[논문]상지 근력지원용 웨어러블 로봇을 위한 명령신호 생성 기법 개발

이희돈; 유승남; 이승훈; 장재호; 한정수; 한창수

doi:10.5302/j.icros.2009.15.2.176

문제 정의

본 연구에서는 근력지원용 웨어러블 로봇 개발을 위한 명령신호 생성기법을 개발하였다. 힘 신호기반의 HRI를 사용하여 착용자 상지 동작 시 착용자와 로봇 사이에서 발생하는 힘을 측정하고, 이 신호를 사용하여 웨어러블 로봇의 말단부가 동작해야 할 위치를 계산할 수 있었다.
수 있다. 본 연구에서는 웨어러블 로봇을 사용한 고중량 물 핸들링을 목적으로 하며, 따라서 착용자의 손목관절 3자유도를 제외한 4자유도 중 중량물의 핸들링에 큰 근력이 필요한 Shoulder E/F (Extension/Flexion), Shoulder Ab/Ad (Abduction/Adduction) 및 Elbow E/F 동작 자유도에 대하여 웨어러블 로봇이 추종하며 동작하기 위한 명령신호 생성을 목적으로 한다. Shoulder Horizontal Ab/Ad 동작은 사용자가 자유롭게 움직일 수 있는 관절 자유도 만을 부여한다.

가설 설정

방향을 가진 벡터(戸)로 표현할 수 있다. 이때 측정된 벡터의 방향은 착용자가 움직이려고 하는 목표점의 방향을 나타내며, 벡터의 크기는 착용자의 동작하고자 하는 의지의 강도로 가정하였다. 이 가정에 의해 로봇의 현재 위치(F)에서 입력된 벡터 선상의 움직여야 할 점(P)의 위치를 찾을 수 있다.

제안 방법

D-H table에서 transformation matrix (T) 계산하고, 이를 통해 기준 좌표계에서의 로봇 말단부의 현재위치 및 자세에 대하여 나타내었다. 아래의 식 (1), (2)는 로봇이 이동해야 할 위치 (P)을 계산하기 위한 식이다.
본 연구에서 제안한 명령신호 생성기법으로 생성된 명령 신호를 사용하는 웨어러블 로봇의 근력지원 효과를 실험하기 위하여 로봇의 말단부에 0Kg, 5Kg, 10Kg의 중량물을 장착한 후 Elbow E/F 동작을 위해 착용자가 필요한 힘의 크기를 측정하였다. 그림 ?는 실험결과를 나타낸 것이다.
생성된 명령신호를 검증하기 위하여 착용자의 기본 동작영역을 그림 6에서 보는 것과 같이 A, B, C로 설정하고, 본연구를 통해 설계한 웨어러블 로봇을 해당 평면 및 동작 영역에 맞춰 경로를 생성하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 생성된 로봇의 명령신호는 착용자 상지의 관절 동작범위를 초과하지 않았으며, 또한 착용자의 상지 동작 경로를 방해하지 않는 경로를 생성할 수 있음을 볼 수 있다.
것이다. 웨어러블 로봇의 착용감 향상을 위해 인체 표준데이터를 기반으로 링크길이와 관절의 회전 범위를 결정하였으며, 로봇 외골격 링크의 길이는 착용자에 따라 세부조절이 가능하다. 또한 앞서 언급한 것과 같이 착용의 편의성과 신뢰성 있는 신호의 획득을 위하여 힘 센서 기반의 시스템을 구축하고, 착용자와 로봇은 배면부와 손목 부분만이 체결된다.
블록다이어그램에서 보는 것과 같이 착용자와 로봇 사이에서 발생된 힘은 3축 힘 센서에 의해 측정되고 크기와 방향을 가지는 벡터 형태로 나타낸다. 이 신호를 trajectory generator에서 현재 로봇 말단부의 위치와 입력되는 힘 신호를 기반으로 로봇 말단부가 움직여야 할 위치를 생성하며, 이때 로봇 말단부의 현재 위치는 각 관절에서 측정된 관절각도를 kinematics 해석을 통하여 계산된다. Trajectory generator에서 생성된 로봇이 움직여야 할 말단부의 위치정보는 inverse kinematics를 사용하여 로봇이 작동해야 할 각 관절의 명령신호를 생성한다.
따라서 a 는 제어기의 연산속도와 샘플링시간(sampling time)과 밀접한 관련이 있다[12]. 이와 같은 방법으로 생성되는 AP 를 역기구학적 해석을 통하여 로봇이 동작해야 할 각 관절의 각도 명령을 생성하였다.
기법을 검증하기 위한 방법을 도식화한 것이다. 착용자가 sagittal plane에서 직선 동작 시 본 연구에서 제안한 방법으로 생성된 명령신호에 의해 작동되는 웨어러블 로봇의 각 관절 각도와 착용자의 관절 각도를 비교하였다. 이때 착용자의 관절 각도 측정은 고니오미터(goniometer)를 사용하였다.
탈착할 수 있도록 힘 센서를 사용하는 시스템을 제안하고, 착용자로부터 입력되는 힘의 크기와 방향을 사용하여 웨어러블로봇의 동작을 위한 명령신호 생성기법을 제안한다.
본 연구에서는 근력지원용 웨어러블 로봇 개발을 위한 명령신호 생성기법을 개발하였다. 힘 신호기반의 HRI를 사용하여 착용자 상지 동작 시 착용자와 로봇 사이에서 발생하는 힘을 측정하고, 이 신호를 사용하여 웨어러블 로봇의 말단부가 동작해야 할 위치를 계산할 수 있었다. 또한 역기 구학 해석을 통해 로봇의 각 관절이 동작해야 할 각도 값을 계산함으로 로봇의 각 관절의 명령신호를 생성할 수 있었다.

이론/모형

이 가정에 의해 로봇의 현재 위치(F)에서 입력된 벡터 선상의 움직여야 할 점(P)의 위치를 찾을 수 있다. P의 위치 생성에 앞서 로봇의 현재위치 계산을 위하여 기구학적 해석을 하였고, 표 1 은 이를 위한 D-H (Denavit- Hartenberg) table0] 다.
착용자가 sagittal plane에서 직선 동작 시 본 연구에서 제안한 방법으로 생성된 명령신호에 의해 작동되는 웨어러블 로봇의 각 관절 각도와 착용자의 관절 각도를 비교하였다. 이때 착용자의 관절 각도 측정은 고니오미터(goniometer)를 사용하였다.

성능/효과

시뮬레이션 결과 생성된 로봇의 명령신호는 착용자 상지의 관절 동작범위를 초과하지 않았으며, 또한 착용자의 상지 동작 경로를 방해하지 않는 경로를 생성할 수 있음을 볼 수 있다. 따라서 제안한 명령신호 생성 알고리즘은 본 연구에서 개발한 웨어러블 로봇에 적합함을 알 수 있다.
힘이 필요함을 볼 수 있었다. 따라서 중량물의 무게와 관계없이 착용자는 작은 힘을 사용하여 웨어러블 로봇을 작동할 수 있는 명령신호를 생성할 수 있음을 확인하였고, 고중량 물 핸들링을 목적으로 할 때 힘 신호 기반의 시스템이 생체신호 기반 시스템보다 효과적임을 알 수 있다.
착용자로부터 입력되는 힘이 클 때 그림 5와 식 (2)에서와 설명한 것과 같이 AP 의 크기가 커지게 되며 이는 로봇이 동작하는 속도와 관련되어진다. 따라서 표 2의 실험에서 5kg 중량물 핸들링 시 웨어러블 로봇은 Okg과 10kg 중량물 핸들링 할 때보다 빠르게 동작하였다.
또한 근력지원 실험을 통하여 표 2에서와 같이 장착되는 중량물의 무게와 관계없이 웨어러블 로봇을 작동하기 위해 착용자가 필요하는 힘이 일정함을 알 수 있었다. 이는 본 연구에서 개발한 근력지원용 웨어러블 로봇을 위한 명령 신호생성 기법을 통해 생성되는 명령신호는 착용자의 상지 동작을 추종하며 , 고중량물을 핸들링에 적합함을 알 수 있다.
동작을 추종함을 볼 수 있었다. 또한 웨어러블 로봇이 동작해야 할 말단부의 위치를 계산할 때 a 의 크기에 따라 위치 추종성능에 영향을 미침을 알 수 있었고, a 가 작을수록 추종성능이 향상됨을 보았다.
생성된 명령신호를 검증하기 위해 사람 팔이 직선의 경로를 따라 동작할 때 착용자와 로봇의 각 관절의 각도를 비교하였고, 이를 통해 우리가 제안한 명령신호 생성 기법을 통해 생성되는 로봇의 동작명령 신호는 효과적으로 착용자 상지의 동작을 추종함을 볼 수 있었다. 또한 웨어러블 로봇이 동작해야 할 말단부의 위치를 계산할 때 a 의 크기에 따라 위치 추종성능에 영향을 미침을 알 수 있었고, a 가 작을수록 추종성능이 향상됨을 보았다.
시뮬레이션 결과 생성된 로봇의 명령신호는 착용자 상지의 관절 동작범위를 초과하지 않았으며, 또한 착용자의 상지 동작 경로를 방해하지 않는 경로를 생성할 수 있음을 볼 수 있다. 따라서 제안한 명령신호 생성 알고리즘은 본 연구에서 개발한 웨어러블 로봇에 적합함을 알 수 있다.
실험 결과 본 연구에서 제안한 웨어러블 로봇의 명령 신호생성 기법 사용 시 AlOkg의 중량물을 핸들링하기 위하여 약 20N의 힘이 필요함을 볼 수 있었다. 따라서 중량물의 무게와 관계없이 착용자는 작은 힘을 사용하여 웨어러블 로봇을 작동할 수 있는 명령신호를 생성할 수 있음을 확인하였고, 고중량 물 핸들링을 목적으로 할 때 힘 신호 기반의 시스템이 생체신호 기반 시스템보다 효과적임을 알 수 있다.
필요하는 힘이 일정함을 알 수 있었다. 이는 본 연구에서 개발한 근력지원용 웨어러블 로봇을 위한 명령 신호생성 기법을 통해 생성되는 명령신호는 착용자의 상지 동작을 추종하며 , 고중량물을 핸들링에 적합함을 알 수 있다.

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