KR20230064323A - wearable fiber-optic sensor for pressure and shear force measurement - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 의복압 및 전단력 측정이 가능한 웨어러블 고민감도 센서 기술을 제안하며, 실시간으로 특수 부위에 전달되는 의복압 및 전단력을 실시간으로 모니터링이 가능하다.The present invention proposes a wearable high-sensitivity sensor technology capable of measuring clothing pressure and shear force, and real-time monitoring of clothing pressure and shear force transmitted to a special part is possible.
현재 개발된 유연한 압력 센서 기술은 압전저항식(Piezoresistive), 정전용량식(capacitive), 공압(pneumatic), 광학(optical)이며 각 메커니즘마다 장단점이 존재한다. Piezoresistive 센서는 신호의 드리프트(drift)와 히스테리시스(hysteresis)가 존재하기 때문에 정확한 센싱이 어려운 반면, 정전용량식(Capacitive) 압력 센서는 정확도는 높지만 측정을 하려면 복잡한 회로 설계가 필요하다. 공압(Pneumatic) 기술은 공기의 열 팽창으로 인해 온도에 민감하게 반응하며 센서의 곡률 변화에도 민감하게 반응한다. 낮은 압력에서는 반복성 오류가 높아 정확한 측정이 어렵다. Currently developed flexible pressure sensor technologies are piezoresistive, capacitive, pneumatic, and optical, and each mechanism has advantages and disadvantages. Piezoresistive sensors have signal drift and hysteresis, making accurate sensing difficult, whereas capacitive pressure sensors have high accuracy, but require complex circuit design to measure. Pneumatic technology reacts sensitively to temperature due to thermal expansion of air and also sensitively to changes in the curvature of the sensor. At low pressures, repeatability errors are high, making accurate measurements difficult.
광학(optical) 센서는 전자파 간섭을 받지 않고 광을 사용하여 신체 친화적이다. 또한, 광섬유를 이용해 유연하고 센서 구현이 가능하다. 이러한 광섬유 기반 광학 센서도 광스펙트럼 또는 파장 변화, 편광 변화, 광도 변화 등의 다양한 방식으로 센싱이 가능하다. 대표적인 광스펙트럼 또는 파장 변화 기반 센서는 FBG(Fiber Bragg Grating)센서이며 정확한 측정이 가능하다는 장점이 있지만, 규모가 크고 복잡한 스펙트럼 분석 장비가 필요하다는 단점이 있어 웨어러블 센서로는 부적합하다. 그러므로 전반적인 센서 시스템을 간단하게 제작할 수 있는 광도 변화 기반의 센서가 필요하였다.Optical sensors are body-friendly by using light without being subject to electromagnetic interference. In addition, flexible and sensor implementation is possible using optical fibers. Such an optical fiber-based optical sensor can also sense in various ways, such as light spectrum or wavelength change, polarization change, and light intensity change. A representative optical spectrum or wavelength change-based sensor is a Fiber Bragg Grating (FBG) sensor, which has the advantage of being able to accurately measure, but has the disadvantage of requiring large-scale and complex spectrum analysis equipment, making it unsuitable as a wearable sensor. Therefore, a light intensity change-based sensor that can easily manufacture the overall sensor system was required.
본 발명은 낮은 수준의 압력 뿐만 아니라 전단력까지 측정이 가능한 유연하고 민감도가 높은 웨어러블 센서를 제공하는 것이며, 실시간으로 착용자의 특정 부위에 전달되는 의복압과 전단력을 실시간으로 모너터링이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention provides a flexible and highly sensitive wearable sensor capable of measuring not only low-level pressure but also shear force, and provides a technology capable of real-time monitoring of the clothing pressure and shear force transmitted to a specific part of the wearer in real time aims to
이를 위해, 본 발명은 낮은 의복압의 정확한 측정을 위한 탄성체-광섬유 코일 접촉에 기반한 광손실로 센서의 민감도 향상시키고, 폴리머 광섬유를 사용하여 센서 소형화 및 웨어러블 가능한 제품을 제시하며, 광섬유가 아닌 탄성체의 변형을 통해 동적 성능 향상, 등을 고려하여 목적을 달성하고자 한다.To this end, the present invention improves the sensitivity of the sensor with optical loss based on the elastic body-optical fiber coil contact for accurate measurement of low clothing pressure, and proposes a sensor miniaturized and wearable product using a polymer optical fiber, and a non-optical elastic body It is intended to achieve the purpose by considering dynamic performance improvement through deformation, etc.
