능동형 대퇴의지 시스템의 설계 및 최적화 연구

Design and Optimization of Active Transfemoral Prosthesis System

본 논문에서는 능동형 대퇴의지 시스템의 설계 및 최적화에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구의 능동형 대퇴의지 시스템은 무릎부의 1 자유도를 통해 슬관절의 움직임을 모사하는데, 실제 다리의 기능을 대체하는 것이므로 사람의 다리 무게와 최대한 유사해야 하며, 경량화가 중요한 요소라고 할 수 있다. 본 연구에서는 기존에 개발된 3-링크 구조의 능동형 의지 시스템의 문제점을 보완하기 위해 기어 구동 방식의 능동형 대퇴의지 시스템을 설계 및 제작하였고, 사용자의 만족감 향상 및 피로도 저감을 위해 최적화를 통한 경량화를 진행하고 유한요소해석을 통해 응력 및 변위 특성을 분석하고 안정성을 검증하였다. 또한 능동형 의지 시스템이 사용자의 보행 의도에 맞추어 작동하기 위해 의지의 인공 발에 스트레인 게이지를 부착하여 보행시 발의 앞, 뒷부분에 각기 다르게 가해지는 하중을 측정, 보행 주기를 판단할 수 있도록 한다. 이 때 스트레인 게이지는 미세한 변형에도 민감하게 반응하므로 유한요소해석을 통해 적절한 부착위치를 결정하고, 실제 제작 및 실험을 통해 안정성 및 보행주기 판단 여부를 검증한다.

This paper presents a design and optimization of the fully-active transfemoral prosthesis leg system. As it has one degree of freedom in knee joint, this prosthesis leg can imitate the human's gait. The weight of system, which makes the users more comfortable due to less tiredness, and the knee joint torque to rise stability of the system are major factors of prosthesis leg system. Thus the mechanism of prosthesis changes from 3-linkage type to geared type. The sensorized foot is also designed to effectively determine human's gait by measuring deformation of the foot during gait. Topology optimization is carried out for the sensorized foot to remove its unnecessary weight. The safety of optimized foot is verified by carrying out finite element analysis.