KR20120062375A - 탄성 계수 변동 방식의 무릎 관절 보조기 및 이를 이용한 보행 에너지 최적화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무릎 관절 보조기의 탄성 계수를 보행 조건에 맞게 변동시켜 보행 에너지를 최적화하는 보조기 및 방법에 관한 것으로서, 특히 사용자의 무릎 관절에 부착되는 보조기에 탄성 수단 및 탄성 계수를 조절하는 조절부를 장치하여, 사용자 보행시 작용하중이나 노화 또는 병변에 따른 관절력 변화에 따라 상기 탄성 수단의 탄성 계수를 변화시켜 보행시 소모 에너지를 최적화하도록 상기 탄성 수단의 탄성 계수를 제어하는 탄성 계수 변동 방식의 무릎 관절 보조기 및 이를 이용한 보행 에너지 최적화 방법에 대한 것이다.

Description

탄성 계수 변동 방식의 무릎 관절 보조기 및 이를 이용한 보행 에너지 최적화 방법{Knee orthosis of modulus of elasticity control type and optimizing mehtod for walking enery using same}
본 발명은 무릎 관절 보조기의 탄성 계수를 보행 조건에 맞게 변동시켜 보행 에너지를 최적화하는 보조기 및 방법에 관한 것으로서, 특히 사용자의 무릎 관절에 부착되는 보조기에 탄성 수단 및 탄성 계수를 조절하는 조절부를 장치하여, 사용자 보행시 작용하중이나 노화 또는 병변에 따른 관절력 변화에 따라 상기 탄성 수단의 탄성 계수를 변화시켜 보행시 소모 에너지를 최적화하도록 상기 탄성 수단의 탄성 계수를 제어하는 탄성 계수 변동 방식의 무릎 관절 보조기 및 이를 이용한 보행 에너지 최적화 방법에 대한 것이다.
일반적으로 보행분석이란 보행주기 동안의 각 관절, 즉 고관절, 슬관절, 족관절의 정면, 측면 그리고 횡단면상의 3차원 움직임을 측정하고, 이를 통하여 보행의 이상 유무를 진단하고 평가하는 검사로 관절의 운동학(kinematics)적 측정을 중심으로 해석이 이루어 진다.
상술한 보행 분석을 위한 기법으로서, 인체의 보행내의 구간별 운동특성에 따라 보행구간을 정의하는 방법이 있는데, 가장 많이 구분 짓는 방법중의 하나는 인체를 지지하는 다리의 지면 접촉여부에 따라, 한다리로 지면을 지지하고 다른 다리는 공중에서 전진방향 운동을 하는 구간을 한발지지기로, 양다리로 지면을 지지하고 무게중심이 전진방향 뒤쪽의 다리에서 앞쪽다리로 이동시키는 시기를 양발지지기로 구분하는 방법이 있다.
이와 같은 보행 주기 구분은 각 구간에서 무게중심에 가해지는 지면반력의 작용점과 방향 등이 구별되기 때문에 운동역학적으로도 중요한 구분법이다. 보행분석에서는 각 구간에서 가해지는 지면반력의 크기, 각 관절의 운동 및 근육의 수축/이완에 의한 관절 모멘트가 구간별로 어떠한 분포를 가지며, 정상보행과 이상보행 피험자군 간에 어떠한 차이를 보이는지 등을 고찰한다. 이중 특히 지면반력으로 인한 무게중심의 운동을 고찰하는 운동역학적 보행분석은 인체의 보행의 원인과 결과에 대한 관계를 정량화 함으로써 인체의 보행방식에 대한 물리적 해석을 가능하게 해 준다.
