고하중 작업용 상지 착용로봇 성능 평가를 위한 더미 로봇 = Dummy Robot for Performance Evaluation of the Upper-Limb Wearable Robot for Heavy-Duty Tasks

국문 초록 (Abstract)

착용로봇 개발이 활발해짐에 따라 이들의 안전과 성능에 대한 검증 수요가 증가하고 있다. 하지만 기존의 착용로봇 성능평가는 착용자의 근전도 신호, 신진대사 비용과 같은 생체신호에 의존하기 때문에 착용자의 피로도, 숙련도에 따라 반복성과 객관성이 부족하다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 더미 로봇을 이용한 착용로봇 성능평가 방법이 제안된 바 있다. 착용자 대신 더미 로봇이 착용로봇을 착용하고, 착용 유무에 따른 더미 로봇의 소모에너지 차이를 이용하여 착용로봇의 성능을 정량적으로 평가하는 방법이다. 따라서 고하중을 보조하기 위한 상지 착용로봇의 성능평가를 위해 새로운 상지 더미 로봇을 개발하였다. 성능평가 지표로서 소모에너지의 차이를 이용하려면 착용로봇 보조 수준에 따른 소모에너지가 선형성을 가져야 한다. 이를 위해 마찰 식별과 마찰 보정을 통하여 소모에너지의 선형성을 확보하였고, 시뮬레이션 결과 비교를 통해 소모에너지 값의 타당성을 확인하였다. 더불어 더미 로봇의 제어 정확도를 확보하여 착용로봇 성능평 가 플랫폼으로서의 필수 조건을 만족하였다. 새로운 상지 더미 로봇을 이용한 착용로봇 성능평가 방법을 실험적으로 검증하기 위해 상용 착용로봇을 적용하여 성능을 평가하였다. 실험 결과를 통해 착용로봇의 질량이 비보행/보행 시의 보조성능에 어떤 영향을 줄 수 있는지 분석하였고, 착용로봇 보조성능 설계값과 실험값을 비교하였다. 이로써 새로운 상지 더미 로봇을 이용한 착용로봇의 성능평가의 가능성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the development of wearable robots becomes more active, the demand for verifying their safety and performance has also increased. However, conventional performance evaluation methods rely heavily on the wearer’s biosignals, such as EMG and metabolic cost, which suffer from limited repeatability and objectivity due to user fatigue and proficiency. To address this issue, a performance evaluation method using a dummy robot has been proposed. In this method, the dummy robot wears the wearable robot instead of a human, and the difference in energy consumption with and without assistance is used to quantitatively assess performance. Therefore, a new upper-limb dummy robot has been developed to evaluate the performance of wearable robots designed to assist with heavy loads. For the energy consumption to serve as a valid performance metric, it must show linearity according to the level of assistance. This was achieved through friction
identification and compensation, ensuring linear energy behavior. The validity of the energy consumption values was verified through simulation comparisons. In addition, the control accuracy of the dummy robot was secured, meeting the essential requirements as a performance evaluation platform. To experimentally validate the proposed evaluation method, a commercial wearable robot was applied. The results analyzed how mass of the wearable robot affects assistance performance during walking and non-walking conditions and the designed assistance performance values were compared with the experimental results. These results demonstrate the feasibility of performance evaluation using the new upper-limb dummy robot.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 제 2장 더미 로봇 3
• 2.1 더미 로봇 설계3
• 2.2 기구학 및 동역학 모델 6
• 2.3 고하중 시뮬레이션9
• 2.4 더미 로봇 시스템 제작 13
• 제 3장 착용로봇 보조성능 평가를 위한 필수 조건 18
• 3.1 평가지표 선형성 평가19
• 3.1.1 LuGre 모델을 이용한 마찰 추정 26
• 3.1.2 마찰 보정을 통한 평가지표 선형성 및 타당성 평가 40
• 3.1.2.1 비보행/팔의 동적 궤적 시나리오 42
• 3.1.2.2 보행/팔의 동적 궤적 시나리오 47
• 3.1.2.3 비보행/팔의 정적 궤적 시나리오 52
• 3.1.2.4 보행/팔의 정적 궤적 시나리오 56
• 3.2 제어 정확도와 반복성 62
• 제 4장 착용로봇 보조성능 평가 시험 64
• 4.1 팔의 동적 궤적 시나리오 착용로봇 성능 평가 65
• 4.1.1 비보행 궤적 66
• 4.1.2 보행 궤적 71
• 4.1.3 비보행/보행 궤적의 보조성능 비교 75
• 4.2 팔의 정적 궤적 시나리오 착용로봇 성능 평가 76
• 4.2.1 비보행 궤적 77
• 4.2.2 보행 궤적 80
• 4.2.3 비보행/보행 궤적의 보조성능 비교 84
• 제 5장 결론 87
• 참고 문헌89