KR20130089103A - 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구 - Google Patents

무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 환자의 대퇴사두근(大腿四頭筋)의 주변을 따라 마련되는 제1 고정기 및 환자의 슬개골 주변을 따라 마련되는 제2 고정기를 구비하는 고정기; 상기 제1 고정기 일 측면에 마련되되 환자의 무릎 진행 방향과 나란한 방향으로 구동되는 구동기; 상기 구동기와 대응되게 마련되며, 환자의 대퇴골을 지지하는 대퇴골링크; 상기 구동기 일 측면에 마련되어 상기 구동기를 상기 대퇴사두근에 고정시키는 고정링크; 상기 고정링크 후방에 마련되어 환자의 무릎 운동에 따라 상기 고정링크와 선택적으로 접촉하는 원형부재; 상기 고정링크의 일 단과 연결되며, 환자의 무릎 운동에 따라 상기 고정링크 및 상기 원형부재의 선택적 접촉을 제어하는 슬개골링크; 상기 슬개골링크 일단에서 연장 형성되며, 환자의 자유 무릎 운동에 따른 경골을 지지하는 경골링크; 및 상기 슬개골링크와 연결되어 상기 고정링크와 상기 원형부재의 선택적 접촉에 따른 전류 변화량을 측정하고, 측정된 전류 변화량에 따라 상기 슬개골링크에 전류 공급을 제어하여 상기 고정링크와 상기 원형부재의 운동을 제어하는 전류측정부재를 포함하는 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구가 제공된다. 상기 구성에 의하여 이동성이 향상되며, 보행 안정성을 공급할 수 있고, 능동적으로 환자의 보행 의지를 파악할 수 있다. 나아가, 환자의 보행 의지에 방해를 주지 않으면서 보행 실패 시 위험상황을 복구할 수 있게 된다.

Description

무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구{A knee-orthosis to assist the gait by support the knee-joint}
본 발명은 무른관절 보행을 위한 관절 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 뇌혈관계 질환 또는 반신 마비 (hemiplegia)증상을 가지는 사람의 보행 동작을 보조하기 위한 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구에 관한 것이다.
현재 뇌졸중 및 뇌출혈에 의한 반신 마비환자에 대한 보행 보조 프로그램이 개발되어 있다. 그 중, 회복이 진행된 경증 환자를 위한 일상생활을 보조하기 위한 착용형과 중증 마비 회복을 위해 환자의 보행 패턴을 구현하기 위한 고정형 장치를 이용한 재활 로봇이 있다.
여기서, 중증 마비 증상에서 회복이 진행된 환자의 경우 일반적으로 일상생활과 재활 훈련이 병행이 되도록 착용형 보장구 로봇를 사용하고 있다. 현재 상용화가 진행된 고정형 재활 장치로는 Lokomat가 있는데 상기 Lokomat는 환자의 상지를 안전하게 구속한 다음, 미리 입력된 정상 보행 패턴을 따라 하지 관절에 토오크를 공급하여 재활 훈련을 실시하는 장치이다.
상기 장치는 두 가지 모드로 구성되어 있는데 그 중 하나로, 환자의 정상 보행 패턴을 외력을 통하여 환자에게 반복하게 하는 방식과 다른 하나로, 환자가 발생시키는 모멘트를 반영하여 로봇이 환자에게 주는 토크를 최소한으로 하여 환자의 보행의도를 배제한 채, 환자 스스로 힘을 주어 보행 동작을 완성하도록 동기부여의 고취을 통해 재활 훈련의 효과를 높이는 방식이다.
다른 고정형 로봇 타입으로는 VR네비게이션과 6자유도를 기반하는 방식이다. 상기 VR네비게이션과 6자유도를 기반하는 로봇은 다양한 지형 패턴을 공급하여 실제 일상생활에서 있을 수 있는 여러 가지 지형패턴 훈련을 실시할 수 있으며, VR 네비게이션 기능을 통해 가상현실에서 자신이 얼마나 훈련을 하고 있는지 피드백을 받음으로써 재활 훈련의 지루함을 극복할 수 있다.
