Development of Cylindrical-object Grasping Force Measuring System with Haptic Technology for Stroke's Fingers

햅틱기술을 이용한 뇌졸중환자의 원통물체잡기 힘측정장치 개발

Development of Cylindrical-object Grasping Force Measuring System with Haptic Technology for Stroke’s Fingers

김현민

¹

^1,

Hyeon Min Kim

¹

^1,

1 경상대학교 제어계측공학과 (Department of Control & Instrumentation Engineering, ERI, Gyeongsang Univ.)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-772-1745

This paper describes the development of a cylindrical-object grasping force measuring system applied haptic technology to measure the grasping force of strokes patients’ fingers and other patients’ paralyzed fingers. Because the cylindrical-object and the force measuring device of the developed cylindrical-object grasping force measuring system are connected with the electrical wires, patients and their families have difficulty not only measuring the patients’ grasping force using the system but also knowing their rehabilitation extent when using it. In this paper, the cylindrical-object grasping force measuring system applied haptic technology was developed, and the cylindrical-object grasping force measuring device sends data to the rehabilitation evaluating system applied haptic technology by wireless communication. The grasping force measurement characteristic test using the system was carried out, and it was confirmed that the rehabilitation extent of the patients’ paralyzed fingers and normal people fingers can be evaluated.

Key Words: Haptic Technology ( 햅틱기술), Force Measuring System (힘측정장치), Five-axis Force/Moment Sensor (5 축 힘/모멘트센서)

1. 서론

뇌졸중환자의 한쪽 혹은 양쪽 손의 손가락들은 정상인과 같이 자유롭게 움직이지 못한다. 이 손가 락들을 손가락 재활로봇 등을 통해 회복될 수 있 다. ^1-3 재활되고 있는 손가락들의 재활정도는 Kim ^4-6 등이 개발한 6 축 힘/모멘트센서가 구물체에 내장되 어 구물체를 잡았을 때 정확한 힘을 측정할 수 있 는 구물체잡기 손가락 힘측정장치, ⁴ 3 축 힘센서가 물체 안에 내장되어 두 손가락으로 물체를 잡았을 때 정확한 힘을 측정할 수 있는 두 손가락 물체잡 기 힘측정장치, ⁵ 2 축 힘/모멘트센서가 원통물체 안 에 내장되어 원통물체를 잡았을 때 잡는 힘을 측정

할 수 있는 원통물체잡기 손가락 힘측정장치 ⁶ 를 이

용하여 판단할 수 있다. 이와 같은 물체잡기 손가락

힘측정장치들은 각 힘센서들이 내장되어 있는 각

물체와 측정장치가 전선으로 연결되어 있어 각 손

가락 힘을 측정할 때 매우 불편하다. 그리고 재활치

료를 담당하는 전문의사를 제외한 중증 뇌졸중환자

를 담당하는 간호사, 가족, 환자자신 등이 환자의

손가락 힘 측정결과를 이용하여 손가락의 재활정도

를 판단하기는 매우 어렵다. 이와 같이 환자의 손

가락 재활정도를 손가락 힘측정장치 ^4-6 를 이용하여

판단을 쉽게 하는 하나의 방법은 각 물체와 힘측정

장치를 무선통신을 이용하는 방법으로 분리하고, 측

정된 손가락 힘값을 재활정도의 정상, 중간, 미흡

등과 같이 구분하여 진동으로 표시하는 햅틱기술 을 이용하는 것이다. 햅틱기술은 로봇, 컴퓨터 등 과 같은 입력장치인 조이스틱, 키보드, 마우스 등 의 입력에 따른 출력을 진동 혹은 힘 등으로 피부 혹은 근육에 느끼게 하는 것이다. ^7,8

본 논문에서는 햅틱기술을 이용한 뇌졸중환자 를 위한 원통물체 잡기 힘측정장치를 개발하였다.

이를 위해 원통물체 내에 내장하기 위한 Kim ⁹ 이 모델링한 5 축 힘/모멘트센서의 구조로 센서를 설계 및 제작하였고, 5 축 힘/모멘트센서의 값들을 측정하 고 무선통신모듈을 이용하여 송신할 수 있는 힘측 정기를 설계 및 제작하였으며, 무선통신 모듈을 이 용하여 힘측정기의 신호를 수신하여 진동으로 재활 정도를 알리는 햅틱기술을 적용한 재활정도 판단장 치를 설계 및 제작하였다. 그리고 이것들을 정상인 및 환자를 대상으로 특성실험을 실시하였다.

