KR102032500B1 - 보행 보조 장치 - Google Patents

보행 보조 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102032500B1
KR102032500B1 KR1020180137990A KR20180137990A KR102032500B1 KR 102032500 B1 KR102032500 B1 KR 102032500B1 KR 1020180137990 A KR1020180137990 A KR 1020180137990A KR 20180137990 A KR20180137990 A KR 20180137990A KR 102032500 B1 KR102032500 B1 KR 102032500B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
knee joint
rotatably connected
shaft
rotary link
user
Prior art date
Application number
KR1020180137990A
Other languages
English (en)
Inventor
신영준
홍만복
김병운
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020180137990A priority Critical patent/KR102032500B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102032500B1 publication Critical patent/KR102032500B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/164—Feet or leg, e.g. pedal
    • A61H2201/1642—Holding means therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1657—Movement of interface, i.e. force application means
    • A61H2201/1676—Pivoting

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Pain & Pain Management (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

보행 보조 장치를 개시한다. 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치는, 사용자의 근위부분을 지지하기 위한 근위 지지부; 상기 사용자의 원위부분을 지지하기 위한 원위 지지부; 상기 사용자의 무릎관절 부위에 배치되고, 상기 근위 지지부 및 원위프레임을 각도 조절 가능하게 연결하는 무릎관절부; 및 상기 근위지지부 및 무릎관절부에 회전 가능하게 연결되는 동력전달부를 포함할 수 있다.

Description

보행 보조 장치{WALKING ASSIST APPARATUS}
아래의 실시예는 보행 보조 장치에 관한 것이다.
사용자에게 착용되어, 사용자의 근력을 지원 또는 보조해주는 장치가 있다. 이러한 장치는 착용자의 골격과 유사한 외골격 구조 및 자유도를 가지도록 설계되며, 용도에 따라 상지, 하지, 상하지 등 착용자 신체의 일부 또는 전체의 근력을 지원하는 형태로 구성된다.
보조 장치의 주 기능은 착용자에게 추가적인 근력을 지원하는 것이지만 장치의 중량은 사용자의 움직임의 방해요소 이므로 상황에 따라 근력지원을 저해하기도 한다. 이러한 이유로 착용로봇의 경량화 또는 저관성 설계가 착용로봇 성능에 중요한 역할을 한다.
일 실시 예에 따른 목적은 사용자의 무릎 관절과 유사한 움직임을 가지는 보행 보조 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 무릎관절의 움직임에 관계없이 일정한 기어비의 동력을 제공하는 보행 보조 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은 경량화 및 저관성을 가지는 보행 보조 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 보행 보조 장치는, 사용자의 근위부분을 지지하기 위한 근위 지지부; 상기 사용자의 원위부분을 지지하기 위한 원위 지지부; 상기 사용자의 무릎관절 부위에 배치되고, 상기 근위 지지부 및 원위프레임을 각도 조절 가능하게 연결하는 무릎관절부; 및 상기 근위지지부 및 무릎관절부에 회전 가능하게 연결되는 동력전달부를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 무릎관절부는 제1고정축을 통해 상기 원위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 제1회전링크; 상기 제1고정축과 평행한 제2고정축을 통해 상기 원위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 제2회전링크; 및 일측은 제1회전축을 통해 제1회전링크에 회전 가능하게 연결되고, 타측은 제2회전축을 통해 상기 제2회전링크에 회전 가능하게 연결되는 연결링크를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 제1회전축은 상기 근위 지지부에 위치할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 제1회전축에 수직한 평면에서 바라본 상태를 기준으로, 상기 제1회전링크 및 제2회전링크는 하나의 교점을 형성할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 사용자의 보행과정에서, 상기 제1회전링크 및 제2회전링크는 상기 하나의 교점을 형성하면서 각도가 변화할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 무릎관절부는 4절링크(four bar linkage) 구조를 형성할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 동력전달부는 상기 제1회전링크 및 제2회전링크 중 어느 하나에 연결될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 동력전달부는 상기 제1회전축에 평행한 구동축을 통해 상기 근위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 구동부재; 상기 구동축에 평행한 연결축을 통해 상기 근위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 출력부재; 상기 구동링크 및 출력부재 각각에 회전 가능하게 연결되는 연동부재; 및 일측은 상기 출력부재에 회전 가능하게 연결되고, 타측은 상기 제1회전링크에 회전 가능하게 연결되는 전달부재를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 구동부재를 상기 구동축에 대해 회전시키기 위한 구동원을 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 구동부재가 구동축을 중심으로 회전하는 상태에서, 상기 제1회전링크는 제1고정축을 중심으로 레버(lever)운동할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 연동부재는 압축가능한 탄성체를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 구동축 또는 연결축에 구비되고, 상기 탄성체의 길이 변화를 측정하기 위한 엔코더를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 근위부분은 사용자의 허벅지(thigh)이고, 상기 원위부분은 사용자의 정강이(shin)일 수 있다.
