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문제 정의
- 본 논문은 보행분석 통한 보행 시 하지근력 지원을 위한 최소화된 시스템을 제안하고, 동작 의도 신호 측정을 위한 센서개발 및 개발된 센서로부터 측정된 신호를 사용한 보행 알고리즘 개발에 관한 연구이다.
제안 방법
- 착용형 로봇의 하지 동작 제어를 위해 일반인의 보행 시 관절 각도 및 발바닥의 압력 분포를 분석하였다. 이는 착용형 로봇의 동기신호 및 동작 패턴 생성에 사용 될 수 있으며, 발바닥 센서의 경우 착용자의 보행 상태를 판별하여 줌으로써 잘못된 동기신호 입력 시 발바닥 센서와 비교 분석하여 정확한 패턴을 생성, 위험상황을 방지하는 기능을 수행한다.
- 정확한 각도 분석을 위하여 착용자의 하지 3개의 관절(Hip Joint, Knee Joint, Ankle Joint)에 각각 Biometrics 社의 1 축 Goniometer를 부착하여 측정하였다.
- 또한 발바닥의 압력을 가장 많이 받는 4 곳에 FSR(Force Sensing Resistor) Sensor를 부착하여 보행의 패턴을 분리 분석하였다
- Fig. 5 에서 알 수 있듯이 hip joint, Knee joint, ankle joint 증 일반 보행 시 가장 큰 각도 범위에서 움직이는 관절은 Knee Joint 로 약 간단한 착용형 로봇을 착용하여 Knee Joint 의 움직임을 보조하는 로봇을 설겨〕, 개발하였다.
- 7 은 무릎근력 지원용 착용형 로봇 시스템의 구성과 실제 로봇을 착용한 모습이다.이 로봇은 보행 시 특정관절의 근력을 지원함으로써 전체 하지의 근력지원 효과를 얻기 위하여 무릎 1-DOF 로 최소화된 시스템으로 개발되었다.
- 이 시스템은 동력전달을 위하여 Harmonic drive 를 사용함으로써 백래쉬 현상을 방지하며, 큰 구동력을 전달할 수 있는 구조로 설계되었다. 또한 시중에서 판매중인 재활치료용 무릎보조기를 로봇과 사람의 체결을 위한 인터페이스로 사용함으로써 로봇 시스템의 착용 시 착용감을 향상할 수 있었다.
- 근력지원을 위한 외골격 모듈의 동작 의도 신호획득에 앞서 사람의 보행 시 무릎관절의 동작범위와 이때 활성화되는 근육에 대하여 분석하였다.
- 10에서 정의한 근육 그룹의 활성화 패턴을 측정할 수 있다. 따라서 외골격 모듈의 명령신호는 각 근육그룹의 활성 패턴을 이벤트로 처리하여 이벤트 발생 시 외골격 모듈이 작동하기 위한 패턴을 실행하도록 하였다.
- 본 연구에서 개발된 무릎근력지원용 외골격 모듈을 착용하고 tread mill과 계단에서 보행 실험을 하였다 (Fig. 12).
- 본 연구를 통하여 개발된 착용형 로봇 시스템의 근력 지원 효과를 검증하기 위하여 하지 근육의 EMG 센서 값을 측정하여 로봇 착용 전과 후의근육 활성도를 비교하였다. EMG 의 경우, 더 큰 힘을 필요로 할 경우 EMG의 활성도가 증가하며 더 큰 범위에서 Oscillation 된다.
- 본 논문에서는 보행 시 하지의 3개 관절(Hip Joint, Knee Joint, Ankle Joint)의 동작 각도를 Goniometer 를 이용하여 측정 및 분석하였으며, 보행 시 발바닥의 압력 분포를 이용하여 보행 패턴을 분리하였다. 이는 착용형 로봇의 동기신호로 사용될 수 있을 뿐 아니라 로봇 구동 시 동작을 정확하게 하기 위한 비교 값으로 사용되었다.
- 이는 착용형 로봇의 동기신호로 사용될 수 있을 뿐 아니라 로봇 구동 시 동작을 정확하게 하기 위한 비교 값으로 사용되었다. 측정 결과 Knee joint 의 동작각도가 가장 큰 것을 바탕으로 Knee Joint 의 동작을 수행할 때의 근력지 원을 목적으로 착용형 외골격 모듈을 개발하였고, 보행 시 착용자의 동작의지 신호 획득하기 위하여 근경도 센서(MSS)를 개발하였다. 또한 이 신호를 사용하여 로봇이 동작하기 위한 특정 근육의 신호와 보행 패턴을 조합한 알고리즘을 개발하였으며, 로봇의 근력지원 효과를 검증하기 위하여 계단 보행 시 근육활성화 크기를 EMG 센서를 사용하여 측정하여 근육의 활성도를 비교하였다.
- 측정 결과 Knee joint 의 동작각도가 가장 큰 것을 바탕으로 Knee Joint 의 동작을 수행할 때의 근력지 원을 목적으로 착용형 외골격 모듈을 개발하였고, 보행 시 착용자의 동작의지 신호 획득하기 위하여 근경도 센서(MSS)를 개발하였다. 또한 이 신호를 사용하여 로봇이 동작하기 위한 특정 근육의 신호와 보행 패턴을 조합한 알고리즘을 개발하였으며, 로봇의 근력지원 효과를 검증하기 위하여 계단 보행 시 근육활성화 크기를 EMG 센서를 사용하여 측정하여 근육의 활성도를 비교하였다. 그 결과 착용형 로봇을 착용하고 계단 보행을 하였을 경우, 그렇지 않은 경우보다 근 활성량이 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있었고, 이는 로봇이 Knee 관절의 동작을 보조해 줌으로써 더 작은 근력으로 계단 보행을 하였음을 의미한다.
성능/효과
- 또한 시중에서 판매중인 재활치료용 무릎보조기를 로봇과 사람의 체결을 위한 인터페이스로 사용함으로써 로봇 시스템의 착용 시 착용감을 향상할 수 있었다.
- 또한 이 신호를 사용하여 로봇이 동작하기 위한 특정 근육의 신호와 보행 패턴을 조합한 알고리즘을 개발하였으며, 로봇의 근력지원 효과를 검증하기 위하여 계단 보행 시 근육활성화 크기를 EMG 센서를 사용하여 측정하여 근육의 활성도를 비교하였다. 그 결과 착용형 로봇을 착용하고 계단 보행을 하였을 경우, 그렇지 않은 경우보다 근 활성량이 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있었고, 이는 로봇이 Knee 관절의 동작을 보조해 줌으로써 더 작은 근력으로 계단 보행을 하였음을 의미한다. Knee Joint 뿐 아니라 본연구를 통해 분석된 각 관절의 동작 각도 및 발압력 신호등을 이용하여 추후 Hip Joint 와 Ankle Joint 모두를 보조하여주는 하지 착용형 로봇을 개발한다면 더 작은 근력으로 보행에 도움을 받을 수 있을 것이다.
후속연구
- 그 결과 착용형 로봇을 착용하고 계단 보행을 하였을 경우, 그렇지 않은 경우보다 근 활성량이 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있었고, 이는 로봇이 Knee 관절의 동작을 보조해 줌으로써 더 작은 근력으로 계단 보행을 하였음을 의미한다. Knee Joint 뿐 아니라 본연구를 통해 분석된 각 관절의 동작 각도 및 발압력 신호등을 이용하여 추후 Hip Joint 와 Ankle Joint 모두를 보조하여주는 하지 착용형 로봇을 개발한다면 더 작은 근력으로 보행에 도움을 받을 수 있을 것이다.
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