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제안 방법
- Fig. 4(a)는 감지부의 두께 t1을 조절하여 Fx 힘센서의 정격하중 300 N일 때 정격출력이 약 0.5 mV/V가 되도록 설계하였다. Fx 힘센서를 위한 스트레인 게이지의 부착위치인 8.
- 발지지블록은 재활로봇의 몸체역할을 하고, 3축 힘/토크센서, 발고정구, 회전모터 등이 고정되어 있다. 3축 힘/토크센서는 본 논문에서 설계 및 제작한 것으로 발바닥을 누르는 힘 (발바닥과 직각 방향의 힘) Fx, 발바닥 방향의 힘 (발 끝과 뒤꿈치 방향의 힘) Fz와 발바닥의 좌측과 우측을 누르면 발생되는 토크 Tz를 측정한다. 발고정구는 발바닥과 발목을 접착천을 이용하여 고정하고 회전모터의 회전에 따라 발을 전후로 회전시킨다.
- 3축 힘/토크센서는 정격용량인 Fx=300 N, Fz=100 N, Tz=15.0 N m를 가하고 정격출력을 측정 하였고, 총 세 번을 실시하여 평균값을 각 센서의 정격출력으로 결정하였다.
- 따라서 본 논문에서는 2단평행평판보와 단일평행평판보를 이용하여 발목재활로봇의 발목힘측정용 3축 힘/토크센서를 설계하였다. 3축 힘/토크센서의 Fx 힘센서와 Tz 토크센서의 감지부는 2단평판보를 사용하여 설계하였고, Fz 힘센서의 감지부는 단일평판보를 사용하여 설계하였으며, 유한요소법을 이용하여 각 보의 크기가 결정하였다. 그리고 스트레인게이지를 부착하고 휘스톤브리지를 구성하여 각 센서를 제작하였고, 제작된 3축 힘/토크센서의 특성실험을 실시하였다.
- 3축 힘/토크센서의 설계는 각 센서의 정격출력, 정격용량, 센서의 전체 크기, 감지부 보의 폭을 결정하고, 보의 길이와 두께를 변경하여 실시한다. 3축 힘/토크센서의 각 센서는 4개의 스트레인게이지로 휘스톤브리지를 구성하고, 정격변형률은 정격용량이 가해질 때 휘스톤브리지에서 출력되는 총 변형률을 의미하며, 다음과 같은 식에 의해 계산된다.
- 8에서 나타낸 갓과 같은 실험장치를 구성하여 교정을 실시하였다. Fx 힘센서의 교정은 다축 힘센서 교정기15로 정격출력인 300 N을 가하고 출력값이 300 N이 출력되도록 증폭률을 조절 하였고, 0 N에서 300 N까지 30 N씩 증가하면서 힘을 가하고 측정기로 출력값을 측정하였다. 이와 같은 과정을 3번 반복하여 실험을 실시하였고, Fz 힘센서와 Tz 토크센서도 Fx 힘센서와 같은 과정으로 교정을 실시하였다.
- 개발된 발목재활로봇1은 뇌졸중환자의 고유 신경근 촉진을 위한 발목재활로봇을 설계 및 제작하고, 6주간 환자를 대상으로 재활훈련을 실시한 결과 좋은 결과를 얻었으며, 발목의 회전력을 측정하기 위해 로봇의 발판과 본체에 토크센서를 부착하였다. 그런데 이와 같은 방법은 발판의 회전에 따라 발판의 무게가 다르게 가해지므로 실제로 발목에 토크가 가해지지 않는데도 자중에 의한 토크값이 출력되어 실제 발목의 회전력을 측정하기 어려운 단점을 가지고 있다.
- 5 mV/V가 되도록 설계 할 수 있었다. 그리고 Fz 힘센서는 하나의 감지부를 단독으로 사용하기 때문에 단일평행평판보를 사용하였고, 설계시 보의 두께 t2를 변경시켜 정격하중에 따른 정격출력 약 0.5 mV/V 가 되도록 설계 할 수 있었다.
- 3축 힘/토크센서의 Fx 힘센서와 Tz 토크센서의 감지부는 2단평판보를 사용하여 설계하였고, Fz 힘센서의 감지부는 단일평판보를 사용하여 설계하였으며, 유한요소법을 이용하여 각 보의 크기가 결정하였다. 그리고 스트레인게이지를 부착하고 휘스톤브리지를 구성하여 각 센서를 제작하였고, 제작된 3축 힘/토크센서의 특성실험을 실시하였다.
- 그리고 유한요소법을 이용하여 t1, t1’, t2를 결정하였다.
- 둘째, 발목에 가해지는 회전력을 감지하기 위한 Fx 힘센서의 정격용량은 Fig. 1과 같이 발을 고정한 후 발바닥이 Fig. 1의 “A”의 위치에 접촉시킨 후 발바닥으로 힘을 x방향으로 가했을 때의 힘인 300 N으로 결정하였고, Fz 힘센서의 정격용량은 Fig. 1과 같이 고정하였을 때 발바닥을 위쪽 혹은 아래쪽 방향으로 (z방향) 밀었을 때 가해지는 힘인 100 N으로 결정하였으며, Tz 토크센서는 Fig. 1과 같이 고정하였을 때 발바닥의 안쪽 혹은 바깥쪽으로 (x방향) 힘을 가했을 때 발생되는 토크인 15 N m로 결정하였다.
