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하지 외골격 로봇을 위한 인솔 센서시스템 및 보행 판단 알고리즘 개발
Development of Insole Sensor System and Gait Phase Detection Algorithm for Lower Extremity Exoskeleton 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.12, 2015년, pp.1065 - 1072  

임동환 (한양대학교 기계공학과) ,  김완수 (한양대학교 공학기술연구소) ,  미안 아쉬팍 알리 (한양대학교 메카트로닉스공학과) ,  한창수 (한양대학교 로봇공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper is about the development of an insole sensor system that can determine the model of an exoskeleton robot for lower limb that is a multi-degree of freedom system. First, the study analyzed the kinematic model of an exoskeleton robot for the lower limb that changes according to the gait pha...

주제어

#착용형 로봇 센서   #인솔 센서   #보행 주기 구분   #하지 외골격 로봇   #족 저압 중심  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 하지 외골격 로봇의 제어를 위한 3개의 로봇 모델을 구분하기 위하여 사람 보행 구간인 최초접지/하중반응, 말기 입각기, 유각기 구간을 구분할 수 있으며 추가로 중간 입각기 구분이 가능한 알고리즘과 인솔센서를 개발하였다.
  • 본 논문은 사람의 보행에 의해 자유도가 변화하는 하지 외골격 로봇의 모델을 판단 하고자 보행 주기 구분 센서 시스템을 개발하는 연구이다. 본 연구에서 제안하는 시스템은 이동성 제약 없이 실시간으로 보행 주기를 구분할 수 있는 센서를 개발 하며, 기존 개발된 보행 주기 구분 시스템의 단점을 보완하여 소량의 센서를 적용하여 시스템 단순화 및 부피 감소가 이루어지도록 개발하였다.
  • 8,9 최초 접지(Initial Contact: IC): 전체 보행주기의 0 - 2%를 차지하는 단계로 발 뒷굽이 바닥에 접촉하는 시기, 하중반응(Loading Response: LR): 0 - 10%를 차지하는 단계로 체중 흡수하는 시기, 중간 입각기(Mid Stance: MS): 10 - 30%를 차지하는 단계로 체중이 반대 발을 통과하는 시기, 말기 입각기(Terminal Stance: TS): 30 - 50%를 차지하는 단계로 발 뒤꿈치가 들리는 시기, 전 유각기(Pre-Swing: PS): 보행주기의 50 - 60%를 차지하며 유각기로 전환을 준비하고, 지지한 발의 발가락들기(Toe off)가 일어나는 시기로, 보행주기는 위의 순서로 진행되며 구분된다. 본 연구에서는 유각기를 포함하는 인체의 보행주기 전구간에 대해서 고려할 것이다.
  • 본 연구에서는 하지 외골격 로봇에 적용이 가능한 인솔 센서 시스템과 보행 주기 구분을 위한 알고리즘을 개발하였다. 인솔 센서를 개발하기 위하여 사람의 보행구간과 반발력을 분석하였으며, 보행주기 판단 알고리즘을 개발하기 위하여 족저압 중심을 이해하였다.

