Self-Fastening Anchors Using Sequential Underactuation for Auto-Wearable Robots = 순차적 부족구동을 활용한 자동 착용 로봇용 자체 체결 앵커

국문 초록 (Abstract)

착용형 로봇은 신체에 직접 보조력을 가함으로써 인간의 이동성을 돕거나 향상시킬 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 이러한 장치는 근골격계 장애인, 재활 중인 사람, 육체적으로 힘든 작업을 수행하는 작업자에게 잠재적인 이점을 제공했습니다. 그러나 착용형 로봇을 착용하고 벗는 번거로운 과정에는 상당한 시간과 손의 기능, 때로는 훈련된 인력의 도움이 필요하다는 중요한 장애물이 남아 있습니다. 이러한 복잡성은 이러한 기술의 광범위한 채택을 제한할 뿐만 아니라 통제된 환경으로 그 유용성을 제한하여 사용자가 자발적이고 필요에 따라 착용형 로봇과 상호작용하는 것을 방해합니다.

이상적인 착용형 로봇은 복잡한 수동 체결 없이도 인체에 안전하게 부착할 수 있어야 합니다. 이 비전은 가상의 아이언맨 슈트를 연상시키며, 이는 슈트형 로봇이 사용자에게 자동으로 스스로를 맞추고, 잠그고, 잠금 해제할 수 있다는 것입니다. 그러나 실제 환경에서 이러한 자동 착용 방식을 달성하는 것은 인체 형태의 복잡성, 사용자 해부학의 다양성, 안정적인 부착 및 사용자 편의성의 필요로 인해 상당한 공학적 도전 과제를 제기합니다. 기존의 착용 방식과 같이 여러 버클, 스트랩 또는 조정 단계를 갖춘 다이얼 시스템의 사용은 로봇의 착용시간을 늘리고, 사용자 자율성을 줄이며, 특히 운동 기능이 저하된 사용자의 접근성을 제한하기 때문에 이러한 목표를 달성하기에 부적합합니다.

본 학위논문은 착용형 로봇에 통합된 자가 고정 앵커의 개념을 소개하고 실제로 구현함으로써 이 문제에 대한 통합적인 해결 방안을 제시합니다. 제안된 접근 방식은 기계적 부족구동 원리와 에너지 기반 설계 전략을 활용하여 단일 구동기의 입력만으로 사람의 신체부위를 감싸고 스스로를 고정할 수 있는 메커니즘을 만듭니다. 최소 총 위치 에너지 원리를 활용함으로써, 개발된 자동-앵커는 자석, 스프링, 기계식 스토퍼에 의해 유도된 일련의 관절 운동(직선 운동과 회전 운동 모두)으로 움직이게 됩니다. 이 배열은 단일하고 간단한 명령(예: 와이어 구동 시스템을 밀거나 당기는 동작)에서 감싸기, 잠그기, 조이기와 같은 복잡한 형태학적 변화를 신뢰할 수 있고 예측 가능하게 발생시킬 수 있게 합니다.

위 개념을 두 가지 다른 자동 착용 로봇(팔꿈치 외골격 로봇 및 발목 외골격 로봇)에 자동 앵커 메커니즘을 구현함으로써 그 효과를 검증하고자 하였습니다. 자동 착용 팔꿈치 외골격 로봇에서는 사용자가 외부의 도움 없이도 장치를 독립적으로 착용하고 벗을 수 있었습니다. 이 구현은 착용형 로봇 기술의 접근성과 보편성을 높여, 손의 기능이 제한된 사용자도 스스로 재활 또는 보조 장치를 착용할 수 있는 잠재력을 보여줍니다.

마찬가지로, 자동 착용형 발목 외골격 로봇은 손의 사용이 필요하지 않은 착용과 벗기가 가능함을 선보였으며, 사용자는 필요에 따라 기기를 신속하게 부착하거나 제거할 수 있었습니다. 이러한 기능은 웨어러블 로봇을 일상 활동에 더 실용적으로 활용하는 데 있어 중요한 진전을 나타냅니다. 이제 사용자는 수동 고정에 대한 부담 없이 짧은 산책, 짧은 재활 세션 또는 목표 작업을 위해 필요할 때에 빠르고 간편하게 착용형 로봇을 사용할 수 있습니다.

착용형 로봇의 대중화에 중요한 걸림돌을 해결함으로써, 본 연구는 다양한 사용자 집단을 위한 실용성을 확장하는 접근 가능하고 사용자 친화적인 기술을 발전시켰습니다. 궁극적으로, 본 학위논문은 착용형 로봇이 일상 생활에 원활하게 통합되어 최소한의 노력과 최대의 자율성으로 개별화된 보조를 제공하는 미래에 기여합니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wearable robots, including exoskeletons and exosuits, hold promise for assisting or enhancing human mobility by applying supportive forces directly to the body. These devices have demonstrated potential benefits for individuals with musculoskeletal disabilities, those undergoing rehabilitation, and workers performing physically demanding tasks. However, a critical obstacle remains: the cumbersome process of donning and doffing wearable robots often requires considerable time, dexterity, and sometimes the assistance of trained personnel. This complexity not only limits the widespread adoption of such technologies but also restricts their utility to controlled environments, preventing users from engaging with them spontaneously and on demand.

