KR20150129742A

KR20150129742A - 짐운반기

Info

Publication number: KR20150129742A
Application number: KR1020157025270A
Authority: KR
Inventors: 아다쉬 아야르
Original assignee: 비에이이 시스템스 에어로스페이스 앤드 디펜스 그룹 아이엔시.
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-11-20
Also published as: WO2014127386A3; AU2014217900A1; JP2016509960A; EP2956031A2; US20140276267A1; WO2014127386A2; CA2900613A1

Abstract

본 발명은 병사기 움직일 때의 짐운반기에 관한 것으로, 짐의 무게(하중)을 받는 짐받침대; 하중을 사용자의 신발에 전달하기위한 부트클램프; 및 짐받침대와 부트클램프 사이에 연결되고, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 아랫쪽으로 전달하는 첫번째 (작동) 상태와, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 전달하지 않는 두번째 (미작동) 상태를 가지며, 사용자의 걸음을 감지해 상기 첫번째와 두번째 상태들 사이를 움직이는 연결부;를 포함하고, 연결부는 짐받침대와 부트클램프 사이의 슬립조인트를 갖고, 이 슬립조인트는 연결부를 슬립조인트 윗쪽의 상부 연결부와 슬립조인트 아랫쪽의 하부 연결부를 나누며; 슬립조인트가 닫혀있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 있는 제1 (결합) 위치와, 슬립조인트가 열려있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 없는 제2 (분리) 위치 사이로 상부 연결부와 하부 연결부가 슬립조인트를 통해 서로에 대해 움직일 수다.

Description

짐운반기{ORTHOTIC LOAD ASSISTANCE DEVICE}

본 발명은 사용자의 등에 지는 짐의 무게를 사용자가 디딛는 지면에 전달하는 짐운반기에 관한 것이다. 이런 사용자의 일례로 배낭을 맨 병사가 있고, 경우에 따라서는 이런 배낭은 80 파운드 이상의 무게가 나가고, 이런 무게의 일부를 줄이면 병사에게 상당한 도움이 될 것이다.

병사가 걸을 때, 매 걸음마다 발을 지면에서 떼는 스윙상태, 지면에 뒤꿈치가 닿는 뒤꿈치 충돌상태, 앞발이 지면을 향해 내려가 발이 지면에 닿아있는 정지상태, 관절이 앞으로 롤링하는 롤오버 상태, 지면에서 뒤꿈치가 먼저 떨어졌다가 발이 떨어지는 이륙상태를 거쳐 다시 스윙상태로 되돌아간다.

병사가 지는 짐의 무게는 한쪽 다리에 이어 다른 다리를 통해 지면으로 전달되고, 걸음을 걷는 동안 적어도 발의 일부분은 지면에 닿아있다. 본 발명은 병사가 지는 무거운 짐의 무게의 일부를 경감하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 짐운반기를 사용하는 병사의 사시도;
도 2는 도 1의 짐운반기의 발목관절을 제외한 부분의 측면도;
도 3은 짐운반기의 발목관절의 확대도;
도 4는 발목간절의 다른 확대도;
도 5는 사용자의 스윙상태에 있을 때의 짐운반기의 측면도;
도 5A는 도 5의 부분확대도;
도 6은 사용자의 뒤꿈치 충돌상태에서의 짐운반기의 측면도;
도 6A는 도 6의 부분확대도;
도 7은 롤오버 상태에서의 짐운반기의 측면도;
도 7A는 도 7의 부분확대도;
도 8~9는 이륙상태에서의 발목관절의 측면도;
도 10~11은 짐운반기를 사용할 때 생기느 힘의 관계도.

본 발명은 사용자의 등에 지는 짐의 무게를 사용자가 걷는 지면으로 전달하는 짐운반기에 관한 것으로, 구체적으로는 배낭과 같은 짐의 무게를 병사의 군화, 즉 사용자의 신발 밑의 지면으로 전달하는 장치에 관한 것이다. ("병사"란 본 발명의 짐운반기의 사용자를 말하고 병사가 아닌 다른 사람도 본 발명을 사용할 수 있으며, 배낭 외의 다른 짐을 운반할 수도 있다). 본 발명은 다양한 여러 구조의 짐운반기에 적용할 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 짐운반기(10)를 보여주는 사시도로서, 짐운반기(10)와 대칭 구조의 짐운반기(11)가 다른쪽 다리에도 사용된다.

짐운반기(10)의 상단부 부근에 있는 짐받침대(12)는 등에 지고있는 배낭(14)이나 다른 짐을 짐운반기에 연결하는 부분이면서 배낭의 무게를 받는 지점이다. 짐받침대(12)는 지고있는 배낭(14)을 연결할 수만 있으면 어떤 형태도 취할 수 있어, 배낭(14)의 프레임(도시 안됨)에 기계적으로 연결되는 형태도 포함한다.

짐운반기(10)의 상부 아암(16)은 짐받침대(12)에서 무릎관절(18)까지 전방으로 뻗어내린다. 상부 아암(16)은 길이가 고정된 단단한 부재로서, 소량의 하중을 지지하지만, 주로 안정화를 목적으로 한다.

짐받침대(12)와 무릎관절(18) 사이에 상부 아암(16)에 나란히 액튜에이터(20)이 뻗는데, 이 아암은 짐받침대(12)와 무릎관절(18) 사이로 나머지 하중을 선택적으로 전달하도록 제어된다.

이 실시예에서, 액튜에이터(20)은 미국특허 7,527,253과 7,992,849에 소개된 잭스프링(22)을 갖추며, 잭스프링(22)은 (짐받침대쪽의) 상단부와 (무릅관절쪽의 하단부에 각각 압축 코일스프링(24)과 돌출 로드(26)를 갖추고 있는 하중전달 부재이다. 액튜에이터(20)은 길이가 가변적인데, 이에 대해서는 후술한다.

