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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 HAD에 사용자의 신체 변화를 관찰하는 단계를 추가하여 사용자의 감성적 요소와 육체적 요소를 모두 실시간으로 설계에 반영하였고, 이러한 과정을 통하여 HAD의 단점이 보완된 새로운 설계기법을 제시하였다. 이를 위하여 사무용 의자의 등판 설계에 HAD만 적용하였을 때 바람직하지 않은 제품설계가 이루어질 수있다는 점을 확인하였고, 요추의 변화를 관찰하는 단계를 추가하여 HAD의 단점을 보완하여 인간중심적인 설계를 하였다.
- (3)(4)(5) 따라서 기존의 HAD를 통해 개발된 제품은 감성적으로는 우수한 평가를 받았지만, 인체공학적으로 권장되지 않는 설계가 수행될 가능성이 있다. 본 연구에서는 제품이 사용자의 신체에 미치는 영향을 고려하는 단계를 기존의 HAD에 추가하여 보다 인간친화적인 설계 방법을 제시한다. 제시한 설계방법의 타당성을 검증하기 위하여 우선 HAD 를 이용하여 의자 등판의 틸트 시스템을 설계하였다.
가설 설정
- 5와 같이 업무 자세를 취하였을 때, 사용자의 요추 전만각을 살펴보았다. 이 때, 업무 자세는 사용자가 자연스럽게 의자에 몸을 기대어 등판의 반발력과 사용자의 하중이 평형을 이루었을 때의 자세로 가정하였다. 이와 같은 업무 자세는 흔히 사무용의자의 사용자가 가장 많은 시간 동안 취하게 되는 자세이므로, 의자 등판의 강성 설계는 사용자의 요추 건강에 큰 영향을 미칠 것이다.
제안 방법
- 4Nm/deg이고, 등판의 초기 기울임 예압은 0 - 40Nm이다.(7) 이를 참조하여 본 연구에서는 의자의 초기 기울임 강성과 등판의 초기 기울임 예압을 각각 1.5Nm, 5Nm로 설정하고, Fig. 4의 Initial HP를 생성하였다. 그래프의 기울기는 등판의 강성을 의미하며, 그래프의 절편은 초기 예압을 의미한다.
- 특히, 요추는 사용자가 의자에 착석하여 있는 동안 상체의 무게를 지지하는 부분이고, 평소보다 큰 변화량만큼 구부러진 상태로 힘이 가해지게 된다. 그러므로, 본 연구에서는 사무용 의자의 설계 단계에서 요추의 변화를 관찰하여 설계에 반영하였다. 요추의 변화는 주로 요추 전만각을 통하여 측정할 수 있으며, 요추 전만각은 1번 요추의 상면과 천추의 상면이 이루는 각으로 정의된다.
- 햅틱의자의 모터와 모터 드라이버는 안정적인 성능구현을 위하여 상용제품인 Panasonic사의 AC 서보모터와 모터 드라이버를 사용하였다. 그리고 DSP를 이용하여 모터 드라이버에 공급되는 전류를 제어함으로써 모터의 토크를 제어하였다.
- 설계변수를 조절하기 위하여 햅틱의자에 초기 HP를 적용한 후, 사용자는 햅틱의자 등판에 기대어 업무자세를 취하며 등판에 힘을 가하였다. 그리고 다양한 자세에서 안락감을 평가하였다. 이러한 안락감의 평가결과를 바탕으로 설계자는 사용자가 편안함을 느낄 때까지 HP를 조절하였고, 이로부터 사용자의 안락감이 최대인 Fig.
- 이 때, 사용자의 감성적인 평가를 실시간으로 설계에 반영하였다. 다음으로 다물체 동역학 프로그램인 MADYMO를 이용하여 사용자가 의자에 앉을 때 사용자 요추의 각도 변화를 살펴보았다. 이로부터 기존의 HAD를 이용한 설계가 인체공학적인 측면에서 충분하지 않음을 살펴보고, 신체 변화를 관찰하는 단계를 추가함으로써 보다 인간 중심적인 설계가 이루어질 수 있음을 검증하였다.
- 본 연구에서는 DSP(TMS320 F2812) 기반의 제어기를 이용하였으며, 등판 강성을 1kHz의 제어주기로 제어하였다. 본 연구에서는 모터의 제어를 통하여 실제의자와 같은 등판의 반발력을 햅틱의자에 구현하였다. 햅틱의자의 모터와 모터 드라이버는 안정적인 성능구현을 위하여 상용제품인 Panasonic사의 AC 서보모터와 모터 드라이버를 사용하였다.
- 본 연구에서는 사용자가 의자에 앉아서 Fig. 5와 같이 업무 자세를 취하였을 때, 사용자의 요추 전만각을 살펴보았다. 이 때, 업무 자세는 사용자가 자연스럽게 의자에 몸을 기대어 등판의 반발력과 사용자의 하중이 평형을 이루었을 때의 자세로 가정하였다.
