KR100612031B1

KR100612031B1 - 근력증강을 위한 보행보조기기 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR100612031B1
Application number: KR1020040089117A
Authority: KR
Inventors: 전도영; 공경철
Original assignee: 학교법인 서강대학교
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-08-11
Also published as: KR20060039970A

Abstract

본 발명은 동력발생장치를 포함하는 별도의 캐스터워커와 와이어를 이용한 작동메커니즘을 채용함으로써, 보행보조기구의 부피와 무게를 줄일 수 있고, 이에 따라 착용자가 느끼는 무게와 불편함을 최소화할 수 있으며, 특히 보행보조기구의 동작에 대한 행동프로파일을 구비하여 몸이 불편한 노인이나 장애인을 보조하는 역할 뿐만 아니라 일반인이나 환자들의 근력증강을 도와주는 역할을 충실하게 수행할 수 있도록 한 근력증강을 위한 보행보조기기 및 그 제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 노인성 질환 및 노화로 야기되는 하지 근력의 약화로 외부 활동이 부족한 노인들을 위하여 지능형 캐스터워커 및 착용이 간편하고 근력강화기능을 갖는 보행보조기구를 제공함으로써, 점진적으로 보행을 보조함과 동시에 하지 근력의 쇠퇴를 방지하는 재활의 기능을 가지면서 활발한 활동을 유도하여 노후의 삶의 질을 향상시킬 수 있도록 하는 한편, 보행보조기구의 동작과 관련한 행동프로파일을 포함하는 제어방식을 제공함으로써, 착용자의 행동을 파악하여 근력을 보조할 수 있고, 이에 따라 일반인은 근력증강을 통해 보다 힘든 일을 수월하게 할 수 있으며, 근력이 모자란 노인과 장애인은 자유로운 걷기, 앉기, 서기 등을 수월하게 할 수 있도록 한 보행보조기기 및 그 제어방법을 제공한다.

보행보조기기, 텐던드라이브, 근력증강장치, 캐스터워커

Description

근력증강을 위한 보행보조기기 및 그 제어방법{Tendon-driven power assisting orthosis and control method its}

도 1a,1b는 본 발명에 따른 보행보조기기의 전체적인 구성을 나타내는 측면도 및 사시도

도 2는 본 발명에 따른 보행보조기기의 보행보조기구를 나타내는 정면도

도 3은 도 2의 측면도

도 4는 본 발명에 따른 보행보조기기에서 허리동작부 및 무릎동작부의 구조를 나타내는 사시도

도 5a,5b는 본 발명에 따른 보행보조기기에서 동력전달기구의 장착상태를 나타내는 정면도 및 사시도

도 6은 본 발명에 따른 보행보조기기에서 각도측정을 위한 측각기의 장착상태를 나타내는 사시도

도 7은 본 발명에 따른 보행보조기기의 허리부분 동작상태를 나타내는 측면도

도 8은 본 발명에 따른 보행보조기기의 무릎부분 동작상태를 나타내는 측면도

도 9는 본 발명에 따른 보행보조기기의 제어방법을 나타내는 블럭도

도 10은 본 발명에 따른 보행보조기기의 제어방법에서 뒷먹임 제어방법을 보여주는 블럭도

도 11은 본 발명에 따른 보행보조기기의 제어방법에서 앞먹임 제어방법을 보여주는 블럭도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 캐스트워커 11 : 보행보조기구

