KR101846379B1

KR101846379B1 - 중족관절의 자유도를 제공하는 로봇 다리 장치 및 의족 장치

Info

Publication number: KR101846379B1
Application number: KR1020160167939A
Authority: KR
Inventors: 정명규
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2036-12-09

Abstract

로봇 다리 장치는 중족관절을 통해 하단 발가락 부재와 하단 발판 부재로 구분된 하단 발 베이스부, 상기 하단 발 베이스부 상에 배치되고 상기 하단 발가락 부재와 결합된 상단 발가락 부재와 상기 하단 발판 부재와 상기 중족 관절에서 결합되어 발뒤꿈치로 갈수록 벌어지는 상단 발판 부재로 구성된 상단 발 베이스부, 상기 상단 발 발판 부재 상의 후단에 결합된 발목 관절 동력부 및 상기 상단 발 발판 부재 상의 중단에 병렬로 배치되고 벨트 부재를 통해 상기 발목 관절 동력부와 병렬적으로 결합되는 구동 부재와 피스톤 부재를 포함하고, 상기 피스톤 부재는 상단 발가락 부재와 결합되고 상기 구동 부재를 통해 직선 운동을 수행하는 중족관절 동력부를 포함한다.

Description

중족관절의 자유도를 제공하는 로봇 다리 장치 및 의족 장치{ROBOT LEG APPARATUS AND PROSTHETIC LEG APPARATUS PROVIDING FREEDOM OF METATARSOPHALANGEAL JOINT}

본 발명은 중족관절을 이용한 로봇 다리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 로봇 또는 사용자의 보행 과정에서 이동을 원활하게 할 수 있도록 중족관절의 상하 자유도를 제공할 수 있는 로봇 다리 장치 및 의족 장치에 관한 것이다.

로봇 다리 장치는 로봇의 보행을 위해 필요한 장치로, 사람의 다리를 모방하여 제작될 수 있다. 또한, 로봇 다리 장치는 의족으로 활용될 수 있으며, 하지 절단 장애인의 보행동작을 보조하여 재활치료를 지원할 수 있다.

종래의 로봇 다리 장치는 보행 과정에서 발생되는 부자연스러움과 보행 과정에서 발생되는 불균형을 제어하는 복합한 메커니즘들을 요구하였다. 특히, 이러한 복잡한 메커니즘들은 모터의 순간적 제어를 요구하므로 고토크를 가지는 모터를 필요로 하였다. 로봇 다리 장치는 보행 과정에서 발생되는 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 사용자의 움직임과 사용자의 의도를 보다 충실하게 반영할 수 있도록 개발되어야 한다.

한국 공개특허공보 제2016-0115395호는 지면에 따라 사용자에게 가장 적합한 발목각도로 수동의족을 변경하고 유각기에서의 발걸림 현상을 방지하여 사용자의 사용 편의성을 개선한 하퇴 의지 장치에 관한 것이다.

미국 등록특허 제8,986,397호는 제어 시스템을 이용하여 사용자를 위한 보철 다리에 관한 것이며 다리 보철물을 제어하는 방법을 소개한다.

한국 공개특허공보 제2016-0115395호(2016.10.06 공개) 미국 등록특허 제8,986,397호 (2015.03.24 등록)

본 발명의 일 실시예는 로봇 또는 사용자의 보행 과정에서 이동을 원활하게 할 수 있도록 중족관절의 상하 자유도를 제공할 수 있는 로봇 다리 장치 및 의족 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 발 베이스부와 발목 관절 및 중족관절 동력부들의 설계를 통해 중족관절의 상하 자유도를 제공할 수 있는 로봇 다리 장치 및 의족 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 지형의 불균일성으로 인해 발생되는 발바닥의 불균형을 해소하기 위한 스웨이 모션을 지원할 수 있는 로봇 다리 장치 및 의족 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 다축 모션 센서를 통해 사용자의 움직임을 즉각적으로 감지하고 사용자의 다음 행동을 정확하게 예측하여 전체 다리 동작을 제어할 수 있는 로봇 다리 장치를 제공하고자 한다.

실시예들 중에서, 로봇 다리 장치는 중족관절을 통해 하단 발가락 부재와 하단 발판 부재로 구분된 하단 발 베이스부, 상기 하단 발 베이스부 상에 배치되고 상기 하단 발가락 부재와 결합된 상단 발가락 부재와 상기 하단 발판 부재와 상기 중족 관절에서 결합되어 발뒤꿈치로 갈수록 벌어지는 상단 발판 부재로 구성된 상단 발 베이스부, 상기 상단 발 발판 부재 상의 후단에 결합된 발목 관절 동력부 및 상기 상단 발 발판 부재 상의 중단에 병렬로 배치되고 벨트 부재를 통해 상기 발목 관절 동력부와 결합되는 구동 부재와 피스톤 부재를 포함하고, 상기 피스톤 부재는 상단 발가락 부재와 결합되고 상기 구동 부재를 통해 직선 운동을 수행하는 중족관절 동력부를 포함한다.

