KR100924843B1 - 마비환자의 족하수 및 발끌림 방지를 위한 능동형 단하지보조기 - Google Patents

마비환자의 족하수 및 발끌림 방지를 위한 능동형 단하지보조기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마비환자의 족하수 및 발끌림을 방지를 위한 능동형 단하지 보조기에 관한 것으로, 보다 상세히는 본 발명은 보행 시 안정성을 제공하며, 능동적으로 정상보행과 유사한 발목관절의 저굴/배굴를 유도함으로써 정상에 가까운 보행을 유도하며 족하수 및 발끌림을 방지하는 능동형 단하지 보조기에 관한 것이다.
본 발명의 능동형 단하지 보조기는 발의 지면과 접촉상태 및 발목의 굴곡각도를 검출하는 센서부; 상기 센서부로부터 수신된 신호로부터 보행주기를 검출하여 모터제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어부의 모테제어신호에 의해 구동되는 모터를 구비하며, 상기 모터의 회전운동이 볼스크류(ball screw)와 볼너트(ball nut)에 의해서 직선 운동으로 바뀌게 되어, 상기 모터의 회전량과 회전방향에 따라 이동거리와 이동방향이 변화시킴으로써 단하지 보조기의 관절각도가 변하게 하는 구동부;를 구비하며, 상기 센서부는 발의 지면과 접촉상태를 측정하는 저항센서부, 발목의 굴곡각도를 검출하는 회전형 포텐셔미터를 구비한다. 상기 저항센서부는 능동형 단하지 보조기의 발 지지부의 외측 바닥에서 엄지발가락, 첫째 중족골두, 다섯째 중족골저, 발뒤꿈치 부위에 각각 저항센서가 부착되어 있다.
단하지 보조기, 저항센서, 회전형 포텐셔미터, 연속 탄성 작동기(Series Elastic Actuator)

Description

마비환자의 족하수 및 발끌림 방지를 위한 능동형 단하지 보조기{Active ankle foot orthosis}
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 능동형 단하지 보조기의 시스템 모식도이다.
도 2는 도 1의 단하지 보조기부의 일예이다.
도 3은 도 1의 저항센서부의 일예이다.
도 4는 도 1의 구동부의 일예이다.
도 5는 본 발명의 능동형 단하지 보조기의 일예이다.
도 6은 도 1의 연산처리부에서 보행주기 검출 알고리즘의 설명도이다.
도 7은 도 6의 보행주기 단계에 따른 저항센서 및 회전형 포텐셔미터의 입력신호에 따른 진리표이다.
도 8은 도 1의 모터제어부의 모터 제어 알고리즘을 설명하기 위한 설명도 이다.
도 9는 종래의 단하지 보조기와 본 발명의 일실시예에 의한 능동형 단하지 보조기를 착용하고 있는 모습이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 능동형 단하지 보조기와 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기의 보행에 대한 발목관절의 배굴/저굴 운동의 비교 그래프이 다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 능동형 단하지 보조기와 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기의 보행에 대한 발목관절의 배굴/저굴 모멘트의 비교 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 능동형 단하지 보조기와 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기의 보행에 대한 골반 기울임 각도 변화의 비교 그래프이다.
<도면 주요 부호에 대한 설명>
5: 단하지 보조기부 10: 장단지 지지부
15: 종아리 볼록부 20: 발목관절 조절부
30: 발지지부 35: 발뒤축 볼록부
100: 센서부 110: 저항센서부
120: 엄지발가락 센서 130: 첫째 중족골두 센서
140: 다섯째 중족골저 센서 150: 발뒤꿈치 센서
160: 회전형 포텐셔미터 200: 제어부
210: 증폭부 220: A/D변환기
230: 연산처리부 240: 모터제어부
300: 구동부 301: 고정부
302: 이동부 308: 엔코더
310: 연속 탄성 작동기 320: 모터
325: 커플링 327: 모터고정판
330: 가일드 레일 335: 부싱
340: 볼스크류 345: 볼너트 금속판
350, 355: 스프링 금속판 360: 볼너트
365: 압축스프링 370: 금속판
375: 플런저 380: 연결고리
본 발명은 마비환자의 족하수 및 발끌림을 방지를 위한 능동형 단하지 보조기에 관한 것으로, 보다 상세히는 본 발명은 보행 시 안정성을 제공하며, 능동적으로 정상보행과 유사한 발목관절의 저굴/배굴를 유도함으로써 정상에 가까운 보행을 유도하며 족하수 및 발끌림을 방지하는 능동형 단하지 보조기에 관한 것이다.
뇌혈관계 질환으로 인한 마비 환자는 신경계의 마비로 인하여 발목관절 주위의 근육활동이 약화되어 보행 시 발목의 배굴/ 저굴 및 내번/ 외번이 자발적으로 이루어지지 않는 보행 양상을 보인다. 즉, 족저굴근의 경직성 마비로 인해 초기 입각기에 발뒤축이 지면에 닿지 않고 발바닥이나 발끝으로 딛게 되는 족하수(foot drop) 현상을 보이게 된다. 이를 보상하기 위해 마비 환자는 회선보행(circumduction gait)을 하게 되어 보행속도가 느려지고 에너지 소모가 크게 증가되는 등의 비효율적 보행양상을 보이게 된다.
