[논문]하지 착용형 외골격 로봇의 효율적 보행패턴 생성 및 에너지 효율성 검증

김완수; 이승훈; 유재관; 백주현; 김동환; 한정수; 한창수

doi:10.7736/kspe.2012.29.3.346

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 보행보조를 위한 착용형 외골격 로봇의 평지, 계단 보행 시 소비되는 에너지 효율을 높이기 위하여 각 관절에 대한 최적의 힘 전달과 토크 분배를 고려한 보행 패턴 생성 방법을 소개하며 실제 착용형 외골격 시스템에 적용하여 효용성에 대해서 증명할 것이다. 또한 착용형 외골격 시스템의 착용자에 대한 에너지 소비량 측정을 통하여 착용형 외골격 시스템이 적용된 경우 인간-로봇이 결합된 시스템에 대한 에너지 효율성이 증가됨을 보일 것이다.
⁸ 이 중 유각기는 중력과 무게중심이동을 통하여 동작하지만 입각기는 무게지지를 위해서 관절에 많은 토크가 요구된다. 따라서본 연구에서는 평지, 계단 보행 시 입각기에서의 에너지 소비 최소화를 위한 보행 패턴 생성 방법에 대해서 고려할 것이다.
본 연구에서는 보행 분석을 통하여 보행 입각기의 역할의 분류와 이를 DME 이론에 적용하여 에너지 효율적인 보행패턴 생성방법에 대해서 소개하였으며, 실제 착용형 외골격 시스템에 적용하여 다양한 보행 환경에서 로봇의 에너지 소비가5~10% 줄어들었음을 검증하였다. 또한 착용형 외골격 로봇을 사용하였을 때 인체의 에너지 소모량 또한 약 10% 줄어 인간-로봇의 협업 시스템에서 전체의 에너지 소비량이 감소하는 것을 확인하였다.

가설 설정

는 발의 속도변화를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 다양한 지면에 대해서 고려하지 않았기 때문에 지면에 대한 모델이 필요하지 않은 상황을 가정하였다. 따라서 발과 지면은 완전 탄성충돌이며 미끄러짐이 없다고 가정하여 충격이 가해지기 전 땅에 닿는 즉시 발의 속도는 ‘0’이 된다.
시상면에서 구동되는 착용형 외골격 로봇의 자유도는 인간의 관절구조와 유사하게 고관절, 슬관절, 족관절의 3DOF 로 구성하였다. 하지만 평지보행의 발뒤꿈치 접촉 구간에서 족관절의 영향이 크지 않기 때문에 DME 를 이용한 디딤각 산출은2DOF 로 가정하여 수행하며 발가락 떼기 구간에 대해서는 3DOF 로 구성하여 해석을 수행한다. 계단 보행의 발뒤꿈치 접촉 구간도 동일하게 2DOF로 가정하여 해석을 수행하며 발가락 닿기 구간과 발가락 떼기 구간은 3DOF 로 구성한다.
하지만 평지보행의 발뒤꿈치 접촉 구간에서 족관절의 영향이 크지 않기 때문에 DME 를 이용한 디딤각 산출은2DOF 로 가정하여 수행하며 발가락 떼기 구간에 대해서는 3DOF 로 구성하여 해석을 수행한다. 계단 보행의 발뒤꿈치 접촉 구간도 동일하게 2DOF로 가정하여 해석을 수행하며 발가락 닿기 구간과 발가락 떼기 구간은 3DOF 로 구성한다.

