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문제 정의
- 본 연구로부터 인간의 보행을 정확하게 생성하기 위한 다 자유도를 가지고 있는 대퇴부 로봇 의지를 설계 및 제작하였다. 인간의 치수와 무게 배분 및 관절 회전 반경 등을 고려하여 로봇의 구동 메커니즘을 설계하였으며, 힘 해석을 통하여 적절한 구동기들을 선정하였다.
- 하지만 현재까지 개발된 로봇 의지들을 조사하였을 때 무릎 피치 축, 발목 피치 축, 발목 롤 축 모두 모터를 이용하여 제어한 의지는 보이지 않고 있어, 복잡한 지면형상의 적용 및 균형유지에는 어려움이 있을 것으로 사료된다. 본 연구의 최종목적은 사람의 관절구조를 모두 갖춘 로봇 대퇴 의지를 개발하여 인간과 흡사한 보행패턴을 생성하고, 복잡한 지면 형상에 쉽게 적응되며 실시간 균형유지가 가능한 제어알고리즘을 개발하는 것이다. 첫 번째 단계로써, 본 논문에서는 대퇴 절단자들을 위한 3자유도를 갖는 로봇 대퇴 의지를 설계하는 과정에 대하여 기술하였다.
- 본 연구의 최종목적은 사람의 관절구조를 모두 갖춘 로봇 대퇴 의지를 개발하여 인간과 흡사한 보행패턴을 생성하고, 복잡한 지면 형상에 쉽게 적응되며 실시간 균형유지가 가능한 제어알고리즘을 개발하는 것이다. 첫 번째 단계로써, 본 논문에서는 대퇴 절단자들을 위한 3자유도를 갖는 로봇 대퇴 의지를 설계하는 과정에 대하여 기술하였다. 그리고 제작된 로봇 대퇴 의지의 성능 평가를 위하여 정상인의 보행궤적을 모션 캡쳐 장비를 사용하여 촬영한 후 로봇에 적용시켜 효용성을 검증하였다.
가설 설정
- 6 kgf 정도임을 알 수 있다. 그러나, 본 연구에서는 연구 초기 단계로써 의지의 충분한 강성을 위해 로봇의지의 목표 무게를약 5.5 kgf 내외로 설정하였다. 의지의 전반적인 치수는 실험자의 하체 치수를 고려하여 선정하였다.
제안 방법
- (1) 우선, 인간의 보행과 유사한 움직임이 가능하도록 자유도를 배치하는 것에 초점을 두었다. (2) 또한 기존에 개발된 기계식 의지와는 달리 모터와 감속기를 사용하여 정확한 보행 움직임이 가능하도록 하였다. 특히, 정밀한 균형 제어를 위해 백래쉬가 없는 하모닉 기어를 사용하였고 무게, 부피대비 파워가 높고 제어성이 뛰어난 BLDC 모터를 사용하였다.
- 로봇의지의 관절은 무릎 피치, 발목 피치, 발목 롤 축을 전기모터를 사용하여 독립적으로 움직일 수 있도록 설계하였고 토션 스프링을 사용한 수동식 방식으로 인간의 발가락 기능을 구현하였다. (3) 또한, 추후에 진행할 연구를 위해 관성센서와 Force/Torque센서를 로봇의지에 구성하였다. (4) 로봇 의지의 높이와 무게는 실제 사람의 데이터를 고려하여 설계하였으며 키에 따라 높이 조절이 가능하도록 설계하였다.
- (3) 또한, 추후에 진행할 연구를 위해 관성센서와 Force/Torque센서를 로봇의지에 구성하였다. (4) 로봇 의지의 높이와 무게는 실제 사람의 데이터를 고려하여 설계하였으며 키에 따라 높이 조절이 가능하도록 설계하였다.
- 이는 보행 중 발이 지면에서 떨어지기 직전 발가락에 의한 안정적인 지지 면적을 최대한 넓히기 위함이다.9 발가락의 개수는 2개로 단순화하였으며 기구학적인 접근을 통해 구현하였다. 발가락의 구조는 4절 링크 구조 중에서 Crankrocker 형태로 설계하였고, 스프링 정수가 304 Nmm/rad인 토션 스프링을 이용하여 변형 후 복원이 가능하도록 하였다.
