KR100690909B1 - 무릎-이상 절단자용 작동 의족 - Google Patents

무릎-이상 절단자용 작동 의족 Download PDF

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빅톰 휴먼 바이오닉스 인크.
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Abstract

본 발명의 무릎부재(12), 무릎부재(12) 상에 구비되는 소켓 커넥터(22), 그 아래에 인공 발(20)이 연결되는 저단부(14C)가 구비된 연장된 하퇴부재(14), 및 직선 작동체(16)를 포함하여 구성되는 작동 의족에 관한 것이다. 하퇴부재(14)를 무릎부재(12)에 구동적으로 연결하는 것은 제1 피봇부(30)에 의해 구현된다. 작동체(16)의 상단부(16A)를 무릎부재(12)에 구동적으로 연결하는 것은 제2 피봇부(80)에 의해 구현된다. 작동체(16)의 저단부(16B)를 하퇴부재(14)의 저단부(14C)에 구동적으로 연결하는 것은 제3 피봇부(100)에 의해 구현된다. 의족(10)은 전면 작동체식 구성 또는 후면 작동체식 구성중 어느 것으로도 제공될 수 있다.

Description

무릎-이상 절단자용 작동 의족 {Actuated Leg Prosthesis for Above-knee Amputees}
본 발명은 무릎-이상 절단자용 작동 의족에 관한 것이다.
수년 동안, 절단자의 잃어버린 다리 또는 다리들을 대체하기 위한 수많은 종류의 의족들이 개발되어 왔다. 이러한 의족들 모두는 절단자들에게 가능한 한 정상적인 삶을 주고자 하는 어려운 임무를 띠고 있는 것들이었다. 그러나, 사람 동작의 복잡성으로 인하여, 지금까지의 통상적인 의족들은, 가장 정교한 장치들 조차도, 수동적인 메카니즘 만을 사용하여 오고 있는 실정이다. 통상적인 의족들은 실제 사람의 다리와 비교하여 매우 제한되어 있어서 어떤 기능들은 완전히 수행되지 못하고 있다.
절단자들에 따르면, 반복적인 움직임이나 계속적인 부하와 같이 특별한 조건하에서 사용될 경우, 통상적인 의족은 대사 에너지 소모가 증가하거나, 소켓(Socket) 압력을 증가시키거나, 동작 속도가 제한되거나, 움직임 동작시 부조화가 발생하거나, 자세의 균형이 무너지거나, 골반-척주(Pelvis-spinal column) 구조에 이상이 오거나, 또는 자세 교정 클리닉 프로그램을 찾는 빈도가 증가하거나 하는 등의 문제점들을 일으키는 것이 일반적이다.
다른 문제점은, 통상적인 의족의 경우 자가-추진 능력을 가지고 있지 못하기 때문에 의족을 움직이는 에너지가 주로 절단자 자신으로부터 유래해야 한다는 것이다. 이것은 단기적 및 장기적으로 심각한 부의 효과를 가지고 있다. 에너지-절감 의족 장치 분야의 최근 동향중 일부는 절단자와 그의 의족 간의 에너지 전달을 개선하는 데에 할애되고 있다. 그럼에도 불구하고, 에너지 소모 문제는 여전히 완전히 해결되지 못하고 주요 관심사가 되고 있다.
또 다른 문제점은, 통상적인 의족의 경우 절단자의 움직임시 잔각(Stump) 부분에 의해 수행되는 동적인 역할 때문에 의족을 장시간 착용하는 것이 어렵다는 것이다. 이것은 소포염(Folliculitis), 접촉 피부염, 수종(Oedema), 낭종(Cysts), 피부의 갈라짐(Shearing), 흉터 및 궤양과 같은 피부상의 여러 가지 문제들을 발생시킨다. 이러한 피부상의 문제들이 실리콘 외장(Sheath), 완전 흡입 소켓 또는 파우더의 사용에 의해 다소 완화될 수 있다 하더라도, 이를 최소화하는 하는 것 역시 관심사로 남아 있다.
이상과 같은 배경 기술을 살펴볼 때, 무릎-이상 절단자용의 개선된 의족을 개발할 필요성이 있다고 하겠다.
본 발명의 하나의 주요 구현 양태로서, 무릎부재(Knee member), 무릎부재상에 소켓을 연결하기 위한 제1 연결수단, 연장된 하퇴(Trans-tibial)부재, 하퇴부재의 저단부 아래에 인공 발을 연결하기 위한 제2 연결수단, 직선 작동체(Linear actuator), 하퇴부재를 무릎부재에 구동적으로(Operatively) 연결하기 위한 제3 연결수단, 무릎부재에 작동체의 상단을 구동적으로 연결하기 위한 제4 연결수단, 및 하퇴부재의 저단에 작동체의 저단을 구동적으로 연결하기 위한 제5 연결부재를 포함하여 구성되는, 개선된 작동 의족이 제공된다.
