KR102087357B1 - Above knee prosthesis having MR damper - Google Patents

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KR102087357B1
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Abstract

본 발명은 작동장치나 제어장치와 같은 부속장치가 불필요하여 장치를 소형화할 수 있고 아울러 생산성과 제조단가를 낮출 수 있는 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족을 개시한다. 본 발명은 대퇴 연결부에 댐퍼가 연결되어 보행시 작용하는 반력을 완충할 수 있는 대퇴 의족으로서,상기 댐퍼는 내부에 MR 유체가 충전된 하우징; 상기 하우징 내부에 설치되고 일단이 상기 대퇴 연결부에 일단이 선회 가능하게 연결되고 타단에 비철 구간과 철(Fe) 구간이 수직으로 배치된 피스톤 영역이 구비된 상부 피스톤 부재; 상기 상부 피스톤 부재의 하부에 일단이 탄성부재를 통해 연결되고 타단이 지면에 위치하도록 구성된 하부 피스톤 부재; 및 상기 하부 피스톤 부재의 일단에 설치된 영구 자석을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. The present invention discloses a femoral limb with an MR damper capable of miniaturizing the device and reducing productivity and manufacturing cost by eliminating the need for an accessory device such as an operating device or a control device. The present invention is a femoral limb that can dampen the reaction force acting when the damper is connected to the femoral connection portion, the damper is a housing filled with MR fluid therein; An upper piston member installed inside the housing, one end of which is pivotally connected to one end of the femoral connection part and a piston area having a non-ferrous section and an iron (Fe) section disposed vertically on the other end; A lower piston member having one end connected to the lower portion of the upper piston member via an elastic member and the other end positioned on the ground; And a permanent magnet installed at one end of the lower piston member.

Description

MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족{Above knee prosthesis having MR damper} Above knee prosthesis having MR damper}

본 발명은 대퇴 의족에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족에 관한 것이다. The present invention relates to a femoral limb, and more particularly, to a femoral limb with an MR damper.

선천적인 장애 또는 사고에 의해서 사지의 일부 또는 전부가 절단된 절단환자들이 발생하고 있다. 근래 들어 이와 같은 외상에 의한 원인 이외에 동맥경화, 당뇨병과 같은 혈관질환에 의한 절단 환자의 수도 급증하고 있는 추세이다 특히, 이러한 절단 환자 중에서 하지 절단 환자의 경우 이동성에 큰 제약을 받기 때문에 정상적인 생활을 함에 있어서 많은 어려움을 겪고 있다, 이와 같은 한계점을 극복하고자 종래에는 다양한 의족이 개시되어 있다. 이러한 의족은 하지 절단 환자들로 하여금 정상인과 유사한 보행이 가능하도록 함으로써, 이들의 삶의 질을 향상시키고, 보다 편리한 사회활동 참여를 보장하는데 기여하고 있다. Amputees have had some or all of their extremities amputated due to a congenital disorder or accident. Recently, the number of amputated patients due to vascular diseases such as arteriosclerosis and diabetes is increasing rapidly in addition to the causes of such trauma. In particular, the patients with amputated lower limbs are normally restricted because of their mobility. There are many difficulties, so in order to overcome such limitations in the prior art various leg is disclosed. These prostheses contribute to improving the quality of life and ensuring more convenient participation in social activities by allowing patients with lower extremities to walk similarly to normal people.

이러한 종래의 의족은 수동형 의족과 능동형 의족으로 구분할 수 있는데, 수동형 의족의 경우, 링크 구조로 구성된 기계식 의족과 댐퍼 방식의 의족으로 나누어지며 기본적으로 지면 또는 의족 착용자에 의한 외력을 저장 및 사용하는 방식으로서 평지 보행과 같은 단순한 보행 활동은 무리없이 수행할 수 있다. Such conventional prosthesis can be divided into passive and prosthetic limbs. In the case of passive prosthesis, the artificial prosthesis is divided into a mechanical prosthesis with a link structure and a damper prosthesis. Simple walking activities, such as flat walking, can be carried out without difficulty.

