KR200364491Y1 - 무선통신 수단을 구비한 인솔형 국부 전단력 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 무선통신 수단을 구비한 인솔(insole)형 국부 전단력 측정 시스템에 관한 것이다.

본 고안의 국부 전단력 측정시스템은, 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 전단센서를 장착한 인솔; 상기 인솔을 장착한 신발; 상기 전단센서의 출력신호를 증폭하여 디지탈 신호로 변환하는 신호처리부; 상기 신호처리부의 출력신호를 무선으로 전송하여 분석하기위한 무선통신 및 모니터부;를 구비한 국부 전단력 측정시스템에 있어서, 상기 전단센서는, 3층의 원형 디스크 형태로 즉, 상층판, 중층판, 하층판으로 구성되며; 상기 상층판 및 하층판에는 움직임의 정도에 따라 발생되는 자장의 변화를 측정할 수 있는 아날로그위치센서가 들어있으며; 중층판은 가로축과 세로축으로 이동되기 위한 가이드와 자석이 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

무선통신 수단을 구비한 인솔형 국부 전단력 측정 시스템{An insole type local shear measurement system with wireless communication apparatus}

본 고안은 무선통신 수단을 구비한 인솔(insole)형 국부 전단력 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 전단력이란 특정면에 접선방향으로 작용되는 힘으로 신체의 상해를 일으키게 되는 기계적 자극의 하나이다.

건강한 사람의 피부는 주변으로부터의 심한 기계적 자극을 받게 되면 자극을 피하기 위한 신체 보호 반응이나 대사 작용을 통한 조직의 자율 조정 등의 보호기전이 발휘된다. 그러나 말초 혈관질환을 같이 가지고 있는 당뇨환자, 당뇨성 신경병증 등의 환자들과 한센병 환자들은 사지 말초 부위의 감각이 둔감해져서 이러한 자극에 적절하게 대응하지 못한다. 따라서 이러한 환자들은 사지의 말단부에 쉽게 상처를 입을 수 있고 상처 부위의 감염 위험도 높으며, 이러한 상처가 욕창 등으로 발전하여 결국에는 절단에 이르기도 한다. 이러한 현상은 뇌졸중이나 척추 손상과같은 중추신경계 손상환자에게도 큰 위험이 된다.

이와 같은 환자들에게 있어서 기계적 자극으로 가장 크게 문제가 되는 곳은 발이다. 그 중에서 당뇨환자들의 족부질환과 한센병자들의 발천공병은 발병 후 그 치유가 어렵고 환자의 연령이 노령화됨에 따라 그 추세가 증가되고 있다.

미국당뇨협회의 보고에 의하면 입원환자의 20%가 발의 문제를 가지고 있으며 당뇨병 환자가 발이나 발관절 부위에 궤양이 발생하는 경우는 약 15% 정도라고 하였다. 최근의 절단 환자에 대한 통계에서도 비외상성 절단의 약 50~70%가 당뇨병으로 인한 발문제에 의한 절단이었다.

당뇨병성 족부질환은 혈액순환의 장애, 신경병성 장애, 피부질환 등의 요인이 복합적으로 작용되어 나타난다. 신경병성 장애의 경우 운동신경의 장애로 인한 발바닥의 압력 변화, 감각신경 장애에 의한 보호기능의 약화, 자율신경의 장애로 인한 피부 건조화 등으로 발의 상처를 초래한다. 혈액순환 장애는 대혈관에서 소혈관으로 분지되는 경비동맥(tibio-peroneal artery) 부위에서 발생되는 동맥경화로 인하여 피부나 말단의 조직의 혈류공급이 차단되어 괴저가 발생하게 된다. 이와 같은 기전으로 발생된 발의 상처들은 궤양이나 감염 등을 쉽게 유발하는데 이 경우 일반적으로 상처가 잘 낫지도 않고 치유기간이 오래 걸리며 예후도 좋지 않다.

한센병 환자에게 흔히 발생되는 발천공병은 말초신경 이산으로 인한 통각소실 때문에 발바닥 부위에 발생되는 만성 궤양성 질환이다. 이 질환은 신경계 이상으로 인하여 건조하고 무감각한 족부의 돌출부 주위로 과각화증이 형성되면서 이곳에 반복적으로 가해지는 기계적인 자극으로 서서히 무통성, 괴사성 궤양이 형성된다. 한센병은 당뇨병성 족부질환과는 달리 대부분이 말초성 신경병변에 의한 내근마비 및 왜곡족지가 동반되므로 일단 궤양이 형성되면 그 치유가 쉽지 않으며 특히 고령의 한센병 환자일수록 그 예후가 좋지 못하다.

