KR102583289B1

KR102583289B1 - 인체 굴 신 보조장치

Info

Publication number: KR102583289B1
Application number: KR1020210083193A
Authority: KR
Inventors: 박동관
Original assignee: 박동관
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2023-09-26
Also published as: CN115517836A; JP2023004887A; JP7374524B2; KR20230000723A; US20220409418A1

Abstract

본 발명은, 인체의 등과 골반, 그리고 허벅지에 밀착되어 상체의 굴 신 동작에 보조력을 발휘할 수 있는 인체 굴 신 보조 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 인체 굴 신 보조장치는 허리를 구부리는 동작에 의해 에너지를 저장하고, 반대로 허리를 펴는 동작에 에너지를 전달하여 도움을 주어 인체를 보조할 수 있다.
또한 현재 인체의 동작을 판단하고, 하체에 보조력이 전달되는 시기를 결정할 수 있으며, 보조력이 불필요한 경우 자유로운 하체의 움직임이 가능하여 불편감을 최소화할 수 있다.

Description

인체 굴 신 보조장치{Human body flexion and extension assist device }

본 발명은 인체 굴 신 보조장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 인체에 착용한 상태에서 허리 굽힘 동작에 의해 발생하는 에너지를 저장하고, 반대로 허리를 펴는 동작에서 에너지를 발휘하여 굴 신 동작에 도움을 주는 보조 장치에 관한 것이다.

일상생활에서 주된 허리 및 골반의 움직임은 전방을 향하여 구부리거나, 허리를 곧게 펴는 것이다. 이러한 인체 굴신 동작의 대표적인 예로서, 앉거나, 일어서거나, 중량물을 들어 올리는 동작이 있다.

이러한 인체의 굴 신 동작은 일상생활에서 빈번하게 일어나는 움직임으로서, 부상을 당하는 경우 삶의 질에 큰 영향을 미친다는 점에서 보호해야 할 필요성이 높다. 또한 근육 및 관절에 부상을 입거나, 약해진 경우에는 이를 보조해야 일상생활에서의 불편 감을 최소화 할 수 있다.

이러한 인체 굴신 보조 장치와 관련하여 일본 등록특허공보 제6241863호가 개시되어 있다. 그러나 이러한 종래 기술은 지지여부를 능동적으로 결정하지 못해 불필요한 경우까지 보조 력을 제공하는 문제점이 있었다.

일본 등록특허공보 제6241863호

본 발명은 종래의 인체 굴 신 보조 장치의 문제점을 해결하며, 능동적으로 허리 움직임에 대한 보조여부를 결정할 수 있는 인체 굴 신 보조장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기 과제의 해결 수단으로서, 인체의 등에 밀착될 수 있도록 적어도 일부가 곡면이며, 소정길이로 연장되어 형성되는 판스프링, 판스프링의 일측에 구비되며, 인체의 상체에 착용 가능하게 구성되는 상체 벨트, 인체의 골반을 지지할 수 있도록 판스프링의 하측에서 양 방향으로 소정길이로 연장되어 형성되는 중심 프레임, 판 스프링의 후방과 중심 프레임의 후방에 양단이 연결되는 가스스프링, 소정길이로 연장되어 형성되며, 중심 프레임의 양측에서 각각 좌우방향의 축을 중심으로 회전가능하게 연결되는 한 쌍의 하지 프레임, 한 쌍의 하지 프레임 하측 각각에 구비되며, 다리에 고정할 수 있도록 구성되는 하지벨트 및 하지 프레임의 회전을 선택적으로 제한할 수 있도록 구성되는 기어박스를 포함하는 인체 굴 신 보조장치가 제공될 수 있다.

한편, 상체의 기울기를 검출할 수 있도록 구성되는 기울기 센서, 하지 프레임 중 다리와 밀착되는 면에 구비되어 압력을 측정할 수 있도록 구성되는 로드 센서 및 기울기 센서 및 로드 센서로부터 측정된 신호를 근거로 상체에 하중이 작용된 것으로 판단된 경우 기어박스에서 회전을 제한하도록 제어하는 제어 유닛을 포함할 수 있다.

한편, 기어박스는, 래칫 기어(ratchet gear) 및 폴(pawl)을 포함하여 구성되며, 폴의 위치를 조절할 수 있도록 구성되는 구동부를 포함할 수 있다.

제어 유닛은, 하중이 작용하는 것으로 판단하는 경우 폴이 래칫 기어를 구속하도록 구동부를 제어할 수 있다.

또한, 제어 유닛은, 하중이 작용하지 않는 것으로 판단하는 경우 폴이 래칫 기어를 구속하지 않도록 구동부를 제어할 수 있다.

