KR20010093991A

KR20010093991A - 에너지 저장형 의족용골

Info

Publication number: KR20010093991A
Application number: KR1020000017337A
Authority: KR
Inventors: 장태성; 이동희; 이정주; 윤용산
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 2000-04-03
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2001-10-31
Also published as: JP2001276102A; DE10053259A1; KR100362736B1; US6514293B1

Abstract

본 발명은 하지가 절단된 장애인이 이용하는 의족용골에 있어서, 보행시에 발가락 끝으로 미는 역할을 대신하여 보행에 필요한 추진력을 적절히 제공할 수 있는 에너지 저장형 의족용골을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 하지절단 장애인의 정강이뼈의 대용으로 사용하는 파일런에 연결되는 의족용골에 있어서, 파일런(155)에 체결되는 발목부(105)와, 발바닥의 위치가 되는 바닥부(111)와, 발목부(105)와 바닥부(111)의 사이에 위치하여 발목부(105)와 바닥부(111)를 연결하고 있는 복수의 곡면부(106, 109)를 포함하며, 발목부(105)와 바닥부(111) 및 복수의 곡면부(106, 109)가 일체형 판스프링 구조를 이루는 의족용골이 제공된다. 그리고, 복수의 곡면부(106, 109)는 발목부(105)에 연결되며 곡률반경 R1으로 형성되는 제 1 곡면부(106)와, 제 1 곡면부(106)와 바닥부(111)를 연결하며 곡률반경 R2로 형성되는 제 2 곡면부(109)를 포함하며, 제 1 곡면부(106)와 제 2 곡면부(109)의 사이에는 길이 L1의 평탄부(108)가 연결되며, 바닥부(111)는 길이 L2를 가지며 소정의 각도 θ로 경사져 있다. 또한, 바닥부(111)의 끝단부에는 곡률반경 R3으로 형성된 발가락부(113)가 형성되며, 발목부(105)에는 파일런(155)과 접하는 부위에 알루미늄 패드(120)가 부착 고정된다.

Description

에너지 저장형 의족용골{Energy-storing prosthetic feet}

본 발명은 하지가 절단된 장애인이 보행 가능하도록 사용하는 의족용골에 관한 것이며, 특히, 보행시에 발가락 끝으로 밀어서 발생시키는 추진력을 적절하게 제공할 수 있는 에너지 저장형 의족용골에 관한 것이다.

하지절단 장애인(Below-knee amputees)은 족저굴근(plantar flexors; 足底屈筋)의 손실로 인해 보행시에 발가락 끝으로 미는(이하에서는 '발끝밀기(toe-off)'라함.) 추진력을 제공받지 못한다. 따라서, 하지절단 장애인은 50~90m/min의 속도로 보행함에 있어서, 정상적인 사람보다 산소를 약 20%가량 더 많이 소모한다. 이러한 사실은 보행함에 있어, 하지절단 장애인이 정상인보다 더 많은 에너지를 소모함을 의미하며, 더 힘들어 한다는 것을 알 수 있다.

이와 같은 하지절단 장애인의 어려움을 보완하기 위해, 현재 하지절단 장애인들이 좀 더 자연스러운 보행을 할 수 있고 적은 에너지로 정상인과 유사한 걸음새로 보행할 수 있도록 더 안락하고 진보된 의족의 개발이 진행중에 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 에너지 저장식 의족 파일런을 나타낸 개략도이다.

도 1에 도시된 의족 파일런은 "대한민국 특허 제0155591호(발명의 명칭 : 에너지 저장식 의족 파일런)"에 소개되어 있다.

에너지 저장식 의족 파일런은 제 1 파일런 부재(18)와, 제 2 파일런 부재(20)와, 제 1 및 제 2 파일런 부재(18, 20)를 결합하고 제 1 및 제 2 파일런 부재(18, 20)의 상대적인 축방향 및 회전운동을 신축성 있게 제어하는 적어도 한 개 이상의 판스프링(22) 및, 제 2 파일런 부재(20)에 고정된 의족 발 부재(14)를 포함한다.

이런 에너지 저장식 의족 파일런은 하나 또는 그 이상의 스프링 부재를 구비한 상부 및 하부 파일런 부재에 특징이 있으며, 이런 상부 및 하부 파일런 부재들은 스프링 부재에 의해 양호하게 상호 결합되어 상하부 파일런 부재의 연결길이가 신축된다. 그 결과로서, 파일런 상에 작용하는 힘은 스프링 부재들 내에 에너지로 저장되고, 파일런 상에 작용하는 힘이 제거됨과 동시에 저장된 에너지는 해제되면서 추진력을 발생시킨다.

