In this thesis, I propose a gait assistance robot for antigravity that utilizes a single pneumatic actuator for each leg. This is in contrast to existing walking-aid robots which are equipped with multiple actuators - at the hip, knee, and ankle - for each leg. Therefore the proposed single actuator robot would be more cost-effective and lighter than other existing devices. Additionally, a single actuator avoids the difficulties in adjusting the robot link lengths to each user’s body. Due to this, the proposed robot is expected to not generate any unwant-ed resistive forces against the user`s movements that normally occur when the link lengths are not set to the proper lengths for each user`s body.
The compliant walking model proposed by Geyer was taken into consideration in the process of developing an gait assistance robot that supports a user`s weight with the robot legs, instead of generating torques around the user`s joints.
From the proposed strategy, the robot is able to take over some portion of human walking energy with the use of antigravity and, alleviate the joint stresses applied to human joints and bones. The developed robot leg adopted an RPR kinematic chain that does not need to be adjusted to the human body, and is very comfortable to wear.
To reduce the cost and weight of the robot, a wire-displacement sensor was attached to the pneumatic actuator. A force sensor added to the tip of the piston rod was modified to make up for the weakness of the previously developed photo-interrupter based sensors. A ground reaction force (GRF) sensor was also developed with a cheap force sensing resistor to detect gait cycles.
Advanced control strategies are suggested, aimed at assisting humans in squatting and climbing stairs in ad-dition to normal walking. Their performance was evaluated using force sensors that enabled measuring the effect of antigravity, and the signal changes in electromyograms. The experimental study demonstrated the developed robot is effective in assisting antigravity muscles.
본 논문에서는 각 다리당 하나의 공압 액츄에이터만을 사용하여 항중력을 제공할 수 있는 보행 보조 로봇을 제안한다. 기존 보행 보조 로봇들은 다리를 hip, knee, ankle로 분리하고 관절 별로 액츄에이터를 장착하여 무겁고 가격이 비싸지는 단점이 있다. 또한 관절 별로 액츄에이터를 장착 시 착용자의 다리와 로봇의 링크 길이를 조정해야 되는 불편함이 있었고 조정이 정확하게 되지 않으면 착용자의 관절과 뼈에 무리를 주게 되는 문제도 가지고 있었다. 제안하는 방법은 별도의 조정이 필요 없는 단순한 구조이며 경제적 이다.
제안하는 방법은 기존 로봇들이 관절에 토크를 보조하는 방식으로 로봇을 설계한 것과 달리 Geyer의 탄성 보행 모델에 기반한 설계로써 착용자의 체중을 로봇 다리가 지지해 준다. 이 방법을 통해 착용자 다리의 뼈와 관절에 부하되는 스트레스가 줄어들고 보행을 더 편하게 할 수 있다. 개발된 로봇은 RPR 기구학 구조를 가지며 착용 전 조정 작업이 필요하지 않아 빠르게 착용이 가능한 구조이다.
개발된 로봇의 경량화와 비용저감을 위해 공압 액츄에이터에 와이어 변위 센서를 결합시켰으며 피스톤의 로드 부에는 기존 포토인터럽터 기반 센서의 문제점을 개선한 힘 센서를 장착하였다. 보행 주기를 판별하기 위한 지면 반력 센서는 저가의 force sensing resistor를 이용하여 주물 형태로 개발하였다.
개발된 로봇이 평지 보행과 더불어 앉았다 일어나기, 계단 오르기 등을 수행할 수 있도록 제어 전략을 개발 하였다. 평가는 안장에 부착된 힘 센서로 보조 받은 항중력 양을 측정하고 착용자의 다리에 부착된 근전도 신호의 변화를 분석하였다. 이를 통해 개발된 로봇의 항중력 보조 효율성을 검증 하였다.
