초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
본 과제는 여러 신체 조건과 다양한 보행 및 주행 패턴을 보이는 사용자에게 맞춰진 발목 보조 제어 방법을 개발하고 효과를 검증하는 것이며, 주요 세부 목표들은 다음과 같다.
• 보행 및 주행 중 사용자 맞춤형 발목 보조기 제어를 위한 메타 강화학습 알고리즘을 개발한다.
• 발목 외골격 및 제어기 평가를 위한 테스트베드를 제작한다.
• 시험 사용자에 대해 발목 동력 외골격 착용 후 보행/ 주행 시 양의 보조 효과 및 대사에너지 감소 효과 검증한다.

◼ 전

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
본 과제는 여러 신체 조건과 다양한 보행 및 주행 패턴을 보이는 사용자에게 맞춰진 발목 보조 제어 방법을 개발하고 효과를 검증하는 것이며, 주요 세부 목표들은 다음과 같다.
• 보행 및 주행 중 사용자 맞춤형 발목 보조기 제어를 위한 메타 강화학습 알고리즘을 개발한다.
• 발목 외골격 및 제어기 평가를 위한 테스트베드를 제작한다.
• 시험 사용자에 대해 발목 동력 외골격 착용 후 보행/ 주행 시 양의 보조 효과 및 대사에너지 감소 효과 검증한다.

◼ 전체 내용
본 과제는 사용자 맞춤형 발목 동력 외골격의 평가 테스트베드와, 학습 기반 제어 알고리즘을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 수행한 주요 연구 내용은 다음과 같다.
◾ 메타 강화학습 기반 사용자 맞춤형 제어 알고리즘 개발
• 데이터 효율이 높은 메타 추출기 학습 알고리즘 개발
• 단일 모드 가정의 한계와 모드 붕괴 문제 해결
◾ 발목 외골격 제어의 평가를 위한 테스트베드 제작
• 발목 보조 중 하중으로 인한 변형 없는 외골격 설계
• 기계적 안전장치가 내장된 발목 외골격 설계
• 오프보드 모터의 실시간 고속 제어 프로그램 개발
• 서보모터 및 외골격을 위한 센서모듈 제작

□ 연구개발성과
본 연구의 첫 번째 성과는 메타 정보 추출기 기반의 사용자 맞춤형 학습 기반 제어 알고리즘이다. 사용자의 신체 및 동작 정보로부터 메타 정보를 추출하는 방법과, 이를 이용한 제어기를 학습하는 알고리즘을 포함한다. 개발한 알고리즘은 높은 데이터 효율을 가져 외골격 제어기 학습이 적합하다. 두 번째 연구성과로 발목 외골격 제어의 평가가 가능한 테스트베드를 제작하였다. 테스트베드는 발목 외골격, 오프보드 모터, 그리고 제어 프로그램으로 구성되어 있다. 발목 외골격은 경량이고, 기계적 안전장치가 포함되어 있으며, 사용자에 따른 조절이 용이하다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
본 연구는 학습 기반 제어를 외골격 로봇에 적용한 도전적 사례로써, 연구결과를 향후 역학일 및 대사에너지 최소화와 사용자 맞춤화를 위해 활용할 계획이다. 사용자 맞춤형 보조 방법은 외골격 로봇의 부가 가치를 높임으로써 의료 및 재활기기 산업 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 최종보고서 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 1.1. 연구개발의 필요성 ... 5
• 1.2. 연구개발 기술·제품의 개요 ... 7
• 1.2.1. 보행 중 발목의 운동학 및 운동역학 ... 7
• 1.2.2. 고전 제어 기반 맞춤형 보조력 생성 방법 ... 9
• 1.2.3. 메타 강화학습 기반 보조력 생성 방법 ... 11
• 1.3. 연구개발의 최종 목표 ... 13
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 14
• 2.1. 학습 기반 발목 보조 제어기 개발 ... 14
• 2.1.1. 추출기 기반 메타 강화학습 알고리즘 개요 ... 14
• 2.1.2. 다중 가정 기반 메타데이터 추출기 개발 ... 17
• 2.1.3. 시뮬레이션 기반 알고리즘 성능 검증 ... 19
• 2.2. 발목 외골격 테스트베드 제작 ... 20
• 2.2.1. 테스트베드 개요 ... 20
• 2.2.2. 발목 외골격 제작 ... 22
• 2.2.3. 외골격 제어 및 데이터 수집 회로 제작 ... 25
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 28
• 3.1. 연구수행성과 ... 28
• 3.2. 목표 달성 수준 ... 29
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 29
• 4.1. (학문적 기여) 학습 기반 외골격 제어 방법 개발 ... 29
• 4.2. (산업적 기여) 국방/의료기기의 사용자 맞춤화 지원 ... 30
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용계획 ... 30
• 참고문헌 ... 31
• 끝페이지 ... 34