KR102755113B1

KR102755113B1 - 하중 센서를 포함하는 하지 의지

Info

Publication number: KR102755113B1
Application number: KR1020220150138A
Authority: KR
Inventors: 송점식; 박세훈; 김종권; 박진국; 조현석; 신현준; 홍범기; 전경진; 최종문
Original assignee: 근로복지공단
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2025-01-21
Anticipated expiration: 2042-11-11
Also published as: KR20240069033A

Abstract

본 발명은, 착용자의 보행 주기를 분석할 수 있는 하중 센서를 포함하는 하지 의지에 있어서, 골격 프레임, 실린더 연결 핀에 의해 상기 골격 프레임과 결합되는 실린더, 상기 골격 프레임의 일 단과 결합되는 베이스 프레임 및 상기 실린더 연결 핀과 상기 베이스 프레임의 노치에 설치되는 하중 센서를 포함하며, 상기 하중 센서는 하지 의지에 가해지는 실린더 하중, 지면 반발력 및 모멘트 하중을 측정하는, 하지 의지를 개시한다.

Description

하중 센서를 포함하는 하지 의지{Artificial leg including a load sensor}

본 발명은 하중 센서를 포함하는 하지 의지에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 착용자의 보행 주기를 분석할 수 있는 하중 센서를 포함하는 하지 의지에 관한 것이다.

하지 의지란, 하지의 일부 결손에 대하여 외형상 또는 기능상으로 적합하도록 인공적으로 제작된 보행 보조 기구를 의미한다.

하지 의지는 실제적인 보행이 그대로 착용자에게 접목되는 것이 바람직하다. 하지 의지의 계단 또는 경사로에서의 보행 및 후진 등의 동작이 생리학적 보행과 유사할수록, 착용자의 건측 다리의 손상이 최소화되고 착용 편의성이 증가될 것이다.

이를 위해, 하지 의지의 보행 주기가 정밀하게 분석될 필요가 있다. 보행 주기는 입각기 및 유각기로 구별될 수 있다. 입각기는 일 측의 발꿈치가 접지된 때부터 발가락이 지지면에서 분리된 때까지의 기간을, 유각기는 발가락이 지지면에서 분리된 때부터 다시 발꿈치가 접지된 때까지의 기간을 의미한다.

입각기 및 유각기의 정밀 분석을 위하여, 하지 의지에 가해지는 하중이 세밀하게 측정될 필요가 있다. 이때, 하지 의지에 가해지는 하중은 실린더 하중, 축방향 하중 및 모멘트 하중 등으로 구분될 수 있다. 이에 따라, 하지 의지에 가해지는 하중은 실린더 하중, 축방향 하중 및 모멘트 하중의 변화가 각각 종합되어 변화될 수 있다.

종래의 하지 의지는 실린더 하중, 축방향 하중 및 모멘트 하중 중 일부만이 측정될 뿐, 종합 하중이 측정되지 않는다. 이에 따라, 착용자의 입각기 및 유각기가 충분한 신뢰도로 분석되는 데 어려움이 있다. 따라서, 실린더 하중, 축방향 하중 및 모멘트 하중이 종합적으로 측정될 수 있는 하지 의지의 개발이 고려될 수 있다.

한국등록특허공보 제10-1842465호는 하지 외골격 로봇의 제어 방법을 개시한다. 구체적으로, 지면 반력 감지 센서의 감지 결과에 기초하여 하지 외골격 로봇의 구동부가 제어되는 제어 방법을 개시한다.

그런데, 이러한 유형의 하지 외골격 로봇은 지면 반발력 이외의 하중에 기초한 제어 방법은 개시하지 않는다. 즉, 하지 외골격 로봇에 가해지는 실린더 하중 및 모멘트 하중이 지면 반발력과 종합되어 측정되지 않는다. 따라서, 착용자의 입각기 및 유각기 분석이 정밀하지 못할 가능성이 있다.

한국공개특허공보 제1999-0080970호는 대퇴 의지 슬관절 장치를 개시한다. 구체적으로, 가변되는 보행 속도와 하중에 반응하여 보행 스트로크를 조절하는 전자제어방식의 대퇴 의지 슬관절 장치를 개시한다.

그런데, 이러한 유형의 슬관절 장치는 실린더 하중 이외의 하중에 기초한 제어 방법은 개시하지 않는다. 따라서, 이러한 유형의 슬관절 장치 또한 착용자의 입각기 및 유각기 분석 정밀도가 충분하지 못할 가능성이 있다.

한국등록특허공보 제10-1842465호 (2018.03.27.) 한국공개특허공보 제1999-0080970호 (1999.11.15.)

본 발명의 일 목적은, 착용자의 보행 주기가 보다 정밀하게 분석될 수 있는 하지 의지를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은, 실린더 제어의 피드백이 가능한 하지 의지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은, 실린더의 정상 구동 여부가 점검될 수 있는 하지 의지를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하지 의지는, 일 방향으로 연장되는 골격 프레임; 상기 골격 프레임과 결합되고, 외력에 의해 압축되거나 인장될 수 있는 실린더; 및 상기 실린더의 압축 하중 또는 인장 하중을 측정하는 제1 하중 센서를 포함하고, 상기 실린더는, 내부에 실린더 로드의 왕복 통로가 형성되는 실린더 본체; 및 원기둥 형상으로 형성되고, 상기 실린더 본체 및 상기 골격 프레임에 관통 결합되는 실린더 연결 핀을 포함하며, 상기 제1 하중 센서는, 상기 실린더 연결 핀에 함몰 형성되는 연결 핀 노치(notch)에 설치된다.

또한, 상기 골격 프레임의 일 단과 결합되고, 판 형상으로 형성되며, 상기 골격 프레임과 반대되는 일 면에 플레이트 노치가 함몰 형성되는 베이스 프레임; 및 상기 베이스 프레임의 타 면에 설치되고, 상기 플레이트 노치와 인접하게 배치되어, 상기 베이스 프레임에 가해지는 지면 반발력 및 모멘트 하중을 측정하는 제2 하중 센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 연결 핀 노치는, 상기 실린더 연결 핀의 축방향 중심부에 형성될 수 있다.

또한, 상기 연결 핀 노치는, 상기 실린더 연결 핀의 축방향에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 일 위치에 형성될 수 있다.

또한, 상기 연결 핀 노치는, 상기 실린더 연결 핀의 일 면에 형성되는 연결 핀 제1 노치; 및 상기 실린더 연결 핀의 타 면에 형성되고, 상기 연결 핀 제1 노치와 대향되는 연결 핀 제2 노치를 포함할 수 있다.

