KR20200074841A

KR20200074841A - 의족

Info

Publication number: KR20200074841A
Application number: KR1020190101511A
Authority: KR
Inventors: 류수착; 김승현
Original assignee: 주식회사 레그온
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-06-25

Abstract

이 발명은 발과 발목을 대체하여 착용하는 의족에 관한 것으로서, 이 발명의 의족은, 발을 대체하는 인공 발; 인공 발의 전방에 회동 가능하게 결합되는 인공 발가락; 및 착용자의 다리와 결합되어 장착되고 인공 발이 결합되는 인공 발목을 포함하고, 인공 발가락은 인공 발의 폭방향에 평행 또는 경사진 회전 축선을 중심으로 인공 발에 대해 회전 가능하고, 인공 발가락과 인공 발 사이에는 인공 발에 대한 인공 발가락의 상대적인 회전에 따라 변형되는 토션 스프링이 배치되어, 인공 발에 대한 인공 발가락의 상대적인 회전에 대하여 저항력을 제공하는 것이다.

Description

의족{A Prosthetic Leg}

본 발명은 의족에 관한 것으로서, 구체적으로는 발목 관절 이하를 절단한 사람이 착용하여 발과 발목을 대체하고 착용자의 보행에 맞추어 작동 가능한 의족에 관한 것이다.

과거에는 신체의 일부를 상실한 경우에는 해당 부위의 형상을 갖는 대체물을 고정하여 형태상으로만 상실된 신체를 대체하였을 뿐이지만, 근래에 들어 소재와 기계 및 제어 기술의 발달로 인하여 상실된 신체의 동작이 가능한 대체물이 이용되고 있다.

발목 이하의 부분, 즉 발목 관절과 발을 상실한 사람이 착용하는 의족으로서, 대한민국 특허 제10-165071호(문헌 1)에서 '보행 안정성을 위한 의족 및 의족 프레임'이라는 명칭으로 발과 발목 관절의 대체물인 의족을 개시한다.

문헌 1에 따른 의족은, 종아리의 하단부에 결합하여 단지 착지하는 발을 대신하되, 신체의 동작에 맞추어 탄성적으로 변형되는 구성을 갖추어 착용자의 편의성을 향상시키려는 것이다.

그러나, 이러한 형태만을 재현하는 의족은 착용자가 충분히 의도하는 보행을 할 수 없다는 문제가 있다.

착용자의 보행에 맞추어 구동되는 구성의 의족들이 제안되고 이용되고 있다.

대한민국 특허 제10-1793141호(문헌 2)에서는 '관절구동모듈과 순응형 로봇 의족'이라는 명칭으로 모터에 의해 회전하는 발목 관절을 갖는 로봇 의족을 개시하고 있다.

문헌 2의 발명에서는 착용자의 보행에 충분한 구동력을 갖는 구성의 로봇 의족을 개시하지만, 이 로봇 의족이 어떻게 구동되어 착용자의 보행 의도에 맞추어 구동되는지에 대해서는 개시하고 않고 있다.

이러한 유형의 로봇 의족은 착용자의 보행 의도에 맞추어 의족이 구동되도록 착용자의 신체의 다른 부분에 다양한 센서를 장착하고 해당 센서들로부터의 신호에 따라 착용자의 보행에 대한 의도를 파악하여 의족의 구동 부분을 제어한다.

다만, 다양한 센서와 제어 계통의 구성으로 인하여 의족의 가격이 매우 비싸게 되어 발목 이하 부분을 상실한 사람들이 널리 이용할 수 없다는 문제가 있다.

문헌 1: 대한민국 특허 제10-165071호 문헌 2: 대한민국 특허 제10-1793141호

본 발명은 하지 절단 환자의 발과 발목을 대체하는 의족을 제공하려는 것으로서, 구체적으로는 착용자의 보행 동작에 맞추어 보행을 보조해주어 보행을 원할하게 해주는 의족을 제공하려는 것이다.

특히, 본 발명은 착용자의 신체에 각종 센서를 부착하여 착용자의 움직임을 판별하는 일이 없이, 간단한 구성을 가지고 착용자의 보행에 맞추어 적절한 보행 동작이 구현되는 의족을 제공하려는 것이다.

전술한 본 발명의 해결 과제는 발과 발목을 대체하여 착용하는 의족에 관한 본 발명에 의해 달성된다.

본 발명의 의족은,

발을 대체하는 인공 발; 인공 발의 전방에 회동 가능하게 결합되는 인공 발가락; 및 착용자의 다리와 결합되어 장착되고 인공 발이 결합되는 인공 발목을 포함하고,

인공 발가락은 인공 발의 폭방향에 평행 또는 경사진 회전 축선을 중심으로 인공 발에 대해 회전 가능하고, 인공 발가락과 인공 발 사이에는 인공 발에 대한 인공 발가락의 상대적인 회전에 따라 변형되는 토션 스프링이 배치되어, 인공 발에 대한 인공 발가락의 상대적인 회전에 대하여 저항력을 제공하는 것이다.

이러한 구성의 의족은 착용자의 보행 동작을 감지하고 그에 따라 의족의 구성 요소를 작동시키는 센서나 액츄에이터 등을 갖추지 않고도 착용자의 보행 동작에 맞추어 작동한다.

착용자가 보행을 할 대에 선행하여 이동하는 다리를 추종하는 다리는 보행을 위하여 다리를 드는 동작에서 다리와 의족은 전체적으로 전방을 향하여 하향 경사진 자세를 취하게 되며, 이 때에 인공 발가락이 인공 발에 대하여 상대 회전하여 지면에 평행하게 맞닿게 된다.

따라서, 인공 발가락에 지면에 안정적으로 접촉하여 지지되는 상태에서 보행을 개시하므로 의족을 착용한 다리의 보행 개시 동작이 유연하게 된다.

또한, 인공 발가락과 인공 발의 상대 회전에 따라 이들 사이에 배치된 토션 스프링이 비틀림을 받게 된다. 비틀림에 따른 복원력은 인공 발가락이 지면을 미는 힘으로 작용하게 된다.