이러한 질환들을 가진 환자에게 가장 문제가 되는 곳은 발바닥으로, 발바닥은 하루종일 많은 시간동안 신체를 지지하고 있으며, 보행 시 끊임없이 바닥면과 접촉하여 마찰한다. 따라서 발바닥에는 수직하중 뿐만 아니라 바닥과의 전단력도 크게 작용된다. 이러한 발의 기계적인 자극을 완화하기 위하여 특수하게 제작된 신발을 착용하는 것이 권해지고 있는데 이러한 신발의 제작에 있어서 가장 많이 고려되고 있는 바닥면의 압력분포이다.

그러나 상처를 유발하는 기계적인 자극으로 압력보다 전단응력이 더 큰 요인으로 작용된다고 보고된 바 있으며, 특히 전단응력은 조직의 말단에 흐르는 혈류의 흐름에도 영향을 미쳐 상처의 회복을 더디게 하는 원인으로 작용되고 있다.

기계적인 자극들 중에서 전단력의 영향에 대하여 연구는 레이켈(Reichel) 등에 의하여 처음 이루어졌으나 측정기술의 부족으로 이를 측정하지는 못하였다. 이후 딘스데일(Dinsdale) 등에 의하여 정상인과 마비환자간의 압력의 영향을 보기 위한 동물실험을 통하여 수직 응력보다 전단응력의 작용으로 인한 궤양의 발생을 보고하였다. 또한 베네트(Bennett) 등과 구센스(Goossens) 등은 전단응력이 작용될 때 혈류가 받는 영향에 대한 연구를 통해 전단 응력이 3.1kPa이상이 되면 말초 조직의 혈류의 흐름이 유의하게 감소한다고 발표하였다.

현재로는 발바닥의 압력분포에 대하여 많은 선행연구가 이루어진 반면에 발바닥의 전단력분포의 경우는 그 측정기술상의 어려움 때문에 선행연구가 미비한 실정이다.

최초의 전단력 센서는 태핀(Tappin) 등에 의하여 이루어졌다. 이 센서는 자기저항(magnetic- resistive) 원리를 이용하여 고안된 디스크 형태로 한쪽 방향의 전단력만을 측정할 수 있도록 고안되었다. 그들은 테이프로 센서들을 맨발에 부착하여 보행 중 전단력 분포를 측정하였다.

로드(Load) 등은 자기저항 원리를 이용하여 내 외측 및 전후 방향의 전단력을 측정할 수 있는 센서를 고안하였다. 이 전단력 센서에는 상단과 하단에 자장을 감지하는 센서가 들어있고 중간층이 센서의 움직임을 가이드하는 3층 구조로 이루어져 있다.

이러한 연구들은 시작단계에 불과하며, 이렇다할 전단력 측정시스템은 아직까지 보고되고 있지않다. 특히, 종래의 연구들의 전단력 센서들은 기계적인 가공오차, 탄성 구조물의 개별적인 특성오차, 자석의 개별 자속 차이 등으로 인하여, 전단력 센서의 출력값과 실제 가해진 전단력이 차이가 있으며, 전단력 센서들의 위치에 따라서도 전단력 센서의 출력값들이 서로 차이가 있었다.

따라서 본 고안에서는 종래기술의 문제점들을 해소한 발바닥의 주요 상해 부위에 미치는 전단력을 측정하는 시스템을 설계하였다. 이를 위해서 본고안에서는 우선 발바닥 주위의 전단력을 측정할 수 있는 센서와, 이 센서의 출력으로부터 실제가해진 전단력을 환산하는 보정식을 구하기 위한 보정장치를 고안하였으며, 본 고안의 전단센서를 인솔의 적정 위치에 삽입하여 인솔형 국부 전단력 측정시스템을제공한다. 일반적으로 인솔은 신발창이라고도 부른다.

본 고안이 이루고자 하는 기술적 과제는 발바닥의 주요 상해 부위에 미치는 전단력을 측정하여 무선 전송하는 인솔형 국부 전단력 측정시스템을 제공하는 데 있다.

본 고안이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 발바닥 주위의 전단력을 측정할 수 있는 전단센서와, 이 전단센서의 출력값을 실 전단력으로 환산하기 위한 보정식을 구하는 보정장치를 제공하는 데 있다.

본 고안이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 발바닥의 주요 상해 부위에 미치는 전단력을 측정하기위해, 전단센서를 인솔의 적정 위치에 삽입한 인솔형 국부 전단력 측정시스템을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 고안의 바람직한 일 실시예에 의한 인솔형 국부 전단력 측정 시스템에 대한 개략적인 전체 시스템도이다.

도 2는 본 고안의 바람직한 일 실시예에 의한 국부 전단센서 구조도이다.

도 3은 도 2의 국부 전단센서의 조립도이다.

도 4는 본 고안의 바람직한 일 실시예에 의한 전단센서 보정장치이다.

