KR102503919B1 - 운동 보조 장치 - Google Patents

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최병준
김정훈
노세곤
이연백
이종원
최정연
최혁렬
최현도
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삼성전자주식회사
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Abstract

일 실시 예에 따르면 잠금 장치는, 내부에 슬라이딩 공간이 형성되고, 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 힘 전달 프레임; 상기 슬라이딩 공간 내에서 슬라이딩 가능한 슬라이더; 및 상기 슬라이더에 연결되고, 상기 사용자의 근위 부분에 대하여 회전 가능한 구동 프레임을 포함할 수 있다.

Description

운동 보조 장치{MOTION ASSIST APPARATUS}
아래의 설명은 운동 보조 장치에 관한 것이다.
고령화 사회가 심화됨에 따라 관절 문제로 고통과 불편을 호소하는 사람들이 증가하고 있으며, 관절이 불편한 노인이나 환자들의 보행을 보조하는 운동 보조 장치에 대한 관심이 높아지고 있다.
일 실시 예에 따르면 잠금 장치는, 내부에 슬라이딩 공간이 형성되고, 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 힘 전달 프레임; 상기 슬라이딩 공간 내에서 슬라이딩 가능한 슬라이더; 및 상기 슬라이더에 연결되고, 상기 사용자의 근위 부분에 대하여 회전 가능한 구동 프레임을 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 힘 전달 프레임 및 슬라이더를 연결하는 복수 개의 탄성 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 탄성 부재 중 적어도 하나 이상의 탄성 부재는, 상기 슬라이더가 상기 힘 전달 프레임의 중심으로부터 멀어질수록 인장 또는 압축될 수 있다.
상기 슬라이더는, 상기 슬라이딩 공간 내에 위치하는 바디 플레이트; 및 상기 바디 플레이트의 상면 및 하면 중 적어도 하나 이상에 부착되는 슬립 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 슬립 플레이트는, 상기 슬립 플레이트 및 상기 힘 전달 프레임 사이에서 발생되는 마찰을 저감시키기 위한 마찰 저감부를 포함할 수 있다.
상기 슬라이더 및 상기 구동 프레임 중 어느 하나는, 상기 슬라이더 및 상기 구동 프레임을 연결하는 연결 부재를 포함할 수 있다.
상기 힘 전달 프레임은 상기 연결 부재가 관통되는 개구를 포함할 수 있다.
상기 힘 전달 프레임 및 상기 슬라이더는 상기 개구에 대해 수직한 방향을 기준으로 적어도 일부가 오버랩될 수 있다.
상기 힘 전달 프레임 및 상기 슬라이더는 일 방향으로 휘어질 수 있다.
상기 힘 전달 프레임은 상기 사용자의 원위 부분을 감싸는 방향으로 휘어질 수 있다.
상기 슬라이더 및 상기 슬라이딩 공간의 두께는 일정하고, 상기 힘 전달 프레임의 곡률과 상기 슬라이더의 곡률은 동일할 수 있다.
상기 슬라이더는 상기 슬라이딩 공간 내에서 서로 교차하는 2개의 방향으로 2자유도 움직임이 가능할 수 있다.
상기 힘 전달 프레임의 양측에 탈착 가능한 스트랩을 더 포함할 수 있다.
상기 힘 전달 프레임은 양쪽 사이드로부터 돌출 형성되는 스트랩 연결부를 포함하고, 상기 스트랩은 길이 방향을 따라 간격을 두고 형성되고, 상기 스트랩 연결부에 끼워질 수 있는 복수 개의 스트랩 홈을 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 구동 프레임의 일단에 연결되어, 상기 구동 프레임을 구동하는 액츄에이터를 더 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 구동 프레임 및 상기 슬라이더 사이에 작용하는 힘 또는 토크를 감지하기 위한 센서; 및 상기 센서에서 측정된 정보에 기초하여 상기 액츄에이터를 제어 가능한 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 원위 부분은 상기 사용자의 허벅지이고, 상기 근위 부분은 상기 사용자의 허리 및 골반 중 적어도 하나일 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 지지부; 내부에 슬라이딩 공간이 형성되고, 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 힘 전달 프레임; 상기 슬라이딩 공간 내에서 슬라이딩 가능한 슬라이더; 및 상기 슬라이더에 연결되고, 상기 근위 지지부에 대해 상대적으로 회전 가능한 구동 프레임을 포함할 수 있다.
상기 슬라이더는 상기 슬라이딩 공간 내에서 서로 교차하는 2개의 방향으로 2자유도 움직임이 가능할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 근위 지지부에 대하여 상기 구동 프레임을 제 1 축을 중심으로 회전 시키기 위한 액츄에이터; 및 상기 근위 지지부에 대하여 상기 구동 프레임을 상기 제 1 축과 교차되는 제 2 축을 중심으로 회전시키기 위한 힌지를 더 포함할 수 있다.