또한, 상기 연결 핀 제2 노치는, 상기 실린더 연결 핀의 축방향 길이가 상기 연결 핀 제1 노치의 길이보다 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기 연결 핀 제2 노치의 중심부에는, 상기 실린더 연결 핀의 축방향을 따라 연장되고, 상기 제1 하중 센서가 설치되는 센서 부착면이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 하중 센서는, 상기 실린더 연결 핀의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지(strain gauge); 및 상기 스트레인 게이지와 전기적으로 연결되고, 상기 변형량에 기초하여 상기 실린더의 압축 하중 또는 인장 하중 데이터를 디지털 신호로 도출하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 하중 센서는, 배선에 의해 외부와 전기적으로 연결되고, 상기 배선은, 상기 연결 핀 노치에 형성된 배선 홀을 통해 상기 실린더 연결 핀의 내부로 유입될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 하지 의지는, 일 방향으로 연장되는 골격 프레임; 상기 골격 프레임의 일 단과 결합되고, 판 형상으로 형성되며, 상기 골격 프레임과 반대되는 일 면에 노치가 함몰 형성되는 베이스 프레임; 및 상기 베이스 프레임의 타 면에 설치되고, 상기 노치와 인접하게 배치되어, 상기 베이스 프레임에 가해지는 지면 반발력 및 모멘트 하중을 측정하는 하중 센서를 포함한다.

또한, 상기 노치는, 상기 베이스 프레임의 횡방향 또는 종방향에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 일 위치에 형성될 수 있다.

또한, 상기 하중 센서는, 상기 베이스 프레임의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지; 및 상기 스트레인 게이지와 전기적으로 연결되고, 상기 변형량에 기초하여 상기 베이스 프레임에 가해지는 지면 반발력 및 모멘트 하중을 디지털 신호로 도출하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 스트레인 게이지는, 상기 베이스 프레임의 전방 측의 변형량을 측정하는 전방 스트레인 게이지; 상기 베이스 프레임의 후방 측의 변형량을 측정하는 후방 스트레인 게이지; 및 상기 전방 스트레인 게이지 및 상기 후방 스트레인 게이지와 각각 이격되는 상기 베이스 프레임의 일 부분의 변형량을 측정하는 축방향 스트레인 게이지를 포함할 수 있다.

또한, 상기 전방 스트레인 게이지, 상기 후방 스트레인 게이지, 상기 축방향 스트레인 게이지 및 상기 신호 처리부는 상기 베이스 프레임의 서로 다른 모서리에 배치되고, 상기 전방 스트레인 게이지 및 상기 후방 스트레인 게이지는 상기 베이스 프레임의 서로 반대되는 모서리에 배치될 수 있다.

또한, 상기 전방 스트레인 게이지 및 상기 후방 스트레인 게이지는 상기 베이스 프레임의 종방향으로 나란하게 배치되고, 상기 축방향 스트레인 게이지 및 상기 신호 처리부는 상기 베이스 프레임의 횡방향으로 나란하게 배치될 수 있다.

본 발명의 다양한 효과 중, 상술한 해결 수단을 통해 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.

먼저, 실린더 연결 핀 및 베이스 프레임의 일 부분에 응력 집중이 발생되도록 노치(notch)가 형성된다. 이때, 각각의 노치는 실린더 연결 핀 또는 베이스 프레임에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 위치에 형성된다.

또한, 스트레인 게이지(strain gauge)가 노치와 인접하게 설치되어 변형량을 측정한다. 이를 통해, 하지 의지에 가해지는 실린더 하중, 축방향 하중 및 모멘트 하중이 도출될 수 있다.

이때, 하지 의지에 가해지는 축방향 하중은 지면 반발력과 매우 유사하게 변화된다. 이에 따라, 하지 의지에 가해지는 축방향 하중 변화로부터 지면 반발력 변화가 도출될 수 있다. 결과적으로, 착용자의 입각기 및 유각기가 보다 정밀하게 판별될 수 있다.

뿐만 아니라, 시간 변화에 따른 실린더 하중, 축방향 하중 및 모멘트 하중의 변화의 종합 데이터가 도출될 수 있다. 이에 따라, 착용자의 보행 주기가 보다 정밀하게 분석될 수 있다. 더 나아가, 상기 데이터는 보다 높은 신뢰도의 통합 제어 알고리즘 개발 자료로 활용될 수 있다.

또한, 실린더 연결 핀에 형성된 노치에 의해, 실린더의 압축 하중 또는 인장 하중이 측정된다. 즉, 시간 변화에 따른 실린더의 압축 하중 또는 인장 하중의 변화 데이터가 도출될 수 있다.

따라서, 상기 데이터를 이용한 실린더 제어의 피드백이 가능하다. 더 나아가, 실린더의 정상 구동 여부가 보다 용이하게 점검될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하지 의지를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 하지 의지에 구비되는 관절부, 골격 프레임, 실린더 연결 핀 및 베이스 프레임을 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 1의 하지 의지에 구비되는 관절부, 실린더 및 베이스 프레임을 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 3의 실린더에 구비되는 실린더 연결 핀을 도시하는 사시도이다.
도 5는 도 4의 실린더 연결 핀을 도시하는 정면도이다.
도 6은 도 4의 실린더 연결 핀에 설치되는 제1 하중 센서를 도시하는 사시도이다.
도 7은 도 4의 실린더 연결 핀에 설치되는 제1 하중 센서를 도시하는 평면도이다.
도 8은 도 3의 베이스 프레임을 도시한 상방향 사시도이다.
도 9는 도 8의 베이스 프레임을 도시한 하방향 사시도이다.
도 10은 도 8의 베이스 프레임에 설치되는 제2 하중 센서를 도시하는 사시도이다.
도 11은 도 8의 베이스 프레임에 설치되는 제2 하중 센서를 도시하는 평면도이다.
도 12는 보행 시 본 발명의 실시 예에 따른 하지 의지에 가해지는 축방향 하중 및 지면 반발력의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 13은 보행 시 본 발명의 실시 예에 따른 하지 의지에 가해지는 하중 변화를 도시하는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 하지 의지(1)를 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.

이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시 예라도 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르기 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 설명에서 사용되는 "상측", "하측", 좌측", 우측", "전방 측" 및 "후방 측"이라는 용어는 도 1, 도 4 및 도 9에 도시된 좌표계를 참조하여 이해될 것이다.

이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 하지 의지(1)에 대하여 설명한다.

볼 발명의 실시 예에 따른 하지 의지(1)는 착용자의 하지의 일부 결손에 대하여 외형상 또는 기능상으로 적합하도록 제작되어, 착용자의 보행을 보조한다.

하지 의지(1)는 착용자의 골반과 발목 사이에 배치된다. 일 실시 예에서, 하지 의지(1)는 착용자의 슬관절과 발목 사이에 배치된다. 다른 일 실시 예에서, 하지 의지(1)는 착용자의 골반과 슬관절 사이에 배치된다.

보행 시 하지 의지(1)의 특정한 구성 요소에 발생되는 변형량이 측정됨으로써, 하지 의지(1)에 가해지는 하중이 도출될 수 있다. 이를 통해, 착용자의 보행 주기가 정밀하게 분석될 수 있다.

