체중지지를 위한 레일형 보행 재활 시스템 구조 해석
Structural Analysis of the Gait Rehabilitation System of a Rail Type for Body-Weight Support Function
김재준1, 김 경1,, 서영수1, 김재원1, 김제남1, 정우석1, 유창호2, 권대규2, 송원경3 Jae Jun Kim1, Kyung Kim1,, Young Soo Seo1, Jae Won Kim1, Je Nam Kim1, Wu Suk Chong1, Chang Ho Yu2, Tae Kyu Kwon2, and Won Kyung Song3
1 캠틱종합기술원 R&D 사업단 (R&D Division, CAMTIC Advanced Mechatronics Technology Institute for Commercialization) 2 전북대학교 바이오메디컬공학부 (Department of Biomedical Engineering, Chonbuk National University) 3 국립재활원 재활연구소 (Research Institute, National Rehabilitation Center)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-63-219-0322
Manuscript received: 2015.11.30. / Revised: 2016.5.31. / Accepted: 2016.6.8.Weight bearing is effective during rehabilitation of gait, in the elderly and disabled people. Various training devices using weight bearing function were developed along with treadmill walking;
however, no device has been developed in conjunction to walking on the ground. Here, we designed a rail type frame of a gait rehabilitation system for body-weight support (BWS) function, and analyzed its mechanical safety in the static weight bearing condition of a vertical axis.
Computational simulations were performed to analyze structure of the driving parts, which are connected with a rail and driving rollers and the lower plate of the BWS. Structural analyses showed the drivers and BWS were safe, when simulated at 135kg weight under static conditions.
Thus, this rail type rehabilitation system can be used for gait training of the elderly and disabled.
KEYWORDS: Gait rehabilitation system ( 보행 재활 시스템), Body-Weight support function (체중지지기능), Structural safety analysis ( 구조해석)
1. 서론
보행 동작은 한 장소에서 다른 장소로 이동을 일으키는 동작이며, 다수의 관절 및 골반의 움직 임과 근육의 연속운동에 의해서 몸 중심의 전방 이동을 도모하는 행위이다.
1그러므로 일상생활을 영위하기 위한 가장 기본적인 동작이다. 사회 구 조의 변화에 의한 고령화 현상으로 인하여 하지 근력과 근골격계가 약한 노인 인구가 증가하게 되
고, 각종 사고 등으로 인한 장애 인구가 많아지고 있으며, 이들 대부분은 일상생활의 기본 동작인 보행 동작에 어려움을 가지고 있다. 이는 고령자 및 장애인의 사회 참여에 제한을 두게 되어 이들 의 기본적인 삶을 영위하기 위한 삶의 질 (Quality of Life) 지수가 떨어지고 있다.
2환자의 상태에 따라 본인의 하중을 단계적으로 지지할 수 있는 체중지지 기능 (Body Weight Support, BWS) 은 보행 장애인의 보행 재활을 도와 __________
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주는 중요한 기능이다. Visintin은 뇌졸중 환자를 대 상으로 체중지지와 트레드밀 (Treamill) 시뮬레이션 을 이용한 새로운 보행 훈련 방법을 적용시켰다.
3Hesse 는 편마비 환자를 대상으로 부분적인 체중지 지 (Partial BWS)와 함께 트레드밀 보행 훈련에 대 한 효과에 대하여 연구하였다.
4,5Miyai 는 파킨슨 환 자를 대상으로 체중지지와 함께 트레드밀 훈련에 대한 효과에 대하여 연구하였다.
6Werner 는 아급성 기 (Subacute) 뇌졸중 환자를 대상으로 보행 훈련 장비와 체중지지를 겸한 트레드밀 보행에 대한 훈 련 효과를 비교하였다.
7하지만 트레드밀 보행은 모터로 구동되는 트레드밀 위에서 보행 동작이 이 뤄지고 정해진 공간에서 사용자의 위치가 고정된 상태로 자연스러운 보행 동작을 구현하기 어렵기 때문에 지면 보행 (Over-Ground Gait)과 큰 차이를 보인다. 트레드밀 보행과 지면 보행에 대한 관절 각도 차이를 확인하는 운동학적 요소 (Kinematic) 및 관절 토크 등의 힘의 차이를 확인하는 운동역 학적 요소 (Kinetic) 등을 비교한 많은 연구가 이뤄 졌다.
