1. 수행배경

• 뇌성마비 환자는 신경, 근육 제어의 문제로 인해 정상적인 보행이 어려움. 특히, 종아리 뒤쪽 근육(비복근)의 경직으로 인해 발목이 과도하게 아래로 꺾이며, 발 전체가 아니라 발끝으로만 땅을 딛는 비정상적 보행 패턴이 자주 나타남. 이로 인해 1. 넘어짐 위험 증가; 발 전제가 땅에 닿지 않기 때문에 중심을 쉽게 잃음. 2. 발과 다리의 변형 악화; 지속적인 발끝 보행은 관절 변형, 통증을 유발할 수 있음. 3. 일상생활 제약; 제대로 걷지 못해 독립적인 이동이 힘들고 삶의 질이 크게 저하됨. 기타 등등 여러 가지 문제가 발생함.

• 발 전체를 디딜 수 있도록 보조하면, 뇌성마비 환자의 넘어짐 사고를 줄이고 독립적인 이동 능력을 키울 수 있음. 정상적인 발 착지가 가능해지면 작은 장애물에도 쉽게 걸려 넘어지던 문제를 예방할 수 있고, 걷는 동안 중심을 보다 안정적으로 유지할 수 있음. 이로 인해 일상생활에 큰 불편함을 가지고 살아가는 뇌성마비 환자들의 삶을 윤택하게 할 수 있음.

  예를 들어, 발끝만 딛는 보행을 하는 뇌성마비 환자가 학교 복도에서 2~3cm 높이의 낮은 문턱을 지나갈 때를 생각해보면, 발끝 보행 상태에서는 발 전체를 들어 넘기는 대신, 발끝이 먼저 지면에 닿으면서 문턱에 걸릴 위험이 큼. 특히, 발끝이 장애물에 걸리면 체중을 지탱할 수 없어 중심을 잃고 쉽게 넘어질 수 있음. 이는 다른 부상으로 이루어 질 수 있고, 추가적인 비용을 들여 치료해야 할 가능성을 내포하고 있음. 반면, 발 전체를 사용해 뒤꿈치부터 착지할 수 있다면, 문턱 위를 자연스럽게 넘으며 중심을 유지할 수 있어 넘어지는 것을 방지할 수 있음. 만약, 발이 문턱에 걸린다고 해도, 발바닥 전체로 착지하면 몸의 하중을 지탱할 수 있는 확률이 크게 올라가 추가적인 부상을 방지할 수 있음.

2. 수행기간

• 작품 제작 내용	추진일정					비 고
  	5월	6월	7월	8월	9월
  구체적 설계
  특허 조사
  재료 구매						보완 시 상시 구매
  본 제품 제작
  제품 보완
  시연

3. 개발작품 설명

• 발 등쪽 아치형 구조물에 9축 가속도 + 자이로센서(MPU-9250)를 장착해 발 끝이 어느 방향으로 틀어졌는지 측정이 가능함. 그 정보를 MCU인 아두이노에서 판단해 Default 각도에 맞춰질 때까지 서보모터를 작동시키는 알고리즘을 작성해 적용시킴. X-Y평면 방향의 발목은 전체 구조물에 ‘쿼터베어링’으로 명명하는 구조물을 이용해 움직임을 가능하게 함. 또한 X-Y평면 방향의 운동은 X축(발꿈치부터 발끝의 방향)을 중심축으로 하는 운동;롤링 이 강제되기 때문에 같이 제어를 함.MPU-9250의 판단 하에 Default 각도에 맞춰지면, 그 서보모터는 작동시키지 않고(걷는 동작 중 MPU-9250이 측정하는 각도가 틀어질 수 있기 때문) 전원만 공금해 발목 방향이 틀어지지 않게 고정함.

• X-Z방향 운동;피칭 을 제어하는 서보모터는 발바닥에 장착된 압력센서(FSR402)

  의 정보를 받아 움직이게 됨. 먼저, FSR402는 발끝. 발바닥, 발뒷꿈치에 총 3개 장착되며 사용자가 다리를 들게 돼 1. 모든 FSR402의 신호가 없다면 ‘다리를 들었다 라고 판단하고 서보모터를 돌려 발끝이 하늘을 보는 방향으로 돌려주게 됨. 이후에 다리를 움직여 앞으로 내딛으면 발뒷꿈치가 먼저 바닥에 닿게 되고 발뒷꿈치에 있는 FSR402에 신호가 들어오면 ‘발을 바닥에 딛었다’라고 판단하고 서보모터를 돌려 발바닥이 바닥과 수평인 방향으로 돌려주게 됨. 이 때, 올바른 걸음을 생각하면, 발뒷꿈치가 바닥에 닿는 동시에 반댓발의 발뒷꿈치가 하늘을 향하는 방향으로 돌아가야 함. 따라서 블루투스 모듈(HC-06)으로 Master-Slave 통신을 구축해 각 발의 상태를 지속해서 확인하고 반댓발의 발뒷꿈치가 바닥에 닿게되면 신호를 보내 발뒷꿈치를 하늘로 향하는 방향으로 돌아가게 하는 알고리즘을 작성해 적용함.

4. 활용방안

• 본 아이디어를 뇌성마비환자 및 걸음 교정이 필요한 대상에게 적용시킨다면 얻을 수 있는 이득이 있음.

  • 발끝으로 걷는 첨족보행을 동반한 뇌성마비 환자의 경우 일상생활 중 무게 중심이 발끝에 몰려있기 때문에 발을 딛다 작은 장애물에 발가락이 걸리기라도 하면 전방으로 넘어질 확률이 매우 높고, 이는 타 부상과 연결돼 건강 및 경제적으로 타격을 입는 상황이 자주 연출될 수 있음.

  따라서 본 작품을 적용시킨다면 올바르게 걸을 때 필요한 근육들이 성장하고 이 과정을 반복해 기간이 지나면 첨족보행이 교정되는 효과를 얻을 수 있음.

   

  2. 팔(八)자걸음 및 역 팔자걸음(안짱걸음)이 있는 대상의 경우, 본 작품을 지속적으로 사용한다면 이전 경우와 마찬가지로 올바르게 걷는 데 필요한 근육들이 성장하고 걸음이 교정될 수 있음.

  추가적으로 이 대상들은 발목을 돌리는 각도를 조절할 필요가 있을 시 조금 다른 제어 알고리즘이 필요한 경우가 생길 수 있음.