[논문]중증뇌졸중환자의 발목재활로봇을 위한 힘센서 설계

김한솔; 김갑순

doi:10.5369/jsst.2016.25.2.148

중증뇌졸중환자의 발목재활로봇을 위한 힘센서 설계
Design of Force Sensors for the Ankle Rehabilitation Robot of Severe Stroke Patients 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.25 no.2, 2016년, pp.148 - 154

김한솔 (경상대학교 제어계측공학과) , 김갑순 (경상대학교 제어계측공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design and fabrication of a two-axis force/torque sensor and an one-axis force sensor with parallel plate beams(PPSs) for measuring forces and torque in an ankle rehabilitation exercise using by a lower rehabilitation robot. The two-axis force/torque sensor is composed of a Fy force sensor and Tz torque sensor and the force sensor detects x direction force. The two-axis force/torque sensor and one-axis force sensor were designed using by FEM(Finite Element Method), and manufactured using strain-gages. The characteristics experiment of the two-axis force/torque sensor and one-axis force sensor were carried out respectively. As a test results, the interference error of the two-axis force/torque sensor was less than 1.56%, the repeatability error and the non-linearity of the two-axis force/torque sensor were less than 0.03% respectively, and the repeatability error and the non-linearity of the one-axis force sensor were less than 0.03% and 0.02% respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

중증뇌졸중환자를 충분히 치료할 전문재활치료사가 부족하므로 이를 대체할 로봇이 필요하므로 상지와 하지재활로봇이 개발되었고 현재도 개발하고 있다. 본 논문에서는 하지재활로봇 중에서 발목재활로봇의 전문재활치료사가 재활운동을 시키는 효과와 비슷한 효과를 낼 수 있는 발목재활로봇의 힘센서에 관한 것이다.

제안 방법

Fig. 7의 (a)는 다축 힘센서 교정기[10]에 힘센서를 실험장치를 나타내고 있고, 각 센서의 출력은 고성능측정장치(DMP40)로 측정하였다. 그리고 Fig.
7의 (b)는 2축 힘/토크센서에 y방향의 힘 Fy를 가하는 모습, (c)는 2축 힘/토크센서에 z방향의 토크 Tz를 가하는 모습, (d)는 1축 힘센서에 x방향의 힘 Fx를 가하는 모습을 각각 나타내고 있다. 2축 힘/토크센서는 각 센서의 정격용량인 Fy=500N 과 Tz=11 Nm, 1축 힘센서의 정격용량인 Fx=400N을 가하고 정격출력을 측정 하였고, 총 세 번을 실시한 값을 평균한 값을 각 센서의 정격출력으로 결정하였다.
2축 힘/토크센서의 두께 t₁과 1축 힘센서의 두께 t₂은 각 센서의 결정된 설계변수들을 유한요소법을 적용하여 결정하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성 계수가 210 GPa, 프와송의 비가 0.
5 mm이고 폭방향으로는 중심선 라인, 즉 폭의 1/2인 중심선상이다. Fy힘센서와 Tz토크센서의 정격용량은 성인이 누워서 발바닥으로 누르는 힘을 고려하여 결정하였다. 그리고 1축 힘센서의 설계변수들은 전체 크기를 64 mm×48 mm×30 mm, 각 센서의 정격출력을 약 0.
이를 위해 하지재활로봇의 발구조에 맞도록 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서를 모델링 및 설계하였고, 스트레인게이지를 부착하여 제작하였다. 그리고 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서의 특성실험을 실시하였다.
따라서 본 논문에서는 중증뇌졸중환자의 발목재활운동시 발목의 힘제어와 힘측정에 필요한 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서를 설계 및 제작하였다. 이를 위해 하지재활로봇의 발구조에 맞도록 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서를 모델링 및 설계하였고, 스트레인게이지를 부착하여 제작하였다.
2축 힘/토크센서의 Tz토크센서와 1축 힘센서는 발에 큰 힘이 가해지는 등 긴급상황시 한쪽 방향의 발바닥측면으로 힘을 가하거나 다리로 좌우로 밀거나 끄는 힘을 측정하는데 사용되고, 이 값들은 로봇을 정지하고 초기위치로 복귀시키는데 사용된다. 본 논문에서는 하지재활로봇에 부착하기 적합한 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서를 설계 및 제작한다.
본 논문에서는 하지재활로봇을 이용한 발목재활운동시 힘제어를 위한 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서를 설계 및 제작하였다. 2축 힘/토크센서의 특성실험 결과, 최대상호간섭오차는 1.
따라서 본 논문에서는 중증뇌졸중환자의 발목재활운동시 발목의 힘제어와 힘측정에 필요한 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서를 설계 및 제작하였다. 이를 위해 하지재활로봇의 발구조에 맞도록 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서를 모델링 및 설계하였고, 스트레인게이지를 부착하여 제작하였다. 그리고 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서의 특성실험을 실시하였다.

대상 데이터

은 각 센서의 결정된 설계변수들을 유한요소법을 적용하여 결정하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성 계수가 210 GPa, 프와송의 비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다.

