KR101500946B1 - 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱 및 그 제어방법 - Google Patents

허리작업 부하경감을 위한 파워스틱 및 그 제어방법 Download PDF

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KR101500946B1 KR1020130093733A KR20130093733A KR101500946B1 KR 101500946 B1 KR101500946 B1 KR 101500946B1 KR 1020130093733 A KR1020130093733 A KR 1020130093733A KR 20130093733 A KR20130093733 A KR 20130093733A KR 101500946 B1 KR101500946 B1 KR 101500946B1
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Abstract

본 발명은 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱 및 그 제어방법에 관한 것으로, 그 목적은 허리나 무릎의 반복적인 굽힘이 요구되는 작업에 대하여 착용자의 허리나 무릎에 가해지는 부하를 경감시켜 노약자나 신체부자유자도 허리나 무릎의 반복적인 굽힘이 요구되는 작업을 실시할 수 있도록 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱 및 그 제어방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 사용자의 상체를 감싸 고정되는 착용부와, 상기 착용부로부터 지면으로 연장되게 설치되는 스틱부로 이루어지는 기구부; 상기 사용자의 자세 변화에 따른 기구부의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판별하고, 판별된 결과에 따라 스틱부의 신축을 제어하는 제어부로 구성되며, 상기 스틱부는, 사용자의 등쪽에서 사용자의 어깨 위로 연장되도록 상기 착용부에 설치된 고정링크; 상기 고정링크에 일측단이 회전 가능하게 결합되는 회전링크; 상기 회전링크에 일측단이 회전 가능하게 결합되는 스틱으로 구성되며, 상기 스틱은, 서보모터에 의해 회전하는 피니언 기어가 내장된 리니어 구동부가 중앙부에 배치되고, 상기 피니언 기어와 랙크바를 매개로 결합되어 피니언 기어의 회전에 의해 리니어 구동부의 내부로 삽입되거나 돌출되는 한 쌍의 슬라이드 바가 리니어 구동부의 양측에 설치된 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱과 그 제어방법을 제공한다.

Description

허리작업 부하경감을 위한 파워스틱 및 그 제어방법{A Power Stick Device to lighten the Waist-knee Load of Physical Worker and The control method}
본 발명은 허리나 무릎의 반복적인 굽힘이 요구되는 작업 시, 작업자의 신체 및 작업물의 중량으로 인한 중력부하를 일정 부분 분담하여 지지함으로서 작업자의 허리와 무릎에 가해지는 하중을 획기적으로 경감시켜 고령자나 신체부자유자도 허리나 무릎의 반복 굽힘 요구되는 작업을 원활하게 실시할 수 있게 하는 파워스틱 및 그 제어방법에 관한 것이다.
과학과 의학의 발달로 인하여 보다 많은 질병에 대한 치료와 예방이 가능하게 되었고, 그로 인해 인간의 수명이 점점 늘어남에 따라 고령화가 급속하게 진행되고 있다.
이처럼 우리나라도 고령화 사회로 들어서면서 고령자의 다양한 사회활동을 지원하기 위한 다양한 대책이 마련되고 있으나, 고령자의 경우, 근력저하로 인하여 참여 가능한 사회활동이 극히 제안적일 수밖에 없다.
특히 고령자가 용이하게 참여할 수 있는 농업의 경우, 작물의 수확이나 관리를 위해서는 허리나 무릎의 반복적인 굽힘이 요구되며, 작업물을 들어올리거나 내릴 때 허리나 무릎에 상당한 하중이 가해지게 되므로, 이 또한 참여가 제한적일 수밖에 없다.
이처럼 근력의 저하로 인하여 사회활동이 제한적인 노약자나 신체부자유자의 근력을 보조하여 사회활동을 유도하는 다양한 보조기구가 개발되고 있다.
예컨대, 허리에 작용하는 부하를 완화시키기 위한 보조기구로 허리보호대가 주로 사용되고 있다.
상기 허리보호대는 척추에 가해지는 힘을 감소시키고, 복부 내부압을 증가시킴으로서 척추를 곧추세우는 효과와, 물건을 들때 허리에 가해지는 부하를 감소시킬 수 있는 효과는 있으나, 신체압박으로 인해 심혈관계에 부담을 가중시키고, 운동을 속박함으로서 근육과 인대 등의 유연성을 감소시킴으로 장기적인 사용은 바람직하지 못하다.
한편, 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0045776호는 착용자의 근력을 보조하여 원활한 보행을 유도하는 착용형 로봇이 개시되어 있으며, 이처럼 착용자의 근력을 보조하여 보행을 유도하기 위한 착용형 로봇은 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0121049호를 비롯하여 다양한 특허문헌을 통하여 개시된 바 있다.
