KR101814732B1 - 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 복수의 바퀴들을 통해 이동 가능한 베이스와 일 면에서 길이 방향으로 형성된 보조암 삽입홈을 포함하는 몸체부, 전방착용 기립보조로봇과 탈착식으로 결합 가능한 로봇 장착기, 상기 로봇 장착기에 동작 자유도를 제공하는 손목 관절 구동기, 팔꿈치 관절 구동기, 상기 보조암 삽입홈의 일단에 결합된 어깨 관절 구동기 및 상기 구동기들 간의 연결을 위한 복수의 링커들을 포함하는 보조암부(auxiliary arm unit) 및 제1 동작모드에서 상기 구동기들을 초기화하여 상기 보조암 삽입홈에 상기 보조암부를 삽입하고, 제2 동작모드에서 상기 로봇 장착기를 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위를 검출 및 결합하는 제어부를 포함한다.

Description

기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템{APPARATUS AND SYSTEM OF STAND-UP ASSISTANCE DEVICE}

본 발명은 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 사용자가 전방착용 기립보조로봇을 착용한 상태에서 기립할 때 보다 적은 물리력으로 사용자의 기립을 지원할 수 있는 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.

보행보조로봇은 노약자나 장애인의 보행동작을 보조하는 로봇으로서, 주로 의료 전반에 활용되는 재활치료를 위한 로봇과 실내외 보행환경에서 근력이 저하된 노인이나 장애우의 독립적 활동 및 근력 보조를 위한 로봇의 용도로 개발되고 있다.

보행보조로봇은 사용자의 신체에 착용될 수 있는 형태로 제작되어 사용자의 팔이나 다리의 움직임을 감지하여 구동기가 장착된 로봇의 팔이나 다리를 움직이며 사용자의 움직임을 보조하고 힘을 증폭시키는 보행보조로봇을 말한다. 이러한 보행보조로봇은 자가 재활 치료 적용 시 제약이 많은 기존 보행보조로봇의 단점을 극복하기 위해 개발되고 있고, 사용자의 독립적 자가 보행 재활 훈련을 돕기 위해 사용자의 신체에 착용할 수 있는 형태로 개발되고 있다.

종래의 보행보조로봇은 탑승을 하거나 후방에서 착용하는 형태로 구성되어 사용자 착용 및 기립 시 타인의 보조를 필수적인 전제로 해야 하는 단점이 있다.

종래의 보행보조로봇은 보행 시 외력이 작용하는 경우 복잡한 힘의 균형 상태를 유지하기 위한 구동 모듈의 동작 및 알고리즘이 단순하여 자가 균형 및 동력 제어에 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서 보행 시 발생 가능한 외력 및 사용자의 힘을 기초로 로봇 스스로 균형을 정확하게 잡을 수 있고, 앉거나 서려는 혹은 전후좌우로 움직이거나 움직임을 거부하는 등의 사용자 움직임의 의도를 정확하게 예측하여 동작을 제어할 수 있는 보행보조로봇 기술 개발이 요구되고 있다.

한국 등록특허 제10-1497673호는 간단한 구조 및 구성으로 효율적이고 자연스러운 보행 동작의 구동이 가능한 보행 보조장치를 제공하고, 보행 시 안정감 및 자세유지를 위한 균형을 확보할 뿐만 아니라, 보행에 따르는 충격을 완화하고 탑승자의 탑승감 및 안정성 높일 수 있는 탑승형 2족 보행 보조장치를 제공하는 장치 빛 방법에 관한 것이다.

한국 공개특허공보 제2015-0142794호는 발바닥부에 마련된 힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하는 판단단계 및 다리가 지지과정인 경우 다리 관절의 구동부에 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완토크를 인가하는 지지단계를 포함하는 착용로봇의 보행제어방법 및 보행시스템을 소개한다.

한국 등록특허 제10-0716597호는 지능형 근력 및 보행 보조용 로봇에 관한 것으로서, 별도의 구동수단이 배제되어 무게가 가볍고 부피가 작아서 사용자가 쉽게 입고 벗을 수 있는 착탈식의 입는 로봇과, 사용자의 신체 하중을 실을 수 있게 손 또는 팔을 올려 놓으며 균형을 잡을 수 있고 전면의 모니터를 통해 여러가지 신체 및 상황정보를 볼 수 있도록 한 캐스터워커와, 캐스터워커에 장착되어 입는 로봇에 움직임을 위한 동력을 전달하는 동력전달장치로 구성함으로써, 고중량 및 큰 부피를 차지하는 동력전달장치가 사용자의 착용부분에 장착되는 기존 장치와 달리 사용자가 밀고 다닐 수 있는 캐스터워커에 장착됨에 따라, 사용자에 직접 착용되는 입는 로봇의 무게 및 부피를 크게 줄일 수 있다.

한국 등록특허 제10-1497673호 (2015.02.24 등록) 한국 공개특허공보 제10-2015-0142794호 (2015.12.12 공개) 한국 등록특허 제10-0716597호 (2007.05.03 등록)

본 발명의 일 실시예는 사용자가 전방착용 기립보조로봇을 착용한 상태에서 기립할 때 보다 적은 물리력으로 사용자의 기립을 지원할 수 있는 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 보조암부(auxiliary arm unit)를 통해 기립 및 장치의 탈착 동작 전반에 있어서 유연하게 구동기를 제어할 수 있는 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 복수의 동작모드를 통하여 사용자의 기립, 보행 및 장치의 탈착을 지원할 수 있는 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 전방착용 기립보조로봇으로부터 전달받은 신호를 기초로 사용자를 보조하기에 적합한 이동 속도 및 방향을 예측하여 보행을 지원할 수 있는 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공하고자 한다.

실시예들 중에서, 기립보조장치는 복수의 바퀴들을 통해 이동 가능한 베이스와 일 면에서 길이 방향으로 형성된 보조암 삽입홈을 포함하는 몸체부, 전방착용 기립보조로봇과 탈착식으로 결합 가능한 로봇 장착기, 상기 로봇 장착기에 동작 자유도를 제공하는 손목 관절 구동기, 팔꿈치 관절 구동기, 상기 보조암 삽입홈의 일단에 결합된 어깨 관절 구동기 및 상기 구동기들 간의 연결을 위한 복수의 링커들을 포함하는 보조암부(auxiliary arm unit) 및 제1 동작모드에서 상기 구동기들을 초기화하여 상기 보조암 삽입홈에 상기 보조암부를 삽입하고, 제2 동작모드에서 상기 로봇 장착기를 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위를 검출 및 결합하는 제어부를 포함한다.

