KR102343391B1 - 고관절 자유도 보상 기능을 구비한 슈트형 하지 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바닥면과 접촉하는 발 링크체와; 상기 발 링크체와 연결되는 발목 조인트부와; 상기 발목 조인트부의 상부에 형성되는 무릎 조인트부와; 상기 무릎 조인트부의 상부에 형성되는 힙 조인트부와; 상기 발목 조인트부와 상기 무릎 조인트부를 연결하는 제1 링크체와; 상기 무릎 조인트부와 상기 힙 조인트부를 연결하는 제2 링크체와; 상기 힙 조인트부 및 제2 링크체와 연결되고 사용자 이동상태에 따라 회전 구동이 가능한 캠구조와; 상기 캠 구조의 회전 이동에 따라 지지점이 변하게 되면서 풀리 구동체를 통해 상기 발 링크체와 힙 조인트부 간의 전체 길이를 늘리거나 줄이는 형태로 조절하여 고관절 자유도를 보상하는 고관절 자유도 보상장치를 포함하는 슈트형 하지 로봇을 제공한다.

Description

고관절 자유도 보상 기능을 구비한 슈트형 하지 로봇{suit type robot structure for humanoid robot}

본 발명은 슈트형 하지 로봇에 관한 것으로, 보다 자세하게는 착용자가 보행을 할 시, 로봇의 메인 프레임의 전장이 늘어나거나 줄어들어 착용자의 고관절의 자유도를 보상할 수 있게 하여, 사용자에게 편의성을 제공할 수 있는 슈트형 하지 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 착용형 외골격 시스템은 의료용, 상업용, 군사용 용도로 개발되어 이용되고 있는데, 착용자의 다리의 힘을 보조하거나 대신하도록 구성되어, 재활치료용으로 사용자의 운동성을 회복시키거나 착용자의 보행을 보조하기 위해 사용된다. 또한, 상업용 및 군사용 외골격 장치의 경우에는 부상 방지 및 사용자의 힘을 증강하는 데 이용되고 있다.

이러한 착용형 외골격 시스템은 대부분 무릎 등 관절 부분에 구동장치가 설치되어 관절을 구동하여 보행 및 보행 보조가 가능하도록 구성되어 있다.

그러나, 종래 기술의 착용형 외골격 시스템은 1 자유도 설계로 인해 인체의 자유도와 같은 보다 편안하고 우수한 외골격 시스템을 구현하는데 한계가 있는 문제점이 있다.

이에 착용형 외골결 시스템 분야 등 로봇 분야는 많은 연구와 개발이 수행중에 있으나, 평탄한 면에서만 이동이 가능하고 계단, 문턱 등의 비평탄한 면을 통과할 수 없어 인간의 실생활에 널리 확장되어 사용되기 어렵다는 문제점이 있었다.

선행기술로서 현재 보행식 로봇은 다양한 지면에서 로봇 발을 지지하거나 자연스러운 걸음 동작 형성으로 로봇의 안정적인 걸음 동작을 형성하는 데 제약이 있다.

한국공개특허 10-2019-0005907호(2019년 1월 16일 공개)

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 착용상태에서 이동시에 로봇의 메인 프레임의 전장이 늘어나거나 줄어들면서 착용자의 고관절의 자유도를 보상하여, 사용자에게 편의성을 제공할 수 있는 슈트형 하지 로봇을 제공한다.

이를 위해, 본 발명은 바닥면과 접촉하는 발 링크체와; 상기 발 링크체와 연결되는 발목 조인트부와; 상기 발목 조인트부의 상부에 형성되는 무릎 조인트부와; 상기 무릎 조인트부의 상부에 형성되는 힙 조인트부와; 상기 발목 조인트부와 상기 무릎 조인트부를 연결하는 제1 링크체와; 상기 무릎 조인트부와 상기 힙 조인트부를 연결하는 제2 링크체와; 상기 제1 링크체와 발 링크체 사이에 형성되고 상기 발 링크체와 상기 힙 조인트간의 전체 길이를 늘리거나 줄이는 형태로 조절하여 고관절 자유도를 보상하는 고관절 자유도 보상장치;를 포함하는 슈트형 하지 로봇을 제공한다.