도 1은 사용자가 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 착용한 모습을 나타내는 도면이다.
도 2는 사용자가 허벅지 굽힘(flexion) 또는 신장(extension) 운동할 때, 고관절 중심이 시상면(sagittal plane) 상에서 이동하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 사용자와 운동 보조 장치 각각의 관절이 관상면(frontal plane) 상에서 불일치(misalignment)를 이루는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 분해 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 일 실시 예에 따른 슬라이더가 힘 전달 프레임에 연결되어 있는 모습을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 4의 절개선 Ⅰ-Ⅰ를 따라 절개한 모습을 나타내는 운동 보조 장치의 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 4의 절개선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절개한 모습을 나타내는 운동 보조 장치의 단면도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 모습을 나타내는 도면이고, 도 2는 사용자가 허벅지 굽힘(flexion) 또는 신장(extension) 운동할 때, 고관절의 중심이 시상면(sagittal plane) 상에서 이동하는 것을 나타내는 도면이고, 도 3은 사용자와 운동 보조 장치 각각의 관절이 관상면(frontal plane) 상에서 불일치(misalignment)를 이루는 것을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(1)는, 사용자에 착용되어 사용자의 운동을 보조할 수 있다. 사용자는 인체, 동물 또는 로봇 등일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다. 운동 보조 장치(1)는, 원위 지지부(10, distal support)와, 근위 지지부(20, proximal support)와, 근위 지지부(10)에 대하여 상대적으로 원위 지지부(10)를 움직이게 하는 구동 프레임(12)과, 구동 프레임(12)을 구동 가능한 액츄에이터(19)와, 액츄에이터(19)와 구동 프레임(12)을 연결하는 힌지(18)를 포함할 수 있다.
원위 지지부(10) 및 근위 지지부(20)는, 사용자의 일 부분을 기준으로 서로 반대편에 배치되어, 각각 원위 부분(distal part) 및 근위 부분(proximal part)을 지지할 수 있다. 원위 부분은 사용자의 허벅지일 수 있고, 근위 부분은 사용자의 허리 및/또는 골반일 수 있다. 예를 들어, 원위 지지부(10)는 허벅지를 지지할 수 있고, 근위 지지부(20)는 허벅지의 윗 부분, 예를 들어 허리 및/또는 골반 등을 지지할 수 있다. 예를 들어, 원위 지지부(10)는 사용자의 허벅지를 전체적으로 지지하기 위한 탈부착식 벨트를 포함할 수 있고, 근위 지지부(20)는 사용자의 허리 및/또는 골반을 전체적으로 지지하기 위한 탈부착식 벨트를 포함할 수 있다.
다른 예로, 원위 지지부(10)는, 예를 들어, 팔뚝(forearm) 등을 지지할 수 있고, 근위 지지부(20)는, 예를 들어 어깨 및/또는 등(back) 등을 지지할 수 있다. 예를 들어, 원위 지지부(10)는 사용자의 팔뚝을 전체적으로 지지하기 위한 탈부착식 벨트를 포함하거나 팔뚝을 전체적으로 둘러싸는 구조를 포함할 수 있고, 근위 지지부(20)는 사용자의 어깨를 전체적으로 지지하기 위한 탈부착식 벨트를 포함할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 원위 지지부(10)가 사용자의 허벅지를 지지하는 상태를 기준으로 설명하도록 한다. 원위 지지부(10)가 지지하는 위치는 이에 제한되지 않음을 분명히 밝혀둔다.
도 2를 참조하면, 사용자가 고관절을 중심으로 허벅지 굽힘 운동을 하는 동안, 사용자의 고관절 중심은 제 1 위치(j1)로부터 제 2 위치(j2)까지 이동한다. 고관절 중심이 제 1 위치(j1)로부터 제 2 위치(j2)까지 이동하는 동안, 고관절 중심으로부터 원위 지지부(10)까지의 길이는 제 1 길이(l1)로부터 제 2 길이(l2)까지 증가하게 된다. 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 구동 프레임(12) 및 원위 지지부(10) 사이의 상대 운동을 구현함으로써, 이상과 같이 고관절 중심과 원위 지지부(10) 사이에서 발생되는 길이 변화를 보상해 줄 수 있다. 후술하는 것처럼 원위 지지부(10)는 사용자의 윈위 부분을 따라 고관절을 향하는 방향으로 미끄러지지 않고, 고관절 중심으로부터 원위 지지부(10) 사이의 거리는 변할 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 3은 사용자와 운동 보조 장치 각각의 관절은 관상면(frontal plane) 상에서 불일치(misalignment)를 이룬다. 예를 들어, 사용자가 허벅지 내전(adduction) 또는 외전(abduction) 운동을 하는 중심축(A1)과, 구동 프레임(12)의 회전 운동 중심축(A2)인 힌지(18)는 관상면 상에서 서로 이격되어 있다. 이와 같은 구조로 인해, 원위 지지부(10)는 사용자의 원위 부분에 마찰력을 작용하면서 고관절로부터 멀어지는 방향으로 미끄러지게 되고, 사용자는 이로 인해 불편함을 느낄 수 있다. 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 구동 프레임(12) 및 원위 지지부(10) 사이의 상대 운동을 구현함으로써, 원위 지지부(10)가 사용자의 원위 부분에 마찰력을 작용하여 사용자의 착용감을 저하시키는 문제를 줄일 수 있다. 후술하는 것처럼 원위 지지부(10)는 사용자의 윈위 부분을 따라 고관절을 향하는 방향으로 움직이지 않고, 고관절 중심으로부터 원위 지지부(10) 사이의 거리는 변할 수 있다.