따라서, 다리를 드는 보행 동작에서 인공 발가락에 작용하는 토션 스프링의 복원력에 의해 다리를 드는 동작에 보조적인 힘이 가해져서 보행이 수월하게 된다.

또한, 의족을 착용한 다리를 더 높게 드는 후속 동작에서 인공 발가락은 토션 스프링에 의한 복원력으로 인공 발에 대해 평행한 위치로 복원되므로 후속하는 착지 동작이 원할하게 된다.

이 발명의 부가적 특징으로서, 이 발명의 의족은,

인공 발의 전방측 단부의 저면은 인공 발의 나머지 저면에 대하여 전방측으로 상향 경사진 경사면이 마련되고, 인공 발가락은 인공 발의 경사면의 폭방향 양측 또는 일측에 배치되는 것으로 구성될 수 있다.

보행을 위하여 다리를 드는 동작에서 다리와 의족은 전체적으로 전방을 향하여 하향 경사진 자세를 취하게 되며, 이 때에 인공 발가락과 인공 발의 전방측 단부 역시 지면에 인접한 위치에 놓이게 된다.

인공 발가락이 인공 발에 대하여 회전하여 지면에 접하여 평행하게 놓이는 것과 더불어 인공 발의 전방 단부의 상향 경사진 경사면이 지면에 평행하게 되어 맞닿게 되므로, 보행 개시에서 의족이 지면에 안정적으로 지지되고 보행 동작에서 인공 발의 전방 단부가 지면과 간섭되어 보행에 장애가 되는 일이 발생하지 않는다.

이러한 부가적 특징에 더하여, 이 발명의 의족은,

인공 발목은 인공 발의 폭방향과 평행 또는 경사진 회전 축선을 중심으로 소정 각도 범위에서 회전 가능하게 인공 발과 결합되고, 인공 발이 인공 발목에 대하여 회전 축선을 중심으로 인공 발의 전방이 상향 회전하는 방향으로 인공 발을 가압하는 스프링이 배치되는 것으로 구성될 수 있다.

ㅊ이 발명의 실시 양태로서, 이 발명의 의족은,

인공 발이 인공 발목에 대하여 회전 축선을 중심으로 인공 발의 전방이 하향 회전하는 방향으로 회전할 때에 충격을 흡수하는 충격 흡수재가 인공 발과 인공 발목 사이에 배치되는 것으로 구성될 수 있다.

이 발명의 추가의 특징으로서, 이 발명의 의족에서,

인공 발목은 인공 발의 폭방향과 평행 또는 경사진 회전 축선을 중심으로 소정 각도 범위에서 회전 가능하게 인공 발과 결합되고,

인공 발이 인공 발목에 대하여 회전 축선을 중심으로 인공 발의 전방이 상향 회전하는 방향으로 인공 발을 회전시키는 구동 기구가 더 포함되고,

인공 발의 경사면에는 경사면이 지면에 접촉하는 것을 감지하는 압력 센서가 배치되고, 압력 센서가 경사면이 지면에 접촉된 것을 감지하면, 구동 기구가 구동되어 소정 시간 동안 인공 발이 회전된 상태를 유지하는 것으로 구성될 수 있다.

인공 발의 경사면이 지면에 접촉하는 때는, 보행을 개시하여 인공 발목과 인공 발의 후방은 지면으로부터 부양되었지만, 인공 발가락과 인공 발의 전방 단부는 지면에 닿아있는 상태이다.

이 상태에서는 인공 발 전방 단부가 지면에 닿은 것이 압력 센서에 의해 감지되고 압력 센서에 의한 감지 신호에 의해 구동 기구가 작동한다.

구동 기구는 인공 발의 전방을 상향되는 방향으로 인공 발에 힘을 가하여 인공 발의 전방이 지면에 간섭되는 것을 방지해준다.

이러한 구동 기구의 작용은, 인공 발이 인공 발목에 대하여 회전 축선을 중심으로 인공 발의 전방이 상향 회전하는 방향으로 인공 발을 가압하는 스프링과 마찬가지의 작용을 한다.

따라서, 스프링과 구동 기구는 양자가 모두 마련될 수도 있고, 구동 기구와 스프링 중의 어느 하나만이 마련될 수도 있다.

한편, 구동 기구의 구체적인 실시 양태로서, 구동 기구는,

인공 발목에 장착되며 구동 모터와 감속기를 포함하는 전동 모듈, 감속기의 출력축에 결합되는 구동 기어, 및 인공 발에 장착되며 구동 기어와 맞물려서 회전 구동되는 피동 기어로 이루어지고, 구동 모터는 압력 센서로부터의 감지 신호가 입력되면 소정 시간 구동되는 것으로 구성할 수 있다.

또한, 구동 기구를 갖춘 이 발명의 추가의 특징으로서, 이 발명의 의족은,

압력 센서로부터의 신호가 입력되어 구동 모터의 구동을 제어하는 제어 모듈이 더 포함되고, 제어 모듈은 압력 센서로부터의 신호 입력의 주기를 산출하고, 산출된 신호 입력의 주기에 비례하여 구동 모터의 작동 시간을 조정하는 것으로 구성될 수 있다.

이 발명의 의족을 착용하고 보행을 계속하면, 제어 모듈에는 압력 센서로부터의 신호가 지속적으로 입력된다. 입력 센서로부터의 신호 입력의 주기는 착용자의 보행 주기와 일치하므로, 제어 모듈은 신호 입력의 주기로부터 착용자의 보행 속도 또는 보행 주기를 판별할 수 있다.

착용자가 보행에 의해 의족을 들어올리는 지속 시간은 보행 주기에 비례하므로, 구동 기구를 작동시켜서 인공 발의 전방이 인공 발목에 대해 상향되도록 가압하는 작용의 지속 시간 역시 보행 주기에 비례하여 조절할 수 있다.

이 발명의 또 다른 추가의 특징으로서, 이 발명의 의족에서,

인공 발은 인공 발가락이 결합되는 전방부와 인공 발목이 결합되는 후방부로 이루어지고, 전방부와 후방부는 서로 나사 결합되며, 인공 발의 전체 길이가 조정되도록 상호 결합 위치가 가변되는 것으로 구성할 수 있다.

