1.1 충격흡수성반발탄성시험 1.1.1 개요 선진국에서는수년전부터각종제품에대한품질시험 (Quality Test) 의일환으로 Drop Test 를거쳐서제품의충격성능을검증하고있고, 이러한품질보증에대한요구는소비자나소비자보호단체에서도강력하게요구하고있는실정이다. 특히신발부분에서는소비자의생활의식수준향상으로인하여건강에대한관심이높아지고신발에대해단순발의보호기능에서충격흡수기능등많은기능성을요구하게되었다. 따라서이런충격흡수에대한많은신소재와기능성부품들을개발하여신발의중창에탑재한신발들이많이생산되고있는추세이다. 대표적인제품으로서미국나이키사는에어백을삽입한신발을개발해 10 년이상소비자의구매욕구를충족시키며세계신발시장의구조를바꾸었다. 이신발은보행이나런닝 (Running) 중에발생하는충격을미드솔 (Midsole) 내부에서충격을흡수하도록에어백 (Air-bag) 을부착하였다. 최근에는충격흡수신소재로개발한큐션 (Cushion Ring) 을부착하여만든제품이상품으로개발되어시판되고있다. 그러나이러한제품들이보행이나런닝중에발생하는충격에대해얼마나흡수하며또인체에미치는영향등에관한연구는체계적으로이루어지지않고있다. 보행이나런닝중에발생하는충격은인간의동작형태에따라서매번가하는충격량이변하므로일반적인데이터로활용하기는불가능한경우가많다. 그러므로본연구에서는보행이나런닝중에발생하는충격량을정량적으로구하기위하여자유낙하방식의충격시험기를설계및개발하여시험고찰하였다. 1-0
1.1.2 생체역학이론 가. 보행및런닝과정분석인간이걷거나달리기를할때발에발생하는동작은일반적으로일련의순서로나타난다. 발의시본동작은그림 2-1 과같이먼저발이지면에닿기전에는발목부위가바깥쪽으로향하고있는회전 (Supination) 상태에서발이지면에닿는순간부터발목이안쪽으로향하는내전 (Pronation) 동작이발생하여도약될때까지진행되고도약과동시에외전동작이발생한다. 특히런닝에서는외전동작이우세하게나타나는데이동작은글정적으로는착지시의충격으로자연스럽게완하하는역할을하나그정도가과하면무릎과발목부위에심각한장해를줄수있다. Figure 27 은런닝중발생하는생체역학적측면을나타내었다. Figure 27. 런닝중발생하는생체역학 1-1
나. 런닝중발생하는충격력런닝중신체가받는충격은매보행 (Gait) 시평균적으로몸무게의 2-3 배의힘을받게된다. 충격력을감소시키는방법에는크게 2 가지로볼수있는데첫째가신체의구조및동작이자체에서충격흡수되는방법이다. 인간의근골격계체게 ( 근육, 뼈, 관절및인대 ) 는적당한충격을흡수하는자연스러운충격흡수제의역할을하는구조로볼수있다. 그리고런닝과정에서발생하는내전동작과런닝중무릎을굽히는동작또한충격흡수의효과가있는신체의자연스러운동작이다. 런닝의동작은크게힐 (Heel) 이지면에닿는단계 (Passive) 와 Midfoot 과 Forefoot 이차례로닿은단계 (Active) 로구분할수있다. Figure 28 에서보는것처럼충격력은런닝의동작에따라달라진다. 힐이지면에닿는초기단계는 0.02~0.03 초동안발생하고이단계에서의충격력은몸무게의 2.2 배정도가된다. 그리고이때의충격력은그림에서처럼급격하게증가했다가급격하게감소하는것을볼수있다. 또한 Active 단계 (Propulsive) 는다음스텝을위하여추진력을얻는단계로몸무게의 2.8 배정도의충격력을받는다. 그러나이단계에서의충격력은 Figure 27 에서처럼앞단계의충격력보다완만하게이루어지며내전이나무릎의굴곡과같은자연스러운동작으로흡수가가능하다. 따라서실재로런닝중신체에영향을미치는충격력은 Passive 단계에서발생하는충격력으로신발의힐부분에충격흡수제나기능성부품 ( 에어백, 큐션링 ) 을넣는이유가된다. 도약과착지시발생하는충격력은격렬한운동인배구와농구에서최대몸무게의 7.1 배에서최저 4.1 배정도가발생하는것으로보고되고있다. 또한피로한상태에서의도약후착지했을경우에는신체의자연스러운충격흡수동작이제대로기능을하지못해더큰충격력을받는것으로알려져있다. 런닝시발생하는충격력은충격흡수제가사용된적당한신발로인하여약 2/3 까지감소할수있다고보고되고있다. Figure 28. 런닝과정에서발생하는반발력. 1-2
