KR101991414B1 - 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조 및 이를 구비한 충격 인가 시스템 - Google Patents

중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조 및 이를 구비한 충격 인가 시스템 Download PDF

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윤의성
류훈
임현주
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한국과학기술연구원
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Abstract

충격 인가 시스템은 중력 보상 메커니즘이 적용된 서포트 구조 및 상기 서포트 구조에 의해 지지되고, 충격 인가의 대상물을 서포트하는 서포팅 베드를 포함한다. 여기서, 상기 서포트 구조는, 탄성부재, 상기 탄성부재의 일단이 고정되는 세로 지지대, 상기 탄성부재의 타단이 고정되고, 상기 세로 지지대의 말단과 만나는 일단에 위치하는 회전축을 중심으로 회전 가능한 가로 지지대 및 상기 가로 지지대의 타단에 연결되고, 상기 서포팅 베드의 저면에 접촉하여 상기 서포팅 베드를 지지하는 중량 지지부를 포함한다.

Description

중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조 및 이를 구비한 충격 인가 시스템{SUPPORTING STRUCTURE APPLYING GRAVITY COMPENSATION MECHANISM AND IMPACT CONTROL SYSTEM HAVING THE SUPPORTING STRUCTURE}
본 발명은 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조 및 이를 구비한 충격 인가 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중력 보상 메커니즘을 적용하여 리바운드 효과(rebound effect)를 제거하고 원하는 충격을 객체에 인가하기 위한 서포트 구조와 이러한 구조를 채용한 충격 인가 시스템에 관한 것이다.
실험, 치료 등의 목적으로 정밀하게 충격을 인가하는 시스템에 대한 필요성이 꾸준히 대두되어 왔다. 특히, 외상성 뇌손상(traumatic brain injury, TBI)등과 같이 외부 충격으로 인해 유발되는 인체의 변화를 동물 실험하기 위해 정밀한 충격 인가 시스템이 논의되고 있다.
외상성 뇌손상은 외부의 물리적 충격 또는 뇌의 가감속 움직임에 의해 야기되는 뇌 조직 손상을 일컫는 말로, 의식 저하나 변화를 유발하고 이로 인한 인지 기능 혹은 육체 기능의 손상을 유발한다.
외상성 뇌손상은 미국 기준으로 연간 약 170만 명의 관련 환자가 발생하고 있으며, 이와 관련한 직간접적인 비용이 상당하여 의료/경제/사회적으로 큰 문제로 부각되고 있다. 가벼운 뇌손상이라고 하더라도 이후에 파킨슨병, 치매 등과 같은 퇴행성 뇌질환으로 발전될 가능성이 있다.
이러한 외상성 뇌손상을 연구하기 위한 동물 실험에서 광범위하게 적용되는 종래의 모델로는 weight-drop 모델이 있다. Weight-drop 모델은 스폰지 등의 베드 위에 마취된 동물을 위치시키고 상단에 있는 추를 가이드 튜브를 따라 자유 낙하시켜 머리에 충격을 가하는 방식이다. 이러한 방식은 간단하게 구현이 가능하지만 실제 충격 상황과 달리 충격이 가해진 후 추가 매달린 줄의 탄성에 의해 다시 머리를 가격하는 리바운드 효과가 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 특히 외상성 뇌손상 연구분야에 있어서, 뇌조직 손상 메커니즘 연구에 따른 동물 실험을 위해 리바운드 효과를 제거한 정밀 충격 인가 시스템이 필요하다.
