KR102256225B1

KR102256225B1 - 하체 보조로봇

Info

Publication number: KR102256225B1
Application number: KR1020190149785A
Authority: KR
Inventors: 나병훈; 권철민
Original assignee: 주식회사 엔젤로보틱스
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-05-26

Abstract

본 발명은 하체 기능이 저하되거나 상실된 착용자의 하체에 착용되어 착용자의 하체 움직임을 보조하기 위한 하체 보조로봇에 관한 것으로서, 착용자의 하체의 고관절, 무릎관절 및 발목관절에 보조력을 제공하여 독립 보행을 가능하게 하며, 착용자의 미보행 스탠딩 자세에서의 보조 지지력을 제공하며, 각각의 관절에 구비된 구동기를 포함한 착용자의 하체에 장착되는 외골격의 부피와 무게를 최소화할 수 있는 하체 보조로봇에 관한 것이다.

Description

하체 보조로봇{Lower-Body Assistance Robot}

본 발명은 하체 보조로봇에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 하체 기능이 저하되거나 상실된 착용자의 하체에 착용되어 착용자의 하체 움직임을 보조하기 위한 하체 보조로봇에 관한 것으로서, 착용자의 하체의 고관절, 무릎관절 및 발목관절에 보조력을 제공하여 독립 보행을 가능하게 하며, 착용자의 미보행 스탠딩 자세에서의 보조 지지력을 제공하며, 각각의 관절에 구비된 구동기를 포함한 착용자의 하체에 장착되는 외골격의 부피와 무게를 최소화할 수 있는 하체 보조로봇에 관한 것이다.

선천적 장애 또는 사고나 질병 등의 후천적 요인에 의해 하체의 기능이 저하되거나 상실한 환자의 거동을 보조하는 수단으로서 착용형 보조로봇이 소개되고 있다.

착용형 하체 보조로봇은 하체의 기능이 저하되거나 하체 운동 기능을 상실한 착용자 하체 보조로봇에서 제공하는 보조력에 의하여 독립 보행을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

하체가 완전 마비된 장애인 또는 환자의 경우, 고관절, 슬관절 및 발목관절의 근력 또는 운동능력이 상실되어 모든 관절에 보조력이 제공되어야 한다.

하체 보조로봇은 착용자의 신체를 감싸며 착용자의 신체 구조와 유사한 외골격 구조로 구성될 수 있다.

고관절, 슬관절 및 발목관절을 각각 보조하기 위해서는 각각의 관절에 보조력을 제공하기 위한 구동기가 요구되나, 고관절, 슬관절 및 발목관절의 구동기는 각각 연결되는 부품의 개수와 무게가 차이가 있으므로 이에 대한 고려가 필요하다.

예를 들어, 고관절 구동기는 그 하부에 착용자의 대퇴를 지지하는 대퇴 지지부 외에도 무릎관절 구동기 및 하퇴를 지지하는 하퇴 지지부와 발목관절 구동기 및 착용자의 발을 지지하는 족지지부 등이 연결되는 구조이므로 가장 큰 구동력이 요구된다. 반면, 발목관절 구동기의 경우 발목관절에만 보조력을 제공하는 구조로 구성되므로 고관절보다 상대적으로 요구되는 출력이 크지 않을 수 있다.

따라서, 이와 같은 동일한 구조의 구동기들을 고관절, 슬관절 및 발목관절에 순차적으로 장착하는 경우 하체 보조로봇의 무게와 크기가 지나치게 증가할 수 있다.

착용형 하체 보조로봇은 착용자의 하체 거동, 즉 착용자의 보행을 충분히 보조하면서도 무게와 부피의 최소화 필요성은 충전식 배터리로 구동되는 착용형 로봇의 구동시간과도 관련된다.

그리고, 관절 구동기는 주로 모터 등으로 구성되며, 각각의 관절 구동기의 무게 또는 부피가 최소화되고, 대퇴 지지부 및 하퇴 지지부가 슬림하게 구성되어도 관절 구동기의 축방향으로 부피가 증되되는 경우 로봇 착용자의 생활환경에서 주변 사물과의 간섭이 발생될 수 있으므로 바람직하지 않으므로, 각각의 관절 구동기를 슬림하게 구성함과 동시에 대퇴 지지부 또는 하퇴 지지부의 두께 편차 역시 최소화되어야 한다.

그리고, 하체가 완전마비된 장애인 또는 환자의 경우 하체 근력으로 균형을 유지할 수 없으므로, 로봇을 착용한 상태에서 보행 동작 또는 스탠딩 동작을 수행하는 경우에도 지팡이 등이 균형유지 보조수단으로 사용될 수 있다.

그러나, 지팡이 사용이 불가피한 보행 동작 이외에 스탠딩 동작에서도 지팡이를 사용하는 경우 상체 또는 팔에 가해지는 부담이 커 스탠딩 동작에서의 균형을 보조하기 위한 보조수단이 요구된다.

대한민국 공개특허 제10-2013-0010609호

본 발명은 하체 기능이 저하되거나 상실된 착용자의 하체에 착용되어 착용자의 하체 움직임을 보조하기 위한 하체 보조로봇에 관한 것으로서, 착용자의 하체의 고관절, 무릎관절 및 발목관절에 보조력을 제공하여 독립 보행을 가능하게 하며, 착용자의 미보행 스탠딩 자세에서의 보조 지지력을 제공하며, 각각의 관절에 구비된 구동기를 포함한 착용자의 하체에 장착되는 외골격의 부피와 무게를 최소화할 수 있는 하체 보조로봇을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 제어신호를 제공하는 컨트롤러 및 전원 제공을 위한 배터리를 포함하는 본체부, 상기 본체부가 후방에 장착되며, 착용자의 고관절 측면 영역으로 연장되는 본체 프레임 및 상기 본체 프레임의 내측에 장착되며 착용자의 허리 영역에 장착되는 허리 착용부재를 포함하는 허리 지지부, 상기 허리 지지부의 본체 프레임의 단부에 장착되는 한 쌍의 고관절 구동기, 상기 고관절 구동기에 의하여 구동되며, 착용자의 대퇴에 회전 보조력을 제공하는 대퇴 지지부, 상기 대퇴 지지부 단부에 장착되는 한 쌍의 슬관절 구동기, 상기 슬관절 구동기에 의하여 구동되며, 착용자의 대퇴에 회전 보조력을 제공하는 하퇴 지지부, 상기 하퇴 지지부에 장착되며 리니어 모터를 구비하는 발목관절 구동기 및 상기 하퇴 지지부의 단부에 장착되어, 상기 발목관절 구동기에 의하여 구동되며, 착용자의 발목 회전 보조력을 제공하는 족지지부를 포함하는 하체 보조로봇을 제공할 수 있다.

