KR20060100427A - 도구화된 의지발 - Google Patents

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KR20060100427A
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스테판 베다르
삐에르-올리비에 로이
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빅톰 휴먼 바이오닉스 인크.
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Abstract

본 발명은 제어기에 의해 제어되며 액츄에이팅 되는 의지다리(14)와 함께 이용되는 도구화된 의지발(20)로서, 상기 의지다리(14)에 도구화된 의지발(20)을 연결하는 커넥터, 상기 커넥터에 연결되는 발목구조체, 상기 발목에 연결되는 그라운드 결합부재, 상기 발에 따른 무게 분포의 변화를 검출하는 적어도 하나의 센서(22a, 22b, 24a, 24b, 26), 및 상기 센서로부터 제어기에 신호를 송신하는 인터페이스를 포함한다.
의지발, 의지다리, 발목, 센서, 인터페이스, 그라운드 결합부재, 제어기

Description

도구화된 의지발{INSTRUMENTED PROSTHETIC FOOT}
본 발명은 도구화된 의지발에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 복잡한 자동 기계 시스템을 제어하는 것은 쉽지 않다. 이러한 시스템 중에서, 일반적으로 동력이 있는 의지(artificial limb, prosthesis)는 제어에 문제가 있는 것으로 잘 알려져 있다. 이와 같은 일반적인 의지는 절단수술을 받은 사람이 소정의 상호작용 없이 관절을 인공적으로 움직이게 하는 기본적인 제어기가 구비되어 있으며 기본적인 움직임만이 가능하다. 이러한 기본적인 제어기는 작동 환경의 동적인 상태를 고려하고 있지 않지만, 그럼에도 불구하고 상기 의지를 실제로 적용하려면 적절한 제어가 필요하다. 상기 의지는 일반적으로 의지의 역동에 대해 제어변수를 조정할 수 있는 적응성의 조절이 부족할 뿐만 아니라 상기 의지의 대응에 예상되는 필수적인 제어전략의 예측도 부족하다. 인체의 사지의 움직임은 자발적, 반사적, 및 임의적인 일이 동시에 일어나는 것을 포함하는 복잡한 과정을 거치기 때문에, 일반적인 의지가 최소한의 적절한 기능을 갖기 위해서는 인체와 외부 환경이 동시에 서로 상호작용되어야 하는데 그러한 가능성이 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 완화 또는 제거할 수 있는 도구화된 의지발을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 제어기에 의해 제어되며 액츄에이팅 되는 의지다리와 함께 이용되는 도구화된 의지발로서, 상기 의지다리에 도구화된 의지발을 연결하는 커넥터, 상기 커넥터에 연결되는 발목구조체, 상기 발목에 연결되는 그라운드 결합부재, 상기 발에 따른 무게 분포의 변화를 검출하는 적어도 하나의 센서, 및 상기 센서로부터 제어기에 신호를 송신하는 인터페이스를 포함하는 도구화된 의지발을 제공한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다.
도1은 일측에는 의지다리와 도구화된 의지발이 각각 제공되고, 타측에는 건강한 다리를 가진 하체를 나타낸 사시도.
도2는 액츄에이팅 기구를 구비한 의지다리의 제어 시스템을 나타낸 블록도.
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 도구화된 의지발을 대략 전방 상측에서 본 경우의 사시도.
도4는 도3의 도구화된 의지발을 나타낸 분해사시도.
도5는 본 발명의 제2실시예에 따른 도구화된 의지발을 대략 전방 상측에서 본 경우의 사시도.
도6은 도5의 도구화된 의지발을 나타낸 분해사시도.
도7은 본 발명의 제3실시예에 따른 도구화된 의지발을 대략 전방 상측에서 본 경우의 사시도.
도8은 도7의 도구화된 의지발을 나타낸 분해사시도.
도9는 발에 가해지는 힘을 개략적으로 나타낸 개략도.
도10은 본 발명의 제4실시예에 따른 도구화된 의지발을 대략 전방 상측에서 본 경우의 사시도.
도11은 도10의 도구화된 의지발을 나타낸 분해사시도.