본 발명은, 링 형상의 토러스; 상기 토러스에 감기는 복수 개의 광섬유 코일; 상기 토러스의 상측에 구비되는 필름; 및 상기 필름의 상측에 구비되는 가압부재;를 포함하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단센서를 제공한다. 상기 광섬유 코일은 상기 토러스의 외주면에 서로 겹쳐지지 않도록 서로 구획된 구역에서 감기어 서로 분리되어 배치되며, 상기 필름은 탄성체 필름으로 이루어진다. The present invention, a ring-shaped torus; a plurality of optical fiber coils wound around the torus; a film provided on an upper side of the torus; It provides an optical fiber-based wearable pressure and shear sensor including; and a pressing member provided on the upper side of the film. The optical fiber coils are separated from each other by being wound in partitioned areas so as not to overlap each other on the outer circumferential surface of the torus, and the film is made of an elastic film.
상기 복수 개의 광섬유 코일 각각의 일단에는 광원과 광도를 측정할 수 있는 광다이오드를 더 포함하고, 상기 토러스의 외측에 구비되어, 상기 토러스 및 광섬유 코일을 내장하는 고정 케이스를 더 포함하고, 상기 광섬유 코일은 내부의 코어부와 상기 코어부를 감싸는 클래딩부로 이루어진다. Further comprising a light source and a photodiode capable of measuring light intensity at one end of each of the plurality of optical fiber coils, and a fixing case provided outside the torus and embedding the torus and the optical fiber coil, wherein the optical fiber coil It consists of an inner core part and a cladding part surrounding the core part.
상기 가압부재는 상기 토러스의 내측공간의 상측에 위치하는데, 상기 가압부재는 원형 플레이트 형상이며, 가압부재 원형의 중심은 상기 토러스의 중심 상측에 위치한다. 상기 가압부재의 원형 플레이트 직경은, 상기 토러스 내측공간의 직경보다 작다. The pressing member is located on the upper side of the inner space of the torus, the pressing member has a circular plate shape, and the center of the circular pressing member is located above the center of the torus. A diameter of the circular plate of the pressing member is smaller than a diameter of the inner space of the torus.
상기 가압부재에 수직방향의 압력이 작용하는 경우, 상기 필름은 중심부를 기준으로 반경방향으로 균일하게 늘어나면서 상기 가압부재는 수직방향 하방으로 이동하며, 그 결과 상기 필름은 상기 복수 개의 광섬유 코일과 균일하게 접촉하여, 상기 복수 개의 광섬유 코일에는 동일한 광손실이 일어난다. When a pressure in the vertical direction is applied to the pressing member, the film is uniformly stretched in the radial direction with respect to the center and the pressing member moves downward in the vertical direction. As a result, the film is uniformly formed with the plurality of optical fiber coils. In close contact, the same optical loss occurs in the plurality of optical fiber coils.
상기 가압부재에 전단력이 작용하는 경우, 상기 필름은 중심부를 기준으로 반경방향으로 불균일하게 늘어나면서 상기 가압부재는 측방향으로 이동하며, 그 결과 상기 필름은 상기 복수 개의 광섬유 코일과 불균일하게 접촉하여, 상기 복수 개의 광섬유 코일에는 불균일한 광손실이 일어난다. When a shearing force acts on the pressing member, the film is unevenly stretched in the radial direction with respect to the center and the pressing member moves laterally, and as a result, the film is unevenly contacted with the plurality of optical fiber coils, Non-uniform light loss occurs in the plurality of optical fiber coils.
