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농촌 지역에서 재배하는 다양한 농작물 중에서도 고추, 딸기, 참외 등과 같은 농작물들은 허리를 굽히거나 쪼그린 자세로 농작물을 수확해야 한다. 최근에 농촌진흥청에서 농업인을 상대로 업무상 질병을 조사한 결과에 의하면 근골격계 질환의 발생 비율이 84.6%로 가장 높았으며, 그 중에서도 허리 47.3%, 무릎 27.3%, 어깨 6.9% 순으로 질환 발생 비율이 높았다[1]. 신체 부위 중에서 허리 관련 질병이 가장 높게 나타나는 이유는 작업자들이 농작물을 수확할 때 장시간 동안 낮은 자세로 작업하는 것에 기인한다[1,2].

허리를 굽히거나 쪼그린 자세로 농작물을 수확해야 하는 작업 여건을 개선하기 위하여 수동형 이동편의장치[3]와 전동형 이동편의장치가 개발되었다[4,5]. 상용화된 수동형 이동편의장치는 작업자가 착석한 상태에서 발의 구동력으로 이동하므로 체중과 토양의 굴곡때문에 편의장치 이동에 많은 어려움을 겪고 있다. 연구 개발중인 전동형 이동편의장치는 자율형과 운전형이 있다[4,5]. 자율형은 작업할 공간과 주행할 공간에 대한 판단에 어려움이 있어 안정적인 주행을 확보하기 어렵다. 조이스틱을 조작하여 편의장치를 앞으로 이동시키는 운전형은 농작물 수확에 양손 사용을 어렵게 하고 시선을 농작물에 계속 주시할 수 없게 하여 작업자의 생산력과 작업 능률을 떨어뜨린다.

전동형 이동편의장치에서는 작업 환경과 안정성 때문에 발은 지면에 닿은 상태로 편의장치와 함께 움직인다. 만약 발의 움직임이나 발의 구동력을 감지하여 전동형 이동편의장치의 움직임 시작 신호로 사용할 수 있으면 전동형 이동편의장치에서 주행으로 인한 문제점들을 개선할 수 있다.

발의 움직임을 감지하기 위해 CCD 센서, 홀(hall) 센서, 근전도 센서, 로드셀(load cell) 등을 사용할 수 있다. CCD 센서는 먼지와 이물질이 많은 작업 환경하에서 적용하기에 어려움이 있고, 홀 센서와 근전도 센서는 작업자의 신체 부위에 필요한 장치를 별도로 부착해야 하므로 작업 환경을 고려하면 적용하기에 부적합하다[6,7].

스트레인 게이지를 이용한 센서나 로드셀은 기구물의 변형을 측정하여 무게나 힘을 측정하므로 이동편의장치에 부착하여 발의 움직임이나 구동력을 측정할 수 있다. 상용화된 로드셀은 수직 하방으로 작용하는 힘의 측정에 최적화되어 있어 수평으로 작용하는 발의 움직임이나 구동력을 측정하기에는 부적합하다[8-10].

본 논문에서는 작업자가 전동형 이동편의장치에 착석하여 발로 밀거나 당기는 힘에 의하여 변형이 발생되는 ㄷ자형 로드셀을 설계·제작하였고, 제작된 로드셀에 스트레인 게이지를 부착하여 발의 구동으로 발생되는 힘을 측정할 수 있는 센서를 제안하였다. 제안된 센서는 전동형 이동편의장치에 부착하여 실험을 하였다.

제작된 ㄷ자형 로드셀을 차체와 모터 사이에 Fig. 8과 같이 설치하고 하중과 미는 힘에 따라 스트레인 게이지의 저항 값 변화를 측정하였다. 하중을 차체를 통해 직접 로드셀에 전달하기 위해 착석자용 의자를 제거하고, 그 자리에 분동을 올려 놓았다. 미는 힘은 인장 측정기를 이용하여 측정하였다.

Fig. 8. 
Lab equipment and Lab environment.

