KR101092294B1 - 피부 마찰계수 측정장치 및 그 측정장치를 이용한 측정방법 - Google Patents

피부 마찰계수 측정장치 및 그 측정장치를 이용한 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피부의 마찰계수 측정장치와 그 측정장치를 이용하여 피부의 마찰계수를 측정하는 방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 피부 마찰계수 측정장치에 있어서, 측정대상인 손을 올려놓는 지지대; 지지대에 결합되어 지지대를 x-방향으로 이동시키는 x-방향 구동부와 지지대를 y-방향으로 이동시키는 y-방향 구동부 및 지지대와 소정간격으로 이격된 센서 지지대에 결합되어 센서 지지대를 z-방향으로 이동시키는 z-방향 구동부를 포함하는 구동부; 손등의 피부에 접촉되는 탐침팁, 하단은 탐침팁과 접하고, 내부에 탐침팀을 연결한 센서바와 센서바에 결합된 추를 구비한 탐침자, 및 상단은 센서 지지대에 결합되고, 하단에는 센서바와 탐침자가 결합되어 탐침팀이 받는 x, y 및 z 방향의 힘을 감지하는 3축 로드셀을 포함하는 힘센서부; 센서 지지대의 하단에 결합되어, 피부가 탐침팁에 접촉된 상태에서 z-방향의 거리변위를 측정하는 거리변위 측정부; 및 감지된 x, y 및 z 방향의 힘으로부터 피부의 마찰계수를 연산하는 연산수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치에 대한 것이다.
피부 마찰계수, 3축 로드셀, 구동부, 구동 제어부, 힘센서부, 탐침팁, 거리변위 측정부, 경사각 측정부, 연산수단

Description

피부 마찰계수 측정장치 및 그 측정장치를 이용한 측정방법{Apparatus and Method for Measuring friction of skin}
본 발명은 피부의 마찰계수 측정장치와 그 측정장치를 이용하여 피부의 마찰계수를 측정하는 방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 3축 방향의 힘을 감지하는 로드셀과 접촉된 피부의 굴곡과 경사각을 고려하여 접촉된 지점에서의 수직항력과 전단력을 고려하여 보다 정확한 피부의 마찰계수를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 피부는 각질층(stratum corneum)을 포함하는 표피층(epidermic)과 진피층(dermis)으로 크게 나뉜다. 표피층은 인체의 가장 바깥쪽을 덮고 있으며 외부로부터의 이물질 침입을 막아주거나 체내 수분 증발을 막아 피부의 거칠음이나 잔주름을 막는 중요한 역할을 한다.
진피층은 표피층의 아래에 있는 것으로, 피부의 매끄러운 정도를 결정짓는 역할을 하는 것으로, 피부의 매끄러운 정도, 감촉은 진피에 함유된 교원섬유인 콜라겐과 탄성 섬유인 엘라스틴이 정상적인 기능을 할 때 이루어지며, 자외선 등에 의해 콜라겐이나 엘라스틴이 손상되면 피부 노화가 진행되게 된다.
한의학에서 경락이란 인체에 있어서 기혈순환의 일정한 반응 계통 노선으로서, 안으로는 오장육부와 밖으로는 피부와의 상관성을 갖고서 반응이 체표로 나타나는 현상적인 반응선을 경락이라고 하며 이 반응 계통 선상의 일정한 점의 반응점을 경혈이라고 하며, 이에 따라 내장에 병이 있으면 경락에 영향을 미치고, 체표의 경락의 병변은 장부기능의 이상을 반영한다.
일반적으로 인체의 각 경락의 경혈 중 경락의 상태를 평균적으로 잘 나타내는 지점에서의 피부 저항을 측정하여 인체 상태를 분석하는 피부 저항 측정기 등이 이용되고 있다. 한편, 사상 의학이란 사람들을 체질적인 특성에 따라 분류하고 그에 따라 병을 진단 및 치료하는 전통 체질 의학이다.
체질이란 태어날 때부터 타고난 신체의 특성을 말하는 것으로, 사람의 외형이나, 성격에 따라 분류되는데, 사람의 피부 유연성, 요철감, 매끄러운 정도에 따라 사상 체질이 분류되기도 한다. 상대적으로 체질 분류에 따른 소음인은 피부가 매끄럽고 태음인은 거칠게 된다. 이러한 매끄러운 정도는 피부의 마찰계수가 어느정도 되는지가 지표가 될 것이다.
한방에서는 피부 상태에 따른 체질 분류에 있어서, 혈색이나 피부의 매끄러운 정도, 요철감 및 탄성 정도를 통해서 체질을 분류하고 있다. 그런데, 종래 한방에서의 매끄러운 정도나 탄성 정도 측정은 한의사가 직접 피시험자의 피부를 잡거나 당기면서 매끄러운 정도나 탄성 정도를 경험적으로 측정하기 때문에, 정확도 및 객관성이 결여되는 단점이 있었다.
도 1은 한의사가 직접 피험자의 피부를 잡거나 잡아 당기면서 피부의 매끄러 운 정도를 측정하고 있는 모습을 도시한 것이다. 그러나, 이러한 측정방법은 정확도 및 객관성이 결여되는 단점이 있었다. 따라서, 보다 개선되고, 정확한 측정이 가능한 피부 마찰계수 측정을 위한 장치 및 방법이 요구되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면 피부의 마찰계수 즉, 피부가 어느 정도 매끄러운지를 정확한 수치로서 제공할 수 있게 된다.
