[논문]BLDC 모터 기반 동력 의족의 구성과 토크 추정을 활용한 유각기의 임피던스 제어

경기영; 김진걸; 이영삼

doi:10.5302/j.icros.2015.15.9018

BLDC 모터 기반 동력 의족의 구성과 토크 추정을 활용한 유각기의 임피던스 제어
The Structure of a Powered Knee Prosthesis based on a BLDC Motor and Impedance Control using Torque Estimation on Free Swing 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.5, 2015년, pp.407 - 412

경기영 (인하대학교 전기과) , 김진걸 (인하대학교 전기과) , 이영삼 (인하대학교 전기과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the design of a lab-built powered knee prosthesis based on a BLDC motor, a sensored impedance control using a force sensor, and a sensorless impedance control through torque estimation. Firstly, we describe the structure of the lab-built powered knee prosthesis and its limitations. Secondly, we decompose the gait cycle into five stages and apply the position-based impedance control for the powered knee prosthesis. Thirdly, we perform an experiment for the torque estimation and the sensorless impedance control of the prosthesis. The experimental results show that we can use the torque estimation to control the low impedance during the swing phase, although the estimated torque data has a delay compared with the measured torque by a load cell.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

향후 연구의 방향은 추정된 토크의 상 지연 현상을 해소함으로써 토크 추정을 활용한 임피던스 제어의 정확도를 높이고, 동력 의족을 활용한 보행에 적용한다. 또한, 제약이 완화된 기구부의 설계와 정상인 착용 어댑터의 개선을 통하여 무게중심에 대한 안정도를 높이고 폭 넓은 임상시험을 실시하여 동력 의족의 동작을 다양화하고자 한다.
본 논문에서는 연구실에서 개발한 BLDC 모터 기반의 동력의족에 대해 소개하고, 보행의 구분 및 동력 의족의 제어를 위치 제어와 임피던스 제어의 혼용을 통해 구현할 것을 제안한다. 또한, 기구부의 로드셀을 이용해 측정된 무릎의 토크와 BLDC 모터의 전류, 무릎의 각속도 및 각 가속도를 활용하여 추정된 무릎의 토크를 비교하여 활용 가능성을 제기하고, 센서리스 제어를 통해 유각기의 낮은 임피던스를 구현함으로써, 로드셀이 제거된 기구부의 개선 방향을 제시한다.
능동형 동력 의족은 정상인의 동작들을 구현하기 위해 외력에 대한 자연스러운 움직임은 임피던스 제어를 통한 보상으로 구현하며, 목적이 있는 움직임에 대해 무릎 각도의 평형점을 사용한 위치 제어를 혼용하는 방법을 사용한다[12]. 본 논문에서도 위치 기반 임피던스 제어기와 1자유도의 동력 의족을 이용하여 정상인의 평지 보행을 구현하는 것을 다룬다.
이 논문에서는 BLDC 기반의 동력 의족의 구성과 정상인 보행의 세분화를 통한 제어 방법에 대해 서술하고, 기구부의 제약을 완화하기 위해 로드셀의 측정값을 대체하는 토크 추정을 제안하여, 임피던스 제어에 대한 선행 실험을 실시하였다.
해외의 선행 연구 및 개발 사례를 살펴보면 의족은 크게 3가지로 분류할 수 있다. 첫째는 동력원이 없는 수동형 의족으로, 상대적 저렴한 가격을 통해 보급률을 높이는 것이 목적이다. 그러나 동력원의 부재는 착용자에게 보행 시 환측에 더 많은 부하를 요구하며, 이는 신체의 불균형을 유발하기 때문에 에너지 저장형 구조를 통해 신체의 부담을 최소화하는 방향으로 연구되고 있다[2].
셋째는 동력원을 활용하여 착용자의 의도에 따라 능동적으로 대응하는 의족이다. 환부 손실된 근육에 대해 유사도 높은 동작을 수행함으로써 절단 환자의 신체 불균형을 최소화하고, 단순 보행 이외의 환경에서도 자연스러운 움직임을 취할 수 있도록 하는 것이 목적이다. 해외에서는 여러 가지 구조의 동력 의족에 대한 개발과 다양한 보행 환경에 대한 적용에 대해 연구한 사례가 있다[4,5].