또한, 상기 고관절 자유도 보상장치는 상기 제 1 링크체와 발 링크체 사이에 마름모꼴 형태의 보상 구조체를 형성하고, 상기 보상 구조체는 마름모꼴 형태의 각 꼭지점마다 제1 내지 제4 관절을 구비하고, 상기 제1 내지 제4 관절을 연결하는 제1 내지 제4 보상 링크을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보상 구조체는 사용자의 이동에 따라 자유도를 보상하도록 회전 모터 등을 이용하여 구동시키는 액츄에이터를 더 포함하고, 상기 액츄에이터는 와이어 구조체를 통해 상기 보상 구조체와 연결되어, 사용자의 이동에 따라 상기 마름모꼴 형태를 누르거나 당기는 형태로 자유도를 보상하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 와이어 구조체는 상기 제2 관절과 상기 제3 관절을 연결하는 수평 와이어와, 상기 수평 와이어를 중심에서 수직 방향으로 연결한 수직 와이어를 구비하고, 사용자의 이동 상태에 따라 상기 액츄에이터를 통해 연결된 수직 와이어를 바닥면 방향에서 상향으로 당기는 장력을 가하거나 바닥면 방향에서 상향으로 별도의 힘을 인가하지 않아 상기 보상 구조체를 그대로 유지하는 방식으로 자유도를 보상하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예는, 바닥면과 접촉하는 발 링크체와; 상기 발 링크체와 연결되는 발목 조인트부와; 상기 발목 조인트부의 상부에 형성되는 무릎 조인트부와; 상기 무릎 조인트부의 상부에 형성되는 힙 조인트부와; 상기 발목 조인트부와 상기 무릎 조인트부를 연결하는 제1 링크체와; 상기 무릎 조인트부와 상기 힙 조인트부를 연결하는 제2 링크체와; 상기 힙 조인트부 및 제2 링크체와 연결되고 사용자 이동상태에 따라 회전 구동이 가능한 캠구조와; 상기 캠 구조의 회전 이동에 따라 지지점이 변하게 되면서 풀리 구동체를 통해 상기 발 링크체와 힙 조인트부 간의 전체 길이를 늘리거나 줄이는 형태로 조절하여 고관절 자유도를 보상하는 고관절 자유도 보상장치를 포함하는 슈트형 하지 로봇을 제공한다.

또한, 상기 고관절 자유도 보상장치는, 운동이나 힘을 전달하기 위해 상기 연결부와 상기 캠구조를 연결하는 와이어 구조체를 걸수 있도록 형성된 풀리 구동체와, 상기 제 1 링크체와 제2 링크체 사이에 형성되고 상기 무릎 조인트부를 통해 상기 제1 링크체와 제2 링크체의 양 지지축을 연결하여 연결부와, 상기 풀리 구동체를 지지하는 양측 고정점과, 상기 캠구조 및 상기 풀리 구동체를 연결하는 지지점을 형성하여 상기 풀리 구동체와 상기 캠구조를 지지하는 수평 지지판을 포함할 수 있다.

또한, 상기 연결부는 원호형으로 상기 와이어 구조체와 연결하는 제2 와이어를 더 포함하고, 상기 제1 링크체는 상기 제2 와이어에 사용자의 이동 상태에 따라 상기 풀리 구동체의 구동에 따라 장력을 인가하여 인가되는 장력에 따라 상기 제2 와이어의 길이를 변화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 착용형 외골격 시스템으로, 착용자가 보행을 할 시, 로봇의 메인프레임의 전장이 늘어나거나 줄어들면서 착용자 고관절의 자유도를 보상하여, 사용자의 편의성을 제공한다.

또한, 고관절의 자유도 보상을 캠구조와 풀리 구동체를 이용하여 무동력으로 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(100)의 구성을 나타낸 개략도이며,
도 2a 및 도 2b는 상기 도 1의 슈트형 하지 로봇(100)에서 액츄에이터(150)를 통한 구동 상태를 나타낸 개략도이며,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(100)의 이동 상태에서 메인 프레임의 전장(전체 길이)이 늘어나거나 줄어들면서 발 구조체(111)가 스윙 하는 형태를 나타낸 도면,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(200)의 구성을 나타낸 개략도이며,
도 5a 내지 도 5c는 상기 도 4의 슈트형 하지 로봇(200)에서 풀리 구동체(pully)(250)를 통한 구동 상태를 나타낸 개략도이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(100)의 구성을 나타낸 개략도이며, 도 2a 및 도 2b는 상기 도 1의 슈트형 하지 로봇(100)에서 액츄에이터(150)를 통한 구동 상태를 나타낸 개략도이며, 각각 도 1a 및 도 2a는 슈트형 하지 로봇의 정지 상태이며, 도 1b 및 도 2b는 정지 상태에서 슈트형 하지 로봇을 착용하여 이동한 상태를 나타낸 도면이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(100)의 이동 상태에서 메인 프레임의 전장(전체 길이)이 늘어나거나 줄어드는 방향으로 다른 길이 만큼 이동하게 되면서 발 구조체(111)가 스윙 하는 형태를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(100)은, 인간에 착용할 수 있는 외골격 시스템으로 구성될 수 있다.

