대퇴 절단 장애인용 생체모방형 인공발의 개발

김현철; 조현석; 장윤희; 신현준; 박세훈; 조언정

doi:10.21288/resko.2023.17.4.281

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저자정보: 김현철 (근로복지공단) 조현석 (근로복지공단) 장윤희 (근로복지공단) 신현준 (근로복지공단) 박세훈 (근로복지공단) 조언정 (한국산업기술대학교)

저널정보: 한국재활복지공학회 재활복지공학회논문지 재활복지공학회논문지 제17권 제4호

발행연도: 2023.11

수록면: 281 - 288 (8page)

DOI: 10.21288/resko.2023.17.4.281

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최근 하지 절단자용 인공발은 저가형 sach foot 또는 복합소재를 활용한 에너지 저장형 인공발이 주로 사용되고 있다. sach foot은 탄성력이 낮은 반면에 에너지 저장형 인공발은 에너지 저장성이 높아 활동성이 높은 하퇴 절단자에게 적합하다. 지난 연구에서는 토션 스프링을 활용한 중족지관절 기능형 인공발을 개발하여 제품화하였으나 장시간 보행 시 스프링의 피로 파단이 발생하였다. 이와 같은 결과로 스프링의 강성을 낮춤으로써 피로 파단 문제는 해결하였으나 에너지 저장 성능이 감소하였다. 본 연구에서는 고탄성 오토클레이브 적층식 S2-Glass 복합소재 킬재의 구조 설계 최적화를 통해서 이전에 개발된 인공발에서 부족했던 보행 추진력을 개선하였다. 정상 보행 입각기 말기에서 중족지관절이 약 20도 굽혀질 때 체중에 약 100% 정도의 수직 하중이 걸린다. 이 역학적 조건을 기준으로 구조해석을 수행하여 킬재의 복합소재 적층 설계 및 형상 최적화를 수행하였다. 제작된 인공발 시제품의 국제 시험규격 ISO 10328의 인공발 내구성 시험(P5레벨; 130kgf, 1Hz, 200만 회)을 통과하여 공인 시험성적서를 획득하였다. 개발된 인공발은 성능 평가를 위하여 대퇴 절단자 1명을 대상으로 실내/외 다양한 환경에서 보행 적응훈련을 거쳐 보행 분석을 실시하였다. 이 결과, 생체모방형 인공발에서 기존 인공발 보다 보행 추진력이 37.5% 향상된 것을 확인하였다.

Recently, energy storage prosthetic foot using low-cost Sach foot or composite materials have been mainly used as prosthetic foot for cutting the lower extremities. While the Sach foot has low elasticity, Energy storage prosthetic feet are suitable for active transtibial amputees due to their high energy efficiency, but are inefficient for the trans-femoral amputees with their low athletic ability. In the last study, a metatarsal joint functional prosthetic foot using a torsion spring was developed and commercialized, but fatigue fracture of the spring occurred when walking for a long time. To compensate for this, the fatigue fracture problem was solved by lowering the stiffness of the spring, but the energy storage performance was reduced. In this study, the walking propulsion, which was lacking in existing artificial feet, was improved by optimizing the structural design of the highly elastic autoclave laminated S-2 Glass composite material. with autoclave lamination as keel materials for the purpose of improving artificial foot performance. At the end of the stance phase of normal walking, when the metatarsophalangeal joint is bent about 20 degrees, a vertical load of about 100% of the body weight is applied. Structural analysis was performed based on these mechanical conditions to design and optimize the shape of the keel and it’s composite material lamination. The manufactured prosthetic foot prototype passed the prosthetic foot durability test (P5 level; 130kgf, 1Hz, 2 million times) of the international test standard ISO 10328 and obtained a test report. To evaluate the performance of the developed prosthetic foot, gait analysis was conducted on one trans-tibial amputee through gait adaptation training in various indoor and outdoor environments. As a result, the walking propulsion of the biomimetic prosthetic foot was improved by 37.5% compared to that of previous developed prosthetic foot.

#energy storing prosthetic foot #metatarsophalangeal joint #ankle joint #trans-femoral amputee #Terrain adaptability

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