잭스프링(22)은 스프링(24)의 하단부와 로드(26)의 상단부 사이에 간극을 갖고, 이 간극은 선택적으로 개폐될 수 있다. 이를 위해, 액튜에이터은 스프링(24)의 유효 길이를 선택적으로 변경하고 스프링과 로드(26) 사이의 간극을 선택적으로 개폐하는 모터(28)를 포함한다. 이 동작은 모터(28)가 작동할 때 회전하는 내부 축의 단부에 있는 작동 탭(도시 안됨)에 의해 이루어진다. 작동 탭은 스프링(24)의 2개의 인접 코일들 사이에 위치한다.

잭스프링(22)내의 간극은 스프링(24)을 로드(26)에 대해 움직여 생긴다. 모터(28)가 작동되어 내부 축과 작동탭을 회전시키면 스프링(24)이 축방향으로 움직이고, 스프링은 내부 축에서는 자유롭게 움직이지만 회전은 차단된다).

짐운반기(10)의 작동시, 모터(28)는 주기적으로 제1 회전방향으로 작동되어 스프링(24)을 로드(26)쪽으로 움직여 간극을 닫고, 이어서 제2 회전방향으로 작동되어 스프링을 로드 반대쪽으로 움직여 간극을 연다. 따라서, 잭스프링(22)의 이 부분은 클러치 역할을 하여 개폐동작을 하는데, 이에 대해서는 전술한 특허들에 이미 소개되었다.

짐운반기(10)의 다리(40)는 다단한 원통관으로서, 무릎관절(18)에서 발목관절(42)까지 뻗는다. 무릅관절(18)은 상부아암(16)과 액튜에이터(20)과 다리(40) 사이의 관절운동을 가능케하는 연결부이다. 발목관절(42)은 최하단부인 부트클램프(44; boot clamp)와 다리(40) 사이의 관절운동을 위한 연결부로서, 뒤에 자세히 설명한다.

부트클램프(44)는 병사의 군화(46)에 연결되어 같이 움직이는 요소로서, 짐운반기(10)를 통해 부트클램프(44)까지 아래로 전달되는 모든 수직하중이 군화(46)로 전달되었다가 군화 밑의 지면으로 전달된다.

사람의 다리에 있는 센서(47)로 수직면이나 수평면에 대한 사람의 다리의 각도변화율을 감지하는 것은 공지의 기술이다. 센서(47)의 출력은 모터(28)에 인접한 컴퓨터(48)로 보내지고, 이 컴퓨터는 병사가 현재 걷고있는 곳에 대한 정보를 취하도록 프로그램되어 있다.

컴퓨터(48)는 액튜에이터(20)의 모터(28)의 동작을 제어한다. 구체적으로, 짐받침대(12)에서 액튜에이터(20)과 무릅관절(18)과 다리(40)와 발목관절(42)을 통해 부트클램프(44)로 하중이 아래로 전달된다. 병사의 발이 지면에서 떨어졌다가 지면에 닿기 직전이라고 컴퓨터(48)가 결정하면, 컴퓨터는 모터(28)를 작동시켜 스프링(24)과 로드(26) 사이의 간극을 없앤다. 이렇게 되면 액튜에이터(20)에서의 하중전달경로가 형성되어, 액튜에이터을 따라 하중이 전달된다. 따라서, 병사의 뒤꿈치가 지면에 닿으면, 배낭(14)의 하중이 액튜에이터(20)의 길이를 따라 무릅관절(18)과 다리(40)를 거쳐 부트클램프(44)로 전달된다. 이때문에 병사에 가해지는 하중의 일부가 경감된다.

병사의 발이 지면에 닿았다고 결정되면, 잭스프링(22)이 하중전달상태로 유지되어 배낭(14)의 하중 일부가 부트클램프로 전달된다. 컴퓨터(48)가 이어서 병사가 지면에서 발을 들어올리고 있다고 결정하면, 모터(28)가 작동되어 스프링(24)과 로드(26) 사이의 간극이 열린다. 이렇게 되면 배낭(14)과 부트클램프(44) 사이에 더이상 하중전달이 일어나지 않는다. 병사가 지면에서 발을 떼면 지면으로 하중을 전혀 전달할 수 없기 때문에 이런 작동이 일어나고; 이때는 배낭(14)에서 부트클램프(44)로 어떤 하중이라도 전달할 이유가 없는 것이다.

모터(28)는 짐운반기(10)의 어떤 부분도 다른 부분에 대해 상대적으로 움직이거나 병사의 신체 일부(다리 등)를 움직이도록 설계된 것이 아니라, 로드(26)와 스프링(24) 사이의 간극을 개폐하기 위한 것이다. 이 작업에는 그리 많은 전력이 필요치 않다. 이때문에, 모터(28)는 소형경량이고 저전력을 요하며, 모터의 전원도 소형경량화할 수 있다. 또, 짐운반기(10) 자체는 병사의 체중을 운반하는 것이 아니라 배낭(14)의 하중 일부만을 운반하는 것이므로 경량화가 가능하다. 병사는 짐운반기(10)만 움직이면 된다.

잭스프링(22)을 사용하면 경량화와 스프링력의 설정이 가능하고 간극이 없어졌을 때 스프링 부하를 커버할 수 있다는 장점이 있다. 액튜에이터(20)의 길이를 따라 스프링(24)이 길이방향으로 압축신장할 수 있다. 따라서, 액튜에이터(20)내의 간극이 없어지면 이곳을 통해 힘이 전달된다는 관점에서, 액튜에이터은 편안하고 안정적인 스프링이라 할 수 있다.

