[논문]DC 모터를 이용한 동력 의족 시스템 개발

김원식; 김석윤; 이영삼

doi:10.5302/j.icros.2014.13.1977

[국내논문] DC 모터를 이용한 동력 의족 시스템 개발
Development of a Powered Knee Prosthesis using a DC Motor 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.2, 2014년, pp.193 - 199

김원식 (인하대학교 전기공학부) , 김석윤 (인하대학교 로봇공학과) , 이영삼 (인하대학교 전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present an overview of the structure of a lab-built powered knee prosthesis and the control of it. We build a powered prosthesis prototype on the basis of previous researches and aim at obtaining the essential technology related with its control. We adopt the slider-crank mechanism with a DC motor as an actuator to manipulate the knee joint. We also build an embedded control system for the prosthesis with a 32-bit DSP controller as a main computation unit. We divide the gait phase into five stages and use a FSM (Finite State Machine) to generate a torque reference needed for each stage. We also propose to use a position-based impedance controller for driving the powered knee prosthesis stably. We perform some walking experiments at fixed speeds on a tread mill in order to show the feature of the built powered prosthesis. The experimental results show that our prosthesis has the ability to provide a functional gait that is representative of normal gait biomechanics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

보행 시험은 본 저자가 직접 수행하였다. 능동형 의족을 착용하기 위하여 정상인이 의족을 착용하기 위한 어댑터를 개발하였다. 그림 12는 정상인의 의족 착용을 위해서 개발된 어댑터와 이를 이용하여 의족을 착용한 모습이다.
미흡한 국내 의족 연구로 인해서 국내 하지 절단 환자들은 외국에서 개발, 판매되고 있는 고가의 제품들을 수입하여 사용하거나 최소한의 기능만을 갖춘 저가형 수동 의족을 사용하고 있는 실정이다. 본 논문에서 소개하는 연구는 의족 개발에 관한 기술 종속에서 탈피하고 미래 시장에서의 경쟁력 확보를 위하여 능동형 동력 의족 시스템에 대한 자체 기술을 확보하는 것을 목표로 이루어졌다.
본 논문에서는 능동형 의족 개발에 대한 기술 확보를 위해 구성된 초기 능동 의족 시스템의 구성 및 제어에 대해 기술하였다.
본 논문에서는 능동형 의족 개발을 위한 초기 과정으로써 해외 선행 연구 결과를 기반으로 개발된 1자유도 능동형 동력 의족 시스템의 구성 및 테스트 과정에 대해서 기술하고자 한다.
그림 15(b)에서의 실험 결과를 보면 Phase3과 4에서 다른 구간에 비해 진동이 심하게 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 기구적 결함에 의한 문제점들은 추가적으로 있을 의족 기구부 설계 과정을 통해서 개선해 나가고자 한다. 그림 16은 실제 개발한 의족을 이용한 보행 시험 모습이다.
단, 현재 진행 중인 연구의 경우 능동형 의족 개발을 위한 초기 시스템 구성에 초점을 맞춰 진행됨에 따라 의족에 적용한 두 제어기의 성능 비교를 위한 수치적은 분석은 아직 충분히 이루어 지지 않았다. 이에 따라 본 논문에서는 능동형 의족 개발을 위한 초기 시스템 구성에 대한 소개에 초점을 맞췄으며 기타 수치적인 성능 비교는 향후 연구를 통해 다루고자 한다.

