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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 작은 크기, 싼 가격, 높은 감도를 가지는 적외선 소자 기반의 촉각센서를 제안한다. 수직력과 수평력을 동시에 그리고 독립적으로 측정할 수 있는 설계 구조를 설명하고 실험을 통해 출력 특성을 조사함으로써 제안한 촉각센서의 유효성을 보인다.
- 반면에, 로봇손을 위한 촉각센서의 경우에는 반구형에 광섬유를 배치하고 광경로의 변화를 카메라로 인식함으로써 수직력과 수평력 측정하였다[17]. 본 연구에서는 작은 공간에서 수직력과 수평력을 측정할 수 있도록 적외선 소자에 기반하여 새로운 광학적 경로를 가진 촉각센서를 제안한다.
- 본 논문에서는 적외선 소자 기반의 촉각센서를 가진 근전의수를 제안하였다. 먼저, 다양한 저차구동 메커니즘을 이용하여 4개의 모터만으로 18자유도를 가질 수 있는 근전의수를 설계, 제작하였다.
가설 설정
- KNU hand는 물체를 원형으로 파지하도록 설정되었으며 푸쉬-풀 힘 게이지를 이용하여 촉각센서에 수평력이 작용하도록 물체에 아래방향으로 미는 힘을 인가하였다. 미끄러짐 방지 제어에서는 엄지 끝에 부착된 촉각센서의 출력만을 이용하였으며 초기 수직력 기준값을 3 N 으로설정하였다. 실험을 통해 엄지 끝에 부착된 촉각센서가 측정한 수직력과 수평력을 그림 21에서 보인다.
제안 방법
- 또한 NAIST hand는 수직력과 수평력 감지를 위해 각각 압력센서와 카메라를 사용하였다[12]. 투명한 반구 젤 속에 작은 카메라를 두고 반구 젤의 꼭지점에 위치한 특징점의 변화를 관찰함으로써 초기 미끄러짐을 감지하였다. 이와 같이 다양한 방법으로 촉각센서들이 연구되었지만 아직 의수에 적용하기에는 크기와 무게에서 적합하지 않으며 큰 용량의 전원과 복잡한 인터페이스가 필요한 단점이 있다.
- 수직력과 수평력을 동시에 그리고 독립적으로 측정할 수 있는 설계 구조를 설명하고 실험을 통해 출력 특성을 조사함으로써 제안한 촉각센서의 유효성을 보인다. 이와 함께 새로운 근전의수 (myoelectric hand)를 제안한다. 개발한 의수는 새로운 메커니즘을 이용하여 향상된 파지능력을 가지며, 상지 절단 환자가 자신의 의도에 따라 의수를 동작시킬 수 있도록 근전도 인터페이스를 제공한다.
- 이와 함께 새로운 근전의수 (myoelectric hand)를 제안한다. 개발한 의수는 새로운 메커니즘을 이용하여 향상된 파지능력을 가지며, 상지 절단 환자가 자신의 의도에 따라 의수를 동작시킬 수 있도록 근전도 인터페이스를 제공한다. 통합 실험에서는 근전의수가 적외선 소자 기반의 촉각센서로부터 측정한 수직력과 수평력을 이용하여 파지력을 제어함으로써 물체의 미끄러짐을 방지할 수 있음을 보인다.
- 또한 물체를 파지하는 동안에 나선 스프링의 감김을 유지하기 위해서는 지속적인 토크를 공급해야 함으로 배터리를 전원으로 사용하는 근전의수의 경우 장시간 사용이 불가능하다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 캠-롤러를 이용한 새로운 형태의 자동 잠김(selFlocking) 메커니즘을 소개한다. 제안한 캠-롤러는 모터 축과 나선스프링으로 연결된 구동판이 회전할 경우에만 피구 동판의 회전이 가능하다.
- 손가락 마디 사이의 적응파지 기능을 위하여 7링크 메커니즘 [14] 에 근거한 저차구동 손가락을 제안한다. 그림 3과같이 근위지골(proximal phalanx)은 4링크 메커니즘에서 한 개 링크를 제거함으로써 피구동판에서 두 개의 힌지핀과 연결된다.
- 이러한 메커니즘은 Manus hand [8]에서 타이밍 기어(timing gear)로 구현된 예가 있으나, 지 절관절(interphalangeal joint)의 운동이 수근 중수 관절로부터 독립적이지 못하며 모터의 동력을 전달하기 위해 복잡한 경로가 요구된다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 외부 제네바 휠(external Geneva wheel) 메커니즘과 크랭크-슬라이더(cnmk-slider) 메커니즘을 사용한 엄지설계를 제안한다. 그림 4에서 제작된 엄지의 구조를 보인다.
