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2019년 12월 19일 (목) 21:28 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 길이조절기능과 보행보조기능을 탑재한 로봇의족

영문 : Robot prosthetics with length control and waling aids

과제 팀명

이조

지도교수

김상주 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 이**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 서**

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 송**

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 한**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 하퇴 절단 장애인들에게 필요한 의족에 길이 조절 기능을 탑재하여 맞춤형 의족을 사용하지 않고도 많은 사람들이 사용할 수 있게 만들고, 충격 완화 장치를 추가하여 오랫동안 사용했을 때 피로감을 줄이며, 보행 보조 기능을 탑재하여 비장애인들과 유사한 보행을 할 수 있도록 하는 의족을 설계하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

 의족은 하지 절단 장애인의 이동 능력을 생성해줌으로써 일상생활 영위 및 직장생활에 절대적으로 필요한 신체기능 대체기기이다. 현재 상용으로 판매되고 있는 수동형 의족은 대부분 맞춤형 제작 형태로 이루어지기 때문에 가격이 수천만원 대이고 실제 사용자의 만족도도 크지 않다. 2018년 말, 스마트 의족이 등장하면서 사용자의 편의성과 피로도를 개선함으로써 만족도는 올랐지만 3000만원 대의 가격으로 인해 개인 사용자가 감당하기엔 여전히 큰 금액 부담이 존재한다. 이러한 의족을 주문제작 형태에서 보급형 형태로 전환하여 가격을 절감하면서 기존의 스마트 의족이 가지고 있는 우수한 만족도를 유지한다면 저소득층 하지 절단 장애인들도 큰 부담없이 의족을 사용할 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

 제작하고자 하는 보급형 스마트 의족은 제작비를 최소화하여 하퇴 절단으로 의족을 사용해야 하는 저소득층 환자들이 저렴한 가격에 사용할 수 있는 의족으로 일반 보급형 의족이 가지고 있지 않은 기능들을 추가하여 경쟁력을 갖춘 제품이다. 우선 몸체 길이를 조절하여 다리 길이와 하지 절단 부위에 따라서 사용자에 맞춰서 사용할 수 있도록 길이 조절이 가능한 구조로 제작하려고 한다. 또한 사용자가 의족을 사용함으로써 느끼는 피로를 최소화할 수 있는 충격 완화 장치와, 사용자의 걸음을 보조하는 모터와 제어장치를 추가하여 보행을 더 편하게 만들어주는 기능을 추가하고자 한다. 이 제품을 제작함으로써 의족을 사용할 수 없는 저소득층 하퇴 절단 환자들에게 의족을 보급하고, 보행 보조기능을 통해서 환자들의 편리한 생활을 지원하는 것을 목표로 한다.

 만들고자 하는 제품이 보급형 의족이므로 사용자의 조건에 맞게 길이를 조절할 필요가 있다. 사용자의 다리 길이와 하지 절단 부위에 따라서 의족의 길이가 달라져야 하므로, 이를 조절할 수 있다면 다양한 사용자들이 맞춤 의족을 사용할 필요가 줄어들 것이라고 예상한다. 사용자에 따라 20cm 정도를 조절하여 사용할 수 있도록 제품을 설계하고자 한다. 길이를 조절한 이후에 이를 고정할 수 있는 수단이 필요하다. 고정이 느슨하여 의족의 길이가 갑자기 줄어들 경우에 크게 다칠 수 있는 위험이 있으므로 오랫동안 고정할 수 있어야 한다. 자전거 안장과 같은 물건들에 사용하는 방법과 같이 나사를 이용하는 방법과 스크류를 이용하는 방법 중에서 하중을 잘 버티고 흔들리지 않는 안전성이 좋은 방법을 선택한다.

 그리고 보행 보조기능을 추가함으로써 사용자가 걸을 때, 실제 발목처럼 움직여 사용자가 걷는 것을 도와주고자 한다. 발목 부분이 움직이지 않는 수동식 의족의 경우에 경사진 길을 걸어갈 때에 사용자에게 불편함을 주고, 절단부에 고통을 주게 된다. 이를 해결하기 위해서 의족에 압력 센서와 모터를 장착하여 실제 발목이 움직이는 것처럼 바닥 경사에 따라서 발목 부분이 회전하는 정도와 속도, 강도 등을 조절한다. 모터가 움직이는 방향과 힘이 의도에 맞지 않는 경우에 예상치 못한 사고가 발생할 수 있으므로, 다양한 상황에서의 검사를 통해서 정확하게 움직이는지 철저하게 확인할 필요가 있다.