본 발명의 또 다른 주요 구현 양태로서, 무릎부재, 무릎부재상에 연결되는 소켓, 연장된 하퇴부재, 하퇴부재 저단에 연결된 인공 발, 및 직선 작동체를 포함하여 구성되는 작동 의족이 제공된다. 하퇴를 무릎부재에 구동적으로 연결하는 것은 제1 피봇(Pivot)부에 의해 구현된다. 제1 피봇부는 하퇴 세로 주축에 직각인 제1 피봇 축을 규정한다. 작동체의 상단을 무릎부재에 구동적으로 연결하는 것은 제2 피봇부에 의해 구현된다. 제2 피봇부는 제1 피봇 축에 실질적으로 평행한 제2 피봇 축을 규정한다. 제2 피봇 축 역시 제1 피봇 축 및 세로 주축과 이격되어 있다. 작동체의 저단을 하퇴부재의 저단에 구동적으로 연결하는 것은 제3 피봇부에 의해 구현된다. 제3 피봇부는 제1 피봇 축으로부터 실질적으로 평행하게 이격된 제3 피봇 축을 규정한다.
첨부된 도면을 참고로 하여 상기와 같은 본 발명의 구현 양태 및 다른 실시예들을 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 전면 작동체식 작동 의족을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 의족의 부분 분리사시도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 무릎부재 및 제1 피봇부의 분리사시도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 하퇴부 및 제3 피봇부의 분리사시도이다.
도 5는 도 1에 나타낸 직선 작동체 및 제2 피봇부의 부분 분리사시도이다.
도 6은 전면 작동체식의 기하학적 모델을 설명하는 다이아그램이다.
도 7은 도 4에 나타낸 광학 스위치 지지체의 분리사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 가능한 구현예에 따른 후면 작동체식 작동 의족을 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 8에 나타낸 의족의 부분 분리사시도이다.
도 10은 도 8에 나타낸 의족의 측면도이다.
도 11은 도 8에 나타낸 무릎부재, 제1 피봇부 및 제2 피봇부의 분리사시도이다.
도 12는 도 8에 나타낸 하퇴부 및 제3 피봇부의 부분 분리사시도이다.
도 13은 후면 작동체식의 기하학적 모델을 설명하는 다이아그램이다.
도 14는 의족 작동체 제어 수단의 일례를 나타내는 블록도이다.
첨부된 도면들은 본 발명의 바람직한 구현예 및 다른 구현예에 따른 작동 의족(10)을 나타낸다. 본 발명을 제시된 예에 제한하고자 하는 것은 아니며, 첨부된 청구항들의 범주를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 가능한 것으로 이해되어야 할 것이다.
의족(10)은 2종의 주요 구성으로 나뉘어지는데, 하나는 전면 작동체식 구성이며, 다른 하나는 후면 작동체식 구성이다. 전면 작동체식이 바람직하다. 도 1 내지 도 7은 전면 작동체식 구성을 나타내며, 도 8 내지 도 13은 후면 작동체식 구성을 나타낸다.
전면 작동체식 구성
도 1 및 도 2는 의족(10)의 주요 구성요소를 나타내는 것으로서, 여기에는 무릎부재(12), 연장된 하퇴부재(14), 및 무릎부재(12)와 하퇴부재(14)의 사이에 설치되는 직선 작동체(16)가 포함된다. 의족(10)에는 무릎부재(12) 상에 소켓(18)을 연결하기 위한 연결수단과 하퇴부재(14)의 저단에 인공 발(20)을 연결하기 위한 연결수단도 포함된다.
소켓(18)은 의족(10)과 절단자의 잔각 사이에 적당한 작력(Effort)을 전달할 수 있어야 한다. 소켓(18)의 디자인은 임의의 하중 전달, 안정성 및 잔각 움직임의 효율적인 제어를 위하여 맞춤식으로 수행된다. 일반적으로 소켓(18)은, 예컨대 Otto Bock Inc.사에서 제작되는 "Thermolyn" 타입의 굴절성 흡입 라이너와 같은 적절한 시스템에 의해 생성되는 흡입 효과를 이용하여 잔각에 안착시키게 된다. 시판되는 것중 적당한 소켓을 의족(10)에 사용할 수도 있다.
소켓(18)의 연결수단에는 무릎부재(12) 상에 제공되는 소켓 저부 커넥터(Cnnector)(22)가 포함된다. 소켓 저부 커넥터(22)는 예컨대 스크류나 볼트와 같은 죔쇠를 이용하여 탈착가능하도록 연결되는 것이 바람직하다. 소켓 저부 커넥터(22)의 정확한 유형은 가변적이다. 그 예로는, Otto Bock Inc.사에서 제작되는 수각뿔(Male pyramid) 모델 4R54와 같은 표준 수각뿔형의 커넥터를 들 수 있다. 다른 예로는 Ossur Inc.사에서 제작되는 수각뿔 모델 2054-2와 함께 사용되는 슬라이딩 커넥터를 들 수 있다. 다음에, 소켓(18)은 저부 수 커넥터(22)와 들어맞는 해당 상부 커넥터와 함께 장착된다. 다른 유형의 커넥터 역시 사용 가능하다.
무릎부재(12)는 소켓(18)과 하퇴부재(14) 사이의 연결점에서 적어도 어느 정도의 자유로운 최전을 가능하게 하여 준다. 무릎부재(12)의 움직이는 정도는 약 105° 정도가 바람직한데, 여기서 0°는 완전히 펴진 상태이며, 105°는 무릎을 최대로 굽힌 상태이다.