또한, 본 발명은, 케이스; 상기 케이스 내부에 구비되는 환형의 토러스; 상기 토러스 내측 공간의 일측에 구비되는 원형 플레이트 형상의 가압부재; 상기 토러스의 외주면을 감싸는 복수 개의 광섬유 코일; 및 상기 토러스와 가압부재 사이에 구비되는 탄성 필름;을 포함하고, 상기 가압부재에 외부의 압력이 작용하지 않는 상태에서 상기 탄성 필름은 상기 광섬유 코일에 접촉하지 않고, 상기 가압부재에 외부의 압력이 작용하는 상태에서는 상기 탄성 필름이 늘어나면서 상기 광섬유 코일에 접촉하고, 상기 가압부재에 작용하는 외부의 압력이 상기 원형의 플레이트 상면에 작용하는 수직하중이면, 상기 탄성 필름이 중심부를 기준으로 반경 방향으로 균일하게 늘어나면서 상기 복수 개의 광섬유 코일 각각에 균일하게 접촉하고, 상기 가압부재에 작용하는 외부의 압력이 상기 원형의 플레이트 상면에 작용하는 전단력이면, 상기 탄성 필름이 중심부를 기준으로 반경 방향으로 불균일하게 늘어나면서 상기 복수 개의 광섬유 코일 각각에 불균일하게 접촉한다. In addition, the present invention, the case; an annular torus provided inside the case; a circular plate-shaped pressing member provided on one side of the inner space of the torus; a plurality of optical fiber coils surrounding an outer circumferential surface of the torus; and an elastic film provided between the torus and the pressing member, wherein the elastic film does not contact the optical fiber coil in a state in which external pressure does not act on the pressing member, and external pressure is applied to the pressing member. In the working state, the elastic film is in contact with the optical fiber coil while being stretched, and when the external pressure acting on the pressing member is a vertical load acting on the upper surface of the circular plate, the elastic film moves in the radial direction with respect to the center. When uniformly stretched and uniformly in contact with each of the plurality of optical fiber coils, and an external pressure acting on the pressing member is a shear force acting on the upper surface of the circular plate, the elastic film is uneven in the radial direction with respect to the center. While being stretched, it non-uniformly contacts each of the plurality of optical fiber coils.
본 발명은 상기 압력 및 전단센서를 구비한 의료용 압박복이나 기능성 스포츠 의류 및 압박 스타킹을 제공할 수 있다.The present invention can provide medical compression garments or functional sports clothing and compression stockings equipped with the pressure and shear sensors.
본 발명의 상기 구성을 통해, 미소한 압력도 측정이 가능하며 동시에 전단력의 측정도 가능함으로써, 착용자에게 적절한 압력이 전달되는지, 또는 슬립(slip)으로 인한 기능성이 저하되는지 등을 확인할 수 있다. Through the configuration of the present invention, even a minute pressure can be measured and shear force can be measured at the same time, so that it can be confirmed whether appropriate pressure is transmitted to the wearer or whether functionality is deteriorated due to slip.
본 발명은 착용자에게 전달되는 의복압 및 전단력을 높은 민감도로 실시간으로 어디서든 측정이 가능하여, 의료용 압박복 또는 스포츠 웨어 디자인 기술 분야에서 다양하게 활용될 수 있다. 또한, 전단력 측정을 통해 의복과 피부간의 촉각 상호작용의 더 정확한 분석이 가능하며 의복 디자인 기술에서 유용한 효과가 발휘된다. The present invention can measure the clothing pressure and shear force transmitted to the wearer in real time with high sensitivity anywhere, and can be variously utilized in the field of medical compression garments or sportswear design technology. In addition, shear force measurement enables more accurate analysis of the tactile interaction between clothing and skin, and has a useful effect in clothing design technology.
