KR20150138325A - 기계식 링크장치 - Google Patents

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KR20150138325A
KR20150138325A KR1020157031300A KR20157031300A KR20150138325A KR 20150138325 A KR20150138325 A KR 20150138325A KR 1020157031300 A KR1020157031300 A KR 1020157031300A KR 20157031300 A KR20157031300 A KR 20157031300A KR 20150138325 A KR20150138325 A KR 20150138325A
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조스 뮬레만
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무그 비브
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Abstract

본 발명은, 제공된 힘(F)의 작용 지점을 움직이지 않고도, 수용 대상을 움직일 수 있게 하기 위해 한 지점에 안내된 회전축을 가진 복수의 작은 각 링크(114, 116; 208, 212)를 가진 링크장치(100, 200)에 관한 것이다.

Description

기계식 링크장치{MECHANICAL LINKAGE}
본 발명은 기계식 링크장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 선택된 자유도로 힘 수용자(force recipient)의 제한된 움직임을 가능하게 하면서, 두 지점 사이에서 힘을 전달하기 위한 짐벌(gimbal)-타입의 링크장치에 관한 것이다.
종종, 기계 시스템(mechanical system) 내에서 액츄에이터(actuator) 및 수용자(recipient) 사이에서 힘을 전달하는 것이 바람직하다. 특히, 실제로는 접근될 수 없는 "가상 지점(virtual point)"에 힘을 제공하는 것이 종종 바람직하다.
예를 들어, 신경 질환(neurological disorder) 환자를 위한 재활 로봇(rehabilitation robot) 분야에서, 액츄에이터는 환자의 사지(limb)를 움직이고 지지하기 위해 작동력(actuating force) 및 지지력(supporting force)을 모두 제공할 수 있도록 요구된다. 이는, 예를 들어, 한 단부에서는, 액츄에이터에 결부되고(attached), 다른 단부에서는, 대상(subject)의 사지, 가령, 팔 또는 다리에 결부된 로드(rod)를 사용함으로써 구현될 수 있다.
대상의 사지 및 로드 사이의 연결은 몇몇 방법으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 로드는 사지 주위에 고정된 브레이스(brace) 또는 스트랩(strap)에 견고하게 결부될 수 있다. 이러한 타입의 연결은 사지 및 로드 사이의 임의의 자유 운동(free movement)을 허용하지 않으며, 모든 6 자유도(degree of freedom)에서의 사지의 이러한 운동은 로드의 운동에 좌우된다.
이는 재활에 있어서 문제를 야기한다. 목적은 대상이 자신-지지 모션(self supporting motion)을 향해 진행하게 하고, 운동 자유 느낌(feeling of freedom of movement)이 대상에게 운동을 조절하도록 고무시킴에(inspire) 따라 몇몇 운동을 바람직할 수 있다.
스트랩 및 로드 사이에 구형(spherical) 또는 카르단 조인트(Cardan joint)가 제공될 수 있지만, 이는 오직 물리적인 조인트의 중심 주위로 2개의 회전 자유도만을 제공할 뿐이다. 힘이 조인트, 가령, 예를 들어, 발목에 제공되는 경우, 이는 문제가 될 수 있는데, 그 이유는, 일단, 발목 조인트(ankle joint)가 구형 조인트 주위로 회전되면, 로드로부터 힘의 방향의 라인(line)은 더 이상 발목의 회전 중심(center of rotation)과 일치하지 않기 때문이다. 이것은, 발목에 모멘트(moment)를 생성하기 때문에 이상적이지 않는데, 상기 모멘트는 움직임이 공칭의(nominal) 나란하게 정렬된 위치로 다시 돌아가는데 저항하며(resist) 따라서 대상의 보행을 보정하기(correct) 위한 대상의 노력에 저항한다.
이 경우, 액츄에이터로부터 수용자(recipient)로 힘을 전달할 수 있게 하지만 수용자의 자유 회전에 대한 제한을 최소화할 수 있는 연결(connection)이 필요하다.
