KR101854674B1 - 보행 재활 장치 - Google Patents

Abstract

보행 재활 장치는 기초 프레임과, 상기 기초 프레임에 회전 가능하게 연결되며 사용자의 허벅지에 고정되는 제1 링크와, 상기 제1 링크에 회전 가능하게 연결되며 사용자의 종아리에 고정되는 제2 링크와, 기준 축(axis) 주위를 공전 운동하는 제1 조인트에 일단이 연결되고, 상기 제1 링크와 타단이 연결되는 제3 링크와, 상기 제1 조인트의 공전 궤도보다 큰 공전 궤도를 가지고 상기 기준 축 주위를 공전 운동하는 제2 조인트에 일단이 연결되고, 상기 제2 링크와 타단이 연결되는 제4 링크를 포함하고, 상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트가 동일한 공전 주기로 공전 운동함에 따른 상기 제3 링크와 상기 제4 링크의 상대 이동에 의해, 보행에 필요한 다리의 실제 움직임을 모사하는 상기 제1 링크 및 상기 제2 링크의 동작이 이루어진다.

Description

보행 재활 장치{Gait rehabilitation device}

본 발명은 보행 재활 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다리를 온전히 사용하지 못하여 보행 훈련이 필요한 환자나 노약자가 다리에 큰 무리를 느끼지 않고 훈련할 수 있도록 보조하는 보행 재활 장치에 관한 것이다.

도 1은 정상적인 사람이 보행하는 모습을 도시한 것이고, 도 2는 보행시 나타나는 무릎의 각도(도 2(a))와 고관절 각도(도 2(b))를 나타내는 그래프이다.

도 1을 참조하면, 보행 주기를 임의로 B -> C -> A 주기로 나타내었다.

B 주기는 보행자(1)가 다리(2)를 지면에 지지한 채 힘을 가해 뒤로 밀어 전진하는 주기이다. C 주기는 뒤로 후퇴한 다리를 지면으로부터 이격하고 다시 전방을 향해 이동시키는 주기이다. A 주기는 전방으로 완전히 이동한 다리를 다시 지면으로 내려 딛는 주기이다. 이러한, B -> C -> A 주기를 반복하여 보행을 하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 보행의 각 주기 동안 무릎의 각도(θ)(본 명세서에서 무릎의 각도는 허벅지(3)와 종아리(4)의 연장선의 사잇각을 의미한다)와, 고관절의 각도는 각각 일정한 패턴을 가지고 변화한다.

하반신 마비 환자나 근력이 약한 노인 및 근력이 저하된 환자는 위와 같은 B -> C -> A 주기를 정상적으로 수행할 수 없거나, 정상적인 보행시 필요한 무릎(고관절)의 각도를 유지할 수 없는 경우가 많다.

이러한 환자 등이 정상적인 보행을 하기 위해서는 꾸준한 보행 훈련을 반복적으로 수행할 필요가 있다.

일반적으로 보행 훈련은 트레드 밀(tread mill)을 이용해 수행되는 경우가 많다.

하지만, 다리를 정상적으로 사용하지 못하는 상태에서 전문가의 도움 없이 스스로 트레드 밀에 의존하여 훈련하는 경우 근육의 불균형 발달을 가져올 수 있고, 다리에 무리가 가서 오히려 상태 악화를 가져올 수 있다.

따라서, 환자나 노약자가 다리에 큰 무리를 느끼지 않고 정확한 보행 훈련을 할 수 있도록 보조하는 보행 재활 장치가 이용되는 경우가 있다.

보행 재활 장치는 불편한 다리가 도 2에 나타난 패턴으로 움직일 수 있도록 다리의 움직임을 강제 또는 보조하여 사용자가 근육에 무리를 느끼지 않으면서도 정상적인 자세로 보행 훈련을 할 수 있도록 돕는다.

하지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 보행시 고관절 각도와 무릎 각도는 서로 다른 패턴을 보인다. 고관절 각도는 일정한 진폭을 가지는 정현파 특성을 보이지만, 무릎 각도는 주기별로 진폭이 차이가 있는 형태를 보인다.

종래 기술에 따른 보행 재활 장치는 무릎 관절과 고관절을 독립적으로 제어하기 위한 모터를 별도로 가지는 등 구조가 복잡한 경우가 많다. 또한, 이들 모터를 복합 제어하여 하나의 보행 운동을 만들어 내기 위해 정교한 피드백 제어 알고리즘이 필요하다.

따라서, 종래 기술에 따른 보행 재활 장치는 고가이고, 간단히 설치가 어려워 보행 훈련이 필요한 환자가 손쉽게 이용할 수 없다는 문제점이 있다.

