KR102174522B1 - 보조력 제공 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무게, 부피 및 작업자의 움직임 방해를 최소화하며, 고하중 작업 또는 반복 동작 작업시 고관절 보조력 및 팔의 보조력을 제어신호 또는 사용자의 동작 의도 분석을 통해 동시 또는 선택적으로 제공할 수 있는 보조력 제공 장치에 관한 것이다.

Description

보조력 제공 장치{Body Assisting Device}

본 발명의 보조력 제공 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 무게, 부피 및 작업자의 움직임 방해를 최소화하며, 고하중 작업 또는 반복 동작 작업시 고관절 보조력 및 팔의 보조력을 제어신호 또는 사용자의 동작 의도 분석을 통해 동시 또는 선택적으로 제공할 수 있는 보조력 제공 장치에 관한 것이다.

착용자의 신체에 보조력을 제공하는 착용형 로봇은 재활, 의료 또는 군사 분야에서 다양하게 연구 및 활용되고 있다. 최근에는 작업자용 착용형 로봇의 활용이 시도되고 있다.

예를 들면, 작업자의 작업에 반복적으로 무거운 물건을 들어올리거나 내려 놓는 반복 작업이 포함된 경우 작업자의 하중 부담 등을 경감 또는 부상을 방지하기 위하여 착용형 로봇 형태의 보조력 제공 장치가 연구 및 소개되고 있다.

종래 소개된 보조력 제공 장치는 일반적으로 단단한 재질의 골격과, 이를 지지하기 위한 프레임 등으로 구성되어 있어 부피가 크고, 구성 부품이 매우 다량으로 사용되어 구성이 복잡하며, 무게가 무겁고, 탈착도 불편한 것이 대부분이었다.

따라서, 사용자가 착용하기에 용이하고, 하중이 있는 물건을 들어올리고 내려올리는 작업의 반복 동작에서의 고관절 보조력 및 양팔의 보조력 중 적어도 하나를 보조할 수 있으면서도, 부피, 무게 등이 최소화된 보조력 제공 장치에 대한 기술 개발이 필요하다.

본 발명은 무게, 부피 및 작업자의 움직임 방해를 최소화하며, 고하중 작업 또는 반복 동작 작업시 고관절 보조력 및 팔의 보조력을 제어신호 또는 사용자의 동작 의도 분석을 통해 동시 또는 선택적으로 제공할 수 있는 보조력 제공 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 할 수 있다.

전술한 본 발명의 과제는 착용자의 상체에 착용되는 상체지지부와, 상기 착용자의 좌측 및 우측 대퇴 영역에 각각 착용되는 한 쌍의 대퇴지지부와, 상기 대퇴지지부의 일단이 연결되고, 상기 대퇴지지부를 회전 구동시키는 구동력을 제공하며, 착용자의 고관절 영역에 배치되는 한 쌍의 대퇴구동부와, 상기 대퇴구동부의 전원 공급을 위한 배터리 및 상기 대퇴구동부를 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하며, 상기 대퇴구동부와 연결부재로 연결되며 착용자의 등판 영역에 구비되는 본체부 및 상기 본체부 컨트롤러의 제어신호를 발생시키는 제어신호 발생부를 포함하는 보조력 제공 장치를 제공함에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 보조력 제공 장치에서, 상기 상체지지부는 상기 착용자의 양 견부(肩部, shoulder) 둘레를 감싸도록 구성되며, 상기 본체부에 고정될 수 있다.

또한, 한 쌍의 상기 대퇴지지부는 각각 착용자의 대퇴 둘레를 감싸는 착용부재와, 상기 착용부재와 상기 대퇴구동부를 연결하는 링크부재를 포함할 수 있다.

또한, 한 쌍의 상기 대퇴구동부는 구동모터 및 적어도 하나의 기어를 포함할 수 있다.

또한, 상기 대퇴구동부는 상기 구동모터에서 제공되는 구동력을 완충 또는 착용자의 동작의도 파악을 위한 탄성부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 본체부는 양 견부(肩部, shoulder)의 움직임 간섭을 최소화하기 위하여 삼각형 형태로 구성될 수 있다.

또한, 상기 본체부는 삼각형 형태로 구성되는 제1 본체와, 상기 제1 본체 하부에 결합되며 상기 연결부재와 연결되는 제2 본체로 분할 구성되며, 상기 제1 본체와 상기 제2 본체는 결합 각도가 변경될 수 있다.

또한, 상기 제2 본체와 상기 대퇴구동부를 연결하는 연결부재는 상기 착용자의 골반 크기에 대응하도록 상기 제2 본체에서 인출 또는 삽입 가능하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 제어신호 발생부는 상기 착용자의 손에 장착되는 스위칭 유닛을 포함할 수 있다.

또한, 한 쌍의 상기 대퇴구동부는 구동모터를 포함하되, 상기 대퇴구동부의 구동모터의 작동 구간과 상기 본체부의 와이어모터의 작동 구간은 적어도 일부가 중첩될 수 있다.