일 실시 예에 따른 보행 보조 장치는 사용자의 무릎 관절과 유사한 움직임을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따른 보행 보조 장치는 무릎관절의 움직임에 관계없이 일정한 기어비의 동력을 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따른 보행 보조 장치는 경량화 및 저관성을 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 보행과정동안 지면 반발력에 대한 무릎 관절의 회전력을 나타내는 개념도이다.
도 2는 무릎의 회전에 따른 관절움직임을 나타내는 개념도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 측면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 개략도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치를 통해 전달되는 동력을 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 작동 상태도이다.
도 9은 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 개략도이다.
도 10는 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 개략도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 사람의 보행 주기 간 지면 반발력에 대한 무릎 관절 회전력을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 사람의 보행 주기(gait cycle)는 한 쪽 다리를 기준으로 입각기(stance phase) 및 유각기(swing phase)가 교대로 수행되는 것으로 이해할 수 있다. 입각기는 발(foot)이 지면에 접촉하는 상태를 의미하고, 유각기는 발이 지면으로부터 이격된 상태를 의미한다. 즉, 사람의 보행은 한 쪽 다리를 기준으로 입각기 및 유각기가 반복적으로 수행되면서 이루어지며, 왼발 및 오른발은 입각기 및 유각기를 교차로 수행하게 된다. 입각기는 지면에 대한 발의 접촉부위에 따라 초기 접지기(initial contact), 체중 부하기(loading response), 중간 입각기(mid stance) 및 말기 입각기(terminal stance)로 구분될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 도 1의 오른발을 기준으로 설명하도록 한다.
사람의 보행에는 다리에 위치한 다수의 관절이 관여하게 된다. 예를 들어, 사람이 보행하는 과정에서, 발목관절(talocrural joint), 목말밑 관절(subtalr joint), 무릎관절(knee joint) 및 고관절(hip joint)의 움직임이 동시에 발생할 수 있다. 보행 과정동안, 각각의 관절은 신체의 하중을 다리로 지지하며 신체의 무게중심을 전방으로 이동시키기 위한 관절 회전력(torque)을 생성하며, 관절 회전력에 의해 보행의 동적 안정성(dynamic stability)이 확보될 수 있다. 이 경우, 무릎 관절(knee joint)은 동적 안정성의 확보를 위해 지면과 발 사이에 발생하는 지면 반발력 벡터(ground reaction force vector, GRFV)와 무릎 관절 회전점의 상대적 위치에 따라 회전력을 생성하게 된다.
지면 반발력 벡터가 무릎 관절의 후방에 위치하는 경우, 무릎 관절은 대퇴사두근의 작용에 의해 굴곡(flexion)하는 방향으로 회전력을 발생시키며 동적 안정성을 확보하게 된다. 반면, 지면 반발력 벡터가 무릎 관절의 전방에 위치하는 경우, 무릎 관절은 지면 반발력에 의한 수동적 회전력으로 신전(extension)하면서 동적 안정성을 확보하게 된다. 즉, 사람의 무릎관절의 움직임은 무릎 회전점 및 지면 반발력 벡터의 상대적인 위치에 따라 결정되며, 지면 반발력 벡터의 위치가 무릎 회전점의 앞에 위치하는 경우에는, 신전을 위한 근육의 작용 없이도 동적 안정성을 확보할 수 있다.
