[논문]손목에 가해지는 힘측정을 위한 4축 힘/모멘트센서 설계

홍태경; 김갑순

doi:10.5302/j.icros.2013.13.1924

손목에 가해지는 힘측정을 위한 4축 힘/모멘트센서 설계
Design of a Four-axis Force/Moment Sensor for Measuring the Applied Force to Wrist 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.19 no.11, 2013년, pp.1011 - 1016

홍태경 (경상대학교 제어계측공학과, ERI) , 김갑순 (경상대학교 제어계측공학과, ERI)

Abstract ▼ AI-Helper

Patients have the paralysis of their wrists, and can't use of their wrists freely. But their wrists can be recovered by wrist-bending rehabilitation exercise. Professional rehabilitation therapeutists exercise the wrists of patients in hospital. But the wrists of patients have not exercised enough for the rehabilitation, because the therapeutists are much less than patients in number. Therefore, the wrist rehabilitation robot should be developed, and it have to measure the applied force to the patients' wrists for their safety. In this paper, the four-axis force/moment sensor was designed for the wrist rehabilitation robot. As a test results, the interference error of the four-axis force/moment sensor was less than 0.91%. It is thought that the sensor can be used to measure the applied force to the patients' wrists.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 재활운동을 위한 손목재활로봇에 부착되어 손목의 굽힘력과 모멘트를 측정할 수 있는 4축 힘/모멘트센서를 개발한다. 4축 힘/모멘트센서를 모델링하였고, 유한요소법(FEM analysis)을 이용하여 4축 힘/모멘트센서를 설계 및 제작하였으며, 센서의 특성실험을 실시하였다.
손목굽힘 재활로봇의 본체는 추후에 기술할 예정이고 본 논문에서는 4축 힘/모멘트센서의 설계 및 제작에 대해 기술한다.

제안 방법

그리고 그림 7(b)는 x방향의 힘을 가하는 모습(4축 힘/모멘트센서의 힘/모멘트전달블록의 중앙에 기준 힘센서가 부착된 밀음장치가 밍어서 힘 Fx를 가함), (c)는 y방향의 힘을 가하는 모습(4축 힘/모멘트센서의 힘/모멘트전달블록의 중앙에 기준 힘센서가 부착된 밀음장치가 밀어서 힘 Fy를 가함), (d)는 x방향의 모멘트을 가하는 모습(4축 힘/모멘트센서의 힘/모멘트전달블록의 중앙으로부터 200 mm 길이의 암을 기준 힘센서가 부착된 밀음장치가 밀어서 모멘트 Mx를 가함), (e)는 y방향의 모멘트을 가하는 모습(4축 힘/모멘트센서의 힘/모멘트전달블록의 중앙으로부터 200 mm 길이의 암을 기준 힘센서가 부착된 밀음장치가 밀어서 모멘트 My를 가함)을 각각 나타내고 있다. 4축 힘/모멘트센서는 정격 힘인 Fx=Fy=100N, 정격 모멘트인 Mx=3Nm, My=5Nm을 각각 가하고 정격출력을 측정하였고, 총 세 번을 실시하여 평균값을 각 센서의 정격출력으로 결정하였다.
따라서 본 논문에서는 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 재활운동을 위한 손목재활로봇에 부착되어 손목의 굽힘력과 모멘트를 측정할 수 있는 4축 힘/모멘트센서를 개발한다. 4축 힘/모멘트센서를 모델링하였고, 유한요소법(FEM analysis)을 이용하여 4축 힘/모멘트센서를 설계 및 제작하였으며, 센서의 특성실험을 실시하였다.
4축 힘/모멘트센서를 설계하기 위한 설계변수의 정격출력은 약 0.5 mV/V, 정격하중은 힘 Fx, Fy 센서가 각각 100 N, 모멘트 Mx 센서가 3 Nm, My 센서가 5 Nm이고, 각 스트레인게이지의 부착위치가 길이 방향으로는 1.5 mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지 부착위치에서의 변형률은 약 250 um/m로 결정하였다. 그리고 센서의 크기는 부착되는 스트레인게이지의 크기 (3×5.
4축 힘/모멘트센서의 재현도오차와 비직선성오차를 계산하기 위해 Fx 센서와 Fy 센서는 하중 10 N부터 10 N 단위로 100 N까지 증가순과 감소순으로 가하였고, Mx 센서는 0.3 Nm 단위로, My 센서는 0.5 Nm 단위로 증가순과 감소순으로 각각의 모멘트를 가하였으며, 이때 출력되는 값을 측정하였다. 표 4는 4축 힘/모멘트센서의 재현도오차와 비직선성오차를 나타낸 것이고, 각 센서의 최대 재현도오차와 최대 비직선성오차는 0.
그리고 센서의 크기는 부착되는 스트레인게이지의 크기 (3×5.2 mm)를 고려하여 평판보의 길이를 10 mm, 각 보의 폭은 b1=20 mm, b2=12 mm로 결정하였고, 전체의 크기는 손목재활로봇에 부착하기 적합하도록 가로, 세로, 높이가 104×20×20 mm이다.
손목굽힘 재활로봇을 이용한 손목굽힘운동은 환자의 오른 손을 손바닥이 지면과 수직으로 세워 손고정블록에 접착천(velcro)을 이용히여 고정한 후 팔을 팔고정블록에 접착천을 이용하여 고정한다. 그리고 손목굽힘모터를 동작시켜 손목을 안쪽과 바깥쪽으로 반복하여 회전시키고, 이 때 손목에 가해지는 힘을 4축 힘/모멘트센서를 이용하여 측정하며, 측정결과를 이용하여 설정된 힘까지만 회전력을 손목에 가할 수 있도록 제어한다.
본 논문에서는 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 재활로봇에 부착되어 손목굽힘력을 측정할 수 있는 4축 힘/모멘트 센서를 설계하였다. 제작한 4축 힘/모멘트센서의 최대 상호간섭오차가 특성실험결과 0.
이 센서의 형태와 크기(104×20×20 mm)는 추후에 개발할 손목굽힘 재활로봇에 부착하기 적합하도록 모델링하였다.

