KR101361210B1 - 착좌 시 전단력 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시트부 등에 전단력 센서를 설치함으로써, 착좌 시 시트부 등과 접촉하는 주요 부위에 미치는 전단력을 측정하며, 그 측정값의 정확도를 높인 착좌 시 전단력 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 착좌 시 전단력 측정 장치는 시트부에 설치되어 착좌 시 발생하는 전단력을 감지하는 전단력 센서; 상기 전단력 센서로부터 신호를 필터링 및 증폭하고, 증폭된 아날로그신호를 디지털 신호를 변환시키는 신호처리부; 및 상기 신호처리부로부터 변환된 신호를 분석하여 디스플레이하는 모니터부;를 포함하여 착좌 시 발생하는 모든 방향의 전단력을 측정할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

착좌 시 전단력 측정 장치{Measuring apparatus for shearing force for seating}
본 발명은 착좌 시 전단력 측정 장치에 관한 것으로서, 착좌 시 발생하는 전단력을 측정할 수 있는 착좌 시 전단력 측정 장치에 관한 것이다.
최근 각종 공학의 눈부신 발전에 힘입어서 자동차 성능, 안락성 등이 크게 향상되고 있으며, 이와 관련하여 운전자 및 승차자와 가장 밀접한 부분인 시트의 안락성 향상에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다.
자동차 시트는 시대와 나라의 문화, 그리고 그 국민의 체위에 부응하여 변화되고 있으므로 그 설계 형태가 다양하며, 시트의 안락성에 관하여 선진 외국에서는 수많은 연구가 행하여져 왔으나, 국내 자동차의 안락성에 대한 연구는 미비하다.
자동차 시트는 넓은 범위의 인체 특성값을 수용해야 하며 진동과 쇼크로부터 운전자와 승객을 보호해야 한다.
이들 요구를 만족하기 위해서는 해부학, 행동과학, 생체역학, 생리학 등이 결합된 학계적 연구가 수행되어야 한다.
자동차 시트 시스템의 개발은 주요한 연구 과제가 되어왔으며, 이러한 분야의 연구들은 일반적으로 두 개의 형태로 나누어지는데 그 첫 번째는 자동차의 위치나 인체 측정학적인 요구 조건에 대한 연구이고, 두번째는 시트의 안락감 성능에 대한 연구이다.
사무실용 의자, 자동차 시트 등에 앉을 경우에 안락감 혹은 불편함 정도는 시트의 재질과 착석 자세에 의해 결정되는데, 시트의 상태에 따라 근피로도 및 요추에 가해지는 하중이 달라지므로, 안락감 높은 시트를 개발하기 위해서는 근피로도 및 요추에 가해지는 하중을 충분히 고려하여 설계해야 한다.
기존의 자동차 시트의 안락감 평가방법의 일환으로 자동차 상품성 및 디자인 만족도 조사(APEAL: Automotive Performance, Execution and Layout)와, 연구대상자의 설문 조사 및 시트 방석의 압력 분포를 통한 접촉부의 불편도 평가 등을 수행 하였다.
그런데, 현재 사무실용 의자, 차량용 시트 등의 의자들은 착좌 시 안락감 측면에서 우수한 성능을 보이지 못하고 있다.
즉, 자동차 상품성 및 디자인 만족도 조사에 따르면 자동차 시트의 안락감에 대한 평가 결과, 소형 및 중·소형차의 시트는 중하위권, 중형 및 중·대형차의 시트는 중상위권 수준의 안락감을 갖는 것으로 평가되고 있다.
또한, 주로 연구대상자의 설문 조사 및 시트 방석의 압력 분포를 통한 접촉부의 불편도 평가에 따르면, 기존의 방법으로는 요추 불편도나 근피로 등에 대한 측정은 불가능하여 실제 착석 자세에서 주요 영향을 받는 허리에 대한 정량적인 평가는 수행되기 어려웠다.
아울러, 시트 방석의 압력 분포 측정 방법은 척추체에 수직한 방향의 하중만을 고려한 것이지만, 시트의 불편도는 수직 방향의 하중뿐만 아니라 착석 상태에서 발생하는 전단력(특정 평면에 접선 방향으로 작용되는 힘으로, 착좌 시 인체에 인가되는 기계적 자극들 중의 하나)에도 영향을 받으므로 이를 복합적으로 고려한 형태의 평가 방법이 요구된다.
참고로, 레이첼(Reichel) 등은 전단력의 영향에 대한 연구를 시도한 바 있으나, 측정기술의 부족으로 이를 측정하지는 못하였다.
이후 동물실험을 통하여 딘스데일(Dinsdale) 등이 수직 압력보다 전단력의 작용으로 인한 궤양의 발생을 보고한 바 있다.