도 2는 무릎의 회전에 따른 관절움직임을 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 무릎 관절은 허벅지 대퇴골(Femur)과 정강이 경골(Tibia)의 경첩관절 구조로 이루어지며, 대퇴골 및 경골은 전방십자인대(Anterior Cruciate Ligament, ACL) 및 후방십자인대(Posterior Cruciate Ligament, PCL)을 통해 연결되게 된다. 사람의 측면을 기준으로, 전방십자인대 및 후방십자인대는 서로 교차하는 형상으로 대퇴골 및 경골을 연결하게 된다.
사람의 무릎 관절의 회전축은 고정된 축을 중심으로 회전하는 것이 아니라, 무릎의 굽힘 정도에 따라 회전축이 병진하면서 회전하는 구조를 가지게 된다. 즉, 무릎관절은 대퇴골 및 경골의 상대적인 위치에 따라 회전 중심점이 연속적으로 변화하게 되며, 무릎이 굴곡하는 경우 무릎관절의 회전 중심은 회전하는 동시에 전방으로 이동하게 된다. 사람의 측면에서 바라본 상태를 기준으로, 무릎 관절의 회전 중심은 전방십자인대 및 후방십자인대의 교차점과 유사한 움직임을 가지는 것으로 이해할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 측면도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 개략도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치(1)는 사용자에 착용되어 사용자의 보행 동작을 보조할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(1)는 사용자의 무릎 관절의 움직임을 보조할 수 있다. 사용자는 인체, 동물 또는 로봇 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 보행 보조 장치(1)는, 근위 지지부(100), 원위 지지부(110), 무릎관절부(120), 구동원(140) 및, 동력전달부(130)를 포함할 수 있다.
근위 지지부(100) 및 원위 지지부(110)는 사용자의 무릎 관절을 기준으로 서로 반대편에 배치될 수 있다. 근위 지지부(100)는은 사용자의 근위 부분, 예를 들어 대퇴부를 지지할 수 있고, 원위 지지부(110)는은 사용자의 원위 부분, 예를 들어 정강이 및/또는 종아리를 지지할 수 있다.
무릎관절부(120)는 사용자의 관절 부위, 예를 들어, 무릎 관절 부위에 배치될 수 있다. 무릎관절부(120)는 근위 지지부(100) 및 원위 지지부(110)를을 각도 조절 가능하게 연결할 수 있다. 무릎관절부(120)는 근위 지지부(100) 및 원위 지지부(110)의 상대적인 각도가 변화하는 회전축을 실제 무릎관절의 회전축과 유사하게 변화시킴으로써, 실제 사람의 무릎 관절의 움직임과 유사한 움직임을 구현할 수 있다. 무릎관절부(120)는 제1회전링크(121), 제2회전링크(122) 및 연결링크(123)를 포함할 수 있다.
제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)는 각각 원위 지지부(110)에 대해 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1회전링크(121)의 일측은 제1고정축(A1)을 통해 원위 지지부(110)에 회전 가능하게 연결되고, 제2회전링크(122)의 일측은 제2고정축(A2)을 통해 원위 지지부(110)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 제1고정축(A1) 및 제2고정축(A2)은 서로 평행할 수 있다.
연결링크(123)는 양측이 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 연결링크(123)는 일측이 제1회전축(R1)을 통해 제1회전링크(121)의 타측에 회전 가능하게 연결되고, 타측이 제2회전축(R2)을 통해 제2회전링크(122)의 타측에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 이 경우, 제1회전축(R1)은 근위 지지부(100)에 위치할 수 있다. 다시 말해서, 연결링크(123) 및 제1회전링크(121) 각각은 근위 지지부(100)에 대해 제1회전축(R1)을 중심으로 회전할 수 있다.
