KR102586197B1 - 운동 보조 장치 - Google Patents

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이민형
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Abstract

일 실시 예에 따르면 운동 보조 장치는, 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 프레임; 상기 근위 프레임에 회전 가능하게 연결되는 연결 프레임; 상기 연결 프레임에 회전 가능하게 연결되고, 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 프레임; 및 상기 근위 프레임을 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더와, 상기 원위 프레임 및 슬라이더 각각에 회전 가능하게 연결되는 푸셔와, 상기 슬라이더 및 푸셔를 연결하고 가동 영역의 전범위에서 상기 연결 프레임의 회전축 보다 근위 측에 위치하는 커플러를 포함하는 동력전달부를 포함할 수 있다.

Description

운동 보조 장치{MOTION ASSIST APPARATUS}
아래의 설명은 운동 보조 장치에 관한 것이다.
관절이 불편한 노인이나 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 운동 보조 장치 및 군사용 등의 목적으로 사용자의 근력을 보조하기 위한 장치들이 개발되고 있다.
선행문헌 1: 공개특허공보 제10-2012-0115168호(2012. 10. 17.)
일 실시 예에 따르면 운동 보조 장치는, 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 프레임; 상기 근위 프레임에 회전 가능하게 연결되는 연결 프레임; 상기 연결 프레임에 회전 가능하게 연결되고, 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 프레임; 및 상기 근위 프레임을 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더와, 상기 원위 프레임 및 슬라이더 각각에 회전 가능하게 연결되는 푸셔와, 상기 슬라이더 및 푸셔를 연결하고 가동 영역의 전범위에서 상기 연결 프레임의 회전축 보다 근위 측에 위치하는 커플러를 포함하는 동력전달부를 포함할 수 있다.
상기 원위 프레임은, 상기 근위 프레임에 대하여 2자유도 움직임이 가능하고, 상기 2자유도 움직임은 사용자의 시상면(sagittal plane)을 가로지르는 방향의 운동을 포함할 수 있다.
상기 원위 프레임이 상기 근위 프레임에 대해 이루는 각도가 증가하는 방향으로 회전하는 동안, 상기 연결 프레임은 상기 원위 프레임과 나란하게 되는 방향으로 회전할 수 있다.
상기 슬라이더가 원위 측으로 슬라이딩 하는 동안, 상기 원위 프레임이 상기 근위 프레임에 대해 이루는 각도가 증가할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 원위 프레임에 연결되고, 측면에서 바라볼 때 상기 근위 프레임에 오버랩되는 간섭부를 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 근위 프레임으로부터 돌출 형성되고, 상기 간섭부를 지지하고, 높이가 변화하는 구간을 포함하는 캠을 더 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 근위 프레임에 회전 가능하게 연결되는 회전체; 및 상기 회전체 및 상기 슬라이더를 연결하는 와이어를 더 포함할 수 있다.
상기 원위 프레임은, 상기 연결 프레임에 연결되는 제 1 분절 프레임; 및 상기 제 1 분절 프레임에 대하여 각도 조절 가능하게 연결되는 제 2 분절 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 근위 프레임 및 슬라이더를 연결하고, 상기 슬라이더를 원위 측으로 푸쉬하는 탄성력을 제공하는 구동 탄성체를 더 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 근위 프레임 및 연결 프레임을 연결하는 보조 탄성체를 더 포함할 수 있다.
상기 원위 프레임은 상기 연결 프레임에 구름 접촉(rolling contact) 가능할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 근위 프레임에 연결되고 사용자의 허벅지에 착용되는 허벅지 착용부; 및 상기 원위 프레임에 연결되고 사용자의 정강이에 착용되는 정강이 착용부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 프레임; 상기 근위 프레임에 회전 가능하게 연결되는 연결 프레임; 상기 연결 프레임에 회전 가능하게 연결되고, 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 프레임; 및 상기 근위 프레임으로부터 상기 원위 프레임으로 동력을 전달하는 동력 전달부를 포함하고, 상기 연결 프레임은, 상기 근위 프레임이 상기 원위 프레임에 대해 이루는 각도가 증가하는 방향으로 회전하는 동안, 상기 원위 프레임과 나란하게 되는 방향으로 회전할 수 있다.
상기 동력 전달부는, 기 근위 프레임을 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더; 상기 원위 프레임 및 슬라이더 각각에 회전 가능하게 연결되는 푸셔; 및 상기 슬라이더 및 푸셔를 서로에 대해 2자유도 회전 가능하도록 연결하는 커플러를 포함할 수 있다.
상기 커플러는, 가동 영역의 전범위에서 상기 연결 프레임의 회전축 보다 근위 측에 위치할 수 있다.
상기 원위 프레임은, 상기 근위 프레임에 대하여 2자유도 움직임이 가능하고, 상기 2자유도 움직임은 사용자의 시상면(sagittal plane)을 가로지르는 방향의 운동을 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 원위 프레임에 연결되고, 측면에서 바라볼 때, 상기 근위 프레임에 오버랩되는 간섭부를 더 포함할 수 있다.
도 1은 사용자의 시상면, 관상면 및 횡단면을 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 신장(extension) 상태일 때의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 굽힘(flexion) 상태일 때의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 5 내지 도 7은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도이다.
