본 연구는 4차 산업 혁명 시대의 디자인의 공학기술의 활용의 방법으로 클라우드 플랫폼 내에서 3D 모델 데이터를 바탕으로 한 가상 시뮬레이션을 통한 디자인 개발 및 검증을 위한 연구로써, 클라우드 플랫폼의 공유 데이터와 데이터를 실제와 같이 검증 할 수 있는 가상 시뮬레이션을 통해 만나 본적 없는 타겟의 니즈를 위한 디자인을 개발, 검증 해 보는데 목적이 있다. 연구의 방법으로는 타겟의 니즈 파악을 위해 2차 자료 분석을 하였으며, 인간 공학 데이터 및 타겟의 신체발달 단계를 위한 문헌 리서치를 진행하였다. 또한 7가지 가상 시뮬레이션의 루프 테스트를 통하여 디자인, 구조, 안전성, 재질, 내구성 등을 검증함으로써 본 연구의 디자인 개발 프로세스가 의미 있는 결과임을 알 수 있었다. 본 연구는 4차 산업혁명 시대에서 3D 모델 데이터를 바탕으로 한 자동화 공정 시스템의 적용, 가상 물리 기반 시스템의 중요한 요소로 사용될 수 있으며 추가적인 연구를 위한 자료로써 활용 될 수 있을 것이다.
본 연구는 4차 산업 혁명 시대의 디자인의 공학기술의 활용의 방법으로 클라우드 플랫폼 내에서 3D 모델 데이터를 바탕으로 한 가상 시뮬레이션을 통한 디자인 개발 및 검증을 위한 연구로써, 클라우드 플랫폼의 공유 데이터와 데이터를 실제와 같이 검증 할 수 있는 가상 시뮬레이션을 통해 만나 본적 없는 타겟의 니즈를 위한 디자인을 개발, 검증 해 보는데 목적이 있다. 연구의 방법으로는 타겟의 니즈 파악을 위해 2차 자료 분석을 하였으며, 인간 공학 데이터 및 타겟의 신체발달 단계를 위한 문헌 리서치를 진행하였다. 또한 7가지 가상 시뮬레이션의 루프 테스트를 통하여 디자인, 구조, 안전성, 재질, 내구성 등을 검증함으로써 본 연구의 디자인 개발 프로세스가 의미 있는 결과임을 알 수 있었다. 본 연구는 4차 산업혁명 시대에서 3D 모델 데이터를 바탕으로 한 자동화 공정 시스템의 적용, 가상 물리 기반 시스템의 중요한 요소로 사용될 수 있으며 추가적인 연구를 위한 자료로써 활용 될 수 있을 것이다.
This study focuses on design development and verification through virtual simulation based on 3D model data in the cloud platform as a method of utilization of engineering technology of design in the fourth industrial revolution era. The goal of research is to develop and examine a design for the ne...
This study focuses on design development and verification through virtual simulation based on 3D model data in the cloud platform as a method of utilization of engineering technology of design in the fourth industrial revolution era. The goal of research is to develop and examine a design for the needs of the target that has never been met before through virtual simulations that can be conducted in practice. As a research method, we analyzed secondary data to identify the needs of the target, and did literature research for the ergonomic data and target body development stages. In addition, the design development process of this study was shown meaningful result in design, structure, safety, material, durability through loop test of 7 virtual simulations. This study can be applied to the automated process system based on 3D model data in the 4th industrial revolution era and can be used as an element of the cyber physics system for the additional research.
This study focuses on design development and verification through virtual simulation based on 3D model data in the cloud platform as a method of utilization of engineering technology of design in the fourth industrial revolution era. The goal of research is to develop and examine a design for the needs of the target that has never been met before through virtual simulations that can be conducted in practice. As a research method, we analyzed secondary data to identify the needs of the target, and did literature research for the ergonomic data and target body development stages. In addition, the design development process of this study was shown meaningful result in design, structure, safety, material, durability through loop test of 7 virtual simulations. This study can be applied to the automated process system based on 3D model data in the 4th industrial revolution era and can be used as an element of the cyber physics system for the additional research.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 가상 시뮬레이션 테스트와 인체측정 데이터를 바탕으로 디자인 프로세스를 전개하여보조 3D 모델 디자인을 완성하고 그 유용성과 가능성을 확인하고자 한다. 이를 통해 향후 4차 산업 혁명시대의 다양한 기술적 결합과 더불어 가상 시뮬레이션을 적용한 공학 디자인의 프로세스로서 활용 될 수 있기를 기대 한다.
또한 일상생활에서 일어나는 일들에 호기심을 가지며 적극적으로 자신이 해내고자 하는 의지가 강한 편이다. 따라서 본연구에서는 Cam의 연령대에 맞추어 여러 활동 중 소근육 발달에도 필요하고 호기심을 가지며 놀이로써 가능한 가위질에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 연령대별 가위사용은 [Table 2]와 같다[18].