도12는 본 발명의 제5실시예에 따른 도구화된 의지발을 대략 전방 상측에서 본 경우의 사시도.
도13은 도12의 도구화된 의지발을 나타낸 분해사시도.
도14는 본 발명의 제6실시예에 따른 도구화된 의지발을 대략 전방 상측에서 본 경우의 사시도.
도15는 도14의 도구화된 의지발을 나타낸 분해사시도.
첨부된 도면은 액츄에이팅 기구(16)를 갖는 의지부재인 의지다리(14)를 제어하는 제어 시스템과 적절한 부가적인 센서(24A, 24B, 26)와 함께 이용하기 위한 센 서(22A, 22B)를 구비한 도구화된 의지발(20)을 나타낸 것이다. 본 발명은 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도1에 나타낸 바와 같이, 인체(10)는 한쌍의 다리(26, 28)를 갖고 있고, 상기 다리 중의 하나는 무릎 이상이 절단되어 있다. 상기 다리(26)에 의지다리(14)가 부착되고, 상기 의지다리(14)는 능동 또는 수동 중 어느 하나로 될 수 있는 액츄에이팅 기구(16)를 포함한다. 상기 도구화된 의지발(20)은 의지다리(14)에 부착되며 센서(22A, 22B)를 포함한다. 부가적인 센서(24A, 24B)는 건강한 발에 위치되고, 부가적인 센서(26)는 인체(10) 및/또는 의지다리(14)에 위치된다. 일반적으로, 수동 액츄에이팅 기구는 의지다리의 기계 관절의 역동을 변경하기 위하여 단지 기계 에너지만을 흡수하는 전자-기계 구성부품으로 형성될 수 있으나, 반면에 능동 액츄에이팅 기구는 의지다리의 기계 관절의 역동을 셋팅하기 위하여 기계 에너지를 공급 및 흡수하는 전자-기계 구성부품으로 형성될 수 있다.
상기 수동 액츄에이팅 기구의 일예는 "전자적으로 제어되는 의지무릎(ELECTRONICALLY CONTROLLED PROSTHETIC KNEE)"이라는 명칭으로 2001년 01월 22일자에 출원된 미국특허출원 제09/767,367호에 제안되어 있다. 상기 능동 액츄에이팅 기구의 일예는 스테판 베다드(Stephane Bedard) 등에 의해 "무릎 이상의 절단수술을 받은 사람을 위해 작동되는 의지(ACTUATED PROSTHESIS FOR ABOVE-KNEE AMPUTEES)"라는 명칭으로 2003년 06월 17일자에 출원된 미국특허출원 제10/463,495 호에 제안되어 있고, 상기 문헌은 여기에서 통합되어 있다.
도2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 상기 의지다리(14)는 인터페이스(30)를 통해 제어기(40)에 연결되는 센서(22A, 22B, 24A, 24B, 26)를 포함하는 기본 제어 시스템(100)에 의해 제어된다. 도1에 나타낸 바와 같이, 상기 제어기(40)는 의지다리(14)의 액츄에이팅 기구(16)에 신호를 제공한다. 상기 제어 시스템(100)의 목적은 액츄에이팅 기구(16)를 제어하기 위해 필요한 신호를 제공하는 것이다. 이를 위하여, 상기 제어 시스템(100)은 절단수술을 받은 인체(10)와 의지다리(14)의 움직임 사이에서 적절한 조화가 되도록 센서(22A, 22B, 24A, 24B, 26)를 이용하여 절단수술을 받은 인체(10)와 인터페이스 된다. 상기 센서(22A, 22B, 24A, 24B, 26)는 절단수술을 받은 사람의 동적인 움직임에 대하여 실시간으로 정보를 포집하고, 상기 정보를 인터페이스(30)를 통해 제어기(40)에 제공한다. 이때, 상기 제어기(40)는 수동 액츄에이팅 기구의 경우에서의 관절 또는 관절 궤적에 가해지는 저항 및 조화된 움직임을 제공하기 위하여 능동 액츄에이팅 기구의 경우에서의 관절에 의해 가해지는 필요한 각력(angular force) 또는 각토크를 결정하는 정보를 이용한다.
