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KR101842465B1 - 하지 외골격 로봇 및 그의 제어방법 - Google Patents

하지 외골격 로봇 및 그의 제어방법 Download PDF

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KR101842465B1
KR101842465B1 KR1020160136669A KR20160136669A KR101842465B1 KR 101842465 B1 KR101842465 B1 KR 101842465B1 KR 1020160136669 A KR1020160136669 A KR 1020160136669A KR 20160136669 A KR20160136669 A KR 20160136669A KR 101842465 B1 KR101842465 B1 KR 101842465B1
Authority
KR
South Korea
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link
arm
spring
femoral
driving unit
Prior art date
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Active
Application number
KR1020160136669A
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English (en)
Inventor
홍만복
윤여훈
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
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Abstract

본 발명은 하지 외골격 로봇 및 그의 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 하지 외골격 로봇은, 본체부; 상기 본체부에 회동 가능하게 연결되는 대퇴링크; 상기 대퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 하퇴링크; 상기 하퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 족관절링크; 상기 대퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 아암; 신축가능하게 연결되는 제1링크 및 제2링크, 상기 제1링크 및 제2링크의 수축 시 탄성력을 축적하는 스프링을 구비하고, 일 단은 상기 아암에 상대운동 가능하게 연결되고 타 단은 상기 하퇴링크에 상대운동 가능하게 연결되는 지지링크조립체; 및 상기 아암을 회동 구동시키는 아암구동부;를 구비하여 구성된다. 이에 의해, 입각기 시 고토크 특성을 발휘하여 하중을 용이하게 지지할 수 있고, 유각기 시 고속도 특성을 발휘하여 인체의 움직임을 신속하게 추종할 수 있다.

Description

하지 외골격 로봇 및 그의 제어방법{LOWER LIMB EXOSKELETON ROBOT AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은, 하지 외골격 로봇 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 외골격 로봇은, 사람이 입는(착용하는) 로봇 시스템을 의미하며, 착용 로봇(WEARABLE ROBOT)이라고도 한다.
상기 외골격 로봇은, 하지의 근력을 보조 또는 증강하는 하지 외골격 로봇을 포함한다.
상기 외골격 로봇은, 주로 노약자/장애인의 재활 치료, 또는 일상 생활에서의 근력을 보조하거나, 또는 공장에서 작업 효율 향상을 목적으로 근로자의 근력 보조를 위해 개발되어 왔다.
한편, 주로 실내에서 사용되는 상기 민수 분야의 외골격 로봇과는 달리, 군수 분야의 외골격 로봇은, 병사의 고하중의 등짐을 지지해야 할 뿐만 아니라 빠른 움직임을 보조해야 한다.
상기 군수 분야의 외골격 로봇은, 상기 민수 분야의 외골격 로봇에 비해 경량화 및 보행 특성에 적합한 구동부가 요구된다.
보다 구체적으로, 인체의 무릎 관절은, 보행 주기 중 입각기(STANCE PHASE)에서는 하중을 지지해야 하므로 고토크 특성이 요구된다. 또한, 보행 주기 중 유각기(SWING PAHSE)에서는 빠른 보행 전환을 위해 고속도 특성이 요구된다.
그런데, 이러한 종래의 하지 외골격 로봇에 있어서는, 무릎 관절은 대부분 모터를 무릎관절에 직접 부착하여 구동하는 구동방식을 채택하고 있으며, 상기 모터를 이용한 구동방식은 속도 조건을 비교적 쉽게 충족시킬 수 있지만, 토크조건을 충족시키기 위해서는 상대적으로 큰 용량의 구동부를 필요로 하게 된다고 하는 문제점이 있다.
또한, 무릎 관절을 유압 실린더를 이용하여 구동시키는 구동방식에 있어서는, 하중 지지를 위해 높은 고토크 특성을 구현할 수 있지만, 상기 보행주기의 유각기에서는 인체의 빠른 움직임을 추종하기에는 한계가 있다.
또한, 상기 고토크 특성 및 고속도 특성을 동시에 충족시키기 위해서는 고용량의 구동부가 요구되고, 상기 고용량의 구동부를 채택할 경우, 외골격 로봇 시스템 전체 무게가 증가하게 되고, 이에 기인하여 착용자의 보행이 부자연스럽게 되거나 착용자의 피로도가 쉽게 증가하게 된다고 하는 문제점이 있다.