- 발가락의 구조는 4절 링크 구조 중에서 Crankrocker 형태로 설계하였고, 스프링 정수가 304 Nmm/rad인 토션 스프링을 이용하여 변형 후 복원이 가능하도록 하였다. 구조적인 Stopper로부터 최대 60도 이상 굽어질 수 없으며, 200 kgf 이상의 착용자의 체중을 감당 할 수 있도록 회전축을 설계하였다. Fig.
- 18에 도시하였다. 그리고 RMS 오차값을 계산함으로써 로봇의 관절위치 제어 정확성을 확인하였다 (Table 4참조). 결과적으로, 각 관절들의 RMS오차가 0.
- 보행 분석은 모션 캡쳐 장비를 사용하여 정상보행을 촬영한 후 각 관절의 각도를 계산하는 방법으로 진행하였다. 그리고 보행 데이터의 수학화를 위하여 특정 구간의 보행패턴을 푸리에 급수를 사용하여 표현하였고 수학화된 보행의 속도를 계산하여 Fig. 7과 같이 그래프로 도시하였다. 그래프를 통해 무릎 피치 축은 대략적으로 최대 40 RPM 을 필요로 하는 것을 알수 있는데 200 Watt급 모터가 최대 25,000 RPM까지 가능하다는 것을 감안했을 때 감속비가 625:1보다 작아야 함을 알 수 있다.
- 첫 번째 단계로써, 본 논문에서는 대퇴 절단자들을 위한 3자유도를 갖는 로봇 대퇴 의지를 설계하는 과정에 대하여 기술하였다. 그리고 제작된 로봇 대퇴 의지의 성능 평가를 위하여 정상인의 보행궤적을 모션 캡쳐 장비를 사용하여 촬영한 후 로봇에 적용시켜 효용성을 검증하였다. 개발된 로봇의 기본적인 사양을 Table 1에 표시하였다.
- 9에서 무릎 피치 축 관절의 경우, 높은 토크증폭과 공간 효율성을 향상시키기 위하여 모터와 하모닉 기어 사이에 이중 풀리 감속 메커니즘을 사용하였고, 회전축들은 듀얼 베어링으로 단단히 고정하여 흔들림이 없도록 하였다. 그리고 추후에 로봇의지 착용시 보행에 방해가 되지 않도록 모터 축 풀리와 입력 축 풀리 모두 로봇의지 내부에 위치하도록 설계하였다. 또한 무릎의 회전 관성 모멘트를 줄이기 위하여 무게 중심점을 회전축과 근접한 곳에 위치시키기 위하여 모터를 최대한 무릎 회전축 근처에 배치하였다.
- 선정된 모터, 감속기 및 타이밍 풀리를 이용하여 상세설계를 수행하였다. 기본적으로 의지의 길이는 보행 실험 시 175 cm 키의 정상인이 무릎을 접고 로봇 의지를 착용할 수 있도록 500 mm 로 설계하였다. 발바닥 길이는 실제 인간의 치수에 기반하여 설계하였고, 너비는 발바닥의 너비보다 20 mm가량 넓게 설계하였는데 이는 보행 중 바닥에서의 지지면적을 넓힘으로써 안정성을 높이기 위함이다.
- 다음으로, 로봇의 보행 실험을 수행하기 위하여 허벅지의 움직임을 구현해 주는 시뮬레이터에 로봇 의지를 장착하여 실험을 수행하였다. Fig.
- 더 나아가, 관절에 필요한 최대 속도를 구하기 위해 정상 보행속도를 분석하여 각 관절에서의 최대 속도를 계산하였다. 보행 분석은 모션 캡쳐 장비를 사용하여 정상보행을 촬영한 후 각 관절의 각도를 계산하는 방법으로 진행하였다.
