KR101981426B1 - 인공 관절 - Google Patents

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최영진
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Abstract

인공 관절이 제공된다. 상기 인공 관절은, 제1 뼈대 및 상기 제1 뼈대에서 양측으로 분기하는 제1-1 가지 및 제1-2 가지를 포함하는 제1 관절 부재, 제2 뼈대 및 상기 제2 뼈대에서 양측으로 분기하는 제2-1 가지 및 제 2-2 가지를 포함하는 제2 관절 부재, 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제1 메인 스트링, 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제2 메인 스트링, 상기 제1-2 가지의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제3 메인 스트링, 및 상기 제1-2 가지의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제4 메인 스트링을 포함할 수 있다.

Description

인공 관절 {Artificial joint}
본 발명은 인공 관절에 관련된 것으로서, 고정 관절 부재, 회전 관절 부재 및 이들을 연결하는 스트링을 포함하는 인공 관절에 관한 것이다.
산업용 로봇과는 달리 서비스용 로봇이나 재활로봇의 경우 로봇의 동작에 있어 사람과의 접촉이 생기게 되므로 이러한 접촉에 의한 로봇과 사람에게 일어날 수 있는 충격까지 고려되어야 한다.
현존하는 로봇 관절 또는 기계 관절은 강체(링크)끼리 단단하게 고정되어 있는 것이 대부분이며, 외부 충격이 발생할 시 그 충격이 관절 메커니즘과 충격체에 온전히 전달된다. 또한, 때에 따라 제어를 통해 회전 방향으로의 유연성을 적용하기도 하지만 제어 기법만으로는 회전 축 방향으로의 유연성은 적용할 수가 없다. 뿐만 아니라, 현존하는 기계 관절은 강체(링크) 사이에 반발력이 작용하여 마찰로 인한 마모 현상이 생기기도 하며 이러한 마모는 기계 관절의 장기간 사용을 어렵게 하는 문제점이 있다. 이에 따라, 상술된 문제점들을 해결하기 위한 로봇 관절에 대해 지속적으로 연구 개발되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 인체의 유연 관절 구조를 모사한 인공 관절을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 부재간의 마찰력이 감소된 인공 관절을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 유연성이 향상된 인공 관절을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 다양한 회전 관절의 생성이 가능한 인공 관절을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 인공 관절을 제공한다.
제1 실시 예에 따르면, 상기 인공 관절은, 제1 뼈대 및 상기 제1 뼈대에서 양측으로 분기하는 제1-1 가지 및 제1-2 가지를 포함하는 제1 관절 부재, 제2 뼈대 및 상기 제2 뼈대에서 양측으로 분기하는 제2-1 가지 및 제 2-2 가지를 포함하는 제2 관절 부재, 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 2-1 가지의 일 측을 연결하는 제1 메인 스트링, 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 2-2 가지의 일 측을 연결하는 제2 메인 스트링, 상기 제1-2 가지의 일 측과 상기 2-1 가지의 일 측을 연결하는 제3 메인 스트링, 및 상기 제1-2 가지의 일 측과 상기 2-2 가지의 일 측을 연결하는 제4 메인 스트링을 포함할 수 있다.
제1 실시 예에 따르면, 상기 제1 메인 스트링과 상기 제4 메인 스트링은 서로 평행하고, 상기 제2 메인 스트링과 상기 제3 메인 스트링은 서로 평행할 수 있다.
제1 실시 예에 따르면, 상기 인공 관절은, 서브 스트링을 더 포함하되, 상기 서브 스트링은 상기 제1 관절 부재와 상기 제2 관절 부재 간의 회전특성을 부여할 수 있다.
제1 실시 예에 따르면, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 2개의 회전 자유도를 가질 수 있다.
제1 실시 예에 따르면, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 피치 회전(pitch rotation) 가능할 수 있다.
제1 실시 예에 따르면, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 요 회전(yaw rotation) 가능할 수 있다.
제1 실시 예에 따르면, 상기 인공 관절은, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 롤 방향(roll direction) 및 상기 제1 뼈대 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향 중 적어도 하나의 방향으로 유연성을 가질 수 있다.
제1 실시 예에 따르면, 상기 제2-1 가지의 일 단과 상기 제2-2 가지의 일 단을 연결하는 제1 가상선과 상기 제1-1 가지의 일 단과 상기 제1-2 가지의 일 단을 연결하는 제2 가상선은 서로 교차할 수 있다.
제1 실시 예에 따르면, 상기 인공 관절은, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재가 상기 제2 관절 부재에 대하여, 피치 방향으로 회전하는 경우, 상기 제2-1 가지와 상기 제2-2 사이 공간에 의하여 정의되는 가상면을, 상기 제1-1 가지 또는 상기 제1-2 가지가 통과할 수 있다.
제2 실시 예에 따르면, 상기 인공 관절은, 상술된 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제1 서브 스트링, 및 상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제2 서브 스트링을 더 포함할 수 있다.
제2 실시 예에 따르면, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 1개의 회전 자유도를 가질 수 있다.
제2 실시 예에 따르면, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 피치 회전(pitch rotation) 가능할 수 있다.
제2 실시 예에 따르면, 상기 인공 관절은, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 요 방향, 롤 방향과 상기 제1 뼈대 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향 중 적어도 하나의 방향으로 유연성을 가질 수 있다.
제3 실시 예에 따르면, 상기 인공 관절은, 상술된 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제3 서브 스트링, 및 상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제4 서브 스트링을 더 포함하되, 상기 제3 및 제4 서브 스트링의 장력은 상기 제1 내지 제4 메인 스트링 중 적어도 하나의 장력보다 작을 수 있다.
