KR100576122B1 - 에너지저장형인공발 - 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 에너지 저장형 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.

입각기(stance phase)보행시 체중심의 이동에 의하여 탄성재(keel)가 활처럼 구부러지는 변형 포텐셜 에너지(potential energy)를 저장하여 토-오프(Toe-off)시에 운동 에너지를 급격히 전환시키게 되고, 이 축적된 에너지가 다리를 밀어내어 신체를 앞으로 추진시키며 적은 에너지로 보행을 원활하게 한 것이다.

라. 발명의 중요한 용도

에너지 저장형 인공발.

Description

에너지 저장형 인공발.

본 발명은 하퇴 및 대퇴 절단자들에게 자연스럽고 안정된 보행을 제공하여 에너지 소비를 줄여 신체를 위한 레크레이션 활동을 가능하게 한 에너지 저장형 인공발에 관한 것으로, 특히 입각기(stance phase)보행시 체중심의 이동에 의한 인공발내의 탄성재(keel)가 일정 범위의 체중 정도에 따라 구부러져 체중 제거시 다시 "spring back"작용을 하며, 활처럼 구부러지는 변형 포텐셜(potential)에너지를 저장하여 토우-오프(Toe-off)시에 운동에너지를 급격히 전환시키게 되고 이 축척된 에너지는 다리를 밀어내어 신체를 앞으로 추진시키며 토우-오프(Toe-off)시 무릎 구부러짐을 방지하고 전진 추진력을 발생하여 적은 에너지로 보행을 원활하게 한 에너지 저장형 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 상품화 되고 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, 불편없이 빠르게 달릴 수 있도록 하는 것은 에너지 저장형 인공발 개발의 최우선 목표이다.

또한 절단 장애인이 보행동안 위협적인 주위 상황을 잘 극복하고 정신적 신체적으로 안정되게 보행운동에 적응하도록 하는 것이 매우 중요한 것이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 에너지 저장형 인공발의 주요기능인 탄성재(keel)를 글라스, 카본화이바 계통의 복합재료를 사용하여 spring back 작용을 하며 활처럼 구부러지는 변형 포텐셜 에너지(potential energy)를 저장하여 토우-오프(Toe-off)시에 운동에너지로 급격히 변화시켜 이 축척된 에너지는 다리를 밀어내어 신체를 앞으로 추진시키며 토우-오프(Toe-off)를 원활하게 한 인공발을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 체중에 따라 적절한 경도를 가지는 폴리우레탄 폼을 사용하여 노면 접지시 적절한 지면 충격흡수와 입각기시의 자연스러운 보행을 유도할 수 있도록 한 인공발을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 강도 및 내구성이 뛰어나고 최대한 경량을 유지하여 모듈라 형으로 구성하여 그 구조를 단순화시켜 유지 보수가 간편한 인공발을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 에너지 저장 및 추진기능을 갖는 유리 및 탄소섬유재로 이루어진 고기능성 탄성재를 특징으로한다,

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 에너지 저장형 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 85도 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 85도 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, 경제성등에 있다.

본 발명의 탄성재는 도면 1에서 보듯이 하부는 인공발(10)에 결합하기 위하여 그 형상이 전방 하부로 대략 19도 각도로 경사지게 형성된 1차 탄성재(2)와, 상기 1차 탄성재(2)의 탄성 한계 이상의 하중변위에 대응하기 위한 2차 탄성재(4)를 적층하여, 상기 2차 탄성재(4)의 상부로 의지와의 연결 및 얼라인먼트에 이용되는 족관절부(14)를 적층시켜 보울트(35)로 인공발(10)에 내입 성형된 너트(31)에 나착하여 탄성재(2)(4)를 고정하고, 상기 2차 탄성재(4)의 선단 하측으로는 1차 탄성재(2)와 2차 탄성재(4)가 급격히 접촉할 경우 소음을 방지하기 위한 고무재의 쿠션(rubber cushion)(8)을 설치하고, 인공발(10)의 뒤꿈치 1차 탄성재(2)의 하측으로는 노면 접지시의 적절한 지면 충격흡수와 입각기시의 자연스러운 보행유도를 위한 후방 범퍼(12)를 설치한 구성인 것이다.