족하수(foot drop)란 신경계의 마비로 발목주위의 근육활동이 작아지거나 없 어짐으로 인해 발을 들어올리지 못하는 증상을 말한다. 족하수가 발생하는 원인은 중추 및 말초신경계의 마비로 인해 발목 주위에 있는 앞정강이근(tibialis anterior)의 활동이 정상적으로 이루지지지 않아서 발생되며 특히, 경련성 마비환자들에게 자주 발생된다.
족하수 환자의 경우 발목관절의 근육활동이 미비하여 발목의 배굴(dorsiflexion) 및 외번(eversion)이 자발적으로 이루어지지 않은 특징적인 보행형태를 나타난다. 이른바 고관절 올림(hip hiking)이나 고관절 회선보행(hip circumduction) 등이 그 예이다. 즉, 족저굴근이 경직성 마비로 인해 초기입각기에 발뒤축이 지면에 닿지 않고 발바닥이나 발끝으로 딛게 되어 입각기가 짧아지고, 유각기에 발이 지면에 끌리게 되므로 이를 방지하기 위한 보상작용으로 회선 보행(circumduction gait)을 하게 되어 보행속도가 느려지고 에너지 소모가 증가하는 비효율적인 보행양상을 보이게 된다.
족하수 환자의 보행양상을 증진시키기 위한 방법으로 기능적 전기자극(functional electrical stimulation)과 단하지 보조기(ankle-foot orthosis)를 착용하는 방법이 있다.
기능적 전기자극은 근육의 수축을 유도하기 위해 짧은 순간의 전기적 펄스를 사용하는 전기 자극법으로, 영구적인 보조기구로 기대되어 왔다. 그러나 전기 자극법은 계속적인 시행착오를 통한 개인맞춤형 장비일 뿐 아니라 보행 시 근육의 피로로 인해 근육의 기능이 변화하기 때문에 장시간 착용할 수 없다. 또한, 기능적 전기 자극법은 환경과 보행속도에 따라 보행주기 및 근육의 기능이 변화하는 보행에 서는 적용하기에 어려움이 많다.
단하지 보조기는 족하수 환자의 보행을 호전시키기 위한 물리적 보조수단으로 가장 보편적으로 사용되고 있다. 그러나 단하지 보조기는 발목관절의 저굴(plantarflexion) 및 배굴(dorsiflexion)의 발생을 방해함으로써 족하수 환자의 보행을 현저하게 호전시키기 못할 뿐 아니라 정상적인 보행과 많이 차이를 보인다.
칼슨(Carlson) 등은 뇌성 소아 마비환자를 대상으로 단하지 보조기의 착용 전후를 비교한 결과 초기접지시 배굴각도와 말기입각기의 저굴모멘트(plantarflexion moment)는 증가하지만 보행 속도와 보폭이 향상되지 않았으며 중간입각기와 말기입각기시 발목에서의 파워는 감소한다고 하였다.
레만(Lehmann) 등은 편마비 보행에서 유각기시 발끌림(toe drag)현상을 방지하지만 초기접지시 지면에 발바닥이 먼저 닿는 현상(foot slap)을 방지해주지 못한다는 결과를 얻었으며, 또한, 단하지 보조기에서는 발목관절의 저굴모멘트를 발생시키지 못함으로서 정상보행에서 발생되는 저굴근의 기능 즉, 체중지지, 추진, 유각다리의 가속 및 초기접지시 충격흡수 등의 작용이 이루어지지 않는다고 보고하였다. 특히 레만 등은 유각기(swing phase)에 족하수가 있거나 발목의 내/외측이 불안정하고, 말기 입각기에 충분하지 못한 추진(push off)을 하는 편마비 환자와 같은 비정상적인 보행을 하는 환자들을 위해 플라스틱 단하지 보조기가 필요하다고 주장하였다.
종래 단하지 보조기는 환자의 변형을 방지하고, 관절의 위치를 잡아줌으로써 입각기시 안정성이 향상되었으며, 보행속도, 분속수, 보폭, 건측 및 환측의 보행상태가 개선되는 점은 있으나, 유각기에 발끌림이 발생되고, 발목의 내외측 불안정, 입각기 말기에 충분하지 못한 추진(push off)을 한다는 문제점이 있으며, 발목관절의 저굴(plantarflexion) 및 배굴(dorsiflexion)의 발생을 방해함으로써 족하수 환자의 보행을 현저하게 호전시키기 못할 뿐 아니라 정상적인 보행과 많이 차이를 보인다는 문제점이 있다.
또한 종래 단하지 보조기를 사용하였을 때 초기접지시 배굴각도와 말기입각기의 저굴모멘트는 증가하지만 보행 속도와 보폭이 향상되지 않았으며 중간입각기와 말기입각기시 발목에서의 파워는 감소한다. 또한 편마비 환자의 보행에서 유각기시 발끌림(toe drag)현상을 방지하지만 초기접지시 지면에 발바닥이 먼저 닿는 현상(foot slap)을 방지해주지 못한다는 문제점을 가지고 있다. 그리고 종래 단하지 보조기에서는 발목관절의 저굴모멘트를 발생시키지 못함으로서 정상보행에서 발생되는 저굴근의 기능 즉, 체중지지, 추진, 유각 다리의 가속 및 초기 접지 시 충격흡수 등의 작용이 이루어지지 않는다는 단점이 있다.
