접수번호 종합설계최종과제보고서 전공기계공학, 산업공학, 식품영양학과팀명캐치볼이프유캔 팀원명 작품 ( 과제 ) 명 성명 손수연 ( 팀장 ) 임현철김민규박해인 재활치료용캐치볼햅틱로봇 성명 문혜빈 1. 개발동기및목적, 필요성 Wii 는닌텐도사에서개발한기존과는다른컴퓨터게임조작기이다. Wii 를통해실내에서테니스, 탁구, 야구등다양한운동경기를즐길수있다. 하지만단순히시각과청각에의존하여스포츠게임을하다보면, 실제로밖에서즐기는것만큼스릴넘치고실감나지않는다. 이유는바로촉감에있다. 야구공을되받아쳐도게임에서는되받아치지만실제로는아무느낌이들지않는다. 여기서우리팀은햅틱을떠올리게되었다. 만약야구공을잡을때그힘까지느껴진다면, 이것이야말로완벽한실내스포츠게임이되지않을까라고생각했다. 그리고이를만약부상당한스포츠선수들의재활이나일반인의재활에사용한다면큰파급효과를불러올것이다. 재활로봇은다른로봇분야에비하여상대적으로확실한응용처를가진다. 재활로봇은환자를대상으로치료적인관점에서의료로봇의일종인치료용재활로봇과일상생활활동을돕는보조용재활로봇으로구분된다. 본대회를통해개발하고자하는재활치료용햅틱로봇은치료용재활로봇에가깝다. 재활로봇의사용자는선천적인장애인을비롯하여교통사고, 안전사고, 질병등으로인한중도장애인과자연스러운노화과정에의한고령자이다. 특히재활이란장해를입은뒤에사회로의복귀를돕는다는개념이강하며재활로봇은이재활과정에사용될수있다. 재활로봇은신체적인노동력을로봇기술로대치하는것으로다른기술이나제품으로대체하기가곤란하다. 재활로봇은복지측면에서도필요하고경제적측면에서수요의증가가예상되는지속적인투자가필요한분야이다. 하지만현재상용화된재활로봇은상당한고가이다. 이와비교적으로우리팀의재활치료용햅틱로봇은경제적으로차별화된강점을갖는다. 우리는실외에서만즐길수없는캐치볼을실내에서완벽하게구현해내는것을목표로삼았다. 2. 과제해결방안및과정 재활치료용캐치볼햅틱로봇 ( 이하재활로봇 ) 제작을목표로하였다. 햅틱시스템은가상의힘을사용자에게전달하는기술로, 소프트웨어와기계기술의융합이필수적이다. 가상현실에서날아오는공을잡는순간재활로봇은실제로발생하는힘을실시간으로계산하여재활로봇이사용자에게힘을전달한다. 따라서재활로봇의설계제작과소프트웨어로가상현실을구현해내야한다. 재활로봇을만들기위해서는 3D 설계와로봇동역학, 모터제어기술이요구되며가상현실을만들기위해서는공의궤적을계산하는물리학, 그리고 3D 그래픽기술이요구된다. 이를위해 3 자유도로봇의 Kinematics 공의궤적 Dynamics 로봇의팔과공을 3D 로구현하는 3D graphics Inverse Kinematics 로 Haptic Torque 계산 PID Control 문제들을풀이하였고, Autodesk Inventor 로재활로봇을설계하고 NI LabVIEW 로가상현실을구현해내었다. 공을잡았을때실제공을잡는듯한느낌을받을수있도록햅틱로봇은실시간제어되었다. 햅틱로봇설계과정은 [ 그림 1] 과같다. - 1 -
