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다리의 강성 변화를 적용한 보행 보조기 제작 = Development of walking assistance system with adjustive leg stiffness
서명 / 저자 다리의 강성 변화를 적용한 보행 보조기 제작 = Development of walking assistance system with adjustive leg stiffness / 이명현.
저자명 이명현 ; Lee, Myung-Hyun
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

Walking is the most important among human movements. Therefore, development of walking assistance system is necessary for the handicapped or elderly. Since human walking has high energy efficiency, walking characteristic is useful for developing the walking assistance system. Many previous researches have suggested inverted pendulum as a model for human walking. The inverted pendulum model could predict energetic features of human gait. Recently, however, some researchers showed that a spring-mass walking model could represent the ground reaction force for human gait better than the inverted pendulum model. In spring-mass model studies, many groups have stated that the stiffness of the model increases as the walking speed increases. In this research, it is considered that the stiffness of the spring-mass model changes by changing walking speed to develop walking assistance system. The aim of this research is to develop a walking assistance system which has adjustive leg stiffness. It is verified that the stiffness of the spring-mass walking model is related to the leg joint stiffness. The knee joint stiffness certainly contributes for the leg stiffness, though the ankle joint stiffness is known as greater contributor for the leg stiffness than the knee. Thus, the knee joint is decided for the target joint of walking assistance system and the knee joint stiffness would be adjusted to walking speed. To define the phase of acceleration in human walking which is needed for determining the phase of stiffness change, the experiment of acceleration was performed and five subjects have participated. Subjects have walked following two different frequency cues and they are asked to accelerate as steadily as possible while walking. The kinematic information have measured and the results showed that the walking speed mainly increases in single support phase in accelerating walking, by comparing changes of energy and walking speed for each phases. The walking assistance system was made with spring to add the stiffness to the knee joint. To verify the effect of the system, experiments were performed for four subjects. Subjects have walked with and without the assistance system following same frequency cue. The ground reaction force and the kinematic information have measured. The results showed that the system can increase the leg stiffness but not the propulsion energy. The reason is that the propulsion energy is fixed by same walking speed and the addition of the stiffness was not enough to increase the propulsion energy.

보행은 일상 생활에서 가장 많이 쓰이는 신체 기능으로, 제 기능을 다하지 못할 경우 큰 불편함을 겪게 된다. 이러한 문제에 대해 기계공학 및 인체공학에서는 효율적인 보행보조기를 개발하기 위해 인체의 보행에 관한 연구를 진행해왔다. 기존에 제안되었던 역진자 모델(inverted pendulum model)은 에너지 측면에서 인체 보행을 잘 설명해 왔지만 구체적인 지면반력 유형 등에 대해서는 충분한 설명을 할 수 없었다. 그래서 최근에는 스프링 모델을 이용하여 인체 보행을 설명하기 시작하였다. 스프링 모델이 제안되면서 강성(stiffness)에 대한 연구가 시행되었고, 속도가 증가함에 따라 스프링모델의 강성이 증가한다는 연구결과가 보고되었다. 본 연구에서는 이와 같은 선행연구결과를 바탕으로, 다리의 강성이 변화하는 보행보조기를 제작할 것이다. 이를 위해 다리의 강성과 관절의 강성 간 관계를 규명하였고 발목의 강성이 다리 강성의 크기에 크게 기여하지만, 다리의 강성 변화에는 무릎 강성이 더 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 개발하는 보행보조기는 다리의 강성을 변화시키기 위해 무릎의 강성을 변화시키는 것을 목표로 하였다. 보행에서의 가속 구간을 파악하기 위하여 다섯 명의 피험자에 대해 가속 실험을 진행하였다. 피험자들은 두 가지의 주파수에 맞춰 보행 하였고, 추가로 스스로 선택한 가속도로 가속 실험을 진행하였다. 실험을 통해 구한 운동학적 정보를 이용하여 각 구간에서의 에너지와 진행 속도의 변화량을 비교하였으며, 가속 시 한발지지구간(single support phase)에서 주로 보행 속도가 증가한다는 것을 확인하였다. 보행보조기는 스프링을 이용하여 무릎에 추가적으로 강성을 추가해 주도록 설계하였다. 강성을 추가해준 보행보조기의 영향을 알아보기 위하여 네 명의 피험자에 대해 실험을 진행하였다. 피험자들은 보행보조기를 착용한 경우와 착용하지 않은 경우에 대해 같은 주파수로 보행하였다. 실험으로부터 구한 지면반력과 운동학적 정보를 이용하여 두 경우를 비교하였다. 보행보조기를 착용한 경우, 그렇지 않은 경우에 비해 다리의 강성은 증가하였지만 추진에너지는 거의 증가하지 않은 것을 확인하였다. 이는 같은 보행 속도에서는 추진에너지가 고정되어 있거나 추가해준 강성이 추진에너지를 증가시킬 만큼 충분하지 않은 것으로 보인다.

서지기타정보

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청구기호 {MME 11034
형태사항 v, 54 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Myung-Hyun Lee
지도교수의 한글표기 : 박수경
지도교수의 영문표기 : Su-Kyung Park
부록 : 1, Simulation results of experiment for walking assistance system.
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 48-50
주제 다리 강성
관절 강성
보행보조시스템
가속구간
leg stiffness
joint stiffness
walking assistance system
acceleration phase
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