KR20210003568A - 하이브리드형 의지 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

하이브리드형 의지 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

하이브리드 의지 장치가 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치는, 무릎 위쪽에 위치되는 관절 상측 연결 부재, 상기 관절 상측 연결 부재와 연결된 무릎 조인트 부재 및 상기 무릎 조인트 부재에 피벗 회전 가능하게 결합되며 대퇴부를 형성하는 프레임을 포함하는 의지 장치로서, 상기 무릎 조인트 부재에 연결된 유압 실린더를 포함하여 상기 무릎 조인트 부재에 패시브 동력을 전달하는 패시브 구동 모듈 및 상기 무릎 조인트 부재에 액티브 동력을 전달하기 위하여 상기 무릎 조인트 부재에 결합된 액티브 구동 모듈을 포함하며, 상기 무릎 조인트 부재에 대한 상기 프레임의 피벗 회전시 상기 무릎 조인트 부재에 상기 패시브 구동 모듈에 의한 패시브 동력 및 상기 액티브 구동 모듈에 의한 액티브 동력을 선택적으로 혹은 동시에 제공할 수 있다.

Description

하이브리드형 의지 장치 및 그 제어 방법{Hybrid type prosthesis apparatus and method for controlling the same}
본 발명은 하이브리드형 의지 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 무릎의 굴곡을 가능하게 하는 무릎 조인트 부재를 포함하는 대퇴 의지 장치 및 그 장치의 제어 방법에 대한 것이다.
대퇴의지와 같은 의족을 장착한 사람에게 있어, 정상인과 같이 자연스러운 걸음을 걷는 것은 기본적인 소원이다. 특히 의족을 장착한 사람이 좌우발을 교대로 내딛어 계단을 올라가거나 경사가 어느 정도 있는 비탈길을 걸어가는 것은 매우 어려운 일이다. 이 때, 낙상을 방지할 수 있는 확고한 무릎 제동 기능, 즉 굴곡 제어 성능은 의족을 착용한 가장 우선적으로 필요한 기능이다. 또한 체중을 위로 들어 올릴 수 있는 신전방향의 능동형 관절 토크가 제공될 수 있다면 계단이나 상방경사로를 극복하는데 큰 도움이 될 수 있다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 사람의 보행시 보행 구간은 발이 지면에 닿아 움직이는 입각기와, 발이 지면에서 떨어져 움직이는 유각기 구간으로 나뉜다. 정상인의 보행시 무릎은 입각기 구간에서 2번의 굴곡과 1번의 신장을 거치며, 유각기 구간에서 1번의 굴곡과 1번의 신장을 겪는다.
도 1을 참조하면, 대부분의 절단 장애인의 경우 보행시 스탠스 플렉션(stance flexion)이 없이 평 무릎 각도(flat knee angle)로 입각기를 지난 후 바로 유각기 구간으로 넘어가는 경우가 대부분이며, 의지를 착용한 쪽의 입각기가 불안하기 때문에 상대적으로 짧은 입각기를 가진다. 이것은 의지를 착용한 절단 장애인이 좌우 비대칭으로 보행하는 근본적인 원인이 된다.
이와 같은 절단 장애인의 보행을 보다 자연스럽게 하기 위하여 개발되고 있는 절단 장애인용 의지 장치는 크게 패시브형 의지, 가변 댐핑형 의지 및 액티브형 의지로 나뉜다.
패시브형 의지는 유압실린더를 이용하여 절단 장애인의 보행시 유압 실린더에 의한 수동적인 힘만을 제공하는 것으로 기계적인 요소만으로 제작되고 보행 전에 매뉴얼 방식으로 관절 저항값을 조절할 수 있지만, 보행시에는 미리 세팅된 하나의 관절 저항 만을 갖는다. 이와 같은 패시브형 의지는 기계적인 요소만으로 제작되므로 배터리 방전과 같은 문제가 없고, 의지의 신뢰성 및 내구성 측면에서 강점을 가진다. 하지만, 패시브형 의지는 보행시 수동으로 셋팅된 하나의 무릎 저항만을 가지므로 보행 속도에 대한 적응 능력이 상대적으로 떨어지며, 비대칭 보행 패턴 및 hip hiking 문제로 인해 건강한 사람들보다 60% 이상 더 많은 에너지를 소비하며, 보행 속도가 정상인보다 느린 단점을 갖는다.
가변 댐핑형 의지는 유공압 및 MR/ER 댐퍼의 댐핑값을 실시간으로 조절해 무릎 관절저항력을 보행상황에 적합하게 실시간으로 조절하는 목표로 구성되는 의지이다 현재 상용으로 가장 많이 사용되는 유압실린더를 적용한 가변 댐핑형 의지는 유압 실린더 내부의 유압을 유압 노즐을 통해 실시간으로 조절함으로써 패시브형 의지와 비교할 때 무릎 안정성과 보행 속도 차이에 대한 적응력을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다. 하지만, 가변 댐팽형 의지 역시 수동형 기계 요소인 유압 실린더를 사용하므로 액티브 구동력을 제공할 수는 없다. 따라서 계단이나 경사를 걷거나 뛰어오르는 것과 같이 무릎에 신전(extension) 방향의 힘을 주어야 하는 상황에서 힘을 줄 수 없어 일상 생활에 필요한 힘을 모두 제공할 수 없는 단점을 갖는다.
액티브형 의지는 보행시 필요한 정도의 신전방향의 무릎 토크를 제공할 수 있는 구동 모터를 이용한 의지이다. 액티브형 의지는 경사로, 빠른 보행 등 큰 동력이 필요한 경우에도 적정한 힘을 제공할 수 있어 일상 생활의 대부분의 활동을 복원할 수 있다. 그러나, 액티브형 의지는 지속적으로 구동 모터를 이용하여 입각기 및 유각기 구간 동안 모두 의지를 동력을 사용해 움직이기 때문에 배터리의 소모가 커서 연속하여 오랜 기간동안 사용하는 것이 어렵다. 또한 큰 힘을 낼 수 있도록 하기 위해 동력부의 크기가 커지고 시스템의 제어가 복잡해지며 무게가 많이 나가는 단점을 갖는다.
따라서, 전술한 종래의 패시브형 의지, 가변 댐핑형 의지 및 능동형 의지의 단점을 보완하여, 절단 장애인이 평지뿐 아니라 계단이나 경사로와 같이 이동시 소정의 힘 이상의 동력이 필요한 경우에 적정한 동력을 제공해 줄 수 있고, 에너지 손실이 작아 오랜 시간 사용할 수 있는 의지 장치의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 일 실시예는 평지뿐 아니라 계단이나 경사로와 같이 이동시 의지 착용자에게 큰 힘이 필요한 경우 이동에 필요한 적정한 신전방향의 토크를 제공해 줄 수 있는 의지 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 에너지 손실이 작아 오랜 시간 동안 사용할 수 있는 의지 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에는 패시브형 의지와 액티브형 의지의 장점을 조합하여 에너지 손실을 줄이면서도 의지 착용자에게 필요한 힘을 적절하게 제공할 수 있는 하이브리드형 의지 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 무릎 위쪽에 위치되는 관절 상측 연결 부재, 상기 관절 상측 연결 부재와 연결된 무릎 조인트 부재 및 상기 무릎 조인트 부재에 피벗 회전 가능하게 결합되며 대퇴부를 형성하는 프레임을 포함하는 의지 장치로서, 상기 무릎 조인트 부재에 연결된 유압 실린더를 포함하여 상기 무릎 조인트 부재에 패시브 동력을 전달하는 패시브 구동 모듈 및 상기 무릎 조인트 부재에 액티브 동력을 전달하기 위하여 상기 무릎 조인트 부재에 결합된 액티브 구동 모듈을 포함하며, 상기 무릎 조인트 부재에 대한 상기 프레임의 피벗 회전시 상기 무릎 조인트 부재에 상기 패시브 구동 모듈에 의한 패시브 동력 및 상기 액티브 구동 모듈에 의한 액티브 동력을 선택적으로 혹은 동시에 제공할 수 있는 하이브리드형 의지 장치가 제공된다.
이 때, 상기 유압 실린더의 연장 방향 일 단부는 상기 무릎 조인트 부재 둘레의 일 위치에서 상기 무릎 조인트 부재에 작동적으로 결합되고, 상기 유압 실린더의 연장 방향 타 단부는 상기 프레임의 상기 무릎 조인트 부재로부터 먼 방향 단부 측에 결합될 수 있다.
이 때, 상기 액티브 구동 모듈은, 상기 무릎 조인트 부재와 연결된 제 1 풀리; 상기 프레임의 상기 무릎 조인트 부재로부터 먼 방향 단부 일측에 위치되는 제 2 풀리; 상기 제 1 풀리 및 상기 제 2 풀리를 서로 작동적으로 연결하는 구동 케이블; 및 상기 구동 케이블을 액티브 구동시키기 위한 구동 모터를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제 1 풀리는 상기 무릎 조인트 부재의 회전축과 동심축 상으로 배열될 수 있다.
상기 제 1 풀리는 상기 무릎 조인트 부재와 일체로 형성될 수 있다.
상기 제 1 풀리는 상기 무릎 조인트 부재와 동시에 회전 가능하도록 작동적으로 연결될 수 있다.
상기 액티브 구동 모듈의 구동 케이블이 작동하는 평면에 대하여 상기 패시브 구동 모듈의 상기 유압 실린더는 평행하게 배치될 수 있다.
이 때, 상기 구동 케이블에 상기 구동 모터의 동력을 선택적으로 전달하기 위하여 상기 케이블 및 상기 구동 모터 사이에 결합되는 클러치 모듈을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 클러치 모듈에 의하여 상기 케이블에 상기 구동모터의 동력이 전달 가능한 상태로 연결되었을 때, 상기 클러치 모듈은 상기 케이블과 함께 이동한다.
이 때, 상기 프레임에는 상기 클러치 모듈이 상기 케이블과 함께 이동할 때 상기 클러치 모듈의 이동을 가이드하기 위한 가이드 부재가 구비될 수 있다.
이 때, 상기 액티브 구동 모듈은 상기 클러치 모듈에 의하여 상기 케이블에 상기 구동 모터의 동력이 전달가능한 상태로 연결되었을 때, 상기 구동 모터가 상기 가이드 부재를 이동시킴으로써 상기 가이드 부재에 연결된 상기 클러치 모듈 및 상기 케이블이 함께 이동되도록 형성되고, 상기 케이블의 이동에 따라 상기 무릎 조인트 부재에 대한 상기 프레임의 피벗 회전이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 액티브 구동 모듈이 상기 무릎 조인트 부재에 항상 작동적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 무릎 위쪽에 위치되는 관절 상측 연결 부재, 상기 관절 상측 연결 부재와 연결된 무릎 조인트 부재 및 상기 무릎 조인트 부재에 피벗 회전 가능하게 결합되며 대퇴부를 형성하는 프레임을 포함하고, 상기 무릎 조인트 부재에 연결된 패시브 구동 모듈 및 액티브 구동 모듈을 포함하는 하이브리드형 의지 장치를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 의지 장치를 장착한 사용자의 제 1 보행 조건 하에서는 상기 무릎 조인트 부재에 패시브 동력을 전달하는 패시브 구동 모듈을 이용하여 보행하고, 상기 의지 장치를 장착한 사용자의 제 2 보행 조건 하에서는 상기 무릎 조인트 부재에 결합된 액티브 구동 모듈을 이용하여 보행하는, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법이 제공된다.
이 때, 상기 사용자의 상기 제 1 보행 조건은 경사각 소정 각도 이하의 평지 보행일 수 있다.
이 때, 상기 제 1 보행 조건 하에서, 상기 패시브 구동 모듈을 이용한 보행시 상기 액티브 구동 모듈은 상기 무릎 조인트 부재에 대하여 동력 전달이 단절되도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건은 경사각 소정 각도 이상의 경사지 보행, 소정 속도 이상의 속보 혹은 달리기 주행, 혹은 계단 오르기 보행일 수 있다.
이 때, 상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 하에서, 상기 액티브 구동 모듈을 이용한 보행시에만 상기 액티브 구동 모듈이 상기 무릎 조인트 부재에 대하여 동력이 전달 되도록 기구적으로 제어될 수 있다.
이 때, 상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 중 경사지 보행시 상기 액티브 구동 모듈이 작동하는 조건은 무릎 각속도(knee angular velocity)가 양에서 음으로 전환되어 순간적으로 각속도가 0이 되는 때이고, 상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 중 경사지 보행시 상기 액티브 구동 모듈이 해제되는 조건은 무릎 각속도(knee angular velocity)가 음에서 양으로 전환되어 순간적으로 각속도가 0이 되는 때이다.
이 때, 상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 중 계단 오르기 보행시 상기 액티브 구동 모듈이 작동하는 조건은, 계단 오르기 트리거 신호 발행후, 무릎 각속도(knee angular velocity)가 양에서 음으로 전환되어 순간적으로 각속도가 0이 되는 때이고, 상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 중 계단 오르기 보행시 상기 액티브 구동 모듈이 해제되는 조건은 무릎 각속도(knee angular velocity)가 음에서 양으로 전환되어 순간적으로 각속도가 0이 되는 때이다.
이 때, 상기 제 2 보행 조건 하에서 상기 액티브 구동 모듈 및 상기 패시브 구동 모듈이 함께 작동하도록 할 수 있다.
이 때, 상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 하에서 상기 액티브 구동 모듈은 상기 사용자의 입각기 범위 내에서 작동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 일상적인 평지 보행시에는 패시브 구동 모듈을 이용하여 보행하고, 경사로 보행, 계단 오르기와 같이 큰 힘이 필요한 이동시에는 액티브 구동 모듈을 이용하여 이동함으로써 의지 착용자가 일상 생활에 필요한 힘을 적정하게 제공받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 패시브 구동 모듈을 이용하는 경우 액티브 구동 모듈을 사용하지 않기 때문에, 에너지 손실이 적어 오랫동안 사용할 수 있는 장점이 있다. 특히 평지보행, 하행 경사로 및 계단 보행이 경우는 온전히 패시브 구동 모듈만을 이용해서 보행이 가능하므로 에너지 세이빙 효과가 크다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 액티브 구동 모듈이 사용되지 않는 경우 구동 모듈이 무릎 관절과 기구적으로 단절되어 있을 수 있는 클러치 구조를 가짐으로써 구동을 위한 불필요한 동력 사용을 제한할 수 있다.
도 1은 사람의 보행시 입각기와 유각기에서의 무릎 각도 및 무릎 파워를 나타낸 도면이다. 실선은 정상인, 점선은 절단 장애인의 보행시 무릎각도를 의미한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2를 측면에서 바라본 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치의 클러치 모듈 기어 파트의 일 예이고, 도 4b는 클러치 모듈의 다른 예이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치의 시스템 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치의 작동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치에서 패시브 구동 모듈을 이용하여 하이브리드 의지 장치를 작동시키는 상태를 나타낸 도면이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치에서 액티브 구동 모듈을 이용하여 하이브리드 의지 장치를 작동시키는 상태를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 보행자가 상방 경사로를 보행하는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치에서 액티브 구동 모듈이 작동되는 영역을 나타낸 그래프이다. 도 9은 x축이 무릎 각속도(RPM), y축이 평균화 토크(무릎토크를 절단장애인의 몸무게로 나눈값)를 나타내는 그래프이고, 도 10는 x축이 시간, y축이 무릎 각도를 나타내는 그래프이다. 도 9에서 x축의 무릎 각속도의 경우 양의 값은 굽힘 방향 속도, 음의 값은 신전방향 속도를 의미하며, y축의 평균화 토크의 경우 양의 값은 신전방향 토크, 음의 값은 굴곡방향 토크를 의미한다. 도 10에서 x축은 인간의 보행주기 1 싸이클 시간을 의미하고, y축은 상대 무릎 관절각도로써 양의 값이 대퇴부 대비 정강이의 상대적인 굴곡각를 의미한다.
도 11는 보행자가 계단을 올라가는 4가지 상태에서 의지 장치의 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12은 도 9에서 보행자가 계단을 올라가는 4가지 상태에 대응하는 동작 및 무릎 각도와, 그에 대응하는 하이브리드 의지 장치의 구동 상태를 설명하는 도면이다.
도 13 및 도 14은 보행자가 계단을 올라가는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치에서 액티브 구동 모듈이 작동되는 영역을 나타낸 그래프이다. 도 13은 x축이 무릎 각속도, y축이 평균화 토크를 나타내는 그래프이고, 도 14는 x축이 시간, y축이 무릎 각도를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치의 개략적인 구성도이다. 도 3은 도 2를 측면에서 바라본 도면이다. 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치의 클러치 모듈의 일 예이고, 도 4b는 클러치 모듈의 다른 예이다. 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치의 시스템 구성도이다.
도 2 및 도 5을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(1)는 프레임(10), 패시브 구동 모듈(12) 및 액티브 구동 모듈(14)을 포함할 수 있다.
프레임(10)은 하이브리드형 의지 장치(1)의 외부 하우징 혹은 의지 장치를 구성하는 구성요소들이 장착되는 골격을 형성하는 것으로, 예를 들어, 소정 형태의 판 형상으로 이루어질 수 있다. 프레임(10)은 도 2에서 볼 때, 상하 방향으로 연장된 형태로 이루어질 수 있는데, 본 실시예에서는 이해를 돕기 위하여 사각 형태의 판 형상으로 도시하였으나, 프레임의 형태가 이에 제한되는 것은 아니다.
프레임(10)이 의지 장치의 외부 하우징을 적어도 일부 형성하는 경우 프레임(10)의 내부에 의지 장치를 구성하는 구성 요소들이 내장되어 외부로부터 보호될 수 있다. 한편, 프레임(10)이 의지 장치의 골격을 형성하는 경우에는 의지 장치를 구성하는 구성요소들(예를 들어, 후술하는 유압 실린더 및 케이블 등)이 프레임(10)에 설치된 상태에서 프레임(10) 및 구성 요소들을 보호하기 위한 별도의 하우징이 프레임(10)의 외부에 제공될 수 있다. 이 때, 별도의 하우징은 인체의 하퇴 형태와 유사하게 곡면 형태를 갖도록 이루어질 수 있다.
한편, 본 실시예에서 프레임(10)의 상부측에는 무릎 조인트 부재(20)가 구비된다. 무릎 조인트 부재(20)는 본 발명의 하이브리드형 의지 장치가 의지 착용자에 장착된 상태에서 무릎 관절을 형성하는 부분이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 조인트 부재(20)는 일 예로, 원통형으로 이루어지며 중앙부에 회전중심축을 갖도록 형성된다. 이 때, 본 실시예에서는 무릎 조인트 부재(20)가 원통형인 것으로 예시하였으나, 이는 구성요소의 이해를 용이하게 하기 위한 것으로 무릎 조인트 부재(20)의 외주면은 원통 형태가 아닌 다른 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
무릎 조인트 부재(20)의 상측부에는 의지 착용자의 대퇴부 하측에 고정되는 소켓과 같은 구조체에 결합될 수 있는 관절 상측 연결 부재(24)가 구비될 수 있다. 관절 상측 연결 부재(24)는 무릎 조인트 부재(20)로부터 돌출된 돌출부 형태로 이루어질 수 있으나, 관절 상측 연결 부재(24)의 형태는 관절 상측 연결 부재(24)가 결합되는 의지 착용자의 소켓 혹은 대퇴부 측 결합부의 형태에 따라 다양하게 이루어질 수 있다. 관절 상측 연결 부재(24)는 무릎 조인트 부재(20)에 직접 설치되거나, 별도의 연결 구조에 의하여 간접적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 관절 상측 연결 부재(24)가 의지 착용자의 소켓에 연결된 상태에서 무릎 조인트 부재(20)가 무릎 관절의 역할을 수행하고, 프레임(10)이 무릎 조인트 부재(20)에 대하여 피벗 회전함으로써 무릎의 굴곡 작용이 이루어질 수 있다.
한편, 도 2에서 볼 때, 프레임(10)의 하부에는 발목 관절 연결 부재(34)가 형성되어, 프레임(10)에 발목 관절이 연결되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무릎 조인트 부재(20)에 회전력을 부가하기 위하여 프레임(10)에는 패시브 구동 모듈(12) 및 액티브 구동 모듈(14)이 설치된다.
패시브 구동 모듈(12)은 프레임(10)에 설치되는 유압 실린더(60) 및 무릎 조인트 부재(20)를 포함할 수 있다.
유압 실린더(60)는 유체가 유출입될 수 있는 내부 공간을 구비한 몸체부(62) 및 몸체부(62) 내부에 유체가 유출입됨에 따라 외측 방향으로 왕복하여 움직일 수 있는 피스톤부(64)로 이루어질 수 있다.
유압 실린더(60)는, 도 2에서 볼 때 상하 방향으로, 프레임(10)의 연장 방향으로 배치되며 프레임(10)의 상부측에 위치되는 연장 방향 일 단부, 즉 피스톤부(64)의 연장 방향 단부가 무릎 조인트 부재(20)의 외주부측 일 위치에서 무릎 조인트 부재(20)에 회전 가능하게 결합된다. 그리고, 유압 실린더(60)의 연장 방향 타 단부, 즉 몸체부(62)의 단부는 프레임(10)의 하부측에 회전가능하게 결합된다.
이와 같이 유압 실린더(60)의 양 단부 중 일단부가 무릎 조인트 부재(20)에 회전가능하게 결합되고, 타단부가 프레임(10)의 하부측에 회전가능하게 결합됨으로써, 유압 실린더(60)의 피스톤부(64)가 신장 또는 수축할 때 무릎 조인트 부재(20)에 대하여 상대적으로 프레임(10)이 피벗 회전할 수 있게 된다. 이 때 유압실린더의 부착 위치 및 피스톤의 이동범위는 인체 보행시의 무릎각도회전 범위를 기초로 설정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 유압 실린더(60)는 공지된 방식으로 일정 압력의 패시브 힘을 무릎 관절에 제공하도록 형성되거나, 또는 공지된 가변 댐핑형으로 이루어져 유압 실린더(60) 내부의 유압의 크기를 제어하도록 형성됨으로써 패시브형 모듈이 사용되는 경우의 댐핑력이 보행 주기를 고려해 적정하게 조절되도록 형성될 수 있다.
유압 실린더(60)에는 몸체부(62) 내부 또는 외부에 유압을 조절하기 위한 유체 제어 밸브 등이 설치될 수 있으며, 유압 실린더(60) 내부로 유체를 공급하거나 배출시키기 위한 추가적인 구성이 추가로 구비될 수 있다. 이와 같은 패시브 구동을 제어하기 위한 유압 실린더의 구체적인 구성은 공지된 구성을 적용할 수 있는 바 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(1)의 액티브 구동 모듈(14)은 무릎 조인트 부재(20)에 액티브 동력을 전달하기 위한 것으로, 제 1 풀리(30), 제 2 풀리(40), 구동 케이블(50) 및 구동 모터(100)를 포함할 수 있다.
이 때, 제 1 풀리(30)는 무릎 조인트 부재(20)의 회전축(C)과 동심축 상으로 배치되고, 무릎 조인트 부재(20)와 동시에 회전가능하도록 형성된다. 일 예로, 제 1 풀리(30)는 무릎 조인트 부재(20)와 일체로 형성되거나 별개의 부재로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제 1 풀리(30)는 무릎 조인트 부재(20)보다 작은 지름을 갖는 원통형으로 이루어질 수 있으나, 이는 구성의 용이한 이해를 위하여 예시적으로 도시한 것일 뿐, 제 1 풀리(30)의 크기가 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 실시예에서는 제 1 풀리(30)가 무릎 조인트 부재(20)의 회전축과 동심축 상으로 배치된 것을 예시하였으나, 제 1 풀리(30)의 회전축이 별도의 기어 혹은 중간 연결 부재(예를 들어, 링크 부재) 등에 의하여 무릎 조인트 부재(20)와 작동적으로 연결된 경우 제 1 풀리(30)의 회전축이 무릎 조인트 부재(20)의 회전축과 동심축 상으로 배열되지 않는 것도 가능할 것이다.
제 2 풀리(40)는 도 2에서 볼 때, 프레임(10)의 하부측에 회전가능하게 설치된다. 제 2 풀리(40)는 제 1 풀리(30)보다 같거나 작은 지름을 갖는 원통형 부재로 이루어질 수 있다.
제 1 풀리(30)와 제 2 풀리(40)에는 구동 케이블(50)이 감겨 제 1 풀리(30)와 제 2 풀리(40)가 동시에 회전가능하도록 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(1)는 구동 케이블(50)을 이동시킴으로써 제 1 풀리(30)가 회전되도록 하고, 제 1 풀리(30)의 회전에 따라 무릎 조인트 부재(20)가 회전될 수 있도록 함으로써, 무릎 조인트 부재(20)에 액티브 힘을 가하도록 구성된다.
이 때, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(1)는 제 1 풀리(30)와 제 2 풀리(40)에 감긴 구동 케이블(50)이 작동하는 제1 평면(PL1)에 대하여 유압 실린더(60)가 작동하는 제 2 평면(PL2)이 평행하게 배치된다.
보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(1)에 있어서 제 1 풀리(30)에 액티브 동력을 제공하는 구동 케이블(50)은 제 1 평면(PL1) 상에서 작동하고, 무릎 조인트 부재(20)에 패시브 동력을 제공하는 유압 실린더(60)는 제 2 평면(PL2) 상에서 작동한다.
이 때, 제 1 풀리(30)와 무릎 조인트 부재(20)는 동시에 회전할 수 있도록 형성되고, 제 1 평면(PL1)과 제2 평면(PL2)이 서로 평행하게 배치됨으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치(1)는 공간적으로 크지 않은 공간 내에 패시브 구동 모듈(12)과 액티브 구동 모듈(14)을 콤팩트하게 배치할 수 있다.
제 1 풀리(30)와 제 2 풀리(40)에 감긴 구동 케이블(50)을 이동시키기 위하여 구동 모터(100)가 프레임(10) 일측에 구비된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 구동 모터(100)의 구동력을 구동 케이블(50)에 전달하기 위하여 동력 전달 부재(90), 가이드 부재(80) 및 클러치 모듈(70)이 구비된다.
동력 전달 부재(90)는 구동 모터(100)에 결합되어 구동 모터(100)의 동력을 구동 케이블(50) 측으로 전달하기 위한 구성 요소이다. 일 예로, 동력 전달 부재(90)는 풀리, 기어 혹은 기타 공지의 동력 전달 부재일 수 있다.
가이드 부재(80)는 구동 모터(100)와 연결된 동력 전달 부재(90)와 연결되어, 구동 케이블(50)의 이동을 가이드 하기 위한 구성 요소이다. 가이드 부재(80)로서, 일 예로, 가이드 레일(84) 상을 이동할 수 있는 리니어 가이드 모듈(82) 혹은 볼스크류를 따라 선형 이동할 수 있는 볼너트와 같은 공지의 가이드 부재가 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가이드 부재(80)에서 선형으로 이동할 수 있는 리니어 가이드 모듈 혹은 볼스크류의 볼너트 등은 구동 케이블(50)에 직접 혹은 간접적으로 연결되어 구동 케이블(50)과 함께 이동할 수 있다.
이 때, 구동 케이블(50)이 제 1 풀리(30)와 제 2 풀리(40)에 감긴 상태에서 구동 케이블(50)의 이동 거리는 가이드 부재(80)의 이동 거리와 동일하게 형성될 수 있다. 구동 케이블(50)이 이동되는 거리, 속도 및 이동하는 방향에 따라 제 1 풀리(30)의 회전 방향, 회전 속도 및 각도가 달라지게 되며, 이에 따라 제 1 풀리(30)와 작동적으로 연결된 무릎 조인트 부재(20)의 굴곡 각도 및 속도가 달라지게 된다.
가이드 부재(80)는 케이블에 직접 고정적으로 연결될 수도 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(1)는 클러치 모듈(70)이 구비되어 구동 모터(100)의 동력을 구동 케이블(50)에 선택적으로 전달할 수 있도록 형성된다.
보다 상세히, 도 2를 참조하면, 클러치 모듈(70)은 일 예로, 구동 케이블(50) 측에 결합되는 제 1 부분(72) 및 가이드 부재(80)에 결합되는 제 2 부분(74)으로 이루어질 수 있다.
이 때, 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74)은 상호 체결되거나 분리될 수 있도록 형성될 수 있다. 이와 같이 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74)을 상호 체결시키거나 분리시키기 위하여, 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74)은 상호 이동가능한 결합 구조로 이루어질 수 있으며, 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74) 중 어느 하나를 다른 어느 하나에 상대적으로 이동시키기 위한 별도의 구동부가 제공될 수 있다.
예를 들어 제 1 부분(72)의 일측 및 제 2 부분(74)의 대항하는 일측은, 도 4a에 도시된 바와 같이 서로 치합 가능한 구조로 이루어질 수 있으며, 양측이 서로 접하여 치합된 경우 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74)이 동시에 움직일 수 있도록 형성 되고, 이와 같은 경우가 클러치 '온'된 상태로서 구동 모터(100)의 동력이 구동 케이블(50)에 전달될 수 있는 상태로 규정될 수 있다.
이와 반대로, 제 1 부분(72)의 일측 및 제 2 부분(74)의 대향하는 일측이 서로 분리되도록 이격된 경우, 제 1 부분(72)과 제 2 부분(74)은 기계적으로 서로 분리되어 서로 동시에 움직일 수 없게 되고, 이와 같은 경우가 클러치 '오프'된 상태로서 구동 모터(100)의 동력이 구동 케이블(50)에 전달될 수 없는 상태로 규정될 수 있다.
이 때, 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74)은, 도 2 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 제 1 부분(72)이 구동 케이블(50)에 직접 결합되고, 제 2 부분(74)이 가이드 부재(80)에 결합된 구조로 이루어질 수도 있으나, 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74)의 구조가 이에 제한된 것은 아니다.
다른 예로서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74)이 가이드 부재에 모두 결합되되, 제 1 부분(72)과 제 2부분(74)이 집게형 구조 혹은 가이드 구조로 이루어져 클러치 '온'된 상태에서, 제 1 부분(72)과 제 2 부분(74)이 서로 가까워진 상태에서 구동 케이블(50)에 접하여 고정되거나 결합되어, 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74)이 구동 케이블(50)과 함께 이동할 수 있도록 형성됨으로써 동력이 전달될 수 있도록 형성될 수 있다.
또한, 클러치 '오프'된 상태에서 제 1 부분(72)과 제 2 부분(74) 중 적어도 어느 한 부분이 구동 케이블(50)로부터 멀어져 결합이 해제됨으로써, 제 1 부분(72) 및 제 2 부분(74)이 구동 케이블(50)과 함께 이동할 수 없도록 형성되어 동력이 전달되지 않도록 형성될 수 있다. 제 1 부분(72)과 제 2 부분(74)을 서로 가깝도록 이동시키거나 멀어지도록 이동시키기 위하여, 제 1 부분(72)과 제 2 부분(74)을 작동적으로 지지하는 가이드(76)가 추가적으로 제공될 수 있다. 제 1 부분(72)과 제 2 부분(74)이 집게형 구조로 이루어진 경우에는 상호 피벗 회전 가능하게 결합되는 구조로 이루어질 수 있다.
이 때, 제 1 부분(72)과 제 2 부분(74)이 구동 케이블(50)과 동시에 이동될 수 있도록 상호 결합시키는 구조는 전술한 바와 같이 기계적인 결합 구조일 수도 있고, 전기적인 결합 구조일 수도 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(1)는, 전술한 패시브 구동 모듈(12), 액티브 구동 모듈(14) 및 클러치 모듈(70)을 작동시킬 수 있도록 센서부(110) 및 제어기(16)를 포함할 수 있다.
센서부(110)는 패시브 구동 모듈(12) 및 액티브 구동 모듈(14)이 각각 작동해야 하는 시작 시점 및 종료 시점을 감지하기 위한 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 이와 같은 센서들은 예를 들어, 무릎의 각도 및 회전 속도를 측정하기 위한 센서, 의지 착용자의 이동 속도를 감지하기 위한 센서, 무릎의 높이를 측정하기 위한 센서, 무릎에 작용하는 힘을 측정하기 위한 센서 등을 포함할 수 있으나, 센서의 종류가 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 센서부(110)에서 측정된 센싱 값을 이용하여 패시브 구동 모듈(12), 액티브 구동 모듈(14) 및 클러치 모듈(70) 중 적어도 어느 하나를 작동시키기 위하여 제어기(16)가 구비될 수 있다. 제어기(16)는 공지의 PCB 기판에 설치된 집적 회로 형태의 데이터 처리 장치로 구현될 수 있으며, 센서부(110), 패시브 구동 모듈(12), 액티브 구동 모듈(14) 및 클러치 모듈(70)과 유선 혹은 무선 통신에 의하여 데이터를 송수신할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치의 작동 방법을 나타내는 순서도이다. 도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치에서 패시브 구동 모듈을 이용하여 하이브리드 의지 장치를 작동시키는 상태를 나타낸 도면이다. 도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치에서 액티브 구동 모듈을 이용하여 하이브리드 의지 장치를 작동시키는 상태를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치(1)를 장착한 사용자가 보행하는 동안 의지 장치의 센서부(110)에서는 센싱값을 측정한다.(S10) 이 때, 측정된 센싱값에 따라 제어기(16)에서는 액티브 구동 모듈(14)을 구동해야 하는지 혹은 액티브 구동 모듈(14)을 구동하지 말아야 하는지 여부를 판단한다.(S20)
제어기(16)는, 액티브 구동 모듈(14)이 필요 없는 경우, 예를 들어 평지 보행과 같이 많은 힘이 필요하지 않은 경우에는 클러치 모듈(70)을 오프(S50)시켜, 패시브 구동 모듈에 의하여만 보행이 이루어질 수 있도록 한다.(S60) 도 7에는 클러치 모듈(70)이 오프된 상태에서 패시브 구동 모듈(12)에 의하여만 구동이 이루어지는 상태가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 의지 착용자의 보행시 플랙션(flexion) 상태에서는 유압 실린더(60)가 작동하여, 도 7에서 볼 때, 반시계 방향으로 대퇴부에 대하여 상대적으로 무릎 조인트 부재(20)가 회전하고, 익스텐션(extension) 상태에서는 유압실린더가 신장되어, 도 7에서 볼 때 시계 방향으로 대퇴부에 대하여 상대적으로 무릎 조인트 부재가 회전하게 된다.
이 때, 유압 실린더(60)는 패시브 힘을 무릎 조인트 부재(20)에 부여하여 의지 착용자가 보행하는 동안 최소한의 동력으로 혹은 동력을 사용하지 않고 보행할 수 있도록 한다.
패시브 구동 모듈(12)이 작동하는 동안 클러치 오프된 상태에서 구동 케이블(50)은 단순히 제 1 풀리(30)와 제 2 풀리(40)에 걸려있는 상태를 유지하며 유압 실린더(60)의 작동에 따라 제 1 풀리(30)와 제 2 풀리(40) 사이에 감긴 상태로 수동적으로 회전한다.
패시브 구동 모듈(12)이 작동되는 상태에서 지속적으로 센서부(110)에서는 센싱값을 측정하며, 의지 착용자가 보행하는 동안 지속적으로 패시브 구동 모듈(12)만을 이용하여 보행을 할지 혹은 패시브 구동 모듈(12)을 작동시켜야 하는지 여부를 판단하게 된다.
의지 착용자가 보행하는 동안 액티브 동력이 필요한 경우라고 제어기(16)가 판단한 경우, 예를 들어, 경사면을 보행하거나, 뛰거나 혹은 계단을 올라가는 동작을 수행하는 경우라고 판단한 경우에는, 제어기(16)가 클러치 모듈(70)을 온(S30)시키고, 액티브 구동 모듈(14)을 구동시킨다.(S40) 이와 같이 액티브 구동 모듈(14)이 구동되는 상태가 도 8에 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 클러치 모듈이 '온'된 상태에서 구동 모터(100)의 구동력은 가이드 부재(80)를 통하여 구동 케이블(50)에 전달되며, 구동 모터(100)가 구동되면 가이드 부재(80)와 함께 클러치 모듈(70) 및 구동 케이블(50)이 이동된다. 이 때 기어의 구조상 익스텐션 방향으로의 힘전달만 가능하고, 플랙션 방향으로의 힘전달은 이루어지지 않는다.
도 8을 참조하면, 의지 착용자의 보행시 플랙션(flexion) 상태에서는 구동 케이블(50)이, 도 8에서 볼 때 상측 방향으로 이동하여 제 1 풀리(30)를 반시계 방향으로 이동시키고, 이와 같이 제 1 풀리(30)가 이동함에 따라 무릎 조인트 부재(20)가 대퇴부에 대하여 상대적으로 반시계 방향으로 이동되는 힘을 받아 움직인다. 이 때 장시간 큰 플랙션 움직임이 반복적으로 일어나는 경우에는 클러치 모듈에서 기어이가 분리되어 회전 관성을 줄여 줄 수 있으며 이 때 구동 모터가 무릎 모듈로부터 완전히 분리되어 여 회전 부하를 줄여 에너지 소모를 최소화 하는 것이 가능하다.
또한 의지 착용자의 보행시 익스텐션(extension) 상태에서는 구동 케이블(50)이, 도 8에서 볼 때 하측 방향으로 이동하여 제 1 풀리(30)를 시계 방향으로 이동시키고, 이와 같이 제 1 풀리(30)가 이동함에 따라 무릎 조인트 부재(20)가 대퇴부에 대하여 상대적으로 시계 방향으로 이동되는 힘을 받아 움직인다.
이와 같이 액티브 구동 모듈(14)이 액티브 동력을 제 1 풀리(30)를 통하여 무릎 조인트 부재(20)에 부가하는 동안 패시브 구동력을 부가하였던 유압 실린더(60)는 액티브 구동력의 반력으로 작용하여 무릎 조인트 부재(20)의 회전력에 댐핑력을 부가한다. 이에 따라 액티브 구동 모듈(14) 작동시에는 액티브 구동력과 댐핑력이 함께 무릎 조인트 부재(20)에 작용하여 의지 착용자의 움직임을 보다 원활하게 할 수 있다.
한편, 액티브 구동 모듈(14)을 구동하여야 하는 경우에 있어서, 특수한 상황, 예를 들어, 계단을 올라가야 하는 경우와 같이 특정 이상의 힘이 필요한 경우임에도 불구하고, 해당 상황임을 센서부(110)의 센싱만으로 판단하기 어려운 경우에는, 제어기(16)가 이와 같은 특수 상황을 인식할 수 있도록 하기 위하여 특정 트리거 신호를 발생시키는 것도 가능하다. 예를 들어 의지 착용자는 계단 앞에서 발 뒤꿈치로 바닥을 가볍게 탭하는 동작을 2회 반복할 수 있다. 이와 같이 발 뒤꿈치로 바닥을 가볍게 탭하는 동작이 2회 이루어졌음이 제어기(16)에서 감지될 경우 제어기에서 의지 착용자가 계단을 올라갈 것임을 인지하고 클러치 모듈을 온시킨 후 액티브 구동 모듈을 작동시킬 수 있다. 이러한 트리거 움직임은 다양한 방식으로 설정이 가능하다.
액티브 구동 모듈(14)이 구동되는 상태에서 지속적으로 센서부(110)에서 센싱값을 측정하며, 이와 같이 센서부(110)에서 센싱값을 측정하는 동안 다시 패시브 구동 모듈(12)만으로 보행이 가능한 상태라고 인식하게 되면 액티브 구동 모듈(14)의 작동을 멈추고 클러치 모듈(70)을 오프 상태로 유지시킨 후 패시브 구동 모듈(12)을 작동시킬 수 있다.
이상에서 설명한 하이브리드형 의지 장치(1)의 제어 방법에 있어 패시브 구동 모듈(12)만을 구동시켜 보행하는 시기 및 액티브 구동 모듈(14)을 구동시켜 보행하는 시기를 구별하는 것이 필요할 수 있는데, 이하 이에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치(1)의 착용자가 패시브 구동 모듈(12)만을 이용하여 보행할 수 있는 일반적인 보행 상황하에서는 액티브 구동 모듈(14)이 클러치 오프 된 상태로 유지되며, 액티브 구동 모듈(14)이 구동되어야 하는 상태가 감지되면 액티브 구동 모듈(14)을 구동시키기 위하여 클러치 모듈(70)이 온 된 후 액티브 구동 모듈(14)이 구동된다.
이 때, 액티브 구동 모듈(14)이 액티브 동력을 제 1 풀리(30)를 통하여 무릎 조인트 부재(20)에 부가하는 경우는, 의지 착용자가 보행(계단오르기, 경사면 보행, 달리기와 같이 액티브 구동력이 부가되어야 하는 경우)을 진행하는 과정에서도 입각기 및 유각기 전 과정이 아니라 입각기 중 특별하게 액티브 구동력이 필요한 경우로 제한될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치(1)의 제어 방법에서는 액티브 구동 모듈(14)을 통하여 액티브 구동력이 부가되는 보행 상황하에서도 유각기에서는 패시브 동력을 이용하여 보행하도록 한다.
이와 같이 액티브 구동 모듈(14)을 이용하여 액티브 구동력을 제공하는 상황에서도 특정 상황의 입각기 중 일부 구간에서만 액티브 구동력을 이용하기 때문에 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 적은 에너지만으로도 효과적인 보행이 가능하도록 할 수 있고, 오랜 시간동안 배터리를 사용할 수 있게 된다. 이하 패시브 구동 모듈(12)만을 이용하는 상황 및 시기, 그리고 액티브 구동 모듈(14)을 구동하는 특정 상황 하에서의 액티브 구동 모듈(14)의 특정 작동 조건 및 시기에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법에서는 제 1 보행 조건 하에서는 패시브 동력을 전달하는 패시브 구동 모듈을 이용하여 보행하고, 제 2 보행 조건 하에서는 무릎 조인트 부재에 결합된 액티브 구동 모듈을 이용하여 보행하는 것으로 규정할 수 있다.
이 때, 패시브 구동 모듈(12)을 이용하여 보행하는 제 1 보행 조건은 평지보행 및 하방 경사 보행, 하방 계단 보행, 서있는 상태에서 앉는 동작 등이 포함될 수 있다. 이 때, 평지 보행인지를 좌우하는 경사각의 경사각은 절단장애인의 보행 능력 및 체중 등에 따라 다르게 설정될 수 있다. 이와 같은 평지 보행은 의지 착용자가 일상 생활에서 보행하는 경우의 60% 이상을 차지한다. 따라서, 이와 같은 평지 보행에서는 패시브 구동 모듈(12)만을 이용하여 보행하므로 별도의 동력이 사용되지 않으므로 평지 보행시에는 소모되는 배터리의 에너지를 절감할 수 있다.
이와 같은 패시브 구동 모듈(12)만을 이용한 보행시에는 클러치 모듈(70)이 오프 상태를 유지하며 액티브 구동 모듈(14)은 무릎 조인트 부재에 대하여 동력 전달이 단절되도록 형성된다. 이에 따라 제 1보행 조건 상황에서는 액티브 모듈은 동작하지 않는 절전 상태에 머무르며 혹시 액티브 구동 모듈(14)이 오작동하더라도 클러치 모듈(70)에 의하여 동력이 전달되지 않으므로 액티브 구동 모듈(14)에 의한 전력 소모를 최소화 할 수 있다.
한편, 액티브 구동 모듈(14)을 이용하여 이동하는 제 2 보행 조건은 경사각이 소정 각도, 예를 들어 15도 이상의 상방 경사지로 보행, 혹은 소정 속도 이상의 속보 또는 달리기 주행, 혹은 계단 오르기 보행을 포함할 수 있다. 이 때, 경사로 각도, 달리기 주행시의 주행 속도, 계단 오르기 보행시의 계단의 높이는 무릎에 가해져야 하는 힘의 크기에 따라 다르게 설정될 수 있다.
이와 같이 액티브 구동 모듈(14)을 이용하여 의지 착용자가 이동해야 하는 제 2 보행 조건 하에서, 액티브 구동 모듈(14)을 통하여 액티브 구동력을 전달할 때, 클러치가 온 되도록 제어하고, 클러치가 온 된 상태에서 액티브 구동력이 무릎 조인트 부재에 액티브 동력을 전달하도록 형성된다.
이 때, 액티브 구동력은 보행시의 입각기 및 유각기 중 특정 구간에서만 전달되면 충분한데, 이와 같은 특정 구간은 보행자의 보행 상황에 따라 달라질 수 있다. 이하 보행자의 보행 상황이 상방 경사로 보행인 경우와 계단 오르기 보행인 경우를 나누어 설명한다.
도 9 및 도 10은 보행자가 상방 경사로를 보행하는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치에서 액티브 구동 모듈이 작동되는 영역을 나타낸 그래프이다. 도 9은 x축이 무릎 각속도, y축이 평균화 토크를 나타내는 그래프이고, 도 10는 x축이 시간, y축이 무릎 각도를 나타내는 그래프이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 보행자가 경사로를 보행하는 경우 액티브 구동 모듈(14)을 이용하여 액티브 구동력을 제공해야 하는 기간은, 입각기에서 무릎 각속도(knee angular velocity)가 양에서 음으로 전환된 시점부터, 무릎 각속도(knee angular velocity)가 음에서 양으로 전환되는 부분으로 볼 수 있다. 결과적으로 무릎 각속도가 음의 값을 갖는, 즉 신전방향의 속도를 갖는 2, 3사분면의 경우에만 액티브 토크를 제공한다고 볼 수 있다. 이 때, 제 1 속도 사인 변화 시점에서의 평균화 토크의 크기의 기준값 및 제 2 속도 사인 변화 시점에서의 평균화 토크의 크기의 기준값은 설정에 따라 달라질 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에서 보행자가 경사로를 보행하는 경우 클러치 모듈은 보행자의 입각기(P1~P3) 구간동안 온 상태를 유지하며, 전술한 액티브 구동력 제공 기간(P2~P3) 동안 액티브 구동력이 제공된다. 입각기 구간 중 액티브 구동력이 제공되지 않는 구간에서는 클러치 모듈이 온 된 상태에서 유압 실린더에 의하여 패시브 구동력만이 전달된다.
또한, 상기 액티브 구동력이 제공되는 기간 이외의 구간 중 유각기 구간에서는 클러치 모듈이 오프 상태를 유지하여 패시브 구동력만이 제공된다.
이 때, 도 9를 참조하면, 액티브 구동력이 제공되는 구간은 x축이 무릎 각속도, y축이 평균화 토크를 나타내는 그래프 선도에서 속도 사인 변화가 일어나는 구간, 즉 그래프가 제 1 사분면으로부터 제 2 사분면으로 들어가는 시점(P2)에서부터, 제 3 사분면으로부터 제 4 사분면으로 나오는 시점(P3) 인 경우이다. 즉 그래프에서 무릎 각속도와 평균화 토크 사이의 관계 그래프에서 제 2 사분면을 지나 제 3 사분면을 통과할 때까지가 액티브 구동력이 필요한 구간임을 알 수 있다.
이와 같은 구간은 도 10의 속도 대 무릎 각도 곡선에서 입각기 구간 중 두 번의 변곡이 이루어지는 구간으로서, 입각기 중 무릎 각도가 최대인 지점으로부터 무릎 각도가 최소인 지점까지의 구간에 대응한다. 시간적으로는 1회 입각기와 유각기 과정을 거치는 시간을 대략 1.2초라고 할 때, 0.2초 ~ 0.5초 사이의 구간에 해당할 수 있다.
한편, 달리기의 경우도 경사로 보행과 유사하게 패시브 구동 모듈(12), 액티브 구동 모듈(14) 및 클러치 모듈(70)을 구동시키는 구간을 설정할 수 있다.
다음으로 보행자가 계단을 올라가는 경우의 액티브 구동 모듈(14)을 구동하는 구간에 대하여 설명한다.
도 11는 보행자가 계단을 올라가는 4가지 상태에서 의지 장치의 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 12은 도 9에서 보행자가 계단을 올라가는 4가지 상태에 대응하는 동작 및 무릎 각도와, 그에 대응하는 하이브리드 의지 장치의 구동 상태를 설명하는 도면이다. 도 13 및 도 14은 보행자가 계단을 올라가는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 의지 장치에서 액티브 구동 모듈이 작동되는 영역을 나타낸 그래프이다. 도 13에서 x축의 무릎 각속도의 경우 양의 값은 굽힘 방향 속도, 음의 값은 신전방향 속도를 의미하며, y축의 평균화 토크의 경우 양의 값은 신전방향 토크, 음의 값은 굴곡방향 토크를 의미한다. 도 14에서 x축은 인간의 보행주기 1 싸이클 시간을 의미하고, y축은 상대 무릎 관절각도로써 양의 값이 대퇴부 대비 정강이의 상대적인 굴곡각를 의미한다.
보행자가 계단을 올라가는 보행에서 보행자의 상태는 크게 5단계로 나누어질 수 있다.
첫번째, 준비 단계(state 0)이다. 준비 단계에서는 계단 앞에서 보행자가 양발을 모아 대기하고, 계단을 오른다는 트리거 신호를 발생시킨다. 이 때, 보행자가 계단을 오른다는 트리거 신호를 발생시키지 않으면, 의지 장치의 센서만으로는 계단을 오를 것이라는 신호를 센싱하지 못할 수 있다. 계단을 오른다는 트리거 신호는 설정에 따라 달라질 수 있는데, 예를 들어 발 뒤꿈치로 바닥면을 두번 탭하는 동작과 같은 특정 동작이 그와 같은 트리거 신호가 될 수 있다. 트리거 신호는 설정에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
두번째, 의지발 착지 단계(state 1)이다. 의지발 착지 단계에서는 의지를 계단 위로 들어 올려 첫번째 계단에 착지한다. 이 때, 무릎 각도는 70도 정도이며 무릎 관절에 어떠한 동력이 전달되지 않는 패시브 상태에서 의지발 착지 단계를 수행할 수 있다.
세번째, 액티브 스탠스 단계(state 2)이다. 액티브 스탠스 단계에서는 무게 중심을 약간 앞쪽으로 이동시키고, 건측발을 띠는 상태에서 무릎이 약간 굽혀졌다가 펴진다. 이 때에는 클러치 모듈(70)이 온 상태로 유지되도록 하고, 액티브 구동 모듈(14)을 이용하여 신전방향의 액티브 구동력을 제공해야 하며, 동력이 부족한 상황을 대비해 굴곡 방향의 패시브 구동력도 함께 작용해 무릎이 굽혀지는 상황없이 신전방향으로만 회전하도록 한다. 이 때 무릎 각도는 70도에서 75도까지 약간 굽어지며 뒤이어 0도까지 완전히 펴지게 된다.
네번째, 패시브 스탠스 단계(state 3)이다. 이 때에는 환측 무릎이 약간 굽혀지거나 완전히 펴진 상태로 고정되고 건측이 다음 계단으로 스윙 이동한다. 이 상태에서는 패시브 구동력을 이용하고, 클러치 모듈이 오프 상태로 유지되도록 한다. 이 때 무릎 각도는 0도이다.
다섯번 째, 푸시 오프/스윙 단계(state 4)이다. 이 때에는, 건측으로 체중 이동을 하기 위하여 환측 무릎을 약간 굽히고, 의지쪽 발을 계단위로 들어올릴 수 있는 관성을 생성할 수 있도록 의지쪽 무릎을 크게 회전시킨다. 이 단계에는 기본적으로 패시브 구동을 하나 의지의 무게 및 절단 장애인의 능력에 따라 액티브 구동열과 패시브 구동력을 동시에 이용해야 할 수 도 있다. 푸시 오프/스윙 단계에서 다시 두번째 단계인 의지발 착지 단계로 진행하여, 다음 계단을 오르는 과정을 반복할 수 있다. 이 때, 무릎 각도는 0도에서 90도 내지 120도로 굽혀진다.
이와 같은 계단 오르기 과정에서도 일반적인 경사로 보행과 유사하게 입각기 구간에서 클러치 모듈을 온 상태로 유지하고 유각기 구간에서 클러치 모듈을 오프 상태로 유지한다.
이 때, 보행자가 계단 오르기 보행시 계단 오르기 보행시 상기 액티브 구동 모듈(14)이 작동하는 조건은, 계단 오르기 트리거 신호 발생 후, 무릎 각속도(knee angular velocity)가 양에서 음으로 전환되는 순간이고, 상기 액티브 구동 모듈이 해제되는 조건은 무릎 각속도(knee angular velocity)가 음에서 양으로 전환되고는 순간까지이다.
또한, 도 13에서의 x축이 무릎 각속도, y축이 평균화 토크를 나타내는 그래프에서, 액티브 구동력이 제공되는 구간은, 속도 사인 변화가 일어나는 구간, 즉 그래프가 제 1 사분면으로부터 제 2 사분면으로 들어가는 시점(P2)에서부터, 제 3 사분면으로부터 제 4 사분면으로 나오는 시점(P3) 인 경우이다. 즉, 그래프에서 무릎 각속도와 평균화 토크 사이의 관계 그래프에서 제 2 사분면을 지나 제 3 사분면을 통과할 때까지가 액티브 구동력이 필요한 구간이다.
이 때, 계단 오르기 과정에서는 입각기의 클러치 온 구간이 경사로 보행보다 길수 있으며 시간적으로는 전체 1회 오르기 구간을 1.2초 동안 진행하는 경우 0초 ~ 0.7초까지의 구간동안 클러치가 온된 상태에서 액티브 구동 모듈을 구동시켜 액티브 구동력을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 액티브 구동 모듈(14)이 사용되어야 하는 구간, 예를 들어, 경사로 보행 중 액티브 구동 모듈(14)을 구동시키는 구간 및 계단 오르기 보행 중 액티브 구동 모듈(14)을 구동시키는 구간을 전술한 바와 같이 특정하여 액티브 구동력을 제공함으로써 에너지 소비 구간을 최소화하면서도 해당 구간에서 보행자에게 필요한 적정한 힘을 보행자에게 부여할 수 있어, 효율적으로 장시간동안 하이브리드형 의지 장치를 사용할 수 있다.
이와 같이 효율적으로 액티브 구동이 필요한 경우에만 액티브 구동 모듈을 작동시키는 하이브리드형 의지 장치는 에너지를 효율적으로 사용하므로 의지 장치에 장착되는 배터리의 크기를 줄일 수 있기 때문에 하이브리드형 의지 장치의 무게를 줄일 수 있고, 이에 따라 콤팩트한 하이브리드형 의지 장치를 제공할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 의지 장치는 액티브 구동 모듈이 사용되어야 하는 경우에 있어서도 입각기 구간 중 적어도 일부 구간에서만 액티브 구동 모듈을 사용하여 힘을 제공하고, 유각기 구간에서는 패시브 구동 모듈을 이용하여 배터리 사용을 최소화함으로써 배터리 사용시간을 최대화할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 하이브리드형 의지 장치 10 프레임
12 패시브 구동 모듈 14 액티브 구동 모듈
20 무릎 조인트 부재 24 관절 상측 연결 부재
30 제 1 풀리 34 발목 관절 연결 부재
40 제 2 풀리 50 구동 케이블
60 유압 실린더 70 클러치 모듈
80 가이드 부재 90 동력 전달 부재
100 구동 모터

Claims (21)

  1. 무릎 위쪽에 위치되는 관절 상측 연결 부재, 상기 관절 상측 연결 부재와 연결된 무릎 조인트 부재 및 상기 무릎 조인트 부재에 피벗 회전 가능하게 결합되며 대퇴부를 형성하는 프레임을 포함하는 의지 장치로서,
    상기 무릎 조인트 부재에 연결된 유압 실린더를 포함하여 상기 무릎 조인트 부재에 패시브 동력을 전달하는 패시브 구동 모듈 및
    상기 무릎 조인트 부재에 액티브 동력을 전달하기 위하여 상기 무릎 조인트 부재에 결합된 액티브 구동 모듈을 포함하며,
    상기 무릎 조인트 부재에 대한 상기 프레임의 피벗 회전시 상기 무릎 조인트 부재에 상기 패시브 구동 모듈에 의한 패시브 동력 및 상기 액티브 구동 모듈에 의한 액티브 동력을 선택적으로 혹은 동시에 제공할 수 있는 하이브리드형 의지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 실린더의 연장 방향 일 단부는 상기 무릎 조인트 부재 둘레의 일 위치에서 상기 무릎 조인트 부재에 작동적으로 결합되고,
    상기 유압 실린더의 연장 방향 타 단부는 상기 프레임의 상기 무릎 조인트 부재로부터 먼 방향 단부측에 결합되는, 하이브리드형 의지 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 구동 모듈은,
    상기 무릎 조인트 부재와 연결된 제 1 풀리;
    상기 프레임의 상기 무릎 조인트 부재로부터 먼 방향 단부 일측에 위치되는 제 2 풀리;
    상기 제 1 풀리 및 상기 제 2 풀리를 서로 작동적으로 연결하는 구동 케이블; 및
    상기 구동 케이블을 액티브 구동시키기 위한 구동 모터를 포함하는 하이브리드형 의지 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 풀리는 상기 무릎 조인트 부재의 회전축과 동심축 상으로 배열되는 하이브리드형 의지 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 풀리는 상기 무릎 조인트 부재와 일체로 형성되는, 하이브리드형 의지 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 풀리는 상기 무릎 조인트 부재와 동시에 회전가능하도록 작동적으로 연결되는, 하이브리드형 의지 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 액티브 구동 모듈의 구동 케이블이 작동하는 평면에 대하여 상기 패시브 구동 모듈의 상기 유압 실린더는 평행하게 배치되는, 하이브리드형 의지 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 구동 케이블에 상기 구동 모터의 동력을 선택적으로 전달하기 위하여 상기 케이블 및 상기 구동 모터 사이에 결합되는 클러치 모듈을 더 포함하는 하이브리드형 의지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 클러치 모듈에 의하여 상기 케이블에 상기 구동모터의 동력이 전달가능한 상태로 연결되었을 때, 상기 클러치 모듈은 상기 케이블과 함께 이동가능한, 하이브리드형 의지 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 프레임에는 상기 클러치 모듈이 상기 케이블과 함께 이동할 때 상기 클러치 모듈의 이동을 가이드하기 위한 가이드 부재가 구비되는, 하이브리드형 의지 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 액티브 구동 모듈은 상기 클러치 모듈에 의하여 상기 케이블에 상기 구동 모터의 동력이 전달가능한 상태로 연결되었을 때, 상기 구동 모터가 상기 가이드 부재를 이동시킴으로써 상기 가이드 부재에 연결된 상기 클러치 모듈 및 상기 케이블이 함께 이동되도록 형성되고, 상기 케이블의 이동에 따라 상기 무릎 조인트 부재에 대한 상기 프레임의 피벗 회전이 이루어지는, 하이브리드형 의지 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 구동 모듈이 상기 무릎 조인트 부재에 항상 작동적으로 연결되어 있는, 하이브리드형 의지 장치.
  13. 무릎 위쪽에 위치되는 관절 상측 연결 부재, 상기 관절 상측 연결 부재와 연결된 무릎 조인트 부재 및 상기 무릎 조인트 부재에 피벗 회전 가능하게 결합되며 대퇴부를 형성하는 프레임을 포함하고, 상기 무릎 조인트 부재에 연결된 패시브 구동 모듈 및 액티브 구동 모듈을 포함하는 하이브리드형 의지 장치를 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 의지 장치를 장착한 사용자의 제 1 보행 조건 하에서는 상기 무릎 조인트 부재에 패시브 동력을 전달하는 패시브 구동 모듈을 이용하여 보행하고,
    상기 의지 장치를 장착한 사용자의 제 2 보행 조건 하에서는 상기 무릎 조인트 부재에 결합된 액티브 구동 모듈을 이용하여 보행하는, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 사용자의 상기 제 1 보행 조건은 경사각 소정 각도 이하의 평지 보행인, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1 보행 조건 하에서, 상기 패시브 구동 모듈을 이용한 보행시 상기 액티브 구동 모듈은 상기 무릎 조인트 부재에 대하여 동력 전달이 단절되도록 제어되는, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건은 경사각 소정 각도 이상의 경사지 보행, 달리기 주행, 혹은 계단 오르기 보행인, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 하에서, 상기 액티브 구동 모듈을 이용한 보행시에만 상기 액티브 구동 모듈이 상기 무릎 조인트 부재에 대하여 동력이 전달 되도록 기구적으로 제어되는, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 중 경사지 보행시 상기 액티브 구동 모듈이 작동하는 조건은 무릎 각속도(knee angular velocity)가 양에서 음으로 전환되는 경우이고,
    상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 중 경사지 보행시 상기 액티브 구동 모듈이 해제되는 조건은 무릎 각속도(knee angular velocity)가 음에서 양으로 전환되는 경우인, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 중 계단 오르기 보행시 상기 액티브 구동 모듈이 작동하는 조건은, 계단 오르기 트리거 신호 발생 후, 무릎 각속도(knee angular velocity)가 양에서 음으로 전환되는 경우이고,
    상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 중 계단 오르기 보행시 상기 액티브 구동 모듈이 해제되는 조건은 무릎 각속도(knee angular velocity)가 음에서 양으로 전환되는 경우인, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 제 2 보행 조건 하에서 상기 액티브 구동 모듈 및 상기 패시브 구동 모듈이 함께 작동하도록 하는, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법.
  21. 제 13항에 있어서,
    상기 사용자의 상기 제 2 보행 조건 하에서 상기 액티브 구동 모듈은 상기 사용자의 입각기 범위 내에서 작동하는, 하이브리드형 의지 장치의 제어 방법.
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