보행 재활 훈련용 보행보조 로봇을 개발하고, 시제품의 운동학적 특성을 평가하였다. 이 보행보조 로봇은 고관절(hip), 슬관절(knee), 족관절(ankle) 등으로 구성되며, 각 관절은 감속기가 포함된 모터에 의해 구동된다. 인체 보행 운동을 이론적으로 해석하여, 보행 운동 중 각 관절의 각도 변위를 계산하는 식을 구하였고, 계산된 각도 변위를 로봇 구동기에 입력하였다. 트레드밀(treadmill) 위에서의 실험을 통해 다양한 보행 속도(walking speed) 및 보폭(stride)에서 각 관절의 출력 각도 변위를 측정하고 입력 값과 비교하였다. 입력 각도 변위와 출력 각도 변위의 차이가 고관절에서는 5.22%, 슬관절에서는 2.97% 이내로 일치함을 확인하여, 설계대로 보행보조 로봇이 작동함을 입증하였다.
보행 재활 훈련용 보행보조 로봇을 개발하고, 시제품의 운동학적 특성을 평가하였다. 이 보행보조 로봇은 고관절(hip), 슬관절(knee), 족관절(ankle) 등으로 구성되며, 각 관절은 감속기가 포함된 모터에 의해 구동된다. 인체 보행 운동을 이론적으로 해석하여, 보행 운동 중 각 관절의 각도 변위를 계산하는 식을 구하였고, 계산된 각도 변위를 로봇 구동기에 입력하였다. 트레드밀(treadmill) 위에서의 실험을 통해 다양한 보행 속도(walking speed) 및 보폭(stride)에서 각 관절의 출력 각도 변위를 측정하고 입력 값과 비교하였다. 입력 각도 변위와 출력 각도 변위의 차이가 고관절에서는 5.22%, 슬관절에서는 2.97% 이내로 일치함을 확인하여, 설계대로 보행보조 로봇이 작동함을 입증하였다.
We developed a walking-assistance robot for walking rehabilitation and assessed the kinematic characteristics of a prototype. The walking-assistance robot is composed of hip, knee, and ankle joints, and each joint is driven by a motor with a decelerator. The equations of angular displacement while w...
We developed a walking-assistance robot for walking rehabilitation and assessed the kinematic characteristics of a prototype. The walking-assistance robot is composed of hip, knee, and ankle joints, and each joint is driven by a motor with a decelerator. The equations of angular displacement while walking were derived by theoretically analyzing human locomotion, and the calculated angular displacements were then applied to the robot controller. The output angular displacement of each joint was measured and compared with its input angular displacement in walking experiments on a treadmill at various walking speeds and strides. The differences between the input and output angular displacements are 5.22% for the hip and 2.97% for the knee joints, and it has been confirmed that the walking-assistance robot works well.
We developed a walking-assistance robot for walking rehabilitation and assessed the kinematic characteristics of a prototype. The walking-assistance robot is composed of hip, knee, and ankle joints, and each joint is driven by a motor with a decelerator. The equations of angular displacement while walking were derived by theoretically analyzing human locomotion, and the calculated angular displacements were then applied to the robot controller. The output angular displacement of each joint was measured and compared with its input angular displacement in walking experiments on a treadmill at various walking speeds and strides. The differences between the input and output angular displacements are 5.22% for the hip and 2.97% for the knee joints, and it has been confirmed that the walking-assistance robot works well.
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문제 정의
본 논문은 트레드밀을 이용하는 보행 재활 훈련용 보행보조 로봇을 개발하고, 시제품의 운동학적 특성을 평가한 내용을 다룬다. Fig.
제안 방법
인체 보행 운동을 이론적으로 해석하여, 보행 운동 중 각 관절의 각도 변위를 계산하는 식을 구하였다. 다양한 보행 속도 및 보폭에서 계산된 각도 변위를 로봇 구동기에 입력하고, 트레드밀 위에서의 실험을 통해 각 관절의 출력 각도 변위를 측정하고 입력 값과 비교한다.
보폭과 보행 속도가 변경될 때 각 관절의 각도 변위 경향을 파악하기 위하여, 유도한 계산식으로부터 세 가지 보폭 및 보행 속도에 대한 고관절 및 슬관절의 각도 변위를 구하였다. 신장과 보행 속도가 기준 값과 같을 때, 보폭에 따른 고관절과 슬관절의 각도 변위를 계산하여 TOR에서 TOR까지 Fig.
제작한 보행보조 로봇으로 보행 속도 및 보폭을 변화시키면서 실험을 실시하였다. 보행 실험으로 출력된 각도 변위와 입력 각도 변위를 비교하였다.