특허문헌: 미국특허 제9808193호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 원하는 충격량을 정밀하게 인가하고 리바운드 효과를 제거하기 위해 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조 및 이를 구비한 충격 인가 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 충격 인가 시스템은, 중력 보상 메커니즘이 적용된 서포트 구조 및 상기 서포트 구조에 의해 지지되고, 충격 인가의 대상물을 서포트하는 서포팅 베드를 포함한다. 상기 서포트 구조는, 탄성부재, 상기 탄성부재의 일단이 고정되는 세로 지지대, 상기 탄성부재의 타단이 고정되고, 상기 세로 지지대의 말단과 만나는 일단에 위치하는 회전축을 중심으로 회전 가능한 가로 지지대 및 상기 가로 지지대의 타단에 연결되고, 상기 서포팅 베드의 저면에 접촉하여 상기 서포팅 베드를 지지하는 중량 지지부를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 세로 지지대 및 상기 가로 지지대는 각각 슬라이딩 홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 탄성부재의 일단이 고정된 가이드는 상기 세로 지지대의 슬라이딩 홀을 따라 이동 가능하게 구성되고, 상기 탄성부재의 타단이 고정된 가이드는 상기 가로 지지대의 슬라이딩 홀을 따라 이동 가능하게 구성되고, 상기 탄성부재의 가이드들을 이동시킴으로써 상기 대상물의 지지 가능한 무게를 변화시킬 수 있게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 탄성부재는 스프링일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 서포팅 베드는 두 개의 서포트 판으로 구성되고, 상기 서포트 판 각각은 일단이 힌지 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 대상물에 충격이 인가되는 경우, 상기 서포트 구조의 중량 지지부가 아래 방향으로 이동하여 상기 서포팅 베드의 두 개의 서포트 판이 아래로 벌어지고, 상기 대상물을 낙하하도록 만들 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 서포트 판 각각은 판 중앙의 일부가 제거되어 홀을 포함하는 형태일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 서포트 구조 일정 범위의 무게를 갖는 대상물을 안정적으로 지지할 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안하는 충격 인가 시스템은, 리바운드 효과가 제거된 상태로 충격을 인가할 수 있다. 이를 통해, 실제 환경과 유사하게 원하는 충격을 정밀하게 인가하여 충격량에 따라 다르게 일어나는 세포 및 조직 레벨에서의 변화를 관찰하고, 관련 질병과의 관계를 연구/치료하는 데에 활용할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충격 인가 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 충격 인가 시스템의 서포팅 베드를 도시한다.
도 3은 로봇 팔 구동기에서 중력 보상 메커니즘의 일 실시 예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조의 구현 예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충격 인가 시스템의 서포팅 베드의 구현 예를 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시 예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시 예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조와 충격 인가 시스템, 및 그 동작원리를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 이하의 설명은 실험을 위해 동물에 외상성 뇌손상을 유발하기 위한 시스템으로서 충격 인가 시스템과 이에 적용된 중력 보상 메커니즘의 서포트 구조를 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 구조가 필요한 다양한 분야에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충격 인가 시스템(100)을 도시한다.
구체적으로 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 충격 인가 시스템(100)은, 제어 장치(110), 서포팅 베드(120), 공압 실린더(130), 타겟 레이저(140), 타겟 조절장치(150), 속도 조절장치(160), 가속도 센서(170) 및 충격 센서(180)를 포함한다.
제어 장치(110)는 가속도 센서(170) 및 충격 센서(180)로부터 측정된 신호를 수신하여 증폭하고, 증폭된 신호를 DAQ 장치를 통해 컴퓨팅 장치(예: 컴퓨터)로 전송한다. 또한, 컴퓨팅 장치로부터 DAQ 장치를 통해 제어 신호를 수신하고, 공압 실린더(130) 내에서 피스톤의 동작을 제어할 수 있다. 피스톤의 동작 제어를 통해 결과적으로 임팩터(610)의 움직임이 제어될 수 있다. 다른 실시 예에 따라, 제어 장치(110)는 DAQ 장치 및 컴퓨팅 장치의 기능을 모두 포함하여, 충격의 인가를 제어하고 가속도 센서(170) 및 충격 센서(180)로부터 측정된 프로파일을 가공하여 충격량을 정량적으로 산출할 수 있다.
서포팅 베드(120)는 충격을 인가시킬 대상(예: 실험체(10))을 지지하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, weight-drop 모델의 단점인 리바운드 효과(rebound effect, 추가 매달린 줄의 탄성에 의해 다시 머리를 가격하는 현상)를 방지하기 위해 충격 인가 시 서포팅 베드(120)가 갈라지면서 실험체(10)가 낙하하는 구조를 가질 수 있다. 이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 서포팅 베드(120)는 서포트 구조(122)를 통한 중력 보상 메커니즘으로 실험체(10)의 하중을 버티고 양 쪽으로 힌지 구조를 가질 수 있다.
공압 실린더(130)는 압축공기에 의해 움직이는 피스톤을 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 제어 장치(110)에 의해 피스톤의 동작이 제어될 수 있다.