1.1.3 시험조건 가. 시뮬레이터구성 Figure 29 는 Figure 28 의과정에서발생하는과정을충격흡수측정시스템에서시뮬레이션 (Simulation) 하기위하여나타낸그림이다. 즉압판의자유낙하하중에의하여신발의중창 (Midsole), 바닥창 (Outsole) 이압축되는현상은힐 (Heel) 이 Passive 단계에서발생하는현상과동일하게표현될수있다. 하중은사람의몸무게를의미하며이런과정을설명하기위하여시스템을간략하게개념적으로나타낸것이다. 이들구성은압판, 피충격제 (Outsole, Midsole, Insole), 화형 (Last), L.V.D.T, Ring Force Sensor 로구성된다. 압판 OUTSOLE IN S O LE MIDSOLE LAST LVDT Hydraulic System Figure 29. 충격흡수시뮬레이터개념도. 1-3
(1) 자유낙하시험자유낙하충격시험기의실험은아래 Figure 30 과같이초기상태에서자유낙하를위하여압판을상승상태로시스템을동작시킨후자유낙하를통하여신발에충격을가하게된다. 이때발생하는충격량은화형바닥부분에설치되어있는링포스센서를통하여데이터가획득되고압축거리, 탄성거리측정은 L.V.D.T 를통하여데이터가획득된다. Figure 30. 시스템초기상태및상승정지상태. 1-4
(2) 압축거리및탄성거리 Figure 31 에서는충격시험기의자유낙하시신발의압축상태를나타낸것을원점으로설정한 B 의스프링상태에서충격을받은 B 의스프링상태사이의거리를압축거리라고한다. 또한압축된 A 스프링상태에서복원된 C 스프링상태사이의거리를탄성거리라고한다. 시뮬레이터의자유낙하과정에서발생하는충격량을중창, 안창, 바닥창, 기능성부품 ( 에어백, 규션링 ) 등이흡수하여충격에너지를감쇠시킨다. 감쇠된충격에너지는창내부에서일또는열에너지로변환하여소멸되며, 소멸되는일의양은압축거리에비례하며압축거리가크면클수록소멸에너지가많다. 반면에압축거리전혀없으면완전강체 (Rigid body) 로가정할수있으며만약이런신발은보행중에발생하는충격하중을전혀흡수못하는신발이라고가정할수있다. 즉인간이신발없는상태에서콘크리트바닥을걷거나뛰는상태와비슷하다고가정할수있다. 탄성거리는신발창재료의탄성에의해서결정되며지면반발력을측정할수잇는중요한파라메타이다. 만약탄성거리가전혀없으면신발이창이소성변형 (Plastic deformation) 을일으켰다고가정할수있다. 즉이러한상태는맨발상태에서모랫바닥위를걷는것과유사하다고가정할수있다. 그러나일반적인재료의특성은충격흡수기능과반발탄성기능이완전히충족된소재는물리적으로불가능하며이러한소재의충격흡수기능과반발탄성기능은항상반비례한다. 따라서신발의창을설계할때힐부분은충격흡수기능이우수한소재를선택하고신발의토 (Toe) 부분발의제 1 종족골에서제 5 종족골의전반부분은반발탄성기능이우수한소재를선택하는것이런닝중 Active 과정에서추진력이좋아진다. Figure 31. 충격발생과정에서압축, 탄성거리. 1-5
나. 충격흡수측정시스템충격시험에필요한운동을발생시키기위하여몇가지다른방법이사용된다. 접근방법은일반적으로요구되는에너지를필요한시점까지어떠한형태의위치에너지로저장해두었다가, 원하는시간 - 가속도의관계에따라에너지를방출하는것이다. 이와같은동작을하기위한방법으로는압축공기나유압, 스프링부하, 중력가속도의이용등을들수있다. 그러나이러한시험이의미가있으려면가속도의크기외에다른것들도고려되어야한다는점도일반적으로인식되고있다. 중력가속도를이용한방법이가장널리사용된다. 반면에낙하방식과해머방식의중력장비는낮은에너지영역에속한다. 높은가속도를얻을수도있지만단지짧은시간의범위에서만가능하다. 이러한사실로인해시험대상은비교적낮은속도로움직이게되고낮은에너지를받게된다. 따라서본연구에서는중력장비를선택하게되었다. 여기에는낙하방식과헤머방식이있는데, 헤머방식은넓은면적에충격을가하는시험기구현이까다롭다. 그러나낙하방식은넓은면적에충격을가하는시험기는단지압판의면적을크게하면간단히구현된다. 또한무게의변화 ( 인체의체중 ) 를고려하면해머방식보다는낙하방식이휠씬유연한시스템이다. 이러한장점으로인하여낙하방식의충격시험기를채택하여시스템설계및제작을하게되었다. Figure 32 는본연구과제에서개발한충격시험기의실물사진을나타낸것이다. 충격시험기의구성은압판 (20~81 Kg) 를자유낙하시험할수있는기구부와제어부, 자유낙하시압축거리, 탄성거리를측정하기위한 L.V.D.T, 힘을측정하는 Ring Force Sensor 그리고측정한데이터를화면으로표시하는모니터링부분으로나눌수있다. Figure 32. 충격흡수측정시스템사진. 1-6