12 : 동력전달기구 13 : 보드

14 : 모니터 15 : 본체

16 : 허리지지대 17 : 허벅지지지대

18 : 종아리지지대 19 : 신발

20a,20b,20c : 프레임 21 : 허리동작용 풀리장치

22 : 무릎동작용 풀리장치 23 : 회전축

24 : 이중동력축 25 : 허리용 동력풀리

26 : 고정축 27 : 허리용 작동풀리

28 : 허리용 벨트 29 : 무릎용 동력풀리

30 : 무릎용 중간풀리 31 : 무릎용 작동풀리

32a,32b : 무릎용 벨트 33 : 벨트스톱퍼

34 : 홀 35 : 커버

36 : 손잡이 37 : 측각기

38 : 벨트 지지봉 39 : 전동용 풀리

40 : 전동용 벨트 41 : 발목관절부

본 발명은 일반인의 근력증강이나 노약자의 거동보조 등의 역할을 수행하는 근력증강을 위한 보행보조기기 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동력발생장치를 포함하는 별도의 캐스터워커와 와이어를 이용한 작동메커니즘을 채용함으로써, 보행보조기구의 부피와 무게를 줄일 수 있고, 이에 따라 착용자가 느끼는 무게와 불편함을 최소화할 수 있으며, 특히 보행보조기구의 동작에 대한 행동프로파일을 구비하여 몸이 불편한 노인이나 장애인을 보조하는 역할 뿐만 아니라 일반인이나 환자들의 근력증강을 도와주는 역할을 충실하게 수행할 수 있도록 한 근력증강을 위한 보행보조기기 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 보행보조기기는 노령화 사회를 대비하여 일부 선진국에서 중점적으로 연구 및 개발을 활발히 하고 있는 분야이다.

최근 두각을 보이고 있는 실버 공학과 연계를 하여 단순히 노인의 활동을 보조하는 것에서 더 나아가 편안하고 안정된 생활을 영위할 수 있도록 지능형 컴퓨터와 인체공학적 메커니즘을 접목하려는 경향으로 나아가고 있다.

일부 선진국의 대학 및 국가 연구소에서 이러한 연구를 수행하고 있지만, 아 직 실질적으로 노령층이 직접 활용할 수 있는 단계에는 도달하지 못하고 있는 실정이다.