상기 구동 부재는 모터를 통해 구현되고 상기 모터의 회전 방향을 통해 상기 피스톤 부재의 전후 직선 운동을 제어할 수 있다. 상기 피스톤 부재는 상기 상단 발가락 부재와 연결되고 상기 상단 발가락 부재를 밀거나 또는 당겨서 상기 중족관절을 회전시킴으로써 로봇 또는 사람의 중족관절의 회전을 시뮬레이션할 수 있다.

상기 로봇 다리 장치는 종아리 골격을 형성하고 종아리 내의 중앙에 병렬로 배치되어 상기 발뒤꿈치에 있는 종골의 상하 수직 운동을 지원하는 종골 구동 부재와 종골 피스톤 부재를 포함하는 종아리 관절 동력부를 더 포함할 수 있다.

상기 중족관절 동력부는 상기 구동 부재의 동작을 상기 종골 구동 부재의 동작과 연계하여 상기 중족관절을 회전시킬 수 있다. 상기 중족관절 동력부는 상기 종골 구동 부재의 동작으로 인해 변경되는 상기 상단 발판 부재의 기울기를 검출하여 상기 기울기가 특정 각도 이상이면 상기 구동 부재의 동작을 시작할 수 있다.

상기 발목 관절 동력부는 상기 상단 발판 부재의 후단 중앙에서 상기 벨트 부재를 통해 상기 중족관절 동력부와 결합되고 중족 관절 벨트 부재를 통해 상기 종아리 관절 동력부와 결합되며, 스웨이 모션 모터를 통해 구현된 스웨이 모션 구동 부재를 포함할 수 있다.

상기 발목 관절 동력부는 일단은 상기 중족관절 벨트 부재의 일측과 결합되고, 다른 일단은 상기 스웨이 모션 모터의 적어도 일부를 래핑하여 상기 종아리 관절 동력부에 상기 스웨이 모션 모터의 회전력을 전달하는 스웨이 모션 모터 래퍼를 더 포함할 수 있다.

상기 로봇 다리 장치는 상기 종아리 관절 동력부에 결합된 다축 모션 센서를 통해 로봇 또는 사용자의 동작을 예측하고 상기 구동 부재와 상기 종골 구동 부재의 구동을 제어하는 제1 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 로봇 다리 장치는 상기 상단 발판 부재에 결합된 기울기 센서를 통해 상기 상단 발판 부재의 좌우 기울기를 검출하여 상기 종아리 골격이 직립할 수 있도록 상기 스웨이 모션 모터의 구동을 제어하는 제2 제어부를 더 포함할 수 있다.

실시예들 중에서, 의족 장치는 상기 중족관절을 통해 하단 발가락 부재와 하단 발판 부재로 구분된 하단 발 베이스부, 상기 하단 발 베이스부 상에 배치되고 상기 하단 발가락 부재와 결합된 상단 발가락 부재와 상기 하단 발판 부재와 상기 중족 관절에서 결합되어 발뒤꿈치로 갈수록 벌어지는 상단 발판 부재로 구성된 상단 발 베이스부, 상기 상단 발 발판 부재 상의 후단에 결합된 발목 관절 동력부, 상기 상단 발 발판 부재 상의 중단에 병렬로 배치되고 벨트 부재를 통해 상기 발목 관절 동력부와 병렬적으로 결합되는 구동 부재와 피스톤 부재를 포함하고, 상기 피스톤 부재는 상단 발가락 부재와 결합되고 상기 구동 부재를 통해 직선 운동을 수행하는 중족관절 동력부 및 상기 상단 발 베이스부의 상부에 배치되고 사용자의 허벅지 또는 종아리 절단 부위를 끼우는 절단 부위 끼움부를 포함한다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 다리 장치 및 의족 장치는 로봇 또는 사용자의 보행 과정에서 이동을 원활하게 할 수 있도록 중족관절의 상하 자유도를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 다리 장치 및 의족 장치는 발 베이스부와 발목 관절 및 중족관절 동력부들의 설계를 통해 중족관절의 상하 자유도를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 다리 장치 및 의족 장치는 지형의 불균일성으로 인해 발생되는 발바닥의 불균형을 해소하기 위한 스웨이 모션을 지원할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 다리 장치 및 의족 장치는 다축 모션 센서를 통해 사용자의 움직임을 즉각적으로 감지하고 사용자의 다음 행동을 정확하게 예측하여 전체 다리 동작을 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 다리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 로봇 다리 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 로봇 다리 장치를 설명하는 블록도이다.
도 4는 도 1에 있는 로봇 다리 장치의 다른 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 있는 로봇 다리 장치의 또 다른 구성을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 다리 시스템을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 로봇 다리 시스템(100)은 로봇 다리 장치(110), 종아리 무릅 골격부(120) 및 다리 끼움부(130)를 포함한다.