도 10은 내반슬(genu varum)을 갖는 사용자가 운동 보조 장치를 착용한 상태를 나타내는 정면도이다.
도 11은 외반슬(genu valgum)을 갖는 사용자가 운동 보조 장치를 착용한 상태를 나타내는 정면도이다.
도 12는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 확대 도시한 측면도로, 근위 프레임, 회전체, 와이어 및 슬라이더를 나타낸다.
도 13은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 확대 도시한 측면도로, 와이어의 초기 장력이 증가하는 메커니즘을 나타낸다.
도 14는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 확대 도시한 측면도로, 와이어의 초기 장력이 감소하는 메커니즘을 나타낸다.
도 15는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 확대 도시한 측면도로, 랙 기어 및 피니언 기어를 나타낸다.
도 16은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 17 내지 도 19는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이다.
도 20은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 굽힘 상태일 때의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 21은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 신장 상태일 때의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 22는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 굽힘 상태일 때의 측면도이다.
도 23은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 신장 상태일 때의 측면도이다.
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 부가하였음에 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.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 사용자의 시상면, 관상면 및 횡단면을 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 시상면(P1, sagittal plane)은 사용자(U)의 머리를 측면에서 바라본 상태에서 수직으로 자른 평면이고, 관상면(P2, frontal plane)은 사용자(U)의 머리를 정면에서 바라본 상태에서 수직으로 자른 평면이고, 횡단면(P3, transverse plane)은 사용자(U)의 머리를 위에서 바라본 상태에서 수직으로 자른 평면이다. 사용자(U)의 움직임은 상기 3개의 면(P1, P2, P3) 상에서 발생하는 것으로 이해할 수 있다. 예를 들어, 사용자(U)가 다리를 굽힘 동작 또는 신장 동작시킬 때, 사용자(U)의 정강이는 대퇴부에 대하여 시상면(P1) 상에서 회전할 뿐만 아니라, 시상면(P1)을 가로지르는 방향으로도 회전하게 된다. 이하, 시상면(P1), 관상면(P2) 및 횡단면(P3)들을 기준으로 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 움직임을 설명하기로 한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 모습을 나타내는 사시도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 신장 상태일 때의 모습을 나타내는 개략도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 굽힘 상태일 때의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 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, 근위 프레임(11, proximal frame), 연결 프레임(12), 원위 프레임(13, distal frame), 동력 전달부(14), 액츄에이터(50), 허벅지 착용부(91) 및 정강이 착용부(92)를 포함할 수 있다.
근위 프레임(11) 및 원위 프레임(13)은, 사용자의 일 관절을 기준으로 서로 반대편에 배치될 수 있다. 예를 들어, 근위 프레임(11) 및 원위 프레임(13)은, 사용자의 무릎을 중심으로 서로 반대편에 배치될 수 있다. 근위 프레임(11)은 무릎의 윗 부분, 예를 들어 대퇴부를 지지할 수 있고, 원위 프레임(13)은 무릎의 아래 부분, 예를 들어 정강이 및/또는 종아리를 지지할 수 있다.
근위 프레임(11)은 근위 프레임 바디(111), 근위 가이드(112) 및 근위 수용부(113)를 포함할 수 있다.
근위 프레임 바디(111)는 사용자의 대퇴부의 측면을 지지할 수 있는 길이 방향 부재일 수 있다. 근위 프레임 바디(111)의 길이 방향은 사용자의 허벅지의 길이 방향과 나란할 수 있다.
근위 가이드(112)는 근위 프레임 바디(111)의 일측에 구비되고, 슬라이더(141)의 슬라이딩을 안내할 수 있다. 근위 프레임 바디(111)는 슬라이더(141)의 폭과 동일한 폭을 갖는 중공을 가질 수 있다. 근위 프레임 바디(111)는 슬라이더(141)의 1자유도 운동을 보조할 수 있다. 근위 가이드(112)는 슬라이더(141)의 가동 범위를 제한하여, 무릎이 과신장(hyperextension)되거나, 사용자의 관절에 과도한 힘이 인가되는 것을 방지하여, 안전성(safety)을 향상시킬 수 있다.
근위 수용부(113)는 근위 프레임 바디(111)의 타측에 구비되고, 액츄에이터(50)를 수용할 수 있다.
연결 프레임(12)은 사용자의 근위 부분과 원위 부분이 연결되는 관절의 측면을 지지할 수 있다. 예를 들어, 근위 프레임(11)이 사용자의 대퇴부를 지지하고, 원위 프레임(13)이 사용자의 정강이를 지지할 때, 연결 프레임(12)은 사용자의 무릎의 측면을 지지할 수 있다. 연결 프레임(12)은 근위 프레임 바디(111)에 회전 가능하게 연결될 수 있다.
연결 프레임(12)은 회전축(A)을 중심으로 회전할 수 있다. 연결 프레임(12)은 회전축(A)을 중심으로 시상면을 가로지르는 방향으로 회전 가능할 수 있다. 예를 들어, 회전축(A)은 근위 프레임 바디(111) 및 연결 프레임(12)에 삽입되는 핀을 포함하는 힌지일 수 있다.