그러나, 종래의 의족은 수동형 의족으로서 그 자체에서 보행에 필요한 힘을 생성하지 않는다. 이 때문에 계단 오르기, 뛰기와 같은 활동을 하는 경우에 많은 제약이 있다. 또한 수동형 의족은 사용시 에너지 소모에 있어서도 정상인의 보행에 비해 더 많은 에너지를 소모한다.However, conventional limbs are passive limbs and do not themselves generate the force required for walking. Because of this, there are many limitations when doing activities such as climbing stairs and running. Passive prostheses also consume more energy than normal walking in use.

이에 반해, 능동형 의족은 모터와 같은 액츄에이터를 이용하여 자체적으로 힘을 생성할 수 있기 때문에, 수동형 의족에 비해 보다 작은 힘으로도 다양한 활동을 수행할 수 있다 즉, 수동형 의족보다는 능동형 의족을 착용하였을 때 정상인의 보행동작에 보다 유사한 기능을 함으로써 장애인의 이동활동에 큰 도움을 준다.On the other hand, the active prosthesis can generate power by itself using an actuator such as a motor, so that it can perform various activities with less force than the manual prosthesis. Functions more similar to the walking behavior of the normal person greatly helps the mobility activities of the disabled.

그러나 종래의 능동형 의족은 보행시 모터 구동장치에 걸리는 토크(힘)가 매우 크며, 이러한 토크로 인해 구동장치의 진동에도 큰 문제가 발생되고, 모터 구동장치의 구동을 위해 복잡한 제어기가 필요하게 됨으로써 제품 단가가 상대적으로 높은 문제점이 있다. 특히 종래의 능동형 의족은 작동기와 별도로 제어회로 구성에 따른 비용 증가와 에너지 소모의 비효율성에 의해 상용화에 대한 한계가 있었다. However, the conventional active prosthesis has a very large torque (force) applied to the motor drive when walking, and this torque causes a big problem in the vibration of the drive device, and a complicated controller is required to drive the motor drive device. There is a problem that the unit price is relatively high. In particular, the conventional active prosthesis has a limitation on commercialization due to the increase in cost and inefficiency of energy consumption separately from the actuator.

<선행문헌 1> : 대한민국 공개특허 제2015-0089201호(공개일 : 2015년 08월 05일)<Previous Document 1> Republic of Korea Patent Publication No. 2015-0089201 (published: August 05, 2015)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 작동장치나 제어장치와 같은 부속장치가 불필요하여 장치를 소형화할 수 있고 아울러 생산성과 제조단가를 낮출 수 있는 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention was devised to solve the above problems, and it is unnecessary to provide an accessory device such as an operating device or a control device, thereby miniaturizing the device and providing a femoral limb having an MR damper that can reduce productivity and manufacturing cost. It aims to do it.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 대퇴 연결부에 댐퍼가 연결되어 보행시 작용하는 반력을 완충할 수 있는 대퇴 의족으로서,상기 댐퍼는 내부에 MR 유체가 충전된 하우징; 상기 하우징 내부에 설치되고 일단이 상기 대퇴 연결부에 일단이 선회 가능하게 연결되고 타단에 비철 구간과 철(Fe) 구간이 수직으로 배치된 피스톤 영역이 구비된 상부 피스톤 부재; 상기 상부 피스톤 부재의 하부에 일단이 탄성부재를 통해 연결되고 타단이 지면에 위치하도록 구성된 하부 피스톤 부재; 및 상기 하부 피스톤 부재의 일단에 설치된 영구 자석을 포함하여 이루어진 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족이 제공된다. According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, as a femoral limb that can dampen the reaction force acting when walking is connected to the damper connected to the femoral, the damper is a housing filled with MR fluid therein; An upper piston member installed inside the housing, one end of which is pivotally connected to one end of the femoral connecting part and a non-ferrous section and an iron (Fe) section disposed vertically on the other end of the upper piston member; A lower piston member having one end connected to the lower portion of the upper piston member via an elastic member and the other end positioned on the ground; And there is provided a femoral leg with an MR damper comprising a permanent magnet installed on one end of the lower piston member.