최근 들어, 관절운동 측정에 기반한 기존의 보행분석이 힘판을 이용한 지면반력의 측정을 통한 운동역학으로 그 영역을 확장하면서, 보행시 지면반력의 분포를 재생할 수 있는 보행모델에 대한 연구가 수행되었고, 기존의 강체각 대신 탄성을 가지며 길이방향의 변형이 가능한 탄성각 보행모델이 게이어에 의해 제안되었다. (도 1참조)
한발지지기 구간에서 인체가 전진할 때 각 관절의 굽힘이 일시적으로 펴졌다가 다시 굽혀지는 구간이 존재하고, 이때 수직방향의 지면반력은 한발지지기의 중간에서 최소값을 갖는 엠(M)자형 커브를 가진다.
기존의 강체각 역진자 모델은 감속에서 가속구간으로의 수평방향 지면반력은 재현해 낼 수 있으나, 수직방향 반력은 재현해 낼 수 없다는 점에서, 그 한계가 있었다.
반면 지지각의 굴신(屈伸)양에 비례하여, 탄성력을 작용하고, 이에 대한 반작용으로 지면반력을 받는 탄성각 모델은 적절한 탄성각 계수를 선정하면 지면반력 및 보행운동 데이터를 잘 재현해 낼 수 있다.
또한 기존에 걷기와 달리기를 각각 강체각 및 탄성각 역진자 모델로 구분하여 설명하였던 접근방식에 비해, 탄성계수의 변화 성향으로 걷기로부터 달리기로의 변환과정을 설명함으로써 보행모델의 연속성을 확보했다는 점에서도 그 의의가 있다.
최근에는 보행시 탄성각으로 모델링 한 인체 다리의 관절 강성, 즉 탄성계수가, 보행 속도의 증가에 비례하여 증가하고, 이는 빠른 보행시 필요한 추진에너지 증가를 유발함으로써, 에너지 효율적인 보행을 가능하게 한다는 연구결과가 발표 되었다.(도 2참조)
이로부터, 청년군 대비 노인군의 보행특성 변화와 그 원인을 정량화 할 수 있으며, 강성변화의 추세 및 차이는 나아가 에너지 효율적인 보행 보조기 설계에 활용할 수 있다.
그런데, 종래의 보행 보조기의 경우 상술한 바와 같은 최근 보행 모델의 성과를 이용하지 못하고 있다.
즉, 종래의 보행 보조기의 경우에는 단순히 충격을 완충시키거나 무릎과 같은 관절의 구동 범위를 제어하기 위한 구성에 머무르고 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 상술한 바와 같이 탄성계수의 변화 성향을 이용하여 사용자 보행시 작용하중이나 노화 또는 병변에 따른 관절력 변화에 따라 탄성 계수를 변화시켜 보행시 소모 에너지를 최적화하는 무릎 관절 보조기 및 이를 이용하는 보행 에너지 최적화 방법을 제공함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명은 사용자의 무릎 상하에 부착되는 제1고정부(110) 및 제2고정부(120)와, 상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)사이에 장치되는 탄성 수단(S1)과, 상기 탄성 수단(S1)에 장치되는 탄성 계수 조절부(S2)를 포함하여, 사용자 보행시 작용하중이나 노화 또는 병변에 따른 관절력 변화에 따라 상기 탄성 수단(S1)의 탄성 계수를 변화시켜 보행시 소모 에너지를 최적화하도록 상기 탄성 수단(S1)의 탄성 계수를 제어하는 탄성 계수 변동 방식의 무릎 관절 보조기에 일 특징이 있다.
이때, 상기 탄성 수단(S1)은 스프링(S11)을 사용하고, 상기 탄성 계수 조절부(S2)는 상기 스프링(S11)의 길이를 변화시켜 탄성 계수를 조절하는 것도 가능하다.
