KR102295380B1 - 하이브리드형 의지 장치 - Google Patents

Abstract

하이브리드형 의지 장치가 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는, 무릎 위쪽에 위치되는 대퇴관절 연결부재와 연결된 무릎 조인트부재; 상기 무릎 조인트부재에 결합되어 상기 대퇴관절 연결부재에 대하여 피벗 회전 가능하게 형성되는 프레임으로서, 서로 이격 배치되는 제1플레이트 및 제2플레이트를 포함하며, 하부에 발목관절 연결부재를 구비하는 프레임; 상기 무릎 조인트부재에 연결된 제1엑추에이터를 포함하여 상기 무릎 조인트부재에 패시브 동력을 전달하는 패시브 구동모듈 및 상기 무릎 조인트부재에 선택적으로 액티브 동력을 전달하기 위하여 상기 무릎 조인트부재에 결합된 액티브 구동모듈을 포함한다.

Description

하이브리드형 의지 장치{Hybrid type prosthesis apparatus}

본 발명은 하이브리드형 의지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 패시브형 의지와 액티브형 의지의 장점을 조합하여 에너지 손실을 줄이면서도 보행조건에 따라 의지 착용자에게 필요한 힘을 적절하게 제공할 수 있는 하이브리드형 의지 장치에 관한 것이다.

대퇴의지와 같은 의족을 장착한 사람에게 있어, 정상인과 같이 자연스러운 걸음을 걷는 것은 기본적인 소원이다. 특히 의족을 장착한 사람이 좌우발을 교대로 내딛어 계단을 올라가거나 경사가 어느 정도 있는 비탈길을 걸어가는 것은 매우 어려운 일이다. 이 때, 낙상을 방지할 수 있는 확고한 무릎 제동 기능, 즉 굴곡 제어 성능은 의족을 착용한 가장 우선적으로 필요한 기능이다. 또한 체중을 위로 들어 올릴 수 있는 신전방향의 능동형 관절 토크가 제공될 수 있다면 계단이나 상방경사로를 극복하는데 큰 도움이 될 수 있다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 사람의 보행시 보행 구간은 발이 지면에 닿아 움직이는 입각기와, 발이 지면에서 떨어져 움직이는 유각기 구간으로 나뉜다. 정상인의 보행시 무릎은 입각기 구간에서 2번의 굴곡과 1번의 신장을 거치며, 유각기 구간에서 1번의 굴곡과 1번의 신장을 겪는다.

도 1을 참조하면, 대부분의 절단 장애인의 경우 보행시 스탠스 플렉션(stance flexion)이 없이 평 무릎 각도(flat knee angle)로 입각기를 지난 후 바로 유각기 구간으로 넘어가는 경우가 대부분이며, 의지를 착용한 쪽의 입각기가 불안하기 때문에 상대적으로 짧은 입각기를 가진다. 이것은 의지를 착용한 절단 장애인이 좌우 비대칭으로 보행하게 되는 근본적인 원인이 된다.

이와 같은 절단 장애인의 보행을 보다 자연스럽게 하기 위하여 개발되고 있는 절단 장애인용 의지 장치는 크게 패시브형 의지, 가변 댐핑형 의지 및 액티브형 의지로 나뉜다.

패시브형 의지는 유압실린더를 이용하여 절단 장애인의 보행시 유압 실린더에 의한 수동적인 힘만을 제공하는 것으로 기계적인 요소만으로 제작되고 보행 전에 매뉴얼 방식으로 관절 저항값을 조절할 수 있지만, 보행시에는 미리 세팅된 하나의 관절 저항값 만을 갖는다. 이와 같은 패시브형 의지는 기계적인 요소만으로 제작되므로 배터리 방전과 같은 문제가 없고, 의지의 신뢰성 및 내구성 측면에서 강점을 가진다. 하지만, 패시브형 의지는 보행시 수동으로 셋팅된 하나의 무릎 저항값만을 가지므로 보행 속도에 대한 적응 능력이 상대적으로 떨어지며, 비대칭 보행 패턴 및 힙 하이킹(hip hiking) 문제로 인해 건강한 사람들보다 60% 이상 더 많은 에너지를 소비하며, 보행 속도가 정상인보다 느려지는 단점을 갖는다.

가변 댐핑형 의지는 유공압 및 MR/ER 댐퍼의 댐핑값을 실시간으로 조절해 무릎 관절저항력을 보행 상황에 적합하게 실시간으로 조절하는 목표로 구성되는 의지이다. 현재 상용으로 가장 많이 사용되는 유압실린더를 적용한 가변 댐핑형 의지는 유압실린더 내부의 유압을 유압 노즐을 통해 실시간으로 조절함으로써 패시브형 의지와 비교할 때 무릎 안정성과 보행 속도 차이에 대한 적응력을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다. 하지만, 가변 댐팽형 의지 역시 수동형 기계 요소인 유압 실린더를 사용하므로 액티브 구동력을 제공할 수는 없다. 따라서 계단이나 경사를 걷거나 뛰어오르는 것과 같이 무릎에 신전(extension) 방향의 힘을 주어야 하는 상황에서 힘을 줄 수 없어 일상 생활에 필요한 힘을 모두 제공할 수 없는 단점을 갖는다.

액티브형 의지는 보행시 필요한 정도의 신전방향의 무릎 토크를 제공할 수 있는 구동 모터를 이용한 의지이다. 액티브형 의지는 경사로, 빠른 보행 등 큰 동력이 필요한 경우에도 적정한 힘을 제공할 수 있어 일상 생활의 대부분의 활동을 복원할 수 있다. 그러나, 액티브형 의지는 지속적으로 구동 모터를 이용하여 입각기 및 유각기 구간 동안 모두 의지를 동력을 사용해 움직이기 때문에 배터리의 소모가 커서 연속하여 오랜 기간동안 사용하는 것이 어렵다. 또한 큰 힘을 낼 수 있도록 하기 위해 동력부의 크기가 커지고 시스템의 제어가 복잡해지며 무게가 많이 나가는 단점을 갖는다.

따라서, 전술한 종래의 패시브형 의지, 가변 댐핑형 의지 및 능동형 의지의 단점을 보완하면서 절단 장애인이 평지뿐 아니라 계단이나 경사로와 같이 이동시 소정의 힘 이상의 동력이 필요한 경우에 적정한 동력을 제공해 줄 수 있고, 에너지 손실이 작아 오랜 시간 사용할 수 있는 의지 장치의 개발이 필요한 실정이다.
(특허문헌 1) KR10-2011-0074520 A
(특허문헌 2) JP2014-144037 A