또한, 상기 하체 보조로봇은 상기 하체 보조로봇 착용자의 비보행 상태에서 전방으로 쓰러짐을 방지하기 위하여 구비되며, 상기 하퇴 지지부에 장착되고 구동모터 및 상기 구동모터에 의하여 구동되어 선택적으로 전방으로 전개되어 지면을 지지하기 위한 지지바를 포함하는 균형보조유닛을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 컨트롤러는 상기 균형보조유닛의 지지바가 전개된 상태에서는 상기 대퇴 지지부와 상기 하퇴 지지부가 수직 방향에 대하여 미리 결정된 각도로 기울어지도록 고관절 구동기와 슬관절 구동기를 구동할 수 있다.

또한, 상기 고관절 구동기와 상기 슬관절 구동기는 하우징, 상기 하우징 내부에 구비되는 스테이터, 상기 스테이터 내부에 구비되는 로터, 상기 로터 내측에 구비되어 감속 및 토크 증폭을 수행하는 감속유닛 및 상기 감속유닛에 체결되며, 상기 대퇴 지지부 또는 상기 하퇴 지지부의 출력부재에 체결되어 구동력을 전달하는 구동유닛을 구비하며, 상기 하우징은 원통형으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 고관절 구동기는 상기 허리 지지부를 구성하는 본체 프레임과 상기 허리 착용부재 사이에 장착된 상태로 상기 대퇴 지지부의 상단에 구비되는 출력부재와 체결될 수 있다.

그리고, 상기 슬관절 구동기는 상기 대퇴 지지부의 하단에 장착된 상태로 상기 하퇴 지지부를 구성하는 출력부재와 체결될 수 있다.

또한, 상기 고관절 구동기와 상기 슬관절 구동기 사이의 대퇴 지지부는 상기 고관절 구동기와 상기 슬관절 구동기의 두께에 대응하는 내부공간을 형성하도록 하우징이 장착되며, 상기 하우징 내측에 상기 고관절 구동기, 상기 슬관절 구동기, 발목관절 구동기 또는 상기 균형보조유닛의 제어를 위하여 상기 컨트롤러와 연결되는 적어도 하나의 회로부가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 하퇴 지지부는 상기 출력부재 내측 방향으로 체결되며, 착용자의 하퇴의 후방을 감싸는 하퇴 착용부재를 포함하고, 상기 하퇴 착용부재의 하단에 족지지부가 회전 가능하게 장착될 수 있다.

또한, 상기 족지지부는 상기 하퇴 지지부를 구성하는 하퇴 착용부재의 하단에 회전 가능하게 결합되며 족저면을 지지하는 족지지 프레임을 구비하고, 상기 하퇴 지지부를 구성하는 출력부재와 상기 족지지부를 구성하는 족지지 프레임을 상기 발목관절 구동기를 구성하는 리니어 모터로 연결할 수 있다.

이 경우, 상기 발목관절 구동기를 구성하는 리니어 모터의 양단과 상기 하퇴 지지부를 구성하는 출력부재와 상기 족지지부를 구성하는 족지지 프레임을 각각 연결하는 연결부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.

또한, 상기 하퇴 지지부를 구성하는 출력부재 또는 상기 연결부재에 상기 균형보조유닛의 지지바가 하방을 향하여 구동모터에 의하여 회전 가능하게 장착될 수 있다.

본 발명에 따른 하체 보조로봇에 따르면, 착용자의 관절영역(고관절, 슬관절, 발목관절)의 구동기 및 골격영역(대퇴부, 하퇴부, 족부) 지지부를 구비하여, 각 구성의 상호 유기적인 결합 및 구동으로, 하체의 거동이 불가능한 착용자가 보행 동작을 보조하여 착용자의 하체 거동을 가능하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하체 보조로봇은 착용자의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 구비된 구동기가 하체 보조로봇의 구동을 위한 충분한 보조력을 제공함과 동시에 부피와 무게는 최소화될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하체 보조로봇은 관절 구동기와 골격영역(대퇴부, 하퇴부, 족부) 지지부의 두께 편차가 최소화되어 주변 사물과의 간섭을 최소화할 수 있는 외골격 구조를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하체 보조로봇은 착용자의 미보행 상태, 예를 들면 스탠딩 동작 등에서 균형을 보조하는 수단으로서 균형보조유닛을 구비하여, 균형 유지를 위하여 착용자의 상체에 가해지는 부담을 경감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇을 도시한다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇의 보행 동작의 예시를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇의 분해 사시도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇에 포함되는 고관절 구동기 및 슬관절 구동기를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇에 포함되는 고관절 구동기 및 슬관절 구동기의 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 관절 구동기를 구성하는 감속유닛의 사시도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 관절 구동기를 구성하는 감속유닛의 분해도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇에서 하퇴 지지부, 족지지부 및 균형보조유닛을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇의 발목관절 구동기에 포함된 리니어 모터의 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇의 발목관절 구동기가 구동됨에 따라 구동되는 족지지부의 작동 상태를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇에 적용되는 균형보조유닛을 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇에서 균형보조유닛이 작동되어 스탠딩 동작에서 균형을 보조하는 상태를 도시한다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 그리고 본 발명의 여러 실시예를 설명함에 있어서, 동일한 기술적 특징을 갖는 구성요소에 대하여는 동일한 도면부호를 사용한다.

본 발명은 착용자의 하체 기능을 보조하는 하체 보조로봇에 관한 것으로서, 착용자의 신체 중 하체를 구성하는 고관절, 무릎관절, 발목관절에 회전 보조력을 제공하고, 이를 통해 대퇴부, 하퇴부 및 족부의 움직임을 허용하여, 선천적인 장애나 후천적인 요인에 의해 하체 기능을 상실한 착용차의 보행 등의 하체 거동을 가능하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇을 도시한다.

구체적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇을 도시한 것으로서, 도 1의 (a)는 사시도이고, 도 1의 (b)는 측면도를 도시한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)은 제어신호를 제공하는 컨트롤러(미도시) 및 전원 제공을 위한 배터리(미도시)를 포함하는 본체부(100), 상기 본체부(100)가 후방에 장착되며, 착용자의 고관절 측면 영역으로 연장되는 본체 프레임(210) 및 상기 본체 프레임(210)의 내측에 장착되며 착용자의 허리 영역에 장착되는 허리 착용부재(220)를 포함하는 허리 지지부(200)를 포함할 수 있다.