그러나, 종래의 착용형 로봇은 가격이 매우 비싸 보급이 제한적이며, 특히 농업이나 단순노무에 참여하는 저소득 고령자의 경우, 현실적으로 착용형 로봇을 구입하여 사용하는 것은 불가능하다.
또한, 종래의 착용형 로봇은 착용자의 자유로운 동작을 방해하므로, 보행에는 적합할 수 있으나, 작업시에는 큰 효과를 기대하기 힘들다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0045776호 (2013.05.06) 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0121049호 (2005.12.26)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 허리나 무릎의 반복적인 굽힘이 요구되는 작업에 대하여 착용자의 허리나 무릎에 가해지는 부하를 경감시켜 노약자나 신체부자유자도 허리나 무릎의 반복적인 굽힘이 요구되는 작업을 실시할 수 있도록 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱 및 그 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 착용자의 허리나 무릎에 하재는 부하를 경감시키는 것과 함께 착용자의 보행을 지원할 수 있는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱 및 그 제어방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 사용자의 상체를 감싸 고정되는 착용부와, 상기 착용부로부터 지면으로 연장되게 설치되는 스틱부로 이루어지는 기구부; 상기 사용자의 자세 변화에 따른 기구부의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판별하고, 판별된 결과에 따라 스틱부의 신축을 제어하는 제어부로 구성되며, 상기 스틱부는, 사용자의 등쪽에서 사용자의 어깨 위로 연장되도록 상기 착용부에 설치된 고정링크; 상기 고정링크에 일측단이 회전 가능하게 결합되는 회전링크; 상기 회전링크에 일측단이 회전 가능하게 결합되는 스틱으로 구성되며, 상기 스틱은, 서보모터에 의해 회전하는 피니언 기어가 내장된 리니어 구동부가 중앙부에 배치되고, 상기 피니언 기어와 랙크바를 매개로 결합되어 피니언 기어의 회전에 의해 리니어 구동부의 내부로 삽입되거나 돌출되는 한 쌍의 슬라이드 바가 리니어 구동부의 양측에 설치된 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱을 제공한다.
한편, 상기 착용부는, 배터리와 제어부가 내장된 파워팩; 상기 파워팩에 설치되며, 사용자의 상체를 감싸 파워팩을 사용자의 상체에 고정하는 벨트로 구성될 수 있다.
삭제
또한 본 발명은, 상기 스틱부의 하단에 바퀴가 더 설치된 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 스틱부에 손잡이가 더 구비되고, 상기 손잡이의 주변에 기구부의 수동조작을 위한 조작패널이 배치된 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱을 제공한다.
이때 상기 제어부는, 스틱의 길이변화정보와, 회전링크와 스틱)을 연결하는 축을 중심으로 한 스틱의 회전각도정보를 이용하여 사용자의 움직임을 판별하도록 구성될 수 있다.
또한 본 발명은, 사용자의 상체를 감싸 고정되는 착용부와, 상기 착용부로부터 지면으로 연장되게 설치되는 스틱부로 이루어지는 기구부를 포함하는 파워스틱의 제어방법에 있어서, 사용자의 자세 변화에 대응하여 움직이는 기구부에 마련된 회전링크와 스틱을 연결하는 축을 중심으로 회전하는 스틱의 회전방향과 각도 및 각속도를 감지하는 단계; 사용자의 자세 변화에 대응하여 움직이는 기구부에 마련된 스틱의 길이변화와 속도를 감지하는 단계; 상기 스틱의 길이방향속도(
Figure 112013071649566-pat00001
)와 회전각속도(
Figure 112013071649566-pat00002
)가 0보다 작으면, 허리굽힘으로 판단하여 스틱과 사용자가 중력부하를 분담하도록 하기 [수식1]에 따라 산출되는 항력을 스틱에서 발생하도록 스틱을 제어하고, 상기 스틱의 길이방향속도(
Figure 112013071649566-pat00003
)와 회전각속도(
Figure 112013071649566-pat00004
)가 0과 같거나 크면, 허리폄으로 판단하여 스틱이 중력부하를 완전히 분담하도록 하기 [수식2]에 따라 산출되는 항력을 스틱에서 발생하도록 스틱을 제어하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱의 제어방법을 제공한다.