또한, 베네트(Bennett) 등과 구센스(Goossens) 등은 혈류가 받는 영향에 대한 연구를 통해 전단 응력이 3.1kPa 이상이 되면 말초 조직의 혈류 흐름이 급격하게 감소한다고 보고하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 시트부 등에 전단력 센서를 설치함으로써, 착좌 시 시트부 등과 접촉하는 주요 부위에 미치는 전단력을 측정하며, 그 측정값의 정확도를 높인 착좌 시 전단력 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전단력 센서의 출력값이 실제 가해진 전단력값과 동일하게 출력되는지를 비교할 수 있는 전단력 센서 시험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 착좌 시 전단력 측정 장치는 시트부에 설치되어 착좌 시 발생하는 전단력을 감지하는 전단력 센서; 상기 전단력 센서로부터 신호를 필터링 및 증폭하고, 증폭된 아날로그신호를 디지털 신호를 변환시키는 신호처리부; 및 상기 신호처리부로부터 변환된 신호를 분석하여 디스플레이하는 모니터부;를 포함하여 착좌 시 발생하는 모든 방향의 전단력을 측정할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 전단력 센서는 하층판, 중층판 및 상층판으로 3층 적층 결합된 것을 특징으로 한다.
상기 중층판은 스트레인 게이지를 가로 및 세로방향으로 부착하여 독립적인 스트레인을 유발시킬 수 있도록 된 십자형의 스트레인 게이지 고정판과, 상기 스트레인 고정판을 사이에 두고 분리 배치되어 스트레인 게이지 고정판을 하층판 및 상층판 사이에 고정할 수 있도록 된 고정부속품을 포함하여 모든 방향의 전단력에 대하여 반응할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 중층판은 내부에 볼베어링을 삽입장착하고, 중층판이 상층판과 접촉하는 것을 방지하여 상층판에 가해지는 수직 하중의 영향을 받지 않도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 전단력 센서의 측정값이 실제 가해진 전단력과 동일한 지 여부를 확인하기 위한 전단력 센서 시험장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전단력 센서 시험장치는 수평면상에 전단력 센서를 고정하기 위한 센서고정부와, 와이어를 이용하여 상기 센서고정부와 연결되어 전단력 센서에 작용하는 수직방향의 힘을 수평방향으로 변환시킬 수 있도록 된 도르래부와, 상기 도르래부에서 하방향으로 연장된 와이어의 하단에 연결되어 하중을 가하는 표준 분동을 포함하고, 상기 표준 분동의 질량과 전단력 센서에 의해 측정된 측정값을 비교하여 측정값의 정확성을 확인할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 하층판, 중층판 및 상층판은 고정줄에 의해 각 모서리부를 고정하여 각 층이 분리되는 것을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 착좌 시 전단력 측정 장치의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 인체와 접촉이 빈번한 부위의 사무실용 의자 및 자동차용 시트에 다수의 전단력 센서를 설치하여 착좌 시 시트의 각 부위에 작용하는 전단력을 정확하게 측정함으로써, 착석 상태에서 요추 불편도나 근피로 등에 영향을 주는 수직하중 뿐만 아니라 수평방향의 전단력을 복합적으로 고려하여 요추 불편도 및 근피로 등을 정량적으로 평가할 수 있다.
둘째로, 전단력 센서의 출력값이 실제 가해진 전단력값과 동일하게 출력되는지를 비교할 수 있는 시험 장치를 제공함으로써, 전단력 센서의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 착좌 시 전단력 측정 장치의 구성을 보여주는 블록도
도 2는 도 1에서 전단력 센서의 구조를 보여주는 분해도
도 3은 도 2에서 중충판 중 고정부속품과 스트레인 게이지 고정판의 구조를 보여주는 일부 분해도
도 4는 도 2의 조립도
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전단력 센서 시험 장치의 사시도
도 6은 도 5에서 도르래부의 장착구조를 보여주는 일부 확대사시도
도 7은 도 5에서 센서고정부의 분해도
도 8은 도 4의 전단력 센서가 의자에 부착된 모습을 보여주는 사시도
도 9는 본 발명에 따른 착좌 시 전단력 측정방법을 설명하기 위한 순서도
도 10은 도 1의 모니터부의 프로그램 모식도
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 착좌 시 전단력 측정 장치의 구성을 보여주는 블록도이고, 도 2는 도 1에서 전단력 센서의 구조를 보여주는 분해도이고, 도 3은 도 2에서 중충판 중 고정부속품(14)과 스트레인 게이지 고정판(13)의 구조를 보여주는 일부 분해도이고, 도 4는 도 2의 조립도이다.
본 발명은 착좌 시 시트부(1a)에 발생하는 전단력을 측정할 수 있는 착좌 시 전단력 측정 장치에 관한 것이다.
상기 착좌 시 전단력 측정 장치는 시트부(1a)에 설치되어 착좌 시 전단력을 측정하기 위한 전단력 센서(10)와, 전단력 센서(10)의 출력 신호를 증폭하여 디지털 신호로 변환하는 신호처리부(20)와, 상기 신호를 분석하여 디스플레이하는 모니터부(30)를 포함한다.
상기 전단력 센서(10)는 의자(1), 특히 착좌 시 인체와 접촉이 예상되는 시트의 주요 부위에 부착되어 착좌 시 의자(1)의 각 부위에 가해지는 전단력을 측정하는 장치이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전단력 센서(10)는 단 방향 스트레인을 측정할 수 있는 스트레인 게이지(16)를 사용함으로써, 착좌 시 전단력을 측정하여 전기적인 신호로 출력한다.
