KR20200071708A - 지지 프레임 및 이를 포함하는 운동 보조 장치 - Google Patents

지지 프레임 및 이를 포함하는 운동 보조 장치 Download PDF

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KR20200071708A
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Abstract

일 실시 예에 따른 사용자의 보행을 보조하기 위한 운동 보조 장치는, 사용자의 허리를 지지하는 고정 부재; 상기 고정 부재의 일측에 배치되는 구동 모듈; 사용자의 허벅지를 지지하는 지지 모듈; 및 상기 구동 모듈 및 상기 지지 모듈을 상호 연결하고, 사용자의 고관절의 운동을 보조하기 위한 조인트 부재를 포함하고, 상기 지지 모듈의 길이는 변화될 수 있다.

Description

지지 프레임 및 이를 포함하는 운동 보조 장치{A SUPPORTING FRAME AND A MOTION ASSISTANCE APPARATUS COMPRISING THEREOF}
아래의 설명은 지지 프레임 및 이를 포함하는 운동 보조 장치에 관한 것이다.
최근 고령화 사회가 심화됨에 따라서 관절에 문제가 있어서 이에 대한 고통과 불편을 호소하는 사람들이 증가하고 있으며, 관절이 불편한 노인이나 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 운동 보조 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 군사용 등의 목적으로 인체의 근력을 강화시키기 위한 운동 보조 장치들이 개발되고 있다.
예를 들어, 운동 보조 장치는, 사용자의 몸통에 장착되는 몸체프레임과, 몸체프레임의 하측에 결합되어 사용자의 골반을 감싸는 골반 프레임과, 사용자의 대퇴부 및 종아리, 발 부위에 장착되는 대퇴부 프레임, 종아리 프레임, 발 프레임으로 구성된다. 골반프레임과 대퇴부 프레임은 고관절부에 의해 회전 가능하도록 연결되고, 프레임과 종아리 프레임은 무릎 관절부에 의해 회전 가능하도록 연결되며, 종아리 프레임과 발 프레임은 발목 관절부에 의해 회전 가능하도록 연결된다.
이러한 운동 보조 장치는 사용자의 다리 근력을 보조할 수 있도록 각 관절부들을 구동시키는 구동 모터나 유압시스템 등을 구비한 능동형 관절구조를 구비하기도 한다. 예를 들어, 양측의 고관절부에 각각 구동력을 전달하기 위한 2개의 모터를 구비할 수 있다.
일 실시 예에 따른 사용자의 보행을 보조하기 위한 운동 보조 장치는, 사용자의 허리를 지지하는 고정 부재; 상기 고정 부재의 일측에 배치되는 구동 모듈; 사용자의 허벅지를 지지하는 지지 모듈; 및 상기 구동 모듈 및 상기 지지 모듈을 상호 연결하고, 사용자의 고관절의 운동을 보조하기 위한 조인트 부재를 포함하고, 상기 지지 모듈의 길이는 변화될 수 있다.
상기 지지 모듈은, 사용자의 허벅지에 장착되는 지지 부재; 및 상기 구동 모듈로부터 동력을 전달받아 상기 지지 부재에 보조력을 전달할 수 있는 지지 프레임을 포함할 수 있다.
상기 지지 프레임의 일 단부는, 사용자의 허벅지의 전면에 배치될 수 있다.
상기 지지 프레임은, 사용자의 허벅지의 둘레의 적어도 일부를 감싸도록 절곡된 형상을 가질 수 있다.
상기 지지 프레임의 원위 측은, 사용자의 허벅지의 측면과의 접촉을 회피하도록, 사용자의 허벅지의 측면을 간섭하는 부분을 포함하지 않을 수 있다.
상기 지지 프레임은, 상기 조인트 부재에 연결되고, 적어도 일부가 사용자의 허벅지의 측면에 배치되는 제 1 프레임; 및 일 단부는 사용자의 허벅지의 전면에서 상기 지지 부재에 연결되고, 타 단부는 상기 제 1 프레임에 슬라이딩 가능하게 연결되는 제 2 프레임을 포함할 수 있다.
상기 고정 부재는 사용자의 허리에 착용되고, 상기 지지 부재는 사용자의 허벅지에 착용된 상태에서, 사용자가 보행할 때, 상기 지지 프레임의 길이가 변화될 수 있다.
상기 지지 프레임은, 상호 연속적으로 슬라이딩 가능하게 결합되는 복수 개의 프레임을 포함할 수 있다.
상기 지지 모듈은, 상기 지지 부재 및 상기 지지 프레임을 상호 연결하고, 사용자의 허벅지 전면에 배치되는 작용 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 작용 부재는, 상기 지지 프레임의 단부를 기준으로 사용자의 허벅지의 둘레 방향을 양측으로 연장된 형상을 가질 수 있다.
상기 지지 부재는, 사용자의 허벅지가 상기 지지 프레임으로부터 이탈되지 않도록, 사용자의 허벅지의 후면을 감싸며, 양단부가 상기 작용부재의 양측에 각각 연결될 수 있다.
상기 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 움직임에 따라서, 상기 작용 부재 및 상기 지지 프레임 사이에 작용하는 힘 중, 사용자의 허벅지의 길이 방향에 평행한 성분의 힘이, 상기 지지 프레임을 통하여 상기 구동 모듈로 전달되지 않도록, 상기 지지 프레임의 전체 길이는 사용자의 허벅지 길이 방향으로 가변될 수 있다.
