KR20210099673A - 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법 및, 이 시험방법을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록매체 - Google Patents

낙상충격 완화장치의 성능 시험방법 및, 이 시험방법을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록매체 Download PDF

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KR20210099673A
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Abstract

본 발명은 고령자, 환자 등이 허리, 엉덩이 등에 착용하는 낙상충격 완화장치의 성능을 시험하기 위한 방법으로서, 충격 흡수부가 착용될 신체 부위가 지면과 충돌하기 이전에 충격 흡수부가 팽창 완료되는지를 시험하여 제품의 합격과 불합격을 판정한다.

Description

낙상충격 완화장치의 성능 시험방법 및, 이 시험방법을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록매체{Performance test method of fall impact mitigation device and, recording media having computer program for implementing the same}
본 발명은 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 고령자, 환자 등이 허리, 엉덩이 등에 착용하는 낙상충격 완화장치의 성능을 시험하기 위한 방법으로서 충격 흡수부가 착용될 신체 부위가 지면과 충돌하기 이전에 충격 흡수부가 팽창 완료되는지를 시험하여 제품의 합격과 불합격을 판정하는 시험 방법에 대한 것이다.
아울러, 본 발명은 이러한 시험방법을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록 매체도 포함한다.
일반적으로, 고령의 노인, 거동이 불편한 환자 등은 낙상의 위험이 일반인 보다 크다. 특히, 고령의 노인 또는 거동이 불편한 환자 등이 낙상으로 인해 엉덩이뼈 또는 고관절을 다치게 되면 그 치료가 매우 어렵고 장시간이 소요되며 심하면 후유 장애가 남거나 사망에 이를 수도 있다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 낙상시 발생하는 충격을 완충하는 장치가 제안된 바 있다. 상기 장치는 대한민국 특허등록 제10-1093780호 등에 그 구성이 개시되어 있다.
상기 낙상충격 완화장치는 낙상을 감지하는 센서와, 센서로부터 낙상 신호가 전달되면 압축가스 공급부를 작동시키는 제어수단 및, 제어수단으로부터 작동신호가 전달되면 압축가스를 발생시키는 압축가스 공급부를 포함한다.
상기 낙상충격 완화장치는 지면에 도달하기 전에 충격 흡수부의 팽창이 완료되어야만 그 기능을 할 수 있다.
그러나, 충격 흡수부가 착용될 신체 부위가 낙상시 지면에 충돌하는 시간은 낙상 조건에 따라 다르고 각 낙상 조건에 따른 충격 흡수부 팽창 완료 시간이 결정된 바 없으며 이를 위한 시험방법도 제안된 바 없다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 고령자, 환자 등이 허리, 엉덩이 등에 착용하는 낙상충격 완화장치의 성능을 시험하기 위한 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 충격 흡수부가 착용될 신체 부위가 지면과 충돌하기 이전에 충격 흡수부가 팽창 완료되는지를 시험하여 제품의 합격과 불합격을 판정하는 시험 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 여러 낙상 조건에 대해 낙상 최소시간(Tc_min)을 구하여, 이를 낙상충격 완화장치의 제조에 활용하도록 하는 시험 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이 시험방법을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록매체를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험방법은, (a) 낙상시 충격완충 장치가 착용될 신체 부위가 지면에 닿는 낙상 시간(Tc)을 계산하는 단계; (b) 낙상 시간(Tc) 중에서 낙상 최소시간(Tc_min)을 도출하는 단계; (c) 충격완충 장치에 설치된 낙상감지 센서에 의한 낙상 검출 소요시간(T1)과, 충격 흡수부가 팽창 완료되는데 걸리는 인플레이션 소요시간(T2)의 합(T1+T2)을 계산하는 단계; 및, (d) 낙상 최소시간(Tc_min)과 상기 합(T1+T2)을 비교하여 아래 식과 같이 충격완충 장치의 합격 여부를 판정하는 단계;를 포함할 수 있다.
