착용로봇 도입을 통한 군 정비창 근골격계질환 예방에 관한 연구

신승민 숭실대학교 대학원 2021 국내박사

우리나라 근로자의 업무상 질병 중 근골격계 질환자 비율이 2015~2018년 동안 평균 59.2%였다. 이러한 산업계 근로자의 근골격계 질환자 통계는 군부대 작업자들에게도 시사하는 바가 크다. 연구를 위해 00 정비창의 근골격계 부담작업 유해 요인조사는 근골격계 부담작업 11가지에 포함될 수 있는 작업 28개를 선정하여 조사하였다. 조사 결과 근골격계 부담작업은 21개로 나타났다. 근골격계질환 증상 설문조사는 근력 사용과 반복 작업이 많은 공장에서 통증 호소자 및 관리대상자가 그렇지 않은 작업장에 비해 2배 이상 높은 것으로 나타났다. ‘REBA’를 사용한 인간공학적 위험요인 분석 결과, 대부분 작업에서 손/손목 부위의 반복적 작업이 위험요인으로 조사되었고, 20개 작업에서는 목을 구부리거나 뒤로 젖히는 자세가 위험요인으로 식별되었다. 노동부 고시 근골격계질환 부담작업 기준에 해당하지 않지만, 근골격계 질환자 비율이 타 작업보다 높은 대형엔진 작업과 실린더헤드 작업과 같은 중량물 작업자에 대한 예방 대책이 필요한 상태다. 근골격계질환 예방을 위해 예방관리 프로그램과 기술적인 대책으로 착용로봇을 제시하였다. 예방관리 프로그램에는 첫째, 근골격계질환 예방 중장기계획 수립 및 근골격계질환 예방위원회 구성 둘째, 근무자의 자발적 참여 유도 셋째, 부서 단위로 근골격계질환 예방위원회 구성 넷째, 개인별 근골격계질환 관리체계 구축 다섯째, 일원화된 체계로 통합 관리 등을 제시하였다. 그리고 기술적인 대책으로 제시한 착용로봇은 00 정비창이 국내 ‘L사’와 협력하여 근골격계질환 예방을 위해 개발을 추진하였다. 착용로봇 ‘LEXO-W’으로 효과를 실험한 결과 착용자의 소비 열량은 비착용자 대비 최대 32% 감소하였고, 근육 사용량은 최대 근육 사용량 기준 61% 감소함을 알 수 있었다. 실험대상인 포탄이 45kg, 탄약상자가 33kg인 점을 고려한다면 00 정비창의 대형엔진 작업과 실린더헤드의 무게는 10~25kg, 사용되는 공구는 30kg인 중량물 작업에도 유사한 효과가 있을 것으로 판단된다. ‘L사’ 착용로봇인 ‘LEXO-W’가 국방부 주도로 시범 적용 중이고, 착용자들의 평가가 진행되고 있으므로 중량물 작업자의 근골격계질환 예방에 어떤 영향을 미치는지 장기적인 연구가 필요한 시점이다. 군부대의 작업은 일반 산업계와 달리 특수한 작업 환경이라는 점을 고려한다면 근골격계질환 증상이 있는 현장을 중심으로 법령에 근거하여 실태를 조사하고 근골격계질환 예방을 위한 관리 프로그램을 도입하여 체계적으로 관리해야 한다. 본 논문에서 제시한 착용로봇과 같은 4차 산업혁명의 신기술을 활용한 다양한 설비와 장비들이 연구되어 군 현장에 적용된다면 예방 효과는 더욱 높아질 것으로 판단된다. Among workers with occupational diseases those suffering from musculoskeletal disorders account for an average of 59.2% between 2015 and 2018. These statistics on musculoskeletal disorders of industrial workers have great implications for workers in the military unit. For the study, 00 maintenance depot investigated risk factors of musculoskeletal-system-burdening work activities. It selected 28 tasks which can be divided into 11 categories that burden the musculoskeletal system. The result showed that 21 of them fall into that work activity. A survey on the symptoms of musculoskeletal diseases shows that there are two times more pain complainers or those in need of management at the factories with frequent use of muscle and repetitive work than others without them. The ergonomic risk factor analysis using 'REBA' showed that repetitive work using the hand/wrist area was found to be a risk factor in most of the work activities, and in 20 tasks, the neck bending or back bending posture was identified as a risk factor. Though the criteria used by the Ministry of Employment and labor for defining musculoskeletal disease is not relevant here, preventive measures are needed for workers handling heavy loads such as heavy engine and cylinder head since they are more likely to develop musculoskeletal diseases than other workers. In an effort to prevent musculoskeletal diseases, wearable robots are presented as a part of a prevention and management program and a technical measure. The prevention and management program aims to: 1) establish mid/long-term plan to prevent musculoskeletal diseases and make the musculoskeletal diseases prevention committee; 2) induce voluntary participation in the program; 3) make the prevention committee by a department; 4) establish individual musculoskeletal diseases management system; 5) integrate and manage the program in a unified system. Plus, the wearable robot which is suggested as a technical measure has been developed by 00 maintenance depot that is making a concerted effort with local ‘L company’ in order to prevent musculoskeletal diseases. An experiment testing the effectiveness of LEXO-W, a wearable robot, shows that the calorie consumption of the wearer decreased by up to 32% compared to the non-wearer, and the muscle use decreased by up to 61% against maximum muscle use. Because the shell and ammunition box, both of which are used for the experiment, weighs 45kg and 33kg each, similar effects are expected for heavy loads tasks in the 00 maintenance depot. Its heavy engine and cylinder head is as heavy as 10~25kg and the used equipment weighs 30kg. The Ministry of defense is in the process of promoting the pilot application of LEXO, the wearable robot, and the evaluation is being made by those who have adopted the robot. Therefore, it is time to do long-term research on its effectiveness in the prevention of musculoskeletal system diseases of workers dealing with heavy loads. Since the working environment in the military is different from the general industry, it is necessary to look into the reality mainly around the area where workers complain pain in the musculoskeletal system more closely based on related acts, and to introduce a management program. When various facilities and equipment are studied utilizing the new technology of the 4th industrial revolution such as the wearable robot, the main subject of this thesis, and then are being applied to the field in the military, the prevention effectiveness will be heightened.