도시된 실시 예에서, 하지 의지(1)는 관절부(10) 및 골격부(20)를 포함한다.

관절부(10)는 착용자의 건측 다리와 하지 의지(1)가 맞닿는 부분이다.

관절부(10)는 착용자의 건측 다리와 인접하게 배치된다. 구체적으로, 관절부(10)는 하지 의지(1)의 상측에 위치되고, 건측 다리의 하측과 인접하게 배치된다. 일 실시 예에서, 관절부(10)는 착용자의 슬관절 하측과 인접하게 배치된다. 다른 실시 예에서, 관절부(10)는 착용자의 고관절 하측과 인접하게 배치된다.

관절부(10)는 착용자의 건측 다리에 결합된다. 즉, 관절부(10)는 착용자의 건측 다리에 고정된다. 이에 따라, 관절부(10)는 착용자의 건측 다리가 운동될 때 함께 운동된다.

도시된 실시 예에서, 관절부(10)는 상부 어댑터(adapter)(110), 관절 본체(120), 관절 축(130) 및 실린더 로드 축(140)을 포함한다.

상부 어댑터(110)는 건측 다리의 하측과 관절부(10)를 연결하는 부분이다.

상부 어댑터(110)는 관절부(10)의 상면에서 착용자의 건측 다리를 향하는 방향으로 돌출되어 형성된다.

상부 어댑터(110)는 착용자의 건측 다리에 고정 결합된다. 이를 위해, 착용자의 건측 다리에는 상부 어댑터(110)와 대응되는 형상의 별도 어댑터가 구비될 수 있다. 이에 따라, 건측 다리의 운동이 관절부(10)로 전달될 수 있다.

상부 어댑터(110)의 하측에는 관절 본체(120)가 위치된다.

관절 본체(120)는 관절부(10)의 외관을 형성한다.

관절 본체(120)의 상측은 상부 어댑터(110)의 하측과 결합된다.

관절 본체(120)의 일 측에는 실린더 로드 축공(121)이 형성된다. 도시된 실시 예에서, 관절 본체(120)의 전방 측에는 실린더 로드 축공(121)이 형성된다.

실린더 로드 축공(121)은 후술하는 실린더 로드 축(140)이 관통 결합되는 부분이다.

실린더 로드 축공(121)은 원형의 단면이 좌우 방향으로 연장되어 형성된다.

실린더 로드 축공(121)과 반대되는 관절 본체(120)의 타 측에는 관절 축(130)이 결합된다. 도시된 실시 예에서, 관절 본체(120)의 후방 측에는 관절 축(130)이 결합된다.

관절 축(130)은 관절 본체(120)와 결합되어, 관절 본체(120)와 함께 운동된다. 즉, 관절 축(130)은 관절 본체(120)가 일 방향으로 회전됨에 따라, 상기 일 방향으로 함께 회전된다.

관절 본체(120) 및 관절 축(130)이 회전됨에 따라, 관절 축(130)과 결합된 실린더 로드 축(140) 또한 이동된다.

실린더 로드 축(140)은 관절 본체(120)의 실린더 로드 축공(121)에 관통 결합된다.

실린더 로드 축(140)은 실린더 로드 축공(121)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성된다. 도시된 실시 예에서, 실린더 로드 축(140)은 좌우 방향으로 연장된다.

실린더 로드 축(140)의 외경은 실린더 로드 축공(121)의 내경과 동일하거나 그보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.

실린더 로드 축(140)은 관절 본체(120)에 대하여 상대적으로 회전 가능하다. 관절 본체(120) 및 관절 축(130)이 상측으로 회전됨에 따라, 실린더 로드 축(140)은 관절 본체(120)의 회전 반경을 따라 상측으로 이동된다. 동시에, 실린더 로드 축(140)은 관절 본체(120)의 회전 방향과 반대되는 방향으로 회전될 수 있다.

착용자의 건측 다리와 반대되는 관절부(10)의 일 측에는 골격부(20)가 결합된다. 즉, 관절부(10)의 하측에는 골격부(20)가 결합된다.

골격부(20)는 착용자의 신체를 지지하고, 하지 의지(1)의 골조로서 기능한다.

골격부(20)는 일 방향으로 연장되어 형상된다. 상기 일 방향은 착용자의 건측 다리에서 지면을 향하는 방향, 즉 상하 방향이다.

골격부(20)는 관절부(10)의 하측에 배치된다.

골격부(20)는 관절부(10)에 대하여 상대적으로 회전 가능하게 결합된다. 상기 회전 방향은 골격부(20)가 전방 측 또는 후방 측으로 이동되는 방향이다.

도시된 실시 예에서, 골격부(20)는 골격 프레임(210), 실린더(220), 베이스 프레임(230), 제1 하중 센서(240) 및 제2 하중 센서(250)를 포함한다.

이하에서는, 도 2를 참조하여 골격부(20)의 구성 요소에 대하여 상세하게 설명한다.

골격 프레임(210)은 골격부(20)의 외관을 형성한다.

골격 프레임(210)은 상하 방향으로 연장된다. 골격 프레임(210)은 하지 의지(1)의 착용 위치에 따라, 착용자의 대퇴 또는 하퇴 길이와 대응되는 길이로 형성될 수 있다.

골격 프레임(210)은 그 상단부가 관절부(10)의 좌우측의 일 부분을 감싸도록 배치된다. 구체적으로, 그 상단부가 관절 본체(120)의 좌우측의 일 부분을 감싸도록 배치된다.

골격 프레임(210)의 상측에는 관절 축(130)이 관통 결합된다. 관절 축(130)은 골격 프레임(210)에 대하여 상대적으로 회전 가능하다. 이에 따라, 관절 축(130)과 결합된 관절 본체(120) 또한 골격 프레임(210)에 대하여 상대적으로 회전 가능하다.

골격 프레임(210)은 고강성의 소재로 형성된다. 예를 들어, 골격 프레임(210)은 금속 또는 PVC 재질로 형성될 수 있다.

도시된 실시 예에서, 골격 프레임(210)은 프레임 측면부(211) 및 프레임 저면부(212)로 구분될 수 있다.

프레임 측면부(211)는 골격 프레임(210)의 좌측 및 우측 외관을 형성한다.

두 개의 프레임 측면부(211)는 관절부(10)를 사이에 두고 서로 마주보도록 위치된다.

프레임 측면부(211)는 상하 방향으로 연장되는 기둥 형상으로 형성된다.

프레임 측면부(211)의 상측에는 관절 축 결합공(211a)이 형성된다.

관절 축 결합공(211a)은 관절부(10)의 관절 축(130)이 관통되는 부분이다. 관절 축(130)은 관절 축 결합공(211a)에 대하여 상대적으로 회전 가능하다.

관절 축 결합공(211a)은 원형의 단면이 관절 축(130)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되어 형성된다. 도시된 실시 예에서, 상기 연장 방향은 좌우 방향이다.