로봇 다리 시스템(100)은 자연스러운 사람의 보행동작을 모방하도록 설계되었으며, 로봇 다리로서 활용되거나 또는 의족(즉, 착용 가능한 로봇 다리)로도 활용될 수 있다. 이하, 아래의 내용은 착용 가능한 로봇 다리 또는 의족으로 사용될 경우를 설명하였다.

로봇 다리 장치(110)는 사람의 종아리 일부, 발목 및 발가락에 해당하는 부위를 포함하고, 로봇 다리 시스템(100)의 보행 과정에서 몸체의 이동 동작을 지원할 수 있다. 이하, 로봇 다리 장치(110)는 도 2와 도 3을 통해 보다 자세하게 설명한다.

종아리 무릅 골격부(120)는 종아리 나머지 일부, 무릅 및 허벅지의 일부에 해당하는 부위를 포함하고, 로봇 다리 시스템(100)의 보행 과정에서 무릅의 꺾임과 몸체의 무게 지지를 위해 구성될 수 있다.

다리 끼움부(130)는 사람의 허벅지의 나머지 일부에 해당하는 부위를 포함하고, 로봇 또는 사람의 몸체를 용이하게 착용하도록 설계될 수 있다. 여기에서, 몸체는 허벅지 상부의 일부를 포함한 상부 구조물을 의미할 수 있다.

도 2는 도 1에 있는 로봇 다리 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 2a는 로봇 다리 장치의 분해 사시도이다. 도 2b와 도 2c는 보행 과정에서 중족관절이 꺾일 때를 나타내는 로봇 다리 장치의 분해 사시도와 분해 측면도이다. 도 2d와 도 2e는 보행 과정에서 스웨이 모션을 수행하는 과정을 나타내는 로봇 다리 장치의 분해 후면도와 분해 측면도이다.

도 2를 참조하면, 로봇 다리 장치(110)는 복수의 관절 동력부들(210, 220, 230)과 발 베이스부(240, 250)를 포함할 수 있다.

복수의 관절 동력부들(210, 220, 230)은 중족관절 동력부(210), 발목 관절 동력부(220) 및 종아리 관절 동력부(230)를 포함하고, 중족관절과 발목관절을 지원하기 위한 동력을 제공하며, 일반적으로, 모터를 통해 구현될 수 있다. 이하, 편의상, 복수의 관절 동력부들(210, 220, 230)의 설명 전에, 발 베이스부(240, 250)를 먼저 설명한다.

발 베이스부(240, 250)는 하단 발 베이스부(240)와 상단 발 베이스부(250)로 구성된다. 하단 발 베이스부(240)는 사람의 발 바닥과 유사하게 중앙을 오목하게 굴곡시킬 수 있다. 상단 발 베이스부(250)는 평평한 평면 형상으로 제작되어 발 뒤꿈치에서 하단 발 베이스부(240)와 이격될 수 있다.

하단 발 베이스부(240)는 하단 발가락 부재(242)와 하단 발판 부재(244)를 포함하고, 상단 발 베이스부(250)는 상단 발가락 부재(252)와 상단 발판 부재(254)를 포함한다. 중족관절(256)은 하단 발 베이스부(240)와 상단 발 베이스부(250)를 결합한 관절에 해당한다. 여기에서, 상단 발 베이스부(250)와 하단 발 베이스(240)는 로봇의 발을 형상화하기 위해 설계되었고, 종족관절(256)은 사람의 로봇의 보행 동작을 지원하기 위해 설계되었다. 한편, 하단 발 베이스부(240)는 로봇 다리 장치(110)의 움직임에 따라 발생되는 충격을 흡수할 수 있도록 탄성을 가지는 소재로 제작될 수 있다

보다 구체적으로, 하단 발가락 부재(242)와 상단 발가락 부재(252)는 상호 결합되어 중족관절(256) 전단에 있는 발가락을 형상화하고 있으며, 보행 과정에서 중족관절(256)이 꺾일 때 몸체의 무게를 지지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 도면들에서, 하단 발가락 부재(242)와 상단 발가락 부재(252)는 사람의 발가락과 동일하게 형상화하였으나, 이러한 형상화는 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니며, 다양한 형태를 통해 구현될 수 있다.

