KR102328754B1

KR102328754B1 - 무릎형 로봇의족 및 이의 제어방법

Info

Publication number: KR102328754B1
Application number: KR1020200034508A
Authority: KR
Inventors: 우현수; 조장호; 김기영; 신민기
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2021-11-18
Also published as: KR20210117790A

Abstract

본 발명의 일실시예는 보행 중에 가해지는 충격을 감소시키고 자연스러운 보행을 도울 수 있는 무릎형 로봇의족 및 이의 제어방법을 제공한다. 여기서, 무릎형 로봇의족은 구동부, 하퇴 프레임부, 슬라이딩부, 제1와이어, 제1탄성부재 그리고 로킹부를 포함한다. 구동부는 착용자의 무릎에 대응되고 회전력을 발생한다. 하퇴 프레임부는 구동부에 일단부가 결합되고, 착용자의 하퇴(Lower Leg) 방향으로 연장되며, 구동부를 중심으로 전후방향으로 회전된다. 슬라이딩부는 하퇴 프레임부에 구비되고 하퇴 프레임부의 길이방향으로 선택적으로 슬라이딩된다. 제1와이어는 일단부는 구동부에 결합되고, 타단부는 슬라이딩부로 연장되도록 구비된다. 제1탄성부재는 일단부는 슬라이딩부에 결합되고, 타단부는 제1와이어의 타단부에 결합되며, 하퇴 프레임부의 후방향 회전 시에 복원력을 발생한다. 로킹부는 하퇴 프레임부에 선택적으로 결합되어 슬라이딩부가 슬라이딩 또는 슬라이딩 되지 않도록 한다.

Description

무릎형 로봇의족 및 이의 제어방법{KNEE-TYPE ROBOT ARTIFICIAL LEG AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 무릎형 로봇의족 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보행 중에 가해지는 충격을 감소시키고 자연스러운 보행을 도울 수 있는 무릎형 로봇의족 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

사람의 다리를 대신 할 수 있는 의족에 대한 수요가 늘어나면서 다양한 형태의 의족이 사용되고 있다.

초기의 상용 의족들은 주로 미관적인 측면에서 절단된 신체 부위를 대신할 목적으로 개발되었으나, 점차 자연스러운 보행이 가능하고 사용자에게 과도한 신진대사 소모가 발생하지 않도록 하는 기능적인 측면에서도 중요한 역할을 하는 의족들이 개발되고 있다.

일 예로, 대퇴절단 장애인을 위한 무릎형 로봇의족들이 개발되고 있다. 그러나, 종래의 무릎형 로봇의족은 착용자 다리의 절단 부위를 단순 대체하는 형태가 대부분이고, 무릎 관절에 대응되는 회전 기능을 가지는 정도이다. 따라서, 이러한 무릎형 로봇의족은 보행 중 지면을 밟는 과정에서 전달되는 충격을 감소시키지 못하고, 자연스러운 보행이 가능하도록 하는 기능이 제공되기 어렵다는 한계가 있었다. 따라서 대퇴절단 장애인들이 보다 자연스러운 보행이 가능하고, 보행 중에 가해지는 충격을 효과적으로 줄일 수 있는 무릎형 로봇의족의 개발이 필요하다.