다. 시스템설계 충격시험기는푸쉬버턴, 셀렉터스위치, 비상스위치의조합으로써 On/Off 제어를하도록설계되었다. (1) 제어부설계 Figure 33 ~ 35 는제어부의하드웨어를전기시퀀스도면으로서계를나타낸것으로 E.OCR 은유압펌퍼모터보호용릴레이로써모터에전압이불안정할때 ( 정전, 과부하기타등등 ) 접점을차단하여부하와전선의과열을방지하도록설계하였다. 또한자기유지회로 (Self hold circuit) 를사용하여압판의상승 / 하강, 실린더의상승 / 하강, 클램프의클램핑 / 언클램핑, Hydraulic Motor On/Off 등에복귀신호가주어지지않으며현상태를유지하도록설계하였다. 또한압판하강과언클램프가동시에동작하지않도록인터록회로 (Inter-lock circuit) 로설계하고, 안전보호도어를만들어도어개방시에는모든전기적장치가작동되지않도록안전장치를마련함으로써사용자의안전을확보하도록설계하였다. Figure 33. 제어부 (1). 1-7
Figure 34. 제어부 (2). 1-8
Figure 35. 제어부 (3). 1-9
(2) Operating Panel Operating Panel 은 Power On/Off, Emergency Switch, Push Button Switch 의세부분으로구성된다. 아래 Figure 36 은 Operating Panel 의구성을나타낸것이고, Figure 37 은실물사진을나타낸것이다. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) Figure 36. Operating Panel 의구성. 1) Weight Up Push button 2) Off 3) Weight Down Push button 4) Clamp Push button 5) Off 6) Unclamp Push button 7) Redundancy 8) Cylinder Up Push button 9) Off 10) Cylinder Down Push button 11) Power On/Off Select button 12) Hydraulic Motor Start Push button 13) Off 14) Emergency Push button Figure 37. Operating Panel 의실물사진. 1-10
(3) 제어부운전 ( 가 ) Door 를닫는다. ( 나 ) Emergency Switch 를화살표방향으로돌려비상정지상태를해제한다. ( 다 ) Power On/Off Switch 를 On 으로선택한다. ( 라 ) Hydraulic Motor On Switch 를눌러 Pump 를기동한다. ( 마 ) Cylinder Up 또는 Down Switch 를조작하여 Weight 의위치를조정한다. ( 바 ) Clamp Button 을눌러 Weight 를 Clamp 시킨다. ( 사 ) Weight Up Switch 를눌러 Weight 를상승시킨다. ( 아 ) ( 모든 Setting 이완료되었으면 )Unclamp Switch 를눌러 Weight 를자유낙하한다. ( 자 ) Data 를확인한다. 1-11
라. 모니터링시스템구성 Figure 38 은충격흡수모니터링시스템의구성을나타낸것으로압축거리와탄성거리를측정하는변위센서 (L.V.D.T), 자유낙하충격하중을측정하는 Ring Force sensor, Ring Force sensor 의측정값을증폭하는 Signal conditioner. Displacement sensor 와 Ring Force sensor 의출력값은아날로그값이기때문에이를디지털값으로바꾸어주는 A/D Converter, Digital Data 를입력으로수신하여 PC 로데이터를송신하는 Daq Board 및데이터를저장하고디스플레이하는 PC 의여섯부분으로나누어진다. L.V.D.T A/D Converter DAQ Board Ring Force Sensor Signal Conditionor PC Monitoring system Figure 38. 모니터링시스템의구성도. 1-12
