Development of Calf Link Force Sensors of Walking Assist Robot for Leg Patients

(1)

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2017.26.2.114 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

다리 환자를 위한 보행보조로봇의 종아리 링크 3축 힘센서 개발

김한솔 · 김갑순⁺

Development of Calf Link Force Sensors of Walking Assist Robot for Leg Patients

Han-Sol Kim and Gab-Soon Kim⁺

Abstract

This paper describes the design and fabrication of a three-axis force sensor with parallel plate beams (PPSs) for measuring the calf force while a patient with a walking assist robot is walking. Current walking assist robots can’t measure the weight of the patient’s leg and the robot’s leg which required for robot control. So, the three-axis force sensor in the calf link is designed and manufactured, it is composed of a Fx force sensor, a Fy force sensor and a Fz force sensor. The three-axis force sensor was designed using by FEM(Finite Element Method), and fabricated using strain-gages. The characteristics experiment of the three-axis force sensor was carried out respec- tively. The test results indicated that the repeatability error and the non-linearity error of three-axis force sensor was less than 0.04%

respectively. Therefore, the fabricated three-axis force sensor in the calf link can be used to measure the patient’s calf force in the walking assist robot.

Keywords: Gas Strain-gage, Three-axis force sensor, Force sensor, Rated output, Repeatability error, Non-linearity error

1. 서 론

다리환자들은 정상인과 같이 생활하기 위해서는 재활운동을 실시해야 하지만 재활치료사의 부족으로 충분한 치료를 받지 못 하는 경우가 많다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위해 보행보조 로봇(walking assist robot)을 개발하였다.

보행보조로봇[1]은 환자가 보행 중에 넘어지는 것을 방지하기 위해 벨트를 이용하여 매달고, 다리부분을 줄로 묶어 당기는 방 법으로 보행운동을 실시하도록 설계되었다. 이 로봇은 경미한 환자를 대상으로 보행훈련에 적합하나 착용하고 자유롭게 움직 일 수 없는 단점을 가지고 있다. 보행보조로봇[2]은 세 개의 바 퀴가 90도 간격으로 배치되어 있고, 보행시 안전을 위해 팔과 어깨의 힘으로 체중을 지지할 수 있도록 설계되었다. 무릎관절 보행보조로봇[3]은 로봇의 링크를 허벅지와 종아리에 접착천

(velcro)을 이용하여 고정한 후 재활운동을 수행할 수 있도록 설 계되었다. 이 로봇은 환자의 무릎관절의 재활치료와 보행보조를 수행할 수 있으나 고관절 및 발목관절은 재활치료 할 수 없는 단점을 가지고 있다. 보행보조로봇[4]은 무릎관절과 고관절을 재 활운동 할 수 있도록 설계되었고, 재활운동 시 각 관절의 토크 를 측정할 수 있다. 보행보조로봇[5]은 고관절, 무릎관절, 발목 관절을 재활운동할 수 있고, 정상인이 보행하는 궤적을 따라 보 행운동을 실시할 수 있도록 제어한다. 그리고 보행보조로봇[6]

은 경미한 다리환자가 보행시 정확한 자세제어를 수행할 수 있 도록 설계되었다.

지금까지 개발된 보행보조로봇은 고관절, 무릎관절, 발목관절 에 모터가 직접 부착되어 각 관절을 회전하는 방식이다. 이와 같은 방법은 발목관절과 무릎관절에 부착된 모터의 무게 때문 에 고관절 및 무릎관절의 모터의 크기, 용량이 커지기 때문에 비용이 많이 소요되고 로봇의 전체 무게가 큰 단점이 있다. 이 와 같은 문제점을 해결하기 위해 모터를 허리에 착용하고 줄과 풀리를 이용하여 각 관절을 회전시키는 방법이 있다. 이럴 경우 종아리 링크가 회전할 때 무릎관절 이하의 환자 및 로봇의 무 게를 측정할 수 없을 뿐만 아니라 발이 지면에 접촉하였을 때 링크에 가해지는 힘을 측정할 수 없다. 이와 같은 문제를 해결 하기 위해 종아리 링크에 x, y, z방향의 힘 Fx, Fy, Fz를 동시에 감지하는 3축 힘센서(three-axis force sensor)를 부착하는 방법 이 있다. 3축 힘센서는 다양하게 개발되지 않았으므로 다축 힘 센서(multi-axis force/torque sensor)에 대해 기술한다.

