[국내논문]족배굴곡 보조용 외골격 보조기가 보행자의 보행패턴 및 하지근육에 미치는 효과 Effect of Exoskeleton Orthosis for Assistance of Dorsiflexion Torque in Walking Pattern and Lower-limb Muscle원문보기
본 연구에서는 하지마비 장애인의 족하수 방지를 위하여 족배굴곡 보조를 위한 외골격 보조기를 개발하였다. 본 보조기는 인공 근육형 공압 액추에이터를 이용한 동력 전달부, 동력부의 고정을 위한 무릎 관절 착용부 및 보행 신호 검출을 위한 발목 관절 착용부로 구성되었다. 보조기는 무릎 관절 착용부와 발목 관절 착용부에 고정되어 족배굴곡 토크를 발생시켰으며, 발바닥 압력센서를 통해 사용자의 보행 단계를 검출하고, 족배굴곡 보조 타이밍을 감지하도록 하였다. 보행에 이상이 없는 건강한 65세 이상 고령자 7명과 20대 성인 10명을 대상으로 외골격 보조기의 족배굴곡 보조에 대한 성능을 확인한 결과, 인공 근육형 공압 액추에이터의 보조 시 전경골근의 근활성이 감소하는 결과가 나타났다. 향후 연구에서는 하지마비 환자를 대상으로 외골격 보조기의 효과를 검증할 것이다.
본 연구에서는 하지마비 장애인의 족하수 방지를 위하여 족배굴곡 보조를 위한 외골격 보조기를 개발하였다. 본 보조기는 인공 근육형 공압 액추에이터를 이용한 동력 전달부, 동력부의 고정을 위한 무릎 관절 착용부 및 보행 신호 검출을 위한 발목 관절 착용부로 구성되었다. 보조기는 무릎 관절 착용부와 발목 관절 착용부에 고정되어 족배굴곡 토크를 발생시켰으며, 발바닥 압력센서를 통해 사용자의 보행 단계를 검출하고, 족배굴곡 보조 타이밍을 감지하도록 하였다. 보행에 이상이 없는 건강한 65세 이상 고령자 7명과 20대 성인 10명을 대상으로 외골격 보조기의 족배굴곡 보조에 대한 성능을 확인한 결과, 인공 근육형 공압 액추에이터의 보조 시 전경골근의 근활성이 감소하는 결과가 나타났다. 향후 연구에서는 하지마비 환자를 대상으로 외골격 보조기의 효과를 검증할 것이다.
In this study, the exoskeleton orthosis for the assistance of dorsiflexion torque in ankle joint to prevent foot-drop was developed. It was consist of three part; 1) the power part using artificial pneumatic actuator, 2) wearing part of ankle and knee joints to fix the orthosis, and 3) control part ...
In this study, the exoskeleton orthosis for the assistance of dorsiflexion torque in ankle joint to prevent foot-drop was developed. It was consist of three part; 1) the power part using artificial pneumatic actuator, 2) wearing part of ankle and knee joints to fix the orthosis, and 3) control part to detect the gait phase using physiological signal. The dorsiflexion torque was generated by the artificial pneumatic actuator connected with wearing part between ankle and knee joint. The accurate timing to assist dorsiflexion torque is made up of physiological signal in foot sole part that detect the gait phase, that is, stance and swing phase in each foot. We conduct the experiment to investigate the effect of exoskeleton orthosis to the 7 elderly people and 10 healthy people. The result showed that the muscular activities in tibialis anterior muscle were reduced because of the assistance of dorsiflexion torque in ankle joint using the exoskeleton orthosis.
In this study, the exoskeleton orthosis for the assistance of dorsiflexion torque in ankle joint to prevent foot-drop was developed. It was consist of three part; 1) the power part using artificial pneumatic actuator, 2) wearing part of ankle and knee joints to fix the orthosis, and 3) control part to detect the gait phase using physiological signal. The dorsiflexion torque was generated by the artificial pneumatic actuator connected with wearing part between ankle and knee joint. The accurate timing to assist dorsiflexion torque is made up of physiological signal in foot sole part that detect the gait phase, that is, stance and swing phase in each foot. We conduct the experiment to investigate the effect of exoskeleton orthosis to the 7 elderly people and 10 healthy people. The result showed that the muscular activities in tibialis anterior muscle were reduced because of the assistance of dorsiflexion torque in ankle joint using the exoskeleton orthosis.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 사용자의 보행의지 검출에 따라, 가벼운 인공 근육형 공압 액추에이터를 이용 하여 보행 시 족배굴곡을 보조할 수 있는 외골격보조기를 개발하였고 그 성능을 확인하고자 인체영 향평가를 실시하였다.
