KR20220060617A - Wearable robotic apparatus for lower limb - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인체의 발목에 보조력을 제공하도록 하지에 착용하는 하지 착용 로봇장치에 관한 것으로서, 인체의 허리부위에 장착되는 장착부와, 발목의 뒷꿈치를 이동시키는 구동력을 제공하는 동력부와, 이 동력부의 구동력을 단속적으로 전달하는 스풀부와, 동력부의 구동력을 발목의 뒷꿈치에 전달하는 와이어부와, 발목의 뒷꿈치에 고정되어 있는 뒷꿈치 고정부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 장착부를 착용해서 동력부와 스풀부에 의해 인체의 발목에 작용되는 보조력을 조절하도록 와이어부를 구비함으로써, 중량물을 운반하는 작업자의 근골격계 질환을 감소시키는 동시에 재활기기 또는 장애인을 위한 기기로도 활용할 수 있는 효과를 제공한다.The present invention relates to a lower extremity wearable robot device that is worn on the lower extremities to provide auxiliary force to the ankle of the human body. It is characterized in that it comprises a spool unit for intermittently transmitting the driving force of the negative, a wire unit for transmitting the driving force of the power unit to the heel of the ankle, and a heel fixing unit fixed to the heel of the ankle. Therefore, the present invention is provided with a wire part to adjust the auxiliary force applied to the ankle of the human body by the power part and the spool part by wearing the mounting part, thereby reducing musculoskeletal disorders of workers carrying heavy objects and at the same time as a rehabilitation device or a device for the disabled It also provides an effect that can be used as
Description
본 발명은 하지 착용 로봇장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인체의 발목에 승하강 이동하는 보조력을 제공하도록 하지에 착용하는 하지 착용 로봇장치에 관한 것이다.The present invention relates to a robot device worn on the lower extremities, and more particularly, to a robot device worn on the lower extremities so as to provide an assisting force to move up and down to the ankle of a human body.
다양한 분야에서 로봇이 이용됨에 따라 종전에 인간이 수행하던 작업을 로봇이 대신 수행하는 일이 늘어나고 있다. 비교적 단순하고 쉬운 작업을 로봇으로 대체하여 반복적으로 작업을 수행하거나 인간이 직접 투입되기 어려운 환경에서의 작업을 수행하기 위하여 다양한 형태의 로봇이 사용되고 있다.As robots are used in various fields, robots are increasingly performing tasks previously performed by humans. Various types of robots are being used to repeatedly perform tasks by replacing relatively simple and easy tasks with robots, or to perform tasks in environments where it is difficult for humans to directly input them.
이러한 예로서 생산자동화 공정이나 험지 탐사 등 인간이 본래 수행하였던 일을 로봇이 수행하기 위하여 인간의 형태를 모사한 로봇이 산업 현장에서 사용되고 있다. 그에 따라 인간의 형태에 유사한 로봇의 움직임을 사용자가 직관적인 조작으로 조종 가능 하도록 하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다.As an example of this, a robot that mimics a human form is used in industrial sites in order for the robot to perform tasks originally performed by humans, such as production automation processes or rough terrain exploration. Accordingly, various methods have been tried to enable the user to control the movement of the robot similar to the human form through intuitive manipulation.
또한, 일상 생활이 불가능한 신체능력을 가진 장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇 또는 체력이나 신체능력을 강화하기 위한 산업용 또는 군사용 착용형 로봇의 개발이 진행되고 있다.In addition, the development of wearable robots for the disabled, patients or the elderly with physical abilities that are impossible for daily living, or wearable robots for industrial or military use to enhance physical strength or physical ability is in progress.
장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇의 경우에는 신체 능력, 요구되는 보조력의 크기 또는 역할에 따라 완전마비 장애인용 착용형 로봇과 노약자 또는 부분마비 환자 또는 장애인용 착용형 로봇으로 분류될 수 있다.In the case of wearable robots for the disabled, patients, or the elderly, they can be classified into a wearable robot for the paralyzed person and a wearable robot for the elderly or partially paralyzed or disabled according to the size or role of the physical ability and required assistive force. .
전자의 경우, 사용자에게 신체 능력이 없으므로, 사용자의 하지의 움직임에 대한 동작 의도 등은 로봇의 제어변수로 큰 의의가 없으므로, 착용형 로봇은 충분한 힘으로 사용자의 하지의 움직임을 대신하여 정확하게 보행 동작을 수행하면 될 수 있다.In the former case, since the user does not have physical ability, the user's intention to move the lower extremities has no significance as a control variable of the robot. can be done by
따라서, 전자의 착용형 로봇의 경우에는 요구되는 구동력의 크기가 크고 그에 따라 구동장치, 배터리 및 골격구조가 큰 경우가 많다. 그러나, 후자의 착용형 로봇의 경우에는 사용자의 신체능력이 부족하여 이를 보조하기 위한 로봇이므로, 착용형 로봇의 크기와 무게가 최소화되고 사용자의 동작 의도에 따라 정확한 보조력을 제공하는 것이 관건이 될 수 있다.Therefore, in the case of the former wearable robot, the size of the required driving force is large, and accordingly, the driving device, the battery, and the skeletal structure are large in many cases. However, in the latter case of the wearable robot, since the user's physical ability is insufficient, it is a robot to assist the user. Therefore, the size and weight of the wearable robot are minimized and providing an accurate assisting force according to the user's operation intention is the key. can
특히, 사용자의 움직임 또는 의도와 다른 로봇의 보조력 제공의 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있으므로, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공할 필요가 있다.In particular, in the case of providing assisting force by a robot that is different from the user's movement or intention, it may cause inconvenience or injury to the user, so it is necessary to accurately provide assisting force by understanding the user's intention of operation while allowing the user's movement. there is.