압력에 의한 착용로봇 체결부 피부상해 발생 예측 알고리즘 및 검증용 test dummy 개발

이창환 세종대학교 대학원 2018 국내석사

착용로봇의 연구 및 사용이 증가함에 따라 안전성에 대한 요구가 증가했다. 그러나 현재 착용로봇의 안전성에 대한 연구는 제한적이다. 착용로봇의 안전 요구 조건을 제안한 ISO 13482에서도 착용로봇의 안전성에 대한 정량적 요구 사항을 제시하지 않는다. 그러므로 착용로봇의 안전성을 높이고 정량적 안전 요구 조건을 제시하기 위해 착용로봇에서 발생하는 상해를 연구하였다. 추가적으로 실제 착용로봇에 제안된 정량적 요구 사항을 적용 할 수 있는 측정 방법을 제안한다. 마지막으로 제안된 정량적 요구 사항을 검증하기 위해 사람의 신체적 특성과 유사한 test dummy를 개발한다. 착용로봇을 사용했을 때의 부작용을 수집하고 분석하여 착용로봇에서 발생하는 주요한 상해는 피부상해인 pressure ulcer라고 파악하였다. 그리고 pressure ulcer에 관한 실험 데이터를 수집하고, 착용로봇에서 측정하기 용이한 압력으로 변환하여 압력-시간 착용로봇 피부 상해 발생 예측 알고리즘을 제안했다. 제안된 피부 상해 발생 예측 알고리즘을 실제 착용로봇에 적용하기 위해서 압력 측정에 적합한 센서를 선택해야한다. 이를 위해 센서의 특성을 평가할 수 있는 장비를 개발하고 정밀한 힘 제어를 위한 슬라이딩 모드 힘 제어기를 설계하여 적용하였다. 마지막으로 압력 센서 캘리브레이션 장비를 사용하여 FSR 센서가 착용로봇에 적합한 센서임을 확인하였다. 개발된 피부 상해 발생 예측 알고리즘을 검증하기 위해 인간의 생체역학적 물성과 유사한 test dummy를 개발했다. 개발된 test dummy는 여러 실리콘을 복합적으로 사용하여 제작되었다. 개발된 test dummy를 사용하여, 착용로봇 사용 환경을 재현하는 시스템을 구축하고, 시스템을 활용하여 착용로봇 사용 조건에서 발생하는 압력을 측정하였다. 측정 결과에 의하면 착용로봇의 체결부에서 발생하는 압력과 착용로봇과 test dummy 사이의 작용력이 선형관계임을 알 수 있었다. As the research and use of wearable robots increases, the demand for safety has increased. However, the research on the safety of currently wearable robots is limited. ISO 13482, which proposes safety requirements for wearable robots, does not suggest quantitative requirements for the safety of wearable robots. Therefore, in order to improve the safety of the wearable robot and to propose a quantitative requirement, an injury occurring in the wearable robot is studied. In addition to this, a measurement method is proposed so that the proposed quantitative requirements can be applied to actual wearable robots. Finally, to verify the proposed quantitative requirements, we develop a test dummy that is similar to the physical characteristics of a person. We collected the side effects of using the wearable robot and judged that the pressure ulcer was the most dangerous injury that occurred in the wearable robot. Then, the experimental data related to the pressure ulcer were collected and converted to the pressure that can be easily measured in the wearable robot, and a pressure-time wearable robot skin injury estimation algorithm was proposed. In order to apply the proposed skin injury estimation algorithm to an actual wearable robot, a sensor suitable for pressure measurement should be selected. Therefore, we developed the instrument to evaluate the sensor, and designed a sliding mode force controller for precise force control. Finally, we choose FSR sensor as a suitable sensor for wearable robot by using developed equipment. In order to verify the developed skin injury estimation algorithm, we developed a test dummy similar to human physical characteristics. The developed test dummy was made by using various silicon. Using the developed test dummy, we constructed a system to simulate the wearable robot usage environment and measured the pressure using the system.

