Wearable robots are receiving great attention from the public, as well as researchers, because its motivation is to improve the quality of lives of people. Above all, complete paraplegic patients due to spinal cord injury (SCI) might be the most adequate target users of the wearable robots, because ...
Wearable robots are receiving great attention from the public, as well as researchers, because its motivation is to improve the quality of lives of people. Above all, complete paraplegic patients due to spinal cord injury (SCI) might be the most adequate target users of the wearable robots, because they definitely need physical assistance due to the complete loss of muscular strength and sensory functions. Furthermore, the medical care of complete paraplegics by using the wearable robots have significantly reduced the mortality rate and improved the life expectancy. The requirements of the wearable robot for complete paraplegics are actuation torque, locomotion speed, wearing sensation, robust gait stability, safety, and practicality (i.e., size, volume, weight, and energy efficiency). A WalkON Suit is the wearable robot that has satisfied the requirements of the wearable robot for complete paraplegics and participated in the powered exoskeleton race of Cybathlon 2016. In this paper, configuration of the WalkON Suit, human-machine interface, gait pattern, control algorithm, and evaluation results are introduced.
Wearable robots are receiving great attention from the public, as well as researchers, because its motivation is to improve the quality of lives of people. Above all, complete paraplegic patients due to spinal cord injury (SCI) might be the most adequate target users of the wearable robots, because they definitely need physical assistance due to the complete loss of muscular strength and sensory functions. Furthermore, the medical care of complete paraplegics by using the wearable robots have significantly reduced the mortality rate and improved the life expectancy. The requirements of the wearable robot for complete paraplegics are actuation torque, locomotion speed, wearing sensation, robust gait stability, safety, and practicality (i.e., size, volume, weight, and energy efficiency). A WalkON Suit is the wearable robot that has satisfied the requirements of the wearable robot for complete paraplegics and participated in the powered exoskeleton race of Cybathlon 2016. In this paper, configuration of the WalkON Suit, human-machine interface, gait pattern, control algorithm, and evaluation results are introduced.
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문제 정의
본 논문에서는 하지 완전마비 장애인을 위한 웨어러블 로봇인 WalkON Suit의 기계 설계 및 보행 동작 생성 방법, 제어 시스템, 임상 훈련 결과에 대해 자세히 소개하였다. WalkON Suit에는 다양한 동작들을 구현되었으며, 이를 2016년도 Cybathlon 장애인 로봇 올림픽의 Powered Exoskeleton Race 종목 3위 입상을 통하여 증명하였다.
본 논문에서는 하지 완전마비 장애인을 위해 개발된 웨어러블 로봇인 WalkON Suit를 소개한다. WalkON Suit는 하지 완전마비 장애인의 성공적인 동작 보조를 위하여 로봇의 구동 토크 및 보행 속도, 착용성, 보행 안정성, 시스템 안정성, 실용성(크기 및 부피, 무게, 에너지 소모량 등) 등의 요구 조건들을 모두 고려하여 개발되었으며, 임상 훈련을 통해 그 성능을 검증하였다.
착용자와 로봇의 무게 및 움직임에 의한 동적 하중을 버티는데 충분한 강성을 갖도록 하는 것이 WalkON Suit 로봇 다리 구조의 첫 번째 설계 목표이다. 이와 같은 설계 목표를 달성하기 위해서 착용 대상군(키 150 cm이상 190 cm미만, 몸무게 40 kg이상 100 kg미만) 및 수행 동작(앉기/서기 및 평지 보행, 곡선 보행, 불 균일 지형 보행, 언덕 오르기/내리기, 계단 오르기/내리기 등)들을 고려한 동역학 시뮬레이션을 수행하였으며, 도출된 결과를 바탕으로 로봇 다리의 재질 및 구조, 부품들을 결정하였다.
제안 방법
전체 시스템의 무게중심을 몸체 앞쪽으로 위치시키는 가장 간단한 방법은 상체를 앞쪽으로 기울이는 것이며, WalkON Suit에는 Fig. 2(b)와 같이 앞쪽 다리와 뒤쪽 다리의 높이 차 Hf(Dh는 뒤쪽 다리의 높이를 나타냄)를 이용해서 상체 기울어짐이 자연스럽게 발생하도록 하는 앞굽이 보행 방법을 적용하였다. 이와 같은 앞굽이 보행 방법에서는 다음의 수식(1)과 같이 무릎 관절을 접힌 상태로 유지시켜 종아리가 항상 상체와 평행하는데, 이는 Fig.