특허공개 제10-2014-0134477호

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복잡한 구조나 제어 로직 없이 보행시 실제 다리의 움직임을 모사하여, 착용자의 정상 보행을 보조할 수 있는 보행 재활 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기초 프레임과, 상기 기초 프레임에 회전 가능하게 연결되며 사용자의 허벅지에 고정되는 제1 링크와, 상기 제1 링크에 회전 가능하게 연결되며 사용자의 종아리에 고정되는 제2 링크와, 기준 축(axis) 주위를 공전 운동하는 제1 조인트에 일단이 연결되고, 상기 제1 링크와 타단이 연결되는 제3 링크와, 상기 제1 조인트의 공전 궤도보다 큰 공전 궤도를 가지고 상기 기준 축 주위를 공전 운동하는 제2 조인트에 일단이 연결되고, 상기 제2 링크와 타단이 연결되는 제4 링크를 포함하고, 상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트가 동일한 공전 주기로 공전 운동함에 따른 상기 제3 링크와 상기 제4 링크의 상대 이동에 의해, 보행에 필요한 다리의 실제 움직임을 모사하는 상기 제1 링크 및 상기 제2 링크의 동작이 이루어지는 보행 재활 장치가 제공된다.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 조인트의 공전 궤도는 상기 기준 축으로부터 최단 거리와 최장 거리를 구비하는 캠 프로파일 형태를 가진다.

일 실시예에 따르면, 보행 재활 장치는, 모터에 의해 상기 기준 축을 중심으로 회전 운동하는 회전체를 포함하고, 상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트는 상기 회전체에 형성되어, 하나의 모터의 회전에 의해 상기 제1 조인트와 제2 조인트가 동시에 공진 운동한다.

일 실시예에 따르면, 상기 회전체는, 상기 기준 축을 중심으로 회전하는 회전판과, 상기 회전판으로부터 연장되는 연결바를 포함하고, 상기 제1 조인트는 상기 기준 축과 편심하여 상기 회전판에 형성되고, 상기 제2 조인트는 상기 연결바에 연결된다.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 조인트의 공전 궤도는 상기 기준 축으로부터 최단 거리와 최장 거리를 구비하는 캠 프로파일 형태를 가지고, 상기 제2 조인트는 상기 연결바의 길이 방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하다.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 조인트의 공진 궤적은 상기 기초 프레임 상에 형성된 오목 홈에 의해 정의된다.

일 실시예에 따르면, 보행 재활 장치는, 상기 제2 링크의 길이 방향에 대해 수직하게 고정되는 제5 링크와, 상기 제5 링크에 대해 일단이 회전 가능하게 연결되는 제6 링크와, 일단이 상기 제6 링크에 회전 가능하게 연결 가능하고, 타단이 상기 제1 링크에 회전 가능하게 연결되는 제7 링크를 포함하고, 상기 제4 링크는 상기 제6 링크의 중간에 회전 가능하게 연결된다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 링크는 길이 조정이 가능하고, 상기 제4 링크의 상기 제6 링크에 대한 연결 위치를 상기 제6 링크의 길이 방향을 따라 조정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 링크는 상기 제1 링크와 상기 기초 프레임이 연결되는 제3조인트 너머로 연장되며, 상기 제3 링크는 상기 제3 조인트 너머로 연장되는 위치에서 상기 제1 링크에 연결된다.

일 실시예에 따르면, 상기 보행 재활 장치는, 상기 사용자를 제자리 보행하게 하는 트레드 밀(tread mill)의 측면에 설치되고, 상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트의 공전 주기는 상기 트레드 밀에 의한 보행 속도와 연동하여 조정된다.

도 1은 정상적인 사람이 보행하는 모습을 도시한 것이다.
도 2는 보행시 나타나는 무릎의 각도와 고관절 각도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 장치의 사시도이다.
도 4는 도 3의 보행 재활 장치의 배면도이다.
도 5는 도 3의 보행 재활 장치의 배면 사시도이다.
도 6 내지 도 10은 도 3의 보행 재활 장치의 동작 상태를 구간별로 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 재활 장치(10)의 사시도이다.

보행 재활 장치(10)는 기초 프레임(100)과, 상기 기초 프레임(100)에 연결되며 사용자의 다리에 고정되어 다리의 움직임을 강제 또는 보조하는 링크부(200)를 포함한다.

