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문제 정의
- TSA는 가볍고 유연하다는 장점이 있지만 최대수축거리의 한계로 인해 부피가 크고 속도가 느리다는 단점을 지닌다. 때문에 본 논문에서는 TSA의 이러한 단점을 보완하기 위한 추가적인 장치를 제안하였다.
- 이 외에도 다양한 종류의 상지외골격 로봇이 있으나 대부분 근력보조를 목적으로 하는 외골격 로봇으로 부피가 크고 무거워 재활치료의 용도로는 부적절하다. 본 논문에서는 상지 편마비 환자가 일상생활에서 착용하여 일상생활 보조 및 지속적인 재활치료가 가능한 상지 외골격 로봇을 제안한다.
- 본 논문에서는 일상생활 보조 및 지속적인 재활서비스의 제공을 위하여 가볍고, 유연하며, 착용가능한 상지외골격 로봇을 제안하였다. 제안된 외골격 로봇은 유연성을 유지하면서 착용부의 무게를 줄이기 위하여 줄꼬임에 기반한 구동방식이 채택되었다.
제안 방법
- 그림 17과 같이 TSA 가속기(풀리기어)와 TSA를 상지외골격 장치에 적용하여 새로운 상지외골격 로봇이 제작되었다. 24 : 5의 직경비를 지니는 가속기를 사용하였으며, 프로토 타입의 외골격 로봇에서 줄의 경로를 가이드하기 위해 사용한 Bowden-cable을 제거하고 풀리기어타입 가속기를 가이드로 활용하여 추가적인 장치에 의한 부피, 중량의 증가를 최소화하였다. 또한 초기 프로토타입에서 줄꼬임 구동기의 긴 초기길이에 의해 모터와 분배기 사이에 큰 굽힘 모멘트가 발생하여 이를 보강하기 위한 프레임을 설치해야했던 반면, 새롭게 제작된 상지외골격 로봇에서는 짧아진 줄의 초기 길이로 인해 추가적인 프레임이 불필요하여 더 가벼운 중량의 상지외골격 로봇의 제작이 가능하였다.
- Tendon-driven방식을 사용한 외골격 로봇 제작 시 구동기에 요구되는 출력을 최소화하기 위하여 힘 분석을 행하였다. 그림 6의 각 기구부의 길이들과 중력, 그리고 팔에 작용하는 중력을 y0z0 평면에 사영시켜 줄의 필요장력과 길이사이의 관계를 구하면 식 (4)와 같다.
- 그림 17과 같이 TSA 가속기(풀리기어)와 TSA를 상지외골격 장치에 적용하여 새로운 상지외골격 로봇이 제작되었다. 24 : 5의 직경비를 지니는 가속기를 사용하였으며, 프로토 타입의 외골격 로봇에서 줄의 경로를 가이드하기 위해 사용한 Bowden-cable을 제거하고 풀리기어타입 가속기를 가이드로 활용하여 추가적인 장치에 의한 부피, 중량의 증가를 최소화하였다.
- 그림 6과 같이 어깨조인트인 O점을 기준으로 행거(A점)의 위치를 [20,20,20]에 두었을 때 (Nomal)와 이를 기준으로 x0, y0, z0 축으로 각각 50mm씩 증가시킨 [70,20,20], [20,70,20], [20,20,70]의 좌표로 행거의 위치를 변화시켰을 때 요구되는 장력의 크기를 시뮬레이션하였다.
- 단, 이 경우 또 다른 행거의 위치 (B점)에서 y0축에 가까운 팔을 들어올리기 위한 장력이 크게 증가하는 단점을 보였다. 따라서 x0 , y0 두 축의 영향을 크게 받지 않으면서 요구 장력을 감소시키는 z0축 선상에 행거의 위치를 두기로 하였다. 그리고 이 때 팔을 들어올리기 위한 필요 장력은 일정 수축지점을 지나면서 서서히 감소하는 특성을 보였다.
- 외골격 로봇이 사용자에게 피로를 유발하는 원인에는 크게 무게와 유연성이 있다. 따라서 제안된 설계개념에서는 전체적인 무게의 경량화와 유연성 확보를 위해 기존 로봇들이 동력전달 시 사용하던 무겁고 단단한 링크를 제거하고 밴드와 줄을 이용하여 Tendon-driven방식의 underactuated 구동방법을 사용하였다.
- 모션 캡쳐 장비인 Perception Neuron을 사용해 팔의 현재 위치와 목표위치를 계산하여 프로토타입과 같은 Mirroring 실험을 하였으며, 실험결과는 그림 19와 같다. 측정된 RMSE 오차는 θ1= 3.
