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중력 보상 팔 기능 지지대의 설계 및 제어 성능 평가
Design and Evaluation of the Control Performance of a Compliant Arm Support 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.34 no.2, 2017년, pp.115 - 123  

김상훈 (서울대학교 기계항공공학부) ,  정우석 (서울대학교 기계항공공학부) ,  박대근 (서울대학교 기계항공공학부) ,  구인욱 (서울대학교 기계항공공학부) ,  조규진 (서울대학교 기계항공공학부)

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This paper presents the design and the control performance of a novel dynamic compliant-arm support with parallel elastic actuators that was developed to assist with the daily living activities of those whose arms are compromised by muscular disease or the aging process. The parallel elastic-arm sup...

주제어

#팔 기능 지지대   #임피던스 제어   #무게 보정  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 10 따라서 본 연구에서는 임피던스 제어와 추가되는 무게를 즉각적으로 보상하는 알고리즘과 마찰력 보정을 통해 어떠한 물체가 착용 되더라도 설정된 평형점(θeq)에 도달할 수 있도록 하는 무게를 보정하는 알고리즘을 구현하여 사용자가 원하는 작업공간에 정확하게 도달하도록 한다.
  • 본 연구에서는 이러한 기존의 팔 기능 지지대의 단점을 보완하고 사용자가 원하는 위치로 도달하기 위해 수동형 팔 기능 지지대와 능동형 팔 기능 지지대의 특성을 결합한 평행 탄성(Parallel Elastic) 엑츄에이터 형태에 임피던스 제어 (Impedance Control)을 적용한 팔 기능 지지대를 제안한다.7 본 팔 기능 지지대는 스프링과 모터를 사용하여 수동적인 유연함 (Passive Compliance)을 구현한다.
  • 수동형 팔 기능 지지대와 능동형 팔 기능 지지대의 단점을 보완하고 특성을 결합하고자 본 연구에서는 상용화된 Armon Products사의 Armon Edero11 형상을 참고하여 수동형 팔 기능 지지대에 모터를 부착한 팔 기능 지지대를 설계하였다. 총 5개의 회전 조인트와 1개의 볼 조인트로 구성되어 7 자유도를 가지며 z축을 중심으로 회전하는 4개의 조인트는 비구동형으로 사용자의 수평 방향 움직임을 보조한다.
  • 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 추가적인 무게를 보상하는 알고리즘을 고안하였다. 정적 평형 상태의 평형점 (φ)과 설정된 평형점 (θeq) 간의 각도 차이를 측정하여 식(8)부터 식(12)을 통해 단말 작동기에 가해지는 토크를 추정한다.

가설 설정

  • 쿨롱 마찰력 (Coulomb Friction)은 수직항력에 비례하기에 무게를 추가함으로써 발생하는 추가적인 마찰력은 τadd에 비례한다고 가정하며 점성 마찰 (Viscous Friction)은 무시한다.
  • 5kg으로 설정되었다. 허리 높이의 팔 받침대가 있는 휠체어 혹은 의자에 팔 기능 지지대를 설치하고 성인의 전완 무게를 지탱하여 책상 위에서 글쓰기 등의 작업을 가정하여 각도와 무게 변수들을 선정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
근위축증이란 무엇인가? 팔 기능 지지대 (Dynamic Arm Support)는 상지의 움직임을 보조하기 위한 기계 장치로 척수손상, 신경근 질환 (Neuromuscular Disease) 및 근위축증 (Muscular Atrophy) 등의 질병이나 혹은 노화로 인한 근육약화로 팔의 기능이 제한되어 불편함을 겪는 사람들의 일상생활동작 (Activities of Daily Living: ADL)을 보조하기 위해 고안된 기구이다.1 근위축증은 근육에 영향을 주는 유전적 질환으로 근육 약화와 함께 근육 손실이 일어나며 흔히 루게릭병으로 알려져 있는 근위축성 측삭경화증 (Amyotrophic Lateral Sclerosis: ALS), 뒤시엔느 근위축증 (Duchenne Muscular Dystrophy: DMD) 및 척수성 근위축증 (Spinal Muscular Atrophy: SMA)이 그 대표적인 예이다. 이러한 질환을 가지고 있는 환자들은 근육 약화로 인해 식사를 하거나 물체를 들어올리는데 불편함을 겪고 있다.
팔 기능 지지대란 무엇인가? 팔 기능 지지대 (Dynamic Arm Support)는 상지의 움직임을 보조하기 위한 기계 장치로 척수손상, 신경근 질환 (Neuromuscular Disease) 및 근위축증 (Muscular Atrophy) 등의 질병이나 혹은 노화로 인한 근육약화로 팔의 기능이 제한되어 불편함을 겪는 사람들의 일상생활동작 (Activities of Daily Living: ADL)을 보조하기 위해 고안된 기구이다.1 근위축증은 근육에 영향을 주는 유전적 질환으로 근육 약화와 함께 근육 손실이 일어나며 흔히 루게릭병으로 알려져 있는 근위축성 측삭경화증 (Amyotrophic Lateral Sclerosis: ALS), 뒤시엔느 근위축증 (Duchenne Muscular Dystrophy: DMD) 및 척수성 근위축증 (Spinal Muscular Atrophy: SMA)이 그 대표적인 예이다.
팔 근력이 없거나 약한 환자가 기존 수동형 팔 기능 지지대를 움직이기 힘든 이유는 무엇인가? 팔 기능 지지대는 사용자가 원하는 움직임을 보조할 수 있어야 하며 사용자와 직접적으로 맞닿아 작동하기에 안전한 인간로봇 상호작용 (Human-Robot Interaction)을 위해서는 강성이 작은 유연한 구조가 적합하다.6 하지만 기존의 수동형 팔 기능 지지대는 중력 보상만으로 팔을 지탱하기에 사용자가 높이 방향 위치를 바꾸기 위해서는 탄성력에 저항하여 더 큰 힘을 가해야 한다. 따라서, 팔 근력이 없거나 약한 환자는 수직 방향으로 움직이기 힘들다.
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참고문헌 (13)

