텐던구동방식 보행보조로봇의 종아리링크의 무릎관절 토크센서 설계 및 제작

1. 서론

선천적 및 후천적으로 발생된 다리환자는 정상인과 비슷하게 보행하기 위해서는 보행보조로봇을 착용해야 한다. 다양한 종류의 보행보조로봇를 개발하고, 이것을 이용한 보행훈련 연구를 수행하였다. 보행보조로봇¹은 자이로센서 등을 이용하여 을 제어할 수 있도록 개발하였고, 이것을 이용하여 노인 및 다리환자가 이 로봇을 착용하고 걷는 속도 등을 분석하여 환자의 건강상태를 나타내었다. 보행보조로봇²은 다리환자를 밸트로 상체를 매달고 발목을 줄로 당기는 형식으로 동작되도록 보행보조로봇을 설계하였고, 이 로봇은 다리환자가 착용한 후, 지정된 장소에서만 운동할 수 있고 외부를 보행할 수 없다. 보행보조로봇의 제어기술³은 다리환자들이 로봇을 착용한 후 운동을 할 때 정확한 제어에 대해 종합적으로 기술하였다. 보행보조로봇⁴는 다리환자를 정기적으로 훈련하는데 활용되도록 설계되었고, 훈련결과 보행능력이 향상됨을 보이고 있고, 보행보조로봇⁵는 무릎관절을 130°까지 구부려 운동할 수 있도록 설계하였으며, 보행보조로봇⁷은 환자의 무릎관절 훈련에 사용될 수 있도록 설계되었다. 개발된 보행보조로봇을 환자에게 착용시키고 훈련하는 연구도 진행되었고,^6-11 그 결과 무릎관절과 고관절의 보행이 향상되었다. 다리환자가 착용할 수 있는 텐던방식의 보행보조로봇¹²을 설계 및 제작하였으나 종아리관절에 부착된 센서가 힘 Fx, 힘 Fy, 힘 Fz를 감지할 수 있고, 종아리링크와 연결된 무릎관절의 토크를 측정하지 못하므로 무릎관절 토크제어를 수행할 수 없는 단점을 가지고 있다. 현재까지 개발된 보행보조로봇은 무릎관절에 토크센서가 부착되지 않아 토크를 측정할 수 없으므로 보행시 무릎관절을 토크제어를 실시하지 못할 뿐만 아니라 무릎관절 모터에 과부하가 작용되어도 대체하지 못한다.

여러 방향의 힘과 토크를 측정할 수 있는 다축 힘/토크센서^13,14는 산업체의 지능시스템 및 연구소 등에서의 실험장치 등에 사용되고 있으나 크기, 무게, 용량이 보행보조로봇에 부착하여 사용하기에는 적합하지 않다. 그리고 종아리링크와 허벅지 링크에 x, y, z 방향으로 힘을 측정할 수 있는 3축 힘센서를 설계 및 제작하였고,^15,16 이 센서를 이용하여 보행시 로봇 발에 접촉되는 장애물을 감지할 수 있다. 그러나 무릎관절의 정확한 토크를 측정하지 못해 무릎관절모터에 가해지는 과토크를 제어할 수 없어 모터에 문제가 발생하는 경우가 있다. 특히, 텐던구동방식 보행보조로봇의 무릎관절에 가해지는 토크센서는 무릎관절 토크를 측정하고, 로봇의 무게를 줄이기 위하여 종아리링크와 한 몸체로 설계 및 제작되어야 하나, 아직 개발되지 않았다.

본 논문에서는 편마비 다리환자가 사용하는 텐던구동방식의 보행보조로봇의 종아리링크의 무릎관절 토크를 제어하기 위해 종아리링크와 토크센서가 한 몸체에 설계된 무릎관절 토크센서를 개발하였다. 보행보조로봇의 몸체에 부착된 무릎관절모터로 풀리를 이용하여 종아리링크를 회전시킬 수 있는 종아리링크를 설계하고, 종아리링크 본체에 무릎관절 토크센서를 모델링하였으며, 유한요소법을 이용하여 토크 센서의 감지부를 설계하였다. 그리고 종아리링크 무릎관절 토크센서 감지부에 스트레인게이지를 부착하여 토크센서를 제작하였고, 6축 힘/토크 실험 및 교정기를 이용하여 특성실험을 실시하였으며, 토크센서와 로봇 제어장치를 연결하여 교정을 실시하였다.