또한, 측정대상인 손등의 피부는 피시험자마다 굴곡의 정도가 다르고, 손등면이 완전한 수평을 이루고 있지 않다는 점을 고려하여 접촉면의 경사각을 측정하여 경사각에 따른 전단력과 수직항력을 측정하여 보다 정확한 마찰계수를 구하게 된다.
그리고, 본 발명은, 구동수단의 구동에서부터 마찰계수의 연산까지 시스템을 자동화하여보다 편리하고 신속하게 마찰계수를 피시험자에게 제공하게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
상기와 같은, 본 발명의 목적은, 피부 마찰계수 측정장치에 있어서, 측정대상인 손을 올려놓는 지지대; 지지대에 결합되어 지지대를 x-방향으로 이동시키는 x-방향 구동부와 지지대를 y-방향으로 이동시키는 y-방향 구동부 및 지지대와 소정간격으로 이격된 센서 지지대에 결합되어 센서 지지대를 z-방향으로 이동시키는 z-방향 구동부를 포함하는 구동부; 손등의 피부에 접촉되는 탐침팁, 하단은 탐침팁과 접하고, 내부에 탐침팀을 연결한 센서바와 센서바에 결합된 추를 구비한 탐침자, 및 상단은 센서 지지대에 결합되고, 하단에는 센서바와 탐침자가 결합되어 탐침팁이 받게 되는 x, y 및 z 방향의 힘을 감지하는 3축 로드셀을 포함하는 힘센서부; 센서 지지대의 하단에 결합되어, 피부가 탐침팁에 접촉된 상태에서 z-방향의 거리변위를 측정하는 거리변위 측정부; 및 감지된 x, y 및 z 방향의 힘으로부터 피부의 마찰계수를 연산하는 연산수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치로서 달성될 수 있다.
구동부를 제어하여 탐침팁이 피부에 접촉하도록 하는 구동제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구동제어부는 손등의 3지와 4지 사이의 기 설정된 특정위치에 탐침팁이 접촉하도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구동제어부는, z-방향 구동부를 이동시켜 탐침팁이 접촉된 피부에 기 설정된 수직 힘을 인가받도록 제어하고, 3축 로드셀은 인가된 수직 힘을 감지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구동제어부는, 피부에 수직힘이 인가된 상태에서, x-방향 구동부를 기 설정된 x-방향 이동거리, 기 설정된 x-방향 이동속도 및 기 설정된 x-방향 왕복횟수로 왕복 운동하도록 제어하고, y-방향 구동부를 기 설정된 y-방향 이동거리, 기 설정된 y-방향 이동속도 및 기 설정된 y-방향 왕복횟수로 왕복운동하도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
거리변위 측정부에 의해 측정된 거리변위로부터 탐침팁과 피부가 접하는 지점에서 피부의 경사각을 측정하는 경사각 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
연산수단은, 경사각 측정부에서 측정된 경사각과 3축 로드셀에서 측정된 x, y 및 z 방향의 힘에 기초하여, 접촉된 피부에 가해지는 수직항력과 전단력을 구하고, 마찰계수를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
거리변위 측정부는, 센서바 일측에 고정된 반사체와 반사체에 레이저를 주사하는 레이저 발생수단 및 반사체에 반사된 레이저를 수광하는 레이저 수광센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
지지대에 결합되어 지지대의 각도를 변화시키는 각도변화수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
경사각 측정부는, 1회 x-방향 왕복운동으로 이동방향과 수평방향과의 x-방향 평균 경사각을 측정하고, 1회 y-방향 왕복운동으로 이동방향과 수평방향과의 y-방향 평균 경사각을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구동제어부는, 각도변화수단을 제어하여 경사각 측정부에서 측정된 x-방향 평균 경사각 및 y-방향 평균 경사각에 기초하여 지지대의 각도를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
탐침팁은 구형, 반구형 및 다각형 중 적어도 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
연산수단은, 측정횟수, x-방향 이동거리, x-방향 이동속도, x-방향 왕복횟수, y-방향 이동거리, y-방향 이동속도, y-방향 왕복횟수 및 수직힘 중 적어도 하나를 설정할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
연산수단은, 나이 및 성별에 대한 평균 마찰계수를 저장하는 데이터 베이스를 더 포함하고, 피시험자의 나이 및 성별에 대한 정보입력으로 정보입력에 따른 평균 마찰계수를 제시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 카테고리로서, 본 발명의 목적은, 피부 마찰계수 측정방법에 있어서, 지지대에 측정대상인 손을 올려놓는 단계; 구동제어부에 의해 x-방향 구동부, y방향 구동부 및 z-방향 구동부가 구동되어 힘 센서부의 탑침팀이 손의 피부에 접촉하는 단계; 구동제어부가 z-방향 구동부를 구동하여 피부에 기 설정된 수직힘을 인가하는 단계; 구동제어부에 의한 x-방향 구동부 및 y-방향 구동부의 구동으로 피부에 접촉된 탐침팁이 x-방향 및 y-방향으로 이동하는 단계; 3축 로드셀이 탐침팁이 받는 x, y 및 z 방향의 힘을 감지하고, 거리변위 측정부에서 접촉된 피부 z-방향의 거리변위를 측정하는 단계; 및 연산수단이 감지된 x, y 및 z 방향의 힘으로부터 피부의 마찰계수를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정방법으로 달성될 수 있다.