하지만 정확한 보조력 생성을 위해서는 상황에 따른 사용자의 근력의 측정이 필요하고, 일반적으로 사용자의 근력 등을 정밀하게 측정하기 위하여, 착용형 로봇에 사용되는 센서는 고가이고, 부피가 크며, 센서의 신호가 노이즈에 매우 민감하기 때문에 착용형 로봇 등의 모바일 환경에서 실용적으로 사용하기에 어려운 문제가 있다.However, in order to generate an accurate assistive force, it is necessary to measure the user's muscle strength according to the situation, and in general, in order to accurately measure the user's muscle strength, the sensor used in the wearable robot is expensive, bulky, and the sensor signal Since it is very sensitive to noise, it is difficult to practically use it in a mobile environment such as a wearable robot.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 스프링과 같은 탄성체를 사용하는 탄성 구동기가 적용되는 경우가 있다. 즉, 모터 등과 구동축에 동력 전달수단으로 탄성부재를 구비하고, 탄성부재의 변형량을 기초로 사용자의 동작의도를 판단하여, 탄성부재의 변형량을 제거하는 방향으로 모터를 구동하여, 사용자가 느끼는 기계적 저항을 최소화하면서도 동작의도를 판단하여 그에 따른 보조 구동력을 제공할 수 있다.In order to solve this problem, there are cases where an elastic actuator using an elastic body such as a spring is applied. That is, the motor is provided with an elastic member as a power transmission means on the drive shaft, and the user's intention of operation is determined based on the amount of deformation of the elastic member, and the motor is driven in a direction to remove the amount of deformation of the elastic member, so that the user feels mechanical It is possible to provide an auxiliary driving force according to the determination of the operation intention while minimizing the resistance.
이러한, 탄성 구동기는 탄성부재의 변형량을 기초로 보조 구동력을 제공하므로, 사용자의 근력에 의한 탄성부재의 변형량의 선형성이 보장되어야 하고 하체의 부분 마비 환자 또는 노약자를 위한 착용형 로봇의 경우, 무게와 크기를 최소화하기 위하여 착용형 로봇의 주요 구성인 구동장치의 경량화 및 소형화가 가능해야 하지만 이와 같은 탄성부재 또는 탄성 구동기가 소개된 바가 없다.Since such an elastic actuator provides auxiliary driving force based on the amount of deformation of the elastic member, the linearity of the amount of deformation of the elastic member by the user's muscle strength must be guaranteed, and in the case of a wearable robot for patients with partial paralysis of the lower body or the elderly, weight and In order to minimize the size, weight reduction and miniaturization of the driving device, which are the main components of the wearable robot, should be possible, but such an elastic member or elastic actuator has not been introduced.
이와 같이 외골격형 착용로봇의 경우 착용자 다리의 롤링이나 발목의 피칭을 구현하기 위해 복잡한 기구물을 갖는 것이 보통이다. 그러나 근본적으로, 착용자의 팔은 롤링시 그 회전의 중심이 내부에 있고, 그에 따라 외부에서 그 회전중심과 일치되어 원운동하도록 하는 것이 쉬운 일은 아니다.As such, in the case of an exoskeleton-type wearing robot, it is common to have a complex mechanism to implement rolling of the wearer's leg or pitching of the ankle. However, fundamentally, the wearer's arm has a center of rotation inside when rolling, and accordingly, it is not easy to make the wearer's arm rotate in a circular motion coincident with the center of rotation from the outside.
따라서, 종래의 착용로봇들은 발목의 회전중심과 기구의 회전중심이 일치되지 않아 이질감이 느껴지고 제어적인 측면에서 노이즈가 많은 문제가 있었다. 또한, 회전중심을 일치시키고자 할 경우에도 기구물이 매우 복잡할 수 밖에 없는 문제가 있었다.Therefore, in conventional wearable robots, the rotational center of the ankle and the rotational center of the instrument do not match, so a sense of heterogeneity is felt and there is a problem with a lot of noise in terms of control. In addition, there was a problem that the mechanism had to be very complicated even when trying to match the center of rotation.
