KR102756259B1 - 복대형 동적 보조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 착용자의 등과 대면하는 배부, 상기 배부의 좌측 및 우측으로 각각 위치하며 서로 결합 가능하게 구성되는 좌측부 및 우측부를 포함하는 복대 본체; 상기 배부 및 상기 좌측부 사이에 위치하는 제1 신축부; 상기 배부 및 상기 우측부 사이에 위치하는 제2 신축부; 상기 제1 신축부에 배치되는 복수 개의 제1 풀리; 상기 제2 신축부에 배치되는 복수 개의 제2 풀리; 상기 복수 개의 제1 풀리 및 상기 복수 개의 제2 풀리와 연결되는 적어도 하나의 와이어; 상기 좌측부 및 상기 우측부 중 어느 하나에 배치되고 상기 적어도 하나의 와이어를 감거나 풀도록 구성되는 액추에이터; 상기 제1 풀리 중 어느 하나의 풀리 또는 상기 제2 풀리 중 어느 하나의 풀리와 연결되고, 상기 적어도 하나의 와이어가 당겨지고 풀릴 때 와이어에 인가되는 장력을 측정하는 적어도 하나의 로드셀; 및 상기 액추에이터를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 복대형 동적 보조기에 관한 것이다.

Description

복대형 동적 보조기{BELT TYPE DYNAMIC ORTHOSIS}

본 발명은 복대형 동적 보조기에 대한 것으로서, 구체적으로는 동적으로 복압을 조절하는 장치, 보다 구체적으로는 동적으로 복압을 조절하여 척추 주변근의 부담을 줄이고, 척추체의 전단 및 압박력을 감소시킬 수 있는 복대형 장치에 대한 것이다.

건강보험심사평가원의 국민관심질병통계에 따르면, 국내에서 척추 질환으로 병원을 찾은 환자는 2019년을 기준으로 900만명을 돌파하였으며, 매년 2~3%씩 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 또한 척추 질환은 우리나라 국민의 80%가 일생 동안 겪는 흔한 질환이며, 심지어 최근 40대 이하 2030세대 젊은이들의 발병률 또한 꾸준히 증가하는 추세이다.

특히 요추는 척추에서 하중을 제일 많이 받는 부위인 동시에, 척추 움직임에 제일 큰 기여를 하는 부위이다. 이러한 이유로 요추에서 척추 질환이 주로 발병하는데, 이에 대한 보존적 치료법으로 주로 척추 보조기를 사용하는 처방이 권장되고 있다.

척추 보조기는 척추 질환 환자 (요통, 척추체 압박골절, 척추 불안정성, 척추 수술 후 등)의 치료 및 예방을 위해 사용되는 기구로서, 척추를 지탱하고 안정성을 제공하며 척추에 걸리는 압력을 분산시키는 보조 기구이다. 척추 보조기에는 다양한 유형이 있으며, 환자의 개별적인 상황에 따라 사용 목적과 타입이 결정되는데, 가장 일반적인 척추 보조기는 허리 부분을 감싸서 척추를 지지하면서 척추 굴곡을 줄이는 역할을 하도록 구성되는 복대 타입의 척추 보조기이다.

일반적으로 복대형 척추 보조기는 허리나 복부를 감싸도록 착용하여 허리나 복부를 압박해 줌으로써 척추를 고정하도록 사용되며, 시중에는 건강에 도움이 되는 기능을 포함하는 다양한 형태의 복대가 판매되고 있다. 종래의 복대형 척추 보조기는 착용자의 허리나 복부를 감싸도록 허리에 두른 뒤에 양단부를 벨크로나 암수 버클 등의 결합수단으로 결합하여 허리나 복부를 강력하게 조여 줌으로써 허리와 복부를 지지하는 방식으로 착용하며, 허리를 압박하여 복압을 높이고 척추체 간의 수직과 수평 압력을 줄여 요통을 경감시킴과 동시에 척추 안정성을 높이는 효과를 가지고 있다. 하지만 종래의 복대형 척추 보조기는 단지 허리를 압박하여 척추를 고정하거나 복부의 돌출을 막는 등의 단순한 물리적 기능만을 가지고 있는 한계가 있다.

이와 같이 현재 시판되고 있는 복대형 척추 보조기는 착용자의 자세나 복압에 상관없이 일정한 압박력을 제공하는 정적인 특성을 가지고 있다. 이러한 정적인 특성으로 인해 장시간 착용 시 허리 주변 근육의 위축을 유발하게 되어 오히려 허리 상태가 악화되는 부작용이 발생하며, 척추의 근육과 인대가 약해져 복대형 척추 보조기에 의존하게 되는 심리적 의뢰심을 발생시키기도 하고, 또한 척추 움직임과 상관없이 일률적으로 척추를 압박 및 지지하기 때문에 착용자가 불편함을 느끼게 되는 문제가 있다.

더욱이 기침을 하거나 허리를 구부리면서 무거운 물체를 들어올리는 등의 착용자의 갑작스러운 움직임이 있을 때, 길이가 불변상태인 복대로 인해 복부가 순간적으로 조여지게 되는 경우가 있다. 이때 순간적인 압박력에 의해 착용자는 불편함과 통증을 느끼게 됨은 물론이고 심한 경우 혈압까지 상승하게 되어 건강 상의 문제를 일으킬 수도 있다.

또한, 이와 같은 척추 보조기는 기능이 탑재될수록 강성을 나타내는 산업 보조용으로 출시되어 웨어러블 로봇과도 같은 형태로 구현되곤 하였는데, 고관절 둔부 쪽과 연결되어 큰 관절 하나만을 보조해 주는 로봇이 많았으며, 요추 부분을 타겟으로 자세에 따라 능동적으로 정밀 제어를 수행하여 허리에 복압을 가해주는 로봇은 없었다.

한국 등록특허 제10-1664351호

본 발명은 액추에이터 및 멀티 풀리 메커니즘을 이용하여 착용자의 요부(腰部)의 움직임에 따라 동적으로 복부 압박 및 척추에 대한 적절한 지지력을 제공할 수 있는 복대형 로봇을 제안하고자 하는 것이다.