접촉단계에서, 구동제어부가 x-방향 구동부, y방향 구동부 및 z-방향 구동부를 제어하여 손등의 3지와 4지 사이의 기 설정된 특정위치에 탐침팁이 접촉하게 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이동 단계에서, 구동제어부는, x-방향 구동부를 기 설정된 x-방향 이동거리, 기 설정된 x-방향 이동속도 및 기 설정된 x-방향 왕복횟수로 왕복 운동하도록 제어하고, y-방향 구동부를 기 설정된 y-방향 이동거리, 기 설정된 y-방향 이동속도 및 기 설정된 y-방향 왕복횟수로 왕복운동하도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
측정 단계 후에, 경사각 측정부가 1회 x-방향 왕복운동으로 이동방향과 수평방향과의 x-방향 평균 경사각을 측정하고, 1회 y-방향 왕복운동으로 이동방향과 수평방향과의 y-방향 평균 경사각을 측정하여, 구동제어부가 각도변화수단을 제어하여 경사각 측정부에서 측정된 x-방향 평균 경사각 및 y-방향 평균 경사각에 기초하여 지지대의 각도를 조절하고, 이동단계, 측정단계 및 연산단계를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
측정단계에서, 경사각 측정부가 거리변위 측정부에 의해 측정된 거리변위로부터 탐침팁과 피부가 접하는 지점에서 피부의 경사각을 측정하고, 연산단계에서, 경사각 측정부에서 측정된 경사각과 3축 로드셀에서 측정된 x, y 및 z 방향의 힘 기초하여, 접촉된 피부에 가해지는 수직항력과 전단력을 구하고, 마찰계수를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
손을 올려놓는 단계 전에, 피시험자가 측정횟수, x-방향 이동거리, x-방향 이동속도, x-방향 왕복횟수, y-방향 이동거리, y-방향 이동속도, y-방향 왕복횟수 및 수직힘 중 적어도 하나를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서, 상기 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 피부의 마찰계수 즉, 어느 정도 매끄러운지를 정확한 수치로 제공할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 측정대상인 손등의 피부는 피시험자마다 굴곡의 정도가 다르고, 손등면이 완전한 수평을 이루고 있지 않다는 점을 고려하여 경사각을 측정하여 경사각에 따른 전단력과 수직항력을 측정하여보다 정확한 마찰계수를 구할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 손등의 모양이나 손의 크기 등의 변수에 따라 마찰계수의 수치에 변함이 없이 보다 객관적인 수치를 산출할 수 있게 된다. 그리고, 본 발명은 구동수단을 구동제어부에 의해 3축 방향으로 자동제어가 가능하다는 장점이 있다. 마찰계수를 측정하게 되는 특정위치를 설정함으로써 손등의 굴곡과 경사에 따른 오차의 범위를 최소화할 수 있는 효과를 가지게 된다.
또한, 탐침팁의 접촉에서 마찰계수의 연산까지 시스템을 자동화하여 보다 편리하고 신속하게 마찰계수를 피시험자에게 제공할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 측정장치에 의해 피시험자의 체질을 보다 객관적이고 정확하게 분석할 수 있게 된다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
<피부 마찰계수 측정장치의 구성 및 기능>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 피부 마찰계수 측정장치(100)의 구성 및 기능에 대하여 설명하도록 한다. 먼저, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 피부 마찰계수 측정장치(100)의 사시도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 피부 마찰계수 측정장치(100)는 지지대(200)와 지지대(200)에 결합된 x-방향 구동부(310), y방향 구동부, 센서 지지대(220)에 결합된 z-방향 구동부(330), 힘센서부, 거리변위 측정부(700) 및 연산수단(900)(도 2에서 미도시) 등을 포함하고 있다.
본 발명에 명세서에는 도 2에 도시된 좌표에 따라 x-방향, y-방향 및 z-방향이 정의된다. 지지대(200)는 마찰계수의 측정대상이 되는 손(10)을 지지하기 위한 것이다. 그리고, 지지대(200)를 x-방향으로 왕복이동 가능케 하는 x-방향 구동부(310)를 구비한다. 또한, 지지대(200)와 x-방향 구동부(310) 사이에 각도변화수단(210)을 포함할 수 있다. 각도변화수단(210)은 지지대(200)의 경사각을 변화시킬 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, x-방향 구동부(310)는 y방향 구동부(320)와 결합되어 있고, y-방향 구동부(320)에 의해 지지대(200)가 y-방향으로 직선 왕복운동이 가능하게 된다. 그리고, 센서 지지대(220) 하단에는 힘센서부와 거리변위 측정부(700)가 결합되어 있다. 힘센서부는 3축 로드셀(400)을 포함하여, x,y 및 z 방향에 따른 힘을 측정하게 된다. 본 발명의 3축 로드셀(400)은 본 발명자에 의해 출원하여 등록된 대한민국 특허 제199691호의 것을 사용한다.
또한, 거리변위 측정부(700)(구체적 실시예에서는 힘센서부와 거리변위 측정부(700)는 일체형으로 구비된다.) 피부(20)의 굴곡에 따른 z 방향으로의 거리변위인 △Z를 측정하게 된다. 힘센서부의 구성과 거리변위 측정부(700)의 구성에 대해서는 이하 자세히 설명하도록 한다.
