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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 중증뇌졸중환자의 발목굽힘 유연성 재활 운동을 위한 발목재활로봇을 개발한다. 핵심부품인 3축 힘/토크센서는 회전력 측정을 위한 Fx힘센서와 긴급상황 시가 해지는 힘과 토크를 측정하기 위한 Fz힘센서와 Tz토크센서를 새롭게 모뎅링하여 설계하였고, 스트레인게이지를 부착하여 각 센서를 제작하였다.
- 본 논문에서는 중증뇌졸중환자의 발목을 재활운동시킬 수 있는 발목 재활로봇을 개발하였다. 발목 재활로봇의 핵심부품인 3축 힘/토크센서를 새로 제작하였고, 특성실험 결과, 상호간섭 오차가 1.
- 본 논문에서는 중증뇌졸중환자의 발목재활을 위해 발목 굽힘 유연성재활운동을 안전하게 실시하고, 운동중 긴급상황이발생되었을 경우에는 자동으로 로봇을 중단하고 시작 위치로 복귀하며, 재활운동의 시작전과 마친 후에 발목 힘을 측정할 수 있도록 설계한다.
- 재활로봇은 손과 발 전체를 한번에 재활운동을 시킬 수 있는 것은 존재하지 않고, 손과 발의 1〜3개 관절만을 운동시킬 수 있는 손목 재활 로봇[1-3], 팔목재활로봇 등과 같은 전용 재활로봇이 담당한다. 본 논문은 중증뇌졸중환자의 발목을 굽힘 재활 운동을 시키는 발목재활로봇의 개발에 대해 기술한다. 현재까지 개발된 발목재활로봇[4]은 뇌졸중환자의 고유 신경근 촉진을 위한 발목재활로봇을 설계 및 제작하고, 6주간 환자를 대상으로 재활훈련을 실시한 결과 좋은 결과를 얻었으며, 발목 의회 전력(발바닥을 누르는 힘)을 측정하기 위해 로봇의 발판과 본체에 토크센서를 부착하였다.
가설 설정
- 즉, 힘A 는 오른 발인 경우에는 엄지발가락이 시작되는 부분이고 왼발인 경우에는 새끼발가락이 시작되는 부분으로 눌렀을 때가 해지는 힘이고 힘B는 오른발과 반대의 발가락이 시작되는 부분으로 불렀을 때 가해지는 힘이다. 긴급상황 특성실험 (a) 와 (b) 모두는 발목굽힘 유연성 재활운동 중 먼저 발목을 굽힌 후 펴는 과정에서 발목에 통증이 발생한 것으로 가정하고 실시하였다. Fx 그래프는 발목재활로봇이 동작할 때 발목의 회전력을 측정한 그래프이고, Fz 그래프는 발바닥이 위로 밀리면서 발생되는 힘이며, Tz는 오른발인 경우 엄지발가락이 시작되는 부분에 힘이 자연적으로 가해지면서 발생되는 토크이다.
제안 방법
- 3죽 힘/토크센서를 설계하기 위한 설계변수들은 정격줄력은 대부분의 다축 힘센서와 같이 0.50 mV/V(정격변형률 약 1000 um/m)로 결정하였고, 발목에 가해지는 회전력을 감지하기 위한 Fx힘센서의 정격용량은 재활로봇에 발을 고정한 후발 바닥을 센서의 중앙블록에 접촉시킨 후 발바닥으로 힘을 X방향으로 가했을 때의 힘인 300N으로 결정하였으며, Fz 힘 센서의 정격용량은 발바닥을 발가락 쪽과 뒤꿈치 쪽 방향으로 (z방향) 밀거나 당겼을 때 가해지는 힘인 100N으로 결정하였다. 그리고 Tz토크센서는 발바닥의 좌측 혹은 우측으로(X 방향) 힘을 가했을 때 발생되는 토크인 15Nm로 결정하였고, 스트레인게이지의 부착위치는 보의 길이와 스트레인 게이지의 크기를 고려하여 보의 길이 방향으로는 1.
