중량물 이송용 하지 외골격 로봇의 수동형 무릎 메커니즘 설계

Abstract

외골격 로봇은 신체의 외부에 로봇을 부착, 착용자의 의도를 파악하여 힘을 지원해주는 역할을 수행한다. 현재 외골격 로봇은 군사, 산업, 의료 등 다양한 분야에서 연구되고 있다. 특히, 군사·산업분야의 외골격 로봇은 중량물의 하중이 착용자가 아닌 외골격 로봇에 인가됨으로써 착용자의 근력을 지원해 준다. 기존의 외골격 로봇은 유압식 액츄에이터, 전기식 액츄에이터와 같이 능동형 액츄에이터를 사용하여 다양한 작업 환경에 적용 할 수 있지만 사용되는 부품들이 고가이기 때문에 개발 비용이 높다. 또한, 배터리를 사용하기 때문에 부피가 커지고 사용시간에 제한이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 배터리를 사용하지 않거나 매우 적게 사용하는 수동형 및 준수동형 외골격 로봇이 개발 되고 있다. 하지만 준수동형 외골격 로봇도 여전히 배터리가 필요하고 무겁다는 단점이 있다. 본 연구에서는 위와 같은 단점을 보완하기 위해 무게와 부피를 최소화하고 근력을 지원할 수 있는 수동형 무릎 관절 메커니즘을 개발하였다. 특히, 배터리를 사용하지 않고 캠과 4절 링크를 이용하는 메커니즘만으로 중량물의 하중을 지면에 전달되도록 하여 근력을 지원하였다. 인체 보행 실험을 통해 무릎의 특성을 분석하였으며 설계 개념을 제시하였다. PIAnO를 사용 하여 메커니즘의 설계 변수 값을 최적화 하고 솔리드웍스로 모델링하였다. 또한, 무릎 메커니즘을 제작하여 실험을 통해 외골격 로봇을 착용하였을 때, 근력 지원이 된다는 것을 검증하였다.; Exoskeleton robots are attached to the outside of the body to assist. Currently, exoskeleton robots are being studied in a variety of fields such as military, industrial and medical. In particular, exoskeleton robots in the military and industrial fields augment the force of the wearer by applying a large load to the exoskeleton robot rather than the wearer. Conventional exoskeleton robots can be applied to various working environments using actuators such as hydraulic actuators and electric actuators, but the cost of development is high because the components are expensive. Also, since the battery is used, the volume are increased and battery life is limited. To overcome these shortcomings, quasi-passive and passive exoskeleton robots are being developed. However, quasi-passive exoskeleton robots still require batteries. To overcome these drawbacks, we have developed a passive knee mechanism for load-carrying augmentation that can minimize weight and volume using cam and 4-bar link. We analyzed the characteristics of the human knee and proposed the design concept. PIAnO Tool was used to optimize the design parameter values of the mechanism. The experiment was performed to verify the function of the knee mechanism using F-scan sensor