STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(서보 모터를 이용한 복합도르래 방식 외골격 장치의 연구 및 제작)

2016. 11. 30.

포천고등학교

< 연구 결과요약 >

과 제 명 서보 모터를 이용한 복합도르래 방식 외골격 장치의 연구 및 제작

연구목표

- 모터 서보와 도르래를 외골격 장치의 근육 부분으로 채택한 외골격 장치를 제작하여 기존의 유압식 피스톤 방식과 비교하여 에너지 효율이 감소되는가를 연구한다.

- 외골격 장치의 중요 부품인 유압식 피스톤을 대체 할 수 있는 방법을 연구하여 개발해보 고, 일반적인 외골격 장치와 비교한다.

-위 내용이 검증 되면 외골격 장치의 효율 연구를 진행한다.

연구내용

예상 연구 결과

- 도르래를 사용하여도 외골격 장치의 제작이 가능할 것이다.

- 유압피스톤 방식에 비해 전체 중량이 적을 것이다.

- 가용 중량은 유압피스톤에 비해 낮을 것이다.

외골격 설계

-외골격 장치를 제어기기, 골격으로 나누어 설계한다.

검증

-설계한 장치를 모델링, 데이터로 만들어 3D물리엔진으로 테스트 하고 수치화 된 데이터 를 모아 저장한다. 검증단계가 실패함에 따라, 개발 단계로는 진입하지 못한다.

개발

-외골격 장치를 실제로 구현하고 제작하는 단계. 검증이 실패하여 보류 되었다.

외골격 장치의 개발이 처음에는 주된 목표였지만, 검증 단계를 성공하지 못했기 때문에 연구가 일시정지 되었다.

연구성과

외골격 장치는 동작이 가능하되 효율은 이전과 같거나 효율적이지 못하다는 것을 알게 되었다.

- 위 결과가 나오게 된 실제 연구가 예상과 다른 이유는 크게 3가지로 나뉜다.

1. 장치의 동작 좌표(다리 접힘 각도, 와이어에 작용하는 힘과 힘 사이 거리 등)가 수시로 변경되는 것만 초점을 맞춰 연구한 것이 문제였다.

2. 서보 모터에 적용되는 에너지의 총 량과 복합도르래의 무게 절감에 사용되는 에너지는 수치가 비슷하다. 따라서 이 연구에서는 실제로 적용되는 에너지가 절약되지 않는다는 사실을 알게 되었다.

3. 서보 모터의 내부에는 이미 복합도르래와 종류는 다르지만 비슷한 효과를 내는 기어(톱 니바퀴)가 존재한다. 강제로 복합도르래를 사용하고 동작 속도를 늘리게 되더라도 운동량 이 같기 때문에 에너지를 절약할 수 없다는 것을 알 수 있다.

주요어 (Key words)

외골격 장치, Exosuit Device, Arduino,

< 연구 결과보고서 >

서보 모터를 이용한 복합도르래 방식 외골격 장치의 연구 및 제작

1. 개요

□ 연구목적

○ 본 연구를 착수하게 된 동기, 필요성 및 목적, 지역 특성 및 학교 여건, 연구 동기, 목적 등에 대해 기술

- 최근 수많은 SF작품에서 외골격 장치가 등장하기 시작했다. 외골격 장치는 인간이 착용하는 것으로 부가적으로 장치에 의해 힘이 늘어나 신체에 가해지는 힘을 줄여주기에 일반적인 상황보다 배가 되는 힘을 사용할 수 있다. 이 기술은 SF 작품에서의 상상에서 그치지 않고 현실에서 차츰 모습을 보이기 시작했다. 외골격 장치의 이론은 19세기 말부터 등장하였지만 기술적 한계에 의해 특허권 신청만 한 상태였다. 하지만 현대 기술의 발달로 인간의 한계를 뛰어넘는 중량을 지탱해 주는 기술이 등장하였고, 이러한 기술을 통해 외골격 장치의 실현이 가능하게 되었다. 이는 단순한 대학에서의 연구에 그치지 않고 군사용, 산업용 등의 용도로 많은 기업이나 기관에서 연구를 하고 있으며 그에 따른 반동으로 비약적인 기술 진보가 이루어지고 있는 상황이다. 대표적인 예로 미군은 UC버클리와 MIT를 지원하여 외골격 장치를 이용한 군사 강화 계획(랜드워리어)을 진행시키고 있다.

외골격 장치에 흥미가 생겨 외골격 장치에 대해 여러 방면으로 조사를 해 보았고,외골격 장치의 핵심 부품인 유압 실린더가 근육 역할을 하는 것을 알게 되었다. 유압 실린더는 힘이 안정적이고, 실린더 자체의 부피는 작다. 하지만 유압 실린더는 많은 양의 부품이 들어가고 중량이 크며, 단가도 높은 축에 속한다. 위 문제의 해결 방법을 찾기 위해 ‘꼭 유압 실린더로만 외골격 장치를 구성해야 하는 것일까?’ ‘다른 물품으로 유압 실린더를 대체 할 수 있지 않을까?’ 라는 주제로 회의를 진행 하였다. 회의 결과 와이어, 모터 등 여러 가지 대체품이 나왔으며 선택 물품을 한 가지만 사용하는 것 보다 여러 가지 물품을 복합적으로 이용하자는 결과가 나오게 되었다. 결론적으로 본 보고서의 외골격 장치와 유압 실린더를 사용하는 외골격 장치를 비교하고, 문제점이 있다면 보완할 수 있는 방법을 찾는 것이 최종 목표이다.

□ 연구범위

○ 연구 분야 및 범위

- 웨어러블 로봇(공학), 물리학, 의료공학 등

○ 진행 단계

- 진행 단계는 3단계로 나뉩니다.

① 설계(가설설정, 자료 조사)

- 참고 문헌을 인용하여 외골격 장치를 설계한다.

- 인체 골격 구조에 대한 정보 탐색

② 증명 단계

- 설계한 내용에서 기존 물리 법칙이 위배 되는지 확인한다.(3D 모델링으로 설계를 구현. 물리엔진에서 확인)

③ 개발 단계(진행하지 않음.)

- 위배 내용이 없다면 동작 가능한 기기를 개발한다.

- 기기가 동작하는지 확인 후 변인 통제를 실시하여 자료를 해석하고 결론을 도출한다.

2. 연구 수행 내용 □ 예상 연구 결과

- 도르래를 사용하여도 외골격 장치의 제작이 가능할 것이다.

- 유압피스톤 방식에 비해 전체 중량이 적을 것이다.

- 가용 중량은 유압피스톤에 비해 낮을 것이다.

연구 초기에는 예상 연구 결과를 긍정적이게 생각하였다. 이후 실제 연구 결과와 매우 큰 차이를 보인다.

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ U.S.Army, Future Force Warrior(Future Solder)

- 미 육군, 록히드마틴에서 개발하고 있는 다용도 보행 보조 장치.

○ Lockheed Martin, HULC(Human Universal Load Carrier) - 록히드마틴에서 위 장치와 같이 개발하는 외골격 장치.

○ Cyberdyne, Hybrid Assistive Limb(HAL-3)

- 일본 기업 사이버다인에서 개발한 무게 보조용 외골격 장치. 상용화 중

□ 연구주제의 선정

○ 연구주제를 탐색하고 선정하는 과정에서 학생의 주도적 노력과 협업, 전문가 자문 등 구체적 활동이 나타날 것

- 팀원들은 기본적으로 SF 작품이나 게임 등에 흥미가 있는 학생들 이었다. R&E의 연구 주제를 설정하기 위해 토의하면서 자신들이 제작하고 싶은, 실현하고 싶은 주제 를 선정하기로 토의했다. 드론이나 외골격 장치, 차세대 디스플레이 등이 주제로 나왔 고, 이 중에서 우리가 도전해보지 않고 실현이 가능한, 그리고 되도록 흥미와 재미를 가진 주제, 외골격 장치를 선정하였다. 간략하게 정해진 주제를 검토하며 어떤 부분에 대해 연구하고 제작할 것인가를 조사해 보았다. 외골격 장치는 기본적으로 큰 힘을 내야하기 때문에 유압피스톤을 사용하여 관절을 움직인다. 하지만 큰 힘을 내야 하는 유압피스톤은 무게가 무겁고, 가격이 비싸며 전력 소모가 심하다. 이러한 점 때문에 외골격 장치라는 주제를 다시 검토해보았다. 하지만 이 주제는 우리에게 있어 매우 매력적인 주제였기 때문에 기각하기 어려웠다. 그런 연유로 생긴 의문이 ‘유압피스톤 을 대체해서 외골격 장치를 값싸고 대중적이게 만들 수 있는 방법이 없을까?’ 이다.