공압근육을 사용한 발목근력보조로봇의 연구

김창순 서울과학기술대학교 2016 국내석사

본 논문은 노약자들의 발목근력보조를 위한 착용형 로봇에 대해서 서술하였다. 기존 착용형 로봇들은 보행 시 필요한 근력을 보조하기 위해 대부분 모터와 감속기를 사용하였다. 하지만 모터와 감속기의 조합은 무게가 무거울 뿐만 아니라 감속기 치차의 마찰때문에 실제 사람의 근육처럼 강성과 토크를 동시에 제어하기 어려운 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 모터/감속기 조합보다 가볍고 안전하며 근력을 보조하는 힘을 충분히 발휘할 수 있는 Mckibben공압 근육을 사용하였다. 발목의 피칭 모션에 이용되는 종아리 가자미근 및 앞정강근의 힘을 한 쌍의 공압 근육을 사용한 상극구동으로 보조하였다. 상극구동제어를 위해 상극구동 모델 파라미터들을 실험적으로 도출하였다. 사용자의 보행의지를 판단하고자 발바닥에 부착된 압력변위센서로 압력과 압력중심위치를 측정하여 발바닥의 하중과 발목토크를 계산하였고, 이를 기반으로 공압 근육 관절의 강성과 토크를 동시에 제어하였다. 최종적으로, 트레드밀에서 근전도 신호를 측정하여 발목근력보조로봇의 성능을 실험적으로 입증하였다. This paper describes the study on a wearable robot to assist ankle power for the elderly. Previously developed wearable robots have generally used geared motors to assist muscle power during walking. However, combination of motor and reduction gear is heavy and has a limitation on simultaneous control of stiffness and torque like human muscle due to the friction of gear reducer. Hence, in this paper, Mckibben pneumatic muscle which is lighter, safer and more powerful than electric motor was used to assist ankle joint. Antagonistic actuation using a pair of pneumatic muscles assisted the power of the triceps surae muscles and tibialis anterior muscles that used for the pitching motion of the ankle joint. Model parameters of antagonistic actuator were experimentally derived using a test platform for antagonistic actuation control. To recognize wearer's walking intention, human ankle torque was calculated by measuring the pressure and the center of pressure of the foot using force & linear displacement sensors, and the stiffness and the torque of pneumatic muscles was then controlled from the calculated ankle torque. Finally, performance of developed ankle power assistive robot was experimentally verified by measuring EMG signals during walking experiments on level & slope treadmill.power of the triceps surae muscles and tibialis anterior muscles that used for the pitching motion of the ankle joint. Model parameters of antagonistic actuator were experimentally derived using a test platform for antagonistic actuation control. To recognize wearer's walking intention, human ankle torque was calculated by measuring the pressure and the center of pressure of the foot using force & linear displacement sensors, and the stiffness and the torque of pneumatic muscles was then controlled from the calculated ankle torque. Finally, performance of developed ankle power assistive robot was experimentally verified by measuring EMG signals during walking experiments on level & slope treadmill.

자전거 탑승형 외골격 훈련 시스템 개발

서성준 경북대학교 대학원 2013 국내석사

The issue of the robot has been changed. the main issue of the robot research was industrial robot in the past 10 years. but nowaday, as life quality is improved, variety kind of service robot is researched and developed, such as entertainment robot or medical robot. also, there are a lot of research in training robot and muscular assistant robot. but there are practical problem when this is applied in real world. first, some robot have space limitation. to set up the robot system require special room for this system, such as room set up the rail in the ceiling. also, because size of robot system is big, it don’t have mobility. In this paper, new kind of robot training system is proposed - bicycle ride-exoskeleton robot. to make exoskeleton ride a bicycle, pedaling trajectory is required for robot and proper control method should be chosen. this topic is discussed in this paper. In chapter 1, background and purpose of research is described. In chapter 2, leading research and required technical information is mentioned. In chapter 3, we explain robot hardware, sensor-actuator system, trajectory estimation algorithm and controller design. In chapter 4, the result of the experiment is presented and analyzed. In chapter 5, the conclusion of this research and future work is discussed.

