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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 손가락 환자가 어느 정도의 힘으로 후크를 잡아 당길 수 있는지를 측정할 수 있도록 3축 힘센서를 2개를 내장하여 후크형 손가락 힘 측정 장치를 개발하였다. 3축 힘센서를 새롭게 모델링하였고, 유한요소 해석(FEM: Finite Element Method)을 이용하여 3축 힘센서 2개를 설계 및 제작하였다.
- 본 논문에서는 정상인과 손가락 환자 등의 손가락 잡아당기기 힘 측정을 위한 후크형 손가락 힘 측정 장치를 개발 하였다. 제작한 3축 힘센서의 상호간섭오차는 0.
제안 방법
- 의 상대확장 불확도를 가지고 있다. 3축 힘 센서의 특성실험은 정격하중 (힘)(Fx=Fy=Fz=100N)을 10등분한 힘, 즉 10N부터 100N까지 10N 단계로 증가순으로 가하고총 3회 실시하였다. 그리고 이 결과를 이용하여 정격출력값, 재현도오차, 비직선성오차를 계산하였다.
- 따라서 본 연구에서는 손가락 환자가 어느 정도의 힘으로 후크를 잡아 당길 수 있는지를 측정할 수 있도록 3축 힘센서를 2개를 내장하여 후크형 손가락 힘 측정 장치를 개발하였다. 3축 힘센서를 새롭게 모델링하였고, 유한요소 해석(FEM: Finite Element Method)을 이용하여 3축 힘센서 2개를 설계 및 제작하였다. 또한 후크를 잡아 당기는 손가락 힘 측정 특성 실험을 실시하였다.
- 3축 힘센서를 설계하기 위한 설계변수의 정격출력은 약 0.5mV/V, 정격하중은 힘 Fx, Fy, Fz 센서가 각각 100N, 센서의 크기가 56x40x14mm, 스트레인게이지의 부착위치가 길이 방향으로는 1.5mm, 폭 방향으로는 1/2, 정격변형률은 약 1000 um/m(각 스트레인게이지의 부착위치 에서의 변형률 : 약 250um/m)로 결정하였다.
- 3축 힘 센서의 특성실험은 정격하중 (힘)(Fx=Fy=Fz=100N)을 10등분한 힘, 즉 10N부터 100N까지 10N 단계로 증가순으로 가하고총 3회 실시하였다. 그리고 이 결과를 이용하여 정격출력값, 재현도오차, 비직선성오차를 계산하였다.
- 초기값을 1500mV로 조절한 것은 사용한 DSP에 내장된 AD컨버터가 측정범위가 0~3000mV이고, 센서가 양의 방향과 음의 방향으로 값을 나타내기 때문이다. 둘째, 3축 힘센서에 정격하중인 Fx=Fy=Fz=100N을 각각 가한 후, 고속측정기에 2500mV이 출력되도록 조절하였다. 즉, 힘센서들은 10mV=1N이 된다.
- 이를 위해서는 정상인을 대상으로 실시한 후크 잡아 당기기 손가락 힘 측정 결과가 있어야 한다. 따라서 본 논문에서는 우선 20대의 정상인을 남자와 여자로 구분하여 특성실험을 실시한다.
- 3축 힘센서를 새롭게 모델링하였고, 유한요소 해석(FEM: Finite Element Method)을 이용하여 3축 힘센서 2개를 설계 및 제작하였다. 또한 후크를 잡아 당기는 손가락 힘 측정 특성 실험을 실시하였다.
- 제작된 3축 힘센서의 특성실험은 다축 힘/모멘트센서 교정 기[9]를 이용하였고, 이교정기는 힘 Fx, Fy, Fz를 모두 2000N, 모멘트 Mx, My, Mz를 모두 500Nm를 연속적으로 발생시킬수 있으며, 1´10-4의 상대확장 불확도를 가지고 있다.
- 그림 9. 후크형 손가락 힘 측정 장치의 남자 특성실험.
- 그림 10. 후크형 손가락 힘 측정 장치의 여자 특성실험.
- 그림 8. 후크형 손가락 힘 측정 장치의 특성실험.
대상 데이터
- 3축 힘센서 1과 2는 그림 5에 나타낸 각 센서의 게이지 부착위치에 스트레인게이지 (N2A-13-S1452-350, Micro-Measure- ment Company사 제작, 게이지 상수 2.03, 크기 3´5.2mm)를 순간접촉제(M-200)를 이용하여 부착하고 휘스톤브리지[6-8]를 구성하여 제작하였으며, 그림 6은 제작된 3축 힘센서 1과 2의 사진을 보이고 있다.
- 3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 격자(mesh) 크기는 해석하고자 하는 평행 평판보를 길이방향으로는 0.5mm, 두께방향으로는 4등분, 폭 방향으로는 8등분하였다.
- 3축 힘센서 1과 2의 한쪽 블록이 몸체 내부에 고정되었고, 다른 쪽 블록은 “ㄷ”자 형태의 후크 양끝에 각각 고정되었다. 몸체의 무게는 약 20kg, 크기는 220mmx220mmx71mm이고, 후크의 크기는 폭이 120mm, 높이가 77mm이다. 이것은 후크를 앞과 위쪽으로 잡아 당기는 것을 고려한 것이다.
