KR20220102382A - 스프링을 활용한 무동력 의족 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스프링을 활용한 무동력 의족에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 발목부와 발바닥을 연결하는 코일 스프링을 편심지게 설치하여, 발목부의 다축 회전이 가능해짐으로써 보행 시 충격을 완와할 수 있고, 발가락부를 의족 본체부에 회동할 수 있도록 연결하는 힌지부에 토션 스프링을 설치하여, 탄성 복원을 통해 보행에서의 추진력을 부여할 수 있는 스프링을 활용한 무동력 의족에 관한 것이다.

Description

스프링을 활용한 무동력 의족 {Non-powered prosthetic foot using spring}

본 발명은 스프링을 활용한 무동력 의족에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하지 절단 환자가 착용하여 발과 발목을 대체 가능한 스프링을 활용한 무동력 의족에 관한 것이다.

전 세계적으로 교통사고, 산업재해, 질병 및 전쟁 등의 다양한 이유로 하지 절단 환자의 수는 증가하고 있다.

미국의 경우, 하지 절단 환자 수가 매년 계속해서 증가하는 추세를 보이고 있으며, 이러한 환자들에게 가장 필요한 것은 다리를 대신할 의족이며, 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다.

또한, 일반적으로 의족은 크게 능동형, 수동형으로 구분된다.

능동형 의족은 내부에 모터 및 유압 실린더 등 액추에이터가 장착되어 외부 상황에 맞게 발목 회전이 가능한 것들을 가리키며, 근육의 전기적 신호나 자이로 센서를 활용하여 착용자의 보행 상태에 반응하여 작동하므로 자연스러운 보행이 가능하다.

수동형 의족은 액추에이터 대신 스프링과 같은 탄성 장치를 삽입하여 착용자가 보행에 맞춰 탄성 에너지를 저장했다가 방출하는 방식이며, 의족 가격이 저렴하지만 자연스러운 보행이 어렵고, 착용자의 근력을 활용해야 하므로 노약자가 쓰기에 힘들다.

따라서, 인체의 중족골 모사를 통한 발가락 1자유도 관절 설계와 발목 다축 시스템 설계로 자연스러운 보행이 가능하고 탄성기계 요소만을 사용하여 단가를 낮춘 보급형 무동력 의족을 제안한다.

한편, 대한민국등록특허 제 10-1190416호에는 “의족” 에 관한 기술이 공개된 바 있다.

대한민국등록특허 제 10-1190416호

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 발목부와 발바닥을 연결하는 코일 스프링을 편심지게 설치하여, 발목부의 다축 회전이 가능해짐으로써 보행 시 충격을 완와할 수 있고, 발가락부를 의족 본체부에 회동할 수 있도록 연결하는 힌지부에 토션 스프링을 설치하여, 탄성 복원을 통해 보행에서의 추진력을 부여할 수 있는 스프링을 활용한 무동력 의족을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 스프링을 활용한 무동력 의족은 착용자의 발을 대체할 수 있도록 발 형상으로 마련되는 의족 본체부, 상기 의족 본체부의 상측에 발목 형상으로 구비되는 발목부, 상기 의족 본체부 및 상기 발목부를 연결하는 코일 스프링, 상기 발목부의 상단에 마련되어, 착용자의 다리에 고정될 수 있는 소켓 어댑터, 상기 의족 본체부의 전단부에 회동 가능하게 결합되는 발가락부, 상기 발가락부의 회동 축에 설치되는 토션 스프링 및 상기 의족 본체부 및 상기 발가락부를 감싸는 외피를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 스프링을 활용한 무동력 의족은 발목부와 발바닥를 연결하는 코일 스프링을 설치함으로써, 발목부가 다축 좌굴이 가능하여 지면의 경사도나 요철과 같은 다양한 환경에서 안정된 보행을 할 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 코일 스프링의 축과 소켓 어탭터와 연결되는 다리의 축이 편심으로 위치함으로써, 발바닥 굽힙 운동이 일어나 보행 시 지면의 충격을 완화할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 발가락부를 의족 본체부에 회동할 수 있도록 연결하는 힌지부에 토션 스프링을 설치함으로써, 탄성 복원을 통해 보행에서의 추진력을 부여할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 상세한 설명 및 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 스프링을 활용한 무동력 의족의 전체 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스프링을 활용한 무동력 의족의 후방 부분을 확대한 측면도이다.
도 3는 본 발명에 따른 스프링을 활용한 무동력 의족의 후방 부분을 확대한 분해도이다.
도 4는 본 발명에 따른 코일 스프링의 중심부에서 수직 방향으로 놓여지는 축과 상기 소켓 어댑터의 중심부에서 수직 방향으로 놓여지는 축이 편심을 이루도록 설치된 모습을 설명한 도면이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 스프링을 활용한 무동력 의족의 전체 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 스프링을 활용한 무동력 의족의 후방 부분을 확대한 측면도, 도 3는 본 발명에 따른 스프링을 활용한 무동력 의족의 후방 부분을 확대한 분해도, 도 4는 본 발명에 따른 코일 스프링의 중심부에서 수직 방향으로 놓여지는 축과 상기 소켓 어댑터의 중심부에서 수직 방향으로 놓여지는 축이 편심을 이루도록 설치된 모습을 설명한 도면이다.

