Hip-lumbar exosuit driven by flexible fabric artificial muscle comprising shape memory alloy actuators

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 Zigzag shape memory alloy(ZSMA)를 기반으로 한 메시형 섬유 인공근육(ZMFM)을 설계 · 제작하고, 이를 힙–요부 엑소수트에 통합하여 실제 작업 유사 환경에서의 보조 효과를 검증하였다. 먼저 ZSMA와 엘라스토머(스판덱스 실, 고무밴드)의 강성 특성을 실험적으로 계측하고, 이를 바탕으로 목표 하중(20–40 kg 급 산업 리프팅 작업)에 대응하는 ZMFM 모듈 수와 배치를 결정하였다. 이어서 ZMFM의 열 응답을 First-order plus dead-time(FOPDT) 모델로 근사하여 전 력–온도 케스케이드 제어기를 설계하고, 인슐레이션 커버와 마이크로 블로워를 결 합한 냉각 구조, 허벅지 · 베스트 하네스로 구성된 하네스, 백팩형 전장부를 포함한 힙–요부 엑소수트를 구현하였다. 반복 작업, 고하중 리프팅, 정적 굴곡 자세 실험에 서 Longissimus thoracis 부위의 Surface Electromyography(sEMG) 엔벨로프가 각각 평균 13.57%, 10.69%, 14.22% 감소하는 것이 확인되어, 제안 시스템이 다양한 작업 조건에서 요추부 근육 부하를 유의미하게 경감시킬 수 있음을 보였다.
다만 본 연구는 건강한 20대 남성 1인을 대상으로 한 기초 검증 단계이며, 특정 하중과 동작 조건에 한정되어 있다는 점에서 일반화에 한계가 있다. 향후에는 다수 피험자를 대상으로 한 통계적 검증, 다양한 체형과 작업 시나리오를 고려한 하네 스 · ZMFM 배치 최적화, EMG 및 관절각 기반의 의도 인식 · 보조량 조절 제어, 장기간 반복 구동에 대한 피로 수명 및 내구성 평가가 필요하다. 그럼에도 불구하고, 본 연구에서 제시한 ZSMA 기반 섬유 인공근육 구조, 공조형 커버 및 전력–온도 제 어, 그리고 힙–요부 엑소수트 시스템 통합 및 실험적 검증 결과는 SMA 기반 산업용 웨어러블 로봇 설계를 위한 유용한 기준과 설계 프레임워크를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis proposes a lightweight, flexible hip–lumbar exosuit powered by a shape memory alloy (SMA)-based fabric artificial muscle to reduce lumbar musculoskeletal loading during repetitive lifting and non-neutral trunk pos- tures in industrial environments. A two-dimensional Zigzag SMA (ZSMA) is combined with spandex yarn and insulating rubber bands to form a sheet- type Zigzag SMA-based Mesh-type Fabric Muscle (ZMFM). Using 0.38 mm diameter NiTi Flexinol wires, modular ZSMA units are assembled into a wide, body-conforming actuator (∼ 270×120 mm ) that generates contraction forces of several tens of newtons below 40 V. The temperature–displacement–force characteristics of ZSMA and the tensile properties of the textile/elastomer components are experimentally identified, and a stiffness-based design pro- cedure is established to provide assistance for 10–20 kg repetitive tasks and 40 kg heavy lifting. For uniform cooling and user safety, a stretchable in- sulation cover with an internal air channel and integrated microblower is developed to deliver forced-air cooling while providing thermal and electrical insulation. The ZMFM thermal response is approximated by a first-order plus dead-time (FOPDT) model, and a cascade power–temperature controller is designed using IMC-PI tuning to achieve robust temperature tracking and rapid heating/cooling transitions with limited sensing. The ZMFM is inte- grated into a thigh harness, mesh vest, and backpack-type electronics to build the exosuit. Surface electromyography of the Longissimus thoracis is recorded at 0.1 kHz during 20 kg repetitive trunk flexion/extension, 40 kg lifting, and 40 kg static bending tasks with and without the exosuit. Across five trials per condition, the mean EMG envelope is reduced by 13.57% in repetitive tasks, 10.69% in heavy lifting, and 14.22% in static bending when the exosuit is worn, indicating that the proposed ZMFM-based system can meaningfully reduce lumbar extensor muscle activity under diverse task conditions.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Research Motivation 1
• 1.2 Related Work and Background 2
• 1.3 Problem Statement 7
• 1.4 Research Objectives and Approaches 8
• 2. Shape Memory Alloy Based Flexible and Light-Weight Fabric Artificial Muscle 9
• 2.1 Introduction 9
• 2.2 Characteristic Analysis 17
• 2.2.1 Experimental Methods for Constituent Elements 17
• 2.2.2 SMA Actuator Characterization 17
• 2.2.3 Elastomer Characterization 21
• 2.3 Fabrication Methods 25
• 2.4 Insulation Cover Design 31
• 2.5 Artificial Muscle Characterization 35
• 2.5.1 Artificial Muscle Design 35
• 2.5.2 Experimental Setup for Artificial Muscle 38
• 2.5.3 Isometric Testing 42
• 2.5.4 Isotonic Testing 45
• 3. Components of Hip-Lumbar Exosuit 47
• 3.1 Introduction 47
• 3.2 Harness Design 48
• 3.3 Electronics System Design 51
• 4. Exosuit Control Methods 54
• 4.1 Introduction 54
• 4.2 Cascade TemperaturePower Control Architecture 57
• 4.2.1 Cascade Controller Overview and Signal Definitions 57
• 4.2.2 Thermal Dynamics and FOPDT Identification 58
• 4.2.3 Outer-loop Temperature Control: IMC-based PI with Refer- ence Shaping and Feedforward 60
• 4.2.4 Inner-loop Power Regulation and Resistance-aware Compensation 61
• 5. Experimental Validation and Results 66
• 5.1 Introduction 66
• 5.2 Experimental Setups and Protocols 67
• 5.2.1 Experimental Data Collection 67
• 5.2.2 Experimental Protocols 69
• 5.3 Evaluation of Assistance in Repetitive Tasks 72
• 5.4 Evaluation of Load Reduction during Heavy Lifting 74
• 5.5 Evaluation of Postural Support during Static Bending 76
• 5.6 Summary of EMG Results 78
• 6 Conclusions 79
• Bibliography 81
• A Manufacturer Data for Flexinol SMA Wires 87
• A.1 Flexinol Wire Specifications 87
• 국문요약 89