 수도 있으나, 도시한 바와 같이, 하나 이상의 다리부(600)를 더 구비하여, 지면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 수평으로 놓여질 수도 있다. 한편, 베이스(100)는 상부면(101) 상에 후술하는 지지부재(300)를 놓여지는 받침대를 더 구비하여, 베이스(100)의 상부면(101)과 디딤판(200)의 중심 높이를 일정하게 유지할 수 있다.

디딤판(200)은 베이스(100)로부터 이격 배치되며, 사용자가 올라서 균형 훈련을 수행하도록 평평한 판으로 형성될 수 있다. 디딤판(200)은 원형의 판으로 형성될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 해당하며, 삼각형, 사각형, 오각형 등의 다각 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다.

지지부재(300)는 베이스(100)에 대하여 디딤판(200)의 중심(O)을 지지할 수 있다. 구체적으로, 지지부재(300)는 디딤판(200)의 중심(O)을 지지하되, 디딤판(200)의 중심(O)을 기준으로 디딤판(200)이 롤링 모션(rolling motion), 피칭 모션(pitching motion) 및 요잉 모션(yawing motion)이 가능하도록 지지할 수 있다. 예를 들면, 지지부재(300)는 도시한 바와 같이, 볼 조인트(ball joint)로 구비되어, 디딤판(200)의 중심(O)을 지지함과 동시에 디딤판(200)의 회전 움직임에 간섭을 최소화할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 볼 조인트가 아닌 다른 구성을 통해서도 적용될 수 있음은 물론이다.

한편, 복수의 연결부재(400)는 지지부재(300)를 중심으로 동일한 간격으로 서로 이격되어 배치되며, 디딤판(200)의 3자유도 회전운동이 가능하도록 베이스(100)와 디딤판(200)을 연결할 수 있다. 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 3자유도 균형 훈련 시스템(10)은 3개의 연결부재(400)를 구비할 수 있으며, 이때, 디딤판(200)의 중심(O)에 놓여지는 지지부재(300)를 기준으로 동일한 각도(θ)인 120° 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 복수의 연결부재(400)를 이용하여 3자유도 균형 훈련 시스템(10)이 작동하는 원리에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4는 도 1의 3자유도 균형 훈련 시스템(10)에서 연결부재(400)를 설명하기 위해 구성요소 중 일부를 발췌하여 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 연결부재(400)를 설명하기 위한 개념도이다. 도 6 내지 도 8은 도 1의 디딤판(200)이 3자유도 회전운동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

다시 도 1 내지 도 5를 참조하면, 복수의 연결부재(400) 각각은 힘 생성부(410) 및 운동 변환부(430)를 포함할 수 있다.

힘 생성부(410)는 일측(E11)이 베이스(100)에 연결되며 직선운동을 생성할 수 있다. 이때, 힘 생성부(410)는 베이스(100)의 상부면(101)에 대하여 수직한 방향으로 직선운동을 생성할 수 있다. 다시 말해, 힘 생성부(410)는 사용자가 디딤판(200)에 올라선 상태에서 중력방향으로 힘을 생성하여 제공할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 3자유도 균형 시스템(10)은 사용자의 무게에 의해 인가되는 힘인 반발력을 다른 방향으로 분산시키지 않고 중력 방향에 대하여 정확히 측정할 수 있으며, 반발력에 대응되는 힘을 생성하여 제공함으로써 안정적인 지지 및 정확한 구동이 가능할 수 있다.

구체적으로, 힘 생성부(410)는 탄성부재(4151)를 포함하는 직렬탄성기(415)와, 구동력을 제공하는 구동수단(411)을 포함할 수 있다. 구동수단(411)은 구동력을 생성할 수 있는 어떠한 수단이든 가능하며, 예를 들면, 구동모터, 유압 실린더등과 같은 액츄에이터일 수 있다. 일 실시예로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 구동수단(411)이 구동모터를 포함하는 경우, 구동모터는 회전운동하는 구동력을 생성할 수 있다. 이때, 힘 생성부(410)는 구동수단(411)과 직렬탄성기(415) 사이에 배치되어 상기 구동수단(411)으로부터 생성되는 회전력을 직선운동으로 변환하여 직렬탄성기(415)로 전달하는 전달수단(413)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 전달 수단(413)은 구동수단(411)의 회전력을 전달하는 기어(4131)와 상기 기어(4131)와 연결되는 볼스크류(4133)를 구비할 수 있다.

