[논문]인간공학기반 7자유도 모션캡쳐 장치 설계

노병국; 최기흥

doi:10.14346/jkosos.2014.29.1.041

인간공학기반 7자유도 모션캡쳐 장치 설계
Ergonomics-based Design of 7 Degrees of Freedom Motion Capture Device 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.29 no.1, 2014년, pp.41 - 46

노병국 (한성대학교 기계시스템공학과) , 최기흥 (한성대학교 기계시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The design of a 7 degree of freedom motion capture device(MCD) has been presented. The newly designed MCD overcomes the shortcomings of the existing CADEN-7 exoskeleton robot by implementing various ergonomic design. To improve ease of operation, light-weight high-strength materials such as carbon pipes and engineering plastics were used to reduce weight of the MCD and arm-length adjustment mechanism was also added. The MCD showed consistent measurement results in designed experiments involving change of arm posture from nominal configuration to either elbow-side or arm-front configurations. Furthermore, captured motion in more natural tennis swing appeared to agree well with visual observations made.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

CADEN-7은 케이블을 이용한 구동부를 갖고 있어 링크의 하중을 줄일 수는 있으나 낮은 대역폭(Bandwidth)과 사용자의 체형 변화에 따른 링크의 길이를 조절할 수 없었다. 본 연구에서는 이러한 CACDEN-7의 단점을 보완하기 위해 스크류-너트 구조의 링크 결합 구조를 채택하여 착용자의 신체 치수 변화에 따라 상박과 하박의 길이 조절이 가능하도록 설계․제작하였다. 또한, 카본파이프, 엔지니어링 플라스틱 및 알루미늄을 혼용하여 7자유도 모션취득 장치를 경량설계하여 제작하였다.

가설 설정

11. Test 1: Movement of arm from nominal configuration to elbow-side configuration.
14. Test 2: Movement of arm from nominal configuration to arm-front configuration.

제안 방법

4는 환형태의 어깨 내선(medial rotation) 조인트를 나타낸다. 3 개의 지름 9 mm V-groove 베어링을 위아래로 각각 3점 지지하여 환 형태의 가이드를 따라 구름운동 하도록 설계하여 상박의 자유로운 회전을 구현하였다.
