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문제 정의
- 본 논문에서는 6 축 힘/모멘트센서가 부착된 사람 보행시 발바닥 힘정보를 즉정하기 위한 착용용 지능형 신발을 개발하였다.4개의 6축 힘/모멘트 센서를 설계 및 제작하였고, DSP(digit 이 signal processor)를 이용한 2개의 고속 측정용 측정 장치를 설계 및 제작하였으며, 이들을 이용하여 착용용 지능형 신발을 개발하였다.
- 본 논문에서는 착용용 지능형 신발시스템을 제작하기 위한 6 축 힘/모멘트센서를 제작하기 위하여 Kin? 이 개발한 Fig. 2와 같은 6 축 힘/모멘트 센서의 구조를 그대로 사용하고 용량만 다르게 설계하였다.
- 본 논문에서는 4개의 6 축 힘/모멘트센서, 2 개의 고속측정장치로 구성되는 지능형 신발 시스템을 개발하였다. 제작한 6 축 힘/모멘트센서는 상호간섭 오차가 3%이내로 상용화된 센서 8 의 그것과 비슷하며, 고속측정장치는 안정도실험결과 ±3mV 이내 (0.
제안 방법
- 신발을 개발하였다.4개의 6축 힘/모멘트 센서를 설계 및 제작하였고, DSP(digit 이 signal processor)를 이용한 2개의 고속 측정용 측정 장치를 설계 및 제작하였으며, 이들을 이용하여 착용용 지능형 신발을 개발하였다. 그리고 개발된 지능형 신발을 신고 보행실험을 실시하였다.
- 4개의 6축 힘/모멘트 센서를 설계 및 제작하였고, DSP(digit 이 signal processor)를 이용한 2개의 고속 측정용 측정 장치를 설계 및 제작하였으며, 이들을 이용하여 착용용 지능형 신발을 개발하였다. 그리고 개발된 지능형 신발을 신고 보행실험을 실시하였다.
- 사람이 개발한 지능형 신발을 신고 보행하면 오른쪽과 왼쪽의 신발의 뒤꿈치와 앞꿈치에 부착된 4개의 6 축 힘/모멘트센서의 각각의 힘 Fx, Fy, Fz 와 모멘트 Mx, My, Mz 센서(총 24 개 센서)로부터 출력되는 값들을 2개의 고속측정장치로 검출하고, 이들을 고속측정장치와 RS232C 인터페이스로 연결된 컴퓨터로 보내어 모니터에 나타냄과 동시에 저장한다.
- 이다. 6 축 힘/ 모멘트센서를 설계하기 위한 설계변수의 정격출력은 약 0.5m//Y, 센서의 사각형상의 크기와 높이가 각각 80mmx80mmx 19mm, 힘/모멘트 전달 블록의 사각크기가 20mmx20mm, 스트레인게이지의 부착 위 치 가 길 이 방향으로는 1mm, 폭방향으로는 1/2, 스트레인게이지의 부착위치에서의 변형률은 약 250 # , 정 격 하중은 힘 Fx, Fy 가 500N, Fz 센서가 1000N, 모멘트 Mx, My 가 18Nm, Mz 센서가 8Nm 로 결정하였다. 스트레인게이지의 부착 위치는 게이지의 크기 3x7.
- 본 논문에서는 결정한 설계변수들을 ANSYS 소프트웨어 에 적용하여 6축 힘/모멘트센서 의 감지 부를 설계하였다. 여러 번의 소프트웨어를 수행 시켜 6 축 힘/모멘트센서의 각각의 정격하중인 힘들과 모멘트들을 가하여 센서들의 감지부 크기를 결정하였다.
- 설계하였다. 여러 번의 소프트웨어를 수행 시켜 6 축 힘/모멘트센서의 각각의 정격하중인 힘들과 모멘트들을 가하여 센서들의 감지부 크기를 결정하였다. 센서의 크기는 평행평판의 길이 # 를 모두 8mm, 폭 #을 모두 12mm, 두께 #를 각각 2.
- 4개의 6 축 힘/모멘트센서의 특성실험은 6 축힘/모멘트 센서 교정장치 7 를 이용하여 정격하중 Fx-Fy=500N, Fz=1000N 과 모멘트 Mx=My=18Nm, Mz=8Nm 를 각각 가하고 각 센서의 정격출력을 측정하였으며, 총 세 번의 실험을 실시하여 평균값으로 각 센서의 정격출력을 결정하였다.
