다리의 강성 변화를 적용한 보행 보조기 제작

Abstract

보행은 일상 생활에서 가장 많이 쓰이는 신체 기능으로, 제 기능을 다하지 못할 경우 큰 불편함을 겪게 된다. 이러한 문제에 대해 기계공학 및 인체공학에서는 효율적인 보행보조기를 개발하기 위해 인체의 보행에 관한 연구를 진행해왔다. 기존에 제안되었던 역진자 모델(inverted pendulum model)은 에너지 측면에서 인체 보행을 잘 설명해 왔지만 구체적인 지면반력 유형 등에 대해서는 충분한 설명을 할 수 없었다. 그래서 최근에는 스프링 모델을 이용하여 인체 보행을 설명하기 시작하였다. 스프링 모델이 제안되면서 강성(stiffness)에 대한 연구가 시행되었고, 속도가 증가함에 따라 스프링모델의 강성이 증가한다는 연구결과가 보고되었다. 본 연구에서는 이와 같은 선행연구결과를 바탕으로, 다리의 강성이 변화하는 보행보조기를 제작할 것이다. 이를 위해 다리의 강성과 관절의 강성 간 관계를 규명하였고 발목의 강성이 다리 강성의 크기에 크게 기여하지만, 다리의 강성 변화에는 무릎 강성이 더 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 개발하는 보행보조기는 다리의 강성을 변화시키기 위해 무릎의 강성을 변화시키는 것을 목표로 하였다. 보행에서의 가속 구간을 파악하기 위하여 다섯 명의 피험자에 대해 가속 실험을 진행하였다. 피험자들은 두 가지의 주파수에 맞춰 보행 하였고, 추가로 스스로 선택한 가속도로 가속 실험을 진행하였다. 실험을 통해 구한 운동학적 정보를 이용하여 각 구간에서의 에너지와 진행 속도의 변화량을 비교하였으며, 가속 시 한발지지구간(single support phase)에서 주로 보행 속도가 증가한다는 것을 확인하였다. 보행보조기는 스프링을 이용하여 무릎에 추가적으로 강성을 추가해 주도록 설계하였다. 강성을 추가해준 보행보조기의 영향을 알아보기 위하여 네 명의 피험자에 대해 실험을 진행하였다. 피험자들은 보행보조기를 착용한 경우와 착용하지 않은 경우에 대해 같은 주파수로 보행하였다. 실험으로부터 구한 지면반력과 운동학적 정보를 이용하여 두 경우를 비교하였다. 보행보조기를 착용한 경우, 그렇지 않은 경우에 비해 다리의 강성은 증가하였지만 추진에너지는 거의 증가하지 않은 것을 확인하였다. 이는 같은 보행 속도에서는 추진에너지가 고정되어 있거나 추가해준 강성이 추진에너지를 증가시킬 만큼 충분하지 않은 것으로 보인다.