착용형 재활로봇을 이용한 과제지향 보행훈련과 기능적 밴드운동이 아급성 뇌졸중 환자의 보행, 균형 및 기능적 활동에 미치는 영향

신영일 용인대학교 일반대학원 2018 국내박사

착용로봇의 동적 안정성 평가 지표검증 및 균형회복을 위한 제어

김성훈 세종대학교 대학원 2019 국내석사

Wearable robot means a robot that imitates human behavior by attaching it to the outside of the human body, which produces motion signals based on user recognition and which acts as an aid to the wearer's strength. Recently, wearable robots have been researched and developed in various fields, especially in the medical, industrial, and defense sectors, with a lot of investment and development taking place. In particular, many domestic and foreign companies are developing rehabilitation and muscle support robots for the elderly and the weak, and the use of muscle-assisted and muscle-enhancing robots for industrial workers' convenience and productivity are commercialized. Many of the current light and comfortable wearable robot products have been developed to develop wearable robots that focus on user convenience or productivity enhancement. However, research on the safety of wearable robots is insufficient compared to the technological development of these wearable robots, and due to the characteristics of wearable robots that move in close proximity to the users, the safety accidents that can occur due to loss of balance of the user, misinterpretation of intentions, and defect of instruments can cause serious damage to users. Currently, there is little research on how to prevent accidents, such as stopping the automatic mode or sounding the alarm to warn users, as a way to deal with safety accidents that can occur while wearing a robot. In this study, we introduced the method of detection of falls, the most frequent of accidents that could occur to users of wearable robots, and conducted simulations and experiments to find out if the method of detection of falls among the elderly is applicable to wearable robots. From the results, it was verified that the elderly fall detection method could be applied to wearing robots. In addition, the process of recovering a person's reflexes in case of a fall was analyzed. Wearable robots are designed and manufactured to apply the Balanced Recovery Mechanism when users fall. In addition, the wearable robot used an Impedance control to estimate the speed at which the robot had to move from the input action force considering the characteristics of the wearable robot, which receives the action force as input and grasps the purpose of operation. The user wore a wearable robot and developed a mechanism to help restore balance in the event of a fall, and the effects were verified through experiments. 착용로봇이란 인체 외부에 부착하여 사람의 행동을 모방하는 로봇으로서 상황인식에 따른 동작신호를 착용자가 생성하며 로봇은 착용자의 힘을 보조해주는 역할을 하는 로봇을 의미한다. 최근 착용로봇은 다양한 분야에서 연구 개발되고 있으며 특히 의료, 산업, 국방 분야에서 수요가 증가하고 있으며 많은 투자와 개발이 이루어지고 있다. 특히 하지마비 환자 혹은 근력이 부족한 노약자들을 위한 재활, 근력 보조용 착용로봇은 국내외의 많이 기업들이 앞 다투어 개발하고 있고 산업 노동자의 편의와 생산성 향상을 위한 근력 보조용, 근력증가용 착용로봇은 상용화가 이루어지고 있다. 사용자의 편의 혹은 생산성 향상에 초점을 맞춘 착용로봇 개발에 현재는 가볍고 편안한 착용로봇 제품들이 많이 개발되었다. 그러나 이러한 착용로봇의 기술적 개발에 비해 착용로봇의 안전에 관한 연구는 미비하며, 사용자와 밀착하여 움직이는 착용로봇의 특성상 착용자의 균형 상실 및 잘못된 의도 파악, 기구적 결함 등 여러 가지 원인으로 발생할 수 있는 안전사고가 발생하였을 때 사용자에게 큰 피해를 입힐 수 있다. 현재 착용로봇을 입고 발생 할 수 있는 안전사고에 대한 대처 방법으로는 자동을 중지하거나 경보를 울려 사용자에게 주의를 주는 등 근본적인 사고 예방 방법은 연구가 미비한 실정이다. 본 연구에서는 착용로봇 사용자에게 발생 할 수 있는 사고 중 가장 빈번하게 일어날 수 있는 사고인 넘어짐에 대해 넘어짐 감지 방법을 소개하고 많은 연구가 이루어지고 있는 노인 낙상 검출법이 착용로봇에게 적용 가능한지 알아보기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 결과로부터 노인 낙상 검출법을 착용로봇에 적용 할 수 있는 것을 검증하였다. 또한 넘어짐 발생시 사람의 반사기전으로 균형회복을 하는 과정에 대해 분석하였다. 착용로봇 사용자의 넘어짐이 발생했을 때 균형회복 메커니즘을 적용하기 위한 착용로봇을 설계하고 제작하였다. 그리고 착용로봇은 사용자와 로봇이 밀착되어 작용력을 입력으로 받아 동작의도를 파악하는 착용로봇의 특성을 고려하여 입력받은 작용력으로부터 로봇이 움직여야 하는 속도를 추정하는 Impedance 제어를 사용하였다. 사용자가 착용로봇을 착용하고 넘어짐이 발생했을 때 균형회복을 도와주는 메커니즘을 개발하고 실험을 통해 효과를 검증하였다.