KR 1020100082989 A (2010.07.21.공개) KR 1020120104742 A (2012.09.24.공개)
따라서, 본 발명은, 입각기 시 하중을 용이하게 지지할 수 있고 유각기 시 인체의 움직임을 신속하게 추종할 수 있는 하지 외골격 로봇 및 그의 제어방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 고용량의 구동부의 사용을 배제하여 시스템의 전체 무게를 줄일 수 있는 하지 외골격 로봇 및 그의 제어방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 본체부; 상기 본체부에 회동 가능하게 연결되는 대퇴링크; 상기 대퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 하퇴링크; 상기 하퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 족관절링크; 상기 대퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 아암; 신축가능하게 연결되는 제1링크 및 제2링크, 상기 제1링크 및 제2링크의 수축 시 탄성력을 축적하는 스프링을 구비하고, 일 단은 상기 아암에 상대운동 가능하게 연결되고 타 단은 상기 하퇴링크에 상대운동 가능하게 연결되는 지지링크조립체; 및 상기 아암을 회동 구동시키는 아암구동부;를 포함하는 하지 외골격 로봇을 제공한다.
실시예에 있어서, 상기 아암구동부는, 전기모터를 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 전기모터의 고정자는 상기 대퇴링크에 구비되고, 상기 전기모터의 회전자는 상기 아암에 구비되게 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제1링크는 봉 형상을 구비하고, 상기 제2링크는 상기 제1링크가 내부에 수용되어 상대 운동 할 수 있게 통 형상을 구비하게 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제1링크의 일 단에는 연결부가 구비되고, 타 단에는 상기 제2링크의 내면에 면접촉되어 상대 슬라이딩하는 슬라이더가 구비되게 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제2링크에는 상기 슬라이더의 이탈을 억제하는 스토퍼가 구비될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제2링크의 일 단에는 연결부가 구비되고, 상기 스프링은 상기 제2링크 또는 상기 대퇴링크 및 상기 하퇴링크 중 다른 하나에 상대운동 가능하게 연결되게 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 입각기 시 상기 제1링크 및 제2링크가 수축되어 상기 스프링의 탄성력이 작용할 수 있게 상기 아암이 회전되고, 유각기 시 상기 제1링크 및 제2링크가 신장되어 상기 스프링이 초기위치로 복귀될 수 있게 상기 아암이 회전되게 상기 아암구동부를 제어하는 제어부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 족관절링크에 구비되어 착용자의 발에 가해지는 지면반력 변화를 감지하는 지면반력감지센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 지면반력감지센서의 감지결과에 기초하여 상기 아암구동부를 제어하게 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 스프링에 가해지는 압력을 감지하는 스프링압력감지부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 스프링압력감지부의 감지결과에 기초하여 상기 아암구동부를 제어할 수 있게 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 스프링의 변위를 측정하는 스프링변위감지부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 스프링변위감지부의 감지결과에 기초하여 상기 아암구동부를 제어하게 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 본체부; 상기 본체부에 회동 가능하게 연결되는 대퇴링크; 상기 대퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 하퇴링크; 상기 하퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 족관절링크; 상기 대퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 아암; 신축가능하게 연결되는 제1링크 및 제2링크, 상기 제1링크 및 제2링크의 수축 시 탄성력을 축적하는 스프링을 구비하고, 일 단은 상기 아암에 상대운동 가능하게 연결되고 타 단은 상기 하퇴링크에 상대운동 가능하게 연결되는 지지링크조립체; 및 상기 아암을 회동 구동시키는 아암구동부;를 구비한 하지 외골격 로봇의 제어방법으로서, 센서부에 의해 지면 반력을 감지하는 단계; 감지된 지면 반력을 미리 설정된 기준값과 비교하여 현재 보행상태를 파악하는 단계; 및 파악된 현재 보행상태에 따라 상기 아암구동부를 제어하는 단계;를 포함하는 외골격 로봇의 제어방법이 제공된다.