제안 방법

ADC 시점에 따른 로드셀 신호 왜곡 정도의 차이를 확인하기 위해서 동력 의족 시스템에서 사인파 입력을 추종하는 위치 제어 실험을 진행하였다. 그림 7은 실험을 통해서 얻은 ADC 시점에 따른 로드셀 신호의 왜곡 정도를 나타낸다.
개발 중인 능동형 의족의 견실성 및 성능 분석을 위하여 정상인을 대상으로한 정속 평지 보행 시험을 실시하였다. 보행 시험은 본 저자가 직접 수행하였다.
개발한 능동형 의족을 이용한 보행 시험의 성능 개선을 위해서 수행한 위치 기반 임피던스 제어기의 계수 조정 과정은 선행 연구에서 진행한 실험적인 방법을 통해 수행하였다[2].
능동형 의족을 이용한 정속 평지 보행 시험은 안정성과 정확성을 고려하여 재활 훈련용 트레드밀에서 진행하였다. 또한 자체적으로 개발한 USB 모니터링 장치를 이용하여 능동형 의족의 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 구성하였다[11,12].
개발된 능동형 의족은 Slider-Crank 구조를 구동 방식으로 채택하였다. 또한 능동형 의족 제어를 위하여 총 5단계로 보행 단계를 구분하고 구성된 Finite State Machine과 위치기반 임피던스 제어기를 적용하였다. 정속 평지 보행 시험은 정상인을 대상으로 재활 훈련용 트레드밀 상에서 진행 되었으며 이를 위해서 정상인의 의족 착용을 위한 어댑터를 개발하였다.
는 각 보행 단계별 평형점을 의미하며 i 는 각각의 보행 단계를 의미한다. 또한 본 논문에서는 초기 개발과정에서 능동형 의족 제어를 위하여 선행연구에서 사용한 토크기반 임피던스 제어기를 적용하였다. 하지만 구성된 능동형 의족 시스템을 이용한 보행 시험에서 계수 조정을 통한 성능 개선의 노력에도 불구하고 만족스러운 성능을 얻어내지 못했다.
III 장에서는 동력 의족 제어 과정에서의 센서 신호처리 방법과 보행 단계 구분을 위해 구성된 Finite State Machine에 대해 기술한다. 또한 의족 시스템 제어를 위한 위치제어 기반의 임피던스 제어기를 제안한다. IV 장에서는 개발된 동력 의족 시스템을 통한 정속 평지보행 시험을 위해 구성된 통합 시험 환경을 소개하고 이를 통해 얻어진 시험 결과에 대해서 기술한다.
능동형 의족을 이용한 정속 평지 보행 시험은 안정성과 정확성을 고려하여 재활 훈련용 트레드밀에서 진행하였다. 또한 자체적으로 개발한 USB 모니터링 장치를 이용하여 능동형 의족의 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 구성하였다[11,12]. 그림 13은 보행 실험을 위한 재활 훈련용 트레드밀이며 그림 14는 모니터링 장치를 통해 확인한 능동형 의족의 실시간 데이터이다.
모니터링 장치를 통해 얻어진 무릎의 각도와 토크 데이터와 정상인의 보행에서 나타나는 평균 데이터의 비교 및 의족 착용자의 피드백을 통해서 보행 중 의족 착용자 스스로 가장 편안함을 느낄 때의 계수들을 선정하였다. 표 1은 실험적 과정을 통해서 얻어진 보행 단계별 임피던스 제어기의 계수이다.
마이크로컨트롤러는 초기 개발환경의 확장성을 고려하여 150MHz TMS320F2812(DSP) 모델을 채택하고 128K×16 Flash memory와 18K×16 내부 RAM을 가지고 있다. 센서 신호처리보드에 의해 얻어진 센서 데이터를 이용하여 500Hz 샘플링 주파수에 맞춰 제어 연산 및 DC모터 제어의 역할을 수행한다. 또한 Matlab/Simulink와 High Speed USB 장치를 이용한 초고속 모니터링 시스템을 이용하여 각 센서 데이터를 실시간으로 확인 할 수 있다.
먼저 의족을 착용하지 않은 상태로 재활 훈련용 트레드밀상에서 보행운동을 수행한 뒤 피실험자가 가장 편안함을 느낄 때의 보행속도를 기준 보행속도로 채택한다. 이 같은 과정을 통해서 2.5km/h의 기준 보행속도를 결정하였으며 이후 개발한 의족을 착용하여 2.5km/h의 속도에서 보행 시험을 수행하였다.
하지만 구성된 능동형 의족 시스템을 이용한 보행 시험에서 계수 조정을 통한 성능 개선의 노력에도 불구하고 만족스러운 성능을 얻어내지 못했다. 이에 따라 본 논문에서는 능동형 의족 시스템의 성능 개선을 위한 대안으로 기존의 토크 기반 임피던스 제어기를 변형한 위치기반 임피던스 제어기를 구성하고[10], 이를 개발된 능동형 의족에 직접 적용하였다. 그림 11은 새롭게 구성한 위치 기반 임피던스 제어기의 개념도이다.
또한 능동형 의족 제어를 위하여 총 5단계로 보행 단계를 구분하고 구성된 Finite State Machine과 위치기반 임피던스 제어기를 적용하였다. 정속 평지 보행 시험은 정상인을 대상으로 재활 훈련용 트레드밀 상에서 진행 되었으며 이를 위해서 정상인의 의족 착용을 위한 어댑터를 개발하였다. 시험을 통해서 얻어진 데이터와 정상인의 보행에서 나타나는 평균적인 보행 데이터들과의 비교를 통해서 개발된 능동형 의족 시스템의 견실성과 보행 유사도를 확인하였다.