[ 그림 1] 햅틱로봇설계과정 1. 컨셉스케치 : 볼펜으로로봇의컨셉스케치 2. 로봇골격 3D 설계 : 컨셉스케치를기초로 Autodesk Inventor 2017 로 3D 모델디자인, 부속품구매와가공품 2D 도면작성후가공업체에발주 3. 로봇외곽 3D 설계 : 로봇의외곽커버류를 Autodesk Inventor 2017 로설계후 FDM 방식 3D 프린터로청색 ABS 출력 (Infill 100%, 29 시간소요 ). 4. 로봇조립 : 파트리스트의부속품으로조립진행 제품명 수량 재질 품명혹은후처리 업체 Base 1 AL6061/ 청색아노다이징 연결부품 나래정밀 Secbase 1 AL6061/ 청색아노다이징 연결부품 나래정밀 Preshaft 1 AL6061/ 청색아노다이징 연결부품 나래정밀 XH430-V350-R 3 서보모터 로보티즈 FR12-H101K Set 2 연결부품 로보티즈 FR12-S102K Set 1 연결부품 로보티즈 Cover 1 1 청색 ABS 로봇커버 큐비콘 Cover 3 1 청색 ABS 로봇커버 큐비콘 Cover 4 1 청색 ABS 로봇커버 큐비콘 Shaft 2 SUS303 지주 미스미 볼트류 1set M2, M2.5, M6 조립볼트류 하판 1 SUS 양면폴리싱 로봇고정하판 재활용 테니스공 1 손잡이 재활용 전체적인과제의일정은그림 2 와같이수행하였으며, 모든과정은차질없이수행되어햅틱로봇이제작되었다. [ 그림 2] 햅틱로봇제작일정 3. 출품과제의기술재활용캐치볼햅틱로봇은하기와같은기술들이융합되어있다. - 2 -
기구설계 제어 3D 그래픽스 동역학 프로그래밍 1. 기구설계햅틱로봇의전체설계는 Autodesk Inventor 2017 을사용하였다. 로보티즈로부터모터와브라켓의 3D 모델 (.stp) 를다운받아연결부위를설계하였다. 가공단가를줄이기위해, 로봇연결링크는 SUS303 으로된봉재를사용하여, 선반가공만하여저렴하게가공하였고, 링크의강도도확보하였다. 1 축모터와 2 축모터의연결부는정역학 ( 인버스키네메틱스 ) 으로계산한결과 4.5N.m 를견뎌야했기때문에 AL6061 재질로밀링가공하였다. 적절한부위의카운터보어가공으로 Compact 한사이즈로제작하였으며, 외관에는청색아노다이징하였다. 2. 제어공을잡았을때손에서느끼는힘을계산하여로보티즈서보모터로힘을생성한다. 공을잡는힘은동역학으로 Desired Force 를 Desired Torque 로계산하여실시간 PID 힘제어를한다. 3. 3D 그래픽스가상현실내공과로봇의움직임을형성하는 3D Mesh 를구성해야한다. 공은 구, 로봇관절을 실린더 형태로 3D mesh 를계산하였다. 간단한벡터방정식과 For 문을사용하여구현하였다. 4. 동역학다관절로봇설계에서첫단계는액츄에이터선정이다. 로봇의작용되는하중과필요속도를미리계산하고안전율을고려하여액츄에이터를선정한다. 3 자유도햅틱로봇의 Kinematic 를풀고, 날아오는공이로봇끝단에부딪힐때발생하는힘을 3 축서보모터의토크로변환하면각모터의허용토크가계산이된다. 이를바탕으로로보티즈 XH430-V350-R 모터를선정하였다. 날아오는공을받을때손에서받는힘을간단한물리학으로풀이했다. 공이날아오는구역은거리 20m 로하였고, 스트라이크존은 3 자유도로봇의회전반경인가로세로 0.5m 로정하였다. 5. 프로그래밍 LabVIEW : 시리얼통신 (RS485) 를통해로봇제어를하고, 가상현실을구성하였다. MATLAB : 수치해석에특화된 MATLAB 을사용하여날아오는공의힘과로봇의액츄에이터를선정하는힘계산을하였다. Mathematica : 그래픽스와심볼릭계산이특화된 Mathematica 를사용하여 3D 그래픽스를계산하는데사용하였다. 4. 개념설계및상세설계 ( 계산 ) 1. 기구설계 - 3 -
