This thesis presents a movement recognition and locomotion control system for a hydraulic lower extremity exoskeleton for stable walking on level and non-level ground. A kinematic based decision tree method is proposed to accurately recognize the movement, which is integrated with the kinematics of the robot and individual sensor signals. The proposed method performs a kinematic analysis for each gait mode estimated by ground reaction force. A decision tree algorithm was constructed to recognize the movement mode using the vertical position of both feet. To verify the proposed model recognition performance, walking experiments were conducted for various terrain, such as level ground, stair ascent and descent, and ramp ascent and descent. A dual mode control method is also proposed for natural and stable walking in various terrain that includes active mode, passive mode, and transition control. Hydraulic actuators generate actuating forces to support the load in active mode whereas the joints move freely with no actuating force in passive mode. A pre-transition algorithm is applied to reduce resistive forces generated by residual pressure during gait transition. Walking experiments were performed while carrying backpack loads on level ground, stairs, and ramp terrain to verify the proposed locomotion control algorithm effectiveness. To evaluate the level of assistance, muscle activation levels were measured by electromyography sensors with and without the exoskeleton. The experimental test verified that the proposed method is capable of stable walking on level and non-level ground while supporting a backpack load.
본 논문은 유압식 착용로봇을 위한 평지 및 비평지(계단/경사) 환경에서의 동작 인식 및 보행 제어에 대한 내용을 기술한다. 먼저, 로봇을 착용한 상태에서 착용자의 동작을 정확하게 인식하기 위해 로봇의 기구학적 관계식과 개별신호를 융합한 기구학기반 결정트리 방법을 제안한다. 이 방법에서는 지면 반발력을 이용해 좌표계를 설정하고 이를 이용하여 보행 모드에 맞게 기구학 해석을 수행한다. 기구학 해석 통해 추정된 초기 접촉시의 양 발의 수직 위치와 개별신호를 이용하여 정확하고 빠르게 동작을 인식하기 위한 결정트리 알고리즘을 구성한다. 제안된 방법에 대한 성능을 확인하기 위해 8명을 대상으로 다양한 환경에 대한 보행시험을 수행한다. 또한, 하중을 지탱하면서 다양한 환경에서 사람의 운동 특성과 유사하게 자연스럽고 안정적인 보행을 위해 이중모드 제어 방법을 제안한다. 이 제어 방법은 지면반발력에 의해 결정된 보행단계를 기반으로 입각기에 작동되는 능동모드, 유각기에 작동되는 수동모드 및 천이제어를 포함한다. 유압구동기는 능동모드 때는 하중을 지탱하기 위해 구동력을 생성하고, 수동모드 때는 능동관절을 빨리 움직일 수 있도록 구동기에 힘을 전달하지 않는다. 또한, 입각기에서 유각기로 천이 될 때 유압 구동기에 잔류하는 압력에 의한 저항감을 줄여 발의 빨리 움직일 수 있게 하기 위해 사전 천이 제어방법을 적용한다. 제안된 알고리즘의 성능을 확인하기 위해 평지, 계단, 경사 환경에서 보행시험을 수행하고 근전도 센서를 이용하여 지원효과를 확인한다. 이를 통해 제안한 방법이 유압식 착용로봇에 적용되어 하중을 지탱하면서 평지 및 비평지 환경에서 안정적인 보행이 가능함을 확인하였다.
