FAULHABER의 BLDC 모터가 적용된 ‘D-Ankle’ 의족으로 자연스럽게 걷기
지절단 환자 중 젊은 환자의 대부분은 선천적 장애나 사고가 원인인 경우가 많으며, 나이가 많은 환자들은 암, 감염, 당뇨병이 원인이 된 경우가 많다. 이집트와 중국의 고고학 기록에 의하면 최소 3000년 전부터 결손된 신체 부위를 보철물로 대체하려고 했다는 사실을 알 수 있다. 해적 영화에 전형적으로 나오는 의족이 당시의 보철물을 사실적으로 보여준다. 그 의족은 보통 나무와 가죽으로 만들어졌고, 뻣뻣했지만 절뚝거리면서 걸을 수 있도록 도와주었다.
해적들의 나무 의족부터 첨단 정형외과 장비까지
현대의 의족은 관절, 제어 알고리즘, 첨단 기술로 만들어진 스프링 등을 가지고 있기 때문에 이전의 제품들과는 비교할 수 없다. 이 의족의 도움으로 사용자의 걸음 패턴은 훨씬 더 자연스러워진 다. 심지어 탄소 의족을 사용하는 하지 절단 육상선수들은 단거리 달리기에서 매우 뛰어난 성적을 기록하기도 한다. 이 때문에 탄소 섬유의 뛰어난 반발력을 사용한 의족을 착용한 육상 선수들이 ‘일 반적인’ 육상 선수들보다 유리한가에 대한 논의도 있었다.
스포츠용 의족은 빠른 달리기를 위해 만들어졌기 때문에, 가만히 서서 일상적인 활동을 하기에는 매우 어렵다. 일상적인 활동을 위한 발목 관절 의족은 스포츠용에 사용되는 아치형의 날과 완전히 다른 디자인을 가지고 있다. 보통 자연 해부학을 반영하여 하퇴와 발 부분으로 구성되며 관절로 연결되어 있다. 수동적으로 움직이는 인공 발목 관절은 의족이 안정적인 위치에 있도록 해주지 만, 이동 중에 움직일 수 있는 범위가 매우 제한적이다.
앞으로 움직일 때 발이 뒤로 젖혀지고 다리를 앞으로 내딛을 때탄성력으로 발을 원래 위치로 돌아가게 한다. 하지만 이러한 움직임은 자연스럽지 않으며 의족이 지면의 장애물에 걸릴 확률이 높다.
넘어짐을 줄이기 위한 각도 조절
Design Pro Technology의 ‘D-Ankle’은 걸을 때 발목이 모터로 움직이고 해부학적으로 자연스럽게 발목을 움직이게 하는 최초의 발목 관절 의족이다. 발을 스윙할 때 경골을 향해 발목을 꺾는 것이 매우 중요하다. 발가락 끝과 지면 사이의 거리를 늘릴수록 발이 걸려 넘어질 확률이 줄어든다. 수동적으로 움직이는 의족을 사용하는 환자는 발가락과 지면 사이를 늘리기 위해 엉덩이로 원을 그리거나 다리를 더 높게 올려야 했다.
D-Ankle은 이러한 불필요한 움직임이 필요 없어 더 자연스럽고 피로감을 줄여준다. 또한 D-Ankle은 땅에 닿아 있는 동안 발목 관절의 각도를 자연스 럽게 변할 수 있도록 해준다.
보행 리듬을 감지하는 컨트롤러
의족의 통합 컨트롤러는 걸음을 여러 단계로 구분하기 위해 여러 센서에서 신호를 받는다. 가변저항이 발과 다리 사이의 각도를 측정하고, 양쪽의 압력 센서는 발의 초기 접촉부터 발걸음 중의 하중을 측정한다.
가속도계는 속도, 발의 기울기 등 여러 전반적인 움직임을 측정한다. 이 데이터들을 통해 각 걸음 단계에 맞는 보행 리듬과 최적의 발 위치를 계산한다. 예를 들어 평지보다는 오르막을 오를 때 발목 관절이 더 많이 구부러지고, 지면을 미는 힘도 증가한다. 내리막에서는 발바닥이 지면과 최대한 접촉할 수 있도록 관절이 반대 방향으로 구부러진다.
뛰어난 지구력을 가진 스포티한 드라이브
통합 드라이브는 제어 신호를 적합한 움직임으로 변환한다. FAULHABER의 BLDC인 BP4 시리즈는 크기와 무게에 비해 토크가 높고 최대 91%의 높은 효율을 보여준다. 이 의족은 BP4시리즈를 메인으로 동작하며, 이 모터의 동력은 리드 스크류로 전달된다. 리드 스크 류는 양 방향으로 동작해 발등과 발바닥 쪽으로 발목 관절이 움직일 수 있게 한다. 이 드라이브는 에너지 효율성이 높아 한 번의 배터리 충전으로 12시간동안 작동할 수 있다. 또한 일상 생활에서 사용할 수 있을 정도로 열 방출이 가능하다.
D-Ankle의 목표는 조깅 동작을 모방하기 위해 초당 3걸음을 가능하게 하는 것이었다. 또한 속도와 방향의 급격한 변화도 가능해야 하기 때문에 가능한 가장 작은 부피와 낮은 무게로 매우 빠른 속도와 높은 토크가 필요했다. Design Pro Technology는 FAULHABER를 통해 적합한 제품을 찾았을 뿐 아니라 기술 지원까지 받을 수 있었다.
자료제공: 스위스 아미에트( www.swissamiet.com)