[식]
Tc_min > T1+T2 이면 합격
Tc_min ≤ T1+T2 이면 불합격
예를 들어, 충격 흡수부는 사용자의 고관절을 보호하기 위해 허리와 엉덩이 중 적어도 어느 하나에 설치될 수 있다.
상기 (a) 단계는 낙상 주체가 낙상 장소 및 낙상 자세에 따라 낙상에 걸리는 낙상 시간(Tc)을 계산할 수 있다. 그리고, 상기 낙상 주체는 남자와 여자로 구분되는 것을 포함하며, 상기 낙상 장소는 평지와 빙판 및 계단으로 구분되는 것을 포함할 수 있다. 아울러, 상기 낙상 자세는 선 상태로 지면과 충돌하는 입식 낙상과, 앉은 상태로 지면과 충돌하는 좌식 낙상을 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계는 사용자의 신체를 모델링하되, 상기 모델링은 신체를 머리, 몸통, 팔, 전완, 손, 대퇴골, 정강이, 발로 나누고 상기 각 신체 부분은 다른 부분과의 연결점을 기준으로 소정 각도로 회동 가능하다.
그리고, 평지에서 입식 낙상이 발생하는 경우에는 발이 지면에 고정된 상태에서 발목이 회동하여 신체가 자유낙하하는 것으로 모델링하되 허리의 꺾임 각도(θj2)에 따른 낙상 시간(Tc)을 계산할 수 있다.
평지에서 좌식 낙상이 발생하는 경우에는 발이 지면에 고정된 상태에서 발목이 회동하여 신체가 자유낙하하는 것으로 모델링하되 허리의 꺾임 각도(θj2)와 무릎의 꺾임 각도(θj3)에 따른 낙상 시간(Tc)을 계산할 수 있다.
빙판에서 좌식 낙상이 발생하는 경우에는 발이 지면에서 슬라이딩되어 신체가 자유낙하하는 것으로 모델링하되 허리의 꺾임 각도(θj2)와 무릎의 꺾임 각도(θj3)에 따른 낙상 시간(Tc)을 계산할 수 있다.
계단에서 좌식 낙상이 발생하는 경우에는 발이 지면에서 슬라이딩되어 신체가 자유낙하하는 것으로 모델링하되 허리의 꺾임 각도(θj2)와 무릎의 꺾임 각도(θj3)에 따른 낙상 시간(Tc)을 계산할 수 있다.
상기 (a) 단계에서, 낙상 시간(Tc)은 신체가 소정 각도(α4)로 기울어졌을 때부터 측정되는 것이 바람직하다.
낙상 최소시간(Tc_min)은 낙상 주체가 계단에서 좌식 낙상을 할 때 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 시험방법은, (가) 충격 흡수부가 팽창되어 충격을 흡수한 후 사용자의 머리 또는 허리가 지면과 2차로 충돌하여 가해지는 2차 충격량을 계산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 (가) 단계에서 사용자의 허리 근력 및 목 근력을 고려하기 위해 허리와 목에 토크가 인가되는 것으로 모델링할 수 있다.
충격 흡수부는 배출공을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 2차 충격량을 감소시키기 위해서, 압축 가스에 의해 충격 흡수부가 팽창될 때 배출공을 통해서 압축 가스의 일부가 외부로 배출될 수 있다.
상기 배출공에는 배출 밸브가 설치될 수 있다. 배출 밸브는 충격 흡수부의 내부가 소정 압력 이하인 경우에는 닫힌 상태를 유지하고 상기 소정 압력을 초과하는 경우에는 개방되며 이에 따라 충격 흡수부의 팽창 완료 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명은 위와 같은 시험방법을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 포함한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 고령자, 환자 등이 허리, 엉덩이 등에 착용하는 낙상충격 완화장치의 성능을 시험할 수 있다. 즉, 충격 흡수부가 착용될 신체 부위가 지면과 충돌하기 이전에 충격 흡수부가 팽창 완료되는지를 시험할 수 있다.
