[헬로티]

최근 물류나 복지․간병 등의 현장에서 활용하기 위한 작업 지원 웨어러블 로봇의 개발이 주목을 받고 있다. 운송 업계에서는 인터넷 통신판매 이용의 급증이 일손 부족의 요인 중 하나로 되어 있으며, 복지나 간병의 현장에서는 고령 사회에 의한 수요 증가에 만성적인 일손 부족이 계속되고 있다. 앞으로 더욱 고령화율은 상승해 2065년에는 일본 국민의 약 2.6명 중 1명이 65세 이상인 사회가 도래할 것으로 예상되고 있다.

이러한 현장에서는 중량물을 들어 올리는 작업이 많아 직업성 요통이 심각한 문제로 되어 있다. 이를 위해 허리를 서포트하는 기능을 갖춘 웨어러블 로봇이 개발되어 제품화되고 있다. 이러한 로봇은 사람 주변에서 동작하기 때문에 높은 안전성과 함께, 사람과의 친화성이 요구된다. 또한, 스트레스 없이 일상적으로 사용하기 위해서는 유연성, 경량성과 함께 착용 방법의 간편화 등도 큰 과제가 된다.

전자 모터를 이용한 로봇은 정확한 제어가 가능한 반면, 고중량, 고강성, 고가 등의 과제가 존재한다. 한편 고무나 스프링의 탄성을 이용한 엘라스틱 타입은 경량, 유연, 저렴 등의 특징이 있지만, 장착자가 고무나 스프링을 신장시킬 필요가 있고 또한 필요한 타이밍에 필요한 힘을 발휘하기 어렵다는 과제가 있다.

그림 1에 나타냈듯이 가로축에 소프트⇔하드, 세로축에 능동⇔수동이라는 축을 설정한 경우, 모터 타입은 제1 상한, 엘라스틱 타입은 제3 상한이 된다. 이러한 타입의 과제를 해결해 사용자가 이용하기 쉬운 로봇으로 만들기 위해서는 소프트하고 능동적으로 제어할 수 있는 차세대 액추에이터의 개발이 중요하다. 즉, 제2 상한에 들어가는 소프트 액추에이터를 이용한 유연․경량․저소음․저렴한 웨어러블 로봇의 실현이 기대되고 있다.

필자 등은 선행 연구로서 폴리염화비닐(PVC) 겔을 이용한 소프트 액추에이터의 개발과 그 특성 개선의 연구를 진행해 왔다. PVC 겔 액추에이터는 대기 중에서 안정된 구동이 가능하며, 더욱이 경량 유연 등 뛰어난 특성을 가지고 있다. 또한, 보행 어시스트, 부작동형 브레이크, 촉각 디스플레이 등에 응용을 시도해 왔다.

그림 1. 웨어러블 로봇의 분류

웨어러블 로봇의 제품화 동향에서는 동력원으로 모터를 채용하는 파워계가 주류를 이루고 있다. 

또한 동력원을 이용하지 않고 고무나 스프링의 탄성을 이용한 엘라스틱 타입도 존재한다. 각각의

 과제를 해결하기 위해서는 소프트 액추에이터를 이용한 웨어러블 로봇의 개발이 기대된다.

이 글에서는 이 PVC 겔을 이용한 소프트 액추에이터의 개발 상황과 허리 서포트웨어 응용에 대해 소개한다.

PVC 겔 소프트 액추에이터

이하에서는 PVC 겔의 전기 응답 메커니즘과 PVC 겔을 이용한 액추에이터의 구조 및 그 특성에 대해서 설명한다.

그림 2. PVC 겔의 전장 응답

PVC 겔을 전극에 끼우고 전압을 인가하면 양극 측으로 기어 나오는 거동을 볼 수 있다.

