KR102643038B1 - 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 것으로, 복수의 인공 관절을 구비하고, 각각의 상기 인공 관절은 회전 자유도를 내포하는 구동부;, 상기 구동부의 외측을 지지하는 와이어를 구비하는 와이어부; 및 상기 와이어부의 길이를 조절하는 텐션 조절부;를 포함하는 구성으로 이루어진다.

Description

관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체 {Wire tension maintenance structure of artificial joint}

본 발명은 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 복수의 인공 관절이 서로에 대하여 회전 변위가 발생하게 되면, 이를 지지하는 와이어의 필요 길이가 변하게 된다. 이때 와이어에 슬랙이 발생하거나 텐션이 증가될 수 있는데, 이러한 불필요한 효과를 보상해주는 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 것이다.

특허문헌 001은 와이어를 이용한 관절 구동 장치에 대한 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 와이어를 이용한 관절 구동 장치는 구동부; 제 1 관절체; 상기 제 1 관절체와 제 1 힌지 축을 중심으로 회전가능하게 결합되며, 상기 구동부를 기준으로 상기 제 1 관절체보다 가까이 위치하는 제 2 관절체; 일단은 상기 제 2 관절체에 고정되고, 타단은 상기 구동부에 의하여 당겨지도록 배치되되, 당겨질 때, 상기 제 1 관절체가 상기 제 1 힌지 축을 중심으로 회전하도록 일부분이 상기 제 1 관절체의 외면을 감싸며 배치되는 제 1 와이어 및 상기 제 1 와이어가 당겨질 때, 상기 제 1 관절체의 외면에 상기 제 1 와이어가 거치 되도록 상기 제 1 관절체의 외면에 형성되는 제 1 와이어 가이드를 포함하여 제공한다.

특허문헌 002는 관절 구동장치에 관한 것으로 베이스와, 베이스에 제1 회전축을 통해 연결되고, 상기 제1 회전축이 삽입되는 돌출부를 가지며 상기 돌출부 외부에 제1 와이어와 제2 와이어의 일단이 고정되는 제1 링크 및 제1 링크의 일단에 제2 회전축을 통해 연결되고, 상기 제1 링크의 일단에 마주보며 상기 제2 회전축이 삽입되는 돌출부를 가지고 상기 돌출부 외부에 제 3 와이어의 일단이 고정되는 제2 링크를 포함하여 이루어지는 로봇용 관절 구동장치를 일 실시예로 제안한다. 본 발명에 의하면 다중 링크 구조의 관절을 구동시키기 위하여 필요한 모터와 배터리의 개수를 최소화할 수 있으며 이에 따라 로봇용 관절을 소형 및 경량으로 구현할 수 있다. 또한 다중 링크가 차지하는 공간대비 동력 출력을 증가시켜 로봇용 관절 말단 장치의 구동력을 증가시키는 효과를 제공한다.

특허문헌 003은 로봇 관절용 와이어 연결구조에 관한 것으로, 로봇의 관절을 구동시키는 복수의 와이어 및 상기 와이어와 접촉하며 상기 관절의 회전에 따른 상기 와이어의 이동경로를 가이드하는 연결부재를 포함하는 다수의 회전 조립체;를 포함하고, 상기 연결부재는, 수직 단면의 중심 수직선상에 회전축이 구비되며, 상기 와이어와 접촉되 는 하단부터 상단까지 시계방향 또는 반시계방향으로 진행함에 따라 상기 회전축으로부터 상기 와이어와 접촉되는 외측 테두리 각 지점까지의 거리가 순차적으로 증가한다. 상기와 같은 형상을 갖는 연결부재를 통해 상기 연결부재에 접촉되는 와이어의 이동 경로가 가이드되므로 와이어를 당기거나 푸는 과정에서 와이어의 늘어짐이 방지되므로 보다 정밀한 와이어의 조작이 가능하다. 또한, 상기 연결부재에 접촉되는 한 쌍의 와이어에 하나의 구동모터를 연결하여 회전조립체를 회전시킬 수 있어 경제적이고 구조의 단순화가 가능한 효과를 제공한다.

특허문헌 004는 와이어를 이용한 로봇 관절 장치 및 와이어를 이용한 모듈형 로봇 관절 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 로봇 관절 장치는 메인 프레임과, 상기 메인 프레임에 회전 가능하게 설치되어 관절 운동하는 관절 모듈과, 일측이 상기 관절 모듈에 각각 연결되는 제1 와이어 및 제2 와이어와, 상기 제1 와이어의 타측에 연결되어 상기 관절 모듈이 시계 방향으로 회전하도록 상기 제1 와이어를 당기는 제1 와이어 구동 모듈과, 상기 제2 와이어의 타측에 연결되어 상기 관절 모듈이 반시계 방향으로 회전하도록 상기 제2 와이어를 당기는 제2 와이어 구동 모듈을 포함하고; 상기 제1 와이어 구동 모듈과 상기 제2 와이어 구동 모듈이 각각 상기 제1 와이어 및 상기 제2 와이어를 당겨 상기 제1 와이어 및 상기 제2 와이어에 형성된 장력에 의해 상기 관절 모듈의 관절 운동의 강성을 조절하며; 상기 제1 와이어 구동 모듈과 상기 제2 와이어 구동 모듈의 상호 반대 방향으로의 구동에 따라 상기 제1 와이어와 상기 제2 와이어 중 어느 하나의 당기는 힘에 의해 상기 관절 모듈이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 관절 운동하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 한 쌍을 이루는 두 가닥의 제1 와이어와 제2 와이어의 장력 조합을 이용하여 관절 구조를 형성하여 관절의 움직임을 생성해 낼 수 있으며, 관절 모듈에 가해지는 장력으로부터 구조적 관절 강성의 조절이 가능한 효과를 제공한다.