본 연구에서는 인공 근육형 공압 액추에이터를 이용하여 보행 시 발목관절의 족배굴곡(Dorsi flexion)을 보조하는 외골격 보조기를 개발하였으며, 외골격 보조기 착용 후 인공 근육형 공압 액추에이터의 제어 유·무에 따른 보행 패턴과 하지근육에 대한 효과를 검증하였다.
본 연구에서는 인체의 근육 신호를 이용한 인공 근육형 공압 액추에이터 제어가 가능하도록 외골격보조기를 개발하였고, 그에 따라 보행에 문제가 없는 건강한 65세 이상 고령자와 20대 성인을 대상으로 보조기 착용이 하지 근육의 활성도 변화와 보행패턴에 미치는 영향을 평가하였다.
본 연구에서는 족하수 방지용 외골격 보조기를 평가하기 위하여 보행 시 하지근육의 활성도를 측정하였다. 피험자들은 보행에 문제가 없는 65세 이상의 고령자 7명과 20대 성인 10명이며, 표 1은 참여한 피험자들의 정보를 나타낸 것이다.
제안 방법
그림 7은 실험 프로토콜 블록 다이어그램으로써 17명의 피험자들은 3가지 조건에 따라 트레드밀 위에서 20초씩 보행을 실시하였으며, 보행하는 동안의 하지 근 활성도를 평가하였다.
, UK)를 프레임의 맨 아래 중앙부분에 부착함으로써 발목의 족배굴곡을 일으키는 전경골근 역할을 하도록 하였다. 또한, 인공 근육형 공압 액추에이터와 발목 당김 고리링과의 연결을 위하여 0～10cm 사이의 길이 조절이 가능한줄 장력 조절 캡을 인공 근육형 공압 액추에이터의 끝부분에 부착하였다.
평가에 앞서 근전도 센서에 가해지는 초기 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 예비실험을 진행하였으며, 외골격 보조기의 고정 밴드의 위치를 각 피험자의 다리길이에 맞추어 고정시킴으로써 족배굴곡 운동에 따른 하지근육의 정확한 근전도 신호를 측정하 였다. 또한, 피험자들이 트레드밀 위에서의 보행에 익숙해지기 위하여 5분간 걷기를 실시하였다.
받지 않았을 때(Non active with orthosis, NA), 외 골격 보조기를 착용한 상태에서 인공 근육형 공압액추에이터의 보조를 받았을 때(Active with orthosis, A)의 3가지 조건으로 나누어 진행하였다.
그림 4와 같이 압력센서를 이용한 발바닥 압력센서 기구부가 그림 2의 발목 당김 후크와 연결되도록 기구부 앞쪽에 고리를 부착하였다. 발바닥 압력센서 기구부는 발목고정 스트랩을 이용하여 쉽게탈부착이 가능한 형태로 제작하였으며, 신발을 신고도 착용할 수 있고 쉽게 들어 올릴 수 있도록 경량화 하여 제작하였다.
본 연구에서 사용된 제어 프로그램은 보행보조 제어 알고리즘으로써, 발바닥 기구부의 발바닥 앞부분과 뒷부분의 압력센서 신호를 이용하였다. 그림 6과 같이 각각 두 개의 발바닥 압력센서 중 뒷꿈치압력센서가 눌리고 난 뒤 발바닥 앞쪽의 압력센서가 눌리고, 발바닥의 체중지지가 감소하는 부분에서 다시 신호의 감쇠가 일어나는 시점을 족배굴곡 보조가 시작되는 시간으로 감지한다.
그림 2는 무릎 관절에 고정되는 외골격 보조기 (Townsend A Thuasne Company, USA)로 무릎을 지지해주고 기본 골격을 이루는 프레임이며 탄력밴 드를 이용하여 쉽게 탈부착이 가능한 형태로 제작되었다. 인공 근육형 공압 액추에이터(Shadow Robot Company Ltd., UK)를 프레임의 맨 아래 중앙부분에 부착함으로써 발목의 족배굴곡을 일으키는 전경골근 역할을 하도록 하였다. 또한, 인공 근육형 공압 액추에이터와 발목 당김 고리링과의 연결을 위하여 0～10cm 사이의 길이 조절이 가능한줄 장력 조절 캡을 인공 근육형 공압 액추에이터의 끝부분에 부착하였다.
평가에 앞서 근전도 센서에 가해지는 초기 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 예비실험을 진행하였으며, 외골격 보조기의 고정 밴드의 위치를 각 피험자의 다리길이에 맞추어 고정시킴으로써 족배굴곡 운동에 따른 하지근육의 정확한 근전도 신호를 측정하 였다. 또한, 피험자들이 트레드밀 위에서의 보행에 익숙해지기 위하여 5분간 걷기를 실시하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 족하수 방지용 외골격 보조기를 평가하기 위하여 보행 시 하지근육의 활성도를 측정하였다. 피험자들은 보행에 문제가 없는 65세 이상의 고령자 7명과 20대 성인 10명이며, 표 1은 참여한 피험자들의 정보를 나타낸 것이다. 또한, 하지근력에 이상이 없고 최근 3개월간 임상시험에 참여하지 않았으며 피험자들은 모두 평가에 참가하기 전, 평가 전체과정에 대한 설명을 듣고 자발적 동의를 하였다.