4차 산업혁명의 시대에 공장 자동화와 VR, AR 그리고 인공지능 기술이 발전함에 따라 제조 산업도 더욱 빠르게 제품을 생산할 수 있게 되었고 그에 따라 가치를 기반으로 한 기술 창의 사회의 기반이 되었다. 본 연구는 가상 시뮬레이션을 직접 디자인 개발에 적용하여 실험하여 검증 해 보는 연구이다. 연구를 통하여 클라우드 플랫폼의 공유 데이터와 데이터를 실제와 같이 검증 할 수 있는 가상 시뮬레이션을 통하여 만나 본적 없는 타겟 니즈를 위한 디자인을 개발, 검증 해 볼 수 있었다.
공감을 통해 타겟에게 필요한 부분에 대해 인사이트를 얻었으며, 타겟이 5세의 어린이라는 것에 착안하여 신체 발달 상황에 대한 문헌리서치를 진행하였다. 본 연구는 기존에 제공 되는 모델 데이터를 바탕으로 부가적인 기능을 할 수 있는 보조 장치 디자인에 대한 연구이기 때문에 기존 모델 데이터를 불러와 분석을 한 후 보조 장치의 콘셉트를 발전시켰다. 이를 통하여 의수에 적합한 보조 장치를 3D 모델로 디자인 한 후 마지막으로 제공된 의수모델과 보조 장치를 시뮬레이션을 통한 분석을 통해 디자인의 적합성과 가능성을 확인 해 보고자 한다.
본 연구는 클라우드 상에 공유된 모델링 데이터를 수정하여 가상 시뮬레이션 분석으로 보조적인 장치의 개발 가능성을 살펴보는데 의의를 두고 있다.
또한 가위질 운동 시 손과 물체 그리고 의수에 작용되는 힘의 크기와 내구성간의 관계를 확인해 보아야 할 것이다. 이를 시뮬레이션 분석으로 검증해보고자 한다.
본 연구는 기존에 제공 되는 모델 데이터를 바탕으로 부가적인 기능을 할 수 있는 보조 장치 디자인에 대한 연구이기 때문에 기존 모델 데이터를 불러와 분석을 한 후 보조 장치의 콘셉트를 발전시켰다. 이를 통하여 의수에 적합한 보조 장치를 3D 모델로 디자인 한 후 마지막으로 제공된 의수모델과 보조 장치를 시뮬레이션을 통한 분석을 통해 디자인의 적합성과 가능성을 확인 해 보고자 한다.
가설 설정
직접 만나보지 않고도 시뮬레이션의 역학적 테스트를 통해 유용성을 검증하는 상황에서 사용자에게 편리함을 더하거나 차별적인 경험을 제공하였다. 가상 시뮬레이션을 통해 디자인된 가위질 보조기기는 Cam 이외에도 비슷한 장애를 가진 어린이들에게 사용 가능하며, 가위질 이외에도 상황에 맞는 보완기기를 같은 방식으로 디자인 한다면 효용이 배로 늘어날 것이다. 플랫폼을 기반으로 가상 시뮬레이션의 가능성은 인공지능과 빅 데이터 기술의 발전에 힘입어 무한히 커질 것으로 예상되며, 또한 기존의 인체공학자료를데이터화 하여 활용 할 경우, 인공지능을 통한 자동수정 및 맞춤 생산도 가능 할 수 있을 것이라 생각 한다.
제안 방법
앞서 분석한 두 가지 사항을 고려하여 일반 종이와 지점토를 사용하여 가능성 있는 디자인 모형을 유추해 내기 위해 간단한 콘셉트 프로토타이핑을 진행하였다. 3D프린터로 출력한 플라스틱 의수를 이용하여 가위질의 방향과 의수의 운동방향을 비교하며 확인하였다
그 후, 온라인에서 후원 받고 있는 5세 남자아이를 타겟으로 직접 만날 수 없는 타깃 공감하기 위해 2차 자료인 비디오 리서치 및 분석을 수행하였다. 공감을 통해 타겟에게 필요한 부분에 대해 인사이트를 얻었으며, 타겟이 5세의 어린이라는 것에 착안하여 신체 발달 상황에 대한 문헌리서치를 진행하였다. 본 연구는 기존에 제공 되는 모델 데이터를 바탕으로 부가적인 기능을 할 수 있는 보조 장치 디자인에 대한 연구이기 때문에 기존 모델 데이터를 불러와 분석을 한 후 보조 장치의 콘셉트를 발전시켰다.
구조적 내구성 측면에서 디자인을 검증하기 위해 재질분석, 안전계수 분석, Stress분석, Strain 분석, Joint 분석을 실시하였다. 재질 분석을 통해 Cam의 가위질을 돕는 보조기기의 소재는 연질의 성질을 가진 PVC(Polyvinylchloride)의 플렉서블 플라스틱으로 적용하여 가위질을 할 때 충격을 흡수할 수 있도록 하였고 의수에 작용하는 힘의 크기를 최소화시키고자 하였다.
첫 번째로, 손의 구조와 가위질의 상관관계를 알아보고 의수를 착용했을 시의 가위질과 일반적인 가위질의 차이점을 비교 분석하여 개선점을 도출하였다. 그 후 개선점들을 반영하여 디자인 고려 요소들을 도출하였고 여러 프로토타이핑을 진행하였다. 또한 가상 시뮬레이션 테스트를 통해 유용성을 검증하고 이전의 프로토타이핑을 수정, 개선하여 최종 결과물을 디자인하였다.