상기 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 움직임에 따라, 상기 지지 프레임이 상기 작용 부재로 작용하는 보조력의 방향에 대해 수직한 방향을 따라서, 상기 지지 프레임의 전체 길이는 가변될 수 있다.
상기 지지 프레임은, 상기 조인트 부재에 연결되는 제 1 프레임; 및 일 단부는 상기 작용 부재에 연결되고, 타 단부는 상기 제 1 프레임에 슬라이딩 가능하게 연결되는 제 2 프레임을 포함하고, 상기 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 움직임에 따라서, 상기 작용 부재 및 상기 제 2 프레임의 사이에 작용하는 힘 중, 사용자의 허벅지의 길이 방향에 평행한 성분의 힘이, 상기 제 1 프레임을 압축시키지 않도록, 상기 제 2 프레임이 상기 제 1 프레임에 대하여 직선 운동이 가능한 수동 슬라이딩 관절로 기능할 수 있다.
상기 지지 프레임은, 상기 조인트 부재에 연결되는 제 1 프레임; 및 일 단부는 상기 작용 부재에 연결되고, 타 단부는 상기 제 1 프레임에 슬라이딩 가능하게 연결되는 제 2 프레임을 포함하고, 상기 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 움직임에 따라서, 상기 작용 부재 및 상기 지지 프레임 사이에 작용하는 힘 중, 상기 제 2 프레임이 상기 작용 부재로 작용하는 보조력의 방향에 대해 수직한 방향의 성분의 힘이, 상기 제 1 프레임을 압축시키지 않도록, 상기 제 2 프레임이 상기 제 1 프레임에 대하여 직선 운동이 가능한 수동 슬라이딩 관절로 기능할 수 있다.
상기 지지 프레임은, 상기 조인트 부재에 연결되는 제 1 프레임; 및 상기 제 1 프레임에 슬라이딩 가능하게 연결되는 제 2 프레임을 포함하고, 상기 제 1 프레임 및 상기 제 2 프레임 중 어느 하나의 프레임은, 나머지 하나의 프레임의 적어도 일부를 내부에 수용하고, 상기 나머지 하나의 프레임의 움직임을 가이드하기 위한 가이드 홈을 포함할 수 있다.
상기 제 1 프레임은 상기 제 2 프레임의 둘레를 폐곡선 형태로 감쌀 수 있다.
상기 제 1 프레임은, 상기 가이드 홈; 및 상기 가이드 홈에 연통되며 상기 제 1 프레임의 단부에 형성되는 구멍을 포함하고, 상기 제 2 프레임은, 상기 구멍을 통하여, 상기 제 1 프레임의 내부로 슬라이딩될 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 전원을 공급하기 위한 전원 공급부를 더 포함하고, 상기 구동 모듈은, 상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 동력을 생성하는 모터; 및 상기 모터로부터 상기 조인트 부재로 동력을 전달하는 기어를 포함할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 상기 고정 부재 중 사용자의 등쪽에 위치한 부분에 설치될 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 지지 모듈이, 상기 고정 부재에 대하여 외전 운동 또는 내전 운동할 수 있게 하는 수동 관절 힌지 구조를 더 포함할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도이다.
도 2는 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 3은 제 1 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다.
도 4는 제 1 실시 예에 따른 지지 프레임의 분해 사시도이다.
도 5는 제 1 실시 예에 따른 지지 프레임이 변형된 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 제 2 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다.
도 7은 제 3 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다.
도 8은 제 4 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다.
도 9은 제 5 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다.
도 10은 제 6 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다.
도 11은 제 6 실시 예에 따른 지지 프레임이 변형된 상태를 나타내는 도면이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도이고, 도 2는 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 운동 보조 장치(10)는, 대상체에 착용되어 대상체의 운동을 보조할 수 있다. 대상체는 사람, 동물 또는 로봇 등일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다. 또한, 도 1은 운동 보조 장치(10)가, 대상체의 허벅지의 운동을 보조하는 경우에 대하여 도시하고 있으나, 운동 보조 장치(10)는, 대상체의 손, 상박, 하박 등 상체의 다른 부분이나, 발, 종아리 등의 하체의 다른 부위를 보조하는 것도 가능하다. 다시 말하면, 운동 보조 장치(10)는, 대상체의 일 부분의 운동을 보조할 수 있다. 이하, 운동 보조 장치(10)가, 사람의 허벅지의 운동을 보조하는 경우에 대하여 예시적으로 설명하기로 한다.
운동 보조 장치(10)는, 고정 부재(20)와, 구동 모듈(30)과, 조인트 부재(40)와, 지지 모듈(50)과, 구동 모듈(30)을 제어하는 제어부(70)와, 구동 모듈(30)로 전원을 공급하는 전원 공급부(80)를 포함할 수 있다.
고정 부재(20)는, 대상체에 고정될 수 있다. 고정 부재(20)는, 대상체의 외면의 적어도 일부에 접촉할 수 있다. 고정 부재(20)는, 대상체의 외면을 따라서 감싸는 형상일 수 있다. 고정 부재(20)는, 대상체의 접촉 부분에 대응하는 형상으로 만곡 형성될 수 있다. 다시 말하면, 고정 부재(20)는, 대상체에 접촉하는 만곡면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고정 부재(20)는, 대상체의 허리의 일측에 고정될 수 있다.
