[논문]줄 꼬임 기반 팔꿈치 외골격

이광현; 유지환

doi:10.7746/jkros.2013.8.3.164

[국내논문] 줄 꼬임 기반 팔꿈치 외골격
Twisted Strings-based Elbow Exoskeleton 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.8 no.3, 2013년, pp.164 - 172

(School of Mechanical Engineering, KOREATECH) , 이광현 (School of Mechanical Engineering, KOREATECH) , (School of Mechanical Engineering, KOREATECH) , 유지환 (School of Mechanical Engineering, KOREATECH)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a new concept of a 1-DOF elbow exoskeleton driven by a twisted strings-based actuator. A novel joint actuation mechanism is proposed and its kinematic model is presented along with its experimental evaluation, and guidelines on how to choose the strings suitable for such an exoskeleton are given. We also proposed and experimentally verified a human intention detection method which takes advantage of intrinsic compliance of the mechanism. The study showed that the developed twisted strings-driven elbow exoskeleton is light, compact and have a high payload-to-weight ratio, which suggests that the device can be effectively used in a variety of haptics, teleoperation, and rehabilitation applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 줄 꼬임 기반 구동방식에 기반을 둔 새로운 팔꿈치 외골격 시스템에 대한 선행 연구에 대해 소개하였다. 본 연구를 위해 개발된 구동 미케니즘은 기본적으로 유연하고 관성(inertia)이 작으며 백래쉬(backlash)가 존재하지 않는다.
본 연구의 목표는 자체적인 무게에 비해서 들 수 있는 하중의 비율이 높은, 그러면서도 가볍고 유연한 팔꿈치 외골격을 개발하는 것이다. 이러한 외골격 시스템을 개발하기 위해서는 새로운 종류의 구동 미케니즘이 적용되어야 한다.
본 절에서는 줄 꼬임 기반 팔꿈치 외골격의 기구학적 모델을 제시하기 위한 실험적인 증명에 대해 설명한다. 이어지는 하위 절에서 실험 방법 및 다양한 하중이 가해지는 경우 외골격의 수학적 모델에 대한 실험적 연구에 대해 자세히 설명한다.
본 절에서는 회전형(Rotational) TSA(이하 RTSA)에 대한 기구학적 설명을 다룬다. 정확한 기구학의 수학적 모델은 모터의 필요한 최대 토크를 구해 적절한 모터를 선정하기 위해 매우 중요하다.

가설 설정

이를 통해 변하는 반지름을 가지는 경우에 대한 수학적 모델이 기존의 모델보다 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 실험값에 대한 그래프는 두 경우에 대해서 거의 동일한 곡선을 보여주는데 이를 통해 스트링은 매우 높은 스프링 상수를 갖는다는 가정 또한 확인 할 수 있다.
과 r은 꼬여진 상태와 정상 상태의 반지름이다. 제안된 모델과 기존 모델의 가장 큰 차이점은 제안된 모델의 경우 원통이 항상 일정한 부피를 유지한다는 가정이다. 본 논문의 뒷부분에서 언급하겠지만, 이 가정은 이론적 모델과 실험적 데이터의 연관성을 키우는데 상당히 중요한 역할을 한다.
정확한 기구학의 수학적 모델은 모터의 필요한 최대 토크를 구해 적절한 모터를 선정하기 위해 매우 중요하다. 줄 다발을 초기 반지름 r과 초기 길이 L+L_pul, 그리고 스프링 상수 K를 가지는 하나의 원통형 모델로 가정한다. 스프링 상수 K는 다음과 같은 실험적 방법으로 구한다.

