KR20110051639A

KR20110051639A - 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치

Info

Publication number: KR20110051639A
Application number: KR1020090108320A
Authority: KR
Inventors: 김형종; 김성연; 이명근
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-18
Also published as: KR101046422B1

Abstract

본 발명은 견관절의 생체역학 시험을 위하여 8자유도 운동을 구현하는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치를 개시한다. 본 발명은 프레임, X-Y-Z 스테이지, Z축 로터리 액츄에이터, 제1 지그, 아크 암과 제2 지그로 구성된다. X-Y-Z 스테이지는 프레임의 X축, Y축과 Z축 방향을 따라 직선운동하도록 프레임에 설치되어 있다. Z축 로터리 액츄에이터는 프레임의 Z축을 중심으로 회전운동하도록 X-Y-Z 스테이지에 설치되어 있다. 제1 지그는 Z축 로터리 액츄에이터에 설치되어 있다. 아크 암은 프레임의 Y축을 중심으로 회전운동하도록 프레임에 설치되어 있다. 제2 지그는 아크 암을 따라 스윙운동과 아크 암의 법선을 중심으로 회전운동하도록 아크 암에 연결되어 있다. 견관절의 일측 부분과 타측 부분은 제1 지그와 제2 지그 각각에 고정된다. 본 발명에 의하면, 견관절의 일측 부분이 고정되는 제1 지그의 5자유도와 견관절의 타측 부분이 고정되는 제2 지그의 3자유도, 제1 지그와 제2 지그의 연동에 의하여 견관절의 복합적인 운동을 정확하게 구현할 수 있고, 생체역학 시험을 통하여 얻어지는 데이터의 신뢰성을 크게 높일 수 있다. 특히, 견관절의 운동에 대한 근육과 힘줄의 상호작용관계를 파악할 수 있어 견관절의 질환, 장애, 재활 등의 수술, 재활의학에 활용할 수 있는 매우 우수한 효과가 있다.

Description

견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치{MULTI DEGREE OF FREEDOM MOTION DEVICE FOR BIOMECHANICAL TESTING ARTICULATIO HUMERI}

본 발명은 다자유도 운동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 견관절의 생체역학 시험을 위하여 8자유도 운동을 구현하는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 관한 것이다.

견관절은 인간의 신체부위 중 가장 광범위하고 복합적인 운동을 하는 부위이다. 그래서 견관절은 건염, 건막염, 점액낭염, 유착성관절낭염 등 많은 질환뿐 아니라, 각종 장애의 대상이 되고 있다. 하지만, 견관절의 장애나 통증의 원인은 정확하게 밝혀지지 않아 약물, 수술 등의 치료법에 의하여 통증을 완화하는데 치중하고 있다. 또한, 견관절 질환에 대한 수술은 의사의 경험과 직관에 의존하고 있는 실정이다. 따라서 견관절의 치료를 위하여 정확한 구조적 분석이나 데이터가 요구되고 있다.

견관절의 기능적 운동방향은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 전방거상(Anterior elevation), 후방거상(Posterior elevation), 외전(Abduction), 내전(Adduction), 내회전(Internal rotation), 외회전(External rotation)이 있다. 전방거상은 굴곡(Flexion)이라 부르고도 있으며, 후방거상은 신전(Extension)이라 부르고도 있다. 견관절의 운동방향에 따른 전방거상(굴곡), 후방거상(신전), 회전 각각의 운동범위는 중립 위치를 0도로 했을 때 전방거상은 0~180도, 후방거상은 0~50도, 외전은 0~180도, 내전은 0~50도이다. 내회전과 외회전은 외전 90도의 위치에서 팔꿈치의 각도를 전방으로 90도로 구부린 상태에서 상하 각각 90도의 범위로 회전하는 것이다.

이와 같은 견관절의 운동을 연구하기 위한 6자유도 운동장치의 일례로 아메리칸 저널 오프 스포츠 메디신(The American Journal of Sports Medicine)의 Vol. 32, No. 5, DOI: 10.1177/0363546503262188(2004년 발행)과 Vol. X, No. X, DOI: 10.1177/0363546508330142(2009년 3월 12일 발행)에 숄더 테스팅 시스템(The Shoulder Testing System)이 개시되어 있다. 자유도(Degree of freedom)는 3차원 공간에서 시스템의 위치를 나타내기 위한 독립변수들의 수를 의미한다. 6자유도 운동은 3차원 공간에서 X축 방향 직선운동, Y축 방향 직선운동, Z축 방향 직선운동, X축 중심 회전운동, Y축 중심 회전운동, Z축 중심 회전운동을 말한다.

