무릎의지의 굴곡–신전 동작 성능 평가를 위한 시험 시스템 개발
Development of a Test System for Evaluating Flexion–Extension Motion Performance of the Knee Prosthesis
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초록
논문은 국내기술 기반의 공압식 및 전자식 무릎의지의 굴곡–신전 동작 성능을 정량적으로 분석하고 평가할 수 있는 시험 시스템을 개발하는 것을 목표로 하였다. 무릎의지는 회전 중심이 이동하는 4절 링크 구조를 가지므로, 이를 반영한 기구학 해석 및 시뮬레이션 기반의 최적 설계를 수행하였다. 개발 시스템의 기구적 제약조건을 바탕으로 10개의 비선형 연립방정식을 구성하고, Gauss–Newton 반복법을 통해 각 조인트의 위치를 계산하였다. 도출된 해석 결과를 바탕으로 시스템을 시뮬레이션하고, 최적의 고정 조인트 위치를 탐색하였다. 이후 구조 해석 및 동역학 해석을 통해 시스템의 안정성과 작동 신뢰성을 확인하고, 실제 작동이 가능한 시제품을 제작하였다. 본 연구 결과는 무릎의지 성능 평가를 위한 시험환경 구축에 기여할 수 있으며, 향후 국내 보조기기 기술의 표준화와 경쟁력 강화를 위한 기반 기술로 활용될 수 있다.
Abstract
This study aims to develop a test system capable of quantitatively analyzing and evaluating the flexion–extension performance of domestically developed pneumatic and electronically controlled knee prostheses. As knee prostheses typically employ a four-bar linkage mechanism with a shifting rotational center, the system was optimally designed through kinematic analysis and simulation reflecting this characteristic. Based on the system’s mechanical constraints, a set of ten nonlinear equations was formulated, and the positions of each joint were calculated using the Gauss–Newton iterative method. The simulation results enabled the identification of optimal fixed-point coordinates for the mechanism. Subsequently, structural and dynamic analyses were conducted to verify the system’s mechanical integrity and operational reliability, followed by the fabrication of a working prototype. The results of this study contribute to the establishment of a standardized test environment for evaluating knee prosthesis performance and offer a foundational technology to support future standardization and competitiveness in Korea's assistive device industry.