KR20210158748A - 인공무릎관절 - Google Patents

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KR20210158748A
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절은, 인체에 고정 가능하도록 구성되고 제1 축이 통과하도록 형성된 관절상측부재, 제1 축이 통과하도록 형성되고 제1 축을 중심으로 관절상측부재와 회전가능하도록 연결되는 본체부, 및 의족에 고정 가능하도록 구성되고 링크 부재를 통해 본체부와 연결된 관절하측부재를 포함하고, 관절상측부재는 양 측면에 제2 돌출부를 가지며, 본체부와 제2 돌출부는 입각기 과정에서 서로 접한다.

Description

인공무릎관절{ARTIFICIAL KNEE JOINT}
본 개시는 인공무릎관절에 관한 것으로, 보다 상세하게는 의족 착용자가 보행 시 예컨대 입각기 굴곡시 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하거나, 과도하게 꺾이는 것을 방지할 수 있는 인공무릎관절에 관한 것이다.
일반적으로, 장애인들은 자신의 장애를 외부에 드러내는 것을 원치 않는다. 정상인과 같이 자연스러운 걸음을 걷는 것은 의족 착용자라면 누구나 가지는 평생의 바램 일 것이다. 이러한 의족 착용자의 바램을 위해, 자연스러운 보행을 구현할 수 있는 의족에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
인공무릎관절은 의족의 가장 중요한 구성으로, 착용자의 안전을 확보하고 자연스러운 보행을 구현하기 위해 보행 주기의 각 단계에 따라 적절한 제동력을 제공할 수 있어야 한다. 이에 따라, 의족이 장착되는 인공무릎관절의 움직임을 실제 무릎관절의 움직임과 최대한 유사하게 구현할 필요가 있다.
종래의 인공무릎관절의 경우, 입각기 굴곡시 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생할 수 있다. 이로 인해, 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족의 오작동이 유발되어 의족 착용자가 낙상하는 등 큰 부상이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 비정상적인 작동을 예방하여 안전성을 확보할 수 있는 인공무릎관절이 필요하다.
본 발명의 배경이 되는 기술은, 대한민국 등록특허공보 제10-1897459호(2018.09.05.), 대한민국 등록특허공보 제10-1921607호(2018.11.19.), 대한민국 등록특허공보 제10-1673087호(2016.10.31.)에 개시되어 있다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 인공무릎관절에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보행 시 인공무릎관절이 사용자가 원하는 각도의 입각기 굴곡을 가지면서도 의족 착용자가 입각기 과정에서 갑작스럽게 넘어지는 것을 방지할 수 있는 인공무릎관절을 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절은, 인체에 고정 가능하도록 구성되고, 제1 축이 통과하는 관절상측부재, 제1 축, 제2 축 및 제3 축이 통과하고, 제1 축을 중심으로 관절상측부재와 회전가능하도록 연결되는 본체부, 의족에 고정 가능하도록 구성되고, 제4 축 및 제5 축이 통과하도록 형성된 관절하측부재, 일단은 상기 제2 축과 회전가능하도록 결합되고, 타단은 제4 축과 회전가능하도록 결합되는 제1 링크부재 및 일단은 제3 축과 회전가능하도록 결합되고, 타단은 제5 축과 회전가능하도록 결합되는 제2 링크부재를 포함한다. 본체부는, 제2 축 및 A 축이 통과하는 T자형 부재를 포함한다. T자형 부재는 A 축을 중심으로 회전가능하다.
일 실시예에 따르면, 제1 축은 제4 축보다 보행 방향 기준으로 전진 배치된다.
일 실시예에 따르면, T자형부재는, 제1 탄성부재가 결합되는 전방부 및 A 축이 통과하는 A 관통부, 제2 축이 관통하는 제2 관통부, 및 측면 방향으로 돌출된 제1 돌출부가 형성된 후방부를 포함한다.
일 실시예에 따르면, T자형부재의 전방부의 상면과 후방부의 상면은 둔각을 형성하며, 전방부에 제1 탄성부재가 결합되어 탄성 복원력을 제공하고, 제1 축과 제1 돌출부는 와이어로 연결되고, A 축은 제1 돌출부보다 보행 방향 기준으로 전진 배치된다.