본 발명은 실시간 의복-피부의 촉각 상호작용을 측정하여 착용자의 움직임, 자세, 등에 관한 정보를 제공하며, 운동감각 관련 연구분야에서도 사용될 수 있다.The present invention measures real-time clothing-skin tactile interaction to provide information on the wearer's movement, posture, and the like, and can also be used in kinesthetic related research fields.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서의 개념적인 모습이며,
도 2의 (a)는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서의 광섬유코일의 구조이며, 도 2의 (b)와 (c)는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서에서, 광섬유 코일과 탄성 필름의 접촉으로 인한 광손실이 일어나는 모습을 보여주고 있으며,
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서의 단면도이며, 도 3의 (b)와 (c)는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서에 압력과 전단력이 각각 인가되는 경우의 단면도이며,
도 4는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서가 적용되어 사용되는 사용상태도의 모습이다.1 is a conceptual view of an optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention;
Figure 2 (a) is the structure of the fiber optic coil of the optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention, Figure 2 (b) and (c) in the optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention , showing the optical loss due to the contact between the optical fiber coil and the elastic film,
Figure 3 (a) is a cross-sectional view of the optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention, Figure 3 (b) and (c) are the pressure and shear force of the optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention This is a cross-sectional view when each is applied,
4 is a state diagram showing a state in which the optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention is applied and used.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서의 개념적인 모습이며, 도 2의 (a)는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서의 광섬유코일의 구조이며, 도 2의 (b)와 (c)는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서에서, 광섬유 코일과 탄성 필름의 접촉으로 인한 광손실이 일어나는 모습을 보여주고 있으며, 도 3의 (a)는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서의 단면도이며, 도 3의 (b)와 (c)는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서에 압력과 전단력이 각각 인가되는 경우의 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 광섬유기반의 웨어러블 센서가 사용되는 사용상태도의 모습이다. 1 is a conceptual view of an optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention, and FIG. 2 (a) is a structure of an optical fiber coil of an optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention. (b) and (c) show the optical loss due to the contact between the optical fiber coil and the elastic film in the optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention, and FIG. 3 (a) shows the present invention Figure 3 (b) and (c) are cross-sectional views of the fiber-based wearable pressure and shear force sensor according to the present invention when pressure and shear force are respectively applied, 4 is a state diagram showing a state in which the optical fiber-based wearable sensor according to the present invention is used.
본 발명에서는 광섬유와 탄성체 필름의 접촉으로 인한 광손실을 이용해 낮은 의복압(<10kPa) 및 전단력을 높은 민감도로 측정이 가능하도록 하였다. 유연한 탄성체와 광섬유를 사용하여 착용감과 피부와의 접촉을 향상시켜 더 정확한 측정이 가능한 웨어러블한 센서를 도출하였다. In the present invention, it is possible to measure low clothing pressure (<10 kPa) and shear force with high sensitivity by using light loss due to contact between an optical fiber and an elastic film. A wearable sensor capable of more accurate measurement was derived by using a flexible elastic body and an optical fiber to improve the fit and contact with the skin.
본 발명 센서는 웨어러블 구조를 가진 압력 및 전단력을 감지할 수 있는 압력 및전단센서(이하, 간단히 '센서'라고도 함)로서, 광섬유를 코일 형태로 제작하여 코일의 외부 벤딩 부분(탄성체 필름이 닿는 부분)에 빛이 집중되도록 설계하였다. 외부 압력으로 인한 센서의 탄성체 필름 변형은 광섬유 코일과 접촉하여 빛의 전반사가 일어나지 않아 광손실이 생기도록 설계되었다. 전반사로 클래딩 내에서 전파했던 빛은 이러한 접촉으로 인해 더이상 광섬유로 전파되지 않고 탄성체로 굴절한다. 가벼운 탄성체 접촉만으로 생기는 광손실 기반으로 고민감도 센서 구현이 가능하다. The sensor of the present invention is a pressure and shear sensor (hereinafter, simply referred to as a 'sensor') capable of detecting pressure and shear force having a wearable structure, and an optical fiber is manufactured in the form of a coil to form an external bending part of the coil (the part where the elastic film touches) ) was designed to focus the light. The deformation of the elastic film of the sensor due to external pressure is designed to cause light loss because the total reflection of light does not occur in contact with the fiber optic coil. The light that propagated within the cladding due to total internal reflection no longer propagates through the optical fiber due to this contact, but is refracted through the elastic body. It is possible to implement a high-sensitivity sensor based on light loss caused by only light elastic body contact.
