원웨이 클러치를 이용한 stance control 슬관절 모듈 개발

Abstract

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 정상보행이 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.