기립보조장치에서 상기 제어부는 제3 동작모드에서 상기 로봇 장착기가 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위와 결합되면 상기 구동기들을 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 상기 로봇 장착기를 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위로부터 분리하는 것을 특징으로 할 수 있다.

기립보조장치에서 상기 제어부는 제4 동작모드에서 상기 로봇 장착기가 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위와 결합되면 상기 구동기들을 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 특정 방향으로 이동시킴으로써 사용자의 보행을 보조하는 것을 특징으로 할 수 있다.

기립보조장치에서 상기 로봇 장착기는 상기 전방착용 기립보조로봇으로부터 신호를 수신하여 제어부로 전달하고, 상기 제어부는 상기 로봇 장착기로부터 전달받은 신호를 기초로 상기 사용자를 보조하기에 적합한 이동 속도 및 방향을 예측하여 상기 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

기립보조장치에서 상기 보조암부에서, 상기 손목 관절 구동기는 6 자유도를 제공하며 그 중심축이 이격된 적어도 3 개의 구동 모듈들을 포함하고, 상기 팔꿈치 관절 구동기는 2 자유도를 제공하며 적어도 1 개의 구동 모듈을 포함하고, 상기 어깨 관절 구동기는 4 자유도를 제공하며 그 중심축이 이격된 적어도 2 개의 구동 모듈들을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

기립보조장치에서 상기 로봇 장착기는 그 상단에 회전 가능한 카메라 모듈을 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는 상기 보조암부를 특정 자세로 위치시키고 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위를 상기 카메라를 통해 검출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

기립보조장치에서 상기 제어부는 상기 카메라 모듈을 상기 전방착용 기립보조로봇의 반대 방향으로 회전시키고 주행 방향에 있는 장애물을 검출하여 사용자가 상기 장애물에 부딪히는 것을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.

기립보조장치에서 상기 제어부는 제2 동작모드에서 상기 카메라 모듈을 상기 전방착용 기립보조로봇의 방향으로 회전시키고 주행 방향에 있는 장애물을 검출하여 상기 장애물에 부딪히는 것을 방지하고 상기 전방착용 기립보조로봇을 향해 주행 방향을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

기립보조장치에서 상기 제어부는 외력을 측정하는 적어도 하나의 다축 힘-토크센서를 포함하고, 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 측정값들을 기초로 기립 알고리즘을 적용하며 최종 기립 상태에 도달하기 위하여 필요한 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 변화량들을 예측하여 상기 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

실시예들 중에서, 기립보조장치 시스템은 전방착용 기립보조로봇과 기립보조장치를 포함하고, 상기 기립보조장치는 복수의 바퀴들을 통해 이동 가능한 베이스와 일 면에서 길이 방향으로 형성된 보조암 삽입홈을 포함하는 몸체부, 상기 전방착용 기립보조로봇과 착탈식으로 결합 가능한 로봇 장착기, 상기 로봇 장착기에 동작 자유도를 제공하는 손목 관절 구동기, 팔꿈치 관절 구동기, 상기 보조암 삽입홈의 일단에 결합된 어깨 관절 구동기 및 상기 구동기들 간의 연결을 위한 복수의 링커들을 포함하는 보조암부(auxiliary arm unit) 및 제1 동작모드에서 상기 구동기들을 초기화하여 상기 보조암 삽입홈에 상기 보조암부를 삽입하고, 제2 동작모드에서 상기 로봇 장착기를 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위를 검출 및 결합하는 제어부를 포함한다.

전방착용 기립보조로봇과 기립보조장치를 포함하는 기립보조장치 시스템에서, 상기 제어부는 제3 동작모드에서 상기 로봇 장착기가 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위와 결합되면 상기 구동기들을 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 상기 로봇 장착기를 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위로부터 분리하는 것을 특징으로 할 수 있다.

전방착용 기립보조로봇과 기립보조장치를 포함하는 기립보조장치 시스템에서, 상기 제어부는 제4 동작모드에서 상기 로봇 장착기가 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위와 결합되면 상기 구동기들을 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 특정 방향으로 이동시킴으로써 사용자의 보행을 보조하는 것을 특징으로 할 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템은 사용자가 전방착용 기립보조로봇을 착용한 상태에서 기립할 때 보다 적은 물리력으로 사용자의 기립을 지원할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템은 보조암부(auxiliary arm unit)를 통해 기립 및 장치의 탈착 동작 전반에 있어서 구동기를 유연하게 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템은 복수의 동작모드를 통하여 사용자의 기립, 보행 및 장치의 탈착을 지원할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기립보조장치 및 이를 포함하는 시스템은 전방착용 기립보조로봇으로부터 전달받은 신호를 기초로 사용자를 보조하기에 적합한 이동 속도 및 방향을 예측하여 보행을 지원할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기립보조장치 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기립보조장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇의 구성을 나타내는 사시도이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한, 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기립보조장치 시스템을 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 기립보조장치 시스템(100)은 기립보조장치(110) 및 전방착용 기립보조로봇(120)을 포함하고, 이들은 상호 간에 물리적으로 연결되거나 네트워크를 통해 연결되어 제어될 수 있다.

기립보조장치(110)는 사용자가 전방착용 기립보조로봇을 착용한 상태에서 기립할 때 보다 적은 물리력으로 사용자의 기립을 지원할 수 있는 장치로서, 외부환경을 인식하고 스스로 상황을 판단하여 자율적으로 동작할 수 있는 소형컴퓨터를 탑재한 컴퓨팅 장치에 해당하고, 이동기능을 갖는 로봇바퀴형으로 구현될 수 있다. 기립보조장치(110)는 물체 인식, 자율 이동 및 물체를 핸들링을 위한 조작 제어를 수행할 수 있고, 이러한 기능들은 초소형 메커트로닉스 기술 등의 첨단 기술을 기반으로 한 각종 센서들, 구동기 및 이들의 자동 제어를 위한 MCU(Micro Controller Unit) 등을 통해 구현될 수 있다. 여기에서, MCU는 집적 회로 안에 프로세서와 메모리, 입출력 버스 등의 최소한의 컴퓨팅 요소를 내장한 초소형 컨트롤러로서, 제어 분야에 널리 사용되고 있다.

전방착용 기립보조로봇(120)은 사용자에 의해 전방으로 착용될 수 있고, 사용자의 기립을 보조할 수 있으며, 복수의 센서 및 구동기들을 통해 자율적으로 균형을 잡을 수 있고 다음 움직임을 예측할 수 있어 사용자의 보행을 보조할 수 있는 지능형 로봇에 해당한다.