- 따라서 본 논문에서는 2단평행평판보와 단일평행평판보를 이용하여 발목재활로봇의 발목힘측정용 3축 힘/토크센서를 설계하였다. 3축 힘/토크센서의 Fx 힘센서와 Tz 토크센서의 감지부는 2단평판보를 사용하여 설계하였고, Fz 힘센서의 감지부는 단일평판보를 사용하여 설계하였으며, 유한요소법을 이용하여 각 보의 크기가 결정하였다.
- 따라서 본 논문에서는 2단평행평판보와 단일평행평판보를 이용하여 발목재활로봇의 발목힘측정용 3축 힘/토크센서를 설계하였다. 3축 힘/토크센서의 Fx 힘센서와 Tz 토크센서의 감지부는 2단평판보를 사용하여 설계하였고, Fz 힘센서의 감지부는 단일평판보를 사용하여 설계하였으며, 유한요소법을 이용하여 각 보의 크기가 결정하였다.
- 그리고 각 변형률분포에서 좌측과 우측의 끝의 변형률이 감소한 것은 유한요소 프로그램의 끝 효과 오차 때문이다. 본 논문에서는 Fx 힘센서와 Tz 토크센서는 하나의 감지부에 스트레인게이지각 4개씩을 부착하여 제작해야한다. 그래서 이들 센서들을 위해 2단평행평판보를 사용함으로 Fx 힘 센서의 설계를 위해서는 보의 두께 t1을 변경시키고, Tz 토크센서를 위해서는 두께 t1’을 변경시킬 수 있으므로 각 정격하중에 따른 각 정격출력을 모두 약 0.
- 3축 힘/토크센서는 별도의 측정장치와 연결 하여 교정을 해야 실제로 재활로봇에서 발목에 가해지는 힘을 측정할 수 있다. 본 연구에서는 3축 힘/ 토크센서를 측정장치에 연결한 후 Fig. 8에서 나타낸 갓과 같은 실험장치를 구성하여 교정을 실시하였다. Fx 힘센서의 교정은 다축 힘센서 교정기15로 정격출력인 300 N을 가하고 출력값이 300 N이 출력되도록 증폭률을 조절 하였고, 0 N에서 300 N까지 30 N씩 증가하면서 힘을 가하고 측정기로 출력값을 측정하였다.
- 셋째, 3축 힘/토크센서의 전체 크기는 재활로봇에 부착하는 것을 구려하고 각각의 센서 감지부의 크기를 고려하여 136 × 74 × 17 mm로 결정하였고, 스트레인게이지의 부착위치는 보의 길이와 스트레인게이지의 크기를 고려하여 보의 길이 방향으로는 1.5 mm, 폭 방향으로는 1/2로 하였다.
- Fx 힘센서의 교정은 다축 힘센서 교정기15로 정격출력인 300 N을 가하고 출력값이 300 N이 출력되도록 증폭률을 조절 하였고, 0 N에서 300 N까지 30 N씩 증가하면서 힘을 가하고 측정기로 출력값을 측정하였다. 이와 같은 과정을 3번 반복하여 실험을 실시하였고, Fz 힘센서와 Tz 토크센서도 Fx 힘센서와 같은 과정으로 교정을 실시하였다. Table 6은 교정결과로부터 계산한 3축 힘/토크센서의 각 센서의 재현도오차와 비직선성오차를 나타내고 있다.
- 중증뇌졸중환자는 다리 중 한쪽 혹은 모두가 굳어져 정상인과 같이 원활하게 사용할 수 없게 된다. 재활전문치료사는 굳어지는 발목관절을 유연하게 하고 근력을 향상시키기 위해 하루에 오전과 오후 각 30분씩 재활운동을 시킨다. 재활전문치료사가 발목재활운동을 시키는 방법은 발목을 굽힐 때에는 손으로 발가락 아래부위를 잡고 체중을 실에 지긋이 누르고 3-6초 머무른 후 다시 펴는 쪽으로 누르는 것을 반복한다.
- 45%이다. 정격토크 Tz=15 N m가 가해졌을 때 Fx 힘센서의 상호간섭오 차가 0.53%인 것은 0.2 m 암의 끝에 Fx=75 N을 가했을 때 Fx 힘센서에 0.1316 mV/V가 출력되었고, Fx=75 N을 가했을 때 Fx 힘센서의 정격출력 (0.5156 mV/V)으로부터 비례적으로 출력값을 계산하면 0.1289 mV/V이었으며, Fx 힘센서의 편차 0.0027 mV/V를 Fx 힘센서의 정격출력으로 나누어 계산하였다.
대상 데이터
- Fx 힘센서와 Tz 토크센서는 2단평행평판보를 사용하였고, 보의 전체길이 (l1+l1’)은 10 mm이고, 폭은 74 mm이며, 두께 t1과 t1’은 각각 0.0.68 mm 와 1.28 mm이었다.
- 28 mm이었다. Fz 힘센서의 감지부는 단일평행 평판보를 사용하여 설계하였고, 길이는 10 mm이고, 폭은 14 mm이며, 두께는 1.38 mm이었다. 결론적으로 2단평행평판보를 감지부를 사용함으로서 Fx 힘 센서와 Tz 토크센서의 각 정격용량에 따른 정격출력 (약 0.
- 유한요소해석 (Finite Element Method, FEM)을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수 는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성 계수가 210 GPa, 프와송의비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. Fig.
- 1은 3축 힘/토크센서가 부착된 발목재활 로봇의 원리를 나타내고 있다. 재활로봇은 발지지 블록 (Foot Support Block), 3축 힘/토크센서 (ThreeAxis Force/Torque Sensor), 발고정구 (Foot Fixture), 접착천 (Velcro), 회전모터 (Rotation Motor) 등으로 구성된다.
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