구형 가위 메커니즘을 활용한 고관절 착용형 로봇의 작업 공간 분석

1. 서 론

최근, 착용형 로봇은 사람의 삶을 개선하기 위한 목적으로 사용되고 있다^[1]. 착용형 로봇은 사람의 동작을 보조하는 역할로 주로 사용되는데 예를 들면 노약자의 보행 보조, 마비 환자의 재활 보조, 산업 근로자의 업무 보조와 같이 다양한 환경에 적용된다. 노약자의 보행과 마비환자의 재활에 대한 보조의 경우 사용자의 근력이 약해진 정도에 따라 동작에 필요한 힘 또한 약해지는데 이 때 관절을 보조함으로써 생활에 도움을 줄 수 있다. 또한 산업 근로자의 경우 반복 작업 및 운반과 같은 업무에서 관절을 보조받으면 근로자의 피로 완화나 실수 감소 등에 도움을 줄 수 있다. 따라서 사람의 동작을 보조하는 것은 삶을 개선시킬 수 있다.

여기서 착용형 로봇은 동작을 보조하는 부분에 따라 또 다시 상지와 하지로 나뉘며 이 또한 사람의 관절에 따라서도 세분화할 수 있는데, 이 중 보행 보조와 관련해서 하지 착용형 로봇이 관심이 높아지고 있다. 이와 관련해서 관절 당 자유도를 보면 고관절이 가장 많은 자유도가 존재한다^[2].

고관절은 굽힘/폄(Flexion/Extension), 내전/외전(Abduction/Adduction), 내/외측 회전(Internal/External Rotation)의 3자유도의 회전 동작으로 이루어져 있다. 이러한 관절은 볼 소켓과 같이 내부의 한 점을 공유하는 3개의 회전축을 통하여 구현된다. 이 관절을 모방하고 동작을 보조하기 위하여 관절의 내측에 사용자가 착용할 수 있을 정도의 충분한 공간을 충족하면서 관절과 유사한 자유도 특성을 만들 수 있어야 한다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 우선 벨트를 사용한 접근법이 존재한다^[3]. 먼저 허리와 허벅지에 로봇을 고정하고 벨트 형태의 구동기가 고관절 착용형 로봇에서 굽힘과 폄 동작을 보조하는 기능을 수행한다. 내전/외전과 내/외측 회전의 동작을 능동적으로 보조하는 것은 불가능하지만 벨트 형태이기 때문에 다른 동작을 방해하지는 않는다. 이와 유사한 연구로 소프트 로봇 형태의 착용형 로봇이 존재하는데^[4], 실리콘으로 이루어진 착용형 로봇 끝단에서 와이어를 잡아당겨 관절을 구동하는 방법으로 굽힘/폄 동작에서 회전 중심에 맞게 보조할 수 있다는 이점이 있으나, 다른 동작에 대해서는 기재되어있지 않다.