전방착용 기립보조로봇(120)은 기립보조장치(110)와 물리적으로 연결되어 장착되어 제어될 수 있고, 네트워크를 통해 연결되어 제어될 수 있다. 전방착용 기립보조로봇(120)은 자체적으로 사용자의 기립을 보조할 수 있으나, 매우 적은 물리력으로 기립을 해야 하는 사용자의 경우 원활하게 기립을 보조하기 어려울 수 있다. 기립보조로봇(120)은 전방착용 기립보조로봇(120)과 결합하여 사용자가 전방착용 기립보조로봇(120)을 착용한 상태에서 기립할 때 보다 적은 물리력으로 기립할 수 있도록 사용자의 기립 동작을 지원할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 기립보조장치(110)가 로봇 장착기(221)를 통해 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위를 검출하는 과정을 나타낸다.

기립보조장치(110)는 로봇 장착기(221)에 포함된 카메라 모듈(226)을 통해 전방착용 기립보조로봇(120)의 근접 위치를 검출할 수 있다. 이와 같은 검출이 이루어지면, 제어부(230)는 기립보조장치(110)를 전방착용 기립보조로봇(120)에 가까이 위치시켜 장착을 시도할 수 있도록 복수의 바퀴들을 통해 베이스(212)를 이동시킬 수 있다. 기립보조장치(110)는 로봇 장착기(221)에 포함된 카메라 모듈을 통해 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위를 검출할 수 있고, 검출된 정보를 기초로 제어부(230)는 보조암부(220)를 특정 자세로 위치시키어 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위와 결합되도록 제어할 수 있다.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 기립보조장치(110)가 로봇 장착기(210)를 통해 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위와 장착된 후 기립 보조를 수행하는 과정을 나타낸다.

기립보조장치(110)는 로봇 장착기(221)와 전방착용 기립보조로봇(120)의 결합이 완료되면, 제어부(230)를 통해 복수의 센서들로부터 측정한 값들을 기초로 기립 알고리즘을 적용하여 현재 기립 상태를 연산할 수 있고, 최종 기립에 도달하기 위하여 필요한 기립보조장치(110) 내의 구동기들의 동작 변화량을 예측하여 구동기들을 제어하여 전방착용 기립보조로봇(120)을 장착한 사용자의 기립을 지원할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기립보조장치의 구성을 나타내는 사시도이다.

도 2a를 참조하면, 기립보조장치(110)는 몸체부(210), 보조암부(auxiliary arm unit)(220) 및 제어부(230)을 포함할 수 있다.

몸체부(210)는 복수의 바퀴들을 통해 이동 가능한 베이스(212)와 일 면에서 길이 방향으로 형성된 보조암 삽입홈(214)을 포함할 수 있다. 몸체부(210)는 보조암부(220)에서 전방착용 기립보조로봇(120)을 장착한 사용자의 기립을 보조하는 동작에 따라 발생하는 반작용의 힘으로부터 무게중심을 잡을 수 있도록 수 킬로그램 이상의 중량으로 제작될 수 있다.

베이스(212)는 복수의 바퀴를 통해 기립보조장치(110)의 이동 기능을 수행할 수 있고, 제어부(230)에 의하여 이동 속도 및 방향 등이 조절될 수 있다. 베이스(212)는 기립보조장치(110)를 이동시키는데 필요한 에너지를 전기, 유압 및 공압 등의 동력 공급원을 통해 공급받을 수 있다.

보조암 삽입홈(214)은 몸체부(210)의 일 면에서 길이 방향으로 형성될 수 있다. 보조암 삽입홈(214)은 기립보조장치(110)의 제1 동작모드에서 초기화된 구동기들에 의해 삽입될 수 있다. 일 실시예에서, 보조암 삽입홈(214)은 도 2b와 같이, 구동기들에 의해 삽입될 수 있고, 기립보조장치(110)의 전원을 종료시키기 전에 이와 같은 제1 동작 모드를 통해 외부 형태의 초기화를 수행하여 보관을 용이하게 할 수 있다. 보조암 삽입홈(214)은 간편한 설계를 위해 길이 방향으로 단면 면적을 일정하게 갖도록 형성될 수 있고, 미려한 외관을 위하여 길이 방향으로 보조암부(220)의 형태에 따라 다르게 대응되는 단면 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 복수의 동작모드와 관련한 내용은 제어부(230)의 상세한 설명에서 자세히 서술하도록 한다.

보조암부(220)는 전방착용 기립보조로봇(120)과 탈착식으로 결합 가능한 로봇 장착기(221), 로봇 장착기(221)에 동작 자유도를 제공하는 손목 관절 구동기(222), 팔꿈치 관절 구동기(223), 보조암 삽입홈(214)의 일단에 결합된 어깨 관절 구동기(224) 및 구동기들 간의 연결을 위한 복수의 링커(225)들을 포함할 수 있다.

로봇 장착기(221)는 일 면에서 손목 관절 구동기(222)와 연결될 수 있고, 전방착용 기립보조로봇(120)과 탈착식으로 결합 가능하다. 이러한 결합에 있어서, 로봇 장착기(221)는 적어도 하나의 일 면에서 전방착용 기립보조로봇(120)과 물리적으로 접촉되어 장착될 수 있다. 일 실시예에서, 로봇장착기(221)는 복수의 면에 걸쳐서 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위에 기 형성된 나사선의 형태와 대응되도록 형성된 나사선의 홈이 있을 수 있고, 기립보조장치(110)는 로봇장착기(221)의 일면과 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위의 일면이 물리적으로 연결 되면 보조암부(220)의 손목 관절 구동기를 회전시키도록 하여 상기 나사선의 형태와 상기 나사선의 홈이 결합되도록 하는 방법으로 장착을 수행할 수 있다. 로봇 장착기(221)는 전방착용 기립보조로봇(120)과의 장착을 보조하는 락킹모듈(미도시됨)을 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 로봇 장착기(221)는 자성을 갖는 자석으로 구성된 락킹모듈을 포함할 수 있고, 이에 따라 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정부위와 접촉 시 자석에 의한 자기력을 기반으로 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정부위와 장착을 수행할 수 있다.

로봇 장착기(221)는 상단에 회전 가능한 카메라 모듈(226)을 더 포함할 수 있다. 카메라 모듈(226)은 렌즈를 통해 들어온 이미지를 디지털신호로 변환시키는 모듈에 해당한다. 카메라 모듈(226)은 영상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서, 피사체의 이미지를 센서로 전달하는 렌즈, 영상신호에 포함된 적외선 성분 차단하여 센서에서 생기는 영상 노이즈를 차단하는 IR-Filter(Infrared Filter) 및 이미지센서의 변환된 디지털 영상신호를 받아 제어부(230)로 전달하는 PCB(Print Circuit Board)등으로 구성될 수 있다. 상기 카메라 모듈(226)에 의해 변환된 디지털 영상신호는 제어부(230)로 전달될 수 있고, 카메라 모듈(226)은 제어부(230)에서의 정보 처리된 신호를 전달받아 카메라 모듈(226)의 회전을 제어하여 카메라 모듈의 영상 검출 영역을 조절할 수 있다.

