외골격 모터가 이끄는 상지 기술의 혁신적 돌파구

최근 몇 년간 외골격 로봇은 인간의 이동성을 향상시키고 재활을 지원하며 산업 생산성을 높이는 혁신적인 기술로 부상했습니다. 이러한 웨어러블 로봇 시스템은 정밀한 동작 보조를 제공하여 사용자의 신체 능력을 확장하고 피로를 줄이며, 운동 기능 장애를 가진 사람들의 삶의 질을 향상시키는 데 기여합니다.

다양한 외골격 응용 분야 중에서도 상지 외골격은 독특한 도전 과제를 제시합니다. 관절의 복잡한 운동학과 넓은 가동 범위로 인해, 경량화 및 인체공학적 설계를 유지하면서 정밀한 제어를 구현하는 것이 연구자와 엔지니어들에게 중요한 과제가 되고 있습니다.

오늘은 루르 베스트 응용과학대학교(Ruhr West University of Applied Sciences)의 한 논문을 소개해 드리겠습니다.

[[2309.04698] 상체 외골격 기술의 발전: 피드포워드 제어기를 활용한 능동 중력 보상 구현]

핵심 과제: 상지 외골격에서 무게와 제어 성능의 균형

전통적인 외골격 제어 전략은 PID 제어기와 같은 피드백 메커니즘에 의존하는 경우가 많으며, 외부 센서를 사용해 위치 오차를 실시간으로 보정합니다. 이러한 방식은 효과적이지만 시스템의 복잡성, 무게 및 전력 소모를 증가시키는 단점이 있습니다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 피드포워드 제어를 기반으로 한 능동 중력 보상 시스템을 개발했습니다. 모터의 내부 위치 센서만을 활용함으로써, 추가적인 외부 센서 없이도 중력 토크를 예측하고 상쇄할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 하드웨어 구조를 단순화할 뿐만 아니라 동적 성능과 인체공학적 적합성을 향상시키며, 웨어러블 로봇을 위한 정밀 구동을 지향하는 CubeMars의 철학과도 부합합니다.

피드포워드 제어의 장점

피드포워드 제어는 오차 피드백에 의존하지 않고, 필요한 보상 토크를 사전에 계산합니다. 이를 통해 동적인 동작 중에도 지연을 최소화하며, 매우 빠르고 부드러운 움직임을 구현할 수 있습니다.

시험 결과, 해당 시스템은 마찰이 매우 낮은 조건에서도 안정적인 자세를 유지하며, 다양한 동작 전환 상황에서도 신뢰성 있게 작동하는 것으로 나타났습니다. 재활 및 산업 보조 분야에서는 근육 부담 감소, 보다 안전한 작동, 그리고 더욱 자연스러운 인간-로봇 상호작용으로 이어집니다.

고성능 로봇 모터: 외골격 구동의 핵심

외골격 모터 는 웨어러블 로봇에서 핵심적인 역할을 합니다. 당사의 상지 외골격 시스템에서는 각 측면에 고출력 대비 중량비가 뛰어난 CubeMars 외골격 모터가 적용되어 있으며, 주요 구성은 다음과 같습니다:

AK60-6 V1.1 KV80 로봇 액추에이터

• 24V 정격 전압

• 9 N·m 최대 토크

• 315g 무게 

• 경량 로봇 및 외골격(엑소스켈레톤) 응용에 최적화됨

AK80-9 KV100 고토크 로봇 액추에이터

• 48V 정격 전압

• 18 N·m 최대 토크

• 높은 하중의 관절을 위해 설계되어 신뢰성 있고 정밀한 출력을 제공

이 로봇 모터는 높은 토크 밀도, 경량 설계, 그리고 내장형 드라이버 회로를 결합하여 외골격 로봇, 로봇 암, 재활 장비에 이상적입니다. 피드포워드 제어와 결합된 CubeMars 모터는 능동 중력 보상을 위한 거의 즉각적인 토크 응답을 제공하여 자연스럽고 인체공학적인 움직임을 지원합니다.