상기 영구자석은 상기 상부 피스톤 부재의 상기 피스톤 영역에 형성된 비철 구간과 철(Fe)구간을 왕복하도록 설치된 것이 바람직하다. The permanent magnet is preferably installed to reciprocate the non-ferrous section and the iron (Fe) section formed in the piston region of the upper piston member.

상기 하부 피스톤 부재의 타단이 지면에서 떨어지면 상기 탄성부재의 탄성력에 의해 상기 상부 피스톤 부재로부터 상기 하부 피스톤 부재가 이격되어 상기 영구자석은 상기 피스톤 영역의 상기 철(Fe)구간에 위치하고, 상기 하부 피스톤 부재의 타단이 지면에 닿으면 상기 탄성부재의 탄성력에 반하여 상기 상부 피스톤 부재에 상기 하부 피스톤 부재가 밀착된 상태를 이루어 상기 영구자석이 상기 피스톤 영역의 상기 비철 구간에 위치하는 것일 수 있다. When the other end of the lower piston member falls from the ground, the lower piston member is spaced apart from the upper piston member by the elastic force of the elastic member so that the permanent magnet is located in the iron section of the piston region, and the lower piston member When the other end of the in contact with the ground, the lower piston member is in close contact with the upper piston member against the elastic force of the elastic member, the permanent magnet may be located in the non-ferrous section of the piston region.

본 발명에 따르면, 종래의 MR 댐퍼를 이용한 대퇴 의족에 있어서 전기 코일과 전류 인가 장치를 영구자석으로 대체하여, 기계적 매커니즘과 제어기 없이도 자기장이 인가된 온(on) 상태와 자기장이 인가되지 되지 않는 오프(off) 상태를 구현할 수 있어, 장치 구조를 단순화 하면서 장치의 소형화가 가능하고 생산단가를 낮출 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, in the femoral limb using the conventional MR damper by replacing the electric coil and the current applying device with a permanent magnet, the on state that the magnetic field is applied and the magnetic field is not applied without mechanical mechanism and controller (off) state can be implemented, the device structure can be simplified and the production cost can be reduced while simplifying the device structure.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족의 스텐스 단계에서의 상태를 보여주는 상태도,
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족의 스윙 단계에서의 상태를 보여주는 상태도,
도 3은 스탠스 단계에서의 보행주기에 따른 무릎 각도와 댐핑력의 상관관계를 각각 보여주는 그래프,
도 4는 스윙 단계에서의 보행주기에 따른 무릎 각도와 댐핑력의 상관관계를 각각 보여주는 그래프,
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족의 MR 댐퍼의 온(on) 모드를 나타내는 작동 상태도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족의 MR 댐퍼의 오프(off) 모드를 나타내는 작동 상태도, 및
도 7은 인간의 보행주기를 나타내는 예시도이다. 1 is a state diagram showing a state in the stance step of the femoral foot with an MR damper according to an embodiment of the present invention,
Figure 2 is a state diagram showing a state in the swing phase of the femoral limb with an MR damper according to an embodiment of the present invention,
3 is a graph showing the correlation between the knee angle and the damping force according to the walking period in the stance phase,
4 is a graph showing the correlation between the knee angle and the damping force according to the walking period in the swing phase, respectively;
5 is an operating state diagram showing an on mode of the MR damper of the femoral limb with an MR damper according to an embodiment of the present invention;
6 is an operational state diagram showing an off mode of the MR damper of the femoral limb with the MR damper according to an embodiment of the present invention, and
7 is an exemplary diagram illustrating a human walking cycle.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는다. 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 첨부된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the present invention. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. In addition, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning that is commonly understood by those of ordinary skill in the art. In the following description and the accompanying drawings, descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted. The accompanying drawings are provided by way of example so as to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms. Also, like reference numerals denote like elements throughout the specification. It should be noted that the same elements in the figures are represented by the same numerals wherever possible.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 대퇴 연결부(200)가 선회축(120)을 통해 연결되고 대퇴 연결부(200)에 MR 댐퍼(300)가 연결된 대퇴 의족이 제공된다. 도 1 및 도 2에서 L1은 넓적 다리를 기준으로 하는 가상선이고, L2는 무릎을 기준으로 하는 가상선이다. 1 and 2, the present invention provides a femoral limb in which the femoral connector 200 is connected through the pivot shaft 120 and the MR damper 300 is connected to the femoral connector 200. 1 and 2, L1 is an imaginary line based on the thigh leg, and L2 is an imaginary line based on the knee.