먼저, 가상시뮬레이션의 개념과 소프트웨어의 특징 및 프로그램의 상세 기능 요소에 대한 문헌연구를 진행하였다. 그 후, 온라인에서 후원 받고 있는 5세 남자아이를 타겟으로 직접 만날 수 없는 타깃 공감하기 위해 2차 자료인 비디오 리서치 및 분석을 수행하였다. 공감을 통해 타겟에게 필요한 부분에 대해 인사이트를 얻었으며, 타겟이 5세의 어린이라는 것에 착안하여 신체 발달 상황에 대한 문헌리서치를 진행하였다.
첫 번째로, 디자인 측면에서 해당 보조기기를 검증하기 위해 곡률분석과 압력 면적 체크를 시행하였다. 디자인의 불연속성이나 굴곡을 제거하기 위해 해당 소프트웨어의 곡률분석(Curvature analysis) 테스트를 적용하여 수정이 필요한 부분을 파악하고 곡률을 개선하여 곡선 형태를 부드럽게 모델링하였다. 급격하게 색이 달라지는 곳, 움푹 들어간 곳들의 굴곡을 수정하여 전반적으로 색의 띠가 불연속이 되지 않도록 모델링을 개선 할 수 있었다.
따라서 Cam이 일상생활을 할 때 의수의 기능을 보다 잘 활용할 수 있도록 해당 의수 모델링을 3D 프린터로 직접 출력하여 조립해 봄으로써 보완점을 분석해 보았다. 제공된 의수 파일은 관절 부분의 이음이 끈과 같은 다른 재료와 결합 하여 움직일 수 있도록 설계 되어 있기 때문에 3D 모델만으로 시뮬레이션을 통하여 동적인 움직임을 확인 하는 것 보다 직접 제작 해 보면서 Cam의 의수 사용 관련 불편사항을 확인 해 보았다.
그 후 개선점들을 반영하여 디자인 고려 요소들을 도출하였고 여러 프로토타이핑을 진행하였다. 또한 가상 시뮬레이션 테스트를 통해 유용성을 검증하고 이전의 프로토타이핑을 수정, 개선하여 최종 결과물을 디자인하였다.
급격하게 색이 달라지는 곳, 움푹 들어간 곳들의 굴곡을 수정하여 전반적으로 색의 띠가 불연속이 되지 않도록 모델링을 개선 할 수 있었다. 또한 가위 질 시 Cam에게 가중되는 힘을 최소화시키기 위해 압력 면적 체크를 시행하여 가위와 보조 기기와의 접촉면적을 최대한으로 넓히고 가해지는 힘의 합력이 최소화 될 수 있도록 홈이 파진 곡선 형태의 디자인으로모델링을 수정하였다.
본 연구의 범위는 신체적 장애로 의수를 착용하는 5세 아동인 Cam과 대상 아동에 맞는 의수 모델에 한정하였고, 문헌과 2차 자료 리서치를 통한 분석으로 신체적 발달 단계 및 개발 행위인 가위질에 범위를 한정하였다[3]. 또한 실제적 사용성 테스트가 아닌 사용자를 직접 만나지 않고 클라우드 상의 모델을 참고한 보조 장치 디자인으로 가상 시뮬레이션의 물성 및 구조 테스트로 연구의 범위를 설정하였다.
이를 바탕으로 한 연구의 방법은 문헌 리서치와 2차 자료 분석, 그리고 시뮬레이션 테스트로 이루어져 있다. 먼저, 가상시뮬레이션의 개념과 소프트웨어의 특징 및 프로그램의 상세 기능 요소에 대한 문헌연구를 진행하였다. 그 후, 온라인에서 후원 받고 있는 5세 남자아이를 타겟으로 직접 만날 수 없는 타깃 공감하기 위해 2차 자료인 비디오 리서치 및 분석을 수행하였다.
전체적인 보조기기의 형태는 가위질의 힘이 고르게 분산될 수 있는 링 형태로 디자인하였으며 디자인한 보조기기를 분석하기 위해 가상 시뮬레이션 테스트를 진행하였다. 본 논문에서는 총 7가지의 시뮬레이션 검증을 진행하였는데, 곡률 분석, 압력 면적 체크, 재질 분석, 안전계수 분석, Stress 분석, Strain 분석, Joint 분석을 통해 보조기기의 3D모델링의 유용성을 평가하고 지속적으로 모델링을 수정, 개선하였다.
