KR100401457B1 - 다기능 인공발 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야.

본 발명은 하퇴 및 대퇴 절단자들에게 자연스럽고 안정된 보행을 제공하여 에너지 소비를 줄여 신체를 위한 레크레이션 활동을 가능하게 한 다기능 인공발에 관한 것이다.

나. 발명이 해결하려는 기술적 과제.

종래의 인공발은 걷거나 달릴 때 높은 에너지의 소비를 유발하며, 빠른 속도로 걷거나 달리게 되면 불안정감, 불편함으로 인하여 효과적인 운동을 할 수 없으며, 이로 인한 시간소비나 운동부족은 체중증가 및 기본적인 생활에 제한을 받게 되는 문제점이 있었다.

다. 발명의 해결방법의 요지.

체중에 의해 족 관절 각도가 결정되는 무축식 형태로 구성된 인공발(A), 상기 인공발(A)이 불특정 노면에 대한 하중과, 발뒤축 접지시 압축에 의한 굴곡부에 회전 관절부를 구성하여 지면접지시 뒤굼치 구름을 원활하게 하여 지면 대응성을 높이고 체중에 대한 부하가 의지부로 전달되지 않도록 한 것을 특징으로 한다.

라. 발명의 중요한 용도

다기는 인공발.

Description

다기능 인공발{Multi-functioning artificial foot}

본 발명은 하퇴 및 대퇴 절단환자에 착용되는 인공의지와 연결된 다기능 인공발에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보행시 족관절 각도가 체중에 의해 결정되는 무축식 형태로 구성하여 불특정 노면 보행에 대한 하중을 분산할 수 있도록 하여 지면에 대한 안정성과 접지력을 향상시키고 지면 저항을 줄여 회전이 가능하도록 한 다기능 인공발을 제공하고자 하는 것이다.

신체적으로 장애를 가지고 있는 개개인을 위해 기본적인 삶을 영위할 수 있도록 운동기능을 회복시키거나 향상된 기능을 찾아야 한다. 특히 대퇴나 하퇴 절단자들이 아무 불편없이 양발로 서서 장애물이 없는 노면을 안전하게 걸을 수 있어야 한다.

이러한 욕구를 충족시키기 위하여 그동안 인공발에 대한 많은 연구 발전이 있어 왔고, 특히 기존의 인공발은 보행의 안정성 및 안정감에 중요한 요소로서 단축식 인공발 및 SACH식, 다축식 인공발등이 개발되었고, 최근에는 자연스러운 보행 및 동적인 운동이 왕성한 사람을 위한 복합소재를 이용한 Multi-flex 인공발과 탄성재의 특성을 이용한 에너지 저장형 인공발등이 개발되어 상품화되고 있으며 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기한 단축식 인공발은 무릎이 꺽여지기 쉬운 대퇴절단자, 양쪽 하퇴 절단자들에게 사용되고, 장점으로는 전방범퍼로 인한 얼라인먼트가 용이하고, 가격이 저가이고, 후방범퍼의 강도 조절이 용이한 장점이 있으나, 배굴정지가 급격히 일어나기 쉬우며 부정노면에의 적응이 어려운 단점이 있는 것이다.

샤크(SACH)식 인공발은 표준 하퇴 절단자들에게 사용되고, 장점으로는 소음이 없고, 착용이 쉽고, 외관이 우수하고, 경량 저가이나, 배, 저굴곡의 한계가 있고, 발뒤꿈치 쿠션(heel cushion) 강도 선택이 불가능하고, 장기사용시 탄성감소, 발 뒤꿈치 접촉시(heel contact) 무릎꺽어짐 발생이 쉬운 단점이 있는 것이다.

다축식 인공발은 활동성이 많은 하퇴절단자들에게 사용되고, 장점으로는 부정노면의 대응이 쉽고, 운동성이 우수하고, 절단 부위에 가해지는 불쾌감이 적으나, 그 가격이 고가이고, 중량이 무겁고, 유지보수 및 적응성을 요하고, 소음발생, 불안정성 발생하는 단점이 있는 것이다.