- 그림 4(a)는 다축 힘센서 교정기[18]에 3축 힘/토크센서를 고정한 실험장치를 나타내고 있고, 측정은 고성능측정장치(DMP40)이다. 3축 힘/토크 센서는 정격용량인 Fx=300N, F戶 100N, T尸 15.0Nm를 가하고 정격출력을 측정 하였고, 총 세 번을 실시하여 평균값을 각 센서의 정격출력으로 결정하였다.
- 지지대에는 3축 힘/토크센서의 양쪽 끝부분이 고정되어 있고, 발고정장치의 양쪽 평판부분은 베어링과 함께 고정되어 있으며, 지지대의 아랫부분은 몸체의 상단이 고정되었다. 3축 힘/토크센서는 본 논문에서 설계 및 제작되었고, Fx힘센서, Fz힘센서, Tz토크센서가 한 몸체에 제작된 것이며, 센서의 양쪽 끝단은 발고정장치에 고정되고 중앙부분은 발 지지대에 고정된다. Fx힘센서는 발바닥에 가해지는 힘을 측정하고, Fz 힘센서는 발바닥에 발끝과 뒤꿈치 쪽으로 가해지는 힘을 측정하며, Tz토크센서는 엄지 발가락의 시작되는 발바닥쪽 혹은 세끼 발가락의 시작되는 발바닥쪽에 가해지는 힘으로부터 발생되는 토크를 측정한다.
- 본 연구에서는 3축 힘/토크센서를 측정장치에 연결한 후 그림 5에서 나타낸 갓과 같은 실험장치를 구성하여 교정을 실시하였다. Fx힘센서의 교정은 다축 힘센서 교정기[18]로 정격출력인 300N을 가하고 출력값이 300N이 출력되도록 증폭률을 조절하였고, 0N에서 300N까지 30N씩 증가하면서 힘을 가하고 측정기로 출력값을 측정하였다. 이와 같은 과정을 3 번 반복하여 실험을 실시하였고, Fz힘센서와 Tz토크센서도 Fx힘센서와 같은 과정으로 교정을 실시하였다.
- 고속제어장치는 본 논문에서 설계 및 제작하였고, 3축 힘/ 토크센서에서 감지된 힘 및 토크를 측정하여 그 결과에 따라 회전 모터를 제어한다. 배터리는 2개를 사용하는데, 하나는고속제어장치에 6V직류전압을 공급하는 것과 회전모터에 24V 직류전압을 공급하는 것이다.
- 50 mV/V(정격변형률 약 1000 um/m)로 결정하였고, 발목에 가해지는 회전력을 감지하기 위한 Fx힘센서의 정격용량은 재활로봇에 발을 고정한 후발 바닥을 센서의 중앙블록에 접촉시킨 후 발바닥으로 힘을 X방향으로 가했을 때의 힘인 300N으로 결정하였으며, Fz 힘 센서의 정격용량은 발바닥을 발가락 쪽과 뒤꿈치 쪽 방향으로 (z방향) 밀거나 당겼을 때 가해지는 힘인 100N으로 결정하였다. 그리고 Tz토크센서는 발바닥의 좌측 혹은 우측으로(X 방향) 힘을 가했을 때 발생되는 토크인 15Nm로 결정하였고, 스트레인게이지의 부착위치는 보의 길이와 스트레인 게이지의 크기를 고려하여 보의 길이 방향으로는 1.5 mm, 폭 방향으로는 1/2로 하였으며, 3축 힘/토크센서의 전체 크기는 재활 로봇에 부착하는 것과 각의 센서 감지부의 크기를 고려하여 136x74x17 mm로 결정하였다. 또한 스트레인게이지 부착 위치에서의 정격변형률은 이미 개발된 다축 힘센서들과 같이 약 1000 um/m, 그리고 스트레인게이지의 크기를 고려하여 보의 길이는 ir=5mm, ll=5mm((ll, 뉘l=10mm), 12=10mm, 보의 폭은 bl=74mm, b2=14mm로 결정하였고, 유한요소법을 이용하여를 결정하였다.