본 발명은, 척추의 움직임이 발생할 때 운동 범위에 따라 비례적인 복부 압력 및 지지력을 제공하기 위한 능동적인 보조 도구를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명은 척추 안정성을 높이면서 척추 주변 근육의 약화를 최소화하기 위한 기구를 제공하는 것에도 목적이 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 상술한 종래의 복대형 척추 보조기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래 기술의 복대형 척추 보조기의 단점인 정적인 특성을 보완한 동적인 특성을 가지는 복대형 동적 보조기를 제공하는 것에 있다. 보다 구체적으로는 착용자의 척추의 움직임이 발생할 때 착용자의 자세와 복부 압력을 추정하고, 이 추정된 착용자의 자세와 복부 압력에 대응하여 적절한 복부 압박 및 척추에 대한 지지력을 제공할 수 있는 복대형 동적 보조기를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 착용자의 등과 대면하는 배부, 상기 배부의 좌측 및 우측으로 각각 위치하며 서로 결합 가능하게 구성되는 좌측부 및 우측부를 포함하는 복대 본체; 상기 배부 및 상기 좌측부 사이에 위치하는 제1 신축부; 상기 배부 및 상기 우측부 사이에 위치하는 제2 신축부; 상기 제1 신축부에 배치되는 복수 개의 제1 풀리; 상기 제2 신축부에 배치되는 복수 개의 제2 풀리; 상기 복수 개의 제1 풀리 및 상기 복수 개의 제2 풀리와 연결되는 적어도 하나의 와이어; 상기 좌측부 및 상기 우측부 중 어느 하나에 배치되고 상기 적어도 하나의 와이어를 감거나 풀도록 구동되는 액추에이터; 상기 제1 풀리 중 어느 하나의 풀리 또는 상기 제2 풀리 중 어느 하나의 풀리와 연결되고, 상기 적어도 하나의 와이어가 당겨지고 풀릴 때 와이어에 인가되는 장력을 측정하는 적어도 하나의 로드셀; 및 상기 액추에이터를 제어하기 위한 제어부;를 포함하는 복대형 동적 보조기를 제공한다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부에는 착용자의 복압과 와이어에 인가되는 장력 간의 관계를 나타내는 복압-장력 모델링이 저장되어 있으며, 상기 제어부는, 상기 로드셀에서 측정한 장력을 미리 저장된 복압-장력 모델링에 입력하여 착용자의 복압을 추정한 후, 이 추정된 복압에 기초하여 상기 액추에이터를 제어함으로써 와이어에 인가되는 장력을 조절하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 복대형 동적 보조기는 등 부위 및 허리 부위에각각 배치되는 2개의 관성 측정 센서를 더 포함하고, 상기 제어부에는 착용자의 자세에 따른 복압 프로파일이 저장되어 있으며, 상기 제어부는 상기 2개의 관성 측정 센서의 상대 각도를 계산하여 착용자의 자세를 추정하고, 상기 추정된 복압이 추정된 착용자의 자세에 따른 상기 복압 프로파일을 동적으로 따라가도록, 상기 액추에이터를 제어하여 와이어에 인가되는 장력을 조절할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 등 부위 및 상기 허리 부위는 착용자의 흉추 5번 자리 및 천추 2번 자리에 상응하는 위치인 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 로드셀은 상기 복수 개의 제1 풀리 중 어느 하나의 풀리 또는 상기 복수 개의 제2 풀리 중 어느 하나의 풀리와 연결될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 제1 풀리는 제1 신축부의 배부 측 고정 부분과 제1 신축부의 좌측부 측 고정 부분에 교대로 배치되고, 상기 복수 개의 제2 풀리는 제2 신축부의 배부 측 고정 부분과 제2 신축부의 우측부 측 고정 부분에 교대로 배치될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 제1 풀리와 상기 복수 개의 제2 풀리는 각각 짝수 개이고, 상기 적어도 하나의 와이어는 상기 복수 개의 제1 풀리와 연결되는 제1 와이어 및 상기 복수 개의 제2 풀리와 연결되는 제2 와이어를 포함하고, 상기 제1 와이어의 일단부는 상기 액추에이터에 연결되고, 타단부는 제1 신축부의 배부 측 고정 부분에 고정되며, 상기 제2 와이어의 일단부는 상기 액추에이터에 연결되고, 타단부는 제2 신축부의 배부 측 고정 부분에 고정될 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 복수 개의 제1 풀리와 상기 복수 개의 제2 풀리는 각각 홀수 개이고, 상기 적어도 하나의 와이어는 상기 복수 개의 제1 풀리와 연결되는 제1 와이어 및 상기 복수 개의 제2 풀리와 연결되는 제2 와이어를 포함하고, 상기 제1 와이어의 일단부는 상기 액추에이터에 연결되고, 타단부는 제1 신축부의 좌측부 측 고정 부분에 고정되며, 상기 제2 와이어의 일단부는 상기 액추에이터에 연결되고, 타단부는 제2 신축부의 우측부 측 고정 부분에 고정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 와이어는 하나의 와이어만을 포함하고, 상기 복수 개의 제1 풀리 및 상기 복수 개의 제2 풀리 중 상기 액추에이터에 인접한 풀리는 짝수 개로 구성되고, 상기 복수 개의 제1 풀리 및 상기 복수 개의 제2 풀리 중 상기 액추에이터와 멀리 떨어진 풀리는 홀수 개로 구성되며, 상기 하나의 와이어는 상기 액추에이터로부터 상기 복수 개의 제1 풀리, 배부, 상기 복수 개의 제2 풀리와 연결된 후, 다시 배부를 경유하여 상기 액추에이터에 연결됨으로써 폐루프(closed loop)를 이루도록 구성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 신축부는 착용자의 왼쪽 옆구리에 대면하도록 위치 설정되고, 상기 제2 신축부는 착용자의 오른쪽 옆구리에 대면하도록 위치 설정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 액추에이터는 브러시리스 DC 모터, 웜기어 및 와이어 풀리를 포함하는 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 액추에이터는 공압식 액추에이터 또는 유압식 액추에이터일 수 있다.

이상 설명한 본 발명의 구성에 의하면, 착용자의 움직임에 따른 자세 변화 및 복부 압력에 동적으로 대응하여 적절한 복부 압박 및 척추에 대한 지지력을 제공함으로써, 종래의 복대형 척추 보조기에 비해 부작용이 적으면서도 현저히 향상된 척추 안정성을 얻을 수 있고, 동시에 착용자에게 보다 편안함을 줄 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 착용자의 척추 움직임에 따라 필요한 역학적 지지에 비례하는 만큼 안정성을 제공해주는 척추 보조기가 제공되어, 기존의 척추 보조기의 효과는 충분히 유지하면서 지속적인 척추 지지로 척추 주변 근육이 약해지는 부작용은 극복할 수 있는 효과가 예상된다.

도 1 은 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기를 간략히 나타낸 도면이다.
도 2는 제1 신축부에 배치된 복수 개로 이루어진 제1 풀리의 예시적인 배치를 보여주는 도면이다.
도 3 은 도 1의 점선 네모 부분을 확대하여 나타낸 도면으로서, 풀리와 이와 연결된 로드셀을 자세히 나타낸 도면이다.
도 4는 착용자가 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기를 착용하였을 때의 뒷모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기에 탑재되는 복압 추정 기술에 따른 압력 측정값과 상용 압력 센서의 압력 비교값(파란색: 제안된 장치, 빨간색: 상용 센서)을 나타내는 것이다.
도 6은 5명의 남성 실험자를 대상으로 한 실험에서, 5 kg 하중의 박스를 들고 허리를 굽힌 구간(flexion) 및 허리를 피는 구간(extension)에서의 근활성도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7 은 5명의 남성 실험자를 대상으로 한 실험에서, 척추 안정성의 효과를 확인하기 위해 몸통의 앞뒤로 흔들리는 방향으로의 선가속도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 발명에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 발명에 사용되는 모든 용어들은 본 발명을 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 발명에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.

본 발명에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.

본 발명에서, 도 1 에 도시된 실시예를 기준으로 좌우 방향을 "길이 방향"으로 정의하고, 상하 방향을 "폭 방향"으로 정의한다. 또한 도 1 에 도시된 실시예를 기준으로 도면의 왼쪽을 좌측, 도면의 오른쪽을 우측으로 정의한다.

본 발명에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.

