교통사고, 산업재해 등으로 인해 척수에 손상을 입어 하지 및 사지 마비가 일어나는 인구가 꾸준히 증가하고 있다. 대부분의 하반신 마비환자는 운동기능의 상실로 인하여 근력의 약화, 감각기능의 소실, 방광 및 장 기능 통제 소실, 자율 신경의 이상 등의 증상을 나타낸다. 이들의 재활치료를 위하여 보조기를 이용한 보행훈련은 하지관절의 구축방지 및 강직의 감소, 피부 욕창방지 효과 뿐만 아니라 일상생활 동작 및 이동을 스스로 유지할 수 있도록 향상시킨다. 하지마비 환자의 보행보조를 위하여 많은 연구자들은 환자의 자신의 근력 또는 외
교통사고, 산업재해 등으로 인해 척수에 손상을 입어 하지 및 사지 마비가 일어나는 인구가 꾸준히 증가하고 있다. 대부분의 하반신 마비환자는 운동기능의 상실로 인하여 근력의 약화, 감각기능의 소실, 방광 및 장 기능 통제 소실, 자율 신경의 이상 등의 증상을 나타낸다. 이들의 재활치료를 위하여 보조기를 이용한 보행훈련은 하지관절의 구축방지 및 강직의 감소, 피부 욕창방지 효과 뿐만 아니라 일상생활 동작 및 이동을 스스로 유지할 수 있도록 향상시킨다. 하지마비 환자의 보행보조를 위하여 많은 연구자들은 환자의 자신의 근력 또는 외부 동력을 이용하거나 두 방식을 혼합한 하이브리드 보행보조기를 개발하였다. 하지만 현재까지 개발된 보조기는 에너지 과다 소비 및 근육의 피로를 줄이고 실효성이 낮은 단점이 있었다. 동력보행보조기(PGO)는 의행보조장치와 공압근육에 공기를 공급하는 압축공기공급시스템, 센서, 제어시스템으로 구성된다. 보행보조기는 체중심의 10㎝ 아래에 회전장치를 부착하여 골반 밴드가 고관절 조인트와 연결된 측면 회전바의 상호작용에 의하여 왕복보행운동이 가능하도록 구성하였다. 공압근육은 고관절 회전부위에 부착하여 고관절 굴곡근 역할을 보조하도록 양측 대퇴부에 각각 하나씩 부착하였다. 압축공기 공급시스템은 솔레노이드 밸브(MAC, 미국), 에어펌프(코리아 뉴메틱, 한국), 어커뮬레이터, 압력센서등으로 구성되어 있다. 공압근육을 이용한 제어 시스템은 밸브의 개폐 시간, 최대속도, 시스템 지연시간, 최대 공압, 외부부하의 크기에 따라 길이 및 굴곡각도가 변하기 때문에 정밀한 제어가 어렵다. 2차제어 특성을 가지는 공압근육의 정밀한 제어를 위하여 공압근육과 압력과 부하의 관계 대한 모델링이 되어야 한다. 또한 동적 보행시 공압근육에 부하되는 하중에 따라 공압근육의 수축속도 및 길이의 차이를 고려해 주어야 한다. 1㎏의 정적 부하시 최대 굴곡각도는 $20^{\circ}$, 최대 각속도는 $32.8^{\circ}$/sec이며, 시스템의 지연시간은 평균 $0.62{\pm}0.03s$ 이었다. 공압근육의 특성으로 인하여 시스템을 정밀하게는 제어할 수는 없지만 보행속도가 느린 마비환자의 입각기와 전유각기에 발가락 들림을 보조하기 위한 고관절 제어 및 보행패턴 유도가 가능하다.
Abstract▼
To enable the SCI patients to stnad and walk theselves is one of the goals in the rehabilitation engineering. The resciprocationg gait orthosis (RGD) was proposed for the paraplegic individual who is unable to stand or walk. RGO is to couple the right and left sides of the orthosis by specially desi
To enable the SCI patients to stnad and walk theselves is one of the goals in the rehabilitation engineering. The resciprocationg gait orthosis (RGD) was proposed for the paraplegic individual who is unable to stand or walk. RGO is to couple the right and left sides of the orthosis by specially designed hip joints and pelvic section. The function of RGO is that hip extension In one joint results in hip flexion on the contralateral side. However it needs many energy expenditure because patients use pelvis and trunk movement excessively for gait. Role of artificial muscles assist hip flexion. To evaluat the PGO for paraplegic patient, we analyse three dimensional gait motion and energy consumption test. We show energy efficiency of the paraplegic during ambulation is improved. In this study the PGO is consisted of pneumatic muscles actuators(PMA), a compressed air system, pressure and angle sensors, and a controller. PD controller was designed controlling positions of the gait cycle. A healthy male who is trained like as paraplegic and a SCI patient participated in this experiment as subjects. The experimental conditions were compared individual factors with and without artificial muscle in PGO. The kinematic data of lower-limbs joints and the rate of oxygen consumption were obtained with the motion analysis system (Vicon370, UK) and the oxygon consumption tool (K4, Cosmed Co., Italy), repectively. While the subjects walk on parallel bars, PMA was actuated at heel-off in order to assist hip flexion. As experimental results, the oxygen consumption rate revealed 7.71 (m/min/kg) in RGO and 6.67(m1/min/Kg) in PGO. Maximum hip flexion angle and its velocity in RGO were $32.6{\pm}3.2^{\circ}$ and $17{\pm}4.2^{\circ}/sec$ respectively, and pelvic rotation angle was $11.27{\pm}2.23$. In PGO, maximum hip flexion angle and its velocity were $35.4{\pm}2.1^{\circ}$ and $30.8{\pm}2.5^{\circ}/sec$ respectively and pelvic rotation angle was $6.48{\pm}1.9^{\circ}$. It was decreased excessive pelvic rotation and hip flexion was more easy in PGO gait. As the result energy consumption was decreased more than RGO gait.In this paper we proposed PGO using PMA for SCI patients. The PD controller was designed to control the PGO. As a result, maximum flexion angle of hip joint was $35.4{\pm}2.1^{\circ}$, and angular velocity was $30.8{\pm}2.5^{\circ}/sec$. Energy consumption was decreased when using PGO The proposed PGO in this paper can be useful assitive device for the paraplegics to walk.
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