경량·저복잡도 소프트 양쪽 발목 외골격 설계 및 생체역학 평가

본 논문은 발목 관절이 보행 중 가장 큰 기계적 파워를 담당한다는 사실에 기반해, 양쪽 발목에 동시에 보조력을 제공할 수 있는 경량·저복잡도 소프트 외골격을 설계하고, 그 생체역학적 영향을 평가한다. 기존의 외골격은 무게와 강성 구조 때문에 착용자의 보행을 방해하거나 대사 비용을 증가시키는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 저자들은 ‘하이브리드 강성’ 설계를 채택하였다. 구동 메커니즘은 두 개의 quasi‑direct‑drive 모터와 Bowden 케이블을 이용해 발목에 힘을 전달한다. 케이블은 내부 전선과 외부 전선으로 구성되며, 외부 전선은 신발에 부착된 강성 앵커(수직 로드와 수평 바)와 텍스타일 스트랩으로 고정한다. 이 구조는 케이블이 미끄러지는 현상을 방지하면서도 사용자의 신체와 직접 접촉하는 부분은 연성 재료로 유지해 착용감과 편안함을 확보한다. 전체 장치 무게는 2.27 kg(모든 부품 포함)으로, 2.5 kg 이하의 경량 목표를 달성했으며, 이는 기존 양쪽 발목 외골격(1.73 kg~10 kg)보다 가볍다. 복잡도 지수는 L(보조 사지 수)=2, D(자유도 수)=1, S(센서 수)=4, A(액추에이터 수)=2를 적용해 2로 계산된다. 이는 복잡도 지수가 1.7~4.4 사이에 분포하는 기존 연구에 비해 낮은 편이며, 설계·제조 비용 절감과 사용자 수용성 향상에 기여한다. 실험은 29세 남성(키 1.78 m, 체중 80.4 kg) 피험자를 대상으로 두 가지 조건에서 진행되었다. 첫 번째는 외골격을 착용하지 않은 상태, 두 번째는 외골격을 착용하되 전원을 차단하고 무동력(제로 토크) 모드로 진행한 경우이다. Vicon 12‑camera 모션 캡처 시스템과 AMTI 포스 플레이트를 이용해 관절 각도, 관절 모멘트, 보행 주기 등을 측정하였다. 데이터는 Woltring 필터(평균 제곱 오차 10)로 전처리하고, stride‑level 선형 혼합 효과 모델(LME)과 동등성 검정(TOST)으로 통계 분석하였다. 결과적으로, 발목 굴곡·신전 각도 차이는 평균 0.2°(p=0.46)로 유의하지 않았으며, 신전 모멘트 피크도 p=0.98로 차이가 없었다. 무릎·고관절 각도에서도 차이가 통계적으로 유의하지 않았고, 보행 주기 길이와 스탠스·스윙 비율은 ±0.05 s·% 범위 내에서 동등함을 확인했다. 즉, 무게와 구조가 추가된 상태에서도 정상 보행 패턴이 유지됨을 증명하였다. 제어 시스템은 로드셀(500 N)에서 측정된 케이블 장력을 피드백으로 하는 PID 제어기로 구성된다. 힐 스트라이크는 FSR(Force Sensitive Resistor) 센서로 검출해 보행 주기(%)를 실시간 추정한다. 목표 토크는 10 Nm(케이블 장력 17 kg)이며, 시간 프로파일은 보행 주기 23.2%(상승), 50.4%(피크), 62.7%(감소)로 정의하였다. 현재는 제어 알고리즘을 시뮬레이션 및 오프라인 테스트 단계에 두고 있으며, 향후 구동 시험을 통해 실제 보조 효과와 대사 비용 절감 효과를 검증할 계획이다. 논문은 또한 향후 설계 개선 방향을 제시한다. 현재는 발목 굴곡 보조에 초점을 맞추었지만, dorsiflexion(발등 굴곡) 지원을 위한 메커니즘 추가와 케이블 전송 효율 향상을 위한 구조 재설계가 가능하다. 또한, 현재는 배터리와 제어 보드가 등쪽에 부착되어 있지만, 무게 중심을 낮추기 위한 배터리 재배치나 에너지 회수 메커니즘 도입도 고려될 수 있다. 결론적으로, 이 연구는 경량·저복잡도 소프트 양쪽 발목 외골격이 착용자의 정상 보행에 방해가 되지 않으며, 향후 활성 보조 기능을 구현하기 위한 견고한 기반을 제공한다는 점에서 의미가 크다. 특히, 신발 부착형 설계는 다양한 신발에 적용 가능하도록 하여 일상 생활에서의 활용 가능성을 크게 확대한다.