- 따라서 위의 세 가지 설계변수를 어떻게 설정하느냐에 따라 제품의 성능이 결정된다. 본 연구에서는 초기 설계변수를 임의로 설정한 후, HAD 기법을 사용하여 설계변수들을 수정하는 과정을 반복하여 최적의 안락감을 제공할 수 있는 설계변수를 결정하였다.
- θeq는 의자의 기울임 강성과 초기 예압에 의해서 결정되며, 기울임 강성과 초기 예압이 증가할수록 θeq는 감소한다. 설계를 수정하기 위하여 사용자는 햅틱의자를 이용하여 안락감이 유지되는 범위 내에서 최대한 의자의 초기 예압을 증가시켰다. 이로부터 45Nm의 초기 예압을 얻을 수 있었으며, 이 때 θeq는 2.
- 설계를 수정한 의자가 사용자의 요추에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 다시 시뮬레이션을 수행 하였다. Fig.
-
3.4 안락감이 최대인 설계변수 설정
설계변수를 조절하기 위하여 햅틱의자에 초기 HP를 적용한 후, 사용자는 햅틱의자 등판에 기대어 업무자세를 취하며 등판에 힘을 가하였다. 그리고 다양한 자세에서 안락감을 평가하였다.
- 여러 강성 및 예압에 대하여 출력토크 τ를 측정하였다.
- 우선, 햅틱의자를 이용하여 의자의 특성을 구현하기 위하여 haptic profile(HP)을 적용하였다. HP는 제품의 주요한 특성에 영향을 주는 물리 변수들 사이의 상관 관계를 의미하며, 제품의 사용 시에 사용자가 느끼는 감성적인 요소와 HP는 매우 밀접한 관계가 있다.
- 2°이며, 이는 실험적으로 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 Fig. 5와 같이 햅틱의자의 CAD 모델을 구현하였으며, 의자에 인체모델을 착석시켰을 때 인체모델의 요추 전만각을 MADYMO를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 위하여 MADYMO에서 제공하는 50th percentile Hybrid-III dummy의 인체모델을 사용하였다.
- 즉, 새로운 설계방법을 통하여 설계된 사무용 의자 등판의 틸트구조가 사용자에게 안락감을 제공할 뿐만 아니라, HAD만을 이용하여 설계된 틸트구조와 비교하여 인체공학적인 측면에서 요추의 건강에 도움이 되는 것이다. 이를 바탕으로 최종적으로 설계하고자 하는 의자의 기울임 강성은 2.5Nm/deg로, 예압은 45Nm으로 결정하였고, 이러한 의자의 기울임 강성과 예압을 만족하는 설계변수 a, k, h의 값은 식 (1)에 의하여 각각 90mm, 17.7N/mm, 28mm로 결정하였다.
- 본 연구에서는 기존 HAD에 사용자의 신체 변화를 관찰하는 단계를 추가하여 사용자의 감성적 요소와 육체적 요소를 모두 실시간으로 설계에 반영하였고, 이러한 과정을 통하여 HAD의 단점이 보완된 새로운 설계기법을 제시하였다. 이를 위하여 사무용 의자의 등판 설계에 HAD만 적용하였을 때 바람직하지 않은 제품설계가 이루어질 수있다는 점을 확인하였고, 요추의 변화를 관찰하는 단계를 추가하여 HAD의 단점을 보완하여 인간중심적인 설계를 하였다.
- 이를 위하여 틸트구조의 설계변수 a, k, h 값의 변화에 따라 출력되는 모터토크 τ를 실험을 통해 검증하였다.
- 본 연구에서는 제품이 사용자의 신체에 미치는 영향을 고려하는 단계를 기존의 HAD에 추가하여 보다 인간친화적인 설계 방법을 제시한다. 제시한 설계방법의 타당성을 검증하기 위하여 우선 HAD 를 이용하여 의자 등판의 틸트 시스템을 설계하였다. 이 때, 사용자의 감성적인 평가를 실시간으로 설계에 반영하였다.
대상 데이터
- HAD를 이용하여 제품을 설계할 때, 햅틱장치는 실제 제품의 기능과 관련된 특성을 표현할 수 있어야 하며, 제품의 특성은 제품의 구조를 결정하는 설계변수에 의해 결정된다. 본 연구에서 다루는 HAD의 대상은 사무용의자 등판의 틸트구조며, 기존의 사무용의자 등판의 틸트구조 중에서 가장 많이 사용되는 Fig. 2와 같은 틸트구조를 설계 대상으로 선정하였다.
- 본 연구에서 사용한 햅틱의자의 HP는 Fig. 4에 도시된 등판의 τ와 θ의 관계로 정의할 수 있다.
- 본 연구에서는 DSP(TMS320 F2812) 기반의 제어기를 이용하였으며, 등판 강성을 1kHz의 제어주기로 제어하였다. 본 연구에서는 모터의 제어를 통하여 실제의자와 같은 등판의 반발력을 햅틱의자에 구현하였다.