3회 반복 운동하여 측정한 결과 Joint1,3의 큰 움직임이 관찰되었으며 반복 실험에서 일관성 있는 각도 변화를 관찰할 수 있다. 7자유도 모션캡쳐 장치의 기능을 더욱 검증하기 위해 착용자의 손에 테니스 라켓을 쥐고 스윙하는 동안 팔의 움직임을 측정하였다(Fig.16). 측정 결과는 Fig.
Fig.9에 나타낸 것과 같이 링크의 회전각도는 정밀 선형 가변저항(Vishay Spectrol 533(Joint3, Joint5), Vishay Spectrol 657(Joint 1,2,4,6,7))을 이용하여 측정하였다. 조인트에 연결된 기어와 가변저항 장착 기어는 1:1의 기어비를 가지며 조인트의 회전은 가변저항의 회전으로 선형적으로 변환되어 회전각도를 측정할 수 있다.
본 연구에서는 이러한 CACDEN-7의 단점을 보완하기 위해 스크류-너트 구조의 링크 결합 구조를 채택하여 착용자의 신체 치수 변화에 따라 상박과 하박의 길이 조절이 가능하도록 설계․제작하였다. 또한, 카본파이프, 엔지니어링 플라스틱 및 알루미늄을 혼용하여 7자유도 모션취득 장치를 경량설계하여 제작하였다.
본 연구에서 설계 및 제작된 7자유도 모션캡쳐 장치는 CACDEN-7의 단점을 보완하고 인간공학적 기능을 강화하였으며 사용편의성을 높이기 위해 카본파이프, 엔지니어링 플라스틱 및 알루미늄을 혼용하여 경량화를 구현하였다. 장치의 성능측정을 위해 계획된 다양한 상박 및 하 박의 자세변화에 대하여 7개 조인트의 일관성 있는 각도 변화가 관찰되었으며 테니스 스윙과 같은 팔의 임의의 움직임에 대해서도 육안으로 관찰한 결과와 일치하는 측정 결과를 얻을 수 있었다.
작업자가 착용하여 작동한다는 관점에서 모션캡쳐 장치는 외골격로봇과 동일한 기구적 특성을 필요로 한다. 본 연구에서는 인체역학적 메카니즘 관점에서 가장 우수한 외골격로봇인 CADEN-7⁽¹²⁾의 기구부에 근거하여 7자유도 모션캡쳐 장치를 설계하였다. CADEN-7은 케이블을 이용한 구동부를 갖고 있어 링크의 하중을 줄일 수는 있으나 낮은 대역폭(Bandwidth)과 사용자의 체형 변화에 따른 링크의 길이를 조절할 수 없었다.
외골격 기구부의 무게를 감소시키기 위해 소재는 카본 파이프, 알루미늄 및 엔지니어링 플라스틱을 사용하였다. 외골격 기구부에 인가되는 하중에 따라 고하중 지지부는 알루미늄과 카본, 저하중 지지부는 엔지니어링 플라스틱으로 지지하도록 설계 및 제작하였다. 7자유도 모션캡쳐 장치의 제원은 Table 1에 나타내었다.
2). 이를 위해 어깨 내선(medial rotation)은 상박의 둘레를 따라 발생하도록 설계하여 어깨 내선(medial rotation)축의 중심이 상박 내에 위치하도록 하였다. Fig.
제작된 모션캡쳐 장치의 첫 번째 회전축의 회전각도는 착용자의 생리학적 운동범위 내에서 임의의 각도로 조정할 수 있도록 설계 및 제작되었다. 7자유도 모션캡쳐 장치를 착용한 후 상지의 움직임을 테스트한 결과 생리학적 운동범위 내에서 짐볼락의 발생없이 원활히 움직임을 확인할 수 있었다.
착용자의 신체 치수에 따라 모션캡쳐 장치의 상박 및 하박의 길이 조절을 위해 6개의 지름 9.5mm 카본파이프와 스크루(Screw) 슬라이딩 메커니즘을 이용하여 상박 및 하박의 길이 조절이 가능하도록 설계하였다. Fig.
인체역학적 7자유도 모션 캡쳐 장치를 설계 및 제작하였다. 카본파이프 스크루 슬라이딩 메커니즘을 통해 상박및 하박의 길이 조절이 가능하며 카본 및 엔지니어링 플라스틱을 활용하여 경량 구조로 설계하였다.

