KR102384150B1 - 조인트 어셈블리 및 이를 포함하는 운동 보조 장치 - Google Patents

조인트 어셈블리 및 이를 포함하는 운동 보조 장치 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 따른 조인트 어셈블리는 캠 프로파일을 포함하는 프로파일 링, 상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능한 회전 로터 및 상기 회전 로터와 연결되고, 상기 회전 로터가 상기 프로파일 링에 대하여 회전되면, 상기 캠 프로파일에 대응하는 탄성 위치 에너지가 저장되는 탄성체를 포함할 수 있다.

Description

조인트 어셈블리 및 이를 포함하는 운동 보조 장치{A JOINT ASSEMBLY AND A MOTION ASSIST APPARATUS COMPRISING THEREOF}
아래의 설명은 조인트 어셈블리 및 이를 포함하는 운동 보조 장치에 관한 것이다.
군사용, 산업용의 목적으로 개발되었던 운동 보조 장치는, 고령자, 근골격계 질환자와 장애인들의 일상 생활 및 재활을 지원하는 것으로 응용될 수 있다.
최근 고령화 사회가 심화됨에 따라서 관절에 문제가 있어서 이에 대한 고통과 불편을 호소하는 사람들이 증가하고 있으며, 관절이 불편한 노인이나 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 운동 보조 장치에 대한 관심이 높아지고 있다.
운동 보조 장치를 효율적으로 사용하기 위해서는, 장시간 착용해도 불편하지 않고, 움직임에 제한이 없으며, 가볍고 휴대가 용이하고, 충전 후 오랫동안 사용할 수 있을 것이 요구될 수 있다.
국제공개공보 WO2014/092162
상기와 같은 일 실시 예에 따른 목적은 하기와 같은 조인트 어셈블리 및 이를 포함하는 운동 보조 장치를 제공함으로써 달성된다.
일 실시 예에 따른 조인트 어셈블리는, 캠 프로파일을 포함하는 프로파일 링, 상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능한 회전 로터 및 상기 회전 로터와 연결되고, 상기 회전 로터가 상기 프로파일 링에 대하여 회전되면, 상기 캠 프로파일에 대응하는 탄성 위치 에너지가 저장되는 탄성체를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 조인트 어셈블리는 상기 프로파일 링이 상대적으로 회전 가능한 고정 링 및 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터 또는 상기 고정 링에 고정시킬 수 있는 바인더를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 고정 링에 고정시키면, 상기 회전 로터는 상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능하여 상기 탄성체의 탄성 위치 에너지가 변화되고, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터에 고정시키면, 상기 회전 로터는 상기 프로파일 링과 하나의 강체 운동을 하여 상기 탄성체의 탄성 위치 에너지가 변화되지 않을 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 조인트 어셈블리는, 상기 탄성체에 연결되는 가압부 및 상기 가압부에 연결되고 상기 탄성체의 탄성력에 의해 상기 캠 프로파일에 접촉되는 롤러를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 탄성체는 상기 가압부의 양 측에 각각 연결되는 제 1탄성체 및 제 2탄성체를 포함하고, 상기 제 2 탄성체는, 상기 회전 로터의 회전 중심을 기준으로 상기 제 1 탄성체의 반대편에 배치될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 탄성체의 일부는 상기 회전 로터에 형성된 실린더 홀에 수용되고, 상기 조인트 어셈블리는 상기 탄성체와 상기 실린더 홀의 내면 사이에 위치하여 상기 탄성체와 상기 회전 로터 사이의 마찰을 감소시킬 수 있는 마찰 저감 부재를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 회전 로터의 회전 중심으로부터 상기 롤러 단부까지의 거리는, 초기 상태에서 최대가 되도록 구성될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 회전 로터의 회전 중심으로부터 상기 캠 프로파일의 일부까지의 거리는, 상기 회전 로터의 회전 중심으로부터 상기 롤러 단부까지의 최소 거리보다 짧거나 같게 구성될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 캠 프로파일은 상기 회전 로터의 초기 위치를 기준으로 양 측이 비대칭으로 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따른 조인트 어셈블리는, 캠 프로파일을 포함하는 프로파일 링, 상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능한 회전 로터, 상기 회전 로터가 회전함에 따라 상기 캠 프로파일을 따라 감길 수 있는 케이블 및 상기 케이블과 연결되고 상기 케이블이 감김에 따라 탄성 위치 에너지가 변화되는 탄성체를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 조인트 어셈블리는 상기 프로파일 링이 상대적으로 회전 가능한 고정 링, 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터 또는 상기 고정 링에 고정시킬 수 있는 바인더를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 고정 링에 고정시키면, 상기 회전 로터는 상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능하여 상기 케이블이 상기 캠 프로파일을 따라 감기면서 상기 탄성체의 탄성 위치 에너지가 변화되고, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터에 고정시키면, 상기 회전 로터는 상기 프로파일 링과 하나의 강체 운동을 하여 상기 탄성체의 탄성 위치 에너지가 변화되지 않을 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 조인트 어셈블리는 상기 회전 로터에, 원주 방향으로 형성된 슬랙 방지 슬롯, 상기 프로파일 링에, 상기 슬랙 방지 슬롯과 상응하는 위치에 원주 방향으로 형성된 가이드 슬롯 및 상기 케이블의 일측에 연결되고, 상기 가이드 슬롯 및 상기 슬랙 방지 슬롯 내에 위치하며, 상기 가이드 슬롯과 상기 슬랙 방지 슬롯 내에서 이동 가능한 케이블 홀더를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 가이드 슬롯의 길이는, 상기 슬랙 방지 슬롯의 길이보다 길게 형성될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 탄성체는 제 1탄성체 및 제 2탄성체를 포함하고, 상기 케이블은 각각 상기 제 1탄성체 및 제 2탄성체와 연결되는 제 1케이블 및 제 2케이블을 포함하며, 상기 케이블 홀더는 각각 상기 제 1케이블 및 제 2케이블과 연결되는 제 1케이블 홀더 및 제 2케이블 홀더를 포함하고, 상기 가이드 슬롯은 각각 상기 제 1케이블 홀더와 제 2케이블 홀더가 위치되는 제 1가이드 슬롯 및 제 2가이드 슬롯을 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 회전 로터는, 회전 몸체 및 상기 회전 몸체의 일측으로부터 연장되는 연장체를 포함하고, 상기 제 1탄성체 및 상기 제 2탄성체는 상기 연장체의 양측에 위치할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 연장체와 인접하게 배치되는 복수 개의 아이들러를 포함하고, 상기 케이블은 상기 연장체와 상기 아이들러 사이에 위치하여 상기 케이블의 장력이 조절될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고정 링에 형성되어 상기 내부 로드 또는 상기 프로파일 링의 회전을 간섭할 수 있는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 캠 프로파일은 상기 회전 로터의 초기 위치를 기준으로 양 측이 비대칭으로 형성될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 조인트 어셈블리는, 캠 프로파일을 포함하는 프로파일 링, 상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능한 회전 로터, 상기 프로파일 링이 상대적으로 회전 가능한 고정 링, 상기 회전 로터가 회전함에 따라 상기 캠 프로파일을 따라 감길 수 있는 케이블 및 상기 케이블과 연결되고 상기 케이블이 감김에 따라 탄성 위치 에너지가 변화되는 탄성체를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 회전 로터에 원주 방향으로 형성된 슬랙 방지 슬롯, 상기 프로파일 링에 상기 슬랙 방지 슬롯과 상응하는 위치에 원주 방향으로 상기 슬랙 방지 슬롯의 길이보다 길게 형성된 가이드 슬롯 및 상기 케이블의 일측에 연결되고, 상기 가이드 슬롯 및 상기 슬랙 방지 슬롯 내에 위치하며, 상기 가이드 슬롯과 상기 슬랙 방지 슬롯 내에서 이동 가능한 케이블 홀더를 더 포함하고, 상기 회전 로터가 회전되어 상기 케이블 홀더가 상기 가이드 슬롯의 일 단부로 이동되면 상기 회전 로터는 상기 프로파일 링과 함께 회전 