상기 센서(22A, 22B, 24A, 24B, 26)는 근전기 센서(myoelectric sensor), 뉴로센서(neuro-sensor), 키네매틱 센서(kinematic sensor), 키네틱 센서(kinetic sensor), 스트레인 게이지(strain gauge), 또는 발바닥 압력 센서(plantar pressure sensor)를 포함할 수 있다. 상기 근전기 센서는 골격근의 내부나 외부의 근전기적인 활동을 측정하는데 이용되는 전극이다. 상기 뉴로센서는 말초신경의 하나 이상의 활동전위의 가중을 측정하는데 이용되는 전극이다. 상기 키네매틱 센서 는 관절의 위치, 하지(lower extremity)의 이동속도나 가속도를 측정하는데 이용된다. 상기 키네틱 센서는 관절에서의 각력 또는 하지의 반응력을 측정하는데 이용된다. 상기 스트레인 게이지는 특정한 발밑 부분에서의 스트레인력을 측정하는데 이용된다. 상기 발바닥 압력 센서는 특정한 발밑 부분의 발바닥 수직 압력을 측정하는데 이용된다. 또한, 인간의 역동적인 보행에 대한 다양한 정보를 제공하는 여러 타입의 센서가 이용될 수 있다. 소정의 적용을 위하여, 상기 센서(22A, 22B, 24A, 24B, 26)의 이용은 특정 타입의 센서에 한정되지 않고, 다양한 결합의 복합적인 센서가 이용될 수 있다.
도1에 나타낸 바와 같이, 상기 센서(22A, 22B)는 특정한 발밑 부분의 발바닥 수직 압력을 측정하기 위하여 의지발(20)의 소정 간격을 둔 위치에 국부적으로 배치되는 발바닥 압력 센서로 이루어질 수 있다. 유사하게, 건강한 발 측에 위치되는 발바닥 압력 센서(24A, 24B)는 주문 깔창, 바람직하게는 표준화된 정형 깔창의 소정 간격을 둔 위치에 제공될 수 있고, 즉 두 군데의 국부적인 발바닥 압력을 측정하기 위해 파묻힌 두 센서(24A, 24B)로 변경될 수 있다. 상기 센서(22A, 22B)는 인체가 이동하는 것과 같이 발에 따른 이동 무게를 측정할 수 있고, 하지의 인체 분절의 각속도 및 의지다리(14)의 무릎 관절의 각을 측정하는 키네매틱 센서 같은 다른 센서(26)와 결합될 수 있다.
각 센서(22A, 22B, 24A, 24B)는 제어 시스템(100)의 인터페이스(30)에 직접 연결되거나 또는 매개 시스템(미도시), 예를 들면 무선 이미터(wireless emitter)를 이용하여 간접적으로 연결되는 얇은 힘-감지 저항기(Force-Sensing Resistor; FSR) 폴리머 셀(polymer cell)로 이루어질 수 있다. 또한, 다른 타입의 통신 연결 기술, 예를 들면 광학과 같은 기술이 이용될 수 있다. 상기 힘-감지 저항기(FSR) 셀은 그 표면에 수직으로 가해지는 증가하는 힘에 반응하여 감소하는 전기 저항을 갖는다. 각 셀은 그 표면 부분 상에서 세기가 발바닥의 총 수직 압력에 비례하는 가변시간의 전기신호를 출력한다. 상기 발바닥 압력 센서(22A, 22B, 24A, 24B)의 크기 및 위치는 이동하는 동안에 소정의 발밑 부분에 의해 제공되는 국부적인 발바닥 압력 신호의 풍부함(세기) 및 안정성에 따라 형성될 수 있다. 예를 들면, 정보에서 안정 및 풍부함이 모두 있는 신호를 제공함으로써 최대 발바닥 압력 변동(Plantar Pressure Maximum Variation; PPMV)이 고려될 수 있는 발 하나에서의 두 영역은 발뒷꿈치와 발끝 영역이다는 것을 실험에 의해 알 수 있다.
