KR-20260062074-A - High-functionality clothing for walking assistance

Abstract

본 개시는 착용자의 하체에 밀착되어 착용되는 기능성 하의, 및 기능성 하의에 결합되어 허리 영역에서 무릎 위까지의 허벅지 영역에서는 전면의 경로를 따라 세로 방향으로 연장되고, 이후 발목까지의 종아리 영역에서는 후면의 경로를 따라 세로 방향으로 연장되며, 전류가 흐르면 수축되는 형상기억합금(Shape Memory Alloy: 이하 SMA) 와이어를 구비하는 근력 보조 장치를 포함하되, 기능성 하의는 SMA 와이어가 연장되는 경로 상의 허벅지 전면 영역과 종아리 후면 영역이 가로 방향으로만 신축되는 원단으로 구현되어, 형상기억합금 와이어의 변형이 적은 손실로 근력 보조에 반영되도록 함으로써 보행 보조 기능을 최대로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 착용감을 크게 향상시킬 수 있는 보행 보조 의류를 제공한다.

Inventors

• 구수민
• 임승빈
• 주은성
• 고제성
• 윤정은
• 이가연
• 박소아
• 조유민
• 오주현
• 정지원
• 김창환

Assignees

• 연세대학교 산학협력단
• 아주대학교산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20251028

Priority Date

20241028

Claims (10)

1. 착용자의 하체에 밀착되어 착용되는 기능성 하의; 및 상기 기능성 하의에 결합되어 허리 영역에서 무릎 위까지의 허벅지 영역에서는 전면의 경로를 따라 세로 방향으로 연장되고, 이후 발목까지의 종아리 영역에서는 후면의 경로를 따라 세로 방향으로 연장되며, 전류가 흐르면 수축되는 형상기억합금(Shape Memory Alloy: 이하 SMA) 와이어를 구비하는 근력 보조 장치를 포함하되, 상기 기능성 하의는 상기 SMA 와이어가 연장되는 경로 상의 허벅지 전면 영역과 종아리 후면 영역이 가로 방향으로만 신축되는 원단으로 구현되는 보행 보조 의류.
2. 제1항에 있어서, 상기 기능성 하의는 상기 허벅지 영역의 허벅지 후면 영역과 상기 종아리 영역의 종아리 전면 영역은 가로 및 세로 방향으로 신축되는 원단으로 구현되는 보행 보조 의류.
3. 제2항에 있어서, 상기 기능성 하의는 상기 허벅지 후면 영역과 상기 종아리 후면 영역 사이에 메쉬 소재의 원단으로 구현되는 무릎 후면 영역이 형성되는 보행 보조 의류.
4. 제1항에 있어서, 상기 기능성 하의는 허벅지 영역의 상부에 위치하는 허리 영역에서 일부 영역은 신축성 원단으로 구현되고 나머지는 비신축성 원단으로 구현되는 보행 보조 의류.
5. 제1항에 있어서, 상기 근력 보조 장치는 상기 기능성 하의의 허리 영역 전면에서 허벅지 영역 전면을 거쳐 착용자의 무릎 위 위치까지 서로 다른 2개의 경로를 따라 연장되고, 무릎 위 위치에서 서로 X자로 교차한 후, 무릎 뒤쪽으로 이어져 종아리 영역 후면을 거쳐 발목 위치까지 서로 다른 2개의 경로를 따라 연장되도록 배치되는 2개의 SMA 와이어를 포함하는 보행 보조 의류.
6. 제1항에 있어서, 상기 근력 보조 장치는 상기 기능성 하의의 허리 영역 전면에 배치되고 상기 SMA 와이어의 일단과 결합되어, 회전에 따라 발목까지 연장되어 배치된 상기 SMA 와이어의 길이를 조절하는 다이얼을 포함하는 보행 보조 의류.
7. 제1항에 있어서, 상기 근력 보조 장치는 상기 SMA 와이어와, 상기 SMA 와이어를 감싸는 와이어 튜브, 및 상기 와이어 튜브의 상부에 배치되고 상기 기능성 하의에 결합되어, 상기 와이어 튜브를 상기 기능성 하의에 고정하는 상면 직물을 포함하는 보행 보조 의류.
8. 제7항에 있어서, 상기 상면 직물은 하면 전체 또는 일부 영역에 벨크로가 결합되어, 상기 기능성 하의의 대응하는 위치에 결합된 벨크로와 탈착되도록 구성되어 개폐 가능한 구조를 갖는 보행 보조 의류.
9. 제7항에 있어서, 상기 근력 보조 장치는 상기 와이어 튜브의 하부와 결합되는 상기 기능성 하의 사이에 배치되는 단열 테이프와 소방 원단을 더 포함하는 보행 보조 의류.
10. 제1항에 있어서, 상기 기능성 하의는 상기 허리 영역에 상기 SMA 와이어로 공급되는 전류를 제어하는 컨트롤러를 수납하는 컨트롤 백을 결합하는 결합 수단이 형성되는 보행 보조 의류.

