KR20150137426A - 유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지면 지지력 조절 및 발목 각도 변경에 의한 구동모드의 전환을 위한 회전형 벨브를 포함하는 유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템에 관한 것이다.

Description

유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템{Hydraulic Actuating Unit And Artificial Foot Prosthesis System Having The Same}

본 발명은 하퇴의지 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 지면 지지력 조절 및 발목 각도 변경에 의한 구동모드의 전환을 위한 회전형 벨브를 포함하는 유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템에 관한 것이다.

각종 사고에 의한 하퇴(lower leg) 절단 또는 선천적 장애 등을 이유로 하퇴가 존재하지 않는 장애인들에게 직립 또는 보행 등을 위하여 신체의 하퇴를 대신하기 위한 하퇴위지 시스템이 요구된다.

종래 사용되던 하퇴의지 시스템의 경우 단순히 하퇴를 대체하는 역할, 즉 단순 지지 역할만 수행할 뿐이었다.

기술의 발달에 의하여 이러한 하퇴의지 시스템은 단순히 하퇴를 대체하는 것을 넘어서 보행 싸이클에 따라 신체의 발목과 마찬가지로 결합각도의 변경이 가능하고, 지면 지지력을 섬세하게 조절하여 자연스러운 보행 또는 직립을 가능하게 할 수 있다.

정상인의 보행 싸이클은 발이 지면에 닿을 때 즉, 입각기와, 발이 지면에 닿지 않는 유각기로 구분되고 이에 따라서 발목의 각도가 변화되어야 자연스러운 보행을 실현할 수 있다. 또한, 입각기 또는 유각기에 따라 하퇴에 의하여 요구되는 지면 지지력은 지속적으로 변화되어야 한다.

하퇴의지 시스템을 통해 자연스러운 보행을 가능하게 하려면 입각기 또는 유각기에 따라 하퇴의지 시스템은 관절각도가 능동적으로 변경되어야 하는 경우도 있고, 자연스럽게 지면 지지력이 증감 또는 하퇴의지 시스템의 발목이 완전히 고정되어야 하는 경우도 있다.

종래 소개된 하퇴의지 시스템은 지면 지지력(또는 임피던스)을 제공하기 위하여 유압 방식의 댐퍼 등을 채용한 경우, 발목 각도를 조절하기 위하여 발목 관절에 별도의 구동모터 등을 채용한 경우 및 댐퍼와 모터르 모두 구비하는 경우 등이 있을 수 있다.

하퇴의지 시스템에 댐퍼만 구동되는 경우, 수동식의 하퇴의지 시스템은 보행자가 보행을 하면서 지면과 보행자 사이에 작용하는 힘에 의해서만 조절 가능하므로 사용자가 계단을 오르는 등의 보행시 정상적인 보행이 불가능하고, 하퇴의지 시스템에 구동모터만 구비되는 경우 충분한 지면 지지력을 제공하기 어렵고, 하퇴의지 시스템에 지면 지지력 제공과 발목 각도 조절을 위한 각각의 댐퍼 및 구동모터 2개의 구동장치 모두가 구비되는 경우라도, 하퇴의지 시스템의 크기가 커지며 지면 지지력의 조절이 어렵고 모터와 댐퍼가 연동되어 제어되지 않으므로, 제어방법이 복잡해진다는 문제점이 있다.

본 발명은 지면 지지력 조절 및 발목 각도 변경에 의한 구동모드의 전환을 위한 회전형 벨브를 포함하는 유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 몸체부, 유압 실린더, 상기 유압 실린더 내에 구비되어 유압에 의하여 구동되는 피스톤 로드, 상기 피스톤 로드의 구동을 위한 상기 유압 실린더 내의 유압 생성을 위한 유압펌프 및 상기 유압펌프와 상기 유압 실린더를 선택적으로 연통시켜 상기 피스톤 로드를 구동하기 위한 순환유로를 형성하거나, 상기 피스톤 로드의 작동 저항을 조절하는 순환유로를 형성하기 위하여 회전 가능한 회전형 밸브를 포함하는 유압 구동유닛 및, 상기 몸체부에 힌지 결합되고, 상기 유압 구동유닛의 피스톤 로드의 단부에 일단이 고정되어 상기 피스톤 로드의 구동 여부 또는 지면 지지 여부에 따라 상기 몸체부에 대한 결합각도가 변경 가능한 발유닛을 포함하는 하퇴의지 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 상기 유압 구동유닛은 내부에 상기 유압 실린더, 상기 회전형 밸브 및 상기 유압펌프의 장착공간이 형성된 매니폴드 하우징을 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 매니폴드 하우징은 상기 유압 실린더, 상기 회전형 밸브 및 상기 유압펌프를 순차적으로 연결하여, 작동 유체의 유로 형성을 위한 복수 개의 연결관로를 구비할 수 있다.

여기서, 상기 매니폴드 하우징의 복수 개의 연결관로 중 적어도 1개의 연결관로가 상기 유압 실린더의 길이방향 일측에 연결되고, 나머지 연결관로가 상기 유압 실린더의 길이방향 타측에 연결될 수 있다.

이 경우, 상기 회전형 밸브는 원기둥 형태로 구성되며, 상기 회전형 밸브의 길이방향 표면에 서로 다른 길이를 갖으며 평행한 복수 개의 조절홈을 구비하고, 상기 회전형 밸브의 원주방향 표면에 동일한 길이를 갖으며 평행한 한 쌍의 제1 연결홈 및 제2 연결홈을 구비할 수 있다.

또한, 복수 개의 조절홈과 한 쌍의 상기 연결홈은 상기 회전형 밸브의 반대방향에 형성될 수 있다.

그리고, 상기 회전형 밸브로 연결되는 상기 매니폴드의 연결관로는 일렬로 나란히 배치되며, 상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 회전형 밸브의 조절홈과 연통되는 매니폴드 연결관로의 개수에 따라 피스톤 로드의 축방향 작동 저항이 조절될 수 있다.

여기서, 상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 회전형 밸브의 조절홈과 연통되는 매니폴드 연결관로의 개수가 증가되면, 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브의 조절홈을 연결하는 순환유로의 개수가 증가되어 피스톤 로드의 축방향 저항력이 감소될 수 있다.

이 경우, 상기 발유닛의 후방 바닥면이 지면에 닿는 초기 입각기에서, 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브의 조절홈을 연결하는 순환유로의 개수가 증가되어 상기 발유닛의 지면 지지력이 감소될 수 있다.

또한, 상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 회전형 밸브의 조절홈과 연통되는 매니폴드 연결관로의 개수가 감소되면, 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브의 조절홈을 연결하는 순환유로의 개수가 줄어들어 피스톤 로드의 축방향 작동 저항이 증가될 수 있다.

그리고, 상기 발유닛의 전면 바닥면이 지면에 닿는 중간 입각기에서, 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브의 조절홈을 연결하는 순환유로의 개수가 줄어들어 상기 발유닛의 지면 지지력이 증가될 수 있다.

여기서, 상기 회전형 밸브의 회전에 따라 매니폴드를 구성하는 모든 연결관로가 상기 회전형 밸브의 조절홈 또는 연결홈과 연통되지 않으면 피스톤 로드는 고정될 수 있다.

