착용자 보행패턴인식과 자세 안정화가 가능한 로봇대퇴의지의 보행 알고리즘 개발 = Walking algorithm of a robotic transfemoral prosthesis capable of walking pattern recognition and posture stabilization

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 대퇴절단자의 보행 모션에 동기화된 로봇대퇴의지의 보행 패턴을 생성 알고리즘과 경사 지형에서의 균형 유지를 위한 자세안정화에 대하여 서술하였다. 우선, 본 연구를 위하여 개발된 로봇대퇴의지는 경사 지형 및 계단에서의 안정적인 보행을 위하여 총 3개의 관절을 가지고 있다. 계단을 오르내릴 수 있도록 무릎 관절을 갖추었으며, 발목에 두 개의 롤/피치 구동 축을 구성하여 복잡한 경사 지형에서도 보행할 수 있도록 하였다. 특히, 착용자 고유의 걸음새를 보다 정확히 묘사하기 위하여, 모션 캡쳐를 통하여 착용자의 걸음새 궤적을 기준보행패턴으로 사용하였다. 그리고 두 개의 관성센서를 착용자의 양쪽 대퇴부에 부착하여 착용자의 보행 의도와 걸음 주기 백분율 및 보행 보폭을 실시간으로 도출하였으며, 얻어진 걸음 주기 백분율과 기준 보행 패턴으로부터 로봇대퇴의지 관절의 각도를 실시간으로 구하였다. 또한, 지면의 기울기변화에 대한 자세 안정화를 수행하기 위하여 발바닥에 부착된 F/T(힘/모멘트) 센서를 바탕으로 임피던스 제어와 ZMP 제어를 수행하였고, 로봇대퇴의지의 발바닥과 정강이에 장착된 관성 센서를 통하여 지면 경사 보상과 외란 제거를 수행하였다. 최종적으로 경사가 주어진 트레드 밀과 일반 도로에서 수행한 보행 실험으로부터 보행 패턴 생성 알고리즘과 자세 안정화 제어의 성능을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper describes a walking pattern generation algorithm of a robotic transfemoral prosthesis that is synchronized with walking motion of a transfemoral amputee and a posture stabilization for ground adaptation and maintenance of balance on inclined ground. The developed robotic transfemoral prosthesis for this study has three joints for stable walking on inclined grounds and stairs. It has a knee joint for climbing or descending stairs, and roll and pitch joints at the ankle for walking on complex slopes. In particular, walking motion data obtained from the motion capture system is used as a standard walking pattern data in order to accurately imitate the wearer’s inherent gait. Walking intention, percent of gait cycle (PGC), and walking stride are predicted through two inertial sensors attached at both thighs, and joint angles of the robotic transfemoral prosthesis are then generated in real-time from the PGC and the standard walking pattern data. In addition, variable impedance control and zero moment point (ZMP) control are performed by using a force/torque sensor for posture stabilization against the variable ground slope, and the ground slope compensation and disturbance rejection are also performed through the use of inertial sensors at the foot and the shank. Consequently, the performance of the walking pattern generation algorithm and posture stabilization control is verified through walking experiments on the inclined treadmill and normal street roads.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 기존의 연구 사례 3
• 1.3 연구의 목적 4
• 2. 설계 및 제어 시스템 5
• 2.1 로봇대퇴의지 5
• 3. 보행 알고리즘 8
• 3.1 모션 캡쳐 10
• 3.2 보행 패턴 생성 12
• 3.2.1 [Step 6] Phase Leading 14
• 3.2.2 [Step 8] First or Final Step Smoothing Mode 17
• 3.3 가변 임피던스 제어 및 지면 경사 보상 21
• 3.4 Zero Moment Point(ZMP) 제어 27
• 4. 실험 결과 37
• 4.1 보행 패턴 생성 37
• 4.2 시상면상 자세 안정화 43
• 4.3 관상면상 자세 안정화 47
• 5. 결론 53