도 3은 무릎부재(12)의 확대도이다. 무릎부재(12)는 상판(26)으로부터 두 개의 플랜지(24)가 돌출되는 포크형의 것이 바람직하다. 상판(26)에는 소켓 저부 커넥터(22)의 탈착가능한 죔쇠를 위한 4개의 끼움홀(28)이 구비된다.
바람직한 구현예에서 무릎부재(12)는 제1 피봇부(30)에 희해 하퇴부재(14)에 연결된다. 제1 피봇부(30)는 하퇴부재(14)를 무릎부재(12)에 구동적으로 연결할 수 있게 해줌으로써, 이 두 부분 사이의 상대적인 회전을 가능하도록 하여준다. 제1 피봇부 역시 다동원체(Polycentric)일 수 있다는 것에 유의해야 한다. 이것은 무릎부재(12)와 하퇴부재(14) 사이의 움직임이 순전히 회전적인 것만은 아니며, 훨씬 더 복잡한 패턴에 따르는 것임을 의미한다. 이 부분의 우측과 좌측이 약간 다를 수 있는데, 이로 인해 수직 축 주변에서 약간의 비틀림 동작이 발생한다. 그럼에도 불구하고, 전체의 개괄적인 움직임은 실질적으로 피봇 축 주위를 회전하는 것이라고 할 수 있다.
바람직한 구현예에서 피봇부(30)는, 도 1에 나타낸 바와 같이 정면에서 하퇴부(14)의 길이 방향을 따라 연장되는 세로 주축(15)에 실질적으로 직각인 제1 피봇 축(31)을 규정한다.
또한, 제1 피봇부(30)에는 2개의 베어링(34)에 의해 지지되는 굴대(32)가 포함되는데, 2개의 베어링(34)은 각각 무릎부재(12) 플랜지(24) 상의 대응하는 하우징(36)에 장착된다. 베어링(34)의 예로는 NSK Inc.사에서 제작되는 외홈-베어링 모델 6300-ZZ을 들 수 있다. 물론, 다른 유형의 베어링(34)이 사용될 수도 있다. 베어링(34)은 10mm 쇼울더 너트(37)와 외부 이격부재(35) 세트에 의해 굴대(32) 단부에 끼워져 고정된다. 광학 스위치 지지체(38)는, 도 2, 4 및 7에 나타낸 바와 같이, 굴대(32) 주변 무릎부재(12) 2개의 플랜지(24) 사이에 장착된다. 지지체(38)는 후기한다.
범위를 벗어나는 움직임을 방지하기 위하여, 도 3에 잘 표현된 바와 같이, 한 세트의 에너지 흡수 범퍼(44)가 무릎부재(12) 후방측에 구비되는 것이 바람직하다. 이들 범퍼(44)는, 예컨대 Tecspak Inc.사에서 제작되는 범퍼 모델 GBA-1일 수 있다. 물론 다른 유형의 범퍼(44) 역시 사용될 수 있다. 이들은 무릎부재(12) 상판(26)의 측면 및 전면에 위치하는 해당 브라켓(42)에 장착된다. 브라켓(42)은 후기되는 커넥터(78)를 지지하는 데에도 사용된다.
도 4는 바람직한 구현예에 따른 하퇴부재(14)를 나타낸다. 여기에는 3개의 주요 부분, 즉 상단부(14A), 중앙부(14B), 및 하단부(14C)가 포함된다.
하퇴부재(14)의 상단부(14A)는 장착 베이스(52)로부터 돌출되는 두 개의 플랜지(50)가 구비된 포크형의 것이 바람직하다. 장착 베이스(52)는 한 쌍의 하퇴 주봉(Post bar)(54)에 견고하게 연결된다. 후면에는 하나의 후판(56)이 구비된다. 한 쌍의 봉(54)과 후판(56)은 중앙부(14B)의 일부를 구성한다. 이들은 모두 하단부(14C)에 연결되며, 바람직한 구현예에서 하단부(14C) 자체는 두 개의 요소로 나뉘어진다. 제1 요소(60)는 그 하부에 제2 요소(62)가 결합되는 U자형의 요소이다. 제2요소(62)는 그 하부에 인공 발(20)이 구비되는 보강재(Extension)이다. 인공 발(20) 연결수단에는 스크류가 삽입되는 한 세트의 끼움홀이 포함될 수 있다. 다른 유형의 커넥터가 사용될 수도 있다.
인공 발(20)로는, 예컨대 College Park Industries Inc.사에서 제작되는 표준 26cm Trustep 의족용 발 또는 Ossur Inc.사에서 제작외는 Allurion 모델 ALX5260 의족용 발이 사용될 수 있다. 선택된 인공 발이 적어도 상기 설명한 바와 같은 동적인 응답을 수행할 수만 있다면, 다른 유형의 분절형 또는 비분절형 인공 발(20)을 사용할 수 있다. 의족(10)의 디자인은 부품에 따라 달라지며, 이에 따라 어떠한 형태로도 조정될 수 있다. 인공 발(20)은 노출된 금속 또는 합성물 구조를 가질 수 있다. 또한, 사람 발목과 발의 외관을 부여할 수 있는 장식적인 외장재가 사용될 수도 있다.