제4 실시 예에 따르면, 상기 인공 관절은, 상술된 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-1 가지의 중간부를 연결하는 제5 서브 스트링, 및 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-2 가지의 중간부를 연결하는 제6 서브 스트링을 더 포함하되, 상기 제5 및 제6 서브 스트링의 장력은 상기 제1 내지 제4 메인 스트링 중 적어도 하나의 장력보다 작을 수 있다.
제3 실시 예 또는 제4 실시 예에 따르면, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재와 상기 제2 관절 부재 간의 피치 방향 각도에 따라 서로 다른 수의 회전 자유도를 가질 수 있다.
제3 실시 예 또는 제4 실시 예에 따르면, 상기 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 작은 경우, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 피치 회전 및 요 회전의 2 자유도를 가질 수 있다.
제3 실시 예 또는 제4 실시 예에 따르면, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 요 방향, 롤 방향 및 상기 제1 뼈대 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향으로 유연성을 가질 수 있다.
제3 실시 예 또는 제4 실시 예에 따르면, 상기 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 큰 경우, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 피치 회전의 1 자유도를 가질 수 있다.
제3 실시 예 또는 제4 실시 예에 따르면, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 요 방향, 롤 방향 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향으로 유연성을 가질 수 있다.
제4 실시 예에 따르면, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재가 상기 제1-2 가지 방향으로 상기 제2 관절 부재에 대하여 미리 정해진 기준보다 크게 피치 회전한 경우, 회전 자유도가 감소할 수 있다.
제5 실시 예에 따르면, 상기 인공 관절은, 상술된 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 상기 제1-1 가지의 중간부와 상기 제2-2 가지의 중간부를 연결하는 제7 서브 스트링, 및 상기 제1-2 가지의 중간부와 상기 제2-1 가지의 중간부를 연결하는 제8 서브 스트링을 더 포함하되, 사선 방향 피치 자유도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 인공 관절은, 제1 뼈대 및 상기 제1 뼈대에서 양측으로 분기하는 제1-1 가지 및 제1-2 가지를 포함하는 제1 관절 부재, 제2 뼈대 및 상기 제2 뼈대에서 양측으로 분기하는 제2-1 가지 및 제2-2 가지를 포함하는 제2 관절 부재, 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제1 메인 스트링, 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제2 메인 스트링, 상기 제1-2 가지의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제3 메인 스트링, 및 상기 제1-2 가지의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제4 메인 스트링을 포함할 수 있다. 이에 따라, 부재간의 마찰이 감소하여 마모 없이 장기간 사용이 가능한 인공 관절이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제1 및 제3 서브 스트링, 상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제2 및 제4 서브 스트링, 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-1 가지의 중간부를 연결하는 제5 서브 스트링, 상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-2 가지의 중간부를 연결하는 제6 서브 스트링, 상기 제1-1 가지의 중간부와 상기 제2-2 가지의 중간부를 연결하는 제7 서브 스트링, 및 상기 제1-2 가지의 중간부와 상기 제2-1 가지의 중간부를 연결하는 제8 서브 스트링을 더 포함하되, 상기 제3 내지 제6 서브 스트링의 장력은 상기 제1 내지 제4 메인 스트링 중 적어도 하나의 장력보다 작을 수 있다. 이에 따라, 각각의 실시 예에 따라 다양한 회전 관절의 생성이 가능한 인공 관절이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 인공 관절의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 인공 관절의 유연성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인공 관절의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인공 관절의 유연성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준보다 작은 경우, 움직임을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준보다 작은 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준보다 큰 경우, 움직임을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준보다 큰 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 작은 경우, 움직임을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 작은 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 크고 피치 방향이 반 시계 방향인 경우, 움직임을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 크고 피치 방향이 반 시계 방향인 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 크고 피치 방향이 시계 방향인 경우, 움직임을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 크고 피치 방향이 시계 방향인 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 인공 관절의 움직임을 나타내는 사시도이다.
도 22는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 인공 관절의 움직임을 나타내는 정면도이다.
도 23은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 인공 관절의 유연성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
제1 실시 예에 따른 인공 관절
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 인공 관절의 움직임을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 인공 관절의 유연성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절은, 제1 관절 부재(100), 제2 관절 부재(200), 및 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 이하, 각 구성에 대해 설명된다.
상기 제1 관절 부재(100)는 제1 뼈대(110), 제1-1 가지(120), 및 제1-2 가지(130) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1-1 가지(120) 및 상기 제1-2 가지(130)는, 상기 제1 뼈대(110)로부터 양측으로 분기된 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 관절 부재(100)는 상기 제1 뼈대(110)를 중심으로, 상기 제1-1 가지(120) 및 상기 제1-2 가지(130)가 양측으로 분기된 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1-1 가지(120) 및 상기 제1-2 가지(130)는 상기 제1 뼈대(110)의 길이방향 일 단에서 분기될 수 있다. 이에 따라 상기 제1 관절 부재(100)는 전제적으로 Y 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 관절 부재(200)는 제2 뼈대(210), 제2-1 가지(220), 및 제2-2 가지(230) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2-1 가지(220) 및 상기 제2-2 가지(230)는, 상기 제2 뼈대(210)로부터 양측으로 분기된 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 관절 부재(220)는 상기 제2 뼈대(210)를 중심으로, 상기 제2-1 가지(220) 및 상기 제2-2 가지(230)가 양측으로 분기된 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2-1 가지(220) 및 상기 제2-2 가지(230)는 상기 제2 뼈대(210)의 길이방향 일 단에서 분기될 수 있다. 이에 따라 상기 제2 관절 부재(200)는 전제적으로 Y 형상을 가질 수 있다.