논문을 찾거나 지금까지 알고 있던 지식을 조합해 유압피스톤 대신 복합 도르래의 힘을 줄여주는 점과 모터서보의 저 전력, 저 비용의 이점을 조합하기로 했다. 그 결과,

‘서보 모터를 이용한 복합도르래 방식 외골격 장치의 연구 및 제작’이라는 주제 를 최종적으로 결정하였다.

□ 연구 방법

○ 모터 서보, 도르래 결합 실험 -> 설계 ○ 근전도 센서 테스트 -> 휨 센서로 대체

○ 3D물리엔진 활용 실험 -> 서보 모터와 도르래, 와이어로는 에너지를 절약하거나 힘을 늘릴 수 없다.

- UNITY, Blender(Bullet Engine) 등.

○ 참고 문헌, 도서에서의 정보 활용

□ 연구 활동 및 과정 2.1 외골격 구상

복합적인 구조를 어떻게 할지 아이디어 회의를 진행하고 와이어로프(Wire rope), 복 합 도르래(Compound pulley), 서보모터(Servomotor)를 주요 설계 물품으로 하자는 의 견을 수용하였다.

사진.1 복합 도르래 (출처 : http://proi.edupia.com/ )

복합 도르래는 고정 도르래와 움직도르래를 함께 사용하는 것을 말한다. 사진.1을 보 면 움직도르래 하나는 _



의 힘으로 물체를 움직일 수 있는 이점을 주고 고정 도르래는 안정적인 자세로 작업을 할 수 있도록 작용점을 바꿔주는 역할을 한다.

복합 도르래를 이용하여 외골격 장치를 제어하게 되면 도르래의 특성에 의해 장치를 제어하는데 필요한 힘을 줄여준다.

사진.2 Wire rope (출처 : https://en.wikipedia.org/ )

와이어로프는 높은 강도와 고유연성의 장점을 가지고 있으며, 구조는 여러 개의 철사 를 꼬아 만든 밧줄 형태이다. 본 보고서에서는 밧줄 같이 도르래를 지지할 수 있는 물 품이 필요하다. 외골격 장치의 힘을 도르래로 최대한도까지 끌어올리고 장력이 강력한 와이어로프를 필요로 한다.

사진.3 Servomotor (출처 : http://www.kollmorgen.com/ )

서보메커니즘(Servomechanism)을 적용한 서보모터(Servomotor)는 시스템이 요구하 는 특정위치로 이동하거나, 특정한 수치(속도, 토크 등)만큼 가동할 때 피드백이나 오 류 정정, 수치변경을 통해 정확하게 제어할 수 있는 구조를 가지고 있다. 서보모터는 속도와 움직임을 지정하고 제어 회로에 의해 정확하게 움직일 수 있다는 것이 일반 모 터와의 다른 점이다. 외골격 장치에서 서보모터는 외골격이 작동할 수 있도록 동력을 공급해 주는 역할을 하며 보다 미세한 움직임으로 작동하므로, 사용자의 신체에 대한 제약이 적기 때문에 외골격 장치에 적합하다고 생각한다.

2.1 제어기기 구상

외골격 장치를 제어하기 위해 신체의 움직임을 기계장치가 인식하고, 그에 맞는 동작 명령을 내릴 필요가 있다. 신체의 움직임을 감지하기 위해선 센서를 사용해야 하며, 외골격 장치에 사용하기 적절한 감지 센서에는 변형 게이지(Strain gauge), 근전도 센 서(Electromyogram Sensor) 등이 있다.

이번 연구에서 사용할 움직임 감지센서는 근전도 센서로 선택하였다.