기존의 보행보조기기들은 동력발생장치의 무게가 착용자에게 직접 전달되고 부피가 크고 무거워서 착용이 매우 불편한 단점들을 가지고 있으며, 착용자의 움직임에 따라 동작하는 단순한 메커니즘으로 되어 있어서 근력강화기능은 거의 없고 단지 착용자의 거동을 보조하는 역할밖에 수행할 수 없는 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 노인성 질환 및 노화로 야기되는 하지 근력의 약화로 외부 활동이 부족한 노인들을 위하여 지능형 캐스터워커 및 착용이 간편하고 근력강화기능을 갖는 보행보조기구를 제공함으로써, 점진적으로 보행을 보조함과 동시에 하지 근력의 쇠퇴를 방지하는 재활의 기능을 가지면서 활발한 활동을 유도하여 노후의 삶의 질을 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 보행보조기구의 동작과 관련한 행동프로파일을 포함하는 제어방식을 제공함으로써, 착용자의 행동을 파악하여 근력을 보조할 수 있고, 이에 따라 일반인은 근력증강을 통해 보다 힘든 일을 수월하게 할 수 있으며, 근력이 모자란 노인과 장애인은 자유로운 걷기, 앉기, 서기 등을 수월하게 할 수 있도록 하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 보행보조기기는 행동프로파일을 내장 한 컴퓨터 및 동력발생장치를 내장한 캐스터워커와, 사용자가 몸에 착용할 수 있는 보행보조기구와, 상기 캐스터워커와 보행보조기구 사이에 연결 조립되어 동력을 전달하는 동력전달기구를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐스터워커는 다수의 입력버튼을 갖는 보드겸손잡이와 제어상황을 화면으로 볼 수 있도록 해주는 모니터와 바퀴를 갖는 본체로 이루어진 이동체인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보행보조기구는 하나의 허리지지대와 좌우 한쌍씩의 허벅지지지대, 종아리지지대 및 신발로 이루어지되, 상기 허리지지대의 프레임에는 내측으로 허리동작용 풀리장치가 장착되는 동시에 외측으로는 무릎동작용 풀리장치가 장착되고, 상기 허벅지지지대의 프레임은 그 상단부가 허리동작용 풀리장치에 연결되어 이 풀리장치를 축으로 일정각도 회전가능하게 되며, 상기 종아리지지대 및 신발의 프레임은 그 상단부가 무릎동작용 풀리장치에 연결되는 동시에 허벅지지지대의 프레임 하단부에 회전축을 통해 회전가능한 구조로 지지되어 이 풀리장치를 축으로 일정각도 회전가능하게 되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 허리동작용 풀리장치는 허리지지대의 프레임상에 관통 지지되어 있는 윗쪽의 이중동력축에 일체식으로 결합되는 허리용 동력풀리와, 허리지지대의 프레임상에 관통 지지되어 있는 아래쪽의 고정축에 회전가능한 구조로 결합되는 동시에 종아리지지대의 프레임과 일체 연결되는 허리용 작동풀리와, 상기 허리용 동력풀리와 허리용 작동풀리 사이를 연결하는 허리용 벨트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무릎동작용 풀리장치는 허리지지대의 프레임상에 관통 지지되어 있는 윗쪽의 이중동력축에 일체식으로 결합되는 무릎용 동력풀리와, 허리지지대의 프레임상에 관통 지지되어 있는 아래쪽의 고정축에 회전가능한 구조로 결합되는 이중풀리형태의 무릎용 중간풀리와, 종아리지지대 및 신발의 프레임에 관통 지지되어 있는 회전축에 일체식으로 결합되는 무릎용 작동풀리와, 상기 무릎용 동력풀리와 무릎용 중간풀리 사이 및 상기 무릎용 중간풀리와 무릎용 작동풀리 사이를 각각 연결하는 무릎용 벨트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 허리동작용 풀리장치와 무릎동작용 풀리장치는 벨트의 장력을 잡아줄 수 있는 벨트스톱퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 허리지지대, 허벅지지지대, 종아리지지대 및 신발의 각 프레임에는 길이조정을 위한 다수의 홀이 일정간격으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 동력전달기구는 캐스터워커의 동력발생장치측과 보행보조기구의 이중동력축측에 각각 장착되어 동력을 전달하는 2세트의 전동용 풀리와, 상기 2세트의 전동용 풀리 사이를 연결하는 각각의 전동용 벨트와, 상기 2줄의 전동용 벨트에 씌워지는 커버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 벨트들은 와이어, 타이밍벨트, 체인 중 어느 하나로 대체가능한 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 보행보조기기의 제어방법은 각 관절에 장착된 측각기로부터 읽어드린 각도정보와 신발에 장착된 압력센서를 이용하여 지면 에 발이 닿아있는 지의 여부를 결정하는 준비단계와, 상기 준비단계에서 준비가 완료되면 캐스터워커에 장착된 컴퓨터를 이용하여 앉기, 서기, 걷기 중 한 동작을 결정하는 선택단계와, 상기 선택단계에서 동작이 결정되면 컴퓨터에서는 이미 저장되어 있는 행동프로파일 중 해당 프로파일을 실행하여 보행보조기구의 동작을 제어하는 작동단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 작동단계는 행동프로파일과 센서로부터 읽어들인 현재의 정보를 비교하여 그 차이만큼을 제어기에서 모터출력값을 보상하는 뒷먹임 제어방식 또는 센서에서 읽어오는 정보없이 행동프로파일에서 결정한 모터출력값을 그대로 실행하는 앞먹임 제어방식을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 보행보조기기의 전체적인 구성을 나타내는 측면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 보행보조기기는 크게 동력발생장치가 설치되어 있는 캐스터워커(10)와 사용자가 직접 착용하는 보행보조기구(11)와 캐스터워커(10)측 동력을 보행보조기구(11)측으로 전달하는 동력전달기구(12)로 이루어져 있다.

부피가 매우 크고 무거워서 착용자가 부담을 느꼈던 동력발생장치가 보행보조기구(11)와는 별개로 캐스터워커(10)측에 설치됨에 따라 착용자는 보다 간편하게 보행보조기구(11)를 사용할 수 있다.

근력이 약한 노인, 환자, 장애인 등의 경우에는 동력전달기구(12)를 사용하 여 캐스터워커(10)측으로부터 동력을 제공받을 수 있다.

상기 캐스트워커(10)는 다수의 입력버튼을 갖는 보드(13) 및 손잡이(36), 제어상황을 화면으로 볼 수 있는 모니터 등을 놓을 수 있는 받침대(14), 상기 보드(13), 손잡이(36) 및 받침대(14) 전체의 높이조절이 가능하며 이동을 위한 바퀴를 갖는 본체(15)로 구성되며, 사용자는 손으로 밀고 다니면서 걷거나 제자리에서 앉기, 서기 등을 할 수 있게 된다.