둘째, 여러 낙상 조건에 대해 낙상 최소시간(Tc_min)을 구하여 낙상충격 완화장치의 제조에 활용할 수 있다.
셋째, 이 시험방법을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록매체를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트.
도 2는 본 발명에 따라 평지와 빙판에서 입식 및 좌식 낙상이 발생하는 것을 동역학 분야의 시뮬레이션 툴인 Open Modelica Editor, Open Library and Contact model로 나타낸 도면.
도 3은 계단에서 발생하는 좌식 낙상을 모델링한 도면.
도 4는 평지에서 발생하는 입식 낙상과, 낙상 후 2차 충돌을 모델링한 도면.
도 5는 충격 흡수부를 모델링한 것을 보여주는 도면.
도 6은 배출공을 갖는 충격 흡수부를 모델링한 것을 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험방법을 보여주는 플로우 차트이다.
도면에 나타난 바와 같이, 상기 시험방법은 충격 흡수부가 착용될 신체부위가 여러 낙상 조건에서 지면(바닥)과 충돌하는 최소시간(Tc_min, 이하, '낙상 최소시간'이라 함)을 구하고 낙상 최소시간(Tc_min)을 낙상검출 소요시간(T1)과 인플레이션 소요시간(T2)의 합과 비교하여 합격 여부를 결정한다. 이를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
[낙상 주체의 신체 모델링]
먼저, 낙상 주체의 신체를 모델링한다(S10). 이 모델링에서는, 아래 표 1에 나타난 바와 같이, 신체가 머리, 몸통, 팔, 전완, 손, 대퇴골, 정강이, 발로 나누어지되, 머리와 몸통은 목에 의해 연결되고 목을 중심으로 회동 가능하며, 몸통과 팔은 어깨에 의해 연결되고 어깨를 중심으로 회동 가능하며, 팔과 전완은 팔꿈치에 의해 연결되고 팔꿈치를 중심으로 회동 가능하며, 전완과 손은 손목으로 연결되고 손목을 중심으로 회동 가능하며, 몸통과 대퇴골은 고관절에 의해 연결되고 고관절을 중심으로 회동 가능하며, 대퇴골과 정강이는 무릎에 의해 연결되고 무릎을 중심으로 회동 가능하며, 정강이와 발은 발목에 의해 연결되고 발목을 중심으로 회동 가능하다.
본 출원인은 낙상 주체를 남자와 여자로 구분하고, 한국인 남자와 한국인 여자의 신체 각 부분의 평균 길이와 평균 무게 및 질량 중심(mass center)를 아래 표 1과 같이 정리하고, 이를 수치해석시 입력 데이터로 활용하였다. 한편, 본 명세서에서는 한국인의 신체 평균치를 이용하여 모델링하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 특정한 사용자의 신체 치수와 무게를 이용하여 모델링할 수도 있다.
[표 1]
Figure pat00001
[여러 낙상 형태의 분석조건]
이어서, 낙상 주체가 여러 조건에서 낙상하는 경우를 모델링한다(S20). 본 발명에서는 낙상 장소를 평지(고마찰 노면), 빙판(저마찰 노면) 및, 계단으로 분류하고, 낙상 방식을 입식 낙상(선 상태로 지면과 충돌하는 낙상)과 좌식 낙상(앉은 자세로 지면과 충돌하는 낙상)으로 분류하였다. 본 발명에서 모델링한 여러 조건을 정리하면 표 2와 같다.
[표 2]
Figure pat00002
표 2에 따르면 총 12가지 경우의 수가 생기지만, 빙판과 계단에서는 대부분 좌식 낙상이 발생되는 점을 고려하여 총 8가지 경우의 수를 모델링하였다. 이를 다시 정리하면 아래의 표 3과 같다.
[표 3]
Figure pat00003
그리고, 각각의 낙상 장소에 대해 분석 조건을 정리하면 아래의 표 4와 같다.