대한민국 공개특허공보 제2005-0058417호(2005.06.16. 공개)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보행 중에 가해지는 충격을 감소시키고 자연스러운 보행을 도울 수 있는 무릎형 로봇의족 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 착용자의 무릎에 대응되고 회전력을 발생하는 구동부; 상기 구동부에 일단부가 결합되고, 착용자의 하퇴(Lower Leg) 방향으로 연장되며, 상기 구동부를 중심으로 전후방향으로 회전되는 하퇴 프레임부; 상기 하퇴 프레임부에 구비되고 상기 하퇴 프레임부의 길이방향으로 선택적으로 슬라이딩되는 슬라이딩부; 일단부는 상기 구동부에 결합되고, 타단부는 상기 슬라이딩부로 연장되도록 구비되는 제1와이어; 일단부는 상기 슬라이딩부에 결합되고, 타단부는 상기 제1와이어의 타단부에 결합되며, 상기 하퇴 프레임부의 후방향 회전 시에 복원력을 발생하는 제1탄성부재; 그리고 상기 하퇴 프레임부에 선택적으로 결합되어 상기 슬라이딩부가 슬라이딩 또는 슬라이딩 되지 않도록 하는 로킹부를 포함하는 무릎형 로봇의족을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 구동부는 하우징과, 회전되면서 회전력을 출력하는 출력부를 가지고, 상기 하퇴 프레임부는 일단부는 상기 하우징에 회전 가능하게 결합되고, 타단부는 상기 출력부와 결합되어 상기 출력부와 함께 회전하는 브래킷부와, 일단부는 상기 브래킷부와 연결되고, 서로 이격되어 구비되는 한 쌍의 레일을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 슬라이딩부는 상기 레일에 결합되어 상기 레일을 따라 왕복 이동되는 슬라이딩 블록과, 상기 슬라이딩 블록에 형성되고, 상기 제1와이어가 관통되는 플랜지를 가지고, 상기 제1탄성부재는 상기 제1와이어를 감싸도록 구비되되, 일단부는 상기 플랜지에 밀착되고, 타단부는 상기 제1와이어의 타단부에는 결합되는 가압구에 밀착되며, 상기 하퇴 프레임부가 상기 구동부를 중심으로 후방향으로 회전되면 상기 제1탄성부재는 상기 가압구에 의해 가압되어 탄성 복원력을 발생할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 레일의 타단부에 결합되고, 롤러를 가지는 마운트부와, 일단부는 상기 슬라이딩 블록에 결합되고, 적어도 일부분이 상기 롤러에 감겨 상기 구동부 방향으로 연장 구비되는 제2와이어와, 일단부는 상기 하퇴 프레임부의 일단부에 결합되고, 상기 마운트부 방향으로 연장 구비되며, 타단부가 상기 제2와이어의 타단부와 결합되어 상기 슬라이딩부가 상기 마운트부 방향으로 이동되도록 복원력을 제공하는 제2탄성부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2와이어, 상기 롤러 및 상기 제2탄성부재는 복수 개로 구비되고, 상기 제1탄성부재를 기준으로 대칭되도록 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 로킹부는 모터와, 상기 슬라이딩 블록에 구비되고, 상기 한 쌍의 레일에 근접되어 한 쌍으로 배치되는 로킹 블록과, 상기 모터에서 발생시키는 동력을 상기 로킹 블록에 전달하여 상기 로킹 블록이 상기 레일에 선택적으로 결합되도록 함으로써 상기 슬라이딩부가 슬라이딩 또는 슬라이딩 되지 않도록 하는 동력전달부를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 동력전달부는 상기 로킹 블록에 돌출 구비되는 가이드 핀과, 상기 슬라이딩 블록에 상기 레일의 길이방향을 따라 왕복 이동되도록 구비되고, 상기 가이드 핀이 관통되도록 형성되는 가이드 홈을 가지는 가이드 블록과, 상기 모터에 의해 회전하면서 상기 가이드 블록을 상기 레일의 타단부 방향으로 밀어내는 캠을 가지고, 상기 가이드 홈은 상기 레일의 타단부 방향으로 갈수록 서로 벌어지도록 형성되어 상기 가이드 블록이 상기 레일의 타단부 방향으로 이동 시에는 상기 가이드 핀 사이의 간격을 벌려 상기 로킹 블록이 상기 레일에 고정되도록 하고, 상기 가이드 블록이 상기 구동부 방향으로 이동 시에는 상기 가이드 핀 사이의 간격을 좁혀 상기 로킹 블록이 상기 레일에서 분리되도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 로킹부는 상기 슬라이딩 블록에 구비되고, 상기 가이드 블록이 상기 구동부 방향으로 이동되도록 탄발 지지하는 제3탄성부재를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 레일은 상기 레일의 길이방향을 따라 형성되는 걸림홈을 가지고, 상기 로킹 블록은 상기 걸림홈에 결합되도록 형성되는 걸림돌기를 가지며, 상기 가이드 블록이 상기 레일의 타단부 방향으로 이동되면 상기 로킹 블록의 사이 간격이 좁아지고 상기 걸림돌기는 상기 걸림홈에서 분리되고, 상기 가이드 블록이 상기 구동부 방향으로 이동되면 상기 로킹 블록 사이의 간격이 벌어지고 상기 걸림돌기는 상기 걸림홈에 결합될 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 로봇의족의 제어방법으로서, 보행 시, 발뒤꿈치가 지면에 닿은 후 발바닥이 지면에 완전히 닿는 접촉단계; 그리고 상기 접촉단계 이후에, 발가락이 지면에서 떨어지고 무릎이 굽으면서 전방으로 이동함과 동시에 무릎각도가 커지는 제1스윙단계를 포함하고, 상기 접촉단계에서는, 상기 구동부는 회전력을 발생하지 않고, 상기 로킹부는 상기 슬라이딩부가 슬라이딩되지 않도록 로킹하고, 상기 하퇴 프레임부는 후방향으로 회전되어 상기 제1탄성부재는 압축되고, 상기 제1스윙단계에서는, 상기 구동부는 상기 하퇴 프레임부를 후방향으로 회전시키고, 상기 로킹부는 상기 슬라이딩부의 로킹을 해제하고, 상기 하퇴 프레임부는 후방향으로 회전되어 상기 슬라이딩부가 상기 구동부 방향으로 슬라이딩되는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족의 제어방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1스윙단계 이후에, 무릎이 펴지면서 하퇴가 전방으로 스윙되는 제2스윙단계를 포함하고, 상기 제2스윙단계에서는, 상기 구동부는 회전력을 발생하지 않고, 상기 로킹부는 상기 슬라이딩부의 로킹 해제를 유지하며, 일단부는 상기 하퇴 프레임부의 일단부에 결합되고, 일단부가 상기 슬라이딩부에 결합되고 적어도 일부분이 상기 하퇴 프레임부의 타단부에 결합되는 마운트부에 구비되는 롤러에 감겨 상기 구동부 방향으로 연장 구비되는 제2와이어의 타단부와 결합되는 제2탄성부재의 탄성 복원력에 의해 상기 슬라이딩부는 상기 마운트부 방향으로 이동되고, 상기 하퇴 프레임부는 전방향으로 회전될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 구동부, 제1탄성부재, 제2탄성부재, 슬라이딩부, 로킹부, 제1와이어 및 제2와이어의 구동을 통해 보행 시 접촉단계, 제1스윙단계 및 제2스윙단계에서의 자연스러운 보행이 구현될 수 있다. 그리고 제1탄성부재 및 제2탄성부재의 탄성 복원력에 의해 하퇴 프레임부의 회전이 부드러워질 수 있으며, 하퇴 프레임부의 급격한 회전에 따른 충격 발생이 방지되거나 감소될 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족을 전방에서 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 하퇴 프레임부를 중심으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 슬라이딩부 및 제1와이어를 중심으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 접촉단계에서 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 작동을 설명하기 위한 측면 예시도이다.
도 5는 보행단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 1의 무릎형 로봇의족을 후방에서 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 로킹부를 중심으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 로킹부의 작동 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 제2와이어 및 제2탄성부재를 작동예를 나타낸 작동 예시도이다.
도 10은 제1스윙단계에서 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 작동을 설명하기 위한 측면 예시도이다.
도 11은 제2스윙단계에서 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 작동을 설명하기 위한 측면 예시도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족을 전방에서 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 하퇴 프레임부를 중심으로 나타낸 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 무릎형 로봇의족은 구동부(100), 하퇴 프레임부(200), 슬라이딩부(300), 제1와이어(400), 제1탄성부재(500) 그리고 로킹부(600)를 포함할 수 있다.