[ 그림 3] 햅틱로봇기구부품 2D 도면 3D Inventor 를사용하여 3D 설계후 2D 도면을 [ 그림 3] 과같이작성하여, 가공업체에발주하였다. 2. 제어토크제어는 PID 제어를사용하였고, 각각의게인은 Try & Error 방식으로튜닝하였다. 햅틱로봇의 Block Diagram 은 [ 그림 4] 과같다. [ 그림 4] 전류기반위치제어 Block Diagram( 출처 : 로보티즈 ) 3. 3D 그래픽스 Cylinder 의 3D mesh 는 [ 그림 5] 와같이간단한벡터방정식과프로그래밍으로구현하였다. [ 그림 5] Cylinder으 3D Graphics Mesh 벡터 4. 동역학야구공이날아오는궤적과손으로잡을때발생하는힘은 [ 그림 6] 과같이풀이된다. - 4 -
[ 그림 6] 공의포물선궤적과받을때발생하는힘 3 자유도햅틱로봇이공을잡을때발생하는힘을 [ 그림 7] 과같이 Kinematics 를통해각모터의발생토크를계산하였다. [ 그림 7] 3 자유도햅틱로봇의 Kinematics 5. 프로그래밍로보티즈의서보모터는 RS485 통신으로병렬통신한다. Dynamixel2USB 으로로봇과통신을한다. 로봇의구동전력은 DC24V 이다. 연결선도는 [ 그림 8] 과같다. 그림 8 햅틱로봇연결선도 사용자는 3 자유도로봇의손잡이를잡고가상현실에있는글러브를조종할수있다. 재활햅틱로봇의시퀀스는 [ 그림 9] 와같다. Initialize 과정으로 - 5 -
로봇을정위치시킨다. 게임이시작되면토크가풀려사용자가조종하기쉬운상태가되며서보모터내부에있는엔코더데이터를 PC 에서전달받아 3D 그래픽에실시간업데이트한다. 공을잡는순간, 소리와함께로봇은사용자에게공을잡는힘을전달한후, 다시토크가풀린다. N 개의공이날아오면게임은종료가된다. [ 그림 9] 햅틱로봇의구동시퀀스 기계, 소프트웨어가융합된햅틱기술을소수의인원으로제작하기위해서명확한업무분담을하였다. 초기회의에서기획, 기계, 구매, 소프트웨어팀으로다음과같이각자의역할을정했다. 김민규 ( 소프트웨어 ) 문혜빈 ( 구매, 기획 ) 박해인 ( 소프트웨어, 기획 ) 손수연 ( 기계, 기획 ) 임현철 ( 구매, 기계 ). 각팀상호간의일정을방학전반에걸쳐계획하였고팀원전원이만나는회의를생략하여각자의업무효율을극대화시켰다. [ 그림 10] 5. 팀원역할내용 [ 그림 10] 협업구성도 협업진행내용 로봇설계인벤터 3D 설계 [6월 29일 ~7월 4일 ] : 손수연, 임현철 2D 도면작성및발주 [7월 5일 ] : 손수연 SW 코딩각종물리식계산 [~7월 10일 ] : 손수연, 임현철 LabVIEW 코딩 [6월 29일 ~] : 김민규, 박해인 - 6 -
구매요청부품선정 [6월 29일 ] : 손수연, 임현철부품구매 [7월 10일 ] : 문혜빈, 임현철 3D 프린팅제품디자인 [6월 28일 ] : 문혜빈, 박해인인벤터 3D 설계 [7월 5일 ] : 손수연, 임현철 3D 프린팅 [7월 13일 ] : 손수연 로봇조립 [7월 20일 ] : 김민규, 박해인, 손수연 중간보고서 [~7월 26일 ] : 문혜빈, 손수연 재활게임프로그래밍 [~8월 15일 ] : 박해인, 김민규 판넬제작및부스운영계획 [8월 26일 ] : 문혜빈, 박해인 최종보고서 [~8월 20일 ] : 문혜빈, 손수연 제작된재활로봇은재활의목적으로개발되었다. 캐치볼이라는흔히알려져있는공을던지고잡는운동에착안하여만들어졌으며팔과손목의재활운동을도울수있도록한다. 재활로봇은기존의산업용로봇과확연하게다른점을보인다. 산업용로봇은최대의효율을가지고생산체계에가장적합한형태로개발되지만재활로봇은다음과같은특징을가진다. 1. 사용자화용이하다. 햅틱로봇은서보모터의기본토크와전달되는힘을제어할수있어환자에게가장적절한하중을줌으로써재활효과를얻을수있다. 6. 기타사항 2. 3자유도로봇이다. 4자유도로봇은 PTP(Point To Point) 모션을할때 3자유도로봇보다최적의이동경로를가질수있지만, 이는재활적인측면으로보았을때오히려부정적인측면이될수있다. 재활의목적은환자의팔근육이재기능하도록돕는것이기때문에최적의이동경로는불필요하다. 따라서햅틱로봇은 3자유도설계되었고, 이는 PTP 모션을할때에사용자가팔을크게돌릴수있게하므로재활적으로아주탁월하다고볼수있다. 3. 햅틱이다. 디지털촉감이라고도불리는햅틱은환자에게날아오는가상의공을잡았을때에힘을전달한다. 이것은단순한캐치볼게임이아니라재활환자에게아주중요한재활기능이라고할수있다. 재활햅틱로봇은재활에서의활용방안뿐만아니라게임적인측면에서도긍정적인활용방안이보인다. 최근기대되는미래기술로 AR, VR 이주목받고있다. 기존의 AR 과 VR 은시각과청각에의존하여허공에서게임을하였지만, 햅틱과결합된다면더욱더현실감있는게임이완성되어시너지효과가있을것으로예상된다. 이번경진대회에서제작된소프트웨어는캐치볼이지만, 추후햅틱로봇을이용해탁구, 테니스, 야구등다양한타격감있는스포츠소프트웨어가제작될수있다. 이는햅틱시스템은그대로두고 3D 그래픽과 GUI 를수정하여제작할수있기때문에여러스포츠게임에적용되기에간편함을지닌다. 7. 설계작품이미지 - 7 -
1. 로봇의뼈대설계 [6월29일 ~7월4일 ] ⅰ. Autodesk Inventor 2016을사용하여로봇의뼈대설계 ⅱ. 하중을받는뼈대의경우 SUS303 재질의원형지주구매, 토크를받는연결브래킷은 AL6061로가공하였다. 2. 로봇의커버류설계 [7월 5일 ] ⅰ. Autodesk Inventor 2016을사용하여로봇의외곽설계 ⅱ. FDM 방식의 3D 프린터를사용하여청색 ABS 출력 (Infill 100%) ⅲ. 총 29시간소요 3. 로봇조립 [7월 20일 ] ⅰ. 가공품아노다이징후입고 [7월10일] ⅱ. 로보티즈브래킷입고 [7월20일] ⅲ. 3D 프린팅완료 [7월13일] ⅳ. 로봇조립및케이블링완료 [7월20일] 4. SW 코딩 [6월 28일 ~9월 1일 ] ⅰ. LabVIEW으로게임그래픽구현 ⅱ. 원형공이날아오는궤적구현 [ 속도및도달시간컨트롤가능 ] ⅲ. 로봇작동코드작성 8. 참고문헌 [1] 재활로봇의현황과전망, 송원경, 국립재활원재활연구소, 8p [2] Introduction of ROBOTICS, CRAIG, Third edition 2017. 09. 03 팀장 : 손수연 ( 인 ) - 8 -