또한, "미국 특허 제5,181,932호와, 제5,486,209호 및, 제5,593,457호(발명의 명칭 : 보조 발목 구조를 가진 의족(Foot prosthesis having auxiliary ankle construction))"과, "미국 특허 제5,037,444호(발명의 명칭 : 의족(Prosthetic foot))"는 에너지 저장형 의족의 대표적 발명으로서 판스프링 구조의 용골을 택하고 있다.

그리고, "미국 특허 제5,158,570호(발명의 명칭 : 개선된 발목과 탄성중합체 뒤꿈치 패드를 가진 의족(Prosthetic foot with improved ankle and elastomeric heel pad))"와 "미국 특허 제5,258,038호(발명의 명칭 : 발목 조인트 및 발가락 요소를 가진 의족(Prosthetic foot with ankle joint and toe member))"에 소개된 의족은 열가소성 재료 또는 복합재료로 이루어진 발목, 뒤꿈치, 전족들이 조인트에 의해 서로 조합되며, 탄성중합체 패드에 지지되어 운동 기능을 가진 다부품 의족(multi-piece prosthetic foot)이다.

또한, "미국 특허 제5,219,365호(발명의 명칭 : 의족(Prosthetic foot))"는 전족(前足, forefoot), 발목(ankle), 뒤꿈치(heel)를 통합한 일체형 용골로 구성되며, 용골의 소재로는 경화된 아세탈 공중합체(hardened acetal copolymers)가 이용된다. 그리고, 의족용골에는 수직 직립구멍(thoughbore)이 형성되어 다수의 정강이 조립품(leg assemblies)에 연결된다. 의족의 아치 형상(arched configuration)에 의해 의족의 강도(strength) 및 동특성(dynamics)이 유도되는 특징이 있다.

그리고, "미국 특허 제5,443,527호(발명의 명칭 : 의족과 3방향 발목 조인트(Prosthetic foot and three-way ankle joint))" 및 "미국 특허 제5,695,526호(발명의 명칭 : 일 부품 기계적으로 차별화된 의족 및 관련 심-변경된 발목 조인트(One-piece mechanically differentiated prosthetic foot and associated ankle joint with syme modification))는 지지 및 유연성을 제공하기 위해 경량의 중합체 재료(polymeric material)로 구성된 일체형의 발등(instep)과 발바닥(sole)을 포함하며, 3축 회전과 배굴(dorsiflexion,背屈) 및 척굴(plantarflexion,蹠屈)을 허용하도록 조인트가 설치되어 있다.

또한, "미국 특허 제5,443,528호(발명의 명칭 : 코일 스프링 의족(Coil spring prosthetic foot))"과 "미국 특허 제 5,695,527호(발명의 명칭 : 코일 의족(Coil prosthetic foot))"과 "미국 특허 제5,653,767호(발명의 명칭 :의족(Prosthetic foot))" 및 "미국 특허 제5,571,213호(발명의 명칭 : 의족(Prosthetic foot))"는 하나의 연속적인 코일 스프링에 의해 형성된 의족으로서, 흑연 섬유(Graphite fiber), 흑연 섬유와 유리섬유의 혼합, 케블라(Kevlar), 스펙트라(Spectra) 또는 에폭시 함유된 다른 섬유 재료로 이루어진 발 중심 코일 부분(foot center coil section), 뒤꿈치 연장 부분(heel extension section), 전족 연장 부분(forefoot extension section)으로 구성되며, 측면 내측 회전운동(lateral medial torsional movement)이 가능하다. 전족 연장 부분과 통합된 뒤꿈치 연장 부분을 사용함으로써, 보행 사이클 동안 지연 없이 뒤꿈치로부터 전족으로 에너지를 전달할 수 있도록 설계되었다.

그리고, "미국 특허 제5,258,039호(발명의 명칭 : 에너지 저장형 복합재 의족(Energy storing composite prosthetic foot))"는 내전(inversion, 內轉) 및 외전(eversion, 外轉) 기능을 허용하는 람다(λ), 카이(χ), 시그마(σ) 형상의 에너지 저장형 의족용골로 구성되며, 이 용골은 수지 함유 탄소 워우븐 직물 복합재료(a resin impregnated carbon woven fabric composite material)를 사용하여 제작된다.