[표 4]
Figure pat00004
표 4에 나타난 바와 같이, 평지는 고마찰 노면을 나타내는 곳으로서 입식 낙상과 좌식 낙상이 발생하는 경우, 발이 지면에 고정되고 발목을 중심으로 신체가 자유낙하하는 것으로 모델링되었다.
그리고, 빙판은 저마찰 노면을 나타내는 곳으로서 얼음의 마찰계수가 적용되었으며, 빙판에서 좌식 낙상이 발생하는 경우, 발이 지면에서 미끄러지며 신체가 자유 낙하하는 것으로 모델링되었다.
아울러, 계단은 비평지를 나타내는 곳으로서, 계단 높이별로 지형을 모델링하였고 계단에서 좌식 낙상이 발생하는 경우, 발이 계단에서 미끄러지며 신체가 자유 낙하하는 것으로 모델링되었다.
한편, 낙상 방식에 따른 분석 조건을 정리하면 아래의 표 5와 같다.
[표 5]
Figure pat00005
[평지 낙상 및 빙판 낙상의 모델링과, 낙상시간 Tc 계산]
평지 낙상과 빙판 낙상은 실제 사용자가 낙상되는 것을 촬영하여 낙상 시간(Tc)과 낙상 최소시간(Tc_min) 등을 알아낼 수 있고, 수치해석으로 모델링할 수도 있다(S30).
본 발명에서는 수치해석으로 모델링하였는데, 구체적으로는 도 2에 나타난 바와 같이, 동역학 분야의 시뮬레이션 컴퓨터 프로그램인 Modelica(Open Modelica Editor, Open Library and Contact model)를 이용하였다.
상기 컴퓨터 프로그램(Modelica)은 무료 사용이 가능하고 그 사용법도 널리 알려져 있으므로 당업자가 쉽게 이용할 수 있다. 그리고, 도 2에서 사용된 기호와 libraries는 Modelica Association(
Figure pat00006
)의 홈페이지(https://www.modelica.org/libraries)에 그 의미와 사용법이 개시되어 있는데, 이 홈페이지에 개시된 내용은 본 명세서에 모두 포함된다.
도 2에는 평지에서 입식 낙상과 좌식 낙상이 이루어지는 경우와, 빙판에서 좌식 낙상이 이루어지는 경우가 도시되어 있다.
먼저, 시간에 따른 목의 위치를 입력한다. 상기 위치는 t=0일 때의 목 위치에 대한 상대적인 위치이다. 입식 낙상과 좌식 낙상시, 신체는 자유 낙하하는 것으로 간주될 수 있으므로 시간에 따른 목의 위치를 계산할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 t=0일 때 신체가 소정 각도(α4)로 기울어진 것으로 한다. 이것은 각종 낙상감지 센서가 신체가 지면에 수직 상태일 때는 낙상 감지를 시작하지 않고 소정 각도(α4) 이상으로 기울어진 경우에만 낙상 감지를 시작하는 것을 반영하기 위함이다. 바람직하게, 상기 소정 각도(α4)는 3°~8°이고 더욱 바람직하게는 5°이다.
그리고, 시간에 따른 허리의 꺾임 각도(θj2)와, 시간에 따른 무릎의 꺾임 각도(θj3)를 각각 입력한다. 입식 낙상의 경우에는 허리의 꺾임 각도(θj2)에 따라 충격량과 낙상 시간이 달라지고 좌식 낙상의 경우에는 허리의 꺾임 각도(θj2)와 무릎의 꺾임 각도(θj3)에 따라 충격량과 낙상 시간이 달라지므로 이를 모델링에 반영하였다.
예를 들어, 지면과 충돌할 때(t=Tc)의 꺾임 각도(θj2)가 30°인 경우에는, t=0일 때에는 θj2=0°이므로, 시간에 따른 허리의 꺾임 각도 (θj2)가 지면과 충돌할 때(t=Tc)까지 0°에서 30°까지 점차적으로(예를 들어, 선형적으로) 증가하는 것으로 입력할 수 있다. 무릎의 꺾임 각도(θj3)도 마찬가지로 계산하여 입력할 수 있다.
