[논문]전기식 하지 외골격 로봇의 구동기 에너지 효율 향상을 위한 클러치 메커니즘 설계

김호준; 김완수; 임동환; 한창수

doi:10.7736/kspe.2016.33.3.173

[국내논문] 전기식 하지 외골격 로봇의 구동기 에너지 효율 향상을 위한 클러치 메커니즘 설계
Design of Clutch Mechanism for Increased Actuator Energy Efficiency of Electrically Actuated Lower Extremity Exoskeleton 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.3, 2016년, pp.173 - 181

김호준 (한양대학교 기계공학과) , 김완수 (한양대학교 공학기술연구소) , 임동환 (한양대학교 기계공학과) , 한창수 (한양대학교 로봇공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports on the development of a roller-cam clutch mechanism. This mechanism can transfer bidirectional torque with high backdrivability, as well as increase actuation energy efficiency, in electrical exoskeleton robots. The developed mechanism was installed at the robot knee joint and unclutched during the swing phase which uses less metabolic energy, thereby functioning as a passive joint. The roller-cam clutch aimed to increase actuation energy efficiency while also producing high backdrivability by generating zero impedance for users during the swing phase. To develop the mechanism, mathematical modeling of the roller-cam clutch was conducted, with the design having more than three safety factors following optimization. Titanium (Ti-6AL-4V) material was used. Finally, modeling verification was done using ANSYS software.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 기존의 전기식 외골격 로봇의 에너지 효율을 높이기 위해 인체 보행 에너지가 적게 쓰이는 구간에서 제어적으로 동력 전달이 되지 않는 메커니즘을 고려하였다. 하지만 위의 유압식 외골격 로봇과는 다르게 전기식 외골격 로봇은 감속기를 사용하여 구동력을 전달하므로 특정 메커니즘 없이는 위와 같은 반 능동적 시스템을 구축할 수 없다.
본 연구에서는 위의 가정들을 바탕으로 보행 시 인체의 신진대사 에너지 (Metabolic Energy)에 대한 특성을 분석하여 특정 구간에서의 메커니즘 적용을 통한 반 능동적 전기 시스템 구축의 유용성을 확보하고, 위의 특정 구간 내에서 메커니즘을 적용하고자 인체 보행 데이터를 이용하여 에너지 효율을 극대화 할 수 있는 관절을 선정하였다.
이는, 유각기에서 인체가 전진할 때에 중력의 영향으로 움직이기 때문이며 유각기에서의 관절은 수동 진자 (Passive Pendulum)의 형태로 가정한다.¹⁰ 그러므로 본 연구에서는 유각기 구간에서 감속기와 링크 사이를 단절하는 클러치 메커니즘을 적용하여 반 능동적 전기 시스템을 구축하고자 하였다.
기존의 전기식 외골격 로봇은 감속기의 마찰 보상을 위해 추가적인 에너지를 사용하며, 각속도가 증가함에 따라 마찰 보상력도 증가한다.¹² 그러므로 상대적으로 큰 각속도 값을 갖는 관절에 메커니즘을 적용하여 에너지 효율을 높이고자 하였다. Fig.
위의 절에서 선정된 롤러-캠 클러치 메커니즘을 이용하여 양방향 전달과 빠른 연결 및 단절이 가능한 메커니즘을 개발하고자 하였다. 하지만 기존에 사용되는 롤러-캠 클러치 메커니즘은 한방향 전달만 가능하며 두 Race의 양방향 단절상태를 가질 수 없으므로¹⁴ 본 연구에서는 앞서 설명한 목적에 맞는 새로운 메커니즘을 개발하였다.
롤러-캠 클러치 메커니즘은 안쪽 Race의 캠과 바깥쪽 Race의 안쪽 면이 롤러와 접촉하여 연결되며 롤러와 Race 사이에 선 접촉이 일어나 응력이 발생하게 된다. 본 절에서는 연결 상태에서의 구동력 전달과 접촉에 의해 발생하는 응력에 대해 모델링 하였다.¹⁴
위와 같이 인장 후프 응력 (σh)을 최소화 하고자 하였으며, 적용 재질의 항복 강도를 넘지 않는 수준의 압축 응력을 갖게 하기 위해 합리적인 안전계수 값 이상을 갖도록 설계하고자 하였다.

