[논문]산업용 로봇을 이용한 스포츠화의 운동역학특성 측정에 관한 연구

이종년

doi:10.5762/kais.2009.10.12.3833

산업용 로봇을 이용한 스포츠화의 운동역학특성 측정에 관한 연구
Study on Measuring Mechanical Properties of Sport Shoes Using an Industrial Robot 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.12, 2009년, pp.3833 - 3838

초록
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본 논문은 산업용 로봇을 이용하여 운동화의 특성을 측정하는 측정장비를 소개한다. 여기서 사용된 로봇은 6관절의 퓨마타입 로봇(삼성전자의 FARA AT2 모델)을 인간의 보행 동작을 구현할 수 있도록 보완하였다. 보행 동작은 고속카메라로 분석한 후, 로봇 관절각들을 추출하여 동작구현에 사용한다. 3가지 종류의 경도 아웃솔(신발 겉창)로 만들어진 신발 시편을 준비하고, 이 로봇 시스템을 이용하여 걸음동작을 구현하여 신발에 따른 지면 충격력을 측정한다. 걸음동작에서 발생하는 발 앞축 부분을 굽히기 위해 요구되는 굽힘 모멘트의 측정과 걸음동작에서 발생하는 요동현상의 측정에 사용한다. 동일한 압축변형을 유지하도록 시스템을 설정하고, 신발을 측정한 결과 아웃솔의 경도에 따라 지면반력의 크기는 선형적으로 증가하는 추세가 관찰되었다. 또한 굽힘 모멘트와 요동현상 역시 아웃솔의 경도에 따라 선형적으로 증가하는 추세가 관찰되었다. 상기의 몇 가지 실험을 통하여, 본 로봇 시스템은 일관성 있는 실험결과를 제공하였으며, 따라서 산업용 로봇을 이용하여 신발의 유용한 특성 정보 도출이 가능하며, 추후 신발설계의 활용에 대한 가능성을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces a measurement system for mechanical properties of sport shoes using an industrial robot. The robot system used in this paper is a commercial Puma type robot system(FARA AT2 made by SAMSUNG Electronics) with 6 joints and the end-effector is modified to produce a human walking motion. After analyzing human walking with a high speed video camera, each joint angle of the robot system is extracted to be used in the robot system. By using this system, ground impact forces were measured during stepping motion with 3 different shoe specimens made of 3 different hardness outsoles, respectively. As other mechanical properties, both bending moments to bend the toe part of the same specimen shoes and pronation quantities during walking motion were measured as well. In the impact test with the same depth of deformation under the ground level, the effect of the outsole hardness was clearly appeared such that the harder outsole produces the higher ground reaction force. The bending test and the pronation test also show proportional increments in the bending stiffness and the moment Mx according to the outsole hardness. Throughout such experiments, the robot system has produced consistent results so that the system could be used in obtaining valuable informations for a shoe designing process.

주제어

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문제 정의

The goal of this research is to measure reliable mechanical properties such as cushioning, flexibility, stability, and traction of sport shoes by using a robot system. Although this study only covers three mechanical properties for checking the performance of shoes, it can be further extended to measuring other mechanical properties.
This paper concerns about measuring mechanical properties of sport shoes by using a commercial robot system and suggests a new approach to evaluate performance of sport shoes. In the shoe industry, it is required to develop a better shoe for customers.

제안 방법

Each motion for the test was prepared through motion capture and robot kinematics to calculate joints angles of the robot system. After three sets of shoes with different outsole hardness 55, 65, and 75 were prepared, they were tested by using the developed device according to the prescribed motions. From the results, the device was successfully utilized in measuring mechanical properties of an assembled shoe corresponding to midsole materials and its design.
The goal of this research is to measure reliable mechanical properties such as cushioning, flexibility, stability, and traction of sport shoes by using a robot system. Although this study only covers three mechanical properties for checking the performance of shoes, it can be further extended to measuring other mechanical properties.
Possible test items can be performed here are impact test, bending test and pronation test. Each motion for the test was prepared through motion capture and robot kinematics to calculate joints angles of the robot system. After three sets of shoes with different outsole hardness 55, 65, and 75 were prepared, they were tested by using the developed device according to the prescribed motions.
After three sets of shoes with different outsole hardness 55, 65, and 75 were prepared, they were tested by using the developed device according to the prescribed motions. From the results, the device was successfully utilized in measuring mechanical properties of an assembled shoe corresponding to midsole materials and its design. In the impact test with the same depth of deformation under the ground level, the effect of the outsole hardness was clearly appeared that the harder outsole produces the higher ground reaction force.
Inside the force platform, there are various sensors mounted to measure the ground reaction forces(GRF) that are composed of 6 components F_x, F_y, F_z, M_x, M_y, and M_z corresponding to 6 DOF in a 3-D space. Then we wanted to measure some mechanical properties of a sport shoe from the overall measurement system which includes the robot, the foot model and the force platform.
Then, we had prepared three different shoes of which the outsoles are made of Shore hardness rubber 55, 65 and 75, respectively. At first, we let one adult(70kg weight) wear those specimen shoes and walk along a straight path several times as shown in Fig.
So the foot model gradually hit the ground, and pressed the ground by a commended deformation, then was gradually released from the ground. To test stiffness of the foot model in walking, we performed 4 experiments with different stepping deformations, 3, 6, 9 and 12mm below the ground level. The results are shown in Fig.

대상 데이터

The measurement device utilized a FARA AT2 robot with 6 joints made by SAMSUNG Electronics and added a passive foot model as an end-effecter. The important specifications of the robot are listed in Table 1.

참고문헌 (7)

F. C. Anderson and M. G. Pandy. "Dynamic Optimization of Human Walking", Journal of Biomechanical Engineering, 123, pp.381-389, 2001.

상세보기
A. Gefen, M.Megido-Ravid, Y. Itzchak, and M. Arcan. "Biomechanical Analysis of the Three-Dimensional Foot Structure During Gait: A Basic Tool for Clinical Applications", Journal of Biomechanical Engineering, 122, pp.630-639., 2000.

상세보기
B.M. Nigg,G. Eberle, and D. Frey. "Gait Analysis and Sport Shoe Construction", InE. Asmussen & K. Joergensen(Eds), J. Biomechanics VI-A, pp.303-309. 1978.
Karin G. M. and Anton J. van den Bogert. "Direct Dynamics Simulation of The Impact Phase in Hell-Toe Running", J. Biomechanics, Vol 28, no. 6. pp.661-665. 1995.

상세보기
M. W. Spong and M. Vidyasagar. Robot Dynamics and Control, John Wiley & Sons. 1989.
B. H. Lee and P. J. Song, "Study on Manufacturing of Mobile Robot System having Flexible Trajectory for Manless-Transportation", J. of the Korean Academic Industrial Society, v.4, no.3, pp.284-288, 2003.
J. U. Cho, "A Dynamic Behavior of Rubber Component with Large Deformation", J. of the Korean Academic Industrial Society, v.6, no.6, pp.536-541, 2005.

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