- HAD를 설계에 적용하기 위해서는 시제품의 기능을 구현할 수 있는 햅틱장치가 필요하다. 본 연구에서는 사무용 의자를 설계하기 위하여 Fig. 1과 같이 햅틱의자 시뮬레이터를 사용하였다. 햅틱의자는 좌판과 등판으로 구성되어 있으며, 등판에 힘이 작용하면 회전축을 중심으로 등판이 회전하게 된다.
- 과 kah에 수정된 HP의 기울기와 절편을 대입하여 등판 틸트 시스템의 최종 설계변수인 a, k, h를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 틸트 시스템의 크기를 고려하여 a = 90mm, k = 17.7N/mm, h = 22mm로 각각 결정하였다.
- 5와 같이 햅틱의자의 CAD 모델을 구현하였으며, 의자에 인체모델을 착석시켰을 때 인체모델의 요추 전만각을 MADYMO를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 위하여 MADYMO에서 제공하는 50th percentile Hybrid-III dummy의 인체모델을 사용하였다.
- 본 연구에서는 모터의 제어를 통하여 실제의자와 같은 등판의 반발력을 햅틱의자에 구현하였다. 햅틱의자의 모터와 모터 드라이버는 안정적인 성능구현을 위하여 상용제품인 Panasonic사의 AC 서보모터와 모터 드라이버를 사용하였다. 그리고 DSP를 이용하여 모터 드라이버에 공급되는 전류를 제어함으로써 모터의 토크를 제어하였다.
- 5Nm/deg이고, 예압은 35Nm이다. 햅틱의자의 안락감은 성인남성 11명이평가하였으며, 다양한 HP를 구성하여 가장 안락한 HP에 투표하는 방법으로 Comfortable HP를 선정하였다.
성능/효과
- 그러나 이들 사이의 상관관계는 복잡하여 명확히 규정하기 어려우며, 이에 대한 연구는 아직 초기단계에 머물러 있다.(2) 또한, 기존의 HAD는 사용자의 감성적인 평가만을 바탕으로 설계를 수정하고, 감성적인 만족감을 최대화 할 방향으로 설계가 진행되므로, 제품이 사용자의 신체에 미치는 영향이 설계 단계에서 반영되지 않는다.(3)(4)(5) 따라서 기존의 HAD를 통해 개발된 제품은 감성적으로는 우수한 평가를 받았지만, 인체공학적으로 권장되지 않는 설계가 수행될 가능성이 있다.
- HAD로부터 설계한 의자를 이용하여 시뮬레이션을 한 결과, Fig. 5의 (a)와 같이 30o의 요추 전만 각을 얻을 수 있었다. 따라서 HAD 기법을 사용하여 설계된 의자의 등판을 사용자가 장기적으로 사용할 경우, 사용자의 척추 건강에 부정적인 영향을 미칠 것이란 것을 예측할 수 있다.
- 이는 햅틱의자의 모터를 구동하여 사용자에게 가하는 반발력이 설계자가 설계하고자 하는 실제 의자의 틸트구조가 사용자에게 가하는 반발력과 같다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 햅틱의자는 의자의 설계에 HAD 를 적용하기에 알맞은 성능을 보장한다..
- 그리고 다양한 자세에서 안락감을 평가하였다. 이러한 안락감의 평가결과를 바탕으로 설계자는 사용자가 편안함을 느낄 때까지 HP를 조절하였고, 이로부터 사용자의 안락감이 최대인 Fig. 4의 Comfortable HP 를 얻었다. Comfortable HP의 경우, 등판의 기울임 강성은 2.
- 다음으로 다물체 동역학 프로그램인 MADYMO를 이용하여 사용자가 의자에 앉을 때 사용자 요추의 각도 변화를 살펴보았다. 이로부터 기존의 HAD를 이용한 설계가 인체공학적인 측면에서 충분하지 않음을 살펴보고, 신체 변화를 관찰하는 단계를 추가함으로써 보다 인간 중심적인 설계가 이루어질 수 있음을 검증하였다.
- 이 값은 HAD만을 이용하여 설계한 값 30°보다 60°에 가까운 값이므로, 허리 건강에 보다 좋은 영향을 미칠 것이란 것을 예상할 수 있다. 즉, 새로운 설계방법을 통하여 설계된 사무용 의자 등판의 틸트구조가 사용자에게 안락감을 제공할 뿐만 아니라, HAD만을 이용하여 설계된 틸트구조와 비교하여 인체공학적인 측면에서 요추의 건강에 도움이 되는 것이다. 이를 바탕으로 최종적으로 설계하고자 하는 의자의 기울임 강성은 2.
후속연구
- 본 연구에서 제시한 새로운 설계방법을 다양한 제품의 설계에 적용함으로써, 시제품 대체 효과, 사용자의 평가의 실시간 반영과 같은 HAD의 장점을 유지하면서, 동시에 제품 사용으로 인한 신체적 변화에 따른 질병 또는 후유증 발생의 가능성과 같은 HAD의 단점은 보완할 수 있을 것으로 기대된다.
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