2. 원통물체잡기 힘측정장치

2.1 원통물체잡기 힘측정장치의 원리

Fig. 1 의 (a)는 원통물체잡기 힘측정장치, (b)는 햅틱기술을 이용한 재활정도 판단장치의 원리를 나 타내고 있다. 원통잡기 힘측정장치는 Fig. 1 의 (a)에 서 나타낸 것과 같이 5 개의 손가락이 원통물체에 힘을 가하면 내장되어 있는 5 축 힘/모멘트센서에 힘 Fx, Fy, Fz 가 감지됨과 동시에 모멘트 Mx, Mz 도 감지된다. 손가락 전체의 힘(합력) F 는 측정된 힘 Fx, Fy, Fz 를 식(1)에 대입하여 계산할 수 있다.

2 2

2

( ) ( )

)

( Fx Fy Fz

F = + + (1)

모멘트 Mx 값은 “검지와 중지”의 누루는 힘이

“ 약지와 소지”의 누루는 힘보다 크면 음의 값으로 출력되고, 반대일 경우에는 양의 값으로 출력되므 로 “검지와 중지”와 “약지와 소지”의 회복정도를 판단할 수 있다. 그리고 모멘트 Mz 는 손가락으로 원통을 잡을 때 두 개의 반 원통물체가 뒤틀리는 정도를 나타낸다. 이와 같은 방법으로 대략적으로 손가락이 가하는 힘을 평가할 수 있고, 이 평가된 결과는 측정기를 통해 무선모듈(XBee)를 통해 무선 으로 재활정도 판단장치로 송신된다. Fig. 1 의 (b)는 햅틱기술을 이용한 재활정도 판단장치를 나타낸 것이고, 이것은 무선모듈(XBee)를 통해 힘과 모멘 트의 측정된 결과를 무선으로 받아 제어기에 연

(a) Cylindrical object with sensor and measuring device

(b) Display device using haptic technology Fig. 1 Force measuring principle for gripping a

cylindrical object and haptic device

Fig. 2 Structure of five-axis force/moment sensor 결된 2 개의 진동모터를 구동시킨다. 잡는 힘의 크 기에 따라 진동의 형태를 다르게 함으로써 재활의 사, 간호사, 가족, 환자자신 등이 재활정도를 판단 할 수 있다.

2.2 5 축 힘/모멘트센서 설계 및 제작

5 축 힘/모멘트센서의 구조는 Fig. 2 와 같고, 이

것은 본 논문의 저자가 이미 고안하여 발표한 것

이다. ⁹ 따라서 본 논문의 5 축 힘/모멘트센서는 참

고문헌 7 에 따라 설계하고 제작하였다. 5 축 힘/모

멘트센서의 구조는 Fig. 2 에 나타낸 것과 같이 힘

Fx, Fy, Fz 과 모멘트 Mx, Mz 를 감지할 수 있는 5

개의 센서의 감지부를 한 몸체에 포함되도록 하

였다. 평행평판보 PPB1 과 PPB2 의 보(beam1~4)의

크기는 두께(t1), 길이(l1), 폭(b1)이고, PPB3 와 PPB4

의 보(beam5~8)의 크기는 두께(t2), 길이(l2), 폭(b2)

Fig. 3 Manufactured five-axis force/moment sensor 이며, PPB5 의 보(beam9~10)의 크기는 두께(t3), 길 이(l3), 폭(b3)이다.

5 축 힘/모멘트센서의 각 감지부의 크기를 결정 하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하였다. 유한 요소법을 이용하여 5 축 힘/모멘트센서를 설계한 결과, 센서의 크기는 평판보의 길이 l1 과 l2 가 10 mm, l3 가 8 mm, 폭 b1, b2, b3 는 모두 12 mm, 두 께 t1, t2 가 1.4 mm, t3 가 1.8 mm 이었으며, 스트레 인게이지의 부착위치가 길이 방향으로는 1.5 mm, 폭 방향으로는 1/2 이었다. 5 축 힘/모멘트센서의 사양은 힘 Fx, Fy, Fz 센서의 정격힘이 모두 300 N, 모멘트 Mx 센서의 정격모멘트가 5.5 Nm, Mz 센서의 정격모 멘트가 7.0 Nm 이고, 센서의 크기가 102 × 30 × 12 mm 이다.