- 그리고 추후에 로봇의지 착용시 보행에 방해가 되지 않도록 모터 축 풀리와 입력 축 풀리 모두 로봇의지 내부에 위치하도록 설계하였다. 또한 무릎의 회전 관성 모멘트를 줄이기 위하여 무게 중심점을 회전축과 근접한 곳에 위치시키기 위하여 모터를 최대한 무릎 회전축 근처에 배치하였다.
- 한 모터는 다리를 펴는 역할을 수행하고, 다른 하나는 다리를 굽히는 역할을 수행한다. 또한 스프링을 같이 사용함으로써 모터가 다리를 고정한 후에도 가변이 되어 보행 시 발생하는 충격과 모터에 걸리는 부하를 줄여줄 수 있는 구조를 적용하였다. 하지만 한 관절을 움직이는데 2개의 모터를 사용하여야 한다는 점이 비효율적이라고 볼 수 있다.
- 로봇 의지에 사용될 모터와 감속기는 정적 힘 해석에 안전율을 사용하여 계산한 최대 필요토크를 바탕으로 선정하였다. 정적 힘 해석은 보행 중에 발생할 수 있다고 판단되는 자세 중에서 가장 큰 힘을 필요로 하는 자세를 임의로 선정하여 수행하였다.
- 로봇 의지의 자유도는 실제 사람의 움직임을 모사할 수 있도록 Fig. 3과 같이 무릎 피치와 발목 피치, 발목 롤 및 발가락에 두었고 총 5개로 설정하였다. 이중 무릎 및 발목의 3개 관절은 능동형이며, 발가락 2개 관절은 수동형이다.
- 특히, 정밀한 균형 제어를 위해 백래쉬가 없는 하모닉 기어를 사용하였고 무게, 부피대비 파워가 높고 제어성이 뛰어난 BLDC 모터를 사용하였다. 로봇의지의 관절은 무릎 피치, 발목 피치, 발목 롤 축을 전기모터를 사용하여 독립적으로 움직일 수 있도록 설계하였고 토션 스프링을 사용한 수동식 방식으로 인간의 발가락 기능을 구현하였다. (3) 또한, 추후에 진행할 연구를 위해 관성센서와 Force/Torque센서를 로봇의지에 구성하였다.
- 로봇의지의 발바닥은 보행 시 안정적인 지면지지를 위하여 실제 발바닥보다 너비가 조금 더 넓도록 122×265 mm2 로 결정 하였다.
- 마찬가지로 듀얼 베어링으로 회전 축이 흔들리지 않도록 단단히 고정하였다. 바닥에서 발목 관절까지의 높이는 인체모델에 기반하여 100 mm로 선정하였고 보행 시 지면에서 발생하는 반발력을 측정할 수있도록 Force/Torque Sensor를 발바닥에 장착하였다. 또한 지면 접촉 시 발생하는 Heel-Strike를 줄여줄수 있도록 우레탄 스프링을 부착하였고 이는 발의 종골 역할을 한다.
- 9 발가락의 개수는 2개로 단순화하였으며 기구학적인 접근을 통해 구현하였다. 발가락의 구조는 4절 링크 구조 중에서 Crankrocker 형태로 설계하였고, 스프링 정수가 304 Nmm/rad인 토션 스프링을 이용하여 변형 후 복원이 가능하도록 하였다. 구조적인 Stopper로부터 최대 60도 이상 굽어질 수 없으며, 200 kgf 이상의 착용자의 체중을 감당 할 수 있도록 회전축을 설계하였다.
- 발목 롤 축 관절은 Fig. 11과 같이 감속비가 높지 않아 단일 풀리 감속 메커니즘을 사용하여 구성하였고 발목 피치 축 관절과 같은 수평면에 출력 축이 위치하여 발목 피치 축과 롤 축이 서로한 점에서 교차할 수 있도록 설계하였다. 마찬가지로 듀얼 베어링으로 회전 축이 흔들리지 않도록 단단히 고정하였다.
- 15 N·m임을 계산하였고 이는 필요토크를 만족시킨다. 발목 피치 축도 이중 풀리 메커니즘을 사용하여 5:1의 풀리비를 만들었고 결과적으로 500:1의 감속비로 구성하였다. 발목 피치 축 관절에서 최대로 낼 수 있는 토크를 계산한 결과 107.
