고효율 무릎 관절 운동 기반 에너지 하베스터의 설계
Design of Highly Efficient Knee-Joint-Motion based Energy Harvester
- 주제(키워드) 인체 에너지 하베스팅 , 무릎 관절 운동 , 전자기 발전기 , 회생 제동 , Biomechanical energy harvesting , Knee-joint-motion , Electromagnetic generator , Regenerative braking
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 최영만
- 발행년도 2019
- 학위수여년월 2019. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000029284
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
휴대용 전자기기의 발전과 수요 증가로 인해 이를 운용하기 위한 휴대용 전력 공급 기술의 수요 또한 증가하고 있다. 인체 에너지 하베스팅은 인체의 운동에너지나 열에너지로부터 전기 에너지를 수확하는 기술로서, 기존의 화학 베터리에 비해 연속적으로 발전이 가능하고 주위 환경에 비교적 영향을 받지 않는 장점으로 인해 꾸준히 연구가 이루어지고 있다. 그 중에서 수 W 급의 전력을 생산할 수 있는 전자기 발전기 기반의 웨어러블 에너지 하베스터는 다른 발전 방식에 비해 높은 세기의 전력을 출력하지만 발전기의 부하 토크로 인해 인체 운용 시 부담이 된다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 하이브리드/전기 자동차의 회생제동 원리를 응용하여 인체 관절이 감속을 하는 음의 일 구간에서 선택적으로 발전을 하여 발전기의 부하 토크가 인체의 음의 일을 보조함으로써 인체의 생체 에너지 소비를 최소화할 수 있는 에너지 하베스터에 대한 연구가 최근 주목받고 있다. 회생제동을 이용한 에너지 하베스터는 인체의 생체 에너지를 기반으로 전기 에너지가 생성되기 때문에 하베스터의 수확 효율은 생체 에너지를 기계 에너지로 전달하는 근육의 효율과 기계 에너지를 전기에너지로 전달하는 장치 효율로 결정된다. 이 때 장치 효율의 경우, 에너지 하베스터의 구성 요소들인 기어 열로 구성된 동력 전달 장치, 전자기 발전기, 정류 회로 등의 효율로 결정된다. 따라서 높은 장치 효율을 가진 에너지 하베스터를 설계하기 위해서는 하베스터의 기계-전자 요소들을 포함한 통합된 설계 방법이 필요하다. 본 연구에서는 고효율 인체 에너지 하베스터를 설계하기 위한 설계 방법을 제시하고 프로토타입 제작을 통해 제안한 설계 방법을 검증한다. 제안하는 설계 방법에서는 하베스터의 수학적 모델을 기반으로 인체 보행 주기에서 설계 변수 조정에 따른 기계 일률(Mechanical power)과 생성된 전력(Electrical power)을 시뮬레이션 및 분석하였다. 이를 바탕으로 기어비에 따른 발전기별 장치 효율을 비교하였으며, 최종적으로 0.0369 V/rad/s의 발전기 상수를 가진 70 W 발전기와 56의 기어비가 선정되었다. 이 때의 예상 장치 효율은 66 % 이다. 도출된 설계 값을 바탕으로 프로토타입을 제작하였으며, 프로토타입은 경량화를 위해 알루미늄으로 제작된 3단 평기어열 구조 기반으로 설계되었다. 전체 시스템 질량은 약 600 g이며 인체 착용을 위한 착용 장치를 포함한 경우 790 g이다. 또한, 인체 착용 시 시스템 무게에 의한 생체 에너지 소비를 최소화하기 위해 타이밍 벨트를 사용하여 인체의 무게중심에 가깝게 시스템 요소들을 배치하였다. DC모터와 토크 센서, 그리고 컨트롤러로 구성된 인체 관절 운동 구현이 가능한 평가 장치를 제작 후 하베스터의 성능 평가를 진행하였다. 하베스터의 동적 특성인 플라이휠 효과와 원웨이 클러치의 단락 타이밍을 확인하였으며, 하베스터의 관성 모멘트와 발전기의 감쇠 계수 변경에 따른 동적 특성 변화를 분석하였다. 전력 발전 시 성능 평가는 전류 제어 방법에 따라 연속 발전, 회생 제동, 비례 제동 3가지 모드로 나뉘어 진행하였으며 각 모드 별 특성과 동적 0효과에 의한 영향을 분석하였다. 하베스터의 출력 부하 토크는 2.86 Nm에서 4.85 Nm이고 평균 출력 전력은 2초 보행 주기 기준 0.3 ~ 0.96 W이다. 최종적으로 평가한 하베스터의 평균 장치 효율은 15 ~ 49% 이다.
more초록/요약
Due to the development of portable electronic devices and the increase in demand, portable power supply technology to operate the portable electronic devices is also attracting attention. Human energy harvesting is a technology for harvesting electrical energy from kinetic energy or heat energy of the human body. The technology has been studied steadily because it is capable of continuous power generation and relatively unaffected by the surrounding environment compared to conventional chemical batteries. Among them, a wearable energy harvester based on an electromagnetic generator capable of producing several watts of electric power, has an advantage in that it outputs a high intensity power as compared with other power generation methods. However, it is burdensome when the human body operates the harvester due to the reaction torque of the generator. In order to compensate for these drawbacks, the regenerative braking principle of the hybrid / electric vehicle is applied to energy harvester to minimize human metabolic rate when operating the harvester. It can selectively generate power in a negative work phase where the human joint decelerates, so that the reaction torque of the generator assists the negative work of the human body. Since the energy harvester using regenerative braking generates electrical energy through the human metabolic energy, the harvesting efficiency of the harvester is determined by the efficiency of the muscles that transfer metabolic energy to mechanical energy and the device efficiency that transfers mechanical energy to electrical energy. In the case of device efficiency, the efficiency is determined by power transmission, electromagnetic generator, rectification circuit, etc. Thus, to design a highly efficient biomechanical energy harvester, an integrated design method including the model of electromechanical components of the harvester is required. In this study, the design method for designing highly efficient biomechanical energy harvester is presented and verified through an experiment with manufactured prototype. Based on the mathematical model of harvester, mechanical power and electrical power was analyzed according to the design variable change in the human gait cycle through the proposed design method. Based on these results, the device efficiency was compared of each generator according to the gear ratio. Finally, a 70 W generator with a generator constant of 0.0369 V/rad/s and a gear ratio of 56 were selected. With these values, expected device efficiency was 66 %. The prototype was designed based on the derived design values. The transmission system of the prototype has a three - stage spur gear train made of aluminum for light weight. The total system mass is 600 g. In addition, the system elements are placed close to the center of gravity of the human body using a timing belt to minimize the metabolic energy consumption due to the system weight when the device was installed to the human body. The performance evaluation of the harvester was carried out after the manufacture of a test-bed system capable of implementing human joint motion consisting of a DC motor, a torque sensor and a controller. The dynamic properties of the harvester, flywheel effect and decoupling timing of the one-way clutch, were verified. The performance evaluation was conducted in three modes, continuous generation, generative braking and proportional braking, according to current control method. The output reaction torque of the harvester was 2.86 Nm to 4.85 Nm and the average output electrical power was 0.3 W to 0.96 W based on a two-second walking cycle. Finally, the average device efficiency of the evaluated harvester was 15 % to 49 %.
more목차
제 1 장. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 선행 연구 현황 4
1.3 연구의 필요성 6
제 2 장. 에너지 하베스터 모델링 8
2.1 에너지 하베스팅 시스템 8
2.2 설계 변수 분석 11
2.2.1 생체 역학 모델 11
2.2.2 기계 전자 시스템 14
2.2.3 정류 회로 18
2.3 에너지 하베스터의 설계 방법 20
제 3 장. 고효율 에너지 하베스터 설계 22
3.1 에너지 하베스터의 설계 22
3.2 프로토타입 설계 및 제작 30
3.3 실험 구성 38
3.4 알고리즘 구성 42
제 4 장. 에너지 하베스터 성능 평가 46
4.1. 수확 모드 구성 46
4.2 동적 특성 평가 48
4.3 수확 모드 별 성능 평가 54
제 5 장. 결론 및 향후 과제 66
5.1 결론 66
5.2 향후 과제 67