한 쌍의 봉(54)과 후판(56)에 의해 작동체(16)의 대부분이 위치하게 되는 공간(58)이 제공된다. 후판(56)의 한쪽면에는 다양한 전자적 및 전기적 요소들이 결합될 수 있다. 컴팩트한 디자인으로 인해 전체적인 면에서 정상적인 사람의 다리 형태를 유지할 수 있게 해준다.
도 5는 바람직한 구현예에 따른 직선 작동체(16)를 나타낸다. 작동체(16)의 상단부(16A)는 무릎부재(12)에 연결되고, 하단부(16B)는 하퇴부재(14)의 하단부(14C)에 연결된다. 작동체(16)의 기능은, 시상면(Sagittal plane)에서 절단자의 움직임과 동시에 각도 변경을 수행하는 데에 필요한 기계적 에너지를 의족(10)에 제공하는 것이다. 작동체(16)의 직선 움직임은 하퇴부재(14)에 대한 무릎부재(12)의 각도를 조정하는 데에 사용된다. 작동체(16)에는 직선 동작을 회전 동작으로 전환하기 위한 기계장치(72, 74)와 연결된 전자 모터(70)가 포함된다. 모터의 예로는, Poly-Scientific사에서 제작되는 모델 BN2328EU를 들 수 있다. 모터(70)는 작동체(16) 하부의 고정된 종동체(Follower)와 연결된 스크류(72)를 작동시킨다. 종동체(74)는 종동체 지지체(76)에 의해 지지된다. 종동체(74)와 종동체 지지체(76)는 작동체(16)의 하단부(16B)를 구성한다. 실제 사용시, 모터가 회전할 때, 스크류(72)는 종동체(74)로 회전해 들어가거나, 회전하면서 나오게 된다. 이것은 무릎부재(12)를 밀거나 당기게 됨으로써, 무릎부재(12)와 하퇴부재(14) 사이의 상대적인 회전을 발생시키게 된다.
직선 작동체(16)를 선택함에 있어서는, 현재 모터 기술상의 중량 대 토크 비와 속도가 우선적으로 고려된다. 무릎부재(12)에 직접 연결된 직접 구동 시스템이 선호되는데, 이는 이것이 사람의 움직임에 필요한 토크를 더 작은 공간으로 충족하기 때문이다. 작동체(16)가 약 515N의 지속적인 힘과 약 2250N의 최대 힘을 공급할 수 있으면 이상적이라고 밝혀졌다.
바람직한 구현예의 의족(10)에는 제2 피봇부(80)가 더 포함된다. 제2 피봇부(80)는 작동체(16)의 상단부(16A)를 무릎부재(12)에 구동적으로 연결한다. 제2 피봇부(80)는 제1 피봇 축(31)에 사실상 평행한 제2 피봇 축(81)을 규정한다. 이것 역시 제1 피봇 축(31)과 세로 주축(15)에 의해 규정되는 면으로부터 이격된다. 이러한 구성의 예가 도 6에 도식적으로 설명되고 있다. 이 다이아그램은 다양한 피봇 축들을 나타낸다. 제1 피봇 축(31)은 "O"로 표시되었다. 제2 피봇 축(81)은 글자 "C"로 표시되었다. 양 축(O, C)은 거리 "r"로 이격되어 있다. 이 거리에 의해 지레력(Lever arm)이 형성됨으로써, 작동체(16)로 하여금 무릎부재(12)에 대응하여 하퇴부재(14)를 움직일 수 있도록 해준다.
도 5는 바람직한 구현예의 제2 피봇부(80)에, 기계적 커넥터(84)에 삽입되어 작동체(16)의 상단부(16A)를 형성하는 베어링(82) 포함된다는 것을 보여준다. 베어링(82)은 예컨대 INA Inc.사에서 제작되는 니들 베어링 모델 NK14/16과 같은 니들 베어링(Needle bearing)일 수 있다. 이것은 쇼울더 스크류(86)와 알루미늄 이격부재(88)에 의해 지지된다. 베어링(82)은 약 11500N(2600lbf)까지의 정적인 부하를 지탱할 수 있어야 하며, 1 내지 3ㅀ의 통상적인 오정렬을 허용할 수 있어야 한다. 니들 베어링(82)이 바람직한데, 이는 이것이 끼움쇠테형(Bushing) 또는 막대형에 비해 기계적인 틈이 없고 마찰 계수가 작기 때문이다. 물론, 다른 유형의 베어링이 사용될 수도 있다. 기계적 커넥터(84)와 무릎부재(12)의 플랜지(24) 상의 대응하는 홀은 굴대(90)로 연결된다. 기계적 커넥터(84)는 후기하는 장착부재(Load cell)(92)를 사용하여 모터(70) 상에 결합된다.