링크부(200)는 상기 기초 프레임(100)에 대해 회전 가능하게 연결되는 제1 링크(201)와, 상기 제1 링크(201)에 대해 회전 가능하도록 길게 연결되는 제2 링크(202)를 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어 "연결된다"는 두 부재가 직접적으로 작동 가능하도록 연결된 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 경유하여 일 부재의 작동이 다른 부재를 통타 부재에 영향을 주도록 연결된 경우도 포함하는 것으로 의도되었다.

도 3에 도시된 바와 같이, 기초 프레임(100)에는 지면과 수직한 방향으로 연장되는 다리 프레임(110)이 연결되고, 다리 프레임(110)은 트레드밀(20)의 측면 쪽에 지지 또는 고정된다.

보행 재활 장치(10)는 사용자의 측면에서 사용자의 다리에 고정되어, 사용자의 보행을 보조하게 된다.

제1 링크(201)는 사용자의 허벅지의 측면에 고정될 수 있도록 길게 연장된 상태를 가진다. 제1 링크(201)에는 벨크로(미도시) 등을 구비하여 사용자의 허벅지를 휘감아 결박할 수 있는 밴드(301)가 형성되어 있으며, 밴드(301)를 통해 제1 링크(201)와 사용자의 허벅지가 단단히 고정된다.

제2 링크(202)는 사용자의 종아리의 측면에 고정될 수 있도록 길게 연장된 상태를 가진다. 제2 링크(202)에도 벨크로(미도시) 등을 구비하여 사용자의 종아리를 휘감아 결박할 수 있는 밴드(302)가 형성되어 있으며, 밴드(302)를 통해 제2 링크(202)와 사용자의 종아리가 단단히 고정된다.

자세히 후술하겠지만, 본 실시예에 따르면, 적절한 구조를 통해 제1 링크(201)와 제2 링크(202)는 각각 도 1에 도시된 바와 같은 허벅지(3)와 종아리(4)의 동작을 실질적으로 그대로 모사하도록 동작한다.

다리에 결박한 제1 링크(201)와 제2 링크(202)의 힘에 의해 제1 링크(201)와 제2 링크(202)가 동작하는 대로 사용자의 다리가 움직이게 되고, 해당 다리는 정상적인 보행 패턴을 가지며 움직일 수 있게 된다.

따라서, 사용자는 보행 재활 장치(10)의 보조하에 불편한 다리를 정상적으로 움직일 수 있게 되고, 무리 없이 바른 자세로 보행 훈련을 할 수 있게 된다.

도 4는 본 실시예에 따른 보행 재활 장치(10)의 배면도이고, 도 5는 보행 재활 장치(10)의 배면 사시도이다. 도 4에서는 설명의 편의를 위해, 모터(102)와 회전 드럼(103)(도 5 참조)은 도시 생략하였으며, 기초 프레임(100)은 투명으로 도시하였다. 이하, 모든 도면에서는 다리 프레임(110)은 도시 생략하였다.

도 4에 도시된 바와 같이, 기초 프레임(100)에는 대략 "T"자 형태의 회전체(400)가 기준 축(O)을 중심으로 회전 운동 가능하도록 결합된다.

도 5를 참조하면, 기초 프레임(100)의 배면에는 기준 축(O)을 중심으로 회전 운동하는 회전 드럼(103)과, 회전 드럼(103)을 회전시키기 위한 하나의 모터(102)가 형성된다.

회전 드럼(103)의 둘레에는 모터(102)의 구동력을 전달하는 타이밍 벨트(미도시)가 연결될 수 있는 치(teeth)가 형성되어 있다.

모터(102)의 구동력이 타이밍 벨트를 통해 전달되어 회전 드럼(103)이 기준 축(O)을 중심으로 회전하게 된다.

회전 드럼(103)에는 기초 프레임(100)의 전면으로 관통되는 회전축(미도시)이 결합되어 있으며, 상기 회전축에는 회전체(400)가 연결되어 회전 드럼(103)과 함께 회전하게 된다. 상기 회전축의 회전 중심이 기준 축(O)에 해당한다.

다시 도 4를 참조하면, 회전체(400)는 기준 축(O)을 중심으로 회전하도록 기초 프레임(100)에 결합되는 회전판(401)과, 상기 회전판(401)의 길이방향과 대략 수직하게 연장되는 연결바(402)를 포함한다.

회전판(401)의 일 단부측에는 기준 축(O)과 편심하여 배치되는 제1 조인트(311)가 형성된다.

회전판(401)이 기준 축(O)을 중심으로 회전함에 따라서, 제1 조인트(311)는 기준 축(O)을 중심으로 하는 동심원 형태의 공전 궤적(111)을 가지고 기준 축(O) 주위를 공전 운동하게 된다.

제1 조인트(311)에는 제3 링크(203)의 일단부가 제1 조인트(311)를 중심으로 회전 가능하도록 연결된다.