정리하면, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 구동 프레임(12)과 원위 지지부(10) 사이의 상대적인 운동이 구현될 수 있으므로, 고관절 중심과 원위 지지부(10) 사이의 변화하는 길이를 보상할 수 있다. 이로 인해, 사용자가 느끼는 불편함을 해소할 수 있다. 구동 프레임(12)과 원위 지지부(10) 사이의 상대적인 운동을 구현하는 수단에 대해서는 이하 예시적으로 설명하기로 한다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 운동 보조 장치(1)는 힘 전달 프레임(11), 슬라이더(13), 구동 프레임(12), 탄성 부재(14), 스트랩(15), 힌지(18) 및 액츄에이터(19)를 포함한다. 힘 전달 프레임(11) 및 스트랩(15)은 사용자의 원위 부분을 지지 가능한 원위 지지부(10, 도 1 참조)에 포함되는 구성으로 이해될 수 있다.
힘 전달 프레임(11)은 내부에 슬라이딩 공간을 형성할 수 있다. 힘 전달 프레임(11)은 전방 커버(111), 후방 커버(112), 슬라이딩 공간(113, 도 7a 참조), 개구(114) 및 스트랩 연결부(115)를 포함할 수 있다.
전방 커버(111) 및 후방 커버(112) 각각의 테두리 부분은 예를 들어, 나사 결합될 수 있다. 전방 커버(111) 및 후방 커버(112) 중 적어도 하나 이상은, 상기 테두리 부분의 안쪽에서 돌출되는 볼록한 형상을 포함할 수 있다. 상기 볼록한 형상은 전방 커버(111) 및 후방 커버(112)가 결합했을 때, 슬라이딩 공간(113, 도 7a 참조)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전방 커버(111)의 뒷면과 후방 커버(112)의 앞면이 접촉할 때, 전방 커버(111)의 볼록한 형상의 내측면과 후방 커버(112)의 앞면으로 둘러싸이는 공간을 슬라이딩 공간(113)이라고 할 수 있다.
후방 커버(112)는 사용자의 원위 부분에 접촉할 수 있다. 후방 커버(112)는 사용자의 원위 부분을 안정적으로 지지하기 위해, 원위 부분에 대응하여 휘어진 플레이트일 수 있다. 이러한 형상으로 인해, 후방 커버(112)와 사용자의 원위 부분 사이의 접촉 면적은 증가될 수 있고, 사용자의 원위 부분을 보다 안정적으로 지지할 수 있다. 후방 커버(112)의 뒷면은 사용자의 원위 부분과 접촉하고, 후방 커버(112)의 앞면은 전방 커버(111)와 접촉할 수 있다. 후방 커버(112)는 사용자의 원위 부분에 밀착할 수 있으므로, 운동 보조 장치(1)가 사용자로부터 돌출되는 높이를 줄여줌으로써, 전체 운동 보조 장치(1)를 소형화 할 수 있다. 또한, 후방 커버(112)와 원위 부분 사이의 밀착을 통해, 구동 유격을 최소화할 수 있다.
후방 커버(112)의 뒷면에는 마찰 부재(미도시)가 구비될 수 있다. 마찰 부재는 후방 커버(112)가 사용자의 원위 부분 상에서 미끄러지는 것을 방지할 수 있다.
전방 커버(111)는 후방 커버(112)에 결합될 수 있다. 전방 커버(111)는 슬라이딩 공간(113)을 형성하기 위해, 볼록한 형상을 구비할 수 있다. 상기 볼록한 형상은 전방 커버(111)의 중앙에 형성될 수 있다.