따라서, 상기 제어기(40)는 인체(10)의 이동을 유한한 수의 상태로 분해하기 위하여, 키네매틱 센서 등과 같은 다른 센서(26)의 데이타 신호로부터 모여진 정보뿐만 아니라 4군데의 국부적인 발바닥 압력 센서(22A, 22B, 24A, 24B)로부터 데이타 신호를 이용할 수 있고, 이동에 따른 액츄에이팅 기구(16)를 제어하기 위한 적절한 제어신호를 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 제어기(40)는 전술한 데이타 신호의 이용에 한정되는 것은 아니다.
상기 키네매틱 센서에 더하여 발바닥 압력 센서를 포함하는 센서를 이용하는 제어기(40) 및 제어 시스템의 일예는 스테판 베다드(Stephane Bedard)에 의해 "작동되는 의지를 제어하기 위한 제어 시스템 및 방법(CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR AN ACTUATED PROSTHESIS)"라는 명칭으로 2003년 06월 20일자에 출원된 미국특허출 원 제10/600,725호에 제안되어 있고, 상기 문헌은 여기에서 통합되어 있다.
데이타를 반복가능하며 신뢰가능한 방법으로 용이하게 획득하기 위하여, 상기 센서(22A, 22B)는 발(20)의 구조체에 통합된다. 도구화된 의지발(20)의 제1실시예는 도3 및 도4에 보다 상세하게 나타나 있다. 상기 도구화된 의지발(20)은 일단부에 커넥터(51)를 가지며 연장된 몸체가 형성된 발판(53), 발끝판(55A), 및 상기 발판(53)으로부터 캔틸레버 형태의 발뒷꿈치판(55B)을 포함한다. 이는, 예를 들어 오서(Ossur)의 배리-플렉스사(Vari-Flex®)의 의지발에 의해 제공된다. 상기 압력 센서(22A, 22B)는 발판(53) 및 발뒷꿈치판(55)의 하측의 세로방향으로 소정의 간격을 둔 위치에 각각 위치된다. 상기 센서(22A, 22B)는 강판(rigid plate)(52A, 52B) 및 탄성 패드(54A, 54B)에 의해 커버된다. 상기 압력 센서(22A, 22B)는 발끝 부분과 발뒷꿈치 부분의 각각에 대응하는 영역에서 도구화된 의지발(20)에 부과되는 하중에 반응하도록 위치된다.
상기 센서(22A, 22B)를 커버하는 강판(52A, 52B)은, 필수적인 요소는 아니지만 소정의 변형을 방지할 뿐만 아니라 센서(22A, 22B)의 전체면의 압력 분포를 최적화시키는데 도움을 주고, 85A 경도의 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어질 수 있다. 또한, 다른 재료가 이용될 수도 있다.
상기 패드(54A, 54B)는 도구화된 의지발(20)과 그라운드 사이의 접촉을 최적화하기 위하여 그라운드 결합부재를 형성하고, 강판(52A, 52B) 및 센서(22A, 22B)를 감싼다. 상기 패드(54A, 54B)는 40A 경도의 폴리우레탄으로 이루어질 수 있다. 또한, 다른 재료가 이용될 수도 있다.
이에 따른 작동에서, 상기 발(20)이 그라운드를 가로질러 움직이는 경우, 상기 발뒷꿈치판(55B)에 가해지는 힘은 센서(22B)에 의해 측정되고, 대응하는 신호는 제어기(40)에 전송된다. 또한, 상기 발끝판(55A)에 가해지는 힘은 센서(22A)에 의해 측정되고, 두 위치 사이의 상대적인 하중이 측정된다. 상기 발(20)이 계속해서 그라운드를 가로질러 움직이는 경우, 상기 발끝 부분에 가해지는 힘은 증가하고, 상기 발뒷꿈치에서는 다리의 위치가 결정되고 적절한 제어가 액츄에이터(16)에 제공될 수 있는 한쌍의 신호를 제공하기 위하여 감소된다.