KR 10-2239114 (등록일자:2021년 04월 06일) KR 10-1280356 (등록일자:2013년 06월 25일) KR 10-2047327 (등록일자:2019년 11월 15일) KR 10-1710256 (등록일자:2017년 02월 20일)

본 발명은 인공 관절의 회전에 따라 변화하는 지지 와이어의 슬랙 발생 또는 텐션 증가를 보상하는 와이어 장력 유지 구조체를 제공하고자 한다.

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 발명이며, 복수의 인공 관절을 구비하고, 각각의 상기 인공 관절은 회전 자유도를 내포하는 구동부;, 상기 구동부의 외측을 지지하는 와이어를 구비하는 와이어부; 및 상기 와이어부의 길이를 조절하는 텐션 조절부;를 포함하는 구성으로 이루어진다.

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 발명이며, 앞에서 제시한 발명에 있어서, 상기 와이어부는 상기 구동부를 지지하는 지지 와이어; 및 상기 지지 와이어의 길이를 조절하는 조절 와이어;를 포함하는 구성으로 이루어진다.

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 발명이며, 앞에서 제시한 발명에 있어서, 상기 텐션 조절부는 상기 와이어의 방향을 전환하는 캡스톤 풀리;를 포함하는 구성으로 이루어진다.

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 발명이며, 앞에서 제시한 발명에 있어서, 상기 텐션 조절부는 상기 조절 와이어의 길이를 조절하는 조절 모듈;을 포함하는 구성으로 이루어진다.

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 발명이며, 앞에서 제시한 발명에 있어서, 상기 조절 모듈은 상기 캡스톤 풀리와 동축으로 회전하는 제1 기어;, 상기 제1 기어와 외접하여 회전하는 제2 기어; 및 상기 제2 기어와 스코치-요크(Scotch-Yoke) 방식으로 연결되어 상기 제2 기어의 회전운동을 선형 왕복운동으로 변환하는 슬라이더;를 포함하는 구성으로 이루어진다.

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 발명이며, 앞에서 제시한 발명에 있어서, 상기 제2 기어는 크랭크공;을 포함하고, 상기 슬라이더는 상기 크랭크공과 내접하면서 구동력을 제공받아 전달하는 고리; 및 상기 고리와 일체로 형성되며, 상기 구동력에 의해 왕복운동하는 조절부재;를 포함하는 구성으로 이루어진다.

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 발명이며, 앞에서 제시한 발명에 있어서, 상기 캡스톤 풀리의 반지름, 상기 제1 기어의 반지름, 상기 제2 기어의 반지름 및 상기 인공 관절의 폭의 절반은 하기의 관계식을 만족하는 구성으로 이루어진다.

[관계식]

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 발명이며, 앞에서 제시한 발명에 있어서, 상기 조절 모듈은 상기 캡스톤 풀리와 동축으로 회전하는 제1 기어;, 상기 제1 기어와 외접하여 회전하는 제2 기어; 및 상기 제2 기어와 슬라이드-크랭크(Slide-Crank) 방식으로 연결되어 상기 제2 기어의 회전운동을 선형 왕복 운동으로 변환하는 슬라이드;를 포함하는 구성으로 이루어진다.

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 발명이며, 앞에서 제시한 발명에 있어서, 상기 조절 모듈은 상기 캡스톤 풀리와 동축으로 회전하는 제1 기어;, 상기 제1 기어와 외접하여 회전하는 제2 기어; 및 상기 제2 기어와 랙앤 피니언(Rack & Pinion) 방식으로 연결되어 상기 제2 기어의 회전운동을 선형 운동으로 변환하는 피니언;을 포함하는 구성으로 이루어진다.

본 발명은 인공 관절과 같은 구동부의 회전에 대하여 지지 와이어의 길이변화를 보상해주어 와이어의 슬랙 발생 또는 텐션 증가를 방지할 수 있다. 이를 통해, 인공 관절의 안정적인 구동 내구성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부의 구동 전,후를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스코치-요크 방식을 이용한 조절 모듈의 작동 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스코치-요크 방식을 이용한 조절 모듈의 작동 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크-슬라이드 방식을 이용한 조절 모듈의 작동 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 랙앤 피니언 방식을 이용한 조절 모듈의 작동 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡스톤 풀리의 회전 각도에 대한 그래프를 도시한 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

아래의 실시예에서 인용하는 번호는 인용대상에만 한정되지 않으며, 모든 실시예에 적용될 수 있다. 실시예에서 제시한 구성과 동일한 목적 및 효과를 발휘하는 대상은 균등한 치환대상에 해당된다. 실시예에서 제시한 상위개념은 기재하지 않은 하위개념 대상을 포함한다.