상기 제2-1 가지(220)의 일 단과 상기 제2-2 가지(230)의 일 단을 연결하는 제1 가상선(IL1)과 상기 제1-1 가지(120)의 일 단과 상기 제1-2 가지(130)의 일 단을 연결하는 제2 가상선(IL2)은 서로 교차될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)는 서로 마주보도록 배치되되, 상기 제1-1 가지(120) 및 상기 제1-2 가지(130) 사이의 공간과 상기 제2-1 가지(220) 및 상기 제2-2 가지(230) 사이의 공간이 서로 교차되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2-1 가지(220)의 일 단과 상기 제2-2 가지(230)의 일 단을 연결하는 제1 가상선(IL1)과 상기 제1-1 가지(120)의 일 단과 상기 제1-2 가지(130)의 일 단을 연결하는 제2 가상선(IL2)은 X 축 방향에서 보았을 때, 90도 교차할 수 있다.
상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)은 상기 제1 및 제2 관절 부재(100, 200)를 서로 연결할 수 있다. 이때, 상기 제1 메인 스트링(310) 및 상기 제4 메인 스트링(340)은 서로 평행할 수 있다. 또한, 상기 제2 메인 스트링(320) 및 상기 제3 메인 스트링(330)이 서로 평행할 수 있다. 본 명세서에서 평행이라 함은 이론적으로 평행한 것 뿐 아니라, 실질적으로 평행한 것을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 메인 스트링(310)은 상기 제1-1 가지(120)의 일 측과 상기 제2-1 가지(220)의 일 측을 연결할 수 있다. 상기 제2 메인 스트링(320)은 상기 제1-1 가지(120)의 일 측과 상기 제2-2 가지(230)의 일 측을 연결할 수 있다. 상기 제3 메인 스트링(330)은 상기 제1-2 가지(130)의 일 측과 상기 제2-1 가지(220)의 일 측을 연결할 수 있다. 상기 제4 메인 스트링(340)은 상기 제1-2 가지(130)의 일 측과 상기 제2-2 가지(230)의 일 측을 연결할 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 메인 스트링(310)의 일 단과 상기 제2 메인 스트링(320)의 일 단은 상기 제1-1 가지(120)의 일 측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 메인 스트링(310)의 일 단과 상기 제2 메인 스트링(320)의 일 단은 상기 제1-1 가지(120)의 일 측의 동일 노드에 연결될 수 있다. 상기 제1 메인 스트링(310)의 타 단과 상기 제3 메인 스트링의 일 단은 상기 제2-1 가지(220)의 일 측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 메인 스트링(310)의 타 단과 상기 제3 메인 스트링의 일 단은 상기 제2-1 가지(220)의 일 측의 동일 노드에 연결될 수 있다. 상기 제3 메인 스트링의 타 단과 상기 제4 메인 스트링(340)의 일 단은 상기 제1-2 가지(130)의 일 측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 메인 스트링의 타 단과 상기 제4 메인 스트링(340)의 일 단은 상기 제1-2 가지(130)의 일 측의 동일 노드에 연결될 수 있다. 상기 제4 메인 스트링(340)의 타 단과 상기 제2 메인 스트링(320)의 타 단은 상기 제2-2 가지(230)의 일 측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제4 메인 스트링(340)의 타 단과 상기 제2 메인 스트링(320)의 타 단은 상기 제2-2 가지(230)의 일 측의 동일 노드에 연결될 수 있다.
이로써, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)은 상기 제1 및 제2 관절부재(100, 200)의 길이방향인 X 축 방향에서 보았을 때, 평행사변형을 이룰 수 있다. 본 명세서에서 평행사변형이라 함은 이론적으로 평행사변형인 것 뿐 아니라, 실질적으로 평행사변형인 것을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)은 서로 동일한 장력을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)에 외력이 인가되지 않은 상태에서는 도 1과 같이 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)는 서로 평행한 초기 상태를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)은 와이어 슬리브(미도시)에 의하여 고정될 수 있다. 상기 와이어 슬리브(미도시)는 상기 제1-1 가지(120), 상기 제1-2 가지(130), 상기 제2-1 가지(220), 및 상기 제2-2 가지(230)의 외측에 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1-1 가지(120), 상기 제1-2 가지(130), 상기 제2-1 가지(220), 및 상기 제2-2 가지(230)는, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)이 연결되는 부분에 관통홀(미도시)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)은 상기 관통홀(미도시)을 통과하여, 상기 와이어 슬리브(미도시)에 의하여 고정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)은 탄성력이 있는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)은 폴리에틸렌(PolyEthylene, PE), 나일론(Nylon) 등일 수 있다. 이로써, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)은 장축 방향으로 유연성을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)의 탄성도는 조절될 수 있다. 이에 따라, 후술되는 유연성이 조절되는 인공 관절이 제공될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 제1 관절 부재(100)는 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여 2개의 회전 자유도를 가질 수 있다. 즉 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200) 간에는 상대 회동이 가능하되, 2 개의 회전 자유도가 제공될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 상기 제1 관절 부재(100)는 회전 관절 부재이고, 상기 제2 관절 부재(200)는 고정 관절 부재인 것을 상정하기로 한다. 이와 반대로, 제2 관절 부재(200)가 회전 관절 부재이고 상기 제1 관절 부재(100)가 고정 관절 부재일 수 있음은 물론이다. 이하, 각 회전 자유도에 대해 설명된다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 관절 부재(100) 및/또는 상기 제2 관절 부재(200)를 길이방향(X축 방향)으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재(100)는 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여 피치 회전(pitch rotation, PR) 가능할 수 있다. 즉, 관측자(V)가 상기 단면(S)을 바라보는 시점에서, 상기 제1 관절 부재(100)는 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여 회전할 수 있다. 다른 관점에서 피치 회전은 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제1 가상선(IL1)을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 것을 의미할 수 있다.