따라서 마비환자의 보행주기를 검출하고 검출된 보행주기에 따라 능동적으로 발목관절의 저굴/배굴를 유도함으로써 정상에 가까운 보행을 유도하는 능동형 단하지 보조기의 개발이 요망된다.
본 발명은 마비환자의 정확한 보행주기를 분석, 검출하여 보행주기에 따라 발목관절의 저굴/배굴를 제공하는 마비환자의 족하수 및 발끌림을 방지를 위한 능동형 단하지 보조기(active ankle foot orthosis, AAFO)를 제공한다.
본 발명에서는 연속 탄성 작동기(Series Elastic Actuator)를 이용하여 능동적으로 마비환자의 발목관절을 제어하며, 마비환자의 정상적 보행을 보조하기 위해 저항센서와 회전형 포텐셔미터를 이용하여 정확한 보행주기를 검출하여 검출된 보행주기에 따라 구동부의 길이를 변화시켜 발목관절의 각도를 제어하며, 공압 인공근육을 사용하여 발목관절의 저굴을 제어할 수 있도록 이루어졌다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보행 시 안정성을 제공하며, 능동적으로 정상보행과 유사한 발목관절의 저굴/배굴를 유도함으로써 정상에 가까운 보행을 유도하며 족하수 및 발끌림을 방지하는 능동형 단하지 보조기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 마비환자의 보행주기를 정확하게 검출하여 보행주기에 따라 발목관절의 저굴/배굴를 제공하는 마비환자의 족하수 및 발끌림을 방지를 위한 능동형 단하지 보조기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 연속 탄성 작동기를 이용하여 능동적으로 마비환자의 발목관절을 제어하며, 마비환자의 정상적 보행을 보조하기 위해 저항센서와 회전형 포텐셔미터를 이용하여 정확한 보행주기를 검출하여 검출된 보행주기에 따라 구동부의 길이를 변화시켜 발목관절의 각도를 제어하며, 공압 인공근육을 사용하여 발목관절의 저굴을 제어할 수 있는 능동형 단하지 보조기를 제공하는 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 마비환자의 족하수 및 발끌림 방지를 위한 능동형 단하지 보조기의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 능동형 단하지 보조기의 시스템 모식도이며, 도 2는 도 1의 단하지 보조기부의 일예이다.
본 발명의 능동형 단하지 보조기는 단하지 보조기부(5), 센서부(100), 제어부(200), 구동부(300)로 이루어진다.
단하지 보조기부(5)는 장딴지 지지부(10), 발목관절 조절부(20), 발 지지부(30)로 이루어진다. 장딴지 지지부(10), 발 지지부(30)는 폴리프로필렌 재질로 이루어질 수 있다.
장딴지 지지부(10)는 하퇴 후면에 접촉되는 장딴지 셀(calf shell)로, 즉 무릎관절과 발목관절사이에 장착되어 지지하는 지지부이다. 장딴지 지지부(10)의 종아리 부분에 구동부(300)를 장착하기 위해서 종아리 볼록부(15)를 형성하였다. 즉 종아리 볼록부(15)는 구동부(30)를 장착하기 위한 공간을 형성한다.
발목관절 조절부(20)는 금속 힌지 조인트를 사용하며, 사용된 조인트는 발목관절의 저굴과 배굴이 자유롭게 이루어지지만 내회전은 허용하지 않도록 이루어졌다. 발목관절 조절부(20)의 상기 조인트의 회전축에 회전형 포텐셔미터(160)를 연결되어 발목의 굴곡각도를 측정한다.
발 지지부(30)는 발바닥과 접촉되는 슈 인서트(shoe insert)로, 발에 장착되어 발을 지지하는 지지부이다. 발 지지부(30)의 발뒤축부분에 구동부(30)를 장착하 기 위해서 발뒤축 볼록부(35)를 형성하였다. 즉 발뒤축 볼록부(35)는 구동부(30)를 장착하기 위한 공간을 형성한다. 발 지지부(30)에서 사용자가 착용하였을 때 바닥과 닿는 부분, 즉 발 지지부(30)의 외측 바닥에 저항센서들로 이루어진 저항센서부(110)가 있다.
센서부(100)는 저항센서부(110), 회전형 포텐셔미터(160)로 이루어진다.
저항센서부(110)는 발이 지면과 접촉상태를 검출하기 위한 센서로, 발 지지부(30)에서 지면과 닿는 부분, 즉 발 지지부(30)의 외측 바닥에 장착된다. 저항센서부(110)는 저항센서들이 엄지발가락, 첫째 중족골두, 다섯째 중족골저, 발뒤꿈치 부위에 부착되어, 지면과 부착 부위의 접촉상태를 확인한다.
회전형 포텐셔미터(160)는 발목관절 조절부(20)의 힌지 조인트의 회전축에 연결되어 발목의 굴곡각도를 측정한다. 회전형 포텐셔미터(160)로 회전형 포텐셔미터(RV16YP, Violet, 한국)를 사용할 수 있다.