  1. Van Der Heide, L. A., Gelderblom, G. J., and De Witte, L. P., "Dynamic Arm Supports: Overview and Categorization of Dynamic Arm Supports for People with Decreased Arm Function," Proc. of the International Conference on Rehabilitation Robotics, pp. 1-6, 2013. 

  2. Atkins, M. S., Baumgarten, J. M., Yasuda, Y. L., Adkins, R., Waters, R. L., et al., “Mobile Arm Supports: Evidence-Based Benefits and Criteria for Use,” The Journal of Spinal Cord Medicine, Vol. 31, No. 4, pp. 388-393, 2008. 

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  3. Kim, S. H., Byun, Y. C., Son, C. K., Lee, Y. H., and Lee, M. K., "2011 Research on the Actual Condition of the Disabled," Ministry of Health and Welfare and Korea Institute for Health and Social Affairs, p. 60, 2011. 

  4. Microgravity Products, "Armon Products Arm Supports Overview," http://www.armonproducts.nl/armon-ayura.html (Accessed 23 January 2017) 

  5. Kramer, G., Romer, G. R., and Stuyt, H. J., "Design of a Dynamic Arm Support (DAS) for Gravity Compensation," Proc. of the International Conference on Rehabilitation Robotics, pp. 1042-1048, 2007. 

  6. Van Ham, R., Sugar, T. G., Vanderborght, B., Hollander, K. W., and Lefeber, D., “Compliant Actuator Designs,” IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol. 16, No. 3, pp. 81-94, 2009. 

    상세보기 crossref

  7. Grimmer, M., Eslamy, M., Gliech, S., and Seyfarth, A., "A Comparsion of Parallel and Series Elastic Elements in an Actuator for Mimicking Human Ankle Joint in Walking and Running," Proc. of the International Conference on Robotics and Automation, pp. 2463-2470, 2012. 

  8. Vanderborght, B., Albu-Schaffer, A., Bicchi, A., Burdet, E., Caldwell, D. G., et al., “Variable Impedance Actuators: A Review,” Robotics and Autonomous Systems, Vol. 61, No. 12, pp. 1601-1614, 2013. 

    상세보기 crossref

  9. Sugar, T. G., “A Novel Selective Compliant Actuator,” Mechatronics, Vol. 12, No. 9, pp. 1157-1171, 2002. 

    상세보기 crossref

  10. Lee, J., Kim, J., and Song, W. K., "User's Requirements of the Assistive System for the Disabled and Elderly," Proc. of the Human Computer Interaction of Korea Conference, pp. 334-336, 2011. 

  11. Microgravity Products, "User Manual Armon Edero," http://products2.armonportal.com/products/edero/ (Accessed 23 January 2017) 

  12. Hogan, N., "Impedance Control: An Approach to Manipulation," Proc. of the American Control Conference, pp. 304, 313, 1984. 

  13. Khan, A. M., Ji, Y. H., Ali, M., A., Han, J. S., and Han, C. S., “Passivity Based Adaptive Control and Its Optimization for Upper Limb Assist Exoskeleton Robot,” J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 32, No. 10, pp. 857-863, 2015. 

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