[논문]인체 하지근력 지원용 착용형 로봇 개발

[국내논문] 인체 하지근력 지원용 착용형 로봇 개발
Development of Force Assistive Wearable Robot for the Under Extremity of Human 원문보기

이희돈 (한양대학교 기계공학과) , 유승남 (한양대학교 기계공학과) , 이승훈 (한양대학교 기계공학과) , 김완수 (한양대학교 기계공학과) , 한정수 (한성대학교 기계공학과) , 한창수 (한양대학교 기계공학과)

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본 논문은 건설현장 작업자의 보행 시 하지근력지원을 위한 최소화된 착용형 로봇 시스템을 제안하고, 로봇의 근력지원 동작을 위하여 사람의 보행분석을 통해 평지 보행 시 활성화 되는 근육에 대한 패턴을 분석하고, 동작의도신호 측정을 위한 센서와 개발된 센서로부터 측정된 신호를 사용한 보행 알고리즘 개발에 관한 연구이다.
본 연구에서는 HEXAR Construction을 착용한 작업자의 계단 보행 시 무릎관절의 근력지원을 목표로 한다. 따라서 Fig.
본 연구에서는 건설작업자의 하지근력지원을 위한 HEXAR Construction을 개발하였고, 이를 구동하기 위하여 보행패턴을 생성하여 계단보행 실험을 실시하였다. 실험결과 Fig.

본 연구에서는 외골격 모듈개발에 앞서 작업분석을 통하여 건설작업의 근력지원이 필요한 신체 부위를 선정하였다. 이를 위하여 건설 현장에서 발생하는 여러 가지 질병 및 장애의 유형을 분석하여 가장 우선적인 Target을 선정하였다.
이러한 구조는 Backpack Interface에 장착되는 중량물의 하중을 보행 시 지면에 지지되는 다리를 통하여 지면으로 분산하는 구조를 가진다. 또한 보행 시 swing하는 다리는 평지보행의 경우 착용자의 동작을 추종하며, 계단보행 시에는 무릎의 근력을 보조할 수 있는 구조의 외골격로봇을 개발하였다.
본 연구에서 개발한 HEXAR Construction의 근력지원 효과를 검증하기 위하여 계단 보행 시 외골격 모듈을 착용한 상태와 착용하지 않은 생태에서의 근육의 활성화 크기를 EMG센서를 사용하여 측정하였다. Fig.

본 연구에서는 외골격 모듈개발에 앞서 작업분석을 통하여 건설작업의 근력지원이 필요한 신체 부위를 선정하였다. 이를 위하여 건설 현장에서 발생하는 여러 가지 질병 및 장애의 유형을 분석하여 가장 우선적인 Target을 선정하였다.
더욱이, 건설현장의 작업 지침에서도 척추는 가능한 한 급격한 굽힘을 지양하고 지면의 수직 방향을 유지하는 것을 기본적으로 권고하고 있다. [6] 따라서 위의 특징들을 바탕으로 본 연구에서 선정한 가장 우선적인 건설 작업자의 근력지원 대상 부위를 무릎으로 선정하였다.
2는 건설 작업자를 위한 착용형로봇 HEXAR(Hanyang Exoskeletal Assistive Robot) Construction의 개념도와 실제 제작 후 착용한 것이다. 그림에서 보이는 것과 같이 로봇은 Backpack Interface, 고관절 Passive Joint, 무릎관절 Active Joint, 발목관절 Flexible Link 등으로 구성되어 있다. 이러한 구조는 Backpack Interface에 장착되는 중량물의 하중을 보행 시 지면에 지지되는 다리를 통하여 지면으로 분산하는 구조를 가진다.

3의 근육그룹 1th, 2th에서 측정된 EMG 센서 측정값이다. 그림에서 보는 것과 같이 착용 시 근육 활성화가 현저히 작아짐을 볼 수 있으며, 이는 본 연구에서 개발한 외골격 모듈을 착용 시 작은 힘을 사용하여 보행이 가능함을 의미한다.
본 연구에서는 건설작업자의 하지근력지원을 위한 HEXAR Construction을 개발하였고, 이를 구동하기 위하여 보행패턴을 생성하여 계단보행 실험을 실시하였다. 실험결과 Fig.5와 Fig.6에서 보이는 것과 같이 계단등반 시 작업자의 근력을 보조하며 원활한 보행이 가능하였다. 하지만 생성된 패턴에 대하여 로봇이 동작되기 때문에 다양한 환경조건에 대하여 유연한 대처를 할 수 없었다.

그 예로 계단을 내려오는 동작 시 등반 시 보행패턴과 다르기 때문에 새로운 Trigger 생성 및 관절각도 패턴이 필요했다. 따라서 향후 다양한 보행분석을 통해 보다 세분화된 보행패턴을 생성하여야 하며, Backpack Interface에 중량물 장착 시 로봇과 착용자의 하중분담 비율 및 착용자의 근력지원 효과에 대한 실험을 실시할 계획이다.

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