2023. 11. 28. 18:04ㆍ카테고리 없음
https://ieeexplore.ieee.org/document/8097012
cybathlon : 사이배슬론, 스위스 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)가 주최하는 신체 일부가 불편한 장애인들이 로봇과 같은 생체 공학 보조장치를 통해 경기를 겨루는 방식으로 진행하는 대회.
사이배슬론 : 사이보그(인조인간)(cyborg) + 애슬론(경기)(athlon)
2016년에 처음 개최됨. 선수들 : 파일럿. 하반신 마비(paraplegia). 일상생활활동(activities of daily living, ADL)
동메달리스트. Team SG Mechatronics WalkON Suit 라 불리는 powered exoskeleton을 개발했다.
[Overview of Powered Exoskeletons]
척추 부상(spinal-cord injury, SCI)은 많은 사고와 질병을 유발한다. SCI를 가진 환자들에 대한 의학적 치료가 발전함에 따라 사망률이 상당히 감소하고, 기대 수명이 개선되었다. 그럼에도 불구하고, 환자들은 피부에 대한 손상, 소화기관 시스템 등의 부작용으로 여전히 고통받고 있다. 대부분의 경우, 걷기(walking)는 ADL을 위한 필수적인 움직임 뿐만 아니라 하반신 마비 환자들이 건강 상태를 유지하기 위한 필수적인 운동이다. 이들을 위한 powered exoskeleton은 Rewalk Robotics 등의 기업에서 연구되어져왔다. 일반 소비자들에게 이것을 구매하는 것은 높은 가격 뿐만 아니라 ADL을 돕는 제한적인 기능으로 인해 어려운 결정이다. 사이배슬론 2016에서 powered exoskeleton은 "소파에서 앉고 일어나기", "회전운동하며 걷기", "일어나서 문 열기", "랜덤으로 위치한 돌 위를 걷기", "기울어진 경로로 걷기", "6개의 계단들을 내려가고 올라가기"와 같은 ADL을 돕기 위한 필수적인 기능의 개발을 제시했다.
[Design of the WalkON Suit]
시스템은 액츄에이션 시스템의 조합, 로봇 다리의 조합, 제어유닛 회로, 배터리를 담고 있는 가방 등으로 구성된다.
액츄에이션 시스템의 요구조건은 앉고 일어나기 동작의 파워 필요성에 기반해 결정되었다. 몇몇 연구는 무릎과 엉덩이 신근(근육) 토크는 최대 각각 1.170N m/kg. 0.914 N m/kg이라고 보고했다. 이런 일반화된 값들은 파일럿과 이 슈트의 무게를 곱한 절대적인 값으로 변환되었다. 왜냐하면 파일럿과 슈트의 무게가 75kg과 27kg이기에, 요구되는 무릎 토크는 최소 120Nm이고 엉덩이토크는 94Nm이다. 게다가, 기어 변속기의 효율이 60%로 가정되었다. 최대 토크는 각 모터의 stall torque로 계산되었다. (table1)
가장 큰 어려움은 사이배슬론이 ISO13482:2014와 ISO22523:2011에 기반한 안전 이슈의 적절한 해결책을 요구했다. 수트의 위험을 줄이기 위한 작업이 한 달 넘게 진행되었다. 많은 risk-management 전략이 슈트에 적용되었고, 가장 성공적인 것은 동기와 액츄에이션 모듈이다. (fig 2.c) 4개의 전기 모터가 조인트를 움직이기에 사용되었고, 이들은 큰 액츄에이션 힘을 얻을 뿐만 아니라 모터 failure의 위험을 감소시켰다. 여러 모터를 일치화하기 위해서, 한 모터가 높은 controller gain으로 position mode로 제어되었고, 나머지 모터들은 current (torque) mode로 제어되었다. (Development and verification of life-size humanoid with high-output actuation system). Maxon motor사의 BLDC 모터를 조합해 사용하면서 큰 assistive joint torque를 만들어냈다.
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ISO13482:2014 : 본질적인 안전한 설계를 위한 가이드라인, 특별히 mobile servant robot, physical assistant robot, person carrier robot. 이러한 로봇들은 나이나 수용 등력에 상관없이, 의도된 사람들의 삶의 질을 높이는 task를 수행
이것은 human-robot physical contact application을 포함한다.
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hip joint가 bldc모터에 의해 직접 작동된 반면에, knee joint는 linkage 메커니즘으로 작동되었다.(fig2.b) 왜나하면 linkage는 트렁크(백팩)과 정강이 윗부분을 연결하기 때문에, knee joint는 다관절적으로 모터에 의해 작동된다. 이 방법은 전통적인 로봇 joint인 단관절 방법과 비교하면, 토크-힘 변환 효율에서 큰 이점이 있다. 다관절 방법은 특정 모션에서 적은 모터 토크로 큰 end effector 힘을 만들 수 있다. 그러므로, 이 방법은 전체적인 힘 동력 효율의 발전에 크게 기여했다.
백팩은 메인 컨트롤 유닛이고 컴퓨팅 디바이스인 cRIO-9038이 포함되었다. WalkON suit는 4개의 독립적인 4개의 배터리로 되었다.
IMU가 파일럿의 안전을 위해 트렁크 기울기를 측정하는 데 사용되었다. 비정상적인 파일럿 트렁크 기울음은 기운 각도에 따라 결정된다. 이 슈트와 함께, 10도 이상의 연속적인 의도되지않은 기울음이 비정상으로 판단된다. imu와 함께, 자동 오류-감지 알고리즘이 위험을 감지하고 운영 게획을 계획한다.
슈트의 joint angle은 absolute, incremental 엔코더를 이용해 측정되었다. absolute 엔코더의 resolution은 정밀한 제어를 위해 충분하지 않다. 그러므로, 높은 resolution을 가진 incremental encorder가 모터에 적용되었다. 왜냐하면 incremental 엔코더는 absoulte angle을 측정할 수 없기 때문에, 이는 초기 상태에서 absolute 엔코더에 의해 absolute angle을 측정하여 초기화 되었다.
지면의 접촉을 결정하기 위해서 smart shoe system이 사용되었다.실리콘 튜브와 공기압 센서로 구성되있다.
RoM(range of motion) 은 하반신 마비의 특성 상 매우 제한되었다.
knee-ankle-foot orthosis(보조기) (KAFO) 는 파일럿의 몸과 로봇 다리를 연결하는 장치이다. 그러므로, 이것은 powered exoskeleton의 safety와 usability를 결정하는 가장 중요한 요소들 중에 하나이다. 왜냐하면 슈트의 액츄에이션 힘이 KAFO를 통해서 인간의 몸으로 전달되기에, 인간 몸의 형상에 완벽히 맞아야 한다. 특별히 이 슈트가 완전한 하반신 마비 환자를 위해 사용되기에, 파일럿은 전혀 자원적인 근육 힘을 만들어 내지 않는다. 그러므로, 비록 인간 몸 부분이 KAFO를 통해 로봇 다리와 완전히 연결되어 있는 한, 액츄에이션 힘은 인간 몸으로 적절히 전달되지 않을 것이다, 왜냐하면 비정상적인 고통을 초래하기 때문이다. 부적절한 사용은 상처와 만성적인 아픔을 줄 수 있다.
환자들은 RoM을 제한하는 joint contracture (근육 경축)을 겪는다. 그러므로, 이를 고려해서 KAFO를 생각해야 한다.
[control system]
1. start-up 모드는 파일럿이 기계적 파워 스위치를 킨 후 로봇 오퍼레이션을 초기화하는 데 사용된다. 그 후 배터리가 공급된다. FPGA 레벨에서 임베디드 된 프로그램이 처음 로드된다. 메인 프로그램이 로드된다.
2. safe 모드는 output과 액츄에이션 시스템이 제한되는 동안 하드웨어와 소프트웨어의 상태가 신중하게 체크된다.
3. locomotion (이동) 모드는 파일럿의 명령에 따라 액츄에이션 시스템의 궤적 생성과 모션 컨트롤의 프로레스이다. 파일럿은 환경에 따라 이동 페이즈를 바꿀 수 있다. 이동 페이즈는 걷기, 앉기/일어나기, 올라가는이동/내려가는이동, negotiating stones, 기울어진 경로 이동, 계단 걷기 로 나눠져있다. 파일럿의 안전을 확보하기 위해, automatic fault-detection 알고리즘이 main control program에서 실행된다. 어떤 위험한 failure가 감지되면, 적절한 메시지가 생성되어 파일럿이 잠재적 failure에 대응할 수 있게 한다.
4. shutdown 모드는 슈트가 벗겨진 이후, 모든 오퍼레이션을 종료하는 모드이다. start-up 모드와 상호작용하는 과정이다.
control system의 주요 기능은 다음과 같다.
1. joint trajectory generation 기능
2. motion control 기능
3. real-time risk assesment and management 기능
1. joint trajectory generation 기능
robust stability를 위해, Center of Gravity(CoG)를 control하는 것은 걸을 때 powered exoskeleton에 있어서 가장 중요한 문제일 것이다. 만약 swing phase에서 cog가 발 근처에 있다면, exoskeleton은 균형을 읽고 옆으로 넘어질 것이다. 그러므로, cog는 stance phase의 foot area에 항상 위치해야 한다.
왜냐하면 완전한 하반신 마비 환자들은 수 년동안 그들의 다리를 사용하지 않았기에, 근육의 손실을 느낄 것이다. ; 하반신의 무게가 상반신보다 가볍다. 그러므로, 무게가 상반신에 집중되어있다. 게다가, 다관절 메카니즘 때문에 슈트의 무게가 허리 위치에 집중된다. 그러므로, exoskeleton을 착용한 하반신마비 환자의 cog는 상반신의 중심과 가깝다고 가정하고, 앞으로 기울어져있어 cog가 leading leg에 위치하도록 한다. 새로운 gait(걸음걸이) 패턴, forward-inflection(굴절) walking (FIW)는 knee-joint constraint 아래에서 leading leg와 trailing leg 사이에서 높이 차이에 의해 앞쪽으로 상반신이 기울어지는 것을 가능하게 한다. (fig.5.a)
Dh는 trailing leg의 높이, Hf는 leading leg와 trailing leg의 높이 차이이다.
FIW의 joint constraint는
theta_k는 knee-joint anlge, theta_h는 hip-joint angle이다. 이 구속조건을 따라서, 정강이는 항상 몸과 평행하며, 심지어 Hf가 변하더라도, 그리고 knee joint는 일반적인 걸음과 달리 stance phase의 초기에 완전히 연장되지 않는다. 만약 완전히 연장된다면, cog는 leading leg에 위치하지 않는다, 심지어 상반신이 앞쪽으로 기울어져있어도. 그러나, cog는 FIW방법에서 leading leg에 위치해있는데, 왜냐하면 knee-joint 유연성이 knee-joint 구속조건을 통해 유발하기 때문이다.
또한, 제안된 FIW 걷기 방법은 Hf를 대회에서 필요한 계단의 높이 등에 따라 수정하면서 joint-angle 궤적을 수정했다.
fig5.d의 knee-joing angle은 항상 대락 10%보다 큰데, 왜냐하면 파일럿의 knee-joint contracture 때문이다. joint-angle 궤적들은 일반적인 걸음걸이와는 조금 다르다. 왜냐하면 일반적인 걸음걸이는 인간의 몸의 자연적인 dynamics를 활용하기 때문에, 연속적인 정현파의 파형을 가진다. 대조적으로, 이 슈트의 움직임은 준정적 상태(quasi-static, 동적인 영향을 무시하고 정적인 상태에 있다고 가정) 이기에 joint-angle 궤적은 stance phase에서 지속적으로 몸을 앞쪽으로 나아가게 하고, swing phase에서 큰 clearance를 제공한다.
2. motion control 알고리즘
파일럿이 명령을 내리면 real time으로 xd, zd(발의 desired poisition)가 결정된다. 그 후, theta_r_hip, theta_r_knee(desired joint angle trajectories)가 로봇 다리의 IK에 의해 결정된다. joint actuator의 control input 은 다음과 같이 결정된다.
k는 현재 이산화된 시간이고 e(k)는 각 joint의 tracking error이다. f1과 f2의 feedforward controller gain이고, c1,c2,c3는 feedback controller gain이다. ec(k)는 누적된 에러이다.
T는 sampling period이고 s는 가변 변수이다. s=0일때 ec(k)는 0으로 초기화된다.
슈트의 작동 동안, controller gain들은 걸음걸이 phase에 따라 변화한다. stance phase에서, 로봇 다리는 몸체의 무게와 동역학적 하중 때문에 큰 disturbance에 노출되었다. 또한, 이 외란들은 속도, 지면 상태 같은 걷기 조건에 따라 지속적으로 변화한다, 그러므로, 높은 gain control은 선호되지 않는다. 왜냐하면 control input은 외란의 변화에 따라 대폭 변경되는데, 이것은 전체적인 control system의 비안정성을 유발하고 파일럿을 불편하고 불안하게 만든다. 그러므로, 로봇 다리는 PD제어와 관련된 feedback control gain들, c1과c2에 의해 제어된다.
대조적으로, swing phase에서의 joint 움직임이 stance phase에서보다 크기 때문에, swing phase에서 로봇 다리의 빠른 움직임이 요구된다. 게다가, 이 phase에서 외란이 크게 유효하지 않다. 그러므로, feedforward control gain인 f1과 f2, Integral control action c3, s,가 활성화된다.
이 걸음걸이 계획 방법은 효율적이지만 phase가 변화할 때 갑작스런 효과를 유발한다. stance phase에서 low gain control은 tracking error 상승을 유발한다. 그러나,이 큰 tracking error는 충동적인 control input을 유발한다, 왜냐하면 controller gain들이 갑자기 swing phase가 시작하면서 크게 되기 때문이다. 이러한 경우에, 파일럿이 불편함을 느끼고 균형을 잃는다. 그러므로, joing-angle 궤적은 적절히 변화했다, desired joint angle 궤적이 swing phase의 joing angle에서부터 시작해야 한다.
3. real-time risk assessment and management
automatic fault-detection 알고리즘이 작동 중 지속적으로 모든 가능한 로봇 시스템의 위험 요소를 모니터하고 만약 failure가 발견되면 management plan을 제공한다. fault의 위험은 심각도에 따라 다양한 단계로 구별된다.
- caution : fault의 위험이 적지만, risk management 없이 장기의 작동은 위험을 유효하게 증가시킨다. 30분 내로 멈추는게 권장된다.
- warning : fault의 위험이 의미있고, risk management 없이 지속적인 작동은 유효하게 위험을 증가시킨다. 10분 내로 멈추는게 권장된다.
- danger : fault의 위험이 critical하고, risk management 없이 지속적인 작동은 갑자기 emergency situation을 유발할 수 있다.
- emergency : fault의 위험이 치명적이고, 파일럿의 부상이 발생할 수 있다. 즉시 멈추는 것이 의무적이다.