[논문]근력 지원용 외골격 로봇을 위한 수동형 무릎 관절 메커니즘 개발

김호준; 임동환; 한창수

doi:10.7746/jkros.2017.12.2.107

문제 정의

값이 양수이면 벡터가 회전점 뒤에 위치하여 굴곡이 발생하고, 인체 근육은 동적 안정성을 위해 신전방향으로 회전력을 발생시키지만 본 연구에서는 회전력을 위한 엑츄에이터를 사용하지 않고 기구적으로 해결하고자 하였다. 그러므로 입각기 구간내의 굴곡에 의한 신전 회전력이 요구되는 체중부하기와 중간입각기의 r_stability 값을 음수로 만들고자 하였으며, 의족과 같이 고관절의 추가 회전력에 의한 지면 반발력 벡터의 조절이 아닌 무릎 메커니즘의 회전 중심점 위치를 이동시켜 수동적 신전 발생으로 동적 안정성을 확보하고자 하였다. 이를 위해 회전중심의 가변기능 구현과 인체 무릎구 조와의 유사성을 갖는 4절 링크 메커니즘을 개발하였다.
본 연구는 작업툴 작업을 위한 기립자세와 중량물 이송에 대한 보행에서 근력을 지원하는 링크의 회전 중심의 가변이 가능한 무릎 관절 메커니즘을 개발하였다. 본 메커니즘의 설계를 위해 PIAnO 툴을 이용하여 최적화 설계를 진행하였다.
본 연구에서는 고하중의 툴을 이용한 작업과 이송작업에 대해 근력 지원이 가능한 무릎관절 메커니즘을 개발하고자 하였다. 특히 기립 자세와 보행 시 엑츄에이터를 사용하지 않고 메커니즘 설계만으로 하중을 지면에 전달되도록 하였고, 인체의 무릎관절과 운동학적으로 유사하게 설계하여 착용자와의 이질감을 줄이고자 하였다.
. 본 절에서는 고하중에 대한 무릎의 근력지원이 가능하며 관절의 움직임과 유사하게 동작하는 메커니즘을 개발하기 위해 발이 지면에 닿아 몸의 하중을 지탱하는 구간인 입각기 (stance)와 발이 지면에 떨어져 전진을 위해 다음 지면까지 이동하는 구간인 유각기(swing)에 대한 무릎 관절의 역학적, 운동학적 특성을 분석하였다.
앞서 언급한 바와 같이 입각기에서는 동적 안정성을 유지하여 착용자의 근력을 지원을 하고, 유각기에서는 굴곡 시 인체의 무릎 회전점과 일치되어 이질감을 없애고자 하였다.
여기서 r_stability 값이 양수이면 벡터가 회전점 뒤에 위치하여 굴곡이 발생하고, 인체 근육은 동적 안정성을 위해 신전방향으로 회전력을 발생시키지만 본 연구에서는 회전력을 위한 엑츄에이터를 사용하지 않고 기구적으로 해결하고자 하였다. 그러므로 입각기 구간내의 굴곡에 의한 신전 회전력이 요구되는 체중부하기와 중간입각기의 r_stability 값을 음수로 만들고자 하였으며, 의족과 같이 고관절의 추가 회전력에 의한 지면 반발력 벡터의 조절이 아닌 무릎 메커니즘의 회전 중심점 위치를 이동시켜 수동적 신전 발생으로 동적 안정성을 확보하고자 하였다.
미국의 Lockheed Martin 사는 고하중의 툴을 지탱하여 착용자의 근력을 지원하는 외골격 로봇인 ‘FORTIS’를 개발하였다^[5]. 이 로봇은 고관절에 균형(counter balance)장치를 고안하여 작업자가 기립자세에서 장시간 절삭작업을 할 수 있도록 개발되었다. 이러한 외골격 로봇들은 특정 작업목표를 선정하여 근력지원이 가능하도록 인체 관절의 운동학적, 역학적 해석을 통한 메커니즘 설계 개발에 초점을 두었다.
네덜란드의 TU Delf 에서는 인공 tendon을 적용한 수동형(passive) 외골격 로봇인 ‘XPED’를 개발 하였다^[3]. 이 로봇은 보행 시 인체의 근육 특성과 비슷한 스프링 구조를 개발하여 착용자가 보행시 근육의 에너지 사용량을 최소화할 수 있도록 하였다. 미국의 MIT 대학에서는 준수동(quasi-passive) 외골격 로봇을 개발하였다^[4].
10와 같이 착용자의 신발안에 센서를 부착하였다. 이는, 본 연구의 메커니즘이 적용된 외골격 로봇을 착용함으로써 착용자가 하중을 받지 않고 근력 지원 여부를 확인하고자 하였다. 실험은 84 kg의 체중인 피험자가 총 2가지(기립, 보행)에 대하여 외골격 로봇과 10 kg의 작업툴 사용여부에 대한 4가지 상황을 실험하였다.
이 로봇은 고관절에 균형(counter balance)장치를 고안하여 작업자가 기립자세에서 장시간 절삭작업을 할 수 있도록 개발되었다. 이러한 외골격 로봇들은 특정 작업목표를 선정하여 근력지원이 가능하도록 인체 관절의 운동학적, 역학적 해석을 통한 메커니즘 설계 개발에 초점을 두었다.
하중지지에 대한 동적 안정성 확보와 무릎 관절의 운 동학적 유사성을 위한 메커니즘 개발을 위해 최적화를 진행하였다. 이를 위해 최적화 하고자 하는 설계변수 (design variable)를 선정하고, 위의 3가지 목표를 수식화 하는 목적함수(objective function)를 수립하여 설계문제에 대한 정식화를 통한 모든 목적함수를 만족하는 변수 값을 얻고자 하였다.

