KR100576123B1 - 의지용 공압실린더 - Google Patents

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Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야.
본 발명은 하퇴 및 대퇴 절단자들에게 인간의 보행특성을 기계적인 링크구성을 통하여 보행속도에 적합한 하퇴운동을 구현할 수 있도록 한 것이다.
나. 발명이 해결하려는 기술적 과제.
종래의 다축 공압식 의지를 모델로 한 Zarrugh는 Radciffe는 모의 실험을 통한 수학적 해석을 하였으나 공압실린더의 모델링에서 실험데이터를 이용하는 방법을 사용하여 완전한 수학적 모델링이 불가능하였다.
다. 발명의 해결방법의 요지.
실린더내의 열 역학적 수치 모델링을 통하여 실험데이터가 필요없는 공압식의지의 유각기 운동을 시뮬레이션화하고, 이 결과를 인간의 정상보행 분석결과와 비교하여 대퇴의지용 공압실린더를 제공하고, 또한 실린더내의 압력변동에 가장 큰 영향을 미치는 요소인 오리피스의 직경을 0.1-0.2mm사이의 직경으로 하여 보행속도에 적합한 하퇴운동을 구현할 수 있도록 한 것이다.
라. 발명의 중요한 용도
의지용 공압실린더.

Description

의지용 공압실린더.
본 발명은 하퇴 및 대퇴 절단자들에게 인간의 보행특성을 기계적인 링크구성을 통하여 절단전의 상태로 되돌리는데 그 목적이 있는 것으로, 실린더내의 열역학적 수치 모델링을 통하여 실험데이터가 필요없는 공압식의지의 유각기 운동을 시뮬레이션화하고, 이 결과를 인간의 정상보행 분석결과와 비교하여 대퇴의지용 공압실린더를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위하여 실린더 내의 압력변동에 가장 큰 영향을 미치는 요소인 오리피스의 직경을 0.1-0.2mm사이의 직경으로 하여 보행속도에 적합한 하퇴운동을 구현할 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 의지는 슬관절의 절단부위에 따라 크게 대퇴의지와 하퇴의지로 구분되며, 대퇴의지는 하퇴의지에 비하여 슬관절의 메카니즘이 추가된다.
슬관절부는 축방식에 따라 단축식과 다축식으로 나뉘며 유각기의 자연스러운 보행을 위하여 공압실린더나 유압실린더를 추가한다. Radciffe는 유각기 동안의 운동을 원활히 하기 위해 다축식 링크방식의 슬관절에 공압실린더를 통한 해결방법을 제시하였다.
그후 Patil, Bar, Wang등은 여러 가지 공압장치 모델을 제시하였으며 각기 장단점을 갖는다.
Zarrugh는 Radciffe의 다축 공압식 의지를 모델로 하여 모의 실험을 통한 수학적 해석을 하였으나 공압실린더의 모델링에서 실험데이타를 이용하는 방법을 사용하여 완전한 수학적 모델링이 불가능하였다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 정확한 기구학 모델링, 실린더내의 열역학적 수치모델링을 통하여 실험데이터가 필요 없는 공압식 의지의 유각기 운동을 시뮬레이션하고, 이 결과를 인간의 정상보행 분석결과와 비교하여 대퇴의지용 공압실린더를 개발하고자 하는 것을 목적으로 하는 것이다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 가장 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 각 도면을 설명함에 있어, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 도시되더라도 가능한 한 동일한 참조부호를 갖는다.
제 1도는 본 발명의 공압실린더를 나타낸 도면으로 유각기 동안의 운동에 고관절의 좌우 이동이 미치는 영향은 무시될 수 있다는 가정하에서 2차원 모델링을 하였다. 본 발명의 동역학에 필요한 대퇴의지의 부분별 물성치를 표 1에 나타 내었다.
[표 1]
대퇴 의지의 부분별 물성치