데이터처리
0 kor.(SPSS Inc., Chicago, USA) 을 사용하여 하지 근활성의 변화에 대한 각각의 평균과 표준편차를 계산하였다. 모든 결과는 Kolmogorov-smirnov 검정을 통해 정규성 검정을 하였으며, 보조기 착용 유·무와 공압 제어 유·무에따른 대퇴직근, 대퇴이두근, 전경골근, 비복근의 차이 변화를 분석하기 위하여 대응표본 T 검정을 실시하였다.
또한 사후검정(Post hoc analysis)을 통하여 측정 시 발생되는 측정 오차 사이의 통계적 유의성을 검증하였으며, 유의수준은 *p<0.05이다.
모든 결과는 Kolmogorov-smirnov 검정을 통해 정규성 검정을 하였으며, 보조기 착용 유·무와 공압 제어 유·무에따른 대퇴직근, 대퇴이두근, 전경골근, 비복근의 차이 변화를 분석하기 위하여 대응표본 T 검정을 실시하였다.
이때 풋 압력센서를 통해 얻어지는 값은 솔레노이드 밸브를 제어하기 위한 명령 신호로 사용된다. 제어 프로그램은 상용프로그램인 NI LabVIEW 8.0(National Instruments Co., USA) 을 이용하여 구현하였다.
이론/모형
하지 근육의 활성도를 분석하기 위하여 Bagnoli EMG System(Delsys, USA)을 사용하였고, Sampling rate는 100Hz로 설정하였으며, 분석 방식으로는 RMS(root mean square)를 사용하였다.
성능/효과
그림 11은 보행 시 조건에 따른 전경골근의 근활성을 나타낸 결과이다. 65세 이상 고령자의 경우 조건 NO와 NA를 비교하였을 때 NA에서 근활성이 증가하였으며, NO와 A를 비교하였을 때 A에서 근활성이 유의한 차이를 보이며 감소하는 결과가 나타났다. 또한, 20대 성인의 경우 조건 NA와 A를 비교하였을 때 A에서 근활성이 유의하게 감소하는 결과가 나타냈다.
그림 14는 조건에 따라 트레드밀 위에서 보행 시양발의 입각기를 비율로 나타낸 결과로, X축은 고령자와 20대 피험자의 각 조건을 나타내며 Y축은양발의 입각기 비율을 나타낸다. 그 결과 모든 조건에서 양발의 입각기 비율 변화가 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 족하수 방지용 외골격 보조기가 피험자의 보행패턴 변화에 영향을 미치지 않기 때문이라 판단된다.
그림 9, 10은 대퇴직근과 대퇴이두근의 근 활성 변화를 나타낸 그래프이다. 그 결과 모든 조건에서근 활성도의 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 인공 근육형 공압 액추에이터를 이용하여 보행 시 발목관절의 족배굴곡(Dorsi flexion)을 보조하는 외골격 보조기를 개발하였으며, 외골격 보조기 착용 후 인공 근육형 공압 액추에이터의 제어 유·무에 따른 보행 패턴과 하지근육에 대한 효과를 검증하였다. 그 결과, 인공 근육형 공압액추에이터가 장착된 보조기를 착용한 상태에서의 보행 시 발목관절의 족배굴곡을 보조하기 때문에 전경골근의 근활성이 유의하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 보조기의 착용으로 인하여 피험자들의 보행패턴에 변화가 없음을 알 수 있었다.
따라서, 발목관절의 족배굴곡 보조는 보행자의 보행패턴에 영향을 미치지 않으며, 발바닥 기구부에 내장된 압력센서가 보행 의지를 검출하고 적절한 족배굴곡 보조 타이밍을 통해 전경골근을 보조하기 때문에 족배굴곡 보조가 필요한 고령자나 환자들의 보행 능력 향상에 큰 도움이 될 것이라 판단된다.
65세 이상 고령자의 경우 조건 NO와 NA를 비교하였을 때 NA에서 근활성이 증가하였으며, NO와 A를 비교하였을 때 A에서 근활성이 유의한 차이를 보이며 감소하는 결과가 나타났다. 또한, 20대 성인의 경우 조건 NA와 A를 비교하였을 때 A에서 근활성이 유의하게 감소하는 결과가 나타냈다. 이는 보행 시, 보조기 앞쪽에 부착된 인공 근육형 공압 액추에이터가 유각기에서 족배굴곡을 보조하기 때문에 발등을 들어 올리는 역할을 하는 전경골근의 근활성이 적게 나타난 것으로 사료된다.
