KR102418860B1 - 착용형 보조장치의 슬관절 구조 및 이를 구비하는 착용형 보조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착용형 보조장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 보행을 보조하기 위하여 착용자의 슬관절에 보조력을 전달하면서도 인체의 슬관절 구조와 유사한 움직임이 가능하도록 설계되어 착용자가 느끼는 이질감과 불편함을 최소화할 수 있는 착용형 보조장치의 슬관절 구조 및 이를 구비하는 착용형 보조장치에 관한 것이다.

Description

착용형 보조장치의 슬관절 구조 및 이를 구비하는 착용형 보조장치{Knee Joint Structure And Wearable Assistance Device Having The Same}

본 발명은 착용형 보조장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 보행을 보조하기 위하여 착용자의 슬관절에 보조력을 전달하면서도 인체의 슬관절 구조와 유사한 움직임이 가능하도록 설계되어 착용자가 느끼는 이질감과 불편함을 최소화할 수 있는 착용형 보조장치의 슬관절 구조 및 이를 구비하는 착용형 보조장치에 관한 것이다.

최근 일상 생활이 불가능한 신체능력을 가진 장애인, 환자 또는 노약자를 위한 착용형 보조장치 또는 체력이나 신체능력을 강화하기 위한 산업용 또는 군사용 착용형 보조장치의 개발이 진행되고 있다.

이러한 착용형 보조장치의 경우, 배터리와 컨트롤러 등이 구비되며 착용자의 등에 장착되는 본체, 각각의 관절을 구동하기 위한 관절 구동기, 각각의 관절 구동기에 연결되고 착용자의 대퇴 또는 하퇴를 지지하기 위한 지지유닛을 포함하는 형태가 주를 이루고 있다.

이러한 착용형 보조장치의 경우, 착용자의 관절 근방에 관절 구동기를 배치하고 착용자의 보행동작에 따라 착용자의 대퇴 또는 하퇴에 보조토크 형태의 보조력을 제공하여 착용자의 보행을 보조할 수 있다.

3차원 좌표 공간에서 착용자가 x축 방향으로 보행한다고 가정하는 경우, 각각의 관절 구동기는 고관절 및 슬관절의 보행 방향인 x축 방향 및 수직 방향인 z축 방향과 평행한 y축을 중심으로 회전하며 보조력을 제공하도록 설계될 수 있다.

즉, 관절 구동기는 로터리 모터 형식의 구동기가 채용되어 역시 착용자의 보행시 관절의 회전 방향에 대응하는 y축 중심으로 회전되어 구동력을 제공할수 있다.

신체의 슬관절의 경우, 슬관절을 굴곡 또는 신전하는 경우 슬관절은 가상의 하나의 관절축을 중심으로 하는 회전 운동이 수행되는 것이 아니라 슬관절 내부에서 회전과 슬라이딩 운동이 동시에 발생한다.

따라서, 신체의 허벅지에 대응하는 대퇴부 또는 종아리에 대응하는 하퇴부가 슬관절을 중심으로 굴곡 또는 신전 움직임이 발생되는 경우, 신체 슬관절의 회전 중심은 고정된 위치에 존재하지 않고 위치가 변경될 수 있다.

예를 들어, 하퇴부의 움직임에 따라 슬관절의 굴곡 신전시 하퇴부뼈의 상단면은 대퇴부뼈의 하단면에 대하여 미끄러지듯 슬라이딩하며 하퇴유닛의 위치가 변경되므로, 슬관절의 회전 중심은 특정 축 상에 고정된 것이 아니라 슬관절의 굴곡 또는 신전에 따라 위치가 변경된다고 볼 수 있다.

이와 같은 신체 슬관절을 구동하기 위한 관절 구동기의 경우 로터리 모터가 주로 사용될 수 있고 대퇴와 하퇴를 지지하는 지지유닛을 연결하도록 관절 구동기를 슬관절 영역에 장착여 보조력을 제공하는 경우 관절의 회전 중심과 관절 구동기의 회전축의 위치의 불일치로 인해 착용형 보조장치의 착용자는 관절의 보조력이 제공됨에도 불구하고 이질감과 불편함을 느끼거나 심한 경우 부상의 위험도 존재하며, 빠른 속도의 보행 또는 달리기 등의 움직임은 불가능하거나 보조장치를 구성하는 관절 구동기 또는 지지유닛의 파손이 발생될 가능성이 높다.

이와 같은 문제점을 해소하기 위한 노력으로 복수 개의 롤러를 조합하여 하나의 관절을 구성하고 와이어 구동방식으로 관절을 구동하는 방법도 소개된 적이 있으나, 슬관절 구조의 무게와 크기가 커지고 충분한 보조력을 제공하기 어려울 것으로 예상된다.

본 발명은 착용형 보조장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 보행을 보조하기 위하여 착용자의 슬관절에 보조력을 전달하면서도 인체의 슬관절 구조와 유사한 움직임이 가능하도록 설계되어 착용자가 느끼는 이질감과 불편함을 최소화할 수 있는 착용형 보조장치의 슬관절 구조 및 이를 구비하는 착용형 보조장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 착용자의 대퇴를 감싸 지지하는 대퇴 지지유닛; 착용자의 하퇴를 감싸 지지하는 하퇴 지지유닛; 상기 대퇴 지지유닛에 체결되고, 상기 대퇴 지지유닛에 대하여 미리 결정된 곡선 궤적으로 상기 하퇴 지지유닛을 회전시키기 위한 링 형상의 슬라이딩부를 구비하는 슬관절 부재; 및, 상기 하퇴 지지유닛에 체결되고, 상기 슬관절 부재의 슬라이딩부에 슬라이딩 가능하게 연결되는 회동유닛;을 포함하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조를 제공할 수 있다.