가능할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 고정 링에 형성되어 상기 회전체 또는 상기 프로파일 링의 회전을 간섭할 수 있는 스토퍼를 더 포함하고, 상기 스토퍼에 의하여 상기 프로파일 링의 회전이 간섭되면 상기 회전체는 단독으로 회전되어 상기 탄성체의 탄성 위치 에너지의 크기가 변화될 수 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 몸체에 부착되는 고정 모듈, 사용자의 일측에 부착되어 사용자의 일부 운동을 보조할 수 있는 지지 모듈, 구동력을 제공하는 액츄에이터를 포함하는 구동 모듈 및 상기 고정 모듈 및 상기 지지 모듈을 연결하고, 상기 액츄에이터로 발생되는 구동력과 탄성력에 의한 추가적인 구동력을 상기 지지 모듈에 전달할 수 있는 조인트 어셈블리를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 조인트 어셈블리는, 상기 고정 모듈에 연결되는 고정 링, 상기 지지 모듈과 연결되고 상기 액츄에이터로부터 선택적으로 구동력을 공급받을 수 있는 회전 로터, 캠 프로파일을 포함하고 고정 링 및 상기 회전 로터와 상대적으로 회전 가능한 프로파일 링 및 상기 회전 로터의 회전에 따라 탄성 위치 에너지가 변화되는 탄성체를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 조인트 어셈블리는, 상기 회전 로터가 상기 탄성체에 저장된 탄성 위치 에너지에 의하여 구동되는 패시브 보조 모드(passive assist mode), 상기 회전 로터가 상기 회전 로터에 연결된 액츄에이터로부터 제공되는 동력에 의하여 구동되는 액티브 보조 모드(active assist mode), 상기 회전 로터가 상기 탄성체에 저장된 탄성 위치 에너지 및 상기 액츄에이터로부터 제공되는 동력을 모두 전달받아 구동되는 하이브리드 보조 모드(hybrid assist mode) 및 상기 회전 로터가 사용자가 제공하는 힘에 의해서만 구동되는 프리 모드(free mode) 중 어느 하나의 모드로 작동될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 운동 보조 장치는 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터 또는 상기 고정 링에 고정시킬 수 있는 바인더를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 패시브 보조 모드는, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 고정 링에 고정시키고 상기 액츄에이터로부터 상기 회전 로터로 동력이 전달되지 않는 모드이고, 상기 액티브 보조 모드는, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터에 고정시키고 상기 액츄에이터로부터 상기 회전 로터로 동력이 전달되는 모드이며, 상기 하이브리드 보조 모드는, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 고정링에 고정시키고 상기 액츄에이터로부터 상기 회전 로터로 동력이 전달되는 모드이고, 상기 프리 모드는, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터에 고정시키고 상기 액츄에이터로부터 상기 회전 로터로 동력이 전달되지 않는 모드일 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 캠 프로파일의 예시적인 형태를 도시하는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 측면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 작동 모드의 결정 단계를 도시하는 블록도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 작동 모드에 따른 조인트 어셈블리의 작동 형태를 도시하는 단면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 하이브리드 모드의 작동 과정을 도시하는 블록도이다.
도 8은 다른 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 정면도이다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 측면도이다.
도 10은 다른 실시 예의 따른 바인더의 동작에 따른 조인트 어셈블리의 작동 형태를 도시하는 도면이다.
도 11은 바인더를 포함하지 않는 다른 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 작동 형태를 도시하는 도면이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 1을 참고하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(1)는, 사용자에 착용되어 사용자의 운동을 보조할 수 있다. 사용자는 사람, 동물 또는 로봇 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
또한, 도 1은 운동 보조 장치(1)가, 사용자의 허벅지 부분의 운동을 보조하는 경우에 대하여 도시하고 있으나, 운동 보조 장치(1)는 대상체의 손, 상박, 하박 등 상체의 다른 부분이나, 엉덩이, 무릎, 발, 종아리 등의 하체의 다른 부위를 보조하는 것도 가능할 수 있다. 다시 말하면, 운동 보조 장치(1)는, 사용자의 일 부분의 운동을 보조할 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위하여 운동 보조 장치(1)가 사람의 하체, 구체적으로 허벅지 부분의 운동을 보조하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
고정 모듈(20)은 사용자에 부착될 수 있다. 고정 모듈(20)은 사용자의 외면의 적어도 일부에 접촉할 수 있다. 고정 모듈(20)은 사용자의 후면을 지지하고, 고정 모듈(20)의 일부는 사용자의 외면을 따라서 감싸는 형상일 수 있다. 예를 들어, 고정 모듈(20)은 사용자의 등에 고정되고, 일부는 허리를 감싸도록 구성될 수 있다.
고정 모듈(20)은 길이 조절 수단(미도시)을 포함하고, 길이 조절 수단은 사용자에 맞게 고정 모듈(20)의 길이를 조절할 수 있다. 예를 들어, 길이 조절 수단은 버클 구조, 랙 앤 피니언(Rack and pinion) 구조, 벨크로(Velcro) 구조 또는 탄성체 구조를 포함할 수 있다.
랙 앤 피니언 구조를 채용하는 경우, 고정 모듈(20)은 복수 개의 프레임으로 구성되고, 각각의 프레임이 형성된 랙(Rack) 기어와 피니언(Pinion)기어가 맞물려 서로 슬라이딩 되면서 고정 모듈(20)의 길이가 조절될 수 있다.
또는, 벨크로(Velcro) 구조를 포함하는 경우 밸크로 부재의 접착 위치를 변경함으로써 고정 모듈(20)의 길이를 조절할 수 있다. 또 다른 예시로서, 탄성 구조를 포함하는 경우, 사용자의 착용부위의 둘레에 대응하여 탄성체의 길이가 신장됨으로써 고정 모듈(20)의 길이가 조절될 수 있다.
구동 모듈(40)은 후술되는 조인트 어셈블리(10)에 동력을 제공할 수 있고, 전압 또는 전류를 제공받아 동력을 생성하는 액츄에이터를 포함할 수 있다.
구동 모듈(40)은 고정 모듈(20)의 일 부분에 장착될 수 있고, 구동 모듈(40)의 적어도 일부는 박스체에 수용되어 고정 모듈(20)에 장착될 수 있다.
구동 모듈(40)은 사용자의 기부(Proximal Part)에 장착될 수 있다. 사용자의 기부는, 등, 허리 또는 몸통과 같은 사용자의 중심부를 의미할 수 있다. 예를 들어, 고정 모듈(20)은 사용자의 허리를 감싸도록 구성되고, 구동 모듈(40)은 고정 모듈(20)에 부착됨으로써 사용자의 기부에 장착될 수 있다.
지지 모듈(30)은 사용자의 일부를 지지할 수 있고, 사용자의 일부 운동을 보조할 수 있다.
지지 모듈(30)은 측면 지지체(31)를 포함할 수 있다. 측면 지지체(31)는 사용자 하체의 측면을 따라 연장될 수 있고, 복수 개로 마련될 수 있다.
예를 들어, 측면 지지체(31)는 각각 허벅지 및 종아리를 따라 배치되고, 측면 지지체(31)들은 연결 조인트(32)로 연결될 수 있다. 연결 조인트(32)는 관절부에 인접하게 위치하여, 측면 모듈은 인체와 유사한 움직임을 할 수 있다.
측면 지지체(31)는 후술되는 조인트 어셈블리(10)와 연결되고, 조인트 어셈블리(10)로부터 동력을 전달받아 구동될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 지지 모듈(30)의 타 부분이 구동되어 사용자의 운동을 보조할 수도 있다.
정면 지지체(33)는 허벅지 또는 종아리에 지지 모듈(30)을 고정할 수 있다. 예를 들어, 정면 지지체(33)는 측면 지지체(31)로부터 연장되어 허벅지 또는 종아리를 감싸도록 형성될 수 있다. 정면 지지체(33)는 측면 지지체(31)와 함께 구동될 수 있다.
다만, 이상 설명된 지지 모듈(30)의 구성은 이에 한정되지 않고, 구동 모듈(40) 또는 조인트 어셈블리(10)로부터 동력을 전달받아 사용자의 운동을 보조할 수 있는 다른 구조로 형성될 수 있다.
조인트 어셈블리(10)는 구동 모듈(40)과 지지 모듈(30)을 연결할 수 있다. 예를 들어, 조인트 어셈블리(10)의 일측은 고정 모듈(20)에 고정되고 구동 모듈(40)과 연결될 수 있다. 그리고, 조인트 어셈블리(10)의 다른 일측은 지지 모듈(30)과 연결될 수 있다.
조인트 어셈블리(10)는 사용자의 관절부에 위치하여, 관절부와 유사하게 작동할 수 있다. 도 1은 조인트 어셈블리(10)가 대퇴부에 인접하게 위치하는 형태를 도시한다.
