외골격의 설계 방법

외골격은 가볍고, 작고, 강력하며 안정적이고 쉽게 사용할 수 있어야 합니다. 무엇이 더 쉬울 수 있을까요? 전 세계의 많은 개발업체는 다양한 수준의 성공으로 이 분야에 도전하고 있습니다. VariLeg enhanced 팀의 책임자인 크리스티안 베르메스(Christian Bermes)는 모두 무엇을 의미하는지 설명합니다.

기계학

“메카트로닉 시스템으로 인간의 걸음걸이를 모방하는 것은 엄청난 엔지니어링의 도전입니다. 사람을 지지하는 구조는 킬로그램이 추가될 때마다 드라이브 시스템에 영향을 미치므로 가능한 한 가볍고 견고해야 합니다. 이러한 이유로 보통 탄소와 같은 경량 소재가 사용됩니다. 또한 외골격은 조종사가 어렵지 않게 어떠한 문도 지나갈 수 있어야 하므로 너무 넓지 않은 것도 중요합니다.”

드라이브

“모터와 기어헤드로 구성된 드라이브 시스템은 높은 토크를 전달해야 합니다. 특히 계단을 오르내릴 때 엄청난 힘이 작용합니다. 동시에 모터는 보행 동작으로 인해 회전 방향을 끊임없이 변경해야 하므로 높은 수준의 역동성이 요구됩니다. 위시 리스트의 마지막 아이템은 바로 가능한 한 적은 공간을 차지하는 컴팩트한 디자인입니다.”

사용자 인터페이스

“조종사가 보행 동작을 완벽하게 제어해야 하므로 동작 제어는 쉽게 접근할 수 있으며 직관적으로 설계되어야 합니다. 또한 인터페이스로 조종사의 민감한 피부를 보호하며 안정적으로 큰 힘을 전달하기 위해서는 인터페이스를 조종사의 다리와 몸통에 맞게 개별적으로 조정해야 합니다.”

조종사와 경험

“이것이 가장 중요한 점이라고 할 수 있습니다. 외골격이 실제로 얼마나 잘 작동하는지는 주로 조종사에 따라 달라집니다. 조종사는 로봇 보조 장치에 익숙해져야 하고 최대한 효과적으로 사용하는 방법을 터득해야 합니다. 어떤 사람들은 힘에 더 의지하고, 또 다른 사람들은 기술에 더 의지합니다. 어느 방법이든 엄청난 훈련이 필요합니다.”

자유도

“몇 개의 자유도가 있어야 합니까? 이것은 어려운 질문입니다. 외골격 설계자는 보통 다리당 2개의 자유도를 적용하므로 엉덩이와 무릎만 움직입니다. 이에 따른 장점은 경량의 무게, 더 간단한 제어 시스템으로 인해 오류 소스가 더 적다는 것입니다. 그러나 3개나 4개의 자유도 또한 가능합니다. 예를 들어, 측면 운동이 가능하거나 추가적으로 발목을 움직일 수 있음을 의미합니다. 이로써 조종사가 추가 동작을 자유롭게 행하고 고르지 않은 지면 위에서도 더 안정적으로 움직일 수 있도록 합니다. 다른 한편으로는 전체 시스템을 더 무겁고 복잡하게 하여 배터리 수명을 단축시킵니다.”

소프트웨어

“처음에는 더 적은 자유도의 제어가 간단해 보입니다. 그러나 세부 사항을 들여다 보면 실행이 다소 복잡합니다. 다양한 동작을 제어하고 안전 기능으로 사고를 예방해야 하기 때문입니다. 또한 전체 외골격은 조종사와 협력하여 더욱 발전시켜야 합니다. 이 일은 실행 가능한 소프트웨어 아키텍처로만 해낼 수 있습니다.”

크리스티안 베르메 (Christian Bermes) 스는 ViariLeg enhanced의 팀 리더이자, 라퍼스빌에 소재한 HSR 응용 과학 대학교의 자동화 및 메카트로닉스 교수입니다.

전력이 두 배인 모터를 장착한 새로운 VariLeg 외골격

이 VariLeg enhanced 팀는 사이배슬론 2020을 위한 외골격을 개발 및 제작하고 있습니다. 그러나 진행 중인 프로젝트는 2016년에 참가했던 ETH Zurich의 VariLeg 팀과는 거의 관련이 없습니다. 현재의 외골격은 학생 프로젝트로 개발되었습니다. ETH Zurich와 라퍼스빌의 HSR 응용 과학 대학교의 혼합 팀은 현재 로봇 시스템의 완성을 위한 작업을 수행 중입니다. 시스템에는 2개의 자유도가 있습니다. 맥슨의 브러시리스 플랫 모터 2개가 양쪽에 있어서 엉덩이와 무릎을 움직일 수 있습니다. 이 모터는 최대 600W의 전력을 제공합니다.

오토 이나이헨(Otto Ineichen), 맥슨의 의료 사업 개발: “특히 외골격용 드라이브는 가벼워야 합니다. 또 낮은 전체 높이도 중요합니다. 그러나 모터가 회전 방향을 자주 그리고 매우 빠르게 변경해야 하므로 높은 전력 밀도와 역동성도 요구되고 있습니다. 맥슨은 현재 로봇 시장의 요구 사항을 충족시키기 위해 특수 설계된 모터의 새로운 제품 플랫폼을 개발하고 있습니다. 이러한 새로운 드라이브는 EC-i 프레임리스 개념을 기반으로 합니다. 그러면 드라이브는 애플리케이션과 요구 사항에 따라 적절한 기어헤드와 결합할 수 있습니다.”