나아가, 제어 유닛은, 인체가 걷거나 앉을 때 작용하는 하중 및 기울기에 대한 정보를 기반으로 하중이 작용하지 않는 것으로 판단할 수 있다.

한편, 판스프링의 후면에 후방 및 하측을 향하여 연장되어 형성되는 제1 브라켓 및 중심 프레임에서 후방 및 상측을 향하여 연장되어 형성되는 제2 브라켓을 포함하며, 가스 스프링의 양측 단부는 제1 브라켓 및 제2 브라켓에 회전 가능하게 연결될 수 있다.

한편, 판스프링은 상체의 각도에 따라 변형가능하게 구성되는 탄성부재로 구성될 수 있다.

한편, 상체 벨트는, 어깨에 착용할 수 있도록 구성되는 한 쌍의 어깨 벨트 및 가슴에 착용할 수 있도록 구성되는 가슴벨트를 포함할 수 있다.

한편, 인체의 상체가 구부러짐에 따라 판 스프링이 구부러지며, 가스스프링이 신장되고, 인체의 상체를 세울 때 판 스프링 및 가스스프링의 복원력이 작용하여 어깨 벨트와 가슴 벨트를 견인하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 인체 굴 신 보조장치는 허리를 구부리는 동작에 의해 에너지를 저장하고, 능동적으로 반대로 허리를 펴는 동작에 에너지를 전달하여 도움을 주어 인체를 보조할 수 있다.

또한 현재 인체의 동작을 판단하고, 하체에 보조력이 전달되는 시기를 결정할 수 있으며, 보조력이 불필요한 경우 자유로운 하체의 움직임이 가능하여 불편 감을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조 장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조 장치의 분해사시도이다.
도 4는 기어박스의 부분절개도이다.
도 5a 및 도 5b는 판스프링 및 가스스프링의 작동상태도이다.
도 6은 가스 스프링의 제어 개념을 도시한 도면이다.
도 7은 하지 프레임의 회전이 자유로울 때의 작동상태도이다.
도 8은 하지 프레임의 각도가 구속될 때의 작동상태도이다.
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조 장치의 사용 상태도이다.
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조 장치의 다른 사용 상태도이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 인체 굴 신 보조 장치에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당 업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시 예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술 분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조장치의 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조 장치의 측면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조 장치의 분해사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인체 굴 신 보조 장치(1)는 일 측이 인체의 상측에 착용할 수 있도록 구성되며, 타 측에는 인체의 하지에 착용하여 보조할 수 있도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 인체 굴 신 보조 장치(1)는 판 스프링(100), 가스 스프링(200), 상체 벨트(120), 헤드 레스트(140), 중심 프레임(300), 골반 벨트(310), 하지 프레임(400), 하지 벨트(410), 기어박스(500), 제어 유닛(600) 및 센서부를 포함하여 구성될 수 있다.

판 스프링(100)은 등에서 척추를 따라 적어도 일부가 등에 밀착될 수 있도록 구성되며, 척추의 해부학적 각도에 대응하는 형상으로 구성될 수 있다. 일 예로 판 스프링(100)은 허리 부분이 전방 측으로 볼록한 곡면 경로를 따라 연장되어 형성될 수 있다. 판 스프링(100)은 소정 폭으로 형성되되 인체의 비틀림 동작시 방해가 되지 않을 정도의 폭으로 결정될 수 있다. 또한 적절한 탄성을 가질 수 있는 두께로 결정될 수 있다.

가스 스프링(200)은 판 스프링(100)의 양측에 연결되어 외력의 변화에 따라 판 스프링(100)과 함께 에너지를 저장하거나, 에너지를 전달할 수 있도록 구성될 수 있다.

가스 스프링(200)은 하우징과 하우징 내부에 삽입되는 피스톤을 포함하여 구성될 수 있다. 가스 스프링(200)의 일측은 판 스프링(100)에서 후방 하측으로 연장되어 형성되는 가스 스프링 제1 브라켓(111)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 가스 스프링(200)의 타측은 후술할 중심 프레임(300)으로부터 후방 및 상측으로 연장되어 형성되는 가스 스프링 제2 브라켓(112)에 회전가능하게 연결될 수 있다. 가스 스프링(200)은 판 스프링(100)이 원위치된 위치에서 신축되며, 판 스프링(100)이 구부러짐에 따라 신장될 수 있도록 구성될 수 있다. 가스 스프링(200)은 피스톤이 신장하면서 내부에 수용되어 있는 가스와 오일에 압력이 가해지고, 외력이 가스스프링의 설정된 인장력 이하로 줄어드는 경우 피스톤이 후퇴하면서 원위치될 수 있도록 구성될 수 있다. 이때 가스 스프링(200)에 의한 힘은 판 스프링(100)을 지지대로 삼아 작용하여 적절한 힘으로 상체를 펼 수 있는 견인력을 제공할 수 있게 된다.

