KR101315199B1 - 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇 - Google Patents

패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇 Download PDF

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김범중
천희범
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Abstract

본 발명은 기존의 보행 보조로봇이 각 관절마다 모터를 사용하는 능동형 제어를 하여 제어 변수가 많아져 오작동이나 제어오류로 인해 안정성에 중요한 문제가 있으며 노약자나 노동인부들을 대상으로 제작하기 때문에 제작비용이 저렴해야 하는데 많은 수의 부품과 모터가 수반되기 때문에 제작 비용이 높고, 많은 수의 모터는 제어 변수가 많아져 사람의 안정성에 아주 불안하거나 민감한 요수가 되며 제작 비용이 상승되는 문제가 발생되어, 일반인의 보조로봇 사용이 어려운 문제점을 개선하고자, 대퇴부 프레임, 링크 프레임, 하퇴부 프레임, 족평부 프레임이 결합되어 구성됨으로써, 탄성스프링의 위치만의 액티브한 제어가 가능하고, 모터 및 자동제어부품을 최소화한 보행 보조로봇을 제작하여, 저렴한 비용으로 제작이 가능하고 대량생산이 가능하여 가격경쟁력을 갖추고 상용화시기를 앞당길 수 있어 보급화가 빠르게 진행될 수 있고, 제품의 무게가 경량화되어 휴대 및 보관이 용이하고, 오작동이나 제어오류로 인한 안전사고를 방지할 수 있으며, 보행하지 않을 경우 의자에 앉거나 무릎을 구부리는 것이 용이한 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족형 보행 보조로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇{Walking assistant robots to use passive muscle compensation device}
본 발명은 능동적인 제어가 가능하고, 모터 및 자동제어부품을 최소화하여 가격경쟁력을 갖추고 상용화시기를 앞당길 수 있어 보급화가 빠르게 진행될 수 있고, 오작동이나 제어오류로 인한 안전사고를 방지할 수 있는 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족형 보행 보조로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.
보행 보조로봇은 산업화의 발전에 따라 인구의 평균연령이 높아지는 고령화 사회에 접어들며 고령자의 인구가 증가하고 근력이 쇠약해진 고령자의 보행을 보조할 수 있는 기구의 필요성이 높아짐에 따라 노약자의 보행보조기구나, 사고나 선천적인 장애로 인해 몸이 불편한 사람들의 하반신을 보조하여 보행을 도와주는 재활 보조기구나, 노동근로자들과 같은 장시간 육체적인 일을 하는 사람들의 하중을 받쳐 주는 역할을 하는 산업현장용 근력 증폭기 등에 응용되어 사회 전반적으로 널리 사용되고 있다.
하지만, 기존의 보행 보조로봇은 각 관절마다 모터를 사용하는 능동형 제어를 하여 제어 변수가 많아져 그로 인한 오작동이나 제어오류로 인해 모터의 발진과 같은 안정성에 중요한 문제가 있고, 제품의 중량이 커 휴대 및 보관이 어렵고, 고용량의 모터 및 센서등의 능동적인 제어를 하는 다수개의 고가의 부품으로 제작되어 제작비용이 상승되어 높은 가격으로 인해 일반인들이 구매하기 어려워 상용화가 어려워 실질적으로 주 사용층인 노약자나 노동인부들이 보편적으로 사용하기 어려운 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 모터 및 자동제어부품을 최소화한 보행 보조로봇을 제작하여, 저렴한 비용으로 제작이 가능하고 대량생산이 가능하여 가격경쟁력을 갖추고 상용화시기를 앞당길 수 있어 보급화가 빠르게 진행될 수 있고, 제품의 무게가 경량화되어 휴대 및 보관이 용이하고, 오작동이나 제어오류로 인한 안전사고를 방지할 수 있으며, 보행하지 않을 경우 의자에 앉거나 무릎을 구부리는 것이 용이한 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족형 보행 보조로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇은
허벅지의 바깥쪽 측면에 형성되어 허벅지를 지지하는 대퇴부 프레임과,
링크부는 대퇴부와 하퇴부의 사이에 형성되어 탄성스프링에 하중을 전달하는 링크 프레임과,
