초록 ▼

1. 최종목표
본 연구에서는 7 자유도의 상지 외골격로봇을 개발하고자 한다. 저중량, 고강도의 링크를 갖는 역구동(back-drivability) 가능한 외골격 로봇으로 게임 및 디자인 햅틱 가상현실 체험, 운동분석 및 의료산업에 응용 가능한 고정형 7자유도 상지 외골격 로봇을 개발하는 것을 목표로 한다.
2. 개발내용 및 결과
◦인체역학적 7자유도 메카니즘 설계: 해부학적으로 11 자유도를 가지고 있는 인간의 어깨 관절은, 외골격로봇의 인체역학적 메카니즘 설계에 있어서 가장 중요한 관절이다. 회전과 병진 운동이 가

1. 최종목표
본 연구에서는 7 자유도의 상지 외골격로봇을 개발하고자 한다. 저중량, 고강도의 링크를 갖는 역구동(back-drivability) 가능한 외골격 로봇으로 게임 및 디자인 햅틱 가상현실 체험, 운동분석 및 의료산업에 응용 가능한 고정형 7자유도 상지 외골격 로봇을 개발하는 것을 목표로 한다.
2. 개발내용 및 결과
◦인체역학적 7자유도 메카니즘 설계: 해부학적으로 11 자유도를 가지고 있는 인간의 어깨 관절은, 외골격로봇의 인체역학적 메카니즘 설계에 있어서 가장 중요한 관절이다. 회전과 병진 운동이 가능한 어깨 관절은 일반적으로 그 움직임이 회전 운동에 비해 상대적으로 작은 병진 운동을 생략하고 3 자유도의 조인트를 이용하여 구현하였다. 또한 베이스 구동축을 좌상방향으로 회전시켜 짐벌락의 workspace 내의 발생을 방지하였다.
◦ 경량의 고강도 링크 구조설계 및 제작: 외골격로봇은 착용하는 형태로 작동되므로 외골격로봇 구동부의 무게에 큰 부분을 차지하는 링크의 경량설계가 중요하다. 또한, 대칭적 구조로 링크를 설계하여 로봇의 해석과 제어를 용이하게 설계하였고 큰 힘을 받는 곳은 알루미늄으로 경하중 부분은 카본파이프와 엔지니어링 플라스틱을 이용하여 제작하였다.
◦ 구동부 설계 및 제작: 케이블 구동 시스템을 활용하여 양방향 회전 및 회전 링크의 무게를 크게 감소 시켰다.
◦ 제어기 개발: 정기구학 분석을 통해 로봇 말단장치(end-effector)의 위치와 방위를 추정한다. 가상현실 구현 알고리즘을 이용하여 로봇의 운동에 따른 반력을 계산하고 이에 자코비안 (Jacobian)을 이용하여 모터 조인트에 발생할 조인트 토크를 매핑(mapping)한다. 로봇 작동자는 발생된 조인트 토크를 가상현실 화면과 매칭하며 가상현실을 체험할 수 있게 된다. 외골격로봇의 제어는 MATLAB의 XpcTarget 소프트웨어을 이용하여 수행하였다.
◦ 가상현실 구현 소프트웨어 개발: 외골격로봇의 게임 및 디자인 응용을 위해 외골격로봇과 주변 환경과의 인터랙션(interaction)을 구현할 수 있는 소프트웨어를 상용프로그램인 Microsoft사의 Robotics Studio를 이용하여 개발하였다.
◦ 안전시스템 개발: 외골격로봇은 직접 착용하여 조작하므로 “조작자의 안전을 보장”하는 시스템이 반드시 필요하다. 이를 위해 3단계의 기계적, 전기적, 소프트웨어적인 안전시스템을 구현하였다.
3. 사업성과
◦ 기술적 성과
□ 경량 기구부 설계 및 제작 기술 : 외골격로봇은 착용하는 형태로 운용되므로 기구부의 경량 설계가 중요하다. 본 과제에서는 알루미늄,카본, 엔지니어링 플라스틱을 혼용하여 기구부의 경량설계 및 제작을 수행하였다..
□ 인간공학적 설계 –짐볼락(gimbal lock) 회피 기술 개발 : 3개의 직교하는 회전 조인트(Revolute joint)로 구성된 어깨관절의 경우 2개의 직교축이 동일 직선상에 경우 짐볼락(gimbal lock)현상이 발생한다. 짐볼락이 발생하면 특정방향으로 회전하지 못하게 된다. 인간 팔의 운동 범위 내에서 짐볼락 현상의 발생을 방지하기 위해 조인트1 축을 착용자의 좌상방향으로 회전시킴으로 짐볼락의 발생을 제거하였다.
