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문제 정의
- 본 연구는 의수 소켓 제작을 위한 인체 탄성도 측정 장치 개발 및 데이터 처리에 관한 것이다. 측정 시스템은 압자 6개의 측정부와 선형 서보 모터 4개의 고정부로 구성된다.
- 인체 탄성도를 측정하기 위한 세부 사항 및 적용 실험 절차를 본 장에서 자세히 다루고자 한다. 본 연구는 한양대학교 기관 생명윤리위원회(the Institutional Review Board: IRB)에서 2018년7월(HYI-16-055-6) 생명윤리심의 최종승인을 받은 후에 진행하였다.
제안 방법
- 본 논문에서 제안된 인체 탄성도 측정 장치는 [Fig. 7(a)]와 같이 고정부에 측정하고자 하는 인체 부위를 삽입한 뒤 측정부에서 탄성도 계산에 필요한 파라미터들을 측정하였다. 상지절단 환자의 경우, 전완(trans-radial) 절단이 상완(trans-humeral)절단보다 많이 발생하는 것으로 조사되고 있다[15].
- 압자 각 축에는 각각 엔코더, 로드셀, 2축-포텐쇼미터 총 3개의 센서를 부착했으며, 실시간으로 엔코더와 로드셀 데이터를 획득하여 인체 탄성도 계산에 필요한 파라미터들을 얻었다. 2축포텐쇼미터를 수동 2 자유도 유니버설 조인트로 활용하여 압자가 측정 부위에 수직으로 압입되도록 하였고, 각도와 전압 데이터 사이의 선형 피팅을 통해 모터 축과 압입 축 사이의 각도를 측정하였다. 궁극적으로 탄성도를 계산할 때 변위와 같은 방향의 힘 성분으로 사용하여 탄성도 계산의 정확성을 높였다.
- 측정부에서 마주하고 있는 압자 사이의 간격은 약 27 mm에서 최대 115 mm까지 조절할 수 있도록 설계되었고, 이에 따라 측정 부위의 지름 및 폭 등은 제한을 받는다. 둘째, 고정부는 총 4개의 선형 서보 모터(linear servomotor)가 90 도 간격으로 배치되어 있으며, 측정 부위에서 약 135.5 mm 떨어진 부위를 선형 서보 모터가 4방향에서 누르면서 측정 부위를 고정시킨다. 또한 측정부와 고정부는 2층 구조로 되어 있어 피실험자의 인체 탄성도를 측정할 때, 고정부에서 생기는 피부 및 연조직(soft tissues)의 변화에 대한 영향이 측정 부위로 전이되는 것을 최소화하였다.
- 측정 시스템은 압자 6개의 측정부와 선형 서보 모터 4개의 고정부로 구성된다. 또한 측정 시 발생하는 피실험자의 움직임을 4개의 선형 서보 모터에서 예방하고자 하였고, 6개의 압자를 이용하여 60도 간격으로 인체 탄성도를 동시 측정할 수 있도록 하였다. 측정부와 고정부를 2층 구조로 설계하여 서로간의 간섭효과를 최소화하였다.
- 둘째, 측정부의 끝 단이 피부에 닿는 순간을 측정할 수 있도록 하여 압입되는 정도를 정확하게 측정한다. 마지막으로, 피실험자의 피부와 측정부 끝단이 수직이 되는 상태로 압입되도록 설계한다.
- 측정부와 고정부를 2층 구조로 설계하여 서로간의 간섭효과를 최소화하였다. 압자 각 축에는 각각 엔코더, 로드셀, 2축-포텐쇼미터 총 3개의 센서를 부착했으며, 실시간으로 엔코더와 로드셀 데이터를 획득하여 인체 탄성도 계산에 필요한 파라미터들을 얻었다. 2축포텐쇼미터를 수동 2 자유도 유니버설 조인트로 활용하여 압자가 측정 부위에 수직으로 압입되도록 하였고, 각도와 전압 데이터 사이의 선형 피팅을 통해 모터 축과 압입 축 사이의 각도를 측정하였다.
- 또한 측정 시 발생하는 피실험자의 움직임을 4개의 선형 서보 모터에서 예방하고자 하였고, 6개의 압자를 이용하여 60도 간격으로 인체 탄성도를 동시 측정할 수 있도록 하였다. 측정부와 고정부를 2층 구조로 설계하여 서로간의 간섭효과를 최소화하였다. 압자 각 축에는 각각 엔코더, 로드셀, 2축-포텐쇼미터 총 3개의 센서를 부착했으며, 실시간으로 엔코더와 로드셀 데이터를 획득하여 인체 탄성도 계산에 필요한 파라미터들을 얻었다.
- 2]는 측정부의 한 축에 대한 전체 구성을 나타낸다. 회전 DC 모터(rotary DC motor)에 볼 스크류(ball-screw) 및 선형 가이드(linear guide)를 접목시켜 직선 운동(linear motion)이 가능하도록 하였다. 회전 모터에 장착된 엔코더 (encoder)를 사용하여 움직인 거리, 즉 피부 겉 면으로부터 압입되는 거리를 측정할 수 있도록 하였고, 로드셀(loadcell)을 부착하여 모터 축 방향으로 인가되는 힘을 측정할 수 있도록 개발하였다.
- 회전 DC 모터(rotary DC motor)에 볼 스크류(ball-screw) 및 선형 가이드(linear guide)를 접목시켜 직선 운동(linear motion)이 가능하도록 하였다. 회전 모터에 장착된 엔코더 (encoder)를 사용하여 움직인 거리, 즉 피부 겉 면으로부터 압입되는 거리를 측정할 수 있도록 하였고, 로드셀(loadcell)을 부착하여 모터 축 방향으로 인가되는 힘을 측정할 수 있도록 개발하였다. 위의 두 가지 센서를 사용하여 피실험자의 인체 탄성도(stiffness)를 측정할 수 있다.
대상 데이터
- 은 엔코더에서 출력되는 펄스 수이며, 엔코더와 연결되어 있는 DC 모터가 시계방향으로 회전하면 증가하고, 반시계 방향으로 회전하면 감소하게 설정되어 있다. 또한, lLead은 볼 스크류의 리드(lead: distance per one rotation) 길이이며 제안된 측정 장치에서는 리드가 2 mm인 볼 스크류가 사용되었다.
- 엔코더와 로드셀에서 이동 거리와 접촉 힘을 동시에 측정하여 탄성도(stiffness)를 구하기 위한 파라미터들을 얻을 수 있으며, 압자의 끝 단에 있는 2축 포텐쇼미터로 모터 축과 피부 접촉면 사이의 각도를 측정할 수 있다. 정리하면 제안된 측정 장치에서는 엔코더(encoder)와 로드셀(loadcell), 그리고 2축 포텐쇼미터(potentiometer)를 비롯하여 총 3개의 센서가 6개의 측정부에 각각 배치되어 있다.
- 본 연구는 의수 소켓 제작을 위한 인체 탄성도 측정 장치 개발 및 데이터 처리에 관한 것이다. 측정 시스템은 압자 6개의 측정부와 선형 서보 모터 4개의 고정부로 구성된다. 또한 측정 시 발생하는 피실험자의 움직임을 4개의 선형 서보 모터에서 예방하고자 하였고, 6개의 압자를 이용하여 60도 간격으로 인체 탄성도를 동시 측정할 수 있도록 하였다.
데이터처리
- 인체 탄성도는 측정부의 6축에 대하여 각각 계산되며, 모든 센서 데이터들은 실시간 측정이 가능하도록 개발되었다. 단축 상태에서의 탄성도 측정결과 신뢰성 검증은 실제 스프링을 사용하여 이루어졌다[14].
이론/모형
- 또한 각 매개 변수의 오버 라인(over line) 표기법은 네 명의 피실험자에 대한 평균값을 나타내고, σ는 해당 매개변수의 표준 편차를 나타냅니다. 본 논문에서 인체 탄성도는식(5)를 이용하여 계산되었다. 예를 들어, 탄성도가 크다면 값이 해당압입 부분이 상대적으로 단단하다는 것을 의미한다.
성능/효과
- 2축포텐쇼미터를 수동 2 자유도 유니버설 조인트로 활용하여 압자가 측정 부위에 수직으로 압입되도록 하였고, 각도와 전압 데이터 사이의 선형 피팅을 통해 모터 축과 압입 축 사이의 각도를 측정하였다. 궁극적으로 탄성도를 계산할 때 변위와 같은 방향의 힘 성분으로 사용하여 탄성도 계산의 정확성을 높였다.
- 또한 압자 끝 단에 부착된 2축 포텐쇼미터의 각도와 출력전압 사이의 데이터를 측정하여 선형 피팅(linear fitting)을 수행하였다[Fig. 5], [Table 1]과 같이 R-square의 값은 0.999 이상으로 선형 피팅한 직선 방정식이 각도-전압 데이터와 아주 유사하게 나타났으며, 이를 통해 측정 부위 면에 법선(normal direction) 방향과 모터 축 사이의 각도를 정밀하게 측정할 수 있었다. [Fig.
- 실험 결과를 정리한 [Table 2] 및 [Fig. 9]를 통해 각 측정 부위의 인체 탄성도 평균값을 비교해보면, 요골(radius), 척골(ulna)과 가장 가까운 부위인 point (5)가 3.059 [N/mm]로 가장 단단한 부위로 나타났으며, 반대로 요골/척골과 가장 멀리 떨어져 있는 부위인 point (3)이 0.697 [N/mm]로 가장 부드러운 부위인 것을 확인할 수 있었다. 또한 [Fig.
- 이번 실험에서는 모터 축방향으로 약 10 N의 힘이 출력되도록 설정하였으며, 모터 축 방향으로 가하는 힘 F와 피부에 수직으로 가해지는 힘 Fθ를 비교해보면 약 0.5 N의 차이가 존재하는 것으로 계산된다.
- 피부 및 연조직의 변화율 xdis는 접촉한 순간부터 측정되는 거리이다. 이번실험에서는 모터 데이터를 토대로 보면, 측정부가 움직이기 시작하고 약 1초후에 압자가 측정 부위와 접촉하면서 값이 증가하는 것을 볼 수 있다. 피부 및 연조직의 변화율 xdis는 접촉한 순간부터 측정되는 거리이다.
- 본 논문에서 제안하는 인체 탄성도 측정 장치는 다음과 같은 3가지의 요소를 고려하여 설계되었다. 첫째, 개발된 장치는 인체에 대한 고정부와 측정부의 위치가 분리되어 작동하면서 실험할 때 발생할 수 있는 피실험자의 움직임을 예방하며 움직임에 기인한 영향을 최소화한다. 둘째, 측정부의 끝 단이 피부에 닿는 순간을 측정할 수 있도록 하여 압입되는 정도를 정확하게 측정한다.
- 최종적으로 피실험자의 왼쪽 전완에 대하여 6방향의 인체 탄성도를 실시간으로 구할 수 있었다. 그러나 비교적 팔의 두께가 얇은 피실험자에게는 압자 끝 단의 지름 크기가 맞지 않아 불안정한 모습이 관찰되기도 하였다.
후속연구
- 그러나 비교적 팔의 두께가 얇은 피실험자에게는 압자 끝 단의 지름 크기가 맞지 않아 불안정한 모습이 관찰되기도 하였다. 이러한 문제점들을 보완하여, 실험 대상에 대한 측정 부위를 확대하고, 인체 전완 3D-모델링에 측정 데이터를 통합하여 시각화(visualization)하는 방법에 대한 후속 연구가 필요하다고 판단된다.
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