5 축 힘/모멘트센서는 각 센서의 게이지부착위 치에 스트레인게이지 (N2A-13-S1452-350, Micro- Measurement Company 사 제작, 게이지 상수 2.03, 크기 3 × 5.2 mm)를 순간접촉제(M-200)를 이용하 여 부착하고 휘스톤브리지를 구성하여 제작하였 으며, Fig. 3 은 제작된 5 축 힘/모멘트센서의 사진 을 보이고 있다.

제작한 5 축 힘/모멘트센서의 정격출력 및 상호 간섭오차를 위한 특성실험은 본 논문의 저자가 보 유하고 있는 다축 힘/모멘트센서 교정기 ¹⁰ 을 이용 하였고, 5 축 힘/모멘트센서는 힘 Fx, Fy, Fz 센서의 각 정격힘 Fx = Fy = Fz = 300 N 과 모멘트 Mx, Mz 의 각 정격모멘트 Mx = 5.50 Nm, Mz = 7.00 Nm 를 가하고 정격출력을 측정하였다. 실험은 총 세 번 을 실시하여 평균값을 각 센서의 정격출력으로 결 정하였고, 각 센서의 정격힘과 모멘트를 가했을 때 상호간섭출력을 측정하였다. 5 축 힘/모멘트센서 의 각 센서의 정격출력은 Fx 센서가 0.9826 mV/V,

Table 1 Comparison of measured roughness data Sensor

Error

Fx (%)

Fy (%)

Fz (%)

Mx (%)

Mz (%) Nonlinearity 0.03 0.03 0.02 0.03 0.04 Repeatability 0.02 0.03 0.02 0.04 0.03

Table 2 Interference error of each sensor of five-axis force/moment sensor

Fy 센서가 0.9981 mV/V, Fz 센서가 1.1057 mV/V, Mx 센서가 1.0953 mV/V, Mz 센서가 0.9871 mV/V 이었다.

그리고 각 센서의 비직선성오차, 재현도오차를 구하기 위한 특성실험을 실시하였다. 이 특성실 험은 각 센서의 정격힘과 정격모멘트를 10 개 구 간으로 나누어 증가순과 감소순을 연속으로 3 회 실시하였고, 이것을 이용하여 비직선성오차와 재 현도오차를 계산하였으며, 그 결과를 Table 1 에 나타내고 있다.

센서의 최대 비직선성오차는 0.04%이하이었고, 최대 재현도오차는 0.04%이하이었다. 또한 5 축 힘/모멘트센서의 각 센서의 상호간섭오차는 Table 2 에 나타낸 것과 같고, 최대 상호간섭오차는 2.32%

이다. 본 논문에서 설계 및 제작한 5 축 힘/모멘트센 서는 상호간섭오차가 2.32%이하이고, 비직선성오차 (Nonlinearity) 가 0.04%이하, 재현도오차(Repeatablility) 가 0.04%이하이므로 우수한 것으로 평가되어 본 연구의 원통물체잡기 힘측정장치에 사용될 수 있 을 것으로 생각된다.

2.3 원통물체잡기 힘측정기 및 햅틱재활판단 장치 제어기 설계 및 제작

Fig. 4 의 (a)는 마이크로프로세서 ATMega128 을

이용한 원통물체잡기 힘측정기의 블록도이고, 이것

은 ATMega128, 증폭기부(amplifier, AD628), 무선통신

모듈(Xbee), 전원부등으로 구성된다. ATMega128 은

내부에 내장된 5 개의 AD 컨버터를 이용하여 5 축

힘/모멘트센서의 각 센서값을 취득하여 무선통신 모

(a) Force/moment measuring device

(b) Haptic display device

Fig. 4 Block diagram of force/moment measuring device and haptic display device

듈을 통해 무선으로 재활판단장치 제어기로 송신하 는 역할을 한다. 증폭부는 5 축 힘/모멘트센서의 각 센서출력을 약 1000 배정도 증폭한다. 무선통신 모 듈은 무선으로 힘 및 모멘트값들을 송신한다.