도 3a는 피부(20)에 접촉된 힘센서부와 거리변위 측정부(700)의 단면도를 도시한 것이다. 힘센서부는 3축 로드셀(400)의 하단에 결합된 탐침자(620)와 탐침자(620) 하단에 구비되는 탐침팁(640) 그리고, 탐침팁(640)과 3축 로드셀(400)을 연결하는 센서바(610) 및 센서바(610)에 설치된 추(630)를 포함한다. 센서바(610)는 로스셀의 내부공간으로 삽입가능하여 수직으로 왕복이동이 가능하다. 그리고, 탐침팁(640)은 피부(20)와 접촉하게 된다.
구체적 실시예에서 거리변위 측정부(700)는 3축 로드셀(400)의 하단에 결합된 레이저 발생수단(710)과 레이저 수광센서(730) 및 센서바(610) 일측에 고정설치된 반사체(720)를 포함한다. 따라서, 레이저 발생수단(710)은 반사체(720)에 레이 저를 주사하게 되고, 레이저 수광센서(730)가 반사된 레이저를 수광하여 반사체(720)와의 거리를 측정하게 된다.
도 3b는 접촉된 피부(20)에 수직힘(Fz)이 인가된 상태에서 힘센서부와 거리변위 측정부(700)의 단면도를 도시한 것이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, z-방향 구동부(330)에 의해 3축 로드셀(400)을 하단으로 이동시켜 접촉된 피부(20)에 기 설정된 수직힘(Fz)이 인가되도록 한다. 수직힘(Fz)이 인가된 경우, 탐침팁(640)은 팀침자(620)와 일정간격을 두고 떨어지게 된다. 따라서, 접촉된 피부(20)에 인가되는 수직힘(Fz)은 추(630)의 무게에 비례하게 된다. 또한, 피부(20)에 인가된 수직힘(Fz) 즉, z-방향의 힘은 3축 로드셀(400)에 의해 감지된다.
또한, 피부(20)에 수직힘(Fz)이 인가된 상태에서, x-방향 구동부(310) 또는 y-방향 구동부(320)의 작동으로 탐침팁(640)이 x-방향 또는 y-방향으로 이동하게 된다. 따라서, 이동방향과 반대방향으로 탐침팁(640)이 받게되는 x-방향 또는 y-방향의 힘(Fx, Fy(미도시))을 3축 로드셀(400)이 감지하게 된다. 따라서, 탐침팁(640)이 접촉된 피부면이 수평이라면 연산수단(900)은 이하의 수학식 1에 의해 피부의 마찰계수를 연산하게 된다.
Figure 112009066799325-pat00001
Figure 112009066799325-pat00002
또는
수학식 1에서 Fz는 피부(20)가 받게되는 수직힘(Fz)이고, Fx는 x-방향이동에 따른 힘 그리고, Fy는 y-방향이동에 따른 힘에 해당한다. 따라서, 탑침팁(640)과 피부의 접촉면이 수평이라면 z-방향 힘(Fz)은 수직항력이 되고, x-방향 힘(Fx) 또는 y-방향 힘(Fy)은 전단력이되므로 수학식 1에 의해 마찰계수를 연산할 수 있게 된다.
거리변위 측정부(700)는 탐침팀(640)이 위로 올라감으로서 형성되는 z-방향의 거리변위(△Z)를 측정하게 된다. x-방향 또는 y-방향으로 이동하면서 손등의 피부(20)는 완전한 직선이 아닌 굴곡을 가지게 되고, 거리변위 측정부(700)는 이동 중에 z-방향의 거리변위(△Z)에 따른 손등의 굴곡 정도를 측정할 수 있게 된다.
도 4a는 마찰계수를 측정하기 위해 설정된 특정위치(30)가 표시된 손등을 도시한 것이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 측정부위는 왼손이며, 손등부위를 상, 중, 하로 나누었을 때, “중”에 해당하는 부분의 3지와 4지의 가운데에 해당하는 부분에 탐침팁(640)을 접촉시켜 피부의 마찰계수를 측정하게 된다.
구동 제어부(500)는 x-방향 구동부(310), x-방향 구동부(310) 및 z-방향 구동부(330)를 제어한다. 따라서, x-방향 구동부(310), x-방향 구동부(310) 및 z-방향 구동부(330)를 이동시켜 설정된 3지와 4지의“중”부분에 해당하는 특정위치(30)에 탐침팁(640)을 접촉시키게 된다. 도 4b는 설정된 특정위치(30)에서 x-방향 왕복과 y-방향 왕복위치를 표시한 손등을 도시한 것이다. 구동제어부(500)는 x-방향 구동부(310)를 설정된 x-방향 이동거리, x-방향 이동속도 및 설정된 왕복횟수만큼 구동되도록 제어하게 된다. 또한, 구동제어부(500)는 y-방향 구동부(320)를 설정된 y-방향 이동거리, y-방향 이동속도 및 설정된 왕복횟수만큼 구동되도록 제어하게 된다.
실험에 의해 3지와 4지의“중”부분이 손등에서 가장 경사각이 작기 때문에 측정부위로 설정하였다. 도 5는 손등의 3지와 4지 사이 부분의 단면도를 도시한 것이다. 도 5의 왼쪽에 도시된 것은 손등이 도톰한 사람의 경우처럼 3지뼈(31)와 4지뼈(32) 사이가 평평한 모습이고, 오른쪽에 도시된 것은 손등이 오목한 사람의 경우 3지뼈(31)와 4지뼈(32) 사이가 오목하게 굴곡이 있는 모습을 도시한 것이다. 피시험자 별로 도 5에 도시된 바와 같이, 손등뼈 사이 살이 도톰한 사람, 오목한 사람 또는 밋밋한 사람 등 굴곡의 차별성이 일반적으로 있을 수 있으나, 설정된 3지와 4지 사이의 “중”부위의 경우, 그 차이가 적어서 측정 시 굴곡의 영향이 상대적으로 다른 부위에 비해 적게 된다.
