KR101656695B1 - 하지보행 보조 로봇 - Google Patents

Abstract

중증 장애인의 재활을 도와주는 하지보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇이 개시된다. 이를 위해 본 발명은 휠체어의 고정부에 고정되어 상기 고정부로부터 회전과 거리 조절이 되는 하지외골격 체결부; 휠체어에 탑승하는 중증 장애인의 허벅지에 위치하며, 상기 하지외골격 체결부에 결합되어 회동되는 하지외골격 허벅지부; 상기 중증 장애인의 정강이에 위치하며, 상기 하지외골격 허벅지부의 결합되어 회동되는 하지외골격 정강이부; 및 상기 중증 장애인의 족부에 위치하며, 상기 하지외골격 정강이부에 결합되어 회동되는 하지외골격 족부를 포함한다.
이에, 본 발명은 탑승하는 시간을 줄이고 탑승자(중증 장애인) 및 탑승 보조자의 육체적 부담 및 통증 발생을 줄일 수 있다.

Description

하지보행 보조 로봇{GAIT ASSISTANT ROBOT}

본 발명은 하지보행 보조 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중증 장애인의 재활을 도와줄 수 있는 하지보행 보조 로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 독립적 보행이 어려운 환자, 중증 장애인, 또는 노약자의 재활을 돕거나 거동을 보조하기 위하여 보행 보조로봇을 사용한다. 대표적인 보행 보조로봇으로서, 2011년 06월 15일자로 등록된 한국등록특허 제1043207호의 휠체어식 보행 보조용 로봇과 2010년 08월 10일자로 등록된 한국등록특허 제0976180호의 보행훈련용 로봇 및 그 운용방법에서 개시되었다.

그러나, 상기 등록특허들은 대부분 이동부 또는 메인프레임이 외골격과 분리될 수 없는 고정형으로, 휠체어를 탄 사용자가 시스템의 후면으로 접근하여 하네스를 입은 사용자와 시스템을 연결한 후, 수직 위 방향으로 사용자를 들어올려, 외골격부와 탑승자의 다리를 벨크로 등을 이용하여 부착하는 형태를 가지고 있었다.

이로 인하여, 기존의 시스템은 실제 보행 환경과 차이가 있는 트레드밀과 같은 단조로운 환경에서의 훈련만 가능하여 실제 지면위에서의 훈련을 제공하지 못한다는 문제점이 있었다.

이로써, 실제 지면위에서 보행 훈련이 가능한 휠체어식 보행 보조용 로봇을 개발하고자 하는 시도들이 있으나, 시스템 후면이 개방되지 않아 사용자가 시스템 뒤쪽으로의 접근이 어려운 문제점이 있었다.

특히, 전면으로 접근하여 다른 보조자의 도움 하에 하네스를 착용한 사용자를 세운 상태에서 시스템과 연결한 후 외골격을 착용해야 하는 과정이 필요하다. 선 상태에서 외골격 부의 착용 및 정렬 시간의 지연은 이를 사용할 사용자가 수직 아래 방향으로 하중을 많이 받게 하고, 착용 시 좁은 면에 집중되는 압력으로 인해 수반될 수 있는 고통스러운 시간이 증가할 수 있었다.

따라서, 외골격부를 분리하여 수직 방향으로 시스템에 매달려 있는 시간을 감소하고, 빠른 착용 및 정렬을 도와 줄 수 있는 보행 보조로봇 개발이 요구되고 있는 실정이다.

1. 한국등록특허 : 제1043207호, 등록일자 : 2011년 06월 15일자, 발명의 명칭 : 휠체어식 보행 보조용 로봇. 2. 한국등록특허 : 제0976180호, 등록일자 : 2010년 08월 10일자, 발명의 명칭 : 보행훈련용 로봇 및 그 운용방법.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 중증 장애인의 로봇 접근성을 증가시키도록 분리 및 결합이 가능하여 눕거나 앉은 자세에서 하지외골격부를 장착할 수 있는 하지보행 보조 로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 누운 자세를 포함한 다양한 자세에서 안전하게 착용 및 옮겨 앉기를 할 수 있도록 고정부와 외골격부간 착탈이 가능한 하지보행 보조 로봇을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 이동부와 하지 외골격 로봇으로 구성되며 상기 이동부와 하지 외골격 로봇이 분리 될 수 있는 구조를 갖는 하지보행 보조 로봇이 제공된다.