제안 방법

본 논문에서는 줄 꼬임 기반 구동방식에 기반을 둔 새로운 팔꿈치 외골격 시스템에 대한 선행 연구에 대해 소개하였다. 본 연구를 위해 개발된 구동 미케니즘은 기본적으로 유연하고 관성(inertia)이 작으며 백래쉬(backlash)가 존재하지 않는다. 게다가 가볍고 저렴하고 기계적으로 간단하며, 기어나 힘 센서가 사용되지 않기 때문에 현재의 설계대로라면 자체 무게의 대략 4배까지의 하중을 들어 올릴 수 있다.
외골격의 구조를 개발하고 이에 대한 기구학적 내용과 모터의 토크 사이의 관계에 대해 실험적으로 증명하였고, 제안된 수학적 모델이 기존 모델보다 실제 실험 데이터와 더 잘 일치하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 얻어진 기구학적 내용은 실제 외골격 시스템을 설계하는데 필요한 모터의 최대 토크를 계산하는데 사용될 수 있으며, 최종적으로 설계한 줄 꼬임 기반 구동기의 유연성을 활용한 제어 알고리즘으로 사람과 상호 작용하는 실험까지 수행했다. 이는 외골격이 효과적으로 재활에 사용될 수 있고, 뿐만 아니라 햅틱이나 원격 조종에도 적용될 수 있음을 의미한다.
이러한 방법들은 모두 다양한 크기의 팔에 적용하기 위해서 크기, 무게, 출력 등이 모두 달라져야 한다. 본 연구에서는 본체의 무게보다 몇 배는 무거운 무게를 감당할 수 있으면서도 운반하기 편한 작고 가벼운 기구 설계에 초점을 맞추었다. 그림 2에서 보는 것처럼 실제 사람의 팔 모양에 맞추고 어깨에 줄 꼬임 구동기가 위치하도록 한 간단한 디자인을 선정하였다.
외골격의 상박은 동작을 하는 동안 상정하지 못한 외란들로 부터의 영향을 받지 않기 위해 frame에 고정된다. 실험은 제안된 기구학적 모델을 증명하고 여러 다른 하중이 걸리는 경우에 대해 다룰 수 있도록 설계되었다.
이러한 현상을 극복하기 위해 분배기(separator)를 추가하였다. 분배기는 줄의 꼬임이 오직 모터와 분배기 사이에서만 발생하도록 만들어 준다.
이러한 접근은 사용자가 하중을 스스로의 힘만으로 들 수 있거나 하중이 전혀 걸리지 않는 경우에 사용이 가능하다. 제안된 알고리즘은 햅틱, 원격조종, 재활 등에 적용되어질 수 있다. 두 개의 대립 RTSA를 사용할 경우 두 구동기가 스프링 역할을 하기 때문에 이 방법이 적용가능하다.

성능/효과

외골격의 구조를 개발하고 이에 대한 기구학적 내용과 모터의 토크 사이의 관계에 대해 실험적으로 증명하였고, 제안된 수학적 모델이 기존 모델보다 실제 실험 데이터와 더 잘 일치하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 얻어진 기구학적 내용은 실제 외골격 시스템을 설계하는데 필요한 모터의 최대 토크를 계산하는데 사용될 수 있으며, 최종적으로 설계한 줄 꼬임 기반 구동기의 유연성을 활용한 제어 알고리즘으로 사람과 상호 작용하는 실험까지 수행했다.
그림 8은 두 가지 실험에서의 모터의 각도 θ와 팔꿈치의 각도 β 사이의 실험적 관계를 줄이 일정 반지름을 가지는 경우와 상태에 따라 변하는 반지름을 가지는 경우에 대해 보여주고 있다. 이를 통해 변하는 반지름을 가지는 경우에 대한 수학적 모델이 기존의 모델보다 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 실험값에 대한 그래프는 두 경우에 대해서 거의 동일한 곡선을 보여주는데 이를 통해 스트링은 매우 높은 스프링 상수를 갖는다는 가정 또한 확인 할 수 있다.

후속연구

남은 연구 과제로는 사용자가 스스로 하중을 감당할 수 없을 때 힘을 증폭시킬 수 있는 시스템을 위한 제어 알고리즘을 개발하는 것이다. 또한 수축과 이완 동작 모두를 인지하고 외골격의 강성을 제어하기 위해 본 논문에서 제안한 것과 유사한 양방향 구조의 줄 꼬임 기반 구동기를 개발할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	외골격 로봇 분야가 널리 사용되지 못하고 있는 이유는?	최근 몇 년간 외골격 로봇 분야는, 상지 (upper-limb)보조[3,4,6,7,11], 하지(lowe-limb) 보조[2,16] 그리고 손 보조[1,5,9] 등과 같이 활용분야를 나누어 활발한 연구가 진행되고 있으며 최근 들어 괄목할 만한 진전이 이루어지고 있다. 하지만, 사용자의 피로를 야기하는 무거운 무게 와 큰 크기, 낮은 휴대성, 그리고 많은 센서들로 인한 기계적인 복잡함과 같은 여러 근본적인 문제점들 때문에 널리 사용되지 못 하고 있다. 또 다른 문제점으로는 모터 및 기어의 연결로 이루어진 구동 미케니즘에서는 장애물과의 충돌 또는 갑작스러운 힘의 변화에 기구적인 안전성을 유지하기 어렵다는 점이다.
	외골격 로봇 시스템이 무엇인가?	외골격 로봇 시스템은 사람에게 착용되어 사람이 느끼는 물리적인 힘을 직접적으로 가공하여 전달하는 물리적 인터페이스이다. 이런 외골격 로봇 시스템은 재활 및 물리 치료, 근력 보조 및 증폭, 가상환경과의 상호작용, 그리고 원격 조종 등에 응용되어 질 수 있다.
	외골격 로봇 시스템의 쓰임은?	외골격 로봇 시스템은 사람에게 착용되어 사람이 느끼는 물리적인 힘을 직접적으로 가공하여 전달하는 물리적 인터페이스이다. 이런 외골격 로봇 시스템은 재활 및 물리 치료, 근력 보조 및 증폭, 가상환경과의 상호작용, 그리고 원격 조종 등에 응용되어 질 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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