구동부(100)는 착용자의 무릎에 대응되고 회전력을 발생할 수 있다. 구동부(100)는 하우징(110)을 가질 수 있으며, 하우징(110)은 내측에 회전력을 발생하고, 전달하기 위한 구성을 수용할 수 있다. 구동부(100)는 하우징(110)에 돌출형성되고, 제1관통홀(112)을 가지는 제1결합구(111)를 가질 수 있다. 또한, 구동부(100)는 출력부(120)를 가질 수 있으며, 출력부(120)는 회전하면서 회전력을 출력할 수 있다.

그리고, 구동부(100)는 제1연결구(130)를 가질 수 있다. 제1연결구(130)는 하우징(110)에 결합될 수 있으며, 착용자의 허벅지에 결합되는 보형물(미도시)에 결합될 수 있다.

하퇴 프레임부(200)는 구동부(100)에 일단부가 결합될 수 있으며, 착용자의 하퇴(Lower Leg) 방향으로 연장되며, 구동부(100)를 중심으로 전후방향으로 회전될 수 있다. 도 1을 기준으로 했을 때, 전방향은 반시계 방향이고, 하퇴 프레임부(200)의 전방향 회전은 무릎이 펴지는 방향의 회전일 수 있으며, 후방향은 시계 방향이고, 하퇴 프레임부(200)의 후방향 회전은 무릎이 접히는 방향의 회전일 수 있다.

하퇴 프레임부(200)는 브래킷부(210) 및 레일(220)을 가질 수 있다.

브래킷부(210)는 일단부는 하우징(110)에 회전 가능하게 결합되고, 타단부는 출력부(120)와 결합되어 출력부(120)와 함께 회전될 수 있다. 그리고, 레일(220)은 한 쌍으로 구비될 수 있으며, 일단부가 브래킷부(210)와 연결되고, 서로 이격되어 구비될 수 있다.

구체적으로, 브래킷부(210)는 제1연결브래킷(211), 제2연결브래킷(212) 및 베이스브래킷(213)을 가질 수 있다.

제1연결브래킷(211)은 출력부(120)와 연결되고, 출력부(120)와 일체로 회전될 수 있다. 출력부(120)는 전방향 또는 후방향으로 회전될 수 있기 때문에, 이에 따라 제1연결브래킷(211)도 전방향 또는 후방향으로 회전될 수 있다.

제2연결브래킷(212)은 하우징(110)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 베이스브래킷(213)은 일단부가 제1연결브래킷(211)에 연결되고 타단부는 제2연결브래킷(212)에 연결될 수 있다. 레일(220)은 일단부가 베이스브래킷(213)에 연결될 수 있으며, 각각의 레일(220)은 서로 이격되어 평행하게 구비될 수 있다.

슬라이딩부(300)는 하퇴 프레임부(200)에 구비될 수 있으며, 하퇴 프레임부(200)의 길이방향으로 선택적으로 슬라이딩될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 슬라이딩부 및 제1와이어를 중심으로 나타낸 분해 사시도이다.

도 3을 더 포함하여 보는 바와 같이, 슬라이딩부(300)는 슬라이딩 블록(310) 및 플랜지(320)를 가질 수 있다.

슬라이딩 블록(310)은 한 쌍의 제2관통홀(311)을 가질 수 있다. 제2관통홀(311)에는 레일(220)이 각각 관통될 수 있으며, 슬라이딩 블록(310)은 레일(220)을 따라 왕복 이동될 수 있다. 플랜지(320)는 슬라이딩 블록(310)에 돌출 형성될 수 있으며, 제3관통홀(321)을 가질 수 있다.

제1와이어(400)는 일단부는 구동부(100)에 결합되고 타단부는 슬라이딩부(300)로 연장되도록 구비될 수 있다. 구체적으로, 제1와이어(400)의 일단부는 제1결합구(111)의 제1관통홀(112)을 관통하도록 구비될 수 있다. 제1와이어(400)의 일단부에는 제1고정구(410)가 결합될 수 있으며, 이를 통해, 제1와이어(400)가 슬라이딩부(300) 방향으로 빠져나오는 것이 방지될 수 있다.