정리하면, 무릎관절부(120)는 원위 지지부(100)와 연결되어 4개의 접점이 연결되는 고리 형태를 형성할 수 있다. 즉, 제1회전링크(121), 제2회전링크(122), 연결링크(123)는 원위 지지부(110)와 연결되어 4개의 접점으로 이루어지는 4절링크(four bar linkage)구조를 형성할 수 있다.
도 3과 같이, 제1회전축(R1)에 수직한 평면에서 바라본 상태를 기준으로, 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)는 서로 교차하면서 하나의 교점을 형성할 수 있다. 보행 보조 장치(1)를 착용한 사용자가 보행하는 과정에서, 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)는 상기 하나의 교점(P)을 유지한 상태에서 상대적인 각도(θ)가 변화할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 보행 과정간 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)가 형성하는 각도(θ)는 실제 무릎의 전방십대인대 및 후방십대인대가 형성하는 각도와 유사하게 변화할 수 있다. 따라서, 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)가 형성하는 교점(P)의 위치는 실제 무릎관절의 회전중심과 유사한 움직임을 가질 수 있다.
결과적으로, 무릎관절부(120)는 원위 지지부(110) 및 근위 지지부(100)의 상대적인 각도 변화의 축(P)을 실제 사용자의 무릎관절의 회전점과 유사하게 변화시킴으로써, 무릎관절부(120)의 회전 중심이 실제 사람의 보행에 따른 무릎관절의 회전점과 불일치하는 것을 최소화하고, 사용자에게 자연스러운 보행 보조 장치(1)의 착용감을 제공할 수 있다.
구동원(140)은 동력을 발생시킬 수 있다. 구동원(140)은 원위 지지부(110) 및 근위 지지부(100)의 각도조절을 위한 동력을 제공할 수 있다. 구동원(140)은 예를 들어, 동력을 무릎관절부(120)로 전달할 수 있도록, 후술하는 구동부재(131)를 근위 지지부(100)에 대해 회전시킬 수 있다. 구동원(140)은 사용자의 무릎관절과 이격된 위치, 예를 들어, 사용자의 고관절 부위에 위치할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 보행 보조 장치(1)의 무릎관절 부위가 경량화됨으로써, 무릎관절의 움직임 보조과정에서의 관성을 최소화할 수 있다.
동력전달부(130)는 무릎관절부(120)의 작동을 위한 동력을 전달할 수 있다. 동력전달부(130)는 구동원(140)과 연결되고, 구동원(140)의 회전동력을 무릎관절부(120)에 선형으로 전달할 수 있다. 동력전달부(130)는 근위 지지부(100) 및 무릎관절부(120) 각각에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 동력전달부(130)는 일측은 제1지지부에 회전 가능하게 연결되고, 타측은 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122) 중 어느 하나에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 동력전달부(130)는 구동부재(131), 전달부재(133), 연동부재(132) 및 출력부재(134)를 포함할 수 있다.
구동부재(131)는 구동축(B1)을 통해 근위 지지부(100)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 구동부재(131)의 일측은 구동축(B1)을 통해 근위 지지부(100)에 연결될 수 있다. 이 경우, 구동축(B1)은 제1회전축(R1)에 대해 평행할 수 있다. 구동부재(131)는 후술하는 구동원(140)과 연결되어 구동축(B1)을 중심으로 회전할 수 있다.
전달부재(133)는 근위 지지부(100)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 전달부재(133)는 구동축(B1)에 대해 평행한 연결축(B2)을 통해 근위 지지부(100)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 이 경우, 연결축(B2)은 구동축(B1) 및 제1회전축(R1) 사이에 배치될 수 있다. 전달부재(133)는 연동축을 통해 후술하는 연동부재(132)와 회전 가능하게 연결되고, 전달축을 통해 후술하는 출력부재(134)와 회전 가능하게 연결될 수 있다. 다시 말하면, 전달부재(133)는 서로 근위 지지부(100), 연동부재(132) 및, 출력부재(134)와 각각 회전 가능하게 연결되는 3개의 조인트를 포함할 수 있다. 전달부재(133)는 도 3과 같이 3개의 조인트가 형성된 단일 부재일 수 있으나, 이와 달리 3개의 바가 3개의 조인트로 연결되는 3절링크 구조를 가질 수도 있다.