상기 제1 관절 부재(100) 및/또는 상기 제2 관절 부재(200)를 길이방향(X축 방향)으로 보았을 때 기준으로, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여, 피치 회전(PR)하는 경우, 상기 제2-1 가지(220)와 상기 제2-2 가지(230) 사이 공간에 의하여 정의되는 가상면을, 상기 제1-1 가지(120) 또는 상기 제1-2 가지(130)가 통과할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 A에 도시된 바와 같이, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제1 가상선(IL1)을 축으로 반 시계 방향으로 회전하는 경우, 상기 제2-1 가지(220)와 상기 제2-2 가지(230) 사이 공간에 의하여 정의되는 가상면을, 상기 제1-1 가지(120)가 통과할 수 있다. 상기 제1 관절 부재(100)와 상기 제2 관절 부재(200)의 기하학적 형상에 의하여 피치 방향으로 큰 회전각도가 제공될 수 있는 것이다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 관절 부재(100) 및/또는 상기 제2 관절 부재(200)를 길이방향(X축 방향)으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재(100)는 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여 요 회전(yaw rotation, YR) 가능할 수 있다. 즉 관측자(V)가 상기 단면(S)을 바라보는 시점에서, 상기 제1 관절 부재(100)는 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여 회전 가능할 수 있다. 다른 관점에서 요 회전은 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 가상선(IL2)을 축으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전하는 것을 의미할 수 있다.
상기 제1 관절 부재(100) 및/또는 상기 제2 관절 부재(200)의 길이방향(X축 방향)으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여, 요 회전(YR)하는 경우, 상기 제1-1 가지(120)와 상기 제1-2 가지(130) 사이 공간에 의하여 정의되는 가상면을, 상기 제2-1 가지(220) 또는 상기 제2-2 가지(230)가 통과할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 관절 부재(100)와 상기 제2 관절 부재(200)의 기하학적 형상에 의하여 요 방향으로 큰 회전각도가 제공될 수 있는 것이다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절은, 롤 방향(roll direction, Rr), 및 상기 제1 뼈대(110)와 상기 제2 뼈대(210)의 장축 방향(X축 방향) 중 적어도 하나의 방향으로 유연성(XF)을 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 롤 방향(Rr)은 상기 제1 관절 부재(100) 및/또는 상기 제2 관절 부재(200)의 길이방향(X축 방향)으로 보았을 때를 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향일 수 있다.
다시 말해, 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)를 길이방향으로 밀거나 당기는 힘에 대해 유연성을 가질 수 있다. 또한 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절은 병진 Z 축 방향 및 병진 Y 축 방향으로 밀거나 당기는 힘에 대해서도 유연성을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)를 비트는(twisted) 경우에 대해 유연성을 가질 수 있다.
이상 본 발명의 제1 실시 예에 따른 인공 관절에 대해 설명하였다. 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 인공 관절은 피치 방향 및 요 방향으로의 회전 자유도를 제공하며, 다른 방향으로는 메인 스트링 자체의 유연성에 의하여 인공 관절도 유연성을 가질 수 있다.
이하, 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 서브 스트링을 더 포함하는 제2 실시 예 내지 제5 실시 예가 설명된다. 서브 스트링은 회전 궤적을 생성하여 상기 인공 관절에 회전특성을 부여할 수 있다. 특히 서브 스트링의 개수, 연결 위치 및 장력에 따라 자유도의 수, 회전 궤적 등의 독특한 회전 특성이 부여될 수 있다.
먼저, 제1 및 제2 서브 스트링을 포함하는 제2 실시 예에 따른 인공 관절이 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명된다.
제2 실시 예에 따른 인공 관절
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인공 관절의 움직임을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인공 관절의 유연성을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 제2 실시 예에 따른 인공 관절은, 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 제1 및 제2 서브 스트링(410, 420) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 관절 부재(100), 상기 제2 관절 부재(200), 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)에 대한 구체적인 설명은 생략된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 서브 스트링(410)은 상기 제1 뼈대(110)의 일 측과 상기 제2-1 가지(220)의 일 측을 연결할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1 서브 스트링(410)은 상기 제1 뼈대(100)의 일 단에 연결될 수 있다. 또한, 상기 제1 서브 스트링(410)의 타 단은 상기 제1 및 제3 메인 스트링(310, 330)과 동일한 노드에 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 서브 스트링(420)은 상기 제1 뼈대(110)의 일 측과 상기 제2-2 가지(220)의 일 측을 연결할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제2 서브 스트링(420)은 상기 제1 뼈대(100)의 일 단에 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 서브 스트링(420)의 타 단은 상기 제2 및 제4 메인 스트링(320, 340)과 동일한 노드에 연결될 수 있다.
상기 제1 및 제2 서브 스트링(410, 420)의 장력은, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340) 중 적어도 하나의 장력과 같을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 서브 스트링(410, 420)의 장력과 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)의 장력은 모두 같을 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제2 실시 예에 따른 인공 관절은 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절과 달리, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여 1개의 회전 자유도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 관절 부재(100) 및/또는 상기 제2 관절 부재(200)를 길이방향(X축 방향)으로 보았을 때 기준으로, 상기 제1 관절 부재(100)는 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여 피치 회전(PR) 가능할 수 있다.