관절 축 결합공(211a)의 내경은 관절 축(130)의 외경과 동일하거나 그보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

관절 축 결합공(211a)과 반대되는 프레임 측면부(211)의 일 측에는 연결 핀 결합공(211b)이 형성된다. 즉, 프레임 측면부(211)의 하측에는 연결 핀 결합공(211b)이 형성된다.

연결 핀 결합공(211b)은 원형의 단면이 좌우 방향으로 연장되어 형성된다.

연결 핀 결합공(211b)에는 후술하는 실린더 연결 핀(223)이 관통된다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.

프레임 측면부(211)의 하측은 프레임 저면부(212)와 연결된다. 구체적으로, 프레임 측면부(211)의 하측은 프레임 저면부(212)의 좌측 및 우측과 연결된다.

프레임 저면부(212)는 골격 프레임(210)의 하측 외관을 형성한다.

프레임 저면부(212)는 판 형상으로 형성된다. 도시된 실시 예에서, 프레임 저면부(212)는 좌우 방향 및 전후 방향으로 연장되는 사각형의 판 형상으로 형성된다.

골격 프레임(210)의 내부에는 실린더(220)가 배치된다.

이하에서는, 도 3을 참조하여 실린더(220)에 대하여 설명한다.

실린더(220)는 착용자의 보행 시 외력에 의해 압축되거나 인장되며 착용자의 보행을 보조한다.

실린더(220)는 골격 프레임(210)의 내부에 배치된다. 구체적으로, 실린더(220)는 그 좌측, 우측 및 하측이 프레임 측면부(211) 및 프레임 저면부(212)에 의해 둘러싸이도록 배치된다. 이에 따라, 실린더(220)의 좌측, 우측 및 하측이 골격 프레임(210)에 의해 지지될 수 있다.

실린더(220)의 상측은 관절부(10)의 실린더 로드 축(140)과 결합된다. 이에 따라, 실린더(220)는 실린더 로드 축(140)이 회전될 때, 실린더 로드 축(140)과 함께 회전될 수 있다. 즉, 실린더(220)는 관절 본체(120)에 대하여 상대적으로 회전 가능하다.

실린더(220)의 하측은 프레임 저면부(212)를 사이에 두고 후술하는 베이스 프레임(230)과 마주보도록 배치된다.

도시된 실시 예에서, 실린더(220)는 실린더 로드(221), 실린더 본체(222) 및 실린더 연결 핀(223)을 포함한다.

실린더 로드(221)는 왕복 운동되며, 실린더(220) 전체가 압축되거나 인장되도록 한다.

실린더 로드(221)는 관절부(10)의 하측에 배치된다. 구체적으로, 실린더 로드(221)는 실린더 로드 축(140)의 하측에 배치된다.

실린더 로드(221)는 그 상단부가 관절부(10)의 실린더 로드 축(140) 중심부와 결합된다. 이에 따라, 실린더 로드(221) 및 실린더 로드 축(140)은 함께 이동될 수 있다. 따라서, 실린더 로드(221)는 실린더 로드 축(140)과 함께 관절 본체(120)에 대하여 회전될 수 있다.

실린더 로드(221)는 일 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성된다. 상기 일 방향은 실린더(220)의 축방향과 동일하다.

실린더 로드(221)의 하측은 실린더 본체(222)의 내부에 수용된다.

실린더 본체(222)는 실린더 로드(221)의 왕복 통로를 형성한다.

실린더 본체(222)는 좌측, 우측 및 하측이 골격 프레임(210)에 의해 둘러싸이도록 배치된다.

실린더 본체(222)는 일 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성된다. 상기 일 방향은 실린더 로드(221)의 연장 방향과 동일하다.

실린더 본체(222)의 내부에는 실린더 로드(221)의 일부가 수용될 수 있는 공간이 형성된다. 구체적으로, 실린더 본체(222)는 실린더 로드(221)의 하단부를 둘러싸며 엄폐하도록 배치된다.

상기 공간은 실린더 본체(222)의 축방향과 동일한 방향으로 연장된다. 이때, 상기 공간의 내경은 실린더 로드(221)의 외경과 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공간에는 실린더 로드(221)의 왕복 통로가 형성된다. 즉, 실린더 로드(221)는 상기 공간을 통해 실린더 본체(222) 내외부로 왕복 운동된다.

실린더(220)가 관절부(10)에 대하여 전방 측으로 회전될 때, 실린더 로드(221)는 실린더 본체(222)의 내부를 향해 이동된다. 이에 따라, 실린더(220) 전체 길이는 압축된다. 반대로, 실린더(220)가 관절부(10)에 대하여 후방 측으로 회전될 때, 실린더 로드(221)는 실린더 본체(222)의 외부를 향해 이동된다. 이에 따라, 실린더(220) 전체 길이는 인장된다.

정리하면, 실린더(220)가 관절부(10)에 대하여 회전됨에 따라, 실린더 로드(221)가 실린더 본체(222)의 내외부를 통해 운동되며 실린더(220) 전체 길이를 압축 또는 인장시킨다.

실린더 본체(222)의 하측에는 실린더 연결 핀(223)이 관통 결합된다.

실린더 연결 핀(223)은 골격 프레임(210) 및 실린더(220)에 동시에 관통되며, 골격 프레임(210)과 실린더(220)가 서로에 대하여 결합되도록 한다.

이하에서는, 도 4 및 도 5를 참조하여 실린더 연결 핀(223)에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

실린더 연결 핀(223)은 골격 프레임(210) 및 실린더 본체(222)의 하측에 관통된다. 구체적으로, 실린더 연결 핀(223)은 프레임 측면부(211)의 연결 핀 결합공(211b)에 관통된다. 이에 따라, 실린더 연결 핀(223)은 연결 핀 결합공(211b)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장된다.

실린더 연결 핀(223)은 실린더 본체(222)와 서로에 대하여 상대적으로 회전 가능하게 결합된다. 구체적으로, 실린더(220)가 압축될 때 실린더 본체(222)는 실린더 연결 핀(223)에 대하여 후방 측으로 회전되고, 실린더(220)가 인장될 때 실린더 본체(222)는 실린더 연결 핀(223)에 대하여 전방 측으로 회전된다.

실린더 연결 핀(223)은 일 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성된다. 도시된 실시 예에서, 상기 일 방향은 좌우 방향이다.

실린더 연결 핀(223)의 일 단에는 연결 핀 헤드(223a)가 형성된다. 도시된 실시 예에서, 실린더 연결 핀(223)의 좌측 단부에는 연결 핀 헤드(223a)가 형성된다.

실린더 연결 핀(223)은 연결 핀 헤드(223a)에 의해 골격 프레임(210) 및 실린더 본체(222)로부터 임의 이탈되는 것이 방지된다.

연결 핀 헤드(223a)는 실린더 본체(222)와 반대되는 골격 프레임(210)의 일 면에 인접하게 배치된다.