하단 발판 부재(244)는 중족관절(256)을 통해 하단 발가락 부재(242)와 결합되어 있고, 사람의 발바닥을 형상화하고 있으며 직립 또는 보행 과정에서 몸체의 무게를 지지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 도면들에서, 하단 발판 부재(244)는 사람의 발바닥과 동일하게 형상화하였으나, 이러한 형상화는 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니며, 다양한 형태를 통해 구현될 수 있다.

상단 발판 부재(254)는 중족관절(256)을 통해 상단 발가락 부재(252)와 결합되어 있고, 중족관절 동력부(210)와 발목 관절 동력부(220)를 마운팅할 수 있다. 또한, 상단 발판 부재(254)는 하단 발판 부재(244)와 중족관절(256)에서 결합되어 발뒤꿈치로 갈수록 벌어지도록 설계될 수 있다. 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 도면들에서, 상단 발판 부재(254)는 사람의 발바닥과 동일하게 형상화하였으나, 이러한 형상화는 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니며, 다양한 형태를 통해 구현될 수 있다.

중족관절 동력부(210)는 상단 발 발판 부재(254) 상의 중단에 병렬로 배치되는 구동 부재(212)와 피스톤 부재(214)를 포함하고, 중족관절(256)의 상하 회전을 지원할 수 있다. 구동 부재(212)는 모터를 통해 구현되고, 모터의 회전 방향을 통해 피스톤 부재(214)의 전후 직선 운동을 제어할 수 있다. 여기에서, 피스톤 부재(214)는 상단 발가락 부재(252)와 연결될 수 있다.

예를 들어, 구동 부재(212)는 모터를 제1 방향으로 회전시켜 피스톤 부재(214)를 전진 방향으로 직선 운동시킬 수 있고, 하단 및 상단 발가락 부재들(242, 252)을 하단 및 상단 발판 부재들(244, 254)과 평형하도록 제어할 수 있다. 다른 예를 들어, 구동 부재(212)는 모터를 제2 방향으로 회전시켜 피스톤 부재(214)를 후진 방향으로 직선 운동시킬 수 있고, 하단 및 상단 발가락 부재들(242, 252)을 하단 및 상단 발판 부재들(244, 254)과 꺾이도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 중족관절 동력부(210)는 보행 상황에 맞춰 사람 또는 몸체의 균형이 유지되도록 구동 부재(212)의 구동력을 특정 범위 내에서 제어하여 피스톤 부재(214)의 직선 운동 길이를 가변적으로 조절할 수 있다.

즉, 피스톤 부재(214)는 그 일단에서 상단 발가락 부재(252)와 연결되고 그 다른 일단에서 구동 부재(212)와 연결되어, 구동 부재(212)로부터 전달된 동력을 통해 상단 발가락 부재(252)를 밀거나 또는 당겨서 중족관절(256)을 회전시킴으로써 로봇 또는 사람에 대한 중족관절의 회전을 시뮬레이션할 수 있다.

발목 관절 동력부(220)는 스웨이 모션 구동 부재(222)와 스웨이 모션 모터 래퍼(224)를 포함한다.

발목 관절 동력부(220)는 상단 발 발판 부재(254)의 후단 중앙에서 벨트 부재(216)를 통해 중족관절 동력부(210)와 결합된다. 여기에서, 벨트 부재(216)는 상단 발판 부재(254)에 마운팅되어 그 일면에서 중족관절 동력부(210)에 있는 구동 부재(212)와 피스톤 부재(214)를 결합시키고, 그 다른 일면에서 발목 관절 동력부(220)를 결합시킨다. 일 실시예에서, 벨트 부재(216)는 상단 발판 부재(254)에 고정 결합될 수 있다.

또한, 발목 관절 동력부(220)는 중족 관절 벨트 부재(226)를 통해 종아리 관절 동력부(230)와 결합된다. 여기에서, 중족 관절 벨트 부재(226)는 발목 관절 동력부(220) 상에 배치되어 그 일면에서 스웨이 모션 모터 래퍼(224)를 통해 발목 관절 동력부(220)를 결합시키고 그 다른 면에서 종아리 관절 동력부(230)를 결합시킨다.

스웨이 모션 구동 부재(222)는 실린더 형상의 스웨이 모션 모터를 통해 구현될 수 있고, 종아리 관절 동력부(230)를 실린더 형상을 통해 몸체의 무게를 지지하면서 회전 가능하게 할 수 있다.