경상대학교 제어계측공학과(Department of Control & Instrumentation Engineering, ERI, Gyeongsang National Unversity)

405-504, Gyeongsang National University, 501 Jinju-daero, Jinju 660-701, Korea

+Corresponding author: [email protected]

(Received: Feb. 14, 2017, Revised: Mar. 9, 2017, Accepted: Mar. 24, 2017)

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/

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다축 힘센서는 x, y, z방향의 힘Fx, Fy, Fz를 감지하는 3개의 힘센서와 x, y, z방향의 토크Tx, Ty, Tz를 감지하는 3개의 토크 센서 중 2개 이상의 힘 혹은 토크센서를 한 몸체에 제작한 센 서를 말한다.

지금까지 개발된 다축 힘센서[7-11]는 다양하게 개발되어 로 봇 뿐만 아니라 각종 자동화 시스템에 부착되어 사용되고 있 다. 개발된 6축 힘센서[7]는 3개 방향의 힘과 3개 방향의 토크 를 동시에 감지할 수 있는 6개의 센서를 한 몸체에 설계 및 제 작하였고, 이들 센서의 감지부는 단순지지보로 설계되었다. Fx 힘센서, Fy힘센서, Fz힘선서의 용량이 각각 20 kgf, 20 kgf, 40 kgf 이고, Tx센서, Ty센서, Tz센서의 용량이 각각 100 kgf.cm이었으 며, 센서의 전체 크기는 140 mm× 140 mm× 90 mm이었다. 2축 힘/토크센서 [8]는 Fz힘센서의 감지부로는 평행평판보로 설계되 었고, Tz토크센서의 감지부로는 평판보 4개를 십자형으로 구성 하여 설계하였다. 2축 힘/토크센서는 증중뇌졸중 환자의 고관절 재활운동을 위한 재활로봇에 부착되어 재활운동시 힘과 토크를 측정하는데 사용되었다. Fz힘센서의 정격용량은 600 N이고Tz토 크센서의 정격용량은 30 Nm이다. 4축 힘/토크센서[9]는 감지부 로 사각단순보를 이용하여 설계되었고, Fx힘센서, Fy힘센서, Fz 힘센서의 정격용량이 각각 20 N이며, Tz센서의 정격용량이 4.5N mm이었다. 센서의 전체 크기는 ø120 mm×85 mm이었다.

2 축 힘센서[10]는 감지부로 평행평판보가 사용되었고, Fx힘센서 의 정격용량은 400N)이고 Fz힘센서의 정격용량은 500 N이다.

이 센서는 증중뇌졸중 환자의 무릎관절 재활운동을 위한 재활 로봇에 부착되어 사용되었다. ATI[11]는 다양한 종류2축~6축 힘 센서를 개발하여 판매하고 있다. 이와 같이 개발된 다축 힘센서 는 크기와 모양이 보행보조로봇의 종아리 링크에 부착되기에 적 합하지 않을 뿐만 아니라 환자의 무게 등을 고려하여 개발되지 않았으므로 정격용량이 적합하지 않다. 그러므로 보행보조로봇 의 3축 힘센서는 종아리 링크에 직접 설계하여 제작하는 것이 가장 적합하고, 정확한 힘측정을 위해 사람의 무게 등을 고려하 야 설계되어야 한다.

따라서 본 논문에서는 다리환자가 보행재활운동에 사용되는 보행보조로봇의 종아리 링크 3축 힘센서를 설계 및 제작하였 다. 이를 위해 종아리 링크 3축 힘센서의 감지부는 유한요소법 을 이용하여 설계되었고, 스트레인게이지를 부착하여 제작하였 다. 그리고 3축 힘센서의 특성을 파악하기 위한 특성실험을 실 시하였다.