 또한 보행 보조기능을 사용하기 위해서 필요한 전력을 공급할 배터리가 필요하고 의족을 사용하면서 불편함이 크지 않도록 배터리와 관련하여 여러가지 기능이 필요하다. 배터리가 방전되어 보행 보조기능이 정지하지 않도록 배터리 부족 알람 기능을 추가하고, 어플리케이션 등을 이용한 배터리 잔량 확인과 예상 사용 가능시간 등을 알리는 기능을 추가하여 사용자에게 편의성을 주고자 한다.

 마지막으로 하지절단 장애인이 의족을 사용함에 있어서 걸음을 옮길 때마다 절단부에 가해지는 압력에 의해서 피로감을 주게 되고 사용자가 불편함을 느끼게 된다. 이러한 불편함을 줄이기 위해서 의족에 쇼크 업소버와 같은 충격 완화 장치를 부착하여 사용자의 피로감을 줄이고 오래 사용할 수 있도록 하고자 한다. 의족의 길이 조절과 관련하여 충격 완화 장치가 큰 부피를 차지하면 안되므로 작은 크기의 충격 완화 장치를 선택하는 것이 필요하고, 외관상으로도 혐오스럽지 않도록 하는 것이 중요하다. 그리고 충격 ∙ 진동 해석을 통해 충격 완화 장치가 잘 기능하는지 확인하여야 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

 SWOT 분석을 통해 개발 과제의 기대효과를 파악하도록 한다.

경제적 및 사회적 파급효과

현재 대한민국의 의족 사용자 수는 약 40,000명(한국장애인고용공단 통계자료, 2018)이다. 당뇨와 교통사고로 인해 계속해서 증가하는 추세이다. 이 중 의족을 보유한 사람은 80%, 미보유한 사람은 20%이다. 하지절단장애인들에게 의족은 그들의 일상적인 삶과 밀접한 관련이 있으므로 선택이 아닌 필수품이다. 하지만 높은 가격으로 인해 20%, 약 8000명의 사람들이 의족을 보유하지 못하고 있는 실상이다. 200만원 정도의 정부지원금으로 구입할 수 있는 것은 의족 중 가장 저렴한 실리콘 의족이다. 보행보조기능을 탑재한 스마트 의족은 해외제품의 경우 1억이 넘고 한국기계연구원에서 출시한 의족 또한, 3000만원 대로 사용자에겐 경제적으로 여전히 부담이다. 의족이 이처럼 높은 가격을 형성하는 이유는 바로 주문제작형태를 띄고 있기 때문이다. 의족제작업체의 고객시장은 하지절단장애인들에게 한정되어 있으므로 수요가 불분명하다는 점과 하지절단장애인에게 의족은 필수불가결한 구매 요소이기 때문에 가격을 높게 형성한다. 또한, 하지절단장애인마다 절단부위가 다르다는 점 또한 의족이 주문제작으로 시장에 공급되는 이유이다. 의족에 길이조절 기능을 추가하여 범용성을 높인다면 주문제작으로 의족을 제작할 필요가 없고 양산이 가능하도록 될 것이다. 이로 인해 가격 절감을 기대할 수 있을 것이다.

구성원 및 추진체계

구성원 및 추진체계

추진 일정

설계

설계사양

위의 제품 요구사항을 기반으로 만들고자 하는 의족을 길이 조절기능, 보행 보조기능, 그 외 세 가지로 구분하여 각각의 기능에 필요한 설계 사양을 다음과 같이 정리하였다.

개념설계안

보행 보조기능을 구현하기 위해서 다음과 같은 방법을 고안하였다.
그림 1의 보행 단계에 따라서 발바닥에 작용하는 압력의 위치가 달라진다는 점을 고려하여, 발바닥에 4개의 센서를 부착한다. 발바닥의 앞에서부터 일렬로 4개의 센서에서 압력을 측정하며, 압력이 측정된 위치에 따라서 보행 단계를 측정하고 그에 맞는 발목 제어를 구현한다.

그림 2에서 발목 제어를 구현하기 위해 발목에 필요한 모터가 가져야 하는 토크를 알 수 있다.

그림 3의 가변 폴대를 이용한 길이 조절방식의 경우에 단순한 구조와 가벼운 무게를 가지고 있다. 또한 비용이 작아서 의족을 완성하는데 사용되는 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 정교한 길이 조절이 불가능하고, 내부가 얇아 내구성이 약하다는 단점이 있다.