본원의 도면에서, 전방 커버(111)가 볼록한 형상을 구비한 것으로 도시되고, 후방 커버(112)는 평평한 플레이트 형상인 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않음을 밝혀둔다. 예를 들어, 후방 커버(112)가 사용자의 원위 부분을 향해 돌출되는 볼록한 형상을 구비하고, 전방 커버(111)는 평평한 플레이트 형상일 수 있다. 다른 예로, 후방 커버(112)가 사용자의 원위 부분을 향해 돌출되는 볼록한 형상을 구비하고, 전방 커버(111)도 사용자의 원위 부분으로부터 멀어지는 방향으로 돌출되는 볼록한 형상을 구비할 수도 있다.
슬라이딩 공간(113, 도 7a 참조)은 전방 커버(111) 및 후방 커버(112) 사이에 형성되는 공간으로 이해될 수 있다. 후방 커버(112)의 표면으로부터 전방 커버(111)까지의 수직 거리를 슬라이딩 공간(113)의 두께라고 할 때, 슬라이딩 공간(113)의 두께는 균일(uniform)할 수 있다.
개구(114)는 전방 커버(111)의 일측에 형성될 수 있다. 슬라이딩 공간(113) 내부에 배치되는 슬라이더(13)는 개구(114)를 통과하는 연결 부재(16, 도 7a 참조)에 의해 연결될 수 있다.
스트랩 연결부(115)는 힘 전달 프레임(11)의 양쪽 사이드로부터 돌출 형성될 수 있다. 예를 들어, 스트랩 연결부(115)는 힘 전달 프레임(11)의 양쪽 사이드 단부로부터 사용자의 원위 부분으로부터 멀어지는 방향으로 돌출된 뒤, 개구(114)를 향해 굽어지는 형상일 수 있다. 스트랩 연결부(115)에는 스트랩(15)이 연결될 수 있다.
슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113, 도 7a 참조) 내에서 슬라이딩 가능하다. 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113)을 따라 사용자의 원위 부분의 길이 방향에 대응하는 방향으로 움직임이 가능하다. 또한, 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113)을 따라 사용자의 원위 부분의 폭 방향에 대응하는 방향으로 움직임이 가능하다. 다시 말하면, 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113) 내에서 교차하는 2개의 방향으로 2자유도 움직임이 가능하다.
슬라이더(13)와 슬라이딩 공간(113, 도 7a 참조)의 두께는 균일할 수 있다. 이와 같이, 슬라이더(13)와 슬라이딩 공간(113)의 두께가 균일할 경우, 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113) 내에서 걸림 없이 원활하게 이동할 수 있다.
구동 프레임(12)은 슬라이더(13)와 액츄에이터(19)를 연결할 수 있다. 액츄에이터(19)는 제 1 축(a1)을 중심으로 구동 프레임(12)을 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터(19)가 사용자의 근위 지지부(20, 도 1 참조)에 배치될 경우, 구동 프레임(12)은 사용자의 근위 지지부(20)에 대하여 회전 가능하다. 또한, 구동 프레임(12)과 액츄에이터(19) 사이에는 힌지(18)가 배치될 수 있다. 힌지(18)는 액츄에이터(19)를 제 2 축(a2)을 중심으로 회전시킬 수 있다. 또한, 힌지(18)는 액츄에이터(19)의 동작에 의하여 제 1 축(a1)을 중심으로 구동 프레임(12)과 함께 회전 가능하다. 제 2 축(a2)은 제 1 축(a1)과 교차할 수 있다. 다시 말하면, 구동 프레임(12)은 서로 교차하는 2개의 축(a1, a2)을 중심으로 2자유도 회전할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 구동 프레임(12)은 허벅지의 굽힘 또는 신장 운동뿐만 아니라, 허벅지의 내전 또는 외전 운동에 순응하여 회전할 수 있다.
구동 프레임(12)은 휘어진 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구동 프레임(12) 중 액츄에이터(19)에 연결되는 부분은 사용자의 측면을 감싸고, 구동 프레임(12) 중 슬라이더(13)에 연결되는 부분은 사용자의 전면을 감싸도록 휘어진 형상일 수 있다. 이와 같은 구조로 인해, 구동 프레임(12)은 사용자의 원위 부분에 법선 방향의 힘(normal force)를 전달할 수 있다. 구동 프레임(12)은 사용자의 원위 부분에 법선 방향의 힘을 전달함으로써, 효율적으로 사용자의 허벅지 굽힘 또는 신장 운동을 보조할 수 있다.