- 또한 DSP (Digital Signal Processor) 를 이용하여 고속제어장치를 설계 및 제작하였으며, 발목 재활 로봇을 설계 및 제작하였다. 그리고 개발된 발목 재활 로봇의 이용하여 피험자(su句ect)를 대상으로 발목굽힘 유연성 재활 운동의 특성실험을 실시하였다.
- 굽힘방향과폄방향의 회전력은 피실험자가 통증을 느낄 때 로봇을 정지한 후 각각 측정하였다. 그리고 안전을 위해 굽힘방향과 폄 방향의 기준회전력을 측정하는 순간의 회전각을 각각 측정한 후 그 값에 3° 를 더하여 기준회전각으로 결정한 후 로봇의 제어장치에 저장하였다. 즉 본 논문에서 개발한 발목 재활 로봇은 재활전문치료사가 재활운동을 시키는 효과를 얻기 위해 힘제어를 기준으로 재활운동을 실시하고, 안전을 위해 기준회전각을 설정하여 그 회전각보다 크면 로봇을 정지한 후 초기상태로 복귀하도록 제어한다.
- Fx 그래프는 발목재활로봇이 동작할 때 발목의 회전력을 측정한 그래프이고, Fz 그래프는 발바닥이 위로 밀리면서 발생되는 힘이며, Tz는 오른발인 경우 엄지발가락이 시작되는 부분에 힘이 자연적으로 가해지면서 발생되는 토크이다. 긴급상황은 Tz토크센서와 Fz 힘센서의 값이 각각 10Nm와 10N 이상 갑작스런 변화가 있을 때 발생하도록 하였고, 발생 후에는 초기상태로 복귀하도록 프로그램을 제작하였다.
- 첫째, 환자의 발목을 발 받침대에 올려놓고 밸크로를 이용하여 고정시키고, 발목재활로봇을 초기화하며, 3축 힘/토크 센서의 초기값을 읽는다. 둘째, 초기화 과정에서 문제가 없으면, 로봇을 동작시켜 발목을 굽힐 때의 기준 회전력(Fx)과그때의 회전각을 읽고, 다시 반대로 발목을 펼 때의 기준회전력(Fx)와 회전각도를 읽어 저장한다. 셋째, 정해진 시간 동안 발목굽힘 유연성운동을 발목을 굽히는 방향과 펴는 방향으로 반복하여 실시히고, 운동중에 큰 힘이 가해지는 등 비상상태가 발생하였을 경우, 즉 토크Tz 혹은 힘Fz가 크게 발생할 경우와 설정한 회전각 이상으로 회전하였을 경우에는 재활 운동을 정지하고 초기상태로 복귀한다.
- 핵심부품인 3축 힘/토크센서는 회전력 측정을 위한 Fx힘센서와 긴급상황 시가 해지는 힘과 토크를 측정하기 위한 Fz힘센서와 Tz토크센서를 새롭게 모뎅링하여 설계하였고, 스트레인게이지를 부착하여 각 센서를 제작하였다. 또한 DSP (Digital Signal Processor) 를 이용하여 고속제어장치를 설계 및 제작하였으며, 발목 재활 로봇을 설계 및 제작하였다. 그리고 개발된 발목 재활 로봇의 이용하여 피험자(su句ect)를 대상으로 발목굽힘 유연성 재활 운동의 특성실험을 실시하였다.
- 5 mm, 폭 방향으로는 1/2로 하였으며, 3축 힘/토크센서의 전체 크기는 재활 로봇에 부착하는 것과 각의 센서 감지부의 크기를 고려하여 136x74x17 mm로 결정하였다. 또한 스트레인게이지 부착 위치에서의 정격변형률은 이미 개발된 다축 힘센서들과 같이 약 1000 um/m, 그리고 스트레인게이지의 크기를 고려하여 보의 길이는 ir=5mm, ll=5mm((ll, 뉘l=10mm), 12=10mm, 보의 폭은 bl=74mm, b2=14mm로 결정하였고, 유한요소법을 이용하여를 결정하였다.