제3 링크(203)의 타단 부는 사용자의 허벅지와 고정되는 제1 링크(201)의 일 단부와 연결된다. 제1 링크(201)와 제3 링크(203)는 제4 조인트(314)에서 연결되며, 두 링크(201, 203)는 제4 조인트(314)를 중심으로 서로 회전 가능하다.

제1 링크(201)는 제3 조인트(313)에서 기초 프레임(100)에 대해 회전 가능하게 연결된다. 제3 조인트(313)는 사용자의 고관절 위치에 맞추어 배치되는 조인트이다.

제1 링크(201)는 제3 조인트(313) 너머로 더 연장되며, 제3 링크(203)와 연결되는 제4 조인트(314)는 제3 조인트(313) 너머로 연장된 제1 링크(201)의 일 단부에 형성된다.

이와 같은 구성에 따르면, 회전체(400)가 회전함에 따라서 제1 조인트(311)가 기준 축(O)의 주위를 공전 운동하게 되고, 제1 조인트(311)에 일 단부가 연결된 제3 링크(203)가 제1 조인트(311)의 운동에 따라 함께 움직이면서, 제1 링크(201)의 (제4 조인트가 형성된) 일 단부를 밀었다 당기게 된다.

이에 따라서, 제1 링크(201)는 제3 조인트(313)를 중심으로 왕복 회전 운동을 하게 된다. 이때, 제1 링크(201)는 제1 조인트(311)가 1 회전을 마쳤을 때 1 왕복하는 주기성 운동을 한다.

제1 조인트(311)의 공전 궤적이 동심원 형태이므로, 제1 링크(201)의 회전 각도는 도 2(b)에 도시된 바와 같이 진폭이 일정한 정현파 곡선 형태를 가지고 변화한다. 즉, 제1 링크(201)는 보행시 보행자의 허벅지의 동작 패턴을 추종하는 동작을 하게 된다.

한편, 연결바(402)에는 제2 조인트(312)가 연결된다.

회전체(400)가 회전함에 따라서, 제2 조인트(312)는 제1 조인트(311)의 제1 공전 궤적(111)보다 더 큰 궤적인 제2 공전 궤적(112)을 따라 기준 축(O)을 중심으로 공전 운동하게 된다.

본 실시예에 따르면, 제2 공전 궤적(112)은 기초 판(100)에 오목하게 형성된 홈(101)(도 3 참조)에 의해 정의되며, 제2 조인트(312)는 홈(101)에 체결되어 홈(101)을 따라 이동할 수 있는 핀 부재(미도시)에 의해 형성된다.

본 실시예에 따르면, 동심원인 제1 공전 궤적(111)과는 달리, 제2 공전 궤적(112)은 기준 축(O)으로부터 거리가 가장 가까운 최단 거리(R₁)와 가장 먼 최장 거리(R₂)를 정의할 수 있으며, 구간에 따라 기준 축(O)과의 거리가 증감 또는 일정하게 유지되는 캠 프로파일(cam profile) 형태를 가진다.

이러한, 캠 프로파일 형태의 공전 궤적(111)은 최적 설계 기법을 통해 결정된다. 좀더 구체적으로, 사용자의 신체 치수에 고려해 보행 재활 장치(10)의 각 링크의 기구학적 관계를 결정한 뒤, 보행시 나타나는 실제 무릎 각도(도 2(a))를 최대한 추종하는 제1 링크(201)와 제2 링크(202) 사이의 각도를 유발시키는 공전 궤적(111)의 최적 형태를 시뮬레이션을 통해 찾아낸다.

예를 들어, 퓨레이(Fourier) 변환을 통해 평면의 폐곡선의 형태를 결정하는 방법 등이 공전 궤적(111)의 결정에 이용될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 기준 축(O)을 중심으로 회전하는 회전체(400)에 의해 제2 조인트(312)가 캠 프로파일 형태의 제2 공전 궤적(112)을 따라 이동할 수 있도록, 제2 조인트(312)는 연결바(402)의 길이 방향을 따라서 슬라이딩 이동 가능하게 형성된다.

좀더 구체적으로, 연결바(402)에는 슬라이딩 가이드부(404)가 형성되어 있으며, 상기 슬라이딩 가이드(404)를 따라 활주 가능한 이동체(403)가 슬라이딩 가이드(404) 상에 연결된다. 제2 조인트(312)를 구성하는 핀 부재는 이동체(403)에 연결된다.

제2 조인트(312)에는 제4 링크(204)의 일단부가 제2 조인트(312)를 중심으로 회전 가능하도록 연결된다.