이러한 점을 고려하였을 때, 의수에 보조 장치를 디자인함으로써 Cam의 가위질을 도울 수 있다는 점과 상대적으로 약한 Cam의 손 근육과 신경계에 부담이 가지 않고 최소한의 힘을 받을 수 있게 디자인해야 한다는 점을 알 수 있었다. 앞서 분석한 두 가지 사항을 고려하여 일반 종이와 지점토를 사용하여 가능성 있는 디자인 모형을 유추해 내기 위해 간단한 콘셉트 프로토타이핑을 진행하였다. 3D프린터로 출력한 플라스틱 의수를 이용하여 가위질의 방향과 의수의 운동방향을 비교하며 확인하였다
하지만 기기의 면적이 넓어 불필요한 재료의 사용과 무게감을 일으켜 검지부터 새끼손가락 중 하나의 손가락에 초점을 맞춘 디자인의 방향으로 진행하였다. 여러 디자인의 프로토타이핑을 진행 한 후 가장 가볍고 불편함이 없으며 부담이 덜 가도록 엄지와 검지에 끼워 가위를 고정해주는 형태를 선정하여 앞서 언급한 Fusion 360 소프트웨어를 사용하여 3D모델링을 진행하였다.
의수의 검지, 중지, 약지 그리고 새끼손가락 4개가 동시에 운동한다는 점을 고려하여 네 손가락 전체를 감싸며 방향에 맞게 가위를 고정해 주는 역할을 하는 보조기기를 구상해보았다. 하지만 기기의 면적이 넓어 불필요한 재료의 사용과 무게감을 일으켜 검지부터 새끼손가락 중 하나의 손가락에 초점을 맞춘 디자인의 방향으로 진행하였다.
가상 시뮬레이션 분석을 통하여 생산 이전의 단계에서 보다 정확한 디자인 설계를 통해 실제 생산 되었을 경우를 예상 해 볼 수 있었으며, 가상 시뮬레이션 테스트 결과 값만으로도 디자인이 유효 할 수 있음을 알 수 있었다. 이를 위한 가상 시뮬레이션 테스트 방법으로 디자인 측면에서 해당 보조기기를 검증하기 위해 곡률분석과 압력 면적 체크를 시행하여 곡률 분석 테스트를 통해 3D 모델링의 곡면을 수정하였고 구조적 측면에서 디자인을 검증하기 위해 재질분석, 안전계수 분석, Stress분석, Strain 분석, Joint 분석으로 안전성과 내구성을 확인하며 수정하는 루프 형태의 디자인 개발 프로세스로 진행되었다.
구조적 내구성 측면에서 디자인을 검증하기 위해 재질분석, 안전계수 분석, Stress분석, Strain 분석, Joint 분석을 실시하였다. 재질 분석을 통해 Cam의 가위질을 돕는 보조기기의 소재는 연질의 성질을 가진 PVC(Polyvinylchloride)의 플렉서블 플라스틱으로 적용하여 가위질을 할 때 충격을 흡수할 수 있도록 하였고 의수에 작용하는 힘의 크기를 최소화시키고자 하였다. 가상으로 PVC 플렉서블 플라스틱의 재질을 입혀 해당 가위질 보조기기 제품의 특성을 분석해 본 결과 위 보조기기 디자인에 적용된 PVC 플렉서블 플라스틱 소재는 11Mpa 이상의 힘이 작용하게 되면 제품이 영구 변형 작용을 겪기 시작하는 것으로 나타났다.
전체적인 보조기기의 형태는 가위질의 힘이 고르게 분산될 수 있는 링 형태로 디자인하였으며 디자인한 보조기기를 분석하기 위해 가상 시뮬레이션 테스트를 진행하였다. 본 논문에서는 총 7가지의 시뮬레이션 검증을 진행하였는데, 곡률 분석, 압력 면적 체크, 재질 분석, 안전계수 분석, Stress 분석, Strain 분석, Joint 분석을 통해 보조기기의 3D모델링의 유용성을 평가하고 지속적으로 모델링을 수정, 개선하였다.
따라서 Cam이 일상생활을 할 때 의수의 기능을 보다 잘 활용할 수 있도록 해당 의수 모델링을 3D 프린터로 직접 출력하여 조립해 봄으로써 보완점을 분석해 보았다. 제공된 의수 파일은 관절 부분의 이음이 끈과 같은 다른 재료와 결합 하여 움직일 수 있도록 설계 되어 있기 때문에 3D 모델만으로 시뮬레이션을 통하여 동적인 움직임을 확인 하는 것 보다 직접 제작 해 보면서 Cam의 의수 사용 관련 불편사항을 확인 해 보았다.
첫 번째로, 디자인 측면에서 해당 보조기기를 검증하기 위해 곡률분석과 압력 면적 체크를 시행하였다. 디자인의 불연속성이나 굴곡을 제거하기 위해 해당 소프트웨어의 곡률분석(Curvature analysis) 테스트를 적용하여 수정이 필요한 부분을 파악하고 곡률을 개선하여 곡선 형태를 부드럽게 모델링하였다.
본 연구에서는 보조 장치 디자인을 다음과 같이 진행하였다. 첫 번째로, 손의 구조와 가위질의 상관관계를 알아보고 의수를 착용했을 시의 가위질과 일반적인 가위질의 차이점을 비교 분석하여 개선점을 도출하였다. 그 후 개선점들을 반영하여 디자인 고려 요소들을 도출하였고 여러 프로토타이핑을 진행하였다.