한편, 이하의 설명 및 이 명세서 전체에서 방위를 나타내는 단어들은 모두 사람의 신체를 기준으로 한다. 즉, '전후 방향'은 발이 길게 연장되는 방향 또는 사람이 전진 보행하는 방향을 나타내고, '상하 방향'은 사람이 직립했을 때에 지면에 대해 수직한 방향을 의미하며, '폭 방향'은 양측의 다리 또는 발이 이격되는 방향으로서 전후 방향 및 상하 방향에 수직한 방향을 의미한다.

또한, 보행 단계별 명칭에 관해서는 통상적으로 널리 사용되는 용어를 기준으로 한다. 즉, ‘Heel Strike’ 는 처음 지면과 발이 닿는 순간, ‘Foot flat’ 는 지면과 발이 닿은 후 발바닥을 지면과 평행하게 하는 동작, Hel Of 는 발꿈치를 떼는 순간 (이때, 발가락은 닿아있음), ‘Toe Of’ 는 발가락까지 완전히 떼진 상태, ‘Toe Clearance’ 는 발을 앞으로 보내는 중 지면에 끌리지 않도록 발등쪽으로 드는 동작, ‘Swing’ 는 발이 지면과 평행하게 닿은 상태에서 몸을 앞으로 보내는 동작, ‘Toe Down’ 는 계단을 내려갈 때 발바닥쪽으로 발목 회전하여 발가락을 아래로 보내는 동작을 의미한다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스프링을 활용한 무동력 의족(10)을 상세히 설명하기로 한다.

일반적으로, 의족은 사람의 두 다리 중에서 일측의 다리의 무릎 관절의 아래 부분, 즉 발목 관절과 발을 상실한 사람이 착용하는 것이며, 본 발명에 따른 상기 의족(10)은 수동형 의족의 형태로 액추에이터 대신 스프링과 같은 탄성 장치를 삽입하여 착용자가 보행에 맞춰 탄성 에너지를 저장했다가 방출하는 방식이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면 본 발명에 따른 상기 의족(10)는 착용자의 발을 대체할 수 있도록 발 형상으로 마련되는 의족 본체부(100), 상기 의족 본체부(100)의 상측에 발목 형상으로 구비되는 발목부(200), 상기 의족 본체부(100) 및 상기 발목부(200)를 연결하는 코일 스프링(300), 상기 발목부(200)의 상단에 마련되어, 착용자의 다리에 고정될 수 있는 소켓 어댑터(400), 상기 의족 본체부(100)의 전단부에 회동 가능하게 결합되는 발가락부(500), 상기 발가락부(500)의 회동 축에 설치되는 토션 스프링(600) 및 상기 의족 본체부(100) 및 상기 발가락부(500)를 감싸는 외피(700)를 포함한다.

먼저, 착용자의 발을 대체할 수 있도록 발 형상으로 마련되는 의족 본체부(100)가 마련된다. 상기 의족 본체부(100)는 지면에 접촉하여 상기 의족(10)을 지지하는 본체로 구성되며, 일반적인 인체 발바닥의 외형과 동일하게 굴곡진 모양으로 형성되어, 착용자의 발을 대체할 수 있다.

다음으로, 상기 의족 본체부(100)의 상측에 발목 형상으로 구비되는 발목부(200)가 마련된다. 상기 발목부(200)는 전체적으로 타원형으로 형성되며, 착용자의 발목 관절에 해당되는 역할을 할 수 있다.

다음으로, 상기 의족 본체부(100) 및 상기 발목부(200)를 연결하는 코일 스프링(300)가 마련된다. 상기 코일 스프링(300)은 탄성으로 충격을 완화할 수 있도록 나선형으로 둥글게 감아 만든 스프링이다. 상기 코일 스프링(300)은 보행에 따른 발목 회전 동작 특성을 부여하기 위해 상기 의족 본체부(100) 및 상기 발목부(200)를 연결하는 구성이다. 다시 말하면 상기 코일 스프링(300)은 인체의 다리뼈와 거골(Talus) 접합 부위를 대체하기 위해 설치되는 구성이다.

물론, 상기 코일 스프링(300)은 착용자의 하중에 따라 상기 코일 스프링(300)의 딱딱한 정도를 변화시키기 위해 상기 코일 스프링(300)의 굵기를 점차로 변화시키거나 감는 지름 크기를 변화시킬 수 있다.

