하이브리드 대퇴 의지 개발 = Development of hybrid knee prosthesis for lower limb amputee

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Active powered prostheses that can provide joint power have been shown to assist users in performing a stair and ramp climbing. However, most of active knee prosthesis has a huge actuator and battery for a lift of heavy body and result in difficulty in commercialization. In this paper, we present the hybrid knee prosthesis, which can convert between active and passive mode using a clutch module. The clutch is activated by a small BLDC motor, which allows teeth to engage and disengage by moving forward and backward. When the clutch is ON mode, the hybrid knee operates in active mode and motor torque is transmitted to the knee joint. On the other hand, when the clutch is OFF mode, the active unit is separated in the knee joint and the prosthesis relies on hydraulic cylinder functions only. In this passive mode, battery consumption is greatly reduced. The results of this study suggest that selectively active knee prosthesis design with a clutch module has advantages of energy consumption.

국문 초록 (Abstract)

기존의 대퇴 절단자용 수동 가변 댐핑형 의지는 계단 및 경사로 등을 오르기 위한 능동 신전 토크 생성이 불가한 근본적 한계점을 가진다. 최근 국내외 다양한 기관에서 연구를 진행하고 있는 능동형 의지는 모터를 통한 신전 토크 생성으로 계단 및 경사로, 빠른 보행등의 다양한 보행 상황 대응이 가능하다. 그러나 현재까지 과도한 무게와 크기, 배터리 용량의 한계 문제로 최대 2~3시간 연속 사용만이 가능한 것이 현실이며, 사용자가 의지에 맞춰서 걸어야 하는, 인간-기계 협응 문제 또한 대두되고 있다. 본 연구에서는 의지에 탑재된 다양한 센서 신호를 분석하여 보행 상황을 판별하고, 그에 따라 능동 토크를 선택적으로 연결 또는 차단해 에너지 효율을 극대화 할 수 있는 클러치 모듈 기반의 하이브리드 의지를 개발하였다. 본 하이브리드 의지는 경사로 및 계단 오름 보행과 같이 체중을 들어 올리는 능동의 동력이 필요한 경우 신전 방향의 무릎 관절 토크를 제공해 이를 극복하며, 평지 보행 시에는 클러치를 이용해 동력을 차단하여 의지의 관성으로만 보행하도록 제어되어 배터리 동력의 소모를 줄이며 최대한 자연스러운 보행이 가능하도록 개발되었다.

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