일 실시예에 따르면, 제4 축은 제1 축보다 보행 방향을 기준으로 후진 배치된다.
일 실시예에 따르면, 본체부는, 입각기 과정 중 제2 링크부재와 접하는 지지부재 및 지지부재와 결합되어 지지부재에 탄성 복원력을 제공하는 제2 탄성부재를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 관절상측부재는 양 측면에 제2 돌출부를 가지며, T자형부재와 제2 돌출부는 입각기 과정에서 서로 접한다.
본 개시의 다양한 실시예에 따르면, T자형부재, 지지부재, 및 편심을 가지도록 구성된 제2 축을 이용하여, 입각기 과정에서 제2 축 및 제3 축이 이동하여 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 의족 착용자의 하중이 가해지는 경우, 인공무릎관절의 제1 탄성부재가 하중에 의해 수직방향으로 압축되어, 인공무릎관절 및 의족 착용자의 신체에 가해질 수 있는 충격과 하중을 고르게 분산 및/또는 흡수할 수 있다. 따라서, 의족 착용자의 신체를 보호하고, 보행 시, 발생할 수 있는 피로를 최소화할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 굴곡부를 가지는 T자형, 및 제2 돌출부를 가지는 본체부를 이용하여, 입각기 과정에서 제2 축 및 제3 축이 이동하여 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 개시의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 실시예들은, 이하 설명하는 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 요소들을 나타내지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 1은 사람의 보행 주기를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절의 절단하지 및 의족에 장착된 상태를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절의 사시도이다.
도 4는 도 3에 개시된 인공무릎관절의 측면도이다.
도 5는 도 3에 개시된 본체부의 사시도이다.
도 6은 도 3에 개시된 T자형부재의 사시도이다.
도 7은 도 3에 개시된 관절상측부재의 사시도이다.
도 8은 도 3에 개시된 인공무릎관절의 유각기 굴곡 상태를 나타낸 측면도이다.
도 9는 도 3에 개시된 인공무릎관절에 하중이 가해지는 경우, 인공무릎관절의 동작을 나타내는 예시도이다.
도 10은 도 3에 개시된 관절상측부재를 제외한 인공무릎관절의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 제2 탄성부재가 결합된 지지부재를 나타낸 사시도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 지지부재의 동작을 나타낸 예시도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따라 편심을 가지도록 구성된 인공무릎관절의 T자형부재 및 제1 링크부재의 측면도이다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 편심에 의해 T자형부재 및 제1 링크부재가 동작하는 과정을 나타낸 예시도이다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절이 입각기 굴곡 상태에 있는 것을 나타낸 예시도이다.
도 16은 본 개시의 다른 실시예에 따른 인공무릎관절의 사시도이다.
도 17은 도 16에 개시된 인공무릎관절의 측면도이다.
도 18은 도 16에 개시된 인공무릎관절의 관절상측부재의 사시도이다.
이하, 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응되는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 통상의 기술자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 복수의 표현은 문맥상 명백하게 복수인 것으로 특정하지 않는 한, 단수의 표현을 포함한다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 명세서에서 'A 및/또는 B'의 기재는 'A', 또는 'B', 또는 'A 및 B'를 의미한다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 사람의 보행 주기를 나타낸 예시도이다. 사람의 보행 주기는 입각기(stance phase) 및 유각기(swing phase)로 구성될 수 있다. 입각기는 지면에 발이 닿는 순간부터 지면으로부터 발을 완전히 떼는 순간까지의 시기를 의미하며, 도 1에 도시된 a 내지 d 단계에 해당한다. 유각기는 발이 지면으로부터 떨어진 순간부터 지면에 발을 딛는 순간까지의 시기를 의미하며, 도 1에 도시된 e 내지 g 단계에 해당한다.
일반적으로, 인공무릎관절은, 의족이 장착된 다리가 입각기에 있을 때, 무릎 펴짐 방향의 제동력이 발생되도록 설계된다. 이를 통해, 인공무릎관절의 구부러짐이 제한되며, 인공무릎관절은 실제 무릎의 입각기 굴곡을 구현하여 의족 착용자의 체중을 지지할 수 있게 된다. 여기서, 입각기 굴곡은, 입각기 과정에서 이루어지는 무릎의 구부러짐을 의미한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 입각기 굴곡은 유각기 굴곡에 비해 상대적으로 작은 각도범위 내에서 이루어진다.