대상 데이터

3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 격자(mesh) 크기는 해석하고자 하는 평행평판보를 길이방향으로는 0.5mm, 두께방향으로는 3등분하였다.
힘 Fx의 용량을 결정하기 위한 실험에서 통증을 느끼는 힘을 측정한 것은 전문치료사가 재활운동시 통증 4축 힘/모멘트센서의 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

정격 힘 Fx는 성인의 손목을 굽히고 펴는 실험에서 통증을 느끼는 힘이 100 N 이하, 정격 힘 Fy는 테이블 위에 손바닥이 수평면을 향하게 위치시키고 아래쪽으로 누르는 힘을 측정하였을 때 100 N 이하, 정격 모멘트 Mx는 손바닥이 수평면을 향하게 위치시키고 새끼손가락 부분과 손목부분으로 지면을 눌렀을 때 3 Nm 이하, 정격 모멘트 My는 손바닥이 수평면을 향하게 위치시키고 손가락 끝부분과 손목부분으로 수평방향으로 눌렀을 때 5 Nm 이하이었으므로 각각의 힘과 모멘트를 실험한 값들을 기준으로 결정하였다. 힘 Fx의 용량을 결정하기 위한 실험에서 통증을 느끼는 힘을 측정한 것은 전문치료사가 재활운동시 통증 4축 힘/모멘트센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70 GPa, 프와송의비가 0.

성능/효과

91% 이하이었다. 개발한 센서는 최대 상호간섭오차, 센서의 크기 및 정격용량이 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 재활로봇에 적합하고, 또한 손목굽힘력 및 긴급상황을 위한 힘과 모멘트를 측정하기에 적합한 것으로 판단된다. 추후연구로는 제작한 4축 힘/모멘트센서가 부착된 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 재활로봇을 개발하여 환자의 손목굽힘운동에 적용하는 것이다.
유한요소해석 결과의 정격출력은 표 1의 정격변형률을 식 (2)에 적용하여 계산된 것이고, 실험에 의한 정격출력은 본 논문에서 특성실험한 결과를 나타내고 있다. 유한요소해석 결과를 기준으로 유한요소 해석 결과의 오차는 최대 6.17%이었다. 이들 오차는 스트레인게이지의 부착오차, 감지부의 가공오차, 유한요소 소프트웨어의 고유오차 등으로 생각된다.
0 mm지점이었다. 즉, 정격 힘 Fx와 Fy를 가했을 경우에는 힘/모멘트전달블록의 반대쪽 부분에 변형률이 크게 발생되고, 정격 모멘트 Mx와 My를 가했을 경우에는 힘/모멘트전달블록의 가까운 부분에 변형률이 크게 발생하였다. 그러므로 힘센서들의 스트레인게이지 부착 위치는 정격 힘들을 가했을 때 변형률이 크게 발생된 부분으로 결정해야하고, 모멘트 센서들도 마찬가지로 결정해야 한다.