(실시예 1-1) 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 있어서, 복수의 인공 관절을 구비하고, 각각의 상기 인공 관절은 회전 자유도를 내포하는 구동부(100);, 상기 구동부(100)의 외측을 지지하는 와이어를 구비하는 와이어부(200);, 상기 와이어부(200)의 길이를 조절하는 텐션 조절부(300);를 포함한다.

(실시예 1-2) 실시예 1-1에 있어서, 상기 구동부(100)는 외측이 서로 접하는 제1 관절(110);과 제2 관절(120);을 포함한다.

(실시예 1-3) 실시예 1-2에 있어서, 상기 제1 및 제2 관절(120)의 상기 외측은 곡면으로 형성된다.

(실시예 1-4) 실시예 1-3에 있어서, 상기 곡면은 곡률이 일정하게 형성된다.

본 발명은 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 대한 것일 수 있다. 본 발명은 구동부(100), 와이어부(200), 텐션 조절부(300)를 포함할 수 있다. 구동부(100)는 제1 관절(110) 및 제2 관절(120)을 포함할 수 있다. 다만, 경우에 따라 제3, 제4 관절을 더 포함할 수 있으나, 두 개의 관절에 대한 본 발명의 기술적 사상이 복수의 관절을 포함하는 경우에도 적용될 수 있으므로, 두 개의 관절에 대해서만 기술하기로 한다.

와이어부(200)는 인공 관절을 지지하는 와이어를 포함할 수 있다. 와이어는 인공 관절의 외측면을 지지할 수 있다.

텐션 조절부(300)는 구동부(100)의 구동에 따른 와이어부(200)의 길이를 조절하여 와이어의 슬랙 방지 또는 텐션 증가를 차단하는 구성일 수 있다.

제1 관절(110)과 제2 관절(120)의 외측은 서로 접할 수 있다. 접하는 외측을 접합부라고 정의할 수 있다. 접합부는 곡면으로 형성되고, 곡률이 일정하게 형성될 수 있다. 도 1을 참조하면, 접합부는 반지름이 R인 일정한 곡률로 형성되어질 수 있다.

(실시예 2-1) 실시예 1-1에 있어서, 상기 와이어부(200)는 상기 구동부(100)를 지지하는 지지 와이어(210); 및 상기 지지 와이어(210)의 길이를 조절하는 조절 와이어(220);를 포함한다.

본 발명의 와이어부(200)는 지지 와이어(210)와 조절 와이어(220)를 포함할 수 있다. 지지 와이어(210)는 인공 관절과 같은 구동부(100)를 지지하는 와이어일 수 있다. 조절 와이어(220)는 지지 와이어(210)와 일체로 구성되어 있는 부분일 수 있고, 조절 와이어(220)의 길이 조절에 따라 지지 와이어(210)의 길이가 자동적으로 조절될 수 있다.

(실시예 2-2) 실시예 2-1에 있어서, 상기 지지 와이어(210)는 상기 복수의 인공 관절이 회전되었을 경우, 회전 중심 방향에 위치하는 제1 지지 와이어(211); 및

상기 제1 와이어와 반대편에 위치하는 제2 지지 와이어(212);를 포함한다.

(실시예 2-3) 실시예 2-2에 있어서, 상기 복수의 인공 관절이 회전된 경우, 상기 제1 와이어는 길이는 감소하고, 상기 제2 와이어의 길이는 증가하도록 형성된다.

도 1을 참조하면, 지지 와이어(210)는 제1 지지 와이어(211)와 제2 지지 와이어(212)로 구분되어질 수 있다. 제1 지지 와이어(211)는 인공 관절이 회전하였을 때, 회전 중심 방면에 위치하는 지지 와이어(210)이고, 제2 지지 와이어(212)는 그 반대편에 위치하는 지지 와이어(210) 일 수 있다.

따라서, 제1 및 제2 관절(120)이 서로 기울어졌을 경우, 제1 지지 와이어(211)의 길이는 감소하고, 제2 지지 와이어(212)의 길이는 증가하도록 형성될 수 있다.

(실시예 2-4) 실시예 2-1에 있어서, 상기 지지 와이어(210)는 구동부(100)의 회전에 따라 길이가 변화하는 가변부(213);, 구동부(100)의 회전과 무관하게 길이가 변하지 않는 불변부(214);를 포함한다.

(실시예 2-5) 실시예 2-4에 있어서, 상기 와이어부(200)는 상기 가변부(213)와 상기 불변부(214)를 구분하는 고정마디(215);를 포함한다.