상기한 구성에 있어서 MR 댐퍼(300)는 하우징(30), 상부 피스톤부(10), 하부 피스톤부(20)를 포함한다. 여기서 하우징(30)의 내부에는 MR 유체(350; Magneto Rheological fluid; 자기유변유체)가 충전된다. In the above configuration, the MR damper 300 includes a housing 30, an upper piston portion 10, and a lower piston portion 20. In this case, the MR 30 is filled in the housing 30.

또한 상부 피스톤부(10)의 일단은 대퇴 연결부(200)에 선회가능하게 연결되고, 상부 피스톤부(10)의 타단에는 일정 지름을 갖는 피스톤 영역(11; 도 5 및 6)이 형성된다. 여기서 피스톤 영역(11)에는 복수의 MR 유로(21,22)가 형성된다. 또한 이 MR 유로(21,22)를 사이에 두고 외측으로는 하우징(30)의 내측면에 설치된 외부 피스톤 영역(11a,11b)이 형성된다. 이때 외부 피스톤영역(11a,11b)은 철(Fe) 성분을 함유하는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 도 5와 같이 영구자석(40)과의 자기장 패스(F1 및 F2)를 형성하기 위함이다(즉 자기장은 철재질로 이루어진 부재측으로 유도되는 작용을 이용함). In addition, one end of the upper piston portion 10 is pivotally connected to the femoral connection portion 200, and the other end of the upper piston portion 10 is formed with a piston region 11 (Figs. 5 and 6) having a predetermined diameter. Here, a plurality of MR flow paths 21 and 22 are formed in the piston region 11. In addition, outer piston regions 11a and 11b provided on the inner side of the housing 30 are formed on the outside with the MR flow passages 21 and 22 interposed therebetween. At this time, the outer piston regions (11a, 11b) is preferably made of a material containing an iron (Fe) component. This is to form magnetic field paths F1 and F2 with the permanent magnet 40 as shown in FIG. 5 (that is, the magnetic field uses the action directed to the member side made of steel).

또한 상부 피스톤부(10)의 피스톤 영역(11)은 상부의 비철 구간(15)과 하부의 철(Fe) 구간(16)으로 구성된다. 구체적으로 비철 구간(15)은 알루미늄 재질로 이루어진 구간이고, 철 구간(17)은 철(Fe) 성분으로 이루어진 구간으로서 서로 수직한 방향으로 형성되어 피스톤 영역(11)의 일부를 구성한다. In addition, the piston region 11 of the upper piston portion 10 is composed of an upper non-ferrous section 15 and a lower iron (Fe) section 16. Specifically, the non-ferrous section 15 is a section made of aluminum material, the iron section 17 is a section made of iron (Fe) component is formed in a direction perpendicular to each other to constitute a part of the piston region (11).