사진.4 EMG sensor (출처 : www.coolcomponents.co.uk )

근전도(Electromyogram)는 근육의 활동 전위를 나타낸 곡선이다. 근섬유에서 근운동 을 할 때 전기 방출이 발생되는데, 이 전류를 근전도 센서가 잡아내어 넓은 대역의 주 파수로 변환한다. 변환된 주파수는 0~1023 까지의 값을 가지는데, 이것은 제어기기 (아두이노)에서 일반적인 아날로그 핀을 사용하는 센서들이 가지는 최댓값과 최솟값이 다. 이 값을 추출해 내고 각도와 비례한 값을 찾아내면 외골격 장치의 기본적인 프로 그래밍을 진행 할 수 있다.

사진.5 Arduino (출처 : www.arduino.cc )

근전도 센서는, 입력받은 신호를 기반으로 모터에 명령을 내리는 제어체계가 필요하 다. 제어체계는 아두이노(Arduino)가 적합하다고 생각한다. 아두이노는 피지컬 컴퓨팅 기기의 일종으로 각종 센서와 소켓 방식으로 연결되고 입출력이 간단하다. 또한 C기반 아두이노 전용 소프트웨어인 아두이노 스케치(Arduino sketch)를 이용하여, 낮은 난이 도로 프로그래밍을 진행할 수 있고 산술 수치나 센서에서 받아오는 값을 시리얼 모니 터로 출력할 수 있어 간편하다.

사진.6 LCD display(출처 : www.hwkitchen.com )

제어 기기에서 시리얼 모니터는 각종 데이터의 시각적 출력을 담당한다. 하지만 시리 얼 모니터를 확인하려면 기기를 PC와 항상 연결해두어야 한다는 단점이 있다. 따라서 단점을 해결하고 휴대용으로 기기를 수동 제어하기 위해 시리얼 모니터 대신 시각적 출력을 담당하는 LCD디스플레이가 제어기기 구조에 포함된다.

2.1.1 적합한 장치 탐색

사진.7 예상되는 회로도

디스플레이는 아두이노에서 입력받은 신호를 문자나 숫자로 LCD기판에 표시한다. 본 연구에선 디스플레이가 Backpack 표면에 부착되어있다. 디스플레이에서 출력할 값은 크게 세 가지로 모터나 전자 기기의 온도, 전지의 잔량, 외골격 장치에 가해지는 전압 으로 나뉜다.

외골격 장치의 모터나 전자기기는 과열될 경우 동작을 정지하거나 기판이 망가질 위 험이 있기 때문에 온도는 실시간으로 관측이 가능해야 하고 기판의 경우, 예측하지 못 한 전압이 흘러 들어가면 망가질 수 있기 때문에 계속적인 전압의 체크가 필요하다.

또한 본 연구에서 외골격 장치에는 외부 전원이 아닌 전지를 사용하여 전력을 공급시

켜준다. 그러나 전지는 남은 전력을 시각적으로 체크하는 것이 불가능하기에 아두이노 에서 전지의 남은 전력을 체크하고, 퍼센트 수치로 디스플레이에 나타내도록 할 것이 다. 사용자가 전지의 잔량을 확인하고 충전 및 교체를 하는 것만으로도 중간에 동작을 정지하는 상황을 방지할 수 있을 것이다.

아두이노는 오픈소스 프로그램이기에 아두이노를 지원하는 기기는 용도나 성능별로 나뉘어 다양한 형태로 시중에 출시되어있다. 따라서 목적에 맞는 기기를 고르는 것이 중요한데, 본 연구에선 ‘Arduino Uno’와 ‘Arduino Mega’, “Arduino due’를 비교하여 한 가지를 채택할 예정이다.

Arduino Mega는 Uno에서 발전된 형태로, CPU의 클럭은 같지만 주변기기들과 연결 할 수 있는 소켓인 디지털 I/O핀의 개수가 54개, 아날로그 핀의 개수가 16개로 각각 Uno의 40개, 10개의 차이를 지녀 사용가능한 핀의 개수가 Uno에 비해 많고, 프로그 래밍 성능에 관여하는 SRAM의 용량이 8kb로 0.5에서 2kb의 용량을 가진 대부분의 제 품군의 4배 이상의 용량을 가진다. 따라서 큰 규모의 프로그래밍이나 멀티미디어 관련 프로젝트에 적합한 보드이다.