여기서, 본 발명의 일 관점에 따른 상기 하지 외골격 로봇은, 휠체어의 고정부에 고정되어 상기 고정부로부터 회전과 거리 조절이 되는 하지외골격 체결부; 및 휠체어에 탑승하는 중증 장애인의 하지 외측에 위치하며, 상기 하지외골격과 체결부에 결합되어 회동되는 하지 외골격부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 관점에 따른 상기 하지 외골격부는, 휠체어에 탑승하는 중증 장애인의 허벅지에 위치하며, 상기 하지외골격 체결부에 결합되어 회동되는 하지외골격 허벅지부; 상기 중증 장애인의 정강이에 위치하며, 상기 하지외골격 허벅지부의 결합되어 회동되는 하지외골격 정강이부; 및 상기 중증 장애인의 족부에 위치하며, 상기 하지외골격 정강이부에 결합되어 회동되는 하지외골격 족부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 관점에 따른 상기 하지외골격 체결부는, 상기 하지외골격 허벅지부로부터 돌출된 돌출부에 끼워져 결합되는 체결 결합부; 상기 체결 결합부에 결합되어 수평방향 조절이 되도록 회전되는 수평 체결부 및 상기 수평 체결부안에서 수직 방향으로 체결되어 상기 수평 체결부를 회전시키고, 상기 수평 체결부를 수직 조절하는 수직 체결부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 관점에 따른 하지보행 보조 로봇은 상기 하지외골격 허벅지부와 하지외골격 정강이부 사이 및 상기 하지외골격 정강이부와 하지외골격 족부 사이에는 각각 공기압, 스프링 및 탄성 철골중 적어도 하나 이상으로 이루어져 링크간 길이 조절이 되는 길이 조절부;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 관점에 따른 하지보행 보조 로봇은 상기 이동부 또는 휠체어에 장착된 의자가 분리 및 튀어 나올 경우, 탑승자가 앉거나 누운 상태에서 시스템을 가능한 가까이 접근시켜 시스템의 측면 옮겨 앉기 혹은 정면 옮겨 앉기가 가능한 구조를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 관점에 따른 하지보행 보조 로봇은 탑승자의 두 다리 모두 연결하지 않고 한 다리만 상기 하지 외골격부를 연결시키는 구조를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 지면 보행을 목적으로 하며 이동부, 하지 외골격 로봇 및 체중지지부로 구성되며 상기 이동부와 외골격 로봇이 분리 될 수 있는 하지보행 보조 로봇이 제공된다.

여기서, 본 발명의 다른 일 관점에 따른 상기 하지 외골격 로봇은, 휠체어에 탑승하는 중증 장애인의 하지 외측에 위치하며, 상기 하지외골격과 체결부에 결합되어 회동되는 하지 외골격부; 상기 체중 지지부의 상부에 결합되어 상기 중증 장애인의 상체를 고정시킨 하네스를 연결하여, 체중지지 정도를 조절할 수 있는 웨이트 베어링부; 및 상기 체중 지지부와 웨이트 베어링부를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 관점에 따른 상기 하지 외골격부는, 중증 장애인의 허벅지에 위치하여 상기 체중 지지부의 고정부에 착탈 형태로 결합되는 하지외골격 허벅지부; 상기 중증 장애인의 정강이에 위치하며, 상기 하지외골격 허벅지부의 결합되어 회동되는 하지외골격 정강이부; 및 상기 중증 장애인의 족부에 위치하며, 상기 하지외골격 정강이부에 결합되어 회동되는 하지외골격 족부;를 포함할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 첫째, 이동부를 기준으로 전방에서 하지 또는 상하지의 운동기능이 떨어지는 탑승자가 진입하여 이동부(휠체어부)로 옮겨 타는 기존의 방법은 옮겨 앉는 탑승자나 이를 보조하여 옮기는 보조자 혹은 치료사에게 육체적 부담이 증가되는 형태였다.

특히, 기존에는 탑승자가 기립한 상태에서의 외골격 착용 후 탑승자와 외골격 위치 조정 및 길이 보정 시간 증가로 인해 특정 신체 부위에 통증을 유발할 수 있었다. 이를 극복하고자 본 발명은 첫째, 외골격부와 이동부에서 분리가 되면 별도의 장소에서 외골격을 착용 후 이동부에 결합할 수 있기 때문에 탑승하는 시간을 줄일 수 있고, 탑승자(중증 장애인) 및 탑승 보조자의 육체적 부담 및 통증 발생을 줄일 수 있는 효과가 있다.