특히, 입각기 중 초기 및/또는 말기의 입각기 굴곡이 입각기 중기에 비해 작은 각도를 가질 수 있다. 구체적으로, 도 1을 참조하면, 입각기 초기(a) 및/또는 입각기 말기(d)의 경우, 보행자가 발바닥을 지면에 딛거나, 발가락으로 지면을 밀어낼 때, 보행자의 무릎이 보행 방향으로 굽혀지는 것을 확인할 수 있다. 이 때의 무릎이 굽혀지는 각도는, 입각기 중기(b)에서 무릎이 완전히 구부러지는 각도보다 작은 것을 확인할 수 있다.
이러한 입각기 초기(a) 및/또는 입각기 말기(d)에서의 입각기 굴곡의 경우, 인공무릎관절이 보행 방향으로 소정의 각도만을 가지고 살짝 굽혀져야 하기 때문에 자연스러운 구현이 어렵다. 의족 착용자가 보행을 위해 발바닥을 지면에 딛거나 지면을 밀어내는 경우, 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 등의 비정상적인 동작이 발생할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절(200)이 절단하지(1) 및 의족(3)에 장착된 상태를 나타낸 예시도이다. 일 실시예에 따르면, 인공무릎관절(200)은 관절상측부재(210), 관절하측부재(220), 본체부(230), 제1 링크부재(240) 및 제2 링크부재(250)를 포함할 수 있다.
관절상측부재(210)는 인체에 고정 가능하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 관절상측부재(210)는 도시된 바와 같이, 상부에 결합부(212)가 형성되어 착용자의 인체(예를 들어, 절단하지)와 결합된 소켓(2)과 결합될 수 있다. 대안적으로, 관절상측부재(210)와 소켓(2)은 일체형으로 구성될 수도 있다.
관절하측부재(220)는 의족(3)에 고정 가능하도록 구성될 수 있다. 여기서, 의족(3)은 파일론(4) 및 발(5)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 관절하측부재(220)는 하부에 결합부(미도시)가 형성되어 의족(3)의 파일론(4)과 결합될 수 있다.
관절상측부재(210)와 관절하측부재(220)는 본체부(230), 제1 링크부재(240), 및 제2 링크부재(250)와 결합되어 소정의 각도를 가지도록 접힐 수 있다. 본체부(230), 제1 링크부재(240), 및 제2 링크부재(250)에 의해, 보행 주기에 따라 인공무릎관절(200)이 굽혀지거나, 펴져서 적절한 제동력을 제공할 수 있다. 이하에서, 도 3 및 도 4를 참조하여 인공무릎관절(200)의 결합 구조에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절(200)의 사시도이고, 도 4는 도 3에 개시된 인공무릎관절(200)의 측면도이다. 도 5는 도 3에 개시된 본체부(230)의 사시도이다. 도 6은 도 3에 개시된 T자형부재(310)의 사시도이고, 도 7은 도 3에 개시된 관절상측부재(210)의 사시도이다.
인공무릎관절(200)은 관절상측부재(210), 관절하측부재(220), 본체부(230), 제1 링크부재(240) 및 제2 링크부재(250)를 포함할 수 있다.
본체부(230)는 제1 축(410), A 축(460) 및 제3 축(430)이 통과되고, 제1 축(410)을 중심으로 관절상측부재(210)와 회전가능하도록 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 본체부(230)는 제1 축(410)이 통과되는 제1 관통부(510, 512) 및 제3 축(430)이 통과되는 제3 관통부(530, 532)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 관통부(510, 512)는 제1 축(410)이 통과하도록 형성된 제1_1 관통부(510) 및 제1_2 관통부(512)를 포함할 수 있다. 제1_1 관통부(510) 및 제1_2 관통부(512)는 본체부(230)의 외측면에 y축 방향을 따라 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제3 관통부(530, 532)는 제3 축(430)이 통과하도록 형성된 제3_1 관통부(530) 및 제3_2 관통부(532)를 포함할 수 있고, 제3_1 관통부(530) 및 제3_2 관통부(532)는 도 5에 도시된 바와 같이, 본체부(230)의 측면에 y축 방향을 따라 형성될 수 있다.