또한, 상기 본체부는 상기 스위칭 유닛의 작동에 따라 상기 착용자의 팔에 견인력을 제공하기 위한 견인와이어와, 상기 견인와이어를 권취하기 위한 와이어모터를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 와이어모터의 출력축에는 상기 견인와이어를 회수 또는 견인력을 완충하기 위한 탄성롤러가 장착될 수 있다.

또한, 상기 스위칭 유닛은 가압시 작동되는 탄성스위치와, 상기 탄성스위치가 장착되는 착용부재를 포함하며, 상기 착용부재는 상기 착용자의 손을 견인할 수 있도록 상기 견인와이어에 연결될 수 있다.

또한, 상기 제어신호 발생부는 상기 대퇴구동부에 구비되는 엔코더일 수 있다.

여기서, 상기 엔코더가 상기 대퇴구동부의 일방으로의 회전 감지시 상기 컨트롤러는 상기 일방으로의 동작의도로 판단하여 상기 대퇴구동부를 상기 일방으로 회동 구동시킬 수 있다.

한편, 상기 제어신호 발생부는 상기 상체지지부, 상기 대퇴구동부, 상기 대퇴지지부 및 상기 본체부 중 적어도 한 곳에 장착되는 가속도 센서일 수 있다.

여기서, 상기 가속도 센서가 일방으로의 가속도 감지시 상기 컨트롤러는 상기 일방으로의 동작의도로 판단하여 상기 대퇴구동부를 상기 일방으로 회동 구동시킬 수 있다.

또 한편, 상기 제어신호 발생부는 상기 착용자의 족저면의 전방에 후방에 분산 배치되는 족저압 센서일 수 있다.

여기서, 상기 컨트롤러는 상기 착용자의 양 발의 족저압 중 전방 족저압 증가시 상기 착용자가 물체를 들어올리려는 동작의도로 판단하여 상기 착용자의 고관절이 전개되는 방향으로 상기 대퇴구동부를 회동 구동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 의하면, 조끼를 입듯이 상체에 착용할 수 있고, 대퇴부를 스트랩과 같은 착용부재로 고정함으로써 착탈이 용이할 수 있다.

본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 의하면, 무거운 물건을 들거나 지지하는 작업에서 가장 큰 힘이 요구되는 고관절 및 팔의 보조력을 제공하면서도, 외골격 구동장치를 최소화하여 보조력 제공장치 전체의 크기와 무게를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 의하면, 팔의 보조력 제공을 위한 구성으로 견인와이어를 적용함으로써 구성이 간단하고 부피 및 무게가 작으며, 제작 비용이 절감될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 의하면, 제어신호 발생부로서 손바닥 영역에 스위칭 유닛을 배치하여 작업시 별도의 제어신호 입력없이 자동으로 선택적인 팔의 보조력을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 의하면, 제어신호 발생부로서 대퇴구동부의 구동모터에 엔코더를 구비하여 작업시 동작의도를 분석하여 선택적인 고관절 보조력 또는 팔의 보조력을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 의하면, 제어신호 발생부로서 가속도 센서를 구비하여 작업시 동작의도를 분석하여 선택적인 고관절 보조력 또는 팔의 보조력을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 의하면, 제어신호 발생부로서 족저압 센서를 구비하여 작업시 동작의도를 분석하여 선택적인 고관절 보조력 또는 팔의 보조력을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 의하면, 본체부를 삼각형으로 구성함과 동시에 등판 영역에 접촉되지 않도록 하여, 양 어께 영역 또는 등판 영역의 움직임과 간섭을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 의하면, 각 구성을 슬라이딩 및 틸팅 등이 가능하도록 함으로써 보조력 제공장치의 착용자의 몸에 맞게 조절될 수 있어 착용성 및 활용성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보조력 제공 장치에 관한 착용상태도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 보조력 제공 장치의 사시도이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 도 1에 도시된 보조력 제공 장치를 착용한 상태의 측면 및 후면을 도시한다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 도 1에 도시된 보조력 제공 장치의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 보조력 제공 장치의 후면을 도시한다.
도 7은 본 발명의 보조력 제공 장치의 정면에서 하나의 대퇴 지지부가 외전된 상태를 도시한다.
도 8은 본 발명의 보조력 제공 장치의 구성도다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 본 발명에 따른 보조력 제공 장치의 스위칭 유닛의 영역의 요부 사시도이다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 할 수 있다. 다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 그리고 본 발명의 여러 실시예를 설명함에 있어서, 동일한 기술적 특징을 갖는 구성요소에 대하여는 동일한 도면부호를 사용하기로 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 보조력 제공 장치(10)를 착용한 착용자의 착용상태도를 도시한 것이며, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 보조력 제공 장치(10)를 도시한 사시도이며, 도 4(a) 및 도 4(b)는 도 1에 도시된 보조력 제공 장치를 착용한 상태의 측면 및 후면을 도시한 것이며, 5(a) 및 도 5(b)는 보조력 제공 장치의 측면도를 도시하며, 도 6은 본 발명의 보조력 제공 장치의 후면을 도시한다. 이를 참조하여 본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 관하여 설명한다.