전술한 두 가지 로봇은 고정형 타입으로써 환자에게 확실한 보행패턴 구현을 위한 충분한 외력의 공급을 수행 할 수 있으나 중증 마비 회복에만 한시적으로 쓰일 수 있으며 이동성이 결여된 단점이 있다. 그리고 보행 패턴이 미리 입력된 상태에서 재활 훈련을 실시함으로써 환자 원하는 의도를 반영하지 않기 때문에 재활 훈련의 효율성이 떨어지는 단점을 지닌다.
즉 한국특허공보10-2011-0074520를 참고하면, 환자의 허벅지에 부착 가능하여 환자 다리의 위치에 따라 토크를 환자 무릎에 적용하여 환자 하퇴부재를 회전하는 것을 일치하지만, 환자의 상태를 능동적으로 파악하여 환자의 보행 안정을 향상시키지는 못한다.
한편 고정형 재활로봇 타입의 이동성을 보완하는 동시에 정상 보행 패턴을 구현하기 위하여 능동형 타입의 무릎 보장구가 개발되었다. 상기 능동형 타입의 무릎 보장구는 예시적으로 스프링을 이용한 수동적인 중력 균형(gravity balance)를 이용하였고, 장애인의 보조를 위한 제어는 강건 제어기(robust controller)와 회전력 보조 제어기(torque assist controller)를 이용하고 있다.
그러나 상기 능동형 타입의 무릎 보장구는 이동성이 확보된 지형 중 평지에서 작동된다는 단점을 지니고, 환자의 의도를 최대한 이끌어내는 방식이 아닌 미리 입력된 보행 패턴을 추종하는 방식이므로 고정형 타입에서 이동성만을 부여한 한계를 지닌다.
또한, 이동성과 착용자의 의도를 온전히 이용하는 Roboknee의 경우를 예를 들면, 특수 설계된 전동 실린더를 이용하여 무릎 관절의 역동적인 움직임을 모두 추종이 가능하고 무릎의 토오크에 대한 보조도 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 대부분의 동력이 무릎의 각속도 추종에 쓰이며 환자가 자기의도에 대한 완벽한 기계적 신호를 입력하지 못하면 마비 증상이 있는 환자의 경우 오히려 의도하지 않은 방향으로 힘을 공급 받게 되어 더 큰 위험 상황에 직면하게 되는 상황이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 환자가 직접 착용하는 외골격 로봇 타입을 기반으로 하고 있으며, 상기 외골격 로봇 타입이 제공하는 착용성을 통한 착용자의 이동성을 확보할 수 있고, 나아가 환자 보행에 필요한 회전력을 무릎 관절에 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 환자의 무릎관절에 동력을 공급을 통하여 보행에 필요한 정상 무릎 상태를 제공하여 보행동작에서 인체 무게 중심에 대한 상하방향의 안정성 확보를 하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명은 로봇의 제어를 위한 환자의 의도를 파악이 필요하지 않으므로 복잡한 신호처리의 소요가 없는 기계적 원리를 가지고 있고 특별한 장치가 없이 자동적으로 환자의 보행 실패를 파악하여 위험상황을 방지할 수 있는 보행 중 상하안전성 확보가 가능한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 보행 실패상황을 제외한 상태에선 환자의 보행 의지에 방해를 주지 않으므로 환자의 동기부여를 최대한 고취시켜 재활훈련의 효율을 극대화할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 환자의 대퇴사두근(大腿四頭筋)의 주변을 따라 마련되는 제1 고정기 및 환자의 슬개골 주변을 따라 마련되는 제2 고정기를 구비하는 고정기; 상기 제1 고정기 일 측면에 마련되어 환자의 무릎 진행 방향과 나란한 방향으로 구동되며, 환자의 대퇴사두근을 고정하는 고정부재가 마련된 구동기; 상기 구동기와 대응되게 마련되며, 환자의 대퇴골을 지지하는 대퇴골링크; 상기 구동기 일 측면에 마련되어 상기 구동기를 상기 대퇴사두근에 고정시키는 고정링크; 상기 고정링크 후방에 마련되어 환자의 무릎 운동에 따라 상기 고정링크와 선택적으로 접촉하는 원형부재; 상기 고정링크의 일 단과 연결되며, 환자의 무릎 운동에 따라 상기 고정링크 및 상기 원형부재의 선택적 접촉을 제어하는 슬개골링크; 상기 슬개골링크 일단에서 연장 형성되며, 환자의 자유 무릎 운동에 따른 경골을 지지하는 경골링크; 및 상기 슬개골링크와 연결되어 상기 고정링크와 상기 원형부재의 선택적 접촉에 따른 전류 변화량을 측정하고, 측정된 전류 변화량에 따라 상기 슬개골링크에 전류 공급을 제어하여 상기 고정링크와 상기 원형부재의 운동을 제어하는 전류측정부재를 포함하는 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구가 제공된다.