스웨이 모션 모터 래퍼(224)는 그 일단에서 중족관절 벨트 부재(226)의 일측과 결합되고 그 다른 일단에서 스웨이 모션 구동 부재(222)(즉, 스웨이 모션 모터)의 적어도 일부를 래핑할 수 있다. 즉, 스웨이 모션 모터 래퍼(224)는 갈고리와 비슷한 형상으로 구현될 수 있다. 또한, 스웨이 모션 모터 래퍼(224)는 종아리 관절 동력부(230)에 스웨이 모션 구동 부재(222)(즉, 스웨이 모션 모터)의 회전력을 전달할 수 있다.

일 실시예에서, 발목 관절 동력부(220)는 균형 상황에 맞춰 사람 또는 몸체의 균형이 유지되도록 스웨이 모션 구동 부재(222)의 구동력을 특정 범위 내에서 제어하여 스웨이 모션 모터 래퍼(224)의 회전 운동 길이를 가변적으로 조절할 수 있다.

보다 구체적으로, 스웨이 모션 모터 래퍼(224)는 발목 관절 동력부(220)와 종아리 관절 동력부(230)의 구조에서, 그 일단과 그 다른 일단 사이에서 중족관절 벨트 부재(226)와 접촉되어 종아리 관절 동력부(230)를 지지할 수 있다. 즉, 스웨이 모션 모터 래퍼(224)는 스웨이 모션 구동 부재(222)를 거의 한 바퀴를 돌거나 또는 한 바퀴 이상을 돌아서 래핑할 수 있으므로, 중족관절 벨트 부재(226)가 스웨이 모션 구동 부재(222)의 상부 중앙에서 접촉되는 경우에는 중족관절 벨트 부재(226)를 그 다른 일단과 접촉 또는 결합되지 않게 할 수 있다.

예를 들어, 스웨이 모션 구동 부재(222)는 제1 방향으로 회전시켜 스웨이 모션 모터 래퍼(224)를 시계 방향으로 회전 운동시킬 수 있고, 종아리 관절 동력부(230)가 제1 방향(예를 들어, 오른손 방향)으로 이동하도록 스웨이 모션 모터 래퍼(224)를 통해 스웨이 모션 구동 부재(222)의 회전력을 전달할 수 있다.

다른 예를 들어, 스웨이 모션 구동 부재(222)는 제2 방향으로 회전시켜 스웨이 모션 모터 래퍼(224)를 반시계 방향으로 회전 운동시킬 수 있고, 종아리 관절 동력부(230)가 제2 방향(예를 들어, 왼손 방향)으로 이동하도록 스웨이 모션 모터 래퍼(224)를 통해 스웨이 모션 구동 부재(222)의 회전력을 전달할 수 있다.

결과적으로, 발목 관절 동력부(220)는 스웨이 모션 구동 부재(222)의 회전력을 스웨이 모션 모터 래퍼(224)를 통해 종아리 관절 동력부(230)에 전달하여 종아리 관절 동력부(230)를 좌우로 움직일 수 있고, 발 베이스부(240, 250)의 비틀어짐을 보정하고 균형을 잡는데 활용될 수 있다.

종아리 관절 동력부(230)는 종아리 골격(120)을 형성하며 종아리 내의 중앙에 병렬로 배치되고, 중족관절 벨트 부재(226)와 결합하여 상단 발판 부재(254) 상에 결합된 발목 관절 동력부(220)를 통해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되도록 지지될 수 있다.

종아리 관절 동력부(230)는 종골 구동 부재(232)와 종골 피스톤 부재(234)를 포함하고, 종아리 골격(120)의 상하 움직임을 지원하여 몸체를 앞쪽으로 기울이거나 또는 몸체를 바로 세울 수 있다. 종골 구동 부재(232)는 모터를 통해 구현되고, 모터의 회전 방향을 통해 종골 피스톤 부재(234)의 수직 직선 운동을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 종아리 관절 동력부(230)는 보행 상황에 맞춰 사람 또는 몸체의 균형이 유지되도록 종골 구동 부재(232)의 구동력을 특정 범위 내에서 제어하여 종골 피스톤 부재(234)의 직선 운동 길이를 가변적으로 조절할 수 있다.