도 5는 도 4의 도르래부 및 센서고정부이다.

도 6a는 도 2의 전단센서를 중족골두에 위치시켰을때 전단센서 출력특성이다.

도 6b는 도 2의 전단센서를 발뒤꿈치에 위치시켰을때 전단센서 출력특성이다.

도 7은 도 2의 전단센서의 출력특성과 그에 따른 보정식이다.

도 8은 본 고안의 바람직한 일 실시예에 의한 전단센서가 삽인된 인솔이다.

도 9는 본 고안의 바람직한 일 실시예에 의한 전단센서의 송수신모듈이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100: 진단센서부 200: 신호처리부

300: 증폭부 400: A/D변환부

500: 무선통신 및 모니터부 600: 불루투스 송신부

700: 불루투스 수신부 800: 모니터부

910: 홈 920: 베어링

930: 다이얼 계기판 940: 지지대

950: 고정단

상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 고안의 특징점을 나열하면 다음과 같다.

본 고안의 국부 전단력 측정시스템은, 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 전단센서부; 상기 전단센서부의 출력신호를 증폭하여 디지탈 신호로 변환하는 신호처리부; 상기 신호처리부의 출력신호를 무선으로 전송하여 분석하기위한 무선통신 및 모니터부;를 구비하는 국부 전단력 측정시스템에 있어서, 상기 전단센서부는 인솔(insole)에 장착되며, 영구자석과 아날로그 위치센서로 이루어진 전단센서를 포함하며; 상기 신호처리부는 차동증폭부와 A/D 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 무선통신 및 모니터부는, 상기 A/D변환부의 출력신호를 무선으로 송신하는 불루투스 송신부; 상기 불루투스 송신부로부터 무선으로 전송된 신호를 수신하는 불루투스 수신부; 불루투스 수신부로부터 출력된 신호를 분석하고 전단력 측정결과를 컴퓨터 화면에 도시하는 모니터부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 전단센서부에 있어, 3개의 전단센서를 인솔에 장착하며; 상기 3개의 전단센서중 2개의 전단센서를 중족골두 부분에, 나머지 1개의 전단센서를 발뒤꿈치 부분에 각각 삽입하는 것을 특징으로 한다.

상기 전단센서는, 3층의 원형 디스크 형태로 즉, 상층판, 중층판, 하층판으로 구성되며; 상기 상층판 및 하층판에는 움직임의 정도에 따라 발생되는 자장의 변화를 측정할 수 있는 아날로그위치센서가 들어있으며; 중층판은 가로축과 세로축으로 이동되기 위한 가이드와 자석이 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 중층판, 하층판과 전단센서 외장과의 사이에 실리콘 링이 채워져 있어, 전단력에 따라 이동된 센서가 실리콘의 탄성을 이용하여 원위치로 돌아가도록 되어있는 것을 특징으로 한다.

상기 전단센서는 지름이 16mm로 되어 잇는 것을 특징으로 한다.

상기 아날로그 위치센서로서 홀센서를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 고안의 국부 전단력 측정시스템은, 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 전단센서; 상기 전단센서의 출력신호를 차동증폭하는 증폭부; 상기 증폭부의 출력신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D 변환부; 상기 A/D 변환부의 출력신호를 무선으로 전송하기위한 불루투스 송신부; 상기 불루투스 송신부로부터 전송된 신호를 수신하는 불루투스 수신부; 상기 불루투스 수신부의 출력신호를 수신하여 가해진 전단력을 환산하여 디스플레이하는 모니터부를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 국부 전단력 측정시스템은, 전단센서의 측정결과값으로 부터 실제 전단력을 환산하는 보정식을 구하기위한 전단력 보정장치를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 고안의 국부 전단력 측정시스템은, 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 전단센서를 장착한 인솔; 상기 인솔을 장착한 신발; 상기 전단센서의 출력신호를 증폭하여 디지탈 신호로 변환하는 신호처리부; 상기 신호처리부의 출력신호를 무선으로 전송하여 분석하기위한 무선통신 및 모니터부;를 구비한 국부 전단력 측정시스템에 있어서, 상기 무선통신 및 모니터부는, 상기 A/D 변환부의 출력신호를 무선으로 전송하기위한 불루투스 송신부; 상기 불루투스 송신부로부터 전송된 신호를 수신하는 불루투스 수신부; 상기 불루투스 수신부의 출력신호를 수신하여 가해진 전단력을 환산하여 디스플레이하는 모니터부를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 고안의 국부 전단력 측정시스템은, 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 전단센서를 장착한 인솔; 상기 인솔을 장착한 신발; 상기 전단센서의 출력신호를 증폭하여 디지탈 신호로 변환하는 신호처리부; 상기 신호처리부의 출력신호를 무선으로 전송하여 분석하기위한 무선통신 및 모니터부;를 구비한 국부 전단력 측정시스템에 있어서, 상기 전단센서는, 3층의 원형 디스크 형태로 즉, 상층판, 중층판, 하층판으로 구성되며; 상기 상층판 및 하층판에는 움직임의 정도에 따라발생되는 자장의 변화를 측정할 수 있는 아날로그위치센서가 들어있으며; 중층판은 가로축과 세로축으로 이동되기 위한 가이드와 자석이 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하 본 고안의 일 실시예에 의한 인솔형 국부 전단력 측정시스템의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 인솔형 국부 전단력 측정 시스템에 대한 개략적인 전체 시스템도로, 전단센서부(100), 신호처리부(200), 무선통신 및 모니터부(500)로 이루어지며, 신호처리부(200)는 증폭부(300), A/D변환부(400)를 구비하며, 무선통신 및 모니터부(500)는 불루투스(Buletooth) 송신부(600), 불루투스 수신부(700), 모니터부(800)를 구비한다.

전단센서부(100)는 전단센서를 삽입한 인솔로 이루어진다.

전단센서는 국부 전단력을 측정하는 국부 전단센서로, 본 고안에서는 기계식 두 축 전단센서를 사용한다. 전단센서는 신발의 인솔에서 일반적으로 발바닥 압력이 가장 높은 세 지점, 즉, 중족골두 부위의 2지점과, 발뒤꿈치부분에 전단센서를 삽입하며, 한 센서당 4개의 출력신호를 가진다. 본 고안의 전단센서는, 사방으로 작용하는 힘의 방향에 반응할 수 있는 기계적인 구조에 힘의 크기를 반영된 전기적인 신호를 출력하는 것으로, 영구자석과 아날로그 위치센서를 사용하였다. 특히 본 고안의 국부 전단센서는 기계식으로 3층의 원형 디스크 형태로 상층판과 하층판은 움직임의 정도에 따라 발생되는 자장의 변화를 측정할 수 있는 홀센서가 들어있으며, 중층판은 가로축과 세로축으로 이동되기 위한 가이드와 자석이 삽입되어 있다.움직임이 일어나는 디스크와 센서의 외장 사이에는 실리콘 링이 채워져 있어서 전단력에 따라 이동된 센서가 실리콘의 탄성을 이용하여 원위치로 돌아가도록 고안되었다. 전단센서는 인솔에서 압력이 크게 작용되는 두 번째와 네 번째 중족골두와 발뒤꿈치 부분에 삽입되었다.

신호처리부(200)는 전단센서의 각 축 신호를 조합하여 차동 증폭한 후 신호를 디코딩하여 블루투스를 이용하여 송신하기 위한 것으로, 신호처리부(200)는 증폭부(300), A/D변환부(400)를 구비한다.

증폭부(300)는 전단센서부(100)의 전단센서로부터 입력된 전기적인 신호를 증폭하는 것으로, 증폭부(300)는 차동증폭기로 구성된다. 본고안의 전단센서의 한축의 신호는 “양”의 기준 출력값과 “음”의 기준 출력값의 차로써 이루어지며, 증폭부(300)의 증폭단에서 두 기준 출력신호를 차동 증폭하여 센서의 한축의 신호가 2.5V를 기준으로 0V~5V사이의 값으로 출력하게 하였다.

A/D변환부(400)는 증폭부(300)로부터 수신된 신호를 디지탈신호로 변환한다. 본 고안에서는 A/D변환부(400)는 10비트 A/D 변환기를 이용한다.

무선통신 및 모니터부(500)는 신호처리부(200)를 통해 입력되는 전단력 측정신호를 무선으로 모니터부(500)로 전송하여 분석 및 디스플레이 하기위한 것이다. 무선통신 및 모니터부(500)는 불루투스 송신부(600), 불루투스 수신부(700), 모니터부(800)로 이루어진다.

불루투스 송신부(600)는 신호처리부(200)의 A/D변환부(400)의 출력신호를 무선으로 송신한다. 본 고안에서는 A/D 변환부(400)와 불루투스 송신부(600)을 위하여 하나의 마이크로컨트롤러를 사용할 수 있으며, 그 예로 마이크로컨트롤러 PIC16C74를 사용할 수 있다.

불루투스 수신부(700)는 불루투스 송신부(600)로부터 무선으로 전송된 신호를 수신한다. 본 고안에서의 블루투스 모듈간의 전송거리는 100m에서 최대 1.2km까지이며, 마스터와 슬레이브간의 연결이 최대 35대까지 연결할 수 있는 불루투스 모듈을 사용하였다.

모니터부(800)는 컴퓨터로 구성되며, 불루투스 수신부(700)로부터 출력된 신호를 분석하며 전단력 측정결과를 컴퓨터 화면에 도시한다. 모니터부(800)는 모니터링 프로그램에 의하여 전단센서의 각 축별로 그래프로 나타낸다.

도 2는 본 고안의 바람직한 일 실시예에 의한 국부 전단센서 구조도이고, 도 3은 도 2의 국부 전단센서의 조립도이다. 본 고안의 전단력센서, 즉, 국부 전단력센서는 사방으로 작용하는 힘의 방향에 반응할 수 있는 기계적인 구조에 힘의 크기를 반영된 전기적인 신호를 출력하기 위해 영구자석과 아날로그 위치센서를 사용한다.

도 2에서 알 수 있듯이, 본 고안의 전단력센서는 원형의 디스크 형태로 하층판(도 2의 (a)), 중층판(도 2의 (b)), 상층판(도 2의 (c))으로 이루어진 3층의 층상 구조이다. 본 고안의 전단센서의 전체구조는 가공이 용이한 알루미늄 합금 6061로 오차범위 0.001mm 내에서 가공되었다. 본 고안의 전단센서는 도3과 같이 조립되는데, 전단센서의 층상구조에서 하층판과 중층판 사이에 궤도를 넣어 한 방향으로 움직일 수 있도록 하고. 상층판과 중층판은 그와 수직인 방향으로 움직일 수있도록 궤도를 넣었다. 이렇게 하면 상층판의 경우 하층판을 기준으로 할 때 모든 방향으로 움직일 수 있게 된다. 궤도를 따라 움직이도록 만들어진 전단센서의 층상 구조의 각 면이 서로 맞닿는 부분에서 발생되는 마찰을 최소화하기 위하여 센서의 표면을 마찰계수가 0.02 이하인 열가소성 재료(PTFE)로 처리하였다. 본 고안에서는 전단센서의 전체 크기는 지름이 16mm, 두께가 4.3mm였는데, 지름이 16mm로 한 이유는 피부에 직접 닿는 면적은 미끄러짐이 최소화되는 면적의 크기로 하기위해서 실험을 통하여 얻어진 수치이다. 전단센서의 각 두께는 각 층에 삽입되는 구조물과 상층판의 두께에 의하여 결정되는데 상층판과 하층판은 아날로그 위치센서를 삽입하며, 또한 상층판과 하층판의 凹부에 중층부의 凸부인 자석이 삽입된다. 삽입된 아날로그 위치센서의 두께는 1.2mm, 자석의 두께가 1mm이며 상층판의 두께는 0.3mm 이다.

본 고안의 국부전단센서의 측정원리는 다음과 같다.

상, 하층판에는 궤도 끝부분에 아날로그 위치센서를 삽입하고 중층판에는 영구자석을 설치하였다. 상층판에 힘이 임의의 방향으로 작용되는 경우 그 방향으로 상층이 이동하게 되고 중층과의 궤도를 따라 이동한 거리가 상층의 아날로그 위치센서를 통하여 출력된다. 또한 중층판과 하층판의 궤도를 따라 이동한 거리도 하층의 아날로그 위치센서를 통해 출력된다. 중층판에 삽입된 영구자석은 지름이 3mm인 네오디움 자석을 사용하였다. 자석의 삽입위치는 아날로그 위치센서가 감지할 수 있는 자장이 발생되는 거리 범위의 중앙지점에 위치하였으며, 센서의 출력 부호가 자석의 극성에 따라 변화되므로 자석의 극성에 유의하여 자석을 삽입하였다. 원통형 센서의 둘레 벽을 따라 고무재질의 탄성체를 감쌌다. 이 탄성체는 전단센서에 가해지는 임의의 힘에 대하여 평형이 이루어질 때까지만 움직이게 되고 이 때 아날로그 위치센서에 감지된 이격거리가 힘에 대응되는 것이다. 즉, 전단센서에 작용되는 힘은 가해진 힘과 둘레에 둘러진 탄성체가 작용과 반작용의 원리에 의한 힘의 평형을 이용하여 측정된다. 또한 이 탄성체는 한 방향으로 이동된 후 전단센서를 본래의 위치로 되돌리는 역할을 한다. 전단센서의 둘레에 위치하는 탄성구조물이 전단센서의 내경보다 1mm정도 작게 제작하여 끼워 맞춤으로 층상 구조물을 고정 하였다. 본 고안은 상기 탄성구조물로 피부 접촉에 문제를 일으키지 않는 물질로 일반적인 실리콘 재질을 사용하며, 아날로그 위치센서로서 GaAs 이온의 홀 센서를 사용한다.

도 4는 본 고안의 바람직한 일 실시예에 의한 전단센서 보정장치이고, 도 5는 도 4의 도르래부 및 센서고정부이다.