조인트 어셈블리(10)는 지지 모듈(30)에 동력을 전달할 수 있다.
조인트 어셈블리(10)는 구동 모듈(40)로부터 동력을 공급 받거나, 조인트 어셈블리(10)에서 발생된 탄성 위치 에너지를 사용하여 지지 모듈(30)을 구동시킬 수 있다.
조인트 어셈블리(10)는 외부 동력 및 탄성 위치에너지를 모두 사용하거나, 선택적으로 외부 동력 또는 탄성 위치 에너지를 사용할 수 있다. 다만, 조인트 어셈블리(10)가 지지 모듈(30)에 동력을 공급하지 않을 수도 있다.
이를 위하여, 조인트 어셈블리(10)는 탄성 위치 에너지를 저장할 수 있는 구성을 포함할 수 있다.
이하, 조인트 어셈블리(10)의 구조 및 조인트 어셈블리(10)의 작동 모드를 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 내부 구조를 도시하는 정면 단면도이다.
도 2를 참고하면, 조인트 어셈블리(10)는 회전 로터(120)의 회전에 따라 탄성체(130)의 탄성 위치 에너지가 변화되도록 구성될 수 있다.
조인트 어셈블리(10)는 캠 프로파일(Cam profile)(111)을 포함하는 프로파일 링(110) 및 프로파일 링(110)에 대하여 상대적으로 회전 가능한 회전 로터(120)를 포함할 수 있다. 회전 로터(120)의 적어도 일부는 캠 프로파일(111)에 의하여 형성된 프로파일 링(110)의 내부 공간에서 회전될 수 있다.
탄성체(130)는 회전 로터(120)와 연결되고, 회전 로터(120)가 프로파일 링(110)에 대하여 회전하면 탄성체(130)에 탄성 위치 에너지가 저장될 수 있다.
예를 들어, 회전 로터(120)는 캠 프로파일(111)을 따라 프로파일 링(110) 내에서 회전 되고, 회전 로터(120)와 연결된 탄성체(130)가 압축되면서 탄성체(130)에 캠 프로파일(111)에 대응하는 탄성 위치 에너지가 저장될 수 있다.
이를 위하여, 회전 로터(120) 및 가압부(160)의 일측은 탄성체(130)로 연결되고, 롤러(170)는 가압부(160)의 타측에 배치될 수 있다. 탄성체(130)의 탄성력에 의하여 롤러(170)는 캠 프로파일(111)과 접촉되는 상태가 유지될 수 있다.
회전 로터(120)는 사용자의 움직임에 의하거나, 외부 동력을 전달받아 구동될 수 있다. 예를 들어, 회전 로터(120)는 구동 모듈(미도시) 및 지지 모듈(미도시)와 연결될 수 있다.
회전 로터(120)가 프로파일 링(110) 내부에서 회전되면, 가압부(160)는 롤러(170)에 의하여 캠 프로파일(111)을 따라 이동하고, 이에 따라 탄성체(130)가 압축 또는 신장될 수 있다.
탄성체(130)는 제 1탄성체(130a) 및 제 2탄성체(130b)를 포함할 수 있고, 제 1탄성체(130a) 및 제 2탄성체(130b)는 각각 가압부(160)의 양 측에 연결될 수 있다.
이러한 구조로 인하여, 가압부(160)의 위치가 안정적으로 유지될 수 있으며, 탄성체(130)가 어떤 방향으로 회전하더라도 탄성 위치 에너지가 효율적으로 저장될 수 있다.
탄성체(130)의 일부는 회전 로터(120) 내부로 수용되고, 탄성체(130)의 일부는 회전 로터(120) 외부에 노출될 수 있다. 예를 들어, 회전 로터(120)에는 탄성체(130)의 개수에 상응하는 수의 실린더 홀(121)이 형성될 수 있고, 탄성체(130)의 일부분은 실린더 홀(121)에 수용될 수 있다.
탄성체(130)는 실린더 홀(120) 내에서 압축 또는 신장되고, 마찰 저감 부재(180)는 탄성체(130)와 실린더 홀(121)의 내면 사이에서 발생하는 마찰을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 마찰 저감 부재(180)는 리니어 부싱(linear bushing)을 포함할 수 있다.
마찰 저감 부재(180)는 탄성체(130) 및 실린더 홀(121)의 내면 사이에 위치하고, 탄성체(130)를 둘러싸도록 구성될 수 있다.
마찰 저감 부재(180)는, 탄성체(130)가 압축되는 정도를 고려하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 회전 로터(120)가 회전되지 않은 상태에서, 회전 로터(120) 및 가압부(160)는 탄성체(130)에 의하여 이격되어 위치할 수 있다. 이 때, 마찰 저감 부재(180)는 가압부(160)와 접하고 실린더 홀(121)의 단부와는 이격되도록 구성될 수 있다.
탄성체(130)가 압축되어 회전 로터(120) 및 가압부(160)가 접하게 되면, 마찰 저감 부재(180)는 실린더 홀(121)의 단부에 접하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 마찰 저감 부재(180)는 탄성체(130)의 최대 압축 길이에 상응하게 형성될 수 있다.
이러한 구조로 인하여, 마찰 저감 부재(180)가 탄성체(130)의 압축을 방해하지 않으면서도, 탄성체(130)와 실린더 홀(121) 내면 사이의 마찰을 감소시킬 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것으로서 마찰 저감 부재(180)가 슬라이딩 구조를 채택하여 탄성체(130)의 압축 또는 신장에 따라 마찰 저감 부재(180)의 길이가 변화되는 구성도 가능할 수 있다.
캠 프로파일(111)은 프로파일 링(110) 내면의 형상을 의미할 수 있다. 롤러(170)가 캠 프로파일(111)을 따라 이동함에 따라 탄성체(130)가 압축되므로, 탄성체(130)는 캠 프로파일(111)에 대응하는 탄성 위치 에너지를 저장할 수 있다. 캠 프로파일(111)에 대하여는 하기에서 구체적으로 설명하기로 한다.
그리고, 조인트 어셈블리(10)는 고정 링(140)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고정 링(140)은 고정 모듈(미도시)에 고정되어 조인트 어셈블리(10)의 위치를 고정할 수 있다. 프로파일 링(110)은 고정 링(140)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있다.
또한, 후술되는 바와 같이 고정 링(140)은 선택적으로 프로파일 링(110)과 체결될 수 있다. 고정 링(140)이 선택적으로 프로파일 링(110)과 체결되면, 회전 로터(120)는 단독으로 프로파일 링(110)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있다.
또는, 프로파일 링(110)은 선택적으로 회전 로터(120)와 체결될 수 있다. 프로파일 링(110)이 선택적으로 회전 로터(120)와 체결되면, 프로파일 링(110)과 회전 로터(120)는 고정 링(140)에 대하여 하나의 강체 운동을 할 수 있다.
고정 링(140), 프로파일 링(110) 및 회전 로터(120)의 체결 관계는 하기에서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 캠 프로파일의 예시적인 형태를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 3a는 캠 프로파일이 직경이 점점 좁아지는 형태를 도시하고, 도 3b는 캠 프로파일이 좌우 비대칭으로 형성된 형태를 도시한다.
캠 프로파일(111)의 형상은 회전 로터의 회동 각도와, 이에 따른 토크와, 회전 로터의 회전 중심으로부터 롤러까지의 거리 등을 고려하여 결정될 수 있다.
예를 들어, 회전 로터의 회동 각도에 따른 원심력과, 롤러 및 캠 프로파일의 접촉으로 인한 반력과, 탄성체에 의한 탄성력을 고려하여 캠 프로파일의 형상이 결정될 수 있다. 그리고, 이에 따라 회전 로터가 기 설정된 가동 범위로 작동 하는지, 충분한 보조력을 제공하는지 여부를 반영하여 캠 프로파일(111)의 형상이 결정될 수 있다.
그리고, 캠 프로파일(111)은 사용자 또는 사용 용도 등을 고려하여 결정될 수 있다.
이하, 캠 프로파일(111)의 예시적인 형태를 설명하지만, 캠 프로파일(111)의 형상은 하기에 한정되는 것이 아니고, 위의 사항들을 고려하여 다르게 결정될 수 있다.
도 3a를 참고하면, 캠 프로파일(111)은 일측의 직경이 타측의 직경보다 길게 형성될 수 있다.