즉, 상기 제2 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)의 장력과 같은 장력을 갖는 상기 제1 및 제2 서브 스트링(410, 420)을 더 포함함에 따라, 상기 제1 관절 부재(100)의 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 요 회전(YR)이 제한되고, 피치 회전(PR)이 가능할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100) 및/또는 상기 제2 관절 부재(200)를 길이방향(X축 방향)으로 보았을 때 기준으로 요 방향(YR), 롤 방향(Rr)과 상기 제1 뼈대(110) 및 상기 제2 뼈대(210)의 장축 방향(XF) 중 적어도 하나의 방향으로 유연성을 가질 수 있다.
다시 말해, 상기 제2 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)를 길이방향으로 밀거나 당기는 힘에 대해 유연성을 가질 수 있다. 또한 상기 제2 실시 예에 따른 인공 관절은, 병진 Z축 방향 및 병진 Y축 방향으로 밀거나 당기는 힘에 대해서도 유연성을 가질 수 있다. 뿐만 아니라 상기 제2 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)를 도 7에 도시된 y축 방향으로 밀거나 당기는 경우에 대하여도 유연성을 가질 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인공 관절은 피치 방향으로의 회전 자유도를 제공하며, 다른 방향으로는 메인 스트링 자체의 유연성에 의하여 인공 관절도 유연성을 가질 수 있다.
이상 본 발명의 제2 실시 예에 따른 인공 관절에 대해 설명하였다. 이하, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)의 각도에 따라 회전 자유도의 수가 달라지는 제3 및 제4 실시 예에 따른 인공 관절이 도 8 내지 도 19를 참조하여 설명된다.
제3 실시 예에 따른 인공 관절
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 제3 및 제4 서브 스트링(430, 440) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 관절 부재(100), 상기 제2 관절 부재(200), 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)에 대한 구체적인 설명은 생략된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3 서브 스트링(430)은 상기 제1 뼈대(110)의 일 측과 상기 제2-1 가지(220)의 일 측을 연결할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제3 서브 스트링(430)은 상기 제1 뼈대(100)의 일 단에 연결될 수 있다. 또한, 상기 제3 서브 스트링(430)의 타 단은 상기 제1 및 제3 메인 스트링(310, 330)과 동일한 노드에 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제4 서브 스트링(440)은 상기 제1 뼈대(110)의 일 측과 상기 제2-2 가지(220)의 일 측을 연결할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제4 서브 스트링(440)은 상기 제1 뼈대(100)의 일 단에 연결될 수 있다. 또한, 상기 제4 서브 스트링(440)의 타 단은 상기 제2 및 제4 메인 스트링(320, 340)과 동일한 노드에 연결될 수 있다.
즉, 상기 제3 및 제4 서브 스트링(430, 440)은 도 5를 참조하여 설명된 상기 제1 및 제2 서브 스트링(410, 420)과 같을 수 있다.
다만, 상기 제3 및 제4 서브 스트링(430, 440)의 장력은, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340) 중 적어도 하나의 장력보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 및 제4 서브 스트링(430, 440)의 장력은, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)의 장력보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)가 이루는 각도에 따라, 서로 다른 수의 회전 자유도를 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준보다 작은 경우, 움직임을 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준보다 작은 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 작은 경우, 피치 회전(PR) 및 요 회전(YR)의 2개 회전 자유도를 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 피치 방향 각도는, 상기 제1 가상선(IL1)을 축으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 상기 제1 관절 부재가(100)가 회전한 경우, 상기 제1 관절 부재(100)와 상기 제2 관절 부재(200)가 이루는 각도일 수 있다.
즉, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제3 및 제4 서브 스트링(430, 440)의 장력이 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)의 장력보다 작음에 따라, 즉 상기 제3 및 제4 서브 스트링(430, 440)이 느슨하기 때문에, 도 6을 참조하여 설명된 상기 제2 실시 예에 따른 인공 관절과 달리, 피치 회전(PR)뿐만 아니라 요 회전(YR) 자유도를 가질 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 작은 경우, 롤 방향(Rr) 및 상기 제1 뼈대 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향으로 유연성(XF)을 가질 수 있다. 또한, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 병진 Z축 방향 및 병진 Y축 방향으로 밀거나 당기는 힘에 대해서도 유연성을 가질 수 있다.
다시 말해, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 작은 경우, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)를 당기는 경우, 미는 경우, 및 비트는 경우에 대해 유연성을 가질 수 있다.
도 11은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준보다 큰 경우, 움직임을 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준보다 큰 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 큰 경우, 피치 회전(PR)의 1개 회전 자유도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 90도인 경우, 피치 회전(PR)의 1개 회전 자유도를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 증가함에 따라, 상기 제3 및 제4 서브 스트링(430, 440)의 장력이 증가할 수 있다. 상기 제3 및 제4 서브 스트링(430, 440)의 장력이 증가함에 따라, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은 상기 제1 관절 부재(100)의 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 요 회전(YR)이 제한되고, 피치 회전(PR)이 가능할 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 큰 경우, 상기 제1 관절 부재(100)의 길이방향(도 12의 z축 방향)을 기준으로 요 방향(YR), 롤 방향(Rr)과 상기 제2 뼈대(210)의 장축 방향으로 유연성(XF)을 가질 수 있다. 또한, 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 병진 Z축 방향 및 병진 Y축 방향으로 밀거나 당기는 힘에 대해서도 유연성을 가질 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 피치 방향 각도가 기준보다 작은 경우, 피치 방향 및 요 방향으로의 회전 자유도를 제공하며, 다른 방향으로는 메인 스트링 자체의 유연성에 의하여 인공 관절도 유연성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 인공 관절은, 피치 방향 각도가 기준보다 큰 경우, 피치 방향으로의 회전 자유도를 제공하며, 다른 방향으로는 메인 스트링 자체의 유연성에 의하여 인공 관절도 유연성을 가질 수 있다.