대상 데이터

개발한 DC모터 드라이버는 동력 의족에 장착된 DC모터 구동을 위한 것으로 FET(PSM N025-100D)와 Full Bridge FET Driver(HIP4081)를 이용한다. 그림 4는 개발된 통합 제어 보드이다.

데이터처리

정속 평지 보행 시험은 정상인을 대상으로 재활 훈련용 트레드밀 상에서 진행 되었으며 이를 위해서 정상인의 의족 착용을 위한 어댑터를 개발하였다. 시험을 통해서 얻어진 데이터와 정상인의 보행에서 나타나는 평균적인 보행 데이터들과의 비교를 통해서 개발된 능동형 의족 시스템의 견실성과 보행 유사도를 확인하였다.

이론/모형

센서 신호처리 보드는 의족 제어에 사용되는 로드셀과 압전센서의 신호 안정화 및 제어보드에 최적화 된 센서 신호출력을 위한 역할을 수행한다. OP-AMP(7LV2464)를 이용한 전압 추종 및 증폭 회로 구성 및 정밀 계측 증폭기(AD624)를 통하여 로드셀 신호처리를 수행하며 아날로그 센서 데이터를 디지털로 변환하기 위하여 마이크로컨트롤러에 내장되어있는 AD컨버터(12bit resolution)를 이용한다. 무릎 관절 각도 측정을 위해 사용한 앱솔루트 엔코더 데이터는 SPI (Serial Peripheral Interface) 통신을 이용하여 마이크로컨트롤러로 전송한다.
그림 1. Slider-crank 방식을 이용한 무릎 관절 구동 구조.
개발된 능동형 의족은 Slider-Crank 구조를 구동 방식으로 채택하였다. 또한 능동형 의족 제어를 위하여 총 5단계로 보행 단계를 구분하고 구성된 Finite State Machine과 위치기반 임피던스 제어기를 적용하였다.
능동형 의족제어는 이러한 임피던스 특징을 유사하게 재현할 수 있게끔 무릎 관절을 제어하는 것을 기본 원리로 한다. 또한 단계별로 나타나는 임피던스 특징을 기술하기 위해 Finite State Machine을 주로 사용하는데 능동형 의족 제어를 위하여 5단계로 보행 주기를 구분하고 이를 위한 Finite State Mahcine을 구성하였다[2]. 그림 9는 보행 단계 구분을 위해서 구성된 Finite State Machine을 나타낸 것이다.

성능/효과

(a)에서 Stance 구간의 경우 최대 flexion이 발생하는 시점이 정상인의 보행 데이터와 의족을 이용한 보행 시험 데이터에서 각각 15%와 16% 지점에서 발생하며 최대 flexion 각도의 차이 또한 6° 미만으로 매우 유사한 형태의 보행운동을 수행했음을 알 수 있다.
센서 신호처리보드에 의해 얻어진 센서 데이터를 이용하여 500Hz 샘플링 주파수에 맞춰 제어 연산 및 DC모터 제어의 역할을 수행한다. 또한 Matlab/Simulink와 High Speed USB 장치를 이용한 초고속 모니터링 시스템을 이용하여 각 센서 데이터를 실시간으로 확인 할 수 있다.
이와 같이 새롭게 구성된 위치 기반 임피던스 제어기를 이용한 의족 제어 실험을 통해서 능동형 의족의 성능이 개선되는 것을 확인했다. 단, 현재 진행 중인 연구의 경우 능동형 의족 개발을 위한 초기 시스템 구성에 초점을 맞춰 진행됨에 따라 의족에 적용한 두 제어기의 성능 비교를 위한 수치적은 분석은 아직 충분히 이루어 지지 않았다.

