KR20180133269A - 무릎관절 보조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무릎관절 보조장치에 관한 것으로, 특히 사용자의 무릎관절 회전동작에 연동하여 잠김 또는 풀림 되는 제1 잠금 수단과 제2 잠금 수단을 구비하여 착용자가 부하 없이 원활하게 보행하거나 앉은 자세를 유지할 수 있도록 하는 무릎관절 보조장치에 관한 것이다. 구성은 무릎관절 보조장치에 있어서, 원형이나 반원형, 또는 호형으로 형성되어 정강이 링크에 형성되고 잠금을 위해 내면에 결합을 위한 기어 치(齒)가 복수 개 형성된 제1 잠금 수단과; 허벅지 링크의 회전동작에 연동 가능하도록 설치되고, 외면으로 상기 제1 잠금 수단의 기어 치와 결합을 위한 기어 치(齒)가 복수 개 형성된 제2 잠금 수단과; 상기 제2 잠금 수단의 일 측에 형성되는 자석과, 상기 자석과 대향 하도록 형성되는 강자성체로 이루어지는 잠금 해제수단; 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

무릎관절 보조장치{Knee joint assist apparatus}

본 발명은 무릎관절 보조장치에 관한 것으로, 특히 사용자의 무릎관절 회전동작에 연동하여 잠김 또는 풀림 되는 제1 잠금 수단과 제2 잠금 수단을 구비하여 착용자가 부하 없이 원활하게 보행하거나 앉은 자세를 유지할 수 있도록 하는 무릎관절 보조장치에 관한 것이다.

일반적으로 자신의 근력만으로 다리의 움직임이 자유롭지 못한 사람이나 근력을 증폭시키기 위한 군사용으로 인체(다리)에 착용하여 무릎관절의 동작을 보조하는 장치(옷처럼 몸에 착용하고 동작 의도에 따라 근력을 증폭시켜 능력을 더해주는 장치.)가 사용된다.

즉, 상기 무릎관절 보조장치의 다른 명칭으로는 착용로봇(wearable robot : 옷처럼 몸에 착용하고 동작 의도에 따라 근력을 증폭시켜 작업능력을 더해주는 로봇으로서, 착용자의 무릎 등에 부착된 센서가 움직임을 감지해 활동을 도와주는 방식이다.)이라고도 한다.

이와 같은 무릎관절의 동작을 보조하는 장치는 보행 동작과 앉는(착좌) 동작을 구분하기 위해 한가지 이상의 센서를 활용하고 이를 처리하여 적절한 동작을 하도록 해주는 구동기와, 마이크로프로세서(microprocessor : 컴퓨터의 산술논리 연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령 디코더, 제어회로 등의 연산장치와 제어장치를 1개의 작은 실리콘 칩에 모아놓은 처리장치를 말한다. 주기억장치에 저장되어 있는 명령을 해석하고 실행하는 기능을 한다.)를 갖추고 있다.

그러나 종래의 무릎관절 보조장치는 착용자로 하여금 전원을 휴대하도록 제한함과 동시에 배터리와 같은 전원의 사용시간이 한정되기 때문에 언제 어디서나 항상 사용하기가 어려운 문제점이 있었다.

또, 종래에는 원활한 동력을 제공하기 위해 전기 모터와 같은 구동기를 포함하고 있기 때문에 보조장치의 전체 중량이 무거워 착용자에게 필요한 기능 외의 불편함을 초래하는 문제점이 있다.

뿐 아니라, 보행자 무릎관절의 의도적인 굽힘 동작을 유지하는 경우와 통상적인 보행 동작이 자연스럽게 제어가 되어야 하나 복합적으로 제어하여야 하므로 원활한 작동이 어려워 무릎동작 보조장치의 이용에 불편한 문제점이 있다.