또한, "미국 특허 제5,509,937호(발명의 명칭 : 향상된 뒤꿈치 제어기능을 가진 의족(Prosthetic foot with enhanced heel control))"과 "미국 특허 제5,116,385호(발명의 명칭 : 내측 제어가 향상된 외팔보 스프링 형태의 의족(Medio-lateral control enhancing, cantilever-spring type prosthetic foot))"는 전족 의족(main forefoot leg), 후방 의족(rear leg), 전족과 후방 부분을 연결하는 중간 의족(intermediate leg)으로 구성된 S자 형상의 의족으로서, 외팔보 스프링(cantilever-spring) 부재가 뒤꿈치의 착지시에 에너지를 뒤꿈치 부분에서 흡수하고, 내측 제어기능(medio-lateral control)을 제공하며, 또한, 발끝밀기 때에 에너지를 방출하는 구조를 갖는다.

현재, 이와 같이 많고 다양한 의족장치가 미국을 중심으로 활발히 개발되고 있으며, 각각 다른 형상의 용골을 채택하고 있다.

그러나, 일부 의족 장치는 정강이 부분과 발 부분을 함께 포함하고 있어서 파일런을 부착시킬 수 없을 뿐 아니라, 많은 부품을 필요로 하며 매우 복잡한 구조를 갖는 단점이 있다.

또한, 하지절단 장애인의 체중이나, 활동범위와 같은 보행 특성을 고려한 주문형 의족장치를 설계하기에는 의족 성능 변화의 범위가 작다는 단점을 가진다. 따라서, 에너지 저장 및 방출의 기능을 담당하는 용골의 성능을 하지절단 장애인의 보행특성에 맞게 설계할 수 있도록 조정 가능한 다양한 설계 변수를 가지면서, 제작이 용이하게 이루어질 수 있는 의족의 개발이 요구된다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 장애인의 걸음새를 자연스럽게 하며, 장애인의 보행시에 소모되는 에너지를 감소시키고, 구조적으로 간단하여 착용이 편리하도록 한 에너지 저장형 의족용골을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 에너지 저장식 의족 파일런(pylon)을 나타낸 개략도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 에너지 저장형 의족용골을 나타낸 사시도이고,

도 3은 도 2에 도시된 에너지 저장형 의족용골의 조립도이고,

도 4는 도 2에 도시된 에너지 저장형 의족용골의 측단면도이고,

도 5는 도 2에 도시된 에너지 저장형 의족용골과 파일런의 결합관계를 나타낸 개념도이며,

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 에너지 저장형 의족용골의 설계절차를 나타낸 흐름도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

14 : 의족 발 부재 18 : 제 1 파일런 부재

22 : 판스프링 100 : 에너지 저장형 의족용골

101 : 용골 105 : 발목부

106 : 곡면부 108 : 평탄부

109 : 뒤꿈치부 111 : 바닥판부

113 : 발가락부 120 : 알루미늄 패드

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 하지절단 장애인의 정강이뼈의 대용으로 사용하는 파일런에 연결되는 의족용골에 있어서, 상기 파일런에 체결되는 발목부와, 발바닥의 위치가 되는 바닥부와, 상기 발목부와 상기 바닥부의 사이에 위치하여 상기 발목부와 상기 바닥부를 연결하는 복수의 곡면부를 포함하며, 상기 발목부와 상기 바닥부 및 상기 복수의 곡면부가 일체형 판스프링 구조를 이루는 의족용골이 제공된다.

본 발명의 상기 복수의 곡면부는 상기 발목부에 연결되며 곡률반경 R1으로 형성되는 제 1 곡면부와, 상기 제 1 곡면부와 상기 바닥부를 연결하며 곡률반경 R2로 형성되는 제 2 곡면부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 제 1 곡면부와 제 2 곡면부의 사이에는 길이 L1의 평탄부가 연결된다.

본 발명의 상기 바닥부는 길이 L2를 가지며 소정의 각도 θ로 경사져 있다.

본 발명에 따르면, 상기 바닥부의 끝단부에는 곡률반경 R3으로 형성된 발가락부가 형성된다.