본 발명의 목적은 위에서 언급한 문제점들을 해결하거나 적어도 완화시키는 데 있다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 힘 제공자(force provider)로부터 수용 대상(recipient object)으로 힘을 전달하기 위한 조립체(assembly)가 제공되는데, 상기 조립체는:
- 힘 제공자;
- 수용 대상;
- 힘 제공자로부터 수용 대상으로 힘을 전달하도록 구성된 링크장치(linkage)를 포함하며, 상기 링크장치는 제1 링크 및 제2 링크를 포함하고;
상기 제1 링크는 제1 링크 축(link axis)을 형성하는 제1 회전 조인트(rotational joint), 및 제2 링크 축을 형성하는 제2 회전 조인트를 가지며, 상기 제1 및 제2 링크 축은 서로에 대해 제1 링크 각(link angle)을 이루고, 상기 제1 링크는 제1 축 주위로 회전을 위해 수용 대상에 피벗회전 가능하게 결부되며(pivotably attached);
상기 제2 링크는 제3 링크 축을 형성하는 제3 회전 조인트, 및 제4 링크 축을 형성하는 제4 회전 조인트를 가지고, 상기 제3 및 제4 링크 축은 서로에 대해 제2 링크 각을 이루며, 상기 제2 링크는 제2 및 제3 링크 축이 일치하도록 제1 링크에 피벗회전 가능하게 결부되고, 상기 제2 링크는 힘 제공자로부터 힘을 전달하기 위해 제4 링크 축에 피벗회전 가능하게 장착되며(pivotably mounted);
상기 제1, 제2, 제3 및 제4 축은 사전결정된 지점(predetermined point)에서 교차하여(intersect) 수용 대상이 링크장치의 관절구성(articulation)에 의해 상기 사전결정된 지점 주위로 회전될 수 있으며;
상기 제1 및 제2 링크 각은 각각 45도 미만이다.
유리하게도, 상기 짐벌-유사 메커니즘(gimbal-like mechanism)으로 인해, 힘 제공자에 의해 제공되어야 하는 힘은 사전결정된 지점에 제공될 수 있다. 수용 대상은 링크장치를 관절배열시켜(articulate) 사전결정된 지점 주위로 움직일 수 있게 하지만, 중요하게는, 힘은 링크장치의 관절배열 동안 상기 지점을 통해 작용하는 상태로 유지된다. 따라서, 힘은 원하는 방향으로 제공될 수 있으며, 힘의 비틀림(distortion), 또는 바람직하지 못한 토크(torque)의 생성 없이도 수용 대상의 움직임(movement)이 가능하게 될 수 있다. 작은 각(45도 미만) 링크를 사용하면, 본 장치를 소형(compact)으로 유지하면서도 합리적인 움직임 범위(range of movement)를 가능할 수 있게 한다. 이런 이유로, 링크의 내부 각(internal angle)의 합(sum)은 90도 미만인 것이 바람직하다. 상기 각들은, 원할 시에, 제한된 모션 범위(range of motion)를 제공하도록 선택될 수 있는데, 가령, 예를 들어, 재활 로봇(rehabilitation robot)의 경우에서, 과도한 관절배열(over-articulation)을 방지하도록 선택될 수 있다.
힘 제공자는 액츄에이터, 가령, 선형 액츄에이터(linear actuator) 또는 바람직하게는 크랭크(crank)를 가진 회전 액츄에이터에 의해 구동된 푸시-풀 로드(push-pull rod)인 것이 바람직하다.
이미 언급한 것과 같이, 푸시-풀 로드 및 액츄에이터는 사전결정된 지점을 통해 힘을 제공하도록 구성되는 것이 바람직하다.
회전 조인트는 그 사이를 통해 연장되는 공통 샤프트(common shaft)를 가진 링크 내의 보어(bore)에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라 간단한 조립이 가능하다.
각각의 링크는 중간 부분, 제1 단부 부분 및 맞은편에 있는 제2 단부 부분을 가진 몸체(body)를 포함하고, 상기 단부 부분들은 중간 부분에 대해 각도를 이루는(angled) 것이 바람직하다. 그러면, 링크의 회전 조인트는 각각의 단부 부분들에 대해 수직으로(normal) 형성될 수 있으며 상기 부분들은 링크 각을 제공하도록 각도를 이룬다.
링크는 일반적으로 관형 몸체(tubular body), 예를 들어, 압출 바디(extruded body)로 구성되는 것이 바람직하다. 이에 따라 링크는 경량(light)이 된다.