예를 들어, 회전 로터가 회전되지 않은 상태를 초기 상태라 하고, 회전 로터의 회전 중심(C)으로부터 캠 프로파일(111)까지의 거리를 중심 거리(D1)이라 할 때, 중심 거리(D1)는 회전 로터가 회전된 상태에서 회전 중심(C)으로부터 롤러 단부까지의 거리(D2, D3)보다 길거나 같도록 구성될 수 있다.
즉, 회전 중심(c)으로부터 롤러 단부까지의 거리는, 초기 상태에서 최대가 되도록 구성될 수 있다.
초기 상태에서 회전 로터의 회전 중심(C)으로부터 롤러 단부까지의 거리가 가장 길기 때문에, 회전 로터(C)가 회전함에 따라 탄성체가 압축되고, 이에 따라 탄성체에 탄성 위치 에너지가 저장될 수 있다.
그리고, 회전 중심(C)으로부터 롤러 단부까지의 거리 중 일부(D3)는, 탄성체의 수축으로 인하여 회전 로터와 가압부가 접한 상태에서 회전 로터의 회전 중심(C)으로부터 캠 프로파일(111)의 거리(D2)보다 짧게 형성될 수 있다.
즉, 캠 프로파일(111)의 직경 중 일부는, 회전 중심(C)으로부터 롤러 단부까지의 최소 거리보다 짧게 형성되어, 회전 로터가 소정의 각도 이상으로 회전하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 구성으로 인하여, 회전 로터가 동작 범위를 벗어나 오작동 하는 것을 방지할 수 있다.
도 3b를 참고하면, 캠 프로파일(111)은 초기 위치를 기준으로 양 측이 비대칭으로 형성될 수 있다.
기 서술한 바와 같이, 탄성체는 캠 프로파일(111)에 따른 탄성 위치 에너지를 저장하므로, 캠 프로파일(111)은 회전 로터의 회전 방향에 따라 요구되는 동력를 고려하여 결정될 수 있다. 이러한 구성으로, 회전 로터의 회전 방향에 따라 저장되는 탄성 위치 에너지의 크기가 달라질 수 있다.
예를 들어, 조인트 어셈블리가 사람의 하체 운동을 보조 하는 운동 보조 장치에 사용되는 경우, 사용자의 보행 단계마다 요구되는 동력이 다를 수 있다.
우선, 조인트 어셈블리가 위치하는 사용자의 다리가 앞으로 이동하여 바닥면에 접하면 회전 로터는 내부 링의 일측으로 회전되고, 다리와 바닥면의 접점을 중심으로 사용자의 신체를 회전 시키는 움직임이 시작될 수 있다.
이 때, 조인트 어셈블리가 위치하는 사용자의 다리는 펴진 상태에서 회전 동력을 발생시킬 수 있다. 이와 동시에, 반대 다리는 구부러 지면서 신체의 후측으로 이동될 수 있다.
그리고 나서, 신체가 앞으로 이동하면서 반대 다리가 앞으로 이동하게 되고, 반대 다리가 바닥면에 접하게 될 수 있다. 이와 동시에, 조인트 어셈블리가 위치하는 사용자의 다리는 구부러진 상태로 신체의 후측으로 이동될 수 있다.
이 과정에서 회전 로터는 내부 링의 타측으로 회전되면서 탄성 위치 에너지가 증가하고, 이는 사용자의 다리의 움직임을 감속시킬 수 있다.
최초 위치를 기준으로 사용자의 다리가 회전되면 탄성 위치 에너지는 저장되고, 사용자의 다리가 최초 위치를 향하여 이동할 때 탄성 위치에너지가 보조력을 제공할 수 있다.
여기에서, 사용자의 다리가 신체의 전방에 위치할 때 보다, 후방에 위치할 때 큰 보조력이 요구될 수 있다. 또는, 사용자의 다리가 신체의 후방에 위치할 때 회동 각도가 크므로, 사용자의 다리가 신체의 전방에 위치할 때보다 큰 탄성 위치 에너지를 저장할 수 있다.
이를 고려하여, 캠 프로파일(111)을 비대칭으로 형성함으로써, 회전 로터의 회전 방향에 따른 탄성 위치 에너지를 다르게 결정할 수 있다.
예를 들어, 회전 로터의 중심(C)을 포함하는 축을 기준으로 측정한 캠 프로파일(111) 일측의 경사도(T1)는, 타측의 경사도(T2)보다 작게 형성될 수 있다.
그리고, 이에 따라, 회전 로터가 일측으로 중심으로부터 일측으로 소정의 각도로 회전한 위치에서 회전 로터의 중심(C)으로부터 롤러 단부까지의 거리(D4)는, 타측으로 소정의 각도로 회전한 위치에서 회전 로터의 중심(C)으로부터 롤러 단부까지의 거리(D5)보다 길게 형성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b와 다른 예시로서, 중심 거리(D1)의 양측으로 소정의 각도로 회전된 위치의 캠 프로파일(111)의 직경은, 중심 거리(D1)와 같게 형성될 수 있다. 이러한 구성으로, 회전 로터가 최초 위치에서 소정 각도로 회전하더라도 탄성체의 탄성 위치 에너지가 변하지 않을 수 있다. 따라서, 자유 운동이 요구되거나 보조력이 요구되지 않는 구간에서, 사용자가 탄성력을 받지 않고 이동할 수 있도록 구성될 수 있다.
또 다른 예시로서, 캠 프로파일(111)에 굴곡을 주어 보행 단계마다 다른 보조력을 제공하거나, 캠 프로파일(111) 양측의 길이를 달리 구성할 수도 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 측면도이다.
회전 로터(120)는 기 설명한 바와 같이 외부로부터 동력을 공급받아 구동될 수 있다. 예를 들어, 회전 로터(120)의 중심에는 회전축(43)이 연결되고, 회전축(43)은 구동 모듈과 연결되어 회전 로터(120)에 동력을 전달할 수 있다.
또는, 회전축(43)은 구동 기어(42)와 연결되고, 구동 기어(42)는 액츄에이터(41)와 연결되어, 액츄에이터(41)로부터 회전 로터(120)에 동력이 전달될 수 있다.
동력은 회전 로터(120)에 선택적으로 공급될 수 있다. 즉, 회전 로터(120)는 외부 동력을 공급받아 구동되거나, 외부 동력의 공급 없이 사용자의 움직임에 의하여만 회전될 수 있다.
회전 로터(120)는 프로파일 링(110)에 대하여 상대적으로 회전 가능하고, 프로파일 링(110)은 고정 링(140)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있다. 회전 로터(120)와 프로파일 링(110)의 회전을 보조하기 위하여, 회전 로터(120) 및 프로파일 링(110) 사이와, 프로파일 링(110) 및 고정 링(140)의 사이에 베어링(191, 192)이 마련될 수 있다.
바인더(150)는 프로파일 링(110)을 회전 로터(120) 및 고정 링(140) 중 어느 하나에 선택적으로 고정시킬 수 있다.
예를 들어, 회전 로터(120), 프로파일 링(110) 및 고정 링(140)의 표면에는 걸림 턱이 형성될 수 있다. 바인더(150)는 선택적으로 프로파일 링(110) 및 회전 로터(120) 사이에 형성된 걸림 턱이나, 프로파일 링(110) 및 고정 링(140) 사이에 형성된 걸림 턱과 체결될 수 있다. 다만, 바인더(150)로 인한 체결방법은 이에 한정되지 않는다.
우선, 바인더(150)가 프로파일 링(110)을 및 고정 링(140)에 고정시키면, 조인트 어셈블리(10)는 상기 설명된 바와 같이 작동될 수 있다. 즉, 회전 로터(120)의 회전에 따라 탄성체에 탄성 위치 에너지가 저장되어, 외부로 보조력을 제공할 수 있다.
그리고, 바인더(150)가 프로파일 링(110)을 회전 로터(120)에 고정시키면, 회전 로터(120)는 캠 프로파일(111)을 따라 이동되지 않고 프로파일 링(110)과 함께 이동될 수 있다. 따라서, 회전 로터(120)가 회전되어도 탄성체(130)의 탄성 위치 에너지는 변하지 않아 외부로 탄성력에 의한 보조력을 제공하지 않을 수 있다.