한편, 판 스프링(100)과 가스 스프링(200)에 의한 보조력(또는 지지력)은 굽힘 각도에 따라 유사하게 유지되는 것이 편의성과 안정성 측면에서 유리하다. 이때 굽힘 각도에 따라 판 스프링의 복원력은 강해지므로, 가스 스프링의 수축력에 의한 작용점의 위치를 조절하여 굽힘 각도에 따른 복원력의 변동을 최소화 할 수 있다. 본 발명에서는 제1 브라켓과 제2 브라켓이 가스 스프링(100)의 후방 측으로, 그리고 서로의 단부가 가까워지는 방향으로 연장되어 가스 스프링이 연결되도록 구성되어 굽힘 각도에 따른 보조력의 차이를 최소화 할 수 있게 된다.

상체 벨트(120)는 판 스프링(100)의 상측에 구비되어 인체의 상체에 착용할 수 있도록 구성될 수 있다. 상체 벨트(120)는 어깨 벨트(121)와 가슴 벨트(122)를 포함할 수 있다. 어깨 벨트(121)는 한 쌍으로 구성되며, 한 쌍의 어깨 벨트(121)의 상측을 고정할 수 있도록 연결허브가 구비될 수 있다. 연결 허브(131)는 판 스프링(100)의 상측에 구비되며, 좌우방향으로 소정길이 연장되어 형성될 수 있고, 좌우측 각각에 한 쌍의 어깨 벨트(121)의 일측이 각각 연결될 수 있다. 가슴 벨트(122)는 대체로 판 스프링(100)의 중간 지점에 일 측이 고정되며 인체의 가슴을 둘러 착용할 수 있도록 구성될 수 있다. 한편 전술한 어깨 벨트(121)와 가슴 벨트(122)는 하나로 연결되어 구성될 수 있으며, 또한 길이가 조절될 수 있도록 적용될 수 있다. 또한 판 스프링(100) 상에서 슬라이딩 되면서 위치가 조절될 수 있는 벨트 슬라이드(132) 상에 일 측이 고정될 수 있다. 다만, 이러한 벨트의 구성은 알려진 널리 사용되는 방식으로 변형되어 적용될 수 있다.

헤드 레스트(140)는 판 스프링의 상측 단부에 구비되며, 사용자가 인체 굴 신 보조 장치(1)를 착용하고 후굴 동작 시 머리를 지지할 수 있도록 구성될 수 있다. 헤드 레스트(140)는 판 스프링(100)과 좌우 방향의 축을 중심으로 각도가 조절될 수 있도록 연결될 수 있다. 또한 신장의 차이에 따라 헤드 레스트의 상하 위치를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.

중심 프레임(300)은 착용 시 골반의 후방 측을 지지할 수 있도록 구성될 수 있다. 중심 프레임(300)의 중심부분에는 전술한 판 스프링(100)의 하측이 고정되어 설치될 수 있다. 중심 프레임(300)은 전방이 개방된 C 형태로 구성될 수 있다. 즉 중심 프레임(300)은 후방에서부터 좌우측에서 전방을 향하여 소정곡면을 따라 연장되어 형성될 수 있다.

골반 벨트(310)는 중심 프레임(300)의 좌우 단부의 전방 측에 구비될 수 있으며, 사용자가 인체 굴 신 보조 장치(1)를 착용하였을 때 복부 측을 고정할 수 있도록 구성될 수 있다. 골반 벨트(310)는 좌우측에 대응되는 한 쌍으로 구성되어 결합하여 연결되도록 구성될 수 있다. 다만 이러한 벨트의 구성은 널리 알려진 다양한 구성으로 변형되어 적용될 수 있다.

하지 프레임(400)은 하지, 즉 허벅지에 지지력을 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 하지 프레임(400)은, 한 쌍으로 구성되며, 중심 프레임(300)의 좌우측에서 각각 좌우방향의 축을 중심으로 회전가능하게 연결될 수 있다. 하지 프레임(400)은 중심 프레임(300)의 좌우측에서 대체로 하측 방향으로 연장되어 형성되며, 3차원적인 곡선 경로로 연장되어 형성될 수 있다. 하지 프레임(400)의 하측에는 적어도 일부가 허벅지의 앞쪽과 밀착될 수 있도록 일부가 나선 경로를 따라 휘어져 구비될 수 있다.