가설 설정

특히 기립 자세와 보행 시 엑츄에이터를 사용하지 않고 메커니즘 설계만으로 하중을 지면에 전달되도록 하였고, 인체의 무릎관절과 운동학적으로 유사하게 설계하여 착용자와의 이질감을 줄이고자 하였다. 본 연구를 위해 고관절과 발목관절은 근력지원이 가능한 메커니즘 또는 엑츄에이터가 설계되어 있다고 가정하였다.

제안 방법

관절 회전 시 로봇과 착용자와의 이질감을 없애며 무릎 관절의 회전범위 조건을 만족하기 위해서는 두 관절이 기구학적으로 유사해야하며, 이를 위해 무릎 관절의 운동학적 특성을 분석하였다.
동적 안정성을 갖는 메커니즘을 설계하기 위해 보행 시 인체의 무릎 관절과 지면 반발력 벡터와의 상대적 위치 관계를 분석하였다. 관절과 벡터 사이의 상대적인 거리를 r_stability라 정의하고 식 (1)과 같이 인체 동작실험을 통해 얻은 무릎 관절력과 지면 반발력 벡터 데이터를 이용해 거리를 구하였다. 또한 상대적 거리를 Fig.
본 메커니즘의 근력 지원 검증을 위해 신발 안창형 센서를 부착하여 기립과 보행에 대한 발바닥 힘을 측정하였다. 그 결과 본 연구의 메커니즘이 부착된 외골격 로봇을 착용 시 작업툴의 하중이 지면에 전달됨으로써 착용자의 근력지원에 대한 검증이 이루어졌다.
다음 절에서는 회전 중심 가변형 4절 링크의 상세 설계를 위해 위의 동적 안정성과 무릎 회전중심의 유사성을 위하여 최적화 설계(optimization desgin)를 진행하였다.
본 연구에서는 두 가지 조건을 만족하는 메커니즘을 개발하기 위해 4절 링크의 회전중심 위치가 가변되도록 하여 입각기에서는 지면 반발력 벡터가 링크의 회전점 앞에 위치하여 지지되고, 유각기에서는 뒤에 위치하여 굴곡되도록 하였다. 동시에 유각기에서 인체 무릎의 회전점과 링크의 회전점 이동이 일치 되도록 하였다.
동적 안정성을 갖는 메커니즘을 설계하기 위해 보행 시 인체의 무릎 관절과 지면 반발력 벡터와의 상대적 위치 관계를 분석하였다. 관절과 벡터 사이의 상대적인 거리를 r_stability라 정의하고 식 (1)과 같이 인체 동작실험을 통해 얻은 무릎 관절력과 지면 반발력 벡터 데이터를 이용해 거리를 구하였다.
관절과 벡터 사이의 상대적인 거리를 r_stability라 정의하고 식 (1)과 같이 인체 동작실험을 통해 얻은 무릎 관절력과 지면 반발력 벡터 데이터를 이용해 거리를 구하였다. 또한 상대적 거리를 Fig. 3과 같이 입각기의 각 구간별로 도식화 하였다.
의 샘플링 개수는 32개이며 보행실험 데이터 값이다. 또한, 4절 링크와 연결된 로봇의 발목 관절 궤적 데이터인 K_x, K_y은 운동학적 모델링을 통하여 구하였다.
4의 하위와 같이 링크가 초기 위치로 복원되어 4절 링크의 회전 중심점은 인체의 무릎 회전 중심과 유사한 궤적을 갖게 된다. 본 구조는 입각기가 시작되는 초기 접지기 전까지 유지되며, 실제 무릎 회전중심의 궤적을 직접 측정하기 어려우므로 본 연구에서는 Fig. 5의 오른쪽과 같이 4절 링크 구조가 인체의 무릎 회전점을 기준으로 발목의 회전점 궤적이 일치되 도록 설계하였다.