이러한 구성으로 인하여, 사용자는 필요에 따라 선택적으로 탄성력에 의한 보조력을 제공받을 수 있다. 또는, 바인더(150)는 자동으로 제어되어, 추가적인 보조력이 필요한 경우에 탄성력에 의한 보조력을 제공할 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 작동 모드의 결정 단계를 도시하는 블록도이고, 도 6은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 작동 모드에 따른 조인트 어셈블리의 작동 형태를 도시하는 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 바인더의 조작 및 외부 동력의 유무에 따라 작동 모드가 결정될 수 있다.
우선, 바인더(150)가 고정 링(140)과 프로파일 링(110) 사이에 위치하여 고정 링(140)과 프로파일 링(110)을 체결하면, 탄성력에 의한 보조력이 제공될 수 있다.
여기에서, 액츄에이터로부터 동력이 공급되면, 운동 보조 장치(1)는 탄성력에 의한 보조력(Tp)과 액츄에이터에 의한 동력(Ta) 모두가 사용되는 하이브리드 보조모드로 작동될 수 있다. 도 6a는 하이브리드 보조모드로 작동하는 조인트 어셈블리(10)를 도시한다.
다만, 액츄에이터로부터 동력이 공급되지 않으면, 운동 보조 장치(1)는 탄성력에 의한 보조력(Tp)만 제공되는 패시브 보조모드로 작동될 수 있다. 도 6b는 패시브 보조모드로 작동하는 조인트 어셈블리(10)를 도시한다.
다음으로, 바인더(150)가 프로파일 링(110)과 회전 로터(120) 사이에 위치하여 고정 링(140)과 프로파일 링(110)을 체결하면, 탄성력에 의한 보조력이 제공되지 않을 수 있다.
여기에서, 액츄에이터로부터 동력이 공급되면, 운동 보조 장치(1)는 액츄에이터에 의한 동력(Ta)만 제공되는 액티브 보조모드로 작동될 수 있다. 도 6c는 액티브 보조모드로 작동하는 조인트 어셈블리(10)를 도시한다.
다만, 액츄에이터로부터 동력이 공급되지 않으면, 운동 보조 장치(1)는 사용자에 움직임에 의하여만 작동되는 프리 모드로 작동될 수 있다. 도 6d는 프리 모드로 작동하는 조인트 어셈블리(10)를 도시한다.
도 7은 일 실시 예에 따른 하이브리드 모드의 작동 과정을 도시하는 블록도이다.
도 7을 참고하면, 하이브리드 모드는, 액츄에이터에 의한 동력 및 탄성력에 의한 보조력을 모두 사용하는 모드일 수 있다.
예를 들어, 운동 보조 장치가 사람의 보행을 보조하는 경우, 조인트 어셈블리는 사용자의 관절부에 위치하여 관절부의 움직임에 따라 작동될 수 있다.
하이브리드 모드는, 회전 로터의 회전 각도 또는 회전 속도에 의하여 탄성력에 의한 보조력과, 액츄에이터에 의한 동력이 결정될 수 있다.
우선, 회전 각도에 따라 탄성력에 의한 보조력과, 액츄에이터에 의한 동력의 작용 구간이 결정될 수 있다.
하이브리드 모드는 탄성력에 의한 보조력을 사용하므로, 사용자의 보행에 따라 회전 로터가 회전하면서 탄성 위치 에너지가 저장될 수 있다. 회전 각도에 따라 탄성 위치 에너지가 결정되고, 탄성 위치 에너지의 크기는 탄성체의 종류, 프로파일 링의 형상에 의하여 달라질 수 있다.
그리고, 액츄에이터에 의한 동력은 상대적으로 큰 보조력이 요구되는 구간에서 제공될 수 있다.
예를 들어, 회전 로터의 최초 위치를 기준으로 할 때, 회전 각도가 작은 구간에서는 액츄에이터에 의한 동력이 작용되지 않지만, 회전 각도가 증가 하면 액츄에이터에 의한 동력이 작용할 수 있다.
또는, 회전 각도가 증가함에 따라 탄성 위치 에너지가 증가하고, 탄성력에 의하여 회전에 큰 힘이 요구 될 수 있다. 이 때, 액츄에이터에 의한 동력이 작용하여 사용자의 운동을 보조할 수 있다.
다음으로, 회전 속도에 따라 액츄에이터에 의한 동력의 크기가 결정될 수 있다. 사용자가 저속으로 보행할 때와 고속으로 보행할 때 요구되는 동력이 상이하므로, 이에 따라 액츄에이터에 의한 동력이 제어될 수 있다.
또한, 회전 속도에 따라 액츄에이터의 의한 작용 구간이 결정될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 저속으로 보행할 때보다, 고속으로 보행할 때 넓은 구간에서 액츄에이터에 의한 동력이 작용할 수 있다.
이러한 요소들을 고려하여, 하이브리드 보조모드에서 액츄에이터의 의한 동력의 크기 및 속도가 결정되고, 이에 따른 액츄에이터의 의한 동력 및 탄성체의 의한 동력이 함께 작용하여 조인트 어셈블리가 지지 모듈을 구동시킬 수 있다.
도 8은 다른 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 정면도이고, 도 9는 다른 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 측면도이다.
도 8a은 조인트 어셈블리가 결합된 상태를 도시하고, 도 8b는 내부 로터의 형태를 도시하고, 도 8c는 프로파일 링의 형태를 도시하며, 도 8d는 고정 링의 형태를 도시한다.
이하 상기한 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소에 대하여, 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 상기한 실시 예에 대한 설명은 이하의 실시 예들에도 적용될 수 있다. 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 조인트 어셈블리(20)는 회전 로터(220)가 프로파일 링(210)에 대하여 상대적으로 회전함에 따라 케이블(231)이 캠 프로파일(211)에 감기게 되고, 이에 따라 탄성체(232)의 탄성 위치 에너지가 변화 되도록 구성될 수 있다.
회전 로터(220)는 회전 몸체(220a) 및 회전 몸체(220a)의 일측으로부터 연장되는 연장체(220b)를 포함할 수 있다.
회전 몸체(220a)는 구동 모듈과 연결되고, 연장체(220b)는 지지 모듈(미도시)과 연결될 수 있다. 회전 몸체(220a)는 회전축(43) 및 구동 기어(42)를 통하여 액츄에이터(41)와 연결되어 외부 동력을 선택적으로 전달받을 수 있다.
회전 로터(220)는 프로파일 링(210)에 대하여 상대적으로 회전 가능할 수 있다.
회전 로터(220)에는 슬랙 방지 슬롯(222)이 형성되고, 프로파일 링(210)에는 가이드 슬롯(212)이 형성될 수 있다. 슬랙 방지 슬롯(222) 및 가이드 슬롯(212)은 각각 회전 로터(220) 및 프로파일 링(210)의 원주 방향으로 형성될 수 있다.
슬랙 방지 슬롯(222) 및 가이드 슬롯(212)은 서로 상응하는 위치에 형성될 수 있다. 예를 들어, 회전 몸체(220a) 및 프로파일 링(210)의 중심을 일치시킨 상태에서, 슬랙 방지 슬롯(222) 및 가이드 슬롯(212)은 서로 일부가 중첩되도록 형성될 수 있다.
가이드 슬롯(212)은 슬랙 방지 슬롯(222)의 길이보다 형성될 수 있다. 따라서, 초기 상태에서 가이드 슬롯(212)은 슬랙 방지 슬롯(222)의 양측으로 연장된 형태로 구성될 수 있다.
조인트 어셈블리(20)는 케이블(231) 및 탄성체(232)를 포함할 수 있다. 케이블(231)은 회전 로터(220)의 회전에 따라 캠 프로파일(211)에 감길 수 있고, 이와 연결된 탄성체(232)를 압축 또는 신장시켜, 탄성체(232)의 탄성 위치 에너지를 변화시킬 수 있다.
케이블(231)의 일측은 연장체(220b)의 일측에 연결될 수 있고, 케이블(231)의 타측은 케이블 홀더(250)에 연결될 수 있다. 케이블 홀더(250)는 슬랙 방지 슬롯(222) 및 가이드 슬롯(212)을 관통하여 배치될 수 있다.
연장체(220b)의 일측에는, 케이블(231)의 장력을 조절하기 위한 아이들러(233)가 형성될 수 있고, 회전 풀리를 포함할 수 있다. 케이블(231)은 연장체(220b)와 아이들러(233) 사이에 위치할 수 있다.