- 유연성재활운동은 전문 재활치료사가 실시하는 것과 같이 발목을 굽혀 눌러 일정한 힘을 가한 후 약 9s정도 유지하고, 반대 방향으로 발목을 펴서 누른 후 약 9s정도 유지하는 방식으로 실시한다. 발목 재활 로봇을 이용하여 발목굽힘 유연성 재활운동을 실시하기 위해서, 먼저 힘제어를 위한 굽힘방향 기준회전력은 로봇을 동작 시켜 발목을 굽힘방향으로 눌러 측정하였고, 반대 방향으로 회전시켜 폄방향 기준회전력을 측정하였다. 굽힘방향과폄방향의 회전력은 피실험자가 통증을 느낄 때 로봇을 정지한 후 각각 측정하였다.
- 발목의 힘을 측정해야 한다. 발목힘 측정실험은 발목을 수직으로 세운 상태에서 발바닥으로 발받침대를 눌렀을 때 3축 힘/토크센서의 Fx센서의 출력을 측정하였다.
- 본 연구에서는 3축 힘/토크센서를 측정장치에 연결한 후 그림 5에서 나타낸 갓과 같은 실험장치를 구성하여 교정을 실시하였다. Fx힘센서의 교정은 다축 힘센서 교정기[18]로 정격출력인 300N을 가하고 출력값이 300N이 출력되도록 증폭률을 조절하였고, 0N에서 300N까지 30N씩 증가하면서 힘을 가하고 측정기로 출력값을 측정하였다.
- 8V의 전압을 받아 동작되고, 크리스탈로부터 30 M田의 클럭을 받아 내부에서 5배 증폭하여 150MHz로 동작하며, 내부플래시 롬 혹은 외부 확장램에 저장된 프로그램의 명령에 따라 DSP의 내부에 장착되어 있는 주변장치들을 동작시킨다. 스위치의 동작에 따라 3축 힘/토크 센서로부터 출력되는 신호를 증폭기에서 증폭시킨 후 이것을 DSP내부의 AD 컨버터로 받아들이고, 이 신호를 LCD에 나타냄과 동시에 외부 확장 램에 저장 및 CAN 통신과 RS232C 통신을 이용하여 컴퓨터 혹은 다른 제어장치에 보낸다. 증폭부는 3축 힘/토크 센서로부터 출력되는 값을 증폭하는 역할을 하며, 통신부는 제어프로그램을 롬에 다운로드 혹은 컴퓨터와 인터페이스 하는 역할을 한다.
- Fx힘센서의 교정은 다축 힘센서 교정기[18]로 정격출력인 300N을 가하고 출력값이 300N이 출력되도록 증폭률을 조절하였고, 0N에서 300N까지 30N씩 증가하면서 힘을 가하고 측정기로 출력값을 측정하였다. 이와 같은 과정을 3 번 반복하여 실험을 실시하였고, Fz힘센서와 Tz토크센서도 Fx힘센서와 같은 과정으로 교정을 실시하였다. 교정 결과로부터 계산한 3축 힘/토크센서의 각 센서의 최대재현도 오차와 최 대비 직선성 오차는 각각 0.
- 그림 9. 제작된 발목재활로봇을 이용한 긴급상황 특성실험.
- 그리고 안전을 위해 굽힘방향과 폄 방향의 기준회전력을 측정하는 순간의 회전각을 각각 측정한 후 그 값에 3° 를 더하여 기준회전각으로 결정한 후 로봇의 제어장치에 저장하였다. 즉 본 논문에서 개발한 발목 재활 로봇은 재활전문치료사가 재활운동을 시키는 효과를 얻기 위해 힘제어를 기준으로 재활운동을 실시하고, 안전을 위해 기준회전각을 설정하여 그 회전각보다 크면 로봇을 정지한 후 초기상태로 복귀하도록 제어한다. 그림 10은 발목 재활 로봇을 이용한 발목굽힘 유연성재활운동의 과정을 사진으로 나타낸 것이고, 순서는 (a)~(d)가 초기상태로부터 굽힘 운동을 마친 후 초기상태로 복귀한 모습을 나타내고, (e)Th)는 폄 운동을 마친 후 초기상태로 복귀한 모습을 나타낸 것이다.