그림 4의 스크류 방식을 사용한 길이 조절방식의 경우에 세심할 길이 조절이 가능하고 상하 압력에 안정적이라는 장점이 있다. 하지만 회전에 안정적이지 않고 무거운 무게로 의족이 전체적으로 무거워진다는 단점이 있다.

그림 5의 탄성 소재를 이용한 충격 완화방식의 경우에 현재 많은 의족에 적용되고 있는 방식으로 높은 탄성력으로 충격을 흡수할 수 있고, 구조적으로 충격을 흡수하는 방식이므로 추가적인 도구나 장치 없이 충격 흡수기능을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 탄성 재질을 이용하여 의족의 발을 만들기 힘들고 비용이 높다는 단점이 있다.

그림 6의 스프링 댐퍼를 이용한 충격 완화방식의 경우에 높은 충격 흡수율을 가지고 있고, 개수 조절을 통해 원하는 충격 흡수 범위를 만족시킬 수 있다. 또한 우수한 안정성을 가지고 있다는 장점이 있다. 하지만 의족에 추가적인 파트를 만들어서 충격 완화 장치를 만들어야 하고, 이에 부피와 무게를 차지하게 된다는 단점이 있다.

평가 및 분석 - 길이 조절방식과 충격 완화방식을 다음과 같은 4가지 기준을 통해서 평가한다.

각각의 기준에 대해 5점을 만점으로 하여 평가를 진행하고, 각각의 방식을 점수를 매겨 가장 좋은 방식을 선택한다.

따라서 길이 조절방식에는 스크류 방식을 사용하고, 충격 완화방식은 스프링 댐퍼를 사용하는 것으로 결정하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 댐퍼의 선정
해석에 앞서 실제 제작을 하기 위해 댐퍼를 선정해야 했다. 따라서 50개가량의 댐퍼를 상대로 기준들을 설정하였다. 로드 회복속도, 에너지 흡수, 전체의 행정 및 길이로 총 3가지로 기준을 잡았다. 먼저, 에너지의 흡수에 따른 댐퍼를 먼저 선정했다. 연구에 나와 있는 정보를 이용해 보행 속도를 확인하였고 이를 보수적인 설계로 의족이 바닥에 내려앉게 될 때의 속도를 1m/s 로 설정을 하였다. 또한, 사람의 무게를 100kg까지 버틸 수 있을 정도로 가정을 하여 사람이 가지는 에너지는 50J임을 확인할 수 있었다. 초기의 목표에 맞게 이러한 에너지를 50%가량 흡수할 수 있도록 댐퍼를 선정해야 했기에 최소 25J정도의 에너지를 흡수해야 함을 확인하였고 그에 맞게 7개의 댐퍼 리스트를 구체화할 수 있었다.

두 번째로, 보행을 하며 한 사이클이 반복되어 다시 발이 바닥에 닿게 될 때 댐퍼는 원 상태로 회복을 해야 함으로 로드의 회복 속도를 최소 0.7m/s 로 잡았다. 마지막으로 댐퍼의 길이가 길어질수록 전체 의족의 길이가 길어지므로 가능한 최대로 작은 댐퍼를 선정하였다. 따라서 위의 댐퍼 중에 가장 아래의 댐퍼를 선정할 수 있었다

나. 의족 파트의 항복해석
먼저 전체 의족 안전성에 대해 확인을 하기 위해 프로덕트 자체를 ANSYS 툴을 이용해 항복 해석을 진행하였다. 먼저 사람의 무게를 100kg으로 가정을 하였기에 스크류의 윗부분에서 가해지는 하중은 1000N으로 힘을 설정하여 해석을 하였다. 그 결과, 댐퍼의 윗부분에 대해서는 5 이상의 안전계수 값을 가져 안정성을 확보할 수 있었다. 이를 댐퍼 아래 부분까지 그대로 이용을 할 수 있으면 좋겠지만, 중간에 4개의 댐퍼가 에너지를 흡수하는 설계를 수행하여 그대로 해석을 진행할 수 없었다. 따라서, 위의 선정한 댐퍼를 기준으로 아래로 가해지는 힘을 조정하였으며 500N으로 줄여 해석을 진행했다. 그리고 경계 조건들을 선정하고 댐퍼 아래의 부분 해석을 진행했다.

그 결과, 옆의 형상을 지니며 holder 역할을 하는 부분에서 안전성에 문제를 보였다. 이를 ANSYS를 이용해 실험적인 방법으로 조정하여 높은 안전계수를 획득할 수 있었지만, 그러한 방법을 선택하진 않았다. 실험적인 방법을 하다 보면 전혀 이론적인 근거가 없이 실험적인 방법으로 해석을 진행한다면 미세한 조건에 대해서도 민감하게 반응하기에 옳고 그름을 확인할 수 없었다.