아이들러(233)의 위치는 변경 가능하여, 아이들러(233)를 연장체(220b) 측으로 이동시킴으로써 케이블(231)의 장력을 증가시키거나, 아이들러(233)를 연장체(220b)와 멀어지도록 이동시킴으로써 케이블(231)의 장력을 감소시킬 수 있다.
회전 로터(220)의 회전 방향과 무관하게 탄성체(232)가 탄성 위치 에너지를 저장하기 위하여, 탄성체(232)는 회전 로터(220)의 양측에 배치될 수 있다.
예를 들어, 탄성체(232)는 제 1탄성체(232a) 및 제 2탄성체(232b)를 포함할 수 있다. 제 1탄성체(232a) 및 제 2탄성체(232b)는 각각 연장체(220b)의 양 측에 배치될 수 있다.
그리고, 케이블(231)은 제 1탄성체(232a)와 연결되는 제 1케이블(231a) 및 제 2탄성체(232b)와 연결되는 제 2케이블(231b)을 포함할 수 있다. 또한, 케이블 홀더(250)는 제 1케이블(231a)과 연결되는 제 1케이블 홀더(250a) 및 제 2케이블(231b)과 연결되는 제 2케이블 홀더(250b)를 포함할 수 있다. 이와 더불어, 아이들러(233)는 제 1아이들러(233a) 및 제 2아이들러(233b)를 포함하고, 제 1아이들러(233a) 및 제 2아이들러(233b)는 연장체(220b)의 양측에 배치될 수 있다.
제 1케이블 홀더(250a) 및 제 2케이블 홀더(250b)는 각각 슬랙 방지 슬롯(222)에 양 단부에 접하도록 위치할 수 있다. 제 1케이블 홀더(250a) 및 제 2케이블 홀더(250b)는 탄성체(232)와 연결되어 케이블 홀더(250)의 위치가 유지될 수 있다.
가이드 슬롯(212)은 슬랙 방지 슬롯(222)보다 길게 형성되어, 제 1케이블 홀더(250a) 및 제 2케이블 홀더(250b)가 슬랙 방지 슬롯(222)의 양 단부에 위치하더라도, 제 1케이블(250a) 및 제 2케이블 홀더(250b)는 가이드 슬롯(212)의 양 단부와 이격되어 위치할 수 있다.
이러한 구성으로 인하여, 어느 하나의 케이블(231) 및 탄성체(232)가 느슨해 지는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 회전 로터(220)이 시계 방향으로 회전하여 제 2탄성체(232b)가 신장되더라도, 제 1케이블 홀더(250a)은 항상 슬랙 방지 슬롯(222)의 단부에 위치하므로, 제 1케이블 홀더(250a)로부터 연장체(220b)의 일측까지의 최소 거리가 보장될 수 있다. 따라서, 제 1케이블(231a) 및 제 1탄성체(232a)가 느슨해 지는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 가이드 슬롯(212)은 제 1가이드 슬롯(212a) 및 제 2가이드 슬롯(212b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1가이드 슬롯(212a) 및 제 2가이드 슬롯(212b)은 단절부(212c)에 의하여 구분될 수 있고, 제 1케이블 홀더(250a) 및 제 2케이블 홀더(250b)는 각각 제 1가이드 슬롯(212a) 및 제 2가이드 슬롯(212b)에 위치할 수 있다.
가이드 슬롯(212)의 길이는, 제 1가이드 슬롯(212a), 제 2가이드 슬롯(212b) 및 단절부(212c)를 포함한 길이를 의미할 수 있다.
회전 로터(220)의 회전에 따라 가이드 슬롯(212), 케이블 홀더(250) 및 슬랙 방지 슬롯(222)이 간섭됨으로써 회전 로터(220)의 회전이 제한될 수 있다. 예를 들어, 제 1가이드 슬롯(212a) 및 제 2가이드 슬롯(212b)은 그 길이가 다르게 형성되어 회전 로터의 회전 방향에 따라 회전 각도가 달리 제한될 수 있다. 이에 대하여는 하기에서 구체적으로 설명하기로 한다.
캠 프로파일(211)은 프로파일 링(210)의 일측에 형성될 수 있다. 예를 들어, 회전 로터(220)의 위치를 프로파일 링(210)의 정면으로 할 때 캠 프로파일(211)은 프로파일 링(210)의 후면에 형성될 수 있다. 또는 프로파일 링(210)은 복수 개의 면으로 구성되고, 캠 프로파일(211)은 복수 개의 면 사이에 위치할 수 있다.
케이블(231)이 캠 프로파일 (211)에 감기면서 탄성체(232)의 탄성 위치 에너지가 변화될 수 있다. 즉, 탄성 위치 에너지는 캠 프로파일(211)의 형상에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 일 실시 예에 따른 캠 프로파일(111)과 마찬가지로, 캠 프로파일(211)은 좌우 비대칭으로 형성되거나, 굴곡을 포함할 수 있다.
고정 링(240)은 고정 모듈에 고정되어, 조인트 어셈블리(20)의 위치를 고정할 수 있다. 그리고, 프로파일 링(210)은 고정 링(240)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있다.
고정 링(240)은, 프로파일 링(210) 또는 회전 로터(220)의 회전을 간섭할 수 있는 스토퍼(241)를 포함할 수 있다. 프로파일 링(210) 또는 회전 로터(220)가 소정의 각도로 회전하면, 스토퍼(241)에 의하여 그 이동이 제한될 수 있다.
예를 들어, 스토퍼(241)는 고정 링(240)의 표면으로부터 돌출 형성되고, 프로파일 링(210) 및 회전 로터(220)의 적어도 일부는 외측으로 돌출되어, 프로파일 링(210) 및 회전 로터(220)가 스토퍼(241)와 간섭되도록 구성될 수 있다.
프로파일 링(210) 또는 회전 로터(220)가 스토퍼(241)와 간섭되는 면에는, 충격 완화 부재(213)가 형성될 수 있다. 충격 완화 부재(213)는 스펀지 재질을 포함할 수 있다.
충격 완화 부재(213)는, 프로파일 링(210) 또는 회전 로터(220)가 스토퍼(241)와 충돌하여 손상되는 것을 방지할 수 있다. 도 8은 충격 완화 부재(213)가 프로파일 링(210)에 형성된 형태를 도시한다.
바인더(260)는 프로파일 링(210)을 회전 로터(220) 및 고정 링(240) 중 어느 하나에 선택적으로 고정시킬 수 있다. 바인더(260)의 작동에 따른 조인트 어셈블리(20)의 작동은 하기에서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 10은 다른 실시 예의 따른 바인더의 동작에 따른 조인트 어셈블리의 작동 형태를 도시하는 도면이다.
도 10a는 바인더가 프로파일 링(210)을 고정 링(240)에 고정시킨 상태에서 조인트 어셈블리(20)가 작동하는 형태를 도시하고, 도 10b는 바인더가 프로파일 링(210)을 회전 로터(220)에 고정시킨 상태에서 조인트 어셈블리(20)가 작동하는 형태를 도시한다.
도 10a를 참고하면, 바인더에 의하여 프로파일 링(210)이 고정 링(240)에 고정되면 회전 로터(220)는 프로파일 링(210)에 대하여 회전할 수 있다. 이하, 회전 로터(220)가 시계 방향으로 회전되는 경우를 예시적으로 설명하기로 한다.
최초 케이블 홀더(250)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 슬랙 방지 슬롯(222)의 양 측에 위치할 수 있다.
회전 로터(220)가 회전하면서 제 2케이블 홀더(250b)가 제 2가이드 슬롯(212b)의 일 단부(e1)에 접하기 전까지, 제 2케이블 홀더(250b) 및 회전 로터(220)는 함께 회전하므로 제 2탄성체(232b)가 연장되지 않을 수 있다.
즉, 이는 자유 회전 구간으로서, 이 구간에서는 회전 로터(220)가 회전하여도 제 2탄성체(232b)의 탄성 위치 에너지가 변하지 않을 수 있다.
그리고, 제 1케이블 홀더(250a)의 위치는 슬랙 방지 슬롯(222)의 단부(e2)에 고정되므로 제 1케이블(231a) 또는 제 1탄성체(232a)는 느슨해 지지 않을 수 있다.
제 2케이블 홀더(250b)가 제 2가이드 슬롯(212b)의 일 단부(e1)에 위치한 상태에서 회전 로터(220)가 추가적으로 회전하면, 프로파일 링(210)은 회전되지 않기 때문에 제 2케이블 홀더(250b)의 위치는 제 2가이드 슬롯(212b)의 단부(e1)에 고정된 상태로 회전 로터(220)가 회전할 수 있다.