상기 전단력 센서(10)는 전체적으로 사각 플레이트 형태로 이루어지며,
상기 전단력 센서(10)는 3층으로 포개져 적층결합된 하층판(15), 중층판(12) 및 상층판(11)으로 구성된다.
하층판(15)은 센서를 시트부(1a)에 고정하는 역할을 하는 플레이트이고, 중층판(12)은 실질적으로 전단력의 측정을 위해 스트레인 게이지(16)를 부착하기 위한 플레이트이며, 상층판(11)은 착석 시 발생하는 전단하중이 직접적으로 가해지는 플레이트이다.
이때, 스트레인 게이지(16)는 얇은 막(film) 및 플레이트 형태이고, 중층판(12)의 두께보다 상대적으로 얇으며, 상층판(11)과 하층판(15) 사이에 배치되어, 상층판(11)에 가해지는 전단력을 측정할 수 있도록 되어 있다.
상기 하층판(15), 중층판(12) 및 상층판(11)은 사각형의 플레이트 구조로 이루어지지만, 이러한 형태는 본 발명에서 일 실시예일 뿐 상기 사각형 플레이트 구조에 제한되지 않는다.
또한, 상기 전단력 센서(10)는 하층판(15), 중층판(12) 및 상층판(11)의 분리를 방지하고 그 위치를 고정하기 위한 고정줄(18)을 더 포함한다.
상기 하층판(15), 중층판(12) 및 상층판(11) 각각은 4 모서리에 작은 직경(예, 1mm)의 고정홀(17)이 형성되고, 하층판(15), 중층판(12) 및 상층판(11)이 적층되어 각 층의 모서리가 동일한 수직면 상에서 만났을 때 각 층의 고정홀(17)이 각각 동일한 수직선상에 위치하며, 동일 선상에 위치한 고정홀(17)을 통해 고정줄(18)을 관통시켜 묶어줌으로써, 하층판(15), 중층판(12), 및 상층판(11)의 가장자리부를 서로 연결하여 고정할 수 있다.
이때, 고정줄(18)로 낚시줄 등과 같이 강한 하중에도 잘 끊어지지 않고 잘 견딜 수 있는 재질을 사용한다.
그리고, 상층판(11), 중층판(12)(특히, 고정부속품(14)), 및 하층판(15)은 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 중층판(12)은 스트레인 게이지(16)가 부착되는 스트레인 게이지 고정판(13)과, 스트레인 게이지 고정판(13) 및 상층판(11)을 고정하기 위한 고정부속품(14)으로 구성된다.
상기 스트레인 게이지 고정판(13)은 스트레인 게이지(16)가 고정되는 플레이트로서, 고정판의 가로 및 세로방향으로 독립적인 스트레인을 유발할 수 있는 십자형 구조로 이루어진다.
다시 말해서, 상기 십자형 구조의 스트레인 게이지 고정판(13)은 위에서 보면 좌우방향으로 길이가 길게 형성된 가로부재(13b)와, 가로부재(13b)의 중심부에서 상하수직방향으로 길이가 길게 형성된 세로부재(13a)로 이루어진다.
상기 가로부재(13b)의 오른쪽 절반부와 세로부재(13a)의 위쪽 절반부에 단 방향 스트레인 게이지(16)가 부착되어 있다.
여기서, 상기 스트레인 게이지(16)를 이용하여 가로 및 세로방향으로 독립적인 스트레인을 측정하기 위해 스트레인 게이지 고정판(13)의 가로부재(13b) 및 세로부재(13a) 각각의 양단부를 상층판(11)과 하층판(15)에 고정하여야 한다.
상기 스트레인 게이지 고정판(13)의 고정 구조를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
가로부재(13b)의 왼쪽 단부에서 그 중심의 교차부분까지 그리고 세로부재(13a)의 아래쪽 단부에서 그 중심의 교차부분까지, 즉 가로부재(13b)의 왼쪽 절반부 저면과 세로부재(13a)의 아래쪽 절반부 저면을 하층판에 각각 접착체로 고정한다.
가로부재(13b)의 오른쪽 단부와 세로부재(13a)의 위쪽 단부에는 역삼각형의 측방향 돌출부가 그 길이방향으로 갈수록 폭이 넓어지게 돌출형성되며, 이 측방향 돌출부의 상부에 사다리꼴 모양의 접착판(13c)이 상기 돌출부와 동일한 크기로 적층 부착되며, 이 접착판(13c)에 접착제 등을 도포하여 가로부재(13b) 및 세로부재(13a)에 접착시키는 방식으로 가로부재(13b)의 오른쪽 단부와 세로부재(13a)의 위쪽 단부를 상층판(11)에 고정한다.
이때, 상기 접착판(13c)을 사용하는 목적은 전단력 측정 시 상층판(11)에 가해지는 수직하중의 영향을 받지 않도록 하기 위함이다.