Fig. 4 의 (b)는 햅틱재활판단장치 제어기의 블록 도이고, 이것은 ATMega128, 무선통신모듈(Xbee), 진 동모터(YB1030), 전원부등으로 구성된다. ATMega128 은 무선통신모듈로 수신된 힘 및 모멘트값들을 받아 그들의 크기에 따라 두개의 진동모터를 이 용하여 손가락의 감각으로 느낄 수 있도록 30 Hz ( 진동모터의 특성실험 결과 진동이 가장 크고 안 정적임)로 주파수로 진동시킨다. 진동모터는 한쪽 벽면에 2 개가 50 mm 간격으로 중심선상에 부착되 어 있고, 힘측정값의 크기와 모멘트값의 크기에 따 라 계속 진동, 점선과 같은 진동 등으로 표시한다.

Fig. 5 의 (a)는 원통물체잡기 힘측정기의 측정 흐름도를 나타내고 있고, 이것은 힘측정기를 초 기화하고, 5 축 힘/모멘트센서의 각 센서로부터 힘과 모멘트들의 초기값을 측정하여 저장한 후 각 센서 의 값을 측정하여 초기값을 빼어 정확한 값을 계산 하며, 계산된 값들을 무선통신모듈울 통해 햅틱기술 을 이용한 재활판단장치 제어기로 송신한다. 각 센 서의 출력을 측정하지 못하였을 경우와 마치라는 명령스위치의 신호가 없을 경우에는 각 센서로부터 측정하고 이것을 송신하는 것을 반복한다.

(a) Force/moment measurement (b) Haptic display Fig. 5 Flow chart of force/moment measuring device and

display device

Fig. 5 의 (b)는 재활판장장치 제어기의 제어흐 름도를 나타내고 있고, 이것은 제어기를 초기화하 고, 원통물체잡기 힘측정기로부터 측정값들을 받았 을 경우에는 힘과 모멘트의 크기에 따라 진동모터 를 진동한다. 진동은 정상인과 같이 재활되었을 경 우에는 계속 진동을 10 초간유지, 중간정도 재활되 었을 경우에는 3 초진동 1 초 무진동, 미흡하게 재활 되었을 경웅에는 1 초진동 1 초 무진동, 거의 재활 되지 않았을 경우에는 진동하지 않도록 하였다.

2.4 원통물체잡기 힘측정장치 설계 및 제작

Fig. 6 은 제작한 원통물체잡기 힘측정장치를

나타내고 있다. 이것은 정상인 및 손가락환자의

원통물체 잡는 힘을 측정하고, 그 결과를 무선모

듈을 통해 재활판단장치로 송신하는 역할을 하며,

5 축 힘/모멘트센서, 힘측정기, 원통물체 등으로

구성되었다. 5 축 힘/모멘트센서는 하부의 양쪽 고

정블록은 하나의 반원통물체의 중심선상에 고정

하고, 상부의 힘/모멘트전달블록은 다른 하나의

반원통물체의 중심선상에 고정되었다. 이 센서는

원통물체를 잡고 힘을 가했을 때 원통에 가해지는

힘과 모멘트를 측정하고, 이 힘과 모멘트를 이용

하여 원통물체 잡는 힘과 대략적으로 “검지와 중

지”의 힘과 “약지와 소지”의 힘을 판단한다. 힘측

정기는 5 축 힘모멘트센서의 각 센서로부터 출력되

는 힘과 모멘트의 값들을 취득하여 원통물체 잡는

힘을 계산하여 재활판단장치 제어기로 송신한다. 원

Fig. 6 Manufactured force/moment measuring device

Fig. 7 Manufactured haptic display device

통물체는 두 개의 반원통물체로 구성되어 있고, 이 것들의 내부에 5 축 힘/모멘트센서를 조립하였을 때 두 개의 반원통물체 사이는 양쪽 각각 2 mm 간격을 가진다(5 축 힘/모멘트센서의 최대 정격하중에서 0.2 mm 이하임). 이것은 원통물체 잡기 실험시 센 서의 처짐이 발생되어도 두 개의 반원통물체가 간섭에 일어나지 않도록 하기 위함이다. 원통물체 의 재질은 알루미늄(Al2024)이다.