상기 구성에 의하여 환자가 직접 착용하는 형태의 외골격 타입을 기반으로 이동성을 향상되며, 환자에게 무릎 토오크를 공급하여 인체 무게 중심에 대한 상하방향의 보행 안정성을 공급할 수 있고, 능동적으로 환자의 보행 의지를 파악할 수 있다. 나아가, 환자의 보행 의지에 방해를 주지 않으면서 보행 실패 시 위험상황을 복구할 수 있게 된다.
상기 경골링크가 환자의 경골과 나란하게 위치하면, 상기 구동기, 상기 고정링크 및 상기 대퇴골링크와 상기 경골링크가 연결되는 제1 링크절; 상기 경골링크와 상기 슬개골링크가 연결되는 제2 링크절; 상기 슬개골링크와 상기 고정링크가 연결되는 제3 링크절; 및 상기 고정링크와 상기 구동기, 상기 고정링크 및 상기 대퇴골링크를 연결하는 제4 링크절이 형성될 수 있다. 관절 장치가 상기 상태를 유지할 때 환자가 자유로이 상기 관절 장치를 이용하여 자유롭게 이동할 수 있다.
한편, 보행 실패가 일어나면, 상기 고정링크 및 상기 원형링크가 접촉될 수 있다.
상기 고정링크 및 상기 원형링크가 접촉되면, 상기 구동기, 상기 고정링크 및 상기 대퇴골링크와 상기 경골링크가 연결되는 제1 링크절; 상기 경골링크와 상기 슬개골링크가 연결되는 제2 링크절; 상기 슬개골링크와 상기 고정링크가 연결되는 제3 링크절; 상기 고정링크와 상기 구동기, 상기 고정링크 및 상기 대퇴골링크를 연결하는 제4 링크절; 및 상기 고정링크와 상기 원형링크 사이의 제5 링크절이 형성되어 구동기의 동력을 통하여 무릎관절에 에너지를 공급받을 수 있게된다.
또한, 상기 고정링크 및 상기 원형링크가 접촉되면, 상기 구동기에 에너지가 공급되어 상기 고정링크가 상기 원형부재와 접촉되어 상기 경골링크가 움직일 수 있다. 이로서, 환자의 보행의 상하 안정성이 증가될 수 있다.
한편, 상기 전류측정부재는, 상기 슬개골링크로 전류를 공급 및 차단하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 환자의 보행 상태를 정상으로 인지하는 환자의 경골과 상기 경골링크와의 경사정도가 저장될 수 있다.
예시적으로, 제어부는 환자의 경골과 상기 경골링크와의 경사정도가 환자의 보행 상태를 정상으로 인지하는 경사정도보다 증가하면 환자의 비정상 보행 상태로 인지한다. 상기 비정상 보행 상태는, 상기 고정링크와 상기 원형부재가 접촉된 상태라고 할 수 있으며, 전류측정부재에서 전류를 제어하여 보행 상태를 정상 상태로 변경하게 된다.
본 발명에 따른 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 장애를 가진 환자가 보행 실패로 판명되는 위험 각도 범위 안에서는 환자 스스로 외부의 기계적인 임피던스를 느끼지 않으면서 외부의 보조 없이 스스로 재활 훈련을 적극적으로 수행할 수 있으므로 훈련효과의 극대화를 꾀할 수 있다.
둘째, 보행 재활 중에 무릎에 힘이 풀려 주저 앉게 되는 상황에서 관절 장치에 자동으로 토오크를 제공하여 환자가 주저 앉는 것을 방지하고, 나아가 환자가 지속적으로 보행할 수 있게 함으로써, 관절 장치의 보행 안정성이 향상될 수 있다.