따라서 상술한 인공발등은 안정감은 있으나 걷거나 달릴 때 높은 에너지의 소비를 유발하며, 빠른 속도로 걷거나 달리게 되면 불안정감, 불편함으로 인하여 효과적인 운동을 할 수 없으며, 이로 인한 시간소비나 운동부족은 체중증가 및 기본적인 생활에 제한을 받게 되어 이에 대한 개선의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔던 것이다.

상술한 문제점들을 해소하기 위하여 최근에는 에너지 축적형 인공발과 같은 새로운 개념의 인공발이 개발되어 하퇴 및 대퇴 절단자(amputee)들에게 자연스럽고 안정된 보행을 제공하며 에너지 소비를 줄여 신체를 위한 레크레이션 활동을 가능한 장점은 있으나 가격이 고가이고, 기능상의 제한이 있는 단점이 있는 것이다.

따라서 에너지 저장형 인공발과 같은 새로운 개념의 인공발 개발은 특히 빠른 보행이나 조깅, 약간의 등산, 불편 없이 빠르게 달릴 수 있도록 하는 것과, 절단 장애인이 보행동안 위협적인 주위 상황을 잘 극복하고 정신적 신체적으로 안정되게 보행운동에 적응하도록 하는 것이 에너지 저장형 인공발 개발의 최우선 목표이다.

상기한 목표를 달성하기 위하여 글라스, 카본 화이바 계통의 탄성 복합재료를 사용하여 spring back 작용을 하며 활처럼 구부러지는 변형 포텐셜 에너지(potential energy)를 저장하여 토우-오프(Toe-off)시에 운동에너지로 급격히 변화시켜 이 축적된 에너지는 다리를 밀어내어 신체를 앞으로 추진시키며 토우-오프(Toe-off)를 원활하게 한 본원 출원인의 선 출원인 대한민국 특허출원 제 98-22609호의 인공발을 제공하였다.

상기한 에너지 저장형 인공발은 대퇴 및 하퇴 절단 장애인들이 레크레이션이나, 스포츠, 등산 등과 같은 활동적인 행동에 제약을 크게 받지 않고 어느 정도 자연스런 보행을 추구할 수 있으나, 체중에 대한 부하가 의지로 전달되는 문제점과, 지면 접지시 압축에 의한 뒤굼치 운동이 원활하지 못한 문제점과 부정노면에 대한 대응력이 떨어지는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 보행시 족관절 각도가 체중에 의해 결정되는 무축식 형태로 구성하여 불특정 노면 보행에 대한 하중을 분산할 수 있도록 하여 지면에 대한 안정성과 접지력을 향상시키고 지면 저항을 줄여 회전이 가능하도록 한 다기능 인공발을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 탄성 내구재를 분할함으로써 지면에 대한 안정성과 접지력을 향상시키고 회전시 지면 저항을 줄여 원활한 회전이 가능토록 한 인공발을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 발뒤축에 힌지부를 설정하여 체중에 대한 부하가 의지부로 전달되지 않도록 해 보다 편안한 보행을 가능하게 한 인공발을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 사시도.

도 2는 본 발명의 인공발과 탄성재가 결합된 상태의 단면도.

도 3은 본 발명의 힐 쿠션이 압축된 상태의 단면도.

도 4는 불특정 노면에 적응되는 상태의 개략도.

<도면의주요부분에대한부호의설명>

2: 탄성재 4: 힐 가드

8: 힐 쿠션 12: 인서트 아답터

14: 플레이트 16: 토우 쿠션

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 가장 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 각 도면을 설명함에 있어, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 도시되더라도 가능한 한 동일한 참조부호를 갖는다.

본 발명의 다기능 인공발의 기본원리는 입각기(stance phase)보행시 체중심의 이동에 의한 인공발내의 탄성재(keel)가 활처럼 구부러지는 변형 포텐셜 에너지(potential energy)를 저장하여 토우-오프(Toe-off)시에 운동 에너지를 급격히 전환시키게 된다. 이 축적된 에너지는 다리를 밀어내어 신체를 앞으로 추진시키며 적은 에너지로 보행을 원활하게 한다.

