초록 ▼

□ 연구개요
소형/경량화 된 고출력 전기유압식 액추에이터(Electro Hydraulic Actuator, EHA)를 개발하고 이를 기반으로 하는 근력 증강 외골격 로봇을 설계 및 제작함. 통합 제어 시스템 개발하여 이를 통해 근력 증강 외골격 로봇을 제어함.
- 기존 전기식 액추에이터에 비해 출력이 크고 부피가 작으며, 유압식액추에이터에 비해서는 구조가 간소하며 소음이 적고 소형 /경량화 된 EHA를 개발
- 근력증강 외골격 로봇에 최적화 된 EHA의 개발을 통해, 이를 기반으로 하는 새로운 근력증강 외골격 로봇

□ 연구개요
소형/경량화 된 고출력 전기유압식 액추에이터(Electro Hydraulic Actuator, EHA)를 개발하고 이를 기반으로 하는 근력 증강 외골격 로봇을 설계 및 제작함. 통합 제어 시스템 개발하여 이를 통해 근력 증강 외골격 로봇을 제어함.
- 기존 전기식 액추에이터에 비해 출력이 크고 부피가 작으며, 유압식액추에이터에 비해서는 구조가 간소하며 소음이 적고 소형 /경량화 된 EHA를 개발
- 근력증강 외골격 로봇에 최적화 된 EHA의 개발을 통해, 이를 기반으로 하는 새로운 근력증강 외골격 로봇 하드웨어 설계
- 사용자의 의도를 신속하고 정확히 파악하며, 추가 하중 또는 보행 환경 변화 등의 외란에 잘 대응하는 제어 알고리즘 개발과 알고리즘 처리를 위한 Micro-controller Unit, 센서 및 통신 등의 전장부를 통합한 제어 시스템을 개발

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구는 EHA(Electro Hydraulic Actuator) 의 소형/경량화 개발과 이를 적용한 근력 증강 하지 외골격 로봇 시스템을 개발 하고 이를 제어하는 것을 목표로 하였음. 이를 위해 3단계로 나누어서 연구를 진행하였음.

1. 기존 액추에이터의 단점을 보안한 소형 전기유압식 액추에이터(EHA) 개발 연구
- 본 연구에서는 유압식 액추에이터의 구성 요소인 양방향 유압펌프, 유압실린더, 전기 모터, 어큐뮬레이터(reservoir)를 통합한 소형/경량화 전기 유압식 액추에이터를 개발함(EHA). EHA 시스템의 핵심은 모터 제어를 통하여 유압펌프의 유체 토출 방향 및 유량을 제어하는 것임. 이를 위해 외골격 로봇에 필요한 관절 토크 및 유압을 계산하여 유압펌프를 설계, 제작 및 검증을 할 것임. 또한 근력증강 외골격로봇에 적합하도록 EHA를 소형/경량화 하고 이에 대한 성능을 검증함. 연구 목표 대비 연구결과는 100% 달성함.

2. 근력증강 외골격로봇 하드웨어 설계 연구
- 근력증강 외골격로봇의 액추에이터 부분이 개선되어 관절 부분의 구조가 경량, 간소화가 될 경우, 착용자가 작업 시 느끼는 이물감이 줄어들게 되며, 착용감이 상당 부분 개선되어 착용에 따른 피로감이 최소화 될 것이라 판단됨. 이번 연구를 통해 개발 될 소형/경량화 된 EHA를 기반으로 근력증강 외골격로봇의 로봇 기구부 제작함으로써, 사용자가 외골격 로봇 착용 시에 불편함을 느끼지 못하는 하드웨어 개발 연구 목표로 하였음. 이에 목표대비 연구결과 100% 달성함.

3. 근력증강 외골격 로봇의 제어 알고리즘 개발 연구
- 제어에 필요한 센서들의 데이터를 빠르고, 정확하게 수집/처리하는 연구를 진행하였고, 제어 알고리즘의 신속성과 정확성을 확보함. 또한, 배터리 관리 모듈, 통신 모듈 등을 MCU에서 통합관리 하도록 설계함으로써, 근력증강 외골격로봇의 전장부통합제어 모듈의 연구를 목표로 하였음.
- 근력증강 외골격로봇의 제어시 우선적으로 요구되는 것은 첫 번째로 사용자의 의도를 빠르고 정확하게 파악해야 하며, 두 번째로는 이를 통해 정확하게 힘을 추종해야 하며, 외란에 강인해야 하는 것임. 소형/경량화 된 EHA를 탑재한 외골격 로봇 이 위의 요구조건을 충족시키며, 여러 보행환경에서 중량물을 빠르고 안정하게 운반할 수 있는 알고리즘을 연구 목표로 하였음. 이에 목표대비 연구결과 100% 달성함.

□ 연구개발결과의 중요성
1. 근력증강 외골격로봇의 시장성
- 기본 외골격로봇 시스템은 새로운 구동 시스템이 개발되기 전에는 크게 차별성이 없음. 그럼에도 불구하고 외골격로봇의 시장은 점점 커짐. 이러한 시장에서 차별성을 갖기 위해서는 착용자의 의도파악 및 상호작용기술은 매우 필수적임. 그러므로 이러한 기술이 적용되면 산업 및 군사 분야뿐만 아니라, 의료 및 여러 분야에서 우위를 선점할 수 있음. 본 연구팀이 이러한 의도파악 및 상호작용 알고리즘 기술을 확보하면 상용화 분야에서 우위를 선점할 수 있고 이에 따른 시장성 확보가 가능해짐.
2. 로봇과 사람간의 상호작용 알고리즘 기술 확보
- 로봇과 사람 간의 상호 용(Human-Robot Interaction, HRI) 알고리즘은 여러 분야에서 적용되고 있음. 의료, 문화, 교육 및 사업 등의 많은 분야에서 주목받는 기술임. 이러한 기술을 외골격로봇에 적용하면 외골격로봇 적용 분야가 넓어질 것으로 예상함. 또한, 이러한 기술을 확보하기 위해 센서 시스템과 노이즈 및 외란에 강인한 제어 기술이 적용되어야 하므로, 파생되는 기술 확보도 가능하게 됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 1. 전기유압식 액추에이터개발 및 소형/경량화 ... 4
• 2. 하지 외골격로봇의 전장부 설계 및 제작 ... 9
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 22
• 끝페이지 ... 31