종아리의 바깥쪽 측면에 형성되어 종아리를 지지하는 하퇴부 프레임과,
사용자의 족부에 고정되어 보행시 발바닥을 받쳐주고 발목의 움직임에 따라 자연스럽게 회전되며 보행을 도와주는 족평부 프레임이 결합되어 구성됨으로써 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 모터 및 자동제어부품을 최소화한 보행 보조로봇을 제작하여, 저렴한 비용으로 제작이 가능하고 대량생산이 가능하여 가격경쟁력을 갖추고 상용화시기를 앞당길 수 있으며, 구입부담을 줄여주어 단체나 법인이 아닌 개인이 구입할 수 있어 보급화가 빠르게 진행될 수 있고, 제품의 무게가 경량화되어 휴대 및 보관이 용이하고, 저용량의 모터로 캠을 돌려 탄성스프링의 위치만을 액티브하게 제어하여 오작동이나 제어오류로 인한 안전사고를 방지할 수 있으며, 탄성스프링과 연결되는 링크부의 분리 및 결합이 간단하여 보행하지 않을 경우 의자에 앉거나 무릎을 구부리는 것이 용이한 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족형 보행 보조로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 족형 보행 보조로봇의 전체적인 구성요소를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 대퇴부 프레임의 구성요소를 도시한 정면도,
도 3은 본 발명에 따른 링크 프레임의 구성요소를 도시한 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 하퇴부 프레임의 구성요소를 도시한 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 족평부 프레임의 구성요소를 도시한 정면도,
도 6은 본 발명에 따른 사용자가 족형 보행 보조로봇을 착용한 실시예를 도시한 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 사용자의 무릎이 굽혀지며 하중이 실릴 때 이동회전부가 반시계방향으로 회전되어 지지부가 접촉되고, 탄성스프링이 압축되며 반발력이 작용하는 것을 도시한 정면도,
도 8은 본 발명에 따른 사용자의 무릎이 펴지며 지면에 떨어져 하중이 실리지 않을 때 이동회전부가 시계방향으로 회전되어 지지부가 이격되고, 탄성스프링이 복원되는 것을 도시한 정면도,
도 9는 본 발명에 따른 사용자가 족행 보행 보조로봇을 착용하고 계단에 올라가는 실시예를 도시한 정면도,
도 10은 본 발명에 따른 족평부 프레임의 하단을 도시한 저면도.
본 발명을 설명하기에 앞서 족행 보행 보조로봇은 왼쪽과 오른쪽 다리에 대칭으로 형성되어 착용하는 것으로 왼쪽 다리에 착용되는 보조로봇을 기준으로 설명한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 족행 보행 보조로봇(1)의 전체적인 형상을 도시한 사시도에 관한 것으로, 대퇴부 프레임(100), 링크프레임(200), 하퇴부 프레임(300), 족평부 프레임(400)으로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 대퇴부 프레임(100)에 관해 설명한다.
상기 대퇴부 프레임(100)은 대퇴부를 지지하는 프레임으로 허벅지의 바깥쪽 측면에 형성되어 구동모터(110)의 동력을 전달하여 이동회전부(132)를 0 ~ 180°의 각도로 반시계·시계방향으로 회전시켜 스프링부(310)의 위치를 액티브하게 제어해주는 역할을 하는 것으로, 이는 구동모터(110), 컨베이어(120), 캠구동부(130), 지지부(140), 무릎관절부(150)로 구성된다.
상기 구동모터(110)는 캠구동부(130)의 상단에 위치하고, 컨베이어(120)를 통해 캠구동부(130)와 연결되어 회전을 통해 구동동력을 전달하는 역할을 한다.
여기서, 구동모터(110)는 180°의 각도로 정·역회전이 가능한 모터를 사용하여 제어부에서 전달받은 하중정보를 바탕으로 발이 지면에 닿아 체중이 실리며 가장 큰 하중이 작용할 때는 반시계방향으로 180°회전되고, 발이 지면에서 떨어지면 압력값이 0이 되며 시계방향으로 180°회전된다.
상기 컨베이어(120)는 구동모터(110)와 캠구동부(130)의 외부표면에 인장되어 감겨지는 밸트형상으로 구동모터(110)의 상단 외부표면과 캠구동부(130)의 하단 외부표면에 인장되도록 감겨져 구동모터(110)의 회전력을 캠 구동부(130)로 전달시키고, 이때 마찰력을 극대화시켜 공회전되거나 미끄러져 구동동력이 손실되는 것을 방지한다.