본 발명에서 제안하는 의복압 및 전단력 측정 센서는 광섬유가 토러스 형태의 탄성체 구조를 따라 코일처럼 감겨진 센싱부, 낮은 압력으로도 탄성체 필름이 변형되어 광섬유 코일에 접촉하는 변형부, 그리고 변형부와 센싱부를 고정하는 고정부로 구성된다. The clothing pressure and shear force measurement sensor proposed in the present invention includes a sensing unit in which an optical fiber is wound like a coil along a torus-shaped elastic structure, a deformable unit in which the elastic film is deformed even at low pressure and contacts the optical fiber coil, and a deformable unit and sensing It consists of a fixing part that fixes the part.
본 발명의 상세한 설명을 위하여 도면과 함께 설명한다. For a detailed description of the present invention, it will be described with drawings.
도 1을 참고하면, 본 발명의 센서는, 케이스(301)와, 상기 케이스 내부에 구비되는 환형의 토러스(104)와, 그림에서 보아 상기 토러스(104)의 상측에 구비되는 원형 플레이트 형상의 가압부재(202)를 구비한다. 그리고, 상기 토러스(104)의 외주면을 감싸는 복수 개의 광섬유 코일(101,102,103)과 상기 토러스와 가압부재 사이에 구비되는 탄성 필름(201)을 구비한다. 도 1에서는 광섬유 코일이 편의상 세개가 구비되어 있는데, 이것은 필요에 따라 더 많은 개수의 광섬유 코일이 배치될 수도 있다.Referring to FIG. 1, the sensor of the present invention includes a
본 발명에서 압력 및 전단력을 감지하는 센싱부는 상기 광섬유 코일(101,102,103)이 담당한다. 복수 개의 각 광섬유 코일의 광손실을 측정함으로 압력과 전단력을 구분할 수 있다. 그리고, 각 코일마다 광원과 광도를 측정할 수 있는 광다이오드가 광섬유의 끝에 부착되어 있다. 광섬유 코일은 토러스 형태(환형 고리 형태)의 탄성체 구조(104)에 감겨져 고정이 된다. 상기 가압부(202)와 탄성체 필름(201)은 변형부를 구성하여서, 가압부재(202)로 압력 또는 전단력이 인가되면 탄성체 필름(201)이 변형되면서 상기 광섬유 코일에 닿도록 한다. 케이스(301)은 이러한 변형부분과 센싱부분 등의 구성을 고정하는 구조이며 탄성 수가 높은 탄성체 소재를 사용하는 것이 바람직하다. In the present invention, the
도 2의 (a)를 보면, 광섬유 코일을 구성하는 내부 단면의 구조가 도시되어 있다. 광섬유는 코어(401)과 클래딩(402)으로 구성되었으며 빛의 전반사를 이용하여 코어를 따라 빛을 전파시키는 역할을 한다. 광섬유 코일의 경우는 코어뿐만 아니라 클래딩에서도 빛의 전반사가 가능하다. 클래딩을 따라 전파하는 빛은 탄성체 필름(201)과 광섬유 코일이 접촉 했을 때, 전반사 대신 탄성체 필름(201)으로 굴절하고, 이로 부터 광섬유의 광손실이 생긴다. 그리고, 상기 탄성체 필름(201)이 광섬유 코일에 닿는 면적에 따라 광손실 정도가 달라진다. 도 2의 (b)는 탄성체 필름과 광섬유 코일의 접촉 전이며, 도 2의 (c) 탄성체 필름과 광섬유 코일의 접촉 후의 모습이다. Referring to (a) of FIG. 2, the structure of the internal cross-section constituting the optical fiber coil is shown. The optical fiber is composed of a
도 3의 (b)와 (c)를 보면, 광섬유 코일과 탄성체 필름의 접촉으로 인한 광손실 기반 압력 및 전단력 센서의 작동 원리 상세도를 보여주고 있으며, 도 3의 (b)와 (c)가 각각 가압부재에 압력 인가 후 및 전단력 인가 후의 모습이다. 3 (b) and (c) show detailed views of the operating principle of the optical loss-based pressure and shear force sensor due to the contact between the fiber optic coil and the elastic film, and FIG. 3 (b) and (c) These are the appearances after pressure is applied to the pressing member and after shear force is applied, respectively.