2. 종아리링크의 무릎관절 토크센서 설계

2.1 텐던구동방식의 종아리링크 밑 무릎관절 토크센서의 적용 원리

Fig. 1은 보행보조로봇의 텐던구동방식 종아리링크 및 무릎관절 토크센서의 적용원리를 나타내고 있고, 이것은 와이어 휠(Wire Wheel), 무릎관절 토크센서(Knee Joint Torque Sensor), 허벅지링크 연결블록(Connection Block with Thin Link), 종아리링크 본체(Calf Link), 발목링크 연결블록(Connection Block Ankle Link) 등의 부분으로 구성되며, 전체가 한 몸체이다.

Fig. 1

Application principle of tendon-driven method calf-link knee joint torque sensor

종아리링크의 와이어휠은 정회전과 역회전 줄을 고정하고 감을 수 있도록 원통에 두 개의 홈이 있도록 설계되고, 무릎관절 토크센서의 중심과 연결된다. 이것은 텐던구동방식의 착용용 보행보조로봇에서 줄을 이용하여 정방향과 역방향으로 회전시킬 때 줄을 무릎관절모터와 연결하여 무릎관절토크를 발생시키는데 사용된다. 무릎관절 토크센서는 토크센서의 감지부가 십자형으로 구성되고, 이 감지부들의 한쪽 끝에는 와이어휠과 연결되며, 다른 쪽 끝에는 종아리링크 본체와 연결된다. 이것은 무릎관절에 가해지는 토크를 감지하는 역할을 한다. 허벅지링크 연결 블록은 보행보조로봇을 구성할 때 허벅지링크와 연결할 때 사용된다.

종아리링크 본체는 상부에는 무릎관절 토크센서와 연결되고, 하부에는 발목링크 연결블록과 연결된다. 발목링크 연결블록은 보행보조로봇을 구성할 때 발목링크와 연결할 때 사용된다.

텐던구동방식 종아리링크 및 무릎관절 토크센서는 텐던구동방식의 보행보조로봇을 구성할 때 종아리링크로 사용되고, 무릎관절에 가해지는 토크를 감지하는데 사용되며, 감지된 토크는 무릎관절모터가 토크 제어하는데 사용된다.

2.2 종아리링크의 무릎관절토크 산출 시뮬레이션

종아리링크의 무릎관절 토크센서의 용량을 결정하기 위해서는 사람 다리의 각 부위별 무게를 이용한 무릎관절 토크를 시뮬레이션해야 한다. Fig. 2(a)는 사람 하체의 각 부위의 질량을 나타내고 있고, 정상인의 평균 허벅지 질량은 약 8 kg, 종아리 질량은 약 4 kg, 발목이하의 질량은 약 1 kg이며, 보행보조로봇의 각 부위는 각각 약 2 kg, 약 1.9 kg, 약 0.72 kg이다. Figs. 2(b)는 2(a)에서 나타낸 사람과 보행보조로봇의 무릎관절에 가해지는 토크를 계산하기 위해 종아리링크를 0°부터 45°로 회전하고 다시 90°까지 회전하는 시뮬레이션을 소프트웨어(솔리드웍스)를 이용하여 수행한 움직이는 결과를 나타내고 있다. Fig. 2(c)는 무릎관절에 가해지는 토크를 나타낸 그래프이고, 최대토크는 약 16 Nm이었다. 그러므로 무릎관절 토크센서의 용량을 가해지는 최대토크의 약 2배인 30 Nm로 결정하였다.

Fig. 2

Simulation for measurement of torque of the knee joint

2.3 종아리링크의 무릎관절 토크센서의 설계

Fig. 3은 종아리링크의 무릎관절 토크센서의 감지부와 스트레인게이지 부착위치를 나타내고 있고, 센서의 감지부는 종아리링크 중심의 와이어휠을 중심으로 90° 간격으로 구성되어 있다. 토크센서를 제작하기 위한 감지부로는 수평감지부 혹은 수직감지부를 사용할 수 있으나 본 논문에서는 수직감지부를 사용하였다. 스트레인게이지 부착위치는 센서를 제작할 때 총 4개의 스트레인게이지가 필요하므로 S1-S4로 결정하였고, 이것들 중 인장스트레인게이지는 S2와 S3이고 압축스트레인게이지는 S1과 S4로 결정하였다. 종아리링크의 무릎관절 토크센서의 크기를 결정하기 위한 설계변수로 감지부의 두께 t, 길이 l, 폭 b로 결정하였다. 이것들은 구조해석시 설계변수로 사용된다.

Fig. 3

Structure of knee joint torque sensor of calf link and location of strain gage

종아리링크의 무릎관절 토크센서를 제작하기 위해서는 구조해석을 통해 스트레인게이지 부착위치에서의 변형률을 구해야 하고, Fig. 4와 같이 휘스톤브리지 회로도를 구성한다. Fig. 4의 휘스톤브리지에서 T₁과 T₂는 각각 인장스트레인 게이지이고, C₁과 C₂는 각각 압축스트레인게이지이며, E_i과 E_o는 각각 입력전압과 출력전압이다.

Fig. 4

Wheatstone bridge circuit

그리고 정격변형률식을 이용하여 정격변형률을 계산해야 한다. 이 정격변형률은 토크센서의 정격출력을 계산하는데 사용된다. 4개의 스트레인게이지를 부착하여 제작되는 토크센서의 정격변형률식은 다음과 같이 쓸 수 있다.^15,16

$\[ \epsilon ={\epsilon }_{T1}-{\epsilon }_{C1}+{\epsilon }_{T2}-{\epsilon }_{C2} \]$

(1)

여기서, ε은 무릎관절 토크센서의 정격변형률, ε_C1은 압축 스트레인게이지 부착위치의 변형률(C₁, S1), ε_T1은 인장 스트레인게이지 부착위치의 변형률(T₁, S2), ε_T2은 인장 스트레인게이지 부착위치의 변형(T₂, S3), ε_C2은 압축 스트레인게이지 부착위치의 변형률(C₂, S4)이다.

종아리링크의 무릎관절 토크센서의 정격출력을 계산하는 식은 다음과 같다.¹⁷

$\[ \frac{E_o}{E_i}=\frac{1}{4}K\epsilon \]$

(2)

여기서 E_i는 종아리링크 토크센서의 입력전압, E_o는 종아리링크 토크센서의 출력전압, K는 스트레인게이지의 상수(2.03), ε는 정격변형률이다.

종아리링크 무릎관절 토크센서를 구조해석을 통해 설계하기 위해서는 설계변수를 결정해야 한다. 설계변수로는 센서의 정격출력을 0.5 mV/V, 정격변형률을 1000 μm/m, 정격용량을 30 Nm, 토크센서 감지부의 길이 l을 10 mm, 폭을 12 mm, 토크센서 감지부의 재질을 알루미늄(Al7075), 스트레인게이지 부착위치를 감지부 폭의 1/2선, 길이방향으로 와이어휠의 중심쪽으로부터 2 mm 지점으로 결정하였다. 토크센서 감지부의 두께 t를 결정하기 위해 소프트웨어(솔리드웍스)를 사용하여 구조해석을 실시하였고, 이 때 종탄성계수로 70 GPa, 프와송의 비로 0.3을 입력하였고, 8절점 6면체를 선택하였다. 무릎관절 토크센서의 정격출력을 일반 로드셀의 정격출력 2.0 mV/V보다 4배 적은 0.5 mV/V로 결정한 것은 감지부의 두께가 작으면 보행보조로봇의 동작 시 흘들림이 크게 발생하여 무릎관절 토크제어 때 제어가 어려워질 수 있기 때문이다. 스트레인게이지의 부착위치를 위와 같이 결정한 것은 스트레인게이지의 크기(3 × 5.2 mm)를 고려한 것이다.

Fig. 5는 종아리링크 토크센서의 구조해석 결과를 나타내고 있고, 토크센서 감지부의 격자크기는 폭방향으로는 3등분 하였고 길이방향으로는 0.5 mm 간격이다. 구조해석결과는 설계시 예측했던 것과 같이 변형되었고, 스트레인게이지 부착위치에서 크게 변형된 것을 알 수 있다. Fig. 6는 종아리링크 무릅관절 토크센서의 감지부 변형률을 나타내고 있고, 변형률이 (+)와 (−)로 나타난 것은 토크가 가해지면 감지부의 스트레인게이지 부착 양쪽면이 각각 인장과 압축이 발생되기 때문이다. 변형률이 0 μm/m인 지점은 감지부 길이의 5.5 mm인 지점이고, 양쪽 끝부분에서 크게 감소한 것은 소프트웨어의 끝효과 때문이다.

Fig. 5

Structural analysis of the knee joint torque sensor of calf link

Fig. 6

Strain of sensing element of knee joint torque sensor

Table 1은 종아리링크의 무릎관절 토크센서의 스트레인게이지 부착위치에서의 변형률을 나타내고 있고, 변형률은 스트레인게이지의 부착위치인 2 mm지점에서 254 μm/m이었다. 정격변형률은 이들 변형률을 식(1)에 대입하여 계산한 결과 1016 μm/m이었고, 오차는 정격변형률 1000 μm/m를 기준으로 계산한 결과 1.6%이었고, 이 오차는 가공오차를 고려하여 설계시 두께를 0.1 mm 단위로 결정하였기 때문이다. 구조해석으로 무릎관절 토크센서의 두께를 구한 결과 4.7 mm이었다. 따라서 토크센서 감지부의 크기는 길이 l이 10 mm, 두께 t가 4.7 mm, 폭 b가 12 mm이다.

Table 1

Strain at strain-gage attachment location of knee joint torque sensor

3. 종아리링크 무릎관절 토크센서 제작 및 특성실험

Fig. 7은 제작된 종아리링크의 무릎관절 토크센서를 나타내고 있고, 이것은 Fig. 3에 나타낸 토크센서의 스트레인게이지 부착위치에 게이지 상수가 2.03, 크기가 3 × 5.2 mm인 스트레인게이지(모델: N2A-13-S1452-350)을 순간 접착제(M-Bond 200)을 부착하여 휘스톤브리지를 구성하여 제작하였다.

Fig. 7

Manufactured knee joint torque sensor of calf link

종아리링크에 직접 설계하여 제작한 무릎관절 토크센서를 사용하기 위해서는 특성실험을 실시하여 정격출력, 재현도오차, 비직선성오차를 계산하는 등 특성을 분석해야 한다. Fig. 8은 무릎관절 토크센서의 특성실험 및 교정을 위한 실험장치를 나타내고 있고, 이것은 6축 특성실험 및 교정장치,¹⁷ 정밀측정장치(DMP40), 보행보조 로봇의 측정 및 제어장치로 구성되었다. 6축 특성실험 및 교정장치는 토크센서를 고정하고 정확한 토크를 가하는 장치이고, 정밀측정장치는 토크센서의 출력값을 정밀하게 측정한다. 무릎관절 토크센서의 특성실험은 Fig. 8(b)에 나타낸 것과 같이 6축 특성실험 및 교정장치에 고정하고, 정격하중 30 Nm가 되도록 0 Nm에서 30 Nm까지 3 Nm단계로 증가순과 감소순으로 3회 실시하였다. Table 2에 무릎관절 토크센서의 특성실험 결과를 나타내고 있고, Fig. 9는 토크센서의 특성실험 결과를 나타내고 있으며, 편차가 0.0004 mV/V 이하이었으므로 일직선으로 나타난다. 구조해석으로 얻은 정격출력은 0.5156 mV/V이었고, 이것은 구조해석으로 얻은 정격변형률 1016 μm/m와 스트레인게이지의 게이지 상수 2.03을 식(2)에 대입하여 계산한 결과이다. 특성실험에 의한 정격출력은 0.5215 mV/V이었고, 이것은 실험장치로 정격하중 30 Nm를 가했을 때 정밀측정장치로 측정한 값을 3회 평균한 값이다. 정격출력오차는 구조해석값을 기준으로 실험값을 계산한 오차이고 1.14%이었다. 재현도오차는 0.04%이었고, 이것은 0 Nm부터 30 Nm까지 3 Nm 단계로 증가순 실험한 각 단계 지점의 측정오차 중 가장 큰값과 실토크를 이용하여 계산하였다. 비직진성오차는 0.03%이었고, 이것은 증가순 측정오차와 감소순 측정오차의 가장 큰 것을 이용하여 계산되었다. 이 오차들은 기존에 개발된 토크센서들의 그것들과 유사하므로 본 논문에서 개발한 무릎관절 토크센서는 보행보조로봇의 종아리링크에 가해지는 토크를 감지하는데 사용될 수 있을 것으로 판단된다.^12-15