시스템 아키텍처 및 구현

해당 외골격 로봇은 4자유도(4-DOF) 구조를 채택하여 3차원 공간에서 어깨와 팔꿈치의 자연스러운 움직임을 정밀하게 재현합니다. 제어 시스템은 ATmega328P 마이크로컨트롤러(Arduino Uno)를 기반으로 하며, CAN 버스 프로토콜을 통해 모터와 통신합니다.

전원은 22.2V 222Wh TATTU 스마트 LiPo 배터리로 공급되며, 높은 에너지 밀도와 긴 사용 시간을 제공합니다. 총 중량은 약 8kg으로, 장시간 착용 시에도 편안함을 유지하면서 우수한 인체공학적 적합성을 보장합니다.

실험적 검증 및 향후 응용

실험 결과에 따르면, 능동 중력 보상 시스템은 지연이나 드리프트 없이 다양한 자세 범위에서 외골격 로봇이 안정적인 자세를 유지할 수 있도록 합니다. 동적 동작 중에도 관절 반응은 정밀하고 부드럽게 이루어지며, 이는 피드포워드 제어와 고성능 CubeMars 외골격 모터를 결합한 이점을 명확히 보여줍니다.

향후 이 기술은 상지 재활 로봇, 산업용 보조 외골격, 그리고 협동 로봇 암에 이상적인 솔루션이 될 것입니다. CubeMars의 높은 출력 대비 중량비를 갖춘 모터를 경량·인체공학적 설계와 결합함으로써, 본 시스템은 웨어러블 로보틱스를 위한 실용적이고 효율적인 솔루션을 제공하며, 인간의 이동성을 향상시키고 실제 응용 환경을 지원합니다.

자주 묻는 질문

이 상지 외골격 기술의 핵심 혁신은 무엇인가요?

이 기술의 핵심적인 돌파구는 외부 센서 없이 피드포워드 제어 기반의 능동 중력 보상을 구현한 점입니다. 시스템은 모터 내부 위치 센서만을 활용해 중력 토크를 예측하고 상쇄함으로써 하드웨어 복잡성과 무게를 크게 줄이는 동시에 성능을 향상시킵니다.

피드포워드 제어는 기존 제어 방식과 어떻게 다른가요?

외부 센서와 오차 보정에 의존하는 기존의 피드백 제어(PID 제어 등)와 달리, 피드포워드 제어는 필요한 보상 토크를 사전에 계산합니다. 이를 통해 지연을 최소화한 고응답성 움직임을 구현할 수 있으며, 추가적인 외부 센서가 필요하지 않습니다.

이 외골격 시스템에는 어떤 구체적인 모터가 사용되었나요?

본 시스템에는 AK60-6 V1.1(최대 토크 9 N·m, 무게 315g)과 AK80-9(최대 토크 18 N·m) 모델을 포함한 CubeMars 고성능 외골격 모터가 사용됩니다. 이 모터들은 높은 토크 밀도, 경량 설계, 그리고 외골격 응용에 최적화된 내장형 드라이버 회로를 특징으로 합니다.

이 기술의 주요 적용 분야는 무엇인가요?

이 기술은 상지 재활 로봇, 산업용 보조 외골격, 그리고 협동 로봇 암에 이상적입니다. 인간의 이동성을 향상시키고 근육 부담을 줄이며, 보다 자연스러운 인간-로봇 상호작용과 함께 안전한 운용을 제공합니다.

시스템 사양과 성능 결과는 무엇인가요?

4자유도(4-DOF) 외골격 시스템은 약 8kg의 무게를 가지며, CAN 버스 통신을 사용하는 ATmega328P 마이크로컨트롤러를 기반으로 합니다. 실험 결과, 넓은 자세 범위에서도 안정적인 자세 유지가 가능했으며, 관절 반응은 정밀하고 동적 움직임은 지연이나 드리프트 없이 부드럽게 구현되었습니다.