따라서, 제 2탄성체(232b)가 신장되어, 제 2탄성체(232b)의 탄성 위치 에너지가 증가할 수 있다.
회전 로터(220)의 최대 회전 각도는 제 1가이드 슬롯(212a) 또는 스토퍼(241)에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 회전 로터(220)에 일부가 스토퍼(241)와 접촉하면 회전 로터(220)의 회전이 제한될 수 있다.
또는, 회전 로터(220)가 회전하면서 제 1케이블 홀더(250a)가 단절부(212c)에 접촉하면, 회전 로터(220)의 회전은 고정된 프로파일 링(220)에 의하여 간섭되므로, 회전 로터(220)의 회전이 제한될 수 있다.
따라서, 스토퍼(241) 또는 가이드 슬롯(212)의 길이를 조절하여 회전 로터(220)의 회전 반경을 제한할 수 있다.
이와 같은 조인트 어셈블리(20)는, 기 설명된 하이브리드 보조 모드 또는 패시브 보조 모드에 사용될 수 있다.
다음으로 도 10b를 참고하면, 바인더(260)에 의하여 프로파일 링(210)이 회전 로터(220)에 고정되면, 회전 로터(220)는 프로파일 링(210)과 함께 회전할 수 있다.
예를 들어, 사용자의 관절 움직임에 따라 회전 로터(220) 및 프로파일 링(210)이 함께, 고정 링(240)에 대하여 회전 할 수 있다. 이하, 회전 로터(220)가 시계 방향으로 회전되는 경우를 예시적으로 설명하기로 한다.
회전 로터(220) 및 프로파일 링(210)이 함께 회전하면, 케이블(231) 및 탄성체(232)의 길이는 변하지 않을 수 있다. 즉, 회전 로터(220)가 회전하더라도 탄성체(232) 및 케이블(231)의 길이는 유지되므로, 탄성체(232)의 탄성 위치 에너지는 변하지 않을 수 있다. 회전 로터(220)의 회동 각도는 스토퍼(241)에 의하여 제한될 수 있다.
이와 같은 조인트 어셈블리(20)는, 기 설명된 액티브 보조 모드 또는 프리 모드에 사용될 수 있다.
도 11은 바인더를 포함하지 않는 다른 실시 예에 따른 조인트 어셈블리의 작동 형태를 도시하는 도면이다.
도 11a는 회전 로터(220)가 회전하는 형태를 도시하고, 도 11b는 회전 로터(220) 및 프로파일 링(210)이 함께 회전하는 형태를 도시하며, 도 11c는 회전 로터(220)가 회전하여 탄성체(232)의 탄성 위치 에너지가 변하는 형태를 도시한다.
도 11을 참고하면, 조인트 어셈블리(20)는 회전 로터(220), 프로파일 링(210) 및 고정 링(240)을 포함할 수 있다. 회전 로터(220)는 프로파일 링(210)에 대하여 상대적으로 회전 가능하고, 프로파일 링(210)은 고정 링(240)에 대하여 상대적으로 회전 가능할 수 있다.
회전 로터(220)의 회전 정도에 따라 회전 로터(220)만 회전하거나, 회전 로터(220) 및 프로파일 링(210)이 함께 회전하거나, 회전 로터(220)만 회전하면서 탄성체(232)의 탄성 위치 에너지가 변화될 수 있다.
이하, 회전 로터(220)가 시계 방향으로 회전하는 경우를 예시로 하여, 각 단계별로 구체적으로 설명하기로 한다.
도 11a를 참고하면, 회전 로터(220)는 도 8에 도시된 최초 위치로부터 회전될 수 있다. 제 1케이블 홀더(250a) 및 제 2케이블 홀더(250b)는 탄성력으로 인하여 각각 슬랙 방지 슬롯(222)의 양 측에 위치하고, 탄성력으로 인하여 그 위치가 고정될 수 있다.
제 2케이블 홀더(250b)가 가이드 슬롯(212)의 단부에 접촉하기 전까지, 회전 로터(220)는 단독으로 회전할 수 있다. 이 상태에서 탄성 위치 에너지는 변하지 않을 수 있다. 도 11a는 회전 로터(220)가 회전하여, 제 2케이블 홀더(250b)가 가이드 슬롯(212)의 단부(e1)에 위치한 상태를 도시한다. 이때, 가이드 슬롯(212)의 단부(e1)는 슬랙 방지 슬롯(222)의 단부와 동일선 상에 위치할 수 있다.
도 11b를 참고하면, 그 다음으로, 회전 로터(220)는 도 11a의 위치로부터 추가적으로 회전할 수 있다. 이 때, 제 2케이블 홀더(250b)는 가이드 슬롯(212)의 단부(e1)에서 프로파일 링(210)을 가압하여 회전 로터(220) 는 프로파일 링(210)과 함께 회전할 수 있다.
다시 말하면, 제 2케이블 홀더(250b)는 탄성력으로 인하여 그 위치가 슬랙 방지 슬롯(222)의 단부에 고정되고, 슬랙 방지 슬롯(222)의 단부와 가이드 슬롯(212)의 단부(e1)와 동일선 상에 위치하면, 제 2케이블 홀더(250b)는 프로파일 링(210)을 회전시킬 수 있다.
스토퍼(241)는 프로파일 링(210)의 회전을 간섭할 수 있다. 즉, 스포터(241)에 의하여 프로파일 링(210)의 회전 각도가 제한될 수 있다.
도 11b는 프로파일 링(210)이 스토퍼(241)에 접하는 상태를 도시한다.
그 다음으로, 도 11c를 참고하면 도 11b의 위치에서 회전 로터(220)가 더 회전함으로써, 제 2탄성체(232b)가 연장되어 탄성 위치 에너지가 변화할 수 있다.
구체적으로, 제 2케이블 홀더(250b)는 제 2가이드 슬롯(212b) 및 슬랙 방지 슬롯(222)의 단부(e1)에 위치하고, 프로파일 링(210)의 위치가 스토퍼(241)에 의하여 고정되므로, 제 2케이블 홀더(250b)의 위치는 제 2가이드 슬롯(212b)의 단부로 고정될 수 있다.
이 상태에서 회전 로터(220)가 추가적으로 회전되면 제 2케이블 홀더(250b)로부터 연장체(220b)의 일측까지의 거리가 증가하고, 이에 따라 탄성체(232)가 신장되어 탄성 위치 에너지가 증가할 수 있다.
회전 로터(220)는 제 1케이블 홀더(250a)가 단절부(212c)에 접하거나, 회전 로터(220)의 일부가 스토퍼(241)에 접할 때까지 회전할 수 있다.
도 11c는 제 1케이블 홀더(250a)가 단절부(212c)에 접하고, 회전 로터(220)의 일부가 스토퍼(241)에 접한 상태로서, 제 2케이블(231b)이 최대로 신장된 형태를 도시한다.
이 과정에서 제 1케이블 홀더(250a)는 항상 슬랙 방지 슬롯(222)의 단부에 위치할 수 있다. 따라서, 제 1케이블(231a) 또는 제 1탄성체(232a)가 느슨해 지는 것을 방지할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (27)

  1. 캠 프로파일을 포함하는 프로파일 링;
    상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능한 회전 로터;
    상기 회전 로터와 연결되고, 상기 회전 로터가 상기 프로파일 링에 대하여 회전되면, 상기 캠 프로파일에 대응하는 탄성 위치 에너지가 저장되는 탄성체;
    상기 프로파일 링이 상대적으로 회전 가능한 고정 링; 및
    상기 프로파일 링을 상기 회전 로터 또는 상기 고정 링에 고정시킬 수 있는 바인더를 포함하는 조인트 어셈블리.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 고정 링에 고정시키면, 상기 회전 로터는 상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능하여 상기 탄성체의 탄성 위치 에너지가 변화되고,
    상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터에 고정시키면, 상기 회전 로터는 상기 프로파일 링과 하나의 강체 운동을 하여 상기 탄성체의 탄성 위치 에너지가 변화되지 않는 조인트 어셈블리.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탄성체에 연결되는 가압부; 및
    상기 가압부에 연결되고 상기 탄성체의 탄성력에 의해 상기 캠 프로파일에 접촉되는 롤러를 더 포함하는 조인트 어셈블리.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 탄성체는 상기 가압부의 양 측에 각각 연결되는 제 1탄성체 및 제 2탄성체를 포함하고,
    상기 제 2탄성체는, 상기 회전 로터의 회전 중심을 기준으로 상기 제 1탄성체의 반대편에 배치되는 조인트 어셈블리.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 탄성체의 일부는 상기 회전 로터에 형성된 실린더 홀에 수용되고,
    상기 탄성체와 상기 실린더 홀의 내면 사이에 위치하여 상기 탄성체와 상기 회전 로터 사이의 마찰을 감소시킬 수 있는 마찰 저감 부재를 더 포함하는 조인트 어셈블리.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 회전 로터의 회전 중심으로부터 상기 롤러 단부까지의 거리는, 초기 상태에서 최대가 되도록 구성되는 조인트 어셈블리.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 회전 로터의 회전 중심으로부터 상기 캠 프로파일의 일부까지의 거리는, 상기 회전 로터의 회전 중심으로부터 상기 롤러 단부까지의 최소 거리보다 짧거나 같게 구성되는 조인트 어셈블리.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 캠 프로파일은 상기 회전 로터의 초기 위치를 기준으로 양 측이 비대칭으로 형성되는 조인트 어셈블리.
