Misalignment between an exoskeletal robot and the wearer’s body must be minimal to prevent injury and discomfort during active assistance. It is particularly difficult for the robot to imitate the knee joint motion of a human, because the human knee joint has a complex structure, which cannot be realized with a single revolute joint. In this paper, a knee joint mechanism that closely realizes the human knee joint motion using the curved guide rail and bearings is proposed. For the optimal design of the proposed mechanism, the motions of the tibia and the femur are captured, and the guide rail of the proposed mechanism is designed to realize the captured human knee joint motion. A simulation study is performed based on kinematic calculations, and the shape of the guide rail is optimized for the proposed device to precisely imitate the human motion. This paper also introduces an experimental method for the quantitative evaluation of the misalignment; the pressure inside the brace is measured using an air-pressure sensor pad, and the pressure measurements are utilized for objective comparison of the misalignment with respect to the joint mechanism.
본 논문에서는 외골격 로봇의 착용성을 향상시키는 새로운 무릎 관절 구조에 대해 소개한다. 대퇴골에 대하여 종아리의 회전중심은 각도에 따라 움직이며, 하나의 회전 조인트로는 동작을 제대로 구현할 수 없다. 외골격 로봇과 사람 간의 오정렬은 의도치 않은 반발력, 즉 불편함의 요인이 되기 때문에 인간의 움직임을 최대한 가깝게 따라가는 움직임을 구현하는 관절구조를 만드는 것이 중요하다. 이에 본 논문에서는 무릎의 해부학적 구조에 착안한 곡선 가이드 레일 형태의 관절 구조를 제안한다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 설계된 관절 구조의 효과를 단일 회전조인트와 비교하여 검증하였다. 시뮬레이션을 통해 무릎 각도에 따른 사람과 로봇의 종아리 위치 오차를 기하학적으로 계산하였고, 오차가 줄어듦을 확인하였다. 또한 실제 환경에서 외골격 로봇의 착용성을 정량적으로 비교하기 위해 압력 센서를 사용하여 사람과 로봇 사이의 반발력을 무릎 각도에 따라 측정하였고, 결과를 비교하여 제안된 무릎 관절 구조의 향상된 착용성을 검증하였다.