후속연구

이것은 하부발판과 상부발판에 2축 힘/토크센서의 고정블록과 힘전달블록을 각각 고정하였으므로 환자의 발바닥에 가해지는 힘 Fy와 토크 Tz를 감지할 수 있고, 1축 힘센서가 하부발판의 오른 쪽에 구정되어 있으므로 다리를 좌우로 밀거나 당길 때 힘 Fx를 측정할 수 있다. 제작된 발판은 하지재활로봇에 부착되어 발에 가해지는 힘과 토크를 측정하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
이 센서들은 하지재활로봇에 직접 부착될 수 있도록 특수하게 설계된 전용센서이다. 제작한 2축 힘/토크센서와 1축 힘센서의 오차들은 이미 개발완료된 다축 힘센서의 오차들과 비슷한 수준이므로 하지재활로봇에서 힘과 토크를 측정하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발목재활로봇의 단점은 무엇인가?	뇌졸중환자의 발목 재활운동을 위해 개발된 발목재활로봇[1]은 발목의 회전력을 측정하기 위해 로봇의 발판과 본체에 토크센서를 부착하였으나 발판의 회전각에 따라 발판의 무게가 토크센서에 전달되므로 정확한 발목의 회전력을 측정할 수 없는 단점이 있다. 햅틱기술을 이용하여 가상보행운동을 수행할 수 있는 발목재활로봇[2]는 환자의 발목을 재활운동시키기 위해 설계 및 제작되었고, 피험자를 대상으로 특성실험한 결과 원활하게 동작되나 발목에 작용되는 회전력을 측정할 수 없어 힘제어가 불가능하다.
	중증뇌졸중환자에게서 발생하는 증상은 무엇인가?	중증뇌졸중환자는 상지관절(손목관절, 팔꿈치 관절, 어깨관절등)과 하지관절(발목관절, 무릎관절, 고관절 등)이 마비되는 현상이 발생된다. 이들 관절을 유연성을 위해서는 전문재활치료사가 1일 2회 30분 정도씩 재활운동을 시킨다.
	하지재활로봇이 힘제어를 하기 위해 필요한 것은 무엇인가?	즉, 개발된 하지재활로봇은 위치제어만으로 발목재활운동을 실시하기 때문에 여러 번 번복하면, 발목에 힘이 가해지는 정도가 약해지기 때문이다. 그러므로 재활로봇은 힘제어를 실시해야 하고, 이를 위해서는 발목 회전력을 측정하는 힘센서와 긴급상황시 발의 움직임을 감지하는 힘/토크센서가 재활로봇에 부착되는 것이 필요하다. 하지재활로봇의 발목에 필요한 힘센서는 발목의 회전력을 측정하기 위한 발바닥에 수직으로 작용되는 힘을 측정하는 힘센서와 긴급 상황에서 발이 움직일 때 발생되는 힘 및 토크센서가 필요하다 .

참고문헌 (10)

Z. Zhoua, Y. Zhou, N. Wang, F. Gao, K. Wei and Q. Wang, "A proprioceptive neuromuscular facilitation integrated robotic ankle-foot system for post stroke rehabilitation", Robotics and Autonomous Systems, Vol. 73, pp. 111-122, 2015.

상세보기
K.J. Chisholm, K. Klumper, A. Mullins and M. Ahmadi, "A task oriented haptic gait rehabilitation robot", Mechatronics, Vol. 24, No. 8, pp. 1083-1091, 2014.

상세보기
P.K. Jamwal, S.Q. Xie, S. Hussain and J.G. Parsons, "An adaptive wearable parallel robot for the treatment of ankle injuries", IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, Vol. 19, No. 1, pp. 64-75, 2014.

상세보기
J.A. Saglia, N.G.. Tsagarakis, J.S. Dai and D.G. Caldwell, "Control strategies for patient-assisted training using the ankle rehabilitation robot (ARBOT)", IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, Vol. 18, No. 6, pp. 1799-1808, 2013.

상세보기
K. Nagai, Y. Ito, M. Yazaki, K. Higuchi and S. Abe, "Development of a small Six-component force/torque sensor based on the double-cross structure", Adv. Robot., Vol.22, No.3, pp. 361-369, 2004.
H.M. Kim, J.W. Yoon and G.S. Kim, "Development of a six-axis force/moment sensor for a spherical-type finger force measuring system", IET Science, Measurement and Technology, Vol. 6, pp. 96-104, 2012.

상세보기
G.S. Kim, "Development of 6-axis force/moment sensor for a humanoid robot's foot", IET Science, Measurement & Technology, Vol. 2, pp.122-133, 2008.

상세보기
K.J. Lee and G.S. Kim, "Design of structure of four-axis force/torque sensor with parallel step plate beams", Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 20 No. 11, pp. 1147-1152, 2014.

원문보기 상세보기
ATI Industrial Automation, "Multi-axis force/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", Int. J. Precis. Eng. Mannt., Vol. 24, No. 10, pp. 91-98, 2007.

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