의수의 검지, 중지, 약지 그리고 새끼손가락 4개가 동시에 운동한다는 점을 고려하여 네 손가락 전체를 감싸며 방향에 맞게 가위를 고정해 주는 역할을 하는 보조기기를 구상해보았다. 하지만 기기의 면적이 넓어 불필요한 재료의 사용과 무게감을 일으켜 검지부터 새끼손가락 중 하나의 손가락에 초점을 맞춘 디자인의 방향으로 진행하였다. 여러 디자인의 프로토타이핑을 진행 한 후 가장 가볍고 불편함이 없으며 부담이 덜 가도록 엄지와 검지에 끼워 가위를 고정해주는 형태를 선정하여 앞서 언급한 Fusion 360 소프트웨어를 사용하여 3D모델링을 진행하였다.
대상 데이터
본 연구는 기존의 연구 자료인 인간공학적 데이터를 활용 하였으며, Autodesk 사의 Fusion 360 소프트웨어를 이용하였다. 가상 시뮬레이션 분석을 통하여 생산 이전의 단계에서 보다 정확한 디자인 설계를 통해 실제 생산 되었을 경우를 예상 해 볼 수 있었으며, 가상 시뮬레이션 테스트 결과 값만으로도 디자인이 유효 할 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 온라인 SNS(소셜네트워크서비스) 상에서 많은 지지와 후원을 받고 있는 만 5세 남자 어린이를 타깃으로 정하였다. Cam이라는 이름을 가진 그는 2012년 9월 출생으로 만 5세이며 선천성절단장애를 가지고 태어났기 때문에 열 손가락의 길이가 상대적으로 짧아 불편함을 겪고 있다.
본 연구의 범위는 신체적 장애로 의수를 착용하는 5세 아동인 Cam과 대상 아동에 맞는 의수 모델에 한정하였고, 문헌과 2차 자료 리서치를 통한 분석으로 신체적 발달 단계 및 개발 행위인 가위질에 범위를 한정하였다[3]. 또한 실제적 사용성 테스트가 아닌 사용자를 직접 만나지 않고 클라우드 상의 모델을 참고한 보조 장치 디자인으로 가상 시뮬레이션의 물성 및 구조 테스트로 연구의 범위를 설정하였다.
이론/모형
본 연구에서는 클라우드에 상에 공유되어 있는 기존 3D 모델에 착장 할 수 있는 보조적 장치를 디자인 하는 것이기 때문에, 3D 모델링, 3D 모델 데이터 계산 및 역학분석과 상호 관계성 분석을 지원하는 Autodesk 사의 가상 시뮬레이션 소프트웨어인 Fusion 360 프로그램을 사용 하였다.
성능/효과
본 연구는 기존의 연구 자료인 인간공학적 데이터를 활용 하였으며, Autodesk 사의 Fusion 360 소프트웨어를 이용하였다. 가상 시뮬레이션 분석을 통하여 생산 이전의 단계에서 보다 정확한 디자인 설계를 통해 실제 생산 되었을 경우를 예상 해 볼 수 있었으며, 가상 시뮬레이션 테스트 결과 값만으로도 디자인이 유효 할 수 있음을 알 수 있었다. 이를 위한 가상 시뮬레이션 테스트 방법으로 디자인 측면에서 해당 보조기기를 검증하기 위해 곡률분석과 압력 면적 체크를 시행하여 곡률 분석 테스트를 통해 3D 모델링의 곡면을 수정하였고 구조적 측면에서 디자인을 검증하기 위해 재질분석, 안전계수 분석, Stress분석, Strain 분석, Joint 분석으로 안전성과 내구성을 확인하며 수정하는 루프 형태의 디자인 개발 프로세스로 진행되었다.
재질 분석을 통해 Cam의 가위질을 돕는 보조기기의 소재는 연질의 성질을 가진 PVC(Polyvinylchloride)의 플렉서블 플라스틱으로 적용하여 가위질을 할 때 충격을 흡수할 수 있도록 하였고 의수에 작용하는 힘의 크기를 최소화시키고자 하였다. 가상으로 PVC 플렉서블 플라스틱의 재질을 입혀 해당 가위질 보조기기 제품의 특성을 분석해 본 결과 위 보조기기 디자인에 적용된 PVC 플렉서블 플라스틱 소재는 11Mpa 이상의 힘이 작용하게 되면 제품이 영구 변형 작용을 겪기 시작하는 것으로 나타났다. 또한 Cam이 낼 수 있는 손의 최대 힘은 28kPa(만 5세 남자아이의 평균 장악력 크기)보다 작기 때문에 재질을 입힌 상태에서 중력과 동시에 외부에서 28kPa의 힘을 가해 보았을 때, Safety Factor 분석의 결과 변형이 일어나지 않은 것을 볼 수 있었으며 안전계수가 15를 나타내며 이는 디자인이 충분한 안전성을 가지고 있다는 것으로 해석될 수 있었다1).
의수의 굽혔다 폈다 하는 운동은 가위질의 방향을 방해하지 않았으며 보조기기를 감싸 고정해주는 디자인으로 가위가 미끄러지지 않고 운동 가능하였다. 결론적으로 가상 시뮬레이션의 소프트웨어를 이용하여 곡면 검사와 재질의 속성 값을 확인하고 응력 테스트를 통해 디자인의 내구성을 확인하였다. 또한 삼차원의 가상공간에서 의수와 가위 그리고 보조기기 모델을 가지고 방향과 각도를 평가하여 정상적으로 가위질이 가능하다는 것을 확인 할 수 있었다.
