KR101184547B1

KR101184547B1 - 길이 가변형 메커니즘의 슬관절 보조장치

Info

Publication number: KR101184547B1
Application number: KR1020110042483A
Authority: KR
Inventors: 전도영; 손호정
Original assignee: 서강대학교산학협력단
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-05-04

Abstract

본 발명은 길이 가변형 메커니즘의 슬관절 보조장치에 관한 것으로, 슬관절 보조장치는 인체의 무릎 관절에 해당하는 슬관절부와, 각각 슬관절부에 결합되는 허벅지 프레임과 정강이 프레임을 포함하며, 슬관절부는 허벅지 프레임에 대하여 정강이 프레임을 회전시키고, 정강이 프레임의 회전 각도에 따라 길이를 변화시키는 길이 가변형 메커니즘을 가진다. 특히, 슬관절부는 인체 슬관절의 하퇴부의 운동 궤적의 길이 변화에 맞추어 도출됨과 동시에 최대 회전각도 범위를 제한하는 슬라이딩 슬롯을 구비할 수 있다.

Description

길이 가변형 메커니즘의 슬관절 보조장치{Knee Joint Assistive Device Having Length Variable Mechanism}

본 발명은 슬관절 보조장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 인체 슬관절의 생역학적 운동특성을 적용한 메커니즘으로 착용자의 편의성을 향상시킨 슬관절 보조장치에 관한 것이다.

인체 슬관절은 굴곡 각도에 따라 시상면상의 회전중심이 변하는 운동특성을 갖는다. 보조기 및 의족 분야에서는 이러한 슬관절의 운동특성을 반영하는 메커니즘들이 개발되어 왔으나, 종래에는 사절링크(four-bar linkage)를 이용하여 인체 슬관절의 회전중심 궤적을 추종하는 방식이 대부분이었다.

최근 들어 활발히 연구 개발되고 있는 외골격 시스템은 착용자에게 근력을 보조해주기 위한 능동적 구동장치로서, 인체와의 결합 형태에 따라 크게 인체 모사형(anthropomorphic) 구조와 비-인체 모사형(non-anthropomorphic) 구조로 분류할 수 있다. 인체 모사형 구조는 외골격 프레임과 인체가 최대한 밀착되어 결합되는 형태로, 주로 재활훈련 용도 및 마비 장애인의 운동보조를 목적으로 사용된다. 비-인체 모사형 구조는 외골격 프레임과 인체의 결합지점을 최소로 한 형태로, 정상인의 근력 증폭 등을 목적으로 할 때 활동성을 보장하기 위하여 주로 사용된다. 인체 모사형 구조의 경우에는 외골격 프레임과 인체의 결합지점이 많으며 밀착되어 있으므로, 동작 편의성을 위해서는 인체의 생역학적 움직임을 최대한 유사하게 추종하는 관절부 운동 메커니즘이 요구된다.

외골격 시스템은 일반적인 보조기 및 의족 분야와 달리 액추에이터에 의해 능동적으로 구동되기 때문에, 슬관절 시스템에 있어서 사절링크와 같이 종래의 수동 운동 장치에서 개발된 기술의 적용이 어렵다. 이러한 구현상의 어려움으로 인하여 대부분의 외골격 시스템에서는 회전중심이 고정되어 있는 단순 힌지 조인트나 기어의 맞물림을 이용하여 제한적으로 인체의 회전중심 궤적을 추종하는 형태를 채택하고 있다.

종래의 외골격 시스템에서 슬관절은 1자유도의 단순회전만 이루어진다. 그러나 인체의 슬관절은 보다 복잡한 거동을 보이기 때문에 1자유도의 단순회전만 허용하는 외골격 시스템의 슬관절은 착용자가 불편함과 이질감을 느끼게 하는 큰 요인이 되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 인체 해부학적인 운동특성을 고려하여 운동궤적이 실제 슬관절의 굴곡/신전에 따른 변화 궤적에 일치하도록 하는 메커니즘을 가진 슬관절 보조장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 착용자의 이질감을 줄일 수 있는 메커니즘을, 회전요소 부품을 이용하는 수동형 시스템은 물론 액추에이터를 이용하는 능동형 시스템에도 적용 가능하도록 구현한 슬관절 보조장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 각 착용자에게 최적화되도록 개별 제작하여 맞춤식으로 구현 가능한 슬관절 보조장치를 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 구성의 슬관절 보조장치를 제공한다.