상기 캠구동부(130)는 구동모터(110)의 하단에 컨베이어(120)와 연결되도록 형성되어, 컨베이어(120)의 구동에 따라 회전되며 지지부(140)와 붙었다가 떨어짐을 반복하여 스프링부(310)의 장력을 유동적으로 조절하는 것으로 이는, 고정회전부(131), 이동회전부(132), 탈착방지부(133)로 구성된다.
상기 고정회전부(131)는 전체적으로 도르래 형상으로 형성되어 외부표면 중앙의 틈에 컨베이어(120)가 연결되어 구동모터(110)의 180°의 각도로 정·역회전하는 회전력을 전달받고, 이동회전부(132)의 4개의 홀 중에 하나의 홀(132a)에 삽입되도록 돌출되는 핀(131a)이 형성된다.
상기 이동회전부(132)는 고정회전부(131)와 탈착방지부(133)의 사이에 위치하고, 180° 반시계방향으로 회전되어 하단으로 이동되었을 때 지지부(140)가 맞닿으며 스프링부(310)와 연결되도록 형성되는 것으로, 원을 중심으로 4방향의 홀(132a)이 형성되고 하나의 홀(132a)에 핀(131a)이 삽입되어 고정회전부(131)가 구동모터에 의해 반시계방향으로 180°로 회전하게 되면 핀(131a)이 삽입된 부분이 회전되며 가장 낮은 위치로 이동하게 되고, 시계방향으로 180°로 회전하게 되면 핀(131a)이 삽입된 부분이 회전되었던 방향으로 회전하며 가장 높은 위치로 이동하게 된다.
여기서, 이동회전부(132)가 가장 낮은 위치로 이동하게 되면 지지부(140)와 접촉하며 링크 프레임(200)을 통해 스프링부(310)가 압축되어 탄성스프링에 탄성력이 작용하게 되고, 가장 높은 위치로 이동하게 되면 지지부(140)와 이격되며 스프링에 탄성력이 작용하지 않게 된다.
상기 탈착방지부(133)는 이동회전부(132)에 삽입되어 축을 이루는 핀(131a)의 돌출된 부분과 대퇴부 프레임(100)을 연결 지지하여 이동회전부(132)가 회전되며 이동할 때 수직방향으로 가해지는 하중이나 외력에 의해 외부로 탈착되는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 지지부(140)는 상단에 이동회전부(132)가 형성되고 제1 지지축(211)을 통해 제1 링크부(210)와 결합되어 형성되는 것으로, 이동회전부(132)가 반시계방향으로 회전하여 하강하면 접촉되며 하단에 연결된 스프링부(310)에 반발력이 생기게 하고, 시계방향으로 회전하여 상승하면 이격되어 스프링부(310)에 반발력이 생기지 않도록 한다.
여기서, 제어부를 통해 사용자의 몸무게에 따라 최대의 하중을 설정하여 압력센서부(421)에서 측정된 하중을 바탕으로 구동모터(110)의 회전을 조절하여 캠 구동부(130)의 회전범위를 조절하고 탄성스프링의 탄성력을 사용자의 기호에 따라 조절할 수 있도록 한다.
상기 무릎관절부(150)는 대퇴부 프레임(100)의 하단에 형성되어 대퇴부 프레임(100)과 하퇴부 프레임(300)의 사이를 결합시켜주고 관절역할을 하는 축으로, 사용자의 무릎 내측면에 형성되어 무릎이 구부러지고 펴짐에 따라 회전되며 자연스러운 보행을 도와주는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 링크 프레임(200)에 관해 설명한다.
상기 링크 프레임(200)은 지지부(140)와 스프링부(310) 사이에 형성되어 무릎관절부(150)가 굽혀지며 지지부(140)와 스프링부(310) 사이의 간격이 좁아지는 만큼 탄성스프링에 하단방향으로 압력을 가하여 반발력이 생기게 하고, 무릎관절이 펴질 때 사이의 간격이 벌어지는 만큼 복귀되며 탄성스프링의 압력을 제거하여 압축된 탄성스프링이 복원되도록 하는 것으로, 이는 제1 링크부(210), 제2 링크부(220), 제3 링크부(230)로 구성된다.
상기 제1 링크부(210)는 상단이 지지부(140)의 하단과 제1 지지축(211)을 통해 결합되고, 하단이 제2 링크부(220)의 상단의 제1 회전축(221)과 결합되어 형성된다.