<경사각 조정 및 마찰계수 연산방법>
이하에서는 손등의 평균 경사각에 따른 지지대 각도 조절방법과 탐침팁(640)의 접촉부분의 경사각에 따른 전단력와 수직항력을 구하여 연산수단(900)이 마찰계수를 연산하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 손등의 평균 경사각에 따른 지지대 경사각의 조절방법에 대해 설명하도록 한다. 도 6a는 x-방향 구동부(310)가 1회 왕복한 경우, x-방향으로의 이동방향과 수평방향과의 각도인 평균 경사각(α)을 도시한 것이다. 평균 경사각(α)은 거리변위 측정부(700)에 연결된 경사각 측정부(800)에 의해 측정된다. 경사각 측정 부(800)는 1회 x-방향으로 왕복하는 동안에 거리변위 측정부(700)에서 측정된 z-방향의 거리변위(△Z)와 x-방향 이동거리(x)에 의해 평균 경사각(α)을 측정하게 된다.
그리고, 구동제어부(500)는 경사각 측정부(800)에서 측정된 평균 경사각(α)을 기초로 지지대(200) 하단에 결합된 각도변화수단(210)을 구동시키게 된다. 각도변화수단(210)이 구동되어 지지대(200)의 각도를 변화시켜 탐침팁(640)의 이동방향과 수평방향과의 평균 경사각(α)이 0°가 되도록 조절하게 된다.
또한, 도 6b는 y-방향 구동부(320)가 1회 왕복한 경우, y-방향으로의 이동방향과 수평방향과의 각도인 평균 경사각(α)을 도시한 것이다. 평균 경사각(α)은 거리변위 측정부(700)에 연결된 경사각 측정부(800)에 의해 측정된다. 경사각 측정부(800)는 1회 y-방향으로 왕복하는 동안에 거리변위 측정부(700)에서 측정된 z-방향의 거리변위(△Z)와 y-방향 이동거리(y)에 의해 평균 경사각(α)을 측정하게 된다. 그리고, 구동제어부(500)는 경사각 측정부(800)에서 측정된 평균 경사각(α)을 기초로 지지대(200) 하단에 결합된 각도변화수단(210)을 구동시키게 된다. 각도변화수단(210)이 구동되어 지지대(200)의 각도를 변화시켜 탐침팁(640)의 이동방향과 수평방향과의 평균 경사각(α)이 0°가 되도록 조절하게 된다. 따라서, 피부의 마찰계수 측정을 위해서 처음 1회 왕복운동은 평균 경사각(α)으로부터 지지대의 각도를 조절하기 위해 행해진다.
다음은, 연산수단(900)에서 마찰계수를 연산하는 방법에 대해 설명하도록 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 탐침팁(640)이 접촉된 피부(20)와 접하는 면이 완전한 수평이라면 연산수단(900)은 3축 로드셀(400)이 감지한 x-방향 또는 y-방향 힘 그리고, z-방향의 힘으로 수학식 1에 의해 마찰계수를 연산할 수 있다. 그러나, x-방향 구동부(310) 또는 y-방향 구동부(320)가 이동되면서 탐침팁(640)이 접하는 면은 실제로 굴곡과 경사각을 가지게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 접촉면의 경사각을 측정하여 연산수단(900)이 접촉면을 기준으로 한 전단력과 수직항력을 연산하여 피부의 마찰계수를 구하게 된다. 도 7a는 x-방향 구동부(310)가 구동되는 중, 탐침팁(640)과 피부(20)가 접촉된 모습의 단면도를 도시한 것이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 탐침팁(640)과 피부(20) 사이의 접촉면은 수평방향과 경사각(β)을 형성하고 있다. 경사각(β)은 특정구간의 x-방향 이동거리와 특정구간에서 거리변위 측정부(700)에서 측정된 z-방향 거리변위(△Z)로부터 경사각 측정부(800)에 의해 측정된다.
도 7b는 수평선과 탐침팁(640)과 피부(20)의 접촉선 및 경사각(β)이 표시된 피부(20) 접촉부위의 부분단면도를 도시한 것이다. 도 7b에 도시된 바와 같이, Fz는 3축 로드셀(400)에서 측정된 탐침팁(640)이 받고 있는 z 방향의 힘이고, Fx는 x-방향 이동에 따른 탐침팁(640)이 받고 있는 x 방향의 힘이다. 따라서, 측정된 경사각, z 방향의 힘 및 x 방향의 힘에 의해 연산수단(900)은 실제 접촉된 피부(20)를 기준으로 전단력(FT)과 수직항력(FN)을 연산할 수 있게 된다.
도 7c는 경사각(β)에 따른 Fz의 수직항력(FN1) 및 전단력(FT1)을 도시한 것이 다. 경사각(β)에 따라 삼각함수 공식인 수학식 2에 의해 Fz에 의한 수직항력(FN1)과 Fz에 의한 전단력(FT1)을 구할 수 있다.