둘째, 경량화 및 소형화된 외골격부인 경우, 다른 장소에서 누운 자세 또는 앉은 자세 등 다양한 체위에서 탑승자(중증 장애인이)가 외골격부를 착용하고, 시스템으로 이동하는 것이 더 용이한 효과가 있다.

셋째, 본 발명은 편마비 환자의 치료 및 장애인의 재활을 위해서 한 쪽의 외골격부만 시스템에 연결하여 탑승자가 한 다리만 외골격부를 착용할 수 있기 때문에 시스템 무게를 감소시킬 수 있고, 외골격부를 착용하지 않는 다리는 기구와의 접속 없이 보다 자연스러운 움직임이 가능하고, 추가적으로 착용하는 시간을 감소 시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(100) 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(100)의 하지외골격 체결부(110)의 구조를 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(100)을 이용하여 휠체어부에 중증 장애인이 탑승하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(200) 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

제1 실시예

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(100) 구조를 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(100)의 하지외골격 체결부(110)의 구조를 보다 상세하게 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(100)은 이동부(101a)와 하지 외골격 로봇(110~140)으로 구성되며 상기 이동부(101a)와 하지 외골격 로봇(110~140)이 분리 될 수 있는 구조를 갖는다.

이때, 상기 하지 외골격 로봇(110~140)은 휠체어의 고정부에 고정되어 상기 고정부로부터 회전과 거리 조절이 되는 하지외골격 체결부(110) 및 휠체어에 탑승하는 중증 장애인의 하지 외측에 위치하며, 상기 하지외골격과 체결부에 결합되어 회동되는 하지 외골격부(120~140)를 포함한다.

여기서, 본 발명에 따른 상기 하지 외골격부(120~140)는 하지외골격 허벅지부(120), 하지외골격 정강이부(130) 및 하지외골격 족부(140)를 포함하여 이루어진다.

먼저, 본 발명에 따른 하지외골격 체결부(110)는 휠체어(101)의 고정부(101a)에 고정되어 고정부(101a)로부터 회전과 거리 조절이 된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 하지외골격 체결부(110)는 이하에서 설명할 하지외골격 허벅지(120)부로부터 돌출된 돌출부(121)에 끼워져 결합되는 체결 결합부(111), 상기 체결 결합부(111)에 결합되어 수평방향 조절이 되도록 회전되는 수평 체결부(112) 및 상기 수평 체결부(112)안에서 수직 방향으로 체결되어 수평 체결부(112)를 회전시키고, 수평 체결부(112)를 수직 조절하는 수직 체결부(113)를 포함하는 구조로 이루어진다.

특히, 본 발명에 따른 수평 체결부(112)는 경첩처럼 수평 방향으로 회전 움직임을 허용하므로, 외골격부와 보행 보조 로봇 시스템의 휠체어에 연결 하고자 하거나, 옮겨 앉기를 시도하고자 할 때 충분한 움직임(회전)을 제공할 수 있다. 이로써, 탑승자에 따른 엉덩관절축의 위치 조절이 가능하다.

게다가, 본 발명에 따른 수평 체결부(112)는 수직 체결부(113)가 존재하기 때문에 수평 방향으로 전후로 길이 조절이 가능하므로, 수평 체결부(112)와 체결 결합부(111)는 탑승자의 골반 넓이 따라 이동부로부터 외골격부들이 부착될 수 있다.

이와 같은 구조는 기계적인 결합 구조로서, 이와는 다르게 전기적인 결합이 이루어질 수도 있다. 즉, 외골격부들과 휠체어의 고정부간 전기적 결합은 외골격을 구동시키기 위한 전원 공급(미도시) 및 외골격으로의 움직임 정보를 제어/획득하기 전기 신호 커넥터(미도시)를 통해 결합될 수도 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 하지외골격 허벅지부(120)는 휠체어(101)에 탑승하는 중증 장애인의 허벅지에 위치하며, 앞서 설명한 하지외골격 체결부(110)의 체결 결합부(111)에 결합된다. 이때, 하지외골격 체결부(110)의 체결 결합부(111)로부터 본 발명에 따른 하지외골격 허벅지부(120)는 회동되는 구조를 갖는다.