실시예에 있어서, 상기 아암구동부를 제어하는 단계는, 상기 파악된 현재 보행상태가 입각기인 경우, 상기 제1링크 및 제2링크가 수축되어 상기 스프링의 탄성력이 작용할 수 있게 상기 아암을 회동시키는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 아암구동부를 제어하는 단계는, 상기 파악된 현재 보행상태가 유각기인 경우, 상기 제1링크 및 제2링크가 신장되어 상기 스프링의 탄성력이 작용하지 아니하는 초기위치로 복귀될 수 있게 상기 아암을 회동시키는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 아암; 및 신축가능한 제1링크 및 제2링크와, 상기 제1링크 및 제2링크의 수축 시 탄성력을 축적하는 스프링을 구비하여 하퇴링크에 연결되는 지지링크조립체; 및 상기 아암을 구동시키는 아암구동부를 마련함으로써, 고토크 구간에서는 수동적으로 스프링에 의해 하중을 지지할 수 있고, 고속도구간에서는 아암구동부를 회전시켜 스프링의 저항이 발생하지 않도록 함으로써 에너지 소모를 저감할 수 있다.
또한, 지면반력 변화를 감지하는 지면반력감지센서; 및 상기 지면반력감지센서의 감지결과에 기초하여 상기 아암구동부를 제어하는 제어부;를 구비하여 착용자의 입각기 시 하중을 용이하게 지지할 수 있고 유각기 시 인체의 움직임을 신속하게 추종할 수 있다.
또한, 고토크 특성 및 고속도 특성의 발휘가 각각 가능하여 구동부의 용량을 저감할 수 있고 고용량의 구동부의 사용을 배제할 수 있다.
이에 의해, 하지 외골격 로봇 구조의 경량화 및 소형화가 가능할 수 있다.
또한, 상기 스프링에 가해지는 압력을 감지하는 스프링압력감지부; 또는 상기 스프링의 변위를 측정하는 스프링변위감지부;를 구비하고, 상기 스프링감지부 또는 스프링변위부의 감지결과에 기초하여 착용자의 대퇴부의 동작의도를 신속하게 파악하여 상기 아암구동부를 적절하게 제어함으로써, 유각기 시 로봇의 무릎이하 메커니즘에 대한 관성력에 의한 부하를 가하지 아니하면서 착용자의 무릎관절의 움직임을 능동적으로 추종할 수 있다.
이에 의하면, 로봇의 관성에 의한 부하를 현저하게 저감할 수 있어 장기간 운용 시 착용자의 피로감을 현저하게 경감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 외골격 로봇의 사용상태를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 지지링크조립체의 확대 단면도,
도 3은 도 2의 지지링크조립체의 유각기 시 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지지링크조립체의 단면도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지지링크조립체의 단면도,
도 6은 도 1의 하지 외골격 로봇의 인체의 보행 주기의 지면반력 변화를 도시한 도면,
도 7은 도 1의 지지링크조립체의 작용을 설명하기 위한 도면,
도 8은 도 1의 하지 외골격 로봇의 제어블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명한다. 본 명세서는, 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 외골격 로봇은,본체부(110); 상기 본체부(110)에 회동 가능하게 연결되는 대퇴링크(140); 상기 대퇴링크(140)에 회동 가능하게 연결되는 하퇴링크(170); 상기 하퇴링크(170)에 회동 가능하게 연결되는 족관절링크(210); 상기 하퇴링크(170)에 회동 가능하게 연결되는 아암(230); 신축가능하게 연결되는 제1링크(280) 및 제2링크(290), 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축 시 탄성력을 축적하는 스프링(310)을 구비하고, 일 단은 상기 아암(230)에 상대운동 가능하게 연결되고 타 단은 상기 하퇴링크(170)에 상대운동 가능하게 연결되는 지지링크조립체(270a); 및 상기 아암(230)을 회동 구동시키는 아암구동부(250);를 구비하여 구성될 수 있다.
상기 본체부(110)는, 예를 들면, 인체의 상부에 착용 가능하게 구성될 수 있다.
상기 본체부(110)는, 예를 들면, 허리, 등 및 어깨에 착용할 수 있게 구성될 수 있다.
상기 본체부(110)는, 예를 들면, 상기 대퇴링크(140)를 회동 가능하게 지지할 수 있게 구성될 수 있다.
상기 본체부(110)는, 예를 들면, 동력원을 구비하여 구성될 수 있다.
상기 동력원은, 예를 들면, 전기부품(예를 들면, 전기모터)에 전원을 공급할 수 있게 배터리(축전지)(115)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 본체부(110)는 배터리(115)를 동력원으로 포함하여 구성된 경우를 예시하고 있으나, 상기 동력원은 유압발생장치(미도시)를 포함하여 구성될 수도 있다.
