[논문]능동형 대퇴의지 시스템의 설계 및 최적화 연구

정진호; 이광희; 이철희

[국내논문] 능동형 대퇴의지 시스템의 설계 및 최적화 연구
Design and Optimization of Active Transfemoral Prosthesis System 원문보기

재활복지공학회논문지 = Journal of rehabilitation welfare engineering & assistive technology, v.8 no.4, 2014년, pp.283 - 289

정진호 (인하대학교 기계공학과) , 이광희 (인하대학교 기계공학과) , 이철희 (인하대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 능동형 대퇴의지 시스템의 설계 및 최적화에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구의 능동형 대퇴의지 시스템은 무릎부의 1 자유도를 통해 슬관절의 움직임을 모사하는데, 실제 다리의 기능을 대체하는 것이므로 사람의 다리 무게와 최대한 유사해야 하며, 경량화가 중요한 요소라고 할 수 있다. 본 연구에서는 기존에 개발된 3-링크 구조의 능동형 의지 시스템의 문제점을 보완하기 위해 기어 구동 방식의 능동형 대퇴의지 시스템을 설계 및 제작하였고, 사용자의 만족감 향상 및 피로도 저감을 위해 최적화를 통한 경량화를 진행하고 유한요소해석을 통해 응력 및 변위 특성을 분석하고 안정성을 검증하였다. 또한 능동형 의지 시스템이 사용자의 보행 의도에 맞추어 작동하기 위해 의지의 인공 발에 스트레인 게이지를 부착하여 보행시 발의 앞, 뒷부분에 각기 다르게 가해지는 하중을 측정, 보행 주기를 판단할 수 있도록 한다. 이 때 스트레인 게이지는 미세한 변형에도 민감하게 반응하므로 유한요소해석을 통해 적절한 부착위치를 결정하고, 실제 제작 및 실험을 통해 안정성 및 보행주기 판단 여부를 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a design and optimization of the fully-active transfemoral prosthesis leg system. As it has one degree of freedom in knee joint, this prosthesis leg can imitate the human's gait. The weight of system, which makes the users more comfortable due to less tiredness, and the knee joint torque to rise stability of the system are major factors of prosthesis leg system. Thus the mechanism of prosthesis changes from 3-linkage type to geared type. The sensorized foot is also designed to effectively determine human's gait by measuring deformation of the foot during gait. Topology optimization is carried out for the sensorized foot to remove its unnecessary weight. The safety of optimized foot is verified by carrying out finite element analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

능동형 대퇴의지 시스템의 평지 보행 알고리즘은 그림 6과 같이 5단계로 세분화되며, 본 연구의 인공 발은 보행 주기별 앞, 뒤꿈치에 인가되는 하중의 변화를 실시간으로 측정함으로써 입각기(Stance Phase)와 유각기(Swing Phase)를 구분하는 사전 입 각기(Pre-landing)와 사전 유각기(Pre-swing)의 단계를 판별하기 위한 목적으로 개발되었다.
따라서 본 연구에서는 유성기어 기반의 감속기를 적용한 기어 구동방식의 능동형 대퇴의지를 개발하였다. 본 기어 구동 방식 시제품은 3-링크 구조의 시제품과 무릎 조인트, 정강이 및 인공 발 등 큰 범위에서의 구성품은 유사하다.
1% 에 해당하는 무게 증가가 발생하므로 사용자의 편의성 및 만족도에 영향이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구의 인공 발은 기계 시스템에 일반적으로 사용되는 알루미늄 6061-T6의 사용을 전제로 인공 발의 경량화를 위해하중조건을 만족하는 강도를 가짐과 동시에 가장 가벼운 구조의 설계를 위한 위상 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 능동형 대퇴 의지 및 보행 주기 측정을 위한 인공 발을 설계하였고, 위상 최적화를 통한 경량화 수행 및 유한요소 해석을 통한 안정성 검증을 수행하였다. 최적화 결과 능동형 의지 시스템은 기존 연구의 시제품 대비 중량은 33.
본 연구에서는 환자의 만족감 및 피로도에 직접적으로 영향을 미칠 수 있는 의족의 무게를 감소시키기 위하여 기어 구동 방식의 능동형 대퇴의지를 개발하고, 의지가 보행 주기를 판단할 수 있도록 하는 센서 기반의 인공 발을 설계하였고, 이에 대한 위상최적화를 수행하였다. 최적화된 인공 발은 유한 요소해석을 통해 안정성을 검증하였다.

