초록 ▼

□ 연구개요
건측과 환측의 보행 비대칭 최소화를 위한 동기화 알고리즘과 보행환경 전환 조기감지 알고리즘을 개발하여, 건측의 발목과 중족관절의 생체역학적 거동을 모사함으로써 보행의 질을 향상시키고 보행안정성을 확보할 수 있는 스마트 하퇴의족 설계 원천기술 개발

□ 연구 목표대비 연구결과
■ 발목관절의 준정적 강성과 중족관절 최대힘 측정을 위한 장치를 개발하고 발목관절 준정적 강성과 중족관절의 모멘트를 정량적으로 계산
- 개발된 측정장치를 이용하여 남성 피실험자 4명을 대상으로 실험을 진행한 결과, 발목관절

□ 연구개요
건측과 환측의 보행 비대칭 최소화를 위한 동기화 알고리즘과 보행환경 전환 조기감지 알고리즘을 개발하여, 건측의 발목과 중족관절의 생체역학적 거동을 모사함으로써 보행의 질을 향상시키고 보행안정성을 확보할 수 있는 스마트 하퇴의족 설계 원천기술 개발

□ 연구 목표대비 연구결과
■ 발목관절의 준정적 강성과 중족관절 최대힘 측정을 위한 장치를 개발하고 발목관절 준정적 강성과 중족관절의 모멘트를 정량적으로 계산
- 개발된 측정장치를 이용하여 남성 피실험자 4명을 대상으로 실험을 진행한 결과, 발목관절 최대 모멘트는 약 38.4 Nm, 발목관절의 최대 강성은 24.5 Nm/rad 였음.
- 남성 4명, 여성 2명을 대상으로 앉은 상태 및 서 있는 상태에서 발가락 최대 힘을 측정하였음. “모멘트=모멘트암x관절 힘” 관계식을 이용하여 계산한 결과, 발가락 최대 모멘트는 앉은 자세에서 6.74 ± 2.53 Nm, 그리고 선 자세에서 7.70 ± 3.23 Nm 였음.
■ 보행환경이 전환되는 시점에서의 동작특성을 분석 및 다양한 환경 변화를 조기 감지하는 보행환경 구분 알고리즘 개발
- 해부학적 랜드마크에 반사마커 및 11개의 하지 주요 근육에 근전도를 부착하고 남성 피실험자 5명을 대상으로 다양한 보행환경에서 동작분석 실험을 진행하여 운동학/운동역학 및 근전도 데이터베이스를 구축하였음.
- 인공신경망은 입력 레이어와 1개의 히든레이어, 그리고 출력레이어로 구성됨. 입각기 동안의 11개 근육의 근전도 프로파일 데이터를 인공신경망의 입력값으로 사용함. 전체 측정된 데이터의 80 %로 모델을 생성하고, 나머지 20 %로 테스트 데이터로 사용하여 모델을 검증함. 그 결과, 인공신경망을 통해 95.3 %의 확률로 13개의 보행환경을 구분하였음.
■ 발목 및 중족관절의 강성 최적화를 위한 3차원 근골격 모델 개발 및 분석
- 오픈심 힐타입(hill-type) 근골격 모델에서 일부 근육을 비활성 시킴으로써 하퇴절단 모델을 구현함. 관절의 기능을 모사하기 위해 스프링으로 구성된 액추에이터를 모델링하여 강성의 변화를 확인하고, 그에 따라 다양한 보행환경에서 보행 시 보상 모멘트 최대값을 계산하였음. 그 결과, 최적의 발목관절 수동형 구동부 강성은 10,000 N/m, 중족관절부의 액추에이터 강성은 5,000 N/m로 최종 결정함.
■ 발목과 중족관절의 기능을 구현하는 하퇴의족 프로토타입 설계 및 개발
- 하퇴의족의 발목관절 구동부에서 최대 969.6 N의 출력 힘과 63.0°의 발목관절 가동범위를 확보함. 가변강성을 구현할 수 있는 직렬탄성 구동기 (series elastic actuator, SEA) 메커니즘을 적용하여 보행 시 발목 각도에 따라 필요한 발목관절 모멘트를 보조하도록 설계함.
- 중족관절부는 힌지 조인트로, 모터 구동 없이 족배굴곡 각도가 증가함에 따라 2개의 병렬 배치된 스프링이 인장되어 중족관절부의 모멘트가 증가할 수 있도록 설계하였음.
■ 환측과 건측의 운동학 불균형을 최소화하는 동기화 알고리즘 개발
- 관성측정 센서를 통해 보행시 획득한 좌우측 발목관절 각도를 비교 분석하여 평균 제곱근 오차를 계산한 결과, 약 4.0°였음. 하퇴의족 착용 후 환측과 건측 간 발목관절 각도의 평균 제곱근 오차가 정상인의 좌우 발목관절 각도의 평균 제곱근 오차범위 안에 포함되도록 제어하는 동기화 알고리즘을 고안했음.
■ 동기화 시스템 적용 전후 보행패턴 분석을 통한 스마트 하퇴의족 평가
- 동기화 시스템 적용 전/후 각 보행환경에서 입각기 동안 건측의 내외측 경골 고평부의 접촉력과 무릎 관절의 내외반 모멘트를 비교하여 동기화 시스템이 탑재된 하퇴의족의 성능을 평가함. 모든 보행환경에서 입각기 동안 건측의 최대 내외측 경골 고평부 접촉력과 무릎관절의 내반 모멘트는 동기화 시스템이 적용된 하퇴의족에서 감소함을 확인했음.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
■ 본 연구결과로 출원 및 등록된 특허는 “생체신호 기반 보행환경 구분 알고리즘”과 다양한 보행환경에서 보행 시 보행환경에 따라 적절한 시점에 구동력을 제공할 수 있는 “다중 시점 잠금이 가능한 클러치 조립체”를 기반으로 추후 기술이전을 통해 의족, 소프트 엑소수트 및 외골격 장치에 적용하여 보행보조장치의 상용화에 이바지할 수 있을 것으로 사료됨.
■ 본 연구에서 개발한 하퇴의족을 포함하는 3D 근골격 모델은 최종 개발된 하퇴의족의 발목 관절과 중족관절의 기능을 반영하고 있음. 이 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행하면 의족 개발 시 필요한 설계 파라미터 최적화가 가능하게 되어 하퇴의족의 완성도를 높이는 설계 개선에 활용 가능함.
■ 본 연구를 통해 개발되는 보행환경구분 알고리즘과 동기화 알고리즘, 중족관절을 모사하는 설계는 의족뿐 아니라 이족보행로봇, 외골격 보행보조장치 등 타 분야에 적용이 가능한 원천 기술을 제공 및 활용 가능할 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구개발의 목적 및 범위 ... 4
• 나. 연구의 필요성 ... 4
• 다. 연구가설 및 연구가설의 도출근거 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 17
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 17
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 3) 목표 달성 수준 ... 17
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 18
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 18
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 19
• 7. 참고문헌 ... 19
• 끝페이지 ... 37