그러나 6자유도 운동장치인 숄더 테스팅 시스템은 하단지그(견갑골-지그)에서 전후좌우의 평행이동만을 가지기 때문에 실제 견관절 운동 시에 보이는 견갑골의 운동성을 모두 구현하기 힘들다. 또한, 숄더 테스팅 시스템은 견관절의 운동범위에 있어서 외전과 회전을 제외하고 전방거상, 후방거상, 내전 등에 대해서는 완벽한 운동을 구현할 수 없기 때문에 연구에 대한 활용이 매우 제한적이고, 생체역학 시험에 의하여 얻어지는 데이터의 신뢰성이 떨어지는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 견관절의 생체역학 시험을 위하여 8자유도 운동을 구현하는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 견관절의 복합적인 운동을 정확하게 구현할 수 있는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, X축, Y축과 Z축을 갖는 프레임과; 프레임의 X축, Y축과 Z축 방향을 따라 직선운동하도록 프레임에 설치되어 있는 X-Y-Z 스테이지와; 프레임의 Z축을 중심으로 회전운동하도록 X-Y-Z 스테이지에 설치되어 있는 Z축 로터리 액츄에이터와; Z축 로터리 액츄에이터에 설치되어 있고, 견관절의 일측 부분이 고정되는 제1 지그와; 프레임의 Y축을 중심으로 회전운동하도록 프레임에 설치되어 있는 아크 암과; 아크 암을 따라 스윙운동과 아크 암의 법선을 중심으로 회전운동하도록 아크 암에 연결되어 있으며, 견관절의 타측 부분이 고정되는 제2 지그를 포함하는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 있다.

본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 견관절의 일측 부분이 고정되는 제1 지그의 5자유도와 견관절의 타측 부분이 고정되는 제2 지그의 3자유도, 제1 지그와 제2 지그의 연동에 의하여 견관절의 복합적인 운동을 정확하게 구현할 수 있고, 생체역학 시험을 통하여 얻어지는 데이터의 신뢰성을 크게 높일 수 있다. 특히, 견관절의 운동에 대한 근육과 힘줄의 상호작용관계를 파악할 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의하여 견관절의 연구에 공학적 접근이 가능해져 견관절의 질환, 장애, 재활 등의 수술, 재활의학에 활용할 수 있는 매우 우수한 효과가 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 실험체(1), 예를 들어 견관절(2), 견관절 모형 등의 다양한 실험을 위하여 8자유도를 구현한다. 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 프레임(10)을 구비한다. 프레임(10)은 X축 방향, X축 방향에 대하여 직교하는 Y축 방향, X축 및 Y축 방향에 대하여 수직하게 직교하는 Z축 방향을 갖는다. 프레임(10)은 베이스 플레이트(Base plate: 11)와 베이스 플레이트(11)의 양측에 배치되어 있는 한 쌍의 사이드 플레이트(Side plate: 12a, 12b)들로 구성되어 있다. 사이드 플레이트(12a, 12b)들은 프레임(10)의 Y축 방향을 따라 평행하도록 간격을 두고 배치되어 있다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 다른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 프레임(10)의 X축 방향과 Y축 방향을 따라 운동하는 X-Y-Z 스테이지(X-Y-Z stage: 20)를 구비한다. X-Y-Z 스테이지(20)는 X축 리니어 액츄에이터(X-axis linear actuator: 30), Y축 리니어 액츄에이터(Y-axis linear actuator: 40)와 Z축 리니어 액츄에이터(Z-axis linear actuator: 50)로 구성되어 있다.