- 기본적으로 의지의 길이는 보행 실험 시 175 cm 키의 정상인이 무릎을 접고 로봇 의지를 착용할 수 있도록 500 mm 로 설계하였다. 발바닥 길이는 실제 인간의 치수에 기반하여 설계하였고, 너비는 발바닥의 너비보다 20 mm가량 넓게 설계하였는데 이는 보행 중 바닥에서의 지지면적을 넓힘으로써 안정성을 높이기 위함이다. 개발한 로봇의 2D 도면과 3D모델을 Fig.
- 더 나아가, 관절에 필요한 최대 속도를 구하기 위해 정상 보행속도를 분석하여 각 관절에서의 최대 속도를 계산하였다. 보행 분석은 모션 캡쳐 장비를 사용하여 정상보행을 촬영한 후 각 관절의 각도를 계산하는 방법으로 진행하였다. 그리고 보행 데이터의 수학화를 위하여 특정 구간의 보행패턴을 푸리에 급수를 사용하여 표현하였고 수학화된 보행의 속도를 계산하여 Fig.
- 모션 캡쳐를 통해 저장한 데이터는 Autodesk사의 모션빌더와 3Ds Max의 Biped Model을 사용하여 각 관절의 각도변화를 알아내는데 사용하였다. 보행중 발생할 수 있는 노이즈를 줄이고 각 관절의 보행주기를 일치시키기 위하여 푸리에 급수로 수학화 과정을 수행하였다. 각 관절의 모션캡쳐 데이터와 커브 피팅된 곡선은 Fig.
- 선정된 모터, 감속기 및 타이밍 풀리를 이용하여 상세설계를 수행하였다. 기본적으로 의지의 길이는 보행 실험 시 175 cm 키의 정상인이 무릎을 접고 로봇 의지를 착용할 수 있도록 500 mm 로 설계하였다.
- 5:1을 넘어갈 경우 벨트와 풀리의 접촉면이 적어져서 효율이 떨어짐과 동시에 지나치게 풀리가 커지는 문제점이 발생한다. 이를 해결하기 위하여 풀리에 의한 감속을 두 번 거치는 이중 풀리 감속 메커니즘으로 설계하였다 (Fig. 9와 10 참조). 최종적으로 무릎 피치 축 관절에서 최대로 낼 수 있는 토크는 202.
- 본 연구로부터 인간의 보행을 정확하게 생성하기 위한 다 자유도를 가지고 있는 대퇴부 로봇 의지를 설계 및 제작하였다. 인간의 치수와 무게 배분 및 관절 회전 반경 등을 고려하여 로봇의 구동 메커니즘을 설계하였으며, 힘 해석을 통하여 적절한 구동기들을 선정하였다. 제작된 로봇 의지는 모션 캡쳐로부터 생성 및 후처리된 일반인의 보행 패턴을 직접 적용해보고, 이에 대한 로봇의 관절 위치 추종 성능을 측정하였다.
- 정상인의 보행을 로봇 의지에 적용하는 과정을 통해 로봇의 성능을 평가하였다. 모션 캡쳐 장비는 Natural Point 사의 OptiTrack을 사용하였으며 100 frame/sec 의 속도로 모션을 캡쳐하였다 (Fig.
- 로봇 의지에 사용될 모터와 감속기는 정적 힘 해석에 안전율을 사용하여 계산한 최대 필요토크를 바탕으로 선정하였다. 정적 힘 해석은 보행 중에 발생할 수 있다고 판단되는 자세 중에서 가장 큰 힘을 필요로 하는 자세를 임의로 선정하여 수행하였다. 각 관절에 작용하는 하중의 크기는 인체의 질량분배 표를 바탕으로 결정하였고 링크의 길이는 실제 인간모델을 기준으로 선정하였다.