아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

[복대형 동적 보조기]

일반적으로 동적으로 복부를 압박하는 복대들은 의학적으로 "압박 복대" 또는 "압박대"라고도 불리우며, 손상된 장기나 근육을 지지하거나 출혈을 억제하는 등의 목적에서 사용된다. 그러나 본 발명에서 제안하는 복대형 동적 보조기는 복부나 척추 부위의 통증을 완화하고 척추의 안정성을 높이며 올바른 자세를 유지하도록 돕는 등의 목적에서 약해진 근육을 지지하고 보호하는 등의 목적으로 쓰이는 복대형 보조기에 관한 것이다.

이와 같은 복대형 보조기는 일 예로서 척추에 안정성을 제공하고 척추를 교정하며 근육을 보호하고 통증을 완화하며 운동기능을 향상시키는 목적 등에서 이용될 수 있다.

본 발명에서 동적 보조기라고 하는 것은 "능동적"으로 구동하는 보조기를 의미하는 것일 수 있으며, 외부의 입력이나 작동에 상응하여 움직이는 것을 의미할 수 있다. 일 실시예에서 본 발명의 복대형 동적 보조기는 착용자의 자세에 따른 복압에 따라서 동적으로 구동되는 것일 수 있다.

먼저 도 1 을 참조하여 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 착용자의 등과 대면하는 배부(21)와, 배부(21)의 좌측 및 우측으로 각각 위치하며 서로 결합 가능하게 구성되는 좌측부(22) 및 우측부(23)를 포함하는 복대 본체(20), 배부(21) 및 좌측부(22) 사이에 위치하는 제1 신축부(31), 배부(21) 및 우측부(23) 사이에 위치하는 제2 신축부(32), 제1 신축부(31)에 배치되는 복수 개의 제1 풀리(41), 제2 신축부(32)에 배치되는 복수 개의 제2 풀리(42), 복수 개의 제1 풀리(41) 및 복수 개의 제2 풀리(42)와 연결되는 적어도 하나의 와이어(50), 좌측부(22) 및 우측부(23) 중 어느 하나에 배치되고 적어도 하나의 와이어(50)를 감거나 풀도록 구동되는 액추에이터(60), 제1 풀리(41) 또는 제2 풀리(42) 중 어느 하나의 풀리와 연결되고, 적어도 하나의 와이어(50)가 당겨지고 풀릴 때 와이어(50)에 인가되는 장력을 측정하는 적어도 하나의 로드셀(70), 및 액추에이터(60)를 제어하기 위한 제어부(80)를 포함하도록 구성된다.

도 1 은 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)의 일 실시예를 간략히 나타낸 도면이다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 배부(21), 좌측부(22) 및 우측부(23)를 포함하는 복대 본체(20)와 신축성 있는 재료 또는 구조를 포함하는 제1 신축부(31) 및 제2 신축부(32)를 포함할 수 있다. 제1 신축부(31)는 좌측부(22)와 배부(21)의 사이에 그리고 제2 신축부(32)는 우측부(23)와 배부(21)의 사이에 위치할 수 있다. 즉, 도 1 에 도시된 바와 같이, 복대 본체(20)는 도면의 좌측부터 좌측부(22), 제1 신축부(31), 배부(21), 제2 신축부(32) 및 우측부(23)의 순서로 구성될 수 있다.

복대 본체(20)의 구성 중 배부(21)는 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)를 착용하였을 때 착용자의 등 부분의 일부 및/또는 허리 부분과 대면하는 부분으로서, 도 1 에 도시된 바와 같이, 와이어(50)가 지나가는 하나 이상의 경로를 포함한다. 복대 본체(20)의 구성 중 좌측부(22) 및 우측부(23)는 착용 시 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)를 착용하였을 때 착용자의 복부 부분과 대면하는 부분이며, 좌측부(22) 및 우측부(23)를 결합 가능하게 하는 바람직하게는 암수로 이루어진 결합 수단(24)과 적어도 하나의 와이어(50)를 감거나 풀도록 구동되는 액추에이터를 포함한다.

본 발명에서는 복대 본체(20)의 소재를 특별히 한정하지 않으나, 무게, 통기성 및 내구성을 종합적으로 고려할 때 메시(mesh) 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 복대 본체(20)의 크기, 높이 등의 치수 등에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 착용 대상자의 키, 체중, 복부 둘레 등의 신체 치수에 맞추어 제작하는 것이 바람직하다.

착용자가 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)를 착용하고자 하는 경우, 일단 배부(21)를 착용자의 등 또는 허리 부분에 맞춘 다음, 좌측부(22)와 제1 신축부(31)를 좌측 옆구리에 두르고, 우측부(23)와 제2 신축부(32)를 우측 옆구리에 둘러 전체적으로 허리 둘레를 감싼 다음, 우측부(23)와 좌측부(22)에 마련된 결합 수단(24)을 체결하여 착용하게 된다. 양팔의 사용이 자유로운 착용자는 본인이 스스로 허리둘레에 착용할 수 있고, 양팔이나 어느 한쪽 팔에 장애가 있는 사람의 경우는 타인이 허리둘레에 채워줄 수 있다.

착용자는 우측부(23)와 좌측부(22)에 마련된 결합 수단(24)을 체결함으로써 착용을 완료할 수 있으며, 결합 수단(24) 자체는 종래의 기술을 자유롭게 적용할 수 있다. 비제한적인 일 실시예로서, 좌측부(22)와 우측부(23)는 벨크로(Velcro)로 결합될 수 있으며, 이 경우 좌측부(22)의 후면과 우측부(23)의 전면 혹은 좌측부(22)의 전면과 우측부(23)의 후면에 각각 벨크로의 훅(hook)과 루프(loop)가 재봉되어 마련될 수 있다. 예를 들어 도 1 에 도시된 바와 같이, 좌측부(22)의 후면과 우측부(23)의 전면에 훅과 루프가 마련되어 착용자가 좌측부(22)와 우측부(23)를 포개면서 좌측부(22) 및 우측부(23)의 훅과 루프를 마주하여 붙임으로써 복대형 동적 보조기(10)를 손쉽게 착용할 수 있다.

또한 다른 비제한적인 일 실시예로서, 좌측부(22) 및 우측부(23)의 선단부에 각각 적어도 하나의 암버클 및 적어도 하나의 수버클이 마련될 수 있고, 이 암버클과 수버클은 일반적으로 허리띠나 가방 등에 설치되어 결속하는데 사용되는 버클을 이용할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 배부(21) 및 좌측부(22) 사이에 위치하는 제1 신축부(31)와, 배부(21) 및 우측부(23) 사이에 위치하는 제2 신축부(32)를 포함한다. 착용 시 제1 신축부(31)는 착용자의 왼쪽 옆구리에 대면하도록 위치 설정될 수 있고, 제2 신축부(32)는 착용자의 오른쪽 옆구리에 대면하도록 위치 설정될 수 있다. 제1 및 제2 신축부(31, 32)는 신축성 있는 소재로 이루어져 복대 본체(20)의 길이 방향으로 그 길이가 조절 가능하게 구성되는 신축 부분(33)과, 이 신축 부분(33)의 길이 방향 양측으로 복수 개의 풀리(41, 42)가 고정될 수 있게 상대적으로 질기고 견고한 소재로 마련되는 고정 부분(34)으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 도 1 에 도시된 바와 같이, 신축 부분(33)은 제1 및 제2 신축부(31, 32) 각각의 전체 길이에 걸쳐 마련되고, 고정 부분(34)은 이 신축 부분(33)의 위로 그리고 길이 방향 양측으로 적어도 일부에 중첩되도록 마련될 수 있다.