등록특허 제10-1486808호

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 언제 어느 장소에서든 힘들이지 않고 원하는 각도로 앉을 수 있도록 함과 동시에 착용자의 편리성을 향상시키고 부상을 방지하게 하는 무릎관절 보조장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 무릎관절 보조장치에 있어서, 원형이나 반원형, 또는 호형으로 형성되어 정강이 링크에 형성되고 잠금을 위해 내면에 결합을 위한 기어 치(齒)가 복수 개 형성된 제1 잠금 수단과; 허벅지 링크의 회전동작에 연동 가능하도록 설치되고, 외면으로 상기 제1 잠금 수단의 기어 치와 결합을 위한 기어 치(齒)가 복수 개 형성된 제2 잠금 수단과; 상기 제2 잠금 수단의 일 측에 형성되는 자석과, 상기 자석과 대향 하도록 형성되는 강자성체로 이루어지는 잠금 해제수단; 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 잠금 수단은 정강이 링크에 일체로 형성되거나, 탈부착 가능하도록 형성되며, 착용자의 보행 동작시 정강이 링크의 동작에 연동하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 잠금 수단은 착용자의 앉는 동작(착좌)시 허벅지 링크의 회전동작에 연동하는 것을 특징으로 한다.

상기 자석은 자기력(磁氣力, magnetic force)이 상기 정강이 링크의 회전 동작시에는 강자성체와의 간격을 그대로 유지하고, 상기 허벅지 링크의 회전 동작시에는 강자성체와의 간격이 멀어질 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 잠금 수단의 기어 치(齒)는 역회전을 방지하기 위해 일 측 방향으로 경사를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 강자성체는 자석과의 간격에 의해 자기력(magnetic force)을 조절할 수 있도록 일 측에 간격조절 레버가 형성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 구동모듈의 중량을 현저하게 줄여 착용자의 부하와 피로도를 감소시킴과 동시에 움직임을 훨씬 원활하게 하는 효과가 있다.

또, 본 발명은 무릎관절에 동력을 발생시키는 장치를 제거함으로써 착용자의 무릎관절운동을 저항감 없이 이루도록 하여 고속의 무릎관절 구동이 가능하게 하는 효과가 있다.

특히 구동기를 구비하지 않아도 되기 때문에 언제 어느 장소에서든 힘들이지 않고 원하는 각도로 앉을 수 있도록 사용이 가능하며, 중량 감소로 착용자의 부상을 방지할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무릎관절 보조장치의 요부 구성을 분해하여 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 결합 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 요부단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무릎관절 보조장치의 작용 상태로서 보행동작시 정강이 링크의 움직임을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무릎관절 보조장치의 작용 상태로서 앉는 동작시 허벅지 링크의 움직임을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 앉은 동작 후, 기립한 허벅지 링크의 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 무릎관절 보조장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1 내지, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명은 제1 잠금 수단(110)과 제2 잠금 수단(120) 및 잠금 해제수단(130)으로 대별되어 이루어진다.

상기 제1 잠금 수단(110)은 원형이나 반원형, 또는 호형으로 형성되어 정강이 링크(140)에 형성되고 잠금을 위해 내면에 결합을 위한 기어 치(齒)(111)가 복수 개 형성된다.

상기 제1 잠금 수단(110)은 정강이 링크(140)에 일체로 형성되거나, 탈부착 가능하도록 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 제1 잠금 수단(110)은 착용자의 보행 동작시 인체의 정강이 회전동작에 연동하게 된다.

즉, 착용자가 보행 동작을 하게 되면 이에 연동하여 허벅지 링크(150)의 회전축(151)을 통해 결합 되는 정강이 링크(140)는 시계방향과 반시계방향으로 회전하게 되고 이에 연동하여 상기 제1 잠금 수단(110)도 시계방향과 반시계방향으로 회전하게 된다.

또, 상기 제1 잠금 수단(110)은 제2 잠금 수단(120)과 결합시 한쪽 방향으로는 회전하고 반대 방향으로는 회전이 방지되도록 내면에 일 방향 기어 치(齒)(111)가 형성되는 내치(內齒) 래칫(ratchet)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제2 잠금 수단(120)은 허벅지 링크(150)의 회전동작에 연동 가능하도록 설치되고, 외면으로 상기 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(111)와 결합을 위한 기어 치(齒)(121)가 복수 개 형성된다.

상기 기어 치(齒)(121)는 제1 잠금 수단(110)의 역회전을 방지하기 위해 일 측 방향으로 경사를 이루도록 형성된다.

즉, 상기 기어 치(齒)(121)는 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(齒)(111)에 대응하는 일 측 방향으로 경사를 이루는 폴(pawl : 발톱 피벗을 가진 암(arm)으로서, 끝 부분이 특정 시기에 디텐트, 슬롯, 홈 등에 들어가 일부분을 정지시킨다.)로 이루어진다.

또, 상기 제2 잠금 수단(120)은 착용자의 앉는 동작(착좌)시 허벅지 링크(150)의 회전동작에 연동하도록 지지 축(152)을 통해 설치된다.

이에 따라, 착용자가 앉는 동작(착좌)을 취할 경우 허벅지 링크(150)는 회전축(151)을 기준으로 예컨대, 시계방향으로 회전하게 되고 이때, 지지 축(152)에 발생 되는 원심력으로 인해 상기 제2 잠금 수단(120)은 지지 축(152)을 기준으로 반시계방향으로 회전하게 된다.

이때, 상기 제2 잠금 수단(120)은 허벅지 링크(150)의 원심력에 의해 바깥 쪽방향(반시계방향)으로 벌어지면서 기어 치(121)가 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(111)와 결합 되어 회전을 구속하여 잠겨지게 되면서 앉은 자세를 유지할 수 있다.

그리고 착용자가 앉은 동작 후 기립하게 되면 허벅지 링크(150)는 회전축(151)을 기준으로 예컨대 반시계방향으로 회전하게 되고 이에 연동하여 상기 제2 잠금 수단(120)의 구속력이 풀어지면서 제1 잠금 수단(110)과 제2 잠금 수단(120)은 잠김이 풀려 원래 위치로 복귀하게 된다.

이때, 상기 제2 잠금 수단(120)은 추후 설명할 상기 잠금 해제수단(130)의 자석(131)에 의해 잠금된 반대 방향으로 당겨지기 때문에 상기 기어 치(111)로부터 기어 치(121)가 원활하게 분리되면서 반시계방향으로 회전하게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 상기 제1 잠금 수단(110)과 제2 잠금 수단(120)은 순수한 기계적 장치로 구현된 것으로서 무릎관절을 구성하는 정강이 링크(140)와 허벅지 링크(150)의 회전력을 기반으로 동작하게 된다.

따라서, 별도의 동력 없이도 언제, 어느 장소에서든 힘들이지 않고 원활한 보행과 앉는 동작을 이룰 수 있다.

상기 잠금 해제수단(130)은, 제2 잠금 수단(120)의 일 측에 형성되는 자석(131)과, 상기 자석(131)과 대향 하도록 형성되는 강자성체(132)로 이루어진다.

여기서, 상기 강자성체(132)는 자석(131)과의 간격에 의해 자기력(磁氣力, magnetic force : 자극(磁極) 사이에 작용하는 힘, 즉 자석과 같이 자성(磁性)을 가진 물체가 서로 밀거나 당기는 힘으로 자력(磁力)이라고도 한다.)을 조절할 수 있도록 일 측에 간격조절 레버(132a)가 형성되는 것이 바람직하다.

예컨대, 상기 간격조절 레버(132a)를 시계방향으로 회전하게 되면 상기 강자성체(132)는 자석(131)과의 간격이 멀어지게 되어, 자석(131)과 강자성체(132)의 사이에 형성되는 인력(당기는 힘)은 약해진다.

반대로, 상기 간격조절 레버(132a)를 반시계방향으로 회전하게 되면 상기 강자성체(132)는 자석(131)과의 간격이 좁아지게 되어, 자석(131)과 강자성체(132)의 사이에 형성되는 인력(당기는 힘)은 강해진다.

이를 위해 상기 간격조절 레버(132a)는 자석(131)과의 간격 조절을 위한 회전단계를 다단으로 형성하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 자석(131)과의 간격을 여러 간격으로 형성하여 필요에 따라 자기력을 조절함으로써 자석(131)과 강자성체(132)의 사이에 형성되는 인력(당기는 힘)을 강하거나 약하게 조절할 수 있다.

한편, 상기 간격조절 레버(132a)의 회전단계를 다단으로 형성하기 위해서는 상기 간격조절 레버(132a)의 회전축(미도시)에 요철부를 형성하고, 상기 요철부에 대응되는 위치 예컨대 상기 허벅지 링크(150)의 일 측에는 다른 요철부를 형성하여 간격조절 레버(132a)와 허벅지 링크(150)의 각 요철부가 결합 되거나 분리되는 것과 같이 다양하게 구성할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

그리고 상기 간격조절 레버(132a)를 이용하여 자석(131)과 강자성체(132)의 사이에 형성되는 인력을 착용자에게 맞게 조절하여 제2 잠금 수단(120)의 잠김 동작의 민감도를 조절하는 것이 가능하게 된다.

또, 상기 정강이 링크(140)의 회전 동작시에는 자석(131)과 강자성체(132)와의 간격을 그대로 유지하여 지속적인 인력을 발생시키도록 하고, 상기 허벅지 링크(150)의 회전 동작시에는 회전속도에 대응하는 원심력을 정도에 따라 자석(131)과 강자성체(132)와의 간격이 멀어질 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다.

이러한 구성의 상기 잠금 해제수단(130)은 정강이 링크(140)의 회전력이 발생할 경우에는 원활한 보행동작을 이루도록 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(111)와 제2 잠금 수단(120)의 기어 치(121)가 상호 체결되는 것을 차단하도록 상기 자석(131)이 자력으로 제2 잠금 수단(120)의 일 측에 형성된 강자성체(132)를 당기게 된다.

그리고 상기 허벅지 링크(150)의 회전력이 발생할 경우에는 원활한 앉는 동작을 이루도록 제2 잠금 수단(120)의 기어 치(121)가 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(111)와 체결된다.

이때, 상기 자석(131)이 자력에 의한 인력이 원심력보다 작게 되어 제1 잠금 수단(140)과 제2 잠금 수단(120)은 체결 가능하도록 동작 된다.

좀 더 구체적으로, 예컨대 착용자가 보행 동작을 할 경우 상기 정강이 링크(140)가 회전축(151)을 기준으로 회전동작 하게 되는데 이때 상기 잠금 해제수단(130)은 자석(131)과 강자성체(132)가 자력에 의해 상호 당겨지고 있다.

따라서, 상기 제2 잠금 수단(120)의 기어 치(121)가 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(111)에 체결되지 않게(잠금 해제) 되므로 착용자는 원활한 보행을 이룰 수 있다.

그리고 상기 잠금 해제수단(130)은 착용자가 앉는 동작(착좌)을 할 경우 상기 허벅지 링크(150)가 회전축(151)을 기준으로 예컨대 시계방향으로 회전동작하게 된다.

이때, 상기 자석(131)과 강자성체(132)는 자력(자기장)에 의해 상호 당기고 있으나 상기 자력이 착용자의 앉는 동작시 발생하는 허벅지 링크(150)의 회전력을 이기지 못하도록 구성되기 때문에, 제2 잠금 수단(120)이 바깥 측으로 벌어지면서 기어 치(121)가 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(111)와 체결(잠금)되어 착용자가 앉을 수 있게 지지하게 된다.

이와 같은 본 발명의 상기 제1 잠금 수단(110)과 제2 잠금 수단(120)은, 보행과 착좌의 두 가지 동작을 구분하기 위해 정강이 링크(140)와 허벅지 링크(150)의 움직임에 구분하여 동작 된다.

즉, 보행시에는 주로 상기 정강이 링크(140)가 동작하게 되고, 앉는 동작시에는 상기 허벅지 링크(150)가 주로 동작하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 무릎관절 보조장치(100)는, 상기 제2 잠금 수단(120)의 일 측 또는 양측으로 제2 잠금 수단(120)이 일정 각도 이상으로 회전되는 것을 방지하기 위한 스토퍼(미도시)가 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 무릎관절 보조장치(100)를 착용한 착용자가 보행을 하게 되면 이에 연동하여 정강이 링크(140)와 제1 잠금 수단(110)이 회전축(151)을 기준으로 시계방향과 반시계방향으로 저항 없이 고속 회전이 가능하게 되므로 원활한 보행동작을 이루게 된다.

이때, 상기 잠금 해제수단(130)의 자석(131)은 제2 잠금 수단(120)의 일 측에 형성된 강자성체(132)를 자력으로 당겨 제2 잠금 수단(120)의 기어 치(121)가 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(111)와 체결되는 것을 차단함으로써, 착용자가 원활한 보행동작을 이루도록 한다.

또, 착용자가 앉을 경우 이에 연동하여 허벅지 링크(150)가 회전축(151)을 기준으로 시계방향으로 회전하게 되고 이에 연동하여 상기 제2 잠금 수단(120)은 반시계방향으로 회전하면서 바깥 쪽 방향으로 벌어지면서 기어 치(121)가 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(111)와 결합 되어 회전을 구속하여 잠겨지게 되면서 앉은 자세를 유지할 수 있다.

이때, 상기 잠금 해제수단(130)의 자석(131)은 제2 잠금 수단(120)에 매립되어 강자성체(132)를 자력으로 당기고 있으나, 상기 허벅지 링크(150)의 회전력이 자력보다 크게 되면 제2 잠금 수단(120)이 바깥 측으로 벌어지면서 기어 치(121)가 제1 잠금 수단(110)의 기어 치(111)와 체결(잠금)되어 허벅지 링크(150)의 시계방향 동작이 구속되어 형착용자가 앉을 수 있게 지지하게 된다.

그리고 착용자가 기립할 경우 상기 허벅지 링크(150)가 회전축(151)을 기준으로 반시계방향으로 회전하게 된다.

이때, 상기 제1 잠금 수단(110)과 제2 잠금 수단(120)의 체결을 유지하는 하중이 없어짐에 따라 상기 잠금 해제 수단(130)의 자석(131)에 의한 인력만이 존재하게 되므로 정강이 링크(140)와 허벅지 링크(150)는 다시 저항 없는 회전동작이 가능하게 된다.

따라서, 착용자는 이와 같은 작용을 통해 원활한 보행과 앉는 동작을 이룰 수 있게 됨으로써 종래 구동기를 이용하는 무릎관절 보조장치에 비해 구동 모듈의 중량을 현저하게 줄이고 이로 인해 각종 부수장치를 제거할 수 있기 때문에 중량과 비용을 월등하게 줄일 수 있다.

뿐 아니라 중량을 많이 줄임에 따라 착용자의 부하를 현저하게 줄여 피로도를 감소시킴과 동시에 관절운동을 저항감 없이 구현하여 착용자의 무릎관절 회전속도에 제한 없이 회전운동에 대응하는 것이 가능하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 무릎관절 보조장치 110 : 제1 잠금 수단
111 : 기어 치(齒) 120 : 제2 잠금 수단
121 : 기어 치(齒) 130 : 잠금 해제수단
131 : 자석 132 : 강자성체
132a : 간격조절 레버 140 : 정강이 링크
150 : 허벅지 링크 151 : 회전축
152 : 지지 축

Claims (6)

1. 무릎관절 보조장치에 있어서,
   원형이나 반원형, 또는 호형으로 형성되어 정강이 링크에 형성되고 잠금을 위해 내면에 결합을 위한 기어 치(齒)가 복수 개 형성된 제1 잠금 수단과;
   허벅지 링크의 회전동작에 연동 가능하도록 설치되고, 외면으로 상기 제1 잠금 수단의 기어 치와 결합을 위한 기어 치(齒)가 복수 개 형성된 제2 잠금 수단과;
   상기 제2 잠금 수단의 일 측에 형성되는 자석과, 상기 자석과 대향 하도록 형성되는 강자성체로 이루어지는 잠금 해제수단; 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무릎관절 보조장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 잠금 수단은 정강이 링크에 일체로 형성되거나, 탈부착 가능하도록 형성되며, 착용자의 보행 동작시 정강이 링크의 동작에 연동하는 것을 특징으로 하는 무릎관절 보조장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 잠금 수단은 착용자의 앉는 동작(착좌)시 허벅지 링크의 회전동작에 연동하는 것을 특징으로 하는 무릎관절 보조장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 자석은 자기력(磁氣力, magnetic force)이 상기 정강이 링크의 회전 동작시에는 강자성체와의 간격을 그대로 유지하고, 상기 허벅지 링크의 회전 동작시에는 강자성체와의 간격이 멀어질 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 무릎관절 보조장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 잠금 수단의 기어 치(齒)는 역회전을 방지하기 위해 일 측 방향으로 경사를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 무릎관절 보조장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 강자성체는 자석과의 간격에 의해 자기력(magnetic force)을 조절할 수 있도록 일 측에 간격조절 레버가 형성되는 것을 특징으로 하는 무릎관절 보조장치.

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