(1) Daq Board/2000 구성본충격흡수시스템에서는압판의자유낙하에의하여발생하는충격하중을실시간으로데이터처리가능한 Iotech 사의 Daq board/2000 을사용하였으며이보드를사용하기위한컴퓨터의최소사양은 CPU : PentiumⅢ 566E MHz, RAM : 327680Kbytes SDRAM, OS : Windows 98 second edition 선정하여사용하였다. Iotech 사의 Daq Board/2000 Starter Kit 제품은 PC 의 PCI Bus-Slots 를이용한데이터획득솔루션입니다. 이제품솔루션은 PCI board 인 Daq Board/2000, DaqView2000 Software, DBK202 와케이블이포함된 DBK202 로구성되어져있다. ( 가 ) DaqBoard/2000 의특징 1 16-bit, 200-kHz A/D converter 2 8 differential or 16 single-ended analog inputs (software selectable per channel) 3 Expandable up to 256 analog input channels, while maintaining 200-kHz (5 s per channel) scan rate 4 100% digital calibration 5 512 location channel/gain FIFO, capable of scanning all channels, including 256 analog expansion channels and digital/counter channels, at 5 s per channel 6 Trigger modes include analog, digital, and software, with <5 s latency 7 Virtually infinite pre-trigger buffer** 8 Two 16-bit, 100-kHz analog outputs with infinite continuous waveform output capability 9 40 digital I/O lines, can be scanned synchronously or asynchronously with analog inputs 10 Digital I/O is expandable up to 208 lines, including optional isolation and relay closure 11 Four counter/pulse input channels can be scanned synchronously or asynchronously with analog inputs 12 Two timer/pulse output channels 1-13
( 나 ) DaqBoard/2000 의설치 DaqBoard/2000 의 install 장면을 Figure 39 에나타내었다. 1 PCI Bus-slots 을활용한설치가호스트 PC 의전원을끄고모든케이블을제거한다. 나 PC 의 cover 를연다. 다보드를장착할 PCI bus-slot. 을선택한다. 라밀봉된 DaqBoard/2000 Series Board 를개폐한다. 마 Blank adapter plate 의나사를제거한다. 바 Blankadapter plate 를 PC 에서떼어낸다. 사 PCI slot 에보드를끝부터라인에맞게배열한다.. 아 PCI slot 에보드를고정시킨다. 자나사로보드를완전히고정시킨다. 차 DaqBoard/2000. 이아닌사용할다른보드를장착한다. 카 PC 의 cover 를덮어씌운다. 타제거한모든케이블을연결한다. 파 PC 에전원을넣고부팅을시작한다. 하 CD 안에들어있는 Driver 를설치한다. Figure 39. PC PCI Slot. 1-14
(2) Configure Boards DaqBoard/2000 Series Boards 설정할점퍼나스위치가없고소프트웨어를이용하여설정한다. 아래의 Figure 40, 41 을참조하여설정한다. Figure 40. Drive 설정 (1). Figure 41. Drive 설정 (2). 1-15