상기 2차 탄성재(4)의 상부에 결합되는 족관절부(ankle joint)(14)는 앵글블럭(foot block)과 피라밋 어댑터(37)로 구성되어 의지와의 연결 및 얼라인먼트에 이용되며, 특히 부정노면의 대응성을 갖게 되며 각종 보행충격을 흡수하고 인공발의 축 고정성을 견고하게 하고, 전족부의 회내, 외와 족관절부의 내, 외반기능에 의해서 측방에의 분력을 흡수하고, 신체의 균형유지를 한다.

상기 탄성재(2)(4)를 감싸며 외측면으로 형성되는 인공발(10) 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 인공발(10)은 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. 또한 실용성을 중시하여 구조가 단순하고 모듈라형으로 설계하여 부품보수가 용이하도록 하였다.

인공발(10)의 외피는 사실적 미용성 외형상뿐만 아니라 발의 기능으로서도 매우 중요한 요소를 가지고 있다. 이런 외피의 이상적인 형상을 얻기 위해서는 앞서 설명한 여러인자들 사실적 미용성, 충격흡수성, 신축성, 신발의 적응성, 내구성, 내마모성 등을 두루 갖추어야 한다. 이를 위해 재질로는 폴리우레탄 폼을 사용하였다.

제작 과정은 한국인 표준형의 발을 선택하여 석고 외형을 제작하고 발의 내측은 탄성재와 같은 기부부가 동작할 수 있도록 적절한 코어(core)공간을 만들어 주었다. 이들을 적절히 수정 보완하여 0.05mm 간격으로 표면을 인식하는 3차원 레이저 스캐너를 사용하여 인공발의 형상을 구현할 수 있는 선과 면을 얻었다. 이를 토대로 적절한 수정과 편집을 거쳐 입체(solid)를 구하였다. 3차원 입체 데이터는 신속하고 정확한 발의 prototype을 얻기 위해 Rapid prototyping system을 적용하였다.

상기 Rapid prototyping system은 컴퓨터 설계(CAD)를 이용해서 단시간에 모형을 제작하는 새로운 기술의 명칭으로 인체의 기하학적 형상을 정확히 표현하고 제작하기위해 꼭 필요한 방법이다. 이 R.P 시스템 공정은 수지를 경화시킴으로서 필요한 형상을 얻는다. 이 모형은 간이형 인공발 시금형을 만드는데 사용한다. 이러한 과정을 거쳐 에너지 저장형 인공발을 개발하였다.

2차 탄성재(4)의 후방 하부 인공발(10) 외피의 상면에 위치되는 후방범퍼(12)(polyurethane heel cushion)는 발의 Heel contact시 저굴력을 흡수(전경골근의 운동보상)하고, 지면 반발력은 무릎(하퇴절단자) 또는 무릎관절에 굴곡방향으로의 힘을 발생시키므로 무릎 꺽어짐이 일어나기 쉽다(대퇴절단자) 그러므로 고관절 의족이나 대퇴의족에는 반발력이 작아야 한다.

결국 범퍼의 폴리우레탄 폼이 경질(firm type)일 경우 환자에게 할동적인 적응성을 줄 수 있으나, 반발력이 증가될 수 있다. 반면 연질(soft type)일 경우 안정되고 부드러운 느낌을 줄 수 있으나 반발력이 작아지므로 에너지 저장형 인공발의 가장 큰 장점인 활동성, 운동성을 저해할 가능성이 있어 체중에 따라 적절한 경도를 가진 폼을 개발하여야 하고, 노면접지시의 적절한 지면충격흡수와 입각기시의 자연스러운 보행유도(natural walking flow)환자의 심리적 보행 안정성에 주안점을 둔다.