관절상측부재(210) 또한, 제1 축(410)이 통과된다. 관절상측부재(210)는 제1 축(410)을 통해 본체부(230)와 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 관절상측부재(210)는 본체부(230)의 제1_1 관통부(510) 및 제1_2 관통부(512)에 대응되는 위치에 제1_3 관통부(710)가 형성되도록 구성될 수 있고, 제1 축(410)에 의해 관절상측부재(210)의 제1_3 관통부(710)와 본체부(230)의 제1_1 관통부(510) 및 제1_2 관통부(512)가 회전가능하도록 연결될 수 있다.
본체부(230)는 T자형부재(310, 312)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 본체부(230)는 제1 T자형부재(310) 및 제2 T자형부재(312)를 포함할 수 있다. 제1 T자형부재(310) 및 제2 T자형부재(312)는 도 3에 도시된 바와 같이, 본체부(230)의 측면에 배치될 수 있다. 제1 T자형부재(310)와 제2 T자형부재(312)는 서로 대응되는 구성을 가질 수 있다.
각 T자형부재(310, 312)는 제2 축(420) 및 A 축(460)이 통과하고, A 축(460)을 통해 본체부(230)와 회전 가능하도록 결합되도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, T자형부재(310, 312)는, T자형 형상으로 형성될 수 있다.
T자형 부재는, 제1 탄성부재(470)가 결합되는 전방부(610)와, 제2 관통부(622), A 관통부(624) 및 제1 돌출부(626)가 형성된 후방부(620)를 포함할 수 있다. 제2 축(420)이 제2 관통부(622)를 통과할 수 있다. A 축(460)이 A 관통부(624)를 통과할 수 있다.
전방부(610)의 상면은 인공무릎관절(200)이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 것을 방지하기 위해 후방부(620)의 상면과 둔각으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전방부(610)의 상면은 도 6에 도시된 바와 같이, 상측 방향에서 하측 방향으로 경사를 가지도록 형성될 수 있다.
전방부(610)에는 인공무릎관절(200)에 하중이 가해지는 경우 하중에 의한 충격을 분산시키기 위해, 하중이 가해지는 방향과 반대 방향으로 탄성복원력을 제공하는 제1 탄성부재(470)가 결합될 수 있다. 예컨대, 전방부(610)에는 개구부(612)가 형성되고, 개구부(612)에 나사 방식으로 제1 탄성부재(470)가 결합될 수 있다. 여기서, 제1 탄성부재(470)의 일단은 전방부(610)의 개구부(612)와 나사 형태로 결합되고, 타단은 본체부(230)의 수용부(520)와 접할 수 있다. 또는, 고정부재(330)에 의해 제1 탄성부재(470)가 개구부(612)와 결합될 수 있다.
본체부(230)는 제1 탄성부재(470)의 적어도 일부를 수용하기 위한 수용부(520, 522)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 수용부(520, 522)는 T자형부재(310)의 전방부(610)의 상면 방향과 수직하는 방향으로 형성된 제1 수용부(520) 및 제2 수용부(522)를 포함할 수 있다. 제1 수용부(520) 및 제2 수용부(522)는 T자형부재(310)의 전방부(610)의 상면 방향과 수직하는 방향으로 형성되어 각각의 제1 탄성부재(470)의 적어도 일부가 수용될 수 있다. 따라서, 각각의 제1 탄성부재(470)는 T자형 부재의 전방부(610)와 본체부(230) 사이에 배치되어, 인공무릎관절(200)에 하중이 가해지는 경우 하중에 의한 충격을 분산시키기 위해, 하중이 가해지는 방향과 반대 방향으로 탄성복원력을 제공할 수 있다.
T자형부재(310)의 후방부(620)에 형성된 제1 돌출부(626)는 인공무릎관절(200)에 하중이 가해지는 경우, T자형부재(310)의 움직임을 조절하기 위해 와이어(340)를 통해 제1 축(410)과 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 돌출부(626)는 내측 방향에서 외측 방향으로 돌출되어 와이어(340)에 의해 제1 축(410)의 끝단(320)과 연결될 수 있다. 이때, 제1 돌출부(626)와 제1 축(410)의 끝단(320) 각각의 외주면에는 와이어(340)가 걸리도록 걸림홈이 형성될 수 있다. 와이어(340)는 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, S자 형상을 가지는 스프링일 수 있다.