상기 본체부(110)에는 상기 대퇴링크(140)의 일 단부가 상대 회동(회전) 가능하게 연결될 수 있다.
상기 본체부(110)에는 상기 대퇴링크(140)의 일 단부가 회전 가능하게 연결되는 고관절부(120)가 구비될 수 있다.
상기 본체부(110)의 좌측 및 우측에는 좌측 대퇴링크(140) 및 우측 대퇴링크(140)가 각각 연결되는 좌측 고관절부(120) 및 우측 고관절부(120)가 각각 구비될 수 있다.
상기 각 고관절부(120)는, 예를 들면, 상기 대퇴링크(140)를 상기 본체부(110)에 대해 상대 회전 구동시키는 대퇴링크구동부(125)를 각각 구비할 수 있다.
상기 대퇴링크구동부(125)는, 예를 들면, 전기모터로 구현될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 대퇴링크구동부(125)의 전기모터의 고정자는 상기 본체부(110)에 고정되고, 상기 대퇴링크구동부(125)의 전기모터의 회전자는 상기 대퇴링크(140)에 연결되게 구성될 수 있다.
상기 대퇴링크(140)의 타 단부에는 하퇴링크(170)가 상대 회동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 대퇴링크(140)와 상기 하퇴링크(170)는 슬관절부 또는 무릎관절부(145)(이하, '무릎관절부(145)'로 표기함)에 의해 상대 운동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 하퇴링크(170)의 타 단부에는 족관절링크(210)가 상대 운동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 하퇴링크(170)와 상기 족관절링크(210)는, 예를 들면, 족관절부(175)에 의해 상대 운동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 족관절부(175)는, 예를 들면, 상기 족관절링크(210)를 상기 하퇴링크(170)에 대해 상대 회동시키는 족관절링크구동부(185)를 구비하여 구성될 수 있다.
상기 족관절링크구동부(185)는, 예를 들면, 전기모터로 구현될 수 있다.
한편, 상기 대퇴링크(140)에는 아암(230)이 회동 가능하게 구비될 수 있다.
상기 대퇴링크(140)에는 상기 아암(230)을 회동 구동시키는 아암구동부(250)가 구비될 수 있다.
상기 아암구동부(250)는, 예를 들면, 전기모터로 구현될 수 있다.
상기 아암구동부(250)의 전기모터의 고정자는, 예를 들면, 상기 대퇴링크(140)에 고정되고, 상기 아암구동부(250)의 전기모터의 회전자는, 상기 아암(230)에 연결될 수 있다.
상기 아암(230)과 상기 하퇴링크(170) 사이에는 지지링크조립체(270a)가 구비될 수 있다.
상기 지지링크조립체(270a)는, 예를 들면 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 신축가능하게 연결되는 제1링크(280) 및 제2링크(290), 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축 시 탄성력이 작용하게 구성되는 스프링(310)을 구비하여 구성될 수 있다.
상기 스프링(310)은, 예를 들면, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축 시 탄성력이 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축을 억제하게 작용하도록 구성될 수 있다.
상기 아암(230)은, 예를 들면, 상기 아암(230)과 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)가 일 직선상에 놓이고 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)가 수축되는 수축위치 및 상기 아암(230)이 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)에 대해 경사지게 배치되고 제1링크(280) 및 제2링크(290)가 신장되는 신장위치 간을 회동가능하게 구성될 수 있다.
상기 아암구동부(250)는, 상기 아암(230)이 상기 신장위치 시, 상기 아암(230)이 상기 고관절부(120)측으로 회동되게 구동함으로써, 상기 하퇴링크(170)가 상기 무릎관절부(145)를 중심으로 상기 대퇴링크(140)측으로 회동되게 하는 점에서 "하퇴링크구동부"로 기능할 수 있다.
상기 아암(230)의 일 측에는 상기 아암(230)이 상기 신장위치에서 상기 수축위치로 회동시 상기 수축위치를 지나쳐 회동되는 것을 억제하는 회동억제부(235)가 구비될 수 있다.
상기 회동억제부(235)는, 예를 들면, 상기 아암(230)과 접촉되어 아암(230)의 회동을 억제할 수 있게 돌출된 돌출부 또는 돌기로 구현될 수 있다.