Figure 112013071649566-pat00005
------------- [수식1]
Figure 112013071649566-pat00006
------------- [수식2]
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 반복적인 허리굽힘이나 무릎굽힘이 요구되는 작업시 착용부로부터 지면으로 연장된 스틱부가 신축되면서 중력부하를 지지하여 줌으로써 사용자의 허리나 무릎에 가해지는 부하를 경감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 신체부자유자의 보행을 지지하여 줌으로써, 신체부자유자의 보행을 유도할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워스틱의 구조를 보인 사시도,
도 2 는 본 발명에 따른 파워스틱을 착용한 사용자가 선 상태를 보인 측면도,
도 3 은 본 발명에 따른 파워스틱을 착용한 사용자가 선 상태를 보인 정면도
도 4 는 본 발명에 따른 파워스틱을 착용한 사용자가 허리와 무릎을 굽힌 상태를 보인 측면도,
도 5 는 본 발명에 따른 스틱의 구조도,
도 6 은 본 발명에 따른 제어부의 구조 및 신호처리 흐름을 보인 구조도,
도 7 은 본 발명에 따른 파워분담 서보제어기의 구조도,
도 8 은 본 발명에 따른 파워스틱의 사용시 그리고 미사용시의 힘의 관계를 나타낸 도면,
도 9 는 파워지지모드와 추종지지모드에 따른 힘의 관계를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워스틱의 구조를 보인 사시도를, 도 2는 본 발명에 따른 파워스틱을 착용한 사용자가 선 상태를 보인 측면도를, 도 3은 본 발명에 따른 파워스틱을 착용한 사용자가 선 상태를 보인 정면도를, 도 4는 본 발명에 따른 파워스틱을 착용한 사용자가 허리와 무릎을 굽힌 상태를 보인 측면도를, 도 5는 본 발명에 따른 스틱의 구조도를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 파워스틱은 기구부(100)와 제어부(200)로 구성되어 사용자가 허리나 무릎을 굽히고 펴는 동작을 할 때 발생되는 중력부하를 지지하여 줌으로써, 허리나 무릎에 가해지는 하중을 획기적으로 경감, 고령자나 신체부자유자도 허리나 무릎의 반복적인 굽힘이 요구되는 작업을 원활하게 실시할 수 있도록 한 특징을 갖고 있다.
상기 기구부(100)는 착용부(110)와 스틱부(120)로 구성된다.
상기 착용부(110)는 사용자의 상체를 감싸는 방식으로 사용자에게 착용되며, 이러한 착용부(110)는 파워팩(111)과 벨트(112)로 구성된다.
상기 파워팩(111)은 함체의 내부에 배터리와 제어부가 내장된 구조를 가지며, 파워스틱의 착용시 사용자의 등쪽에 배치된다.
상기 벨트(112)는 파워팩(111)에 설치되며, 사용자의 상체를 감싸 파워팩(111)을 사용자의 등에 밀착시킨 채로 고정하게 된다. 이러한 벨트(112)는 두개의 벨트(112)가 파워팩(111)의 양측에 각각 설치되며, 파워스틱의 착용시 파워팩(111)의 양측으로부터 연장되는 두 벨트(112)가 사용자의 가슴부위에서 서로 결속되도록 구성될 수 있다.
상기 스틱부(120)는 착용부(110)로부터 지면으로 연장되도록 구성되어 사용자의 허리나 무릎의 굽힘이나 폄 동작시 발생되는 중력부하를 지지하는 것이다.
이러한 스틱부(120)는 고정링크(121)와, 회전링크(122)와, 스틱(123)으로 구성된다.
상기 고정링크(121)는 착용부(110) 즉, 파워팩(111)으로부터 사용자의 어깨 위쪽으로 연장되는 구조로 설치된다. 이러한 고정링크(121)는 파워팩(111)에 완전하게 고정되어 파워팩(111)과 일체로 거동하게 된다.
상기 회전링크(122)는 일측단이 고정링크(121)와 결합되고, 타측단이 스틱(123)과 결합되도록 설치된다. 이러한 회전링크(122)는 고정링크(121)의 끝단으로부터 사용자의 가슴 앞쪽으로 연장되는 구조를 갖도록 설치되며, 고정링크(121)와 축을 매개로 결합되어 축을 중심으로 회전이 가능한 구조를 갖되, 클램프(124)에 의하여 회전이 선택적으로 구속되게 구성된다.
즉, 사용자는 자신의 신체 사이즈를 고려하여 회전링크(122)를 회전시켜 파워팩(111)과 고정링크(121) 및 회전링크(122)의 사이에 사용자의 상체가 위치할 수 있도록 공간을 확보한 상태에서, 클램프(124)를 조여 회전링크(122)의 회전을 구속하게 된다.
한편, 상기 클램프(124)는 회전링크(122)의 회전을 선택적으로 구속할 수 있는 구조라면, 특정한 구조에 한정되지 않고 다양한 구조로 구성될 수 있다. 예컨대 회전링크(122)에 축이 일체형의 구조로 형성되고, 상기 축이 고정링크(121)에 회전 가능한 구조로 결합되는 경우, 상기 축이 지지되는 부분에 슬릿을 형성하고, 클램프(124)를 조이거나 풀어줌으로써 슬릿의 간극의 조절하도록 함으로써, 클램프(124)를 이용하여 회전링크(122)의 회전을 선택적으로 구속할 수 있다.