본 발명의 일 실시예는 평지뿐 아니라 계단이나 경사로와 같이 이동시 의지 착용자에게 큰 힘이 필요한 경우 이동에 필요한 적정한 신전방향의 토크를 제공해 줄 수 있는 하이브리드형 의지 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 에너지 손실이 작아 오랜 시간 동안 사용할 수 있는 하이브리드형 의지 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에는 패시브형 의지와 액티브형 의지의 장점을 조합하여 에너지 손실을 줄이면서도 의지 착용자에게 필요한 힘을 적절하게 전달할 수 있는 하이브리드형 의지 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에는 패시브형 의지에 필요한 구동력과 액티브형 의지에 필요한 구동력을 동력손실없이 보다 효율적으로 전달할 수 있는 구동메카니즘과, 액티브형 의지에 필요한 구동력의 전달 및 차단을 정확하게 신속하게 제어할 수 있는 클러치 메카니즘을 구현할 수 있는 하이브리드형 의지 장치를 제공하고자 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 무릎 위쪽에 위치되는 대퇴관절 연결부재와 연결된 무릎 조인트부재; 상기 무릎 조인트부재에 결합되어 상기 대퇴관절 연결 부재에 대하여 피벗 회전 가능하게 형성되는 프레임으로서, 서로 이격 배치되는 제1플레이트 및 제2플레이트를 포함하며, 하부에 발목관절 연결부재를 구비하는 프레임; 상기 무릎 조인트부재에 연결된 제1엑추에이터를 포함하여 상기 무릎 조인트부재에 패시브 동력을 전달하는 패시브 구동모듈 및 상기 무릎 조인트부재에 선택적으로 액티브 동력을 전달하기 위하여 상기 무릎 조인트부재에 결합된 액티브 구동모듈을 포함하는 하이브리드형 의지 장치를 제공한다.

이 때, 상기 프레임의 제1플레이트와 제2플레이트는 서로 나란하게 배열되고, 상기 무릎 조인트부재는 상기 제1,2플레이트에 양단이 회전가능하게 조립되는 회전중심축을 갖추어 의지 착용자의 대퇴부와 대응하는 프레임의 일측에 회전가능하게 결합될 수 있다.

이 때, 상기 제1엑추에이터는 상기 무릎 조인트부재에 구비되는 핀연결부와 핀부재를 매개로 로드부가 회전가능하게 결합되고, 상기 발목관절 연결부재와 대응하는 프레임의 타측에 핀부재를 매개로 몸체부 단부가 회전가능하게 결합되는 실린더부재로 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 액티브 구동모듈은, 상기 무릎 조인트부재와 결합된 회전중심축에 구비되는 제1풀리와, 상기 발목관절 연결부재와 대응하는 프레임의 타측에 구비되는 풀리축에 구비되는 제2풀리와, 상기 제1풀리에 일단이 연결되고 상기 제2풀리에 길이중간이 감긴 다음 상기 제1풀리에 타단이 연결되는 일정길이의 구동 케이블 및 상기 구동 케이블을 액티브 구동시키기 위한 제2엑추에이터를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제1풀리는 상하합형 조립되는 하부풀리판과 상부풀리판을 포함하고, 상기 구동 케이블의 양단에 각각 구비되는 제1스토퍼와 제2스토퍼는 상기 하부풀리판의 일면에 함몰형성된 제1고정홈과 제2고정홈에 각각 대응삽입되어 고정될 수 있다.

이 때, 상기 하부풀리판의 일면에는 상기 제1,2고정홈에 양단이 걸림고정된 구동 케이블을 제1풀리의 외측으로 인출하도록 함몰형성되는 제1,2와이어배치홈을 구비할 수 있다.

이 때, 상기 제1풀리와 제2풀리와의 사이에는 상기 제2풀리에 감기는 구동 케이블의 진출입각도를 크게 할 수 있도록 상기 제2풀리에 인접하여 구비되는 제3풀리를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 액티브 구동모듈은 상기 제2엑추에이터의 구동력에 의해서 상기 제1풀리와 제2풀리와의 사이에 연결된 구동 케이블을 따라 왕복 직선이동되는 이동부와, 상기 이동부에 구비되는 제3엑추에이터의 구동력에 의해서 상기 제2엑추에이터의 동력을 구동 케이블에 선택적으로 전달하는 클러치 모듈을 포함할 수 있다.

이 때, 상기 이동부는 상기 제2엑추에이터의 구동력에 의해서 정방향 또는 역방향으로 회전구동되는 일정길이의 스크류축과, 상기 프레임의 하부레일에 활주이동가능하게 조립되고 상기 스크류축과 나사결합되는 왕복대를 포함하고, 상기 클러치 모듈은 왕복대에 구비되어 제3엑추에이터의 구동력에 의해서 구동 케이블의 이동방향에 대하여 직교하는 방향으로 왕복이동되는 제1클러치블럭과, 상기 프레임의 제1상부레일에 활주이동가능하게 구비되고, 상기 제1클러치블럭과 마주하여 접해지거나 이격되는 제2클러치블럭을 포함할 수 있다.

이 때, 상기 구동 케이블은 상기 제1풀리에 일단이 연결되고 상기 제2클러치블럭에 타단이 연결되는 제1구동 케이블과, 상기 제1풀리에 일단이 연결되고 상기 제2클러치블럭에 타단이 연결되는 제2구동 케이블로 이루어지는 분할형 케이블로 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 구동 케이블은 상기 제1풀리에 양단이 연결되고 상기 제1클러치블럭과 제2클러치블럭과의 사이에 배치되거나 상기 제2클러치블럭에 길이중간이 구속되는 단일 케이블로 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 스크류축의 일단은 프레임에 고정설치되는 제2엑추에이터와 제1동력전달부를 매개로 연결되고, 상기 제1동력전달부는 제2엑추에이터의 구동축에 구비된 구동풀리와 상기 스크류축의 일단에 구비된 피동풀리와의 사이를 연결하는 벨트부재를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제1클러치블럭은 왕복대에 이동가능하게 조립되는 안내바를 구비하고, 스크류부재와 나사결합되는 암나사부를 형성하는 연장관을 구비하며, 상기 제3엑추에이터는 상기 스크류부재와 제2동력전달부를 매개로 연결될 수 있다.