또한, 상기 코일 스프링(300)은 상기 소켓 어댑터(400)의 중심축으로부터 전방으로 편심되게 설치된다. 보다 구체적으로 상기 코일 스프링(300)의 중심부에서 수직 방향으로 놓여지는 축은 착용자의 다리와 접합되는 상기 소켓 어댑터(400)의 중심부에서 수직 방향으로 놓여지는 축보다 상기 의족(10)의 전방으로 편심되게 설치되는 것이다. 이에 따라, 상기 코일 스프링(300)은 Hel Strike 동작 시 자동으로 발바닥 굽힘(저측굴곡, plantar flexion) 운동이 일어나 지면으로부터의 충격을 완화할 수 있다.

또한, 상기 코일 스프링(300)은, 상기 발목부(200)를 상기 발목부(200)의 중심부에서 상하, 좌우 및 전후 방향으로 놓여지는 3축 방향 중에 어느 하나의 축 방향으로 회전시키거나 최소 2축 방향으로 동시에 회전시킬 수 있다. 이때, 상기 3축 방향은 인체의 정면, 시상면 및 횡단면을 의미한다.

다시 말하면, 상기 코일 스프링(300)은 상기 발목부(200)를 다축 좌굴이 가능하도록 연결하고 있는 것이며, Foot Flat 동작이 완료될 때까지 지면 경사도나 요철 상태에 맞추어 다양한 환경에서 착용자가 안정된 보행을 실시할 수 있도록 한다.

일례로, Foot Flat 동작 이후 Swing 동작이 일어나는데 이때 발등굽힘(배측굴곡, dolsi flexion) 운동이 일어나야 한다. 착용자는 발목 축을 기준으로 역진자 운동을 하며 전방으로 전진한다. 이러한 일련의 동작들을 수행하기 위해 상기 코일 스프링(300)은 Heel Strike 동작 시 상기 발목부(200)의 하중을 견디며, 상기 발목부(200)이 이루는 각을 적절한 각도로 발바닥 굽힘 동작이 실시된다. 이때 상기 적절한 각도는 10도 미만으로 형성되는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 코일 스프링(300)은 Heel Off 부터 Toe Off 동작 시 상기 발목부(200)를 기준으로 상기 의족(10)이 앞으로 쏠리는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 코일 스프링(300)은 Toe Off 동작 이후 상기 코일 스프링(300)의 복원력에 의해 자동으로 Toe Clearance 동작이 실시될 수 있도록 한다.

물론, 상기 코일 스프링(300)은 도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 의족 본체부(100) 및 상기 발목부(200)의 내측으로 볼트를 삽입하여 상기 코일 스프링(300)이 고정될 수 있다.

다음으로, 상기 발목부(200)의 상단에 마련되어, 착용자의 다리에 고정될 수 있는 소켓 어댑터(400)가 마련된다. 상기 소켓 어댑터(400)는 착용자의 다리와 연결되도록 절단된 다리에 맞추어 고정될 수 있다. 다시 말하면, 상기 소켓 어댑터(400)는 도면에서는 사각형으로 도시되어 있지만, 형태에 국한되지 않고 착용자의 다리와 고정될 수 있도록 형성되며, 상기 의족(10)과 착용자의 다리를 연결하는 구성이다.

다음으로, 상기 의족 본체부(100)의 전단부에 회동 가능하게 결합되는 발가락부(500)가 마련된다. 상기 발가락부(500)는 착용자의 발가락을 대체하는 것으로, 발가락 외형의 모습으로 형성되며, 보다 구체적으로 인체의 중족골 헤드와 발가락을 대체하는 구성이다. 상기 발가락부(500)는 일단부에 상기 의족 본체부(100)과 결합되는 회동 축이 마련되며, 상기 회동 축에 상기 의족 본체부(100)가 연결된다. 상기 발가락부(500)는 보행 시 상기 의족 본체부(100)에서 이동된 착용자의 체중을 지지할 수 있다. 즉, 상기 의족 본체부(100) 및 상기 발가락(500)는 서로 결합되어, 착용자의 발바닥과 발가락 전체를 구성하게 된다.

보다 구체적으로, 상기 발가락부(500)는 Heel Off 부터 Toe Off 까지 발의 구부러진 형태(flexible foot)를 구현하는 구성이다. 구부러진 형태는 발허리발가락관절(metatarsophalangeal joint)을 기준으로 회전 운동에 의해 발생한다. 이로 인해 상기 발가락부(500)가 착용자의 하중을 견디며 한발 지지 구간(Single Support Phase, SP)에서 양발 지지 구간(Double Support Phase, DSP)으로 무게 중심을 부드럽게 전진시키는 작용을 한다. Toe Off 이후 구부러진 발 형태는 후술할 토션 스프링(600)에 의해 원상 복귀되며 상기 발가락부(500)으로 지면을 차주는 추진 작용이 일어나 보행을 돕는다.