연결 핀 헤드(223a)는 원판 형상으로 형성된다. 이때, 연결 핀 헤드(223a)의 외경은 연결 핀 결합공(211b)보다 크게 형성된다.

이에 따라, 실린더 연결 핀(223)은 골격 프레임(210)에서 멀어지는 일 방향으로 이동될 수 있으나, 반대 방향으로의 이동은 골격 프레임(210)에 의해 제한된다. 도시된 실시 예에서, 실린더 연결 핀(223)은 좌측으로만 이동될 수 있으며, 우측 이동은 골격 프레임(210)에 의해 제한된다.

실린더 본체(222)를 향하는 연결 핀 헤드(223a)의 일 측에는 연결 핀 굴대부(223b)가 연결된다. 도시된 실시 예에서, 연결 핀 헤드(223a)의 우측에는 연결 핀 굴대부(223b)가 연결된다.

연결 핀 굴대부(223b)는 일 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성된다. 도시된 실시 예에서, 상기 일 방향은 좌우 방향이다.

연결 핀 굴대부(223b)는 골격 프레임(210)의 연결 핀 결합공(211b)에 관통된다. 이를 위해, 연결 핀 굴대부(223b)의 외경은 연결 핀 결합 공의 내경과 동일하거나 그보다 작게 형성된다. 즉, 연결 핀 굴대부(223b)의 외경은 연결 핀 헤드(223a)의 직경보다 작게 형성된다.

연결 핀 굴대부(223b)의 일 면에는 연결 핀 제1 노치(notch)(223c)가 함몰 형성된다. 도시된 실시 예에서, 연결 핀 굴대부(223b)의 저면에는 연결 핀 제1 노치(223c)가 함몰 형성된다.

도시된 실시 예에서, 연결 핀 제1 노치(223c)는 U-형으로 형성될 수 있다. 그러나, 연결 핀 제1 노치(223c)는 도시된 형태에 한정되지 않고, 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 연결 핀 제1 노치(223c)는 V-형으로 형성될 수 있다.

연결 핀 제1 노치(223c)는 연결 핀 굴대부(223b)의 축방향에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 일 위치에 형성된다. 일 실시 예에서, 연결 핀 제1 노치(223c)는 연결 핀 굴대부(223b)의 축방향 중심부에 형성된다.

이에 따라, 실린더 연결 핀(223)에 가해지는 하중이 연결 핀 제1 노치(223c)로 집중될 수 있다. 따라서, 연결 핀 제1 노치(223c)의 변형량으로부터 실린더 연결 핀(223)에 가해지는 하중이 도출될 수 있다.

연결 핀 제1 노치(223c)에 반대되는 연결 핀 굴대부(223b)의 타 면에는 연결 핀 제2 노치(223d)가 함몰 형성된다. 즉, 연결 핀 제2 노치(223d)는 연결 핀 제1 노치(223c)와 대향되는 연결 핀 굴대부(223b)의 타 면에 형성된다. 도시된 실시 예에서, 연결 핀 제2 노치(223d)는 연결 핀 굴대부(223b)의 상면에 형성된다.

연결 핀 제2 노치(223d)는 연결 핀 굴대부(223b)의 축방향에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 일 위치에 형성된다. 일 실시 예에서, 연결 핀 제2 노치(223d)는 연결 핀 굴대부(223b)의 축방향 중심부에 형성된다.

이에 따라, 실린더 연결 핀(223)에 가해지는 하중이 연결 핀 제2 노치(223d)로 집중될 수 있다. 따라서, 연결 핀 제2 노치(223d)의 변형량으로부터 실린더 연결 핀(223)에 가해지는 하중이 도출될 수 있다.

도시된 실시 예에서, 연결 핀 제2 노치(223d)는 사다리꼴 단면이 전후 방향으로 연장되어 형성된다. 또한, 상기 실시 예에서, 연결 핀 제2 노치(223d)는 실린더 연결 핀(223)의 축방향 길이가 연결 핀 제1 노치(223c)의 길이보다 크게 형성된다.

그러나, 연결 핀 제2 노치(223d)는 도시된 형태에 한정되지 않고 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 연결 핀 제2 노치(223d)는 V-형 단면이 전후 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

도시된 실시 예에서, 연결 핀 제2 노치(223d)의 중심부에는 센서 부착면(223d')이 형성된다.

센서 부착면(223d')은 후술하는 제1 하중 센서(240)의 설치 위치를 가이드한다. 달리 포현하면, 후술하는 제1 하중 센서(240)는 연결 핀 제2 노치(223d)의 센서 부착면(223d')에 설치된다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.

센서 부착면(223d')은 실린더 연결 핀(223)의 축방향을 따라 연장된다. 도시된 실시 예에서, 센서 부착면(223d')은 좌우 방향으로 연장된다.

연결 핀 제2 노치(223d)의 일 부분에는 배선 홀(223d'')이 관통 형성된다. 도시된 실시 예에서, 연결 핀 제2 노치(223d)의 좌측 하단에는 배선 홀(223d'')이 형성된다.

배선 홀(223d'')은 실린더 연결 핀(223)의 내부 중공과 연통된다.

연결 핀 노치(223c, 223d)에는 제1 하중 센서(240)가 설치된다.

이하에서는, 도 6 및 도 7을 참조하여 제1 하중 센서(240)에 대하여 설명한다.

제1 하중 센서(240)는 연결 핀 노치(223c, 223d)의 변형량으로부터 실린더(220)에 가해지는 압축 하중 또는 인장 하중을 도출한다.

제1 하중 센서(240)는 연결 핀 노치(223c, 223d)의 일 위치에 설치된다. 도시된 실시 예에서, 제1 하중 센서(240)는 연결 핀 제2 노치(223d)의 센서 부착면(223d')에 설치된다.

도시된 실시 예에서, 제1 하중 센서(240)는 제1 스트레인 게이지(strain gauge)(241), 제1 신호 처리부(242) 및 제1 배선(243)을 포함한다.

제1 스트레인 게이지(241)는 연결 핀 노치(223c, 223d)의 변형량을 측정한다.

제1 스트레인 게이지(241)는 상기 변형량을 제1 신호 처리부(242)로 전달한다.

제1 신호 처리부(242)는 제1 스트레인 게이지(241)와 전기적으로 연결된다.

제1 신호 처리부(242)는 연결 핀 노치(223c, 223d)의 변형량에 기초하여 실린더(220)의 압축 하중 또는 인장 하중 데이터를 디지털 신호로 도출한다. 구체적으로, 시간 변화에 따른 실린더(220)의 압축 하중 또는 인장 하중의 변화 데이터가 도출된다.

이는 연결 핀 노치(223c, 223d)가 실린더(220)의 압축 하중 또는 인장 하중에 의해 변형되는 것에 기인한다.