  9. 캠 프로파일을 포함하는 프로파일 링;
    상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능한 회전 로터;
    상기 회전 로터가 회전함에 따라 상기 캠 프로파일을 따라 감길 수 있는 케이블;
    상기 케이블과 연결되고 상기 케이블이 감김에 따라 탄성 위치 에너지가 저장되는 탄성체;
    상기 프로파일 링이 상대적으로 회전 가능한 고정 링; 및
    상기 프로파일 링을 상기 회전 로터 또는 상기 고정 링에 고정시킬 수 있는 바인더를 포함하는 조인트 어셈블리.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 고정 링에 고정시키면, 상기 회전 로터는 상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능하여 상기 케이블이 상기 캠 프로파일을 따라 감기면서 상기 탄성체의 탄성 위치 에너지가 변화되고,
    상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터에 고정시키면, 상기 회전 로터는 상기 프로파일 링과 하나의 강체 운동을 하여 상기 탄성체의 탄성 위치 에너지가 변화되지 않는 조인트 어셈블리.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 회전 로터에, 원주 방향으로 형성된 슬랙 방지 슬롯;
    상기 프로파일 링에, 상기 슬랙 방지 슬롯과 상응하는 위치에 원주 방향으로 형성된 가이드 슬롯; 및
    상기 케이블의 일측에 연결되고, 상기 가이드 슬롯 및 상기 슬랙 방지 슬롯 내에 위치하며, 상기 가이드 슬롯과 상기 슬랙 방지 슬롯 내에서 이동 가능한 케이블 홀더를 더 포함하는 조인트 어셈블리.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 가이드 슬롯의 길이는, 상기 슬랙 방지 슬롯의 길이보다 길게 형성되는 조인트 어셈블리.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 탄성체는 제 1탄성체 및 제 2탄성체를 포함하고,
    상기 케이블은 각각 상기 제 1탄성체 및 제 2탄성체와 연결되는 제 1케이블 및 제 2케이블을 포함하며,
    상기 케이블 홀더는 각각 상기 제 1케이블 및 제 2케이블과 연결되는 제 1케이블 홀더 및 제 2케이블 홀더를 포함하고,
    상기 가이드 슬롯은 각각 상기 제 1케이블 홀더와 제 2케이블 홀더가 위치되는 제 1가이드 슬롯 및 제 2가이드 슬롯을 포함하는 조인트 어셈블리.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 회전 로터는,
    회전 몸체; 및
    상기 회전 몸체의 일측으로부터 연장되는 연장체를 포함하고,
    상기 제 1탄성체 및 상기 제 2탄성체는 상기 연장체의 양측에 위치하는 조인트 어셈블리.
  15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 14항에 있어서,
    상기 연장체와 인접하게 배치되는 복수 개의 아이들러를 포함하고,
    상기 케이블은 상기 연장체와 상기 아이들러 사이에 위치하여 상기 케이블의 장력이 조절될 수 있는 조인트 어셈블리.
  16. 제 10항에 있어서,
    상기 고정 링에 형성되어 상기 회전 로터 또는 상기 프로파일 링의 회전을 간섭할 수 있는 스토퍼를 더 포함하는 조인트 어셈블리.
  17. 제 9항에 있어서,
    상기 캠 프로파일은 상기 회전 로터의 초기 위치를 기준으로 양 측이 비대칭으로 형성되는 조인트 어셈블리.
  18. 사용자의 몸체에 부착되는 고정 모듈;
    사용자의 일측에 부착되어 사용자의 일부 운동을 보조할 수 있는 지지 모듈;
    구동력을 제공하는 액츄에이터를 포함하는 구동 모듈; 및
    상기 고정 모듈 및 상기 지지 모듈을 연결하고, 상기 액츄에이터로 발생되는 구동력과 탄성력에 의한 추가적인 구동력을 상기 지지 모듈에 전달할 수 있는 조인트 어셈블리를 포함하고,
    상기 조인트 어셈블리는,
    상기 고정 모듈에 연결되는 고정 링;
    상기 지지 모듈과 연결되고 상기 액츄에이터로부터 선택적으로 구동력을 공급받을 수 있는 회전 로터;
    캠 프로파일을 포함하고 고정 링 및 상기 회전 로터와 상대적으로 회전 가능한 프로파일 링;
    상기 회전 로터의 회전에 따라 탄성 위치 에너지가 변화되는 탄성체; 및
    상기 프로파일 링을 상기 회전 로터 또는 상기 고정 링에 고정시킬 수 있는 바인더를 포함하는 운동 보조 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 조인트 어셈블리는,
    상기 회전 로터가 상기 탄성체에 저장된 탄성 위치 에너지에 의하여 구동되는 패시브 보조 모드(passive assist mode);
    상기 회전 로터가 상기 회전 로터에 연결된 액츄에이터로부터 제공되는 동력에 의하여 구동되는 액티브 보조 모드(active assist mode);
    상기 회전 로터가 상기 탄성체에 저장된 탄성 위치 에너지 및 상기 액츄에이터로부터 제공되는 동력을 모두 전달받아 구동되는 하이브리드 보조 모드(hybrid assist mode); 및
    상기 회전 로터가 사용자가 제공하는 힘에 의해서만 구동되는 프리 모드(free mode) 중 어느 하나의 모드로 작동될 수 있는 운동 보조 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 패시브 보조 모드는, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 고정 링에 고정시키고 상기 액츄에이터로부터 상기 회전 로터로 동력이 전달되지 않는 모드이고,
    상기 액티브 보조 모드는, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터에 고정시키고 상기 액츄에이터로부터 상기 회전 로터로 동력이 전달되는 모드이며,
    상기 하이브리드 보조 모드는, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 고정 링에 고정시키고 상기 액츄에이터로부터 상기 회전 로터로 동력이 전달되는 모드이고,
    상기 프리 모드는, 상기 바인더가 상기 프로파일 링을 상기 회전 로터에 고정시키고 상기 액츄에이터로부터 상기 회전 로터로 동력이 전달되지 않는 모드인 운동 보조 장치.
  21. 사용자의 몸체에 부착되는 고정 모듈;
    사용자의 일측에 부착되어 사용자의 일부 운동을 보조할 수 있는 지지 모듈;
    구동력을 제공하는 액츄에이터를 포함하는 구동 모듈; 및
    상기 고정 모듈 및 상기 지지 모듈을 연결하고, 상기 액츄에이터로 발생되는 구동력과 탄성력에 의한 추가적인 구동력을 상기 지지 모듈에 전달할 수 있는 조인트 어셈블리를 포함하고,
    상기 조인트 어셈블리는,
    캠 프로파일을 포함하는 프로파일 링;
    상기 프로파일 링에 대하여 상대적으로 회전 가능한 회전 로터;
    상기 회전 로터가 회전함에 따라 상기 캠 프로파일을 따라 감길 수 있는 케이블;
    상기 케이블과 연결되고 상기 케이블이 감김에 따라 탄성 위치 에너지가 저장되는 탄성체;
    상기 프로파일 링이 상대적으로 회전 가능한 고정 링; 및
    상기 프로파일 링을 상기 회전 로터 또는 상기 고정 링에 고정시킬 수 있는 바인더;
    를 포함하는 운동 보조 장치.
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