KR101283143B1 - 슬관절 보조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변형 회전중심 메커니즘을 보유한 슬관절 보조장치에 관한 것으로, 슬관절 보조장치는 인체의 무릎 관절에 해당하는 슬관절부와, 각각 슬관절부에 결합되는 허벅지 프레임과 정강이 프레임을 포함하며, 슬관절부는 허벅지 프레임에 대하여 정강이 프레임을 회전시키고, 정강이 프레임의 회전중심을 변화시키는 가변형 회전중심 메커니즘을 가진다. 특히, 슬관절부는 인체 슬관절의 생역학적 회전중심 궤적으로부터 도출되며 하나의 굴곡각에 대해서도 여러 위치로 움직일 수 있는 자유도를 가지는 슬롯을 구비할 수 있다.

Description

슬관절 보조장치{Knee Joint Assistive Device}

본 발명은 슬관절 보조장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 인체 슬관절의 생역학적 운동특성을 적용한 메커니즘으로 착용자의 편의성을 향상시킨 슬관절 보조장치에 관한 것이다.

인체 슬관절은 굴곡 각도에 따라 시상면상의 회전중심이 변하는 운동특성을 갖는다. 보조기 및 의족 분야에서는 이러한 슬관절의 운동특성을 반영하는 메커니즘들이 개발되어 왔으나, 종래에는 사절링크(four-bar linkage)를 이용하여 인체 슬관절의 회전중심 궤적을 추종하는 방식이 대부분이었다.

최근 들어 활발히 연구 개발되고 있는 외골격 시스템은 착용자에게 근력을 보조해주기 위한 능동적 구동장치로서, 인체와의 결합 형태에 따라 크게 인체 모사형(anthropomorphic) 구조와 비-인체 모사형(non-anthropomorphic) 구조로 분류할 수 있다. 인체 모사형 구조는 외골격 프레임과 인체가 최대한 밀착되어 결합되는 형태로, 주로 재활훈련 용도 및 마비 장애인의 운동보조를 목적으로 사용된다. 비-인체 모사형 구조는 외골격 프레임과 인체의 결합지점을 최소로 한 형태로, 정상인의 근력 증폭 등을 목적으로 할 때 활동성을 보장하기 위하여 주로 사용된다. 인체 모사형 구조의 경우에는 외골격 프레임과 인체의 결합지점이 많으며 밀착되어 있으므로, 동작 편의성을 위해서는 인체의 생역학적 움직임을 최대한 유사하게 추종하는 관절부 운동 메커니즘이 요구된다.

외골격 시스템은 일반적인 보조기 및 의족 분야와 달리 액추에이터에 의해 능동적으로 구동되기 때문에, 슬관절 시스템에 있어서 사절링크와 같이 종래의 수동 운동 장치에서 개발된 기술의 적용이 어렵다. 이러한 구현상의 어려움으로 인하여 대부분의 외골격 시스템에서는 회전중심이 고정되어 있는 단순 힌지 조인트나 기어의 맞물림을 이용하여 제한적으로 인체의 회전중심 궤적을 추종하는 형태를 채택하고 있다.

본 발명의 목적은 인체 슬관절의 회전중심 궤적에 대한 추종 정확도를 향상시킨 재활 및 근력지원용 슬관절 보조장치를 제공하기 위한 것이다.

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본 발명의 또 다른 목적은 착용자에 따라서 슬관절 회전중심의 궤적이 달라지는 경우에도 추종이 가능하도록 하여 다수의 사용자에게 편의성을 확보할 수 있는 슬관절 보조장치를 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 구성의 슬관절 보조장치를 제공한다.