이러한 구성에 따르면 인공 발의 전방부와 후방부의 나사 결합 위치를 조정함으로써 착용자의 체중이나 신장 등에 비례하여 인공 발의 전체 길이를 조절할 수 있다.

도 1 및 도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 의족의 전체적인 구성을 보여주는 사시도이다.
도 3은 이 발명의 일 실시예에 따른 의족에서 인공 발가락과 인공 발의 전방부를 보여주는 사시도이다.
도 4는 이 발명의 일 실시예에 따른 의족에서 인공 발의 길이가 조절되는 구성을 보여주는 사시도이다..
도 5는 이 발명의 일 실시예에 따른 의족에서 인공 발가락과 인공 발의 전방부의 분해 사시도이다.
도 6은 이 발명의 일 실시예에 따른 의족에서 인공 발가락과 인공 발의 상호 작동 관계를 보여주는 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 의족에서 인공 발목과 인공 발의 결합 관게를 보여주는 분해 사시도이다.
도 8은 인공 발가락과 인공 발의 전방부를 저면에서 바라본 사시도이다.
도 9 내지 도 14는 이 발명의 일 실시예에 따른 의족의 작동을 보여주는 측면도들이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서 본 발명의 실시예에 따른 의족의 구성과 작용을 설명한다.

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.

먼저, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 의족의 전체적인 구성을 설명한다.

본 실시예의 의족은 사람의 두 다리 중에서 일측의 다리의 무릎 관절의 아래 부분, 즉 발목 관절과 발을 상실한 사람이 착용하는 것이다. 타측의 다리의 발목 관절과 발은 상실되지 않았거나 착용자의 의지에 따른 자율 보행이 가능한 의족일 수 있고. 본 실시예의 의족이 착용될 수도 있다.

전체 구성을 보여주는 사시도인 도 1과 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 의족은 대별하여, 착용자의 발을 대체하는 인공 발(10), 인공 발(10)의 전방에 결합되어 착용자의 발가락을 대체하는 인공 발가락(21, 22), 착용자의 종아리에 결합되어 고정되고 인공 발(10)과 회전 가능하게 결합되는 인공 발목(30), 및 인공 발목(30)에 결합되어 인공 발목(40)에 대하여 인공 발(10)을 회전시키는 구동 기구(40)로 이루어져 있다.

인공 발(10)은 크게 2개의 부분이 별개로 마련되어 서로 결합되어 있다. 인공 발(10)은 전방에 배치되고 인공 발가락(21, 22)이 결합되는 전방부(11, 12)와 후방에 배치되고 인공 발목(30)이 결합되는 후방부(13, 14, 15)로 이루어져 있다.

전방부(11, 12)는, 직육면체의 블록 형태로 형성되어 저면이 지면에 접촉하여 지지되고 후방부(16)와 나사 결합되는 결합부(11) 및 결합부로부터 전방으로 연장되고 양 측면에 인공 발가락(21, 22)이 회전 가능하게 결합되는 장착부(12)가 일체로 형성되어 있다.

도 3은 전방부(11, 12)와 인공 발가락(21, 22)을 보여주는데, 전방부의 결합부(11)에는 상하로 관통하고 암나사가 가공된 2개 세트의 나사홀(111, 112)이 형성되어 있다. 나사홀(111, 112)는 서로 동일한 폭방향 위치에 형성되는 나사홀이 전후방으로 2개씩 배치되어 있다.

도 1을 다시 참조하면, 인공 발(10)의 후방부(13. 14. 15)는 지면에 접촉하여 의족을 지지하는 저면을 갖춘 본체(13)와 본체의 상측에 형성되고 인공 발목(30)과 회전 가능하게 결합되는 회전 관절부(14) 및 본체(13)로부터 전방으로 연장되어 전방부의 결합부(11)와 결합되는 결합부(15)가 일체로 형성되어 있다.

결합부(15)는 하면이 편평하게 형성되어 있고, 여기에는 전방부의 결합부(11)에 형성되어 있는 나사홀(111. 112)의 위치에 상응하는 위치에 결합용 관통홀(151, 152)가 형성되어 있다.

도 4는 이러한 구성을 갖는 전방부(11, 12)와 후방부(13, 14, 15)의 결합 위치가 조정되는 것을 보여준다.

도 4의 (a)에 도시된 상태에서는 후방부의 결합부(15)의 관통홀(151, 152)이 전방부의 결합부(11)의 나사홀(111, 112) 중에서 전방측의 나사홀의 위치에 맞추어 볼트(미도시)로 체결되어 있다. 이 상태에서, 전방부(11, 12)와 후방부(13, 14, 15)는 서로 가깝게 배치되어 결합됨으로써 인공 발(10)의 전체 길이가 짧게 된다.

도 4의 (b)에 도시된 상태에서는 후방부의 결합부(15)의 관통홀(151, 152)이 전방부의 결합부(11)의 나사홀(111, 112) 중에서 후방측의 나사홀의 위치에 맞추어 볼트(미도시)로 체결되어 있다. 이 상태에서, 전방부(11, 12)와 후방부(13, 14, 15)는 서로 멀어지게 배치되어 결합됨으로써 인공 발(10)의 전체 길이가 길게 된다.

이와 같이 하여 인공 발(10)의 길이는 2단으로 조정된다. 이 실시예에서는 전방부의 결합부(11)에서 같은 폭 방향 위치에 전후로 2개의 나사홀(111, 112)을 형성하여 2단으로 조정하지만, 전후 방향으로 3개 이상의 나사홀을 형성하여 3단 이상으로 길이가 조절되도록 할 수 있다. 또한, 전방부가 아닌 후방부의 결합부(15)에 전후 방향으로 복수 개의 관통홀을 형성하여 인공 발의 길이가 조절되도록 할 수도 있다.

도 1과 도 2에 도 5 및 도 6을 더 참조하여 인공 발가락(21, 22)의 구성 및 인공 발(10)과의 결합 관계를 설명한다.