본 발명의 지지 와이어(210)는 가변부(213)와 불변부(214)로 구분되어질 수 있다. 가변부(213)와 불변부(214)는 고정마디(215)에 의하여 구분되어질 수 있다. 도 1를 참조하면, 총 4개의 가변부(213)가 존재할 수 있고, 가변부(213)의 원래 길이는 총 4B임을 알 수 있다. 도 1(b)와 참조하면, 인공 관절이 서로 기울어질 수 있는데 이때, 불변부(214)의 길이는 그대로이며 다만, 가변부(213)의 길이는 변화되어질 수 있다.

본 발명은 가변부(213)의 길이 변화만큼을 텐션 조절부(300)에서 보상해주어 총 와이어의 길이변화를 최소화하고 그에 따라 와이어의 슬랙을 방지하고 텐션 증가를 차단하기 위한 발명일 수 있다.

(실시예 3-1) 실시예 2-1에 있어서, 상기 텐션 조절부(300)는 상기 와이어의 방향을 전환하는 캡스톤 풀리(310);를 포함한다.

(실시예 3-2) 실시예 3-1에 있어서, 상기 캡스톤 풀리(310)는 원통 형상으로 형성된다.

(실시예 3-3) 실시예 3-2에 있어서, 상기 캡스톤 풀리(310)의 원주를 따라 상기 와이어가 일부 권취된다.

본 발명의 텐션 조절부(300)는 캡스톤 풀리(310)를 포함할 수 있다. 캡스톤 풀리(310)는 와이어의 방향을 전환하는 역할을 할 수 있다. 도 1을 참조하면, 캡스톤 풀리(310)를 따라 와이어의 방향이 전환되면서 제1 지지 와이어(211)와 제2 지지 와이어(212)로 구분되어질 수 있다. 캡스톤 풀리(310)는 원통 형상일 수 있으며, 캡스톤 풀리(310)의 원주를 따라 와이어의 일부가 감겨질 수 있다. 다만, 캡스톤 풀리(310)만으로는 변화되는 가변부(213)의 길이를 보상할 수 없으므로, 후술하는 바와 같이 조절 모듈(400)에 의하여 목적을 달성할 수 있다.

(실시예 4-1) 실시예 3-1에 있어서, 상기 텐션 조절부(300)는 상기 조절 와이어(220)의 길이를 조절하는 조절 모듈(400);을 포함한다.

(실시예 4-2) 실시예 4-1에 있어서, 상기 조절 모듈(400)은 상기 캡스톤 풀리(310)와 동축으로 회전하는 제1 기어(410);, 상기 제1 기어(410)와 외접하여 회전하는 제2 기어(420);, 상기 제2 기어(420)와 스코치-요크(Scotch-Yoke) 방식으로 연결되어 상기 제2 기어(420)의 회전운동을 선형 왕복운동으로 변환하는 슬라이더(430);를 포함한다.

본 발명의 텐션 조절부(300)는 조절 모듈(400)을 포함할 수 있다. 조절 모듈(400)은 조절 와이어(220)의 길이를 조절하여 자동적으로 지지 와이어(210)의 길이를 조절하는 구성일 수 있다.

캡스톤 풀리(310)와 제1 기어(410)는 동일한 회전축으로 같은 각속도로 회전할 수 있으며, 다만 반경은 설정에 따라 다르게 구성될 수 있다. 제2 기어(420)는 제1 기어(410)와 외접하면서 제1 기어(410)의 접선속도와 동일한 접선속도로 회전하는 구성일 수 있다. 또한, 제2 기어(420)와 스코치-요크 방식으로 연결되어 제2 기어(420)의 회전운동을 선형 왕복운동으로 변환하는 슬라이더(430)를 포함할 수 있다.

(실시예 4-3) 실시예 4-2에 있어서, 상기 제2 기어(420)는 크랭크공(421);을 포함하고, 상기 슬라이더(430)는 상기 크랭크공(421)과 내접하면서 구동력을 제공받아 전달하는 고리(431);, 상기 고리(431)와 일체로 형성되며, 상기 구동력에 의해 왕복운동하는 조절부재(432);를 포함한다.

제2 기어(420)는 크랭크공(421)이 형성될 수 있다. 슬라이더(430)는 고리(431)와 조절부재(432)를 포함할 수 있다. 도 2 또는 도 3를 참조하면, 크랭크공(421)은 고리(431)의 닫힌 내측면과 접하게 위치할 수 있다. 크랭크공(421)은 제2 기어(420)와 일체로 회전할 수 있고, 크랭크공(421)에 의하여 고리(431)는 구동력을 제공받을 수 있다. 이러한 구동력에 의하여 조절부재(432)는 직선 왕복운동을 수행할 수 있다.

(실시예 4-4) 실시예 4-2에 있어서, 상기 슬라이더(430)는 상기 왕복운동에 의하여 상기 조절 와이어(220)의 길이를 조절한다.

(실시예 4-5) 실시예 4-2에 있어서, 상기 조절 모듈(400)은 상기 와이어부(200)를 상기 지지 와이어(210)와 상기 조절 와이어(220)로 구분하는 기준이 되는 고정된 지지공(440);을 포함한다.

