In this paper, a cable-driven ankle foot orthosis (AFO) for gait stabilization of spastic patients is introduced. Spasticity is a phenomenon in which the movement of a joint becomes stiff due to increased muscle tension. In particular, spastic joints have a speed-dependent characteristic. The faster the joint speed, the more contracture occurs, in which the muscles momentarily stiffen on the spot. This phenomenon in the ankle joint, which has a great influence on gait stability, is directly related to the patient's safety, and gait stabilization through precise assistance is required. Therefore, in this paper, the active AFO that can precisely control the ankle of a spastic patient by considering the speed-dependent characteristics is proposed. The ankle is fixed with a rigid frame to prevent deformation of the spasticity, and it is designed in consideration of wearability and safety so that daily life can be sufficiently performed. In addition, a control algorithm to prevent contracture was implemented and confirmed that gait assistance is performed within a range that does not exceed the critical speed at which contracture occurs. Furthermore, the ankle joint of the spastic patient was implemented in the normal ankle joint, and as a result of the gait test, the improved gait stability and symmetry by the proposed active ankle brace were verified.
본 논문에서는 경직 환자의 보행 안정화를 위한 케이블 구동 방식의 능동 발목 보조기를 소개한다. 경직은 근육의 긴장이 증가하여 관절의 움직임이 뻣뻣해지는 현상이다. 특히 경직성 관절은 속도에 의존적인 특징을 가지고 있는데 관절의 속도가 빠를수록 순간적으로 근육이 그 자리에서 굳어버리는 구축이 발생한다. 보행 안정성에 지대한 영향을 미치는 발목 관절에서의 이러한 현상은 환자의 안전과 직결되는 문제로 정밀한 보조를 통한 보행 안정화가 필요하다. 이에 본 논문에서는 경직 환자의 발목을 속도 의존적인 특징을 고려하여 정밀하게 제어할 수 있는 능동 발목 보조기를 제안한다. 단단한 프레임으로 발목을 고정하여 경직에 의한 발목의 변형을 예방하였으며 일상생활을 충분히 영위할 수 있도록 착용성과 안전성을 고려하여 설계하였다. 또한 보행 보조 중 구축이 발생하는 것을 방지하기 위한 구축 방지 알고리즘을 적용하였으며 실험을 통해 경직이 발생하는 임계 속도를 넘지 않는 범위 내에서 보행 보조가 이루어지는 것을 확인하였다. 추가적으로 정상상태의 발목 관절에 경직 환자의 발목 관절을 구현하였으며 보행 실험 결과 제안된 능동 발목 보조기에 의해 향상된 보행 안정성 및 대칭성을 검증하였다.