특히 종래의 착용로봇은 장애인을 위한 보조기기, 재활기기 등으로 널리 활용되고 있으나, 이러한 착용로봇은 금속재질의 강체기반으로 외골격 프레임을 구성하고, 동력전달기구가 인간 회전관절에 동력전달장치의 말단을 위치시켜 회전력을 전달하는 구조이며, 고관절이나 골반, 슬관절이나 무릎, 발목관절에 모터와 감속기를 부착하여 하체에 무리가 갈수 있고, 이러한 로봇은 무겁기 때문에 높은 제조원가를 요구할 뿐만 아니라, 착용하면 불편한 구조라는 문제점도 있었다.In particular, conventional wearable robots are widely used as assistive devices and rehabilitation devices for the disabled, but these wearable robots constitute an exoskeleton frame based on a rigid metal material, and the power transmission mechanism is the distal end of the power transmission device to the human rotary joint. It is a structure that transmits rotational force by positioning There was also the problem.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 장착부를 착용해서 동력부와 스풀부에 의해 인체의 발목에 작용되는 보조력을 조절하도록 와이어부를 구비함으로써, 중량물을 운반하는 작업자의 근골격계 질환을 감소시키는 동시에 재활기기 또는 장애인을 위한 기기로도 활용할 수 있는 하지 착용 로봇장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention has been devised to solve the problems of the prior art as described above, and by providing a wire part to adjust the auxiliary force applied to the ankle of the human body by the power part and the spool part by wearing the mounting part, the operator's An object of the present invention is to provide a lower extremity wearable robot device that can be used as a rehabilitation device or a device for the disabled while reducing musculoskeletal disorders.
또한, 본 발명은 구동부로서 구동모터와 감속기와 배터리를 하지의 허리부위 또는 엉덩이부위에 배치하도록 구비함으로써, 하중물의 배치를 최적화하여 로봇장치의 무게를 인간의 무게중심과 일치시킴으로써 동력전달시에 로봇에 의한 관성을 최소화할 수 있는 하지 착용 로봇장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. In addition, the present invention provides a drive motor, a speed reducer, and a battery as a driving unit to be disposed on the waist or buttocks of the lower extremities, thereby optimizing the arrangement of the load and matching the weight of the robot device with the center of gravity of the human to transmit power to the robot. Another object of the present invention is to provide a lower extremity worn robot device capable of minimizing inertia caused by
또한, 본 발명은 와이어부로서 와이어 베어링과 와이어와 연결구를 구비함으로써, 와이어를 이용하여 발목관절에 동력을 전달하기 때문에 다리가 움직일 때 발생하는 관성을 최소화할 수 있고 발목의 회전 자유도에 대응 가능하도록 와이어 베어링를 위치시켜 와이어에 발생하는 힘의 최종 벡터를 항상 중력에 반하는 방향으로 발생시켜 발목의 회전을 용이하게 할 수 있는 하지 착용 로봇장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. In addition, the present invention is provided with a wire bearing, a wire and a connector as a wire part, so that the inertia that occurs when the leg moves can be minimized and can respond to the degree of freedom of rotation of the ankle because power is transmitted to the ankle joint using the wire. Another object of the present invention is to provide a lower extremity wearable robot device capable of facilitating rotation of the ankle by locating a wire bearing to always generate the final vector of the force generated on the wire in a direction against gravity.
또한, 본 발명은 장착부와 와이어부로서 종래의 강체 프레임 구성을 유연소재로 대체함으로써, 착용 로봇장치의 제품을 경량화가 가능하며, 사용자의 착용시 편안함을 보장할 수 있는 하지 착용 로봇장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. In addition, the present invention provides a lower extremity wearable robot device capable of reducing the weight of a wearable robot device product and ensuring user comfort when wearing it by replacing the conventional rigid frame configuration with a flexible material as a mounting part and a wire part serve another purpose.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인체의 발목에 보조력을 제공하도록 하지에 착용하는 로봇장치로서, 인체의 허리부위에 장착되는 장착부(10); 상기 장착부(10)의 후방에 설치되어, 발목의 뒷꿈치를 이동시키는 구동력을 제공하는 동력부(20); 상기 동력부(20)의 일단에 연결되어, 상기 동력부(20)의 구동력을 단속적으로 전달하는 스풀부(30); 상기 스풀부(30)와 발목의 뒷꿈치 사이에 연결되어, 상기 동력부(20)의 구동력을 발목의 뒷꿈치에 전달하는 와이어부(40); 및 상기 와이어부(40)의 일단에 연결되며, 발목의 뒷꿈치에 고정되어 있는 뒷꿈치 고정부(50);를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, as a robot device to be worn on the lower extremities to provide auxiliary force to the ankle of the human body, the
또한, 본 발명은 인체의 무릎과 발목 사이에 고정되어, 상기 와이어부(40)를 탄력적으로 지지하는 종아리 고정부(60);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the present invention is fixed between the knee and the ankle of the human body, the
본 발명의 상기 종아리 고정부(60)는, 하지의 종아리 둘레에 고정 설치된 고정수단; 상기 고정수단의 후방 일단에 설치되어, 상기 와이어부(40)의 슬라이딩부위를 가이드하는 가이드수단; 및 상기 고정수단의 후방 타단에 설치되어, 상기 와이어부(40)의 말단부위를 탄지하는 탄지수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.The
