In this paper, a monolithic flexure-based three-axis ground reaction force (GRF) sensor was developed to analyze various gaits, including walking, running, and jumping. The GRF sensor should measure the extensively large normal force in a compact and light size. Moreover, since the role of shear force is crucial for feature analysis of dynamic gaits, the sensor should be sensitive in shear force significantly small compared to the normal force. Previous studies have attempted to increase the sensitivity for shear force by designing a mechanically decoupled metallic structure. Due to the complicated structure, they have disadvantages in durability, size, weight, and cost. In this paper, a simple circular cross-section flexure was designed to satisfy the challenging design requirements. A monolithic flexure allows the sensor to have broad measurement range and balanced axial sensitivity with increasing durability in a very compact, simple and light structure. The deformation of the flexure under applied force is measured through capacitance changes and converted into the three-axis force. The proposed sensor can measure normal force up to 2400 N and shear force up to 240 N. The performance of the sensor was evaluated through several experiments. An outsole GRF measurement system was designed by embedding two developed sensors. The resultant GRF data during several in-place motions were analyzed with the developed system.
지면반력의 측정은 보행 분석, 재활, 웨어러블 로봇의 제어 등 다양한 로봇활용분야에서 필수적이다. 지면반력 센서는 수직 방향으로 매우 큰 힘을 측정함과 동시에 작고 가벼워야 한다. 또한, 다양한 운동의 특성을 분석하기 위해서는, 지면반력의 수평방향 성분 측정이 중요한 역할을 하므로, 수직방향의 힘보다 작은 수평방향의 힘을 민감하게 측정해야 한다. 기존 연구들은 기계적으로 디커플된 구조를 가지는 금속 변형체를 설계하여 센서의 수평방향의 민감도를 높이고자 하였으나, 이로 인해 센서의 구조가 복잡해져 내구성, 크기, 무게 등의 측면에서 단점을 가진다. 본 연구에서는 지면반력 센서의 설계요구조건을 정리하였고, 이를 달성하기 위해 단일 플렉셔 기반의 3축 힘센서를 제안하였다. 센서의 유일한 변형체인 단일 구조 플렉셔의 설계를 통해, 요구조건에 부합하는 수직력/수평력 측정 범위와 균형잡힌 민감도를 달성하였다. 제안된 센서는 플렉셔의 변형에 따른 정전용량의 변화를 측정하여 3축의 힘으로 변환한다. 센서는 간단한 구조로 제작되어 14 g의 가벼운 무게와, 직경 30 mm, 두께 13 mm의 컴팩트한 사이즈를 가지며, 수직방향으로 2400 N, 수평방향으로 240 N의 넓은 측정 범위를 가진다. 다양한 실험을 통해 센서의 성능을 평가하였다. 제안된 센서 두 개를 아웃솔에 임베딩하여 아웃솔 지면반력 측정 시스템을 제작하였으며, 다양한 운동 중 발생하는 지면반력을 측정하고 분석하였다.
