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문제 정의
- 그러므로 본 연구의 목적은 (1) 각 손가락 별 파지 폭을 자유롭게 조절하고, 각 손가락 별 악력을 측정할 수 있는 새로운 개념의 측정징비인 Multi-Finger Force Measurement System(이하 MFFM System)을 개발하고, (2) 각 손가락의 다양한 파지 폭들에서의 손가락의 힘과 총 악력의 힘 그리고 사용자의 주관적 평가 등의 상호관계를 연구하고자 한다. 끝으로 (3) 각 손가락들의 총 악력에 대한 기여도에 대한 측정 및 선행 연구들과의 비교 분석을 하고자 한다.
- 본 연구에서 각 손가락들의 힘과 각 손가락들이 총 악력에 기여하는 기여도가 분석되었다. 즉, 총 악력에 대한 중지의 기여도는 32.
제안 방법
- Caldwell et al.(1974)이 제시한 정적 악력 측정 표준 방법에 의해, 각 피실험자는 무작위로 선정된 5개의 파지 폭(45, 50, 55, 60, 65mm)들에 대하여 4초간 최대 악력을 지속하였으며 총 지속 시간 중 초기 1 초간의 데이터를 제외한 데이터의 평균값을 분석용으로 사용하였다. 각 파지 폭에 대하여 3번의 반복 실험을 실시하였으며, 매 1회 측정 후 2분간의 휴식 시간과 함께 각 파지 폭에 대한 편안함의 주관적 선호도를 5점 척도로 평가하였다(1: 가장 불편함, 5: 가장 편안함).
- 3회 반복 측정하였으며, 매 1회 측정 후, 휴식 시간 2분이 주어졌고, 최대 손가락 악력 파지 폭에 대한 주관적 선호도를 5점 척도로 평가하였다(1: 가장 불편함, 5: 가장 편안함).
- MFFM System은 Solidworks를 이용하여 3D 도면을 그린 후, 데이터를 Rapid Prototype(RP) Machine(3D Printer-SST 1200, Strarasys Inc.)에 전달하여 제작하였다. 여러 파지 폭에 대한 각 손가락의 힘을 측정하기 위하여, 센서가 있는 블록과 본체 사이에 슬라이딩 형태의 블록(크기: 5〜10mm)을 이용하여 각 손가락 별 파지 폭을 45mm 에서 65mm까지 5 또는 10mm 간격으로 쉽게 조절 가능하도록 설계하였다.
- (1974)이 제시한 정적 악력 측정 표준 방법에 의해, 각 피실험자는 무작위로 선정된 5개의 파지 폭(45, 50, 55, 60, 65mm)들에 대하여 4초간 최대 악력을 지속하였으며 총 지속 시간 중 초기 1 초간의 데이터를 제외한 데이터의 평균값을 분석용으로 사용하였다. 각 파지 폭에 대하여 3번의 반복 실험을 실시하였으며, 매 1회 측정 후 2분간의 휴식 시간과 함께 각 파지 폭에 대한 편안함의 주관적 선호도를 5점 척도로 평가하였다(1: 가장 불편함, 5: 가장 편안함). 본 실험을 통하여 도출된 두 가지의 파지 폭들에 대한 정의는 다음과 같다.
- 끝으로 (3) 각 손가락들의 총 악력에 대한 기여도에 대한 측정 및 선행 연구들과의 비교 분석을 하고자 한다.
- 실험 1에서 얻어진 데이터와 정의대로 각 피실험자들의 '개인 선호 파지 폭과 '최대 악력 파지 폭'의 총 악력과 선호도를 분석하였다. 개인 선호 파지 폭'에서의 평균 총 악력과 개인 선호도는 각각 305.
- 실험 1의 결과를 토대로 정의된 '최대 손가락 악력 파지 폭으로 MFFM System의 파지 폭을 조절한 뒤 각 피실험자들은 실험 1과 같은 방법으로 4초간 최대 악력을 측정하였다. 3회 반복 측정하였으며, 매 1회 측정 후, 휴식 시간 2분이 주어졌고, 최대 손가락 악력 파지 폭에 대한 주관적 선호도를 5점 척도로 평가하였다(1: 가장 불편함, 5: 가장 편안함).
- 실험 1의 결과를 토대로, 실험 2에서는 '최대 손가락 악력 파지 폭으로 조정한 후에 악력과 선호도를 평가하였다. 평균 총 악력은 355.
- )에 전달하여 제작하였다. 여러 파지 폭에 대한 각 손가락의 힘을 측정하기 위하여, 센서가 있는 블록과 본체 사이에 슬라이딩 형태의 블록(크기: 5〜10mm)을 이용하여 각 손가락 별 파지 폭을 45mm 에서 65mm까지 5 또는 10mm 간격으로 쉽게 조절 가능하도록 설계하였다. 외부의 충격에 대한 저항력과 내구력을 위해 ABS 합성수지(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) 의 재질로 제작하였다(그림 1).