또한, 상기 슬관절 부재는 상부에 상기 대퇴 지지유닛에 체결되는 체결부 및 상기 체결부의 하부에 상기 슬라이딩부가 구비될 수 있다.

그리고, 상기 슬관절 부재의 슬라이딩부는 전방 단부에서 후방 단부로 갈수록 내주면 또는 외주면의 곡률 반경이 동일하지 않은 형상을 가질 수 있다.

여기서, 상기 회동유닛은 상기 슬라이딩부의 내주면과 외주면을 함께 지지할 수 있다.

이 경우, 상기 회동유닛은 상기 슬라이딩부의 내주면을 지지하는 적어도 하나의 내부 롤러부재, 상기 슬라이딩부의 외주면을 지지하는 적어도 하나의 외부 롤러부재 및 상기 내부 롤러부재와 상기 외부 롤러부재가 회전 가능하게 장착되며 상기 하퇴 지지유닛에 체결되는 롤러 장착부재를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 내부 롤러부재는 1개가 구비되고, 상기 외부 롤러부재는 상기 내부 롤러부재와 삼각형을 형성하도록 2개가 구비될 수 있다.

또한, 상기 외부 롤러부재 사이의 간격이 상기 내부 롤러부재와 어느 하나의 외부 롤러부재의 간격보다 클 수 있다.

그리고, 상기 롤러 장착부재는 상기 내부 롤러부재와 상기 외부 롤러부재를 개재한 상태로 상기 하퇴 지지유닛의 프레임 상단에 체결될 수 있다.

여기서, 상기 대퇴 지지유닛은 착용자의 대퇴 전방 또는 후방의 적어도 일부를 감싸며, 상기 하퇴 지지유닛은 착용자의 하퇴 전방 또는 후방의 적어도 일부를 감싸며, 상기 대퇴 지지유닛 및 상기 하퇴 지지유닛 사이의 전방으로 착용자의 무릎이 노출될 수 있다.

이 경우, 상기 슬관절 부재와 상기 회동유닛은 하나의 슬관절의 내측면 및 외측면에 2개가 구비되어 상기 대퇴 지지유닛 및 상기 하퇴 지지유닛을 연결할 수 있다.

그리고, 상기 2개의 슬관절 부재 중 어느 하나의 슬관절 부재의 슬라이딩부의 단부에 슬라이딩 범위를 제한하는 절곡부가 구비될 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 착용자의 대퇴를 감싸 지지하는 대퇴 지지유닛; 착용자의 하퇴를 감싸 지지하는 하퇴 지지유닛; 상기 대퇴 지지유닛에 체결되고, 상기 대퇴 지지유닛에 대하여 미리 결정된 곡선 궤적으로 상기 하퇴 지지유닛을 회전시키기 위한 슬관절 부재; 및, 상기 하퇴 지지유닛에 체결되고, 상기 슬관절 부재에 슬라이딩 가능하게 연결되는 회동유닛;를 포함하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조를 제공할 수 있다.

그리고, 상기 슬관절 부재는 상기 롤러가 안착되어 슬라이딩 변위될 수 있는 복수 개의 가이드홀이 구비되고, 상기 회동유닛은 상기 슬관절 부재의 가이드홀에 안착되는 복수 개의 롤러부재 및 상기 롤러부재가 회전 가능하게 장착되고 상기 하퇴 지지유닛에 체결되는 롤러 장착부재를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 가이드홀은 교차되지 않도록 내부 가이드홀과 외부 가이드홀로 2개가 구비되며, 내부 가이드홀에 하나의 롤러부재가 구비되고, 상기 외부 가이드홀에 2개의 외부 롤러부재가 구비될 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 착용형 보조장치의 슬관절 구조; 상기 대퇴 지지유닛을 회전 구동하기 위하여 고관절 영역에 장착되는 고관절 구동기; 상기 대퇴 지지유닛에 장착되고, 상기 회동유닛과 링크유닛으로 출력부재가 연결되어 상기 링크유닛을 견인 또는 추진하여 상기 하퇴 지지유닛을 상기 대퇴 지지유닛에 대하여 회동시키는 슬관절 구동기;를 포함하는 착용형 보조장치를 제공할 수 있다.

그리고, 상기 회동유닛의 후방으로 돌출된 연결부가 구비되고, 상기 연결부와 상기 슬관절 구동기의 출력부재는 상기 링크부재로 연결될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 정면 사시도를 도시하며, 도 2는 도 1에 도시된 착용형 보조장치의 후면 사시도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조의 사시도 및 부분 확대도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조의 사시도 및 부분 확대도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조의 사시도의 분해 사시도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조를 구성하는 슬관절 부재 및 회동유닛의 결합관계, 슬관절 부재의 사시도 및 측면도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조의 동작 변화도를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조를 구성하는 슬관절 부재의 다른 실시예를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 착용형 보조장치(1000)의 정면 사시도를 도시하며, 도 2는 도 1에 도시된 착용형 보조장치(1000)의 후면 사시도를 도시한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 명세서에서 상기 착용형 보조장치(1000)은 장애인, 노약자, 환자, 군인 또는 작업자(이하, '착용자'라 함)의 하체에 착용하여, 보행 동작을 보조하는 로봇일 수 있다. 여기서 보행 동작을 보조한다는 의미는 하체의 운동 기능이 일부 존재하는 착용자의 독립적인 보행을 가능하도록 고관절과 슬관절에 부족한 근력 등을 보전하기 위한 구동력을 제공하거나, 작업자 또는 군인 등이 본인의 신체 능력보다 더 큰 근력과 속도로 움직일 수 있도록 한다는 의미이다.