연결 프레임(12)의 회전축(A)은, 사용자의 정강이를 지지하는 원위 프레임(13)이 사용자의 대퇴부를 지지하는 근위 프레임(11)에 대하여 시상면을 가로지르는 방향으로 움직일 수 있도록 자유도를 제공할 수 있다. 실제 사용자의 대퇴부 및 정강이는 신장 및 굽힘 과정에서 시상면에 평행한 방향뿐만 아니라, 시상면을 가로지르는 방향으로도 움직임이 발생하므로, 시상면을 가로지르는 방향으로의 움직임은 사용자의 착용감을 향상시킬 수 있다.
회전축(A)은 무릎이 최대로 신장된 상태에서, 사용자의 후방으로부터 전방을 향해 갈수록 관절에 가까워지는 방향의 경사를 가질 수 있다. 예를 들어, 회전축(A)은 사용자의 전방으로 갈수록, 사용자의 무릎 관절에 가까워지는 방향의 경사를 가질 수 있다. 도 2를 기준으로, 회전축(A)은 사용자의 전방을 향하는 방향을 기준으로 하향 경사, 예를 들면, 20도 내지 70도의 경사를 가질 수 있다. 이와 같이 경사진 구조는 회전축(A)이 관상면에 수직한 방향 등으로 배치된 구조에 비하여, 사용자 무릎 관절의 움직임에 보다 유사한 동작을 구현할 수 있으므로, 사용자의 착용감을 향상시킬 수 있다.
연결 프레임(12)은 근위 프레임(11)에 대해 회전축(A)을 중심으로 회전하여, 사용자의 시상면을 가로지르는 방향으로 운동할 수 있다. 연결 프레임(12)이 근위 프레임(11)과 이루는 각도는 무릎이 굽힘 또는 신장하는 동안 변화할 수 있다.
원위 프레임(13)은 연결 프레임(12)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 원위 프레임(13)은 사용자의 원위 부분, 예를 들어 정강이 및/또는 종아리를 지지할 수 있다. 원위 프레임(13)은 푸셔(142)의 일단을 회전 가능하게 지지할 수 있다. 푸셔(142)가 하강하는 동안, 원위 프레임(13)은 연결 프레임(12)에 대해 회전할 수 있다. 원위 프레임(13)은 제 1 분절 프레임(131) 및 제 2 분절 프레임(132)을 포함할 수 있다.
제 1 분절 프레임(131)은 연결 프레임(12)에 상대적으로 회전 가능하게 연결될 수 있다. 회전 방식은 구름 접촉(rolling contact) 방식일 수 있으며, 복수 개의 기어가 서로 맞물려서 회전하는 구름 접촉 방식이나, 복수 개의 풀리가 서로 마찰력에 의해 회전하는 구름 접촉 방식을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 분절 프레임(131) 및 연결 프레임(12)은 서로 맞물리는 기어 형상을 각각 포함할 수 있다. 제 1 분절 프레임(131) 및 연결 프레임(12) 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위한 연결 부재가 구비될 수 있다.
한편, 연결 프레임(12) 및 제 1 분절 프레임(131)은 구름 접촉 방식이 아닌 다른 방식으로 회전될 수도 있다. 예를 들어, 연결 프레임(12) 및 제 1 분절 프레임(131)은 피봇식으로 연결될 수 있다.
제 2 분절 프레임(132)은 제 1 분절 프레임(131)에 대하여 각도 조절 가능하게 연결되어, 사용자의 신체, 예를 들어, 정강이 및/또는 종아리에 밀착될 수 있다. 제 2 분절 프레임(132)은 제 1 분절 프레임(131)에 선택적으로 고정될 수 있다. 예를 들어, 제 1 분절 프레임(131) 및 제 2 분절 프레임(132)을 고정시키기 위한 고정 부재(미도시)가 구비될 수 있다. 제 1 분절 프레임(131) 및 제 2 분절 프레임(132)은 고정 부재가 체결된 상태에서 상대적인 이동이 제한될 수 있고, 고정 부재가 분리된 상태에서 상대적인 이동이 구현될 수 있다.
이상과 같은 구조에 의하면, 원위 프레임(13)은 근위 프레임(11)에 대하여 적어도 2자유도 움직임이 가능하다. 원위 프레임(13)은 근위 프레임(10)에 대해 회전하여 시상면 상에서 회전 가능하고, 회전축(A)을 중심으로 회전하여 시상면을 가로지르는 방향으로 회전 가능하다.
동력 전달부(14)는 액츄에이터(50)에서 생성되는 동력을 원위 프레임(13)에 전달할 수 있다. 동력 전달부(14)는 슬라이더(141), 푸셔(142), 제 1 커플러(143) 및 제 2 커플러(144)를 포함할 수 있다.
슬라이더(141)는 근위 프레임(11)의 근위 가이드(112)를 따라 슬라이딩 가능하다. 슬라이더(141)는 예를 들어, 사용자의 허벅지와 나란한 방향으로 슬라이딩 가능하다. 슬라이더(141)는 근위 측 예를 들어 사용자의 허리 쪽으로 슬라이딩하거나, 원위 측 예를 들어 사용자의 발 쪽으로 슬라이딩 가능하다.