제안 방법

낮은 임피던스를 유지한 의족의 무릎의 각속도를 활용하여 구분 가능하며 무릎이 펴진 후 지면에 발이 닿을 때 까지 Pre landing 단계가 유지된다. 각각의 보행 단계에서 서로 다른 값을 갖는 무릎 위치의 평형점과 임피던스 계수를 적용하여 부하의 반응도를 달리함으로써 동력 의족의 보행을 구현한다. 각 단계의 무릎의 평형점과 임피던스 계수들은 착용자에 따라 튜닝에 의해 선정된다.
개선 방법으로 의족의 동력 전달 방식을 바꾸는 것이 고려되고 있으나, 선형 압력 센서와 달리 비틀림에 대한 토크 측정 센서가 중량이 많이 나가거나 고가인 점을 감안하여, 토크 추정에 대한 필요성이 대두되었다. 구조적인 모델이 확정되지 않은 기구부의 토크 추정을 위한 계수를 구하고, 이를 적용한 임피던스 제어를 실시하였다.
두 번째 실험은 그림 9의 오른쪽과 같이 동력 의족이 자유로이 움직일 수 있도록 하고, 모터에 임의의 삼각파 전류를 인가함으로써 반복적인 스윙을 구현한다. 측정된 전류와 로드셀의 부하, 동력 의족의 무릎 각속도와 무릎 각가속도를 식 8을 통하여 구한 관성 계수와 마찰 계수는 각각 0.
본 논문에서는 연구실에서 개발한 BLDC 모터 기반의 동력의족에 대해 소개하고, 보행의 구분 및 동력 의족의 제어를 위치 제어와 임피던스 제어의 혼용을 통해 구현할 것을 제안한다. 또한, 기구부의 로드셀을 이용해 측정된 무릎의 토크와 BLDC 모터의 전류, 무릎의 각속도 및 각 가속도를 활용하여 추정된 무릎의 토크를 비교하여 활용 가능성을 제기하고, 센서리스 제어를 통해 유각기의 낮은 임피던스를 구현함으로써, 로드셀이 제거된 기구부의 개선 방향을 제시한다.
동력 의족의 길이에 대한 제약은 앞에서 언급한 바와 같이 3축 링크 구조와 x축 상에 배치된 BLDC 모터와 로드셀에 의한 것이다. 로드셀을 제거함으로써 동력의족의 개발 과정에서 연구의 자유도를 높이고, 설계의 제약을 완화하기 위해, 다음 절에서 토크 추정과 이를 적용한 임피던스제어를 선행 연구로 다룬다.
c_k는 쿨롱 마찰력이다. 본 논문에서 실험에 사용한 동력 의족은 개발 단계이며, 전장부에서 기구부 이외의 실장된 임베디드 제어 보드, 모터드라이버, 배터리 등에 대한 최적화가 이루어지지 못하여 실험적인 방법을 통하여 위 계수들을 측정한다.
첫째는 보행자의 의도 혹은 보행의 단계를 면밀히 판별하는 MMI(Man Machine Interface)에 대한 기술이며, 둘째는 판별된 의도에 따라 동력 의족을 착용한 환측의 움직임이 정상인과 유사도가 높고 가변적인 보폭 혹은 보행 속도를 추정함으로써 건측의 움직임과 대칭적인 동작을 구현하는 것이다[6,7]. 본 논문에서는 능동형 동력 의지의 제어를 위해 기계적인 센서를 활용한 MMI 방식을 통해 보행을 판별하며, 보행에 능동적인 대응을 위해 무릎 각도의 평형점을 갖는 위치 제어를 적용하고, 부하에 대해 자연스럽게 대응하여 가변적으로 동작하기 위한 임피던스 제어를 혼용한다[8].
본 논문에서는 정상인의 평지 보행을 구현하기 위해서 그림 6과 같은 위치 기반 임피던스 제어기를 사용하며 그 동작은 다음과 같다. 각 보행의 단계에서 무릎은 하중의 지지와 무게중심의 이동, 스윙 구간에서 지면과 발의 격리 등과 같은 목적으로 적절하게 구부러진다.
본 논문에서는 초기 접지기를 Pre landing, 부하 반응기와 중간 입각기를 Stance, 말기 입각기와 사전 유각기를 Pre swing, 초기 유각기와 중간 유각기를 Swing Flexion, 말기 유각기를 Swing Extension으로 묶어서 보행의 단계를 5가지로 분류한다. Stance의 특징은 Pre landing 이후에 발뒤꿈치가 지면에 닿으며 하중이 인가되는 것으로 뒤꿈치의 FSR을 통해 구분되며, 이 시점의 충격을 완화하고, 하중을 지지할 수 있어야 한다.
위치 기반 임피던스 제어기를 적용한 동력 의족의 보행 시험은 그림 7과 같이 의족 어댑터를 착용한 정상인을 통하여 이루어졌다.
첫 번째 실험은 그림 9의 왼쪽과 같이 고정된 동력 의족에서 일정한 전류를 모터에 인가하는 동시에 로드셀의 측정값을 비교하는 것이다. 고정된 동력 의족의 각속도와 각 가속도는 0이며, 식 (1)과 식 (6)을 통하여 다음과 같이 정리 할 수 있다.
두 번째 실험은 그림 9의 오른쪽과 같이 동력 의족이 자유로이 움직일 수 있도록 하고, 모터에 임의의 삼각파 전류를 인가함으로써 반복적인 스윙을 구현한다. 측정된 전류와 로드셀의 부하, 동력 의족의 무릎 각속도와 무릎 각가속도를 식 8을 통하여 구한 관성 계수와 마찰 계수는 각각 0.802와 0.125이며, 쿨롱 마찰력은 토크 추정을 통한 임피던스 제어에서 진동을 제거하기 위한 Dead zone과 충돌하여 본 논문에서는 0으로 근사하였다.