상기 착용형 보조장치는 제어신호를 제공하는 컨트롤러 및 전원 제공을 위한 배터리를 포함하는 본체부(500); 상기 본체부가 후방에 장착되며, 착용자의 허리 영역을 감싸며 장착되고, 착용자의 고관절 측면 영역으로 연장되는 몸체유닛(400); 착용자의 고관절 측면 영역으로 연장된 상기 몸체유닛(400) 양 단부에 장착되는 한 쌍의 고관절 구동기(100a, 100b); 상기 고관절 구동기에 의하여 구동되며, 착용자의 대퇴에 회전 보조력을 제공하는 대퇴 지지유닛(210a, 210b)을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 착용자의 고관절의 보조 이외에도 슬관절까지 보조하기 위해서, 상기 대퇴 지지유닛에 장착되는 한 쌍의 슬관절 구동기(100c, 100d); 상기 슬관절 구동기 및 링크부재에 의하여 구동되며, 착용자의 하퇴에 회전 보조력을 제공하는 하퇴 지지유닛(230a, 230b); 및, 상기 하퇴 지지유닛의 단부에 장착되어, 착용자의 발을 지지하는 한 쌍의 족유닛(300a, 300b);을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 본체부(500)는 몸체유닛(400)에 장착되며, 한 쌍의 다리 유닛 역시 몸체유닛(400) 상부에 장착될 수 있다.

상기 몸체유닛(400)는 착용자의 척추 방향으로 연장된 프레임 형태의 본체 프레임(510)이 연결될 수 있고, 상기 본체 프레임(510)에 본체가 장착될 수 있다.

여기서, 상기 다리 유닛은 고관절과 슬관절에 각각 회동 보조력을 제공하는 관절 구동기가 구비될 수 있다.

고관절 구동기는 착용자의 고관절 영역에 장착되고, 슬관절 구동기는 슬관절 영역이 아닌 대퇴 지지유닛에 장착되어 링크부재를 매개로 회동 보조력을 착용자의 슬관절에 제공할 수 있다.

슬관절 구동기를 슬관절 영역이 아닌 대퇴 지지유닛에 장착하는 방법으로 고관절 구동기의 토크 부하를 낮출 수 있으며, 이와 같은 구조는 종래 소개된 고관절 영역에 관절 구동기를 적층시켜 구성하는 구조에 비해 고관절 구조물의 부피를 줄일 수 있는 장점도 있다.

정리하면, 각각의 다리유닛은 몸체유닛(400)의 양단부인 고관절 영역에 구비되는 한 쌍의 고관절 구동기(100a, 100b), 각각 한 쌍의 고관절 구동기(100a, 100b)에 연결되어 착용자의 대퇴를 지지 또는 보조하는 한 쌍의 대퇴 지지유닛(210a, 210b), 착용자의 하퇴를 지지 또는 보조하는 한 쌍의 하퇴 지지유닛(230a, 230b), 한 쌍의 상기 대퇴 지지유닛(210a, 210b)과 한 쌍의 상기 하퇴 지지유닛(230a, 230b)을 각각 연결하는 한 쌍의 슬관절 구조(700a, 700b), 상기 한 쌍의 대퇴 지지유닛(210a, 210b)에 장착되되 링크부재를 이용하여 상기 한 쌍의 슬관절 구조(700a, 700b)를 구동시키는 한 쌍의 슬관절 구동기(100c, 100d)를 포함하여 구성될 수 있으며, 하퇴 지지유닛(230a, 230b) 단부에 각각 장착되는 한 쌍의 족유닛(300a, 300b);을 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 착용형 보조장치(1000)는 착용자의 고관절과 슬관절 구동을 위한 관절 구동기(100)가 구비되는 예가 도시되었으나, 필요에 따라 발목관절에도 별도의 구동장치를 구비할 수 있다.

그리고, 각각의 대퇴 지지유닛(210a, 210b) 및 하퇴 지지유닛(230a, 230b)에는 착용자의 대퇴와 하퇴를 대퇴 지지유닛(210a, 210b) 및 하퇴 지지유닛(230a, 230b)에 고정하기 위한 적어도 하나의 밴드 또는 벨트 기타 착용부재 형태의 착용유닛(미도시)를 구비할 수 있으며, 각각의 관절 구동기(100)에서 제공되는 구동력은 결국 착용유닛을 통해 착용자의 대퇴 또는 하퇴에 전달되어 독립 보행을 보조할 수 있다.

이와 같은 한 쌍의 다리유닛은 착용자의 측면을 따라 배치되되 슬관절 구조는 슬관절 전체를 감싸는 구조를 가질 수 있다.