제1 신축부(31) 및 제2 신축부(32)의 신축 부분(33)을 구성하는 신축성 있는 소재에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 점성 또는 탄성을 나타내는 구조물이나 소재라면 제한 없이 적용할 수 있다. 예를 들어 스프링, 탄성 밴드, 클러치, 브레이크 등을 적용할 수 있다. 제1 신축부(31) 및 제2 신축부(32)의 고정 부분(34)은 복수 개의 풀리가 단단히 고정될 수 있도록 복대 본체(20)의 다른 부분에 비해 보다 견고하게 제작되는 것이 바람직하다. 이를 위해 추가의 박음질을 더 부가하거나, 이 고정 부분(34)에 대해서만 보다 내구성이 강한 다른 소재를 적용할 수도 있다. 복수 개의 풀리는 고정 부분(34)에 직접 부착될 수도 있고, 끈이나 별도의 연결 부품 등을 이용하여 소정의 거리를 두고 연결될 수도 있으나, 내구성, 와이어(50) 연결의 안정성 등을 고려할 때 고정 부분(34)에 직접 부착되는 것이 바람직하다.

[멀티 풀리 메커니즘]

본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 제1 신축부(31) 및 제2 신축부(32) 각각에 복수 개의 풀리를 포함하며, 이 복수 개의 풀리들은 와이어(50)의 구동 힘을 증폭시키기 위한 멀티 풀리 메커니즘(40)을 포함한다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 제1 신축부(31)에 배치되는 복수 개의 풀리를 제1 풀리(41)로 정의하고, 제2 신축부(32)에 배치되는 복수 개의 풀리를 제2 풀리(42)로 정의한다. 여기서 풀리(pulley)는 로프나 철사 등을 감아서 힘을 전달하거나 방향을 바꾸는데 사용되는 도르레 바퀴를 가리키는 것으로서, 풀리 자체는 종래 기술을 적용할 수 있어 풀리의 구성에 대한 자세한 설명과 도시는 생략한다.

제1 신축부(31) 및 제2 신축부(32)에 구비되는 복수 개의 풀리는 배부(21)를 중심으로 좌우 대칭이 되도록 배열되는 것이 바람직하다. 예를 들어 제1 신축부(31)에 배치된 복수 개의 제1 풀리(41)의 배열과 제2 신축부(32)에 배치된 복수 개의 제2 풀리(42)의 배열은 배부(21)의 폭 방향 중심 선을 기준으로 서로 선대칭을 이루는 것이 바람직하다. 상기 대칭 구조를 통하여 굽히거나 펼 때 사용자에게 가해지는 저항감이 덜해지는 효과가 있다.

본 발명에서는 멀티 풀리 시스템을 적용함으로써, 착용자는 균일한 압력 분산으로 인하여 더 나은 착용감을 누릴 수 있으며, 척추를 자유롭게 움직이도록 하여 다양한 운동 활동성을 제공하고, 여러가지 사용자의 척추 환경에 따른 적응성이 구현될 수 있다.

제1 신축부(31)에 배치된 제1 풀리(41)는 복수 개로 마련되고, 이 복수 개의 제1 풀리(41)는 제1 신축부(31)의 배부(21) 측 고정 부분(34)과 제1 신축부(31)의 좌측부(22) 측 고정 부분(34)에 교대로 배치될 수 있다. 도 2는 제1 신축부(31)에 배치된 복수 개의 제1 풀리(41)의 예시적인 배치를 보여준다. 도 2를 참조하여 설명하면, 복수 개의 제1 풀리(41)는 제1 신축부(31)의 배부(21) 측 고정 부분(34)에 배치된 1번 풀리를 시작으로, 폭 방향으로 복대 본체(20) 상단 쪽으로 올라가면서 제1 신축부(31)의 좌측부(22) 측 고정 부분(34)과 제1 신축부(31)의 배부(21) 측 고정 부분(34)에 번갈아 가며 교대로 배치된다. 도 2에 도시된 일 실시예에서는 복수 개의 제1 풀리(41)가 모두 8개의 풀리로 구성되며, 와이어(50)의 단부가 배부(21) 측 고정 부분(34)의 일부분에 고정되어 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수 개의 풀리의 개수에 따라 와이어(50)의 단부가 좌측부(22)나 우측부(23) 측 고정 부분(34)에 고정되어도 무방하다.

제2 신축부(32)에 배치된 제2 풀리(42)는 복수 개로 마련되고, 이 복수 개의 제2 풀리(42)는 제2 신축부(32)의 배부(21) 측 고정 부분(34)과 제2 신축부(32)의 우측부(23) 측 고정 부분(34)에 교대로 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 제1 신축부(31)에 배치된 복수 개의 제1 풀리(41)의 예시적인 배치와 배부(21)의 폭 방향 중심 선을 기준으로 선대칭이 되도록, 복수 개의 제2 풀리(42)는 제2 신축부(32)의 배부(21) 측 고정 부분(34)에 배치된 1번 풀리를 시작으로, 폭 방향으로 복부 상단 쪽으로 올라가면서 제2 신축부(32)의 우측부(23) 측 고정 부분(34)과 제2 신축부(32)의 배부(21) 측 고정 부분(34)에 번갈아 가며 교대로 배치된다.

[와이어]

본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 복수 개의 제1 풀리(41) 또는 복수 개의 제2 풀리(42)와 연결되고, 또한 한쪽 단부가 액추에이터(60)와 연결되는 적어도 하나의 와이어(50)를 포함한다.

본 발명에서는 와이어(50)의 소재를 특별히 한정하지 않으며, 구체적인 적용 환경이나 설계에 따라 다양한 소재를 제한 없이 적용할 수 있다. 또한 본 발명에서는 와이어(50)의 길이나 굵기, 강도 등의 물성을 특별히 한정하지 않으며, 액추에이터(60)에 의해 인가되는 힘을 고려하여 이 힘을 충분히 견딜 수 있도록 와이어(50)의 조건을 결정하는 것이 바람직하다.

비제한적인 일 실시예로서, 적어도 하나의 와이어(50)는 복수 개의 제1 풀리(41)와 연결되는 제1 와이어(51) 및 복수 개의 제2 풀리(42)와 연결되는 제2 와이어(52)를 포함할 수 있다. 이 경우 복수 개의 제1 풀리(41) 및 복수 개의 제2 풀리(42)는 짝수 개로 구성될 수도 있고, 홀수 개로 구성될 수도 있다. 복수 개의 제1 풀리(41) 및 복수 개의 제2 풀리(42)가 짝수 개로 구성될 경우, 제1 와이어(51)의 일단부는 액추에이터(60)에 연결되고 타단부는 제1 신축부(31)의 배부(21) 측 고정 부분(34)에 고정되며, 제2 와이어(52)의 일단부는 액추에이터(60)에 연결되고 타단부는 제2 신축부(32)의 배부(21) 측 고정 부분(34)에 고정된다. 반대로 복수 개의 제1 풀리(41) 및 복수 개의 제2 풀리(42)가 홀수 개로 구성될 경우, 제1 와이어(51)의 일단부는 액추에이터(60)에 연결되고 타단부는 제1 신축부(31)의 좌측부(22) 측 고정 부분(34)에 고정되며, 제2 와이어(52)의 일단부는 액추에이터(60)에 연결되고 타단부는 제2 신축부(32)의 우측부(23) 측 고정 부분(34)에 고정된다.