가설 설정

2-8 인체 동작 데이터를 기준으로 다양한 설계 및 제어 개발이 가능한 이유는 외골격 로봇은 인체의 크기, 무게, 관성의 특성과 동일하며, 로봇의 동작은 인체의 동작과 일치하다라는 가정을 바탕으로 하였기 때문이다.¹¹
2% 정도로 입각기에서의 사용량보다 적다. 이는, 유각기에서 인체가 전진할 때에 중력의 영향으로 움직이기 때문이며 유각기에서의 관절은 수동 진자 (Passive Pendulum)의 형태로 가정한다.¹⁰ 그러므로 본 연구에서는 유각기 구간에서 감속기와 링크 사이를 단절하는 클러치 메커니즘을 적용하여 반 능동적 전기 시스템을 구축하고자 하였다.
(b)와 같이 롤러와 바깥쪽 race에 의한 인장 후프 응력은 αc , Lr , Thicko의 설계 변수에 민감하다.

제안 방법

하지만 위의 유압식 외골격 로봇과는 다르게 전기식 외골격 로봇은 감속기를 사용하여 구동력을 전달하므로 특정 메커니즘 없이는 위와 같은 반 능동적 시스템을 구축할 수 없다. 이를 해결하기 위해 인체의 보행 에너지의 특성을 분석하여 특정 구간에서의 메커니즘 적용에 대한 유용성과 메커니즘을 적용할 관절을 선정하였고, 이를 수동 관절과 같이 동작하기 위해 감속기와 연결되어 있는 링크를 기계적으로 단절할 수 있는 클러치 메커니즘을 제안하여 반 능동적 전기 시스템 (Semi-Active Electric System)을 통해 구동 에너지 효율을 높이고자 하였다.
위의 두 가지 구간에 대한 인체 보행 데이터를 분석 및 비교하기 위해 12명의 피실험자에 대하여 30kg의 중량물을 메고 4kph의 속도로 각각 3회씩 총 36번의 보행 실험을 실시하였다. 실험 장비는 VICON사의 모션 캡쳐 장비를 사용하였고 AMTI Force Platform을 사용하여 지면 반발력을 측정하였다.
위의 두 가지 구간에 대한 인체 보행 데이터를 분석 및 비교하기 위해 12명의 피실험자에 대하여 30kg의 중량물을 메고 4kph의 속도로 각각 3회씩 총 36번의 보행 실험을 실시하였다. 실험 장비는 VICON사의 모션 캡쳐 장비를 사용하였고 AMTI Force Platform을 사용하여 지면 반발력을 측정하였다.
반 능동적 전기 시스템의 유용성을 확인하기 위해 Fig. 2와 같이 두 구간에 대한 고 관절, 슬 관절, 족 관절의 신진대사 에너지 사용량과 전체 관절의 신진대사 에너지 사용량 그래프를 나타내어 분석하였다. 위의 그래프와 같이 평지 보행에서 유각기의 신진대사 에너지 사용량은 총 신진대사 에너지 사용량의 15.
메커니즘을 적용할 관절을 선정하기 위해 유각기 구간 내에서 각 관절의 각속도를 비교하였다. 기존의 전기식 외골격 로봇은 감속기의 마찰 보상을 위해 추가적인 에너지를 사용하며, 각속도가 증가함에 따라 마찰 보상력도 증가한다.
그러므로, 본 연구에서는 수동 진자로 가정할 수 있는 유각기 구간에서 상대적으로 큰 마찰 보상 에너지를 필요로 하는 슬 관절에 수동 관절을 갖게 할 수 있는 클러치 메커니즘을 적용하였다.
본 연구에서는 위의 목적을 만족할 수 있는 클러치 메커니즘 중 롤러-캠 (Roller-Cam) 클러치 메커니즘을 고려하였다. 본 메커니즘 원리는 안쪽과 바깥쪽 Race가 있고 Race 사이에 롤러가 있어 두 Race 사이의 공간이 롤러의 지름보다 작아지면 두 Race가 연결이 되고 반대로 커지면 단절이 된다.
¹⁴ 그러므로 안쪽 Race의 캠 형상에 따라 양 방향 토크 전달이 가능하며, 어떠한 각도에서도 연결이 가능하기 때문에 다른 개념의 클러치 메커니즘 13,17보다 짧은 구동 전달시간을 가질 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 위의 목적에 적합한 롤러-캠 클러치 메커니즘을 선정하였다.