다음으로, 본 발명에 따른 하지외골격 정강이부(130)는 중증 장애인의 정강이에 위치하며, 하지외골격 허벅지부(120)에 결합된다. 이러한 하지외골격 정강이부(130)도 하지외골격 허벅지부(120)로부터 회동되는 구조를 가질 수 있다.

마지막으로, 본 발명에 따른 하지외골격 족부(140)는 중증 장애인의 족부에 위치하며, 하지외골격 정강이부(130)에 결합되어 하지외골격 정강이부(130)로부터 회동되는 구조를 갖는다.

이와 같이, 서로 결합되는 하지외골격 체결부(110), 하지외골격 허벅지부(120), 하지외골격 정강이부(130) 및 하지외골격 족부(140)간 회동구조를 갖기 때문에 중증 장애인의 각 다리관절마다 자유롭게 움직일 수 있게 된다.

이에 더하여, 본 발명에 따른 하지보행 보조 로봇(100)은 길이 조절부(150)를 더 포함할 수 있다. 상기 길이 조절부(150)는 하지외골격 허벅지부(120)와 하지외골격 정강이부(130) 사이 및 하지외골격 정강이부(130)와 하지외골격 족부(140) 사이마다 형성되는 구조로서, 각각 길이 조절이 가능하도록 하기 위하여 공기압, 스프링 및 탄성 철골중 적어도 하나 이상의 구조로 이루어져 링크(각 구성)간 길이 조절이 된다.

이로 인하여, 무릎축에 외골격을 맞추고, 외골격의 상단 부분을 당기면 하지외골격 허벅지부(120)를 늘릴 수 있기 때문에 외골격 자체의 길이를 변화시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 본 실시예에서는 탑승자의 다양한 신체 사이즈 차이에 대응할 수 있게 하는 장점을 준다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(100)을 이용하여 휠체어에 중증 장애인이 탑승하는 동작을 나타낸 도면이다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 일반 의자(103)에 앉은 중증 장애인이 앉은 상태에서 하지보행 보조 로봇(100)의 하지외골격들(110~150)을 착용한다. 이런 다음 휠체어 의자(104)에 장착된 휠체어(101)의 체간고정띠(101a)와 하지외골격들(110~150)과 결합한다. 이런 다음 휠체어(101)에 탑승한다. 이와 같이, 도 2 및 도 3에서 설명한 하지보행 보조 로봇(100)을 이용하면, 측면 옮겨 앉기가 가능해진다.

반면, 도 4에 도시된 바와 같이, 침대에 누운 중증 장애인이 나란히 놓인 침대(105)와 접힌 의자(접힌 휠체어 의자, 106) 상에서 하지보행 보조 로봇(100)의 하지외골격들(110~150)을 착용한다. 이와 같이 중증 장애인이 정면 옮겨 앉기가 완료되면, 접혀져 있던 등 받침부(107)를 편 다음 흔들리지 않게 고정한다. 등 받침부(107)에 있는 체간 고정띠로 사용자의 몸을 지지한 후, 휠체어(101)의 고정부(101a)와 하지외골격들(110~150)과 결합한다. 이런 다음 휠체어(101)에 탑승한다. 이와 같이, 도 2 및 도 3에서 설명한 하지보행 보조 로봇(100)을 이용하면, 정면 옮겨 앉기가 가능해진다.

제2 실시예

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(200) 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 하지보행 보조 로봇(200)은 지면 보행을 목적으로 하며 이동부(201a), 하지 외골격 로봇(210~250) 및 체중지지부(201)로 구성되며 상기 이동부(201a)와 하지 외골격 로봇(210~250)이 분리 될 수 있는 구조를 갖는다.

여기서, 상기 하지 외골격 로봇(210~250)은 휠체어에 탑승하는 중증 장애인의 하지 외측에 위치하며, 상기 하지외골격과 체결부에 결합되어 회동되는 하지 외골격부(210~230)와 상기 체중 지지부(201)의 상부에 결합되어 상기 중증 장애인의 상체를 고정시킨 하네스를 연결하여, 체중지지 정도를 조절할 수 있는 체중 지지부(201, '웨이트 베어링부'라고도 함)를 제어하는 제어부(250)를 포함한다.