한편 하부 피스톤부(20)는 일단에 모형 발(60)이 연결되고 지면에 맞닿는 위치에 자리하도록 하우징(30)의 하부에서 일단이 노출된 상태로 설치되고, 하부 피스톤부(20)의 타단에는 영구자석(40)이 고정된다. 이때 영구자석(40)은 상부 피스톤부(10)의 하부 쪽에 위치되고 상부 피스톤부(10)의 피스톤 영역(11)에 형성된 비철 구간(15)과 철구간(16) 사이를 왕복하도록 이동될 수 있다. Meanwhile, the lower piston part 20 is installed with one end exposed at the lower part of the housing 30 such that the model foot 60 is connected to one end and is in contact with the ground, and the other end of the lower piston part 20 The permanent magnet 40 is fixed. At this time, the permanent magnet 40 is located on the lower side of the upper piston portion 10 and can be moved to reciprocate between the non-ferrous section 15 and the iron section 16 formed in the piston region 11 of the upper piston portion 10. have.

또한 영구자석(40)의 상면(도면에서 S극에 해당되는 상면)에는 스프링(50)의 일단이 연결되고 스프링(50)의 타단은 상부 피스톤부(10)의 피스톤 영역(11) 내에 위치된다. 결과적으로 상부 피스톤부(10)와 하부 피스톤부(20)는 스프링(50)에 의해 탄성지지된 상태로 서로 연결된다. In addition, one end of the spring 50 is connected to the upper surface (the upper surface corresponding to the S pole in the drawing) of the permanent magnet 40, and the other end of the spring 50 is located in the piston region 11 of the upper piston part 10. . As a result, the upper piston portion 10 and the lower piston portion 20 are connected to each other in an elastically supported state by the spring 50.

이러한 구성을 갖는 본 발명은 도 1과 같이 모형발(60)이 지면에 위치하는 경우(즉, 스텐스 단계)에는 넓적 다리 라인(L1)과 무릎 라인(L2)이 서로 거의 수직에 가까운 각도를 이루게 된다. 이 상태에서는 하중(체중)이 작용하여 상부 피스톤부(10)측으로 하부 피스톤부(20)가 상승하여 스프링(50)을 압축한 상태를 이루게 된다. In the present invention having such a configuration, when the model foot 60 is positioned on the ground as shown in FIG. do. In this state, a load (weight) acts to raise the lower piston portion 20 toward the upper piston portion 10 to achieve a state in which the spring 50 is compressed.

반대로 도 2와 같이 모형발(60)이 지면에서 떨어지는 경우(즉, 스윙 단계)에는 넓적다리 라인(L1)과 무릎 라인(L2)이 서로 큰 각도로 벌어진 상태를 이루게 된다. 이 상태에서는 수축된 상태의 스프링(50)의 복원력(탄성력)에 의해 상부 피스톤부(10)에서 하부 피스톤부(20)를 밀어내 서로 이격된 상태를 이루게 된다.On the contrary, as shown in FIG. 2, when the model foot 60 falls off the ground (that is, the swing stage), the thigh line L1 and the knee line L2 are separated from each other at a large angle. In this state, the lower piston portion 20 is pushed out of the upper piston portion 10 by the restoring force (elastic force) of the spring 50 in the contracted state, thereby achieving a state spaced from each other.