직렬탄성기(415)는 스프링(spring)과 같은 탄성부재(4151)를 포함할 수 있다. 직렬 탄성기(415)는 구동수단(411)과 후술하는 운동 변환부(430) 사이를 직렬로 연결하며, 구동수단(411)에 의해 생성되는 구동력 또는 사용자로부터 중력방향으로 인가되는 반발력에 대하여 모두 작용하도록 구비될 수 있다.

직렬탄성기(415)는 미리 알고 있는 탄성계수를 갖는 탄성부재(4151)를 포함할 수 있다. 즉, 직렬탄성기(415)는 미리 알고 있는 스프링 상수값을 갖는 스프링을 포함할 수 있으며, 동일한 스프링 상수값을 갖는 하나 이상의 스프링을 구비할 수 있다. 이때, 직렬탄성기(415)가 하나 이상의 탄성부재(4151), 즉 스프링을 포함하는 경우 스프링들은 직렬탄성기(415)의 힘의 평형지점을 기준으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 여기서 직렬탄성기(415)의 힘의 평형 지점은 운동 변환부(430)와 연결되는 지점일 수 있다. 직렬탄성기(415)는 힘의 평형 지점을 기준으로 대칭적으로 짝을 이루어 탄성부재(4151)들을 배치할 수 있으며, 탄성부재(4151)들이 사전에 예압이 되도록 조립될 수 있다. 이를 통해, 직렬탄성기(415)는 양방향 변위 생성이 가능할 수 있다. 또한, 직렬탄성기(415)는 조립 시 모든 탄성부재(4151)가 예압이 되어 있어, 외부 힘이 작용하지 않을 경우 힘 평형 지점을 기준으로 메커니즘이 정렬될 수 있으며, 구동모터(411)에 의해 생성되는 구동력 및 사용자로부터 중력방향으로 인가되는 반발력에 의해 밀고 당기는 힘이 작용할 경우 일정한 힘 평형 지점을 기준으로 탄성부재(4151)의 말단의 위치가 상대적으로 변화될 수 있다.

한편, 힘 생성부(410)는 상기한 탄성부재(4151)의 변위를 측정하는 변위 측정 센서(417)를 더 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 직렬탄성기(415)의 탄성부재(4151)는 밀고 당기는 힘이 작용할 경우 힘 평형지점을 기준으로 말단의 위치가 상대적으로 변화될 수 있으며, 다시 말해 탄성부재(4151)는 외부 힘에 따라 신축될 수 있다. 변위 측정 센서(417)는 이러한 탄성부재(4151)의 변위를 측정하여 변위 정보를 포함하는 측정 신호를 생성할 수 있다. 변위 측정 센서(417)는 생성된 측정 신호를 후술하는 제어부(500)로 전달할 수 있으며, 제어부(500)는 측정 신호 및 사전에 알고 있는 탄성부재(4151)의 탄성계수값, 즉 스프링의 스프링 상수값을 이용하여 직렬 탄성기(415)에 전달된 반발력을 계산할 수 있다. 제어부(500)에서의 구체적인 제어 방법에 대해서는 후술하기로 한다.

운동 변환부(430)는 일측(E21)이 힘 생성부(410)의 타측(E12)에 연결되고, 타측(E22)이 디딤판(200)과 연결되며, 힘 생성부(410)에서 생성된 직선운동을 3자유도 회전 운동으로 변환시키는 기능을 수행한다. 운동 변환부(430)는 도시된 바와 같이, 디딤판(200)과 힘 생성부(410) 사이를 연결하는 링크 유닛으로 이루어질 수 있다. 일 실시예로서, 운동 변환부(430)는 디딤판(200) 및 힘 생성부(410)와 볼 조인트로 연결되는 링크 유닛으로 이루어져, 각 연결부위에 대하여 자유로운 회전이가능할 수 있다.

예를 들면, 운동 변환부(430)는 일측(E21)이 반구형의 케이스로 이루어져 볼 형상의 힘 생성부(410)의 타측(E12)과 결합될 수 있다. 또한, 디딤판(200)의 저면에는 디딤판(200)의 중심(O)을 기준으로 일정한 간격으로 배치되는 반구형의 결합 부재(210)가 배치될 수 있으며, 운동 변환부(430)의 타측(E22)이 볼 형상으로 이루어져 상기한 결합 부재(210)에 결합될 수 있다. 운동 변환부(430)는 연결되는 다른 구성요소들과 볼 조인트로 연결되는 것에 의해 힘 생성부(410)에서 생성되는 직선운동을 3자유도 회전운동으로 변환시킬 수 있다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 디딤판(200)은 지지부재(300)를 중심으로 방사상으로 연결된 복수의 연결부재(400)들의 개별적인 움직임에 의해 x축에 대한 회전인 피칭 모션(pitching motion) 및 y 축에 대한 회전인 요잉 모션(yawing motion)이 가능하다. 또한, 디딤판(200)은 복수의 연결부재(400) 중 힘 생성부(410)의 수직 방향에 대한 높이가 변화하는 것(S1↔S2, 도 8 참조)에 의해 z축에 대한 회전인 롤링 모션(rolling motion)이 가능하다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 3자유도 균형 시스템(10)은 디딤판(200)의 중심과 베이스(100)에 대하여 일정 거리(d)를 유지할 수 있다. 다시 말해, 복수의 연결부재(400)는 디딤판(200)에 힘이 인가되지 않는 경우에는, 운동 변환부(430)와 힘 생성부(410) 사이에 소정의 각도를 유지하고, 디딤판(200)에 힘이 인가되는 경우, 그 힘의 방향에 따라 각도가 변화하면서, 상기한 일정 거리(d)를 유지하게 된다. 디딤판(200)은 복수의 연결부재(400)의 각도 변화에 따라 도 8에 도시된 바와 같이 롤링 모션(rolling motion)이 가능해진다. 3자유도 균형 시스템(10)은 지지부재(300)를 통해 디딤판(200)의 중심(O)을 지지함과 동시에 3자유도 회전 운동이 가능하게 되므로, 사용자로 하여금 안정적으로 균형 훈련을 제공할 수 있다.

한편, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3자유도 균형 시스템(10)의 제어부(500)의 제어방법을 도시한 블록도이다.

도 9를 참조하면, 제어부(500)는 어드미턴스 모델(I(S), 510) 및 속도제어기(C(S), 520)를 구비하고, 균형 시스템(G(S), 530)을 제어할 수 있다. 여기서, 제어부(500)는 3자유도 균형 시스템(10)에 포함되는 구성이기는 하나, 전술한 구성들을 제어하여 전체 시스템의 동작을 제어한다는 점에서 설명의 편의를 위해 도 9에 도시된 균형 시스템(G(S), 530)은 제어부(500)를 제외한 나머지 구성으로 이루어지는 것으로 가정하고 설명하기로 한다. 도면에서 Fd는 기준 힘(reference force), u는 제어 입력(control input), y는 시스템 출력(system output), y_h는 사람의 출력(human output), Ks는 스프링 상수(spring constant), n은 측정 노이즈(measurement noise),

는 측정 출력(measured output)을 의미한다.

제어부(500)는 속도 제어기(530)에 의해 균형 시스템(530)이 속도가 제어되고 있는 상태에서 인간-로봇 상호작용력(FHRI) 정보를 기반으로 설정한 어드미턴스 모델(510)에 의해 다양한 힘 특성을 갖는 부하를 설정할 수 있다. 제어부(500)는 상기한 다양한 힘 특성을 갖는 부하의 설정을 복수의 연결부재(400)에 대한 위치 지령값(Pd)으로 계산하여 시스템에 제공할 수 있다.

여기서, 어드미턴스 모델(510)은 가상의 임피던스 인자 M인자, B인자, K인자를 이용하여 하기의 수학식 1과 같이 모델링될 수 있다.

[수학식 1]

M인자는 가상의 질량을 의미하며, 값을 증가시킬 때 관성력에 대한 효과가 커지고, B인자는 가상의 댐핑을 의미하며, 값을 증가시킬 때 점성력에 대한 효과가 커지며, K인자는 가상의 스프링을 의미하며, 값을 증가시킬 때 탄성력에 대한 효과가 커질 수 있다. 어드미턴스 모델(510)은 M인자, B인자, K인자를 독립적으로 사용하여 관성력, 점성력 및 탄성력 생성을 위한 위치 지령값(Pd)을 계산할 수 있다. 또는, 어드미턴스 모델(510)은 M인자, B인자, K인자의 조합을 통해 관성력, 점성력 및 탄성력이 혼합된 운동 부하 생성을 위한 위치 지령값(Pd)을 계산할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(500)는 인간-로봇 상호작용력(FHRI; Force in Human-Robot Interaction) 정보를 기반으로 균형 시스템(530)을 제어할 수 있다. 여기서, 인간-로봇 상호작용력(FHRI)란, 직렬탄성기(415)에서 인가되는 사용자와 균형 시스템(530) 사이에 작용하는 힘을 의미한다.

전술한 바와 같이, 직렬탄성기(415)의 탄성부재(4151)는 구동수단(411)으로부터 생성된 구동력과 사용자의 운동에 따른 반발력에 의해 변형이 발생하게 되며, 변위 측정 센서(417)는 이러한 탄성부재(4151)의 변위를 측정하여 측정 신호를 생성하고 제어부(500)에 제공할 수 있다. 제어부(500)는 제공받은 측정 신호 및 사전에 알고 있는 탄성부재(4151), 즉 스프링의 스프링 상수(540)를 이용하여 스프링의 변형량을 획득할 수 있다. 제어부(500)는 획득한 스프링의 변형량을 통해 외부에서 인가되는 작용력인 사용자의 운동에 의한 반발력을 계산하고, 작용력을 이용하여 운동부하를 생성하도록 복수의 연결부재(400)의 힘 생성부(410)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(500)는 생성된 가변적 운동부하를 기반으로 균형 시스템(530)의 동작 프로파일을 만들어 등속성 운동 모드, 등장성 운동 모드, 등척성 운동 모드를 구현할 수 있다. 등속성 운동 모드는 동작 프로파일을 속도에 대한 함수로 제공하고, 등장성 운동 모드는 동작 프로파일을 위치에 대한 함수로 제공하며, 등척성 운동 모드는 동작 프로파일을 사전에 측정한 사용자의 최대 힘 값으로 제공할 수 있다.

전술한 구성을 갖는 본 발명의 실시예들에 따른 3자유도 균형 시스템은 디딤판과 베이스를 연결하는 복수의 연결부재들을 통해 3자유도 회전운동뿐만 아니라, 3자유도 힘 제어가 가능하게 되어, 균형 훈련의 목적에 따라 다양한 부하를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 관성력, 점성력, 탄성력과 같은 계획된 부하에 따라 일반인 또는 재활 환자를 대상으로 활용될 수 있다. 또한, 3자유도 균형 시스템은 훈련 과정 중 실시간으로 사용자의 균형 정보 및 지면 반발력을 측정할 수 있어, 정량적인 운동계획을 수립할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 시스템
100: 베이스
200: 디딤판
210: 결합 부재
300: 지지부재
400: 연결부재
410: 힘 생성부
430: 운동 변환부
500: 제어부

Claims

상부면을 갖는 베이스;
상기 베이스로부터 이격 배치되는 디딤판;
상기 베이스에 대하여 상기 디딤판의 중심을 지지하는 지지부재; 및
상기 지지부재를 중심으로 동일한 간격으로 서로 이격되어 배치되며, 상기 디딤판의 3자유도 회전운동이 가능하도록 상기 베이스와 상기 디딤판을 연결하는 복수의 연결부재;를 구비하고,
상기 복수의 연결부재 각각은,
일측이 상기 베이스에 연결되며 직선운동을 생성하는 힘 생성부; 및
일측이 상기 힘생성부의 타측에 연결되고 타측이 상기 디딤판과 연결되며, 상기 힘 생성부에서 생성된 직선운동을 3자유도 회전운동으로 변환시키는 운동 변환부;를 포함하고,
상기 운동 변환부는 상기 디딤판에 힘이 인가되지 않는 경우, 상기 힘 생성부에 대하여 소정의 각도를 유지하는, 3자유도 균형 훈련 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 힘 생성부는 상기 베이스의 상부면에 대하여 수직한 방향으로 직선운동을 생성하는, 3자유도 균형 훈련 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 힘 생성부는 구동력을 생성하는 구동수단과, 탄성부재를 포함하는 직렬탄성기와, 상기 구동력을 직선운동으로 변환하여 상기 직렬탄성기로 전달하는 전달수단을 포함하는, 3자유도 균형 훈련 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 힘 생성부는 상기 탄성부재의 변위를 측정하는 변위 측정 센서를 더 포함하는, 3자유도 균형 훈련 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 탄성부재는 사전에 설정된 스프링 상수를 갖는 스프링을 포함하는, 3자유도 균형 훈련 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 스프링 상수 및 상기 변위 측정 센서의 측정값을 이용하여 상기 스프링의 변형량을 획득하고, 상기 스프링의 변형량을 통해 외부에서 인가되는 작용력을 계산하고, 상기 작용력을 이용하여 운동부하를 생성하도록 상기 힘 생성부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는, 3자유도 균형 훈련 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 디딤판은 상기 복수의 연결부재에 의해 롤링 모션(rolling motion), 피칭 모션(pitching motion) 및 요잉 모션(yawing motion)이 가능한, 3자유도 균형 훈련 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 디딤판의 중심은 상기 베이스에 대하여 일정 거리를 유지하는, 3자유도 균형 훈련 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 지지부재는 볼 조인트를 포함하는, 3자유도 균형 훈련 시스템.