KR20240070707A - 관절식 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 관절식 어셈블리(101)로, 상기 관절식 어셈블리는,
- 입력 요소(103),
- 출력 요소(105; 109),
- 종축(120)을 중심으로 변형할 수 있는 토션 바(107),
- 작동 수단을 포함하고,
입력 요소(103)는 토션 바(107)의 제1 구역(107a)에 회전 가능하게 체결되고, 출력 요소(105)는 토션 바(107)의 제2 구역(107b)에 회전 가능하게 체결되며, 입력 요소(103)가 작동 수단에 추가로 연결되고, 입력 요소(103)와 출력 요소(105)는 토션 바(107)의 축을 따라 서로에 대해 회전하도록 안내되는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리에 관한 것이다.

Description

관절식 어셈블리

본 개시는 능동형 또는 수동형 보철물(prosthetic)에 사용되는 관절식 어셈블리(articulated assembly) 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 발 보철물 분야에 관한 것이다.

능동형 또는 수동형 보철물의 목적은 절단된 사지의 기능(들)을 제공함으로써 절단 환자의 장애를 보상하는 것이다. 예를 들어, 절단 정도에 따라 의족은 잠재적으로 종아리 근육, 발 배측 굴곡 근육 또는 아킬레스 건과 관련된 기능을 수행해야 한다. 또한 보철물, 특히 능동형 보철물은 일반적으로 뇌가 제공하는 제어 기능을 대체하고, 일반적으로 신진대사를 통해 제공되는 에너지 소비를 보상하기 위해 컨트롤러와 배터리를 통합해야 한다.

따라서 능동형 보철물은 일반적으로 모터-스크루 시스템으로 구성된 전기 선형 액추에이터를 포함한다. 이 액추에이터는 일반적으로 인공 아킬레스건 역할을 하며 사용 중에 액추에이터가 제공하는 최대 전력을 줄일 수 있는 스프링 요소와 직렬로 배치되어 있으며, 한 쌍의 액추에이터/스프링은 "시리즈 탄성 액추에이터"라는 이름으로 알려져 있다.

절단으로 인해 영향을 받은 사람들의 요구, 특히 보철물의 편안함, 컴팩트함, 보철물의 자율성 및 사용자 속성에 대한 적응성에 대한 요구를 충족시키기 위해 선행 기술에 의해 수많은 해결책이 제안되었다. 그러나, 종래 기술에서 제안된 해결책은 일반적으로 위에 언급된 요구 사항을 올바르게 처리할 수 없으며, 많은 단점이 있다. 예를 들어, 발 보철물의 경우, 인공 아킬레스건을 구성하는 스프링이 항상 환자에게 꼭 맞는 강성을 갖고 있지 않거나, 환자 개개인의 체중에 적응하기 어려운 경우가 있다.

또한, 종래 기술의 솔루션에서 구조적 선택은 사지가 없는 부피와 합리적으로 동일한 디자인의 케이스 내에서 능동 보철물(예를 들어 모터, 전자 장치, 배터리, 스프링과 같은 인공 아킬레스 건을 포함하여)을 구현하는 데 필요한 모든 부품의 통합을 제한하거나, 환자의 이익을 위해 하루 이상의 자율성과 호환되는 여러 배터리 셀의 통합을 제한할 수 있다.

본 개시는 이러한 상황을 개선한다.

이에 따라,

- 입력 요소,

- 출력 요소,

- 토션 바의 종축을 중심으로 변형할 수 있는 토션 바,

- 작동 수단을 포함하며,

입력 요소는 토션 바의 제1 구역에 회전 가능하게 결합되고, 출력 요소는 상기 제1 구역으로부터 이격되어 있는 토션 바의 제2 구역에 회전 가능하게 체결되며, 입력 요소는 작동 수단에 추가로 체결되고, 입력 요소와 출력 요소는 토션 바의 축을 따라 서로에 대해 회전하도록 안내되는 관절식 어셈블리가 제안된다.

유리하게는, 이러한 관절식 어셈블리는 특히 보철물 또는 정형용 교정 장치 내에서 사용될 때 토션 바에 의해 에너지를 저장하고 공급하기 위한 컴팩트한 시스템을 얻는 것을 가능하게 한다. 이러한 구조는 하나 이상의 배터리, 회로, 하나 이상의 모터 등과 같은 다른 요소들을 보다 쉽게 통합할 수 있는 방식으로 전체 크기를 줄일 수 있게 한다.

입력 요소와 출력 요소는 토션 바의 제1 구역과 제2 구역에 각각 매립 연결부를 통해 연결될 수 있다.

토션 바의 강성 값은 100 내지 10,000 N.m/라디안, 바람직하게는 100 내지 2,000 N.m/라디안일 수 있다.

토션 바, 입력 요소, 출력 요소는 토션 바가 탈착 가능하도록 구성될 수 있다.

따라서 토션 바가 손상되거나 토션 바의 강성을 조정해야 할 경우 토션 바를 쉽게 교체할 수 있다. 유리하게는, 관절식 어셈블리가 (예를 들어 능동형) 보철물에 통합될 때, 환자의 형태나 골상에 따라 토션 바의 강성을 조정할 수 있다. 예를 들어, 토션 바 클래스를 가질 수 있으며, 각 클래스는 체중과 같은 환자의 생리에 맞게 조정된다.

어셈블리는 입력 요소에 대해 힌지 연결되는 베이스를 포함할 수 있으며, 베이스는 작동 수단을 지지한다.

작동 수단은 토션 바의 축에 대해 비공선형, 예를 들어 수직인 작동 축을 따라 이동될 수 있는 작동 부재를 이동시키도록 구성된 선형 액추에이터를 포함할 수 있으며, 작동 부재의 이동은 출력 요소에 대한 입력 요소의 회전을 야기한다.

선형 액추에이터로는 유압 실린더, 공압 실린더, 예를 들어 볼 스크루 또는 유성 롤러 스크루(표준 롤러 스크루라고도 함)형, 전기 모터 등의 모터에 의해 구동되는 스크루-너트 시스템이 있을 수 있다. 따라서, 일례에 따르면, 선형 액추에이터가 스크루-너트 시스템인 경우, 작동 부재는 모터에 의해 구동되는 너트에 의해 움직이는 스크루에 해당할 수 있다. 다른 예에 따르면, 선형 액추에이터가 스크루-너트 시스템인 경우, 작동 부재는 모터에 의해 구동되는 스크루에 의해 움직이는 너트 세트에 해당할 수 있다.

모터에 의해 구동되는 스크루-너트 시스템은 모터에 결합되는 구동 풀리와 스크루에 결합되는 종동 풀리를 포함하고, 상기 구동 풀리와 종동 풀리는 구동 벨트로 연결된다.

액추에이터에 의해 제공되는 최대 전력은 보철물에 사용되는 경우 및 보행 중에 50 내지 1000와트 사이일 수 있다.

액추에이터의 전체 부피 및/또는 스크루 너트 시스템을 갖춘 모터의 전체 부피는 100 내지 1500㎤ 사이일 수 있다.

작동 부재는 입력 요소와 피봇팅 또는 볼 조인트 연결 상태에 있다.

작동 부재와 입력 요소 사이의 피봇 연결은 베어링, 예를 들어 플레인 베어링, 볼, 롤러 또는 니들 베어링, 또는 볼-소켓 피팅을 통해 설정될 수 있다. 힌지 핀은 수축형 피팅이나 탄성 분할 링으로 고정될 수 있다.

작동 수단이 베이스 상에 또는 베이스 내에 직접적으로 또는 간접적으로 장착될 수 있다. 간접적이란 작동 수단과 베이스 사이에 추가 요소가 배치되는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

보철물 또는 교정 장치의 다양한 요소를 제어하는 데에 제어 유닛과 같은 제어 수단이 사용될 수 있으며; 이들 제어 수단은 베이스 상에 및/또는 베이스 내에 장착될 수 있다. 제어 수단이 작동 어셈블리 상에 장착될 수도 있다.

피봇 축이 토션 바의 축과 평행하고, 토션 바의 비틀림 또는 입력 요소의 회전으로 인해 피봇 축을 중심으로 베이스에 대한 선형 액추에이터의 회전을 일으키는 피봇 연결로 선형 액추에이터가 베이스에 힌지 연결될 수 있다.

하나 이상의 실시예에서, 선형 액추에이터와 베이스 사이에 적어도 하나의 스프링이 포함될 수 있으며; 적어도 하나의 스프링은 선형 액추에이터와 상기 베이스 사이의 상대 이동 중에 압축하거나 이완하도록 구성될 수 있다.

유리하게는, 토션 바에서 관절식 어셈블리의 전체 강성 값을 조정할 수 있다. 하나 이상의 실시형태에서, 적어도 하나의 스프링은 토션 바의 전체 강성이 라디안당 100 내지 10,000 N.m 사이일 수 있도록 구성될 수 있다.

토션 바의 축에 대한 시스템의 등가 강성을 계산할 때 모든 부품을 고려함으로써 모터의 피크 전력을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

또한, 여러 부품들이 연속적으로 전체 강성에 기여한다는 사실은 토션 바의 강성과 피로 저항을 정밀하게 조정할 수 있게 해준다.

하나 이상의 실시형태에서, 토션 바의 제1 단부는 제1 구역을 형성하고, 토션 바의 제2 단부는 제2 구역을 형성하며, 상기 토션 바는 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 있는 작업 부분에서의 비틀림에 의해 변형되도록 구성되고, 입력 요소와 출력 요소 각각은 서로 끼워맞춰지도록 구성된 제1 관형 섹션과 제2 관형 섹션을 포함하고, 함께 토션 바를 수용하는 관형 바디를 형성하되, 입력 요소의 제1 관형 섹션은 토션 바의 축 주위를 토션 바의 제1 구역과 회전 가능하게 체결되도록 구성된, 관형 바디의 제1 단부에 제1 내부 체결 표면을 포함하고, 출력 요소의 제2 관형 섹션은 토션 바의 축 주위를 토션 바의 제2 구역과 회전 가능하게 체결되도록 구성된, 관형 바디의 제2 단부에 제2 내부 체결 표면을 포함하며,

제1 관형 섹션과 제2 관형 섹션 각각은, 제1 관형 섹션과 제2 관형 섹션의 내부 및 외부에 제1 가이드 표면들을 포함하거나 그 반대의 경우도 마찬가지인 제1 가이드 표면들을 포함하고, 관형 바디의 제1 단부와 제2 단부 사이의 중간 위치에 배열된 제1 가이드 표면, 내부 및 외부 제1 가이드 표면은 토션 바의 축 주위에서 입력 요소에 대한 출력 요소의 회전 안내 를 보장하도록 구성된다.

관형 바디의 제2 단부는 관형 바디의 제1 단부와 반대측인 제2 단부를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

가이드 표면은 직접적인 접촉에 의한 가이드를 제공할 수도 있고, 예를 들어 링, 부싱, 롤링 베어링과 같은 베어링에 의해 구현될 수도 있다.

출력 요소는 제2 관형 섹션과 별개인 제2 부분을 포함할 수 있으며, 제2 부분은 제1 관형 섹션과 제2 부분과 각각 외부 및 내부에 있으며 관형 바디의 제1 단부에 배치된 제2 가이드 표면을 통해 입력 요소의 제1 관형 섹션과 피봇 연결되어 있다.

제1 단부와 제2 단부 사이에 연장되는 관형 바디는 토션 바를 전체적으로 수용할 수 있으며, 토션 바는 바람직하게는 토션 바의 축을 따라 관형 바디와 동일한 길이를 갖는다.

따라서, 유리하게는 대형 정형외과 장치(보철물 및 교정기) 또는 심지어 로봇 장치(예: 코봇 또는 외골격)와 같은 다양한 장치에 이상적인 매우 컴팩트한 에너지 충전 및 전력 공급 시스템을 얻을 수 있다.

본 개시는 또한 본 개시에 따른 보철물 장치에 관한 것으로, 보철물 장치는,

- 베이스로, 예를 들어 소켓에 의해 사지 스텀프에 고정되도록 의도되며, 작동 수단을 지지하는 경골 베이스,

- 토션 바의 축을 중심으로 베이스에 대해 회동하도록 구성된 지면 접촉 블레이드를 포함하고,

입력 요소는 작동 수단의 출력부에 연결되고, 출력 요소는 상기 지면 접촉 블레이드에 연결되며,

토션 바는 토션 바의 비틀림에 의해 보행 시 에너지를 저장하고, 작동 수단의 작동과 동시에 추진을 위한 에너지를 공급하도록 구성된다.

이러한 구조는 인간 발목의 생체 역학적 특성, 특히 추진력을 더욱 충실하게 재현할 수 있게 한다.

경골 베이스는 작동 수단을 수용하는 중공형 바디를 포함할 수 있다.

유리하게는, 이 베이스는 작동 수단을 보호하고, 환자의 이익을 위해 시스템의 미학을 개선하기 위한 설계 작업의 초점이 될 수 있다.

경골 베이스의 중공형 바디는 또한 보철물 장치의 다양한 요소를 제어할 수 있는 제어 유닛과 같은 제어 수단을 가질 수 있다.

경골 베이스는 토션 바에 수직한 종방향을 가질 수 있으며, 작동 수단은 모터와 스크루-너트 시스템을 포함하며, 스크루-너트 시스템과 모터는 종방향 축을 따라 중첩되도록 배열된다.

유리하게는, 이러한 구성은 작동 수단에 요구되는 성능을 희생하지 않고 보철물 장치의 소형화를 증대시키고, 의족 길이 및 크기가 다양한 더 많은 수의 환자를 수용하기 위해 보철물 장치의 높이를 감소시키는 것을 가능하게 한다.

모터에 의해 구동되는 스크루-너트 시스템은 모터에 결합되는 구동 풀리와 스크루에 결합되는 종동 풀리를 포함하고, 상기 구동 풀리와 종동 풀리는 구동 벨트로 연결된다.

작동 수단을 위한 독립된 에너지원, 예를 들어 제거 가능한 에너지원을 수용하기 위해 토션 바와 접촉 플레이트 사이에 공간이 제공될 수 있다.

따라서, 배터리를 장치 외부에 배치하지 않음으로써 보철물 장치의 전체적인 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 배터리는 케이싱, 예를 들어 신발에 착용하도록 의도된 발 모양의 미적인 케이싱에 숨겨질 수 있다.

본 개시는 또한 본 개시에 따른 적어도 하나의 관절식 어셈블리를 포함하는 대형 정형외과 장치에 관한 것이다.

본 개시는 또한 전술한 유형의 적어도 하나의 관절식 어셈블리를 포함하는 관절식 시스템에 관한 것으로, 여기서 관절식 시스템은 서로에 대해 힌지 연결되는 적어도 제1 섹션과 제2 섹션을 포함하되, 제1 섹션은 관절식 어셈블리의 입력부를 형성하고, 제2 섹션은 관절식 어셈블리의 출력 요소를 형성한다.

아래의 상세한 설명을 읽고 첨부된 도면을 분석하면, 다른 특징, 세부사항 및 이점이 명백해질 것이다.
도 1a는 본 발명의 관절식 어셈블리의 개략적인 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 관절식 어셈블리의 개략적인 분해도이다.
도 1c는 본 발명의 관절식 어셈블리의 ZY 평면을 따른 개략적인 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 관절식 어셈블리를 포함하는 보철물 발과 같은 보철물 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 관절식 어셈블리를 포함하는 보철물 발과 같은 보철물 장치의 ZX 평면을 따른 개략적인 측면도이다.
도 2c는 본 발명의 관절식 어셈블리를 포함하는 보철물 발과 같은 보철물 장치의 ZY 평면을 따른 개략적인 단면도이다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 관절식 어셈블리를 개략적으로 나타내는 사시도, 분해도 및 단면도이다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 관절식 어셈블리(101)는 입력 요소(103), 출력 요소(105), 토션 바(107) 및 작동 수단을 포함할 수 있으며, 토션 바는 토션 바의 종축(120) 주위로 변형할 수 있다. 입력 요소(103)는 예를 들어 클레비스 조인트를 형성하는 커넥팅 로드가 연장되는 관형 섹션을 포함할 수 있다. 특히, 암의 자유 단부는 힌지를 장착하기 위한 오리피스를 포함할 수 있다.

입력 요소(103)의 관형 섹션은 토션 바(107)의 제1 구역(107a)에 회전 가능하게 결합될 수 있고, 출력 요소(105)는 토션 바의 제2 구역(107b)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 입력 요소(103), 특히 암은 작동 수단에 연결될 수 있고, 입력 요소와 출력 요소(105)는 토션 바의 축(120)을 따라 서로에 대해 회전하도록 안내될 수 있다.

예를 들어, 토션 바(107)는 토션 바의 제1 구역을 형성하는 제1 단부를 포함할 수 있고, 토션 바의 제2 구역을 형성하는 제2 단부를 포함할 수 있다. 토션 바의 제1 구역과 제2 구역은 원통형일 수 있다.

토션 바(107)는 토션 바(107)의 제1 단부와 제2 단부 사이에 비틀림에 의해 변형되도록 구성된, 예를 들어 원통형의 작동 부분(107c)을 포함할 수 있다. 토션 바(107)의 제1 구역(107a) 및 제2 구역(107b)은 작동 부분(107c)의 단면 또는 직경보다 더 큰 단면 또는 직경을 가질 수 있다.

토션 바(107)의 강성도(stiffness)는 라디안당 100 내지 10,000N.m일 수 있으며, 이는 관절식 어셈블리(101)가 많은 수의 어플리케이션을 수용할 수 있게 한다.

하나 이상의 실시형태에서, 작동 부분(107c)은 20㎜와 70㎜ 사이의 길이를 가질 수 있다. 작동 부분의 직경은 예를 들어 5㎜와 15㎜ 사이이다.

또한, 관절식 어셈블리(101)의 입력 요소(103)와 출력 요소(105)는 각각 서로 끼워맞춤되도록 구성되는 예를 들어 원통형인 제1 관형 섹션(103a)과 예를 들어 원통형인 제2 관형 섹션(105a)을 포함할 수 있으며, 이들은 함께 토션 바(107)를 수용하는 관형 바디(110)를 형성한다. 커넥팅 로드는 관형 섹션(105a)으로부터 연장되고, 상기 커넥팅 로드의 자유 단부는 도시되지 않은 힌지 핀의 통과를 위한 오리피스를 포함한다.

입력 요소(103)의 제1 관형 섹션(103a)은 토션 바(107)의 축(120) 주위에서 토션 바(107)의 제1 구역(107a)과 회전 가능하게 결합되도록 구성된 관형 바디의 제1 단부(110a)에 제1 내부 결합 표면(S1)을 포함할 수 있다. .

유사하게, 출력 요소(105)의 제2 관형 섹션(105a)은 토션 바(107)의 축(120)을 중심으로 토션 바(107)의 제2 구역과 회전 가능하게 결합되도록 구성된 관형 바디(110)의 제2 단부(110b)에 제2 내부 결합 표면(S2)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 제1 표면(S1) 및 제2 표면(S2)은 각각의 매립 연결부를 통해 제1 구역(107a) 및 제2 구역(107b)과 각각 회전 가능하게 결합될 수 있다. 매립 연결부는 제1 표면(S1)과 제1 구역(107a) 사이뿐만 아니라 제2 표면(S2)과 제2 구역(107b) 사이에도 상보적인 그루브를 통해 형성될 수 있다. 매립 연결부는 제1 표면(S1)과 제1 구역(107a) 사이뿐 아니라 제2 표면(S2)과 제2 구역(107b) 사이에서 예를 들어 정사각형 또는 육각형과 같은 상보적인 다각형 형상에 의해 구현될 수 있다. 적절한 수단 바람직하게는 제거 가능한 수단에 의해 관련 파트들 사이의 병진 정지 수단이 제공될 수 있다.

그루브와 제거 가능한 병진 정지 수단의 사용을 통해, 마모, 환자의 형상 또는 골상, 또는 환자의 형상 또는 골상의 변화에 따라 토션 바(107)를 제거하여 변경될 수 있도록 할 수 있다.

매립 연결부를 위해 그루브를 사용하는 대신, 샤프트와 허브 사이의 장애물을 통한 임의의 다른 유형의 트랜스미션, 예를 들어 정사각형, 육각형, 다각형, 스파이크형, 톱니형, 원추형 또는 쌍원추형 어셈블리를 사용하는 것이 가능할 수 있다.

각 관형 섹션(103a, 105a)의 길이는 20㎜와 70㎜ 사이일 수 있다. 마찬가지로, 각 관형 섹션의 직경은 10㎜와 40㎜ 사이일 수 있다.

제1 단부(110a)와 제2 단부(110b) 사이로 연장되는 관형 바디는 토션 바(107)를 전체적으로 수용할 수 있다. 토션 바는 토션 바(107)의 축(120)을 따라 관형 바디와 동일한 길이를 가질 수 있다.

또한, 제1 관형 섹션(103a)과 제2 관형 섹션(105a)은 각각 제1 관형 섹션(103a)과 제2 관형 섹션(105a)의 내부 및 외부에 각각 제1 가이드 표면(S3)을 포함할 수 있으며, 그 반대도 가능하다. 예를 들어, 제1 표면은 토션 바(107)의 축(120)을 중심으로 입력 요소에 대한 출력 요소의 회전 안내를 보장하기 위해 S3과 접촉하는 제1 관형 섹션(103a)의 내부 표면과 제2 관형 섹션(105a)의 외부 표면을 포함할 수 있다.

반대로, 하나 이상의 실시형태에서, 제1 관형 섹션(103a)은 출력 요소에 대한 입력 요소의 안내 회전을 허용하도록 제2 관형 섹션(105a)의 내부 표면과 접촉하는 외부 표면을 포함할 수 있다.

이러한 제1 가이드 표면은 관형 바디(110)의 제1 단부(110a)와 제2 단부(110b) 사이의 중간 위치에 배치될 수 있다.

또한, 출력 요소는 입력 요소의 제1 관형 섹션(103a)과 피봇 연결되는 환형 구역을 포함하는, 제2 관형 섹션(105a)과는 별개인 제2 부분(109)을 포함할 수 있다. 피봇 연결은 제1 관형 섹션(103a) 및 제2 부분의 외부 및 내부에 각각 있고 관형 바디의 제1 단부에 배열될 수 있는 제2 가이드 표면(S4)에 의해 구현될 수 있다. 작은 커넥터가 환형 구역으로부터 연장되고, 커넥터의 자유 단부는 도시되지 않은 힌지 핀의 통과를 위한 오리피스를 포함한다.

입력 요소(103), 특히 입력 요소의 작은 커넥터의 자유 단부는 피봇 연결에 의해 작동 수단(도 1a 내지 도 1c에 도시되지 않음)에 연결(115)될 수 있다.

작동 수단은 토션 바(107)의 축(120)에 수직인 축(220)을 따라 이동될 수 있는 작동 부재를 이동시키도록 구성된 선형 액추에이터를 포함할 수 있다.

예를 들어, 선형 액추에이터는 출력 샤프트를 포함하는 모터를 포함하는 잭 스크루일 수 있으며, 출력 샤프트는 회전 구동되고 예를 들어 스크루 너트 유형의 감속기에 결합되며, 스크루는 가능하기로는 풀리 시스템을 통해 모터의 출력 샤프트에 결합되거나 모터의 출력 샤프트를 형성한다. 스크루의 회전은 스크루(203)의 축을 따라 너트의 병진 이동을 야기한다. 너트는 축 XX에 의해 입력 요소의 커넥팅 로드의 자유 단부에 대해 힌지 연결된다.

관절식 어셈블리에 포함된 다양한 요소는 금속으로 만들어질 수 있다.

그러한 관절식 어셈블리는 하나 이상의 관절식 어셈블리를 포함하는 관절식 시스템과 같은 장치 내에서, 대형 정형외과 장치(예를 들어 발이나 무릎을 위한 보철물 또는 교정기)에서, 또는 로봇공학에서, 예를 들어 코봇 또는 외골격에서 사용될 수 있다.

예를 들어, 관절식 시스템은 코보틱스에 사용되는 관절식 팔과 같은 코봇일 수 있으며, 로봇 팔의 각 관절은 직렬 또는 병렬로 배열된 본 설명에 따른 하나 이상의 관절식 어셈블리를 포함할 수 있다.

다른 예에 따르면, 이러한 관절식 어셈블리(101)가 능동형 의족에 통합될 수 있고, 관절식 어셈블리(101)는 아킬레스건의 기능을 수행할 수 있다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 관절식 어셈블리를 포함하는 의족과 같은 보철 장치를 개략적으로 예시한다.

도 2a는 사시도에 대응하고, 도 2b는 평면 ZX를 따른 의족의 측면도이고, 도 2c는 토션 바(107)의 축을 포함하는 평면을 따른 단면도 ZY를 예시한다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 의족(200)은 소켓에 의해 스텀프에 고정되도록 의도된 경골 베이스(201)에 장착된 관절식 어셈블리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 경골 베이스(201)는 그 상단에 두 개의 측벽이 아래쪽으로 연장되는 베이스를 포함하는 역 U자형 지지체 형태일 수 있다. 피라미드형 어댑터(211)는 베이스로부터 위쪽으로 연장된다. 상기 어댑터는 예를 들어 소켓을 통해 사람의 스텀프에 부착할 수 있는 다각형 베이스, 특히 정사각형 베이스를 갖는 피라미드 모양을 갖는다.

또한, 출력 요소(105)는 걸을 때 토션 축(120)을 중심으로 경골 베이스에 대해 회동하도록 구성된 지면 접촉 블레이드(205)(즉, 발의 아치와 등가)에 (예를 들어 직접 또는 간접적으로) 연결될 수 있다.

지면 접촉 블레이드는 예를 들어 탄소 섬유, 유리 또는 케블라(Kevlar) 기반의 복합 재료로 만들어진 블레이드일 수 있다.

지면 접촉 블레이드는 그 굴곡이 토션 바의 축에서 전체 시스템의 등가 강성에 기여하도록 구성될 수 있다.

경골 베이스의 각각의 벽(201a; 201b)은 관형 바디(110)에 그리고 관형 바디의 두 단부(110a; 110b) 사이에 피봇 가능하게 장착될 수 있다. 보다 구체적으로, 각 벽(201a; 201b)은 오리피스를 가질 수 있으며, 오리피스의 내부 에지는 입력 요소의 제1 관형 섹션(103a)의 숄더에 의해 형성된 상보적인 원통형 표면에서, 예를 들어 부시 베어링, 링 또는 롤링 베어링에 의해 회전 안내되는 원통형 표면을 정의한다. 따라서 베이스는 입력 요소, 출력 요소 및 토션 바를 포함하는 관형 바디(110)와 피봇식 연결 상태에 있다. 다른 유형의 연결을 고려할 수 있다는 점은 자명하다.

또한, 경골 베이스(201)는 작동 수단이 수용되는 중공형 영역의 범위를 정할 수 있다.

하나 이상의 실시형태에서, 보철 장치의 다양한 요소를 제어할 수 있는 제어 유닛과 같은 제어 수단이 경골 베이스(201), 예를 들어 중공 영역에 장착될 수도 있다.

경골 베이스(201)의 작동 수단 및/또는 제어 수단의 이러한 배열은 임의의 능동 보철물 착용자에 대한 중요한 기준인 인공 발의 소형화를 증가시키는 것을 허용한다.

또한, 선형 액추에이터는 전술한 바와 같은 스크루-너트 시스템을 구동하는 모터(207)일 수 있다. 모터(207)는 바디와, 회전 구동되도록 의도되고 구동 풀리(209a)에 결합되도록 의도된 출력 샤프트를 포함할 수 있다. 스크루-너트 시스템은 또한 스트류(203) 상에 체결되어 있는 너트가 회전 가능하게 장착된 바디를 포함한다. 바디는 스크루 축에 수직이고 축(115)과 축(107b)에 평행한 힌지 핀(213)에서 경골 베이스(201)에 힌지 연결된다. 모터의 바디는 스크루 너트 시스템의 바디에 대해 고정되어 있다. 너트는 또한 종동 풀리(209b)에 결합된다. 구동 풀리(209a)는 예를 들어 벨트(미도시)를 통해 종동 풀리를 구동할 수 있다.

모터(207)의 샤프트가 회전하면 풀리(209a, 209b)와 벨트에 의해 유성 롤러 스크루(표준 롤러 스크루라고도 함)나 바디 내부의 볼 스크루의 너트가 회전하여, 회전하는 너트를 따라 스크루가 이동하며 이에 따라 토션 바(107)에 의해 출력 요소(105)에 대해 입력 요소(103)가 회전하게 된다.

하나 이상의 실시형태에서, 풀리 및 벨트 시스템이 예를 들어 직선 스퍼 기어링, 베벨 기어링, 또는 심지어 헬리컬 기어링과 같은 기어 시스템으로 대체될 수 있다. 대안적으로, 모터 샤프트가 스크루 너트 시스템의 스크루를 직접 구동할 수도 있다. 또 다른 변형에 따르면, 모터 샤프트가 스크루-너트 시스템의 너트를 직접 구동할 수 있다.

하나 이상의 실시형태에서, 선형 액추에이터와 한 쌍의 구동/종동 풀리를 포함하는 전체 부피는 모터에 의해 제공되는 100 내지 1500와트의 최대 전력에 대해 100 내지 1500㎤일 수 있다.

하나 이상의 예에 따르면, 작동 부재(203)와 입력 요소(103) 사이의 피봇 연결(115)은 베어링, 예를 들어 플레인 베어링 또는 볼, 롤러와 같은 롤링 요소를 갖는 베어링 또는 니들 베어링에 의해 확립될 수 있다. .

경골 베이스(201)에 대한 입력 요소(103)의 회전을 허용하고 및/또는 의족을 착용한 사람이 걸을 때 토션 바(107)의 비틀림을 허용하기 위해, 선형 액추에이터는 피봇 연결부(213) 주위에서 베이스(201)에 대해 피봇한다. 토션 바(107)의 비틀림은 피봇 연결부(213) 주위에서 베이스에 대한 선형 액추에이터(207)의 회전을 야기한다.

인공 발, 특히 작동 수단에 대한 전력은 보철 발에 포함된 자율 에너지원(230)을 통해 제공될 수 있다. 하나 이상의 실시형태에서, 자율 에너지운은 토션 바(107)와 지면 접촉 블레이드 사이에 위치된 공간 내에 배열될 수 있다. 토션 바(107)와 접촉 블레이드 사이에 독립적인 에너지원을 수용하는 것은 입력 요소, 토션 바(107), 및 접촉 블레이드에 연결된 출력 요소를 포함하는 관절식 어셈블리의 연동(interlocking)의 컴팩트함에 의해 가능해진다.

하나 이상의 실시형태에서, 자율 에너지원(230)은 리튬 배터리와 같은 배터리일 수 있다.

하나 이상의 실시형태에서, 배터리의 총 부피는 100 내지 300㎤일 수 있다.

따라서, 의족과 같은 보철물 내부의 이러한 배열은 의족을 착용하는 사람의 일상 생활에 충분한 자율성을 제공하면서 컴팩트하면서도 견고하고 활동적인 의족을 얻는 것을 가능하게 한다.

이러한 배열에서, 토션 바(107)의 변형은 지면 접촉 단계, 즉 경골이 아킬레스건 방식으로 발 위로 지나갈 때 발생한다. 그런 다음 토션 바(107)는 저장된 에너지를 방출하여 모터가 미는 단계 동안에 걷기 추진에 필요한 토크를 제공하도록 돕는다.

보다 구체적으로, 지면 접촉 블레이드에 의해 지면과 접촉하는 중에, 출력 요소에 대한 입력 요소의 회전을 통한 토션 바(107)의 비틀림에 의해 에너지가 저장된다. 토션 바(107)의 비틀림(또는 변형)과 동시에 모터가 스크루를 구동하여 토션 바(107)의 변형을 가능하게 한다. 보철물을 착용한 사람이 한쪽 다리에서 다른 쪽 다리로 체중을 이동시키는 순간, 추진력을 트리거하기 위해 모터가 스크루를 올려 입력 요소를 당기고, 무게 이동으로 인해 모터의 작동과 동시에 추진을 위해 토션 바(107)를 해제하여 저장된 에너지를 방출할 수 있다.

선택적으로, 하나 이상의 실시형태에서, 적어도 하나의 스프링, 예를 들어 인장 스프링이 선형 액추에이터와 베이스 사이에 배치될 수 있다. 스프링은 선형 액추에이터와 베이스 사이의 상대 이동 동안 신장되거나 압축되도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 보행 중에 피봇 포인트를 중심으로 경골 베이스(201)를 회전시키면 경골 베이스(201)와 한 쌍의 구동/종동 풀리 사이에 위치한 스프링에 견인력을 가할 수 있다. 토션 바(107)와 직렬로 이 스프링을 사용하면 스프링의 강성을 조정하여 보철 장치의 전체 강성을 변경할 수 있으며, 보철 장치의 전체 강성은 토션 바(107)에 있다.

하나 이상의 실시예에서, 스프링의 다른 구성 또는 스프링의 위치의 다른 구성이 가능할 수 있다.

더욱이, 일반적으로, 하나 이상의 실시예에서, 나사산의 경사를 수정하고, 나사산을 비대칭으로 만들고, 나사산, 롤러 및 너트 사이에 비대칭 및 대칭 나사산을 교대로 배치함으로써 또는 마찰을 증가시키기 위해 가스킷을 부가함으로써 유성 롤러 스크루-너트 어셈블리의 비가역성을 향상시킬 수 있다.

Claims (20)

1. 관절식 어셈블리(101)로, 상기 관절식 어셈블리는,
   - 입력 요소(103),
   - 출력 요소(105; 109),
   - 종축(120)을 중심으로 변형될 수 있는 토션 바(107),
   - 작동 수단을 포함하고,
   입력 요소(103)는 토션 바(107)의 제1 구역(107a)에 회전 가능하게 체결되고, 출력 요소(105)는 토션 바(107)의 제2 구역(107b)에 회전 가능하게 체결되며, 입력 요소(103)가 작동 수단에 추가로 연결되고, 입력 요소(103)와 출력 요소(105)는 토션 바(107)의 축을 따라 서로에 대해 회전하도록 안내되는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
2. 선행하는 청구항에 있어서, 입력 요소(103)와 출력 요소(105) 각각이 매립 연결부를 통해 토션 바(107)의 제1 구역과 제2 구역에 연결되는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
3. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 토션 바(107)의 강성도가 100 내지 10,000 N.m/라디안인 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 토션 바(107)가 분리될 수 있도록, 토션 바(107), 입력 요소(103) 및 출력 요소(105)가 구성되는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 입력 요소(103)에 대해 힌지 연결되어 작동 수단을 지지하는 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 작동 수단은 토션 바(107)의 축과 동일 선상에 있지 않은, 예를 들어 토션 바(107)의 축에 수직인 작동 축을 따라 이동될 수 있는 작동 부재를 이동시키도록 구성된 선형 액추에이터를 포함하며, 상기 작동 부재의 이동이 출력 요소(105)에 대한 입력 요소(103)의 회전을 야기하는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
7. 선행하는 청구항에 있어서, 작동 부재가 입력 요소(103)와 피봇팅 또는 볼 조인트 연결 상태에 있는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
8. 선행하는 청구항에 있어서, 입력 요소(103)가 피봇 연결에 의해 베이스에 연결되는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
9. 청구항 5 내지 8의 조합에 있어서, 선형 액추에이터는, 피봇 축이 토션 바(107)의 축과 평행하고, 토션 바(107)의 비틀림 또는 입력 요소의 회전(103)이 제2 피봇 축을 중심으로 베이스에 대한 선형 액추에이터의 회전을 유발하는 피봇 연결로 베이스에 힌지 연결되는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
10. 청구항 9에 있어서, 선형 액추에이터와 베이스 사이에 적어도 하나의 스프링을 포함하되, 상기 적어도 하나의 스프링은 선형 액추에이터와 베이스 사이의 상대 이동 동안 압축 또는 이완되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
11. 선행하는 청구항에 있어서, 적어도 하나의 스프링은 전체 강성도가 100 내지 10,000 N.m/라디안이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
12. 청구항 2 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 토션 바(107)의 제1 단부는 제1 구역(107a)을 형성하고, 토션 바(107)의 제2 단부는 제2 구역(107b)을 형성하며, 상기 토션 바(107)는 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 있는 작업 부분(107c)에서의 비틀림에 의해 변형되도록 구성되고,
    입력 요소(103)와 출력 요소(105) 각각은 서로 끼워맞춰지도록 구성된 제1 관형 섹션(103a)과 제2 관형 섹션(105a)을 포함하고, 함께 토션 바(107)를 수용하는 관형 바디(110)를 형성하되, 입력 요소(103)의 제1 관형 섹션(103a)은 토션 바(107)의 축 주위를 토션 바(107)의 제1 구역과 회전 가능하게 체결되도록 구성된, 관형 바디의 제1 단부에 제1 내부 체결 표면을 포함하고, 출력 요소(105)의 제2 관형 섹션(105a)은 토션 바(107)의 축 주위를 토션 바(107)의 제2 구역과 회전 가능하게 체결되도록 구성된, 관형 바디의 제2 단부에 제2 내부 체결 표면을 포함하며,
    제1 관형 섹션(103a)과 제2 관형 섹션(105a) 각각은, 제1 관형 섹션(103a)과 제2 관형 섹션(105a)의 내부 및 외부에 제1 가이드 표면들을 포함하거나 그 반대의 경우도 마찬가지인 제1 가이드 표면들을 포함하고, 관형 바디의 제1 단부와 제2 단부 사이의 중간 위치에 배열된 제1 가이드 표면, 내부 및 외부 제1 가이드 표면은 토션 바(107)의 축 주위에서 입력 요소(103)에 대한 출력 요소(105)의 회전 안내 를 보장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
13. 청구항 12에 있어서, 출력 요소(105)는, 제2 관형 섹션(105a)와 별개이며, 제1 관형 섹션(103a) 및 제2 부분의 외부와 내부에서 관형 바디의 제1 단부에 배치된 제2 가이드 표면을 통해 입력 요소(103)의 제1 관형 섹션(103a)과 피봇 연결되어 있는 제2 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
14. 선행하는 청구항에 있어서, 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하는 관형 바디가 토션 바(107)를 전체적으로 수용하고, 바람직하기로는 토션 바(107)의 축을 따른 토션 바의 길이가 관형 바디의 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 관절식 어셈블리.
15. 청구항 5 단독에 따른 또는 청구항 2 내지 4 및 6 내지 14 중 어느 하나와 조합된 관절식 어셈블리를 포함하는 보철물 장치로, 상기 보철물 장치는,
    - 베이스로, 예를 들어 소켓에 의해 사지 스텀프에 고정되도록 의도되며, 작동 수단을 지지하는 경골 베이스,
    - 토션 바(107)의 축을 중심으로 베이스에 대해 회동하도록 구성된 지면 접촉 블레이드를 포함하고,
    입력 요소(103)는 작동 수단의 출력부에 연결되고, 출력 요소(105)는 상기 지면 접촉 블레이드에 연결되며,
    토션 바(107)는 토션 바(107)의 비틀림에 의해 보행 시 에너지를 저장하고, 작동 수단의 작동과 동시에 추진을 위한 에너지를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 보철물 장치.
16. 청구항 15에 있어서, 경골 베이스가 작동 수단을 수용하는 중공형 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 보철물 장치.
17. 청구항 16에 있어서, 경골 베이스는 토션 바(107)에 수직인 종방향을 갖고, 작동 수단은 모터와 스크루-너트 시스템을 포함하되, 스크루-너트 시스템과 모터는 종축을 따라 중첩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 보철물 장치.
18. 청구항 15 내지 17 중 어느 한 항에 있어서, 토션 바(107)와 접촉 블레이드 사이에 작동 수단을 위한 독립된 에너지원을 수용하기 위한 공간이 존재하는 것을 특징으로 하는 보철물 장치.
19. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 따른 관절식 어셈블리를 적어도 하나 포함하는 대형 정형외과 장치.
20. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 따른 관절식 어셈블리를 적어도 하나 포함하는 관절식 시스템으로, 상기 관절식 시스템은 적어도 서로 힌지 연결되어 있는 제1 섹션과 제2 섹션을 포함하되, 상기 제1 섹션은 관절식 어셈블리의 입력 요소(103)를 형성하고, 상기 제2 섹션은 관절식 어셈블리의 출력 요소(105)를 형성하는 것을 특징으로 하는 관절식 시스템.