특히, 본 발명에 따른 하지 외골격부(210~230)는 중증 장애인의 허벅지에 위치하여 체중 지지부(201)의 이동부(201a)에 착탈 형태로 결합되는 하지외골격 허벅지부(210), 상기 중증 장애인의 정강이에 위치하며, 상기 하지외골격 허벅지부(210)의 결합되어 회동되는 하지외골격 정강이부(220) 및 상기 중증 장애인의 족부에 위치하며, 상기 하지외골격 정강이부에 결합되어 회동되는 하지외골격 족부(230)로 이루어져 있다.

여기서, 본 발명에 따른 하지외골격 허벅지부(210)와 체중 지지부(201)의 이동부(201a)의 사이에는 도 1 내지 도 4에서 설명한 하지외골격 체결부가 참조부호 260의 하지외골격 체결부에 결합될 수 있다.

이러한 하지외골격 체결부(260)는 도 1 내지 도 4에서 설명하였으므로 그 설명은 생략하기로 한다. 하지만 본 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.

이에 더하여, 하지외골격 허벅지부(210)와 하지외골격 정강이부(220) 사이 및 하지외골격 정강이부(220)와 하지외골격 족부(230)의 사이에는 분리 결합(270)이 이루어지는 구조로 될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는 다양한 자세에서 체중 지지부(201)에 안전하게 착용 및 옮겨 서기가 가능한 장점을 준다.

이상에서와 같이, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.

100 : 하지보행 보조 로봇 110 : 하지외골격 체결부
120 : 하지외골격 허벅지부 130 : 하지외골격 정강이부
140 : 하지외골격 족부 150 : 길이 조절부
200 : 하지보행 보조 로봇 210 : 하지외골격 허벅지부
220 : 하지외골격 정강이부 230 : 하지외골격 족부
240 : 웨이트 베어링부 250 : 제어부
260 : 체결부

Claims (12)

1. 삭제
2. 이동부와 하지 외골격 로봇으로 구성되며 상기 이동부와 하지 외골격 로봇이 분리 될 수 있는 구조를 갖되,
   상기 하지 외골격 로봇은,
   상기 이동부인 휠체어의 고정부에 고정되어 상기 고정부로부터 회전과 거리 조절이 되는 하지외골격 체결부; 및
   휠체어에 탑승하는 중증 장애인의 하지 외측에 위치하며, 상기 하지외골격과 체결부에 결합되어 회동되는 하지 외골격부;를 포함하고,
   상기 하지 외골격부는,
   휠체어에 탑승하는 중증 장애인의 허벅지에 위치하며, 상기 하지외골격 체결부에 결합되어 회동되는 하지외골격 허벅지부;
   상기 중증 장애인의 정강이에 위치하며, 상기 하지외골격 허벅지부의 결합되어 회동되는 하지외골격 정강이부; 및
   상기 중증 장애인의 족부에 위치하며, 상기 하지외골격 정강이부에 결합되어 회동되는 하지외골격 족부;를 포함하되,
   상기 하지외골격 체결부는,
   상기 하지외골격 허벅지부로부터 돌출된 돌출부에 끼워져 결합되는 체결 결합부;
   상기 체결 결합부에 결합되어 수평방향 조절이 되도록 회전되는 수평 체결부 및
   상기 수평 체결부안에서 수직 방향으로 체결되어 상기 수평 체결부를 회전시키고, 상기 수평 체결부를 수직 조절하는 수직 체결부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지보행 보조 로봇.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,
   상기 하지외골격 허벅지부와 하지외골격 정강이부 사이 및 상기 하지외골격 정강이부와 하지외골격 족부 사이에는 각각 공기압, 스프링 및 탄성 철골중 적어도 하나 이상으로 이루어져 링크간 길이 조절이 되는 길이 조절부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하지보행 보조 로봇.
6. 제2항에 있어서,
   상기 이동부인 휠체어에 장착된 의자가 분리 및 튀어 나올 경우, 탑승자가 앉거나 누운 상태에서 하지 외골격 로봇을 가능한 가까이 접근시켜 상기 하지 외골격 로봇의 측면 옮겨 앉기 혹은 정면 옮겨 앉기가 가능한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 하지보행 보조 로봇.
7. 제2항에 있어서,
   탑승자의 두 다리 모두 연결하지 않고 한 다리만 상기 하지 외골격부를 연결시키는 구조를 갖는 하지보행 보조 로봇.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

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