상기 스틱(123)은 회전링크(122)와 축(S)을 매개로 결합되어, 축(S)을 중심을 회전하는 구조를 가지며, 회전링크(122)로부터 지면으로 연장되는 구조로 설치된다.
한편, 회전링크(122)와 스틱(123)의 연결부에는 스틱(123)이 축(S)을 중심으로 회전할 때, 스틱(123)의 회전각도와 방향을 감지하기 위한 공지의 엔코더(125)가 설치된다.
이러한 스틱(123)은 3단 슬라이딩 랙 매커니즘을 이용하여 길이가 신축되도록 구성된 것으로, 보다 구체적으로는, 서보모터(1234)에 의해 회전하는 피니언 기어(1235)가 내장된 리니어 구동부(1231)와, 상기 리니어 구동부(1231)의 양측 단부에 결합되며 피니언 기어(1235)와 맞물려 리니어 구동부(1231)의 내부로 삽입되거나 리니어 구동부(1231)로부터 돌출되는 한 쌍의 슬라이드 바(1232,1233)로 구성된다.
이때 상기 서보모터(1234)는 리니어 구동부(1231)에 직접 설치되거나, 또는 회전링크(122)와 스틱(123)의 연결부에 설치되어 별도의 벨트(112)와 같은 동력전달수단을 통해 피니언 기어(1235)와 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 슬라이드 바(1232,1233)에는 피니어 기어와 맞물리도록 하기 위한 랙크바(RB)가 일측단부에 일체형의 구조로 형성되며, 두 슬라이드 바(1232,1233) 중, 어느 하나의 슬라이드 바(1232)는 회전링크(122)와 축(S)을 매개로 결합되고, 나머지 하나의 슬라이드 바(1233)는 리니어 구동부(1231)로부터 지면으로 연장된다.
또한, 상기 지면으로 연장되는 슬라이드 바(1233)의 하단부에는 사용자가 파워스틱에 의존한 채로 보행을 할 수 있도록 하는 바퀴(1236)가 더 설치될 수 있다. 이때 상기 바퀴(1236)는 스토퍼를 갖는 바퀴(1236)가 사용되는 것이 바람직하다. 한편, 스토퍼를 갖는 바퀴는 이미 널리 사용되고 있는 주지 관용된 기술이므로, 이러한 바퀴(1236)에 대한 구체적인 설명 및 도시는 생략하도록 한다.
상기와 같이 구성된 스틱(123)은, 피니언 기어(1235)의 회전시 두 슬라이드 바(1232,1233)가 서로 근접하는 방향으로 이동하여 스틱(123)의 전체 길이를 축소시키거나, 두 슬라이드 바(1232,1233)가 서로 이격되는 방향으로 이동하여 스틱(123)의 전체 길이를 신장시키게 되며, 이러한 두 슬라이드 바(1232,1233)의 이동방향은 피니언 기어(1235)가 회전하는 방향에 따라 결정된다.
한편, 상기 스틱(123)에는 서보모터(1234)의 구동에 의하여 이동하는 슬라이드 바(1233)의 이동량을 감지하기 위한 엔코더(1237)가 구비된다.
한편, 상기 스틱부(120)에는 사용자가 파워스틱을 보다 효과적으로 의존하거나 파워스틱을 수동으로 움직일 수 있도록 하는 손잡이(126)가 설치되고, 상기 손잡이(126)의 주변에는 파워스틱의 설정과 수동 조작 그리고 파워스틱의 전체적인 상태정보를 사용자가 인지할 수 있도록 하는 정보를 시각 및 청각적인 정보로 알려주는 디스플레이 및 스피커가 구비된 조작패널(127)이 설치된다.
도 6은 본 발명에 따른 제어부의 구조 및 신호처리 흐름을 보인 구조도를, 도 7은 본 발명에 따른 파워분담 서보제어기의 구조도를 도시하고 있다.
한편, 도 7 및 이하의 설명에 기재된 기호를 정의한다.