인공 발의 전방부의 결합부(11) 앞쪽에 배치되는 장착부(12)의 양 측면에는 인공 발(10)의 길이 방향 중심선에 대하여 서로 대칭 형태로 형성되는 2개의 인공 발가락(21, 22)이 결합되어 있다.

인공 발가락(21, 22)은 인공 발의 장착부(12)의 측면으로부터 전방으로 연장되는 측부(211, 221)가 형성되고 측부로부터 다시 인공 발(10)의 폭방향 중심을 향하여 전방부(212, 222)가 연장되어 형성되어 있어서, 좌우의 인공 발가락(21. 22)의 선단면이 서로 마주하는 형태로 구성되어 있다.

인공 발가락(21, 22)의 측부(211, 221)에는 인공 발의 장착부(12)를 향하여 관통하는 홀(213)이 형성되어 있고, 장착부(12)의 측면과 마주하는 표면에는 코일형의 토션 스프링(23)이 삽입되는 홈(224)이 형성되어 있다. 또한, 인공 발의 장착부(12)의 측면에도 토션 스프링(33)이 삽입되는 홈(121)이 형성되어 있다.

토션 스프링(23)은 코일형으로 감긴 형태이고 양 단부(231)가 선형으로 서로 반대측으로 연장되어 있다.

인공 발가락(21, 22)의 홈(224)과 인공 발의 홈(121)은 모두 토션 스프링(23)이 삽입되는 크기의 원통형으로 형성되되, 토션 스프링의 일측 단부가 삽입되도록 홈(224, 121)으로부터 접선으로 연장되는 고정홈(225, 122)이 마련되어 있다. 인공 발의 홈(121)의 중심에는 암나사가 형성된 나사홀(123)이 형성되어 있다.

이러한 구성에 따라, 인공 발가락(21, 22)의 측부(211, 221)가 인공 발의 장착부(12)의 측면을 마주하도록 하고, 인공 발가락의 홈(224)과 인공 발의 홈(221)에 토션 스프링(23)을 삽입하여, 인공 발가락의 측부의 홀(213)로부터 볼트(미도시)를 관통시켜 볼트의 선단이 인공 발의 장착부(12)의 나사홀(123)에 나사 결합되게 체결한다. 토션 스프링(23)의 각각의 단부(231)는 고정홈(225, 122)에 배치되어 구속된다.

도면에는 도시되어 있지 않지만, 볼트와 토션 스프링(23) 사이에 베어링을 삽입할 수도 있다.

이러한 구성에 따라, 인공 발가락(21, 22)은 인공 발(10)에 체결된 볼트를 회전 축선으로 하여 인공 발에 대해 각각 회전 가능하게 된다. 토션 스프링(23)의 양 단부(231)은 각각 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)에 고정된 상태이므로, 인공 발가락(21, 22)과 인공 발(10)이 서로 상대 회전하면, 토션 스프링(23)은 비틀림 변형되어 인공 발가락(21, 22)과 인공 발(10)을 원래의 상태로 복원시키는 복원력을 인가한다.

인공 발가락(21, 22)의 인공 발(10)에 대한 회전 축선(A), 즉 볼트의 길이 방향 축선은 인공 발(10)의 전후 방향에 대하여 대체로 수직 방향인 인공 발(10)의 폭 방향으로 배치되지만, 구체적으로는 폭 방향에 대하여 평면상에서 보았을 때에 반시계 방향으로 대략 5도 정도 경사지게 배치되어 있다.

이러한 경사진 배치는 인공 발의 장착부(12)의 측면을 인공 발(10)의 전후 방향의 연장 방향에 대해 경사지게 형성하고, 볼트가 체결되는 나사홀(123) 및 고정홈(122)을 경사지게 형성하여 이루어진다.

사람의 발가락 관절은 실제 사람의 보행 방향에 대하여 외측으로 약간 경사진 상태로 되어 있어서 원할한 보행이 이루어진다. 이 실시예에서도 사람의 발가락 관절에 해당하는 인공 발가락(21, 22)의 인공 발(10)에 대한 회전 축선이 외측으로 경사지게 구성되어 원할하고 자연스러운 보행이 가능하게 해준다.

한편, 도 6은 인공 발의 장착부(11)에서 일측의 인공 발가락(21)을 제거한 상태의 측면도를 도시하고 있는데, 이 도면에서 (a)는 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)이 모두 지면(G)에 접촉하고 있는 상태를 도시하고, (b)는 의족의 착용자가 보행을 개시하여 인공 발가락(21, 22)은 지면(G)에 접촉하고 있고 인공 발(10)은 지면(G)으로부터 부상한 상태를 도시하고 있다.

도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 인공 발의 전방부의 앞쪽에 배치되는 장착부(12)의 저면(124)은 전방을 향하여 상향 경사지게 형성되는 경사면을 이루고 있다. 이 실시예에서 인공 발(10) 선단의 저면(125)의 경사각은 지면에 닿아 지지되는 인공 발의 나머지 부분의 저면에 대해 30도이며, 이러한 각도는 통상적인 사람의 보행에서 발가락이 발바닥에 대하여 최대로 굽어지는 각도이다.

의족의 착용자가 보행을 개시한 초기에 인공 발가락(21, 22)은 지면에 접촉하고 있고, 인공 발(10)은 후방으로부터 지면에서 부상하여 지면에 대해 하향 경사진 상태로 된다.

이 상태에서는 인공 발(10)의 선단의 저면(125)은 인공 발(10)의 다른 부분의 저면에 대하여 30도 상향 경사져 형성되어 있으므로, 인공 발가락(21, 22)을 포함한 의족 전체가 지면으로부터 부상하여 분리되기 전까지는 인공 발(10)이 지면으로부터 부상한 상태임에도 불구하고 인공 발(10) 선단의 저면(124)은 지면에 넓은 면적으로 접촉한 상태로 된다.