상기 링크장치는 제5 링크 축을 형성하는 제5 회전 조인트, 및 제6 링크 축을 형성하는 제6 회전 조인트를 가진 제3 링크를 포함할 수 있는데, 상기 제5 및 제6 링크 축은 서로에 대해 제3 링크 각을 이루며, 상기 제3 링크는 제2 및 제3 링크 축이 일치하도록 제2 링크에 피벗회전 가능하게 결부되고, 상기 제3 링크는 힘 제공자로부터 힘을 전달하기 위해 제6 링크 축에 피벗회전 가능하게 장착된다. 링크장치는 3개보다 많은 링크를 포함할 수도 있다.
본 발명은, 또한, 제1 양태에 따른 링크장치를 포함하는 재활 기구(rehabilitation apparatus)를 제공하며, 상기 링크장치에서 수용 대상은 몸체 부분(body part)을 위한 지지부(support)이다. 예를 들어, 다리, 팔 또는 몸통(torso)을 위한 지지부이다.
상기 몸체 부분을 위한 지지부는 링크장치의 사전결정된 지점과 조인트의 회전축을 나란하게 정렬될 수 있도록 하기 위해 조인트에 인접하게 몸체 부분을 수용하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이는 조인트 상에 재활 힘(rehabilitation force)의 작용 지점(point of action)을 유지한다.
보다 바람직하게는, 상기 몸체 부분을 위한 지지부는 링크장치의 사전결정된 지점과 조인트의 회전 중심을 나란하게 정렬될 수 있도록 하기 위해 조인트에 인접하게 몸체 부분을 수용하도록 구성된다.
힘 제공자는 제1 방향으로 힘을 제공하도록 구성될 수 있으며, 제1 링크 축은 상기 제공된 힘에 대해 80 내지 100도로 배열될 수 있다(oriented). 제1 링크 축은 90도로 배열되는 것이 바람직하다.
상기 지지부는 발 지지부(foot support)이고, 힘 제공자는 사용 시에 대상(subject)의 전-후 방향(fore-aft direction)으로 힘을 제공하도록 구성되는 것이 바람직하다.
제1 링크는 사용 시에 대상의 발의 가로 면(lateral side)에서 지지부에 연결되는 것이 바람직하다.
이제, 본 발명에 따른 링크장치의 한 예가 첨부도면들을 참조하여 기술될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 제1 링크장치를 포함하는 보행 훈련 기구의 한 부분의 투시도;
도 2는 도 1의 링크장치의 한 구성요소(component)의 세부도;
도 3은 도 1의 링크장치의 투시도;
도 4는 도 1의 링크장치의 측면도;
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 제2 링크장치의 개략적인 도면;
도 6a 및 6b는 제2 위치에 있는 도 5a 및 5b의 링크장치의 개략적인 도면;
도 7a 및 7b는 제3 위치에 있는 도 5a 및 5b의 링크장치의 개략적인 도면;
도 8은 발목 자유도를 위한 보행 재활 로봇의 모션 범위 및 작동공간의 다이어그램;
도 9는 몸체 자유도를 위한 보행 재활 로봇의 모션 범위 및 작동공간의 다이어그램;
도 10은 본 발명에 따른 제3 링크장치를 포함하는 보행 훈련 기구의 추가적인 부분의 개략적인 투시도이다.
도 1을 보면, 풋 브레이스(102), 푸시 로드(104) 및 링크장치(106)를 포함하는 보행 훈련 조립체(100)가 도시된다.
풋 브레이스(102)는 사람의 발(도시되지 않음)의 하측면을 지지하도록 구성된 베이스 플레이트(108), 및 발의 외측면을 지지하기 위해 발로부터 수직 방향으로 연장되는 측면 플레이트(110)를 포함한다. 측면 플레이트(110)는 상기 측면 플레이트(110)의 외측면 상에서 베이스 플레이트(108)로부터 수직 방향으로 연장되는 지지 부재(112)를 포함한다.
도 1에서는 축(X0, Y0, Z0)을 가진 전체 좌표계(global coordinate system)가 도시된다. 풋 브레이스(102)는 발목 조인트(A)(간결하기 나타내기 위해 구형 조인트(spherical joint)로서 도시됨)의 중심에서 사람의 발을 전체 좌표계의 중앙에 고정하도록 배열된다.
푸시 로드(104)는 힘을 방향(F)으로 제공하도록 배열된 액츄에이터(도시되지 않음)에 연결된 본체 부분(105)을 가지며, 상기 방향(F)은 일반적으로 X0에 대해 평행한 방향이다. 푸시 로드(104)의 단부 부분(107)은 도 3에 도시된 것과 같이 본체 부분(105)에 대해 각도(α)를 이룬다.