Fe : 상체와 작업물의 총질량에 의한 관성력
mg : 상체와 작업물의 총질량에 의한 중력부하
Fi : 인간 작업자의 근력
Ts : 파워 스틱의 항력
r : 파워 스틱의 지면에서 축(S)까지의 거리
rd : 작업자의 스위치 조작에 의한 스틱 길이 지령치
ru : 파워 스틱의 최대길이
rb : 파워 스틱의 최소길이
Figure 112013071649566-pat00007
: 파워 스틱의 길이방향속도
θ : 축(S)에서의 수직선 대비 스틱의 회전각도
θu : 파워 스틱의 최대 회전각도
θb : 파워 스틱의 최소 회전각도
Figure 112013071649566-pat00008
: 스틱의 회전각속도
α : 허리 굽힘 α=0, 허리 폄 α=1 을 나타내는 작업 상태표현 상수
β : 길이조절과 브레이크조작에 관련한 모드 상태표현 상수 β=0,or 1
Kp : 파워스틱의 길이방향 탄성력을 조절하는 게인
상기 제어부(200)는 파워팩(111)에 구성되어 파워스틱을 제어하는 것으로, 사용자의 자세 변화에 따른 기구부(100)의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판별하고, 판별된 결과에 따라 스틱부(120)의 신축을 제어하는 기능을 갖는다.
이러한 제어부(200)는 파워분담 서보제어기(210)와 중앙제어기(220)로 구성되며, 이때 상기 파워분담 서보제어기(210)는 기구부(100)에 마련된 엔코더(125,1237)로부터 기구부(100)의 움직임에 대한 정보를 수신하여 사용자가 허리나 무릎을 굽히거나 펴는지 판단하고, 이에 따라 스틱부(120)의 제어를 위한 적절한 지령치를 스틱부(120)로 출력하며, 또한 스틱부(120)에 마련된 전자브레이크를 개폐 작동시키는 기능을 갖는다.
상기 중앙제어기(220)는 파워스틱 전체를 관리 통제하고, 상태와 결과 그리고 배터리 잔량과 같은 정보를 조작패널(127)에 마련되는 디스플레이 및 스피커를 통해 출력하는 기능을 갖는다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 파워스틱을 착용한 사용자가 파워스틱을 설정하고, 설정된 파워스틱을 사용자의 움직임을 판단하고, 그에 따라 스틱(123)의 길이를 신축시키면서 중력부하를 지지하는 과정을 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 파워스틱을 착용하기 위해서는, 먼저 파워팩(111)이 사용자의 등쪽에 위치하도록 파워스틱을 배치하고, 파워팩(111)에 마련된 벨트(112)가 사용자의 가슴부위를 감싸도록 함으로써 파워스틱의 착용이 이루어지게 된다.
이후, 사용자는 스틱부(120)에 마련된 손잡이(126)를 이용하여 스틱(123)이 적절한 곳에 위치하도록 한 상태에서 조작패널(127)에 마련된 파워스위치를 온(on) 시킨다. 이러한 파워스위치의 온동작으로 인하여 전자브레이크가 해제되어 스틱(123)의 작동을 허용 가능한 상태로 전환시키게 된다.
참고로 상기 전자브레이크는 전자석, 스프링, 압력디스크 마찰디스크로 구성되어 스틱(123)의 작동을 구속하거나 해제하는 것으로, 이러한 전자브레이크는 이미 널리 사용되고 있는 주지 관용된 기술이므로, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
한편, 전자브레이크의 해제와 동시에 파워팩(111)에 구비된 중앙제어기(220)와 파워분담 서보제어기(210)로 전원이 공급되며, 이때 파워분담 서보제어기(210)는 스틱(123)의 회전을 감지하는 엔코더(125)로부터 스틱(123)의 회전각(θ)과 서보모터(1234)와 연결된 엔코더(1237)로부터 스틱(123)의 길이(r)에 관한 정보를 획득하게 된다.
상기와 같이 획득되는 회전각(θ)과 길이(r)가 정상범위 이내에 있으면 파워스틱이 정상상태인 것으로 판단하고, 이때 파워분담 서보제어기(210)의 WIO(Worker Intension Observer)는 상태값을 β=1로 하고, 중앙제어기(220)는 조작패널(127)에 마련된 스피커를 이용하여 비프(beep)음을 발산함으로써, 파워스틱이 사용 가능한 상태임을 사용자에게 알리게 된다.
참고로, 상기 β=1은 부무하 모드신호로서, 파워스틱이 정상적인 상태임을 나타내고, 상태값 β=0인 경우, 비상정지가 요구되는 상태를 나타낸다.
반면, 회전각(θ)과 길이(r) 중 어느 하나라도 정상범위 내에 있지 않을 경우, 파워분담 서보제어기(210)의 WIO는 상태값을 β=0으로 하고, 동작을 멈추고 전자브레이크로 동작을 구속하게 된다.
