Assistance of the operator’s walking ability with load more comfortably is a challenging area in lower limb exoskeletons. We present an exoskeleton called as the Unmanned Technology Research Center Exoskeleton (UTRCEXO), which enables the operator to walk with load more comfortably. The UTRCEXO makes use of two kinds of DC motors to assist the hip and knee joints. The UTRCEXO detects the operator walking intention including step initiation using insole-type FSRs and 3 axis force/torque sensors faster without using any bio-signals and precedes the operator’s step with a reference torque. The UTRCEXO cannot only reduce interaction forces between the operator and the UTRCEXO, but also the operator can walk with load more comfortably. In this dissertation, we evaluate the UTRCEXO implementing the precedence walking assistance mechanism with interaction force reduction and muscle activities during walking.
외골격 로봇은 사람이 로봇을 옷처럼 착용한 가운데 로봇이 사람의 움직임 의도를 따라 사람의 일을 도와주는 기계적 장치로 정의된다. 이러한 외골격 로봇은 착용자의 근력을 증강시켜 착용자 본인은 적은 힘을 들이는 가운데 큰 힘이 요구되는 일들을 수행할 수 있도록 하는 상지 근력증강 외골격 로봇, 무거운 하중의 짐을 가지고 이동해야 하는 정상인을 무거운 하중에 대한 피로도 없이 보행을 가능토록 하는 하지 근력증강 외골격 로봇, 하지 마비 환자와 같은 보행 약자의 보행을 가능토록 하는 보행 보조 외골격 로봇으로 구분된다. 지난 수십 년 동안, 외골격 로봇은 군사 및 재활 산업 분야에 있어서 많은 주목을 받아왔으며 이와 관련한 다양한 연구가 진행되었는데 특히, 무거운 하중의 짐을 가지고 이동해야 하는 정상인의 보행을 보조하거나 보행 약자의 보행을 가능토록 하게 하는 하지 근력증강 외골격 로봇 연구는 전투원의 행군 지속 능력 필요성이 증대되는 군사분야, 노약자의 삶의 질 향상을 최우선 목표로 하는 실버산업 및 재활분야에 있어 그 중요성이 더욱 부각되고 있다. 외골격 로봇을 구성하기 위한 핵심 기술들로는, 크게 여섯 가지로 구분할 수 있는데 첫째, 인간의 동작을 지원할 수 있는 액추에이터 기술, 둘째, 인간 근력 증강 또는 보조를 위한 능동 메커니즘 기술, 셋째, 액추에이터의 실시간 제어 기술, 넷째, 착용자의 동작의도를 취득하기 위한 센서 기술, 다섯째, 착용자의 동작의도를 인식할 수 있는 알고리즘 기술, 그리고 여섯째, 외골격 로봇과 인간의 자연스러운 결합을 위한 인터페이스 기술이다. 여기서, 착용자의 동작의도를 인식하기 위한 알고리즘 기술은 외골격 로봇의 성능 평가 기준인 착용자의 활동 대사량을 줄여 주는데 기여하는 핵심 기술로써 첫째, 외골격 로봇이 착용자의 눈에 보이는 동작 발생 후 그 동작을 최대한 빠르게 추종할 수 있도록 하거나 둘째, 착용자의 눈에 보이는 동작이 발생하기 전, 착용자의 동작의도를 미리 검출하여 외골격 로봇이 착용자의 동작보다 미리 동작할 수 있도록 하는 것으로 구분된다. 무거운 하중의 짐을 가지고 이동해야 하는 정상인을 무거운 하중에 대한 피로도 없이 보행을 가능토록 하는 하지 근력증강 외골격 로봇들은 착용자의 눈에 보이는 보행동작이 발생하고 난 후, 보행 동작을 추종하는 추종 보행보조 메커니즘, 또는 착용자의 눈에 보이는 보행동작 발생 전, 미리 보행을 보조하는 선행 보행보조 메커니즘을 통하여 정상인이 무거운 하중의 짐을 가지고 그것에 대한 피로도 없이 보행을 가능토록 한다. 추종 보행보조 메커니즘의 대표적 하지 근력증강 외골격 로봇으로는 미국의 Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), Raytheon’s second-generation exoskeleton (XOS2), RoboKnee, 일본의 Nurse-Assisting Exoskeleton (NAE) 등을 들 수 있고, 선행 보행보조 메커니즘의 하지 근력증강 외골격 로봇으로는 한국의 Hanyang EXoskeletal Assistive Robot (HEXAR), 일본의 Hybrid Assistive Limb (HAL)을 들 수 있다. 추종 보행보조 메커니즘의 하지 근력증강 외골격 로봇은 착용자의 눈에 보이는 보행동작이 발생하고 난 후, 그 동작을 각종 센서로부터 실시간 탐지, 보행의도를 인식하여, 착용자의 보행동작을 최대한 빠르게 추종하는 것을 그 목표로 하고 있다. 이를 위해, XOS2에서는 힘 센서와 위치 센서를 통하여 착용자의 보행의도를 인식하며 착용자에 의해 요구되는 힘의 5~10 %를 더 부과함으로써 외골격 로봇이 착용자의 보행동작을 최대한 빠르게 추종할 수 있도록 한다. 하지만, 추종 보행보조 메커니즘의 하지 근력증강 외골격 로봇은 착용자의 눈에 보이는 보행동작 발생 후 그 동작을 각종 센서들을 통하여 실시간 탐지, 보행의도를 인식하고 그 동작을 추종함에 따라, 센서의 민감도 또는 부정확한 모델식으로부터 착용자와 외골격 로봇간에 큰 상호작용 힘이 발생하는 문제점과 착용자로 하여금 일정 수준 이상의 힘을 지속적으로 사용하게 하는 문제점을 가지고 있다. 그 결과, 더 빠르게 착용자의 보행의도를 인식하고 더 빠르게 제어하기 위한 연구에 대한 필요성이 제기되고 있다. 선행 보행보조 메커니즘의 하지 근력증강 외골격 로봇은 착용자의 눈에 보이는 보행동작이 발생하기 전, 착용자의 보행의도를 미리 검출하고 외골격 로봇이 먼저 보행을 보조하는 것을 그 목표로 하고 있다. 이를 위해, HEXAR에서는 Muscle Stiffness Sensors (MSS)을 통하여 착용자의 보행의도를 인식하고, HAL에서는 Electromyography (EMG) 센서를 통하여 생체신호를 검출, 착용자의 눈에 보이는 보행동작 발생 전, 착용자의 보행시작 의도를 미리 인식하며, 정상인의 보행분석을 통해 구한 각 관절에 필요한 힘을 바탕으로 미리 엑추에이터를 제어함으로써 외골격 로봇이 먼저 보행을 보조하도록 한다. 착용자의 보행동작 발생 전 외골격 로봇이 보행을 보조함에 따라, 추종 보행보조 메커니즘의 하지 근력증강 외골격 로봇과는 달리, 착용자는 큰 힘을 사용하지 않는 장점이 있다. 그러나, EMG 센서에서 야기되는 과도한 개인 보정의 소요 그리고 신호의 불확실성 및 노이즈, 연속보행간 착용자의 실시간 보행의도 미반영은 HAL의 문제점 및 선행 보행보조 메커니즘의 한계로 지적된다.
본 논문에서는, 정지되어 있는 양발 지지구간으로부터 첫 걸음, 그리고 연속보행에 대한 인간의 보행패턴 분석을 바탕으로 착용자에 대한 새로운 보행시작 의도 인식 알고리즘 및 보행속도에 대한 연속 보행의도 인식 알고리즘을 제안하고, 이를 통하여, 생체신호의 이용을 통한 방법이 아닌 새로운 방법에 의한 선행 보행보조 메커니즘을 하지 근력증강 외골격 로봇인 Unmanned Technology Research Center Exoskeleton (UTRCEXO)에 구현하고자 하였다. 한편, 구현한 선행 보행보조 메커니즘을 평가하기 위하여 보행시작 단계에서는 UTRCEXO에 F/T 센서와 Magnetic Rotary Encoder (MRE)를 사용하여 추종 보행보조 메커니즘을 구현하였고 이를 바탕으로, 상호 평가함으로써 구현한 선행 보행보조 메커니즘의 효율성을 입증하였다. 아울러, 연속 보행 단계에서 착용자와 외골격 로봇 UTRCEXO 간에 발생하는 상호작용 힘을 통하여 제안한 연속 보행의도 인식 알고리즘에 대한 평가를 실시하며, 선행 보행보조 메커니즘이 구현된 하지 근력증강 외골격 로봇 UTRCEXO에 대하여 20 kg 하중을 지고 보행을 하는 착용자의 UTRCEXO 착용 전/후 근육 활성도를 측정함으로써 구현한 선행 보행보조 메커니즘의 효율성을 입증하였다..