전술한 상기 본체부(500)는 착용자의 상체 등판 후방에 배치되므로, 상기 몸체유닛(400)을 통해 상기 본체부가 후방에 장착되며, 상기 몸체유닛(400)은 착용자의 허리 영역을 감싸며 장착되고, 상기 몸체유닛(400)의 양단은 착용자의 허리 측면 영역으로 연장 구성될 수 있다.

종래에는 각각의 슬관절 구동기(100c, 100d)가 착용자의 슬관절 영역에 장착되는 것이 일반적이었으나, 모터 방식의 구동기의 회전축과 신체의 슬관절의 회전 중심은 일치하지 않아 많은 문제점이 있었다.

이를 해소하기 위한 본 발명의 슬관절 구조에 대하여 도 3 이하를 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조(700)의 사시도 및 부분 확대도를 도시하며, 도 4는 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조(700)의 사시도의 분해 사시도를 도시하며, 도 5는 하나의 슬관절 양측면에 구비되는 서로 다른 형태의 슬관절 부재(710)를 도시한다.

본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조(700)는 착용자의 대퇴를 감싸 지지하는 대퇴 지지유닛(210); 착용자의 하퇴를 감싸 지지하는 하퇴 지지유닛(230); 상기 대퇴 지지유닛(210)에 체결되고, 상기 대퇴 지지유닛(210)에 대하여 미리 결정된 곡선 궤적으로 상기 하퇴 지지유닛(230)을 회전시키기 위한 링 형상의 슬라이딩부(713)를 구비하는 슬관절 부재(710); 및, 상기 하퇴 지지유닛(230)에 체결되고, 상기 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)에 슬라이딩 가능하게 연결되는 회동유닛(720);을 포함하여 구성될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 대퇴 지지유닛(210)은 착용자의 대퇴를 지지하기 위한 구성으로 프레임 형태로 구성될 수 있으며, 착용자의 대퇴 전방 또는 후방의 적어도 일부를 감싸며, 상기 하퇴 지지유닛(230)은 마찬가지로 착용자의 하퇴를 지지하기 위한 구성으로 프레임 태로 구성될 수 있으며 착용자의 하퇴 전방 또는 후방의 적어도 일부를 감싸도록 구성될 수 있다.

도 3에 도시된 실시예에서, 상기 대퇴 지지유닛(210) 및 상기 하퇴 지지유닛(230)은 착용자의 대퇴와 하퇴의 각각 전방의 일부를 감싸도록 구성되고, 착용자가 착용한 상태에서 상기 대퇴 지지유닛(210) 및 상기 하퇴 지지유닛(230) 사이의 전방으로 착용자의 무릎이 노출 가능하도록 구성될 수 있다.

상기 대퇴 지지유닛(210) 및 상기 하퇴 지지유닛(230) 중 착용자의 대퇴와 하퇴의 일부를 감싸며 연결되는 부분을 연결부라고 하면, 각각의 연결부의 단부는 슬관절 내측면 및 외측면에 위치하고, 각각 연결부의 단부에 슬관절 부재(710)와 회동유닛(720)이 장착되어 하나의 슬관절을 지지하기 위한 슬관절 구조(700)에서 슬관절의 내측과 외측에 각각 슬관절 부재(710)와 회동유닛(720)이 구비되어 착용자의 안정적인 슬관절 움직임을 보장할 수 있다.

종래의 일반적인 외골격 로봇의 경우, 대퇴와 하퇴 외측만 감싸도록 외골격과 관절 구조가 제공되어 대퇴 지지유닛(210)과 하퇴 지지유닛(230)이 구동기에 의하여 구동되는 경우에도 대퇴, 하퇴 또는 관절의 내측은 외골격으로 지지되지 않고 유연한 밴드 또는 착용유닛을 통해 지지력이 전달되는 방식이라 피부의 쓸림이 발생되거나 부상의 위험까지 존재하였다.

신체의 대퇴는 상부로 갈수록 간격이 좁아지고, 외골격 간의 간섭 가능성으로 인해 외골격을 장착하기 어려운 신체 구조적 한계가 존재하만 보행 속도 등과 밀접하게 관련된 슬관절의 경우 빠른 보행 등이 가능하기 위해서는 도 3 내지 도 5에 도시된 본 발명에 따른 슬관절 구조(700)와 같이 슬관절의 내부와 외부를 모두 외골격으로 지지하여 안정적인 관절 지지를 가능하게 할 필요가 있다.

따라서, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 슬관절 부재(710)와 상기 회동유닛(720)은 하나의 슬관절의 내측면 및 외측면에 2개가 구비되어 상기 대퇴 지지유닛(210) 및 상기 하퇴 지지유닛(230)을 연결하는 슬관절 구조(700)를 제공하여, 슬관절의 양측면은 외골격으로 감싸 지지하되 착용자의 무릎은 상기 연결부(211, 231) 사이를 통해 전방으로 노출되도록 하여 외골격 구조를 장착한 상태에서 무릎과 슬관절 구조(700)의 간섭을 방지하고 착용자가 느낄 수 있는 이질감 등을 최소화할 수 있다.