즉, 도 7과 같이 스탠스 단계에서는 하중에 의해 히부 피스톤(20)이 상부 피스톤(10) 측으로 상승되고, 이때 내부의 스프링(50)이 수축된 상태를 이룬다. 또한 하중에 의해 하부 피스톤부(20)가 스프링(50)의 탄성력을 극복(수축하는 방향으로 이동)하면서 상승되고 이때 영구자석(40)은 피스톤 영역(11)의 비철 구간(15) 내에 위치하게 된다. 이 상태에서는 도 5와 같이 자기장 패스(F1,F2)가 비철 구간(15)과는 멀고 철(Fe) 성분으로 이루어진 외부 피스톤 영역(11a)쪽의 흐름을 형성한다. 이에 따라 자기장 패스(F1,F2)는 도 5와 같이 양측 MR 유로(21,22)에 각각 형성되고, 이러한 자기장 패스(F1,F2)에 의해 MR 유로(21)를 통과하는 MR 유체(350)의 항복응력이 높아져 결과적으로 피스톤 영역(11)의 이동시 마찰력이 높아지고 이는 전체적인 댐핑력의 상승시키게 된다. That is, in the stance step as shown in FIG. 7, the lower piston 20 is raised to the upper piston 10 side by the load, and at this time, the inner spring 50 is contracted. In addition, the lower piston portion 20 is lifted while moving (overcoming in the contracting direction) of the elastic force of the spring 50 by the load, and the permanent magnet 40 is positioned in the non-ferrous section 15 of the piston region 11. do. In this state, as shown in FIG. 5, the magnetic field paths F1 and F2 form a flow toward the outer piston region 11a which is far from the non-ferrous section 15 and made of iron (Fe). Accordingly, the magnetic field paths F1 and F2 are formed in the respective MR flow paths 21 and 22 as shown in FIG. 5, and the MR fluid 350 passes through the MR flow path 21 by the magnetic field paths F1 and F2. As a result, the yield stress is increased, and as a result, the frictional force is increased when the piston region 11 moves, which increases the overall damping force.

즉, 도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 모형발(60)이 지면을 지지한 상태에서는, 하중이 크게 작용하게 되므로 ME 댐퍼(300)의 댐핑력을 증가시킨다. 즉 도 5와 같이 MR 유로(21) 측에 각각 자기장 패스(F1,F2)를 형성하는 것을 통해 댐핑력을 최대한으로 높게 설정할 수 있다. That is, referring to FIGS. 1 and 3 together, in the state in which the model foot 60 supports the ground, the load acts greatly, thereby increasing the damping force of the ME damper 300. That is, as shown in FIG. 5, the damping force can be set as high as possible by forming magnetic field paths F1 and F2 on the MR flow path 21 side, respectively.

반대로, 도 2 및 도 4를 참조하면, 모형발(60)이 지면에서 떨어지는 경우(스윙 단계)에서는 더이상 하중이 작용하지 않게 되어 수축된 상태의 스프링(50)의 탄성력에 의해 상부 피스톤부(10)에서 하부 피스톤부(20)를 밀어내는 방향으로 하부 피스톤부(20)가 하우징(30)의 내부에서 이동하게 된다. 이와 같이 하부 피스톤부(20)가 하강되면 하부 피스톤부(20)의 상부에 고정된 영구자석(40)은 피스톤 영역(11)의 하부에 위치한 철구간(16)으로 이동하여 위치된다. 이 상태에서는 영구자석(40)의 자기장 패스는 철에 가까운 쪽으로 흐르게 되므로 철 구간(16)측(영구자석의 내측)으로 형성된다. 이에 따라 하우징(30) 내부의 MR 유체(350)에 자기장의 영향이 거의 가해지지 않게 된다. 따라서 MR 유체(350)의 항복응력이 낮아져 전체적인 댐핑력이 저하된다(도 4의 그래프 참조). On the contrary, referring to FIGS. 2 and 4, when the model foot 60 falls off the ground (swing step), the load no longer acts and the upper piston part 10 is caused by the elastic force of the spring 50 in the contracted state. In the direction of pushing the lower piston 20 in the lower piston 20 is moved inside the housing (30). As such, when the lower piston part 20 is lowered, the permanent magnet 40 fixed to the upper part of the lower piston part 20 moves to the iron section 16 positioned below the piston region 11. In this state, the magnetic field path of the permanent magnet 40 flows closer to iron, and is thus formed on the iron section 16 side (inside of the permanent magnet). Accordingly, the influence of the magnetic field is hardly applied to the MR fluid 350 inside the housing 30. As a result, the yield stress of the MR fluid 350 is lowered, thereby lowering the overall damping force (see the graph of FIG. 4).