상기 허리 지지부(200)는 상기 하체 보조로봇(1)을 착용자의 하체 상부인 허리영역에 장착을 가능하게 함과 동시에, 상기 본체부(100)는 상기 하체 보조로봇(1)을 착용한 착용자의 의도에 따라 상기 하체 보조로봇(1)의 구동을 제어하며, 구동을 위한 전원을 공급하는 기능을 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)은 상기 허리 지지부(200)의 본체 프레임(210)의 단부에 장착되는 한 쌍의 고관절 구동기(300), 상기 고관절 구동기(300)에 의하여 구동되며, 착용자의 대퇴에 회전 보조력을 제공하는 대퇴 지지부(400), 상기 대퇴 지지부(400) 단부에 장착되는 한 쌍의 슬관절 구동기(500), 상기 슬관절 구동기(500)에 의하여 구동되며, 착용자의 대퇴에 회전 보조력을 제공하는 하퇴 지지부(600), 상기 하퇴 지지부(600)에 장착되며 리니어 모터(710)를 구비하는 발목관절 구동기(700), 및 상기 하퇴 지지부(600)의 단부에 장착되어, 상기 발목관절 구동기(700)에 의하여 구동되며, 착용자의 발목 회전 보조력을 제공하는 족지지부(800)를 포함할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)은 상기 본체부(100)가 상기 하체 보조로봇(1)의 구동을 제어하고, 착용자의 하체 각 구성에 대응되는 위치에, 상기 허리 지지부(200), 상기 고관절 구동기(300), 상기 대퇴 지지부(400), 상기 슬관절 구동기(500), 상기 하퇴 지지부(600), 상기 발목관절 구동기(700) 및 상기 족지지부(800)가 구비될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 하체 보조로봇(1)은 착용자의 신체 중 하체 구성의 각 관절부 및 골격부에 해당되는 주요 신체 영역에 대응되는 구성을 모두 포함하고, 각각의 관절에 구비된 관절 구동기에 의하여 정상 신체와 마찬가지로 보조력을 제공하여, 상기 하체 보조로봇(1)을 착용한 완전 마비 장애인 또는 환자의 독립 보행 등의 하체 거동을 가능하게 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇의 보행 동작의 예시를 도시한다. 구체적으로, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)의 보행 형태를 도시한 것으로, 도 2의 (a)는 사시도이고, 도 2의 (b)는 측면도를 도시한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)의 각 구성에 대해 보다 상세히 검토한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇의 분해 사시도를 도시한다.

상기 본체부(100)는 상기 하체 보조로봇(1)이 구동하기 위한 전원 및 제어신호를 제공할 수 있으며, 이를 통해 상기 하체 보조로봇(1)이 착용자의 보행 보조를 위해 기능할 수 있다.

구체적으로, 상기 본체부(100)는 상기 고관절 구동기(300), 상기 슬관절 구동기(500) 및 상기 발목관절 구동기(700) 등 상기 하체 보조로봇(1)에 구비된 복수의 구동장치에 전원을 공급하는 상기 배터리와, 착용자의 보행 주기 또는 보행 프로그램에 따른 제어신호를 상기 하체 보조로봇(1)에 구비된 복수의 구동장치에 인가하여 상기 하체 보조로봇(1)의 구동을 제어하는 제어신호 제공수단, 즉, 컨트롤러를 포함할 수 있다.

물론, 상기 컨트롤러는 하체 보조로봇(1)에 구비된 적어도 하나의 센서에 의하여 감지된 센서신호를 수신하고 이를 근거로 피드백 제어신호를 생성할 수 있다.

상기 센서의 예로서는 족지지부 등에 장착되어 보행주기 판단을 위한 족저압 센서 등일 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 하체 보조로봇(1) 착용자의 보행 주기 또는 보행 프로그램에 따라 하체 보조로봇(1)을 구동하는 복수의 구동장치, 즉, 상기 고관절 구동기(300), 상기 슬관절 구동기(500), 상기 발목관절 구동기(700)에 공급되는 전력을 제어할 수 있다.

여기서, 상기 하체 보조로봇(1)의 제어신호는 착용자의 보행 주기 또는 보행 프로그램에 따라 발생될 수도 있고, 착용자가 소지한 리모컨 등에 입력되어 제공될 수도 있다.

상기 허리 지지부(200)는 상기 본체부(100)를 상기 하체 보조로봇(1)에 장착시키는 기능을 함과 동시에, 착용자의 허리 부분에 상기 하체 보조로봇(1)에 대한 착용 기능을 제공할 수 있다.

구체적으로, 상기 허리 지지부(200)는 상기 본체부(100)가 후방에 장착되며, 착용자의 고관절 측면 영역으로 연장되는 본체 프레임(210)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 본체 프레임(210)은 상기 본체부(100)의 장착 장소을 제공함으로써, 상기 본체부(100)를 상기 하체 보조로봇(1)에 일체화 시키는 기능을 할 수 있으며, 이와 함께, 상기 하체 보조로봇(1)을 착용하는 착용자의 양쪽 고관절 측면 영역으로 연장되도록 형성됨으로써, 착용자의 상기 하체 보조로봇(1)에 대한 착용영역의 틀을 제공할 수 있다.

이어서, 상기 본체 프레임(210)의 내측에는 착용자의 허리 영역에 장착되는 허리 착용부재(220)를 포함할 수 있다. 상기 허리 착용부재(220)가 착용자의 양쪽 고관절 측면 영역과 허리 영역에 장착됨으로써, 착용자의 상기 하체 보조로봇(1)에 대한 착용을 가능하게 할 수 있다.

즉, 상기 허리 지지부(200)를 구성하는 본체 프레임(210)이 착용자의 후방 영역에 상기 본체부(100)를 장착 시키는 기능을 함과 동시에 상기 하체 보조로봇(1)에 대한 착용자의 착용영역 틀을 제공하고, 상기 허리 착용부재(220)는 상기 하체 보조로봇(1)에 대한 착용자의 직접적인 착용 기능을 제공할 수 있다.

상기 허리 지지부(200)를 구성하는 본체 프레임(210)의 단부, 즉, 착용자의 고관절 측면 영역으로 연장된 상기 본체 프레임(210)의 단부에는 상기 고관절 구동기(300)가 장착될 수 있으며, 상기 고관절 구동기(300)는 상기 본체부(100)로부터 제공되는 전력 및 제어신호에 의하여 구동될 수 있다.

여기서, 상기 고관절 구동기(300)는 상기 허리 지지부(200)를 구성하는 본체 프레임(210)과 상기 허리 착용부재(220) 사이에 장착될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 고관절 구동기(300)는 상기 본체 프레임(210) 및 상기 허리 착용부재(220) 사이에 배치되면 관절 구동기가 외부로 돌출되는 두께가 최소화되고, 관절 구동기가 외골격 로봇의 골격 내부에 장착되는 효과를 얻을 수 있다.