이 경우, 상기 발유닛의 전방 바닥면이 지면에 닿는 말기 입각기에서, 상기 회전형 밸브의 조절홈 또는 연결홈과 상기 매니폴드를 구성하는 모든 연결관로는 연통되지 않아 상기 몸체부와 상기 발유닛의 결합각도가 고정될 수 있다.

또한, 상기 매니폴드의 연결관로 중 2개의 연결관로는 한 쌍의 상기 제1 연결홈 및 제2 연결홈을 통해 상기 유압펌프와 상기 유압 실린더를 연결하는 순환유로를 형성하고, 상기 유압펌프의 작동시 상기 피스톤 로드의 구동력이 발생될 수 있다.

그리고, 상기 제1 연결홈과 상기 제2 연결홈은 회전형 밸브의 원주 방향으로 90도 범위로 형성되며, 상기 제1 연결홈과 상기 제2 연결홈에 의하여 상기 유압펌프와 상기 유압 실린더를 연결하는 순환유로의 방향이 수직하게 변경될 수 있다.

여기서, 상기 유압펌프는 기어펌프이며, 상기 기어펌프의 구동기어를 구동하기 위한 DC 모터가 구비될 수 있다.

이 경우, 상기 회전형 밸브를 회전 구동하기 위한 스테핑 모터를 구비할 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유압 실린더, 상기 유압 실린더 내에 구비되어 유압에 의하여 구동되는 피스톤 로드, 상기 피스톤 로드의 구동을 위한 상기 유압 실린더 내의 유압 생성을 위한 기어펌프 및, 상기 기어펌프와 상기 유압 실린더를 선택적으로 연통시키는 회전형 밸브, 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브를 연결하는 복수 개의 연결관로를 포함하는 유압 구동유닛을 제공할 수 있다.

그리고, 상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 유압 실린더와 상기 기어펌프가 연결되어 상기 기어펌프의 구동력에 의하여 상기 피스톤 로드가 구동될 수 있다.

여기서, 상기 유압 실린더와 상기 기어펌프를 연결하기 위하여 원기둥 형태의 상기 회전형 밸브의 표면에 원주 방향으로 평행한 한 쌍의 홈을 구비할 수 있다.

이 경우, 상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 복수 개의 연결관로를 통해 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브 사이에 순환유로를 형성하여 피스톤 로드의 저항력의 크기가 조절하기 위하여 상기 회전형 밸브에 적어도 1개의 홈이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 홈은 복수 개가 구비되고, 복수 개의 상기 홈은 회전형 밸브 표면에 길이방향으로 평행하며 서로 다른 길이로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템에 의하면, 임피던스 조절과 구동모드의 전환을 위해 회전형 밸브를 포함하는 임피던스 조절 하퇴의지 시스템을 제공함으로써, 하퇴의지의 발목관절이 정상인의 보행 특성과 유사하게 됨으로써 하퇴의지 시스템을 사용하는 보행자가 정상인의 보행과 유사한 보행을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템에 의하면, 지면 지지력 제공과 발목 각도 조절을 하나의 유압 구동유닛으로 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템에 의하면, 구동장치를 단일화하여, 하퇴의지 시스템의 부피 및 무게를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 유압 구동유닛의 작동상태를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템에 따른 유압 구동유닛에서 매니폴드 하우징을 투시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 회전형 밸브의 사시도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 유압 구동유닛에서 매니폴드 하우징을 제외시킨 사시도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 매니폴드 하우징의 투시도 이다.
도 7은 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 구동모드에 따른 회전형 밸브의 회전을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 보행 주기에 따른 발목 각도의 변화를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성 요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 사시도를 도시한다.

본 발명에 따른 하퇴의지 시스템은 신체의 발바닥 역할을 수행하는 발유닛(300), 신체의 종아리 하부 역할을 수행하며 상기 발유닛(300)이 회전 가능하게 결합되는 본체부(100)를 포함하며, 보행 과정에서 상기 발유닛(300)은 상기 본체부(100)에 대하여 필요시 발목 각도의 변경 및 지면 지지력 확보가 필요하다.

본 발명에 다른 하퇴의지 시스템(1000)은 몸체부(100), 유압 구동유닛(200) 및 발유닛(300)을 포함하여 구성될 수 있다.

구체적으로는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)은 몸체부(100), 유압 실린더, 상기 유압 실린더 내에 구비되어 유압에 의하여 구동되는 피스톤 로드, 상기 피스톤 로드의 구동을 위한 상기 유압 실린더 내의 유압 생성을 위한 유압펌프 및 상기 유압펌프와 상기 유압 실린더를 선택적으로 연통시켜 상기 피스톤 로드를 구동하기 위한 순환유로를 형성하거나, 상기 피스톤 로드의 작동 저항을 조절하는 순환유로를 형성하기 위하여 회전 가능한 회전형 밸브를 포함하는 유압 구동유닛(200) 및, 상기 몸체부에 힌지 결합되고, 상기 유압 구동유닛의 피스톤 로드의 단부에 일단이 고정되어 상기 피스톤 로드의 구동 또는 지면 지지 여부에 따라 상기 몸체부에 대한 결합각도가 변경 가능한 발유닛(300)을 포함하여 구성될 수 있다. 이하 각각의 구성에 대하여 자세하게 설명하기로 한다.

상기 몸체부(100)는 사용자의 하퇴 상부 신체 측에 장착되는 부분이며, 상기 발유닛(300)은 사용자의 보행시 지면과 접촉되는 부분이다.

상기 발유닛(300)은 보행시 피스톤 로드의 구동 여부 또는 발유닛의 지면 지지 여부에 따라 발목 각도의 변경이 가능하도록 상기 몸체부(100) 하단에 힌지 결합되도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 발유닛은 상기 몸체부(100)에 장착된 유압 구동유닛(200)과 결합되어 유압 구동유닛의 구동력에 의하여 지면 지지력이 조절되거나 발목 각도가 변경될 수 있다.

상기 발유닛(300)은 상기 몸체부(100)에 장착된 유압 구동유닛(200)의 피스톤 로드(255)와 힌지 결합되고 상기 몸체부(100)의 하단 양측과 힌지 결합 하므로, 상기 피스톤 로드(255)가 상기 유압 구동유닛(200)을 기준으로 추진 되거나 견일 될 때 상기 몸체부(100)와 힌지 결합된 곳을 기준으로 전방 또는 후방으로 회전 운동하여 발목 각도가 변경될 수 있다.

구체적으로, 상기 몸체부(100)는 하단부 양 측면에 상기 발유닛(300)과 힌지 결합되는 제1 힌지결합부(105) 및 제2 힌지 결합부(미도시)가 구비된다.

상기 발유닛(300)은 발판(320)과 장착 브라켓(310)으로 구성될 수 있다.

상기 발판(320)은 충격 흡수 또는 완화를 위하여 발꿈치 영역이 수직방향으로 이격된 이중구조로 구성될 수 있으며, 이중구조 내측에 완충재(321) 등이 구비될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 발유닛(300)을 구성하는 발판(320)은 얇은 판 형태로 구성될 수 있으므로 상기 몸체부(100) 및 상기 유압 구동유닛(200)을 힌지 결합하기 쉽지 않을 수 있다. 따라서, 상기 발유닛(300)을 구성하는 장착 브라켓(310)은 상기 발유닛(300)을 상기 몸체부(100) 및 상기 유압 구동유닛(200)과 체결하기 위한 체결수단 또는 체결장소로 사용될 수 있다.