디자인의 불연속성이나 굴곡을 제거하기 위해 해당 소프트웨어의 곡률분석(Curvature analysis) 테스트를 적용하여 수정이 필요한 부분을 파악하고 곡률을 개선하여 곡선 형태를 부드럽게 모델링하였다. 급격하게 색이 달라지는 곳, 움푹 들어간 곳들의 굴곡을 수정하여 전반적으로 색의 띠가 불연속이 되지 않도록 모델링을 개선 할 수 있었다. 또한 가위 질 시 Cam에게 가중되는 힘을 최소화시키기 위해 압력 면적 체크를 시행하여 가위와 보조 기기와의 접촉면적을 최대한으로 넓히고 가해지는 힘의 합력이 최소화 될 수 있도록 홈이 파진 곡선 형태의 디자인으로모델링을 수정하였다.
가상으로 PVC 플렉서블 플라스틱의 재질을 입혀 해당 가위질 보조기기 제품의 특성을 분석해 본 결과 위 보조기기 디자인에 적용된 PVC 플렉서블 플라스틱 소재는 11Mpa 이상의 힘이 작용하게 되면 제품이 영구 변형 작용을 겪기 시작하는 것으로 나타났다. 또한 Cam이 낼 수 있는 손의 최대 힘은 28kPa(만 5세 남자아이의 평균 장악력 크기)보다 작기 때문에 재질을 입힌 상태에서 중력과 동시에 외부에서 28kPa의 힘을 가해 보았을 때, Safety Factor 분석의 결과 변형이 일어나지 않은 것을 볼 수 있었으며 안전계수가 15를 나타내며 이는 디자인이 충분한 안전성을 가지고 있다는 것으로 해석될 수 있었다1). 해당 모델의 재료 강성과 변형률의 관계를 분석한 Stress분석을 통해 주 응력의 최댓값이 플렉서블 PVC 플라스틱의 항복 응력에 훨씬 못 미치므로 해당 모델의 구조는 안정하다고 볼 수 있었다.
응력과 변형률에 관련된 Strain 분석 결과 힘이 가해지면 플랙서블 플라스틱 PVC는 미세하게 인장되며 재료의 영구변형을 일으키지는 않기 때문에 보조 기기 디자인이 비교적 안정적인 구조라고 해석할 수 있다. 또한 가상공간에서 의수와 가위 그리고 보조기기에 대한 세가지 모델의 위치와 각도를 설정하고 부품간의 결합 조건(Joint)을 부여하여 해당모델링의 힘의 방향과 의수의 움직임을 확인하였다. 의수의 굽혔다 폈다 하는 운동은 가위질의 방향을 방해하지 않았으며 보조기기를 감싸 고정해주는 디자인으로 가위가 미끄러지지 않고 운동 가능하였다.
해당 모델의 재료 강성과 변형률의 관계를 분석한 Stress분석을 통해 주 응력의 최댓값이 플렉서블 PVC 플라스틱의 항복 응력에 훨씬 못 미치므로 해당 모델의 구조는 안정하다고 볼 수 있었다. 또한 가위질 할 때 드는 힘을 변수로 넣었을 때 디자인된 보조기기가 굴곡진 모형으로 면적이 넓고 힘의 방향이 분산되어 서로 상쇄되었기 때문에 압력이 줄어들어 더 적은 힘을 받으며 최종적으로 물체에 가해지는 압력의 크기를 줄일 수 있었다. 응력과 변형률에 관련된 Strain 분석 결과 힘이 가해지면 플랙서블 플라스틱 PVC는 미세하게 인장되며 재료의 영구변형을 일으키지는 않기 때문에 보조 기기 디자인이 비교적 안정적인 구조라고 해석할 수 있다.
결론적으로 가상 시뮬레이션의 소프트웨어를 이용하여 곡면 검사와 재질의 속성 값을 확인하고 응력 테스트를 통해 디자인의 내구성을 확인하였다. 또한 삼차원의 가상공간에서 의수와 가위 그리고 보조기기 모델을 가지고 방향과 각도를 평가하여 정상적으로 가위질이 가능하다는 것을 확인 할 수 있었다.
본 논문에서 가상 시뮬레이션 실험을 통해 얻은 바는 다음과 같다. 만난 적 없는 타겟 대해 가상 시뮬레이션 테스트를 반복적으로 진행하여 사용자에게 저비용 고효율의 가치를 제공할 수 있었다. 직접 만나보지 않고도 시뮬레이션의 역학적 테스트를 통해 유용성을 검증하는 상황에서 사용자에게 편리함을 더하거나 차별적인 경험을 제공하였다.
본 연구는 가상 시뮬레이션을 직접 디자인 개발에 적용하여 실험하여 검증 해 보는 연구이다. 연구를 통하여 클라우드 플랫폼의 공유 데이터와 데이터를 실제와 같이 검증 할 수 있는 가상 시뮬레이션을 통하여 만나 본적 없는 타겟 니즈를 위한 디자인을 개발, 검증 해 볼 수 있었다.
