◆ 특집 ◆ 고령자 및 장애인을 위한 보조 기술
손가락 외골격용 전기활성 고분자 구동체-센서 하이브리드 구조체의 굽힘 동작 제어
Bending Motion Control of Electroactive Polymer Actuator-Sensor Hybrid Structure for Finger Exoskeleton
한동균1, 송대석2, 조재영2, 김동민1,
Dong Gyun Han1, Dae Seok Song2, Jae Young Jho2, and Dong Min Kim1,
1 홍익대학교 전자·전기공학과 (Department of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University) 2 서울대학교 화학생물공학부 (Department of Chemical and Biological Engineering, Seoul National University)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-44-860-2479 Manuscript received: 2015.7.29. / Revised: 2015.8.28. / Accepted: 2015.8.31.
This study was conducted in order to develop a finger exoskeleton system using ionic polymer metal composites (IPMCs) as the actuator and sensor in a hybrid structure. To use the IPMC as an actuator producing large force, a first order transfer function was obtained using results from a block force for DC excitation that applied to two IPMCs of 20mm-width, 50mm-length, and 2.4mm thickness together. After which the validation of 200gf control with anti-windup PI controller was confirmed. A 5mm-width, 50mm-length, 0.6mm-thickness of IPMC was also modeled as a sensor for tip displacement. As a result, the IPMC sensor could been utilized as a trigger role for the actuator. Finally, an IPMC sensor and actuator were installed on the joint of a single DOF exoskeleton in the hybrid structure, and test for the control of 40gf of block force and predefined sequence of motion was performed.
KEYWORDS: Ionic polymer metal composite (이온성 고분자-금속 복합체), Finger exoskeleton (손가락 외골격), Force control (힘 제어), IPMC sensor (IPMC 센서)
1. 서론
고령자 및 장애인의 간단한 전자기기 조작이나 음료수 컵 집기 등의 손 운동을 보조하는 손가락 외골격의 개발은 이들의 삶의 질 향상을 위해 그 필요성이 크다. 일반적으로 외골격 연구는 주로 팔에 착용하여 손의 운동을 보조하거나 다리에 착
용하여 보행을 보조하는 장치가 주를 이루고 있 다.1,2 그러나 이들의 구동장치는 주로 모터나 공압 을 이용하여 큰 힘을 낼 수 있도록 구성되어 있어 외골격에 적용 시 부피가 크고 무겁기 때문에 사 용자가 착용할 때 불편한 단점이 있다.
최근에 활발히 연구가 이루어지고 있는 전기 활성 고분자 (electro-active polymer, EAP)는 큰 힘을 __________
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제어기를 설계하였으며, L. Hao5 등은 구동기의 입 력 전압에 대한 block force 출력의 비선형적 특성 에 적응제어 기법을 적용하였다. 그리고 C. Aw6 등 은 strain-gauge와 함께 gain-schedule 기반의 PI 제 어기로 EAP의 힘을 제어하여 1자유도의 의료용 tissue cutting 로봇에 응용하였다. 위의 연구들에서 EAP는 10 gf 미만의 작은 힘 제어에 적용되었다.
EAP는 구동기로 활용할 때와는 달리 외부에서 변형을 가하면 전기적 신호가 발생하는 특성 때문 에 센서로서의 활용 가능성도 가지고 있다. 이와 관련하여 Y. Bahramzadeh7 등은 EAP에 주기적으로 외적 변형을 주어 변형 곡률에 대한 주파수 응답 특성을 통하여 센서로서의 동적 모델링을 하였고, K. Park8 등은 외적 변형에 따른 기하학적 제원과 발생하는 전하량 사이의 관계를 통하여 관절의 굽 힘을 측정하였다.
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 하 이브리드 구조체로 굽힘 의도를 감지한 후 움직임 을 유도하고 외부 물체에 가하는 큰 힘을 제어할 수 있도록 하였다.
2장에서는 EAP 구동기의 힘 제어를 위하여 간 단한 1차 선형시스템으로 모델링을 하였으며, 3장 에서는 EAP의 tip 변위에 대한 센서 출력 전압특 성에 대한 모델링, 그리고 마지막으로 4장과 5장 에서는 이들 모델을 이용하여 손가락 외골격에 적 용한 block force 제어에 대한 실험 장치와 결과를 나타내었다.