상기 도구화된 의지발(20)의 제2실시예는 도5 및 도6에 나타나 있다. 상기 도구화된 의지발(20)은 커넥터(61), 발판(63), 발끝판(64A), 및 발뒷꿈치판(64B)을 포함하고, 이는, 예를 들어 오서(Ossur)의 배리-플렉스사(Vari-Flex®)의 의지발에 의해 제공된다. 상기 압력 센서(22A, 22B)는 발판(63) 및 강판(62A, 62B) 사이에 위치된다. 상기 압력 센서(22A, 22B)는 발끝 부분과 발뒷꿈치 부분의 각각에 대응하는 영역에서 도구화된 의지발(20)에 부과되는 하중에 반응하도록 위치된다. 보다 구체적으로, 상기 압력 센서(22A)는 한쌍의 강판(62A) 사이에 샌드위치되고, 상기 강판(62A)은 발뒷꿈치판(64B)과 발판(63) 사이에 차례로 위치된다. 상기 압력 센서(22B)는 한쌍의 강판(62B) 사이에 샌드위치되고, 상기 강판(62B)은 발판(63)과 커넥터(61) 사이에 차례로 위치된다.
전술한 실시예에 나타낸 바와 같이, 상기 센서(22A, 22B)를 커버하는 강판(62A, 62B)은, 필수적인 요소는 아니지만 소정의 변형을 방지할 뿐만 아니라 센서(22A, 22B)의 전체면의 압력 분포를 최적화시키는데 도움을 주고, 85A 경도의 폴 리우레탄으로 이루어질 수 있다. 또한, 다른 재료가 이용될 수도 있다.
상기 도구화된 의지발(20)의 제3실시예는 도7 및 도8에 나타나 있다. 상기 도구화된 의지발(20)은 커넥터(71), 상부 발판(75), 폼 쿠션 코어(73), 하부 발판(74)을 포함하고, 이는, 예를 들어 오서(Ossur)의 엘피 탈럭스사(LP Talux®)의 의지발에 의해 제공된다. 상기 압력 센서(22A, 22B)는 쌍을 이루는 강판(72A, 72B) 사이에 샌드위치된다. 상기 압력 센서(22A, 22B)는 발끝 부분과 발뒷꿈치 부분의 각각에 대응하는 영역에서 도구화된 의지발(20)에 부과되는 하중에 반응하도록 위치된다. 보다 구체적으로, 상기 압력 센서(22A)는 한쌍의 강판(72A) 사이에 샌드위치되고, 상기 강판(72A)은 갭(76A)에 위치되며, 상기 갭(76A)은 하부 발판(74)과 폼 쿠션 코어(73) 사이에 차례로 위치된다. 상기 압력 센서(22B)는 한쌍의 강판(72B) 사이에 샌드위치되고, 상기 강판(72B)은 갭(76B)에 위치되며,상기 갭(76B)은 폼 쿠션 코어(73)에 위치된다.
전술한 실시예에 나타낸 바와 같이, 상기 센서(22A, 22B)를 커버하는 강판(72A, 72B)은, 필수적인 요소는 아니지만 소정의 변형을 방지할 뿐만 아니라 센서(22A, 22B)의 전체면의 압력 분포를 최적화시키는데 도움을 주고, 85A 경도의 폴리우레탄으로 이루어질 수 있다. 또한, 다른 재료가 이용될 수도 있다.
전술한 실시예에서, 상기 발끝 부분에서의 힘(또는 압력)(F_toe, 이하 "F_toe"으로 표시함) 및 발뒷꿈치 부분에서의 힘(또는 압력)(F_heel, 이하 "F_heel"으로 표시함)의 각각은 상기 부분에 압력 센서(22A, 22B)를 직접 위치시킴으로써 얻을 수 있다. 보다 구체적으로, 도9에 나타낸 바와 같이, F_toe 및 F_heel 은 다음과 같이 될 수 있다:
F_toe = F_toe_meas 식1
F_heel = F_heel_meas 식2
여기에서, F_toe_meas는 발끝에서 측정된 힘을 나타내고, F_heel_meas은 발뒷꿈치에서 측정된 힘을 나타낸다.