Description

고기능성 보행 보조 의류{High-functionality clothing for walking assistance} 개시되는 실시예들은 의류에 관한 것으로, 고기능성 보행 보조 의류에 관한 것이다. 고령화로 인해 노령 인구의 급격한 증가와 신체적 장애를 가진 사람들을 효과적으로 돌보거나 보조하기 위해 많은 인적 물적 자원이 요구되므로, 개인의 차원을 넘어 사회적인 부담으로 작용할 수 있다. 이에 초고령층이 아닌 노령층과 경증 장애를 가진 사람들의 거동을 보조할 수 있는 각종 보행 보조 장치에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다. 기존에 보행 보조 장치는 주로 근력을 보조하는 다관절 외골격 로봇 등의 형태로 구현되었으나, 매우 크고 무거운 기계 구조물로 구현되어 착용의 불편함을 초래할 뿐만 아니라 외부적으로 나타나는 디자인으로 인해 형상적으로도 착용자의 거부감을 유발하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하고자 최근에는 의류 형태로 구현되는 웨어러블 보조 장치가 주로 연구되고 있다. 그리고 웨어러블 보조 장치 중에는 형상기억합금(Shape Memory Alloy: SMA) 와이어가 포함되어 착용자의 보행을 보조하는 보행 보조 기능성 의류도 제안되었다. 다만, 기존에 제안된 형상기억합금 와이어 기반 보행 보조 기능성 의류는 보행 보조 장치로서의 기능에 집중하여 개발되어, 의류의 특성을 고려하지 못하여, 형상기억합금 와이어를 이용한 보행 보조 장치로서의 기능을 충분하게 활용하지 못할 뿐만 아니라 의류로서의 착용감이 저하되고, 내구성이 매우 낮다는 한계가 있다. 도 1 내지 도 3은 일 실시예에 따른 보행 보조 의류를 나타낸다. 도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 보행 보조 의류에서 형상기억합금 와이어가 배치되는 근력 보조 기구의 구조를 나타낸다. 도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 보행 보조 의류에 부착되는 컨트롤 백의 일 예를 나타낸다. 이하, 도면을 참조하여 본 개시의 실시예에 따른 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 개시의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 일 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, “포함” 또는 “구비”와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 도 1 내지 도 3은 일 실시예에 따른 보행 보조 의류를 나타내며, 도 1은 보행 보조 의류의 전면 디자인을 나타내고, 도 2는 후면 이미지를 나타내며, 도 3은 측면 이미지를 나타낸다. 그리고 도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 보행 보조 의류에서 형상기억합금 와이어가 배치되는 근력 보조 기구의 구조를 나타내고, 도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 보행 보조 의류에 부착되는 컨트롤 백의 일 예를 나타낸다. 도 4에서 (a)는 다층 구조의 근력 보조 기구의 분해 사시도를 나타내고, (b)는 측단면도를 나타낸다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시예의 보행 보조 의류는 형상기억합금(Shape Memory Alloy: 이하 SMA) 와이어가 결합된 하의로 구현될 수 있다. 이에 보행 보조 의류는 크게 기능성 하의와 SMA 와이어(81)가 포함된 근력 보조 기구로 구성될 수 있다. SMA 와이어(81)는 전류가 흐르면 수축되는 특성을 갖는다. SMA 와이어(81)는 매우 가는 굵기의 스프링 형태의 실로 제조되어 전류가 인가되면 수축되고, 전류가 인가되지 않으면 다시 원래의 길이로 신장될 수 있다. 이에 SMA 와이어(81)가 기능성 하의의 지정된 복수의 위치에 고정되어 연결된 상태에서 SMA 와이어(81)에 전류가 흐르게 되면, SMA 와이어(81)의 수축에 의해 SMA 와이어(81)가 고정된 위치에서 서로 당기는 힘이 발생되게 된다. 이때, 기능성 하의에서 SMA 와이어(81)가 결합된 위치에 따라 서로 당기는 힘이 상이하게 작용하게 되며, 이때 SMA 와이어(81)의 수축력이 작용하는 부위가 착용자의 보행시 근력이 작용하는 방향과 동일하다면, 착용자의 보행 시에 근력의 움직임에 추가적인 힘을 보태게 되어 보행을 보조할 수 있게 된다. 그리고 선행 연구 결과, 보행을 보조하기 위해서서는 보행자의 보행시에, 무릎은 보행자의 전면 방향으로 당겨져야 하고, 발목은 후면 방향으로 당겨져야 한다. 따라서 SMA 와이어(81)는 허리 아래부터 무릎 위까지는 전면에 고정되어 수축될 수 있어야 하는 한편, 무릎 아래부터 발목까지는 후면에서 수축될 수 있어야 한다. 