특히 토우-오프(Toe-off)시 무릎 구부러짐을 방지하고 전진 추진력을 발생(하퇴 삼두근과 족지 굴근의 움직임 보상)시킨다. 이때 배굴정지 각도는 족저와 하중선이 이루는 각의 85°정도이다. 보통 설계는 보행분석여부로부터 얻어진 각종 정보를 바탕으로 결정되며 재료는 시험분석 데이터에 따라 체중범위에 맞는 정적, 동적 stiffness 특성을 갖는 카본 복합재료로 구성된다.

상기 고분자 복합재료는 강화재로서 유리섬유(E-glass)와 탄소섬유(PAN계)를 사용하였으며 이것은 우수한 기계적 성질을 지니고 있다. 유리섬유를 적층시킬 때 축방향 강도를 향상시키기 위하여 단축 프리 프레그를 사용하였다. 탄소섬유는 유리섬유와 마찬가지로 직포와 프리 프레그를 사용하였다.

성형법은 압착법(compression molding)으로 금형을 만들어 탄성정도를 조절하기 위해 강화재의 적층도를 변화시켜 에폭시수지를 사용하여 유리섬유계와 탄소섬유계의 탄성재를 제작하였다.

탄성재의 탄성한도는 환자의 체중 및 발의 크기에 따라 일정범위의 강성을 갖는 하중-변위 곡선으로 나타낼 수 있다.

체중에 따른 탄성한계는 족관절의 배굴각도와 토우 브레이크(Toe-break)의 위치 및 보행저항을 결정하게 된다. 이때 배굴정지 각도는 족저와 하중선이 이루는 각의 85°정도이다.

본 발명은 보행분석 결과로부터 얻어진 각종 정보를 바탕으로 결정되며 재료는 시험분석 데이터에 따라 체중범위에 맞는 정적, 동적 특성을 갖는 카본 복합재료로 구성된다. 탄성재는 입각기 동안의 체중에 따른 보행에너지의 원활한 저장과 되돌림(spring back), 자연스런 느낌과 안정성, 3년 정도의 내구수명, 가벼움, 경제성 등에 있다.

본 발명의 인공발은 체중에 의해 족 관절 각도가 결정되는 무축식 형태로 구성되며 상기 인공발은 불특정 노면에 대한 하중의 분산과, 발뒤축 접지시 압축에 의한 굴곡부에 회전 관절부를 구성하여 지면접지의 뒤굼치 구름을 원활하게 하여 지면 대응성을 높이고 체중에 대한 부하가 의지부로 전달되지 않도록 한 것을 특징으로 한다.

도면 1에서 보듯이 본 발명의 인공발(A)은 전방으로 대략 19°각도로 경사지게 형성된 탄성재(2)와, 상기 탄성재(2)의 후단에 힐 가드(4)를 힌지축(20)으로 힌지하여 이를 중심으로 유동가능케 하면서 체중에 대한 부하가 의지로 전달되지 않도록 힐 가드(4)와 탄성재(2)의 사이에 힐 쿠션(8)을 장착하고, 상기 탄성재(2)의 후단 상면으로는 플레이트(14)와 의지와의 연결 및 얼라인먼트에 이용되는 인서트아답터(12)를 적층시켜 보울트(35)로 힐 쿠션(8)과 동시에 장착하여 인공발(A)에 내입 성형된 너트(31)에 보울트로 탄성재(2)를 나착하여 된 것이다.

이때 상기 플레이트(14)와 탄성재(2)의 사이에는 토우 쿠션(16)을 장착하여 탄성재(2)와 플레이트(14)의 마찰을 방지하면서 충격을 흡수하도록 한다.

또한 탄성재(2)는 불특정 노면에 대한 하중을 분산할 수 있도록 탄성재(2)의 전방 즉, 앞굼치 부분을 2 내지 3개로 분할함으로써 지면에 대한 안정성과 접지력을 향상시키고 회전시 지면 저항을 줄여 원활한 회전이 가능하도록 한 것이다.

또한 힐 가드(4)와 탄성재(2)의 사이에 장착된 힐 쿠션(8)의 하단부는 발 뒤축부의 상호작용이 없도록 2개로 분할하여 발뒤축의 접지방향에 영향 없이 지면접지에 편리하도록 구성한 것이다.