유각기 대퇴의지의 동역학은 단순진자운동에 공압식 실린더가 추가된 형태로서 도면 2에 하퇴에 작용하는 힘들을 도시하였다. 하퇴의 회전중심 K에 대하여 이 힘들이 발생시키는 모멘트가 하퇴의 회전운동을 일으키게 되며 이를 운동방정식으로 표현하면 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
여기서
=하퇴의 각가속도
=회전중심에서 공압실린더 작용점까지의 거리
= 회전중심에서 하퇴 무게중심까지의 거리
= 하퇴에 작용하는 공압실린더의 축력
= 중력가속도
= 하퇴의 가속도
수학식 1에서 를 제외한 각 값들은 기구학해석을 통하여 구할 수 있으며 하퇴에 작용하는 공압식 실린더의 축력 는 공압실린더의 열역학 해석을 통하여 구하게 된다.
도면 3은 공압실린더를 도시한 것으로, 이 공압실린더는 로드쪽 챔버가 압축될 때 A영역에서 2차 압축이 일어나 3챔버 상태가 발생한다. 본 발병에서는 이점을 고려하지 않고 단순히 2챔버 상태로 가정하고 시뮬레이션 하였다. 공압실린더가 하퇴에 가하는 힘은 제 4도에 도시한 바와 같이 공압실린더 내부 챔버의 압력 pi.ph, 피스톤과 실린더 사이의 마찰력 Ff, 그리고 피스톤의 운동에 의한 관성력 mp등으로 표현될 수 있다. 수학식 2에는 이들 힘의 평형방정식을 나타내었다.
[수학식 2]
마찰력은 피스톤과 실린더사이의 운동마찰계수에 따라 값을 가지는데 실험을 통하여 구한 마찰력은 약 2N 정도이다. 피스톤의 운동은 의지의 운동으로부터 결정되는데 문제는 실린더 내부의 압력에 의한 힘을 결정하는 것이며, 이를 해결하기 위하여 열역학 해석을 도입하였다.
실린더의 이동에 따른 공기의 압력변화의 지배방정식을 질량보존의 법칙에 의하여 유도된 식은 수학식 3 및 수학식 4와 같다.
[수학식 3]
수학식 4
여기서
P0=대기압(=101000 pa, 초기조건)
ρ0=대기밀도(=1.2kg/m3 초기조건)
y= 비열비(=1.4)
= 질량유량
Hhiavg=헤드쪽 등가길이
Hloavg=로드쪽 등가길이
이들 식을 보면 압력변화량은 피스톤 이동속도와 질량유량의 함수임을 알 수있다.
실린더내의 압력변동에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 오리피스를 통과하는 질량유량( )이라고 할 수 있으며 압축성 유체의 베르누이 방정식을 오리피스의 입구에 적용함으로써 유량을 구할 수 있다. 압축성 유체의 경우, 양 챔버의 압력차에 따라 아음속역과 음속역으로 구분되어 다루어진다. 각각의 경우에 대한 질량유량은 아음속역 방정식 5 및 음속역 방정식 6과 같다.
[수학식 5]
[수학식 6]
여기서, A는 오리피스 단면적이고, n은 Reynolds수이다.
수학식 5 및 수학식 6에서 유량계수는 α는 이론차와 실제와의 오차를 줄이기 위한 인자로서 오리피스의 모양에 따른 형상을 나타낸다. 정확한 유량계수를 구하는 것은 매우 중요한 문제로서 오리피스의 형상이 복잡해짐에 따라 정확한 유량계수를 구하기는 더욱 어렵다, 본 발명에서는 오리피스의 모양을 제 5도와 같은 형상으로 단순화하여 유량계수를 구하였다. 유량계수는 수학식 7 및 수학식 8과 같다.
[수학식 7]
[수학식 8]
여기서 는 밀도와 속도의 곱이다.
이와 같은 공압실린더의 모델링은 실험결과와 비교하여 타당성을 입증하였다.
유각기 동안의 대퇴의 운동과 하퇴의 초기 위치 및 속도를 주고 의지의 운동방정식의 해를 구하는 것이다. 여기서 대퇴의 운동은 도면 6과 같은 정상인의 보행데이터를 사용하여 5-7차 다항식으로 구성하였다. 의지 동역학은 동역한 해석 프로그램인 ADANS(MDI Co. USA)를 이용하여 구현하였으며 공압실린더 열역학은 MatLab(Mathwork Co. USA)으로 프로그래밍하였다. 전체 실험의 블록 다이아그램을 제 7도에 나타내었다.
오리피스 직경을 1.4mm, 0.17mm, 0.01mm인 경우에 대하여 실험을 수행하였다. 이 실험결과 오리피스 직경이 0.17mm일 때의 실린더내의 두 챔버압력, 질량유량 및 실린더 축력을 제 8도에 나타내었으며 각각의 오리피스 직경에 대한 경우의 슬관절 각도와 정상인의 슬관절 각도를 제 9도에 나타내었다.