도출된 설계 값은 유각기 구간내 착용자의 무릎 관절 구조와 유사하게 움직여 이질감을 줄였고 입각기 구간내에서는 동적 안정성을 확보하여 수동적 지지력으로 착용자의 근력을 지원하였다. 본 메커니즘의 근력 지원 검증을 위해 신발 안창형 센서를 부착하여 기립과 보행에 대한 발바닥 힘을 측정하였다. 그 결과 본 연구의 메커니즘이 부착된 외골격 로봇을 착용 시 작업툴의 하중이 지면에 전달됨으로써 착용자의 근력지원에 대한 검증이 이루어졌다.
하지만 본 연구는 정상인을 위한 무릎 메커니즘으로써 추가적인 고관절 회전력의 요구없이 지면 반발력 벡터가 무릎 회전점 앞에 위치하여 동적 안정성을 확보하여야 하며, 그와 동시에 무릎 회전 시 인체관절의 회전 움직임과의 유사성이 요구된다. 본 연구에서는 두 가지 조건을 만족하는 메커니즘을 개발하기 위해 4절 링크의 회전중심 위치가 가변되도록 하여 입각기에서는 지면 반발력 벡터가 링크의 회전점 앞에 위치하여 지지되고, 유각기에서는 뒤에 위치하여 굴곡되도록 하였다. 동시에 유각기에서 인체 무릎의 회전점과 링크의 회전점 이동이 일치 되도록 하였다.
실험을 위해 절삭작업을 위한 툴을 Zero G 메커니즘과 함께 전면에 부착하였다. 본 절에서는 개발된 4절 무릎메커니즘이 하중을 지면에 전달하여 착용자의 근력을 지원하는지 확인하기 위해 Tekscan사의 발의 압력측정 센서인 F-Scan 장비를 사용하여 Fig. 10와 같이 착용자의 신발안에 센서를 부착하였다. 이는, 본 연구의 메커니즘이 적용된 외골격 로봇을 착용함으로써 착용자가 하중을 받지 않고 근력 지원 여부를 확인하고자 하였다.
실 제작한 무릎 메커니즘은 고관절과 발목 관절이 근력 지원이 되는 외골격 로봇에 부착하였으며, 무릎 관절과 발목 관절 사이에 길이 조절이 가능하도록 제작하여 착용자 맞춤이 가능케 하였다. 실험을 위해 절삭작업을 위한 툴을 Zero G 메커니즘과 함께 전면에 부착하였다.
이는, 본 연구의 메커니즘이 적용된 외골격 로봇을 착용함으로써 착용자가 하중을 받지 않고 근력 지원 여부를 확인하고자 하였다. 실험은 84 kg의 체중인 피험자가 총 2가지(기립, 보행)에 대하여 외골격 로봇과 10 kg의 작업툴 사용여부에 대한 4가지 상황을 실험하였다.
실 제작한 무릎 메커니즘은 고관절과 발목 관절이 근력 지원이 되는 외골격 로봇에 부착하였으며, 무릎 관절과 발목 관절 사이에 길이 조절이 가능하도록 제작하여 착용자 맞춤이 가능케 하였다. 실험을 위해 절삭작업을 위한 툴을 Zero G 메커니즘과 함께 전면에 부착하였다. 본 절에서는 개발된 4절 무릎메커니즘이 하중을 지면에 전달하여 착용자의 근력을 지원하는지 확인하기 위해 Tekscan사의 발의 압력측정 센서인 F-Scan 장비를 사용하여 Fig.
외골격 로봇의 근력지원은 중량물의 하중을 지면에 전달시키는 개념이므로 하중지지가 이루어지는 입각기 구간에 대해 무릎의 역학적 특성을 분석하였다. 이 구간에서의 각 관절은 몸의 하중을 다리로 지지하며 인체 무게중심을 앞으로 이동시키기 위해 관절 회전력을 생성한다.