- 그 순서는 다음과 같다. 첫째, 환자의 발목을 발 받침대에 올려놓고 밸크로를 이용하여 고정시키고, 발목재활로봇을 초기화하며, 3축 힘/토크 센서의 초기값을 읽는다. 둘째, 초기화 과정에서 문제가 없으면, 로봇을 동작시켜 발목을 굽힐 때의 기준 회전력(Fx)과그때의 회전각을 읽고, 다시 반대로 발목을 펼 때의 기준회전력(Fx)와 회전각도를 읽어 저장한다.
- 위한 발목재활로봇을 개발한다. 핵심부품인 3축 힘/토크센서는 회전력 측정을 위한 Fx힘센서와 긴급상황 시가 해지는 힘과 토크를 측정하기 위한 Fz힘센서와 Tz토크센서를 새롭게 모뎅링하여 설계하였고, 스트레인게이지를 부착하여 각 센서를 제작하였다. 또한 DSP (Digital Signal Processor) 를 이용하여 고속제어장치를 설계 및 제작하였으며, 발목 재활 로봇을 설계 및 제작하였다.
대상 데이터
- 이것은 DSP (digital signal processor), 증폭 기부 (amplifier), 통신부, 전원부, 스위치부 등으로 구성되었다. DSP (TMS320F2812)는 128kword 용량의 플레시 롬 (ROM), IMword 용량의 램(random access memory(RAM)), 최고 12.5 Mbps로 변환 가능한 AD 컨버터(12-bit ultra-fest analog/digital converter) 등으로 구성되었다. 이것은 전원부로부터 3.
- 감지부 크기를 나타내고 있다. Fx힘센서와 Tz토크센서는 2단평행평판보를 사용하였고, 보의 전체길이(11뉘1, )은 10mm이고, 폭은 74mm이며, 두께 tl 과 t「은 각각 0.7mm와 1.3mm이었다. Fz힘센서의 감지부는 단일평행평판보를 사용하여 설계하였고, 길이는 10mm이고, 폭은 14mm이며, 두께는 14mm이었다.
- 3mm이었다. Fz힘센서의 감지부는 단일평행평판보를 사용하여 설계하였고, 길이는 10mm이고, 폭은 14mm이며, 두께는 14mm이었다. 결론적으로 2단평행평판보를 감지부를 사용함으로서 Fx힘센서와 Tz토크센서의 각 정격용량에 따른 정격출력(약 0.
- 있다. 개발된 발목재활로봇은 몸체(body), 지지대(support block), 3죽 힘/토크센서 (thre咬-axis force/torque sensor), 회전모터 (rotation motor), 모터드라이브(motor drive), 고속제어장치 (high speed controller), 배터리(teatteiy) 등으로 구성되었다. 몸체는 발목 재활 로봇의 모든 부분을 지지하고, 환자의 발을 지지한다.
- 고속제어장치는 DSP (Digital Signal Piocessor)를 이용하여 본 논문에서 제작한 것이고, 그림 5는 제작한 고속제어 장치 의사 진을 나타내고 있다. 이것은 DSP (digital signal processor), 증폭 기부 (amplifier), 통신부, 전원부, 스위치부 등으로 구성되었다.
- 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 실험에 참여한 피험자는 세 사람이고 건강한 대학원학생이다. 그림 11(a)는 피험자 1의 발목굽힘 유연성재활운동시 발목에 가해진 힘과 토크를 3축 힘/토크센서의 각 센서로부터 받은 결과를 나타내고 있다.
- 이용하였다. 유한요소해 석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수 는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종 탄성 계수가 210 GPa, 프와송의비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 유한요소해석 결과를 토대로 3축 힘/토크 센서의 각 센서의 스트레인게이지 부착위치를 결정하였으며, 그것을 그림 2에 나타내고 있다.
이론/모형
- 3축 힘/토크센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 유한요소법을 이용하였다. 유한요소해 석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수 는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종 탄성 계수가 210 GPa, 프와송의비가 0.