예를 들어, 종골 구동 부재(232)는 모터를 제1 방향으로 회전시켜 종골 피스톤 부재(234)를 상부 방향으로 운동시킬 수 있고, 상단 발판 부재(254)에 직립된 종아리 골격(120)을 앞쪽으로 기울도록 제어할 수 있다. 다른 예를 들어, 종골 구동 부재(232)는 모터를 제2 방향으로 회전시켜 종골 피스톤 부재(234)를 하부 방향으로 운동시킬 수 있고, 상단 발판 부재(254)에 기울여진 종아리 골격(120)을 뒤쪽으로 직립하도록 제어할 수 있다. 종골 피스톤 부재(234)는 중족관절 벨트 부재(226)와 연결되고 중족관절 벨트 부재(226)를 밀거나 또는 당겨서 종아리 골격(120)을 상단 발판 부재(254)로부터 기울이거나 또는 직립시킬 수 있다. 즉, 종아리 관절 동력부(230)는 보행 과정에서 몸체의 기울임을 제어할 수 있다.

도 3은 도 1에 있는 로봇 다리 장치를 설명하는 블록도이다.

도 3을 참조하면, 로봇 다리 장치(110)는 제1 제어부(312)와 제2 제어부(314)로 구성된 제어부(310)를 더 포함할 수 있고, 제어부(310)는 복수의 관절 동력부들(210, 220, 230), 다축 모션 센서(240) 및 기울기 센서(250)를 연계할 수 있다.

여기에서, 다축 모션 센서(240)는 비록 도 2에 도시되어 있지 않지만, 종아리 관절 동력부(230)에 결합될 수 있고, 종아리 골격(120)의 미세한 움직임을 감지하여 로봇 또는 사용자의 보행 의도를 검출하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 다축 모션 센서(240)는 종아리 관절 동력부(230)에 내장될 수 있다.

기울기 센서(250)는 비록 도 2에 도시되어 있지 않지만, 상단 발판 부재(254)에 결합 결합될 수 있고, 상단 발판 부재(254)의 좌우 기울기를 검출하여 로봇 또는 사용자의 균형 상태를 검출하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 기울기 센서(250)는 상단 발판 부재(254)에 내장될 수 있다.

즉, 제어부(310)는 다축 모션 센서(240) 및 기울기 센서(250)를 통해 사용자의 보행 의도 검출과 균형 상태를 획득하여 복수의 관절 동력부들(210, 220, 230)을 제어함으로써 로봇 또는 사용자의 보행 과정을 제어할 수 있다.

우선, 제1 제어부(312)에 의한 로봇 또는 사용자의 보행 제어 과정을 살펴본다.

제1 제어부(312)는 다축 모션 센서(240)로부터 로봇 또는 사용자의 보행 의도를 통해 발생되는 종아리 골격(120)의 움직임에 관한 검출을 수신한다. 일 실시예에서, 제1 제어부(312)는 다축 모션 센서(240)를 통해 종아리 골격(120)의 움직임을 검출하고, 로봇 또는 사용자의 보행 의도가 있다고 판단되면 중족관절 동력부(210)와 종아리 관절 동력부(230)를 제어하여 사용자 또는 로봇의 몸체를 기울이거나 직립시키도록 할 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 제어부(312)는 종아리 관절 동력부(230)에 있는 종골 구동 부재(232)를 제어하여 종골 피스톤 부재(234)를 통해 중족관절 벨트 부재(226)를 밀어서 로봇 또는 사용자의 몸체를 전방 방향으로 기울일 수 있다. 거의 동시에, 제1 제어부(312)는 종골 구동 부재(232)의 동작으로 인해 변경되는 상단 발판 부재(254)의 기울기를 검출하여 기울기가 특정 각도 이상이면 중족관절 동력부(210)가 구동 부재(212)의 동작을 시작하도록 할 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 제어부(312)는 중족관절 동력부(210)에 있는 구동 부재(212)를 제어하여 피스톤 부재(214)를 통해 상단 발가락 부재(252)를 당겨서 중족관절(256)을 회전시킴으로써 로봇 또는 사람의 중족관절의 움직임을 시뮬레이션할 수 있다.

다음으로, 제2 제어부(314)에 의한 로봇 또는 사용자의 균형 제어 과정을 살펴본다.

제2 제어부(314)는 기울기 센서(250)로부터 로봇 또는 사용자의 균형 상태 흐트러짐을 통해 발생되는 상단 발판 부재(254)의 기울임에 관한 검출을 수신한다. 일 실시예에서, 제2 제어부(314)는 기울기 센서(250)를 통해 상단 발판 부재(254)의 기울임을 검출하고, 로봇 또는 사용자의 불균형이 있다고 판단되면 발목관절 동력부(220)를 제어하여 사용자 또는 로봇의 몸체를 상단 발판 부재(254)를 기준으로 좌우로 기울이거나 직립시키도록 할 수 있다.