또한, 상기 캐스터워커(10)에 구비되는 동력발생장치는 모터, 리니어모터, 솔레노이드, 공압기, 유압기 등을 응용할 수 있으며, 토크 증가를 위해 사용하는 기어는 하모닉기어, 기어박스 등을 응용할 수 있다.

이러한 캐스트워커(10)에는 행동프로파일을 내장한 컴퓨터(미도시)가 설치되어 있어서 착용자의 동작분석, 모터출력값 제어, 보행보조기구 작동 등의 기능을 제어할 수 있으며, 이에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 보행보조기기의 보행보조기구 및 허리동작부와 무릎동작부의 구조를 나타내는 정면도, 측면도 및 사시도이다.

도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 보행보조기구(11)는 허리에 착용하는 하나의 허리지지대(16), 허벅지에 착용하는 한쌍의 허벅지지지대(17), 종아리에 착용하면서 신을 수 있는 한쌍의 종아리지지대(18) 및 신발(19), 각 관절을 꺽을 수 있도록 해주는 허리동작용 풀리장치(21) 및 무릎동작용 풀리장치(22) 등으로 이루어져 있다.

상기 지지대들은 벨트형식으로 조일 수 있어서 허리에 꼭맞게 착용할 수 있 는 동시에 다리의 굵기에 맞춰 조절이 가능한 동시에 로드형태의 프레임(20a),(20b),(20c)을 갖고 있어서 풀리장치측과 연결되거나 서로 간에 지지되는 구조로 조립될 수 있다.

특히, 각 프레임(20a),(20b),(20c)에는 길이방향을 따라 일정한 간격으로 배치되는 다수의 홀(34)이 구비되어 있어서 다양한 사용자의 체형에 맞게 조절하여 사용할 수 있다.

이때의 지지대와 프레임 간에는 볼팅 방식 등으로 결합될 수 있다.

또한, 신발(19)과 프레임(20c) 사이에는 자유로운 회전동작이 가능한 핀/베어링 조합구조의 발목관절부(41)가 부착되어 있어서 사용자는 불편없이 발목을 꺽을 수 있다.

이러한 보행보조기구(11)에는 착용자의 운동상태를 관측하기 위하여 발바닥 부분과 무릎 부분에 압력센서(미도시)가 부착되고, 또 허리와 무릎, 발목 부분의 각도를 측정하기 위한 측각기(37)가, 도 6에 도시한 바와 같이, 브라켓 등을 이용하여 프레임상에 부착된다.

이때의 측각기는 포텐쇼미터, 고니오미터, 엔코더 등이 응용될 수 있으며, 압력센서의 경우 발바닥 앞쪽과 뒷꿈치쪽에 각각 1개씩 설치될 수 있다.

이러한 측각기 및 압력센서는 캐스터워커의 컴퓨터측과 전기적으로 연결되어 있어서 각 측정신호를 컴퓨터측에 제공할 수 있게 된다.

각 관절의 동작을 위한 동력을 전달해주는 역할은 풀리장치가 담당하게 되며, 본 발명에서는 허리동작용 풀리장치(21)와 무릎동작용 풀리장치(22)가 제공된 다.

이러한 풀리장치들은 캐스터워커(10)측 동력발생장치에서 만들어진 동력을 동력전달기구(12)를 통해 전달받아 각 프레임들을 움직여주는 역할을 수행하게 된다.

상기 허리동작용 풀리장치(21)는 동력을 전달받는 역할의 허리용 동력풀리(25)와 회전하면서 실질적으로 프레임(20b)을 움직여주는 허리용 작동풀리(26)로 구성되고, 풀리 간에는 허리용 벨트(28)가 연결된다.

상기 허리용 동력풀리(25)는 허리지지대(16)의 프레임(20a)에 회전가능한 구조로 관통 결합되어 있는 윗쪽의 이중동력축(24)에 결합되어 함께 회전가능하게 되고, 상기 허리용 작동풀리(26)는 허리지지대(16)의 프레임(20a)(실질적으로는 프레임에 일체 고정되는 벨트스톱퍼의 브라켓)에 관통 결합되어 있는 아래쪽의 고정축(26)에 결합되어 이 축을 중심으로 회전가능하게 된다.