힘 전달 프레임(11) 및 슬라이더(13)는 개구(114)에 대해 수직한 방향을 기준으로 적어도 일부가 오버랩될 수 있다. 예를 들어, 슬라이더(13)의 테두리 부분은 힘 전달 프레임(11)과 오버랩될 수 있다. 슬라이더(13)가 슬라이딩 공간(113, 도 7a 참조) 내에서 일 방향으로 최대로 슬라이딩 하더라도, 슬라이더(13)의 양측은 적어도 일부가 힘 전달 프레임(11)에 오버랩될 수 있다. 슬라이더(13)의 양측이란, 연결 부재(16, 도 6a)를 기준으로 반대편에 위치하는 2개의 측면(side) 의미할 수 있다. 예를 들어, 슬라이더(13)의 좌측면 및 우측면의 적어도 일부는 힘 전달 프레임(11)에 오버랩될 수 있다. 슬라이더(13) 중 힘 전달 프레임(11)과 오버랩되는 부분은 힘 전달 프레임(11)에 힘 또는 토크를 전달할 수 있다.
힘 전달 프레임(11) 및 슬라이더(13)는 일 방향으로 휘어진 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 원위 부분과의 접촉 면적을 늘리기 위해, 힘 전달 프레임(11)은 사용자의 원위 부분을 둘러싸도록 휘어진 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 커버(112)와, 상부 커버(111)의 볼록한 부분은 휘어진 플레이트 형상을 포함하고, 하부 커버(112) 및 상부 커버(111) 사이의 공간인 슬라이딩 공간(113, 도 7a 참조)은 휘어진 형상을 포함할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 힘 전달 프레임(11)은 사용자의 다리 둘레에 적합한 형상, 즉, 돌출 높이를 최소화할 수 있는 형상으로 제작될 수 있으면서도, 슬라이더(13)의 슬라이딩을 구현할 수 있다.
슬라이더(13)는 힘 전달 프레임(11)의 곡률과 동일한 곡률을 갖는 휘어진 형상일 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 슬라이더(13)는 휘어진 슬라이딩 공간(113) 내에서 원활하게 슬라이딩 가능하다. 또한, 슬라이더(13)가 슬라이딩 공간(113) 내에서 회전 운동(rotational motion) 없이 병진 운동(translational motion) 함으로써 불필요한 운동 자유도가 제거되고, 기기적 안정성이 향상될 수 있다.
예를 들어, 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113) 내에서 2자유도로 움직일 수 있다. 예를 들어, 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113)의 길이 방향 및 폭 방향으로 슬라이딩 할 수 있다. 여기서, 슬라이딩 공간(113)의 길이 방향이란, 도 6a를 기준으로 상하 방향을 의미하고, 슬라이딩 공간(113)의 폭 방향이란, 도 6a를 기준으로 좌우 방향을 의미한다.
슬라이더(13)와 슬라이딩 공간(113)이 휘어진 형상일 경우, 슬라이더(13)의 회전은 제한된다. 이 경우, 슬라이더(13)는 구동 프레임(12)과 일체로 움직이고, 슬라이더(13)와 힘 전달 프레임(11) 사이의 상대적인 회전이 제한되므로, 구동 프레임(12)이 제 2 축(a2)을 중심으로 회전할 때, 힘 전달 프레임(11)은 구동 프레임(12)과 함께 제 2 축(a2)을 중심으로 회전할 수 있다. 다시 말하면, 슬라이더(13) 및 힘 전달 프레임(11) 사이의 상대적인 회전이 제한됨으로써, 힘 전달 프레임(11)은 구동 프레임(12)에 대하여 미끄러지지 않고 제 2 축(a2)을 중심으로 회전할 수 있다.
복수 개의 탄성 부재(14)는 힘 전달 프레임(11) 및 슬라이더(13)를 연결할 수 있다. 복수 개의 탄성 부재(14)는 탄성을 갖는 소재일 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 탄성 부재(14)는 탄성 밴드 또는 스프링일 수 있다. 복수 개의 탄성 부재(14) 중 적어도 하나 이상의 탄성 부재는, 슬라이더(13)가 힘 전달 프레임(11)의 중심으로부터 멀어질수록 인장 또는 압축될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 슬라이더(13)의 밑면이 대략 사각형 형상일 때, 복수 개의 탄성 부재(14)의 일단은 슬라이더(13)의 각 꼭지점에 연결될 수 있다. 슬라이더(13)의 형상과, 복수 개의 탄성 부재(14)의 연결 위치는 이에 한정되지 않음을 밝혀 둔다.
복수 개의 탄성 부재(14)는 슬라이더(13)에 외력이 인가되지 않을 경우, 슬라이더(13)를 초기 위치로 복귀시킬 수 있다. 예를 들어, 슬라이더(13)의 초기 위치가 힘 전달 프레임(11)의 중앙일 경우, 복수 개의 탄성 부재(14) 중 적어도 하나 이상의 탄성 부재는 슬라이더(13)가 힘 전달 프레임(11)의 중앙으로부터 멀어질 때 늘어남으로써, 슬라이더(13)를 초기 위치로 끌어당기는 인장력을 슬라이더(13)에 작용할 수 있다.