본 발명의 착용형 보조장치의 슬관절 구조(700)는 회전 중심이 회전축에 고정된 구조가 아니라 신체의 슬관절 회전 중심을 모사한 형태로 구성되며 상기 대퇴 지지유닛(210)에 체결되는 슬관절 부재(710) 및 상기 슬관절 부재(710)에 연결되되 상기 슬관절 부재(710)를 따라 변위되고 상기 하퇴 지지유닛(230)에 체결되는 회동유닛(720)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)는 링 형상으로 구성될 수 있으나, 도 7을 참조하여 후술하는 실시예 처럼 링 형상으로 제한되지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조(700)의 상기 대퇴 지지유닛(210)은 상기 슬관절 부재(710)와 체결 및 고정되고, 상기 회동유닛(720)은 상기 하퇴 지지유닛(230)에 체결 및 고정되며, 상기 회동유닛(720)은 상기 슬관절 부재(710)에 변위 가능하게 장착될 수 있다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 슬관절 부재(710)는 상부에 상기 대퇴 지지유닛(210)에 체결되는 체결부(711) 및 상기 체결부(711)의 하부에 상기 슬라이딩부(713)가 구비될 수 있다.

상기 체결부(711)와 상기 슬라이딩부(713)는 일체형 구조일 수 있다.

상기 체결부(711)는 볼수 개의 볼트 등의 체결부(711)재로 상기 대퇴 지지유닛(210)에 체결될 수 있으며, 상기 슬라이딩부(713)는 상기 체결부(711) 하부의 선단과 후단을 폐곡선 형태로 연결하는 구조일 수 있다.

상기 회동유닛(720)은 링 형태로 구성되는 슬라이딩부(713)의 내주면과 외주면을 함께 지지하며 회동되도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 상기 회동유닛(720)은 상기 슬라이딩부(713)의 내주면을 지지하는 적어도 하나의 내부 롤러부재(723i), 상기 슬라이딩부(713)의 외주면을 지지하는 적어도 하나의 외부 롤러부재(723o) 및 상기 내부 롤러부재(723i)와 상기 외부 롤러부재(723o)가 회전 가능하게 장착되며 상기 하퇴 지지유닛(230)에 체결되는 롤러 장착부재(721)를 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 상기 회동유닛(720)은 내부 롤러부재(723i)와 외부 롤러부재(723o)를 구비하여, 상기 내부 롤러부재(723i)와 상기 외부 롤러부재(723o)는 상기 하퇴 지지유닛(230)의 회전시 상기 슬관절 부재(710)를 구성하는 링 형태의 슬라이딩부(713)의 내주면과 외주면을 함께 지지하도록 구성될 수 있다.

그리고, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 내부 롤러부재(723i)는 1개가 구비되고, 상기 외부 롤러부재(723o)는 상기 내부 롤러부재(723i)와 삼각형을 형성하도록 2개가 구비되어 상기 슬관절 부재(710)와 상기 회동유닛(720)의 연결 상태의 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 내부 롤러부재(723i)는 상기 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)의 외주면에 장착되고, 상기 외부 롤러부재(723o)는 상기 슬라이딩부(713)의 외주면에 장착되고, 상기 회동유닛(720)을 구성하는 롤러 장착부재(721)는 상기 롤러부재가 개재된 상태로 상기 하퇴 지지유닛(230)을 구성하는 프레임 상단의 내주면 또는 외주면과 체결될 수 있다.

상기 롤러부재는 상기 하퇴 지지유닛(230)을 구성하는 프레임 상단과 롤러 장착부재(721)를 관통하여 체결하는 베어링 볼트에 장착되는 베어링 형태일 수 있다.

상기 롤러부재를 구성하는 베어링은 상기 슬라이딩부(713)의 폭에 따라 상용 베어링을 적층시켜 구성할 수도 있다.

그리고, 상기 롤러부재는 상기 하퇴 지지유닛(230)을 구성하는 프레임 상단과 상기 롤러 장착부재(721)의 내주면 또는 외주면과 마찰을 방지하기 위한 적어도 하나의 와셔(w)를 구비할 수 있으며, 상기 베어링 볼트는 너트 등과 체결되어 고정될 수 있다.

상기 롤러 장착부재(721)는 그 사이에 롤러가 장착되기 위하여 상기 하퇴 지지유닛(230)을 구성하는 프레임 상단과 거리가 이격되어 장착되는 롤러 장착부(721a)와 상기 하퇴 지지유닛(230)을 구성하는 프레임 상단과 접촉된 상태로 체결되는 프레임 체결부(721b)로 구성될 수 있으며, 상기 프레임 체결부(721b)는 함몰된 형태로 구성될 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 롤러 장착부재(721)는 슬관절 후방 방향으로 돌출된 연결부가 구비될 수 있다.

상기 롤러 장착부재(721)의 연결부(721)는 상기 대퇴 지지유닛(210)에 장착된 슬관절 구동기의 출력부재(110)가 링크부재(740)로 연결되는 부분으로 상기 슬관절 구동기(100)의 구동시 본 발명의 슬관절 구조(700)의 회동유닛(720)을 구동시켜 착용자의 슬관절을 회동시키기 위한 구성이다.

상기 링크부재(740)는 링크바(741) 및 베어링이 구비된 베어링부(743)를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 베어링부(743)는 베어링이 내측에 구비되고, 베어링 볼트(b)에 의하여 상기 회동유닛(720)을 구성하는 롤러 장착부재(721)의 연결부(721e)에 체결될 수 있다.

따라서, 도 3에 도시된 슬관절 구조(700)에서 상기 대퇴 지지유닛(210)에 장착된 슬관절 구동기(100)가 구동되면 상기 슬관절 구동기의 구동축과 연결된 출력부재(110)가 상기 링크바(741)를 견인 또는 추진하게 되고, 상기 링크바(741)의 견인과 추진에 따라 상기 회동유닛(720)은 상기 슬관절 부재(710)에 대하여 회동하여 변위되므로 결국 착용자의 하퇴에 회전 보조력이 제공되고 그에 따라 슬관절이 전체적으로 회전될 수 있다.

