표제지
ABSTRACT
목차
1장 서론 17
1.1. 연구 배경 및 동기 17
1.2. 연구 동향 21
1.3. 연구 목표 및 방법 25
1.4. 개요 26
2장 압박력 조절이 가능한 스트랩 28
2.1. 고관절 보조기를 이용한 예비 실험 28
2.1.1. 보조기와 착용자의 고관절 각도 비교 31
2.1.2. 스트랩과 착용자의 접촉면에서의 압력 분포 비교 37
2.1.3. 스트랩 장력 상태에 따른 인체생리적 반응 비교 40
3장 스트랩 압력 분포 성능 최적화 44
3.1. 구조적 강성 조절을 통한 스트랩 최적화 설계 방법 44
3.1.1. 접촉면 굴곡에 따른 스트랩 압력 측정 46
3.1.2. 스트랩 픽셀 구간 별 평균 압력 계산. 50
3.1.3. 그물 구조의 픽셀 크기에 따른 강성 계수 도출 52
3.1.4. 강성 계수에 따른 그물 구조의 픽셀의 크기 도출. 56
3.1.5. 스트랩 설계 및 압력 분포 성능 비교 60
4장 외골격 로봇에 적용된 압박력 조절이 가능한 스트랩 65
4.1. 외골격 로봇의 스트랩 압박력 조절 메커니즘 65
4.1.1. 하지마비 환자 대상 스트랩 성능 평가 68
4.2. 외골격 보행보조 로봇의 스트랩 정량적&정성적 평가 72
4.2.1. 착용자 맞춤의 스트랩 최적화 설계 75
4.2.2. 외골격 로봇과 착용자의 관절 궤적 비교 77
4.2.3. 스트랩과 착용자의 접촉면에서의 압력 분포 비교 78
4.2.4. 스트랩 압박 상태에 따른 정성적 착용성 평가 비교 83
5장 결론 86
참고문헌 88
표 1. 픽셀 구멍 지름에 대한 강성 계수 55
표 2. 스트랩 압박 상태에 따른 정성적 착용성 평가 84
표 3. 능동형 스트랩의 사용만족도 평가 85
그림 1. 다양한 타입의 웨어러블 로봇: (a) ReWalk Robotics 사의 Re Walk Personal 6.0, (b) Lower limb soft exosuit (kim et al,. 2019), (c) ekso bionics... 17
그림 2. 하지정맥궤양(VLU) 치료를 위한 압박력 조절 기술: (a) SMA을 이용한 압박력 조절 방법, (b) WHAM 을 이용한 압박력 조절 방법 22
그림 3. 와이어 구동 방식으로 고정부의 압박력 조절을 하는 Exo-Wrist 23
그림 4. 압력 분산 측면에서의 선행 연구: 물을 매개체로 이용하여 접촉면의 압력을 분산시키는 커프 24
그림 5. 분할된 영역의 구멍 크기와 배열 조절을 통해 압력을 균일하게 분산하는 방법 25
그림 6. 고관절 보조기와 고관절 움직임: (a) RCAI사의 고관절 보조기, (b) 인체의 고관절 움직임 28
그림 7. 고관절 보조기에 적용된 압박력 조절이 가능한 스트랩. 보행 단계에 따라 extension 동작에서는 스트랩의 압박력이 해제되며, flexion 동작에서는 압박력이 활성화된다. 29
그림 8. (a) 열가소성 폴리우레탄(TPU) 소재를 사용한 3d 프린팅 스트랩, (b) 그물 구조 스트랩의 기계적 특성 30
그림 9. (a) 압박력 조절이 가능한 스트랩의 개념 검증을 위한 실험 환경, (b) 스트랩 구동부 32
그림 10. 스트랩 제어 시스템 도식화 34
그림 11. 보조기와 착용자의 고관절 각도 비교: (검은색) 압박이 지속적인 스트랩, (빨간색) 압박이 주기적으로 조절된 스트랩, (파랑) 압박이 전혀 없는 스트랩 35
그림 12. 접촉면의 압력 분포 측정을 위한 압력 센서 패드 37
그림 13. 시간에 대한 평균 압력: (a) 스트랩 압박이 지속된 경우, (b) 스트랩 압박이 주기적으로 조절된 경우 38
그림 14. 보행 단계에서의 스트랩 평균 압력 39
그림 15. 피부 온도 측정 센서의 부착 위치 41
그림 16. 지속적인 스트랩 압박과 주기적인 스트랩 압박 상태에서 다리 오금에서의 피부온도 변화 42