보다 구체적으로, 제2 제어부(314)는 발목 관절 동력부(230)에 있는 스웨이 모션 구동 부재(222)를 제어하여 스웨이 모션 모터 래퍼(224)를 통해 상단 발판 부재(254)를 기준으로 종아리 골격(120)을 좌우로 기울일 수 있다.

예를 들어, 제2 제어부(314)는 기울기 센서(250)를 통해 상단 발판 부재(254)가 발 바닥의 바깥쪽에서 안쪽으로 기울여짐이 검출되면 스웨이 모션 구동 부재(222)를 그 반대 방향으로 회전시켜 종아리 골격(120)을 발 바닥의 바깥쪽 방향으로 기울임으로써 로봇 또는 사람의 몸체를 직립시킬 수 있다. 다른 예를 들어, 제2 제어부(314)는 기울기 센서(250)를 통해 상단 발판 부재(254)가 발 바닥의 안쪽에서 바깥쪽으로 기울여짐이 검출되면 스웨이 모션 구동 부재(222)를 그 반대 방향으로 회전시켜 종아리 골격(120)을 발 바닥의 안쪽 방향으로 기울임으로써 로봇 또는 사람의 몸체를 직립시킬 수 있다.

도 4는 도 1에 있는 로봇 다리 장치의 다른 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 4에서, 로봇 다리 장치(400)는 도 2에 있는 로봇 다리 장치의 구성과 실질적으로 유사하므로, 그 동작 상에 차이가 있는 부분을 중심으로 설명한다. 이렇게 하더라도, 당업자는 도 2로부터 도 4에 있는 로봇 다리 장치를 용이하게 발명할 수 있을 것이다.

도 2의 모터로 구현될 수 있는 구동 부재(212)는 스프링으로 구현되는 구동 부재(422)로 대체되었고, 도 2의 모터를 통해 가동되는 피스톤 부재(214)는 스프링으로 구현되어 수축 또는 신장되는 피스톤 부재(414)로 대체되었다.

구동 부재(422)는 수축을 통해 중족관절 동력부(210)가 전방으로 기울여질 수 있고, 신장을 통해 중족관절 동력부(210)가 후방으로 기울여질 수 있다. 또한, 구동 부재(422)는 발목 관절 동력부(220)에 대한 스프링의 감김 또는 풀림을 통해 스웨이 모션을 지원할 수 있다.

도 5는 도 1에 있는 로봇 다리 장치의 또 다른 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에서, 로봇 다리 장치(400)는 도 2에 있는 로봇 다리 장치의 구성과 실질적으로 유사하므로, 그 동작 상에 차이가 있는 부분을 중심으로 설명한다. 이렇게 하더라도, 당업자는 도 2로부터 도 5에 있는 로봇 다리 장치를 용이하게 발명할 수 있을 것이다.

도 2의 모터로 구현될 수 있는 구동 부재(212)는 모터 및 스프링으로 구현되는 구동 부재(522)로 대체되었고, 도 2의 모터를 통해 가동되는 피스톤 부재(214)는 피스톤 및 스프링의 결합으로 구현되어 수축 또는 신장 과정에서 모터와 스프링에 의한 힘을 결합하는 피스톤 부재(514)로 대체되었다.

구동 부재(522)는 모터의 구동과 스프링의 수축을 통해 중족관절 동력부(210)가 전방으로 기울여질 수 있고, 모터의 구동과 스프링의 신장을 통해 중족관절 동력부(210)가 후방으로 기울여질 수 있다. 또한, 구동 부재(522)는 발목 관절 동력부(220)에 대한 모터의 구동과 스프링의 감김 또는 풀림을 통해 스웨이 모션을 지원할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 로봇 다리 장치 시스템
110: 로봇 다리 장치 120: 종아리 골격
130: 끼움부
210: 중족관절 동력부 212: 구동 부재
214: 피스톤 부재 216: 벨트 부재
220: 발목 관절 동력부 222: 스웨이 모션 구동 부재
224: 스웨이 모션 모터 래퍼 226: 중족 관절 벨트 부재
230: 종아리 관절 동력부 232: 종골 구동 부재
234: 종골 피스톤 부재
240: 하단 발 베이스부 242: 하단 발가락 부재
244: 하단 발판 부재
250: 상단 발 베이스부 252: 상단 발가락 부재
254: 상단 발판 부재 310: 제어부