상기 가압부재에 외부의 압력이 작용하지 않는 도 3의 (a) 상태에서는 상기 탄성체 필름(201)은 상기 광섬유 코일에 접촉하지 않고, 상기 가압부재에 외부의 압력이 작용하는 상태에서는 상기 탄성 필름이 늘어나면서 상기 광섬유 코일에 접촉하게 된다. In the state (a) of FIG. 3 in which external pressure does not act on the pressing member, the
그런데, 이때 상기 가압부재(202)에 작용하는 외부의 압력이 상기 가압부재 원의 플레이트 상면에 작용하는 수직하중이면, 상기 탄성 필름이 중심부를 기준으로 반경 방향으로 균일하게 늘어나면서 상기 복수 개의 광섬유 코일 각각에 균일하게 접촉하고, 그 결과 광섬유 각 코일마다 같은 정도의 광손실이 일어난다. However, at this time, when the external pressure acting on the
상기 가압부재(202)에 작용하는 외부의 압력이 상기 원형 플레이트 상면에 작용하는 전단력이면, 상기 탄성 필름이 중심부를 기준으로 반경 방향으로 불균일하게 늘어나면서 상기 복수 개의 광섬유 코일 각각에 불균일하게 접촉하고, 그 결과 특정 광섬유 코일과 필름의 접촉 면적이 더 커지게 되고 그 광섬유 코일에서는 더 많은 광손실이 생긴다. When the external pressure acting on the
본 발명은 이러한 광섬유 코일과 탄성체 필름의 접촉으로 인한 광손실을 기반하여 작동하는 압력 및 전단력을 감지하도록 하였다. 가압부재(202)는 인가된 압력으로 인해 광섬유 코일이 감긴 토러스(104) 사이로 압력의 세기에 따라 들어가게 된다. 동시에 탄성체 필름(201)은 모든 방향으로 균일하게 늘어나며 가압부재(202)가 내려가는(센서 안으로 들어가는) 과정에서 각각의 광섬유 코일(101, 102, 103)에 같은 면적 또는 정도로 닿게 되고 각 코일마다 같은 정도의 광손실이 일어난다. The present invention was made to detect pressure and shear force operating based on light loss due to contact between the fiber optic coil and the elastic film. The pressing
그런데, 전단력이 인가 되었을 경우, 탄성체 필름(201)은 불균일하게 늘어나고 각 코일에 닿는 정도가 달라지게 된다. 도 3의 (c)를 보면, 상기 가압부재에 전단력이 특정 방향 즉, 광섬유 코일(101) 방향으로 가해졌을 때를 본다. 이하 설명 편의상 광섬유 코일 중 101을 광섬유 제1코일이라하고 103을 광섬유 제3코일이라 한다. 가압부재(202)에 전단력이 작용하여 광섬유 제1코일(101)과 가까워지게 되며 탄성체 필름(201)은 광섬유 제1코일(101) 방향 보다 광섬유 제3코일(103) 방향으로 더 늘어나게 된다. 이 과정에서, 필름(202)는 광섬유 제1코일(101)과 닿는 면적이 더 커지며 더 많은 광손실이 생긴다. However, when shear force is applied, the
이와 같이 광손실의 균일 및 불균일 여부와 특정 광섬유 코일에서 더 많은 광손실이 일어는 점을 통해서 가압부재에 작용하는 것이 압력인지 전단력인지 구분이 가능하고 전단력 방향 측정까지 가능하다. In this way, it is possible to distinguish whether pressure or shear force is acting on the pressing member through the uniformity or non-uniformity of light loss and the fact that more light loss occurs in a specific fiber optic coil, and even the direction of the shear force can be measured.