6축 착용형 거울 치료 로봇 시스템 개발에 관한 연구

김원식 서울대학교 대학원 2015 국내석사

본 연구의 목표는 기존의 거울 치료의 효과를 증진하기 위한 착용형 거울 치료 로봇 시스템의 개발이다. 특히 편마비 환자의 재활치료를 도와 일상생활로의 빠른 복귀를 돕는 것이 목적이다. 기존의 환영(Illusion)을 통한 착각으로 뇌를 자극하여 재활 하는 것에 더하여 실제적인 거울상의 움직임을 환자에게 부여함으로써 다양한 자극을 뇌에 준다. 이를 통해 더욱 효과적인 치료를 하는 것이다. 본 연구에서 개발된 6축 착용형 거울 치료 로봇 시스템은 크게 두 가지의 시스템으로 나누어 진다. 하나는 건강한 팔의 움직임을 계산해주는 모션 캡쳐 시스템이고, 다른 하나는 마비측 팔을 거울상으로 움직이게 해주는 6축 착용형 외골격 로봇 시스템이다. 모션 캡쳐 시스템에는 다른 방식에 비해 상대적으로 덜 구속적인 방식인 자세방위센서를 이용하여 사용자의 건측 움직임을 계산하는 방식을 적용하였다. 사용자 자신을 기준으로 하는 팔의 움직임을 계산할 수 있도록 하였고, 지자기 외란에 의한 오차를 보정하는 기술을 적용하였다. 6축 착용형 로봇 시스템은 사용자가 착용할 수 있도록 제작하였으며, 다양한 환자의 팔길에 따라 길이를 조절하고, 사용자의 안전을 위해 안전 각을 설정하였다. 또한 연속적인 움직임에 따라 입력되는 값을 보간하고 궤도를 생성하는 알고리즘으로 부드러운 움직임이 가능하도록 개발되었다. 전체적인 6축 착용형 거울 치료 로봇 시스템을 검증하기 위해 실험을 진행하였다. 본 두 가지 시스템 중 모션 캡쳐 시스템의 정확도를 확인하는 실험을 설계하여 진행하였다. 피험자의 앞에 놓은 9개의 목표점에 리칭(Reaching) 동작을 수행하여 실제 공간 좌표와 센서를 통해 계산된 좌표를 비교하여 정확도를 평가하였다. 또한 기준센서의 영향을 보기 위해 대조 실험을 진행하였다. 이 과정을 통하여 시스템의 보완이 필요한 부분을 파악하였고 앞으로 개선방향을 확립 할 수 있었다. 본 연구에서 제시한 6축 착용형 거울 치료 로봇 시스템은 환자의 치료에 효과적으로 적용 될 수 있을 것이다. 나아가 거울 치료만을 위해서가 아닌 다른 재활 치료에도 사용이 가능 할 것이다. 또한 의학계뿐만 아니라 산업계에서 사람의 모션에 따라 로봇을 움직이게 하는 기술, 착용형 로봇을 이용한 근력증강 및 일상 생활 보조의 영역에도 크게 기여할 수 있을 것이다.