또한, 인공 발가락(21, 22)은 인공 발(10)에 대하여 회전 가능하므로, 인공 발(10)이 지면으로부터 부상하여 지면에 대해 하향 경사진 상태로 되지만, 인공 발가락(21, 22)은 여전히 저면이 지면에 접촉한 상태이다.

따라서, 인공 발가락(21, 22)은 인공 발(10)에 대하여 상대 회전하게 되어, 인공 발(10)이 하향 경사짐에도 불구하고 인공 발가락(21, 22)은 지면에 전체적으로 접촉되어 지지된 상태로 된다.

이러한 회전 상태에서는 토션 스프링(23)이 비틀림을 받고 인공 발가락(21, 22)과 인공 발(10)이 원래의 상태, 즉 저면이 서로 평행한 상태로 복원되게 해주는 복원력을 인가한다.

이러한 토션 스프링(23)의 복원력에 의해 의족 전체가 지면으로부터 부양하였을 때에 인공 발가락(21, 22)이 인공 발(10)과 평행한 배치로 복원되게 해주는 것을 물론이고, 의족의 착용자가 보행을 개시하였을 때에 의족을 움직이게 하는 힘, 즉 의족을 지면으로부터 들어올리는 힘으로 작용한다.

도 1 및 도 2와 함께 도 7을 함께 참조하여 인공 발목(30)과 구동 기구(40)의 구성 및 인공 발(10)과의 결합 관계를 설명한다.

인공 발 후방부의 회전 관절부(14)에는 전후 방향의 대략 중간에 폭 방향 양측으로 상면으로부터 돌출 형성되는 반원형의 힌지부(16)가 마련되어 있다. 힌지부(16)에는 관통홀(161)이 마련되어 있고, 이 관통홀(161)에는 발목 관절, 즉 인공 발(10)과 인공 발목(30)이 회전하는 회전 축선이 되는 볼트(미도시)가 삽입된다.

인공 발목(30)은 개략적으로 블록형으로 형성되는 본체(31)가 마련되고, 본체의 상측에는 착용자의 다리와 연결되는 원통형의 연결부(36)가 일체로 형성되어 있다.

도면에는 도시하지 않았지만, 연결부(36)에는 착용자의 다리와 결합되도록 절단된 다리의 종단면을 감싸도록 각각의 착용자의 다리 외관에 맞추어서 마련되는 커버가 결합될 수 있다.

본체(31)의 하면에는 길이 방향의 대략 중간에서 폭 방향의 중심에 반원형의 힌지부(32)가 형성되어 있다. 힌지부(32)에는 관통홀(321)이 마련되어 있고, 이 관통홀(321)에는 인공 발목(10)의 힌지부(16)의 관통홀(161)에 삽입되는 볼트가 삽입된다.

인공 발목의 힌지부(32)는 인공 발의 힌지부(16) 사이에 삽입되는 형태로 배치되고 이들의 관통홀(321, 161)에 볼트가 삽입되고 너트로 체결되어 볼트가 회전 축선을 이룬다. 볼트와 관통홀(321, 161) 사이에는 베어링이 배치될 수 있다.

인공 발목의 본체(31)의 저면과 인공 발의 회전 관절부(14)의 상면은 서로 일정 거리 이격되어, 인공 발목(30)과 인공 발(10)이 서로 상대 회전할 때에 간섭이 일어나지 않으면서도 서로 일정 각도 범위에서만 회전할 수 있게 제한한다.

인공 발의 회전 관절부(14)의 상면에서 인공 발의 힌지부(16)를 중심으로 전방에는 충격 흡수재로서 완충 패드(17)가 배치되어 있고, 후방에는 인공 발목의 본체(31)의 저면과의 사이에 압축 코일 스프링(18)가 배치되어 있다.

완충 패드(17)는 폴리우레탄 등의 신축성이 좋은 소재로 구성되어 있어서, 힌지부(16, 32)를 중심으로 전방측에서 인공 발목(30)의 본체(31)의 저면과 인공 발(10)의 회전 관절부(14)의 상면이 서로 근접하는 방향으로 인공 발목(30)과 인공 발(10)이 서로 상대 회전할 때, 인공 발목(30)의 본체(31)의 저면이 완충 패드(17)와 접촉하여 충격을 완화된다.

힌지부(16, 32)를 중심으로 후방 측에서 인공 발목(30)의 본체(31)의 저면과 인공 발(10)의 회전 관절부(14)의 상면이 서로 근접하는 방향으로 인공 발목(30)과 인공 발(10)이 서로 상대 회전할 때, 압축 코일 스프링(18)이 압축되어 인공 발목(30)과 인공 발(10)이 원래의 상태로 복원되는 복원력을 제공한다.

인공 발목의 본체(31)의 전방 측에는 장착홈(33)이 마련되어 있고, 여기에 구동 기구(40)가 삽입되어 고정되어 있다.

도 2를 참조하여 보면, 구동 기구(40)는 구동 모터와 감속기가 하나의 유닛을 이루는 것이고, 감속기의 출력축(미도시)은 폭방향과 평행한 회전 축선을 갖는다. 감속기의 출력축에는 둘레면에 기어치가 형성되는 스퍼 기어 또는 헬리컬 기어로 구성되는 구동 기어(41)가 결합되어 있다. 구동 기어(41)는 인공 발목의 본체(31)로부터 폭방향 외측으로 돌출되어 있다.

또한, 인공 발의 회전 관절부(14)의 측면에는 피동 기어(19)가 마련되어 있다.

피동 기어(19)는 편평한 플레이트로 형성되고, 외표면의 일부에 구동 기어(41)의 기어치와 맞물리는 치형의 기어치(191)가 형성되어 있다. 피동 기어(19)의 기어치(191)의 중심은 힌지부(16)의 관통홀(161)과 동심으로 되어 있고, 구동 기어(41)의 기어치와 맞물리는 위치에 배치되어 있다.

이러한 구성에 따라, 구동 기구(40)에 의해 구동 기어(41)가 회전 구동되면, 인공 발(10)에 결합된 피동 기어(19)에 회전력이 전달되어, 구동 기어(41)가 결합된 인공 발목(30)과 피동 기어(19)가 결합된 인공 발(10)이 상대 회전을 하게 된다.