Arduino Due는 아두이노 제품군 중 가장 성능이 뛰어난 제품으로, ARM 프로세서의 CPU를 사용하여 84mHz의 클럭을 낼 수 있어 8mHz에서 16mHz의 클럭을 가진 기존 제품들의 4배 이상의 처리속도를 가지고 있어 기존의 아두이노에서 지원하는 한 개의 반복 절을 가진 프로그래밍을 넘어선 세 개의 독립된 반복 절이 포함된 프로그래밍을 지원한다. SRAM의 크기가 96kb이므로 Arduino Mega를 뛰어 넘는 대규모 프로그래밍 프로젝트의 진행이 가능하다. 또한 마우스나 키보드 등의 주변제품과 USB케이블을 통 한 연결이 가능하다는 장점을 지니지만, 최대 전압이 3.3V로 기존의 제품들이 5V를 사 용한다는 점을 보면 전압이 상대적으로 부족하다.

위의 세 개의 아두이노 제품 중 본 연구에 적합한 제품을 고른다면 Arduino Mega일 것이다. 사용하는 부품 중 하나인 디스플레이 모니터는 아두이노에 연결할 시 상당수 의 핀을 필요로 하는데, Uno 보드를 사용할 경우 디지털 핀의 대다수를 디스플레이 모니터를 연결하는데 사용해야하기 때문에 부적합 하다. Due 보드와 Mega 보드의 경 우 디스플레이 모니터를 연결해도 상당량의 디지털 핀이 남기 때문에 적합 판정을 받 았다. 위 두 보드 중 처리 속도와 정적 메모리(SRAM)의 용량은 Due 보드가 우위를 지니고 있다. 하지만 최대 전압이 3.3V로 변전장치가 장착되어 있지 않아 5V의 전압을 보드에 연결할 경우 보드에 충격이 가해지며, 전원이 차단될 경우 내부의 프로그래밍 소스가 사라진다는 단점이 있다. 따라서 변전장치가 달려있고 많은 수의 디지털 핀을 가지고 있으며, 내부 저장 공간을 지닌 Mega 보드를 사용하는 것이 적합하다고 생각 한다.

2.2 전원 구조

사진.8 Li-PO Battery(출처 : http://www.alibaba.com/)

Li-PO(리튬이온중합체, 리튬폴리머)전지는 중합체를 사용한 리튬 이온 전지이다.

일반적인 리튬 이온 전지의 경우 리튬 이온이 자유롭게 전달될 수 있도록 전해액을 사용하였다. 이는 누액 가능성과 폭발 위험성이라는 단점을 가지고 있었는데 이를 해 결하기 위해 나온 것이 리튬이온중합체 전지기 때문이다. 리튬 고분자 전지의 경우 리 튬 2차 전지에서 사용된 액체 전해질 대신 고분자 전해질을 사용해 이온 전도도와 안 전성이 높다. 결과로, Li-PO(리튬폴리머)전지를 사용하게 되면 개발 중 안전사고를 미 리 예방하는 것과 같아 테스트용 장치전체의 전원을 공급하기에 적합하다고 생각한다.

3. 근전도 실험

사진.9 근전도 테스트

요약 : 근전도 센서는 외골격 장치에 사용하기에 적합하지 않다는 것을 알게 되었다.

이번 장치 실험은 ‘근전도 센서는 우리가 원하는 값을 받아올 수 있을까?’가 주제였 다. 근전도 센서에서 값을 받아 시리얼 모니터에 출력 할 수 있도록 프로그래밍을 하 였다. 사진9처럼 테스터가 근전도 센서를 착용하고 아두이노를 작동시켜보았다.

사진.10 팔을 움직일 때 출력된 시리얼

사진.11 팔을 움직이지 않을 때 출력된 시리얼

우리가 예상했던 값은 근육에서 발생하는 전류가 팔의 각도에 따라 모두 다르지만 비례하게 결과가 나올 것 이라고 생각했다. 하지만 우리의 예상과는 다른 값이 나왔고 다른 값이 나오는 이유를 분석해보았다. 예상과 다른 값이 나오게 된 이유로

근전도 센서는 일시적으로 근육에 힘을 줄 때에만 근전도 수치가 올라가는 것을 찾아내었다. (위 사진10, 11에서 출력되는 값의 변화가 없다는 것을 알 수 있다.)