이를 통해 상기 고관절 구동기(300)는 상기 본체 프레임(210) 및 상기 허리 작용부(220)의 단부를 기준으로 상기 대퇴 지지부(400)가 구동되도록 할 수 있으며, 이를 위해 상기 고관절 구동기(300)는 상기 대퇴 지지부(400)의 상단에 구비되는 출력부재(410)와 체결되어 구동력을 관절의 회전을 위한 관절 보조력으로 제공할 수 있다.

이와 같이, 상기 고관절 구동기(300)는 상기 본체 프레임(210) 및 상기 허리 작용부(220) 사이에 장착되어 축방향으로 돌출되는 구성을 최소화하여 보행 움직임시 주변 사물과의 간섭을 최소화할 수 있다.

상기 착용부재(220)는 충분한 강성을 갖는 플라스틱, 카본 또는 섬유 강화 플라스틱 등 다양한 재질이 적용될 수 있으며, 상기 착용부재(220)는 착용자의 신체 사이즈에 따라 맞춤형을 제공될 수 있다.

상기 출력부재(410)는 상기 대퇴 지지부(400)와 상기 고관절 구동기(300)를 직접 연결하는 구성으로, 상기 고관절 구동기(300)로부터 제공되는 회전 구동력으로 상기 대퇴 지지부(400) 전체를 구동하는 구동력으로 활용할 수 있다

상기 고관절 구동기(300)는 본체 프레임(210)에 볼트 등의 체결부재로 고정 장착되되, 상기 고관절 구동기(300)의 구동유닛(80, 도 5 참조)는 대퇴 지지부(400)의 출력부재(410)와 체결될 수 있다.

구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 고관절 구동기(300)가 상기 본체 프레임(210) 및 상기 허리 착용부재(220) 사이에 위치하고, 상기 출력부재(410)가 상기 본체 프레임(210) 외측으로 노출되도록 장착된 상기 고관절 구동기(300)의 구동유닛(80, 도 5 참조)와 결합될 수 있다.

상기 고관절 구동기(300)에 의해 구동되는 상기 대퇴 지지부(400)는 상기 하체 보조로봇(1) 착용자의 대퇴에 회전 보조력을 제공하도록 기능할 수 있다.

도면에 도시되지 않았으나, 상기 대퇴 지지부(400)와 착용자의 대퇴를 고정하기 위한 대퇴 착용부재 또는 밴드 등의 고정수단이 더 구비될 수도 있다.

도 3에 도시된 본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 대퇴 지지부(400)이 양단에는 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)가 장착될 수 있으며, 상기 하체 보조로봇(1) 착용자의 대퇴 골격과 대응되는 형태를 구성하도록 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500) 사이 영역에 상기 대퇴 지지부(400)의 전체 골격 구조를 제공하기 위한 하우징(420)이 구비될 수 있다.

여기서, 상기 하우징(420) 내측에는 상기 고관절 구동기(300), 상기 슬관절 구동기(500) 또는 상기 발목관절 구동기(700)의 제어를 위해 상기 본체부(100)의 컨트롤러와 연결되는 적어도 하나의 기판 형태의 회로부와 배선 등이 배치될 수 있다.

후술하는 바와 같이, 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)의 형태는 원통형으로 구성되고 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)를 연결하는 하우징(420)은 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)와 대응되는 두께를 가지므로 양 관절 구동기(300, 500)와 대퇴 지지부(400)는 전체적으로 외부 방향으로 돌출되지 않는 형상으로 구성되고, 대퇴 지지부(400)를 구성하는 하우징(420) 내부 공간은 컨트롤러, 회로부 등이 구비된 기판 또는 케이블 어셈블리 등이 배치되어, 외골격 구조 외측으로 노출되는 기판 또는 케이블 등을 생략할 수 있어 제품의 미관과 마감의 완성도를 향상시킬 수 있으며, 주변 사물과 간섭 또는 충돌로 인한 제품의 고정도 줄일 수 있다.

상기 고관절 구동기(300)가 장착된 상기 대퇴 지지부(400)의 단부, 즉, 상기 하체 보조로봇(1) 착용자의 슬관절 영역과 대응대는 위치에는 상기 슬관절 구동기(500)가 장착될 수 있으며, 상기 슬관절 구동기(500)는 상기 고관절 구동기(300)와 마찬가지로 상기 본체부(100)로부터 전원을 공급받고 제어신호를 인가받아 구동될 수 있다.

여기서, 상기 슬관절 구동기(500)는 상기 대퇴 지지부(400)의 하단에 장착된 상태로 상기 본체부(100)의 배터리로부터 전원을 인가받아 구동되어 상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 출력부재(610)에 보조력을 제공할 수 있다.

상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 출력부재(610)는 상기 하퇴 지지부(600)의 상단에 구비될 수 있으며, 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 대퇴 지지부(400) 간의 결합 구조와 동일한 방식으로 체결될 수 있다.

상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 출력부재(610)는 상기 슬관절 구동기(500)의 구동유닛에 체결되며, 상기 슬관절 구동기(500)로부터 전달받은 구동력을 상기 하퇴 지지부(600)의 회전 보조력으로 사용할 수 있다.

상기 슬관절 구동기(500) 및 상기 고관절 구동기(300)는 각각 상기 하퇴 지지부(600) 및 상기 대퇴 지지부(400)를 구동시키기 위해 구동되는 바, 이하 상기 슬관절 구동기(500) 및 상기 고관절 구동기(300)에 대해 더욱 자세히 검토한다.

상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)는 상기 하체 보조로봇(1)의 중량 및 착용자의 중량을 지지하면서 착용자의 움직임을 유도하도록 작동해야 하므로, 상기 하체 보조로봇(1)의 작동을 위한 충분한 구동력을 제공함과 동시에 부피 또는 두께 자체도 최소화 할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에 따른 하체 보조로봇(1)을 구성하는 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)는 부피가 최소화 되면서도 상기 하체 보조로봇(1)의 작동을 위한 충분한 구동력을 제공하도록 설계될 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇에 포함되는 고관절 구동기 및 슬관절 구동기의 구성을 도시한 것으로서, 도 4는 사시도이고, 도 5는 단면도를 도시한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 고관절 구동기(300)와 상기 슬관절 구동기(500)는 하우징(10), 상기 하우징(10) 내부에 구비되는 스테이터(20), 상기 스테이터(20) 내부에 구비되는 로터(30), 상기 로터(30) 내측에 구비되어 감속 및 토크 증폭을 수행하는 감속유닛(40) 및 상기 감속유닛(40)에 체결되며, 상기 대퇴 지지부(400) 또는 상기 하퇴 지지부(600)의 출력부재(410, 610)에 체결되어 구동력을 전달하는 구동유닛(80)을 구비할 수 있다.