기어박스(500)는 하지 프레임(400)과 중심 프레임(300)의 연결부분에 구비되며, 후술할 제어 유닛(600)의 구동에 의하여 선택적으로 각도가 조절되거나, 각도가 구속될 수 있도록 구성될 수 있다. 한편, 기어박스(500)에 대하여는 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.

하지 벨트(410)는 하지 프레임(400)의 하단에 구비되며, 사용자가 하지, 즉 허벅지에 착용할 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서 사용자가 인체 굴 신 보조 장치(1)를 착용하여 사용하는 도중에 하지 프레임(400)이 허벅지에 착용한 위치를 유지할 수 있게 된다.

제어 유닛(600)은 중심 프레임(300)의 일 측에 구비되며, 후술할 하지 프레임(400)의 움직임을 선택적으로 구속할 수 있도록 구성될 수 있다. 제어 유닛(600)은 후술할 센서부로부터 센싱한 값을 기반으로 하지 프레임(400)에 연결된 구동부를 구동하여 일측 이동방향을 구속할 수 있도록 구성될 수 있다. 제어 유닛(600)은 전원부(미도시) 및 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다. 한편, 제어 유닛(600)의 상세한 구성에 대하여는 후술하도록 한다.

센서부는 인체의 동작을 감지할 수 있도록 구성될 수 있다. 센서부는 기울기 센서(610) 및 로드 센서(620)를 포함하여 구성될 수 있다. 센서부는 상체의 각도 및 각도의 변화량을 측정하여 제어 유닛(600)으로 송신할 수 있다. 또한 로드 센서(620)는 하지 프레임(400) 상에서 허벅지와 밀착되는 부분에 구비되어 압력을 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 기울기 센서(610)는 자이로 센서, 가속도 센서 등 널리 알려진 다양한 구성으로 구비될 수 있다. 또한 로드 센서(620)는 압력 또는 힘을 측정할 수 있는 널리 알려진 다양한 구성으로 구성될 수 있다.

한편, 센서부와 제어 유닛(600), 그리고 구동부를 연결하는 배선이 구비될 수 있다. 배선은 적어도 일부가 하지 프레임(400) 또는 중심 프레임(300)을 따라 배치될 수 있다.

이하에서는 도 4를 참조하여 기어박스(500)에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 4는 기어박스(500)의 부분절개도이다. 도 4에는 사용자가 착용하였을 때 인체 굴 신 보조 장치(1)의 좌측에 구비된 기어박스(500)에 대하여 설명하나, 우측에도 좌우 대칭적으로 기어박스(500)가 구비될 수 있으며, 이에 대하여는 설명을 생략하도록 한다.

도 4를 참조하면, 기어박스(500)는 하지 프레임(400)과 중심 프레임(300)의 연결부분에 구비될 수 있다. 기어박스(500)에는 래칫 기어 스커트(510), 래칫 기어 샤프트(520)(ratchet gear shaft), 레칫 기어(ratchet gear), 폴(540)(pawl), 구동부 및 수동제어노브(560)를 포함하여 구성될 수 있다.

래칫 기어 스커트(510)는 래칫 기어(530)와 연결되어 함께 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 래칫 기어 스커트(510)는 소정 길이로 연장되어 형성되며, 상측이 래칫 기어(530)와 연결되고, 하측이 하지 프레임(400)과 회전가능하게 연결될 수 있다. 래칫 기어 스커트(510)와 하지 프레임(400) 사이에는 회전이 가능하도록 힌지가 구비될 수 있다. 힌지는 전후방향의 축을 중심으로 하지 프레임(400)이 래칫 기어 스커트(510)와 상대적으로 회전 가능하도록 연결될 수 있다. 따라서 사용자가 좌우 방향으로 하지를 넓히거나 좁힐 때 저항이 없이 하지 프레임(400)의 좌우 방향의 각도가 자연스럽게 조절될 수 있게 된다. 한편, 이때 수직 방향의 지지력은 래칫 기어 스커트(510)를 통하여 전달될 수 있다.

래칫 기어 샤프트(520)(ratchet gear shaft)는 래칫 기어(530)가 중심 샤프트 상에서 좌우방향 축을 중심으로 회전할 수 있도록 구성된다. 래칫 기어(530)는 소정 길이로 형성되어 래칫 기어(530) 및 메인 샤프트 중 적어도 하나에 회전 가능하게 연결될 수 있다.