참고로, 상기 WIO는 사용자의 지령이 길이조정인 경우, 현재의 스틱(123)상태와 비교하여 β값을 산출, 위치제어, 또는 전자브레이크를 작동시키게 된다. 파워분담 서보제어기(210)의 PSC(Power Assisted Controller)와 FSC(Following Assisted Controller)는 스틱(123)의 분담력을 합산하여 PSM(Power Stick Mechanism)의 모터에 입력하게 된다. 이때 사용자에게 인가되는 작용력은 HSC(Worker's Muscle Controller)의 출력, 즉 사용자가 부여하는 힘 제어력(Fi:스틱(123)방향분력(Fir),직각방향분력(FIθ)과 합산되어 힘 평형을 이룬다. 이때 PSC, FSC의 스위칭에는 굽힘, 또는 폄 동작인지를 판별하는 UMO(Unit Motion status Observer)에 의해 산출된 α를 이용한다. UMO는 스틱(123)의 속도, 회전각속도를 이용하여 파워지지 또는 추종지지가 요구되는지를 판단하게 된다.
한편, 파워스틱의 사용준비가 완료되면, 사용자는 서있는 상태에서 조작패널(127)에 마련된 길이조정스위치를 이용하여 스틱(123)의 길이를 늘려 스틱(123)의 하단부에 지면에 닿도록 조정하고, 조작패널(127)에 마련된 조정완료 스위치를 온 시킨다. 이러한 조정완료 스위치의 온과 함께 비프음이 발생되고, 작업자는 조작패널(127)에 마련된 디스플레이를 보면서 중력부하값(mg)을 설정한 뒤, 다시 한번 조정완료 스위치를 온 시킨다. 여기서 언급된 "온" 이라는 것은 단계별로 조정이 완료되었을 때 사용자가 스위치를 눌러서 다음 단계를 이행하게 하는 것을 의미한다.
이후 사용자는 가장 큰 허리/무릎 굽힘 및 폄 동작을 실시하고, 이때 중앙제어기(220)와 파워분담 제어기는 스틱(123)의 최대길이(ru), 최소길이(rb), 최대각(θu), 최소각(θb)을 측정하고 공유한다.
한편, 중앙제어기(220)는 측정값이 기본설정값 이내가 아니면 비프음과 디스플레이로서 재동작 시도를 지시하며, 정상범위면 비프음을 출력한다. 만약 조절이 안되면, 작업자에게 중력부하설정단계로 다시 돌아가 재설정하도록 유도하게 된다.
상기와 같은 모든 과정이 정상적으로 완료되면, 사용자는 요구되는 작업을 실시할 수 있으며, 이때 중앙제어기(220)와 파워분담 서보제어기(210)는 지속적으로 rb<r<ru 그리고 θb<θ<θu 인지를 감시하며, 상기 스틱(123)의 길이(r)와 회전각(θ)이 상기 범위 내에 있는 경우, 사용자의 움직임에 따라 추종지지모드 또는 파워지지모드로 전환하여 스틱(123)을 제어하고, 위의 경우가 아닌 경우, 전자브레이크를 온시켜 스틱(123)을 고정시키고 비프음을 출력하게 된다.
이하, 파워분담 서보제어기(210)가 두 엔코더(125,1237)로부터 획득되는 스틱(123)의 길이정보와 회전각도 정보를 이용하여 사용자의 움직임을 판단하고, 그에 따라 추종지지모드 또는 파워지지모드로 전환하는 과정을 설명하도록 한다.
사용자가 허리나 무릎을 펴는 동작을 하는 경우에는 파워지지모드로 전환하고, 사용자가 허리나 무릎을 굽히는 동작을 하는 경우에는 추종지지모드로 전환하게 된다.
참고로, 작물수확, 물건들기 등 허리나 무릎의 운동을 수반하는 작업은 허리 굽히기, 팔 뻗기, 물체 잡기, 집어 들기, 허리 펴기, 이동, 정지 등의 기본단위작업으로 구성되며, 이때 상체와 작업물로 구성되는 무게중심(총부하중심)은 운동궤적을 그리며 사이클릭 운동을 한다. 본 발명의 파워스틱은 회전링크(122)와 스틱(123)을 연결하는 축(S)이 힌지점이므로, 모멘트 전달이 없어 도 8과 같이 힘의 작용점을 무게중심에서 힌지점으로 평행 이동시킬 수 있다. 힌지점의 작용력은 전 물체의 합력(Fe)로서, 인간근력(Fi)와 중력부하(mg)의 합력으로 동적 평형을 이루게 된다.
한편, 본 발명에 따른 파워스틱을 사용하지 않은 경우, 도 8의 좌측 그림과 같은 운동궤적을 그리려면, 작업자의 근력은 중력부하를 상세하면서 전물체의 운동력을 발생시켜야 한다. 그러나 도 8의 우측 그림과 같이 스틱항력(Ts)을 추가하게 되면 인간근력을 분담하여 평형을 이루게 된다.