스프링(24)의 유효길이와 액튜에이터(20)내 유효 스프링력을 수동으로 조절할 수 있어, 배낭(14)의 무게변화에 맞게 조절할 수 있다. 한편, 모터가 작동 코일수를 조절하여 스프링(24)의 유효길이를 바꿀 수도 있다. 예컨대, 액튜에이터(20)가 초기에 6개의 작동코일을 갖도록 하면, 모터(28)가 작동했을 때 스프링(24)이 3회전하면서 앞으로 밀려 로드(26)에 결합했다가 후퇴된다. 또는 스프링(24)을 초기에 5개의 작동코일을 갖도록 설정하고, 3회전으로는 앞으로 밀렸다가 5회전하면 뒤로 후퇴하도록 할 수도 있다. 어떤 경우에도, 스프링(24)은 같은 거리를 움직이되 출발점만 다르다. 출발점이 다른 것은 초기 하중설정, 길을 따른 하중변화 및 지형변화에 대비해 유효 스프링력을 정하기 위한 것이다.

발목관절(42)은 다리(40)를 부트클램프(44)를 통해 병사의 군화(46)에 연결하는 것으로, 도 3~11을 참조해 자세히 설명한다.

부트클램프(44)는 위에서 보았을 때 C형이고 군화(46) 뒤꿈치를 감싸며, 군화의 바깥창(50)에 고정된다. 부트클램프(44)는 군화(46)의 안쪽에서 측면으로 뻗으며, 군화에 고정하기 위해, 군화 바깥창의 양쪽과 뒤꿈치 부분에 여러개의 구멍이 뚫려있다. 바깥창(50)의 구멍에 암나사 인서트들을 고정하고, 인서트에 나사와 같은 체결구를 끼운다. 이들 나사를 부트클램프(44)의 구멍에 결합하면 부트클램프를 군화에 고정할 수 있다.

안창(50) 밑에, 즉 안창과 지면 사이에 부트클램프(44)의 어떤 부분도 배치되지 않는다는 점에서, 병사의 걸음에 대한 부트클램프의 방해가 최소화된다. 또, 어떤 군화나 신발에도 부트클램프(44)의 크기와 형상을 맞출 수 있다. 발목관절(42)이 부트클램프(44)에 연결되는 지점인 군화(46)의 측면이 중요한 부분이고, 군화의 안쪽에서는 부트클램프가 부트의 바깥창(50)에 단순히 연결되기만 할 뿐이다.

발목관절(42)은 부트클램프(44)의 측면에 고정되는 블록(60)을 구비한다. 이 블록(60)은 다수의 체결구(64)에 의해 서로 단단히 결합되는 2개의 판(62)을 포함하지만, 다른 구성을 가질 수도 있다. 체결구들은 부트클램프(44)를 관통해 바깥창(50) 안으로 돌출한다. 블록(60)은 발목관절(42)의 전방 피봇축(66)과 후방 피봇축(68)을 갖는다.

발목관절(42)의 상부 블록인 티(70)는 수직으로 뻗는 앞다리(72)와, 앞다리(72)와 같이 움직이도록 고정되고 앞다리에서 수평으로 후방으로 돌출한 바(74)를 갖는다.

티(70)와 같이 움직이도록 고정된 전방 링크(76)는 티의 앞다리(72)의 하단부에서 밑으로 뻗고, 전방 피봇축(66)을 중심으로 블록(60)에 대해 피봇운동을 하도록 블록에 지지된 단단한 부재이다. 그 결과, 티(70) 자체는 블록(60)에 지지된채 전방 피봇축(66)을 중심으로 블록에 대해 피봇운동할 수 있다.

티(70)의 앞다리(72)의 상단부에 고정된 지지핀(80)은 티와 같이 움직이는 단단한 부재이다. 짐운반기(100의 다리(40)의 하단부에 달린 슬리브(82)가 지지핀(80)에 끼워져 티의 앞다리(72)의 상단부까지 미끄러져 들어간다. 이런 연결에 의해, 짐운반기의 다리(40)가 블록(60)에 지지되어, 전방 피봇축(66)을 중심으로 블록에 대해 피봇운동한다.

지지핀(80)에 대한 슬리브(82)의 슬립결합에 의한 슬립조인트(84)에 의해, 짐운반기(10)를 병사의 군화(46)에서 쉽게 분리할 수 있다. 지지핀(80)의 길이는 6인치 정도이므로, 슬리브(82)를 이 길이만큼 올리면 짐운반기(10)를 부트클램프(44)와 군화(46)에서 분리할 수 있다.

또, 다리(40)와 발목관절(42) 사이의 이런 연결에 의해, 다리와 군화 사이에 수직방향으로의 자유운동이 이루어진다. 슬리브(82)가 티(70)에 부딪칠 때 하중전달이 일어난다. 이때문에 병사가 걸음을 걸을 때 더욱 편안해지고, 슬립조인트(84)가 열렸을 때 슬립조인트 밑 부분에 저항이 생기지 않는다.

슬립조인트(84)와 다리(40)의 부품들은 걷다가 정지한 동안을 제외하고 모든 걸음 동안 슬립조인트내에 간극이 있어 수직하중전달이 이루어지지 않도록 구성된다. 지면에 뒤꿈치가 닿아 정지상태가 시작될 때, 슬리브(82)는 슬립조인트(84)내의 간극을 없앨 정도로 아래로 움직여 다리(40)에서 발목관절(42)로 하중전달을 하도록 한다. 걸음이 다시 시작될 때까지는 간극은 계속 닫혀있다. 슬리브(82)와 지지핀(80)의 길이는 정상상태, 즉 정상적인 걸음을 하는 동안에는 슬리브가 지지핀에서 떨어지지 않도록 선택한다.

