신발 장착 관성 측정 장치(IMU)는 인간의 움직임과 로봇 보조 장치를 동기화하는 데 필요한 감각 입력 역할을 합니다. 이 센서는 발가락 떨어짐 및 중간 흔들림과 같은 중요한 보행 이벤트를 실시간으로 감지합니다. 이러한 순간을 즉시 식별함으로써 외골격의 제어 장치는 보행 주기를 분할하고 사용자가 필요로 하는 정확한 시점에 보조력을 트리거할 수 있습니다.
이러한 센서의 핵심 기능은 인간의 의도와 로봇의 행동 사이의 격차를 해소하는 것입니다. 사지 방향 및 가속도를 지속적으로 모니터링함으로써 외골격은 밀기 단계에서 표적 족저 굴곡 지지 및 다리 흔들림 중에 배측 굴곡 보조를 제공할 수 있습니다.
보행 감지의 역학
센서 기술 조사
기능을 이해하려면 먼저 하드웨어를 이해해야 합니다. 고정밀 IMU는 일반적으로 3축 가속도계, 자이로스코프 및 자력계를 통합합니다.
이러한 내부 구성 요소는 함께 작동하여 3D 운동학 데이터를 캡처합니다. 이를 통해 시스템은 발의 정확한 움직임과 방향을 실시간으로 재구성할 수 있습니다.
중요 이벤트 식별
신발 장착 IMU의 주요 유용성은 단계의 특정 순간을 온라인으로 감지하는 것입니다. 시스템은 발가락 떨어짐(발이 땅에서 떨어지는 순간) 및 중간 흔들림(다리가 앞으로 움직이는 순간)을 찾도록 프로그래밍되어 있습니다.
이 감지는 건강한 사지에만 국한되지 않습니다. 센서는 마비된(손상된) 사지와 비마비 사지 모두를 모니터링할 수 있어 재활 맥락에서 종종 발견되는 비대칭 보행 패턴에 시스템이 적응하도록 보장합니다.
실시간 분할
컨텍스트 없이는 원시 데이터는 거의 쓸모가 없습니다. IMU 데이터는 알고리즘에 의해 처리되어 걷기의 연속적인 움직임을 별개의 단계로 분할합니다.
이를 통해 사용자의 보행 주기에 대한 동적이고 실시간 지도가 생성됩니다. 제어 시스템은 이 지도를 사용하여 주어진 밀리초에 사용자가 보행 주기의 어느 단계에 있는지 결정합니다.
보조력 동기화
밀기 단계 최적화
IMU가 "발가락 떨어짐" 이벤트를 감지하면 외골격은 족저 굴곡 보조를 트리거합니다.
이는 종아리 근육이 발을 아래로 밀어내는 작용을 모방합니다. 이 특정 순간에 보조를 제공하면 추진력이 극대화되어 사용자의 보행 효율성이 향상됩니다.
흔들림 단계 확보
밀기 단계 후 IMU는 "중간 흔들림" 단계를 감지합니다. 감지 후 시스템은 배측 굴곡 보조를 활성화합니다.
이 보조는 발가락을 위로 들어 올립니다. 이는 "발 처짐" 또는 넘어짐을 방지하는 데 중요하며, 다음 단계로 다리가 앞으로 흔들릴 때 발이 지면에서 안전하게 떨어지도록 보장합니다.
절충점 이해
알고리즘 복잡성
IMU는 객관적인 운동학 데이터를 제공하지만 원시 출력은 복잡합니다. 가속도 및 회전 데이터를 깨끗하고 사용 가능한 신호로 처리하려면 정교한 알고리즘이 필요합니다.
알고리즘이 3D 모델을 정확하게 재구성하지 못하면 시스템이 움직임을 잘못 해석할 수 있습니다. 이를 위해서는 감지와 행동 사이에 지연이 없도록 높은 계산 효율성이 필요합니다.
센서 정밀도에 대한 의존성
제어 품질은 전적으로 센서의 정밀도에 달려 있습니다. 저품질 IMU는 "드리프트" 또는 노이즈로 인해 부정확한 이벤트 감지가 발생할 수 있습니다.
족저 굴곡 및 배측 굴곡에 필요한 정확한 타이밍을 유지하려면 하드웨어는 장기간 사용 시 정확도를 유지할 수 있는 고정밀 부품을 사용해야 합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
신발 장착 IMU의 구현은 외골격 응용 프로그램의 특정 요구 사항에 크게 좌우됩니다.
- 주요 초점이 에너지 효율성인 경우: 발가락 떨어짐 감지의 정확도를 우선시하십시오. 정확한 족저 굴곡 타이밍은 사용자에게 가장 큰 동력 부스트를 제공합니다.
- 주요 초점이 안전 및 낙상 방지인 경우: 중간 흔들림 감지의 민감도를 우선시하여 배측 굴곡 작동이 넘어짐을 방지하기 위해 안정적으로 발생하는지 확인합니다.
- 주요 초점이 재활인 경우: 처리 알고리즘이 마비된 사지의 비대칭 데이터를 처리할 수 있는지 확인하십시오. 마비된 사지의 운동학적 특징은 종종 건강한 보행 패턴과 다릅니다.
성공은 원시 가속도 데이터를 즉시 실행 가능한 보행 타이밍으로 변환할 수 있는 고정밀 센서를 선택하는 데 있습니다.
요약표:
| 구성 요소/기능 | 소프트 외골격에서의 기능 | 사용자 혜택 |
|---|---|---|
| 3축 센서 | 3D 가속도 및 방향 캡처 | 정확한 움직임 재구성 |
| 발가락 떨어짐 감지 | 족저 굴곡 보조 트리거 | 추진력 및 효율성 증가 |
| 중간 흔들림 감지 | 배측 굴곡 보조 트리거 | 발 처짐 및 넘어짐 방지 |
| 보행 분할 | 보행 단계의 실시간 매핑 | 동기화되고 적응적인 로봇 지원 |
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참고문헌
- Lizeth H. Sloot, Conor J. Walsh. Effects of a soft robotic exosuit on the quality and speed of overground walking depends on walking ability after stroke. DOI: 10.1186/s12984-023-01231-7
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