링크장치(106)는 제1 링크(114) 및 제2 링크(116)를 포함한다. 상기 실시예에서 링크(114, 116)는 서로 유사하며, 이에 따라, 도 2를 보면 오직 제1 링크(114) 만이 도시될 것이다.
링크(114)는 중공의 정사각형 횡단면을 가진 관형의 각기둥(prismatic) 본체(115)를 포함한다. 상기 링크는 제1 단부(124) 및 제2 단부(132)를 형성한다. 상기 본체는 제1 단부 부분(118), 제2 단부 부분(120) 및 상기 제1 및 제2 단부 부분(118, 120)을 이어주는 중간 부분(122)을 포함한다. 제1 보어 쌍(128, 130)이 본체(115)의 제1 단부(124)에 인접한 제1 단부 부분을 통해 연장된다. 상기 보어(128, 130)는 내부에 보어(128, 130)가 형성되는 본체(115)의 표면에 대해 수직인 제1 축(126)을 형성한다. 이와 비슷하게, 제2 보어 쌍(136, 138)은 본체(115)의 제2 단부(132)에 인접한 제2 단부 부분을 통해 연장된다. 보어(136, 138)는 내부에 보어(138, 136)가 형성되는 본체(115)의 표면에 대해 수직인 제2 축(134)을 형성한다. 제1 및 제2 단부 부분(118, 120)는 축(126, 134)이 서로에 대해 끼인각(Θ)으로 배열되도록 중간 부분(122)에 대해 각(Θ/2)을 형성한다.
도 3을 보면, 제1 링크(114)는 링크(114)의 정렬된 보어(128, 130) 내에 결합된 샤프트를 포함하는 제1 회전 조인트(138)를 통해 지지 부재(126)에 연결된다. 제1 링크(114)의 축(126)은 제1 링크(114)가 풋 브레이스(102)에 대해 회전할 수 있도록 전체 축(global axis)(Z0)과 나란하게 정렬된다.
제2 링크(116)는 제2 회전 조인트(140)에 의해 제1 링크(114)의 제2 단부 부분(120)에 연결되며, 이에 따라, 제1 및 제2 링크(114, 116)가 서로에 대해 제2 링크(115)의 제1 축, 및 제1 링크(114)의 제2 축(134) 주위로 회전할 수 있게 하며, 상기 제1 링크와 제2 링크는 서로 나란하게 정렬된다.
푸시 로드(104)의 단부 부분(107)은 제2 링크(1160의 제2 축(134') 주위로 회전하기 위해 제3 회전 조인트(142)에 의해 제2 링크(116)에 연결된다.
도 3 및 4에 도시된 형상(즉 인-라인과 링크연결되는)에서, 링크(114, 116)는 축(126)에 대한 각도(2Θ)를 형성한다.
도 5a 및 5b는 제2 조립체(200)를 개략적으로 도시한 도면으로서, 제2 조립체(200)는 제1 조립체(100)와 똑같은 원리로 작동된다. 조립체(200)는 사람 발(2)을 고정시키는 풋 브레이스(202)를 포함한다. 사람 발(2)의 발목 조인트는 원점(O)을 가진 전체 좌표계(X0, Y0, Z0)와 일치한다(coincident).
링크장치(204)는 제1 축(206)(도 5a 및 5b에서 Z0와 나란하게 정렬된)을 형성하는 풋 브레이스(202)에 연결된 제1 조인트를 포함한다. 제1 링크(208)는 제1 축(206) 주위로 회전하도록 연결되며 제2 축(210)을 형성하는 제2 조인트에 연결된다. 제2 링크(212)는 제1 링크(208)에 대해 제2 축(208) 주위로 회전하도록 연결되며, 제3 축(214)을 형성하는 제3 조인트에 연결된다. 이에 따라 제2 링크는 푸시 로드(216)에 회전 가능하게 연결된다(rotationally connected).
축(206, 210 및 214)은 발목의 원점(O)과 일치하는 공통 지점(common point)에서 교차한다. 따라서, 링크(208, 22)는 사람 발(2)의 움직임(movement)을 조절할 수 있게 하는 짐벌-유사 메커니즘(gimbal-like mechanism)을 형성한다.