제4 링크(204)의 타단 부는 제6 링크(206)와 연결된다. 제4 링크(204)와 제6 링크(206)는 제6 링크(206)의 길이 중간에 형성된 제7 조인트(317)에서 연결되며, 두 링크(204, 206)는 제7 조인트(314)를 중심으로 서로 회전 가능하다.

제6 링크(206)의 일 단부에 형성된 제6 조인트(316)에는 제5 링크(205)의 일 단부가 회전 가능하게 연결된다. 제5 링크(205)의 타단부는 제2 링크(202)과 고정 연결되어 있으며, 제5 링크(205)는 제2 링크(202)와 대략 수직하게 연장된다.

제6 링크(206)의 타 단부에 형성된 제8 조인트(318)에는 제7 링크(207)의 일 단부가 회전 가능하게 연결된다. 제7 링크(207)의 타단부는 제1 링크(201)의 중간에 형성된 제9 조인트(319)에서 제1 링크(201)에 대해 회전 가능하게 연결된다.

제1 링크(201)와 제2 링크(202)는 제5 조인트(315)에서 서로 회전 가능하게 연결된다. 제5 조인트(315)는 사용자의 무릎 관절에 대응하는 위치에 배치되는 조인트이다.

본 실시예에 따르면, 제1 링크(201)가 제7 링크(207)와 제6 링크(207)를 통해 제4 링크(204)와 연결되어 있지만, 제9 조인트(319)에서 제7 링크(207)가 회전 가능하도록 구속이 풀려 있어, 제4 링크(204)가 동작하는 동안 제4 링크(204)의 구동력이 실질적으로 제1 링크(201)는 영향을 주지 않는다.

반면, 제2 링크(202)와 제5 링크(205)는 서로 고정 결합되어 있으므로, 제4 링크(204)의 구동력이 제2 링크(202)에 작용하게 된다.

본 실시예에 따르면, 제4 링크(204)와 제2 링크(202)를 연결함에 있어, 제6 링크(206)와 제5 링크(205) 등을 경유하고 있지만, 이는 제1 링크(201)와 제2 링크(202)가 동작하는데 작용할 수 있는 구속 조건을 완화하기 위한 것일 뿐, 반드시 해당 구조에 국한될 필요는 없다.

제4 링크(204)는 제6 링크(206) 없이 제5 링크(205)에 회전 가능하게 연결될 수도 있고, 또는 제5 링크(205)도 없이 바로 제2 링크(202)에 회전 가능하게 연결될 수도 있을 것이다.

한편, 사용자의 허벅지에 고정되는 제1 링크(201)는 다양한 신체 사이즈에 대응하여 길이를 조정할 수 있도록 두 개의 절편(201-1, 201-2)으로 나뉘어 형성되어 있다. 두 개의 절편(201-1, 201-2)은 서로 슬라이드 이동 가능하게 연결되어 있으며, 원하는 길이로 맞춘 후 두 절편에 형성된 통공(501)에 핀을 고정하여 제1 링크(201)의 길이를 고정할 수 있다.

제1 링크(201)의 길이 조정이 이루어지는 경우, 원할한 동작을 위해, 다른 링크의 길이 또는 조인트 위치를 조정할 필요가 있다. 본 실시예에 따르면, 제6 링크(206) 상에 길이방향을 따라 형성된 복수의 제1 통공(502) 중 적절한 통공에 제7 조인트(317)를 위한 핀 부재를 끼워 넣어 제7 조인트(317)의 위치를 조정할 수 있다. 또한, 제6 링크(206) 상에 길이방향을 따라 형성된 복수의 제2 통공(503) 중 적절한 통공에 제8 조인트(318)를 위한 핀 부재를 끼워 넣어 제8 조인트(318)의 위치도 조정할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 회전체(400)가 회전함에 따라서 제2 조인트(312)가 기준 축(O)의 주위를 공전 운동하게 되고, 제2 조인트(312)에 일 단부가 연결된 제4 링크(204)가 제2 조인트(312)의 운동에 따라 함께 움직이면서, 제6 링크(206)의 (제7 조인트가 형성된)를 밀었다 당기는 동작을 하게 된다.

제6 링크(206)는 다시 제5 링크(206) 및 제2 링크(202)를 밀거나 당기는 동작을 하게 되고, 이에 따라서, 제2 링크(202)가 제5 조인트(315)를 중심으로 제1 링크(201)에 대해 회전 운동을 하게 된다.

