공압근육을 사용한 발목근력보조로봇의 연구 :A Study on Ankle Power Assistive Robot using Pneumatic Muscle

김창순

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김창순 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김정엽

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

공압근육을 사용한 발목근력보조로봇의 개발

김창순 , 김정엽 대한기계학회 논문집 A권 2017.08 학술저널

2016

공압근육을 사용한 발목근력보조로봇의 설계

김창순 , 윤태수 , 김정엽 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2016.10 학술대회자료

공압근육을 사용한 발목근력보조로봇의 연구

김창순 2016.01 학위논문

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본 논문은 노약자들의 발목근력보조를 위한 착용형 로봇에 대해서 서술하였다. 기존 착용형 로봇들은 보행 시 필요한 근력을 보조하기 위해 대부분 모터와 감속기를 사용하였다. 하지만 모터와 감속기의 조합은 무게가 무거울 뿐만 아니라 감속기 치차의 마찰때문에 실제 사람의 근육처럼 강성과 토크를 동시에 제어하기 어려운 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 모터/감속기 조합보다 가볍고 안전하며 근력을 보조하는 힘을 충분히 발휘할 수 있는 Mckibben공압 근육을 사용하였다. 발목의 피칭 모션에 이용되는 종아리 가자미근 및 앞정강근의 힘을 한 쌍의 공압 근육을 사용한 상극구동으로 보조하였다. 상극구동제어를 위해 상극구동 모델 파라미터들을 실험적으로 도출하였다. 사용자의 보행의지를 판단하고자 발바닥에 부착된 압력변위센서로 압력과 압력중심위치를 측정하여 발바닥의 하중과 발목토크를 계산하였고, 이를 기반으로 공압 근육 관절의 강성과 토크를 동시에 제어하였다. 최종적으로, 트레드밀에서 근전도 신호를 측정하여 발목근력보조로봇의 성능을 실험적으로 입증하였다.

This paper describes the study on a wearable robot to assist ankle power for the elderly. Previously developed wearable robots have generally used geared motors to assist muscle power during walking. However, combination of motor and reduction gear is heavy and has a limitation on simultaneous control of stiffness and torque like human muscle due to the friction of gear reducer. Hence, in this paper, Mckibben pneumatic muscle which is lighter, safer and more powerful than electric motor was used to assist ankle joint. Antagonistic actuation using a pair of pneumatic muscles assisted the power of the triceps surae muscles and tibialis anterior muscles that used for the pitching motion of the ankle joint. Model parameters of antagonistic actuator were experimentally derived using a test platform for antagonistic actuation control. To recognize wearer''s walking intention, human ankle torque was calculated by measuring the pressure and the center of pressure of the foot using force & linear displacement sensors, and the stiffness and the torque of pneumatic muscles was then controlled from the calculated ankle torque. Finally, performance of developed ankle power assistive robot was experimentally verified by measuring EMG signals during walking experiments on level & slope treadmill.power of the triceps surae muscles and tibialis anterior muscles that used for the pitching motion of the ankle joint. Model parameters of antagonistic actuator were experimentally derived using a test platform for antagonistic actuation control. To recognize wearer''s walking intention, human ankle torque was calculated by measuring the pressure and the center of pressure of the foot using force & linear displacement sensors, and the stiffness and the torque of pneumatic muscles was then controlled from the calculated ankle torque. Finally, performance of developed ankle power assistive robot was experimentally verified by measuring EMG signals during walking experiments on level & slope treadmill.

#공압근육 #착용형로봇

I. 서 론 1
1. 연구의 배경 1
2. 기존의 연구 사례 2
3. 연구의 목적 3
II. 공압 근육의 이론 5
1. 공압 근육의 개념 5
2. 공압 근육의 선정 10
3. 공압 근육의 수학적 모델링 16
III. 기구부 및 제어 시스템 설계 28
1. 기구부 설계 28
2. 제어 시스템 설계 30
IV. 제어 알고리즘 34
1. 가변 강성보조 제어 36
2. 상극구동모델기반 토크 보조 제어 37
V. 보행 실험 39
1. 실험방법 39
2. 보행실험 41
VI. Appendix 47
1. 추종성능의 한계와 모델링의 필요성 47
2. 시스템 식별 실험 48
3. 근사 역 모델 피드포워드를 사용한 보행 실험 51
Ⅶ. 결 론 54
참고문헌 55
영문초록(Abstract) 57

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