타겟 레이저(140)에 의한 레이저 빔은 충격을 인가하는 측면 위치(lateral position)를 결정하고, 동시에 미리 설정된 임팩터(610)와 실험체(10) 사이의 거리를 유지하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시 에에 따라, 충격이 인가되는 지점은 타겟 조절장치(150)에 의해 설정될 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 선택된 거리에서만 좌우 경사지게 위치한 한 쌍의 타겟 레이저(140)의 두 빔이 서로 일치하게 된다.
타겟 조절장치(150)는 충격이 인가되는 지점을 조절할 수 있다. 타겟 조절장치(150)는 충격이 인가되는 지점을 정밀하게 제어하기 위한 마이크로미터일 수 있다. 예를 들어, 타겟 조절장치(150)에 의해 설정된 거리에서만 좌우의 타겟 레이저(140)의 레이저 빔을 일치시킬 수 있으며, 일치된 레이저 빔을 충격 인가 지점으로 하여 실험체(10)를 위치시킴으로써 충격 인가를 조절할 수 있다.
속도 조절장치(160)는 충격 인가 속도를 조절하기 위해 속도 밸브의 개방(opening) 정도를 거리로 조절하는 장치이다. 예를 들어, 속도 조절장치(160)는 속도 밸브의 개방 정도를 거리로 정밀하게 조절하는 마이크로미터일 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 충격 인가 시스템(100)에서 타겟 조절장치(150)에 의해 임팩터(610)와 실험체(10) 사이의 거리는 고정시키고, 속도 조절장치(160)만을 인가 속도 제어에 사용할 수 있다. 다른 실시 예에 따라, 속도 조절장치(160)는 생략될 수 있으며, 컴퓨터와 같은 컴퓨팅 장치에서 디지털화하여 속도를 설정할 수 있다.
가속도 센서(170)는 속도의 변화(가속도)를 측정하는 센서 장치로서, 임팩터(610)의 베이스에 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 가속도 센서(170)에서 측정되는 프로파일을 추출하고, 이를 충격 센서(180)에서 측정되는 프로파일과 비교하여 실제 인가되는 힘을 추출하는 방식으로 충격량을 정량화할 수 있다. 가속도 센서(170)는 제어 장치(110)와 연결되어 측정된 신호를 전송할 수 있다.
충격 센서(180)는 일종의 힘 센서로서, 실험체(10)에 충격을 인가하는 임팩터의 말단에 부착될 수 있다. 충격 센서(180)는 임팩터의 말단에 부착되어 실험체(10)를 가격할 때의 힘을 측정하는 장치일 수 있다. 충격 센서(180) 아래에 임팩터 팁을 더 포함할 수 있다. 임팩터 팁은 실험체(10)의 외부에 상처를 내지 않고 충격이 분산되지 않도록 굴곡진 형태, 예를 들어 반구 형태로 제작될 수 있다. 충격 센서(180)는 제어 장치(110)와 연결되어 측정된 신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 충격이 인가되는 동안 가속도 센서(170) 및 충격 센서(180)에서 측정된 프로파일을 비교하여 실제 인가되는 힘을 추출하여 충격량을 정량화할 수 있고, 임팩터의 속도를 제어하여 정밀하게 충격을 인가하고 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 충격 인가 시스템(100)의 서포팅 베드(120)를 확대 도시한다. 구체적으로 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 서포팅 베드(120)는 서포트 구조(122)를 포함한다.
서포트 구조(122)는 도 4 및 도 5에 도시되 바와 같이 스프링을 이용하여 중력 변화를 보상하고 중력에 의한 토크와 탄성력에 의한 토크가 균형을 이루는 구조이다. 이와 같은 구조에 의해 실재 충격이 인가되는 환경을 유사하게 재현할 수 있다.
종래의 외상성 뇌손상 연구를 위해 광범위하게 사용된 weight-drop 모델은 스폰지 등의 폼 베드 위에 마취된 동물을 위치시키고 상단에 있는 추를 가이드 튜브를 따라 자유 낙하시켜 머리에 충격을 가하는 방식이었다. 그러나, 이러한 weight-drop 모델의 가장 큰 단점은 낙하하는 추가 다시 머리를 가격하는 리바운드 효과가 나타난다는 점이다.
