[논문 리뷰] Spine-Inspired Continuum Soft Exoskeleton for Stoop Lifting Assistance

Xiaolong Yang, Tzu-Hao Huang외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 04.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 인간 척추의 구조를 모방한 연속형 소프트 외골격을 제안하여, 척추에 밀착되어 허리 디스크의 압축력, 전단력 및 근육력 감소를 통해 침하 및 꿇고 일어나는 자세에서 다기능성의 보조를 제공한다. 버튼 케이블 구동 소프트 액추에이터와 가상 임피던스 제어를 사용하여 프로토타입은 정밀한 힘 추적(6.63 N RMS 오차)과 조절 가능한 스텝을 달성하여 다양한 자세에서 척추 부하 감소 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Back injuries are the most prevalent work-related musculoskeletal disorders and represent a major cause of disability. Although innovations in wearable robots aim to alleviate this hazard, the majority of existing exoskeletons are obtrusive because the rigid linkage design limits natural movement, thus causing ergonomic risk. Moreover, these existing systems are typically only suitable for one type of movement assistance, not ubiquitous for a wide variety of activities. To fill in this gap, this paper presents a new wearable robot design approach continuum soft exoskeleton. This spine-inspired wearable robot is unobtrusive and assists both squat and stoops while not impeding walking motion. To tackle the challenge of the unique anatomy of spine that is inappropriate to be simplified as a single degree of freedom joint, our robot is conformal to human anatomy and it can reduce multiple types of forces along the human spine such as the spinae muscle force, shear, and compression force of the lumbar vertebrae. We derived kinematics and kinetics models of this mechanism and established an analytical biomechanics model of human-robot interaction. Quantitative analysis of disc compression force, disc shear force and muscle force was performed in simulation. We further developed a virtual impedance control strategy to deliver force control and compensate hysteresis of Bowden cable transmission. The feasibility of the prototype was experimentally tested on three healthy subjects. The root mean square error of force tracking is 6.63 N (3.3 % of the 200N peak force) and it demonstrated that it can actively control the stiffness to the desired value. This continuum soft exoskeleton represents a feasible solution with the potential to reduce back pain for multiple activities and multiple forces along the human spine.

연구 동기 및 목표

• 반복적인 들어 올리기 작업으로 인한 직업적 허리 부상의 높은 유병률을 해결하기 위해.
• 단일 운동 보조에 국한되고 자연스러운 움직임을 제한하는 견고한 외골격의 한계를 극복하기 위해.
• 다중 척추 힘(압축, 전단, 근육)을 동시에 감소시키는 소프트, 밀착형 착용형 로봇을 설계하기 위해.
• 걷기 운동을 방해하지 않으면서 침하 및 꿇고 일어나는 자세 모두에서 보조를 제공하기 위해.
• 케이블 히스테리시스를 보완하고 정밀한 조절 가능한 스텝을 가능하게 하는 제어 전략을 개발하기 위해.

제안 방법

• 인간 척추의 해부학적 구조를 모방하여 연속형 소프트 외골격을 설계하여 밀착 접촉과 힘 분포를 보장한다.
• 소프트 외골격의 운동학 및 역학을 모델링하여 인간-로봇 상호작용 힘을 분석한다.
• 들어 올리는 동안 디스크 압축력, 전단력 및 근육력 감소를 정량화하기 위해 분석적 생체역학 모델을 개발한다.
• 힘 출력을 조절하고 버튼 케이블 히스테리시스를 보완하기 위해 가상 임피던스 제어 전략을 구현한다.
• 실시간 스텝 조절이 가능한 케이블 구동 소프트 액추에이터 시스템을 사용하여 원하는 기계적 임피던스를 일치시킨다.
• 통제된 들어 올리기 조건에서 세 명의 건강한 피험자 대상 실험 테스트를 통해 프로토타입을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 침하 자세에서 소프트 외골격이 허리 디스크의 압축력 감소에 효과적으로 기여할 수 있는가?
• RQ2 연속형 소프트 외골격이 동적 들어 올리기 작업 중 허리 디스크의 전단력과 근육력 감소에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 가상 임피던스 제어 전략이 케이블 히스테리시스를 얼마나 잘 보완하여 정밀한 힘 전달을 가능하게 하는가?
• RQ4 침하 및 꿇고 일어나는 자세 모두에서 보조를 제공하면서도 외골격이 비침습적으로 작동할 수 있는가?
• RQ5 비들어 올리기 활동 중 소프트 외골격이 자연스러운 보행 역학을 유지하는가?

주요 결과

• 프로토타입은 힘 추적에 대해 6.63 N의 루트 평균 제곱 오차(RMS)를 기록하여 최대 200 N 힘의 3.3%에 해당하여 높은 제어 정밀도를 입증했다.
• 외골격은 시뮬레이션된 들어 올리기 작업 중 디스크 압축력, 디스크 전단력 및 허리 근육력 감소에 성공적으로 기여했다.
• 가상 임피던스 제어 전략은 케이블 히스테리시스를 효과적으로 보완하여 안정적이고 정밀한 힘 전달을 가능하게 했다.
• 시스템은 활성 스텝 제어를 통해 다양한 들어 올리기 자세와 사용자 요구에 맞게 적응할 수 있었다.
• 세 명의 건강한 피험자 대상 실험 테스트를 통해 실제 생활에서의 들어 올리기 보조를 위한 설계의 타당성이 확인되었다.
• 소프트 외골격은 걷기 운동을 방해하지 않아 비들어 올리기 활동 중에도 자연스러운 보행을 유지했다.