굽힘 운동을 할 때에도 의수의 엄지가 절구관절의 형태가 아니기 때문에 하나의 축으로만 움직임을 보이는 특징을 가지고 있다. 의수와 일반 손의 이러한 차이점 때문에 가위질의 방향과 의수의 움직임이 일치하지 않아 쉽게 미끄러지고 가위질의 수행이 불가능한 것을 관찰 할 수 있었다.
또한 손가락 절단 장애에 의한 의수 착용으로 5세 남자아이의 평균 장악력인 약 28kPa(오른손 기준) 크기의 힘을 낼 수는 없지만 가위의 지렛대 원리를 적용하자면 단순히 의수를 굽히고 펴는 움직임으로도 일반적인 가위질이 가능하다는 것을 유추해 볼 수 있다[24]. 이러한 점을 고려하였을 때, 의수에 보조 장치를 디자인함으로써 Cam의 가위질을 도울 수 있다는 점과 상대적으로 약한 Cam의 손 근육과 신경계에 부담이 가지 않고 최소한의 힘을 받을 수 있게 디자인해야 한다는 점을 알 수 있었다. 앞서 분석한 두 가지 사항을 고려하여 일반 종이와 지점토를 사용하여 가능성 있는 디자인 모형을 유추해 내기 위해 간단한 콘셉트 프로토타이핑을 진행하였다.
또한 Cam이 낼 수 있는 손의 최대 힘은 28kPa(만 5세 남자아이의 평균 장악력 크기)보다 작기 때문에 재질을 입힌 상태에서 중력과 동시에 외부에서 28kPa의 힘을 가해 보았을 때, Safety Factor 분석의 결과 변형이 일어나지 않은 것을 볼 수 있었으며 안전계수가 15를 나타내며 이는 디자인이 충분한 안전성을 가지고 있다는 것으로 해석될 수 있었다1). 해당 모델의 재료 강성과 변형률의 관계를 분석한 Stress분석을 통해 주 응력의 최댓값이 플렉서블 PVC 플라스틱의 항복 응력에 훨씬 못 미치므로 해당 모델의 구조는 안정하다고 볼 수 있었다. 또한 가위질 할 때 드는 힘을 변수로 넣었을 때 디자인된 보조기기가 굴곡진 모형으로 면적이 넓고 힘의 방향이 분산되어 서로 상쇄되었기 때문에 압력이 줄어들어 더 적은 힘을 받으며 최종적으로 물체에 가해지는 압력의 크기를 줄일 수 있었다.
후속연구
또한 가상 시뮬레이션을 통한 데이터 분석 방법은 실제로 프로토타입 제작을 통한 사용성 테스트를 거치지 않더라도 가상 시뮬레이션 분석을 통해 제품을 생산 할 수 있기 때문에 디자인 프로세스의 단계와 제품 생산 비용을 현저하게 줄여 줄 수 있을 것이다. 또한 가상 시뮬레이션은 데이터를 근간으로 하여 실행되며 해당 디지털 데이터는 시뮬레이션뿐 만 아니라 4차 산업 혁명의 소프트웨어, 하드웨어 기술에 대한 응용 자료로 활용이 가능 하게 될 것이기 때문에 가상 시뮬레이션을 통한 디자인 방법은 디자인 방법에 있어 향후 유의미한 영향을 줄 수 있을 것이라 예상한다.
디자인적인 측면에서 보았을 때, 가상 시뮬레이션을 통한 협업의 방법은 기존의 디자인 데이터에서 개선되어 집단지성의 창의력이 더해진 콘텐츠로 재생산되고 공유될 수 있을 것이다. 또한 가상 시뮬레이션을 통한 데이터 분석 방법은 실제로 프로토타입 제작을 통한 사용성 테스트를 거치지 않더라도 가상 시뮬레이션 분석을 통해 제품을 생산 할 수 있기 때문에 디자인 프로세스의 단계와 제품 생산 비용을 현저하게 줄여 줄 수 있을 것이다. 또한 가상 시뮬레이션은 데이터를 근간으로 하여 실행되며 해당 디지털 데이터는 시뮬레이션뿐 만 아니라 4차 산업 혁명의 소프트웨어, 하드웨어 기술에 대한 응용 자료로 활용이 가능 하게 될 것이기 때문에 가상 시뮬레이션을 통한 디자인 방법은 디자인 방법에 있어 향후 유의미한 영향을 줄 수 있을 것이라 예상한다.
플랫폼을 기반으로 가상 시뮬레이션의 가능성은 인공지능과 빅 데이터 기술의 발전에 힘입어 무한히 커질 것으로 예상되며, 또한 기존의 인체공학자료를데이터화 하여 활용 할 경우, 인공지능을 통한 자동수정 및 맞춤 생산도 가능 할 수 있을 것이라 생각 한다. 또한 가상 시뮬레이션이 이번 연구에서는 간단한 재료의 물성 테스트와 정적 응력 테스트를 통해 해당 모델을 분석하였지만, 4차 산업혁명 시대에서 3D 모델 데이터를 바탕으로 한 자동화 공정 시스템의 적용, 가상 물리 기반 시스템의 중요한 요소로써 사용 될 수 있기 때문에 추가적인 연구를 위한 자료로써 본 연구가 지니는 광의적 가치가 있다고 하겠다.