도 5a 및 5b에서 사람 발(2)은 중립(neutral) 또는 정지 위치에 있으며, 도시된 것과 같이, 푸시 로드(216)에 보통 X0와 나란하게 정렬된 방향으로 힘(F)이 제공되면, 브레이스(202)에 의해 발이 전방으로 밀릴 것이다. 푸시 로드(215)는 상기 힘(F)이 발목의 회전 중심(O)을 통해 작용하도록 구성된다. 따라서, 사용자는 발목에 어떠한 임의의 토크(torque)도 느끼지 않는다.
도 6a 및 6b를 보면, 발(2)은 수직축(Y0,) 주위로 일정한 내회전각(endorotation angle) β도(degree)를 가지며, 이에 따라 각각 전체 축(X0, Z0)으로부터 β도 만큼 회전되는 새로운 발 축(X0', Z0')을 제공한다.
축(206)을 형성하는 제1 조인트가 브레이스(202)에 배열되기 때문에, 축(206)은 발 축(Z0')과 β도 만큼 회전된다. 이 경우라 할지라도, 링크(208, 212)의 관절구성(articulation)은 푸시 로드(216)(및 따라서 축(214))가 동일한 위치에 유지된다는 것을 의미한다. 따라서, 힘(F)은 발목 조인트의 원점(O)을 통해 여전히 똑같은 방향으로 제공될 수 있다. 이에 따라 발은 외회전(exorotation) 및 내회전(endorotation) 할 수 있으며 그러는 동안 재활 훈련될 수 있다. 보행 동안, 사용자 발목은 수 도(several degree)의 내-외회전(endo-exorotation)(이것이 정상임) 할 수 있다. 이러한 회전을 가능하게 함으로써, 이러한 움직임을 불필요하게 제한하지 않고도 자연스럽게 보행할 수 있게 된다. 발목에 보정 힘(corrective force)을 제공할 수 있는데, 가령, 예를 들어, 내-외회전을 제공하지 않고도, 발을 보다 외부를 향해 배치할 수도 있거나 혹은 발걸음 길이(step length)를 증가할 수도 있다. 상기 외회전 및 내회전으로 인해, 발목의 원점(O)과 일치하지 않는 어떠한 임의의 힘도 제공되지 않는다. 특히, 발목이 도 5a 및 5b에 도시된 중립 위치로 다시 돌아가는 반대 움직임을 제공하는 어떠한 힘도 가해지지 않는다.
상기 메커니즘의 움직임 범위(movement range)는 링크(208, 212)의 끼인각(Θ)만큼 제한된다는 것에 유의해야 할 것이다.
도 7a 및 7b를 보면, 발(2)은 수평축(X0,) 주위로 γ도 만큼 내전(inversion)되며 따라서 각각 전체 축(Y0, Z0)으로부터 γ도 만큼 회전되는 새로운 발 축(Y0', Z0')을 제공한다.
축(206)을 형성하는 제1 조인트가 브레이스(202)에 배열되기 때문에, 축(206)은 발 축(Z0')과 γ도 만큼 회전된다. 이 경우라 할지라도, 링크(208, 212)의 관절구성(articulation)은 푸시 로드(216)(및 따라서 축(214))가 동일한 위치에 유지된다는 것을 의미한다. 따라서, 힘(F)은 발목 조인트의 원점(O)을 통해 여전히 똑같은 방향으로 제공될 수 있다. 이에 따라 발은 내전(inversion) 및 외전(eversion) 할 수 있으며 그러는 동안 재활 훈련될 수 있다. 상기 내전 및 외전으로 인해, 발목의 원점(O)과 일치하지 않는 어떠한 임의의 힘도 제공되지 않는다. 특히, 발목이 도 5a 및 5b에 도시된 중립 위치로 다시 돌아가는 반대 움직임을 제공하는 어떠한 힘도 가해지지 않는다.
다시 한번, 상기 메커니즘의 움직임 범위는 링크(208, 212)의 끼인각(Θ)만큼 제한된다는 것에 유의해야 할 것이다.
도면에서 볼 수 있듯이, 제1 링크(208)가 브레이스(202)에 결부되는(attached) 지점은 발의 측면 상이다(발의 후방으로부터 전방을 향해 제공되는 힘(F)에 대해 반대방향인 것과 같이). 이에 따라, 링크장치(204)가 브레이스(202)에 결부되는 축(206)은 제공되는 힘(F)의 방향에 대해 90도에 위치된다. 따라서, 끼인각(Θ)은 45도 미만(상기 예에서는 17도)이다. 이는 링크장치(204)가 소형이도록 보장하면서도 발(2)의 움직임의 적절한 각도를 제공한다.
