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ㆍ제품: 착용 로봇 (Wearble Robot)

ㆍ해석목적: 설계 제품의 허용 범위 확인과 제어 모델 검증을 위한 인체 및 착용로봇의 동역학 모델 구축

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실제로 사람이 착용할 착용로봇의 동역학 모델 설계를 위해서는 인체 동역학 모델 구축이 필수적이다. 또한 인체모델과 착용로봇의 결합 후, 인체 거동에 따른 로봇 액추에이터의 필요 토크를 예측하고 각 관절의 ROM (Range of Motion)을 확인하여 다양한 상황에서 필요한 자세를 로봇이 모두 구현할 수 있는지 확인해야 한다. 마지막으로 액추에이터의 제어 모델과 동역학 모델의 연성 해석을 통해 제어기의 성능을 확인한다.

Process

① 인체 동작 측정 데이터 획득 및 인체 프로그램, ‘Bio-motion’을 통한 인체 모델 생성 및 동작 데이터 입력

② 생성된 인체 모델을 RecurDyn에 불러들인 후, 동역학 모델 구현

③ 부싱을 이용한 인체와 착용 로봇 결합 및 인체가 거동하는 동역학 해석 진행 → 착용 로봇 움직임 결과 획득

④ 지면 반발력(GRF) 및 착용 로봇 모션 데이터 입력 후 동역학 해석

⑤ 착용 로봇 액추에이터의 필요 토크 데이터 및 로봇 관절 허용 각도 (ROM) 획득

⑥ 착용 로봇 액추에이터의 변위, 속도 데이터를 이용한 제어 연계용 모델 구축 및 연성 해석 진행

주요 해석 기술(Technical Description)

ㆍ RecurDyn/Bio-motion을 활용한 인체 동역학 모델 생성

ㆍ 인체와 착용 로봇 간의 Strap 결합 및 착용 로봇 동역학 모델링

ㆍ 동역학 결과 후처리 및 다양한 인체 동작 측정 데이터를 적용하기 위해 ProcessNet을 이용하여 커스터마이즈

ㆍ 동역학 모델과 Simulink 제어모델의 연성 해석

Toolkits

ㆍRecurDyn/Professional

ㆍRecurDyn x Simulink Co-simulation (RecurDyn/Control) or CoLink

ㆍProcessNet

고객이 직면한 문제점

• 검증 단계에서 예측하기 어려운 테스트 과정의 파손에 따른 시간과 비용의 손실

• 시제품을 사람이 직접 착용하는 것에 대한 위험성

• 설계(디자인, 액추에이터 용량, 동작 허용 각도 변경) 변경 시마다 반복돼야 하는 실험에 과도한 시간과 비용 소요

• 다양한 신체 정보를 적용한 인체 모델을 활용한 착용 로봇 검증이 필요

해결

• 각 관절의 토크 부하량을 확인할 수 있는 인체 모델을 포함한 동역학 모델 구축

• 사실적이고 다양한 인체 모델을 적용한 시뮬레이션

• 액추에이터 용량, 동작 허용 각도 등을 가상환경에서 체크함으로써 시제품 제작 비용 절감

성과

ㆍ각 관절에 부하되는 토크 액추에이터가 고려된 인체 모델을 RecurDyn에 불러들인 후, 동역학 모델을 구축

ㆍ로봇에 필요한 토크와 관절 범위를 임무 동작 별로 예측할 수 있었으며, 이를 기반으로 한 액추에이터 구동 범위를 제안

활용 및 해석사례

◀ 계단을 올라가는 로봇 해석

ㆍ로봇이 넘어지지 않도록 하기 위한 제어기 설계

ㆍ로봇 구동에 필요한 모터의 용량 선정