보행 보조를 위한 줄꼬임 변속기 기반 모터-발전기 시스템 설계
Design of a Twisted String Transmission Driven Motor-Generator System for Walking Assistance
- 주제(키워드) 무릎 관절 운동 , 줄꼬임 변속기 , 모터-발전기 , 생체역학 웨어러블 장치
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 최영만
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000031538
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
인간의 보행 주기 동안 무릎 관절이 하는 일은 추진을 위해 가속하는 양의 일과 제동을 위해 감속하는 음의 일로 구분되고 반복된다. 무릎 관절의 추진 또는 제동의 보조가 가능한 보행 보조용 웨어러블 장치에 관한 연구는 독립적인 개념으로 진행되어왔다. 본 논문에서는 보행 주기 동안 무릎 관절의 추진 토크와 제동 토크를 보조할 수 있는 줄꼬임 변속기 기반 모터-발전기 시스템을 제안한다. 줄꼬임 변속기는 모터의 회전을 통해 줄을 꼬아줌으로써 줄 끝단에 연결된 하중의 선형 운동을 유발하는 기어비가 높은 구동기이다. 가볍고 유연하며 간결한 특징으로 인해 보행 보조용 웨어러블 장치에 적합한 줄꼬임 변속기는 높은 기어비를 통해 무릎 관절의 추진과 제동 토크를 모두 효과적으로 증폭시킬 수 있다. 시스템에는 제동 토크를 보조하면서 생산되는 전력으로 추진 토크를 보조하는 에너지 회수의 원리를 적용하였다. 제안된 시스템에서 무릎 관절은 줄꼬임 변속기를 통해 모터와 발전기에 연결되고, 유각기 무릎 펴짐 구간 이후 발전기를 줄꼬임 변속기로부터 분리하기 위해 발전기 축에 원웨이 클러치 베어링을 결합하였다. 모터는 유각기 무릎 굽힘 구간과 입각기 무릎 굽힘 구간에서 무릎 관절 토크에 비례하는 추진 보조 토크를 발생하고, 발전기는 유각기 무릎 펴짐 구간에서 발생하는 부하 토크를 통해 무릎 관절의 제동 토크를 보조하면서 발전기에 생성되는 역기전력을 통해 전력을 생산한다. 시스템의 목표 성능은 추진을 위한 무릎 관절 토크의 30%를 만족하는 추진 보조 토크, 제동을 위한 무릎 관절 토크의 60%를 만족하는 제동 보조 토크 그리고 입력 전력에 대한 출력 전력의 비로 계산되는 시스템의 효율을 50%로 설정하였다. 수학적 모델에 기반한 설계 변수 분석을 통해 각각의 설계 변수가 시스템 성능에 어떤 영향을 주는지 파악하였고, 시스템의 목표 성능을 만족하는 설계 변수인 줄의 길이, 줄 사이의 반경, 줄의 반경 그리고 줄꼬임 변속기의 초기 꼬임량을 선정하였다. 마지막으로, 줄꼬임 변속기 기반 모터-발전기 시스템의 테스트베드를 제작하였고 목표 성능 검증을 위한 실험을 통해 생체역학 웨어러블 장치에 적용할 수 있는 구동 메커니즘에 관해 본 연구에서 제안한 시스템의 실효성을 검증하였다.
more초록/요약
The work of human knee joint during the gait cycle is divided into positive work for propulsion and negative work for braking. Research on walking assistance wearable devices capable of assisting propulsion or braking of the knee joint have been conducted independently. In this study, a twisted string transmission(TST) based motor-generator system capable of assisting propulsion and braking of the knee joint during gait cycle is proposed. A concept of energy recovery assisting the propulsion torque through the power generated while assisting the braking torque was applied to the system. Due to its soft, compact and compliant characteristics, a twisted string transmission is suitable for the walking assistance biomechanical wearable device and also can effectively amplify both propulsion and braking torque of the knee joint through high transmission ratio. In this system, the human knee joint is connected to a BLDC motor and a generator by the TST. An one-way clutch bearing is installed at the generator shaft to disengage it from the TST during knee flexion phase. During knee flexion, the motor generates propulsion assistance torque proportional to knee joint torque. During the knee extension, the generator produces electricity while assisting braking of the knee joint through reaction torque. From model-based parametric study, the string parameters and an initial rotation angle of TST were determined to satisfy the assistance torque(30% of knee joint propulsion torque and 60% of knee joint braking torque) within constraints. Finally, a testbed of the TST based motor-generator system was built and performances of the system were evaluated through experiments.
more목차
제 1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 선행 연구 현황 3
1.3 연구 목적 6
제 2장 줄꼬임 변속기 기반 모터-발전기 시스템 7
2.1 줄꼬임 변속기 분석 7
2.1.1 정의 및 수학적 모델 7
2.1.2 줄꼬임 변속기에 관한 선행연구 9
2.1.3 줄꼬임 변속기의 설계 변수 11
2.2 시스템 개요 12
2.3 무릎 관절 생체역학 모델 15
2.3.1 보행 주기 동안 변화하는 무릎 관절의 각도 15
2.3.3 보행 주기 동안 변화하는 무릎 관절의 토크 17
2.4 동적 모델 18
2.4.1 제동 보조 모드 모델링 18
2.4.2 추진 보조 모드 모델링 21
제 3장 설계 및 제작 23
3.1 설계 변수 분석 23
3.1.1 줄꼬임 변속기의 기어비 23
3.1.2 제동 보조 모드의 설계 변수 분석 26
3.1.3 추진 보조 모드의 설계 변수 분석 32
3.1.4 설계 변수 조정 결과 35
3.2 테스트베드(Testbed) 설계 및 제작 37
3.2.1 테스트베드 설계 37
3.2.2 테스트베드 제작 39
3.3 구동 알고리즘 구성 41
제 4장 시스템 성능 평가 43
4.1 줄꼬임 변속기의 기어비 평가 43
4.2 통합 모드 성능 평가 46
제 5장 결론 및 향후 과제 51
5.1 결론 51
5.2 향후 과제 52
참고문헌 54