레칫 기어(ratchet gear)는 소정외경을 갖도록 구성되며, 폴(540)(pawl)과 함께 작용하여 일 측 방향으로의 회전은 허용하되, 타 측 방향은 구속할 수 있도록 구성될 수 있다. 래칫 기어(530)의 허용되는 방향은 사용자가 인체 굴 신 보조 장치(1)를 착용하였을 때 허벅지를 후방으로 움직이는 방향으로 결정될 수 있다. 반대로 허벅지를 전방으로 움직이는 방향은 폴(540)에 의해 구속되어 래칫 기어(530)가 회전되지 않도록 구성될 수 있다. 이 경우 하체가 고정되어 있을 때 반대로 허리가 숙여지는 방향으로의 움직임은 구속하며, 허리를 펴는 방향으로의 움직임은 자유롭게 이루어지게 된다.

폴(540)(pawl)은 전술한 래칫 기어(530)와 작용하여 래칫 기어(530)의 회전 방향을 결정하도록 구성될 수 있다. 폴(540)은 기어박스(500) 상의 일 지점을 기준으로 회전 가능하게 연결될 수 있다. 폴(540)은 일 측이 후술할 양방향 솔레노이드(550)와 연결되어 래칫 기어(530)와의 연관(engaging)되는 작용이 이루어지거나 해제될 수 있다. 즉 폴(540)의 각도가 조절되어 래칫 기어(530)와 접촉하지 않은 상태에서는 래칫 기어(530)는 자유롭게 회전할 수 있으며, 폴(540)의 각도가 조절되어 래칫 기어(530)와 접촉되는 경우 전술한 바와 같이 하지 프레임(400)이 한 방향으로 만 회전가능하게 된다.

구동부는 제어 유닛(600)의 제어 입력에 의해 2가지 위치로 조절될 수 있도록 구성될 수 있다. 구동부는 일예로 양방향 솔레노이드(550)로 구성될 수 있다. 양방향 솔레노이드(550)는 폴(540)의 일 측과 연결되어 외부의 제어 입력에 의해 선택적으로 폴(540)의 위치를 조절할 수 있다. 따라서 래칫 기어(530)와의 작용이 이루어지거나, 해제될 수 있다. 양항?? 솔레노이드(550)는 내측에 플런저(plunger)가 구비되어 작동방향으로 이동될 수 있다. 플런저의 일 측은 작동 방향으로 연장되어 형성되며, 폴(540)의 일 측과 회전가능하게 연결될 수 있다.

수동제어노브(560)는 전술한 플런저의 타 측과 연결될 수 있다. 수종제어노브(560)는 소정길이로 연장되어 기어박스(500)의 외부로 노출될 수 있도록 구성될 수 있다. 사용자는 별도의 제어 입력이 없는 경우라도 선택적으로 수동제어노브(560)를 잡아당기거나 밀어 넣음으로써 폴(540)의 위치를 조절할 수 있게 된다. 즉 수동으로 래칫 기어(530)의 회전 방향을 구속하거나 해제할 수 있게 된다.

이하에서는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 본 발명에 따른 인체 굴 신 보조 장치(1)에서 보조력을 제공할 때의 작동에 대하여 설명하도록 한다. 설명의 편의를 위하여 판 스프링(100) 및 가스 스프링(200)만을 측면도로 나타내었으며, 나머지 구성요소는 생략되어 있다.

도 5a 및 도 5b는 판 스프링(100) 및 가스 스프링(200)의 작동상태도이다.

도 5a를 참조하면, 외부로부터의 힘이 작용되지 않는 경우 초기 상태가 도시되어 있다. 이 경우 상체의 등의 굴곡에 대응하여 판 스프링(100)이 적절하게 밀착될 수 있도록 구성된다.

도 5b를 참조하면, 중심 프레임(300)이 고정되어 있을 때 사용자가 상체를 숙이게 되면 판 스프링(100)이 상체를 따라 전방측으로 휘어지게 되며, 또한 가스 스프링(200)이 신장되면서 에너지를 저장하게 된다. 이때 판 스프링(100)은 상체가 구부러짐에 따라 이에 대응하여 적절하게 변형되면서 등에 지지력을 전달하게 된다. 판 스프링(100)과 가스 스프링(200)은 저장된 에너지를 도 5a의 상태로 복원하기 위한 복원력을 제공한다. 판 스프링(100)은 자체의 탄성에 의해 복원력을 제공하며, 가스 스프링(200)은 신축되면서 복원력을 전달하게 된다. 이때 가스 스프링 제1 브라켓(111)과 가스 스프링 제2 브라켓(112)이 판 스프링(100)으로부터 소정거리 이격되며, 또한 서로를 향하여 연장되어 가스 스프링(200)으로부터 힘을 전달받는 지점이 결정된다. 또한 가스 스프링 제1 브라켓(111)과 가스 스프링 제2 브라켓(112)에 가스 스프링(200)이 연결되는 지점이 판 스프링(100)으로부터 소정거리 이격되므로, 판 스프링(100)에 토크가 발생되어 사용자의 허리를 펴는 동작에 도움을 주게 된다. 이때 발생된 복원력은 어깨 벨트(121) 및 가슴 벨트(122)를 통하여 상체에 전달될 수 있다.