셋째, 환자의 보행 실패 상태를 간단한 계측으로 상태를 파악하여 상하제어를 위한 무릎 각도 보상으로 정상 보행동작을 성취하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구가 장착된 실시예를 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구를 도시한 사시도이고,
도 3은 도 1의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구의 단면도이고,
도 4는 도 1의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구의 상태 실시예를 도시한 도면이고,
도 5는 도 1의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구의 링크절 구현을 도시한 간략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구가 장착된 실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 1의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구의 단면도이고, 도 4는 도 1의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구의 상태 실시예를 도시한 도면이고, 도 5는 도 1의 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구의 링크절 구현을 도시한 간략도이다.
우선 도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구(100)는 고정기(110), 구동기(120), 대퇴골링크(130), 고정링크(140), 원형부재(150), 슬개골링크(160), 경골링크(170) 및 전류측정부재(180)를 포함한다.
상기 고정기(110)는 환자의 대퇴사두근(大腿四頭筋)의 주변을 따라 마련되는 제1 고정기(110a)와 환자의 슬개골 주변을 따라 마련되는 제2 고정기(110b)로 마련될 수 있다. 상기 고정기(110)는 각각 환자 신체에 직접적으로 장착되어 환자의 무릎 운동에 따라 발생하는 토오크의 변화에 따른 환자 무릎을 보호하는 역할을 한다.
상기 구동기(120)는 상기 제1 고정기(110a) 일 측면에 부착되어 구동되고, 환자의 대퇴사두근을 고정하는 고정부재(120a)가 마련되어 있다. 예시적으로, 고정부재(120a)는 환자의 대퇴사두근 측면에 안착되고, 상기구동기(120)는 환자의 운동 변위에 따라 환자에게 토오크를 제공하여 환자가 자력으로 무릎 운동을 할 수 있게 한다.
한편, 상기 대퇴골링크(130)는 상기 구동기(120)와 대응되게 마련되며, 환자의 대퇴골을 지지한다. 예시적으로 대퇴골링크(130)는 구동기(120) 반대편에 위치하여 구동기(120)와 함께 환자의 운동 변위에 따라 환자에게 토오크를 제공하여 환자가 자력으로 무릎 운동을 할 수 있게 하며, 제1 및 제2 고정기(110a, 110b)의 위치를 고정하는 역할도 한다.
상기 고정링크(140)는 상기 구동기(120) 일 단면에서 연장되게 마련되어 상기 구동기(120)를 대퇴사두근에 고정시키고, 무릎 보행에 따른 구동기(120)의 변위를 종속할 수 있다.
상기 원형부재(150)는 고정링크(140) 후방에 마련되어 환자의 무릎 운동에 따라 고정링크(140)와 선택적으로 접촉할 수 있다. 즉, 원형부재(150)는 고정링크(140)와의 접촉 여부에 따라 환자가 무릎을 이용하여 자유롭게 움직이는 여부가 결정될 수 있다.
상기 고정링크(140) 일단에는 환자의 무릎 운동에 따라 고정링크(140) 및 원형부재(150)의 선택적 접촉을 제어하는 슬개골링크(160)가 구비된다. 그리고 상기구동기(120)의 설정된 변위에 따라 환자가 자유롭게 무릎 운동할 수 있는 최대의 각도가 설정되게 된다. 만약 환자가 상기 관절 장치(100)를 이용하여 운동할 때, 상기 경골링크(170)의 각도가 자유롭게 무릎 운동할 수 있는 최대의 각도보다 커지면 원형부재(150)와 고정링크(140)가 접촉하여 자유 무릎 운동이 정지되게 된다.
한편, 경골링크(170)는 슬개골링크(160) 일단에서 회전관절 관계로 연결되며, 환자의 자유 무릎 운동에 따른 경골을 지지한다. 예시적으로 경골링크(170)가 환자 경골과 나란한 위치하고 원향부재(150)와 고정링크(140)이 비접촉 상태일 경우 환자는 자유 무릎 운동 상태라고 할 수 있으며, 또한, 경골링크(170)는 모든 보행 과정에서 환자의 경골을 지지하여 환자가 보다 안정적으로 무릎 운동을 할 수 있게 가이드 한다.
여기서, 관절 장치(100)는 슬개골링크(160)와 연결되어 고정링크(140)와 원형부재(150)의 선택적 접촉에 따른 전류 변화량을 측정하고, 측정된 전류 변화량에 따라 슬개골링크(160)에 전류 공급을 제어하여 고정링크(140)와 원형부재(150)의 운동을 제어하는 전류측정부재(180)를 포함한다.