이 때, 상기 제2동력전달부는 제3엑추에이터의 구동축에 구비되는 구동기어와 기어물림되도록 상기 스크류부재의 일단 구비되는 피동기어를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 왕복대의 일측은 상기 제1상부레일과 나란하도록 프레임에 고정설치되는 제2상부레일에 활주이동가능하게 구비되는 가이더를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는, 일상적인 평지 보행시에는 패시브 구동모듈을 이용하여 보행하고, 경사로 보행, 계단 오르기와 같이 큰 힘이 필요한 이동시에는 액티브 구동모듈을 이용하여 이동함으로써 의지 착용자가 일상 생활에 필요한 힘을 보행조건에 맞추어 적정하게 제공받을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 패시브 구동모듈을 이용하는 경우 액티브 구동모듈을 사용하지 않기 때문에, 에너지 손실이 적어 오랫동안 사용할 수 있는 장점이 있다. 특히 평지보행, 하행 경사로 및 계단 보행이 경우는 온전히 패시브 구동모듈만을 이용해서 보행이 가능하므로 에너지 세이빙 효과가 크다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 액티브 구동모듈이 사용되지 않는 경우 구동모듈이 무릎 관절과 기구적으로 단절되어 있을 수 있는 클러치 구조를 가짐으로써 불필요한 동력 사용을 제한하여 사용수명을 연장할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 패시브 구동모듈을 이용하는 보행 중 계단이나 경사로 보행조건에서 액티브 구동모듈을 선택적으로 구동시켜 외력을 추가하여 인가할 수 있어 패시브 구동모듈의 과부하를 방지하고, 추력이 필요한 보행조건에서 적정한 동력을 제공하여 의지 착용자의 사용 만족도를 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 구동케이블이 감기어 안내이동시키는 풀리를 프레임에 다양하게 배치함으로써 구동 케이블의 작동시 소음발생을 줄이고, 구동원의 동력손실없이 원활하게 전달할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 액티브 구동모듈의 구동원에 의해서 작동되는 구동 케이블을 분할형 케이블로 구비하거나 단일형 케이블로 구비함으로써 엑티브 구동모듈의 구동원을 동력손실 없이 원활하게 제공할 수 있으며, 구성부품의 교체가 간편하여 보수유지가 용이하고, 구성부품의 손상이나 마모를 줄여 사용수명을 연장할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 한쌍의 클러치블럭을 접촉시키거나 이격시키는 클러치 모듈의 클러치 전환에 의한 패시브 구동모듈의 단독 구동과, 패시브 구동모듈과 엑티브 구동모듈의 복합구동의 모드전환을 정확하게 신속하게 수행할 수 있어 보행조건의 변화에 맞춘 신속한 모드전환이 가능하고, 의지 착용자의 사용 만족도를 높일 수 있다.

도 1은 사람의 보행시 입각기와 유각기에서의 무릎 각도 및 무릎 파워를 나타낸 도면이다. 실선은 정상인, 점선은 절단 장애인의 보행시 무릎각도를 의미한다.
도 2a 와 도 2b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 사시도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 분해 사시도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치에서 프레임이 분리제거된 상태의 사시도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 평면도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 제1풀리를 도시한 상세도이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 이동부와 클러치 모듈을 도시한 사시도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 클러치 모듈을 도시한 상세도이다.
도 9a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치에서 분할형 구동 케이블을 적용한 구성도이다.
도 9b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치에서 단일형 구동 케이블을 적용한 구성도이다.
도 10a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치에서 패시브 구동모듈을 이용하여 하이브리드형 의지 장치를 작동시키는 상태를 나타낸 개략도이다.
도 10b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치에서 액티브 구동모듈을 이용하여 하이브리드형 의지 장치를 작동시키는 상태를 나타낸 개략도이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 시스템 구성도이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 작동 방법을 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 2a 와 도 2b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 사시도이다. 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 분해 사시도이다. 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치에서 프레임이 분리 제거된 상태의 사시도이다.

도 2a, 도 2b, 도 3 및 도 4 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(100)는 프레임(110), 패시브 구동모듈(120) 및 액티브 구동모듈(140)을 포함할 수 있다.

프레임(110)은 하이브리드형 의지 장치(1)의 외부 하우징 혹은 의지 장치를 구성하는 필수적인 구성요소들이 배치되어 장착되는 골격을 형성하는 것으로, 예를 들어, 소정 형태의 판 형상으로 이루어질 수 있다.

즉, 프레임(110)은 일정간격을 나란하게 배치되는 제1플레이트(111)와 제2플레이트(112) 및 상기 제1,2플레이트(111,112)사이에 양단이 결합되어 이들을 일체로 연결하면서 이들간의 간격을 일정하게 유지하는 복수개의 연결바(113)를 포함한다.

상기 제1,2플레이트(111,112)는 상하 방향으로 연장되는 장방형 판체 형태로 이루어질 수 있는데, 본 실시예에서는 이해를 돕기 위하여 대략 사각 형태의 판 형상으로 도시하였으나, 프레임의 형태가 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 프레임(110)을 구성하는 제1,2플레이트(111,112)사이에 의지 장치를 구성하는 구성 요소인 패시브 구동모듈(120) 및 액티브 구동모듈(140)들이 배치되어 외부로부터 보호될 수 있다.

상기 프레임(110)이 의지 장치의 골격을 형성하는 경우에는 의지 장치를 구성하는 구성요소들(예를 들어, 후술하는 유압 실린더 및 케이블 등)이 프레임(110)에 설치된 상태에서 프레임(110) 및 구성 요소들을 외부환경으로부터 보호하기 위한 별도의 외장하우징(미도시)이 프레임(110)의 외부에 제공될 수 있다. 이 때, 별도의 외장하우징은 인체의 하퇴 형태와 유사하게 곡면 형태를 갖도록 이루어질 수 있다.

한편, 본 실시 예에서 의지 착용자의 대퇴부와 대응하는 프레임(110)의 일측에는 무릎 조인트부재(121)가 배치된다. 무릎 조인트부재(121)는 본 발명의 하이브리드형 의지 장치가 의지 착용자에 장착된 상태에서 무릎 관절을 형성하는 부분이다.

도 2a, 도 2b 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 조인트부재(121)는 상기 프레임(110)의 제1,2플레이트(111,112)에 양단이 회전가능하게 결합되는 회전중심축(123)을 구비하고, 의지 착용자의 대퇴부 하측에 고정되는 소켓과 같은 구조체에 결합될 수 있는 대퇴 관절 연결부재(122)를 구비하여 의지 착용자의 대퇴부와 대응하는 프레임(110)의 일측에 배치되는 구조물이다.

대퇴관절 연결부재(122)는 무릎 조인트부재(121)의 일측면으로부터 의지 착용자의 대퇴부 측으로 향하여 돌출된 돌출부 형태로 이루어질 수 있으나, 이러한 대퇴관절 연결부재(122)의 형태는 대퇴관절 연결부재(122)가 결합되는 의지 착용자의 소켓 혹은 대퇴부 측 결합부의 형태에 따라 다양하게 이루어질 수 있다.

이 때 대퇴관절 연결부재(122)는 무릎 조인트부재(121)의 외부면에 일체로 구비되는 일체형으로 구비되거나 별도의 연결구조에 의하여 착탈가능한 분리형으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대퇴관절 연결부재(122)가 의지 착용자의 대퇴부 소켓에 연결된 상태에서 무릎 조인트부재(121)는 무릎 관절의 역할을 수행하고, 프레임(110)이 무릎 조인트부재(121)에 대하여 피벗 회전함으로써 무릎의 굴곡 작용이 이루어질 수 있다.

도 2a, 도 2b 및 도 3에서 볼 때, 의지 착용자의 발목과 대응하는 프레임(110)의 타측에는 발목관절 연결부재(119)가 구비됨으로써 프레임(110)은 의지 착용자의 발목 관절과 연결된다. 상기 발목관절 연결부재(119)는 발목관절과 연결되는 연결공을 관통형성한 판 형태로 이루어질수 있으나 이러한 발목관절 연결부재(119)의 형태는 발목관절 연결부재(122)가 결합되는 의지 착용자의 소켓 혹은 발목 측 결합부의 형태에 따라 다양하게 이루어질 수 있다.