2.5 햅틱기술을 적용한 재활판단장치 설계 및 제작

Fig. 7 는 햅틱기술을 적용한 재활판단장치를 나 타내고 있다. 이것은 원통물체잡기 힘측정장치로 부터 송신된 힘과 모멘트를 받아 재활전문가, 환 자, 가족 등이 진동으로 느껴 환자의 손가락 재활 정도를 대략적으로 판단할 수 있는 장치이고, 재 활판단장치 제어기, 진동모터, 하우징으로 구성되

었다. 재활판단장치 제어기는 원통물체잡기 힘측정 장치로부터 송신된 힘과 모멘트정보를 무선모듈을 통해 수신하여 힘과 모멘트의 크기(손가락 재활 정도)에 따라 진동모터를 다르게 진동시킨다. 진 동모터(YB1030)는 하우징의 한쪽 면에 중심선상 에 50 mm 간격으로 두 개를 부착하였고, 진동모터의 크기는 직경이 12 mm, 높이가 5 mm 이다. 하우징은 몸체와 덮개로 구성되고, 크기는 40 mm × 400 mm × 130 mm 이며, 재질은 플라스틱이다.

3. 원통물체잡기 힘측정장치의 특성실험 3.1 원통물체잡기 힘측정장치의 구성 및 교정

원통물체잡기 힘측정장치는 Fig. 8 에 나타낸 것 과 같이 원통물체잡기 측정기(Fig. 8 의 (a))와 햅틱 기술을 적용한 재활판단장치(Fig. 8 의 (c))로 구성된 다. Fig. 8 의 (b)는 무선측정장치이고, 이것은 6 축 힘/모멘트센서의 교정값을 확인하고, 원통물체잡기 특성실험시 원통물체 내에 내장된 5 축 힘/모멘트센 서가 가해진 손가락 힘과 모멘트를 정확하게 측정 하는지를 확인하기 위해 설계 및 제작하였다. 이 것은 Fig. 8 의 (c)에 나타낸 재활판단장치와 모두 똑 같고, 진동모터 대신에 LCD(LMC1623A)만 장 착한 것이다. 원통물체잡기 힘측정장치를 실제 사 용하기 위해서는 5 축 힘/모멘트센서를 교정해야 한다. 5 축 힘/모멘트센서의 교정은 다축 힘/모멘트 센서 교정기 ¹⁰ 을 이용하였다. 교정기를 이용하여 각 센서의 정격힘과 모멘트, 즉 힘 Fx, Fy, Fz 센서 의 각 정격힘 Fx = Fy = Fz = 300 N 과 모멘트 Mx, Mx 의 각 정격모멘트 Mx = 5.50 Nm, Mz = 7.00 Nm 를 가하고 무선측정장치(Fig. 8 의 (b))에 힘 Fx, Fy, Fz 센서의 경우에는 각각 300 N 과 모멘트 Mx, Mx 의 경우에는 각각 Mx = 5.50 Nm, Mz = 7.00 Nm 이 출력되도록 하였다.

3.2 원통물체잡기 힘측정장치의 특성실험

개발한 원통잡기 힘측정장치를 손가락환자의

재활정도를 판단하는데 사용하기 위해서는 힘측

정장치의 특성실험이 필요하다. 특성실험장치는

원통물체잡기 힘측정기(Fig. 8 의 (a))와 무선측정

장치(Fig. 8 의 (b))로 구성된다. 특성실험은 20 대

남자 정상인 4 명 A, B, C, D 가 참여하였고, 실험방

법은 힘측정장치를 Fig. 9 의 (a)와 같이 모든 손가

락으로 잡고 손가락 힘을 가한 경우, (b)와 같이 엄

지, 검지, 중지를 이용하여 손가락 힘을 가한 경우,

Fig. 8 Manufactured cylindrical-object force/moment measuring system

Fig. 9 Characteristic test using the manufactured cylindrical-object force/moment measuring system

(c) 와 같이 엄지, 약지, 소지를 이용하여 손가락 힘 을 가한 경우로 구분하였다. 이와 같이 구분한 것은 손가락 환자가 5 개의 손가락으로 원통물체잡기를 하였을 경우 모든 손가락이 일정하게 회복될 수도 있고, “검지와 중지” 혹은 “약지와 소지” 손가락이 먼저 회복될 수 있기 때문이다. 원통물체에 손가락 힘을 가하는 방법은 힘을 가하고 3 초를 머물렀을 때 손가락 힘을 측정하고, 15 초를 쉰 다음 다시 힘을 측정하는 것으로 4 회를 측정하여 평균하였다.

Fig. 9 의 (d)는 원통물체잡기 특성실험하는 장면의 사진을 나타내고 있다.

Table 3 은 개발한 원통물체 잡기 힘측정장치를 이용하여 Fig. 9 의 (a)와 같은 방법으로 특성실험 한 결과를 나타내었고, 힘 F(N)는 힘 Fx, Fy, Fz 를 식

Table 3 Characteristic test results of all fingers force of right hand and left hand

Man Right finger Left finger

F Mx Mz F Mx Mz

A 221 -20 60 219 -14 -54 B 230 -4 41 201 -23 -28 C 202 -14 36 178 -21 -30 D 205 -34 32 187 -5 -28 Avg. 218 -13 46 199 -19 -37

Table 4 Characteristic test results of finger force of thumb, fore finger and middle finger of right and left hand

Man Right finger Left finger

F Mx Mz F Mx Mz

A 125 -67 27 128 -65 -15 B 127 -58 17 127 -51 -9 C 112 -54 9 123 -61 -16 D 130 -52 23 116 -51 -17 Avg. 122 -60 18 126 -59 -13

Table 5 Results of finger force of thumb, ring finger and little finger of right and left hand on desk Man Right finger Left finger

F Mx Mz F Mx Mz

A 71 26 29 65 18 -19 B 70 26 12 63 24 -11 C 58 9 8 49 8 -9

D 39 19 -13 45 19 -13

Avg. 67 20 16 59 16 -13

(1) 에 의해 계산한 합력이며, 원통물체잡기의 모든

손가락의 힘을 나타낸다. 모멘트 Mx(Ncm)는 “검지

와 중지” 혹은 “약지와 소지”가 먼저 회복되는지를

확인하기 위한 것이다. 모멘트 Mz(Ncm)는 원통물체

에 손가락 힘을 가할 때 두 개의 반원통물체에 비

틀리는 힘이 어느정도인지를 측정한다. Table 3 에 나

타낸 것과 같이 오른손의 힘 합력(F)은 평균 218 N

이었고 개인별 최대오차는 5.5%이내이었다. 그리고

왼손의 힘 합력(F)은 평균 199 N 이었고 개인별 최

대오차는 9.9%이내이었다. Table 4 는 개발한 원통물

체 잡기 힘측정장치를 이용하여 Fig. 9 의 (b)와 같은

방법으로 특성실험을 한 결과를 나타내었다. Table 4

에서 나타낸 것과 같이 오른손의 엄지, 검지, 중지

의 힘 합력은 평균 122 N, Mx 모멘트값은 평균 -60 Ncm 이었으며, 왼손의 힘 합력은 평균 126 N, Mx 모멘트값은 평균 -59 Ncm 이었다. 힘과 모멘트측정 값이 (-)인 경우에는 Fig. 2 에서 나타낸 힘과 모멘 트방향과 반대방향으로 가했을 때 발생한 것이다.

Table 5 는 개발한 원통물체 잡기 힘측정장치 를 이용하여 Fig. 9 의 (c)와 같은 방법으로 특성 실험을 한 결과를 나타내었다. Table 5 에서 나타 낸 것과 같이 오른손의 엄지, 약지, 소지의 힘 합 력은 평균 67 N, Mx 모멘트값은 평균 20 Ncm 이 었으며, 왼손의 힘 합력은 평균 59 N, Mx 모멘트 값은 평균 16 Ncm 이었다. 왼손과 오른손 모두 엄지, 검지, 중지의 힘 합력이 엄지, 약지, 소지의 힘 합력보다 약 2 배 정도 크게 나타났고, 모멘트 Mx 값은 예상했던 것과 같이 반대방향으로 나타났 다. 오차가 발생한 것은 5 축 힘/모멘트센서의 상 호간섭오차, 잡는 손의 위치, 잡을 때 힘을 가하는 정도 등에 의한 것이다. 실험결과에 따르면 손가 락환자의 원통물체잡기를 통한 모든 손가락, “검지 와 중지” 혹은 “약지와 소지”의 재활정도를 판단 할 수 있을 것으로 판단된다.

3.3 햅틱기술을 적용한 원통물체잡기 힘측정 장치 특성실험

햅틱기술을 적용한 원통물체잡기 힘측정장치는 Fig. 8 에 나타낸 것과 같이 원통물체잡기 측정기 (Fig. 8 의 (a))와 햅틱기술을 적용한 재활판단장치 (Fig. 8 의 (c))로 구성되고, Fig. 8 의 (b)에 나타낸 무 선측정장치로 확인하였다. 정상인과 같이 재활되었 다는 판단기준을 힘 200 N 으로 결정하여 10 초간 2 개의 진동모터를 계속 진동시키고, 힘 120 N ~ 199 N 를 중간정도 재활되었다고 판단하여 3 초 동안 진동 1 초 동안 무진동, 힘 50 N ~ 119 N 를 미흡하게 재활 되었다고 판단하여 1 초 동안 진동 1 초 동안 무진 동, 힘 49 N 이하는 거의 재활되지 않았다고 판단하 여 진동을 발생시키지 않는다. “검지와 중지” 혹은

“ 약지와 소지”의 재활정도의 판단은 재활판단장치 의 검지 쪽의 진동모터 혹은 소지쪽의 진동모터를 계속 10 초 동안 진동시켜 표시한다. 진동의 조건은

“ 검지와 중지”가 빨리 회복되었다는 기준을 합력(F) 이 100 N 보다 크고 모멘트 Mx 가 -40 Ncm 보다 더 작을 때 검지쪽의 진동모터만 진동시킨다. 그리고

“ 약지와 소지”가 빨리 회복되었다는 기준을 합력(F) 이 40 N 보다 크고 모멘트 Mx 가 10 Ncm 보다 더 클 때 소지 쪽의 진동모터만 진동시킨다.

Fig. 10 Photograph of characteristic test using the cylindrical-object force/moment measuring system

Fig. 10 의 (a)는 정상인, (b)는 재활훈련중인 환자 를 대상으로 실험하는 모습을 나타내고 있다. 정상 인 4 명의 학생들을 대상으로 10 번씩 햅틱기술을 적용한 원통물체잡기 특성실험한 결과, 측정자가 모 두 성공적으로 감지하였다. 손가락환자 1 명의 환자 를 대상으로 특성실험 결과, 3 초 동안 진동 1 초 동 안 무진동을 3 번 반복하였기 때문에 중간정도 재활 되었음을 알 수 있었다. 재활정도를 판단하는 힘과 모멘트 설정값은 몇 사람을 대상으로 정상인의 손 가락 힘 및 모멘트 측정한 것을 대상으로 하였으므 로 정확하지 않을 수 있다. 그러므로 신뢰성을 높이 기 위해서는 성별, 연령별 등 많은 사람을 대상으로 특성실험할 필요가 있고, 재활판단기준도 재활의학 전문가와 협의하여 결정할 필요가 있다. 본 논문에 서 개발한 햅틱기술을 적용한 원통물체잡기 힘측정 장치는 위에서 언급한 문제점을 보완하면 재활정도 를 재활전문가뿐 만 아니라 환자자신, 가족 등의 비전문가도 대략적으로 판단할 수 있음을 알 수 있었다.

4. 결론

본 논문에서는 햅틱기술을 적용한 원통물체잡기

힘측정장치를 개발하였고, 이것의 특성실험을 실시

하였다. 힘측정장치의 핵심부품인 제작한 5 축 힘/모

멘트센서는 비직선성오차 및 재현도오차가 모두

0.04% 이내이고, 상호간섭오차가 2.32%이내이므로

우수하게 평가되어 원통물체잡기 힘측정장치에 사

용될 수 있음을 확인하였다. 원통물체잡기 힘측정기, 햅틱기술을 적용한 재활판단장치 등으로 구성되는 햅틱기술을 적용한 원통물체잡기 힘측정장치를 정 상인을 대상으로 특성실험한 결과와 그 결과를 토 대로 결정되는 재활정도의 판단은 정확하게 감지됨 을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 개발한 햅틱기 술을 적용한 원통물체잡기 힘측정장치는 손가락환 자의 재활정도를 판단하는데 활용될 수 있을 것 으로 판단된다.

후 기

이 논문은 2010 년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기 초연구임(No. 2009-0087281).

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