본 논문에서는 하지 완전마비 장애인을 위해 개발된 웨어러블 로봇인 WalkON Suit를 소개한다. WalkON Suit는 하지 완전마비 장애인의 성공적인 동작 보조를 위하여 로봇의 구동 토크 및 보행 속도, 착용성, 보행 안정성, 시스템 안정성, 실용성(크기 및 부피, 무게, 에너지 소모량 등) 등의 요구 조건들을 모두 고려하여 개발되었으며, 임상 훈련을 통해 그 성능을 검증하였다. 또한, 앉기/서기 및 평지 보행, 곡선 보행, 불 균일 지형 보행, 언덕 오르기/내리기, 계단 오르기/내리기 등의 다양한 동작들이 모두 가능하도록 동작 생성 알고리즘을 구현 하였으며, 스위스에서 개최된 2016년도 Cybathlon 장애인 로봇 올림픽의 Powered Exoskeleton Race 종목에 출전하여 최종 3위에 입상하는 쾌거를 이룩하였다.
따라서 WalkON Suit에는 무게중심의 이동 능력이 극대화된 앞굽이 보행 방법을 바탕으로 하지 완전마비 장애인의 구축 현상까지 고려된 보행 동작 생성 방법이 적용되었다. 그 결과 WalkON Suit의 무릎 관절 궤적은 착용자의 실제 무릎 구축 각도를 고려하여 일정 각도 이상 펴지지 않도록 구현 되었으며, 이를 임상 훈련을 통하여 검증 하였다.
실생활에서 행해지는 다양한 동작들 중 일반적으로 가장 큰 힘이 필요한 동작은 앉기/서기 동작이다. 따라서 WalkON Suit 구동 시스템의 요구 구동 토크는 실제 앉기/서기 동작에서 사용되는 엉덩이 및 무릎 관절 토크의 최대 값을 기준으로 결정하였다. 앉기/서기 동작에서 사용되는 엉덩이 및 무릎 관절 토크의 최대 값은 의학적 실험을 통해 도출 된 바 있으며, 각각의 값은 119 Nm, 96 Nm이다[6].
앉기/서기 및 곡선 보행, 불 균일 지형 보행, 기울어진 통로 보행, 언덕 오르기/내리기, 계단 오르기/내리기 등의 동작들은 일상 생활을 살아 감에 있어서 반드시 수행 가능해야 하는 동작들이다. 따라서 WalkON Suit는 이러한 동작들이 모두 수행 가능하도록 동작 생성 알고리즘을 구현하였으며, 실제 임상 훈련을 통해 그 가능성을 검증하였다. 특히 앉기/서기 동작의 경우에는 일반적인 의자가 아닌 푹신한 소파(Sofa)를 대상으로 동작 구현 및 훈련을 진행하였다.
로봇 시스템의 주요 제어 장비는 가방에 장착되어 있는 National Instruments社의 cRIO-9038로서, 이 장비를 통하여 전체 시스템의 실시간 동작 생성 및 제어 가능하였다. 또한 로봇의 조작은 정지 버튼과 가속 버튼으로 가능하며, 각각의 버튼은 오른쪽 목발 손잡이에 장착되어 있다.
스탠스 구간에서는 되먹임 제어기의 비례-미분(PD)제어 상수만을 사용하고 s를 0으로 설정함으로써 외란에 의한 누적 오차가 전체 시스템에 영향을 미치지 않도록 동작 제어기를 구현하였다. 따라서 급격한 외란 변화에도 전체 시스템의 안정성은 강인하게 유지 될 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위해서 스윙 시작 시의 실제 로봇 관절의 각도 θh,θk를 기준으로 다리의 끝점을 생성 하도록 하는 적응 알고리즘을 적용하였다.
착용자와 로봇의 무게 및 움직임에 의한 동적 하중을 버티는데 충분한 강성을 갖도록 하는 것이 WalkON Suit 로봇 다리 구조의 첫 번째 설계 목표이다. 이와 같은 설계 목표를 달성하기 위해서 착용 대상군(키 150 cm이상 190 cm미만, 몸무게 40 kg이상 100 kg미만) 및 수행 동작(앉기/서기 및 평지 보행, 곡선 보행, 불 균일 지형 보행, 언덕 오르기/내리기, 계단 오르기/내리기 등)들을 고려한 동역학 시뮬레이션을 수행하였으며, 도출된 결과를 바탕으로 로봇 다리의 재질 및 구조, 부품들을 결정하였다. 또한 발목 관절의 경우에는 엉덩이/무릎 관절과 달리 수동형으로 구현하여 스윙(Swing) 시에만 발을 들어 줄 수 있도록 하였으며, 이를 통해 무게 절감이 가능하였다.
