원웨이 클러치를 이용한 stance control 슬관절 모듈 개발 (Development of the Stance Control Knee Module with a One-way Clutch)

서지정보

· 발행기관 : 한국재활복지공학회
· 수록지 정보 : 재활복지공학회논문지 / 16권 / 4호 / 245 ~ 254페이지
· 저자명 : 장대진, 최혁재, 김규석, 이석민

초록

본 논문은 슬관절 모듈을 개발하기 위해 최대 허용토크가 100 Nm인 원웨이 클러치를 설계하고 고관절-슬관절-족관절 보조기(HKAFO)에 적용하는 것이다. 기존의 하지보조기는 슬관절이 고정되어 있어서 정상 보행이 불가능하여 보행시 에너지 소모가 매우 컸다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서는 원웨이 클러치를 이용하여 입각기와 유각기에서 슬관절이 제어되도록 하였다. 원웨이 클러치는 스트럿 각도와 접촉응력, 후프응력을 고려하여 소형으로 설계되었으며 최대 허용토크에도 안정적으로 브레이크 기능을 가질 수 있도록 베어링강으로 제작되었다. 슬관절을 제어하기 위해서 롤러를 이동시킬 수 있는 케이지와 이를 작동시킬 수 있는 솔레노이드를 이용하여 입각기에서는 슬관절의 신전은 허용하고 굴곡을 방지하며 유각기에서는 슬관절의 신전/굴곡을 허용하였다. 설계된 슬관절 모듈은 고관절-슬관절-족관절 보조기에 적용되어 척수손상 장애인을 대상으로 보행 테스트를 진행하였다. 실험결과 보행주기 중 15% 부터 82%까지 원웨이 클러치가 프리휠 모드 상태로서 슬관절의 굴곡이 이루어졌으며 나머지 보행주기에서는 원웨이 클러치가 작동 모드로서 슬관절의 굴곡을 방지하였다.

영어초록

This paper presents how to design a one-way clutch with a maximum allowable torque of 100Nm and apply it to HKAFO to develop a knee joint module. In the conventional lower orthosis, normal walking was impossible and energy consumption was very high during walking because the knee joint was fixed. To solve this problem, a one-way clutch was used to control the knee joint in the stance and swing phase in this study. The one-way clutch was designed to be compact considering the strut angle, contact stress, and hoop stress. It was manufactured from bearing steel to have a stable brake function even with the maximum allowable torque. In order to control the knee joint, extension of the knee joint was allowed but flexion was prevented in the stance phase, and extension/flexion of the knee joint was allowed in the swing phase using a cage that can move the roller and a solenoid that can operate the cage. The designed knee joint module was applied to the HKAFO, and a gait test was performed on subjects with spinal cord injuries. As a result of the experiment, the knee joint was flexed as the one-way clutch was in freewheel mode from 15% to 82% of the gait cycle, and the knee joint was prevented from flexing as the one-way clutch was in engage mode in the rest of gait cycle.

참고자료

· 없음