(실시예 4-6) 실시예 4-5에 있어서, 상기 지지공(440)은 제1 지지공(441) 및 제2 지지공(442)을 포함하고, 상기 슬라이더(430)와 일체로 형성되며, 상기 제1 및 제2 지지공(441,442) 사이에서 왕복운동하는 조절공(433);을 포함한다.

(실시예 4-7) 실시예 4-6에 있어서, 상기 조절공(433)은 상기 조절 와이어(220)와 연결되어 상기 슬라이더(430)의 왕복운동에 따라 상기 조절 와이어(220)의 길이 조절을 보조할 수 있다.

본 발명의 슬라이더(430)는 크랭크공(421)에 의하여 직선 왕복운동을 수행할 수 있다. 슬라이더(430)의 일단에는 조절 와이어(220)가 연결되어 있고, 슬라이더(430)의 왕복운동에 의하여 조절 와이어(220)의 길이가 조절될 수 있다. 도 2를 참조하면, 슬라이더(430)에 상방 변위가 발생한 경우, 조절 와이어(220)의 길이가 증가하여 자동적으로 지지 와이어(210)의 길이가 감소되어질 수 있다. 반대로 도 3를 참조하면, 슬라이더(430)의 하방 변위가 발생한 경우, 조절 와이어(220)의 길이가 감소하여 지지 와이어(210)의 길이는 증가되어질 수 있다.

또한, 조정 모듈은 지지공(440)과 조절공(433)을 포함할 수 있다. 도 2 또는 도 3를 참조하면, 지지공(440)은 한 쌍으로 구성되어 질 수 있고, 조절 와이어(220)와 지지 와이어(210)를 구분하는 기준이 될 수 있다. 조절공(433)은 한 쌍의 지지공(440)을 잇는 선과 수직한 방향으로 조절부재(432)의 왕복운동과 같은 왕복운동을 할 수 있다. 조절공(433)과 조절 와이어(220)는 연결되어 있어서, 조절 와이어(220)의 길이를 조절공(433)의 변위로 조절할 수 있다.

(실시예 5-1) 실시예 4-1에 있어서, 상기 조절 모듈(400)은 상기 캡스톤 풀리(310)와 동축으로 회전하는 제1 기어(410);, 상기 제1 기어(410)와 외접하여 회전하는 제2 기어(420);, 상기 제2 기어(420)와 슬라이드-크랭크(Slide-Crank) 방식으로 연결되어 상기 제2 기어(420)의 회전운동을 선형 왕복 운동으로 변환하는 슬라이드(450);를 포함한다.

(실시예 5-2) 실시예 5-1에 있어서, 상기 제2 기어(420)의 중심에 일단이 고정되는 크랭크축(422);을 포함하고, 일단이 상기 크랭크축(422)의 타단에 결합되고, 타단이 상기 슬라이드(450)와 결합되는 링크 구조체(460);를 포함한다.

(실시예 5-3) 실시예 5-2에 있어서, 상기 슬라이드(450)는 조절 와이어(220)와 연결되고, 상기 링크 구조체(460)의 왕복운동에 의하여 상기 조절 와이어(220)의 길이를 조절한다.

본 발명은 조절 와이어(220)의 길이를 조절하는 방법을 다양화할 수 있다. 전술한 실시예에서는 스코치-요크의 결합방법에 의하여 제2 기어(420)의 회전운동을 슬라이더(430)의 직선 왕복운동으로 변환할 수 있다. 다만 이러한 방법만 이용될 수 있는 것은 아니며, 도 4와 같이 슬라이드-크랭크 방식으로 제2 기어(420)의 회전운동을 슬라이드(450)의 직선 왕복운동으로 변환할 수 있다.

구체적으로, 제2 기어(420)의 중심에 일단이 고정되는 크랭크축(422)을 포함할 수 있고, 일단이 크랭크축(422)의 타탄에 결합되고, 타단이 슬라이드(450)와 결합되는 링크 구조체(460)을 포함할 수 있다. 슬라이드(450)는 조절 와이어(220)와 연결되어 있어, 슬라이드(450)가 왕복 운동함에 따라 조절 와이어(220)의 길이가 조절될 수 있다. 조절 와이어(220)의 길이가 조절되면, 자연스럽게 지지 와이어(210)의 길이가 조절되어 관절 구동에 따른 길이 변화를 보상할 수 있다.

(실시예 6-1) 실시예 4-1에 있어서, 상기 조절 모듈(400)은 상기 캡스톤 풀리(310)와 동축으로 회전하는 제1 기어(410);, 상기 제1 기어(410)와 외접하여 회전하는 제2 기어(420);, 상기 제2 기어(420)와 랙앤 피니언(Rack & Pinion) 방식으로 연결되어 상기 제2 기어(420)의 회전운동을 선형 운동으로 변환하는 피니언(470);을 포함한다.

(실시예 6-2) 실시예 6-1에 있어서, 상기 피니언(470)의 일단에는 상기 조절 와이어(220)가 결합되어 상기 제2 기어(420)의 회전에 의하여 상기 조절 와이어(220)의 길이가 조절된다.