제1와이어(400)의 타단부는 플랜지(320)의 제3관통홀(321)을 관통하도록 구비될 수 있다. 제1와이어(400)의 타단부에는 제2고정구(420)가 결합될 수 있다. 그리고, 제2고정구(420)에는 가압구(430)가 결합될 수 있으며, 가압구(430)는 플랜지(320)와 이격되어 구비될 수 있다.

제1탄성부재(500)는 일단부는 슬라이딩부(300)에 결합되고, 타단부는 제1와이어(400)의 타단부에 결합되어 하퇴 프레임부(200)의 후방향 회전 시에 복원력을 발생할 수 있다. 구체적으로, 제1탄성부재(500)는 플랜지(320) 및 가압구(430)의 사이에 구비될 수 있으며, 플랜지(320) 및 가압구(430) 사이의 제1와이어(400)를 감싸도록 구비될 수 있다. 제1탄성부재(500)는 일단부는 플랜지(320)에 밀착되고, 타단부는 가압구(430)에 밀착될 수 있다. 제1탄성부재(500)는 압축하는 힘에 저항하는 압축스프링일 수 있다.

도 4는 접촉단계에서 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 작동을 설명하기 위한 측면 예시도이고, 도 5는 보행단계를 설명하기 위한 예시도이다.

먼저, 도 5에서 보는 바와 같이, 보행 시에는 접촉단계, 제1스윙단계 및 제2스윙단계가 발생될 수 있다. 접촉단계는 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 단계로서, 발뒤꿈치가 지면에 닿은 후 발바닥이 지면에 완전히 닿는 단계일 수 있다.

보행 시 접촉단계에서, 본 발명에 따른 무릎형 로봇의족은 도 4에서와 같이 작동될 수 있다. 즉, 접촉단계에서는 보행자의 무릎이 살짝 굽어지게 되며(도 5의 (b) 참조), 이는 도 4에서와 같이 구동부(100)의 회전으로 구현될 수 있다. 여기서, 구동부(100)의 회전은 구동부(100)에서 출력되는 동력에 의한 것이 아니라, 보행 시 착용자의 다리에 의해 가해지는 힘(관성력 및 중력)에 의해 구동부(100) 및 브래킷부(210) 사이에서 발생될 수 있다. 즉, 접촉단계에서 구동부(100)는 회전력을 발생하지 않으며, 구동부(100)는 착용자의 허벅지와 함께 회동되는 반면, 하퇴 프레임부(200)는 관성력 및 중력에 의해 후방향(D2)으로 회전될 수 있다.

도 4의 (b)에서와 같이 구동부(100) 및 하퇴 프레임부(200) 사이의 각도가 변하게 되면, 제1결합구(111) 및 제1고정구(410)도 함께 회전하게 되고, 이에 따라 제1와이어(400)는 상측으로 당겨질 수 있다. 그러면, 제1와이어(400)의 타단부에 결합된 가압구(430)가 상향 이동하게 되고, 가압구(430)에 의해 제1탄성부재(500)는 압축될 수 있다. 제1탄성부재(500)는 압축스프링이기 때문에, 제1탄성부재(500)에서는 탄성 복원력이 발생될 수 있다. 이러한 탄성 복원력에 의해 구동부(100)의 회전이 부드러워질 수 있으며, 구동부(100)의 급격한 회전에 따른 충격 발생이 방지되거나 감소될 수 있다. 도 4에서는 하퇴 프레임부(200)가 고정된 상태에서 구동부(100)가 회전되는 것으로 도시되었으나, 이는 상대적인 것으로, 구동부(100)가 고정된 상태에서 하퇴 프레임부(200)가 후방향으로 회전되는 경우도 동일할 수 있다.

로킹부(600)는 하퇴 프레임부(200)에 선택적으로 결합될 수 있으며, 이를 통해 슬라이딩부(300)가 슬라이딩되거나, 또는 슬라이딩 되지 않도록 할 수 있다.

도 6은 도 1의 무릎형 로봇의족을 후방에서 나타낸 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 로킹부를 중심으로 나타낸 분해 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 로킹부의 작동 예시도이다.

도 6 내지 도 8에서 보는 바와 같이, 로킹부(600)는 모터(610), 로킹 블록(620) 및 동력전달부를 가질 수 있다.

모터(610)는 회전 동력을 발생할 수 있다.

슬라이딩 블록(310)은 한 쌍의 장착홈(313)을 가질 수 있다. 장착홈(313)은 레일(220)의 일부가 노출되도록 형성될 수 있다.

로킹 블록(620)은 한 쌍으로 형성될 수 있으며, 슬라이딩 블록(310)의 장착홈(313)에 구비될 수 있다. 이에 따라 로킹 블록(620)은 레일(220)에 근접되게 배치될 수 있다. 또한, 장착홈(313)은 레일(220)의 길이방향에 수직한 방향으로 연장되게 형성될 수 있다. 로킹 블록(620)은 장착홈(313)의 길이방향으로 왕복 이동될 수 있으며, 이를 통해, 로킹 블록(620)은 레일(220)에 가까워져 밀착되거나 레일(220)로부터 멀어져 이격될 수 있다. 로킹 블록(620)이 레일(220)에 밀착되면 마찰력이 발생하여 슬라이딩 블록(310)이 이동되지 않을 수 있다. 한편, 레일(220)은 레일(220)의 길이방향을 따라 형성되는 걸림홈(221)을 가질 수 있고, 로킹 블록(620)은 걸림홈(221)에 결합되도록 형성되는 걸림돌기(622)를 가질 수 있다. 로킹 블록(620)의 걸림돌기(622)가 레일(220)의 걸림홈(221)에 결합되면, 로킹 블록(620)과 레일(220) 사이에는 더욱 효과적인 구속력이 발생할 수 있다.