1. PVC 겔의 변형 메커니즘

PVC와 가소제로 이루어진 PVC 겔에 전압을 인가하면, 그림 2와 같이 양극 근방의 겔이 양극 표면을 기어가듯이 변형된다고 하는 특이한 현상이 일어난다. 이 거동은 전압 인가에 의해 양극 근방의 PVC 겔 표면에 형성된 고전하 밀도층이 관련되어 있는 것으로 생각된다. 전압 인가 시의 PVC 겔 내부의 공간 전하 밀도를 측정하면 양극 근방의 PVC 겔에 음전하 밀도가 높은 층이 존재한다. 이 고전하 밀도층과 양극과의 정전기적 인력에 의해 전압 인가 시에 PVC 겔이 변형, 전압을 제거하면 정전기적 인력은 소실되고 PVC 겔은 자신의 탄성으로 원래의 형상으로 되돌아간다.

아사카 등은 고전하 밀도층의 형성 메커니즘에 관해 해명을 하고 있다. 전압 인가 시작 단계에서는 고전하 밀도층 형성 과정이 되어 변형량이 점점 더 커진다. 그 후, 고전하 밀도층 형성 후의 변위량은 안정된 값을 취한다. 즉, PVC 겔의 전기 변형 거동은 이온 드래그 흐름에 의한 양극 근방의 고전하 밀도층 형성 과정과 형성 후의 전압 인가에 의한 계면 Maxwell 응력에 의한 겔 변형의 2단계 프로세스를 제안하고 있다. 더욱이 이온 액체를 PVC 겔에 도입함으로써 변형량이 커지는 것을 나타내고 있다.

그림 3. PVC 겔 액추에이터의 구조

금속박의 음극과 금속 메시의 양극에 PVC 겔을 끼운다. 전압 인가에 의해 메시 모양 전극의 

공극으로 PVC 겔이 들어가기 때문에 두께 방향으로 수축하는 액추에이터를 구성할 수 있다.

2. PVC 겔 액추에이터의 구조

그림 3에 PVC 겔 액추에이터의 기본 구조를 나타냈다. PVC 겔은 양극 표면을 기어가듯이 변형되기 때문에 PVC 겔의 거동에 대해 적당한 곡률의 요철 형상을 갖게 함으로써 크게 변형시킬 수 있다. 여기에서는 양극으로서 메시 모양 전극을 이용했다. 메시 모양 전극을 PVC 겔로 끼우고, 그 바깥 측에 음극을 준비해 전압을 인가하면 PVC 겔이 메시의 공극에 들어가 결과적으로 두께 방향으로 수축한다. 전압을 제거하면 PVC 겔을 복원한다. 전압의 인가와 제거를 반복함으로써 두께 방향으로 신축하는 액추에이터를 구성할 수 있다.

이 기본 구조를 높이 방향으로 적층함으로써 큰 변위를 얻을 수 있다. 또한, 액추에이터 면적을 증대함으로써 큰 발생력을 얻을 수 있다.

그림 4. PVC 겔 액추에이터

60층의 적층형 PVC 겔 액추에이터(400V 인가 시: 수축률 10.6%, 

전류값 0.45mA, 주파수 응답 9Hz)와 수지제 케이스의 외관.

3. PVC 겔 액추에이터의  특성

여기에서는 그림 4에 나타난 적층형 PVC 겔 액추에이터를 예로 특성을 소개한다. 적층수는 60층이고, 액추에이터 치수는 직경 30mm, 높이 32mm, 질량 약 45g이다. PVC 겔 액추에이터는 전압 인가 직후에 돌입 전류가 흐른다(그림 5). 400V 인가 시의 피크값은 6.8mA로 정상값 0.45mA의 약 15배가 된다.

그림 5. PVC 겔 액추에이터의 전류값

전압 인가 직후에 돌입 전류가 흐른다. 펄스폭은 약 50ms.

그림 6에 수축률과 발생력의 관계를 나타냈다. 400V 인가 시, 무부하 상태에서 수축률은 10.6%였다. 부하 40N에서는 수축률이 0.35%로 감소했다. 또한, 주파수 응답은 약 9Hz였다. 내구성시험에서는 구동 시작에서부터 500회까지 약 17%의 변위량 감소가 나타났으나, 그 후에는 거의 일정한 값이 되어 내구성이라는 점에서도 실용화에 견딜 수 있는 특성을 가지고 있다는 것을 알 수 있었다.