연동부재(132)는 구동부재(131) 및 전달부재(133)를 연결할 수 있다. 연동부재(132)의 양측은 각각 구동부재(131) 및 전달부재(133)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 연동부재(132)의 일측은 구동부재(131)의 타측에 회전 가능하게 연결되고, 연동부재(132)의 타측은 연동축을 통해 전달부재(133)에 회전 가능하게 연결될 수 있다.
출력부재(134)는 전달부재(133) 및 무릎관절부(120)를 연결할 수 있다. 예를 들어, 출력부재(134)의 일측은 전달축을 통해 전달부재(133)에 회전 가능하게 연결되고, 출력부재(134)의 타측은 출력축(C1)을 통해 무릎관절부(120)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 이 경우, 출력축(C1)은 제1회전링크(121) 또는 제2회전링크(122) 중 어느 하나에 위치할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 출력축(C1)이 제1회전링크(121)에 위치하는 경우를 기준으로 설명하도록 한다.
정리하면, 동력전달부(130)는 근위 지지부(100) 및 무릎관절부(120)와 연결됨으로써, 7개의 점점을 가지는 와트2 6절링크(watt 2 six bar linkage) 구조를 형성할 수 있다. 동력전달부(130)는 구동원(140)의 회전 동력을 전달받아 출력부재(134)의 병렬 모션을 생성할 수 있다. 따라서, 동력전달부(130)는 제1회전링크(121)를 제1고정축에 대해 레버(lever)운동시킬 수 있다. 다시 말하면, 동력전달부(130)에 의해 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)는 하나의 교점을 형성하는 범위에서 각도가 변화할 수 있다.
결과적으로, 보행 보조 장치(1)는 도 4와 같이 4절링크와 6절링크가 결합된 구조를 가지는 것으로 이해할 수 있다. 무릎관절부(120)의 4절링크 구조를 통해 사람의 무릎관절의 움직임을 구현하는 경우, 회전동력을 무릎관절부(120)에 직접 전달하게 되면 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)의 상대적인 각도에 따라 무릎관절부(120)의 기어비가 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치(1)와 같이 6절링크 구조의 동력전달부(130)를 통해 동력을 무릎관절부(120)에 전달하는 경우, 구동부재(131)의 회전 움직임을 출력부재(134)의 병렬 움직임으로 변환하여 무릎관절부(120)에 전달하기 때문에, 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)의 상대적 각도에 관계없이 무릎관절부(120)가 선형에 가까운 기어비를 가질 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치(1)를 통해 전달되는 동력을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치(1)의 경우, 사용자의 무릎관절의 움직임에 관계없이 선형의 기어비를 가지는 것을 확인할 수 있다. 도 5의 그래프1(G1)은 구동원(140)의 회전각도가 무릎이 형성하는 각도와 선형성을 가지는 것을 나타내는 그래프이며, 도 5의 그래프2(G2)는 무릎이 형성하는 각도에 관계없이 무릎관절부(120)가 일정한 기어비를 가지는 것을 나타내는 그래프이다. 그래프 1 및 그래프 2를 종합하면, 보행 보조 장치(1)의 무릎관절부(120)는 구동원(140)의 회전, 즉, 구동부재(131)의 회전각도에 비례하여 근위 지지부(100) 및 원위 지지부(110)의 상대적인 각도를 조절하고, 동력전달부(130)는 근위 지지부(100) 및 원위 지지부(110)의 각도 조절과정동안 무릎관절부(120)가 일정한 기어비를 가지도록 동력을 전달하는 것으로 이해할 수 있다.