상기 제2 링크부(220)는 상단이 제1 링크부(210)와 제1 회전축(221)을 통해 결합되고, 하단이 제3 링크부(230)와 제2 회전축(222)을 통해 결합되며, 중앙에 레버(223)가 형성된다.
상기 레버(223)는 내부의 외경에 스프링이 감겨져 있는 형상으로 제1 링크부(210)의 하단과, 제3 링크부(230)의 상단을 관통되도록 형성된다.
여기서, 잠금장치의 레버(223a)를 잡아당겨 제1 회전축(221)과 제2 회전축(222)을 탈착시킴에 따라 제2 링크부(220)에 결합된 제1 링크부(210)와 제3 링크부(230)가 분리되어 좌식으로 의자에 앉거나 다리를 굽혀 휴식을 취할 때 불필요한 스프링부(310)의 반발력을 제거하여 다리를 굽히고 앉을 수 있도록 하고, 레버(223a)를 밀어넣어 제1 회전축(221)과 제2 회전축(222)을 장착시킴에 따라 제1 링크부(210)와 제3 링크부(230)가 결합되며 스프링부(310)의 반발력을 유지하여 입식으로 보행시 근력을 보상받을 수 있도록 형태를 변형시킨다.
상기 제3 링크부(230)는 상단이 제2 링크부(220)의 하단과 제2회전축(222)을 통해 결합되고, 하단이 제2 지지축(231)을 통해 상단 스프링고정부(311)와 결합되어 형성된다.
여기서, 사용자의 무릎이 굽혀지며 대퇴부 프레임(100)과 하퇴부 프레임(300)이 접어질 때 간격이 좁혀지고, 그 사이를 연결하는 링크프레임(200)은 고정되어 간격이 줄어드는 만큼 링크 프레임(200)이 스프링부(310)에 하단방향으로 압력이 가해지며 탄성스프링(313)이 압축된다.
이때, 탄성스프링(313)에 상단방향으로 반발력이 발생하고 상단으로 중량을 받치는 힘이 작용하게 되어 보행시 지면에 전달되는 사용자의 하중을 상쇄시켜 무리가 가지 않고 적은 힘으로 보행을 할 수 있도록 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 하퇴부 프레임(300)에 관해 설명한다.
상기 하퇴부 프레임(300)은 종아리의 바깥쪽 측면에 형성되어 종아리를 지지하는 프레임으로, 상단이 무릎관절부(150)에 의해 대퇴부 프레임(100)과 고정되고 하단이 발목관절부(411)에 의해 족평부 프레임(400)에 고정되어 형성되는 것으로, 이는 스프링부(310), 상단 스프링 길이조절홈(320), 하단 스프링 길이조절홈(330)으로 구성된다.
상기 스프링부(310)는 제3 링크부(230)와 발목링크부(412)에 의해 하중을 받아 압축되는 압축량만큼 비례적으로 반발력이 발생되어 사용자의 하중을 상쇄시켜 근력을 보상받을 수 있도록 하는 것으로 이는, 상단 스프링고정부(311), 하단 스프링고정부(312), 탄성스프링(313)으로 구성된다.
상기 상단 스프링고정부(311)는 제3 링크부(230)의 하단에 제2 지지축(231)을 통해 결합되고 탄성스프링(313)의 상단에 고정되어 링크 프레임(200)으로부터 하단방향으로 압력을 받아 하강하는 만큼 탄성스프링(313)을 압축시킨다.
상기 하단 스프링고정부(312)는 발목링크부(412)와 제3 지지축(412a)을 통해 결합되고 상단에 탄성스프링(313)의 하단에 고정되어 발목링크부(412)로부터 상단방향으로 압력을 받아 상승하는 만큼 탄성스프링(313)을 압축시킨다.
상기 탄성스프링(313)은 상단 스프링고정부(311)와 하단 스프링고정부(312)의 사이에 고정되어 제3 링크부(230)와 발목링크부(412)에 의해 압력을 받아 수축되는 만큼 생기는 반발력을 통해 사용자의 하중을 상쇄시키는 역할을 한다.