성능/효과
- 측정한 결과를 나타내고 있다. 각 피실험자의 발목 힘을 각각 3번씩 측정하였고, 피 실험자의 3번의 측정값을 검토한 결과 모두 다르게 나타났으며, 각 피실험자의 3번째 측정값이 가장 크게 나타났다. 그러므로 각 피실험자의 첫 번째부터 세번째 피실험자의 각각의 발목힘은 -53.
- Fz힘센서의 감지부는 단일평행평판보를 사용하여 설계하였고, 길이는 10mm이고, 폭은 14mm이며, 두께는 14mm이었다. 결론적으로 2단평행평판보를 감지부를 사용함으로서 Fx힘센서와 Tz토크센서의 각 정격용량에 따른 정격출력(약 0.5mV/V)이 맞도록 설계할 수 있었다. 표 2는 유한요소법을 이용하여 3축 힘/토크센서감지부의 각 스트레인 게이지 부착위치에서의 변형률들과 식 (1)에 의해 계산된 정격변형률들을 나타내고 있다.
- 이와 같은 과정을 3 번 반복하여 실험을 실시하였고, Fz힘센서와 Tz토크센서도 Fx힘센서와 같은 과정으로 교정을 실시하였다. 교정 결과로부터 계산한 3축 힘/토크센서의 각 센서의 최대재현도 오차와 최 대비 직선성 오차는 각각 0.04%, 0.03% 이내이었다.
- 8N이었다. 굽힘 방향의 기준회전력은 두 번째 피실험자가 가장 컸고, 폄방향 기준회전력은 첫 번째 피실험자가 가장 크게 나타났다. 이것은 굽힘 방향의 기준회전력이 큰 사람이 평방향의 기준회전력도 크다는 것이 아님을 알 수 있다.
- 이 오차는 이미 개발된 다축 힘센 서의 오차[1 기와 비슷하므로 발목재활로봇의 힘과 토크 측정에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 개발한 발목 재활 로봇을 이용하여 피험자를 재상으로 발목굽힘 유연성 재활 운동을 실시한 결과 정상대로 동작됨을 확인하였고, 굽힘방향과 폄 방향의 회전력 Fx을 정확하게 측정하였다. 긴급상황에서 3축 힘/토크센서로부터 토크Tz와 힘Fz를 정확하게 측정하여 로봇을 정지한 후 초기상태로 복귀함을 확인하였고, 재활운동 후 발목 힘 측정은 Fx센서를 이용하여 측정하고 정확하게 측정됨을 확인하였다.
- 그리고 개발한 발목 재활 로봇을 이용하여 피험자를 재상으로 발목굽힘 유연성 재활 운동을 실시한 결과 정상대로 동작됨을 확인하였고, 굽힘방향과 폄 방향의 회전력 Fx을 정확하게 측정하였다. 긴급상황에서 3축 힘/토크센서로부터 토크Tz와 힘Fz를 정확하게 측정하여 로봇을 정지한 후 초기상태로 복귀함을 확인하였고, 재활운동 후 발목 힘 측정은 Fx센서를 이용하여 측정하고 정확하게 측정됨을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 개발한 발목재활로봇은피험자를 대상으로 발목굽힘 유연성재활운동 특성실험, 긴급상황 특성실험, 발목힘 측정 특성실험 시 정상대로 동작되었으므로 환자에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 발목 재활로봇을 개발하였다. 발목 재활로봇의 핵심부품인 3축 힘/토크센서를 새로 제작하였고, 특성실험 결과, 상호간섭 오차가 1.24% 이하이었으며, 비 직선상오차와 재현도 오차가 0.04% 이하이었다. 이 오차는 이미 개발된 다축 힘센 서의 오차[1 기와 비슷하므로 발목재활로봇의 힘과 토크 측정에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이것은 굽힘 방향의 기준회전력이 큰 사람이 평방향의 기준회전력도 크다는 것이 아님을 알 수 있다. 본 논문에서 개발한 발목 재활 로봇을 이용하여 세 사람의 발목굽힘 유연성 재활 운동을 실시한 결과, 정상대로 동작됨을 확인하였고, 이 로봇을 이용하여 환자의 발목굽힘 유연성재활운동을 실시할 수 있을 것으로 생각된다.
