유연한 착용형 보행 보조 로봇 모듈 설계 및 편마비 환자의 자발적 움직임을 반영한 제어 = Design of a Flexible Wearable Gait Assistive Robot Module and Control Reflecting the Voluntary Movements of Hemiplegic Patients

국문 초록 (Abstract)

재활 로봇은 편마비 환자의 보행 안정성과 대칭성 회복을 지원하는 효과적인 수단으로 주목받고 있다. 그러나 기존 연구는 하드 타입 외골격이나 단일 관절 보조에 초점이 맞춰져 있었고, 다양한 방법으로 사용자의 보행 의도를 반영하는 기술이 개발 되었으나, 체계적인 방법론을 기반으로 구현된 사례는 부족했다. 또한, 편마비 환자의 보행을 보조할 때 발생하는 저항력에 효과적으로 대응하는 방법에 대한 연구가 부족했다. 이러한 한계를 보완하기 위해 발목과 무릎을 보조하는 유연한 소재의 착용형 보행 보조 로봇의 구동 모듈을 개발하였다. 이 모듈은 사용자의 보행 의도와 보조 저항 의도를 추정하며, 임피던스 제어 기반의 안전한 상호작용을 구현하였다. 보조 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 초기 실험에서는 팔꿈치를 목표 관절로 설정하였으며,이를 통해 보조 기술의 가능성을 확인하였다. 이후 무릎과 발목을 보조하는 유연한 착용형 보행 보조 로봇의 프로토타입을 제작하여 편마비 환자를 대상으로 실험을 수행하였다. 그 결과 일부 사용자에게서 보행 중 체간 비대칭성이 감소한 것이 확인되었다. 본 연구는 유연하고 간단한 시스템을 통해 사용자의 움직임에 정밀히 반응하는 보행 보조 기술을 제시하며, 사용자와의 상호작용을 고려한 재활 로봇 개발의 중요한 기초를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Rehabilitation robots have proven effective in enhancing gait stability and symmetry for hemiplegic patients. However, most studies have focused on rigid exoskeletons or single-joint assistance, with limited systematic approaches to reflecting users’ gait intentions and addressing resistance during gait assistance. To bridge these gaps, a flexible wearable gait-assist robot with ankle and knee actuation modules
was developed. These modules estimate gait and resistance intentions, enabling safe interaction via impedance control. Initial tests on the elbow joint validated the assistive algorithm, and subsequent prototype testing for knee and ankle assistance with hemiplegic patients showed reduced trunk asymmetry in some cases. This study introduces a responsive, flexible gait-assist technology, providing a framework for developing interactive and adaptive rehabilitation robots.

목차 (Table of Contents)

• I Introduction 1
• A Research Background 1
• B Related works 2
• 1 Exoskeleton Hardware 2
• a Wearable system 2
• b Actuation system 3
• c Electrical system 4
• 2 Gait Assistive Algorithms 4
• a Gait assistive method 4
• b Adaptive control 6
• 3 Evaluations 7
• C Research Objectives 9
• II Methods 10
• A Robot Hardware Design 10
• 1 Actuation Subsystem 11
• a Mechanical component 11
• b Anti-derailment module design 13
• c Wearable component 14
• 2 Electrical Subsystem 16
• a Microcontroller 16
• b Sensor 16
• c Power supply 17
• d Electrical enclosure and wiring 17
• 3 System Integration 19
• a Communication system 19
• b Control algorithm implementation 20
• c UI : PC, smartphone App 20
• d Prototype and system configuration 21
• B Algorithm and Control 22
• 1 Gait Analysis 22
• a Normal gait analysis using Rancho Los Amigos terminology 22
• b Gait analysis of Hemiplegic individuals 23
• 2 Assistive Algorithm and control for Hemiplegic Patients 24
• a Finite State Machine based assistive algorithm and gait intention 24
• b Control strategies and system analysis 27
• c Gait assistance algorithm considering resistive movements 31
• d User-centered approach to robot wearing and operation 35
• III Experiment 37
• A Evaluation of gait assistive algorithm 37
• B Evaluation of Flexible Wearable Gait Assistive Robot prototype 38
• IV Results and Discussion 40
• A Results 40
• 1 Effects of gait assistive algorithms 40
• 2 Effects of Flexible Wearable Gait Assistive Robot prototype 43
• B Discussion 46
• V Conclusion and Future Work 49
• A Conclusion 49
• B Future Work 50
• References 52