상기 도구화된 의지발(20)의 다른 실시예에서, 상기 센서(22A, 22B)는 발끝 및 발뒷꿈치 부분에 직접 위치되게 한정될 수 없으므로, 상기 발목에서의 등가 토크 및 상기 도구화된 의지발(20)에서의 축방향 힘을 측정함으로써 등가 정보를 얻을 수 있다. 상기 F_toe 및 F_heel은 발목에서 측정된 토크(M_ankle_meas, 이하 "M_ankle_meas"로 표시함) 및 커넥터에서 측정된 힘(F_conn_meas, 이하 "F_conn_meas"로 표시함)으로 다음 식을 이용하여 형성될 수 있다:
F_toe = (M_ankle_meas+(F_conn_meas·l_heel))/(l_heel+l_toe) 식3
F_heel = (-M_ankle_meas+(F_conn_meas·l_toe))/(l_heel+l_toe) 식4
여기에서,
l_heel은 커넥터의 중앙과 발뒷꿈치 부분의 중앙 사이의 거리이고;
l_toe는 커넥터의 중앙과 발끝 부분의 중앙 사이의 거리이다.
전술한 센서(22A, 22B)의 위치에 대한 것에 이어서, 상기 도구화된 의지발(20)의 제4실시예는 도10 및 도11에 나타나 있다. 상기 도구화된 의지발(20)은 커넥터(81), 발판(83), 발끝판(84A), 및 발뒷꿈치판(84B)을 포함하고, 이는, 예를 들어 오서(Ossur)의 배리-플렉스사(Vari-Flex®)의 의지발에 의해 제공되며, 로드 셀(load cell)(22A, 22B)을 더 포함한다. 상기 로드셀(22A, 22B)은 커넥터(91)의 하측에 위치되고, 상기 로드셀(22A)은 발의 발끝 부분을 향해 약간 편향되어 있고, 상기 로드셀(22B)은 발뒷꿈치 부분을 향해 약간 편향되어 있다. 상기 센서(22A, 22B)는 발끝 및 발뒷꿈치 부분에 직접 위치되지 않기 때문에, 식3과 식4가 이용될 수 있고, 예를 들어 다음의 식과 같이 커넥터(81)에서의 축방향 힘 및 발목에서의 등가 토크를 형성함으로써 발끝 및 발뒷꿈치 부분에서 등가 압력을 계산하는 제어기(40)에 의해 이용될 수 있다:
F_conn_meas = F_22B+F_22A 식5
M_ankle_meas = F_22B·l_22B-F_22A·l_22A 식6
여기에서,
F_22B는 센서(22B)에서 측정된 힘이고;
F_22A는 센서(22A)에서 측정된 힘이며;
l_22B는 커넥터(81)의 중앙과 센서(22B)의 중앙 사이의 거리이고;
l_22A는 커넥터(81)의 중앙과 센서(22A)의 중앙 사이의 거리이다.
