능동보행훈련을 위한 하지외골격로봇의 필요에 따른 보조 제어 방법
An Assist-as-Needed Control Method of a Lower Limb Exoskeletal Robot for Active Gait Training
- 주제(키워드) Exoskeletal robot , Rehabilitation robot , Walking training , Gait training
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 전도영
- 발행년도 2018
- 학위수여년월 2018. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000062924
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
뇌졸중환자, 노약자 등 보행이 어려운 사람을 위하여 하지외골격로봇을 활용한 보행재활훈련이 활성화되고 있으며, 최근의 연구에서는 로봇에 의한 수동운동보다 사람이 주도적인 능동운동시 보행재활효과가 뛰어남을 보였다. 본 연구에서는 하지외골격로봇을 입은 사람의 능동보행훈련 중 부족한 근력을 적절히 보조하기 위한 필요에 따른 보조(Assist-as-needed) 제어 방법을 제안한다. 하지외골격로봇을 이용한 효과적인 능동보행훈련을 구성하기 위해 정상인의 보행궤적을 기반으로 자유롭게 움직일 수 있는 가상터널과 동기부여를 위한 시각적 피드백이 제공되었으며, 보행 중 로봇을 입은 사람이 목표 보행을 수행하지 못할 경우에 로봇은 인체하지모델을 기반한 보조토크를 제공한다. 실험적으로 얻어진 인체 하지 모델과 정동역학, 역동역학을 이용한 MATLAB 시뮬레이션으로부터 제안된 방법이 제공하는 보조가 적절함을 검증하였다. 제안된 방법으로 능동보행운동을 보조하기 위해 외골격로봇의 역구동성 구현 및 가상터널 구현을 위한 피드백제어와 보조토크 제공을 위한 피드포워드제어가 결합된 제어알고리즘이 하지외골격로봇 EXOWheel에 적용되었다. 정상인을 대상으로 한 능동보행운동 실험과 함께 EMG를 부착하여 보조 효과를 정량적으로 검증하였다. EMG 신호의 Root mean squaure 값을 비교한 결과 제안된 방법을 통한 보조시 고관절 굴곡에 필요한 근육 활성도의 최대 72%만큼 감소, 슬관절 신전에 필요한 근육 활성도의 최대 50%만큼 감소하여 능동보행운동시 보조가 되었음을 보였다.
more초록/요약
The rehabilitative training using the lower limb exoskeletal robot for Stroke patients and elderly people has been carried out to obtain more curative results, and the previous research shows that the active training is more effective than the passive training. This study proposes an Assist-as-needed control method which properly supports the muscle weakness during an active gait training for the person wearing the lower limb exoskeletal robot. To organize the effective active gait training using the robot, the virtual tunnel, which allows the person wearing the lower limb exoskeletal robot to move freely based on the walking trajectory of normal person, and visual feedback are provided, also the robot generates the assistive joint torque based on the dynamic model of the human lower limb when the user cannot follow the objective walking trajectory. MATLAB simulation using the inverse-dynamics, the forward-dynamics, and the dynamic model of the human lower limb is proceeded to verify that the assistive joint torque generated by the proposed method is proper. The control algorithm, which is composed of the feedback control realizing the virtual tunnel and the back-drivability, and the feedforward control providing the assistive joint torque, is applied to the lower limb exoskeletal robot, EXOWheel. A normal person participates in the active gait training using the EXOWheel with EMG sensor to verify the assistive effects of the proposed method quantitatively. The experimental results show that the root mean square value of EMG signal of Gluteus minimus is reduced by 72% of the required muscle activation for the hip flexion, and the root mean square value of EMG signal of Gluteus minimus is reduced by 50% of the required muscle activation for the knee extension when Assist-as-needed control method supports the person wearing the lower limb exoskeletal robot.
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