카메라 모듈(226)은 전방착용 기립보조로봇(120)의 위치를 검출할 수 있는 근접 센서를 더 포함할 수 있다. 여기에서, 근접 센서란 검출물체의 존재 및 위치를 비접촉으로 검출할 수 있는 센서를 말한다. 근접 센서에 의해 검출된 신호는 제어부(230)로 전달되어 전방착용 기립보조로봇(120)과의 장착 및 기립 동작 전반을 제어하는데 사용될 수 있다. 제어부(230)와 연관된 카메라 모듈(226)의 동작에 관한 내용은 제어부(230)의 상세한 설명에서 자세히 서술하도록 한다.

손목 관절 구동기(222)는 제1단에서 상기 로봇 장착기(221)와 연결될 수 있고, 제2단에서 링커(225)와 연결될 수 있다. 손목 관절 구동기(222)는 상기 로봇 장착기(221)에 동작 자유도를 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 손목 관절 구동기(222)는 6 자유도를 제공하며 그 중심축이 이격된 적어도 3 개의 구동 모듈들을 포함할 수 있다. 여기에서, 자유도는 관절 구동기의 동작과 관련하여 특정 방향을 갖고, 특정 방향에 해당하는 관절 구동기의 움직임은 3차원 직교 좌표의 구조, 즉, X, Y, Z축의 3차원 공간을 향해 직선 방향으로 로봇이 움직이거나 X, Y, Z축을 중심축으로 그 축을 회전하는 방향(Pitch, Roll, Yaw)으로 표현할 수 있다. 로봇의 좌우를 직교하는 축을 X축으로 놓고 이를 중심으로 회전하는 방향은 Pitch에 대응되고, 앞뒤를 직교하는 축을 Y축으로 놓고 이를 중심으로 회전하는 방향은 Roll에 대응될 수 있으며, 상하면을 직교하는 축을 Z축으로 놓고 이를 중심으로 회전하는 방향은 Yaw에 대응될 수 있다. 6 자유도는 Pitch, Roll, Yaw에 대한 회전운동에 따른 3 자유도에 X, Y, Z축에 대한 직선운동에 따른 3 자유도를 더하여 더 넓은 동작 자유도의 범위를 제공할 수 있다. 여기에서, X, Y, Z축에 대한 직선운동은 각각 X축에 대한 좌우동요, Y축에 대한 좌우동요, Z축에 대한 상하동요의 직선운동을 의미한다. 이에 따라, 손목 관절 구동기(222)는 손목 관절에 대응하여 Pitch 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 구동 모듈, Roll 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 구동 모듈, Yaw 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제3 구동 모듈을 포함할 수 있고, 6 자유도를 제공할 수 있다.

팔꿈치 관절 구동기(223)는 양단에서 각각 링커(225)와 연결될 수 있다. 상기 서술한 바와 같이, 팔꿈치 관절 구동기(223)는 팔꿈치 관절에 대응하여 Pitch 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 구동 모듈을 포함할 수 있고, 2 자유도를 제공할 수 있다.

어깨 관절 구동기(224)는 제1단에서 링커(225)와 연결될 수 있고, 제2단에서 보조암 삽입홈(214)의 일단에 결합될 수 있다. 상기 서술한 바와 같이, 어깨 관절 구동기(224)는 어깨 관절에 대응하여 Pitch 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 구동 모듈과 Yaw 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제3 구동 모듈을 포함할 수 있고, 4 자유도를 제공할 수 있다.

보조암부(220) 내의 복수의 구동 모듈들 각각은 전력을 이용하여 회전운동의 힘을 얻는 구동기를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 구동 모듈은 특히 사람의 관절과 대응하여 유사 기능을 수행하면서 동작 자유도를 제공할 수 있도록 설계된 구동기를 의미하고, 이와 관련하여 본 발명에서 전력을 이용하여 회전 운동의 힘을 얻는 구동 모듈의 용어를 사용하였으나 이에 한정되지 않으며, 모터, 유압 구동 모듈 및 공기압 구동 모듈 등 장치를 구동하는데 사용되고 산업에서 이용 가능한 다양한 종류를 포함할 수 있다. 이중에서 구동 모듈로서 주로 사용되는 모터는 최대 토크를 빠르게 출력 가능하여 주로 바퀴를 구동할 때 사용되는 AC모터, 짧은 듀티 사이클에서 강점을 갖는 DC모터, 제어가 편리한 스테핑모터, 컨트롤러의 제어 신호로 인해 높은 정밀도의 구동이 가능한 서보모터 및 이들의 혼합형인 복합 디지털 모터의 예를 들 수 있다.

링커(225) 보조암부(220)의 관절 구동기들을 물리적으로 연결하는 막대형상의 보조 모듈에 해당하고, 제어부(230) 및 타 유닛들 간의 전기적 신호 전달 및 증폭을 위한 회로 모듈들을 내외부에 더 포함할 수 있다.

제어부(230)는 몸체부(210)와 보조암부(220) 동작 전반을 제어한다. 제어부(230)는 기립보조장치(110)의 전체 구동을 총괄하는 통신 및 정보처리 유닛으로서, 기립보조장치(110)의 구성 요소들의 동작에 필요한 입력들을 받아 로봇의 실제 움직임과 원하는 움직임이 일치하도록 출력 구동신호들을 구동기들에 전달한다.

제어부(230)는 외력을 측정하는 다축 힘-토크센서 외에도 각도 변화를 측정하는 엔코더, 압력에 따른 저항 변화량을 측정하는 FSR(Force-Sensing Resistor) 센서 등 복수의 센서들과, 이러한 센서들에 의해 측정되는 정보들을 기초로 종합적인 컴퓨팅을 수행하는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서 MCU는 마이크로프로세서와 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터를 말하고, CPU(Central Processing Unit) 코어와 메모리 그리고 프로그램 가능한 입/출력을 가지고 있어 정해진 기능을 수행하도록 프로그래밍 코딩 및 기계어 코드를 써 넣을 수 있다.