2. IPMC 와 Block Force 제어
본 논문에서는 EAP 중 4 V 이하의 낮은 구동 전압에서도 큰 변위가 발생하며 외력에 의한 변형 감지 특성을 갖는 전기활성 고분자의 일종인 이온
성 고분자-금속 복합체 (ionic polymer metal composites, IPMCs)를 사용하였다. IPMC의 구조는 표면 전극층과 고분자-금속 복합체층 그리고 양이 온 교환막인 Nafion (Dupont®, Wilmington, U.S.A)으 로 구성되어 있으며, 전기장에서 움직임이 가능한 양이온 (Li+)와 고정된 음이온 (SO3-) 및 물 (H2O) 을 포함한다. Fig. 1과 같이 IPMC의 표면 전극에 전압을 가하면 내부 양이온이 음극으로 이동하여 팽창하고 따라서 양극은 수축되어 굽힘 변형이 발 생하게 된다. 반대로 Fig. 2에서 보이는 바와 같이 외부에서 변형을 가하면 양이온의 이동으로 인하 여 전기적인 신호가 발생하는 특성이 있다.9-11 2.1 Block Force 모델링
IPMC의 입력전압과 출력 block force의 관계를 모델링을 하기 위하여 Fig. 3과 같이 폭 20 mm, 길 이 50 mm 그리고 두께 2.4 mm의 IPMC 2장과 힘 측정을 위한 로드셀을 사용하였다. 로드셀과 컨디 셔닝 회로는 Transducer Techniques사의 최대 500 gf
Fig. 1 Operating principle of IPMC as an actuator11
Fig. 2 Function of IPMC as a motion sensor11
의 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 0.016 V를 출력한다. 또한 센서 의 전압과 구동전압은 National Instrument Inc.의 NI 6259 DAQ를 이용하였으며 샘플속도는 100 samples/
sec로 설정하였다.
IPMC의 일정 전압에 대한 힘의 전달함수를 구 하기 위해서 DC 3 V를 200초간 인가하였다. 여기 서 주의할 내용으로 IPMC 구동체에 3.5 V 이상의 전압이 인가되면 전극의 표면에 수포가 발생하면 서 내부 수분이 빠르게 배출되고, 이 수분의 증발 은 구동 성능을 약화시키는 특성이 있으므로 실험 중 안정적인 특성을 보기 위하여 3 V를 인가하였 다. 그 결과 느린 응답 특성을 보이면서 최종 193 gf만큼 힘이 증가하였다. 그리고 이와 같은 응답 특성을 최소 자승법을 이용하여 식(1)과 같이 1차 전달함수G(s)로 근사화 시켰다. Fig. 4에 측정 결과 와 근사화된 모델의 출력을 나타내었다.
force(s) 2.719 G(s)=voltage(s) s 0.0138=
+ (1) 2.2 Block Force 제어
앞에서 구한 전달함수 G(s)를 기반으로 set point 200 gf에 대하여 연산 증폭기를 이용한 비례- 적분 회로를 구현하여 제어 실험을 수행하였다.
전달함수 G(s)의 매우 느린 응답특성으로 인한 적 분기 오차의 누적 현상을 피하기 위하여 Fig. 5와 같은 anti-windup 회로를 구성하였다.12 Fig. 5에서 Ti
는 PI 제어에서 적분기의 시정수를 나타내며 Kp는 비례계수를 나타낸다. 그리고 계수 Tt는 적분항이 동적으로 초기화되는 시정수를 의미하며, 그 값이
작을수록 적분항은 빨리 초기화된다. 회로에 사용 된 연산 증폭기는 ua741이며, 이는 전류의 최대 출력이 40 mA로 IPMC를 구동시키기에 부족하므 로 출력 단에 power op amp (LM675T)를 연결하여 전류를 증폭하여 사용하였다. 전체적인 block force 제어를 위한 실험 장치의 구성도를 Fig. 6에 나타 내었다.
Fig. 3 IPMC and load cell
Fig. 4 Actual IPMC and model output for 3V-input
Fig. 5 Back calculation anti-windup scheme
Fig. 6 Block diagram of the block force experimental setup
Fig. 7 Block force (200 gf) control using ant-windup PI controller
제어기의 이득들은 MATLAB®의 시뮬레이션을 이용하여 얻은 Kp=5, Ti=10, Tt=2로 설정하였고 IPMC 구동체에 3.5 V 이상의 전압이 인가되지 않 도록 구동 전압을 제한하였다. 실험 결과 Fig. 7에 나타난 바와 같이 목표의 10 % (20 gf)에서 90 % (180 gf)까지 증가하는데 97초, 오차 5 % (±10 gf) 이 내에 도달하는데 127초가 걸림을 확인하였다.
3. IPMC 변위 센서
외부에서 변형을 가하면 양이온의 이동으로 인 하여 전기적 신호가 발생하는 IPMC의 특성을 센 서로서 활용하기 위해 폭 5 mm, 길이 50 mm, 두께 0.6 mm의 IPMC 시편을 사용하였다. IPMC에 굽힘 을 유도하기 위하여 Fig. 8에서 보인 바와 같이 스 테핑 모터를 활용하여 시편의 tip을 최소 10 µm의 분해능으로 밀 수 있도록 구성하였다. 그리고 시 편이 구부러질 때 발생하는 신호를 측정하기 위해 Texas Instruments사의 계측용 증폭기 INA121P를 사 용하여 전압 이득을 99.4배로 설정하였다. 추가적 으로 외부의 전기적, 기계적 노이즈를 줄이기 위 하여 Fig. 9와 같이 차단 주파수 13.3 Hz의 저역통 과필터를 증폭기 전단에 설치하였다. 센서와 구동 체를 하이브리드 구조체로 활용하기 위하여 변위 센서용 시편을 IPMC 구동체가 실제로 휘어질 때 의 동일한 형태를 유지하도록 구동체에 밀착시켰 고 실험 시 구동체에는 전압을 인가하지 않았다.
그리고 구동체와는 전기적으로 절연시켰으며 습도 나 온도와 같은 외부 영향으로부터 차단하기 위하 여 parafilm으로 감쌌다.
Fig. 9 Circuit diagram of instrumentation amplifier (cutoff frequency 13.3 Hz low pass filter and gain 99.4)
Fig. 10 Tip displacement vs. IPMC sensor voltage
시편의tip 변위 5 mm에 대한 속도 별 응답 특 성을 보기 위해 1~5 mm/s의 구간에서 속도를 1 mm/s씩 증가하면서 tip에 굽힘을 유도하였다. 이때 각각의 속도에서 3회씩 굽힘을 유도하고 출력 전 압을 측정하였다. 그 결과 Fig. 10과 같이 전압은 일정 속도에서는 변위에 따라 선형적인 특성을 보 였지만 속도가 증가할수록 기울기가 약간 증가함 을 보이고 있다. 변위 5 mm에 대한 최종 평균 증 분은 속도에 따라 16.5~21.3 mV로 측정되었고, tip 변위에 대한 IPMC 센서전압으로부터 최소 자승법
을 이용하여 선형식(2)를 산출하였다.
voltage [mV]= ×K displacement [mm] (2) 여기서 비례상수 K [mV/mm]는 선형 피팅 기울 기를 나타낸다. 선형식을 산출한 결과 3.60~4.55 mV/mm의 기울기를 얻을 수 있었으며 증분, 편차, 기울기를 Table 1에 요약하였다.
4. 하이브리드 구조체와 손가락 모형
앞의 IPMC 구동체와 센서를 가지고 이를 손가 락 모형에 장착하여 외부에 일정 힘을 가하는 실 험을 시도하였다. 여기서 외부에 가해지는 힘의 측정은 가볍고 얇아 손가락 모형 끝 단에 장착하 기 쉬운 FlexiForce® 힘 센서를 사용하였다. 우선 IPMC 구동체와 센서가 하이브리드 구조체로서 손 가락 모형에 장착되는 모습과 특성에 대하여 설명 하고, 손가락 외골격을 동작시킬 때 적용한 동작 의도의 개념에 대해 설명하기로 한다.
4.1 하이브리드 구조체
1자유도를 갖는 손가락 모형의 끝 단으로부터 block force 제어 성능을 보기 위하여 손가락 모형 의 중간 마디와 끝 마디의 관절은 모두 45도 각도 로 굽혀서 고정시키고 첫 관절의 굽힘을 통해 IPMC 구동체를 동작시킬 수 있도록 Fig. 11과 같 이 구성하였다. 여기서 사용한 구동체는 앞에서 언급한 것과 동일한 폭 20 mm, 길이 50 mm 그리 고 두께 2.4 mm의 IPMC 2장을 겹쳐서 손가락의 첫 관절 위에 장착하였다. 또한 변위 측정을 위하 여 폭 5 mm, 길이 50 mm, 두께 0.6 mm의 IPMC 시 편을 구동체 시편과 포개어서 하이브리드 구조체 로 활용하였다. 따라서 구동체 제어를 위하여 식 (1)을 사용하였고, 식(2)를 이용하여 센서의 tip 변 위를 추정하였다.
Fig. 11 IPMC sensor-actuator and finger dummy
Fig. 12 Applied force vs. sensor voltage of FlexiForce®
and its least square linear fitting
4.2 FlexiForce 압력 센서
손가락 끝 단이 물체와 접촉할 때 힘을 측정할 수 있도록 손가락의 끝 단에는 얇고 가벼운 FlexiForce® A201(최대 450 gf) 힘 센서를 부착하였 다. FlexiForce®는 누르는 힘에 따라 접촉저항이 변 하는 구조로 되어 있으며 두께 (0.208 mm)가 얇고 유연성을 가지고 있어서 손가락 모형에 장착하기 편리한 장점을 가지고 있다. FlexifForce®를 이용하 여 힘을 측정하기 위해 차단주파수 4.5 Hz의 Sallen-Key 2차 저역통과필터와 이득9의 증폭 회로 를 구성하였다. 그리고 FlexiForce® 센서에 최대 190 gf까지 여러 힘을 인가하여 전압을 측정하였고 이를 5회 반복한 평균치를 Fig. 12에 나타내었다.