그 결과, 인공 근육형 공압액추에이터가 장착된 보조기를 착용한 상태에서의 보행 시 발목관절의 족배굴곡을 보조하기 때문에 전경골근의 근활성이 유의하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 보조기의 착용으로 인하여 피험자들의 보행패턴에 변화가 없음을 알 수 있었다.
이러한 결과는 족하수 방지용 외골격 보조기가 피험자의 보행패턴 변화에 영향을 미치지 않기 때문이라 판단된다. 즉, 피험자가 보조를 받을 시새로운 자극으로 인하여 보행패턴이 변경될 수 있지만, 본 연구에서 개발한 공압 액추에이터를 이용한 보조기는 보행패턴의 변화를 주지 않기 때문에 그로 인하여 발생되는 낙상 및 부상에 대하여 위험이 없을 것으로 사료된다.
이는 보행 시, 보조기 앞쪽에 부착된 인공 근육형 공압 액추에이터가 유각기에서 족배굴곡을 보조하기 때문에 발등을 들어 올리는 역할을 하는 전경골근의 근활성이 적게 나타난 것으로 사료된다. 특히, 20대 성인의 조건 NO와 NA를 비교하였을 때 NA에서 근활성이 감소하는 경향을 보이는 듯했으나 유의한 차이가 없는 반면에, 고령자는 근활성이 증가한 결과를 얻었다. 이는 20대 성인의 경우 보조기 착용이 20대의 근력에 민감하게 영향을 미치지 않은 반면 고령자는 경량의 보조기 무게라도 고령자의 근력에 영향을 주는 것으로 판단된다.
후속연구
또한 경량화로 제작하였고 정해진 보행패턴을 강요하는 것이 아니기 때문에 인체에 무리를 주지 않고 효율적으로 족배굴곡을 보조할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구의 결과 노화로 인하여 정상 보행을 수행하지 못하는 고령자, 사고로 인하여 정상적인 발목관절의 족배굴곡이 불가능한 환자, 뇌졸중이나 척수장애로 인하여 하지마비가 있는 장애인들의 보행을 보조할 수 있는 보조기에 관한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
향후 연구에서는 장애인과 같은 저속 보행자를 대상으로 공압 액추에이터를 장착한 보조기의 보조효과를 평가하기 위한 연구를 진행할 것이다. 특히, 장애인과 일반인의 센서로부터 나오는 출력값의 차이를 감안하여 장애인의 생체신호 패턴에 맞는 족하수 방지용 외골격 보조기 제어 알고리즘을 개발 하는 연구를 진행할 것이다.
향후 연구에서는 장애인과 같은 저속 보행자를 대상으로 공압 액추에이터를 장착한 보조기의 보조효과를 평가하기 위한 연구를 진행할 것이다. 특히, 장애인과 일반인의 센서로부터 나오는 출력값의 차이를 감안하여 장애인의 생체신호 패턴에 맞는 족하수 방지용 외골격 보조기 제어 알고리즘을 개발 하는 연구를 진행할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
보행이란 무엇인가?
인간의 신경과 근골격 등이 총괄적으로 사용되는보행은 입각기의 안정된 상태를 유지하면서 동시에 신체를 앞으로 움직이는 하지의 반복적인 동작이다 [1]. 이러한 반복적인 동작에 의해 인간은 신체를 이동시키게 되는데 원활한 이동을 하기 위한 중요한 요소 중 하나는 유각기에서의 안정적인 발목 관절의 족배굴곡(dorsiflexion) 동작으로 인한 족하수 (foot-drop)를 방지하는 기능이다.
족하수 증상은 어떠한 환자들에게 자주 발생되나?
이 경우에 발끝을 제대로 들어 올리지 못하는 족하수 증상이 발생하게 된다. 특히, 이러한 족하수 증상은 경련성 마비환자들에게 자주 발생된다[2-4].
인공 근육형 공압 액추에이터의 구조는 어떠한가?
그림 3과 같이, 본 연구에서 사용된 작고 가벼운특성을 가진 인공 근육형 공압 액추에이터는 부드럽게 동작하며 제어하기 쉬운 장점을 가지고 있다 [16]. 또한 플라스틱 재질의 그물망이 고무튜브를감싸고 있는 구조로 되어 있으며, 공기의 압력을 높이면 근육이 수축되고, 공기의 압력을 낮추면 근육이 이완되어 인간의 근육운동 형태와 유사하게 동작된다. 지름은 20mm, 길이는 210mm, 무게는 약 40g이며 평균적으로 당기는 힘은 12kg이고 최대 당김힘은 20kg에 달한다.
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