제어부(200)는 센서부(100)로부터 수신된 신호를 증폭하고 디지탈신호로 변환하고 연산처리하여 보행주기를 검출하고 모터제어신호를 생성한다. 제어부(200)는 증폭부(210), A/D변환기(220), 연산처리부(230), 모터제어부(240)으로 이루어진다.
증폭부(210)는 센서부(100)로부터 수신된 신호들을 증폭한다.
A/D변환기(220)는 증폭부(210)의 출력신호들을 디지탈신호로 변환한다.
연산처리부(230)는 A/D변환기(220)로부터 수신된 신호들을 연산처리하여 보행주기를 검출한다. 연산처리부(230)는 기준전압의 설정 및 연속적인 비교가 수행 되어 비교를 통해 얻어진 결과를 보행주기 검출 알고리즘에 따라 보행주기를 검출한다. 연산처리부(230)는 마이크로컨트롤러로 이루어지며, 마스터 컨트롤러로서 구동된다. 경우에 따라서는 A/D변환기(220)와 연산처리부(230)가 하나의 마이크로콘트롤러로 이루어질 수 있다. 연산처리부(230)는 마스터 컨트롤러(PIC16C73)로서 이루어질 수 있다.
모터제어부(240)는 연산처리부(230)의 출력신호로부터 구동부(300)을 제어하기위한 모터제어신호를 생성한다. 모터제어부(240)는 연산처리부(230)의 출력신호로부터 보행주기에 따른 모터 제어 알고리즘을 통해 모터의 회전량과 회전방향을 제어하는 모터제어신호를 생성한다. 모터제어부(240)는 마이크로컨트롤러로 이루어지며, 슬레이브 컨트롤러로서 구동된다. 모터제어부(240)는 슬레이브 컨트롤러(PIC16C73)로서 이루어질 수 있다. 모터제어부(240)는 모터에 부착된 엔코더에서 발생되는 모터의 위치와 속도에 대한 정보를 감지하여 모터의 동작상태를 제어하게 된다. 본 발명에서 연산처리부(230)와 모터제어부(240)가 마이크로콘트롤러로 이루어져 본 발명의 능동형 단하지 보조기는 휴대 가능하다.
즉, 본 발명에서 센서부(100)로부터의 출력 신호는 외부에 위치한 증폭회로를 거친 후에 연산처리부(230)의 마스터 컨트롤러(PIC16C73)의 입력 신호로 인가되며, 상기 마스터 컨트롤러에서는 인가된 입력 신호에 대한 A/D 변환과 기준전압의 설정 및 연속적인 비교가 수행되어 비교를 통해 얻어진 결과를 보행주기 검출 알고리즘에 따라 보행주기를 검출한다. 연산처리부(230)의 마스터 컨트롤러를 통해 검출된 신호는 모터제어부(240)의 슬레이브 컨트롤러(PIC16C73)의 입력신호로 인가되 며 인가된 신호는 보행주기에 따른 모터 제어 알고리즘을 통해 모터의 회전량과 회전방향을 제어하게 되며, 또한, 모터제어부(240)의 슬레이브 컨트롤러는 모터에 부착된 엔코더에서 발생되는 모터의 위치와 속도에 대한 정보를 감지하여 모터의 동작상태를 제어하게 된다.
구동부(300)는 연속 탄성 작동기(Series Elastic Actuator)(310)로 이루어지며, 모터제어부(240)의 모터의 제어 신호에 따라 연속 탄성 작동기(310)를 구동하여 단하지 보조기의 발목각도를 조절한다. 연속 탄성 작동기(310)의 모터의 회전운동이 볼스크류(ball screw)와 볼너트(ball nut)에 의해서 직선 운동으로 바뀌게 되어 모터의 회전량과 회전방향에 따라 이동거리와 이동방향이 변화시킴으로써 단하지 보조기의 관절각도가 변하게 된다. 모터에 부착된 엔코더(308)는 위치나 속도에 대한 정보를 슬레이브 컨트롤러에 전달함으로써 모터 동작상태를 제어하게 된다. 또한, 구동부(300)에 압축스프링을 삽입하여 모터에 의해서 발생되는 뒤쳐짐(backlash)과 보행 시 발생되는 충격을 완화시킨다.
도 3은 도 1의 저항센서부의 일예이다.
저항센서부(110)는 엄지발가락(Hallux) 센서(120), 첫째 중족골두(1st Metatarsal Head) 센서(130), 다섯째 중족골저(5th Metatarsal Base) 센서(140), 발뒤꿈치(Heel) 센서(150)으로 이루어진다. 저항센서부(110)의 저항센서로 FSR(force sensing resistor) 센서(MA-152, Motion Lab System Inc., 미국)를 사용할 수 있다.
엄지발가락 센서(120)는 발 지지부(30)의 외측 바닥에서 엄지발가락 부위에 부착되는 저항센서로, 지면과 엄지발가락 부위의 접촉상태를 확인한다.
첫째 중족골두 센서(130)는 발 지지부(30)의 외측 바닥에서 첫째 중족골두 부위에 부착되는 저항센서로, 지면과 첫째 중족골두 부위의 접촉상태를 확인한다.