- 둘째, 초기화 과정에서 문제가 없으면, 로봇을 동작시켜 발목을 굽힐 때의 기준 회전력(Fx)과그때의 회전각을 읽고, 다시 반대로 발목을 펼 때의 기준회전력(Fx)와 회전각도를 읽어 저장한다. 셋째, 정해진 시간 동안 발목굽힘 유연성운동을 발목을 굽히는 방향과 펴는 방향으로 반복하여 실시히고, 운동중에 큰 힘이 가해지는 등 비상상태가 발생하였을 경우, 즉 토크Tz 혹은 힘Fz가 크게 발생할 경우와 설정한 회전각 이상으로 회전하였을 경우에는 재활 운동을 정지하고 초기상태로 복귀한다. 이와 같이 비상상태의 기능을 토크값, 힘값, 회전력으로 설정한 것은 환자의 발에 큰 힘이 가해지면 골절 등의 문제가 발생되기 때문에 안전을 위한 것이다.
- 유한요소해석 결과에 의한 정격출력은 식 (2)에 표 2의 정격변형률값들을 대입하여 계산한 결과이고, 실험에 의한 정격출력은 각 센서의 정격하중을 가한 후 측정한 결과이다. 유한요소해석 결과를 기준으로 유한요소해석 결과의 오차는 최대 -2.82 %이었다. 오차는 스트레인 게이지의 부착오차, 감지부의 가공오차, 유한 요소 소프트웨어의 고유오차 등으로 생각된다.
- 02% 이내이었다. 제작한 3축 힘/토크 센서의 특성실험 결과 상호간섭오차, 재현성오차, 비 직선설오차가 이미 판매하고 있는 다축 힘센세1기의 그것과 비슷한 수준이었다.
후속연구
- 따라서 본 논문에서 개발된 발목재활로봇은 발목굽힘 유연성 재활 운동 도중에 긴급상황이 발생되면 자동으로 재활운 동을 중지하고 초기상태로 복귀하므로 환자의 발목굽힘 유연성 재활 운동을 안전하게 실시할 수 있을 것으로 판단된다.
- 긴급상황에서 3축 힘/토크센서로부터 토크Tz와 힘Fz를 정확하게 측정하여 로봇을 정지한 후 초기상태로 복귀함을 확인하였고, 재활운동 후 발목 힘 측정은 Fx센서를 이용하여 측정하고 정확하게 측정됨을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 개발한 발목재활로봇은피험자를 대상으로 발목굽힘 유연성재활운동 특성실험, 긴급상황 특성실험, 발목힘 측정 특성실험 시 정상대로 동작되었으므로 환자에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 추후 연구로는 발목 재활 로봇을 병원 등에서 환자의 재활운동에 사용하기 위해서 많은 환자에 적용하는 특성실험을 수행할 예정이다.
- 8N이었다. 발목힘 측정결과는 굽힘방향 기준회전력이 큰 순서와 일치하였고, 본 논문에서 개발한 발목 재활 로봇은 피험자의 발목힘을 정확하게 측정할 수 있었으므로 환자의 발목힘 측정에도 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 04% 이하이었다. 이 오차는 이미 개발된 다축 힘센 서의 오차[1 기와 비슷하므로 발목재활로봇의 힘과 토크 측정에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 개발한 발목 재활 로봇을 이용하여 피험자를 재상으로 발목굽힘 유연성 재활 운동을 실시한 결과 정상대로 동작됨을 확인하였고, 굽힘방향과 폄 방향의 회전력 Fx을 정확하게 측정하였다.
- 따라서 본 논문에서 개발한 발목재활로봇은피험자를 대상으로 발목굽힘 유연성재활운동 특성실험, 긴급상황 특성실험, 발목힘 측정 특성실험 시 정상대로 동작되었으므로 환자에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 추후 연구로는 발목 재활 로봇을 병원 등에서 환자의 재활운동에 사용하기 위해서 많은 환자에 적용하는 특성실험을 수행할 예정이다.
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