[논문]작업지향 설계를 위한 의복형 보행보조 로봇의 분류방법

김헌희; 정진우; 장효영; 김진오; 변증남

문제 정의

이에 본 논문에서는 의복형 보행 보조로봇의 설계에 작업지향 설계방법을 적용하기 위하여, 로봇의 구조적인 분류법을 제안하고자 한다. 구체적으로 문헌조사를 통해 기존의 의복형 보행 보조 로봇들에서 고려된 사용자 장애유형, 작업유형 등을 얻어내고 이들로부터 작업 지향 설계를 할 수 있는 방법론을 논의한다.
본 장은 이를 위한 구체적인 방법으로 기존의 의복형 보행보조 로봇들의 검토를 통해, 시스템의 설계방법과 사용자의 장애유형의 연관성을 찾고, 이를 기반으로 수행 작업을 정의할 수 있는 방법을 논한다. 또한 의복형 보행보조 로봇이 보다 인간 친화적이며 에너지 효율적인 구조를 가질 수 있는 설계 방법에 관해 기술한다.
본 논문은 특화된 하지 장애유형을 가지는 장애자나 노약자를 대상으로 하는 최적의 의복형 보행보조 로봇의 설계방법을 다루고 있다. 이러한 목적으로 작업지향 설계방법을 응용하기 위해서는 수행할 작업을 사전에 정의해야 하는데, 이는 대체로 사용대상자의 장애유형에 의존하여 결정된다.
이 작업지향 설계법은 사용자의 장애유형, 작업환경이나 작업유형들이 선행적으로 명확하게 기술될 수 있어야만 한다는 제약이 있으나 지체장애인용 휠체어 로봇인 KARES II 프로젝트^[2] 및 작업장 보조 로봇^[3] 등을 통해 매우 효율적인 설계방법임이 검증되었다. 이에 본 논문에서는 의복형 보행 보조로봇의 설계에 작업지향 설계방법을 적용하기 위하여, 로봇의 구조적인 분류법을 제안하고자 한다. 구체적으로 문헌조사를 통해 기존의 의복형 보행 보조 로봇들에서 고려된 사용자 장애유형, 작업유형 등을 얻어내고 이들로부터 작업 지향 설계를 할 수 있는 방법론을 논의한다.
이를 의복형 보행보조 로봇의 설계에 적용하기 위해서는 우선 장애유형 및 작업유형을 명확히 구분할 필요가 있다. 이에 본 논문에서는 장애 유형과 이에 대응하는 시스템의 구조를 BTLF, BTL, BT, TLF, TL, LF의 6가지로 분류하는 방법을 제안하였다. 작업유형은 “A의 근력을 보조/증폭시키며 B의 기능을 수행하는 것”으로 총 12가지 형태로 분류되었고, 설계사양 도출에 필요한 액추에이터 및 메커니즘에 대해 장단점이 논의되었다.

제안 방법

패시브 메커니즘은 에너지 효율성이 우수한 인간의 보행을 모사한 것으로, 위치에너지와 운동에너지간의 에너지 전환과정을 통해 연속적으로 보행이 가능한 메커니즘이다. CGA 데이터를 기반으로 메커니즘을 설계하여 한 다리 당 7개의 자유도를 두었다. 또한 이 메커니즘은 Stance phase시 평행 하중경로가 지면으로 향하고, Swing phase시에는 대퇴부 관절 부에 장착된 선형 액추에이터(Linear Series Elastic Actuator)를 동작시켜 보행을 돕는다.
그림 1-(e)의 예를 들면, LF형 보행보조 로봇은 발목관절을 움직이는 근력이 부족한 장애인을 대상으로 하는 시스템이며, 로봇은 이를 보조하는 작업을 수행하기 위해 발목관절의 회전을 돕는 구조임을 알 수 있다. 또한, 사용자의 하지와 시스템 간의 결합 형태를 표현하기 위해 1과 0으로 구분되는 기호를 사용하였으며, 이는 일자형 링크형태와인체에 감싸인 형태를 각각 표현해준다. 이를 적용하면 그림 1-(e)는 장화와 같은 형태를 가지고 있음을 알 수 있다.
본 논문에서는 사용자가 하지를 정상적으로 가지고 있으나 보행이 쉽지 않다는 전제조건하에서 장애 유형및 작업유형을 분류하였다. 이 분류 방법은 작업지향 설계를 위해 매우 유용한 기초자료가 될 수 있고, 더 나아가 상지, 절단하지 등 장애유형을 다양하게 확장 적용시킴으로써 보행보조 로봇 뿐 아니라 의복형 보조로봇의 기본적인 설계 틀로도 사용될 수 있을 것이라 기대된다.
특히, 착용 대상자의 하지 장애유형은 시스템의 전반적인 구조를 결정하는 중요한 요인이나, 이를 명확히 분류하는 것은 쉽지 않다. 본 논문에서는 사용자가 하지를 정상적으로 가지고 있으나 보행이 쉽지 않다는 전제조건하에서 장애유형을 분류하였다. 여기에 장애부위가 어떤 관절을 중심으로 존재하는지, 이를 보조하기 위해서 보조로봇의 구조는 어떻게 설계되어야 하는지를 고려하여 이를 분류한다.
이러한 목적으로 작업지향 설계방법을 응용하기 위해서는 수행할 작업을 사전에 정의해야 하는데, 이는 대체로 사용대상자의 장애유형에 의존하여 결정된다. 본 장은 이를 위한 구체적인 방법으로 기존의 의복형 보행보조 로봇들의 검토를 통해, 시스템의 설계방법과 사용자의 장애유형의 연관성을 찾고, 이를 기반으로 수행 작업을 정의할 수 있는 방법을 논한다. 또한 의복형 보행보조 로봇이 보다 인간 친화적이며 에너지 효율적인 구조를 가질 수 있는 설계 방법에 관해 기술한다.
본 논문에서는 사용자가 하지를 정상적으로 가지고 있으나 보행이 쉽지 않다는 전제조건하에서 장애유형을 분류하였다. 여기에 장애부위가 어떤 관절을 중심으로 존재하는지, 이를 보조하기 위해서 보조로봇의 구조는 어떻게 설계되어야 하는지를 고려하여 이를 분류한다. 인체와 보행보조 로봇의 각 링크를 B(body), T(Thigh), L(Leg), F(Foot)로 구분하면 장애 유형과 보조로봇의 분류는 비교적 간단히 분류된다.
BLEEX(Berkeley’s Lower Extremity Exoskeleton)는 군인, 소방대원 등의 이송능력 증대를 위한 보행 보조로봇이다. 이 로봇은 착용 시 유연한 보행이 가능하도록 하기 위해 임상적 보행분석(CGA: Clinical Gait Analysis)에 기반 하여 설계되었고, 이로써 한 다리 당 4개의 구동관절(active joint)과 3개의 수동관절(passive joint)이 채택되었다. 구동관절에는 가볍고 제어성능이 우수한 양방향 선형 유압 액추에이터(Bi-directional linear hydraulic actuator)가 장착되어 있다.
보행보조를 위한 다양한 기구 구조, 구동방법 등을 파악하기 위해 2005년 까지 보고된 보행보조 시스템, 재활 치료용 비자립식 장치 및 비구동식 기구 등을 포함하는 총 52편의 문헌을 조사하였다. 조사 내용은 대상자, 목표성능, 시스템무게 및 구조를 비롯한 시스템 사양, 자유도, 관절각도 범위, 능동 및 수동관절 수 등의 기구 메커니즘, 액추에이터의 종류 및 출력, 파워공급 방법 등의 구동장치의 세 가지 범주에 대한 세부항목으로 분류된다.

대상 데이터

보행보조를 위한 다양한 기구 구조, 구동방법 등을 파악하기 위해 2005년 까지 보고된 보행보조 시스템, 재활 치료용 비자립식 장치 및 비구동식 기구 등을 포함하는 총 52편의 문헌을 조사하였다. 조사 내용은 대상자, 목표성능, 시스템무게 및 구조를 비롯한 시스템 사양, 자유도, 관절각도 범위, 능동 및 수동관절 수 등의 기구 메커니즘, 액추에이터의 종류 및 출력, 파워공급 방법 등의 구동장치의 세 가지 범주에 대한 세부항목으로 분류된다.
각 다리 당 대퇴부와 무릎은 구동관절 구조로, 발목부에는 1개의 수동관절 구조로 이루어져 있다. 액추에이터는 인간의 일어서기 동작과 보행동작을 각각 분석하여 선정되었는데, 일어설 때의 최대 관절토크인 800kgf∙cm, 보행 시의 최대 관절각속도인 5.0rad/sec를 만족할 수 있도록 DC모터(24V, 150W)와 하모닉 드라이브(Harmonic drive)가 구동관절에 장착되어 있다.
논문의 구성은 다음과 같다. 제 2장에서는 현재 연구되고 있는 보행보조 로봇의 연구사례들을 살펴본다. 제 3장에서는 작업지향 설계방법에 대해 간략히 소개하고 제 4장에서는 작업지향 설계방법에 적용하기 위한 의복형 보행보조 로봇의 분류방법을 제시하며 마지막으로 제5장에서 결론을 맺는다.