본 발명에 따른 파워스틱의 가장 큰 목적은 작업에 요구되는 인간의 근력을 최소화하는 것으로, 주로 큰 부하가 되는 중력부하를 보상하게 된다. 중력보상을 위한 항력은 작업동작에 따라 달라진다. 즉, 상기 파워지지모드의 경우 항력이 중력부하를 완전히 보상할 수 있도록 스틱(123)을 제어하는 것이고, 상기 추종지지모드는 중력부하를 스틱(123)의 항력과 인간의 근력이 분담하도록 스틱(123)을 제어하는 것이다.
상기 파워지지모드의 경우, 중력부하를 파워스틱이 완전히 부담하여 사용자에게 강체 지팡이와 같은 느낌을 부여하나, 인간근력이 부담해야 하는 추가적인 수평력이 발생한다. 그러나 허리나 무릎을 펴는 동작시에는 파워지지시의 수평력은 오히려 사용자에게 안정감을 부여하게 된다.
한편, 도 9의 좌측에는 파워지지모드시 힘의 관계를 나타낸 도면을, 도 9의 우측에는 추종지지모드시 힘의 관계를 나타낸 도면이 도시되어 있다.
상기와 같은 파워지지모드와 추종지지모드의 전환을 위한 사용자 움직임의 판별은 스틱(123)의 길이 변화 방향과 길이 변화량 그리고 회전방향 및 회전각도를 이용하여 판별하게 된다.
즉, 스틱(123)의 길이가 줄어들고, 더불어 회전각도도 줄어들면
Figure 112013071649566-pat00009
허리나 무릎 굽힘으로 판단하여 파워지지모드로 전환하고, 반대로 스틱(123)의 길이가 늘고 회전각도도 늘어나면
Figure 112013071649566-pat00010
허리나 무릎의 폄으로 판단하여 추종지지모드로 전환하게 된다.
상기
Figure 112013071649566-pat00011
는 스틱(123)의 길이방향속도로서, 스틱(123)의 수축으로 인하여 스틱(123)의 길이가 줄어들면 음(-)의 값을 갖고, 반대로 스틱(123)의 신장으로 인하여 스틱(123)의 길이가 늘어나면 양(+)의 값을 갖으며, 스틱(123)의 길이가 변화하는 속도에 대응하는 값을 갖는다.
상기
Figure 112013071649566-pat00012
는 힌지점을 지나는 수직선 대비 스틱(123)의 회전각속도로서, 사용자의 허리나 무릎의 굽힘으로 인하여 스틱(123)이 힌지점을 중심으로 반시계방향(도 4기준)으로 회전하는 경우 음(-)의 값을 갖고, 반대로 회전링크(122)가 축을 중심으로 시계방향(도 4기준)으로 회전하는 경우 양(+)의 값을 가지며, 회전링크(122)가 회전하는 속도에 대응하는 값을 갖는다.
한편, 추종지지모드로 전환되는 경우, 제어부(200)는 스틱항력(Ts)을 하기 [수식1]에 따라 산출하고, 그에 따라 스틱(123)을 제어하게 된다.
Figure 112013071649566-pat00013
------------- [수식1]
반면, 파워지지모드로 전환되는 경우, 제어부(200)는 스틱항력(Ts)을 하기 [수식2]에 따라 산출하고, 그에 따라 스틱(123)을 제어하게 된다.
Figure 112013071649566-pat00014
------------- [수식2]
이처럼 본 발명에 따른 파워스틱은 사용자의 작업의도에 준하여 스틱(123)에서 발생되는 항력을 자동으로 조정하여 중력부하를 보상함으로써, 사용자가 보다 원활하게 허리나 무릎의 굽힘이나 폄 동작을 실시하도록 지원하게 된다.
또한 사용자는 멈춤, 이동, 해당 등의 단속적인 동작은 조작패널(127)에 마련된 스위치를 이용하여 수동조작을 통해 행할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 구조와 제어방식을 갖는 본 발명의 파워스틱은 착용부(110)로부터 연장되는 스틱부(120)가 사용자의 정면에서 스틱부(120)의 끝단이 지면에 접촉하고, 사용자의 두 발이 지면과 접촉함에 따라 파워스틱과 인체뼈대가 힌지점을 중심으로 삼각구조를 이루어 작업자의 자중과 작업물의 중량부하를 매달아 놓은 그네와 유사한 힘 평형을 얻어낼 수 있다. 결국 사용자의 상체는 마치 물속에서 부력을 받아 떠 있는 듯 작은 근력으로도 작업의 실시가 가능하게 된다.
