KR20210065644A

KR20210065644A - Wearable exoskeleton robot equipped with pneumatic module for leg

Info

Publication number: KR20210065644A
Application number: KR1020190154638A
Authority: KR
Inventors: 공현철; 김동민
Original assignee: 주식회사 에프알티
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-06-04

Abstract

An objective of the present invention is to provide a wearable exoskeleton robot operated with a pneumatic power pack to overcome the problems of a conventional wearable exoskeleton suit using a hydraulic power pack. To this end, the wearable exoskeleton robot for lower limbs includes a hip support formed to surround at least a part of wearer's buttocks, and a pair of leg supports hinged to the hip support. The leg supports include an upper leg support part hinged to the hip support, a lower leg support part hinged to the upper leg support part, and a pneumatic cylinder connected each of the upper leg support part and the lower leg support part and providing a force acting in an unfolding direction of the upper leg support part against the lower leg support part.

Description

Wearable exoskeleton robot equipped with pneumatic module for leg}

본 발명은 모션 보조를 위한 웨어러블 외골격 로봇에 관한 것이며, 보다 상세하게는 하지에 착용되어 모션 보조를 수행하는 웨어러블 외골격 로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a wearable exoskeleton robot for motion assistance, and more particularly, to a wearable exoskeleton robot that is worn on the lower extremities to perform motion assistance.

기존의 착용형 외골격 로봇은 고하중의 무게를 버틸 수 있도록 유압 파워팩을 구성하여 운행되었으나, 유압 시스템이 가지는 제어, 무게, 소음 등의 문제로 인해 원활한 운행을 담보할 수 없었다. 또한 유압 시스템은 출력이 커서 노약자가 사용하기에는 부적합한 한계도 있었다.Existing wearable exoskeleton robots were operated by configuring a hydraulic power pack to withstand the weight of a high load, but smooth operation could not be guaranteed due to problems such as control, weight, and noise of the hydraulic system. In addition, the hydraulic system had a large output, which made it unsuitable for the elderly to use.

공개특허공보 10-2015-0016362 (공개일자: 2015년02월11일)Laid-Open Patent Publication No. 10-2015-0016362 (published date: February 11, 2015)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유압 파워팩을 사용하는 기존의 웨어러블 외골격 슈트의 문제를 극복할 수 있는 공압 파워팩으로 운영되는 웨어러블 외골격 로봇을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a wearable exoskeleton robot operated with a pneumatic power pack that can overcome the problem of the existing wearable exoskeleton suit using a hydraulic power pack.

본 발명의 실시예에 따른 하지용 웨어러블 외골격 로봇은 착용자의 엉덩이의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 엉덩이 지지부, 그리고 상기 엉덩이 지지부에 힌지 가능하게 연결되는 한 쌍의 다리 지지부를 포함한다. 상기 다리 지지부는 상기 엉덩이 지지부에 힌지 가능하게 연결되는 상측 다리 지지부, 상기 상측 다리 지지부에 힌지 가능하게 연결되는 하측 다리 지지부, 그리고 상기 상측 다리 지지부와 상기 하측 다리 지지부에 각각 연결되어 상기 상측 다리 지지부가 상기 하측 다리 지지부에 대해 펼쳐지는 방향으로 작용하는 힘을 제공하는 공압 실린더를 포함한다.The wearable exoskeleton robot for lower extremities according to an embodiment of the present invention includes a hip support formed to surround at least a portion of a wearer's buttocks, and a pair of leg supports hingedly connected to the hip support. The leg support part is an upper leg support part hingeably connected to the hip support part, a lower leg support part hingeably connected to the upper leg support part, and the upper leg support part and the lower leg support part are respectively connected to the upper leg support part. and a pneumatic cylinder providing a force acting in an unfolding direction against the lower leg support.

상기 공압 실린더는 상기 상측 다리 지지부와 상기 하측 다리 지지부의 후방 측에 각각 연결될 수 있다.The pneumatic cylinder may be respectively connected to the rear side of the upper leg support and the lower leg support.

본 발명의 다른 실시예에 따른 하지용 웨어러블 외골격 로봇은 상기 공압 실린더를 작동시킬 공압을 생성하기 위해 공기를 펌핑하는 에어 펌프, 그리고 상기 에어 펌프에 의해 펌핑된 공기를 저장하는 에어 탱크를 더 포함할 수 있다.The wearable exoskeleton robot for lower extremities according to another embodiment of the present invention further comprises an air pump for pumping air to generate air pressure to operate the pneumatic cylinder, and an air tank for storing the air pumped by the air pump can

본 발명의 다른 실시예에 따른 하지용 웨어러블 외골격 로봇은 상기 엉덩이 지지부에 결합되는 허리 지지부를 더 포함할 수 있으며, 상기 에어 펌프와 상기 에어 탱크는 상기 허리 지지부에 설치될 수 있다.The wearable exoskeleton robot for lower extremities according to another embodiment of the present invention may further include a lumbar support coupled to the hip support, and the air pump and the air tank may be installed in the lumbar support.

