Powered exoskeletons for walking assistance have recently shown rapid improvements in their actuating power and assisting algorithm, yielding them to help with daily tasks for people with gait disabilities. However, the exoskeletons are still not commonly used as daily walking aids. The energy expenditure of the exoskeletons during walking assistance should be reduced because it limits the user’s range of action. For enhancing the energy efficiency of the exoskeletons, the ankle joint, which contributes the most to walking energetics should be studied. In this paper, a linear actuator module for the ankle of WalkON Suit IV is analyzed in depth and its energy flow is systematically modeled. The optimal transmission ratio of the module was determined based on the proposed model to minimize the total energy loss. The actual efficiency, work, loss, and energy expenditure of the linear actuator module were measured to verify the result. The reduced energy expenditure during walking assistance is demonstrated by a walking experiment of the pilot with paraplegia while wearing WalkON Suit IV.
구동력와 보조 알고리즘의 향상에 따라, 전동 외골격은 보행장애인의 일상 생활 전반을 보조할 수 있게 되었다. 전동 외골격의 경우, 전원이 제한되어 있으므로 에너지 효율이 곧 사용자의 활동 범위를 결정한다. 그러나, 전동 외골격의 에너지 효율에 대한 연구가 미비하며 여전히 일반적인 보행 보조기로 활용되지 않는다. 전동 외골격의 에너지 효율을 높이기 위해서는, 보행 중 에너지 변화에 크게 기여하는 발목 관절을 연구해야 한다. 본 논문에서는 보행 보조 외골격 로봇 워크온 슈트의 발목 관절 보조 효율을 높이기 위해 이를 구동하는 선형 구동 모듈 설계를 개선하고 에너지 흐름을 모델링한다. 제안한 모델을 기반으로 전체 에너지 소모가 최소가 되는 최적 감속비를 찾았으며, 실제 일, 손실, 에너지 사용을 측정하여 모델을 검증하였다. 하지마비 장애인 착용자의 외골격 로봇 보행 실험을 통해, 제안한 선형 구동 모듈의 개선된 효율을 검증하였다.
