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Title Page

ABSTRACT

Contents

1. Introduction 13

1.1. Gait rehabilitation 13

1.2. Body weight support(BWS) system 14

1.3. Interactive treadmill(ITM) 16

1.4. Body weight support(BWS) system for interactive treadmill 17

1.5. Control strategy for conventional body weight support(BWS) system 18

1.5.1. zeroG body weight support system 18

1.5.2. FLOAT body weight support system 19

1.6. Purpose of the research 20

2. Background 22

2.1. Series elastic actuator(SEA) 22

2.1.1. Concept of the series elastic actuator 22

2.1.2. Characteristics of series elastic actuator 23

2.2. Time delay control(TDC) 24

2.3. Time delay control(TDC) based impedance control 26

2.4. TDC based force tracking impedance control 27

3. Method 29

3.1. Hardware 29

3.1.1. Frame of the body weight support system 29

3.1.2. Motor and motor driver setup & specification 30

3.1.3. Load cell setup & specification 31

3.2. Proposed controller 32

3.2.1. Concept of the impact absorption 32

3.2.2. Applying concept to two-cable driven mechanism 34

3.2.3. Applying switching control method 35

4. Results 36

4.1. Non-human experiment, barbell test 36

4.1.1. Comparison with TDC based impedance control and PID 36

4.2. Human walking experiment, asymmetric gait 38

4.2.1. Comparison with proposed controller and PID (conventional treadmill) 38

4.2.2. Comparison with proposed controller and PID (interactive treadmill) 39

5. Conclusion and Discussion 40

5.1. Hardware and control limitation 40

References 41

요약문 43

List of Tables

Table 3.1. Specification of the motor 30

Table 3.2. Specification of the motor driver 30

Table 3.3. Specification of the load cell 31

Table 3.4. Target impedance equation of free and cable tighten space 32

Table 3.5. Control law of cable loosen and cable tighten space 33

List of Figures

Figure 1.1. Concept of the body weight support(BWS) system 14

Figure 1.2. (a) Mechanical setup (b) Visual feedback 16

Figure 1.3. Concept of two-cable driven BWS system 17

Figure 1.4. Deriving equation for controlling in two direction 17

Figure 1.5. Description of zeroG body weight support system 19

Figure 1.6. Description of FLOAT body weight support system 20

Figure 2.1. Electro-magnetic series elastic actuator model 22

Figure 2.2. Mass spring damper system 26

Figure 3.1. Definition of two body weight support system 29

Figure 3.2. Winch and motor coupled with gear box 30

Figure 3.3. Load cell setup 31

Figure 3.4. Block diagram of implemented control scheme 33

Figure 3.5. Applying two-phase control algorithm to two-cable driven mechanism 34

Figure 3.6. Switching control scheme and conditions 35

Figure 4.1. A. force result of wire 2(left side), B. force result of wire 1(right side) 36

Figure 4.2. Total vertical force result, TDC based impedance control(Md 20, Bd 800, Kd 8000)[이미지참조] 37

Figure 4.3. A. force result of wire 2(left side), B. force result of wire 1(right side) 37

Figure 4.4. Total vertical force result, PID controller(Kp 30, Ki 50, Kd 0.2)[이미지참조] 37

Figure 4.5. A. PID controller(Kp 50, Ki 50, Kd 0.2),...[이미지참조] 38

Figure 4.6. A. PID controller, B.TDC based impedance control(without PID) 38

Figure 4.7. Description of the human walking test (interactive treadmill) 39

Figure 4.8. Result of the PID controller (interactive treadmill) 39

Figure 4.9. Result of the proposed controller (interactive treadmill) 39

List of Equations

Equation. (1.1) [제목없음] 19

Equation. (2.1) [제목없음] 22

Equation. (2.2) [제목없음] 23

Equation. (2.3) [제목없음] 23

Equation. (2.4) [제목없음] 23

Equation. (2.5) [제목없음] 23

Equation. (2.6) [제목없음] 23

Equation. (2.7) [제목없음] 23

Equation. (2.8) [제목없음] 24

Equation. (2.9) [제목없음] 24

Equation. (2.10) [제목없음] 24

Equation. (2.11) [제목없음] 24

Equation. (2.12) [제목없음] 25

Equation. (2.13) [제목없음] 25

Equation. (2.14) [제목없음] 25

Equation. (2.15) [제목없음] 25

Equation. (2.16) [제목없음] 25

Equation. (2.17) [제목없음] 25

Equation. (2.18) [제목없음] 26

Equation. (2.19) [제목없음] 26

Equation. (2.20) [제목없음] 26

Equation. (2.21) [제목없음] 27

Equation. (2.22) [제목없음] 27

Equation. (2.23) [제목없음] 27

Equation. (2.24) [제목없음] 27

Equation. (2.25) [제목없음] 27

Equation. (2.26) [제목없음] 27

Equation. (2.27) [제목없음] 28

Equation. (2.28) [제목없음] 28

Equation. (2.29) [제목없음] 28

Equation. (3.1) [제목없음] 32

Equation. (3.2) [제목없음] 33

Equation. (3.3) [제목없음] 33

Equation. (3.4) [제목없음] 34

Equation. (3.5) [제목없음] 34

초록보기

최근 보행 재활 분야에서는 체중 지지 시스템을 이용한 방법이 주목을 받고 있으며, 그 효과 또한 널리 알려져 있다. 최근에 한 연구에 따르면 기존의 트레드밀이 아닌, 인터액티브 트레드밀에서 보행 시 더 많은 재활 효과를 얻을 수 있다고 알려졌다. 그래서 이를 위해, 인터액티브 트레드밀을 위한 체중 지지 시스템이 개발된 연구가 있다. 하지만 인터액티브 트레드밀을 위한 체중 지지 시스템은 시리즈 일레스틱 엑츄에이터(series elastic actuator)방식이 아닌, 기존의 PID 방식의 힘제어를 사용하기 때문에 피크 힘 에러(peak force error)가 크다는 한계점이 있다. 따라서 본 연구에서는 알고리즘만으로 이를 보완할 수 있는 방법을 제시하며, 제안된 방법은 인터액티브 트레드밀에 적용가능하다는 장점이 있다. 참고적으로, 본 연구에서 사용하는 하드웨어는 우리 연구팀에서 이미 개발된 것이기에, 하드웨어 디지안에 큰 초점을 맟추고 있지는 않다. 제안하는 새로운 알고리즘은 기존의 사용하는 PID 방식보다 임팩트 힘(impact force)를 줄일 수 있었다. 사람 보행 실험이 아닌 바벨로 먼저 그 실험결과를 증명하였으며, 나아가 사람 보행 실험(비대칭 보행)에서도 그 결과를 입증하였다.

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