WO2015133762A1 - 관절장치 및 이를 적용한 수련구, 링형 관절구조물, 조립완구, 인공관절 - Google Patents

관절장치 및 이를 적용한 수련구, 링형 관절구조물, 조립완구, 인공관절 Download PDF

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김석환
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김석환
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    • F16C11/103—Arrangements for locking frictionally clamped
    • F16C11/106—Arrangements for locking frictionally clamped for ball joints

Definitions

  • the present invention relates to a joint apparatus that can be used for various purposes, such as industrial, medical or training to implement the joint function of the human body, animal or machine.
  • the joint connecting means inserted into the joint means by the bending and elastic force of the elastic means is linearly movable in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions, and also rotational movement about each axis, that is, altitude, azimuth and axial It is possible to rotate in the rotational direction of the rotation, and to the elastic joint device that the joint connecting means is configured to be detachable or coupled from the joint means in accordance with the applied force.
  • the articulation device is capable of depicting a variety of articulation functions that can be bent, restored, and stretched, and thus can be utilized in animals, human bodies, mechanical devices, or industrial products requiring articulation.
  • the function of the joint is 1) transmitting the force of one side to the other side; 2) converting the direction of the transmitted force as necessary; 3) spatial movement between one side and the other side, i.e., restoration of a constant direction and position during a 3-way linear motion and a 3-way rotational motion; 4) one side and the other side of the combined state to form a structure; 5) one structure when no external force is applied, and separate when external force is applied over a certain intensity; 6) Once detached, they can be recombined to resume their original function.
  • This joint function can be widely applied to animals, human body, machinery or various industrial products, for example.
  • Industrial furniture such as chair feet, hip and leg connections, bed legs, mattress springs;
  • a load meter such as a multi-axis load cell
  • -Infrastructure interfaces such as building or mechanical support structures, dustproof structures, flexible street lights, power poles, etc .;
  • training apparatuses of martial arts or sports generally take a shape that protrudes in a fixed position, such as a mock Since the response of the object to the movement of the human body is not accurately transmitted, there has been a disadvantage in that it is not suitable for training such as bending, squeezing and twisting other than the hitting drill.
  • installation objects consisting of a plurality of powders are detachably attached to the joints of the human body so as to more realistically describe the height, shape and function of the human body.
  • the installation objects composed of a plurality of powders depicting the shape of the human body are simply combined to rotate only with each other, so that various movements of the human body such as bending, cutting, twisting, pressing, and pulling can be simultaneously or sequentially described.
  • you can't feel realistically what effect the blow has on your opponent In other words, it is difficult to feel the actual feeling of impact when using or the response to the various types of blow or force transmission, such as bending or squeeze is not realistic, there was a disadvantage that the effect of the training felt by the trainer did not meet the expected level.
  • the existing martial arts training equipment does not have a device capable of realizing all six joint functions described above.
  • the main mechanical components are used by making holes in the bones and screwing them into the bones, and configuring the joint connections so that they are not separated if possible. Therefore, once the joint is mounted, it is cumbersome and technically difficult to remove, and only the surgical operation that affects the bone of the patient can remove, replace, and maintain the artificial joint.
  • Patent Document 1 Korean Registered Patent No. 10-1132806
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 1020120020727
  • the present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to provide a joint device capable of six degrees of freedom of movement, to be separated when an appropriate external force is applied, and to be easily mounted without the use of a special tool. .
  • an object of the present invention is to provide a joint device that can be applied to various fields such as medical robots such as industrial robots or rehabilitation.
  • the present invention is a joint means; Elastic means formed on one side of the joint means; And articulation means inserted and mounted in the articulation means to be directly contacted and gripped by the elastic means.
  • a receiving member for receiving the articulation means is placed in the articulation means.
  • the joint device according to the present invention is preferably fixed to the guide member for guiding the movement of the receiving member in the joint means.
  • the guide member and the receiving member are connected by an elastic body.
  • the elastic means opening is formed in the elastic means, and the joint connecting means is inserted into the joint means through the elastic means opening.
  • the joint device according to the present invention is preferably supported by the balance of the anti-elasticity of the joint connecting means inserted in the joint means in the opposite direction of the elastic means and the elastic body.
  • the articulation device according to the present invention preferably has a shape in which the joint contacting means and the receiving member in contact with each other male and female or the shape of each other.
  • the elastic means consists of a plurality of elastic means units, and an elastic means cutout is formed between the elastic means units.
  • the elastic means has at least one bent portion so that the articulation means can be easily inserted into the articulation means.
  • the articulation device is the elastic means is capable of elastic deformation in the linear motion direction of three degrees of freedom and the rotational motion direction of three degrees of freedom, so that the joint connecting means is three degrees of linear motion and three degrees of freedom with respect to the joint means. It is desirable to be able to exercise 6 degrees of freedom.
  • joint apparatus can form a complex joint structure of linear, planar or three-dimensional structure through the coupling through the connecting link.
  • the present invention also provides two holder rings of different diameters; A disc smaller in diameter than the holder ring; And a protrusion formed to protrude vertically from the disc, wherein two holder rings are connected by the joint device according to the present invention, and the holder ring and the disc are connected with a small diameter, and the elastic means of the joint device has three degrees of freedom. It provides a ring-shaped joint structure characterized in that the elastic deformation in the direction of rotational motion of the linear motion direction and three degrees of freedom.
  • the present invention provides a training apparatus, various dolls, industrial machines and products to which the joint apparatus according to the present invention is applied.
  • the present invention can detect the amount of force or deformation applied to the joint means or the elastic means for detecting a force or deformation.
  • the present invention provides an assembly toy to which the joint device according to the present invention is applied.
  • the present invention provides an artificial joint to which the joint device according to the present invention is applied.
  • the present invention is a first object; A skeleton mounting ring surrounding and fixing the first object; Second object; A skeletal mounting disk for fixing the second object; Articulation means positioned between the first object and the second object; Receiving member for receiving the joint connecting means between the first object and the second object; A first elastic member radially connected along the inner circumferential surface of the skeleton mounting ring and a second elastic member radially connected along the outer circumferential surface of the skeleton mounting ring; And a third elastic member radially connected along the inner circumferential surface of the skeletal mounting disk and a fourth elastic member radially connected along the outer circumferential surface of the skeletal mounting disk, wherein the first elastic member and the fourth elastic member are connected to the joint connecting means.
  • the second elastic member and the third elastic member provides an artificial joint, characterized in that connected to the receiving member.
  • the joint connecting unit is formed of the joint connecting unit head and the joint connecting rod
  • the receiving member is formed of the receptor and the receptor support.
  • the artificial joint according to the present invention preferably comprises a plurality of first elastic members, second elastic members, third elastic members, and fourth elastic members.
  • the first elastic member grips the joint connecting rod
  • the second elastic member grips the receptor
  • the third elastic member grips the receptor support
  • the fourth elastic member is the joint connecting means. It is desirable to grip the head.
  • the joint connecting means inserted into the joint means is linearly moved in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions in proportion to the force applied from the outside while being supported by the elastic force of the elastic means, and each axis. It is possible to have a rotational motion of about 6 degrees of freedom of movement has the effect of linear and rotational movement in all directions in space.
  • the present invention can be easily inserted and mounted back to the joint means joint joint means separated from the joint means has an advantageous effect for repeated use.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the joint apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view showing the body of the joint device according to the first embodiment of Figure 1;
  • 3 and 4 are a perspective view and a front view showing an incision of the joint apparatus according to the first embodiment of FIG.
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing a guide member of the joint apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 and 7 is a view showing an embodiment of the joint connecting means and the receiving member of the joint apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing various forms of the connecting rod.
  • FIG. 13 is a view showing an application example of the elastic means of various forms.
  • 16 and 17 is a view showing an example in which a plurality of joint connecting means head is formed as a fourth embodiment according to the present invention.
  • 20 to 23 is a view showing that the joint devices according to the invention are connected in various forms.
  • 24 is an exploded perspective view showing a sixth embodiment applied to the joint portion of the human body or various dummy and doll using a plurality of joint apparatus according to the present invention.
  • 25 to 27 is a view showing an example in which the joint apparatus according to the present invention is applied to the training apparatus.
  • FIG. 28 is a view showing an example in which a load cell is mounted on the joint device according to the present invention.
  • 29 is a view showing an example of use of the joint apparatus according to the invention applied to the toy for assembly.
  • FIG. 30 is a view showing an example in which the joint apparatus according to the present invention is applied to the exoskeleton and muscle strength reinforcement or reinforcement structure.
  • 31 is a view showing an example of use applied to the internal joint of the human body is a cut or broken joint device according to the present invention.
  • a key aspect of the present invention is an elastic joint structure capable of six degrees of freedom movement.
  • Figure 1 each component for illustrating the basic concept of the mechanism of the joint apparatus according to the invention is shown in cross-sectional view.
  • the articulation device includes a joint means 100, an elastic means 200, and a joint connection means 300.
  • the joint means 100 guides and supports the receiving member 130 located inside the joint body and the receiving member 130 inside the joint body 110 to accommodate the joint body 110 and the joint connecting means 300. It includes a guide member 120 to.
  • the guide member 120 is fixed to the base plate 170, a portion of the receiving member 130 may be formed in a tubular shape so as to be inserted, the elastic member so that the inserted receiving member 130 can linearly reciprocate 140 is built in.
  • Receiving member 130 may be made of a receptor support 150 that can be inserted into the guide 160 and the receptor 160 for receiving the joint connecting means 300 while being in contact with the joint connecting means (300).
  • the joint connecting means 300 is composed of a joint connecting means head 310 and the joint connecting rod 320, the joint connecting means 300 is grasped radially, including up, down, left and right by the elastic means (200). .
  • the elastic means 200 may be integrally formed at one end of the articulating body 110 or screwed or welded to be joined. The other end of the articulating body 110 may be screwed or welded or integrally formed on the rigid base plate 170. It can be formed as.
  • a guide member 120 having a small diameter fastened vertically from the base plate 170 is formed, and the elastic body 140 is inserted into the guide member 120.
  • One end of the elastic body 140 is fixed to the base plate 170 and the other end is fixed to one end of the receptor supporter 150.
  • Joint connecting means 300 consisting of the joint connecting rod 320 and the connecting connector head 310 is inserted into the elastic means opening 215 from the outside of the joint body 110, that is, from the right to the left in FIG. do.
  • the elastic means 200 is widened in the space of the elastic means opening 215 by the insertion force and while holding the articulation means head 310 inward while pressing the second half of the articulation means head 310.
  • the first half of the articulation head 310 is held by the receptor 160 in a proximal position.
  • the receptor 160 and the receptor supporter 150 are pushed in the direction in which the elastic body 140 is compressed.
  • the joint connecting means head 310 may be formed in a sphere as shown in Figure 1, in this case, the receiver 160 may be formed in a concave hemispherical shape surrounding the sphere.
  • the joint connecting means head 310 and the receptor 160 may be formed in any shape that is male and female coupling with each other or engaged with each other.
  • the guide member 120 keeps the receptor 160, the receptor support 150, and the elastic body 140 in a line as much as possible, and at the same time, generates the difference between the width of the guide member 120 and the width of the receptor support 150.