여기서, 탄성스프링(313)은 사용자의 하중을 견딜 수 있고 하중에 대해 반발할 수 있는 탄성력을 가지는 것으로서, 더욱 상세하게는 고내식성, 고강도, 고탄성, 고피로강도의 특성을 갖는 코발트합금 스프링을 사용한다.
상기 코발트합금 스프링은 일반 성인의 평균 체중인 60~80kg의 하중을 충분히 견디면서 하중에 대한 최적의 반발 탄성력을 가질 수 있도록 하기 위하여, 코발트(Co) 50~65wt%, 크롬(Cr) 20~35wt%, 몰리브덴(Mo) 5~15wt%의 혼합으로 조성된 코발트합금으로 이루어진다.
이와 같이, 코발트(Co), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)의 합금을 이용하여 스프링을 제조함으로써, 응력, 탄성력이 뛰어나 반발력을 통해 사용자의 발목에 작용되는 하중을 상쇄시키고, 사이 각도가 커지면 발목링크부(412)가 스프링 하단을 잡아당겨 스프링이 복원되며 다음 동작을 준비할 수 있도록 한다.
상기 코발트(Co)는 주기율표 9족 4주기에 속하는 철족원소(鐵族元素)로 원소기호는 Co, 원자량 58.933g/mol, 녹는점 1,495℃, 끓는점 2,927℃, 밀도 8.90g/㎤인 금속으로서, 그 사용량이 50wt% 미만인 경우에는 고탄성, 고피로강도 특성이 떨어질 수 있고, 65wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 다른 성분의 함량이 줄어들어, 고내식성, 고강도특성이 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 코발트(Co)의 사용량은 전체 코발트합금에 대해 50~65wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 크롬(Cr)은 원자번호 24, 원자량 51.995로서 원소기호 Cr로 표시되는 은백색의 금속으로서, 그 사용량이 20wt% 미만인 경우에는 변색방지, 부식방지 기능성이 떨어지고, 35wt를 초과하게 되는 경우에는 고탄성 특성이 떨어질 수 있으므로, 상기 크롬(Cr)의 사용량은 전체 코발트합금에 대해 20~35wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 몰리브덴(Mo)은 원소기호 Mo, 원자번호 42, 원자량 95.94로서, 그 사용량이 5wt% 미만인 경우에는 내식성이 떨어지는 문제가 있고, 15wt를 초과하게 되는 경우에는 고탄성 특성이 떨어질 수 있으므로, 상기 몰리브덴(Mo)의 사용량은 전체 코발트합금에 대해 5~15wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 상기 코발트합금은 코발트(Co) 55wt%, 크롬(Cr) 30wt%, 몰리브덴(Mo) 15wt%의 혼합으로 조성된다.
상기 상단 스프링 길이조절홈(320)은 링크 프레임(200)에서 전달되는 하중에 의해 탄성스프링(313)이 하단방향으로 압축되고 탄성 복원되어 제2 지지축(231)에 고정된 상단 스프링고정부(311)가 상하 왕복운동 할 수 있도록 형성된 홈이다.
상기 하단 스프링 길이조절홈(330)은 발목링크부(412)에서 전달되는 하중에 의해 탄성스프링(313)이 상단방향으로 압축되고 탄성 복원되어 제3 지지축(412a)에 고정된 하단 스프링고정부(312)가 상하 왕복운동 할 수 있도록 형성된 홈이다.
다음으로, 본 발명에 따른 족평부 프레임(400)에 관해 설명한다.
상기 족평부 프레임(400)은 사용자의 발에 고정되어 보행시 발바닥을 받쳐주고 발목의 움직임에 따라 자연스럽게 회전되며 보행을 도와주는 역할을 하는 것으로 이는 족평기둥부(410), 족평바닥부(420)로 구성된다.
상기 족평기둥부(410)는 하퇴부 프레임(300)과 족평바닥부(420) 사이에 형성되는 것으로, 하퇴부 프레임(300)의 하단과 연결되어 족평바닥부(420)를 회전시키는 발목관절부(411)가 형성되어 보행시 발목의 움직임에 따라 자연스럽게 회전되도록 하고, 전면상단과 하단 스프링고정부(312) 사이에 발목링크부(412)가 형성되어 보행시 하퇴부 프레임(300)과 족평바닥부(420)의 사이 각도가 작아지면 간격이 줄어들어 발목링크부(412)에 의해 하단 스프링고정부(312)가 상승되어 탄성스프링(313)이 압축되며 반발력을 통해 발목에 작용되는 하중을 상쇄시키고, 사이 각도가 커지면 간격이 늘어나 하단 스프링고정부(312)가 하강하여 탄성스프링(313)이 복원되는 상하운동을 통해 사용자의 발목에 작용하는 하중을 상쇄시켜 근력을 보상받을 수 있도록 구성된다.