제안 방법

1 절의 보행분석을 통하여 착용형 외골격 로봇의 에너지 소비를 최소화하기 위해서는 보행주기 중 입각기에 대한 패턴을 생성해야 하며 역할에 따라 구분 지어 고려해야 한다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 최적의 관절의 토크 분배를 위해서 DME(Dynamic Manipulability Ellipsoid)를 이용하여 평지, 계단 보행 입각기의 지지 역할과 추진 역할에 따른 착용형 외골격 로봇의 지면 디딤각을 산출하여 보행보조를 위한 착용형 외골격 로봇의 보행패턴에 적용할 것이다.
Manipulability ellipsoid 는 각 관절에 대해 낼 수 있는 최대 각속도와 링크의 말단부의 3 차원(또는 2 차원) 공간 내 속도와의 관계를 정량적으로 나타내는 지표이지만 링크의 자세, 속도만을 고려하고 있기 때문에 보행과 같이 빠르게 운동하는 링크에서는 동역학적인 요소를 고려하지 않을 수 없다. 따라서 동역학적인 요소가 고려된 manipulability ellipsoid 인 DME 를 이용하여 착용형 외골격 로봇의 목적에 맞는 최적의 자세를 찾는 해석을 수행한다.
본 연구에서는 이를 위하여 일반화된 관성타원체를 사용한다. 타원체를 표현하기 위한 방법으로 접촉 시 발생되는 에너지 손실을 이용하였으며 일반적으로, 링크의 운동에너지 변화는 식(1)과 같이 표현된다.
시상면에서 구동되는 착용형 외골격 로봇의 자유도는 인간의 관절구조와 유사하게 고관절, 슬관절, 족관절의 3DOF 로 구성하였다. 하지만 평지보행의 발뒤꿈치 접촉 구간에서 족관절의 영향이 크지 않기 때문에 DME 를 이용한 디딤각 산출은2DOF 로 가정하여 수행하며 발가락 떼기 구간에 대해서는 3DOF 로 구성하여 해석을 수행한다.
DME 를 이용한 해석을 위하여 착용형 외골격로봇의 동역학 모델을 수립한다. 착용형 외골격로봇에 대한 상태 방정식은 식(3)과 같다.
로봇의 에너지 소비는 지면에 대한 디딤각에 따라서 다르게 표현되며 이는 DME 와 로봇 말단부의 속도변화 방향을 통하여 나타낼 수 있다.따라서 본 연구에서는 착용형 외골격 로봇의 말단부 속도변화 방향과 DME 의 장축 방향이 일치하는 경우 에너지 소비가 최소화 되는 이론을 적용하여 디딤각을 산출하고 이를 이용한 보행패턴을 생성할 것이다. 상태방정식의 계산과 DME는 Matlab 을 통하여 표현하였으며, 계산에 사용된 시스템의 링크 파라미터는 Table 1 과 같다.
상태방정식의 계산과 DME는 Matlab 을 통하여 표현하였으며, 계산에 사용된 시스템의 링크 파라미터는 Table 1 과 같다. 발뒤꿈치 접촉에 대한 DME 해석은 족관절을 제외한 고관절, 슬관절 2DOF 모델로 수행하였으며, 발가락 접촉, 발가락 떼기 구간에 대해서는 고관절, 슬관절, 족관절의 3DOF 모델로 시뮬레이션을 수행하였다(Fig 3).
시뮬레이션을 위한 관절 범위 선정은 25 세 건장한 남자에 대한 보행 관절 범위에 ±10°의 제한조건을 추가하였다. 보행 입각기의 각 역할에 따른 최적의 디딤각 산출을 위하여 시뮬레이션을 통해 표현된 DME 의 장축 방향과 접촉부의 지면반력 벡터의 방향이 일치하는 자세를 선정하였으며 보행 조건과 구간에 따라서 로봇의 자세를 Table 2 와 같이 선택하였다. 착용형 외골격 로봇의 보행 패턴은 시뮬레이션을 통해 산출된 로봇의 자세와 25 세 남성의 보행패턴 데이터를 결합하여 생성하였다.
착용형 외골격 로봇의 보행 패턴은 시뮬레이션을 통해 산출된 로봇의 자세와 25 세 남성의 보행패턴 데이터를 결합하여 생성하였다. 이를 통하여 지면 접촉 시 소비되는 에너지를 최소화 하는 보행패턴을 생성하였으며 착용형 외골격 로봇에 적용하여 실험을 진행하였다.
또한 착용형 외골격 로봇의 사용하였을 때 보행 보조 효과의 검증을 위하여 착용자의 에너지 소비율인 V’O2-max 과 V’O2-TM 을 측정하였다.
3.3 절을 통해 생성된 에너지 효율을 고려한 착용형 외골격 로봇의 보행패턴의 검증을 위하여 실제 로봇 시스템에 적용하였으며, 에너지 소비량의 확인을 위하여 보행 시 로봇의 전류 소모량 측정하였다. 또한 착용형 외골격 로봇의 사용하였을 때 보행 보조 효과의 검증을 위하여 착용자의 에너지 소비율인 V’O2-max 과 V’O2-TM 을 측정하였다.
피험자(나이:25, 성별; 남, 키: 178cm, 몸무게: 78kg) 는 실험에 참여하기 전 적응을 위하여 착용형 외골격 로봇을 착용하고 각 10 분간 평지, 계단보행을 하였다. 실험에 사용된 계단은 4 칸으로 실험용으로 제작한 것이며 평균 계단의 높이와 동일하게 구성하였다.
실험에 사용된 계단은 4 칸으로 실험용으로 제작한 것이며 평균 계단의 높이와 동일하게 구성하였다. 실험은 에너지 효율을 고려한 보행 패턴의 검증을 위하여 평지보행과 계단보행에서 각각 DME 가 적용되지 않은 보행 패턴과 DME 가 적용된 보행패턴에 대한 보행 시 전류 소모량을 각각 5 회 실험 후 평균값을 이용하여 비교하였다.
또한 착용자의 에너지 소모량 측정을 위하여 산소소모량 측정이 가능한 MetaMaxTM-3B 를 이용하였다. 산소소모량 측정 실험은 정확한 측정을 위해 30 분간 측정해야 하는데 계단 보행의 경우 30 분간 동일 동작에 대해서 구현이 불가능하기 때문에 평지 보행에 대해서 측정하였으며 실험 조건은 착용형 외골격 로봇을 착용한 경우와 착용형 외골격 로봇을 착용하지 않고 외부 하중물을 장착하지 않은 경우와 40kg 의 외부 하중물을 장착한 경우에 대해서 비교하였다. 인체 에너지 효율의 비교를 위해 측정된 데이터는 V’O2 (ml/min) 와 계산된 V’O2-TM (ml/min/kg)이다.