T자형부재(310)는 A 축(460)을 중심으로 본체부(230)와 회전가능하도록 결합될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각각의 T자형부재(310)는 A 축(460)이 통과되는 A 관통부(624)가 형성될 수 있다. 여기서, A 축(460)은 인공무릎관절(200)이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 것을 좀더 효과적으로 방지하기 위해, 제1 돌출부(626)보다 보행 방향(도 6에 도시된 화살표 방향)으로 전진 배치될 수 있다.
본체부(230)는 T자형부재(310)와 결합되도록 각각의 T자형부재(310)에 형성된 A 관통부(624)에 대응되는 위치에 A 수용부가 형성될 수 있다. 예를 들어, A 수용부는 A 축(460)이 통과되는 A_1 수용부(540), 및 A_1 수용부와 대응되는 뒷면 위치에 형성되는 A_2 수용부(미도시)를 포함할 수 있다. A_1 수용부(540) 및 A_2 수용부(미도시)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 본체부(230)의 외측면에 y축 방향을 따라 형성될 수 있다. A 축(460)이 T자형부재(310)의 A 관통부(624)와 본체부(230)의 A 수용부를 통과하여, A 축(460)을 중심으로 T자형부재(310)와 본체부(230)가 서로 간에 회전가능하도록 결합될 수 있다. 따라서, 각각의 T자형부재(310)가 본체부(230)와 결합되어 입각기 과정에서 비정상적인 작동이 발생하려고 할 때, A 축(460)을 중심으로 T자형부재(310)가 소정의 각도로 회전함으로써, 제2 축(420) 및 제3 축(430)의 이동을 방지하여 인공무릎관절(200)이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본체부(230)는 보행 주기의 각 단계에 따라 적절한 제동력을 제공하도록 제1 링크부재(240) 및 제2 링크부재(250)를 통해 관절하측부재(220)와 결합될 수 있다.
제2 축(420)이 제1 링크부재(240)의 일단을 관통할 수 있다. 또한, 제2 축(420)은 본체부(230)의 T자형부재(310)의 제2 관통부(622)도 통과하고, 그로 인해 제1 링크부재(240)와 T자형부재(310)가 서로 간에 회전가능하도록 결합될 수 있다.
제3 축(430)이 제2 링크부재(250)의 일단을 관통할 수 있다. 또한, 제3 축(430)은 본체부(230)의 제3 관통부(530, 532)도 통과하고, 그로 인해 제2 링크부재(250)와 본체부(230)가 서로 간에 회전가능하도록 결합될 수 있다.
관절하측부재(220)는 제1 링크부재(240) 및 제2 링크부재(250)를 통해 본체부(230)와 결합되기 위해 제4 축(440) 및 제5 축(450)이 통과하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제4 축(440)은 인공무릎관절(200)이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 것을 방지하기 위해 제1 축(410)보다 보행 방향을 기준으로 후진 배치될 수 있다.
제4 축(440)이 제1 링크부재(240)의 타단을 관통할 수 있다. 또한, 제4 축(440)은 관절하측부재(220)도 통과하고, 그로 인해 제1 링크부재(240)와 관절하측부재(220)가 서로 간에 회전가능하도록 결합될 수 있다.