Figure 112009066799325-pat00003
Figure 112009066799325-pat00004
,
도 7d는 경사각(β)에 따른 Fx의 수직항력(FN2) 및 전단력(FT2)을 도시한 것이다. 경사각(β)에 따라 삼각함수 공식인 수학식 3에 의해 Fx에 의한 수직항력(FN2)과 Fx에 의한 전단력(FT2)을 구할 수 있다.
Figure 112009066799325-pat00005
Figure 112009066799325-pat00006
,
따라서, 연산수단(900)은 경사각(β)을 고려하여 피부(20)가 받고 있는 전단력(FT)과 수직항력(FN)을 정확하게 구할 수 있고, 이렇게 구해진 전단력(FT)과 수직항력(FN)으로 이하의 수학식 4에 의해 피부의 마찰계수를 연산하게 된다.
Figure 112009066799325-pat00007
Figure 112009066799325-pat00008
Figure 112009066799325-pat00009
, ,
z-방향의 거리변위(△Z) 측정, 경사각(β)의 측정에 따른 전단력(FT)과 수직항 력(FN)의 연산 및 피부 마찰계수 연산은 설정된 이동거리와 이동속도 및 왕복횟수로 x-방향 구동부(310) 또는 y-방향 구동부(320)가 구동되는 동안 계속되어 진다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 피부 마찰계수 측정장치(100)의 신호흐름을 도시한 블록도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 구동제어부(500)는 x-방향 구동부(310), y-방향 구동부(320) 및 z-방향 구동부(330)를 제어한다. 설정된 측정횟수, 왕복횟수, 이동거리 및 이동속도로 구동시키게 된다. 그리고, 구동제어부(500)는 z-방향 구동부(330)를 구동시켜 접촉된 피부(20)에 설정된 수직힘(Fz)을 인가시키도록 한다.
그리고, 거리변위 측정부(700)는 z-방향의 거리변위(△Z)를 측정하고, 경사각 측정부(800)는 1회 왕복운동에 따른 평균 경사각(α)을 산출하고, 평균 경사각(α) 값을 구동제어부(500)에 전송하게 된다. 구동제어부(500)는 입력된 평균경사각(α) 값에 의거하여 지지대(200)에 결합되어 지지대(200)의 각도를 조절하는 각도변화수단(210)을 제어하게 된다.
또한, 피부(20)와 접촉된 탐침팁(640)이 x-방향 또는 y-방향으로 이동할 때, 거리변위 측정부(700)에서 측정된 거리변위(△Z)로부터 접촉면의 경사각(β)을 측정하여 경사각(β) 값을 연산수단(900)에 전송하게 된다. 연산수단(900)은 경사각(β)과 3축 로드셀(400)에서 감지한 z-방향 힘과 x-방향 힘 또는 y-방향 힘을 기초로 탐침팁(640)이 접촉된 부분의 마찰계수를 연산하게 된다.
< 실시예 >
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 피부두께 측정방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 피부두께 측정방법의 흐름도를 도시한 것이다. 피시험자는 측정횟수, x-방향 이동거리, x-방향 이동속도, x-방향 왕복횟수, y-방향 이동거리, y-방향 이동속도, y-방향 왕복횟수 및 수직힘(Fz)을 설정한다(S10).
그리고, 측정대상인 손(10)을 지지대(200)에 올려놓는다(S20). 구동제어부(500)는 x-방향 구동부(310), y방향 구동부 및 z-방향 구동부(330)를 구동시켜 힘센서부의 탐침팁(640)이 손(10)의 피부(20)에 접촉되도록 한다(S30). 바람직하게는, 구동제어부(500)는 x-방향 구동부(310), y방향 구동부 및 z-방향 구동부(330)를 제어하여 손등의 3지와 4지 사이의 기 설정된 특정위치(30)에 탐침팁(640)이 접촉되도록 한다.
탐침팁(640)의 접촉 후에, z-방향 구동부(330)를 구동하여 피부(20)가 기 설정된 수직힘(Fz)을 받도록 한다(S40). 그리고, 3축 로드셀(400)은 탐침팁(640)이 받게 되는 z-방향의 힘을 감지하게 된다. 그리고, 경사각 측정부(800)에 의해 평균 경사각(α)을 측정하여 지지대(200)의 각도를 조절할 필요가 있는지 결정한다(S40). 지지대(200)의 경사각을 조절할 필요가 있는 경우, x-방향 구동부(310) 및 상기 y-방향 구동부(320)를 각각 1회 왕복 운동을 하게 된다(S50).
경사각 측정부(800)는 1회 x-방향 왕복운동으로 이동방향과 수평방향과의 평균 x-방향 평균 경사각을 측정하고, 1회 y-방향 왕복운동으로 이동방향과 수평방향 과의 y-방향 평균 경사각을 측정하게 된다(S60). 그리고, 구동제어부(500)가 각도변화수단(210)을 제어하여 경사각 측정부(800)에서 측정된 x-방향 평균 경사각 및 y-방향 평균 경사각에 기초하여 지지대(200)의 각도를 변화, 조절하게 된다(S70).
각도 조절 후에, 마찰계수 측정을 위해 x-방향 구동부(310) 및 y-방향 구동부(320)의 구동으로 피부(20)에 접촉된 탐침팁(640)을 x-방향 및 y-방향으로 이동시키게 된다(S80). 구동제어부(500)는, x-방향 구동부(310)를 설정된 x-방향 이동거리, 설정된 x-방향 이동속도 및 설정된 x-방향 왕복횟수만큼 왕복 운동하도록 제어하고, y-방향 구동부(320)를 설정된 y-방향 이동거리, 설정된 y-방향 이동속도 및 설정된 y-방향 왕복횟수만큼 왕복 운동하도록 제어하게 된다.
