The Passive Exoskeleton to Support Low-back Muscles of Workers in Lifting MMH

Abstract

한국은 저출산과 고령화로 인한 생산 인구의 감소와 고령화 문제를 앓고 있다. 생산 인구의 고령화는 근골격계 부상 위험이 높아지는 문제를 야기한다. 근골격계 질환 환자는 매년 5,000명 이상 발생하고, 이 중 50% 이상은 요통 환자이다. 들기/내리기 중 과도한 압축력과 굽힘은 작업자에게 허리 디스크를 유발한다. 본 연구에서는 산업현장에서 발생하는 요추 부상을 방지하고 근력 지원을 목적으로 하는 수동형 외골격을 제시한다. 제시한 수동형 외골격은 작업자의 굽힘 동작 중 과한 저항감을 느끼지 않도록 허리 모멘트의 30%를 지원하는 것을 목표로 하였다. 이 외골격은 작업자가 상체를 굽히면 에너지를 저장하고, 상체를 들면 저장한 에너지를 사용하여 근력 지원을 받는다. 근력 지원의 크기는 작업자의 상체에서 16kg의 무게를 지지하는 크기이다. 토크 샤프트와 코일 스프링으로 구성된 수동형 구동부는 작업자가 상체를 90도 이상으로 굽힐 시 모멘트 크기를 줄여 외골격에 의한 저항감을 줄이기 위해 연구되었다. 또한, 작업자와 외골격과의 오정렬을 해결하기 위한 허리 체결부 메커니즘을 추가하였다. 본 연구에서 제시한 외골격의 유효성을 확인하기 위해 시뮬레이션과 메커니즘 구성요소 실험을 진행하였다. 본 연구에서 제시한 외골격을 활용한다면 작업자에게 외골격에 의한 저항감을 줄일 수 있을 것이다.; Korea have problems from a decline in the productive population and an aging population due to a low birth rate and an aging society. The aging of the productive population raises the risk of musculoskeletal injuries. More than 5,000 musculoskeletal patient occur annually. Of these, more than 50 percent of patient have low-back pain. Excessive compressive force and bending during lifting/unloading causes a lumbar disc in the operator. In this study, a passive exoskeleton for the purpose of preventing low-back pain and supporting muscle strength in industrial sites is presented. The proposed passive exoskeleton aims to support 30% of lumbar moment so that the worker does not feel excessive sense of resistance when bending upper body. This exoskeleton stores energy when the worker bends the upper body, and receives muscle support using the stored energy when extend the upper body. The supporting muscle size is that supports the weight of 16kg in the upper body of the worker. Passive actuators composed of torque shafts and coil springs have been studied to reduce the sense of resistance by exoskeleton. It is reduced the moment size when the worker bends the upper body over 90 degrees. In addition, a back fastener mechanism was added to resolve misalignment between the worker and the exoskeleton. In order to confirm the effectiveness of the exoskeleton presented in this study, simulation and mechanism component test were performed. If the suggested exoskeleton is used, the sense of resistance caused by the exoskeleton to the worker can be reduced.