휴머노이드 로봇을 위한, 기구학적으로 커플된 형태의 6축 힘-토크 센서의 개발

Abstract

휴머노이드 로봇의 보다 나은 보행 알고리즘의 구현을 위해서는 ZMP(Zero Moment Point)의 측정이 반드시 필요하다. 전형적인 ZMP 측정 방법은 힘-토크 센서를 이용하는 방법이다. 다축 힘-토크 센서는 휴머노이드 로봇의 보행에 있어서 매우 중요하며, 스포츠, 생체의학, 또는 산업용 로봇등의 시스템에 있어서도 중요한 역할을 한다. 힘-토크 센서는 다축 로드셀의 다른 이름이며, 여러 방향으로의 힘 데이터를 측정할 수 있다. 스트레인 게이지를 이용하는 6축 힘-토크 센서는 모든 방향의 힘과 토크(3방향의 힘과 3방향의 토크)를 측정할 수 있다. 본 논문은 기구학적으로 커플된 형태의 스트레인 게이지를 이용한 6축 힘-토크 센서의 설계에 대해서 다루고 있다. 기구학적으로 커플된 형태의 센서의 경우는 힘 데이터를 스트레인 신호로부터 직접적으로 얻을 수 없다. 대신에 일련의 행렬계산을 통해서 얻을 수 있다. 이미 많은 종류의 다축 로드셀들이 개발되어 있으며, 원하면 구매하여 사용할 수 있다. 그러나 가격과 용량 그리고 크기 때문에 휴머노이드 로봇에 적합한 6축 힘-토크 센서의 경우는 찾기가 쉽지 않다. 또한 신호를 계측하는 데이터 획득 보드의 경우도 크기와 가격 때문에 적합한 모델을 찾기가 쉽지않다. 따라서, 본 논문에서는 센서의 기구적인 설계 뿐만 아니라, 매우 작은 크기를 가지면서도 다양한 기능을 가지고 있는 데이터 획득 보드를 설계하는 방법까지 다루고 있다. 데이터 획득 보드의 경우는 증폭회로 뿐만 아니라 통신 모듈, D/A, A/D, 디지털 필터 등을 포함하고 있다.