상기 스트레인 게이지 고정판(13)의 두께와 스트레인 게이지(16)의 두께를 합한 값이 볼베어링(19)의 직경 또는 고정부속품(14)의 두께보다 작기 때문에, 스트레인 게이지 고정판(13)의 가로 및 세로부재(13b,13a)를 바로 상층판(11)에 접착하는 경우에 상층판(11)에 접착된 가로부재(13b)의 오른쪽 단부와 세로부재(13a)의 위쪽 단부가 하층판(15)에 접착된 가로부재(13b)의 왼쪽 절반부와 세로부재(13a)의 아래쪽 절반부보다 상방향으로 들뜬 상태로 휘어져 전단력 측정 시 측정오차를 발생시킨다.
따라서, 상기 스트레인 게이지 고정판(13)을 상층판(11)과 하층판(15) 사이에 고정 시 접착판(13c)의 두께를 조절하여 스트레인 게이지 고정판(13)의 일부가 들뜨는 현상을 방지하고, 상층판(11)에 가해지는 수직하중의 영향을 최소화하여 전단력에 의해 발생하는 독립적인 스트레인(strain;변형량)을 더욱 정확하게 측정할 수 있다.
상기 스트레인 게이지 고정판(13)은 PVC 등의 플라스틱과 같은 절연재질로 이루어진다.
상기 고정부속품(14)은 상층판(11)과 스트레인 게이지 고정판(13)을 고정하는 플레이트이고, 스트레인 게이지 고정판(13)과 거의 동일 평면상으로 상층판(11)과 하층판(15) 사이에 위치한다.
또한, 고정부속품(14)은 알루미늄 합금 재질로 이루어지며, 십자형 스트레인 게이지 고정판(13)의 가로부재(13b)와 세로부재(13a)의 단부가 삽입될 수 있는 삽입홈(14d)을 가지는 제1고정부속품(14a)과, 제1고정부속품(14a)과 대각선 방향으로 이격 배치되는 제2고정부속품(14b)으로 구성된다.
이때, 상기 제1고정부속품(14a)은 삼각형의 플레이트로, 제2고정부속품(14b)은 오각형의 플레이트로 이루어지며, 제1고정부속품(14a)과 제2고정부속품(14b) 사이에 십자형 스트레인 게이지 고정판(13)이 삽입 배치되며, 상기 제1고정부속품(14a), 십자형 스트레인 게이지 고정판(13) 및 제2고정부속품(14b)은 거의 동일한 평면상에 위치하여 사각형을 이룬다.
그리고, 상기 제1고정부속품(14a)의 3개 모서리와 제2고정부속품(14b)의 1개 모서리에 각각 고정홀(17)이 형성되어, 제1 및 제2고정부속품(14a,14b)은 고정줄(18)에 의해 상층판(11)과 하층판(15)에 고정되고, 십자형 스트레인 게이지 고정판(13)은 접착제로 상층판(11)과 하층판(15)에 직접 고정된다.
여기서, 착좌 시 발생하는 하중은 전단력 센서(10)의 상층판(11)에 대하여 수직방향으로 작용하는 수직하중과 전단력 센서(10)의 상층판(11)과 평행하게 작용하는 전단하중(전단력)으로 나누어지고, 통상적으로 수직하중과 전단하중이 동시에 발생한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서 측정하고자 하는 힘은 전단력이며, 전단력 측정 시 스트레인 게이지(16)가 착좌 시 발생하는 수직하중에 대한 영향을 받지 않도록 해야한다.
이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 중층판(12) 중 제1 및 제2고정부속품(14a,14b)의 두께가 스트레인 게이지(16) 및 그 고정판의 두께를 합한 값보다 더 두껍다.
또한, 상기 중층판(12) 중 제1 및 제2고정부속품(14a,14b)에는 다수의 볼베어링 삽입홀(14c)이 형성되어 있고, 상기 볼베어링 삽입홀(14c)에 볼베어링(19)이 각각 삽입된다.
상기와 같이 고정부속품(14)의 두께가 스트레인 게이지(16) 및 이의 고정판의 두께보다 더 두껍고, 고정부속품(14)의 삽입홀에 고정부속품(14)의 두께보다 더 큰 직경의 볼베어링(19)이 삽입되는 경우에 스트레인 게이지(16)는 착좌 시 발생하는 수직하중에 의해 가압되지 않고 이 수직하중에 의해 영향을 받지 않는다.
또한, 상기 볼베어링(19)은 스트레인 게이지(16)가 상층판(11)과 접촉하는 것을 방지하고 상층판(11)과의 구름접촉에 의해 상층판(11)과 중층판(12) 사이의 마찰력을 최소화시킴으로써 착좌 시 발생하는 전단력 측정에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.
이와 같은 구조에 의해 본 발명에 따른 전단력 센서(10)는 가로 및 세로방향으로 변형가능한 십자형 플라스틱판에 2개의 스트레인 게이지(16)를 가로 및 세로방향으로 각각 부착함으로써, 상층판(11)에 작용하는 모든 방향의 전단력에 반응할 수 있고, 십자형 플라스틱판에 작용하는 전단력의 크기를 반영한 변형량(strain)을 전기적인 신호로 출력할 수 있다.
이때, 상층판(11)은 가죽 재질로 덮어져 있어서 인체와 직접 닿는 면적의 미끄러짐을 최소화할 수 있다.