8-10특히, 뇌졸중 및 불완전 척수손상 (Incomplete Spinal Cord Injury) 환자를 대상으로 체 중지지를 이용한 트레드밀 보행과 지면 보행 훈련 효과를 비교한 연구도 다수 수행되었다.
11-13Hidler 는 천정 레일을 이용한 보행 및 균형 훈 련 시스템 (Zero G Rehabilitation Training System)을 개발하였다.
14개발된 장비는 미국 내의 임상병원 에서 뇌졸중으로 인한 편마비 환자 및 불완전 척 수손상 환자를 대상으로 신진대사 소비 및 근육 사용 패턴 등의 다양한 연구가 진행되고 있다.
15,16하지만, 개발된 장비는 모터 구동을 위한 전원 케 이블이 연결되어 있기 때문에 사용 공간에 대한 한계성을 지니고 있다. 이러한 문제점을 해결하고 자 전원 케이블로부터 해방된 배터리 전원 공급 방식을 이용한 레일 주행형 지면 보행 훈련 기구 부 설계에 관한 기초 연구를 수행하였다.
17,18본 연구에서는 실내 복도까지도 확장이 가능하 도록 배터리를 적용한 전원 공급 방식의 자율 주행 및 체중 지지가 가능한 보행 재활 시스템을 설계하 였고, 정적인 상태의 구조 해석을 수행함으로써 기 구학적인 프레임의 안전성을 분석하고자 하였다.
2. 시스템 구성
2.1 레일형 보행재활시스템 개요
레일형 보행재활시스템은 천정에 설치된 레일
기반의 보행 및 자세균형 훈련을 위한 재활 장비 이다. 본 레일형 보행재활시스템은 Fig. 1과 같이, 실내 천정에 설치되는 레일부, 보행 재활 기능을 제공하는 동적 레일 시스템부, 및 환자에게 착용 되는 하네스부로 구성된다. 레일형 보행재활시스 템은 전후 주행을 도와주는 자율주행기능 (Smart Driving) 과 하네스를 착용한 환자와 줄로 연결되어
Fig. 1 Concept of the gait rehabilitation system using rail
(a) Perspective front view
(b) Perspective back view
Fig. 2 Design of the gait rehabilitation system
체중지지 단계를 조절하는 체중지지기능 (Body- Weight Support, BWS) 을 가지고 있다. Fig. 2는 자율 주행과 체중지지 기능을 제공하는보행재활시스템 의 설계도면이다. 본 시스템의 전체 규격은 가로 565 mm, 너비 300 mm, 높이 277 mm이며, 무게는 모터, 드라이버, 배터리, 및 제어부를 포함하여 51 kg 이다.
2.2 터널형 레일 설계
기존의 레일을 이용한 보행 훈련 시스템의 레 일은 ‘H beam’ 형태로 제작되었다. 이 레일 구조는 천정에서 일정 높이로 내려와서 설치되기 때문에 높은 천정의 대형 임상기관에만 설치가 가능하고 미관상으로도 좋은 않은 단점을 가지고 있다. 본 논문에서 설계한 레일 형태는 Fig. 3(a)와 같이 주 행용 롤러가 레일 안으로 들어가는 터널형으로써, 천정 안쪽으로 레일의 일부가 삽입되기 때문에, 레일과 연결되는 자율주행부가 천정 아래에 바로 연결되기 때문에 낮은 천정에서도 설치가 용이하 다. 본 레일은 살빼기 작업 및 곡선 주행부의 구 부러진 부분 (Bending) 제작 등 제품 양산까지 고 려하여 Fig. 3(b)와 같이 설계를 완료했고, 직선 주 행뿐만 아니라 구부러진 부분 (Bending)에서도 부 드럽게 주행하기 위하여 곡선 주행 시뮬레이션을 수행하였다 (Fig. 3(c)). 본 레일의 곡률반경은 임상 기관의 작은 복도에서도 가능하기 위하여 곡률반 경 720 - 1,000 mm의 범위로 설정하였다.