결국에는 근전도 센서로는 외골격 장치를 동작할 수 있게 하는 것은 무리라고 판단했 고, 대체 방안을 찾기로 하였다.

3.1 대체 방안

근전도 센서의 대체 방안으로 휨 센서(Flex sensor)를 사용하자는 의견이 나왔다.

사진.12 Flex sensor(출처 : www.sparkfun.com )

휨 센서(Flex sensor)는 휘어짐에 따라 바뀌는 저항 값을 통해 구부러진 정도를 측정 하여 아날로그 값으로 출력하는 형태의 센서이다. 센서의 한 면에는 전도성 입자가 첨

가된 폴리머 잉크가 도포되어 있으며, 휘어지지 않은 평상시에는 잉크의 입자들 간의 거리가 좁아 평균 30㏀의 저항 값을 준다. 센서가 휘어지면 위의 전도성 입자들 간의 거리가 늘어나 저항 값을 증가시키게 된다.(90도 기준 약 50㏀-70㏀)

휨 센서는 원래 특수한 저항이지만 가변저항으로도 사용 할 수 있다. 센서의 유연도 에 따라서 값이 일정하게 변하는데 관절의 모양으로 외골격 장치의 조작을 하는 것에 있어서 매우 적합한 센서라고 할 수 있다.

4. 장치 설계 4.1 제어기기 설계

(MEGA의 크기가 크기 때문에 UNO로 설계함.)

사진.13 제어기기 예상도

사진.14 제어기기 회로도(Circuit)

(3.1에서 작성된 휨 센서(Flex sensor)를 포함한 제어기기 설계도 이다.) 제어기기 구조에 포함된 모든 모듈을 연결 방식에 따라 연결한 설계도이다.

4.1.2 해석

아두이노와 브레드 보드에 연결되는 기기는 휨 센서, LCD, 버튼, 슬라이드 가변저항 으로 구성된다. 휨 센서는 센서의 양 끝에 밴드가 부착되어 무릎에 착용할 수 있게 하 며, 센서의 값이 아두이노로 입력되게 한다. 따라서 외골격 장치와 센서가 독립되기에 외골격 장치의 설계가 간단해졌다. LCD는 브레드보드와 아두이노의 디지털 핀과 연결 되어 아두이노가 출력 명령을 각종 정보를 액정으로 출력한다. LCD에서 표시하는 정 보는 쿨러의 작동 여부, 제어 설비의 온도, 전압 등이 있다. 이때, 가변저항과 버튼은 LCD의 제어를 보조한다. 버튼은 LCD기판의 전원을 켜고 끄도록 하고, 가변 저항은 정 보를 표시하기엔 좁은 디스플레이를 보조하여 화면을 넘길 수 있게 함으로, 보다 많은 정보를 표시하도록 한다.

4.2 외골격 설계

사진.15 외골격 설계도

(위 사진에서 외골격 장치는 Autodesk 123D Design으로 설계됨)

4.2.1 해석

사진.16 (상체), 사진.17 (하체)

4.3.1 해석

저항 값에 따른 아날로그 값을 출력하기 위해선 ‘Voltage Divider Circuit

(전압 분배 회로)’을 사용한다. 전압 분배 회로는 두 개의 저항과 입·출력 전압으로 구 성되며, R₁을 휨 센서로, R₂를 10KΩ의 저항으로 설정한다. 출력 전압의 값은 입력 전압과 R₂가 일정한 값을 가지기 때문에 R₁의 값과 반비례관계가 성립한다. 따라서 휨 센서는 이 저항 값에 따라 변동되는 출력 전압의 값을 아날로그 핀을 통해 아날로 그 값으로 출력한다. 위에서 측정된 출력 전압을 이용해 아두이노 상에서의 연산으로 센서의 저항 값 등을 도출해 낼 수 있으며, 저항 값과 각도의 백분율 계산으로 저항 값에 따른 각도 또한 알아낼 수 있다. 이렇게 얻은 센서의 각도는 또다시 외골격 장치 의 각도와 백분율 연산을 하여 센서의 각도에 따른 외골격 장치의 각도를 계산하도록 한다. 결과적으로 센서의 각도에 따라 서보모터를 조작하여 외골격 장치를 조작하도록 하는 것이다.

