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문제 정의
- 로봇이 동작할 때에는 로봇 기구에 부착된 2축 힘센서(x방향의 힘을 측정하는 Fx 힘센서와 y방향의 힘을 측정하는 Fy 힘센서)로부터 각 손가락에 가해지는 힘들을 측정하고, 그 측정된 힘을 이용하여 힘제어를 실시 한다. 단축 힘센서와 2축 힘센서는 상용화된 힘센서를 로봇기구에 부착할 수 없으므로 본 논문에서 개발하고자 한다.
제안 방법
- 4개 손가락용 2축 힘센서의 정격출력을 결정하고, 비직선성오차, 재현성오차, 상호간섭오차를 계산하기 위한 특성실험은 Fig. 5의 (c)와 (d)교정장치[12]를 이용하여 2축 힘센서의 Fx 힘센서와 Fy 힘 센서에 10 N 부터 100 N 까지 10 N 단계로 증가 및 감소순으로 힘을 가하여 각각 3회씩 실시하였다. 각 힘센서의 정격출력은 100 N일 때의 출력값을 평균하여 결정하였고, Fx 힘센서의 정격출력은 0.
- 4개 손가락 힘측정용 2축 힘센서는 Fig. 7의 (a)에 나타낸 것과 같이 한 몸체에 x방향의 힘을 측정하는 Fx센서와 y 방향의 힘을 측정하는 Fy센서로 설계하였고, 이것은 2개의 평행평판보(PPB1과 PPB2), 상부블록, 중간블록, 좌측블록으로 구성되었다. 좌측블록을 고정하고 상부블록에 힘을 가하면 2개의 평행평판보에 힘이 전달된다.
- 03 % 이내이었다. 4개 손가락용 2축 힘센서는 Fx 힘센서와 Fy 힘센서가 한 몸체에 구성되도록 설계하였고, 특성실험결과 그것의 비직선성오차, 재현성오차, 상호간섭오차는 각각 0.05 %, 0.03 %, 0.2 % 이내이었다. 이들 힘센서들은 기존에 개발된 단축 및 다축 힘센서[7-9]의 비직선성오차, 재현성오차, 상호간섭오차와 비슷한 것으로 평가되므로 엄지손가락 재활로봇 및 4개 손가락 재활로봇의 힘센서로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- Fig. 5의 (b)는 단축 힘센서의 각도변화에 따른 특성실험장치를 나타내고 있고, 특성실험은 손가락 운동링크(단축 힘센서)가 수평인 상태인 0˚에서 ±40˚까지 10˚간격으로 제어장치를 이용하여 전후이송기구와 좌우이송기구를 동작시켜 단축 힘센서를 회전시키고 제어장치의 LCD로 출력값을 측정하는 방법으로 실시하였다.
- 그러므로 엄지손가락용 단축 힘센서의 힘 F가 가해지는 각도변화에 따른 출력이 이론값과 같이 출력되는지를 확인하기 위한 각도실험을 실시하였다. Fig.
- 엄지손가락용 단축 힘센서는 크기 등을 고려하여 로봇의 기구에 직접 센서를 설계하고 스트레인게이지를 부착하여 제작하였다. 그리고 4개 손가락용 2축 힘센서는 센서 자체의 구조로 설계하였고 스트레인게이지를 부착하여 제작하였다. 이들 센서를 각각 특성평가하였다.
- 따라서 본 논문에서는 뇌졸중 환자의 엄지손가락 재활로봇용 단축 힘센서와 4개 손가락 재활로봇에 부착되는 각 손가락용 4개의 2축 힘센서를 개발하였다. 엄지손가락용 단축 힘센서는 크기 등을 고려하여 로봇의 기구에 직접 센서를 설계하고 스트레인게이지를 부착하여 제작하였다.