제4 실시 예에 따른 인공 관절
도 13은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 제5 및 제 6 서브 스트링(450, 460) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 관절 부재(100), 상기 제2 관절 부재(200), 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)에 대한 구체적인 설명은 생략된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제5 서브 스트링(450)은 상기 제1-1 가지(120)의 일 측 예를 들어 중간부와 상기 제2-1 가지(220)의 중간부를 연결할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제6 서브 스트링(460)은 상기 제1-1 가지(120)의 일 측 예를 들어 중간부와 상기 제2-2 가지(230)의 중간부를 연결할 수 있다.
이때, 상기 제5 및 제6 서브 스트링(450, 460)의 장력은, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340) 중 적어도 하나의 장력보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제5 및 제6 서브 스트링(450, 460)의 장력은, 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)의 장력보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)가 이루는 각도에 따라, 서로 다른 수의 회전 자유도를 가질 수 있다.
도 14는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 작은 경우, 움직임을 나타내는 도면이고, 도 15는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 작은 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 작은 경우, 피치 회전(PR) 및 요 회전(YR)의 2개 회전 자유도를 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 피치 방향 각도는, 상기 제1 가상선(IL1)을 축으로 도 14에 도시된 z축 방향으로 상기 제1 관절 부재가(100)가 회전한 경우, 상기 제1 관절 부재(100)와 상기 제2 관절 부재(200)가 이루는 각도일 수 있다.
즉, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제5 및 제6 서브 스트링(450, 460)의 장력이 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)의 장력보다 작음에 따라, 도 6을 참조하여 설명된 상기 제2 실시 예에 따른 인공 관절과 달리, 피치 회전(PR)뿐만 아니라 요 회전(YR)까지 수행할 수 있다.
도 15를 참조하면, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 작은 경우 롤 방향(Rr) 및 상기 제1 뼈대(110) 및 상기 제2 뼈대(210)의 장축 방향으로 유연성(XF)을 가질 수 있다. 또한 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 병진 Z축 방향 및 병진 Y축 방향으로 밀거나 당기는 힘에 대해서도 유연성을 가질 수 있다.
도 14 및 도 15를 참조하여 설명된 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 작은 경우에 대해, 상기 도 9 및 도 10을 참조하여 설명된 상기 제3 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 작은 경우와 같은 방법으로 동작되고, 같은 수의 유연성을 가질 수 있다.
하지만, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)의 제2 관절 부재(100)에 대한 피치 방향 각도가 기준보다 큰 경우, 상기 피치 방향 각도뿐만 아니라 피치 방향에 따라 자유도가 서로 다를 수 있다. 이하, 상기 피치 방향 회전 각도가 기준보다 크고, 피치 회전 방향이 반 시계 방향인 경우에 대해 도 16 및 도 17을 참조하여 설명되고, 상기 피치 방향 회전 각도가 기준보다 크고, 피치 회전 방향이 시계 방향인 경우에 대해 도 18 및 도 19를 참조하여 설명된다.
도 16은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 크고 피치 회전 방향이 반 시계 방향인 경우, 움직임을 나타내는 도면이고, 도 17은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 크고 피치 회전 방향이 반 시계 방향인 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 크고 피치 방향이 반 시계 방향인 경우(예를 들어, 90도), 피치 회전(PR)의 1개 회전 자유도를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여 피치 회전 하되, 제5 및 제6 서브 스트링(450, 460)의 장력이 미리 정해진 기준보다 커지게 된다. 이에 따라 요 방향 회전이 제한되는 것이다.
일 실시 예에 따르면, 피치 방향이 반 시계 방향이라 하면, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대해 상기 제1 가상선(IL1)을 기준으로 도 16에 도시된 Y축 방향을 따라 반 시계 방향으로 회전하는 것을 의미할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 반 시계 방향으로 증가함에 따라, 상기 제5 및 제6 서브 스트링(450, 460)의 장력이 증가할 수 있다. 특히, 상기 제5 및 제6 서브 스트링(450, 460)의 장력은, 상기 피치 방향의 각도가 미리 정해진 기준보다 크고 방향이 반 시계 방향인 경우, 증가할 수 있다.
이에 따라, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은 상기 제1 관절 부재(100)의 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 요 회전(YR)이 제한되고, 피치 회전(PR)이 가능할 수 있다.
도 17을 참조하면, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 크고 피치 방향이 반 시계 방향인 경우, 상기 제1 관절 부재(100)의 길이방향을 기준으로 요 방향(YR), 롤 방향(Rr)과 상기 제2 뼈대(210)의 장축 방향으로 유연성(XF)을 가질 수 있다.
도 18은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 크고 피치 방향이 시계 방향인 경우, 움직임을 나타내는 도면이고, 도 19는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절의 피치 방향 각도가 기준 보다 크고 피치 방향이 시계 방향인 경우, 유연성을 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 회전 각도가 미리 정해진 기준보다 크고 피치 회전 방향이 시계 방향인 경우, 피치 회전(PR) 및 요 회전(YR)의 2개 회전 자유도를 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 피치 방향이 시계 방향이라 하면, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대해 상기 제1 가상선(IL1)을 기준으로 도 18에 도시된 Y 축 방향을 따라 시계 방향으로 회전하는 것을 의미할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 각도가 시계 방향으로 증가함에 따라, 상기 제5 및 제6 서브 스트링(450, 460)의 장력은 여전히 느슨한 상태를 유지할 수 있다.
이에 따라, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은 도 14를 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대하여 피치 회전(PR) 및 요 회전(YR)의 2개 회전 자유도를 가질 수 있다.