본 발명에 따른 보조력 제공 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유연한 슈트 형태를 착용하듯이 착용자의 신체에 장착될 수 있다.

본 발명에 따른 보조력 제공 장치(10)는 상체지지부(100), 허리지지부(150), 본체부(200), 연결부재(300), 대퇴구동부(400), 대퇴지지부(500) 및 제어신호 발생부(600)를 포함할 수 있으며, 이러한 구성들이 유기적으로 결합되어 작동됨으로써 착용자의 상체 또는 팔에 동시에 또는 선택적으로 보조력을 제공할 수 있다.

도 1에 도시된 본 발명에 따른 보조력 제공 장치(10)의 실시예는 착용자의 상체와 허리 영역에 상체지지부(100), 허리지지부(150)가 장착되고, 착용자의 등판 영역에 본체(200)가 장착되며, 착용자의 대퇴부 영역에 대퇴지지부(500)가 장착되어, 착용자의 고관절 영역에 구비된 대퇴구동부(400)에 의해 고관절 또는 대퇴부 영역의 보조력을 제공받으며, 추가적으로 선택적으로 권취되어 견인력을 발생하도록 제공되는 견인와이어에 의하여 팔의 보조력을 제공받을 수 있다.

그리고, 제어신호 발생부(600)로서 손바닥 영역에 스위칭 유닛(610)이 배치되고 착용자의 팔 또는 손 영역이 견인와이어를 매개로 본체부에 구비된 와이어모터에 의해 견인되어 손 또는 팔영역이 보조력을 제공받을 수 있다. 제어신호 발생부는 스위칭 유닛 이외에도 다양하게 제공될 수 있으며 이에 대하여는 후술한다.

상체지지부(100)는 착용자의 상체에 착용되며, 마치 조끼를 입듯이 착용자에게 착용될 수 있다. 이러한 상체지지부(100)는 양 견부(肩部, shoulder) 둘레를 감싸도록 구성될 수 있으며, 본체부(200)와 고정되도록 결합될 수 있다.

상체지지부(100)는 도시된 바와 같이 자켓 혹은 수트(suit) 형태로 이루어질 수 있으며, 착용자의 착용감 등을 위하여 스판재질 또는 우레탄 재질 등이 적용될 수 있다.

상체지지부(100)의 전면부에는 착용자의 상체의 크기에 맞도록 폭을 조절할 수 있는 버클(도면부호 없음)이 장착될 수 있다. 따라서 사용자는 버클을 사용하여 상체지지부(100)를 조임으로써 착용시 흔들리지 않고 단단하게 상체에 고정되도록 할 수 있다.

상체지지부(100)의 후방에는 본체부(200)가 구비될 수 있다. 이러한 본체부(200)는 착용자의 등판 영역에 배치될 수 있으며, 따라서 착용자는 마치 베낭과 같이 본체부(200)를 착용함으로써 용이하게 보조력 제공 장치를 착탈할 수 있다.

착용자의 골반 또는 허리영역에는 허리지지부(150)는 착용자의 허리를 감싸도록 착용될 수 있으며, 대퇴구동부(400)의 장착 장소를 제공하는 기능을 수행할 수 있다.

본체부(200)는 도 8을 참조하는 경우 대퇴구동부(400)와 와이어모터(미도시, 도 8 참조)에 전원 공급을 위한 배터리(미도시, 도 8 참조), 대퇴구동부(400) 및 와이어모터(미도시, 도 8 참조)를 제어하기 위한 컨트롤러(미도시, 도 8 참조), 착용자의 팔에 견인력을 제공하기 위한 인출 또는 삽입 가능하게 장착되는 견인와이어(230), 견인와이어(230)를 귄취하기 위한 와이어모터(미도시, 도 8 참조)를 포함하여 구성될 수 있다.

본체부(200)는 도 3, 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 착용자의 양 어깨의 움직임의 간섭을 최소화하기 위하여 전체적으로 삼각형 형태로 구성될 수 있다. 따라서 착용자는 팔을 움직이는 경우에 어깨 영역 등이 본체부(200)와 간섭이 발생되는 불편함이 최소화될 수 있다.

이러한 본체부(200)는 삼각형 형태로 이루어지는 제1 본체(200a)와, 제1 본체(200a)의 하측에 힌지 결합되는 제2 본체(200b)로 분할 구성될 수 있으며, 제1 본체(200a) 및 제2 본체(200b)는 상체의 신장 등에 따라 서로 결합 각도를 변경할 수 있다. 그리고, 결합각도가 조절 가능하므로, 착용자는 등판과 본체부 사이에 이격 공간을 형성하여 비접촉 상태로 보조력 제공장치의 착용이 가능하게 되며 본체와 등판의 충돌을 방지하고 통풍 기능을 제공할 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 본체(200a)는 하우징이 슬라이딩 가능하도록 인출 가능한 연장부를 구비하여 상체의 길이 및 체형 등에 맞춰 길이를 조절할 수 있도록 구성할 수 있다.

