중량물 취급을 위한 단동다단실린더를 가진 하지형 착용 로봇 개발

2.1 단동다단실린더를 가진 착용 로봇(HUMA-H) 설계

Fig. 2는 본 연구에서 개발된 HUMA-H의 주요 구성품을 보여준다. 로봇의 전체 크기는 너비 400, 높이 1400, 깊이 400 mm로 사람이 착용했을 때 어깨, 허리, 허벅지 그리고 발 하네스로 체결이 된다. 프레임은 경량화를 위해 알루미늄으로 제작하였으며 허벅지와 정강 이링크는 길이 조절이 가능하도록 하였다.

Fig. 2

Elements of the HUMA-H

전체 무게는 배터리 포함하여 약 14 kg이며 외부의 동력원 없이 독립적으로 구동할 수 있다. 허리관절에는 고성능 BLDC 모터와 50 : 1 하모닉 감속기를 구동기로 선정하였으며, 무릎관절에는 단동다단실린더가 사용된다. 유압력은 EHA로부터 생성되며 NI myRIO 제어기에서 모터 및 유압제어가 이루어진다. 마지막으로 허리관절과 무릎관절 각도 측정을 위한 절대식 엔코더, 등판의 기울기 측정을 위한 IMU, EHA 유압력을 측정하기 위한 유압센서, 착용자 보행 상태 확인을 위한 발 센서 등 다양하고 많은 센서가 사용된다. 참고로, 로봇의 전반적인 사양을 Table 1에 나타내고, 로봇의 각 관절의 자유도는 Table 2에 나타내었다.

Table 1

Specifications of the HUMA-H

Table 2

Ranges of Motion (ROMs) of the HUMA-H

2.2 EHA 시스템 설계

전기구동 방식 착용 로봇의 경우 외부 충격에 의해 무릎관절의 감속기가 파손될 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하며 고출력을 낼 수 있는 방법으로 유압시스템을 적용하는 것이다. 일반적인 유압시스템은 외부에 부피가 큰 파워 팩을 구성하지만, HUMA-H는 유압 구성품을 일체화하여 휴대 가능한 EHA 시스템을 사용한다.⁷

EHA 시스템은 전기모터, 유압펌프, 밸브, 압력센서, 기름탱크, 그리고 체크밸브 등의 구성을 일체화하여 Fig. 3과 같이 매우 컴팩트한 구조를 가진다. 유압실린더의 작동 방향 및 추력제어는 모터 구동을 하게 되면 압력이 증가하게 되고, 밸브를 개방하게 되면 압력은 감소하게 된다. 펌프와 직결된 전기모터의 전류제어를 통해 유압실린더의 추력을 발생하고 기구적으로 무릎관절의 토크가 구현된다.

Fig. 3

EHA system of HUMA-H

2.3 무릎관절 구조 설계

HUMA-H의 무릎관절은 기어와 단동다단유압실린더가 결합된 이중관절 구조를 가진다. Fig. 4에서 개략도와 기구학적 변수를 나타낸다. EHA의 전기모터에 전류(I)를 인가하게 되면 펌프가 회전하여 식(1)에서와 같이 모터상수(K_t), 펌프의 회전당 토출량(V_m), 용적효율(η_tot)에 의해 유압력(P_c)이 생성된다. 발생된 압력은 단동다단유압실린더의 길이(l_a)를 변하게 하는 힘(F_c)이 되며, 무릎 관절각도(θ_k)는 무릎 회전축에 설치되어 있는 절대 엔코더로 측정된다. 이때 링크 구조적으로 실린더와 무릎관절 회전 중심 간의 거리(H)가 변하며 식(2)부터 식(7)에 의해 링크의 변위와 각도를 구하며 식(8)에 의해 무릎관절의 토크(τ_c)를 구할 수 있다. θ_k에 따른 토크 변화는 다음 식(1)부터 식(8)을 따른다.

Fig. 4

Schematic drawing and kinematic parameters of the knee joint

결론적으로 모터의 전류제어를 통해 무릎관절의 토크를 제어할 수 있다. 그리고 무릎관절에 의해 수직 방향으로 들 수 있는 수직 힘(F_y)은 다음 식(11)과 같이 구할 수 있다.