도 5를 참조하면, 제2 기어(420)의 회전운동을 선형 직선운동으로 변환하는 방법으로, 랙앤 피니언의 방식이 이용될 수 있다. 구체적으로, 랙의 역할을 본 발명의 제2 기어(420)가 수행할 수 있이며, 피니언(470)이 제2 기어(420)의 맞물려서 직선 운동으로 변환되어질 수 있다. 피니언(470)의 일단에는 조절 와이어(220)가 결합되어 있어, 제2 기어(420)의 회전에 따라 조절 와이어(220)가 피니언(470)과 결합된 상태로 변위가 발생할 수 있어, 조절 와이어(220)의 길이 조절방법 중 하나로 이용될 수 있다.

이하 조절 와이어(220)의 길이를 조절하는 방법 중, 대표적으로 스코치-요크 방식으로 조절 와이어(220)의 길이를 조절하는 발명에 대해, 구체적인 수식을 이용하여 본 발명의 여러 실시예들을 기술한다.

도1(a)를 참조하면, 제1 관절(110)과 제2 관절(120)은 와이어부(200), 구체적으로는 지지 와이어(210)에 의하여 지지될 수 있다.

도1(b)를 참조하면, 제1 관절(110)과 제2 관절(120)이 구동하여 회전 중심에 대하여 연장선이 의 각을 이룬다고 할 때, 회전 중심과 근접한 지지 와이어(210)가 제1 지지 와이어(211), 그 반대편에 있는 지지 와이어(210)는 제2 지지 와이어(212)일 수 있다. 제1 지지 와이어(211)의 제1 가변부(213a)는 길이를 , 제2 지지 와이어(212)의 제2 가변부(213b)의 길이를 라고 할 때, 관절의 구동에 의하여 제1 및 제2 가변부(213)의 길이는 아래의 식과 같이 가변된다.

(단, R은 인공 관절의 접합부 반지름을 의미하고, B는 지지 와이어(210)의 가변부(213)를 구성하는 부분의 길이를 의미한다. 또한, d는 제1 및 제2 관절(110, 120)의 폭의 절반을 의미한다. 지지 와이어(210)의 가변부(213)는 설정에 의하여 정해질 수 있으며, 가변부(213)외의 지지 와이어(210)의 길이는 인공 관절의 회전과 무관하게 일정하게 유지될 수 있다. 도 1 참조)

따라서 인공 관절이 회전하게 되면, 제1 및 제2 가변부(213)가 필요한 길이가 변화될 수 있다.

만약, R<B라면, 이므로, 필요한 와이어의 길이가 줄어들어 와이어에 슬랙이 발생할 수 있고,

R>B라면, 이므로, 필요한 와이어의 길이가 늘어나서 와이어의 장력 및 텐션이 증가할 수 있다.

본 발명에서 구동부(100)에 해당하는 인공 관절의 구동에 의하여 지지 와이어(210)에 슬랙이 발생되거나 텐션이 증가하게되면 인공 관절의 내구성을 충분하게 확보하지 못할 수 있으며, 인공 관절의 자유로운 구동에 제한이 될 수 있다. 따라서, 본 발명은 텐션 조절부(300)를 통해 구동부(100)가 구동되더라도 지지 와이어(210)의 슬랙 발생 또는 텐션 증가를 차단하고자 한다.

본 발명의 텐션 조절부(300)는 캡스톤 풀리(310)와 제1 기어(410), 제2 기어(420), 슬라이더(430)를 포함할 수 있다. 캡스톤 풀리(310)는 도1에도 도시되어 있는 것으로, 와이어의 방향을 전환하면서, 와이어를 제1 지지 와이어(211)와 제2 지지 와이어(212)로 구분하는 구성일 수 있다.

도2를 참조하면, 제1 기어(410)는 캡스톤 풀리(310)와 동축으로 회전할 수 있는 구성으로, 캡스톤 풀리(310)와는 다른 반지름으로 형성될 수 있다. 도2에서는 캡스톤 풀리(310)보다 작은 반지름으로 형성된 것을 나타낸다.

제2 기어(420)는 제1 기어(410)와 외접하는 구성일 수 있다. 제1 기어(410)와 외접한 제2 기어(420)는 제1 기어(410)의 외주면의 선속도와 같은 선속도로 회전할 수 있으며, 따라서 동일한 호의 길이만큼 회전하게 된다.

또한, 제2 기어(420)는 크랭크공(421)이 형성되어 있고, 크랭크공(421)은 제2 기어(420)와 일체로 형성되어 제2 기어(420)와 함께 회전할 수 있다.

슬라이더(430)는 제2 기어(420)와의 관계에서 스코치-요크(Scotch-yoke)의 결합관계로 형성될 수 있다. 슬라이더(430)는 고리(431)와 조절부재(432)를 포함할 수 있고, 고리(431)는 크랭크공(421)과 내접하는 구성으로 형성될 수 있다. 조절부재(432)는 고리(431)와 일체로 형성되는 구성일 수 있고, 크랭크공(421)의 회전에 의하여 직선 왕복운동을 수행할 수 있다.