제5 축(440)이 제2 링크부재(250)의 타단을 관통할 수 있다. 또한, 제5 축(440)은 관절하측부재(220)도 통과하고, 그로 인해 제2 링크부재(250)와 관절하측부재(220)가 서로 간에 회전가능하도록 결합될 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절(200)의 유각기 굴곡 상태를 나타낸 측면도이다. 인공무릎관절(200)이 보행 방향으로 굽혀진 상태를 나타내는 측면도이다. 사용자가 의족을 착용하고 보행 방향(도 8에 도시된 화살표 방향)으로 걷게 되는 경우, 인공무릎관절(200)의 본체부(230)는 제1 링크부재(240) 및 제2 링크부재(250)에 의해 도시된 바와 같이, 제2 축(420) 및 제3 축(430)을 중심으로 무릎이 접히는 형태로 회전할 수 있다. 이를 통해, 인공무릎관절(200)은 실제 무릎의 유각기 굴곡(굽혀짐)을 구현할 수 있고, 보행 주기에 따라 적절한 제동력을 제공할 수 있다. 여기서, 무릎 굽힘 방향은, 인공무릎관절(200)이 굽혀지는 회전 방향을 의미할 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따라 인공무릎관절(200)에 하중이 가해지는 경우, 인공무릎관절(200)의 동작을 나타내는 예시도이다. 인공무릎관절(200)에 의족 착용자의 하중이 도 5 상단에 표시된 화살표 방향으로 가해지는 경우, T자형부재의 제1 돌출부(626)와 본체부(230)의 제1 축의 끝단(320)을 연결하는 와이어(340)에 장력이 형성(화살표 표시)되어, T자형부재(310, 312)가 오작동하는 것(예컨대, T자형부재(310, 312)이 본체부(230)로부터 분리)을 방지할 수 있다.
또한, 인공무릎관절(200)에 의족 착용자의 하중이 가해지는 경우, 제1 탄성부재(470)가 하중에 의해 수직방향으로 압축될 수 있다. 이로 인해, 제1 탄성부재(470)가 인공무릎관절(200) 및 의족 착용자의 신체에 가해질 수 있는 충격과 하중을 고르게 분산 및/또는 흡수하여 의족 착용자의 신체를 보호하고, 보행 시, 발생할 수 있는 피로를 최소화할 수 있다.
도 10은 도 3에 개시된 관절상측부재를 제외한 인공무릎관절의 구성을 나타낸 사시도이다. 도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 제2 탄성부재(1110)가 결합된 지지부재(1010)를 나타낸 사시도이고, 도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 지지부재(1010)의 동작을 나타낸 예시도이다. 본체부(230)는, 입각기 과정 중 제2 링크부재(250)와 접하는 지지부재(1010) 및 지지부재(1010)와 결합되어 지지부재(1010)에 탄성 복원력을 제공하는 제2 탄성부재(1110)를 더 포함할 수 있다. 이때, 제2 탄성부재(1110)는 도 11에 도시된 바와 같이, 지지부재(1010)의 하부에 결합될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본체부(230)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 탄성부재(1110)가 결합된 지지부재(1010)의 일부가 삽입되도록 개구부(550)가 형성될 수 있다. 여기서, 개구부(550)는 일정한 경사를 가지도록 형성될 수 있다. 지지부재(1010)는 제2 탄성부재(1110)가 결합된 지지부재(1010)의 하부가 제2 링크부재(250)와 맞닿도록 개구부에 삽입되어 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 관절상측부재(210)는 도 7에 도시된 바와 같이, 지지부재(1010)의 위치를 변경할 수 있는 위치조정수단이 삽입되도록 개구부(720)가 형성될 수 있다. 예컨대, 개구부(720)에 나사산이 형성되고, 나사의 회전에 의해 지지부재(1010)의 위치가 조정될 수 있다.
지지부재(1010)는 입각기 과정에서 제2 축(420) 및 제3 축(430)이 이동하여 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하려고 할 때, 제2 축(420) 및 제3 축(430)이 이동하려고 하는 방향의 반대 방향(도 12에 도시된 화살표 방향)으로 본체부(230) 또는 제2 링크부재(250)를 지지할 수 있다. 이후, 제2 탄성부재(1110)는 지지부재(1010)에 탄성 복원력을 제공할 수 있다. 따라서, 입각기 과정에서 제2 축(420) 및 제3 축(430)이 이동하여 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따라 편심을 가지도록 구성된 인공무릎관절(1300)의 T자형부재(1310) 및 제1 링크부재(1340)의 측면도이고, 도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 편심에 의해 T자형부재(1310) 및 제1 링크부재(1340)가 동작하는 과정을 나타낸 예시도이다. 일 실시예에 따르면, T자형부재(1310) 및 제1 링크부재(1340)는 제2 축의 중심(1320, 1330)을 통해 회전 가능하도록 구성될 수 있다.