Pneumatic Artificial Muscles (PAM) 구동기를 활용한 굽힘/폄 1자유도 착용형 로봇 또한 존재하는데^[5] 이는 공압을 이용한 인공근육으로 압력을 이용하여 구동기의 길이를 변화시켜 동력을 전달하는 방식이다. 이를 사용해서 사람 고관절의 일부 근육의 사용량을 줄이는 연구가 진행되었는데, PAM 구동기는 사람에게 적용될 수 있는 길이가 존재하기 때문에 다리 길이에 따라서 적용이 어려울 수 있다. 또 와이어를 이용한 병렬 메커니즘(Cable-Driven Parallel Mechanism, CDPM)을 활용하여 축 정렬 기능이 있는 고관절 보조 로봇을 제안한 연구가 존재하는데^[6], 굽힘/폄의 1자유도의 능동구동, 내전/외전의 1자유도의 수동 동작 그리고 견착부를 세게 조이지 않는다면 내/외측 회전에 대한 수동 회전까지 가능하였으나, 수동구동 동작과 능동구동의 합성 동작이 가능한지에 대해서는 기재되어 있지 않다. 또한 능동 1자유도와 수동 1자유도를 활용한 고관절 착용형 로봇 연구에서는 굽힘/폄의 구동 시에 토크 밀도를 향상시키는 연구를 진행하였는데^[7], 굽힘/폄 동작에 대한 연구를 주로 진행하였고, 내전/외전 동작에서는 수동적으로 대응하기 위하여 선형 관절과 회전 관절을 추가하였기 때문에 고관절의 모든 자유도에 동력을 인가할 수 없다. 고관절과 유사한 어깨 관절의 경우 구형 가위 메커니즘(Spherical Scissor Mechanism, SSM)을 활용한 회전 3자유도를 갖는 착용형 로봇^[8]의 경우 로봇과의 원격 제어(Teleoperation)를 위해 설계되었으며, 이로 인하여 구동부 대신에 각도 센서를 활용하여 어깨의 자세를 로봇에 전달한다. 이 구형 가위 메커니즘의 경우 메커니즘의 중앙 부분에 각도 센서를 부착하고 이를 이용하여 기구학을 풀 수 있다. 여기서 각도 센서 부분을 구동기로 대체하여 접근할 경우 구동기 1개가 나머지 구동기 2개와 메커니즘의 관성을 포함하여 동작해야 하는데, 이러한 방식은 햅틱(Haptic)장치가 아닌 동력 전달을 위한 착용형 로봇에 적용시키기에는 적합하지 않다. 또한 다른 구형 가위 메커니즘 관련 논문의 경우 어깨에 착용하는 메커니즘의 정/역 기구학을 해석하여 특이점에 관한 분석과 동작범위(Range of Motion, ROM)해석을 진행하였고^[9], 실제로 이를 활용하여 능동 구동을 포함한 착용형 로봇을 구현하였는지는 적혀있지 않다. 따라서, 본 논문에서는 3자유도의 능동 구동이 가능한 구형 가위 메커니즘 기반의 고관절 착용형 로봇 메커니즘을 제시한다. 메커니즘 해석을 통하여 굽힘/폄, 내전/외전, 내/외측 회전의 정/역 관절 기구학을 제시하며, 굽힘/폄 동작과 같이 보행에 주로 기여하는 동작은 메커니즘을 거치지 않고 모터를 통해서 동력을 전달받는 전략을 사용하였으며 또한 실험을 통하여 그 결과를 평가하고자 한다.

본 논문은 다음과 같이 구성된다. 2장에서는 먼저 구형 가위 메커니즘의 해석을 통해 관절의 각도를 획득하는 방법을 설명하고, 3장에서는 2장에서 확인한 기구학과 실제 구동 실험을 통하여 자세를 비교 및 동작 범위를 분석하며, 4장에서는 실험 결과와 이에 따른 결론을 제시한다.

2. 구형 가위 메커니즘 기반 고관절 착용형 로봇

본 논문에서는 3 자유도 회전 관절을 구현하기 위해서 구형 가위 메커니즘을 활용하였다. 먼저, 가위 메커니즘이란 각 링크를 가위 형상과 같이 교차하여 연결한 메커니즘이며, 이를 메커니즘의 내부 관절 축이 한 점을 바라보도록 구면상에 배치한 메커니즘을 구형 가위 메커니즘이라 한다. [Table 1]은 상황에 따른 고관절의 ROM과 개발된 고관절 착용형 로봇의 ROM을 비교한 표이다. 사람은 걷는 동작에서 고관절이 굽힘/폄 30°/10°, 내전/외전 5°/5°, 내/외측 회전 10°/10°의 ROM을 갖으며, 뛰는 경우에서는 굽힘/폄 45°/10°, 내전/외전 10°/10°, 내/외측 회전 15°/15° ROM을 갖는다. 따라서 개발된 착용형 로봇은 위의 두 상황에 대해서 동작할 수 있도록 굽힘/폄 160°/30°, 내전/외전 48°/102°, 내/외측 회전 28°/19°의 ROM을 구현하였다.

[Table 1]

The range of motion of human walks and runs and the range of motion of a Proposed wearable robot