- 7 은 측정장치의 흐름도를 나타내고 있다. 측정기의 동작흐름은 첫째, 측정기의 전원 스위치를 ON 하면 각 센서의 출력값을 순차적으로 측정하여 LCD 에 출력하는 초기화를 실시한다. 둘째, 측정하고자 하는 센서의 채널을 선택한다.
- 지능형 신발시스템의 교정은 4개의 6 축 힘/모멘트 센서 를 각각 6 축 힘/모멘트센서 교정 장치 7 에고 정 하고, 정 격 하중 Fx=Fy=50kg, Fz=100kg 과 모멘트 Mx=My=1.8kg.m, Mz=0.8kg.m 를 각각 가하였다. 개발한 고속측정기의 아날로그/디지털 컨버터 (ADC: analog/digital converter)가 0~33OOmV 범위로 변환이 가능하므로 4개의 6 축 힘/모멘트 센서의 각 센서의 무부하에서의 출력을 1500mV 로 증폭기의 가변저항을 가변시켜 조정하였고, 각 센서의 정격하중에서 +방향으로는 1200mV, 즉 2700mV 가 되도록 조정하였으며, .
- m 를 각각 가하였다. 개발한 고속측정기의 아날로그/디지털 컨버터 (ADC: analog/digital converter)가 0~33OOmV 범위로 변환이 가능하므로 4개의 6 축 힘/모멘트 센서의 각 센서의 무부하에서의 출력을 1500mV 로 증폭기의 가변저항을 가변시켜 조정하였고, 각 센서의 정격하중에서 +방향으로는 1200mV, 즉 2700mV 가 되도록 조정하였으며, .방향으로는 ・1200mV, 즉 300mV 가 되 도록 조정 하였다.
- 특성실험은 지능형 신발시스템의 안정도 실험과 사람이 신발을 신고 걷는 실험으로 구분되며, 실험결과 그래프에 나타낸 Fxl, Fyl, Fzl, Mxl, Myl, Mzl 는 오른쪽 발바닥의 뒤꿈치부분의 6 축 힘/모멘트 센서 1의 각각 3 방향의 힘과 3 방향의 모멘트이 고, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2는 앞꿈치부분의 6 축 힘/모멘트센서 2의 각각 3 방향의 힘과 3 방향의 모멘트이다. 그리고 Fx3, Fy3, Fz3, Mx3, My3, Mz3 는 왼쪽 발바닥의 뒤꿈치부분의 6 축 힘/모멘트 센서 3의 각각 3 방향의 힘과 3 방향의 모멘트이고, Fx4, Fy4, Fz4, Mx4, My4, Mz4 는 앞꿈치 부분의 6 축 힘/모멘트센서 4 의 각각 3 방향의 힘과 3 방향의 모멘트이다.
- 9 는 지능형 신발시스템의 오른쪽 신발의 안 정도 실험 결과이며, X 축은 시간, y 축은 각 센서의 출력을 mV 단위로 나타낸 것이다. 4개의 6 축힘/모멘트 센서의 각 센서 출력이 무부하에서 1500 mV 정도가 출력되나 그래프의 수를 줄이기 위하여 Fig. 9 에 나타낸 Fxl, Fyl, Fzl, Mxl, Myl, Mzl, Fx2, Fy2, Fz2, Mx2, My2, Mz2 센서를 1500mV 부터 20mV 단계로 더하여 1720mV 까지 표시하였다.
대상 데이터
- 1은 본 논문에서 개발한 지눙형 신발의 사진을 나타내고 있으며, (a)는 오른쪽 지능형 신발, (b)는 왼쪽 지능형 신발, (c)는 지능형 신발 시스템을 위에서 찍은 사진을 각각 나타내고 있다. 지능형 신발 시스템은 샌들, 4개의 6 축 힘/모멘트센서, 2 개의 고속측정장치, 컴퓨터 등으로 구성되어 있다. 지능형 신발은 Fig.
- 지능형 신발 시스템은 샌들, 4개의 6 축 힘/모멘트센서, 2 개의 고속측정장치, 컴퓨터 등으로 구성되어 있다. 지능형 신발은 Fig. 1에서 보는 것과 같이290cm 이하의 발을 가진 성인이 신을 수 있도록 본체를 샌들로 선정하였고, 본체의 뒤꿈치와 앞꿈치 부분에 각각 6 축 힘/모멘트센서를 부착하였으며, 그 밑에 고무를 부착하여 일반적으로 신는 신발과 비슷하게 구성하였다.