상기 스프링(310)은, 상기 아암(230)의 수축위치 시, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축시 압축되어 탄성력이 축적될 수 있게 배치되고, 축적된 탄성력으로 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축동작에 저항을 가할 수 있게 구성될 수 있다.
이에 의해, 상기 아암구동부(250)의 전력 소모를 극소화하면서 상기 무릎관절부(145)가 굽혀지는 것이 억제되게 할 수 있다.
이에 따라, 상기 아암구동부(250)의 경량화 및 소형화가 가능할 수 있다.
상기 스프링(310)은, 상기 아암(230)의 신장위치 시, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)에 의한 압축이 해소되어 탄성력이 작용하지 아니하게 되어 상기 대퇴링크(140) 및 하퇴링크(170)의 굽힘 동작이 원활하게 될 수 있다.
상기 제1링크(280)는, 예를 들면, 막대 형상으로 구현될 수 있다.
상기 제1링크(280)의 일 단에는 상기 아암(230), 대퇴링크(140), 및 하퇴링크(170) 중 어느 하나에 연결될 수 있게 연결부(282)가 구비될 수 있다.
상기 제1링크(280)의 연결부(282)는, 예를 들면, 원형 고리 형상으로 구현될 수 있다.
상기 제2링크(290)는, 예를 들면, 상기 제1링크(280)의 타 단이 내부에 상대 운동 가능하게 삽입될 수 있게 통 형상으로 구현될 수 있다.
상기 제2링크(290)는 상기 아암(230), 대퇴링크(140) 및 하퇴링크(170) 중 어느 하나에 연결될 수 있게 연결부(292)가 구비될 수 있다.
상기 제2링크(290)의 연결부(292)는, 예를 들면, 원형 고리 형상으로 구현될 수 있다.
상기 제1링크(280)는 상기 제2링크(290)의 내부에 삽입되어 상대 이동되는 슬라이더(284)를 구비할 수 있다.
상기 슬라이더(284)는, 예를 들면, 상기 제2링크(290)의 내면에 면접촉되어 슬라이딩 이동되게 구성될 수 있다.
상기 제2링크(290)는, 상기 슬라이더(284)가 이탈되는 것을 억제하는 스토퍼(294)를 구비하여 구성될 수 있다.
상기 스토퍼(294)에는 상기 제1링크(280)가 통과할 수 있게 관통된 관통부(296)가 형성될 수 있다.
상기 스프링(310)은, 예를 들면, 상기 제2링크(290)의 외측에 구비될 수 있다.
상기 스프링(310)은, 예를 들면, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축 시 압축되어 탄성력을 축적하는 압축코일스프링으로 구현될 수 있다.
상기 스프링(310)의 일 단부는, 예를 들면, 상기 제2링크(290)에 고정될 수 있다.
상기 스프링(310)의 타 단부는 제1링크(280)의 외곽에 배치되게 연장될 수 있다.
상기 제1링크(280)에는 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축 시 상기 스프링(310)의 단부와 접촉되어 상기 스프링(310)을 압축시키는 스프링가압부(286)가 구비될 수 있다.
한편, 상기 스프링(310)의 일 측에는 상기 스프링(310)에 작용하는 압력(압력변화)을 감지하는 스프링압력감지부(320)가 구비될 수 있다.
이에 의해, 유각기 시 착용자의 하퇴부의 굽힘 동작에 의해 발생되는 상기 스프링(310)의 미세 압력 변화를 감지하여 착용자의 동작의도를 파악할 수 있다.
이에 따르면, 상기 스프링압력감지부(320)에 의해 감지된 미세 압력 변화에 기초하여 후술할 제어부에 의해 상기 착용자의 동작 의도에 대응되게 상기 아암구동부(250)에 적절한 제어 신호가 입력되도록 함으로써, 상기 착용자의 하퇴부의 동작에 맞춰 상기 하퇴링크(170)가 동작할 수 있게 제어할 수 있다.
상기 스프링압력감지부(320)는, 예를 들면, 상기 스프링(310)의 고정 단부에 구비될 수 있다.
상기 스프링압력감지부(320)는, 예를 들면, 상기 제2링크(290)에 구비될 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 지지링크조립체(270b)는, 신축가능한 제1링크(280) 및 제2링크(290)와, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축 시 탄성력을 축적할 수 있게 상기 제2링크(290)의 내부에 구비되는 스프링(315)을 구비하여 구성될 수 있다.