상기 장착 브라켓(310)은 일체로 구성될 수도 있고, 도 1에 도시된 바와 같이, 바닥판(311)과 2개의 마주보는 수직판(312) 등으로 구성될 수도 있다.

상기 장착 브라켓(310)에 상기 몸체부(100)의 제1 힌지결합부(105) 및 제2 힌지 결합부(미도시)와 힌지(h1)에 의하여 힌지 결합되는 방법으로 상기 몸체부(100)와 상기 발유닛(300)이 힌지 결합되어 발목 각도가 변경이 가능하도록 구성될 수 있다.

그리고, 상기 몸체부(100)에 장착되어 있는 상기 유압 구동모듈(200)은 끝단이 'T'자 형태로 구성된 로드 힌지(255h)를 구비하는 피스톤 로드(255)를 포함하고, 상기 유압 구동유닛(200)의 피스톤 로드(255)의 하단에 구비된 로드 힌지(255h)와 상기 상기 장착 브라켓(310)이 힌지 결합되어, 상기 몸체부(100)에 장착된 유압 구동유닛(200)의 구동력이 상기 발유닛(300)을 구동하거나 상기 발유닛(300)을 구속할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 유압 구동유닛(200)의 작동상태를 도시하며, 도 3은 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)에 따른 유압 구동유닛(200)에서 매니폴드 하우징(290)의 투시도를 도시한다.

본 발명에 따른 유압 구동유닛(200)은 유압 실린더(250), 상기 유압 실린더(250) 내에 구비되어 유압에 의하여 구동되는 피스톤 로드(255), 상기 피스톤 로드(255)의 구동을 위한 상기 유압 실린더(250) 내의 유압 생성을 위한 유압펌프(230) 및 상기 유압펌프(230)와 상기 유압 실린더(250)를 선택적으로 연통시키는 회전형 밸브(210)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유압 구동유닛(200)은 유압펌프를 구동하고, 회전형 밸브를 회전시켜 피스톤 로드(255)를 승강 구동하거나, 회전형 밸브를 회전시켜 피스톤 로드(255)의 작동 저항을 조절하거나 피스톤 로드(255)를 고정할 수 있다.

본 발명에 따른 유압 구동유닛(200)은 상기 유압 실린더(250) 및 상기 유압펌프(230)와 상기 유압 실린더(250)를 선택적으로 연통시키는 유로 등을 구성하는 방법으로서, 별도의 실린더 또는 배관 등을 사용하지 않고, 매니폴드 하우징(290)을 사용하고 그 내부에 실린더(250) 및 유로 등을 형성하는 방법을 사용한다.

도 3을 참조하면, 상기 유압 구동유닛(200)의 매니폴드 하우징(290)은 내부에 회전형 밸브(210), 유압펌프(230) 등을 수용하고, 유압 실린더(250)를 형성하고 있음을 확인할 수 있다.

상기 매니폴드 하우징(290)의 내측에 형성된 유압 실린더(250)에 장착되어 유압 구동되는 피스톤 로드(255)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 매니폴드 하우징(290)의 상부와 하부로 상단과 하단이 노출될 수 있도록 승강 가능하게 장착될 수 있다.

상기 피스톤 로드(255)의 승강되면 상기 발유닛(300)은 상기 몸체부(100)에 대하여 체결각도, 즉 발목 각도가 변경될 수 있다.

상기 매니폴드 하우징(290)은 상기 유압 구동유닛(200)의 구성에 필요한 핵심 구성요소들인 회전형 밸브(210), 유압펌프(230) 및 유압 실린더(250)가 위치할 수 있는 공간을 제공하며, 상기 구성요소들을 연결하는 연결관로가 내부에 형성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 이해를 돕기 위해, 상기 유압 구동유닛(200)에서 상기 매니폴드 하우징(290)을 투시하여 상기 매니폴드 하우징(290)내의 구성요소들의 위치와 상기 구성요소들의 연결관계를 도시한다.

상기 매니폴드 하우징(290)은 내측에 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)를 구비하며, 각각의 연결관로의 조합에 의하여 후술하는 순환유로 또는 조절유로를 형성하게 된다. 즉, 상기 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)는 상기 회전형 밸브(210), 유압펌프(230) 및 유압 실린더(250)중 전체 또는 일부를 연결하거나 차단하여 유로를 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)은 상기 유압 구동유닛(200)에 의한 구동모드 변경 및 지면 지지력(유압 실린더에 장착된 피스톤 로드의 작동 저항 또는 임피던스) 조절이 필요하다.

상기 구동모드 변경 및 임피던스 조절은 상기 유압 구동유닛(200) 내를 순환 또는 이동하는 유체의 경로를 조절 함으로써 가능하며, 상기 구동모드 변경 및 임피던스 조절에 따라 상기 유압 구동유닛(200)은 적절한 피스톤 로드의 작동 저항(임피던스)을 발생시켜 지면 지지력을 변화시키거나, 상기 피스톤 로드(255)를 추진시켜 구동모드를 변경시킬 수 있다.

전술한 상기 하퇴의지 시스템(1000)의 구동모드 변경 및 임피던스 조절은 본 발명에 있어서 핵심적인 특징이라 할 수 있으며, 상기 구동모드 변경 및 임피던스 조절은 상기 회전형 밸브(210)를 통해 구현될 수 있다. 따라서, 상기 회전형 밸브(210) 및 그 작동 원리에 대해 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)의 회전형 밸브(210)의 사시도를 도시하며, 도 5는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)의 유압 구동유닛(200)에서 매니폴드 하우징(290)을 제외시킨 사시도를 도시하며, 도 6은 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)의 매니폴드 하우징(290)의 투시도이다.

상기 회전형 밸브는 원기둥 형태로 구성되며, 상기 회전형 밸브의 길이방향 표면에 서로 다른 길이를 갖으며 평행한 복수 개의 조절홈을 구비하고, 상기 회전형 밸브의 원주방향 표면에 동일한 길이를 갖으며 평행한 한 쌍의 제1 연결홈 및 제2 연결홈을 구비할 수 있다.

상기 조절홈 또는 상기 연결홈은 유압 실린더의 작동유체가 특정 연결관을 통해 공급된 후 다시 다른 연결관을 통해 흘러 나가는 회전형 밸브 상의 유로로서 '홈'으로 작용하게 된다.

상기 조절홈은 후술하는 바와 같이, 피스톤 로드에 의한 지면 지지력의 조절을 위한 복수 개가 구비될 수 있으나, 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서는 상기 조절홈이 2개가 구비된다. 그러나 상기 조절홈의 개수는 필요에 따라 증감될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 조절홈(c1, c2)과 한 쌍의 상기 연결홈(g1, g2)은 상기 회전형 밸브의 반대방향에 형성될 수 있다.

그리고, 상기 연결홈은 상기 유압 실린더와 상기 유압펌프를 순환하는 연결하는 순환유로를 형성하기 위하여 동일한 길이로 상기 회전형 밸브의 표면에 원주 방향으로 평행하게 한 쌍이 구비될 수 있다. 그러나, 필요에 따라 개수는 더 늘어날 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 회전형 밸브(210)는 원기둥 형태로 구성되며 상기 회전형 밸브(210)의 길이 방향 표면에 평행하고 길이가 다른 제1 조절홈(c1) 및 제2 조절홈(c2)를 구비하며, 상기 회전형 밸브(210)의 원주 방향 표면에 동일한 길이를 갖고 평행한 한 쌍의 제1 연결홈(g1) 및 제2 연결홈(g2)를 구비할 수 있다.