또한, 상기 탄성 수단(S1)은 실린더(S12)를 사용하고, 상기 탄성 계수 조절부(S2)는 상기 실린더(S12) 내부의 유압을 변화시켜 탄성 계수를 조절하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명은 상술한 무릎 관절 보조기를 이용하여 보행시 소모 에너지를 최적화하는 방법으로서, 사용자의 보행시 작용하중이나 노화 또는 병변에 따른 관절력 변화에 따라 상기 탄성 계수 조절부(S2)에 의해 상기 탄성수단(S)의 탄성 계수를 변동시켜, 보행시 소모 에너지를 최적화하도록 상기 탄성 수단(S)의 탄성 계수를 제어하는 탄성 계수 변동 방식의 보행 에너지 최적화 방법에 또 다른 특징이 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의해 보행 속도뿐만 아니라 작용 하중이나 사용자의 노화 및 병변에 따른 관절력 변화등의 조건에 따라 탄성 계수를 변동시켜 보행시 소모 에너지를 최적화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 길이방향의 변형이 가능한 탄성각 보행모델을 설명하는 개념도,
도 2는 보행 속도와 탄성 계수의 관계를 도시하는 개념도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 무릎 보조기를 도시하는 개념도이다.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)" 등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면과 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다
발명의 무릎 관절 보조기(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 사용자의 무릎 상하에 부착되는 제1고정부(110) 및 제2고정부(120)와, 상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)사이에 장치되는 탄성 수단(S1)과, 상기 탄성 수단(S1)에 장치되는 탄성 계수 조절부(S2)를 포함한다.
이와 같은 본 발명의 무릎 관절 보조기(100)에 의해 사용자 보행시 보행 속도나 작용하중, 노화 또는 병변에 따른 관절력 변화에 따라 상기 탄성 수단(S1)의 탄성 계수를 변화시킬 수 있다.
다시 말해서 상술한 보행 모델에서 설명된 바와 같이 보행 속도가 증가할수록 보행자(사용자)의 무릎 관절에 작용되는 탄성계수(또는 이에 따른 강성)가 증가하는 경향이 있다.
다시 말해서 탄성 계수가 보행 속도의 증가에 따라 증가하여야 보행자가 안정적으로 보행할 수 있다.
그런데 작용 하중이나 보행자의 노화 또는 병변에 따라 무릎 관절의 탄성 계수가 보행 속도의 증가에 따라 동시에 증가하지 못하면 안정적인 보행을 할 수 없다.
그런데 본 발명의 무릎 보조기(100)의 탄성 계수 조절부(S2)를 이용하여 탄성 수단(S1)의 탄성 계수를 조절할 수 있어 보행 속도의 변화등에 대응할 수 있어 사용자(보행자)의 안정적인 보행을 도모할 수 있다.
본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 제1고정부(110)는 무릎의 상부(허벅지 방향)에 부착되고 제2고정부(120)는 무릎의 하부(종아리 방향)에 부착되는 밴드일 수 있다.
이때, 상기 탄성 수단(S1)은 상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)사이에 장치될 수 있다.
즉, 사용자가 보행할 때 예를 들어 무릎이 굽혀지면 상기 탄성 수단(S1)이 이에 대응하여 압축되고, 무릎이 펴지면 상기 탄성 수단(S1)이 이에 대응하여 인장된다.
이때, 상기 탄성 계수 조절부(S2)에 의해 상기 탄성 수단(S1)의 탄성 계수를 변동시켜 보행 속도등의 조건이 변화하여도 사용자(보행자)가 안정적인 보행을 할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)는 무릎의 상하 부분의 일 부분에 고정되는 형상이 예시되고 있다.
그러나 상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)는 무릎의 상하 부분에 고정되는 것을 목적으로 하는 바, 이러한 목적을 달성하는 한 상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)가 다른 형상을 구비하는 경우라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.
또한, 상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)사이에 무릎의 관절 운동이 용이하도록링크부(130)를 설치하는 것도 가능하다.
한편, 상기 탄성 수단(S1)은 스프링(S11)을 사용하고, 상기 탄성 계수 조절부(S2)는 상기 스프링(S11)의 길이를 변화시켜 탄성 계수를 조절하는 구성을 포함할 수 있다.
즉, 스프링의 탄성 계수는 스프링 길이에 반비례하는 바, 상기 탄성 계수 조절부(S2)에 의해 스프링(S11)의 탄성 계수를 조절할 수 있다.
한편 상기 탄성 계수 조절부(S2)는 널리 알려진 구성이므로 자세한 도시는 생략한다.
