Development of personalized robotic achilles tendon based on switchable-stiffness spring

국문 초록 (Abstract)

보행은 삶을 살아가는데 필수적인 요소이며 없어선 안 되는 중요한 행위이다. 보행 시 발목이 가장 많은 힘을 생성하는데, 발목의 에너지 사용량을 감소시킬 수 있다면 결과적으로 보행 시 사용되는 에너지가 감소되어 정해진 에너지로 더욱 많은 작업을 할 수 있게 된다. 따라서 발목을 보조하기 위해서 모터와 외골격 기반의 웨어러블 시스템이 개발되었다. 하지만 발목을 모터로 보조하기 위해서는 크고 무거운 모터를 사용해야 하며 외골격의 큰 부피 및 무게로 인하여 사용자의 움직임이 자유롭지 못하다는 단점이 존재한다. 또한 사용자의 의도 파악을 위해 사용되는 다수의 센서 및 복잡한 알고리즘으로 인하여 사용성 및 보조 성능이 저해된다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 가변 강성 스프링 기반의 로보틱 아킬레스건을 개발했다. 가변 강성 스프링을 구현하기 위해서 공압 실린더와 솔레노이드 밸브를 활용하였다. 복동 양로드 실린더를 활용하여 유로 개방 시 강성이 사라지고, 유로 차단 시 강성이 생성되어 변위에 따라서 힘을 생성한다. 사용자 보행에 방해를 주지 않으며 교대 강성 스프링의 힘을 발목에 전달 할 수 있는 착용 부를 설계하였다.
착용 부는 신발 부착부와 종아리 부착부로 이루어져 있으며, 발목이 움직일 때 변위를 발생시키는 역할을 한다. 종아리 부착부는 피부에 직접 붙어 반력점을 생성하며 미끄러지지 않으며 사용자에게 해를 끼치지 않은 소재로 설계되었다. 보행 시 발생하는 지면 반력의 분포를 분석하여 단일 센서만으로 교대 강성 스프링의 동작 시점을 탐지할 수 있으며, 복잡한 연산기 없이도 발목을 보조할 수 있는 회로를 설계하였다. 이를 기반으로 보행 시 발생하는 대사 비용을 측정하여 보조 성능을 분석하였다.
로보틱 아킬레스건을 착용하기만 하더라도 보행 시 보조 효과가 존재하며, 시스템을 활성화해 보행한다면 일반 신발 대비 약 20% 이상의 보조 효과를 보여줌을 증명하였다. 또한 정량적 평가를 위하여 보조 밀도를 제시하여 기존 발목 보조 웨어러블 시스템 중에서 가장 우수한 성능을 보여준다는 것을 증명하였다. 로보틱 아킬레스건은 간단한 동작 메커니즘과 시점 판별 회로가 적용되어, 지금껏 제시되지 않은 새로운 작동 방식과 저전력 고효율 보조 방법을 제시하였으며 발목뿐만 아니라 교대 강성이 요구되는 모든 관절과 시스템에 적용하여 범용적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 - Introduction 1
• Chapter 2 - Design of the Robotic Achilles Tendon 9
• 2.1 switchable-stiffness Spring 9
• 2.2 Characteristic of switchable-stiffness Spring 14
• 2.3 User-centered Design of Wearable Interface 22
• 2.4 Robotic Achilles Tendon Hardware 28
• Chapter 3 - Assistance Phase Detection System 30
• 3.1 Plantar Activation Regions during Gait 30
• 3.2 Design of Single-sensor based Detection Circuit 34
• Chapter 4 - Validation of RAT’s Assistance Performance 40
• 4.1 Evaluation Method for Ankle Assistance Performance 40
• 4.2 Assistance Performance of the RAT 41
• 4.3 Comparison with Conventional Wearable Systems 44
• Chapter 5 - Conclusions 46
• REFERENCE 47
• Korean abstract 51