제어부(230)는 제1 동작모드에서 구동기들을 초기화하여 보조암 삽입홈(214)에 보조암부(220)를 삽입할 수 있다. 여기에서, 초기화는 구동기들을 포함한 보조암부(220)의 위치 및 상태를 미리 설정해둔 최초의 상태로 돌려놓는 과정을 의미한다. 일 실시예에서, 제어부(230)는 미리 설정해둔 최초의 상태를 도 2b와 같이 설정할 수 있고, 전원을 켠 직후에도 이와 같은 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 제어부(230)는 기립보조장치(110)의 전원을 종료시키기 전에 제1 동작 모드를 통해 외부 형태의 초기화를 수행하여 보관을 용이하게 할 수 있고, 마찬가지로 제1 동작 모드를 통해 잠시 사용을 멈추고 대기시키는 기능을 지원할 수 있다.

제어부(230)는 제2 동작모드에서 구동기들을 제어하여 로봇 장착기(221)를 통해 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위를 검출 및 결합하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제2 동작모드가 가동되면, 우선, 제어부(230)는 로봇 장착기(221)에 포함된 카메라 모듈(226)을 가동시켜 전방착용 기립보조로봇(120)의 근접 위치를 검출하도록 할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(230)는 카메라 모듈(226)에 포함된 근접 센서를 통해 전방착용 기립보조로봇(120)의 근접 위치를 감지하도록 제어할 수 있고, 감지된 위치 정보에 해당하는 방향으로 이동하도록 베이스(212)를 제어할 수 있으며, 이와 같은 이동 과정에 있어서 카메라 모듈(226)을 전방착용 기립보조로봇(120)의 방향으로 회전시키어 주행 방향에 있는 장애물을 검출하여 전방착용 기립보조로봇(120)이 장애물에 부딪치거나 가로막혀 주행이 방해되지 않도록 주행 방향을 제어할 수 있다.

제어부(230)는 전방착용 기립보조로봇(120)의 위치 정보를 지속적으로 검출하도록 하여 미리 설정해둔 장착 가능한 범위 안에서 해당 위치 정보가 감지되면, 장착 가능한 정도의 거리라고 판단하여 장착을 진행할 수 있다. 제어부(230)는 로봇 장착기(221)에 포함된 카메라 모듈(226)을 통해 검출된 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위 위치 정보를 기초로 보조암부(220)의 구동기들을 제어할 수 있고, 이에 따라 로봇 장착기(221)와 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정부위와 결합이 가능하도록 보조암부(220)를 특정 자세로 위치시킬 수 있다.

제어부(230)는 로봇 장착기(221)와 기립보조로봇(120)의 특정부위 사이에 일정량 이상의 물리적 접촉을 감지하면, 탈착식으로 결합이 진행되도록 할 수 있다. 이러한 탈착식의 결합은 산업에서 두 개의 장치를 탈착시키기 위하여 사용되는 다양한 방식들을 통해 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 전방착용 기립보조로봇(120)의 특수 부위의 일부와 로봇장착기(221)의 일부는 상호 간에 나사 결합이 가능하도록 나사선의 홈이 있을 수 있고, 제어부(230)는 보조암부(220)의 손목 관절 구동기를 회전시켜 전방착용 기립보조로봇(120)의 특수 부위와 로봇장착기(221)를 결합시키는 방법으로 장착을 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 로봇 장착기(221)는 자성을 갖는 자석으로 구성된 락킹모듈을 포함할 수 있고, 이에 따라 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정부위와 접촉 시 자석에 의한 자기력을 기반으로 장착을 수행할 수 있다.

제어부(230)는 제3 동작모드에서 로봇 장착기(221)가 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위와 결합되면 구동기들을 제어하여 전방착용 기립보조로봇(120)을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 로봇 장착기(221)를 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위로부터 분리하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제3 동작모드가 가동되면, 우선, 제어부(230)는 로봇 장착기(221)와 전방착용 기립보조로봇(120)와의 결합 여부를 감지할 수 있다. 해당 결합을 확인하면, 제어부(230)는 복수의 센서들로부터 측정한 값들을 기초로 기립 알고리즘을 적용하여 현재 기립 상태를 연산할 수 있고, 최종 기립에 도달하기 위하여 필요한 기립보조장치(110) 내의 구동기들의 동작 변화량을 예측하여 구동기들을 제어하여 전방착용 기립보조로봇(120)을 장착한 사용자의 기립을 지원할 수 있다. 제어부(230)는 기립 알고리즘에 따른 현재 기립 상태가 최종 기립 상태에 도달하면, 미리 설정된 일정 시간 후에 로봇 장착기(221)를 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위로부터 분리하여 기립 동작을 종료시킬 수 있다. 만일, 결합 완료 여부가 감지되지 않는 상태에서 제3 동작모드가 가동되었음이 감지되면, 제어부(230)는 제2 동작모드를 먼저 진행하여 장착을 완료한 뒤 제3 동작모드를 가동하도록 제어할 수 있다.

제어부(230)는 제4 동작모드에서 로봇 장착기(221)가 상기 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위와 결합되면 구동기들을 제어하여 전방착용 기립보조로봇(120)을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 특정 방향으로 이동시킴으로써 사용자의 보행을 보조할 수 있다.

제4 동작모드가 가동되면, 기립 지원 동작은 상기 서술한 바와 같이 제3 동작모드의 기립 지원 동작과 동일하게 진행될 수 있다. 제어부(230)는 기립 알고리즘에 따른 현재 기립 상태가 최종 기립 상태에 도달하면, 미리 설정된 일정 시간 후에 보행 보조 동작을 지원할 수 있다.

제4 동작모드에 있어서 보행 보조 동작이 시작되면, 제어부(230)는 카메라 모듈(226)을 전방착용 기립보조로봇의 반대 방향으로 회전시키고 주행 방향에 있는 장애물을 검출하여 사용자가 장애물에 부딪히지 않도록 베이스(212)의 전후좌우로 이동 방향을 조절하거나 정지시키는 등의 제어를 할 수 있다.

제어부(230)는 전방착용 기립보조로봇(120)으로부터 신호를 전달 받아 사용자의 보행을 보조하기에 적합한 이동 속도 및 방향을 예측하여 구동기들을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 로봇 장착기(221)는 결합되어 전기적으로 연결된 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위로부터 신호를 수신하여 제어부(230)로 전달할 수 있고, 제어부(230)는 로봇 장착기(221)로부터 전달받은 신호를 기초로 사용자의 보행을 보조할 수 있다. 다른 실시예에서, 제어부(230)는 전방착용 기립보조로봇(120)으로부터 네트워크를 통해 연결되어 신호를 수신 받을 수 있고, 제어부(230)는 수신한 신호를 기초로 사용자의 보행을 보조할 수 있다. 제어부(230)는 전방착용 기립보조로봇(120)으로부터 전달된 신호를 기초로 전방착용 기립보조로봇(120)을 장착한 사용자에게 적정하다고 판단되는 수준으로 이동 속도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 전달된 신호를 기초로 전방착용 기립보조로봇(120)을 장착한 사용자의 하체에서 감지되는 물리력이 미리 설정된 '느린 속도가 필요한 범위' 안에 있다고 판단할 수 있고, 이에 따라 베이스(212)의 이동 속도를 시속 1km 수준으로 조정할 수 있다.