Tendon-Driven Hand Wearable Robot using Slider-Tendon Linear Actuator

김병철 서울대학교 대학원 2020 국내박사

Due to significant improvements in actuation and sensing components in terms of size and performance, technologies for wearable devices have received great attention and have been developed for various purposes. In the wearable device development process, it is required to satisfy two different kinds of performance factors: Usability and functionality of the robot. It is because, unlike other devices, the wearable device should be worn on the human body. For instance, in hand wearable robot researches, the researchers have aimed for making compact, light, and soft device to guarantee the usability; For the functionality of the robot, on the other hand, they have attempted to design the robot that assists a sufficient number of grasp types with enough grasping force. Designing the robot that satisfies both performance factors is a challenging issue because of an inevitable trade-off between keeping the usability with less number of actuators and keeping the functionality by using numerous high-force actuators. As a solution for the trade-off issue, a tendon-driven under-actuation mechanism has been proposed in previous researches. In this design, it is possible to reduce the number of actuators by applying a certain ratio of torque to multiple joints. This concept of applying torque constraints satisfy both performance factors of usability and functionality because it not only enables to use of less number of actuators but also provides adaptability to external environments. However, design with an under-actuation mechanism still has an unsolved issue about scalability; The system becomes complicated and the friction increases in the transmission when the under-actuation mechanism is used to cover a large number of joints. Therefore, wearable robots using under-actuation mechanism have been developed to have limited functions. This thesis proposes a method to deal with the aforementioned issue with 1) a novel actuator named Slider-Tendon Linear Actuator that is specifically designed for the tendon-driven under-actuation mechanism, and 2) a design framework to optimize the under-actuated tendon routing. Using these given two solution, a novel soft hand wearable robot named Exo-Glove II is developed to assist index, middle finger flexion/extension and thumb opposition/reposition with only four Slider Tendon Linear Actuators. With Exo-Glove II, the thesis also shows several useful research to improve the robot performance; 1) a method to find out the optimal tendon routing using a concept of opposition workspace; 2) a method to find out the kinematic information of human body using a kinematic calibration; 3) a data-driven method to find out the relationship between wire tension and joint angle for robot control. Using these researches, the thesis finally shows that it is possible to assist various types of grasp using the proposed robot. 손 부위 착용형 로봇의 개발은 로봇의 사용적 성능과 기능적 성능의 두 가지 성능 지표에 영향을 받는다. 기존 로봇들과 다르게 신체에 착용되어 사용되기 때문에 로봇의 부피, 무게, 착용의 편리성에 대한 고려가 필요하며 이는 사용적 성능에 해당하는 지표이다. 반면, 기능적 성능으로는 보조하는 관절의 수, 이를 통해 만들어내는 자세의 다양성, 실제로 낼 수 있는 힘의 크기와 같은 지표들이 존재한다. 이러한 두 가지 성능 지표는 로봇의 설계 방법을 통해 향상시킬 수 있지만 근본적으로 구동기의 수에 영향을 받는다. 많은 수의 관절을 보조하여 다양한 자세를 만들어내기 위해서는 구동기의 수가 많아져야 하며 큰 힘을 보조하기 위해서는 구동기의 크기가 커질수 밖에 없다. 하지만, 늘어난 구동기의 수와 커진 구동기의 크기는 자연스럽게 로봇의 부피와 무게에 부정적인 영향을 끼치기 때문에 적절한 수의 구동기가 사용되는 것이 중요하다. 기존 손 부위 착용형 로봇은 위의 문제를 해결하기 위해 보조하는 관절의 수보다 적은 수의 구동기를 사용하는 부족 구동 메커니즘을 활용하고 있으며 해당 관절들에 적절한 구속 조건을 부여함으로써 원하는 기능을 수행하도록 한다. 하지만, 부족 구동 메커니즘의 과도한 사용은 마찰 증가, 제어 자유도의 제약을 일으키기 때문에 로봇의 요구조건에 맞는 적절한 수의 구동기 사용이 중요하다. 본 학위 논문은 부족 구동 메커니즘의 성능을 확보하도록 개발된 슬라이더-텐던 구동기와 이를 사용한 손 부위 착용형 로봇을 제안한다. 슬라이더-텐던 구동기는 와이어 기반 착용형 로봇에 필요한 요구조건들을 만족시키도록 개발되었으며, 이를 토대로 개발된 손 부위 착용형 로봇은 적은 수의 구동기로도 충분한 보조 성능을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 학위 논문의 착용형 로봇은 엄지의 대립 운동과 검지, 중지의 굽힘 운동을 보조하도록 개발되었으며 부족 구동 메커니즘을 통해 네 개의 구동기만으로도 충분한 성능을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연구는 부족 구동 메커니즘을 착용형 로봇에 적용하는 방법론과 해당 메커니즘으로 인해 발생하는 기존 문제들을 대처하는 방향성을 제시하고 있기 때문에 다양한 착용형 로봇 연구 및 기존 로봇들의 성능 향상 및 시스템 단순화에 기여할 것으로 예상된다.

Novel Topology Optimization Formulation for Wearable Motion/Force Transmitting Robot Mechanisms Having General Joints