상기 하우징(10)은 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)의 전체 외형을 제공하는 것으로, 본 발명의 하나의 실시예에서, 두께가 직경보다 작은 납작한 원통형으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 고관절 구동기(300)와 상기 슬관절 구동기(500)는 로터 내부에 감속유닛(40)을 구비하여 관절 구동기의 축방향 두께를 최소화할 수 있으므로 착용형 로봇의 부피 증가를 최소화할 수 있다.

따라서, 상기 고관절 구동기(300) 및 슬관절 구동기(500)는 상기 하우징(10)의 일단부를 통해 상기 대퇴 지지부(400) 및 상기 하퇴 지지부(600)와 연결되어 상기 대퇴 지지부(400) 및 상기 하퇴 지지부(600)를 구동시킬 수 있다.

여기서, 상기 고관절 구동기(300) 및 슬관절 구동기(500)는 상기 고관절 구동기(300) 및 슬관절 구동기(500)는 적어도 하나의 엔코더(60)를 구비할 수 있으며, 이를 통해 감지된 관절의 회전각 또는 속도를 참조하여 상기 하체 보조로봇(1)의 보행을 위해 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)의 구동을 제어할 수 있다.

상기 스테이터(20)는 원통형으로 형성된 상기 하우징(10)의 내부 원주면을 따라 구비될 수 있으며, 상기 본체부(100)의 배터리로부터 제공된 전력에 의해 전자기 계자를 발생시켜 상기 스테이터(20) 내부에 구비되는 상기 로터(30)를 회전시킬 수 있다.

상기 스테이터(20) 내부에 구비되는 로터(30)는 원통형 형태의 상기 하우징 및 상기 하우징 내측의 원주방향에 따라 구비되도록 상기 스테이터(20) 내측 원주방향을 따라 원통형 또는 링 형태로 구성될 수 있다.

이어서, 상기 로터(30)의 내측에는 상기 감속유닛(40)이 구비될 수 있다. 상기 감속유닛(40)은 상기 로터(30)의 회전속도를 감속시켜 토크를 증폭시키는 역할을 수행한다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 관절 구동기를 구성하는 감속유닛(40)을 도시하며, 도 6은 사시도이고, 도 7은 분해도를 도시한다.

도 6은 본 발명의 관절 구동기를 구성하는 감속유닛(40)의 분해도를 도시한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 감속유닛(40)은 상기 로터(30)에 체결된 로터 연결부재(41)를 통해 상기 상기 로터(30)와 연결될 수 있다. 상기 로터 연결부재(41)에 고정된 회전축(도면부호 미표시)에 의해 전달되는 회전력을 전달받아 회전하는 선기어(42), 상기 선기어(42)의 외주면을 따라 회전 가능하게 구비되어 상기 선기어(42)로부터 회전력을 전달받아 회전하는 복수의 플래닛기어(43) 및 복수의 상기 플래닛기어(43)로부터 회전력을 전달받아 회전하는 제1 링부재(44)를 구비할 수 있다.

상기 선기어(42)는 상기 로터(30)와 체결된 로터 연결부재(41)와 연결되어 상기 로터(30)의 회전에 따라 회전될 수 있으며, 이 경우, 상기 선기어(42)의 외주면과 맞물린 복수의 상기 플래닛 기어(43) 또한 회전될 수 있다.

여기서, 복수의 상기 플래닛 기어(43)는 회전축 양단에 구비된 지지부재(f)를 통해 회전이 지지될 수 있다.

또한, 상기 플래닛 기어(43)는 'T'자 형태, 즉, 회전축을 기준으로 직경이 큰 영역(43-1)과 직경이 작은 영역(43-2)으로 구분될 수 있으며, 직경이 큰 영역(43-1)이 상기 선기어(42)와 맞물리도록 구성될 수 있다.

상기 플래닛기어(43)의 직경이 큰 영역(43-1)은 제2 링부재(45)의 내측에 위치하여 상기 제2 링부재(45)의 내측면과 맞물릴 수 있으며, 상기 플래닛 기어(43)의 직경이 작은 영역(43-2)은 상기 제1 링부재(44)의 내측에 위치하여 상기 제1 링부재(44)의 내측면과 맞물릴 수 있다.

따라서, 상기 선기어(42)가 회전되는 경우, 상기 선기어(42)와 맞물린 복수의 상기 플래닛기어(43)가 회전하며, 상기 플래닛기어(43)는 상기 선기어(42)와 맞물린 영역으로부터 회전축을 따라 직경이 작아지도록('43-1' → '43-2') 구성되므로, 복수의 상기 플래닛기어(43)는 상기 로터(30)로부터 선기어(42)로 전달된 구동 토크를 증폭시켜 상기 제1링부재(44)에 전달할 수 있다.

이를 통해, 상기 구동유닛(80)과 연결된 상기 제1 링부재(44)는 상기 플래닛기어(43)로부터 구동력을 전달받아 구동하여 상기 구동유닛(80)을 구성하는 구동부재(81)을 회전시킬 수 있고, 상기 구동부재(81)와 체결된 구동판(83)은 대퇴 지지부 또는 하퇴 지지부를 구성하는 출력부재를 회전 구동시킬 수 있다.

상기 감속유닛(40)은 복수의 기어(42, 43)를 포함하여 이들이 서로 맞물려 감속구조를 형성할 수 있으며, 이 경우, 복수의 기어(42, 43)는 일부가 서로 동일한 구동축을 공유하거나 서로 평행한 구동축으로 맞물려 구동되거나, 또는 이러한 구조들의 조합을 통해 다양한 형태로 설계될 수 있다.

따라서, 상기 본체부(100)를 구성하는 배터리로부터 제공된 전력에 의해 상기 스테이터(20) 내부에 위치한 상기 로터(30)가 회전될 수 있으며, 상기 감속유닛(40)을 구성하는 복수의 기어(42, 43)는 상기 로터(30)의 회전에 의해 회전되어 상기 로터(30)의 회전속도를 감속시켜 상기 로터(30)가 제공하는 토크를 증폭시킬 수 있다.

상기 감속유닛(40)은 상기 로터(30)의 외부에 순차적으로 구비되는 상기 스테이터(20) 및 상기 하우징(10)의 외부 영역으로 돌출되지 않고, 로터(30)의 내측에서 로터(30)의 외주면을 따라 구비되는 바, 상기 하우징(10)의 부피 비대화를 방지하면서도 상기 로터(30)로부터 전달된 토크를 효과적으로 증폭시킬 수 있다.

