[캐치볼 이프 유 캔] 재활 치료용 캐치볼 햅틱 로봇
- 손수연
- 인하대학교
- 작품구분일반형
- 공개여부비공개
- 카테고리전자, 전기, 기계, 게임
- 등록일2017-07-27
- 팀원(공동개발자)박해인, 김민규, 문혜빈, 임현철
- 출품 경진대회미신청
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상세설명
1. 수행배경
Wii는 닌텐도사에서 개발한 기존과는 다른 컴퓨터 게임 조작기이다. Wii를 통해 실내에서 테니스, 탁구, 야구 등 다양한 운동경기를 질길 수 있다. 하지만 단순히 시각과 청각에 의존하여 스포츠게임을 하다 보면, 실제로 밖에서 즐기는 것만큼 실감나지 않는다. 이유는 바로 촉감에 있다. Wii로 야구공을 되받아칠때 우리는 아무 느낌을 받을 수 없다. 여기서 우리 팀은 햅틱을 떠올리게 되었다. 만약 야구공을 칠 때 그 힘까지 느껴진다면, 이것이야 말로 완벽한 실내 스포츠가 될 것이다. 그리고 이를 만약 부상당한 스포츠 선수들의 재활이나 일반인의 재활에 사용된다면 이는 시너지 효과를 불러올 것이다. 재활 로봇은 다른 로봇 분야에 비하여 상대적으로 확실한 응용 처를 가진다. 재활 로봇은 환자를 대상으로 치료적인 과점에서 의료 로봇의 일종인 치료용 재활 로봇과 일상생활 활동을 돕는 보조용 재활로봇으로 구분된다. 본 대회를 통해 개발하고자 하는 햅틱 로봇은 치료용 재활 로봇에 가깝다. 재활로봇의 사용자는 선천적인 장애인을 비롯하여 교통사고, 안정사고, 질병 등으로 인한 중도 장애인과 자연스러운 노화과정에 의한 고령자이다. 특히 재활이란 장해를 입은 뒤에 사회로의 복구를 돕는다는 개념이 강하며, 재활 로봇은 이 같은 재활과정에 사용될 수 있다. 재활 로봇은 아직까지 다른 서비스 로봇과 마찬가지로 시장 태동기에 있다. 재활 로봇은 복지 측면에서도 필요하고 경제적 측점에서 수요의 증가가 예상되는 지속적인 투자가 필요한 분야이다.
우리는 실외에서만 즐길 수 없는 캐치볼을 실내에서 완벽하게 구현해내는 것을 목표로 삼았다.
2. 수행기간
3. 개발작품 설명
본 작품은 햅틱 로봇과 통신장비 그리고 PC로 구성된다. 각 요소들은 플로우 차트(그림1)와 같이 PC를 통해 로봇이 실시간 제어된다.
그림 1
사용자는 3자유도 로봇의 손잡이를 잡고 가상현실에 있는 글러브를 조종할 수 있다. 재활 햅틱 로봇의 시퀀스는 그림 2와 같다. Initialize 과정으로 로봇을 정 위치 시킨다. 게임이 시작되면 토크가 풀려 사용자가 조종하기 쉬운 상태가 되며 서보모터 내부에 있는 엔코더 데이터를 PC에서 전달받아 3D 그래픽에 실시간 업데이트한다. 공을 잡는 순간, 소리와 함께 로봇은 사용자에게 공을 잡는 힘을 전달한 후, 다시 토크가 풀린다. 4자유도가 아닌 3자유도 로봇을 사용한 이유는 움직임에 구속을 주어 팔의 움직임을 최대한 크게 하여 재활에 도움이 되도록 하였다.
그림 2
로봇은 3개의 서보모터로 구동이 되며 각 모터는 PID 제어기를 사용하여 제어된다. 각 모터의 부하에 따른 채터링이나 리밋사이클은 각 모터의 PID gain 튜닝으로 해결하였다. 모터를 연결하는 직접 연결부위는 AL6061과 SUS303으로 단단히 고정하여 로봇의 파손을 방지하였고, 로봇의 외관은 3D 프린터를 활용하여 디자인적인 부분을 한층 돋보이게 하였다. 통신은 RS485를 사용하여 병렬 통신으로 불필요한 통신장치를 줄였고, 추후에 아두이노와 같은 MCU 보드로 PC 없이 제어할 수 있도록 하였다.
모터를 제외한 모든 부속품은 예산 30만원이내에서 제작되었으며, 대량으로 제작될 경우 부속품 단가 10만원 이내도 가능할 것으로 보이며, 경제적인 측면에서도 파격적인 햅틱 로봇으로 생각된다.
4. 활용방안
본 햅틱 로봇은 재활의 목적으로 개발되었다. 캐치볼이라는 흔히 알려져 있는 공을 던지고 잡는 게임에 착안하여 만들어졌으며 팔과 손목의 재활 운동을 도울 수 있도록 한다. 재활 로봇은 기존의 산업용 로봇과 확연하게 다른 점을 보인다. 산업용 로봇은 최대의 효율을 가지고 생산 체계에 가장 적합한 형태로 개발되지만 재활 로봇은 다음과 같은 특징을 가진다.
1. 사용자화 용이하다.
▷ 햅틱 로봇은 서보 모터의 기본 토크와 햅틱 포스를 제어할 수 있어 환자에게 가장 적절한 재활 효과를 얻을 수 있다.
2. 3자유도 로봇이다.
▷ 4자유도 로봇은 PTP(Point To Point)모션을 할 때 3자유도 로봇보다 최적의 이동 경로를 가질 수 있지만, 이는 재활적인 측면으로 보았을 때 오히려 부정적인 측면이 될 수 있다. 재활의 목적은 환자의 팔 근육이 재 기능 하도록 돕는 것이기 때문에 최적의 이동 경로는 불필요하다. 따라서 햅틱 로봇은 3자유도 설계 되었고, 이는 PTP 모션을 할 때에 사용자가 팔을 크게 돌릴 수 있게 하므로 재활적으로 아주 탁월하다고 볼 수 있다.
3. 햅틱 이다.
▷ 디지털 촉감이라고도 불리는 햅틱은 환자에게 날아오는 가상의 공을 잡았을 때에 힘을 전달한다. 이것은 단순한 캐치볼 게임에 불과할 것이다 라는 편견을 버리게 해주며 재활 환자에게 아주 중요한 재활 기능이라고 할 수 있다.
재활 햅틱 로봇은 재활에서의 활용 방안 뿐만 아니라 게임적인 측면에서도 긍정적인 활용 방안이 보인다. 최근 기대되는 미래기술로 AR, VR이 주목 받고 있다. 기존의 AR과 VR은 시각과 청각에 의존하여 허공에서 게임을 하였지만, 햅틱과 결합된다면 더욱더 현실감 있는 게임이 완성되어 시너지 효과가 있을 것으로 예상된다.
이번 경진 대회에서 제작된 소프트웨어는 캐치볼이지만, 추후 햅틱 로봇을 이용해 탁구, 테니스, 야구 등 다양한 타격감 있는 스포츠 소프트웨어가 제작될 수 있다. 이는 햅틱 시스템은 그대로 두고 3D 그래픽과 GUI 를 수정하여 제작할 수 있기 때문에 여러 스포츠 게임에 적용되기에 간편함을 지닌다.