상기 스프링(315)의 일 측에는, 예를 들면, 상기 스프링(315)의 변위를 감지하는 스프링변위감지부(330)가 구비될 수 있다.
상기 스프링변위감지부(330)는, 예를 들면, 상기 스프링(315)의 단부에 구비되어 상기 스프링(315)의 신축시 이동되는 이동부(332) 및 상기 이동부(332)의 일 측에 구비되어 상기 이동부(332)의 이동(변위)을 감지하여 전기신호를 출력하는 감지부(334)를 구비하여 구성될 수 있다.
이에 의해, 유각기 시 착용자의 하퇴부의 굽힘 동작에 의해 발생되는 상기 스프링(315)의 미세 변위를 감지하여 착용자의 동작 의도를 파악할 수 있다.
이에 따르면, 상기 스프링변위감지부(330)에 의해 감지된 미세 변위에 기초하여, 후술할 제어부에 의해 상기 착용자의 동작 의도에 대응되게 상기 아암구동부(250)에 적절한 제어 신호가 입력되도록 함으로써, 상기 착용자의 하퇴부의 동작에 맞춰 상기 하퇴링크(170)가 동작할 수 있게 제어할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제2링크(290)의 외측에 구비되는 스프링(310)의 일 측에는 스프링압력감지부(320)가 구비되고, 상기 제2링크(290)의 내측에 구비되는 스프링(315)의 일 측에 스프링변위감지부(330)가 구비된 경우를 예시하고 있으나, 이는 예시일 뿐이고, 상기 제2링크(290)의 외측에 구비되는 스프링(310)의 일 측에 상기 스프링변위감지부(330)가 구비되고, 상기 제2링크(290)의 내측에 구비되는 스프링(315)의 일 측에 상기 스프링압력감지부(320)가 구비되게 구성될 수도 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 지지링크조립체(270c)는, 신축가능한 제1링크(280) 및 제2링크(290)와, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축시 탄성력을 축적할 수 있게 구비되는 제1스프링(310) 및 제2스프링(315)을 구비하여 구성될 수 있다.
상기 제1스프링(310)은, 예를 들면, 상기 제2링크(290)의 외부에 구비될 수 있다.
상기 제2스프링(315)은, 예를 들면, 상기 제2링크(290)의 내부에 구비될 수 있다.
상기 제1링크(280)에는, 예를 들면, 상기 제1스프링(310)을 가압하여 압축시키는 스프링가압부(286)가 구비될 수 있다.
상기 제2스프링(315)은 상기 제1링크(280)의 단부(슬라이더(284))에 의해 압축되게 구성될 수 있다.
한편, 상기 족관절링크(210)에는 지면 반력(반발력)의 변화를 감지하는 지면반력감지부(220)가 구비될 수 있다.
상기 지면반력감지부(220)는 본 실시예의 하지 외골격 로봇의 양 측(좌측 및 우측) 족관절링크(210)에 각각 구비될 수 있다.
상기 지면반력감지부(220)는, 예를 들면, 상기 족관절링크(210)의 상면에 구비될 수 있다.
상기 지면반력감지부(220)는, 예를 들면, 인체의 보행 주기 중 상기 족관절링크(210)가 지면에 접촉되는 입각기 시 착용자에게 전해지는 지면 반력(변화)을 감지할 수 있다.
상기 지면반력감지부(220)에 의하면 상기 족관절링크(210)가 상기 지면으로부터 이격된 유각기 시에는, 예를 들면 도 6에 도시된 바와 같이, 지면 반력의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다.
한편, 본 실시예의 하지 외골격 로봇은, 예를 들면 도 8에 도시된 바와 같이, 제어프로그램을 구비한 마이크로프로세서로 구현되는 제어부(350)를 구비하여 구성될 수 있다.
상기 제어부(350)는, 예를 들면, 상기 지면반력감지부(220)에 의해 감지된 지면 반력의 변화를 통해 상기 아암구동부(250)를 제어하게 구성될 수 있다.
상기 제어부(350)는, 상기 지면반력감지부(220)의 감지결과에 기초하여 착용자의 보행 상태를 확인하고, 상기 착용자의 보행 상태에 따라 상기 아암(230)이 적절한 위치로 회동될 수 있게 상기 아암구동부(250)를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제어부(350)는, 상기 지면반력감지부(220)의 감지 결과, 상기 족관절링크(210)가 지면에 접촉되는 입각기(초기)에, 상기 아암(230)이 상기 수축위치로 회동되게 상기 아암구동부(250)를 제어하게 구성될 수 있다.