또한, 상기 감속유닛(40)은 상기 대퇴 지지부(400) 및 상기 하퇴 지지부(600)의 구동에 필요한 동력 크기에 따라 상기 플래닛 기어(43) 및 상기 선기어(42) 등 복수 기어의 구성 조합을 다양하게 변경할 수 있으므로, 상기 하체 보조로봇(1)을 구성하는 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)가 최적의 구동력을 갖도록 설계될 수 있다.

이어서, 상기 감속유닛(40)으로부터 증폭된 구동력을 전달받는 상기 구동유닛(80)는 원통형 형상의 상기 하우징(10)의 일면으로 노출되어 대퇴 지지부(400) 또는 상기 하퇴 지지부(600)의 출력부재(410, 610)와 체결되어 출력부재(410, 610)를 구동시킬 수 있다.

상기 대퇴 지지부(400) 단부에 장착되는 상기 슬관절 구동기(500)에는 상기 하퇴 지지부(600)가 장착되어, 상기 슬관절 구동기(500)의 구동에 의해 구동될 수 있으며, 이를 통해 상기 하체 보조로봇(1) 착용자의 대퇴에 대한 회전 보조력을 제공할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)에서 하퇴 지지부(600) 이하의 구성을 도시한다. 보다 구체적으로, 도 8의 (a)는 사시도이고, 도 8의 (b)는 측면도를 도시한다.

상기 하퇴 지지부(600)는 상기 하퇴 지지부(610)가 상기 하체 보조로봇(1) 착용자의 하퇴 영역에 장착될 수 있도록 하퇴 착용부재(620)를 포함할 수 있다. 상기 하퇴 착용부재(620)는 상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 출력부재(610)의 내측 방향으로 체결되어 착용자의 하퇴 후방을 감싸도록 구비될 수 있다.

따라서, 상기 하퇴 지지부(600)는 상기 슬관절 구동기(500)의 구동에 따라 상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 출력부재(610)가 상기 슬관절 구동기(500)의 출력축을 기준으로 회전하여 상기 하퇴 지지부(600)를 구동시켜 착용자의 하퇴의 움직임을 보조할 수 있다.

상기 하퇴 지지부(600)에는 리니어 모터(710)를 구비하는 발목관절 구동기(700)가 장착될 수 있으며, 상기 발목관절 구동기(700)는 상기 본체부(100)를 구성하는 배터리로부터 전원을 인가받은 상기 리니어 모터(710)의 구동에따 구동될 수 있다.

발목관절을 구동하기 위한 구동기를 고관절 구동기 또는 슬관절 구동기와 동일한 구동기를 채용하는 경우 충분한 구동력을 제공할 수 있으나, 발목관절 구동기, 슬관절 구동기 및 고관절 구동기 순서로 하중과 무게가 전달되는 외골격 로봇의 구조상 전체 로봇의 무게와 부피를 더욱 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상대적으로 요구되는 토크의 크기가 작은 발목관절 구동을 위해서는 리니어 모터를 적용하여 로봇 전체의 무게와 비용을 절감할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(10)의 발목관절 구동기(700)에 포함된 리니어 모터(710)의 단면도를 도시한다.

상기 발목관절 구동기(700)를 구성하는 리니어 모터(710)는 내부에 길이 방향으로 공간이 형성된 실린더바디(711)와, 일단이 상기 실린더바디(711)의 타단부로 삽입되어 상기 실린더바디(711)의 내부에서 상기 실린더바디(711)의 길이 방향으로 신축 구동되는 스크류샤프트(712)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 실린더바디(711) 및 상기 스크류샤프트(712)는 각각 상기 족지지부(800) 또는 상기 하퇴 지지부(600)에 연결(힌지 결합)될 수 있다.

즉, 상기 실린더바디(711) 및 상기 스크류샤프트(712)는 상기 족지지부(800) 또는 상기 하퇴 지지부(600)에 결합되되, 위치가 변경되어도 무방하다.

따라서, 상기 스크류샤프트(712)의 내측 단부에는 구동모터(713)가 장착되고, 상기 구동모터(713)는 커플러(714)를 매개로 외주면에 나사산이 형성된 스크류(715)를 회전시킬 수 있고, 상기 스크류(715)는 내주면에 나사산이 형성된 실린더바디(711)를 스크류샤프트(712)에 대하여 변위시켜 상기 발목관절 구동기(700)를 구성하는 리니어 모터(710)는 신축 구동될 수 있다.

이와 같은 리니어 모터(710)의 신축 구동에 의하여 상기 하퇴 지지부(600)에 대한 상기 족지지부(800)의 각도가 결정되어 착용자의 발목 회전을 지지할 수 있다.

구체적으로, 도 8 또는 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 하퇴 지지부(600)는 슬관절 구동기(500)의 구동유닛(80)에 체결되어 동력을 전달받는 출력부재(610)와 상기 출력부재(610)의 내측에 착용부재(620)가 고정되고, 상기 착용부재(620) 하부에 족지지부(800)가 힌지 결합될 수 있다.

구체적으로, 상기 족지지부(800)는 상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 하퇴 착용부재(620)의 하단의 연결부재(625)에 힌지 결합되며 족저면을 지지하는 족지지 프레임(810)을 구비할 수 있다.

상기 리니어 모터(710)는 상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 출력부재(610) 및 상기 족지지부(800)를 구성하는 족지지 프레임(810)과 각각 연결부재(630, 820)를 매개로 연결될 수 있다. 상기 연결부재(630, 820)는 상기 출력부재(610) 및 상기 족지지 프레임(810) 각각에 연결된다.

각각의 연결부재(630, 820)는 리니어 모터(710)의 양단과 힌지 결합되어 리니어 모터의 신축 구동시 하퇴 지지부(600)에 대하여 족지지부(800)를 회전 구동시킬 수 있다.

상기 발목관절 구동기(700)를 구성하는 리니어 모터(710)가 상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 출력부재(610)와 상기 족지지부(800)를 구성하는 족지지 프레임(810)을 각각의 연결부재로 연결함으로써, 상기 리니어 모터(710)가 구동될 경우 상기 족지지 프레임(800)은 상기 하퇴 착용부재(620)를 기준으로 회전 구동되어 발목 관절의 회전 보조력을 제공할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)의 발목관절 구동기(700)가 구동됨에 따라 구동되는 족지지부(800)를 도시한다.

