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문제 정의
- 본 논문에서는 보행주기에 따라 발목관절의 저굴 및 배 굴을 제어하는 능동형 단하지 보조기를 개발하여 정상보행 및 기존의 일반 플라스틱 AFO 보행과 비교해 보았다. 일반 플라스틱 AFO는 조인트가 삽입되지 않아 발목관절을 중립상태로 고정시켜 주는 것을 사용하였다.
제안 방법
- AAFO가 보행 중 필요한 토크를 발생시킬 수 있는지 확인하기 위해 토크 변환기(YDN-10KC, SETech, 한국)를사용하여 개발된 AAFO의 구동부 동적 토크를 측정하였다. 모터 드라이브의 입력인 PWM의 양을 0%, 25%, 50%, 75% 및 100%로 설정하여 각 3회 반복 시행에서 얻은 측정값의 평균을 취하였다.
- Plug-in marker set에 따라 총 16개의 반사 마커를 피검자의 몸에 부착하여 발목관절의 움직임(저굴/배굴)과 골반 관절의 움직임(기울임, 내/외회전)을 측정하였고, 힘 측 정판(AMTI, 미국)을 사용하여 보행 시 지면반발력을 측정하였다. 또한 측정된 발목관절의 움직임과 지면반발력을 이용하여 발목관절의 모멘트 및 일률을 계산하였다.
- 즉 일률이 부족하다는 것은 빠른 시간에 많은 에너지를 발생하지 못함을 의미한다. 각 보행조건에 대해 충분한 연습을 거친 후 총 5회의 반복실험을 시행하여 측정된 값의 평균을 취하였다.
- 개발된 능동형 단하지 보조기(AAFO)와 일반 플라스틱단하지 보조기(SAFO)의 성능을 비교하기 위하여 5명의 건강한 성인남자(나이: 27.5±2.1세, 키: 169.4±4.3cm, 몸무게: 66.4±2.3kg)를 피검자로 선정하고 삼차원 동작분석 시스템 (Vicon 612 system, Vicon, U.S.A.)을 이용하여 보행 분석을 수행하였다. 동일한 피검자에 대해서 단하지 보조기를 착용하지 않은 정상보행(Normal), 기존의 일반 플라스틱단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO gait), 그리고 개발된 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO gait) 등 3종류의 보행을 실시하였다(그림 5).
- 센서부는 보행주기를 검출하기 위한 저항 센서와 발목관절 각도를 측정하기 위한 회전형 포텐셔미터로 구성되며, 제어부는 증폭회로, 주변 제어회로, 전원회로 및 마이크로건트롤러 로 구성되었다. 구동부는 볼스크류와 볼 너트에 의해서 모터의 회전운동이 직선운동으로 바뀌고 모터의 회전량과 회전방향에 따라 이동거리와 이동방향을 변화시킴으로써 AAFO의 관절 각도를 제어하였다.
- 안승찬(2005)은 족 하수를 방지하기 위한 능동형 단하지 보조기를 개발하여 기존 단하지 보조기에 비해 효과적으로 정상적인 보행을 유도할 수 있음을 확인하였다. 그러나 전유각기에 효율적인 추진력을 발생시키지 못했고 발끌림 현상을 방지하기 위한 제어가 이루어지지 않아 정상보행에 필요한 충분한 ROM(range of motion)이 유도되지 않아 정상보행과는 큰 차이를 보였다 본 연구에서는 보조기 착용자의 정확한 보행주기를 검출하여 보행주기에 따라 발목관절의 배굴/저굴을 제어하는 능동형 단하지 보조기(active ankle foot orthosis: AAFO) 를개발하고, 삼차원 동작분석 시스템을 통해 기존의 일반 플라스틱 AFO (static ankle foot orthosis: SAFO)와 AAFO를비교하였다.