작동체(16)의 하단부(16B)는, 도 4 및 5에 나타낸 바와 같이, 제3 피봇부(100)를 사용하여 바람직한 구현예의 하퇴부재(14)에 구동적으로 연결된다. 제3 피봇부(100)는 제3 피봇축(101)을 규정하며, 또한 바람직하게는, 하퇴부재(14) 하단부(14B)의 제1요소(60)에 구비된 해당 하우징(64)에 각각 장착되는 하나 이상의 니들 베어링(102)을 포함한다. 두 개의 표준 니들 베어링(102)이 이와 같은 목적으로 사용될 수 있는데, 예컨대 INA Inc.사의 모델 NK14/16과 같은 것이 사용될 수 있다. 물론 제2(80) 및 제3 피봇부(100)에 다른 유형의 베어링이 사용될 수도 있다. 제3 피봇부(100)는 한 세트의 스크류(106)와 이격부재(108)에 의해 완성된다.
의족(10)의 여러 구조체들은 경량의 물질, 예를 들면 알루미늄이나, 섬유, 유리섬유와 같은 합성물질로 제작되는 것이 바람직하다. 구체적으로는 열처리된 6061T6 알루미늄이 적합하다. 여러 부분들은 서로 스크류결합되는 것이 바람직하나, 용접 또는 다른 방법으로 결합될 수도 있다. 부분들을 스크류결합하는 것이 바람직한 것은, 이것이 제조성을 증가시키고 부품의 수리 및 표환을 용이하게 하며 항상 전체적인 외관을 개선시키기 때문이다.
도 7은 도 2 및 4에 나타낸 특수화 기계적 지지체(38)를 보여준다. 특수화된 기계적 지지체(38)는, 1차적으로, 하기와 같은 광학 스위치를 고정하는 데에 사용된다. 2차적으로, 특수화된 기계적 지지체(38)는 의족(10)의 상대적으로 고정된 부분과 상대적으로 동작가능한 부분 사이의 케이블(미도시) 간의 전이(Transition)를 촉진하는 데에도 사용된다. 무릎부재(12)의 브라켓(42)에 결합된 커넥터(78)가 필요한 연결을 제공한다. 이와 유사한 커넥터(78)가 모터(70)에도 제공된다. 부품(254) 상의 두 부분으로 나뉘어진 와이어 꺽쇠(Clamp)(39A,39B)가 와이어를 지지체(38) 상에 지지할 수 있게 하여 준다.
후면 작동체식 구성
도 8 내지 13은 제2 구현예에 따른 의족을 나타낸다. 이는 후면 작동체식 구성을 가지는 의족의 예를 설명하고 있다. 본 구현예는 전면 작동체식 구성의 것과 매우 유사하다. 본 구현예는 다른 종류의 작동체(16)와 다른 모델의 인공 발(20)을 가지는 의족에 대해 설명한다. 하퇴부재(14)의 중앙부(14B)는 2개가 아닌 4개의 봉(54)을 사용한다. 여기에는 후판이 없다. 또한, 하퇴부재(14)에는 하부 보강재가 구비되지 않는다.
또한, 하퇴부재(14)는, 예를 들면 무릎부재(12)와 인공 발(20)을 서로 연결시키는 1/2" 하퇴 주봉(54)으로 구성되는 뼈대형(Shell type) 구조를 가질 수 있다. 본 구현예에서 작동체(16)는, 표준 직선형 모터(도 5)이거나, 시판되는 맞춤형 모터(70)가 장착된 일련의 탄성(Elastic) 작동체(SEA)(도 8)일 수 있으나, 의족은 대략 사이즈만 동일하면 어떤 유형의 직선 작동체(16)도 수용할 수 있도록 디자인된다. SEA 작동체(도 8)는 특성이 공지된 탄성 장치(110)에 연결된 스크류(72)를 포함하는 볼 스크류 트랜스미션(Transmission) 시스템을 가질 수 있다. 이 작동체(16)(도 8)는, 탄성 요소의 변형을 통한 힘의 제어 작동을 가능케 해준다. 또한, 디자인에 따라 에너지 저장, 쇼크 내성 및 상대적으로 안정한 힘의 제어가 가능해진다. SEA 작동체(16)(도 8)는 MIT Leg 시험실의 Gill Pratt에 의해 개발되었으며, 1997년에 미국특허 제5,650,704호로 특허되었다. 더 상세하게 설명하자면, 여기에는 Litton BN23-28 모터(70)와 3/8" 직경, 1/8" 피치의 볼 스크류가 구비될 수 있다. SEA 작동체(16)(도 8)는 Yobotic Inc.사에서 시판되고 있다.
도 13은 후면 작동체식 구성의 기하학적 모델을 설명하는 것이다. 이는 도 6에 나타낸 전면 작동체식 구성의 것과 기본적으로 유사하다.
제어 수단
도14는 의족(10)의 작동체(16)를 구동하는 데에 사용될 수 있는 제어 수단(200)을 설명한다. 제어수단(200)의 목적은 작동체(16)를 제어하기 위하여 필요한 신호를 제공하는 데에 있다. 이를 위하여, 제어수단(200)은 인공 자기수용체(210)를 통하여 절단자와 인터페이스(Interface)됨으로써 절단자와 의족(10)의 동작 사이의 적절한 조화를 확보하게 된다.
