Joint alignment between an exoskeleton and the user is a must to reduce discomfort and prevent injuries. Knee joint misalignment problem is a classic problem due to the knee’s anatomical structure, as the knee joint center changes in both the Sagittal and the Frontal planes, unlike any 1 Degree-of-Freedom (DOF) joint. Also, the knee is subjected to large torques, and lower-limb knee-support exoskeletons must generate large assistive torques at the knee to provide meaningful support. Past rigid-type exoskeletons, in spite of high force transmission, focus on joint alignment in 2D Sagittal plane, and misalignment exists in the 3rd axis. Soft-exoskeletons, despite 3D joint alignment, cannot provide large enough support due to poor force transmission. In this thesis, a novel, hybrid-stiffness knee joint mechanism for lower-limb exoskeletons is proposed, that has a 3D directional compliance along the trajectory of the knee and rigidity in all other directions. For the first time, 3D joint alignment was addressed in all 3 directional axes, and a significant misalignment reduction was achieved. Furthermore, an EMG experiment for a shin raise task revealed minimal quadricep muscle activation to indicate the high force transmission capability of the proposed exoskeleton.
외골격 로봇 착용자의 움직임에 대한 제약을 완화하고 부상을 예방하려면 외골격 로봇과 사용자 사이의 관절 정렬 문제 해결이 필수적이다. 외골격 로봇 설계 시 주로 발생하는 무릎관절의 오정렬 문제는 시상면과 횡단면을 따라 움직이는 무릎관절의 복잡한 해부학적 구조를 단순히 시상면만을 따라 움직이는 1자유도 회전축으로 취급하여 발생되는 문제이다. 기존의 많은 외골격 로봇 연구들은 오정렬 문제를 시상면에 대해서만 해석하고 시상면과 횡단면을 모두 고려하지 않았다. 이를 극복하기 위해 고강성 프레임 대신 섬유를 활용한 슈트 타입의 외골격 로봇을 개발했지만 재질의 낮은 강성에 의한 변형으로 구동력이 충분히 무릎에 전달되지 않는 문제가 있었다. 따라서, 본 논문에서는 무릎관절의 움직임을 방해 않고, 처음으로 3차원 오정렬 문제를 해결할 수 있는 순응형 고강성 프레임 기반 외골격 로봇을 제안한다. 먼저 하이브리드 무릎 관절 메커니즘의 오정렬 문제 해결 기능을 규명하기 위해 정강이 올리기 작업 수행 후 궤적을 추정하고 다음으로 사두근의 근활성도의 감소 정도를 측정함으로써 개발된 외골격 로봇의 높은 힘 전달 능력을 증명했다.