좀더 구체적으로, 제1 본체(200a)는 수동적으로 각도를 조절할 수 있도록 하는 조절 버튼(203)를 포함할 수 있다. 따라서 예를 들면, 조절 버튼(203)을 눌러 힌지의 잠금을 해제한 후, 각도가 조절되면 다시 선택한 조절 버튼(203)을 해제하여 힌지를 잠금함으로써 각도 조절이 가능할 수 있다.

또한, 본체부(200)는 상단부(201)가 상방으로 연장될 수 있도록 구성되어 착용자의 상체의 길이에 따라 길이가 조절될 수 있다. 따라서 착용자는 상체의 길이에 맞춰 상단부(201)를 상방으로 연장부에서 인출 또는 삽입하여 제1 본체의 길이를 조절할 수 있다.

여기서, 본체부(200)의 길이 조절과 결합각도 조절은 독립적으로 수행될 수 있으며, 따라서 착용자는 전술한 예에 한정되지 않고 자신의 신체에 따라 각도 및 길이를 필요한만큼 조절하며 본 발명에 따른 보조력 제공 장치(10)를 사용할 수 있다.

도 6을 참조하면, 본체부(200)의 제2 본체(200b)에 연결부재(300)가 장착될 수 있다. 이러한 연결부재(300)는 제2 본체(200b)에 삽입 또는 인출 가능하도록 결합되며, 따라서 착용자는 착용자의 골반의 크기에 대응하도록 폭을 조절할 수 있다.

여기서, 제2 본체(200b)는 수동적으로 각 연결부재(300)를 삽입 또는 인출할 수 있도록 하는 폭 조절버튼(205)를 포함할 수 있다. 따라서 예를 들면, 폭 조절버튼(205)이 해제되어 있는 경우에 연결부재(300)는 핀 또는 가압부재 등에 의하여 고정되어 있을 수 있으며, 폭 조절버튼(205)을 선택할 때 핀 또는 가압부재 등이 해제되고 그 상태에서 각 연결부재(300)를 삽입 또는 인출한 후 다시 선택한 폭 조절버튼(205)을 해제하여 각 연결부재(300)를 고정시킴으로써 폭 조절이 가능할 수 있다.

본 발명의 보조력 제공 장치(10)의 본체부(200)에는 착용자의 손 또는 팔의 근력을 보조하기 위한 견인와이어(230)와 상기 견인와이어를 권취하여 견인력을 제공하기 위한 와이어모터(미도시)가 구비될 수 있다.

이는 착용자가 무거운 짐을 들어올리거나 지탱하는 경우 손 또는 팔에 보조력을 제공하기 위함이다. 견인와이어(230)는 와이어모터에 권취되며 본체부(200) 내부에 수납될 수 있다.

이러한 견인와이어(230)는 사용하지 않는 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 단부의 일부만 외부로 노출되어 있으며, 단부에는 스위칭 유닛(610)이 결합된 상태로 상체지지부(100)에 노출되도록 배치될 수 있다.

한편 견인와이어(230)를 사용하고자 하는 경우에는 필요한 만큼 견인와이어(230)를 당겨, 예를 들면 작업 대기 상태에서 착용자의 손바닥 영역에 스위칭 유닛(610)이 배치되도록 견인와이어(230)를 인출시켜서 사용할 수 있다.

와이어모터는 견인와이어(230)를 권취하는 방법으로 견인하는 역할을 수행하며, 상기 와이어모터(미도시, 도 8 참조)는 컨트롤러(미도시, 도 8 참조)에 의해 제어될 수 있다.

와이어모터는 서보모터, 스태핑모터일 수 있으며, 일반적인 DC 모터 또는 BLCD모터가 적용될 수 있다. 여기서, 와이어모터는 기계적 임피던스가 최소화되거나 브레이크가 없는 타입이 적용될 수 있으며, 따라서 전원이 인가되지 않는 경우에 와이어모터는 저저항 구동이 가능하여 착용자가 기계적 저항이 최소화된 상태로 견인와이어(230)를 당길 수 있도록 하여 착용자의 작업성을 향상시킬 수 있다.

한편, 와이어모터의 출력축(미도시)에는 견인와이어(230)를 회수 또는 견인력을 완충하기 위한 탄성롤러(미도시)가 구비될 수 있다.

구체적으로, 와이어모터가 저저항 모드로 구동 경우에 견인와이어(230)를 견인하면 착용자의 작업 대기 상태로 동작 의도를 판단하여 견인와이어(230)의 풀어 작업자의 작업 준비를 도울 수 있다. 또한, 와이어모터에 구동 제어신호가 제공되면 경우에는 급격한 보조력을 완충하기 위하여 탄성롤러가 버퍼의 역할을 수행할 수 있다.

여기서, 와이어모터의 제어신호는 후술하는 제어신호 발생부(600)에 의해 발생되며, 이러한 작동 메커니즘에 관하여는 후술하기로 할 수 있다.

도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 연결부재(300)는 착용자의 골반 폭에 맞추어 조절될 수 있도록 본체부(200)의 제2 본체(200b)의 양 측면에 각각 삽입 또는 인출 가능하게 결합되며, 각각 착용자의 양 고관절 영역으로 연장되고, 단부에는 대퇴구동부(400)가 장착될 수 있다. 또한, 상기 대퇴구동부는 전술한 상기 허리지지부(400) 측면 하부에 장착되어 지지될 수 있다.