이러한 단일 모터 구동 시스템은 구동 토크가 커질수록 구동 속도가 느려 지고 무게가 증가하게 되며, 모터 이상 발생 시 해당 구동부가 정상적으로 작동되지 못하면서 로봇 시스템 전체에 치명적인 오류를 초래하는 문제가 발생하게 된다. 이와 같이 단일 모터 구동 시스템이 갖는 문제를 해결하기 위해서 WalkON Suit의 구동 시스템은 각각의 구동부를 고속 BLDC 모터(Maxon Motor, EC22 100W) 4개가 연동되어 구동하는 동기화 방식을 적용하였다. 이와 같이 고속의 BLCD 모터 4개를 동기화하게 되면 모터 단의 구동 토크가 단일모터에 비해 4배의 증폭이 가능하게 된다.
따라서 급격한 외란 변화에도 전체 시스템의 안정성은 강인하게 유지 될 수 있다. 이와는 반대로 스윙 구간에서는 되먹임 제어기의 비례미분 제어 상수 대신 적분(I) 제어 상수와 앞먹임 제어기를 사용하여 추적 성능을 극대화 하였다.
따라서 WalkON Suit는 이러한 동작들이 모두 수행 가능하도록 동작 생성 알고리즘을 구현하였으며, 실제 임상 훈련을 통해 그 가능성을 검증하였다. 특히 앉기/서기 동작의 경우에는 일반적인 의자가 아닌 푹신한 소파(Sofa)를 대상으로 동작 구현 및 훈련을 진행하였다. 실제로 착용자는 2016년도 Cybathlon 장애인 로봇 올림픽의 Powered Exoskeleton Race 종목에 출전하여 위의 동작들을 직접 수행하였으며, 대회 당시 기울어진 통로 보행을 제외한 다섯 개의 과제를 성공적으로 수행하는 모습을 보여 주었다.
대상 데이터
특히 앉기/서기 동작의 경우에는 일반적인 의자가 아닌 푹신한 소파(Sofa)를 대상으로 동작 구현 및 훈련을 진행하였다. 실제로 착용자는 2016년도 Cybathlon 장애인 로봇 올림픽의 Powered Exoskeleton Race 종목에 출전하여 위의 동작들을 직접 수행하였으며, 대회 당시 기울어진 통로 보행을 제외한 다섯 개의 과제를 성공적으로 수행하는 모습을 보여 주었다.
이론/모형
이와 같이 스탠스와 스윙에 따라 동작 제어기에 요구되는 제어 특성이 매우 달라지며, 하나의 고정된 동작 제어기로는 이러한 특성을 모두 만족할 수 없다. 따라서 WalkON Suit에는 보행 단계에 따라 Table 2와 같이 제어 상수가 변경되도록 하는 이득 계획(Gain scheduling) 방법을 적용하여 동작 제어기를 구현하였다.
성능/효과
이와 같이 고속의 BLCD 모터 4개를 동기화하게 되면 모터 단의 구동 토크가 단일모터에 비해 4배의 증폭이 가능하게 된다. 따라서 WalkON Suit의 구동 시스템에는 단일 모터를 사용했을 경우에 비해 작은 크기의 토크증폭기어(엉덩이 관절 861:1, 무릎 관절 839:1)가 적용되었고, 고속 BLDC 모터의 구동 속도 유지 및 무게 절감이 가능하였다. 또한 4개의 고속 BLDC 모터들 중 몇몇의 모터에 이상이 발생하는 경우에도 남은 모터들의 구동이 가능하기 때문에, 전체 시스템의 치명적인 오류를 미연에 방지 할 수 있었다.
따라서 WalkON Suit의 구동 시스템에는 단일 모터를 사용했을 경우에 비해 작은 크기의 토크증폭기어(엉덩이 관절 861:1, 무릎 관절 839:1)가 적용되었고, 고속 BLDC 모터의 구동 속도 유지 및 무게 절감이 가능하였다. 또한 4개의 고속 BLDC 모터들 중 몇몇의 모터에 이상이 발생하는 경우에도 남은 모터들의 구동이 가능하기 때문에, 전체 시스템의 치명적인 오류를 미연에 방지 할 수 있었다.
WalkON Suit는 하지 완전마비 장애인의 성공적인 동작 보조를 위하여 로봇의 구동 토크 및 보행 속도, 착용성, 보행 안정성, 시스템 안정성, 실용성(크기 및 부피, 무게, 에너지 소모량 등) 등의 요구 조건들을 모두 고려하여 개발되었으며, 임상 훈련을 통해 그 성능을 검증하였다. 또한, 앉기/서기 및 평지 보행, 곡선 보행, 불 균일 지형 보행, 언덕 오르기/내리기, 계단 오르기/내리기 등의 다양한 동작들이 모두 가능하도록 동작 생성 알고리즘을 구현 하였으며, 스위스에서 개최된 2016년도 Cybathlon 장애인 로봇 올림픽의 Powered Exoskeleton Race 종목에 출전하여 최종 3위에 입상하는 쾌거를 이룩하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
WalkON Suit은 어떤 동작이 가능하며, 수상 내역은?
WalkON Suit는 하지 완전마비 장애인의 성공적인 동작 보조를 위하여 로봇의 구동 토크 및 보행 속도, 착용성, 보행 안정성, 시스템 안정성, 실용성(크기 및 부피, 무게, 에너지 소모량 등) 등의 요구 조건들을 모두 고려하여 개발되었으며, 임상 훈련을 통해 그 성능을 검증하였다. 또한, 앉기/서기 및 평지 보행, 곡선 보행, 불 균일 지형 보행, 언덕 오르기/내리기, 계단 오르기/내리기 등의 다양한 동작들이 모두 가능하도록 동작 생성 알고리즘을 구현 하였으며, 스위스에서 개최된 2016년도 Cybathlon 장애인 로봇 올림픽의 Powered Exoskeleton Race 종목에 출전하여 최종 3위에 입상하는 쾌거를 이룩하였다.
WalkON Suit은 어떤 조건들을 고려하여 개발했는가?
본 논문에서는 하지 완전마비 장애인을 위해 개발된 웨어러블 로봇인 WalkON Suit를 소개한다. WalkON Suit는 하지 완전마비 장애인의 성공적인 동작 보조를 위하여 로봇의 구동 토크 및 보행 속도, 착용성, 보행 안정성, 시스템 안정성, 실용성(크기 및 부피, 무게, 에너지 소모량 등) 등의 요구 조건들을 모두 고려하여 개발되었으며, 임상 훈련을 통해 그 성능을 검증하였다. 또한, 앉기/서기 및 평지 보행, 곡선 보행, 불 균일 지형 보행, 언덕 오르기/내리기, 계단 오르기/내리기 등의 다양한 동작들이 모두 가능하도록 동작 생성 알고리즘을 구현 하였으며, 스위스에서 개최된 2016년도 Cybathlon 장애인 로봇 올림픽의 Powered Exoskeleton Race 종목에 출전하여 최종 3위에 입상하는 쾌거를 이룩하였다.
현재 하지 마비/완전마비 장애인용 웨어러블 로봇 중 가장 대표적인 로봇에는 무엇이 있는가?
현재까지 개발된 하지 마비/완전마비 장애인용 웨어러블 로봇들 중 가장 대표적인 로봇으로는 ReWalk Robotics 社의 ReWalk을 들 수 있다[2]. ReWalk의 경우에는 미국을 중심으로 전 세계 재활병원의 보급이 진행되고 있으며, 개인 판매 또한 이루어지고 있다.
참고문헌 (6)
M.J. DeVivo, "Epidemiology of traumatic spinal cord injury: trends and future implications", Spinal Cord, vol. 50, no. 5, pp. 365-372, January, 2012.
ReWalk Robotics, [Online], http://rewalk.com, Accessed: May 2, 2017.
Ekso Bionics, [Online], http://eksobionics.com, Accessed: May 2, 2017.
Rex Bionics, [Online], http://www.rexbionics.com, Accessed: May 2, 2017.
Paker Hannifin-Indego, [Online], http://www.indego.com/indego, Accessed: May 2, 2017.
A.B. Schultz, N.B. Alexander, and J.A. Ashton-Miller, "Biomechanical analyses of rising from a chair", Journal of biomechanics, vol. 25, no. 12, pp. 1383-1391, December 1992.
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