하중의 범위는 작업자의 체중을 고려하여 10 kg에서 100 kg 사이로 설정하였다. 보통 남성과 여성이 착석하여 발로 미는 힘을 측정한 값이 각각 27.3 N과 13.1 N으로 나타났다. 이를 기준으로 하여 미는 힘의 범위를 최소 5 N에서 40 N으로 설정하였다.

실험에서 Fig. 8에 나타나 있는 것처럼 인장 측정기를 차체와 같은 높이에 위치시키고 차체의 진행방향과 반대방향으로 미는 힘을 인가하였다.

실험에서 하중을 10 kg에서 시작하여 10 kg씩 하중을 증가시켜 100 kg까지 변화시키고, 각 하중마다 미는 힘을 5 N에서 40 N까지 5 N씩 증가시키면서 저항 값을 측정하여 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9. 
The result of measuring the resistance change under the vertical load and the pushing force. (a) The inner strain gauge (b) The outer strain gauge.

Fig. 9에서 점선은 모의실험에서 계산된 측정값을 나타낸다. 모의실험 값과 측정값은 비슷한 경향을 나타내며 그 오차는 스트레인 게이지 상수에 많은 영향을 받는다. 스트레인 게이지 상수가 2.243일 때에 오차가 가장 작게 나타났다. 이 때 최대 오차는 0.89 %로 나타났다.

반복적으로 측정한 결과 Fig. 9에서 동일한 센서로 측정했을 경우에는 측정 데이터의 편차가 0.69 %로 나타났다.

Fig. 9(a)에는 미는 힘에 의하여 로드셀 내부에 설치된 스트레인 게이지가 수축하는 방향으로 변형되기 때문에 저항 값이 감소하는 경향을 나타내고, Fig. 9(b)에는 로드셀 외부에 설치된 스트레인 게이지가 인장하는 방향으로 변형되기 때문에 저항 값이 증가하는 경향을 나타낸다.

제작된 로드셀은 Fig. 10에 주어진 신호처리 회로기판에 연결하여 계측 증폭기의 출력을 측정하였다. 측정 회로의 아날로그 부분은 10 V의 전원전압을 사용하였고, 디지털 회로는 5 V의 전원전압을 사용하였다. 계측 증폭기의 출력에 연결된 감산 증폭기는 센서 제작과정에 나타나는 오프셋 전압을 제거하고, 최대 10 V 크기의 신호를 5 V 크기의 신호로 변환하여 마이크로 컨트롤러로 전달한다.

Fig. 10. 
Load cell measurement system PCB module.

센서의 휘스톤 브릿지 회로에서 센서의 내부 면에 부착된 스트레인 게이지 단자는 계측 증폭기의 (+) 단자에 연결하고, 센서의 외부 면에 부착된 스트레인 게이지 단자는 계측 증폭기에 (-) 단자에 연결하였다. 이런 조건하에서 동일한 실험을 되풀이하면 계측 증폭기의 출력단에 나타나는 신호가 Fig. 11에 나타나 있다.

Fig. 11. 
Change of output voltage when vertical load and pushing force are increased.

미는 힘을 인가할 때에 휘스톤 브릿지 회로에서 계측증폭기의 (+) 단자에 연결된 스트레인 게이지는 Fig. 9(a)처럼 저항값이 감소하므로 단자 전압이 증가하고, (-) 단자에 연결된 스트레인 게이지는 Fig. 9(b)처럼 저항 값이 증가하므로 단자 전압이 감소한다. 두 단자 전압의 차이를 증폭하는 계측 증폭기는 출력전압이 증가한다. 계측 증폭기의 전압이득은 995배로 설정하였다.

로드셀에 수직 하중이 가해진 상태에서 미는 힘을 0 N에서 80 N까지 20 N 간격으로 증가하였을 때에 감산 증폭기의 출력신호를 마이크로컨트롤러에 내장된 10-bit A/D 변환기로 A/D 변환한 결과를 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 12(a)는 수직 하중이 30 kg일 때에 출력 파형을 나타내고, Fig. 12(b)는 수직 하중 50 kg 일 때에 출력 파형을 나타낸다. 각 하중에 따라 F₀ 구간에서는 신호 크기는 다르지만 미는 힘이 20 N 간격으로 증가할 때마다 거의 선형적으로 증가하였다.