푸셔(142)는 슬라이더(141) 및 원위 프레임(13) 각각에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 푸셔(142)는 슬라이더(141)에 의해 근위 측 또는 원위 측으로 이동할 수 있다. 푸셔(142)는 근위 측으로 이동되면서 원위 프레임(13)을 푸쉬하여 무릎의 신장을 보조하거나, 원위 측으로 이동되면서 원위 프레임(13)을 당겨 무릎의 굽힘을 보조할 수 있다.
제 1 커플러(143)는 슬라이더(141) 및 푸셔(142)를 커플링할 수 있다. 제 1 커플러(143)는 슬라이더(141) 및 푸셔(142)가 적어도 2자유도 회전 운동을 수행하도록 보조할 수 있다. 예를 들어, 제 1 커플러(143)는 유니버셜 조인트 또는 볼 조인트일 수 있다.
제 1 커플러(143)는 가동 영역의 전범위에서 연결 프레임(12)의 회전축(A) 보다 근위 측에 위치할 수 있다. 다시 말하면, 제 1 커플러(143)는 회전축(A) 보다 원위 프레임(13)으로부터 멀리 떨어진 위치에 위치할 수 있다. 여기서 가동 영역이란, 제 1 커플러(143)의 이동 가능한 범위를 말한다. 예를 들어, 제 1 커플러(143)가 원위 프레임(13)으로부터 가장 멀리 이격된 포지션을 제 1 포지션이라하고, 제 1 커플러(143)가 원위 프레임(13)에 가장 근접한 포지션을 제 2 포지션이라 할 때, 제 1 커플러(143)의 가동 영역은 제 1 포지션 및 제 2 포지션 사이일 수 있다.
제 1 커플러(143)가 가동 영역의 전 범위에서 연결 프레임(12)의 회전축(A) 보다 근위 측에 위치할 경우, 푸셔(142)가 원위 프레임(13)을 푸쉬하는 동안, 근위 프레임(11)을 전방에서 바라볼 때를 기준으로, 푸셔(142)는 원위 프레임(13)이 근위 프레임(11)과 나란해 지도록 하는 힘을 인가할 수 있다. 예를 들어, 근위 프레임(11)을 전방에서 바라볼 때를 기준으로, 원위 프레임(13)은 근위 프레임(11)에 대해 회전축(A)을 중심으로 일정 각도 내측 또는 외측으로 굽어진 상태일 수 있다. 예를 들어, 원위 프레임(13)이 회전축(A)을 중심으로 내측으로 굽어진 상태일 경우, 푸셔(142)는 무릎의 신장을 보조하면서 원위 프레임(13)을 외측으로 펼 수 있다. 한편, 원위 프레임(13)이 회전축(A)을 중심으로 외측으로 굽어진 상태일 경우, 푸셔(142)는 무릎의 신장을 보조하면서 원위 프레임(13)을 내측으로 펼 수 있다. 다시 말하면, 푸셔(142)가 무릎 신장을 보조하여 무릎이 신장되는 동안, 근위 프레임(11)을 전방에서 바라볼 때를 기준으로, 근위 프레임(11) 및 원위 프레임(13) 사이의 끼인 각도(included angle)은 증가할 수 있다.
본원에서 사용되는 "끼인 각도"는 운동 보조 장치(1)를 전방에서 보았을 때, 근위 프레임(11) 및 연결 프레임(12)이 이루는 최소 각도를 의미한다. 도 8 및 도 9에서, θ2로 시작하는 도면 부호는 근위 프레임(11) 및 연결 프레임(12) 사이의 끼인 각도를 나타낸다. 예를 들어, 도 8에 도시된 제 1 끼인 각도(θ21)는 도 9에 도시된 제 2 끼인 각도(θ22) 보다 그 크기가 작다.
제 2 커플러(144)는 푸셔(142) 및 원위 프레임(13)을 커플링할 수 있다. 제 2 커플러(144)는 푸셔(142) 및 원위 프레임(13)이 적어도 2자유도 회전 운동을 수행하도록 보조할 수 있다. 예를 들어, 제 2 커플러(144)는 유니버셜 조인트 또는 볼 조인트일 수 있다.
액츄에이터(50)는 동력 전달부(14)를 구동하기 위한 동력을 생성할 수 있다. 액츄에이터(50)는 전압, 전류 및/또는 유압 등을 이용하여 동력 전달부(14)를 구동하기 위한 동력을 생성할 수 있다. 액츄에이터(50)는 보조력을 제공받는 사용자의 무릎 보다 사용자의 근위 부분에 가깝게 배치될 수 있다. 이와 같은 배치로 인해, 액츄에이터(50)의 이동 반경은 액츄에이터(50)가 사용자의 무릎에 위치하는 경우에 비하여 감소될 수 있다. 따라서, 비교적 무거운 액츄에이터(50)에 의한 관성 모멘트가 미치는 영향을 줄일 수 있고, 운동 보조 장치(1)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
허벅지 착용부(91)는 근위 프레임(11)에 연결되고 사용자의 허벅지에 착용될 수 있다. 허벅지 착용부(91)는 사용자의 허벅지 둘레를 감싸는 탈부착식 벨트일 수 있다. 허벅지 착용부(91)의 둘레는 사용자의 신체에 맞게 조절될 수 있다. 허벅지 착용부(91)는 후크 앤드 루프 패스너(hook and loop fastener) 구조를 포함할 수 있다.