블록(60)의 후방 피봇축(68)에 후방 링크(90)가 피봇되게 연결되는데, 이 링크는 후방 피봇촉(68)으로부터 바(74)의 말단부의 관통공을 통해 바의 위에까지 이어지는 단단한 부재이다. 후방 링크(90)의 상단부위(92)에 숫나사가 형성된다.

후방 링크(90)의 상단부위(92)에 나사결합된 스프링조절 놉(94)은 위는 막히고 블록(60)을 향한 아래는 트인 원통형 구조이다.

바(74)의 말단부에 고정된 스프링컵(96)은 티(70)아 같이 움직이고, 아래는 막히고 스프링조절 놉(94)을 향한 윗쪽은 트인 원통형 구조이다. 후방 링크(90)는 스프링컵(96)을 미끄럼 가능하도록 자유롭게 통과한다.

스프링컵과 스프링조절 놉 사이에 위치하는 코일스프링(100)은 후방 링크(90)를 둘러싸는 압축스프링이고, 코일스프링의 하단부는 스프링컵(96)에 들어가고 상단부는 스프링조절 놉(94) 안에 들어가, 스프링컵과 스프링조절 놉 사이의 위치에서 후방링크(90)에 스프링(90)이 위치한다.

짐운반기(10)를 사용할 때, 액튜에이터(20)에 초기에 간극이 설정된다. 또, 후방 링크(90)에서의 스프링조절 놉(94)의 위치도 정해진다. 이 위치가 병사가 걸을 때 스프링(100)이 압축되기 시작하는 지점을 제어한다. 이런 설정은 스프링에 저장되는 에너지량에 영향을 주기도 한다. 이런 특성에 맞게 스프링(100)의 강성도 선택한다. 이런 조절을 이용해 병사의 걸음상태, 지형조건, 짐의 무게 등을 보정한다.

걷다가 뒤꿈치가 지면에 부딪치고 정지상태가 시작되면(도 6~6A 참조), 잭스프링(22)이 작동하여 액튜에이터(20)내의 간극이 없어진다. 간극이 없어지면 배낭의 무게가 짐받침대(12)로부터 액튜에이터(20)와 다리(40)를 통해 티(70)로 전달된 다음, 전방 링크(76)와 블록(60)을 통해 부트클램프(44)로 전달된다. 배낭 무게는 전방 피봇축(66) 위치에서 블록(60)으로 전달된다. 이 부분은 (회전가능한) 핀 연결부이다. 배낭 무게는 블록(60)에서 군화(46)를 통해 지면으로 전달된다. 이런 식으로, 병사가 지는 무게의 적어도 일부는 병사가 부담하지 않고 지면으로 전달되는데, 구체적으로는 뒤꿈치가 부딪치는 순간부터 시작한다. 주지하는 바와 같이, 병사가 부담하는 유효 하중이 줄어든다는 점에서 유리하다.

이어서 병사가 앞으로 걸으면, 병사의 발바닥이 지면에 접한채 다리와 관절이 앞으로 구부러진다(도 8~8A 참조). 군화(46)와 부트클램프(44)는 지면에 대해 여전히 같은 위치에 있지만, 짐운반기(10)의 짐받침대(2)를 포함한 상단부는 지면과 부트클램프(44)에 대해 앞으로 움직인다. 그 결과, 짐운반기의 다리(40)가 전방 피봇축(66)을 중심으로 도면에서 보아 시계방향으로 피봇한다.

다리(40)의 이런 피봇운동으로 티(70)가 블록(60)에 비해 앞으로 당겨진다. 티(70)는 앞으로 움직이면서 전방 피봇축(66)에 대해 역시 피봇하거나 공간적으로 비틀리고, 그와 동시에 후방 링크(90)도 앞으로 기울여진다. 티(70)의 바(74)에 슬립결합된 후방 링크(90)도 마찬가지로 후방 피봇축(68)에 대해 도면에서 보아 시계방향으로 피봇운동한다.

병사가 지면에서 발을 떼기 시작하면(도 8 참조), 컴퓨터가 센서(47)를 통해 이를 감지하고 잭스프링(22)내의 간극을 열고, 이렇게 되면 배낭(14)의 무게가 발로 전달되는 과정이 끝난다.

후술하는 바와 같이, 발목관절(42)의 스프링(100)의 기능 때문에 짐운반기(10)의 사용자는 훨씬 더 편하고 효율적으로 걸을 수 있다. 특히, 스프링(100)을 발목관절에 사용하기 때문에 기존의 "힐피닝(heel pinning)" 영항을 줄일 수 있다. 이 효과는 배낭으로부터 (본 실시예의) 전방 피봇축(66) 위치 군화로 비교적 큰 무게가 전달될 때 일어난다. 이 위치는 군화(46)의 뒤꿈치에 비교적 가깝다. 이런 무게 때문에 걷는 동안 필요할 때 뒤꿈치를 들어올리기가 더 어렵고, 이때는 정상적인 걸음에 비해 더 많은 근육운동이 필요해 병사의 정상적 보행을 방해한다. 이런 추가 근육운동 때문에 걸음이 흐트러져, 빨리 피곤해지고, 대사효율이 떨어진다.

발목관절(42)의 부품인 스프링(100)의 기능과 동작에 대해 도 6~11을 참조해 자세히 설명한다. 발목관절(42)은 4개의 바가 주요부를 이루는 4바 구조이다. 티(70)가 첫번째 바이고, 블록(60)이 두번째 바이며, 티(70)는 전방 피봇축(66)에서 회전조인트(J1-2)로 블록(60)에 연결된다. 후방 링크(90)는 세번째 바로서, 후방 피봇축(68)에서 회전조인트(J2-3)로 블록(60)에 연결된다. 스프링컵(96)은 네번째 바로서, 슬라이딩 조인트(J3-4)로 후방 링크(90)에 연결되며, 회전조인트(J4-1)로 티(70)에도 연결된다. 끝으로, 블록(60)은 군화(46)의 밑창에 단단히 연결된다.