먼저 abs, 스테인리스의 경우 모두 연성을 지니기 때문에 형상에 따라 최대응력 집중계수는 달랐으며 이를 구하기 위해 기계요소설계의 이론적 지식을 활용하였다. 책의 부록에서 홀더의 형상과 유사한 형상을 지닐 때 최대응력집중계수를 확인할 수 있었다. 이에 대한 최대 집중 응력계수를 짐작으로 확인할 수도 있지만 보다 정확한 값을 얻기 위해 Getdata라는 프로그램 툴을 이용하였다. 이를 통해 옆의 그림처럼 선도에 따른 point들을 찍을 수 있었고 x축과 y축의 데이터를 정확하게 얻어낼 수 있었다. 이러한 점들을 보간 위해서 MAYLAB을 활용하여  형상에 맞게 6차, 7차 함수로 보간 하였다. 따라서, D, r, d의 값에 따른 비교적 정확한 최대응력집중계수의 값을 얻을 수 있었다. 이를 활용하여 이론적 계산을 진행하기 위해 하중을 옆과 같이 가해진다고 생각하여 계산을 진행했다.

앞에서 구한 최대 응력 집중계수와 각 형상들을 이론적 계산을 해본 결과 안전계수 5의 값을 가지기 위한 지름 값들을 옆과 같이 확인할 수 있었다. 옆의 값은 d에 해당하는 값으로 해당 d와 각 비율에 맞는 D와 r을 선정한다면 holder 파트는 안전함을 알 수 있다. 이 중 우리 팀은 압축력이나 비틀림과 같은 힘을 위해 조금 더 보수적인 설계를 원하여 가장 큰 d를 선정하였다. 그리고 이에 맞게 D, r의 값을 종속적으로 얻어 설계를 변형했다.

수정한 holder를 토대로 ANSYS의 항복 해석을 진행하였다. 그 결과 이론적 계산을 통한 안전계수보다 작은 3.5라는 값을 확인하였다. 따라서 5이상의 값을 얻기 위해 추가적인 수정이 필요했다. 
이를 위해 역으로 생각을 해봤다. 5라는 안전계수 값을 기준으로 d를 선정했을 때 70%가량의 값을 ANSYS로 얻을 수 있었기에 ANSYS의 해석에서 5가량의 안전계수를 얻기 위해서 안전계수 8에 대해서 지름 d를 구하였다.

앞과 같은 방식으로 d를 이론적으로 다시 구하였고 2.2cm의 값을 d의 지름으로 선정하였다. 그리고 ANSYS 항복해석을 한 결과 5이상의 안전계수를 확인할 수 있었다.

조립도

조립순서

 조립순서에서는 조립도상의 부품 소조립체가 어떠한 관계로 조립되는지가 설명되어야 한다.

스크류 고정 조립

 이를 실제로 조립을 하기 위해서는 총 3가지 과정이 필요하다.

 1. 먼저 스크류와 옆의 파란 파트를 회전시켜 결합을 하고 스프링을 조립한다. 그리고 중간정도의 위치에 실질적으로 고정의 역할을 하는 노란색 파트를 조립한다.

 2. 초록색의 스프링을 옆의 회색 파트에 넣고 1번 과정에서 만든 프로덕트를 위에서부터 넣어주면 조립을 한다.

 3. 앞의 2가지 과정으로 조립을 하면 노란색 파트가 스프링으로부터 힘을 받게 된다. 이러한 부분 때문에 옆의 파트를 노란색 부분에 정확히 고정, 접착을 시키기 어렵다. 따라서 실을 활용하여 스프링을 밑으로 잡아당겨 공간을 확보하였고 옆의 파트를 노란색 파트에 부착할 수 있었다.

부품도

 구매하지 않고 제작하는 부품의 경우에는 부품도를 그리는데 형상 및 치수, 재질, (공차, 거칠기, 열처리) 등의 제작에 필요한 사항이 모두 기재되어야 한다.

제어부 및 회로설계

 마이크로프로세서 등을 사용한 제어부가 있는 경우에는 소조립도로부터 시작하는 제어부의 회로도가 있어야 한다.

가. 아두이노와 모터

 발목 관절 제어를 위한 모터는 MG996r을 사용하였다. 모터는 4.8V에서 9.4kg/cm, 6.0V에서 11kg/cm까지의 토크를 만들 수 있다. 0도에서 180도까지 움직일 수 있으며, 아두이노 상에서 특정 각도로의 이동을 명령하면 내부 PID 제어를 통해 해당 각도로 이동한다. 서보 모터는 외부 전원에 연결되어 6.0V 전압에 연결하여 사용하였으며, 아두이노의 12번 핀에 연결하여 제어하였다.