정강이 착용부(92)는 원위 프레임(13)에 연결되고 사용자의 정강이에 착용될 수 있다. 정강이 착용부(92)는 사용자의 정강이 둘레를 감싸는 탈부착식 벨트일 수 있다. 정강이 착용부(92)의 둘레는 사용자의 신체에 맞게 조절될 수 있다. 정강이 착용부(92)는 복수 개가 구비되어, 사용자의 종아리의 두꺼운 부분을 기준으로 서로 반대편에 착용될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이고, 도 8은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도이고, 도 9는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 굽힘 상태일 때를 도시하고, 도 7은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 신장 상태일 때를 도시한다.
도 5 내지 도 9를 참조하면, 신장 각도(extension angle)이 증가하는 동안, 근위 프레임(11) 및 연결 프레임(12) 사이의 끼인 각도(included angle)는 증가할 수 있다. 여기서, 신장 각도란 운동 보조 장치(1)를 측방에서 보았을 때, 근위 프레임(11) 및 원위 프레임(13)이 이루는 각도이다.
이하, θ1로 시작하는 도면 부호는 신장 각도를 나타낸다. 연결 프레임(12)은 원위 프레임(13)과 나란하므로, 근위 프레임(11) 및 연결 프레임(12) 사이의 끼인 각도는, 근위 프레임(11) 및 원위 프레임(13) 사이의 끼인 각도와 대략 동일할 수 있다. 도 5 내지 도 7은 원위 프레임(13)이 근위 프레임(11)에 대해 신장 각도가 증가하는 방향으로 회전하는 모습을 순서대로 도시한다. 운동 보조 장치(1)가 굽힘 상태에 있을 때의 제 1 신장 각도(θ11)는 대략 20도 내지 40도 범위에서 결정될 수 있다. 원위 프레임(13)이 연결 프레임(12)을 중심으로 어느 정도 회전할 때의 제 2 신장 각도(θ12)는 제 1 신장 각도(θ11)보다 클 수 있다. 운동 보조 장치(1)가 신장 상태에 있을 때의 제 3 신장 각도(θ13)는 대략 180도일 수 있다.
원위 프레임(13)이 근위 프레임(11)에 대해 회전하는 동안, 연결 프레임(12)은 근위 프레임(11)과 나란해 지는 방향으로 회전축(A)을 중심으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 내반슬(genu varum)을 갖는 사용자가 운동 보조 장치(1)를 착용할 경우, 근위 프레임(11)을 정면에서 바라볼 때를 기준으로, 근위 프레임(11) 및 연결 프레임(12) 사이의 제 1 끼인 각도(θ21)는 180도 보다 작을 수 있다. 원위 프레임(13)이 근위 프레임(11)에 대해 회전할 경우, 연결 프레임(12)은 회전축(A)을 중심으로 회전하고, 근위 프레임(11) 및 연결 프레임(12) 사이의 제 2 끼인 각도(θ22)는 제 1 끼인 각도(θ21) 보다 커질 수 있다. 이와 같은 방식으로, 원위 프레임(13)은 사용자의 정강이를 허벅지와 나란한 방향으로 펴지도록 보조할 수 있고, 그에 따라 무릎의 뼈와 뼈 사이의 힘(bone-on-bone force)은 감소할 수 있다.
도 10은 내반슬을 갖는 사용자가 운동 보조 장치를 착용한 상태를 나타내는 정면도이다.
도 10을 참조하면, 내반슬을 갖는 사용자의 경우, 무릎 내측에 지속적으로 압력이 가해져 연골이 손상되거나 관절염이 발생할 가능성이 높다. 운동 보조 장치(1)는 내반슬을 갖는 사용자에 착용되어 뼈와 뼈 사이의 힘을 감소시킬 수 있다. 내반슬을 갖는 사용자는 정강이가 허벅지로부터 내측으로 절곡되어 있다. 사용자가 무릎을 굽힌 상태에 있을 때, 근위 프레임(11)은 사용자의 허벅지에 밀착될 수 있고, 원위 프레임(13)은 사용자의 정강이에 밀착될 수 있다. 사용자가 무릎을 신장하는 동안, 연결 프레임(12)은 근위 프레임(11)과 나란해 지는 방향으로 근위 프레임(11)에 대해 회전할 수 있다. 결과적으로, 근위 프레임(11) 및 원위 프레임(13)은 제 3 끼인 각도(θ23)가 증가하는 방향으로(화살표 참조), 허벅지와 정강이에 힘을 인가하여, 무릎 내측의 뼈와 뼈 사이의 힘을 감소시킬 수 있다.
도 11은 외반슬을 갖는 사용자가 운동 보조 장치를 착용한 상태를 나타내는 정면도이다.
도 11을 참조하면, 외반슬을 갖는 사용자의 경우, 무릎 외측에 지속적으로 압력이 가해져 연골이 손상되거나 관절염이 발생할 가능성이 높다. 운동 보조 장치(1)는 외반슬을 갖는 사용자에 착용되어 뼈와 뼈 사이의 힘을 감소시킬 수 있다. 외반슬을 갖는 사용자는 정강이가 허벅지로부터 외측으로 절곡되어 있다. 사용자가 무릎을 굽힌 상태에 있을 때, 근위 프레임(11)은 사용자의 허벅지에 밀착될 수 있고, 원위 프레임(13)은 사용자의 정강이에 밀착될 수 있다. 사용자가 무릎을 신장하는 동안, 연결 프레임(12)은 근위 프레임(11)과 나란해 지는 방향으로 근위 프레임(11)에 대해 회전할 수 있다. 결과적으로, 근위 프레임(11) 및 원위 프레임(13)은 제 4 끼인 각도(θ24)가 증가하는 방향으로(화살표 참조), 허벅지와 정강이에 힘을 인가하여, 무릎 외측의 뼈와 뼈 사이의 힘을 감소시킬 수 있다.
도 12는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 확대 도시한 측면도로, 근위 프레임, 회전체, 와이어 및 슬라이더를 나타낸다. 도 13은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 확대 도시한 측면도로, 와이어의 초기 장력이 증가하는 메커니즘을 나타낸다. 도 14는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 확대 도시한 측면도로, 와이어의 초기 장력이 감소하는 메커니즘을 나타낸다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 회전체(61)는 근위 프레임(11)의 일측에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 회전체(61)는 액츄에이터의 출력단에 연결되고, 액츄에이터에서 생성되는 동력에 의해 회전될 수 있다.
와이어(62)는 회전체(61) 및 슬라이더(141)를 연결할 수 있다. 와이어(62)의 양 단(62a, 62b)은 슬라이더(141)에 고정될 수 있다. 와이어(62)의 제 1 단(62a) 및 제 2 단(62b)은 회전체(61)를 기준으로 서로 반대편에 위치할 수 있다. 회전체(61)의 둘레 및 슬라이더(141)의 표면에는 각각 와이어(62)를 안정적으로 지지하고 이탈을 방지하기 위한 홈이 구비될 수 있고, 와이어(62)는 구비된 홈을 따라 배치될 수 있다.
장력 조절 피스(63)는 회전체(61)의 일측에 이동 가능하게 연결될 수 있다. 장력 조절 피스(63)는 와이어(62)가 고정시키는 고정부(631)를 포함할 수 있다. 장력 조절 피스(63)는 회전체(61)를 따라 이동하여 와이어(62)의 장력을 조절할 수 있다. 도 13에 도시된 것처럼, 장력 조절 피스(63)가 우측을 향해 이동할 경우, 와이어(62)의 장력이 증가될 수 있고, 도 14에 도시된 것처럼, 좌측을 향해 이동할 경우, 와이어(62)의 장력은 감소할 수 있다. 장기간 사용으로 노후화 등에 의해, 와이어(62)의 장력이 감소할 경우, 사용자는 장력 조절 피스(63)를 이용하여 와이어(62)의 장력을 증가시킬 수 있다.
와이어(62)의 중간 부분은 회전체(61)에 적어도 1회 이상 감길 수 있다. 도 12 내지 도 14의 도시된 도면을 기준으로, 회전체(61)가 반시계 방향으로 회전할 때 슬라이더(141)는 위쪽으로 슬라이딩 하고, 회전체(61)가 시계 방향으로 회전할 때 슬라이더(141)는 아래쪽으로 슬라이딩 할 수 있다. 와이어(62)가 회전체(61) 상에 고정되는 위치는 이에 제한되지 않고, 예를 들어, 와이어(62)는 회전체(61)의 둘레 상에서 고정될 수도 있다.
피스 가이드(64)는 회전체(61)의 일측에 고정되어, 장력 조절 피스(63)의 이동을 가이드할 수 있다. 예를 들어, 피스 가이드(64)는 장력 조절 피스(63)의 양측을 지지할 수 있다.
피스 조정부(65)는 장력 조절 피스(63)의 위치를 조정할 수 있다. 예를 들어, 피스 조정부(65)는 볼트 및 너트로 구성되고, 너트에 대한 볼트의 길이 변화를 이용하여 장력 조절 피스(63)를 일 방향으로 밀어줌으로써 와이어(62)의 장력을 증가시킬 수 있다.
도 15는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 확대 도시한 측면도로, 랙 기어 및 피니언 기어를 나타낸다.
도 15를 참조하면, 운동 보조 장치(1)는 근위 프레임(11)에 회전 가능하게 설치되는 피니언 기어(90)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 회전체(61)는 외주면을 따라 형성된 피니언 기어(90)를 포함하고, 슬라이더(141)는 피니언 기어(90)에 맞물리는 랙 기어(80)를 포함할 수 있다. 도 15에 도시된 도면을 기준으로, 피니언 기어(90)가 시계방향으로 회전할 때 슬라이더(141)는 아래 쪽을 향하는 방향으로 슬라이딩할 수 있고, 피니언 기어(90)가 반시계방향으로 회전할 때 슬라이더(141)는 위쪽을 향하는 방향으로 슬라이딩 할 수 있다.
도 16은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이고, 도 17 내지 도 19는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이다.
도 17은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 굽힘 상태일 때를 도시하고, 도 19는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 신장 상태일 때를 도시한다.
도 16 내지 도 19를 참조하면, 운동 보조 장치(2)는 근위 프레임(11), 연결 프레임(12), 원위 프레임(13), 동력 전달부(14), 간섭부(25) 및 캠(26)을 포함할 수 있다.
간섭부(25)는 원위 프레임(13)에 연결되고, 측면에서 바라볼 때 근위 프레임(11)에 오버랩될 수 있다. 간섭부(25)는 회전축(A)을 중심으로 한 근위 프레임(11)에 대한 연결 프레임(12) 회전 각도를 제한할 수 있다. 연결 프레임(12)이 회전축(A)을 중심으로 회전하는 도중에, 간섭부(25)가 근위 프레임(11)에 접촉할 경우, 연결 프레임(12)은 더 이상 회전하지 못하고 정지될 수 있다. 간섭부(25)는, 원위 프레임(13) 및 연결 프레임(12) 각각에 회전 가능하게 연결되는 간섭 바디(251)와, 간섭 바디(251)로부터 근위 프레임(11)을 향해 돌출 형성되는 간섭 돌기(252)를 포함할 수 있다.
캠(26)은 근위 프레임(11)으로부터 돌출 형성되고, 간섭부(25)를 지지할 수 있다. 간섭부(25)는 캠(26)의 상면을 따라 슬라이딩할 수 있다. 캠(26)은 높이가 변화하는 구간을 포함하여, 간섭부(25)를 지지함으로써 연결 프레임(12)이 근위 프레임(11)에 대해 회전하도록 보조할 수 있다. 캠(26)은 상방으로 갈수록 높이가 증가하는 구간을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캠(26)의 전방부의 높이(h2)는 캠(26)의 후방부의 높이(h1) 보다 클 수 있다. 여기서, 전방이란 사용자가 운동 보조 장치(2)를 착용한 상태를 기준으로 전방을 향해 연장된 부분을 의미한다. 이 경우, 원위 프레임(13)이 근위 프레임(11)에 대해 신장 각도가 증가하는 방향으로 회전할 경우, 연결 프레임(12)이 회전축(A)을 중심으로 회전하여 외측으로 펴질 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 캠(26)의 전방부의 높이가 캠(26)의 후방부의 높이보다 작을 수도 있다. 이 경우, 원위 프레임(13)이 근위 프레임(11)에 대해 신장 각도가 증가하는 방향으로 회전할 경우, 연결 프레임(12)이 회전축(A)을 중심으로 회전하여 내측으로 굽어질 수 있으므로, 외반슬을 갖는 사용자의 관절 부하를 감소시킬 수 있다.
도 20은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 굽힘 상태일 때의 모습을 나타내는 개략도이고, 도 21은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 신장 상태일 때의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 운동 보조 장치(3)는 근위 프레임(11), 연결 프레임(32), 원위 프레임(33), 동력 전달부(14) 및 액츄에이터(50)를 포함할 수 있다.
연결 프레임(32) 및 원위 프레임(33)은 피봇식으로 연결되어 1자유도 회전 운동을 할 수 있다.
동력 전달부(14)는 액츄에이터(50)로부터 동력을 전달받아 슬라이딩하는 슬라이더(141)와, 푸셔(142)와, 슬라이더(141) 및 푸셔(142)를 적어도 2자유도 회전 가능하게 연결하는 제 1 커플러(143)와, 푸셔(142) 및 원위 프레임(33)을 적어도 2자유도 회전 가능하게 연결하는 제 2 커플러(144)를 포함할 수 있다.
도 22는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 굽힘 상태일 때의 측면도이고, 도 23은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치가 신장 상태일 때의 측면도이다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 운동 보조 장치(4)는 근위 프레임(41), 연결 프레임(12), 원위 프레임(13), 동력 전달부(14), 구동 탄성체(47) 및 보조 탄성체(48)를 포함할 수 있다.
근위 프레임(41)은 동력 전달부(14)의 슬라이더(141)의 슬라이딩을 가이드하는 형상을 가질 수 있다.
구동 탄성체(47)는 근위 프레임(41) 및 슬라이더(141)를 연결하고, 슬라이더(141)를 원위 측으로 푸쉬하는 탄성력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 구동 탄성체(47)는 운동 보조 장치(4)가 굽힘 상태에 있을 때, 수축되어 있을 수 있다. 구동 탄성체(47)는 사용자가 무릎을 신장하는 것을 보조할 수 있다.
보조 탄성체(48)는 근위 프레임(41) 및 연결 프레임(12)을 연결할 수 있다. 보조 탄성체(48)는 근위 프레임(41) 및 연결 프레임(12) 사이의 끼인 각도가 증가하는 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 운동 보조 장치(4)가 내반슬을 갖는 사용자에게 착용되었을 때, 보조 탄성체(48)는 신장되어 있을 수 있고, 연결 프레임(12)이 근위 프레임(41)과 나란해 지는 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (17)

  1. 운동 보조 장치에 있어서,
    사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 프레임;
    상기 근위 프레임에 회전 가능하게 연결되는 연결 프레임;
    상기 연결 프레임에 회전 가능하게 연결되고, 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 프레임; 및
    상기 근위 프레임을 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더와, 상기 원위 프레임 및 슬라이더 각각에 회전 가능하게 연결되는 푸셔와, 상기 슬라이더 및 푸셔를 연결하고 가동 영역의 전범위에서 상기 연결 프레임의 회전축 보다 근위 측에 위치하는 커플러를 포함하는 동력전달부;
    를 포함하고,
    상기 슬라이더가 슬라이딩 하는 동안, 상기 운동 보조 장치를 제 1 방향으로 바라볼 때를 기준으로 상기 근위 프레임 및 원위 프레임 사이의 신장 각도는 변화하고, 동시에, 상기 운동 보조 장치를 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 바라볼 때를 기준으로 상기 근위 프레임 및 연결 프레임 사이의 끼인 각도는 변화하는 운동 보조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원위 프레임은, 상기 근위 프레임에 대하여 2자유도 움직임이 가능하고, 상기 2자유도 움직임은 사용자의 시상면(sagittal plane)을 가로지르는 방향의 운동을 포함하는 운동 보조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 원위 프레임이 상기 근위 프레임에 대해 이루는 각도가 증가하는 방향으로 회전하는 동안, 상기 연결 프레임은 상기 근위 프레임과 나란하게 되는 방향으로 회전하는 운동 보조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬라이더가 원위 측으로 슬라이딩 하는 동안, 상기 원위 프레임이 상기 근위 프레임에 대해 이루는 각도가 증가하는 운동 보조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 원위 프레임에 연결되고, 측면에서 바라볼 때 상기 근위 프레임에 오버랩되는 간섭부를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 근위 프레임으로부터 돌출 형성되고, 상기 간섭부를 지지하고, 높이가 변화하는 구간을 포함하는 캠을 더 포함하는 이동 가능한 운동 보조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 근위 프레임에 회전 가능하게 연결되는 회전체; 및
    상기 회전체 및 상기 슬라이더를 연결하는 와이어를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 원위 프레임은,
    상기 연결 프레임에 연결되는 제 1 분절 프레임; 및
    상기 제 1 분절 프레임에 대하여 각도 조절 가능하게 연결되는 제 2 분절 프레임을 포함하는 운동 보조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 근위 프레임 및 슬라이더를 연결하고, 상기 슬라이더를 원위 측으로 푸쉬하는 탄성력을 제공하는 구동 탄성체를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 근위 프레임 및 연결 프레임을 연결하는 보조 탄성체를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 원위 프레임은 상기 연결 프레임에 구름 접촉(rolling contact) 가능한 운동 보조 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 근위 프레임에 연결되고 사용자의 허벅지에 착용되는 허벅지 착용부; 및
    상기 원위 프레임에 연결되고 사용자의 정강이에 착용되는 정강이 착용부를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  13. 운동 보조 장치에 있어서,
    사용자의 근위 부분을 지지하기 위한 근위 프레임;
    상기 근위 프레임에 회전 가능하게 연결되는 연결 프레임;
    상기 연결 프레임에 회전 가능하게 연결되고, 사용자의 원위 부분을 지지하기 위한 원위 프레임; 및
    상기 근위 프레임을 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더를 포함하고, 상기 근위 프레임으로부터 상기 원위 프레임으로 동력을 전달하는 동력 전달부;
    를 포함하고,
    상기 연결 프레임은, 상기 근위 프레임이 상기 원위 프레임에 대해 이루는 각도가 증가하는 방향으로 회전하는 동안, 상기 근위 프레임과 나란하게 되는 방향으로 회전하고,
    상기 슬라이더가 슬라이딩 하는 동안, 상기 운동 보조 장치를 제 1 방향으로 바라볼 때를 기준으로 상기 근위 프레임 및 원위 프레임 사이의 신장 각도는 변화하고, 동시에, 상기 운동 보조 장치를 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 바라볼 때를 기준으로 상기 근위 프레임 및 연결 프레임 사이의 끼인 각도는 변화하는 운동 보조 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 동력 전달부는,
    상기 근위 프레임을 따라 슬라이딩 가능한 슬라이더;
    상기 원위 프레임 및 슬라이더 각각에 회전 가능하게 연결되는 푸셔; 및
    상기 슬라이더 및 푸셔를 서로에 대해 2자유도 회전 가능하도록 연결하는 커플러;
    를 포함하는 운동 보조 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 커플러는, 가동 영역의 전범위에서 상기 연결 프레임의 회전축 보다 근위 측에 위치하는 운동 보조 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 원위 프레임은, 상기 근위 프레임에 대하여 2자유도 움직임이 가능하고, 상기 2자유도 움직임은 사용자의 시상면(sagittal plane)을 가로지르는 방향의 운동을 포함하는 운동 보조 장치.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 원위 프레임에 연결되고, 측면에서 바라볼 때, 상기 근위 프레임에 오버랩되는 간섭부를 더 포함하는 운동 보조 장치.
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