자기스프링 조인트를 사용한 하이브리드 어깨 외골격 장치
Hybrid Shoulder Exoskeleton Using Magnetic Spring Joints
- 주제(키워드) Magnetic spring joint , Hybrid , Shoulder exoskeleton
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 최영만
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034103
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
작업 관련 근골격계 질환은 (Work-related musculoskeletal disorders)은 현 대 사회 산업 근로자의 삶의 질을 저하시키는 주요한 요인이다. 작업 관련 근골격계 질환 중 38%는 어깨 질환으로 자동차, 토목, 항공, 조선과 같은 생 산 제조 공정에 종사하는 산업 근로자의 머리 위 높이에서 반복적인 작업이 주요한 원인으로 확인되었다. 외골격 기술은 산업 근로자의 어깨 부상을 예방하기 위한 잠재적인 해결 방안으로 많은 관심을 받고 있으며, 기계스프링의 탄성에너지를 사용한 수 동형 외골격과 구동기를 사용한 능동형 외골격의 형태로 연구, 개발되고 있 다. 수동형 어깨 외골격은 기계스프링을 사용하여 능동형 외골격 대비 가벼 운 무게, 높은 에너지 효율을 갖기 때문에 기동성이 요구되는 산업 근로자에 게 적합한 장점을 갖는다. 그러나 기계스프링과 장치 관절 사이에 동력 전달 을 위한 기계 요소와 스프링을 사용하기 위한 공간이 필요하다. 또한 설계 단 계에서 보조 토크가 정해지기 다양한 작업 동작, 부하에 대한 보조 효율이 감 소한다. 반면 능동형 어깨 외골격은 모터, 제어기를 사용하여 정확하고 빠른 응답, 작업 동작 및 부하 인식과 같이 높은 잠재력을 가짐에도 불구하고 장치 의 무게, 부피, 배터리 수명, 낮은 에너지 효율로 산업 현장에 적용하기 위한 해결 방안이 요구된다. 수동형 외골격의 작업 보조 효율을 향상시키고 능동형 외골격의 낮은 에 너지 효율, 무게, 부피를 줄이기 위하여 수동형 외골격의 기계스프링과 구동 기를 결합한 하이브리드 형태의 어깨 외골격이 일부 연구, 개발되어 에너지 효율을 증가시킨 결과를 보여주었다. 그러나 기계스프링 사용에 요구되는 기 계 구성 요소와 결합된 구동기는 외골격의 무게, 부피를 증가시키기 때문에 에너지 효율을 높이면서도 외골격의 부피, 무게를 줄일 수 있는 자중 보상 메 커니즘을 사용한 하이브리드형 어깨 외골격에 대한 해결 방안이 필요하다. 본 연구에서는 베어링과 유사한 구조를 갖는 내부와, 외부의자석 세그먼 트로 구성된 원통형 자기스프링 조인트를 자중 보상 메커니즘으로 설계, 제 작하였다. 자기스프링 조인트는 어깨 측면에 위치하여 회전 관절로 구동됨 과 동시에 자기장에 의한 회전 토크를 제공하기 때문에 외골격의 부피를 작 게 제작할 수 있다. 설계된 자기 스프링 조인트는 자기 스프링 조인트만을 사 용한 수동형 외골격과 구동기를 결합한 하이브리드형 외골격을 구현함으로 써 그 성능을 검증하고자 하였다. 또한 어깨 관절과 장치 관절 사이의 정렬 오차로 발생하는 전달 토크를 수 치적으로 분석하여 외골격 착용 시 전달 토크의 손실을 최소화하는 파라미 터를 제시하였다. 수동형 외골격은 근전도 센서를 사용하여 머리 위 높이에서 작업 시 낮은 수준의 보조 토크에서도 어깨 관절 운동에 주요한 삼각근에 있어 효과적인 근활성도 감소를 확인하였다. 하이브리드형 외골격은 자기스프링 조인트의 토크에 구동기의 토크를 더 하여 작업 동작에 따라서 필요 시 어깨 회전 각도에 따`라 증가 혹은 감소시 킬 수 있도록 설계하였다. 하이브리드 구동기는 자기스프링의 회전 축과 구 동기의 로터를 결하여 콤팩한 구조를 가진다. 또한 상완 자중에 해당하는 부 하 성능 평가를 통하여 자석을 제거한 구동기만 사용한 능동형 조건과 비교 하여 하이브리드 모듈 사용 시 88.3% 전력을 절감하였다. 제안한 외골격은 3.7 kg으로 산업용 능동형 외골격의 평균 무게 대비 43% 가볍게 제작하였으 며, 장치 미착용 시와 비교하여 작업 요구 어깨 가동 범위에 대하여 98.6% 어 깨 움직임이 가능하다. 또한 머리 위 높이, 허리 높이에서의 인체 성능 평가 를 수행하여 자기스프링 조인트만 사용한 자중 보상 수동형 조건과 비교 시 하이브리드 모듈 사용조건에서 최소 20%, 최대 50% 삼각근에 더 큰 근활성 도 감소 효과를 확인하였다.
more목차
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 어깨 외골격 3
1.3 연구 동향 분석 7
1.4 연구 목적 및 방법 12
제 2 장 수동형 외골격 설계 13
2.1 외골격 개념 설계 13
2.2 자기스프링 조인트 설계 15
2.3 어깨 운동학 기반 전달 토크 모델 제시 24
제 3 장 수동형 성능 평가 31
3.1 외골격 제작 31
3.2 자기스프링 조인트 성능 평가 33
3.3 모션 캡쳐를 사용한 어깨 가동 범위 평가 34
3.4 근전도 센서를 사용한 인체 근활성도 평가 37
3.5 토의 45
제 4 장 하이브리드형 외골격 설계 48
4.1 외골격 개념 설계 48
4.2 하이브리드 모듈 설계 49
제 5 장 하이브리드형 외골격 성능 평가 51
5.1 외골격 제작 51
5.2 하이브리드 모듈 성능 평가 54
5.3 모션 캡쳐를 사용한 어깨 가동 범위 평가 56
5.4 근전도 센서를 사용한 인체 근활성도 평가 58
5.5 토의 78
제 6 장 결론 81
참고문헌 84