대상 데이터

시뮬레이션을 위한 관절 범위 선정은 25 세 건장한 남자에 대한 보행 관절 범위에 ±10°의 제한조건을 추가하였다.
보행 입각기의 각 역할에 따른 최적의 디딤각 산출을 위하여 시뮬레이션을 통해 표현된 DME 의 장축 방향과 접촉부의 지면반력 벡터의 방향이 일치하는 자세를 선정하였으며 보행 조건과 구간에 따라서 로봇의 자세를 Table 2 와 같이 선택하였다. 착용형 외골격 로봇의 보행 패턴은 시뮬레이션을 통해 산출된 로봇의 자세와 25 세 남성의 보행패턴 데이터를 결합하여 생성하였다. 이를 통하여 지면 접촉 시 소비되는 에너지를 최소화 하는 보행패턴을 생성하였으며 착용형 외골격 로봇에 적용하여 실험을 진행하였다.
인체 에너지 효율의 비교를 위해 측정된 데이터는 V’O2 (ml/min) 와 계산된 V’O2-TM (ml/min/kg)이다.
피험자(나이:25, 성별; 남, 키: 178cm, 몸무게: 78kg) 는 실험에 참여하기 전 적응을 위하여 착용형 외골격 로봇을 착용하고 각 10 분간 평지, 계단보행을 하였다. 실험에 사용된 계단은 4 칸으로 실험용으로 제작한 것이며 평균 계단의 높이와 동일하게 구성하였다. 실험은 에너지 효율을 고려한 보행 패턴의 검증을 위하여 평지보행과 계단보행에서 각각 DME 가 적용되지 않은 보행 패턴과 DME 가 적용된 보행패턴에 대한 보행 시 전류 소모량을 각각 5 회 실험 후 평균값을 이용하여 비교하였다.

이론/모형

따라서 본 연구에서는 착용형 외골격 로봇의 말단부 속도변화 방향과 DME 의 장축 방향이 일치하는 경우 에너지 소비가 최소화 되는 이론을 적용하여 디딤각을 산출하고 이를 이용한 보행패턴을 생성할 것이다. 상태방정식의 계산과 DME는 Matlab 을 통하여 표현하였으며, 계산에 사용된 시스템의 링크 파라미터는 Table 1 과 같다. 발뒤꿈치 접촉에 대한 DME 해석은 족관절을 제외한 고관절, 슬관절 2DOF 모델로 수행하였으며, 발가락 접촉, 발가락 떼기 구간에 대해서는 고관절, 슬관절, 족관절의 3DOF 모델로 시뮬레이션을 수행하였다(Fig 3).
또한 착용자의 에너지 소모량 측정을 위하여 산소소모량 측정이 가능한 MetaMaxTM-3B 를 이용하였다. 산소소모량 측정 실험은 정확한 측정을 위해 30 분간 측정해야 하는데 계단 보행의 경우 30 분간 동일 동작에 대해서 구현이 불가능하기 때문에 평지 보행에 대해서 측정하였으며 실험 조건은 착용형 외골격 로봇을 착용한 경우와 착용형 외골격 로봇을 착용하지 않고 외부 하중물을 장착하지 않은 경우와 40kg 의 외부 하중물을 장착한 경우에 대해서 비교하였다.

