하지 외골격은 인체가 하중을 견디고 인간의 움직임을 구동하도록 돕는다. 이는 군사 작전, 재난 구조 및 재활 치료 및 기타 분야에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있다.
하지 외골격을 계단의 일반적인 시나리오에 맞추기 위해 Beihang University 자동화 과학 및 전기 공학부의 Weihai Chen 팀은 시각 기반 계단 인식 및 계단 오르기의 보행 생성 방법을 깊이 카메라를 기반으로 하지 외골격 오름차순 계단을 위한 적응형 보행 생성 알고리즘을 제안했다.
이족보행 로봇과 달리 하지 외골격은 환자가 자연스러운 보행으로 걸을 수 있도록 설계되었다. 참고로 계단 걷기 보행 세트를 얻기 위해 팀은 NOKOV 모션 캡처 시스템을 사용하여 평평한 땅과 계단을 걷는 건강한 개인의 일련의 하지 움직임에 대한 데이터를 수집했다.
모션 캡처 카메라는 하지에 부착된 반사 마커를 캡처하고 시스템은 각 마커의 3D 공간 위치를 계산한다. 모션 분석 소프트웨어는 각 마커를 인체 모델의 특정 위치와 연결하여 완전한 하지 관절을 형성한다. 본 연구에서는 모션캡쳐시스템으로 얻은 고관절각도와 무릎각도를 하지의 보행으로 표현하고, 보행을 필터링하여 모터의 최대속도와 키각도의 범위 등의 제약조건을 맞추었으며, 장면에서 다양한 외골격의 최적 보행이 선택되었다.
외골격 보행 생성 방법의 효과를 평가하기 위해 연구원들은 시뮬레이션된 보행 생성을 수행했다. 위 그림과 같이 굵은 빨간색 선은 외골격 밑창, 검은색 점선과 빨간색 점선은 기준 보행 수집 과정 중 계단과 밑창, 파란색과 빨간색 가는 선은 각각 기준 궤적과 생성 궤적을 나타낸다.
기준값에서 생성된 궤적과 다른 단계에 적용된 궤적에 따르면 발바닥이 이상적인 위치에 있고 끝점 궤적이 합리적이며 생성된 고관절 각도 시퀀스가 건강한 참조 시퀀스에 가깝다는 것을 알 수 있다. 동시에 지원자에게 80~155mm 높이의 계단에서 보행 테스트를 실시해 적응형 계단 보행 생성 방법의 타당성을 입증했다.
참조:
[1] Xiaoming Zhao, Wei-Hai Chen, Bing Li, XingmingWu, and Jianhua Wang , "An adaptive stair-ascending gait generationapproach based on depth camera for lower limb exoskeleton", Review ofScientific Instruments 90, 125112 (2019) https://doi.org/10.1063/1.5109741.
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