[논문]보행지원을 위한 하지 근력보조 외골격 로봇

장재호

문제 정의

본 연구에서는 고중량물 싣고 보행을 하기 위하여 센서를 이용하여 사용자 의도신호를 인식하여 구동되는 근력지원 로봇을 설계, 제작, 실험을 하였다.
본 연구에서는 고 중량물은 싣고 보행하기 위한 근력지원 로봇을 설계 및 제작하였다. 이를 위하여 인간의 보행 분석 데이터를 분석하고, 이를 기반으로 액추에이터의 형태 및 장착 위치를 결정하였다.

제안 방법

만약, 사람이 보행을 하는데 사용하는 힘보다 근력지원 로봇이 낼 수 있는 힘이 적다면 사람에게 부하로 작용될 것이 분명하기 때문이다. 본 연구에서는 한국인 18~40세 10명의 정상인이 1.1m/s 의 속도로 보행을 할 때, 4개 자유도(Hip Adduction/Abduction, Hip Flexion/Extension, Knee Flexion/Extension, Ankle Flexion/Extension)에 대한 관절 동작 범위와 관절토크를 분석하였다. 인간 보행 주기에 따른 각 관절의 운동 범위와 발생되는 토크의 변화를 그래프를 통해 분석하였으며, 70 kg 의 보행자가 1.
1m/s 의 속도로 보행을 할 때, 4개 자유도(Hip Adduction/Abduction, Hip Flexion/Extension, Knee Flexion/Extension, Ankle Flexion/Extension)에 대한 관절 동작 범위와 관절토크를 분석하였다. 인간 보행 주기에 따른 각 관절의 운동 범위와 발생되는 토크의 변화를 그래프를 통해 분석하였으며, 70 kg 의 보행자가 1.1 m/s의 속도로 보행하고 있을 때 각 관절에서 걸리는 최대 각속도 및 최대 관절 토크를 Table 1 에 나타내었다.
인간 보행 분석을 통해 도출한 기구학적 제한조건을 이용하여 하지 근력지원을 위한 외골격 형태의 외골격 로봇을 설계 하였다. 총 6자유도의 하지외골격이며, 유압 액츄에이터를 이용한 관절 구조로 Fig 1과 같이 설계하였다.
상위제어기와 하위제어기 간의 네트워크를 CAN통신으로 구축하였다. 상위제어기에서 해당 제어 모드에서 생성한 관절 각도 데이터를 하위제어기(LCU, Local Control Unit)로 보내면, 하위제 어기가 유압서보밸브를 제어해 액추에이터를 구동한다.
사용자 의도신호는 사람이 로봇을 입고 움직이기 위한 제어 신호이다. 본 연구에서는 3곳에서의 사람과 로봇과의 미세한 변위차에 생기는 힘신호를 사용자 의도신호로 사용하였으며, 이를 이용하여 로봇의 각 관절이 움직이는 기준 경로를 생성하는 알고리즘을 적용하였다.
유압 액추에이터는 매우 큰 힘을 내기 때문에 이상 작동시 사람에게 위험할 수 있지 때문이다. 하지만, 실제 사람이 보행에 의행 생기는 관절데이터를 이용하여 구동 실험을 하였으며, 사용자 의도신호도 모의 환경을 구성하여 실험하였다.
본 연구에서는 고 중량물은 싣고 보행하기 위한 근력지원 로봇을 설계 및 제작하였다. 이를 위하여 인간의 보행 분석 데이터를 분석하고, 이를 기반으로 액추에이터의 형태 및 장착 위치를 결정하였다. 또한 위치 결정에 따른 근력지원 로봇 각 관절이 낼 수 있는 토크를 도출하였으며, 설계하였다.
이를 위하여 인간의 보행 분석 데이터를 분석하고, 이를 기반으로 액추에이터의 형태 및 장착 위치를 결정하였다. 또한 위치 결정에 따른 근력지원 로봇 각 관절이 낼 수 있는 토크를 도출하였으며, 설계하였다. 고중량물을 핸들링하기 위하여 유압 액츄에어터를 사용하였으며, 사람의 보행을 잘 추종할 수 있는 제어기를 설계 제작하였다.
또한 위치 결정에 따른 근력지원 로봇 각 관절이 낼 수 있는 토크를 도출하였으며, 설계하였다. 고중량물을 핸들링하기 위하여 유압 액츄에어터를 사용하였으며, 사람의 보행을 잘 추종할 수 있는 제어기를 설계 제작하였다.

대상 데이터

인간 보행 분석을 통해 도출한 기구학적 제한조건을 이용하여 하지 근력지원을 위한 외골격 형태의 외골격 로봇을 설계 하였다. 총 6자유도의 하지외골격이며, 유압 액츄에이터를 이용한 관절 구조로 Fig 1과 같이 설계하였다.

후속연구

본 연구의 목적에 부합한 하지 근력지원 로봇을 설계 및 제작하기 위해서는 인간의 보행을 운동역학 관점에서 분석할 필요가 있다 [1]. 만약, 사람이 보행을 하는데 사용하는 힘보다 근력지원 로봇이 낼 수 있는 힘이 적다면 사람에게 부하로 작용될 것이 분명하기 때문이다.
앞에서 설계한 메커니즘과 제어기를 실제 Fig 1과 같이 제작하여 실험하였다. 본 연구에서는 로봇의 안전장치 미비로 인하여 실제 사람이 착용하여 보행하는 실험은 하지 못하였다. 유압 액추에이터는 매우 큰 힘을 내기 때문에 이상 작동시 사람에게 위험할 수 있지 때문이다.

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