[논문]상지재활로봇의 팔힘측정용 2축 힘센서 설계

김갑순

doi:10.5369/jsst.2015.24.2.137

상지재활로봇의 팔힘측정용 2축 힘센서 설계
Design of a Two-Axis Force Sensor for Measuring Arm Force of an Upper-Limb Rehabilitation Robot 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.24 no.2, 2015년, pp.137 - 143

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design of a two-axis force sensor with two step plate beams for measuring forces in an upper-limb rehabilitation robot. The two-axis force sensor is composed of a Fz force sensor and a Ty torque sensor. The Fz force sensor measures the force applied to a patient's arm pushed by a rehabilitation robot and the force of patient's arm. The Ty torque sensor measures the torque generated by a patient's arm motion in an emergency. The structure of sensor is composed of a force transmitting block, two step plate beams and two fixture blocks. The two-axis force sensor was designed using FEM (Finite Element Method), and manufactured using strain-gages. The characteristics test of the two-axis force sensor was carried out. as a test results, the interference error of the two-axis force sensor was less than 1.24%, the repeatability error of each sensor was less than 0.03%, and the non-linearity was less than 0.02%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 정격용량과 정격출력을 정확하게 맞추기 위해 2단평판보를 이용하여 상지재활로봇의 팔힘측정용 2축힘센서를 설계하였다. 2축 힘센서의 감지부인 2단평판보는 유한요소법을 이용하여 해석되어 보의 크기가 결정되었으며, 스트레인게이지를 부착하여 제작되었다.

제안 방법

개발된 다축 힘센서[5-11]는 감지부를 평행평판보(parallel platebeam) 혹은 단일평판보(one plate beam)로 구성하여 설계하였다. 단일평판보를 이용하여 설계한 경우에는 정격힘과 정격토크를 가할 때 처짐(displacement)이 크게 발생되어 상지재활로봇에 부착하여 사용할 때 제어 등에 문제가 발생될 수 있다.
2축 힘센서의 감지부인 2단평판보는 유한요소법을 이용하여 해석되어 보의 크기가 결정되었으며, 스트레인게이지를 부착하여 제작되었다. 그리고 제작된 2축 힘센서의 특성실험을 실시하였다.
따라서 본 논문에서는 정격용량과 정격출력을 정확하게 맞추기 위해 2단평판보를 이용하여 상지재활로봇의 팔힘측정용 2축힘센서를 설계하였다. 2축 힘센서의 감지부인 2단평판보는 유한요소법을 이용하여 해석되어 보의 크기가 결정되었으며, 스트레인게이지를 부착하여 제작되었다.

대상 데이터

1은 상지재활로봇에 부착된 2축 힘센서를 나타내고 있다. 상지재활로봇은 지지블록(support block), 2축 힘센서(two-axisforce sensor), 팔고정구(arm fixture), 접착천(velcro), 회전모터(rotation motor) 등으로 구성된다. 상지재활로봇은 환자를 재활운동할 때 환자의 팔을 고정구에 접착천을 이용하여 고정시킨 후, 회전모터를 동작시켜 팔을 상하로 회전을 반복한다.

데이터처리

2단평판보를 가진 2축 힘센서와 평판보를 가진 2축 힘센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하여 설계하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성 계수가 210 GPa, 프와송의 비가 0.

