KR101401435B1 - Artificial leg - Google Patents
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Abstract
본 발명의 의족은, 무릎 상부 링크; 상기 무릎 상부 링크와 힌지 결합되는 고정링크; 및 일단은 상기 고정링크에 힌지 결합되며 타단은 상기 무릎 상부 링크를 따라 슬라이딩 이동하며 상기 무릎 상부 링크와 고정링크를 서로 상대회전시키는 선형작동기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 링크 구조를 적용하여 종래의 액츄에이터를 정밀하게 제어하지 않아도 인간의 보행동작을 쉽게 모사하는 효과가 있다.The prosthesis of the present invention includes a knee upper link; A fixed link hinged to the knee upper link; And a linear actuator hinged to the fixed link at one end and sliding along the knee upper link and rotating the knee upper link and the fixed link relative to each other.
Thereby, there is an effect of easily simulating a walking operation of a human without applying a link structure to precisely control a conventional actuator.
Description
본 발명은 의족에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 보행동작을 모사할 수 있는 의족에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a prosthesis, and more particularly, to a prosthesis that can simulate a walking motion of a human body.
과학기술의 발전에 따라 형태만 취했던 손실된 신체의 일부분에 대해 보다 능동적이고 적극적인 대체 수단이 개발되고 있다.A more active and aggressive alternative is being developed for parts of the lost body that have taken shape only as science and technology evolved.
그 중에서 가장 수요가 많으면서도 가장 진보적으로 연구되는 분야는 의족이며, 의족은 의수와는 다르게 크게 2개의 관절만 존재하고 각 관절의 자유도도 제한돼 있기 때문에 제작이 비교적 수월한 편이다. Among them, the most demanding and most progressive research fields are prosthesis, and the prosthesis is relatively easy to manufacture because there are only two joints and the degrees of freedom of each joint are different.
이러한 의족은 교통사고나 기타의 사유로 인해 대퇴 혹은 하퇴가 절단되었을 때, 원래의 다리를 대신하여 다리 기능을 수행할 수 있도록 개발된 인공다리를 말하며, 다리의 절단 부위에 따라 다양한 종류로 구분된다.These prostheses are artificial legs developed to perform leg functions in place of original legs when the femur or lower leg is severed due to traffic accidents or other reasons. .
이러한 다양한 종류의 의족 중 대퇴부 이하가 절단된 환부에 착용되는 의족은 환자의 다리 형상에 따라 다양한 동적 중심, 특히 무릅 관절의 동작을 모사 하도록 제작된다.The prostheses that are worn on the lesioned parts of the various types of prosthetic limbs are manufactured to simulate the motion of various dynamic centers, especially the knee joints, according to the shape of the patient's legs.
이와 같은 의족에 관한 대표적인 예가 하기 문헌 1(이하, '종래기술'이라 한다)에 개시되어 있다.A representative example of such a prosthesis is disclosed in Document 1 (hereinafter referred to as "prior art").
그러나, 인간의 다리 보행동작 중 무릎이 굽혀지기 시작하거나 무릎이 완전히 굽혀질 때 속도가 느려지게 되며, 종래기술의 의족은 공압 실린더와 같은 액츄에이터가 보행 동작을 직접 제어해서 따라해야 하는 문제점이 있었다. 이 경우 제어에 많은 노력이 필요하다. However, when the knee starts to bend or the knee is completely bent during human leg walking, the speed of the knee is slowed down. Therefore, the conventional art has a problem that an actuator such as a pneumatic cylinder must directly control the walking operation. In this case, much effort is required in control.
또한, 종래기술의 의족은 구성 및 결합 구조가 복잡한 문제점이 있었다. 이에 따라, 의족의 유지보수에 어렵게 된다.Also, the conventional prosthesis has a problem in that the structure and the coupling structure are complicated. As a result, maintenance and repair of the prosthesis becomes difficult.
따라서, 이러한 문제점을 개선한 형태의 의족의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
Therefore, it is required to develop a prosthesis in which such problems are solved.