본 발명에 따른 슬관절 보조장치는, 인체의 무릎 관절에 해당하는 슬관절부; 상기 슬관절부에 결합되는 허벅지 프레임; 상기 슬관절부에 결합되는 정강이 프레임을 포함하며, 상기 슬관절부는 상기 허벅지 프레임에 대하여 상기 정강이 프레임을 회전시키고, 상기 정강이 프레임의 회전 각도에 따라 길이를 변화시키는 길이 가변형 메커니즘을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 슬관절 보조장치에 있어서, 상기 슬관절부는 인체 슬관절의 하퇴부의 운동 궤적의 길이 변화에 맞추어 도출되며 최대 회전각도 범위를 제한하는 슬라이딩 슬롯을 구비할 수 있다.

또한, 본 발명의 슬관절 보조장치에 있어서, 상기 슬관절부는, 상기 허벅지 프레임과 체결되는 상부 프레임; 상기 정강이 프레임과 체결되는 하부 프레임; 상기 상부 프레임과 회전 가능하게 결합되고 상기 하부 프레임과 고정 결합되는 슬관절 구동 프레임; 상기 슬관절 구동 프레임 상에 형성되고 상기 하부 프레임이 병진운동이 가능하도록 결합되는 리니어 가이드; 일측에서 상기 상부 프레임과 결합되고 타측에서 상기 슬관절 구동 프레임과 이격되어 상기 리니어 가이드와 상기 하부 프레임이 개재되도록 배치되는 회전 가이드; 상기 회전 가이드에 캠 형상으로 형성되는 슬라이딩 슬롯; 상기 하부 프레임에 형성되고 상기 슬라이딩 슬롯에 삽입되어 상기 슬라이딩 슬롯을 따라 움직이는 캠 팔로워를 구비할 수 있으며, 상기 슬관절 구동 프레임이 회전함에 따라 상기 하부 프레임도 함께 회전할 때 상기 캠 팔로워가 상기 슬라이딩 슬롯을 따라 움직이면서 상기 하부 프레임은 상기 리니어 가이드를 따라 병진운동을 할 수 있다.

이 경우, 상기 슬관절부는 상기 슬관절 구동 프레임에 회전 구동력을 제공하는 액추에이터를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 슬라이딩 슬롯은 착용자에게 최적화된 회전 궤적을 가지도록 맞춤식으로 제작될 수 있다.

본 발명에 따른 슬관절 보조장치는 일반적인 구조의 슬관절 보조장치에 비해 인체 해부학적인 운동특성을 고려하여 운동궤적이 실제 슬관절의 굴곡/신전에 따른 변화 궤적에 일치하도록 하는 메커니즘을 구현함으로써, 회전운동에 따라 다리의 길이 방향으로도 능동적으로 움직이게 되어 착용자의 보행을 좀 더 정확히 도울 수 있고 착용자의 불편함과 이질감을 크게 줄일 수 있으며 착용자의 편의성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 슬관절 보조장치는 하나의 메커니즘으로 슬관절의 회전운동과 병진운동을 동시에 구현함으로써, 회전요소 부품을 이용하는 수동형 시스템은 물론 액추에이터를 이용하는 능동형 시스템에도 적용 가능하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 슬관절 보조장치는 각 착용자에게 최적화되도록 개별 제작하여 맞춤식으로 구현 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 슬관절 보조장치의 개략적인 전체 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슬관절 보조장치에서 액추에이터를 이용한 능동형 구동 메커니즘 및 관절의 길이 가변형 메커니즘을 나타내는 슬관절부의 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 슬관절부의 길이 가변형 메커니즘에 의한 회전운동 및 병진운동을 나타내는 사시도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고 본 발명과 직접 관련이 없는 사항에 대해서는 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 명확히 전달하기 위해 설명을 생략할 수 있다.

한편, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 첨부 도면을 통틀어 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 슬관절 보조장치의 개략적인 전체 사시도이다. 도 1을 참조하면, 슬관절 보조장치(100)는 크게 슬관절부(10), 허벅지 프레임(20), 허벅지 결합부(21), 정강이 프레임(22), 정강이 결합부(23), 신발 결합부(24)로 구성된다.

슬관절부(10)는 인체의 무릎 관절에 해당하며, 허벅지 프레임(20)과 정강이 프레임(22)은 각각 인체의 허벅지와 정강이에 대응한다. 허벅지 프레임(20)과 정강이 프레임(22)은 슬관절부(10)에 각각 결합되며, 슬관절부(10)는 허벅지 프레임(20)에 대하여 정강이 프레임(22)을 회전시킨다. 사용자가 슬관절 보조장치(100)를 착용할 때, 허벅지 결합부(21)와 정강이 결합부(23)는 각각 인체의 허벅지와 정강이에 결합된다. 아울러, 신발 결합부(24)는 사용자의 신발에 결합된다.