재활 동안, 25도의 배굴(dorsiflexion) 및, 35도의 발바닥 굽힘(plantarflexion)(Z0 주위로의 회전)을 제공하는 것이 바람직하다. 이렇게 상당한 모션의 필요 범위(required range) 때문에, 제1 축이 발목 굽힘 축(ankle flexion axis)에 대해 나란하게 정렬된다(즉 제1 링크는 발의 측면에 위치된다).
도 8을 보면, 발목 지지(ankle support)를 위한 모션의 필요 범위가 도시된다(내전/외전 및 내회전/외회전을 위해). 내회전/외회전은 수평축 상에 도시되고, 내전/외전은 수직축 상에 도시된다.
원 영역(300)은, 각각, Θ=12도인 두 링크를 가진 링크장치에 의해 제공된 모션 범위를 나타낸다. 이 원은 24도 즉 2Θ의 직경(D)을 가진다. 이는 자유도에 있어서 잠재적으로 24도 범위가 가능하다는 것을 의미한다.
또한, 10도의 발목 내전 및 외전(즉 수평 전-후 축 주위로의 회전)도 바람직하다. 부상(가장 일반적인 타입의 발목염좌(ankle sprain)는 내전으로부터 기인됨)을 방지하기 위해 내전에 대한 하드 리밋(hard limit)을 제공하는 것이 바람직하다.
일반적인 보행을 위해서는 10도의 내회전과 20도의 외회전이 요구된다.
또한, 필요한 작동공간(302)이 도시된다(위에서 기술한 모션 범위에 의해 형성되는 것과 같이). 이 작동공간은 각운동(angular motion)의 범위가 링크장치의 기하학적 형상(geometry) 및 디자인(design)에 의해 특정지어지기 때문에 직사각형 형태이다. 상기 작동공간은 두 타입의 모션이 동시에 실행될 수 있기 때문에(효율적이게도, 발목은 볼 조인트(ball joint)이기 때문) 2차원 영역이다.
링크장치를 적절하게 형성함으로써, 원형 작동공간(300)의 중심(304)은 5도외회전(즉 외-내회전 범위의 중앙-지점), 및 10도내전 하도록 이동될 수 있다. 유용하게도, 이 위치들은 거의 모두 링크장치의 모션 범위 내에서 필요한 작동공간(302)에 위치되며, 또한, 대략 -10도 내전의 하드 리밋을 제공한다(하지만, 실제로는, 이것은 동시적인 내회전/외회전에 따름).
도 8에서 원의 중심은 축(206 및 214)이 일치하는 링크의 위치이다. 이는 제작 및 조립 동안 링크 축을 기계적으로 적절하게 설정함으로써 결정될 수 있다.
이와 비슷한 예가 사람 몸통(human torso)에 대해서 도 9에 도시된다. 이 경우, 링크장치는 (hip joint) 상에서 가상의 중심(virtual center)과 결부된다. 두 링크장치가 사용될 수 있는데, 한 링크장치는 완전한 자유도를 제공하도록 각각의 힙 조인트 상에 중심이 위치될 수 있다(이는 도 10에 대해 아래에서 보다 상세하게 기술된다). 본 발명은 힘이 골반(pelvis)에 토크를 생성하지 않고 힙 조인트에 제공되어야 하기 때문에 특히 유리하다.
도 9에서, 링크장치의 모션 범위는 영역(400)과 같이 도시된다. 골반의 축방향 회전(axial rotation)은 수평축 상에 표시되고, 골반의 시상면 회전(sagittal rotation)은 수직축 상에 표시된다. 끼인각(Θ)=17도를 가진 두 링크를 사용하면, 직경(D')은 34도이다.
보행 동안 골반에 의해 요구되는 원하는 자유도는 다음과 같다:
(i) 전방 평면(frontal plane)에서 골반의 전-후 축 주위로의 회전(전방 회전);
(ii) 수평의 횡단 평면(transverse plane)에서 골반의 수직축 주위로의 회전(축방향 회전); 및
(iii) 시상 평면(sagittal plane)에서 골반의 좌-우 축 주위로의 회전(시상면 회전)이다.
링크장치는 환자(patient) 뒤에 위치되며, 환자의 측면에서는 활용가능한 공간이 없는데, 이는 보행 중에 대상(subject)의 팔이 흔들 수 있어야(swing) 하기 때문이다.