- 그림 4는 제안된 설계개념의 상지 외골격 로봇이 외골격 구조물 없이도 2자유도의 어깨 모션의 유도가 실제로 가능한지를 시험하기 위하여 자체 제작된 시험대로, 어깨 2자유도 및 엘보우 1자유도의 사람팔을 모사하는 기구물에 제안된 Tendon-driven 외골격 로봇이 장착된 모습이다. 어깨의 관절부에 2개의 엔코더를 장착하여 팔의 회전각을 측정하였으며, 등 뒤에 연결된 DC모터와 팔에 연결된 밴드를 통하여 동력을 전달하였다.
- 유연성을 유지하면서도 텐던에 기반하여 필요한 정밀도의 위치제어가 가능한 구조를 제안하고 이를 실험적으로 검증하였으며, 실제 피실험자의 몸에 착용 후에도 동일한 성능을 나타냄을 사용자 실험을 통하여 검증하였다. 높은 기어비를 가지지만, 느린 속도 성능을 가지는 줄꼬임 구동기의 문제점을 해결하기 위하여, 높은 기어비를 일부 희생하더라고 속도성능을 향상시키기 위한 풀리기어 기반의 가속 미케니즘이 제안되었으며, 하드웨어 제작 및 피실험자 실험을 통하여 원하는 성능을 얻을 수 있음을 보였다.
- 제안된 개념의 로봇에서 행거의 높이가 낮을 경우 (H=20mm) 요구장력이 점차 증가하였으므로 기본적인 행거의 높이를 어깨 조인트(O점) 기준 100mm로 높인 좌표[20,20,100]와 x0, y0, z0 축 별로 100mm씩 증가시킨 [120,20, 100], [20,120,100], [20,20,200]의 위치에서 요구장력을 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과는 그림 8과 같으며 y0축 방향으로 행거의 위치를 이동시켰을 때 필요장력이 가장 크게 감소하였으며, x0축 방향으로 이동시 가장 큰 장력이 필요했다.
- 본 논문에서는 일상생활 보조 및 지속적인 재활서비스의 제공을 위하여 가볍고, 유연하며, 착용가능한 상지외골격 로봇을 제안하였다. 제안된 외골격 로봇은 유연성을 유지하면서 착용부의 무게를 줄이기 위하여 줄꼬임에 기반한 구동방식이 채택되었다.
- 제안된 프로토타입의 유용성을 평가하기 위하여 재활분야에서 많이 활용되는 mirroring test가 진행되었다. 키내트를 활용하여 건측의 팔의 각도를 측정하고, 이를 외골격 로봇이 추종하여 환측의 팔이 건측 팔의 동작을 모사하여 움직이는 실험이 진행 되었다.
- 6kg으로 주철로 이루어진 행거의 프레임을 경량화하지 않았음에도 불구하고 가벼운 무게를 가질 수 있었다. 제작한 상지 외골격 로봇은 그림 18과 같이 목표회전각에 따른 줄의 필요 수축거리와 풀리기어 축에 연결된 엔코더를 사용해 측정된 줄의 수축거리의 차이를 바탕으로 한 PID 제어기를 사용하여 제어했다.
- 제안된 프로토타입의 유용성을 평가하기 위하여 재활분야에서 많이 활용되는 mirroring test가 진행되었다. 키내트를 활용하여 건측의 팔의 각도를 측정하고, 이를 외골격 로봇이 추종하여 환측의 팔이 건측 팔의 동작을 모사하여 움직이는 실험이 진행 되었다. 그림 11은 mirroring test에 활용된 제어 블록선도이다.
이론/모형
- 특히 고 감속비의 기어를 사용할 경우 기어 사이의 마찰로 인한 에너지 손실과 Back-drivability의 부재, 큰 관성모멘트로 인한 위치제어의 어려움 등 많은 문제점을 야기하고 있다. 이에 대한 해결 방법으로 본 연구에서는 줄꼬임 구동기(TSA: Twisted String Actuator) [9-11]를 사용한 구동방법을 채택하기로 하였다.
- 줄 2개를 사용하여 외골격 로봇을 제어하기 위해 우선 팔의 목표 회전각에 따른 팔의 위치를 D-H notation을 사용해 계산하였다. 그림 2와 같이 어깨의 조인트를 2개의 회전 조인트로 구성되었다고 가정할 시 표 1과 같이 D-H parameters가 설정된다.