이러한 단점을 보완하기 위해, 종래에는, 폼 베드 자체를 첫 번째 충격 인가 이후에 재빠르게 다른 위치로 이동시키는 방법, 또는 알루미늄 호일 위에 동물을 위치시키는 방법이 사용되었다.
알루미늄 호일을 사용하는 방법은 알루미늄 호일 양 사이드 끝 단을 테이프로 고정하고, 대상 동물의 머리 아래의 호일 부분을 가위 등으로 작게 흠집을 내어 낙하 시 알루미늄 호일이 찢어지게 만드는 형태로 구현되었다. 이러한 방법은 리바운드 효과를 제거하고, 외상성 뇌손상에서 중요하게 여겨지는 head acceleration 모델에 근사할 수 있고, 특히 rotational acceleration의 인가를 가능하게 한다.
그러나, 이러한 알루미늄 호일을 이용하는 방법은 호일을 찢는 양(예: 앞 단에서 약 10mm)과 대상 동물이 호일의 어느 곳에 위치하느냐에 따라 인가되는 충격이 달라질 수 있는 문제가 있다.
또한, 일상 생활에서 사람에게 발생하는 외상성 뇌손상을 모사하기 위해서는 지지대 등이 없이 단독으로 서있는(free standing) 상태에서 충격이 인가되는 모델이 필요하다. 이와 같이, 실제와 유사한 헤드 충격을 마취된 대상 동물에 인가하기 위해서 본 발명은 중력 보상 메커니즘을 제안하다.
중력 보상 메커니즘이란, 외부에서 인가되는 토크(torque) 등의 힘에 관계 없이 기구적으로 카운터 밸런스를 맞추고, 스프링 등을 이용하여 대상 물체에 대해 어떠한 위치에서도 자중에 대한 평형 상태를 이루어 그 위치를 유지할 수 있는 방식을 말한다. 스프링을 통한 중력 보상 장치는 유압 실린더에 비해 가격이 저렴하고, 카운터 매스(counter-mass) 방식과는 반대로 구동 토크 증가가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 따라서, 스프링을 통한 중력 보상 장치가 산업용 로봇 업계에서 가장 많이 사용되고 있다.
도 3은 로봇 팔 구동기에서 중력 보상 메커니즘의 일 실시 예를 도시한다. 도 3을 참조하면, 로봇 팔 구동기에서 자중을 유지하기 위한 토크를 필요로 하지 않으며, 중력에 따라 제어기가 영향을 받는 문제를 해결할 수 있다. 도 3(a) 에서 3(c)와 같이 로봇 링크가 회전하여 스프링의 탄성력이 변화하면서 중력에 의한 토크의 합과 스프링에 의한 토크의 합이 평형을 이루게 함으로써, 대상 물체가 변화된 위치에서도 자중에 대한 평형 상태를 이루고 위치를 유지할 수 있게 한다.
이러한 중력 보상 메커니즘을 물체의 서포팅 베드에 적용하는 경우, 일정 범위의 무게의 물체를 지지할 수 있고, 서포팅 베드의 위치가 이동되더라도 지지상태를 유지할 수 있다.
이러한 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조는 실험, 치료 등의 목적으로 충격을 인가하는 시스템에 유용하게 활용될 수 있다. 특히, 외상성 뇌손상 등과 같이 외부 충격으로 인해 유발되는 인체의 변화를 동물 실험하기 위해 정밀한 충격 인가를 요하는 시스템에서는 충격이 인가된 대상 실험체에 리바운드 이펙트를 제거하면서 실제 외상성 뇌손상을 일으키는 충격 인가 환경을 재현시킬 수 있어 유용하다.
이하, 본 발명에서 제안하는 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조의 동작 원리와 이러한 구조를 적용한 충격 인가 시스템의 서포팅 베드의 실시 예가 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조(122)를 도시한다. 도 4를 참조하면, 서포트 구조(122)는 세로 지지대(401), 가로 지지대(403), 중량 지지부(405) 및 탄성부재(407)를 포함할 수 있다.
세로 지지대(401)는 탄성부재(407)의 일단을 고정시키는 역할을 한다. 세로 지지대(401)의 말단부와 가로 지지대(403)의 일단부가 만나는 회전축으로부터 탄성부재(407)의 일단까지의 거리(a)는 변화할 수 있다. 이를 위해, 세로 지지대(401)는 슬라이딩 홀을 포함할 수 있고, 탄성부재(407)의 일단이 고정된 가이드가 세로 지지대(401)의 슬라이딩 홀을 따라 이동할 수 있다.