상기 제어부(350)는, 상기 지면반력감지부(220)의 감지 결과, 상기 족관절링크(210)가 지면으로부터 이격되는 유각기(초기) 시, 상기 아암(230)이 상기 신장위치로 회동될 수 있게 상기 아암구동부(250)를 제어하게 구성될 수 있다.
상기 제어부(350)는, 예를 들면, 유각기 시 상기 스프링(310)에 가해지는 압력의 변화에 기초하여 상기 아암(230)이 회전되게 상기 아암구동부(250)를 제어할 수 있게 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 유각기 초기시, 상기 아암(230)은 상기 지지링크조립체의 제1링크(280) 및 제2링크(290)가 신장되는 신장위치로 회동되며, 이때, 상기 대퇴링크(140) 및 하퇴링크(170)가 상대 회동되어 굽혀지는 경우, 상기 대퇴링크(140) 및 하퇴링크(170)의 굽힘작용에 의해 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)는 수축될 수 있다.
상기 제어부(350)는 상기 스프링압력감지부(320)에 의해 상기 스프링(310)에 가해지는 압력을 감지하고, 압력이 설정값 이상인 경우, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)가 추가로 신장되게 상기 아암구동부(250)를 제어할 수 있게 구성될 수 있다.
이에 의해, 상기 유각기 동안 상기 스프링(310)의 탄성력에 의해 상기 대퇴링크(140) 및 하퇴링크(170)의 굽힘 동작에 저항이 발생되는 것을 억제할 수 있다.
상기 제어부(350)는, 유각기 시, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)의 수축에 기인한 상기 스프링(310)의 변위(수축)를 감지하고, 상기 스프링(310)의 감지된 변위가 설정값을 초과하는 경우, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)가 추가로 신장될 수 있게 상기 아암(230)이 상기 신장위치로 회전되게 상기 아암구동부(250)를 제어할 수 있게 구성될 수도 있다.
이러한 구성에 의하여, 상기 제어부(350)는 상기 지면반력감지부(220)에 의해 지면 반력 변화를 감지하고, 상기 족관절링크(210)가 지면에 접촉되는 입각기 초기 시, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 아암(230)이 상기 수축위치로 회동되게 상기 아암구동부(250)를 제어할 수 있다.
상기 아암(230)이 상기 수축위치로 회동되면, 상기 아암(230), 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)는 일직선상에 배치되고, 상기 스프링(310)은 상기 스프링가압부(286)에 의해 미리 설정된 정도로 압축될 수 있다.
상기 스프링(310)의 탄성력에 의해 상기 무릎관절부(145)에 작용하는 굽힘력이 감쇠될 수 있다.
상기 제어부(350)는 상기 지면반력감지부(220)에 의해 지면 반력의 변화를 감지하고, 상기 족관절링크(210)가 상기 지면으로부터 이격되는 유각기 초기에 상기 아암(230)이 상기 신장위치로 회동되게 상기 아암구동부(250)를 제어할 수 있다.
상기 아암(230)이 도면상 반시계방향을 따라 상향 회동되어 상기 신장위치로 회동되면, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)는 서로 신장되고, 상기 스프링가압부(286)는 상기 스프링(310)으로부터 이격되고, 상기 스프링(310)은 압축되기 전 초기위치로 복귀될 수 있다.
상기 대퇴링크(140) 및 하퇴링크(170)의 굽힘동작에 의해 상대 회동되면, 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)는 다시 수축되고, 이에 의해 상기 스프링(310)이 미세하게 압축될 수 있다.
상기 제어부(350)는 상기 스프링압력감지부(320) 및/또는 상기 스프링변위감지부(330)에 의해 이를 감지하고, 상기 아암구동부(250)를 제어하여 상기 제1링크(280) 및 제2링크(290)가 신장되는 방향으로 상기 아암(230)이 회동되게 할 수 있다.
이에 의해, 상기 스프링(310)에 의한 상기 대퇴링크(140) 및 상기 하퇴링크(170)의 굽힘동작에 저항이 발생되는 것을 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 하지 외골격 로봇은, 입각기 동안 요구되는 무릎의 고토크 특성을 상기 지지링크조립체의 스프링(310)을 이용한 준-수동(quasi-passive) 방식으로 지지함으로써, 무릎관절 구동을 위한 구동기(예를 들면, 아암구동부(250))의 용량을 저감하여 소형화 및 경량화 할 수 있다.
