Development of wearable sensor system including optical 3-axis force plate and its application to knee joint assist robot

Abstract

고령화 사회가 진행됨에 따라 근력약화로 인해 보행에 불편을 겪는 노약자의 이동 권리가 중요해졌다. 이를 위해 여러 가지 보조기구가 개발되어 왔지만 대부분의 기구는 수동적인 것으로 이용에 제한적이다. 최근, 발전하는 로봇기술과 더불어 보조로봇 개념의 능동 보고 기구가 개발되고 있으나 아직 상용화되기에는 이른 단계이다. 일부 로봇은 군사용 목적으로 부하가 인가된 로봇을 착용하고 저항감을 느끼지 못하도록 제어함으로써 간접적인 근력 보조가 가능하도록 설계되었다. 직접적인 근력 보조를 위한 로봇은 생체 신호에 기반한 방법과 하지 모델에 기반한 방법이 대표적인데 근전도 신호와 같은 생체 신호 방법은 탈부착이 불편하고 사용자와 부착위치에 따른 보정 작업이 수반되어 단점이 크다. 인체 모델에 기반한 방법은 사람이 모델과 운동 정보로부터 하지 관절의 토크를 추정함으로써 의도를 파악하는데 정확한 운동 측정이 필수적이다. 직접적인 보조 방식을 이용한 하지 보조 기구도 기 개발된 사례가 있지만 사람의 움직임과 지면반력을 측정하는데 어려움으로 제한적인 가정으로 보조가 이루어졌다. 예를 들어, 지면 반력의 수직한 성분만을 고려하거나 인체 모델을 정적인 상태로 가정하여 필요 토크의 일부만 보조하였다. 정확한 관절 토크 추정하여 하지 근력을 직접적으로 보조하기 위해서는 착용형 센서를 이용한 동역학 정보 획득이 매우 중요하다. 기존의 인체 운동정보 획득은 연구실 환경과 같은 고정된 장소에서 카메라 기반의 모션 캡쳐 장비와 고정식 포스 플레이트를 이용하여 이루어졌다. 하지만 이동로봇에 적용하기 위해서는 공간의 제약을 극복하고 고가의 기존 장비를 대체할 수 있는 대안이 필요하다. 본 연구에서는 이를 위해 광학식 3축 포스 플레이트를 포함한 착용형 센서 시스템을 개발하였다. 개발된 착용형 포스 플레이트는 광학식 힘센서를 이용하여 3축의 반력힘과 작용점을 측정할 수 있다. 기존의 스트레인게이지를 이용한 방식에 비해 소형화하는데 유리하며, 광 신호를 이용하기 때문에 증폭과 노이즈 필터가 따로 필요없고 저가의 비용으로 시스템을 구축할 수 있는 이점이 있다. 또한 박막형으로 설계된 포스 플레이트는 움직임의 간섭을 최소화하여 이동성을 보장한다. 착용형 모션 센서는 무선 관성 센서를 발, 종아리, 허벅지, 상체에 각각 부착하여 3차원 운동을 측정하도록 구현하였다. 또한 내장된 가속도 센서를 이용한여 하지 각 부분의 무게중심에서 속도, 가속도 등의 운동 정보를 측정할 수 있도록 하였다. 최종적으로 개발된 착용형 센서 시스템의 지면 반력값과 관절 각, 각가속도 및 선 가속도 성분은 기존의 모션 캡쳐 장비와 비교하여 그 타당성을 검증하였다. 또한 착용형 센서 시스템으로부터 측정된 운동 정보를 이용하여 관절 토크를 추정하기 위해 인체 측정 데이터에 기초한 근사 인체 모델을 수립하였고 역동역학 계산을 통하여 각 관절의 토크를 추정하였다. 목표 동작은 일상 생활에서 빈번하게 발생하는 대표적인 동작 (계단 오르기, 앉았다 일어서기, 의자에 앉고 일어서기, 걷기)으로 설정하고 실시간으로 관절 토크값을 산출할 수 있는 시스템을 구현하였다. 일상생활의 움직임에 상대적인 부하가 가장 많이 걸리는 무릎관절을 보조하기 위해 수동 장하지 보조기와 같은 기구를 구성하고 시상면의 무릎 축에 모터를 부착하여 무릎관절 보조로봇을 제작하였다. 구동기는 로봇 및 모터 자체의 모델을 보상하고, 동시에 추정된 무릎 관절 토크를 실시간 인가하도록 구성되었다. 장착된 센서는 본 연구에서 개발된 착용형 센서 시스템이며 무릎관절 보조로봇에 응용되었다. 제안된 착용형 센서 시스템으로 계산된 관절 토크는 전단 마찰력을 고려한 값으로 수직방향의 지면 반력만 고려하여 계산한 결과보다 높은 정확성을 나타낸다. 정밀한 관절 토크 추정을 통하여 보조로봇의 제어함으로써 사용자는 저항감을 최소화하며 보조로봇과의 상호작용이 가능하다. 개발된 착용형 센서와 보조 로봇은 기존의 모션 캡쳐장비에 준하는 성능으로 선행연구 대비 정밀한 토크 추정값을 제공하였다. 해당 시스템은 보조로봇 뿐만 아니라, 보행 분석 및 진단, 재활 등의 여러 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.