이때, 허벅지지지대(17)를 갖는 프레임(20b)의 상단부가 상기 허리용 작동풀리(26)의 한쪽면에 일체 융착 고정됨에 따라 허리용 작동풀리(26)가 회전하면 허벅지지대(17) 및 프레임(20b) 전체도 이때의 풀리를 축으로 하여 일정각도 회전하면서 꺽일 수 있게 된다.

이때, 허리에는 많은 양의 토크가 필요하므로 허리용 작동풀리(26)는 직경이 큰 것을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 이중동력축(24)은 베어링 등을 이용하여 프레임(20a)상에 회전가능하게 장착되면서 직경이 다른 2개의 축이 동심원상으로 조립되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 길이가 긴 안쪽의 축(24a)에 허리용 동력풀리(25)가 키구조로 조립되고, 길이가 짧은 바깥쪽의 축(24b)에는 후술하는 무릎용 동력풀리(29)가 키구조로 조립된다.

이에 따라 허리용 동력풀리(25)와 무릎용 동력풀리(29)는 각각의 축(24a),(24b)에 의해 독립적으로 작동될 수 있게 된다.

또한, 허리동작용 풀리장치(21)에는 벨트의 장력을 잡아줄 수 있는 벨트스톱퍼(33)가 구비되는데, 이때의 벨트스톱퍼(33)는 프레임(20a)상에 고정되는 브라켓을 이용하여 지지되면서 벨트의 바깥면에 접촉 배치되는 2개의 롤러를 이용하여 벨트의 긴장상태를 유지시켜줄 수 있게 된다.

상기 무릎동작용 풀리장치(22)는 3개의 풀리, 즉 무릎용 동력풀리(29), 무릎용 중간풀리(30) 및 무릎용 작동풀리(31)와 각 풀리들을 연결하는 2개의 무릎용 벨트(32a),(32b)로 구성된다.

상기 무릎용 동력풀리(29)는 허리지지대(16)의 프레임(20a)에 있는 이중동력축(24)의 바깥쪽 축(24b)에 키구조로 조립되어 축과 함께 회전되면서 동력을 전달하게 된다.

예를 들면, 프레임(20b)을 가운데 두고 안쪽에서는 허리용 동력풀리(25)가 안쪽 축(24a)에 조립되는 동시에 바깥쪽에서는 무릎용 동력풀리(29)가 바깥쪽 축(24b)에 조립되어 각각의 동력을 전달할 수 있게 된다.

상기 무릎용 중간풀리(30)는 2열의 치가 나란하게 형성되어 있는 이중풀리형태로 이루어져 있으며, 허리지지대(16)의 프레임(20a)에 설치되어 있는 고정축(26) 에 조립되어 이것을 중심축으로 하여 회전가능하게 된다.

이러한 무릎용 중간풀리(30)에는 무릎용 동력풀리(25)에서 연장되는 무릎용 벨트(32a)와 무릎용 작동풀리(31)에서 연장되는 무릎용 풀리(32b)가 동시에 연결되어 중간에서 동력을 전달하는 역할을 하게 된다.

상기 무릎용 작동풀리(31)는 허벅지지지대(17)의 프레임(20b)(실질적으로는 프레임에 일체 고정되는 벨트스톱퍼의 브라켓)에 베어링 등을 통한 회전가능한 구조로 장착되어 있는 회전축(23)에 일체식으로 조립되며, 벨트로부터 동력을 전달받아 회전축(23)을 돌려주는 역할을 하게 된다.

이때, 신발(19) 및 종아리지지대(18)를 갖는 프레임(20c)의 상단부가 상기 무릎용 작동풀리(31)와 일체 회전가능한 회전축(23)에 일체 결합됨에 따라 무릎용 작동풀리(31)가 회전하면 회전축(23)에 의해 신발(19) 및 종아리지지대(18)를 갖는 프레임(20c) 전체도 이때의 회전축(23)을 중심으로 하여 일정각도 회전하면서 꺽일 수 있게 된다.

또한, 무릎동작용 풀리장치(22)에도 위의 허리동작용 풀리장치(21)와 마찬가지로 동일한 구조 및 역할을 갖는 벨트스톱퍼(33)가 구비된다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 보행보조기기에서 동력전달기구의 장착상태를 보여주는 정면도 및 사시도이다.

