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[국내논문] 중력보상장치 기반의 근력보조 외골격 장치
Exoskeleton Based on Counterbalance Mechanism for Arm Strength Assistance 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.41 no.6, 2017년, pp.469 - 475  

이원범 (고려대학교 기계공학부) ,  송재복 (고려대학교 기계공학부)

초록
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최근 산업현장에서 작업자들의 장시간 작업으로 인한 사고 및 부상의 위험을 방지하기 위하여 작업자들의 근력을 보조할 수 있는 외골격 근력보조 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 외골격 장치들은 작업자의 근력을 보조하기 위하여 모터의 동력을 사용하므로, 고가일 뿐만 아니라 오작동의 위험이 있어서 산업현장에서 매우 제한적으로 사용되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 연구에서는 센서 및 모터 없이 순수 기계요소들만으로 구성된 근력보조 외골격 장치를 설계 및 제작하였다. 본 외골격 장치는 사람의 손목 관절을 제외한 어깨, 팔꿈치 관절의 동작이 추종 가능하며, 팔의 자중에 의한 중력토크를 상쇄 가능한 중력보상장치를 탑재하여 작업자의 팔에 대한 근력보조를 수행한다. 개발된 외골격 장치의 성능을 검증하기 위하여 EMG 센서를 이용한 근전도 비교 실험을 수행하였고, 실험 결과를 바탕으로 외골격 장치의 근력보조 성능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Workers in industrial fields are highly exposed to accidents or injuries caused by long working hours. An exoskeleton that is able to support the arm muscles of the worker and thereby reduce the probability of an accident and enhance working efficiency could be a solution to this problem. However, e...

Keyword

#수동식 중력보상   #다자유도 중력보상장치   #가변 중력보상   #외골격 장치  

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

문제 정의

  • 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 스프링, LM 가이드 등 내구성 높은 기계요소들로 구성된 슬라이더-크랭크 기반의 중력보상장치를 사용하여, 어떠한 팔의 자세에서도 작업자의 근력을 적절하게 보조 가능한 외골격 장치를 개발하였다.(5) 개발된 외골격 장치는 요(Yaw)-피치(Pitch)-요-피치로 구성된 4자유도 장치로서, 손목 관절을 제외한 어깨, 팔꿈치 관절의 동작의 추종이 가능한 구조로 구성되어 있다.
  • 1절에서 언급된 바와 같이 4개의 설계변수 R, lc, k, s0에 따라 결정된다. 본 절에서는 이 링크의 회전축과 커넥팅 로드 사이의 거리 R을 변화시켜 보상토크를 조절하는 가변중력보상을 서술한다. Fig.
  • 본 연구에서는 고가의 센서 및 모터 없이 수동식 기계장치만으로 작동 가능한 근력보조 외골격 장치를 개발하였다. 본 외골격 장치는 어깨관절 및 팔꿈치관절의 동작을 추종 가능한 4개의 관절로 구성되어 있으며, 2개의 피치관절에 각각 중력 보상장치가 설치되어 사람의 팔에 작용하는 중력 토크를 상쇄하여 근력보조를 수행한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
외골격 장치를 통한 근력 보조의 장점은 무엇인가? 외골격 장치를 통한 근력 보조는 저중량의 물체를 이용한 반복 작업 시에 작업자의 근 피로 누적에 의한 사고 및 상해를 방지하고 작업 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나 기존의 근력보조용 외골격 장치들은 각종 센서 및 모터가 사용되어 가격이 비싸고, 유지보수가 어렵다는 문제가 있었다.
근력보조 외골격 장치의 특징은 무엇인가? 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 연구에서는 센서 및 모터 없이 순수 기계요소들만으로 구성된 근력보조 외골격 장치를 설계 및 제작하였다. 본 외골격 장치는 사람의 손목 관절을 제외한 어깨, 팔꿈치 관절의 동작이 추종 가능하며, 팔의 자중에 의한 중력토크를 상쇄 가능한 중력보상장치를 탑재하여 작업자의 팔에 대한 근력보조를 수행한다. 개발된 외골격 장치의 성능을 검증하기 위하여 EMG 센서를 이용한 근전도 비교 실험을 수행하였고, 실험 결과를 바탕으로 외골격 장치의 근력보조 성능을 확인하였다.
기존의 외골격 장치들의 단점은 무엇인가? 최근 산업현장에서 작업자들의 장시간 작업으로 인한 사고 및 부상의 위험을 방지하기 위하여 작업자들의 근력을 보조할 수 있는 외골격 근력보조 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 외골격 장치들은 작업자의 근력을 보조하기 위하여 모터의 동력을 사용하므로, 고가일 뿐만 아니라 오작동의 위험이 있어서 산업현장에서 매우 제한적으로 사용되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 연구에서는 센서 및 모터 없이 순수 기계요소들만으로 구성된 근력보조 외골격 장치를 설계 및 제작하였다.
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참고문헌 (7)

  1. Kiguchi, K., Iwami, K., Yasuda, M., Watanabe, K. and Fukuda, T., 2003, "An Exoskeletal Robot for Human Shoulder Joint Motion Assist," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 8, No. 1, pp. 125-135. 

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  2. Zoss, A. B., Kazerooni, H. and Chu, A., 2006, "Biomechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 11, No. 2, pp. 128-138. 

    상세보기 crossref

  3. Naito, J., Obinata, G., Nakayama, A. and Hase, K., 2007, "Development of a Wearable Robot for Assisting Carpentry Workers," International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 4, No. 4, pp. 431-436. 

  4. Iwamuro, B. T., Cruz, E. G., Connelly, L. L., Fischer, H. C. and Kamper, D. G., 2008, "Effect of a Gravitycompensating Orthosis on Reaching After Stroke: Evaluation of the Therapy Assistant WREX," Archives of physical medicine and rehabilitation, Vol. 89, No. 11, pp. 2121-2128. 

    상세보기 crossref

  5. Kim, H. S., Min, J. K. and Song, J. B., 2013, "Multiple-Degree-of-Freedom Counterbalance Robot Arm Based on Slider-Crank Mechanism and Bevel Gear Units," IEEE Transactions on Robotics, Vol. 32, No. 1, pp. 230-235. 

  6. Sizekorea, http://sizekorea.kats.go.kr/ 

  7. Clauser, C. E., McConville, J. T. and Young, J. W., 1969, "Weight, Volume, and Center of Mass of Segments of the Human Body," ANTIOCH COLL YELLOW SPRINGS OH. 

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