도 5~5A는 걸음을 걷는 상태로서, 잭스프링(22)의 로드(26)와 스프링(24) 사이에 간극이 생겨 액튜에이터를 통해 아무런 힘도 전달되지 않는 상태이다. 군화(46)는 지면에서 떨어져 있고, 스프링(100)은 비압축 상태이며, 발목관절(42)의 다른 부분들은 도 6A와 같이 미작동 상태에 있다.

병사가 짐운반기(10)를 착용한채 걸을 때, 도면과 같이 우측 다리의 뒤꿈치가 닿기 직전에는 짐운반기(10)의 방해 없이 원하는대로 빠르게 다리를 뻗을 수 있는데, 이는 (1) 액튜에이터(20)가 이 지점에서 연결되지 않아 아무런 무게도 전달되지 않고, (2) 다리(40)와 발목관절(42) 사이에 슬립조인트(84) 간극이 있기 때문이다.

도 6~6A는 뒤꿈치가 닿는 상태로서, 이때 짐운반기(10)의 다리(40)는 슬립조인트(84)의 간극이 없어 무게를 지면으로 전달한다. 이때 병사는 배낭의 (짐운반기가 지지하지 않는) 나머지 무게를 버티고 이 무게는 병사의 우측 뒤꿈치에 가해진다.

뒤꿈치가 지면에 닿은 것을 감지했을 때 액튜에이터(20)의 간극이 없어져 배낭(14)의 무게를 액튜에이터를 따라 다리(40)에 전달할 수 있다. 군화(46) 뒤꿈치가 지면에 닿을 때 스프링(100)은 미압축 상태에 있고, 발목관절(42)의 나머지 부분들은 도 6A와 같은 미작동 상태에 있다.

짐운반기(10)의 다리(40)를 통해 내려간 배낭 무게가 부트클램프의 조인트(J1-2)에 작용한다. 조인트(J1-2)는 병사의 뒤꿈치에 가까이 있어, 병사는 뒤꿈치가 지면에 꽂히는 느낌을 받는 전술한 "힐피닝" 효과를 겪는다.

도 7~7A는 그 다음 걸음 단계로서, 병사의 하퇴가 발목을 중심으로 회전하기 시작하는 "롤오버" 단계에 있다. 몸이 앞으로 나가면서 짐운반기 다리(40)가 전방 피봇축(66)을 중심으로 앞으로 피봇하고, 티(70)도 피봇한다. 도 8A에서 보듯이, 티(70)와 전방 링크(76)가 롤오버 단계에서 피봇하면, 티(70)의 바(74)의 말단부가 블록(60)에 대해 전방상향으로 움직이고, 블록 자체는 지면 위로 병사의 발과 같은 높이에 있게된다.

바(74)의 말단부가 윗쪽으로 움직이면 스프링컵(96)도 후방 링크(90)를 타고 윗쪽으로 움직여, 스프링조절 놉(94)에 대해 스프링(100)을 압축한다.

티(70)가 시계방향으로 피봇하면, 조인트(J3-4)와 스프링컵(96)이 위로 움직이면서, 스프링(100)도 후방 링크(90)를 타고 상승한다. 스프링(100)이 스프링조절 놉(94)에 접한 뒤, 티(70)가 계속해서 시계방향으로 움직이면, 스프링이 압축되기 시작한다. 이때, 조인트(J3-4)는 상승 저항을 겪는다. 티(70)가 시계방향으로 많이 피봇할수록 스프링(100)이 더 많이 압축되어, 조인트(J3-4)의 상승저항은 더 커진다.

조인트(J3-4)는 일정 지점에 도달했다가 스프링(100)의 저항을 받을 때까지는 자유롭게 움직일 수 있다. 이 지점은 스프링조절 놉(94)을 후방 링크(90)에 대해 위아래로 조절해 조절할 수 있다. 이런 조절의 목적은 발목관절(42)을 걸음걸이의 일정 부분까지 자유롭게 저항 없이 움직이도록 하면서 롤오버 동안에는 저항을 일으키도록 하는데 있다.

스프링(100)을 포함한 발목관절(42)이 없으면, 짐운반기의 다리(40)가 지지하는 하중이 병사의 뒤꿈치 부근에 있는 조인트(J1-2)를 통해서만 아래로 전달된다. 이때문에 뒤꿈치는 지면을 찌르는 상태로 머물게되고 병사는 걷기가 어렵게 된다. 대신, 본 발명의 발목관절(42)은 군화에 사용되는 것으로, 동작선을 조인트(J1-2)로부터 병사의 엄지발가락쪽을 향해 움직여, 뒤꿈치의 피닝효과를 최소화하고, 병사가 걷는 동안 발이 자연적으로 하는 운동에 일치시킨다. 이때문에 병사가 짐운반기(10)를 사용하면서 걷기가 쉬워진다. 그 동작은 아래와 같다.

롤오버 단계가 시작하기 전에, 짐운반기(10)가 지지하는 하중에 대한 동작선이 차례로 조인트(J1-2)와 블록(60)과 부트클램프(44)와 군화(46)를 통해 지면으로 내려가면서(도 10~11 참조), 힘 F1이 지면을 내리누른다. 이 힘과 동일하고 방향은 반대인 힘 F2가 지면을 향해 생긴다.