상기 족평바닥부(420)는 족평기둥부(410)의 하단에 형성되어 사용자의 발바닥을 받쳐주며 지면과 맞닿는 신발 역할을 하고, 보행시 하중에 의한 압력을 측정하는 것으로, 사용자의 발 사이즈에 따라 신체에 맞게 조절하여 신을 수 있도록 양쪽에 형성된 발목고정 벨크로 테이프(423)가 포개져 접착되도록 형성된다.
여기서, 일반적으로 보행의 바른 자세는 발 뒷꿈치가 지면에 먼저 닫고, 발바닥 전체가 지면에 닿으며, 발 뒷꿈치가 먼저 떨어고 발바닥 전면이 지면에서 완전히 떨어진 후 반대쪽 발이 지면에 닫으며 무게중심이 옮겨가며 걷게 된다.
이때, 사용자의 하중을 감지하여 측정된 정보를 바탕으로 하중을 계산하여 제어기에 변수 형태로 전달하는 압력센서부(421)가 형성된다.
상기 압력센서부(421)는 발바닥 전면에 설치되는 제1 압력센서(421)와 발 뒷꿈치부분에 설치되는 제2 압력센서(422)로 구성되어 보행시 하중에 의해 발바닥과 지면 사이에 발생하는 압력을 측정하게 되고, 측정된 정보를 바탕으로 하중을 계산하여 제어기에 변수 형태로 전달되는데, 족평바닥부(420)가 지면에 닿으며 압력센서가 가장 큰 하중을 받을 때 구동모터(110)가 반시계방향으로 180°회전하여 이동회전부(132)를 하단으로 이동시켜 탄성스프링(313)을 가장 큰 힘으로 압축하게 되고, 탄성스프링(313)이 압축되는 만큼 생기는 반발력이 대퇴부의 무게를 지탱하여 작은 힘으로도 사용자의 보행을 보조해 주는 역할을 하고, 족평바닥부(420)가 지면에서 떨어지며 압력센서의 측정값이 0이 되면 구동모터가 시계방향으로 180°회전하여 이동회전부(132)를 상단으로 이동시키며 압축되어있는 탄성스프링(313)을 복원시키는 것으로, 사용자가 발을 내딛을 때마다 구동모터(110)가 반시계·시계방향회전을 반복하며 보행을 수동형으로 보조하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
먼저, 사용자의 허벅지, 종아리, 발의 사이즈에 맞게 족행 보행 보조로봇의 벨크로 테이프를 조절하여 고정시킨다.
다음으로, 사용자가 보행을 시작하여 한쪽 발을 지면에서 떼면 지면에 닿아 있는 쪽 하체에 체중이 실리며 압력센서를 통해 압력을 감지하여 제어부를 통해 구동모터에 신호를 보낸다.
다음으로, 제어부로부터 신호를 전달받은 구동모터가 180° 반시계방향으로 회전되며 이동회전부와 연결된 링크 프레임을 하강시켜 스프링부에 압력을 가하여 탄성스프링이 압축된다.
이때, 하퇴부 프레임과 족평바닥부의 사이 각도가 작아지며 발목링크부가 스프링부의 하단에 압력을 가하여 탄성스프링이 압축된다.
여기서, 압축된 탄성스프링에서 발생하는 반발력만큼 사용자에게 작용되는 하중을 상쇄시킨다.
다음으로, 사용자의 뒷꿈치가 들리며 다음 동작을 이어나갈 때 하퇴부 프레임과 족평부 프레임의 사이 간격이 벌어지며 탄성스프링이 인장된다.
다음으로, 사용자의 반대쪽 하체가 지면을 딛이며 하체에 체중이 실리며 위와 같은 동작과정을 반복한다.
