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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 단점들을 고려하여, 계단 보행 시 충분한 토크를 보조할 수 있는 컴팩트형 대퇴 웨어러블 로봇을 개발하였다.
- 먼저 평지 보행 모드로 판별이 되면 근력 보조 없이 마찰보상만을 수행하며 계속해서 보행 모드판별을 수행한다. 평지 보행 중 계단 보행을 하게 되면 계단 보행 모드로 변경되고, 근력 보조를 위한 조건이 충족 되었는지 확인한다. 만약 근력 보조 조건이 충족하게 되면 왼쪽 발이 디딤 발인지, 오른쪽 발이 디딤 발인지 판단한 후 계단 입력(step input)의 전류를 모터에 인가하여 근력 보조를 수행한다.
- 다음으로, 본 로봇의 핵심 기능은 평지 보행과 계단 보행을 판별 하는 것이다. 앞에서 언급한 바와 같이 발에 작용하는 지면 반발력과 고관절의 각도를 측정하여 평지 보행과 계단 보행을 판별하였 다.
- 20은 계단 보행 시 오른 다리의 고관절 각도와 발바닥 압력 센서 값을 도시한 그래프이다. 본 그래프를 통해 계단 보행 모드 시 어떤 순간에 모터에 의한 근력 보조를 수행하고, 얼마만큼의 시간 동안 근력 보조를 지속해야 하는지 결정하였다. 그래프에서 알 수 있듯이 착용자가 대퇴부를 들어 올려 고관절 각도가 최소화 되었을 때, 착용자는 계단에 발을 디딤으로써 발바닥 압력 센서 값이 급격히 상승하고 동시에 고관절 각도가 부드럽게 증가한다.
- 본 연구에서 제작한 계단 보행 근력 보조 로봇의 계단 및 평지 판별 능력을 검증하기 위해 실험을 수행하였다 (동영상 참조[7]). 실험은 착용자가 평지 보행을 시작으로 계단을 올라갔다가 다시 평지를 보행하였으며, Fig.
- 본 연구에서는 계단 보행 시 하체 근력에 도움이 필요한 고령자 및 무거운 등짐을 지고 계단을 올라가는 공사장 근로자들에게 하체 근력을 보조할 수 있는 로봇을 개발하였다. 개발된 로봇은 계단 보행 시 대퇴부의 근력만을 보조할 수 있도록 소형화 및 경량화 설계 되었으며, 세트칼라 메커니즘을 도입하여 착용자의 신체 구조에 따라 로봇의 너비와 각도를 조절할 수 있도록 구현하였다.
가설 설정
- 위의 두 조건을 고려하기 위하여 성인 체중에 의한 지면 반발력을 686 N(70 kgf)로 가정하고 토크의 작용점을 고관절 중심지점으로 두었다. 또한 작용점으로부터 계단을 오르는 사람의 지면 반 발력까지의 수평거리인 모멘트 암을 약 100 mm라고 가정하였고 모터에 필요한 토크를 식 (1)~(3)과 같이 계산하였다.
- 위의 두 조건을 고려하기 위하여 성인 체중에 의한 지면 반발력을 686 N(70 kgf)로 가정하고 토크의 작용점을 고관절 중심지점으로 두었다. 또한 작용점으로부터 계단을 오르는 사람의 지면 반 발력까지의 수평거리인 모멘트 암을 약 100 mm라고 가정하였고 모터에 필요한 토크를 식 (1)~(3)과 같이 계산하였다.
- 따라서, 두 개의 1차 방정식(f(x), g(x))을 얻기 위해 궤적을 구분 짓는 4개의 점을 찍어 1차 선형 보간하여 2개의 1차 방정식을 얻어 내었으며 Fig. 19 와 같이 보행 모드 판별을 위해 두 개의 방정식을 이용하여, f(x)>10x+500인 ①영역과 f(x)<10x+500, g(x)>4x+110인 ②영역 그리고 g(x)<4x+110인 ③ 영역을 구분지었고 y축의 발바닥 압력센서 값이 40 N 이상일 때 지면에 발을 디딘 것으로 가정하였다.
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