골반에 의해 요구되는 모션 범위는 다음과 같다:
전방 회전 = ±10도;
축방향 회전 = ±15도;
시상면 회전 = -26.9 내지 22.6도이다.
위에 언급한 범위는 필요한 작동공간(402)을 제공한다.
링크장치는 Z0에 일치하는(equivalent) 축이 전방 회전축과 나란하게 정렬되고(즉 전-후 방향으로 배열되고) 대상의 후방에 위치되도록 조립된다. 따라서, 효과 면에서, 링크장치는 전방 회전만을 제한하지 않는다. 이는 문제가 되지 않는데, 그 이유는 보행 동안 과도한 전방 회전이 문제가 되지 않기 때문이다(실제로, 이를 구현하기가 매우 어려울 것이다).
위에서 언급한 것과 같이, ±15도의 축방향 회전이 필요하며, 그에 따라 최소 링크 각(두 링크에 대한) Θ=15/2 = 7.5도이다.
링크장치의 한 작은 결점은, 중심 지점(도 9의 원의 원점)이 대상에 대해 약간 흐트러진 감각(distracting sensation)을 생성하며, 따라서 "정상적인" 모션 범위에서 이를 가지는 것이 바람직하지 못할 수도 있다는 점이다. 이에 따라, 축방향으로 10도 만큼의 오프셋(offset)이 제공된다.
원 중심(404)으로부터, 끼인각(Θ)은 원(400)이 요구 작동공간(400)을 가리도록(cover) 선택된다. 이 경우 Θ=17도이다.
도 10을 보면, 웨이스트 밴드(waist band)(502), 제1 푸시 로드(504), 제1 링크장치(506), 제2 푸시 로드(508) 및 제2 링크장치(510)를 포함하는 보행 훈련 조립체(500)가 도시된다.
웨이스트 밴드는 대상의 복부(abdomen)를 둘러싸고 각각의 좌측 및 우측 힙의 후방에서 링크장치(506, 510)에 고정시키도록 구성된다.
제1 링크장치(506)는 축(513) 주위에서 제1 푸시 로드(504)에 피벗회전 가능하게 결부된(pivotably attached) 제1 링크(512) 및 축(515) 주위로의 회전을 위해 제1 링크(512)에 피벗회전 가능하게 결부된 제2 링크(514)를 포함한다. 또한, 제2 링크(514)는 축(518) 주위로의 회전을 위해 웨이스트 밴드(502)로부터 하부 방향으로 걸려 있는(downwardly depending) 브래킷(516)에 피벗회전 가능하게 결부된다.
각각의 링크(512, 514)는 이전 실시예에서와 같이 각각의 회전축 사이에 끼인각(Θ)을 포함한다. 축(513, 515, 518)들은 모두 힙 조인트 회전 중심(H)에서 교차하며(intersection), 조립체(500)는 상기 가상의 교차 지점이 대상의 힙과 나란하게 정렬되도록 구성된다.
제2 링크장치(510)는 제1 링크장치(506)와 실질적으로 똑같은 방식으로 구성된다.
본 발명의 범위 내에서 변형예들도 가능하다.
예를 들어, 추가의 움직임 범위(movement range)를 위해 2개보다 많은 링크가 제공될 수도 있다. 궁극적인 링크 개수는 특정 적용분야에 대해 선택되어야 하며, 많은 개수의 링크는 더 많은 유체 운동(fluid motion)을 제공하며, 링크장치의 강성(stiffness)에 대해서는 개수가 줄어들 것이다.
또 다른 변형예는 (각각의 힙 조인트 대신) 힙 사이에서 골반의 무게중심을 향하는 단순한 실시예이다. 이 경우, 대상에 흐트러진 토크(distracting torque)를 제공하지 않고도, 무게중심에 힘이 제공될 수 있다.