제안 방법

실제로 유성기어열(Stage)이 1단 늘어날 경우 100 g의 무게가 늘어나게 된다. 따라서 무게 증가분을 최소화하기 위해 유성기어 2열(Stage)로 156:1의 감속비를 적용할 수 있는 감속기를 장착했고, 구동부의 축 사이에서 2:1의 감속비를 추가로 적용하여 최종적으로 312:1 의 기어비를 적용하였다. 이 때 모터부의무게는 감속기의 무게인 360 g만큼 증가하였고, 최종 무릎 토크는 41.
따라서 무릎 토크와 길이 부분에서의 문제점을 해결하기 위해 구동 방식을 볼스크류를 통한 리니어 액추에이터 방식에서 감속기를 통한 기어 구동방식으로 변경하였다.
4%의 경량화를 달성 하였고, 유한요소 해석 결과 최대 응력은 사용 재료인 알루미늄 6061-T6의 인장강도의 범위 내에 있어 안정함을 확인하였다. 또한 정적 해석을 통한 변형량 분포를 확인하여 발바닥 전, 후의 하중 측정을 위한 스트레인게이지의 부착 위치를 선정하였다. 본 연구를 통해 경량화 된 능동형 의지 시스템을 통해 안정성을 확보함과 동시에 가벼워진 무게와 보행 주기의 정확한 판단으로 사용자의 만족도를 높일 수 있을 것으로 기대하며, 향후 사용자의 만족도 향상을 위해 보행 주기 판단의 정확도 향상 및 발목의 자유도 구현을 통한 2 자유도의 능동형 의지에 대한 연구를 수행할 예정이다.
이후 최적화된 인공 발의 안정성 검증을 위해 정적 해석을 수행하였으며, 하중조건은 능동형 의지의 최대 지지하중으로 설정된 100kg에 안전율 1.5를 적용한 150kg 이다. 해석 결과는 그림 10과 같다.
그림 7을 참고하여 인공 발의 기초 구조를 설계 하였다. 인공 발은 대퇴의지의 발목과 연결될 중심부와 발바닥 앞, 뒷부분의 하중을 각각 측정하기 위한 전, 후부 등 세 부분으로 나뉘어 설계되었고, 전, 후부의 부품은 발바닥 중간의 오목한 부분을 모사하고자 각각 중심부와 9도(전부), 5도(후부)의 각도로 부착되도록 설계되었다. 설계된 기초 구조는 다음 그림 8과 같다.
이러한 인공 발은 실제 사람의 발을 대신하는 역할을 하므로 기능뿐만 아니라 형상 또한 사람의발 구조와 유사해야 한다. 특히 본 연구의 인공 발은 사람의 발 부분의 뼈에 해당하는 역할을 해야 하므로 신발과 같이 평평한 바닥이 아닌 그림 7의 사람의 뼈 구조와 같은 발 앞, 뒤꿈치 중간의 공간을 모사하여 유사한 구조를 갖도록 하였다 [13].

성능/효과

7% 증가한 성능을 보였다. 그리고 인공 발의 경우 기초 구조 대비 73.3g의 무게 감량을 통해 23.4%의 경량화를 달성 하였고, 유한요소 해석 결과 최대 응력은 사용 재료인 알루미늄 6061-T6의 인장강도의 범위 내에 있어 안정함을 확인하였다. 또한 정적 해석을 통한 변형량 분포를 확인하여 발바닥 전, 후의 하중 측정을 위한 스트레인게이지의 부착 위치를 선정하였다.
특히 측면 프레임의 경우 기존 길이 대비 절반에 가까운 길이만을 가지고, 나머지 부분은 원통형 구조물을 통해 정강이뼈의 기능 및 길이 조정 기능을 수행하도록 설계되었다. 또한 축 및 기어를 제외한 전체적인 부품들의 재질을 기존에 사용한 알루미늄 대비 비중이 절반에 가까운 마그네슘으로 변경하여 기존 대비 경량화 효과를 크게 가져올 수 있었다. 이렇게 설계된 모델은 총 중량 1,287.
4%의 경량화를 달성하였다. 또한, 구조개선 및 최적화를 통한 전체 의지 시스템의 무게 변화는 사양 변화가 없는 제어보드 및 배터리를 제외하고 2,259g에서 1,528.2g 으로 총 32.4%의 중량 감소 효과를 확보하였다.
또한 축 및 기어를 제외한 전체적인 부품들의 재질을 기존에 사용한 알루미늄 대비 비중이 절반에 가까운 마그네슘으로 변경하여 기존 대비 경량화 효과를 크게 가져올 수 있었다. 이렇게 설계된 모델은 총 중량 1,287.7g, 최소 길이 260.5mm, 길이 조정 범위 75mm로 3링크 타입 모델 대비 중량은 33.8% 감소, 최소 길이는 42.1% 감소, 길이 조정 범위는 188.5% 증가하였고, 무릎 토크의 경우 30.7% 증가한 성능을 보였다. 성능 변화는 다음 표 1과 같이 이루어졌으며, 그림 5와 같은 모델이 설계 및 제작되었다.
024mm 으로 확인되었다. 인공 발의 재료로 사용된 알루미늄 6061-T6의 항복강도는 약 276MPa로, 인공 발에 가해지는 최대 응력이 인장강도의 범위 내에 있음을 확인하였고, 이를 통해 하중에 대한 안정성을 검증하였다.
본 연구에서는 능동형 대퇴 의지 및 보행 주기 측정을 위한 인공 발을 설계하였고, 위상 최적화를 통한 경량화 수행 및 유한요소 해석을 통한 안정성 검증을 수행하였다. 최적화 결과 능동형 의지 시스템은 기존 연구의 시제품 대비 중량은 33.8% 감소, 최소 길이는 42.1% 감소, 길이 조정 범위는 188.5%증가하였고, 무릎 토크의 경우 30.7% 증가한 성능을 보였다. 그리고 인공 발의 경우 기초 구조 대비 73.
본 연구에서는 환자의 만족감 및 피로도에 직접적으로 영향을 미칠 수 있는 의족의 무게를 감소시키기 위하여 기어 구동 방식의 능동형 대퇴의지를 개발하고, 의지가 보행 주기를 판단할 수 있도록 하는 센서 기반의 인공 발을 설계하였고, 이에 대한 위상최적화를 수행하였다. 최적화된 인공 발은 유한 요소해석을 통해 안정성을 검증하였다.
이후 도출된 최적 형상을 후처리(Post-processing) 과정을 통해 실질적으로 제작이 가능한 형상으로 수정하고 볼트 부착부 등의 세부적인 설계를 통해 최종적으로 그림 9-(d)와 같이 경량화 된 인공 발을 설계하였다. 최적화된 인공 발의 무게는 240.5g 으로, 기초 구조 설계된 인공 발의 무게인 313.8g 에 비해 73.3g 감소되어 23.4%의 경량화를 달성하였다. 또한, 구조개선 및 최적화를 통한 전체 의지 시스템의 무게 변화는 사양 변화가 없는 제어보드 및 배터리를 제외하고 2,259g에서 1,528.
해석 결과는 그림 10과 같다. 해석 결과 가해지는 최대 응력은 162.7MPa, 최대 변형량은 0.024mm 으로 확인되었다. 인공 발의 재료로 사용된 알루미늄 6061-T6의 항복강도는 약 276MPa로, 인공 발에 가해지는 최대 응력이 인장강도의 범위 내에 있음을 확인하였고, 이를 통해 하중에 대한 안정성을 검증하였다.

