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로봇이 인체에 미치는 영향을 고려한 고관절 웨어러블 로봇의 최적 보조력 및 무게

Optimal Assist Force and Weight of Hip-joint Wearable Robot Considering Influences of a Robot to the Human Body,

김유석 (Kim, Yoo Suk , 서강대학교 일반대학원)

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현재 고관절 웨어러블 로봇의 설계 및 제어에 대한 연구가 많이 진행되었으며, 일부 모델은 이미 상용화에 이르렀다. 하지만 웨어러블 로봇이 인체에 미치는 명확한 효과와 영향에 대해서는 여전히 연구된 바가 많지 않다. 로봇 설계 단계에서 인체에 대한 고려가 이루어져야 하지만, 복잡한 인체의 구조로 인해 로봇의 영향을 예측하기는 어렵다. 고관절 웨어러블 로봇 설계의 또 다른 어려움은 사람이 로봇을 지게 되어 로봇의 무게를 고려해야 한다는 점이다. 더 큰 보조를 하기 위해 높은 성능의 구동기를 사용하게 되면, 필연적으로 로봇의 무게 또한...
현재 고관절 웨어러블 로봇의 설계 및 제어에 대한 연구가 많이 진행되었으며, 일부 모델은 이미 상용화에 이르렀다. 하지만 웨어러블 로봇이 인체에 미치는 명확한 효과와 영향에 대해서는 여전히 연구된 바가 많지 않다. 로봇 설계 단계에서 인체에 대한 고려가 이루어져야 하지만, 복잡한 인체의 구조로 인해 로봇의 영향을 예측하기는 어렵다. 고관절 웨어러블 로봇 설계의 또 다른 어려움은 사람이 로봇을 지게 되어 로봇의 무게를 고려해야 한다는 점이다. 더 큰 보조를 하기 위해 높은 성능의 구동기를 사용하게 되면, 필연적으로 로봇의 무게 또한 증가하여 인체에 부담이 가해지게 된다. 본 논문에서는 인체 근골격 시뮬레이션을 이용하여 인체에 대한 고관절 웨어러블 로봇의 보조와 무게의 영향을 예측 및 분석하고, 나아가서 보조와 무게의 관계를 도출하여 이를 고려한 최적의 로봇 설계조건을 연구하였다. 시뮬레이션 분석 결과 웨어러블 로봇의 보조 토크가 기존 동작 수행을 위해 인체에서 내는 토크까지 근육대사율을 감소시켰다. 또한 로봇의 무게는 항상 인체 근육대사량을 증가시키는 것을 확인하였다. 개별 근육을 관찰할 경우, 인체의 이관절근과 같은 근육의 특징 때문에 로봇이 보조하지 않는 관절 근육의 활성도에도 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 그리고 로봇의 무게는 작용점의 수직선상에서 해당 관절의 상대 위치에 따라 관절 근육의 보조 또는 방해를 결정함을 확인하였다. 로봇의 보조와 무게의 관계는 조사한 상용 고관절 웨어러블 로봇의 성능들로 부터 도출하였다. 이를 적용하여 파라미터 스터디를 진행한 결과 보행은 25Nm 6.8kg, 짐들기는 40Nm 13.1kg로 인체 근육대사량을 최소화 하는 최적의 고관절 웨어러블 로봇 보조력과 무게의 설계 조건을 얻을 수 있었다.
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There have been many studies on design and control of hip-joint wearable robots, a part of which have already been commercialized. However, the clear assistance effects of the wearable robot on the human body have not been studied much yet. Although the human body dynamics may be considered in the ...
There have been many studies on design and control of hip-joint wearable robots, a part of which have already been commercialized. However, the clear assistance effects of the wearable robot on the human body have not been studied much yet. Although the human body dynamics may be considered in the robot design stage, it is difficult to predict the resultant induced motion after wearing the robot due to the complicated nature of human-robot interaction. Another difficulty in designing a hip-joint wearable robot is that the weight of the robot must be taken into consideration because the wearer must fully bear the whole weight of the robot. If a high performance actuator is used to provide greater assistance, the weight of the robot will inevitably increase, putting a burden on the human body. In this thesis, human body musculoskeletal simulation is utilized to predict and analyze the effects of assist and weight of hip-joint wearable robots on the human body, Simulation results showed that the assist torque decreased the muscle metabolic rate up to the torque applied by the human for the motion. The weight of the robot was found to increase the human muscle metabolic rate at all times. It was also observed that robot assistance could affect the muscle of the joints that are not assisted by the robot because of the multiarticular muscles of the human body. In addition, the effect of weight of the robot was found to be dependent on the relative position of the corresponding joint on the vertical line of the action point, thereby determining whether the weight is supporting or obstructing the muscle. The relationship between assist and weight of the robot was derived from the specifications of the commercial hip-joint wearable robots. As a result of the parameter study by applying this relationship, the optimum hip-joint wearable robot assist force and weight design condition that minimizes the human muscle metabolism was obtained as 25Nm 6.8kg of walking and 40Nm 13.1kg of lifting.
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