성능/효과

본 논문에서는 정격용량과 정격출력을 정확하게 맞추기 위해 2단평판보를 이용하여 상지재활로봇의 팔힘측정용 2축 힘센서를 설계하였다. 2단평판보를 가진 2축 힘센서의 구조가 평판보를 가진 2축 힘센서를 구조보다 센서의 전체 크기, 정격용량, 정격출력을 결정한 후 설계할 경우, 2개의 두께를 변경할 수 있어 설계가 용이함을 확인하였다. 제작한 2단평판보를 가진 2축 힘센서의 최대 상호간섭 오차가 특성실험결과 1.
486 Nm로 해야만 하였다. 결론적으로 2단평판보를 가진 2축 힘센서는 평판보를 가진 2축 힘센서보다 정해진 정격용량과 정격출력으로 쉽게 설계할 수 있었다.
2단평판보를 가진 2축 힘센서의 구조가 평판보를 가진 2축 힘센서를 구조보다 센서의 전체 크기, 정격용량, 정격출력을 결정한 후 설계할 경우, 2개의 두께를 변경할 수 있어 설계가 용이함을 확인하였다. 제작한 2단평판보를 가진 2축 힘센서의 최대 상호간섭 오차가 특성실험결과 1.24%이었고, 최대재현도 오차와 최대 비직선성 오차는 0.03% 이내이었다. 이 결과는 이미 판매하고 있는 다축 힘센서[13]의 그것과 비슷한 수준이므로 장지재활로봇에서 로봇이 팔을 위로 밀어 올리는 힘 혹은 아래로 당기는 힘 Fz와 팔에 큰 힘이 가해지거나 환자가 불편함을 느낄 때 팔을 상하로 움직일 때 발생되는 토크 Ty를 측정하는데 유용하게 사용될 것으로 판단된다.

후속연구

그러므로 상지재활로봇이 전문치료사와 같은 재활운동효과를 발휘하기 위해서는 2축 힘센서가 필수적으로 부착되어야 한다. 본 논문에서는 2축 힘센서의 설계 및 제작에 대해 기술하고, 추후에 상지재활로봇을 설계 및 제작할 예정이다. 상지재활로봇의 2축 힘센서는 z방향의 힘을 측정하는 Fz 힘센서와 y방향의 토크를 측정하는 Ty 토크센서가 한 몸체로 구성되도록 설계해야 한다.
03% 이내이었다. 이 결과는 이미 판매하고 있는 다축 힘센서[13]의 그것과 비슷한 수준이므로 장지재활로봇에서 로봇이 팔을 위로 밀어 올리는 힘 혹은 아래로 당기는 힘 Fz와 팔에 큰 힘이 가해지거나 환자가 불편함을 느낄 때 팔을 상하로 움직일 때 발생되는 토크 Ty를 측정하는데 유용하게 사용될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	뇌졸중환자의 회복은 무엇으로 이루어지는가?	뇌졸중환자의 경우 대부분 왼쪽 혹은 오른쪽의 상지를 사용하기 불편한 정도의 장애가 발생되고, 심할 경우에는 양쪽의 상지를 사용할 수 있는 경우도 발생된다. 이런 환자가 재활병원에서 재활훈련을 받으면 일상생활에 문제가 없을 정도로 회복되는 경우가 많다. 재활병원에서 전문치료사가 상지의 재활운동을 시킬 때는 재활운동의 효과를 높이기 위해 적당한 힘으로 굽히고 펴는데, 이때 힘은 환자의 표정을 보는 동시에 전문적인 지식 및 경험에서 얻은 것을 바탕으로 조절한다.
	상지재활로봇의 구성은 어떠한가?	1은 상지재활로봇에 부착된 2축 힘센서를 나타내고 있다. 상지재활로봇은 지지블록(support block), 2축 힘센서(two-axisforce sensor), 팔고정구(arm fixture), 접착천(velcro), 회전모터(rotation motor) 등으로 구성된다. 상지재활로봇은 환자를 재활운동할 때 환자의 팔을 고정구에 접착천을 이용하여 고정시킨 후, 회전모터를 동작시켜 팔을 상하로 회전을 반복한다.
	뇌졸중환자에게 발생하는 증상은 무엇인가?	뇌졸중환자의 경우 대부분 왼쪽 혹은 오른쪽의 상지를 사용하기 불편한 정도의 장애가 발생되고, 심할 경우에는 양쪽의 상지를 사용할 수 있는 경우도 발생된다. 이런 환자가 재활병원에서 재활훈련을 받으면 일상생활에 문제가 없을 정도로 회복되는 경우가 많다.

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