이하에서는, 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치(1)의 작동 과정을 설명하도록 한다. 도 6 내지 도 8은 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치(1)의 작동 상태도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 보행 보조 장치(1)는 무릎의 굽힘 동작을 위한 근육의 움직임을 효과적으로 보조할 수 있다. 무릎이 굽혀지는 동작이 수행되는 경우, 구동부재(131)는 구동원(140)에 의해 구동축을 중심으로 근위 지지부(100)에 대해 회전할 수 있다. 구동부재(131)의 회전에 따라 전달부재(133)는 연결축을 중심으로 근위 지지부(100)에 대해 회전할 수 있다. 이 경우, 전달부재(133)는 연결부재를 통해 구동부재(131)에 연결되기 때문에, 구동부재(131)가 구동축을 중심으로 360도 회전하는 과정에서 전달부재(133)는 연결축을 중심으로 일정한 각도 범위의 레버(lever)운동을 하게 된다. 따라서, 전달부재(133)와 연결된 출력부재(134)는 병렬 모션을 생성하게 되며, 제1회전링크(121)는 제1고정축을 중심으로 레버(lever)운동을 하게 된다. 구동부재(131)가 도 5에서 도 7과 같이 회전함에 따라 제1회전링크(121)가 원위 지지부(110)와 이루는 각도(θ)는 증가하게 되며, 제1회전링크(121) 및 제2회전링크(122)가 형성하는 교점(P)도 무릎관절부(120)의 전방으로 이동하할 수 있다. 따라서, 원위 지지부(110) 및 근위 지지부(100)의 상대적인 각도는 실제 사람의 정강이와 허벅지가 이루는 각도와 같이 변화하게 되며, 무릎관절부(120)의 회전 중심 역시 실제 무릎의 회전점과 유사하게 변화할 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 개략도이다.
도 9를 참조하면, 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치(2)는, 근위 지지부(200), 원위 지지부(210), 무릎관절부(220), 구동원(240), 동력전달부(230), 탄성부재(232) 및 엔코더(250)를 포함할 수 있다.
탄성부재(232)는 동력전달부에 구비될 수 있다. 탄성부재는 구동원(240) 및 무릎관절부(220) 사이에 구비될 수 있다. 탄성부재(232)는 예를 들어, 구동부재(231) 및 전달부재(233)를 연결할 수 있다. 탄성부재(232)는 보행 보조 장치(2)의 작동과정에서 지면으로부터 발생하는 충격력을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 탄성부재(232)는 압축되면서 지면 반발력에 따른 충격을 탄성에너지로 변환할 수 있다.
엔코더(250)는 탄성부재(232)의 길이 변화를 측정할 수 있다. 엔코더(250)는 구동축(B1) 또는 연결축(B2)에 구비될 수 있다. 예를 들어, 탄성부재(232)의 압축 정도에 따라 구동축 및 연결축 각각에 대한 구동부재(231) 및 전달부재(233)의 회전각도가 달라질 수 있다. 이 경우, 엔코더(260)는 구동축 및 연결축에 각각 구비되어 구동부재(231) 및 전달부재(233)의 회전각도를 측정함으로써 탄성부재(232)의 압축 정도를 정밀하게 측정할 수 있다.
엔코더(260)를 통해 측정된 탄성부재(232)의 길이 변화를 통해 보행 보조 장치(2)는 직렬탄성구동(series elastic actuation)을 구현할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(2)는 탄성부재(232)의 길이 변화에 따라 구동부재(231)의 회전 정도를 정밀하게 제어함으로써, 보행 보조 장치(2)를 착용한 사용자에게 작용하는 저항력을 최소화하면서도 정밀한 토크 제어를 제공할 수 있다.
도 10은 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치의 개략도이다.
도 10을 참조하면, 일 실시 예에 따른 보행 보조 장치(3)는, 근위 지지부(300), 원위 지지부(310), 무릎관절부(320), 구동원(340), 및 동력전달부(330)를 포함할 수 있다.