대상 데이터

외골격 기구부의 무게를 감소시키기 위해 소재는 카본 파이프, 알루미늄 및 엔지니어링 플라스틱을 사용하였다. 외골격 기구부에 인가되는 하중에 따라 고하중 지지부는 알루미늄과 카본, 저하중 지지부는 엔지니어링 플라스틱으로 지지하도록 설계 및 제작하였다.
인체역학적 7자유도 모션 캡쳐 장치를 설계 및 제작하였다. 카본파이프 스크루 슬라이딩 메커니즘을 통해 상박및 하박의 길이 조절이 가능하며 카본 및 엔지니어링 플라스틱을 활용하여 경량 구조로 설계하였다.
측정된 데이터는 마이크로프로세서(Atmega128)를 이용 하여 디지털 데이터로 변환 후 RF 무선통신을 이용하여 PC로 전송된다. 전송된 데이터는 7자유도 모션캡쳐 장치의 기구학적 모델에 입력되어 착용자의 관절의 움직임을 실시간으로 추적할 수 있다.

성능/효과

15에 나타내었다. 3회 반복 운동하여 측정한 결과 Joint1,3의 큰 움직임이 관찰되었으며 반복 실험에서 일관성 있는 각도 변화를 관찰할 수 있다. 7자유도 모션캡쳐 장치의 기능을 더욱 검증하기 위해 착용자의 손에 테니스 라켓을 쥐고 스윙하는 동안 팔의 움직임을 측정하였다(Fig.
제작된 모션캡쳐 장치의 첫 번째 회전축의 회전각도는 착용자의 생리학적 운동범위 내에서 임의의 각도로 조정할 수 있도록 설계 및 제작되었다. 7자유도 모션캡쳐 장치를 착용한 후 상지의 움직임을 테스트한 결과 생리학적 운동범위 내에서 짐볼락의 발생없이 원활히 움직임을 확인할 수 있었다. 즉, 짐볼락 현상의 방지를 위한 설계개선을 통해 측정장치의 부자연스러운 움직임이 예방되고 측정창치가 팔의 움직임과 밀접하게 연동되어 인간공학적 작동이 가능한 상태가 형성됨으로써 모션캡쳐의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 연구에서 설계 및 제작된 7자유도 모션캡쳐 장치는 CACDEN-7의 단점을 보완하고 인간공학적 기능을 강화하였으며 사용편의성을 높이기 위해 카본파이프, 엔지니어링 플라스틱 및 알루미늄을 혼용하여 경량화를 구현하였다. 장치의 성능측정을 위해 계획된 다양한 상박 및 하 박의 자세변화에 대하여 7개 조인트의 일관성 있는 각도 변화가 관찰되었으며 테니스 스윙과 같은 팔의 임의의 움직임에 대해서도 육안으로 관찰한 결과와 일치하는 측정 결과를 얻을 수 있었다.
7자유도 모션캡쳐 장치를 착용한 후 상지의 움직임을 테스트한 결과 생리학적 운동범위 내에서 짐볼락의 발생없이 원활히 움직임을 확인할 수 있었다. 즉, 짐볼락 현상의 방지를 위한 설계개선을 통해 측정장치의 부자연스러운 움직임이 예방되고 측정창치가 팔의 움직임과 밀접하게 연동되어 인간공학적 작동이 가능한 상태가 형성됨으로써 모션캡쳐의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 다만, 짐볼락 현상의 방지에도 불구하고 장시간의 작동에 따라 착용자가 느끼는 어깨의 피로감이 증가하였다.

후속연구

전송된 데이터는 7자유도 모션캡쳐 장치의 기구학적 모델에 입력되어 착용자의 관절의 움직임을 실시간으로 추적할 수 있다. 또한 PC의 가상현실 프로그램(Microsoft Robotics Studio)을 활용하여 가상현실을 구현하고 이를 작업자가 착용한 가상현실 헤드셋(virtual reality headset: Occulus Rift(USA))에 투사하여 작업분석및 가상현실 구현 등에 활용될 수 있다.
향후 제작된 7자유도 모션캡쳐 장치를 활용한 동작분석 및 가상현실 소프트웨어(MS Robotics Studio)와의 연계를 통해 작업자 안전을 위한 보조기구 등 다양한 용도의 외골격 로봇을 구현할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	7자유도 모션캡쳐 장치에서 짐볼락 현상의 방지에도 존재했던 한계는?	즉, 짐볼락 현상의 방지를 위한 설계개선을 통해 측정장치의 부자연스러운 움직임이 예방되고 측정창치가 팔의 움직임과 밀접하게 연동되어 인간공학적 작동이 가능한 상태가 형성됨으로써 모션캡쳐의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 다만, 짐볼락 현상의 방지에도 불구하고 장시간의 작동에 따라 착용자가 느끼는 어깨의 피로감이 증가하였다. 이는 착용자의 신체 치수에 따라 모션 캡쳐 장치의 상박 및 하박의 길이 조절과 착용자가 느끼는 모션캡쳐 장치의 무게감 감소 등 보다 세밀한 인간공학적 요소의 반영이 필요함을 의미한다.
	짐볼락 현상이란?	7자유도 모션캡쳐 장치는 착용하는 형태로 운용되므로 인간공학적 설계가 중요하다. 3개의 회전축을 한 점에 직교하도록 어깨 관절을 구성한 경우 두 회전축이 동일 직선상에 위치하여 1개의 자유도를 상실하는 짐볼락(Gimbal lock) 현상이 발생한다(Fig.5).
	CADEN-7의 장단점은?	본 연구에서는 인체역학적 메카니즘 관점에서 가장 우수한 외골격로봇인 CADEN-7(12)의 기구부에 근거하여 7자유도 모션캡쳐 장치를 설계하였다. CADEN-7은 케이블을 이용한 구동부를 갖고 있어 링크의 하중을 줄일 수는 있으나 낮은 대역폭(Bandwidth)과 사용자의 체형 변화에 따른 링크의 길이를 조절할 수 없었다. 본 연구에서는 이러한 CACDEN-7의 단점을 보완하기 위해 스크류-너트 구조의 링크 결합 구조를 채택하여 착용자의 신체 치수 변화에 따라 상박과 하박의 길이 조절이 가능하도록 설계․제작하였다.

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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