2.3 자율주행부 기구부 설계
자율주행부는 레일의 전후 방향으로 이동 기능 을 가지고 있고, 주행용 모터와 연결된 주요롤러 를 포함한 주요주행부 (Main Driving Part)와 주요주 행부의 주행에 따라 수동적인 주행을 보조하는 보 조주행부 (Assistive Driving Part)로 구성된다.
주요주행부의 모터와 연결된 메인 롤러는 레일 의 밑면과 주요주행부 사이가 떨어지지 않도록 인 장 스프링을 이용하여 조절할 수 있게 설계되었다.
주요주행부와 보조주행부는 각각 4개의 직선 주행 용 롤러와 4개의 곡선 주행용 회전 가이드 롤러 등 총 16개의 롤러를 가지고 있다. 직선 주행용 롤러는 중력방향으로 개당 35 kg, 회전 가이드 롤 러는 수평방향으로 개당 8 kg의 하중을 견딜 수 있는 롤러를 선정하였다. 이는 중력방향으로 280 kg, 수평방향으로 64 kg의 하중을 견딜 수 있는 구 조로써, 터널형 레일에 가하는 시스템 전체 기구
Fig. 3 Design of the mechanical frame of the rail
Fig. 4 Design of the mechanical frame of the smart
driving part
부와 환자의 무게를 고려된 규격이다.
자율주행부와 체중지지부의 연결은 Fig. 4(b)와 같이, 진동 등의 흔들림을 잡아주기 위한 볼베어 링과 자율주행부의 원활한 곡선 주행을 위하여 슬 러스트 베어링을 이용하여 주요주행부와 보조주행 부와 회전 형태로 연결될 수 있게 설계되었다.
2.4 체중지지부 기구부 설계
Fig. 1 과 같이, 초기의 체중지지는 양쪽 체중지 지 방식으로 개념 설계를 진행하였으나, 시스템의 규격 및 무게의 소형화를 위하여 한쪽 체중지지 (Single BWS) 방식으로 수정하였다. 체중지지부는 윈치드럼과 연결되어 환자를 위아래로 이동시킬 수 있는 체중지지모터 (BWS Motor), 낙상과 같이 위험상황이 갑자기 발생할 때 환자에게 가해지는 충격을 상쇄시켜주는 수동 댐퍼 연결부, 및 무선 방식을 위한 배터리 (LiFePO
4) 로 구성된다. 윈치드 럼에 감기는 줄은 4개의 롤러 및 수동댐퍼와 연결 되어 사용자가 착용한 하네스와 연결된다. 체중지 지용 모터는 40 : 1의 감속기를 사용하여 최대 135 kg 의 하중을 들어올릴 수 있다.
3. 구조 해석 방법
3.1 자율주행부 해석 조건 3.1.1 자율주행부 단순화 모델
터널형으로 설계된 레일은 제품 양산을 위한 Fig. 3 의 경량화된 레일 형상을 이용하여 길이 1m 의 레일 모델을 설계하였다. 레일과 연결되는 자 율주행부의 주요주행부 및 보조주행부는 레일, 롤 러, 롤러 샤프트 등의 응력 및 처짐 결과를 분석 하여 위하여 Fig. 6의 자율주행부와 같이 모델을 단순화하였다.
3.1.2 자율주행부 적용 물성치
자율주행부의 단순화 모델에 사용된 롤러의 재 질은 스테인레스 스틸 (SUS304), 레일을 포함한 나머지 기구물은 알루미늄 (AL6063-T5) 재질을 사 용하였고, 그 적용 물성치는 표 1과 같다.
3.1.3 자율주행부 구조해석조건
자율주행부의 구조해석에 있어 적용된 하중 조 건은 다음과 같다. 중력에 의한 자중 조건을 적용 하기 위한 중력가속도를 적용하였다. 해석의 효율 성을 높이기 위하여 자율주행부의 시스템 중량은
100 kg, 사용자 체중 조건은 200 kg 이라고 가정하 여 총 300 kg의 하중을 Fig. 7과 같이 질점 (Point Mass) 을 이용하여 단순화하되 가중치를 적용하였다.