왼쪽 그림은 연결과 단절 상태의 개념도이다. 유각기 구간에서는 안쪽 Race가 바깥쪽 Race와 단절될 수 있도록 두 Race의 사이 공간을 롤러의 지름보다 크게 만들어(점선) 수동 관절이 되도록 하였다. 반대로, 입각기 구간에서는 두 Race가 연결될 수 있도록 두 Race의 사이 공간을 롤러의 지름보다 작게 만들어(실선) 서로 맞물리게 함으로써 구동력 전달이 가능하도록 하였다.
유각기 구간에서는 안쪽 Race가 바깥쪽 Race와 단절될 수 있도록 두 Race의 사이 공간을 롤러의 지름보다 크게 만들어(점선) 수동 관절이 되도록 하였다. 반대로, 입각기 구간에서는 두 Race가 연결될 수 있도록 두 Race의 사이 공간을 롤러의 지름보다 작게 만들어(실선) 서로 맞물리게 함으로써 구동력 전달이 가능하도록 하였다. 또한, 양방향 구동력 전달을 위해 그림과 같이 롤러를 기준으로 양쪽 Race 공간이 좁아지는 캠 형상을 갖도록 하였다.
반대로, 입각기 구간에서는 두 Race가 연결될 수 있도록 두 Race의 사이 공간을 롤러의 지름보다 작게 만들어(실선) 서로 맞물리게 함으로써 구동력 전달이 가능하도록 하였다. 또한, 양방향 구동력 전달을 위해 그림과 같이 롤러를 기준으로 양쪽 Race 공간이 좁아지는 캠 형상을 갖도록 하였다. Fig.
4의 오른쪽 그림은 왼쪽 그림의 단면도이다. 서보모터를 이용하여 안쪽 Race의 Trigger 캠을 움직임으로써 두 Race가 연결 또는 단절 상태를 갖도록 하였다. 유각기 구간에서는 안쪽 Race의 캠과 롤러 사이에 공간이 생겨 Fig.
4(b)와 같은 형태가 되어 양방향 동력 전달이 가능하도록 하였다. 또한, 연결 상태 시단면도 B-B와 같이 바깥쪽 Race와 롤러, 안쪽 Race가 일직선상에 놓이게 하여 동력 전달에 의한 힘이 가해져도 현 상태에서 벗어나지 않는 Singularity 위치를 만듦으로써 연결 상태를 유지하기 위한 추가적인 에너지가 발생하지 않도록 하였다. 즉, 연결과 단절의 모드 변경 (Mode Change) 시에만 서보모터의 에너지가 사용되도록 개발하였다.
또한, 연결 상태 시단면도 B-B와 같이 바깥쪽 Race와 롤러, 안쪽 Race가 일직선상에 놓이게 하여 동력 전달에 의한 힘이 가해져도 현 상태에서 벗어나지 않는 Singularity 위치를 만듦으로써 연결 상태를 유지하기 위한 추가적인 에너지가 발생하지 않도록 하였다. 즉, 연결과 단절의 모드 변경 (Mode Change) 시에만 서보모터의 에너지가 사용되도록 개발하였다.
위의 작동 원리를 가지는 롤러-캠 클러치 메커니즘을 설계하기 위해 구동력 전달 상태의 수학적 모델링을 실시하였다.
6은 두 Race가 롤러에 접촉하여 구동력을 전달할 때의 자유물체도 (Free Body Diagram) 표현한 것이다. 모델링의 단순화를 위해 한 방향 연결이 가능한 One-Way 클러치에 대하여 모델링 하였다.
위의 목적을 갖는 설계를 하고자 롤러-캠 클러치 메커니즘을 최적화 하기위해 먼저 민감도 분석을 통한 설계 변수 선정을 실시하였다.
7과 같이 롤러-캠 클러치 메커니즘 크기에 대한 고려가 가능하고 응력 식(3)과 식(4)에 포함 되어 있는 설계 변수 (Thick_o ,L_r ,R_oo ,R_r ,N_r ,α_c)를 설정하였다. 선정한 변수들 중 Race와 롤러와의 접촉 응력 및 인장 응력에 민감한 변수를 찾고 불필요한 설계 변수를 없애고자 파라메트릭 스터디 (Parametric Study)를 이용하여 민감도 분석을 실시하였다.
따라서, 파라메트릭 스터디를 통하여 다섯개의 설계 변수 (αc, Nr, Lr, Thicko, Rr)가 두 응력에 영향을 주는 것을 확인하였고 최적 설계를 위한 최종 설계 변수로 선정하였다.