도 6은 가스 스프링의 제어 개념을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 가스 스프링은 록킹(locking) 기능이 구비된 인장 가스 스프링으로 구비될 수 있다. 즉 가스 스프링의 신장이 된 이후 역 방향으로 실린더 내부에서 힘이 작용할 때 유로를 차단하여 locking 이 될 수 있도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 피스톤을 사이에 둔 두 개의 챔버 사이의 유로, 즉 피스톤 상에 형성된 유로를 선택적으로 차단할 수 있도록 구성되는 파일럿 스핀들(pilot spindle, 201)을 포함할 수 있다. 파일럿 스핀들의 하측에는 솔레노이드가 구비되어, 제어부의 제어에 의해 파일럿 스핀들의 위치를 조절할 수 있다. 따라서 가스 스프링(200)이 신장되었을 때에 자동으로 locking 이 이루어지며, 이후 가스 스프링(200)을 원위치로 복귀시킬 때에는 제어부가 솔레노이드를 작동시켜 파일럿 스핀들(201)을 밀어내어 가스 스프링을 unlock 시킬 수 있다. 따라서 제어부의 판단에 의해 능동적으로 가스 스프링에 의한 인장력의 작용 시점을 결정할 수 있게 된다. 이러한 경우 사용자가 허리를 숙였을 때 가스 스프링(200)에서 허리를 펼 수 있는 지지력을 즉지 작용시키지 않고, 제어부가 사용자가 허리를 펴기 위한 동작을 수행하는 것으로 판단된 경우 가스 스프링(200)에 저장된 인장력이 발휘되어 비로소 허리를 펴는데 도움을 주는 힘을 전달할 수 있게 된다.

이하에서는 도 7 및 도 8을 참조하여 제어 유닛(600) 및 하지 프레임(400)의 작동에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 도 7 및 도 8에는 하지 프레임(400)의 위치가 고정되어 있을 때 판 스프링(100)의 각도가 조절된 상태를 가정하여 설명하도록 한다. 또한 도 7 및 도 8에 나타난 상태에서 기어박스(500) 내부의 상태를 도시한 부분확대도가 함께 도시되어 있다.

도 7은 하지 프레임(400)의 회전이 자유로울 때의 작동상태도이며, 도 8은 하지 프레임(400)의 각도가 구속될 때의 작동상태도이다.

도 7을 참조하면, 사용자가 의자와 같은 구조물에 앉을 때의 작동 상태가 도시되어 있다. 사용자가 의자에 앉을 때에는 앉는 자세, 즉 하지가 상체로부터 일정각도로 전방을 향하여 구부러져야 하는 동작이 이루어져야 하며, 이때에는 큰 지지력을 요구하지 않는다. 따라서 제어 유닛(600)은 솔레노이드(550)를 작동하여 폴(540)과 래칫 기어(530)의 연결을 해제하고 하지 프레임(400)이 중심 프레임(300)으로부터 자유롭게 회전가능하게 제어한다. 한편, 제어 유닛(600)은 기울기 센서(610) 및 로드 센서(620) 값을 전달받고 현재 사용자가 앉는 자세인지, 일어서는지, 또는 중량물을 들어올리는지 여부를 판단할 수 있게 된다. 일 예로서, 제어 유닛(600)는 로드 센서(620) 값이 일정 수치 이하이며, 상체의 기울기가 일정 각도로 구부러지며, 또한 낮아지려고 하는 경우 앉는 과정으로 판단할 수 있다. 따라서 이 경우에는 하지 프레임(400)의 회전을 자유롭게 제어한다.

도 8을 참조하면, 제어 유닛(600)는 기울기 센서(610) 및 로드 센서(620)의 측정값을 기반으로 일어서는 동작 및 중량물을 들어 올리는 동작인지 여부를 판단하고 지지력이 전달될 수 있도록 래칫 기어(530)의 회전 각도를 구속시키게 된다. 제어 유닛(600)은 지지력의 전달을 위하여 솔레노이드(550)를 작동시키고 폴(540)을 래칫 기어(530)와 연관시킨다. 따라서 상체를 펴기 위한 복원력, 즉 판 스프링(100)과 가스 스프링(200)에서 발휘되는 복원력은 하지 프레임(400)과 중심 프레임(300)을 기준으로 판 스프링(100)을 펴는 방향으로 작용한다. 이때 사용자에게 작용하는 복원력은 골반측에 밀착된 중심 프레임(300)과 하지 측에 밀착된 하지 프레임(400)에 의해 동시에 지지되어 발휘된다. 따라서 지지력을 분산시킬 수 있어 안정적으로 지지하는 것이 가능하다.

