KR20160145948A

KR20160145948A - 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20160145948A
Application number: KR1020150082361A
Authority: KR
Inventors: 김세영; 손영수
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-12-21
Also published as: KR101713901B1

Abstract

본 발명은 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보행, 런닝, 점핑 등 인체 운동 시 하퇴와 발이 이루는 각도가 변형되며 발생하는 힘을 탄성체에 저장 후 방출하여 이동에 필요한 추진력을 보조하되, 탄성체에 힘이 저장되는 시점을 지면과 신발이 접촉되어 있는 시점으로 한정 하여 보행의 편의성 및 효율성을 향상시킨 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

Description

라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치 및 제어 방법 {Wearable ankle exoskeleton using the ratchet clutch mechanism for supporting ankle joint stiffness}

본 발명은, 보행, 런닝, 점핑 등 인체 운동 시 하퇴와 발이 이루는 각도가 변형되어 발생하는 힘을 탄성체에 저장 후 방출하여, 이동에 필요한 추진력을 더해줌으로서, 인체의 힘줄과 인대에 가해지는 부담을 보조해 주되, 신발이 지면과 접촉될 시에만 작동되도록 구성되어 경사진 길이나 공중동작에서 발생될 수 있는 보행의 불편함을 제거한, 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치 및 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 보행자가 걸을 시 무릎과 발목 사이에 형성된 하퇴와, 허리와 무릎 사이에 형성된 상퇴가 이루는 각도 변화에 의해 탄성 부재를 압축 시키고, 탄성부재가 복원되는 힘을 이용하여 하퇴를 밀어주는 추진 보조 장치가 널리 이용되고 있다.

도 1에서는 상기와 같은 기술을 이용한 종래의 추진 보조 장치를 도시하고 있다.

도 1을 참조하여 설명하면, 종래의 추진 보조 장치는 사용자의 허리에 장착하는 허리 링크와, 허리 링크와 회전 가능하게 연결하고 있고, 대퇴에 따라 배치되는 대퇴 링크와, 대퇴 링크와 회전 가능하게 연결하고 있고, 종아리에 따라 배치되는 종아리 링크와, 종아리 링크와 회전 가능하게 연결하고 있고, 사용자의 다리에 장착하는 다리 링크와, 대퇴 링크 또는 종아리 링크로부터 성장하고 있는 지주에 지지를 받고 있어 슬관절의 회전축보다 전방에 위치하는 풀리와, 한쪽 끝이 허리 링크에 대한 대퇴 링크의 회전축선보다 전방에서 허리 링크에 연결하고 있고, 도중에 풀리에 걸려 타단이 종아리 링크에 대한 다리 링크의 회전축보다 후방에서 다리 링크에 연결하고 있는 끈 모양 탄성부재를 포함하여 구성된다.

이때, 상기와 같은 구조를 가지는 종래의 추진 보조 장치는 상퇴와 하퇴가 이루는 각도 변화에 의해 발생하는 힘을 탄성부재에 저장하기 때문에 허리 링크와 대퇴 링크의 회전축과, 대퇴 링크와 종아리 링크를 연결하는 회전축, 및 종아리 링크와 다리 링크를 연결하는 각각의 회전축이 보행자의 관절을 연결하는 각각의 회전축과 동일한 위치에 구성되지 않을 시, 보행에 불편함이 발생되기 때문에 보행자마다 그에 적합한 구조로 제작을 해야 한다는 단점을 가진다.

또한, 탄성부재에 힘을 저장하기 위해 탄성부재의 일측 단부가 허리링크에 연결되어, 허리 부분이 탄성부재의 탄성운동을 위한 고정 축으로 사용됨으로써, 착용자의 허리에 힘이 가해져 보행에 불편함을 줄 수 있는 단점을 가진다.

아울러, 상퇴와 하퇴가 이루는 각도에서 발생하는 힘을 탄성체에 저장하기 때문에, 추진 보조 장치를 착용한 상태에서 전진 보행 외에 의자에 앉는 행동 또는 뒤로 움직이는 후진 보행과 같은 다양한 행동을 취하기 어렵다는 단점을 가진다.

상기와 같은 종래의 추진 보조 장치가 가지고 있는 문제점을 해결하고자, 보행자의 보행을 보조하되 인체공학적으로 설계되어 보행 보조 장치를 착용한 상태에서 일상적인 생활 시에도 착용자가 불편함을 느끼지 않으며, 보행 시 발생되는 공중 동작 및 길의 경사도와 같은 요소에 대응하여 구동이 제어되는 보행 보조 장치의 필요성이 대두되고 있다.

일본공개특허 제2012-100983호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 보행, 런닝, 점핑 등 인체 운동 시 발생하는 하퇴의 회전력을 이동에 필요한 추진력으로 재활용하여 인체의 움직임을 보조하되, 인체공학적으로 설계되어 본 이동 보조 장치를 착용하더라도 일반적인 움직임의 불편함을 최소화 하도록 하는 것이다.

또한, 탄성체에 힘이 저장되는 시점을 보행자의 신발이 지면에 접촉하는 시점에서 떨어지는 시점까지로 제한함으로써, 종래에 보행 보조 장치를 착용한 상태에서 공중 동작을 하거나 경사진 길을 걷는데 발생했던 불편함을 해소하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치는, 보행자의 신발(10) 외면에 고정되는 제1 결합부(100); 보행자의 하퇴를 감싸며, 길이방향 일측이 상기 제1 결합부(100)에 회전 가능하게 결합되고, 길이방향 타측이 보행자의 하퇴 상측에 고정되는 제2 결합부(200); 양측 단부가 상기 제1 결합부(100)와 상기 제2 결합부에 연결되며, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도 변화에서 발생하는 힘을 저장하는 탄성체(300); 및 상기 탄성체(300)의 변형 시점을 제어하는 라쳇기어부(400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 결합부(100)는 보행자의 신발(10) 좌우 측면에 밀착되는 한 쌍의 측면 프레임(110), 한 쌍의 상기 측면 프레임(110)의 길이방향 일측 단부를 서로 연결하며, 상면이 신발(10)의 앞닫이 하면에 밀착되는 전면 프레임(120), 한 쌍의 상기 측면 프레임(110)의 길이방향 타측 단부를 서로 연결하며, 신발(10)의 후면과 마주보는 내측에 신발(10)에 삽입되는 연결부재(131)가 돌출 형성되고, 외측에 제1 탄성체 고정부(132)가 형성되는 후면 프레임(130)을 포함하고, 상기 제2 결합부(200)는 길이방향 일측이 상기 측면 프레임(110)의 상측 단부에 발목의 운동 방향으로 회전 가능하게 결합되고, 길이방향 타측이 보행자의 하퇴에 고정되는 한 쌍의 회전 프레임(210)과, 각각의 상기 회전 프레임(210)에서 후측으로 돌출 형성되되, 각 단부가 서로 연결되는 제2 탄성체 고정부(220)를 포함하며, 상기 탄성체(300)는 양측 단부가 상기 제1 탄성체 고정부(132)와 상기 제2 탄성체 고정부(220)에 각각 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 탄성체 고정부(132)는, 상기 후면 프레임(130)에 상하 운동 가능하도록 회전부재(133)로 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 라쳇 기어부(400)는, 상기 제1 탄성체 고정부(132)에 결합되어 상기 제1 탄성체 고정부(132)의 상하 운동에 대응하여 회전하는 라쳇기어(410)와, 상기 후면 프레임(130)에 결합되어 상기 라쳇기어(410)의 회전을 제한하는 멈춤쇠(420), 및 상기 멈춤쇠(420)의 동작을 제어하는 멈춤쇠 제어부(430)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 멈춤쇠 제어부(430)는, 보행자의 신발(10)이 지면에 닿을 시 상기 멈춤쇠(420)를 상기 라쳇기어(410)에 접촉 시키고, 보행자의 신발(10)이 지면에서 떨어지면 상기 멈춤쇠(420)를 상기 라쳇기어(410)와 이격 시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 결합부(200)는, 보행자의 하퇴 변위에 대응하도록, 각각의 상기 회전 프레임(210)을 연결하는 링 형상의 고정밴드(230)가 길이방향 타측에 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치의 제어 방법은, 보행 시 보행자의 신발(10)이 지면과 접촉되며 상기 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)의 회전을 제한하는 결합단계(S10); 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도 변화에 의해 발생되는 힘이 상기 제1 결합부(100) 및 상기 제2 결합부(200)를 통해 상기 탄성체(300)에 전달되는 에너지 저장단계(S20); 압축된 상기 탄성체(300)가 탄성력으로 압축되기 전의 형상으로 복원되어 보행자에게 추진력이 전달되는 에너지 방출단계(S30); 보행자의 신발(10)이 지면에서 떨어지며 상기 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)에서 이격되는 해체단계(S40); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명인 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치 및 제어 방법은, 일반적으로 보행, 런닝, 점핑 등 인체 운동 시 발생하는 하퇴의 회전력을 이동에 필요한 추진력으로 재활용하여 사용함으로써, 이동에 필요한 발목의 힘줄 및 인대에 가해지는 힘을 최소화 시키는 장점을 가진다.

나아가, 보행 시 지면과 신발이 접촉되는 시점에서 지면에서 신발이 떨어지는 시점을, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도 변화에 대응하여 탄성체에 에너지가 저장/방출되는 시점으로 제한하여, 보행자의 공중 동작을 편안하게 하고 지면의 경사 및 보행 자세 등에 대응하여 효율적으로 힘을 저장 시키는 효과를 가진다.

또한, 제1 결합부가 일반적으로 보행자가 착용한 상태에서 생활하는 신발에 결합 가능한 구조로 이루어져, 착용형 발목 가변 강성 장치를 착용한 상태에서 활동 시 발생하는 이질감이 최소화 되어 착용형 발목 가변 강성 장치를 사용하기 위한 적응 기간을 최소화 한다는 장점을 가진다.

도 1은 종래의 보행 보조 장치를 나타낸 개념도.
도 2는 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치를 나타낸 사시도.(전면과 측면)
도 3은 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치를 나타낸 사시도.(측면과 후면)
도 4는 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치를 나타낸 측면 투시도.
도 5는 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치의 라쳇 기어부를 나타낸 사시도.
도 6은 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치의 라쳇 기어부를 나타낸 측면도.
도 7은 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치를 나타낸 측면 투시도(지면에 신발 접촉 시)
도 8은 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치를 나타낸 측면 투시도(지면에서 신발 이격 시)
도 9는 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치의 제어 방법을 나타낸 순서도.

이하, 상기와 같은 본 발명인 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치에 과하여 설명하도록 한다.

도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명인 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치는 보행자의 신발(10) 외면에 고정되는 제1 결합부(100)와, 보행자의 하퇴를 감싸며, 길이방향 일측이 상기 제1 결합부(100)에 회전 가능하게 결합되고, 길이방향 타측이 보행자의 하퇴 상측에 고정되는 제2 결합부(200)와, 양측 단부가 상기 제1 결합부(100)와 상기 제2 결합부에 연결되며, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도 변화에서 발생하는 힘을 저장하는 탄성체, 및 상기 탄성체(300)의 변형 시점을 제어하는 라쳇기어부(400)를 포함하여 이루어진다.

상세히 설명하면, 상기 제1 결합부(100)가 보행자의 발을 보호하는 신발(10)에 결합되고, 상기 제2 결합부(200)가 보행자의 무릎과 발목 사이에 형성된 하퇴에 결합되어, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도 변화에 따라 발생하는 힘을 탄성체(300)에 저장하여 보행 추진력으로 이용하되, 상기 라쳇지어부(400)가 상기 탄성체(300)의 변형 시점을 제어하는 것이다.

이하 에서는 상기와 같은 원리를 이용한 본 발명인 착용형 발목 가변 강성 장치 및 작동 방법에 관하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 3과 도 4를 참조해 설명하면, 상기 제1 결합부(100)는 보행자의 신발(10) 좌우 측면에 밀착되는 한 쌍의 측면 프레임(110)과, 한 쌍의 측면 프레임(110)의 길이방향 일측 단부를 서로 연결하며, 상면이 신발(10)의 앞닫이 하면에 밀착되는 전면 프레임(120), 및 한 쌍의 상기 측면 프레임(120)의 길이방향 타측 단부를 서로 연결하며, 신발(10)의 후면과 마주보는 내측에 신발(10)에 삽입되는 결합부재(131)가 돌출 형성되고, 외측에 제1 탄성체 고정부(132)가 형성되는 후면프레임(130)을 포함한다.

도 4를 참조하면 보행자의 발 뒤꿈치를 지지하는 신발(10)의 후면 뒷굽에 홈이 형성되어 상기 결합부재(131)가 끼움 결합되고, 상기 전면 프레임(110)의 상면이 신발(10)의 앞닫이 하면에 밀착 결합되어 상기 제1 결합부(100)가 신발(10)에 고정된다. 즉, 결합부재(131)에 의해 상기 제1 결합부(100)가 신발(10)의 후측 뒷굽에 끼워져 신발(10)의 상하 운동에 의해 변위가 생기는 것을 방지하고, 신발(10)의 앞닫이 하면에 밀착 결합된 전면 프레임(120)에 의해 신발(10)의 전후 운동이 발생 하더라도 결합부재(131)가 신발(10)의 뒤굽에 형성된 홈에서 빠져 나가는 것을 방지한다.

상세히 설명하면, 신발(10)의 뒷굽에 상기 결합부재(131)가 끼워지는 홈을 형성하는 간단한 방법으로 일반적으로 널리 사용되는 신발(10)에 상기 제1 결합부(100)를 고정시키는 것이 가능해져 신발(10)의 파손을 최소화 하고 결합 구조를 단순화 시킨다는 장점을 가지며, 상기 전면 프레임(120)의 경우 신발(10)의 후측에서 전측으로 갈수록 상측으로 굽어지는 구조로 형성되는 신발(10)의 앞닫이에 밀착 결합되어 보행자가 보행 시 불편함을 느끼지 않도록 구성된 것이다.

뿐만 아니라, 도면에는 도시되지 않았지만 상기 제1 결합부(100)는 한 쌍의 상기 측면 프레임(110)의 길이방향 일측 단부에 신발(10)의 좌우 양측을 압박하는 볼트가 형성되어 신발(10)의 좌우 양측에 형성된 홈에 나사 결합하는 구조를 통해 신발(10)과 결합될 수 있다.

또한, 상기 제2 결합부(200)는 길이방향 일측이 상기 측면 프레임(110)의 상측 단부에 발목의 운동 방향으로 회전 가능하게 결합되고, 길이방향 타측이 보행자의 하퇴에 고정되는 한 쌍의 회전 프레임(210)과, 각각의 상기 회전 프레임(210)에서 후측으로 돌출 형성되되, 각 단부가 서로 연결되는 제2 탄성체 고정부(220)를 포함하여 구성된다.

즉, 상기 제1 결합부(100)가 신발(10)에 결합되어 보행자의 발 운동에 대응하고, 상기 제2 결합부(200)가 보행자의 하퇴 좌우 측면에 결합되어 보행자의 하퇴 운동에 대응하므로, 보행 시 보행자의 신발(10)과 하퇴가 이루는 각도에 대응하여 상기 제1 결합부(100) 및 상기 제2 결합부(200)가 형성하는 각도가 변형되는 것이다.

이때, 도면상에는 상기 측면 프레임(110)과 상기 회전 프레임(210)이 힌지 결합되어 보행자의 발목 상하 운동에 대응하는 구조가 도시되어 있지만, 이 외에도 측면 프레임(110)과 회전 프레임(210)을 유니버설 조인트로 연결하여 보행자의 발목 운동의 자유도를 높이는 구조 등 다양한 구조가 가능하므로 한정하지 않으며, 상기 회전 프레임(210)의 경우 보행자의 하퇴 변위에 대응하도록, 각각의 회전 프레임(210)을 연결하는 링 형상의 고정밴드(230)가 길이방향 타측에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명인 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치는 상기 탄성체(300)의 양측 단부가 상기 제1 탄성체 고정부(132)와 상기 제2 탄성체 고정부(220)에 각각 결합되어 상기 신발(10)이 지면에 접촉되어 있는 동안, 상기 제1 결합부(100)와 제2 결합부(200)가 형성하는 각도 변화에 대응해 형상이 변형되며, 상기 라쳇기어부(400)가 탄성체(300)가 신발(10)이 지면과 접촉되는 시점을 인지하여 탄성체(300)가 변화되는 시점을 제어한다.

도 3과 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 제1 탄성체 고정부(132)는 상기 후면 프레임(130)에 상하 운동 가능하도록 회전부재(133)로 연결된다. 이때, 제1 탄성체 고정부(132)가 상기 제1 결합부(100)와 제2 결합부(200)가 형성하는 각도 변화에서 발생되는 힘에 의해 회전하는 것을 상기 라쳇기어부(400)가 제한하여, 탄성체(300)에 힘이 저장되도록 하는 것이다.

이때, 상기 라쳇기어부(400)는 상기 제1 탄성체 고정부(132)에 결합되어 제1 탄성체 고정부(132)의 상하 운동에 대응하여 회전하는 라쳇기어(410)와, 상기 후면 프레임(130)에 결합되어 라쳇기어(410)의 회전을 제한하는 멈춤쇠(420)와, 상기 멈춤쇠(420)의 동작을 제어하는 멈춤쇠 제어부(430), 및 제1 탄성체 고정부(132)의 상하 회전 운동에 대응하여 상기 라쳇기어(410)를 회전 시키는 전달부재(440)를 포함하여 이루어진다.

상세히 설명하면, 상기 멈춤쇠(420)는 상기 라쳇기어(410)와 서로 접촉하는 길이방향 일측 단부가 라쳇기어(410)의 톱니 사이에 형성된 홈에 대응하는 형상으로 이루어져, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 좁아질 경우 라쳇기어(410)가 회전하는 것을 제한하여 상기 탄성체(300)에 힘을 비축 시키고, 라쳇기어(410)와 서로 마주보는 내면이 라쳇기어(410)의 길이방향 일측 단부에서 타측으로 갈수록 단면이 넓어지며 굴곡지게 형성되어, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 넓어질 경우 라쳇기어(410)가 멈춤쇠(420)의 굴곡진 내면을 밀어 멈춤쇠(420)의 일측 단부가 라쳇기어(410)의 톱니 사이에서 빠지도록 하는 것이다.

이때, 본 발명인 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치는 보행자의 발과 하퇴가 좁아질 시 상기 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)를 잡아주는 힘을 증가 시키기 위해 멈춤쇠(420)와 서로 마주보는 상기 후면 프레임(130)의 후면에 스프링(422)이 더 구비될 수 있다.

도 6 에서는 압축 스프링이 구비되어 상기 멈춤쇠(420)의 길이방향 타측을 밀어주는 것을 도시하였으나, 이 외에도 멈춤쇠(420)의 길이방향 일측을 당겨주는 인장 스프링이 구비될 수도 있으며, 상기 스프링(422)은 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)의 톱니 사이에 형성된 홈에 끼워지려는 힘을 향상 시키면 충분하다.

또한, 상기 멈춤쇠 제어부(430)는 보행자의 신발(10)이 지면에 닿을 시 상기 멈춤쇠(420)를 상기 라쳇기어(410)에 접촉 시키고, 보행자의 신발(10)이 지면에서 떨어지면 멈춤쇠(420)를 라쳇기어(410)와 이격 시키는 기능을 한다.

도 6 내지 도 8을 참조하여 설명하면, 상기 멈춤쇠 제어부(430)는 연결부재(431)를 통해 멈춤쇠(420)의 후면에 돌출 형성된 끼움부(421)에 연결된다. 따라서, 신발(10)이 지면에 떨어질 시 상기 연결부재(431)를 당겨 멈춤쇠(420)와 라쳇기어(41)를 이격 시키고, 신발(10)이 지면에 닿으면 당겨졌던 연결부재(431)를 복원시켜 멈춤쇠(420)와 라쳇기어(410)가 접촉되도록 하는 것이다.

이때, 상기 연결부재(431)는 끈, 케이블, 스마트 물질(smart material)등 다양한 소재가 사용 가능하므로 한정하지 않는다.

또한, 도 7을 참조하여 설명하면 상기 멈춤쇠 제어부(430)는 보행자의 신발(10) 저면에 형성된 풋 스위치(1)와 서로 연동하여 보행자의 신발(10)이 지면에 접촉되거나 떨어지는 시점을 파악하는 것이 가능하다.

상세히 설명하면, 상기 풋 스위치(1)에서 신발(10)이 지면과 접촉되는 시점을 파악하여 상기 멈춤쇠 제어부(430)에 신호를 보내 멈춤쇠 제어부(430)가 상기 연결부재(431)의 길이를 제어하는 것이다.

이때, 도면에서는 신발(10)의 저면에 상기 풋 스위치(1)가 구비된 것을 도시하였지만, 이는 권장되는 하나의 실시예일 뿐이며, 이 외에도 신발의 외주면에 가속 센서가 부착되어 발이 지면과 접촉되거나 보행시 지면과 보행자의 발이 떨어진 상태인 공중동작의 시점을 파악하는 방법 등 다양한 방법이 가능하므로 한정하지 않는다.

아울러, 본 발명인 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치는 상기 라쳇기어부(400)를 이용하여 보행자의 신발이 지면에 닿는 각도를 초기 조건으로 하여 상기 탄성체(300)에 탄성 에너지를 저장함으로써, 효율적인 힘의 저장이 가능하다.

상세히 설명하면, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도는 보행자의 신발이 지면에서 떨어진 상태에서의 움직임인 공중동작과, 보행자의 신발이 지면과 접촉된 상태에서 저속으로 움직이는 걷는 동작, 고속으로 움직이는 뛰는 동작과, 지면의 경사와 같은 환경여건, 및 보행자의 신체조건에 따라 다르게 적용된다.

따라서, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치는 상기 라쳇기어부(400)를 이용하여 보행자의 신발(10)이 지면에서 떨어진 공중동작에서는 상기 멈춤쇠 제어부(430)가 상기 연결부재(431)를 제어하여 상기 라쳇기어(410)와 상기 멈춤쇠(420)를 이격 시켜 보행자의 발과 하퇴가 다양한 각도로 변형 되더라도 상기 탄성체(300)에 힘이 저장되지 않도록 하여 보행자가 공중동작 중 원하는 발목운동을 편한하게 할 수 있게 하였다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이 보행자의 신발(10)이 지면에 접촉되는 시점을 기준으로 상기 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)의 회전을 제한하는 시점으로 하여, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 좁아질 시 발생되는 힘이 상기 탄성체(300)에 저장되도록 하였다.

상세히 설명하면, 상기 라쳇기어(410)는 상기 제1 탄성체 고정부(132)와 연결되어 함께 회전하도록 구성되어, 라쳇기어(410)의 회전운동이 제한되면 제1 탄성체 고정부(132)의 상하방향 회전 운동도 함께 제한된다.

따라서, 보행자의 발목과 하퇴가 이루는 각도가 좁아질 시 상기 제1 탄성체 고정부(132)가 변위가 발생되지 않도록 고정되어 있는 상태에서, 상기 제2 탄성체 고정부(220)가 회전하여 상기 탄성체(300)에 힘이 저장되는 것이다.

또한, 상기 라쳇기어(410)는 보행자의 신발(10)이 지면과 접촉 시 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 좁아지며 라쳇기어(410)가 시계 반대 방향으로 회전하는 것은 제한되나, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 넓어지며 라쳇기어(410)가 시계 방향으로 회전하는 것은 제한하지 않는다.

상세히 설명하면, 본 발명인 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치는 보행자가 걷거나 뛰는 행동 시 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 넓어지거나 좁아지는 과정이 반복적으로 발생된다.

이때, 본 발명인 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치는 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 좁아지는 힘을 상기 탄성체(300)에 저장하여 탄성체(300)가 복원되는 힘을 추진력으로 사용하며, 탄성체(300)가 복원되는 힘을 추진력으로 사용 시 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 넓어진다.

따라서, 상기 멈춤쇠(420)가 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 좁아질 시에만 상기 라쳇기어(410)의 회전을 제한하도록 하기 위해, 상기에 기재된 것처럼 라쳇기어(410)와 서로 마주보는 상기 멈춤쇠(420)의 내면이 내측에서 외측으로 굴곡지게 형성된 구조를 권장하며, 상기 라쳇기어(410)의 톱니 날이 라쳇기어(410)의 회전 중심축에서 외면으로 갈수록 시계 반대방향으로 기울어질 수 있으며, 멈춤쇠(420)의 구조는 상기에 기재된 구조 외에도, 라쳇기어(410)가 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 좁아질 시 라쳇기어(410)가 회전하는 것을 제한하고, 발과 하퇴가 이루는 각도가 넓어질 시 라쳇기어(410)의 회전을 방해하지 않는 다양한 구조가 가능하므로 한정하지 않는다.

아울러 본 발명인 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치의 제어 방법은, 도 9에 도시된 바와 같이 보행 시 보행자의 신발(10)이 지면과 접촉되며 상기 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)의 회전을 제한하는 결합단계(S10)와, 보행자의 바로가 하퇴가 이루는 각도 변화에 의해 발생되는 힘이 상기 제1 결합부(100) 및 상기 제2 결합부(200)를 통해 상기 탄성체(300)에 절달되는 에너지 저장단계(S20)와. 압축된 상기 탄성체(300)가 탄성력으로 압축되기 전의 형상으로 복원되어 보행자에게 추진력이 전달되는 에너지 방출단계(S30), 및 보행자의 신발(10)이 지면에서 떨어지며 상기 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)에서 이격되는 해체단계(S40)를 포함하여 이루어진다.

상세히 설명하면, 보행자의 신발(10)이 지면과 접촉되는 시점에 상기 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)와 결합되어, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도가 좁아지며 상기 탄성체(300)가 인장되어 힘이 저장되고, 보행자가 지면을 박차며 추진력을 얻을 시 인장되었던 탄성체(300)가 복원되며 보행자가 지면을 내딛는 힘을 더해주며, 보행자의 발이 지면에서 떨어지는 시점에서 멈춤쇠(420)가 라쳇기어(410)와 이격된다.

즉, 보행자의 운동에 대응하여 상기 결합단계(S10)와, 상기 에너지 저장단계(S20)와, 상기 에너지 방출단계(S30), 해체단계(S40)가 반복되어 보행자의 운동을 보조하는 것이다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

1 : 풋 스위치
10 : 신발
100 : 제1 결합부 110 : 측면 프레임
120 : 전면 프레임
130 : 후면 프레임
131 : 결합부재 132 : 제1 탄성체 고정부
133 : 회전부재
200 : 제2 결합부 210 : 회전 프레임
220 : 제2 탄성체 고정부 221 : 제1 돌출 프레임
222 : 제2 돌출 프레임
230 : 고정밴드
300 : 탄성체
400 : 라쳇기어부 410 : 라쳇기어
420 : 멈춤쇠 421 : 끼움부
430 : 멈춤쇠 제어부 431 : 연결부재
440 : 전달부재

Claims

보행자의 신발(10) 외면에 고정되는 제1 결합부(100);
보행자의 하퇴를 감싸며, 길이방향 일측이 상기 제1 결합부(100)에 회전 가능하게 결합되고, 길이방향 타측이 보행자의 하퇴 상측에 고정되는 제2 결합부(200);
양측 단부가 상기 제1 결합부(100)와 상기 제2 결합부에 연결되며, 보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도 변화에서 발생하는 힘을 저장하는 탄성체(300); 및
상기 탄성체(300)의 변형 시점을 제어하는 라쳇기어부(400);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1 결합부(100)는 보행자의 신발(10) 좌우 측면에 밀착되는 한 쌍의 측면 프레임(110),
한 쌍의 상기 측면 프레임(110)의 길이방향 일측 단부를 서로 연결하며, 상면이 신발(10)의 앞닫이 하면에 밀착되는 전면 프레임(120),
한 쌍의 상기 측면 프레임(110)의 길이방향 타측 단부를 서로 연결하며, 신발(10)의 후면과 마주보는 내측에 신발(10)에 삽입되는 연결부재(131)가 돌출 형성되고, 외측에 제1 탄성체 고정부(132)가 형성되는 후면 프레임(130)을 포함하고,
상기 제2 결합부(200)는 길이방향 일측이 상기 측면 프레임(110)의 상측 단부에 발목의 운동 방향으로 회전 가능하게 결합되고, 길이방향 타측이 보행자의 하퇴에 고정되는 한 쌍의 회전 프레임(210)과,
각각의 상기 회전 프레임(210)에서 후측으로 돌출 형성되되, 각 단부가 서로 연결되는 제2 탄성체 고정부(220)를 포함하며,
상기 탄성체(300)는 양측 단부가 상기 제1 탄성체 고정부(132)와 상기 제2 탄성체 고정부(220)에 각각 결합되는 것을 특징으로 하는, 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치.
제 2항에 있어서, 상기 제1 탄성체 고정부(132)는,
상기 후면 프레임(130)에 상하 운동 가능하도록 회전부재(133)로 연결된 것을 특징으로 하는, 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치.
제 3항에 있어서, 상기 라쳇 기어부(400)는.
상기 제1 탄성체 고정부(132)에 결합되어 상기 제1 탄성체 고정부(132)의 상하 운동에 대응하여 회전하는 라쳇기어(410)와,
상기 후면 프레임(130)에 결합되어 상기 라쳇기어(410)의 회전을 제한하는 멈춤쇠(420), 및
상기 멈춤쇠(420)의 동작을 제어하는 멈춤쇠 제어부(430)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치.
제 4항에 있어서, 상기 멈춤쇠 제어부(430)는,
보행자의 신발(10)이 지면에 닿을 시 상기 멈춤쇠(420)를 상기 라쳇기어(410)에 접촉 시키고,
보행자의 신발(10)이 지면에서 떨어지면 상기 멈춤쇠(420)를 상기 라쳇기어(410)와 이격 시키는 것을 특징으로 하는, 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치.
제 1항 내지 제 5항 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제2 결합부(200)는,
보행자의 하퇴 변위에 대응하도록, 각각의 상기 회전 프레임(210)을 연결하는 링 형상의 고정밴드(230)가 길이방향 타측에 형성된 것을 특징으로 하는, 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치.
제 4항에 의한 라쳇기어를 이용한 발목 강성 보조 장치의 제어 방법으로서,
보행 시 보행자의 신발(10)이 지면과 접촉되며 상기 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)의 회전을 제한하는 결합단계(S10);
보행자의 발과 하퇴가 이루는 각도 변화에 의해 발생되는 힘이 상기 제1 결합부(100) 및 상기 제2 결합부(200)를 통해 상기 탄성체(300)에 전달되는 에너지 저장단계(S20);
압축된 상기 탄성체(300)가 탄성력으로 압축되기 전의 형상으로 복원되어 보행자에게 추진력이 전달되는 에너지 방출단계(S30);
보행자의 신발(10)이 지면에서 떨어지며 상기 멈춤쇠(420)가 상기 라쳇기어(410)에서 이격되는 해체단계(S40); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 라쳇 기어를 이용한 발목 강성 보조 장치의 제어 방법.