동력전달부는 모터(610)에서 발생시키는 동력을 로킹 블록(620)에 전달하여 로킹 블록(620)이 레일(220)에 선택적으로 결합되도록 함으로써 슬라이딩부(300)가 슬라이딩 또는 슬라이딩 되지 않도록 할 수 있다.

동력전달부는 가이드 핀(630), 가이드 블록(640) 및 캠(650)을 가질 수 있다.

슬라이딩 블록(310)의 일면에는 슬라이딩 홈(314)이 형성될 수 있다. 슬라이딩 홈(314)은 레일(220)의 길이방향으로 연장 형성될 수 있다. 가이드 블록(640)은 슬라이딩 홈(314)에 구비되고 레일(220)의 길이방향을 따라 왕복 이동될 수 있다.

가이드 블록(640)은 한 쌍의 가이드 홈(641)을 가질 수 있다. 가이드 홈(641)은 가이드 블록(640)을 관통하여 형성될 수 있으며, 서로 대칭되도록 형성될 수 있다. 가이드 홈(641)은 레일(220)의 타단부, 즉 마운트부(700) 방향으로 갈수록 벌어져 서로 간의 간격이 커지도록 형성될 수 있다.

가이드 핀(630)은 로킹 블록(620)에 돌출 구비될 수 있다. 구체적으로 가이드 핀(630)은 가이드 홈(641)을 관통하여 로킹 블록(620)에 결합될 수 있다.

캠(650)은 모터(610)의 구동축(611)에 결합될 수 있으며, 모터(610)에 의해 회전될 수 있다. 캠(650)은 모터(610)에 의해 회전되면서 가이드 블록(640)에 돌출 형성되는 가압턱(642)을 선택적으로 가압할 수 있다. 캠(650)이 가압턱(642)을 가압하게 되면 가이드 블록(640)은 하향 이동될 수 있다.

그리고, 로킹부(600)는 누름구(680), 제3탄성부재(670) 및 커버 블록(660)을 가질 수 있다.

제3탄성부재(670)는 슬라이딩 블록(310)의 상부에 형성되는 거치부(316)에 구비될 수 있다. 제3탄성부재(670)는 하단부가 거치부(316)에 지지되도록 구비될 수 있다. 제3탄성부재(670)는 압축하는 힘에 저항하는 압축스프링일 수 있다.

누름구(680)는 일단부가 가이드 블록(640)의 상단부에 결합될 수 있으며, 제3탄성부재(670)의 상단부에 밀착되도록 구비될 수 있다. 누름구(680)에는 삽입부재(681)가 결합되고, 삽입부재(681)는 제3탄성부재(670)를 통과해 거치부(316)에 형성되는 결함홈(미도시)에 삽입될 수 있다. 삽입부재(681)는 제3탄성부재(670)가 압축 시에는 결합홈으로 삽입될 수 있으며, 제3탄성부재(670)가 쓰러지지 않고 안정적으로 압축되도록 도울 수 있다.

도 8의 (a)에서 보는 바와 같이, 모터(610)에 의해 동력을 전달받은 캠(650)이 회전하여 가이드 블록(640)의 가압턱(642)을 하측으로 밀면 가이드 블록(640)은 슬라이딩 홈(314)을 따라 하향 이동되고, 제3탄성부재(670)는 누름구(680)에 눌려 압축될 수 있다. 그러면, 가이드 핀(630)의 간격은 서로 가까운 상태가 되고, 로킹 블록(620)은 사이 간격이 좁아지도록 이동될 수 있으며, 걸림돌기(622)는 걸림홈(221)에서 분리될 수 있다. 이 상태에서는 슬라이딩 블록(310)은 레일(220)의 길이방향으로 슬라이딩 될 수 있다.

한편, 도 8의 (b)에서 보는 바와 같이, 모터(610)에 의해 동력을 전달받은 캠(650)이 회전하여 가이드 블록(640)의 가압턱(642)을 하측으로 밀던 힘이 없어지면, 제3탄성부재(670)의 복원력에 의해 누름구(680)가 상측으로 밀리게 된다. 그러면, 누름구(680)가 결합된 가이드 블록(640)온 슬라이딩 홈(314)을 따라 상향 이동될 수 있다. 이에 따라, 가이드 핀(630)의 간격은 서로 멀어지는 상태가 되고, 로킹 블록(620)은 사이 간격이 벌어지도록 이동될 수 있으며, 걸림돌기(622)는 걸림홈(221)에 결합될 수 있다. 이 상태에서는 슬라이딩 블록(310)은 레일(220)의 길이방향으로 슬라이딩될 수 없게 된다.

커버 블록(660)은 모터(610) 및 가이드 블록(640)의 사이에 구비되고 슬라이딩 블록(310)에 결합될 수 있다. 커버 블록(660)은 캠(650), 가이드 블록(640) 및 로킹 블록(620)을 덮어 보호할 수 있다. 커버 블록(660)에는 모터(610)의 구동축(611)이 관통되도록 제4관통홀(661)이 형성될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 제2와이어 및 제2탄성부재를 작동예를 나타낸 작동 예시도이다.