이때, 제2 조인트(312)가 운동하는 제2 공전 궤적(112)은 기준 축(O)에 대해서 구간별로 거리가 상이한 캠 프로파일 형태를 가지므로, 제2 공전 궤적(112) 상에서의 위치에 따라, 제2 링크(202)와 제1 링크(201)에 대한 상대 각도의 크기가 달라지게 된다.

후술하는 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 제2 링크(202)의 제1 링크(201)에 대한 회전 각도는 도 2(a)에 도시된 바와 같이 실제 보행시 무릎 각도가 나타내는 주기별로 진폭이 차이가 있는 형태를 나타내도록 되어 있다.

이하, 도 6 내지 도 10을 참조하며 더 자세히 설명한다.

도 6 내지 도 10은 보행 재활 장치(10)의 동작 상태를 구간별로 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 제2 조인트(312)가 위치한 제2 공전 궤도(112) 상의 구간(B1)은 실제 보행시 나타나는 도 2의 B1 구간에 대응하는 구간이다.

회전체(400)의 회전에 따라서, 제2 조인트(312)가 B1 구간을 이동하는 동안, 제1 조인트(311)는 회전함에 따라서 제3 링크(203)가 제1 링크(201)를 밀어내는 동작을 한다. 이에 따라서, 제1 링크(201)가 제3 조인트(313)를 중심으로 시계 방향으로 회전하게 된다.

B1 구간에서 제2 공전 궤도(112)의 기준 축(O)까지의 거리는 점차 증가하고, 이에 따라서 제4 링크(204)가 제2 링크(202)를 미는 방향으로 힘을 가하여, 제1 링크(201)와 제2 링크(202) 사이의 각도(θ)는 감소하게 된다.

제2 조인트(312)가 B1 구간의 종점에 이르면, 제1 링크(201)와 제2 링크(202) 사이의 각도(θ)는 실질적으로 최소가 되어 제1 링크(201)와 제2 링크(202)가 거의 일자로 펼쳐지게 된다. 이때, 제1 링크(201)는 거의 지면과 수직한 자세를 가진다.

이러한 동작과 자세는, 보행시 발을 앞으로 내밀어 디딘 후 뒤로 밀어 다리를 곧게 펴 무게 중심을 앞으로 이동시키기 위한 추진력을 얻는 동작과 대응한다.

도 7을 참조하면, 제2 조인트(312)가 위치한 제2 공전 궤도(112) 상의 구간(B2)은 실제 보행시 나타나는 도 2의 B2 구간에 대응하는 구간이다.

회전체(400)의 회전에 따라서, 제2 조인트(312)가 B2 구간을 이동하는 동안, 제1 조인트(311)는 회전함에 따라 제3 링크(203)가 여전히 제1 링크(201)를 밀어내는 작용을 한다. 이에 따라서, 제1 링크(201)가 제3 조인트(313)를 중심으로 시계 방향으로 더 회전하게 된다.

B2 구간에서 제2 공전 궤도(112)의 기준 축(O)까지의 거리는 거의 변화가 없으나, 제2 공전 궤도(112)가 제2 조인트(312)를 위로 이동시키는 방향으로 형성되어 있어, 제4 링크(204)가 제2 링크(202)를 당기는 작용을 하게 된다. 따라서, 제1 링크(201)와 제2 링크(202) 사이의 각도(θ)가 살짝 증가하게 된다.

도 7과 같이, 제2 조인트(312)가 B2 구간의 종점에 이르면, 제1 링크(201)와 제2 링크(202)는 살짝 구부러진 상태가 되며, 제1 링크(201)는 지면과 수직한 축에 대해 뒤로 기울어진 자세를 가진다.

이러한 동작과 자세는, 보행시 뒷꿈치를 들어 무릎을 살짝 구부린 상태로 발로 지면을 뒤로 완전히 밀어, 무게 중심으로 앞으로 완전히 이동시켜 전진하는 동작과 대응한다.

도 8을 참조하면, 제2 조인트(312)가 위치한 제2 공전 궤도(112) 상의 구간(C1)은 실제 보행시 나타나는 도 2의 C1 구간에 대응하는 구간이다.

회전체(400)의 회전에 따라서, 제2 조인트(312)가 C1 구간을 이동하는 동안, 제1 조인트(311)가 회전함에 따라서 제3 링크(203)가 제1 링크(201)를 조금 밀어내다가, 제1 조인트(311)가 하강하면서 제3 링크(203)가 제1 링크(201)를 잡아당기는 상태로 전환된다. 이에 따라서, 제1 링크(201)가 제3 조인트(313)를 중심으로 시계 방향으로 조금더 회전하였다가, 일시점에서 반시계 방향으로 방향 전환하여 회전하게 된다.