성능/효과

로봇의 에너지 효율을 높이기 위하여 일반적으로 두 가지 방법을 통하여 접근하고 있다. 첫째, 로봇의 기구최적화를 이용한 중량 감소를 통하여 동작에 필요한 에너지를 줄이는 방법이 있으며, 둘째, 로봇의 동역학 기반의 분석을 바탕으로 각관절의 최적 힘, 토크 분배를 통하여 에너지 효율을 향상시키는 보행 패턴을 생성하는 방법이 있다.⁷ 많은 족형 로봇은 앞서 설명된 방법을 통하여 에너지 효율을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있지만 착용형 외골격 로봇의 경우 에너지 효율에 대한 연구가 미비하다.
따라서, 본 연구에서는 보행보조를 위한 착용형 외골격 로봇의 평지, 계단 보행 시 소비되는 에너지 효율을 높이기 위하여 각 관절에 대한 최적의 힘 전달과 토크 분배를 고려한 보행 패턴 생성 방법을 소개하며 실제 착용형 외골격 시스템에 적용하여 효용성에 대해서 증명할 것이다. 또한 착용형 외골격 시스템의 착용자에 대한 에너지 소비량 측정을 통하여 착용형 외골격 시스템이 적용된 경우 인간-로봇이 결합된 시스템에 대한 에너지 효율성이 증가됨을 보일 것이다.
2.1 절의 보행분석을 통하여 착용형 외골격 로봇의 에너지 소비를 최소화하기 위해서는 보행주기 중 입각기에 대한 패턴을 생성해야 하며 역할에 따라 구분 지어 고려해야 한다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 최적의 관절의 토크 분배를 위해서 DME(Dynamic Manipulability Ellipsoid)를 이용하여 평지, 계단 보행 입각기의 지지 역할과 추진 역할에 따른 착용형 외골격 로봇의 지면 디딤각을 산출하여 보행보조를 위한 착용형 외골격 로봇의 보행패턴에 적용할 것이다.
4 에 나타내었다. 5 회의반복실험 후 DME 를 적용하지 않은 보행패턴과 DME 를 적용한 보행패턴의 전류소모량 평균을 비교하였을 때 평지보행에서는 DME 를 적용한 보행패턴이 약 11.1%의 전류를 적게 소모하였고, 계단 오르기 보행은 약 4.8%, 계단 내려오기 보행은 약10.4%의 전류를 적게 소모하였다.
5(b)는 착용형 외골격 로봇을 착용한 경우와 착용형 외골격 로봇을 착용하지 않고 외부 하중물을 장착하지 않은 경우와 40kg 의 외부 하중물을 장착한 경우에 대한 인체의 V’O2-TM 을 나타낸 것이며 이를 통하여 외골격 착용형 로봇을 사용하였을 때 인체의 에너지 소모량 또한 줄어들었음을 확인할 수 있었다. 이를 통해서 DME 가 적용된 보행패턴을 사용하는 착용형 외골격 시스템을 활용하였을 때 인간-로봇의 에너지 소비량이 줄어드는 효율적인 시스템이 될 수 있다는 것을 알 수 있다
본 연구에서는 보행 분석을 통하여 보행 입각기의 역할의 분류와 이를 DME 이론에 적용하여 에너지 효율적인 보행패턴 생성방법에 대해서 소개하였으며, 실제 착용형 외골격 시스템에 적용하여 다양한 보행 환경에서 로봇의 에너지 소비가5~10% 줄어들었음을 검증하였다. 또한 착용형 외골격 로봇을 사용하였을 때 인체의 에너지 소모량 또한 약 10% 줄어 인간-로봇의 협업 시스템에서 전체의 에너지 소비량이 감소하는 것을 확인하였다.

후속연구

이를 통하여 에너지 효율적인 보행패턴을 생성한 경우 전체 에너지 소비율의 감소를 통하여 같은 용량의 에너지를 사용하는 경우 좀 더 오랜 시간 동안 착용형 외골격 로봇의 구동이 가능할 것으로 기대되며 외부환경에서의 구동 시 활용성능이 높아 질 것으로 기대된다.

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