X축 리니어 액츄에이터(30)는 프레임(10)의 X축 방향을 따라 직선운동하도록 설치되어 있다. X축 리니어 액츄에이터(30)는 가이드레일(Guide rail: 31), 서보모터(Servo motor: 32), 리드스크루(Lead screw: 33), 볼부시블록(Ball bush block: 34)과 캐리지(Carriage: 35)로 구성되어 있다. 가이드레일(31)은 베이스 플레이트(11)의 상면에 X축 방향을 따라 장착되어 있다. 서보모터(32)는 가이드레일(31)의 내부에 장착되어 있다. 리드스크루(33)는 서보모터(32)의 구동에 의하여 회전되도록 가이드레일(31)의 내부에 장착되어 있다. 볼부시블록(32)은 가이드레일(31)의 내측을 따라 슬라이딩(Sliding)됨과 동시에 리드스크루(33)를 따라 나사운동하도록 장착되어 있다. 캐리지(35)는 가이드레일(31)을 따라 직선운동하도록 가이드레일(31)의 외측에 장착되어 있고, 볼부시블록(32)과 연결되어 있다. 서보모터(32), 리드스크루(33), 볼부시블록(34)이 가이드레일(31)에 내장되어 있는 형태는 모튤 타입(Module type) 리니어 액츄에이터라 부르고도 있다.

Y축 리니어 액츄에이터(40)는 프레임(10)의 Y축 방향을 따라 직선운동하도록 X축 리니어 액츄에이터(30)의 캐리지(35)에 설치되어 있다. Y축 리니어 액츄에이 터(40)는 가이드레일(41), 서보모터(42), 리드스크루(43), 볼부시블록(44)과 캐리지(45)로 구성되어 있다. 가이드레일(41)은 X축 리니어 액츄에이터(30)의 가이드레일(31)에 Y축 방향을 따라 장착되어 있다. Y축 리니어 액츄에이터(40)의 서보모터(42), 리드스크루(43), 볼부시블록(44), 캐리지(45)는 X축 리니어 액츄에이터(30)의 서보모터(32), 리드스크루(33), 볼부시블록(34), 캐리지(35)와 동일하게 모듈 타입 리니어 액츄에이터로 구성되어 있으므로, 그 구성 및 작용에 대한 자세한 설명은 생략한다.

X축 및 Y축 리니어 액츄에이터(30, 40) 각각은 서보모터, 리드스크루, 볼너트(Ball nut)와 리니어 모션 가이드(Linear motion guide)로 구성될 수 있다. 리니어 모션 가이드는 가이드레일과 슬라이드(Slide)를 갖는 모노레일 타입(Monorail type)로 구성될 수 있다. 모노레일 타입 리니어 모션 가이드의 슬라이드는 볼너트와 연결되고, 가이드레일을 따라 슬라이딩되도록 장착된다. 리니어 모션 가이드는 가이드바(Guide bar)와 슬라이드를 갖는 바 타입(Bar type)으로 구성될 수 있다. 바 타입 리니어 모션 가이드의 슬라이드는 볼너트와 연결되고, 가이드바를 따라 슬라이딩되도록 장착된다.

X축 및 Y축 리니어 액츄에이터(30, 40) 각각은 서보모터, 리니어 모션 가이드와 전동장치(Transmission device)로 구성될 수 있다. 리니어 모션 가이드의 슬라이드는 서보모터의 구동력을 전동장치에 의하여 전달받아 가이드레일을 따라 슬라이딩된다. 전동장치는 벨트전동장치, 체인전동장치로 구성될 수도 있다. 또한, X축 및 Y축 리니어 액츄에이터(30, 40) 각각은 리니어 스테이지(Linear stage)로 구 성될 수 있다. 리니어 스테이지는 스테이지를 리드스크루와 볼부시블록에 의하여 직선운동시키도록 구성되어 있다. 리니어 스테이지의 리드스크루는 서보모터의 구동 또는 사용자의 수동조작에 의하여 회전하도록 구성될 수 있다. 이러한 리니어 스테이지는 리니어 테이블(Linear table)이라 부르고도 있다.