액츄에이터(19)는 구동 프레임(12)의 일단에 연결되어, 구동 프레임(12)을 구동시킬 수 있다. 액츄에이터(19)는 근위 지지부(20, 도 1 참조)의 일측에 배치될 수 있다. 액츄에이터(19)는 구동 프레임(12)을 제 1 축(a1)을 중심으로 회전시킬 수 있다.
스트랩(15)은 힘 전달 프레임(11)의 양측에 탈착 가능하다. 스트랩(15)은 길이 조절 가능하다. 예를 들어, 스트랩(15)은 길이 조절부를 구비하거나, 탄성 소재로 구성될 수 있다. 스트랩(15)은 스트랩(15)의 길이 방향을 따라 간격을 두고 형성되는 복수 개의 스트랩 홈(155)을 구비할 수 있다. 스트랩 홈(155)은 힘 전달 프레임(11)의 양쪽 사이드에 형성되는 스트랩 연결부(115)에 걸릴 수 있다. 사용자는 복수 개의 스트랩 홈(155) 중 스트랩 연결부(115)에 걸리는 스트랩 홈(155)을 선택함으로써, 원위 지지부(10, 도 1 참조)의 둘레를 조절할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 원위 지지부(10)는 사용자의 신체에 맞춰질 수 있고, 사용자는 한 손으로도 쉽게 원위 지지부(10)의 둘레를 조절 가능하다. 스트랩(15)은 사용자의 허벅지가 굽힘 운동할 때, 허벅지 뒤쪽을 밀어줄 수 있다.
스트랩(15)의 내주면에는 마찰 부재(미도시)가 구비될 수 있다. 마찰 부재는 스트랩(15)이 사용자의 원위 부분 상에서 미끄러지는 것을 방지할 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(1)는 센서(미도시) 및 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
센서는 구동 프레임(12) 및 슬라이더(13) 사이에 작용하는 힘 또는 토크를 감지할 수 있다. 예를 들어, 센서는 구동 프레임(12) 및 슬라이더(13) 사이에 배치되거나, 슬라이더(13) 및 힘 전달 프레임(11) 사이에 배치될 수 있다. 센서의 위치는 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 예를 들어, 센서는 스트레인 게이지를 이용한 FT 센서(force-torque-sensor)일 수 있다.
제어부는 센서에서 측정된 정보에 기초하여, 액츄에이터(19)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 원위 지지부에 배치될 수 있다. 제어부에 위치는 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다. 제어부는 사용자에게 인가되는 힘을 최적화할 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터(19)에서 생성된 동력은 힘 전달 프레임(11)으로 전달되는 과정에서 감소할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 센서에서 측정된 힘 또는 토크가 사용자의 보행을 최적으로 보조하기 위한 크기보다 작을 경우, 액츄에이터(19)가 더 높은 토크를 생성하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 사용자의 관절에 무리를 주는 힘 또는 토크가 인가되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 센서에서 측정된 힘 또는 토크의 크기가 설정 값보다 클 경우, 액츄에이터(19)의 작동을 중지시킬 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 일 실시 예에 따른 슬라이더가 힘 전달 프레임에 연결되어 있는 모습을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 슬라이더(13, 23, 33)의 형상과, 복수 개의 탄성 부재(14, 24, 34)의 연결 위치는 다양할 수 있다.
도 6a을 참조하면, 복수 개의 탄성 부재(14)는 슬라이더(13)의 4개의 꼭지점에 서로 대칭되도록 연결될 수 있다. 예를 들어, 슬라이더(13)가 슬라이딩 공간(113)을 따라 상측으로 이동할 때, 복수 개의 탄성 부재(14) 중 아래에 연결되어 있는 2개의 탄성 부재(14)는 인장될 수 있다. 예를 들어, 슬라이더(13)가 슬라이딩 공간(113)을 따라 좌측으로 이동할 때, 복수 개의 탄성 부재(14) 중 오른쪽에 연결되어 있는 2개의 탄성 부재(14)는 인장될 수 있다. 도 6b를 참조하면, 복수 개의 탄성 부재(24)는 슬라이더(23)의 4개의 모서리에 서로 대칭되도록 연결될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 슬라이더(33)의 형상은 원형일 수 있다. 슬라이딩 공간(113)도 원형일 수 있다. 복수 개의 탄성 부재(34)는 슬라이더(33)의 원주를 따라 일정 간격 이격되어 연결될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 도 4의 절개선 Ⅰ-Ⅰ를 따라 절개한 모습을 나타내는 운동 보조 장치의 단면도이다. 설명에 앞서, 도면을 간략하게 표현하기 위해, 복수 개의 탄성 부재(14)는 도 7a 내지 도 7c에서 도시되지 않았음을 밝혀둔다.
