[논문 리뷰] Design and Approach of Team IHMC in the 2016 Cybathlon.

Robert J. Griffin, Tyson C. Cobb외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 28.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 마비된 조종사의 이동성 향상을 위해 설계된 Mina v2를 제시한다. 이는 발목에서 주로 발생하는 굽힘/굽힘 운동을 활성화한 새로운 구동형 외골격으로, 보행 전략에 구동형 발목 운동을 통합함으로써 0.29 m/s의 일관된 보행 속도를 달성하여 2016년 Cybathlon 구동형 외골격 대회에서 종합 2위를 차지했다.

ABSTRACT

Exoskeletons are a promising technology for enabling individuals with mobility limitations to walk again. As the 2016 Cybathlon illustrated, however, we have a considerable way to go before exoskeletons have the necessary capabilities to be incorporated into daily life. Most exoskeletons, power only the hip and knee flexion, whereas we present a new exoskeleton, Mina v2, that includes a powered dorsi/plantar flexion. As our entry to the 2016 Cybathlon Powered Exoskeleton Competition, Mina v2's powered ankle allowed us to explore its effectiveness on powered exoskeletons for pilots with paraplegia. We designed our gaits around the incorporation of powered ankle plantar flexion to help improve mobility. Using this approach, our pilot was able to navigate the tasks quickly, especially those that required ascending, and reliably achieve average, conservative walking speeds of 0.29 m/s. This enabled our team to place 2nd overall in the Powered Exoskeleton Competition in the 2016 Cybathlon.

연구 동기 및 목표

• 기존 외골격이 일반적으로 허리와 무릎 굽힘만을 구동하는 데에 국한되어 있어 功能이 제한되어 있다는 문제를 해결하기 위해.
• 외골격 성능에 발목 관절에서의 구동형 굽힘/굽힘 운동을 추가했을 때의 영향을 조사하기 위해.
• 구동형 발목 운동을 효과적으로 활용할 수 있는 보행 전략을 개발하여 마비된 사용자들의 이동성 향상을 위해.
• Cybathlon과 같은 실전 경쟁 대회 환경에서 복잡한 이동 과제 수행 시 보행 속도와 신뢰성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 발목 굽힘 및 굽힘 운동을 위한 활성 구동 장치를 갖춘 하지 외골격인 Mina v2의 설계 및 구현.
• 구동형 발목 운동을 활용해 추진력과 안정성을 향상시키기 위해 특별히 설계된 보행 패턴 개발.
• 실생활 과제 시나리오에서 성능을 테스트하기 위해 외골격을 마비된 조종사와 통합.
• 실시간 성능 평가를 위해 2016년 Cybathlon 구동형 외골격 대회에서 외골격을 실행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동형 발목 굽힘 운동이 이동 과제 수행 시 외골격 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 구동형 발목 운동을 포함한 보행 전략이 마비된 사용자의 보행 속도와 안정성 향상에 기여하는가?
• RQ3 구동형 발목 보조 기능이 오르막 오르기 및 복잡한 지형 이동에서 성능 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 발목 운동 기능을 갖춘 구동형 외골격이 실생활 대회인 Cybathlon에서 경쟁 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• Mina v2에 구동형 굽힘/굽힘 운동을 추가함으로써, 허리와 무릎만을 구동하는 외골격에 비해 이동성 성능 향상이 뚜렷하게 향상되었다.
• 팀은 평균 보행 속도 0.29 m/s를 달성했으며, 이는 과제 전반에서 보수적이나 안정적인 성능으로 평가되었다.
• 구동형 발목 관절은 오르막 오르기 과제에서 측정 가능한 이점을 제공하여 더 빠른 이동 시간을 기록했다.
• 외골격은 조종사가 대회 모든 과제를 성공적으로 완수할 수 있도록 지원하여, 2016년 Cybathlon 구동형 외골격 대회에서 종합 2위를 차지했다.