전쟁, 사고, 질병 등의 원인으로 하지를 절단하는 사례들이 있으며, 하지절단 환자의 이동을 위해서는 하지의지보조기(의족)을 착용 해야한다. 일반적인 의족은 정상인보다 많은 체력소모와 보행속도에서 차이가 난다.
본연구에서는 절단장애인의 안전하고 균형 있는 보행이 가능하도록 외부구동력이 제공되는 발목형 스마트 전자제어식 하지의지(로봇의족)를 연구개발하였다. BLDC모터와 harmonic drive로 구동메커니즘을 구성하였고, radial type의 탄성 블록체를 이용하여 병렬탄성구조의 발목메커니즘을 제안하였다. 1만보 이상의 사용이 가능하도록 분리형 배터리구조로 설계하였으며, 2백만회 이상 가동에 이상이 없도록 내구성 설계를 적용하였다.
IMU 센서, FSR 센서, 모터 엔코더 값을 입력으로 사용하여 보행 여부와 지형(계단, 경사, 평지)을 구분하고, 보행단계에 따른 ankle 모터의 PI제어구동을 최적화하여 사용자의 안정성과 편의성을 향상시켰다.
성능평가를 위하여 BK(Below-Knee)절단환자가 참여하여 평가하였고, 보행시뮬레이터, 3D Motion Analysis System, force plate가 사용되었다. 성능평가 항목은 설정된 목표를 모두 만족시켰으며, 특히 로봇의족 보행에 중요 항목인 발목토크 150N·m와 push off성공율은 해외 선진제품의 수준이상으로 평가되었다.
서울아산병원 성형외과, 재활의학과와 함께 총12명의 피험자를 대상으로임상평가를 실시하였다. 보행능력평가에서 기존 수동의족에 비해 무게감이 있는 로봇의족을 착용하고도 보행거리와 이동시간에서 유의미한 결과를 얻었으며, 양측하지절단환자에게 적용하여 로봇의족의 보행가능성을 평가하였다. 특히 K-level과 K-PEQ평가에서는 통계적으로도 유의미한 결과를 얻었다.
본 연구를 통하여 개발된 로봇의족의 성능평가, 임상평가 수행 결과 로봇의족이 정상인의 보행과 유사하도록 도움을 주는 것으로 확인되었으며, 임상적으로도 착용시간이 늘어날수록 피험자들이 더 잘 적응하는 것으로 나타났다.
향후 바이오닉 인터페이스 기술을 기반으로 한 의도파악을 통한 로봇제어 기술에 대해서 지속적인 연구를 하여, 현재의 센서신호와 제어를 통하여 로봇의족을 구동하는 연구와 더불어 EMG센서등 바이오닉 인터페이스의 방법을 통한 절단환부 근육 및 신경에서 나오는 신호를 통한 로봇메커니즘의 구동에 대해서 연구를 지속할 예정이다. 스마트전자제어식 하지의지를 통하여 절단환자의 삶의 질이 향상되고 장애를 쉽게 극복할수 있도록 더 많은 연구와 노력이 필요하다.