한편, 제어 유닛(600)은 기울기 센서(610)의 각도가 상체를 기울였다가 상승되는 것과 같이 전형적인 일어서는 동작에 의해 발생되는 값인 경우 이를 기반으로 솔레노이드(550)를 제어하여 폴(540)을 래칫 기어(530)에 작동시킬 수 있다.

이하에서는 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조 장치(1)의 사용 예에 대하여 설명하도록 한다.

도 9는 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조 장치(1)의 사용 상태도이다.

도 9를 참조하면, 제어 유닛(600)은 의해 걷는 것으로 판단되는 경우 솔레노이드(550)를 제어하여 폴(540)과 래칫 기어(530)의 연관을 해제할 수 있다. 이 경우 제어 유닛(600)은 로드 센서(620)로부터 측정되는 값이 일정 수치 이하이며, 기울기 센서(610)의 값이 일정수치 이상인 경우, 즉 사용자가 전형적으로 걷는 동작으로부터 측정된 데이터를 기반으로 현재 걷는 상태인지를 판단할 수 있다. 이 때 래칫 기어(530)의 회전이 구속되지 않아 굴 신 보조 장치(1)에 의해 지지력이 전달되지 않으므로 사용자는 자유롭게 하체를 움직여 걸을 수 있게 된다.

도 10은 본 발명에 따른 일 실시예인 인체 굴 신 보조 장치(1)의 다른 사용 상태도이다.

도 10을 참조하면, 제어 유닛(600)은 기울기 센서 (610)로부터 측정된 값이 일정 수치 이상인 경우 사용자가 보행하지 않고 상체를 굽혀 앉거나 중량물을 들어 올릴 것으로 판단하고 솔레노이드(550)를 작동시켜 폴(540)을 래칫 기어(530)에 연관시키게 된다. 즉 래칫 기어를 한 방향으로만 회전 가능하도록 고정(locking)시키게 된다. 래칫기어가 고정된 상태에서의 인체 굽힘은, 판 스프링(100)을 굽혀 탄성 반발력으로 저장되고, 동시에 가스 스프링(200)을 신장시켜 인장력으로 저장된다. 이때 신장된 상태의 가스스프링은 locking 될 수 있다. 한편, 중량물을 들어 올리는 경우, 상체에 전달된 부하는 어깨 벨트(121), 가슴 벨트(122)를 통하여 판 스프링(100)에 전달되고, 또한 중심 프레임(300)과 하지 프레임(400)에 전달된다. 결국 하지 프레임(400)과 허벅지 사이에 구비된 로드 센서(620)의 값이 상승하게 되므로, 제어 유닛(600)은 이를 기반으로 인체의 굴신 여부를 판단할 수 있게 된다.

제어 유닛(600)이 인체의 전굴 동작, 즉 중량물을 들어 올리는 동작으로 판단하여 가스 스프링 콘트롤 솔레노이드(630)를 작동 시켜 가스스프링의 locking을 해제하고 인장력을 발휘하게 된다. 따라서 사용자의 상체는 하체를 기준으로 더 숙여지지 않도록 지지력이 발휘된다. 즉 중량물을 들어 올릴 때 한번 들어올린 높이 이하로 낮아지지 않게 유지하는 지지력이 발휘될 수 있다. 사용자가 허리를 펴는 동작에서는 사용자가 발휘하는 힘, 판 스프링(100) 및 가스 스프링(200)에 의해 상체를 견인하는 힘에 의해 상체를 곧게 펼 수 있게 되고, 판 스프링(100) 및 가스 스프링(200)에 의한 견인력이 없어지면 폴(540)이 래칫 기어(530)의 회전을 허용하게 되고 하지프레임의 움직임은 자유로운 상태로 된다.

한편, 전술한 도 7 내지 도 10에서는 제어 유닛(600)에 의해 하지 프레임(400)의 회전 방향이 구속되는 예에 대하여 설명하였으나, 사용자는 기어박스(500)에 노출된 수동 제어 노브(560)를 밀어 넣거나 잡아당겨 수동으로 래칫 기어(530)의 회전 방향을 구속할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 인체 굴 신 보조장치는 허리를 구부리는 동작에 의해 에너지를 저장하고, 반대로 허리를 펴는 동작에 에너지를 전달하여 도움을 주어 인체를 보조할 수 있다.