도 5에 도시된 상기 슬관절 부재(710)는 상기 대퇴 지지유닛(210) 하단에 체결되는 체결부(711) 및 상기 체결부(711)의 하부에 상기 슬라이딩부(713)가 구비하고, 상기 슬라이딩부(713)는 신체의 슬관절의 회전 중심이 고정되지 않고 변화되는 특징을 반영할 수 있도록 상기 체결부(711) 하부에 롤러부재의 변위 궤적이 곡선 형태가 되도록 구성되어 롤러부재를 안내할 수 있다.

상기 슬관절 부재(710)의 체결부(711)는 복수 개의 체결공이 형성되고 대퇴 지지유닛(210)을 구성하는 프레임 하단(210e)에 체결될 수 있다.

도 5는 하나의 슬관절 양측면에 구비되는 서로 다른 형태의 슬관절 부재(710)를 도시하며, 구체적으로 도 5(a)는 슬관절 외측에 장착되는 슬관절 부재(710)의 정면도를 도시하며, 도 5(b) 및 도 5(c)는 슬관절 내측에 장착되는 슬관절 부재(710)의 측면도를 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)는 전방 단부에서 후방 단부로 갈수록 내주면 또는 외주면의 곡률 반경(x)이 동일하지 않은 형상을 갖도록 구성될 수 있다.

상기 슬라이딩부(713)는 슬관절 회전 중심이 회전됨과 동시에 위치가 변경될 수 있도록 전방 단부에서 후방 단부까지의 전영역에서 곡률 반경(x)이 일정한 크기의 원호 형태로 구성될 수도 있으나, 착용자 개개인의 신체적 특성 또는 관절 구조 등에 따라 다양한 형상, 예를 들면 곡률 반경이 일정하지 않고 가변되거나 일정한 영역의 곡률반경이 다른 영역의 곡률 반경과 다른 형상으로 구성될 수 있다.

예를 들어, 도 5에 도시된 실시예에서, 상기 슬라이딩부(713)의 내주면 전방 단부의 곡률 반경(R)이 내주면 후방 단부의 곡률 반경(r)보다 크게 구성될 수도 있다.

이러한 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)를 따라 회동하는 회동유닛(720)의 내부 롤러부재(723i)는 후술하는 바와 같이 회동유닛(720)의 회전 중심일 수 있고, 상기 내부 롤러부재(723i)는 상기 슬라이딩부(713)의 전방에서 후방으로 변위되는 과정에서 상기 슬라이딩부(713)의 내주면의 곡률 반경이 계속 감소되어 신체의 슬관절이 굽혀지는 동안 회동유닛(720)의 회전 중심인 내부 롤러부재(723i)는 반경이 감소되는 원호를 따라 변위되는 효과가 발생되어 고정된 위치의 회전축 방식의 슬관절보다 특정 착용자의 신체 관절과 유사한 움직임을 구현할 수 있다.

반대로, 착용자의 관절 구조에 따라 상기 슬라이딩부(713)의 내주면 전방 단부의 곡률 반경이 내주면 후방 단부의 곡률 반경보다 작게 구성될 수도 있으며, 더 나아가 후방으로 갈수록 곡률 반경이 증가되는 형상으로 구성될 수도 있다.

즉, 상기 슬관절 부재의 슬라이딩부의 형상은 착용형 로봇의 움직임을 측정하고, 관절 구조를 모델링하여 착용자의 슬관절 움직임을 모사할 수 있도록 구성될 수 있음을 의미한다.

또한, 상기 내부 롤러부재(723i)는 1개가 구비되고, 상기 외부 롤러부재(723o)가 2개가 구비되는 경우, 외부 롤러부재(723o) 사이의 간격이 상기 내부 롤러부재(723i)와 어느 하나의 외부 롤러부재(723o)의 간격보다 크게 구성되어 하퇴 지지유닛(230)의 움직임에 따라 어느 하나의 외부 롤러부재(723o)의 들뜸 등의 오작동을 최소화할 수 있다.

전체적으로, 상기 내부 롤러부재(723i)와 상기 외부 롤러부재(723o)는 도 5(a)에 도시된 바와 같이 이등변 삼각형 형태로 배치될 수 있다.

그리고, 상기 외부 롤러부재(723o)와 상기 내부 롤러부재(723i)의 개수는 각각 증감될 수 있다.

또한, 상기 슬관절 내측에 장착되는 슬관절 부재(710)는 상기 슬라이딩부(713)의 단부에 슬라이딩 범위를 제한하는 절곡부(712a, 712b)가 구비될 수 있다.

상기 회동유닛(720)은 상기 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)를 따라 회동하지만 과도한 회전시 슬관절 구조(700)의 손상 또는 특정 부품의 파손이 발생될 수 있으므로, 상기 회동유닛(720)의 회전범위가 제한될 필요가 있다.

따라서, 상기 슬라이딩부(713)의 단부에 슬라이딩 범위를 제한하는 절곡부(712a, 712b)가 구비되어 회동유닛(720)이 회전 범위를 벗어나는 경우 기구적 간섭 등이 발생되어 회동유닛(720)의 회전이 억제될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조(700)의 동작 변화도를 도시한다. 구체적으로, 도 6(a)는 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 착용자의 하퇴 지지유닛(230)이 전개되어 무릎 관절이 펴진 상태에서의 슬관절 구조(700)의 측면도를 도시하며, 도 6(b)는 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 착용자의 하퇴 지지유닛(230)을 후방으로 회전시켜 무릎 관절이 굽혀지는 상태에서의 슬관절 구조(700)의 측면도를 도시하며, 도 6(c)는 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 착용자의 하퇴 지지유닛(230)을 후방으로 더 회전시켜 무릎 관절이 완전히 굽혀진 상태에서의 슬관절 구조(700)의 측면도를 도시한다.

본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조(700)의 경우 슬관절 구조(700)의 회전 중심은 상기 회동유닛(720)을 구성하는 내부 롤러부재(723i)로 간주할 수 있다.

따라서, 착용자가 직립된 상태에서 종아리인 하퇴를 회전시켜 무릎을 굽히는 동작이 진행되면 도 6에 도시된 바와 같이 상기 회동유닛(720)이 상기 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)를 따라 회동하며, 하퇴 지지유닛(230)의 회전 중심으로 볼 수 있는 상기 내부 롤러부재(723i)는 상기 슬라이딩부(713)의 내주면을 따라 슬라이딩된다.

또한, 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 슬라이딩부(713)의 내주면과 외주면의 곡률반경은 선단에서 후단으로 갈수록 감소되는 구조를 가지므로 도 6(a)에 도시된 하퇴 지지유닛(230)이 전개되어 무릎 관절이 펴진 상태에서는 내부 롤러부재(723i)가 슬라이딩부(713) 내주면 중 가장 곡률 반경이 큰 슬라이딩부(713) 전단에 위치하고, 하퇴 지지유닛(230)이 회전함에 따라 상기 내부 롤러부재(723i)는 곡률 반경이 감소되는 슬라이딩부(713)의 내주면을 따라 변위된다.

이와 같이, 상기 내부 롤러부재(723i)를 회동유닛(720)의 회전 중심일 수 있고, 상기 회동유닛(720)은 신체의 무릎 구조와 마찬가지로 회전 중심이 하퇴 지지유닛(230)의 회전과 함께 변위되며 회동될 수 있다.

상기 회동유닛(720)의 롤러 장착부재(721)의 후방에는 연결부가 구비되고, 상기 대퇴 지지유닛(210)에 장착된 슬관절 구동기가 구동되면 상기 슬관절 구동기의 구동축과 연결된 출력부재가 상기 링크바(741)를 견인 또는 추진하게 되고, 상기 링크바(741)의 견인과 추진에 따라 상기 회동유닛(720)은 상기 슬관절 부재(710)에 대하여 회동하여 변위되므로 결국 착용자의 하퇴에 회전 보조력이 제공되고 그에 따라 슬관절이 전체적으로 회전될 수 있음은 전술한 바와 같다.

이와 같이, 상기 대퇴 지지유닛(210)에 장착된 슬관절 구동기를 장착하여, 상기 고관절 구동기의 토크 부하를 낮추고 고관절 영역을 슬림하게 구성할 수 있음은 전술한 바와 같다.

도 7은 본 발명에 따른 착용형 보조장치의 슬관절 구조(700)를 구성하는 슬관절 부재(710)의 다른 실시예를 도시한다.

구체적으로, 도 7(a)는 다른 실시예에 따른 슬관절 부재(710')의 사시도를 도시하며, 도 7(b)는 도 7(a)에 도시된 슬관절 부재(710')에 롤러부재가 장착된 상태의 정면도를 도시한다.

도 1 내지 도 6을 참조한 실시예에서, 상기 슬관절 부재(710)는 링 형상으로 구성되나, 도 7에 도시된 실시예에서, 상기 슬관절 부재(710)는 복수 개의 가이드홀이 형성된 플레이트 또는 납작한 블록 형태로 구성될 수 있다.

즉, 전술한 내부 롤러부재(723i)와 외부 롤러부재(723o)가 각각 안착되어 슬라이딩 될 수 있는 한 쌍의 가이드홀(710h1, 710h2)을 형성하고 동일한 방법으로 회동유닛(720)과 체결될 수 있다.

또한, 전술한 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)의 곡률과 마찬가지로 가이드홀 중심부를 가로지르는 가상의 궤적의 곡률 반경이 가이드홀 전단에서 후단까지 동일하지 않게 구성될 수 있음은 전술한 실시예와 마찬가지이다.

또한, 상기 내부 가이드홀(710h1)과 상기 외부 가이드홀(710h2) 중 외부 가이드홀(710h2)에 안착되어 슬라이딩되는 외부 롤러부재(723o)는 마찬가지로 2개가 구비될 수 있고, 내부 롤러부재(723i)와 배치 형상은 아랫 변이 긴 이등변 삼각형 형태를 구성하여 회동유닛(720)이 슬관절 부재(710)의 회전 중심에 대하여 의도치 않게 비틀리는 것을 방지할 수 있으며, 슬관절 양측면에 한 쌍의 슬관절 부재(710')가 구비되는 경우 어느 하나의 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)의 슬라이딩 범위를 제한하기 위한 절곡부(미도시)가 구비될 수 있음은 전술한 실시예들과 마찬가지이다.