그리고, 하층판(15)의 우측 상단 모서리에는 대각선 방향으로 전선 삽입홈(15a)이 평행하게 형성되어 있고, 이 전선 삽입홈(15a)을 통해 2개의 스트레인 게이지(16)와 연결된 전선을 전단력 센서(10) 외부로 뽑을 수 있다.
만약 전선 삽입홈(15a)을 형성하지 않으면, 전선의 직경이 중층판(12)의 두께보다 클 경우에 상층판(11)과 전선이 접촉하여 마찰을 일으킴으로써 스트레인 게이지(16)의 전단력 측정에 영향을 주게 되므로 전선의 마찰로 인해 스트레인의 측정오차가 발생할 수 있기 때문에, 상기 전선 삽입홈(15a)을 하층판(15)이 형성하는 바람직하다.
이와 같은 구성에 의한 전단력 센서(10)의 측정 원리를 설명하면 다음과 같다.
전단력 센서(10)의 상층판(11)에 임의의 방향으로 전단력이 작용하는 경우에 그 방향으로 상층판(11)이 이동하고, 상층판(11)에 연결된 스트레인 게이지 고정판(13)이 일 방향으로 변형되며, 상기 스트레인 게이지 고정판(13)에 부착된 스트레인 게이지(16)는 스트레인 게이지(16) 고정판(13)의 변형량(스트레인)을 측정하여 전기 신호로 출력한다.
상기 신호처리부(20)는 필터링 및 증폭부(21)와 ADC부(22)(아날로그-디지털 컨버터)로 구성된다.
상기 필터링 및 증폭부(21)는 전단력 센서(10)로부터 출력된 신호 중 불필요한 신호를 필터링하고 필요한 신호만을 증폭하는 장치이며, 전단력 센서(10)와 각각 연결되어 있다.
또한, 상기 ADC부(22)는 필터링 및 증폭부(21)와 연결되어 필터링 및 증폭부(21)로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하는 장치이다.
상기 필터링 및 증폭부(21)와 ADC부(22)는 신호처리 분야에서 공지된 장치들로부터 제한없이 선택할 수 있다.
상기 모니터부(30)는 신호모니터부(31)와 전단력 출력부(32)로 구성되어, ADC부(22)의 출력 신호를 분석하여 화면에 나타내고 저장한다.
상기 모니터부(30)의 출력 신호들은 신호모니터부(31)와 전단력 출력부(32)에서 각각 모니터링 프로그램에 의해 처리되어 전단력 센서(10)의 각 축별 그래프가 출력된다.
상기 신호모니터부(31)는 ADC부(22)와 연결되어 ADC부(22)로부터 발생된 출력신호를 가해진 전단력으로 환산하는 장치이다.
상기 전단력 출력부(32)는 신호모니터부(31)와 연결되어 신호모니터부(31)로부터 환산된 전단력을 디스플레이하는 장치이다.
상기와 같이 구성된 착좌 시 전단력 측정 장치를 이용한 측정방법을 설명하면 다음과 같다.
전단력 센서(10)가 설치된 의자(1)에 앉으면 의자(1)의 시트부(1a)와 등받이부(1b)의 접촉면에서 전단력이 발생하고, 상기 시트부(1a) 및 등받이부(1b)에 설치된 전단력 센서(10)는 가로 및 세로방향으로 배치된 스트레인 게이지(16)를 이용하여 시트부(1a) 및 등받이부(1b)에 가해진 전단력 크기에 따라 발생된 스트레인의 변화량을 측정하는 방식으로 전기적 신호로 출력한다.
이어서, 신호처리부(20)는 전단력 센서(10)로부터 출력된 전기적 신호를 필터링 및 증폭하며, 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환한다.
그 다음, 모니터부(30)는 신호처리부(20)에서 변환된 디지털 신호를 모니터링 프로그램에 의해 처리하여 모니터 화면에 측정된 전단력을 디스플레이하며 전단력 센서(10)의 각 축별 그래프를 출력한다.
본 발명에서 제작된 전단력 센서(10)는 기계적인 가공오차, 구조물의 조립 시 발생하는 개별적인 특성 오차 등에 의하여 각 센서마다 출력 신호 확인이 필요하다.
따라서 전단력 센서의 시험 장치를 제작하였으며, 전단력 센서(10)에 단계적인 힘이 인가되었을 때 출력들이 단계적으로 일정하게 나타나도록 확인한다.
첨부한 도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 전단력 센서 시험 장치의 사시도이고, 도 6은 도 5에서 도르래부의 장착구조를 보여주는 일부 확대사시도이고, 도 7은 도 5에서 센서고정부의 분해도이다.
본 발명은 상기와 같이 착좌 시 전단력 측정 장치에 의해 출력된 전단센서의 출력값이 실제 가해진 전단력값과 동일하게 출력되는지 비교하기 위해 전단력 센서 시험 장치를 제공한다.
상기 전단력 센서 시험 장치는 전단력 센서(10)를 고정시켜주는 센서고정부(100)와, 전단력 센서(10)에 작용하는 수직방향의 힘을 수평방향으로 변환시키는 도르래부(120)를 포함한다.