- 인간의 치수와 무게 배분 및 관절 회전 반경 등을 고려하여 로봇의 구동 메커니즘을 설계하였으며, 힘 해석을 통하여 적절한 구동기들을 선정하였다. 제작된 로봇 의지는 모션 캡쳐로부터 생성 및 후처리된 일반인의 보행 패턴을 직접 적용해보고, 이에 대한 로봇의 관절 위치 추종 성능을 측정하였다. 결과적으로 로봇의지의 보행 운동이 잘 수행되었고, 오차가 0.
- 첫째로 무릎관절의 경우 보행 시 가장 무릎에 큰 부하가 가해지는 계단을 오르는 동작을 통해 무릎 관절의 하중을 계산하였다. 계단을 오를 시 무릎의 각도가 대략 45도 굽어진 상태에서 무릎관절에 큰 하중이 실리게 되고 이 때의 허벅지의 각도는 60도 이다.
- (2) 또한 기존에 개발된 기계식 의지와는 달리 모터와 감속기를 사용하여 정확한 보행 움직임이 가능하도록 하였다. 특히, 정밀한 균형 제어를 위해 백래쉬가 없는 하모닉 기어를 사용하였고 무게, 부피대비 파워가 높고 제어성이 뛰어난 BLDC 모터를 사용하였다. 로봇의지의 관절은 무릎 피치, 발목 피치, 발목 롤 축을 전기모터를 사용하여 독립적으로 움직일 수 있도록 설계하였고 토션 스프링을 사용한 수동식 방식으로 인간의 발가락 기능을 구현하였다.
대상 데이터
- 정적 힘 해석은 보행 중에 발생할 수 있다고 판단되는 자세 중에서 가장 큰 힘을 필요로 하는 자세를 임의로 선정하여 수행하였다. 각 관절에 작용하는 하중의 크기는 인체의 질량분배 표를 바탕으로 결정하였고 링크의 길이는 실제 인간모델을 기준으로 선정하였다.8 그리고 1.
- 감속기는 백래쉬가 없으며 높은 토크 전달력을 가지고 있는 하모닉 기어를 선택하였다. 또한 관절에 작용하는 하중을 견딜 수 있으면서 크기가 작고 무게가 가벼운 17형번 모델을 선택하였다.
- 또한 관절에 작용하는 하중을 견딜 수 있으면서 크기가 작고 무게가 가벼운 17형번 모델을 선택하였다. 높은 토크가 작용하는 무릎과 발목의 피치 축 관절부분은 경량 CSG타입을 사용하였고, 발목의 롤축 관절은 Flat 형 CSD타입을 사용하였다. 하모닉 기어의 감속비는 모두 100:1로 통일하였으며 추가적인 감속비의 조절은 타이밍 풀리벨트를 모터 출력단과 감속기 입력단 사이에 사용하였다.
- 다음으로, 모터는 Maxon 사의 BLDC모터 중에서 파워대비 무게와 부피가 매우 작은EC-4pole모델을 선정하였고 규격은 200 Watt급 1개와 100 Watt 급 2개를 사용하였다. 200 Watt급 모터는 무릎 피치 관절에서 사용하고, 100 Watt급 모터는 발목 피치와 발목 롤 관절에서 사용하였다.
- 감속기는 백래쉬가 없으며 높은 토크 전달력을 가지고 있는 하모닉 기어를 선택하였다. 또한 관절에 작용하는 하중을 견딜 수 있으면서 크기가 작고 무게가 가벼운 17형번 모델을 선택하였다. 높은 토크가 작용하는 무릎과 발목의 피치 축 관절부분은 경량 CSG타입을 사용하였고, 발목의 롤축 관절은 Flat 형 CSD타입을 사용하였다.
- 15(a)). 모션 캡쳐를 통해 저장한 데이터는 Autodesk사의 모션빌더와 3Ds Max의 Biped Model을 사용하여 각 관절의 각도변화를 알아내는데 사용하였다. 보행중 발생할 수 있는 노이즈를 줄이고 각 관절의 보행주기를 일치시키기 위하여 푸리에 급수로 수학화 과정을 수행하였다.