본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 링크 구조를 통하여 인간의 보행동작을 더욱 쉽게 모사하는 의족을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a prosthesis that more easily simulates a human walking motion through a link structure.
또한, 본 발명의 다른 목적은 스펙 수정만으로도 의족의 전체적 특성을 쉽게 바꿀 수 있는 의족을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a prosthesis that can easily change the overall characteristics of the prosthesis by only modifying specifications.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 의족은, 무릎 상부 링크; 상기 무릎 상부 링크와 힌지 결합되는 고정링크; 및 일단은 상기 고정링크에 힌지 결합되며 타단은 상기 무릎 상부 링크를 따라 슬라이딩 이동하며 상기 무릎 상부 링크와 고정링크를 서로 상대회전시키는 선형작동기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a prosthesis comprising: a knee upper link; A fixed link hinged to the knee upper link; And a linear actuator hinged to the fixed link at one end and sliding along the knee upper link and rotating the knee upper link and the fixed link relative to each other.
또한, 상기 무릎 상부 링크에는 길이방향으로 가이드 레일이 형성되며, 상기 선형작동기에는 상기 가이드 레일을 따라 이동하는 슬라이딩 조인트가 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, a guide rail is formed in the longitudinal direction of the knee upper link, and a sliding joint is formed in the linear actuator to move along the guide rail.
또한, 상기 고정링크와 슬라이딩 조인트를 연결하는 회전링크가 더 구비된 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is further characterized in that a rotating link connecting the fixed link and the sliding joint is further provided.
또한, 상기 고정링크는 'ㄱ'자로 절곡 형성되며, 상기 회전링크는 상기 고정링크의 절곡 부위에 힌지결합되는 것을 특징으로 한다.
Further, the fixed link is formed by bending into the letter 'A', and the rotary link is hinged to the bent portion of the fixed link.
본 발명에 따른 의족에 따르면, 링크 구조를 적용하여 종래의 액츄에이터를 정밀하게 제어하지 않아도 인간의 보행동작을 쉽게 모사하는 효과가 있다.According to the prosthesis according to the present invention, there is an effect of easily simulating the walking operation of a human without applying a link structure to precisely control the conventional actuator.
또한, 링크구조는 각 링크들의 길이나, 무릎 상부 역할을 하는 슬라이더 링크의 슬라이더 경로만 바꿔주어도 전체 동작의 특성을 쉽게 바꿀 수 있기 때문에 사람별로 세밀하게 조정이 용이하다.
In addition, since the link structure can easily change the characteristics of the entire operation even if only the slider path of the slider link serving as the upper part of the knee or the length of each link is changed, it is easy to finely adjust for each person.
도 1은 본 발명에 따른 의족을 분해 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 작동상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2의 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 의족의 작동상태를 도시한 정면도이다.
도 6은 인간의 보행동작을 무릎의 각도와 각속도 사이의 관계 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 의족의 선형 작동기로 선형 입력을 주었을 때의 동작 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a perspective view of a prosthesis according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the coupled state of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing the operating state of FIG. 2. FIG.
4 is a side view of Fig.
5 is a front view showing an operating state of a prosthesis according to the present invention.
Fig. 6 is a graph showing the relationship between the angle of the knee and the angular velocity of the human walking motion.
7 is a graph showing the results of operation when a linear input is applied to a linear prosthesis of a prosthesis according to the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 의족을 분해 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합상태를 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 작동상태를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 2의 측면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 의족의 작동상태를 도시한 정면도이고, 도 6은 인간의 보행동작을 무릎의 각도와 각속도 사이의 관계 그래프이며, 도 7은 본 발명에 따른 의족의 선형 작동기로 선형 입력을 주었을 때의 동작 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a perspective view showing the operation state of FIG. 2, FIG. 4 is a side view of FIG. 2, and FIG. FIG. 5 is a front view showing an operation state of a prosthesis according to the present invention, FIG. 6 is a graph showing a relationship between an angle of a knee and an angular velocity, and FIG. Fig. 5 is a graph showing the operation result when a linear input is given. Fig.