연결 핀 노치(223c, 223d)는 실린더 연결 핀(223)의 축방향에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 위치에 형성된다. 이때, 실린더 연결 핀(223)은 실린더(220)의 압축 하중 또는 인장 하중을 전달받아 변형된다.

따라서, 상기 데이터를 이용한 실린더(220) 제어의 피드백이 가능하다. 더 나아가, 실린더(220)의 정상 구동 여부가 보다 용이하게 점검될 수 있다.

제1 스트레인 게이지(241) 및 제1 신호 처리부(242)는 각각 제1 배선(243)과 결합된다. 구체적으로, 제1 스트레인 게이지(241) 및 제1 신호 처리부(242)는 각각 제1 배선(243)과 전기적으로 연결된다.

제1 배선(243)은 제1 하중 센서(240)를 외부와 전기적으로 연결한다.

제1 배선(243)은 실린더 연결 핀(223)의 축방향과 동일한 방향으로 연장된다.

도시된 실시 예에서, 제1 배선(243)은 연결 핀 제2 노치(223d)의 배선 홀(223d'')을 통해 실린더 연결 핀(223)의 내부 중공으로 유입된다. 이를 위해, 제1 배선(243)의 단면적은 배선 홀(223d'')의 단면적보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 골격 프레임(210) 및 실린더(220)의 조립 공정을 보다 용이하게 하기 위함이다.

이상으로, 실린더 연결 핀(223)에 설치되는 제1 하중 센서(240)에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 하지 의지(1)는 제1 하중 센서(240) 외에 골격부(20)의 베이스 프레임(230)에 설치되는 제2 하중 센서(250)가 구비될 수 있다.

이하에서는, 도 8 및 도 9를 참조하여 베이스 프레임(230)에 대하여 상세하게 설명한다.

베이스 프레임(230)은 골격 프레임(210)의 하측에 배치된다. 또한, 베이스 프레임(230)은 프레임 저면부(212)의 저면에 결합된다.

베이스 프레임(230)의 하측에는 슬관절 또는 발목 관절이 위치된다.

도시된 실시 예에서, 베이스 프레임(230)은 베이스 어댑터(231) 및 베이스 플레이트(232)를 포함한다.

베이스 어댑터(231)는 골격부(20)와 슬관절 또는 발목 관절을 연결하는 부분이다.

베이스 어댑터(231)는 베이스 프레임(230)의 저면에서 슬관절 또는 발목 관절을 향하는 방향으로 돌출되어 형성된다.

베이스 어댑터(231)는 슬관절 또는 발목 관절에 고정 결합된다. 이를 위해, 슬관절 또는 발목 관절에는 베이스 어댑터(231)와 대응되는 별도 어댑터가 구비될 수 있다. 이에 따라, 골격부(20)의 운동이 슬관절 또는 발목 관절로 전달될 수 있다.

베이스 어댑터(231)의 상측에는 베이스 플레이트(232)가 결합된다.

베이스 플레이트(232)는 지면 반발력 및 모멘트 하중에 의해 변형될 수 있다.

베이스 플레이트(232)는 골격 프레임(210)의 하측에 배치된다. 또한, 베이스 플레이트(232)의 상면은 골격 프레임(210)의 프레임 저면부(212)와 결합된다.

베이스 플레이트(232)는 판 형상으로 형성된다. 일 실시 예에서, 베이스 플레이트(232)는 프레임 저면부(212)와 대응되는 형상으로 형성된다. 도시된 실시 예에서, 베이스 플레이트(232)는 전후 방향 및 좌우 방향으로 연장되는 사각형의 판 형상으로 형성된다.

일 실시 예에서, 베이스 플레이트(232)의 전후 방향 및 좌우 방향의 길이는, 프레임 저면부(212)의 전후 방향 및 좌우 방향의 길이와 동일하게 형성된다.

도시된 실시 예에서, 베이스 플레이트(232)는 플레이트 상면부(232a) 및 플레이트 저면부(232b)로 구분될 수 있다.

플레이트 상면부(232a) 및 플레이트 저면부(232b)는 각각 베이스 플레이트(232)의 상측 및 하측 외관을 형성한다.

플레이트 저면부(232b)에는 플레이트 노치(232c)가 함몰 형성된다.

도시된 실시 예에서, 플레이트 노치(232c)는 U-형으로 형성될 수 있다. 그러나, 플레이트 노치(232c)는 도시된 형태에 한정되지 않고, 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 플레이트 노치(232c)는 V-형으로 형성될 수 있다.

플레이트 노치(232c)는 플레이트 저면부(232b)의 횡방향 또는 종방향에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 일 위치에 형성된다. 이에 따라, 베이스 프레임(230)에 가해지는 하중이 플레이트 노치(232c)로 집중될 수 있다. 따라서, 플레이트 노치(232c)의 변형량으로부터 베이스 프레임(230)에 가해지는 하중이 도출될 수 있다.

플레이트 노치(232c)는 복수 개 형성될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 플레이트 노치(232c)는 네 개 구비된다. 상기 실시 예에서, 네 개의 플레이트 노치(232c)는 베이스 플레이트(232)의 중심점으로부터의 거리가 모두 동일하도록 배치된다.

또한, 상기 실시 예에서, 좌우 방향으로 배치되는 두 개의 플레이트 노치(232c)는, 전후 방향으로 배치되는 두 개의 플레이트 노치(232c)와 수직으로 교차된다.

플레이트 상면부(232a)에는 제2 하중 센서(250)가 설치된다.

이하에서는, 도 10 및 도 11을 참조하여 제2 하중 센서(250)에 대하여 설명한다.

제2 하중 센서(250)는 플레이트 노치(232c)의 변형량으로부터 베이스 프레임(230)에 가해지는 지면 반발력 및 모멘트 하중을 도출한다. 이를 통해, 제2 하중 센서(250)는 착용자의 보행 주기를 판별할 수 있다.

전술한 바와 같이, 제2 하중 센서(250)는 베이스 플레이트(232)의 플레이트 상면부(232a)에 설치된다. 구체적으로, 제2 하중 센서(250)는 플레이트 노치(232c)의 대향면에 위치된다.

도시된 실시 예에서, 제2 하중 센서(250)는 제2 스트레인 게이지부(251), 제2 신호 처리부(252) 및 제2 배선(253)을 포함한다.

제2 스트레인 게이지부(251)는 베이스 프레임(230)의 변형량을 측정한다.

도시된 실시 예에서, 제2 스트레인 게이지부(251)는 전방 스트레인 게이지(251a), 후방 스트레인 게이지(251b) 및 축방향 스트레인 게이지(251c)를 포함한다.

전방 스트레인 게이지(251a) 및 후방 스트레인 게이지(251b)는 각각 베이스 플레이트(232)의 전방 측 및 후방 측에 설치된다. 이에 따라, 전방 스트레인 게이지(251a) 및 후방 스트레인 게이지(251b)는 각각 베이스 프레임(230)의 전방 측 및 후방 측의 변형량을 측정한다.