- 웜기어는 구동축의 방향을 변화시키며 동력차단 시에 자동잠김 기능을 수행한다. 또한 3개의 베벨기어를 이용하여 롤(roll)과 피치(pitch)의 2 자유도를 구현한다. 따라서 손목 동작은 2개 모터의 회전방향에 따라 굴곡/신전 및 내회전/외회전을 수행할 수 있다.
- 예를 들어 2개의 근전도에 해당하는 변수를 A와 B라고 하고, 절대 평균값이 문턱치 보다 클 경우를 1, 그렇지 않은 경우를 0이라 하면, 4가지의 상태, (A=0, B=0), (A=l, B=0), (A=0, B=l), 그리고 (A=l, B=l)를 얻을 수 있다. 본 논문에서는 2개의 근전도로부터 손의 원형 파지, 측면파지, 폄 동작과 손목의 굴곡/신전, 내회전/외회전, 그리고 휴지동작을 포함하는 8개의 동작을 인식한다. 이를 위하여 그림 6과 같은 모드 변환 알고리즘을 제안한다.
- 동시에 독립적으로 측정해야 한다. 이를 위하여 우수한광투과율을 가진 탄성체와 광소자를 이용한 촉각센서를 제안한다. 광학적 경로를 이용한 촉각센서는 기존 연구에서 다양한 형태로 개발되어 왔다.
- 보인다. 제안한 촉각센서는 한 개의 발광부(emitter), 두 개의 수광부 (detector), 회로기판(subs顽e), 플런저(plunger), 폴리디메틸 실록산 (PDMS : Polydimethy-Siloxane), 접촉면(surface)으로 구성된다. 발광부는 KODENSHI사의 KEL-0315C로 표면실장 형태의 적외선 발광 다이오드이며, 수광부는 KST-0315A로 표면 실장 형태의 고감도 광 트랜지스터이다.
- 5 V로 감쇠하고, 시프트 회로에서 -3 ~ 3 V의 출력전압 범위로 이동시킨다. 제안한 촉각센서는 적외선의 감소에 따라 수직력 또는 수평력을 측정함으로 0~3V의 출력범위만을 이용한다.
- 제안한 촉각센서의 출력특성을 평가하기 위해 독립적인 수직력 및 수평력 인가 실험을 수행하였다. 제안하는 촉각센서는 하나의 발광부로부터 나오는 적외선이 수광부1과 수광부2로 흡수된다.
- 및 수평력 인가 실험을 수행하였다. 제안하는 촉각센서는 하나의 발광부로부터 나오는 적외선이 수광부1과 수광부2로 흡수된다. 그리고 외력의 작용에 따라 각각의 수광부에서 받아 들이는 적외선의 양이 변화한다.
- 제안한 촉각센서는 바이스에 고정되어 있으며 외력이 작용될 수 있도록 고무패드 표면에 물체를 위치시켰다. ATTONICS사의 ARF-50 푸쉬-풀 힘 게이지를 이용하여 수직력을 인가하였으며 고정된 도르래와 무게 추를 이용하여 수평력을 인가하였다. 그림 15는 수직력 및 수평력 변화에 따른 출력결과를 보여준다.
- 이와 같은 결과는 앞서 제안한 나선스프링 메커니즘과 7링크 메커니즘으로 손가락 사이와 손가락 마디 사이의 적응파지가 가능하였기 때문이다. 또한 외부 제네바 휠 메커니즘과 크랭크-슬라이더 메커니즘은 하나의 모터만을 이용하여 엄지의 굴곡/신전 및 내전/외전을 가능케 하였다.
- 근전제어 실험은 정상인을 대상으로 수행하였으며 전완의노쪽 손목 굽힘근과 자쪽 손목 폄근에 각각 근전도 센서를 부착하였다. 능동형 표면 근전도 센서는 60 明의 증폭비와 20 ~ 450 田의 통과대역을 가지도록 제작하였다.