그림 6. PVC 겔 액추에이터의 수축률과 발생력의 관계

PVC 겔 액추에이터는 부하에 의해 수축률이 변화한다.

4. 플렉시블 전극을 이용한 PVC 겔 액추에이터

앞에서 말한 적층 구조를 이용하면, 적층 구조를 보호하기 위한 케이스 등이 필요하다. 또한, 전극 재료로 금속을 사용하기 때문에 적층 방향으로는 유연하지만, 그 외의 방향으로는 유연성을 갖기가 어렵다. 그래서 필자 등은 금속을 대신하는 전극 재료로서 카본이 함유된 고분자 재료를 제작, 플렉시블 전극으로 사용했다. 이 플렉시블 전극에 시트 모양의 PVC 겔을 끼우고, 전압을 인가하면 면내에서 변형된다(그림 7 (a)).

그림 7. 플렉시블 전극을 이용한 PVC 겔 액추에이터

플렉시블 전극을 이용함으로써 유연하고 경량인 PVC 겔 액추에이터를 개발. 

(a) 시트 모양 액추에이터는 면 방향으로 신장, (b) 방직 구조 액추에이터 세로 방향으로 수축한다.

이 액추에이터는 전압 인가에 의해 면 방향으로 신장하고, 전압을 제거하면 원래의 형상으로 수축한다. 가로 방향에 비해 장력이 가해져 있는 세로 방향으로 크게 변형된다. 구조를 고안함으로써 전압 인가 시에 10% 이상의 신장률을 얻을 수 있다.

그림 7 (b)는 플렉시블 전극을 PVC 겔로 내포한 심초 구조를 세로 실로 하고, 알루미늄박의 양극과 짜서 제작한 방직 구조 액추에이터이다. 전압 인가에 의해 음극이 양극의 파이프에 감겨 결과적으로 양극 간의 거리가 짧아지고, 세로 방향으로 수축한다. 50% 정도의 수축률을 얻을 수 있다.

허리 서포트웨어에 대한 응용

이하에서는 적층형 PVC 겔 액추에이터를 이용한 허리 서포트웨어의 개발에 대해 설명한다. 허리 서포트웨어에 PVC 겔 액추에이터를 응용함으로써 유연 경량이면서 능동적인 어시스트가 가능해져, 장착자의 동작이나 타이밍에 맞춰 힘을 발휘하는 서포트웨어가 된다. 이 서포트웨어의 중요한 특성은 소프트 액추에이터의 구조적 특징인 탄성적 특성과 액추에이터로서의 제어 성능을 겸비하고 있다는 점이다. 또한, 코스트가 저렴하고 저소음이라는 특징도 가지고 있다.

그림 8. 허리 서포트웨어의 전체 구조

상하 벨트와 액추에이터․배터리․컨트롤러로 이루어진다.

 배터리와 컨트롤러는 각각 좌우의 BOX, 액추에이터는 중앙 케이스에 수납되어 있다. 

액추에이터의 구동에 의해 하부 벨트와 접속되어 있는 코드가 수축한다.

1. 허리 서포트웨어의 구조와 원리

이번에 시제작한 허리 서포트웨어의 구조를 그림 8에 나타냈다. 허리 서포트웨어는 상하 벨트와 액추에이터, 배터리, 컨트롤러로 이루어진 본체부로 구성되어 있다.

그림 9와 같이 PVC 겔 액추에이터는 통 모양 케이스에 고정된 플레이트(고정 플레이트) 위에 설치되어 있다. 상부 플레이트는 액추에이터 위쪽에 고정되고, 하부 플레이트는 로드를 통해 상부 플레이트와 접속되어 있다. 전압 인가 시는 액추에이터가 수축해 상부 플레이트가 내려가고, 그것에 연결되어 있는 하부 플레이트도 아래 방향으로 이동한다. 하부 플레이트에는 코드가 접속되어 있으며, 회전 훅을 통해 하부 벨트에 연결되어 있다. 전압 제거 시에는 액추에이터가 원래의 위치로 되돌아가기 때문에 하부 플레이트가 위쪽 방향으로 이동한다. 이 위쪽 방향 변위가 발생력이 된다. 들어 올리는 동작에서는 처음에 액추에이터에 전압을 인가해 둔다.