본 발명에 따르면, 상기 제 1 곡면부와 상기 평탄부를 연결하는 제 1 연결부와, 상기 뒤꿈치부와 상기 바닥판부를 연결하는 제 2 연결부 및, 상기 바닥판부와 상기 발가락부를 연결하는 제 3 연결부가 부가적으로 형성되며, 상기 제 1 연결부와 상기 제 2 연결부 및 제 3 연결부는 응력 집중의 완화를 위해 소정의 필릿반경을 가진다.

본 발명에 따르면, 상기 발목부에는 상기 파일런과 접하는 부위에 알루미늄패드가 부착 고정된다.

본 발명에 따르면, 상기 알루미늄 패드와 상기 발목부의 사이에는 상기 발목부의 컴플라이언스의 증가를 위해 탄성중합체 패드가 위치한다.

본 발명에 따르면, 상기 알루미늄 패드와 상기 발목부 및 상기 탄성중합체 패드에는 상기 파일런에 체결되는 볼트가 삽입되도록 적어도 한 개이상의 관통공이 형성된다.

본 발명의 의족용골은 섬유강화 복합재료이다.

본 발명의 상기 섬유강화 복합재료는 고분자수지가 함유된 탄소섬유, 케블라, 그래파이트, 유리섬유 등의 단 섬유나 연속적인 섬유로 형성된다.

본 발명의 상기 섬유강화 복합재료는 일방향 프리프레그나 직물 구조 프리프레그로 형성된다.

아래에서, 본 발명에 따른 에너지 저장형 의족용골의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 에너지 저장형 의족용골을 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 에너지 저장형 의족용골의 조립도이고, 도 4는 도 2에 도시된 에너지 저장형 의족용골의 측단면도이고, 도 5는 도 2에 도시된 에너지 저장형 의족용골과 파일런의 결합관계를 나타낸 개념도이며, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 에너지 저장형 의족용골의 설계절차를 나타낸 흐름도이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 에너지 저장형 의족용골(100)은 복합재료로 제작된 용골(101)과, 파일런(155)과의 조립 및 결합을 위해 부착된 알루미늄패드(120) 및, 용골(101)과 알루미늄 패드(120)의 사이에 위치하는 탄성중합체 패드(130)를 포함한다. 2개의 탄성중합체 패드(130)는 용골(101)의 발목부(105)의 상하면에 부착되고, 2개의 알루미늄 패드(120)는 발목부(105)의 상하면에 부착된 탄성중합체 패드(130)의 상하면에 각각 부착된다. 따라서, 각각의 탄성중합체 패드(130)는 알루미늄 패드(120)와 용골(101)의 사이에 고정된다.

용골(101)의 선단은 평탄한 발목부(105)를 이루고, 곡률반경 R1의 곡면을 형성하는 곡면부(106)가 발목부(105)의 후방에 이어지며, 다시 L1의 길이를 가지는 평탄부(108)가 곡면부(106)의 후방에 이어지고, 평탄부(108)의 후방에는 곡률반경 R2의 곡면을 형성하는 뒤꿈치부(109)가 형성되며, 뒤꿈치부(109)의 후방으로는 L2의 길이를 가지면서 θ의 각도로 경사진 바닥판(sole)부(111)가 이어진다. 그리고, 바닥판부(111)의 후방으로는 발가락부(113)가 형성된다. 이렇게 형성된 용골(101)은 측면에서 보았을 때, 마치 'S'와 같은 형상이다.

한편, 알루미늄 패드(120)와 용골(101)의 발목부(105) 및 탄성중합체 패드(130)에는 일치되는 한 개의 관통공(140)이 형성되며, 이런 관통공(140)에 삽입된 의족 어댑터(153)는 용골(101)의 발목부(105)에 볼트(151)에 의해 고정되며, 의족 어댑터(153)의 상부 피라미드형 돌출부가 파일런(155)에 체결된다. 따라서, 알루미늄 패드(120)는 파일런(155)과의 조립에 필요한 의족 어댑터(153)와 직접 접하게 되며, 탄성중합체 패드(130)는 발목의 컴플라이언스(compliance)(탄성계수의 역수)를 증가시킨다.

