모션 캡쳐 시스템을 이용한 로프 견인 재활 로봇의 궤적 계획 및 검증

사례 연구

고객 시뎬대학교

측정 범위

적용 캡처, 로프 견인 재활 로봇, 상지 운동 궤적 측정, 멀티바 메커니즘 최적화

분석 대상 인간의 상지, 로프 견인 재활 로봇, 멀티바 메커니즘

사용 장비 8 NOKOV Mars 2H 모션 캡처 카메라

최근 몇 년 동안 질병과 사고로 인한 운동이상증 환자가 증가하고 있으며, 재활의학에 대한 사람들의 수요도 증가하고 있으며, 재활 로봇의 발달도 빠르게 이루어지고 있다. 로봇 기술과 재활 치료를 결합하여 팔다리가 운동 기능을 회복하는 데 도움이 될 수 있는 운동 신경계를 자극하고 재구성하기 위해 기계적 구조에 의해 움직임을 반복하도록 구동된다.

로프 구동 로봇은 단단한 막대 대신 로프를 구동 요소로 사용하는 재활 로봇이다. 구조가 간단하고 관성이 작고 메커니즘이 비교적 가볍고 이동 속도가 빠르며 부하율이 높으며 모듈화 및 재구성이 가능하며 제조 및 유지 보수 비용이 저렴하여 최근 몇 년 동안 국내외 많은 주목을 받았다.

Xidian University 기계 및 전기 공학부 부교수 Duan Qingjuan이 개발한 로프 견인 로봇은 2바 시스템을 사용하여 상완 및 하완을 시뮬레이션하고 3바 시스템을 사용하여 손을 추가하기 위해 상완 및 하완을 시뮬레이션한다. 실험 중 사람이 자연스럽게 걸을 때 상지의 전방 스윙 각도 범위에 따라 멀티바 운동 궤적을 계획할 필요가 있다. 팀은 NOKOV 광학 3차원 모션 캡처 시스템을 사용하여 사람들이 걸을 때 전방 스윙 각도 및 상지 길이와 같은 매개변수를 측정한다. 실험자의 어깨관절, 팔꿈치관절, 손목관절, 손끝에 마커를 붙이고 트레드밀 위를 자연스럽게 걸었다. 자연 상태의 상지 데이터를 얻은 후 궤적을 계획할 수 있다. 멀티바 시스템은 지면에 대한 수직을 초기 위치로 취한다. 먼저 멀티바는 가속, 정속, 마지막으로 감속의 법칙을 거쳐 몸체 앞의 가장 높은 위치, 즉 최대각도에서 멈추고 같은 법칙으로 초기위치로 복귀한다. 30초는 동작 시 상완의 상태를 시뮬레이션하는 주기이다.

다중 막대 궤적을 계획하는 것 외에도 실험 팀은 Monte Carlo 방법을 사용하여 모터 위치 및 회전 거리를 최적화하고 계획된 힘 회전의 실행 가능한 작업 공간을 극대화하면서 다중 막대 메커니즘의 구성을 최적화했다. 궤적은 가능한 힘 회전 작업 공간 내에 있다. 최적화된 구성을 사용하여 실험용 2바 메커니즘과 3바 메커니즘을 구축한다. 실제 궤적은 NOKOV 광학 3차원 모션 캡처 시스템으로 측정하고 로프 장력은 센서로 측정한다. 계산된 궤적 및 장력 이론값과 비교하여 최적화 방법의 정확성을 검증한다.