( 가 ) 아래의경로와같이제어판에서 Daq Configure 를실행합니다. Start Settings Control Panel Daq*Configuration (double-click) ( 나 ) "Add Device" 버튼을누르면선택할디바이스가나옵니다. 디바이스선택창이뜨면 DaqBoard/2000 을선택을하면 'Properties' 창이뜨게됩니다. ( 다 ) 텍스트창에서 "Device Name" 을기입하거나디폴트로설정된 "DaqBoard2K0." 를그대로사용합니다. ( 라 ) "Device Type" 콤보박스는현재 PCI slot 에연결된보드가어떤것인지를보여줍니다. 비활성되어있는 DaqBoard/2000 을볼수가있습니다. ( 마 ) "DaqBoard/2000 Series" 콤보박스는 "Bus #, Slot #, and Serial Number." 를보여준다. 이박스가비어있다면풀다운리스트를통해보드와일치되는시리얼넘버를선택한다. "Add Device" 버튼을사용할경우 PCI slot 에연결된보드를선택하는방법이다.(step 2 의 2 번방법에설명되어져있음 ). (A) Daq Configuration 제어판에서 "Add Device" 버튼을누르면 "Select Device Type" 창이나타난다. (B) "Device Type" 의풀다운리스트에서 "DaqBoard/2000 을누른다. (C) "OK" 버튼을누르면 DaqBoard/2000 설정탭이사라진다. 1-16
(3) Test Hardware DaqBoard/2000 Series board 를테스트하기위해서아래의단계를수행한다. ( 가 ) Daq* Configuration 창에서 "Test Hardware" 탭을선택한다. ( 나 ) "Resource Test" 버튼을누른다. ( 다 ) 테스트가성공적으로끝나면, "OK." 버튼을누른다. 시스템은테스트한결과를 Figure 42 와같이보여줄것이다. Figure 42. Test 화면. 1-17
마. L.V.D.T 구조 L.V.D.T 는압판의인디게이터에접촉하여길이변위의측정을위해제작된센서이다. 그구조는 Figure 43 에나타내었다. 측정원리는 Figure 44 와같이접촉한면의변위에따라 Core 가움직이게되고내부 Coil 의자기장안에서의코일의변위를일정한전기신호로변환시킨다. 여기에서는본시스템에사용한 Solartron's Displacement Transducers 사의 L.V.D.T 의개괄적인설명을나타낸다. L.V.D.T 사용시 range 조정이중요하다. 이는가변저항을조절하여조절이가능하다. Figure 43. L.V.D.T 구조. Figure 44. L.V.D.T 의동작원리. 1-18
(1) L.V.D.T 측정원리 Figure 45 에 L.V.D.T 의측정원리를나타내었으며, Core 가중심점에있을때일차측 (Ve) 과이차측은같으며따라서 VA=VB 이고출력 V0=0 이된다. Core 가이동하면이동변위에비례하여 VA 가 VB 와달라지고, 따라서영점으로부터양쪽방향으로의변위에비례하여 V0 의크기? 위상이변한다. Core 가중심위치에있을때, 두개의 Signal VA 와 VB 는같고여기신호 Ve 는중간이된다. 대표적으로 Half-Bridge Transducer 는 Wheastone Bridge 회로의절반의형태이며, 영점으로부터의변화를즉시감지할수있다. 두가지 Type 의 Transducer 는사인파 AC 여기전압으로작동하며출력의변화는 Core 의변위와여기신호에의해변화한다. 이관계는감도라고표시되며 mv output/v energ ising/mm travel 로표기한다. Figure 45. L.V.D.T 의측정원리. 1-19
(2) 변위센서의용어설명여러가지환경조건에따라 L.V.D.T., Half-bridge 타입의다양한종류가있다. A. 측정범위 (Measuring Stroke) : Probe 의 Calibration 된측정범위이며예를들어 1 mm와같이영점에서양쪽방향의거리를표시한다. Probe 의선형성이나감도는 Calibration 된범위내에서만적용된다. B. 총행정또는총범위 (Total Stroke or Full Range) : 총 Calibration 된측정범위의크기이며, 예를들어 1 mm이면, 총범위는 2 mm이다. C. 영점으로부터의바깥쪽행정 (Outward Travel from Zero) : Core 의전기적영점으로부터 Tip 쪽으로의이동량의크기를말한다. 이것은일반적으로 Calibration 된이동량보다크고, 예를들어 1 mm의측정범위일경우바깥쪽행정은 1.15 mm라고하며, Calibration 된범위로부터 0.15 mm의추가행정이주어진다. D. 