도 19를 참조하면, 상기 제4 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대한 피치 방향 회전 각도가 미리 정해진 기준보다 크고 피치 회전 방향이 시계 방향인 경우, 상기 제1 관절 부재(100)의 길이방향을 기준으로 롤 방향(Rr)과 상기 제2 뼈대(210)의 장축 방향(XF)으로 유연성을 가질 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 병진 Y 축 및 병진 Z 축 방향으로도 유연성을 가질 수 있음은 물론이다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절은 피치 방향 각도가 기준보다 작은 경우, 피치 회전 및 요 방향으로의 회전 자유도를 제공하며, 다른 방향으로는 메인 스트링 자체의 유연성에 의하여 인공 관절도 유연성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 인공 관절은 피치 방향 각도가 기준 보다 크고 피치 방향이 반 시계 방향인 경우 즉 서브 스트링이 연결되지 않은 가지 방향으로 회전하는 경우, 피치 방향으로의 회전 자유도를 제공할 수 있다. 뿐만 아니라 피치 방향 각도가 기준보다 크고 피치 방향이 시계 방향인 경우, 즉 서브 스트링이 연결된 가지 측으로 회전하는 경우, 피치 회전 및 요 방향으로의 회전 자유도를 제공하며, 다른 방향으로는 메인 스트링 자체의 유연성에 의하여 인공 관절도 유연성을 가질 수 있다.
이상, 상기 제1 관절 부재(100) 및 상기 제2 관절 부재(200)의 각도에 따라 회전 자유도의 수가 달라지는 제3 및 제4 실시 예에 따른 인공 관절이 설명되었다. 이하 사선 방향 피치 자유도를 가지는 제5 실시 예에 따른 인공 관절이 도 20 내지 도 23을 참조하여 설명된다.
제5 실시 예에 따른 인공 관절
도 20은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 인공 관절을 나타내는 도면이고, 도 21은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 인공 관절의 움직임을 나타내는 사시도이고, 도 22는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 인공 관절의 움직임을 나타내는 정면도이고, 도 23은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 인공 관절의 유연성을 나타내는 도면이다.
도 20을 참조하면, 상기 제5 실시 예에 따른 인공 관절은, 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 실시 예에 따른 인공 관절에서, 제7 및 제8 서브 스트링(470, 480) 중 적어도 하나를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 관절 부재(100), 상기 제2 관절 부재(200), 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340)에 대한 구체적인 설명은 생략된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제7 서브 스트링(470)은 상기 제1-1 가지(120)의 중간부와 상기 제2-2 가지(230)의 중간부를 연결할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제8 서브 스트링(480)은 상기 제1-2 가지(130)의 중간부와 상기 제2-1 가지(220)의 중간부를 연결할 수 있다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 상기 제5 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대해 피치 회전(PR) 의 1개 회전 자유도를 가질 수 있다. 이때, 상기 제5 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제7 및 제8 서브 스트링(470, 480)을 포함함에 따라, 피치 회전(PR) 자유도가 X 축에서 보았을 때 사선 방향으로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 제5 실시 예에 따른 인공 관절은, 피치 회전(PR) 자유도가 직선 방향으로 제공되는 경우와 비교하여 보다 넓은 움직임을 제공할 수 있다. 다른 관점에서 인체의 팔꿈치와 유사한 움직임을 제공할 수 있다.
도 23을 참조하면, 상기 제5 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 관절 부재(100)가 상기 제2 관절 부재(200)에 대해 요 방향(YR), 롤 방향(Rr) 및 상기 제1 뼈대 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향(XF)으로 유연성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 뼈대(110) 및 상기 제1 뼈대(110)에서 양측으로 분기하는 상기 제1-1 가지(120) 및 상기 제1-2 가지(130)를 포함하는 상기 제1 관절 부재(100), 상기 제2 뼈대(210) 및 상기 제2 뼈대(210)에서 양측으로 분기하는 상기 제2-1 가지(220) 및 상기 제2-2 가지(230)를 포함하는 상기 제2 관절 부재(200), 상기 제1-1 가지(120)의 일 측과 상기 제2-1 가지(220)의 일 측을 연결하는 제1 메인 스트링(310), 상기 제1-1 가지(120)의 일 측과 상기 제2-2 가지(230)의 일 측을 연결하는 상기 제2 메인 스트링(320), 상기 제1-2 가지(130)의 일 측과 상기 제2-1 가지(220)의 일 측을 연결하는 상기 제3 메인 스트링(330), 및 상기 제1-2 가지(130)의 일 측과 상기 제2-2 가지(230)의 일 측을 연결하는 상기 제4 메인 스트링(340)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 부재간의 마찰이 감소하여 마모 없이 장기간 사용이 가능한 인공 관절이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 인공 관절은, 상기 제1 뼈대(110)의 일 측과 상기 제2-1 가지(220)의 일 측을 연결하는 상기 제1 및 제3 서브 스트링(410, 430), 상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-2 가지(230)의 일 측을 연결하는 상기 제2 및 제4 서브 스트링(420, 440), 상기 제1-1 가지(120)의 일 측과 상기 제2-1 가지(220)의 중간부를 연결하는 상기 제5 서브 스트링(450), 상기 제1-1 가지(120)의 일 측과 상기 제2-2 가지(230)의 중간부를 연결하는 상기 제6 서브 스트링(460), 상기 제1-1 가지(120)의 중간부와 상기 제2-2 가지(230)의 중간부를 연결하는 상기 제7 서브 스트링(470), 및 상기 제1-2 가지(130)의 중간부와 상기 제2-1 가지(220)의 중간부를 연결하는 상기 제8 서브 스트링(480)을 더 포함되, 상기 제3 내지 제6 서브 스트링(430, 440, 450, 460, 470)의 장력은 상기 제1 내지 제4 메인 스트링(310, 320, 330, 340) 중 적어도 하나의 장력보다 작을 수 있다. 이에 따라, 다양한 회전 관절의 생성이 가능한 인공 관절이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 인공 관절은, 인체 관절, 로봇 관절 등에 활용될 수 있다. 즉, 관절 메커니즘으로 활용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 제1 관절 부재
