Weight and power consumption of variable stiffness actuation mechanism are critical for its implementation in a portable assistive device. We present a portable stiffness compensation mechanism utilizing an air pump motor for an Ankle Foot Orthosis (AFO). Pneumatic transmissions have been utilized in many assistive devices owing to the high power-to-weight ratio and inherent compliance, whereas a required air compressors or a pressurized gas chamber was drawback of the pneumatic actuation for the use in ambulatory assistive device. Therefore, we utilized a combination of a portable electric power source and an air pump motor for portable driving unit. In order to enhance the late response of the air pump, an accumulator was implemented to the pneumatic circuit. The circuit consisted of two valves, a pressure sensor, and a low friction cylinder. The cylinder makes the device backdrivable without control effort. As a result, the stiffness was modulated during the gait, according to the gait phase. The sensor-integrated AFO equipped with two biaxial force sensors and angle sensor measured the exact ankle torque and angle to measure the ankle stiffness during walking and stair climbing. The control strategies were determined by comparing the measured stiffness with the reference stiffness. The effectiveness of the proposed stiffness-compensated AFO was validated by experiments with foot-drop patients, performing walking and stair climbing tasks.
사람과 접촉하여 보조력을 제공하는 외골격형 로봇 또는 보조기 시스템은 사용자에게 안정적인 보조력을 제공하기 위해 탄성 구동 방식이 널리 적용되어 왔다. 기존 능동 보조기의 경우 모터와 기어 및 탄성력을 위한 스프링등이 적용되어 시스템의 무게가 2kg 이상으로 일상생활 중에 착용이 불편하며, 자연스러운 보행 동역학 특성을 변화시켜 이를 통한 정상보행 의 학습(motor learning)효과에 제한점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 공압 모터를 구동 및 제어부는 허리에 착용하고 보조기부는 발목에 착용하여 보조기부의 무게를 최소화 하였다. 보행주기 검출을 위한 지면반력 센서와 실린더를 포함하여 총 0.43 kg 의 경량화 보조기를 구현하였다. 센서부는 무선 광학식 힘센서를 설계하여 정확성과 반복성 검증 시험을 수행하였으며, 정밀한 착용형 지면반력 센서를 이용해 발목 각토를 추정하여 보행시 발목 강성 정보를 측정 하였다. 또한 압력중심 정보를 이용하여 보조력 제공 시점을 기존의 역치값 기반 방법에 비해 빨리 검출할 수 있었다. 구동부와 보조기 부의 연결은 공압구동 방식을 통해 공압 튜브로 동력이 전달되며 실린더 내부 압력변화에 의해 강성이 변하는 것을 이용해 정상인의 보행시 나타나는 강성 특성을 갖도록 보조하였다. 측정된 발목 강성과 문헌에서 알려진 정상인 군의 강성 특성과의 차이를 각 보행주기에 맞게 보조하도록 하였다. 개발된 센서가 융합된 공압 단하지 보조기는 15 W급의 저출력 모터를 이용하여 기존의 60 W 급 이상의 고출력 모터 또는 고압의 압축공기를 이용하여 구동되는 족하수 방지 시스템의 기능을 구현하였다. 족하수 증상은 신전근의 강화로 인해 유각기 동안 발목이 굴곡되지 않아 초기 접지기 시기에 발끌림이 발생하는 현상으로, 이를 위해 능동적인 보조력을 제공하여 신전방향의 강성을 감소시키고 굴곡방향의 근력을 보조해야 한다. 측정된 강성 정보를 바탕으로 신전방향 강성이 큰 상태의 환자에게는 말기 입각기에 이를 이용하여 추진력을 얻을 수 있도록 자유 움직임을 구현하였으며, 발바닥 접지기와 유각기에는 약화된 굴곡근의 강성을 보상하였다. 이를 통해 걷는 동작과 계단오르기 동작에 대해 족하수 증상 환자대상의 실험을 수행하였다.