Z축 리니어 액츄에이터(50)는 프레임(10)의 Z축 방향을 따라 직선운동하도록 Y축 리니어 액츄에이터(40)의 캐리지(45)에 설치되어 있다. Z축 리니어 액츄에이터(50)는 솔레노이드 액츄에이터(Solenoid actuator: 51)와 업다운 플레이트(Up-down plate: 52)로 구성되어 있다. 솔레노이드 액츄에이터(51)의 로드(Rod: 51a)는 Z축 방향을 따라 전진 또는 후퇴된다. 업다운 플레이트(52)는 솔레노이드 액츄에이터(51)의 로드(51a)에 결합되어 있다. 솔레노이드 액츄에이터(51)는 에어실린더, 모튤 타입 리니어 액츄에이터, 리니어 스테이지 등으로 다양하게 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 Z축을 중심으로 회전운동하도록 Z축 리니어 액츄에이터(50)에 설치되어 있는 Z축 로터리 액츄에이터(Z-axis rotary actuator: 60)를 구비한다. Z축 로터리 액츄에이터(60)는 전기모터(61)로 구성되어 있다. Z축 로터리 액츄에이터(60)는 에어모터로 구성될 수도 있다. 본 실시예에 있어서 Z축 로터리 액츄에이터(60)는 필요에 따라 Y축 리니어 액츄에이터(40)에 설치되고, Z축 리니어 액츄에이터(50)는 Z축 로터리 액츄에이터(60)에 설치될 수도 있다.

본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 Z축 로터리 액츄에이터(60)에 연결되어 있는 제1 지그(Jig: 70)를 구비한다. 제1 지그(70)는 조 인트(Joint: 71), 피봇(Pivot: 72)과 클램프(Clamp: 73)로 구성되어 있다. 조인트(71)는 전기모터(61)의 구동에 의하여 회전하도록 전기모터(61)에 연결되어 있다. 피봇(72)은 조인트(71)의 상부에 회전하도록 장착되어 있다. 피봇(72)의 중심축선(72a)은 프레임(10)의 Z축 방향에 대하여 직교하도록 배치되어 있다. 클램프(73)는 피봇(72)을 중심으로 회전하도록 장착되어 있다. 클램프(73)는 실험체(1)의 일측 부분, 예를 들어 견관절(2)의 견갑골(2a)을 체결에 의하여 고정하기 위하여 복수의 볼트(73a)들을 갖는다.

도 2, 도 3과 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 프레임(10)의 Y축을 중심으로 회전하도록 설치되어 있는 아크 암(Arc arm: 80)을 구비한다. 아크 암(80)은 아크형으로 형성되어 있는 가이드(Guide: 81)와 가이드(81)의 양단에 결합되어 있는 한 쌍의 피봇(82a, 82b)들로 구성되어 있다. 피봇(82a, 82b)들은 프레임(10)의 X축을 중심으로 회전하도록 사이드 플레이트(12a, 12b)들의 상부에 연결되어 있다.

본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 아크 암(80)을 따라 스윙운동(Swing motion)과 아크 암(80)의 법선을 중심으로 회전운동하도록 설치되어 있는 제2 지그(90)를 구비한다. 제2 지그(90)는 슬라이드(91), 로터리 액츄에이터(92)와 홀더(Holder: 93)로 구성되어 있다. 슬라이드(91)는 아크 암(80)의 가이드(81)를 따라 슬라이딩되도록 장착되어 있다. 로터리 액츄에이터(92)는 그 중심축선(92a)이 아크 암(80)의 법선과 정렬되도록 배치되어 있고, 아크 암(80)의 내측을 향하여 슬라이드(91)의 일측에 장착되어 있다. 로터리 액츄에이터(92)는 전기 모터, 에어모터로 구성될 수 있다. 홀더(93)는 보어(Bore: 94a)를 갖는 파이프(94)와 복수의 볼트(95)들로 구성되어 있다. 파이프(94)는 로터리 액츄에이터(92)의 구동에 의하여 회전되도록 로터리 액츄에이터(92)에 연결되어 있다. 파이프(94)의 중심축선은 로터리 액츄에이터(92)의 중심축선(92a)에 정렬되어 있다. 따라서 파이프(94)는 로터리 액츄에이터(92)의 구동에 의하여 아크 암(80)의 법선을 중심으로 회전된다. 볼트(95)들은 보어(94a)에 끼워져 있는 실험체(1)의 타측 부분, 예를 들어 견관절(2)의 상완(2b)을 고정하기 위하여 파이프(94)에 체결된다. 제1 지그(70)와 제2 지그(90)는 실험체(1)에 의하여 서로 연결되어 연동된다.

지금부터는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 대한 작용을 설명한다.