110: 제1 뼈대
120: 제1-1 가지
130: 제1-2 가지
200: 제2 관절 부재
210: 제2 뼈대
220: 제2-1 가지
230: 제2-2 가지
310, 320, 330, 340: 제1, 제2, 제3, 제4 메인 스트링
410, 420 430, 440, 450, 460, 470, 480: 제1 내지 제8 서브 스트링

Claims (22)

  1. 제1 뼈대 및 상기 제1 뼈대에서 양측으로 분기하는 제1-1 가지 및 제1-2 가지를 포함하는 제1 관절 부재;
    제2 뼈대 및 상기 제2 뼈대에서 양측으로 분기하는 제2-1 가지 및 제 2-2 가지를 포함하는 제2 관절 부재;
    상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제1 메인 스트링;
    상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제2 메인 스트링;
    상기 제1-2 가지의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제3 메인 스트링; 및
    상기 제1-2 가지의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제4 메인 스트링;을 포함하며,
    서브 스트링을 더 포함하되, 상기 서브 스트링은 상기 제1 관절 부재와 상기 제2 관절 부재 간의 회전특성을 부여하는 인공 관절.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 메인 스트링과 상기 제4 메인 스트링은 서로 평행하고,
    상기 제2 메인 스트링과 상기 제3 메인 스트링은 서로 평행한, 인공 관절.
  3. 삭제
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 2개의 회전 자유도를 가지는, 인공 관절.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 피치 회전(pitch rotation) 가능한, 인공 관절.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 요 회전(yaw rotation) 가능한, 인공 관절.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 롤 방향(roll direction) 및 상기 제1 뼈대 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향 중 적어도 하나의 방향으로 유연성을 가지는 인공 관절.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제1 서브 스트링; 및
    상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제2 서브 스트링을 더 포함하는, 인공 관절.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 1개의 회전 자유도를 가지는, 인공 관절.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 피치 회전(pitch rotation) 가능한, 인공 관절.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 요 방향, 롤 방향과 상기 제1 뼈대 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향 중 적어도 하나의 방향으로 유연성을 가지는 인공 관절.
  12. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-1 가지의 일 측을 연결하는 제3 서브 스트링; 및
    상기 제1 뼈대의 일 측과 상기 제2-2 가지의 일 측을 연결하는 제4 서브 스트링을 더 포함하되,
    상기 제3 및 제4 서브 스트링의 장력은 상기 제1 내지 제4 메인 스트링 중 적어도 하나의 장력보다 작은 인공 관절.
  13. 제2 항에 있어서,
    상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-1 가지의 중간부를 연결하는 제5 서브 스트링; 및
    상기 제1-1 가지의 일 측과 상기 제2-2 가지의 중간부를 연결하는 제6 서브 스트링을 더 포함하되,
    상기 제5 및 제6 서브 스트링의 장력은 상기 제1 내지 제4 메인 스트링 중 적어도 하나의 장력보다 작은 인공 관절.
  14. 제12 항 또는 제13 항에 있어서,
    상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재와 상기 제2 관절 부재 간의 피치 방향 각도에 따라 서로 다른 수의 회전 자유도를 가지는, 인공 관절.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 작은 경우, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 피치 회전 및 요 회전의 2 자유도를 가지는, 인공 관절.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 롤 방향 및 상기 제1 뼈대 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향으로 유연성을 가지는. 인공 관절.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 피치 방향 각도가 미리 정해진 기준보다 큰 경우, 상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여 피치 회전의 1 자유도를 가지는, 인공 관절.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 관절 부재는 상기 제2 관절 부재에 대하여, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로 요 방향, 롤 방향, 및 상기 제2 뼈대의 장축 방향으로 유연성을 가지는, 인공 관절.
  19. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로, 상기 제1 관절 부재가 상기 제1-2 가지 방향으로 상기 제2 관절 부재에 대하여 미리 정해진 기준보다 크게 피치 회전한 경우, 회전 자유도가 감소하는, 인공 관절.
  20. 제2 항에 있어서,
    상기 제1-1 가지의 중간부와 상기 제2-2 가지의 중간부를 연결하는 제7 서브 스트링; 및
    상기 제1-2 가지의 중간부와 상기 제2-1 가지의 중간부를 연결하는 제8 서브 스트링을 더 포함하되,
    사선 방향 피치 자유도를 가지는 인공 관절.
  21. 제1 항에 있어서,
    상기 제2-1 가지의 일 단과 상기 제2-2 가지의 일 단을 연결하는 제1 가상선과 상기 제1-1 가지의 일 단과 상기 제1-2 가지의 일 단을 연결하는 제2 가상선은 서로 교차하는 인공 관절.
  22. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 관절 부재가 상기 제2 관절 부재에 대하여, 상기 제2 관절 부재를 길이방향으로 보았을 때를 기준으로 피치 방향으로 회전하는 경우, 상기 제2-1 가지와 상기 제2-2 가지 사이 공간에 의하여 정의되는 가상면을, 상기 제1-1 가지 또는 상기 제1-2 가지가 통과하는, 인공 관절.
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