이러한 본 발명의 슈트형 하지 로봇(100)에서 메인 프레임이 두 다리 모두에 착용하도록 구성되는데, 가령, 다리 스트랩(strap) 형태로 사람의 장단지와 기구를 결속하고, 보행시 사람의 장딴지를 기준으로 기구의 자유도를 구현할 수 있게 폐형식(closed) 링크 구조가 적용될 수 있다. 또한, 인체 착용 구조는 스트랩 형태에 한정되는 것은 아니며 공지의 착용 기술을 바탕으로 다양하게 구현할 수 있으므로 본 실시예에서는 이에 대한 설명은 생략하고 본 발명의 주요 구성 부분인 메인 프레임과 고관절 자유도 보상장치를 중심으로 설명한다.

본 발명의 슈트형 하지 로봇의 메인 프레임은 지면 등의 바닥면과 접촉하고 지지하는 발목 조인트부(ankle joint, 110)와, 상기 발목 조인트부(110)의 상부에 형성되는 무릎 조인트부(knee joint, 120)와, 상기 무릎 조인트부(120)의 상부에 형성되는 힙 조인트부(hip joint, 130)를 구비한다.

상기 발목 조인트부(110)는 지면 등의 바닥면과 접촉하는 발 링크체(111)와연결되고, 상기 발목 조인트부(110)와 상기 무릎 조인트부(120)는 연결 구조체로서 제1 링크체(121)를 통해 연결되고, 상기 무릎 조인트부(120)와 상기 힙 조인트부(130)는 연결 구조체로서 제2 링크체(131)를 통해 연결된다.

이때, 상기 메인 프레임은 발 링크체(111), 제1 링크체(121), 제2 링크체(131)로 이루어지고, 이들은 관절 구조를 통해 서로 상대 회전 가능하게 연결된다.

가령, 제 1 링크체(121)와 제 2 링크체(131) 사이에는 제2 링크체(131)에 대하여 제1 링크체(121)를 회전시킬 수 있도록 관절구동장치로서 무릎 조인트부(120)가 구성될 수 있다. 그리고, 제1 링크체(121)와 발 링크체(111) 사이에도 관절구동장치로서 발목 조인트부(110)가 구성될 수 있다.

여기서, 관절구동장치로서 발목 조인트부(110), 무릎 조인트부(120), 힙 조인트부(130)는 가령, 힌지축, 캠구조를 이용한 소정 각도 조절이나 회전 구동이 가능하게 할 수 있다. 또한, 관절구동장치는 두 개의 지지축을 연결하여 자유로이 회전하도록 하는 연결부이며, 유니버셜 조인트(universal joint)가 사용될 수 있다. 게다가, 액추에이터, 즉, 회전 모터 등을 이용하여 제1 링크체(121) 또는 발 링크체(111)를 제1 링크체(121) 또는 제2 링크체(131)에 대하여 상대 회전시킬 수 있도록 구성할 수 있다.

특히, 본 발명의 슈트형 하지 로봇에서 고관절 자유도 보상 장치는, 상기 제 1 링크체(121)와 발 링크체(111) 사이에 마름모꼴 형태의 보상 구조체(140)를 형성한다.

상기 보상 구조체(140)는 마름모꼴 형태의 각 꼭지점마다 제1 내지 제4 관절(141, 142, 143, 144)을 구비하고, 이들 제1 내지 제4 관절(141, 142, 143, 144)을 연결하는 제1 내지 제4 보상 링크(145, 146, 147, 148)을 구비한다.

이때, 제4 관절(144)은 발목 조인트부(110)로 대체하는 형태로 구현할 수 있다.