- 6은 오른쪽 발을 위 해 제작된 6 축 힘/모멘트 센서의 고속측정기를 나타내고 있으며, 왼쪽의 고속측정기도 오른쪽의 그것과 같다. 이 고속측정기는 DSP(digital signal processor), 외부 메모리 (memory), 증폭기부 (amplifier), 통신부, 전원부, 스위치부 등으로 구성되었다. DSP는 30MHz 크리스털을 사용하여 발생된 클럭(clock)을 DSP 내부에서 5 배 중폭시켜 150 MHz 로 동작되고, 내부 플레쉬롬에 프로그래밍된 동작 프로그램을 램에 임시로 저장한 상태에서 각각의 명령을 처리하며, AD 컨버터, 병렬 인터페이스, 직렬 통신 인터페이스 등을 동작 시킨다.
- 제작된 6 축 힘/모멘트 센서 측정기의 크기는 125mmxl35 mm 이다..
데이터처리
- 특성시험할 때 4개의 6 축 힘/모멘트센서의 각 센서로부터 출력되는 값으로 상호간섭오차를 계산하였다. 6 축 힘/모멘트센서 1의 최대 상호간섭 오차는 Mz 의 정격용량이 가해졌을 때 Fy 센서가 2.
성능/효과
- 유한요소해석 결과의 정격출력은 Table 1의 정격변형률 ε을 식 (2)에 적용하여 계산된 것이며, 실험에 의한 정격출력은 본 논문에서 센서 4 개를 특성실험한 결과를 나타내고 있다. 유한요소해석결과를 기준으로 실험결과의 센서 1의 최대 오차는 Fz 센서가 6.25%, 센서 2 의 최대 오차는 My 센서가 6.56%, 센서 3의 최대 오차는 Fz 센서가 5.89%, 센서 4 의 최대 오차는 Mz 센서가 8.35%이고, 최대오차는 8.35%이다. 이들 오차는 스트레인게이지의 부착오차, 감지부의 가공오차, 유한요소 소프트웨어의 고유오차 등으로 생각된다.
- 6 축 힘/모멘트센서 1의 최대 상호간섭 오차는 Mz 의 정격용량이 가해졌을 때 Fy 센서가 2.52%, 6 죽 힘/모멘트센서 2의 최대 상호간섭 오차는 My 의 정격용량이 가해졌을 때 Fx 센서가 2.89%, 6 축 힘/모멘트센서 3의 최대 상호간섭 오차는 Mx 의 정격용량이 가해졌을 때 Fy 센서가 2.52%, 6 축 힘/모멘트센서 4 의 최대 상호간섭 오차는 Mz 의 정격용량이 가해졌을 때 Fy 센서가 2.78%이다. 따라서 개발한 6 축 힘/모멘트 센서의 최대 상호간섭오차는 2.
- 이와 같은 오차는 매우 빠른 시간으로 데이터를 받기 위해 프로그램상에서 평균처리를 하지 않았으므로 발생된 오차, 외부에서 고속측정장치에 유입되는 노이즈 둥 때문이다. 이 결과들을 최대하중을 기준으로 계산한 오차는 모두 ±0.25%이고, 이것은 매우 작으므로지능형 신발시스템은 보행시 발바닥에 가해지는 힘과 모멘트 정보를 측정하는데 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 그리고 Fx, Fy, Mz 센서는 보행시 각 방향으로 가해지는 그들의 값을 나타내고 있다. 측정결과를 분석하면 사람이 보행할 때 예상하였던 것과 같이 힘과 모멘트들이 출력됨을 확인할 수 있었다.
- 5%)이내의 오차를 보였다. 그리고 지능형 신발 시스템을 신고 걷는 특성실험결과 사람의 보행 시 예상했던 힘과 모멘트의 출력이 나타남을 확인할 수 있었다. 따라서 개발한 지능형 신발시스템은 사람의 보행특성실험에 사용될 수 있을 뿐만 아니 라인 간형 로봇의 지능형 발에 기초실험 데이터로 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
후속연구
- 8%이었고, 이것은 상용화된 센서 & 들의 오차와 비숫하다. 따라서 제작된 센서는 지능형 신발에 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 그리고 지능형 신발 시스템을 신고 걷는 특성실험결과 사람의 보행 시 예상했던 힘과 모멘트의 출력이 나타남을 확인할 수 있었다. 따라서 개발한 지능형 신발시스템은 사람의 보행특성실험에 사용될 수 있을 뿐만 아니 라인 간형 로봇의 지능형 발에 기초실험 데이터로 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
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