다섯째 중족골저 센서(140)는 발 지지부(30)의 외측 바닥에서 다섯째 중족골저 부위에 부착되는 저항센서로, 지면과 다섯째 중족골저 부위의 접촉상태를 확인한다.
발뒤꿈치 센서(150)는 발 지지부(30)의 외측 바닥에서 발뒤꿈치 부위에 부착되는 저항센서로, 지면과 발뒤꿈치 부위의 접촉상태를 확인한다.
도 4는 도 1의 구동부의 일예이다.
구동부(300)의 연속 탄성 작동기(310)는 모터제어부(240)의 모터의 제어 신호에 따라 구동하여 단하지 보조기의 발목각도를 조절한다. 구동부(300)는 모터(320), 1 개의 커플링(coupling)(325), 2 개의 스프링 금속판(spring retaining)(350, 355), 1 개의 볼너트 금속판(ball nut flange)(345), 1 개의 금속판(end mount)(370), 4 개의 압축스프링(die Spring)(365), 6개의 부싱(bushing)(335), 1 개의 볼스크류(ball screw)(340)와 볼너트(ball nut)(360), 2 개의 가이드 레일(guide rail)(330), 2 개의 플런저(plunger)(375) 및 보조기와 연결하는데 사용되는 연결고리(380)로 구성된다. 구동부(300)는 크게 이동부(drive train)(302)와 고정부(output carriage)(301)로 구성되며, 고정부(301)는 압축스프링으로 이동부(302)와 연결되어 있다.
모터(320)가 커플링(325)을 통하여 볼스크류(340)와 부착되어 있으며, 볼스 크류(340)는 볼너트(360)가 포함된 볼너트 금속판(345)과 연결되어 있으며, 볼너트 금속판(345)은 압축스프링(365)으로 둘러싸여 있으며, 압축스프링(365)의 다른 쪽은 스프링 금속판들(350, 355)과 부착되어 있다.
스프링 금속판(350, 355)들은 플런저(375)에 연결되어 있고 플런저(375)의 끝은 보조기와 연결하는데 사용되는 연결고리(380)와 연결되어 있다.
가이드레일(330)과 접촉된 3 개의 금속판(350, 345, 355), 즉 2 개의 스프링 금속판(350, 355), 1 개의 볼너트 금속판(345)에는 부싱(335)이 포함되어 있어서 모터의 회전이 볼스크류(340)와 볼너트(360)에 의해 직선운동으로 원활히 변환되도록 한다.
모터(320)에 장착된 모터고정판(327)은 단하지 보조기부(5)의 종아리 볼록부(15)에 장착되며, 연결고리(380)는 단하지 보조기부(5)의 발뒤축 볼록부(35)에 연결된다.
모터(320)는 DC 모터로 이루어질 수 있다. 예로 DC 모터는 맥슨모터(스위스) RE 30을 사용할 수 있다.
모터(320)에 부착된 엔코더는 위치나 속도에 대한 정보를 모터제어부(240)에 전달함으로써 모터 동작상태를 제어하게 된다.
압축스프링(365)은 모터에 의해서 발생되는 뒤쳐짐(backlash)과 보행 시 발생되는 충격을 완화시킨다.
도 5는 본 발명의 능동형 단하지 보조기의 일예이다.
도 5에서 단하지 보조기부(5)의 종아리 볼록부(15)와 발뒤축 볼록부(35)에 구동부(300)의 연속 탄성 작동기(310)가 연결되어 있음을 알 수 있다.
도 6은 도 1의 연산처리부에서 보행주기 검출 알고리즘의 설명도이고, 도 7은 도 6의 보행주기 단계에 따른 저항센서 및 회전형 포텐셔미터의 입력신호에 따른 진리표이다.
본 발명에서는 전체 보행주기를 발뒤축접지 HS(heel strike), 발바닥접지 FF(foot flat), 발뒤축들림 HO(heel off), 발가락들림 TO(toe off), 유각기 SW(swing)인 총 5단계로 구분하였으며, 총 6개의 단계(도 6의 T1 단계 내지 T6 단계)의 보행주기로 변환하도록 알고리즘을 구성하였다.
제어부(200)의 연산처리부(230)는 저항센서부(110), 회전형 포텐셔미터(160)로부터 출력신호를 증폭부(210), A/D변환기(220)를 통해 수신하여 보행주기를 검출한다. 연산처리부(230)에서 검출된 보행주기를 이용하여 구동부(300)의 동작을 제어하는 제어신호를 생성한다.
연산처리부(230)는 발바닥접지(Foot Flat) 상태를 0으로 설정하며, 발목이 저굴될 때 "양"의 값을 갖도록 설정하며, 발목이 배굴될 때 “음”의 값을 갖도록 설정한다.
유각기에서 발뒤축접지기로 변환 단계(T1 단계)는 유각기(SW)에서 발뒤축접지기(HS)로 변환하는 단계로, 즉 유각기(SW)를 지난 후 발뒤꿈치가 접지되는 경우로 발뒤꿈치 센서(150)가 접촉상태이며 다른 센서들은 접촉상태가 아니며, 포텐셔미터가 “양”일 때이다.