상기 발목관절 연결부재(119)는 프레임(110)의 제1,2플레이트(111,112)들사이를 연결하는 한쌍의 연결바(113,113)들사이에 양단이 일체로 연결되는 판체로 구비되는 것으로 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니며 제1,2플레이트사이에 양단이 일체로 연결되는 판체로 이루어질 수 있다.

즉, 의지 착용자의 대퇴부와 대응하는 프레임(110)의 일측인 상부에는 의지 착용자의 대퇴부와 연결되는 대퇴관절 연결부재(122)를 구비하는 무릎 조인트부재(121)가 상기 프레임의 제1,2플레이트에 회전중심축(123)을 중심으로 하여 회전가능하게 조립되고, 의지 착용자의 발목과 대응하는 프레임(110)의 타측인 하부에는 프레임에 일체로 결합되어 의지착용자의 발목과 연결되는 발목관절 연결부재(119)를 구비한다.

이에 따라, 의지 착용자는 프레임의 상부 측에 구비되는 무릎 조인트부재의 대퇴관절 연결부재를 신체 대퇴부와 연결하고, 프레임의 하부 측에 구비되는 발목관절 연결부재를 인공구조물인 인공 발목에 연결하여 착용하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 의지 착용자의 보행조건에 맞추어 무릎 조인트부재(121)에 회전력과 같은 토크를 인위적으로 부가하기 위하여, 프레임(110)에는 패시브 구동모듈(120) 및 액티브 구동모듈(140)이 각각 설치된다.

패시브 구동모듈(120)은 회전중심축(123)을 중심으로 프레임(110)에 회전가능하게 설치되는 무릎 조인트부재(121)와 연결되는 제1엑추에이터(124)를 포함한다.

제1엑추에이터(124)는 작동유와 같은 유체가 유출입될 수 있는 내부 공간을 구비한 몸체부(124a) 및 몸체부(124a)의 내,외부에 유체가 유출입됨에 따라 몸체부의 내부에서 왕복이동되는 피스톤과 연결되어 왕복작동되는 로드부(124b)를 포함하는 유압실린더부재로 이루어질 수 있다.

의지 착용자의 대퇴부와 대응하는 제1엑추에이터(124)의 일단부인 로드부(124b)는 상기 무릎 조인트부재(121)의 일측에 돌출형성되는 핀연결부(121a)와 핀부재(125)를 매개로 하여 회전가능하게 조립되고, 의지 착용자의 발목과 대응하는 제1엑추에이터(124)의 몸체부(124a) 단부는 프레임(110)에 다른 핀부재를 매개로 하여 회전가능하게 조립된다.

유압 실린더로 이루어지는 제1엑추에이터(124)의 양 단부 중 일단부인 로드부(124b)가 무릎 조인트부재(121)의 일측에 힌지핀을 매개로 하여 결합되고, 몸체부 단부가 프레임(110)에 회전가능하게 결합됨으로써, 제1엑추에이터의 로드부가 전진작동되거나 후진복귀작동될 때 대퇴부와 연결된 무릎 조인트부재(121)에 대하여 상대적으로 프레임(110)을 피벗 회전할 수 있게 된다. 이 때 제1엑추에이터의 부착 위치 및 로드부의 왕복이동범위는 인체 보행시의 무릎각도 회전범위를 기초로 설정된다.

본 발명의 일 실시예에서, 유압 실린더로 이루어지는 제1엑추에이터(124)는 공지된 방식으로 일정 압력의 패시브 힘을 무릎 관절기능을 수행하는 무릎 조인트부재에 제공하도록 형성되거나 또는 공지된 가변 댐핑형으로 이루어져 유압 실린더 내부의 유압의 크기를 제어하도록 이루어짐으로써 패시브형 모듈이 사용되는 경우의 댐핑력이 보행 주기를 고려하여 적정하게 조절되도록 이루어질 수 있다.

제1엑추에이터(124)에는 몸체부(124a) 내부 또는 외부에 유압을 조절하기 위한 유체 제어 밸브 등이 설치될 수 있으며, 제1엑추에이터의 내부로 유체를 공급하거나 배출시키기 위한 추가적인 구성이 추가로 구비될 수 있다.

이와 같은 패시브 구동을 제어하기 위하여 유압 실린더로 이루어지는 제1엑추에이터의 구체적인 구성은 공지된 구성을 적용할 수 있는 바 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(100)에서 패시브 구동모듈과 더불어 구비되는 액티브 구동모듈(140)은 무릎 조인트부재(121)에 액티브 동력을 전달하기 위한 것으로, 제1풀리(141), 제2풀리(142), 구동 케이블(143) 및 제2엑추에이터(144)를 포함할 수 있다.

제1풀리(141)는 무릎 조인트부재(121)와 결합된 회전중심축(123)과 동심축 상으로 배치되고, 상기 무릎 조인트부재(20)와 동시에 회전가능하도록 상기 회전중심축(123)에 결합되는 회전체로 구비된다. 일 예로, 제1풀리(141)는 상기 회전중심축과 결합되는 무릎 조인트부재(121)와 일체로 형성되거나 별개의 부재로 이루어질 수 있다.

제2풀리(142)는 상기 프레임(110)의 타측인 하부측에 회전가능하게 설치되며, 제2풀리(14)는 제1풀리(141)와 동일한 외경을 갖거나 상대적으로 작은 외경을 갖는 회전체로 이루어질 수 있다.

제1풀리(141)는 무릎 조인트부재(121)와 결합되는 회전중심축(123)에 조립되고, 제2풀리(142)는 발목관절 연결부재(119)와 인접하도록 프레임(110)의 제1,2플레이트(111,112)에 양단이 결합되는 풀리축(142a)에 회전가능하게 조립된다.

구동 케이블(143)은 제1풀리(141)에 일단이 연결되고 상기 제2풀리(142)의 외주면에 함몰형성된 외주홈에 길이중간이 감긴 다음 상기 제1풀리(141)에 타단이 연결되는 일정길이의 와이어케이블로 이루어질 수 있다.

이러한 구동 케이블(143)은 후술하는 제2클러치블럭에 구속되는 일정길이의 제1,2구동 케이블(143a,143b)로 이루어지는 분할형 케이블로 이루어지는 것으로 도시하고 설명하였지만 후술하는 제1클러치블럭과 제2클러치블럭과의 사이에 개재되는 일련의 단일형 케이블로 이루어질 수 있다.,

이 때, 상기 제1풀리(141)는 도 6에 도시한 바와 같이, 복수개의 체결부재에 의해서 상하합형 조립되는 하부풀리판(141a)과 상부풀리판(141b)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 구동 케이블(143)의 일단에 구비되는 제1스토퍼(147a)는 상기 하부풀리판의 일면에 함몰형성된 제1고정홈(144a)에 대응삽입되어 고정될 수 있다.

한편, 상기 구동 케이블(143)의 타단에 구비되는 제2스토퍼(148a)는 상기 제1고정홈(144a)과 대략 180도의 위상차를 두고 상기 하부풀리판의 일면에 함몰형성된 제2고정홈(144b)에 대응삽입되어 고정될 수 있다.