Fig. 8

Experimental device for characteristic test and calibration of knee joint torque sensor

Table 2

Characteristic result of knee joint torque sensor

Fig. 9

Characteristic test result of knee joint torque sensor

제작된 종아리링크 무릎관절 토크센서가 보행보조로봇에 부착되어 사용될 때 감지되는 토크가 Nm 단위로 사용하기 위해서는 토크센서와 보행보조로봇의 측정 및 제어장치와 연결한 후 교정을 실시해야 한다. 사용되는 보행보조로봇의 측정 및 제어장치는 0-3000 mV까지 측정할 수 있으므로 토크센서의 출력이 0 Nm일 때 0 mV, 30Nm일 때 3000 mV가 출력되도록 교정해야 한다. 그러므로 본 논문에서는 6축 특성실험 및 교정장치를 이용하여 토크센서에 30 Nm를 가한 후 보행보조로봇의 측정 및 제어장치에 3000 mV가 지시되도록 증폭기의 가변저항을 조절하여 교정을 실시하였다. 그리고 토크센서와 보행보조로봇의 측정 및 제어장치를 연결한 상태의 재현도오차와 비직선성오차를 계산하기 위해 특성실험과 마찬가지로 0-30 Nm까지 3 Nm 단계로 증가순과 감소순으로 3회 실시하였다. 재현도오차와 비직선성오차를 계산한 결과 각각 0.08% 이하이었다. 따라서 본 논문에서 제작한 종아리링크 무릎관절 토크센서는 일반 측정장치(토크센서 포함)의 법정 지정오차 10%보다 매우 적으므로 보행보조로봇의 무릎관절 토크를 측정하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

4. 결론

본 논문에서는 텐던구동방식 보행보조로봇에 사용될 수 있는 종아리링크 무릎관절 토크센서를 설계 및 제작하였다. 이 종아리링크는 줄로 무릎관절을 정화전 역회전할 수 있도록 와이어휠이 있고, 이 와이어휠을 중심으로 십자형으로 토크센서 감지부를 모델링하였다. 무릎관절 토크센서를 구조해석을 통해 설계 및 제작하였고, 이것을 특성실험한 결과 재현도오차와 비직선성오차가 각각 0.03%와 0.04% 이내이었고, 토크센서를 보행보조로봇의 측정 및 제어장치와 연결하여 실시한 교정결과는 재현도오차와 비직선성오차가 각각 0.08% 이내이었다. 이것들은 기존의 토크센서와 유사하므로 텐던구동방식 보행보조로봇의 종아리링크 무릎관절 토크센서로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 추후 연구로는 본 논문에서 개발한 종아리링크 무릎관절 토크센서를 텐던방식 보행보조로봇에 부착하여 무릎관절에 가해지는 토크를 측정하고 이것을 토대로 무릎관절을 토크제어 하는 것이다.

Acknowledgments

이 논문은 2017년도 정부(미래창조과학부) 의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2015R1A2A2A01002952).

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