본 논문은 복잡한 제어장치 없이 비교적 간단한 마찰식 메카니즘을 이용하여 약물 주입량을 정확하게 제어할 수 있는 공압식 약물주입기 구동장치의 해석과 설계를 다룬다. 다물체 해석 기법을 적용하여 약물주입기의 모델을 구성하였고, 이에 대한 동역학 해석을 통해서 구동 메카니즘의 형상, 스프링강성, 마찰특성 등과 관련된 여러 가지 설계인자들이 약물주입성능에 미치는 영향을 분석하여 이를 시제품 설계에 반영하였다. 약물주입기가 100만회 사용에 대한 내구성을 평가하기 위한 내구시험을 실시하였고, 100만회 구동 후 약물주입기의 변위와 초기상태의 변위를 비교하여 제안한 메카니즘이 충분한 내구성을 가지고 있음을 확인하였다.
본 논문은 복잡한 제어장치 없이 비교적 간단한 마찰식 메카니즘을 이용하여 약물 주입량을 정확하게 제어할 수 있는 공압식 약물주입기 구동장치의 해석과 설계를 다룬다. 다물체 해석 기법을 적용하여 약물주입기의 모델을 구성하였고, 이에 대한 동역학 해석을 통해서 구동 메카니즘의 형상, 스프링강성, 마찰특성 등과 관련된 여러 가지 설계인자들이 약물주입성능에 미치는 영향을 분석하여 이를 시제품 설계에 반영하였다. 약물주입기가 100만회 사용에 대한 내구성을 평가하기 위한 내구시험을 실시하였고, 100만회 구동 후 약물주입기의 변위와 초기상태의 변위를 비교하여 제안한 메카니즘이 충분한 내구성을 가지고 있음을 확인하였다.
This research deals with the analysis and design of a driving mechanism for an automatic pneumatic drug injector, which can precisely control the injection volume using a relatively simple friction-driven mechanism, without any complicated control system. Through a dynamic analysis, the effects of t...
This research deals with the analysis and design of a driving mechanism for an automatic pneumatic drug injector, which can precisely control the injection volume using a relatively simple friction-driven mechanism, without any complicated control system. Through a dynamic analysis, the effects of the design parameters of the driving mechanism associated with the geometry, spring stiffness, and fiction are analyzed, and the results are reflected in a proto-type drug injector design, which is under development for mass production. A test is performed to assess the durability of the mechanism for up to one million operations, and comparison of its displacement after one million operations, verifies the mechanism's durability.
This research deals with the analysis and design of a driving mechanism for an automatic pneumatic drug injector, which can precisely control the injection volume using a relatively simple friction-driven mechanism, without any complicated control system. Through a dynamic analysis, the effects of the design parameters of the driving mechanism associated with the geometry, spring stiffness, and fiction are analyzed, and the results are reflected in a proto-type drug injector design, which is under development for mass production. A test is performed to assess the durability of the mechanism for up to one million operations, and comparison of its displacement after one million operations, verifies the mechanism's durability.
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문제 정의
본 논문에서는 공압식 변위제어형 약물주입기의 상품화를 위해 실제로 약물주입에 사용되는 인자(주사기, 약물, 카테타, 바늘, 피부)에 대한 저항력을 구동장치 모델링에 대입하여 실제 약물주입과 같은 시뮬레이션을 제작하고 구동장치의 동역학 해석을 하였다. 또한 100만회 내구성 평가를 하여 스틱의 변위를 측정하였다.
제안한 메조건은 구현이 어렵고 복잡한 메카니즘이나 제작과 유지에 비용과 기술적 어려움이 따르는 민감한 폐회로 제어장치 없이 비교적 간단한 메카니즘으로 다양한 점도의 약물을 주입할 수 있는 충분한 힘과 빠른 주입속도를 가지면서 원하는 정밀도를 가진다. 본 논문에서는 제안한 메조건의 성능을 검증하기 위해서 다물체 동역학 해석기법을 이용하여 거동의 특성을 분석하고자 한다.
약물을 주입하기 위한 주사기의 내부 저항력은 미소변위인 경우 주사기의 이동거리에 비례하여 증가한다. 약물주입기 내부에 높은 저항력이 발생할 때 주어진 액추에이터의 구동력으로 약물을 주입할 수 있는지 다물체 동역학 모델링을 통하여 검증해 보기로 한다.