즉, 인간의 보행주기는 크게 0%부터 55%까지는 스텐스 단계(stance phase)이고, 55%부터 100% 까지는 스윙 단계(swing phase)로 구분할 수 있다(도 7참조). 여기서 스텐스 단계는 보행시 발을 지면에서 지지하는 동작이므로, 하중을 지지할 수 있도록 댐핑력이 크게 증대된다. 동시에 허벅지 각도와 무릎 각도(무릎 관절 각도)의 상대 각도는 스윙 단계보다는 작게 적용된다. That is, the human walking cycle may be largely divided into a stance phase of 0% to 55% and a swing phase of 55% to 100% (see FIG. 7). Since the stance step is an operation of supporting the foot on the ground during walking, the damping force is greatly increased to support the load. At the same time, the relative angles of the thigh and knee angles (knee joint angles) are smaller than the swing stage.

반면, 스윙 단계에서는 발을 지면에서 떨어뜨려 뻗거나 구부리는 동작을 하기 때문에 허벅지 각도와 무릎 각도의 상대각도가 스텐스 단계에서 보다 크게 적용된다. 그러나 댐핑력은 의족 내의 무릎관절의 역할을 하는 모터가 쉽게 회전해야 하기 때문에 거의 작용하지 않아야 한다(도 7 참조). 따라서 본 발명에서는 이를 온/오프 메커니즘을 통한 보행주기에 적용하였다. 즉, 스텐스 단계에서는 도 7과 같이 사람이 발을 지면에 딛는 상태이기 때문에 스프링(50)의 탄성력을 극복하면서 하부 피스톤부(20)가 상부 피스톤부(10)의 피스톤 영역(11)에 밀착되는 방향으로 이동된다. 이때 영구자석(40)은 철 구간(16)을 벗어나 비철 구간(15)에 도달하면, 도 5와 같이 자기장 영역(F1,F2)이 형성된 온(On) 상태가 된다. 그로 인해 MR 유체의 점도가 높아지고 항복응력이 높아지고, 결과적으로 댐핑력이 증가된다. On the other hand, in the swing phase, the relative angle between the thigh angle and the knee angle is applied to the stance phase because the foot is extended or bent from the ground. However, the damping force should hardly work because the motor, which acts as the knee joint in the limb, should easily rotate (see FIG. 7). Therefore, in the present invention, this was applied to the walking cycle through the on / off mechanism. That is, in the stainless steel step, as shown in FIG. 7, when the person rests on the ground, the lower piston part 20 is in close contact with the piston region 11 of the upper piston part 10 while overcoming the elastic force of the spring 50. Is moved in the direction. In this case, when the permanent magnet 40 reaches the non-ferrous section 15 out of the iron section 16, the permanent magnet 40 is in an on state in which magnetic field regions F1 and F2 are formed. This increases the viscosity of the MR fluid and the yield stress, which in turn increases the damping force.

반대로 스윙 단계에서는 지면에 발을 딛지 않은 상태(도 2의 상태)이므로 하부 피스톤부(20)가 하중을 받지 않는 상태가 된다. 이에 따라서 스프링 힘에 의해 하부 피스톤은 철구간(16)으로 내려오게 되어 자기장 패스가 철 구간(16)으로 유도되고, MR 유체(350)에 자기장이 가해지지 않게 됨으로써 항복응력이 낮아지게 되고, 결과적으로 댐핑력이 감소된다. 즉 스윙 단계에서는 무릎의 기능을 하는 모터부가 원활히 회전하도록 댐핑력이 작아질 필요가 있다. 이때 영구자석(40)의 크기를 조절하는 것으로 댐핑력을 조절하는 것도 가능하다. On the contrary, in the swinging step, the lower piston part 20 is in a state of not being loaded because it is in a state of not stepping on the ground (the state of FIG. 2). Accordingly, the lower piston lowers into the iron section 16 by the spring force, so that the magnetic field path is guided to the iron section 16, and the yield stress is lowered because the magnetic field is not applied to the MR fluid 350. This reduces the damping force. That is, in the swing phase, the damping force needs to be reduced so that the motor portion that functions as a knee rotates smoothly. At this time, it is also possible to control the damping force by adjusting the size of the permanent magnet 40.