- 본 논문에서는 본 논문의 저자가 개발중인 뇌졸중 환자의 엄지손가락 재활로봇 기구에 부착되는 단축 힘센서와 4개 손가락 재활로봇 기구에 부착되는 각 손가락용 4개의 2축 힘센서를 개발하였다. 엄지손가락용 단축 힘센서는 엄지손가락 재활로봇의 크기 및 용량에 맞도록 설계 및 제작하였고, 특성실험결과 그것의 비직선성오차와 재현성오차는 각각 0.
- 엄지손가락 재활로봇은 로봇의 구조상 힘측정 및 전달기구의 손가락 운동링크에 직접 엄지손가락용 단축 힘센서를 설계 및 제작하였다. 이 센서는 Fig.
- 따라서 본 논문에서는 뇌졸중 환자의 엄지손가락 재활로봇용 단축 힘센서와 4개 손가락 재활로봇에 부착되는 각 손가락용 4개의 2축 힘센서를 개발하였다. 엄지손가락용 단축 힘센서는 크기 등을 고려하여 로봇의 기구에 직접 센서를 설계하고 스트레인게이지를 부착하여 제작하였다. 그리고 4개 손가락용 2축 힘센서는 센서 자체의 구조로 설계하였고 스트레인게이지를 부착하여 제작하였다.
- 그리고 4개 손가락용 2축 힘센서는 센서 자체의 구조로 설계하였고 스트레인게이지를 부착하여 제작하였다. 이들 센서를 각각 특성평가하였다.
대상 데이터
- 3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 격자(mesh) 크기는 해석하고자 하는 평행평판보를 길이방향으로는 0.5 mm, 두께방향으로는 4등분, 폭방향으로는 8등분하였다.
- 단축 힘센서는 Fig. 2의 (b)에 나타낸 스트레인게이지 부착위치에 스트레인게이지(N2A-13-S1452-350, micro-measurement company사 제작, 게이지 상수 2.03, 크기 35.2 mm)를 순간접촉 제(M-200)를 이용하여 부착하고 휘스톤브리지를 구성하여 제작하였으며, Fig. 4는 제작된 단축 힘센서의 사진을 보이고 있다.
- 링크(센서)의 크기가 길이 118 mm, 높이 28 mm, 폭 9 mm 이고, 스트레인게이지의 부착위치가 길이 방향으로는 1.5 mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지의 부착위치에서의 변형률은 약 250 μm/m 로 결정하였다.
- 센서의 크기가 길이 42 mm, 높이 25 mm, 폭 12 mm 이고, 스트레인게이지의 부착위치가 길이 방향으로는 1.5 mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지의 부착위치에서의 변형률은 약 250 μm/m 로 결정하였다.
- 엄지손가락 재활로봇기구용 단축 힘센서는 Fig. 2의 (a)에 나타낸 것과 같이 운동용 링크의 본체에 직접 제작하였고, 이것은 1개의 평행평판보(PPB)로 구성되었다. 평행평판보의 크기는 길이 l, 두께 t, 폭 b이다.
- 단축 힘센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70 GPa, 프와송의비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 격자(mesh) 크기는 해석하고자 하는 평행평판보를 길이방향으로는 0.
데이터처리
- 5 mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지의 부착위치에서의 변형률은 약 250 μm/m 로 결정하였다. 2축 힘센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70 GPa, 프와송의비가 0.
이론/모형
- 단축 힘센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70 GPa, 프와송의비가 0.
성능/효과
- 54821 mV/V이었다. Fx 힘센서의 오차는 유한요소해석 결과인 0.49938 mV/V을 기준으로 계산한 결과, 1.92 % 이내이었고, Fy 힘센서의 오차는 유한요소해석 결과인 0.53491 mV/V을 기준으로 계산한 결과, 2.49 % 이내이었다. 이와 같은 오차는 유한요소법 해석오차, 가공오차, 스트레인게이지 부착오차 등으로 생각된다.
