정상적인 보행 중에 사용자에게 빠르게 적응할 수 있는 외골격을 개발
[장애인인식개선]스탠보드 대학 스티븐 콜린스(Steven Collins) 연구팀,보행을 돕는 로봇 외골격 연구개발 발표정상적인 보행 중에 사용자에게 빠르게 적응할 수 있는 외골격을 개발
(장애인인식개선신문=최봉혁기자) 미국 보건복지부에 따르면 스티븐 콜린스(Steven Collins) 박사가 이끄는 스탠포드 대학(Stanford University)의 NIH 지원 연구팀은 정상적인 보행 중에 사용자에게 빠르게 적응할 수 있는 외골격을 개발했다. 이 연구결과는 2022년 10월 12일 Nature 에 실렸다.
수백만 명의 사람들이 걷기 힘든 조건을 가지고 있다. 수백만 명이 직업의 일부로 격렬한 움직임을 정기적으로 수행한다. 다리를 움직이는 데 도움이 되는 외골격이라는 웨어러블 로봇 장치는 이 두 그룹에 모두 도움이 될 수 있다. 실험실 환경에서 이러한 장치는 사람들이 더 적은 에너지를 사용하면서 더 빨리 걸을 수 있도록 도왔다. 그러나 다양한 장애물로 인해 이러한 장치가 일상적인 사용에 실용적이지 못했다. 보행 성능에서 최상의 개선을 얻으려면 외골격이 개별 사용자의 요구에 적응해야 한다. 그렇게 하려면 일반적으로 사용자의 움직임과 신진대사율에 대한 광범위한 데이터가 필요하다. 이 데이터를 수집하려면 값비싼 실험실 장비와 러닝머신 위에서 몇 시간이 걸린다. 이것은 소비자 의료 기기에 대해 비용이 많이 들고 비실용적이다.
첫째, 연구원들은 움직임 데이터에서 상대 대사율을 추정하는 모델을 개발했다. 이를 통해 외골격은 보행 중에 필요한 모든 데이터를 웨어러블 센서에서 얻을 수 있으므로 실험실에서 데이터를 수집할 필요가 없다. 연구자들은 사람들이 다양한 조건에서 걸을 때 이전 실험에서 수집한 광범위한 움직임과 대사 데이터를 기반으로 모델을 기반으로 했다.
팀은 모델을 기반으로 한 외골격이 사용자에게 얼마나 잘 적응할 수 있는지 테스트했다. 그런 다음 실험실 측정을 기반으로 한 것과 비교했다. 두 방법 모두 다른 속도로 유사한 힘을 가하고 다양한 조건에서 비슷하게 노력을 줄였다. 그러나 모델 기반 적응은 측정 기반 적응보다 4분의 1밖에 걸리지 않았다.
다음으로 연구원들은 현실 세계에서 사용할 수 있는 휴대용 발목 착용 외골격을 만들었다. 외골격은 허리에 착용하는 배터리 팩으로 구동되었다. 각 단계에서 모터는 발목에 토크를 제공하여 사용자가 밀어낼 수 있도록 돕는다.
팀은 공공 보도에서 야외에서 장치 테스트를 수행했다. 1시간 동안 참가자들은 외골격을 착용한 채 정해진 코스를 걸었다. 그들은 일반적인 실제 보행 패턴을 모방하기 위해 다른 속도로 짧은 시합에서 코스를 걸었다.
일반 신발을 신고 걸을 때와 비교했을 때 외골격은 평균적으로 17% 적은 에너지를 소비하면서 보행 속도를 9% 증가시켰다. 이것은 20파운드 배낭을 제거할 때의 에너지 절약과 같다. 런닝머신 위를 일정한 속도로 걸을 때 사용자는 30파운드 배낭을 벗는 것과 같은 에너지를 최대 23% 덜 소비했다.
"이 외골격은 사람들이 현실 세계에서 정상적으로 걸을 때 도움을 개인화합니다."라고 Collins는 말합니다. "그리고 그 결과 보행 속도와 에너지 경제성이 크게 향상되었다." 공동 저자인 Dr. Scott Delp는 "이는 신체 장애가 있는 개인과 소방관과 같이 무거운 짐을 운반해야 하는 사람들을 돕기 위해 외골격을 훨씬 더 광범위하게 사용할 수 있는 기회를 제공합니다."라고 덧붙였다.
—Brian Doctrow, Ph.D.
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