  • the resulting spatial clearance determines the acceptance range for the inclination of the receptor 160 and the articulation head 310.
  • This structure is characterized in that the incision portion wide as the width of the receptor support 150 is formed on the side of the guide member 120 in a certain length to further expand the receiving range of the inclination.
  • the range is determined.
  • the contact surface of the elastic means 200 and the joint connecting means head 310 or the joint connecting rod 320, the contact surface of the joint connecting means head 310 and the receptor 160 is capable of sliding movement, the joint connecting means head 310 and the joint connecting rod 320 is free to rotate on the axis (rotational movement about the X axis in Figure 2).
  • Such a structure is shown in terms of the joint connector head 310, the receptor 160, and the components connected around them, when the force is applied, three spatial linear movements (straight translation in the X, Y, and Z directions in FIG. 2). Motion) and three rotational movements (rotational movements about the X, Y, and Z axes in FIG. 2), and return to their original positions when the forces are removed, or in response to changes in the forces they receive. I can move it.
  • the elastic means 200 may be formed by a plurality of elastic means units 210 separated by a plurality of elastic means cutouts 220 formed radially, as shown in FIG. 3.
  • a plurality of joint body incisions 113 may be formed in the joint body 110.
  • 4 is a front view of the joint device in which the elastic means cutout 220 and the joint body cutout 113 of FIGS. 2 and 3 are shown.
  • the elastic means 200 is composed of a plurality of elastic means unit 210 as shown in Figs. 2 and 3 will be described in the mounting of the joint.
  • the joint connecting head 310 and the joint connecting rod 320 are pushed into the elastic means opening 215 and are mounted in the joint body 110 while the inlet side gap of the elastic means units 210 opens.
  • the elastic means unit 210 is pushed toward the receiver 160, the elastic means opening 215 is widened, and once the joint connecting means head 310 is inserted into the articulating body 110, it returns to its original position. do.
  • the articulating means head 310 when the articulating means head 310 is pulled in the reverse direction, the elastic means units 210 are bent in the opposite direction, the inlet gap is reversed, and the opening 215 is also widened in the opposite direction, or the articulating means head ( When the 310 is bent in the 90-degree direction, the inlet portion of the elastic means units 210 is bent in one direction to be pushed in, and the other side is bent in a direction to be opened outwards, and the elastic means opening 215 is opened.
  • the articulation head 310 may be separated from the elastic means 200 and the receptor 160.
  • the elastic means 200 catches a part of the joint connecting rod 320 behind and near the joint connecting means head 310 over the entire 360 degrees radially around the X axis. There is a slight gap between the individual elastic means units 210. If the articulating means head 310 or the receiver 160 moves severely in a specific direction, a gap is formed between the plurality of elastic means units 210. The larger the joint connecting means head 310 and the receiver 160 can be escaped between the gap between the gap between the elastic means unit. In the state in which the joint connecting means 300 is inserted into the joint body 110, the joint connecting means 300 is supported by the elastic member 200 in a linear translational motion in a three-axis direction and three according to the external force. Rotational movement in the axial direction is possible. 2 and 3, the joint connecting means 300 is capable of linear translation in the X-axis, Y-axis and Z-axis direction with respect to the joint body 110, it is possible to rotate in the rotational direction of each axis Is shown.
  • the joint body 110 has a space 111 formed therein, a base plate 170 is formed at one end of the joint body 110, and an elastic means 200 is formed at the other end thereof. It is provided.
  • the elastic means 200 may be formed integrally with the joint body 110, or may be fixed to the other end of the joint body 110 by a fastening means (not shown).
  • the guide member 120 formed in the joint means 100 protrudes vertically from the base plate 170 toward the elastic means 200 in the joint body 110.
  • the guide member 120 may be formed in a tubular shape to receive and guide the convex receiver support 150 of the accommodation member 130 therein.
  • the elastic body 140 is provided inside the tubular guide member.
  • the guide member 120 may be formed in a columnar shape so as to be inserted into the concave receptor support 130 to guide the receptor support 130, as shown in FIG. 5B.
  • the elastic body 140 is provided outside the columnar guide member.
  • FIGS. 6 and 7 show an embodiment of the joint connecting means 300 having the head of the sphere and the receiving member 130 for receiving it.
  • the male sphere head 310 or the female receptor 160 may be integrally formed as shown in FIGS. 1 and 6A, and as shown in FIGS. 6B and 7A as necessary.
  • the male sphere head or the female receptor may be formed by screwing two members 301, 302; 131, 132 at both ends or in the center of the connecting rod.
  • the sphere head or the receiver head 310 may be configured to have various shapes such as polygons such as disks, triangles, rectangles, as well as spheres, cones, truncated cones, and ellipsoids.
  • a pair of male heads and corresponding female heads or mutual contact surfaces may be engaged with each other.
  • the contact portions of the joint connecting means 300 and the receiving member 130 accommodating the joint connecting means 300 may be formed in a shape corresponding to each other so as to have a smooth sliding contact with each other by male and female coupling.
  • the connecting portion between the male head 301 and the connecting rod 302 or the female head 132 and the connecting rod 131 may be formed by hinge coupling as shown in FIGS. 6C and 7B.
  • the male and female heads 301 and 132 may be coupled in pairs, and the joint surface may constitute various joint surfaces such as a plane, a male and female sphere, a male and female uneven surface, a male and female triangle, and a male and female rhombus.
  • 9 shows examples of male and female heads 301 and 132, as shown in FIG. 9A, a hinge (FIG. 9A), a saddle (FIG. 9B) and an ellipsoid (FIG. 9C) heads.
  • each of the male and female heads may be the receptor 160 and the articulation head 310, respectively, or may be the articulation head 310 and the receptor 160.
  • the connecting rod 320 is a rod connecting the articulating means 100 and the articulating means 100, and may have various shapes having a cylindrical shape or other constant shape with a circular cross section.
  • male sphere head 301 may be formed in various combinations.
  • FIG. 10A illustrates an example in which male spheres 3102 are paired at both ends, and a female receptor is formed at both ends of the connecting rod, or at one end of the male sphere, a female receptor may be formed. have.
  • the connecting rods can be angled from each other in a one-dimensional linear (FIG. 10A) to a two-dimensional array (FIG. 10B), further forming a three-dimensional structure (FIG. 10C) to form a multi axis interfacing. rod structure) is possible.
  • the connecting rod may have a circular cross section as shown in the example of FIG. 10, and may have a polygonal cross section such as an ellipse, a triangle, a rectangle, or the like as necessary.
  • Such connecting bars may be screw-fitted with other connecting bars to form structures of various shapes.
  • the connecting rod and the connecting rod structure may perform various six degrees of freedom joint functions through coupling with the elastic means units.
  • FIG. 11 shows an embodiment showing various shapes of the elastic means 200 (elastic means unit 210 or elastic means unit assembly) which is the most essential component of the joint structure. That is, various examples showing only the upper portion of the upper and lower symmetry axes of the cross section of the elastic means 200 along the longitudinal direction of the joint device 1 are shown.
  • the upper portion of the elastic means 200 is fixed to the articulating body 110 of FIG. 1 and does not move with respect to an external force, and the central portion descending at an angle from the upper portion of the elastic means 200 is applied to the external force. In particular, it is configured to bend left and right in the drawing.
  • the lower portion of the elastic means 200 which is bent and expanded at an angle from the central portion may be additionally bent to the left and right with respect to the external force.
  • the individual elastic means units 210 may be configured in a combination of various angles at the top, the center, and the bottom thereof, and the plurality of the plurality of elastic means units 210 may be arranged as shown in FIG. 11H. It may have a structure that is bent at various angles while having a central portion.
  • FIG. 12 illustrates only the central portion and the lower portion of the individual elastic means unit 210.
  • FIG. 12A illustrates the surface of the elastic means 200 having a flat surface.
  • 12C shows a case where the curved surface is concave, convex and convex in order from the center to the bottom.
  • the surface of the individual elastic means unit 210 has a feature that the planar, concave, and convex surfaces may be configured in a plurality of arbitrary arrangements, if necessary, according to the number of the bent structures.
  • FIG. 13 Various embodiments in which the articulating means head 310 is mounted within the various elastic means 200 as described above are illustrated in FIG. 13.
  • This embodiment is an example in which the elastic means 200, which is bent into upper, middle, and lower portions, is applied.
  • One end of the elastic means 200 is coupled to the joint body 100, and the other end of the space portion 111 is formed. Projected toward the central axis has a feature that holds the joint connecting means (300).
  • FIG. 14A Various embodiments in which the above-described components combine to form a joint structure are shown in FIG. 14.
  • the elastic means 200 having three bending angles on the closed type mounting base plate 170 without the articulating body 110 of FIG. 1 is directly connected to the concrete articulating means head 310 of the articulating means 300. Holding the joint connecting rod 320, the receptor head 160 and the receptor support (receptor rod, 150) is controlled by the elastic body 140 and the guide member 120 mounted on the mounting base plate 170 The configuration is shown.
  • Figure 14b is equipped with an elastic means 200 having at least one bending angle at the center of the mounting base plate 170 having a hole in the center without the joint body 110, the elastic means is the receiver head 160 ) And the receptacle rod 150, and the elastic means 200 having three bending angles connected radially directly to the outer side of the mounting base plate 170 has a spherical articulation head 310 and a joint connecting rod 320.
  • FIG. 14C is different from the configuration of FIG. 14B, the mounting base plate 170 and the joint body 110 are integrally formed, and the elastic means 200 mounted on the inner circumferential surface of the joint body 110 has a spherical joint connecting head ( 310 and the configuration holding the joint connecting rod 320 is shown.
  • FIG. 14D is similar to FIG. 14C, but two or more elastic means for holding the spherical joint connecting unit head 310 and the joint connecting rod 320 are formed so as to more stably the sphere joint connecting unit head 310 and the joint connecting rod 320. ) Is shown a structure that can hold.
  • FIG. 15 illustrates an embodiment in which the aforementioned articulation heads 310 and the receptors 160 have various shapes other than spheres.
  • 15A shows a plane with a wide contact surface between the two heads
  • FIG. 15B shows a plane with a very small contact surface
  • FIG. 15C shows an example in which the contact surface has an uneven shape.
  • FIG. 16 and 17 show an embodiment of the joint apparatus 1 in which two or more joint connecting means heads 3111 are formed at one end of the joint connecting means 300.
  • This articulation device (1) is basically the same concept as the articulation device (1) of FIG. 1, except that the structure of the joint connecting means 300 serves as a guiding cylinder of the elastic body 140, as shown in FIG. As long as the guide member 120 is not necessarily different.
  • the articulation means (300) has a columnar articulation means body (3201), a plurality of articulation means head (3111) at one end of the articulation means body (3201) articulation means link ( 3121, the other end of the joint connecting means body 3201 is connected to the auxiliary connecting rod 323, the auxiliary connecting rod 323 is responsible for the function of the joint connecting rod (320).
  • an insertion groove 321 is formed to accommodate the contact body 1301 of the joint means, and The contact member 1301 is inserted into the insertion groove 321 in a state in which the plurality of joint connecting means head 3111 is supported by the elastic force of the elastic means 200, respectively, in contact with the insertion groove bottom 3112. It is inserted and received in the joint body 110.