도 4는 의복압의 압력 및 전단력 측정을 위해 본 발명의 센서를 압박복에 사용한 실시 예이다. 의료 또는 스포츠 목적으로 제작되는 기능성 압박복은 특정한 압박을 착용자의 특수 부위에게 전달해줌으로써 제 기능을 할 수 있다. 의료용 압박 스타킹을 예로 들면, 다리 부위에 맞춰 알맞은 압력을 가해 혈액 순환을 도와서 하지 정맥 질환을 예방하는 효과를 발휘하게 할 수 있다. 하지만 가해지는 압력이 목표 압력보다 높거나 낮으면 제 기능을 못하고 심한 경우, 혈액 순환을 방해할 수 있다. 뿐만 아니라, 압력이 가해져야 할 부위가 달라져도 기능이 떨어진다. 본 발명의 센서를 도 4와 같이 특정한 부위에 부착함으로써 그 부위에 가해지는 압력과 전단력을 실시간으로 측정하여 기능성 압박복의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 이와 같은 기능의 본 발명 센서는 다양한 기능을 요하는 기능성 스포츠 웨어 디자인 기술 분야에서도 다양하게 응용이 가능하다. Figure 4 is an embodiment in which the sensor of the present invention is used in a compression garment for measuring the pressure and shear force of the garment pressure. Functional compression garments manufactured for medical or sports purposes can perform their functions by delivering specific pressure to a specific part of the wearer. For example, medical compression stockings can apply appropriate pressure according to the leg area to help blood circulation and exert an effect of preventing lower extremity venous disease. However, if the applied pressure is higher or lower than the target pressure, it may not function properly and in severe cases, blood circulation may be disturbed. In addition, if the area where pressure is to be applied changes, the function deteriorates. By attaching the sensor of the present invention to a specific part as shown in FIG. 4, the performance of the functional compression garment can be improved by measuring the pressure and shear force applied to the part in real time. In addition, the sensor of the present invention having such a function can be variously applied in the field of functional sportswear design technology that requires various functions.
Claims (19)
상기 토러스에 감기는 복수 개의 광섬유 코일;
상기 토러스의 상측에 구비되는 필름; 및
상기 필름의 상측에 구비되는 가압부재;를 포함하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.ring-shaped torus;
a plurality of optical fiber coils wound around the torus;
a film provided on an upper side of the torus; and
Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor comprising a; pressing member provided on the upper side of the film.
상기 광섬유 코일은 상기 토러스의 외주면에 서로 겹쳐지지 않도록 서로 구획된구역에서 감기어 서로 분리된 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 1,
The optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, characterized in that the optical fiber coils are separated from each other by winding in partitioned areas so as not to overlap each other on the outer circumferential surface of the torus.
상기 필름은 탄성체 필름인 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 1,
The film is an optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, characterized in that the elastic film.
상기 복수 개의 광섬유 코일 각각의 일단에는 광원과 광도를 측정할 수 있는 광다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 1,
Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, further comprising a light source and a photodiode capable of measuring light intensity at one end of each of the plurality of optical fiber coils.
상기 토러스의 외측에 구비되어, 상기 토러스 및 광섬유 코일을 내장하는 고정 케이스;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 1,
The optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor further comprising a fixed case provided outside the torus and embedding the torus and the optical fiber coil.
상기 광섬유 코일은 내부의 코어부와 상기 코어부를 감싸는 클래딩부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 1,
The optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, characterized in that the optical fiber coil consists of an inner core portion and a cladding portion surrounding the core portion.
상기 가압부재는 상기 토러스의 내측공간의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 1,
The optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, characterized in that the pressing member is located on the upper side of the inner space of the torus.
상기 가압부재는 원형 플레이트 형상이며, 가압부재 원형의 중심은 상기 토러스의 중심 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 7,
The optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, characterized in that the pressing member has a circular plate shape, and the center of the circular pressing member is located above the center of the torus.
상기 가압부재의 원형 플레이트 직경은, 상기 토러스 내측공간의 직경보다 작은것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 8,
Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, characterized in that the diameter of the circular plate of the pressing member is smaller than the diameter of the inner space of the torus.
상기 가압부재에 수직방향의 압력이 작용하는 경우, 상기 필름은 중심부를 기준으로 반경방향으로 균일하게 늘어나면서 상기 가압부재는 수직방향 하방으로 이동하며, 그 결과 상기 필름은 상기 복수 개의 광섬유 코일과 균일하게 접촉하는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 9,
When a pressure in the vertical direction is applied to the pressing member, the film is uniformly stretched in the radial direction with respect to the center and the pressing member moves downward in the vertical direction. As a result, the film is uniformly formed with the plurality of optical fiber coils. Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, characterized in that in contact.