또한, 제1 관절(141)을 각각 제2 관절(142) 및 제3 관절과 연결하는 제1 보상 링크(145) 및 제2 보상 링크(146)를 형성하고, 제4 관절(144)을 각각 제2 관절(142) 및 제3 관절과 연결하는 제3 보상 링크(147) 및 제4 보상 링크(148)를 형성할 수 있다.

또한, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 보상 구조체는(140)를 사용자의 이동에 따라 자유도를 보상하도록 회전 모터 등을 이용하여 구동시키는 보상 액츄에이터(150)를 더 구비할 수 있다. 이때, 보상 액츄에이터(150)는 와이어 구조체(160)를 통해 상기 보상 구조체(140)와 연결되어, 회전 모터 등을 이용하여 사용자의 이동에 따라 제1 내지 제4 보상 링크(145, 146, 147, 148)가 형성하는 마름모꼴 형태를 누르거나 당기는 형태로 자유도를 보상할 수 있다. 즉, 와이어 구조체(160)는 상기 제2 관절(142)과 상기 제3 관절(143)을 연결하는 수평 와이어(161)와, 상기 수평 와이어(161)를 중심에서 수직 방향으로 연결한 수직 와이어(162)를 구비하고, 사용자의 이동 상태에 따라 상기 액츄에이터(150)를 통해 연결된 수직 와이어(162)를 바닥면 방향에서 상향으로 당기는 장력(input force)을 가하거나 바닥면 방향에서 상향으로 별도의 힘을 인가하지 않아 보상 구조체(140)를 그대로 유지하여 자유도를 보상할 수 있다.

또한, 와이어 구조체(160), 로드 셀(151) 및 액추에이터(150)은 상대 움직임을 구속하지 않으면서 작동이 가능하도록 하는 구성이면, 실시 조건에 따라 연결 관계는 적절하게 설정하여 구성할 수 있다.

상기한 로드 셀(load cell)(151)은 와이어 구조체(160)과 연결되어 보행시와 같이 메인 프레임이 움직일 때 발생하고 가해지는 하중을 측정하여 제어기(미도시)에 전달할 수 있도록 구성된다.

이러한 로드 셀(151)은 상기 와이어 구조체(160)를 통해 하중이 가해지면, 와이어 구조체와 보상 구조체(140)가 연결된 부분이 변형되고, 이 변형량을 전기신호로 변환하여 제어기에 입력될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 액추에이터(150)는 와이어 구조체(160)와 연결된 보상 구조체(140)를 당기거나 밀어서 메인 프레임의 전체 길이(전장),즉 발목 구조체(111)에서 힙 조인트부(130)까지의 길이를 가변시킴으로써 고관절의 자유도를 조절할 수 있다.

이렇게 메인 프레임의 전장(전체 길이)이 늘어나거나 줄어들도록 리니어 액추에이터를 이용하여 구성될 수 있다.

리니어 액추에이터(linear actuator)는 직동(直動)운동을 구현하는 장치로서, 회전식의 교류 모터를 직선상으로 늘인 구조의 리니어 액추에이터, 또는 회전식 모터와 랙 앤 피니언 기구를 사용한 리니어 액추에이터, 전자석을 기계적 운동에 이용하는 솔레노이드 방식의 리니어 액추에이터 등을 이용하여 구성할 수 있다.

또한, 액츄에이터와 와이어 구조체를 직렬로 연결하여 전장의 길이 변화를 측정할 수 있도록 하는 장치를 말하는데, 이러한 액츄에이터는 인간형 로봇, 보조근력장치에서 발목, 무릎, 팔에 사용되어 인간의 근육처럼 신축성 조절을 통해 높은 에너지 효율을 낼 수 있게 하는 핵심적인 요소에 해당된다.

도 1a 및 도 2a는 슈트형 하지 로봇의 정지 상태를 나타낸 것으로, 액츄에이터(150)를 통해 연결된 수직 와이어(162)를 바닥면 방향에서 상향으로 당기는 장력(input force)을 가하여 최대한으로 보상 구조체(140)에 상부 방향으로 당기는 힘을 인가한다.

도 1b 및 도 2b는 정지 상태에서 착용하여 이동한 상태를 나타낸 도면으로, 바닥면 방향에서 상향으로 별도의 힘을 인가하지 않아 보상 구조체(140)를 그대로 유지하여 고관절의 자유도를 보상할 수 있다.