Fig. 5에서 무릎 각도 초기 5에서 140^o까지 실린더 행정에 따른 자세를 보여준다. 5에서 80^o까지 유압실린더 1단이 사용되고, 80에서 140°까지 유압실린더 2단이 사용된다. Fig. 6은 유압 30 bar에서 무릎관절의 수직으로 들 수 있는 수직힘(F_y)과 각속도의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 다단실린더의 특징으로 무릎 각도 약 80°에서 단 변화를 볼 수 있다. 무릎 각도 80° 이상에서 2단 실린더의 단면적이 넓어짐으로 힘은 증가하고 속도는 줄어드는 특징을 가진다. 이는 착용 로봇이 앉은 자세에서 무거운 물건을 들어올리는 작업에서 보다 큰 힘을 낼 수 있고, 보행 시에는 무릎 각도 80° 이하의 1단 실린더로 빠른 동작을 할 수 있는 장점을 가진다. 앉고 일어서는 동작에서 실린더 단변환 시 유압력의 순간 변화를 가진다. 이는 Fig. 7의 다단실린더 단독 실험 결과에서와 같이 순간적인 힘 변화는 있지만, 각도 값의 변화가 없어 착용자의 불편함은 없다.

Fig. 5

SAT cylinder operation of HUMA-H

Fig. 6

Simulation results of payload capacities of knee joint

Fig. 7

Test results of payload (10 kg) capacities of knee joint

2.4 무릎관절 링크 최적화 설계

링크로 연결된 HUMA-H의 이중관절 구조 무릎관절은 실린더의 행정 거리와 설치 위치에 따라 무릎관절 작동 각도와 발생 가능 토크가 변하게 된다. 따라서 원하는 자유도에서 최고의 성능을 발휘하기 위한 최적화 설계가 필요하다. 본 논문에서는 유전알고리즘 최적화 기법을 사용하였다. 목적함수로는 식(12)와 같이 무릎관절 각도의 작동 구간 40-120° 내에서 들 수 있는 수직 힘의 합이 제일 큰 값의 변수를 선택 하였다. 그리고 Table 3에서와 같이 링크 l_a, l₁, l₂, l₅, l₆의 제약 조건을 선정하여 최적의 실린더의 설치 위치를 선정할 수 있다.

Table 3

Constraints of genetic algorithm and result

2.5 HUMA-H의 제어

HUMA-H는 자유로운 구동을 위해 배터리와 독립제어기를 사용하고, 모든 센서, 모터, 밸브는 FPGA를 통해 연결되어있다. 주제어기에는 Xilinx FPGA와 듀얼코어 ARM Cortex-A9 프로세서가 포함되어 실시간 1 kHz의 제어주파수로 제어가 된다. Fig. 8에서 전반적인 제어기 시스템 구성을 보여준다. HUMA-H를 움직이기 위해서 많은 센서의 입력과 복잡한 알고리즘 계산을 통해 얻은 값으로 각 구동기의 명령으로 제어가 된다.

Fig. 8

Partitioned computing architecture on controllers for HUMA-H

Fig. 9의 제어블록선도와 같이 착용 로봇에 장착된 다양한 센서 값을 받아 각 조인트에 필요 토크를 구하여 모터, 밸브 제어를 통해 착용 로봇 관절을 움직일 수 있다. 그리고 발 센서로부터 로봇의 디딤 상태를 확인 하다. 디딤 상태는 3가지로 지면을 딛지 않은 상태(Swing), 한 발 지지(Single)와 양발 지지(Double) 상태로 구분하여 각 자세에 따라 Fig. 10과 같은 알고리즘이 적용된다. 모든 구동기에 마찰 보상과 중력 보상 알고리즘이 적용되며, 발 센서 디딤 상태에 따라 가상스프링 알고리즘이 적용된다. 발을 딛지 않은 다리는 고관절에 가상토션 스프링력(τ_vts)이 식(13)과 같이 적용된다. 초기 각도(θ_i)에서 고관절 각도(θ_h) 차에 가상 토션 스프링 계수(k_vts) 배로 토크가 생성된다. 디딤발에서 발을 떼는 순간 가상 토션 스프링력이 작용하여 보행에 도움을 준다. 디딤발은 식(15)와 같이 가상 리니어 스프링력(τ_vls)이 가상 리니어 스프링 계수(k_vts) 배로 토크가 생성된다. 착용 로봇이 앉는 동작에서 반발력을 높혀 보조해준다. 이와 같이 다양한 센서와 알고리즘으로 균형적이고 안전한 제어가 가능하다.