본 발명은 다른 조인트들에 힘을 제공하고, 축들이 대상의 조인트의 회전 중심에서 교차하도록 나란하게 정렬되게 하도록 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 힘 제공자(force provider)로부터 수용 대상(recipient object)으로 힘을 전달하기 위한 조립체에 있어서, 상기 조립체는:
    - 힘 제공자;
    - 수용 대상;
    - 힘 제공자로부터 수용 대상으로 힘을 전달하도록 구성된 링크장치를 포함하며, 상기 링크장치는 제1 링크 및 제2 링크를 포함하고;
    상기 제1 링크는 제1 링크 축을 형성하는 제1 회전 조인트, 및 제2 링크 축을 형성하는 제2 회전 조인트를 가지며, 상기 제1 및 제2 링크 축은 서로에 대해 제1 링크 각을 이루고, 상기 제1 링크는 제1 축 주위로 회전을 위해 수용 대상에 피벗회전 가능하게 결부되며;
    상기 제2 링크는 제3 링크 축을 형성하는 제3 회전 조인트, 및 제4 링크 축을 형성하는 제4 회전 조인트를 가지고, 상기 제3 및 제4 링크 축은 서로에 대해 제2 링크 각을 이루며, 상기 제2 링크는 제2 및 제3 링크 축이 일치하도록 제1 링크에 피벗회전 가능하게 결부되고, 상기 제2 링크는 힘 제공자로부터 힘을 전달하기 위해 제4 링크 축에 피벗회전 가능하게 장착되며;
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 축은 사전결정된 지점에서 교차하여 수용 대상이 링크장치의 관절구성(articulation)에 의해 상기 사전결정된 지점 주위로 회전될 수 있으며;
    상기 제1 및 제2 링크 각은 각각 45도 미만인 것을 특징으로 하는 힘을 전달하기 위한 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 힘 제공자는 액츄에이터에 의해 구동된 푸시-풀 로드인 것을 특징으로 하는 링크장치.
  3. 제2항에 있어서, 푸시-풀 로드 및 액츄에이터는 사전결정된 지점을 통해 힘을 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 링크장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 조인트는 사이를 통해 연장되는 공통 샤프트를 가진 링크 내의 보어에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 링크장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 링크는 중간 부분, 제1 단부 부분 및 맞은편에 있는 제2 단부 부분을 가진 몸체를 포함하고, 상기 단부 부분들은 중간 부분에 대해 각도를 이루는(angled) 것을 특징으로 하는 링크장치.
  6. 제5항에 있어서, 링크의 회전 조인트는 각각의 단부 부분들에 대해 수직으로(normal) 형성되며 상기 부분들은 링크 각을 제공하도록 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 링크장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 링크는 관형 몸체로 구성되는 것을 특징으로 하는 링크장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 링크장치는 제5 링크 축을 형성하는 제5 회전 조인트, 및 제6 링크 축을 형성하는 제6 회전 조인트를 가진 제3 링크를 포함하고, 상기 제5 및 제6 링크 축은 서로에 대해 제3 링크 각을 이루며, 상기 제3 링크는 제2 및 제3 링크 축이 일치하도록 제2 링크에 피벗회전 가능하게 결부되고, 상기 제3 링크는 힘 제공자로부터 힘을 전달하기 위해 제6 링크 축에 피벗회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 링크장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 링크장치를 포함하는 재활 기구에 있어서,
    상기 링크장치에서 수용 대상은 몸체 부분을 위한 지지부인 것을 특징으로 하는 재활 기구.
  10. 제9항에 있어서, 상기 몸체 부분을 위한 지지부는 링크장치의 사전결정된 지점과 조인트의 회전축을 나란하게 정렬될 수 있도록 하기 위해 조인트에 인접하게 몸체 부분을 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재활 기구.
  11. 제10항에 있어서, 상기 몸체 부분을 위한 지지부는 링크장치의 사전결정된 지점과 조인트의 회전 중심을 나란하게 정렬될 수 있도록 하기 위해 조인트에 인접하게 몸체 부분을 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재활 기구.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 힘 제공자는 제1 방향으로 힘을 제공하도록 구성되며, 제1 링크 축은 상기 제공된 힘에 대해 80 내지 100도로 배열되는 것을 특징으로 하는 재활 기구.
  13. 제12항에 있어서, 상기 지지부는 발 지지부(foot support)이고, 힘 제공자는 사용 시에 대상(subject)의 전-후 방향으로 힘을 제공하도록 구성되는
    것을 특징으로 하는 재활 기구.
  14. 제13항에 있어서, 제1 링크는 사용 시에 대상의 발의 가로 면(lateral side)에서 지지부에 연결되는 것을 특징으로 하는 재활 기구.
  15. 첨부도면들을 참조하거나 또는 첨부도면들에 따라 본 명세서에 기술된 것과 같은 힘을 전달하기 위한 조립체.
  16. 첨부도면들을 참조하거나 또는 첨부도면들에 따라 본 명세서에 기술된 것과 같은 재활 기구.
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