C1 구간에서 제2 조인트(312)가 우측 상방으로 이동하면서, 제4 링크(204)를 잡아 당겨 제2 링크(202)가 따라서 함께 당겨지도록 한다. 본 구간에서 제1 링크(201)와 제2 링크(202) 사이의 각도(θ)는 크게 증가한다.

도 8과 같이, 제2 조인트(312)가 C1 구간의 종점에 이르면, 제1 링크(201)와 제2 링크(202)는 최대로 구부러진 상태가 된다. 제1 링크(201)는 뒤쪽으로 최대한 기울었다가 다시 지면과 실질적으로 수직한 자세로 복귀한다.

이러한 동작과 자세는, 보행시 발을 뒤로 차올렸다 무릎을 구부린 채 공중에서 다리를 다시 앞쪽으로 이동시키는 동작과 대응한다.

도 9를 참조하면, 제2 조인트(312)가 위치한 제2 공전 궤도(112) 상의 구간(C2)은 실제 보행시 나타나는 도 2의 C2 구간에 대응하는 구간이다.

회전체(400)의 회전에 따라서, 제2 조인트(312)가 C2 구간을 이동하는 동안, 제1 조인트(311)가 회전함에 따라서 제3 링크(203)가 제1 링크(201)를 잡아당기는 작용을 하게 된다. 이에 따라서, 제1 링크(201)가 제3 조인트(313)를 중심으로 반시계 방향으로 회전하게 된다.

C2 구간에서 제2 공전 궤도(112)의 기준 축(O)까지의 거리는 점차 증가하고, 이에 따라서 제4 링크(204)가 제2 링크(202)를 미는 방향으로 힘을 가하여, 제1 링크(201)와 제2 링크(202) 사이의 각도(θ)는 감소하게 된다.

제2 조인트(312)가 C1 구간의 종점에 이르면, 제1 링크(201)와 제2 링크(202)는 거의 펼쳐진 상태가 되며, 제1 링크(201)는 앞쪽으로 최대한 기울어진 상태가 된다.

이러한 동작과 자세는, 보행시 공중에서 최대한 다리를 앞쪽으로 이동시킨 상태에 대응한다.

도 10을 참조하면, 제2 조인트(312)가 위치한 제2 공전 궤도(112) 상의 구간(A)은 실제 보행시 나타나는 도 2의 A 구간에 대응하는 구간이다.

회전체(400)의 회전에 따라서, 제2 조인트(312)가 A 구간을 이동하는 동안, 제1 조인트(311)가 회전함에 따라서 제3 링크(203)가 제1 링크(201)를 밀어내는 작용을 하게 된다. 이에 따라서, 제1 링크(201)가 제3 조인트(313)를 중심으로 시계 방향으로 회전하게 된다.

A 구간에서 제4 링크(204)는 제2 링크(202)가 제1 링크(201)에 대해 살짝 구부러졌다가 다시 펼쳐지도록 동작한다.

제2 조인트(312)가 A 구간의 종점에 이르면, 1주기가 완료되어 도 6에 도시된 상태로 다시 돌아간다.

이러한 동작과 자세는, 보행시 앞으로 쭉 펼쳤던 다리를 지면에 내려놓아 다음 걸음을 시작하는 상태에 대응한다.

도 6 내지 도 10의 5개 도면을 참조하여 설명한 위와 같은 보행 재활 장치의 제1 링크(201)와 제2 링크(202)의 위치와 자세는 도 1에 도시된 5개의 보행 부분 동작시 허벅지(3)와 종아리(4)의 위치와 자세에 실질적으로 대응하여 보행 동작을 잘 모사하고 있다는 것을 알 수 있다.

본 실시예에 따른 보행 재활 장치(1)는 두 개의 제1 조인트(311)과 제2 조인트(312)의 동작에 의해 각 조인트와 연관된 제1 링크(201)와 제2 링크(202)의 세부 동작이 개별적으로 이루어지도록 되어 있어, 각각 다른 패턴을 가지는 허벅지와 종아리의 동작을 재현할 수 있다.

이때, 제1 조인트(311)와 제2 조인트(312)가 동일한 기준 축(O)을 중심으로 동일한 공전 주기로 공전하도록 되어 있어, 제1 링크(201)와 제2 링크(202)의 동작 주기가 정확히 일치하게 되므로, 동일한 동작을 주기적으로 수행하여 보행하는 다리 동작을 간단한 구조로 재현할 수 있다.

한편, 본 실시예와 같이, 제1 조인트(311)와 제2 조인트(312)의 공전 운동이 하나의 회전체(400)의 회전에 의해 이루어지도록 구성 가능하여, 단 하나의 모터만으로도 제1 링크(201)와 제2 링크(202)의 두 개의 링크의 개별 동작을 발생시킬 수 있게 된다.