Fig. 5 Design of the mechanical frame of the BWS part
Fig. 6 Simplified model apparatus of rail and driving part
Table 1 Material properties of driving part Property SUS304 AL6063-T5 Young’s modulus, E 193 GPa 68.9 GPa
Poisson’s ratio, ν 0.29 0.33 Density, ρ 8,000 kg/m
32,700 kg/m
3Yield strength, σ
Y215 MPa 145 MPa Tensile strength, σ
T505 MPa 186 MPa
Fig. 7 Load condition of driving part
Fig. 8(a) 와 같이 레일이 상부 천장에 삽입되어 가이드 빔의 3면이 고정되는 경계조건을 적용하였 고, 전체 시스템의 결합에 따른 뒤틀려짐을 방지 하기 위하여 자율주행부의 측면 수직 방향에 대한 고정 조건을 적용 하였다 (Fig. 8(b)).
3.2 체중지지부 해석 조건 3.2.1 체중지지부 단순화 모델
체중지지부의 윈치드럼과 연결된 줄 (Wire)이 4 개의 롤러 및 수동댐퍼와 연결되어 사용자가 착 용한 하네스와 연결된다. 이 때, 마지막 롤러와 연 결된 하부 플레이트 부분이 가장 많은 하중을 받 는다. 이에 체중지지부는 Fig. 9와 같이, 하부플레 이트의 모델을 단순화하였다.
3.2.2 체중지지부 적용 물성치
체중지지부의 단순화 모델에 사용된 와이어를 제외한 하부 플레이트 모듈은 알루미늄 (AL6063- T5) 재질을 사용하였고, 물성치는 Table 1과 같다.
Fig. 10 Load condition of BWS part
(a) Side fixed condition (b) Wire fixation condition Fig. 11 Boundary condition of BWS part
3.2.3 체중지지부 구조해석조건체중지지부의 하부 플레이트 역시 중력 방향에 대한 자중 조건을 적용하였고, 와이어 끝단의 하 중 조건으로 사용자 무게를 최대 체중지지 목표 하중인 135 kg보다 높은 200 kg으로 가중치를 설정 하였다.
체중지지 플레이트의 경계조건은 Fig. 11과 같 이, 레일 및 체중지지부 브라켓 등과 연결되어 고 정되는 조건에 있어 플레이트를 통해 하중이 전달 되지 않는 조건으로 가정하여 측면을 고정하였고, 체중지지모터가 멈춰있는 상황을 가정하여 와이어 의 상부 절단면에서 고정되는 조건을 적용하였다.
4. 구조해석 결과
4.1 자율주행부 구조해석 결과
자율주행부의 주요주행부와 보조주행부의 롤러 및 샤프트 등에 의한 하중 (300 kg)을 적용하여 해 석을 진행하였다.
Fig. 12 는 적용 하중 조건에 따라 발생한 자율 주행부의 처짐 결과 (Deflection Result) 를 나타낸 것이며, 레일의 아래 면에 대한 처짐 정도는 변화 가 없었다. 최대 처짐 (Max. Deflection) 정도를 알 아보기 위하여, 1,000배로 확대했을 때, 주요주행부 및 보조주행부의 직선 주행용 롤러의 접촉 부분과 롤러의 샤프트 부분에 최대 처짐이 0.007775 mm Fig. 8 Boundary condition of driving part
Fig. 9 Simplified model apparatus of plate for BWS
발생하는 것으로 해석되었다.
Figs. 13 과 14는 자율주행부의 레일과 주행부에 대한 응력 결과 (Stress Result)를 나타낸 것이다. 도 출된 각 주요 구성품의 최대 응력으로 레일부는 롤러 접촉부에서 6.778 MPa의 최대 응력 값이 발 생했다. 주요주행부는 뒤쪽에 위치한 직선 주행용 롤러 하단의 프레임에서 9.967 MPa의 최대 응력 값이 발생하였고, 보조보행부는 앞쪽의 직선 주행
용 롤러 하단 프레임에서 9.16 MPa의 최대 응력이 발생하였다.
최대 응력이 발생한 부위의 안전 계수 (Yield Strength / Max. Stress) 로 계산해보면 표 2에서 보는 것과 같이, 14.55 - 15.83의 범위에 해당되어 레일과 자율주행부의 접촉 부분은 안전하다고 판단된다.