한편, 이 실시예에서는 인공 발목(30)에 구동 기구(40)가 장착되고, 인공 발(10)에는 구동 기구로부터의 회전력을 받는 피동 기어(19)가 장착되어 있지만, 역으로 인공 발에 구동 기구가 장착되고 인공 발목에 피동 기어가 장착되어 회전 구동력이 인공 발(10)로부터 인공 발목(30)으로 전달되도록 구성할 수도 있다.

이러한 구동 기구(40)의 작동은 인공 발(10)에 장착되는 압력 센서(42)로부터의 감지 신호에 따라 이루어진다.

도 8은 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)을 저면으로부터 바라본 상태를 도시하고 있다.

인공 발(10) 전방부의 장착부(12)의 경사진 저면(124)에는 압력 센서(42)가 배치되어 있다.

압력 센서(42)는 'FSR 센서'(Force Sensing Resistor)이다. 'FSR 센서'는 물리적인 힘이 가해지면 저항 값이 바뀌는 센서로서, 감도는 높지 않은 편이지만, 얇은 박막 형태로 만들어지고 설정에 따라 측정되는 힘의 레벨을 달리하여 감도를 높일 수 있다.

압력 센서(42)는 대략 두께가 1.2 mm로 구현된 것을 이용하여, 인공 발(10) 선단의 경사면(125)에 부착되고, 이 압력 센서(42)로부터의 신호선(421)는 구동 기구(40)에 작동 신호를 생성하는 제어 모듈(미도시)에 연결되어 있다.

이러한 구성에 따라, 압력 센서(42)가 힘이 가해지는 것을 감지하면, 감지 신호는 제어 모듈에 전달하고, 제어 모듈의 작동 신호에 따라 구동 기구(40)가 작동하여 구동 기어(41)가 회전 구동한다.

인공 발목(30)에 결합된 구동 기어(41)가 회전 구동되면, 인공 발(10)에 부착된 피동 기어(19)가 회전 구동되어, 인공 발(10)이 인공 발목(30)에 대해 힌지부(18)를 중심하여 하는 상대 회전 운동을 하게 된다.

제어 모듈은 인공 발(10)이 인공 발목(30)에 대해 회전 축선을 중심으로 전방을 들어올리는 동작을 하도록 구동 기구(40)를 이루는 모터를 회전시킨다. 또한, 제어 모듈은 구동 기구를 미리 정해진 소정 시간 동안만 작동시키고 소정 시간 경과 후에는 구동 기구는 오프(off) 상태로 한다.

구동 기구(40)가 작동하여 인공 발(10)이 인공 발목(30)에 대해 회전 축선을 중심으로 전방을 들어올리는 동작을 하면, 인공 발목(30)의 본체(31)의 저면 선단이 인공 발(10)의 회전 관절부(14)의 상면 전방에 배치된 완충 패드(17)와 접촉하여 완충 패드(17)를 가압하면서, 인공 발목(30)과 인공 발(10)은 더 이상 회전할 수 없는 상태로 된다.

이상과 같은 구성을 갖는 이 실시예의 의족의 작동을 설명한다.

도 9 내지 도 14는 사람이 보행을 하거나 다리를 움직이거나 경사진 길을 내려갈 때에 이 실시예의 의족의 각 부분이 움직이는 상태를 보여준다.

도 9는 보행을 하지 않고 사람이 서 있는 상태를 보여준다.

보행을 하지 않는 상태에서도 사람은 다리를 살짝 들거나 약간 비틀어서 회전시키거나 하는 행동을 하게 된다.

그와 같은 행동에서 의족의 착용자는 의족의 인공 발목(30)의 상부의 허벅지 근육이나 무릎 관절 주위의 근육을 이용하여 움직이고, 종아리 하부의 의족은 그에 추종하는 움직임을 하게 된다.

이때 인공 발목(30)과 인공 발(10)은 힌지부(16, 32)의 상호 결합에 의해 상대 회전을 하고, 인공 발가락(21, 22)은 인공 발(10)에 대해 상대 회전을 하므로, 착용자는 다리의 움직임을 의족이 추종하지 않아 느끼는 불편함을 느끼지 않게 된다.

특히, 인공 발가락(21, 22)과 인공 발(10) 사이에는 토션 스프링(23)이 게재되어 있어서, 착용자의 움직임에 의해 인공 발가락(21, 22)과 인공 발(10) 사이에 상대 회전이 발생하여도 토션 스프링(23)이 비틀림에 의한 복원력을 인가하여 원래의 상태로 복원이 이루어진다.

도 10은 착용자가 보행을 하는 것은 아니지만, 정지 상태에서 종아리를 들어올리는 행동을 하는 경우의 상태를 보여준다.

종아리를 들어올리는 행동에 의해 인공 발목(30)이 들어올려지면서 인공 발(10)도 함께 부양되지만, 인공 발목(30)과 인공 발(10) 사이의 힌지부(16, 32)의 상호 결합에 의해 상대 회전 및 인공 발가락(21. 22)과 인공 발(10) 사이의 회전 가능한 결합에 의해, 인공 발가락(21, 22)은 모두 지면(G)에 닿은 상태를 유지하여 의족과 사람의 다리에 대한 지지력을 제공한다.

특히, 이러한 동작에 의해 인공 발(10)이 인공 발목(30)에 대하여 힌지부(16, 32)를 중심으로 후방쪽이 서로 근접하는 방향으로 상대 회전할 수 있다.

이러한 상대 회전에 의해 인공 발의 회전 관절부(14)의 후방과 인공 발목의 본체(31)의 후방이 서로 근접하면서 이들 사이에 배치된 압축 코일 스프링(18)이 압축될 수 있다.

이러한 압축 코일 스프링(18)의 압축에 따른 복원력은 사람의 동작이 중지되었을 때에 인공 발(10)과 인공 발목(30)이 초기의 상태로 복원하여 회전하게 하는 복원력을 인가한다.