축방향 스트레인 게이지(251c)는 전방 스트레인 게이지(251a) 및 후방 스트레인 게이지(251b)와 각각 이격되는 베이스 플레이트(232)의 일 부분에 설치된다. 도시된 실시 예에서, 축방향 스트레인 게이지(251c)는 베이스 플레이트(232)의 좌측에 설치된다.

축방향 스트레인 게이지(251c)는 베이스 플레이트(232)의 상기 일 부분의 변형량을 측정한다.

제2 스트레인 게이지부(251)는 상기 변형량을 제2 신호 처리부(252)로 전달한다.

제2 신호 처리부(252)는 제2 스트레인 게이지부(251)와 전기적으로 연결된다.

제2 신호 처리부(252)는 플레이트 노치(232c)의 변형량에 기초하여 베이스 프레임(230)에 가해지는 지면 반발력 및 모멘트 하중을 디지털 신호로 도출한다.

이는 플레이트 노치(232c)가 지면 반발력 또는 모멘트 하중에 의해 변형되는 것에 기인한다. 플레이트 노치(232c)는 베이스 프레임(230)의 횡방향 또는 종방향에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 위치에 형성된다. 이때, 베이스 프레임(230)은 지면 반발력 및 모멘트 하중을 전달받아 변형된다.

구체적으로, 전방 스트레인 게이지(251a), 후방 스트레인 게이지(251b) 및 축방향 스트레인 게이지(251c)에서 측정된 플레이트 노치(232c)의 변형은, 각각 착용자의 발가락에 의해 발생되는 모멘트 하중, 뒤꿈치에 의해 발생되는 모멘트 하중 및 지면 반발력에 의해 발생된다.

따라서, 제2 신호 처리부(252)에 의해 시간 변화에 따른 지면 반발력 및 모멘트 하중의 변화 데이터가 도출될 수 있다.

도시된 실시 예에서, 전방 스트레인 게이지(251a), 후방 스트레인 게이지(251b), 축방향 스트레인 게이지(251c) 및 제2 신호 처리부(252)는 베이스 플레이트(232)의 서로 다른 모서리에 배치된다. 상기 실시 예에서, 전방 스트레인 게이지(251a) 및 후방 스트레인 게이지(251b)는 베이스 플레이트(232)의 서로 반대되는 모서리에 배치된다.

또한, 상기 실시 예에서, 전방 스트레인 게이지(251a) 및 후방 스트레인 게이지(251b)는 베이스 플레이트(232)의 전후 방향으로 나란하게 배치되고, 축방향 스트레인 게이지(251c) 및 신호 처리부는 베이스 프레임(230)의 좌우 방향으로 나란하게 배치된다.

제2 스트레인 게이지부(251) 및 제2 신호 처리부(252)는 각각 제2 배선(253)과 결합된다. 구체적으로, 제2 스트레인 게이지부(251) 및 제2 신호 처리부(252)는 각각 제2 배선(253)과 전기적으로 연결된다.

제2 배선(253)은 제2 하중 센서(250)를 외부와 전기적으로 연결한다.

일 실시 예에서, 제2 배선(253)은 제2 신호 처리부(252)의 일 측으로부터 베이스 플레이트(232)에서 멀어지는 방향으로 연장된다. 도시된 실시 예에서, 제2 배선(253)은 제2 신호 처리부(252)의 우측으로 연장된다.

이하에서는, 도 12내지 도 13을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 하중 센서(240, 250)가 착용자의 보행 주기를 분석하는 과정에 대하여 설명한다.

우선, 하지 의지(1)에 가해지는 축방향 하중에 대하여 설명한다.

도 12는 하지 의지(1)의 착용자의 보행 시간에 따른 축방향 하중 및 지면 반발력의 변화를 나타낸다. 이를 통해, 하지 의지(1)에 가해지는 축방향 하중이 지면 반발력과 매우 유사하게 변화됨을 확인할 수 있다. 이에 따라, 하지 의지(1)에 가해지는 축방향 하중 변화로부터 지면 반발력 변화가 도출될 수 있다. 결과적으로, 착용자의 입각기 및 유각기가 보다 정밀하게 판별될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 스트레인 게이지(241, 251)는 노치(223c, 223d, 232c)와 인접하게 설치되어 변형량을 측정한다. 이를 통해, 하지 의지(1)에 가해지는 실린더(220) 하중, 축방향 하중 및 모멘트 하중이 도출될 수 있다.

따라서, 시간 변화에 따른 실린더(220) 하중, 축방향 하중 및 모멘트 하중의 변화의 종합 데이터가 도출될 수 있다. 이는 착용자의 보행 주기 분석에 이용될 수 있다.

보행 주기는 입각기 및 유각기로 구분될 수 있다. 입각기는 일 측의 발꿈치가 접지된 때부터 발가락이 지지면에서 분리된 때까지의 기간을, 유각기는 발가락이 지지면에서 분리된 때부터 다시 발꿈치가 접지된 때까지의 기간을 의미한다. 보행 주기는 입각기 및 유각기가 교번적으로 반복되며 진행된다.

도시된 실시 예에서, 보행 시간이 t1일 때 유각기가 시작되고, t2일 때 유각기가 종료되고 입각기가 시작되며, t5일 때 입각기가 종료되고 다시 유각기가 시작된다.

유각기 동안, 하지 의지(1)의 축방향 하중 및 모멘트 하중은 시간의 경과와 무관하게 그 크기가 변화되지 않는다. 그러나, 하지 의지(1)의 실린더(220) 하중은 실린더(220)가 압축 및 인장됨에 따라 그 크기가 큰 폭으로 감소된 후 소폭 증가된다.

입각기는 보행 시간에 따라 세 개의 구간으로 세분화될 수 있다.

보행 시간이 t2가 될 때, 착용자의 뒤꿈치가 지면에 접촉된다. 이후, 착용자의 발가락이 지면을 향해 이동된다. 이에 따라, 하지 의지(1)의 축방향 하중 및 모멘트 하중이 점차 감소된다. 반대로, 실린더(220) 하중은 실린더(220)가 인장됨에 따라 점차 증가된다.

보행 시간이 t3가 될 때, 착용자의 발가락이 지면에 접촉된다. 이때, 착용자의 뒤꿈치 및 발가락이 모두 지면에 접촉된다. 따라서, 하지 의지(1)의 축방향 하중의 최솟값이 측정될 수 있다.

이후, 보행 시간이 t4가 될 때까지 착용자의 뒤꿈치가 지면에서 분리된다. 상기 과정에서 하지 의지(1)의 축방향 하중이 증가되고, 모멘트 하중 또한 큰 폭으로 증가된다. 또한, 실린더(220) 하중이 실린더(220)가 인장됨에 따라 점차 증가된다.