도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 동력전달기구(12)는 캐스터워커(10)로부터 동력을 전달받기 위해 허리측에 연결하는 부분으로서, 유연한 케이블(예를 들면, 벨트나 와이어)을 이용하여 동력을 전달하는 방식으로 이루어져 있다.

이러한 동력전달기구(12)는 캐스터워커(10)의 동력발생장치측과 보행보조기구(11)의 이중동력축(24)측에 각각 연결되어 동력을 전달하는 3세트 총 6개의 전동용 풀리(39), 3세트의 전동용 풀리(39) 사이를 연결하는 각각의 전동용 벨트(40), 각 전동용 벨트(40)을 한 세트씩 감싸주는 커버(35)로 이루어져 있다.

또한, 각 세트 2개의 전동용 풀리(39)는 가운데의 스페이스링을 사이에 두고 함께 밀착 조합되면서 각각 단독으로 회전할 수 있는 구조로 조립된다.

또한, 상기 보행보조기구(11)측에 조립되는 1세트 2개의 전동용 풀리(39) 중에서 바깥쪽으로 배치되는 것은 큰 내경을 갖게 되는 동시에 안쪽으로 배치되는 것은 작은 직경을 갖게 되며, 내경이 큰 바깥쪽의 전동용 풀리(39)는 그 길이가 일부 연장되어 있는 이중동력축(24)의 바깥쪽 축(24b)에 키구조로 조립되고, 내경이 작은 안쪽의 전동용 풀리(39)는 이중동력축(24)의 안쪽 축(24a)에 키구조로 조립된다.

이렇게 조립됨에 따라 동력전달기구(12)의 각 전동용 풀리(39)는 안쪽 축(24a)을 통한 허리용 동력풀리(25) 및 바깥쪽 축(24b)을 통한 무릎용 동력풀리(29)와 함께 회전될 수 있게 된다.

여기서, 미설명 부호 38은 벨트 또는 와이어를 지지하는 봉을 나타낸다.

도 7은 본 발명에 따른 보행보조기기의 허리부분 동작상태를 나타내는 측면도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 캐스터워커(10)측에서 제공되는 동력은 동력전달기구(12)에 2개의 풀리 중 안쪽 전동용 풀리(39)를 통해 전달된다.

상기 안쪽 전동용 풀리(39)의 회전은 이중동력축(24)의 안쪽 축(24a)→허리용 동력풀리(25)→허리용 작동풀리(27)로 이어지고, 허리용 작동풀리(27)와 일체로 동작가능한 허벅지지지대(16) 및 프레임(20b)이 화살표 방향처럼 고정축(26)을 중심으로 회전되면서 골반측 관절이 굽혀질 수 있게 된다.

이때, 허벅지지지대(16) 및 프레임(20b)측에 지지되는 종아리지지대(18) 및 신발(19)을 포함하는 프레임(20c) 전체도 들려지는 등의 동작이 이루어질 수 있게 된다.

이렇게 굽혀진 골반측 관절은 역방향 구동에 의해 원래의 자세로 복귀될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 보행보조기기의 무릎부분 동작상태를 나타내는 측면도이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 캐스터워커(10)측에서 제공되는 동력은 동력전달기구(12)에 2개의 풀리 중 바깥쪽 전동용 풀리(39)를 통해 전달된다.

상기 바깥쪽 전동용 풀리(39)의 회전은 이중동력축(24)의 바깥쪽 축(24b)→무릎용 동력풀리(29)→무릎용 중간풀리(30)→무릎용 작동풀리(31)로 이어지고, 허리용 작동풀리(27)와 일체로 회전가능한 회전축(23)에 의해 종아리지지대(18) 및 신발(19)을 포함하는 프레임(20c)이 화살표 방향처럼 회전축(23)을 중심점으로 하여 회전되면서 무릎측 관절이 굽혀질 수 있게 된다.

이렇게 굽혀진 무릎측 관절은 역방향 구동에 의해 원래의 자세로 복귀될 수 있다.

위와 같은 골반측 관절과 무릎측 관절의 작동은 사용자의 보드겸손잡이(13)상의 스위치 조작과 캐스터워커(10)측 컴퓨터에 의한 제어로 이루어질 수 있다.