롤오버 사태에서 티(70)가 시계방향으로 움직이면, 스프링(100)이 압축되면서 힘 F3(스프링 압축력)가 생긴다. 방향은 반대고 크기는 같은 힘 F4가 생겨 조인트(J3-4)에서 아래로 작용한다. 티(70)가 조인트(J3-4)에 연결되어 있어, 힘 F4는 조인트(J1-2)의 회전중심에서 반시계방향으로 티(70)를 비트는(회전시키는) 방향으로 작용한다. 힘 F4가 화살표(L1)로 표시된 거리에서 하부 다리(40)에 작용하여 모멘트 M1을 일으킨다. 이 모멘트 M1은 조인트(J1-2)에 중심을 두고 도면에서 보아 반시계방향으로 작용한다. 따라서, 블록(60)의 정면에서, 모멘트(M1)로 인해 윗쪽으로 작용하는 힘이 행기는데, 이는 모멘트(M1)가 블록(60)의 전단부 뒤에 중심을 두기 때문이다.

모멘트(M1)가 전방 피봇축(66)에 작용하고, 이 피봇축은 회전 조인트(J1-2)이기 때문에, M1은 실제로는 회전효과를 갖지 않는다. 오히려, 모멘트(M1)는 힘 F2와 결합해 전방 피봇축(66)의 전방 지점, 즉 화살표(L2)의 길이에 해당하는 거리에서 윗쪽으로 작용하는 순수 지면력 F5를 생성하여, F2의 수직선의 전방에 위치한다.

순수 상승 지면력(ground force)이 좀더 멀리 앞에 있기 때문에, 도 11에 110으로 표시된 작용선(순수 하향력)이 앞으로 이동한다. 작용선의 전진은 형사의 뒤꿈치에 작용하는 하중 부분을 감소시켜, 뒤꿈치의 힐피닝 효과를 낮추게 되어, 병사가 좀더 편안하게 걸을 수 있도록 한다. 병사가 하중을 극복하기 위해 다른 방식으로 근육을 사용해 더 힘을 낼 필요가 없어, 걷는데 소모하는 에너지를 덜 소모할 수 있다.

요컨대, 스프링(100)을 포함한 발목관절(42)에 의한 뒤꿈치 상승력은 F1의 t수직작용선의 전방 일정 거리에 위치한다. 스프링(100)이 F1 뒤에서 작용해 F1의 수직작용선 전방에 모멘트 M1을 일으키고, 이때문에 유효 작용선(110)이 앞으로 움직이면서 힐피닝 효과를 효과적으로 낮추게 되어, 외부 하중을 지고서 걷는 걸음을 좀더 편안하고 대사작용적으로 효과적으로 할 수 있다. 발목관절(42)에 스프링(100)이 없는 짐운반기(10)라면 모멘트 M1을 일으키지 않고 순수 상승 지면력 F2만 생기고, 이런 F2는 뒤꿈치에 너무 가까워 긴 걸음을 걸을 수 없다.

F2는 병사의 체중이 아니라 짐운반기(10)를 통해 아래로 전달되는 중량의 반응력이다. 또, M1은 병사의 발목이 아니라 전적으로 발목관절(42)의 스프링(100)에서 생긴다. 따라서, F5는 전적으로 짐운반기로부터 생긴 F2와 M1의 합력이다. 병사에 의해 생긴 (F2와 비슷한) 지면반응, 병사의 발목에 의한 (M1과 비슷한) 모멘트 반응, 및 이에 따라 병사에 의해서만 생기는 (F5와 비슷한) 반응 합력도 있다. 짐운반기에서 생긴 반응들은 병사에서 생긴 반응들에 나란하도록 설계된다. 짐운반기 반응들이 물리적으로 위치와 방향과 크기에서 병사의 반응과 어울리지 못하면(즉, 반응선이 병사의 반응처럼 행동하지 않으면), 짐 운반을 위해 병사의 반응들을 보정해야 한다. 보정이 클수록 불편해지게 되어, 대사효율이 떨어진다.