대상 데이터

통합 제어 보드는 Matlab과 연구 과정에서 개발된 USB DAQ를 기반으로, High Speed USB Monitoring 장비를 사용하여 컴퓨터로 데이터를 전송하고, 추후 동력 의족의 무선 조작을 위하여 Bluetooth 통신 기능을 포함한다[11]. 데이터를 종합하고 제어 연산을 처리하기 위해 150MHz의 클럭속도를 갖는 32-bit 마이크로컨트롤러인 TMS320F2811를 사용한다.
BLDC 모터 드라이버는 PWM을 전류제어의 입력으로 사용하며, 전류 측정값에 대한 정보는 ADC를 통하여 출력한다. 동력 의족 시스템의 인터페이스를 위하여, 통합 보드는 1개의 SPI 통신과 4개의 ADC를 사용한다. 통합 제어 보드는 Matlab과 연구 과정에서 개발된 USB DAQ를 기반으로, High Speed USB Monitoring 장비를 사용하여 컴퓨터로 데이터를 전송하고, 추후 동력 의족의 무선 조작을 위하여 Bluetooth 통신 기능을 포함한다[11].
연구에 활용된 동력 의족은 그림 1과 같은 3축 링크의 슬라이드 크랭크 구조로 0° ~ 90°의 1자유도를 가진다. 동력원으로 200W급 출력의 Maxon사 BLDC 모터를 사용하며, 모터 드라이버는 ADVANCED사의 AZBDC20A8을 사용한다. 기구부는 착용자의 몸무게를 100kg으로 상정하여 형상 최적화 기법을 활용, 내구성을 보장하였으며, 동력 의족 전장부의 중량은 3.