도 11은 사람이 보행을 개시하여 다른 다리가 먼저 앞으로 나가서 착지를 하고 이어서 이 실시예의 의족을 착용한 다리가 보행을 개시한 상태를 보여준다.

이 상태에서는 의족이 착용된 다리는 후방을 지향하는 상태로 되어, 도면에 도시된 바와 같이, 종아리에 결합되는 인공 발목(30)은 앞으로 경사진 상태로 되지만, 의족이 전체적으로 부양하지는 않았으므로, 인공 발가락(21, 22)은 지면(G)에 접촉하여 지지된 상태로 있게 된다.

또한, 인공 발(10)은 인공 발가락(21, 22)과 결합된 전방의 장착부(12)로부터 후방의 본체(13)까지 전체적으로 하향 경사진 상태로 되지만, 인공 발가락(21, 22)은 인공 발(10)에 대하여 상대 회전이 가능하므로, 지면에 맞닿아 지면에 평행한 상태를 유지하게 된다.

아울러, 이 상태에서는 인공 발 선단의 경사면(125)은 지면과 평행한 상태로 되어 지지되므로, 인공 발(10)의 선단이 착용자의 보행 동작에 방해가 되지 않는다.

이렇게 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)이 상대 회전을 하면, 이들 사이에 배치된 토션 스프링(13)은 비틀림을 받아서 복원력을 인가하고, 그러한 복원력은 인공 발가락(21, 22)을 그 회전 중심점(A)에 대하여 원상태로 복귀시키려는 힘으로 작용한다.

이러한 복원력은 결국 인공 발가락(21. 22)이 지면을 밀어 의족을 지면으로부터 들어올리는 방향으로 작용하므로, 착용자의 보행을 조력하는 힘으로 작용한다.

한편, 이러한 상태에서 인공 발 선단의 경사면(125)이 지면에 맞닿게 되므로, 경사면(125)에 장착되어 있는 압력 센서(42)는 지면(G)과 맞닿아 압력이 인가된다.

그러한 압력 인가에 따라 압력 센서(42)로부터 감지 신호가 발생하고 감지 신호는 제어 모듈에 인가되어 제어 모듈이 구동 기구(40)를 작동시킨다.

사람이 보행을 계속하게 되면, 이러한 상태로부터 인공 발(10)이 더 부양을 하게 되면서 인공 발가락(21, 22) 역시 지면으로부터 부양되고, 토션 스프링(23)의 복원력에 의해 인공 발가락(21. 22)은 인공 발(10)과 평행한 상태로 복귀된다.

도 12는 인공 발(10)과 인공 발가락(21. 22)이 모두 공중으로 부양된 상태를 도시한다.

이 상태에서는 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)은 인공 발목(30)에 결합되어 공중에 부양한 상태로 된다. 인공 발목의 힌지부(32)를 중심으로 전방 측에는 인공 발(10)의 대부분과 인공 발가락(21, 22)이 배치되므로, 전방 측에 작용하는 하중이 크기 때문에, 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)이 전방을 향하여 기울어질 수 있다.

그러나, 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)이 전방을 향하여 기울어지면, 인공 발목의 힌지부(32)을 중심으로 인공 발(10) 후방의 본체(13)의 후방과 인공 발목의 본체(31)의 후방 사이에 배치되어 있는 압축 코일 스프링(18)이 압축되므로, 실제로는 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)이 전방을 향하여 기울어지지 않고 인공 발목(30)에 대하여 수직한 상태를 유지하게 된다.

특히, 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)이 지면(G)으로부터 들어올려지는 초기 상태에서는 압력 센서(42)로부터의 신호에 의해 구동 기구(40)가 가동되어 인공 발(10)을 인공 발목(30)에 대해 들어올리는 힘이 인가되므로, 인공 발(10)은 신속하게 인공 발목(30)에 대해 들어올려지는 상태를 유지하게 된다.

따라서, 인공 발(10)이 인공 발목(30)의 힌지부(32)를 중심으로 전방이 하향 경사지는 일은 발생하지 않는다.

인공 발(10)이 인공 발목(30)의 힌지부(32)를 중심으로 전방이 하향 경사지는 경우에는, 의족의 전방측 선단을 이루는 인공 발가락(21, 22)이 지면과 접촉 및 간섭되는 일이 발생할 수 있으나, 압축 코일 스프링(18)과 구동 기구(40)의 작동으로 인하여 인공 발가락(21, 22)과 인공 발(10)은 인공 발목(30)에 대해 하향 경사지지 않고 들어올려져서 지면과의 간섭이 방지된다.

한편, 이 실시예에서는 구동 기구(40)와 압축 코일 스프링(18)이 모두 인공 발(10)을 인공 발목(30)에 대해 하향 경사 지지 않도록 하는 작용을 함께 하지만, 구동 기구(40)와 압축 코일 스프링(18) 중의 어느 하나의 구성만을 갖춤으로써 동일한 작용을 얻을 수 있다.

도 13은 의족이 지면에 착지하는 상태를 보여준다.

의족이 지면에 다시 착지할 때에는 의족이 종아리보다 전방에 배치되고 착용자의 다리는 후방으로 경사진 상태로 되어 인공 발목(30)도 후방으로 경사진 상태로 된다.

그러나, 착용자의 체중에 의한 하중이 인공 발(10)의 후방으로 가해지고, 그러한 하중에 의해 인공 발의 회전 관절부(14)의 후방이 인공 발목의 본체(31)와 근접하는 방향으로 힌지부(16)을 중심으로 하는 인공 발(10)과 인공 발목(30)의 상대 회전이 이루어져서 인공 발(10)은 인공 발목(30)에 대해 하향 경사지는 방향으로 회전함으로써, 인공 발(10)과 인공 발가락(21 22)이 지면(G)과 접촉하여 착지가 원할하게 이루어진다.

이 실시예의 의족이 지면에 착지한 후에, 다른 쪽 다리가 보행을 하면, 의족이 착용된 다리는 종아리가 지면에 대해 일정 각도 범위에서 회전을 하게 된다.