대퇴구동부(400)는 착용자의 고관절 영역에 각각 배치되며, 각 연결부재(300)의 단부에 각각 결합되고, 대퇴구동부(400)에는 대퇴지지부(500)가 각각 연결될 수 있다.

대퇴구동부(400)는 대퇴지지부(500)를 회동시킴으로써 실질적으로 착용자에게 고관절 보조력을 제공하는 역할을 할 수 있다. 이를 위해 대퇴구동부(400)는 적어도 하나의 기어(미도시)를 포함하는 기어 조립체 및 구동모터(미도시, 도 8 참조)를 포함할 수 있으며, 구동모터의 출력축과 후술하는 링크부재 사이에 탄성부재(미도시)를 포함할 수 있다.

대퇴구동부(400)의 구동모터는 제어신호 발생부(600)로부터 신호를 전달받은 컨트롤러(220)에 의하여 회전 구동 제어될 수 있다. 구동모터의 출력축에는 적어도 하나의 기어를 포함하는 기어 조립체가 구비될 수 있으며, 이러한 기어 조립체는 감속 또는 토크증폭 역할을 할 수 있다. 또한, 출력축과 후술하는 링크부재 사이에 동작의도 수집 또는 구동력 완충을 위한 탄성부재가 더 구비될 수도 있다.

따라서, 상기 기어 조립체에 의하여 구동모터의 작동시 구동 토크가 증폭될 수 있으므로 구동모터의 크기 등을 줄일 수 있다.

또한, 탄성부재가 장착되어 갑작스러운 속도의 변화로 인한 충격을 완충할 수 있으며, 한편 구동모터에 구동 신호가 인가되지 않은 상태에서 탄성부재에 회전 등이 감지되는 경우 이를 착용자의 동작의도 분석을 위한 데이터로 활용할 수 있다.

여기서, 구동모터는 여러가지 변수, 신호 등에 의해 일방 또는 타방으로 회전됨으로써 착용자의 움직임에 보조력을 제공하는데, 이러한 방식과 메커니즘에 관하여는 후술하기로 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 보조력 제공 장치의 정면에서 하나의 대퇴 지지부가 외전된 상태를 도시한다.

도면을 참조하면, 대퇴지지부(500)는 착용자의 좌측 및 우측 대퇴 영역에 각각 착용되며, 대퇴구동부(400)에 의해 회전됨으로써 착용자의 고관절 또는 허리를 펴거나 굽히도록 보조할 수 있다.

이때, 대퇴지지부(500)는 도 7에 도시된 바와 같이, 착용자의 대퇴부가 내전 또는 외전이 가능하도록 대퇴구동부(400)에 틸팅 가능하게 결합(대퇴 구동부(500)의 출력축을 가로지르는 방향으로 링크부재(510)가 힌지결합 등의 구조)될 수 있다.

또한, 대퇴지지부(500)는 착용자의 대퇴부의 폭, 길이 등의 체형에 맞춰 착용될 수 있도록 착용자의 대퇴 둘레는 감싸는 착용부재(520)와, 상기 착용부재(520)와 대퇴구동부(400)를 연결하는 링크부재(510)를 포함할 수 있다.

여기서, 착용부재(520)는 스트립일 수 있으며, 벨크로 또는 버클 타입으로 길이가 조절될 수 있다.

도 8는 본 발명에 따른 보조력 제공 장치(10)의 구성도이며, 이를 참조하여 제어신호 발생부(600) 및 이와 관련된 작동에 대하여 설명하며, 도 9(a) 및 도 9(b)는 본 발명에 따른 보조력 제공 장치의 스위칭 유닛(610) 영역의 요부 사시도이다.

제어신호 발생부(600)는 본체부(200)의 컨트롤러(220)의 제어신호를 발생시키는 역할을 하며, 컨트롤러(220)는 이러한 제어신호 발생부(600)로부터의 신호를 전달받아 착용자의 동작의도 또는 미리 설정된 동작 프로그램 또는 동작 신호를 분석 및 판단하여 각 구동모터(410) 또는 와이어모터(240) 등을 구동 제어하여 착용자가 팔의 보조력 또는 고관절 보조력이 필요한 순간에 보조력을 제공할 수 있다.

도면을 참조하면, 제어신호 발생부(600)는 착용자의 손에 장착되는 스위칭 유닛(610)을 포함할 수 있으며, 스위칭 유닛(610)은 가압시 작동되는 탄성스위치(611)와, 탄성스위치가 장착되는 착용부재(613)를 포함할 수 있다.

다시 말해, 스위칭 유닛(610)에는 착용자의 제어 신호 입력을 발생시키기 위한 탄성스위치(611)가 구비될 수 있고, 작업자가 무거운 물건을 드는 동작으로 손바닥 등에 구비된 탄성스위치(611)가 가압되면, 작업 또는 동작 제어신호가 발생되어 컨트롤러(220)가 본체(200)에 구비된 와이어모터(240) 또는 대퇴구동부(400)에 구비된 구동모터(410)를 동작시켜 견인와이어(230) 또는 링크부재(510)를 구동시킬 수 있다.

