Development of Quasi Passive Ankle-Exoskeleton Robot for Gait Assistance of Hemiplegic Patients

Abstract

A hemiplegic patients refers whose one side is paralyzed. The unaffected side of the patient 's healthy body, and the affected side of the paralyzed body. The patient is in a state of paralyzed on one side in all day life, and the patient suffers from discomfort when walking. The gait cycle is divided into several sections to express movement. In the case of the patient, the paralyzed legs do not move, resulting in a foot drop phenomenon in which the foot are attracted to the ground in the swing phase. In addition, due to the lack of strength in the ankle, push off is difficult, indicating instability in walking due to the weak forward propulsion. In the low limb gait cycle, three joints are mainly used in the hip, knee and ankle, of which the ankle has a largest power value, which is the most important. Therefore, to solve this problem, the purpose of this research was to use a spring to output a momentary force to help with a push off to assist the plantar flexion, and to use a tendon driven actuator to prevent foot drop to assist dorsi flexion. Instead of attaching the position of the motor to the ankle axis, the quasi passive ankle exoskeleton robot was developed using the passive element spring and the tendon driven actuator, which were manual elements, to assist the patient in walking with light weighting of the robot and low power value. Thus, the safety of walking by eliminating the drag of the patient's foot on the ground, increasing the forward propulsion force thrust, and simulating the designed robot was used to compare the theoretical values and graphs to confirm accuracy. In this research, propose a quasi passive ankle exoskeleton robot that assists the gait of hemiplegic patients, focusing on the most important ankle during walking.; 편마비 환자는 한쪽 면이 마비가 된 환자를 말한다. 환자의 건강한 신체 측은 건측, 마비가 진행된 신체는 환측으로 구분된다. 환자는 일상생활에서 한쪽 면이 마비된 상태로 활동하게 되며 보행을 하면 큰 불편함을 겪는다. 보행에는 여러 가지 구간으로 나뉘어서 움직임을 표현하는데 환자의 경우 마비된 다리가 움직이지 않아 유각기 단계에서는 발이 땅에 끌리는 족하수 현상이 생기게 된다. 또한, 발목에 힘이 없어 발끝밀기 힘을 하는데 어려움이 있어 전진 추진력이 약해 보행에 불안전성을 나타내고 있다. 하지 보행에서는 골반, 무릎, 발목으로 세 가지 관절이 주로 사용이 되고, 이 중 발목이 큰 파워 값을 가져 중요한 역할을 한다. 그러므로 이를 해결하고자 본 연구에서는 스프링을 이용하여 순간적인 힘을 출력하여 발끝밀기가 이루어지게 하여 저측굴곡을 도와주고, 텐던 구동 액추에이터를 사용하여 족하수을 방지하여 배측굴곡을 도와주어 안전한 보행을 하는 것을 목표로 하였다. 모터의 위치를 발목에 장착하는 대신 수동소자인 스프링과 텐던 구동 액추에이터를 사용하여 준수동형태의 발목 외골격 로봇을 개발하여 로봇의 경량화와 적은 전력 값으로 환자의 보행을 보조하게 하였다. 이를 통해 환자의 발이 땅에 끌리는 현상을 없애고 전진 추진력을 높임으로 안전한 보행을 할 수 있도록 하였으며 설계된 로봇을 시뮬레이션을 통해 이론값과 그래프를 비교하여 정확도를 확인하였다. 이를 중심으로 본 연구에서는 보행 중 제일 중요한 발목을 중심으로 편마비환자들의 보행을 할 시 보조하는 준수동형 발목 외골격 로봇에 관한 연구를 제시한다.