상기 전류측정부재(180)는 환자의 자유 무릎 운동에 따라 사용되는 전류값이 설정되어 있고, 비정상 무릎 운동 상태인 고정링크(140)와 원형부재(150)가 접촉될 때 사용되는 전류값과 정상 운동 상태의 사용 전류값의 변화량을 비교하여 환자의 상태를 판단하는 제어부(190)를 더 포함한다.
상기 전류측정부재(180)에 의하여 환자의 상태를 능동적으로 파악하여 환자가 비정상적으로 무릎 운동이 실행되어 환자가 위험한 상황에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
이하 도면을 참고하여, 상기 구성에 의한 보호 관절체(100)의 작동 변화를 살펴보기로 한다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 우선, 원형부재(150)와 슬개골링크(160)가 닿지 않은 상태인 경골링크(170)가 환자의 경골과 나란하게 위치할 수 있다. 이 경우, 대퇴골에 부착되는 고정기(110), 구동기(120) 및 대퇴골링크(130)에서 환자에게 토오크를 전달하는 구동체의 역할을 수행할 수 있다. 그러나 고정링크(140), 슬개골링크(160) 및 경골링크(170)가 상기 고정기(110), 구동기(120) 및 대퇴골링크(130)에 의해 운동 변위가 완벽하게 구속될 수 없기 때문에 상기와 같은 상태를 2자유도라고 정의한다.
상기 2자유도 상태에서는 5절 링크가 형성된다. 즉, 상기 구동기(120), 고정링크(140) 및 대퇴골링크(130)와 경골링크(170)가 연결되는 제1 링크절(210)과, 경골링크(170), 슬개골링크(160)가 연결되는 제2 링크절(220), 슬개골링크(160)와 고정링크(140)가 연결되는 제3 링크절(230) 및 고정링크(140)와 구동기(120), 고정링크(140) 및 대퇴골링크(130)를 연결하는 제4 링크절(240)이 형성된다.
상기 2자유도 상태에서 형성된 5절 링크는, 구동기(120)의 초기 위치가 세팅된 상태라고 할 수 있으며, 상기 상태는 구동기(120)의 미리 세팅된 변위에 의해 슬개골링크(160)와 원형부재(150)의 위치 변화가 발생하기 전까지 환자의 무릎각도가 자유롭게 움직일 수 있는 상태라고 할 수 있다. 더불어 상기 초기 상태에서는 환자가 정상보행 중 무릎이 굽혀질 수 있는 소정의 최대 각도(θ)가 상기 전류측정부재(180)의 제어부(190)에 설정되어 있으며, 상기 무릎이 굽혀질 수 있는 소정의 최대 각도(θ) 내에서의 관절 장치(100) 운동은 보행 정상으로 인지한다(도 4_a, b).
이때, 무릎이 굽혀질 수 있는 소정의 최대 각도(θ)는 슬개골링크(160)의 길이 변화에 따라 결정될 수 있으며, 상기 슬개골링크(160)의 길이변화는 하기의 식(1)에 의해 결정될 수 있다.
식(1)
Figure pat00001
상기 식(1)에서 α는 구동기(120)부착 각도를 의미하며, L₁은 구동기(120)와 고정링크(140) 사이의 이격된거리이고, L₂는 구동기(120)와 원형부재(150) 중심까지의 높이이고, L₃은 원형부재(150) 중심에서 경골링크(170)까지의 거리이며, L₄는 경골링크(170)의 폭이라고 할 수 있다. 또한, L5는 슬개골링크(160)의 길이를 의미하고, L6은 고정링크(140)의 길이이며, L7은 원형부재(150) 중심에서 고정링크(140) 사이의 거리를 의미한다.