3축 로드셀(400)이 탐침팁(640)이 받게되는 x, y 및 z 방향의 힘을 감지하고, 거리변위 측정부(700)에서 접촉된 피부(20)와의 z-방향의 거리변위(△Z)를 측정한다(S90). 그리고, 연산수단(900)은 감지된 x, y 및 z 방향의 힘으로부터 피부의 마찰계수를 연산하게 된다(S100). 또한, 경사각 측정부(800)는 거리변위 측정부(700)에 의해 측정된 거리변위(△Z)로부터 탐침팁(640)과 피부(20)가 접하는 지점의 경사각(β)을 측정하게 된다. 따라서, 연산수단(900)은 경사각 측정부(800)에서 측정된 경사각(β)과 3축 로드셀에서 측정된 x, y 및 z 방향의 힘 기초하여, 접촉된 피부(20)에 가해지는 수직항력(FN)과 전단력(FT)을 구하여 마찰계수를 연산하게 된다.
설정된 왕복횟수만큼 왕복운동을 계속하게 되고(S100), 설정된 왕복횟수가 종료된 경우, 설정된 측정횟수만큼 측정을 반복하게 된다(S120).
도 1은 한의사가 환자의 피부 매끄러움 정도를 측정하는 모습,
도 2는 본 발명의 일실시예에 다른 피부두께 측정장치의 사시도,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 다른 피부두께 측정장치의 힘센서부 및 거리변위 측정부의 부분단면도,
도 3b는 수직힘이 인가된 상태에서 힘센서부 및 거리변위 측정부의 부분단면도,
도 4a는 측정부위인 특정위치가 표시된 손등의 평면도,
도 4b는 측정부위인 특정위치와 x-방향 및 y-방향이 표시된 손등의 평면도,
도 5는 손등이 평평한 경우의 3지뼈와 4지뼈 부분의 단면도,
도 6a은 손등의 x-방향 평균 경사각이 표시된 단면도,
도 6b은 손등의 y-방향 평균 경사각이 표시된 단면도,
도 7a는 경사각을 갖는 손등에 접촉된 힘센서부 및 거리변위 측정부의 부분 단면도,
도 7b는 도 7a에서 접촉부분을 확대한 확대 단면도,
도 7c는 경사각에 따른 z-방향 힘에 의한 전단력 및 수직항력 삼각도,
도 7d는 경사각에 따른 x-방향 힘에 의한 전단력 및 수직항력 삼각도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 피부두께 측정장치의 블록도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 피부두께 측정방법의 흐름도를 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10:손
20:피부
30:특정위치
31:3지뼈
32:4지뼈
100:피부두께 측정장치
200:지지대
210:각도변화수단
220:센서 지지대
310:x-방향 구동부
320:y-방향 구동부
330:z-방향 구동부
400:3축 로드셀
500:구동제어부
610:센서바
620:탐침자
630:추
640:탐침팁
700:거리변위 측정부
710:레이저 발생수단
720:반사체
730:레이저 수광센서
800:경사각 측정부
900:연산수단

Claims (20)

  1. 피부 마찰계수 측정장치에 있어서,
    측정대상인 손을 올려놓는 지지대;
    상기 지지대에 결합되어 상기 지지대를 x-방향으로 이동시키는 x-방향 구동부와 상기 지지대를 y-방향으로 이동시키는 y-방향 구동부 및 상기 지지대와 소정간격으로 이격된 센서 지지대에 결합되어 상기 센서 지지대를 z-방향으로 이동시키는 z-방향 구동부를 포함하는 구동부;
    손등의 피부에 접촉되는 탐침팁,
    하단은 상기 탐침팁과 접하고, 내부에 탐침팀을 연결한 센서바와 상기 센서바에 결합된 추를 구비한 탐침자, 및
    상단은 상기 센서 지지대에 결합되고, 하단에는 상기 센서바와 상기 탐침자가 결합되어 상기 탐침팁이 받게 되는 x, y 및 z 방향의 힘을 감지하는 3축 로드셀을 포함하는 힘센서부;
    상기 센서 지지대의 하단에 결합되어, 상기 피부가 상기 탐침팁에 접촉된 상태에서 z-방향의 거리변위를 측정하는 거리변위 측정부;
    감지된 상기 x, y 및 z 방향의 힘으로부터 상기 피부의 마찰계수를 연산하는 연산수단; 및
    상기 구동부를 제어하여 상기 탐침팁이 상기 피부에 접촉하도록 하는 구동제어부;를 포함하고,
    상기 구동제어부는
    상기 z-방향 구동부를 이동시켜 상기 탐침팁이 접촉된 상기 피부에 기 설정된 수직 힘을 인가받도록 제어하고, 상기 3축 로드셀은 인가된 상기 수직 힘을 감지하며, 상기 피부에 상기 수직힘이 인가된 상태에서, 상기 x-방향 구동부를 기 설정된 x-방향 이동거리, 기 설정된 x-방향 이동속도 및 기 설정된 x-방향 왕복횟수로 왕복 운동하도록 제어하고, 상기 y-방향 구동부를 기 설정된 y-방향 이동거리, 기 설정된 y-방향 이동속도 및 기 설정된 y-방향 왕복횟수로 왕복운동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동제어부는 상기 손등의 3지와 4지 사이의 기 설정된 특정위치에 상기 탐침팁이 접촉하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리변위 측정부에 의해 측정된 상기 거리변위로부터 상기 탐침팁과 상기 피부가 접하는 지점에서 상기 피부의 경사각을 측정하는 경사각 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연산수단은,
    상기 경사각 측정부에서 측정된 상기 경사각과 상기 3축 로드셀에서 측정된 상기 x, y 및 z 방향의 힘에 기초하여, 접촉된 상기 피부에 가해지는 수직항력과 전단력을 구하고, 상기 마찰계수를 연산하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리변위 측정부는,