즉, 슈트형 하지 로봇(100)의 이동 상태에서 메인 프레임의 전장(전체 길이)이 줄어들어 다른 길이 만큼 이동하게 되면서(L₁ ＞ L₂ ), 사용자가 슈트형 하지 로봇을 착용한 상태에서 보행을 쉽게 하고 고관절의 자유도를 보상하게 된다.

가령, 자유도(degree of freedom)란 관절에서 허용되는 독립적인 움직임 방향의 수를 말하는데, 무릎 관절과 다음으로 두번째로 큰 고관절은 상당히 자유로운 운동을 하는 관절이다. 이러한 고관절은 골반뼈의 비구라는 절구통에 끼워진 절구같은 모양을 하고 있기 때문에, 신전과 굴곡 운동 외에 좌우로 움직이는 내전과 외전, 회전인 내회전과 외회전을 하는 등 매우 자유로운 운동을 한다.

따라서, 스쿼트나 런지 등의 중심과 협업에 관계된 동작을 통해서 골반과 고관절의 움직임은 매우 중요하므로, 인간의 움직임과 같은 유사한 운동을 위해서는 고관절의 자유도 보상이 중요하다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(100)의 이동 상태에서 메인 프레임의 전장이 늘어나거나 줄어들게 되면서 발 구조체(111)이 스윙 하는 형태를 나타낸 도면이다.

즉, 사용자의 보행 사이클에 따라 메인 프레임의 전장(전체 길이가 줄어드는 방향으로 다른 길이 만큼 이동하게 되면서(L₁ ＞ L₂ ), (a) 오른 다리의 발 앞꿈치가 들리면서 보행이 시작되고, (b) 오른 다리의 발 뒷꿈치가 앞으로 나아가고, (c) 오른 다리의 발 앞꿈치가 지면에 닿고 발 뒷꿈치가 들리면서, 보행의 사이클에 따른 스윙이 이루어진다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(200)의 구성을 나타낸 개략도이며, 도 5a 및 도 5b는 상기 도 4의 슈트형 하지 로봇(200)에서 풀리 구동체(pully)(250)를 통한 구동 상태를 나타낸 개략도이며, 각각 도 4a 및 도 5a는 슈트형 하지 로봇(200)의 정지 상태이며, 도 4b 및 도 5b는 정지 상태에서 슈트형 하지 로봇(200)을 착용하여 이동한 상태를 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(200)은, 인간에 착용할 수 있는 외골격 시스템으로 구성될 수 있다.

이러한 본 발명의 슈트형 하지 로봇(200)에서 메인 프레임이 두 다리에 착용하도록 구성되는데, 가령, 다리 스트랩(strap) 형태로 사람의 장단지와 기구를 결속하고, 보행시 사람의 장딴지를 기준으로 기구의 자유도를 구현할 수 있게 폐형식(closed) 링크 구조가 적용될 수 있다. 또한, 인체 착용 구조는 스트랩 형태에 한정되는 것은 아니며 공지의 착용 기술을 바탕으로 다양하게 구현할 수 있으므로 본 실시예에서는 이에 대한 설명은 생략하고 본 발명의 주요 구성 부분인 메인 프레임과 고관절 자유도 보상장치를 중심으로 설명한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇(200)의 메인 프레임은 지면 등의 바닥면과 접촉하고 지지하는 발목 조인트부(ankle joint, 210)와, 상기 발목 조인트부(210)의 상부에 형성되는 무릎 조인트부(knee joint, 220)와, 상기 무릎 조인트부(220)의 상부에 형성되는 힙 조인트부(hip joint, 230)를 구비한다.

상기 발목 조인트부(210)는 지면 등의 바닥면과 접촉하는 발 링크체(211)와연결되고, 상기 발목 조인트부(210)와 상기 무릎 조인트부(220)는 연결 구조체로서 제1 링크체(221)를 통해 연결되고, 상기 무릎 조인트부(220)와 상기 힙 조인트부(230)는 연결 구조체로서 제2 링크체(231)를 통해 연결된다.

이때, 상기 메인 프레임은 발 링크체(211), 제1 링크체(221), 제2 링크체(231)로 이루어지고, 이들은 관절 구조를 통해 서로 상대 회전 가능하게 연결된다.

가령, 제 1 링크체(221)와 제 2 링크체(231) 사이에는 제2 링크체(231)에 대하여 제1 링크체(221)를 회전시킬 수 있도록 관절구동장치로서 무릎 조인트부(220)가 구성될 수 있다. 그리고, 제1 링크체(221)와 발 링크체(211) 사이에도 관절구동장치로서 발목 조인트부(210)가 구성될 수 있다.

