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문제 정의
- 여기서 외부에 가해지는 힘의 측정은 가볍고 얇아 손가락 모형 끝 단에 장착하기 쉬운 FlexiForce® 힘 센서를 사용하였다. 우선 IPMC 구동체와 센서가 하이브리드 구조체로서 손가락 모형에 장착되는 모습과 특성에 대하여 설명하고, 손가락 외골격을 동작시킬 때 적용한 동작 의도의 개념에 대해 설명하기로 한다.
- 본 논문에서는 EAP의 일종인 IPMC를 사용하여 1자유도를 갖는 손가락 외골격의 동작을 제어하고자 하였다. 먼저 IPMC를 이용하여 손가락 관절을 구부리고 펴는 동작을 유도하는 구동기로 활용하였고, block force 제어를 위하여 1차 전달함수로 근사화한 모델에 PI 제어기를 이용하여 200 gf의 block force를 제어하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 EAP의 구동기와 센서의 기능을 이용하여 손가락 외골격의 굽힘을 유도하고 힘을 제어하였다. 이를 위하여 1 자유도의 손가락 모형(dummy)의 관절 상에 구동기와 센서를 부착한 하이브리드 구조체로 굽힘 의도를 감지한 후 움직임을 유도하고 외부 물체에 가하는 큰 힘을 제어할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 EAP의 구동기와 센서의 기능을 이용하여 손가락 외골격의 굽힘을 유도하고 힘을 제어하였다. 이를 위하여 1 자유도의 손가락 모형(dummy)의 관절 상에 구동기와 센서를 부착한 하이브리드 구조체로 굽힘 의도를 감지한 후 움직임을 유도하고 외부 물체에 가하는 큰 힘을 제어할 수 있도록 하였다.
- IPMC의 일정 전압에 대한 힘의 전달함수를 구하기 위해서 DC 3 V를 200초간 인가하였다. 여기서 주의할 내용으로 IPMC 구동체에 3.
- IPMC의 일정 전압에 대한 힘의 전달함수를 구하기 위해서 DC 3 V를 200초간 인가하였다. 여기서 주의할 내용으로 IPMC 구동체에 3.5 V 이상의 전압이 인가되면 전극의 표면에 수포가 발생하면서 내부 수분이 빠르게 배출되고, 이 수분의 증발은 구동 성능을 약화시키는 특성이 있으므로 실험중 안정적인 특성을 보기 위하여 3 V를 인가하였다. 그 결과 느린 응답 특성을 보이면서 최종 193 gf만큼 힘이 증가하였다.
- 앞에서 구한 전달함수 G(s)를 기반으로 set point 200 gf에 대하여 연산 증폭기를 이용한 비례적분 회로를 구현하여 제어 실험을 수행하였다. 전달함수 G(s)의 매우 느린 응답특성으로 인한 적분기 오차의 누적 현상을 피하기 위하여 Fig.
- 제어기의 이득들은 MATLAB®의 시뮬레이션을 이용하여 얻은 Kp=5, Ti=10, Tt=2로 설정하였고 IPMC 구동체에 3.5 V 이상의 전압이 인가되지 않도록 구동 전압을 제한하였다.
- IPMC에 굽힘을 유도하기 위하여 Fig. 8에서 보인 바와 같이 스테핑 모터를 활용하여 시편의 tip을 최소 10 µm의 분해능으로 밀 수 있도록 구성하였다.
- 8에서 보인 바와 같이 스테핑 모터를 활용하여 시편의 tip을 최소 10 µm의 분해능으로 밀 수 있도록 구성하였다. 그리고 시편이 구부러질 때 발생하는 신호를 측정하기 위해 Texas Instruments사의 계측용 증폭기 INA121P를 사용하여 전압 이득을 99.4배로 설정하였다. 추가적으로 외부의 전기적, 기계적 노이즈를 줄이기 위하여 Fig.
- 3 Hz의 저역통과필터를 증폭기 전단에 설치하였다. 센서와 구동체를 하이브리드 구조체로 활용하기 위하여 변위센서용 시편을 IPMC 구동체가 실제로 휘어질 때의 동일한 형태를 유지하도록 구동체에 밀착시켰고 실험 시 구동체에는 전압을 인가하지 않았다. 그리고 구동체와는 전기적으로 절연시켰으며 습도나 온도와 같은 외부 영향으로부터 차단하기 위하여 parafilm으로 감쌌다.
- 시편의tip 변위 5 mm에 대한 속도 별 응답 특성을 보기 위해 1~5 mm/s의 구간에서 속도를 1mm/s씩 증가하면서 tip에 굽힘을 유도하였다. 이때 각각의 속도에서 3회씩 굽힘을 유도하고 출력 전압을 측정하였다.