    상기 센서바 일측에 고정된 반사체와 상기 반사체에 레이저를 주사하는 레이저 발생수단 및
    상기 반사체에 반사된 레이저를 수광하는 레이저 수광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 지지대에 결합되어 상기 지지대의 각도를 변화시키는 각도변화수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 경사각 측정부는,
    1회 상기 x-방향 왕복운동으로 이동방향과 수평방향과의 x-방향 평균 경사각을 측정하고,
    1회 상기 y-방향 왕복운동으로 이동방향과 상기 수평방향과의 y-방향 평균 경사각을 측정하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 구동제어부는,
    상기 각도변화수단을 제어하여 상기 경사각 측정부에서 측정된 상기 x-방향 평균 경사각 및 상기 y-방향 평균 경사각에 기초하여 지지대의 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침팁은 구형, 반구형 및 다각형 중 적어도 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 연산수단은,
    측정횟수, 상기 x-방향 이동거리, 상기 x-방향 이동속도, 상기 x-방향 왕복횟수, 상기 y-방향 이동거리, 상기 y-방향 이동속도, 상기 y-방향 왕복횟수 및 상기 수직힘 중 적어도 하나를 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 연산수단은,
    나이 및 성별에 대한 평균 마찰계수를 저장하는 데이터베이스를 더 포함하고,
    피시험자의 상기 나이 및 상기 성별에 대한 정보입력으로 상기 정보입력에 따른 상기 평균 마찰계수를 제시하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정장치.
  15. 제 6 항의 측정장치를 이용한 피부 마찰계수 측정방법에 있어서,
    지지대에 측정대상인 손을 올려놓는 단계;
    구동제어부에 의해 x-방향 구동부, y방향 구동부 및 z-방향 구동부가 구동되어 힘 센서부의 탑침팀이 상기 손의 피부에 접촉하는 단계;
    상기 구동제어부가 상기 z-방향 구동부를 구동하여 상기 피부에 기 설정된 수직힘을 인가하는 단계;
    상기 구동제어부에 의한 상기 x-방향 구동부 및 상기 y-방향 구동부의 구동으로 상기 피부에 접촉된 상기 탐침팁이 x-방향 및 y-방향으로 이동하는 단계;
    3축 로드셀이 상기 탐침팁이 받는 x, y 및 z 방향의 힘을 감지하고, 거리변위 측정부에서 접촉된 상기 피부 z-방향의 거리변위를 측정하는 단계; 및
    연산수단이 감지된 상기 x, y 및 z 방향의 힘으로부터 상기 피부의 마찰계수를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 접촉단계에서,
    상기 구동제어부가 x-방향 구동부, y방향 구동부 및 z-방향 구동부를 제어하여 손등의 3지와 4지 사이의 기 설정된 특정위치에 상기 탐침팁이 접촉하게 하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 이동 단계에서,
    상기 구동제어부는, 상기 x-방향 구동부를 기 설정된 x-방향 이동거리, 기 설정된 x-방향 이동속도 및 기 설정된 x-방향 왕복횟수로 왕복 운동하도록 제어하 고, 상기 y-방향 구동부를 기 설정된 y-방향 이동거리, 기 설정된 y-방향 이동속도 및 기 설정된 y-방향 왕복횟수로 왕복운동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 측정 단계 후에,
    경사각 측정부가 1회 상기 x-방향 왕복운동으로 이동방향과 수평방향과의 x-방향 평균 경사각을 측정하고, 1회 상기 y-방향 왕복운동으로 이동방향과 상기 수평방향과의 y-방향 평균 경사각을 측정하여, 그리고,
    상기 구동제어부가 각도변화수단을 제어하여 상기 경사각 측정부에서 측정된 상기 x-방향 평균 경사각 및 상기 y-방향 평균 경사각에 기초하여 상기 지지대의 각도를 조절하고, 상기 이동단계, 상기 측정단계 및 상기 연산단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 측정단계에서,
    상기 경사각 측정부가 상기 거리변위 측정부에 의해 측정된 상기 거리변위로부터 상기 탐침팁과 상기 피부가 접하는 지점에서 상기 피부의 경사각을 측정하고,
    상기 연산단계에서,
    상기 경사각 측정부에서 측정된 상기 경사각과 상기 3축 로드셀에서 측정된 상기 x, y 및 z 방향의 힘 기초하여, 접촉된 상기 피부에 가해지는 수직항력과 전단력을 구하고, 상기 마찰계수를 연산하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 손을 올려놓는 단계 전에,
    피시험자가 측정횟수, 상기 x-방향 이동거리, 상기 x-방향 이동속도, 상기 x-방향 왕복횟수, 상기 y-방향 이동거리, 상기 y-방향 이동속도, 상기 y-방향 왕복횟수 및 상기 수직힘 중 적어도 하나를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 마찰계수 측정방법.
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