또한, 상기 하부풀리판(141a)의 일면에는 상기 제1,2고정홈(144a,144b)에 양단이 걸림고정된 구동 케이블(143)을 제1풀리의 외측으로 인출하도록 함몰형성되는 제1,2와이어안내홈(144c,144d)이 구비된다.

상기 제1,2와이어안내홈(144c,144d)은 제1풀리의 외측으로 인출하는 구동 케이블의 인출부위가 곡선상으로 접해지면서 길이중간이 최대한 근접하도록 하부 풀리판의 일면에 대략 S 자형으로 함몰형성될 수 있다.

이 때, 상기 제1,2고정홈 및 제1,2와이어배치홈은 상기 상부풀리판과 마주하는 하부풀리판의 일면에 형성되어 구동 케이블의 양단이 연결되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 하부풀리판과 마주하는 상부풀리판의 일면에 형성되어 구동 케이블의 양단이 연결될 수 있다.

그리고, 상기 제1풀리(141)와 제2풀리(142)와의 사이에는 상기 제2풀리의 외주면에 감기어 진행하는 구동 케이블(143)의 진출입각도를 크게 할 수 있도록 상기 제2풀리에 인접하여 배치되는 제3풀리(145)가 구비될 수 있다.

상기 제3풀리(145)는 프레임의 제1,2플레이트에 양단이 고정되는 풀리축(145a)에 회전가능하게 조립되고, 이러한 풀리축(145a)은 제1엑추에이터(124)의 몸체부(124a) 일단을 회전가능하게 지지하는 축부재로 이루어져 상기 제3풀리와 제1엑추에이터의 몸체부를 동시에 회전가능하게 지지하는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 독립적인 축부재로 이루어질 수 있다.

상기 제1풀리에 양단이 연결된 구동 케이블(143)이 서로 인접하는 제2, 3풀리에 동시에 감기는 경우, 상기 제2풀리에만 구동 케이블이 감기어 진행하는 것에 비하여 구동 케이블의 진입출입각도를 크게 형성할 수 있어 구동 케이블과의 마찰저항에 의한 소음발생을 줄일 수 있고, 제2엑추에이터의 동력에 의해서 직선왕복이동을 하는 구동 케이블의 이동효율을 높일 수 있다.

이에 따라, 제1풀리(141)에 양단이 연결된 구동 케이블(143)이 제2풀리(142)에 감겨짐으로써, 제1풀리와 제2풀리사이에 구비된 구동 케이블(143)의 길이중간에 전달되는 외력에 의해서 구동 케이블을 직선이동시키게 되면 제1풀리(141)는 무릎 조인트부재와 더불어 구동 케이블의 직선이동방향에 따라 정방향 또는 역방향으로 회전되기 때문에 무릎 조인트부재(121)에 액티브 힘을 인가할 수 있는 것이다.

한편, 상기 액티브 구동모듈(140)은 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4 및 도 5 에 도시한 바와 같이, 상기 제2엑추에이터(144)의 구동력에 의해서 상기 제1풀리(141)와 제2풀리(142)와의 사이에 연결된 구동 케이블(143)을 따라 직선방향으로 왕복이동되는 이동부(150)와, 상기 구동 케이블(143)에 제2엑추에이터(144)의 동력을 선택적으로 전달하는 클러치 모듈(160)을 포함한다.

상기 이동부(150)는 도 7 에 도시한 바와 같이, 상기 제2엑추에이터(144)의 구동력에 의해서 정방향 또는 역방향으로 회전구동되는 일정길이의 스크류축(153)을 포함하고, 상기 스크류축에 나사결합되는 암나사부를 갖추고, 상기 프레임의 하부레일(155)에 활주이동가능하게 조립되는 왕복대(154)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 스크류축(153)은 프레임(110)의 제1,2플레이트 중 일측 플레이트(112)에 고정설치되는 제1,2고정블럭(151,152)에 양단이 회전가능하게 지지되는 축부재이며, 상기 스크류축의 일단은 프레임에 고정설치되는 제2엑추에이터(144)와 제1동력전달부(146)를 매개로 하여 연결된다.

상기 제1동력전달부(146)는 모터부재로 이루어지는 제2엑추에이터(144)의 구동축에 구비된 구동풀리(146a)와 상기 스크류축(153)의 일단에 구비된 피동풀리(146b)와의 사이를 연결하는 벨트부재(146c)로 구비되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 구동기어와 피동기어와의 기어물림으로 이루어지거나 랙기어와 피니언기어와의 기어물림과 같은 기어물림 동력전달구조로 이루어질 수 있다.

상기 클러치 모듈(160)은 왕복대(154)에 구비되어 제3엑추에이터(161)의 구동력에 의해서 구동 케이블(143)의 이동방향에 대하여 직교하는 방향으로 왕복이동되는 제1클러치블럭(163)을 포함하고, 상기 프레임(110)에 설치되는 제1상부레일(167)에 활주이동가능하게 구비되고, 상기 제1클러치블럭(163)과 마주하여 제3엑추에이터의 구동력에 의해서 왕복이동되는 제1클러치블럭(163)과 접해지거나 이격되는 제2클러치블럭(166)을 포함한다.

상기 제1클러치블럭(163)과 제2클러치블럭(166)은 서로 마주하여 대응하는 일면에 접촉시 슬립현상을 방지하도록 톱니부를 형성하거나 고무소재와 같은 마찰재를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 제3엑추에이터(161)는 왕복대에 고정설치되는 구동모터로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 제1클러치블럭(163)은 왕복대에 이동가능하게 조립되는 안내바(163b)를 구비할 수 있고, 스크류부재(165)와 나사결합되는 암나사부를 형성하는 연장관(163a)을 구비할 수 있다.

이러한 제3엑추에이터(161)는 상기 스크류부재(165)와 제2동력전달부(162)를 매개로 하여 구동력을 전달할 수 있도록 연결될 수 있다.

상기 제2동력전달부(162)는 구동모터로 이루어지는 제3엑추에이터의 구동축에 구비되는 구동기어(162a)와 상기 스크류부재(165)의 일단 구비되어 구동기어와 기어물림되는 피동기어(162b)로 이루어지는 동력전달구조로 구비되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 구동풀리와 피동풀리와의 사이에 벨트부재가 연결되는 동력전달구조로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 구동 케이블(143)은 도 9a 에 도시한 바와 같이, 제1구동 케이블(143a)과 제2구동 케이블(143b)로 분할되는 분할형 케이블로 구비되어 상기 클러치 모듈의 제2클러치블럭을 매개로 연결되어 제2클러치블럭에 구속될 수 있다.

상기 제1구동 케이블(143a)은 상기 제1풀리의 제1걸림홈(144a)에 걸림연결되는 제1스토퍼(147a)를 일단에 구비하고, 상기 제2클러치블럭(166)에 함몰형성된 장홈(166a)의 일단에 걸림연결되는 제1멈춤쇠(148a)를 타단에 구비하여 상기 제2풀리 및 제3풀리에 감기는 장선형 케이블로 이루어질 수 있다.

