[논문]하지 부분마비 장애인을 위한 착용형 로봇의 보행 보조 방법

우한승; 이장목; 공경철

doi:10.7746/jkros.2017.12.2.144

하지 부분마비 장애인을 위한 착용형 로봇의 보행 보조 방법
Gait Assist Method by Wearable Robot for Incomplete Paraplegic Patients 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.12 no.2, 2017년, pp.144 - 151

우한승 (Department of Mechanical Engineering, Sogang University) , 이장목 (Department of Mechanical Engineering, Sogang University) , 공경철 (Department of Mechanical Engineering, Sogang University)

Abstract ▼ AI-Helper

An important characteristic of people with partially impaired walking ability, such as incomplete paraplegics, is that they are able to generate voluntary motion of lower-limbs. Therefore, wearable robots for the incomplete paraplegic patients require a different assistance method compared to those of complete paraplegics. First, the wearable robot should be controlled to not resist wearer's motion. Second, it should be able to generate assistive torque accurately when needed. In this paper, a wearable robot, called EROWA, for the incomplete paraplegic patients is introduced. EROWA utilizes compact rotary series elastic actuators (cRSEAs) and a control method called the zero impedance control to reduce the mechanical resistance. An assistive torque trajectory is proposed to assist gait in this paper. The proposed method is verified by simulation and experimental studies.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 부분마비 장애인을 위한 착용형 로봇의 보행 보조 방법을 제안하였다. 제안하는 방법은 유각기에서 착용형 로봇의 고관절에 굴곡 토크를 제공하고슬관절에는 무저항 구동을 적용하여, 착용자의 고관절굴곡뿐만 아니라 슬관절의 자연스러운 신전을 유도하는 것이다.
본 논문에서는 하지 부분마비 장애인을 위한 착용형 로봇 EROWA를 이용한 보행 보조방법을 소개한다. 다음 장에서는 AAN 기술 구현을 위한 EROWA 구동 관절의 구동 투명성의 달성 과정을 설명한다.
무저항 구동을 적용하여 EROWA의 착용자는 로봇 관절의 저항력을 느끼지 않고 자연스럽게 움직일 수 있으며 필요한 순간에만 보조를 받을 수 있다. 이 절에서는 착용형 로봇을 이용한 보행 보조 방법에 대해 소개하고자 한다.

제안 방법

cRSEA를 이용하는 EROWA의 슬관절에 대해서 무저항 구동 실험을 진행하였다. EROWA 슬관절에 무저구동을 적용하고 Fig.
다음 장에서는 AAN 기술 구현을 위한 EROWA 구동 관절의 구동 투명성의 달성 과정을 설명한다. 이어서 보행 보조를 위한 보조력 궤적을 제안하고 시뮬레이션과 실험을 통해 제안하는 보행 보조방법을 검증한다.
본 논문에서는 부분마비 장애인을 위한 착용형 로봇의 보행 보조 방법을 제안하였다. 제안하는 방법은 유각기에서 착용형 로봇의 고관절에 굴곡 토크를 제공하고슬관절에는 무저항 구동을 적용하여, 착용자의 고관절굴곡뿐만 아니라 슬관절의 자연스러운 신전을 유도하는 것이다. Matlab 시뮬레이션을 통해 제안하는 방법의 실현 가능성을 확인하였고, 실제 보행 보조 실험에 적용함으로써 제안하는 방법에 의한 보행 양상 변화를 관찰하였다.

대상 데이터

이를 검증하기 위해 Fig. 9와 같이 건강한 성인 남성이 EROWA를 착용하고 보행을 진행하였다. 보행 시 EROWA는 착용자의 족저압을 측정하고 보행 단계를 실시간으로 분석하였다.