2. 종아리 링크 3축 힘센서의 설계

2.1 보행보조로봇의 종아리 링크 힘측정 원리

Fig. 1 은 보행보조로봇의 종아리 링크의 구성 및 힘측정의 원 리를 나타내고 있다. 종아리 링크는 종아리 링크 3축 힘센서

(three-axis force sensor), 종아리 링크 풀리와 줄(calf link's pulley and wire), 허벅지 링크(thigh link), 발 링크(foot link), 발 링크 풀리와 줄(ankle link's pulley and wire) 등으로 구성되었다. 종 아리 링크 3축 힘센서는 x, y, z방향의 힘을 측정할 수 있는 Fx 힘센서, Fy힘센서, Fz힘센서로 구성되어 있고, 이것들은 평행평 판보(PPB: Parallel Plate Beam)의 구조로 설계되었다. 종아리 링크의 상부에는 풀리와 줄이 연결되어 있고, 중간에는 3축 힘 센서가 위치해 있으며, 하부에는 발 링크와 연결될 수 있는 구 조로 구성되어 있다. 종아리 링크 풀리에 연결된 줄을 당기거나 끌면 보행보조로봇의 종아리 링크와 발 링크가 시계방향 및 반 시계방향으로 회전하게 된다. 허벅지 링크는 종아리 링크의 상 부에 베어링과 함께 연결되고, 발 링크는 종아리 링크의 하부에 베어링과 함께 조립된다. 발 링크 풀리와 줄을 당기거나 끌면 발목관절이 회전하게 된다. 종아리 링크 3축 힘센서는 보행보조 로봇의 종아리 링크, 발 링크, 다리환자의 종아리와 발 등의 무 게를 측정하고, 발이 지면에 접촉했을 때의 환자의 체중을 감지 하여 안전하게 힘제어를 하기 위해 사용된다. 이를 위해서는 3 축 힘센서가 필요하다.

2.2 종아리 링크 3축 힘센서의 구조

Fig. 2는 보행보조로봇의 종아리 링크 3축 힘센서의 구조를 나타내고 있고, 이 센서는 Fx힘센서, Fy힘센서, Fz힘센서롤 구 성되었다. 종아리 링크 3축 힘센서는 상부에는 풀이가 위치해 있고, 그 아래에 Fx힘센서의 감지부인 PPB1과 Fy힘센서의 감 Fig. 1. Principle for calf link configuration and force measurement of

walking assist robot.

(3)

지부인 PPB2은 수직으로 위치해있으며, Fz힘센서의 감지부인 PPB3 는 PPB2와 동일한 방향으로 위치해 있다. 그리고 하부에 는 베어링 하우징으로 구성되어 있다. Fx힘센서 감지부의 크기 는 두께 t1, 길이 l1, 폭 b1이고, Fy힘센서 감지부의 크기는 두 께 t2, 길이 l2, 폭 b2이며, Fz힘센서 감지부의 크기는 두께 t3, 길이 l3, 폭 b3이다. 각 힘센서의 크기는 각 센서 설계 시 설계 변수로 사용된다.

2.3 종아리 링크 3축 힘센서의 설계 및 제작

3 축 힘센서의 설계변수는 각 센서의 정격용량, 정격변형률, 각 센서의 감지부의 크기인 두께, 폭, 길이와 스트레인게이지 부착 위치이다.

정격변형률식은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있고, 이것은 4개의 스트레인게이지로 구성된 휘스톤브리지에 정경용량을 가했을 때 출력되는 값이다[10].

(1)

여기서 은 휘스톤브리지의 총 변형률, 은 인장 스트레 인게이지 의 변형률, 은 압축 스트레인게이지 의 변 형률, 은 인장 스트레인게이지 의 변형률, 은 압축 스 트레인게이지 의 변형률이다.

센서에 정격용량을 가했을 때 입력전압과 출력전압의 비로 나 타내는 정격출력[10]은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(2)

여기서 는 휘스톤브리지의 입력전압, 는 휘스톤브리지

의 출력전압, K는 스트레인게이지의 상수(약 2.03), 는 식(2) 로 부터 얻은 총 변형률이다.

센서에 정격용량을 가했을 때 입력전압과 출력전압의 비로 나 타내는 정격출력[10]은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(2)

여기서 는 휘스톤브리지의 입력전압, 는 휘스톤브리지 의 출력전압, K는 스트레인게이지의 상수(약 2.03), 는 식(2) 로 부터 얻은 총 변형률이다.

3 축 힘센서의 설계변수들은 Fx힘센서와 Fy힘센서의 정격출력 을 각각 약 0.5 mV/V(정격변형률:1000 um/m), Fz힘센서의 정격 출력을 0.1 mV/V(정격변형률: 200 um/m)로 결정하였다. Fz힘센 서의 정격출력을 낮게 결정한 이유는 다리환자가 보행보조로봇 을 착용하고 체중을 수직이 아닌 경사각으로 가했을 때 센서가 파괴될 수 있으므로 Fz힘센서의 감지부의 두께를 크게 하기 위 해서다. Fx힘센서의 정격용량을 400N, Fy힘센서의 정격용량을 200N, Fz힘센서의 정격용량을 1000N으로 결정하였다. 이것은 보행중 다리환자의 다리의 무게와 체중을 고려하여 결정하였다.