신체 각 부분(머리, 몸통, 팔, 전완, 손, 대퇴골, 정강이, 발)의 길이와 무게 및 질량 중심은 표 1의 데이터를 입력한다. 그리고, 목, 어깨, 팔꿈치, 손목, 고관절, 무릎, 발목을 중심으로 신체의 각 부분이 전후 방향으로만 회동 가능한 것으로 입력한다.
자유낙하 후, 고관절 부분(충격 흡수부가 착용될 신체 부위)이 지면에 충돌하는 것으로 입력하고 발바닥은 고정(평지 낙상의 경우) 또는 슬라이딩(빙판 낙상의 경우)으로 입력하였다.
위와 같이, 시간에 따른 목의 위치, 시간에 따른 허리의 꺾임 각도(θj2), 무릎의 꺾임 각도(θj3), 신체 각 부분의 길이와 무게 및 질량 중심이 입력되면 낙상 시간(Tc)이 계산될 수 있다.
아래의 표 6은 남성이 평지에서 입식 낙상되는 경우에 지면과 충돌하는 시간(Tc)과 그에 따른 그래프를 보여주고, 표 7은 여성이 평지에서 입식 낙상되는 경우에 지면과 충돌하는 시간(Tc)과 그에 따른 그래프를 보여준다.
[표 6]
Figure pat00007
[표 7]
Figure pat00008
아래의 표 8은 남자가 평지에서 좌식 낙상되는 경우에 지면과 충돌하는 시간(Tc)과 그에 따른 그래프를 보여주고, 표 9는 여자가 평지에서 좌식 낙상되는 경우에 지면과 충돌하는 시간(Tc)과 그에 따른 그래프를 보여준다.
[표 8]
Figure pat00009
[표 9]
Figure pat00010
아래의 표 10은 남자가 빙판에서 좌식 낙상되는 경우에 지면과 충돌하는 시간(Tc)과 그에 따른 그래프를 보여주고, 표 11은 여자가 빙판에서 좌식 낙상되는 경우에 지면과 충돌하는 시간(Tc)과 그에 따른 그래프를 보여준다.
[표 10]
Figure pat00011
[표 11]
Figure pat00012
[계단 낙상의 모델링 및, 낙상시간 Tc 계산]
계단 낙상은 실제 사용자가 낙상되는 것을 촬영하여 낙상 시간(Tc)과 낙상 최소시간(Tc_min) 등을 알아낼 수 있고, 수치해석으로 모델링할 수도 있다.
본 발명에서는 수치해석으로 모델링하였는데, 구체적으로는 도 3에 나타난 바와 같이, Modelica(Open Modelica Editor, Open Library and Contact model)를 이용하였다. 상기 컴퓨터 프로그램(Modelica)은 위에서 설명된 바 있다.
도 3에는 계단에서 좌식 낙상이 이루어지는 경우가 도시되어 있다. 계단 좌식 낙상에서 시간에 따른 목의 위치와, 시간에 따른 허리의 꺾임 각도(θj2)와, 시간에 따른 무릎의 꺾임 각도(θj3)를 각각 계산하는 것과 이를 입력하는 것은 도 2의 모델링에서와 동일한 방법으로 이루어질 수 있다.
한편, 계단 좌식 낙상은, 도 2의 모델링과 비교하여, 발이 미끄럼 조건이 되도록 하고 계단 높이에 따른 지면을 모델링한다는 차이점이 있다. 따라서, 단 높이와 단 너비에 대응하여 계단을 모델링한다. 도 3에는 5개의 계단이 있되, 각 계단에서 단 너비는 270mm, 단 높이는 175mm인 것으로 하였다.
발이 미끄러짐에 따라 자유낙하 후, 고관절 부분(충격 흡수부가 착용될 신체 부위)이 계단에 충돌하는 것으로 모델링하고 그에 따른 낙상 시간(Tc)을 계산하였다.