상기 탄성스위치(611)의 스위칭 신호는 유무선 통신(예: 케이블, 블루투스, 와이파이 등)을 통해 컨트롤러(220)로 전송되거나, 견인와이어와 일체화된 제어케이블로 전송될 수도 있다. 따라서, 전자의 실시예의 스위칭 유닛(610) 및 컨트롤러(220)은 무선통신모듈 등을 더 포함할 수도 있다.

착용부재(613)은 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 손가락에 끼우는 타입일 수 있으며, 작업자가 손가락을 내부로 골무처럼 끼우거나 집게 형태로 손가락에 착용될 수도 있으며, 장갑 형태로 구성될 수도 있다.

착용부재에는 전술한 견인와이어(230)가 결합되며, 따라서 와이어모터(240)가 구동되는 경우에 견인와이어(230)가 당겨져 착용자의 손을 견인함으로써 물건을 들거나 지지하거나 견인하는 작업의 팔의 보조력을 보조하기 위한 보조력을 제공받을 수 있다.

여기서, 와이어모터에 인가되는 구동력이 견인와이어(230)에 전달되면, 견인와이어(230)에 장력이 인가되어 착용부재(613)를 견인하고, 또한 그 견인력은 손가락에 끼우는 타입의 착용부재(613)의 경우에는 작업자의 손가락에, 장갑 타입의 착용부재(613)의 경우에는 작업자의 손과 팔 영역 전체를 당김으로써 착용자의 특정 팔에 견인력을 발생시키는 것으로 이해될 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 보조력 제공 장치는 양 팔 중 한 팔의 보조력을 제공하기 위하여 하나의 견인 와이어를 구비하는 것으로 도시되나, 양팔에 보조력을 제공하기 위하여 또는 하나의 팔에 보조력을 제공하는 경우에도 복수 개의 견인와이어가 적용되어도 무방하다.

탄성스위치(611)는, 9(b)에서 도시된 바와 같이, 가령 탄성 버튼 방식으로 착용부재(613) 방식으로 단순히 손에 장착한 상태에서는 오프(Off, b1) 상태로 유지되고 되고, 손에 장착한 상태에서 짐을 들면 짐에 버튼이 눌려 온(On, b2) 상태가 되어, 온 상태에서 견인력이 발생하도록 구성될 수 있다.

탄성스위치(611)는 착용부재(613)의 일측에 구비되어 작업자가 작업 도중 보조력이나 견인력이 필요할 때, 해당 탄성스위치(611)의 스위치가 하중 대상물에 의하여 가압되어 온 상태로 제어되고 온 제어신호가 발생되어, 컨트롤러(220)로 전달할 수 있다.

반면, 짐을 내려놓으면 탄성스위치가 오프(Off, b1) 상태로 복귀된다. 이 때 유선 또는 무선통신모듈을 통해 컨트롤러(220)로 턴오프 신호가 제공되며, 와이어모터의 견인 구동력이 오프 제어된다.

한편, 제어신호 발생부(600)는 대퇴구동부(400)에 구비되는 엔코더(630)를 더 포함할 수 있다.

이때, 엔코더(630)는 대퇴구동부(400)에 연결된 링크부재의 회전을 감지하고, 컨트롤러(220)는 이러한 엔코더(630)의 신호를 전달받아 착용자의 동작의도를 판단하여 본체(200)에 구비된 와이어모터(240) 또는 대퇴구동부(400)에 구비된 구동모터(410)를 구동시킬 수 있다.

엔코더(630)를 활용한 예로서, 착용자가 몸을 굽힌 상태에서 무거운 짐을 들어 올리기 위하여 상체를 움직여 링크부재(510)가 구동모터가 정지된 상태에서 고관절이 전개되는 방향으로 일정 각도 회전하면, 구동모터가 작동되지 않은 상태에서 엔코더(630)는 이러한 움직임에 따른 회전을 감지하게 된다.

전술한 바와 같이, 대퇴구동부에는 탄성부재가 개재되어 장착될 수 있고, 탄성부재가 혀용하는 범위에서 엔코더(630)가 대퇴구동부를 구성하는 링크부재의 일방으로의 회전을 감지하게 되면 컨트롤러(220)는 이러한 신호를 기초로 착용자가 일방으로 상체를 전개하여 물건을 들어올리는 동작의도로 판단하여 본체(200)에 구비된 와이어모터(240) 또는 대퇴구동부(400)에 구비된 구동모터(410)를 동작이 의도하는 방향으로 구동시킴으로써 착용자가 회동하고자 하는 방향으로의 고관절 보조력을 제공할 수 있다. 또한 엔코더(630)가 타방으로의 회전을 감지하는 경우에도 마찬가지이다. 이 경우, 스위칭 유닛(610)은 엔코더와 함께 장착되거나 생략될 수도 있다.