성능/효과

그림 12는 실험을 통해 구해진 계수를 이용하여 토크를 추정하고, 임피던스 제어를 실시한 데이터이다. 보행 주기의 유각기를 부분적으로 나누어서 낮은 임피던스를 유지하며 반복적인 외력을 통해 스윙을 실시하였고, 동력 의족의 무릎 각도는 0.5rad 범위 내의 부드러운 스윙의 곡선을 보였다. 그러나 각속도와 각가속도의 양자화 오차를 피하기 위해 사용한 3Hz의 차단 주파수를 가진 저역 필터의 영향으로 추정된 토크는 로드셀의 데이터와 비교하여 약간의 지연을 가지며, 보행 속도에 영향을 미칠 것으로 고려된다.
연구를 통해 개발된 동력 의족은 로드셀로 무릎의 토크를 측정하고, 임피던스 제어를 함으로써 평지 보행을 지원한다. 그러나 동력 의족에서 직결된 BLDC 모터와 로드셀은 3축 링크 구조에서 한 축의 최소 길이가 결정하고, 이는 착용자의 신체 비율에 따라 길이가 조절되어할 의족의 길이를 제한한다.
토크 추정 및 임피던스 제어의 실험 결과는 입각기와 유각기의 전환에 따라 제어기를 스위칭 함으로써 평지 보행의 구현 가능성을 보이고, 제약조건이 완화된 동력의족의 기구부의 설계를 통한 유사도 높은 보행 시험의 기틀을 확보하였다.

후속연구

그림 11은 실시간으로 동력 의족의 전류와 무릎의 각속도, 각가속도를 식 (7)에 반영함으로써, 추정된 토크와 로드셀의 측정값을 이용해서 구한 토크를 비교한 그래프로 토크의 방향에 따라 추정의 정도가 다르게 나타났다. 이는 로드셀과 모터의 어라이닝, 수직으로 배치된 볼 스크류와 스크류 너트의 영향으로 방향에 따라 기구부의 특성이 달라지는 것으로 고려되며 추가적인 분석이 필요하다.
향후 연구의 방향은 추정된 토크의 상 지연 현상을 해소함으로써 토크 추정을 활용한 임피던스 제어의 정확도를 높이고, 동력 의족을 활용한 보행에 적용한다. 또한, 제약이 완화된 기구부의 설계와 정상인 착용 어댑터의 개선을 통하여 무게중심에 대한 안정도를 높이고 폭 넓은 임상시험을 실시하여 동력 의족의 동작을 다양화하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정상인의 동작들을 구현하기 위해 능동형 동력 의족은 어떻게 설계 되는가?	이와 같은 동작을 수행하기 위해서 정상인의 움직임을 면밀히 분석하고 유사한 패턴을 구현해 낼 수 있어야 한다. 능동형 동력 의족은 정상인의 동작들을 구현하기 위해 외력에 대한 자연스러운 움직임은 임피던스 제어를 통한 보상으로 구현하며, 목적이 있는 움직임에 대해 무릎 각도의 평형점을 사용한 위치 제어를 혼용하는 방법을 사용한다[12]. 본 논문에서도 위치 기반 임피던스 제어기와 1자유도의 동력 의족을 이용하여 정상인의 평지 보행을 구현하는 것을 다룬다.
	능동형 동력 의족 개발에 있어서 중요한 점은 무엇인가?	능동형 동력 의족의 개발에 있어서 중요한 점은 보행 혹은 다양한 동작들을 세분화하고, 동력원을 이용하여 정상인의 동작에 대해 유사성 있게 구현하는 것이다. 따라서 능동형 동력 의족의 개발은 두 가지 주제를 가진다.
	동력원을 활용하여 착용자의 의도에 따라 능동적으로 대응하는 의족이 개발된 이유는 무엇인가?	셋째는 동력원을 활용하여 착용자의 의도에 따라 능동적으로 대응하는 의족이다. 환부 손실된 근육에 대해 유사도 높은 동작을 수행함으로써 절단 환자의 신체 불균형을 최소화하고, 단순 보행 이외의 환경에서도 자연스러운 움직임을 취할 수 있도록 하는 것이 목적이다. 해외에서는 여러 가지 구조의 동력 의족에 대한 개발과 다양한 보행 환경에 대한 적용에 대해 연구한 사례가 있다[4,5].

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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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