이때, 제2 축의 중심(1320, 1330)은 제1 링크부재(1340)가 회전하는 중심(1320) 및 T자형부재(1310)가 회전하는 중심(1330)에 해당할 수 있다. T자형부재(1310)가 회전하는 중심(1330)은 제1 링크부재(1340)가 회전하는 중심(1320)과 상이할 수 있다. 즉, 본체부(1350)의 T자형부재(1310)가 회전하는 중심(1330)과 제1 링크부재(1340)가 회전하는 중심(1320)은 서로 일치하지 않는 편심 상태에 있을 수 있다. 이를 통해, 제1 링크부재(1340)의 회전 운동을 직선 운동으로 변환할 수 있다.
제1 링크부재(1340)의 회전 운동을 직선 운동으로 변환하기 위한 T자형부재(1310) 및 제1 링크부재(1340)의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다. 제1 동작 단계(1410)는 T자형부재(1310) 및 제1 링크부재(1340)가 편심 회전을 하기 전의 상태를 나타낸다. 일 실시예에 따르면, 제1 링크부재(1340)가 T자형부재(1310)의 회전 중심(1330)을 통해 회전 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 링크부재(1340)가 T자형부재(1310)의 회전 중심(1330)을 통해 θ 만큼 회전 가능하도록 구성될 수 있다. 여기서, θ는 10°일 수 있다.
제2 동작 단계(1420)는 제1 링크부재(1340)가 중심(1330)을 통해 회전한 후 상태를 나타낸다. 제1 링크부재(1340)가 중심(1330)을 통해 회전한 후에는, 제1 링크부재(1340)의 중심(1320)이 제1 동작 단계에 도시된 중심(1320)보다 좌측 방향으로 이동하여 제1 링크부재(1340)의 위치가 좌측 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 제1 링크부재(1340)는 2°회전 시, 0.58mm 이동할 수 있다.
즉, 편심을 통한 제1 링크부재(1340)의 회전 운동에 의해 제1 링크부재(1340)의 위치가 좌측 방향으로 이동하여, 회전 운동을 직선 운동으로 변환할 수 있다. 따라서, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하려 할 때, 편심을 통해 제1 링크부재(1340)의 회전 운동이 직선운동으로 바뀌어, 무릎이 완전히 굽혀지는 것을 방지할 수 있다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절(1500)의 입각기 굴곡 상태를 나타낸 예시도이다. 의족 착용자가 보행 시, 입각기 과정에서 또는 서있는 경우, 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 등의 비정상적인 동작이 발생할 수 있다. 이 경우, 도 8에 개시된 바와 같이 인공무릎관절(1500)은 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생할 수 있다. 이를 방지하고 도 15에 도시된 바와 같이 자연스러운 입각기 굴곡 상태를 구현할 수 있다.
도 15에 도시된 화살표와 같이 관절상측부재(1510)는 적절한 각도로 입각기 굴곡을 가질 수 있으며, 이 때 제2 축(1570) 및 제3 축(1580)이 고정될 수 있다. 입각기 굴곡 시 제2 축(1570) 및 제3 축(1580)이 이동할 경우, 제1 링크부재(1540) 및 제2 링크부재(1550)도 이동하면서 인공무릎관절이 갑작스럽게 완전히 굽혀질 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따른 인공무릎관절(1500)은 제2 축(1570) 및 제3 축(1580)의 이동을 제어하여 그와 같은 현상을 방지하고 적절한 각도의 입각기 굴곡을 유지할 수 있다.
이를 위해, 본체부(1520)의 T자형부재(1530)는 A 축(1560)을 중심으로 본체부(1520)로부터 소정 각도만큼 시계 방향으로 회전하여 제2 축(1570) 및 제3 축(1580)이 과도하게 이동하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본체부(1520)의 내부에 배치된 지지부재(1010)는 제2 축(1570) 및 제3 축(1580)이 이동하여 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하려고 할 때, 제2 축(1570) 및 제3 축(1580)이 이동하려고 하는 방향과 반대 방향으로 본체부(1520)를 지지할 수 있다.