상기 제1 연결홈(g1), 제2 연결홈(g2), 제1 조절홈(c1) 및 제2 조절홈(c2)은 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 매니폴드 하우징(290) 내부의 복수 개의 연결관로(p1내지 p6) 중 일부와 연결되거나 차단될 수 있다.

상기 매니폴드 하우징(290) 내에 장착되는 상기 회전형 밸브(210)는 스테핑 모터(220)에 의하여 길이방향을 회전 축방향으로 하여 회전할 수 있으며, 상기 회전형 밸브(210)에 회전에 의해서 상기 회전형 밸브(210)의 제1 연결홈(g1), 제2 연결홈(g2), 제1 조절홈(c1) 및 제2 조절홈(c2)과 상기 매니폴드 하우징(290)에 구비되는 복수개의 연결관로(p1내지 p6)중 일부와 연결되거나 차단되어 작동 유체의 유로가 다양한 형태로 변경될 수 있다.

상기 유압 구동유닛(200)은 상기 매니폴드 하우징(290) 내부에 형성된 유압 실린더(250)의 길이방향과 평행한 방향으로 하여 스태핑 모터(220), 회전형 밸브(210), 유압펌프(230) 및 DC모터(240)가 나란히 지면방향 순서로 배치된다.

유압 실린더와 함께 나란히 스태핑 모터(220), 회전형 밸브(210), 유압모터(230) 및 DC모터(240)를 배치하여 매니폴드 하우징(290) 내측의 유로를 단순화 및 최단 거리화하고, 유압 구동유닛 전체의 형상을 대략 직육면체 형태로 구성하기 위함이다.

상기 매니폴드 하우징(290) 내부에 형성된 유압 실린더(250)는 내부에 상기 유압 실린더(250)의 길이 방향과 동일한 방향으로 위치하며 원기둥 형태를 한 피스톤 로드(255)가 수용된다.

상기 유압 실린더(250)의 길이방향 양끝단에는 유압 실린더 커버(257, 258)가 결합되어 있으며, 상기 유압 실린더 커버(257, 258)은 중앙에 원형의 홀을 형성하여 상기 피스톤 로드(255)가 상기 유압 실린더(250)의 양끝단 외부로 돌출된 상태로 작동유체에 의하여 피스톤 로드(255)가 진퇴 가능하도록 구성될 수 있다.

상기 피스톤 로드(255)는 중앙에 상기 유압 실린더(250)의 단면 직경과 대응되는 직경을 갖는 구동판(259)을 포함하여 상기 유압 구동모듈(200) 내에 유체가 순환할 때 유체에 의한 압력으로 상기 피스톤 로드(255)를 상기 유압 실린더(250) 외측으로 추진시키는 역할을 한다.

상기 스태핑 모터(220)는 측부에 구비된 구동 기어(222)를 구동시키며, 상기 구동 기어(222)는 상기 회전형 밸브(210)에 연결된 밸브 기어(212)를 구동시키므로, 결국 상기 스태핑 모터(220)는 상기 회전형 밸브(210)를 구동하는 구동력을 제공한다. 그리고, 상기 회전형 밸브(210)는 상기 유압 실린더(250)와 수직한 방향으로 배치될 수 있다.

상기 회전형 밸브(210)와 인접한 위치, 즉 도 5에 도시된 실시예에서, 상기 회전형 밸브(210) 하부에 유압펌프(230)가 배치될 수 있다.

상기 유압 실린더(250)에서 상기 회전형 밸브(210)를 경유하여 상기 유압펌프(230)를 경유하는 순환 유로가 형성된 상태에서 상기 유압펌프(230)를 작동시키면, 작동 유체에 의하여 상기 피스톤 로드(255)의 구동판(259)가 추진되어 상기 피스톤 로드(255)을 진퇴 구동시킬 수 있다.

상기 유압펌프(230)는 두 개의 기어가 맞물려 있는 기어펌프로 구성될 수 있다.

상기 유압펌프(230) 하부에는 DC모터(240)가 장착될 수 있다. 상기 DC모터(240)는 동력을 상기 유압펌프(230)에 전달하여 상기 유압펌프(230)를 구성하는 두개의 기어를 서로 맞물려 회전시켜, 상기 유압펌프(230)를 구동시켜 상기 유압펌프(230)와 상기 유압 실린더(250)을 순환하는 작동유체에 압력 편차를 발생시켜 상기 피스톤 로드(255)를 구동하는 구동력을 제공하는 기능을 수행하게 된다.

상기 유압펌프(230)를 구성하는 두 개의 기어는 빠르게 회전하며, 상기 유압펌프(230)를 구성하는 두 개의 기어가 맞물려 회전하는 원주면 사이로 유체가 통과 할 때, 상기 작동 유체는 압축 등에 의한 압력차가 발생되며, 이러한 압력차는 상기 구동판(259) 등의 작용 압력이 될 수 있다.

상기 유압펌프(230)의 두 개의 기어의 속도는 상기 DC모터를 통해 결정되며, 본 발명에 따른 적절한 유압펌프(230)를 구성하는 두 개의 기어의 속도를 조절하기 위해서, 기어의 기어비가 변경될 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 적용하는 유압펌프(230)는 두 개의 기어가 맞물려 회전하는 기어펌프일 수 있다. 하지만 상기 기어펌프는 하나 또는 복수개의 기어를 포함하여 작동할 수 있으며, 상기 기어펌프가 아니라도 본 발명에 따른 유체에 흐름에 압력을 줄 수 있는 어떠한 형태라면 본 발명에 있어서 유압펌프(230)로서 적용 가능하다.

본 발명에 따른 유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템은 회전형 밸브를 회전시키기 위하여 스태핑 모터가 구비되고, 작동 유체의 압력차를 발생시키기 위하여 DC모터가 적용될 수 있다.

그러나, 각각의 모터는 몸체부와 발유닛 간의 체결각도를 직접 조절하기 위하여 구비되는 모터가 아닌 회전형 밸브를 미리 결정된 범위로 회전시키거나 유압펌프 등을 작동시키기 위한 모터에 불과하여 출력, 크기 또는 무게가 크지 않다. 따라서, 발목 각도를 직접 조절하기 위하여 관절 회전용 구동모터를 장착하는 경우에 비해 그 부피, 무게 또는 비용적인 측면에서 크게 유리하다.

이하에서는 상기 유압 구동유닛(200)의 유압 실린더(250), 회전형 밸브(210) 및 유압펌프(230)가 위치하는 공간을 제공하고 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)을 구비하여 상기 유압 실린더(250), 회전형 밸브(210) 및 유압펌프(230)를 연결하는 매니폴드 하우징(290)에 대해 살펴봄으로써, 상기 유압 구동유닛(200)의 작용에 대하여 설명한다.

상기 매니폴드 하우징(290)은 상기 회전형 밸브(210)및 유압펌프(230)가 위치할 수 있는 회전형 밸브 장착공간(215) 및 유압펌프 장착공간(235)을 제공하며, 유압 실린더(250)와 상기 회전형 밸브 장착공간(215), 유압펌프 장착공간(235) 및 유압 실린더(250)를 연결하는 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)를 포함할 수 있다.