도 2는 배부(21)의 좌측에 위치한 제1 신축부(31)에서, 제1 와이어(51)가 짝수 개로 이루어진 복수 개의 제1 풀리(41)와 연결되는 예시적인 실시형태를 도시한다. 도 2를 참조하여 설명하면, 액추에이터(60)로부터 연장되는 제1 와이어(51)는 먼저 배부(21) 측 고정 부분(34)에 고정된 1번 풀리에 감긴 후 반대 편의 좌측부(22) 측 고정 부분(34)에 고정된 2번 풀리를 향해 연장되어 2번 풀리에 감기게 된다. 계속하여 3번 풀리부터 8번 풀리까지 차례로 감긴 후, 제1 와이어(51)의 타단부가 배부(21) 측 고정 부분(34)의 일부에 고정된다. 액추에이터의 와이어 풀리가 제1 와이어(51)를 감아 당기게 되면, 액추에이터가 당기는 힘, 즉 와이어 구동 힘이 멀티 풀리 메커니즘(40)에 의해 풀리의 개수만큼, 도 2의 실시예를 예로 들면 8배로 증폭되어 복부에 인가된다. 바꾸어 말하면 본 발명에서는 와이어(50)를 구동할 때 오로지 복부에 인가하려는 힘을 풀리의 개수로 나눈 만큼의 적은 힘만이 요구될 수 있다.

이와 같은 멀티 풀리 메커니즘(40)을 통해 필요한 힘 대비 작은 출력의 액추에이터를 사용할 수 있어 복대형 동적 보조기(10)의 경량화가 가능해지고 제조 원가도 낮출 수 있는 이점이 있다. 또한 기존의 복대들의 경우 조절부가 등 부분에 위치하여 일률적으로 척추를 제한하고 요추의 굴곡/신전 동작에 저항감을 제공하는 경우가 많으나, 본 발명의 실시예에 따르는 동적 보조기는 조절부(멀티 풀리 메커니즘)를 착용자 양측에 배치하여 필요에 따라 척추의 굴곡/신전 움직임을 제한하거나 풀어줄 수 있다.

또한 복수 개의 제1 및 제2 풀리(41, 42)에 의한 멀티 풀리 메커니즘(40)을 이용하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 좌측부(22) 및 우측부(23)의 폭 방향 전체에 걸쳐 균일한 힘을 인가할 수 있기 때문에 착용자 복부의 상단 및 하단에 힘을 안정적으로 동시에 인가할 수 있다. 도 2에 도시된 복수 개의 제1 풀리(41)와 제1 와이어(51)의 배치 및 결합방식은 바람직한 일 실시형태에 불과하며, 구체적인 적용 환경이나 설계에 따라 얼마든지 변경 가능하다.

비제한적인 다른 일 실시예로서, 적어도 하나의 와이어(50)는 오직 하나의 와이어(50)만을 포함할 수 있다. 이 경우 도 1에 도시된 바와 같이, 액추에이터(60)에 인접한 복수 개의 제1 풀리(41)는 짝수 개로 구성되고, 액추에이터(60)로부터 멀리 떨어진 복수 개의 제2 풀리(42)도 홀수 개로 구성되는 것이 바람직하다. 이 하나의 와이어(50)는 액추에이터(60)로부터 복수 개의 제1 풀리(41), 배부(21), 복수 개의 제2 풀리(42)와 연결된 후, 다시 배부(21)를 경유하여 액추에이터(60)에 연결됨으로써 폐루프(closed loop)를 이룰 수 있다.

좀 더 구체적으로, 도 1을 참조하여 설명하면 액추에이터(60)로부터 연장되는 와이어(50)는 먼저 복수 개의 제1 풀리(41)와 연결된다. 와이어(50)는 앞서 설명한 방식과 동일하게 복수 개의 제1 풀리(41) 중 배부(21) 측 고정 부분(34)에 고정된 풀리(1, 3, 5, 7번 풀리)와 좌측부(22) 측 고정 부분(34)에 고정된 풀리(2, 4, 6, 8번 풀리)에 차례로 그리고 교대로 감기게 된다. 복수 개의 제1 풀리(41) 중 마지막 8번 풀리로부터 연장되는 와이어(50)는 배부(21) 측 고정 부분(34)에 고정되지 않고 그대로 길이 방향으로 배부(21)를 관통하여 연장된 후, 제2 풀리(42)에 도달한다. 제2 풀리(42)까지 연장된 와이어(50)는 제1 풀리(41) 때와는 반대로 복수 개의 제2 풀리(42) 중 9번 풀리부터 1번 풀리까지 각각과 차례로 연결되고, 복수 개의 제2 풀리(42) 중 1번 풀리로부터 연장되는 와이어(50)는 다시 길이 방향으로 배부(21)를 관통하여 연장된 후 액추에이터(60)에 도달하여 액추에이터(60)의 와이어 풀리에 고정된다. 이로써 이 실시형태에 포함되는 하나의 와이어(50)는 액추에이터(60)-복수 개의 제1 풀리(41)-배부(21)-복수 개의 제2 풀리(42)-배부(21)-액추에이터(60)의 순서로 연결되는 폐루프(closed loop)를 형성하게 된다. 이와 같이 폐루프를 이루는 하나의 와이어(50)만을 사용할 경우, 하나의 액추에이터(60)로 제1 신축부(31)의 제1 풀리(41) 및 제2 신축부(32)의 제2 풀리(42) 양쪽을 동시에 구동할 수 있는 장점이 있다.

[액추에이터]

본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 좌측부(22) 및 우측부(23) 중 어느 하나에 배치되고 적어도 하나의 와이어(50)를 감거나 풀도록 구성되는 액추에이터(60)를 포함한다. 이 액추에이터(60)는 제어부(80)에 의해 제어될 수 있다. 본 발명에서는 액추에이터(60)가 와이어(50)를 풀거나 당길 수 있는 기능만 수행할 수 있으면 충분하기 때문에 액추에이터(60)의 구체적인 구성은 특별히 한정하지 않는다.

비제한적인 일 실시예로서, 액추에이터(60)는 동력원으로서 모터, 바람직하게는 브러시리스 DC 모터(Brushless DC Motor 혹은 BLDC Motor), 보다 바람직하게는 EC 모터(Electronically Commutated Motor)를 포함하고, 또한 와이어 구동 힘 증폭과 구동부의 소형화 및 경량화를 위해 웜기어 및/또는 웜휠을 감속기로 사용하여 구성할 수 있다. 이렇게 구성된 액추에이터(60)의 출력단에는 와이어(50)를 풀고 당길 수 있는 와이어 풀리가 배치되어 있고, 이 와이어 풀리의 회전을 제어함으로써 최종적으로 와이어(50)를 구동하게 된다.

본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 착용자가 평상 시에 입고 다녀야 하는 장치이다. 그렇기 때문에 필연적으로 액추에이터는 무선으로 구동되어야 하며, 저전압으로 구동되도록 설계되는 것이 바람직하다. 비제한적인 일 실시예로서 제어부를 통해 저전압의 전원을 액추에이터에 인가할 수 있다.

비제한적인 다른 일 실시예로서, 액추에이터(60)는 공압식 액추에이터 또는 유압식 액추에이터일 수 있다.