이런 용골(101)은 에폭시(epoxy)와 같은 고분자수지(polymers)가 함유된 탄소섬유(carbon fiber), 케블라(Kevlar), 그래파이트(Graphite), 유리섬유(glass fiber) 등 다양한 종류의 섬유강화 복합재료로 제작되며, 이러한 섬유강화 복합재료에는 단(chopped) 섬유나 연속적인(continuous) 섬유가 이용된다. 한편, 일방향 프리프레그(unidirectional prepreg)나 직물 구조 프리프레그(woven fabric prepreg)와 같은 섬유강화 적층 복합재료도 사용될 수 있으며, 용골(101)은 평탄부(108)와 두 곡면 즉, 곡면부(106)와 뒤꿈치부(109)의 형성에 의한 판스프링 구조를 가지며, 용골(101) 자체는 섬유강화 적층 복합재료 구조가 효과적이다.

섬유강화 적층 복합재료 구조의 용골(101)을 제작할 때에 프리프레그 적층 수를 조절하여 전체 두께의 변화를 유도한다. 특히, 일방향 프리프레그를 적층하여 용골(101)을 제작할 때에, 준 등방성 복합재료의 적층각도를 이용하는 것이 효과적이다. 그 예로서, 0°/60°/-60°/-60°/60°/0°와, 45°/-15°/-75°/-75°/-15°/45°및, -30°/30°/90°/90°/30°/-30°등의 적층 형태가 이용된다.

한편, 판스프링 구조의 용골(101)의 굽힘 강성을 변화시키기 위해 용골(101)의 두께를 조절한다. 일반적으로 두께를 증가시키면 강성이 증가하나 유연성은 감소한다. 이러한 물리적 특성에 따라 의족 착용자의 체중이나 활동범위 등을 고려하여 유연성과 에너지 저장특성 및 구조적 안정성을 상호 검토하여, 용골(101)의 최적 두께를 구한다.

아래에서는 에너지 저장형 의족용골의 구조에 따른 에너지 저장관계를 상세히 설명하겠다.

용골(101)의 발목부(105)는 의족 어댑터(153)과의 원활한 결합을 위해 평판으로 형성되고, 용골(101)과 의족 어댑터(153)는 관통공(140)에 삽입된 볼트(151)에 의해 고정되며, 의족 어댑터(153) 상부의 피라미드형 돌출부가 파일런(155)에 체결된다. 그리고, 이런 발목부(105)의 후방에는 곡률반경 R1의 곡면부(106)와, R2를 갖는 뒤꿈치부(109) 및, 곡면부(106)와 뒤꿈치부(109)를 연결하는 길이 L1인 평탄부(108)가 형성되고, 이런 곡면부(106)와 뒤꿈치부(109) 및 평탄부(108)에는 탄성 복원 변형에너지가 효과적으로 저장된다. 특히, 평탄부(108)의 길이 L1은 파일런(155)을 통해 발목 부분에 작용하는 체중에 의한 하중의 모멘트 암(moment arm)을 변화시켜 굽힘 모멘트와 용골의 변형량 및 탄성 복원 변형 에너지의 크기에 영향을 준다. 뒤꿈치부(109)와 발목부(105)를 연결하는 곡면부(106)는 곡률반경 R1을 가지며 그 크기에 따라 용골의 길이를 변화시키고 저장에너지의 크기와 충격의 전달에 영향을 미친다. 뒤꿈치부(109)의 곡률반경 R2 역시 그 크기에 따라 판스프링의 길이를 변화시키며, 저장에너지의 크기에 영향을 준다. 곡면부(106)와 뒤꿈치부(109)의 곡률은 의족용골의 유연성을 크게 증가시킨다.

한편, 보행중에 있어서, 발뒤꿈치의 착지로부터 발가락부가 지면으로부터 떨어지는 행정을 지지구간이라 하고, 이런 지지구간의 다음으로는 다리의 회전구간이 이어진다. 다시 지지구간은 초기와 중간 및 말기 지지구간으로 구분되며, 초기 지지구간은 뒤꿈치가 착지되는 구간이고, 중간 지지구간은 발바닥부가 지면에 접하는 구간이며, 말기 지지구간은 발끝이 지면으로부터 떨어지려고 하는 구간이다.

바닥판부(111)는 일정 각도 θ의 경사각과 함께 길이 L2를 갖는다. θ는 바닥판의 수평면에 대한 각도로서, θ와 L2의 크기는 지지구간 동안 의족용골(101)의시상면(sagittal plane) 상에서의 등가 스프링 상수에 영향을 주며, 결과적으로, 용골(101) 전체 판스프링의 에너지 저장능력에 영향을 준다. 발가락부(113)는 일정 곡률반경 R3을 가지며, 발끝밀기 구간에 하지(下肢)의 회전 중심 역할을 수행하며, 말기 지지구간 중에 용골(101)에 저장된 탄성 에너지를 지면과의 반발 상호작용에 의해 효과적으로 방출할 수 있도록 충분한 길이를 가진다.