나. 아두이노와 센서

 보행상태를 측정하기 위해, 의족의 바닥 부분에 3선 로드셀을 부착하였다. 3선 로드셀은 2개를 한 세트로 HX711(Amplifier)에 연결되어야 한다. 3선 로드셀은 4개를 동시에 연결할 때는 풀 브리지로, 2개를 동시에 연결할 때는 하프 브리지 회로를 이용해서 연결을 해야 한다. 프로젝트를 위해서는 2개의 한 쌍이 필요하므로 하프 브리지로 연결하였다.

 위 그림과 같이 하프 브리지를 이용해서 HX711에 연결하였고, HX711의 SCK, DT선은 아두이노에 연결하였다. 또한 여러 쌍의 센서를 사용해야했기 때문에, 전압은 외부 전원을 통해 입력하였다. 또한 3선 로드셀을 총 4쌍 연결했으며, 각각의 데이터를 입력 받기 위해 Serial in, Serial out 핀인 0번과 1번을 제외한 2~9번까지의 핀을 사용하였다. HX711에서 SCK핀에는 클럭 신호가 입력되고, DT핀에는 두 로드셀에서 측정된 압력 합의 데이터가 입력된다. 이러한 방식은 I2C 통신이며, 이를 통해 동기식 통신이 가능하다. 총 4쌍의 로드셀로부터 입력을 받아 의족의 각 위치에 따른 압력 값들을 얻을 수 있다.

소프트웨어 설계

 스마트 의족은 정지 상태와, 보행 상태로 나뉘어지고 보행 중에는 보행 단계와 경사로를 파악하여야 한다. 
 발바닥에 부착된 4개의 센서를 통해 단계를 4단계로 분류하고, 이를 바탕으로 각 단계에 맞는 모터제어를 구현한다. 분류한 각각의 단계는 다음과 같다.

1) 보행단계 1단계

 발 뒤꿈치에 있는 1번 센서에 압력이 가해졌을 때, 보행 1단계를 시작한다. 발바닥이 지면에 닿을 때까지 모터를 회전시키며 발바닥 중앙에 있는 2, 3번 압력센서가 지면에 닿으면 1단계를 종료한다.

2) 보행단계 2단계

 발바닥을 지면에서 떼기 전에 다리가 움직인다. 발목과 발의 각도가 감소하고, 발목과 발의 각도가 특정한 값에 도달하면 2단계를 종료한다.

3) 보행단계 3단계

 발바닥에 가해지는 압력이 발 앞꿈치로 이동한다. 모터를 회전시켜서 지면을 밀어주며, 발바닥에 위치한 2, 3번 센서가 지면에서 떨어져 압력이 감지되지 않으면 3단계를 종료한다.

4) 보행단계 4단계

 발바닥이 지면에서 떨어져 다음 보행단계를 준비하며, 발목과 발의 각도를 처음과 같은 상태로 되돌린다. 발 앞꿈치의 4번 센서에서 압력이 측정되지 않으면 지면에서 발이 떨어진 것으로 판단하고 모터를 움직인다. 이후 발 뒤꿈치의 1번 센서에서 압력이 측정되기 전 까지를 보행단계 4단계로 한다.

 평지대비 경사로에서의 지면 반발력 크기를 고려하여 발 뒤꿈치에 위치한 센서에서 측정한 압력을 기준으로 5% 정도 더 크게 측정되는 경우에 오르막길로 판단하고, 발목 제어 범위를 작게 한다. 그리고 20%정도 더 작게 측정되는 경우에는 내리막길로 판단하여, 발목 제어 범위를 크게 한다.
 또한 개개인의 몸무게에 따라서 센서가 측정하는 압력에 차이가 발생하기 때문에 똑바로 서 있을 때 발바닥에 위치한 센서에서 측정한 값을 기준으로 사용자에게 맞는 압력을 확인한다. 그에 맞춰서 사용자에게 맞는 압력 범위를 적용하고 모터의 움직임을 제어한다.

 위와 같은 알고리즘을 통해서 소프트에어가 작동하게 된다.