15 또한, 본 연구에 적용할 모터와 감속기의 크기를 고려하여 설계하고자 롤러의 반지름(Rr), 바깥쪽 race의 두께 (Thick)를 위와 같은 범위로 설정하였으며, 롤러와 race와의 미끄럼이 발생하지 않도록 (strut >0) 설계하고자 하였다.
)을 최소화 하고자 하였으며, 적용 재질의 항복 강도를 넘지 않는 수준의 압축 응력을 갖게 하기 위해 합리적인 안전계수 값 이상을 갖도록 설계하고자 하였다. 본 연구에서는 수학적 모델링의 간소화와 정확하지 않은 재질의 특성을 고려하여 3 이상의 안전계수를 갖도록 하였다.¹⁵ 또한, 본 연구에 적용할 모터와 감속기의 크기를 고려하여 설계하고자 롤러의 반지름(R_r), 바깥쪽 race의 두께 (Thick)를 위와 같은 범위로 설정하였으며, 롤러와 race와의 미끄럼이 발생하지 않도록 (strut >0) 설계하고자 하였다.
최적화 설계를 진행하기 위해 알루미늄보다 압축, 인장 강도가 높으며 스틸보다 가벼운 티타늄 Ti-6AL-4V (Grade 5) 재질을 적용하였으며, Table 1과같이 상수 값을 선정하였다. 또한, 목표 구동력 값은 입각기 구간에서 가반 하중을 포함한 외골격 로봇의 무게인 88kg을 지지하기 위한 최대 토크 값인 80Nm을 전달할 수 있도록 설정하였으며, 티타늄의 압축 항복 응력 값은 970N / mm로 설정하였다.
바깥쪽 Race를 ‘Fixed Support’ 조건으로 설정하였으며, 안쪽 Race의 회전 중심에 목표 구동력인 80Nm를 일정하게 작용하도록 설정하였다.
본 연구에서는 인체 보행 분석을 통한 인체의 신진대사 에너지 사용이 적으면서 감속기의 마찰 보상 에너지를 상대적으로 크게 필요로 하는 유각기 구간내의 슬 관절을 선정하여 클러치 메커니즘을 적용하였다.
본 연구의 메커니즘은 빠른 연결/단절이 가능하고 양방향 토크 전달이 가능한 롤러-캠 형식의 클러치 메커니즘이며, 이를 이용하여 수학적 모델링을 진행하였다. 롤러-캠 클러치의 작동 시 문제가 야기될 수 있는 압축/인장후프 응력을 모델링하고 최적설계의 설계 목표로 선정하였다.
본 연구의 메커니즘은 빠른 연결/단절이 가능하고 양방향 토크 전달이 가능한 롤러-캠 형식의 클러치 메커니즘이며, 이를 이용하여 수학적 모델링을 진행하였다. 롤러-캠 클러치의 작동 시 문제가 야기될 수 있는 압축/인장후프 응력을 모델링하고 최적설계의 설계 목표로 선정하였다. 설계 크기와 두 응력에 영향을 미치는 6가지의 설계 변수를 선정하고, 파라메트릭 스터디를 통하여 목적 함수에 민감하게 반응하는 5가지 변수를 최종 최적 설계 변수로 선정하였다.
설계 크기와 두 응력에 영향을 미치는 6가지의 설계 변수를 선정하고, 파라메트릭 스터디를 통하여 목적 함수에 민감하게 반응하는 5가지 변수를 최종 최적 설계 변수로 선정하였다. 최적화 기법으로는 점진적 이차 반응 표현 방법을 적용하였고, 설계 안전계수 3을 만족하는 최적화된 설계 변수 값을 이용하여 수학적 모델링 검증과 작동 검증을 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과, 시뮬레이션 결과 값과의 오차가 약 1%로 나와 수학적 모델에 대한 검증을 진행하였고, 입력 구동력에 대한 출력 값이 동일하게 나옴으로써 구동력 전달이 정확히 되고 있음을 확인하였다.
롤러-캠 클러치의 작동 시 문제가 야기될 수 있는 압축/인장후프 응력을 모델링하고 최적설계의 설계 목표로 선정하였다. 설계 크기와 두 응력에 영향을 미치는 6가지의 설계 변수를 선정하고, 파라메트릭 스터디를 통하여 목적 함수에 민감하게 반응하는 5가지 변수를 최종 최적 설계 변수로 선정하였다. 최적화 기법으로는 점진적 이차 반응 표현 방법을 적용하였고, 설계 안전계수 3을 만족하는 최적화된 설계 변수 값을 이용하여 수학적 모델링 검증과 작동 검증을 위한 시뮬레이션을 진행하였다.