도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 보행보조기기의 제어방법(뒷먹임 제어방법/앞먹임 제어방법)을 보여주는 블럭도이다.

도 9 내지 도 11에 도시한 바와 같이, 보행보조기기의 제어는 착용자의 동작을 분석하고 이에 맞는 적절한 모터 출력값을 선택하여 각 작동요소들의 동작범위를 제어하는 방법으로 수행한다.

먼저, 각 관절에 장착된 측각기로부터 읽어들인 각도 정보와 신발에 장착된 압력센서를 이용하여 지면에 발이 닿아있는 지의 여부를 결정하는 방법으로 착용자의 행동을 측정한다.

다음, 캐스터워커에 장착된 컴퓨터에서는 사용자가 앉기, 서기, 걷기 중의 한 동작을 할 것을 결정한다.

컴퓨터에 의해 동작이 결정되면 이미 저장되어 있는 행동프로파일 중 적합한 것을 선택하고 적용하여 근력을 보조한다.

이때, 행동프로파일은 정상적인 사람의 행동에 대한 각도와 토크의 평균값으로 토크에 대한 프로파일과 각도에 대한 프로파일을 모두 구비한다.

행동프로파일에 의해 모터를 제어하는 방법은 뒷먹임 제어방법과 앞먹임 제어방법이 있다.

뒷먹임 제어방법은 행동프로파일과 센서로부터 읽어들인 현재의 정보를 비교하여 그 차이만큼을 제어기에서 보상하는 방법이다.

이때 사용되는 제어방법은 PID 제어방법, 외란관측자방법, 슬라이딩모드 제어방법 등이 응용될 수 있다.

앞먹임 제어방법은 센서에서 읽어오는 정보없이 행동프로파일에서 결정한 상태를 만들어주기 위한 모터출력값을 앞먹임 제어기가 결졍하여 내보내는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 기존의 보행기구를 사용하기에는 하지 근력이 부족하거나 전동 자전거와 같은 이동보조장치를 이용하기에는 불편한 노인이나 장애인을 보조하는 보행보조기기, 즉 부피가 크고 무거운 구동기를 보행보조기구로부터 떼어낸 보행보조기기를 제공함으로써, 노인성 질환 및 노화로 야기되는 하지 근력의 약화로 외부 활동이 부족한 노인들에게 점진적으로 보행을 보조함과 동시에 하지 근력의 쇠퇴를 방지하는 재활의 기능을 가지면서 활발한 활동을 유도하여 노후의 삶의 질을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있고, 더 나아가 보행보조기구의 동작과 관련한 행동프로파일을 채용함에 따라 일반인은 근력증강을 통해 보다 힘든 일을 수월하게 할 수 있는 효과가 있으며, 근력이 모자란 노인과 장애인은 자유로운 걷기, 앉기, 서기 등을 수월하게 할 수 있도록 해주는 효과가 있다.

Claims

행동프로파일을 내장한 컴퓨터 및 동력발생장치를 내장하고 있으며, 다수의 입력버튼을 갖는 보드겸손잡이(13)와 제어상황을 화면으로 볼 수 있도록 해주는 모니터(14)와 바퀴를 갖는 본체(15)로 이루어진 캐스터워커(10);

하나의 허리지지대(16)와 좌우 한쌍씩의 허벅지지지대(17), 종아리지지대(18) 및 신발(19)로 이루어지되, 상기 허리지지대(16)의 프레임(20a)에는 내측으로 허리동작용 풀리장치(21)가 장착되는 동시에 외측으로는 무릎동작용 풀리장치(22)가 장착되고, 상기 허벅지지지대(17)의 프레임(20b)은 그 상단부가 허리동작용 풀리장치(21)에 연결되어 이 풀리장치(21)를 축으로 일정각도 회전가능하게 되며, 상기 종아리지지대(18) 및 신발(19)의 프레임(20c)은 그 상단부가 무릎동작용 풀리장치(22)에 연결되는 동시에 허벅지지지대(17)의 프레임(20b) 하단부에 회전축(23)을 통해 회전가능한 구조로 지지되어 이 풀리장치(22)를 축으로 일정각도 회전가능하게 되는 구조로 이루어져 사용자가 몸에 착용할 수 있는 보행보조기구(11);