후속연구

개발된 초기 의족 시스템의 연구결과 소개에 그 목적이 있으며 보행 데이터를 이용한 능동형 의족의 성능 평가 및 제어기 성능 비교에 대한 정량적인 분석은 앞으로 진행할 향후 연구에서 다루고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	능동형 의족의 장점은 무엇인가	또한 에너지 소모에 있어서도 정상 보행에 비해서 약 60% 이상의 에너지를 더 소모하는 것으로 알려져있다. 이에 반해 능동형 의족은 모터와 같은 액츄에이터를 이용하여 자체적으로 힘을 생성하기 때문에 수동형 의족에 비해서 보다 다양한 활동을 수행할 수 있다[2,3].
	의족의 종류 중 수동형 의족의 단점은 무엇인가	수동형 의족의 경우 링크 구조로 구성된 기계식 의족과 댐퍼 방식의 의족으로 나누어지며 기본적으로 지면 또는 의족 착용자에 의한 외력을 저장, 사용하는 방식으로 평지 보행과 같은 단순한 보행 활동은 무리 없이 수행이 가능하다. 하지만 의족 자체에서 보행에 필요한 힘을 생성하지 않기 때문에 계단 오르기, 뛰기와 같은 활동의 경우 수동형 의족으로 이를 구현하기 위해서는 많은제약이 따른다. 또한 에너지 소모에 있어서도 정상 보행에 비해서 약 60% 이상의 에너지를 더 소모하는 것으로 알려져있다. 이에 반해 능동형 의족은 모터와 같은 액츄에이터를 이용하여 자체적으로 힘을 생성하기 때문에 수동형 의족에 비해서 보다 다양한 활동을 수행할 수 있다[2,3].
	의족의 종류를 구분하라	의족의 종류는 그 동작 방식에 따라 크게 수동형 의족과 능동형 의족으로 구분되며 하지 절단 환자의 절단 부위에 따라 다양한 형태를 가지고 있다[1]. 수동형 의족의 경우 링크 구조로 구성된 기계식 의족과 댐퍼 방식의 의족으로 나누어지며 기본적으로 지면 또는 의족 착용자에 의한 외력을 저장, 사용하는 방식으로 평지 보행과 같은 단순한 보행 활동은 무리 없이 수행이 가능하다.

참고문헌 (13)

E. C. Marinez-Villalpando and H. Herr, "Agonoist-antagonist active knee prosthesis: A preliminary study in level-ground walking," Journal of Rehabilitation & Development, vol. 46, no. 3, pp. 361-374, 2009.

상세보기
F. Sup, H. A. Varol, J. Mitchell, T. J. Withrow, and M. Goldfarb, "Preliminary evaluations of a self-contained anthropomorphic transfemoral prosthesis," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 14, no. 6, pp. 667-676, Dec. 2009.

상세보기
R. L. Waters, J. Perry, D. Antonelli, and H. Hislop, "Energy cost of walking of amputees : Influence of level of amputation," The Journal of Bone & Joint Surgery, vol. 58, no. 1, pp. 42-46, 1976.

상세보기
F. Sup, H. A. Varol, J. Mitchell, T. Withrow, and Michel Goldfarb, "Design and control of an active electrical knee and ankle prosthesis," Proc. 2nd Biennial IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, Scottsdale, USA, pp. 523-528, Oct. 2008.
B. E. Lawson, A. Huff, and M. L Goldforb, "A preliminary investigation of powered prostheses for improved walking biomechanics in bilateral transfemoral amputees," Proc. 34th Annual International Conference of the IEEE EMBS, San Diego, USA, pp. 4164-4167, Aug. 2012.
C. D. Hooyer, G. D. Fulk, and K. B. Fite, "The design and initial experimental validation of an active myoelectric transfemoral prosthesis," Journal of Medical Device, vol. 6, pp. 011005_1-011005_12, Mar. 2012.
C. E. Clauser, J. T. McConville, and J. M. Young, "Weight, volume and center of mass of segments of the human body," AMRL-TR-69-70, Wright Patterson Airforce Base, Dayton, Ohio, 1968.
M. W. Whittle, Gait Analysis an Introduction, 4th Ed, Elsevier, 2007.
E. C. Martinez-Villalpando, J. Weber, G. Elliott, and H. Herr, "Design of an agonist-antagonist active knee prosthesis," Proc. 2nd Biennial IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, Scottsdale, USA, pp. 529-534, Oct. 2008.
B. Heinrichs and N. Sephri, "Relationship of position-based impedance control to explicit force control: Theory and experiments," Proc. American Control Conference, San Diego, USA, pp. 2072-2076, Jun. 1999.
Y. S. Lee, J. H. Yang, S. Y. Kim, W. S. Kim, and O. K. Kwon, "Development of a rapid control prototyping system based on Matlab and USB DAQ boards," Journal of Institute of Control, Robotics, and Systems (in Korean), vol. 18, no. 10, pp. 912-920, 2012.

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D. H. Kwak, T. H. Kim, and Y. S. Lee, "Correction method of tracking error for astronomical telescope using recursive least square method," Journal of Institute of Control, Robotics, and Systems (in Korean), vol. 18, no. 3, pp. 224-229, 2012.

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D. Winter, The Biomechanics and Motor Control of Human Gait : Normal, Elderly and Pathological, 2nd Ed, Waterloo. 1991.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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