Several back support exoskeletons have been developed and implemented for lifting assistance to reduce the possibility of lower back pain (LBP). Although pneumatic power transmission is attractable due to the inherent compliance and backdrivability, the portability of the pneumatic system is highly limited due to the bulky air compressors that provide compressed air to the system. Moreover, previously developed assistive strategies are not capable of reflecting various lifting conditions. Therefore, we aimed to develop a fully-portable pneumatic back support exoskeleton and assistive strategy which reflects lifting kinematics and object condition.
First of all, design requirements were defined based on the previous studies on back support exoskeletons and lifting biomechanics. Then the modeling parameters of developed mechanism were identified. The microcompressor and pneumatic reservoir were designed by modeling the compressed air consumption and generation. The developed exoskeleton weighs about 9.2kg and was completely stand-alone and provides 80 Nm of maximum extension torque for 6 liftings per minute (6 l/m). Finally, the experiments were performed to validate the physical assistance of the developed exoskeleton system. The back muscles (TES/LES) activation were significantly reduced with the assistance compared to no exoskeleton condition.
On the other hand, lifting detection algorithm is necessary to assist user effectively. However, conventional kinematics-based detection algorithm induces time delay. In this study, the sEMG-based fast lifting detection algorithm was developed and validated with experiments. The developed algorithm detected about 200ms earlier than the conventional kinematics-based algorithm. In addition, fast lifting detection reduced peak back muscle activation.
The effect of assist torque magnitude on metabolic energy consumption was investigated. For three subjects, the metabolic rate was decreased about 14.6% with assistance compared to no assistance condition. For one subject, wider range of assist torque was examined and the metabolic rate was saturated as the assist torque magnitude increased.
다양한 허리 보조 외골격 로봇들이 허리 부상을 방지하기 위해 개발되어 왔다. 공압 구동식 시스템은 공압 고유의 탄성과 역구동성이란 장점에도 불구하고, 외부의 대형 압축기로부터 압축공기를 공급받아야 하므로 휴대성이 없어 실용성이 크게 제한되었다. 또한, 기존에 개발된 보조 전략들은 다양한 리프팅 상황을 반영하지 못한다. 따라서, 본 연구에선 완전히 휴대 가능한 허리 보조 외골격 로봇과 리프팅의 키네마틱스 등을 반영한 보조 전략을 개발하고자 하였다.
우선 허리 보조 외골격 로봇과 리프팅의 생체 역학에 관한 기존의 연구들을 참고하여 설계 요건을 정하였다. 그 다음 설계한 메커니즘의 변수들을 규명하였다. 압축공기 소비와 생성 과정을 모델링하여 소형 압축기와 공압 탱크를 설계하였다. 개발된 외골격 로봇 시스템은 약 9.2 kg이며 분당 6번의 주기로 최대 80 Nm의 신전 토크를 보조할 수 있다. 마지막으로, 외골격 로봇의 보조 효과를 실험을 통해 검증하였다. 흉추 및 요추 기립근의 근활성이 외골격 로봇을 착용했을 때, 그렇지 않을 때보자 유의하게 감소하였다.
한편, 외골격 로봇 시스템이 착용자를 효율적으로 보조하기 위해 리프팅 감지 알고리즘이 필요하다. 그러나, 기존의 키네마틱스 기반의 감지 알고리즘은 시간 지연을 유발한다. 본 연구에선 표면 근전도 신호 기반의 신속한 감지알고리즘을 개발하고 실험적으로 검증하였다. 개발된 알고리즘은 기존 키네마틱스 기반의 감지 알고리즘에비해 약 200 ms 신속히 동작을 감지하였다. 또한 신속한 감지 알고리즘은 허리 근육의 활성을 감소시켰다.
보조 토크의 세기가 대사 에너지 소모량에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 세 명의피험자에 대해, 외골격 로봇의 보조가 있을 때, 그렇지 않을 때보다 대사 에너지가 약 14.6% 감소하였다. 한 명의 피험자에 대해, 넓은 범위의 보조 토크 세기에 대해 실험한 결과 보조 세기가 증가할 수록 대사 에너지가 포화 되는 경향을 보였다.