발뒤축접지기에서 발바닥접지기로 변환 단계(T2 단계)는 발뒤축접지기(HS)에 서 발바닥접지기(FF)로 변환하는 단계로, 즉 발뒤축접지(HS)에서 발바닥접지(FF)로 변환되는 시점으로, 발뒤꿈치 센서(150), 다섯째 중족골저 센서(140), 첫째 중족골두 센서(130) 및 엄지발가락 센서(120)가 모두 접촉상태일 때이다.
발바닥접지기에서 발뒤축들림기로 변환 단계(T3 단계)는 발바닥접지기(FF)에서 발뒤축들림기(HO)로 변환하는 단계로, 즉 발바닥접지기 이후 발뒤축이 들리는 순간으로, 발뒤꿈치 센서(150)가 비접촉상태이며 다른 센서들은 접촉상태이고, 포텐셔미터가 “음”일 때이다
발뒤축들림기에서 발가락들림기 변환 단계(T4 단계)는 발뒤축들림기(HO)에서 발가락들림기(TO)로 변환하는 단계로, 즉 발뒤축들림기(HO)에서 발가락이 들리는 순간으로, 발뒤꿈치 센서(150), 첫째 중족골두 센서(130), 다섯째 중족골저 센서(140)가 비접촉상태이고, 엄지발가락 센서(120) 만이 접촉상태일 때이다.
발가락들림기에서 유각기로 변환 단계(T5 단계)는 발가락들림기(TO)에서 유각기(SW)로 변환하는 단계로, 즉 발가락들림기(TO)에서 유각기(SW)로 전환되는 시점으로 엄지발가락 센서(120)를 포함하는 모든 센서가 비접촉상태일 때이다.
발뒤축들림에서 발바닥접지기로 변환 단계(T6 단계)는 발뒤축들림(HO)에서 발바닥접지기(FF)로 변환하는 단계로, 즉 발뒤축이 들린 후 유각기(SW)로 전환하지 않고 다시 발바닥접지기(FF)로 전환될 때로, 모든 센서(120, 130, 140, 150)가 접촉상태이다.
상기 알고리즘에 있어서, 경우에 따라 발뒤축들림기에서 발가락들림기로 변환하는 단계(T4 단계)를 생략할 수 있다.
도 8은 도 1의 모터제어부의 모터 제어 알고리즘을 설명하기 위한 설명도 이다.
제어부(200)의 모터제어부(240)는 하중수용기(D1)에서는 구동부(300)의 길이를 감소시켜 저굴이 일어나도록 모터제어신호를 생성하였다.
중간입각기와 말기입각기(D2)에서는 구동부(300)의 길이를 증가시켜 배굴이 일어나도록 모터제어신호를 생성하였다.
전유각기(D3) 구간에서는 크고 빠른 저굴이 요구되므로 구동부(300)의 길이를 최대속도로 감소시키는 모터제어신호를 생성하였다.
유각기(D4)에서는 다음 발뒤축접지까지 발이 땅에 끌리지 않도록 충분한 배굴이 일어나도록 모터제어신호를 생성하였다.
본 발명의 능동형 단하지 보조기(AAFO)와 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기(SAFO)의 성능을 비교하기 위하여 5명의 건강한 성인남자(age: 27.5±2.1 years, height: 169.4± 4.3cm, weight: 66.4±2.3kg)를 피검자로 선정하고, 삼차원 동작분석 시스템(Vicon 612 system, Vicon, U.S.A.)을 이용하여 보행분석을 수행하였다. 동일한 피검자에 대해서 단하지 보조기를 착용하지 않은 정상보행(Normal), 기존의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO gait)(도 9의 (a)), 그리고 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO gait)(도 9의 (b)) 등 3종류의 보행을 실시하였다.
도 9는 종래의 단하지 보조기와 본 발명의 일실시예에 의한 능동형 단하지 보조기를 착용하고 있는 모습이다.
도 9의 (a)는 종래의 단하지 보조기를 착용한 모습이며, 도 9의 (b)는 본 발명의 일실시예에 의한 능동형 단하지 보조기를 착용하고 있는 모습이다.
본 발명의 능동형 단하지 보조기의 모터 회전수 제어는 다음 표와 같이 발목관절을 제어할 수 있었다.
Figure 112007012523655-pat00001
중립상태에서 모터를 18회 정회전(CW)시켜 구동부의 길이가 최소가 되고 약 21.5°의 최대저굴이 이루어졌다. 또한, 중립상태에서 모터의 10회 역회전(CCW)시켜 구동부의 길이가 최대가 될 때 약 11.9°의 최대배굴이 일어났다. 전체의 관절가동범위(이하 ROM이라 함)는 약 33.4°로 정상보행의 발목관절 ROM인 약 25°에 비해 충분히 큰 ROM을 제공할 수 있었다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 능동형 단하지 보조기와 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기의 보행에 대한 발목관절의 배굴/저굴 운동의 비교 그래프이다.
도 10은 정상보행(Normal), 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO), 그리고 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)의 3종류의 보행을 실시하였을 때 배굴/저굴 운동의 비교 그래프이다.