상기 식(1)은 구동기(120)의 변위(s)에 의해 구현되는 환자가 정상보행 중 무릎이 굽혀질 수 있는 소정의 최대 각도(θ)의 최대값과, 정상보행 중 무릎이 굽혀질 수 있는 소정의 최대 각도(θ)에서 벗어난 각도(θc)를 나타낸다. 상기 정상보행 중 무릎이 굽혀질 수 있는 소정의 최대 각도(θ)는 상기 식(1)에 의해 변경 가능하며, 정상보행 중 무릎이 굽혀질 수 있는 소정의 최대 각도(θ) 범위에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 경골링크(170)가 환자의 경골과 이격되면, 고정링크(140) 및 원형부재(150)가 접촉될 수 있다. 상기와 같이 고정링크(140)와 원형부재(150)가 접촉되면, 상기 관절 장치(100)는 6절 링크가 형성된다.
즉, 상기 제1 링크절(210) 내지 제4 링크절(240) 이외로 상기 고정링크(140)와 원형부재(150) 사이의 제5 링크절(250)이 형성된다. 상기와 같이 6절 링크가 형성됨에 따라, 대퇴골에 부착되는 고정기(110), 구동기(120) 및 대퇴골링크(130)에서 환자에게 토오크의 변화에 의해 원형부재(150), 고정링크(140), 슬개골링크(160) 및 경골링크(170)의 운동 변위가 완벽하게 종속이 될 수 있고, 상기 상태를 1자유도라고 정의할 수 있다(도 4_c).
상기 1자유도는, 환자가 보행 동작 중 상하 안정성을 잃고 상기 환자가 정상보행 중 무릎이 굽혀질 수 있는 소정의 최대 각도(θ)보다 무릎이 굽혀지는 각도가 더 커지게 되면 착용자의 무릎 각도가 구속이 되는 상태라고 할 수 있다. 즉, 제어부(190)는 환자가 비정상 보행 상태로 인지하고, 이때 상기 구동기(120)의 위치가 변하지 않는 한 환자의 무릎의 각도는 정상보행 중 무릎이 굽혀질 수 있는 소정의 최대 각도(θ)보다 커지지 않도록 제어한다.
상기 비정상 보행 상태는 환자의 보행 안정성을 위협하므로 환자의 보행 안정성을 위하여 관절 장치(100)에 토오크가 작용한다. 즉, 관절 장치(100)의 위치가 초기 상태로 되돌아 가기 위하여 상기 고정링크(140)가 대퇴사두근 방향으로 위치 설정되고, 원형부재(150)는 무릎 운동 방향과 반대 방향으로 회전하기 위한 전류를 공급 받게 된다. 이로 인하여 상기 관절 장치(100)에 전류 변화가 발생한다.
예시적으로, 전류측정부재(180)에서 지속적으로 다량의 전류 소모가 측정되거나 제어부(190)에서 환자의 비정상 보행 상태를 계속적으로 인지할 경우, 환자가 자력으로 정상보행을 위한 무릎 각도를 회복하지 못한다고 판단한다. 이때, 제어부(190)에서 슬개골링크(160)로 전류를 공급하여 고정링크(140)가 대퇴사두근 방향으로 위치 설정되고, 원형부재(150)는 무릎 운동 방향과 반대 방향으로 회전하기 위한 전류를 공급 받아 환자의 정상 보행상태로 위치 변화를 가이드하게 된다. 이로써, 자동으로 환자의 무릎각도가 초기 상태로 되돌아 갈 수 있게 되어 환자의 보행 안정성이 향상될 수 있다.
한편, 환자가 관절 장치(100)의 무릎 각도를 자력으로 초기 상태로 변경하게 되면, 슬개골링크(160)와 원형부재(150)는 접촉하지 않게 된다(도 4_d, e). 그 결과, 구동기(120)의 변위와 관계없이 환자 스스로 무릎 관절을 움직이는 상태인 2자유도를 유지하게 된다. 이 경우 제어부(190)는 환자의 보행 상태를 정상으로 인지하여 슬개골링크(160)의 전류 과다 공급을 차단하게 된다.
상기 메커니즘을 통해 5절 및 6절 장치 변환이 가능한 무릎 관절 장치(100)를 제시하고, 자신의 하지를 움직여 스스로의 의지와 동기부여를 최대한 발휘해야 하므로 재활효과의 극대화할 수 있다. 또한, 환자 무릎 보행이 실패하여도, 자동적으로 환자가 주저앉아 버리는 상태를 방지함으로써 착용자의 보행 재활 훈련의 보행 안정성 및 안전성을 동시에 공급 할 수 있다.