제어부(230)는 미리 설정된 일정 시간 후에 베이스(212)의 이동을 중지시키고 로봇 장착기(221)를 전방착용 기립보조로봇(120)의 특정 부위로부터 분리함으로써 제4 동작모드를 종료시킬 수 있다.

이와 같은 복수의 동작모드에 있어서 기립보조장치(110)의 이동 방향은 제어부(230)에 이동 방향 변경을 명령함으로써 수동으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어부(230)는 리모트 콘트롤러의 명령을 수신하여 이동 방향을 제어할 수 있고, 특정 명령어를 포함한 음성을 인식하여 이동 방향을 제어할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇을 설명하는 도면이다.

전방착용 기립보조로봇(120)은 사용자가 앉아서 착용 가능한 자세를 형성할 수 있고, 이에 따라 사용자는 앉은 자세에서 전방착용 기립보조로봇(120)을 착용할 수 있다.

전방착용 기립보조로봇(120)의 착용을 위해서, 다음의 과정들이 수행될 수 있다. 우선, 사용자는 발바닥을 발판(314)에 올려놓고, 필요에 따라, 다리 스트랩(330a)을 활용하여 발을 링커(312)에 결합시킨다. 사용자는 손을 파지봉(322)에 올려놓아 파지하고, 힘을 가하여 당김으로써 전방착용 기립보조로봇(120)을 앉아서 착용 가능한 자세로 변경시킨다. 사용자는 필요에 따라, 다리 스트랩(330b)을 활용하여 허벅지를 링커(312)에 결합시키고, 상체 스트랩(330c)을 활용하여 상체를 몸체 플레이트(324)에 결합시킨다.

전방착용 기립보조로봇(120)의 동작을 위해서, 다음의 과정들이 수행될 수 있다. 우선, 전방착용 기립보조로봇(120)은 사용자에 의해 동작이 발생되기 전에 사용자의 근육에 인가되는 전기적인 신호가 가해지면, 동작제어모듈(340) 내에 장착된 근육힘 측정 센서를 이용하여 해당 신호를 근육힘 측정값으로 변환할 수 있다. 이후 동작제어모듈(340)은 상기 근육힘 측정값을 기초로 보행 알고리즘을 적용하여 현재 상태를 연산하고, 사용자의 다음 동작을 예측하여 다리 관절 구동기(316)들 및 제2 골반 관절 구동기(328)들을 가동시켜 사용자의 기립 또는 초기 보행을 보조할 수 있다. 이후, 전방착용 기립보조로봇(120)은 사용자의 동작이 발생하는 경우 보행 보조 구동기들에 장착된 다축 힘-토크 센서를 이용하여 힘-토크 변화량을 측정하여 이를 기초로 사용자의 다음 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 가동시킴으로써 보행을 보조할 수 있다. 또한, 동작제어모듈(340)은 상기 힘-토크 변화량을 기초로 균형 알고리즘을 적용하여 균형을 유지하기 위해 필요한 보행 보조 구동기들의 동작을 예측하여 구동함으로써 전체적인 균형을 유지하여 사용자의 보행을 보조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 전방착용 기립보조로봇(120)은 사용자의 소량의 동작을 기초로 다음 동작을 예측하여 다리 관절 구동기(316)들 및 제2 골반 관절 구동기(328)들(이하, 보행 보조 구동기들)을 구동함으로써 사용자의 보행을 보조할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇의 구성을 나타내는 사시도이다.

도 4를 참조하면, 전방착용 기립보조로봇(120)은 복수의 보조 다리부(310)들과 몸체부(320)를 포함할 수 있다.

복수의 보조 다리부(310)들은 각각이 제1 또는 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하고 각각의 중심 축이 이격된 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기를 각각 포함할 수 있다. 상기 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기들은 다리 관절 구동기(166)로 표현될 수 있다. 보다 구체적으로, 다리 관절 구동기(316)들은 각각이 사용자의 골반 관절들과 대응하여 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 골반 관절 구동기(316a)들, 사용자의 무릎 관절들과 대응하여 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 무릎 관절 구동기(316b)들, 사용자의 발목 관절들과 대응하여 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 발목 관절 구동기(316c)들을 포함하여 구성될 수 있고, 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 발목 관절 구동기(316d)들을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1 발목 관절 구동기(316c)와 제2 발목 관절 구동기(316d)는 각각의 중심 축이 이격되어 있어 넓은 동작 자유도를 제공할 수 있고, 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하는 동작제어모듈(340)에 의해 제어되어 전체 균형을 유지하는 동작을 수행할 수 있다.

상기 다리 관절 구동기(316)들을 포함한 보행 보조 구동기들 각각은 사용자의 관절들과 대응하여 특정 방향의 동작 자유도를 제공한다. 상기 서술했던 바와 같이, 제1 골반 관절 구동기(316a)들, 무릎 관절 구동기(316b)들, 제1 발목 관절 구동기(316c)들은 각각이 해당 관절에 대응하여 Pitch 방향으로 동작 자유도를 제공할 수 있고, 제2 발목 관절 구동기(316d)들 및 제2 골반 관절 구동기(328)들은 Roll 방향으로 동작 자유도를 제공할 수 있다.

보행 보조 구동기들 각각은 전력을 이용하여 회전운동의 힘을 얻는 구동기, 감각 관련 신호들을 분석하여 외부의 상태를 감지하는 센서 및 주변 모듈을 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 센서는 3차원적인 운동을 감지하기 위하여 지표면을 기준으로 기울기를 측정하는 가속도센서와 각속도를 측정하여 얻은 정보를 가지고 기울기를 측정하는 자이로센서 각각에 해당하거나 이들을 조합하여 구성한 다축 힘-토크 센서에 해당할 수 있으며, 사용자의 움직임이 외력으로 나타나기 전에 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서 등에 해당할 수 있다. 복수의 센서들에 의해 감지된 신호들은 동작제어모듈(340)에 전달된 후 균형 알고리즘을 통해 전체적인 균형을 유지하는데 사용될 수 있고, 보행 알고리즘을 통해 다음 동작을 예측하는데 사용될 수 있다. 해당 내용은 동작제어모듈(340)에 대한 설명에서 더 자세히 서술하도록 한다.