- 특성실험 방법은 그림 8에서 나타낸 것과 같이, (a)엄지손가락을 뺀 네 손가락을 사용한 경우, (b)검지만 사용한 경우, (c)중지만 사용한 경우, (d)약지만 사용한 경우, (e)소지만 사용한 경우로 구분하였으며, (f)는 실험장치를 나타내고 있다. 실험장치는 후크 잡아당기기 손가락힘 측정 장치와 컴퓨터로 구성되어 있고, 손가락으로 후크를 잡아당기면 2개의 3축 힘 센서로 힘이 전달되고 그것을 측정장치로 측정하여 LCD로 표시함과 동시에 컴퓨터로 보낸다. 측정값은 3번을 측정한 것을 평균한 것이다.
- 3축 힘센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄 이므로 종탄성계수가 70GPa, 프와송의비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다. 격자(mesh) 크기는 해석하고자 하는 평행 평판보를 길이방향으로는 0.
데이터처리
- 표 4는 3축 힘센서 1과 2의 각 센서의 재현도오차와 비직선성오차를 나타내고 있다. 재현도오차는 같은 힘에서 3번 측정한 최대값과 최소값의 차를 정격출력으로 나눈 후 100을 곱하여 계산하였고, 비직선성오차는 3번 측정한 값의 평균값과 가해준 각 힘에서의 비례힘의 차를 정격출력으로 나눈 후 100을 곱하여 계산하였다. 3축 힘센서 1의 최대 재현도오차와 비직선성오차는 각각 0.
이론/모형
- 3축 힘센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS소프트웨어를 이용하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄 이므로 종탄성계수가 70GPa, 프와송의비가 0.
성능/효과
- 네 손가락의 힘은 남자가 여자보다 오른손과 왼손이 각각 76N과 67N크게 나타났으며, 검지, 중지, 약지, 소지는 각각 19N과 20 N, 30 N과 28 N, 24 N과 25 N, 15 N과 16 N 크게 나타났다. 남자와 여자의 오른손과 왼손 모두 평균값이 중지가 가장 크고, 소지가 가장 작은 것으로 나타났다. 그림 9와 10을 환자에 적용할 경우에는 환자의 손가락 힘을 측정한 값이 최소값과 최대값의 범위 내에 있으면 정상에 가깝게 재활되었다고 판단할 수 있을 것으로 생각된다.
- 네 손가락을 이용한 경우에는 오른손과 왼손의 평균값은 각각 93N과 83N, 최대값은 159N과 150N, 최소값은 42N과 34N이고, 검지, 중지, 약지, 소지의 그것들은 그래프에서 나타낸 것과 같다. 네 손가락의 힘은 남자가 여자보다 오른손과 왼손이 각각 76N과 67N크게 나타났으며, 검지, 중지, 약지, 소지는 각각 19N과 20 N, 30 N과 28 N, 24 N과 25 N, 15 N과 16 N 크게 나타났다. 남자와 여자의 오른손과 왼손 모두 평균값이 중지가 가장 크고, 소지가 가장 작은 것으로 나타났다.
- 표 1은 유한요소법을 이용하여 3축 힘센서의 각 스트레인 게이지 부착위치에서의 변형률들과 식 (2)에 의해 계산된 정격 변형률들을 나타내고 있다. 모든 센서의 정격변형률은 설계 변수로 결정한 정격변형률 1000 um/m 이상이었고, 최대오차는 6.6%이었다. 이와 같은 오차는 설계시 가공의 가능성을 고려하여 감지부의 두께를 0.
- 유한요소 해석결과의 정격출력은 표 1의 정격변형률 e을 식 (3)에 적용하여 계산된 것이고, 실험에 의한 정격출력은 3번의 특성실험한 결과의 평균이다. 유한요소 결과를 기준으로 실험값과의 오차는 최대 8.96%이었다. 이들 오차는 스트레인게이지의 부착오차, 감지 부의 가공오차, 유한요소 소프트웨어의 고유오차 등으로 생각된다.
- 유한요소법을 이용하여 3축 힘센서를 설계한 결과, 센서의 크기는 평판보의 길이 l1, l2, l3는 각각 10mm이었고, 폭 b1, b2, b3는 각각 14mm 이었으며, 두께 t1, t2, t3는 각각 2.0mm 이었다. 유한요소해석 결과를 토대로 3축 힘센서의 각 센서의 스트레인게이지 부착위치를 결정하였으며, 그것을 그림 5에 나타내고 있다.
- 24%이었고, 이것은 이미 판매하고 있는 3축 힘센서[10]의 그것과 비슷한 수준이므로 후크 잡아당기기 힘 측정 장치에 활용하기 적당 하였다. 후크 잡아 당기기 특성실험 결과, 본 논문에서 개발한 후크형 손가락 힘 측정 장치는 정상인의 손가락 후크 잡아당기기 힘 측정을 정확하게 수행할 수 있었다. 따라서 본 논문에서 개발한 후크형 손가락 힘 측정 장치는 재활중인 손가락 환자의 후크 잡아 당기기 손가락 힘을 측정하여 재활정도를 판단하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
후속연구
- 후크 잡아 당기기 특성실험 결과, 본 논문에서 개발한 후크형 손가락 힘 측정 장치는 정상인의 손가락 후크 잡아당기기 힘 측정을 정확하게 수행할 수 있었다. 따라서 본 논문에서 개발한 후크형 손가락 힘 측정 장치는 재활중인 손가락 환자의 후크 잡아 당기기 손가락 힘을 측정하여 재활정도를 판단하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 추후 연구는 개발한 후크형 손가락 힘 측정 장치를 환자에게 적용시키는 것이다.
- 따라서 본 논문에서 개발한 후크형 손가락 힘 측정 장치는 재활중인 손가락 환자의 후크 잡아 당기기 손가락 힘을 측정하여 재활정도를 판단하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 추후 연구는 개발한 후크형 손가락 힘 측정 장치를 환자에게 적용시키는 것이다.
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