본 발명의 상기 종아리 고정부(60)는, 상기 고정수단의 일방에 설치되어, 하지의 이동을 감지하는 가속도 센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The
본 발명의 상기 동력부(20)는, 상기 장착부(10)의 후방 일단에 설치되어, 구동력을 제공하는 구동모터; 상기 구동모터의 하류에 연결되어, 구동력을 조절하는 감속기; 및 상기 구동모터의 일방에 설치되어 접속되며, 상기 구동모터에 전력을 제공하는 배터리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The
본 발명의 상기 와이어부(40)는, 상기 장착부(10)의 후방에서 하방으로 설치된 와이어 베어링; 상기 와이어 베어링을 개재해서 슬라이딩하도록 상기 스풀부(30)에 연결된 와이어; 및 상기 뒤꿈치 고정부(50)의 일단에 설치되되 회전하도록 지지되어, 상기 와이어를 슬라이딩하도록 지지하는 연결구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 장착부를 착용해서 동력부와 스풀부에 의해 인체의 발목에 작용되는 보조력을 조절하도록 와이어부를 구비함으로써, 중량물을 운반하는 작업자의 근골격계 질환을 감소시키는 동시에 재활기기 또는 장애인을 위한 기기로도 활용할 수 있는 효과를 제공한다.As described above, the present invention reduces musculoskeletal disorders of workers carrying heavy objects by providing a wire part to adjust the auxiliary force applied to the ankle of the human body by the power part and the spool part by wearing the mounting part, and at the same time, it is a rehabilitation device. Alternatively, it provides an effect that can be used as a device for the disabled.
또한, 구동부로서 구동모터와 감속기와 배터리를 하지의 허리부위 또는 엉덩이부위에 배치하도록 구비함으로써, 하중물의 배치를 최적화하여 로봇장치의 무게를 인간의 무게중심과 일치시킴으로써 동력전달시에 로봇에 의한 관성을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, the inertia caused by the robot during power transmission by optimizing the arrangement of the load and matching the weight of the robot device with the human center of gravity by arranging the driving motor, the reducer and the battery as the driving unit on the waist or buttocks of the lower extremities It provides the effect that can be minimized.
또한, 와이어부로서 와이어 베어링과 와이어와 연결구를 구비함으로써, 와이어를 이용하여 발목관절에 동력을 전달하기 때문에 다리가 움직일 때 발생하는 관성을 최소화할 수 있고 발목의 회전 자유도에 대응 가능하도록 와이어 베어링를 위치시켜 와이어에 발생하는 힘의 최종 벡터를 항상 중력에 반하는 방향으로 발생시켜 발목의 회전을 용이하게 할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, by having a wire bearing and a wire and a connector as a wire part, since power is transmitted to the ankle joint using a wire, the inertia that occurs when the leg moves can be minimized and the wire bearing is positioned so that it can respond to the degree of freedom of rotation of the ankle. This provides the effect of facilitating the rotation of the ankle by always generating the final vector of the force generated on the wire in the direction against gravity.
또한, 장착부와 와이어부로서 종래의 강체 프레임 구성을 유연소재로 대체함으로써, 착용 로봇장치의 제품을 경량화가 가능하며, 사용자의 착용시 편안함을 보장할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, by replacing the conventional rigid frame configuration with a flexible material as the mounting part and the wire part, it is possible to reduce the weight of the wearable robot device product, and provides the effect of ensuring the user's comfort when wearing.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 동력부와 스풀부를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 와이어부를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 와이어부의 동작상태를 나타내는 상태도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 종아리 고정부를 나타내는 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 종아리 고정부의 가속도 센서를 나타내는 구성도.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 종아리 고정부의 가속도 센서의 동작상태를 나타내는 상태도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치를 나타내는 전방사시도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치를 나타내는 후방사시도.1 is a block diagram showing a robot device worn on the lower extremities according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing the power unit and the spool unit of the robot device worn on the lower extremities according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a block diagram showing a wire portion of the robot device worn on the lower extremities according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a state diagram showing the operation state of the wire portion of the robot device worn on the lower extremities according to an embodiment of the present invention.
5 is a configuration diagram showing a calf fixing unit of the robot device worn on the lower extremities according to an embodiment of the present invention.
6 is a block diagram illustrating an acceleration sensor of a calf fixing part of a robot device worn on a lower extremity according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are state diagrams showing the operation state of the acceleration sensor of the calf fixing part of the robot device worn on the lower extremities according to an embodiment of the present invention.
