Control of an Exoskeletal Robot Based on the Biomechanical Analysis of Human Movements
- 주제(키워드) 외골격 , 입는로봇 , 재활로봇 , 생체역학
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 전도영
- 발행년도 2015
- 학위수여년월 2015. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000056071
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
In recent years, there has been increasing interest in the use robotic devices to assist in the rehabilitative training of individuals with motor impairments. This thesis investigates several control strategies that can be employed by exoskeletal robots for gait rehabilitation, including (1) estimation of the user’s muscular torque, (2) strength training targeting specific muscle groups, and (3) gait rehabilitation in a virtual fluidic environment. The estimation of a user’s muscular effort is the first step toward determining appropriate assistive forces for rehabilitation. The present work introduces an algorithm that estimates active muscular torque using an inverse-dynamics model of a human lower limb. The user’s limb dynamics are formulated, and a convenient method of identifying user-specific parameters is suggested for estimating the user’s muscular torque in robotic exoskeletons. Strength training, which targets individual muscles, is important for restoring muscle balance and regaining muscle strength. In the present work, control algorithms of exoskeletal robots for the training of a specific muscle group are discussed. The work contributions of individual muscle groups along the given training path are computed based on a human musculoskeletal model, and the amount of required training load applied to the foot is adjusted to maximize the work efficiency of a target muscle group. For gait training in a virtual fluidic environment, the buoyant and drag forces are estimated analytically by the human lower limb model. The applied joint torques that can arise from various environments can assist or resist the user’s movements, thereby improving the efficacy of rehabilitation. The proposed methods have been verified by experiments with actual human subjects. The EXOWheel, which features a lower limb exoskeleton integrated into a powered wheelchair, is employed to verify the algorithm.
more초록/요약
최근 사람의 운동을 보조해주거나 재활 훈련의 효율성을 높이기 위한 수단으로 외골격 로봇에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 논문의 목표는 재활 훈련의 효율성을 높이기 위한 외골격 로봇의 제어 방법을 제안하고, 실험을 통해 이를 검증하는 것이다. 이를 위하여, 인체를 하나의 독립적인 운동 시스템으로 간주하고 이에 대한 생체 역학적 분석을 바탕으로 로봇 구동기의 제어 입력을 결정하는 방법들을 제시한다. 재활 로봇에서, 착용자 운동 기능의 정량적 평가 및 착용자 의도 기반 구동을 위하여 근육에서 발생된 토크를 정확하게 추정하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 인체 하지의 역 동역학 모델을 이용하여 각 관절의 모션 및 외력 정보로부터 착용자의 근 토크를 추정하는 방법을 제시한다. 특히, 추정 성능을 높이기 위하여 외골격을 착용한 인체 다리 각 분절의 관성 파라미터를 시스템 식별 기법을 이용하여 실험적 방법으로 결정한다. 특정 근육을 집중적으로 훈련하는 것은 부상이나 수술 후 근력을 회복하고 근육 간 균형을 맞추기 위하여 중요하다. 본 연구에서는, 특정 근육의 집중적 훈련을 위한 외골격 로봇 구동기의 토크 지령을 인체 근골격계 모델에 근거하여 생성하는 방법을 제안한다. 제안한 방법은 근전도 신호와의 비교를 통해 특정 근육의 훈련 효율이 향상됨을 실험적으로 검증한다. 마지막으로, 가상 유체 환경에서의 운동 효과를 외골격 로봇으로 구현해주기 위하여 사람이 유체 내에서 운동할 때 발생하는 부력과 저항력의 크기를 인체 하지 모델로부터 계산하고 이로부터 로봇 구동기의 토크 지령을 결정하는 방법을 제안한다. 가상 유체에서의 동적 특성에 근거하여 사용자에게 부가되는 관절 토크는 사용자의 운동을 보조해주거나 저항함으로써 재활 훈련 효과의 향상을 기대해 볼 수 있다. 제안하는 알고리즘들은 모두 실제 사람이 참여한 실험으로부터 검증되며 전동 휠체어에 하지 외골격 로봇이 결합된 장치인 EXOWheel로봇이 실험 장치로써 사용된다.
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