본 발명에 따른 슬관절 보조장치는, 인체의 무릎 관절에 해당하는 슬관절부; 상기 슬관절부에 결합되는 허벅지 프레임; 및 상기 슬관절부에 결합되는 정강이 프레임;을 포함하고, 상기 슬관절부는 상기 허벅지 프레임과 체결되는 상부 프레임; 상기 정강이 프레임과 체결되는 하부 프레임; 상기 상부 프레임과 회전 가능하게 결합되고 상기 하부 프레임과 고정 결합되는 슬관절 구동 프레임; 상기 슬관절 구동 프레임 상에 형성되는 슬롯; 및 상기 슬롯에 장착되어 자유롭게 움직이는 이동 블록;을 포함하며, 상기 하부 프레임은 상기 이동 블록을 통해 상기 슬관절 구동 프레임과 결합되고, 상기 슬관절 구동 프레임에 의해 상기 상부 프레임에 대해 회전운동이 가능하며, 상기 슬롯과 상기 이동 블록에 의해 병진 운동이 가능한 것을 특징으로 한다.

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이 경우, 상기 슬관절부는 상기 슬관절 구동 프레임에 회전 구동력을 제공하는 액추에이터를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 슬관절 구동 프레임은 상기 이동 블록이 상기 슬롯을 이탈하지 않도록 운동 범위를 제한하기 위하여 상기 슬롯에 형성된 슬롯 멈춤부를 구비할 수 있다.

또한, 상기 슬관절부는 상기 슬롯을 따라 움직이는 상기 하부 프레임이 원래 위치로 복귀하도록 힘을 제공하는 원점복귀용 스프링을 더 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 슬관절 보조장치는 일반적인 구조의 슬관절 보조장치에 비해 인체의 생역학적 회전중심 변화에 대한 추종 정확도를 향상시킴으로써 향상된 착용자 편의성을 가지는 구조 및 메커니즘을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 슬관절 보조장치는 일반적인 구조의 슬관절 보조장치에 비해 착용자마다 다른 회전중심 궤적을 추종 가능한 구조 및 메커니즘을 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 슬관절 보조장치의 개략적인 전체 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슬관절 보조장치에서 액추에이터를 이용한 능동형 구동 메커니즘 및 관절의 가변 회전중심 메커니즘을 나타내는 슬관절부의 사시도이다.
도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
도 4는 슬관절의 가변 회전중심 메커니즘을 나타내는 슬관절부의 정면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고 본 발명과 직접 관련이 없는 사항에 대해서는 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 명확히 전달하기 위해 설명을 생략할 수 있다.

한편, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 첨부 도면을 통틀어 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 슬관절 보조장치의 개략적인 전체 사시도이다. 도 1을 참조하면, 슬관절 보조장치(100)는 크게 슬관절부(10), 허벅지 프레임(20), 허벅지 결합부(21), 정강이 프레임(22), 정강이 결합부(23), 신발 결합부(24)로 구성된다.

슬관절부(10)는 인체의 무릎 관절에 해당하며, 허벅지 프레임(20)과 정강이 프레임(22)은 각각 인체의 허벅지와 정강이에 대응한다. 허벅지 프레임(20)과 정강이 프레임(22)은 슬관절부(10)에 각각 결합되며, 슬관절부(10)는 허벅지 프레임(20)에 대하여 정강이 프레임(22)을 회전시킨다. 사용자가 슬관절 보조장치(100)를 착용할 때, 허벅지 결합부(21)와 정강이 결합부(23)는 각각 인체의 허벅지와 정강이에 결합된다. 아울러, 신발 결합부(24)는 사용자의 신발에 결합된다.

특히, 슬관절부(10)는 인체 슬관절의 회전중심 궤적에 대한 추종 정확도를 향상시키기 위하여 가변형 회전중심 메커니즘을 채택하고 있다. 이하, 본 발명에 따른 슬관절 보조장치(100)의 슬관절부(10)에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슬관절 보조장치에서 액추에이터를 이용한 능동형 구동 메커니즘 및 관절의 가변 회전중심 메커니즘을 나타내는 슬관절부의 사시도이다. 도 3은 도 2의 분해 사시도이며, 도 4는 슬관절의 가변 회전중심 메커니즘을 나타내는 슬관절부의 정면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 특히 도 3의 분해 사시도에 잘 나타난 바와 같이, 슬관절 보조장치의 슬관절부(도 1의 10)는 크게 액추에이터(60), 상부 프레임(30), 감속기(62), 슬관절 구동 프레임(50), 하부 프레임(40)을 포함하여 구성된다.

