(A) lower-back exoskeleton with a four-bar linkage structure for providing extensor moment and lumbar traction force
저자
발행사항
Seoul : Graduate School, Korea University, 2022
학위논문사항
학위논문(석사)-- 고려대학교 대학원: 기계공학과 2022. 2
발행연도
2022
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
vii, 34장 : 천연색삽화, 도표 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 홍대희
참고문헌: 장 32-34
UCI식별코드
I804:11009-000000257272
DOI식별코드
소장기관
Lower back pain and related injuries are prevalent and serious problems in various industries, and are primarily caused by high-compression forces to the lumbosacral (L5/S1) region. Previous research on passive lower back exoskeletons focused on reducing lumbar muscle activation by providing an extensor moment. Additionally, lumbar traction forces can reduce the compression force, and is a common treatment method for lower back pain in clinics. In this paper, we propose a novel passive lower back exoskeleton that provides both extensor moment and lumbar traction force. The working principle of the exoskeleton, extending the coil springs during lumbar flexion, and its design criteria regarding the amount of each force element were provided. The kinematic model explained its operation, and the dynamic simulation estimated its performance and validated its satisfaction with the design criteria. Ten subjects performed static holding and dynamic lifting tasks, and the generated force elements in two directions, parallel and perpendicular to the trunk, were evaluated using a force sensor and electromyography sensors, respectively. The experiment demonstrated a pulling force opposite to the direction of intradiscal pressure and reduced erector spinae activation. This implies that the intervertebral pressure during static back bending or heavy lifting tasks will be reduced by wearing the exoskeleton. Thus, the suggested exoskeleton can reduce or prevent lower back pain and related industrial and daily living injuries.
더보기요통 및 관련 부상은 다양한 산업에 만연하는 심각한 문제이다. 이는 주로 Lumbosacral (L5/S1) region에 가해지는 과도한 compression force로 인해 발생한다. 이 문제를 완화하기 위해 passive lower back exoskeleton에 대한 이전 연구는 extensor moment를 제공하여 허리 근육의 활성을 줄이는 데에 초점을 맞추었다. 의학적 방법으로는 lumbar traction force을 제공하여 compression force를 줄이는 방법이 제시되어 왔다. 본 연구에서는 이 두가지 방법을 결합한, 즉, 허리 근육의 활성도를 줄이고 lumbar traction force를 제공하는 passive 타입의 lower back exoskeleton을 제안한다. 이 외골격은 착용자가 허리를 굽힐 때, 사절링크에 부착된 스프링의 길이가 늘어나면서 작용한다. 허리를 굽혔을 때 착용자의 허리에 가해지는 수직 및 수평한 각각의 힘의 요소가 설계 기준으로 사용되었다. 기구학적 방식으로 외골격의 작동 가능 범위를 확인하고 동역학적 시뮬레이션을 통해 외골격이 생성하는 힘을 계산하였다. 열 명의 실험 참가자를 대상으로 실험실 내 환경에서 정적 및 동적 리프팅 작업을 실시하여 외골격이 착용자에 미치는 영향을 조사하였다. 실험 결과는 외골격 착용이 허리의 근활성도를 감소시키고 traction force를 생성한다는 것을 증명하였다. 이는 정적 및 동적 리프팅 시 제안하는 외골격을 착용하면 디스크에 걸리는 compression force를 줄일 수 있음을 암시한다. 따라서 산업 현장 또는 일상생활에서 이 외골격을 착용한다면 요통 및 관련 부상을 줄이거나 막을 수 있을 것으로 기대된다.
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