강석원 서울대학교 대학원 2020 국내박사

Topology optimization of linkage mechanisms is a powerful design tool that enables a designer to obtain a mechanism that satisfies the desired design requirements even if the baseline is not given a priory. Due to this advantage, this method has recently begun to be applied practically, such as in the automotive industry. However, it remains limited when applied to the emerging robotics industry (especially for wearable robots) given the following: 1) Due to the absence of suitable modeling, the joint types that can be included in the design results are limited to revolute and ball joints, and the wearable motion-transmitting robot mechanism could not be synthesized 2) Due to the absence of appropriate formulations, designing wearable force-transmitting robot mechanisms is currently not feasible. In order to overcome these limitations, a new modeling capable of handling various types of joints and new formulations applicable to the design of multi-DOF mechanisms having with desired force-transmission properties are proposed in this study. In this study, the joint-element connected rigid block model (JBM), a model capable of determining the existence of revolute and prismatic joints through the real-valued stiffness of elaborately configured sets of springs, is proposed. The stiffness of each unit of a spring determine the existence of the unit pin-in-slot joint. Different combinations of pin-in-slot joints represent different types of joints. Because the joint types are parameterized through real-valued stiffness, the gradient-based optimization algorithm can be applied. The effectiveness of the proposed model is verified by synthesizing a number of benchmark four-bar linkage mechanisms and a finger rehabilitation mechanism. In particular, a novel motion transmitting 9-bar finger rehabilitation mechanism can be obtained. In addition, a new formulation for designing mechanisms with desired force-transmission properties at each point in a multi-dimensional workspace is proposed. The newly defined error function, representing the similarity between the desired force-transmission characteristics and current characteristics, is used for constraints, while the previously proposed work-transmittance efficiency function is used as the objective function. Here, the error function is not defined through a direct force transmission analysis. Instead, it is defined through an alternate velocity transmission analysis. This critically affects stable convergence of the optimization by performing an additional function that prevents the DOF of the system from becoming redundant. To verify the effectiveness of the proposed formulation, a 3-DOF hip joint mechanism for wearable robots had been synthesized. The topology of the synthesized mechanism differs from those of conventional serial hip mechanisms, in that two revolute joints and one four-bar mechanism are connected in series. The mechanism can output moments resembling a three-dimensional moment profile of the type required for walking using only one actuator. A musculoskeletal analysis shows that the wearer’s abduction, flexion, and extension moments can be reduced with the assistance of the obtained output moments. A reduction of the wearer’s biological hip moment not only in the flexion/extension direction but also in the abduction direction cannot be achieved in conventional exoskeleton robots when using a single actuator. In conclusion, we have developed a new topology optimization design method, and with the proposed method, a new mechanism enabling hip exoskeleton robots to be more efficient by reducing the number of actuators could be obtained. Wearable robot mechanisms are synthesized using topology optimization methods for the first time in this research. Specifically, it is confirmed that the developed topology optimization method can provide new insight to engineers who work to develop new concepts of robots. We expect that the proposed methodology will be applied not only to the wearable robotics field but also to all robot fields and will have a great industrial impact on the entire robotics industry. 링키지 메커니즘의 위상 합성 기법은 설계자가 원하는 설계 조건을 만족하는 메커니즘을 초기 설계 안이 없는 상태에서도 얻어낼 수 있도록 해주는 강력한 설계 도구이다. 이러한 장점 덕분에 최근엔 차량 산업과 같은 실제 산업 분야에 적용되기 시작하였다. 하지만, 기존 방법들은 다음과 같은 한계점들 때문에 착용 로봇 분야에 광범위하게 적용되기엔 한계가 있다: 1) 적절한 설계 모델의 부재로 인해 설계 결과에 포함될 수 있는 조인트의 종류가 한정적 (회전 또는 볼 조인트만 가능) 이어서 움직임 가이드 착용 로봇의 설계가 힘듦 2) 적절한 설계 정식화의 부재로 인해 힘 보조 기능을 수행하는 착용 로봇의 설계가 불가능. 본 연구는 이러한 한계점들을 극복하기 위해 다양한 종류의 조인트를 설계할 수 있는 새로운 모델링 기법과 다자유도 메커니즘의 힘 전달 특성을 설계할 수 있는 새로운 정식화를 제안하였다. 본 연구에선 다양한 종류의 조인트를 포함하는 메커니즘을 설계하기 위해 회전 및 병진 조인트의 유무를 실수 변수에 의해 조절되는 스프링 조합체의 강성을 통해 조절할 수 있는 모델인 조인트 요소 블록 모델(JBM)을 제안하였다. 스프링 조합체를 구성하는 각 단위 스프링의 강성은 단위 핀-인-슬롯(pin-in-slot) 조인트의 유무를 조절하게 된다. 이 때, 설계 결과로 나타난 핀-인-슬롯 조인트의 서로 다른 조합들이 서로 다른 종류의 회전 및 병진 조인트를 표현하게 된다. 제안한 모델의 효용성은 검증용 4절 기구 들과 손가락 재활 기구의 설계를 통해 확인되었다. 특히, 새로운 위상의 손가락 재활 기구를 설계 결과로 얻을 수 있었다. 또한, 본 연구에선 다차원의 작업 공간(workspace)내에 각 지점 들에서 원하는 힘 전달 특성을 갖는 메커니즘을 설계할 수 있는 새로운 정식화를 제안하였다. 목적 함수로는 기존 연구들에서 사용하였던 일 전달 효율 함수를 사용하였고 제한 조건은 원하는 힘 전달 특성과 관련된 오차 함수를 새롭게 정의하여 사용하였다. 이 때, 직접 힘 전달 해석을 수행하지 않고 등가인 변위 미소 변위 해석을 대신 수행하였다. 이러한 방식은 시스템이 원하는 힘 전달 특성을 가지도록 하는 기능 외에 목적함수와 더불어 시스템의 자유도가 원하는 자유도가 되도록 하는 추가적인 기능을 수행함으로써, 최적화가 안정적으로 수렴되도록 하는데 결정적인 역할을 하였다. 또한, 제안한 정식화를 통해 신개념 고관절 착용 로봇 메커니즘의 설계를 수행하였다. 설계된 메커니즘은 기존 직렬형 고관절 착용 로봇들과 달리 두 개의 회전 조인트와 하나의 4절 기구를 직렬로 연결한 새로운 형태를 가졌다. 설계된 메커니즘은 하나의 구동기로 보행에 필요한 3차원 모멘트 프로파일을 출력할 수 있었고, 근골격계 해석 결과 착용자의 외전, 굴곡, 신전 모멘트가 감소됨을 확인하였다. 이는 기존 고관절 착용 로봇 메커니즘에선 다수의 구동기 (외전/내전 방향 구동기와 굴곡/신전 방향 구동기)를 사용해야 구현 가능한 특성이었다. 즉, 새롭게 제안한 설계 기법을 이용하여 직관으로는 생각해내기 힘든 개념 설계 안을 얻었고, 이를 통해 기존보다 구동기 개수가 적으면서도 유사한 보조 기능을 갖는 값싸고 효율적인 로봇을 개념 설계 안을 제시할 수 있었다. 본 논문은 위상 합성 기법으로 착용 로봇 메커니즘의 설계에 성공한 첫 사례이다. 특히, 본 논문에서 보였듯이, 개발한 방법론을 적용할 시, 설계자의 직관으로는 생각할 수 없는 완전히 새로운 로봇 메커니즘 설계 안을 제시할 수 있으며, 기존 로봇을 뛰어 넘는 성능을 구현할 수 있다. 우리는 제안 된 방법론이 웨어러블 로봇 분야뿐만 아니라 전체 로봇 분야에 적용되어 산업에 큰 영향을 줄 것으로 기대한다.