본 고안의 국부 전단센서는 기계적인 가공오차, 탄성 구조물의 개별적인 특성오차, 영구자석의 개별 자속 차이 등에 의하여 각 센서마다 보정과정이 필요하며, 이를 위해 도 4와 같은 국부 전단센서 보정장치를 고안하였다. 즉, 전단센서 보정장치는 각 전단센서의 출력으로부터 실제 가해진 전단력을 환산하는 보정식을 구하기 위한 장치이다.

이 전단센서 보정장치는 전단센서에 일정한 방향으로 전단력을 가하기 위해 전단센서에 작용되는 힘의 방향을 수직에서 수평으로 변환하는 보정장치로서, 도 5 (a)와 같이 힘의 방향을 변화시켜 주는 도르래부와 도 5 (b)와 같이 센서를 고정하는 센서고정부를 구비하며, 센서고정부가 이 보정장치의 전체 밑판에 고정되어 있다.

도 5 (a)의 힘의 방향을 바꾸기 위한 도르래부는 수평으로 변화된 힘의 작용선이 센서 고정단에 삽입된 센서의 상단 높이와 동일하도록 가공되었다. 도르래로 사용된 베어링(920)에는 힘을 전달하는 철선이 궤도에서 이탈되지 않도록 홈(910)이 파여 있다.

도 5 (b)의 센서고정부는 전단센서가 움직이지 않도록 잡아두기 위한 고정단(950)과 센서의 상층부가 전단력을 가할 때 위로 들리지 않게 하기 위해 수직으로 눌러주는 지지대(940)로 구성된다. 고정단(950)은 제작된 센서전체의 지름의 크기에 비하여 지름은 1mm 더 크고 두께는 동일한 원형의 홈을 파서 그 속에 센서를 넣도록 하였다. 지지대(940)는 전단력이 작용될 때 센서의 상층이 들리지 않도록 수직방향으로 센서를 눌러주는 역할을 한다. 지지대(940)와 센서가 접촉하는 부분은 베어링으로 구성되어 있어 전단력이 적용되어 센서가 이동될 때 수직하중에 의한 영향을 최소화하였다. 또한 지지대(940) 내부에는 압축 스프링이 들어 있어 센서의 상부가 상하로 이동하거나 스프링의 길이가 변화되면 지지대 위쪽의 다이얼 계기판(930)에 그 변화량이 표시되도록 하여 센서를 수직으로 누르는 힘이 스프링의 장력만큼 일정하게 유지되고 있는지 확인할 수 있도록 하였다.

각 전단센서의 보정식을 구하기 위하여 각 전단센서의 출력특성을 검사하였다. 특히, 전단센서의 출력특성 검사에 있어서, 전단센서의 탄성 구조체의 강도의 차이로 인하여 중족골두 부분과 발뒤꿈치에 위치하는 전단센서들이 서로 다른 출력특성을 보였다.

도 6a는 도 2의 전단센서를 중족골두에 위치시켰을때 전단센서 출력특성이고, 도 6b는 도 2의 전단센서를 발뒤꿈치에 위치시켰을때 전단센서 출력특성이다. 출력특성의 검사를 위하여, 표준분동을 사용하여 전단센서의 일정한 크기의 전단력이 작용하도록 하였으며, 분동의 무게를 차례로 증가시켜 센서의 측정범위와 센서의 출력특성을 검사했다. 동일한 힘에 대하여 본 고안의 전단센서의 각 축에 대한 출력신호를 3회 반복 측정하였다. 또한 동일한 힘에 대하여 반복측정하기 전에는 분동을 제거한 상태의 센서출력이 기준전압임을 확인하여 직전 실험에 의한 영향이 미치지 않도록 하였다.

도 6a는 전단센서를 중족골두에 위치시켰을때 전단센서 출력특성으로, 이는 전단센서로 세로방향과 가로방향에서 가해지는 전체 힘이 10N 이내일 때의 출력특성이다. 도6에서 전단력이 “-”으로 표시된 것은 전단센서의 세로방향에서 앞쪽으로, “+”으로 표시된 것은 가로방향에서는 외측으로 작용된 힘을 말하며, 도시된 센서의 출력값은 센서 출력의 기준전압과의 차이를 나타낸다.

도 6b는 전단센서를 발뒤꿈치에 위치시켰을때 전단센서 출력특성으로, 발뒤꿈치는 압력이 중족골두에 비하여 더 크게 작용되는 경향이 있으므로, 이 곳에 삽입될 전단센서는, 중족골두 측정에 사용한 전단센서의 탄성구조물의 경도보다 더 큰 재질을 사용하여 더 큰 힘을 측정할 수 있도록 하였고, 그래서 발 뒤꿈치부분의 센서는 각 방향별로 측정범위가 20N 이내가 되도록 하였다.

도 7은 도 2의 전단센서의 출력특성과 그에 따른 보정식이다. 도 6a 및 도 6b는, 분동의 무게를 차례로, 즉, 선형적으로 증가시켜, 이 분동의 힘이 가로방향또는 세로방향으로 가해질 때의 전단센서의 출력특성을 검사한것으로, 그 결과를 평균±편차의 형태로 수치적으로 나타낸 것이 도 7의 작용된 전단력이며, 이로부터 전단센서의 측정결과로부터, 실제 전단력을 환산하는 보정식을 구했다.

전단센서의 측정값을 x라 할때, 가로방향으로 가해지는 중족골두의 전단력 y는 수학식 1과 같다.

y=3.3993x-0.4297

전단센서의 측정값을 x라 할때, 세로방향으로 가해지는 중족골두의 전단력 y는 수학식 2과 같다.

y=3.8949x-0.0221

전단센서의 측정값을 x라 할때, 가로방향으로 가해지는 발뒤꿈치의 전단력 y는 수학식 3과 같다.

y=8.8451x-1.0841

전단센서의 측정값을 x라 할때, 세로방향으로 가해지는 발뒤꿈치의 전단력 y는 수학식 4와 같다.

y=7.936x-0.73441

모니터부(800)에서 수신된 전단센서의 출력값을 환산하기위해, 수학식 1~수학식 4의 보정식을 이용하여 실제 가해진 전단력을 환산한다.

도 8은 본 고안의 바람직한 일 실시예에 의한 전단센서가 삽인된 인솔이다. 일반적으로 발의 상해가 빈번한 중족골두 부위와 발뒤꿈치에 전단센서를 위치시켰다. 전단센서의 크기로 인해 인접한 중족골두 부위에 삽입하는 것이 불가능하므로 양 발의 중족골두에 센서가 삽입되는 위치를 다르게 하였다. 왼쪽발은 제 2 중족골두두와 제 4 중족골두의 위치에, 오른쪽발은 제 1 중족골두와 제 3 중족골두의 위치에 센서를 삽입하였다. 인솔에 삽입되는 센서의 위치는 압력데이터와 해부학적 자료에 의거하여 결정되었다.

본 고안에서는 도 8과 같은 전단센서가 삽인된 인솔을 삽입하는 신발은 당뇨화를 이용하였다.

도 9는 본 고안의 바람직한 일 실시예에 의한 전단센서의 송수신모듈이다.

도 9의 (a)는 블루투스 송신부(600)이고 도 9의 (b)는 블루투스 수신부(700)이다. 일반적으로 블루투스란 다채널 근거리 무선통신의 수단으로 전세계적으로 무면허 ISM 대역인 2.4GHz에서 운용되며, 블루투스의 운용대역은 1MHz 간격으로 채널이 나뉘고 최대 이용채널 대역폭을 얻기 위해서 1초당 1Mega symbol의 속도로 신호 데이터를 보낸다. 블루투스는 마스터에 통신하고자 하는 슬레이브의 고유번호를 등록시키면 수신거리 이내에서 마스터가 주파수를 변화시키면서 비어있는 주파수대역을 통해 슬레이브에서 전송되는 데이터를 받아들인다. 본 고안에서 사용된 블루투스 모듈의 전송거리는 100m에서 최대 1.2km까지이다. 불루투수 수신부(700)으로부터 모니터부(800)로 신호를 전송할때는 RS232C 통신 케이블을 사용했다.

본 고안은 발바닥 주위의 전단력을 측정할 수 있는 전단센서와, 이 전단센서의 출력값을 실 전단력으로 환산하기 위한 보정식을 구하는 보정장치를 고안하여, 주요 상해 부위에 미치는 전단력을 측정하여 무선으로 전송하는 인솔형 국부 전단력 측정시스템을 제공한다. 또한 본 고안은 발바닥의 주요 상해 부위에 미치는 전단력을 측정하기위해, 전단센서를 인솔의 적정 위치에 삽입한 인솔형 국부 전단력 측정시스템을 제공한다.

본 고안은 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 고안은 발바닥 주위의 전단력을 측정할 수 있는 전단센서와, 이 전단센서의 출력값을 실 전단력으로 환산 위한 보정식을 구하는 보정장치를 고안하여, 주요 상해 부위에 미치는 전단력을 측정하여 무선으로 전송하는 인솔형 국부 전단력 측정시스템을 제공한다. 또한 본 고안은 발바닥의 주요 상해 부위에 미치는 전단력을 측정하기위해, 전단센서를 인솔의 적정 위치에 삽입한 인솔형 국부 전단력 측정시스템을 제공한다.