  • any one of the plurality of joint connecting heads 3111 may be detached from the joint body 110, and more.
  • the joint connecting means head 3111 may be separated. At this time, when one joint connecting head 3111 starts to be separated from the joint body 110, the other joint connecting heads 3111 do not receive the restoring force from the elastic member 200 on some sides thereof, and in turn. Escape is easy.
  • FIG. 18 shows an articulation device 1 in which the movement of six degrees of freedom occurs in the head contact surface and the connecting rod as an application of the embodiment of FIG. 15C in which the contact surface between the two heads has an uneven shape.
  • A, B, C portion of Figure 18 shows that the ball bearing is mounted, the ball bearing A between the rod-shaped receptor support 150 and the elastic means 200 or between the joint connecting rod 320 and the elastic means 200 Position and allows axial rotation of the male and female heads (ie, receptor 160 and articulation head 310) and articulation rod 320.
  • a ball bearing B is located between the outer body 1601 of the male and female heads 160 and 310 and the elastic means 200
  • the ball bearing C is between the outer body 1601 and the male and female heads of the male and female heads 160 and 310.
  • These bearings can transmit the rotational force of the shaft from one head to the other with only one of A, B, C, or any pair of A and B, A and C, B and C.
  • the male and female head portions are coupled to each other to rotate the force shaft, and the male and female head and the connecting rods allow the movement of the rotating shaft force to be transferred to the other head while allowing some movement in all directions of six degrees of freedom.
  • the surface D of the plurality of blades formed protruding from the surface of the outer body of the male and female head is located in the gap between the plurality of elastic units that are radially located to prevent the outer body of the male and female head to rotate. At this time, the head outer body does not rotate, only the rotating shaft and the ball bearing C rotates.
  • FIG. 19 shows the configuration of the anti-rotation blade D of FIG. 18 in more detail.
  • the spherical articulation means head 310 is formed in a state where the protrusion 310a and the depression 160a are formed on the contact surface between the spherical articulation means head 310 and the receiver head 160.
  • the receiver head 160 are connected to each other so that when one side of the rod (320 or 150) exert a rotational force it is possible to transfer the rotational force to the other side of the rod (150 or 320).
  • one or a plurality of blades D1 are formed to protrude perpendicularly to the outer circumferential surface of the connecting rod, and are positioned between the gaps of the elastic units 210 protruding from the joint body 110 to the center and stop the rotation of the rotating shaft.
  • one or a plurality of blades D2 protrude from the articular connector head 310 and the outer peripheral surface of the receiver head 160 so as to be positioned between the gaps between the plurality of elastic means units 210 adjacent thereto. It may be possible to stop the axial rotation of the joint connecting rod (150, 320) and the male and female head (160, 310).
  • FIG. 20 illustrates a state in which articulation units in which a spherical articulation head 310 is additionally provided at the other side (left side in the drawing) of the base plate 170 are connected in series to the articulation device of FIG. 1.
  • FIG. 21 illustrates a structure in which the joint devices of FIG. 1 are provided in pairs to share the base plate 170 and symmetrically with each other, so that a plurality of joint device units can be connected in series through a connecting rod at both ends.
  • FIG. 22 illustrates an embodiment in which two articulation units share a quarter-circle fan-shaped connecting link 151 in cross section and are arranged at an angle of 90 degrees to each other to operate as one joint structure.
  • FIG. 21 illustrates a structure in which the joint devices of FIG. 1 are provided in pairs to share the base plate 170 and symmetrically with each other, so that a plurality of joint device units can be connected in series through a connecting rod at both ends.
  • FIG. 22 illustrates an embodiment in which two articul
  • connection link 151 having a triangular cross section and are disposed at a 120 degree angle to each other to operate in a three-way joint structure.
  • the joint device units may form a complex joint device structure of one-dimensional linear, two-dimensional surface, or three-dimensional solid shape according to the shape of the connection link 151.
  • FIG. 24 shows an example of using a plurality of joint devices to apply to a joint or a dummy part of a human body.
  • the dummy joint should have a similar response to that part of the human body when it is pushed, pulled, folded, hit or twisted by the user.
  • the dummy's response to the external force applied should be able to receive more realistic feedback.
  • the shoulder joint portion of the human dummy is illustrated in FIG. 24.
  • the ring-shaped joint structure on the right side corresponding to the trunk joint and the arm-shaped joint structure (the left side in FIG. 24) coupled thereto are shown in FIG. 24.
  • Each ring-shaped joint structure includes two concentric holder rings (161; 161a, 161b), a disc 163 located inside the inner holder ring 161b, a connector pipe 165 vertically protruding from the center of the disc, and an outer holder ring ( Two joint means 100 (ie, P3 and P4) connecting the 161a and the inner holder ring 161b to each other, and two joint means 100 (ie, P1,) connecting the inner holder ring 161b and the disc 163 to each other. P2).
  • the forearm joints have the same structure as the torso joints.
  • connection pipe 165 As a component connecting the two ring-shaped joint structures, there is a connector 165 of the right ring-shaped joint structure and a connector 313 of the left ring-shaped joint structure inserted into and fastened to the connector 165.
  • a fitting hole 165a is formed in the connection pipe 165, and a guiding groove 165b is formed in an inner surface of the connection pipe.
  • the surface of the connecting table 313 is formed with an elastic protrusion 313a that can be fitted into the fitting hole 165a of the connecting pipe 165, the guide protrusion 313b guided by the guide groove 165b. ) Is formed.
  • the holder ring 161, the disc 163, the joint means 100 (P1, P2, P3, P4) and the like as shown in FIG. It can be mounted as.
  • the connecting rod 313 protruding therefrom and the connecting pipe 165 are combined to form one connecting rod and the connecting rod is caught and bent upward and downward, an external force is applied to the joint means P1 and P2 to form a disc 163. It may be separated from the inner holder ring 161b.
  • an external force is applied to P3 and P4 so that the inner holder ring 161b may be separated from the outer holder ring 161a.
  • P3 and P4 may be acted on by the bending force in the left and right directions so that the inner holder ring 161b may be separated from the outer holder ring 161a. 163 may be disengaged from the inner holder ring 161b.
  • FIG. 25 shows an example of a martial arts training apparatus for use in mounting on a wall or curved column as an application of joint units.
  • a training unit is basically used in the form of a cylinder that surrounds a flexible material such as wood, metal, plastic, or rubber, and has a sphere head at one end and a sphere or other shape at the other end.
  • the training unit U is composed of a flange having an elastic joint unit mounted in the center and having screw holes for fixing in the periphery.
  • one end of the training unit U is fixed to the wall 401, and a high rigid plate 410 is attached to the other end thereof, and a grid-shaped groove 411 is formed in the plate.
  • the flange of U may be inserted into the groove 411 to be slid to the required position and then fixed with a screw.
  • a plurality of training units can be mounted on a flat plate and used as training pads.
  • 25B shows an example of a curved water drill with a curved plate 420 mounted to the curved column 402 instead of a wall.
  • FIG. 26 is a training tool in the form of a neck-tension (FIG. 26A) or a sandbag (FIG. 26B) completed by mounting a belt 430 on a columnar object and mounting the training units U on the belt 430 in a desired position. Shows. At this time, it has a feature that can be used to replace the columnar body or the sandbag body and the column or hanging chain supporting them with the joint device (1) according to the present invention.
  • FIG. 27 shows an example in which a human body doll is constructed by connecting respective parts of the human body model to the joint device 1 according to the present invention.
  • the respective parts are connected by using the joint device 1 at several joint parts J that are hatched. You can use this human body model to practice martial arts effectively.
  • the joint apparatus according to the present invention can be applied to all kinds of human joints as well as the parts illustrated in FIG. 27 to implement the joint function.
  • the load cell sensor is configured to measure the external force or deformation applied to the joint device and can be confirmed in real time.
  • FIG. 29 shows an example in which the joint apparatuses according to the present invention are applied to an assembled toy that simulates a human body.
  • Each part of the toy can be seen that the joint device (1) according to the present invention is assembled and connected through a connecting rod.
  • FIG. 30 shows an embodiment of an exoskeleton structure for strengthening muscle strength using the joint apparatus according to the present invention.
  • the exoskeleton structure for strengthening muscle strength can be used to support the joint portion of the user difficult to use because all or part of the joint function such as knee or neck joint (not shown) is lost by connecting two joint units up and down.
  • a joint member including a spherical head 511 in a ring member 400 surrounding a joint portion and a receiving member including a receiver head 521 to accommodate the joint member are provided in the elastic members 210a and 210b. It is fixedly mounted.
  • the spherical head 511 of the joint may be gripped by the second elastic member 210b, and the receiver head 521 may be gripped by the first elastic member 510a.
  • male and female irregularities 513 and 523 are formed in the spherical head 511 and the receiver head 521 of the joint, respectively, so that the joint is bent only in the direction in which the joint is bent, for example. Can be configured.
  • FIG. 31 illustrates an embodiment of a joint device that connects two bones when a defect occurs in a portion of a bone in a human internal skeletal structure.
  • the upper bone shown in the upper part and the lower bone shown in the lower part should replace the joint function by attaching an artificial joint structure when the joint part fails to function due to cutting or damage.
  • Skeleton mounting ring 620 is mounted to the upper bone by screw fitting, bonding fitting or belt type fitting.
  • the first elastic means 210a is disposed radially along the inner circumferential surface of the skeletal mounting ring 620, and the first elastic members 210a are fixed to the joint connecting rod 320 of the joint connecting means 300 to be gripped.
  • the second elastic means 210b is disposed radially along the outer circumferential surface of the skeletal mounting ring 620, and the second elastic members 210b grip the rear end of the receptor 160 and the receptor support 150.
  • the skeletal mounting disk 610 is fixedly mounted on the upper surface of the lower bone by a fixed fastening method such as screw fitting, bonding fitting or belt type fitting.
  • the third elastic means 210c is disposed radially along the inner circumferential surface of the skeletal mounting disk 610, and the third elastic members 210c fix and mount the lower end of the receiver support 150.
  • the fourth elastic member 210d is disposed radially along the outer circumferential surface of the skeletal mounting disk 610, and the fourth elastic members 210d are jointed with the joint 300 and the rear of the jointed head 130. Part of the surface of the connecting rod 320 is gripped.
  • the joint connecting means head 310 and the receptor 160 is composed of a certain type of male and female water surface, and keeps sliding contact, the relative angle and linear range between the joint connecting rod 320 and the receptor support 150 is as if It can be freely altered in any intended direction, such as a human or animal joint. Since the joint connecting rod 320 and the receptor support 150 are simply gripped by the elastic member 210, when an excessive force exceeding the restoring force limit of the elastic member 210 is applied to each other, they are separated from each other, and if detached, Dislocation-like effects occur. Therefore, the upper bone and the lower bone can exhibit the original joint function by the skeletal connection artificial joint device using the joint device according to the present invention.
  • joint means 110 joint body
  • contact 131 first receiving member
  • outer body 161 holder ring
  • base plate 200 elastic means
  • elastic means unit 210a first elastic member
  • fourth elastic member 215 elastic means opening
  • first joint connecting means 302 second joint connecting means
  • male sphere 320 articulation rod
  • joint connecting means body 321 insertion groove

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Abstract

본 발명은 인체, 동물 또는 기계장치 및 제품 관련 산업용, 의료용 및 훈련용등 다양한 용도로 사용될 수 있는 탄성 (플렉셔 메카니즘) 관절장치에 관한 것이다. 본 발명은 더욱 상세하게는 탄성수단의 휨과 탄성력에 의해 관절수단에 삽입설치된 회전수단이 X축, Y축 및 Z축 중 어느 한 방향으로 선형이동가능하고, 또한 고도, 방위각 및 축상 자전운동 중 어느 한 방향의 회전운동이 기능하며, 가해지는 힘에 비례하여 탄성수단의 탄성력에 의해 회전수단이 관절수단에서 이탈 또는 결합 가능하게 구성되는 탄성 (플렉셔 메커니즘) 관절장치이다. 대표도: 도 1

Description

관절장치 및 이를 적용한 수련구, 링형 관절구조물, 조립완구, 인공관절
본 발명은 인체, 동물 또는 기계의 관절기능을 구현하여 산업용, 의료용 또는 훈련용등 다양한 용도로 사용될 수 있는 관절장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 탄성수단의 휨과 탄성력에 의해 관절수단에 삽입설치된 관절연결수단이 X축, Y축 및 Z축 방향으로 선형이동가능하고, 또한 각 축에 대한 회전운동, 즉 고도, 방위각 및 축상 자전운동 방향의 회전운동이 가능하며, 가해지는 힘에 따라 관절연결수단이 관절수단에서 이탈 또는 결합 가능하게 구성되는 탄성 관절장치에 관한 것이다. 상기 관절장치는 구부러지고 복원되며 펴지는 다양한 관절기능의 묘사가 가능하여 관절기능을 필요로 하는 동물, 인체, 기계 장치 또는 산업 생산품에 활용가능하다.
일반적으로 관절의 기능이라 하면 1) 일측의 힘을 타측으로 전달; 2) 상기 전달되는 힘의 방향을 필요시 변환; 3) 일측과 타측간의 공간상의 움직임, 즉 3방향 선형운동 및 3방향 회전운동 중 일정 방향 운동 및 위치 복원; 4)결합된 상태에서 일측과 타측이 한개의 구조물을 형성; 5) 외부 힘이 가해지지 않을 때에는 한개의 구조물로 있다가 특정 세기 이상의 외부 힘이 가해지면 분리; 6) 일단 분리되면 다시 원래기능을 발휘하도록 재 결합 가능;을 들 수 있다. 이러한 관절기능은 동물, 인체, 기계장치 또는 각종 산업물품에 광범위하개 적용될 수 있으며, 그 예는 아래와 같다.
- 주먹 타격, 발차기 타격, 꺽기, 비틀기, 당기기, 밀기 등의 무술 훈련용 기구;
- 고 관절, 무릅, 어깨, 팔 등 인체 및 동물의 인공 관절;
- 각종 근육 강화 트레이닝용 헬스 장비;
- 의자 발, 엉덩이 및 다리 연결부위, 침대 다리, 메트리스 스프링 등 산업용 가구;
- 재활 보조기 및 외 구조 강화용 외골격, 약화된 근력 보강용 골격구조;
- 로봇 관절, 관절 인형 (Crash dummy), 각종 기계류 관절;
- 다축 로드셀과 같은 부하 측정기;
- 레고 등 조립형 완구, 프라 모델 류;
- 파이프 연결구조;
- 건물 또는 기계 설비 지지 구조, 방진 구조, 휘어질 수 있는 가로등, 전봇대 등의 하부구조 인터 페이스;
상기 적용분야 중 일 실시예인 무술 훈련용 기구는, 일반적으로 무술이나 스포츠(레슬링, 유도 등 격투기 분야)의 훈련용 기구들은 목인장과 같이 고정된 위치에서 정형화되게 돌출된 형상을 취하고 있어 훈련시에 인체의 움직임에 대한 피 대상물의 반응이 정확하게 전달되지 않아 타격 훈련 이외에는 꺽기나 조르기 및 비틀기 등의 훈련에는 적합하지 않은 단점이 있어 왔다. 이러한 단점을 극복하기 위해 근래에는 인체의 신장이나 형상 및 기능을 보다 현실적으로 묘사할 수 있도록 인체의 관절 부위에 탈부착 가능하게 다수의 분체로 구성되는 설치대상물 등이 사용되고 있다.
그러나, 이러한 인체의 형상을 묘사한 다수의 분체로 구성되는 설치대상물은 단순히 서로 회전만 가능하도록 결합한 것에 불과하여 꺽기, 조르기, 비틀기, 누르기, 당기기 등의 인체의 다양한 움직임을 동시 또는 순차적으로 묘사할 수 없고, 또한 타격력이 상대에게 어떤 효과를 주는가를 현실감 있게 느낄수 없는 단점이 있다. 즉, 사용시 실질적인 타격감을 느끼기 힘들거나 꺽기나 조르기 등의 다양한 타격 또는 힘의 전달 형태에 대한 반응도가 비 현실적이어서 훈련자가 느끼는 훈련의 효과가 기대 수준에 미치지 못하는 단점이 있었다. 특히 기존의 무술 수련구들은 상기 설명된 6가지 관절기능을 모두 실현할 수 있는 장치를 보유하지 않고 있다.
한편, 종래 의료용 인공 관절의 경우, 주요 기계 구성품들을 뼈에 구멍을 만들어 내어 뼈 속으로 스크류 장착되고, 해당 관절 연결부가 가능하면 분리되지 않도록 구성하는 것에 초점이 마추어져 사용되고 있다. 따라서 일단 관절이 장착되면 제거하기 번거롭고 기술적으로 어려우며 환자의 뼈에 작용을 가하는 외과적 수술에 의해서만 인공 관절의 제거 및 교체 및 유지 보수등이 가능하였다.
다른 한편, 종래의 조립형 완구는 여러 개의 조각 피스들이 수관절부와 암관절부의 끼워맞춤 결합에 의해서 조립되어 형태를 유지하는데, 1 자유도의 각도 이동은 자유로운 반면 2 자유도의 각도 이동이 제한되어 있거나, 3 자유도 이상의 선형 및 회전 이동이 불가능한 문제점이 있었다.
<선행기술문헌>
(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-1132806호
(특허문헌 2) 한국공개특허 제1020120020727호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 제안된 것으로서, 6 자유도의 움직임이 가능하고, 적절한 외력이 가해졌을 때 분리될 수 있으며, 특별한 공구의 사용없이 장착이 용이한 관절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 가해지는 외력의 크기에 비례하여 반응하고 외력이 제거되면 원상 회복되는 탄성 관절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 산업용 로봇이나 재활 등의 의료용 관절 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 관절 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 관절수단; 관절수단 일측에 형성된 탄성수단; 및 관절수단내에 삽입 장착되어 상기 탄성수단에 의해 직접 접촉되어 파지되는 관절연결수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절장치를 제공한다.
본 발명에 따른 관절장치는 관절수단 내에 관절연결수단을 수용하는 수용부재가 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 관절장치는 관절수단 내에 수용부재의 움직임을 가이드하는 가이드부재가 고정설치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 관절장치는 가이드부재와 수용부재가 탄성체에 의해서 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 관절장치는 탄성수단에 탄성수단 개구부가 형성되어 있고, 관절연결수단은 탄성수단 개구부를 통해서 관절수단 내로 삽입되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 관절장치는 관절수단 내에 삽입된 관절연결수단이 탄성수단과 탄성체의 서로 반대방향으로 작용하는 반탄력의 평형에 의해 지지되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 관절장치는 관절연결수단과 수용부재가 접촉하는 면이 서로 암수 대응 또는 상호 간 맞물림되는 형상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 관절장치는 탄성수단이 복수개의 탄성수단 유닛으로 이루어지고 탄성수단 유닛 사이에는 탄성수단 절개부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 관절장치는 관절연결수단이 관절수단 내에 용이하게 삽입될 수 있도록 탄성수단이 하나 이상의 절곡부를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 관절장치는 탄성수단이 3자유도의 선형운동방향과 3자유도의 회전운동방향으로의 탄성변형이 가능하여 관절연결수단이 관절수단에 대해서 3 자유도의 선형운동과 3 자유도의 회전운동이 가능하여 6 자유도의 운동이 가능한 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 관절장치는 연결링크를 통한 결합을 통해서 선형, 면형 또는 입체 구조의 복합 관절 구조물을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 직경이 다른 2개의 홀더링; 홀더링보다 직경이 작은 원판; 및 원판으로부터 수직으로 돌출형성된 돌출부;를 포함하고, 본 발명에 따른 관절장치에 의해서 2개의 홀더링이 연결되고, 또한 직경이 작은 홀더링과 원판이 연결되며, 관절장치의 탄성수단은 3자유도의 선형운동방향과 3자유도의 회전운동방향으로의 탄성변형이 가능한 것을 특징으로 링형 관절 구조물을 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 관절장치가 적용된 수련구, 각종 인형, 산업용 기계 및 제품들을 제공한다.
또한, 본 발명은 관절수단 또는 탄성수단에 힘 또는 변형을 감지하는 센서가 장착되어 가해지는 힘이나 변형량을 감지할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 관절장치가 적용된 조립완구를 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 관절장치가 적용된 인공 관절을 제공한다.
또한, 본 발명은 제1대상물; 제1대상물을 감싸며 고정하는 골격장착링; 제2대상물; 제2대상물을 고정하는 골격장착 디스크; 제1대상물과 제2대상물 사이에 위치하는 관절연결수단; 제1대상물과 제2대상물 사이에서 관절연결수단을 수용하는 수용부재; 골격장착링 내주면을 따라 방사형으로 연결된 제1탄성부재와 골격장착링 외주면을 따라 방사형으로 연결된 제2탄성부재; 및 골격장착 디스크 내주면을 따라 방사형으로 연결된 제3탄성부재와 상기 골격장착 디스크 외주면을 따라 방사형으로 연결된 제4탄성부재;를 포함하고, 제1탄성부재와 제4탄성부재는 관절연결수단에 연결되고, 제2탄성부재와 제3탄성부재는 상기 수용부재에 연결되는 것을 특징으로 하는 인공관절을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 인공관절은 관절연결수단이 관절연결수단 헤드와 관절연결막대로 이루어지고, 수용부재가 수용체와 수용체 지지체로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 인공관절은 제1탄성부재, 제2탄성부재, 제3탄성부재, 제4탄성부재가 복수개로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 인공관절은 제1탄성부재가 관절연결막대를 파지하고, 제2탄성부재는 수용체를 파지하고, 제3탄성부재가 수용체 지지체를 파지하고, 제4탄성부재는 관절연결수단 헤드를 파지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 관절장치는, 관절수단에 삽입설치된 관절연결수단이 탄성수단의 탄성력에 의해 지지된 상태에서 외부에서 가해지는 힘에 비례하여 X축, Y축 및 Z축 방향으로 선형이동 및 각 축에 대한 회전운동이 가능하여 6 자유도의 운동자유도를 가지게 되어 공간상 모든 방향으로의 선형 및 회전 운동이 가능한 효과가 있다.
또한, 각종 운동기구 및 장치에 사용되어 무술 및 운동 훈련 효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 관절수단으로부터 분리된 관절연결수단이 다시 관절수단에 손쉽게 삽입장착될 수 있어 반복사용에 유리한 효과가 있다.
또한, 단순하면서도 인체의 관절 기능 묘사가 다양하여 산업용 로봇이나 재활 등의 의료용 관절 메카니즘 분야에 활용 가능한 효과를 갖는다.
또한, 유연한 지지구조를 필요로 하는 모든 종류의 산업 제품에 활용 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 관절장치의 단면도.
도 2는 도 1의 제1실시예에 따른 관절장치의 몸체를 보여주는 사시도.
도 3 및 도 4는 도 1의 제1실시예에 따른 관절장치의 절개부를 보여주는 사시도 및 정면도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 관절장치의 가이드부재를 보여주는 단면도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 관절장치의 관절연결수단과 수용부재의 실시예를 보여주는 도.
도 8 및 도 9는 암수 헤드의 다양한 형태를 보여주는 도.
도 10은 연결막대의 다양한 형태를 보여주는 도.
도 11 및 도 12는 탄성수단의 다양한 형태를 보여주는 도.
도 13은 다양한 형태의 탄성수단의 적용예를 보여주는 도.
도 14는 본 발명에 따른 제2실시예의 다양한 형태를 보여주는 도.
도 15는 본 발명에 따른 제3실시예의 다양한 형태를 보여주는 도.
도 16 및 도 17은 본 발명에 따른 제4실시예로서 복수개의 관절연결수단 헤드가 형성된 예를 보여주는 도.
도 18 및 도 19는 본 발명의 제5실시예에 따른 관절장치를 보여주는 도.
도 20 내지 도 23은 본 발명에 따른 관절장치들이 다양한 형태로 연결되는 것을 보여주는 도.
도 24는 본 발명에 따른 복수의 관절장치를 이용하여 인체 또는 각종 더미 및 인형의 관절부위에 적용한 제6실시예를 보여주는 분해사시도.
도 25 내지 도 27은 본 발명에 따른 관절장치가 수련구에 적용된 사용예를 보여주는 도.
도 28은 본 발명에 따른 관절장치에 로드셀이 장착되는 사용예를 보여주는 도.
도 29는 본 발명에 따른 관절장치가 조립용 완구에 적용된 사용예를 보여주는 도.
도 30은 본 발명에 따른 관절장치가 외골격 및 근력 보강 또는 강화구조에 적용된 사용예를 나타내는 도.
도 31은 본 발명에 따른 관절 장치가 절단 또는 파손된 인체 내부 관절에 적용된 사용예를 나타내는 도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 관절장치를 각 실시예 별로 상세히 설명한다.
본 발명의 핵심적인 내용은 6 자유도 운동이 가능한 탄성 관절 구조다. 도 1에 본 발명에 따른 관절장치의 메커니즘의 기본 개념을 설명하기 위한 각 구성요소들이 단면도로 도시되어 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 관절장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 관절수단(100), 탄성수단(200) 및 관절연결수단(300)을 포함한다.
상기 관절수단(100)은 관절몸체(110), 관절연결수단(300)을 수용하기 위해 관절몸체 내부에 위치한 수용부재(130), 수용부재(130)를 관절몸체(110) 내부에서 가이드하며 지지하는 가이드부재(120)를 포함한다. 가이드부재(120)는 베이스 플레이트(170)에 고정되어 있으며, 수용부재(130)의 일부가 삽입가능하게 관 형태로 형성될 수 있고, 삽입된 수용부재(130)가 직선 왕복운동이 가능하도록 탄성체(140)가 내장되어 있다. 수용부재(130)는 관절연결수단(300) 과 접촉하면서 관절연결수단(300)을 수용하는 수용체(160)와 가이드부재(120)에 삽입가능한 수용체 지지체(150)로 이루어질 수 있다.
상기 관절연결수단(300)은 관절연결수단 헤드(310)와 관절연결막대(320)로 이루어지며, 상기 관절연결수단(300)은 탄성수단(200)에 의해 상하 좌우를 포함하는 방사형으로 잡혀 있다. 탄성수단(200)은 관절몸체(110)의 일단에 일체형으로 형성되거나 스크류 체결 또는 용접되어 결합될 수 있으며, 관절몸체(110)의 타단부는 견고한 베이스 플레이트(170)에 스크류 체결 또는 용접되거나 일체형으로 형성될 수 있다. 관절몸체(110)의 내부 공간에는 베이스 플레이트(170)로부터 수직으로 체결되는 작은 구경의 가이드부재(120)가 형성되어 있고, 이 가이드부재(120) 내부에 탄성체(140)가 삽입된다. 이 탄성체(140)의 일단부는 베이스 플레이트(170)에 고정되고 타단부는 수용체 지지체(150)의 일단부에 고정된다.
관절연결막대(320)와 관결연결수단 헤드(310)로 이루어진 관절연결수단(300)은 관절몸체(110)의 바깥쪽에서 안쪽으로, 즉 도 1의 오른쪽에서 왼쪽으로 탄성수단 개구부(215)로 삽입된다. 이 때 탄성수단(200)은 삽입 힘에 의해 탄성수단 개구부(215)의 공간이 넓어지며 관절연결수단 헤드(310)를 안쪽으로 받아들이면서 관절연결수단 헤드(310)의 후반부를 누르며 잡는다. 관절연결수단 헤드(310)의 전반부는 근접 위치에 있는 수용체(160)에 의해 잡힌다. 여기서 수용체(160)와 수용체 지지체(150)는 탄성체(140)를 압축하는 방향으로 밀리며, 이 때 압축된 탄성체(140)의 반탄력과 탄성수단(200)의 반탄력이 서로 평형을 이루며 밀려 삽입된 수용체(160)와 관절연결수단 헤드(310)를 일정 공간 속에서 잡아 유지하게 된다. 상기 관절연결수단 헤드(310)는 도 1에 도시된 바와 같이 구체로 형성될 수 있고, 이 경우 수용체(160)는 구체를 감싸는 오목한 반구체 형상으로 형성될 수 있다. 물론, 관절연결수단 헤드(310)와 수용체(160)는 서로 암수 결합이 되거나 상호 간 맞물리는 어떠한 형상으로도 형성될 수 있다.
가이드부재(120)는 수용체(160) 및 수용체 지지체(150), 그리고 탄성체(140)를 가능한 한 일렬로 유지시키며, 동시에 가이드부재(120)의 폭과 수용체 지지체(150)의 폭의 차이만큼 발생되는 공간적 유격이 수용체(160)와 관절연결수단 헤드(310)의 기울기에 대한 수용범위를 결정하게 된다. 이러한 구조는 특히 가이드부재(120)의 측면에 수용체 지지체(150) 폭 만큼 넓은 절개부가 일정 길이로 형성되어 상기 기울기의 수용 범위를 한층 더 확대 할 수 있는 특징을 가진다. 반면에 베이스 플레이트(170)로부터 수직으로 형성된 가이드부재(120)의 길이와 베이스 플레이트(170)로부터 탄성체(140) 및 수용체 지지체(150)의 총길이의 차에 의해 수용체(160)의 축상 선형이동의 범위가 결정된다. 특히, 탄성수단(200)과 관절연결수단 헤드(310) 또는 관절연결막대(320)의 접촉면, 관절연결수단 헤드(310)와 수용체(160)의 접촉면은 슬라이딩 운동이 가능하여, 관절연결수단 헤드(310) 및 관절연결막대(320)는 축상의 자전(도 2에서 X축에 대한 회전운동)이 자유롭게 가능하다. 이와 같은 구조는 관절연결수단 헤드(310), 수용체(160) 및 그들 주위에 연결된 구성요소들 입장에서 보면, 힘을 받았을 때 3개의 공간상의 선형이동(도 2에서 X, Y, Z 방향 직선 병진운동)과 3개의 회전운동(도 2에서 X, Y, Z 축에 대한 회전운동)이 가능하며, 받은 힘이 제거되었을 때 원 위치로 복귀하거나, 또는 받은 힘이 변화되면 그에 반응해서 새로운 위치로 이동할 수 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 상기 탄성수단(200)은 방사상으로 형성된 다수개의 탄성수단 절개부(220)에 의해서 분리되어 다수개의 탄성수단 유닛(210)으로 형성될 수 있으며, 도 3에서 보는 바와 같이, 관절몸체(110)에도 다수개의 관절몸체 절개부(113)가 형성될 수 있다. 도 4는 상기 도 2 및 도 3의 탄성수단 절개부(220)와 관절몸체 절개부(113)가 도시된 관절장치의 정면도를 나타낸다.
상기 탄성수단(200)이 도 2 및 도 3과 같이 복수개의 탄성수단 유닛(210)으로 이루어진 경우 관절의 장착에 대해서 설명한다. 관절연결수단 헤드(310) 및 관절연결막대(320)는 탄성수단 개구부(215)로 밀어 넣어져 탄성수단 유닛들(210)의 입구 쪽 간극이 벌어지면서 관절몸체(110) 내에 장착된다. 이 때 탄성수단 유닛들(210)은 수용체(160) 쪽으로 밀리면서 탄성수단 개구부(215)가 넓어지며, 일단 관절연결수단 헤드(310)가 관절몸체(110) 내에 삽입된 후에는 다시 제자리로 복귀한다. 반대로 관절연결수단 헤드(310)를 역방향으로 잡아 당기면 상기 탄성수단 유닛(210) 들이 반대 방향으로 휘면서 입구 쪽 간극이 역방향으로 벌어지며 개구부(215) 역시 역방향으로 넓어지며, 또는 관절연결수단 헤드(310)를 90도 방향으로 꺽게 되면 탄성수단 유닛들(210)의 입구 방향 부위가 한쪽은 밀어 넣어지는 방향으로 휘고, 다른 쪽은 바깥으로 벌려지는 방향으로 휘면서 탄성수단 개구부(215)가 열리며 관절연결수단 헤드(310)는 탄성수단(200) 및 수용체(160)로부터 이탈될 수 있다.
상기 탄성수단(200)은 X축을 중심으로 방사형으로 360도 전 범위에 걸쳐서 관절연결수단 헤드(310) 뒤쪽 및 근처의 관절연결막대(320)의 일부를 잡게 된다. 개별 탄성수단 유닛들(210)간에는 약간의 간극이 있게 되며, 관절연결수단 헤드(310) 또는 수용체(160)가 특정 방향으로 심하게 움직이면 복수개의 탄성수단 유닛(210) 간에 간극이 벌이지며, 이 간극이 커지면 벌어진 탄성수단 유닛 간극 사이로 관절연결수단 헤드(310) 및 수용체(160)가 빠져나갈 수 있다. 상기 관절연결수단(300)이 관절몸체(110) 내부에 삽입된 상태에서, 관절연결수단(300)은 탄성부재(200)에 의해 지지된 상태로 외력에 따라 3축방향의 직선 병진운동과 3축방향의 회전운동이 가능하다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 관절연결수단(300)은 관절몸체(110)에 대해서 X축, Y축 및 Z축 방향으로 직선 병진운동이 가능하고, 각 축의 회전방향으로 회전운동이 가능함이 도시되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 관절몸체(110)는 내부에 공간부(111)가 형성되어 있고, 관절몸체(110)의 일단에는 베이스 플레이트(170)가 형성되며 타단에는 탄성수단(200)이 구비된다. 탄성수단(200)은 관절몸체(110)와 일체로 형성될 수도 있고, 체결수단(미도시)에 의해서 관절몸체(110)의 타단에 고정되어 형성될 수도 있다.
한편, 관절수단(100) 내부에 형성된 가이드부재(120)는 도 1에 도시한 바와 같이, 관절몸체(110) 내부에서 베이스 플레이트(170)로부터 탄성수단(200) 쪽으로 수직하게 돌출형성된다. 이 가이드부재(120)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 수용부재(130)의 볼록한 수용체 지지체(150)를 내부에 수용하여 가이드할 수 있도록 관 형상으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 탄성체(140)는 관 형상의 가이드부재 내부에 구비된다. 또한, 가이드부재(120)는 도 5b에 도시된 바와 같이, 오목한 수용체 지지체(130) 내부에 삽입되어 수용체 지지체(130)를 가이드할 수 있도록 기둥형상으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 탄성체(140)는 기둥형상의 가이드부재 외부에 구비된다.
도 6 및 도 7은 각각 구체의 헤드를 갖는 관절연결수단(300)과 이를 수용하는 수용부재(130)의 실시예를 보여준다. 수 구체 헤드(310, male sphere head) 또는 암 수용체(160, female receptor)는 도 1 및 도 6a에 도시된 바와 같이 일체형으로 이루어질 수도 있고, 필요에 따라 도 6b와 도 7a에 도시된 바와 같이, 수 구체 헤드(male sphere head) 또는 암 수용체(female receptor)는 2개의 부재(301, 302; 131, 132)가 연결막대 양단 또는 중앙부에서 스크류 결합되어 형성될 수 있다. 한편, 구체 헤드 또는 수용체 헤드(310) 는 도 8에 도시된 바와 같이, 구체, 원뿔, 원뿔대, 타원체 뿐만 아니라 디스크, 삼각형, 사각형 등 다각형 등 다양한 모양을 가지도록 구성될 수 있으며, 특정한 수 헤드(male head)에 쌍을 이루며 대응되는 암 헤드(female head) 또는 상호간 접촉면이 맞물릴 수 있는 형태로 구성된다. 이와 같이 관절연결수단(300)과 이를 수용하는 수용부재(130)의 접촉부위는 서로 대응되는 형상으로 형성되어 암수 결합으로 서로 원활한 슬라이딩 접촉이 되도록 형성될 수 있다. 한편, 수 헤드(301) 와 연결막대 (302) 또는 암 헤드(132) 와 연결막대(131) 간의 연결부위는 도 6c 및 도 7b에 도시된 바와 같이 힌지결합으로 형성될 수 있다.
위와 같이 암수 헤드들 (301, 132) 이 짝을 이뤄 접합될 수 있으며, 접합면이 평면, 암수 구면, 암수 요철면, 암수 삼각형, 암수 마름모 등 다양한 접합면을 구성할 수 있다. 도 9에는 암수 헤드 (301, 132) 들의 예로서, 인체 관절 연결부위의 힌지(hinge; 도 9a), 새들(saddle; 도 9b), 타원체(ellipsoid; 도 9c) 헤드들이 도시되어 있다. 여기서, 암수 각 헤드는 각각 수용체(160) 및 관절연결수단 헤드(310)가 될 수 있으며, 관절연결수단 헤드(310) 및 수용체(160)가 될 수도 있다.
연결막대(320)는 관절수단(100)과 관절수단(100)을 연결하는 막대로서 기본적으로 단면이 원형인 실린더 형태 또는 다른 일정한 형상의 단면을 가진 다양한 형태가 가능하며, 양단에 암 수용체 헤드(132), 수 구체 헤드(301) 가 다양한 조합으로 형성될 수 있다. 도 10a는 양단에 수 구체(male sphere; 3102)를 쌍으로 가지는 예를 도시하고 있는데, 연결막대 양단에 모두 암 수용체(female receptor)가 형성되거나, 일단에는 수 구체 타단에는 암 수용체가 형성될 수도 있다. 연결막대가 1차원 선형(도 10a)에서 2차원 배열(도 10b)로 막대의 헤드들이 서로간에 각도를 이룰 수 있고, 나아가 3차원 구조(도 10c)를 형성하여 다축 연결막대 구조체(multi axis interfacing rod structure)가 가능하다. 한편, 연결막대는 도 10의 예와 같이 원형 단면을 가질 수도 있고, 필요에 따라 타원형, 삼각형, 사각형 등 다각형 단면를 가질 수도 있다. 이러한 연결막대는 다른 연결막대와 서로 스크류 피팅되어 다양한 모양의 구조체를 구성할 수도 있다. 또한, 연결막대 및 연결막대 구조체는 탄성수단 유닛들과 결합을 통해 다양한 6 자유도 관절 기능을 수행할 수 있다.
도 11은 관절구조의 가장 핵심 구성요소인 탄성수단(200)(탄성수단 유닛(210) 또는 탄성수단 유닛 어셈블리)의 다양한 형상을 나타내는 실시예를 보여준다. 즉, 관절장치(1)의 길이방향을 따른 탄성수단(200)의 횡단면 중 상하 대칭축에 대해 상부만 도시한 다양한 예시들이 나타나 있다. 도 11의 각 횡단면에서, 탄성수단(200)의 상부는 도 1의 관절몸체(110)에 고정되어 외력에 대해 움직이지 않고, 탄성수단(200)의 상부로부터 일정 각도를 이루며 내려온 중앙부는 외력에 대해 특히, 도면에서 좌우로 휘어지도록 구성된다. 이 중앙부로부터 일정 각도를 이루며 구부러지며 확장되는 탄성수단(200)의 하부는 외력에 대해 좌우로 추가적으로 휘어질 수 있다. 개별 탄성수단 유닛(210)들은 도 11에 도시된 바와 같이, 상부, 중앙부, 하부가 다양한 각도의 조합으로 구성될 수 있으며 상부-제1중앙부-제2중앙부-하부 (도11h)와 같이 복수개의 중앙부를 가지면서 여러 각도로 절곡되는 구조를 가질 수 있다.
도 12는 개별 탄성수단 유닛(210)의 중앙부와 하부만을 도시한 것인데, 도 12a는 탄성수단(200)의 면이 평면일 경우, 도 12b는 중앙부에서 하부로 갈수록 곡면이 순차적으로 볼록, 오목, 오목한 경우, 도 12c는 중앙부에서 하부로 갈수록 곡면이 순차적으로 오목, 볼록, 볼록한 경우를 나타낸다. 이와 같이 개별 탄성수단 유닛(210)의 면은 상기 절곡 구조의 개수에 따라 필요시 평면, 오목면, 볼록면을 다수개의 임의의 배열로 구성할 수 있는 특징을 가진다.
위와 같이 다양한 형태의 탄성수단(200) 내에서 구체인 관절연결수단 헤드(310) 가 장착되는 다양한 실시예가 도 13에 도시되어 있다. 이 실시예는 상부, 중앙부, 하부로 절곡되어 있는 탄성수단(200)이 적용된 예로서, 탄성수단 (200)의 일단이 관절몸체(100)에 결합되어 있고, 그 타단이 공간부(111) 의 중심 축을 향해 돌출되어 관절연결수단(300)을 잡고 있는 특징을 가진다.
상술된 구성요소들이 결합되어 관절 구조를 형성하는 다양한 실시예가 도 14에 도시되어 있다. 도 14a에는 도 1의 관절몸체(110) 없이 폐쇠형 마운팅 베이스 플레이트 (170)에 3개의 절곡 각도를 가진 탄성수단(200)이 직접 관절연결수단(300)의 구체 관절연결수단 헤드(310)와 관절연결막대(320)을 잡고 있으며, 수용체 헤드(160)와 수용체 지지체(수용체 막대, 150)는 마운팅 베이스 플레이트(170)에 장착된 탄성체(140) 와 가이드부재 (120) 에 의해 운동이 조절되는 구성이 나타나 있다. 한편, 도 14b에는 관절몸체(110) 없이 중앙부에 구멍을 갖는 마운팅 베이스 플레이트 (170)의 중앙부에 1개 이상의 절곡 각도를 갖는 탄성수단(200)이 장착되어 있고, 이 탄성수단이 수용체 헤드(160)와 수용체 막대(150)를 잡고 있고, 마운팅 베이스 플레이트(170)의 외측부에 방사형으로 직접 연결된 3개의 절곡 각도를 갖는 탄성수단(200)이 구체 관절연결수단 헤드(310) 와 관절연결막대(320)를 잡고 있는 구성이 도시되어 있다. 도 14c는 도 14b의 구성과 다르게 마운팅 베이스 플레이트(170)와 관절몸체(110)가 일체형으로 형성되어 있고, 이 관절몸체(110) 내주면에 장착된 탄성수단(200)이 구체 관절연결수단 헤드(310) 와 관절연결막대(320)를 잡고 있는 구성이 도시되어 있다. 도 14d에는 도 14c와 유사하지만 구체 관절연결수단 헤드(310)와 관절연결막대(320)를 잡는 탄성수단이 2개 이상 형성되어 보다 안정적으로 구체 관절연결수단 헤드(310)와 관절연결막대 (320)를 잡을 수 있는 구조가 도시되어 있다.
도 15는 상술된 관절연결수단 헤드(310)과 수용체(160)의 형상이 구체가 아닌 다양한 형상을 갖는 실시예를 도시한다. 도 15a는 2개의 헤드 간에 접촉면이 넓은 평면, 도 15b는 그 접촉면이 매우 작은 평면, 도 15c는 그 접촉면이 요철 형태를 갖는 예시를 나타낸다.
도 16 및 도 17는 관절연결수단(300)의 일단에 2개 또는 그 이상의 개수의 관절연결수단 헤드(3111)가 형성된 관절장치(1)의 실시예를 도시한다. 이 관절장치(1) 는 기본적으로 도 1의 관절장치(1)와 개념이 동일하며, 다만 관절연결수단(300)의 구조가 탄성체(140)의 가이딩 실린더 역할을 하기 때문에 도 1 과 같이 상대적으로 긴 가이드부재(120)가 꼭 필요하지 않은 점이 다르다. 이 실시예에서 관절연결수단(300)은 기둥형상의 관절연결수단 몸체(3201)를 갖고, 이 관절연결수단 몸체(3201)의 일단에 다수개의 관절연결수단 헤드(3111)가 관절연결수단 링크(3121)에 의해서 연결되어 있으며, 관절연결수단 몸체(3201)의 타단에는 보조연결막대(323)가 연결되어 있으며, 상기 보조연결막대(323)는 관절연결막대(320) 의 기능을 담당한다. 또한, 관절연결수단 몸체(3201) 중 관절연결수단 헤드(3111)가 연결되어 있는 일단 쪽에는 관절수단의 접촉체(1301)를 수용할 수 있는 삽입홈(321)이 형성되어 있고, 관절수단의 접촉체(1301)는 삽입홈(321)에 삽입되어 삽입홈 바닥부(3112)와 접촉한 상태에서 다수개의 관절연결수단 헤드(3111)가 탄성수단(200)의 탄성력에 의해서 각각 지지된 상태로 삽입되어 관절몸체(110) 내에 수용된다. 관절장치, 특히 관절연결수단(300)에 당기는 힘 또는 꺽는 힘과 같은 외력이 가해지는 경우, 다수개의 관절연결수단 헤드(3111) 중 어느 하나가 관절몸체 (110) 으로부터 이탈될 수 있으며, 그 이상의 관절연결수단 헤드(3111)가 이탈될 수도 있다. 이때 하나의 관절연결수단 헤드(3111)가 관절몸체(110)로부터 이탈되기 시작하면, 나머지 다른 관절연결수단 헤드(3111)들은 일부 측면에서 탄성부재(200)로부터의 복원력을 받지 못하게 되어, 차례대로 이탈이 수월해진다.
도 18은 2개의 헤드 간 접촉면이 요철 형태를 갖는 도 15c의 실시예의 응용예로서 6 자유도의 움직임이 헤드 접촉면과 연결막대에서 발생되는 관절장치(1) 를 도시한다. 도 18의 A, B, C 부분은 볼베어링이 장착된 것을 나타내는데, 볼베어링 A는 막대형태의 수용체 지지체(150)와 탄성수단(200) 사이 또는 관절연결막대(320)와 탄성수단(200) 사이에 위치하며 암수 헤드{즉 수용체 (160)와 관절연결수단 헤드(310)}와 관절연결막대(320) 의 축상 자전을 허용한다. 볼베어링 B는 상기 암수 헤드(160, 310)의 외측 몸체(1601)와 탄성수단(200) 사이에 위치하며, 볼베어링 C는 상기 암수 헤드(160, 310)의 외측 몸체(1601)와 암수 헤드 사이에 위치한다. 이들 베어링들은 A, B, C 중 한 가지만 있거나, A와 B, A와 C, B와 C 중 어느 하나의 쌍만 있어도 축의 회전력을 한쪽 헤드에서 다른쪽 헤드로 전달할 수 있다. 이러한 구조에서는 암수 헤드부가 서로 결합되어 힘축이 자전되며, 암수 헤드와 연결막대들은 6 자유도의 모든 방향에서 다소간의 움직임을 허용하면서 회전축의 힘이 다른쪽 헤드로 이전될 수 있게 있다.
한편, 암수 헤드의 외측 몸체의 표면에서 돌출되어 형성된 다수개의 블레이드 형태의 면 D가 방사형으로 위치하는 다수개의 탄성유닛들 사이의 간극에 위치되어 암수 헤드의 외측 몸체가 회전되지 않도록 할 수 있다. 이 때 헤드 외측 몸체는 회전하지 않고, 회전축과 볼베어링 C만 회전한다.
도 19는 도 18의 상기 회전 방지 블레이드(D) 의 구성을 보다 상세히 도시한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 구체 관절연결수단 헤드(310)와 수용체 헤드(160) 사이의 접촉면에 요철 모양의 돌출부(310a) 와 함몰부(160a) 가 형성된 상태로 구체 관절연결수단 헤드(310)와 수용체 헤드(160)가 서로 연결되어 있어서 일측 연결막대(320 또는 150)가 회전력을 발휘할 때 타 측 연결막대(150 또는 320)에 상기 회전력을 전달 할 수 있게 된다. 하지만 연결막대 외주면에 수직하게 한 개 또는 다수개의 블레이드(D1)가 돌출 형성되어, 관절몸체(110)로부터 중앙으로 돌출 형성된 탄성 유닛(210)들 간극 사이에 위치하며 회전 축의 자전 운동 멈출 수 있다. 또한 구체 관절연결수단 헤드(310) 및 수용체 헤드(160)의 외주면에 수직하게 한 개 또는 다수개의 블레이드(D2)가 돌출 형성되어 이와 인접한 다수개의 탄성수단 유닛 (210)들 사이의 간극 사이에 위치할 수도 있어 관절연결막대(150, 320) 및 암수헤드(160, 310)의 축상 자전운동을 멈추게 할 수 있다.
도 20은 도 1의 관절장치에 베이스 플레이트(170) 의 다른 쪽(도면에서 왼쪽)에 구형의 관절연결수단 헤드(310)가 추가로 구비된 관절장치 유닛들이 직렬로 연결된 모습을 나타낸다. 한편, 도 21은 베이스 플레이트(170)를 공유하며 서로 대칭으로 도 1의 관절장치가 쌍으로 구비되어 양단으로 연결막대를 통하여 복수개의 관절장치 유닛이 직렬로 연결될 수 있는 구조를 나타낸다. 도 22는 2개의 관절장치 유닛이 단면이 1/4 원 부채꼴 형태 연결링크(151)를 공유하며 서로 90도 각도로 꺽인 상태로 배치되어 하나의 관절 구조로 작동될 수 있는 실시예를 나타낸다. 도 23은 3개의 관절장치 유닛이 삼각형 단면을 가진 연결링크(151)를 공유하며 서로 120도 각도로 배치되어 3방향 관절 구조로 작동될 수 있는 실시예를 나타낸다. 이와 같이 상기 관절장치 유닛들은 연결링크(151)의 형태에 따라 1차원 선형, 2차원 면형 또는 3차원 입체형의 복합적인 관절장치 구조를 형성할 수 있다.
도 24는 복수의 관절장치를 이용하여 특별히 인체 형상의 더미(dummy) 또는 인형 의 관절부위에 적용하는 예를 도시한다. 더미 관절은 사용자에 의해 밀거나, 당기거나, 꺽거나, 치거나, 비틀거나 하는 작용을 받을 때 해당 인체의 부위와 유사한 반응을 보여야 한다. 즉, 가해지는 외력에 대한 더미의 반응을 보다 사실적으로 피드백 받을 수 있어야 한다. 인체 더미의 어깨 관절부위를 예를 들어 설명하면, 몸통쪽 관절에 해당하는 우측의 링형 관절 구조물과 이와 결합되는 팔쪽 링형 관절구조물(도 24에서 왼쪽)이 도 24에 도시되어 있다. 각 링형 관절구조물은 2개의 동심원 홀더링(161; 161a, 161b), 내측 홀더링(161b) 내부에 위치하는 원판(163), 원판의 중심으로부터 수직 돌출하는 연결관(165), 외측 홀더링(161a)과 내측 홀더링(161b)을 서로 연결해주는 2개의 관절수단(100, 즉 P3, P4), 내측 홀더링(161b)과 원판(163)을 연결하는 2개의 관절수단(100, 즉 P1, P2)을 포함한다. 팔쪽 관절도 몸통쪽 관절과 동일한 구조로 이루어진다.
상기 2개의 링형 관절 구조물들을 연결해주는 구성요소로서, 우측 링형 관절 구조물의 연결관(165)과 이 연결관(165) 내에 삽입되어 체결되는 좌측 링형 관절 구조물의 연결대(313)가 있다. 상기 연결관(165)에는 끼움공(165a)이 형성되고, 연결관 내면에는 가이딩 홈(165b)이 형성되어 있다. 또한, 상기 연결대(313)의 표면에는 연결관(165)의 끼움공(165a)에 끼워져서 결합될 수 있는 탄성돌기(313a)가 형성되고, 가이드 홈(165b)에 의해 안내되는 가이드돌기(313b)가 형성되어 있다.
인체 관절의 응용에 있어서 상기 연결대(313) 의 일측에 도 24에 도시된 것과 같은 상기 홀더링(161), 원판(163), 관절수단(100; P1, P2, P3, P4) 등이 대칭적으로 장착될 수 있다. 이로부터 돌출된 연결대(313)와 연결관(165)이 결합되어 하나의 연결막대를 형성한 상태에서 이 연결막대가 잡혀 상하방향으로 꺽여지면 관절수단 P1, P2에 외력이 가해져 원판(163)이 내측 홀더링(161b)으로부터 이탈될 수 있다. 또한, 상하방향으로 연결막대에 타격을 가하면 P3, P4에 외력이 가해져 내측 홀더링(161b)이 외측 홀더링(161a)로부터 이탈될 수 있다. 유사하게, 좌우 방향으로 꺽는 힘에 의해서 P3, P4가 작용하여 내측 홀더링(161b)이 외측 홀더링(161a)로부터 이탈될 수 있다 고, 좌우 방향으로 타격력이 가해지면 P1, P2가 작용하여 원판(163)이 내측 홀더링(161b)으로부터 이탈될 수 있다.
도 25는 관절 유닛들의 응용예로서, 벽 또는 곡면형 기둥에 장착하여 사용하는 무술 수련구의 예시를 도시한다. 나무, 금속, 플라스틱 또는 그 위에 고무 등의 유연한 재료를 둘러싼 실린더 형태로 일단이 구체 헤드이며 타단이 구체 또는 다른 모양을 가지는 수련유닛이 기본적으로 사용된다. 수련유닛(U)은 중앙부에 탄성 관절 유닛을 장착하고 주변부에 고정용 스크류 구멍들을 가진 플랜지로 구성된다. 도 25a에는 상기 수련유닛(U)들의 일단이 벽(401)에 고정되고 타단에는 고강성의 평판(410)이 부착되어 있으며, 이 평판에는 격자모양의 홈(411)이 형성되어 있어, 수련유닛(U)의 플렌지가 홈(411)으로 삽입되어 필요한 위치로 슬라이딩된 후 스크류로 고정될 수 있다. 복수개의 수련유닛을 평판에 장착되어 수련구로 활용할 수 있다. 도 25b는 벽 대신에 곡면형 기둥(402)에 장착된 곡면판(420)이 부착된 곡면형 수련구의 예시를 나타낸다.
도 26은 기둥형 물체에 벨트(430)를 장착하고 이 벨트(430)에 상기 수련 유닛(U)들을 원하는 위치에 장착함으로써 완성되는 목인장(도 26a) 또는 샌드백 형태의 수련구(도 26b)를 도시한다. 이때 기둥형 물체 또는 샌드백 몸체와 이들을 지지하는 기둥 또는 매다는 체인을 본 발명에 따른 관절장치(1)로 대체하여 사용할 수 있는 특징을 가진다.
한편 도 27은 인체 모형의 각 부분들을 본 발명에 따른 관절장치(1)로 연결하여 인체 인형을 구성한 예를 도시한다. 이 예에서 빗금친 여러 관절 부위(J)에서 관절장치(1)를 이용하여 각 부분들이 연결된다. 이 인체 모형을 활용하여 무술 수련을 효과적으로 할 수 있다. 이때 본 발명에 다른 관절장치는 도 27에 예시된 부분 뿐 아니라, 모든 종류의 인체 관절에 적용되어 상기 관절 기능을 구현 할 수 있음이 자명하다.
또한, 본 발명인 관절장치(1)의 일부분, 예를들어 탄성수단(200) 표면에 도 28과 같이 스트레인 게이지(strain gauge; SG) 장착하고, 이들을 휘스톤브리지 (Wheatstone bridge) 회로로 연결함으로써, 로드셀 센서를 구성하여 관절장치에 가해지는 외력이나 변형량을 측정하여 실시간으로 확인할 수 있는 특징을 가진다.
도 29는 본 발명에 따른 관절장치들이 인체를 모사한 조립형 완구에 적용된 예를 도시한다. 상기 완구의 각 부위들은 본 발명에 따른 관절장치(1)들이 연결 막대들을 통하여 조립 연결되어 구성되었음을 알 수 있다.
도 30은 본 발명에 따른 관절장치를 이용한 근력 강화용 외골격 구조 실시예를 나타낸다. 이러한 근력 강화용 외골격 구조는 2개의 관절유닛을 상하 연결하여 무릅 또는 목 관절(미도시) 등 관절 기능 전부 또는 일부가 상실되어 사용이 어려운 사용자의 해당 관절 부위를 지지하는데 사용할 수 있다. 도 30a를 참조하면, 관절부위를 감싸는 링부재(400)에 구체 헤드(511)를 포함하는 관절연결수단과 이를 수용하는 수용체 헤드(521)를 포함하는 수용부재가 탄성부재(210a, 210b)에 의해서 고정 장착되어 있다. 관절의 구체 헤드(511)는 제2탄성부재(210b)에 의해서 파지되고, 수용체 헤드(521)는 제1탄성부재(510a)에 의해 파지될 수 있다. 특히 도 30b에 도시된 바와 같이, 관절의 구체 헤드(511)와 수용체 헤드(521)에는 각각 암수 요철(513, 523)이 형성되어 해당 관절 예를들어 무릅이 구부러지는 방향으로만 관절이 구부러지도록 구성할 수 있다.
도 31은 인체 내부 골격 구조에서 뼈의 일부분에 결함 발생시 두 개의 뼈를 연결하는 관절장치의 실시예를 도시한다. 윗부분에 도시된 상부뼈와 아래부분에 도시된 하부뼈는 관절부위가 절단, 파손 등의 이유로 관절 기능을 하지 못할 경우, 인공 관절구조를 장착해서 관절 기능을 대체해야 한다. 상부뼈에는 골격장착 링(620)이 스크류 피팅, 본딩 피팅 혹은 벨트식 피팅으로 장착된다. 골격장착 링(620)의 내주면을 따라 방사형으로 제1탄성수단(210a)이 배치되고, 제1탄성부재(210a)들이 관절연결수단(300)의 관절연결막대(320)를 고정 장착하여 파지하고 있다. 상기 골격장착 링(620)의 외주면을 따라 방사형으로 제2탄성수단(210b)이 배치되어 있고, 제2탄성부재(210b)들은 수용체(160) 후단과 수용체 지지체(150)를 파지한다.
반면, 골격장착 디스크(610)는 스크류 피팅, 본딩 피팅 혹은 벨트식 피팅 등의 고정 체결방법에 의해 하부뼈의 상부면에 고정 장착된다. 골격장착 디스크(610)의 내주면을 따라 방사형으로 제3탄성수단(210c)이 배치되고, 제3탄성부재(210c)들이 수용체 지지체(150)의 하단부를 고정 장착한다. 또한 골격장착 디스크(610)의 외주면을 따라 방사형으로 제4탄성수단(210d)이 배치되고, 제4탄성부재(210d)들은 관절연결수단(300), 관절연결수단 헤드(310)의 후면과 관절연결막대(320)의 일부면을 파지한다.
이때 관절연결수단 헤드(310)와 수용체(160)는 일정 형태의 암수면으로 구성되어, 미끄러짐 접촉을 지속하게 되어, 관절연결막대(320)와 수용체 지지체(150)간의 상대적 각도 및 선형 범위가 마치 사람 또는 동물의 관절처럼 임의의 의도된 방향으로 자유롭게 변경될 수 있다. 상기 관절연결막대(320)와 수용체 지지체(150)는 탄성부재(210)에 의해 단순히 파지되어 있으므로, 탄성부재(210)의 복원력 한계를 넘는 과도한 힘을 가하면 서로가 분리되고, 심한 경우 탈착되어 마치 탈골과 같은 효과가 발생된다. 따라서, 상부뼈와 하부뼈는 본 발명에 따른 관절장치를 사용한 골격 연결 인공관절장치에 의해 본래의 관절 기능을 발휘할 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
<부호의 설명>
1: 관절장치
100: 관절수단 110: 관절몸체
111: 공간부 113: 관절몸체 절개부
120: 가이드부재 130: 수용부재
1301: 접촉체 131: 제1수용부재
132: 제2수용부재 140: 탄성체
150: 수용체 지지체 151: 연결링크
160: 수용체 160a: 함몰부
1601: 외측 몸체 161: 홀더링
161a: 외측 홀더링 161b: 내측 홀더링
163: 원판 165: 연결관
165a: 끼움공 165b: 가이드 홈
170: 베이스 플레이트 200: 탄성수단
210: 탄성수단 유닛 210a: 제1탄성부재
210b: 제2탄성부재 210c: 제3탄성부재
210d: 제4탄성부재 215: 탄성수단 개구부
220: 탄성수단 절개부 300: 관절연결수단
301: 제1관절연결수단 302: 제2관절연결수단
310, 3111: 관절연결수단 헤드 310a: 돌출부
3102: 수 구체 320: 관절연결막대
3111: 관절연결수단 헤드 3112: 삽입홈 바닥부
3121: 관절연결수단 링크 313: 연결대
313a: 탄성돌기 313b: 가이드돌기
3201: 관절연결수단 몸체 321: 삽입홈
323: 보조연결막대
400: 링부재 401: 벽
402: 곡면형 기둥 410: 평판
420: 곡면판 430: 벨트
511: 구체 헤드 513: 수 요철
521: 수용체 헤드 523: 암 요철
610: 골격장착 디스크 620: 골격장착 링

Claims (21)

  1. 관절수단(100);
    상기 관절수단 일측에 형성된 탄성수단(200); 및
    상기 관절수단(100)내에 삽입 장착되어 상기 탄성수단(200)에 의해 직접 접촉되어 파지되는 관절연결수단(300);을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관절수단(100) 내에 상기 관절연결수단(300)을 수용하는 수용부재(130)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 관절장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 관절수단(100) 내에 상기 수용부재(130)의 움직임을 가이드하는 가이드부재(120)가 고정설치되는 것을 특징으로 하는 관절장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가이드부재(120)와 상기 수용부재(130)는 탄성체(140)에 의해서 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 관절장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄성수단(200)에는 탄성수단 개구부(215)가 형성되어 있고,
    상기 관절연결수단(300)은 상기 탄성수단 개구부(215)를 통해서 상기 관절수단(100) 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 관절장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 관절수단(100) 내에 삽입된 상기 관절연결수단(300)은 상기 탄성수단(200)과 상기 탄성체(140)의 서로 반대방향으로 작용하는 반탄력의 평형에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 관절장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 관절연결수단(300)과 상기 수용부재(130)는 접촉하는 면이 서로 암수 대응 또는 상호 간 맞물림되는 형상인 것을 특징으로 하는 관절장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 탄성수단(200)은 복수개의 탄성수단 유닛(210)으로 이루어지고 탄성수단 유닛 사이에는 탄성수단 절개부(220)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 관절장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 탄성수단(200)은 상기 관절연결수단(300)이 상기 관절수단(100) 내에 용이하게 삽입될 수 있도록 하나 이상의 절곡부를 가지는 것을 특징으로 하는 관절장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄성수단(200)은 3자유도의 선형운동방향과 3자유도의 회전운동방향으로의 탄성변형이 가능하여, 상기 관절연결수단(300)은 상기 관절수단(100)에 대해서 3 자유도의 선형운동과 3 자유도의 회전운동이 가능하여 6 자유도의 운동이 가능한 것을 특징으로 하는 관절장치.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서
    연결링크(151) 또는 연결막대(320)들의 결합을 통해서 선형, 면형 또는 입체 구조의 복합 관절 구조물을 형성할 수 있는 특징을 가진 관절장치.
  12. 직경이 다른 2개의 홀더링(161);
    상기 홀더링보다 직경이 작은 원판(163); 및
    상기 원판(163)으로부터 수직으로 돌출형성된 돌출부;를 포함하고,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 관절장치에 의해서 상기 2개의 홀더링이 연결되고, 또한 직경이 작은 홀더링과 상기 원판이 연결되며, 상기 관절장치의 탄성수단(200)은 3자유도의 선형운동방향과 3자유도의 회전운동방향으로의 탄성변형이 가능한 것을 특징으로 하는 링형 관절 구조물.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 관절장치는 3 자유도의 선형운동과 3 자유도의 회전운동이 가능하여 6 자유도의 운동이 가능한 것을 특징으로 하는 링형 관절 구조물.
  14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 관절장치가 적용된 수련구.
  15. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관절수단(100) 또는 상기 탄성수단(200)에 센서가 장착되어 가해지는 힘이나 변형량을 감지하는 것을 특징으로 하는 관절장치.
  16. 제11항에 따른 관절장치가 적용된 조립완구.
  17. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 관절장치가 적용된 인공 관절.
  18. 제1대상물;
    상기 제1대상물을 감싸며 고정하는 골격장착링(620);
    제2대상물;
    상기 제2대상물을 고정하는 골격장착 디스크(610);
    상기 제1대상물과 상기 제2대상물 사이에 위치하는 관절연결수단(300);
    상기 제1대상물과 상기 제2대상물 사이에서 상기 관절연결수단(300)을 수용하는 수용부재(130);
    상기 골격장착링(620)의 내주면을 따라 방사형으로 연결된 제1탄성부재(210a)와 상기 골격장착링(620) 외주면을 따라 방사형으로 연결된 제2탄성부재(210b); 및
    상기 골격장착 디스크(610) 내주면을 따라 방사형으로 연결된 제3탄성부재(210c)와 상기 골격장착 디스크(610) 외주면을 따라 방사형으로 연결된 제4탄성부재(210d);를 포함하고,
    상기 제1탄성부재(210a)와 상기 제4탄성부재(210d)는 상기 관절연결수단(300)에 연결되고, 상기 제2탄성부재(210b)와 상기 제3탄성부재(210c)는 상기 수용부재(130)에 연결되는 것을 특징으로 하는 인공관절.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 관절연결수단(300)은 관절연결수단 헤드(310)와 관절연결막대(320)로 이루어지고,
    상기 수용부재(130)는 수용체(160)와 수용체 지지체(150)로 이루어진 것을 특징으로 하는 인공관절.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 제1탄성부재(210a), 제2탄성부재(210b), 제3탄성부재(210c), 제4탄성부재(210d)는 복수개로 이루어진 것을 특징으로 하는 인공관절.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1탄성부재(210a)는 상기 관절연결막대(320)를 파지하고,
    상기 제2탄성부재(210b)는 상기 수용체(160)를 파지하고,
    상기 제3탄성부재(210c)는 상기 수용체 지지체(150)를 파지하고,
    상기 제4탄성부재(210d)는 상기 관절연결수단 헤드(310)를 파지하는 것을 특징으로 하는 인공관절.
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