- 의지의 전반적인 치수는 실험자의 하체 치수를 고려하여 선정하였다. 실험자의 키는 1,750 mm이며 무릎 이하의 길이는 500 mm정도임을 가상의 모델을 통해서 알 수 있었다 (Fig. 5 참조). 따라서, 실험자가 로봇 의지를 적절하게 착용할 수 있도록, 로봇 의지의 총 길이를 500 mm 로 설정하였다.
성능/효과
- 제작된 로봇 의지는 모션 캡쳐로부터 생성 및 후처리된 일반인의 보행 패턴을 직접 적용해보고, 이에 대한 로봇의 관절 위치 추종 성능을 측정하였다. 결과적으로 로봇의지의 보행 운동이 잘 수행되었고, 오차가 0.1 도이하로 측정되어 로봇의 정확한 관절 구동이 성공적임을 증명하였다. 향후 연구로써, 로봇에 장착된 F/T 센서와 관성센서로부터 지면의 기울기와 사람의 기울기 및 지면의 압력 중심 위치를 측정하고, 이러한 정보로부터 지면에 쉽게 적응하고 균형을 유지할 수 있는 제어 알고리즘에 대해서 연구할 계획이다.
- 그리고 RMS 오차값을 계산함으로써 로봇의 관절위치 제어 정확성을 확인하였다 (Table 4참조). 결과적으로, 각 관절들의 RMS오차가 0.1 도 보다 작게 측정된 것을 확인할 수 있었고, 이를 통해 로봇의 뛰어난 관절위치제어성능을 정량적으로 평가할 수있었다.
- 7과 같이 그래프로 도시하였다. 그래프를 통해 무릎 피치 축은 대략적으로 최대 40 RPM 을 필요로 하는 것을 알수 있는데 200 Watt급 모터가 최대 25,000 RPM까지 가능하다는 것을 감안했을 때 감속비가 625:1보다 작아야 함을 알 수 있다. 발목 피치 축 관절은 최대 30 RPM을 필요로 하는데 100 Watt 모터도 최대 25,000 RPM을 가지는 점을 통해 감속비가 833.
- 16은 로봇에 적용한 보행 궤적을 촬영한 사진이다. 로봇 의지의 보행 주기는 일반인보다 조금 느린 1.5 초로 설정하였고 Fig. 17과 같이 참조 각도 궤적을 정확히 추종한 것을 알 수 있었다. 또한, 한 주기의 보행을 대상으로 각 관절들의 입력 값에 대한 출력 값의 오차를 Fig.
- 또한, 로봇의지의 무게를 줄이기 위하여 경량화 작업을 진행하였고 각 파트 별 무게는 Table 3에 자세히 표시하였다. 로봇 의지의 전체적인 무게는 5.410 kgf으로 목표하였던 5.5 kgf보다는 가벼운 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 발목 피치 축 관절에서 최대로 낼 수 있는 토크를 계산한 결과 107.15 N·m로 필요 토크를 충분히 만족시키는 것을 확인할 수 있다.
- 셋째로 발목의 롤 축은 평지 보행에서는 크게 하중이 작용할 것이 없지만 불규칙한 지형에서는 하중이 작용할 수 있다. 힘의 작용점은 발바닥을 벗어나지 않는다는 가정을 함으로써 하중의 작용점까지의 거리를 발바닥 너비의 절반으로 두고 최대토크를 식(3)과 같이 계산하였다 (Fig.
- 이를 통해 무릎피치의 최대관절토크 138.99 N·m를 충족하려면 최소 343.78:1 이상의 감속비를 가져야 한다는 것을 알 수 있다.
- 최종적으로 무릎 피치 축 관절에서 최대로 낼 수 있는 토크는 202.15 N·m임을 계산하였고 이는 필요토크를 만족시킨다.
후속연구
- 1 도이하로 측정되어 로봇의 정확한 관절 구동이 성공적임을 증명하였다. 향후 연구로써, 로봇에 장착된 F/T 센서와 관성센서로부터 지면의 기울기와 사람의 기울기 및 지면의 압력 중심 위치를 측정하고, 이러한 정보로부터 지면에 쉽게 적응하고 균형을 유지할 수 있는 제어 알고리즘에 대해서 연구할 계획이다.
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