상기 회전형 밸브 장착공간(215), 유압펌프 장착공간(235) 및 유압 실린더(250)는 상기 도 5에서 전술한 회전형 밸브(210), 유압펌프(230) 및 유압 실린더(250)의 위치 및 방향과 동일하게 구성되며, 상기 회전형 밸브 장착공간(215) 및 유압펌프 장착공간(235)은 상기 회전형 밸브(210) 및 유압펌프(230)를 수용하기 적절한 모양과 크기로 구성될 수 있다.

상기 유압 실린더(250)는 4개의 연결관로(p1 내지 p4)의 일단부와 연결되어 있으며 상기 4개의 연결관로(p1 내지 p4)의 타단부는 상기 회전형 밸브 장착공간(215)의 길이 방향과 나란한 방향으로 배치될 수 있다.

상기 회전형 밸브(210)는 상기 회전형 밸브(210)에 연결된 복수 개의 연결관로(p1 내지 p4)중 외측에 위치한 두개의 연결관로(p1, p4)이 각각 연결되어 있는 곳에서 원주면을 따라 90°가 되는 지점에 각각 두개의 다른 연결관로(p5, p6)의 일단부와 연결되며 상기 두개의 다른 연결관로(p5, p6)의 타단부는 상기 유압펌프 장착공간(235)과 연결된다. 결국, 복수 개의 연결관로(p1 내지 p4) 중 외측에 위치한 두개의 연결관로(p1, p4)와 상기 회전형 밸브 장착공간(215)과 유압펌프 장착공간(235)을 연결하는 두 개의 연결관로(p5, p6)는 상기 회전형 밸브 장착공간(215)를 중심으로 수직으로 직교하도록 형성될 수 있다.

상기 회전형 밸브 장착공간(215), 유압펌프 장착공간(235) 및 유압 실린더(250)와 상기 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)에 의하여, 상기 회전형 밸브(210), 기어펌프(230) 및 유압 실린더(250)는 다양한 유로를 형성하며 연결되거나, 차단될 수 있다.

상기 상기 회전형 밸브(210), 기어펌프(230) 및 유압 실린더(250)와 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)에 의한 유로의 형성 또는 차단은 상기 회전형 밸브(210)의 회전에 따라 결정될 수 있다.

그리고, 상기 매니폴드 하우징의 복수 개의 연결관로(p1 내지 p4) 중 적어도 1개의 연결관로가 상기 유압 실린더의 길이방향 일측에 연결되고, 나머지 연결관로가 상기 유압 실린더의 길이방향 타측에 연결될 수 있다.

예를 들면, 복수 개의 연결관로(p1 내지 p4)가 상기 유압 실린더(250)의 길이방향으로 순차적으로 이격된 위치에 연결될 수 있으며, 작동 유체의 유동에 따라 상기 구동판(259)에 구동압을 인가하여 상기 피스톤 로드(255)를 구동시킬 수 있다. 따라서, 피스톤 로드를 구동하기 위해서는 유압 실린더의 구동판 일측과 타측에 각각 연결관로가 연결되어야 하므로 적어도 1개의 연결관로는 나머지 연결관로가 연결된 쪽이 아닌 반대 영역에 연결되어야 한다.

도 6에 도시된 실시예에서는 각각 2개의 연결관로가 상기 작동판을 기준으로 양측에 연결되어 구성됨이 도시된다.

본 발명에 따른 유압 구동유닛은 전술한 바와 같이, 상기 회전형 밸브 장착공간(215) 및 유압 실린더(250)는 제1 내지 제4 연결관로(p1 내지 p4)로 연결되고, 상기 회전형 밸브 장착공간(215) 및 유압펌프 장착공간(235)은 제5 및 제6 연결관로(p5, p6)로 연결되며, 상기 회전형 밸브 장착공간(215)에 회전 가능하게 장착되는 회전형 밸브(210)는 제1 내지 제4 연결관로(p1 내지 p4)와 제5 및 제6 연결관로(p5, p6)를 연결시키거나 차단하거나 또는 모든 연결관로를 통한 작동 유체의 흐름을 완전히 차단하는 등의 기능을 수행할 수 있다.

이하에서는 상기 회전형 밸브(210)의 회전에 따른 상기 회전형 밸브(210), 기어펌프(230) 및 유압 실린더(250)와 상기 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)의 연결 변화와 그에 따른 구동모드 변경과 임피던스 조절에 대해 살펴보도록 한다.

도 7은 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 구동모드에 따른 회전형 밸브의 회전을 도시한다. 구체적으로, 도 7(a)는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 능동모드에서 상기 회전형 밸브를 중심으로 작동 유체의 유로를 도시하며, 도 7(b)는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 낮은 임피던스 수동모드에서 상기 회전형 밸브를 중심으로 작동 유체의 유로를 도시하며, 도 7(c)는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 높은 임피던스 수동모드에서 상기 회전형 밸브를 중심으로 작동 유체의 유로를 도시하며, 도 7(d)는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템의 고정모드를 도시한다.

상기 제1 연결관로 내지 제6 연결관로(p1 내지 p6)는 상기 매니폴드 하우징(290)의 회전형 밸브 장착공간(215), 유압펌프 장착공간(235) 및 유압 실린더(250)와 연결되어 있으며, 따라서 상기 회전형 밸브(210)의 회전에 따라 다양한 작동 유체의 유로를 형성할 수 있다.

상기 회전형 밸브(210)의 길이방향 표면에 형성된 서로 다른 길이를 갖는 제1 조절홈(c1) 및 제2 조절홈(c2)과 상기 회전형 밸브(210)의 원주방향 표면에 동일한 길이를 갖으며 평행한 한 쌍의 제1 연결홈(g1) 및 제2 연결홈(g2)은 각각 연결관로(p1 내지 p6)와 연결되는 경우 작동 유체의 유로를 형성하게 되며, 상기 회전형 밸브(210)가 회전함에 따라 그 위치가 변경된다.

상기 제1 연결홈(g1) 및 제2 연결홈(g2)의 일단부 및 타단부, 상기 제1 조절홈(c1) 및 상기 제2 조절홈(c2)은 상기 회전형 밸브(210)의 원주방향으로 각각 90°의 간격을 유지하도록 구성될 수 있다.

물론, 조절홈의 개수가 2개 보다 많이 형성되는 경우 등에는 조절홈 간의 간격이 90° 이하의 간격을 갖도록 구성될 수도 있다.

상기 회전형 밸브(210)가 90°씩 회전하면 상기 제1 연결홈(g1), 제2 연결홈(g2), 제1 조절홈(c1) 및 상기 제2 조절홈(c2)은 90°씩 회전하여 상기 회전형 밸브 장착공간(215)과 연결된 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)의 일부와 연결된다.

따라서 상기 회전형 밸브(210)는 구동모드에 따라 회전되어 상기 제1 연결홈(g1), 2연결홈(g2), 제1 조절홈(c1) 및 제2 조절홈(c2)과 상기 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)과의 연결에 따른 유로가 변경될 수 있다.

