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[국내논문] 하지 착용형 외골격 로봇의 효율적 보행패턴 생성 및 에너지 효율성 검증
Gait Pattern Generation for Lower Extremity Exoskeleton Robot and Verification of Energy Efficiency 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.3, 2012년, pp.346 - 353  

김완수 (한양대학교 기계공학과) ,  이승훈 (한양대학교 기계공학과) ,  유재관 (LIG넥스원 기계연구센터) ,  백주현 (LIG넥스원 기계연구센터) ,  김동환 (한양대학교 생활스포츠학부) ,  한정수 (한성대학교 기계시스템공학과) ,  한창수 (한양대학교 기계공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purpose of this study is to verify the energy efficiency of the integrated system combining human and a lower extremity exoskeleton robot when it is applied to the proposed gait pattern. Energy efficient gait pattern of the lower limb was proposed through leg function distribution during stance ...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 보행보조를 위한 착용형 외골격 로봇의 평지, 계단 보행 시 소비되는 에너지 효율을 높이기 위하여 각 관절에 대한 최적의 힘 전달과 토크 분배를 고려한 보행 패턴 생성 방법을 소개하며 실제 착용형 외골격 시스템에 적용하여 효용성에 대해서 증명할 것이다. 또한 착용형 외골격 시스템의 착용자에 대한 에너지 소비량 측정을 통하여 착용형 외골격 시스템이 적용된 경우 인간-로봇이 결합된 시스템에 대한 에너지 효율성이 증가됨을 보일 것이다.
  • 8 이 중 유각기는 중력과 무게중심이동을 통하여 동작하지만 입각기는 무게지지를 위해서 관절에 많은 토크가 요구된다. 따라서본 연구에서는 평지, 계단 보행 시 입각기에서의 에너지 소비 최소화를 위한 보행 패턴 생성 방법에 대해서 고려할 것이다.
  • 본 연구에서는 보행 분석을 통하여 보행 입각기의 역할의 분류와 이를 DME 이론에 적용하여 에너지 효율적인 보행패턴 생성방법에 대해서 소개하였으며, 실제 착용형 외골격 시스템에 적용하여 다양한 보행 환경에서 로봇의 에너지 소비가5~10% 줄어들었음을 검증하였다. 또한 착용형 외골격 로봇을 사용하였을 때 인체의 에너지 소모량 또한 약 10% 줄어 인간-로봇의 협업 시스템에서 전체의 에너지 소비량이 감소하는 것을 확인하였다.

가설 설정

  • 는 발의 속도변화를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 다양한 지면에 대해서 고려하지 않았기 때문에 지면에 대한 모델이 필요하지 않은 상황을 가정하였다. 따라서 발과 지면은 완전 탄성충돌이며 미끄러짐이 없다고 가정하여 충격이 가해지기 전 땅에 닿는 즉시 발의 속도는 ‘0’이 된다.
  • 시상면에서 구동되는 착용형 외골격 로봇의 자유도는 인간의 관절구조와 유사하게 고관절, 슬관절, 족관절의 3DOF 로 구성하였다. 하지만 평지보행의 발뒤꿈치 접촉 구간에서 족관절의 영향이 크지 않기 때문에 DME 를 이용한 디딤각 산출은2DOF 로 가정하여 수행하며 발가락 떼기 구간에 대해서는 3DOF 로 구성하여 해석을 수행한다. 계단 보행의 발뒤꿈치 접촉 구간도 동일하게 2DOF로 가정하여 해석을 수행하며 발가락 닿기 구간과 발가락 떼기 구간은 3DOF 로 구성한다.
  • 하지만 평지보행의 발뒤꿈치 접촉 구간에서 족관절의 영향이 크지 않기 때문에 DME 를 이용한 디딤각 산출은2DOF 로 가정하여 수행하며 발가락 떼기 구간에 대해서는 3DOF 로 구성하여 해석을 수행한다. 계단 보행의 발뒤꿈치 접촉 구간도 동일하게 2DOF로 가정하여 해석을 수행하며 발가락 닿기 구간과 발가락 떼기 구간은 3DOF 로 구성한다.
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참고문헌 (17)

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  2. Kawamoto, H. and Sankai, Y., "Power assist system HAL 3 for gait disorder person," Computers Helping People with Special Needs: Lecture Notes in Computer Science, Vol. 2398, pp. 196-203, 2002. 

  3. Honda, http://corporate.honda.com/innovation/walkassist/ 

  4. Berkeley Bionics, http://berkeleybionics.com/ 

  5. Kong, K. and Jeon, D., "Design and Control of an Exoskeleton for the Elderly and Patients," IEEE/ASME Trans. Mechatronics, Vol. 11, No. 4, pp. 428-432, 2006. 

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  8. Whittle, M. W., "Gait Analysis an Introduction," Butterworth-Heinemann, 2007. 

  9. Lee, S., Kim, W., Kang, M., Han, J. and Han, C., "Optimal Gait Pattern Generation for Powered Robotic Exoskeleton and verification of its Feasibility," International Symposium on Robotic and Human Interactive Communication, pp. 500-505, 2010. 

  10. McFadyen, B. J. and Winter, D. A., "An Integrated Biomechanical Analysis of Normal Stair Ascent and Descent," Journal of Biomechanics, Vol. 21, No. 9, pp. 733-744, 1988. 

  11. Duncan, J. A., Kowalk, D. L. and Vaughan, C. L., "Six Degree of Freedom Joint Power in Stair Climbing," Gait & Posture, Vol. 5, No. 3, pp. 204-210, 1997. 

  12. Eng, J. J. and Winter, D. A., "Kinematic Analysis of the Lower Limbs during Walking: What Information can be Gained from a Three-dimensional Model," Journal of Biomechanics, Vol. 28, No. 6, pp. 753-758, 1995. 

  13. Palmer, M. L., "Sagittal Plane Characterization of Normal Human Ankle Function Across a Range of Walking Gait Speeds," Master Thesis, Dept. of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2002. 

  14. Pasquale, C. and Mariano, C., "The Dynamic Manipulability Ellipsoid for Redundant Manipulators," IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1, pp. 95-100, 1998. 

  15. Kim, W. S., Yu, S. N. and Han, C. S., "Leg Swing Trajectory Generation of Quadruped Robot Considering Required Torque Reduction and Leg Function Distribution," 39th International Symposium on Robotics, pp. 329-333, 2008. 

  16. Gregorczyk, K. N., Obusek, J. P., Hasselquist, L., Schiffman, J. M., Bensel, C. K., Gutekunst, D. and Frykman, P., "The Effects of a Lower Body Exoskeleton Load Carriage Assistive Device on Oxygen Consumption and Kinematics during Walking with Loads," 25th Army Science Conference, pp. 1263-1275, 2006 

  17. Jim, R., "Biomechanics in Clinic and Research: An Interactive teaching and Learning Course," Churchill Livingstone Elsevier, 2008. 

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