A Shock-Absorbing Foot Orthotic Device using Pneumatic Variable Stiffness Actuators

Abstract

육상 이동은 일상생활동작 (ADL; activities of daily living) 에 있어서 필수불가결한 요소이다. 그리고 이는 추진, 비행, 착지의 일련의 위상들로 이루어진다. 이동 도중 지면반력 (GRF; ground reaction force) 은 추진력으로써 인간의 운동 성능을 향상시키지만, 동시에 충돌력으로써 안전을 저해하는 이중성을 갖고 있다. 쿠션 신발은 과도한 수직 지면반력 (vGRF; vertical ground reaction force) 으로 인한 하지 부상을 방지할 수 있다고 여겨져 왔다. 그러나 최근 연구들은 신발 강성이 최대 수직 지면반력 (PVGRF; peak vGRF) 을 변화시키지 못한다고 주장하며, 이러한 통념을 반박하고 있다. 이러한 차이는 신발을 포함한 하반신 전체 강성이 항상 일정하며 쿠션의 용수철과 같은 특성이 그 충격 흡수 능력을 상쇄시킨다는 근육 조율 패러다임으로 설명된다. 본 논문은 착지 도중 수직 지면반력 개형을 재구성할 수 있는 혁신적인 충격 흡수 발 지지 장치를 제안한다. 제안된 장치는 다음 두가지 핵심 가설들에 토대를 두고 있다: 착지 도중 신발 강성의 변화는 (1) 수직 지면반력 개형과 (2) 충돌 시간을 변화시킬 수 있다. 발 맞춤형, 말발굽 풀무 모양 쿠션들은 적층식 제조 공정을 통해 제작되었으며, 시판 미니멀리스트 신발 바닥에 부착되었다. 본 장치는 신발 안창 아래에 내장된 센서들을 통해 점프 착지 동작의 위상들을 식별하고, 해당 위상들에 따라 쿠션의 스프링 및 감쇠 계수들을 조절한다. 기계적 특성 변화는 쿠션의 공기 흐름 제어를 통해 구현된다. 본 논문은 제안된 장치의 유효성을 평가하고, 이를 다음 세가지 시판 신발들과 비교하기 위해 한 명의 연구참여자에 대하여 예비 실험을 수행하였다: 미니멀리스트 신발 (MINI), 폼 쿠션 신발 (FOAM), 그리고 공기 쿠션 신발 (AIR). 종합 실험 결과는 앞서 세운 가설들을 확증하였으며, 제안된 장치가 모든 신발들 중에서 가장 좋은 충격 흡수 능력을 가졌음을 시사하였다. 본 장치는 가장 낮은 수직 순간 하중 증가율 (VILR; vertical instantaneous loading rate) 을 나타내었으며, 이는 MINI, FOAM, AIR 보다 각각 62%, 34%, 24% 낮았다. 마찬가지로, 본 장치의 최대 수직 지면반력 (PVGRF) 은 MINI, FOAM, AIR 보다 각각 22%, 17%, 21% 낮아, 모든 신발들 중 가장 낮았다. 이로 인해 추진 보조가 약간 감소하였으나, 충돌력의 감소량이 추진력의 감소량을 크게 상회하였다. 본 장치의 최대 추진력 (POP; pushoff peak) 은 MINI, FOAM, AIR 보다 각각 3.1%, 5.8%, 12% 낮아 최소치를 기록하였다. 그러나 본 장치는 모든 신발들 중 가장 낮은 최대 추진력 대비 최대 수직 지면반력의 비율 (PVGRF/POP), 다시 말해 동일 추진력 대비 가장 낮은 착지 충격을 나타내었으며, 이는 MINI, FOAM, AIR 보다 각각 3.1%, 5.8%, 12% 낮았다. 이러한 결과는 충돌 시간과 발목 굽힘 모멘트의 증가에서 기인하였다. 본 장치의 충돌 시간은 모든 신발들 중 가장 길었으며, 이는 MINI, FOAM, AIR 보다 각각 12%, 17%, 25% 길었다. 또한, 본 장치는 착지 도중 가장 큰 발목 발등 굽힘을 유발하였으며, 이는 MINI, FOAM, AIR 보다 각각 42%, 109%, 124% 큰 값이었다. 그럼에도 불구하고, 착지 안정성에 본 장치가 미친 영향은 다른 신발들과 유사하였다. 본 장치의 착지 시간은 MINI 보다 18% 짧았으나, FOAM 과 AIR 보다 각각 4%, 11% 길었다. 한편, 본 장치의 착지 충격량은 모든 신발들 중 가장 작았으며, 이는 MINI, FOAM, AIR 보다 각각 14%, 4.9%, 2.1% 작았다. 향후 연구에서는 제안된 장치를 독립된 무선 웨어러블 시스템으로 재구성하고, 추가 연구참여자들에게 실험을 수행하며, 격렬한 스포츠 도중 본 장치의 효과를 입증할 것이다.