보조 다리부(310)들은 사용자의 사용자의 발로 탑승 가능하게 배치되어 상기 제2 발목 관절 구동기(316d)와 연결되는 발판(314)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라 보조 다리부(310)들 내에서 사용자의 다리 외측을 따라 각각이 형성된 다리 관절 구동기(316)들은 다리 외측의 하단부에서 발판(314)과 연결될 수 있다. 발판(314)은 제2 발목 관절 구동기(316d)와 결합하여 사용자의 무게를 지지하고 보행을 보조하도록 판형상으로 제작될 수 있다.

보조 다리부(310)들은 복수의 관절 구동기들을 연결하는 링커(312)들을 더 포함할 수 있고, 사용자의 다리를 안정적으로 지지하기 위한 고정수단인 다리 스트랩(130a, 130b)을 더 포함할 수 있다.

몸체부(320)는 각각이 제1 단에서 다리 관절 구동기(316)들 중 제1 골반 관절 구동기(316a)들과 연결되고 사용자의 몸체 전면을 둘러싸고 몸체 후면을 개구하도록 절곡된 복수의 지지 바들(support bars)(126)과 각각이 복수의 지지 바(326)들의 제2 단들에 연결되어 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 골반 관절 구동기(328)들을 포함할 수 있다.

몸체부(320)는 복수의 지지 바(326)들 및 제2 골반 관절 구동기(328)들을 결합한 몸체 플레이트(324)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 몸체 플레이트(324)는 사용자의 상체를 고정 및 지지하기 위해 판형상으로 제작되어 제2 골반 관절 구동기들과 연결되는 복수의 지지 바들과 결합하는 보조 모듈을 말한다. 몸체 플레이트(324)는 사용자의 상체를 안정적으로 지지하기 위한 고정수단인 상체 스트랩(330c)을 더 포함할 수 있다.

몸체부(320)는 몸체 플레이트(324)에서 사용자의 반대편 일면에 연결되어 사용자의 손에 의해 파지될 수 있도록 지면에 평행한 방향으로 연장되는 파지봉(322)을 더 포함할 수 있다. 사용자는 파지봉(322)의 일부를 손으로 파지하고 힘을 가하여 당김으로써 보행 전 전방착용 기립보조로봇(120)을 착용하기 위한 수단으로 활용할 수 있고, 보행 중 스스로 신체의 균형을 조정할 수 있으며, 파지봉(322)의 일부를 손으로 쥐고 특정 방향으로 힘을 가하거나 회전시키는 등의 수동 제어를 통해 다리 관절 구동기(316)들 및 제2 골반 관절 구동기(328)들을 가동시킴으로써 원하는 동작을 보조하도록 할 수 있다. 또한, 사용자는 파지봉(322)의 일부에 무게가 있는 짐을 올릴 수 있고, 이 경우, 상기 짐의 무게는 동작제어모듈(340) 내 복수의 센서들에 의해 감지된 후 균형 알고리즘을 통해 전체적인 균형을 유지하는데 사용될 수 있다. 여기에서, 파지봉(322)은 둘레가 둥근 대를 의미하는 봉이라는 용어를 사용하였지만, 이에 제한되지 않고 서술한 기능과 유사하게 사용자의 손에 의해 파지될 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.

몸체부(320)는 몸체 플레이트(324)에서 사용자의 반대편 일면에 장착되어 전방착용 기립보조로봇(120) 내부의 전원을 공급하는 대용량의 배터리팩(335)을 포함할 수 있고, 상기 배터리팩(335)은 탈부착 및 휴대 가능하도록 제작될 수 있다.

보행 보조 구동기들 각각은 사용자의 동작에 따라 발생되는 해당 관절의 움직임을 센싱하는 다축 힘-토크센서를 포함할 수 있다. 여기에서, 다축 힘-토크센서는 3차원적인 운동을 감지하기 위하여 지표면을 기준으로 기울기를 측정하는 가속도센서와 각속도를 측정하여 얻은 정보를 가지고 기울기를 측정하는 자이로센서 다수 개의 조합으로 구성될 수 있고, 그 예로는 3개의 자이로센서와 3개의 가속도센서를 포함하여 6자유도를 갖도록 구성된 6축 힘-토크 센서를 들 수 있다. 다축 힘-토크센서에 의해 감지된 신호는 균형 알고리즘을 통해 전체적인 균형을 유지하는데 사용될 수 있다.

몸체부(320)는 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하여 상기 복수의 발목 관절 구동기들을 제어하여 무게중심을 잡는 동작제어모듈(340)을 포함할 수 있다.

동작제어모듈(340)은 다축 힘-토크센서의 힘-토크 측정값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하고 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 다축 힘-토크센서의 힘-토크 변화량들을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

동작제어모듈(340)은 사용자가 힘을 가하였을 때 외력을 측정하는 다축 힘-토크센서 외에도 관절을 움직일 때의 각도 변화를 측정하는 엔코더, 압력에 따른 저항 변화량을 측정하는 FSR(Force-Sensing Resistor) 센서, 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 EMG(Electromyograph) 센서와 같은 근육힘 측정 센서 등 복수의 센서들과, 센서들에 의해 측정되는 정보들을 기초로 종합적인 컴퓨팅을 수행하는 MCU를 포함하여 구성될 수 있다.

동작제어모듈(340)은 복수의 센서들로부터 측정한 값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하여 현재의 균형 상태를 연산할 수 있고, 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 보행 보조 구동기들의 동작 변화량을 예측하여 해당 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다.

동작제어모듈(340)은 상기 복수의 센서들로부터 측정한 값들을 기초로 다음의 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다. 예를 들어, 다축 힘-토크센서를 통해 사용자의 동작에 의해 발생되는 힘-토크 변화량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있고, 혹은 사용자의 동작에 의한 움직임이 외력으로 나타나기 전에 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서를 통해 측정된 전기적 신호량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다.

동작제어모듈(340)은 상기 다음의 동작 예측에 있어서 보행패턴을 구분 및 인식할 수 있는 알고리즘을 적용할 수 있다. 사람의 보행패턴은 Foot Flat → Midstance → Terminal Stance → PreSwing → Initial-Swing → Midswing → TerminalSwing 총 7단계의 연속적으로 이어지는 보행 단계를 갖기 때문에 사용자의 보행을 보조하기 위해서 각 단계를 정확하게 구분하고 현재 상태에 따른 지지 방식을 다르게 가져갈 필요가 있다. 따라서 동작제어모듈(340)은 다축 힘-토크센서 및 근육힘 측정 센서 등 복수의 센서들로부터 변환한 측정값들을 기초로 사용자의 현재 상태를 연산하여 현재 보행 단계를 인식할 수 있다. 동작제어모듈(340)은 인식한 현재 보행 단계에 따라 다음 단계를 예측할 수 있고, 사용자의 근력을 연속적으로 지지할 수 있도록 보행 보조 구동기들을 제어하여 사용자의 보행을 보조할 수 있다.