본 발명에 따른 하체 보조로봇(1)은 완전 마비 환자 또는 장애인을 위한 로봇임에도 불구하고, 발목관절 구동기(700)를 더 구비하여 상기 하체 보조로봇(1)의 보행 동작을 보다 안전하고 자연스럽게 구현할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 하체 보조로봇은 즉, 종래 소개된 완전 마비 환자용 하체 보조로봇과 달리 상기 발목관절 구동기를 구성하는 리니어 모터(710)는 상기 본체부(100)를 구성하는 컨트롤러의 제어신호에 따라 상기 족지지부(800)의 하면이 지면에 접촉하는 입각기 또는 지면에 접촉하지 않는 유각기에 따라 발목 관절을 구동시켜 장애물 구간 또는 층계 구간에서 발걸림, 특히 앞발 등이 장애물 또는 계단 모서리에 걸려 넘어지는 위험을 방지하여 보행 안정성을 향상시킬 수 있다.

상기 발목관절 구동기(700)를 구성하는 상기 리니어 모터(710) 역시 상기 본체부(100)를 구성하는 배터리(100)로부터 전원을 공급받고 상기 콘트롤러로부터 보행 동작 또는 보행 주기에 따른 제어신호에 따라 상기 하퇴 지지부(600)를 기준으로 상기 족지지부(800)를 구동시킬 수 있다.

상술한 바, 본 발명에 따른 하체 보조로봇(1)은 본체부(100), 허리 지지부(200), 고관절 구동기(300), 대퇴 지지부(400), 슬관절 구동기(500), 하퇴 지지부(600), 발목관절 구동기(700) 및 족지지부(800)를 포함하여 구성되어 작동함으로서, 하체 거동이 불편한 착용자의 보행을 보조할 수 있다.

이와 같이, 하체 기능이 저하되거나 상실된 착용자의 보행을 보조하는 로봇은 본 발명의 실시예와 같이 착용자의 하체 각 구성에 대응되는 구성이 세분화되고, 각 구성간 상호적인 결합 및 작동을 통해 하체 거동이 불편한 착용자가 정상인의 보행 형태를 모방할 수 있도록 구성될 필요가 있다.

또한, 착용자의 보행을 보조하는 로봇은 착용자에게 착용된 후의 보행 형태 뿐만 아니라, 착용자의 착용 용이성 및 미보행시 직립 안정성 등 까지 고려해서 설계될 필요가 있다.

일반적으로 완전마비 환자를 위한 착용형 로봇의 경우, 지팡이 등을 사용하여 균형을 유지하나 체중과 로봇의 무게가 팔 또는 상체에 큰 부담이 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)은 특정 상황에서 상기 하체 보조로봇(1)을 지면으로부터 지지하기 위한 균형보조유닛(900)을 더 포함할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)에 적용되는 균형보조유닛(900)을 도시한다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)은 착용자의 비보행 상태에서 전방으로 쓰러짐을 방지하기 위하여 구비되며, 상기 하퇴 지지부(600)에 장착되고 구동모터(910) 및 상기 구동모터(910)에 의하여 구동되어 선택적으로 전방으로 전개되어 지면을 지지하기 위한 지지바(920)를 포함하는 균형보조유닛(900)을 더 포함할 수 있다.

보다 구체적으로 상기 균형보조유닛(900)의 지지바(920)는 상기 하퇴 지지부 (600)에 회전 가능하게 연결되어 하방을 향하도록 구비되며, 상기 균형보조유닛(900)을 구성하는 구동모터(910)에 의해 선택적으로 전방으로 전개될 수 있다.

여기서, 상기 균형보조유닛(900)의 지지바(920)는 상기 하퇴 지지부(600)를 중심으로 전방으로 회전하는 바, 상기 하퇴 지지부(600)를 중심으로 회전할 수 있다면 상기 하퇴 지지부(600) 중 연결되는 위치는 한정되지 않으며, 예를 들어, 상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 출력부재(610) 또는 상기 하퇴 지지부(600)와 상기 리니어 모터(710)를 연결하는 상기 연결부재(630)에 장착될 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 하체 보조로봇은 외골격 방식의 로봇으로 착용자의 하체의 외측을 감싸는 방식으로 구성된다.

따라서, 상기 균형보조유닛을 구성하는 지지바(920)는 대퇴 지지부(600)와 대략 동일 평면상에서 구동되도록 장착되는 것이 바람직하며, 하퇴 착용부재(620)는 상기 지지바(620) 내측에 배치되어 착용자의 하퇴를 지지하는 것이 바람직하다.

상기 균형보조유닛(900)을 구성하는 구동모터(910)는 상기 지지바(920)를 회전시킬 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 어떠한 형태로도 가능하나, 비한정적인 예로서, 웜기어 및 웜휠기어를 포함하여 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 구동모터(910)는 구동축에 웜기어(미도시)를 구비할 수 있으며, 상기 웜기어는 웜휠케이스(911) 내부에 구비되어 상기 웜기어에 맞물리며 상기 구동모터(910)의 회전축과 수직한 구동축을 갖는 웜휠기어(미도시)를 구비할 수 있다.

이러한 구조의 상기 구동모터(910)는 회전축 방향 변경이 가능하고 용이하고 지지바 또는 웜휠기어에 가해지는 회전 토크에 의하여 웜기어의 회전을 억제할 수 있으므로, 상기 하체 보조로봇(1)의 보행 안정성을 향상시킴과 동시에, 상기 균형보조유닛(900)의 지지바(920)를 전개 또는 복귀시킬 수 있다.

상술한 균형보조유닛(900)을 통해 상기 하체 보조로봇(1)은 착용자의 리모컨 제어 또는 미보행 상태에서 자동적인 알고리즘에 의하여 지지바(920)가 전방으로 전개되어, 지면을 지지함으로서, 상기 하체 보조로봇(1) 착용자의 스탠딩 동작을 보조할 수 있다.

여기서, 상기 하퇴 지지부(600)를 구성하는 출력부재(610) 또는 상기 하퇴 지지부(600)와 상기 리니어 모터(710)를 연결하는 상기 연결부재(730) 등에 연결된 지지바(920)는 상기 하체 보조로봇(1)이 보행상태를 유지하여 전방으로 전개되지 않은 상황에서는 하방 말단부가 지면을 닿지 않는 범위의 길이로 구성될 수 있다.

즉, 상기 균형보조유닛(900)을 구성하는 지지바(920)는 미전개시에는 하방 말단부가 지면과 접촉하지 않아 상기 하체 보조로봇(1)의 보행을 방해지 않는 길이로 구성될 수 있다.

상기 지지바는 스크류 방식으로 체결된 2개의 파이프 부재로 구성되어도 무방하다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 하체 보조로봇(1)으로서, 균형보조유닛(900)이 구동된 형태를 도시한다.