특히, 슬관절부(10)는 인체 해부학적인 운동특성을 고려하여 운동궤적이 실제 슬관절의 굴곡/신전에 따른 변화 궤적에 일치하도록 하는 길이 가변형 메커니즘을 채택하고 있으며 그에 따라 착용자의 불편함과 이질감을 크게 줄일 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 슬관절 보조장치(100)의 슬관절부(10)에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슬관절 보조장치에서 액추에이터를 이용한 능동형 구동 메커니즘 및 관절의 길이 가변형 메커니즘을 나타내는 슬관절부의 사시도이다. 도 3a 및 도 3b는 슬관절부의 길이 가변형 메커니즘에 의한 회전운동 및 병진운동을 나타내는 사시도이다.

도 2, 도 3a, 도 3b를 참조하면, 슬관절 보조장치의 슬관절부(도 1의 10)는 상부 프레임(30), 하부 프레임(31), 슬관절 구동 프레임(32), 프레임 연결부(33), 회전 가이드(34), 슬라이딩 슬롯(35), 리니어 가이드(36), 캠 팔로워(37), 액추에이터(38)를 포함하여 구성된다.

상부 프레임(30)은 허벅지 프레임(도 1의 20)과 체결되고, 하부 프레임(31)은 정강이 프레임(도 1의 22)에 체결된다.

액추에이터(38)는 슬관절부(10)의 능동적 회전구동을 위한 것이다. 액추에이터(38)는 프레임 연결부(33)의 일측에 고정 결합되며, 도면에 도시되지는 않았지만 프레임 연결부(33) 쪽으로 돌출된 구동축을 구비한다. 액추에이터(38)의 구동축은 프레임 연결부(33)를 관통하고 프레임 연결부(33) 내부의 감속기(도시되지 않음)를 거쳐 슬관절 구동 프레임(32)에 결합됨으로써 슬관절 구동 프레임(32)을 회전 구동시킨다.

상부 프레임(30)은 프레임 연결부(33)와 일체로 형성되며 회전 가이드(34)와 결합된다. 회전 가이드(34)는 일측에서 상부 프레임(30)과 결합되고 타측에서 프레임 연결부(33)와 이격되도록 배치된다. 회전 가이드(34)와 프레임 연결부(33) 사이의 공간에는 슬관절 구동 프레임(32)과 리니어 가이드(36) 그리고 하부 프레임(31)이 개재된다.

리니어 가이드(36)는 회전 가이드(34) 쪽을 향하는 슬관절 구동 프레임(32)의 한쪽 면에 형성된다. 리니어 가이드(36)에는 하부 프레임(31)이 병진운동이 가능하도록 결합된다.

회전 가이드(34)에는 캠 형상의 슬라이딩 슬롯(35)이 형성되고, 슬라이딩 슬롯(35)에는 캠 팔로워(37)가 삽입되어 결합된다. 캠 팔로워(37)는 하부 프레임(31)에 형성된 것으로, 슬라이딩 슬롯(35)을 따라 자유로이 움직일 수 있다.

슬관절 구동 프레임(32)은 액추에이터(38)에 의해 구동력을 전달받아 회전한다. 슬관절 구동 프레임(32)이 회전함에 따라 슬관절 구동 프레임(32)에 형성된 리니어 가이드(36)도 회전하고 리니어 가이드(36)에 결합된 하부 프레임(31)도 함께 회전한다.

그런데 회전 가이드(34)에 형성된 슬라이딩 슬롯(35)은 캠 형상이다. 즉, 슬관절 구동 프레임(32)의 회전 중심으로부터 슬라이딩 슬롯(35)까지의 거리가 변화하는 형태이다. 따라서 슬라이딩 슬롯(35)에 삽입되고 하부 프레임(31)에 고정된 캠 팔로워(37)는 슬관절 구동 프레임(32)이 회전함에 따라 하부 프레임(31)도 함께 회전할 때 슬라이딩 슬롯(35)을 따라 움직이게 된다. 그런데 회전 각도에 따라 회전 중심으로부터의 거리가 달라지므로, 하부 프레임(31)은 리니어 가이드(36)를 따라 병진운동을 하게 된다.

전술한 바와 같이, 종래의 외골격 시스템들은 대부분 1자유도의 단순 회전을 하는 슬관절을 채택하고 있다. 하지만, 실제 슬관절은 굴곡/신전 운동시 롤-백(Roll-back) 및 슬라이딩 운동이 발생하므로, 단순 회전이 아니라 병진 운동까지 포함하게 된다. 이러한 병진 운동방향 성분 중에서 가장 큰 값을 보이는 길이방향으로의 병진운동 성분을 보조하면, 착용자와의 불일치를 줄일 수 있다.

이를 위해, 길이방향 병진 운동을 가능하게 하는 리니어 가이드(36)와 이 병진운동의 크기를 결정해주는 캠 형상의 슬라이딩 슬롯(35)을 상기와 같이 슬관절부에 구현하는 것이다.