도 7a 내지 도 7c는, 사용자가 허벅지 안쪽 돌림(internal rotation) 및 바깥 돌림(external rotation) 운동할 때, 슬라이더(13)의 이동을 나타낸다. 도 7a는 슬라이더(13)가 초기 상태에 있는 모습을 나타낸다. 도 7b는 사용자가 허벅지 안쪽 돌림 운동할 때의 슬라이더(13)의 이동을 나타낸다. 도 7c는 사용자가 허벅지 바깥 돌림 운동할 때의 슬라이더(13)의 이동을 나타낸다.
도 7b를 참조하면, 사용자가 허벅지 안쪽 돌림 운동할 때, 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113) 내에서 화살표 방향으로 슬라이딩 할 수 있다. 슬라이더(13)의 슬라이딩으로 인해, 힘 전달 프레임(11)은 구동 프레임(12)에 대해 상대적인 움직임이 가능하다. 힘 전달 프레임(11)은 사용자가 허벅지 안쪽 돌림 운동할 때, 사용자의 허벅지와 함께 움직일 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자는 운동 보조 장치를 착용한 상태에서도 불편함 없이 자유롭게 허벅지 안쪽 돌림을 할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 사용자가 허벅지 바깥 돌림 운동할 때, 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113) 내에서 화살표 방향으로 슬라이딩 할 수 있다. 슬라이더(13)의 슬라이딩으로 인해, 힘 전달 프레임(11)은 구동 프레임(12)에 대해 상대적인 움직임이 가능하다. 힘 전달 프레임(11)은 사용자가 허벅지 바깥 돌림 운동할 때, 사용자의 허벅지와 함께 움직일 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자는 운동 보조 장치를 착용한 상태에서도 불편함 없이 자유롭게 허벅지 바깥 돌림을 할 수 있다.
슬라이더(13)는 바디 플레이트(131) 및 슬립 플레이트(132, 133)를 포함할 수 있다. 슬립 플레이트(132, 133)는 바디 플레이트(131)의 하면에 부착되는 하면 슬립 플레이트(132)와, 바디 플레이트(132)의 상면에 부착되는 상면 슬립 플레이트(133)를 포함할 수 있다.
슬립 플레이트(132, 133)는 마찰 계수가 작은 소재일 수 있다. 예를 들어, 슬립 플레이트(132, 133)의 소재는 테플론(teflon)일 수 있다.
슬립 플레이트(132, 133)는 슬립 플레이트(132, 133) 및 힘 전달 프레임(11) 사이에서 발생되는 마찰을 저감하기 위한 마찰 저감부(1321)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 마찰 저감부(1321)는 하면 슬립 플레이트(132)의 중앙부에 형성되는 홀일 수 있다. 마찰 저감부(1321)로 인해, 하면 슬립 플레이트(132)와 하부 커버(112) 사이의 마찰 면적이 줄어들 수 있다.
연결 부재(16)는 슬라이더(13) 및 구동 프레임(12)을 연결할 수 있다. 슬라이더(13) 및 구동 프레임(12) 중 어느 하나는, 연결 부재(16)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 슬라이더(13) 및 구동 프레임(12) 중 어느 하나는 연결 부재(16)와 일체로 형성될 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 도 4의 절개선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절개한 모습을 나타내는 운동 보조 장치의 단면도이다. 설명에 앞서, 도면을 간략하게 표현하기 위해, 복수 개의 탄성 부재(14)는 도 8a 내지 도 8c에서 도시되지 않았음을 밝혀둔다.
도 8a는 슬라이더(13)가 초기 상태에 있는 모습을 나타낸다. 도 8b는 사용자가 허벅지 굽힘 운동하거나, 허벅지 내전 운동할 때 슬라이더(13)의 이동을 나타낸다. 도 8c는 사용자가 허벅지 신장 운동하거나, 허벅지 외전 운동할 때 슬라이더(13)의 이동을 나타낸다.
도 8b를 참조하면, 사용자가 허벅지 굽힘 운동할 때, 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113) 내에서 화살표 방향으로 슬라이딩 할 수 있다. 슬라이더(13)의 슬라이딩으로 인해, 힘 전달 프레임(11)은 구동 프레임(12)에 대해 상대적인 움직임이 가능하다. 힘 전달 프레임(11)은 사용자가 허벅지 굽힘 운동할 때, 사용자의 허벅지와 함께 움직일 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자의 허벅지 굽힘 운동에 따라도 2에 도시한 것처럼, 고관절 중심이 이동하더라도, 슬라이더(13)가 화살표 방향으로 슬라이딩함으로써 이를 보상해줄 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자는 운동 보조 장치를 착용한 상태에서도 불편함 없이 자유롭게 허벅지 굽힘 운동을 할 수 있다.