도2 및 도3을 참조하면, 조절부재(432)의 일단에는 조절공(433)이 형성될 수 있다. 조절공(433)은 와이어와 체결되어 있는 구성일 수 있고, 조절공(433)은 조절부재(432)의 왕복운동에 의해 변위가 발생될 수 있고, 와이어도 동일하게 변위가 발생되어지게 될 수 있다. 조절공(433)의 변위와 동일하게 변위가 발생된 와이어의 일부는 본 발명에서 조절 와이어(220)라고 정의될 수 있다. 따라서, 조절 와이어(220)가 아닌 와이어는 지지 와이어(210)가 될 수 있고, 지지 와이어(210)는 구동부(100)를 지지하는 역할을 할 수 있다.

따라서, 본 발명은 인공 관절의 구동에 의하여 전술한 바와 같은 "필요한 와이어 길이의 변화"를 텐션 조절부(300)를 통해 조절 와이어의 길이를 변화시켜 보상함으로써, 지지 와이어(210)의 슬랙 발생 및 텐션 증가를 제거하는 기술일 수 있다.

이하, 관절 구동에 의한 지지 와이어(210)와 조절 와이어(220)의 길이 변화에 대하여 구체적인 수식을 통해 기술한다.

도 1을 참조하면, 제1 관절(110)과 제2 관절(120)이 일직선을 이루지 않고 소정의 각을 이루고 있을 때, 가변부(213) 구분선의 연장선이 이루는 각을 라고 할 수 있다. 이때, 제1 지지 와이어(211)의 제1 가변부(213a)의 길이는 다음식과 같이 감소하게 되고, 캡스톤 풀리(310)는 의 각도만큼 반시계 방향으로 회전되어야 한다. 이에 대한 관계식을 아래와 같이 기술할 수 있다.

(단, 은 캡스톤 풀리(310)의 반지름이다.)

여기서, 를 에 대한 식으로 나타내면 아래와 같다.

와 에 대한 위의 관계식은 매우 복잡해 보이나, 와 의 관계 그래프를 컴퓨터와 같은 전자단말을 이용하여 나타내면 도6과 같이 나타내어질 수 있다.

도 6을 참조하면, 와 는 작은 오차범위 안에서 선형(linear)의 관계가 있음을 확인할 수 있다. 또한, 지지 와이어(210)의 가변부(213)를 이루는 구성의 길이 B값이 인공 관절의 접합부 반지름 R값보다 클수록 와 의 관계가 선형적 관계에 더 가까워짐을 확인할 수 있다.

따라서, 와 는 선형적 관계로 근사할 수 있고. 이를 수식으로 나타내면 아래와 같다.

이제, 제한 조건을 이용하여 와 의 선형적 관계식의 계수가 되는 X값을 결정할 수 있다.

(단, 로 치환한다)

따라서, X값과 그에 따른 와 의 선형적 관계는 아래와 같이 표현될 수 있다.

이에 따라, 인공 관절의 구동에 따라 발생되는 에 따라 발생되는 "필요한 와이어 길이의 변화"는 아래와 같이 근사적으로 표현될 수 있다.

본 발명은 위와 같은 필요한 와이어 길이의 변화를 텐션 조절부(300)를 통해 조절 와이어(220)의 길이를 조절함으로써 보상할 수 있는 기술에 대한 것일 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 캡스톤 풀리(310)가 회전한 각도 에 따라, 제2 기어(420)가 회전하고, 제2 기어(420)의 회전에 의하여 크랭크공(421)의 높이가 변화될 수 있다.

크랭크공(421)의 위치는 제2 기어(420)의 중심으로부터 거리가 2(B-R)만큼 떨어진 곳에 형성될 수 있다. 이처럼 형성된 이유는 추후 "필요한 와이어 길이의 변화"를 간편하게 보상하기 위함일 수 있다.

크랭크 공의 높이 변화에 따라 슬라이더(430)는 동일한 높이 변위가 발생될 수 있다.

조절부재(432)는 조절공(433)이 형성될 수 있고, 조절공(433)과 체결된 조절 와이어(220)는 슬라이더(430)의 높이 변위에 의하여 길이가 조절되어질 수 있다

ⅰ) B>R 인 경우 (단, R은 인공 관절의 접합부 반지름을 의미하고, B는 지지 와이어(210)의 가변부(213)를 구성하는 부분의 길이를 의미한다. 도 1 참조)

도 2를 참조하면, 캡스톤 풀리(310)가 만큼 회전하면, 조절공(433)의 높이가 아래와 같이 증가한다.

이에 따라 "조절 와이어(220) 길이의 변화"는 아래의 식과 같이 조절공(433)의 높이 변화의 2배와 같다.

(단, 는 제1 기어(410)의 반지름, 는 제2 기어(420)의 반지름이다.)

본 발명은 인공 관절의 구동에 따른 회전에 의해 발생되는 "필요한 와이어 길이의 변화"를 "조절 와이어(220) 길이의 변화"로 보상하여 와이어의 슬랙 방지 및 텐션 증가를 차단하는 것에 대한 기술일 수 있다.