□ 상완 하완 내외 회전 구현을 위한 4점지지 V-홈 베어링 슬라이딩 기구부 개발: 외골격 로봇의 조인트 구성에 있어 상완과 하완의 내외회전이 가장 구현하기 어려운 조인트이다. 경량의 장반경 회전을 위해 4점지지 V-홈 베어링을 위와 아래의 배치하고 그 사이에 90도 각을 갖는 원환의 레일을 슬라이딩 시켜 경량, 저마찰의 내외회전 슬라이딩 기구부를 구현하였다.
□ 케이블(cable-driven)구동 방식의 다자유도 착용형 로봇 구동 기술개발: 외골격로봇은 순차적(serially-connected) 결합에 의해 링크를 연결한다. 조인트의 위치에 모터를 결합하면 설계 및 제작은 간단하지만 링크의 수가 증가할수록 베이스 부근 조인트 구동 모터의 토크 및 중량은 비례하여 증가하여야 한다. 이는 전체 구조의 무게를 과도하게 증가시킨다. 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 1,2,3축 구동 모터는 베이스에 고정하고 와이어를 이용하여 조인트를 회전시키는 기술을 개발하였다.
◦ 경제적 성과
□ 본 과제에서는 한국인의 체형에 최적화된 기구적 특성을 갖는 햅틱 가상현실체험에 응용 가능한 외골격로봇을 개발하였다. 이는 전기,전자,기계,소프트웨어 공학과 같은 공학분야와 재활의학 같은 의학 분야의 융합이 필요한 첨단 융합기술로서 그 개발은 대부분 수입되는 착용형 로봇의 수입대체 효과가 있으며 또한 이 분야의 기술을 선점하였다는데 큰 경제적 성과가 있다.
◦ 사회적 성과
□ 외골격로봇의 개발은 의학, 공학 등 다양한 전공기술이 융합되는 첨단 기술분야의 연구원 양성 기회를 제공한다. 외골격로봇의 개발은 재활의료, 재활공학, 로봇공학, 기계,전기/전자공학, 소프트웨어 공학 등 다양한 분야의 첨단기술 융합이 요구되는 분야로 로봇의 개발을 통해 다양한 공학관련 인력을 양성할 수 있으며, 그 응용에 있어, 먼저 재활치료 응용은 재활의료, 재활공학 관련 우수한 인력 양성의 기회를 제공하며 햅틱 가상현실체험 응용 분야에서는 소프트웨어 공학 관련 인재를 양성할 수 있는 기회를 제공하였다.
4. 기술개발결과 활용계획
□ 게임 및 디자인 응용 햅틱 가상현실 구현(로봇 착용자가 느끼는 하중을 조절하여 가상현실 구현)
□ 산업현장 인체공학적 작업분석 활용 ( 작업자의 운동분석, 하중 분석)
□ 의료분야 활용 (장애나 고령에 의한 관절 재활 치료)
□ 로봇 교육 분야 활용 (착용형 로봇 설계,제어,활용 교육)
5. 기술개발자료의 보안관리
◦ 보안등급 분류기준에 따른 등급부여 및 관련 의견 기술: 해당 없음.
◦ 연구개발의 기술임치 및 특허 출원·등록 실적:
-. 기술임치 완료
-. 특허출원 1건
(특허명칭: 외골격로봇팔, 출원번호:10-2013-0074475, 출원일자:2013.6.27.)

목차 Contents

• 『산학연공동기술개발사업』 최종보고서 제출서 ... 1
• 최종보고요약서 ... 2
• 제 1 장 서론 ... 4
• 제 1 절 7 자유도( Degree of freedom) 햅틱(haptic) 외골격(Exoskeleton) 로봇이란? ... 4
• 제 2 절 7 자유도 햅틱 외골격 로봇 개발의 필요성 ... 4
• 제 3 절 국내․외 관련 기술의 현황 ... 4
• 제 2 장 과제개발 내용 및 방법 ... 6
• 제 3 장 사업성과 ... 16
• 제 1 절 기술적 성과 ... 16
• 제 2 절 경제적 성과 ... 19
• 제 3 절 기타 성과 ... 20
• 제 4 장 결론 ... 20
• 제 3 절 향후 계획 ... 22
• 끝페이지 ... 23