In this paper, the design and verification process of the compact actuator module of soft wearable robots for daily walking assistance is introduced. To assist in the daily walking of the elderly or patients who suffer from abnormality in walking due to hemiplegia, wearable robots consisting of soft materials such as bowden-cable are being actively developed and are at the initial commercialization phase. The main advantage of those types of robots is the relatively ideal inertia of the combined distal body parts with the robot, which is essential for stabilizing the gait balance. However, a flexible power transmission system has the disadvantage in that it cannot directly measure the tension applied to the patients. Therefore, a tension sensor on the assisting point is required for precise assistance of the patients. However, adding the sensor is challenging since it increases the complexity and inertia. Thus, a methodology for designing and controlling of the reaction force-based Series Elastic Actuator (SEA) is proposed to generate the precise assistance force while minimizing the overall weight. The mechanical elements of the SEA are designed with the optimal specifications required for stroke patient assistance. The compactness and weight reduction are also guaranteed by designing the mechanical elements with optimal specifications, so assisting the patients with minimal gravitational load is attainable.
In addition, 6-Minute Walk Tests, which mimic the walking of stroke patients, are conducted on non-disabled people. Therefore, improving the robustness for stabilizing the patient's gait is evaluated and verified by measuring the metabolic cost and ankle rotation of motion.
본 논문에서는 근골격계에는 이상이 없지만 근육이 약해진 노약자와 일부 환자의 일상생활 보행 보조를 위한 소프트 웨어러블 로봇의 콤팩트한 구동기 모듈의 설계와 효과 검증에 대해 다룬다. 근력이 약화된 환자의 경우 신체의 말단부로 갈수록 증상이 심해지기 때문에 콤팩트한 웨어러블 로봇 시스템의 설계로 환측의 부하를 최소화하고 정확한 보조를 해주는 것이 중요하다. 이에 구동기를 환측에 부착하여 질량이 부과되는 것을 피하기 위해 와이어 구동 방식이 사용된다. 그리고 환자들이 일상생활에서 사용해도 무리가 없을 정도로 가벼운 질량을 가지는 소프트 웨어러블 로봇 시스템을 제안한다.
본 논문에서는 구동기 모듈의 전체 중량을 작게 유지하면서 정확한 토크를 생성하는 반력 기반 직렬 탄성 구동기를 제안하며 직렬 탄성 구동기의 기계요소는 뇌졸중 환자의 보행 보조에 필요한 최적의 사양으로 콤팩트하게 설계된다. 편마비 환자를 위해 설계된 로봇이지만, 환자를 대상으로 바로 로봇의 효과를 검증하는 것은 매우 위험하기 때문에 비장애인을 대상으로 6분 보행 실험을 진행함으로써 로봇의 안정성 및 효과를 확인한다. 보행 실험을 통해 보행 중에 발생하는 에너지 소모량과 발목의 회전각을 측정하여 평가하고 검증했다.