상기 캐스터워커(10)와 보행보조기구(11) 사이에 연결 조립되어 동력을 전달하되, 캐스터워커(10)의 동력발생장치측과 보행보조기구(11)의 허리동작용 풀리장치(21) 및 무릎동작용 풀리장치(22)에 조립되는 이중동력축(24)측에 각각 장착되어 동력을 전달하는 2세트의 전동용 풀리(39)와, 상기 2세트의 전동용 풀리(39) 사이를 연결하는 각각의 전동용 벨트(40)와, 상기 2줄의 전동용 벨트(39)에 씌워지는 커버(35)를 포함하여 구성되는 동력전달기구(12);

를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 근력증강을 위한 보행보조기기.
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청구항 1에 있어서, 상기 허리동작용 풀리장치(21)는 허리지지대(16)의 프레임(20a)상에 관통 지지되어 있는 윗쪽의 이중동력축(24)에 일체식으로 결합되는 허리용 동력풀리(25)와, 허리지지대(16)의 프레임(20a)상에 관통 지지되어 있는 아래쪽의 고정축(26)에 회전가능한 구조로 결합되는 동시에 종아리지지대(18)의 프레임(20b)과 일체 연결되는 허리용 작동풀리(27)와, 상기 허리용 동력풀리(25)와 허리용 작동풀리(27) 사이를 연결하는 허리용 벨트(28)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 근력증강을 위한 보행보조기기.
청구항 1에 있어서, 상기 무릎동작용 풀리장치(22)는 허리지지대(16)의 프레임(20a)상에 관통 지지되어 있는 윗쪽의 이중동력축(24)에 일체식으로 결합되는 무릎용 동력풀리(29)와, 허리지지대(16)의 프레임(20a)상에 관통 지지되어 있는 아래쪽의 고정축(26)에 회전가능한 구조로 결합되는 이중풀리형태의 무릎용 중간풀리(30)와, 종아리지지대(18) 및 신발(19)의 프레임(20c)에 관통 지지되어 있는 회전축(23)에 일체식으로 결합되는 무릎용 작동풀리(31)와, 상기 무릎용 동력풀리(29)와 무릎용 중간풀리(30) 사이 및 상기 무릎용 중간풀리(30)와 무릎용 작동풀리(31) 사이를 각각 연결하는 무릎용 벨트(32a),(32b)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 근력증강을 위한 보행보조기기.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서, 상기 허리동작용 풀리장치(21)와 무릎동작용 풀리장치(22)는 벨트의 장력을 잡아줄 수 있는 벨트스톱퍼(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력증강을 위한 보행보조기기.
청구항 1에 있어서, 상기 허리지지대(16), 허벅지지지대(17), 종아리지지대(18) 및 신발(19)의 각 프레임(20a),(20b),(20c)에는 길이조정을 위한 다수의 홀(34)이 일정간격으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 근력증강을 위한 보행보조기기.
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청구항 4 또는 청구항 5에 있어서, 상기 벨트들(28),(32a),(32b),(40)은 와이어, 타이밍벨트, 체인 중 어느 하나로 대체가능한 것을 특징으로 하는 근력증강을 위한 보행보조기기.
각 관절에 장착된 측각기로부터 읽어드린 각도정보와 신발에 장착된 압력센서를 이용하여 지면에 발이 닿아있는 지의 여부를 결정하는 준비단계와, 상기 준비단계에서 준비가 완료되면 캐스터워커에 장착된 컴퓨터를 이용하여 앉기, 서기, 걷기 중 한 동작을 결정하는 선택단계와, 상기 선택단계에서 동작이 결정되면 컴퓨터에서는 이미 저장되어 있는 행동프로파일 중 해당 프로파일을 실행하여 보행보조기구의 동작을 제어하는 작동단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력증강을 위한 보행보조기기 제어방법.
청구항 10에 있어서, 상기 작동단계는 행동프로파일과 센서로부터 읽어들인 현재의 정보를 비교하여 그 차이만큼을 제어기에서 모터출력값을 보상하는 뒷먹임 제어방식 또는 센서에서 읽어오는 정보없이 행동프로파일에서 결정한 모터출력값을 그대로 실행하는 앞먹임 제어방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 근력증강을 위한 보행보조기기 제어방법.