- 5의 (c)와 (d)교정장치[12]를 이용하여 2축 힘센서의 Fx 힘센서와 Fy 힘 센서에 10 N 부터 100 N 까지 10 N 단계로 증가 및 감소순으로 힘을 가하여 각각 3회씩 실시하였다. 각 힘센서의 정격출력은 100 N일 때의 출력값을 평균하여 결정하였고, Fx 힘센서의 정격출력은 0.50898 mV/V 이었고, Fy 힘센서의 정격출력은 0.54821 mV/V이었다. Fx 힘센서의 오차는 유한요소해석 결과인 0.
- Kim[5]이 개발한 다축힘센서는 기둥에 스트레인게이지를 부착하고 휘스톤브리지를 구성하여 제작하였고, 이 구조는 정격용량이 100 N 이상만 설계할 수 있다. 그리고 무게가 1 kg 이상으로 산업체에서 비교적 큰 힘과 모멘트를 측정할 수 있으나 본 논문에서 제작하는 손가락 재활로봇의 기구에는 부착할 수 없을 뿐만 아니라 정확한 힘을 측정할 수 없다. K.
- 유한요소법을 이용하여 2축 힘센서를 설계한 결과, 평행평판보 PPB1의 길이 l1은 10 mm, 두께 t2 는 2.1 mm, 폭 b2 는 12 mm 이었고, 평행평판보 PPB2의 길이 l2은 8 mm, 두께 t2 는 1.9 mm, 폭 b2 는 12 mm 이었다. 유한요소해석 결과를 토대로 2축 힘센서의 스트레인게이지 부착위치를 결정하였으며, 그것을 Fig.
후속연구
- 6 % 이내였고, 이것은 시스템의 기계적인 갭오차, 단축 힘센서의 오차 등에 의한 것으로 생각된다. 따라서 본 논문에서 제작한 단축 힘센서는 엄지손가락 재활로봇에서 엄지손가락에 가해지는 힘을 측정하기 위해 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 참고문헌[10, 11]는 비교적 손가락 재활로봇에 적합한 정격용량의 상용화된 센서는 있으나 크기와 모양이 재활로봇에 부착하기가 적합하지 않고 가격이 고가(수백만원)이므로 사용하기 어렵다. 따라서 위의 기 개발된 다축 힘센서들은 본 논문의 저자가 설계한 직교형 손가락 재활로봇기구의 구조에 크기 및 용량이 적합하지 않으므로 새로운 구조로 개발해야 한다.
- 2 % 이내이었다. 이것들은 기존에 개발된 센서[5-9]의 오차와 비슷하므로 엄지손가락 재활로봇의 힘측정 센서로 활용될 수 있을 것으로 판단다. Fig.
- 03 % 이내이었다. 이것은 기존에 개발된 센서[5-9]의 오차와 비슷하므로 엄지손가락 재활로봇의 힘측정 센서로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 2 % 이내이었다. 이들 힘센서들은 기존에 개발된 단축 및 다축 힘센서[7-9]의 비직선성오차, 재현성오차, 상호간섭오차와 비슷한 것으로 평가되므로 엄지손가락 재활로봇 및 4개 손가락 재활로봇의 힘센서로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 추후 연구는 개발한 엄지손가락용 단축 힘센서와 4개 손가락용 2축 힘센서를 손가락 재활로봇에 장착하고, 이 로봇이 뇌졸중환자의 손가락 재활운동에 활용될 수 있는지를 확인하는 것이다.
- 이들 힘센서들은 기존에 개발된 단축 및 다축 힘센서[7-9]의 비직선성오차, 재현성오차, 상호간섭오차와 비슷한 것으로 평가되므로 엄지손가락 재활로봇 및 4개 손가락 재활로봇의 힘센서로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 추후 연구는 개발한 엄지손가락용 단축 힘센서와 4개 손가락용 2축 힘센서를 손가락 재활로봇에 장착하고, 이 로봇이 뇌졸중환자의 손가락 재활운동에 활용될 수 있는지를 확인하는 것이다.
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