대상 데이터

최적화 설계를 진행하기 위해 알루미늄보다 압축, 인장 강도가 높으며 스틸보다 가벼운 티타늄 Ti-6AL-4V (Grade 5) 재질을 적용하였으며, Table 1과같이 상수 값을 선정하였다. 또한, 목표 구동력 값은 입각기 구간에서 가반 하중을 포함한 외골격 로봇의 무게인 88kg을 지지하기 위한 최대 토크 값인 80Nm을 전달할 수 있도록 설정하였으며, 티타늄의 압축 항복 응력 값은 970N / mm로 설정하였다.

데이터처리

위의 최적화된 설계값을 토대로 모델링 검증과 작동 검증하기 위해 ‘ANSYS’ 툴 안의 Static Structural을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다.
16 최적 설계 결과, 총 3번의 Iteration 과정을 거쳤으며 45번의 해석 (Function Call)을 진행하였다.

이론/모형

최적화의 수렴성과 컴퓨팅 계산시간의 효율성이 좋은 장점을 가진 점진적 이차 반응표현방법(Progressive Quadratic Response Surface Method, PQRSM)을 최적화 기법으로 선정하였다.¹⁶ 최적 설계 결과, 총 3번의 Iteration 과정을 거쳤으며 45번의 해석 (Function Call)을 진행하였다.
바깥쪽 Race를 ‘Fixed Support’ 조건으로 설정하였으며, 안쪽 Race의 회전 중심에 목표 구동력인 80Nm를 일정하게 작용하도록 설정하였다. 각 롤러와 안쪽, 바깥쪽 Race의 연결조건 (Connection Condition)은 Rough로 설정하였으며, 접촉면 부분의 Mesh는 Inflation 방법으로 적용하였다. 또한, Mesh 간격은 2mm로 설정하였다.