도 1 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 의족(L)은, 무릎 상부 링크(100)와, 상기 무릎 상부 링크(100)와 힌지 결합되는 고정링크(200) 및 일단은 상기 고정링크(200)에 힌지 결합되며 타단은 상기 무릎 상부 링크(100)를 따라 슬라이딩 이동하며 상기 무릎 상부 링크(100)와 고정링크(200)를 서로 상대회전시키는 선형작동기(300)로 구성된다.1 to 7, a prosthesis L according to the present invention includes a knee
먼저, 상기 무릎 상부 링크(100)는 대퇴부의 역할을 담당하거나 대퇴부와 연결되며, 상기 고정링크(200)는 무릎 하부인 하퇴부의 역할을 담당하게 되고, 상기 무릎 상부 링크(100)와 고정링크(200)의 힌지 회전부위는 구부리는 무릅의 역할을 담당하게 된다.First, the knee
이때, 상기 무릎 상부 링크(100)와 대퇴부의 연결 및 상기 고정링크(200)의 하부로 발 형태의 의족이 부착되는 것은 공지의 기술이 적용되므로 상세한 설명은 생략한다.At this time, since connection of the knee
또한, 상기 무릎 상부 링크(100)는 3면이 개방된 'ㄷ'자 형태로 형성되며, 상기 무릎 상부 링크(100)의 개방 부위로 선형작동기(300)의 신장 및 압축이 발생하는 구동부위가 삽입된다.In addition, the knee
그리고, 상기 고정링크(200)는 상기 무릎 상부 링크(300)의 양측을 감싸도록 한 쌍으로 형성된다.The
한편, 상기 선형작동기(300)는 길이 방향으로 왕복 선단 운동이 가능한 공지의 리니어 스테이지, 볼스크류가 장착된 모터 및 유압·공압 실린더 등이 적용된다.Meanwhile, the
또한, 상기 무릎 상부 링크(100)와 고정링크(200)는 제1힌지축(H1)에 의해 상대회전이 이루어진다.Further, the knee
그리고, 상기 고정링크(200)와 선형작동기(300)는 제2힌지축(H2)에 의해 상대 회전이 이루어진다.The
한편, 상기 무릎 상부 링크(100)에는 길이방향으로 가이드 레일(110)이 형성되며, 상기 선형작동기(300)에는 상기 가이드 레일(110)을 따라 이동하는 슬라이딩 조인트(310)가 형성된다.A
이 경우, 일단은 무릎 상부 링크(100)에 타단은 고정링크(200)에 힌지결합된 상기 선형작동기(300)의 동작으로 인해 슬라이딩 조인트(310)는 상기 슬라이딩 레일(110) 따라 이동하며 상기 무릎 상부 링크(100)와 고정링크(200)를 상대 회전시키게 된다.The sliding
또한, 상기 고정링크(200)와 슬라이딩 조인트(310)는 회전링크(400)에 의해 연결된다.The
이 경우, 상기 고정링크(200)와 회전링크(400)는 제3힌지축(H3)에 의해 상대 회전이 이루어진다.In this case, the
물론, 상기 슬라이딩 조인트(310) 또한 자체가 힌지축의 역할을 담당하여 회전링크(400)와 상대 회전이 이루어진다.Of course, the
그리고, 상기 회전링크(400)는 무릎 상부 링크(100)의 내측에 배치되는 것이 바람직하다.Preferably, the
한편, 상기 고정링크(200)는 'ㄱ'자로 절곡 형성되며, 상기 회전링크(400)는 상기 고정링크(200)의 절곡 부위에 제3힌지축(H3)에 의해 힌지결합이 이루어진다.The
마지막으로, 전술한 힌지 회전부위에는 원활한 회전을 위한 베어링(미도시)이 설치되고, 부품 간의 이격 부위에는 스페이서(101) 등이 설치된다.
