A Sensorised Lattice Footplate for a Semi-Active Prosthetic Foot

기술 요약: 반능동 의족을 위한 센서 내장형 격자 구조 발판

문제 정의
현재의 하지 의족은 적응성과 실용성 사이에서 절충안을 마주하고 있다. 수동형 에너지 저장 및 반환(ESR) 의족은 견고하고 저렴하지만, 보행 단계, 속도 또는 지형에 따라 강성과 감쇠를 조절하는 능력이 부족하여, 잠재적으로 보상적 보행 전략을 유발하고 건강한 쪽 다리에 가해지는 부하를 증가시킬 수 있다. 반대로, 능동형 동력 발목은 생체 모사 능력이 뛰어나지만 모터, 배터리, 제어 시스템으로 인해 질량, 비용 및 복잡성이 크게 증가한다. 또한, 기존의 적응형 솔루션은 종종 특수한 메커니즘이나 별도의 외부 센싱 레이어(예: 인솔)에 의존하며, 이는 소형화와 통합을 제한한다. 따라서 능동적인 동력 생성의 부담 없이 감쇠 조절을 가능하게 하기 위해, 순응형 요소 내에 센싱을 직접 통합하는 저비용의 반능동 솔루션이 필요하다.

방법론
저자들은 세 가지 핵심 구성 요소가 결합된 통합 프로토타입을 제안하고 특성화한다:

1. 센서 내장형 3D 프린팅 격자 발판: 단일 구조의 탄소 섬유 스프링 대신, 발판은 PEBA 소재로 프린팅된 체심 입방(BCC) 격자로 구성된다. 이 격자 내부에는 정해진 포켓 안에 영구 자석이 매립되어 있으며, 격자 아래에는 자기계 PCB가 위치한다. 이 설계는 자기적 촉각 센싱(eFlesh에서 영감을 받음)을 활용하여, 변형에 의한 자기장 변화를 바탕으로 족저 접촉력과 하중 분포를 추정한다. 다층 퍼셉트론(MLP)은 15차원 자기 입력 벡터를 처리하여 힘 추정치를 회귀 분석한다.
2. 서보 조절식 유압 댐퍼: 관절형 발목 메커니즘은 서보 구동 기어 전동 장치에 유압 댐퍼를 결합한다. 서보는 댐퍼의 밸브 개도를 조절하여, 입각기 동안 발목 저항을 조절하기 위한 감쇠 계수($b$)를 변조한다. 서보 각도와 감쇠 계수 사이의 관계는 실험적으로 특성화되었으며 지수 모델로 피팅되었다.
3. 차수 축소 역학 모델: 시상면 링크 모델이 개발되어 가변 댐퍼와 복원 스프링을 포함한 발목의 회전 역학을 시뮬레이션한다. 이 모델은 피드포워드 감쇠 스케줄에 따른 시스템의 생체 발목 궤적 추적 능력을 평가하는 데 사용되었다.

검증 과정은 세 단계로 진행되었다: (1) 통제된 압축 하에서의 기계적 및 센싱 특성 분석, (2) 체중 부하 하에서의 정적 자세 시험을 통한 엔드 투 엔드 센싱 파이프라인의 자세 구분 능력 검증, (3) 문헌 참조 궤적에 대한 입각기 반응 시뮬레이션.

주요 기여

• 통합 센싱 아키텍처: 본 논문은 별도의 외부 인솔 센싱 레이어 없이, 하중을 지지하는 순응형 요소 내에 자기적 족저 센싱을 직접 매립하는 것을 보여준다.
• 차수 축소 모델링 및 특성화: 차수 축소된 관절 발목 모델과 실험적으로 특성화된 댐퍼 역학의 결합된 프레임워크를 제공하여, 제안된 반능동 메커니즘의 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 프로토타입 검증: 본 연구는 유닛 셀 기하학을 통해 격자 강성을 튜닝하고, 주기적 하중 하에서 높은 충실도로 힘을 추정하며, 네 가지 정적 입식 구성에서 전족부/후족부 하중 신호를 분리하는 기능적 프로토타입을 제시한다.

결과

• 격자 및 센싱 성능: 기계적 테스트를 통해 유닛 셀 크기에 따라 발판 강성을 튜닝할 수 있음을 확인하였다. 주기적 압축 하에서 매립된 센서는 만능 재료 시험기의 참조 힘을 32.14 N(전체 스 scales의 4.59%)의 제곱 평균 제곱 오차(RMSE)로 추적하였으며, 이는 하중 지지 구조 내에서 힘 추정이 가능하다는 것을 입증한다.
• 정적 자세 분류: 약 체중 부하 조건에서 뒤꿈치 닿기, 발바닥 닿기, 배굴(dorsiflexion), 발가락 떼기를 시뮬레이션하는 시험에서, 시스템은 선형적으로 분리 가능한 전족부 및 후족부 힘 분포를 생성하였다. 규칙 기반 분류기는 네 가지 부과된 자세를 모두 정확히 식별하여, 센싱 파이프라인의 하중 패턴 구별 능력을 확인하였다.
• 입각기 반응 시뮬레이션: 피드포워드 감쇠 스케줄에 의해 구동된 차수 축소 시뮬레이션은 초기-중기 입각기 동안 참조 생체 발목 궤적의 배굴 경향을 성공적으로 재현하였다. 그러나 예상대로, 순수 소산 시스템(dissipative system)으로서 시뮬레이션은 후기 입각기 동안 생체 발목에서 관찰되는 능동적 밀기(push-off)를 생성할 수 없었으며, 이로 인해 궤적이 참조값에서 벗어났다.

의의 및 주장
본 논문은 자기적 족저 센싱이 저비용 의족의 하중 지지 순응형 요소 내에 성공적으로 매립될 수 있으며, 그 결과로 얻은 힘 판독값이 예비적인 반능동 감쇠 전략을 지원하기에 충분한 정보를 제공함을 입증한다고 주장한다. 저자들은 이 연구를 하중 지지 지원, 조절 가능한 감쇠, 족저 센싱이 통합된 콤팩트한 연구 플랫폼을 위한 개념 증명(proof-of-concept)으로 위치시킨다.

저자들은 현재의 한계점에 대해 다음과 같이 겸허한 입장을 유지한다:

• 센싱 성능은 수직 하중 하에서만 평가되었으며, 전단력, 불균일한 접촉 및 재료 히스테리시스의 영향은 정량화되지 않았다.
• 정적 자세 분류기는 동적 보행 단계 전환에 대해 검증되지 않았다.
• 능동적 밀기를 생성하지 못하는 점은 프로토타입의 결함이 아니라 반능동(소산형) 아키텍처의 근본적인 한계로 식별되었다.

본 연구는 프로토타입이 아직 임상적으로 사용 가능한 제품은 아니지만(인증 및 내구성 테스트 부재로 인해), 보행 의존적 발목 감쇠 조절 연구를 위한 실행 가능한 센싱-구동 쌍을 구축한다는 결론을 내린다. 프로토타입의 추정 비용($200)은 상업적 대안보다 현저히 낮으나, 저자들은 이 비교가 인증되지 않은 연구용 장치와 인증된 임상 제품 간의 비교임을 명시하였다.