100 : 대퇴부 프레임 110 : 구동모터
130 : 캠구동부 140 : 지지부
150 : 무릎관절부 200 : 링크 프레임
300 : 하퇴부 프레임 310 : 스프링부
400 : 족평부 프레임 410 : 족평기둥부
420 : 족평바닥부

Claims (6)

  1. 사용자의 보행을 보조하는 족행 보행 보조로봇에 있어서,
    대퇴부를 지지하는 프레임으로 허벅지의 바깥쪽 측면에 형성되어 모터를 통해 캠을 0 ~ 180°의 각도로 반시계·시계방향으로 회전시켜 스프링부(310)의 위치를 액티브하게 제어해주는 대퇴부 프레임(100)과,
    지지부(140)와 스프링부(310)의 사이에 형성되어 무릎관절부(150)가 굽혀지며 지지부(140)와 스프링부(310) 사이의 간격이 좁아지는 만큼 탄성스프링(313)에 하단방향으로 압력을 가하고, 무릎관절이 펴질 때 간격이 벌어지는 만큼 탄성스프링(313)에 압력을 제거시키는 링크프레임(200)과,
    하퇴부를 지지하는 프레임으로 종아리의 바깥쪽 측면에 형성되고 상단이 대퇴부 프레임(100)과 고정되고, 하단이 족평부 프레임(400)에 고정되며, 사용자가 받는 하중을 상쇄시키는 스프링부(310)가 형성되는 하퇴부 프레임(300)과,
    족부를 지지하는 프레임으로 사용자의 발에 고정되고 상단이 하퇴부 프레임(300)과 고정되어 발목의 움직임에 따라 자연스럽게 회전되며 보행을 도와주는 역할을 하는 족평부 프레임(400)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇.
  2. 제1항에 있어서, 대퇴부 프레임(100)은
    컨베이어(120)를 통해 캠구동부(130)와 연결되어 구동동력을 전달하는 구동모터(110)와,
    구동모터(110)와 캠구동부(130)의 외부표면에 인장되도록 감겨져 회전력을 전달시키는 컨베이어(120)와,
    컨베이어(120)의 구동에 따라 이동회전부(132)가 회전되며 지지부(140)와 접촉 및 이격이 반복되며 스프링부(310)의 탄성력을 유동적으로 조절하는 캠구동부(130)와,
    이동회전부(132)의 위치변경에 따라 링크 프레임(200)의 방향을 변경시켜주는 지지부(140)와,
    대퇴부 프레임(100)과 하퇴부 프레임(300)의 사이를 연결시켜 주고 무릎의 움직임에 따라 회전되는 무릎관절부(150)로 구성되는 것을 특징으로 하는 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇.
  3. 제1항에 있어서, 링크 프레임(200)은
    레버(223a)를 탈착시킴에 따라 제2 링크부(220)에 결합된 제1 링크부(210)와 제3 링크부(230)가 분리되며 탄성스프링(313)의 장력이 제거되어 좌식으로 앉을 수 있고, 레버(223a)를 장착시킴에 따라 제1 링크부(210)와 제3 링크부가 결합되며 스프링부의 장력을 유지하여 입식으로 보행시 근력을 보상받을 수 있도록 형태를 변형시킬 수 있는 제2 링크부(220)를 특징으로 하는 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇.
  4. 제1항에 있어서, 하퇴부 프레임(300)은
    제3 링크부(230)와 발목링크부(412)에 의해 하중을 받아 압축되는 압축량만큼 비례적으로 반발력이 발생되어 사용자의 하중을 상쇄시켜 근력을 보상받을 수 있는 탄성스프링(313)이 형성된 스프링부(310)가 구성되는 것을 특징으로 하는 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 족평부 프레임(400)은
    발목의 움직임에 따라 하퇴부 프레임(300)와 족평바닥부(420)의 사이 각도가 작아지면 하단 스프링고정부(312)가 상승되어 탄성스프링(313)이 상단으로 압축되고, 사이 각도가 커지면 하단 스프링고정부(312)가 하강하여 탄성스프링(313)이 복원되는 상하운동을 통해 사용자의 발목에 작용하는 하중을 상쇄시켜 근력을 보상받을 수 있는 발목링크부(412)와,
    족평바닥부(420)에 형성되어 보행시 사용자의 하중을 감지하여 측정된 정보를 바탕으로 하중을 계산하여 제어기에 변수 형태로 전달하는 압력센서부(421)가 구성되는 것을 특징으로 하는 패시브형 근력 보상 장치를 이용한 족행 보행 보조로봇.
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