도 1 및 도 9에서 보는 바와 같이, 무릎형 로봇의족은 마운트부(700), 제2와이어(800) 및 제2탄성부재(900)를 포함할 수 있다.

마운트부(700)는 레일(220)의 타단부에 결합될 수 있으며, 한 쌍의 롤러(710)를 가질 수 있다. 마운트부(700)는 제2연결구(720)를 가질 수 있다. 제2연결구(720)는 발목의족에 결합될 수 있다.

제2와이어(800)는 일단부는 슬라이딩 블록(310)에 결합될 수 있다. 이를 위해, 슬라이딩 블록(310)에는 제2결합구(312)가 구비될 수 있다. 일단부가 제2결합구(312)에 결합된 제2와이어(800)는 적어도 일부분이 롤러(710)에 감겨 구동부(100) 방향으로 연장 구비될 수 있다.

제2탄성부재(900)는 일단부가 하퇴 프레임부(200)의 일단부에 결합될 수 있다. 이를 위해, 베이스브래킷(213, 도 2 참조)에는 제3결합구(215)가 구비될 수 있다. 일단부가 제3결합구(215)에 결합된 제2탄성부재(900)는 마운트부(700) 방향으로 연장 구비되고 타단부가 제2와이어(800)의 타단부와 결합될 수 있다. 제2탄성부재(900)는 인장하는 힘에 저항하는 인장스프링일 수 있다. 따라서, 도 9의 (a)에서와 같이, 슬라이딩부(300)가 상향 이동되어 제2탄성부재(900)가 인장되는 경우, 제2탄성부재(900)에는 슬라이딩부(300)가 마운트부(700) 방향으로 이동되도록 하는 복원력을 제공할 수 있다. 따라서, 도 9의 (a) 상태에서 슬라이딩부(300)에 가해지는 외력이 제거되면, 제2탄성부재(900)가 초기 형태로 복원되면서 제2와이어(800)의 타단부를 상측으로 당기게 되고, 롤러(710)에 감긴 제2와이어(800)의 일단부는 하향 이동되면서 슬라이딩부(300)를 당겨 슬라이딩부(300)는 하향 이동될 수 있다.

제2와이어(800), 롤러(710) 및 제2탄성부재(900)는 복수 개로 구비될 수 있으며, 제1탄성부재(500)를 기준으로 대칭되도록 배치될 수 있다.

도 10은 제1스윙단계에서 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 작동을 설명하기 위한 측면 예시도이다.

도 5 및 도 10에서 보는 바와 같이, 보행 시, 제1스윙단계는 도 5의 (c) 및 (d)에 도시된 단계로서, 접촉단계 이후에, 발가락이 지면에서 떨어지고 무릎이 굽으면서 전방으로 이동함과 동시에 무릎각도가 커지는 단계일 수 있다.

제1스윙단계에서, 본 발명에 따른 무릎형 로봇의족은 도 10에서와 같이 작동될 수 있다. 즉, 제1스윙단계에서는 보행자의 무릎각도가 제1각도(A1)에서 제2각도(A2)로 커질 수 있으며, 이는 도 10에서와 같이 하퇴 프레임부(200)의 후방향(D2) 회전으로 구현될 수 있다. 이를 위해 구동부(100)는 하퇴 프레임부(200)를 후방향으로 회전시키기 위한 회전력을 출력할 수 있다.

그리고 제1스윙단계에서 로킹부(600)는 슬라이딩부(300)의 로킹을 해제할 수 있다. 슬라이딩부(300)는 로킹부(600)에 의해 로킹이 해제된 상태이기 때문에, 제1와이어(400)에 의해 구동부(100) 방향으로 슬라이딩될 수 있다. 그러면, 제2와이어(800)의 일단부가 슬라이딩부(300)에 의해 상측으로 당겨지게 되고, 제2탄성부재(900)는 인장될 수 있다. 이처럼, 제1스윙단계(S1200)에서는 구동부(100)가 회전력을 발생시켜 하퇴 프레임부(200)를 후방향으로 회전시킴으로써 무릎 각도가 커질 수 있고, 자연스러운 보행이 구현될 수 있다. 그리고 제2탄성부재(900)의 탄성 복원력에 의해 하퇴 프레임부(200)의 회전이 부드러워질 수 있으며, 하퇴 프레임부(200)의 급격한 회전에 따른 충격 발생이 방지되거나 감소될 수 있다.

한편, 도 11은 제2스윙단계에서 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 작동을 설명하기 위한 측면 예시도이다.

도 5 및 도 11에서 보는 바와 같이, 보행 시, 제2스윙단계는 도 5의 (e) 및 (f)에 도시된 단계로서, 제1스윙단계 이후에, 무릎이 펴지면서 하퇴가 전방으로 스윙되는 단계일 수 있다.