이 도면에서는 우선 한 세트의 인공 자기수용체(Proprioceptor)(210)를 볼 수 있는데, 이것은 절단자 움직임의 동역학에 관한 실시간 정보를 얻는 데에 사용되는 센서이다. 사람의 건강한 다리 및 의족(10) 양측에 구비되는 인공 자기수용체(210) 세트는 검출 정보를 데이터 신호로서 컨트롤러(220)에 제공한다. 이때, 데이터 신호는 적절한 유선 또는 무선 통신을 통하여 제공되어진다. 인공 자기수용체(210)로부터 제공되는 데이터 신호는 적절한 라디오파(Radio Frequency; RF) 모듈을 사용하는 무선 통신을 통하여 전송되는 것이 바람직하다. 물론, 유선, 무선, 광학 등을 이용하는 다른 통신 연결 기술의 조합도 사용 가능하다.
상기 컨트롤러(220)는 작동체(16)에 의하여 적용되어야 하는 관절(Joint) 궤적과 필요한 힘을 결정한다. 컨트롤러(220)에 내재되는 소프트웨어에는 제어수단(200)이 작동체(16)의 제어를 위해 필요한 신호를 제공할 수 있도록 해주는 모든 알고리즘이 포함되어 있다.
다음에, 그 자체가 전원(240)에 연결되어 있는 동력전달장치(Power drive)(230)를 통하여 설정값(관절 궤적 및 필요한 힘)이 작동체(16)로 보내진다.
전원(240)은, 예컨대 Cine Power International Ltd.사에서 제작되는 Lighting Powerbelt 모델과 같은 배터리 팩 벨트일 수 있다. 전원(240)의 다른 예로는 Worley Inc.사에서 제작되는 배터리 모델 SLPB526495 및 Cap-XX에 의해 제조되는 축전지를 들 수 있다. 동력전달장치(230)의 예로는, Copley Controls Corps Inc.사에서 제작되는 5121 모델, 및 Advanced Motion Control에서 제작되는 모델 BE40A8을 들 수 있다. 전원(240)과 동력전달장치(230)의 디자인이 상기한 것에 한정되는 것은 아니며, 선택되는 장치가 의족(10)에 사용되는 해당 작동체(16)의 전기적 특성에 부합하기만 하다면 어떠한 맞춤식 또는 기성의 제품에 의해서도 수행될 수 있음에 유의해야 한다.
바람직하게는, 의족(10)은 피드백 정보를 컨트롤러(220)에 제공하는 한 세트의 센서(250)를 포함한다. 이러한 피드백 정보는 컨트롤러(220)가 힘이나 다른 다양한 파라메터들을 조정하는 것을 가능하게 하여 준다. 측정 가능한 파라메터의 예로는 무릎부재(12)의 상대 각도와 작동체(16)에 의해 부여되는 무릎부재(12)에서의 토크(Torque)를 들 수 있다. 다른 유형의 측정도 가능하다. 무릎부재(12)의 상대 각도의 측정은 예를 들어, 헤드 독해 모델 EM1-0-250과 같이 시판되는 표준 증분 광학 부호기(Incremental optical encoder)(260) 및 US Digital Inc.사에서 제작되며 균등 이격 증분 모델 LIN-250-16-S2037로 표시되는 Mylar® strip(262)에 의해 수행될 수 있다. 의족(10)의 각도적 움직임을 한정하기 위한 리미트 스위치로 사용되는 다른 센서들은, 바람직하게는 특수화 기계적 지지체(38) 상에 장착된 광학 스위치이다. 의족(10)의 내부 요소에 외부 장치를 연결하는 것은 도 1 및 도 2에 나타낸 케이블 커넥터(78)에 의해 가능하다.
광학 스위치(252)는 제1 피봇 축(31)에 고정되며, 무릎부재(12)의 기준 각도 위치를 세팅하는 데에 사용된다. 일단 이 기준 위치가 알려지면, 모터 회전, 롤러-스크류 피치 및 의족 기하학을 이용하여 무릎부재(12) 각도를 계산하는 데에 사용된다. 또한, 광학 스위치(252)는, 무릎부재(12)가 한계 위치에 접근하는 경우 컨트롤러(220)에 신호를 보냄으로써 범위 밖까지 움직이는 것을 방지해주는 데에 사용된다. 물론, 광학 스위치(252)는 스위치의 탐지와 관련한 요구의 특성에 따라 다른 목적으로 사용될 수도 있다. 무릎부재(12)의 상대 각도를 측정하는 다른 가능한 방법으로는 예를 들어, US Digital Inc.사에서 제작되는 부호기 모델 E2-512-250-I와 같은 절대 광학 부호기와 광학 스위치의 조합을 사용하는 것이 있다. 이러한 스위치의 예로는 SUNX에 의해 제작되는 스위치 모델 PM-L24를 들 수 있다.
토크를 측정하는 것은 예를 들어 작동체(16) 탄성 장치의 압축도를 측정하는 시판 표준 전위차계(Potentionmeter)와 같은 것으로서, Novotechnik Inc.사에저 제작되는 전도 플라스틱 저항 요소 모델 PTN025과 같은 것에 의해 수행된다. 작동체(16)에 의해 주어지는 힘도 장착부재(92)에서 측정될 수 있다. 장착부재의 예로는 Omegadyne에서 제작되는 모델 LC202 1K를 들 수 있다. 모터(70) 상의 커넥터는 SOQN 센서를 케이블에 연결할 수 있도록 하여 준다. 의족(10)의 센서(250)가 상기한 장치로 한정되는 것은 아니며 다른 적당한 기기에 의해 수행될 수 있음에 유의하여야 한다.