Fx 힘센서의 감지부의 폭 b1을 12 mm, 길이 l1을 10 mm, Fy 힘센서의 감지부의 폭 b2을 40 mm, 길이 l2을 10 mm, Fz힘 센서의 감지부의 폭 b3을 40 mm, 길이 l3을 10 mm로 결정하 였다. 이 수치들은 종아리 링크의 크기로 결정되었다. Fx힘센서 와 Fy힘센서 감지부의 스트레인게이지 부착위치는 길이방향으 로는 1.5 mm이고 폭방향으로는 중심선 라인이다. 또한 Fz힘센 서 감지부의 수직방향으로 부착하는 스트레인게이지 부착위치 는 길이방향으로는 1.5 mm이고 폭방향으로는 중심선 라인이 고, 수평방향으로 부착하는 스트레인게이지 부착위치는 길이방 향으로는 2.0 mm이고 폭방향으로는 중심선 라인이다. Fz힘센서 의 스트레인게이지 부착위치가 다른 것은 스트레인게이지를 상 부에는 종방향으로 하부에는 횡방향으로 부착할 때 게이지의 크 기를 고려했기 때문이다. 각 센서의 결정된 설계변수들을 유한 요소법을 적용하여 3축 힘센서의 두께 t1, t2, t3를 결정하였다.

유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수 는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성 계수가 210 GPa, 프와송 의비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다.

Fig. 3 은 3축 힘센서를 유한요소해석한 결과를 나타내고 있 고, (a)는 3축 힘센서를 격자모양한 모습을 나타내고 있고, 각 센서의 감지부는 길이방향으로 0.5 mm가 되도록 나누었으며, 유한요소해석 오차를 줄이기 위해 다른 부분은 3등분이상이 되 도록 등분하였다. (b)는 3축 힘센서에 정격힘 Fx가 가해졌을 때, (c)는 3축 힘센서에 정격힘 Fy가 가해졌을 때, (d)는 3축 힘 센서에 정격힘 Fz가 가해졌을 때, 각 센서의 유한요소해석 결과 를 나타내고 있다. 각 센서의 변형된 모습은 모두 구조를 모델 링할 때 예상했던 것과 유사하였다.

Fig. 4 의 (a), (b), (c)는 3축 힘센서의 Fx힘센서와 Fy힘센서에

1 1 2 2

T C T C

ε ε = − ε + ε − ε

ε ε

_T1

T

₁

ε

_C1

C

₁

ε

_T2

T

₂

ε

_C2

C

₂

E

_o

E

_i

--- 1

4 ---K ε

=

E

_i

E

_o

ε

E

_o

E

_i

--- 1

4 ---K ε

=

E

_i

E

_o

ε

Fig. 2. Structure of three-axis force sensor.

(4)

는 각각의 (+)정격용량을 가했을 때, Fz힘센서에는 (-)정격용량 을 가했을 때, 각 감지부의 보에 발생되는 변형률분포를 나타낸 것이다. Fx힘센서와 Fy힘센서 감지부의 2개의 그래프가 음과 양의 값으로 대칭인 것은 평행평판보가 2개의 보로 구성되어 있 으며, 이 보들이 서로 인장과 압축부분으로 대칭되도록 변형되 기 때문이다. Fz힘센서 감지부의 변형률분포 중 상부 그래프는 (+)값을 나타낸 것은 x방향 변형률이기 때문이고, 하부 그래프 는 (-)값으로 나타난 것은 z방향 변형률이기 때문이다. Fx힘센 서와 Fy힘센서 감지부의 변형률이 0 um/m인 지점은 각각 약 4.0 mm, 0.7 mm 지점이고, 각 변형률분포에서 좌측과 우측의 끝 의 변형률이 감소한 것은 유한요소 프로그램의 끝 효과 오차 때 문이다.

Fig. 5 는 3축 힘센서의 스트레인게이지 부착위치를 각각 나

타내고 있고, 이것들은 유한요소해석 결과를 토대로 결정되었 다. 3축 힘센서의 Fx힘센서의 스트레인게이지 부착위치는 S1~S4이고, Fy힘센서는 S5~S8이며, Fz힘센서는 S9~S12이다.