Claims

중족관절을 통해 하단 발가락 부재와 하단 발판 부재로 구분된 하단 발 베이스부;
상기 하단 발 베이스부 상에 배치되고 상기 하단 발가락 부재와 결합된 상단 발가락 부재와 상기 하단 발판 부재와 상기 중족 관절에서 결합되어 발뒤꿈치로 갈수록 벌어지는 상단 발판 부재로 구성된 상단 발 베이스부;
상기 상단 발 발판 부재 상의 후단에 결합된 발목 관절 동력부; 및
상기 상단 발 발판 부재 상의 중단에 병렬로 배치되고 벨트 부재를 통해 상기 발목 관절 동력부와 결합되는 구동 부재와 피스톤 부재를 포함하고, 상기 피스톤 부재는 상단 발가락 부재와 결합되고 상기 구동 부재를 통해 직선 운동을 수행하는 중족관절 동력부를 포함하는 로봇 다리 장치.
제1항에 있어서, 상기 구동 부재는
모터를 통해 구현되고 상기 모터의 회전 방향을 통해 상기 피스톤 부재의 전후 직선 운동을 제어하는 것을 특징으로 하는 로봇 다리 장치.
제2항에 있어서, 상기 피스톤 부재는
상기 상단 발가락 부재와 연결되고 상기 상단 발가락 부재를 밀거나 또는 당겨서 상기 중족관절을 회전시킴으로써 로봇 또는 사람의 중족관절의 회전을 시뮬레이션하는 것을 특징으로 하는 로봇 다리 장치.
제3항에 있어서,
종아리 골격을 형성하고 종아리 내의 중앙에 병렬로 배치되어 상기 발뒤꿈치에 있는 종골의 상하 수직 운동을 지원하는 종골 구동 부재와 종골 피스톤 부재를 포함하는 종아리 관절 동력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 다리 장치.
제4항에 있어서, 상기 중족관절 동력부는
상기 구동 부재의 동작을 상기 종골 구동 부재의 동작과 연계하여 상기 중족관절을 회전시키는 것을 특징으로 하는 로봇 다리 장치.
제5항에 있어서, 상기 중족관절 동력부는
상기 종골 구동 부재의 동작으로 인해 변경되는 상기 상단 발판 부재의 기울기를 검출하여 상기 기울기가 특정 각도 이상이면 상기 구동 부재의 동작을 시작하는 것을 특징으로 하는 로봇 다리 장치.
제4항에 있어서, 상기 발목 관절 동력부는
상기 상단 발판 부재의 후단 중앙에서 상기 벨트 부재를 통해 상기 중족관절 동력부와 결합되고 중족 관절 벨트 부재를 통해 상기 종아리 관절 동력부와 결합되며, 스웨이 모션 모터를 통해 구현된 스웨이 모션 구동 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 다리 장치.
제7항에 있어서, 상기 발목 관절 동력부는
일단은 상기 중족관절 벨트 부재의 일측과 결합되고, 다른 일단은 상기 스웨이 모션 모터의 적어도 일부를 래핑하여 상기 종아리 관절 동력부에 상기 스웨이 모션 모터의 회전력을 전달하는 스웨이 모션 모터 래퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 다리 장치.
제4항에 있어서,
상기 종아리 관절 동력부에 결합된 다축 모션 센서를 통해 로봇 또는 사용자의 동작을 예측하고 상기 구동 부재와 상기 종골 구동 부재의 구동을 제어하는 제1 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 다리 장치.
제7항에 있어서,
상기 상단 발판 부재에 결합된 기울기 센서를 통해 상기 상단 발판 부재의 좌우 기울기를 검출하여 상기 종아리 골격이 직립할 수 있도록 상기 스웨이 모션 모터의 구동을 제어하는 제2 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 다리 장치.
중족관절을 통해 하단 발가락 부재와 하단 발판 부재로 구분된 하단 발 베이스부;
상기 하단 발 베이스부 상에 배치되고 상기 하단 발가락 부재와 결합된 상단 발가락 부재와 상기 하단 발판 부재와 상기 중족 관절에서 결합되어 발뒤꿈치로 갈수록 벌어지는 상단 발판 부재로 구성된 상단 발 베이스부;
상기 상단 발 발판 부재 상의 후단에 결합된 발목 관절 동력부;
상기 상단 발 발판 부재 상의 중단에 병렬로 배치되고 벨트 부재를 통해 상기 발목 관절 동력부와 병렬적으로 결합되는 구동 부재와 피스톤 부재를 포함하고, 상기 피스톤 부재는 상단 발가락 부재와 결합되고 상기 구동 부재를 통해 직선 운동을 수행하는 중족관절 동력부; 및
상기 상단 발 베이스부의 상부에 배치되고 사용자의 허벅지 또는 종아리 절단 부위를 끼우는 절단 부위 끼움부를 포함하는 의족 장치.