위와 같이, 시간에 따른 목의 위치, 시간에 따른 허리의 꺾임 각도(θj2), 무릎의 꺾임 각도(θj3), 신체 각 부분의 길이와 무게 및 질량 중심, 계단의 너비와 높이가 입력되면 낙상 시간(Tc)이 계산될 수 있다.
표 12는 남자가 계단에서 좌식 낙상되는 경우에 계단(지면)과 충돌하는 시간(Tc)과 그에 따른 그래프를 보여주고, 표 13은 여자가 계단에서 좌식 낙상되는 경우에 계단(지면)과 충돌하는 시간(Tc)과 그에 따른 그래프를 보여준다.
[표 12]
Figure pat00013
[표 13]
Figure pat00014
위 계산 결과를 종합하면, 남자와 여자 모두 계단에서 좌식 낙상을 당할 때 낙상 최소시간(Tc_min)이 발생한다는 것을 알 수 있다. case 1~8의 낙상시간(Tc)을 그래프로 작성하면 표 14와 같다.
[표 14]
Figure pat00015
표 14에 나타난 바와 같이, 낙상 시간(Tc) 중에서 최소값(낙상 최소시간, Tc_min)은 계단에서 좌식 낙상이 발생할 때이고, 한국인의 평균 신체로 계산하면 낙상 최소시간(Tc_min)은 약 0.39sec이다. 따라서, 충격 흡수부는 낙상시 0.39sec이전에 팽창 완료되어야 그 기능을 할 수 있다.
충격완충 장치의 합격 여부는 아래의 식에 의해 판정될 수 있다.
[식]
Tc_min > T1+T2 이면 합격
Tc_min ≤ T1+T2 이면 불합격
위 식에서,
T1 : 낙상감지 센서에 의한 낙상 검출 소요시간
T2 : 충격 흡수부가 팽창 완료되는데 걸리는 인플레이션 소요시간
위 식은 충격완충 장치의 합격 여부 판정에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 충격완충 장치를 제조할 때 어떠한 종류의 센서와 압축가스 공급부를 사용할 것인지를 결정하는 데에도 활용될 수 있다.
[낙상 후 2차 충돌 모델링]
도 4는 평지에서 발생하는 입식 낙상과, 낙상 후 2차 충돌을 모델링한 도면이다. 구체적으로, 1차 충돌은 고관절 부위에서 발생되고 2차 충돌은 머리 또는 몸통에서 발생하는 것으로 모델링하였다.
상기 입상 낙상 및 2차 충돌은 실제 사용자가 낙상되는 것을 촬영하여 낙상 최소시간(Tc_min) 등을 알아낼 수 있고 수치해석으로 모델링할 수도 있다. 본 발명에서는 수치해석으로 모델링하였는데, 구체적으로는 도 4에 나타난 바와 같이, Modelica(Open Modelica Editor, Open Library and Contact model)를 이용하였다. 상기 컴퓨터 프로그램(Modelica)은 위에서 설명된 바 있다.
평지 입식 낙상에서 시간에 따른 목의 꺽임 각도(θj1)와, 시간에 따른 허리의 꺾임 각도(θj2)와, 시간에 따른 무릎의 꺾임 각도(θj3)를 각각 계산하는 것과 이를 입력하는 것은 도 2, 3의 모델링에서와 동일한 방법으로 이루어질 수 있다. 다만, 평지 입식 낙상은 발이 지면에 고정되도록 하고, 1차 충돌 후 목과 허리의 근력에 의해 인가되는 토크를 추가하되 토크는 목과 허리의 근력 최대값 이하가 되도록 하며, 2차 충돌시 머리 및/또는 몸통의 지면 충돌(컨택)을 추가해야 한다.
그리고, 충격 완충장치가 팽창 완료했을 때 고관절에 가해지는 충격량과 충격 완충장치가 없을 때 고관절에 가해지는 충격량을 비교하기 위해, 충격 흡수부를 도 5와 같이 모델링하였다.