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

사회적으로 복지에 관한 시스템이나 제품들이 더욱 개발되고 있으며 앞으로도 발전 가능성이 무궁무진하다. 이러한 사회적인 분위기나 경향을 볼 때 앞서 제작한 제품은 더욱 응용이 되고 개발이 될 것임을 확신한다. 현재 제작되어 있는 제품은 크게 길이조절, 충격흡수, 모터제어로 크게 3가지 기능을 가지고 있다. 첫 번째로, 길이 조절부에서는 현재 33~45cm의 길이 조절이 가능하다. 프로젝트의 초기 목적은 초등학생부터 성인까지 성장을 하며 실리콘에 대한 추가적인 구입을 막기 위한 것이었다. 하지만 최소 길이인 33cm의 길이는 초등학생이 착용을 하기에는 길이가 큰 편이다. 따라서 추가적인 개발과 간소화를 통해서 현재의 길이보다 5~10cm 정도의 길이를 줄이는 것은 충분히 가능성이 있다고 본다. 두 번째로, 현재는 예산의 제한으로 작지만 높은 에너지를 흡수하는 완벽한 댐퍼를 선정하는데 어려움이 있었다. 이러한 부분을 개수를 늘리되 작은 길이를 가진 댐퍼를 재선정함으로써 같은 에너지이지만 작은 전체 길이를 가질 수 있다. 세 번째, 현재 본 제품은 모터를 제어하고 있지만 평상시의 일반적인 보행으로 한정적인 조건을 가지고 있다. 따라서 평지 뿐 아니라 경사를 가지거나 경보와 같은 상황에서도 조절할 수 있는 모터 제어를 연구하고 개선할 가능성이 있다.
뿐만 아니라, 발 바닥의 센서로 압력을 인지하고 그에 맞게 조절하는 방식을 넘어서 실리콘과 무릎 사이의 근육 움직임을 신경 센서로 받아들이고 이에 맞게 조절을 하는 방식으로 개발이 가능해 보인다. 이러한 연구로 하지 절단 장애인들의 더욱 자연스럽고 편안한 보행이 충분히 가능하다 생각한다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

 [1] 엄수홍, 임영광, 유성봉, 이응혁, “스트레인 게이지를 이용한 대퇴의지의 보행정보 획득 기법”, 대한전자공학회 학술대회, 2016.6, 1108~1111(4 pages)

 [2] 김창원, 신원재, “가변강성 구동기를 적용한 발목형 로봇의족 개발”, 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집, p585~p586

