중량물 이송용 하지 외골격 로봇의 수동형 무릎 메커니즘 설계 :Design of a passive knee mechanism of lower extremity exoskeleton for load-carrying augmentation

박수현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박수현 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수: 한창수

발행연도: 2019

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이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

중량물 이송용 하지 외골격 로봇의 수동형 무릎 메커니즘 설계

박수현 융합시스템학과 2019.01 학위논문

2018

중량물 이송 시 근력증강을 위한 수동형 고관절 메커니즘 개발

박수현 , 김호준 , 지영훈 외 2명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2018.05 학술대회자료

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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.

#자동제어공학

제 1 장. 서론 1
1.1. 연구의 배경 1
1.2. 연구의 목적 4
제 2 장. 수동형 무릎 메커니즘의 설계 개념 5
2.1. 인체 무릎의 특성 분석을 통한 설계 개념 도출 5
2.1.1. 인체 무릎의 동적 안정성 분석 5
2.1.2. 인체 무릎의 기구학적 특성 분석 12
2.2. 수동형 무릎 메커니즘의 설계 개념 제안 14
제 3 장. 설계 최적화 및 상세 설계 16
3.1. 설계 최적화 16
3.1.1. 설계 변수 선정 16
3.1.2. 목적 함수  : 동적 안정성 확보 16
3.1.3. 목적 함수  : 기구학적 유사성 19
3.1.4. 설계 최적화 결과 20
3.2 상세 설계 24
3.2.1. 3D 모델링 설계 24
3.2.2. FEA 시뮬레이션 26
제 4 장. 실험 및 결과 28
4.1. 실험 개요 및 방법 28
4.2. 기립 자세에서의 실험 29
4.3. 평지 보행 시 실험 31
4.4. 실험 분석 및 결과 33
제 5 장. 결론 및 고찰 36
참고 문헌 37
영문 요지 40

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