보행 시간이 t4에 도달되면, 착용자의 발가락이 지면에서 분리되기 시작한다. 상기 과정에서 하지 의지(1)의 모멘트 하중이 감소된다. 그러나, 축방향 하중은 증가된다. 실린더(220) 하중 또한, 실린더(220)가 계속 인장됨에 따라 계속 증가된다.

보행 시간이 t5에 도달되면, 보행 주기가 다시 유각기에 진입되며 상술한 과정이 반복된다.

본 발명의 실시 예에 따른 하중 센서는, 상기 과정에서 도 13과 같이 보다 정밀한 보행 주기 분석 데이터를 습득할 수 있다. 더 나아가, 상기 데이터는 보다 높은 신뢰도의 통합 제어 알고리즘 개발 자료로도 활용될 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 설명된 실시 예들의 구성에 한정되는 것이 아니다.

또한, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.

더 나아가, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

1: 하지 의지
10: 관절부
110: 상부 어댑터(adapter)
120: 관절 본체
121: 실린더 로드 축공
130: 관절 축
140: 실린더 로드 축
20: 골격부
210: 골격 프레임
211: 프레임 측면부
211a: 관절 축 결합공
211b: 연결 핀 결합공
212: 프레임 저면부
220: 실린더
221: 실린더 로드
222: 실린더 본체
223: 실린더 연결 핀
223a: 연결 핀 헤드
223b: 연결 핀 굴대부
223c: 연결 핀 제1 노치(notch)
223d: 연결 핀 제2 노치
223d': 센서 부착면
223d'': 배선 홀
230: 베이스 프레임
231: 베이스 어댑터
232: 베이스 플레이트
232a: 플레이트 상면부
232b: 플레이트 저면부
232c: 플레이트 노치
240: 제1 하중 센서
241: 제1 스트레인 게이지(strain gauge)
242: 제1 신호 처리부
243: 제1 배선
250: 제2 하중 센서
251: 제2 스트레인 게이지부
251a: 전방 스트레인 게이지
251b: 후방 스트레인 게이지
251c: 축방향 스트레인 게이지
252: 제2 신호 처리부
253: 제2 배선

Claims

일 방향으로 연장되는 골격 프레임;
상기 골격 프레임과 결합되고, 외력에 의해 압축되거나 인장될 수 있는 실린더; 및
상기 실린더의 압축 하중 또는 인장 하중을 측정하는 제1 하중 센서를 포함하고,
상기 실린더는,
내부에 실린더 로드의 왕복 통로가 형성되는 실린더 본체; 및
원기둥 형상으로 형성되고, 상기 실린더 본체 및 상기 골격 프레임에 관통 결합되는 실린더 연결 핀을 포함하며,
상기 제1 하중 센서는,
상기 실린더 연결 핀에 함몰 형성되는 연결 핀 노치(notch)에 설치되는,
하지 의지.
제1항에 있어서,
상기 골격 프레임의 일 단과 결합되고, 판 형상으로 형성되며, 상기 골격 프레임과 반대되는 일 면에 플레이트 노치가 함몰 형성되는 베이스 프레임; 및
상기 베이스 프레임의 타 면에 설치되고, 상기 플레이트 노치와 인접하게 배치되어, 상기 베이스 프레임에 가해지는 지면 반발력 및 모멘트 하중을 측정하는 제2 하중 센서를 포함하는,
하지 의지.
제1항에 있어서,
상기 연결 핀 노치는,
상기 실린더 연결 핀의 축방향 중심부에 형성되는,
하지 의지.
제3항에 있어서,
상기 연결 핀 노치는,
상기 실린더 연결 핀의 축방향에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 일 위치에 형성되는,
하지 의지.
제1항에 있어서,
상기 연결 핀 노치는,
상기 실린더 연결 핀의 일 면에 형성되는 연결 핀 제1 노치; 및
상기 실린더 연결 핀의 타 면에 형성되고, 상기 연결 핀 제1 노치와 대향되는 연결 핀 제2 노치를 포함하는,
하지 의지.
제5항에 있어서,
상기 연결 핀 제2 노치는,
상기 실린더 연결 핀의 축방향 길이가 상기 연결 핀 제1 노치의 길이보다 크게 형성되는,
하지 의지.
제5항에 있어서,
상기 연결 핀 제2 노치의 중심부에는,
상기 실린더 연결 핀의 축방향을 따라 연장되고, 상기 제1 하중 센서가 설치되는 센서 부착면이 형성되는,
하지 의지.
제1항에 있어서,
상기 제1 하중 센서는,
상기 실린더 연결 핀의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지(strain gauge); 및
상기 스트레인 게이지와 전기적으로 연결되고, 상기 변형량에 기초하여 상기 실린더의 압축 하중 또는 인장 하중 데이터를 디지털 신호로 도출하는 신호 처리부를 포함하는,
하지 의지.
제1항에 있어서,
상기 제1 하중 센서는,
배선에 의해 외부와 전기적으로 연결되고,
상기 배선은,
상기 연결 핀 노치에 형성된 배선 홀을 통해 상기 실린더 연결 핀의 내부로 유입되는,
하지 의지.
삭제
제2항에 있어서,
상기 노치는,
상기 베이스 프레임의 횡방향 또는 종방향에서 응력 집중이 최대로 이루어질 수 있는 일 위치에 형성되는,
하지 의지.
제2항에 있어서,
상기 제2 하중 센서는,
상기 베이스 프레임의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지부; 및
상기 스트레인 게이지부와 전기적으로 연결되고, 상기 변형량에 기초하여 상기 베이스 프레임에 가해지는 지면 반발력 및 모멘트 하중을 디지털 신호로 도출하는 신호 처리부를 포함하는,
하지 의지.
제12항에 있어서,
상기 스트레인 게이지부는,
상기 베이스 프레임의 전방 측의 변형량을 측정하는 전방 스트레인 게이지;
상기 베이스 프레임의 후방 측의 변형량을 측정하는 후방 스트레인 게이지; 및
상기 전방 스트레인 게이지 및 상기 후방 스트레인 게이지와 각각 이격되는 상기 베이스 프레임의 일 부분의 변형량을 측정하는 축방향 스트레인 게이지를 포함하는,
하지 의지.
제13항에 있어서,
상기 전방 스트레인 게이지, 상기 후방 스트레인 게이지, 상기 축방향 스트레인 게이지 및 상기 신호 처리부는 상기 베이스 프레임의 서로 다른 모서리에 배치되고,
상기 전방 스트레인 게이지 및 상기 후방 스트레인 게이지는 상기 베이스 프레임의 서로 반대되는 모서리에 배치되는,
하지 의지.
제14항에 있어서,
상기 전방 스트레인 게이지 및 상기 후방 스트레인 게이지는 상기 베이스 프레임의 종방향으로 나란하게 배치되고,
상기 축방향 스트레인 게이지 및 상기 신호 처리부는 상기 베이스 프레임의 횡방향으로 나란하게 배치되는,
하지 의지.