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편마비장애인의 보행재활을 위한 반장슬 및 슬관절 제어장치 연구
김형식(Hyeongsic Kim),구도훈(Dohoon Koo),박현주(Hyunju Park),은선덕(Seon-deok Eun) 한국HCI학회 2018 한국HCI학회 학술대회 Vol.2018 No.1
전세계적인 고령화 추세와 잘못된 식습관으로 인한 뇌졸중의 증가와 이들의 사회 및 가정으로의 복귀를 위한 재활은 활발히 이루어지고 있으나 뇌졸중에 따른 대표적인 증상인 편마비장애는 재활 기간에 비해 신체기능의 회복이 빠르지 못하고 장기간에 걸친 재활이 요구된다. 이러한 편마비 장애인의 잘못된 보행패턴의 고착화는 척추측만, 근육손실, 관절가동범위 (Range of Motion) 축소 등을 가속화 시키는 현상을 초래한다. 이들의 합병증을 예방하고 신체기능의 개선 및 유지를 위해서는 정상 보행궤적을 바탕으로 한 보행재활이 필수적이다. 이러한 보행재활기기가 갖추어야 할 기능은 연속적인 정상 보행궤적을 구현할 수 있고 환측 슬관절과 반장슬을 제어할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 트레드밀 기반의 엔드-이펙터 보행재활기기 개발에 있어 가장 핵심적인 반장슬과 슬관절의 제어장치 개발을 위해 편마비장애인의 신체적 특징을 조사하였고, 엔드-이펙터 보행재활기기를 대상으로 편마비장애인 3 인의 보행재활 과정을 관찰하여 반장슬 제어에 필요한 물리적인 핵심 요소를 도출하였으며, 편마비장애인3 인의 보행 동작분석을 통해 반장슬 발생 동작 주기에 따른 제어 위치와 시점을 정의 하였다. 이를 종합하여 엔드-이펙터 보행재활기기에 적용할 수 있는 반장슬 및 슬관절 제어장치의 콘셉트 디자인을 제안하였다.
근력 보조가 가능한 말단 장치 형태의 보행 재활 로봇의 개발
김정준(Jung-Joon Kim),김명주(Myeong-Ju Kim),곽노식(No-Sik Kwak),김창휘(Chang-Hwi Kim),김형식(Hyeongsic Kim),김정엽(Jung-Yup Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.8
본 논문은 보행 재활이 필요한 환자들을 위해 하지 근력 보조가 가능한 보행 재활 로봇의 개발에 대하여 서술하였다. 최근 상용화된 대표적인 보행 재활 로봇들의 경우 비싼 가격, 큰 부피, 고 중량, 불편한 착용 등의 단점들로부터 대중화 및 시장성에 한계를 보여왔다. 이러한 한계점들을 해결하기 위하여 본 연구로부터 세 가지 전략이 적용된 새로운 보행 재활 로봇을 개발하였다. 첫째, 말단 장치의 위치 및 각도 궤적이 정상인의 발 보행 궤적과 일치하는 5절 링크 메커니즘 및 발 착지면을 최적화 설계하였다. 둘째, 두 개의 링크 메커니즘의 크랭크축을 단 하나의 기어드 모터 구동축으로 결합하여 전체 기구부를 구동시키도록 함으로써 비용, 무게 및 부피를 최소화하였다. 셋째, 환자의 장애 정도에 따른 세 가지 보행 재활 모드를 제안하였으며, 특히, 기구부에 장착된 센서들로부터 보행 의도를 인식하고 이로부터 하지 근력을 효과적으로 보조할 수 있도록 하였다. 최종적으로 EMG센서를 통해 각 보행 재활 모드에 따른 근력 보조 성능을 실험적으로 검증하였다. This paper describes the development of a walking rehabilitation robot capable of lower body power assistance. Recently commercialized walking rehabilitation robots have several drawbacks such as high price, large volume, heavy weight, and uncomfortable fit; hence, they still have limitations in terms of popularity and marketability. To resolve these issues, we developed a novel walking rehabilitation robot with three strategies. First, a five-link mechanism and curved foot landing surface were optimally designed so that the position and angle trajectories of the end-effector can coincide with the foot walking trajectory of a normal person. Second, the price, weight, and volume were minimized by connecting the two link mechanisms with a shaft and driving it using a single-gear motor. Third, we proposed three walking rehabilitation modes based on the degree of disability and walking intention. Finally, the power assist performance of each mode was experimentally verified through EMG measurement.