유각기 구간에서는 Fig. 7의 오른쪽과 같이 4절 링크 중 L₂와 연결된 발목 관절의 궤적이 인체의 발목 궤적과 유사하여야 하며, 식 (3)과 같이 두 궤적 사이의 잔차(residual)들의 평균인 평균 제곱근 편차(root mean square deviation, RMSD)의 최소값을 운동학적 유사성의 목적 함수(F₂)로 선정하였다.
미국의 MIT 대학에서는 준수동(quasi-passive) 외골격 로봇을 개발하였다^[4]. 이 로봇은 고관절에 캠 메커니즘과 스프링, 무릎 관절에는 가변댐퍼, 발목 관절에는 스프링 카본을 적용하였고, 평지보행에서 중량물의 하중이 지면에 전달되도록 하여 착용자의 근력지원이 가능하도록 하였다. 미국의 Lockheed Martin 사는 고하중의 툴을 지탱하여 착용자의 근력을 지원하는 외골격 로봇인 ‘FORTIS’를 개발하였다^[5].
미국의 Raytheon 사는 ‘XOS Exoskeleton’ 로봇을 개발하였다^[1]. 이 로봇은 유압장치가 구성되어 있으며, 미사일, 탄약등의 고하중을 지면으로 전달하여 착용자의 근력지원 및 작업능력을 향상시켰다. 한국의 한양대 학교에서는 ‘HEXAR’를 개발하였다^[2].
한국의 한양대 학교에서는 ‘HEXAR’를 개발하였다^[2]. 이 로봇은 전기 모터와 하모닉드라이브 기어로 구성되며, 재난 현장과 산업 현장에서 착용자의 근력지원이 가능하도록 개발되었다.
하중지지에 대한 동적 안정성 확보와 무릎 관절의 운 동학적 유사성을 위한 메커니즘 개발을 위해 최적화를 진행하였다. 이를 위해 최적화 하고자 하는 설계변수 (design variable)를 선정하고, 위의 3가지 목표를 수식화 하는 목적함수(objective function)를 수립하여 설계문제에 대한 정식화를 통한 모든 목적함수를 만족하는 변수 값을 얻고자 하였다.
그러므로 입각기 구간내의 굴곡에 의한 신전 회전력이 요구되는 체중부하기와 중간입각기의 r_stability 값을 음수로 만들고자 하였으며, 의족과 같이 고관절의 추가 회전력에 의한 지면 반발력 벡터의 조절이 아닌 무릎 메커니즘의 회전 중심점 위치를 이동시켜 수동적 신전 발생으로 동적 안정성을 확보하고자 하였다. 이를 위해 회전중심의 가변기능 구현과 인체 무릎구 조와의 유사성을 갖는 4절 링크 메커니즘을 개발하였다.
. 최적화 기법을 선정하기 위해 설계 변수들의 입력 값에 따른 목적함수의 응답 경향성을 파악하는 파라메트릭 스터디(parametric study)를 적용하여 목 적함수들의 수치적 노이즈 존재여부를 조사하였다. 그 결과 Fig.
최적화된 설계 값을 기준으로 상세 설계를 진행하였으며 실 제작을 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 고하중의 툴을 이용한 작업과 이송작업에 대해 근력 지원이 가능한 무릎관절 메커니즘을 개발하고자 하였다. 특히 기립 자세와 보행 시 엑츄에이터를 사용하지 않고 메커니즘 설계만으로 하중을 지면에 전달되도록 하였고, 인체의 무릎관절과 운동학적으로 유사하게 설계하여 착용자와의 이질감을 줄이고자 하였다. 본 연구를 위해 고관절과 발목관절은 근력지원이 가능한 메커니즘 또는 엑츄에이터가 설계되어 있다고 가정하였다.