영점으로부터의안쪽행정 (Inward Travel from Zero) : Core 가전기적영점으로부터 Cable 쪽으로의이동량의크기를말한다. 이것은일반적으로 Calibration 된이동량보다크고, 예를들어 1 mm의측정범위일경우안쪽행정은 1.35 mm라고하며, Calibration 된범위로부터안쪽으로 0.35 mm의추가행정이주어진다. E. 전행정 (Pre-Travel) : 바깥쪽행정끝위치에서측정범위가시작되는지점까지의이동량의크기이다. 어떤형태의 Probe 는사용자가조절가능하며, 영점으로부터바깥쪽측정범위를효과적으로조절할수있다. F. 후행정 (Over-Travel) : Calibration 된측정범위끝에서부터완전한안쪽위치 ( 정지점 ) 까지의이동량의크기이다. G. 반복정밀도 (Repeatability) : 정상적이고, 평탄한표면위에서, 같은작업자가, 짧은시간안에, 같은기기와환경하에서연속적으로측정할때그측정값들의차를말한다. 측정값은일정한방식의 Tip 의왕복운동 ( 팽창과수축 ) 으로얻어지며, 일반적으로마이크로미터? 표시된다. 1-20
H. 선형성 (Linearity) : 이정의는기계적입력에대한정비례의이상출력에 Probe 의전기적출력이얼마나근접한지를나타낸것이다. 현재두가지정의가이용된다. (a) 측정값 : 이것은오차한계안에서이상적인비례관계와의편차를나타내오차로측정값이라고한다. 이 ( Reading) 정의는최대측정치의 20 에최소로근접한현재측정된값의이며, 따라서, 1 mm의 Probe 의경우규정된선형성이측정값의 0.5% 일경우오차한계는 2mm * 0.0005 = 0.002 mm 이다. 이오차는감도오차도포함한다. Solatron Probe 는다음의규칙을사용한다. 표준단위 : 오차한계는표준감도에준한다. 특수단위 : 오차한계는실질적감도에준하는데, 이것은교정표에기록되어있다. Conditioning Electronics 는최고의효율을얻을수있도록조절되어야한다.) (b) 총범위 : 측정된특성이원점을통과하는정비례직선 ( 이상직선 ) 과양이나음으로, 얼마만큼의편차를 (% Full Range) 가지는지를의미하며, 오차의크기는총범위에대한 % 로표시되며, 이러한오차는곡선이원점을지나지않는비대칭오차도포함하지만, 감도오차는포함하지않는다. 1 mm의총범위선형성이 0.3% Probe 의이상직선과의비선형오차는다음과같다. 실제로오차는일반적으로 Full Scale 보다원점부근에서작다. Conditioning Electronics 는감도에맞게조절되어야한다. 1-21
I. 감도 : 여기입력과기계적이동에의한출력의크기를말한다. 큰변위또는큰여기전압은큰출력을만들며, 따라서, 감도는mV /V/ mm로표시된다.linearity 가 "% 측정값 " 으로표시되는곳에서는어떠한감도오차도 % 측정값오차에합하여지며,linearity 가 "% 총범위 " 로표시되는곳에서감도는이상직선의기울기이고오차는정비례직선과의편차를말한다. J. 탄성계수 : Probe 의 Tip 의힘은수평으로측정된다. 만일 Probe 가수직으로사용된다면, 구동 part 의무게를더하거나빼야한다. Gaiter 의효과도이값에포함된다. K. 여기값 : Transducer 의여기신호에관련된세가지요소가다음에구체적으로기술되어져있다. 주의해야할것은 Probe 의구동 Spec 은여기값들이 Calibration 으로사용될때이용된다. (a) 여기전압 : 이범위에전압들은 Probe 를작동시키기위하여공급된다. Sign 파의 Volt rms 로표시된다. (b) 여기전류 : Probe 를여기시키기위한전류이다. 이것은여기전압과비례하며, 따라서, ma /V 로표시되고, 여기주파수에따라변화한다. (c) 여기주파수 : 사용되는여기전압의주파수의범위이다. L. 입출력위상차 : 여기값과출력신호사이의차이이며 "c" 로표시되며, 원점에서안쪽방향의이동량이다. 양의도형은안쪽방향에서출력이여기신호보다앞서는것을나타낸다. 위상차는영점에서외부 ( 바깥쪽 ) 방향에서는반전된다. 이도형은여기주파수에의거한다. M. 영위상주파수 : 입출력위상차가최소일때여기주파수이다. N. 최소잔류전압 : 영점에도달했을때, 최소출력전압이다. O. 표준화 : 실제 Transducer 출력을규격화된 Calibration 값에맞추는공정이다. 표준화된 Transducer 는일반적으로비표준화된 Transducer 보다좁은감도편차를갖고있다. 1-22