An ideal wearable robot should be capable of securely attaching itself to the human body without requiring intricate manual fittings. This vision is reminiscent of the fictional Iron Man suit, which can automatically conform, lock, and unlock itself around the user. Achieving such auto-wearability in a real-world setting, however, poses significant engineering challenges due to the complexities of human body shapes, variations in user anatomy, and the need for both stable attachment and user comfort. Conventional strapping systems with multiple buckles, dials, or adjustment steps are unsuitable for achieving these goals, as they increase setup time, reduce user autonomy, and limit accessibility—particularly for users with impaired motor function.

This dissertation presents an integrated solution to this challenge by introducing and demonstrating the concept of self-fastening auto-anchors integrated into wearable robots. The proposed approach leverages principles of mechanical underactuation and energy-based design strategies to create a mechanism that can wrap around a limb and secure itself using only a single actuator input. By exploiting the minimum total potential energy principle, the auto-anchor transitions through a sequence of joint movements—both prismatic and rotational—guided by magnets, springs, and mechanical stoppers arranged to shift the motion path in an underactuated system. This arrangement allows complex morphological changes, such as wrapping, locking, and tightening, to occur reliably and predictably from a single, simple command (e.g., pushing or pulling a tendon-driven cable system).

This concept has been validated by implementing the auto-anchor mechanism on two different auto-wearable robots: an elbow exoskeleton and an ankle exoskeleton. In the auto-wearable elbow exoskeleton, users were able to don and doff the device independently, without the need for external assistance. This demonstration highlights the potential for increasing the accessibility and inclusivity of wearable robotic technology, enabling individuals with limited dexterity to engage with rehabilitative or assistive devices on their own terms.

Similarly, the auto-wearable ankle exoskeleton showcased a hands-free solution for donning and doffing, allowing users to quickly attach or remove the device as required. This “on-demand” functionality represents a major step forward in making wearable robotics more practical for everyday activities. Users can now imagine applying wearable robotic assistance only when needed—whether for a short walk, a brief rehabilitation session, or a targeted workplace task—without the burden of manual fastening.

By addressing this critical barrier in wearable robotics, the research advances accessible, user-friendly technology that broadens real-world applications for a diverse population of users. Ultimately, this thesis contributes to a future where wearable robots are seamlessly integrated into daily life, offering individualized support with minimal effort and maximum autonomy.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures v
• List of Tables xxx
• 1 Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 State-of-the-Art 4
• 1.2.1 Self-Tightening Anchors 4
• 1.2.2 Self-Enclosing Anchors 8
• 1.3 Problem Definition 11
• 1.4 Thesis Overview 14
• 1.4.1 Goal of the Thesis 14
• 1.4.2 Outline of the Thesis 17
• 1.5 Contributions 20
• 2 Sequential Underactuation for Motion Path Shifting in Self-Fastening Auto-Anchors 23
• 2.1 Introduction 23
• 2.1.1 Anchors for Wearable Robots 23
• 2.1.2 Donning and Doffing Cycle of Wearable Robots 26
• 2.1.3 Design Requirements for Self-Fastening Anchors 29
• 2.2 Sequential Underactuation for Self-Fastening 32
• 2.2.1 Design Approach for Auto-Anchors 32
• 2.2.2 Shifting Motion Paths in an Underactuated Mechanism 34
• 2.2.3 Minimum Total Potential Energy Principle 37
• 2.3 Mechanism Design 39
• 2.3.1 Design Overview 39
• 2.3.2 Base 42
• 2.3.3 First Revolute Joint 43
• 2.3.4 Prismatic Joints 47
• 2.3.5 Second Revolute Joint 49
• 2.3.6 End-Tip 50
• 2.3.7 Locker 52
• 2.4 Analysis 53
• 2.4.1 Motion Phases and Energy Analysis 53
• 2.4.2 Tilted Self-Fastening Capability 61
• 2.4.3 Guidance for Auto-Anchor Size Selection 61
• 2.4.4 Guidance for Anchoring Force Selection 66
• 2.4.5 Reliability and Repeatability 68
• 2.4.6 Wrapping Phase Failure and Sequence Selection 71
• 2.4.7 Anchor Specifications 73
• 2.5 Chapter Summary 75
• 3 Push-Pull Tendon Actuator for Self-Fastening Motion 76
• 3.1 Introduction 76
• 3.2 Mechanism Design 79
• 3.2.1 Mechanism Overview 79
• 3.2.2 Geared-Feeders for Push-Force Generation 80
• 3.2.3 Differential Spool Mechanism 81
• 3.3 Analysis 83
• 3.3.1 Tendon-Push Actuation 83
• 3.3.2 Tendon-Pull Actuation 86
• 3.3.3 Actuator Reliability 90
• 3.3.4 Actuator Specifications 93
• 3.4 Chapter Summary 94
• 4 Auto-Wearable Robots: Automatic Donning and Doffing of Wearable Robots Using Auto-Anchors 96
• 4.1 Introduction 96
• 4.2 Auto-Wearable Elbow Exoskeleton 98
• 4.2.1 Background 98
• 4.2.2 Elbow Exoskeleton Design 100
• 4.2.3 Automated Donning and Doffing Process 102
• 4.3 Auto-Wearable Ankle Exoskeleton 108
• 4.3.1 Background 108
• 4.3.2 Ankle Exoskeleton Design 109
• 4.3.3 Mounting System Design 113
• 4.3.4 Automated Donning and Doffing Process 117
• 4.3.5 Anchoring Performance 123
• 4.4 Chapter Summary 130
• 5 Concluding Remarks 131
• 5.1 Auto-Anchors 131
• 5.2 Push-Pull Tendon Actuator 132
• 5.3 Auto-Wearable Robots 133
• 5.4 Limitations and Future Works 135
• References 138