상기 제2구동 케이블(143b)은 상기 제1풀리의 제2걸림홈(144b)에 걸림연결되는 제2스토퍼(147b)를 일단에 구비하고, 상기 제2클러치블럭(166)의 장홈(166a)의 타단에 걸림연결되는 제2멈춤쇠(148b)를 타단에 구비하여 상기 제1구동 케이블 보다 상대적으로 짧은 길이를 갖는 단선형 케이블로 이루어질 수 있다.

다른 예로서, 상기 구동 케이블(143)은 도 9b 에 도시한 바와 같이, 상기 제1풀리에 양단이 연결되고 상기 제1클러치블럭과 제2클러치블럭과의 사이에 배치되는 일정길이의 단일한 케이블로 이루어짐으로써 상기 제1클러치 블록의 왕복이동위치에 따라 제2클러치블럭과의 사이에서 맞물려지거나 이격될 수 있다.

이에 따라, 상기 제3엑추에이터(161)의 구동력에 의해서 정방향으로 스크류부재가 정회전되면, 스크류부재와 나사결합되는 제1클러치블럭(163)은 마주하는 제2클러치블럭 측으로 근접하도록 이동되기 때문에, 제1클러치블럭과 제2클러치블럭이 서로 접하여 동력전달이 가능하도록 맞물리게 되며, 이러한 상태에서 제2클러치블럭에 구속되거나 제1,2클러치블럭사이에 개재되는 구동 케이블(143)은 제2엑추에이터의 구동력에 의해서 직선이동될 수 있다.

이 때, 구동 케이블(143)의 직선이동거리는 제2엑추에이터의 구동력에 의해서 이동되는 왕복대의 이동거리와 동일하며, 이러한 구동 케이블(143)의 이동되는 거리, 속도 및 이동하는 방향에 따라 제1풀리의 회전방향, 회전속도 및 각도가 달라지게 됨으로써, 이러한 제1풀리와 연계된 무릎 조인트부재(121)의 굴곡 각도 및 속도가 달라지게 된다.

반면에, 상기 제3엑추에이터(161)의 구동력에 의해서 역방향으로 스크류부재(165)가 역회전되면, 스크류부재와 나사결합되는 암나사부를 갖는 제1클러치블럭(163)은 마주하는 제2클러치블럭(166)으로부터 멀어지는 방향으로 이동되어 이격되기 때문에 제2엑추에이터의 구동력에 의한 구동 케이블의 직선이동을 차단하게 된다.

즉, 제1,2클러치블럭(163,166)이 서로 접해지는 경우, 이러한 경우를 클러치 '온'된 상태로서 제2엑추에이터(144)의 구동력에 의해서 제1,2클러치블럭 및 왕복대가 동시에 동일한 방향으로 이동되면서 구동 케이블(143)의 직선이동이 가능하도록 액티브 동력이 전달될 수 있는 상태로 규정할 수 있다.

이와 반대로, 제1,2클러치블럭(163,166)이 서로 분리되어 이격된 경우, 이러한 경우는 제1클러치블럭과 제2클러치블럭이 기계적으로 서로 분리되어 서로 동시에 움직일 수 없게 되어 클러치 '오프'된 상태로서 제2엑추에이터의 구동력이 구동 케이블(143)에 전달될 수 없는 상태로 규정할 수 있다.

그리고. 상기 제1,2클러치블럭(163,166)이 접해지는 클러치 '온'된 상태에서, 상기 제2엑추에이터(144)가 작동되면, 상기 스크류축과 나사결합되는 왕복대는 하부레일(155)을 따라 직선이동되고, 상기 클러치 모듈의 제2클러치블럭(166)은 상기 프레임(110)의 제1,2플레이트 중 일측 플레이트에 설치되는 제1상부레일(167)을 따라 활주이동된다.

이 때, 상기 왕복대의 일측은 상기 제1상부레일(167)과 나란하게 배치되도록 상기 프레임에 고정설치되는 제2상부레일(156)에 활주이동가능하게 구비되는 가이더(157)를 갖춤으로써, 상기 제2엑추에이터(144)의 구동력에 의한 왕복대의 직선이동과 더불어 제2클러치블럭에 구속되거나 제1,2클러치블럭사이에 물려진 구동 케이블의 직선이동을 보다 안정적으로 수행할 수 있다.

도 10a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치에서 패시브 구동모듈을 이용하여 하이브리드형 의지 장치를 작동시키는 상태를 나타낸 개략도이며, 도 10b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치에서 액티브 구동모듈을 이용하여 하이브리드형 의지 장치를 작동시키는 상태를 나타낸 개략도이며, 도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 시스템 구성도이며, 도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 작동 방법을 나타내는 순서도이다.

한편, 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(100)는 패시브 구동모듈(120), 액티브 구동모듈(140) 및 클러치 모듈(160)을 독립적으로 또는 복합적으로 작동시킬 수 있도록 센서부(171) 및 제어기(170)를 포함할 수 있다.

센서부(171)는 패시브 구동모듈(120) 및 액티브 구동모듈(140)이 각각 작동해야 하는 시작 시점 및 종료 시점을 감지하기 위한 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 이와 같은 센서들은 예를 들어, 무릎의 각도 및 회전 속도를 측정하기 위한 센서, 의지 착용자의 이동 속도를 감지하기 위한 센서, 무릎의 높이를 측정하기 위한 센서, 무릎에 작용하는 힘을 측정하기 위한 센서 등을 포함할 수 있으나, 센서의 종류가 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 센서부(171)에서 측정된 센싱 값을 이용하여 패시브 구동모듈(120), 액티브 구동모듈(140) 및 클러치 모듈(160) 중 적어도 어느 하나를 작동시키기 위하여 제어기(170)가 구비될 수 있다. 제어기(170)는 공지의 PCB 기판에 설치된 집적 회로 형태의 데이터 처리 장치로 구현될 수 있으며, 센서부(171), 패시브 구동모듈(120), 액티브 구동모듈(140) 및 클러치 모듈(160)과 유선 혹은 무선 통신에 의하여 데이터를 송수신할 수 있다.

도 12 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(100)를 장착한 사용자가 보행하는 동안 의지 장치의 센서부(171)에서는 센싱값을 측정한다. 이 때, 측정된 센싱값에 따라 제어기(170)에서는 액티브 구동모듈(140)의 제2엑추에이터(144)를 구동해야 하는지 혹은 액티브 구동모듈(140)의 제2엑추에이터를 구동하지 말아야 하는지 여부를 판단한다.

또한, 제어기(170)는, 액티브 구동모듈(140)이 필요 없는 경우, 예를 들어 평지 보행과 같이 많은 힘이 필요하지 않은 경우에는 클러치 모듈(160)을 오프시켜, 패시브 구동모듈(120)의 제1엑추에이터(124)에서 제공되는 구동력에 의해서만 보행이 이루어질 수 있도록 한다.

도 10a 에는 클러치 모듈(160)이 클러치 '오프' 된 상태에서 패시브 구동모듈(120)의 제1엑추에이터에 의하여만 구동이 이루어지는 상태가 도시되어 있다.