도 5에 나타난 바와 같이, 충격 흡수부(10)는 탄성계수 K와 점성 계수 C를 가진 점탄성 모델로 표현될 수 있다.
한편, 충격 완충장치가 팽창 완료했을 때 고관절에 가해지는 충격량 및 2차 충돌에 의한 충격량을 줄이기 위해, 도 6에 나타난 바와 같이, 충격 흡수부(10)에 배출공을 형성하고 이 배출공을 통해서 압축가스의 일부가 배출되도록 할 수 있다.
배출공은 충격 흡수부(10)의 측면에 형성되는 것이 바람직한데, 이것은 배출공이 충격 흡수부(10)의 아랫면에 형성되면 낙상시 지면과 밀착되어 압축가스 배출이 원활하지 못하게 되고 배출공이 충격 흡수부(10)의 윗면에 형성되면 낙상시 신체와 밀착되어 압축가스 배출이 원활하지 못할 우려가 있기 때문이다.
배출공을 갖는 충격 흡수부(10)는 도 5의 충격 흡수부(10)와 비교하여, 탄성계수가 달라지고 점성 계수는 동일하며, 이는 도 4의 모델링에 반영되었다.
수치해석 결과, 배출공은 압축가스로 인해 충격 흡수부(10)가 급팽창될 때 압축가스의 일부를 외부로 배출함으로써 1차 충격량과 2차 충격량을 줄이는 것으로 나타났다.
바람직하게, 배출공에는 배출 밸브(도면에 미도시)가 설치될 수도 있다. 이 배출 밸브는 충격 흡수부(10)의 내부가 소정 압력에 도달할 때까지는 닫힌 상태를 유지하다가 상기 소정 압력이 초과되면 개방되어 압축 가스를 배출한다. 이 배출 밸브는 충격 흡수부(10)가 빨리 팽창하도록 하고 이와 동시에 1, 2차 충격량을 줄이는 효과를 갖는다.
한편, 위에서는 충격 흡수부(10)가 엉덩이 또는 허리에 착용될 것을 예상한 시험방법을 설명하였으나, 본 발명에 따른 시험방법은 충격 흡수부가 무릎, 어깨, 목, 머리 등에 착용된 경우에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 충격 흡수부가 머리에 착용되는 경우, 낙상시 머리가 지면과 충돌하는 낙상 최소시간(Tc_min)을 계산한 후 낙상 최소시간(Tc_min)을 'T1+T2'와 비교하여 합격 여부를 결정할 수 있다.
10 : 충격 흡수부
Tc : 낙상 시간
Tc_min : 낙상 최소시간
T1 : 낙상검출 소요시간
T2 : 인플레이션 소요시간
θj1 : 목의 꺾임 각도
θj2 : 허리의 꺾임 각도
θj3 : 무릎의 꺾임 각도
θj4 : 발목의 꺾임 각도
α4 : t=0일 때 신체가 기울어진 각도(낙상감지 센서가 낙상을 감지하기 시작하는 각도)

Claims (13)

  1. 사용자의 신체에 착용되고 사용자가 낙상할 때 팽창되어 낙상으로 인한 충격을 완충하는 장치를 시험하는 방법이고,
    (a) 낙상시 상기 장치가 착용된 신체 부분이 지면에 닿는 낙상 시간(Tc)을 계산하는 단계;
    (b) 상기 시간(Tc) 중에서 낙상 최소시간(Tc_min)을 도출하는 단계;
    (c) 상기 장치에 설치된 낙상감지 센서에 의한 낙상 검출 소요시간(T1)과, 충격 흡수부가 팽창 완료되는데 걸리는 인플레이션 소요시간(T2)의 합(T1+T2)을 계산하는 단계; 및,
    (d) 낙상 최소시간(Tc_min)과 상기 합(T1+T2)을 비교하여 아래 식과 같이 상기 장치의 합격 여부를 판정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
    [식]
    Tc_min > T1+T2 이면 합격
    Tc_min ≤ T1+T2 이면 불합격
  2. 제1항에 있어서,
    사용자의 고관절을 보호하기 위해 충격 흡수부는 사용자의 허리와 엉덩이 중 적어도 어느 하나에 설치되고,
    상기 (a) 단계는 낙상 주체가 낙상 장소 및 낙상 자세에 따라 낙상에 걸리는 낙상 시간(Tc)을 계산하고,
    상기 낙상 주체는 남자와 여자로 구분되는 것을 포함하며,
    상기 낙상 장소는 평지와 빙판 및 계단으로 구분되는 것을 포함하고,