센서고정부(100)는 수평면 상에 배치된 베이스 플레이트(110)와, 베이스 플레이트(110)의 중심부에 상방향으로 세워지게 형성된 수직기둥부(111)와, 수직기둥부(111)의 상단에 수평방향으로 설치된 상부 플레이트(112)로 구성된다.
상기 상부 플레이트(112)는 팔각형으로 이루어지고, 팔각형 플레이트의 가장자리부를 따라 일정한 간격으로 도르래부(120)를 장착하기 위한 장착홈(113)이 반경방향으로 형성되어 있다.
상기 장착홈(113)에는 반경방향에 대하여 수직방향으로 도르래의 중심축을 지지하기 위한 힌지홈(114)이 형성되어 있다.
또한, 상기 상부 플레이트(112)의 중앙부에는 전단력 센서(10)를 고정하기 위한 고정플레이트가 설치되고, 고정플레이트는 내부에 사각형의 센서수용홀을 가지는 하부 고정플레이트(141)와, 내부에 사각형의 센서수용홈(143)을 가지는 커버플레이트(142)로 구성된다.
상기 하부 고정플레이트(141)의 센서수용홀에 전단력 센서(10)의 하층판(15)이 삽입되어 고정되고, 커버플레이트(142)의 센서수용홈(143)에 전단력 센서(10)의 상층판(11)이 삽입되어 고정된다.
상기 도르래부(120)는 원형의 롤러로서, 상기 롤러는 측방향으로 관통되는 중심축에 의해 지지되고, 롤러의 외주면에 가이드홈(120a)이 형성되어, 와이어(121)가 가이드홈(120a)에서 빠지지 않도록 한다.
상기 와이어(121)의 일단부는 전단력 센서(10)의 상층판(11)이 삽입된 커버플레이트(142)의 가장자리부를 따라 일정한 간격을 두고 고정되고, 와이어(121)의 타단부는 표준 분동(130)을 걸 수 있도록 고리 형태 혹은 클립을 고정시킬 수 있다.
상기 표준 분동(130)을 걸기 위해 와이어(121)의 타단부에는 분동지지걸이가 걸려 있고, 분동지지걸이는 상단부에 후크부를 가지는 분동지지대(122)와, 분동지지대(122)의 하단에 형성된 분동받침판(123)으로 구성되어, 표준 분동(130)을 분동받침판(123)에 둔 채로 분동지지대(122)에 의해 와이어(121)의 타단부에 걸 수 있도록 되어 있다.
이와 같은 구성에 의해 시험장치의 작동방법을 설명하면 다음과 같다.
원하는 방향에 따라 8개의 분동지지걸이를 이용하여 선택적으로 혹은 복수의 표준 분동(130)을 걸 수 있다.
상기 표준 분동(130)에 의해 수직 하중이 작용하면 와이어(121)를 통해 도르래부(120)로 수직방향의 인장력이 전달되고, 전달된 인장력은 도르래부(120)를 통해 수평방향의 인장력으로 변환되며, 와이어(121)의 상단부에 연결된 커버플레이트(142)에 수평방향의 인장력(전단력)이 전달된다.
상기 전달된 인장력은 커버플레이트(142)를 수평방향으로 이동시키고, 커버플레이트(142)의 내부에 삽입된 전단력 센서(10)의 상층판(11)을 이동시킴에 따라 전술한 바와 같은 측정방법을 통해 전단력 센서(10)가 상층판(11)에 가해진 전단력을 측정할 수 있다.
이때, 상기 전단력 센서(10)를 통해 측정한 전단력 측정값과 시험장치의 분동지지걸이에 걸어놓은 표준 분동(130)의 무게를 비교하여 동일한 지 여부를 판단함으로써, 상기 전단력 센서(10)의 측정값의 정확도를 판단할 수 있다.
이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명의 일실시예에 따른 전단력 센서(10)는 가로 54mm, 세로 54mm, 두께 4.1mm의 크기를 가지며, 상층판(11), 중층판(12)의 고정부속품(14), 사다리꼴 모양의 접착판(13c) 및 하층판(15)의 재질로 가공이 용이한 알루미늄 합금 6061을 사용하였고, 스트레인 게이지 고정판(13)의 재질로 플라스틱 재질(예, PVC)을 사용하였다.
그리고, 전단력 센서(10)의 중층판(12) 중 스트레인 게이지 고정판(13)에 스트레인 게이지(16)로 AP-11-S50N-120EC(CAS, 대한민국)를 사용하여 부착하였으며, 스트레인 게이지(16)로 120Ω, 12mm×6mm×0.1mm의 크기를 사용하였고, 두께 1mm의 고정부속품(14), 두께 0.4mm의 스트레인 게이지 고정판(13). 직경 1.5mm의 볼베어링(19)을 사용하였다.
첨부한 도 8는 도 4의 전단력 센서(10)가 의자(1)에 부착된 모습을 보여주는 사시도이다.