구동 모듈(30)은, 조인트 부재(40)로 전달되는 동력을 제공할 수 있다. 구동 모듈(30)은, 전원 공급부(80)로부터 전압 또는 전류를 제공받아 동력을 생성하는 모터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 구동 모듈(30)은, 조인트 부재(40)의 측 방향에 배치될 수 있다. 다시 말하면, 구동 모듈(30)의 회전 축 및 조인트 부재(40)의 회전 축은 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 구동 모듈(30) 및 조인트 부재(40)가 회전 축을 공유하는 경우보다, 대상체로부터 돌출되는 높이를 줄일 수 있다. 한편, 도면과 달리 구동 모듈(30)은, 조인트 부재(40)와 이격하여 배치될 수도 있다. 이 경우, 구동 모듈(30)로부터 조인트 부재(40)로 동력을 전달하는 동력 전달 모듈이 구비될 수 있다. 동력 전달 모듈은, 기어 등의 회전체이거나, 와이어, 케이블, 스트링, 고무줄, 스프링, 벨트, 또는 체인 등의 길이 방향 부재일 수도 있다. 다만, 실시 예에서, 구동 모듈(30)의 위치 및 동력 전달 구조가 제한되는 것은 아니다.
조인트 부재(40)는, 구동 모듈(30)로부터 동력을 전달받아, 대상체의 관절부의 운동을 보조할 수 있다. 조인트 부재(40)는, 대상체의 관절부에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 조인트 부재(40)는, 고정 부재(20)의 일측에 배치될 수 있다. 조인트 부재(40)의 일측은 구동 모듈(30)에 연결되고, 타측은 지지 모듈(50)에 연결될 수 있다. 조인트 부재(40)는, 구동 모듈(30)로부터 전달받은 동력에 의해 회전될 수 있다. 조인트 부재(40)의 일측에는, 조인트 부재(40)의 회전 각도를 측정하는 인코더(encoder)가 배치될 수 있다.
지지 모듈(50)은, 대상체의 일부를 지지할 수 있다. 지지 모듈(50)은, 대상체의 일부의 운동을 보조할 수 있다. 지지 모듈(50)은, 조인트 부재(40)의 회전력에 의해 회전될 수 있다. 지지 모듈(50)은, 지지 프레임(100)과, 작용 부재(54)와, 지지 부재(56)를 포함할 수 있다.
지지 프레임(100)은, 대상체의 일 부분의 운동을 보조하기 위한 보조력을 전달할 수 있다. 여기서 “보조력”이란, 대상체의 일 부분의 운동 방향과 일치하는 방향으로 작용하는 힘으로 이해될 수 있다. 다시 말하면, 보조력은, 대상체의 일 부분에 작용하는 힘 중에서, 일 부분의 운동 방향과 교차되는 방향의 힘을 제외한 힘으로 이해될 수 있다. 지지 프레임(100)의 일 단부는, 조인트 부재(40)와 연결되어 회동될 수 있다. 지지 프레임(100)의 타 단부는, 지지 부재(56)에 연결되어, 대상체의 일 부분에 보조력을 전달할 수 있다. 예를 들어, 지지 프레임(100)은 대상체의 허벅지를 밀거나 당길 수 있다. 지지 프레임(100)은, 대상체의 허벅지의 길이 방향을 따라서 연장될 수 있다. 지지 프레임(100)은 절곡되어 대상체의 허벅지 둘레의 적어도 일부를 감쌀 수 있다.
작용 부재(54)는, 대상체의 일부에 보조력을 작용할 수 있다. 작용 부재(54)는, 지지 프레임(100)의 타 단부 및 지지 부재(56) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 작용 부재(54)는, 대상체의 허벅지의 일측에 배치되어, 대상체의 허벅지를 밀거나 당길 수 있다. 작용 부재(54)는, 대상체의 허벅지의 전면에 배치될 수 있다. 작용 부재(54)는, 대상체의 허벅지의 둘레 방향을 따라 배치될 수 있다. 작용 부재(54)는, 지지 프레임(100)의 타 단부를 중심으로 양측으로 연장될 수 있다. 작용 부재(54)는, 대상체의 허벅지에 대응하는 만곡면을 포함할 수 있다.
지지 부재(56)는, 작용 부재(54)의 일측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 지지 부재(56)는, 대상체의 허벅지의 적어도 일부의 둘레를 감싸도록 배치되어, 대상체의 허벅지가 지지 프레임(100)으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 제 1 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이고, 도 4는 제 1 실시 예에 따른 지지 프레임의 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 실시 예에 따른 지지 프레임(100)은, 제 1 프레임(110)과, 제 2 프레임(120)과, 보조력 센싱부(130)를 포함할 수 있다.
제 1 프레임(110)은, 조인트 부재(40) 및 제 2 프레임(120)에 연결될 수 있다. 제 1 프레임(110)은, 힌지 결합부(114)와, 제 1 가이드부(112)와, 제 1 리브(117)(118)를 포함할 수 있다.
힌지 결합부(114)는, 제 1 가이드부(112) 및 조인트 부재(40, 도 2 참조)를 연결할 수 있다. 힌지 결합부(114)는, 제 1 프레임(110)의 일단에 위치할 수 있다. 힌지 결합부(114)는, 조인트 부재(40)에 대하여 회동 가능하게 결합될 수 있다. 힌지 결합부(114)의 힌지 축은, 조인트 부재(40)의 회전 축과 교차되는 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 힌지 축은 회전 축에 대하여 직교할 수 있다. 힌지 결합부(114)에 의하면, 프레임(100)은 외전 운동(abduction) 또는 내전 운동(adduction)을 할 수 있다. 힌지 결합부(114)는, 회전 운동을 가능하게 하는 수동 관절(passive joint)으로 기능할 수 있다.
제 1 가이드부(112)는, 제 2 프레임(120)의 타단에 위치하고, 제 2 프레임(120)에 슬라이딩 이동 가능하게 결합될 수 있다. 제 1 가이드부(112)는, 대상체의 일 부분에 면접하도록 배치될 수 있다. 제 1 가이드부(112)는, 힌지 결합부(114)의 힌지 축 방향으로 길게 형성되는 단면을 가질 수 있다.
제 1 리브(117)(118)는, 제 1 프레임(110)의 강성을 보강할 수 있다. 제 1 리브(117)(118)는, 제 1 프레임(110)의 길이 방향을 따라 형성되는 제 1 메인 리브(117)와, 제 1 메인 리브(117)의 길이 방향과 교차되는 방향으로 형성되는 제 1 보조 리브(118)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 메인 리브(117)는, 제 1 프레임(110)의 길이 방향 테두리를 따라서 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 보조 리브(118)는, 제 1 메인 리브(117)에 직교하는 방향으로 형성될 수 있다.
제 2 프레임(120)은, 제 1 프레임(110) 및 작용 부재(54, 도 2 참조)에 연결될 수 있다. 제 2 프레임(120)은 제 2 가이드부(124)와, 작용부(123)와, 연장부(122)와, 제 2 리브(127)(128)를 포함할 수 있다. 제 2 프레임(120)은, 대상체의 일 부분에 면접하도록 배치될 수 있다. 제 1 프레임(110)은, 힌지 결합부(114)의 힌지 축 방향으로 길게 형성되는 단면을 가질 수 있다.
제 2 가이드부(124)는, 제 1 가이드부(112)에 슬라이딩 이동 가능하게 연결될 수 있다. 제 2 가이드부(124) 및 제 1 가이드부(112)는, 직선 운동을 가능하게 하는 수동 관절(passive joint)으로 기능할 수 있다. 제 2 가이드부(124)는, 제 1 가이드부(112)의 힌지 결합부(114)의 힌지 축에 대하여 교차되는 방향으로 슬라이딩 이동될 수 있다. 예를 들어, 제 2 가이드부(124)는, 힌지 결합부(114)의 힌지 축에 대하여 수직한 방향으로 슬라이딩 이동될 수 있다. 제 2 가이드부(124)는, 대상체의 일 부분에 면접하도록 배치될 수 있다. 제 2 가이드부(124)는, 제 1 가이드부(112)의 힌지 결합부(114)의 힌지 축 방향으로 길게 형성되는 단면을 가질 수 있다.
제 2 가이드부(124)는, 제 1 가이드부(112)가 인입 또는 인출 가능한 가이드 홈(125)과, 가이드 홈(125)의 개구부를 감싸는 가이드 커버(126)를 포함할 수 있다. 가이드 홈(125)은, 제 2 가이드부(124)의 일면으로부터 함몰되는 공간일 수 있다. 가이드 홈(125)은, 제 1 가이드부(112)의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다.
작용부(123)는, 작용 부재(54)에 연결되어 대상체의 허벅지로 보조력을 작용할 수 있다. 예를 들어, 작용부(123)는, 대상체의 허벅지의 전면에 위치할 수 있다. 작용부(123)는, 제 1 가이드부(112)의 힌지 결합부(114)의 힌지 축과 교차되는 방향의 면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 작용부(123)는, 제 1 가이드부(112)의 힌지 결합부(114)의 힌지 축에 대하여 직교한 방향의 면을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 작용부(123)는, 제 1 가이드부(112) 및 제 2 가이드부(124)의 슬라이딩 이동 방향에 대하여 평행한 면을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 작용부(123)는, 제 2 가이드부(124)의 면과 서로 직교하는 면을 포함할 수 있다.
연장부(122)는, 제 2 가이드부(124) 및 작용부(123)를 연결할 수 있다. 연장부(122)는, 제 2 가이드부(124)로부터 작용부(123)까지 점진적으로 비틀리는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 연장부(122)는, 90도로 꼬인 형상을 가질 수 있다.
제 2 리브(127)(128)는, 제 2 프레임(120)의 강성을 보강할 수 있다. 제 2 리브(127)(128)는, 제 2 프레임(120)의 길이 방향을 따라 형성되는 제 2 메인 리브(127)와, 제 2 메인 리브(127)의 길이 방향과 교차되는 방향으로 형성되는 제 2 보조 리브(128)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 메인 리브(127)는, 제 2 프레임(120)의 길이 방향 테두리를 따라서 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 2 보조 리브(128)는, 제 2 메인 리브(127)에 직교하는 방향으로 형성될 수 있다.
보조력 센싱부(130)는, 프레임에 작용하는 장력을 측정할 수 있다. 보조력 센싱부(130)는, 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120) 중 적어도 하나 이상의 프레임에 배치될 수 있다. 이하, 보조력 센싱부(130)가 제 1 프레임(110)에 배치된 경우를 예시적으로 설명하기로 한다. 보조력 센싱부(130)는, 장력 측정 센서(132)와, 변형 홈(134)과, 센서 장착 공간(136)을 포함할 수 있다.
센서 장착 공간(136)은, 장력 측정 센서(132)가 장착되기 위한 공간을 제공할 수 있다. 예를 들어, 센서 장착 공간(136)은, 제 1 프레임(110)의 일 면으로부터 함몰 형성되는 공간일 수 있다. 센서 장착 공간(136)은, 제 1 메인 리브(117) 및 제 1 보조 리브(118) 사이에 형성되는 공간으로 이해될 수도 있다. 다른 예로, 센서 장착 공간(136)은, 제 1 프레임(110)에 형성되는 구멍일 수 있다. 위 구조에 의하면, 장력 측정 센서(132)가 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120) 사이에 발생하는 마찰에 의해 손상되는 문제를 방지할 수 있다.
한편, 센서 장착 공간(136)이 반드시 필요한 것은 아니다. 센서 장착 공간(136)이 없는 경우에도, 장력 측정 센서(132)는 제 1 프레임(110)의 상면 또는 하면에 배치되거나, 제 1 프레임(110)의 내부에 실장되는 것도 가능하다.
장력 측정 센서(132)는, 장력 측정 센서(132)가 부착된 부분에 작용하는 장력을 센싱할 수 있다. 예를 들어, 장력 측정 센서(132)로는, 스트레인 게이지(strain gauge)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 장력 측정 센서(132)는, 제 1 프레임(110)의 길이 방향으로 작용하는 장력을 측정할 수 있다. 예를 들어, 스트레인 게이지는, 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120)의 슬라이딩 이동 방향을 따라서 길게 배치될 수 있다. 장력 측정 센서(132)는, 복수 개로 제공될 수 있다. 장력 측정 센서(132)는, 제 1 프레임(110)의 상측 및 하측에 각각 배치될 수 있다. 장력 측정 센서(132)는, 서로 대칭되도록 배치될 수도 있다. 복수 개의 장력 측정 센서(132) 중 적어도 일부의 장력 측정 센서(132)는, 도 4를 기준으로 상하 방향으로 서로 오버랩되게 배치될 수 있다. 다시 말하면, 일부의 장력 측정 센서(132)는, 대상체의 허벅지의 운동 방향으로 서로 오버랩되게 배치될 수 있다. 다시 말하면, 일부의 장력 측정 센서(132)는, 보조력의 방향으로 서로 오버랩되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 장력 측정 센서(132)는, 센서 장착 공간(136)의 벽에 부착될 수 있다.
변형 홈(134)은, 제 1 프레임(110)의 특정 부분의 유연성을 향상시킬 수 있다. 변형 홈(134)은, 장력 측정 센서(132)가 배치되는 부분에 형성될 수 있다. 변형 홈(134)은, 보조력의 방향을 기준으로 장력 측정 센서(132)와 오버랩되게 배치될 수 있다. 변형 홈(134)에 의하면, 장력 측정 센서(132)가 보조력의 변화에 민감하게 반응할 수 있으므로, 장력 측정 센서(132)의 민감도(sensitivity)가 향상될 수 있다. 따라서, 장력 측정 센서(132)의 분해능(resolution)이 향상되어 보조력을 정확하게 측정할 수 있다. 변형 홈(134)은, 장력 측정 센서(132)의 개수에 대응하여 복수 개로 제공될 수 있다. 예를 들어, 변형 홈(134)은, 제 1 프레임(110)의 상단 및 하단에 각각 형성될 수 있다. 예를 들어, 변형 홈(134)은, 제 1 메인 리브(117)에 형성될 수 있다.
이하 보조력 센싱부(130)의 작용에 대하여 설명한다.
프레임(100)은 조인트 부재(40)의 회전 방향에 따라서 회전하여, 프레임(100)이 지지하는 대상체의 일 부분에 힘을 전달할 수 있다. 작용-반작용 원리에 따라서, 프레임(100)에 작용하는 힘을 측정함으로써, 대상체의 일 부분에 작용하는 힘의 크기를 측정할 수 있다. 프레임(100)에 작용하는 힘은, 도 3과 같이, 3축 방향의 힘 Fx, Fy, Fz와, 3축 방향을 기준으로 한 모멘트 Mx, My, Mz로 분류될 수 있다. 도 3의 x-y-z 좌표계는, 대상체를 회동시키기 위한 보조력의 방향을 z축과 일치시킨 것으로, 보조력은 Fz가 될 수 있다. Fz를 제외한 나머지 방향의 힘 및 모멘트는 외란이라고 할 수 있다. 이하 외란에 해당하는 Fx, Fy, Mx, My, Mz가 보조력 센싱부(130)에 미치는 영향은 다음과 같다.
먼저 힘 Fx는 힌지 결합부(114)가 조인트 부재(40)에 회동 가능하게 연결됨으로써, 프레임(100)에 작용하지 않을 수 있다. 다시 말하면 회전 수동 관절(passive joint)에 의하면, 힘 Fx가 보조력 센싱부(130)에 미치는 영향이 제거될 수 있다.
힘 Fy는, 제 1 프레임(110) 및 제 2 프레임(120)이 y축 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 배치됨으로써, 프레임(100)에 작용하지 않을 수 있다. 다시 말하면 슬라이딩 수동 관절(passive joint)에 의하면, 힘 Fy이 보조력 센싱부(130)에 미치는 영향이 제거될 수 있다.
모멘트 Mx는, 제어부(70)의 연산에 의해 제거될 수 있다. 모멘트 Mx는, 프레임(100)에 작용하는 휨 모멘트에 해당한다. 장력 측정 센서(132)를 제 1 프레임(110)의 상측 및 하측에 각각 배치하고, 각각의 장력 측정 센서(132)에서 측정된 값을 비교하여, 휨 모멘트 Mx가 보조력 센싱부(130)에 미치는 영향을 측정할 수 있다. 따라서, 측정된 힘 모멘트 Mx가 미치는 영향을 제거하는 것이 가능하다.
한편, 프레임(100)이 2개의 관절 사이에 위치하는 경우, 2개의 관절 사이에 연결되는 대상체의 부분은 강체 운동(rigid body motion)을 하게 된다. 따라서, 모멘트 Mx는 실제로 작용하지 않게 된다. 예를 들어 지지 모듈(50, 도 1 참조)의 일 측이 고관절에 연결되고, 타 측이 대상체의 허벅지에 연결되는 경우, 실제로 모멘트 Mx는 작용하지 않을 것이다.
모멘트 My는 무시될 수 있다. 모멘트 My는 프레임(100)에 작용하는 비틀림 모멘트에 해당한다. 비틀림 모멘트 My는, 프레임(100)의 y축 방향으로의 길이 변화를 거의 발생시키지 못한다. 다시 말하면, 비틀림 모멘트 My에 의해 프레임(100)의 y축 방향으로 걸리는 장력은 무시될 수 있을 정도라고 볼 수 있다.
마지막으로 모멘트 Mz는, 힌지 결합부(114)가 조인트 부재(40)에 회동 가능하게 연결됨으로써, 프레임(100)에 작용하지 않을 수 있다. 다시 말하면 회전 수동 관절(passive joint)에 의하면, 모멘트 Mz가 보조력 센싱부(130)에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
따라서, 실시 예에 따르면, 외란을 제거하고 보조력 Fz를 정확하게 측정할 수 있다.
도 5는 제 1 실시 예에 따른 지지 프레임이 변형된 상태를 나타내는 도면이다. 도 5는 지지 프레임(100) 중 제 1 프레임(110)이 대상체의 일 부분을 당길 때에 제 1 프레임(110)이 변형되는 모습을 나타낸 것이다. 여기서 모멘트 Mx(도 3 참조)는 작용하지 않는 것으로 가정한다.
제 1 실시 예에 따르면, 제 1 프레임(110) 중 변형 홈(134)이 형성된 부분이 가장 변형이 되기 쉽다. 또한, Fz를 제외한 나머지 외란들이 작용하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 제 1 프레임(110)의 상측 및 하측에, 각각 서로 대칭되는 변형 홈(134)이 형성된 경우, 제 1 프레임(110) 중 변형 홈(134)이 형성된 부분은 도 5와 같이 평행 사변형(parallelogram) 형상으로 변형될 수 있다. 그리고 제 1 프레임(110)의 양 단부는 높이 차이만 발생되고, 각도 차이는 발생되지 않을 수 있다. 따라서, 대상체의 일 부분의 회전 각도 및 조인트 부재(40)의 회전 각도가 일치될 수 있다. 결과적으로, 실제 대상체의 일 부분이 회전하는 각도를, 조인트 부재(40)의 일 측에 구비되는 인코더를 이용하여 정확하게 측정할 수 있다.
이하 상기한 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소에 대하여, 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 상기한 실시 예에 대한 설명은 이하의 실시 예에도 적용될 수 있다.
도 6은 제 2 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다. 도 6은 보조력 센싱부(230)가 제 2 프레임(220)에 배치된 실시 예를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 제 2 실시 예에 따른 지지 프레임(200)은, 제 1 프레임(210)과, 제 2 프레임(220)과, 보조력 센싱부(230)를 포함할 수 있다. 제 1 프레임(210)은, 조인트 부재(40)에 연결되는 힌지 결합부(214)를 포함할 수 있다. 제 2 프레임(220)은, 제 1 프레임(210)을 가이드하는 가이드 홈(215)과, 가이드 홈(215)의 개구부를 커버하는 가이드 커버(216)를 포함할 수 있다.
보조력 센싱부(230)는, 제 2 프레임(220)의 일 면으로부터 함몰 형성되는 센서 장착 공간(236)과, 제 2 프레임(220)에 작용하는 장력을 측정하는 장력 측정 센서(232)와, 장력 측정 센서(232)의 민감도를 향상시키기 위한 변형 홈(234)을 포함할 수 있다.
도 7은 제 3 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다. 도 7은 가이드 홈(315) 및 가이드 커버(316)가 제 1 프레임(310)에 형성된 실시 예를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 제 3 실시 예에 따른 지지 프레임(300)은, 제 1 프레임(310)과, 제 2 프레임(320)과, 보조력 센싱부(330)를 포함할 수 있다. 제 1 프레임(310)은, 조인트 부재(40)에 연결되는 힌지 결합부(314)를 포함할 수 있다. 제 1 프레임(310)은, 제 2 프레임(320)을 가이드하는 가이드 홈(315)과, 가이드 홈(315)의 개구부를 커버하는 가이드 커버(316)를 포함할 수 있다.
보조력 센싱부(330)는, 제 1 프레임(310)의 일 면으로부터 함몰 형성되는 센서 장착 공간(336)과, 제 1 프레임(310)에 작용하는 장력을 측정하는 장력 측정 센서(332)와, 장력 측정 센서(332)의 민감도를 향상시키기 위한 변형 홈(334)을 포함할 수 있다.
도 8은 제 4 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다. 도 8은 보조력 센싱부(430)가 제 2 프레임(420)에 배치되고, 가이드 홈(415) 및 가이드 커버(416)가 제 1 프레임(410)에 형성된 실시 예를 도시한 것이다. 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 9은 제 5 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다.
도 9를 참조하면, 제 5 실시 예에 따른 지지 프레임(500)은, 제 1 프레임(510)과, 제 2 프레임과, 보조력 센싱부(530)를 포함할 수 있다. 보조력 센싱부(530)는, 장력 측정 센서(532)와, 변형 홈(534)과, 센서 장착 공간(536)을 포함할 수 있다.
센서 장착 공간(536)은, 제 1 프레임(510)의 내부에 형성될 수도 있다. 이 경우, 장력 측정 센서(532)가 외부로부터 가해지는 충격에 의해 파손되는 문제를 방지할 수 있다. 한편, 보조력 센싱부(530)가 제 2 프레임에 배치되는 것도 가능함은 물론이다.
도 10은 제 6 실시 예에 따른 지지 프레임의 사시도이다.
도 10을 참조하면, 제 6 실시 예에 따른 지지 프레임(600)은, 제 1 프레임(610)과, 제 2 프레임과, 보조력 센싱부(630)를 포함할 수 있다. 보조력 센싱부(630)는, 장력 측정 센서(632) 와, 변형 홈(634)과, 센서 장착 공간(536)을 포함할 수 있다.
장력 측정 센서(632)는 보조력 방향으로 각각 서로 오버랩되게 배치되는 두 쌍의 장력 측정 센서를 포함할 수 있다. 제 1 장력 측정 센서(632a) 및 제 2 장력 측정 센서(632b)는 보조력 방향으로 서로 오버랩되게 배치되고, 제 3 장력 측정 센서(632c) 및 제 4 장력 측정 센서(632d)는 보조력 방향으로 서로 오버랩되게 배치될 수 있다.
장력 측정 센서(632)는 보조력 방향과 직교되는 방향으로 복수 개 배치될 수도 있다. 다시 말하면, 장력 측정 센서(632)는 제 1 프레임(610)의 길이 방향을 따라서 복수 개 배치될 수도 있다. 제 1 장력 측정 센서(632a) 및 제 3 장력 측정 센서(632c)는 제 1 프레임(610)의 길이 방향을 따라서 서로 이격 배치되고, 제 2 장력 측정 센서(632b) 및 제 4 장력 측정 센서(632d)는 제 1 프레임(610)의 길이 방향을 따라서 서로 이격 배치될 수 있다.
변형 홈(634)은, 장력 센서(632)에 대응하여 복수 개 배치될 수 있다. 한편, 보조력 센싱부(630)가 제 2 프레임에 배치되는 것도 가능함은 물론이다.
도 11은 제 6 실시 예에 따른 지지 프레임이 변형된 상태를 나타내는 도면이다. 도 11은 지지 프레임(600) 중 제 1 프레임(610)이 대상체의 일 부분을 당길 때에 제 1 프레임(610)이 변형되는 모습을 나타낸 것이다. 여기서 모멘트 Mx(도 3 참조)는 작용하지 않는 것으로 가정한다.
제 1 프레임(610) 중 변형 홈(634)이 형성된 부분은 각각 도 11과 같이 복수 개의 평행 사변형(parallelogram) 형상으로 변형될 수 있다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (21)

  1. 사용자의 보행을 보조하기 위한 운동 보조 장치에 있어서,
    사용자의 허리를 지지하는 고정 부재;
    상기 고정 부재의 일측에 배치되는 구동 모듈;
    사용자의 허벅지를 지지하는 지지 모듈; 및
    상기 구동 모듈 및 상기 지지 모듈을 상호 연결하고, 사용자의 고관절의 운동을 보조하기 위한 조인트 부재를 포함하고,
    상기 지지 모듈의 길이는 변화될 수 있는 운동 보조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 모듈은,
    사용자의 허벅지에 장착되는 지지 부재; 및
    상기 구동 모듈로부터 동력을 전달받아 상기 지지 부재에 보조력을 전달할 수 있는 지지 프레임을 포함하는 운동 보조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 프레임의 일 단부는, 사용자의 허벅지의 전면에 배치되는 운동 보조 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 프레임은, 사용자의 허벅지의 둘레의 적어도 일부를 감싸도록 절곡된 형상을 갖는 운동 보조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 지지 프레임의 원위 측은, 사용자의 허벅지의 측면과의 접촉을 회피하도록, 사용자의 허벅지의 측면을 간섭하는 부분을 포함하지 않는 운동 보조 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 프레임은,
    상기 조인트 부재에 연결되고, 적어도 일부가 사용자의 허벅지의 측면에 배치되는 제 1 프레임; 및
    일 단부는 사용자의 허벅지의 전면에서 상기 지지 부재에 연결되고, 타 단부는 상기 제 1 프레임에 슬라이딩 가능하게 연결되는 제 2 프레임을 포함하는 운동 보조 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 고정 부재는 사용자의 허리에 착용되고, 상기 지지 부재는 사용자의 허벅지에 착용된 상태에서, 사용자가 보행할 때, 상기 지지 프레임의 길이가 변화될 수 있는 운동 보조 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 프레임은, 상호 연속적으로 슬라이딩 가능하게 결합되는 복수 개의 프레임을 포함하는 운동 보조 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 모듈은,
    상기 지지 부재 및 상기 지지 프레임을 상호 연결하고, 사용자의 허벅지 전면에 배치되는 작용 부재를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 작용 부재는, 상기 지지 프레임의 단부를 기준으로 사용자의 허벅지의 둘레 방향을 양측으로 연장된 형상을 갖는 운동 보조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 지지 부재는, 사용자의 허벅지가 상기 지지 프레임으로부터 이탈되지 않도록, 사용자의 허벅지의 후면을 감싸며, 양단부가 상기 작용 부재의 양측에 각각 연결되는 운동 보조 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 움직임에 따라서, 상기 작용 부재 및 상기 지지 프레임 사이에 작용하는 힘 중, 사용자의 허벅지의 길이 방향에 평행한 성분의 힘이, 상기 지지 프레임을 통하여 상기 구동 모듈로 전달되지 않도록, 상기 지지 프레임의 전체 길이는 사용자의 허벅지 길이 방향으로 가변되는 운동 보조 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 움직임에 따라, 상기 지지 프레임이 상기 작용 부재로 작용하는 보조력의 방향에 대해 수직한 방향을 따라서, 상기 지지 프레임의 전체 길이는 가변되는 운동 보조 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지 프레임은,
    상기 조인트 부재에 연결되는 제 1 프레임; 및
    일 단부는 상기 작용 부재에 연결되고, 타 단부는 상기 제 1 프레임에 슬라이딩 가능하게 연결되는 제 2 프레임을 포함하고,
    상기 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 움직임에 따라서, 상기 작용 부재 및 상기 제 2 프레임의 사이에 작용하는 힘 중, 사용자의 허벅지의 길이 방향에 평행한 성분의 힘이, 상기 제 1 프레임을 압축시키지 않도록, 상기 제 2 프레임이 상기 제 1 프레임에 대하여 직선 운동이 가능한 수동 슬라이딩 관절로 기능하는 운동 보조 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지 프레임은,
    상기 조인트 부재에 연결되는 제 1 프레임; 및
    일 단부는 상기 작용 부재에 연결되고, 타 단부는 상기 제 1 프레임에 슬라이딩 가능하게 연결되는 제 2 프레임을 포함하고,
    상기 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 움직임에 따라서, 상기 작용 부재 및 상기 지지 프레임 사이에 작용하는 힘 중, 상기 제 2 프레임이 상기 작용 부재로 작용하는 보조력의 방향에 대해 수직한 방향의 성분의 힘이, 상기 제 1 프레임을 압축시키지 않도록, 상기 제 2 프레임이 상기 제 1 프레임에 대하여 직선 운동이 가능한 수동 슬라이딩 관절로 기능하는 운동 보조 장치.
  16. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 프레임은,
    상기 조인트 부재에 연결되는 제 1 프레임; 및
    상기 제 1 프레임에 슬라이딩 가능하게 연결되는 제 2 프레임을 포함하고,
    상기 제 1 프레임 및 상기 제 2 프레임 중 어느 하나의 프레임은, 나머지 하나의 프레임의 적어도 일부를 내부에 수용하고, 상기 나머지 하나의 프레임의 움직임을 가이드하기 위한 가이드 홈을 포함하는 운동 보조 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 프레임은 상기 제 2 프레임의 둘레를 폐곡선 형태로 감싸는 운동 보조 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 프레임은,
    상기 가이드 홈; 및
    상기 가이드 홈에 연통되며 상기 제 1 프레임의 단부에 형성되는 구멍을 포함하고,
    상기 제 2 프레임은,
    상기 구멍을 통하여, 상기 제 1 프레임의 내부로 슬라이딩 가능한 운동 보조 장치.
  19. 제 2 항에 있어서,
    상기 운동 보조 장치는,
    전원을 공급하기 위한 전원 공급부를 더 포함하고,
    상기 구동 모듈은,
    상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 동력을 생성하는 모터; 및
    상기 모터로부터 상기 조인트 부재로 동력을 전달하는 기어를 포함하는 운동 보조 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 운동 보조 장치는, 전원을 공급하기 위한 전원 공급부를 더 포함하고,
    상기 전원 공급부는, 상기 고정 부재 중 사용자의 등쪽에 위치한 부분에 설치되는 운동 보조 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 운동 보조 장치는,
    상기 지지 모듈이, 상기 고정 부재에 대하여 외전 운동 또는 내전 운동할 수 있게 하는 수동 관절 힌지 구조를 더 포함하는 운동 보조 장치.
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