1: 인체 굴 신 보조장치
100: 판 스프링
111: 가스 스프링 제1 브라켓
112: 가스 스프링 제2 브라켓
120: 상체 벨트
131: 연결 허브
132: 벨트 슬라이드
140: 헤드 레스트
200: 가스 스프링
201: 파일럿 스핀들
300: 중심 프레임
310: 골반 벨트
400: 하지 프레임
410: 하지벨트
500: 기어박스
510: 래칫기어 스커트
520: 래칫기어 샤프트(ratchet gear shaft)
530: 레칫 기어(ratchet gear)
540: 폴(pawl)
550: 양방향 솔레노이드
560: 수동제어노브
600: 제어 유닛
610: 기울기 센서
620: 로드 센서
630: (가스스프링)콘트롤 솔레노이드

Claims

인체의 등에 밀착될 수 있도록 적어도 일부가 곡면이며, 소정길이로 연장되어 형성되는 판스프링;
상기 판스프링의 일측에 구비되며, 상기 인체의 상체에 착용 가능하게 구성되는 상체 벨트;
상기 인체의 골반을 지지할 수 있도록 상기 판스프링의 하측에서 양 방향으로 소정길이로 연장되어 형성되는 중심 프레임;
상기 판 스프링의 후방과 상기 중심 프레임의 후방에 양단이 연결되는 가스스프링;
소정길이로 연장되어 형성되며, 상기 중심 프레임의 양측에서 각각 좌우방향의 축을 중심으로 회전가능하게 연결되는 한 쌍의 하지 프레임;
상기 한 쌍의 하지 프레임 하측 각각에 구비되며, 다리에 고정할 수 있도록 구성되는 하지벨트; 및
상기 하지 프레임의 회전을 선택적으로 제한할 수 있도록 구성되는 기어박스를 포함하며,
상기 판스프링의 후면에 후방 및 하측을 향하여 연장되어 형성되는 제1 브라켓; 및
상기 중심 프레임에서 후방 및 상측을 향하여 연장되어 형성되는 제2 브라켓을 포함하며,
상기 가스 스프링의 양측 단부는 상기 제1 브라켓 및 상기 제2 브라켓에 회전 가능하게 연결되는 인체 굴 신 보조장치.
제1 항에 있어서,
상체의 기울기를 검출할 수 있도록 구성되는 기울기 센서;
상기 하지 프레임 중 상기 다리와 밀착되는 면에 구비되어 압력을 측정할 수 있도록 구성되는 로드 센서; 및
상기 기울기 센서 및 상기 로드 센서로부터 측정된 신호를 근거로 상기 상체에 하중이 작용된 것으로 판단된 경우 상기 기어박스에서 회전을 제한하도록고 상기 가스스프링의 신축을 제어하는 제어 유닛을 포함하는 인체 굴 신 보조장치.
제2 항에 있어서,
상기 기어박스는,
래칫 기어(rachet gear) 및 폴(pawl)을 포함하여 구성되며,
상기 폴의 위치를 조절할 수 있도록 구성되는 구동부를 포함하는 인체 굴 신 보조장치.
제3 항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
상기 하중이 작용하는 것으로 판단하는 경우 상기 폴이 상기 래칫 기어를 구속하도록 상기 구동부를 제어하는 인체 굴 신 보조장치.
제4 항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
상기 하중이 작용하지 않는 것으로 판단하는 경우 상기 폴이 상기 래칫 기어를 구속하지 않도록 상기 구동부를 제어하는 인체 굴 신 보조장치.
제5 항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
상기 인체가 걷거나 앉을 때 작용하는 하중 및 기울기에 대한 정보를 기반으로 하중이 작용하지 않는 것으로 판단하는 인체 굴 신 보조장치.
삭제
제2 항에 있어서,
상기 판스프링은 상기 상체의 각도에 따라 변형가능하게 구성되는 탄성부재로 구성되는 인체 굴 신 보조장치.
제2 항에 있어서,
상기 상체 벨트는,
어깨에 착용할 수 있도록 구성되는 한 쌍의 어깨 벨트; 및
가슴에 착용할 수 있도록 구성되는 가슴벨트를 포함하는 인체 굴 신 보조장치.
제9 항에 있어서,
상기 인체의 상체가 구부러짐에 따라 상기 판 스프링이 구부러지며,
상기 가스스프링이 신장되고,
상기 인체의 상체를 세울 때 상기 판 스프링 및 상기 가스스프링의 복원력이 작용하여 상기 어깨 벨트와 상기 가슴 벨트를 견인하도록 구성되는 인체 굴 신 보조장치.