또한, 상기 탄성 수단(S1)은 실린더(S12)를 사용하고, 상기 탄성 계수 조절부(S2)는 상기 실린더(S12) 내부의 압력을 변화시켜 탄성 계수를 조절하는 것도 가능하다.
이때, 상기 실린더(S12)는 하우징(S12a)과 상기 하우징(S12a)의 양측에 설치되되 상기 제1고정부(110) 및 제2고정부(120)에 고정되어 전후진 하는 실린더 로드(S12b)와 상기 하우징(S12a) 일측에 장치되어 상기 하우징(S12a)내부의 압력을 조절하는 컨트롤러(S12d)를 포함할 수 있다.
예를 들어 오일이나 공기를 실린더(S12)의 하우징(S12a)내부를 채운 상태에서 무릎을 구부리는 경우 상기 실린더 로드(S12b)는 상기 하우징(S12a) 내부 방향으로 진입하며, 무릎을 펴는 경우 상기 실린더 로드(S12b)는 반대방향으로 이동한다.
이때 상기 하우징(S12a) 내부를 채우는 오일 또는 공기의 압축에 의해 탄성이 발생하며, 상기 오일 또는 공기의 압력을 변동시켜 상기 오일 또는 공기의 탄성 계수를 변동시킬 수 있다.
이러한 구성에 의해 상술한 바와 같이 상기 실린더(S12)를 사용하는 탄성 수단(S1)의 탄성 계수를 변동시켜 보행 속도등의 조건이 변화하여도 사용자(보행자)가 안정적인 보행을 할 수 있다.
한편 도시된 바와 같이 상기 실린더 로드(S12b)의 끝부분에 볼(S12e)을 부착하여 보다 원활한 운동이 되도록 하는 것도 가능하다.
또한, 상기 하우징(S12a)과 실린더 로드(S12b) 그리고 컨트롤러(S12d)의 구성은 널리 알려진 기술이므로 자세한 도시는 생략한다.
110 : 제1고정부 120 : 제2고정부
S1 : 탄성수단 S2 : 탄성 계수 조절부

Claims (4)

  1. 사용자의 무릎 상하에 부착되는 제1고정부(110) 및 제2고정부(120)와,
    상기 제1고정부(110)와 제2고정부(120)사이에 장치되는 탄성 수단(S1)과,
    상기 탄성 수단(S1)에 장치되는 탄성 계수 조절부(S2)를 포함하여,
    사용자 보행시 보행 속도나 작용하중, 노화 또는 병변에 따른 관절력 변화에 따라 상기 탄성 수단(S1)의 탄성 계수를 변화시켜 보행시 소모 에너지를 최적화하도록 상기 탄성 수단(S1)의 탄성 계수를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄성 계수 변동 방식의 무릎 관절 보조기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 수단(S1)은 스프링(S11)을 사용하고,
    상기 탄성 계수 조절부(S2)는 상기 스프링(S11)의 길이를 변화시켜 탄성 계수를 조절하는 것을 특징으로 하는 탄성 계수 변동 방식의 무릎 관절 보조기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 수단(S1)은 실린더(S12)를 사용하고,
    상기 탄성 계수 조절부(S2)는 상기 실린더(S12) 내부의 압력을 변화시켜 탄성 계수를 조절하는 것을 특징으로 하는 탄성 계수 변동 방식의 무릎 관절 보조기.
  4. 제1항에 기재된 무릎 관절 보조기를 이용하여 보행시 소모 에너지를 최적화하는 방법으로서,
    사용자의 보행시 보행 속도나 작용하중, 노화 또는 병변에 따른 관절력 변화에 따라 상기 탄성 계수 조절부(S2)에 의해 상기 탄성수단(S)의 탄성 계수를 변동시켜,
    보행시 소모 에너지를 최적화하도록 상기 탄성 수단(S)의 탄성 계수를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄성 계수 변동 방식의 보행 에너지 최적화 방법.
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