이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다. While the invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, the invention is not limited to only the embodiments described above, and those of ordinary skill in the art to which the invention pertains may find the invention described in the claims below Various changes may be made without departing from the spirit of the technical idea of the invention.

10: 상부 피스톤부
11: 피스톤 본체
15: 비철 구간
16: 철(Fe)구간
20: 하부 피스톤부
21,22: MR 유로
30: 하우징
40: 영구자석
50: 스프링
60: 모형발
100: 본체
120: 선회축
200: 대퇴 연결부
300: MR 댐퍼
350: MR 유체10: upper piston part
11: piston body
15: non-ferrous section
16: Fe section
20: lower piston part
21,22: MR Euro
30: housing
40: permanent magnet
50: spring
60: model foot
100: main body
120: pivot
200: femoral connection
300: MR damper
350: MR fluid

Claims (3)

대퇴 연결부에 댐퍼가 연결되어 보행시 작용하는 반력을 완충하도록 구성된 대퇴 의족으로서,
상기 댐퍼는, 내부에 MR 유체가 충전된 하우징;
상기 하우징의 내부에 설치되고 일단이 상기 대퇴 연결부에 선회 가능하게 연결되고, 타단에 비철 구간과 철(Fe) 구간이 수직방향으로 배치된 피스톤 영역이 마련된 상부 피스톤 부재;
상기 상부 피스톤 부재의 하부에 일단이 탄성부재를 통해 연결되고, 타단이 지면에 위치하도록 구성된 하부 피스톤 부재; 및
상기 하부 피스톤 부재의 일단에 설치된 영구 자석을 포함하여 이루어지며,
상기 하부 피스톤 부재의 타단이 지면에서 떨어지는 경우, 상기 탄성부재의 탄성력에 의해 상기 상부 피스톤 부재로부터 상기 하부 피스톤 부재가 이격되어 상기 영구자석은 상기 피스톤 영역의 상기 철(Fe)구간에 위치하고,
상기 하부 피스톤 부재의 타단이 지면에 닿는 경우, 상기 탄성부재의 탄성력에 반하여 상기 상부 피스톤 부재에 상기 하부 피스톤 부재가 밀착된 상태를 이루어 상기 영구자석이 상기 피스톤 영역의 상기 비철 구간에 위치하는 것을 특징으로 하는 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족.A femoral limb configured to damp a reaction force when walking by connecting a damper to the femoral joint,
The damper may include a housing filled with MR fluid therein;
An upper piston member installed inside the housing, one end of which is pivotally connected to the thigh connecting part, and a piston region having a non-ferrous section and an iron (Fe) section disposed at the other end in a vertical direction;
A lower piston member having one end connected to the lower portion of the upper piston member via an elastic member and the other end positioned on the ground; And
It comprises a permanent magnet installed on one end of the lower piston member,
When the other end of the lower piston member falls from the ground, the lower piston member is spaced apart from the upper piston member by the elastic force of the elastic member so that the permanent magnet is located in the iron section of the piston region,
When the other end of the lower piston member touches the ground, the lower piston member is in close contact with the upper piston member against the elastic force of the elastic member, so that the permanent magnet is located in the non-ferrous section of the piston region Thigh limb with MR damper. 제1항에 있어서,
상기 영구 자석은 상기 상부 피스톤 부재의 상기 피스톤 영역에 형성된 비철 구간과 철(Fe) 구간을 왕복가능하도록 설치된 것을 특징으로 하는 MR 댐퍼가 구비된 대퇴 의족.The method of claim 1,
The permanent magnet is a femoral leg with an MR damper, characterized in that installed to reciprocate the non-ferrous section and the iron (Fe) section formed in the piston region of the upper piston member. 삭제delete
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