- 피실험자는 의자에 곧게 앉아 팔을 자연스럽게 옆으로 하고 팔꿈치를 90°로, 손목은 중립을 유지한 자세로 최대 악력 실험을 실시하였다. Caldwell et al.
대상 데이터
- 각 로드셀의 크기는 지름이 9.5mm, 두께가 2.75mm의 소형 로드셀 타입으로 손가락 별 최대 악력을 측정하는데 적합하도록 제작되었다.
- 각 손가락 별 악력을 측정하기 위해 4개의 소형 로드셀 (Miniature Load Cell, Honeywell Model 13)을 사용하였다. 각 로드셀의 크기는 지름이 9.
- 여러 파지 폭에 대한 각 손가락의 힘을 측정하기 위하여, 센서가 있는 블록과 본체 사이에 슬라이딩 형태의 블록(크기: 5〜10mm)을 이용하여 각 손가락 별 파지 폭을 45mm 에서 65mm까지 5 또는 10mm 간격으로 쉽게 조절 가능하도록 설계하였다. 외부의 충격에 대한 저항력과 내구력을 위해 ABS 합성수지(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) 의 재질로 제작하였다(그림 1).
- 피실험자로는 손과 팔에 근골격계질환 경험이 없는 22〜30세(평균 25.4세, 표준편차 1.87)의 건강한 남자 대학생 10명으로 평균키 176.0mm(표준편차: 1.87), 평균 몸무게 75.4kg(표준편차 3.2)이며 모두 오른손을 주로 사용한다. 피실험자들의 평균 손 길이는 187.
데이터처리
- 계측 시스템에 많이 사용되고 있는 LabVIEW Program을 사용하여 구현하였다. 각 센서들로부터 측정된 손가락들의 출력(힘)은 NI DAQmx-6259 장비를 통해 입력되고 분석되었다.
성능/효과
- '최대 손가락 파지 폭'에서의 총 악력의 평균과 선호도는 355.1N와 3.0이었으며, 각 손가락 별 악력과 총 악력으로의 기여도는 중지, 약지, 검지, 그리고 소지의 순으로 각각 124.6N(35.1%), 106.4N(30.0%), 79.4N(22.4%), 그리고 44.7N(12.6%)로 측정되었다.
- 각 파지 폭에 대한 주관적 선호도에서 파지 폭의 영향에 대한 분석 결과, 통계적으로 유의함彷<0.05)을 알 수 있었다. 그림 2는 여러 파지 폭들에 대한 최대 악력 측정에서의 주관적 선호도 평가 결과를 보여준다.
- 각 파지 폭의 평균 총 악력의 분석에서는 파지 폭의 종류가 네 손가락의 총 악력의 합인 총 악력에는 통계적으로 유의한 요인으로 나타나지 않음을 보여주었다. 비록, 통계적으로 유의하지는 않았으나 일반적으로 파지 폭의 종류에 따라 일련의 경향을 보여주고 있는데, 이는 주관적 선호도와 대조적인 경향이다.
- 분석하였다. 개인 선호 파지 폭'에서의 평균 총 악력과 개인 선호도는 각각 305.7N과 4.5로 나타났으며, '최대 악력 파지 폭'에서는 개인 선호 파지 폭보다 다소 높은 총 악력(325.9N)과 다소 낮은 선호도(3.3)를 보였다.
- 2% 큰 악력을 보여주었다. 그에 반해, 개인적 선호도의 경우에는 '최대 악력 파지 폭'과 '최대 손가락 파지 폭이 '개인 선호 파지 폭에 비해 현저하게 낮음을 알 수 있었다. 그러므로, 본 연구를 통하여 주관적 선호도와 수행능력(즉, 총 악력)과의 상관관계를 분석한다면, 그 관계가 그리 높다고 할 수 없을 것이다.
- 힘과 기여도를 보여준 것이다. 전체 악력에 대한 각 손가락 힘의 분석에서는 중지가 가장 큰 악력과 기여도[평균: 92.5N(85.6〜105N), 32.6%(29.5〜34.3%)]를 보여준다. 그 뒤를 약지 [평균: 79.
- 주관적 선호도 분석 결과 대부분의 피실험자들은 45mm 와 50mm 파지 폭을 다른 파지 폭들 보다 더 선호하는 경향을 보인 반면, 총 악력의 결과는 주관적 선호도와 다소 차이가 있었음을 알 수 있었다. 즉, 55mm의 파지 폭에서 의총 악력(312.