성능/효과

또한 이 메커니즘은 Stance phase시 평행 하중경로가 지면으로 향하고, Swing phase시에는 대퇴부 관절 부에 장착된 선형 액추에이터(Linear Series Elastic Actuator)를 동작시켜 보행을 돕는다. Stance phase시 사용자는 시스템 및 부하의 하중을 부담해야 하는데, 이 시스템은 지지하중의 90%이상을 지면으로 분산시킬 수 있다는 것을 실험을 통해 검증되었다. 특히 이 시스템은 패시브 메커니즘으로 동작하면서도 충분한 보행성능을 확보하기 위해한 다리 당 단 하나의 액추에이터가 장착된 점은 에너지 효율성이 고려된 좋은 설계사례이다.
시스템 자유도에 있어서 고관절, 무릎, 발목관절부의 3자유도를 채택한 사례가 29%로 나타났고 1,2자유도는 각각 28%, 4자유도 이상이 15%를 차지했다. 4자유도 이상의 경우에는 고관절 부의 자유도를 늘리는 방법으로 보행 시 허리 및 엉덩이 부의 유연한 동작에 연동되는 구조로 설계된 사례가 많았다.
4자유도 이상의 경우에는 고관절 부의 자유도를 늘리는 방법으로 보행 시 허리 및 엉덩이 부의 유연한 동작에 연동되는 구조로 설계된 사례가 많았다. 액추에이터가 장착되는 구동관절은 1축이 39%, 2축이 32%, 3축이상이 15%를 보였고, 액추에이터가 장착되지 않은 패시브 관절형 시스템은 14%로 조사되었다. 액추에이터의 종류에 따라 DC모터, 전자클러치 등의 전기식 액추에이터가 39%, 공압 실린더나 튜브를 이용한 공압식 액추에이터가 27%, 패시브 시스템 27%, 유압 실린더를 비롯한 유압식 액추에이터가 7%를 나타냈다.
액추에이터가 장착되는 구동관절은 1축이 39%, 2축이 32%, 3축이상이 15%를 보였고, 액추에이터가 장착되지 않은 패시브 관절형 시스템은 14%로 조사되었다. 액추에이터의 종류에 따라 DC모터, 전자클러치 등의 전기식 액추에이터가 39%, 공압 실린더나 튜브를 이용한 공압식 액추에이터가 27%, 패시브 시스템 27%, 유압 실린더를 비롯한 유압식 액추에이터가 7%를 나타냈다.
3KW의 유압과 DC15V, 220W의 전기를 동시에 발생시킬 수 있다^[5]. 외골격을 비롯한 전체 시스템의 무게는 45kg에 달하나, 착용자는 등짐을 포함한 75kg의 하중을 지탱하고도 1.3m/s의 보행이 가능함을 보였다.
조사결과 28종의 보행보조 로봇^[4-36]이 연구 중에 있으며 이 중 연구목적에 따라 21%가 파워증폭의 개념으로, 79%가 근력보조의 개념으로 연구를 진행하고 있었다. 또한 보행보조 로봇의 35%가 계단 오르기의 성능을 중심으로 설계되었고, 나머지 65%는 주로 평지보행을 겨냥하여 설계되었다.

후속연구

본 논문에서는 사용자가 하지를 정상적으로 가지고 있으나 보행이 쉽지 않다는 전제조건하에서 장애 유형및 작업유형을 분류하였다. 이 분류 방법은 작업지향 설계를 위해 매우 유용한 기초자료가 될 수 있고, 더 나아가 상지, 절단하지 등 장애유형을 다양하게 확장 적용시킴으로써 보행보조 로봇 뿐 아니라 의복형 보조로봇의 기본적인 설계 틀로도 사용될 수 있을 것이라 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	의복형 보행보조 로봇이란?	최근 장애인 출현율의 상승 및 고령화 문제가 사회적인 이슈로 대두됨에 따라 로봇기술을 접목한 복지 및 재활로봇에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 의복형 보행보조 로봇은 특히 하지장애를 갖는 노약자 및 장애인들을 대상으로 보행을 도와주는 의복 형태의 보조로봇으로 인체와 상응하는 외부골격과 관절로 구성되어 있고, 액추에이터를 이용하여 인간의 부족한 근력을 보조하는 기능을 수행한다. 이러한 로봇을 설계할 경우에는 기계와 인간 간의 물리적인 접촉이 직접적으로 이루어진다는 특성을 감안하여 무게, 기계적 임피던스, 착용감 등을 고려한 인간친화적인 요소가 반영되어야 한다.
	BLEEX는 무엇을 위한 보행 보조로봇인가?	BLEEX(Berkeley’s Lower Extremity Exoskeleton)는 군인, 소방대원 등의 이송능력 증대를 위한 보행 보조로봇이다. 이 로봇은 착용 시 유연한 보행이 가능하도록 하기 위해 임상적 보행분석(CGA: Clinical Gait Analysis)에 기반 하여 설계되었고, 이로써 한 다리 당 4개의 구동관절(active joint)과 3개의 수동관절(passive joint)이 채택되었다.
	의복형 보행보조 로봇을 설계할 경우 무엇을 고려한 인간친화적 요소가 반영되어야 하는가?	의복형 보행보조 로봇은 특히 하지장애를 갖는 노약자 및 장애인들을 대상으로 보행을 도와주는 의복 형태의 보조로봇으로 인체와 상응하는 외부골격과 관절로 구성되어 있고, 액추에이터를 이용하여 인간의 부족한 근력을 보조하는 기능을 수행한다. 이러한 로봇을 설계할 경우에는 기계와 인간 간의 물리적인 접촉이 직접적으로 이루어진다는 특성을 감안하여 무게, 기계적 임피던스, 착용감 등을 고려한 인간친화적인 요소가 반영되어야 한다. 특히 자립형 시스템을 위해서는 시스템 구동에 필요한 동력원을 탑재하고 있어야 하기 때문에, 되도록 적은 동력으로도 시스템의 동작이 유지될 수 있도록 에너지 효율성을 고려한 시스템의 설계가 중요하다.

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