도 2와 도 3을 참조하면, 사용자는 제1 지그(70)의 클램프(73)에 견갑골(2a)을 고정하고, 제2 지그(90)의 홀더(93)에 상완(2b)을 고정하여 견관절(2)의 실험을 준비한다. 견관절(2)이 제1 지그(70)와 제2 지그(90)에 고정되면, 제1 지그(70)와 제2 지그(90)는 견관절(2)에 의하여 서로 연결되고, 견관절(2)의 복합적인 운동에 따라 연동된다. 견관절(2)의 견갑골(2a)과 상완(2b)은 제1 지그(70)와 제2 지그(90) 사이에 노출된다. 견갑골(2)의 노출에 의하여 하중의 측정 시 회전근개 힘줄(Rotator cuff tendon)의 방향성을 정확하게 파악할 수 있다.

도 4를 참조하면, X-Y-Z 스테이지(20)의 X축 리니어 액츄에이터(30), Y축 리니어 액츄에이터(40)와 Z축 리니어 액츄에이터(50)가 구동되면, 제1 지그(70)는 X축 방향 직선운동, Y축 방향 직선운동과 Z축 방향 직선운동의 3축 운동된다. Y축 리니어 액츄에이터(40)는 X축 리니어 액츄에이터(30)의 구동에 의하여 X축 방향을 따라 직선운동된다. Z축 리니어 액츄에이터(50)는 Y축 리니어 액츄에이터(40)의 구동에 의하여 Y축 방향을 따라 직선운동된다.

도 2와 도 4를 참조하면, 제1 지그(70)는 Z축 리니어 액츄에이터(50)의 구동에 의하여 Z축 방향을 따라 직선운동, 즉 승강된다. 또한, 제1 지그(70)는 Z축 로터리 액츄에이터(60)의 구동에 의하여 Z축을 중심으로 회전운동된다. 제1 지그(70)의 클램프(73)는 견관절(2)의 복합적인 운동에 따라 피봇(72)을 중심으로 회전된다. 이와 같이 제1 지그(70)는 X-Y-Z 스테이지(20)의 3축 운동, Y축 로터리 액츄에이터(60)의 Y축 중심 회전운동과 피봇(72)을 중심으로 하는 회전운동의 5자유도를 보유한다.

도 2, 도 4와 도 5를 참조하면, 제2 지그(90)의 로터리 액츄에이터(92)가 구동되면, 파이프(94)가 아크 암(80)의 법선을 중심으로 회전운동된다. 제1 지그(70)와 제2 지그(90)가 견관절(2)에 의하여 서로 연결되어 있는 상태에서 아크 암(80)은 X-Y-Z 스테이지(20)의 3축 운동과 Y축 로터리 액츄에이터(60)의 Y축 중심 회전운동에 의하여 피봇(82a, 82b)들을 중심으로 회전운동된다. 또한, 제2 지그(90)의 슬라이드(91)는 아크 암(80)의 가이드(81)를 따라 Y축 방향을 따라 스윙운동된다. 이와 같이 제2 지그(90)는 로터리 액츄에이터(92)의 구동에 의한 회전운동, 피봇(82a, 82b)들을 중심으로 하는 아크 암(80)의 Y축 중심 회전운동과 스윙운동의 3자유도를 보유한다. 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 제1 지그(70)의 5자유도와 제2 지그(90)의 3자유도, 그리고 견갑골(2)에 의하여 연 결되어 있는 제1 지그(70)와 제2 지그(90)의 연동에 따라 견관절(2)의 복합적인 운동을 정밀하게 제어할 수 있다.

도 2에 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절(2)의 실험에 있어서 전방거상과 후방거상의 중립 위치가 도시되어 있다. 도 2와 도 3을 참조하면, 견관절(2)의 실험에 대한 전·후방거상의 중립 위치에서는 Y축 리니어 액츄에이터(40)의 캐리지(45)가 베이스 플레이트(11)의 중앙에 근접되고, Z축 리니어 액츄에이터(50)가 사이드 플레이트(12b)에 근접된다. 또한, 아크 암(80)·은 하방을 향하여 배치되고, 피봇(72)의 중심축선(72a)은 Y축 방향을 따라 배치된다.

도 6에 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절(2)의 실험에 있어서 전방거상 80도의 위치가 도시되어 있다. 도 3과 도 6을 참조하면, 견관절(2)의 실험에서 전방거상 80도의 위치는 도 2에 도시되어 있는 전·후방거상의 중립 위치를 기준으로 구현된다. 전방거상 80도의 위치에서는 아크 암(80)이 프레임(10)의 전방을 향하고 프레임(10)의 X축 방향에 평행한 임의의 평면에 대하여 10도 정도 기울어져 있게 된다. 한편, 아크 암(80)이 후방을 향하여 배치되면, 견관절(2)의 실험에 있어서 후방거상의 위치가 된다.