상기 복수 개의 광섬유 코일에는 동일한 광손실이 일어나는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 10,
Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, characterized in that the same optical loss occurs in the plurality of optical fiber coils.
상기 가압부재에 전단력이 작용하는 경우, 상기 필름은 중심부를 기준으로 반경방향으로 불균일하게 늘어나면서 상기 가압부재는 측방향으로 이동하며, 그 결과 상기 필름은 상기 복수 개의 광섬유 코일과 불균일하게 접촉하는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 9,
When a shearing force acts on the pressing member, the film is unevenly stretched in the radial direction with respect to the center and the pressing member moves in a lateral direction, and as a result, the film is unevenly contacted with the plurality of optical fiber coils. Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor.
상기 복수 개의 광섬유 코일에는 불균일한 광손실이 일어나는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 12,
Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor, characterized in that non-uniform optical loss occurs in the plurality of optical fiber coils.
상기 케이스 내부에 구비되는 환형의 토러스;
상기 토러스 내측 공간의 일측에 구비되는 원형 플레이트 형상의 가압부재;
상기 토러스의 외주면을 감싸는 복수 개의 광섬유 코일; 및
상기 토러스와 가압부재 사이에 구비되는 탄성 필름;을 포함하고,
상기 가압부재에 외부의 압력이 작용하지 않는 상태에서 상기 탄성 필름은 상기 광섬유 코일에 접촉하지 않고, 상기 가압부재에 외부의 압력이 작용하는 상태에서는 상기 탄성 필름이 늘어나면서 상기 광섬유 코일에 접촉하는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.case;
an annular torus provided inside the case;
a circular plate-shaped pressing member provided on one side of the inner space of the torus;
a plurality of optical fiber coils surrounding an outer circumferential surface of the torus; and
Including; an elastic film provided between the torus and the pressing member,
In a state in which external pressure does not act on the pressing member, the elastic film does not contact the optical fiber coil, and in a state in which external pressure acts in the pressing member, the elastic film stretches and contacts the optical fiber coil. Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor.
상기 가압부재에 작용하는 외부의 압력이 상기 원형의 플레이트 상면에 작용하는 수직하중이면, 상기 탄성 필름이 중심부를 기준으로 반경 방향으로 균일하게 늘어나면서 상기 복수 개의 광섬유 코일 각각에 균일하게 접촉하는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 14,
When the external pressure acting on the pressing member is a vertical load acting on the upper surface of the circular plate, the elastic film uniformly contacts each of the plurality of optical fiber coils while being uniformly stretched in a radial direction based on the central portion. Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor.
상기 가압부재에 작용하는 외부의 압력이 상기 원형의 플레이트 상면에 작용하는 전단력이면, 상기 탄성 필름이 중심부를 기준으로 반경 방향으로 불균일하게 늘어나면서 상기 복수 개의 광섬유 코일 각각에 불균일하게 접촉하는 것을 특징으로 하는 광섬유기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서.According to claim 14,
When the external pressure acting on the pressing member is a shear force acting on the upper surface of the circular plate, the elastic film is non-uniformly stretched in the radial direction with respect to the center and unevenly contacts each of the plurality of optical fiber coils. Optical fiber-based wearable pressure and shear force sensor.
A compression stocking equipped with the wearable pressure and shear force sensor based on the optical fiber of claim 1 or claim 14.
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| JP2017075870A (en) * | 2015-10-15 | 2017-04-20 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Force sensor and force detector using the same, force detection system, force detection method |
| KR20200121624A (en) | 2019-04-16 | 2020-10-26 | 한지운 | Smart clothing equipped with fabric-based pressure sensor and falling-response system using the same |
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- 2021-11-03 KR KR1020210149788A patent/KR102617107B1/en active IP Right Grant
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|---|---|---|---|---|
| US20110302694A1 (en) * | 2008-04-03 | 2011-12-15 | University Of Washington | Clinical force sensing glove |
| JP2017075870A (en) * | 2015-10-15 | 2017-04-20 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Force sensor and force detector using the same, force detection system, force detection method |
| KR20200121624A (en) | 2019-04-16 | 2020-10-26 | 한지운 | Smart clothing equipped with fabric-based pressure sensor and falling-response system using the same |
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