- )을 이용하여 보행 분석을 수행하였다. 동일한 피검자에 대해서 단하지 보조기를 착용하지 않은 정상보행(Normal), 기존의 일반 플라스틱단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO gait), 그리고 개발된 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO gait) 등 3종류의 보행을 실시하였다(그림 5). 실험에 사용된 기존의 일반 플라스틱 단하지 보조기(SAFO)는 저굴을 제한하며 약해진 배 굴근의 기능을 보조하기 위해 사용되고, 폴리프로필렌 재질로 제작되어 사용자의 하퇴 후면에 접촉되는 장딴지 쉘 (calf shell), 사용자의 발바닥과 접촉되는 슈 인서트(shoe insert), 그리고 장딴지 쉘을 고정하는 장딴지 스트랩(calf strap)으로 구성되어 있고 SAFO는 이 구성원들이 모두 하나로 통합되어 있다.
- 또한 측정된 발목관절의 움직임과 지면반발력을 이용하여 발목관절의 모멘트 및 일률을 계산하였다. 일률은 단위시간 동안 발생, 소비한 일(에너지)을 뜻한다.
- , 2005). 또한 회전형 포텐셔미터(RV16YP, Violet, 한국)를사용하여 AAFO 발목관절의 저굴/배굴 각도를 측정하였다.
- 측정하였다. 모터 드라이브의 입력인 PWM의 양을 0%, 25%, 50%, 75% 및 100%로 설정하여 각 3회 반복 시행에서 얻은 측정값의 평균을 취하였다.
- 정확한 보행주기 검출을 위해, 그림 3과 같이 AAFO의 바닥 부위(엄지발가락, 첫째 중족골두, 다섯째 중족골저, 발뒤꿈치)에 FSR(force sensing resistor) 센서(MA-152, Motion Lab System Inc., 미국)들을 부착하고, 다음과 같은 알고리즘을 사용하여 보행주기를 검출하였다(Ahn et al., 2005). 또한 회전형 포텐셔미터(RV16YP, Violet, 한국)를사용하여 AAFO 발목관절의 저굴/배굴 각도를 측정하였다.
대상 데이터
- 동일한 피검자에 대해서 단하지 보조기를 착용하지 않은 정상보행(Normal), 기존의 일반 플라스틱단하지 보조기를 착용한 보행(SAFO gait), 그리고 개발된 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행(AAFO gait) 등 3종류의 보행을 실시하였다(그림 5). 실험에 사용된 기존의 일반 플라스틱 단하지 보조기(SAFO)는 저굴을 제한하며 약해진 배 굴근의 기능을 보조하기 위해 사용되고, 폴리프로필렌 재질로 제작되어 사용자의 하퇴 후면에 접촉되는 장딴지 쉘 (calf shell), 사용자의 발바닥과 접촉되는 슈 인서트(shoe insert), 그리고 장딴지 쉘을 고정하는 장딴지 스트랩(calf strap)으로 구성되어 있고 SAFO는 이 구성원들이 모두 하나로 통합되어 있다.
성능/효과
- m/kg의 최대저굴 모멘트를 보였다. SAFO의 경우 최대 저굴 모멘트 가약 1.1N・ m/kg로 정상보행의 약 65%의 크기를 보였고 AAFO의 경우 약 2N・ m/kg으로 정상보행의 약 118%의 크기를 보였다. 이는 적절한 push-off를 위해 AAFO가 충분한 저굴 모멘트를 발생시킬 수 있음을 의미한다.
- 정상보행에 비해 SAFO 보행 시 말기 입각기, 전유각기, 초기유각기, 중간유각기 및 말기유각기에 큰 외회전을 하는 골반외회전(hip external rotation)의 특성을 보였다. 그러나 AAFO 보행의 경우 정상보행에 비해 하중 수용기 동안 약간의 내회전을 보이고 전유각기에 약간의 외회전을 보였으나 전체적으로 정상보행과 거의 유사한 운동 특성을 보였다. 이는 SAFO 보행의 경우 발목관절의 운동이 제한되어 있으므로 이를 보상하기 위해 골반의 움직임이 비정상적으로 움직이게 되고 이는 에너지 소모에 큰 영향을 미치게 됨으로써 매우 비효율적인 보행을 초래하게 된다.