한편, 제어신호 발생부(600)는 상체지지부(100), 대퇴구동부(400), 대퇴지지부(500) 및 본체부(200) 중 어느 한 곳에 장착되는 가속도 센서(650)일 수 있다.

이때, 가속도 센서(650)는 상체지지부(100), 대퇴구동부(400), 대퇴지지부(500) 및 본체부(200) 중 어느 한 곳의 가속도에 의한 움직임을 감지하고, 컨트롤러(220)는 이러한 가속도 센서의 신호에 근거하여 착용자의 동작의도를 판단하여 구동모터 또는 와이어모터를 구동시킬 수 있다.

예를 들면, 몸을 굽힌 상태에서 무거운 짐을 들어 올리기 위하여 팔과 상체를 움직여 상기 가속도 센서가 고관절을 전개 또는 팔을 들어올리는 동작에 대응하는 가속도를 감지하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 본체(200)에 구비된 와이어모터(240) 또는 대퇴구동부(400)에 구비된 구동모터(410)를 구동시켜 동작 의도에 따른 보조력을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 스위칭 유닛(610)은 가속도 센서(650)와 함께 장착되거나 생략될 수도 있다.

또 한편, 제어신호 발생부(600)는 착용자의 족저면의 전방 및 후방에 분산 배치되는 족저압 센서(670)일 수 있다.

양발의 전방과 후방이 모두 접지된 상태에서 양발의 전방과 후방에 구비된 족저압 센서에 의하여 측정되는 족저압 또는 지면 반력이 전방과 후방에 일정 비율로 배분된 상태에서 착용자가 물건을 들어올리려고 몸을 굽히는 경우, 전방 족저압 또는 지면 반력이 증가할 수 있고, 전방 족저압 센서에서 측정된 족저압의 증가가 중단되면, 이때 족저압 센서 또는 지면반력 센서는 이러한 전방 족저압 또는 지면반력의 증가 신호 또는 증가 중단 신호를 컨트롤러(220)로 전달하며, 컨트롤러(220)는 이러한 신호에 기초하여 착용자가 물체를 들어올리려는 동작의도로 판단하여 착용자의 고관절이 전개되며 물건을 들어올리는 방향으로 본체(200)에 구비된 와이어모터(240) 또는 대퇴구동부(400)에 구비된 구동모터(410)를 구동시킴으로써 착용자가 팔의 보조력 또는 고관절 보조력을 제공할 수 있다.

또 한편, 전술한 각 메커니즘은 각각 구성되어 수행될 수 있으나 혼합되어 함께 연동되어 수행될 수도 있다.

그리고, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 보조력 제공장치는 의료 또는 재활에 사용되는 로봇과 달리 작업자가 무거운 짐을 들어올리는 경우 고관절 보조력과 팔의 보조력 제공을 목적으로 하므로, 대퇴구동부(400)의 구동모터의 작동 구간과 본체부(200)의 와이어모터의 작동 구간이 적어도 일부가 중첩될 수 있다.

다시 말해, 착용자가 바닥에 있는 물건을 들어올리는 경우, 예를 들면 물류회사에서의 상차 작업 등을 하는 경우, 전술한 스위칭 유닛(610), 엔코더(630), 가속도 센서(650) 및 족저압 센서(670) 중 적어도 하나의 감지 신호에 따라 팔의 보조력 제공과 제어신호 발생부(600)의 신호에 의한 대퇴구동부(400)의 보조력 제공이 연동되며 동시에 제공될 수 있다.

즉, 상기 와이어모터(240)의 제어 신호 발생을 위한 감지정보는 스위칭 유닛(610) 이외에도 엔코더(630), 가속도 센서(650) 및 족저압 센서(670) 중 적어도 하나일 수 있다.

한편, 고관절의 전개가 완료되고 손에서 짐을 내려놓은 경우에 본체(200)에 구비된 와이어모터(240) 또는 대퇴구동부(400)에 구비된 구동모터(410)터의 구동이 정지되고 대퇴구동부(400)의 구동모터(410)는 저저항 구동 모드 진입 등의 방법으로 착용자의 움직임 자유도가 허용되도로 제어될 수 있고, 상기 와이어모터(240) 역시 저저항 구동모드 또는 역회전 구동모드로 구동될 수 있다.

상기 대퇴구동부(400)의 저저항 구동모드는 전술한 고관절구동부의 상체 전개방향으로 제공되던 고관절 보조력보다 약한 보조력을 제공하는 상태로, 예를 들면 몸을 숙이는 경우 고관절구동부의 기계적 임피던스를 최소화하기 위하여 몸을 숙이는 방향으로 약한 보조력이 제공되는 상태를 의미한다. 그리고, 이 경우, 상기 와이어모터 역시 착용자의 의도에 따라 견인된 와이어가 풀려 인출될 수 있도록 구동력이 해제되는 저저항 모드로 진입하거나, 필요에 따라 인출방향으로 미리 결정된 길이 견인와이어가 인출되도록 역회전 구동될 수도 있다.

본 발명에 따른 보조력 제공 장치에 대하여 설명하였으며 다만, 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 실시예가 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 할 수 있다.