Fx힘센서와 Fy힘센서 감지부의 스트레인게이지 부착위치는 길 이방향으로는 1.5 mm이고 폭방향으로는 중심선 라인이다. 또 한 Fz힘센서 감지부의 수직방향으로 부착하는 스트레인게이 지 부착위치는 길이방향으로는 1.5 mm이고 폭방향으로는 중 심선 라인이고, 수평방향으로 부착하는 스트레인게이지 부착 위치는 길이방향으로는 2.0 mm이고 폭방향으로는 중심선 라 인이다. 이 위치는 식(1)을 이용하여 계산한 각 센서의 정격용 량에서 상호간섭오차가 0 %이고, 최대의 정격변형률이 발생 되는 지점이다.

Fig. 3. Results of FEM analysis for three-axis force sensor.

Fig. 4. Strain distribution on each beam of three-axis force sensor.

(5)

유한요소해석 결과, 3축 힘센서의 Fx힘센서 감지부의 크기인 폭 b1은 12 mm, 길이 l1은 10 mm, 두께 t1은 4.9 mm이었고, Fy 힘센서는 폭 b2은 40 mm, 길이 l2은 10 mm, 두께 t2은 2.9 mm 이었으며, Fz힘센서는 폭 b3은 40 mm, 길이 l3은 10 mm, 두께 t3 은 2.8 mm이었다.

Table 1 은 3축 힘센서의 각 센서의 스트레인게이지 부착위치 에서의 유한요소해석 결과와 각 스트레인게이지 부착위치에서 의 변형률들을 식 (1)에 대입하여 계산한 정격변형률을 나타낸 것이다. 3축 힘센서의 최대오차는 -2.0 %이었다. 이와 같은 오 차는 설계시 가공을 고려하여 감지부의 두께를 0.1 mm 단위로 조절하였기 때문이다.

3. 종아리 링크 3축 힘센서 제작 및 특성평가

Fig. 6의 (a)는 제작된 종아리 링크 3축 힘센서의 전체 크기

사진을 나타낸 것이고, (b)는 3축 힘센서 부분만 확대한 사진을 나타낸 것이다. 3축 힘센서는 Fig. 5에 나타낸 각 센서의 게이 지부착위치에 스트레인게이지(N2A-13-S1452-350, 게이지 상수 2.03, 크기 3×5.2 mm)를 순간접촉제(M-bond 200)을 이용하여 부착하고, 휘스톤 브리지를 구성하여 제작하였다.

Fig. 7 은 제작한 3축 힘센서를 특성실험을 위한 실험장치 및 실험장면을 나타내고 있다. Fig. 7의 (a)는 다축 힘센서 교정기 [12] 에 3축 힘센서의 실험장치를 나타내고 있고, 각 센서의 출 력을 위한 측정기는 고성능측정장치(DMP40)를 사용하였다. 그 리고 Fig. 7의 (b)는 3축 힘센서에 힘 Fx를 가하는 모습, (c)는 3축 힘센서에 힘 Fy를 가하는 모습, (d)는 3축 힘센서에 힘 Fz 를 가하는 모습을 각각 나타내고 있다. 3축 힘센서는 각 센서의 정격용량인 Fx=400N, Fy=200N, Fz=1000N을 가하고 정격출력 을 측정 하였고, 총 세 번을 실시한 값을 평균한 값을 각 센서 의 정격출력으로 결정하였다.

Table 2 는 3축 힘센서의 유한요소해석 결과와 실험결과의 정 격출력 및 오차를 나타내고 있다. 유한요소해석 결과의 정격출 력값은 Table 1의 정격변형률을 식 (2)에 대입하여 계산한 것이 다. 그리고 실험에 의한 정격출력은 본 논문에서 특성실험한 결 과를 나타내고 있다. 3축 힘센서의 최대오차는 유한요소해석 결 과를 기준으로 실험 결과로 계산하였을 때 -2.1%이었다. 이 오 차는 유한요소 프로그램의 고유오차, 감지부의 가공오차, 스트 레인게이지의 부착오차 등으로 판단된다.

Table 3은 3축 힘센서의 재현도오차와 비직선성오차를 나타 Fig. 5. Attachment locations of strain gages on each sensing element

of three-axis force sensor.

Table 1. Strains from FEM analysis at each attachment location of strain-gages of three-axis force sensor.

Sensor Strain ( µm/m)

T

1

C

1

T

2

C

2

Total strain Error (%)

Fx 174 -174 324 -324 996 -0.4

Fy 32 -32 -527 527 990 -1.0

Fz 16 -82 16 -82 196 -2.0

Fig. 6. Manufactured three-axis force sensor.

(6)

낸 것이고, 각 센서의 최대재현도오차와 최대비직선성오차는 각 각 0.04% 이내이었다. 제작한 3축 힘센서의 특성실험 결과 재 현성오차, 비직선성오차가 이미 판매하고 있는 다축 힘센서의 오차들[11]과 비슷한 수준이었다.

