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신체 구동식 가변 임피던스를 활용한 리프트 자세 교정 엑소 슈트 개발
윤성식(S. S. Yun),조규진(K. J. Cho) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
흔히, 사람이 편하게 느끼는 자세는 몸에 해로운 자세라고 얘기되곤 한다. 특히, 자세에 신경 쓰지 않고 근육의 긴장이 풀린 상태에서 땅에 떨어진 물건을 집어 들게 되면 많은 사람들은 무심코 무릎은 펴고 등을 구부리는 스툽 동작을 취하곤 한다. 이 자세는 척추에 많은 부하를 야기하고 등 부상 위험을 높인다. 우리는 평상시에 사람이 취하는 다양한 동작 패턴들이 사람을 둘러싼 힘 장(Force Field)의 영향을 받는 다는 것에 영감을 받아 신체구동식 가변 임피던스 메커니즘이 내장된 무동력 엑소 슈트를 개발했다. 수직 방향으로 배치된 브레이크 케이블과 수평방향으로 배치된 고무줄로 구성된 이 엑소 슈트는 사람의 동작에 따라 케이블-고무줄 간의 각도를 변화시키며 사람이 체감하는 임피던스를 변화시킨다. 사람이 무릎을 펴고 등과 고관절을 구부리는 스툽 동작을 취하면 사람의 힘이 브레이크 케이블로 전달되어 사람은 강한 저항감을 느끼게 된다. 반면, 고관절과 무릎을 동시에 구부리는 스쿼트 동작을 취하면 사람의 힘이 고무줄로 전달되도록 케이블-고무줄 각도가 전환된다. 따라서 슈트는 스쿼트 동작을 저지하는 대신, 탄성 에너지의 저장-방출을 통해 스쿼트를 더 편하게 수행할 수 있도록 보조한다. 슈트를 처음 사용하는 10 명의 피험자 중 9 명에게서 슈트를 착용 직후 자발적인 리프트 자세가 스쿼트 형태에 가깝게 개선되는 효과가 확인되었다. 또한 탄성 에너지의 저장-방출 효과로 인해 9 명의 피험자에게서 스쿼트 동작 시 소모되는 대사 에너지가 절감되는 효과가 있었다. 이러한 엑소 슈트의 작용은 리프트 작업에서 작업자들의 허리 부상을 줄이고 작업 효율을 높여주는 효과가 있을 것으로 기대된다.
Reinforced Flexible Shells: A Soft Customizable Anchoring Platform for a Knee Unloading Exosuit
C. Bundschu(크리스티안),S.-S. Yun(윤성식),K.-J. Cho(조규진) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
A variety of soft wearable devices have been designed to assist the biomechanics and rehabilitation of their wearables. However, soft materials application to push-based wearable systems is limited because they typically cannot withstand high compressive forces like those needed for unloading braces for individuals suffering from knee osteoarthritis (KOA). This study presents a knee unloading exosuit composed of a compliant, low-profile, and ergonomic reinforced flexible shell (RFS) anchoring platform capable of high compression resistance. When combined with another innovation – tendon driven linear sliding (TDLS) actuators-the combined system uniformly unloads the medial and lateral compartments of the wearer’s knee. RFS anchoring is composed of a combination of semi-rigid thermoplastic fabric and soft stretchable fabric to create a comfortable and customizable wearable pair of pants that can be tailored to a desired end-user. RFS Anchoring solves traditional compressive force limitation of other soft and semi-rigid materials by carefully constraining flexion along the material’s buckling axes to withstand and transmit forces orders of magnitude larger. Experiments were performed to evaluate the shift and deformation resistance of RFS anchoring compared to traditional rigid and soft anchoring conditions; RFS anchoring performed similarly to rigid anchoring.
