기술의 발전으로 웨어러블 기기가 빠르게 발전할 수 있게 되었다. 전통적인 백팩은 짐을 운반하는 데 도움이 될 수 있지만, 백팩을 사용하는 것은 여전히 상당한 육체적 힘을 필요로 한다. 이와 같이, 많은 외골격 로봇들은 인간의 움직임을 돕고 적재 능력을 향상시키기 위해 설계되었다.
기존 외골격 로봇의 대다수는 하중의 정적 무게를 지상으로 전달하고 인체 밖으로 전달해 보다 쉽게 걸을 수 있도록 했다. 그러나, 각 단계마다, 신체의 무게중심의 상하운동은 하중에 관성력을 전달한다. 이를 위해서는 차체가 하중의 관성을 보상하기 위해 추가 전력을 소비해야 하며, 하중 행진이나 야외 과학 연구와 같은 장거리 시나리오에서 기술의 실현 가능성을 제한해야 한다.
하얼빈 공대 연구팀은 다양한 하중과 인체 움직임의 변화에 적응할 수 있는 서스펜션 백팩 장치를 개발했다. 이 장치는 하중이나 사람의 움직임의 변화에 따라 백팩의 서스펜션 효과를 자동으로 조절한다. 서스펜션 백팩의 디자인은 연구진이 보행 동작을 수행하면서 인체 질량 중심과 하체의 운동학적 모델을 분석한 결과 개발됐다.
연구진은 운동학적 모델의 정확성을 검증하기 위해 NOCOV 모션 캡처 시스템을 이용해 인체 질량중심의 궤적을 기록했다. 세 개의 반사 마커가 피실험자의 허리 둘레, 즉 질량 중심 근처에 배치되었다. 실험 중 피실험자는 5km/h, 7km/h, 9km/h의 속도로 러닝머신을 걸었다. 러닝머신 주변에 설치된 8개의 NOCOV 모션 캡처 카메라는 피실험자의 질량중심의 움직임을 기록했다.
이후 NOCOV 모션 캡처 시스템으로 수집된 데이터를 Matlab으로 가져와 처리하였다. 그런 다음 신체 질량 중심의 실험 궤적을 운동학적 모델에서 예측된 궤도와 비교했다. 느린 속도로 움직이면서 예측된 궤적은 모션 캡처 시스템이 얻은 질량중심의 실제 궤도와 매우 유사했다. 모델 궤적이 더 빠른 속도에서 잘 맞지 않았지만, 움직임은 피사체의 걸음걸이에 따라 달라지는 전체적인 사인파 추세에 적합하다. 이 모델은 이전 모델보다 더 정확하게 인체 운동 중 신체 질량 중심 변위를 나타낼 수 있었다.
연구진은 운동학적 모델을 기반으로 가볍고 부하 조절이 가능한 정력 서스펜션 백팩 장치를 개발했으며, 광범위한 능동 및 수동력 서스펜션 시스템을 서로 연계해 통합했다. 연구자들은 또한 그들의 정력 현가 백팩을 정력 메커니즘 균형 시험, 관성력 시험, 인간 에너지 소비 시험, 행동 적응성 시험 등 다양한 시험을 거쳤다. 이 백팩은 모든 테스트 요구 사항을 충족할 수 있었고, 연구자들의 설계의 타당성을 검증했다. 정력 서스펜션 백팩은 서스펜션을 효과적으로 제어할 수 있어 인체에 가해지는 하중의 관성력을 줄이고 하중을 운반하는 데 필요한 대사 에너지를 줄일 수 있었다.
참조:
[1] Ju Haotian . Research on dynamic unloading technology of constant force suspension backpack [D]. Harbin Institute of Technology , 2021.
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