Claims (11)

1. 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 전단센서부; 상기 전단센서부의 출력신호를 증폭하여 디지탈 신호로 변환하는 신호처리부; 상기 신호처리부의 출력신호를 무선으로 전송하여 분석하기위한 무선통신 및 모니터부;를 구비하는 국부 전단력 측정시스템에 있어서,

   상기 전단센서부는 인솔(insole)에 장착되며, 영구자석과 아날로그 위치센서로 이루어진 전단센서를 포함하며;

   상기 신호처리부는 차동증폭부와 A/D 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 전단력 측정시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 무선통신 및 모니터부는

   상기 A/D변환부의 출력신호를 무선으로 송신하는 불루투스 송신부;

   상기 불루투스 송신부로부터 무선으로 전송된 신호를 수신하는 불루투스 수신부;

   불루투스 수신부로부터 출력된 신호를 분석하고 전단력 측정결과를 컴퓨터 화면에 도시하는 모니터부로 이루어진 것을 특징으로 하는 국부 전단력 측정시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전단센서부에 있어, 3개의 전단센서를 인솔에 장착하며;

   상기 3개의 전단센서중 2개의 전단센서를 중족골두 부분에, 나머지 1개의 전단센서를 발뒤꿈치 부분에 각각 삽입하는 것을 특징으로하는 국부 전단력 측정시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전단센서는

   3층의 원형 디스크 형태로 즉, 상층판, 중층판, 하층판으로 구성되며;

   상기 상층판 및 하층판에는 움직임의 정도에 따라 발생되는 자장의 변화를 측정할 수 있는 아날로그위치센서가 들어있으며;

   중층판은 가로축과 세로축으로 이동되기 위한 가이드와 자석이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 국부 전단력 측정시스템.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 중층판, 하층판과 전단센서 외장과의 사이에 실리콘 링이 채워져 있어, 전단력에 따라 이동된 센서가 실리콘의 탄성을 이용하여 원위치로 돌아가도록 되어있는 것을 특징으로 하는 국부 전단력 측정시스템.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 전단센서는 지름이 16mm로 되어 잇는 것을 특징으로 하는 국부 전단력측정시스템.
7. 제 4항에 있어서,

   상기 아날로그 위치센서로서 홀센서를 사용하는 것을 특징으로 하는 국부 전단력 측정시스템.
8. 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 전단센서;

   상기 전단센서의 출력신호를 차동증폭하는 증폭부;

   상기 증폭부의 출력신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D 변환부;

   상기 A/D 변환부의 출력신호를 무선으로 전송하기위한 불루투스 송신부;

   상기 불루투스 송신부로부터 전송된 신호를 수신하는 불루투스 수신부;

   상기 불루투스 수신부의 출력신호를 수신하여 가해진 전단력을 환산하여 디스플레이하는 모니터부를 구비한 것을 특징으로 하는 국부 전단력 측정시스템.
9. 제 8항에 있어서, 상기 국부 전단력 측정시스템은

   전단센서의 측정결과값으로 부터 실제 전단력을 환산하는 보정식을 구하기위한 전단력 보정장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 국부 전단력 측정시스템.
10. 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 전단센서를 장착한 인솔; 상기 인솔을 장착한 신발; 상기 전단센서의 출력신호를 증폭하여 디지탈 신호로 변환하는 신호처리부; 상기 신호처리부의 출력신호를 무선으로 전송하여 분석하기위한 무선통신 및 모니터부;를 구비한 국부 전단력 측정시스템에 있어서,

    상기 무선통신 및 모니터부는,

    상기 A/D 변환부의 출력신호를 무선으로 전송하기위한 불루투스 송신부;

    상기 불루투스 송신부로부터 전송된 신호를 수신하는 불루투스 수신부;

    상기 불루투스 수신부의 출력신호를 수신하여 가해진 전단력을 환산하여 디스플레이하는 모니터부를 구비한 것을 특징으로 하는 국부 전단력 측정시스템.
11. 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 전단센서를 장착한 인솔; 상기 인솔을 장착한 신발; 상기 전단센서의 출력신호를 증폭하여 디지탈 신호로 변환하는 신호처리부; 상기 신호처리부의 출력신호를 무선으로 전송하여 분석하기위한 무선통신 및 모니터부;를 구비한 국부 전단력 측정시스템에 있어서,

    상기 전단센서는,

    3층의 원형 디스크 형태로 즉, 상층판, 중층판, 하층판으로 구성되며;

    상기 상층판 및 하층판에는 움직임의 정도에 따라 발생되는 자장의 변화를 측정할 수 있는 아날로그위치센서가 들어있으며;

    중층판은 가로축과 세로축으로 이동되기 위한 가이드와 자석이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 국부 전단력 측정시스템.