Claims

몸으로 짐을 운반하는 사용자가 착용할 수 있고, 짐의 무게 일부분을 사용자의 다리로 보내지 않고도 짐의 무게(하중) 일부분을 지면에 전달해 유효 무게를 줄이는 짐운반기에 있어서:
짐의 무게(하중)을 받는 짐받침대;
하중을 사용자의 신발에 전달하기위한 부트클램프; 및
짐받침대와 부트클램프 사이에 연결되고, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 아랫쪽으로 전달하는 첫번째 (작동) 상태와, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 전달하지 않는 두번째 (미작동) 상태를 가지며, 사용자의 걸음을 감지해 상기 첫번째와 두번째 상태들 사이를 움직이는 연결부;를 포함하고,
상기 연결부는 짐받침대와 부트클램프 사이의 슬립조인트를 갖고, 이 슬립조인트는 연결부를 슬립조인트 윗쪽의 상부 연결부와 슬립조인트 아랫쪽의 하부 연결부를 나누며;
상기 슬립조인트가 닫혀있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 있는 제1 (결합) 위치와, 슬립조인트가 열려있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 없는 제2 (분리) 위치 사이로 상부 연결부와 하부 연결부가 슬립조인트를 통해 서로에 대해 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제1항에 있어서, 사용자가 (한쪽 발 뒤꿈치가 지면에 닿았다가 발가락이 지면을 떠나는) 입각기(stance phase) 동안을 제외하고 걷고있는 동안 어떤 지점에서도 하중의 내리전달을 차단하는 분리상태에 슬립조인트가 있도록 슬립조인트를 포함한 짐운반기의 부품들의 크기가 선택되는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제2항에 있어서, 상기 상부 연결부에 슬리브가 아랫쪽으로 돌출해있고 하부 연결부에 핀이 윗쪽으로 돌출해있으며, 상기 슬리브는 핀에 미끄럼 결합하여 슬립조인트를 제공하고, 슬리브 단부가 핀에 닿으면 슬립조인트가 결합위치에 있어 하중의 하향전달 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제3항에 있어서, 사용자가 걷는 동안에는 슬리브가 핀에 완전히 닿지 않고, 슬리브를 핀에서 쉽게 제거하여 짐운반기를 정지시킬 수 있도록 핀과 슬리브의 크기가 선택되는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제1항에 있어서, 상기 상부 연결부가 무릅관절을 중심으로 서로에 대해 피봇하는 2 연결구간을 갖고, 2 연결구간 사이의 상대적 피봇운동은 짐운반기가 아닌 사용자에 의해 이루어지며, 사용자의 걸음의 감지는 2 연결구간들의 상대적 피봇운동의 조절에 사용되지 않고, 상기 짐받침대와 부트클램프에서만 하향 하중전달 관계가 이루어지도록 짐운반기가 물리적으로 사용자에게 부착되는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제6항에 있어서, 사용자의 걸음의 감지에 응답해 첫번째와 두번째 상태들 사이에서 연결부의 움직임을 제어하는 하나의 액튜에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제1항에 있어서, 상기 부트클램프가 사용자의 신발의 측면과 안쪽에 고정되고, 부트클램프의 어떤 부분도 사용자가 디디는 지면과 신발 바깥창 사이로 신발 바깥창 밑에는 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제1항에 있어서, 상기 연결부가 부트클램프와 짐받침대 사이에 배치되는 다리부재와, 부트클램프를 다리부재에 연결하는 발목관절을 포함하고, 상기 발목관절은 사용자가 걷는 동안 신발이 지면에 닿았을 때 제1 피봇축을 중심으로 다리부재에 대해 피봇운동을 하며, 상기 발목관절은 부트클램프와 다리부재 사이에서 작용하는 스프링을 포함하고, 이 스프링은 사용자가 롤오버 상태에 있는 동안 압축되어 짐운반기의 힐피닝 효과에 대항하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제8항에 있어서, 상기 부트클램프가 사용자의 신발 측면에 고정되고, 부트클램프의 어떤 부분도 사용자가 디디는 지면과 신발 바깥창 사이로 신발 바깥창 밑에는 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
몸으로 짐을 운반하는 사용자가 착용할 수 있고, 짐의 무게 일부분을 사용자의 다리로 보내지 않고도 짐의 무게(하중) 일부분을 지면에 전달해 유효 무게를 줄이는 짐운반기에 있어서:
짐의 무게(하중)을 받는 짐받침대;
하중을 사용자의 신발에 전달하기위한 부트클램프; 및
짐받침대와 부트클램프 사이에 연결되고, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 아랫쪽으로 전달하는 첫번째 (작동) 상태와, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 전달하지 않는 두번째 (미작동) 상태를 가지며, 사용자의 걸음을 감지해 상기 첫번째와 두번째 상태들 사이를 움직이는 연결부;를 포함하고,
상기 부트클램프는 사용자의 신발 측면에 고정되고, 부트클램프의 어떤 부분도 사용자가 디디는 지면과 신발 바깥창 사이로 신발 바깥창 밑에는 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제10항에 있어서, 상기 부트클램프가 단일부품으로서 신발 뒤꿈치 둘레의 바깥창의 측면에서 바깥창의 안쪽으로 돌출하여 바깥창의 안쪽과 신발 측면에 다수의 체결구로 고정되는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제11항에 있어서, 신발 바깥창의 측면에 위치하는 다수의 체결구들 중의 하나가 짐운반기의 제1 피봇축을 형성하고, 상기 연결부는 사용자가 걷다가 정지상태에 있을 때 제1 피봇축을 중심으로 부트클램프에 대한 짐운반기의 다리의 피봇운동을 일으키는 발목관절을 갖는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제10항에 있어서, 상기 연결부가 짐받침대와 부트클램프 사이의 슬립조인트를 갖고, 이 슬립조인트는 연결부를 슬립조인트 윗쪽의 상부 연결부와 슬립조인트 아랫쪽의 하부 연결부를 나누며, 슬립조인트가 닫혀있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 있는 제1 (결합) 위치와, 슬립조인트가 열려있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 없는 제2 (분리) 위치 사이로 상부 연결부와 하부 연결부가 슬립조인트를 통해 서로에 대해 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제10항에 있어서, 상기 연결부가 부트클램프와 짐받침대 사이에 배치되는 다리부재와, 부트클램프를 다리부재에 연결하는 발목관절을 포함하고, 상기 발목관절은 사용자가 걷는 동안 신발이 지면에 닿았을 때 제1 피봇축을 중심으로 다리부재에 대해 피봇운동을 하며, 상기 발목관절은 부트클램프와 다리부재 사이에서 작용하는 스프링을 포함하고, 이 스프링은 사용자가 롤오버 상태에 있는 동안 압축되어 짐운반기의 힐피닝 효과에 대항하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제10항에 있어서, 상기 연결부가 짐받침대와 부트클램프 사이의 슬립조인트를 갖고, 이 슬립조인트는 연결부를 슬립조인트 윗쪽의 상부 연결부와 슬립조인트 아랫쪽의 하부 연결부를 나누며, 슬립조인트가 닫혀있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 있는 제1 (결합) 위치와, 슬립조인트가 열려있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 없는 제2 (분리) 위치 사이로 상부 연결부와 하부 연결부가 슬립조인트를 통해 서로에 대해 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