데이터처리

Fig. 5와 같은 형태의 고관절 굴곡 토크 궤적을 적용했을 때 고관절의 굴곡뿐만 아니라 슬관절의 신전이 자연스럽게 생성되는지 Matlab 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 시뮬레이션은 Fig.
제안하는 방법은 유각기에서 착용형 로봇의 고관절에 굴곡 토크를 제공하고슬관절에는 무저항 구동을 적용하여, 착용자의 고관절굴곡뿐만 아니라 슬관절의 자연스러운 신전을 유도하는 것이다. Matlab 시뮬레이션을 통해 제안하는 방법의 실현 가능성을 확인하였고, 실제 보행 보조 실험에 적용함으로써 제안하는 방법에 의한 보행 양상 변화를 관찰하였다. 고관절의 굴곡힘은 착용자의 고관절 회전각을 일반적인 경우보다 크게 만드는 효과를 가져왔으며, 슬관절에는 저항력만 제거하였음에도 자연적인 회전이 발생함을 확인하였다.

이론/모형

시뮬레이션은 Fig. 6의 모델의 몸통이 고정된 상태에서 모든 부분에 중력이 작용하도록 한 후 Newton-Euler 방법을 이용한 정동역학 해석을 통해 진행되었다. 이 때 인체 각 부분의 모델 파라미터는 체중 70 kg 성인의 허벅지 및 종아리 파라미터로 선정하였다^[11].
네 개의 cRSEA는 EROWA의 양측 고관절과 슬관절의 굴곡(flexion)과 신전(extension)을 보조한다. cRSEA를 제어하기 위한 데이터 수집 및 제어 알고리즘 계산은 MyRIO (National Instruments, 미국)를 이용하였다.
4의 블록다이어그램에서 τ_o,desired = 0으로 설정함으로써 구현된다. 무저항 구동 성능을 향상시키기 위해 모델 기반의 제어 방법^[8]을 적용할 수 있으나 본 논문에서는 PID 제어를 적용하였다. 목표 토크 (τ_o,desired)가 0으로 설정되는 경우 모터는 착용자의 움직임을 따라 움직이도록 제어되기 때문에 착용자는 로봇 관절의 저항력을 거의 느끼지 못한다.

성능/효과

Matlab 시뮬레이션을 통해 제안하는 방법의 실현 가능성을 확인하였고, 실제 보행 보조 실험에 적용함으로써 제안하는 방법에 의한 보행 양상 변화를 관찰하였다. 고관절의 굴곡힘은 착용자의 고관절 회전각을 일반적인 경우보다 크게 만드는 효과를 가져왔으며, 슬관절에는 저항력만 제거하였음에도 자연적인 회전이 발생함을 확인하였다.
앞 절에서 EROWA 슬관절의 무저항 구동 성능을 확인하였다. 따라서 EROWA 고관절에 제안하는 형태의 보조력을 생성하였을 때 착용자의 고관절의 굴곡을 보조하면서 슬관절의 자연스러운 움직임 또한 생성되는 것을 기대할 수 있다. 이를 검증하기 위해 Fig.

후속연구

먼저 실제 스프링은 선형이 아니기 때문에 스프링의 비틀림으로부터 계산된 출력 토크의 정확도가 떨어지는 문제가 있으며, 토크 센서 사용에 의해 실험적으로 스프링 변위와 토크 관계를 도출함으로써 출력 토크의 정확도를 향상시키는 시도가 가능하다. 또한 본 논문에서 제안하는 보행 보조 방법을 적용하였을 때 기구학적 측면에서 보행 양상 변화만을 관찰하였으나, 보조 효과를 정량적으로 분석하기 위해서는 하지의 주요 근육에 대한 근전도 신호 분석, 산소 소모량 측정 등의 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직렬탄성구동 구조는 무엇인가?	하지 부분마비 장애인은 자발적인 하지 동작이 가능하기 때문에 이들을 위한 착용형 로봇은 이러한 동작에 저항력을 생성해서는 안 된다. 직렬탄성구동 구조는 착용형 로봇과 같이 인간과 로봇 시스템 간의 상호 작용력을 제어하기에 매우 유리한 방법이다. 이 장에서는 직렬탄성구동구조를 적용한 착용형 로봇 Exoskeletal Robotic Orthosis for Walking Assistance (EROWA) Fig.
	착용형 로봇을 이용하여 부분마비 장애인에게 도움을 주기 위해 어떤 시도가 진행되고 있는가?	하지만 하지가 완전히 마비되지는 않았음에도 노화, 근육병, 신경병 등으로 인해 하지 운동능력이 손상되어 보행 장애를 갖는 환자는 매우 많다. 이러한 환자들을 부분마비 장애인이라 부르며, 착용형 로봇을 이용하여 손상된 운동능력을 보조함으로써 정상적인 동작을 가능하게 하는 시도들이 계속되고 있다[4].
	중력보상 방법의 모델 정확도 문제를 해결하기 위해 어떤 기술이 연구되고 있는가?	중력보상 방법은 착용자-로봇 모델을 기반하기 때문에 모델 정확도에 영향을 받는다. 이러한 문제를 해결하기 위해 모델과 상관없이 필요한 순간에만 미리 정해진 동작 보조가 수행되는 Assistance-as-needed (AAN) 기술이 연구되고 있다. AAN 기술 구현을 위해서는 로봇과 착용자 간의 상호작용력(보조력)을 정밀하게 제어할 수 있는 구동 투명성(actuation transparency) 달성이 필수적이다[6].

참고문헌 (11)

A. Esquenazi, et al., "The rewalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoraciclevel motor-complete spinal cord injury," American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, vol. 91, no. 11 pp. 911-921, Nov. 2012.

상세보기
D. Sanz Merodio, et al., "Control motion approach of a lower limb orthosis to reduce energy consumption," International Journal of Advanced Robotic Systems, vol. 9, no. 6, pp. 1-8, 2012.

상세보기
Hian Kai Kwa, J. H. Noorden, M. Missel, T. Craig, J. E. Pratt, and P. D. Neuhaus, "Development of the IHMC Mobility Assist Exoskeleton," 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe, Japan, pp. 2556-2562, 2009.
T. Lenzi, M.C. Carrozza, and S.K. Agrawal, "Powered Hip Exoskeletons Can Reduce the User's Hip and Ankle Muscle Activations During Walking," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 21, no. 6, pp. 938-948, Nov. 2013.

상세보기
T. Nakamura, K. Saito, ZhiDong Wang and K. Kosuge, "Realizing model-based wearable antigravity muscles support with dynamics terms," 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Edmonton, Canada, pp. 2694-2699, 2005.
J. Meuleman, E. van Asseldonk, G. van Oort, H. Rietman and H. van der Kooij, "LOPES II-Design and Evaluation of an Admittance Controlled Gait Training Robot With Shadow-Leg Approach," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 24, no. 3, pp. 352-363, Mar. 2016.

상세보기
Tingfang Yan, Marco Cempini, Calogero Maria Oddo, Nicola Vitiello, "Review of assistive strategies in powered lower-limb orthoses and exoskeletons," Robotics and Autonomous Systems, vol. 64, pp.120-136, Feb. 2015.

상세보기
Kyoungchul Kong, Joonbum bae, and Masayoshi Tomizuka, "A Compact Rotary Series Elastic Actuator for Human Assistive Systems," 2012 IEEE/ASME transactions on mechatronics, vol. 17, no. 2, pp. 288-297, Jan. 2012.
Alexandra S. Voloshina and Deniel P. Ferris, "Biomechanics and energetics of running on uneven terrain," The journal of experimental biology, pp. 711-719, Mar. 2015.
Hanseung Woo, Evan Chang-Siu, Kyoungchul Kong, and Doyoung Jeon, "Observation of Gait Patterns and Orientation Angles for Development of an Active Ankle-Foot Prosthesis," The 19th World Congress of the International Federation of Automatic Control. Cape Town, South Africa, pp. 2147-2152, 2014.
C.E. Clauser, et al., "Weight, volume, and center of mass of segments of the human body", Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, U.S., AMRL TR 69-70, Aug. 1969.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증