성능/효과
- 4개의 서로 다른 테스크에서 시험대를 사용하여 회전각 추종실험을 수행한 결과 목표회전각 대비 실제 추종 회전각의 Root Mean Square Error (RMSE) 최대각이 3.45°로, 성인남성의 팔 길이 59cm를 팔의 길이로 가정하였을 경우, 말단부의 위치 오차가 평균적으로 3.55cm 발생함을 확인할 수 있었다.
- 유연성을 유지하면서도 텐던에 기반하여 필요한 정밀도의 위치제어가 가능한 구조를 제안하고 이를 실험적으로 검증하였으며, 실제 피실험자의 몸에 착용 후에도 동일한 성능을 나타냄을 사용자 실험을 통하여 검증하였다. 높은 기어비를 가지지만, 느린 속도 성능을 가지는 줄꼬임 구동기의 문제점을 해결하기 위하여, 높은 기어비를 일부 희생하더라고 속도성능을 향상시키기 위한 풀리기어 기반의 가속 미케니즘이 제안되었으며, 하드웨어 제작 및 피실험자 실험을 통하여 원하는 성능을 얻을 수 있음을 보였다.
- 8:1의 직경비를 지니는 풀리기어의 적용 전/후를 비교한 실험결과로 시간에 따른 줄의 수축길이 변화를 기록한 것이다. 동일한 모터 회전수에서 실제 수축길이가 풀리기어를 적용할 경우 약 3.812배 증가함을 확인하였다. 사용된 풀리의 직경비와 실제 수축길이의 비율 차이의 원인은 그림 16과 같이 줄이 풀리에 감긴에 따라 풀리의 직경이 변화하는 것이 원인으로 식 (9)와 같이 줄의 굵기를 포함한 직경을 계산하여 실제 수축길이비를 추정 시 평균길이비가 3.
- 55cm 발생함을 확인할 수 있었다. 또한, X, Y축에서 줄의 필요 수축 길이에 따른 실제 수축 길이를 측정한 결과 1cm 이내의 오차로 추종하고 있음을 확인하였다. 이는 전체 사람팔의 동작 범위를 고려하였을 때 약 3.
- 새로 제작한 상지외골격 로봇의 전체 무게는 약 3.6kg으로 주철로 이루어진 행거의 프레임을 경량화하지 않았음에도 불구하고 가벼운 무게를 가질 수 있었다. 제작한 상지 외골격 로봇은 그림 18과 같이 목표회전각에 따른 줄의 필요 수축거리와 풀리기어 축에 연결된 엔코더를 사용해 측정된 줄의 수축거리의 차이를 바탕으로 한 PID 제어기를 사용하여 제어했다.
- 시뮬레이션 결과 행거의 높이(H)가 낮을 시 어깨의 조인트와 행거의 위치사이의 거리가 짧아 x0축 , y0축 방향으로 행거의 위치가 이동할 경우 팔을 회전시키기 위해 큰 힘이 요구되었다. 반면 z0축 방향으로 행거의 위치를 이동시 최대 요구장력이 115N으로 감소하였다.
- 축 별로 100mm씩 증가시킨 [120,20, 100], [20,120,100], [20,20,200]의 위치에서 요구장력을 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과는 그림 8과 같으며 y0축 방향으로 행거의 위치를 이동시켰을 때 필요장력이 가장 크게 감소하였으며, x0축 방향으로 이동시 가장 큰 장력이 필요했다. 이는 주어진 테스크 θ1 = 80°, θ 실험결과 제안된 외골격 구조 및 구동기의 가능성은 확인 가능하였으나, 마스터와 슬레이브 사이의 RMSE 오차는 θ1이 2.12° θ2이 3.05°였으며 줄꼬임 구동기의 느린 수축 속도로 인해 슬레이브가 마스터를 추종하는 시간이 느려졌다는 단점이 있었다 또한 줄꼬임 구동기의 최대 수축길이는 줄의 초기길이의 약 35~45% [10]로 그 이상 수축 시 줄의 내구성에 영향을 주게 된다.
- 측정된 RMSE 오차는 θ1= 3.57°, θ2= 2.72° 이며 프로토타입과 동일한 모터를 사용했음에도 3배 이상의 추종속도를 지닐수 있었다.
- 힘 분석을 통해 줄의 요구 장력을 최소화하기 위한 행거의 위치를 선정하였고, 줄꼬임 구동기가 지닌 수축거리에 따른 수축력의 비선형성과 수축길이에 따라 요구장력이 감소하는 시뮬레이션 결과가 유사하여 줄꼬임구동기 사용 시 풀리에 감아서 거리변화를 유도하는 것보다 효율적임을 보였다.
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