Structure Optimization of the Ankle Moment Sensor for Microprocessor Controlled Lower Limb Prostheses

마이크로프로세서 제어형 하지의지용 족관절 모멘트 센서의 구조 최적화

The microprocessor-controlled lower limb prosthesis acquires information from various sensors to determine the user’s posture, walking state, and intention of movement for controlling the mechanism. We developed the ankle moment sensor among various sensors and it measured the deformation of the sensor frame through which the weight was transferred. The developed sensor failed during the mechanical fatigue test and the measured value at the heel strike stage in the initial stance phase of gait was not suitable to use. In this study, we developed a finite element analysis model that implemented the load applied to the sensor frame during walking and analyzed the stress and deformation characteristics according to each condition. The optimized frame structure design was derived, and the ankle joint sensor was designed, and the improvement method was verified by the mechanical experiment and the gait test of above knee amputee. As a result of evaluating the characteristics of the improved sensor, the structural stability was improved, and the initial value of the early stance was clearly recognized.

마이크로프로세서 제어형 하지의지는 다양한 센서로부터 정보를 획득하여 사용자의 자세, 보행 상태, 동작의도 등을 판별하고 이에 따라 의지를 제어한다. 이러한 센서들 가운데 우리가 하지의지용으로 개발한 족관절 모멘트 센서는 체중이 전달되는 프레임의 변형량을 측정한다. 개발된 기존 센서는 기계적 내구성 시험과정에서 결함이 발견되었으며 입각기 초반의 발뒤꿈치 접지기에서 측정된 값이 입각기 초기 판별에 사용하기 어려운 상황이었다. 본 연구에서는 이러한 문제들을 해결하기 위하여, 보행 시 센서 프레임에 인가되는 하중을 구현한 유한요소해석 모델을 개발하고 각 조건에 따른 응력 및 변형 특성을 분석하였다. 분석결과에 따른 최적화된 프레임 구조 설계안을 도출하였으며, 이에 따라 족관절 모멘트 센서를 제작하고 기계적 실험 및 절단자 보행실험을 통하여 개선방법을 검증하고 성능을 평가하였다. 개선된 센서의 특성을 평가한 결과, 구조적 안전성은 향상되었으며, 입각기 초반 상태 인식률도 개선되었다.