상기 3층 구조의 전단력 센서(10)를 매트를 매개로 의자(1)의 시트부(1a) 및 등받이부(1b)에 부착하고, 상기 전단력 센서(10)들을 인체와 접촉이 빈번한 시트백의 접촉부위인 넙다리뼈 부위(2), 궁둥이뼈 부위(4), 흉추 부위(5)에 접착제로 각각 고정하였다.
또한, 무릎 사이를 벌리고 앉을 경우에 넙다리뼈 부위(2)의 주위로 추가적인 접촉 면적이 발생할 것으로 예상되어 넙다리뼈 좌우 부위(3)에 전단력 센서(10)를 횡방향 및 종방향으로 간격을 두고 설치하였다.
그리고, 등을 등받이부(1b)에 밀착시켜 앉을 경우 흉추 부위(5)의 주위로 추가적인 접촉 면적이 발생할 것으로 예상되어 흉추 좌우 부위(6)에 전단력 센서(10)를 배치하였다.
상기 스트레인 게이지(16)는 플라스틱 재질의 십자형 스트레인 게이지 고정판(13)에 가로 및 세로방향에 하나씩 부착하였다.
상기 매트는 일반적인 의자(1)의 크기에 맞게 제작하였으며, 매트의 크기를 가로 520mm, 세로 720mm, 두께 1.2mm로 제작하였다.
이때, 전단력 센서(10)(두께 4.3mm임)가 부착된 매트의 두께는 5.3mm 가 된다.
전단력 센서(10)의 전선 처리를 위하여 0.6mm 두께의 천 두 장을 사용하여 상부에 위치하는 천에 전단력 센서(10)를 부착하고, 전선을 통과시킬 수 있는 구멍을 뚫어 아래에 위치하는 천과 위에 위치하는 천 사이로 전선을 위치시켜 고정하였다.
필터링 및 증폭부(21)로 SCXI-1001(NATIONAL INSTRUMENTS, 미국)을 사용하여 전단력 센서(10)의 출력 신호를 필터링 및 증폭하였다.
ADC(Analog Digital Converter)부로 PXI-6225(NATIONAL INSTRUMENTS, 미국)를 사용하여 필터링 및 증폭부(21)에서 나오는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하였다.
상기 전단력 센서(10)의 출력값을 모니터부(30)에서 확인한다.
상기 전단력 센서(10)의 측정값을 x라고 할 때, 모니터부(30)에 수신되는 전단력 센서(10)의 출력값은 하기 식 1에 의해 환산되어 출력된다.
(식 1) y=20607.4x
여기서, 전단력 센서(10)의 중층판(12) 중 십자형 플라스틱 판에 가로 및 세로방향으로 부착되는 스트레인 게이지(16)의 출력 부호가 스트레인 변화량에 따라 변화되므로, 상층판(11)에 전달되는 전단력의 방향을 확인할 수 있다.
다시 말해서, 스트레인 게이지(16)의 출력 부호가 플러스(+) 값이면 전단력의 방향이 전단력 센서(10)에서 멀어지는 방향으로 작용하는 것이고, 마이너스(-) 값이면 전단력의 방향이 전단력 센서(10)를 향하여 가까워지는 방향으로 작용하는 것이다.
예를 들어 궁둥이뼈 부위(4)에 배치된 전단력 센서(10) 중 세로방향의 출력값이 플러스 방향으로 커지면 궁둥이뼈를 기준으로 전단력의 방향이 멀어지고, 넙다리뼈 부위(2)에 배치된 전단력 센서(10) 중 가로방향의 출력값이 플러스 방향으로 커지면 넙다리뼈의 좌우부위, 넙다리뼈 부위(2) 그리고 궁둥이뼈 부위(4)에서 착좌 시 전단력이 오른쪽방향으로 작용한다.
시험예
도 5의 전단력 센서 시험 장치를 이용하여 도 4의 전단력 센서(10)의 출력값이 실제 가해진 전단력값과 동일하게 출력되는지 비교하였다.
전단력 센서(10)의 출력 특성의 검사를 위해 표준분동을 사용하여 전단력 센서(10)에 일정한 크기의 전단력이 부가되도록 시험하였으며, 분동의 무게를 단계적으로 증가시켜 전단력 센서(10)의 출력 특성의 검사하였다.
동일한 힘에 대하여 본 발명의 전단력 센서(10)의 각 축에 대한 출력 신호를 6회 반복 측정하였다. 또한, 동일한 힘에 대하여 반복 측정하기 전에는 분동을 제거한 상태의 센서 출력이 기준값임을 확인하여 직전 실험에 의한 영향이 미치지 않도록 하였다.
본 발명에 따른 전단력 센서(10)를 이용하여 전단력을 측정하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 9는 본 발명에 따른 착좌 시 전단력 측정방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 10은 도 1의 모니터부(30)의 프로그램 모식도이다.
먼저 측정하려는 시트부(1a)에 전단력 센서(10)를 설치하고 신호처리부(20)를 구동시킨다.
상기 신호처리부(20)를 구동시키면 신호처리부(20)의 신호모니터부(31)는 ADC에서 전송된 데이터를 화면에 나타내고 저장하며, 실행된 모니터링 프로그램은 저장할 파일의 이름을 입력받게 되는데, 이때 채널의 출력이 초기화된다.