상기 본체부(100)를 구성하는 컨트롤러는 상기 균형보조유닛(900)의 지지바(920)가 전개된 상태에서는 상기 대퇴 지지부(400)와 상기 하퇴 지지부(600)가 수직 방향에 대하여 미리 결정된 각도(θ 또는 θ’)로 기울어지도록 상기 고관절 구동기(300)와 슬관절 구동기(500)를 구동하여 스탠딩 동작의 안정성을 향상시킬 수 있다.

따라서, 상기 하체 보조로봇(1)의 미보행 중 상기 균형유지수단(900)의 지지바(920)가 전방으로 전개된 경우에는 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)가 구동되어 상기 지지바(920)의 단부가 지면에 닿도록 하여 상기 하체 보조로봇(1)이 스탠딩 동작의 균형 유지를 위한 보조력을 제공받을 수 있다.

여기서, 상기 지지바(920)의 기능은 상기 고관절 구동기(300) 및 상기 슬관절 구동기(500)의 구동에 따른 상기 하체 보조로봇(1)의 전체적인 골격 구조와 연관되는 바, 전방으로 전개되는 회전 범위가 제한될 수 있으며, 이는 위해 상기 균형유지수단(900)은 상기 지지바(920)의 전방 회전범위를 제한하는 지지바 스토퍼(930, 도 8(a) 참조)를 더 포함할 수 있다.

이상으로 본 발명에 따른 하체 보조로봇(1)에 대해 설명하였으며 다만, 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 실시예가 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

100 : 본체부
200 : 허리 지지부
300 : 고관절 구동기
400 : 대퇴 지지부
500 : 슬관절 구동기
600 : 하퇴 지지부
700 : 발목관절 구동기
800 : 족지지부
900 : 균형보조유닛

Claims

제어신호를 제공하는 컨트롤러 및 전원 제공을 위한 배터리를 포함하는 본체부;
상기 본체부가 후방에 장착되며, 착용자의 고관절 측면 영역으로 연장되는 본체 프레임 및 상기 본체 프레임의 내측에 장착되며 착용자의 허리 영역에 장착되는 허리 착용부재를 포함하는 허리 지지부;
상기 허리 지지부의 본체 프레임의 단부에 장착되는 한 쌍의 고관절 구동기;
상기 고관절 구동기에 의하여 구동되며, 착용자의 대퇴에 회전 보조력을 제공하는 대퇴 지지부;
상기 대퇴 지지부 단부에 장착되는 한 쌍의 슬관절 구동기;
상기 슬관절 구동기에 의하여 구동되며, 착용자의 대퇴에 회전 보조력을 제공하는 하퇴 지지부;
상기 하퇴 지지부에 장착되며 리니어 모터를 구비하는 발목관절 구동기; 및
상기 하퇴 지지부의 단부에 장착되어, 상기 발목관절 구동기에 의하여 구동되며, 착용자의 발목 회전 보조력을 제공하는 족지지부;를 포함하는 하체 보조로봇.
제1항에 있어서,
상기 하체 보조로봇 착용자의 비보행 상태에서 전방으로 쓰러짐을 방지하기 위하여 구비되며, 상기 하퇴 지지부에 장착되고 구동모터 및 상기 구동모터에 의하여 구동되어 선택적으로 전방으로 전개되어 지면을 지지하기 위한 지지바를 포함하는 균형보조유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 균형보조유닛의 지지바가 전개된 상태에서는 상기 대퇴 지지부와 상기 하퇴 지지부가 수직 방향에 대하여 미리 결정된 각도로 기울어지도록 고관절 구동기와 슬관절 구동기를 구동하는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제1항에 있어서,
상기 고관절 구동기와 상기 슬관절 구동기는 하우징, 상기 하우징 내부에 구비되는 스테이터, 상기 스테이터 내부에 구비되는 로터, 상기 로터 내측에 구비되어 감속 및 토크 증폭을 수행하는 감속유닛 및 상기 감속유닛에 체결되며, 상기 대퇴 지지부 또는 상기 하퇴 지지부의 출력부재에 체결되어 구동력을 전달하는 구동유닛을 구비하며, 상기 하우징은 원통형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제1항에 있어서,
상기 고관절 구동기는 상기 허리 지지부를 구성하는 본체 프레임과 상기 허리 착용부재 사이에 장착된 상태로 상기 대퇴 지지부의 상단에 구비되는 출력부재와 체결되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제2항에 있어서,
상기 슬관절 구동기는 상기 대퇴 지지부의 하단에 장착된 상태로 상기 하퇴 지지부를 구성하는 출력부재와 체결되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제2항에 있어서,
상기 고관절 구동기와 상기 슬관절 구동기 사이의 대퇴 지지부는 상기 고관절 구동기와 상기 슬관절 구동기의 두께에 대응하는 내부공간을 형성하도록 하우징이 구비되며, 상기 하우징 내측에 상기 고관절 구동기, 상기 슬관절 구동기, 발목관절 구동기 또는 상기 균형보조유닛의 제어를 위하여 상기 컨트롤러와 연결되는 회로부가 구비된 적어도 하나의 기판 또는 케이블 어셈블리가 수용되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제6항에 있어서,
상기 하퇴 지지부는 상기 출력부재 내측 방향으로 체결되며, 착용자의 하퇴의 후방을 감싸는 하퇴 착용부재를 포함하고, 상기 하퇴 착용부재의 하단에 족지지부가 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제6항에 있어서,
상기 족지지부는 상기 하퇴 지지부를 구성하는 하퇴 착용부재의 하단에 회전 가능하게 결합되며 족저면을 지지하는 족지지 프레임을 구비하고, 상기 하퇴 지지부를 구성하는 출력부재와 상기 족지지부를 구성하는 족지지 프레임을 상기 발목관절 구동기를 구성하는 리니어 모터로 연결하는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제9항에 있어서,
상기 발목관절 구동기를 구성하는 리니어 모터의 양단과 상기 하퇴 지지부를 구성하는 출력부재와 상기 족지지부를 구성하는 족지지 프레임을 각각 연결하는 연결부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제10항에 있어서,
상기 하퇴 지지부를 구성하는 출력부재 또는 상기 연결부재에 상기 균형보조유닛의 지지바가 하방을 향하여 구동모터에 의하여 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.
제2항에 있어서,
상기 균형보조유닛을 구성하는 지지바는 대퇴 지지부와 동일 평면상에 장착되고, 상기 하퇴 지지부를 구성하는 하퇴 착용부재는 상기 지지바 내측에 구비되는 것을 특징으로 하는 하체 보조로봇.