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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 환자가 원통형 물체를 잡는 힘을 측정할 수 있는 원통형 물체잡기 손가락힘측정장치를 개발한다. 이를 위해 2축 힘/모멘트센서를 새롭게 모델링하였고, 유한요소법(FEM analysis)을 이용하여 2축 힘/모멘트센서를 설계 및 제작하였다.
- 본 논문에서는 정상인과 뇌졸증 환자 등의 손가락 힘측정을 위한 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치를 개발하였다. 제작한 2축 힘/모멘트센서 의 최대 상호간섭오차가 0.
- 원통형 물체잡기는 손가락의 재활치료를 받고 있는 사람의 재활정도를 판단하기 위해 실시한다. 재활정도는 첫째, 원통형물체를 잡는 힘의 절대값으로 판단하고, 둘째, 측정되는 모멘트 Mx 값을 이용하여 원통형 물체에 힘을 가하거나 가하지 않는 두 개씩의 손가락(검지와 중지 혹은 약지와 소지)을 판단한다.
제안 방법
- 제작한 2축 힘/모멘트센서의 특성실험은 다축 힘/모멘트센서 교정기[7]를 이용하였고, 이교정기는 힘 Fz를 2000N, 모멘트 Mx를 500Nm를 연속적으로 발생시킬 수 있으며, 1×10-4의 상대확장불확도를 가지고 있다. 2축 힘/모멘트센서는 정격하중인 Fz=300N과 모멘트 Mx=5.0Nm를 가하고 정격출력을 측정하였다. 실험은 총 세 번을 실시하여 평균값을 각 센서의 정격출력으로 결정하였다.
- 2축 힘/모멘트센서를 설계하기 위한 설계변수의 정격출력은 약 1.0mV/V, 정격하중은 힘 Fz센서가 300N, 모멘트 Mx센서가 5.0Nm이고, 센서의 크기가 78mm×30mm×12mm, 스트레인게이지의 부착위치가 길이 방향으로는 1.8mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지의 부착위치에서의 총 변형률은 약 2000um/m로 결정하였다.
- 2축 힘/모멘트센서의 설계변수는 몸체의 크기, 각 센서의정격출력, 정격하중, 평행평판보 PPB1~4를 구성하는 보들의 크기는 폭b, 두께t, 길이l 이며, 이것은 센서의 사양을 나타내는 요소로 구성하였다. 각 센서는 4개의 스트레인게이지로 휘스톤브리지를 구성한다.
- 이를 위해 2축 힘/모멘트센서를 새롭게 모델링하였고, 유한요소법(FEM analysis)을 이용하여 2축 힘/모멘트센서를 설계 및 제작하였다. 그리고 이들을 이용하여 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치를 설계 및 제작하였고, 정상인의 원통형 물체잡기 손가락 힘측정실험을 실시하였다.
- 초기값을 1500mV로 조절한 것은 사용한 DSP에 내장된 AD 컨버터가 측정범위가 0~3000mV이고, 센서가 양의 방향과 음의 방향으로 값을 나타내기 때문이다. 둘째, 2축 힘/모멘트센서에 정격하중인 Fz=300N과 모멘트 Mx= 5000Nmm를 각각 가한 후, 고속측정기에 Fz센서는 2700mV이 되도록 맞추고, Mx 센서는 2500mV가 출력되도록 조절하였다. 즉, 힘센서들은 1N=4mV가 되고, 모멘트센서들은 5Nmm=1mV가 된다.
- 둘째, Fz센서와 Mx센서의 각 측정 채널을 값을 읽어 초기값으로 저장한다. 셋째, 각 센서의 측정값을 읽고 그 값을 최기값과 비교하여 순수 측정값을 계산한다. 넷째, 원통형물체잡기 측정이 시작되었을 경우에는 측정된 값을 현재 값과 최대값을 구분하여 LCD에 표시함과 동시에 컴퓨터로 보낸다.
- 8V의 전압을 받아 동작되고, 크리스탈로부터 30 MHz의 클럭을 받아 내부에서 5배 증폭하여 150MHz로 동작하며, 내부플래시 롬 혹은 오부 확장램에 저장된 프로그램의 명령에 따라 DSP의 내부에 장착되어 있는 주변장치들을 동작시킨다. 스위치의 동작에 따라 2축 힘/모멘트 센서 1과 2로부터 출력되는 신호를 증폭기에서 증폭시킨 후 이것을 DSP 내부의 AD 컨버터로 받아들이고, 이 신호를 LCD에 나타냄과 동시에 외부 확장램에 저장 및 CAN 통신과 RS232C 통신을 이용하여 컴퓨터 혹은 다른 제어장치에 보낸다.