또한, 본체부(1520)가 가지는 T자형부재(1530)를 통과하는 제2 축(1570)이 편심을 가지도록 하여, 제1 링크부재(1540)의 회전 운동을 직선운동으로 바꾸어 무릎이 완전히 굽혀지는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, T자형부재(1530), 지지부재(1010) 및 편심을 가지도록 구성된 제2 축(1570)을 통해 보행 과정에서 제2 축(1570) 및 제3 축(1580)이 이동하여 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 것을 효과적으로 방지함으로써, 안전성을 확보할 수 있는 인공무릎관절을 제공할 수 있다.
도 16은 본 개시의 다른 실시예에 따른 인공무릎관절의 사시도이다. 도 17은 도 16에 개시된 인공무릎관절의 측면도이다. 도 18은 도 16에 개시된 인공무릎관절의 관절상측부재의 사시도이다.
이하에서는, 도 3 및 도 4에 개시된 인공무릎관절의 구조와 상이한 구성을 중심으로 설명하며, 도 3 및 도 4에 개시된 인공무릎관절의 구조와 대응되는 구성에 대한 설명은 상술한 설명으로 대체하기로 한다.
관절상측부재(1610)는 양 측면으로 돌출된 제2 돌출부(1630)를 가진다. 제2 돌출부(1630)는 T자형부재(1640)의 상면과 접한다. 제2 돌출부(1630)와 접하는 T자형 부재(1640)의 상면은 굴곡을 가진다. 예컨대, T자형부재(1640)는 제2 돌출부(1630)와 접하는 부위에 함몰부를 가질 수 있다. A축(1660)은 제1 돌출부(1650)보다 보행 방향 기준으로 후진 배치됨으로써, T자형부재(1640)는 함몰부를 확보할 수 있다.
입각기 과정에서 또는 서있는 경우, 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 등의 비정상적인 동작이 발생할 수 있다. 이 경우, 도 8에 개시된 바와 같이 인공무릎관절(1500)은 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 보행 방향으로 보행 중, 제2 축(1720)이 이동하는 과정에서 제2 돌출부(1630)가 T자형부재(1630)의 상면에 접하면서 하측 방향으로 힘을 가할 수 있다. 그럼으로써, 의족 착용자가 보행 시, 입각기 과정에서 또는 서있는 경우, 인공무릎관절이 과도하게 꺾이거나, 의족 착용자가 의도하지 않은 갑작스러운 무릎 굽힘이 발생하는 등의 비정상적인 동작을 방지하고, 자연스러운 입각기 굴곡 상태를 구현할 수 있다.
체중 부하가 발생한 경우, 하중에 의해, 관통부(1810)를 통과하는 제1 축(1710)을 중심으로 제2 돌출부(1630)가 T자형부재(1640)를 화살표 ② 방향으로 눌러 준다. 이는 제1 링크부재(1670)가 화살표 ③ 방향으로 움직이는 것을 제한함으로써, 입각기 굴곡의 하중이 발생한 경우, 자연스러운 입각 굴곡(예컨대 60도)을 구현할 수 있다. 예컨대, 제2 돌출부(1630)는 롤러 형태로 구성될 수 있어, 회전하면서 T자형부재(1640)를 누를 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
200: 인공무릎관절
210: 관절상측부재
212: 결합부
220: 관절하측부재
230: 본체부
240: 제1 링크부재
250: 제2 링크부재
310, 312: T자형부재
320: 제1 결합부재
330: 고정부재
340: 와이어
410: 제1 축
420: 제2 축
430: 제3 축
440: 제4 축
450: 제5 축
460: A 축
470: 제1 탄성부재

Claims (1)

  1. 인공무릎관절에 있어서,
    인체에 고정 가능하도록 구성되고, 제1 축이 통과하도록 형성된 관절상측부재;
    상기 제1 축이 통과하도록 형성되고, 상기 제1 축을 중심으로 상기 관절상측부재와 회전가능하도록 연결되는 본체부; 및
    의족에 고정 가능하도록 구성되고, 링크 부재를 통해 상기 본체부와 연결된 관절하측부재
    를 포함하고,
    상기 관절상측부재는 양 측면에 제2 돌출부를 가지며,
    상기 본체부와 상기 제2 돌출부는 입각기 과정에서 서로 접하는, 인공무릎관절.
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