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 ===이론적 계산 및 시뮬레이션===
-내용
+ 가. 댐퍼의 선정
+ 해석에 앞서 실제 제작을 하기 위해 댐퍼를 선정해야 했다. 따라서 50개가량의 댐퍼를 상대로 기준들을 설정하였다. 로드 회복속도, 에너지 흡수, 전체의 행정 및 길이로 총 3가지로 기준을 잡았다. 먼저, 에너지의 흡수에 따른 댐퍼를 먼저 선정했다. 연구에 나와 있는 정보를 이용해 보행 속도를 확인하였고 이를 보수적인 설계로 의족이 바닥에 내려앉게 될 때의 속도를 1m/s 로 설정을 하였다. 또한, 사람의 무게를 100kg까지 버틸 수 있을 정도로 가정을 하여 사람이 가지는 에너지는 50J임을 확인할 수 있었다. 초기의 목표에 맞게 이러한 에너지를 50%가량 흡수할 수 있도록 댐퍼를 선정해야 했기에 최소 25J정도의 에너지를 흡수해야 함을 확인하였고 그에 맞게 7개의 댐퍼 리스트를 구체화할 수 있었다.
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+두 번째로, 보행을 하며 한 사이클이 반복되어 다시 발이 바닥에 닿게 될 때 댐퍼는 원 상태로 회복을 해야 함으로 로드의 회복 속도를 최소 0.7m/s 로 잡았다. 마지막으로 댐퍼의 길이가 길어질수록 전체 의족의 길이가 길어지므로 가능한 최대로 작은 댐퍼를 선정하였다. 따라서 위의 댐퍼 중에 가장 아래의 댐퍼를 선정할 수 있었다
+ 나. 의족 파트의 항복해석
+ 먼저 전체 의족 안전성에 대해 확인을 하기 위해 프로덕트 자체를 ANSYS 툴을 이용해 항복 해석을 진행하였다. 먼저 사람의 무게를 100kg으로 가정을 하였기에 스크류의 윗부분에서 가해지는 하중은 1000N으로 힘을 설정하여 해석을 하였다. 그 결과, 댐퍼의 윗부분에 대해서는 5 이상의 안전계수 값을 가져 안정성을 확보할 수 있었다. 이를 댐퍼 아래 부분까지 그대로 이용을 할 수 있으면 좋겠지만, 중간에 4개의 댐퍼가 에너지를 흡수하는 설계를 수행하여 그대로 해석을 진행할 수 없었다. 따라서, 위의 선정한 댐퍼를 기준으로 아래로 가해지는 힘을 조정하였으며 500N으로 줄여 해석을 진행했다. 그리고 경계 조건들을 선정하고 댐퍼 아래의 부분 해석을 진행했다.
+[[파일:상세설계그림1.png|300픽셀|가운데|]]
+ 그 결과, 옆의 형상을 지니며 holder 역할을 하는 부분에서 안전성에 문제를 보였다. 이를 ANSYS를 이용해 실험적인 방법으로 조정하여 높은 안전계수를 획득할 수 있었지만, 그러한 방법을 선택하진 않았다. 실험적인 방법을 하다 보면 전혀 이론적인 근거가 없이 실험적인 방법으로 해석을 진행한다면 미세한 조건에 대해서도 민감하게 반응하기에 옳고 그름을 확인할 수 없었다.
+[[파일:상세설계그림2.png|300픽셀|가운데|]]
+[[파일:상세설계그림3.png|300픽셀|가운데|]]
+ 먼저 abs, 스테인리스의 경우 모두 연성을 지니기 때문에 형상에 따라 최대응력 집중계수는 달랐으며 이를 구하기 위해 기계요소설계의 이론적 지식을 활용하였다. 책의 부록에서 홀더의 형상과 유사한 형상을 지닐 때 최대응력집중계수를 확인할 수 있었다. 이에 대한 최대 집중 응력계수를 짐작으로 확인할 수도 있지만 보다 정확한 값을 얻기 위해 Getdata라는 프로그램 툴을 이용하였다. 이를 통해 옆의 그림처럼 선도에 따른 point들을 찍을 수 있었고 x축과 y축의 데이터를 정확하게 얻어낼 수 있었다. 이러한 점들을 보간 위해서 MAYLAB을 활용하여  형상에 맞게 6차, 7차 함수로 보간 하였다. 따라서, D, r, d의 값에 따른 비교적 정확한 최대응력집중계수의 값을 얻을 수 있었다. 이를 활용하여 이론적 계산을 진행하기 위해 하중을 옆과 같이 가해진다고 생각하여 계산을 진행했다.
+[[파일:상세설계그림4.png|300픽셀|가운데|]]
+ 앞에서 구한 최대 응력 집중계수와 각 형상들을 이론적 계산을 해본 결과 안전계수 5의 값을 가지기 위한 지름 값들을 옆과 같이 확인할 수 있었다. 옆의 값은 d에 해당하는 값으로 해당 d와 각 비율에 맞는 D와 r을 선정한다면 holder 파트는 안전함을 알 수 있다. 이 중 우리 팀은 압축력이나 비틀림과 같은 힘을 위해 조금 더 보수적인 설계를 원하여 가장 큰 d를 선정하였다. 그리고 이에 맞게 D, r의 값을 종속적으로 얻어 설계를 변형했다.
+[[파일:상세설계그림5.png|300픽셀|가운데|]]
+[[파일:상세설계그림6.png|300픽셀|가운데|]]
+ 수정한 holder를 토대로 ANSYS의 항복 해석을 진행하였다. 그 결과 이론적 계산을 통한 안전계수보다 작은 3.5라는 값을 확인하였다. 따라서 5이상의 값을 얻기 위해 추가적인 수정이 필요했다.
+ 이를 위해 역으로 생각을 해봤다. 5라는 안전계수 값을 기준으로 d를 선정했을 때 70%가량의 값을 ANSYS로 얻을 수 있었기에 ANSYS의 해석에서 5가량의 안전계수를 얻기 위해서 안전계수 8에 대해서 지름 d를 구하였다.