3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과

○ 실험 결과 및 연구 결론 제시

- 외골격 장치는 동작이 가능하되 효율은 이전과 같거나 효율적이지 못하다는 것을 알게 되었다.

○ 실제 연구 결과가 다른 이유

1. 장치의 동작 좌표(다리 접힘 각도, 와이어에 작용하는 힘과 힘 사이 거리 등)가 수시로 변경되는 것만 초점을 맞춰 연구한 것이 문제였다.

2. 서보 모터에 적용되는 에너지의 총 량과 복합도르래의 무게 절감에 사용되는 에너지 는 수치가 비슷하다. 따라서 이 연구에서는 실제로 적용되는 에너지가 절약되지 않는다는 사실을 알게 되었다.

3. 서보 모터의 내부에는 이미 복합도르래와 종류는 다르지만 비슷한 효과를 내는 기어(톱니바퀴)가 존재한다. 강제로 복합도르래를 사용하고 동작 속도를 늘리게 되 더라도 운동량이 같기 때문에 에너지를 절약할 수 없다는 것을 알 수 있다.

□ 시사점

○ 연구 활동을 통해 얻은 학습 효과

- 이번 STEAM R&E를 통해서 아이디어 실현 가능성을 크게 고려해야 한다는 것을 알게 되었습니다. 연구 초기에 긍정적인 결과를 예상하고 자료 조사를 진행 하면서 실제 결과가 조금씩 예상 결과와 다르다는 것을 찾아내고, 그 결과로 팀원들에게는 쉽게 혼란이 오게 되었습니다. 이것으로 초기에 아이디어를 바탕으로 연구를 시작하기 전, 먼저 연구 적합성을 테스트하는 단계를 추가해야 한다는 것을 배우게 되었습니다.

- 과학탐구라는 목적이 ‘과학’이라는 학문을 쉽게 접근할 수 있게 해주었습니다. 본래 과학이라는 학문은 단순히 어렵다고만 생각할 것입니다. 하지만 이번 연구 활동으로 일상에서 볼 수 있는 것들을 무엇이든 과학으로 풀어보게 되었고, 단순한 경험과 이해 활동으로도 과학적 시선이 바뀌는 것을 느꼈습니다.

○ 개선점

- 연구 경험이 처음이라 개선 할 것이 매우 많습니다. STEAM R&E를 청소년 창업 대회처 럼 난이도를 낮게 잡고 팀을 비슷한 방식으로 운영하였으며, 기존 방식에 변화가 필요하 다는 사실을 알게 되었습니다. 다음 기회에, 이와 비슷한 대회에서는 새로운 방식을 적용하여 조직적인 활동을 하는 것이 올바른 방법이라고 생각합니다.

- 연구 도중 문제 발생을 방지하기 위해, 위 학습 효과에서 설명한 연구적합성 테스트 단계를 필수로 추가해야합니다.

4. 사후 활용 □ 사후 활용

○ 최종 연구 결과로 외골격 장치의 동작은 가능하지만 효율적이지 못하다는 결과가 나타나게 되었다. 하지만 이번 연구로 특정한 방법을 이용해 외골격 장치의 단점을 보완 하는 방법을 알아낼 수 있었다.

- 서보 모터가 무릎 관절 부위에 동력을 직접 전달하는 것이 아닌, 와이어를 통해 동력을 전달하는 것으로 외골격 장치가 자이로 센서 없이(작용·반작용) 효과적으로 균형을 유지하고, 좀 더 효과적으로 부분별 미세동작 하는 것을 알게 되었다.

- 와이어 + 모터는 외골격 장치이외 여러 가지 물품들에도 쓰일 수 있다. 미세한 동작을 필요로 하는 의수, 의족, 재활치료기와 같은 의료기기에 사용하기에 적절하다.

5. 참고문헌

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