고효율 무릎 관절 운동 기반 에너지 하베스터의 설계

Abstract

휴대용 전자기기의 발전과 수요 증가로 인해 이를 운용하기 위한 휴대용 전력 공급 기술의 수요 또한 증가하고 있다. 인체 에너지 하베스팅은 인체의 운동에너지나 열에너지로부터 전기 에너지를 수확하는 기술로서, 기존의 화학 베터리에 비해 연속적으로 발전이 가능하고 주위 환경에 비교적 영향을 받지 않는 장점으로 인해 꾸준히 연구가 이루어지고 있다. 그 중에서 수 W 급의 전력을 생산할 수 있는 전자기 발전기 기반의 웨어러블 에너지 하베스터는 다른 발전 방식에 비해 높은 세기의 전력을 출력하지만 발전기의 부하 토크로 인해 인체 운용 시 부담이 된다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 하이브리드/전기 자동차의 회생제동 원리를 응용하여 인체 관절이 감속을 하는 음의 일 구간에서 선택적으로 발전을 하여 발전기의 부하 토크가 인체의 음의 일을 보조함으로써 인체의 생체 에너지 소비를 최소화할 수 있는 에너지 하베스터에 대한 연구가 최근 주목받고 있다. 회생제동을 이용한 에너지 하베스터는 인체의 생체 에너지를 기반으로 전기 에너지가 생성되기 때문에 하베스터의 수확 효율은 생체 에너지를 기계 에너지로 전달하는 근육의 효율과 기계 에너지를 전기에너지로 전달하는 장치 효율로 결정된다. 이 때 장치 효율의 경우, 에너지 하베스터의 구성 요소들인 기어 열로 구성된 동력 전달 장치, 전자기 발전기, 정류 회로 등의 효율로 결정된다. 따라서 높은 장치 효율을 가진 에너지 하베스터를 설계하기 위해서는 하베스터의 기계-전자 요소들을 포함한 통합된 설계 방법이 필요하다. 본 연구에서는 고효율 인체 에너지 하베스터를 설계하기 위한 설계 방법을 제시하고 프로토타입 제작을 통해 제안한 설계 방법을 검증한다. 제안하는 설계 방법에서는 하베스터의 수학적 모델을 기반으로 인체 보행 주기에서 설계 변수 조정에 따른 기계 일률(Mechanical power)과 생성된 전력(Electrical power)을 시뮬레이션 및 분석하였다. 이를 바탕으로 기어비에 따른 발전기별 장치 효율을 비교하였으며, 최종적으로 0.0369 V/rad/s의 발전기 상수를 가진 70 W 발전기와 56의 기어비가 선정되었다. 이 때의 예상 장치 효율은 66 % 이다. 도출된 설계 값을 바탕으로 프로토타입을 제작하였으며, 프로토타입은 경량화를 위해 알루미늄으로 제작된 3단 평기어열 구조 기반으로 설계되었다. 전체 시스템 질량은 약 600 g이며 인체 착용을 위한 착용 장치를 포함한 경우 790 g이다. 또한, 인체 착용 시 시스템 무게에 의한 생체 에너지 소비를 최소화하기 위해 타이밍 벨트를 사용하여 인체의 무게중심에 가깝게 시스템 요소들을 배치하였다. DC모터와 토크 센서, 그리고 컨트롤러로 구성된 인체 관절 운동 구현이 가능한 평가 장치를 제작 후 하베스터의 성능 평가를 진행하였다. 하베스터의 동적 특성인 플라이휠 효과와 원웨이 클러치의 단락 타이밍을 확인하였으며, 하베스터의 관성 모멘트와 발전기의 감쇠 계수 변경에 따른 동적 특성 변화를 분석하였다. 전력 발전 시 성능 평가는 전류 제어 방법에 따라 연속 발전, 회생 제동, 비례 제동 3가지 모드로 나뉘어 진행하였으며 각 모드 별 특성과 동적 0효과에 의한 영향을 분석하였다. 하베스터의 출력 부하 토크는 2.86 Nm에서 4.85 Nm이고 평균 출력 전력은 2초 보행 주기 기준 0.3 ~ 0.96 W이다. 최종적으로 평가한 하베스터의 평균 장치 효율은 15 ~ 49% 이다.