2.1 고관절 착용형 로봇 설계

[Fig. 1]은 고관절 착용형 로봇을 3차원 설계한 형상이고, 제안된 구형 가위 메커니즘을 적용한 착용형 로봇의 전체적인 형상을 표현했다. 허리 밴드를 통해서 허리에 로봇을 1차로 고정하고 엉덩이 뒷부분에 4개의 구동기를 부착했다. 여기서 각 다리당 2개의 구동기를 사용하여 2자유도를 생성하였으며, 이때의 구동기는 구형 가위 메커니즘을 부착하여 내전/외전, 내/외측 회전 동작을 생성했다. 여기서 Roll동작(θ_roll)은 내전/외전 동작에 대응되어 다리를 옆으로 들어올리거나 내리는 동작을 생성하여 주며, Pitch동작(θ_pitch)에 경우 굽힘/폄 동작을 만들어 준다. 마지막으로 Yaw동작(θ_yaw)은 다리 방향으로의 회전운동에 기여한다. Pitch동작은 걸을 때 다리를 앞으로 들어주어 걷는 동작을 보조하는 역할을 하고, Roll동작과 Yaw동작은 걸을 때 최대 ± 5°정도의 미세한 움직임^[2]을 보이지만, 이 동작들을 생성함으로 Pitch동작의 축 방향이 사람의 굽힘/폄 동작의 축 방향을 구현할 수 있도록 설계하였다.

[Fig. 1]

CAD Model of Proposed Wearable Robot

관절을 설계함에 있어서 메커니즘 끝부분에 구동기를 추가로 부착하여, 굽힘/폄 회전동작이 구동기의 동력을 인가받도록 만들었고, 이를 허벅지 견착부를 사용하여 다리에 고정했다. 굽힘/폄 동작의 구동기와 고관절 동작은 고관절 옆의 모터에 주로 영향을 받도록 했으며, 내전/외전, 내/외측 회전의 경우 엉덩이 뒷부분의 구동기의 합성동작으로 구현되게 했다. 또한 이와 같이 메커니즘과 구동부를 배치하게 되면, 굽힘/폄 동작을 하는 구동기가 무게로 인하여 처짐이 발생하기 때문에 탄성체를 허리벨트와 굽힘/폄 동작을 하는 구동기 사이에 추가하였다.

2.2 구형 가위 메커니즘 관절 기구학 해석

착용형 로봇에 적용된 구형 가위 메커니즘은 [Fig. 2]와 같이 설계하였다. 메커니즘 내부의 긴 막대 부분의 링크와 가장자리의 짧은 링크는 구면상에 존재하는 동일한 반지름을 갖는 링크로 이 때 링크의 길이는 각도로 표현될 수 있는데, 내부의 링크(θ_a)와 외부의 링크(θ_link)의 각도를 2:1로 구성하여 메커니즘의 구조를 대칭 형태로 구현하였고 메커니즘이 성인 남성의 고관절도 충분히 덮을 수 있도록 허리둘레 약 1,000 mm를 기준으로 메커니즘의 동작 반지름(r_link)을 159 mm로 설계하였다. 또한 외부의 링크의 각도(θ_link)는 30°이며, 내부의 링크(θ_a)의 각도는 60°로 구현하여 메커니즘이 대칭형상을 가지도록 링크의 길이를 설계하였다.

[Fig. 2]

Design of Spherical Scissor Mechanism

위의 설계정보를 토대로 구동부 각도에 따른 메커니즘의 각도를 얻어내기 위하여 관절 순기구학을 접근했다. 우선 고관절의 내전/외전에 해당하는 Roll동작의 각도(θ_roll)의 경우 [Fig. 2], [Fig. 3]에서 보인 바와 같이 θ₁, θ₂에 해당하는 구동기가 평면상의 합성 동작으로 구현되며, 여기서 θ는 식 (1)과 같이 도출된다.

$\[ \begin{array}{c}\theta =\frac{{\theta }_1-{\theta }_2}{2}\left(left leg\right)\hfill \\ \theta =\frac{{\theta }_2-{\theta }_1}{2}\left(right leg\right)\hfill \end{array} \]$

(1)

[Fig. 3]

Roll & Pitch Motion of Spherical Scissor Mechanism

식 (1)과 사람이 똑바로 서있을 때를 기준으로 Roll동작의 각도(θ_roll)를 구하면, 식 (2)과 같이 도출된다.

$\[ \begin{array}{c}{\theta }_{roll}=\frac{{\theta }_1+{\theta }_2}{2}-\frac{3\pi }{2}\left(left leg\right)\hfill \\ {\theta }_{roll}=-\left(\frac{{\theta }_1+{\theta }_2}{2}\right)+\frac{\pi }{2}\left(right leg\right)\hfill \end{array} \]$

(2)

굽힘/폄에 해당하는 Pitch동작의 각도(θ_pitch)는 메커니즘 끝단의 구동기 θ₃에 비례한다. 또한 구동기 θ₃가 메커니즘의 기구부에 붙어있기 때문에 메커니즘의 자세에 따라 θ_pitch가 영향을 받는다. 따라서 자세에 따른 각도를 보상해야 한다. 이 영향을 보상해주면 식 (3)과 같이 도출된다.

