[논문 리뷰] Soft Semi-active Back Support Device with Adaptive Force Profiles using Variable-elastic Actuation and Weight Feedback

Rohan Khatavkar, The Bach Nguyen외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 04.

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한 줄 요약

이 논문은 가변-강성 수동 요소와 활성 공압 근육을 병렬로 결합한 무선 결합형 untethered 소프트 백 서포트 디바이스를 제시하여 체중-적응형 힘 프로파일을 제공합니다. 전 forearm FMG 및 back-IMU 데이터를 사용해 다루는 무게를 감지하고 이에 맞춰 보조를 조정하며, EMG 감소로 입증되었습니다.

ABSTRACT

Portable active back support devices (BSDs) offer tunable assistance but are often bulky and heavy, limiting their usability. In contrast, passive BSDs are lightweight and compact but lack the ability to adapt their assistance to different back movements. We present a soft, lightweight, and compact BSD that combines a variable-stiffness passive element and an active element (an artificial muscle) in parallel. The device provides tunable assistance through discrete changes in stiffness values and active force levels. We validate the device's tuning capabilities through bench testing and on-body characterization. Further, we use the device's tuning capabilities to provide weight-adaptive object lifting and lowering assistance. We detect the weight handled by the user based on forearm force myography and upper-back inertial measurement unit data. Furthermore, electromyography analyses in five participants performing symmetric object lifting and lowering tasks showed reductions in back extensor activity. Preliminary results in one participant also indicated reduced muscle activity during asymmetric lifting.

연구 동기 및 목표

• 背部 부상 감소 및 다양한 허리 트렁크 근력 보유자에 대한 지지 동기 부여
• 실시간으로 튜닝 가능한 적응 보조를 제공하는 경량화되고 컴팩트한 BSD 개발
• 온보드 상태 및 체중 추정을 통한 체중-적응 리프팅/하강 지원 구현
• 벤치 테스트와 바디 EMG 실험을 통해 근활성 저감 확인

제안 방법

• 가변-강성 패시브 요소를 활성 공압 인공근육과 병렬로 연결하는 이원 구성 구동 패러다임 개발
• 전기 접착 클러치를 이용한 스티프니스 튜닝 메커니즘으로 저항 밴드의 유효 길이를 변화
• 장치를 스프링-네트워크로 모델링하여 밴드 강성 도출 및 IPAM 다이나믹스를 압력 기반 힘 모델과 통합
• 힘-연장 및 압력과의 관계를 2차 다항식으로 실험적으로 적합시켜 IPAM 힘 특성 규명
• 장치의 느슨함을 조정하기 위한 슬랙-튜닝 오리가미 근육과 전기접착 브레이크를 통합
• 전박 FMG 및 back-IMU 데이터를 사용해 사용자 상태와 체중을 분류하여 자동화된 힘-프로파일 선택

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부착형 untethered 형태에서 소프트 BSD가 튜닝 가능하고 적응적인 힘 프로파일을 제공할 수 있는가?
• RQ2 휴대용 환경에서 다루는 체중을 신뢰성 있게 감지하여 체중-적응 보조를 구동할 수 있는가?
• RQ3 가변-탄성 액추에이터가 리프팅 및 하강 중 등세부 근육 활동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 동적 조건에서 기구의 힘을 분석 모델이 얼마나 정확하게 예측하는가?

주요 결과

Device	Active or Passive	Rigid or Soft	Force Generating Element	Weight (kg)	Peak Torque (Nm)	Torque Density (Nm/kg)	Weight Adaptive Profile	EMG Reduction (%)
Slaughter et al. ( 2025 )	Passive	Soft	Elastic band	1.4	35	25	No	NA
Koopman et al. ( 2020a )	Passive	Rigid	Compliant mechanism	4	30	7.5	No	8
Song et al. ( 2024 )	Passive	Rigid	Compliant mechanism	5	7.04	1.41	No	NA
Khatavkar et al. ( 2025 )	Passive	Soft	Variable stiffness elastic band	1.2	20.4	17	No	NA
Lanotte et al. ( 2021 )	Active	Rigid	Direct drive motor	8	35	4.375	No	36.3
Li et al. ( 2023 )	Active	Rigid	Direct drive motor	6	N/A	N/A	No	11.63
Poliero et al. ( 2022 )	Active	Rigid	Direct drive motor	8	40	5	No	41
Liao et al. ( 2024 )	Active	Rigid	SEA	6.5	75	11.54	No	22.7
Ding et al. ( 2024 )	Active	Rigid	SEA	5	70	14	No	12.51
Hyun et al. ( 2020 )	Active	Rigid	SEA	5.5	94.5	17.18	No	33
Heo et al. ( 2022 )	Active	Rigid	Pneumatic cylinder	9.2	80	8.7	No	25.1
Song et al. ( 2023 )	Active	Rigid	Cable-drive	6.3	88.2	14	No	43.75
In Kim et al. ( 2024 )	Active	Rigid	Motorized spine	5.75	N/A	N/A	No	NA
Chen et al. ( 2025 )	Active	Rigid	Motorized spine	4.83	130	26.92	No	41.28
Cullen et al. ( 2026 )	Active	Soft	Cable-drive	4.35	76	17.47	No	6.7
Chung et al. ( 2024 )	Active	Soft	Cable-drive	2.7	30	11.1	No	17.6
This Device	Semi-active	Soft	Variable-elastic actuator	1.97	29	14.76	Yes	15

• EA 클러치를 이용한 두 가지 선택 가능한 강성 수준을 달성, 강성은 약 50% 증가(0.875에서 1.313 N/mm)하고 전환 지연은 300 ms 미만.
• IPAM 힘은 체중 적응 최적 구성에서 리프팅 작업 시 약 175 N에 도달할 수 있음.
• 다섯 명의 참가자에서 대칭 리프팅 시 등 세근 근육 활동 감소를 EMG 분석으로 확인.
• 수동 및 활성 구동의 결합(가변-탄성 액추에이터)이 더 무거운 활성 BSD와 유사한 토크 밀도를 달성하면서도 소프트하고 가벼운 형태를 유지.
• FMG 및 IMU를 통한 온보드 체중 추정이 체중-적응 힘 프로파일의 자율 선택을 가능하게 함.
• 동적 IPAM 모델과 다항식 힘 표면 결합이 정적/동적 시험에서 장치 힘을 정확히 예측.