다음으로, 상기 발가락부(500)의 회동 축에 설치되는 토션 스프링(600)이 마련된다. 상기 토션 스프링(600)은 코일형으로 감긴 형태이고, 상시 토션 스프링(600)의 양단부가 일자로 형성되어, 상기 의족 본체부(100) 및 상기 발가락부(500)에 각각 연결되어 있다. 이에 따라, 상기 토션 스프링(600)은 상기 발가락부(500)를 상기 의족 본체부(100)에 구부러진 상태에서 탄성 복원력으로 원래 상태로 회동될 수 있게 함으로써, 보행 시 추진력을 제공할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 토션 스프링(600)은 heel off 동작에서 구부러진 형태를 구현함과 동시에 상기 토션 스프링(600)에 탄성 에너지를 저장시키고, toe off 동작에서 상기 토션 스프링(600)의 탄성 복원을 통해 실제 보행에서의 추진력을 부여할 수 있다.

다음으로, 상기 의족 본체부(100) 및 상기 발가락부(500)를 감싸는 외피(700)가 마련된다. 상기 외피(700)는 상기 의족 본체부(100) 및 상기 발가락부(500)의 일부 혹은 전체를 감싸도록 구비된다. 상기 외피(700)는 인체의 근육과 피부를 모사하여 외부의 압박에 약간의 형태 변형이 일어나 충격을 흡수할 수 있도록 하였다. 따라서 상기 외피(700)는 충격을 흡수할 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 외피(700)는 실리콘, 고무 및 TPU(Thermo Plastic Polyurethane)와 같은 고무의 탄을 가진 플라스틱 재질로 형성되어 충격을 흡수할 수 있다.

또한, 상기 외피(700)는 상기 의족 본체부의 상면으로부터 상기 발목부를 향한 방향으로 돌출되어 형성되고, 상기 발목부가 회동하는 각도 범위를 제한하는 완충부(710)를 포함한다. 보다 구체적으로 상기 완충부(710)는 상기 외피(700) 상에서 완만한 U 자의 형태로 돌출되어, 상기 발목부(200)가 후방으로 좌굴되는 경우에 충격을 줄여주고, 일정 각도 이상으로 더 이상 좌굴 되지 않도록 해주는 역할을 한다.

따라서, 본 발명은 인체의 자연스러운 보행을 수행하기 위해 편심을 지도록 설치된 상기 코일 스프링(300)을 활용한 의족을 제시하였으며, 상기 발목부(200)가 다축 발목 관절이 가능하여, Hel Strike 동작 시 충격 완화와 Foot Flat 동작 시 지면 경사도에 따른 반응과 다양한 지면 환경에 대응이 가능하다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 스프링을 활용한 무동력 의족
100 : 의족 본체부
200 : 발목부
300 : 코일 스프링
400 : 소켓 어댑터
500 : 발가락부
600 : 토션 스프링
700 : 외피
710 : 완충부

Claims (5)

1. 착용자의 발을 대체할 수 있도록 발 형상으로 마련되는 의족 본체부;
   상기 의족 본체부의 상측에 발목 형상으로 구비되는 발목부;
   상기 의족 본체부 및 상기 발목부를 연결하는 코일 스프링;
   상기 발목부의 상단에 마련되어, 착용자의 다리에 고정될 수 있는 소켓 어댑터;
   상기 의족 본체부의 전단부에 회동 가능하게 결합되는 발가락부;
   상기 발가락부의 회동 축에 설치되는 토션 스프링; 및
   상기 의족 본체부 및 상기 발가락부를 감싸는 외피;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링을 활용한 무동력 의족.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 코일 스프링은,
   상기 소켓 어댑터의 중심축으로부터 전방으로 편심되게 설치되는 것을 특징으로 하는 스프링을 활용한 무동력 의족.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 코일 스프링은,
   상기 발목부를 상기 발목부의 중심부에서 상하, 좌우 및 전후 방향으로 놓여지는 3축 방향 중에 어느 하나의 축 방향으로 회전시키거나 최소 2축 방향으로 동시에 회전시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 스프링을 활용한 무동력 의족.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 토션 스프링은,
   상기 발가락부를 상기 의족 본체부에 구부러진 상태에서 탄성 복원력으로 원래 상태로 회동될 수 있게 함으로써, 보행 시 추진력을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 스프링을 활용한 무동력 의족.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 외피는,
   상기 의족 본체부의 상면으로부터 상기 발목부를 향한 방향으로 돌출되어 형성되고, 상기 발목부가 회동하는 각도 범위를 제한하는 완충부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링을 활용한 무동력 의족.

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