그림 9. 들어 올리는 동작 시의 액추에이터 동작

구부리는 동작 시에는 탄성적 특성, 일어날 때는 액추에이터의 발생력에 의해 허리를 펴는 동작을 서포트.

장착자가 허리를 구부려 짐을 잡을 때, 허리의 굴곡 동작과 함께 액추에이터가 압축되고 하부 플레이트가 아래쪽 방향으로 이동한다. 액추에이터의 탄성적 특성으로 인해 하부 플레이트는 원래의 위치로 되돌아가려고 하기 때문에 허리를 펴려고 하는 서포트력이 작용한다. 다음으로 짐을 들어올리기 위해 허리를 펴는 동작을 시작하면, 액추에이터에 인가한 전압을 제거해 액추에이터의 신장력을 발휘시키고, 다시 허리를 펴는 동작을 서포트한다. 이것에 의해 액추에이터의 탄성적 특성과 능동적인 구동력 양쪽 모두를 살린 허리 서포트 기능을 발현시킨다.

2. 웨어용 PVC 겔 액추에이터의 특성

허리 서포트웨어에 이용하는 액추에이터의 적층수는 350층, 전극 치수는 직경 50mm로 했다. 10층의 액추에이터를 1유닛으로 해 특성평가를 실시한 결과, 액추에이터에 무부하로 400V의 전압을 인가했을 때의 수축률 10.8%, 최대 발생력은 약 110N(수축률 2%)이었다. 이것을 35개 적층한 것을 서포트웨어에 내장했다.

3. 허리 서포트웨어의 특징

시제작한 허리 서포트웨어의 전체 질량은 약 2kg으로 경량이며, 배낭 벨트식이기 때문에 탈착용도 매우 간편하다. 그리고 복부와 무릎 관절을 압박하지 않는 착용 방법이기 때문에 작업 중에 구부리는 일이 많은 복지․간병의 현장에서도 스트레스 없이 사용할 수 있을 것으로 생각된다. 액추에이터 전압의 ON/OFF 제어는 가까이의 스위치로 하므로 필요할 때에만 서포트를 받을 수 있다. 불필요한 경우에는 OFF인 채로 착용하고 있어도 경량이기 때문에 부담이 적고, 게다가 PVC 겔 액추에이터는 탄성체이기도 하므로 스프링적인 힘으로 제어 OFF 시에도 서포트를 할 수 있다. 

액추에이터의 발생력이나 변위는 허리 서포트웨어로서는 아직 불충분하지만, 변위 확대기구나 허리 신장력 증대기구를 부가하면 이 문제를 해결할 수 있지 않을까 생각한다.

맺음말과 앞으로의 전망

이 글에서는 고분자 재료를 이용한 액추에이터로서 PVC 겔 액추에이터의 구조와 특성, 그것을 응용한 허리 서포트웨어의 개발 상황에 대해 다루었다. 또한, 기존의 모터 타입이나 엘라스틱 타입의 과제를 해결해, 유저의 요구에 맞춘 허리 서포트웨어를 실현하기 위해서는 소프트 액추에이터가 그 핵심 기술이 된다는 것을 지적했다. 이 글에서 소개한 허리 서포트웨어는 시제작 단계로 그 특성에 대해 과제는 남아있지만, 앞으로의 연구 개발을 통해 몇 년 안에 실용 수준이 될 것이라고 생각한다.

또한, 이번에는 적층형 PVC 겔 액추에이터에 의해 허리 서포트웨어를 시제작했는데, 플렉시블 전극을 이용한 PVC 겔 액추에이터를 이용함으로써 의복 느낌으로 사용할 수 있는 서포트웨어의 실현도 꿈은 아니다. 앞으로 고분자 재료를 이용한 소프트 액추에이터가 고령 사회를 지탱하는 차세대 액추에이터 기술로서 발전하기를 기대한다.

하시모토 미노루, 신슈대학 섬유학부