[논문]중력보상장치 기반의 근력보조 외골격 장치

이원범; 송재복

doi:10.3795/ksme-a.2017.41.6.469

[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

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

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, existing exoskeletons demand the use of high-priced sensors and motors, which makes them difficult to use in industrial fields. To solve this problem, we developed an arm assisting exoskeleton that consists only of mechanical components without any electronic sensors or motors. The exoskeleton follows the movement of the human arm by shoulder joint and ankle joint. In addition, counterbalance mechanisms are installed on the exoskeleton to support arm strength. The experimental validation of the exoskeleton was conducted using an EMG sensor, confirming the performance of the exoskeleton.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

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.
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, l_c, k, s₀에 따라 결정된다. 본 절에서는 이 링크의 회전축과 커넥팅 로드 사이의 거리 R을 변화시켜 보상토크를 조절하는 가변중력보상을 서술한다. Fig.

제안 방법

(4) 따라서 근전도를 측정 및 비교하여 외골격 장치의 근력보조 성능을 검증하였다. 팔을 들어올리거나 지탱할 시의 근전도를 측정할 수 있게 하기 위하여 피실험자의 삼각근과 이두근에 EMG 센서를 부착하였다.
또한, 중력보상장치는 가변 중력보상이 가능하여 작업자의 다양한 체형 조건에 따라 변화하는 중력토크를 알맞게 보상한다. 개발된 외골격 장치의 성능을 검증하기 위하여 EMG 센서로 외골격 장치 착용시와 미착용 시의 근전도 차이를 측정하였다. 측정된 결과를 분석하여 외골격 장치의 근력보조 성능을 확인하였다.
본 연구에서 개발한 외골격 장치는 Fig. 1과 같이 요-피치-요-피치의 4자유도로 구성되어 사람의 어깨관절과 팔꿈치관절의 동작의 추종이 가능하다. 이 중 2개의 요 관절에는 중력토크가 인가되지 않으므로, 중력보상장치가 설치되지 않지만, 2개의 피치관절에는 중력토크가 직접적으로 인가되므로, 중력보상장치가 설치되어 보상토크를 생성한다.
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. 외골격 장치의 근력보조 성능을 검증하기 위하여 피실험자의 삼각근에 EMG 센서를 부착하여 외골격 장치의 착용 시와 미착용 시의 근전도를 비교하는 실험을 수행하였다.
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. 외골격 장치의 근력보조 성능을 검증하기 위하여 피실험자의 삼각근에 EMG 센서를 부착하여 외골격 장치의 착용 시와 미착용 시의 근전도를 비교하는 실험을 수행하였다. 이 실험으로부터 외골격 장치를 착용하였을 때 약 70%의 근전도 진폭 감소가 있음을 확인하였으며, 외골격 장치의 근력보조 효과가 입증되었다.
이러한 원리를 바탕으로 토크조절장치는 R의 값을 조절하여 보상토크 τc를 변화시키며 가변 중력보상을 수행한다.
개발된 외골격 장치의 성능을 검증하기 위하여 EMG 센서로 외골격 장치 착용시와 미착용 시의 근전도 차이를 측정하였다. 측정된 결과를 분석하여 외골격 장치의 근력보조 성능을 확인하였다.
⁽⁴⁾ 따라서 근전도를 측정 및 비교하여 외골격 장치의 근력보조 성능을 검증하였다. 팔을 들어올리거나 지탱할 시의 근전도를 측정할 수 있게 하기 위하여 피실험자의 삼각근과 이두근에 EMG 센서를 부착하였다.

성능/효과

한편, Fig. 13(a)에 나타나듯 외골격 미착용 시에 팔의 자중 및 1kg 무게추를 지탱하는 삼각근 및 이두근 근전도는 각각 0.43V, 0.3V의 최대 진폭을 가진다. 반면에, Fig.
반면에, Fig. 13(b)에 표시된 외골격 장치 착용시의 삼각근 및 이두근 근전도는 각각 0.15V, 0.10V의 최대 진폭을 나타내어, 외골격 장치 미착용 시의 값과 비교하여 65% 가량 감소하였다. 따라서 저중량의 물체를 파지하고 수행하는 작업에도 개발된 근력보조 장치를 착용함으로써 작업 시에 요구되는 근력을 감소시킬 수 있다.
결론적으로, 관절 1에는 θ1를 변수로 갖는 중력 토크만 인가되게 되어, 관절 1에 설치되는 중력보상장치로 중력보상이 가능하다.
10에 중력보상장치가 인가하는 보상토크의 범위를 나타내었다. 본 외골격 장치에 설치된 중력보상장치는 체중이 65kg~85kg 사이인 성인 남성에게 적합한 근력보조가 가능함을 나타낸다.
외골격 장치의 근력보조 성능을 검증하기 위하여 피실험자의 삼각근에 EMG 센서를 부착하여 외골격 장치의 착용 시와 미착용 시의 근전도를 비교하는 실험을 수행하였다. 이 실험으로부터 외골격 장치를 착용하였을 때 약 70%의 근전도 진폭 감소가 있음을 확인하였으며, 외골격 장치의 근력보조 효과가 입증되었다. 따라서 본 외골격 장치가 산업 현 장에서 장시간 팔을 이용하여 작업을 수행하는 근로자들에게 보급된다면 상해 위험성 및 안전사고율을 감소시키고 작업효율을 증가시키는 경제적 효과를 제공할 수 있음을 예상할 수 있다.

후속연구

이 실험으로부터 외골격 장치를 착용하였을 때 약 70%의 근전도 진폭 감소가 있음을 확인하였으며, 외골격 장치의 근력보조 효과가 입증되었다. 따라서 본 외골격 장치가 산업 현 장에서 장시간 팔을 이용하여 작업을 수행하는 근로자들에게 보급된다면 상해 위험성 및 안전사고율을 감소시키고 작업효율을 증가시키는 경제적 효과를 제공할 수 있음을 예상할 수 있다.

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.

참고문헌 (7)

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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
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상세보기
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.
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저자의 다른 논문 :

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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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