- 이러한 결과는 안승찬(2005)의 연구 결과와 비교하여 전유각기에 충분한 추진력을 발생시키고, 초기유각기의 배굴을 통해 발끌림을 방지시킬 수 있는 능력이 매우 향상 되었음을 알 수 있었다. 그리고 능동형 단하지 보조기를 착용한 보행에서 발생된 최대 저굴 모멘트가 기존의 일반 플라스틱 단하지 보조기와 비교해 큰 향상을 보였으며 정상 보행에 매우 근접함을 알 수 있었다.
- 5° 의 최대저굴이 이루어졌다. 또한, 중립상태에서 모터의 10회 역회전(CCW)시켜 구동부의 길이가 최대가 될 때 약 11.9° 의 최대배굴이 일어났다. 전체 ROMe 약 33.
- 반면 개발된 능동형 단하지 보조기는 보행 시 정상인의괄목관절 최대 ROM을 충분히 만족하였고, 말기입각기 및 전유 각기에 충분한 추진(push off)을 일으킨 후, 초기유각기의 배굴로 발목관절을 중립상태로 돌려 놓아 발을 지면으로부터 멀리 떨어뜨림으로써 유각기의 발끌림(toe drag) 현상과 초기 접지기에 발바닥이 먼저 닿는 현상(foot drop)을 방지할 수 있었다. 이러한 결과는 안승찬(2005)의 연구 결과와 비교하여 전유각기에 충분한 추진력을 발생시키고, 초기유각기의 배굴을 통해 발끌림을 방지시킬 수 있는 능력이 매우 향상 되었음을 알 수 있었다.
- 본 연구를 통해서 개발된 능동형 단하지 보조기는 보행 시 안정성을 제공하며 정상보행과 유사한 발목관절의 저 굴 및 배굴을 발생시킬 수 있음을 확인하였다.
- 4W/kg, AAFO 보행의 경우 약 1W/kg의 최대 일률을 보였다. 이는 SAFO 보행에 비해 약 2.5배의 일률이지만, 정상보행에 비하면 약 0.6배의 일률에 불과해 전유각기의 저굴 시 구동부의 속도를 더 높여줄 필요성이 있음을 알 수 있었다.
- 9° 의 최대배굴이 일어났다. 전체 ROMe 약 33.4° 로 정상보행의 발목관절 ROM인 약 25°에 비해 충분히 큰 ROM을 제공할 수 있었다 또한 모터의 회전수를 확인함으로써 AAFO의 발목관절의 저굴/배굴 각도를 파악하고, AAFO 의 발목관절의 각도를 제어할 수 있었다.
- 나타낸다. 정상보행에 비해 SAFO 보행 시 말기 입각기, 전유각기, 초기유각기, 중간유각기 및 말기유각기에 큰 외회전을 하는 골반외회전(hip external rotation)의 특성을 보였다. 그러나 AAFO 보행의 경우 정상보행에 비해 하중 수용기 동안 약간의 내회전을 보이고 전유각기에 약간의 외회전을 보였으나 전체적으로 정상보행과 거의 유사한 운동 특성을 보였다.
- 나타낸다. 정상보행에 비해 SAFO 보행 시 전유 각기와 초기유각기에 골반이 급격히 위쪽으로 기울어짐으로써 골반 상승(hip hiking)의 특성을 보였다. 반면에 AAFO 보행 시 정상보행에 비해 약간 작은 위쪽 기울어짐을 보였지만 전체적으로 거의 유사한 각도 변화를 보였다.
- 정상보행의 경우 전유각기에 약 1.7W/kg의 최대 일률을 보였고 SAFO 보행의 경우 약 0.4W/kg, AAFO 보행의 경우 약 1W/kg의 최대 일률을 보였다. 이는 SAFO 보행에 비해 약 2.
- 표 2에서와 같이 PWM의 양이 증가할수록 구동부에 의해서 발생되는 동적 토크는 증가하였으며, 최대 100%의 PWM이 주어졌을 경우 구동부에 의해 발생되는 최대 토크는 97.2Nm임을 알 수 있었다. 이는 60kg의 정상인의 발목 저 굴 모멘트인 90Nm보匸다 충분히 큰 값이다(Winter, 1990).
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