가로 지지대(403)는 탄성부재(407)의 타단을 고정시키는 역할을 한다. 세로 지지대(401)의 말단부와 가로 지지대(403)의 일단부가 만나는 회전축으로부터 탄성부재(407)의 타단까지의 거리(r)는 변화할 수 있다. 이를 위해, 가로 지지대(403)는 슬라이딩 홀을 포함할 수 있고, 탄성부재(407)의 타단이 고정된 가이드가 가로 지지대(403)의 슬라이딩 홀을 따라 이동할 수 있다.
중량 지지부(405)는 대상물의 무게(m)를 서포트하는 부분이다. 즉, 중량 지지부(405)에 지지 대상물의 무게(m)에 의한 중력(m·g)이 가해지고, 중력에 의한 토크의 합과 탄성부재(407)에 의한 토크의 합 사이에 평형을 이루게 하여 중력을 보상할 수 있다. 이 때, 세로 지지대(401)의 말단부와 가로 지지대(403)의 일단부가 만나는 회전축으로부터 중량 지지부(405)까지 일정한 거리(L)를 갖는다.
탄성부재(407)는 탄성계수(k)를 갖는 물질로, 무게(m)의 대상물이 중량 지지부(405)에 의해 지지되는 경우 길이(lo)를 가질 수 있다. 탄성부재(407)는 예를 들어 스프링일 수 있다. 탄성부재(407)는 반드시 스프링일 필요는 없으며, 길이가 늘어나거나 줄어드는 경우 일정한 복원력을 가지는 어떠한 탄성 물질도 사용될 수 있다. 예를 들어, 탄성부재(407)(예: 스프링)의 탄성계수(k)는 회전축으로부터 탄성부재(407)의 타단까지의 거리(r), 회전축으로부터 중량 지지부(405)까지의 거리(L) 및 서포트하고자 하는 대상물의 무게(m) 범위를 고려하여 결정된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 이미 특정 탄성계수(k)를 갖는 탄성부재(407)를 이용하여 서포트 구조(122)가 구성된 경우, 서포트되는 무게(m)의 범위를 변화시키고자 하는 경우 회전축으로부터 탄성부재(407)의 타단까지의 거리(r)를 변화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중력 보상 메커니즘을 적용한 서포트 구조(122)의 구현 예를 도시한다.
도 5를 참조하면, 서포트 구조(122)는 탄성부재(407)의 일단은 세로 지지대(401)에, 탄성부재(407)의 타단은 가로 지지대(403)에 고정되고, 중량 지지부(405)가 이동된 위치에서 평형을 유지하도록 탄성부재(407)에 의한 토크의 합과 중력에 의해 토크의 합이 평형을 이루게 설계된다. 지지 대상물의 무게에 따라 세로 지지대(401)의 슬라이딩 홀을 따라 탄성부재(407)의 일단이, 가로 지지대(403)의 슬라이딩 홀을 따라 탄성부재(407)의 타단이 고정된 부재가 각각 이동하여 고정될 수 있다. 이를 통해, 탄성계수(k)가 다른 탄성부재(407)로의 교체 없이도 서포트 구조(122)에서 지지 가능한 대상물의 무게를 변화시킬 수 있다.
중량 지지부(405)는 대상물을 직접 서포트할 수도 있고, 대상물을 지지하는 판 등을 간접적으로 서포트하는 방식으로 중력 보상을 통한 대상물의 서포트를 수행할 수 있다. 예를 들어, 중량 지지부(405)는 대상물을 지지하는 판을 걸어서 지지할 수 있는 형태로 제작되는 것이 바람직하며, 도 5에 도시된 바와 같이 걸 수 있는 오목한 홈을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충격 인가 시스템(100)의 서포팅 베드(120)의 구현 예를 도시한다.
도 6을 참조하면, 서포트 구조(122)는 서포팅 베드(120)를 지지하고, 서포팅 베드(120)는 실험체(10)를 지지하여 충격이 정밀하게 인가될 수 있도록 서포트한다.