9 is a front perspective view showing a robot device worn on the lower extremities according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a rear perspective view showing the lower extremity worn robot device according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 동력부와 스풀부를 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 와이어부를 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 와이어부의 동작상태를 나타내는 상태도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 종아리 고정부를 나타내는 구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 종아리 고정부의 가속도 센서를 나타내는 구성도이고, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치의 종아리 고정부의 가속도 센서의 동작상태를 나타내는 상태도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치를 나타내는 전방사시도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치를 나타내는 후방사시도이다.Figure 1 is a block diagram showing a robot device worn on the lower extremities according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a block diagram showing a power unit and a spool section of the robot device worn on the lower limbs according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is It is a block diagram showing the wire part of the robot device worn on the lower extremities according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a state diagram showing the operation state of the wire part of the robot device worn on the lower limbs according to an embodiment of the present invention 6 is a block diagram showing the calf fixing part of the lower extremity worn robot device according to an embodiment of the present invention, and FIG. and FIG. 8 is a state diagram showing the operation state of the acceleration sensor of the calf fixing part of the lower extremity worn robot device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a front perspective view showing the lower extremity worn robot device according to an embodiment of the present invention. and FIG. 10 is a rear perspective view showing the lower extremity worn robot device according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 3 및 도 9 내지 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 하지 착용 로봇장치은, 장착부(10), 동력부(20), 스풀부(30), 와이어부(40), 뒷꿈치 고정부(50) 및 종아리 고정부(60)를 포함하여 이루어져, 인체의 발목에 보조력을 제공하도록 유연소재기반으로 하는 하지에 착용하는 로봇장치이다.As shown in FIGS. 1 to 3 and 9 to 10 , the lower extremity worn robot device according to the present embodiment includes a
장착부(10)는, 인체의 하지의 허리부위에 장착되는 장착수단으로서, 인체의 허리부위에 벨트 등과 같이 허리끈을 이용하여 장착되어 인체의 하지에 하지 착용 로봇장치을 장착시켜 고정하게 된다.The
동력부(20)는, 장착부(10)의 후방에 설치되어 발목의 뒷꿈치를 이동시키는 구동력을 제공하는 동력수단으로서, 도 2에 나타낸 바와 같이 구동모터(21), 감속기(22) 및 배터리로 이루어져 있다.The
구동모터(21)는, 장착부(10)의 후방 일단에 설치되어 와이어부(40)에 구동력을 제공하는 구동수단으로서, 와이어부(40)에 구동력을 제공하여 인체의 하지의 발목에 승강이동시키도록 정회전 및 역회전에 의한 승강구동력을 제공하는 서보모터나 스텝모터 등과 같이 제어가 가능한 모터로 이루어져 있다.The
감속기(22)는, 구동모터(21)의 하류에 연결되어 구동모터(21)의 구동력을 조절하는 감속수단으로서, 다단의 변속기어로 이루어져 구동모터(21)의 회전구동력의 속도과 크기를 다양하게 변경할 수 있게 된다.The
배터리는, 구동모터(21)의 일방에 설치되어 접속되며 구동모터(21)에 전력을 제공하는 전원부재로서, 건전지나 태양전지 등과 같이 다양한 충전지나 배터리를 사용하는 전원수단으로 이루어져 있다.The battery is a power supply member that is installed and connected to one side of the driving
스풀부(30)는, 동력부(20)의 일단에 연결되어 동력부(20)의 구동력을 단속적으로 전달하는 동력전달수단으로서, 동력부(20)의 구동력을 전달받아 와이어부(40)에 대한 권취구동 및 권해구동을 단속적으로 제공하는 회전풀리 등과 같은 회전부재로 이루어져 있는 것이 바람직하다.The
와이어부(40)는, 스풀부(30)와 발목의 뒷꿈치 사이에 연결되어 동력부(20)의 구동력을 발목의 뒷꿈치에 전달하는 연결수단으로서, 도 3 내지 도 8에 나타낸 바와 같이 와이어 베어링(41), 와이어(42) 및 연결구(43)로 이루어져 있다.The