종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO)의 경우 전체 ROM이 약 10°로, 정상보행(Normal)에 비해 발목관절의 움직임이 매우 적었다. 반면에 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)의 경우 보행주기 동안 전체 ROM이 약 25°로 정상보행과 유사한 운동범위를 보였고 운동 패턴도 유사하였다. 이는 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO)에 비해 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)이 정상보행에 가깝게 보행을 유도할 수 있음을 의미한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 능동형 단하지 보조기와 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기의 보행에 대한 발목관절의 배굴/저굴 모멘트의 비교 그래프이다.
도 11은 정상보행(Normal), 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO), 그리고 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)의 3종류의 보행을 실시하였을 때 발목관절의 배굴/저굴 모멘트의 비교 그래프이다.
정상보행(Normal)의 경우, 전유각기에 약 17N·m/kg의 최대 저굴모멘트를 보였다. 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO)의 경우 최대 저굴모멘트가 약 11N·m/kg로 정상보행의 약 65%의 크기를 보였다. 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)의 경우 약 20N·m/kg으로 정상보행의 약 118%의 크기를 보였다. 이는 적절한 푸쉬 오프(push-off)를 위해 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)가 충분한 저굴모멘트를 발생시킬 수 있음을 의미한다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 능동형 단하지 보조기와 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기의 보행에 대한 골반 기울임 각도 변화의 비교 그래프이다.
도 12는 정상보행(Normal), 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO), 그리고 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)의 3종류의 보행을 실시하였을 때 골반 기울임 각도 변화의 비교 그래프이다.
정상보행(Normal)에 비해, 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO)이 전유각기와 초기유각기에 골반이 급격히 위쪽으로 기울어짐으로써 골반상승(hip hiking)의 특성을 보였다. 반면에 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)은 정상보행에 비해 약간 작은 위쪽 기울어짐을 보였지만 전체적으로 거의 유사한 각도 변화를 보였다.
정상보행(Normal)에 비해 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO)은 말기입각기, 전유각기, 초기유각기, 중간유각기 및 말기유각기에 큰 외회전을 하는 골반외회전(hip external rotation)의 특성을 보였다. 그러나 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)의 경우는 정상보행에 비해 하중수용기동안 약간의 내회전을 보이고 전유각기에 약간의 외회전을 보였으나 전체적으로 정상보행과 거의 유사한 운동특성을 보였다. 이는 종래의 일반 플라스틱 단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO)의 경우에 있어서, 발목관절의 운동이 제한되어 있으므로 이를 보상하기 위해 골반의 움직임이 비정상적으로 움직이게 되고 이는 에너지 소모에 큰 영향을 미치게 됨으로써 매우 비효율적인 보행을 초래하게 된다. 이에 반해 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO)의 경우는 정상보행과 거 의 유사한 운동특성을 보임으로써 에너지 소모 측면에서도 매우 효율적인 특성을 보일 수 있음을 알 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 보행주기에 따라 발목관절의 저굴 및 배굴을 제어하는 능동형 단하지 보조기를 제공하였다.
본 발명의 능동형 단하지 보조기는 보행 시, 정상인의 발목관절 최대 ROM을 충분히 만족하였다. 또한, 일반 플라스틱 AFO 보행에서는 말기 입각기에 추진(push off)과 초기 유각기에 배굴이 약해서 발끌림이 발생할 수 있으나, 본 발명의 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행에서는 말기 입각기에 충분한 추진(push off)이 일어나고, 초기 유각기에 배굴이 일어남으로써 유각기의 발끌림(toe drag)현상과 초기 접지기에 발바닥이 먼저 닿는 현상(foot drop)을 방지할 수 있었다. 그리고 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행에서 발생된 최대 저굴 모멘트가 기존의 일반 플라스틱 단하지 보조기와 비교해 큰 향상을 보였으며 정상보행에 매우 근접함을 알 수 있었다. 다시말해 본 발명의 능동형 단하지 보조기는 보행 시 안정성을 제공하며 정상보행과 유사한 발목관절의 저굴 및 배굴을 발생시킬 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 능동형 단하지 보조기는 보행 시 안정성을 제공하며, 능동적으로 정상보행과 유사한 발목관절의 저굴/배굴를 유도함으 로써 정상에 가까운 보행을 유도하며 족하수 및 발끌림을 방지한다.
또한, 본 발명의 단하지 보조기는 마비환자의 보행주기를 정확하게 검출하여 보행주기에 따라 발목관절의 저굴/배굴를 제공하는 마비환자의 족하수 및 발끌림을 방지를 위한 능동형 단하지 보조기를 제공한다.