상부 프레임(30)은 허벅지 프레임 체결부(31)를 통해 허벅지 프레임(도 1의 20)과 체결되고, 하부 프레임(40)은 정강이 프레임 체결부(41)를 통해 정강이 프레임(도 1의 22)에 체결된다.

액추에이터(60), 상부 프레임(30), 감속기(62), 슬관절 구동 프레임(50)은 각각 납작한 원통형이다. 슬관절 구동 프레임(50)의 일측(도면에서는 좌측)에는 상부 프레임(30)이 위치하고, 타측에는 하부 프레임(40)이 위치한다. 이때, 슬관절 구동 프레임(50)과 상부 프레임(30) 사이에는 감속기(62)가 개재되며, 슬관절 구동 프레임(50)과 하부 프레임(40) 슬롯(51)과 이동 블록(52) 등이 개재된다. 감속기(62)와 반대 방향으로 상부 프레임(30)의 일측에는 액추에이터(60)가 위치한다.

기본적으로 위와 같은 위치관계를 가지는 슬관절부(10)의 각 구성에 대하여 이하 좀 더 구체적으로 설명한다.

액추에이터(60)는 슬관절부(10)의 능동적 회전구동을 위한 것이다. 액추에이터(60)는 상부 프레임(30)의 일측에 고정적으로 결합되며, 상부 프레임(30) 쪽으로 돌출된 구동축(61)을 구비한다. 액추에이터(60)의 구동축(61)은 상부 프레임(30)을 관통하고 감속기(62)를 거쳐 슬관절 구동 프레임(50)에 결합됨으로써 슬관절 구동 프레임(50)을 회전 구동시킨다.

슬관절 구동 프레임(50)은 액추에이터(60)에 의해 구동력을 전달받아 회전한다. 특히, 슬관절 구동 프레임(50) 상에는 특정 형상의 슬롯(51)이 형성된다. 이 슬롯(51)은 인체 슬관절의 시상면 상에서 굴곡각에 따른 회전중심 변화 궤적으로부터 도출되어 회전중심 궤적을 추종한다. 즉, 슬롯(51)은 슬관절 구동 프레임에 일정 각도로 기울어져 형성된다.

또한, 슬롯(51)에는 이동 블록(52)이 장착된다. 이동 블록(52)은 슬롯(51)을 따라 자유롭게 움직일 수 있다. 즉, 이동 블록(52)은 슬롯(51) 상에서 일정량의 변위 스트로크를 가진다. 이동 블록(52)은 하부 프레임(40)과 결합된다. 따라서 하부 프레임(40)은 상부 프레임(30)에 대해 회전운동뿐만 아니라 슬롯을 따라 병진운동이 가능하게 된다. 즉, 슬관절 구동 프레임(50) 상에 형성된 특정 형상의 슬롯(51)은 하나의 굴곡각에 대해서도 여러 위치로 움직일 수 있는 자유도를 제공하므로, 다수의 슬관절 보조장치 착용자에게 원하는 회전궤적을 구현하여 편의성을 향상시킬 수 있다.

또한, 슬관절 구동 프레임(50)은 슬롯(51)의 한쪽 끝에 형성된 슬롯 멈춤부(53)를 구비한다. 슬롯 멈춤부(53)는 착용자로부터 과도한 힘이 가해졌을 경우에도 이동 블록(52)이 슬롯(51)을 이탈하지 않도록 운동 범위를 제한하는 역할을 한다.