후속연구

또한 정적 해석을 통한 변형량 분포를 확인하여 발바닥 전, 후의 하중 측정을 위한 스트레인게이지의 부착 위치를 선정하였다. 본 연구를 통해 경량화 된 능동형 의지 시스템을 통해 안정성을 확보함과 동시에 가벼워진 무게와 보행 주기의 정확한 판단으로 사용자의 만족도를 높일 수 있을 것으로 기대하며, 향후 사용자의 만족도 향상을 위해 보행 주기 판단의 정확도 향상 및 발목의 자유도 구현을 통한 2 자유도의 능동형 의지에 대한 연구를 수행할 예정이다.
해당 위치에 부착되는 스트레인 게이지는 그림 11과 같이 보행 주기별 앞, 뒤꿈치에 인가되는 하중의 변화를 실시간으로 측정함으로써 입각기(Stance Phase)와 유각기(Swing Phase)를 구분하는 사전 입 각기(Pre-landing)와 사전 유각기(Pre-swing)의 단계를 판별하여 보행 단계에 적합한 무릎 각도 제어를 통해 가변적인 보행을 가능하게 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	능동형 대퇴의지란 무엇인가?	능동형 대퇴의지란 대퇴 절단 환자의 다리 역할을 대신할 수 있는 일종의 의족으로, 일반적인 의지와는 달리 환자의 보행 상황이나 보행 의도에 따라의지가 능동적으로 무릎 관절을 움직여 일반인과 같은 자연스러운 보행을 가능하게 하는 것을 목적으로 한 의지이다. 실제 사람의 보행 시 무릎 관절에 작용하는 토크는 그림 1과 같이 보행 주기에 따라 각기 다른 값을 나타내게 된다 [11].
	능동형 대퇴의지 시스템이 유각기와 입각기를 분리함으로써 얻을 수 있는 장점은 무엇인가?	능동형 대퇴의지 시스템이 유각기와 입각기를 분리함으로써 얻을 수 있는 장점은 보행주기를 스스로 판단하여 가변적인 보행을 가능하게 하는 점이다. 이러한 인공 발은 실제 사람의 발을 대신하는 역할을 하므로 기능뿐만 아니라 형상 또한 사람의발 구조와 유사해야 한다.
	하지 장애로 인한 장애인 중 절단 장애인의 장애 원인은 무엇이 있는가?	또한 전체 장애인 중 지체 장애인 수는 약 132만 명으로 전체의약 53%를 차지하며 [1], 지체 장애인 중 절반은 하지 장애로 인한 장애인이다. 또한 이들 중 대부분은 절단 장애인이며 교통사고와 산업재해 등의 사고와 당뇨 등으로 인한 질환성 절단이 장애 원인의 대부분을 차지한다. 이러한 하지 절단 환자들 중 특히 문제가 되는 환자들은 전 세계적으로 700만 명이 존재할 것으로 추산되는 대퇴부, 즉 무릎 위 부분의 절단 환자이다 [2].

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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