10 : 보조력 제공 장치
100 : 상체지지부
200 : 본체부
300 : 연결부재
400 : 대퇴구동부
500 : 대퇴지지부
600 : 제어신호 발생부

Claims (19)

1. 착용자의 상체에 착용되는 상체지지부;
   상기 착용자의 좌측 및 우측 대퇴 영역에 각각 착용되는 한 쌍의 대퇴지지부;
   상기 대퇴지지부의 일단이 연결되고, 상기 대퇴지지부를 회전 구동시키는 구동력을 제공하며, 착용자의 고관절 영역에 배치되는 한 쌍의 대퇴구동부;
   상기 대퇴구동부의 전원 공급을 위한 배터리 및 상기 대퇴구동부를 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하며, 상기 대퇴구동부와 연결부재로 연결되며 착용자의 등판 영역에 구비되고, 양 견부(肩部, shoulder)의 움직임 간섭을 최소화하기 위하여 삼각형 형태로 구성되는 본체부; 및
   상기 본체부 컨트롤러의 제어신호를 발생시키는 제어신호 발생부;를 포함하고,
   상기 상체지지부는 상기 착용자의 양 견부(肩部, shoulder) 둘레를 감싸도록 구성되며, 상기 본체부에 고정되며,
   상기 본체부는 삼각형 형태로 구성되는 제1 본체와, 상기 제1 본체 하부에 결합되며 상기 연결부재와 연결되는 제2 본체로 분할 구성되며, 상기 본체부와 등판의 접촉을 방지하도록 상기 본체부와 등판 사이에 공간을 형성하기 위하여 상기 제1 본체와 상기 제2 본체는 결합 각도가 변경 가능하도록 연결되며,
   상기 본체부를 구성하는 제1 본체는 상단부가 인출 가능하도록 구성되어 제1 본체의 길이 조절이 가능하고,
   상기 제어신호 발생부는 상기 착용자의 손에 장착되는 스위칭 유닛을 포함하고,
   상기 본체부는 상기 스위칭 유닛의 작동에 따라 상기 착용자의 팔에 견인력을 제공하기 위하여 상기 스위칭 유닛에 연결되며, 상기 본체부에서 상기 상체지지부를 경유하고 상기 상체지지부의 어께 부분에서 인출되도록 장착되는 한 쌍의 견인와이어 및 상기 견인와이어를 권취하기 위한 와이어모터를 더 포함하며,
   상기 스위칭 유닛은 손바닥 방향으로 돌출되어 가압시 작동되는 탄성스위치와, 상기 탄성스위치가 장착되며 상기 착용자의 손에 착용되는 착용부재를 포함하며, 상기 착용부재는 상기 착용자의 손 또는 팔을 견인할 수 있도록 상기 견인와이어에 연결되는 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   한 쌍의 상기 대퇴지지부는 각각 착용자의 대퇴 둘레를 감싸는 착용부재와, 상기 착용부재와 상기 대퇴구동부를 연결하는 링크부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
4. 제1항에 있어서,
   한 쌍의 상기 대퇴구동부는 구동모터 및 적어도 하나의 기어가 구비된 기어 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 대퇴구동부는 상기 구동모터에서 제공되는 구동력을 완충 또는 착용자의 동작의도 파악을 위한 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    한 쌍의 상기 대퇴구동부는 구동모터를 포함하되, 상기 대퇴구동부의 구동모터의 작동 구간과 상기 본체부의 와이어모터의 작동 구간은 적어도 일부가 중첩되는 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 와이어모터의 출력축에는 상기 견인와이어를 회수 또는 견인력을 완충하기 위한 탄성롤러가 구비되는 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
13. 삭제
14. 제1항에 있어서,
    상기 제어신호 발생부는 상기 대퇴구동부에 구비되는 엔코더인 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 엔코더가 대퇴구동부를 연결하는 링크부재의 일향으로의 회전 감지시 상기 컨트롤러는 상기 일방으로의 동작의도로 판단하여 상기 구동모터 또는 와이어모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
16. 제1항에 있어서,
    상기 제어신호 발생부는 상기 상체지지부, 상기 대퇴구동부, 상기 대퇴지지부 및 상기 본체부 중 적어도 한 곳에 장착되는 가속도 센서인 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
17. 제16항에 있어서,
    상기 가속도 센서가 고관절을 전개하거나 물건을 들어올리는 동작에 대응하는 가속도 감지시 상기 컨트롤러는 상기 가속도의 동작의도로 판단하여 상기 구동모터 또는 와이어모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
18. 제1항에 있어서,
    상기 제어신호 발생부는 상기 착용자의 족저면의 전방 및 후방에 분산 배치되는 족저압 센서인 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
19. 제18항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 착용자의 양 발의 전방 및 후방에 분산 배치되는 족저압 센서의 족저압 중 전방 족저압 센서의 족저압 증가 또는 증가 중단시 상기 착용자가 물체를 들어올리려는 동작의도로 판단하여 상기 구동모터 또는 와이어모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 보조력 제공 장치.
    

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