성능/효과

Fig. 9와 같이 해석을 통하여 326.39 MPa의 압축응력 값을 얻어내었으며 수학적 모델에서 얻어진 압축응력 값과 비교하였을 때 약 1%의 오차율을 보여 수학적 모델에 대한 정확성을 확인하였다.
10은 시뮬레이션을 통하여 입력 구동력 대비 출력 구동력의 변화를 확인하기 위해 안쪽 Race에 80Nm의 힘을 가하고 바깥쪽 Race를 고정하여 그에 대한 반력을 나타내었다. 그 결과 입력값 대비 출력 값이 동일하게 나오는 것을 확인할 수 있으며 이를 통해 두 Race가 연결됐을 때 구동력 전달이 정확하게 되고 있음을 확인하였다.
최적화 기법으로는 점진적 이차 반응 표현 방법을 적용하였고, 설계 안전계수 3을 만족하는 최적화된 설계 변수 값을 이용하여 수학적 모델링 검증과 작동 검증을 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과, 시뮬레이션 결과 값과의 오차가 약 1%로 나와 수학적 모델에 대한 검증을 진행하였고, 입력 구동력에 대한 출력 값이 동일하게 나옴으로써 구동력 전달이 정확히 되고 있음을 확인하였다.

후속연구

추후 최적화 된 설계 변수 값을 이용하여 상세 설계와 1 자유도 테스트 베드를 제작하고, 실험을 통하여 외골격 로봇의 에너지 효율에 대한 검증 실험을 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	착용자의 근력을 증강시키는 외골격 로봇의 특징은 무엇인가?	최근 군사, 산업, 재활 등 다양한 분야에서 외골격 로봇이 개발되고 있다.1 특히, 착용자의 근력을 증강시키는 외골격 로봇은 중량물의 하중을 지지할 수 있는 구동기를 가지고 있으므로 착용자에게 하중이 가해지지 않으며, 제어 알고리즘을 통해 착용자의 동작 의도를 파악하여 작동하고 있다. 이러한 외골격 로봇들은 크게 전기식과 유압식 유형의 구동 방식을 가지고 있다.
	전기식과 유압식 유형의 구동 방식을 가지는 외골격 로봇의 개발현황은 무엇인가?	이러한 외골격 로봇들은 크게 전기식과 유압식 유형의 구동 방식을 가지고 있다. 미국의 UC Berkeley에서는 유압식 구동기를 이용한 ‘BLEEX’를 개발하여 착용자의 근력을 증강시켰고,2 일본의 Tsukuba 대학에서 개발한 ‘HAL’은 전기식 구동기를 이용하여 최대 40kg의 하중을 지지할 수 있도록 개발되었다.3 또한, 한국의 한양대학교에서는 전기식 구동기를 이용하여 최대 35kg의 하중을 지지할 수 있는 ‘HEXAR’를 개발하였다.4
	외골격 로봇이 불필요한 에너지 사용이 발생하게 되는 이유는 무엇인가?	외골격 로봇의 설계 기준이 되는 인체의 하지는 보행 시 중력의 자연에너지를 이용하거나 근육의 탄성 특성을 이용하여 근육 에너지 사용을 최소화 하는 방향으로 움직임으로써 에너지의 효율을 높인다.9 하지만 외골격 로봇은 인체의 복잡한 근육 메커니즘을 하나의 구동기로만 표현되며, 착용자의 모든 움직임과 동일하게 움직이기 위해 지속적으로 작동되기 때문에 불필요한 에너지 사용이 발생하게 되어 효율성이 떨어지게 된다.

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원문보기 상세보기
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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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