최적 각도의 계산
하기와 같은 기술적 명세를 전제한다:
* 몸무게 70kg, 키 170cm인 사람의 정상적인 정강이의 인체측정학적(Anthropometrical) 체적에 대응하는 기하학적 체적;
* 최대 거리 r은 0.055m로 설정, 즉 r<0.055m;
* LT의 최소 및 최대 거리는 각각 0.3m 및 0.4m로 설정, 즉 0.3m<LT<0.4;
* dT의 최소 및 최대 거리는 -0.015m 및 +0.015m로 설정, 즉 -0.015m<dT<+0.015m;
기하학적 모델은 하기의 식으로 규정할 수 있다:
β = π-θfix-α-θK 식 1
Figure 112005009074076-pct00001
식 2
Figure 112005009074076-pct00002
식 3
L2 = LA 2+r2-2ㆍLAㆍrㆍcosβ 식 4
Figure 112005009074076-pct00003
식 5
여기서,
θK는 무릎 각도, 즉 ∠DOA이고,
r은 무릎부재(12)의 회전 중심"O"와 푸릎부재(12) 상의 작동체(16) 연결점 사이의 거리이며,
θfix는 r과 잔각의 중심축 사이의 각도, 즉 ∠EOC이고,
LA는 무릎부재(12)의 회전 중심과 하퇴부재(14) 상의 작동체(16) 연결점 사이의 거리
Figure 112005009074076-pct00004
이며,
LT는 무릎부재(12)의 회전 중심과 하퇴부재(14)의 연결점 사이의 길이
Figure 112005009074076-pct00005
이고,
dT는 하퇴부재(14)의 중심축과 하퇴부재(14)의 작동체(16) 연결점 사이의 거리
Figure 112005009074076-pct00006
이며,
α는 LT와 LA 사이에 형성되는 각도, 즉 ∠AOB이고,
L은 작동체(16)의 길이
Figure 112005009074076-pct00007
이며,
β는 LA와 r 사이에 형성되는 각도, 즉 ∠BOC이고,
br은 제1 피봇 축(31)에 대한 작동체(16)의 지레력(Lever arm)이다.
바람직하게는, 지레력 br은 35도의 무릎 각도 θK에서 최대일 것으로 추정된다. 기계적 디자인의 기하학 계산은 거리 r, 길이 LT, 거리 dT 및 각도 θfix의 설정에 근거한다. 따라서, 이러한 파라메터들은 절단자에 대한 인체측정학적 측정치와 선택된 작동체(16)에 따라 결정된다.
각도 θfix에 있어서, 최대 지레힘 br을 위한 최적값은 식 5가 최대값일 때로서, 다시 말하면 하기와 같을 때이다:
Figure 112005009074076-pct00008
식 6
여기서, θfix = π-α-θK-β 이다.
도 6 및 13에 나타낸 구성에 있어서 이러한 조건은 하기와 같을 때 달성된다:
Figure 112005009074076-pct00009
식 7
식 1로부터, 거리 r과 소켓 중심축 사이의 각도를 나타내는
Figure 112005009074076-pct00010
은 하기와 같이 규정된다:
Figure 112005009074076-pct00011
식 8
여기서, +π/2 및 -π/2는 각각 후면 및 전면 작동체식 구성에 해당한다.
결과적으로, θfix는 125±3도로 설정되는 것이 바람직하다.

Claims (24)

  1. 무릎 이상 절단자용 작동 의족에 있어서,
    무릎부재;
    무릎부재상에 소켓을 연결하기 위한 제1 연결수단;
    세로 주축을 규정하는 것으로서, 상단부와 저단부를 가지는 연장된 하퇴부재;
    하퇴부재 저단부 아래에 인공 발을 연결하기 위한 제2 연결수단;
    상단부와 저단부를 가지는 직선 작동체;
    하퇴부재를 무릎부재에 구동적으로 연결하기 위한 제3 연결수단;
    무릎부재에 작동체의 상단을 구동적으로 연결하기 위한 제4 연결수단; 및
    하퇴부재의 저단에 작동체의 저단을 구동적으로 연결하기 위한 제5 연결수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는,
    의족.
  2. 제 1항에 있어서,
    제3 연결수단에는 세로 주축에 직각인 제1 피봇 축을 규정하는 제1 피봇부가 포함되고;
    제4 연결수단에는 제1 피봇 축에 평행한 제2 피봇 축을 규정하는 제2 피봇부가 포함되며, 여기서 제2 피봇 축은 제1 피봇 축 및 세로 주축과 이격되어 구성되고;
    제5 연결수단에는 제1 피봇 축으로부터 평행하게 이격된 제3 피봇 축을 규정하는 제3 피봇부가 포함되어 구성됨을 특징으로 하는,
    의족.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    하퇴부재에는 2개 이상의 이격된 봉을 포함하는 중앙부가 구비되며, 이 봉들은 작동체의 대부분이 위치하게 되는 공간을 규정함을 특징으로 하는,
    의족.