서포트 구조(122)는 상술한 중력 보상 메커니즘이 적용되는 세로 지지대(401), 가로 지지대(403), 중량 지지부(405) 및 탄성부재(407)를 포함한다. 서포트 구조(122)의 중량 지지부(405)는 서포팅 베드(120)를 아래에서 지지함으로써 실험체(10)의 하중을 버티게 한다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 서포팅 베드(120)는 복수 개의 서포트 판으로 구성되고 각 판의 일단이 힌지 구조로 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 서포팅 베드(120)는 두 개의 서포트 판으로 이루어지고 각 서포트 판의 양 단이 힌지 구조로 이루어져 미닫이 문과 같이 아래로 열리는 구조로 설계될 수 있다. 이 경우, 실험체(10)에 충격이 인가되면 실험체(10)의 하중을 버티던 서포트 구조(122)의 평형이 깨지게 되고, 서포팅 베드(120)가 충격이 가해지는 방향으로(예: 아래 방향) 갈라지면서 실험체(10)가 낙하하게 된다. 실제 동물 실험에서 일정 범위(예: 18~28g) 내에서는 메커니즘의 톨러런스(tolerance)로 인해 별다른 조절 없이도 실험체(10)의 지지가 가능하나, 실험체(10)의 하중이 크게 변화하는 경우 무게 차이를 보상하기 위해 탄성부재(407)의 초기 위치를 세로 지지대(401) 및 가로 지지대(403)의 슬라이딩 홀을 따라 이동시키는 형태로 조절할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 서포팅 베드(120)의 서포트 판 각각은 가운데 부분이 제거되어 홀을 갖는 형태로 제작될 수 있다. 이러한 형태로 제작하는 경우, 서포트 판의 중량을 줄여 설계를 용이하게 하고, 대상물을 더욱 용이하게 배치시킬 수 있다.
이와 같이, 중력 보상 메커니즘이 적용된 서포트 구조를 통해 리바운드 효과 없이 실제와 유사한 충격 인가 환경을 재현할 수 있다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수 개의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수 개의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 실험체 100: 충격 인가 시스템
110: 제어 장치 120: 서포팅 베드
122: 서포트 구조 130: 공압 실린더
140: 타겟 레이저 150: 타겟 조절장치
160: 속도 조절장치 170: 가속도 센서
180: 충격 센서 401: 세로 지지대
403: 가로 지지대 405: 중량 지지부
407: 탄성부재

Claims (7)

  1. 충격 인가 시스템으로서,
    중력 보상 메커니즘이 적용된 서포트 구조; 및
    상기 서포트 구조에 의해 지지되고, 충격 인가의 대상물을 서포트하는 서포팅 베드;를 포함하고,
    상기 서포트 구조는,
    탄성부재;
    상기 탄성부재의 일단이 고정되는 세로 지지대;
    상기 탄성부재의 타단이 고정되고, 상기 세로 지지대의 말단과 만나는 일단에 위치하는 회전축을 중심으로 회전 가능한 가로 지지대; 및
    상기 가로 지지대의 타단에 연결되고, 상기 서포팅 베드의 저면에 접촉하여 상기 서포팅 베드를 지지하는 중량 지지부를 포함하는, 충격 인가 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세로 지지대 및 상기 가로 지지대는 각각 슬라이딩 홀을 포함하는, 충격 인가 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄성부재의 일단이 고정된 가이드는 상기 세로 지지대의 슬라이딩 홀을 따라 이동 가능하게 구성되고,
    상기 탄성부재의 타단이 고정된 가이드는 상기 가로 지지대의 슬라이딩 홀을 따라 이동 가능하게 구성되고,
    상기 탄성부재의 가이드들을 이동시킴으로써 상기 대상물의 지지 가능한 무게를 변화시킬 수 있게 하는, 충격 인가 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄성부재는 스프링인, 충격 인가 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서포팅 베드는 두 개의 서포트 판으로 구성되고,
    상기 서포트 판 각각은 일단이 힌지 구조로 이루어지는, 충격 인가 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 대상물에 충격이 인가되는 경우, 상기 서포트 구조의 중량 지지부가 아래 방향으로 이동하여 상기 서포팅 베드의 두 개의 서포트 판이 아래로 벌어지고, 상기 대상물을 낙하하도록 만드는, 충격 인가 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 서포트 판 각각은 판 중앙의 일부가 제거되어 홀을 포함하는 형태인, 충격 인가 시스템.
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