여기서, 관절구동장치로서 발목 조인트부(210), 무릎 조인트부(220), 힙 조인트부(230)는 가령, 힌지축, 캠구조를 이용한 소정 각도 조절이나 회전 구동이 가능하게 할 수 있다. 또한, 관절구동장치는 두 개의 지지축을 연결하여 자유로이 회전하도록 하는 연결부이며, 유니버셜 조인트(universal joint)가 사용될 수 있다. 게다가, 액추에이터, 즉, 회전 모터 등을 이용하여 구현될 수 있다.

특히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈트형 하지 로봇에서 고관절 자유도 보상 장치는, 상기 제 1 링크체(221)와 제2 링크체(231) 사이에 형성되고 상기 무릎 조절부(220)를 통해 상기 제1 링크체(221)와 제2 링크체(231)의 양 지지축을 연결하여 연결부로서 막대형 연결체(240)와; 힙 조인트부(230) 및 제2 링크체(231)와 연결되고 사용자 이동상태에 따라 회전 구동이 가능한 캠구조(270)와; 운동이나 힘을 전달하기 위해 상기 막대형 연결체(240)와 상기 캠구조(270)를 연결하는 와이어 구조체(260)를 걸수 있도록 형성된 풀리 구동체(250)와; 상기 풀리 구동체(250)를 지지하는 양측 고정점(233)과 상기 캠구조(270)와 상기 풀리 구동체(250)를 연결하는 지지점(271)을 형성하여 상기 풀리 구동체(250)와 상기 캠구조(270)를 지지하는 수평 지지판(232)을 구비한다.

이때, 사용자의 이동 상태에 따라 힙 조인트부(230)와 연결된 캠구조(270)는 도 4a의 정지상태에서 도 4b의 이동상태에 따라 회전 이동하게 되고, 상기 캠 구조와 풀리 구동체(250)가 연결되는 지지점(271)을 중심에서 우측 방향으로 이동시켜 전체 메인 프레임은 전체 길이(전장)가 중력방향에서 변화하게 된다. 여기서, 캠구조(270)는 지지점(271)에서 연결된 와이어 구조체(260)가 중력 방향의 위치 이동에 따라 길이 변경을 용이하게 하도록 회전축의 중심에서 장축과 단축으로 길이가 서로 다른 타원형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 캠 구조는 타원 형태에 한정되는 것이 아니라 원형으로 회전축의 중심에서 길이가 일정한 형태가 아니면, 직사각형태의 막대형으로 장방형 구조도 가능하다.

또한, 풀리 구동체(250)는 상기 지지점(271) 변경에 따라 와이어 구조체(260)를 구동시켜 연결된 막대형 연결체(240)를 당기거나 밀어서 메인 프레임의 전체 길이(전장),즉 발목 구조체(211)에서 힙 조인트부(230)까지의 길이를 가변시킴으로써 고관절의 자유도를 조절할 수 있다.

이렇게 풀리 구동체(250)는 와이어 구조체(160)와 연결하여 메인 프레임의 전장(전체 길이)이 늘어나거나 줄어드는 방향으로 다른 길이만큼 이동하게 한다.

이는 도 2에서 설명한 액츄에이터와 달리 캠구조 형태이므로 무동력으로도 가능한 장점이 있다.

도 4a 및 도 5a(확대도면 도 5b)는 슈트형 하지 로봇의 정지 상태를 나타낸 것으로, 풀리 구동체(250)를 통해 연결된 와이어 구조체(260)가 막대형 연결부(240)를 당기는 장력은 중력 방향의 축중심의 지지점(271)과 양측의 고정점(233)을 통해 고정 유지된 상태에 있다.

이어, 도 4b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 캠구조(270)의 회전 이동에 따라 지지점(271)이 축중심에서 우측 방향으로 이동하면(이동에 따라 사용자가 앞 발차기한 상태가 되면), 풀리 구동체(250)를 통해 연결된 와이어 구조체(260)가 막대형 연결부를 평행을 유지하도록 당기는 장력이 발생하여 막대형 연결부(240)를 들어 올리게 된다.