또한, 본 발명의 능동형 단하지 보조기는 연속 탄성 작동기를 이용하여 능동적으로 마비환자의 발목관절을 제어하며, 마비환자의 정상적 보행을 보조하기 위해 저항센서와 회전형 포텐셔미터를 이용하여 정확한 보행주기를 검출하여 검출된 보행주기에 따라 구동부의 길이를 변화시켜 발목관절의 각도를 제어하며, 공압 인공근육을 사용하여 발목관절의 저굴을 제어한다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 발의 지면과 접촉상태 및 발목의 굴곡각도를 검출하는 센서부; 상기 센서부로부터 수신된 신호로부터 보행주기를 검출하여 모터제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어부의 모테제어신호에 의해 구동되는 모터를 구비하며, 상기 모터의 회전운동이 볼스크류(ball screw)와 볼너트(ball nut)에 의해서 직선 운동으로 바뀌게 되어, 상기 모터의 회전량과 회전방향에 따라 이동거리와 이동방향이 변화시킴으로써 단하지 보조기의 관절각도가 변하게 하는 구동부;를 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 센서부로부터 수신된 신호들을 증폭하는 증폭부; 상기 증폭부의 출력신호들을 디지탈신호로 변환하는 A/D변환기; 상기 A/D변환기로부터 수신된 신호들을 연산처리하여 보행주기를 검출하는 연산처리부; 상기 연산처리부의 출력신호로부터 상기 구동부를 제어하기 위한 모터제어신호를 생성하는 모터제어부;를 구비하며,
    상기 센서부는, 발의 지면과 접촉상태를 측정하는 저항센서부, 발목의 굴곡각도를 검출하는 회전형 포텐셔미터를 구비하되, 상기 저항센서부는 발 지지부의 외측 바닥에서 엄지발가락, 첫째 중족골두, 다섯째 중족골저, 발뒤꿈치 부위에 각각 저항센서가 부착되어 있으며,
    상기 연산처리부는, 발바닥접지(Foot Flat) 상태를 0으로 설정하며, 발목이 저굴될 때 "양"의 값을 갖도로 설정하며, 발목이 배굴될 때 “음”의 값을 갖도록 설정하고, 전체 보행주기를 발뒤축접지 HS(heel strike), 발바닥접지 FF(foot flat), 발뒤축들림 HO(heel off), 발가락들림 TO(toe off), 유각기 SW(swing)인 총 5단계로 구분하여 보행주기를 검출하며,
    상기 모터제어부는 상기 모터에 부착된 엔코더에서 발생되는 모터의 위치와 속도에 대한 정보를 감지하여 모터의 동작상태를 제어하며,
    상기 구동부에서 상기 모터가 커플링을 통하여 볼스크류와 부착되어 있으며, 볼스크류는 볼너트가 포함된 볼너트 금속판과 연결되어 있으며, 볼너트 금속판은 압축스프링으로 둘러싸여 있으며, 압축스프링의 다른 쪽은 스프링 금속판들과 부착되어 있으며, 상기 스프링 금속판들은 플런저에 연결되어 있고, 상기 플런저의 끝은 보조기와 연결하는데 사용되는 연결고리와 연결되어 있는 능동형 단하지 보조기에 있어서,
    상기 제어부의 모터제어부는,
    하중수용기(D1)에서는 구동부(300)의 길이를 감소시켜 저굴이 일어나도록 모터제어신호를 생성하며,
    중간입각기와 말기입각기(D2)에서는 구동부(300)의 길이를 증가시켜 배굴이 일어나도록 모터제어신호를 생성하며,
    전유각기(D3) 구간에서는 크고 빠른 저굴이 요구되므로 구동부(300)의 길이를 최대속도로 감소시키는 모터제어신호를 생성하며,
    유각기(D4)에서는 다음 발뒤축접지까지 발이 땅에 끌리지 않도록 충분한 배굴이 일어나도록 모터제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 능동형 단하지 보조기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연산처리부는
    발뒤꿈치 센서가 접촉상태이며 다른 센서들은 접촉상태가 아니며, 포텐셔미터가 “양”일 때는 유각기에서 발뒤축접지기로 변환하는 단계로 판정하며,
    발뒤축접지(HS)에서 발바닥접지(FF)로 변환되는 시점으로, 발뒤꿈치 센서, 다섯째 중족골저 센서, 첫째 중족골두 센서 및 엄지발가락 센서가 모두 접촉상태일 때는 발뒤축접지기에서 발바닥접지기로 변환 단계(T2 단계)로 판정하며,
    발뒤꿈치 센서가 비접촉상태이며 다른 센서들은 접촉상태이고, 포텐셔미터가 “음”일 때는 발바닥접지기에서 발뒤축들림기로 변환 단계(T3 단계)로 판정하며,
    발뒤꿈치 센서, 첫째 중족골두 센서, 다섯째 중족골저 센서가 비접촉상태이고, 엄지발가락 센서만이 접촉상태일 때는 발뒤축들림기에서 발가락들림기 변환 단계(T4 단계)로 판정하며,
    엄지발가락 센서를 포함하는 모든 센서가 비접촉상태일 때는 발가락들림기에서 유각기로 변환 단계(T5 단계)로 판정하며,
    발뒤축이 들린 후 유각기(SW)로 전환하지 않고 다시 발바닥접지기(FF)로 전환될 때로, 모든 센서(120, 130, 140, 150)가 접촉상태일 때는 발뒤축들림에서 발바닥접지기로 변환 단계(T6 단계)로 판정하는 것을 특징으로 하는 능동형 단하지 보조기.
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  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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  13. 삭제
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KR1020070014145A 2007-02-12 2007-02-12 마비환자의 족하수 및 발끌림 방지를 위한 능동형 단하지보조기 KR100924843B1 (ko)

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