제작한 보행보조 로봇이 설계대로 작동하는지를 확인하기 위하여, 인체 보행 패턴과 일치하는 보행보조 로봇의 운동을 구현하고, 출력 각도 변위를 측정하여 입력 각도 변위와 비교하였다. 보행보조 로봇에 무게 약 60 kg의 더미(dummy)를 장착하여, 수동운동으로 보행 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 보행보조 로봇을 Fig.
유각기(발이 지면에서 떨어져 있는 상태)에는 족관절 모터를 사용하여 발을 배측굴곡(dorsiflexion)으로 10° 정도 들어주어 발 끌림이 발생하지 않도록 한다.
778 m/s 이다. 이 범위에서 보폭 및 보행 속도를 각각 3가지씩 선택하여 총 9번의 실험을 수행하였다. 실험을 위하여 선택한 보폭 및 보행 속도를 Table 1에 나타내었다.
보행보조 로봇은 고관절, 슬관절, 족관절 등으로 구성되어 있으며, 각 관절은 감속기가 포함된 모터에 의해 구동되는 구조이다. 인체 보행 운동을 이론적으로 해석하여, 보행 운동 중 각 관절의 각도 변위를 계산하는 식을 구하였다. 다양한 보행 속도 및 보폭에서 계산된 각도 변위를 로봇 구동기에 입력하고, 트레드밀 위에서의 실험을 통해 각 관절의 출력 각도 변위를 측정하고 입력 값과 비교한다.
트레드밀을 이용하는 재활 훈련용 보행보조 로봇의 운동학적 해석과 실험을 다루었다. 정상인의 보행 패턴을 기준으로 하여, 보행 속도와 보폭에 대한 각 관절 좌표 및 각도 변위를 계산하는 식을 구하였다. 계산된 각도 변위를 보행보조 로봇의 구동기에 입력하였다.
인체의 보행 속도 및 보폭에 맞추어 보행보조 로봇을 작동시키기 위하여 고관절과 슬관절의 회전 운동을 설정해 주어야 한다. 정상인의 보행 패턴을 기준으로 하여, 보행 속도와 보폭이 다른 경우에 대한 각 관절의 각도 변위를 계산한다. 각 분절 및 관절 각도를 나타낸 개략도를 Fig.
정해진 보폭 및 보행 속도로 동작할 때 보행보조 로봇의 고관절, 슬관절 및 족관절 각도 변위를 측정한다. 고관절 및 슬관절 각도 변위 측정에는 관절에 장착된 인코더를 사용하며, 시상면에서의 운동만을 대상으로 한다.
계산된 각도 변위를 보행보조 로봇의 구동기에 입력하였다. 제작한 보행보조 로봇으로 보행 속도 및 보폭을 변화시키면서 실험을 실시하였다. 보행 실험으로 출력된 각도 변위와 입력 각도 변위를 비교하였다.
제작한 보행보조 로봇이 설계대로 작동하는지를 확인하기 위하여, 인체 보행 패턴과 일치하는 보행보조 로봇의 운동을 구현하고, 출력 각도 변위를 측정하여 입력 각도 변위와 비교하였다. 보행보조 로봇에 무게 약 60 kg의 더미(dummy)를 장착하여, 수동운동으로 보행 실험을 수행하였다.
트레드밀을 이용하는 재활 훈련용 보행보조 로봇의 운동학적 해석과 실험을 다루었다. 정상인의 보행 패턴을 기준으로 하여, 보행 속도와 보폭에 대한 각 관절 좌표 및 각도 변위를 계산하는 식을 구하였다.
대상 데이터
개발한 보행보조 로봇은 Fig. 1(c)와 같이 고관절, 슬관절 및 족관절로 구성되어 있다. 고관절과 슬관절은 감속기가 포함된 모터를 사용하며, 모터의 토크와 회전이 벨트를 통하여 고관절 축에 전달된다.
정해진 보폭 및 보행 속도로 동작할 때 보행보조 로봇의 고관절, 슬관절 및 족관절 각도 변위를 측정한다. 고관절 및 슬관절 각도 변위 측정에는 관절에 장착된 인코더를 사용하며, 시상면에서의 운동만을 대상으로 한다. 각 관절을 움직이는 모터가 회전함에 따라 펄스가 발생되며, 인코더는 펄스를 측정하여 각도로 환산한다.
2에 보였다. 본 논문에서 인용한 기준 보행 데이터(14)는 인체의 신장 H0 = 1.72 m, 보폭 S0 = 1.40 m, 보행 속도 V0 = 1.42m/s인 경우이다.