[로드셀]

본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 적어도 하나의 로드셀(70)(Load Cell)을 포함할 수 있다. 로드셀(70)은 물체의 무게나 힘을 측정하는데 사용되는 전자 장비의 일종으로서, 본 발명에서는 와이어(50)가 당기고 풀릴 때 제1 풀리(41)나 제2 풀리(42)에서 와이어(50)에 인가되는 장력을 측정하는데 사용된다. 로드셀(70) 자체는 종래 기술을 적용할 수 있어 로드셀(70)의 구조나 작동방식에 대한 자세한 설명과 도시는 생략한다.

로드셀(70)은 복수 개의 제1 풀리(41) 중 어느 하나의 풀리에 연결되거나, 복수 개의 제2 풀리(42) 중 어느 하나의 풀리에 연결될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 로드셀(70)은 제1 신축부(31) 또는 제2 신축부(32)의 멀티 풀리 메커니즘(40) 중간에서 어느 하나의 풀리에 연결될 수 있다. 로드셀(70)은 제1 풀리(41) 및 제2 풀리(42) 중 어느 하나의 풀리에만 연결되면 충분하며, 반드시 특정 위치의 풀리에 연결되어야 하는 것은 아니고, 제1 풀리(41) 및 제2 풀리(42) 양측에 모두 연결되어야 하는 것도 아니다.

로드셀(70)은 액추에이터(60)의 와이어 풀리에 의해 와이어(50)가 당겨지거나 풀릴 때, 연결된 풀리를 통해 와이어(50)에 인가되는 장력을 측정하도록 구성된다. 로드셀(70)에 의해 측정된 와이어(50)에 인가된 장력은 제어부(80)로 보내지고, 제어부(80)에서는 복압-장력 모델링에 측정된 와이어(50)에 인가된 장력을 입력함으로써 착용자의 복압을 추정할 수 있다.

[관성 측정 센서]

본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 적어도 2개의 관성 측정 센서(90)(Inertial Measurement Unit, IMU 센서)를 포함할 수 있다. 관성 측정 센서(90)는 물체의 운동을 측정하고 분석하는데 사용되는 전자 센서로서, 본 발명에서는 적어도 2개의 관성 측정 센서(90)를 이용하여 착용자의 자세를 추정할 수 있다. 제어부(80)와 관성 측정 센서(90) 간의 통신 방법은 특별히 한정하지 아니하나, 유선으로 연결할 경우 착용 중 움직임에 제한이 있을 수 있어 착용자가 불편함을 느낄 수 있기 때문에 제어부(80)와 관성 측정 센서(90)는 서로 무선으로 통신하도록 구성되는 것이 바람직하다.

비제한적인 일 실시예로서, 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 2개의 관성 측정 센서(90)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 2개의 관성 측정 센서(90)는 각각 착용 시 착용자의 등 부분에서 흉추 5번 자리 및 천추 2번 자리에 상응하는 위치에 배치되도록 위치 설정되는 것이 바람직하다. 2개의 관성 측정 센서(90)는 하나의 유닛에 동시에 구비될 수도 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 별개의 2개의 유닛(예를 들어 어께 벨트와 복대)에 각각 구비될 수도 있다.

착용자가 허리를 굽히거나 펴는 등 자세를 바꾸게 되면, 흉추 5번 자리 및 천추 2번 자리에 상응하는 위치에 배치된 2개의 관성 측정 센서(90)의 상대적인 각도 혹은 상대적인 위치가 변화하게 된다. 제어부(80)에서는 2개의 관성 측정 센서(90)의 상대적인 각도 혹은 상대적인 위치의 변화를 측정함으로써 착용자의 척추 움직임을 추적할 수 있고, 이를 통해 착용자의 자세를 추정할 수 있다.

[제어부]

본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 액추에이터(60)를 제어하기 위한 제어부(80)를 포함한다. 이 제어부(80)는 도 1에 도시된 바와 같이 액추에이터(60) 내에 내장되어 있을 수도 있고, 액추에이터(60)와는 별개의 유닛으로서 구비될 수도 있다.

제어부(80)는 로드셀(70) 및 미리 저장된 복압-장력 모델링을 이용하여 착용자의 복압을 추정하도록 프로그램될 수 있다.

비제한적인 일 실시예로서, 복압-장력 모델링에 의한 복압의 추정은 로드셀을 통해 복대형 동적 보조기의 풀리에 인가된 와이어의 장력을 측정하고, Young-Laplace 법칙을 통해 복부에 인가되는 압력을 추정하는 방법을 따를 수 있다. 이때, Young-Laplace 법칙은 유체 계면에 적용되고 계면 양쪽에 있는 유체 사이의 압력 차이와 멤브레인의 장력의 상관관계를 공식화한 것이다.

여기서 P_α 와 P_β는 내부 및 외부의 압력을 의미하며, R은 곡면의 반지름, F_t는 멤브레인의 장력을 의미하게 된다. 그리고 인체의 몸통을 원통형으로 가정하고 해당 수식을 변형 및 적용하면 다음과 같은 수식을 얻을 수 있다:

여기서 P_abd는 복부에 인가되는 압력, 즉 복압을 의미한다. K는 의학에서 사용되는 단위로 환산하기 위한 상수값, n은 복대의 레이어수, F_t는 장력, L_ac는 착용자의 복부 둘레, L_width는 복대의 높이 길이를 의미한다.

상기 수식을 통해 착용자에게 인가되는 복압을 추정할 수 있으며, 상용 압력센서와의 비교 실험을 통해 추정한 결과는 도 5와 같다(RMSE 약 4mmHg).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 복대형 동적 보조기에 탑재되는 복압 추정 기술에 따른 압력 측정값과 상용 압력 센서의 압력 비교값(파란색: 제안된 장치, 빨간색: 상용 센서)을 나타내는 것이다.

보다 구체적으로 제어부(80)는 로드셀(70)로부터 제1 풀리(41) 또는 제2 풀리(42)를 지나는 와이어(50)에 인가되는 장력의 측정값을 수신하고, 수신한 장력 측정값을 미리 저장된 복압-장력 모델링에 대입하여 착용자의 복압을 추정할 수 있다. 미리 저장된 복압-장력 모델링은 최초 착용 시에 착용자의 복부 둘레에 기초하여 초기 설정되며, 이에 따라 착용자에 따라 맞춤형으로 미리 저장된 복압-장력 모델링이 달리 설정될 수 있다. 제어부(80)는 추정된 복압에 기초하여 액추에이터(60)를 제어, 좀 더 구체적으로는 액추에이터(60)의 출력단에 배치된 와이어 풀리의 회전을 제어하여 와이어(50)에 인가되는 장력을 조절하며, 이를 통해 착용자의 현재 복압에 적합한 최적의 복부 압박을 동적으로 제공할 수 있다.

풀리에 인가된 와이어 장력은 로드셀을 통해 측정이 되며, Young-Laplace 법칙을 통해 복부에 인가되는 압력을 추정할수 있다. Young-Laplace 법칙은 유체 계면에 적용되고 계면 양쪽에 있는 유체 사이의 압력 차이와 멤브레인의 장력의 상관관계를 공식화한 것이다.