도 7에 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절(2)의 실험에 있어서 외전의 중립 위치가 도시되어 있다. 도 3과 도 7을 참조하면, 견관절(2)의 실험에 대한 외전의 중립 위치에서는 Y축 리니어 액츄에이터(40)의 캐리지(45)가 베이스 플레이트(11)의 후단에 근접되고, Z축 리니어 액츄 에이터(50)가 Y축 리니어 액츄에이터(40)의 중앙에 배치된다. 또한, 아크 암(80)은 하방을 향하여 배치되고, 피봇(72)의 중심축선(72a)은 X축 방향을 따라 배치된다.

도 8에 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절(2)의 실험에 있어서 외전 45도의 위치가 도시되어 있다. 도 3과 도 8을 참조하면, 견관절(2)의 실험에 대한 외전 45도의 위치는 도 7에 도시되어 있는 외전의 중립 위치를 기준으로 구현된다. 외전 45도의 위치에서는 아크 암(80)이 프레임(10)의 전방을 향하고 프레임(10)의 X축 방향에 평행한 임의의 평면에 대하여 45도 정도 기울어져 있게 된다.

도 9에 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절(2)의 실험에 있어서 내전의 중립 위치가 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 견관절(2)의 실험에 대한 내전의 중립 위치에서는 Y축 리니어 액츄에이터(40)의 캐리지(45)가 베이스 플레이트(11)의 중앙에 근접되고, Z축 리니어 액츄에이터(50)가 사이드 플레이트(12b)에 근접된다. 또한, 아크 암(80)은 프레임(10)의 전방을 향하고 프레임(10)의 X축 방향을 따라 수평하게 된다.

한편, 견관절(2)의 내전은 두 가지 방법으로 측정하고 있다. 첫 번째 견관절 내전의 측정 방법은 팔 전체를 몸체 옆에 놓은 차렷 자세에서 몸체 중심부로 끌어당길 때의 각도를 측정하는 것이다. 두 번째 견관절 내전의 측정 방법은 팔을 90도 어깨 높이로 높인 상태, 즉 전방거상 90도의 상태에서 가슴 쪽으로 끌어당길 때의 각도를 측정하는 것이다. 두 번째 견관절 내전의 측정 방법은 그 운동 반경 때문에 수평 내전으로 불리기도 한다. 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의해서는 두 번째 견관절 내전의 측정 방법을 구현한다.

도 10에 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절(2)의 실험에 있어서 내전의 약 20도 위치가 도시되어 있다. 도 10을 참조하면, 견관절(2)의 실험에 대한 내전의 약 20도 위치는 도 9에 도시되어 있는 내전의 중립 위치를 기준으로 구현된다. 내전의 약 20도 위치에서는 아크 암(80)이 프레임(10)의 Y축 방향을 따라 스윙운동된다.

도 11에 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절(2)의 실험에 있어서 내회전 30도의 위치가 도시되어 있다. 도 3과 도 11을 참조하면, 견관절(2)의 실험에 대한 내회전 30도의 위치는 도 7에 도시되어 있는 외전의 중립 위치를 기준으로 구현된다. 내회전 30도의 위치에서는 아크 암(80)이 프레임(10)의 전방을 향하고 프레임(10)의 X축 방향을 따라 수평하게 된다. 그리고 로터리 액츄에이터(92)의 구동에 의하여 파이프(94)가 회전되어 내회전의 각도를 조절하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치는 견관절(2)과 X-Y-Z 스테이지(20), Z축 로터리 액츄에이터(60), 로터리 액츄에이터(92) 등에 공지의 로드셀(Load cell), 변위계(Displacement meter), 카메라 등의 검출수단을 장착하여 견관절(2)의 복합적인 운동에 대한 데이터를 획득할 수 있다. 특히, 견관절(2)의 운동에 있어서 가장 많은 질환 및 장애의 대상이 되고 있는 관절막(Articular capsule)의 변형이나 회전근개 힘줄에 걸리는 하중을 분석할 수 있다. 또한, 견관절(2)의 수술 시 요구되는 해부학적 구조는 공지의 3차원 스캐닝 장 비를 이용하여 정확하게 파악할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 인체 견관절의 기능적 운동방향을 설명하기 위하여 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치의 구성을 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치의 구성을 분리하여 나타낸 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에서 X-Y-Z 스테이지의 구성을 나타낸 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에서 아크 암과 제2 지그의 구성을 나타낸 평면도,