그물 구조 스트랩의 설계 최적화와 압박력 조절을 통한 외골격 로봇의 착용성 개선

이승준 고려대학교 대학원 2024 국내석사

Compression straps are the most commonly used physical human-robot interface element in the wearable robotics field. The main role of the strap is to transmit mechanical power to the wearer by compressing specific body parts and minimizing relative movement. To maximize the robot's functionality through efficient force transmission, high stiffness and tension of the strap are necessary. However, the strap continuously compresses skin tissue while wearing the robot, leading to discomfort and vascular disturbances, thereby compromising the robot's wearability. This paper proposes method of controlling the strap compression force based on the actuation stage of the robot, aiming to address the discomfort caused by prolonged strap compression force. Also, the design method of optimized strap through structural stiffness tuning is introduced to solve the pressure concentration according to the curvature of the body segment and strap shape. First, a preliminary experiment using a hip orthosis was performed to verify the concept of controlling the strap compression force. The proposed strap applied to the hip orthosis is designed to activate the strap compression force by external actuator only when the wearer's hip joint reaches the limited angle of the orthosis during walking. Therefore, the effectiveness of the proposed strap in terms of efficiency and wearability was quantitatively evaluated by comparing following experiments: the wearer’s and orthosis’s hip joint angles, pressure distribution on the contact surface, physiological response due to the state of the strap compression force. As a result, it was confirmed that by periodically adjusting the strap compression force, orthosis was able to fully perform its role with appropriate compression force when necessary, and discomfort caused by continuous pressure was alleviated. Therefore, by verifying the performance and effectiveness, the potential application to walking assistance exoskeleton robots could be confirmed. Next, in terms of design method of optimized strap, a mesh structure design method was applied to control the local stiffness of each section. The pressure at the contact surface between the strap and the body is determined by the amount of deformation and stiffness of the mesh structured strap, mechanical properties and curvature of the skin. To distribute the concentrated pressure, appropriate stiffness must be applied to the mesh structure of the strap in the relevant area. Therefore, optimized design method of the strap is proposed through the experiment to control the local stiffness of the strap. In the experiment, pressure was measured with a uniform mesh strap before the stiffness is controlled for different curvature on the contact surface. Based on the pressure measurement results, the optimal coefficient of stiffness for pressure distribution is derived and an optimized strap is designed. Lastly, pressure measurements were performed again and the result of the pressure distribution and its variance of optimized strap and uniform strap were compared. Experimental results confirmed a decrease in pressure variance for the optimized design, demonstrating the ability to evenly distribute concentrated pressure on the contact surface according to curvature. Lastly, the proposed method of controlling the strap compression force and design method of optimized strap were applied to the previously developed walking assistance exoskeleton robot to implement the active strap. Three experiments were conducted to compare the performance and wearability of an exoskeleton robot equipped with an active strap and a conventional strap. The experiment consisted of a comparing joint trajectory error of the exoskeleton robot and the wearer, pressure distribution on the contact area, and a comparison of qualitative wearability evaluation between active strap and conventional strap. According to the experimental results, in terms of joint trajectory error, the active strap showed similar performance to a conventional strap by properly activating the compression force in the phase where robot power transmission is required. Considering the pressure distribution on the contact surface, the active strap shows that the mean pressure distribution over time is lower than that of the conventional strap, and the variance of the optimized active strap was reduced by 30% compared to the uniform active strap with a uniform mesh structure. Finally, in the qualitative evaluation by the wearer, wearing active strap resulted in less thigh pressure compared to conventional strap, and the active straps showed superior performance in terms of mobility.