따라서, 하나의 모터(102)의 회전 속도를 트레드 밀(20)의 속도에 비례하여 조정(즉 제1 조인트와 제2 조인트의 공전 주기를 트레드 밀(20)의 속도에 연동하여 증감시킴)하는 간단한 작동만으로도, 사용자의 상태에 따라 보행 속도를 달리하는 보행 훈련을 할 수 있게 해준다.

본 실시예에 따르면, 보행 재활 장치(10)는 오른쪽 다리용으로 도시되어 있지만, 도시한 보행 재활 장치(10)를 기초 프레임(100)을 중심으로 대칭으로 변형함으로써 간단히 왼쪽 다리용으로 구성할 수 있다.

본 실시예에 따른, 보행 재활 장치(10)는 트레드 밀의 측면에 설치되므로, 좌우 다리용 보행 재활 장치를 각각 트레드 밀의 좌우 측에 설치하여 두 다리 모두에 대한 훈련 보조를 수행할 수 있다. 이때, 좌우용 보행 재활 장치의 동작 주기는 실제 다리의 보행 동작에 맞추어 서로 시차를 가지도록 하면 된다.

Claims (10)

1. 기초 프레임;
   상기 기초 프레임에 회전 가능하게 연결되며 사용자의 허벅지에 고정되는 제1 링크;
   상기 제1 링크에 회전 가능하게 연결되며 사용자의 종아리에 고정되는 제2 링크;
   기준 축(axis) 주위를 공전 운동하는 제1 조인트에 일단이 연결되고, 상기 제1 링크와 타단이 연결되는 제3 링크;
   상기 제1 조인트의 공전 궤도보다 큰 공전 궤도를 가지고 상기 기준 축 주위를 공전 운동하는 제2 조인트에 일단이 연결되고, 상기 제2 링크와 타단이 연결되는 제4 링크를 포함하고,
   상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트가 동일한 공전 주기로 공전 운동함에 따른 상기 제3 링크와 상기 제4 링크의 상대 이동에 의해, 보행에 필요한 다리의 실제 움직임을 모사하는 상기 제1 링크 및 상기 제2 링크의 동작이 이루어지는 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 조인트의 공전 궤도는 상기 기준 축으로부터 최단 거리와 최장 거리를 구비하는 캠 프로파일 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.
3. 제1항에 있어서,
   모터에 의해 상기 기준 축을 중심으로 회전 운동하는 회전체를 포함하고,
   상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트는 상기 회전체에 형성되어,
   하나의 모터의 회전에 의해 상기 제1 조인트와 제2 조인트가 동시에 공진 운동하는 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 회전체는,
   상기 기준 축을 중심으로 회전하는 회전판과,
   상기 회전판으로부터 연장되는 연결바를 포함하고,
   상기 제1 조인트는 상기 기준 축과 편심하여 상기 회전판에 형성되고,
   상기 제2 조인트는 상기 연결바에 연결되는 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2 조인트의 공전 궤도는 상기 기준 축으로부터 최단 거리와 최장 거리를 구비하는 캠 프로파일 형태를 가지고,
   상기 제2 조인트는 상기 연결바의 길이 방향을 따라 슬라이딩 이동 가능한 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2 조인트의 공진 궤적은 상기 기초 프레임 상에 형성된 오목 홈에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 링크의 길이 방향에 대해 수직하게 고정되는 제5 링크;
   상기 제5 링크에 대해 일단이 회전 가능하게 연결되는 제6 링크;
   일단이 상기 제6 링크에 회전 가능하게 연결 가능하고, 타단이 상기 제1 링크에 회전 가능하게 연결되는 제7 링크를 포함하고,
   상기 제4 링크는 상기 제6 링크의 중간에 회전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 링크는 길이 조정이 가능하고,
   상기 제4 링크의 상기 제6 링크에 대한 연결 위치를 상기 제6 링크의 길이 방향을 따라 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 링크는 상기 제1 링크와 상기 기초 프레임이 연결되는 제3조인트 너머로 연장되며,
   상기 제3 링크는 상기 제3 조인트 너머로 연장되는 위치에서 상기 제1 링크에 연결되는 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 보행 재활 장치는,
    상기 사용자를 제자리 보행하게 하는 트레드 밀(tread mill)의 측면에 설치되고,
    상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트의 공전 주기는 상기 트레드 밀에 의한 보행 속도와 연동하여 조정되는 것을 특징으로 하는 보행 재활 장치.

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