도 6은 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절의 실험에서 전방거상의 일례를 나타낸 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절의 실험에서 외전의 중립 위치를 나타낸 사시도,

도 8은 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절의 실험에서 외전의 일례를 나타낸 사시도,

도 9는 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절의 실험에서 내전의 중립 위치를 나타낸 사시도,

도 10은 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절의 실험에서 내전의 일례를 나타낸 사시도,

도 11은 본 발명에 따른 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치에 의한 견관절의 실험에서 내회전의 일례를 나타낸 사시도이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣

1: 실험체 2: 견관절

2a: 견갑골 2b: 상완

10: 프레임 20: X-Y-Z 스테이지

30: X축 리니어 액츄에이터 40: Y축 리니어 액츄에이터

50: Z축 리니어 액츄에이터 60: Z축 로터리 액츄에이터

70: 제1 지그 71: 조인트

72: 피봇 73: 클램프

80: 아크 암 81: 가이드

90: 제2 지그 91: 슬라이드

92: 로터리 액츄에이터 93: 홀더

Claims

X축, Y축과 Z축을 갖는 프레임과;

상기 프레임의 X축, Y축과 Z축 방향을 따라 직선운동하도록 상기 프레임에 설치되어 있는 X-Y-Z 스테이지와;

상기 프레임의 Z축을 중심으로 회전운동하도록 상기 X-Y-Z 스테이지에 설치되어 있는 Z축 로터리 액츄에이터와;

상기 Z축 로터리 액츄에이터에 설치되어 있고, 견관절의 일측 부분이 고정되는 제1 지그와;

상기 프레임의 Y축을 중심으로 회전운동하도록 상기 프레임에 설치되어 있는 아크 암과;

상기 아크 암을 따라 스윙운동과 상기 아크 암의 법선을 중심으로 회전운동하도록 상기 아크 암에 연결되어 있으며, 상기 견관절의 타측 부분이 고정되는 제2 지그를 포함하는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치.
제 1 항에 있어서 , 상기 X-Y-Z 스테이지는,

상기 프레임의 X축 방향을 따라 직선운동하는 캐리지를 갖는 X축 리니어 액츄에이터와;

상기 X축 리니어 액츄에이터의 캐리지에 장착되어 있고, 상기 프레임의 Y축 방향을 따라 직선운동하는 캐리지를 갖는 Y축 리니어 액츄에이터와;

상기 Y축 리니어 액츄에이터의 캐리지에 장착되어 있으며 상기 프레임의 Z축 방향을 따라 직선운동하는 업다운 플레이트를 갖는 Z축 리니어 액츄에이터로 이루어지고,

상기 Z축 로터리 액츄에이터는 상기 업다운 플레이트에 설치되어 있는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 지그는,

상기 Z축 로터리 액츄에이터의 구동에 의하여 회전하도록 상기 Z축 로터리 액츄에이터에 연결되어 있는 조인트와;

상기 조인트의 상부에 회전하도록 장착되어 있고, 상기 프레임의 Z축 방향에 대하여 직교하도록 그 중심축선이 배치되어 있는 피봇과;

상기 견관절의 일측 부분을 고정하기 위하여 상기 피봇에 연결되어 있는 클램프로 이루어지는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제2 지그는,

상기 아크 암을 따라 슬라이딩되도록 상기 아크 암에 장착되어 있는 슬라이드와;

상기 아크 암의 법선을 중심으로 회전운동하도록 상기 슬라이드에 장착되어 있는 로터리 액츄에이터와;

상기 견관절의 타측 부분을 고정하기 위하여 상기 로터리 액츄에이터에 연결 되어 있는 홀더로 이루어지는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치.
제 1 항에 있어서, 상기 견관절의 일측 부분은 견갑골로 상기 제1 지그에 고정되고, 상기 견관절의 타측 부분은 상완으로 상기 제2 지그에 고정되는 견관절 생체역학 시험용 다자유도 운동장치.