4.2 체중지지부 구조해석 결과
체중지지부의 와이어를 통하여 중력 방향으로 200 kg 이 가해질 때, 최대 처짐 정도는 1.544mm로 해석되었다. 최대 처짐 결과를 두드러지게 나타내 기 위하여 30배 스케일로 확대한 결과, Fig. 15와 같이 마지막 롤러를 중심으로 하부 플레이트가 처 지는 것을 확인할 수 있었다.
체중지지부의 부위별 응력 해석에 대한 결과로, 하부 플레이트의 최대 응력은 63.8 MPa, 허용강도 기준 안전 계수는 2.27로 도출되었다 (Fig. 16). Fig.
17 의 롤러, 롤러 샤프트, 및 브라켓의 경우, 각각 최대 68.01 MPa, 62.85 MPa, 48.69 MPa으로, 안전 계 Fig. 12 Result of deflection contour
Fig. 13 Result of stress contour in rail part
(a) Result of the main driving part
(b) Result of the assistive driving part Fig. 14 Result of stress contour in smart driving part
Table 2 Result of structural analysis in driving part Item Result Safety factor Deflection (mm) 0.007775 -
Max.
stress (MPa)
Rail 6.778 21.39
Main driving 9.967 14.55 Assistive driving 9.16 15.83
Fig. 15 Result of deflection contour in the plate of BWS
(a) Upper part in the plate (b) Lower part in the plate
Fig. 16 Result of stress contour in the plate of BWS part
수는 2.13 - 2.98 으로 예측되었다 (Table 3). 체중지 지부의 대부분의 부품들의 안전율이 2.0 이상으로 예측되어 와이어와 연결된 200 kg 하중에 대하여 충분히 지지가 가능할 것으로 판단하였다.
위와 같이, 자율주행부 및 체중지지부의 구조 적인 프레임에 대한 구조해석 시뮬레이션을 통하 여 135 kg의 중력 방향의 하중을 가할 때에는 안 전하다고 판단되었고, 이를 기반으로 Fig. 18과 같 이, 보행재활시스템의 1차 시제품을 제작하였다.
Fig. 18 은 몸무게 70 kg의 건강한 성인을 대상으로, 하네스를 착용한 상태에서 피험자 하중의 30% 체
중지지기능을 구현한 상태에서 보행 동작을 수행 하는 모습이다.
5. 결론
본 논문에서는 고령자 및 장애인 등 보행 장애 를 겪는 환자를 대상으로 보행 재활 훈련을 제공 할 수 있는 레일형 보행재활시스템을 설계하였고, 자율주행부 및 체중지지부에 대한 정적인 안전성 을 분석하였다. 레일과 자율주행부의 연결부는 시 스템과 사용자의 무게를 고려하면서 가중치를 적 용한 300 kg의 하중을 적용했을 때도 안전율 값이 14.55 - 15.83 의 범위로 예측되어 구조적으로 안전 하다는 결과를 확인하였다. 또한, 체중지지부 역시 하부 플레이트와 연결된 와이어의 하중이 200 kg 라고 가정할 때도 안전율 값이 2.13 - 2.98 로 예측 되어 기구적인 프레임이 안전하다고 판단되었다.
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인한 설계 개념을 바 탕으로 실제 시작품을 제작하여 자율주행 및 체중 지지 기능을 수행해본 결과 안전하게 작동하는 것 을 확인하였다. 본 논문에서 확인한 레일형 보행 재활시스템은 향후 보행 장애를 가진 환자를 대상 으로 재활 훈련을 제공할 수 있는 유효한 장비가 될 것이라고 기대된다. 향후 연구에서는 건강한 성인뿐만 아니라, 환자를 대상으로 하지 동작에 대한 사용성 평가를 진행하고자 한다.
후 기
본 연구는 국립재활원 재활로봇중개연구사업단 (a) Result of the roller part
(b) Result of the roller shaft part
(c) Result of the bracket part Fig. 17 Result of stress contour in BWS part
Table 3 Result of structural analysis in BWS part
Item Result Safety factor Deflection (mm) 1.544 -
Max.
Stress (MPa)
Plate 63.80 2.27
Roller 68.01 2.13 Roller shaft 62.85 2.31
Bracket 48.69 2.98
Fig. 18 Apparatus of the 1
stprototype of a gait
rehabilitation system
의 연구개발 용역사업 (NRCTR-EX002)에 의하여 수행되었습니다.
REFERENCES