상기 도구화된 의지발(20)의 전술한 실시예에서, 상기 발끝 및 발뒷꿈치 부분에서의 힘(또는 압력)인 F_toe 및 F_heel의 각각은 상기 부분에 압력 센서(22A, 22B)를 직접 위치시키거나 또는 다른 부분에 압력 센서나 로드셀(22A, 22B)을 위치시킴으로써 얻을 수 있고, 상기 발목에서의 등가 토크 및 상기 커넥터에서의 축방향 힘을 계산함으로써 등가 정보를 얻을 수 있다. 또한, 다른 타입의 센서도 상기 발목에서의 등가 토크 및 상기 커넥터에서의 축방향 힘을 얻는데 이용될 수 있다. 상기 도구화된 의지발(20)의 제5실시예는 도12 및 도13에 나타나 있다. 상기 도구화된 의지발(20)은 피벗팅 발목(93)에 장착되는 커넥터(91)를 포함한다. 상기 피벗팅 발목(93)과 발판(94)에 위치되는 락커판(rocker plate)(95) 사이에 범퍼(92A, 92B)가 위치된다. 상기 피벗팅 발목(93)은 피벗핀(96)에 이해 락커판(95)에 연결된다. 이는, 예를 들어 오서(Ossur)의 에라션사(Elation®)의 의지발에 의해 제공된다. 로드셀(22A)과 광학 인코더(22B)는 발(20)에 따른 힘의 분포의 측정을 제공하기 위해 발(20)에 통합된다. 상기 로드셀(22A)은 커넥터(91)와 피벗팅 발목(93) 사이에 위치된다. 상기 광학 인코더(22B)는 리더(221) 및 디스크(223)를 포함한다. 상기 디스크(223)가 락커판(95)에 위치되며 피벗핀(96)을 둘러싸는 동안에 상기 리더(221)는 피벗팅 발목(93)에 위치된다. 또 다시, 식3과 식4가 이용될 수 있고, 예를 들어 다음의 식과 같이 커넥터(81)에서의 축방향 힘 및 발목에서의 등가 토크를 형성함으로써 발끝 및 발뒷꿈치 부분에서 등가 압력을 계산하는 제어기(40)에 의해 이용될 수 있다:
F_conn_meas = F_22A 식7
M_ankle_meas = R_ankle_meas·R_const 식8
여기에서,
F_22A는 센서(22A)에서 측정된 힘이고;
R_ankle_meas는 광학 인코더(22B)에 의해 측정되는 것과 같이 피벗핀(96)에 대한 피벗팅 발목(93)의 회전을 측정한 것이며;
R_const는 압축에 대한 범퍼(92A, 92B)의 저항과 관련된 상수이며, 이용되는 재료에 따라서 변화하는 상수이다.
상기 도구화된 의지발(20)의 제6실시예는 도14 및 도15에 나타나 있다. 상기 도구화된 의지발(20)은 피벗팅 발목(103)에 장착되는 커넥터(101)를 포함한다. 상기 피벗팅 발목(103)과 발판(104)에 위치되는 락커판(105) 사이에 범퍼(102A, 102B)가 위치된다. 상기 피벗팅 발목(103)은 피벗핀(106)에 이해 락커판(105)에 연결된다. 이는, 예를 들어 오서(Ossur)의 에라션사(Elation®)의 의지발에 의해 제공된다. 압력 센서(22A, 22B)와 로드셀(22C)은 발(20)에 따른 힘의 분포의 측정을 제공하기 위해 발(20)에 통합된다. 상기 압력 센서(22B)가 락커판(85)과 범퍼(82B) 사이에 위치되는 동안에 상기 압력 센서(22A)는 락커판(85)과 범퍼(82B) 사이에 위치된다. 상기 로드셀(22C)은 커넥터(91)와 피벗팅 발목(93)에 위치된다.
본 실시예에서, 상기 커넥터(101)에서의 축방향 힘이 다음의 식을 이용하여 계산되는 동안, 식6은 발목에서의 등가 토크를 계산하는데 이용된다:
F_conn_meas = F_22C 식9
상기 발목에서 토크가 없는 경우, 즉 의지의 사용자가 정지한 상태로 서 있는 경우, 상기 피벗핀(96)에 축방향 힘이 완전히 가해지기 때문에, 상기 로드셀(22C)은 커넥터(101)에서 축방향 힘을 계산하는데 필요하다.
전술한 모든 실시예에서, 상기 센서(22A, 22B)는 제어 시스템(100)의 인터페이스(30)에 직접 연결되거나 또는 매개 시스템(미도시), 예를 들면 무선 이미터를 이용하여 간접적으로 연결될 수 있다. 또한, 다른 타입의 통신 연결 기술, 예를 들면 광학과 같은 기술이 이용될 수 있다.
다른 타입의 비관절 또는 관절이 있는 의지발이 대략 전술한 바와 같은 역동적인 반응을 제공하는 경우에 마찬가지로 이용될 수 있다. 그렇지만, 관절이 형성된 발이 최상의 성능을 제공한다. 또한, 상기 도구화된 의지발(20)은 노출된 금속 또는 합성 구조로 이루어질 수 있고, 또한 인체의 발목 및 발의 외관을 장식한 커버부를 구비할 수도 있다.