본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)의 구동모드는 상기 회전형 밸브(210)가 회전하여 상기 제1 연결홈(g1), 2연결홈(g2), 제1 조절홈(c1) 및 제2 조절홈(c2)과 상기 복수 개의 연결관로(p1 내지 p6)의 연결이 변경됨에 따라서 능동 모드, 낮은 임피던스 수동모드, 높은 임피던스 수동모드 및 고정모드로 분류하였다.

하퇴의지 시스템의 능동모드는 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 상기 회전형 밸브(210)는 상기 제1 연결홈(g1) 및 제2 연결홈(g2)의 일단부는 상기 유압 실린더와 연결되어 있는 2개의 연결관로(p1, p4)과 연결되며, 상기 제1 연결홈(g2) 및 제2 연결홈(g2)의 말단부는 상기 유압펌프(230)와 연결되어 있는 두 개의 연결관로 (p5, p6)과 연결되는 능동 모드일 수 있다.

상기 능동 모드에서, 상기 제1 연결홈(g1)의 일단부 및 타단부에 연결되어 있는 두 개의 유로(p1, p5) 및 제2 연결홈(g2)의 일단부 및 타단부에 연결되어 있는 두 개의 유로(p4, p6)는 각각 연통되어 유체의 순환이 가능하다.

따라서 상기 회전형 밸브(210)는 회전하지 않은 상태에서 상기 유압 실린더(250), 회전형 밸브(210) 및 유압펌프(230)와 4개의 연결관로(p1, p4, p5, p6) 을 통해 유체가 순환하는 유체 순환유로(250 <-> p1 <-> 210(g1) <-> p5 <-> 230 <-> p6 <-> 210(g2) <-> p4 <-> 250, 이하 CP라 칭함)가 형성된다.

상기 유체 순환유로(CP)를 통하여 유체는 순환되며, 상기 유체는 순환할 때 상기 유압펌프(230)를 통과(p5 <-> 230 <-> p6) 하게되며, 상기 유압펌프(230)를 통과하여 가압된 작동 유체는 상기 유압 실린더(250)로 진입하여 상기 피스톤 로드(255)에 포함되어 있는 상기 구동판(259)을 가압하여 상기 구동판(259)을 포함하는 상기 피스톤 로드(255)는 상기 유압 실린더(250)의 상부 또는 하부로 추진된다.

도 7(b)에 도시된 낮은 임피던스 수동모드는 상기 회전형 밸브(210)는 90° 회전하여 상기 회전형 밸브(210)의 길이방향 표면의 길이가 긴 제1 조절홈(c1)에 4개의 연결관로(p1 내지 p4)가 연결되는 낮은 임피던스 수동모드로 전환될 수 있다. 상기 낮은 임피던스 수동모드 에서, 제1 조절홈(c1)에 일단부가 연결된 4개의 연결관로(p1 내지 p4)는 그 타단부가 상기 유압 실린더(250)와 연결된다.

따라서 상기 유압 실린더(250) 및 회전형 밸브(210)는 상기 4개의 연결관로(p1 내지 p4)와 연결되어 제1 임피던스 유로(250 <-> p1, p2 <-> 210 (c1) <-> p3, p4 <-> 250, 이하 IF1이라 칭함)를 형성한다.

상기 제1 임피던스 유로(IF1)를 경유하는 작동유체는 제1 및 제2 연결관로(p1, p2) 또는 제3 및 제4 연결관로(p3, p4)에서 상기 회전형 밸브(210)의 긴 제1 조절홈(c1)을 경유하여 제3 및 제4 연결관로(p3, p4) 또는 제1 및 제2 연결관로(p1, p2)로 유동하게 된다.

상기 제1 임피던스 유로(IF1)에서 이동하는 유체는 상기 유압펌프 측으로 순환되지 못하며, 상기 제1 임피던스 유로(IF1) 내에서만 이동하게 된다. 따라서 상기 유압 구동유닛(200) 내에서 순환유로를 형성하지 않고 상기 제1 임피던스 유로(IF1) 내에서 이동하는 유체는 상기 유압 실린더(250)의 내측 방향으로 받는 외부 힘에 대한 저항력(또는 임피던스)을 갖게 된다.

또한, 상기 회전형 밸브(210)는 180°회전하여 상기 회전형 밸브(210)의 길이방향 표면의 제2 조절홈(c2)에 2개의 연결관로(p2,p3)가 연결되는 높은 임피던스 수동모드로 전환될 수 있다. 상기 제2 조절홈(c2)에 일단부가 연결된 2개의 연결관로(p2,p3)는 그 타단부가 상기 유압 실린더(250)와 연결된다.

상기 제1 연결관로 내지 제4 연결관로(p1 내지 p4)는 나란하게 순차적으로 배치되므로 낮은 임피던스 또는 작동저항을 구현하기 위해서는 4개의 연결관로(p1 내지 p4)가 동시에 임피던스 유로를 형성하는 경우에는 4개의 연결관로(p1 내지 p4)의 일단이 길이가 긴 제1 조절홈(c1)에 연결되고, 반대로 높은 임피던스 또는 작동저항이 필요한 경우에는 제1 연결관로 내지 제4 연결관로(p1 내지 p4) 중 중심부에 위치한 제2 연결관로 및 제3 연결관로(p2, p3)가 짧은 제2 조절홈(c2)에 연결되어 작동유체가 유동하도록 한다.

그리고, 임피던스를 높이거나 줄이는 경우 연결되는 연결관로는 상기 제1 조절홈(c1) 및 상기 제2 조절홈(c2)의 위치에 따라 결정된다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 조절홈(c1) 및 상기 제2 조절홈(c2)은 중심부의 위치가 동일하고 좌우로 길이만 차이가 있으므로, 높은 임피던스 모드로 구동되어야 하는 경우에는 나란하게 순차적으로 배치된 제1 연결관로 내지 제4 연결관로(p1 내지 p4) 중 중심부에 구비된 제2 연결관로 및 제3 연결관로(p2, p3)에 제2 조절홈(c2)에 연결되도록 구성되는 것이다.

따라서, 상기 제1 조절홈(c1) 및 상기 제2 조절홈(c2)의 위치가 변경되는 경우에는 높은 임피던스를 위해 연결되어야 하는 연결관로가 달라질 수 있다.

또한, 연결관로의 개수가 예를 들면 6개로 구성되는 경우, 조절홈도 3개 등으로 구성되어 임피던스를 더욱 세분화할 수도 있다. 이 경우, 스태핑 모터에 의한 회전형 밸브의 회전 각도는 90도 이하의 각도로 설정되어 더욱 다양한 작동 임피던스를 제공할 수도 있다.

그리고, 도 7(c)에 도시된 높은 임피던스 수동모드는 상기 유압 실린더(250) 및 회전형 밸브(210)는 상기 2개의 연결관로(p2, p3)와 연결되어 제2 임피던스 유로(250 <-> p2 <-> 210(c2) <-> p3 <-> 250, 이하 IF2이라 칭함)를 형성한다.

상기 유압 구동유닛(200) 내에서 순환유로를 형성하지 않고 제2 임피던스 유로(IF2)에서 이동하는 유체는 상기 제1 임피던스 유로(IF1)보다 상기 유체가 이동할 수 있는 연결관로의 개수가 감소((p1, p2, p3, p4) -> (p2,p3))되기 때문에 상기 유체는 유로 저항의 증가에 의하여 제1 임피던스 유로(IF1)보다 제2 임피던스 유로(IF2)에서 더 큰 임피던스를 갖게 된다.

또한, 상기 회전형 밸브(210)는 270°회전하여 상기 회전형 밸브(210)에 연결되는 연결관로들이 유압펌프를 순환하는 순환유로를 형성하지도 않고, 조절홈을 경유하는 임피던스 조절유로를 형성하지도 않는 경우 고정모드가 구현될 수 있다.

도 7(d)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 연결관로 및 제4 연결관로(p1 및 p4)가 제1 및 제2 연결홈(g1 및 g2)에 연결되지만, 제5 연결관로 및 제6 연결관로(p5 및 p6)가 상기 제1 및 제2 연결홈(g1 및 g2)에 연결되지 않으므로 작동 유체는 어떠한 순환도 하지 못하고 피스톤 로드를 고정하게 된다.

따라서 상기 유압 실린더(250) 내의 작동 유체는 상기 회전형 밸브(210)를 경유하여 순환될 수 없으며, 상기 유체는 무한에 가까운 큰 임피던스를 갖게 되어 상기 유압 실린더(250)에서 상기 피스톤 로드(255)는 고정됨을 의미하는 것이다.

이상에서 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)의 구성요소와 상기 회전형 밸브(210)의 회전에 따른 구동모드 변경 및 임피던스 조절에 대해서 살펴보았다.

이하에서는 전술한 상기 회전형 밸브(210)의 회전에 따른 구동모드 변경 및 임피던스 조절을 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)을 사용하는 사용자에 적용하여 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명에 다른 하퇴의지 시스템의 보행 주기에 다른 발목 각도의 변화를 도시한다. 구체적으로, 도 8(a)은 초기 입각기에서 보행상태의 측면도, 발바닥의 접촉 영역 및 하퇴의지 시스템의 작동상태를 도시하며, 도 8(b) 중간 입각기에서 보행상태의 측면도, 발바닥의 접촉 영역 및 하퇴의지 시스템의 작동상태를 도시하며, 도 8(c) 말기 입각기에서 보행상태의 측면도, 발바닥의 접촉 영역 및 하퇴의지 시스템의 작동상태를 도시하며, 도 8(d) 유각기에서 보행상태의 측면도, 발바닥의 접촉 영역 및 하퇴의지 시스템의 작동상태를 도시한다.

도 8의 발바닥의 접촉 영역을 도시한 도면에서, 보행자가 보행단계에 있어서 발바닥이 지면에 닿는 부분을 검정색 원으로 표시하였으며 지면에 닿지 않는 부분을 하얀색 원으로 표시하였다. 또한 보다 수월한 이해를 위해 보행단계에서 설명되어지는 발을 오른쪽 발(검은 색으로 표시된 발)로 한정하였다.

사람의 보행주기는 발바닥이 지면에 닿는 입각기와 지면에 닿지 않는 유각기로 분류될 수 있다. 상기 입각기는 발이 지면에 닿아 사람의 몸을 지지하며 전방으로 나아가기 위하여 준비되는 단계이다. 반면 상기 유각기는 상기 입각기에서 지지하는 발의 반대의 발을 공중으로 회전시켜 전방으로 나아가는 단계이다.

상기 입각기에서 사람의 발목은 사람을 잘 지지할 수 있도록 적절한 지면 지지력을 가지고 있어야 하며, 상기 입각기를 세분화 하여 각 세분화된 입각기에 따른 적절한 지면 지지력이 조절되어야 한다.

또한 상기 유각기에서는 사람의 발목은 전방으로 회전하여 발의 전방 끝을 상기 지면과 반대 방향으로 올라가도록 회전되어야 한다.

하퇴의지를 사용하는 사용자들은 전술한 바와 같은 정상인의 보행주기를 구현하는 것이 매우 중요하다.

도 8에 나온 보행 사이클을 참조하면, 도 8(a)에 도시된 보행주기는 사람의 발꿈치가 지면에 닿는 초기 입각기, 도 8(b)에 도시된 사람의 발바닥 전면이 지면에 닿는 중간 입각기, 도 8(c)에 도시된 사람의 발바닥 전방이 지면에 닿는 말기 입각기 및 도 8(d)에 도시된 발바닥이 지면에 닿지 않고 공중에서 전진 변위되는 유각기로 분류된다.

따라서 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)은 상기 초기 입각기, 중간 입각기,말기 입각기 및 유각기에 따른 보행 주기를 적용하여 정상인의 보행주기와 유사한 거동을 구현하도록 설계되었다.

이하에서는 본 발명에 따른 하퇴의지 시스템(1000)의 보행 주기에 따른 구동모드를 유각기, 초기 입각기, 중간 입각기 및 말기 입각기 순으로 설명한다.

상기 발유닛(300)이 지면에 닿지 않는 유각기에서 능동 모드로 작동한다. 따라서 상기 유압 구동유닛(200)은 상기 유압 실린더(250)의 피스톤 로드(255)를 지면 방향 또는 하방으로 추진시켜 상기 발유닛(300)의 후단이 하강하고 전단은 상승하여 장애물 등과 발유닛 등의 간섭을 최소화할 수 있다.

상기 능동모드에서는 상기 피스톤 로드(255)의 추진에 따른 상기 발유닛(300)의 회전에 의해 유각기에서 상기 발유닛(300)이 지면과 충돌하는 것을 방지하여 사용자가 더욱 자연스러운 보행을 할 수 있도록 한다.

또한, 상기 발유닛(300)의 뒷꿈치 부분이 닿는 초기 입각기에서 상기 회전형 밸브(210)는 90°회전하여 낮은 임피던스 수동모드로 전환된다. 따라서 상기 유압 구동유닛(200)은 상기 발유닛(300)을 통해 지면으로부터 전달되는 힘에 대해 저항하는 임피던스인 지면 지지력을 갖게되며, 상기 초기 입각기동안 상기 피스톤 로드(255)는 상기 유압 실린더(250)의 내부로 천천히 진입된다.

또한, 상기 발유닛(300)의 발바닥 전면이 닿는 중간 입각기에서 상기 회전형 밸브(210)는 180°회전하여 높은 임피던스 수동모드로 전환된다. 따라서 상기 유압 구동유닛(200)은 상기 초기 입각기보다 더큰 임피던스를 갖게되며, 상기 중간 입각기동안 상기 피스톤 로드(255)는 상기 유압 실린더(250)의 내부로 더욱 천천히 진입된다.

또한, 상기 발유닛(300)의 전방 발바닥이 닿는 말기 입각기에서 상기 회전형 밸브(210)는 270°회전하여 고정 모드로 전환된다. 따라서 상기 유압 구동유닛(200)은 거의 무한에 가까운 임피던스를 갖게되어 상기 피스톤 로드(255)는 완전히 고정되며, 상기 보행 주기에서 사람이 앞으로 나아갈 수 있도록 상기 발유닛(300)을 단단히 고정해준다.

이상의 설명에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 유압 구동유닛 및 이를 포함하는 하퇴의지 시스템에 의하면, 임피던스 조절과 구동모드의 전환을 위해 회전형 밸브를 포함하는 임피던스 조절 하퇴의지 시스템을 제공함으로써, 하퇴의지의 발목관절이 정상인의 보행 특성과 유사하게 됨으로써 하퇴의지 시스템을 사용하는 보행자가 정상인의 보행과 유사한 보행을 구현할 수 있고, 하퇴의지 시스템에 의하면, 지면 지지력 제공과 발목 각도 조절을 하나의 유압 구동유닛으로 해결할 수 있으며, 구동장치를 단일화하여, 하퇴의지 시스템의 부피 및 무게를 최소화할 수 있는 효과까지 얻을 수 있다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

100 : 몸체부 200 : 유압 구동유닛
210 : 회전형 밸브 220 : 스태핑 모터
230 : 유압펌프 240 : DC모터
250 : 유압 실린더 255 : 피스톤 로드
290 : 매니폴드 하우징 300 : 발유닛
310 : 장착 브라켓 320 : 발판

Claims (22)

1. 몸체부;
   유압 실린더, 상기 유압 실린더 내에 구비되어 유압에 의하여 구동되는 피스톤 로드, 상기 피스톤 로드의 구동을 위한 상기 유압 실린더 내의 유압 생성을 위한 유압펌프 및 상기 유압펌프와 상기 유압 실린더를 선택적으로 연통시켜 상기 피스톤 로드를 구동하기 위한 순환유로를 형성하거나, 상기 피스톤 로드의 작동 저항을 조절하는 순환유로를 형성하기 위하여 회전 가능한 회전형 밸브를 포함하는 유압 구동유닛; 및,
   상기 몸체부에 힌지 결합되고, 상기 유압 구동유닛의 피스톤 로드의 단부에 일단이 고정되어 상기 피스톤 로드의 구동 여부 또는 지면 지지 여부에 따라 상기 몸체부에 대한 결합각도가 변경 가능한 발유닛;을 포함하는 하퇴의지 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유압 구동유닛은 내부에 상기 유압 실린더, 상기 회전형 밸브 및 상기 유압펌프의 장착공간이 형성된 매니폴드 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 매니폴드 하우징은 상기 유압 실린더, 상기 회전형 밸브 및 상기 유압펌프를 순차적으로 연결하여, 작동 유체의 유로 형성을 위한 복수 개의 연결관로를 구비하는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 매니폴드 하우징의 복수 개의 연결관로 중 적어도 1개의 연결관로가 상기 유압 실린더의 길이방향 일측에 연결되고, 나머지 연결관로가 상기 유압 실린더의 길이방향 타측에 연결되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 회전형 밸브는 원기둥 형태로 구성되며, 상기 회전형 밸브의 길이방향 표면에 서로 다른 길이를 갖으며 평행한 복수 개의 조절홈을 구비하고, 상기 회전형 밸브의 원주방향 표면에 동일한 길이를 갖으며 평행한 한 쌍의 제1 연결홈 및 제2 연결홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   복수 개의 조절홈과 한 쌍의 상기 연결홈은 상기 회전형 밸브의 반대방향에 형성되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
7. 제3항 또는 제5항에 있어서,
   상기 회전형 밸브로 연결되는 상기 매니폴드의 연결관로는 일렬로 나란히 배치되며, 상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 회전형 밸브의 조절홈과 연통되는 매니폴드 연결관로의 개수에 따라 피스톤 로드의 축방향 작동 저항이 조절되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 회전형 밸브의 조절홈과 연통되는 매니폴드 연결관로의 개수가 증가되면, 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브의 조절홈을 연결하는 순환유로의 개수가 증가되어 피스톤 로드의 축방향 저항력이 감소되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
9. 제7에 있어서,
   상기 발유닛의 후방 바닥면이 지면에 닿는 초기 입각기에서, 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브의 조절홈을 연결하는 순환유로의 개수가 증가되어 상기 발유닛의 지면 지지력이 감소되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
10. 제7항에 있어서,
    상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 회전형 밸브의 조절홈과 연통되는 매니폴드 연결관로의 개수가 감소되면, 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브의 조절홈을 연결하는 순환유로의 개수가 줄어들어 피스톤 로드의 축방향 작동 저항이 증가되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
11. 제7항에 있어서,
    상기 발유닛의 전면 바닥면이 지면에 닿는 중간 입각기에서, 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브의 조절홈을 연결하는 순환유로의 개수가 줄어들어 상기 발유닛의 지면 지지력이 증가되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
12. 제7항에 있어서,
    상기 회전형 밸브의 회전에 따라 매니폴드를 구성하는 모든 연결관로가 상기 회전형 밸브의 조절홈 또는 연결홈과 연통되지 않으면 피스톤 로드는 고정되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
13. 제7항에 있어서,
    상기 발유닛의 전방 바닥면이 지면에 닿는 말기 입각기에서, 상기 회전형 밸브의 조절홈 또는 연결홈과 상기 매니폴드를 구성하는 모든 연결관로는 연통되지 않아 상기 몸체부와 상기 발유닛의 결합각도가 고정되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
14. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 매니폴드의 연결관로 중 2개의 연결관로는 한 쌍의 상기 제1 연결홈 및 제2 연결홈을 통해 상기 유압펌프와 상기 유압 실린더를 연결하는 순환유로를 형성하고, 상기 유압펌프의 작동시 상기 피스톤 로드의 구동력이 발생되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 연결홈과 상기 제2 연결홈은 회전형 밸브의 원주 방향으로 90도 범위로 형성되며, 상기 제1 연결홈과 상기 제2 연결홈에 의하여 상기 유압펌프와 상기 유압 실린더를 연결하는 순환유로의 방향이 수직하게 변경되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
16. 제14항에 있어서,
    상기 유압펌프는 기어펌프이며, 상기 기어펌프의 구동기어를 구동하기 위한 DC 모터가 구비되는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
17. 제7항에 있어서,
    상기 회전형 밸브를 회전 구동하기 위한 스테핑 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 하퇴의지 시스템.
18. 유압 실린더;
    상기 유압 실린더 내에 구비되어 유압에 의하여 구동되는 피스톤 로드;
    상기 피스톤 로드의 구동을 위한 상기 유압 실린더 내의 유압 생성을 위한 기어펌프 및,
    상기 기어펌프와 상기 유압 실린더를 선택적으로 연통시키는 회전형 밸브;
    상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브를 연결하는 복수 개의 연결관로;를 포함하는 유압 구동유닛.
19. 제18항에 있어서,
    상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 유압 실린더와 상기 기어펌프가 연결되어 상기 기어펌프의 구동력에 의하여 상기 피스톤 로드가 구동되는 것을 특징으로 하는 유압 구동유닛.
20. 제19항에 있어서,
    상기 유압 실린더와 상기 기어펌프를 연결하기 위하여 원기둥 형태의 상기 회전형 밸브의 표면에 원주 방향으로 평행한 한 쌍의 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 유압 구동유닛.
21. 제19항에 있어서,
    상기 회전형 밸브의 회전에 따라 상기 복수 개의 연결관로를 통해 상기 유압 실린더와 상기 회전형 밸브 사이에 순환유로를 형성하여 피스톤 로드의 저항력의 크기가 조절하기 위하여 상기 회전형 밸브에 적어도 1개의 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 유압 구동유닛.
22. 제21항에 있어서,
    상기 홈은 복수 개가 구비되고, 복수 개의 상기 홈은 회전형 밸브 표면에 길이방향으로 평행하며 서로 다른 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 유압 구동유닛.
    

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