그리고, 곡면부(106)와 평탄부(108)를 연결하는 제 1 연결부(107)와, 뒤꿈치부(109)와 바닥판부(111)를 연결하는 제 2 연결부(110) 및, 바닥판부(111)와 발가락부(113)를 연결하는 제 3 연결부(112)는 일정 필릿(fillet) 반경을 갖는 완만한 형상으로 이루어지며, 이런 필릿반경은 급격한 형상의 변화에 의한 응력 집중을 피하기 위해 형성된 것이다.

한편, 용골(101)의 폭은 하지절단 장애인의 보행 편의성을 고려하여 변화될 수 있으며, 용골(101)에 형성된 관통공(140)의 수는 파일런(155)에 체결되는 의족 어댑터(153)의 구조에 따라 조절될 수 있다.

전술한 바와 같이, 곡률반경 R1과 R2 및 R3과, 길이 L1 및 L2 와, 경사각 θ는 주요 설계변수들로서 일정 허용범위를 가지며, 하지절단 장애인의 몸무게, 활동범위와 같은 특성에 맞춰 조절된다. 이에 따라, 의족용골(100)은 약간씩의 형상이 변경될 수 있으며, 허용범위 내의 설계변수 조절에 의해 에너지 저장형 의족용골(101)의 성능에 변화를 줄 수 있다.

이상과 같이 구성된 에너지 저장형 의족용골과 파일런의 결합관계에 대하여 상세히 설명하겠다.

도 5에 도시된 바와 같이, 알루미늄 패드(120)와 탄성중합체 패드(130) 및 용골(101)의 발목부(105)에 형성된 관통공(140)에는 의족 어댑터(153)가 삽입되고, 이 의족 어댑터(153)는 볼트(151)에 의해 용골(101)에 체결되며, 의족 어댑터(153)의 상부에 위치한 피라미드형 돌출부가 파일런(155)에 체결된다. 따라서, 알루미늄 패드(120)와 파일런(155)의 사이에는 어댑터(153)가 위치하며, 파일런(155)의 상부에는 소켓(158) 하부의 피라미드형 돌출부가 같은 방식으로 체결됨으로써 파일런(155)과 소켓(158)의 체결이 이루어진다. 알루미늄 패드(120)에 형성된 관통공(140)의 형상은 필요에 따라 단순 구멍, 카운터보어(counterbore), 카운터싱크(countersink), 카운터드릴(counterdrill)의 형상을 가질 수 있다. 탄성중합체 패드(130)는 발목의 컴플라이언스(compliance)(탄성계수의 역수)를 증가시키기 위해 용골(101)과 알루미늄 패드(120)의 사이에 위치한다.

보행중에 있어서, 의족용골의 착지시에 발생하는 충격은 의족용골의 판스프링의 구조에 의해 흡수되어 과도한 충격이 하지절단 장애인에게 전달되는 것을 완화한다. 초기 및 중간 지지구간 동안 체중과 지면 반력에 의해 용골 내에 발생된 굽힘 모멘트는 용골의 탄성 변형을 야기시키며, 이를 통해 탄성 복원 변형 에너지가 판스프링에 최대한 저장되었다가 발끝밀기시에 용골에 저장된 탄성에너지의 효과적인 방출로 인해 하지의 추진력이 발생하게 된다.

이상과 같이 구성된 에너지 저장형 의족용골의 설계절차에 대하여 상세히 설명하겠다.

도 6에 도시된 바와 같이, 용골의 기본형상을 설계한다. 그리고, 장애인의체형 등을 고려하여 설계변수를 정의한다. 여기에서, 설계변수로는 곡면부와 뒤꿈치부 및 발가락부의 곡률반경(R1과 R2 및 R3)과, 평탄부 및 바닥판부의 길이(L1과 L2) 및, 바닥판부의 경사각(θ)이다.