가설 설정

  • 그래프에서 1: 최초접지, 2: 중간 입각기, 3: 말기 입각기, 4: 유각기를 나타낸 것이다. 또한 최초 접지는 보행 주기의 기준으로 정의하기 위해 최초 접지 구분에는 딜레이가 없다고 가정하여 표현하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
하지 외골격 로봇은 어떤 시스템인가? 최근 인간의 힘을 증폭하거나 인간의 활동을 보조하는 하지 외골격 로봇의 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지 외골격 로봇은 자세제어와 동작의도 생성을 사람이 담당하여 다양한 환경에서 사람을 보조하는 시스템으로 사람의 동작의도를 파악하는 연구와 로봇의 동작을 생성 및 제어하는 연구가 중요하게 자리 잡고 있다.
보행의 입각기는 무엇인가? 이러한 반복적인 패턴을 한 주기로 나누면 입각기(Stance Phase)와 유각기(Swing Phase)로 구분할 수 있다. 입각기는 발이 지면에 닿아있는 시기로 정상 보행 주기의 60% 정도를 차지하며, 입각기 중에서 양발이 지면에 닿아 있는 시기를 동시 입각기라고 하여 입각기의 25%를 차지한다. 유각기는 발이 지면에서 떠있는 시기를 말하며 보행 주기의 40%를 차지한다.
보행 주기 판단 센서시스템들이 개발되고 있는 이유는 힘 측정판과 동작분석장치를 이용한 방법의 어떤 단점을 보완하기 위함인가? 사람의 보행주기를 판단하기 위한 방법으로 상용화된 제품인 힘 측정판(Force Plate)과 동작분석장치(Motion Capture)을 이용하여 보행 주기를 판단하는 방법은 있으나, 이는 고가이며 분석장치가 있는 한정된 장소에서만 이루어지기 때문에 이동성제약이 따른다. 또한 실시간 데이터 처리의 어려움으로 실시간 판단이 필요한 하지 외골격 로봇에는 적용하기가 불가능하다. 이런 단점을 보완하기 위하여 다양한 목적으로 사람의 보행 주기를 판단하는 보행 주기 판단 센서시스템들이 개발되고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. Zoss, A. and Kazerooni, H., "On the Mechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton," IEEE on Intelligent Robots and Systems, pp. 3465-3472, 2005. 

  2. Skelly, M. M. and Chizeck, H. J., "Real-Time Gait Event Detection for Paraplegic FES Walking," IEEE Transactions on Neural System and Rehabilitation Engineering, Vol. 9, No. 1, pp. 59-68, 2001. 

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  3. Kong, K. and Tomizuka, M., "A Gait Monitoring System Based on Air Pressure Sensors Embedded in a Shoe," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 14, No. 3, pp. 358-370, 2009. 

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  4. Godha, S. and Lachapelle, G., "Foot Mounted Inertial System for Pedestrian Navigation," Measurement Science and Technology, Vol. 19, No. 7, Paper No. 075202, 2008. 

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  5. Salarian, A., Russmann, H., Vingerhoets, F. J., Dehollain, C., Blanc, Y., et al., "Gait Assessment in Parkinson's Disease: Toward an Ambulatory System for Long-Term Monitoring," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 51, No. 8, pp. 1434-1443, 2004. 

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  6. Huang, B., Chen, M., Shi, X., and Xu, Y., "Gait Event Detection with Intelligent Shoes," Proc. of the International Conference on Information Acquisition, pp. 579-584, 2007. 

  7. Pappas, I. P., Keller, T., Mangold, S., Popovic, M. R., Dietz, V., et al., "A Reliable Gyroscope-Based Gait-Phase Detection Sensor Embedded in a Shoe Insole," Sensors Journal, Vol. 4, No. 2, pp. 268-274, 2004. 

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  8. Kim, W. S., Lee, S. H., Ryu, J. K., Baek, J. H., Kim, D. W., et al, "Gait Pattern Generation for Lower Extremity Exoskeleton Robot and Verification of Energy Efficiency," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 29, No. 3, pp. 346-353, 2012. 

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  9. Perry, J. and Davids, J. R., "Gait Analysis: Normal and Pathological Function," Journal of Pediatric Orthopaedics, Vol. 12, No. 6, p. 815, 1992. 

  10. Kazerooni, H., Racine, J.-L., Huang, L., and Steger, R., "On the Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX)," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 4353-4360, 2005. 

  11. Park, S. J. and Kim, J. S., "The Analysis of Center of Pressure(COP) Displacement under Loading Position during Walking," Journal of the Korean Society of Physical Medicine, Vol. 5, No. 1, pp. 15-24, 2010. 

  12. Seong, D. H., Jung, E. S., and Cho, Y., "A Study on the Categorization of Korean Foot Shapes," Journal of the Ergonomics Society of Korea, Vol. 25, No. 2, pp. 107-118, 2006. 

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  13. Hopkins, J. T., Coglianese, M., Glasgow, P., Reese, S., and Seeley, M. K., "Alterations in Evertor/Invertor Muscle Activation and Center of Pressure Trajectory in Participants with Functional Ankle Instability," Journal of Electromyography and Kinesiology, Vol. 22, No. 2, pp. 280-285, 2012. 

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