도 10a을 참조하면, 의지 착용자의 보행시 플랙션(flexion) 상태에서는 유압 실린더로 이루어지는 제1엑추에이터의 로드부가 도면상 하방으로 후진작동함으로써, 도 10a 에서 볼 때, 반시계 방향으로 대퇴부에 대하여 상대적으로 무릎 조인트부재(121)가 회전하게 된다.

그리고, 익스텐션(extension) 상태에서는 제1엑추에이터의 로드부가 도면상 상방으로 전진작동됨으로써, 도 10a에서 볼 때 시계방향으로 대퇴부에 대하여 상대적으로 무릎 조인트부재(121)가 회전하게 된다.

이 때, 제1엑추에이터(124)는 패시브 힘을 무릎 조인트부재(121)에 부여하여 의지 착용자가 보행하는 동안 최소한의 동력으로 혹은 동력을 사용하지 않고 보행할 수 있도록 한다.

패시브 구동모듈(120)이 작동하는 동안 클러치 오프된 상태에서 구동 케이블(143)은 서로 이격된 제1클러치블럭과 제2클러치블럭과의 사이에 배치된 상태를 유지함에 따라, 제1엑추에이터(124)의 작동에 따라 제1풀리(141)에 양단이 연결된 구동 케이블은 제2풀리(142)에 감긴 상태로 수동적으로 무릎 조인트부재의 회전 이동량에 맞추어 이동하게 된다.

패시브 구동모듈(120)이 작동되는 상태에서 지속적으로 센서부(171)에서는 센싱값을 측정하며, 의지 착용자가 보행하는 동안 지속적으로 패시브 구동모듈(120)의 제1엑추에이터에서 제공되는 구동력 만을 이용하여 보행을 할지 혹은 액티브 구동모듈(140)을 추가적으로 작동시켜야 하는지 여부를 판단하게 된다.

의지 착용자가 보행하는 동안 액티브 동력이 필요한 경우라고 제어기(170)가 판단한 경우, 예를 들어, 경사면을 보행하거나, 뛰거나 혹은 계단을 올라가는 동작을 수행하는 경우라고 판단한 경우에는 제어기(170)가 클러치 모듈(160)을 온 시키도록 제3엑추에이터에 전원을 인가하고, 액티브 구동모듈(140)의 제2엑추에이터에 전원을 인가하여 구동시킨다.

이러한 액티브 구동모듈(140)이 구동되는 동작은 도 10b 에 도시한 바와 같이, 클러치 모듈(160)이 '온' 상태로 전환되면, 구동 케이블(143)은 제3엑추에이터의 구동력에 의해서 제1,2클러치블럭이 물려지며, 이러한 클러치 ' 온 ' 상태에서 제2엑추에이터의 구동력에 의해 구동 케이블은 왕복대와 더불어 동일한 직선방향으로 이동하게 된다.

도 10b 를 참조하면, 의지 착용자의 보행시 플랙션(flexion) 상태에서는 구동 케이블(143)이 상방향으로 이동하면서 무릎 조인트부재와 결합된 제1풀리(141)를 반시계 방향으로 회전이동시키고, 이와 같이 제1풀리(141)가 회전이동됨에 따라 무릎 조인트부재(121)는 프레임에 대하여 상대적으로 반시계 방향으로 이동되는 힘을 받아 움직인다.

또한 의지 착용자의 보행시 익스텐션(extension) 상태에서는 구동 케이블(143)이 하방향으로 이동하면서 제1풀리(141)를 시계방향으로 회전이동시키고, 이와 같이 제1풀리(141)가 회전이동함에 따라 무릎 조인트부재(20)는 프레임에 대하여 상대적으로 시계방향으로 이동되는 힘을 받아 움직인다.

이와 같이 액티브 구동모듈(140)이 액티브 동력을 제1풀리(141)를 통하여 무릎 조인트부재(121)에 부가하는 동안 패시브 구동력을 부가하였던 제1엑추에이터(124는 액티브 구동력의 반력으로 작용하여 무릎 조인트부재(121)의 회전력에 댐핑력을 부가한다.

이에 따라 액티브 구동모듈(140) 작동시에는 액티브 구동력과 댐핑력이 함께 무릎 조인트부재(121)에 작용하여 의지 착용자의 움직임을 보다 원활하게 할 수 있다.

한편, 액티브 구동모듈(140)을 구동하여야 하는 경우에 있어서, 특수한 상황, 예를 들어, 계단을 올라가야 하는 경우와 같이 특정 이상의 힘이 필요한 경우임에도 불구하고, 해당 상황임을 센서부(171)의 센싱만으로 판단하기 어려운 경우에는, 제어기(170)가 이와 같은 특수 상황을 인식할 수 있도록 하기 위하여 특정 트리거 신호를 발생시키는 것도 가능하다.

예를 들어 의지 착용자는 계단 앞에서 발 뒤꿈치로 바닥을 가볍게 탭하는 동작을 2회 반복할 수 있다. 이와 같이 발 뒤꿈치로 바닥을 가볍게 탭하는 동작이 2회 이루어졌음이 제어기(170)에서 감지될 경우 제어기에서 의지 착용자가 계단을 올라갈 것임을 인지하고 클러치 모듈을 온시킨 후 액티브 구동모듈을 작동시킬 수 있다. 이러한 트리거 움직임은 다양한 방식으로 설정이 가능하다.

액티브 구동모듈(140)이 구동되는 상태에서 지속적으로 센서부(171)에서 센싱값을 측정하며, 이와 같이 센서부(171)에서 센싱값을 측정하는 동안 다시 패시브 구동모듈(120)만으로 보행이 가능한 상태라고 인식하게 되면 액티브 구동모듈(140)의 작동을 멈추고 클러치 모듈(160)을 오프 상태로 유지시킨 후 패시브 구동모듈(120)을 작동시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(100)는 패시브 구동모듈(120)만을 구동시켜 보행하는 시기 및 액티브 구동모듈(140)을 구동시켜 보행하는 시기를 구별하는 것이 필요할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(100)의 착용자가 패시브 구동모듈(120)만을 이용하여 보행할 수 있는 일반적인 보행 상황하에서는 액티브 구동모듈(140)이 클러치 오프 된 상태로 유지되며, 액티브 구동모듈(140)이 구동되어야 하는 상태가 감지되면 액티브 구동모듈(140)을 구동시키기 위하여 클러치 모듈(160)이 온 된 후 액티브 구동모듈(140)이 구동된다.

이 때, 액티브 구동모듈(140)이 액티브 동력을 제1풀리(141)를 통하여 무릎 조인트부재(121)에 부가하는 경우는, 의지 착용자가 보행(계단오르기, 경사면 보행, 달리기와 같이 액티브 구동력이 부가되어야 하는 경우)을 진행하는 과정에서도 입각기 및 유각기 전 과정이 아니라 입각기 중 특별하게 액티브 구동력이 필요한 경우로 제한될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(100)에서는 액티브 구동모듈(140)을 통하여 액티브 구동력이 부가되는 보행 상황하에서도 유각기에서는 패시브 동력을 이용하여 보행하도록 한다.