"ⅰ) B>R 인 경우" 에는 필요한 와이어 길이의 변화는 음수가 되어 지지 와이어(210)에 슬랙이 발생하게 되고, 그에 따라 조절 와이어(220) 길이의 변화가 양수가 되어 이를 보상해줄 수 있다.

ⅱ) B>R 인 경우 (단, R은 인공 관절의 접합부 반지름을 의미하고, B는 지지 와이어(210)의 가변부(213)의 길이를 의미한다. 도 1 참조)

도 3을 참조하면, 캡스톤 풀리(310)가 만큼 회전하면, 조절공(433)의 높이가 아래와 같이 감소한다.

이에 따라 "조절 와이어(220) 길이의 변화"는 아래의 식과 같이 조절공(433)의 높이 변화의 2배와 같다.

(단, 는 제1 기어(410)의 반지름, 는 제2 기어(420)의 반지름이다.)

"ⅱ) B>R 인 경우"는 "ⅰ) B>R 인 경우"와는 달리, 캡스톤 풀리(310)가 만큼 회전하면, 필요한 와이어 길이의 변화는 양수가 되어 지지 와이어(210)의 텐션이 증가하게 되고, 그에 따라 조절 와이어(220) 길이의 변화는 음수가 되어 이를 보상해줄 수 있다.

이를 종합하면, 아래의 식과 같이 과 의 합이 0이 되는 경우, 관절의 구동에 의하여 발생되는 지지 와이어(210)와 조절 와이어(220)의 총 길이의 변화를 최소화할 수 있다.

이를 만족하는 텐션 유지 구조체의 제원은 아래의 조건과 같다.

즉, 결론적으로 본 발명의 텐션 유지 구조체의 구성들이 위의 제원 조건을 만족한다면, 와이어의 슬랙을 방지하고 텐션 증가를 최대한 효과적으로 제거할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 인공 관절과 같은 구동부의 회전에 대하여 지지 와이어의 길이변화를 보상해주어 와이어의 슬랙 발생 또는 텐션 증가를 방지할 수 있으며, 이를 통해, 인공 관절의 안정적인 구동 내구성을 확보할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100 : 구동부 110 : 제1 관절
120 : 제2 관절 200 : 와이어부
210 : 지지 와이어 211 : 제1 지지 와이어
212 : 제2 지지 와이어 213 : 가변부
214 : 불변부 215 : 고정마디
300 : 텐션 조절부 310 : 캡스톤 풀리
400 : 조절 모듈 410 : 제1 기어
420 : 제2 기어 421 : 크랭크공
430 : 슬라이더 431 : 고리
432 : 조절부재 433 : 조절공
440 : 지지공 450 : 슬라이드
460 : 링크 구조체 470 : 피니언

Claims (9)

1. 인공 관절의 안정적인 움직임을 보조하기 위한 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체에 있어서,
   복수의 인공 관절을 구비하고, 각각의 상기 인공 관절은 회전 자유도를 내포하는 구동부(100);
   상기 구동부(100)의 외측을 지지하는 와이어를 구비하는 와이어부(200);
   상기 와이어부(200)의 길이를 조절하는 텐션 조절부(300);를 포함하고,
   상기 와이어부(200)는 상기 구동부(100)를 지지하는 지지 와이어(210);
   상기 지지 와이어(210)의 길이를 조절하는 조절 와이어(220);를 포함하며,
   상기 텐션 조절부(300)는 상기 와이어의 방향을 전환하는 캡스톤 풀리(310);
   상기 조절 와이어(220)의 길이를 조절하는 조절 모듈(400);을 포함하고,
   상기 조절 모듈(400)은 상기 캡스톤 풀리(310)와 동축으로 회전하는 제1 기어(410);
   상기 제1 기어(410)와 외접하여 회전하는 제2 기어(420); 및
   상기 제2 기어(420)와 연결되어 상기 제2 기어(420)의 회전운동을 선형 왕복운동으로 변환하는 변환수단;을 포함하는 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 변환수단은
   상기 제2 기어(420)와 스코치-요크(Scotch-Yoke) 방식으로 연결되는 슬라이더(430);를 포함하는 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제2 기어(420)는 크랭크공(421);을 포함하고,
   상기 슬라이더(430)는 상기 크랭크공(421)과 내접하면서 구동력을 제공받아 전달하는 고리(431); 및
   상기 고리(431)와 일체로 형성되며, 상기 구동력에 의해 왕복운동하는 조절부재(432);를 포함하는 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 캡스톤 풀리의 반지름, 상기 제1 기어의 반지름, 상기 제2 기어의 반지름 및 상기 인공 관절의 폭의 절반은 하기의 관계식을 만족하는 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체.
   [관계식]
   
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 변환수단은
   상기 제2 기어(420)와 슬라이드-크랭크(Slide-Crank) 방식으로 연결되는 슬라이드(450);를 포함하는 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 변환수단은
   상기 제2 기어(420)와 랙앤 피니언(Rack & Pinion) 방식으로 연결되는 피니언(470);을 포함하는 관절 구동 와이어의 장력 유지 구조체.