- 0Nm를 가하고 정격출력을 측정하였다. 실험은 총 세 번을 실시하여 평균값을 각 센서의 정격출력으로 결정하였다. 표 2는 2축 힘/모멘트센서의 이론 해석과 실험결과의 정격출력 및 오차를 나타내고 있다.
- 따라서 본 논문에서는 환자가 원통형 물체를 잡는 힘을 측정할 수 있는 원통형 물체잡기 손가락힘측정장치를 개발한다. 이를 위해 2축 힘/모멘트센서를 새롭게 모델링하였고, 유한요소법(FEM analysis)을 이용하여 2축 힘/모멘트센서를 설계 및 제작하였다. 그리고 이들을 이용하여 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치를 설계 및 제작하였고, 정상인의 원통형 물체잡기 손가락 힘측정실험을 실시하였다.
- 제작한 2축 힘/모멘트센서의 특성실험은 다축 힘/모멘트센서 교정기[7]를 이용하였고, 이교정기는 힘 Fz를 2000N, 모멘트 Mx를 500Nm를 연속적으로 발생시킬 수 있으며, 1×10-4의 상대확장불확도를 가지고 있다.
- 재활정도는 첫째, 원통형물체를 잡는 힘의 절대값으로 판단하고, 둘째, 측정되는 모멘트 Mx 값을 이용하여 원통형 물체에 힘을 가하거나 가하지 않는 두 개씩의 손가락(검지와 중지 혹은 약지와 소지)을 판단한다. 특성실험은 우선 20대의 정상인을 남자를 기준으로 실시하고, 잡는 방법은 그림 13에서 나타낸 것과 같이, 첫째, 손가락 5개를 모두 사용한 경우, 둘째, 엄지, 검지, 중지손가락만 사용한 경우, 셋째, 엄지, 약지, 새끼손가락만 사용한 경우로 구분하였다. 그림 14는 원통형 손가락 힘측정장치를 이용한 잡는 힘측정의 특성실험장면을 나타내고 있다.
대상 데이터
- 2축 힘/모멘트센서는 그림 6에 나타낸 각 센서의 게이지부착 위치에 스트레인게이지 (N2A-13-S1452-350, Micro-Measurement Company사 제작, 게이지 상수 2.03, 크기 3×5.2mm)를 순간접촉제(M-200)를 이용하여 부착하고 휘스톤브리지[5,6,8,9]를 구성하여 제작하였으며, 그림 7은 제작된 2축 힘/모멘트센서의 사진을 보이고 있다.
- 3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 격자(mesh) 크기는 해석하고자하는 평행평판보를 길이방향으로는 0.5mm, 두께방향으로는 4등분, 폭방향으로는 8등분하였다. 그림 3은 2축 힘/모멘트 센서를 유한요소법으로 해석하기 위해 격자를 나눈 모습을 나타내고 있다.
- 사용된 DSP TMS320F2812(32bit/150MHz/150MIPS/150MMAC) 는 128kword 용량의 플레시 롬(flash read only memory(ROM)), 1Mword 용량의 램(RAM: Random Access Memory), 최고 12.5 Mbps로 변환 가능한 AD 컨버터(12-bit ultra-fast analog/digital converter) 등으로 구성된 텍사스 인스투루먼트사(TI)에서 제작한 고성능의 프로세서의 일종이다. 이것은 전원부로부터 3.
- 그림 14. 원통형 손가락 힘측정장치를 이용한 원통잡기 특성 실험 사진.
- 2축 힘/모멘트센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70GPa, 프와송의비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 격자(mesh) 크기는 해석하고자하는 평행평판보를 길이방향으로는 0.
데이터처리
- 2축 힘/모멘트센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70GPa, 프와송의비가 0.
성능/효과
- 개발한 센서는 최대 상호간섭오차가 이미 판매하고 있는 2축 힘/모멘트센서[4-6,8,9]의 그것과 비슷한 수준이다. 개발한 고속측정장치는 개발한 2축 힘/모멘트센서의 출력값을 빠른 속도로 처리함을 확인할 수 있었고, 원통형 물체잡기 힘측정장치에 활용하기 적합함을 확인하였다. 원통형 물체잡기 특성실험결과, 개발한 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치는 5개의 전체 손가락, 검지와 중지, 약지와 소지의 힘을 측정할 수 있음을 확인하였다.
- 그러므로 2축 힘/모멘트센서는 다축 힘/모멘트센서 교정기[7]를 이용하여 교정되었고, 이교정기는 힘 Fx, Fy, Fz를 모두 2000N, 모멘트 Mx, My, Mz를 모두 500Nm를 연속적으로 발생시킬 수 있으며, 1×10-4의 상대 확장불확도를 가지고 있다.
- 표 1은 유한요소법을 이용하여 2축 힘/모멘트센서의 각 스트레인게이지 부착위치에서의 변형률들과 식 (1)에 의해 계산된 정격변형률들을 나타내고 있다. 모든 센서의 정격변형률은 설계변수로 결정한 정격변형률 2000um/m 이상이었고, 최대오차는 11.5%이었다. 이와 같은 오차는 설계시 가공의 가능성을 고려하여 감지부의 두께를 0.
- 그리고 왼손인 경우에는 각각 172N, 113N, 64N이었다. 모멘트 Mx는 5개의 손가락으로 잡았을 때에는 0에 가깝고, 엄지, 검지, 중지로 잡았을 때 오른 손가락은 +167Nmm, 왼손가락은 +153Nmm이었으며, 엄지, 약지, 소지로 잡았을 때 오른 손가락은 -114Nmm, 왼손가락은 -91Nmm이었다. 본 논문에서 개발한 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치는 표4에서 보는 것과 같이 5개의 전체 손가락, 검지와 중지, 약지와 소지의 힘을 측정할 수 있음을 확인하였다.
- 모멘트 Mx는 5개의 손가락으로 잡았을 때에는 0에 가깝고, 엄지, 검지, 중지로 잡았을 때 오른 손가락은 +167Nmm, 왼손가락은 +153Nmm이었으며, 엄지, 약지, 소지로 잡았을 때 오른 손가락은 -114Nmm, 왼손가락은 -91Nmm이었다. 본 논문에서 개발한 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치는 표4에서 보는 것과 같이 5개의 전체 손가락, 검지와 중지, 약지와 소지의 힘을 측정할 수 있음을 확인하였다.
- 개발한 고속측정장치는 개발한 2축 힘/모멘트센서의 출력값을 빠른 속도로 처리함을 확인할 수 있었고, 원통형 물체잡기 힘측정장치에 활용하기 적합함을 확인하였다. 원통형 물체잡기 특성실험결과, 개발한 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치는 5개의 전체 손가락, 검지와 중지, 약지와 소지의 힘을 측정할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 개발한 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치는 정상인의 원통형물체를 잡는 힘을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 뇌졸중 환자 등 재활중인 환자의 원통형 물체를 잡는 힘을 측정하여 재활정도를 판단하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 그림 4는 힘이 Fz 방향으로 그림 5는 Mx 방향으로 가해졌을 때의 센서 감지부의 변형된 모습을 나타내고 있으며, 모두 센서의 구조를 모델링할 때 예상했던 모습으로 변형되었다. 유한요소법을 이용하여 2축 힘/모멘트센서를 설계한 결과, 힘/모멘트센서를 설계한 결과, 센서의 크기는 평판보의 길이 l=10mm, 폭 b=12mm로 결정하였고, 두께 t=1.8mm이었다.
- 이론 해석결과의 정격출력은 표 1의 정격변형률 ε 을 식 (2)에 적용하여 계산된 것이고, 실험에 의한 정격출력은 본 논문에서 특성실험한 결과를 나타내고 있다. 이론해석결과를 기준으로 이론해석결과의 오차는 최대 1.17%이었다. 이들 오차는 스트레인게이지의 부착오차, 감지부의 가공오차, 유한요소 소프트웨어의 고유오차 등으로 생각된다.
- 표 4에서와 같이 실험결과, 잡는 힘은 오른손으로 손가락 5개를 모두 사용 하였을 때 약 186N, 엄지, 검지, 중지로 쥐었을 때 약 127N, 엄지, 약지, 소지로 쥐었을 때 약 84N이었다. 그리고 왼손인 경우에는 각각 172N, 113N, 64N이었다.
후속연구
- 원통형 물체잡기 특성실험결과, 개발한 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치는 5개의 전체 손가락, 검지와 중지, 약지와 소지의 힘을 측정할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 개발한 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치는 정상인의 원통형물체를 잡는 힘을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 뇌졸중 환자 등 재활중인 환자의 원통형 물체를 잡는 힘을 측정하여 재활정도를 판단하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 추후 연구로는 다양한 연륜 및 성별로 원통형 손가락 힘측정을 한 후 DB를 구축하는 것이다.
- 따라서 본 논문에서 개발한 원통형 물체잡기 손가락 힘측정장치는 정상인의 원통형물체를 잡는 힘을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 뇌졸중 환자 등 재활중인 환자의 원통형 물체를 잡는 힘을 측정하여 재활정도를 판단하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 추후 연구로는 다양한 연륜 및 성별로 원통형 손가락 힘측정을 한 후 DB를 구축하는 것이다.
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