이를 토대로 최소 자승법을 이용하여 힘 대비 출 력 전압의 선형 기울기 0.0021 [V/gf]를 얻었으며, 센서 전압으로부터 힘을 산출하는 식(3)을 얻었다.
force [gf] 476.19 voltage [V]= × (3) Table 1 Averaged increment, deviation and slope for 5
different velocities (tip displacement: 5 mm) Velocity
(mm/s)
Increment
(mV) Deviation Slope (mV/mm)
1 16.49 1.36 3.60
2 18.65 1.29 3.98
3 19.77 1.42 4.17
4 21.16 1.03 4.48
5 21.84 1.09 4.55
한 의도치 않은 동작을 배제하기 위함이다.
5. 실험 결과
실험에서는 손가락 끝 단의 변위가 5 mm 이상 을 1초 이상 유지할 경우 손가락 굽힘 의도로 간 주하였으며, 손가락 끝 단이 물체에 접촉하면서 누르는 힘이 10 gf 이상을 1초 이상 유지할 경우 힘 제어가 시작될 수 있도록 하였다. 그리고 누르 는 힘이 10 gf 이상의 감소를 1초 이상 유지할 경 우 손가락 폄 의도로 간주하였다.
손가락 외골격을 활용한 실험을 위해 손가락 끝 단에 인위적으로 5 mm 이상의 움직임을 주어 굽힘 운동을 야기시킨 후 물체에 40 gf의 힘 제어 가 이루어질 수 있도록 하였다. 이 후 힘의 감소 를 유발시켜 손가락이 펴지도록 하였다. 이를 NI 6259와 LabVIEW를 이용하여 Fig. 13과 같이 프로 그래밍 하였으며, 결과를 Fig. 14에 나타내었다.
측정을 시작한 후 7.5초 시점에서 굽힘 의도로 인해 +3 V의 IPMC 구동전압이 인가됨을 알 수 있 다.(Fig. 14 내의 작은 그래프) 이후 손가락 끝 단 이 이동하여 물체와 접촉하면서 67초 부근에서 10 gf 이상의 block force가 1초 이상 유지되어 block force제어기가 동작되고, 제어 시작 후 65초가 경 과한 뒤에 40 gf 에 도달함을 알 수 있다. 177초 부 근에서 폄 의도를 감지시키기 위하여 손가락 끝 단에 약한 외력을 가하여 block force 를 10 gf 이상 을 떨어뜨려 1초간 유지하였다. 이로 인하여 –3 V 의 역전압이 구동체에 인가되어 block force가 빠르 게 감소 됨을 볼 수 있다.
177초 부근에서 보이는 입력 전압의 급격한 증 가는 인위적으로 폄 의도를 유발하기 위해 block force를 감소시킴에 따른 제어기의 순간적 보상 동 작으로 인한 결과이며, 이후 바로 block force 제어 기로부터 폄 동작을 위한 역전압으로 스위칭됨을 알 수 있다.
Fig. 13 LabVIEW front panel
Fig. 14 Experimental result
6. 결론
본 논문에서는 EAP의 일종인 IPMC를 사용하 여 1자유도를 갖는 손가락 외골격의 동작을 제어 하고자 하였다. 먼저 IPMC를 이용하여 손가락 관 절을 구부리고 펴는 동작을 유도하는 구동기로 활 용하였고, block force 제어를 위하여 1차 전달함수 로 근사화한 모델에 PI 제어기를 이용하여 200 gf 의 block force를 제어하였다. 또한 IPMC를 센서로 활용하기 위하여 굽힘에 따른 tip 변위에 대한 출 력 전압 관계식을 유도하였다. 그리고 이를 이용 하여 IPMC 구동체와 센서를 포갠 하이브리드 구 조체로 손가락 모형에 장착한 후 정해진 동작 절 차를 수행하도록 제어하여 원하는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통하여 향후 보다 가볍고 유연성 있 는 손가락 외골격 개발의 가능성을 보였다.
후 기
이 논문은 홍익대학교 학술연구진흥비와 2014 년도 정부 (미래창조과학부)의 재원으로 한국연구
재단-공공복지안전사업의 지원을 받아 수행된 연 구임 (No. 2010-0020455).
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