인공발 외피의 크기는 사용자의 발의 크기에 따라 달라지므로 그에 대한 우레탄 폼 발포금형을 한국사람중 가장 널리 쓰이는 사이즈를 3종류 선택하여 제작 하였다. 이를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면 2는 발의 크기가 225-245mm 인 경우로서 이에 적합한 체중범위는 65kg - 55kg의 탄소섬유 복합 keel재의 적층도를 나타낸 것이다. 이 keel재는 압축성형했을때 측면에서 보면 중앙선을 기준으로 하단면의 인장강도를 극대화하고 상단면의 압축강도를 효율적으로 완화시키는 구조로 설계되어 탄성성질을 증대시키고 충격하중이나 피로하중에 매우 강한 성질을 나타내고 있다.

도면 3은 발의 크기가 225-245mm인 경우로서 이에 적합한 체중범위는 75kg - 65kg의 탄소섬유 복합 keel재의 적층도를 나타낸 것이다. 체중이 커질수록 작용하중에 대한 변위관계는 탄성재의 강성률을 나타내는 데 점차 커짐을 알 수 있다. 이것 또한 적층구조는 65kg - 55kg의 탄소섬유 복합 keel재와 거의 유사하나, 층을 구성하는 레이어의 수가 더 늘어난 것을 알수 있다.

도면 4는 2차 keel재로서 이것은 공히 체중부하에 관계없이 쓰이고 있으며 역할은 1차 keel재에서 120kg의 하중 이상을 받을 경우 탄성휨의 억제력 뿐만 아니라 일정 범위의 굽힘변위를 유지해 갑작스런 하중으로 인한 1차 keel재의 파손을 예방하기 위한 것이다.

본 발명의 에너지 저장형 인공발의 내구성을 시험한 결과 국제인증기준인 ISO 규정에 명시된 체중에 따른 인공발의 시험기준인 A(130kg이상), B(120kg이상), C(110kg이상)의 3가지 하중에 따라 200만회 이상의 반복실험에 아무런 문제가 없어야 한다.

도면 5는 환자의 체중범위가 65kg -55kg에 쓰이는 탄성재의 정적시험결과 하중변위곡선을 나타낸 것이다. 탄성재의 정적특성은 보통 하중 변위선도를 구하기 위한 실험장치로 만능 피로시험기인 lnstron 8511이 사용되었다. 지그의 각도변화는 10도 간격으로 할 수 있고 본 실험에서는 수평 바닥판과의 이루는 각도가 10도 20도 30도로 변화를 주어 하중-변위선도를 작성하였다.

도면 5에 도시한 바와같이 Quantum keel은 종래의 에너지 저장형 인공발의 탄성재를 시험한 결과이고, 이와 비교한 본 발명의 탄성재는 3가지 종류를 실험하였다. 탄성재 성형시 압축성형강도를 5kgf/cm² 과 8kgf/cm²의 두가지 종류로 하였고, 적층수는 굽힘변형과 stiffness 크기를 비교하여 38 layer와 36 layer의 두가지로 선정하였다. 그 결과 stiffness와 내구성이 우수한 38T로 선정하였다.

도면 6은 38T에 대한 ISO기준에 따른 200만회의 내구성 시험을 한 결과 크랙이 전혀 발생하지 않았으며 시험후 stiffness의 변화도 별로 크지 않아 물성의 변화가 거의 없음을 확인하였다.

도면 7은 환자의 체중범위가 75kg - 65kg에 쓰이는 탄성(keel)재의 정적시험결과 하중-변위곡선을 나타낸 것이다. 이 곡선들도 또한 quantum keel과 이와 비교한 본 탄성재의 3가지 종류를 실험하였다.

탄성재의 성형시 압축성형강도를 15kgf/cm² 과 8kgf/cm²의 두가지 종류로 하였고, 적층수는 굽힘변형과 stiffness의 크기를 비교하여 40 layer와 42 layer의 두가지로 선정하였다. 그 결과 stiffness와 내구성이 우수한 42T로 선정하였다.