이와 같이 액티브 구동모듈(140)을 이용하여 액티브 구동력을 제공하는 상황에서도 특정 상황의 입각기 중 일부 구간에서만 액티브 구동력을 이용할 수 있기 때문에 적은 에너지만으로도 효과적인 보행이 가능하도록 할 수 있고, 제2,3엑추에이터에 전원을 공급하는 배터리를 오랜 시간 동안 사용할 수 있게 된다

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100 : 하이브리드형 의지 장치
110 : 프레임
111,112 : 제1,2플레이트
119 : 발목관절 연결부재
120 : 패시브 구동모듈
121 : 무릎 조인트부재
122 : 대퇴관절 연결부재
124 : 제1엑추에이터
140 : 액티브 구동모듈
141 : 제1풀리
142 : 제2풀리
143 : 구동 케이블
144 : 제2엑추에이터
150 : 이동부
151,152 : 제1,2고정블럭
154 : 왕복대
160 : 클러치모듈
161 : 제3엑추에이터

Claims (16)

1. 무릎 위쪽에 위치되는 대퇴관절 연결부재와 연결된 무릎 조인트부재;
   상기 무릎 조인트부재에 결합되어 상기 대퇴관절 연결부재에 대하여 피벗 회전 가능하게 형성되는 프레임으로서, 서로 이격 배치되는 제1플레이트 및 제2플레이트를 포함하며, 하부에 발목관절 연결부재를 구비하는 프레임;
   상기 무릎 조인트부재에 연결된 제1엑추에이터를 포함하여 상기 무릎 조인트부재에 패시브 동력을 전달하는 패시브 구동모듈 및
   상기 무릎 조인트부재에 선택적으로 액티브 동력을 전달하기 위하여 상기 무릎 조인트부재에 결합된 액티브 구동모듈을 포함하고,
   상기 액티브 구동모듈은,
   상기 무릎 조인트부재와 결합된 회전중심축에 구비되는 제1풀리와,
   상기 발목관절 연결부재와 대응하는 프레임의 타측에 구비되는 풀리축에 구비되는 제2풀리와,
   상기 제1풀리에 일단이 연결되고 상기 제2풀리에 길이중간이 감긴 다음 상기 제1풀리에 타단이 연결되는 구동 케이블 및
   상기 구동 케이블을 액티브 구동시키기 위한 제2엑추에이터를 포함하는, 하이브리드형 의지 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 프레임의 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 서로 나란하게 배열되고,
   상기 무릎 조인트부재는 상기 제1,2플레이트에 양단이 회전가능하게 조립되는 회전중심축을 갖추어 의지 착용자의 대퇴부와 대응하는 프레임의 일측에 회전가능하게 결합되는, 하이브리드형 의지 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1엑추에이터는 상기 무릎 조인트부재에 구비되는 핀연결부와 핀부재를 매개로 로드부가 회전가능하게 결합되고, 상기 발목관절 연결부재와 대응하는 프레임의 타측에 핀부재를 매개로 몸체부 단부가 회전가능하게 결합되는 실린더부재로 구비되는, 하이브리드형 의지 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1풀리는 상하합형 조립되는 하부풀리판과 상부풀리판을 포함하고,
   상기 구동 케이블의 양단에 각각 구비되는 제1스토퍼와 제2스토퍼는 상기 하부풀리판의 일면에 함몰형성된 제1고정홈과 제2고정홈에 각각 대응삽입되어 고정되는, 하이브리드형 의지 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 하부풀리판의 일면에는 상기 제1,2고정홈에 양단이 걸림고정된 구동 케이블을 제1풀리의 외측으로 인출하도록 함몰형성되는 제1,2와이어배치홈을 구비하는, 하이브리드형 의지 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1풀리와 제2풀리와의 사이에는 상기 제2풀리에 감기는 구동 케이블의 진출입각도를 크게 할 수 있도록 상기 제2풀리에 인접하여 구비되는 제3풀리를 포함하는, 하이브리드형 의지 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 액티브 구동모듈은,
   상기 제2엑추에이터의 구동력에 의해서 상기 제1풀리와 제2풀리와의 사이에 연결된 구동 케이블을 따라 왕복 직선이동되는 이동부와,
   상기 이동부에 구비되는 제3엑추에이터의 구동력에 의해서 상기 제2엑추에이터의 동력을 구동 케이블에 선택적으로 전달하는 클러치 모듈을 포함하는, 하이브리드형 의지 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 이동부는
   상기 제2엑추에이터의 구동력에 의해서 정방향 또는 역방향으로 회전구동되는 일정길이의 스크류축과,
   상기 프레임의 하부레일에 활주이동가능하게 조립되고 상기 스크류축과 나사결합되는 왕복대를 포함하는, 하이브리드형 의지 장치.
10. 제8항에 있어서,
    상기 클러치 모듈은
    왕복대에 구비되어 제3엑추에이터의 구동력에 의해서 구동 케이블의 이동방향에 대하여 직교하는 방향으로 왕복이동되는 제1클러치블럭과,
    상기 프레임의 제1상부레일에 활주이동가능하게 구비되고, 상기 제1클러치블럭과 마주하여 접해지거나 이격되는 제2클러치블럭을 포함하는, 하이브리드형 의지 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 구동 케이블은,
    상기 제1풀리에 일단이 연결되고 상기 제2클러치블럭에 타단이 연결되는 제1구동 케이블과,
    상기 제1풀리에 일단이 연결되고 상기 제2클러치블럭에 타단이 연결되는 제2구동 케이블로 이루어지는 분할형 케이블로 구비되는, 하이브리드형 의지 장치.
12. 제10항에 있어서,
    상기 구동 케이블은 상기 제1풀리에 양단이 연결되고 상기 제1클러치블럭과 제2클러치블럭과의 사이에 배치되거나 상기 제2클러치블럭에 길이중간이 구속되는 일련의 단일 케이블로 구비되는, 하이브리드형 의지 장치.
13. 제9항에 있어서,
    상기 스크류축의 일단은 프레임에 고정설치되는 제2엑추에이터와 제1동력전달부를 매개로 연결되고,
    상기 제1동력전달부는,
    제2엑추에이터의 구동축에 구비된 구동풀리와
    상기 스크류축의 일단에 구비된 피동풀리와의 사이를 연결하는 벨트부재를 포함하는, 하이브리드형 의지 장치.
14. 제10항에 있어서,
    상기 제1클러치블럭은 왕복대에 이동가능하게 조립되는 안내바를 구비하고, 스크류부재와 나사결합되는 암나사부를 형성하는 연장관을 구비하며,
    상기 제3엑추에이터는 상기 스크류부재와 제2동력전달부를 매개로 연결되는, 하이브리드형 의지 장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제2동력전달부는 제3엑추에이터의 구동축에 구비되는 구동기어와 기어물림되도록 스크류부재의 일단 구비되는 피동기어를 포함하는, 하이브리드형 의지 장치.
16. 제10항에 있어서,
    상기 왕복대의 일측은 상기 제1상부레일과 나란하도록 프레임에 고정설치되는 제2상부레일에 활주이동가능하게 구비되는 가이더를 더 포함하는, 하이브리드형 의지 장치.

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