후속연구

개발한 4축 힘/모멘트센서는 가격이 저렴하고, 크기가 104×20×20 mm로 손목굽힘 재활로봇용으로 적합하며, 손목굽힘 재활로봇이 개발완료되면 수입대체효과가 기대된다.
개발한 센서는 최대 상호간섭오차, 센서의 크기 및 정격용량이 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 재활로봇에 적합하고, 또한 손목굽힘력 및 긴급상황을 위한 힘과 모멘트를 측정하기에 적합한 것으로 판단된다. 추후연구로는 제작한 4축 힘/모멘트센서가 부착된 중증뇌졸중환자의 손목굽힘 재활로봇을 개발하여 환자의 손목굽힘운동에 적용하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상지재활로봇의 단점은 무엇인가?	Kim [3]은 경미한 뇌졸중환자의 상지재활운동을 위한 6자유도 재활로봇을 개발하였고, 이 로봇은 환자가 재활로봇의 의자에 앉아 양팔을 로봇에 고정하고 근력을 강화하는 재활운동을 할 수 있도록 설계되었다. 이와 같이 이미 개발된 상지재활로봇은 다축 힘/모멘트센서가 부착되지 않아 손목에 굽힘을 주기 위한 힘제어를 수행할 수 없을 뿐만 아니라 재활운동시 긴급상황이 발생되었을 때 힘 혹은 모멘트를 감지할 수 없으므로 환자의 안전을 보장할 수 없다. 그러므로 중증뇌졸중환자의 손목굽힘운동을 수행하는 손목굽힘 재활로봇은 다축 힘/모멘트센서가 부착되어야 한다.
	손목재활로봇 및 기구에 대한 연구에는 무엇이 있는가?	이와 같은 문제를 해결하기 위해 손목재활로봇 및 기구가 개발되었다. Culmer [1]는 스스로 움직일 수 있는 경미한 뇌졸중환자가 로봇의 의 의자에 앉아서 안전하게 상지(손목, 팔, 어깨)재활운동을 수행할 수 있는 재활로봇을 개발하였고, 이 로봇은 2대의 로봇을 결합하여 하나의 6자유도 로봇을 구성하였으며, 이 로봇의 제어에 관해 연구하였다. Pan [2]는 경미한 뇌졸중환자가 로봇의 의자에 앉아서 팔꿈치 재활운동을 할 수 있는 3자유도 상지재활로봇을 개발하였고, 퍼지제어로 안전하게 제어하는 것에 관해 연구하였다. Kim [3]은 경미한 뇌졸중환자의 상지재활운동을 위한 6자유도 재활로봇을 개발하였고, 이 로봇은 환자가 재활로봇의 의자에 앉아 양팔을 로봇에 고정하고 근력을 강화하는 재활운동을 할 수 있도록 설계되었다. 이와 같이 이미 개발된 상지재활로봇은 다축 힘/모멘트센서가 부착되지 않아 손목에 굽힘을 주기 위한 힘제어를 수행할 수 없을 뿐만 아니라 재활운동시 긴급상황이 발생되었을 때 힘 혹은 모멘트를 감지할 수 없으므로 환자의 안전을 보장할 수 없다.
	중증뇌졸중환자의 손목 재활치료를 하는데 있어 어떤 어려움이 있는가?	이와 같은 환자는 국내뿐만 아니라 국외에서도 점점 증가하는 추세이다. 중증뇌졸중환자의 손목 재활치료는 재활전문의사, 치료사 등이 주기적으로 실시하고 있으나 급속히 증가하는 환자를 감당하기 어려우므로 환자들이 충분한 치료를 받지 못하는 경우가 발생되고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 손목재활로봇 및 기구가 개발되었다.

참고문헌 (8)

P. R. Culmer, A. E. Jackson, S. Makower, R. Richardson, J. A. Cozens, M. C. Levesley, and B. B. Bhakta, "A control strategy for upper limb robotic rehabilitation with a dual robot system," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 15, no. 4, pp. 575-585, Aug. 2010.

상세보기
L. Pan, A. Song, G. Xu, H. Li, H. Zeng, and B. Xu, "Safety supervisory strategy for an upper-limb rehabilitation robot based on impedance control," International Journal of Advanced Robotic Systems, vol. 10, pp. 1-12, 2013.
H. C. Kim, L. M. Miller, I. Fedulow, M. Simkins, G. M. Abrams, N. Byl, and J. Rosen, "Kinematic data analysis for post-stroke patients following bilateral versus unilateral rehabilitation with an upper limb wearable robotic system," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 21, no. 2, pp. 153-164, 2013.

상세보기
Y. G. Kim and G. S. Kim, "Design of six-axis force/moment sensor for ankle-rehabilitation robot," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 19, no. 4, pp. 357-363, 2013.

원문보기 상세보기
G. S. Kim, "Development of cylindrical-type finger force measuring system using two-axis force/moment sensor and its characteristic evaluation," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 5, pp. 484-489, 2011.

원문보기 상세보기
G. S. Kim and J. J. Park, "Development of the 6-axis force/moment sensor for an intelligent robot's gripper," Sensors and Actuators A, vol. 118, pp. 127-134, 2005.

상세보기
ATI Industrial Automation, "Multi-axis forcre/torque sensor," Ati Industrial Automation, pp. 4-45, 2005.
G. S. Kim and J. W. Yoon, "Development of calibration system for multi-axis force/moment sensor and its uncertainty evaluation," KSPE, vol. 24, no. 10, pp. 91-98, 2007.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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