팽창형 어깨 착용형 로봇: 웨어러블 로봇 시스템으로 작업자의 어깨 부상을 줄인다.

 

연구원들이 머리 위 작업을 위해 반복적으로 팔을 들어올릴 때 어깨 근육을 도울 수 있는 착용 가능한 소프트 로봇을 만들었다.

하버드대학교 팀은 필요할 때만 지원하고 사용하지 않을 때는 꺼지는 웨어러블 로봇을 개발했다. 이는 착용자가 팔을 낮추는 데 필요한 노력을 줄이는 데 도움이 된다. 로봇은 셔츠처럼 착용되며 휴대용 전원 장치를 포함한다.

근로자를 대상으로 한 테스트에 따르면 로봇을 사용한 산업 작업에서는 등 근육과 같은 다른 근육을 더 열심히 작동시키지 않고도 어깨와 팔 근육의 작동이 40% 감소한 것으로 나타났다.

팀 연구의 세부 사항은 Science Robotics 저널에 게재되었다.

 

고급 소프트 액티브 로봇

업무 관련 근골격계 질환은 심각한 문제로, 미국에서는 매년 거의 7천만 건에 달하는 의사 방문이 발생하고 있다.

자동차 조립에서 매일 4,600번씩 팔을 들어올리는 등 노동 집약적인 산업에서는 높은 수요가 이러한 위험을 가중시킨다. 2020년에는 63,100건의 어깨 부상으로 평균 25일의 휴가가 발생해 생산성과 비용에 영향을 미쳤다.

연구자들에 따르면 자동화 및 인체공학적 보조 장치는 부상 위험을 줄여주지만 비용이 많이 들고 구현하기 어려울 수 있다. 수동 어깨 지지대와 같은 웨어러블 장치는 다양한 솔루션을 제공한다.

그러나 저항으로 인해 길항근 활동이 증가하는 경우가 많다. 이러한 장치의 지원과 저항의 균형을 맞추는 것은 동적 작업에 있어 여전히 어려운 과제이다.

휴대용 작동, 직물 기반 팽창형 액추에이터 및 IMU를 갖춘 부드러운 팽창형 어깨 착용형 로봇이다. 실험 방법에는 홀딩, 드릴링, 회로 및 압력 변조 실험이 포함된다.

 

대조적으로, 소프트 액티브 로봇은 부드러운 소재를 사용하기 때문에 최소한의 무게와 부피로 제어 가능한 지원을 제공한다. 위치를 얻기 위해 전환하므로 필요한 지지력을 제공한 다음 전원을 꺼서 사용자에 대한 저항이 없어 자연스러운 움직임을 유지할 수 있다.

원래 의료용으로 고안된 이러한 로봇은 근육 활동을 줄여 효율적으로 작동하며 산업 작업에 응용될 수 있다.

 

하버드 연구진은 어깨 높이 산업 작업을 위한 휴대용, 부드러운 팽창식 로봇을 설계하고 평가했다. 이전 작업을 바탕으로 그들은 자유롭게 사용할 수 있는 휴대용 작동 장치를 개발하고 모든 구성 요소를 기능성 의류에 통합했다.

 

부드럽고 팽창 가능한 어깨 로봇은 액추에이터 2개, 관성 측정 장치 3개, 웨어러블 의류에 통합된 휴대용 작동 장치를 갖추고 있다. 업계 파트너와 협력하여 한 손에 5파운드(2.3kg)를 지원하고 무게는 8.8파운드(4kg) 미만으로 설계되었다. 작업 시작 후 2초 이내에 도움을 준다.

그들은 고급 운동학 상태 기계 컨트롤러를 사용하여 다양한 보조 타이밍과 압력이 근육 활동과 생체 역학에 미치는 영향을 평가하기 위해 일반적인 산업 작업을 시뮬레이션하는 실험을 수행했다.

 

근육 긴장 감소

팀은 오버헤드 작업 중 사용자 운동학, 근육 활동 및 컨트롤러 정확도를 분석하는 세 가지 실험을 수행했다. 또한 연구원들은 동적 유지 작업 중에 고정 지원과 변조 지원을 비교하여 사용자 선호도를 수집했다.

 

시뮬레이션된 산업 작업 중 인간 참여자 평가에서는 로봇이 주동근 활동(전방, 중간, 후방 삼각근 및 상완이두근)을 최대 40%까지 감소시키는 것으로 나타났다. 관절 각도의 변화가 최소화되고(가동 범위 7% 미만) 길항근 활동(광배근)이 증가하지 않는다.

연구자들이 컨트롤러 매개변수를 비교한 결과 보조 강도가 높고 보조 타이밍이 빨라지면 근육 활동이 크게 감소하는 것으로 나타났다.

 

외골격이 없는 경우와 비교하여 초기, 중간 및 늦은 지원 타이밍을 사용한 드릴링 실험 중 팔꿈치 및 손목 궤적.

 

동적 전환이 있는 작업 회로 동안 로봇의 운동학 기반 컨트롤러는 잘못된 팽창에 대한 견고성을 입증하여 96%의 진음성 비율과 91%의 진양성 비율을 달성하여 도움이 필요하지 않을 때 사용자에게 최소한의 방해를 나타낸다.

 

최종 개념 증명으로 자동차 공장 직원 5명이 파일럿 제조 영역에서 로봇을 테스트하여 실제 산업 작업 중 성능에 대한 귀중한 피드백을 제공했다.

프로토타입 제한 사항에는 시스템 컨트롤러가 고정된 각도와 압력에서 트리거되고 동적 작업에 적합하지 않다는 것이 포함된다. 작은 표본 크기를 사용하여 향후 작업은 평가 확장을 목표로 한다.

 

연구자들에 따르면, 참가자들의 보수적인 압력 선택은 모든 작업에 적합하지 않을 수 있으며, 이는 작업별 조정이 필요함을 시사한다. 실제 검증을 위해서는 컨트롤러 개선과 하드웨어 개선이 필요하다.

이미지 설명: 로봇의 도움을 받으며 머리 위 작업을 수행하는 공장 작업자. Yu Meng Zhou