동력전달부(330)는 무릎관절부(320)의 제2회전링크(322)에 연결될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자의 측면에서 바라본 상태를 기준으로 동력전달부(330)는 무릎관절부(320)의 전방에 위치할 수 있다. 사람이 서있는 자세를 측면에서 바라본 상태에서, 사람의 대퇴골은 경골에 비해 전방에 위치할 수 있다. 따라서, 동력전달부(330)가 무릎관절부(320)의 전방에 위치하는 구조는 사람의 신체 구조와 유사한 형태로 설계될 수 있다는 장점을 가지게 된다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
1: 보행 보조 장치
100: 근위 지지부
110: 원위 지지부
120: 무릎 관절부
130: 동력 전달부
140: 구동원

Claims (13)

  1. 사용자의 근위부분을 지지하기 위한 근위 지지부;
    상기 사용자의 원위부분을 지지하기 위한 원위 지지부;
    상기 사용자의 무릎관절 부위에 배치되고, 상기 근위 지지부 및 원위 지지부를 각도 조절 가능하게 연결하는 무릎관절부; 및
    상기 근위 지지부 및 무릎관절부에 회전 가능하게 연결되는 동력전달부를 포함하고,
    상기 무릎관절부는,
    제1고정축을 통해 상기 원위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 제1회전링크;
    상기 제1고정축에 평행한 제2고정축을 통해 상기 원위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 제2회전링크; 및
    일측은 제1회전축을 통해 상기 제1회전링크에 회전 가능하게 연결되고, 타측은 제2회전축을 통해 상기 제2회전링크에 회전 가능하게 연결되는 연결링크를 포함하며,
    제1회전축에 수직한 평면에서 바라본 상태를 기준으로, 상기 제1회전링크 및 제2회전링크는 하나의 교점을 형성하는, 보행 보조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1회전축은 상기 근위 지지부에 위치하는, 보행 보조 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 보행과정에서, 상기 제1회전링크 및 제2회전링크는 상기 하나의 교점을 형성하면서 상대적인 각도가 변화하는, 보행 보조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무릎관절부는 4절링크(four bar linkage) 구조를 형성하는, 보행 보조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 동력전달부는,
    상기 제1회전링크 및 제2회전링크 중 어느 하나에 연결되는, 보행 보조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 동력전달부는,
    상기 제1회전축에 평행한 구동축을 통해 상기 근위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 구동부재;
    상기 구동축에 평행한 연결축을 통해 상기 근위 지지부에 회전 가능하게 연결되는 전달부재;
    상기 구동부재 및 전달부재 각각에 회전 가능하게 연결되는 연동부재; 및
    일측은 상기 전달부재에 회전 가능하게 연결되고, 타측은 출력축을 통해 상기 무릎관절부에 회전 가능하게 연결되는 출력부재를 포함하는, 보행 보조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구동부재를 상기 구동축에 대해 회전시키기 위한 구동원을 더 포함하는, 보행 보조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구동부재가 구동축을 중심으로 회전하는 상태에서, 상기 제1회전링크는 제1고정축을 중심으로 레버(lever)운동하는, 보행 보조 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 동력전달부에 구비되는 탄성부재를 더 포함하는, 보행 보조 장치
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구동축 또는 연결축에 구비되고, 상기 탄성부재의 길이 변화를 측정하기 위한 엔코더를 더 포함하는, 보행 보조 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 근위부분은 사용자의 허벅지(thigh)이고, 상기 원위부분은 사용자의정강이(shin)인, 보행 보조 장치.