Finally, a bearing (not shown) for smooth rotation is provided at the aforementioned hinge rotation part, and
이하, 본 발명에 따른 의족의 동작을 설명한다.Hereinafter, the operation of the prosthesis according to the present invention will be described.
먼저, 선형작동기(300)의 슬라이딩 조인트(310)가 길이방향으로 인출구동된다. 상기 선형 작동기(300)는 슬라이딩 조인트(310)을 통해 슬라이딩 레일(110)과 회전링크(400)에 연결되어 있으므로 상기 회전링크(400)는 선형 작동기(300)의 선형 동작을 다리를 굽히기 위한 회전 동작으로 바꿔준다.First, the
구체적으로, 상기 슬라이딩 조인트(310)는 선형 작동기(300)와 회전링크(400)를 이어주는 회전 조인트 역할을 하는 동시에 슬라이딩 레일(110)을 따라 움직이므로 회전링크(400)가 회전함에 따라 상기 슬라이딩 레일(110)을 따라 이동하는 슬라이딩 조인트(310), 특히 선형작동기(300)에 의하여 도 3 및 도 5의 (B)와 같이 상기 무릎 상부 링크(100)는 고정링크(200)에 대해 회전하게 된다.The sliding
즉, 도 2 및 도 5의 (A)의 상태에서 선형작동기(300)가 작동하면 도 3 및 도 5의 (B)와 같이 무릎이 굽혀진 상태로 구동된다.That is, when the
또한, 슬라이딩 조인트(310)는 슬라이딩 레일(110)의 중간 정도까지 갔다가 다시 돌아오면서 최종적으로는 도 3 및 도 5의 (B)와 같은 형태가 되며, 상기 회전링크(400)는 무릎 상부 링크(100)과 같이 회전하며 슬라이딩하지 않기 때문에 길이는 변하지 않게 된다.3 and 5 (B), and the
이때, 상기 고정링크(200)는 다른 링크들의 상대적인 회전 중심이 되어주며, 긴 다리 특히 하퇴부 모양을 형상화하게 된다.
At this time, the
도 6은 실제 인간의 보행동작을 무릎의 회전각도와 그 각속도의 비를 그래프로 나타낸 것으로, 보행동작 중의 최대각도와 최소각도에 이르면 속도가 0에 가깝게 떨어지는 것을 볼 수 있다.FIG. 6 is a graph showing the actual human walking motion as a graph of the rotation angle of the knee and the ratio of the angular velocities. When the maximum angle and the minimum angle during the gait operation are reached, the velocity drops close to zero.
도 7은 본 발명의 의족(L)의 선형작동기(300)를 등속도로 구동시켰을 경우를 시뮬레이션을 그래프로 나타낸 것으로, 기구학적 구조에 의해 자연스럽게 무릎부분 링크의 각속도가 양끝에서 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 선형작동기(300)의 제어가 만족스럽지 않아도 어느 정도 인체보행 동작을 유사하게 모방할 수 있으며, 에러나 주위 환경에 강하게 된다.
FIG. 7 is a graph showing a simulation result when the linear (L)
본 발명의 의족(L)에 따르면, 링크 구조를 적용하여 종래의 액츄에이터를 정밀하게 제어하지 않아도 인간의 보행동작을 쉽게 모사하게 된다.According to the prosthesis (L) of the present invention, the link structure is applied to easily simulate a human walking operation without precisely controlling the conventional actuator.
특히, 인간의 보행에서 항상 다리가 최대 구동 범위 각도의 양끝에서 다리의 회전 속도가 가장 느려지는데 본 발명의 의족(L)은 링크구조만으로 인간의 보행시의 이런 동작 특성을 그대로 모사하고 있기 때문이다.Particularly, in the human being, the legs always have the slowest rotation speed of the legs at both ends of the maximum driving range angle, because the prosthesis (L) of the present invention simulates such operating characteristics at the time of human walking with the link structure alone .
이러한 모사는 선형작동기(300)의 속도양상이 어느 정도 변해도 구조적으로 양끝에서 속도가 줄기 때문에 강건제어(Robust control)를 하는데 도움을 주게 된다.This simulation helps robust control because the speed at both ends is structurally variable even if the speed pattern of the
즉, 본 발명의 의족(L)은 선형작동기(300)가 등속으로 움직이기만 해도 인간 다리의 동작을 유사하게 흉내 낼 수 있게 된다.That is, the prosthesis (L) of the present invention can similarly mimic the motion of the human leg, even if the
결과적으로, 전술한 링크구조를 통하여 의족 자체가 구조적으로 지원하게 된다면 제어에 필요한 노력도 줄고, 오작동의 위험도 줄일 수 있게 된다. As a result, if the prosthesis itself is structurally supported through the above-described link structure, the effort required for control can be reduced, and the risk of malfunction can be reduced.
또한, 전술한 링크구조는 각 링크들의 길이나, 무릎 상부 역할을 하는 슬라이더 링크의 슬라이더 경로만 바꿔주어도 전체 동작의 특성을 쉽게 바꿀 수 있기 때문에 사람별로 세밀하게 조정이 용이하다.
In addition, since the link structure described above can easily change the characteristics of the entire operation even if only the slider path of the slider link serving as the upper part of the knee and the length of each link is changed, it is easy to fine-tune each person.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 이때, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 고려해야 할 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but should be construed according to the claims. It will be understood by those skilled in the art that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
예를 들어, 상기 고정링크(200)는 도면과 동일할 필요는 없으며, 상기 고정링크(200)에 고정된 3개의 힌지 부위(H1,H2,H3)의 위치만 고정해줄 수 있으면 다양하게 변경 가능하다.For example, the fixed
또한, 3개의 힌지 부위(H1,H2,H3) 위치에 따라 의족의 동작 특성이 크게 변함을 밝혀둔다.
It is also noted that the operating characteristics of the prosthesis vary greatly depending on the positions of the three hinge portions H1, H2, and H3.
L - 의족 100 - 무릎 상부 링크
101 - 스페이서 110 - 슬라이딩 레일
200 - 고정링크 300 - 선형작동기
310 - 슬라이딩 조인트 400 - 회전링크L - prosthetic leg 100 - knee upper link
101 - spacer 110 - sliding rail
200 - fixed link 300 - linear actuator
310 - Sliding Joint 400 - Rotating Link
Claims (4)
상기 무릎 상부 링크와 힌지 결합되는 고정링크; 및
일단은 상기 고정링크에 힌지 결합되며 타단은 상기 무릎 상부 링크를 따라 슬라이딩 이동하며 상기 무릎 상부 링크와 고정링크를 서로 상대회전시키는 선형작동기;를 포함하되,
상기 무릎 상부 링크에는 길이방향으로 가이드 레일이 형성되며, 상기 선형작동기에는 상기 가이드 레일을 따라 이동하는 슬라이딩 조인트가 형성되는 것을 특징으로 하는 의족.
Knee upper link;
A fixed link hinged to the knee upper link; And
A linear actuator hinged to the fixed link at one end and sliding along the knee upper link and rotating the knee upper link and the fixed link relative to each other,
Wherein the knee upper link is provided with a guide rail in a longitudinal direction thereof and the linear actuator is formed with a sliding joint which moves along the guide rail.
상기 고정링크와 슬라이딩 조인트를 연결하는 회전링크가 더 구비된 것을 특징으로 하는 의족.
The method according to claim 1,
And a rotary link connecting the fixed link and the sliding joint.
상기 고정링크는 'ㄱ'자로 절곡 형성되며, 상기 회전링크는 상기 고정링크의 절곡 부위에 힌지결합되는 것을 특징으로 하는 의족.
The method of claim 3,
Wherein the fixed link is formed by bending to a '?' Character, and the rotary link is hinged to a bending portion of the fixed link.
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