Development of Multi-rotational Prosthetic Foot for Lower Limb Amputee

Movements of the lower limb are important for normal walking and smooth oscillation of the center of gravity. The ankle rotations such as dorsi-flexion, plantar-flexion, inversion and eversion allows the foot to accommodate to ground during level ground walking. Current below knee (B/K) prostheses are used for replacing amputated ankle, and make it possible for amputees to walk again. However, most of amputees with B/K prostheses often experience a loss of terrain adaptability as well as stability because of limited ankle rotation. This study is focused on the development of multi-rotational prosthetic foot for lower limb amputee. Our prosthesis is possible for amputees to easily walk in level ground by rotating ankle joint in sagittal plane and adapt to the abnormal terrain with ankle rotation in coronal plane. The resistance of ankle joint in the direction of dorsi/plantar-flexion can be manually regulated by hydraulic damper with controllable nozzle. Furthermore, double layered rubber induce the prosthesis adapt to irregular ground by tilting itself in direction of eversion and inversion. The experimental results highlights the potential that our prosthesis induce a normal gait for below knee amputee.

하지 절단자를 위한 다축 회전이 가능한 인공발의 개발

두 발을 번갈아 옮기며 몸을 앞으로 움직이는 단순한 동작의 반복으로 보이는 보행이란 과정은 실제 인체 내의 대부분의 근육 및 인대, 뼈가 연관되어 이루어지는 복잡한 행동이다. 신체 일부가 소실된 하퇴 절단자의 경우 생체조직이 온전히 보전되어 있는 일반인과는 달리 남은 생체 부위와 의지의 공학적인 성능에만 의존해 보행을 해야 한다는 어려운 상황에 직면하게 된다. 따라서 하퇴절단자를 위한 하퇴의지는 우선 환자가 기본적인 보행이 가능케 함과 동시에 최대한 복잡한 지면 상태에 적응할 수 있도록 설계가 되어야 한다. 원활한 보행을 위해서는 배/저굴 방향의 발목의 회전이 매우 중요하고 고르지 못한 지면 상태를 극복하기 위해서는 내/외전 방향의 족부의 회전 기능이 요구된다. 최근 생체역학적인 연구를 접목한 다양한 하퇴의지가 개발되고 있으나, 이러한 고가의 고성능 하퇴의지의 경우 주로 활동성이 높은 하지절단 환자들에 초점이 맞춰져 있다. 본 연구에서는 하퇴의지 착용자의 대다수인 활동성이 낮은 K2 레벨의 환자들을 위한 하퇴의지를 개발했다. 기본적인 보행 능력 향상을 위해서 배/저굴 방향으로의 회전이 가능한 유압식 발목을 개발했고, 이를 통해서 배/저굴 방향으로 각각 $2.5^{\circ}$와 $4^{\circ}$의 회전이 가능함을 확인했다. 또한 수동 조절이 가능한 유압 노즐을 탑재해 환자 개개인에 적합한 발목 회전 저항력을 설정할 수 있도록 설계했다. 내/외전 방향으로의 족부의 회전이 가능하도록 이중고무 방식의 중간재를 삽입해 각각 $3.6^{\circ}$와 $4.1^{\circ}$의 회전이 가능하도록 설계되어 측경사나 작은 장애물들을 극복할 수 있도록 제작했다. 본 연구를 통해 개발된 하퇴의지는 K2 레벨의 하퇴절단자들이 일상생활 중에 겪게 되는 다양한 지면 환경을 극복하는데 도움을 줄 것이다.