대상 데이터

Fig. 6과 같이 무릎의 운동학적 유사성에 민감한 3개의 링크 길이(l1, l2, l3)와 초기 링크 각도 (θ12, θ23), 동적 안정성에 민감한 캠 각도(θc), 총 6개의 설계 변수를 선정하였다.

데이터처리

본 연구는 작업툴 작업을 위한 기립자세와 중량물 이송에 대한 보행에서 근력을 지원하는 링크의 회전 중심의 가변이 가능한 무릎 관절 메커니즘을 개발하였다. 본 메커니즘의 설계를 위해 PIAnO 툴을 이용하여 최적화 설계를 진행하였다. 도출된 설계 값은 유각기 구간내 착용자의 무릎 관절 구조와 유사하게 움직여 이질감을 줄였고 입각기 구간내에서는 동적 안정성을 확보하여 수동적 지지력으로 착용자의 근력을 지원하였다.

이론/모형

본 연구에서는 최적화를 위해 PIDO (process integration and design optimization) 툴인 PIAnO (process integration, automation and optimization) 툴을 이용하여 최적화를 진행하였다^[12]. 최적화 기법을 선정하기 위해 설계 변수들의 입력 값에 따른 목적함수의 응답 경향성을 파악하는 파라메트릭 스터디(parametric study)를 적용하여 목 적함수들의 수치적 노이즈 존재여부를 조사하였다.
이러한 노이즈가 포함된 최적화 문제를 효과적으로 해결하기 위해 점진적 이차반응 표면 방법(progress quadratic response surface method, PQRSM) 기법을 적용하였다[13].

성능/효과

본 메커니즘의 설계를 위해 PIAnO 툴을 이용하여 최적화 설계를 진행하였다. 도출된 설계 값은 유각기 구간내 착용자의 무릎 관절 구조와 유사하게 움직여 이질감을 줄였고 입각기 구간내에서는 동적 안정성을 확보하여 수동적 지지력으로 착용자의 근력을 지원하였다. 본 메커니즘의 근력 지원 검증을 위해 신발 안창형 센서를 부착하여 기립과 보행에 대한 발바닥 힘을 측정하였다.

후속연구

. 하지만 본 연구는 정상인을 위한 무릎 메커니즘으로써 추가적인 고관절 회전력의 요구없이 지면 반발력 벡터가 무릎 회전점 앞에 위치하여 동적 안정성을 확보하여야 하며, 그와 동시에 무릎 회전 시 인체관절의 회전 움직임과의 유사성이 요구된다. 본 연구에서는 두 가지 조건을 만족하는 메커니즘을 개발하기 위해 4절 링크의 회전중심 위치가 가변되도록 하여 입각기에서는 지면 반발력 벡터가 링크의 회전점 앞에 위치하여 지지되고, 유각기에서는 뒤에 위치하여 굴곡되도록 하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	효율성 문제를 해결하기 위한 외골격 로봇은 어떠한 방법으로 개발되고 있는가	최근, 이러한 효율성 문제를 해결하기 위해 특정 작업을 위한 외골격 로봇이 개발되고 있다. 이러한 외골격 로봇은 장시간 근력지 원을 위하여 엑츄에이터 수를 줄이거나 없애고 링크구조 형태나 스프링, 댐퍼 등 기계적 요소를 적용하여 개발 되고 있다. 네덜란드의 TU Delf 에서는 인공 tendon을 적용한 수동형(passive) 외골격 로봇인 ‘XPED’를 개발 하였다[3].
	외골격 로봇의 설계 구상 시 가장 중요한 요소는 무엇인가	외골격 로봇은 인체관절의 가동범위(range of motion, ROM)와 회전력(torque) 등의 데이터를 기준으로 설계되며, 설계 구상 시 가장 중요한 요소가 된다[6]. 본 절에서는 고하중에 대한 무릎의 근력지원이 가능하며 관절의 움직임과 유사하게 동작하는 메커니즘을 개발하기 위해 발이 지면에 닿아 몸의 하중을 지탱하는 구간인 입각기 (stance)와 발이 지면에 떨어져 전진을 위해 다음 지면까지 이동하는 구간인 유각기(swing)에 대한 무릎 관절의 역학적, 운동학적 특성을 분석하였다.
	근력 지원을 위한 외골격 로봇이 개발된 배경은 무엇인가	산업과 군사현장에서는 중량물 이송, 절단툴 등을 이용한 작업 등의 고하중 지지를 요구하는 작업들이 많다. 가령, 절단 툴을 사용하여 작업하거나 중량물을 이송할 때 작업자는 중량물의 하중을 지지하며 작업을 수행하게 된다. 최근 이러한 작업들의 근력지원을 위한 외골격 로봇이 개발되고 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

근력 지원용 외골격 로봇을 위한 수동형 무릎 관절 메커니즘 개발
Development of a Passive Knee Mechanism for Lower Extremity Exoskeleton Robot 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

근력 지원용 외골격 로봇을 위한 수동형 무릎 관절 메커니즘 개발 Development of a Passive Knee Mechanism for Lower Extremity Exoskeleton Robot 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김호준 (1) 임동환 (6) 한창수 (130)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

근력 지원용 외골격 로봇을 위한 수동형 무릎 관절 메커니즘 개발
Development of a Passive Knee Mechanism for Lower Extremity Exoskeleton Robot 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper