KR101667323B1 - 물리적으로 분리된 다축 힘센서 및 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물리적으로 분리된 다축 힘센서 및 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다축 힘센서를 설계함에 있어 각 축방향의 힘측정 모듈을 물리적으로 분리하여 힘을 측정하고 측정된 힘을 무선으로 관리단말에 전송하는 물리적으로 분리된 다축 힘센서 및 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 광센서 기반 단축 힘센서 모듈을 이용한 다축 힘센서 구조는 각 축방향에 대한 간섭이 없으며, 제작이 용이하며 저렴하게 제작할 수 있고, 상기 센서를 사용하여 다축 힘센서 모듈이 적용된 착용형 시스템 및 로봇의 발바닥에 부착되어 보행 주기 등의 파악에 활용될 수 있다.

Description

물리적으로 분리된 다축 힘센서 및 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템{decoupling multi axis force sensor and wireless wearing ground reaction force measuring system}

본 발명은 물리적으로 분리된 다축 힘센서 및 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다축 힘센서를 설계함에 있어 각 축방향의 힘측정 모듈을 물리적으로 분리하여 힘을 측정하고 측정된 힘을 무선으로 관리단말에 전송하는 물리적으로 분리된 다축 힘센서 및 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템에 관한 것이다.

다축 힘 센서는 로봇과 사람의 협업시에 사람의 의도를 반영하여 움직임을 수행하기 위해 일반적으로 사용되며, 로봇손에 의한 조립이나 다양한 작업에서 힘제어에 기반한 움직임을 위해 널리 사용되고 있다.

움직임이 고도화됨에 따라 제어 및 안정성 확보를 위한 다축 힘 센서에 대한 필요가 커지고 있다. 의료용 로봇에서는 미소침습수술에 사용되는 툴의 접촉힘을 사용자에게 피드백하기 위해 다축 힘 센서가 적용되었고, 휴머노이드 로봇에서는 로봇의 균형을 제어하기 위해 발목이나 발바닥에 다축 힘 센서가 적용되며 물체를 들어올릴 때 물체와의 접촉을 안정적으로 할 수 있도록 손바닥 부위에 센서가 사용되고 있다.

착용형 로봇 분야에서도 하지보조장치에 적용되는 지면반력센서는 보행주기를 파악하여 보조력을 제공하는데 사용되며, 생체역학분야에서는 보행을 분석하기 위해 고정형 힘판이 일반적으로 사용되는데 공간상의 제약 등으로 인해 다양한 동작분석을 위한 착용형 지면반력 측정 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재까지 제안된 다축 힘 센서 시스템의 경우를 살펴보면, 외부에서 가해진 외력의 크기에 따라 변형하는 탄성체 설계를 위해 크게 3가지 방법이 사용되고 있다.

1) 직렬 적층형은 단축 탄성체를 직렬로 배치하여 각 힘에 대해 독립적인 변위만이 발생하도록 하는 방법이다.

2) 병렬 매니퓰레이터형은 3자유도 또는 6자유도를 갖는 병렬형 매니퓰레이터의 관절 부분을 변형 관절(flexure joint)로 대치하여 가해진 힘에 따라 해당 자유도의 변위가 발생하도록 하는 방법이다.

3) 일체형은 탄성체의 구조를 각 힘에 대해 최대한 독립적으로 발생할 수 있도록 슬릿 형태나 바퀴살 형태로 설계하고 교정(calibration)을 통해 추정하는 방법이다.

구조에 대한 센서의 특징을 정리하면 하기의 표 1과 같다. 표 1은 탄성체의 구조에 따른 다축 힘 센서의 분류를 나타낸다.

	적층형 [1] (stack type)	병렬기구형 [2] (parallel manipulator type)	일체형[3-4] (monolithic type)
형상			[3] [4]
탄성체의 크기	큼	큼	작음
축간간섭도	적음	보통	큼 (작게하기위해서는구조가복잡해짐)
선형성	좋음	좋음	보통
가공성	보통	떨어짐	떨어짐
민감도설계	용이함	용이함	어려움
센서교정	용이함	용이함	어려움

각 탄성체 형상의 변형량을 측정하는 방법에 따라 분류하면, 저항방식(Force Sensing Resistor), 압력측정방식, 스트레인 게이지 방식 등이 있다. 기존 방식을 성능에 따라 정리하면 하기의 표 2와 같다.

구분	저항방식	스트레인게이지 방식	압력측정 방식	정전방식
두께및크기	박형	구조물의크기로 결정	튜브직경에 따라 달라짐	박형
전압증폭기필요유무	필요없음	필요	필요없음	필요없음
반응시간	느림	빠름	느림	빠름
정확성	크게 떨어짐	3% 이내	떨어짐	5% 이내
시간에따른 반복성	40% /시간	-	-	-
내구성	취약함	좋음	유출 가능성 있음	좋음

저항방식은 얇은 필름 형태로 유연하여 소형으로 설계할 수 있지만 용량이 작고, 내구성이 떨어지며, 반응시간이 느리기 때문에 크기 정보를 사용하기보다 활성화/비활성화 정도의 정보 획득을 위한 스위치 정도로 활용되고 있다.

압력센서는 그 센서의 측정범위 내에서는 선형적이고, 측정범위에 따라 오차율이 크게 변하지 않지만, 부하되는 힘의 위치에 따라 반응시간(response time)이불규칙하며 압력을 힘으로 환산할 수 있지만 정확한 측정값을 얻기에는 한계가 있다.

정확한 지면반력 측정을 위해 가장 널리 사용되고 있는 스트레인 게이지 방식의 센서는 노이즈에 민감하고 출력전압이 낮아 추가적인 전압증폭기(Amplifier)를 사용해야 하는 단점이 있다. 힘 센서의 무선화를 위해서는 힘 센서의 출력전압이 임베디드 시스템에서 사용되는 ADC(Analog to digital converter)의 분해능 이상이 되어야 하는데 스트레인 게이지의 자체 출력만으로는 ADC에서 신호 검출이 불가능하다.

또한, 기존의 센서 시스템은 지면반력이 직접적으로 센싱유닛(스트레인 게이지, FSR(force sensing resistor) 등)에 전달되어 반복적인 하중이 부하될 경우 출력 특성이 크게 떨어져 장시간 측정에서는 정확한 측정값을 얻을 수 없다는 문제점이 있었다.

KR 10-1169940 B1

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 각 축방향 사이의 간섭을 최소화하고 최소한의 센서신호를 사용하여 가공조립 및 켈리브레이션이 편리하며 무선송신을 위해 별도의 증폭장치가 필요하지 않은 물리적으로 분리된 다축 힘센서 및 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 상용품으로 제공되는 광센서를 이용하여 지면 반력 측정시스템 등으로 사용할 수 있는 센서의 높이가 낮은 힘 센서 구조 및 그 구조에 의한 힘 측정이 가능한 물리적으로 분리된 다축 힘센서 및 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 신호처리가 간단하며 이로 인해 소형화할 수 있는 단축 힘센서를 이용한 다축 힘센서 구조 및 그 구조에 의한 힘 측정이 가능한 물리적으로 분리된 다축 힘센서 및 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템을 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다축 힘센서의 일 측면에 따르면, 작용점에 가해진 힘에 의한 수직방향분력이 가해져 수직방향으로 변형이 되는 수직방향모듈과 상기 수직방향모듈에서 전달되어 수평방향분력이 가해져 수평방향으로 변형이 되는 수평방향모듈이 각각 물리적으로 분리되는 탄성체와, 상기 탄성체의 각 축방향별 변위를 측정할 수 있는 위치에 각각 배치되어 상기 탄성체의 변위를 각 축방향별로 측정하는 변위 측정용 센서 및 상기 변위 측정용 센서에서 측정된 상기 탄성체의 각 축방향별 변위에 대한 출력전압을 측정하여 관리단말에 무선으로 전송하는 임베디드 시스템을 포함한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템의 일 측면에 따르면, 수직방향분력에 의해 수직방향의 변위가 발생되는 수직방향모듈과 상기 수직방향모듈에서 전달되어 수평방향분력이 가해져 수평방향의 변위가 발생되는 수평방향모듈이 각각 물리적으로 분리되는 탄성체와 상기 탄성체의 각 축방향별 변위를 측정할 수 있는 위치에 각각 배치되어 상기 탄성체의 변위를 각 축방향별로 측정하는 변위 측정용 센서 및 상기 변위 측정용 센서에서 측정된 상기 탄성체의 각 축방향별 변위에 대한 출력전압을 측정하여 관리단말에 무선으로 전송하는 임베디드 시스템을 포함하는 다축 센서 모듈이 신발에 부착 또는 삽입되고, 상기 신발을 착용한 보행자의 보행시 상기 신발에 부착 또는 삽입된 다축 센서 모듈에 의해 연속적인 지면 반력이 측정된다.

본 발명에 의하면, 광센서 기반 단축 힘센서 모듈을 이용한 다축 힘센서 구조는 각 축방향에 대한 간섭이 없으며, 제작 및 켈리브레이션이 용이하며 저비용으로 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상용 광센서를 적용하여 제작된 센서의 특성 편차가 작고 출력 전압을 사용하여 각 축방향의 힘을 쉽게 연산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 수평 방향에서 사용되는 판 스프링의 두께와 길이는 식

로부터 센서의 측정용량에 따라 선정이 가능하여 기존의 반복적인 설계 변수 변경에 의한 시뮬레이션을 통해 설계하는 방법에 비교해 볼 때 설계가 간편하며 해당 판 스프링은 가공 및 구입이 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 부하 분리 메커니즘의 개념도.
도 2는 수직방향분력에 의한 변형량을 나타내는 도면.
도 3은 수평방향분력에 의한 변형량을 나타내는 도면.
도 4는 반사형 광센서의 모식도 및 반사형 광센서의 일반적인 거리-전압 특성곡선을 나타내는 도면.
도 5는 수직방향모듈의 구조를 나타내는 도면.
도 6은 수직방향모듈과 수평방향모듈이 결합된 경우의 일예를 나타내는 도면.
도 7은 2축 센서모듈을 예시한 도면.
도 8은 지면 반력 측정시스템에 적용되는 임베디드 시스템의 구성을 나타내는 도면.
도 9는 2축 센서모듈과 임베디드 시스템이 신발에 부착되어 착용형 지면 반력 측정시스템으로 활용되는 일예를 나타내는 도면.
도 10은 도 9의 착용형 지면 반력 측정시스템을 보행자가 착용한 경우를 예시한 도면.
도 11은 수직/수평방향 켈리브레이션을 위한 테스트베드 및 수직방향 힘만 부하할 때와 수평방향 힘만 부하할 때 상용센서와 본 발명의 센서의 출력전압 변화를 비교한 도면.
도 12는 반복성 실험을 위한 테스트베드 및 초기와 30분후 출력전압 특성을 비교한 도면.
도 13은 힘판 검증을 위한 실험 세팅의 일예를 나타내는 도면.
도 14는 힘판 위를 걸을 때와 몸을 흔들 때 측정된 힘판과 본 발명의 시스템의 수직방향 및 수평방향 측정 힘을 나타내는 도면.
도 15는 압력중심 측정결과를 나타내는 도면.
도 16은 압력중심 연산을 위한 센서 시스템 좌표계를 나타내는 도면.
도 17은 본 발명의 시스템을 통해 확인할 수 있는 버터플라이 다이어그램(butterfly diagram)을 나타내는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 부하 분리 메커니즘의 개념도이고, 도 2는 수직방향분력에 의한 변형량을 나타내는 도면이며, 도 3은 수평방향분력에 의한 변형량을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 다축 힘센서는 외력에 의해 변형이 되는 물리적으로 분리된 수직 및 수평방향모듈(10,20,30)와, 각 축방향별로 수직 및 수평방향모듈(10,20,30)의 변형을 각각 측정하는 변위 측정용 반사형 광센서(40,50,60)과, 반사형 광센서(40,50,60)로부터 각각 출력되는 전압을 관리단말(스마트폰, 컴퓨터 등)에 무선으로 전송하는 임베디드 시스템(미도시됨)을 포함한다.

수직 및 수평방향모듈(10,20,30)은 각 축방향의 간섭을 최소화하기 위해 분리용 볼(decoupling ball)(70)에 의해 각각 물리적으로 분리된다. 수평방향분력이 누락되는 것을 막기 위한 분리용 볼(decoupling ball)(70)은 수직 및 수평방향모듈(10,20,30)의 하단에 배치되어 수평 방향으로 힘의 손실 없이 변형이 발생할 수 있도록 한다. 이와 같이 분리된 수직 및 수평방향모듈(10,20,30)은 조립을 통해 하나의 다축 힘센서로 생성된다. 본 발명에서는 수평 방향으로 힘의 손실 없이 변형이 발생할 수 있도록 하기 위하여 분리용 볼(decoupling ball)(70)에 대해서만 도시하여 설명하였지만, 이는 하나의 실시예에 불과한 것으로서 그 외에 분리용 리니어 가이드 혹은 크로스 리니어 가이드 등을 활용할 수 있으며, 크로스 롤러 가이드 형태로 제작하여 활용할 수 있음은 물론이다.

반사형 광센서(40,50,60)는 수직 및 수평방향모듈(10,20,30)의 각 축방향에 각각 배치되어 도 2 및 도 3에서와 같이 수직 및 수평방향모듈(10,20,30)의 변위를 각각 측정하여 티티엘(TTL) 레벨 수준(0 ~ 5 [V] 수준)의 출력전압을 얻는다. 여기서, 수직 및 수평방향모듈(10,20,30)의 변형에 따라 각각 달라지는 반사판과 수광부의 거리에 따라 반사형 광센서(40,50,60)의 출력전압의 크기는 달라지게 된다.

특히, 수평방향모듈(20)에 수평방향분력이 가해져 변형되는 수평방향모듈(20)의 변위는 하기의 수학식 1에 의해 계산된다.

도 1에 도시된 부하 분리 메커니즘은 작용점에 가해지는 힘이 각 축방향에 따른 분력으로 독립적인 부하가 제공되도록 물리적으로 모듈을 분리하는 방법으로서, 작용점에 가해진 힘의 수직방향분력은 먼저 수직방향모듈(z축 모듈)(10)로 힘이 가해지고 수평방향모듈(y축 모듈, x축 모듈)(20,30)로 전달된다. 수평방향분력은 y 방향(또는 x 방향)으로 가해지며 위와 마찬가지로 y 방향에서 다시 x 방향으로 각각 분력이 나뉘어져 가해지게 된다.

즉, 본 발명에서 3축에 가해지는 힘은 각 반사형 광센서의 신호에 의해 독립적으로 계산된다. 이러한 다축 힘센서가 한 개 이상 적용된 반력 측정장치 및 로봇에 적용된 센서 시스템에 대해서는 하기에서 설명하기로 한다.

하기에서는 전술한 본 발명의 다축 힘센서가 적용되는 지면 반력 측정시스템에 대해 살펴보기로 한다.

도 4는 반사형 광센서의 모식도 및 반사형 광센서의 일반적인 거리-전압 특성곡선을 나타내는 도면이고, 도 5는 수직방향모듈의 구조를 나타내는 도면이며, 도 6은 수직방향모듈과 수평방향모듈이 결합된 경우의 일예를 나타내는 도면이고, 도 7은 2축 센서모듈을 예시한 도면이며, 도 8은 지면 반력 측정시스템에 적용되는 임베디드 시스템의 구성을 나타내는 도면이고, 도 9는 2축 센서모듈과 임베디드 시스템이 신발에 부착되어 착용형 지면 반력 측정시스템으로 활용되는 일예를 나타내는 도면이며, 도 10은 도 9의 착용형 지면 반력 측정시스템을 보행자가 착용한 경우를 예시한 도면이고, 도 11은 수직/수평방향 켈리브레이션을 위한 테스트베드 및 수직방향 힘만 부하할 때와 수평방향 힘만 부하할 때 상용센서와 본 발명의 센서의 출력전압 변화를 비교한 도면이고, 도 12는 반복성 실험을 위한 테스트베드 및 초기와 30분후 출력전압 특성을 비교한 도면이며, 도 13은 힘판 검증을 위한 실험 세팅의 일예를 나타내는 도면이고, 도 14는 힘판 위를 걸을 때와 몸을 흔들 때 측정된 힘판과 본 발명의 시스템의 수직방향 및 수평방향 측정 힘을 나타내는 도면이며, 도 15는 압력중심 측정결과를 나타내는 도면이고, 도 16은 압력중심 연산을 위한 센서 시스템 좌표계를 나타내는 도면이며, 도 17은 본 발명의 시스템을 통해 확인할 수 있는 버터플라이 다이어그램(butterfly diagram)을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 지면 반력 측정시스템에 적용되는 다축 힘센서의 반사형 광센서는 도 4(a)에서와 같이 발광 다이오드(LED)(82)와 광 트랜지스터(Photo transistor)(83)가 결합되어 있는 센서로 반사판(81)의 거리에 따라 출력전압이 달라지는 특성을 갖는다. 도 4(b)는 반사형 광센서의 일반적인 거리-전압 특성곡선을 나타낸다.

본 발명의 반사형 광센서를 바탕으로 제작된 단축센서모듈의 형상은 다양하게 구현할 수 있다. 수직(z) 방향 모듈의 모양은 수평방향분력의 효과적인 전달을 위해 실린더 타입으로 설계되는 것이 바람직하다.

본 발명의 지면 반력 측정시스템에 적용되는 다축 힘 센서의 수직(z) 방향 모듈(90)은 도 5에서와 같이 인쇄회로기판(PCB)(91)과, 광센서(92)와, 탄성체(93)가 결합되어 원통형으로 형성되며 7㎜의 두께를 갖는다. 여기서, 탄성체(93)는 수직방향분력에 의해 수직방향의 변위가 발생되며, 이러한 변형에 의해 광센서(92)와 반사판 사이의 거리는 달라지며, 이에 따른 해당 출력전압은 도 4(b)와 같은 특성을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 지면 반력 측정시스템에 적용되는 다축 힘 센서의 수직(z) 방향 모듈(90)과 수평(x, y) 방향 모듈(100)이 결합되는 일예를 보여주는 도면으로서, 베이스(base)(110)와, 수평(x, y) 방향 모듈(shear)(100)의 판 스프링(leaf spring)(120)과, 수직(z) 방향 모듈(normal)(90)과, 케이스(case)(200)와, 플랜지(flange)(300)가 결합되는 구조를 갖는다.

이러한 구조에 의해 수평방향(x, y) 힘센서는 수직방향(z) 힘센서에서 전달되는 수평방향분력을 측정하고, 두개의 판 스프링(120)을 이용하여 해당 방향으로의 변형이 발생할 수 있게 된다. 도 7에서는 알루미늄으로 제작된 2축 센서모듈의 조립된 모습을 보여주고 있다.

도 8에서는 지면 반력 측정시스템에 적용되는 임베디드 시스템의 구성 및 임베디드 시스템이 신발에 착용된 모습을 나타내고 있다. (a)는 마이크로 컨트롤러(micro controller)로서 반사형 광센서의 출력전압이 티티엘(TTL) 레벨로 출력됨에 따라 추가의 증폭기 없이 바로 마이크로 컨트롤러에서 값을 측정할 수 있게 된다. (b)는 블루투스 모듈(Bluetooth module)로서 이 모듈을 이용하여 스마트폰이나 컴퓨터로 데이터를 실시간으로 전송하게 된다. 여기서, 블루투스 모듈 이외에 스마트폰이나 컴퓨터와 무선으로 통신이 가능한 무선통신모듈을 사용할 수 있음은 물론이다. (c)는 신발의 뒷 부분에 부착된 임베디드 시스템(embedded system attached to the shoe)(400)의 일예를 보여주고 있다.

도 9의 신발에 부착된 지면 반력 측정시스템에서와 같이 2축 센서모듈(500)은 신발의 바닥면 양측부에 각각 부착되고, 임베디드 시스템(400)은 신발의 뒷 부분에 부착되어 도 10에서와 같이 보행자의 보행에 의한 지면 반력을 측정하는 지면반력 측정 시스템으로 활용된다. 즉, 지면과 충돌시 발생하는 충격과 x축 방향으로 발생하는 모멘트에 강인하여 연속적인 지면반력 측정에 활용할 수 있다.

도 11에서와 같이 단축방향 힘센서에 의해 각각의 축방향 힘에 대한 전압특성확인이 가능하다. 본 발명의 센서모듈 간섭특성을 도 11을 참조하여 살펴보면, 1축 상용 힘센서 2개를 각각 수직방향 스테이지와 수평방향 스테이지에 부착한 후 스테이지의 움직임을 통해 개별적인 힘을 본 발명의 2축 힘센서 모듈에 가할 때 수직방향 힘이 가해질 때는 수직방향모듈의 신호와 힘이 가해진 상용센서 신호만 변하고, 수평방향 힘이 가해질 때는 수평방향모듈의 신호와 힘이 가해진 수평방향 상용센서 전압만 변하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 하기의 수학식 2와 같이 센서간의 독립적인 켈리브레이션이 가능하다. 즉 켈리브레이션 매트릭스 C는 대각행렬(diagonal matrix)이며, V _i (i=1~3)는 광센서의 출력전압에서 초기전압 값을 뺀 값을 나타낸다.

도 12에서와 같이 센서에 반복적으로 부하가 발생할 때 저항방식의 경우 출력전압이 20분후에 약 20% 정도 저하되는 것으로 알려져 있다. 지면 반력 측정시스템의 경우 보행중에 반복적으로 하중이 부하되기 때문에 반복성이 중요하다.

본 발명에서는 실험을 위해 반복적인 부하를 가할수 있는 부하장치를 이용하여 30분 동안 약 3초마다 한번씩 1초간 눌렀다 떼는 움직임을 반복하게 하였다. 실험결과 도 12의 오른쪽 그래프에 나타난 바와 같이 처음 20초와 1800초의 출력전압이 일정하게 나오는 것을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명의 반사형 광센서는 힘의 작용점과 연결된 탄성체에 직접 부착되는 것이 아니라 변형체의 변위를 측정할 수 있는 맞은편에 부착되기 때문에 반복적인 하중에도 반사형 광센서에는 하중이 부하되지 않고 간접적으로 빛의 강도를 통해 변형량 측정이 이루어지게 된다. 따라서 반복하중에 출력전압특성이 크게 달라지지 않음을 실험을 통해 확인할 수 있다. 본 발명에서 반사형 광센서는 변형체의 변위를 측정할 수 있는 맞은편에 부착되는 구조에 대해서만 설명하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과한 것으로서 꼭 맞은편에 배치되어야 하는 것은 아니고, 물리적으로 분리되어 독립적인 변형을 발생시키는 변형체의 변위를 측정할 수 있는 위치라면 어디든 배치될 수 있음은 물론이다.

도 13 및 도 14에서와 같이 보행자의 힘판 위 걸음을 통한 지면 반력 측정값을 비교해 보면, 상용 고정형 힘판 위를 걸을 때 힘판에서 측정되는 힘값과 본 발명의 지면 반력 측정시스템에서 측정되는 힘값 사이의 정확성을 검증하기 위해 도 13에서와 같은 실험을 수행하였다. 압력 중심값을 확인하기 위해 힘판의 모서리와 착용형 시스템의 발등, 발목 중심, 정강이 부분에 마커를 부착하고 각 마커 위치와 힘판에서 측정되는 힘, 그리고 본 발명의 지면 반력 측정시스템에서 측정되는 힘값을 측정하였다. 측정 결과 도 14에서와 같이 힘판 위를 걸을 때와 몸을 흔들 때 측정된 힘판(점선)과 본 발명의 지면 반력 측정시스템(실선)의 수직방향 및 수평방향 측정 힘이 유사하게 측정되었다.

도 15 내지 도 17에서와 같이 본 발명의 지면 반력 측정시스템의 압력중심은 다음과 같이 연산된다. 원점(600)은 두 센서(500)의 중심에 정의하고 중심에서 한 센서까지의 거리를 l이라 하고 센서의 높이를 h라고 하면 압력중심은 하기의 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.

도 15는 이와 같이 계산된 값과 힘판 위에서 앞뒤로 움직이는 동안 측정된 값을 통해 계산된 값을 본 발명 시스템의 좌표계에 맞추어 도시한 결과이다. 도 15에서 적색선은 힘판과 옵티컬 마커를 통해 측정된 압력중심을 나타내고, 청색선은 본 발명의 지면 반력 측정시스템을 통해 측정된 압력중심을 나타낸다.