  4. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    하퇴부재의 저단부 아래에 결합되는 인공 발을 더 포함하며, 인공 발은 의족의 전면과 후면을 규정함을 특징으로 하는,
    의족.
  5. 제 4항에 있어서,
    작동체의 상단부는 의족의 전면측에 연결됨을 특징으로 하는,
    의족.
  6. 제 5항에 있어서,
    하퇴부재에는 상단부와 하단부 사이로 연장된 후판이 포함됨을 특징으로 하는,
    의족.
  7. 제 4항에 있어서,
    작동체의 상단부는 의족의 후면측에 연결됨을 특징으로 하는,
    의족.
  8. 제 7항에 있어서,
    하퇴부재에는 2개 이상의 이격된 봉을 포함하는 중앙부가 구비되며, 이 봉들은 작동체의 대부분이 위치하게 되는 공간을 규정함을 특징으로 하는,
    의족.
  9. 제 4항에 있어서,
    무릎부재 상에 연결되는 소켓을 더 포함함을 특징으로 하는,
    의족.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    작동체를 제어하기 위한 제어수단을 더 포함함을 특징으로 하는,
    의족.
  11. 제 10항에 있어서,
    제어수단은 자기수용체로부터의 입력 신호에 대응하여 제어 신호를 출력하는 컨트롤러를 포함함을 특징으로 하는,
    의족.
  12. 제 11항에 있어서,
    컨트롤러는 동력전달장치와 연결된 출력장치를 가지고 있으며, 동력전달장치는 제어 신호에 대응하여 전원으로부터 들어오는 전기 에너지를 작동체에 공급함을 특징으로 하는,
    의족.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    입력 신호는 의족에 장착된 센서 및 의족 외부에 위치한 센서로부터의 신호를 더 포함함을 특징으로 하는,
    의족.
  14. 무릎 이상 절단자용 작동 의족에 있어서,
    무릎부재;
    무릎부재 상에 연결된 소켓;
    세로 주축을 규정하는 것으로서, 상단부와 저단부를 가지는 연장된 하퇴부재;
    하퇴부재의 저단부 아래에 결합되며, 의족의 전면과 후면을 규정하는 인공 발;
    상단부와 저단부를 가지는 직선 작동체;
    하퇴부재를 무릎부재에 구동적으로 연결하기 위한 것으로서, 세로 주축에 직각인 제1 피봇 축을 규정하는 제1 피봇부;
    무릎부재에 작동체의 상단을 구동적으로 연결하기 위한 것으로서, 제1 피봇 축에 평행한 제2 피봇 축을 규정하며, 여기서 제2 피봇 축은 제1 피봇 축 및 세로 주축과 이격되어 구성되는, 제2 피봇부; 및
    하퇴부재의 저단에 작동체의 저단을 구동적으로 연결하기 위한 것으로서, 제1 피봇 축으로부터 평행하게 이격된 제3 피봇 축을 규정하는 제3 피봇부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는,
    의족.
  15. 제 14항에 있어서,
    하퇴부재에는 2개 이상의 이격된 봉을 포함하는 중앙부가 구비되며, 이 봉들은 작동체의 대부분이 위치하게 되는 공간을 규정함을 특징으로 하는,
    의족.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    작동체의 상단부는 의족의 전면측에 연결됨을 특징으로 하는,
    의족.
  17. 제 16항에 있어서,
    하퇴부재에는 상단부와 하단부 사이로 연장된 후판이 포함됨을 특징으로 하는,
    의족.
  18. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    작동체의 상단부는 의족의 후면측에 연결됨을 특징으로 하는,
    의족.
  19. 제 18항에 있어서,
    하퇴부재에는 2개 이상의 이격된 봉을 포함하는 중앙부가 구비되며, 이 봉들은 작동체의 대부분이 위치하게 되는 공간을 규정함을 특징으로 하는,
    의족.
  20. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    작동체를 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함하며, 컨트롤러는 자기수용체로부터의 입력 신호에 대응하여 제어 신호를 출력함을 특징으로 하는,
    의족.
  21. 제 20항에 있어서,
    컨트롤러는 동력전달장치와 연결된 출력장치를 가지고 있으며, 동력전달장치는 제어 신호에 대응하여 전원으로부터 들어오는 전기 에너지를 작동체에 공급함을 특징으로 하는,
    의족.
  22. 제 20항에 있어서,
    입력 신호는 의족에 장착된 센서 및 의족 외부에 위치한 센서로부터의 신호를 더 포함함을 특징으로 하는,
    의족.
  23. 제14항에 있어서,
    직선 작동체는 직선 동작을 회전 동작으로 전환하기 위한 기계 장치와 연결된 전자 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    의족.
  24. 제23항에 있어서,
    기계 장치는 직선 작동체의 하부에 고정된 종동체와 연결된 스크류를 포함하며, 전자 모터의 회전이 스크류가 종동체로 회전하면서 들어가거나 나오게 함으로써 무릎부재와 하퇴부재 사이의 상대적인 회전을 발생시키는 것을 특징으로 하는,
    의족.
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