마찬가지로, 도 4에 도시한 것처럼, 구동 프레임(12)의 회동 축(a2, 도 4 참조)이 허벅지의 내전 및 외전 축과 관상면을 기준으로 불일치하더라도, 슬라이더(13)가 화살표 방향으로 슬라이딩함으로써 이를 보상해줄 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자는 운동 보조 장치를 착용한 상태에서도 불편함 없이 자유롭게 허벅지 내전 운동을 할 수 있다.
도 8c를 참조하면, 사용자가 허벅지 신장 운동할 때, 슬라이더(13)는 슬라이딩 공간(113) 내에서 화살표 방향으로 슬라이딩 할 수 있다. 슬라이더(13)의 슬라이딩으로 인해, 힘 전달 프레임(11)은 구동 프레임(12)에 대해 상대적인 움직임이 가능하다. 힘 전달 프레임(11)은 사용자가 허벅지 신장 운동할 때, 사용자의 허벅지와 함께 움직일 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자의 허벅지 신장 운동에 따라도 2에 도시한 것처럼, 고관절 중심이 이동하더라도, 슬라이더(13)가 화살표 방향으로 슬라이딩함으로써 이를 보상해줄 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자는 운동 보조 장치를 착용한 상태에서도 불편함 없이 자유롭게 허벅지 신장 운동을 할 수 있다.
마찬가지로, 도 4에 도시한 것처럼, 구동 프레임(12)의 회동 축(a2, 도 4 참조)이 허벅지의 내전 및 외전 축과 관상면을 기준으로 불일치하더라도, 슬라이더(13)가 화살표 방향으로 슬라이딩함으로써 이를 보상해줄 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자는 운동 보조 장치를 착용한 상태에서도 불편함 없이 자유롭게 허벅지 외전 운동을 할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 청구범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (20)

  1. 사용자의 허리 또는 골반에 착용되는 근위 지지부;
    내부에 슬라이딩 공간이 형성되고, 사용자의 허벅지에 착용되는 힘 전달 프레임;
    상기 슬라이딩 공간 내에서 슬라이딩 가능한 슬라이더; 및
    상기 슬라이더에 연결되고, 상기 근위 지지부에 대하여 회전 가능한 구동 프레임을 포함하고,
    상기 슬라이더는 상기 슬라이딩 공간 내에서 서로 교차하는 2개의 방향으로 움직임이 가능한 운동 보조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 힘 전달 프레임 및 슬라이더를 연결하는 복수 개의 탄성 부재를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 탄성 부재 중 적어도 하나 이상의 탄성 부재는, 상기 슬라이더가 상기 힘 전달 프레임의 중심으로부터 멀어질수록 인장 또는 압축되는 운동 보조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬라이더는,
    상기 슬라이딩 공간 내에 위치하는 바디 플레이트; 및
    상기 바디 플레이트의 상면 및 하면 중 적어도 하나 이상에 부착되는 슬립 플레이트를 포함하는 운동 보조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 슬립 플레이트는, 상기 슬립 플레이트 및 상기 힘 전달 프레임 사이에서 발생되는 마찰을 저감시키기 위한 마찰 저감부를 포함하는 운동 보조 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 슬라이더 및 상기 구동 프레임 중 어느 하나는, 상기 슬라이더 및 상기 구동 프레임을 연결하는 연결 부재를 포함하는 운동 보조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 힘 전달 프레임은 상기 연결 부재가 관통되는 개구를 포함하는 운동 보조 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 힘 전달 프레임 및 상기 슬라이더는 상기 개구에 대해 수직한 방향을 기준으로 적어도 일부가 오버랩되는 운동 보조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 힘 전달 프레임 및 상기 슬라이더는 일 방향으로 휘어지는 운동 보조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 힘 전달 프레임은 상기 사용자의 원위 부분을 감싸는 방향으로 휘어지는 운동 보조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 슬라이더 및 상기 슬라이딩 공간의 두께는 일정하고,
    상기 힘 전달 프레임의 곡률과 상기 슬라이더의 곡률은 동일한 운동 보조 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 힘 전달 프레임의 양측에 탈착 가능한 스트랩을 더 포함하는 운동 보조 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 힘 전달 프레임은 양쪽 사이드로부터 돌출 형성되는 스트랩 연결부를 포함하고,
    상기 스트랩은 길이 방향을 따라 간격을 두고 형성되고, 상기 스트랩 연결부에 끼워질 수 있는 복수 개의 스트랩 홈을 포함하는 운동 보조 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 프레임의 일단에 연결되어, 상기 구동 프레임을 구동하는 액츄에이터를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 구동 프레임 및 상기 슬라이더 사이에 작용하는 힘 또는 토크를 감지하기 위한 센서; 및
    상기 센서에서 측정된 정보에 기초하여 상기 액츄에이터를 제어 가능한 제어부를 더 포함하는 운동 보조 장치.
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