도면 제 8도에서 피스톤이 헤드쪽으로 이동함에 따라 헤드쪽 압력이 증가하고, 로드쪽 압력이 감소함을 볼 수 있으며 이때의 유량이동과 축력은 헤드쪽 압력과 비슷한 경향을 보여준다.
제 9도에서 최대각도는 오리피스 직경이 0.17mm인 경우가 정상인의 경우와 비슷하며 유각기가 끝날때의 각도는 0도 정도로 완전히 다리가 펴진 상태가 되어 정상인의 경우와 차이가 많이 나는데, 이는 정상인의 보행과 달리 의지보행의 특징으로서 바람직하다.
오리피스의 직경이 0.01mm인 경우는 0.17mm인 경우와 큰 차이를 보이지 않는데 이는 직경이 0.2mm이상 작아질 경우는 양 챔버 사이의 유량이동이 극히 작아지게 되어 오리피스의 조절에 의한 큰 변화를 기대하기 어려움을 알 수 있다.
일반적으로 보행속도가 빨라짐에 따라 오리피스의 직경은 작아쟈야 하는데 이 시뮬레이션의 실린더는 정상보행에 알맞은 오리피스 직경이 0.1 - 0.2mm정도이며 그 이상 작아지는 것이 큰 차이를 보이지 않으므로 빠른 보행에는 적합하지 않을을 알 수 있다.
오리피스의 직경이 1.4mm 이상이 될 경우에는 공압실린더 해석결과 질량유량 및 압력이 진동하는 양상을 보였으며 이는 매우 불안정한 상태가 되어 해석이 불가능 하였다.
본 발명은 이론적으로 난해한 대퇴의지용 공압실린더를 모델링하여 이를 이용한 대퇴의지의 유각기 보행 시뮬레이션을 수행하였다.
본 수치 시뮬레이션을 통해 공압실린더 오리피스의 크기에 따라 보행속도에 따라 적합한 하퇴운동을 가져오는 오리피스의 크기를 찾을 수 있게 되었다.
정상인의 정상보행속도를 구현하는 공압실린더의 오리피스 직경은 0.1-0.2mm 사이 이다.
오리피스의 직경이 1.4mm 이상인 경우는 질량유량이 너무 커져서 실린더의 기능을 할 수 없음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 실린더내의 열역학적 수치 모델링을 통하여 실험 데이터가 필요없는 공압식의지의 유각기 운동을 시뮬레이션하고, 이 결과를 인간의 정상보행 분석결과와 비교하여 대퇴의지용 공압실린더를 개발하였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개략도.
도 2는 본 발명의 하퇴에 작용하는 힘을 도시한 도형.
도 3은 본 발명의 공압실린더.
도 4는 본 발명의 공압실린더가 하퇴에 가해지는 힘을 도시한 도형.
도 5는 본 발명의 오리피스의 구조도.
도 6은 정상인의 보행데이터.
도 7은 블록 다이아그램.
도 8은 오리피스의 직경에 따른 축력을 나타낸 도형.
도 9는 오리피스의 직경에 따른 슬관절의 각도를 나타낸 도형.

Claims (1)

  1. 실린더내의 열역학적 수치 모델링을 통하여 실험데이터가 필요없는 공압식 의지의 유각기 운동을 시뮬레이션하고, 이 결과를 인간의 정상보행 분석결과와 비교하여서 인간의 정상보행과 가장 근접한 움직임을 가지는 공압실린더 내의 오리피스의 직경을 0.1-0.2mm로 함을 특징으로 하는 대퇴 의지용 공압실린더.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4578082A (en) * 1984-01-03 1986-03-25 Sen Jung Chen Fluid cushioning apparatus acting as a pivoting medium of two objects having a pivoting feature
JPH05228168A (ja) * 1992-02-24 1993-09-07 Nabco Ltd 義足用シリンダ
US5376137A (en) * 1991-03-14 1994-12-27 Chas. A. Blatchford & Sons Limited Artificial leg with hydraulic knee flexion resistance
JP2001137268A (ja) * 1999-11-15 2001-05-22 Nabco Ltd 義足用エアシリンダ装置

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