도면 8은 42T에 대한 ISO기준에 따른 200만회의 내구성 시험을 한 결과 크랙이 전혀 발생하지 않았으며 시험후 stiffness의 변화도 별로 크지 않아 물성의 변화가 거의 없음을 확인하였다. 특히 2차 탄성재에서 급격한 하중-변위의 변화를 보이는 종래의 탄성재에 비해 완만한 변화를 보이는 본 발명의 탄성재는 그만큼 환자에게 실제발과 유사한 느낌을 실현할 것으로 기대된다.

본 에너지 저장형 인공발은 현재 수만명에 이르는 대퇴 및 하퇴절단 장애인들이 레크레이션이나, 스포츠, 등산등과 같은 활동적인 행동에 제약을 크게 받지않고 자연스런 보행을 추구하는데 있다. 특히 유사한 종류의 외산 인공발은 한국인의 체형과 다르고 매우 고가로서 일반 장애인들은 열악한 국산 단축식 발을 착용해 행동의 제약 및 이상 보행의 원인이 되고 있다. 본 인공발은 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.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개략적인 단면도.

도 2는 크기가 225mm-245mm이고 체중이 65-55kg 인 탄성재의 적층도.

도 3은 크기가 225mm-245mm이고 체중이 75-65kg 인 탄성재의 적층도.

도 4는 본 발명의 2차 탄성재의 적층도.

도 5는 65-55kg에 쓰이는 탄성재의 정적시험 비교결과표.

도 6은 도 5에 대한 탄성재의 내구성 시험결과표.

도 7은 75-65kg에 쓰이는 탄성재의 정적시험 비교결과표.

도 8은 도 7에 대한 탄성재의 내구성 시험결과표.

<도면의주요부분에대한부호의설명>

2: 1차 탄성재 4: 2차 탄성재

8: rubber cushion 10: 인공발

12: 후방범퍼

Claims (4)

1. 입각기(stance phase)보행시 체중심의 이동에 의한 인공발내의 탄성재가 활처럼 구부러지는 변형 포텐셜 에너지를 저장하여 토우-오프(Toe-off)시에 운동 에너지를 급격히 전환시키고, 이 축적된 에너지로 다리를 밀어내어 신체를 앞으로 추진시켜 적은 에너지로 보행을 원활하게 하는 것에 있어서, 상기 1차 탄성재(2)가120kg의 하중이상을 받을 경우 탄성휨의 억제력 뿐만 아니라 일정 범위의 굽힘변위를 유지해 갑작스런 하중으로 인한 1차 탄성재(2)의 파손을 방지하도록 2차 탄성재(4)를 적층 설치하고, 2차 탄성재(4)의 선단에는 1차 탄성재(2)와 2차 탄성재(4)가 급격히 접촉할 경우 소음을 방지하기 위한 고무쿠션(8)이 설치되고, 탄성재(2)의 후방에는 후방 범퍼(12)가 설치된 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 인공발.
2. 제 1항 있어서, 상기 탄성재(2)(4)를 유리섬유(E-glass)와 탄소섬유(PAN계)등 고분자 복합재료를 사용하여 축 방향 강도를 향상시키기 위하여 직포와 단축 프리 프레그를 사용하여 6 ~ 12 Kgf/Cm²압착 성형한 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 인공발.
3. 제 1항에 있어서, 상기 탄성재(2)(4)를 체중 부하에 따라 30 layer에서 부터 60 layer로 적층시켜 압착 성형한 것을 특징으로 하는 에너지 저장형 인공발.
4. 제 1항에 있어서, 인공발(10) 뛰꿈치의 후방 범퍼(12)(Heel cushion)는 체중에 따라 적절한 경도(hardness tester: 40~60)를 가지는 폴리우레탄 폼을 사용하여 노면 접지시 적절한 지면 충격흡수와 입각기시의 자연스러운 보행을 유도할 수 있도록 한 특징을 갖는 에너지 저장형 인공발.