와이어 베어링(41)은, 장착부(10)의 후방에서 하방으로 연장되도록 설치된 가이드부재로서, 튜브형상으로 이루어져 내부공간에 삽입된 와이어(42)가 원활하게 슬라이딩 이동하도록 윤활제가 도포되어 있거나 저마찰재료로 이루어져 있는 것도 가능함은 물론이다.The
와이어(42)는, 와이어 베어링(41)을 개재해서 슬라이딩하도록 스풀부(30)에 연결된 와이어부재로서, 일단이 스풀부(30)에 권취되거나 권해되도록 연결되어 있고 타단이 뒷꿈치 고정부(50)에 연결되어 뒷꿈치 고정부(50)에 동력부(20)의 구동력을 전달하게 된다.The
연결구(43)는, 뒤꿈치 고정부(50)의 일단에 설치되되 회전하도록 지지되어 와이어(42)를 슬라이딩하도록 지지하는 연결수단으로서, 이러한 연결구(43)는 풀리 형상으로 형성되며 외부홈에는 와이어(42)가 슬라이딩되도록 접촉되어 뒤꿈치 고정부(50)를 상하로 승강하도록 지지하게 된다.The
뒷꿈치 고정부(50)는, 와이어부(40)의 일단에 연결되며 발목의 뒷꿈치에 고정되어 있는 뒷꿈치 고정수단으로서, 사용자의 하지의 발목에 고정되는 베트나 발뒷꿈치와 발목이 장착되는 신발로 이루어져 발목의 뒷꿈치에 고정 설치되어 있다.The
종아리 고정부(60)는, 인체의 무릎과 발목 사이에 고정되어 와이어부(40)를 탄력적으로 지지하는 종아리 고정수단으로서, 고정수단(61), 가이드수단(62), 탄지수단(63) 및 가속도 센서(64)로 이루어져 있다.The
고정수단(61)은, 인체의 하지의 종아리 둘레에 고정 설치되는 고정부재로서, 인체의 종아리부위에 벨트 등과 같이 끈을 이용하여 장착되어 인체의 종아리에 와이어부(40)를 슬라이딩 가능하도록 지지하게 된다.The fixing means 61 is a fixing member that is fixedly installed around the calf of the lower extremity of the human body, and is mounted on the calf of the human body using a string such as a belt to support the
가이드수단(62)은, 고정수단(61)의 후방 일단에 설치되어 와이어부(40)의 슬라이딩부위를 가이드하는 가이드부재로서, 내부에 가이드홀이 관통 형성되어 이 가이드홀에 와이어부(40)의 와이어(42)가 슬라이딩 가능하도록 삽입되어 있다.The guide means 62 is a guide member installed at the rear end of the fixing means 61 to guide the sliding portion of the
탄지수단(63)은, 고정수단(61)의 후방 타단에 설치되어 와이어부(40)의 말단부위를 탄지하는 탄지부재로서, 와이어부(40)의 와이어(42)의 말단이 고정 결합되어 동력부(20)의 구동력에 의해 권취 및 권해되는 와이어(42)가 탄력적으로 지지되도록 고정지지하게 된다.The traction means 63 is installed at the other end of the rear of the fixing means 61 to support the distal end of the
가속도 센서(64)는, 고정수단(61)의 일방에 설치되어 하지의 이동을 감지하는 감지부재로서, 하지의 이동을 감지하여 착용자의 걸음걸이 패턴을 분석하여 발목 보조력 인가 시점을 추정할 수 있게 된다.The
또한, 이러한 가속도 센서를 엉덩이에 위치된 동력전달프레임인 장착부(10)에 부착한 경우에는 종아리 고정부(60)에 부착된 가속도 센서와의 차이를 이용하여, 비탈길에서의 발목 보조력 인가시점을 추정할 수 있게 되는 것도 가능함은 물론이다.In addition, when this acceleration sensor is attached to the mounting
본 발명의 하지 착용 로봇장치는 동력전달수단으로서 동력부(20)와 스풀부(30)를 구비하고, 발목을 고정하는 프레임부재로서 뒷꿈치 고정부(50)인 신발과 와이어부(40)와 종아리 고정부(60)로 구성되어, 모터와 감속기와 스풀의 순서로 동력이 전달되며, 종아리 프레임은 무릎과 발목 사이에 위치되며, 신발은 뒤꿈치에 와이어의 연결이 가능한 프레임을 포함하거나 상용 신발에 연결 가능한 프레임으로 구성될 수 있다.The lower extremity wearable robot device of the present invention is provided with a
이러한 동력부(20)의 구동력은 모터와 감속기와 스풀과 와이어와 뒷꿈치 등을 순차적으로 연결하여 동력을 전달하게 되며, 장비의 무게를 인간의 무게중심과 일치시키도록 인체의 허리부위나 엉덩이부위에 장착시킴으로써 동력의 전달시에 로봇에 의한 관성을 최소화시킬 수 있게 된다.The driving force of the
또한, 동력전달기구로서 배터리와 제어기와 모터와 감속기와 스풀 등과 같이 동력장치에 필요한 구성 요소를 하나의 모듈로 제작한 뒤, 상기 모듈의 부착위치를 인간의 무게중심과 일치시킴으로써 동력전달 시에 로봇에 의한 관성을 최소화시키는 것도 가능함은 물론이다.In addition, as a power transmission mechanism, the components necessary for a power device such as a battery, a controller, a motor, a speed reducer, and a spool are manufactured into one module, and then the attachment position of the module is aligned with the human center of gravity to transmit power to the robot. Of course, it is also possible to minimize the inertia caused by
또한, 와이어부의 초기장력 조절을 위해 가속도 센서를 구비하는 종아리 고정부를 더 포함하여, 인체의 뼈 길이는 다양하기 때문에 기존 착용로봇은 링크의 길이를 수동으로 조절하거나 개인 맞춤형으로 제작되는 불편을 제거하여 와이어의 길이만 조절하면 다양한 길이의 신체에 적용이 가능하게 된다.In addition, by further including a calf fixing part having an acceleration sensor for adjusting the initial tension of the wire part, since the bone length of the human body is varied, the existing wearing robot manually adjusts the length of the link or removes the inconvenience of being custom-made. Thus, by adjusting the length of the wire, it can be applied to the body of various lengths.