도 4b 및 도 5c를 참조하면, 정지 상태에서 착용하여 이동한 상태를 나타낸 도면으로, 슈트형 하지 로봇(200)의 이동 상태에서 메인 프레임의 전장(전체 길이)가 줄어드는 방향으로 다른 길이 만큼 이동하게 되면서(L₁ ＞ L₂ ), 사용자가 슈트형 하지 로봇을 착용한 상태에서 보행을 쉽게 하고 고관절의 자유도를 보상하게 된다.

도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 막대형 구조체(240)에는 원호형으로 외부의 와이어 구조체(160)와 내부로 연결하는 제2 와이어(241)와, 상기 제2 와이어(241)에 사용자의 이동 상태에 따라 풀리 구동체(250)의 구동에 따라 장력을 인가하는 연결부로서 제1 링크체(221)가 구비된다. 또한, 제1 막대형 구조체(240)는 외부의 제1 와이어(260)을 통해 힙 지지판(232) 상의 지지점(271) 및 측면의 고정점(233)에 연결되고, 내부의 제2 와이어(241)는 제1 와이어(260)와 연결되어 상기 캠구조(270)의 회전 이동에 따라 풀리 구동체(250)의 구동에 따라 상기 제2 와이어(241)의 곡률 반경이 변경되고 전체 길이도 변화하게 된다.

즉, 도 5b는 도 5a의 정지상태의 확대 도면이며, 정지상태에서는 내부의 제2 와이어(241)의 구부림 정도가 크게 변화하지 않고(길이 변화도 없음), 도 5c는 이동상태에서 제2 와이어(241)가 텐션의 증가에 따라 구부림의 정도가 커지게 되고 제2 와이어(241)의 길이도 중심에서 양측에서 큰 기울기를 가지고 변하게 되어 길이가 늘어나게 된다.

이와 같이, 풀리 구동체(250)는 캠구조(270)의 회전 이동에 따라 제1 와이어(260)를 수평방향으로 당기게 되어 제2 와이어(241)에도 장력(tension)이 인가되어 구부림 상태(곡률 반경)의 변경 정도가 커지게 되고 제2 와이어(241)의 길이를 증가시켜 고관절의 자유도를 보상한다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100,200: 슈트형 하지 로봇
110, 210: 발목 조인트부
120, 220: 무릎 조인트부
130, 230: 힙 조인트부

Claims (3)

1. 바닥면과 접촉하는 발 링크체와;
   상기 발 링크체와 연결되는 발목 조인트부와;
   상기 발목 조인트부의 상부에 형성되는 무릎 조인트부와;
   상기 무릎 조인트부의 상부에 형성되는 힙 조인트부와;
   상기 발목 조인트부와 상기 무릎 조인트부를 연결하는 제1 링크체와;
   상기 무릎 조인트부와 상기 힙 조인트부를 연결하는 제2 링크체와;
   상기 힙 조인트부 및 제2 링크체와 연결되고 사용자 이동상태에 따라 회전 구동이 가능한 캠구조와;
   상기 캠 구조의 회전 이동에 따라 지지점이 변하게 되면서 풀리 구동체를 통해 상기 발 링크체와 힙 조인트부 간의 전체 길이를 늘리거나 줄이는 형태로 조절하여 고관절 자유도를 보상하는 고관절 자유도 보상장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈트형 하지 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고관절 자유도 보상장치는,
   상기 제 1 링크체와 제2 링크체 사이에 형성되고 상기 무릎 조인트부를 통해 상기 제1 링크체와 제2 링크체의 양 지지축을 연결하는 연결부와,
   운동이나 힘을 전달하기 위해 상기 연결부와 상기 캠구조를 연결하는 와이어 구조체를 걸수 있도록 형성된 풀리 구동체와,
   상기 풀리 구동체를 지지하는 양측 고정점과, 상기 캠구조 및 상기 풀리 구동체를 연결하는 지지점을 형성하여 상기 풀리 구동체와 상기 캠구조를 지지하는 수평 지지판을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈트형 하지 로봇.
3. 제2항에 있어서,
   상기 연결부는 원호형으로 상기 와이어 구조체와 연결하는 제2 와이어를 더 포함하고,
   상기 제1 링크체는 상기 제2 와이어에 사용자의 이동 상태에 따라 상기 풀리 구동체의 구동에 따라 장력을 인가하여 인가되는 장력에 따라 상기 제2 와이어의 길이를 변화시키는 것을 특징으로 하는 슈트형 하지 로봇.

Images