Fig. 9

Control block diagram of the HUMA-H

Fig. 10

Flow chart of the main control algorithm

3.1 기본 동작 실험

HUMA-H의 성능을 검증하기 위하여, Fig. 9와 같이 20 kg 중량물을 HUMA-H의 등에 매고 기본 동작 실험을 하였다. 각 동작 간에는 어떠한 모드 변환이나 추가적인 사항은 필요하지 않다. Fig. 11(a)의 보행 실험은 트레이드밀에서 4 km/h 가능하였다. Fig. 11(b)의 앉고 일어서기 동작 실험에서는 HUMA-H의 장점을 확연히 보여준다. 중량물 20 kg을 매고 있음에도 쪼그려 앉은 자세에서 착용자의 어깨에 어떠한 힘을 가하지 않고 있음을 보여준다. 이는 로봇이 중량물을 들고 있음을 뜻한다. 끝으로 Fig. 11(c)의 계단 보행 또한 충분히 가능하다.

Fig. 11

Basic motion test of HUMA-H with 20 kg payload on the torso

3.2 호흡가스 분석 실험

착용 로봇이 착용자에게 얼마의 도움을 주는지에 대한 객관적 성능 입증을 위해 산소 소모량을 비교하여 정량적 효과를 분석하였다. 산소 소모량은 호흡가스 분석기(MetaMax 3B, CORTEX, Germany)를 사용하여 측정하였다. 실시간으로 데이터를 수집, 분석할 수 있는 MetaMax 3B 호흡가스 분석기는 호흡상의 산소(O₂)와 이산화탄소(CO₂)의 농도를 측정할 수 있는 감지기가 있다. 이를 컴퓨터와 연결시켜 안정 시와 운동 시 호흡순환기능의 변인들을 혼합 챔버(Mixing Chamber)인 호기가스 추출법으로 호기마다 측정할 수 있고, 자동분석 프로그램 (MetaSoft)으로 산소 소비량(Oxygen Consumption, VO₂), 호흡교환율(Respiratory Exchange Ratio, RER), 심박수(Heart Rate, HR) 등을 산출할 수 있다.

호흡가스 분석기 실험을 위해 Fig. 12(a)와 같이 프로토콜을 선정하였다. 먼저 20 kg을 등에 매고 준비 운동으로 제자리걸음 1분을 실시한다. 다음 앉고 일어서기 동작을 10회 수행 후 10초간 휴식으로 반복적으로 총 100회 수행한다. 그리고 마지막으로 제자리걸음 1분으로 마무리 운동을 하였다. 이와 같은 프로토콜로 HUMA-H를 착용했을 때와 착용하지 않았을 때를 비교 분석하였다. 각 실험 간 1시간 휴식 시간을 가졌으며 Figs. 12(b)와 12(c)에서 동작 모습을 보여준다.

Fig. 12

Gas analyzer test with 20 kg payload on the torso

그 결과 Table 4에서 보듯이 로봇을 착용한 경우 착용하지 않은 경우보다 Task 1에서 산소 소모량이 0.12에서 0.22로 증가함을 볼 수 있다. 이는 착용 로봇을 착용함이 제자리걸음에서 보다 불편함이 나타남을 알 수 있다. 하지만, Task 2에서 산소 소모량이 0.84에서 0.78 감소를 보이며 심박 변화량(Task 3-Task 1) 또한 38에서 25로 낮음을 보인다. 이 결과로 HUMA-H가 착용자에게 중량물을 들 때 도움이 되고 있음을 정량적으로 알 수 있다.

Table 4

Constraints of genetic algorithm and result