Cam은 손가락이 상대적으로 짧아 원활한 수지운동을 하기에 어려움이 따르기 때문에, 의수 착용 시 Pinch 동작을 포함한 복합적 손의 운동과 맞물려 의수의 역학적 운동 방향이나 각도를 동시에 고려하여 디자인이 도출되어야 한다. 또한 가위질 운동 시 손과 물체 그리고 의수에 작용되는 힘의 크기와 내구성간의 관계를 확인해 보아야 할 것이다. 이를 시뮬레이션 분석으로 검증해보고자 한다.
따라서 본 연구에서는 가상 시뮬레이션 테스트와 인체측정 데이터를 바탕으로 디자인 프로세스를 전개하여보조 3D 모델 디자인을 완성하고 그 유용성과 가능성을 확인하고자 한다. 이를 통해 향후 4차 산업 혁명시대의 다양한 기술적 결합과 더불어 가상 시뮬레이션을 적용한 공학 디자인의 프로세스로서 활용 될 수 있기를 기대 한다.
가상 시뮬레이션을 통해 디자인된 가위질 보조기기는 Cam 이외에도 비슷한 장애를 가진 어린이들에게 사용 가능하며, 가위질 이외에도 상황에 맞는 보완기기를 같은 방식으로 디자인 한다면 효용이 배로 늘어날 것이다. 플랫폼을 기반으로 가상 시뮬레이션의 가능성은 인공지능과 빅 데이터 기술의 발전에 힘입어 무한히 커질 것으로 예상되며, 또한 기존의 인체공학자료를데이터화 하여 활용 할 경우, 인공지능을 통한 자동수정 및 맞춤 생산도 가능 할 수 있을 것이라 생각 한다. 또한 가상 시뮬레이션이 이번 연구에서는 간단한 재료의 물성 테스트와 정적 응력 테스트를 통해 해당 모델을 분석하였지만, 4차 산업혁명 시대에서 3D 모델 데이터를 바탕으로 한 자동화 공정 시스템의 적용, 가상 물리 기반 시스템의 중요한 요소로써 사용 될 수 있기 때문에 추가적인 연구를 위한 자료로써 본 연구가 지니는 광의적 가치가 있다고 하겠다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가상 시뮬레이션의 특징과 장점은?
가상 시뮬레이션은 그 특징상 공학 및 과학 분야뿐 아니라 동적 모델을 이용하여 실험하는 여러 분야에 적용될 수 있다는 특징을 가지는데, 시뮬레이션의 장점은 현실 세계의 물리적 모델을 디지털 공간에서 재현하고 그 성능을 예측함으로써, 최적의 의사결정을 내릴 수 있다는 점에 있다[10,11,12]. 특히, 디자인 분야에서는 3D 모델 시뮬레이션의 기반이 되는 모델링데이터는 데이터 공유 소프트웨어의 발달로 각 소프트웨어 서버의 클라우드 상에 공유 될 수 있다.
모델링데이터가 각 소프트웨어 서버의 클라우드 상에 공유되며 가져다 주는 이점은?
특히, 디자인 분야에서는 3D 모델 시뮬레이션의 기반이 되는 모델링데이터는 데이터 공유 소프트웨어의 발달로 각 소프트웨어 서버의 클라우드 상에 공유 될 수 있다. 이러한 데이터의 공유는 기존 데이터들의 수정 과 개선을 통해 새로운 가치를 지닌 제품으로 신속하게 생산 될 수 있을 뿐만 아니라 이러한 제품들은 대량 생산이 아닌 개인 맞춤형 상품으로 개발 될 수 있기 때문에 기존의 디자인 프로세스와는 달리 디자인에서 제작까지의 프로세스가 매우 빠르게 진행되며 시뮬레이션을 통한 테스트 및 분석으로 저비용 맞춤형 생산이 가능한 장점이 있다.
가상시뮬레이션은 어떤 시뮬레이터인가?
그 영향력의 규모와 변화의 속도로 인해 제 4차 산업혁명의 주요기술인 로봇공학, 인공지능(AI), 가상현실(VR), 빅 데이터, 클라우드, 사이버안보, 공유경제, 블록체인등과 기존 서비스 및 시스템의 융합을 통한 청사진들이 제시되고 있다. 가상시뮬레이션은 현실에서의 물리적인 환경을 구성하지 않아도 가상현실에서 시뮬레이션을 통해 사용 환경을 평가할 수 있는 방법이다. 가상시뮬레이션은 다양한 산업 분야에서 다양한 방법으로 확장되어 사용되고 있으며, 가상 시뮬레이션의 가장 큰 이점인 고품질 저가격(High-Quality Low-Cost)과 더불어 다양한 산업과 기업에서의 효율적 대안으로 떠오르고 있다[2].
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