    상기 낙상 자세는 선 상태로 지면과 충돌하는 입식 낙상과, 앉은 상태로 지면과 충돌하는 좌식 낙상으로 구분되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 사용자의 신체를 모델링하되,
    상기 모델링은 신체를 머리, 몸통, 팔, 전완, 손, 대퇴골, 정강이, 발로 나누고 상기 각 신체 부분은 다른 부분과의 연결점을 기준으로 소정 각도로 회동 가능한 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  4. 제3항에 있어서,
    평지에서 입식 낙상이 발생하는 경우에는 발이 지면에 고정된 상태에서 발목이 회동하여 신체가 자유낙하하는 것으로 모델링하되 허리의 꺾임 각도(θj2)에 따른 낙상 시간(Tc)을 계산하는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  5. 제3항에 있어서,
    평지에서 좌식 낙상이 발생하는 경우에는 발이 지면에 고정된 상태에서 발목이 회동하여 신체가 자유낙하하는 것으로 모델링하되 허리의 꺾임 각도(θj2)와 무릎의 꺾임 각도(θj3)에 따른 낙상 시간(Tc)을 계산하는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  6. 제3항에 있어서,
    빙판에서 좌식 낙상이 발생하는 경우에는 발이 지면에서 슬라이딩되어 신체가 자유낙하하는 것으로 모델링하되 허리의 꺾임 각도(θj2)와 무릎의 꺾임 각도(θj3)에 따른 낙상 시간(Tc)을 계산하는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  7. 제3항에 있어서,
    계단에서 좌식 낙상이 발생하는 경우에는 발이 지면에서 슬라이딩되어 신체가 자유낙하하는 것으로 모델링하되 허리의 꺾임 각도(θj2)와 무릎의 꺾임 각도(θj3)에 따른 낙상 시간(Tc)을 계산하는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 낙상 시간(Tc)은 수치해석에 의해 계산되고,
    낙상 시간(Tc)은 신체가 소정 각도(α4)로 기울어졌을 때부터 측정되는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  9. 제3항에 있어서,
    낙상 최소시간(Tc_min)은 낙상 주체가 계단에서 좌식 낙상을 할 때 발생하는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    (가) 충격 흡수부가 팽창되어 충격을 흡수한 후 사용자의 머리 또는 허리가 지면과 2차로 충돌하여 가해지는 2차 충격량을 계산하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 (가) 단계에서 사용자의 허리 근력 및 목 근력을 고려하기 위해 허리와 목에 토크가 인가되는 것으로 모델링하는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  11. 제10항에 있어서,
    충격 흡수부는 배출공을 포함하고,
    상기 2차 충격량을 감소시키기 위해서 압축 가스에 의해 충격 흡수부가 팽창될 때 배출공을 통해서 압축 가스의 일부가 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배출공에는 배출 밸브가 설치되고,
    배출 밸브는 충격 흡수부의 내부가 소정 압력 이하인 경우에는 닫힌 상태를 유지하고 상기 소정 압력을 초과하는 경우에는 개방되며 이에 따라 충격 흡수부의 팽창 완료 시간을 단축시키는 것을 특징으로 하는, 낙상충격 완화장치의 성능 시험방법.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 시험방법을 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.



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