또한, 유각기 동안 착용자 무릎관절에 대응하는 로봇의 무릎관절(대퇴링크(140) 및 하퇴링크(170)) 운동을 능동적으로 로봇의 관성력을 보상하며 제어함으로써, 착용자 다리에 발생할 수 있는 로봇의 관성에 의한 부하를 현저하게 저감할 수 있어 착용자의 피로감을 현저하게 경감할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 특정한 실시예에 관하여 도시되고 설명되었다. 그러나, 본 발명은, 그 사상 또는 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 형태로 실시될 수 있으므로, 위에서 설명된 실시예는 그 상세한 설명의 내용에 의해 제한되지 않아야 한다.
또한, 앞서 기술한 상세한 설명에서 일일이 나열되지 않은 실시예라 하더라도 첨부된 특허청구범위에서 정의된 그 기술 사상의 범위 내에서 넓게 해석되어야 할 것이다. 그리고, 상기 특허청구범위의 기술적 범위와 그 균등범위 내에 포함되는 모든 변경 및 변형은 첨부된 특허청구범위에 의해 포섭되어야 할 것이다.
110 : 본체부 115: 배터리
120: 고관절부 125 : 대퇴링크구동부
140 : 대퇴링크 145: 무릎관절부
170: 하퇴링크 175 : 족관절부
185: 족관절링크구동부 210: 족관절링크
220: 지면반력감지부 230 : 아암
235: 회동억제부 250 : 아암구동부
270a,270b,270c : 지지링크조립체
280: 제1링크 282,292 : 연결부
284: 슬라이더 286: 스프링가압부
294: 스토퍼 296: 관통부
310: 스프링, 제1스프링 315: 스프링, 제2스프링
320: 스프링압력감지부 330: 스프링변위감지부
332: 이동부 334: 감지부
350: 제어부

Claims (13)

  1. 본체부;
    상기 본체부에 회동 가능하게 연결되는 대퇴링크;
    상기 대퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 하퇴링크;
    상기 하퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 족관절링크;
    상기 대퇴링크에 회동 가능하게 연결되는 아암;
    신축가능하게 연결되는 제1링크 및 제2링크, 상기 제1링크 및 제2링크의 수축 시 탄성력을 축적하는 스프링을 구비하고, 일 단은 상기 아암에 상대운동 가능하게 연결되고 타 단은 상기 하퇴링크에 상대운동 가능하게 연결되는 지지링크조립체; 및
    상기 아암을 회동 구동시키는 아암구동부;
    입각기 시 상기 제1링크 및 제2링크가 수축되어 상기 스프링의 탄성력이 작용할 수 있게 상기 아암이 회전되고, 유각기 시 상기 제1링크 및 제2링크가 신장되어 상기 스프링이 초기위치로 복귀될 수 있게 상기 아암이 회전되게 상기 아암구동부를 제어하는 제어부; 및
    상기 스프링에 가해지는 압력을 감지하는 스프링압력감지부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 스프링압력감지부의 감지결과에 기초하여 상기 아암구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아암구동부는, 전기모터를 포함하고,
    상기 전기모터의 고정자는 상기 대퇴링크에 구비되고, 상기 전기모터의 회전자는 상기 아암에 구비되는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1링크는 봉 형상을 구비하고, 상기 제2링크는 상기 제1링크가 내부에 수용되어 상대 운동 할 수 있게 통 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1링크의 일 단에는 연결부가 구비되고, 타 단에는 상기 제2링크의 내면에 면접촉되어 상대 슬라이딩하는 슬라이더가 구비되는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2링크에는 상기 슬라이더의 이탈을 억제하는 스토퍼가 구비되는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2링크의 일 단에는 연결부가 구비되고,
    상기 스프링은 상기 제2링크 또는 상기 대퇴링크 및 상기 하퇴링크 중 다른 하나에 상대운동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 족관절링크에 구비되어 착용자의 발에 가해지는 지면반력 변화를 감지하는 지면반력감지센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 지면반력감지센서의 감지결과에 기초하여 상기 아암구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스프링의 변위를 측정하는 스프링변위감지부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 스프링변위감지부의 감지결과에 기초하여 상기 아암구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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