자동 약물 주입기는 전기나 공압 등 동력을 이용하여 자동으로 약물을 피부에 주입하는 의료기기이다. 약물주입기는 사용목적이나 시술부위에 따라 다양한 형태가 있으나, 본 논문에서는 최근 미용 및 성형 목적으로 광범위하게 시술되는 메조 세라피(meso therapy)를 위한 자동약물 주입기의 구동메카니즘을 다루고자 한다. 메조 세라피는 프랑스인 Michel Pistor에 의해서 1950년대에 개발된 치료법으로서 주름제거, 모발재생, 지방제거 등 목적에 따라서 특정한 약물을 2-3mm 깊이의 피부 진피층에 주입하는 치료법이다.
가설 설정
약물주입 시 주사기 피스톤의 압력을 측정하기 위해서 인체를 대상으로 한 실험은 현실적인 제약이 많으므로 인체의 피부와 유사한 생닭의 피부를 이용하였다. 메조건 주입약물로는 점도가 가장 큰 필러(filler)로 가정하였고 필러와 유사한 점도를 가지는 주방용 세제를 사용하였으며 바늘은 27G-1/2in를 사용하였다.
제안 방법
구하고자 하는 값은 스틱과 접촉할 때까지 구동 마찰판이 기울어지는 각도(θm)와 액추에이터 로드가 마찰력이 발생하기 전까지 움직인 거리(s)를 구하고자 한다.
액추에이터가 한 번 작동할 때마다 구동마찰판과 스틱, 스틱 후진 방지마찰판에서 마모가 발생하여 내구성에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 충분한 내구성능을 갖는지 평가하기 위해 Fig. 9과 같이 스틱과 구동 마찰판의 마모성을 평가하는 내구성 평가장치를 제작하였다. 내구성 평가장치는 액추에이터가 전진하면 스틱은 마찰판에 의해서 앞으로 전진 하였다가, 액추에이터가 원래 위치로 복귀하면 스틱은 스틱 복귀 스프링에 의해서 후진되는데, 이때 뒤쪽의 벽에 의해서 일정한 위치만큼만 후진하게 한다.
내구성 평가는 스토퍼를 이용하여 액추에이터의 스트로크를 0.96mm로 제한한 뒤 1분에 420회씩 1시간을 연속 구동하여 총 40시간 연속 구동후 스틱의 이동거리를 확인하였다. 액추에이터의 스트로크에 대한 스틱의 이동거리는 선형 변위계를 통해 측정된 결과값을 DAQ보드에 의하여 저장된 데이터 해석을 통해 확인하였다.
본 논문에서는 공압식 변위제어형 약물주입기의 상품화를 위해 실제로 약물주입에 사용되는 인자(주사기, 약물, 카테타, 바늘, 피부)에 대한 저항력을 구동장치 모델링에 대입하여 실제 약물주입과 같은 시뮬레이션을 제작하고 구동장치의 동역학 해석을 하였다. 또한 100만회 내구성 평가를 하여 스틱의 변위를 측정하였다.
메조건의 작동방향에 따른 스틱의 이동거리 정밀도를 측정하기 위하여 내구성 평가장치의 방향을 정방향인 평행한 방향으로, 측방향인 좌측 90도 방향으로, 역방향인 180도 방향으로 변경 후 스틱의 이동거리를 측정하였다. 액추에이터의 구동횟수를 1분에 420회로 설정하고 스틱의 이동거리는 스토퍼를 이용하여 0.
7의 접촉요소로 연결되어있다. 스틸간의 정지마찰력은 기존에 연구된 자료를 바탕으로 설정하였다. 액추에이터 로드는 액추에이터와 병진요소로 연결되어 있다.
액추에이터 로드는 액추에이터와 병진요소로 연결되어 있다. 액추에이터 로드의 구동력은 시간에 따른 액추에이터의 구동력으로 설정하였다. 실측결과는 Fig.
96mm로 제한한 뒤 1분에 420회씩 1시간을 연속 구동하여 총 40시간 연속 구동후 스틱의 이동거리를 확인하였다. 액추에이터의 스트로크에 대한 스틱의 이동거리는 선형 변위계를 통해 측정된 결과값을 DAQ보드에 의하여 저장된 데이터 해석을 통해 확인하였다. 100만회까지의 내구성 시험 후 스틱의 이동거리가 오차범위 내에서 동일하면 메조건은 충분한 내구성능을 갖는다고 결론지을 수 있다.
모델링에서 주사기와 하우징은 지면에 고정되어 있다. 약물주입 액추에이터와 액추에이터 로드는 트렌스레이셔널 조인트를 사용하여 액 추에이터 로드를 전, 후진시키고 구동마찰판, 스토퍼, 스틱, 후진방지마찰판, 주사기, 피스톤은 각각 접촉 요소로 설정하였고 약물이 피부에 주입될 때 발생하는 저항력에 의한 주사기의 압력변화를 주사기와 피스톤에 연결되어 변위와 속도의 함수로 주어지는 스프링 댐퍼요소로 설정하였다. 스프링 댐퍼값은 측정된 데이터를 기반으로 구하였으며 2.
정현구, 탁태오 등(6)은 선행으로 연구된 메카니즘의 신뢰성평가를 위하여 내구성 평가 장치와 이동변위 측정 장치를 설계하였다. 약물주입기를 연속적으로 구동할 때 미세 약물주입 성능을 갖는지 평가하고, 약물 주입기를 장시간 구동 하여 미세 약물주입이 가능한 작동횟수를 확인하였다.
약물주입기의 동적 거동을 해석하기 위하여 주사기의 주입압력, 마찰판의 마찰력 생성 및 전달, 주입기의 기구학적 링키지 등을 포함한 구동장치에 대한 아담스 모델링을 Fig. 2(a)와 같이 수행하였다. 모델링에서 주사기와 하우징은 지면에 고정되어 있다.
4와 같이 소형 인장 압축기를 사용하였다. 저항요소로는 실제로 약물주입에 사용되는 인자(주사기, 약물, 카테타, 바늘, 피부)를 묘사하였고 압축장치로 주사기 피스톤에 힘을 가했을 때의 힘과 변위, 속도를 기록하였다.
제안한 메조건은 구현이 어렵고 복잡한 메카니즘이나 제작과 유지에 비용과 기술적 어려움이 따르는 민감한 폐회로 제어장치 없이 비교적 간단한 메카니즘으로 다양한 점도의 약물을 주입할 수 있는 충분한 힘과 빠른 주입속도를 가지면서 원하는 정밀도를 가진다. 본 논문에서는 제안한 메조건의 성능을 검증하기 위해서 다물체 동역학 해석기법을 이용하여 거동의 특성을 분석하고자 한다.
이 때 마찰판과 스틱사이의 마모는 한부분에 집중적으로 발생하므로 마모에 의한 내구수명을 신속하게 평가할 수 있다. 측정은 LABVIEW(National Instruments)프로그램과 rs-232보드, DAQ보드(National Instruments), 선형변위계(LPS)를 사용하여 측정하였다.
이론/모형
본 논문에서 사용하는 공압식 구동장치는 정현구, 탁태오 등(1)이 개발한 약물주입기용 구동장치를 기반으로 하고 있다. 이 장치는 약물 주입을 위한 액추에이터가 정해진 스트로크를 연속적으로 왕복운동을 하더라도 약물을 주입하는 주사기의 피스톤은 미리 설정된 변위만큼씩 이동하며 약물을 주입할 수 있다.
성능/효과
1mm 씩 변경하며 해석하였다. 그 결과 스틱의 두께(a)와 스틱과 구동마찰판의 공차(b)의 인자가 스틱의 이동에 가장 큰 민감도를 나타냈으며, 결론적으로 스틱과 마찰판의 공차가 스틱의 이동에 가장큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
액추에이터의 스트로크에 대한 스틱의 이동거리는 선형 변위계를 통해 측정된 결과값을 DAQ보드에 의하여 저장된 데이터 해석을 통해 확인하였다. 100만회까지의 내구성 시험 후 스틱의 이동거리가 오차범위 내에서 동일하면 메조건은 충분한 내구성능을 갖는다고 결론지을 수 있다.
동역학 해석 결과 액추에이터의 힘을 실험값과 동일하게 시뮬레이션에 입력했을 때, 실제 스틱의 이동거리와 시뮬레이션의 스틱 이동거리가 일치하는 결론을 얻었다. 민감도 분석 결과 설계변수에 대한 스틱의 힘을 측정한 값으로 액추에이터가 103N 구동 시 스틱의 두께와 구동마찰판의 공차의 변경으로 인한 힘을 통해 스틱과 마찰판의 공차가 커질수록 주사기 피스톤을 밀어주는 스틱의 힘에 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
동역학 해석 결과 액추에이터의 힘을 실험값과 동일하게 시뮬레이션에 입력했을 때, 실제 스틱의 이동거리와 시뮬레이션의 스틱 이동거리가 일치하는 결론을 얻었다. 민감도 분석 결과 설계변수에 대한 스틱의 힘을 측정한 값으로 액추에이터가 103N 구동 시 스틱의 두께와 구동마찰판의 공차의 변경으로 인한 힘을 통해 스틱과 마찰판의 공차가 커질수록 주사기 피스톤을 밀어주는 스틱의 힘에 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서 다루고자 하는 공압식 약물 주입장치는 전기식에 비하여 부피가 크고 고가이지만, 전기식과 달리 온도 상승이 없으며 충분한 약물 주입압력을 생성할 수 있으므로 시술목적에 따라 점도에서 큰 차이가 나는 다양한 종류의 약물을 주입하는데 널리 사용할 수 있는 장점이 있다.
은 긴 전달관로를 갖는 공기압 압력 제어계를 대상으로 전달관로의 전달특성 변화에 의한 제어성능 변화를 보상할 수 있는 압력제어기를 설계하였다. 비례 제어기를 이용한 압력제어 결과와 비교하여 목표압력의 진폭이 변화함으로써 발생하는 압력응답의 진동 및 정상편차가 사라지고 압력제어성능이 현저하게 향상되 었음을 확인하였다.
상품화를 위한 100만회 내구성 측정결과 스틱의 변위가 방향과 횟수에 상관없이 일정함을 알 수 있었다.
측정결과 100만회 내구성 평가 후에도 스틱의 이동변위는 오차범위 ±0.05mm 이내에서 0.96mm으로 동일한 것으로 확인되었다.
측정결과 메조건은 작동방향에 대해 오차범위 ±1/10mm이내에서 정밀한 이동거리를 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자동 약물 주입기란?
자동 약물 주입기는 전기나 공압 등 동력을 이용하여 자동으로 약물을 피부에 주입하는 의료기기이다. 약물주입기는 사용목적이나 시술부위에 따라 다양한 형태가 있으나, 본 논문에서는 최근 미용 및 성형 목적으로 광범위하게 시술되는 메조 세라피(meso therapy)를 위한 자동약물 주입기의 구동메카니즘을 다루고자 한다.
메조 세라피란?
약물주입기는 사용목적이나 시술부위에 따라 다양한 형태가 있으나, 본 논문에서는 최근 미용 및 성형 목적으로 광범위하게 시술되는 메조 세라피(meso therapy)를 위한 자동약물 주입기의 구동메카니즘을 다루고자 한다. 메조 세라피는 프랑스인 Michel Pistor에 의해서 1950년대에 개발된 치료법으로서 주름제거, 모발재생, 지방제거 등 목적에 따라서 특정한 약물을 2-3mm 깊이의 피부 진피층에 주입하는 치료법이다. 메조 세라피는 특정 부위의 진피층에 미세한 양의 약물을 수백 회에서 수천 회 주입해야하므로 사람의 손으로 시술하기가 어려워서 메조건(meso gun)이라고 하는 공압식 자동 약물 주입장치를 사용한다.
메조건의 방식 중 솔레노이드를 사용하는 전기식의 장점은?
메조건은 바늘을 피부에 삽입할 때와 삽입 후 정해진 양의 약물을 피부에 주입할 때 공압이나 전기를 사용하는 방식이 있는데 두 가지 모두 장단점이 있다. 우선 솔레노이드를 사용하는 전기식은 공압식과 비교하여 공압 펌프, 축압기, 압력 제어기 등의 장치가 불필요하므로 부피가 작고 구조가 간단한 장점이 있다. 그러나 전기식은 메조 세라피에서 사용하는 구경이 작은 바늘을 이용하여 점성이 큰 약물을 주입하는 경우에 요구 되는 큰 힘을 내기가 어렵고, 솔레노이드 구동시 소음이 발생하고, 장시간 사용할 경우 열로 인하여 약물에 영향을 줄 수 있는 문제가 있다.
참고문헌 (6)
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Tak, T. O., Jung, H. G., Kim, N. W., KWON, S. W., PARK, J. Y., Lee, J. Y., 2010, "Reliability Assessment of Precision Volume Controllable Stick Type Drug Infusion System," Proc.of KSME Fall Annual Meeting, pp. 3945-3946.
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