다시 설명하면, 리니어 가이드(36)는 슬관절의 굴곡/신전 운동시에 관절 구동 프레임(32)과 함께 회전하게 되고, 하부 프레임(31)에 달린 캠 팔로워(37)는 슬라이딩 슬롯(35)에 의하여 움직임이 정해진다. 슬라이딩 슬롯(35)은 인체의 굴곡 운동시 변화하는 하퇴부의 길이의 변화 궤적과 일치하도록 설계된다. 따라서 회전과 동시에 슬라이딩 슬롯(35)에 의하여 정해진 만큼 길이방향으로 움직이게 되므로 길이방향으로의 능동적 보조가 가능해진다. 이때, 슬라이딩 슬롯(35)은 최대 회전각도 범위를 제한하는 기능도 수행한다.

또한, 슬라이딩 슬롯(35)은 착용자마다 실제 슬관절의 궤적에 맞도록 최적화하여 개별적으로 제작할 수 있으므로 착용자 맞춤식으로 구현이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 하부 프레임(31)은 슬관절 구동 프레임(32)으로부터 액추에이터(38)의 구동력을 전달받아 회전하면서 동시에 회전 각도에 따라 길이가 변화하는 병진운동이 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 슬관절부(10)는 길이 가변형 메커니즘을 가진다.

전술한 실시예는 슬관절부(10)의 능동적 회전구동을 위한 액추에이터(38)를 포함하는 경우에 해당한다. 그러나 본 발명이 반드시 이 경우에만 국한되는 것은 아니며, 액추에이터가 포함되지 않는 수동형 보조장치의 경우에도 적용 가능하다. 수동형의 경우에는 슬관절 구동 프레임(32)의 회전을 위해 베어링과 같은 회전요소 부품이 포함될 수 있다.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100: 슬관절 보조장치 10: 슬관절부
20: 허벅지 프레임 21: 허벅지 결합부
22: 정강이 프레임 23: 정강이 결합부
24: 신발 결합부 30: 상부 프레임
31: 하부 프레임 32: 슬관절 구동 프레임
33: 프레임 연결부 34: 회전 가이드
35: 슬라이딩 슬롯 36: 리니어 가이드
37: 캠 팔로워 38: 액추에이터

Claims

인체의 무릎 관절에 해당하는 슬관절부;
상기 슬관절부에 결합되는 허벅지 프레임;
상기 슬관절부에 결합되는 정강이 프레임;
을 포함하며,
상기 슬관절부는 상기 허벅지 프레임에 대하여 상기 정강이 프레임을 회전시키고, 상기 정강이 프레임의 회전 각도에 따라 길이를 변화시키는 길이 가변형 메커니즘을 가지는 것을 특징으로 하는 슬관절 보조장치.
제1항에 있어서,
상기 슬관절부는 인체 슬관절의 하퇴부의 운동 궤적의 길이 변화에 맞추어 도출되며 최대 회전각도 범위를 제한하는 슬라이딩 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 슬관절 보조장치.
제1항에 있어서,
상기 슬관절부는,
상기 허벅지 프레임과 체결되는 상부 프레임;
상기 정강이 프레임과 체결되는 하부 프레임;
상기 상부 프레임과 회전 가능하게 결합되고 상기 하부 프레임과 고정 결합되는 슬관절 구동 프레임;
상기 슬관절 구동 프레임 상에 형성되고 상기 하부 프레임이 병진운동이 가능하도록 결합되는 리니어 가이드;
일측에서 상기 상부 프레임과 결합되고 타측에서 상기 슬관절 구동 프레임과 이격되어 상기 리니어 가이드와 상기 하부 프레임이 개재되도록 배치되는 회전 가이드;
상기 회전 가이드에 캠 형상으로 형성되는 슬라이딩 슬롯;
상기 하부 프레임에 형성되고 상기 슬라이딩 슬롯에 삽입되어 상기 슬라이딩 슬롯을 따라 움직이는 캠 팔로워;
를 구비하며,
상기 슬관절 구동 프레임이 회전함에 따라 상기 하부 프레임도 함께 회전할 때 상기 캠 팔로워가 상기 슬라이딩 슬롯을 따라 움직이면서 상기 하부 프레임은 상기 리니어 가이드를 따라 병진운동을 하는 것을 특징으로 하는 슬관절 보조장치.
제3항에 있어서,
상기 슬관절부는,
상기 슬관절 구동 프레임에 회전 구동력을 제공하는 액추에이터;
를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 슬관절 보조장치.
제3항에 있어서,
상기 슬라이딩 슬롯은 착용자에게 최적화된 회전 궤적을 가지도록 맞춤식으로 제작되는 것을 특징으로 하는 슬관절 보조장치.