본 발명은 도1에 나타낸 기계적인 구성 또는 도2에 나타낸 제어 시스템(100)을 이용하는 것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 하나 이상의 관절을 갖는 의지다리에 이용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 발목 관절, 발허리발가락 관절, 또는 무릎 관절에 부가하여 골반 관절을 갖는 의지에 이용될 수 있다. 또한, 일반적인 소켓 대신에 뼈를 일체화한 장치를 이용할 수도 있고, 이에 의하여 의지의 기계 구성부품과 절단수술을 받은 사람의 뼈대 사이에 직접적인 부착을 가능하게 할 수도 있다. 다른 종류의 의지도 역시 이용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 제어기에 의해 제어되며 액츄에이팅 되는 의지다리와 함께 이용되는 도구화된 의지발로서,
    상부 및 하부를 갖는 연장된 몸체;
    상기 연장된 몸체의 상부에 부착되며, 상기 의지다리에 도구화된 의지발을 연결하는 커넥터;
    상기 연장된 몸체의 하부에 부착되는 그라운드 결합부재;
    상기 발에 따른 무게 분포의 변화를 검출하는 적어도 하나의 센서; 및
    상기 센서로부터 제어기에 신호를 송신하는 인터페이스
    를 포함하는 도구화된 의지발.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그라운드 결합부재는
    인체 발의 발뒷꿈치 부분에 대응하는 제1영역 및 인체 발의 발끝 부분에 대응하는 제2영역으로 이루어지는 기본적인 한쌍의 발밑의 위치부를 포함하는
    도구화된 의지발.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 두개의 센서가 제공되되,
    상기 센서 중의 하나는 그라운드 결합부재의 각 기본적인 발밑의 위치부와 연관되는
    도구화된 의지발.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센서는 그라운드 결합부재의 대응하는 기본적인 발밑의 위치부에 가해지는 스트레인을 측정하기 위한 스트레인 센서를 포함하는
    도구화된 의지발.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 센서는 그라운드 결합부재의 대응하는 기본적인 발밑의 위치부에 가해지는 압력을 측정하기 위한 압력 센서를 포함하는
    도구화된 의지발.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 센서는 그라운드 결합부재의 대응하는 기본적인 발밑의 위치부에 가해지는 압력을 측정하기 위한 로드셀을 포함하는
    도구화된 의지발.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 센서는 그라운드 결합부재의 하측에 위치되는
    도구화된 의지발.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 센서는 그라운드 결합부재와 연장된 몸체 사이에 위치되는
    도구화된 의지발.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 센서는 연장된 몸체와 커넥터 사이에 위치되는
    도구화된 의지발.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 압력 센서는 힘-감지 저항기인
    도구화된 의지발.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 센서의 적어도 일측에 위치되는 강판
    을 더 포함하는 도구화된 의지발.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 강판 및 센서를 커버하는 탄성 패드
    를 더 포함하는 도구화된 의지발.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 커넥터에 연장된 몸체를 피벗가능하게 연결하는 발목구조체
    를 더 포함하는 도구화된 의지발.
  14. 제13항에 있어서,
    적어도 두개의 센서가 제공되되,
    상기 센서는 두개의 로드셀을 포함하며,
    상기 로드셀은 커넥터와 발목구조체 사이에 위치되는
    도구화된 의지발.
  15. 제13항에 있어서,
    적어도 두개의 센서가 제공되되,
    상기 센서는 광학 인코더와 로드셀을 포함하며,
    상기 광학 인코더는 연장된 몸체와 함께 피벗축에 대하여 발목구조체에 위치되고,
    상기 로드셀은 발목구조체와 커넥터 사이에 위치되는
    도구화된 의지발.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 센서로부터 제어기에 신호를 송신하는 인터페이스는 유선 연결로 이루어지는
    도구화된 의지발.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 센서로부터 제어기에 신호를 송신하는 인터페이스는 무선 연결로 이루어지는
    도구화된 의지발.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 의지다리에 도구화된 의지발을 제거가능하게 연결하는 수단
    을 더 포함하는 도구화된 의지발.
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