하부 프레임(40)은 이동 블록(52)을 통해 슬관절 구동 프레임(50)에 결합된다. 즉, 하부 프레임(40)은 슬롯(51)을 따라 움직이는 이동 블록(52)과 연결된다. 따라서 인체와 보조장치 사이의 회전중심 불일치로 인하여 착용자로부터 힘이 가해지는 경우, 하부 프레임(40)은 이동 블록(52)을 통해 슬롯(51)을 따라 움직이게 된다. 반면에, 그 외의 경우에는 슬롯의 원점으로 복귀하도록 힘을 제공하는 원점복귀용 스프링(42)에 의해 하부 프레임(40)이 원래 위치로 복귀할 수 있다. 원점복귀용 스프링(42)은 한쪽 끝이 하부 프레임(40)에 결합되고 반대쪽 끝이 슬관절 구동 프레임(50)에 결합된다. 이때, 슬관절 구동 프레임(50)과의 결합 부위는 슬롯 멈춤부(53)가 형성된 슬롯(51)의 반대쪽 방향이다.

이상 설명한 바와 같이, 하부 프레임(40)은 슬관절 구동 프레임(50)으로부터 액추에이터(60)의 구동력을 전달받아 회전하면서 동시에 슬관절 구동 프레임(50) 상의 슬롯(51)을 따라 자유롭게 움직이는 것이 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 슬관절부(10)는 굴곡각에 따라 회전중심이 변화하는 가변형 회전중심 메커니즘을 가진다.

전술한 실시예는 슬관절부(10)의 능동적 회전구동을 위한 액추에이터(60)를 포함하는 경우에 해당한다. 그러나 본 발명이 반드시 이 경우에만 국한되는 것은 아니며, 액추에이터가 포함되지 않는 수동형 보조장치의 경우에도 적용 가능하다. 수동형의 경우에는 슬관절 구동 프레임(50)의 회전을 위해 베어링과 같은 회전요소 부품이 포함될 수 있다.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100: 슬관절 보조장치 10: 슬관절부
20: 허벅지 프레임 21: 허벅지 결합부
22: 정강이 프레임 23: 정강이 결합부
24: 신발 결합부 30: 상부 프레임
31: 허벅지 프레임 체결부 40: 하부 프레임
41: 정강이 프레임 체결부 42: 원점복귀용 스프링
50: 슬관절 구동 프레임 51: 슬롯
52: 이동 블록 53: 슬롯 멈춤부
60: 액추에이터 61: 구동축
62: 감속기

Claims (6)

1. 인체의 무릎 관절에 해당하는 슬관절부; 상기 슬관절부에 결합되는 허벅지 프레임; 및 상기 슬관절부에 결합되는 정강이 프레임;을 포함하고,
   상기 슬관절부는,
   상기 허벅지 프레임과 체결되는 상부 프레임; 상기 정강이 프레임과 체결되는 하부 프레임; 상기 상부 프레임과 회전 가능하게 결합되고 상기 하부 프레임과 고정 결합되는 슬관절 구동 프레임; 상기 슬관절 구동 프레임 상에 형성되는 슬롯; 및 상기 슬롯에 장착되어 자유롭게 움직이는 이동 블록;을 포함하며,
   상기 하부 프레임은 상기 이동 블록을 통해 상기 슬관절 구동 프레임과 결합되고, 상기 슬관절 구동 프레임에 의해 상기 상부 프레임에 대해 회전운동이 가능하며, 상기 슬롯과 상기 이동 블록에 의해 병진 운동이 가능한 것을 특징으로 하는 슬관절 보조장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 슬관절부는, 상기 슬관절 구동 프레임에 회전 구동력을 제공하는 액추에이터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 슬관절 보조장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 슬관절 구동 프레임은, 상기 이동 블록이 상기 슬롯을 이탈하지 않도록 운동 범위를 제한하기 위하여 상기 슬롯에 형성된 슬롯 멈춤부를 구비하는 것을 특징으로 하는 슬관절 보조장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 슬관절부는, 상기 슬롯을 따라 움직이는 상기 하부 프레임이 원래 위치로 복귀하도록 힘을 제공하는 원점복귀용 스프링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 슬관절 보조장치.

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