+[[파일:상세설계그림7.png|300픽셀|가운데|]]
+ 앞과 같은 방식으로 d를 이론적으로 다시 구하였고 2.2cm의 값을 d의 지름으로 선정하였다. 그리고 ANSYS 항복해석을 한 결과 5이상의 안전계수를 확인할 수 있었다.
 ===조립도===
 ====조립도====
-[[파일:조립도.png|600픽셀|가운데]]
+[[파일:조립도_song.png|600픽셀]]
 ====조립순서====
-내용
+  조립순서에서는 조립도상의 부품 소조립체가 어떠한 관계로 조립되는지가 설명되어야 한다.
+'''스크류 고정 조립'''
+[[파일:조립순서1_송.png|300픽셀|가운데]]
+  이를 실제로 조립을 하기 위해서는 총 3가지 과정이 필요하다.
+[[파일:조립순서2_송.png|500픽셀|가운데]]
+. 먼저 스크류와 옆의 파란 파트를 회전시켜 결합을 하고 스프링을 조립한다. 그리고 중간정도의 위치에 실질적으로 고정의 역할을 하는 노란색 파트를 조립한다.
+[[파일:조립순서3_송.png|400픽셀|가운데]]
+. 초록색의 스프링을 옆의 회색 파트에 넣고 1번 과정에서 만든 프로덕트를 위에서부터 넣어주면 조립을 한다.
+[[파일:조립순서4_송.png|300픽셀|가운데]]
+. 앞의 2가지 과정으로 조립을 하면 노란색 파트가 스프링으로부터 힘을 받게 된다. 이러한 부분 때문에 옆의 파트를 노란색 부분에 정확히 고정, 접착을 시키기 어렵다. 따라서 실을 활용하여 스프링을 밑으로 잡아당겨 공간을 확보하였고 옆의 파트를 노란색 파트에 부착할 수 있었다.
 ===부품도===
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 ===완료작품 소개===
 ====프로토타입 사진====
-내용
+[[파일:프로토타입_1.jpg|가운데|300픽셀]][[파일:프로토타입_2.jpg|가운데|300픽셀]]
 ====포스터====
-내용
+[[파일:이조_포스터.jpg|가운데|600픽셀]]
 ====특허출원번호 통지서====
-내용
+   [[파일:1111122223.png|600픽셀|가운데|]]
 ===개발사업비 내역서===
-내용
+ [[파일:123123123123132323212.png|600픽셀|가운데|]]
 ===완료 작품의 평가===
-내용
+[[파일:향후평가표.jpg|가운데|600픽셀]]
 ===향후평가===
-내용
+  사회적으로 복지에 관한 시스템이나 제품들이 더욱 개발되고 있으며 앞으로도 발전 가능성이 무궁무진하다. 이러한 사회적인 분위기나 경향을 볼 때 앞서 제작한 제품은 더욱 응용이 되고 개발이 될 것임을 확신한다. 현재 제작되어 있는 제품은 크게 길이조절, 충격흡수, 모터제어로 크게 3가지 기능을 가지고 있다. 첫 번째로, 길이 조절부에서는 현재 33~45cm의 길이 조절이 가능하다. 프로젝트의 초기 목적은 초등학생부터 성인까지 성장을 하며 실리콘에 대한 추가적인 구입을 막기 위한 것이었다. 하지만 최소 길이인 33cm의 길이는 초등학생이 착용을 하기에는 길이가 큰 편이다. 따라서 추가적인 개발과 간소화를 통해서 현재의 길이보다 5~10cm 정도의 길이를 줄이는 것은 충분히 가능성이 있다고 본다. 두 번째로, 현재는 예산의 제한으로 작지만 높은 에너지를 흡수하는 완벽한 댐퍼를 선정하는데 어려움이 있었다. 이러한 부분을 개수를 늘리되 작은 길이를 가진 댐퍼를 재선정함으로써 같은 에너지이지만 작은 전체 길이를 가질 수 있다. 세 번째, 현재 본 제품은 모터를 제어하고 있지만 평상시의 일반적인 보행으로 한정적인 조건을 가지고 있다. 따라서 평지 뿐 아니라 경사를 가지거나 경보와 같은 상황에서도 조절할 수 있는 모터 제어를 연구하고 개선할 가능성이 있다.
+  뿐만 아니라, 발 바닥의 센서로 압력을 인지하고 그에 맞게 조절하는 방식을 넘어서 실리콘과 무릎 사이의 근육 움직임을 신경 센서로 받아들이고 이에 맞게 조절을 하는 방식으로 개발이 가능해 보인다. 이러한 연구로 하지 절단 장애인들의 더욱 자연스럽고 편안한 보행이 충분히 가능하다 생각한다.
 ==부록==
 ====참고문헌 및 참고사이트====
-내용
+  [1] 엄수홍, 임영광, 유성봉, 이응혁, “스트레인 게이지를 이용한 대퇴의지의 보행정보 획득 기법”, 대한전자공학회 학술대회, 2016.6, 1108~1111(4 pages)
+  [2] 김창원, 신원재, “가변강성 구동기를 적용한 발목형 로봇의족 개발”, 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집, p585~p586
 ====관련특허====
 [[파일:특허1_song.png|450픽셀|가운데]]
 [[파일:특허2_song.png|450픽셀|가운데]]
 [[파일:특허3_song.png|450픽셀|가운데]]
-====소프트웨어 프로그램 소스====
-내용