제2스윙단계에서, 본 발명에 따른 무릎형 로봇의족은 도 11에서와 같이 작동될 수 있다. 즉, 제2스윙단계에서는 보행자의 무릎이 펴질 수 있으며, 이는 도 11에서와 같이 하퇴 프레임부(200)의 전방향(D1) 회전으로 구현될 수 있다. 제2스윙단계에서는, 구동부(100)는 회전력을 발생하지 않을 수 있으며, 로킹부(600)는 슬라이딩부(300)의 로킹 해제를 유지할 수 있다. 그러면, 탄성 복원력에 의해 제2탄성부재(900)가 수축되어 제2와이어(800)의 타단부가 상측으로 당겨지게 되고, 롤러(710)에 감긴 제2와이어(800)의 일단부가 하측으로 당겨지게 되면서 슬라이딩부(300)는 마운트부(700) 방향으로 이동될 수 있다. 이처럼, 제2스윙단계(S1300)에서는 구동부(100)가 회전력을 발생시키지 않고, 제2탄성부재(900)의 탄성 복원력에 의해 하퇴 프레임부(200)가 전방향으로 회전되도록 함으로써, 자연스러운 보행이 구현될 수 있다. 그리고 제2탄성부재(900)의 탄성 복원력에 의해 하퇴 프레임부(200)는 부드럽게 회전될 수 있으며, 하퇴 프레임부(200)의 급격한 회전에 따른 충격 발생이 방지되거나 감소될 수 있다.

이하에서는 무릎형 로봇의족의 제어방법에 대해서 설명한다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 무릎형 로봇의족의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.

도 12를 더 포함하여 보는 바와 같이, 무릎형 로봇의족의 제어방법은 접촉단계(S1100) 그리고 제1스윙단계(S1200)를 포함할 수 있다.

접촉단계(S1100)는 보행 시, 발뒤꿈치가 지면에 닿은 후 발바닥이 지면에 완전히 닿는 단계일 수 있다. 접촉단계(S1100)에서는, 구동부는 회전력을 발생하지 않고, 로킹부는 슬라이딩부가 슬라이딩되지 않도록 로킹할 수 있으며, 하퇴 프레임부가 후방향으로 회전되어 제1탄성부재는 압축될 수 있으며, 이를 통해, 접촉단계(S1100)의 동작이 구현되도록 할 수 있다.

제1스윙단계(S1200)는 접촉단계(S1100) 이후에, 발가락이 지면에서 떨어지고 무릎이 굽으면서 전방으로 이동함과 동시에 무릎각도가 커지는 단계일 수 있다. 제1스윙단계(S1200)에서는, 구동부는 하퇴 프레임부를 후방향으로 회전시키고, 로킹부는 슬라이딩부의 로킹을 해제하고, 하퇴 프레임부는 후방향으로 회전되어 슬라이딩부가 구동부 방향으로 슬라이딩될 수 있으며, 이를 통해 제1스윙단계의 동작이 구현되도록 할 수 있다.

무릎형 로봇의족의 제어방법은 제2스윙단계(S1300)를 포함할 수 있다. 제2스윙단계(S1300)는 제1스윙단계(S1200) 이후에, 무릎이 펴지면서 하퇴가 전방으로 스윙되는 단계일 수 있다. 제2스윙단계(S1300)에서는, 구동부는 회전력을 발생하지 않고, 로킹부는 슬라이딩부의 로킹 해제를 유지할 수 있다. 그리고, 제2탄성부재의 탄성 복원력에 의해 슬라이딩부는 마운트부 방향으로 이동되고, 하퇴 프레임부는 전방향으로 회전되어 제2스윙단계의 동작이 구현되도록 할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 구동부
200: 하퇴 프레임부
300: 슬라이딩부
400: 제1와이어
500: 제1탄성부재
600: 로킹부
700: 마운트부
800: 제2와이어
900: 제2탄성부재