- 비록, 통계적으로 유의하지는 않았으나 일반적으로 파지 폭의 종류에 따라 일련의 경향을 보여주고 있는데, 이는 주관적 선호도와 대조적인 경향이다. 즉, '최대 손가락 악력 파지 폭에서의 총 악력이 상대적으로 크고(355.1N), 다음으로 '최대 악력 파지 폭 (325.9N), 그리고 '개인 선호 파지 폭'(305.7N)순으로 나타났다.
- 그림 2는 여러 파지 폭들에 대한 최대 악력 측정에서의 주관적 선호도 평가 결과를 보여준다. 즉, 50과 45mm의 파지 폭이 피실험자들에게 가장 편안한 주관적 선호도를(각각 평균 4.3과 3.5) 보였으며, 그 다음으로는 55(평균 3.4)와 60mm(평균 2.4)의 파지 폭이었다. 가장 큰 파지 폭의 그립인 65mm에 대해서는 대부분의 피실험자들이 가장 낮은 선호도(평균 1.
- 있었음을 알 수 있었다. 즉, 55mm의 파지 폭에서 의총 악력(312.9N)이 45mm나 50mm의 파지 폭에서의 총 악력(각각 280N, 285.9N)보다 다소 높았다. 다만, 주관적인 선호도가 가장 낮은 65mm의 파지 폭에서의 총 악력은 다른 파지 폭들에 비해 가장 낮은 총 악력(268.
- 기여하는 기여도가 분석되었다. 즉, 총 악력에 대한 중지의 기여도는 32.6%로 가장 컸으며, 소지의 경우는 기여도가 가장 낮은 것으로 나타났다(14.5%). 검지와 약지의 기여도 크기에 대한 선행 연구자들의 서로 다른 의견이 있는데, 본 연구에서는 약지의 총 악력에 대한 기여도가(28.
- 평가하였다. 평균 총 악력은 355.1N으로 '최대 악력 파지 폭'(312.9N) 과 '개인 선호 파지 폭 (285.9N)에서의 총 악력보다 각각 13%와 24.2% 큰 악력을 보여주었다. 그에 반해, 개인적 선호도의 경우에는 '최대 악력 파지 폭'과 '최대 손가락 파지 폭이 '개인 선호 파지 폭에 비해 현저하게 낮음을 알 수 있었다.
- 피실험자들은 55와 50mm 파지 폭에서 가장 큰 악력 (각각 312.9N, 285.9N)을 보여주었으며, 45mm(280N)오牛 60mm(273.6N) 순으로 총 악력이 줄어들었다. 가장 큰 파지 폭인 65mm에서는 가장 작은 악력(268.
후속연구
- 그에 반해, 개인적 선호도의 경우에는 '최대 악력 파지 폭'과 '최대 손가락 파지 폭이 '개인 선호 파지 폭에 비해 현저하게 낮음을 알 수 있었다. 그러므로, 본 연구를 통하여 주관적 선호도와 수행능력(즉, 총 악력)과의 상관관계를 분석한다면, 그 관계가 그리 높다고 할 수 없을 것이다. 다시 말하면, 주관적 선호도가 높다고 해서 수행능력인 총 악력이 높다고 할 수 없으며, 총 악력이 높은 파지 폭이 개인 선호도가 높다고 할 수 없을 것이다.
- 다만, 본 연구의 한계라고 할 수 있다면, 피실험자의 수가다소 적은 연구였으며, 또한 '최대 손가락 악력 파지 폭'에대한 주관적 평가에서 대부분의 피실험자들의 경우, 각 손가락 별로 서로 다른 파지 폭으로 이루어진 그립에 대해 익숙해질 수 있는 시간의 부족을 들 수 있다. 다시 말하면, 서로 다른 손가락 별 파지 폭인 그림 1과 같은 손잡이의 경우, 비록 각 손가락들이 최대의 악력을 발휘할 수 있다고 하더라도 피실험자들의 주관적 느낌은 다소 생소하거나 어색할 수 있었을 것으로 생각된다.
- 비록 몇 가지 연구의 한계점이 있었으나, 추후 연구를 통하여 보완해 나갈 것이며, 본 연구의 결과가 수공구 사용자들의 부담을 줄이고, 효율을 증가 시키기 위한 인간 공학적 손잡이의 디자인에 있어 중요한 요소 중의 하나인 파지 폭에 대한 좋은 정보가 되기를 기대한다.
- 사용자 중심의 올바른 수공구 손잡이에 대한 디자인을 위해서는 사용자들의 악력에 대한 연구가 필요할 것이다. 특히, 수공구 손잡이의 파지 폭이 수공구 사용에 있어서 힘의 발휘와 손에 발생되는 스트레스에 중요한 요인임이 보고되었다(Meagher, 1987; Grant et al.
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