The terrestrial locomotion is an indispensable element of the activities of daily living (ADL). This is established by a series of following phases: thrust, flight, and landing. During the locomotion, the ground reaction force (GRF) has a duality which enhances human motor performance as a thrust force, but simultaneously undermines safety as a collision force. Cushioned shoes have been deemed to prevent lower extremity injuries caused by excessive vertical ground reaction force (vGRF). However, recent studies debunk this common belief, asserting that shoe hardness does not change the peak vGRF (PVGRF). This discrepancy is explained by the muscle tuning paradigm that the overall stiffness of the lower body including the shoes remains constant and spring-like function of the cushions offsets their own shock absorption capacity. This paper presents a novel shock-absorbing foot orthotic device capable of re-profiling the vGRF profile during landing. The proposed device is founded on two main hypotheses: change in the shoe hardness during landing can modify (1) the vGRF profile and (2) the collision time. The foot-tailored, horseshoe bellows cushions are made through the layered manufacturing process and affixed to the bottom of commercial minimalist shoes. The proposed device identifies the phases of jump landing through sensors mounted under insoles and modulates the spring and damping coefficients of the cushions in compliance with those phases. The change in mechanical properties is realized by adjusting the airflow of the cushions. This paper conducted a preliminary experiment on one subject to evaluate the validity of the proposed device and compare it with that of three following commercial shoes: minimalist shoes (MINI), foam-cushioned shoes (FOAM), and air-cushioned shoes (AIR). The overall results substantiate the hypotheses, and also indicate that the proposed device has the best shock absorption capability. The proposed device exhibited the lowest vertical instantaneous loading rate (VILR) of all footwear conditions, which was 62%, 34%, and 24% lower than that of MINI, FOAM, and AIR, respectively. Likewise, its PVGRF was the lowest of all conditions, which was 22%, 17%, and 21% lower than that of MINI, FOAM, and AIR, respectively. This led to a slight decrease in the propulsion assistance, but a diminution in the collision force considerably surpassed that in the thrust force. The pushoff peak (POP), or maximum thrust force, of the proposed device was the lowest of all conditions, which was 3.1%, 5.8%, and 12% lower than that of MINI, FOAM, and AIR, respectively. However, the PVGRF to POP ratio (PVGRF/POP), or the landing impact at the same thrust force, of the proposed device was the lowest among all conditions, which was 20%, 11%, and 9.4% lower than that of MINI, FOAM, and AIR, respectively. This is accomplished by increase in the collision time and the ankle flexion moment. The collision time of the proposed device was the longest of all conditions, which was 12%, 17%, and 25% longer than that of MINI, FOAM, and AIR, respectively. Moreover, the proposed device aroused the largest ankle dorsiflexion during landing, which was 42%, 109%, and 124% larger than that of MINI, FOAM, and AIR, respectively. Nevertheless, the influence of the proposed device upon landing stability was analogous to that of the other shoes. The landing time of the proposed device was 18% shorter than that of MINI, while 4% and 11% longer than that of FOAM and AIR, respectively. Meanwhile, its landing impulse was the smallest of all conditions, which was 14%, 4.9%, 2.1% smaller than that of MINI, FOAM, and AIR, respectively. Future work will involve reorganizing the proposed device into an untethered wearable system, testing with additional subjects, and validating its efficacy on strenuous sport activities.