동작제어모듈(340)은 상기 균형 알고리즘과 일반 보행 패턴 알고리즘 외에도 전방착용 기립보조로봇(120)의 착용 및 해제 알고리즘, 계단보행보조 알고리즘, 뒤로 걷기 알고리즘, 좌우 움직임 알고리즘 및 그 밖에 사용자의 동작 전반에 관한 움직임의 의도를 종합적으로 파악할 수 있는 다양한 알고리즘을 적용하여 사용자의 복합적인 의도에 따라 예측되는 다음 동작을 기초로 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 기립보조장치 시스템 110: 기립보조장치
120: 전방착용 기립보조로봇 210: 몸체부
212: 베이스 214: 보조암 삽입홈
220: 보조암부 221: 로봇 장착기
222: 손목 관절 구동기 223: 팔꿈치 관절 구동기
224: 어깨 관절 구동기 225: 링커
226: 카메라 모듈 230: 제어부
310: 보조 다리부 312: 링커
314: 발판 316: 다리 관절 구동기
316a: 제1 골반 관절 구동기 316b: 무릎 관절 구동기
316c: 제1 발목 관절 구동기 316d: 제2 발목 관절 구동기
320: 몸체부 322: 파지봉
324: 몸체 플레이트 326: 지지 바
328: 제2 골반 관절 구동기 330: 스트랩
330a: 다리 스트랩 330b: 다리 스트랩
330c: 상체 스트랩 335: 배터리팩
340: 동작제어모듈

Claims (12)

1. 복수의 바퀴들을 통해 이동 가능한 베이스와 일 면에서 길이 방향으로 형성된 보조암 삽입홈을 포함하는 몸체부;
   전방착용 기립보조로봇과 탈착식으로 결합 가능한 로봇 장착기, 상기 로봇 장착기에 동작 자유도를 제공하는 손목 관절 구동기, 팔꿈치 관절 구동기, 상기 보조암 삽입홈의 일단에 결합된 어깨 관절 구동기 및 상기 구동기들 간의 연결을 위한 복수의 링커들을 포함하는 보조암부(auxiliary arm unit); 및
   제1 동작모드에서 상기 구동기들을 초기화하여 상기 보조암 삽입홈에 상기 보조암부를 삽입하고, 제2 동작모드에서 상기 로봇 장착기를 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위를 검출 및 결합하는 제어부를 포함하며,
   상기 로봇 장착기는 그 상단에 회전 가능한 카메라 모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 보조암부를 특정 자세로 위치시키고 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위를 상기 카메라를 통해 검출하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
   제3 동작모드에서 상기 로봇 장착기가 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위와 결합되면 상기 구동기들을 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 상기 로봇 장착기를 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는
   제4 동작모드에서 상기 로봇 장착기가 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위와 결합되면 상기 구동기들을 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 특정 방향으로 이동시킴으로써 사용자의 보행을 보조하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 로봇 장착기는 상기 전방착용 기립보조로봇으로부터 신호를 수신하여 제어부로 전달하고,
   상기 제어부는 상기 로봇 장착기로부터 전달받은 신호를 기초로 상기 사용자를 보조하기에 적합한 이동 속도 및 방향을 예측하여 상기 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 보조암부에서, 상기 손목 관절 구동기는 6 자유도를 제공하며 그 중심축이 이격된 적어도 3 개의 구동 모듈들을 포함하고,
   상기 팔꿈치 관절 구동기는 2 자유도를 제공하며 적어도 1 개의 구동 모듈을 포함하고,
   상기 어깨 관절 구동기는 4 자유도를 제공하며 그 중심축이 이격된 적어도 2 개의 구동 모듈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 카메라 모듈을 상기 전방착용 기립보조로봇의 반대 방향으로 회전시키고 주행 방향에 있는 장애물을 검출하여 사용자가 상기 장애물에 부딪히는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
   제2 동작모드에서 상기 카메라 모듈을 상기 전방착용 기립보조로봇의 방향으로 회전시키고 주행 방향에 있는 장애물을 검출하여 상기 장애물에 부딪히는 것을 방지하고 상기 전방착용 기립보조로봇을 향해 주행 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치.
   
9. 제2항에 있어서, 상기 제어부는
   외력을 측정하는 적어도 하나의 다축 힘-토크센서를 포함하고, 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 측정값들을 기초로 기립 알고리즘을 적용하며 최종 기립 상태에 도달하기 위하여 필요한 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 변화량들을 예측하여 상기 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치.
   
10. 전방착용 기립보조로봇과 기립보조장치를 포함하고,
    상기 기립보조장치는
    복수의 바퀴들을 통해 이동 가능한 베이스와 일 면에서 길이 방향으로 형성된 보조암 삽입홈을 포함하는 몸체부;
    상기 전방착용 기립보조로봇과 착탈식으로 결합 가능한 로봇 장착기, 상기 로봇 장착기에 동작 자유도를 제공하는 손목 관절 구동기, 팔꿈치 관절 구동기, 상기 보조암 삽입홈의 일단에 결합된 어깨 관절 구동기 및 상기 구동기들 간의 연결을 위한 복수의 링커들을 포함하는 보조암부(auxiliary arm unit); 및
    제1 동작모드에서 상기 구동기들을 초기화하여 상기 보조암 삽입홈에 상기 보조암부를 삽입하고, 제2 동작모드에서 상기 로봇 장착기를 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위를 검출 및 결합하는 제어부를 포함하며,
    상기 로봇 장착기는 그 상단에 회전 가능한 카메라 모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 보조암부를 특정 자세로 위치시키고 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위를 상기 카메라를 통해 검출하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치 시스템.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 제어부는
    제3 동작모드에서 상기 로봇 장착기가 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위와 결합되면 상기 구동기들을 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 상기 로봇 장착기를 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치 시스템.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는
    제4 동작모드에서 상기 로봇 장착기가 상기 전방착용 기립보조로봇의 특정 부위와 결합되면 상기 구동기들을 제어하여 상기 전방착용 기립보조로봇을 장착한 사용자를 기립시키고 일정 시간 후에 특정 방향으로 이동시킴으로써 사용자의 보행을 보조하는 것을 특징으로 하는 기립보조장치 시스템.
    

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