상기한 탄성재(2)를 감싸며 체결너트에 의하여 결합되는 인공발(A) 외피(foot cosmetic cover)는 폴리우레탄 폼으로 구성되며, 그 기능은 외형상 실제 한국인의 발과 거의 차이가 없는 미용성을 갖게 되고, 자유로운 신축성으로 인한 인공발의 회내,외 및 내외반을 수행하여 보행 안정성을 도모하고, 도로의 부정노면에 대한 대응성을 강화시키고, 측방 분력 및 충격흡수를 용이하게 한다. 외형상의 조건으로는 외피의 구조가 신발 착탈이 용이하여야 하고 발과 신발사이에 움직임이 최대한 적어야 한다.

또한 인공발은 최대한 경량을 유지하여야 하며 강도 및 내구성이 뛰어나야 하고, 도로구조에 따른 족관절의 전후방향에 가해지는 굽힘 모멘트(보통 보행시 2.5 - 4배의 힘이 반복적으로 작용) 및 범퍼의 압축력에 관한 실험을 하였다. 또한실용성을 중시하여 구조가 단순하고 모듈라형으로 설계하여 부품보수가 용이하도록 하였다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 의지 환자가 지면 접지시 힌지축(20)에 의하여 힐 가드(4)가 회전하고 이때 힐 쿠션(8)을 압축하게 되므로 지면 접지의 뒤굼치 구름을 원활하게 하여 지면 대응성을 높이고 체중에 대한 부하가 의지로 전달되지 않게 되는 것이다.

또한 힐 쿠션(8)은 두 개로 분할되어 좌우 상호작용이 발생하지 않게되므로 발뒤축의 접지방향에 영향이 없이 접지에 편리한 것이다.

한편 보행시 불특정 노면은 탄성재(20의 전방이 분할되므로 하중을 분산하면서 접지력을 향상시키고 회전시 지면 저항을 줄여 원활한 회전이 가능한 것이다.

본 발명의 다기능 인공발은 현재 수 만명에 이르는 대퇴 및 하퇴절단 장애인들이 레크레이션이나, 스포츠, 등산 등과 같은 활동적인 행동에 제약을 크게 받지 않고 자연스런 보행을 추구할 수 있으며 특히 유리 및 탄소섬유재로 이루어진 탄성재의 고기능성(에너지 저장 및 추진기능)을 확인했으며 한국인 체형에 맞는 사실적인 미용성과 기능을 갖춘 폴리우레탄 발 외피(foot cover)를 제공할 수 있는 것이다.

Claims (4)

1. 인공의지와 연결된 공지의 인공발에 있어서, 체중에 의해 족 관절 각도가 결정되는 무축식 형태로 구성된 인공발(A), 상기 인공발(A)이 불특정 노면에 대한 하중과, 발뒤축 접지시 압축에 의한 굴곡부에 회전 관절부를 구성하여 지면접지시 뒤굼치 구름을 원활하게 하여 지면 대응성을 높이고 체중에 대한 부하가 의지부로 전달되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 다기능 인공발.
2. 제 1항에 있어서, 상기 인공발(A)은 대략 19°각도로 경사지게 형성된 탄성재(2)와, 상기 탄성재(2)의 후단에 힐 가드(4)를 힌지축(20)으로 힌지하고, 상기 힐 가드(4)와 탄성재(2)의 사이에는 힐 쿠션(8)을, 상기 탄성재(2)의 후단 상면으로는 플레이트(14)와 의지와의 연결 및 얼라인먼트에 이용되는 인서트 아답터(12)를 적층시켜 보울트(35)로 힐 쿠션(8)과 동시에 장착하여 인공발(A)에 결합되어진 것을 특징으로 하는 다기능 인공발.
3. 제 2항에 있어서, 상기 탄성재(2)의 전방은 2내지 3개로 분할하여 불특정 노면에 대한 하중의 분산과, 지면에 대한 안정성과 접지력을 향상시키고 회전시 지면 저항을 줄여 원활한 회전이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 다기능 인공발.
4. 제 2항 있어서, 상기 힐 쿠션(8)의 하단부를 분할하여 발 뒤축부의 상호작용을 없애 접지방향에 영향 없이 지면 접지가 편리하도록 구성한 것을 특징으로 하는 다기능 인공발.