몸으로 짐을 운반하는 사용자가 착용할 수 있고, 짐의 무게 일부분을 사용자의 다리로 보내지 않고도 짐의 무게(하중) 일부분을 지면에 전달해 유효 무게를 줄이는 짐운반기에 있어서:
짐의 무게(하중)을 받는 짐받침대;
하중을 사용자의 신발에 전달하기위한 부트클램프; 및
짐받침대와 부트클램프 사이에 연결되고, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 아랫쪽으로 전달하는 첫번째 (작동) 상태와, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 전달하지 않는 두번째 (미작동) 상태를 가지며, 사용자의 걸음을 감지해 상기 첫번째와 두번째 상태들 사이를 움직이는 연결부;를 포함하고,
상기 연결부가 부트클램프와 짐받침대 사이에 배치되는 다리부재와, 부트클램프를 다리부재에 연결하는 발목관절을 포함하고, 상기 발목관절은 사용자가 걷는 동안 신발이 지면에 닿았을 때 제1 피봇축을 중심으로 다리부재에 대해 피봇운동을 하며, 상기 발목관절은 부트클램프와 다리부재 사이에서 작용하는 스프링을 포함하고, 이 스프링은 사용자가 롤오버 상태에 있는 동안 압축되어 짐운반기의 힐피닝 효과에 대항하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제16항에 있어서, 상기 스프링이 짐운반기의 제1 피봇축 뒤에 위치하고 압축되었을 때 제1 피봇축의 전방 위치에서 사용자의 신발에 대해 위로 (지면에) 작용하는 합력을 생성하여 힐피닝 효과에 대항하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제17항에 있어서, 상기 제1 피봇축이 부트클램프를 다리부재에 연결하는 회전 조인트에 위치하고, 상기 스프링은 압축되었을 때 상기 합력의 일부를 이루는 힘을 일으키고 제1 피봇축에 중심을 둔 모멘트를 일으키는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제16항에 있어서, 상기 연결부가 부트클램프에 고정되는 블록을 포함하고, 이 블록에 제1 피봇축이 위치하며, 상기 스프링은 압축되었을 때 제1 피봇축 뒤의 위치에서 블록에 대해 아랫쪽으로 작용하는 합력을 일으켜, 제1 피봇축의 전방에서 윗쪽으로 작용하는 힘을 일으키는 모멘트를 생성하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제16항에 있어서, 상기 연결부가 짐받침대와 부트클램프 사이의 슬립조인트를 갖고, 이 슬립조인트는 연결부를 슬립조인트 윗쪽의 상부 연결부와 슬립조인트 아랫쪽의 하부 연결부를 나누며, 슬립조인트가 닫혀있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 있는 제1 (결합) 위치와, 슬립조인트가 열려있어 상부 연결부에서 하부 연결부로 하중을 밑으로 전달할 수 없는 제2 (분리) 위치 사이로 상부 연결부와 하부 연결부가 슬립조인트를 통해 서로에 대해 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제16항에 있어서, 상기 부트클램프가 사용자의 신발의 측면과 안쪽에 고정되고, 부트클램프의 어떤 부분도 사용자가 디디는 지면과 신발 바깥창 사이로 신발 바깥창 밑에는 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제21항에 있어서, 상기 부트클램프가 사용자의 신발의 측면과 안쪽에 고정되고, 부트클램프의 어떤 부분도 사용자가 디디는 지면과 신발 바깥창 사이로 신발 바깥창 밑에는 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
몸으로 배낭과 같은 짐을 운반하는 사용자가 착용할 수 있고, 짐의 무게 일부분을 사용자의 다리로 보내지 않고도 짐의 무게(하중) 일부분을 지면에 전달해 유효 무게를 줄이는 짐운반기에 있어서:
짐의 무게(하중)을 받는 짐받침대;
하중을 사용자의 신발에 전달하기위한 부트클램프; 및
짐받침대와 부트클램프 사이에 연결되고, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 아랫쪽으로 전달하는 작동 상태와, 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 전달하지 않는 미작동 상태를 갖는 연결부;
사용자의 걸음을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서; 및
상기 센서에 응답해, 사용자의 걸음에 반응하여 작동 상태와 미작동 상태 사이에서 연결부의 움직임을 제어하며, 사용자의 걸음의 입각기(stance phase)의 시작을 감지했을 때 연결부를 작동 상태로 움직이고 뒤꿈치의 상승 상태를 감지했을 때 연결부를 미작동 상태로 움직이는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제23항에 있어서, 상기 연결부가 2개의 인접 부재들을 포함하고, 연결부가 작동 상태에 있을 때는 2개의 인접 부재들이 서로 결합하여 짐받침대에서 부트클램프로 하중을 전달하며, 연결부가 미작동 상태에 있을 때는 2개의 인접 부재들이 서로 분리되어 짐받침대에서 부트클램프까지의 하중전달 경로를 차단하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제24항에 있어서, 컴퓨터로 제어되는 전기작동 모터를 더 포함하고, 이 모터는 2개의 인접 부재들 중의 하나를 나머지에 대해 움직여 인접 부재들 사이의 간극을 개폐하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제25항에 있어서, 상기 연결부가 무릅관절을 중심으로 서로에 대해 피봇운동하는 아암구간과 다리구간을 포함하고, 이런 피봇운동은 짐운반기가 아닌 사용자에 의해 이루어지며, 사용자의 걸음의 감지가 열결부의 아암구간과 다리구간의 상대적 피봇운동을 제어하는데 사용되지 않고, 짐운반기가 사용자에게 착용되면 짐받침대와 부트클램프에서만 하향 하중전달이 일어나는 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제25항에 있어서, 상기 모터가 짐운반기의 유일한 동력 작동기인 것을 특징으로 하는 짐운반기.
제23항에 있어서, 액튜에이터가 잭스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 짐운반기.