- 시편의tip 변위 5 mm에 대한 속도 별 응답 특성을 보기 위해 1~5 mm/s의 구간에서 속도를 1mm/s씩 증가하면서 tip에 굽힘을 유도하였다. 이때 각각의 속도에서 3회씩 굽힘을 유도하고 출력 전압을 측정하였다. 그 결과 Fig.
- FlexifForce®를 이용하여 힘을 측정하기 위해 차단주파수 4.5 Hz의 Sallen-Key 2차 저역통과필터와 이득9의 증폭 회로를 구성하였다.
- 앞의 IPMC 구동체와 센서를 가지고 이를 손가락 모형에 장착하여 외부에 일정 힘을 가하는 실험을 시도하였다. 여기서 외부에 가해지는 힘의 측정은 가볍고 얇아 손가락 모형 끝 단에 장착하기 쉬운 FlexiForce® 힘 센서를 사용하였다.
- 첫 번째는, 손가락 끝 단의 미소한 움직임으로 인한 IPMC센서 전압이 일정 시간 동안 일정값을 넘어가면 이를 손가락 굽힘 의도로 간주하며 두 번째는, 손가락이 물체에 힘을 가하는 중에 손가락 끝 단에 부착된 FlexiForce® 센서 전압이 일정 시간 동안 일정량 이상 감소할 경우 이를 손가락폄 의도로 간주하는 것이다.
- 실험에서는 손가락 끝 단의 변위가 5 mm 이상을 1초 이상 유지할 경우 손가락 굽힘 의도로 간주하였으며, 손가락 끝 단이 물체에 접촉하면서 누르는 힘이 10 gf 이상을 1초 이상 유지할 경우 힘 제어가 시작될 수 있도록 하였다. 그리고 누르는 힘이 10 gf 이상의 감소를 1초 이상 유지할 경우 손가락 폄 의도로 간주하였다.
- 손가락 외골격을 활용한 실험을 위해 손가락끝 단에 인위적으로 5 mm 이상의 움직임을 주어 굽힘 운동을 야기시킨 후 물체에 40 gf의 힘 제어가 이루어질 수 있도록 하였다. 이 후 힘의 감소를 유발시켜 손가락이 펴지도록 하였다.
- 14 내의 작은 그래프) 이후 손가락 끝 단이 이동하여 물체와 접촉하면서 67초 부근에서 10 gf 이상의 block force가 1초 이상 유지되어 block force제어기가 동작되고, 제어 시작 후 65초가 경과한 뒤에 40 gf 에 도달함을 알 수 있다. 177초 부근에서 폄 의도를 감지시키기 위하여 손가락 끝단에 약한 외력을 가하여 block force 를 10 gf 이상을 떨어뜨려 1초간 유지하였다. 이로 인하여 –3 V의 역전압이 구동체에 인가되어 block force가 빠르게 감소 됨을 볼 수 있다.
- 본 논문에서는 EAP의 일종인 IPMC를 사용하여 1자유도를 갖는 손가락 외골격의 동작을 제어하고자 하였다. 먼저 IPMC를 이용하여 손가락 관절을 구부리고 펴는 동작을 유도하는 구동기로 활용하였고, block force 제어를 위하여 1차 전달함수로 근사화한 모델에 PI 제어기를 이용하여 200 gf의 block force를 제어하였다. 또한 IPMC를 센서로 활용하기 위하여 굽힘에 따른 tip 변위에 대한 출력 전압 관계식을 유도하였다.
- 먼저 IPMC를 이용하여 손가락 관절을 구부리고 펴는 동작을 유도하는 구동기로 활용하였고, block force 제어를 위하여 1차 전달함수로 근사화한 모델에 PI 제어기를 이용하여 200 gf의 block force를 제어하였다. 또한 IPMC를 센서로 활용하기 위하여 굽힘에 따른 tip 변위에 대한 출력 전압 관계식을 유도하였다. 그리고 이를 이용하여 IPMC 구동체와 센서를 포갠 하이브리드 구조체로 손가락 모형에 장착한 후 정해진 동작 절차를 수행하도록 제어하여 원하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 10과 같이 전압은 일정 속도에서는 변위에 따라 선형적인 특성을 보였지만 속도가 증가할수록 기울기가 약간 증가함을 보이고 있다. 변위 5 mm에 대한 최종 평균 증분은 속도에 따라 16.5~21.3 mV로 측정되었고, tip 변위에 대한 IPMC 센서전압으로부터 최소 자승법을 이용하여 선형식(2)를 산출하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 EAP 중 4 V 이하의 낮은 구동 전압에서도 큰 변위가 발생하며 외력에 의한 변형 감지 특성을 갖는 전기활성 고분자의 일종인 이온성 고분자-금속 복합체 (ionic polymer metal composites, IPMCs)를 사용하였다. IPMC의 구조는 표면 전극층과 고분자-금속 복합체층 그리고 양이온 교환막인 Nafion (Dupont®, Wilmington, U.