그림 17. 스트랩 그물 구조의 강성 조절을 통한 스트랩 최적화 설계 방법: (a) 그물 구조의 픽셀에 대한 압력 계산, (b) 스트랩 그물 구조의 픽셀 별 강성 계수와... 44
그림 18. 접촉면 굴곡에 따른 압력 측정 실험 환경 (a) 실험 목업 셋업 (b) 압력 측정 실험을 위한 굴곡 형상 3가지, (c) 균일한 픽셀로 구성된 그물 구조의 스트랩 47
그림 19. 접촉면 굴곡 형상에 따른 압력 분포 결과 49
그림 20. 압력 센서 패드로 측정된 데이터(P(cell)₁.₁)를 그물 구조의 픽셀의 크기에 할당하는 압력(P(pixel)₁.₁)으로 변환[이미지참조] 50
그림 21. 접촉면의 굴곡 형상에 대한 그물 구조의 스트랩 픽셀 별 평균 압력 계산 결과 51
그림 22. (a) 그물 구조의 픽셀 (b) 픽셀 구멍 크기에 따른 샘플 (위에서부터 구멍 지름 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5mm), (c) 샘플의 인장시험 실험 환경 53
그림 23. 픽셀 구멍 지름에 대한 인장 시험 결과 54
그림 24. 3차 다항식으로 피팅 된 픽셀 구멍 지름에 대한 강성 계수 56
그림 25. 스트랩 픽셀 별 평균 압력에 대한 강성 계수(k') 58
그림 26. 스트랩 픽셀 별 강성 계수(k')에 대한 픽셀 구멍 지름(d') 59
그림 27. 각 형상에 따라 최적화 설계된 스트랩 60
그림 28. (a) 접촉면의 굴곡에 따른 압력(P(cell)i,j) 분포: 왼쪽(기존 스트랩), 오른쪽(최적화 스트랩), (b) 집중된 압력이 포함된 열의 압력 분산[이미지참조] 61
그림 29. (a) 접촉면의 굴곡에 따른 압력(P(cell)i,j) 분포: 왼쪽(기존 스트랩), 오른쪽(최적화 스트랩), (b) 집중된 압력이 포함된 열의 압력 분산[이미지참조] 62
그림 30. (a) 접촉면의 굴곡에 따른 압력(P(cell)i,j) 분포: 왼쪽(기존 스트랩), 오른쪽(최적화 스트랩), (b) 집중된 압력이 포함된 열의 압력 분산[이미지참조] 63
그림 31. 로봇과 착용자의 관절 궤적 오차를 고려한 보행 단계에 따른 필요한 스트랩 압박력 65
그림 32. Passive pulley system을 이용한 외골격 보행보조 로봇의 압박력 조절 메커니즘 구조. 66
그림 33. 스트랩 압박력 조절 메커니즘(능동형 스트랩)이 적용된 COWALK-Mobile Strap 67
그림 34. 외골격 보행보조 로봇의 균일한 그물 구조 스트랩 (그물 구조의 스트랩 구멍 지름 4 mm) 68
그림 35. 외골격 보행 보조 로봇: (a) COWALK-Mobile 3, (b) COWALK-Mobile Strap 69
그림 36. (a) COWALK-Mobile 3, (b) COWALK-Mobile Strap 시간에 대한 평균 압력 측정 결과, (c) 보행단계에 따른 평균 압력 비교 결과 71
그림 37. COWALK mobile strap 로봇 (좌), 일반 스트랩(우 상단), 능동형 스트랩(우 하단) 74
그림 38. 압박력 조절 메커니즘이 적용된 외골격 보행보조 로봇의 스트랩 압박력 변화 76
그림 39. 압력 분포 성능이 최적화된 그물 구조 스트랩의 최종 설계 77
그림 40. 일반 스트랩과 능동형 스트랩의 관절 궤적 오차 77
그림 41. 시간당 평균 압력 분포 결과: (a)일반 스트랩. (b)능동형 스트랩(균일 구조), (c)능동형 스트랩(최적화 구조) 80
그림 42. 보행 주기에 대한 전체 압력 셀의 평균 압력 81
그림 43. Heel strike에서의 능동형 스트랩 압력 분포 성능 (a) 균일한 구조의 스트랩, (b) 최적화 구조의 스트랩, (c) 균일 구조와 최적화 구조의 압력 분산 크기 83