달리기의 효율과 안전을 증강할 수 있는 새로운 폼팩터를 갖춘 신발의 개발
유기평(K. P. Yu),강수경(S. K. Kang),이상엽(S. Y. Lee),윤성식(S.-S. Yun),안주은(J. E. Ahn),김기원(K. W. Kim),박주연(J. Y. Park),조규진(K. J. Cho) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
달리기는 운동을 목적으로 수행되는 가장 기본적인 신체활동으로 신체 건강 증진, 스트레스 해소 등 다양한 목적으로 이루어진다. 다양한 신발, 보조기들과 달리 기간 사용자의 운동 능력을 증강하고, 부상을 방지하기 위해 개발되었지만, 그 두가지 목적을 하나의 시스템으로 통합하는 데엔 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 발-발목 내부의 아킬레스건과 족저근막의 해부학적 구조를 모사한 탄성밴드를 신발 내부에 반영하여 달리기간 에너지 효율성 향상과 족저근막의 부상을 예방할 수 있는 새로운 폼팩터의 신발을 개발하였다. 개발된 신발은 일반 신발과 달리 앞발과 뒷발 사이 신발 허리부의 자유로운 움직임이 가능하여 신발과 발 사이의 상대움직임을 최소화하며, 이를 통해 발목의 움직임과 발 아치의 움직임을 함께 활용해 탄성밴드의 에너지 저장 및 방출 기능을 수행한다. 또한, 달리기 시작전 탄성밴드를 프리텐션시켜 발목의 저측굴곡을 강화하며 달리기 속도를 높이는데 적합한 앞발착지 주법을 유도한다. 탄성밴드가 작용하는 수축력과 강성은 발 아치의 과내전을 감소시켜 달리기간 족저근막 부상의 위험성을 낮춘다. 신발내 탄성밴드의 장착 여부에 따른 비교 시, 장착 후 보행 주기 전반에 걸쳐 발목 족저굴곡이 강화되어 앞발착지 주법이 유도됨이 확인되었다. 상용 신발과 비교한 달리기 테스트간 9 km/h 속도에서 3.9%, 11 km/h 속도에서 6.5%의 에너지 소모가 감소되어 에너지 효율성 개선이 이루어졌다. 발-발목 구조를 모사한 더미를 통한 착지 테스트를 통해 상용 신발의 경우 족저근막 모사체가 파단된 반면, 본 연구를 통해 개발된 신발은 모사체를 온전히 보호할 수 있었다.
회전근개 파열 환자를 위한 어깨 Continuous Passive Motion (CPM) 재활 기기 제안
이제우(J. Lee),윤성식(S. S. Yun),조규진(K. J. Cho) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
사람의 어깨는 6 가지 방향으로 넓은 범위를 이동할 수 있으며 높은 자유도를 가지는 만큼 다양한 부상에 노출되어 있다. 그중 회전근개(Rotator Cuff)가 손상되어 발생하는 회전근개 파열의 경우, 환자 수가 2010 년부터 매년 6%씩 증가하여 2020 년 기준 13 만 명에 육박하고, 어깨 가동범위 감소로 인해 추가 질환을 야기할 수 있다는 문제가 있다. 회전근개 파열에 대한 진단법은 의사의 촉진에 의존하고 있으며, 기계를 통한 재활 운동 또한 명확한 정량 지표 없이 이뤄지고 있다. 본 연구에서는 어깨 재활 운동을 실시할 때 어깨의 가동 범위와 강직도를 측정하여 증상 진척 상태를 확인할 수 있으면서도, 비용적으로도 적정한 수준의 기기를 제작했다. 본 기기를 통해 어깨 재활 운동 중 하나인 Continuous Passive Motion (CPM) 을 다양한 각도에서 수행하며 손잡이에 부착된 로드셀과 인코더로 재활 지표를 측정할 수 있다. 어깨에 탄성 밴드를 추가해 구현한 비정상적인 움직임을 본 기기로 측정했을 때, 힘-변위 그래프 개형에서 정상 상태와 비교했을 때의 차이를 구별해낼 수 있음을 확인하였다. 해당 연구결과를 통해 회전근개 파열 환자들은 체계적으로 재활 운동을 수행할 수 있고, 궁극적으로는 빠른 일상 복귀를 도모할 수 있을 것으로 기대된다.
회전근개 재건 수술 후 재활치료를 위한 소프트 웨어러블 로봇 개발
최재윤(J. Y. Choi),이태윤(T. Y. Lee),김영진(Y. J. Kim),윤성식(S. S. Yun),정봉근(B. K. Jung),조규진(K. J. Cho) 한국재활복지공학회 2019 한국재활복지공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.11
어깨 회전근개파열은 흔한 질환이지만, 재활과정에 많은 불편함이 있다. 보조기는 착용 기간에 비해 비싸고 CPM 기구는 큰 시공간적 제약과 높은 비용, 구조적 한계로 인한 불편함을 가지고 있다. 이를 개선하기 위해 소프트로봇 기술을 적용한 독특한 형태의 웨어러블 로봇을 개발하였다. 새로운 제품은 평소에는 보조기로 수술부위를 보호하고, 필요시엔 CPM 동작을 수행할 수 있다. 혼자 자택에서 간단한 조작을 통해 정확한 CPM 동작을 수행할 수 있으며, 제작과정, 경제성 모두 뛰어나기 때문에 실용화 가능성이 크다.