보행보조로봇의 종아리 3축 힘센서를 사용하기 위해서는 보 행보조로봇의 제어장치와 연결한 후 교정을 실시해야 한다.

Fig. 8 은 3축 힘센서를 교정하는 교정장치하는 모습을 나타내 고 있다. Fig. 8의 (a)는 Fx힘센서를 교정하는 모습, (b)는 Fy 힘센서를 교정하는 모습, (c)는 Fz힘센서를 교정하는 모습을 나타내고 있다. Fx힘센서 교정은 다축 힘센서 교정장치[12]에 3 축 힘센서를 고정하고 x방향으로 400N의 정격하중을 가하여 제어장치에 400N이 지시하도록 증폭기의 증폭률을 조정하였 다. Fy힘센서 교정은 y방향으로 200N의 정격하중을 가하여 200N 이 지시하도록 하였고, Fz힘센서 교정은 z방향으로 1000N 의 정격하중을 가하여 1000N이 지시하도록 하였다. 각 센서 의 재현도오차와 비직선성오차를 계산하기 위해서 Fx힘센서 교정은 0N부터 400N까지 40N 단계로 하중을 증가시키면서 측정하고 또한 감소시키면서 측정하는 과정을 3회 실시하였다.

Fy힘센서 교정은 0N부터 200N까지 20N 단계, 그리고 Fz힘 센서 교정은 0N부터 1000N까지 100N 단계로 Fx힘센서 교정 과 마찬가지로 실시하였다. Table 5는 교정으로부터 계산된 3 축 힘센서의 재현도오차와 비직선성오차를 나타내고 있다. 3 축 힘센서의 최대재현도오차와 최대비직선성오차는 각각 0.1%

이내 이었다. 이와 같이 오차가 크게 나타난 것은 보행보조로 봇의 제어장치에 사용된 아날로그/디지털컨버터(analog to digital converter)가 12비트(bit)를 사용하였기 때문이다. 즉, Fx힘센서의 분해능은 0.2N(Fx힘센서의 정격출력 ±400N(800N) 를 컨버터의 4000카운터로 나누면 약 0.2N임), Fy힘센서와 Fz 힘센서의 분해능은 각각 0.1N, 0.5N으로 분해능이 크기 때문 에 오차가 커졌다.

Fig. 7. Experimental setup for the characteristic test of three-axis force sensor.

Table 2. Rated output from FEM analysis and characteristic test of each sensor of three-axis force sensor

Sensor Rated output ( mV/V)

Error(%)

FEM Exp.

Fx 0.5055 0.4976 -1.6

Fy 0.5024 0.4918 -2.1

Fz 0.0995 0.0981 -1.4

Table 3. Repeatability error and non-linearity error of three-axis force sensor

Error (%) Force sensor

Fx Fy Fz

Repeatability 0.04 0.04 0.03

Non-linearity 0.04 0.04 0.04

(7)

4. 결 론

본 논문에서는 다리환자가 보행재활운동 및 생활을 위한 보 행에 사용되는 보행보조로봇의 종아리 링크 3축 힘센서를 설계 및 제작하였다. 이 3축 힘센서는 x방향의 힘, y방향의 힘, z방향

의 힘을 측정할 수 있도록 종아리 링크에 직접 설계하고 제작 한 것이 특징이다. 종아리 링크 3축 힘센서의 특성실험 결과, 최 대재현도오차와 최대비직선성오차는 각각 0.04%이내 이었다.

보행보조로봇에서 사용하기 위해 로봇의 제어장치와 연결하여 교정한 결과, 최대재현도오차와 최대비직선성오차가 각각 0.1%

이내 이었다. 특성실험의 결과가 이미 개발된 다축 힘센서의 그 것들과 유사하므로 보행보조로봇에 부착하여 종아리 이하의 무 게를 측정하고 다리환자의 체중을 측정하는데 유용하게 사용될 것으로 판단된다.

감사의 글

이 논문은 2016년도 정부(미래창조과학부) 의 재원으로 한국 연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 연구임(No.

2015R1A2A2A01002952)

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sensor.

Table 4. Repeatability error and non-linearity error of three-axis force sensor in the calibration.

Error (%) Force sensor

Fx Fy Fz

Repeatability 0.1 0.1 0.1

Non-linearity 0.1 0.1 0.1

(8)

decoupled four degree-of-freedom wrist force/torque nsor,”

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