Claims

착용자의 무릎에 대응되고 회전력을 발생하는 구동부;
상기 구동부에 일단부가 결합되고, 착용자의 하퇴(Lower Leg) 방향으로 연장되며, 상기 구동부를 중심으로 전후방향으로 회전되는 하퇴 프레임부;
상기 하퇴 프레임부에 구비되고 상기 하퇴 프레임부의 길이방향으로 선택적으로 슬라이딩되는 슬라이딩부;
일단부는 상기 구동부에 결합되고, 타단부는 상기 슬라이딩부로 연장되도록 구비되는 제1와이어;
일단부는 상기 슬라이딩부에 결합되고, 타단부는 상기 제1와이어의 타단부에 결합되며, 상기 하퇴 프레임부의 후방향 회전 시에 복원력을 발생하는 제1탄성부재; 그리고
상기 하퇴 프레임부에 선택적으로 결합되어 상기 슬라이딩부가 슬라이딩 또는 슬라이딩 되지 않도록 하는 로킹부를 포함하는 무릎형 로봇의족.
제1항에 있어서,
상기 구동부는 하우징과, 회전되면서 회전력을 출력하는 출력부를 가지고,
상기 하퇴 프레임부는
일단부는 상기 하우징에 회전 가능하게 결합되고, 타단부는 상기 출력부와 결합되어 상기 출력부와 함께 회전하는 브래킷부와,
일단부는 상기 브래킷부와 연결되고, 서로 이격되어 구비되는 한 쌍의 레일을 가지는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족.
제2항에 있어서,
상기 슬라이딩부는
상기 레일에 결합되어 상기 레일을 따라 왕복 이동되는 슬라이딩 블록과,
상기 슬라이딩 블록에 형성되고, 상기 제1와이어가 관통되는 플랜지를 가지고,
상기 제1탄성부재는 상기 제1와이어를 감싸도록 구비되되, 일단부는 상기 플랜지에 밀착되고, 타단부는 상기 제1와이어의 타단부에는 결합되는 가압구에 밀착되며,
상기 하퇴 프레임부가 상기 구동부를 중심으로 후방향으로 회전되면 상기 제1탄성부재는 상기 가압구에 의해 가압되어 탄성 복원력을 발생하는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족.
제3항에 있어서,
상기 레일의 타단부에 결합되고, 롤러를 가지는 마운트부와,
일단부는 상기 슬라이딩 블록에 결합되고, 적어도 일부분이 상기 롤러에 감겨 상기 구동부 방향으로 연장 구비되는 제2와이어와,
일단부는 상기 하퇴 프레임부의 일단부에 결합되고, 상기 마운트부 방향으로 연장 구비되며, 타단부가 상기 제2와이어의 타단부와 결합되어 상기 슬라이딩부가 상기 마운트부 방향으로 이동되도록 복원력을 제공하는 제2탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족.
제4항에 있어서,
상기 제2와이어, 상기 롤러 및 상기 제2탄성부재는 복수 개로 구비되고, 상기 제1탄성부재를 기준으로 대칭되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족.
제3항에 있어서,
상기 로킹부는
모터와,
상기 슬라이딩 블록에 구비되고, 상기 한 쌍의 레일에 근접되어 한 쌍으로 배치되는 로킹 블록과,
상기 모터에서 발생시키는 동력을 상기 로킹 블록에 전달하여 상기 로킹 블록이 상기 레일에 선택적으로 결합되도록 함으로써 상기 슬라이딩부가 슬라이딩 또는 슬라이딩 되지 않도록 하는 동력전달부를 가지는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족.
제6항에 있어서,
상기 동력전달부는
상기 로킹 블록에 돌출 구비되는 가이드 핀과,
상기 슬라이딩 블록에 상기 레일의 길이방향을 따라 왕복 이동되도록 구비되고, 상기 가이드 핀이 관통되도록 형성되는 가이드 홈을 가지는 가이드 블록과,
상기 모터에 의해 회전하면서 상기 가이드 블록을 상기 레일의 타단부 방향으로 밀어내는 캠을 가지고,
상기 가이드 홈은 상기 레일의 타단부 방향으로 갈수록 서로 벌어지도록 형성되어 상기 가이드 블록이 상기 레일의 타단부 방향으로 이동 시에는 상기 가이드 핀 사이의 간격을 벌려 상기 로킹 블록이 상기 레일에 고정되도록 하고, 상기 가이드 블록이 상기 구동부 방향으로 이동 시에는 상기 가이드 핀 사이의 간격을 좁혀 상기 로킹 블록이 상기 레일에서 분리되도록 하는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족.
제7항에 있어서,
상기 로킹부는
상기 슬라이딩 블록에 구비되고, 상기 가이드 블록이 상기 구동부 방향으로 이동되도록 탄발 지지하는 제3탄성부재를 가지는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족.
제7항에 있어서,
상기 레일은 상기 레일의 길이방향을 따라 형성되는 걸림홈을 가지고,
상기 로킹 블록은 상기 걸림홈에 결합되도록 형성되는 걸림돌기를 가지며,
상기 가이드 블록이 상기 레일의 타단부 방향으로 이동되면 상기 로킹 블록의 사이 간격이 좁아지고 상기 걸림돌기는 상기 걸림홈에서 분리되고,
상기 가이드 블록이 상기 구동부 방향으로 이동되면 상기 로킹 블록 사이의 간격이 벌어지고 상기 걸림돌기는 상기 걸림홈에 결합되는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 기재된 로봇의족의 제어방법으로서,
보행 시, 발뒤꿈치가 지면에 닿은 후 발바닥이 지면에 완전히 닿는 접촉단계; 그리고
상기 접촉단계 이후에, 발가락이 지면에서 떨어지고 무릎이 굽으면서 전방으로 이동함과 동시에 무릎각도가 커지는 제1스윙단계를 포함하고,
상기 접촉단계에서는, 상기 구동부는 회전력을 발생하지 않고, 상기 로킹부는 상기 슬라이딩부가 슬라이딩되지 않도록 로킹하고, 상기 하퇴 프레임부는 후방향으로 회전되어 상기 제1탄성부재는 압축되고,
상기 제1스윙단계에서는, 상기 구동부는 상기 하퇴 프레임부를 후방향으로 회전시키고, 상기 로킹부는 상기 슬라이딩부의 로킹을 해제하고, 상기 하퇴 프레임부는 후방향으로 회전되어 상기 슬라이딩부가 상기 구동부 방향으로 슬라이딩되는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족의 제어방법.
제10항에 있어서,
상기 제1스윙단계 이후에, 무릎이 펴지면서 하퇴가 전방으로 스윙되는 제2스윙단계를 포함하고,
상기 제2스윙단계에서는, 상기 구동부는 회전력을 발생하지 않고, 상기 로킹부는 상기 슬라이딩부의 로킹 해제를 유지하며,
일단부는 상기 하퇴 프레임부의 일단부에 결합되고, 일단부가 상기 슬라이딩부에 결합되고 적어도 일부분이 상기 하퇴 프레임부의 타단부에 결합되는 마운트부에 구비되는 롤러에 감겨 상기 구동부 방향으로 연장 구비되는 제2와이어의 타단부와 결합되는 제2탄성부재의 탄성 복원력에 의해 상기 슬라이딩부는 상기 마운트부 방향으로 이동되고, 상기 하퇴 프레임부는 전방향으로 회전되는 것을 특징으로 하는 무릎형 로봇의족의 제어방법.