- 능동형 표면 근전도 센서는 60 明의 증폭비와 20 ~ 450 田의 통과대역을 가지도록 제작하였다. 또한 가변증폭, 정류, 감쇠 및 시프트 회로를 이용하여 근전도의 절대 평균값을 얻었으며 문턱치와의 비교에 사용하였다. 정상인의 경우에 휴지동작 (A=0, B=0), 손목의 굴곡동작 (A=l, B=0) 과신전동작 (A=0, B=l), 그리고 주먹 쥠 동작 (A=l, B=l)으로앞서 설명한 4가지 상태를 얻을 수 있었다.
- 제안하였다. 먼저, 다양한 저차구동 메커니즘을 이용하여 4개의 모터만으로 18자유도를 가질 수 있는 근전의수를 설계, 제작하였다. 적응파지와 자동잠김 기능을 통해 물체를 안정적으로 파지할 수 있었으며 다양한 파지동작이 가능하였다.
- 적응파지와 자동잠김 기능을 통해 물체를 안정적으로 파지할 수 있었으며 다양한 파지동작이 가능하였다. 제안한 모드 변환 알고리즘은 2개의 근전도로부터 사용자의 의도에 따라 8가지의 손동작을 구분함으로써 근전의수의 동작명령을 생성할 수 있었다. 마지막으로 제안한 적외선 소자 기반의 촉각센서는 수직력과 수평력을 독립적으로 동시에 측정 가능하였으며 간단한 미끄러짐 방지 제어를 통해 물체를 안정적으로 파지할 수 있었다.
- KNU 拓nd의 파지능력을 평가하기 위해 근전제어를 제외하고 버튼 입력에 따라 파지동작을 수행하였다. 파지명령은 '폄', , 원형파지', 그리고, 측면파지, 만으로 구성하였다.
대상 데이터
- 능동형 표면 근전도 센서는 60 明의 증폭비와 20 ~ 450 田의 통과대역을 가지도록 제작하였다. 또한 가변증폭, 정류, 감쇠 및 시프트 회로를 이용하여 근전도의 절대 평균값을 얻었으며 문턱치와의 비교에 사용하였다.
- 제안한 촉각센서는 한 개의 발광부(emitter), 두 개의 수광부 (detector), 회로기판(subs顽e), 플런저(plunger), 폴리디메틸 실록산 (PDMS : Polydimethy-Siloxane), 접촉면(surface)으로 구성된다. 발광부는 KODENSHI사의 KEL-0315C로 표면실장 형태의 적외선 발광 다이오드이며, 수광부는 KST-0315A로 표면 실장 형태의 고감도 광 트랜지스터이다. PDMS는 우수한광투과율, 고탄성, 뛰어난 온도 안정성, 생체적합성을 가지고 있다.
데이터처리
- 제안한 캠-롤러 메커니즘의 자동잠김 성능을 정량적으로 평가하기 위해 파지력 측정실험을 수행하였다. 그림 17(a)와같이 KNU hand는 끝점파지를 수행하며 푸쉬-풀 힘 게이지로써 파지력을 측정하였다.
성능/효과
- 적외선 소자 기반의 촉각센서를 제안한다. 수직력과 수평력을 동시에 그리고 독립적으로 측정할 수 있는 설계 구조를 설명하고 실험을 통해 출력 특성을 조사함으로써 제안한 촉각센서의 유효성을 보인다. 이와 함께 새로운 근전의수 (myoelectric hand)를 제안한다.
- 개발한 의수는 새로운 메커니즘을 이용하여 향상된 파지능력을 가지며, 상지 절단 환자가 자신의 의도에 따라 의수를 동작시킬 수 있도록 근전도 인터페이스를 제공한다. 통합 실험에서는 근전의수가 적외선 소자 기반의 촉각센서로부터 측정한 수직력과 수평력을 이용하여 파지력을 제어함으로써 물체의 미끄러짐을 방지할 수 있음을 보인다.
- (그림 1 참조). 첫째, 모든 손가락은 물체와의 접촉면을 증가시키기 위해 독립적인 굴곡이 가능하다. 둘째, 모든 손가락은 외력에 의한 신전을 방지할 수 있도록 자동잠김 기능을 가진다.
- 첫째, 모든 손가락은 물체와의 접촉면을 증가시키기 위해 독립적인 굴곡이 가능하다. 둘째, 모든 손가락은 외력에 의한 신전을 방지할 수 있도록 자동잠김 기능을 가진다. 셋째, 각 손가락에서 세 개의 마디들은 물체와의 접촉면을 늘이기 위해 독립적인 굴곡이 가능하다.