본 발명의 지면 반력 측정시스템을 통해 그동안 단축 지면 반력을 통해 수직방향 힘만을 측정하거나 압력만을 측정하던 시스템과 차별화하여, 보행중에 측정되는 수평방향, 수직방향 힘 및 압력중심을 통해 벡터 형태의 출력을 확인할 수 있으며, 이는 보행분석 또는 보행보조를 위한 시스템에 주요하게 사용될 수 있다. 정상보행 중에 측정되는 이러한 벡터 이미지는 나비 모양과 유사하다고 하여 버터플라이 다이어그램(butterfly diagram)이라 불린다. 도 17에서와 같이 기존에 알려진 버터플라이 다이어그램(butterfly diagram)을 본 발명의 2축 힘센서 모듈이 장착된 지면반력 측정 시스템을 통해 얻은 측정값을 이용해 얻을 수 있었다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 수직방향모듈
20,30 : 수평방향모듈
40,50,60 : 반사형 광센서
70 : 분리용 볼

Claims (7)

1. 다축 힘센서로서,
   작용점에 가해진 힘에 의한 수직방향분력이 가해져 수직방향으로 변형이 되는 수직방향모듈과 상기 수직방향모듈에서 전달되어 수평방향분력이 가해져 수평방향으로 변형이 되는 수평방향모듈이 각각 물리적으로 분리되는 탄성체;
   발광 다이오드와 광 트랜지스터가 결합된 반사형 광센서로서 상기 탄성체의 각 축방향별 변위를 측정할 수 있는 위치에 각각 배치되어 상기 탄성체의 변위를 각 축방향별로 측정하며 상기 탄성체의 각 축방향별 변위에 대한 0 ~ 5 [V] 수준의 출력전압이 각각 생성되는 변위 측정용 센서; 및,
   상기 변위 측정용 센서에서 측정된 상기 탄성체의 각 축방향별 변위에 대한 출력전압을 측정하여 관리단말에 무선으로 전송하는 임베디드 시스템;
   을 포함하는 다축 힘센서.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄성체는 각 축방향의 간섭을 최소화하기 위해 상기 수직방향모듈과 상기 수평방향모듈에 각각 분리용 수단이 배치되어 상기 수직방향모듈과 상기 수평방향모듈이 각각 물리적으로 분리되는
   것을 특징으로 하는 다축 힘센서.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 수직방향모듈과 상기 수평방향모듈에 각각 배치된 분리용 수단에 의해 상기 수평방향모듈에 수평방향분력이 손실 없이 가해져 수평방향으로 변형이 발생되는
   것을 특징으로 하는 다축 힘센서.
   
4. 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정시스템으로서,
   수직방향분력에 의해 수직방향의 변위가 발생되는 수직방향모듈과 상기 수직방향모듈에서 전달되어 수평방향분력이 가해져 수평방향의 변위가 발생되는 수평방향모듈이 각각 물리적으로 분리되는 탄성체와 발광 다이오드와 광 트랜지스터가 결합된 반사형 광센서로서 상기 탄성체의 각 축방향별 변위를 측정할 수 있는 위치에 각각 배치되어 상기 탄성체의 변위를 각 축방향별로 측정하며 상기 탄성체의 각 축방향별 변위에 대한 0 ~ 5 [V] 수준의 출력전압이 각각 생성되는 변위 측정용 센서 및 상기 변위 측정용 센서에서 측정된 상기 탄성체의 각 축방향별 변위에 대한 출력전압을 측정하여 관리단말에 무선으로 전송하는 임베디드 시스템을 포함하는 다축 센서 모듈이 신발에 부착 또는 삽입되고, 상기 신발을 착용한 보행자의 보행시 상기 신발에 부착 또는 삽입된 다축 센서 모듈에 의해 연속적인 지면 반력이 측정되는
   다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정 시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 다축 센서 모듈은 상기 신발 바닥면의 앞부분 및 뒷부분 중 적어도 하나 이상에 각각 부착 또는 삽입되어 상기 보행자의 보행에 의한 연속적인 지면 반력이 측정되는
   것을 특징으로 하는 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정 시스템.
   
6. 삭제
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 임베디드 시스템은,
   상기 변위 측정용 센서에서 측정된 상기 탄성체의 각 축방향별 변위에 대한 출력전압을 측정하는 마이크로컨트롤러; 및
   상기 마이크로컨트롤러에서 측정된 상기 탄성체의 각 축방향별 변위에 대한 출력전압을 상기 관리단말에 무선으로 전송하는 무선통신모듈을 포함하는
   것을 특징으로 하는 다축 힘센서가 적용된 무선 착용형 지면 반력 측정 시스템.

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