이렇게 설계변수가 정의되면, 직교배열표(Orthogonal array table)를 이용한 의족보행 동적 시뮬레이션을 계획하고, 분석분산표를 이용하여 동적 시뮬레이션 결과를 분석한 후에, 의족형상을 설계한다. 이 때, 의족형상은 정상인의 보행과 동일한 보행을 수행할 때에 의족착용자의 무릎에서 행해지는 일이 최소가 되도록 설계한다.

또한 구조적 안정성 확보를 위해 3차원 유한요소해석 실시 및 파손 안정성 평가를 시행한 후에, 최종 형상을 설계한다.

이러한 과정을 거쳐 의족착용자의 체형에 적합한 의족용골이 제작된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 에너지 저장형 의족용골은 연속적인 섬유나 단 섬유로 강화된 섬유강화 복합재료 또는 층(laminar)으로 이루어진 적층 복합재료를 소재로 하여, 높은 비강성과 높은 비강도 및 경량의 특성을 가진다는 장점이 있다.

또한, 에너지 저장형 의족용골은 유연한 일체형 판스프링 구조로서, 착지시 충격을 흡수하여 과도한 충격의 전달을 완화할 수 있으며, 초기 및 중간 지지구간 동안 체중과 지면 반력에 의해 용골 내에 발생된 굽힘 변형에 의한 탄성 에너지를 최대한 저장하고, 말기 지지구간에서 저장된 탄성에너지를 효과적으로 방출함으로써, 추진력을 제공하는 장점이 있다.

그리고, 에너지 저장형 의족용골은 정상인 발의 유연성과 추진력 생산 기능을 대신하여 발과 발목의 정상적인 생체역학적 기능의 재생 역할을 하여 종래의 의족을 착용하였을 때보다, 보행에 필요한 에너지를 적게 소모함으로써, 하지절단 환자의 보행능력을 향상시키고, 운동과 같은 적극적 활동을 원활하게 하여 재활 및 복지증진에 도움이 되는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 에너지 저장형 의족용골에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

하지절단 장애인의 정강이뼈의 대용으로 사용하는 파일런에 연결되는 의족용골에 있어서,

상기 파일런에 체결되는 발목부와,

발바닥의 위치가 되는 바닥부와,

상기 발목부와 상기 바닥부의 사이에 위치하여 상기 발목부와 상기 바닥부를 연결하는 복수의 곡면부를 포함하며,

상기 발목부와 상기 바닥부 및 상기 복수의 곡면부는 일체형 판스프링 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 곡면부는 상기 발목부에 연결되며 곡률반경 R1으로 형성되는 제 1 곡면부와, 상기 제 1 곡면부와 상기 바닥부를 연결하며 곡률반경 R2로 형성되는 제 2 곡면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 곡면부와 제 2 곡면부의 사이에는 길이 L1의 평탄부가 연결되는 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 바닥부는 길이 L2를 가지며 소정의 각도 θ로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 4 항에 있어서,

상기 바닥부의 끝단부에는 곡률반경 R3으로 형성된 발가락부가 형성되는 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 곡면부와 상기 평탄부를 연결하는 제 1 연결부와, 상기 뒤꿈치부와 상기 바닥판부를 연결하는 제 2 연결부 및, 상기 바닥판부와 상기 발가락부를 연결하는 제 3 연결부가 부가적으로 형성되며,

상기 제 1 연결부와 상기 제 2 연결부 및 제 3 연결부는 응력 집중의 완화를 위해 소정의 필릿반경을 가지는 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 1 항에 있어서,

상기 발목부에는 상기 파일런과 접하는 부위에 알루미늄 패드가 부착 고정되는 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 7 항에 있어서,

상기 알루미늄 패드와 상기 발목부의 사이에는 상기 발목부의 컴플라이언스의 증가를 위해 탄성중합체 패드가 위치하는 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 8 항에 있어서,

상기 알루미늄 패드와 상기 발목부 및 상기 탄성중합체 패드에는 상기 파일런에 체결되는 볼트가 삽입되도록 적어도 한 개이상의 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 1 항에 있어서,

상기 의족용골은 섬유강화 복합재료인 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 10 항에 있어서,

상기 섬유강화 복합재료는 고분자수지가 함유된 탄소섬유, 케블라, 그래파이트, 유리섬유 등의 단 섬유나 연속적인 섬유로 형성된 것을 특징으로 하는 의족용골.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,

상기 섬유강화 복합재료는 일방향 프리프레그나 직물 구조 프리프레그로 형성된 것을 특징으로 하는 의족용골.