이러한 종아리의 회전에 따라 인공 발목(30)도 회전을 하지만, 인공 발목(30)과 인공 발(10) 사이의 힌지(32. 16)가 그러한 회전을 허용하므로, 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)은 지면에 접촉하여 지지된 상태를 유지하므로 착용자의 보행에 대한 안정성을 제공한다.

이와 같이 하여, 착용자가 보행을 할 때에 의족을 착용한 다리가 움직이는 경우에 대한 의족을 작동의 한 주기가 완료된다.

착용자가 경사진 길을 내려가는 경우에 의족의 상태가 도 14에 도시되어 있다.

경사진 길을 내려가는 보행 동작에서는 의족의 작동은 앞서 설명한 바와 동일하지만, 의족이 지면에 맞닿아 체중을 지지하는 상태에서 평지 보행과는 차이가 있다.

경사진 길에서의 보행 시에 착용자의 신체는 지면에 경사진 지면에 대해 수직이 아니고 중력 방향에 수직인 상태를 유지하므로, 종아리 및 인공 발목(30)은 지면에 대해 후방으로 기울어진 상태로 되지만, 인공 발(10)과 인공 발가락(21, 22)은 경사진 지면에 맞닿아 지면과 평행한 상태를 유지하게 된다. 즉, 인공 발(10)은 인공 발목(30)에 대해 하향 경사진 상태로 된다.

이러한 인공 발(10)과 인공 발목(30)의 상호 경사진 상태는 힌지부(32. 16)에 의해 허용되므로 착용자는 불편함을 느끼지 않게 된다. 또한, 이러한 경사진 상태에서 인공 발(10)과 인공 발목(30) 사이에 배치되는 압축 코일 스프링(18)은 압축되어 있고 인공 발(10)과 인공 발목(30)이 서로 수직인 상태로 되게 하는 복원력을 인가한다.

따라서, 경사진 길에서의 보행 시에도 압축 코일 스프링(18)은 인공 발(10)이 인공 발목(30)에 수직한 상태를 유지하는 복원 작용을 하게 된다.

다만, 이러한 복원력은 착용자의 체중이 비하여 매우 작은 힘이므로, 이러한 복원력이 착용자에게 불편함을 초래하거나 인공 발(10)이 인공 발목(30)에 대해 수직으로 되려는 복원력에 의해 착용자가 기립 자세로부터 전도되는 일은 발생하지 않는다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 의족의 구성 및 작용을 설명하였는바, 본 발명은 이러한 실시예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재한 범위에서 다양한 변형과 요소의 부가가 가능하다.

10: 인공 발 21, 22: 인공 발가락
30: 인공 발목 40: 구동 기구

Claims

발과 발목을 대체하여 착용하는 의족으로서,
발을 대체하는 인공 발;
인공 발의 전방에 회동 가능하게 결합되는 인공 발가락; 및
착용자의 다리와 결합되어 장착되고 인공 발이 결합되는 인공 발목
을 포함하고,
인공 발가락은 인공 발의 폭방향에 평행 또는 경사진 회전 축선을 중심으로 인공 발에 대해 회전 가능하고, 인공 발가락과 인공 발 사이에는 인공 발에 대한 인공 발가락의 상대적인 회전에 따라 변형되는 토션 스프링이 배치되어, 인공 발에 대한 인공 발가락의 상대적인 회전에 대하여 저항력을 제공하는 것인 의족.
청구항 1에 있어서,
인공 발의 전방측 단부의 저면은 인공 발의 나머지 저면에 대하여 전방측으로 상향 경사진 경사면이 마련되고,
인공 발가락은 인공 발의 경사면의 폭방향 양측 또는 일측에 배치되는 것인, 의족.
청구항 2에 있어서,
인공 발목은 인공 발의 폭방향과 평행 또는 경사진 회전 축선을 중심으로 소정 각도 범위에서 회전 가능하게 인공 발과 결합되고,
인공 발이 인공 발목에 대하여 회전 축선을 중심으로 인공 발의 전방이 상향 회전하는 방향으로 인공 발을 가압하는 스프링이 배치되는 것인, 의족.
청구항 3에 있어서,
인공 발이 인공 발목에 대하여 회전 축선을 중심으로 인공 발의 전방이 하향 회전하는 방향으로 회전할 때에 충격을 흡수하는 충격 흡수재가 인공 발과 인공 발목 사이에 배치되는 것인, 의족.
청구항 2에 있어서,
인공 발목은 인공 발의 폭방향과 평행 또는 경사진 회전 축선을 중심으로 소정 각도 범위에서 회전 가능하게 인공 발과 결합되고,
인공 발이 인공 발목에 대하여 회전 축선을 중심으로 인공 발의 전방이 상향 회전하는 방향으로 인공 발을 회전시키는 구동 기구가 더 포함되고,
인공 발의 경사면에는 경사면이 지면에 접촉하는 것을 감지하는 압력 센서가 배치되고, 압력 센서가 경사면이 지면에 접촉된 것을 감지하면, 구동 기구가 구동되어 소정 시간 동안 인공 발이 회전된 상태를 유지하는 것인, 의족.
청구항 5에 있어서,
구동 기구는,
인공 발목에 장착되며 구동 모터와 감속기를 포함하는 전동 모듈, 감속기의 출력축에 결합되는 구동 기어, 및 인공 발에 장착되며 구동 기어와 맞물려서 회전 구동되는 피동 기어로 이루어지고,
구동 모터는 압력 센서로부터의 감지 신호가 입력되면 소정 시간 구동되는 것인, 의족.
청구항 6에 있어서,
압력 센서로부터의 신호가 입력되어 구동 모터의 구동을 제어하는 제어 모듈이 더 포함되고,
제어 모듈은 압력 센서로부터의 신호 입력의 주기를 산출하고, 산출된 신호 입력의 주기에 비례하여 구동 모터의 작동 시간을 조정하는 것인, 의족.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
인공 발은 인공 발가락이 결합되는 전방부와 인공 발목이 결합되는 후방부로 이루어지고,
전방부와 후방부는 서로 나사 결합되며, 인공 발의 전체 길이가 조정되도록 상호 결합 위치가 가변되는 것인, 의족.

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