[논문 리뷰] Characterizing Lifting and Lowering Activities with Insole FSR sensors in Industrial Exoskeletons

Luis A. Mateos|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 16.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 산업용 외골격에 대해 들어올리기 및 내리기 작업 중의 동적 체중 변화를 감지하기 위해 발바닥에 8개의 힘센서(한 발에 2개의 모듈)를 탑재한 저비용, 모듈식 인솔 FSR 센서 시스템을 제안한다. 발꿈치와 제1중발지골 부위의 압력 변화를 모니터링함으로써, 사용자가 손으로 제어하지 않아도 보조 힘을 유도할 수 있도록 실시간으로 들어올리기 및 내리기 활동을 감지할 수 있으며, 평균 오차는 15%이다.

ABSTRACT

This paper presents an insole FSR (Force Sensing Resistor) to dynamically detect weight variations in an exoskeleton system. The proposed methodology is intended for tasks of lifting and lowering heavy weights with an industrial exoskeleton to substantially reduce spinal loads during these manual handling activities. Instead of extensively placing high-dense force sensors by covering the whole plantar area, as most of commercial applications do, we integrate only a few force sensors in specific plantar area, so that the sensory system is not restricted to an individual foot size and shape, and on the other hand has relatively lower material cost. Industrial exoskeletons are intended to assist workers when handling heavy goods. With this in mind, wearers are not able to use their hands to control the exoskeleton since they use them to handle the goods. Therefore, the exoskeleton controller is required to indirectly infer how much and when the wearer requires assistance for lifting or lowering a heavy weight. Our approach of dynamically detect and characterize the increment/decrement of weight, as well as the rising/falling edge, enables the exoskeleton's controller to trigger the request of assistive force to the actuators.

연구 동기 및 목표

• 발의 크기나 모양에 제한을 두지 않는 비침습적인 감지 시스템을 개발하여 산업용 외골격에 적용한다.
• 작업자가 들어올리기 위해 양손을 자유롭게 써야 하는 산업 현장에서 수동 제어 문제를 해결한다.
• 완전한 발바닥 커버리지가 아닌 최소한의 힘센서를 사용하여 실시간으로 들어올리기 및 내리기 활동을 감지한다.
• 고밀도 상용 발바닥 압력 측정 시스템에 비해 소재 비용을 줄이고 이동성을 향상시킨다.
• 일반 신발이나 외골격에 쉽게 통합하여 산업 현장에서의 구현을 가능하게 한다.

제안 방법

• 발꿈치와 중발지골 부위에 각각 2개의 모듈로 구성된 총 8개의 얇은 필름 FSR 센서(한 발에 4개)를 배치한다.
• 표준 신발과 외골격에 맞게 맞춤형 조정 없이도 장착 가능한 유연한 인솔에 센서를 통합한다.
• 0.25초 간격으로 체중 변화를 실시간으로 감지하여 들어올리기 및 내리기 단계를 식별하는 알고리즘을 구현한다.
• 기본 체중(사용자의 서있는 체중)을 기준으로 들어올리기 전 상태(체중 감소)와 내리기 전 상태(체중 증가)를 감지한다.
• 사용자가 들어올리기 전 상태 플래그가 설정된 후 체중이 기본 체중을 초과하면 들어올리기 감지를 트리거한다. 마찬가지로 내리기 전 상태 플래그 설정 후 체중이 기본 체중 이하로 떨어지면 내리기 감지를 트리거한다.
• 각 센서의 고유한 힘-저항 곡선을 고려해 개별 캘리브레이션을 수행하여 정확도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전략적인 발바닥 위치에 최소한의 FSR 센서를 배치하여 산업용 외골격에서 들어올리기 및 내리기 활동을 신뢰성 있게 감지할 수 있는가?
• RQ2 기본 진실값과 비교했을 때, 발꿈치와 중발지골 부위의 센서만으로 체중 추정의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ3 직접 제어 입력 없이도 동적 체중 변화(예: 들어올리기 전 체중 감소, 내리기 전 체중 증가)를 이용해 사용자 의도를 신뢰성 있게 유추할 수 있는가?
• RQ4 모듈식 센서 설계가 다양한 발의 크기와 형태에 걸쳐 성능을 유지하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 완전한 발바닥 커버리지 시스템과 비교했을 때, 이러한 시스템의 달성 가능한 정확도와 비용 효율성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 모든 시험 대상자에 대해 체중 추정 평균 오차가 ±15% 이내로, 인솔 FSR 시스템이 들어올리기 및 내리기 활동을 성공적으로 감지하였다.
• 체중 이동의 동적 변화(들어올리기 전 감소, 내리기 전 증가)를 식별함으로써 시스템은 들어올리기 및 내리기 단계를 신뢰성 있게 감지하였다.
• 발꿈치와 중발지골 모듈로 구성된 모듈식 센서 구성은 개인의 발 크기와 형태에 제한을 두지 않아도 되는 비제한적 설계를 가능하게 하였다.
• 발당 8개의 FSR 센서만을 사용함으로써 시스템은 이동성과 저비용 소재 비용을 확보하였으며, 완전한 발바닥 커버리지 시스템에 비해 비용을 크게 절감하였다.
• 실험 I에서는 네 번의 들어올리기/내리기 사이클, 실험 II에서는 세 번의 사이클을 정확하게 식별하였고, 들어올리기 전 및 내리기 전 상태도 일관되게 감지하였다.
• FSR 시스템은 한 발당 0~160kg의 힘을 측정할 수 있었으며, 최대 용량은 720kg이었고, 반복 시험에서도 일관된 성능을 보였다.