- IPMC의 입력전압과 출력 block force의 관계를 모델링을 하기 위하여 Fig. 3과 같이 폭 20 mm, 길이 50 mm 그리고 두께 2.4 mm의 IPMC 2장과 힘 측정을 위한 로드셀을 사용하였다. 로드셀과 컨디셔닝 회로는 Transducer Techniques사의 최대 500 gf의 힘 측정이 가능한 GSO-500과 동일 제조사의 TMO-1을 이용하였다.
- 그리고 계수 Tt는 적분항이 동적으로 초기화되는 시정수를 의미하며, 그 값이 작을수록 적분항은 빨리 초기화된다. 회로에 사용된 연산 증폭기는 ua741이며, 이는 전류의 최대출력이 40 mA로 IPMC를 구동시키기에 부족하므로 출력 단에 power op amp (LM675T)를 연결하여 전류를 증폭하여 사용하였다. 전체적인 block force 제어를 위한 실험 장치의 구성도를 Fig.
- 외부에서 변형을 가하면 양이온의 이동으로 인하여 전기적 신호가 발생하는 IPMC의 특성을 센서로서 활용하기 위해 폭 5 mm, 길이 50 mm, 두께 0.6 mm의 IPMC 시편을 사용하였다. IPMC에 굽힘을 유도하기 위하여 Fig.
- 11과 같이 구성하였다. 여기서 사용한 구동체는 앞에서 언급한 것과 동일한 폭 20 mm, 길이 50 mm 그리고 두께 2.4 mm의 IPMC 2장을 겹쳐서 손가락의 첫 관절 위에 장착하였다. 또한 변위 측정을 위하여 폭 5 mm, 길이 50 mm, 두께 0.
- 4 mm의 IPMC 2장을 겹쳐서 손가락의 첫 관절 위에 장착하였다. 또한 변위 측정을 위하여 폭 5 mm, 길이 50 mm, 두께 0.6 mm의 IPMC 시편을 구동체 시편과 포개어서 하이브리드 구조체로 활용하였다. 따라서 구동체 제어를 위하여 식(1)을 사용하였고, 식(2)를 이용하여 센서의 tip 변위를 추정하였다.
- 4 mm의 IPMC 2장과 힘 측정을 위한 로드셀을 사용하였다. 로드셀과 컨디셔닝 회로는 Transducer Techniques사의 최대 500 gf의 힘 측정이 가능한 GSO-500과 동일 제조사의 TMO-1을 이용하였다. TMO-1은 22 Hz의 저역통과 필터를 내장하고 있으며 0~500 gf의 범위에 대하여 최대 8 V로 1 gf 당 0.
성능/효과
- 5 V 이상의 전압이 인가되면 전극의 표면에 수포가 발생하면서 내부 수분이 빠르게 배출되고, 이 수분의 증발은 구동 성능을 약화시키는 특성이 있으므로 실험중 안정적인 특성을 보기 위하여 3 V를 인가하였다. 그 결과 느린 응답 특성을 보이면서 최종 193 gf만큼 힘이 증가하였다. 그리고 이와 같은 응답특성을 최소 자승법을 이용하여 식(1)과 같이 1차전달함수G(s)로 근사화 시켰다.
- 실험 결과 Fig. 7에 나타난 바와 같이 목표의 10 % (20 gf)에서 90 %(180 gf)까지 증가하는데 97초, 오차 5 % (±10 gf) 이내에 도달하는데 127초가 걸림을 확인하였다.
- 이때 각각의 속도에서 3회씩 굽힘을 유도하고 출력 전압을 측정하였다. 그 결과 Fig. 10과 같이 전압은 일정 속도에서는 변위에 따라 선형적인 특성을 보였지만 속도가 증가할수록 기울기가 약간 증가함을 보이고 있다. 변위 5 mm에 대한 최종 평균 증분은 속도에 따라 16.
- 측정을 시작한 후 7.5초 시점에서 굽힘 의도로 인해 +3 V의 IPMC 구동전압이 인가됨을 알 수 있다.(Fig.
- 또한 IPMC를 센서로 활용하기 위하여 굽힘에 따른 tip 변위에 대한 출력 전압 관계식을 유도하였다. 그리고 이를 이용하여 IPMC 구동체와 센서를 포갠 하이브리드 구조체로 손가락 모형에 장착한 후 정해진 동작 절차를 수행하도록 제어하여 원하는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통하여 향후 보다 가볍고 유연성 있는 손가락 외골격 개발의 가능성을 보였다.
후속연구
- 그리고 이를 이용하여 IPMC 구동체와 센서를 포갠 하이브리드 구조체로 손가락 모형에 장착한 후 정해진 동작 절차를 수행하도록 제어하여 원하는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통하여 향후 보다 가볍고 유연성 있는 손가락 외골격 개발의 가능성을 보였다.
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