더불어, 원형부재(150)와 고정링크(140)의 접촉 상태에 의한 1자유도에서 2자유도로 자유롭게 변화하기 때문에 종래의 1자유도만 가지는 메커니즘과 비교하여 착용자의 의도 파악을 위한 수고를 할 필요가 없으면서, 간단한 전류 및 전압 측정을 통해 인체의 상하제어를 위한 무릎각도 보상으로 환자의 보행동작을 성취하게 하여 재활 훈련의 성취감을 착용자에게 부여할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 관절 장치 110: 고정기
120: 구동기 130: 대퇴골링크
140: 고정링크 150: 원형부재
160: 슬개골링크 170: 경골링크
180: 전류측정부재 190: 제어부

Claims (8)

  1. 환자의 대퇴사두근(大腿四頭筋)의 주변을 따라 마련되는 제1 고정기 및 환자의 슬개골 주변을 따라 마련되는 제2 고정기를 구비하는 고정기;
    상기 제1 고정기 일 측면에 마련되되 환자의 무릎 진행 방향과 나란한 방향으로 구동되며, 환자의 대퇴사두근을 고정하는 고정부재가 마련된 구동기;
    상기 고정기와 대응되게 마련되며, 환자의 대퇴골을 지지하는 대퇴골링크;
    상기 구동기 일 단면에서 연장 마련되어 상기 구동기를 상기 대퇴사두근에 고정시키는 고정링크;
    상기 고정링크 후방에 마련되어 환자의 무릎 운동에 따라 상기 고정링크와 선택적으로 접촉하는 원형부재;
    상기 고정링크의 일 단과 연결되며, 환자의 무릎 운동에 따라 상기 고정링크 및 상기 원형부재의 선택적 접촉을 제어하는 슬개골링크;
    상기 슬개골링크 일단에서 연장 형성되며, 환자의 자유 무릎 운동에 따른 경골을 지지하는 경골링크; 및
    상기 슬개골링크와 연결되어 상기 고정링크와 상기 원형부재의 선택적 접촉에 따른 전류 변화량을 측정하고, 측정된 전류 변화량에 따라 상기 구동기에 전류 공급을 제어하여 상기 고정링크와 상기 경골링크의 운동을 제어하는 전류측정부재를 포함하는 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 경골링크가 환자의 경골과 나란하게 위치하면,
    상기 구동기, 상기 고정링크 및 상기 대퇴골링크와 상기 경골링크가 연결되는 제1 링크절;
    상기 경골링크와 상기 슬개골링크가 연결되는 제2 링크절;
    상기 슬개골링크와 상기 고정링크가 연결되는 제3 링크절; 및
    상기 고정링크와 상기 구동기, 상기 고정링크 및 상기 대퇴골링크를 연결하는 제4 링크절이 형성된 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구.
  3. 청구항 1에 있어서,
    보행 실패를 하게되면, 상기 고정링크 및 상기 원형링크가 접촉되는 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 고정링크 및 상기 원형링크가 접촉되면,
    상기 구동기, 상기 고정링크 및 상기 대퇴골링크와 상기 경골링크가 연결되는 제1 링크절;
    상기 경골링크와 상기 슬개골링크가 연결되는 제2 링크절;
    상기 슬개골링크와 상기 고정링크가 연결되는 제3 링크절;
    상기 고정링크와 상기 구동기, 상기 고정링크 및 상기 대퇴골링크를 연결하는 제4 링크절; 및
    상기 고정링크와 상기 원형링크 사이의 제5 링크절이 형성된 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 고정링크 및 상기 원형링크가 접촉되면,
    상기 구동기에 에너지가 공급되어 상기 고정링크가 상기 원형부재와 접촉되어 상기 경골링크가 움직이는 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구.
  6. 청구항 1에서,
    상기 전류측정부재는,
    상기 슬개골링크로 전류를 공급 및 차단하는 제어부를 더 포함하는 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는
    환자의 보행 상태를 정상으로 인지하는 환자의 경골과 상기 경골링크와의 경사정도가 저장된 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구.
  8. 청구항 7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    환자의 경골과 상기 경골링크와의 경사정도가 환자의 보행 상태를 정상으로 인지하는 경사정도보다 증가하면 환자의 비정상 보행 상태로 인지하는 무릎관절 보조를 통한 보행 보조가 가능한 무릎보장구.
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