케이블 구동 팔 외골격 개발

사례 연구

케이블 구동 팔 외골격 개발

고객 베이항 대학교

측정 범위

적용 팔 외골격, 재활 로봇, 케이블 구동 로봇, 저작동 시스템, 웨어러블 로봇

분석 대상 케이블 라우팅 노드, 핸드, 숄더 조인트

사용 장비

2020년 도쿄올림픽에서는 각종 첨단기술의 적용이 눈길을 끌었다. 예를 들어, 올림픽 스태프가 무거운 물체를 운반하는 데 사용하는 동력 외골격 로봇은 무거운 물체를 운반할 때 중력 압력으로 인한 부상을 효과적으로 줄일 수 있다.

최근에는 상지 외골격 로봇이 많은 주목을 받고 있다. 작업자의 이동성과 효율성을 향상시키는 것 외에도 로봇 외골격은 운동 장애가 있는 사람들의 팔다리에 착용하고 관절에 도움을 제공할 수도 있다. 보조 스포츠 훈련을 달성하기 위해 외골격을 사용하면 물리 치료사를 대체하여 환자에게 스포츠 재활 훈련 서비스를 제공하고 재활 치료 매개변수를 기록하여 재활 훈련의 효율성과 적절성을 향상시킬 수 있다. 상지 재활 훈련을 위한 외골격 로봇은 사람의 팔 관절에 토크를 제공하기 위해 사람의 팔에 착용할 수 있다.

사지 외골격 로봇 동작 제어의 견고성과 정확성을 개선하고 적응성과 편안함을 동시에 보장하기 위해 Beihang University의 연구원은 케이블 구동 팔 외골격을 개발했으며 외골격은 특수 슬리브 링 장치가 있는 특수 기계 설계를 가지고 있습니다 인간의 팔 사이의 외골격과 적응성을 향상시킬 수 있다. 연구진은 외골격의 운동학적 모델을 수립하고 불확실한 매개변수를 반복적으로 식별하고 인간 팔 뼈의 운동학 및 상지에 외골격 부착의 불확실성을 줄임으로써 모델의 정확도를 개선했다.

어깨와 팔꿈치 중심, 상완, 팔뚝 커프의 부착 오차를 포함하여 불확실한 매개변수를 식별하는 방법의 정확성을 검증하기 위해 연구진은 프로토타입 외골격을 개발하고 NOKOV 모션 캡처 시스템을 사용하여 모션 추적 실험을 수행했다. 실험에서 피험자들은 외골격을 착용하고 의자에 앉도록 했다. 과제는 오른쪽 상지를 움직여 직선 경로를 4번 이동하는 것이었다(팔을 t-바를 따라 일직선으로 이동).

실험에서 추적 결과를 얻기 위해 피험자의 손에 하나의 마커를 설치했다. 외골격 로봇의 슬리브 밴드 케이블 배선 지점에 14개의 마커를 설치하여 외골격의 케이블 길이 변화를 포착하고 추적했다(팔 움직임은 케이블 길이로 평가). 피험자의 어깨 관절에 부착된 마커는 관절 중심의 움직임을 기록한다. NOKOV 모션 캡처 시스템은 밀리미터 이하의 캡처 정확도를 가지므로 측정 결과는 실험의 실제 결과로 간주된다. 모션 캡처 결과를 인식 결과와 비교하여 운동학적 모델의 정확도를 확인했다.

아래 그림은 실험 중 케이블 길이의 변화를 보여준다. 그림에서 보는 바와 같이 매개변수 인식 기능이 있는 운동학적 모델의 계산 결과(빨간색 실선)는 인식하지 않은 계산 결과(파란색 실선)보다 NOKOV 모션 캡처 시스템에서 얻은 실제 값(파선)에 더 가깝다. 모션 캡처 결과와 인식/미인식 결과 간의 RMS 오차를 계산하여 불확실한 매개변수를 식별하는 방법이 운동학 모델을 효과적으로 개선할 수 있음을 입증했다.

아래 그림은 인체의 움직임에 따라 변하는 어깨 관절의 중심 위치를 나타낸 것이다. 녹색 실선은 NOKOV 모션 캡처 시스템으로 측정한 어깨 중심 모션 트랙의 결과를 나타내고 파란색 곡선은 어깨 중심 매개변수의 식별 결과를 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 인식 결과는 모션 캡쳐 시스템으로 측정한 결과와 기본적으로 일치하여 제안한 인간 어깨 관절 움직임의 예측 능력이 우수함을 증명한다.

참조:

[1] Chen, W.; Li, Z.; Cui, X.; Zhang, J.; Bai, S. Mechanical Design and Kinematic Modeling of a Cable-Driven Arm Exoskeleton Incorporating Inaccurate Human Limb Anthropomorphic Parameters. Sensors 2019, 19, 4461. https://doi.org/10.3390/s19204461.

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