바. Force Sensor 본연구에서는 PCB Piezotronics 사의 Force Sensor 와 signal conditioner 를사용하고있다. 세부적인내용은제품의매뉴얼에상세히기술되어있으며본보고서에서는시스템에서사용한 Force Sensor 의개괄적인설명을하였다. 1-23
(1) Force Sensor 의개요주로아주빠른동적인하중에대한신호를측정하고자할때사용하는것으로서내부의감지소자는압전소자방식 (Integrated Circuit Piezotronics) 으로되어있다. 따라서 ICP 혹은 Charge 방식의 Amplifier 를사용해야한다. 본시스템에쓰인센서종류는 Force Ring 타입으로제작되었다. (2) 시스템에서사용한 ICP 의 Force Sensor DataSheet Force sensor 의특징을 Table 5 에나타내었다. ( 가 ) Model 201B05 ( 나 ) Product Type: Force Sensor and Load Cell ( 다 ) ICP quartz force ring, 5000 lb compression, 1 mv/lb 1-24
Table5. Force Sensor 의특징. 1-25
사. 신발용낙하충격흡수 Test 데이터획득모니터링프로그램본프로그램은 IOTech 사의 Daq2000 board 를이용한신발충격흡수시스템에서측정된데이터를가공하여사용자가보기쉽게 Visual C++ 을이용한 GDI 로구성되어진다. 본프로그램을설치, 실행하게되면 Figure 46 과같이 Daq2000 board 를먼저찾게된다. 보드가올바르게장착이되어있다면메인화면으로넘어가게되고그렇지않을경우프로그램실행을종료하게된다. Figure 47 과같은메인화면으로넘어오게되면충격시험할기본적인 Setting value(weight, height, tuning, reference) 를입력하고, 보드를통한데이터획득에필요한 Scan count 와 Sampling frequency rate[hz] 를정하고 Start 버튼을누르면 Standing by... 에서 Data Acquiring 으로바뀜과동시에 Figure 48 과같이데이터를스캔, 가공하여 6 개의작은그래프창을통해각각의 x 축과 y 축에해당하는목적에맞는모니터링을가능하게합니다. 오른쪽하단의작은 LED 는실행중임을표시하기위한지시기입니다. Figure 46. Detected Device Daq2000 Board. 1-26
Figure 47. Monitoring Program Main Windows. Figure 48. Monitoring Program Main Windows. 1-27
Figure 48 에서각각의창에대한설명은다음과같다. (1) 충격흡수시스템에설치된 L.V.D.T 를통해서획득한데이터를 X 축 (Time), Y 축 ( 압축거리 ) 으로그래프를표시한다. (2) 충격흡수시스템에설치된 L.V.D.T 를통해서획득한데이터를 X 축 (Time), Y 축 ( 탄성거리 ) 으로그래프를표시한다. (3) 충격흡수시스템에설치된 Force Sensor 를통해서획득한데이터를 X 축 (Time), Y 축 ( 하중 ) 으로그래프를표시한다. (4) 충격흡수시스템에설치된두개의센서인 L.V.D.T 와 Force Sensor 를통해서획득한데이터를 X 축 (L.V.D.T 데이터 : 압축거리 ) 과 Y 축 (Force Sensor 데이터 : 하중 ) 으로그래프를표시해줍니다. (5) 충격흡수시스템에설치된두개의센서인 L.V.D.T 와 Force Sensor 를통해서획득한데이터를 X 축 (L.V.D.T 데이터 : 탄성거리 ) 과 Y 축 (Force Sensor 데이터 : 하중 ) 으로그래프를표시해줍니다. 1-28
바. 이그래프는 L.V.D.T 의 Reference value 를조정하기위한것이다. 또한 6 개의창중에하나를클릭하게되면 Figure 49 와같이모니터링창이확대가되어더욱자세한그래프내역을볼수있다. 마지막으로 Figure 50 과같이 Weight 의자유낙하완료 ( 압축거리, 탄성거리데이터획득 ) 시자동적으로프로그램작동이멈추게되어그래프그리기가멈추어지고해당작업폴더에각각의내용에맞는 x 축대 y 축의데이터가파일로저장이되어진다. 따라서이후에이데이터를분석하기가용이하도록설계하였다. Figure 49. 그래프확대모니터링창. 1-29