보행보조 로봇에 무게 약 60 kg의 더미(dummy)를 장착하여, 수동운동으로 보행 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 보행보조 로봇을 Fig. 1에 보였고, 그 구조는 제2절에서 묘사되었다.
성능/효과
(+) 각도는 고관절 및 슬관절의 굴곡(flexion) 운동을 나타내며, (-) 각도는 신전(extension) 운동을 나타낸다. 고관절은 1회의 보행 주기 동안 굴곡과 신전 운동이 번갈아 발생하고, 슬관절은 굴곡 운동만 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 보폭이 증가함에 따라 고관절 및 슬관절의 각도 운동 범위가 증가된다.
식 (3)의 대퇴 및 하퇴 길이는 시간에 따라 다소 변하는데, 이는 3차원 보행 운동을 2차원 좌표로 나타내었기 때문이다. 그러나 보행보조 로봇의 보행 운동은 시상면에서만 발생하고 분절 길이도 변하지 않으므로, 평균값을 구한 결과 기준 신장 H0(= 1.72 m)에서 대퇴 분절 길이 0.346 m와 하퇴 분절 길이 0.457 m가 얻어졌다. 이로부터 인체 신장에 비례하는 평균 분절 길이를 식 (4)와 같이 계산하여 사용하였다.
보폭이 커짐에 따라 각 관절의 운동 범위가 증가할 것이라는 일반적인 예상과 이론 및 실험의 결과가 일치하였다. 또한 입력 각도 변위와 출력 각도 변위를 비교한 결과 고관절에서는 5.22%, 슬관절에서는 2.97% 이내로 일치하였다. 이로써 보행보조 로봇이 설계한 대로 동작함을 검증하였다.
8은 슬관절 각도 변위를 같은 방식으로 보여준다. 보폭이 커질수록 발 끌림이 발생하지 않기 때문에, 이론으로 계산한 결과와 조정된 실험 입력 값의 차이가 작아짐을 확인할 수 있다.
9~14의 결과들을 Table 2에 정리하여 비교하였다. 비교 결과 고관절에서는 5.22%, 슬관절에서는 2.97% 이내로 일치하는 결과를 얻었다. Figs.
68 m를 의미한다. 세 가지 보폭에 따른 각도 변위를 비교한 결과, 보폭이 증가할수록 각 관절의 각도 변위가 증가하였다.
70 m/s를 의미한다. 세 가지 보행 속도에 따른 각도 변위를 비교한 결과, 보행 속도의 변화에 대한 각도 변위 변화는 나타나지 않았고 보행 시간만 변화하였다.
후속연구
이는 발 끌림이 발생하지 않도록 각 관절의 각도를 수정하여 나타난 현상이다. 추후 족관절의 움직임을 반영하여 보행보조 로봇을 개선하면 해결될 것으로 예상된다. 보폭이 커짐에 따라 각 관절의 운동 범위가 증가할 것이라는 일반적인 예상과 이론 및 실험의 결과가 일치하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 개발한 보행보조 로봇의 족관절은 무엇으로 구성되는가?
족관절은 거퇴관절(talocrural joint) 축과 동일하게 상하 10°와 앞뒤 6°의 각도로 기울어진 단일 축과 모터로 구성된다. 족관절은 또한 보행의 입각기(발이 지면에 닿아있는 상태) 때에 모터의 무부하 상태로 자연스럽게 동작이 가능하도록 되어 있다.
보행보조 로봇은 어떤 구조인가?
1(a)는 트레드밀 위에 놓인 시제품의 사진이며, (b)는 인체 모델이 착용한 모습이고, (c)는 로봇의 구조도이다. 보행보조 로봇은 고관절, 슬관절, 족관절 등으로 구성되어 있으며, 각 관절은 감속기가 포함된 모터에 의해 구동되는 구조이다. 인체 보행 운동을 이론적으로 해석하여, 보행 운동 중 각 관절의 각도 변위를 계산하는 식을 구하였다.
보폭이 작아짐에 따라 이론으로부터 계산한 각도 변위와 보행보조 로봇의 입력 각도 변위가 차이가 있는 이유는?
보폭이 작아짐에 따라 이론으로부터 계산한 각도 변위와 보행보조 로봇의 입력 각도 변위는 약간의 차이가 있다. 이는 발 끌림이 발생하지 않도록 각 관절의 각도를 수정하여 나타난 현상이다. 추후 족관절의 움직임을 반영하여 보행보조 로봇을 개선하면 해결될 것으로 예상된다.
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