비제한적인 일 실시예로서, 제어부(80)는 로드셀(70)을 이용하여 추정한 착용자의 복압에 더하여 착용자의 자세를 추가로 고려하여 액추에이터(60)를 제어하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)는 적어도 2개의 관성 측정 센서(90), 바람직하게는 착용자의 등 부분에서 흉추 5번 자리 및 천추 2번 자리에 상응하는 위치에 배치되도록 위치 설정되는 2개의 관성 측정 센서(90)를 포함할 수 있다. 이 일 실시예에서 제어부(80)는 착용자의 자세에 따른 복압 프로파일을 더 포함하고 있다. 바람직하게는 이 일 실시예에서 제어부(80)는 2개의 관성 측정 센서(90)의 상대적인 각도에 따른 복압 프로파일을 더 포함하고 있다. 먼저 제어부(80)는 2개의 관성 측정 센서(90)의 상대 각도를 계산하여 착용자의 자세를 추정한다. 그리고 로드셀(70) 및 복압-장력 모델링을 이용하여 추정한 복압이 추정된 착용자의 자세에 따른 복압 프로파일을 동적으로 따라가도록, 액추에이터(60)의 출력단에 배치된 와이어 풀리의 회전을 제어하여 와이어(50)에 인가되는 장력을 조절하며, 이를 통해 착용자의 복압 및 자세에 적합한 최적의 복부 압박을 동적으로 제공할 수 있다.

한편 제어부(80)는 데이터의 입출력을 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 이 제어부(80)의 인터페이스를 이용하여 제어부(80)에 착용자의 복부 둘레의 초기값과, 복압 프로파일, 복압-장력 모델링 등을 입력할 수 있다. 또한 인터페이스를 통해 제어부(80)를 외부에 마련된 컴퓨터 등의 기기와 연결하여 보조기나 관성 센서를 초기화하거나, 제어부(80)에 기록된 착용자의 복압 변화 히스토리를 확인할 수 있다.

[착용 방법]

다음으로 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)의 착용 방법에 대해 자세히 설명한다.

먼저 본 발명의 일 측면에 따른 복대형 동적 보조기(10)를 준비하고, 복대형 동적 보조기(10)를 착용하기 전에 착용자의 복부 둘레를 측정한다. 인터페이스를 통해 제어부(80)를 컴퓨터 등의 기기와 연결하고, 이 복부 둘레를 기초로 복대형 동적 보조기(10)의 초기값을 조정한다. 예를 들어 복부 둘레에 맞게 와이어(50)의 초기 길이를 조정할 수 있고, 또한 복부 둘레에 맞는 복압 프로파일이나 복압-장력 모델링을 입력할 수 있다.

다음으로 착용자는 복대형 동적 보조기(10)를 착용한다. 도 4 에 도시된 바와 같이 착용자는 복대형 동적 보조기(10)를 등에 대고 2개의 관성 측정 센서(90)가 각각 미리 정해진 위치, 즉 흉추 5번 자리 및 천추 2번 자리에 오도록 위치를 조정하고, 좌측부(22)와 제1 신축부(31)를 좌측 옆구리에 두르고 우측부(23)와 제2 신축부(32)를 우측 옆구리에 둘러 전체적으로 허리 둘레를 감싼 다음, 우측부(23)와 좌측부(22)에 마련된 벨크로 등의 결합 수단(24)을 체결하여 착용을 완료하게 된다.

착용 후 착용자는 직립하여 허리를 곧게 편 다음 관성 측정 센서(90)를 초기화한다. 그 다음 제어부(80)를 통해 액추에이터(60)의 구동을 지시하여 복대형 동적 보조기(10)의 작동을 시작하게 되며, 복대형 동적 보조기(10)는 요추의 굴곡이나 신전이 있을 때 착용자의 관성 측정 센서(90)에 의해 측정되는 요추 각도에 따라 액추에이터(60)를 제어하여 적절한 압박력을 제공하게 된다.

본 발명에 따른 복대형 동적 보조기는 착용자가 서 있을 때는 요추 각도를 0도로 인식하여 액추에이터가 구동하고 있지 않지만, 허리가 일정한 각도로 굽혀져 있다고 인식하고 있는 중에는 목표 복압값을 인가하기 위해 액추에이터가 끊임없이 작동하고 있기 때문에, 만일 일시적으로 입고 벗을 때는 잠시 장치를 정지시킨 후 진행하여야 한다.

상술한 실시형태에서의 복대형 동적 보조기는 액추에이터와 풀리, 그리고 와이어를 이용하여 제1 및 제2 신축부의 폭을 조절하였지만, 이외에 다른 방식의 구동기를 이용하는 것도 제한 없이 가능하다. 예를 들어, 비제한적인 일 실시예로서, 공압식 액추에이터 또는 유압식 액추에이터 등으로 신축부의 폭을 조절함으로써 적절한 복부 압력을 제공할 수도 있다.

[실시예]

본 발명자들은 상술한 구성에 따라 복대형 동적 보조기를 제작하고, 건강한 5명의 남성 실험자를 대상으로 실험을 실시하였다. 구체적으로 맨몸일 때(Bare Case), 상용 복대를 착용하였을 때(Belt case) 및 본 발명에 따른 복대형 동적 보조기를 착용하였을 때(Robot Case)에 대하여, 각 경우에 대해 같은 허리 동작을 수행하였을 때 요추 주변근의 활성도를 비교하였다.

실험에 참가한 남성 실험자들은 5kg의 박스를 들고 박스를 바닥에 내리는 각도까지 상체를 내렸다가(이때 하체는 고정) 다시 기립한 자세로 들어올리는 동작을 3초에 1사이클로 반복적으로 5회 실시하였다,

이 실험에서 복직근(Rectus abdominis), 외복사근(External oblique), 척추 기립근(erector spinae) 좌우 양측에 총 6개의 표면 근전도 센서를 부착하여 근활성도를 확인하였다. 또한 선가속도 센서를 5번 흉추에 부착하여 상체 앞뒤로의 흔들림을 측정하였다.

도 6은 5명의 남성 실험자를 대상으로 한 실험에서, 5 kg 하중의 박스를 들고 허리를 굽힌 구간(flexion) 및 허리를 피는 구간(extension)에서의 근활성도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6 은 위 실험에서 실험자들의 자세에 따라 6개의 표면 근전도 센서에서 측정한 근활성도 결과를 나타낸다. 위쪽의 그래프는 허리를 굽힌 구간(flexion)에 관한 것이고, 아래쪽의 그래프는 허리를 피는 구간(extension)에 관한 것이며, 각 그래프에서 Y축은 근활성도를 의미한다(100% 일 때 최대 근육 수축). 또한 표시된 값은 각 센서에서 측정된 근활성도의 평균-표준편차 값이다.

도 6 의 실험 결과를 보면, 우측 복직근(Rectus abdominis R) 및 좌우측 외복사근(External oblique LR)에서 상용 복대와 본 발명에 따른 복대형 동적 보조기를 착용했을 때, 맨몸 상태일 때보다 근활성도가 감소되어 있는 것을 확인할 수 있고, 이는 곧 근육의 부담이 저감되었다는 것을 의미한다. 또한 일부 근육 들에서는 본 발명에 따른 복대형 동적 보조기를 착용했을 때 상용 복대를 착용했을 때보다 근활성도가 더 저감되는 것을 확인할 수 있다.