Fig. 12. 
Changes in output waveform when the pushing force is increased while a vertical load is applied; (a) Vertical load 30 kg, (b) Vertical load 50 kg.

제작된 센서를 전동형 이동편의장치에 부착하여 동작 특성을 분석하였다. Fig. 8에서 분동을 제거하고 그 자리에 의자를 설치하였다. 피실험자로는 발의 구동력이 상대적으로 약한 여성을 선정하였으며, 신장 159 cm이고 체중 61 kg인 여성을 착석하게 하여 실험한 결과가 Fig. 13에 나타나 있다.

Fig. 13. 
Changes in the output waveform when a pushing force or a pulling force is applied while the subject is seated.

Fig. 13에서 파형 (a)는 발의 구동 여부를 판단하는 기준신호, 파형 (b)는 센서의 출력신호, 파형 (c)는 전동형 이동편의장치에 전달하는 구동신호를 나타낸다.

센서 회로의 펌웨어에서 피실험자가 착석하면 이를 인식하여 하중을 측정하고 그 값의 130 %를 기준 신호의 크기로 설정한다. 양쪽 발이 지면에 닿아 있어서 수직 하중은 체중보다 작다. 착석 상태에서 피실험자의 움직임으로 인하여 센서의 출력신호가 기준신호를 넘어서는 경우에 발의 미는 힘으로 잘못 인식하는 것을 방지하기 위해 센서의 출력신호가 0.6 초 이상 연속적으로 기준신호를 넘어서면 발의 미는 힘을 감지한 것으로 판단한다.

피실험자가 착석하기 전에 기준 신호(a)가 최고 값인 T₁을 유지하고, 착석하여 수직 하중이 가해지면 하중의 130 %의 값인 T₂로 기준신호가 설정된다. 센서의 출력신호(b)에서 F₁의 상태에서 발로 미는 힘을 인가하여 기준신호의 크기를 넘어서고 0.6초 이상 지속되면 구동신호(c)에는 1.5초 펄스폭을 가지는 구형파 신호가 나타난다. 기준신호와 지속시간의 크기는 발의 구동력을 감지하는 민감도를 결정한다. 두 값의 크기가 작을수록 민감하게 동작하지만 작업중 움직임으로 인한 오동작이 발생할 수 있다.

센서의 출력신호 (b)에서 F₂ 상태는 발로 당기는 힘을 인가한 상태를 나타내고 F₃는 피실험자가 앞뒤 방향과 좌우 방향으로 착석한 상태에서 움직였을 때의 파형을 나타낸다. F₂와 F₃의 상태에서 구동신호가 동작하지 않음을 확인할 수 있다. 이와 같은 동작 특성을 보면 제안된 센서의 구동신호는 전동형 이동편의 장치를 구동하는데 사용할 수 있다.

본 논문에서는 발의 구동으로 발생되는 힘을 감지하는 ㄷ자형 로드셀 센서를 제안하였다. 제안된 센서를 전동형 이동편의 장치에 적용하면 발의 구동력으로 모터를 기동할 수 있어서 기존 장치의 문제점들을 해결할 수 있어서 작업자의 고된 작업 환경을 개선시킬 수 있어 작업 능률 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

제안된 센서는 작업자에 체중에 따라 센서의 출력 초기값은 다르게 나타나지만 발의 구동력에 따라 힘의 변화는 거의 일정하게 나타난다. 체중에 의한 센서의 초기 출력 값을 오프셋 보완 회로로 부궤환시켜 효과적으로 제거할 수 있다면 더 정확한 특성을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

제안된 발의 구동으로 발생되는 힘을 감지하는 로드셀 센서는 기존의 전동형 이동편의장치에 비하여 구조가 간단하고 설치가 용이하여 다양한 농작물 수확용 이동편의장치에 적용할 수 있다.