$\[ \begin{array}{c}{\theta }_{pitch}={\theta }_3-\theta -\frac{\pi }{2}\left(left leg\right)\hfill \\ {\theta }_{pitch}=-\left({\theta }_3+\theta \right)+\frac{3\pi }{2}\left(right leg\right)\hfill \end{array} \]$

(3)

이는 고관절의 굽힘/폄의 동작은 다리당 사용되는 3개의 구동기 전부에 영향을 받는다는 것을 의미한다.

마지막으로 내/외측 회전에 대한 Yaw동작의 각도(θ_yaw)의 경우도 θ₁, θ₂에 해당하는 구동기의 합성 동작으로 구현되는데 이는 평면이 아닌 구면에 존재하므로 구면 코사인 법칙을 이용하여 접근할 수 있다. 구면 가위 메커니즘을 위, 아래, 양 옆으로 4등분하면 [Fig. 4]와 같이 표현된다. 이는 점 O를 중심으로 하는 구면 삼각형 ABC를 표현되며, θ_d는 메커니즘의 절반의 각도를 표기하므로, 이는 θ_d = 0.5*θ_yaw로 표현된다.

[Fig. 4]

Yaw Motion of Spherical Scissor Mechanism and Spherical Triangle ABC

이를 이용하여 구면 코사인 법칙에 적용하면 식 (4)과 같이 정리된다.

$\[ \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left({\theta }_{link}\right)=\begin{array}{l}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left({\theta }_{link}\right)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left({\theta }_d\right)\hfill \\ +\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left({\theta }_{link}\right)\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left({\theta }_d\right)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\theta \right)\hfill \end{array} \]$

(4)

여기서 θ_link는 링크의 각도로 상수 값이고, θ는 식 (1)로 표현된 θ₁, θ₂과 관계된 수식이다. θ_d는 메커니즘의 출력 값이기 때문에 이를 고려해서 식 (4)을 다시 정리하면,

$\[ {\theta }_d=2{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}}^{-1}\left(\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left({\theta }_{link}\right)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\theta \right)\right) \]$

(5)

로 도출할 수 있다. 이를 다시 사람이 똑바로 서있을 때를 기준으로 식 (5)을 사용해서 다시 표현하면, 식 (6)과 같이 정리된다.

$\[ {\theta }_{yaw}=4{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}}^{-1}\left(\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left({\theta }_{link}\right)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\theta \right)\right)-\frac{\pi }{2} \]$

(6)

관절 역기구학을 얻어내기 위하여 식 (2), 식 (3), 식 (6)을 연립하여 풀면 식 (7), 식 (8), 식 (9)과 같이 도출된다.

$\[ \begin{array}{c}{\theta }_1=\left({\theta }_{roll}+\frac{3\pi }{2}\right)+{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{{\theta }_{yaw}+\frac{\pi }{2}}{4}\right)}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left({\theta }_{link}\right)}\right)\left(left leg\right)\hfill \\ {\theta }_1=-\left({\theta }_{roll}-\frac{\pi }{2}\right)-{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{{\theta }_{yaw}+\frac{\pi }{2}}{4}\right)}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left({\theta }_{link}\right)}\right)\left(right leg\right)\hfill \end{array} \]$

(7)

$\[ \begin{array}{c}{\theta }_2=\left({\theta }_{roll}+\frac{3\pi }{2}\right)-{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{{\theta }_{yaw}+\frac{\pi }{2}}{4}\right)}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left({\theta }_{link}\right)}\right)\left(left leg\right)\hfill \\ {\theta }_2=-({\theta }_{roll}-\frac{\pi }{2})+{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{{\theta }_{yaw}+\frac{\pi }{2}}{4}\right)}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left({\theta }_{link}\right)}\right)\left(right leg\right)\hfill \end{array} \]$

(8)

$\[ \begin{array}{c}{\theta }_3=\left({\theta }_{pitch}+\theta \right)+\frac{\pi }{2}\left(left leg\right)\hfill \\ {\theta }_3=-\left({\theta }_{pitch}+\theta \right)+\frac{3\pi }{2}\left(right leg\right)\hfill \end{array} \]$

(9)

3. 실 험

3.1 실험 환경

본 논문에서 제안하는 구형 가위 메커니즘 기반의 고관절 착용형 로봇을 검증하기 위해서 먼저 IMU 데이터와 관절 기구학 간의 비교를 통한 기구학 검증 실험을 진행하였고, 착용형 로봇의 기구학과 구속 조건을 활용하여 ROM 분석하였으며, 구동 실험을 통하여 착용형 로봇의 실제 ROM을 확인하였다. 먼저 [Fig. 5]는 착용형 로봇의 왼쪽 다리에 대한 실험환경 사진이다. [Fig. 5(a)]는 고관절 착용형 로봇의 회전 중심에 IMU를 부착한 사진이며, 사용된 IMU는 ROBOR사의 IntelliThings iAHRS이며, Roll, Pitch, Yaw동작 출력범위는 각각 –180° ~ 180°, –90° ~ 90°, –180° ~ 180°이고 해상도는 0.001°이다. 제어기는 라즈베리파이 4b 모델을 사용하였고 통신은 RS-485를 사용하였다. 관절이 동작할 때 기구학에서 측정된 관절각과 IMU를 비교할 수 있도록 배치하였다. [Fig. 5(b)]는 IMU를 제거하고 다리와 연결되는 연결 링크를 부착하여 이 링크가 움직일 수 있는 최대 범위를 확인할 수 있도록 하였다. 사용된 모든 관절에 사용된 구동기는 Robotis사의 XM540-W270-R로 무게는 165g이며, 기어비는 272.5:1이고, 최대 토크는 10.6Nm이다. 다리당 3개의 구동기가 사용되어 고관절의 Roll, Pitch, Yaw의 총 3자유도 회전을 생성하였다.

[Fig. 5]

Experimental Environment (a) Joint Kinematics (b) Workspace Analysis

3.2 관절 기구학 해석 실험

[Fig. 6]은 관절 기구학 해석 실험을 통해 얻은 각 관절과 센서의 그래프이다. 이 실험을 진행하기 이전에 착용형 로봇의 모든 관절각이 0°일 때를 기준으로 IMU센서의 영점을 조정하였다. Roll, Pitch, Yaw동작 각각 –10° ~ 10°, –30° ~ 25°, –10° ~ 10°에 대해서 1회 동작을 수행하였다. 우선 관절 기구학 수식을 통해서 계산된 관절 각도를 얻어내었고 동시에 IMU센서에서 측정한 각도를 획득하였다. Roll 동작의 경우 –1°~ 0°미만의 각도 오차를 보여주었고, Pitch 동작의 경우 약 –1.5°~ -1°정도의 균일한 오차를 보였다. 마지막으로 Yaw동작에서는 -1° ~ 0.5°에 오차를 확인하였다.

[Fig. 6]

Experimental Result of Joint Kinematics

3.3 착용형 로봇 ROM 분석

[Fig. 7]은 구동기의 ROM에 따른 착용형 로봇의 ROM 그래프이다. 엉덩이 뒷부분에 배치된 구동기 Motor 1 (θ₁), Motor 2 (θ₂)의 ROM은 각각 $$ {58}^{\circ }\le {\theta }_{1 }\le {308}^{\circ }$$, $$ {168}^{\circ }\le {\theta }_{2 }\le {328}^{\circ }$$이며, θ₁, θ₂에 대한 메커니즘의 구속조건은 $$ {\theta }_2-{\theta }_{1 }\ge {20}^{\circ }$$, $$ {\theta }_2-{\theta }_{1 }\le {115}^{\circ }$$이다. 이를 고려하여 구형 가위 메커니즘의 Roll, Yaw동작 ROM을 계산하면 [Fig. 7(a)]에서 볼 수 있듯이 $$ {113}^{\circ }\le {\theta }_{roll }\le {318}^{\circ }$$이고, [Fig. 7(b)]에서 보인 바와 같이 $$ {69.8}^{\circ }\le {\theta }_{yaw }\le {118}^{\circ }$$이다. 이 ROM을 고관절 동작에 맞춰서 환산하면, 내전/외전은 $$ -{67}^{\circ }\sim {138}^{\circ }$$, 내/외측 회전은 $$ -{20.2}^{\circ }\sim {28}^{\circ }$$의 ROM을 얻어낼 수 있다. 또한 굽힘/폄 동작의 경우 3D CAD상에서 $$ {61}^{\circ }\le {\theta }_{3 }\le {299}^{\circ }$$로 설계하여 $$ -{74}^{\circ }\sim {164}^{\circ }$$의 ROM으로 구현하였다. 이를 검증하기 위하여 [Fig. 5(b)] 환경에서 위치 구동 실험하였다. 우선 각 관절의 각도가 잘 표현될 수 있도록 관절의 자세를 특정하였고, 실험을 진행함에 있어 해당 동작을 구동시키면서 메커니즘이 더 이상 움직이지 않는 시점까지 동작시켰고, 해당 실험 결과는 [Fig. 8]과 같다.

[Fig. 7]

Workspace Analysis of Spherical Scissor Mechanism (a) Roll Motion (b) Yaw Motion

[Fig. 8]

Orientation Test of Proposed Wearable Robot

먼저 내전/외전 동작의 경우 $$ {\theta }_{pitch}={90}^{\circ }, {\theta }_{yaw}=-{28}^{\circ }$$로 고정하고, θ_roll만을 구동하여 진행하였다. [Fig. 8(a)]에서 보인 바와 같이 내전/외전 동작의 ROM은 $$ -{48}^{\circ }\sim {102}^{\circ }$$로 획득되었다. 또한 [Fig. 8(b)]에 해당하는 굽힘/폄 동작은 $$ {\theta }_{roll}=0^{\circ }$$ $$ {\theta }_{yaw}=0^{\circ }$$에서 θ_pitch만 동작시켰으며, 그 범위는 $$ -{20}^{\circ }\sim {160}^{\circ }$$으로 획득하였다. 마지막으로 내/외측 회전은 $$ {\theta }_{roll}=0^{\circ }$$, $$ {\theta }_{pitch}=0^{\circ }$$로 고정한 환경에서 측정하였으며, 동작되는 ROM은 [Fig. 8(c)]와 같이 $$ -{19}^{\circ }\sim {28}^{\circ }$$로 획득하였다.

4. 결과 및 결론

본 논문은 구형 가위 메커니즘을 활용한 고관절 착용형 로봇을 제시하였다. 제안된 착용형 로봇은 걷기/뛰기 동작에서의 사람의 ROM을 충족하면서 3자유도 회전 동작을 보조할 수 있도록 설계되었다. 이 회전 동작을 구현하기 위해서 구형 가위 메커니즘을 활용한 접근법을 사용하였다. 이를 이용하면 사람의 고관절의 볼 소켓 구조와 같이 단일 회전 중심을 모방할 수 있다. 또한 메커니즘이 가상의 회전 중심을 활용하기 때문에 메커니즘 내부가 비어있어 사람이 착용하면서도 각 다리 당 3자유도의 회전 관절을 개발할 수 있었다.

또한 관절 기구학 해석을 통해서 착용형 로봇의 자세를 획득하여 원하는 자세와 유사하게 추종하는 것을 확인하였다. 마지막으로 메커니즘의 ROM해석을 통해서 걷거나 뛰는 동작에서 필요한 ROM을 충족하는지 확인하였다. [Fig. 7]에 제시한 메커니즘의 ROM과 [Fig. 8]에 제시한 실제 ROM이 조금 상이한 결과를 보였는데, 이는 초기 설계에서 확인되지 않았던 다리 견착부 및 허리벨트와의 간섭이 ROM을 제한시키는 현상이 확인되었습니다. 그럼에도 필요한 ROM을 충족하는 것을 확인하였습니다.

본 논문에서는 고관절의 ROM 충족과 구동기를 활용한 3자유도 회전 구동을 중점적으로 접근하였기에 관절의 보조 토크에 대해서는 기재되지 않았지만 각 관절당 필요한 토크에 관련한 부분은 앞으로의 추가 실험을 통하여 진행할 예정이다.

Acknowledgments

This work was supported in part by the Technology Innovation Program funded by the Korean Ministry of Trade, industry and Energy, (20017345), and in part by the Institute of Civil Military Technology Cooperation funded by the Defense Acquisition Program Administration and Ministry of Trade, Industry and Energy of Korean government under grant No. (22-CM-EC-36).

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