도 6 의 좌우측 척추 기립근(Erector spinae LR)의 결과를 보면, 상용 벨트를 착용했을 경우, 허리의 굽힘과 폄 구간에서 그 정적인 특성이 운동 방향에 대한 저항으로 작용하여 근활성도가 맨몸보다 상승한다. 하지만 본 발명에 따른 복대형 동적 보조기를 착용한 경우, 척추 움직임에 따라 동적으로 복압과 지지력을 제공해주기 때문에 저항이 감소하는 동시에 지지력이 상승하며, 그 결과 맨몸의 경우나 상용 벨트를 착용했을 때보다 더 낮은 근활성도, 즉 척추 근육 부담이 저감되는 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

도 7 은 5명의 남성 실험자를 대상으로 한 실험에서, 척추 안정성의 효과를 확인하기 위해 몸통의 앞뒤로 흔들리는 방향으로의 선가속도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

한편, 도 7 은 5번 흉추에 부착된 관성 센서로, 몸통의 앞뒤로 흔들리는 방향의 선가속도 측정한 결과, 즉 진동의 정도를 나타낸다. 도 7 의 그래프에서 노란색은 맨몸의 경우, 주황색은 상용 벨트를 착용한 경우, 그리고 빨간색은 본 발명에 따른 복대형 동적 보조기를 착용한 경우의 박스 플롯을 나타내는 것이다.

도 7 의 실험 결과를 보면, 본 발명에 따른 복대형 동적 보조기를 착용했을 때 박스 플롯의 범위가 제일 작으며, 이를 통해 실험의 동작에서 본 발명에 따른 복대형 동적 보조기에 의해 상체의 앞뒤 방향의 진동이 감소하여 척추 안정성이 상승되었음을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 복대형 동적 보조기
20: 복대 본체 21: 배부
22: 좌측부 23: 우측부
24: 결합 수단
30: 신축부 31: 제1 신축부
32: 제2 신축부 33: 신축 부분
34: 고정 부분
40: 멀티 풀리 메커니즘 41: 제1 풀리
42: 제2 풀리
50: 와이어 51: 제1 와이어
52: 제2 와이어
60: 액추에이터
70: 로드셀
80: 제어부
90: 관성 측정 센서

Claims (12)

1. 착용자의 등과 대면하는 배부, 상기 배부의 좌측 및 우측으로 각각 위치하며 서로 결합 가능하게 구성되는 좌측부 및 우측부를 포함하는 복대 본체;
   상기 배부 및 상기 좌측부 사이에 위치하는 제1 신축부;
   상기 배부 및 상기 우측부 사이에 위치하는 제2 신축부;
   상기 제1 신축부에 배치되는 복수 개의 제1 풀리;
   상기 제2 신축부에 배치되는 복수 개의 제2 풀리;
   상기 복수 개의 제1 풀리 및 상기 복수 개의 제2 풀리와 연결되는 적어도 하나의 와이어;
   상기 좌측부 및 상기 우측부 중 어느 하나에 배치되고 상기 적어도 하나의 와이어를 감거나 풀도록 구동되는 액추에이터;
   상기 제1 풀리 중 어느 하나의 풀리 또는 상기 제2 풀리 중 어느 하나의 풀리와 연결되고, 상기 적어도 하나의 와이어가 당겨지고 풀릴 때 와이어에 인가되는 장력을 측정하는 적어도 하나의 로드셀; 및
   상기 액추에이터를 제어하기 위한 제어부;를 포함하는 복대형 동적 보조기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부에는 착용자의 복압과 와이어에 인가되는 장력 간의 관계를 나타내는 복압-장력 모델링이 저장되어 있으며,
   상기 제어부는, 상기 로드셀에서 측정한 장력을 미리 저장된 복압-장력 모델링에 입력하여 착용자의 복압을 추정한 후, 이 추정된 복압에 기초하여 상기 액추에이터를 제어함으로써 와이어에 인가되는 장력을 조절하도록 구성되는 것인, 복대형 동적 보조기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 복대형 동적 보조기는 착용자의 등 부위 및 허리 부위에 각각 배치되는 2개의 관성 측정 센서를 더 포함하고,
   상기 제어부에는 착용자의 자세에 따른 복압 프로파일이 저장되어 있으며,
   상기 제어부는 상기 2개의 관성 측정 센서의 상대 각도를 계산하여 착용자의 자세를 추정하고, 상기 추정된 복압이 추정된 착용자의 자세에 따른 상기 복압 프로파일을 동적으로 따라가도록, 상기 액추에이터를 제어하여 와이어에 인가되는 장력을 조절하는 것인, 복대형 동적 보조기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 등 부위는, 흉추 5번 자리에 상응하는 위치이고,
   상기 허리 부위는, 천추 2번 자리에 상응하는 위치인 것인,
   복대형 동적 보조기.
   
5. 삭제
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수 개의 제1 풀리는 제1 신축부의 배부 측 고정 부분과 제1 신축부의 좌측부 측 고정 부분에 교대로 배치되고,
   상기 복수 개의 제2 풀리는 제2 신축부의 배부 측 고정 부분과 제2 신축부의 우측부 측 고정 부분에 교대로 배치되는 것인, 복대형 동적 보조기.
   
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수 개의 제1 풀리와 상기 복수 개의 제2 풀리는 각각 짝수 개이고,
   상기 적어도 하나의 와이어는 상기 복수 개의 제1 풀리와 연결되는 제1 와이어 및 상기 복수 개의 제2 풀리와 연결되는 제2 와이어를 포함하고,
   상기 제1 와이어의 일단부는 상기 액추에이터에 연결되고, 타단부는 제1 신축부의 배부 측 고정 부분에 고정되며,
   상기 제2 와이어의 일단부는 상기 액추에이터에 연결되고, 타단부는 제2 신축부의 배부 측 고정 부분에 고정되는 것인, 복대형 동적 보조기.
   
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복수 개의 제1 풀리와 상기 복수 개의 제2 풀리는 각각 홀수 개이고,
   상기 적어도 하나의 와이어는 상기 복수 개의 제1 풀리와 연결되는 제1 와이어 및 상기 복수 개의 제2 풀리와 연결되는 제2 와이어를 포함하고,
   상기 제1 와이어의 일단부는 상기 액추에이터에 연결되고, 타단부는 제1 신축부의 좌측부 측 고정 부분에 고정되며,
   상기 제2 와이어의 일단부는 상기 액추에이터에 연결되고, 타단부는 제2 신축부의 우측부 측 고정 부분에 고정되는 것인, 복대형 동적 보조기.
   
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 와이어는 하나의 와이어만을 포함하고,
   상기 복수 개의 제1 풀리 및 상기 복수 개의 제2 풀리 중 상기 액추에이터에 인접한 풀리는 짝수 개로 구성되고, 상기 복수 개의 제1 풀리 및 상기 복수 개의 제2 풀리 중 상기 액추에이터와 멀리 떨어진 풀리는 홀수 개로 구성되며,
   상기 하나의 와이어는 상기 액추에이터로부터 상기 복수 개의 제1 풀리, 배부, 상기 복수 개의 제2 풀리와 연결된 후, 다시 배부를 경유하여 상기 액추에이터에 연결됨으로써 폐루프(closed loop)를 이루는 것인, 복대형 동적 보조기.
   
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 신축부는 착용자의 왼쪽 옆구리에 대면하도록 위치 설정되고,
    상기 제2 신축부는 착용자의 오른쪽 옆구리에 대면하도록 위치 설정되는 것인, 복대형 동적 보조기.
    
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 브러시리스 DC 모터, 웜기어 및 와이어 풀리를 포함하는 것인, 복대형 동적 보조기.
    
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 공압식 액추에이터 또는 유압식 액추에이터인 것인, 복대형 동적 보조기.
    

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