본 발명에 의하면, 공압을 이용하여 하지용 웨어러블 외골격 로봇의 모션 보조를 수행함으로써 간단한 구조 및 작은 무게로 모션 보조 구조를 구현할 수 있다.According to the present invention, it is possible to implement a motion assistance structure with a simple structure and a small weight by performing motion assistance of the wearable exoskeleton robot for lower extremities using pneumatic pressure.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 외골격 로봇의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 외골격 로봇의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 외골격 로봇의 배면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 외골격 로봇의 측면도이다.1 is a perspective view of a wearable exoskeleton robot according to an embodiment of the present invention.
2 is a front view of a wearable exoskeleton robot according to an embodiment of the present invention.
3 is a rear view of a wearable exoskeleton robot according to an embodiment of the present invention.
4 is a side view of a wearable exoskeleton robot according to an embodiment of the present invention.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 외골격 로봇은 착용자의 하지에 착용되어 착용자의 모션, 특히 무릎을 굽혔다가 펴는 모션을 보조할 수 있도록 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 웨어러블 외골격 로봇은 엉덩이 지지부(10), 엉덩이 지지부(10)에 힌지 가능하게 각각 연결되는 한 쌍의 다리 지지부(20), 그리고 엉덩이 지지부(10)에 고정되는 허리 지지부(30)를 포함할 수 있다.The wearable exoskeleton robot according to an embodiment of the present invention is worn on the lower extremities of the wearer and is configured to assist the wearer's motion, particularly the bending and stretching motion of the knee. As shown in FIG. 1 , the wearable exoskeleton robot has a hip support unit 10 , a pair of leg supports 20 hingeably connected to the hip support unit 10 , and a waist support unit fixed to the hip support unit 10 . (30) may be included.

엉덩이 지지부(10)는 착용자의 엉덩이의 후면 및 측면을 감쌀 수 있도록 형성되며, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 대략 'ㄷ'자 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 엉덩이 지지부(10)는 착용자의 엉덩이의 후면을 마주하도록 형성되는 후면 지지부(11) 및 후면 지지부(11)의 양측 단에서 전방으로 각각 연장되는 측면 지지부(12)를 포함할 수 있다.The hip support unit 10 is formed to wrap the rear and side surfaces of the wearer's buttocks, and for example, may be formed to have a substantially 'C' shape as shown in FIG. 1 . Specifically, the buttock support 10 may include a rear support 11 formed to face the rear of the wearer's buttocks and a side support 12 respectively extending forward from both ends of the rear support 11 .

한 쌍의 다리 지지부(20)의 착용자의 양측 다리의 외측면을 각각 지지할 수 있도록 형성될 수 있다. 한 쌍의 다리 지지부(20)는 힌지 연결부(21)를 통해 엉덩이 지지부(10)의 측면 지지부(12)의 전방 단에 힌지 가능하게 각각 연결된다. 다리 지지부(20)는 착용자의 대퇴부 부위를 지지할 수 있도록 형성되는 상측 다리 지지부(22)와 착용자의 종아리 부위를 지지할 수 있도록 형성되는 하측 다리 지지부(23)를 포함할 수 있으며, 하측 다리 지지부(23)의 상단이 힌지 연결부(24)를 통해 상측 다리 지지부(22)의 하단에 힌지 가능하게 체결될 수 있다. 이에 의해 상측 다리 지지부(22)는 엉덩이 지지부(10)에 힌지 가능하게 연결되어 사람과 골반과 대퇴부 부위의 상대 운동을 모사할 수 있으며, 하측 다리 지지부(23)는 상측 다리 지지부(22)에 힌지 가능하게 연결되어 사람의 대퇴부 부위와 종아리 부위의 상대 운동을 모사할 수 있다. 이때 한 쌍의 다리 지지부(20)는 사람의 다리와 마찬가지로 좌우 대칭 구조를 가질 수 있다. 착용된 상태에서 착용자가 무릎을 굽히면 하측 다리 지지부(23)에 대해 상측 다리 지지부(22)가 힌지 연결부(24)를 중심으로 회동하면서 상부 다리 지지부(22)와 하부 다리 지지부(23)가 착용자의 대퇴부 부위와 종아리 부위의 각도에 맞는 상대 각도를 형성할 수 있다.The pair of leg supports 20 may be formed to support the outer surfaces of both legs of the wearer, respectively. The pair of leg supports 20 are each hingeably connected to the front end of the side support 12 of the buttock support 10 through a hinge connection part 21 . The leg support 20 may include an upper leg support 22 formed to support the wearer's thigh portion and a lower leg support 23 formed to support the wearer's calf portion, and the lower leg support portion The upper end of the 23 may be hingeably fastened to the lower end of the upper leg support 22 through the hinge connecting portion 24 . As a result, the upper leg support 22 is hingeably connected to the hip support 10 to simulate the relative motion of a person, the pelvis, and the thigh region, and the lower leg support 23 is hinged to the upper leg support 22 . It is possible to be connected to simulate the relative motion of the human thigh region and calf region. In this case, the pair of leg supporters 20 may have a left-right symmetrical structure similar to that of a human leg. When the wearer bends the knee in the worn state, the upper leg support 22 and the lower leg support 23 rotate with respect to the lower leg support 23 about the hinge connection part 24, and the upper leg support 22 and the lower leg support 23 are the wearer's It is possible to form a relative angle that matches the angle between the thigh region and the calf region.

한편, 전원 공급을 위한 배터리(41), 전원 온/오프를 위한 전원 스위치(42), 압력 스위치(43), 작동 제어를 위한 마이크로프로세서, 메모리 및 관련 하드웨어를 구비하는 제어 보드(44), 공기를 펌핑하는 에어 펌프(45), 에어 펌프(45)에 의해 펌핑된 공기를 저장하는 에어 탱크(46), 및 에어 탱크(46)에서 배출되는 공압의 공급을 조절하는 솔레노이드 밸브 모듈(47)을 포함할 수 있다. 제어 보드(44)는 에어 펌프(45) 및 솔레노이드 밸브 모듈(47)의 작동을 제어하여 공압 공급을 제어함으로써 모션 보조가 이루어질 수 있도록 한다. 허리 지지부(30)는 사람의 허리 후면을 지지할 수 있는 형상을 가질 수 있으며, 배터리(41), 전원 스위치(42), 제어 보드(44), 에어 펌프(45), 에어 탱크(46) 및 밸브 모듈(47)이 허리 지지부(30)의 후면에 설치될 수 있다.On the other hand, a battery 41 for power supply, a power switch 42 for power on/off, a pressure switch 43, a microprocessor for operation control, a control board 44 having a memory and related hardware, air An air pump 45 for pumping the air pump 45, an air tank 46 for storing the air pumped by the air pump 45, and a solenoid valve module 47 for regulating the supply of pneumatic pressure discharged from the air tank 46 may include The control board 44 controls the operation of the air pump 45 and the solenoid valve module 47 to control the pneumatic supply so that motion assistance can be achieved. The lumbar support 30 may have a shape capable of supporting the back of a person's waist, and may include a battery 41 , a power switch 42 , a control board 44 , an air pump 45 , an air tank 46 and The valve module 47 may be installed on the rear side of the lumbar support 30 .

에어 펌프(45)는 일반적으로 사용되는 에어 컴프레셔일 수 있다. 압력 스위치(43)는 에어 탱크(45) 내의 압력에 의해 기계적으로 온/오프 작동하는 스위치로 구성될 수 있다. 예를 들어 에어 탱크(45) 내의 압력이 정해진 압력에 도달하면 공기 압력에 의해 스위치가 작동되고 그에 의해 에어 펌프(45)의 작동이 정지되고 공기 압력이 다시 낮아지면 압력 스위치(43)의 접점이 원 상태로 복귀하면서 에어 펌프(45)가 다시 작동되도록 구성될 수 있다. 압력 센서에 비해 저렴한 압력 스위치를 사용하여 에어 펌프의 작동을 조절함으로써 전체 장치의 제조 원가를 줄일 수 있다.The air pump 45 may be a generally used air compressor. The pressure switch 43 may be configured as a switch that is mechanically turned on/off by the pressure in the air tank 45 . For example, when the pressure in the air tank 45 reaches a predetermined pressure, the switch is operated by the air pressure, thereby stopping the operation of the air pump 45, and when the air pressure is lowered again, the contact of the pressure switch 43 is closed. While returning to the original state, the air pump 45 may be configured to operate again. By using a pressure switch, which is cheaper than a pressure sensor, to control the operation of the air pump, the manufacturing cost of the entire device can be reduced.

하측 다리 지지부(23)에 대한 상측 다리 지지부(22)의 회동 모션을 보조하기 위한 공압 실린더(50)가 구비된다. 공압 실린더(50)는 솔레노이드 밸브 모듈(47)을 통해 에어 탱크(46)의 공압을 공급받으며, 공압 실린더(50)는 공급된 공압을 이용하여 하측 다리 지지부(22) 쪽으로 접혔던 상측 다리 지지부(22)가 펼쳐지는 방향으로 작용하는 힘을 제공할 수 있다. 이에 의해 착용자는 앉은 상태에서 일어날 때 공압 실린더(50)의 모션 보조력을 지원받을 수 있다. 구체적으로, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 공압 실린더(50)의 상단은 상측 다리 지지부(22)에 결합된 상측 체결 브라켓(51)에 힌지 축(52)을 통해 힌지 가능하게 연결될 수 있고, 공압 실린더(50)의 하단은 하측 다리 지지부(23)에 결합된 하측 체결 브라켓(53)에 힌지 축(54)을 통해 힌지 가능하게 연결될 수 있다. 공압 실린더(50)는 상측 다리 지지부(22)와 하측 다리 지지부(23)의 후방 측에 각각 연결될 수 있다. 공압 실린더(50)는 실린더와 이에 이동 가능하게 삽입되는 피스톤을 포함할 수 있으며, 공압 공급 시 신장되어 착용자의 기립 모션을 보조하는 힘을 제공할 수 있다.A pneumatic cylinder 50 is provided to assist the rotational motion of the upper leg support 22 with respect to the lower leg support 23 . The pneumatic cylinder 50 receives the pneumatic pressure of the air tank 46 through the solenoid valve module 47, and the pneumatic cylinder 50 uses the supplied pneumatic pressure to the upper leg support part ( 22) can provide a force acting in the direction of unfolding. Thereby, the wearer may be supported by the motion assisting force of the pneumatic cylinder 50 when rising from a seated state. Specifically, as shown in FIGS. 1 and 4 , the upper end of the pneumatic cylinder 50 is hingedly connected to the upper fastening bracket 51 coupled to the upper leg support 22 through a hinge shaft 52 . The lower end of the pneumatic cylinder 50 may be hingeably connected to the lower fastening bracket 53 coupled to the lower leg support 23 through a hinge shaft 54 . The pneumatic cylinder 50 may be connected to the rear side of the upper leg support 22 and the lower leg support 23 , respectively. The pneumatic cylinder 50 may include a cylinder and a piston movably inserted therein, and may be extended when pneumatic is supplied to provide a force to assist the wearer's standing motion.

도면에 도시되지 않았으나, 착용자의 보행 동작을 감지하기 위한 모션 감지 센서가 구비될 수 있으며, 모션 감지 센서를 기초로 착용자가 무릎을 구부린 상태에서 펴는 동작을 하는 것으로 판단될 때 에어 탱크(46)에 저장된 공기를 공압 실린더(50)로 공급되도록 하여 착용자가 무릎을 펴는 동작을 도와줄 수 있다.Although not shown in the drawing, a motion detection sensor for detecting the walking motion of the wearer may be provided, and based on the motion detection sensor, when it is determined that the wearer is performing an unfolding motion in a bent state, in the air tank 46 By supplying the stored air to the pneumatic cylinder 50, it can help the wearer to straighten the knee.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.Although the embodiment of the present invention has been described above, the scope of the present invention is not limited thereto, and it is easily changed by a person skilled in the art from the embodiment of the present invention and recognized as equivalent. including all changes and modifications to the scope of

10: 엉덩이 지지부
20: 다리 지지부
30: 허리 지지부
11: 후면 지지부
12: 측면 지지부
21: 힌지 연결부
22: 상측 다리 지지부
23: 하측 다리 지지부
24: 힌지 연결부
41: 배터리
42: 전원 스위치
43: 압력 스위치
44: 제어 보드
45: 에어 펌프
46: 에어 탱크
47: 밸브 모듈
50: 공압 실린더
51: 상측 체결 브라켓
52: 힌지 축
53: 하측 체결 브라켓
54: 힌지 축10: buttock support
20: leg support
30: waist support
11: rear support
12: side support
21: hinge connection
22: upper leg support
23: lower leg support
24: hinge connection
41: battery
42: power switch
43: pressure switch
44: control board
45: air pump
46: air tank
47: valve module
50: pneumatic cylinder
51: upper fastening bracket
52: hinge axis
53: lower fastening bracket
54: hinge axis

Claims

a hip support configured to surround at least a portion of a wearer's hip, and
It includes a pair of leg supports hingedly connected to the hip support,
the leg support
an upper leg support hingeably connected to the hip support;
a lower leg support hingeably connected to the upper leg support; and
A pneumatic cylinder connected to the upper leg support part and the lower leg support part, respectively, to provide a force acting in a direction in which the upper leg support part is unfolded with respect to the lower leg support part
Wearable exoskeleton robot for lower extremities comprising a.

In claim 1,
The pneumatic cylinder is a wearable exoskeleton robot for lower extremities respectively connected to the rear side of the upper leg support part and the lower leg support part.

In claim 1,
an air pump that pumps air to create pneumatic pressure to actuate the pneumatic cylinder, and
An air tank for storing the air pumped by the air pump
Wearable exoskeleton robot for lower extremities further comprising a.

In claim 3,
Further comprising a lumbar support coupled to the hip support,
The air pump and the air tank are installed in the waist support
Wearable exoskeleton robot for lower extremities.