KR1020180137990A 2018-11-12 2018-11-12 보행 보조 장치 KR102032500B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180137990A KR102032500B1 (ko) 2018-11-12 2018-11-12 보행 보조 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180137990A KR102032500B1 (ko) 2018-11-12 2018-11-12 보행 보조 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102032500B1 true KR102032500B1 (ko) 2019-11-08

Family

ID=68542293

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180137990A KR102032500B1 (ko) 2018-11-12 2018-11-12 보행 보조 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102032500B1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160026405A (ko) 2014-09-01 2016-03-09 삼성전자주식회사 토크 패턴을 조정하기 위한 장치 및 방법
KR20210106667A (ko) 2020-02-21 2021-08-31 인제대학교 산학협력단 인체의 관절운동 보조기
KR20210154690A (ko) * 2020-06-12 2021-12-21 서울대학교산학협력단 힙 조인트 연결장치
KR20230030964A (ko) * 2021-08-26 2023-03-07 서울대학교산학협력단 무릎 관절 가이드장치
US11833103B2 (en) 2020-06-12 2023-12-05 Seoul National University R&Db Foundation Hip joint link apparatus
KR20240056009A (ko) 2022-10-21 2024-04-30 주식회사 헥사휴먼케어 근력 지원 로봇의 대퇴부 지원 모듈

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012143364A (ja) * 2011-01-11 2012-08-02 Toyota Motor Corp 歩行支援装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012143364A (ja) * 2011-01-11 2012-08-02 Toyota Motor Corp 歩行支援装置

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160026405A (ko) 2014-09-01 2016-03-09 삼성전자주식회사 토크 패턴을 조정하기 위한 장치 및 방법
KR20210055648A (ko) 2014-09-01 2021-05-17 삼성전자주식회사 토크 패턴을 조정하기 위한 장치 및 방법
KR20210106667A (ko) 2020-02-21 2021-08-31 인제대학교 산학협력단 인체의 관절운동 보조기
KR20210154690A (ko) * 2020-06-12 2021-12-21 서울대학교산학협력단 힙 조인트 연결장치
KR102464399B1 (ko) * 2020-06-12 2022-11-09 서울대학교산학협력단 힙 조인트 연결장치
US11833103B2 (en) 2020-06-12 2023-12-05 Seoul National University R&Db Foundation Hip joint link apparatus
KR20230030964A (ko) * 2021-08-26 2023-03-07 서울대학교산학협력단 무릎 관절 가이드장치
KR102638771B1 (ko) * 2021-08-26 2024-02-19 서울대학교산학협력단 무릎 관절 가이드장치
KR20240056009A (ko) 2022-10-21 2024-04-30 주식회사 헥사휴먼케어 근력 지원 로봇의 대퇴부 지원 모듈

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102032500B1 (ko) 보행 보조 장치
CN107411939B (zh) 一种单侧下肢残疾人士专用助力康复机器人
US5230696A (en) Polycentric variable axis hinge for an orthopedic knee brace
KR102541802B1 (ko) 운동 보조 장치
CN108433946B (zh) 运动辅助设备及其控制方法
Agrawal et al. Design of a two degree-of-freedom ankle-foot orthosis for robotic rehabilitation
KR20180075301A (ko) 운동 보조 장치
KR101230458B1 (ko) 무릎관절 재활운동기구
NAITO et al. An ankle-foot orthosis with a variable-resistance ankle joint using a magnetorheological-fluid rotary damper
CA2905267C (en) Rehabilitation apparatus with mechanical linkage
KR20170075699A (ko) 하지 보조로봇의 골격구조
CN109664272B (zh) 一种新型可穿戴式助行机器人机构装置
US10702402B1 (en) Position/weight-activated knee locking mechanism
KR102633470B1 (ko) 착용형 보조장치
KR20190136346A (ko) 발목 근력 보조기
Cestari et al. Preliminary assessment of a compliant gait exoskeleton
JP6536960B2 (ja) 膝関節アシスト装置の設計方法および膝関節アシスト装置
KR101716761B1 (ko) 착용 가능한 다자유도 회전중심 일치형 근력보조 관절
Ramakrishnan Asymmetric unilateral transfemoral prosthetic simulator
CN209812304U (zh) 一种可穿戴式助行机器人机构装置
Berkelman et al. Passive orthosis linkage for locomotor rehabilitation
KR102176061B1 (ko) 재활 교육 시뮬레이터
JP6793406B2 (ja) 人体装具
Nunez et al. 2-dof ankle-foot system: Implementation of balance for lower extremity exoskeletons
Hong et al. Design of Novel Knee Joint Mechanism of Lower-Limb Exoskeleton to Realize Spatial Motion of Human Knee

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant