KR102467378B1 - 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치 - Google Patents

Abstract

다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치가 개시된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치는 대퇴 절단 환자의 무릎 부위에 장착되어 보행을 보조하는 무릎 의지 장치로서, 대퇴 절단 환자의 하퇴 의지에 연결되는 무릎 관절 모듈; 무릎 관절 모듈과 작동적으로 결합되며, 회전축의 피벗 회전에 의해 무릎 관절 모듈을 피벗 회전시키는 로터리 유압 실린더; 로터리 유압 실린더에 액티브 동력을 제공하는 전동 모터 및 로터리 유압 실린더와 전동 모터를 서로 작동적으로 연결하는 구동 케이블 및 로터리 유압 실린더에 구비된 회전축이 로터리 유압 실린더 내부에 형성되는 유압에 의해 피벗 회전되는 패시브 모드 또는 회전축이 액티브 동력에 의해 피벗 회전되는 액티브 모드 중 어느 하나의 모드로 작동되도록 제어하는 제어 모듈을 포함한다.

Description

다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치{HYBRID TYPE KNEE PROSTHESIS APPARATUS HAVING Multi-functional ROTARY HYDRAULIC CYLINDER}

본 발명은 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대퇴 절단 환자의 대퇴부에 장착되어 무릎 관절 모듈에 의한 굴곡운동 또는 신장운동을 가능케 하는 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 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 보행하는 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 저항 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 저항만을 가지므로 보행 속도에 대한 적응 능력이 상대적으로 떨어지며, 비대칭 보행 패턴 및 hip hiking 문제로 인해 건강한 사람들보다 60% 이상 더 많은 에너지를 소비하며, 보행 속도가 정상인보다 느린 단점을 갖는다.

가변 댐핑형 의지는 유공압 및 MR/ER 댐퍼의 댐핑값을 실시간으로 조절해 무릎 관절저항력을 보행상황에 적합하게 실시간으로 조절하는 목표로 구성되는 의지이다. 현재 상용으로 가장 많이 사용되는 유압실린더를 적용한 가변 댐핑형 의지는 유압 실린더 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 댐핑형 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 낼수 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 보완하여, 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. 이를 위해서는, 전술한 종래의 의지 장치에 의한 구동 방식을 융합하되, 보행 상황에 맞춰 능동적으로 하나의 특정 구동 방식을 선택하여 적용하거나, 또는 다수의 구동 방식을 종합하여 적용할 수 있는 의지 장치의 개발이 필요하다.

일본공개특허공보 제2010-518992호

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 의지 장치를 제공하고자 한다.

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

본 발명의 일 실시예는 구동 방식을 다양화할 수 있는 의지 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 다양한 구동 방식 사이의 전환이 용이한 의지 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 대퇴 절단 환자의 무릎 부위에 장착되어 보행을 보조하는 무릎 의지 장치로서, 상기 대퇴 절단 환자의 하퇴 의지에 연결되는 무릎 관절 모듈; 상기 무릎 관절 모듈과 작동적으로 결합되며, 회전축의 피벗 회전에 의해 상기 무릎 관절 모듈을 피벗 회전시키는 로터리 유압 실린더; 상기 로터리 유압 실린더에 액티브 동력을 제공하는 전동 모터 및 상기 로터리 유압 실린더와 상기 전동 모터를 서로 작동적으로 연결하는 구동 케이블 및 상기 로터리 유압 실린더에 구비된 회전축이 상기 로터리 유압 실린더 내부에 형성되는 유압에 의해 피벗 회전되는 패시브 모드 또는 상기 회전축이 상기 액티브 동력에 의해 피벗 회전되는 액티브 모드 중 어느 하나의 모드로 작동되도록 제어하는 제어 모듈을 포함하는, 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치가 제공된다.

이 때, 상기 무릎 관절 모듈은 상기 대퇴 절단 환자의 하퇴 의지에 결합되는 체결부 및 상기 회전축의 양단부에 결합되는 결합부를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 로터리 유압 실린더는 원통 형상으로 형성되며, 내부에 유체를 수용할 수 있는 공간이 형성된 실린더 몸체; 상기 실린더 몸체 내부를 관통하는 상기 회전축; 상기 회전축으로부터 상기 실린더 몸체의 반경 방향으로 연장 형성되어 상기 실린더 몸체의 내부에 형성된 공간을 복수의 챔버로 구획하는 블레이드 및 상기 복수의 챔버 사이의 유체의 이동을 조절하는 유로조절 부재를 포함하고, 상기 제어 모듈은 유로조절 부재의 구동을 제어함으로써, 상기 무릎 의지 장치를 상기 패시브 모드 및 상기 액티브 모드 중 어느 하나의 모드로 선택적으로 작동시킬 수 있다.

이 때, 상기 블레이드는 상기 실린더 몸체의 내주면 및 내측면에 밀착되도록 형성됨으로써, 상기 복수의 챔버 사이의 유체의 이동은 상기 유로조절 부재를 통해서만 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 블레이드 중 상기 실린더 몸체의 내주면 및 내측면과 접촉되는 접촉면은 고무 재질로 형성될 수 있다.

이 때, 상기 실린더 몸체의 외주면을 따라 상기 구동 케이블이 체결되는 제 1 풀리가 형성될 수 있다.

이 때, 상기 유로조절 부재는 상기 실린더 몸체의 내부에 형성된 공간에 배치되며, 상기 유체가 이동될 수 있는 유로가 형성되는 하우징 및 상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 복수의 챔버 중 일 챔버로부터 타 챔버 방향으로 이동되는 상기 유체의 이동 정도를 조절할 수 있는 유량조절 밸브를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 유량조절 밸브는 상기 하우징 내부에 형성되는 노즐삽입 공간의 일부에 형성되며, 상기 유체가 이동 가능한 제 1 개구 및 상기 노즐삽입 공간에 삽입되며, 외주면 상에 상기 제 1 개구에 대응되는 제 2 개구가 형성되어 회전에 따라 상기 제 1 개구의 개폐 정도를 조절하는 이너 노즐을 포함할 수 있다.

이 때, 상기 유량조절 밸브는 상기 이너 노즐에 연결되어 상기 이너 노즐을 회전시키는 밸브 모터를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 이너 노즐과 상기 밸브 모터는 베벨 기어를 통해 연결될 수 있다.

이 때, 상기 유량조절 밸브는 상기 무릎 관절 모듈이 굴곡운동 및 신장운동이 모두 가능하도록 상기 회전축을 양방향으로 피벗 회전시키기 위해서 상기 복수의 챔버 중 제 1 챔버로부터 제 2 챔버 방향으로 이동되는 상기 유체의 이동 정도를 조절하는 제 1 유량조절 밸브 및 상기 제 2 챔버로부터 상기 제 1 챔버 방향으로 이동되는 상기 유체의 이동 정도를 조절하는 제 2 유량조절 밸브를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 유량조절 밸브에 의해 상기 복수의 챔버 사이의 유체 이동이 차단되었을 때, 상기 블레이드의 피벗 회전이 제한되며, 상기 구동 케이블에 의해 상기 실린더 몸체 전체가 회전함에 따라 상기 회전축이 동시에 피벗 회전되어 상기 액티브 모드가 작동될 수 있다.

이 때, 상기 유량조절 밸브에 의해 상기 복수의 챔버 사이의 유체 이동이 허용되었을 때, 상기 유압에 의해 상기 블레이드가 피벗 회전함에 따라 상기 회전축이 동시에 피벗 회전되어 상기 패시브 모드가 작동될 수 있다.

이 때, 상기 제어 모듈은 상기 하이브리드 무릎 의지 장치 내에 탑재된 센서를 통해 획득된 보행 정보를 기초로, 실시간으로 보행 환경을 판별하여 상기 유량조절 밸브의 개방 정도를 제어함으로써 상기 무릎 관절 모듈의 댐핑 속도를 조절할 수 있다.

이 때, 상기 유로조절 부재는 하우징 내부에 상기 유체의 이동 방향을 일 방향으로 제한하기 위한 체크 밸브가 구비될 수 있다.

이 때, 상기 전동 모터는 외측에 로터가 배치되며, 상기 로터의 외주면을 따라 상기 구동 케이블이 체결되는 제 2 풀리가 형성될 수 있다.

이 때, 상기 전동 모터는 내측에 로터가 배치되며, 상기 로터에 연결된 구동축의 외주면을 따라 상기 구동 케이블이 체결되는 제 2 풀리가 형성될 수 있다.

이 때, 상기 전동 모터는 상기 무릎 의지 장치가 상기 패시브 모드로 제어되는 경우, 내부에 설치되는 브레이크에 의해 구동이 정지될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치는 일상적인 평지 보행시 및 소정 각도 이하의 경사로 보행에서는 로터리 유압 실린더에 의해 생성된 패시브 동력을 이용하여 보행하고, 소정 각도 이상의 경사로 보행, 계단 오르기와 같이 큰 힘이 필요한 이동시에는 전동 모터에 의해 생성된 액티브 동력을 이용하여 이동함으로써 의지 착용자가 일상 생활에 필요한 힘을 적정하게 제공받을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치는 패시브 동력을 이용하는 경우 액티브 동력을 사용하지 않기 때문에, 에너지 손실이 적어 오랫동안 사용할 수 있는 장점이 있다. 특히 보행 상황의 대부분을 차지하는 평지보행, 소정 각도 이하의 경사로 및 하행 계단 보행의 경우는 온전히 패시브 동력만을 이용해서 보행이 가능하므로 에너지 절감 효과가 크다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치는 특유의 유로조절 부재를 통해 로터리 유압 실린더 내 유로를 조절함으로써, 패시브 모드와 액티브 모드 사이의 모드 전환을 별도의 클러치 모듈의 도입 없이도 매우 빠르고 용이하게 달성할 수 있다. 이를 통해 특유의 로터리 유압 실린더 자체만으로도 동력 전환을 위한 클러치 기능을 우수하게 수행할 수 있어 장치 구조의 간단화 및 크기의 최소화를 도모할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치는 패시드 모드로 구동시에 로터리 유압 실린더 내 정밀 유압 조절을 통해 무릎 관절의 댐핑 속도 및 크기를 실시간으로 조절함으로써 의지 장치의 착용자가 다양한 보행 환경에서도 안정적으로 보행을 유지할 수 있다.

도 1은 사람의 보행시 입각기와 유각기에서의 무릎 각도 및 무릎 파워를 나타낸 도면이다. 실선은 정상인, 점선은 절단 장애인의 보행시 무릎각도를 의미한다. 파란 실선의 정상인과는 달리 붉은 점선의 절단 장애인은 낙상에 대한 불안감으로 인해 입각기 굴곡이 거의 없는 보행을 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치가 대퇴 절단 환자의 무릎 부위에 장착된 상태를 나타낸 도면이다. 이 때, 도 2(a)는 대퇴 절단 환자의 환부가 짧아 무릎 위쪽으로 의지 장치가 착용된 것을 도시한 것이며, 반대로 도 2(b)는 환부가 길어 무릎 아래쪽으로 의지 장치가 착용된 것을 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치 중 고토크형 의지 장치를 바라보는 각도를 달리하여 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 하이브리드 무릎 의지 장치를 분해하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 로터리 유압 실린더를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 유량조절 밸브의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 유량조절 밸브의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 로터리 유압 실린더의 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치 중 저토크형 의지 장치를 바라보는 각도를 달리하여 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 패시브 모드와 액티브 모드의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 보행능력이 떨어지는 절단 장애인의 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 제어 모듈이 구동을 제어하는 방법을 도시한 도면이다.
도 13은 보행능력이 있는 절단 장애인의 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 제어 모듈이 구동을 제어하는 방법을 도시한 도면이다.

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.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치(10, 이하 '하이브리드 무릎 의지 장치')는 대퇴 절단 환자의 대퇴부에 장착되어 인체의 실제 무릎 관절에 의한 굴곡운동 또는 신장운동을 모사하여 보행을 보조하기 위한 장치이다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 후술될 무릎 관절 모듈(20)에 동력을 제공함에 있어서, 로터리 유압 실린더(30)에 의한 패시브 동력과 전동 모터(50)에 의한 액티브 동력을 선택적으로 적용할 수 있는 하이브리드 동력 기반의 장치이다. 이와 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 특유의 구조를 가지는 로터리 유압 실린더(30)를 도입함으로써 상술한 동력 전환을 정확하고 용이하게 수행할 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)의 주요 구성 및 작동에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.

도 1은 사람의 보행시 입각기와 유각기에서의 무릎 각도 및 무릎 파워를 나타낸 도면이다. 실선은 정상인, 점선은 절단 장애인의 보행시 무릎각도를 의미한다. 파란 실선의 정상인과는 달리 붉은 점선의 절단 장애인은 낙상에 대한 불안감으로 인해 입각기 굴곡이 거의 없는 보행을 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치가 대퇴 절단 환자의 무릎 부위에 장착된 상태를 나타낸 도면이다. 이 때, 도 2(a)는 대퇴 절단 환자의 환부가 짧아 무릎 위쪽으로 의지 장치가 착용된 것을 도시한 것이며, 반대로 도 2(b)는 환부가 길어 무릎 아래쪽으로 의지 장치가 착용된 것을 도시한 것이다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치 중 고토크형 의지 장치를 바라보는 각도를 달리하여 나타낸 도면이다. 도 5는 도 3 및 도 4의 하이브리드 무릎 의지 장치를 분해하여 나타낸 도면이다.

이하의 설명에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치(10)의 각 구성요소를 설명함에 있어서 도 3 내지 5에 도시된 고토크형 하이브리드 의지 장치를 기준으로 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치(10)는 고토크형 외에도 도 10에 도시된 저토크형 하이브리드 의지 장치도 포함할 수도 있는데, 이에 대해서는 해당되는 부분을 통해 자세히 기술하기로 한다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 무릎 관절 모듈(20), 로터리 유압 실린더(30), 전동 모터(50), 구동 케이블(70) 및 제어 모듈(미도시) 및 상술한 구성을 외력으로부터 보호하는 외부 프레임(11)를 포함할 수 있다.

먼저, 무릎 관절 모듈(20)은 일측은 대퇴 절단 환자의 하퇴 의지(80)에 연결되고, 타측이 로터리 유압 실린더(30)의 회전축(37)에 연결될 수 있다.

이 때, 무릎 관절 모듈(20)은 로터리 유압 실린더(30)의 회전축(37)으로부터 동력을 전달받음으로써, 상기 회전축(37)을 중심으로 피벗 회전할 수 있다. 이러한 피벗 회전에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 실제 인체의 무릎 관절에 의한 굴곡운동과 신장운동을 모사할 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에서, 무릎 관절 모듈(20)은 체결부(22)와 결합부(24)를 포함할 수 있다.

먼저, 체결부(22)는 하퇴 의지(80)에 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)를 안정적으로 고정하기 위한 것으로, 예를 들어, 피라미드 헤드와 같이 하퇴 의지(80)에 구비된 체결홈(미도시)에 결합되도록 체결홈 방향으로 돌출된 형태로 형성될 수 있다.

다음으로 도 5 참조하면, 무릎 관절 모듈(20)의 결합부(24)는 무릎 관절 모듈(20)을 로터리 유압 실린더(30)의 회전축(37)에 연결하여 로터리 유압 실린더(30) 측으로부터 동력을 전달받기 위한 것으로서, 회전축(37)의 양단부에 결합될 수 있다. 비제한적인 일례로서, 결합부(24)는 도 5에 도시된 바와 같이 서로 평행하도록 배치되는 한쌍의 평판 형상의 리브 구조로 형성될 수 있으며, 여기서 한쌍의 결합부(24)를 구성하는 개별 결합부는 각각 로터리 유압 실린더(30)의 회전축(37)의 양단부에 결합될 수 있다. 이와 같이 무릎 관절 모듈(20)은 결합부(24)를 통해 회전축(37)의 양단부에 결합됨으로써, 상기 회전축(37)과 일체로 피벗 회전할 수 있다. 이에 따라 무릎 관절 모듈(20)에 연결된 하퇴 의지(80)도 상기 피벗 회전에 따라 보행에 따른 피벗 회전 운동을 수행할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 로터리 유압 실린더를 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 유량조절 밸브의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 유량조절 밸브의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 로터리 유압 실린더의 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치 중 저토크형 의지 장치를 바라보는 각도를 달리하여 나타낸 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 패시브 모드와 액티브 모드의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 상술한 무릎 관절 모듈(20)과 작동적으로 결합되어 무릎 관절 모듈(20)을 회전축(37)을 기준으로 피벗 회전시키기 위한 로터리 유압 실린더(30)를 구비할 수 있다.

보다 상세하게, 로터리 유압 실린더(30)는 실린더 몸체(31), 회전축(37), 블레이드(38) 및 유로조절 부재(40)를 포함할 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 실린더 몸체(31)는 원통 형상으로 형성되며, 내부에 유압을 생성하는 유체를 수용하도록 공간(32)이 형성될 수 있다. 그리고, 실린더 몸체(31)의 외주면에는 원주 방향을 따라 구동 케이블(70)이 체결될 수 있는 제 1 풀리(36)가 형성될 수 있는데, 이와 관련된 설명은 구동 케이블(70)과 관련된 설명을 통해 보다 상세히 기술하기로 한다.

실린더 몸체(31)의 중심부에는 상술한 무릎 관절 모듈(20)로 동력을 전달하기 위한 회전축(37)이 실린더 몸체(31)를 관통하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 회전축(37)에는 회전축(37)으로부터 실린더 몸체(31)의 반경 방향으로 연장 형성되어 최종적으로 실린더 몸체(31)의 내주면(35)과 실린더 몸체(31)의 양측 내면에 접촉되는 블레이드(38)가 연결될 수 있다. 이에 따라, 블레이드(38)는 실린더 몸체(31) 내부에 형성된 공간(32)을 복수의 챔버(33, 34)로 구획할 수 있다.

한편, 블레이드(38)는 회전축(37)과 일체로 운동하도록 연결될 수 있는데, 이를 통해 실린더 몸체(31) 내부의 챔버(33, 34)에 존재하는 유체가 블레이드(38)의 외측면에 생성하는 유압에 의해 회전축(37)도 함께 회전할 수 있다. 이하, 이와 같이 로터리 유압 실린더(30)에 의해 생성된 유압에 의해 블레이드(38)가 회전함으로써 회전축(37) 및 이와 연결된 무릎 관절 모듈(20)이 동시에 피벗 회전되는 것을 패시브 모드라 하며, 이러한 패시브 모드에 이용되는 동력을 패시브 동력이라 규정한다.

본 발명의 일 실시예에서, 도 9를 참조하면, 블레이드(38)는 실린더 몸체(31)의 내주면(35) 및 양측 내면에 완전히 밀착되도록 형성될 수 있다. 이는 블레이드(38)와 실린더 몸체의 내주면(35) 및 양측 내면 사이는 유체의 이동이 불가하도록 기밀상태를 확보하기 위함이다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예에서, 로터리 유압 실린더(30) 내부에서의 유체의 이동은 후술될 유로조절 부재(40)를 통해서만 이루어질 수 있다.

이와 관련하여, 블레이드(38)가 실린더 몸체의 내주면(35) 및 양측 내면에 완전히 밀착되도록 하기 위해서 블레이드(38) 중에서 실린더 몸체의 내주면(35)에 접촉되는 일단부(39) 및 블레이드의 양 측면은 고무 재질로 형성될 수 있다. 비제한적인 일례로서, 블레이드(38)의 형상에 대응되는 형상을 가지는 별도의 고무 패킹이 블레이드(38)에 결합될 수도 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 로터리 유압 실린더(30)는 실린더 몸체(31) 내부의 유체의 이동을 조절함으로써, 블레이드(38)의 운동을 제어하기 위한 유로조절 부재(40)가 구비할 수 있다.

도9를 참조하면, 유로조절 부재(40)는 실린더 몸체(31)의 내부에서 복수의 챔버(33, 34) 사이에 배치되는 하우징(41)과, 하우징(41) 내부의 유로를 제어함으로써 실린더 몸체(31) 내부의 제 1 챔버(33)로부터 제 2 챔버(34) 방향으로 이동되는 유체의 이동 정도를 조절할 수 있는 유량조절 밸브(42)를 포함할 수 있다.

여기서 유체의 이동 정도를 조절한다는 것의 의미는 제 1 챔버(33)로부터 제 2 챔버(34)로 유체가 이동되는 유로를 완전히 차단하거나, 일부만 허용하거나, 또는 완전히 개방하는 것을 의미할 수 있다. 이에 대해서는 뒤따르는 설명을 통해 자세히 기술하기로 한다.

도 6 및 7을 참조하면, 유량조절 밸브(42)의 구체적인 일례로서, 유량조절 밸브(42)는 상술한 하우징(41)의 내부에 형성되는 노즐삽입 공간(G) 상의 일부에 형성되는 제 1 개구(44)와, 노즐삽입 공간(G)에 삽입되는 이너 노즐(45)를 포함할 수 있다.

이 때, 하우징(41) 내측의 노즐삽입 공간(G) 상에 형성되는 제 1 개구(44)를 통해 유체가 이너 노즐(45)로부터 하우징(41) 내부에 형성된 유로로 유입되거나, 하우징(41) 내부에 형성된 유로로부터 이너 노즐(45) 측으로 유출될 수 있다.

그리고, 제 1 개구(44)를 통해 하우징(41) 내부로 유입된 유체는, 하우징(41) 상에 형성된 유체이동통로(H1, H2)를 통해 실린더 내부에 형성되는 복수의 챔버(33, 34)로 이동될 수 있다. 반대로 실린더 내부 챔버(33, 34)로부터 하우징(41)의 유체이동통로(H1, H2)를 통해 하우징(41)으로 유입된 유체는 제 1 개구(44)를 따라 이너 노즐(45) 측으로 유출될 수도 있다.

이 때, 제 1 개구(44)는 노즐삽입 공간(G)의 원주 방향을 따라 복수개 형성될 수 있으며, 예시적인 일례로서, 어느 하나의 제 1 개구(44)는 유체가 하우징(41)으로 유입되는 유입구로서 기능할 수 있고, 다른 하나의 제 1 개구(44)는 유체가 하우징(41)의 외부로 유출되는 유출구로서 기능할 수 있다.

이너 노즐(45)은 노즐삽입 공간(G)에 대응되는 직경을 가지는 원통 형상의 길이 부재로서, 하우징(41)과 마찬가지로 내부에 유체가 이동될 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 유로는 이너 노즐(45)를 관통하여 형성됨으로써, 이를 통해 유체가 하우징(41)의 내부로부터 이너 노즐(45)를 경유하여 하우징(41)의 내부 타측으로 이동될 수 있다.

보다 상세하게, 이너 노즐(45)의 외주면 상에는 제 1 개구(44)에 대응되는 제 2 개구(46)가 형성될 수 있으며, 이러한 제 2 개구(46)를 통해서 이너 노즐(45) 내부를 흐르던 유체가 하우징(41)에 형성된 제 1 개구(44)을 경유하여 하우징(41)에 형성된 유로 측으로 유출되거나, 하우징(41)의 제 1 개구(44)로부터 유출된 유체가 이너 노즐(45)의 내부에 형성된 유로로 유입될 수 있다. 이 때, 제 2 개구(46) 역시 제 1 개구(44)과 마찬가지로 이너 노즐(45)의 원주 방향을 따라 복수개 형성될 수 있다.

이 때, 유량조절 밸브(42)는 이너 노즐(45)의 회전에 따라 실린더 몸체(31) 내부의 챔버(33, 34) 사이의 유체의 이동 정도를 조절할 수 있다. 도 7을 참조하여 유량조절 밸브(42)의 유량 조절과 관련된 구동에 대하여 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

일례로, 도 7의 (a)와 같이, 제 1 개구(44)와 제 2 개구(46)가 완전히 겹쳐지는 경우에는 하우징(41)과 이너 노즐(45) 사이의 유체의 이동량이 최대가 될 수 있다. 그리고 도 7의 (b)와 같이, 제 1 개구(44)와 제 2 개구(46)가 서로 일부만 중첩되는 경우에는 완전히 겹쳐지는 경우 대비 유체의 이동량이 제한될 수 있으며, 도 7의 (c)와 같이, 제 1 개구(44)와 제 2 개구(46)가 전혀 중첩되지 않는 경우에는 유체의 이동을 완전히 차단할 수 있다.

이상에서는 하우징(41)의 노즐삽입 공간(G) 상에 제 1 개구(44)가 직접 형성되는 것에 대하여 설명하였으며, 이하, 이너 노즐(45)에 대응되는 아우터 노즐(43)을 이용하여 하우징(41)에 제 1 개구(44)를 도입하는 실시예에 대하여 설명한다.

구체적으로, 도 8을 참조하면, 아우터 노즐(43)은 내부에 중공이 구비되는 원통 형상으로 형성되며, 하우징(41)의 노즐삽입 공간(G)으로 삽입되어 하우징(41)과 결합될 수 있다.

이 때, 아우터 노즐(43)의 일측에는 아우터 노즐(43)을 관통하는 제 1 노즐(44)이 형성될 수 있다. 그리고, 아우터 노즐(43)의 중심부에 형성되는 중공에는 제 2 노즐(46)을 구비하는 이너 노즐(45)이 삽입될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 아우터 노즐(43)은 하우징(41)에 결합된 상태로 고정되며, 이너 노즐(45)만이 후술될 밸브 모터(48)로부터 동력을 전달받아 회전할 수 있다. 이처럼 이너 노즐(45)이 회전함에 따라 고정된 위치의 제 1 노즐(44)과 회전하는 제 2 노즐(46)이 교차하는 면적이 변화될 수 있으며, 이에 따라 이너 노즐(45)과 하우징(41) 사이의 유체의 이동량이 조절될 수 있다.

한편, 이너 노즐(45)은 이너 노즐(45)의 일단부에 연결되는 밸브 모터(48)에 의해 회전될 수 있다. 이 때, 밸브 모터(48)는 후술될 제어 모듈(미도시)에 의해 구동이 제어되며, 별도의 전원을 공급받아 구동되는 전동식 모터일 수 있다.

비제한적인 일례로서, 이너 노즐(45)과 밸브 모터(48)는 도 7에 도시된 바와 같이 베벨 기어(47)에 의해 직결될 수 있다. 이와 같이 베벨 기어(47)로 이너 노즐(45)와 밸브 모터(48)를 구성할 경우, 밸브 모터(48)가 로터리 유압 실린더(30)의 회전축(37)과 수직이 되도록 배치됨으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)의 폭 방향 두께를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

그러나 하이브리드 무릎 의지 장치(10) 내 공간이 충분할 경우, 이너 노즐(45)과 밸브 모터(48)는 직렬 구조의 기어에 연결될 수도 있다.

한편 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 유량조절 밸브(42)는 서로 유체의 이동 방향을 달리하는 제 1 유량조절 밸브(42)와 제 2 유량조절 밸브(42)를 개별적으로 포함할 수 있다.

예를 들면, 제 1 유량조절 밸브(42)는 실린더 몸체(31) 내 복수의 챔버 중 제 1 챔버(33)로부터 제 2 챔버(34) 방향으로 이동되는 유체의 이동 정도를 조절할 수 있으며, 제 2 유량조절 밸브(42)는 제 2 챔버(34)로부터 상기 제 1 챔버(33) 방향으로, 즉 제 1 유량조절 밸브(42)에 의한 유체 이동 방향과 반대되는 방향으로 이동되는 유체의 이동 정도를 조절할 수 있다.

이와 같이 제 1 유량조절 밸브(42)와 제 2 유량조절 밸브(42)를 개별적으로 형성하는 것은 무릎 관절 모듈(20)에 의한 굴곡운동 및 신장운동이 모두 가능하도록 회전축(37)을 양방향으로 피벗 회전시키기 위함이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 무릎 관절 모듈(20)이 무릎을 구부리는 굴곡운동(Flexion)을 위해서는 제 1 유량조절 밸브(42)가 개방되도록 함으로써, 유체가 제 1 챔버(33)로부터 제 2 챔버(34) 측으로 이동되도록 할 수 있고, 반대로 무릎을 펴는 신장운동(Extension)을 위해서는 제 2 유량조절 밸브(42)가 개방되도록 하여, 유체가 제 2 챔버(34)로부터 제 2 챔버(34) 측으로 이동되도록 유도할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 앞서 살펴본 바와 같이 유로조절 부재(40) 내 유체의 이동 방향은 일방향으로 고정되는 것이 바람직하다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 유로조절 부재(40) 내에 도 9에 도시된 바와 같이 체크 밸브(49)를 구비할 수 있다.

다시 도 9를 참조하면, 상기 체크 밸브(49)는 하우징(41) 내부에 형성되며, 유량조절 밸브(42)에 의해 제어되는 유로 상에 설치될 수 있다. 이 때, 체크 밸브(49)의 형태는 디스크 체크 밸브, 싱글 웨이퍼 체크 밸브, 더블 웨이퍼 체크 밸브 또는 스윙 체크 밸브 등 공지된 형태의 다양한 체크 밸브가 이용될 수 있으므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

한편, 상술한 설명을 통해 개시된 하우징(41) 및 유량조절 밸브(42)의 구조는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)의 유로조절 부재(40)의 구체적인 일례에 불과하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 본 명세서에서 개시된 실시예 외에도, 로터리 유압 실린더(30) 내부에 형성된 복수의 챔버(33, 34) 사이의 유체의 이동을 조절할 수 있는 다양한 형태를 채용할 수 있음을 밝혀 둔다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 로터리 유압 실린더(30)에 액티브 동력을 제공하는 전동 모터(50)를 포함할 수 있다.

이 때, 전동 모터(50)는 로터(52)와 스테이터(53)를 포함하며, 별도의 전력 공급 모듈(미도시)로부터 전원을 공급받아 회전력을 발생시킬 수 있는 다양한 형태의 모터가 이용될 수 있다. 이와 같이 전동 모터(50)에 의해 생성된 회전력은 구동 케이블(70)을 매개로 하여 로터리 유압 실린더(30) 측으로 전달될 수 있다.

구동 케이블(70)에 의한 액티브 동력 전달과 관련하여, 도 3을 참조하면, 전동 모터(50)의 내측에 배치되는 로터(52)에 연결된 구동축(58)이 존재하며, 이러한 구동축(58)의 외주면을 따라 구동 케이블(70)이 체결될 수 있는 제 2 풀리(59)가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 구동 케이블(70)은 상기 제 2 풀리(59)와, 실린더 몸체(31)의 외주면에 형성된 제 1 풀리(36)에 동시에 연결될 수 있으며, 그 결과 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 전동 모터(50)가 회전함에 따라 실린더 몸체(31) 전체가 로터리 유압 실린더(30)의 회전축(37)을 중심으로 회전될 수 있다.

한편, 전동 모터(50)에 의해 액티브 동력이 로터리 유압 실린더(30)로 전달되는 경우, 제어 모듈은 유로조절 부재(40)가 복수의 챔버(33, 34) 사이의 유체의 이동을 완전히 차단하도록 제어할 수 있다. 이와 같이 챔버(33, 34) 간 유체의 이동이 차단되면, 챔버(33, 34) 내 유압이 형성되지 않아 블레이드(38)는 더 이상 실린더 몸체(31)의 내주면(35)에 대하여 상대 회전할 수 없다.

보다 상세하게, 앞서 설명한 바와 같이 블레이드(38)는 실린더 몸체(31)의 내주면(35)에 완전히 밀착되도록 형성되는 바, 실린더 몸체(31)와 블레이드(38) 사이의 마찰력이 발생된다. 따라서 상술한 액티브 동력에 의해 실린더 몸체(31)가 회전되는 경우 블레이드(38)도 실린더 몸체(31)와 함께 일체로 회전하게 된다. 그 결과 블레이드(38)에 연결된 회전축(37)도 회전하게 되며, 회전축(37)에 연결된 무릎 관절 모듈(20)도 회전할 수 있다. 이하, 도 11(b)와 같이 전동 모터(50)에 의해 실린더 몸체(31) 및 블레이드(38)가 일체로 회전함으로써 회전축(37) 및 이와 연결된 무릎 관절 모듈(20)도 동시에 피벗 회전되는 것을 액티브 모드라 하며, 이러한 액티브 모드에 이용되는 동력을 액티브 동력이라 규정한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치(10)는 전동 모터(50)의 구조에 따라 크게 두가지 형태로 분류될 수 있다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 별도의 구동축(58)을 통해 구동 케이블(70)을 연결하는 고토크형 하이브리드 의지 장치(10)가 있다. 이러한 고토크형 하이브리드 의지 장치는 후술될 저토크형 하이브리드 의지 장치와 비교하여 별도의 구동축(58) 상에 제 2 풀리(59)를 형성함으로써, 기어비가 증가되므로 보다 높은 토크의 동력을 전달할 수 있는 장점이 있다.

이와는 달리, 도 10에 도시된 것과 같이, 전동 모터(50)의 내측에 스테이터가 배치되고, 외측에 로터가 배치될 경우에는 전동 모터(50)는 구동 케이블(70)의 연결을 위한 별도의 구동축(58)을 형성하지 않으며, 로터(52)의 외주면을 따라 제 2 풀리(59)가 형성될 수도 있다. 이와 같은 구조의 하이브리드 의지 장치(10)를 저토크형 하이브리드 의지 장치(10)라고 규정한다.

이 경우, 별도의 구동축(58)을 배치하기 위한 공간을 절약할 수 있어 보다 컴팩트한 구조의 하이브리드 무릎 의지 장치(10)를 형성할 수 있는 장점이 있다. 반면, 구동축(58)을 도입하여 동력을 전달하는 고토크형 의지 장치와 비교하여, 제 1 풀리(36)와 제 2 풀리(59) 사이의 기어비가 감소되어 전동 모터(50)가 전달할 수 있는 최대 토크 측면에서는 다소 불리할 수 있다.

따라서, 장애 정도가 심각하여 높은 수준의 토크가 필요한 경우에는 로터(52)가 내측에 배치되어 구동축(58)을 통해 액티브 동력을 전달하는 고토크형 하이브리드 의지 장치를 적용할 수 있고, 장애 정도가 비교적 경미한 경우에는 로터(52)가 외측에 배치되어 구동축(58) 없이 바로 로터(52)에 의해 액티브 동력을 전달하는 저토크형 하이브리드 의지 장치를 선택적으로 적용할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 동일한 환자라 할지라도, 상술한 두가지 전동 모터(50)의 형태를 사용자의 보행 환경을 고려하여 교체 가능하도록 형성될 수도 있다.

이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)의 사용자는 일례로, 당일 보행 환경이 계단 오르기, 등산 등의 높은 토크가 필요한 상황을 다수 포함하는 경우인지, 또는 평지 보행이 대부분이어서 높은 토크가 굳이 필요치 않아 컴팩트한 의지 장치의 장착이 유리한 경우인지 여부를 미리 고려한 후, 적합한 전동 모터(50)의 형태를 장착할 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 전동 모터(50)는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)가 상기 패시브 모드로 제어되는 경우, 내부에 설치되는 브레이크, 일례로 전자식 브레이크에 의해 구동이 정지되도록 제어될 수 있다. 이는 패시브 동력과 액티브 동력 사이의 중첩 또는 충돌에 의해 무릎 관절 모듈(20)에 목적하는 동력이 전달되지 않는 것을 방지하기 위함이다. 이러한 전동 모터의 구동 제어는 후술될 제어 모듈에 의할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 무릎 의지 장치(10)가 패시브 모드와 액티브 모드 중 어느 하나의 모드로 작동되도록 상술한 구성들을 제어하는 제어 모듈(미도시)을 포함할 수 있다.

구체적으로, 제어 모듈은 패시브 모드와 액티브 모드 사이의 전환을 위해 유로조절 부재(40)와 전동 모터(50)의 구동을 함께 제어할 수 있다.

먼저 제어 모듈은 패시브 모드를 실행시키기 위해서, 유로조절 부재(40)의 구동을 제어하여 실린더 몸체(31) 내 복수의 챔버(33, 34) 사이에 유로를 개방하여 유체의 이동이 가능하도록 할 수 있다. 그리고, 전동 모터(50)에 의한 액티브 동력이 전달되는 것을 차단하기 위해서 전동 모터(50) 내의 브레이크를 활성화하여 전동 모터(50)의 구동을 정지시킬 수 있다. 이와 같이, 패시브 모드 시 액티브 동력을 차단하는 것은 앞서 설명한 바와 같이 패시브 동력과의 충돌을 방지하기 위함이다.

이 때, 제어 모듈은 유로조절 부재(40)에 의한 유로 개방 정도를 달리함으로써, 패시브 동력에 의한 무릎 관절 모듈(20)의 댐핑 속도를 조절할 수 있다. 일례로, 유로의 개방 정도가 클 경우에는 무릎 관절 모듈(20)의 댐핑 속도가 빠를 수 있으며, 반대로 유로의 개방 정도가 작을 경우에는 댐핑 속도가 느릴 수 있다.

이와 같은 댐핑 속도 조절은 사용자의 보행 환경 또는 조건을 실시간으로 감지하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 사용자가 평지길을 천천히 산책하는 경우에는 자연스러운 보행을 위해 댐핑 속도를 느리게 할 수 있으며, 속보로 걷는 경우에는 이에 걸맞게 댐핑 속도를 빠르게 변경하여 안정적인 보행을 제공할 수 있다.

이 때, 보행 환경 또는 조건 감지는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10) 내에 별도로 설치된 센서 모듈(미도시)에 의할 수 있으며, 여기서, 센서 모듈은 무릎 각도, 각속도 등을 감지할 수 있다.

다음으로 제어 모듈은 액티브 모드를 실행시키기 위해서, 실린더 몸체(31) 내 유체에 의한 유압 생성을 억제하도록 유로조절 부재(40)을 통해 복수의 챔버(33, 34) 사이의 유로를 차단할 수 있다. 그리고, 전동 모터(50)의 구동을 활성화시킴으로써, 액티브 동력이 구동 케이블(70)을 통해 로터리 유압 실린더(30) 측으로 전달되도록 할 수 있다.

도 12는 보행능력이 떨어지는 절단 장애인의 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 제어 모듈이 구동을 제어하는 방법을 도시한 도면이다. 도 13은 보행능력이 있는 절단 장애인의 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치의 제어 모듈이 구동을 제어하는 방법을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)의 제어 모듈이 패시브 모드와 액티브 모드를 각각 선택적으로 적용하는 경우를 사용자의 보행 조건과 연관하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도 12를 참조하여, 예를 들면 양측 대퇴를 절단한 장애인 및 보행 능력이 떨어지는 편측 대퇴 절단장애인과 같이 보행 능력이 일정 수준 이하인 착용자가 하이브리드 무릎 의지 장치(10)를 이용하는 경우에 대하여 설명한다.

평지보행 및 소정 각도 이하의 낮은 경사로 보행과 같이 평상시 생활의 상당 부분을 차지하는 일반적인 보행 상황의 경우, 만약 착용자가 하이브리드 무릎 의지 장치(10)를 착용한 상태로 충분한 보행 훈련을 수행하였다면, 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 로터리 유압실린더 만을 이용한 패시브 모드로 제어될 수 있다. 이 경우 착용자가 충분한 보행 훈련을 수행하였기에, 유각기 시에 일정 부분 힘을 분담할 수 있으며, 따라서 로터리 유압실린더에 의한 댐핑력 만으로도 유각기로부터 입각기까지의 무릎 관절의 스윙 운동을 충분히 모사할 수 있기 때문이다. 이를 통해 하이브리드 무릎 의지 장치(10)의 에너지 소모를 최소화함으로써 착용시간을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

그러나, 충분한 보행 훈련을 수행하지 않은 착용자의 경우 일반적인 보행 상황의 경우라 할지라도, 패시브 모드만을 이용한다면 보행 자체가 어려울 수 있으므로, 로터리 유압 실린더에 의한 패시브 모드와, 전동 모터에 의한 액티브 모드가 자동적으로 변경되는 '오토 모드'로 제어될 수 있다.

한편, 일반적인 보행이 아니라, 계단보행 또는 높은 각도의 경사로 보행과 같이 많은 힘이 요구되는 보행 상황의 경우, 하이브리드 의지 장치(10)는 패시드 모드 만으로 구동되기에는 무리가 있으므로, 보행 훈련 여부를 가리지 않고 오토 모드로 제어될 수 있다.

다음으로 도 13을 참조하여, 보행 능력이 있는 편측 대퇴 절단 장애인의 경우, 하이브리드 의지 장치(10)에 구비된 제어 모듈의 제어방법에 대하여 설명한다.

어느 정도 보행 능력이 있는 착용자의 경우, 평지와 같은 일반적인 보행 환경에서는 하이브리드 의지 장치(10)가 패시브 모드만을 이용하도록 제어됨으로써 에너지 소모를 최소화할 수 있다. 이 경우, 착용자가 소정 수준 이상의 근력이 있으므로 보행 훈련이 없는 착용자라 할지라도 패시브 모드 만으로도 보행을 충분히 수행할 수 있기 때문이다.

그러나, 보행능력을 수행한 착용자라 할지라도 계단보행 및 높은 각도의 경사로 보행과 같은 경우에는 하이브리드 의지 장치(10)의 패시브 모드만으로는 충분한 보행을 수행하기가 어렵다. 따라서, 이 경우, 하이브리드 의지 장치(10)는 로터리 유압 실린더에 의한 패시브 모드와, 전동 모터에 의한 액티브 모드가 자동적으로 변경되도록 제어될 수 있다.

다만, 이 경우, 전술한 보행 능력이 없는 착용자의 '오토모드'와 차이점을 살펴보면, 보행 능력이 없는 착용자에게 제공되는 오토모드는 일반적인 평지 보행 상황이므로, 전동 모터가 유각기시에만 무릎 관절의 스윙 운동 패턴만을 생성하고 입각기에는 브레이크로써 동작하지만, 보행 능력이 있는 착용자의 경우, 더 많은 활동을 보조하기 위해 입각기 시 몸체를 들어올리는 신전방향의 토크를 제공해 줄 수 있고, 유각기시에는 오토모드와 동일하게 보행 패턴을 생성해 줄 수 있는 차이가 있다.

이처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치(10)는 보행자의 각 보행 단계별로 로터리 유압실린더에 의한 패시브 모드와, 전동 모터에 의한 액티브 모드를 별도의 클러치 모듈이 없이 자유자재로 변경할 수 있다. 이것은 로터리 유압실린더(30)에 의한 유로 조절이 클러치(동력전환) 기능과, 브레이킹 기능을 제공하기 때문이다. 또한 로터리 유압실린더(30)에 의해 유체의 이동 정도를 제어함으로써 로터리 유압실린더(30)의 댐핑 속도 및 정도를 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치(10)의 로터리 유압실린더(30)는 클러치 기능, 댐핑 조절 기능 및 브레이킹 기능 등 다양한 기능을 가지는 장점이 있다.

살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 액티브 구동 모드가 작동되어야 하는 구간, 예를 들어, 경사로 보행 중 액티브 모드를 작동시키는 구간 및 계단 오르기 보행 중 액티브 모드를 작동시키는 구간을 전술한 바와 같이 특정하여 액티브 동력을 제공함으로써 에너지 소비 구간을 최소화하면서도 해당 구간에서 보행자에게 필요한 적정한 힘을 보행자에게 부여할 수 있어, 효율적으로 장시간동안 하이브리드형 의지 장치를 사용할 수 있다.

이와 같이 효율적으로 액티브 구동이 필요한 경우에만 로터리 유압 실린더(30)에 의한 패시브 모드의 작동을 차단하고, 전동 모터(50)를 작동시키는 하이브리드형 의지 장치는 에너지를 효율적으로 사용하므로 의지 장치에 장착되는 배터리의 크기를 줄일 수 있다. 따라서 하이브리드형 의지 장치의 무게를 줄일 수 있고, 이에 따라 콤팩트한 하이브리드형 의지 장치를 제공할 수 있게 된다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 액티브 모드가 작동되어야 하는 경우에 있어서도 입각기 구간 중 적어도 일부 구간에서만 액티브 모드를 작동하여 힘을 제공하고, 유각기 구간에서는 로터리 유압 실린더에 의한 패시브 동력을 이용함으로써, 배터리 사용을 최소화함으로써 배터리 사용시간을 최대화할 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 특유의 유로조절 부재(40)를 통해 로터리 유압 실린더(30) 내 유압을 조절함으로써, 패시브 모드와 액티브 모드 사이의 모드 전환을 별도의 클러치 모듈의 도입 없이도 용이하게 달성할 수 있다. 즉, 로터리 유압 실린더(30) 자체만으로도 동력 전환을 위한 클러치 기능을 우수하게 수행할 수 있어 장치 구조의 간단화 및 크기의 최소화를 도모할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 무릎 의지 장치(10)는 로터리 유압 실린더(30) 내 유로 조절을 통해 댐핑 속도를 실시간으로 조절함으로써 의지 장치의 착용자가 다양한 보행 환경에서도 안정적으로 보행을 유지할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10 하이브리드 무릎 의지 장치 11 외부 프레임
20 무릎 관절 모듈 22 체결부
24 결합부 30 로터리 유압 실린더
31 실린더 몸체 32 내부 공간
33 제 1 챔버 34 제 2 챔버
35 실린더 몸체의 내주면 36 제 1 풀리
37 회전축 38 블레이드
39 블레이드의 일단부 40 유로조절 부재
41 하우징 42 유량조절 밸브
43 아우터 노즐 44 제 1 개구
45 이너 노즐 46 제 2 개구
47 베벨 기어 48 밸브 모터
49 체크 밸브 50 전동 모터
52 로터 53 스테이터
58 구동축 59 제 2 풀리
70 구동 케이블

Claims (18)

1. 대퇴 절단 환자의 무릎 부위에 장착되어 보행을 보조하는 무릎 의지 장치로서,
   상기 대퇴 절단 환자의 하퇴 의지에 연결되는 무릎 관절 모듈;
   상기 무릎 관절 모듈과 작동적으로 결합되며, 회전축의 피벗 회전에 의해 상기 무릎 관절 모듈을 피벗 회전시키는 로터리 유압 실린더;
   상기 로터리 유압 실린더에 액티브 동력을 제공하는 전동 모터
   상기 로터리 유압 실린더와 상기 전동 모터를 서로 작동적으로 연결하는 구동 케이블 및
   상기 로터리 유압 실린더에 구비된 회전축이 상기 로터리 유압 실린더 내부에 형성되는 유압에 의해 피벗 회전되는 패시브 모드 또는 상기 회전축이 상기 액티브 동력에 의해 피벗 회전되는 액티브 모드 중 어느 하나의 모드로 작동되도록 제어하는 제어 모듈을 포함하고,
   상기 로터리 유압 실린더는
   원통 형상으로 형성되며, 내부에 유체를 수용할 수 있는 공간이 형성된 실린더 몸체;
   상기 실린더 몸체 내부를 관통하는 상기 회전축;
   상기 회전축으로부터 상기 실린더 몸체의 반경 방향으로 연장 형성되어 상기 실린더 몸체의 내부에 형성된 공간을 복수의 챔버로 구획하는 블레이드 및
   상기 복수의 챔버 사이의 유체의 이동을 조절하는 유로조절 부재를 포함하고,
   상기 제어 모듈은 유로조절 부재의 구동을 제어함으로써, 상기 무릎 의지 장치를 상기 패시브 모드 및 상기 액티브 모드 중 어느 하나의 모드로 선택적으로 작동시키는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 무릎 관절 모듈은 상기 대퇴 절단 환자의 하퇴 의지에 결합되는 체결부 및 상기 회전축의 양단부에 결합되는 결합부를 포함하는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 블레이드는 상기 실린더 몸체의 내주면 및 내측면에 밀착되도록 형성됨으로써, 상기 복수의 챔버 사이의 유체의 이동은 상기 유로조절 부재를 통해서만 이루어지는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 블레이드 중 상기 실린더 몸체의 내주면 및 내측면과 접촉되는 접촉면은 고무 재질로 형성되는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 실린더 몸체의 외주면을 따라 상기 구동 케이블이 체결되는 제 1 풀리가 형성되는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 유로조절 부재는
   상기 실린더 몸체의 내부에 형성된 공간에 배치되며, 상기 유체가 이동될 수 있는 유로가 형성되는 하우징 및
   상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 복수의 챔버 중 일 챔버로부터 타 챔버 방향으로 이동되는 상기 유체의 이동 정도를 조절할 수 있는 유량조절 밸브를 포함하는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 유량조절 밸브는
   상기 하우징 내부에 형성되는 노즐삽입 공간의 일부에 형성되며, 상기 유체가 이동 가능한 제 1 개구 및
   상기 노즐삽입 공간에 삽입되며, 외주면 상에 상기 제 1 개구에 대응되는 제 2 개구가 형성되어 회전에 따라 상기 제 1 개구의 개폐 정도를 조절하는 이너 노즐을 포함하는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 유량조절 밸브는 상기 이너 노즐에 연결되어 상기 이너 노즐을 회전시키는 밸브 모터를 더 포함하는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 무릎 의지 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이너 노즐과 상기 밸브 모터는 베벨 기어를 통해 연결되는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
11. 제 7 항에 있어서,
    상기 유량조절 밸브는 상기 무릎 관절 모듈이 굴곡운동 및 신장운동이 모두 가능하도록 상기 회전축을 양방향으로 피벗 회전시키기 위해서
    상기 복수의 챔버 중 제 1 챔버로부터 제 2 챔버 방향으로 이동되는 상기 유체의 이동 정도를 조절하는 제 1 유량조절 밸브 및
    상기 제 2 챔버로부터 상기 제 1 챔버 방향으로 이동되는 상기 유체의 이동 정도를 조절하는 제 2 유량조절 밸브를 포함하는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
12. 제 7 항에 있어서,
    상기 유량조절 밸브에 의해 상기 복수의 챔버 사이의 유체 이동이 차단되었을 때, 상기 블레이드의 피벗 회전이 제한되며, 상기 구동 케이블에 의해 상기 실린더 몸체 전체가 회전함에 따라 상기 회전축이 동시에 피벗 회전되어 상기 액티브 모드가 작동되는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
13. 제 7 항에 있어서,
    상기 유량조절 밸브에 의해 상기 복수의 챔버 사이의 유체 이동이 허용되었을 때, 상기 유압에 의해 상기 블레이드가 피벗 회전함에 따라 상기 회전축이 동시에 피벗 회전되어 상기 패시브 모드가 작동되는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 하이브리드 무릎 의지 장치 내에 탑재된 센서를 통해 획득된 보행 정보를 기초로, 실시간으로 보행 환경을 판별하여 상기 유량조절 밸브의 개방 정도를 제어함으로써 상기 무릎 관절 모듈의 댐핑 속도를 조절하는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
15. 제 7 항에 있어서,
    상기 유로조절 부재는 하우징 내부에 상기 유체의 이동 방향을 일 방향으로 제한하기 위한 체크 밸브가 구비되는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
16. 대퇴 절단 환자의 무릎 부위에 장착되어 보행을 보조하는 무릎 의지 장치로서,
    상기 대퇴 절단 환자의 하퇴 의지에 연결되는 무릎 관절 모듈;
    상기 무릎 관절 모듈과 작동적으로 결합되며, 회전축의 피벗 회전에 의해 상기 무릎 관절 모듈을 피벗 회전시키는 로터리 유압 실린더;
    상기 로터리 유압 실린더에 액티브 동력을 제공하는 전동 모터
    상기 로터리 유압 실린더와 상기 전동 모터를 서로 작동적으로 연결하는 구동 케이블 및
    상기 로터리 유압 실린더에 구비된 회전축이 상기 로터리 유압 실린더 내부에 형성되는 유압에 의해 피벗 회전되는 패시브 모드 또는 상기 회전축이 상기 액티브 동력에 의해 피벗 회전되는 액티브 모드 중 어느 하나의 모드로 작동되도록 제어하는 제어 모듈을 포함하고,
    상기 전동 모터는 외측에 로터가 배치되며, 상기 로터의 외주면을 따라 상기 구동 케이블이 체결되는 제 2 풀리가 형성되는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
17. 대퇴 절단 환자의 무릎 부위에 장착되어 보행을 보조하는 무릎 의지 장치로서,
    상기 대퇴 절단 환자의 하퇴 의지에 연결되는 무릎 관절 모듈;
    상기 무릎 관절 모듈과 작동적으로 결합되며, 회전축의 피벗 회전에 의해 상기 무릎 관절 모듈을 피벗 회전시키는 로터리 유압 실린더;
    상기 로터리 유압 실린더에 액티브 동력을 제공하는 전동 모터
    상기 로터리 유압 실린더와 상기 전동 모터를 서로 작동적으로 연결하는 구동 케이블 및
    상기 로터리 유압 실린더에 구비된 회전축이 상기 로터리 유압 실린더 내부에 형성되는 유압에 의해 피벗 회전되는 패시브 모드 또는 상기 회전축이 상기 액티브 동력에 의해 피벗 회전되는 액티브 모드 중 어느 하나의 모드로 작동되도록 제어하는 제어 모듈을 포함하고,
    상기 전동 모터는 내측에 로터가 배치되며, 상기 로터에 연결된 구동축의 외주면을 따라 상기 구동 케이블이 체결되는 제 2 풀리가 형성되는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.
18. 대퇴 절단 환자의 무릎 부위에 장착되어 보행을 보조하는 무릎 의지 장치로서,
    상기 대퇴 절단 환자의 하퇴 의지에 연결되는 무릎 관절 모듈;
    상기 무릎 관절 모듈과 작동적으로 결합되며, 회전축의 피벗 회전에 의해 상기 무릎 관절 모듈을 피벗 회전시키는 로터리 유압 실린더;
    상기 로터리 유압 실린더에 액티브 동력을 제공하는 전동 모터
    상기 로터리 유압 실린더와 상기 전동 모터를 서로 작동적으로 연결하는 구동 케이블 및
    상기 로터리 유압 실린더에 구비된 회전축이 상기 로터리 유압 실린더 내부에 형성되는 유압에 의해 피벗 회전되는 패시브 모드 또는 상기 회전축이 상기 액티브 동력에 의해 피벗 회전되는 액티브 모드 중 어느 하나의 모드로 작동되도록 제어하는 제어 모듈을 포함하고,
    상기 전동 모터는 상기 무릎 의지 장치가 상기 패시브 모드로 제어되는 경우, 내부에 설치되는 브레이크에 의해 구동이 정지되는, 다기능 로터리 유압 실린더를 구비한 하이브리드 무릎 의지 장치.

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