이러한 파워스틱을 이용하게 되면, 고령화 사회에 진입한 고령자 특히 농업종사자의 노동부하저감에 유용하고, 허리ㆍ무릎ㆍ고관절 장애로 인한 거동 장애자에게도 이동기능을 부여하거나, 허리, 관절 등의 재활훈련장치로도 이용될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기구부 110: 착용부
111: 파워팩 112: 벨트
120: 스틱부 121: 고정링크
122: 회전링크 123: 스틱
1231: 리니어 구동부 1232, 1233: 슬라이드 바
1234: 서보모터 1235: 피니언 기어
1236: 바퀴 126: 손잡이
127: 조작패널 200: 제어부

Claims (7)

  1. 사용자의 상체를 감싸 고정되는 착용부(110)와, 상기 착용부(110)로부터 지면으로 연장되게 설치되는 스틱부(120)로 이루어지는 기구부(100);
    상기 사용자의 자세 변화에 따른 기구부(100)의 움직임을 감지하여 사용자의 움직임을 판별하고, 판별된 결과에 따라 스틱부(120)의 신축을 제어하는 제어부(200)로 구성되며,
    상기 스틱부(120)는,
    사용자의 등쪽에서 사용자의 어깨 위로 연장되도록 상기 착용부(110)에 설치된 고정링크(121);
    상기 고정링크(121)에 일측단이 회전 가능하게 결합되는 회전링크(122);
    상기 회전링크(122)에 일측단이 회전 가능하게 결합되는 스틱(123)으로 구성되며,
    상기 스틱(123)은, 서보모터(1234)에 의해 회전하는 피니언 기어(1235)가 내장된 리니어 구동부(1231)가 중앙부에 배치되고, 상기 피니언 기어(1235)와 랙크바를 매개로 결합되어 피니언 기어(1235)의 회전에 의해 리니어 구동부(1231)의 내부로 삽입되거나 돌출되는 한 쌍의 슬라이드 바(1232,1233)가 리니어 구동부(1231)의 양측에 설치된 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 착용부(110)는,
    배터리와 제어부(200)가 내장된 파워팩(111);
    상기 파워팩(111)에 설치되며, 사용자의 상체를 감싸 파워팩(111)을 사용자의 상체에 고정하는 벨트(112)로 구성된 것을 특징으로 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스틱부(120)의 하단에는 바퀴(1236)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스틱부(120)에는 손잡이(126)가 더 구비되고, 상기 손잡이(126)의 주변에 기구부(100)의 수동조작을 위한 조작패널(127)이 배치된 것을 특징으로 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(200)는, 상기 스틱(123)의 길이변화정보와, 회전링크(122)와 스틱(123)을 연결하는 축(S)을 중심으로 한 스틱(123)의 회전각도정보를 이용하여 사용자의 움직임을 판별하는 것을 특징으로 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱.
  7. 사용자의 상체를 감싸 고정되는 착용부(110)와, 상기 착용부(110)로부터 지면으로 연장되게 설치되는 스틱부(120)로 이루어지는 기구부(100)를 포함하는 파워스틱의 제어방법에 있어서,
    사용자의 자세 변화에 대응하여 움직이는 기구부(100)에 마련된 회전링크(122)와 스틱(123)을 연결하는 축(S)을 중심으로 회전하는 스틱(123)의 회전방향과 각도 및 각속도를 감지하는 단계;
    사용자의 자세 변화에 대응하여 움직이는 기구부(100)에 마련된 스틱(123)의 길이변화와 속도를 감지하는 단계;
    상기 스틱(123)의 길이방향속도(
    Figure 112013071649566-pat00015
    )와 회전각속도(
    Figure 112013071649566-pat00016
    )가 0보다 작으면, 허리굽힘으로 판단하여 스틱(123)과 사용자가 중력부하를 분담하도록 하기 [수식1]에 따라 산출되는 항력을 스틱(123)에서 발생하도록 스틱(123)을 제어하고, 상기 스틱(123)의 길이방향속도(
    Figure 112013071649566-pat00017
    )와 회전각속도(
    Figure 112013071649566-pat00018
    )가 0과 같거나 크면, 허리폄으로 판단하여 스틱(123)이 중력부하를 완전히 분담하도록 하기 [수식2]에 따라 산출되는 항력을 스틱(123)에서 발생하도록 스틱(123)을 제어하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 허리작업 부하경감을 위한 파워스틱의 제어방법.
    [수식1]
    Figure 112013071649566-pat00019

    [수식2]
    Figure 112013071649566-pat00020

    여기서, mg는 사용자의 상체와 작업물의 총질량에 의한 중력부하이고, θ는 회전링크와 스틱을 연결하는 축을 지나는 수직선 대비 스틱의 회전각도이다.
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