그 다음, 전단력 센서(10)가 설치된 의자(1)에 앉으면 인체와 시트 사이의 마찰력(전단력)을 전단력 센서(10)를 통해 측정한다.
이어서, 상기 ADC부(22)로부터 전송된 전단력 센서(10)의 출력값은 LABVIEW(National Instruments, 미국)로 작성된 모니터링 프로그램을 통하여 모니터링 되면서 파일로의 출력 신호를 저장할지 여부를 확인받고, 필요한 신호 구간을 저장한다.
이때, 모니터링 프로그램이 실행되면 ADC부(22)에서 전송된 데이터 가상포트를 사용하여 COM1, COM2, COM3, COM4로 구분되어 모니터링 프로그램에 저장된다.
각 포트로 수신되는 96채널의 전단력 센서(10) 출력값은 채널별로 구분되어 화면의 그래프에 실시간으로 나타나며, 96채널의 데이터는 하나의 아스키 파일로 저장된다.
이때, 측정되는 신호를 모니터부(30)를 통해 확인할 수 있고, 저장을 원하는 구간에서 저장을 시작/완료한 후 모니터링 프로그램을 종료한다.
측정이 완료된 뒤에는 신호처리부(20)의 전원을 종료한다.
1 : 의자 1a : 시트부
1b : 등받이부 2 : 넙다리뼈 부위
3 : 넙다리뼈 좌우 부위 4 : 궁둥이뼈 부위
5 : 흉추 부위 6 : 흉추 좌우 부위
10 : 전단력 센서 11 : 상층판
12 : 중층판 13 : 스트레인 게이지 고정판
13a : 세로부재 13b : 가로부재
13c : 접착판 14 : 고정부속품
14a : 제1고정부속품 14b : 제2고정부속품
14c : 볼베어링 삽입홀 14d : 삽입홈
15 : 하층판 15a : 전선 삽입홈
16 : 스트레인 게이지 17 : 고정홀
18 : 고정줄 19 : 볼베어링
20 : 신호처리부 21 : 필터링 및 증폭부
22 : ADC부 30 : 모니터부
31 : 신호모니터부 32 : 전단력 출력부
100 : 센서고정부 110 : 베이스 플레이트
111 : 수직바 112 : 상부 플레이트
113 : 장착홈 114 : 힌지홈
115 : 육각 볼트 120 : 도르래부
120a : 가이드홈 121 : 와이어
122 : 분동지지대 123 : 분동받침판
130 : 표준 분동 141 : 하부 고정플레이트
142 : 커버플레이트 143 : 센서수용홈

Claims (7)

  1. 시트부(1a)에 설치되어 착좌 시 발생하는 전단력을 감지하는 전단력 센서(10);
    상기 전단력 센서(10)로부터 신호를 필터링 및 증폭하고, 증폭된 아날로그신호를 디지털 신호를 변환시키는 신호처리부(20);
    상기 신호처리부(20)로부터 변환된 신호를 분석하여 디스플레이하는 모니터부(30);
    를 포함하여 착좌 시 발생하는 모든 방향의 전단력을 측정할 수 있도록 되어 있으며,
    상기 전단력 센서(10)는 하층판(15), 중층판(12) 및 상층판(11)으로 3층 적층 결합되고,
    상기 중층판(12)은 스트레인 게이지(16)를 가로 및 세로방향으로 부착하여 독립적인 스트레인을 유발시킬 수 있도록 된 십자형의 스트레인 게이지 고정판(13)과, 상기 스트레인 고정판을 사이에 두고 분리 배치되어 스트레인 게이지 고정판(13)을 하층판(15) 및 상층판(11) 사이에 고정할 수 있도록 된 고정부속품(14)을 포함하여 모든 방향의 전단력에 대하여 반응할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 착좌 시 전단력 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 중층판(12)은 내부에 볼베어링(19)을 삽입장착하고, 중층판(12)이 상층판(11)과 접촉하는 것을 방지하여 상층판(11)에 가해지는 수직 하중의 영향을 받지 않도록 된 것을 특징으로 하는 착좌 시 전단력 측정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전단력 센서(10)의 측정값이 실제 가해진 전단력과 동일한 지 여부를 확인하기 위한 전단력 센서 시험장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착좌 시 전단력 측정 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 전단력 센서 시험장치는 수평면상에 전단력 센서(10)를 고정하기 위한 센서고정부(32)와, 와이어(121)를 이용하여 상기 센서고정부(32)와 연결되어 전단력 센서(10)에 작용하는 수직방향의 힘을 수평방향으로 변환시킬 수 있도록 된 도르래부(120)와, 상기 도르래부(120)에서 하방향으로 연장된 와이어(121)의 하단에 연결되어 하중을 가하는 표준 분동(130)을 포함하고, 상기 표준 분동(130)의 질량과 전단력 센서(10)에 의해 측정된 측정값을 비교하여 측정값의 정확성을 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는 착좌 시 전단력 측정 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 하층판(15), 중층판(12) 및 상층판(11)은 고정줄(18)에 의해 각 모서리부를 고정하여 각 층이 분리되는 것을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 착좌 시 전단력 측정 장치.
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