또한, 도 7에 도시된 슬관절 부재(710') 역시 상부에 대퇴 지지유닛(210)의 프레임 하단에 체결되는 체결부(711)가 구비되고, 하부에 복수 개의 가이드홀이 형성된 슬라이딩부(713)가 구비됨은 마찬가지이며, 이와 같은 구조에 의하여 슬관절 부재(710)의 슬라이딩부(713)의 내구성을 보다 강화할 수 있다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

1000 : 착용형 보조장치
100 : 관절 구동기
210, 230 : 대퇴 지지유닛 하퇴 지지유닛
300 : 족유닛
400 : 몸체유닛
500 : 본체부

Claims (16)

1. 착용자의 대퇴를 감싸 지지하는 대퇴 지지유닛;
   착용자의 하퇴를 감싸 지지하는 하퇴 지지유닛;
   상기 대퇴 지지유닛에 체결되고, 상기 대퇴 지지유닛에 대하여 미리 결정된 곡선 궤적으로 상기 하퇴 지지유닛을 회전시키기 위한 링 형상의 슬라이딩부를 구비하는 슬관절 부재;
   상기 하퇴 지지유닛에 체결되고, 상기 슬관절 부재의 슬라이딩부에 슬라이딩 가능하게 연결되는 회동유닛; 및,
   상기 대퇴 지지유닛의 하부에 장착되어 상기 회동유닛을 구동하기 위하여 구비되는 슬관절 구동기와 상기 회동유닛을 연결하는 링크부재;를 포함하고,
   상기 회동유닛은 상기 슬라이딩부의 내주면 또는 외주면을 지지하는 복수 개의 롤러부재 및 상기 복수 개의 롤러부재가 회전 가능하게 장착되며 상기 하퇴 지지유닛에 체결되는 롤러 장착부재를 포함하고,
   상기 회동유닛의 롤러 장착부재는 슬관절 후방 방향으로 돌출된 연결부가 구비되고,
   상기 롤러 장착부재의 연결부는 상기 슬관절 구동기와 상기 링크부재를 매개로 연결되며, 상기 링크부재는 상기 슬관절 구동기의 구동시 상기 회동유닛을 구동시켜 착용자의 슬관절을 회동시키는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 슬관절 부재는 상부에 상기 대퇴 지지유닛에 체결되는 체결부 및 상기 체결부의 하부에 상기 슬라이딩부가 구비되는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
3. 제2항에 있어서,
   상기 슬관절 부재의 슬라이딩부는 전방 단부에서 후방 단부로 갈수록 내주면 또는 외주면의 곡률 반경이 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
4. 제1항에 있어서,
   상기 회동유닛은 상기 슬라이딩부의 내주면과 외주면을 함께 지지하는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
5. 제4항에 있어서,
   상기 회동유닛의 복수 개의 롤러부재는 상기 슬라이딩부의 내주면을 지지하는 적어도 하나의 내부 롤러부재, 상기 슬라이딩부의 외주면을 지지하는 적어도 하나의 외부 롤러부재를 구비하고, 상기 회동유닛의 롤러 장착부재는 상기 내부 롤러부재와 상기 외부 롤러부재가 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
6. 제5항에 있어서,
   상기 내부 롤러부재는 1개가 구비되고, 상기 외부 롤러부재는 상기 내부 롤러부재와 삼각형을 형성하도록 2개가 구비되는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
7. 제6항에 있어서,
   상기 외부 롤러부재 사이의 간격이 상기 내부 롤러부재와 어느 하나의 외부 롤러부재의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
8. 제6항에 있어서,
   상기 롤러 장착부재는 상기 내부 롤러부재와 상기 외부 롤러부재를 개재한 상태로 상기 하퇴 지지유닛의 프레임 상단에 체결되는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
9. 제1항에 있어서,
   상기 대퇴 지지유닛은 착용자의 대퇴 전방 또는 후방의 적어도 일부를 감싸며, 상기 하퇴 지지유닛은 착용자의 하퇴 전방 또는 후방의 적어도 일부를 감싸며, 상기 대퇴 지지유닛 및 상기 하퇴 지지유닛 사이의 전방으로 착용자의 무릎이 노출되는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
10. 제9항에 있어서,
    상기 슬관절 부재와 상기 회동유닛은 하나의 슬관절의 내측면 및 외측면에 2개가 구비되어 상기 대퇴 지지유닛 및 상기 하퇴 지지유닛을 연결하는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
11. 제10항에 있어서,
    상기 2개의 슬관절 부재 중 어느 하나의 슬관절 부재의 슬라이딩부의 단부에 슬라이딩 범위를 제한하는 절곡부가 구비되는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치의 슬관절 구조.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항의 착용형 보조장치의 슬관절 구조;
    상기 대퇴 지지유닛을 회전 구동하기 위하여 고관절 영역에 장착되는 고관절 구동기;
    상기 대퇴 지지유닛에 장착되고, 상기 회동유닛과 링크유닛으로 출력부재가 연결되어 상기 링크유닛을 견인 또는 추진하여 상기 하퇴 지지유닛을 상기 대퇴 지지유닛에 대하여 회동시키는 슬관절 구동기;를 포함하는 착용형 보조장치.
16. 제15항에 있어서,
    상기 롤러 장착부재의 연결부와 상기 슬관절 구동기의 출력부재는 상기 링크부재로 연결되는 것을 특징으로 하는 착용형 보조장치.

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