- 둘째, 모든 손가락은 외력에 의한 신전을 방지할 수 있도록 자동잠김 기능을 가진다. 셋째, 각 손가락에서 세 개의 마디들은 물체와의 접촉면을 늘이기 위해 독립적인 굴곡이 가능하다. 넷째, 엄지는 수근 중수 관절(carpometacarpal joint)에서 굴곡/신전과 함께 내전/ 외전이 가능하다.
- 셋째, 각 손가락에서 세 개의 마디들은 물체와의 접촉면을 늘이기 위해 독립적인 굴곡이 가능하다. 넷째, 엄지는 수근 중수 관절(carpometacarpal joint)에서 굴곡/신전과 함께 내전/ 외전이 가능하다. 다섯째, 손목은 굴곡/신전 및 내회전/외회전 기능을 가진다.
- 넷째, 엄지는 수근 중수 관절(carpometacarpal joint)에서 굴곡/신전과 함께 내전/ 외전이 가능하다. 다섯째, 손목은 굴곡/신전 및 내회전/외회전 기능을 가진다. 이와 함께 다음과 같은 제약조건을 가진다.
- 그림 11에서 수직력의 증가 및 감소에 따른 촉각센서의 출력특성 그래프를 보인다. 제안하는 촉각센서의 수직력 출력전압과 인가된 수직력 사이에 비 례적 관계를 확인할 수 있었으며, 약 0 ~ 12 N 사이의 힘을 감지할 수 있었다. 반면에, 수평력의 변화를 감지하기 위 해수 광부 2는 발광부와 마주보는 곳에 위치한다.
- 그림 13에서 수평력의 증가 및 감소에 따른 촉각센서의 출력특성 그래프를 보인다. 이 경우에도 제안하는 촉각센서의 수평력 출력전압과 인가된 수평력 사이에 비 례적 관계를 확인할 수 있었으며, 약 0 ~ 8 N 사이의 힘을 감지할 수 있었다.
- 결국 구간 (1)에서는 물체가 촉각센서와 푸쉬-풀 힘 게이지 사이를 이탈하였으며 수직력과 수평력 출력이 제거되었다. 실험결과를 통하여 제안한 촉각센서가 수직력과 수평력을 동시에 그리고 독립적으로 측정 가능함을 확인할 수 있었다.
- 그림 17(b)에서 보듯이 끝점 파지를 수행하여 약 15 N 정도의 파지력이 측정되었을 때 모터를 위한 전원을 차단하였다. 그럼에도 불구하고 캠- 를러 메커니즘의 자동잠김 기능에 의해 파지력이 유지됨을 확인할 수 있었다.
- 구간 (f)에서는 두 번의 주먹 쥠 동작으로 모드 4로 이동하였으며 그 결과 KNU hand는 구간 (g)-(h)에서 측면파지를 유지한 상태에서 손목의 내회전 및 외회전을 수행하였다. 이와 같이 두 채널의 근전도와 제안한 모드 변환 알고리즘을 이용하여 사용자가 의도하는 다양한 동작을 인식할 수 있었으며 KNU hand를 위한 동작명령을 생성할 수 있었다.
- 다음으로 구간 ©에서 푸쉬-풀 힘 게이지를 이용하여 물체에 아래방향으로 미는 힘을 인가하였다. 그 결과 촉각센서에서 수평력의 변화가 검출되었으며 미끄러짐 방지 제어기는 이에 비례하도록 수직력 기준값을 증가시켰다. 구간 (d)에서는 구간 ©에서 보다 작은 수평력 변화를 유도하였으며 수직력의 증가도 그에 비례하여 조금 증가하였다.
- 마지막으로 구간 (e)에서는 KNU hand가 폄 동작을 수행함으로써 촉각센서의 출력이 초기화 되었다. 이 실험에서 제안한 촉각센서를 근전의수에 적용하여 물체와의 접촉면에서 발생하는 수직력과 수평력을 측정할 수 있었으며 간단한 미끄러짐 방지 제어를 통해 물체를 안전하게 파지할 수 있음을 확인하였다.
- 제안한 모드 변환 알고리즘은 2개의 근전도로부터 사용자의 의도에 따라 8가지의 손동작을 구분함으로써 근전의수의 동작명령을 생성할 수 있었다. 마지막으로 제안한 적외선 소자 기반의 촉각센서는 수직력과 수평력을 독립적으로 동시에 측정 가능하였으며 간단한 미끄러짐 방지 제어를 통해 물체를 안정적으로 파지할 수 있었다.
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