또한, 초기장력 조절장치는 와이어를 와이어 감김 장치를 이용하여 길이를 조절할 수 있고, 종아리 고정부에 부착된 가속도 센서는 착용자의 걸음걸이 패턴을 분석하여 발목 보조력 인가 시점을 추정할 수 있고, 엉덩이에 위치된 동력전달프레임에 부착된 가속도센서와 종아리 프레임에 부착된 가속도 센서의 차이를 이용하면 비탈길에서의 발목 보조력 인가 시점을 추정할 수 있는 것도 가능함은 물론이다.In addition, the initial tension adjusting device can adjust the length of the wire using a wire winding device, and the acceleration sensor attached to the calf fixing part analyzes the wearer's gait pattern to estimate the time of applying the ankle assist force, and the hip Of course, by using the difference between the acceleration sensor attached to the power transmission frame positioned at
또한, 와이어의 동력이 전달 가능한 뒷꿈치 고정부로서 신발 또는 상용 신발에 연결 가능한 연결 부재로 이루어져, 신발의 뒤꿈치가 변형된 신발 또는 상용 신발에 연결 가능한 부재 형태도 가능하며, 신발의 뒤꿈치에는 와이어 풀리를 구비하거나 와이어 도르레를 설치하여 여기에 와이어가 슬라이딩 하도록 연결되어 있다.In addition, as a heel fixing part capable of transmitting the power of the wire, it consists of a connecting member that can be connected to a shoe or commercial shoe, so a member form that can be connected to a shoe or commercial shoe with a deformed heel of the shoe is also possible, and a wire pulley is installed in the heel of the shoe A wire pulley is provided or a wire pulley is installed so that the wire slides here.
따라서, 종아리 프레임의 미끌림 현상 또는 초기 부착경우가 잘못되었을 경우에도 발목관절에 중력에 반하는 수직방향으로 힘 벡터를 발생시킴으로써, 뒷꿈치에 와이어를 직접 연결할 경우, 발목관절이 롤러 방향으로 회전시켜, 착용작의 발목에 무리한 하중을 부가하여 부상이 발생하지 않도록 안전사고를 미리 방지할 수 있게 된다.Therefore, when the wire is directly connected to the heel by generating a force vector in the vertical direction against gravity at the ankle joint even when the calf frame slips or the initial attachment is wrong, the ankle joint rotates in the direction of the roller, making it easy to wear. It is possible to prevent a safety accident in advance so that an excessive load is not applied to the ankle of the person and an injury does not occur.
또한, 장착부와 와이어부로서 종래의 강체 프레임 구성을 유연소재로 대체함으로써, 착용 로봇장치의 제품을 경량화가 가능하며, 사용자의 착용시 편안함을 보장할 수 있게 되는 것도 가능함은 물론이다.In addition, by replacing the conventional rigid frame configuration with a flexible material as the mounting part and the wire part, it is possible to reduce the weight of the wearable robot device product and to ensure the user's comfort when wearing it, of course.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 장착부를 착용해서 동력부와 스풀부에 의해 인체의 발목에 작용되는 보조력을 조절하도록 와이어부를 구비함으로써, 중량물을 운반하는 작업자의 근골격계 질환을 감소시키는 동시에 재활기기 또는 장애인을 위한 기기로도 활용할 수 있는 효과를 제공한다.As described above, according to the present invention, by providing a wire unit to adjust the auxiliary force applied to the ankle of the human body by the power unit and the spool unit by wearing the mounting unit, the present invention reduces musculoskeletal disorders of workers carrying heavy objects and at the same time reduces the musculoskeletal system. Alternatively, it provides an effect that can be used as a device for the disabled.
또한, 구동부로서 구동모터와 감속기와 배터리를 하지의 허리부위 또는 엉덩이부위에 배치하도록 구비함으로써, 하중물의 배치를 최적화하여 로봇장치의 무게를 인간의 무게중심과 일치시킴으로써 동력전달시에 로봇에 의한 관성을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, the inertia caused by the robot during power transmission by optimizing the arrangement of the load and matching the weight of the robot device with the human center of gravity by arranging the driving motor, the reducer and the battery as the driving unit on the waist or buttocks of the lower extremities It provides the effect that can be minimized.
또한, 와이어부로서 와이어 베어링과 와이어와 연결구를 구비함으로써, 와이어를 이용하여 발목관절에 동력을 전달하기 때문에 다리가 움직일 때 발생하는 관성을 최소화할 수 있고 발목의 회전 자유도에 대응 가능하도록 와이어 베어링를 위치시켜 와이어에 발생하는 힘의 최종 벡터를 항상 중력에 반하는 방향으로 발생시켜 발목의 회전을 용이하게 할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, by having a wire bearing and a wire and a connector as a wire part, since power is transmitted to the ankle joint using a wire, the inertia that occurs when the leg moves can be minimized and the wire bearing is positioned so that it can respond to the degree of freedom of rotation of the ankle. This provides the effect of facilitating the rotation of the ankle by always generating the final vector of the force generated on the wire in the direction against gravity.
또한, 장착부와 와이어부로서 종래의 강체 프레임 구성을 유연소재로 대체함으로써, 착용 로봇장치의 제품을 경량화가 가능하며, 사용자의 착용시 편안함을 보장할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, by replacing the conventional rigid frame configuration with a flexible material as the mounting part and the wire part, it is possible to reduce the weight of the wearable robot device product, and provides the effect of ensuring the user's comfort when wearing.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다. The present invention described above can be embodied in various other forms without departing from the technical spirit or main characteristics thereof. Accordingly, the above embodiments are merely examples in all respects and should not be construed as limiting.
10: 장착부
20: 동력부
30: 스풀부
40: 와이어부
50: 뒷꿈치 고정부
60: 종아리 고정부10: mounting unit 20: power unit
30: spool part 40: wire part
50: heel fixing part 60: calf fixing part
Claims (6)
인체의 허리부위에 장착되는 장착부(10);
상기 장착부(10)의 후방에 설치되어, 발목의 뒷꿈치를 이동시키는 구동력을 제공하는 동력부(20);
상기 동력부(20)의 일단에 연결되어, 상기 동력부(20)의 구동력을 단속적으로 전달하는 스풀부(30);
상기 스풀부(30)와 발목의 뒷꿈치 사이에 연결되어, 상기 동력부(20)의 구동력을 발목의 뒷꿈치에 전달하는 와이어부(40); 및
상기 와이어부(40)의 일단에 연결되며, 발목의 뒷꿈치에 고정되어 있는 뒷꿈치 고정부(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용 로봇장치.As a robot device worn on the lower extremities to provide auxiliary power to the ankle of the human body,
Mounting unit 10 to be mounted on the waist portion of the human body;
a power unit 20 installed at the rear of the mounting unit 10 to provide a driving force for moving the heel of the ankle;
a spool unit 30 connected to one end of the power unit 20 to intermittently transmit the driving force of the power unit 20;
a wire unit 40 connected between the spool unit 30 and the heel of the ankle to transmit the driving force of the power unit 20 to the heel of the ankle; and
Connected to one end of the wire part (40), the lower leg wearing robot device, characterized in that it comprises a; heel fixing part (50) fixed to the heel of the ankle.
인체의 무릎과 발목 사이에 고정되어, 상기 와이어부(40)를 탄력적으로 지지하는 종아리 고정부(60);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용 로봇장치.The method of claim 1,
The lower extremity wearing robot device, characterized in that it further comprises a; fixed between the knee and the ankle of the human body, the calf fixing part (60) elastically supporting the wire part (40).
상기 종아리 고정부(60)는,
하지의 종아리 둘레에 고정 설치된 고정수단;
상기 고정수단의 후방 일단에 설치되어, 상기 와이어부(40)의 슬라이딩부위를 가이드하는 가이드수단; 및
상기 고정수단의 후방 타단에 설치되어, 상기 와이어부(40)의 말단부위를 탄지하는 탄지수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용 로봇장치.3. The method of claim 2,
The calf fixing part 60,
Fixing means fixedly installed around the calf of the lower extremities;
a guide means installed at the rear end of the fixing means to guide the sliding portion of the wire part 40; and
The lower extremity wearing robot device, characterized in that it comprises a; is installed at the other end of the rear of the fixing means, traction means for pushing the distal end of the wire part (40).
상기 종아리 고정부(60)는,
상기 고정수단의 일방에 설치되어, 하지의 이동을 감지하는 가속도 센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용 로봇장치.4. The method of claim 3,
The calf fixing part 60,
The lower extremity wearing robot device, characterized in that it further comprises; an acceleration sensor installed on one side of the fixing means to detect the movement of the lower extremities.
상기 동력부(20)는,
상기 장착부(10)의 후방 일단에 설치되어, 구동력을 제공하는 구동모터;
상기 구동모터의 하류에 연결되어, 구동력을 조절하는 감속기; 및
상기 구동모터의 일방에 설치되어 접속되며, 상기 구동모터에 전력을 제공하는 배터리;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용 로봇장치.The method of claim 1,
The power unit 20,
a driving motor installed at the rear end of the mounting unit 10 to provide a driving force;
a speed reducer connected to the downstream of the driving motor to control a driving force; and
The lower extremity wearable robot device, characterized in that it includes; a battery installed and connected to one side of the driving motor and providing power to the driving motor.
상기 와이어부(40)는,
상기 장착부(10)의 후방에서 하방으로 설치된 와이어 베어링;
상기 와이어 베어링을 개재해서 슬라이딩하도록 상기 스풀부(30)에 연결된 와이어; 및
상기 뒤꿈치 고정부(50)의 일단에 설치되되 회전하도록 지지되어, 상기 와이어를 슬라이딩하도록 지지하는 연결구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용 로봇장치.The method of claim 1,
The wire part 40,
a wire bearing installed downward from the rear of the mounting unit 10;
a wire connected to the spool part 30 to slide through the wire bearing; and
The lower extremity wearing robot device, comprising a; a connector installed at one end of the heel fixing unit (50) and supported to rotate, and supporting the wire to slide.
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| KR1020200146240A KR20220060617A (en) | 2020-11-04 | 2020-11-04 | Wearable robotic apparatus for lower limb |
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| KR1020200146240A KR20220060617A (en) | 2020-11-04 | 2020-11-04 | Wearable robotic apparatus for lower limb |
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