다만 허리부터 무릎 위까지의 허벅지 구간과 무릎 아래부터 발목까지의 종아리 구간에 결합되는 SMA 와이어(81)를 별도로 구비하여 개별 제어하는 것은 매우 비효율적이다. 그러므로 SMA 와이어(81)는 허리에서 허벅지 전면을 따라 무릎 위에 도달한 후, 후면 방향으로 감겨 종아리를 거쳐 발목까지 도달하는 라인을 이루도록 배치되어야 한다. 또한 SMA 와이어(81)가 단일 라인으로 허리부터 발목까지 연장되도록 배치되는 경우, 다리가 내측 또는 외측(보행자 기준 좌측 또는 우측)의 일측 방향으로 기울어지는 힘을 받게 될 수 있다. 이와 같이 일측 방향으로 기울어지는 힘을 받게 되면, SMA 와이어(81)의 수축력이 온전하게 보행자의 보행 보조에 전달되지 않을 뿐만 아니라 보행 시 균형을 잡기 어렵게 할 수 있다. 이에 각 다리의 좌우측에 균등한 수축력이 전달될 수 있도록 SMA 와이어(81)는 허리에서 발목까지 이어지는 2개의 라인 형태로 배치될 수 있다. 한편 SMA 와이어(81)는 상기한 바와 같이, 전류가 흐르면 수축되어 착용자의 근력을 보조한다. 그러나 이는 SMA 와이어(81)가 지나는 경로를 따라 전류가 흘러야만 보행 보조 장치가 구동될 수 있음을 의미하므로, SMA 와이어(81)가 직접 착용자의 신체에 직접 닿아서는 안된다. 또한 SMA 와이어(81)가 기능성 하의의 직물에 직접 닿게 되는 경우, SMA 와이어(81)의 수축과 신장에 따른 마찰로 인해, 기능성 하의의 직물을 손상시킬 수 있다. 따라서 근력 보조 기구는 SMA 와이어(81)와 SMA 와이어(81)가 착용자의 신체나 섬유 원단에 직접 접촉되지 않도록 감싸는 와이어 튜브(82)를 포함한다. 와이어 튜브(82)는 일 예로 절연성과 유연성을 갖는 테프론 튜브(TEFLON TUBE)로 구현될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 다만 상기한 바와 같이, SMA 와이어(81)는 물리적으로 길이가 수축 및 신장될 수 있으나, 와이어 튜브(82)는 유연성을 갖는 테프론 튜브 등으로 형성될지라도, 물리적으로 길이가 변화되지는 않는다. 따라서 와이어 튜브(82)가 신장된 상태의 SMA 와이어(81) 전체를 모두 감쌀 수 있도록 동일한 길이를 갖는 단일의 일체형 튜브로 형성되면, 와이어 튜브(82)에 의해 SMA 와이어(81)가 수축되기 어려우며, 수축될지라도 근력을 보조할 수 없게 된다. 이에 SMA 와이어(81)는 2개의 라인이 연속하여 연장되도록 형성되지만, 와이어 튜브(82)는 구간별로 복수개로 구분되고, 복수개의 구간에 따라 구분된 와이어 튜브(82)는 서로 일정 간격 이상 이격되어 배치될 수 있다. SMA 와이어(81)와 이를 감싸는 와이어 튜브(82)를 여기서는 라우팅 라인이라고 한다. 여기서는 와이어 튜브(82)로 감싸진 SMA 와이어(81)가 2개의 라인으로 허리에서 발목까지 이어지므로, 여기서는 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)으로 구분할 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)은 서로 다른 지정된 경로를 따라 허리부터 발목까지 이어지도록 기능성 하의에 결합된다. 다만, 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)을 독자적으로 제어하는 것 또한 비효율적이므로, 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)이 기능성 하의에 결합되는 양단, 즉 허리와 발목의 동일한 고정되는 위치에 고정되어, 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)이 함께 수축 또는 신장되도록 한다. 이와 같이 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)이 함께 수축 또는 신장되도록 구성되는 경우, 각 다리에서 좌우측에 균등한 힘이 인가되게 되므로, 보행자의 보행시에 균형을 유지하는데도 더욱 도움이 된다. 뿐만 아니라, 상기한 바와 같이, 다리에서 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)의 수축에 의한 힘이 전달되어야 하는 부위가 무릎 위와 무릎 아래에서 전면과 후면으로 서로 상이하므로, 허리 전면에서 연장되어 허벅지 전면으로 이어지는 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)은 무릎 위에서 서로 X자로 교차한 후, 무릎 뒤쪽으로 이어져 종아리 후면을 따라 발목까지 연장되도록 배치된다. 여기서 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)의 X자로 교차되는 영역이 기능성 의복에 결합됨으로써, 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)은 안정적으로 착용자의 무릎을 전면 방향으로 당길 수 있고, 발목은 후면 방향으로 당길 수 있게 된다. 즉 제1 및 제2 라우팅 라인(51, 53)의 양단이 결합되는 허리