Figure 50. 자유낙하완료시 Monitoring program. 1-30
아. 충격흡수해석알고리즘신발충격시험기는 Figure 51 에서충격하중을정하여자유낙하시키고이의반발높이를측정하며동시에충격력을측정하는구조로되어있다. 반발높이는 L.V.D.T 로측정하며충격력은 ICP 사의 Force Sensor 로측정한다. 여기서, H1: 낙하물체 (MKg) 와신발간의초기높이 H2 : 낙하물체 (MKg) 와신발간의충돌후탄성 (k) 에의한반발높이 x : 낙하물체 (MKg) 와신발간의충돌후점핑지수 (kd) 에의한압축거리이다. 신발에하중을자유낙하시키면반발력을일으키고나머지는신발이흡수하여내부마찰에너지로흡수한다. 자유낙하에너지 V1 과반발에너지 V 2 그리고내부마찰에너지 V(1-2) 로모델링된다. V 1 =m g h 1 ( 식 5) V 2 =m g h 2 ( 식 6) V (1-2) =m g (h 1 -h 2 ) ( 식 7) Figure 51. 충격흡수알고리즘구조. 1-31
1.1.4 시험방법 충격흡수시험기의시뮬레이터에서는단한번의자유낙하측정에서하중에대한압축거리, 탄성거리는 L.V.D.T 를이용하여변위를측정하고, 충격시간에대한하중의변화는 Ring Force senser 에의해서데이터를획득한다. 낙하하중변화는압판에가하는 Weight 를조합煞 臼? 설정하기로하였다. 가압하중에하중변화는압판을지지 Frame 과결합시키고, 유압시스템을가동 (Up/Down) 하여 Ring Force sensor 를이용하여하중만을측정하는방식을선택하였다. 1-32
가. 하중 - 압축거리 / 탄성거리 Figure 52 에나타낸것처럼유압시스템을작동하여실린더를상승시켜서 Ring Force sensor 가슬라이트프레임과밀착되게하고, 자유낙하물체에원하는 Weight 를조정하고, 자유낙하물체를원하는높이로상승하여자유낙하시 L.V.D.T 에서압축거리, 탄성거리를측정하? 슬라이드프레임에접촉된 Ring Force Sensor 에서는자유낙하한충격량에대한하중변화를획득한다. 이실험에서는 Weigh 의자유낙하여신발에충격을가하는순간즉런닝중 Passive 시점의하중에변화에따른신발창의압축거리를구할수가있고, 여기서구한하? 압축거리그래프가나타내는것은완전한강체에 Weight 에충돌하는하중과비교하여그값의차이가충격흡수량이다. 또하중변화와압축거리의표현되는일의양은마찰에너지또는열에너지로변환하여신발내부에서손실된다. 탄성거리는 Weight 가신발에충돌하고압판의충격량이서서히줄어들어최고압축거리에서일시정지한다. 이때신발에가해지는하중은 Weight 의자중뿐이다. 정지후신발창의탄성에의해반발하며이반발력이 Weight 에전달되어밀어내치게된다. 이과정은런닝중 Active 과정에서발생하는반발력과비교검토할수있다. 실제사람이보행에서액티브과정의하중은무릅, 허리, 근골격계에서흡수되어실제로나타나는것은아주미미하다. 그러나시뮬레이터에서반발탄성을흡수할수있는것은직선가이드베어링의마찰저항과, 중력만작용함으로많이튀어오르는경향이있다. Figure 52. 실린더상승및하강비교모습. 1-33
나. 하중 - 압축거리 Figure 53 에나타낸것처럼유압시스템을작동하여실린더를 Up 시켜서 Ring Force sensor 를슬라이드프레임과밀착하고, 압판을좌우에설치된가이드포스트에보울트로고정한다. 이때술라이트프레임에접촉된 Ring Force Sensor 을지지로하여유압실린더를상승시키면, 하중 - 압축변화의그래프가생성된다. 이실험모드에서는런닝중 Passive 과정에서 Active 과정으로전환할때의하중변화와신발창압축거리를측정한다. Figure 53. 하중 - 압력거리. 1-34
다. Weight 설정본연구에서는사용하는 Weight 는최소 20 Kg( 압판무게 ) 와 Figure 54 에나타낸것처럼 weight 3, 5, 8, 10, 15, 20 Kg 의조합으로써 Weight 무게를조정할수있다. 즉최소 20 Kg 에서최대 81 Kg 까지조정가능하다. 따라서실험에서는정상성인 60 Kg 의체중의낙하무게를 30 Kg 으로가정하였다. 이러한이유는시뮬레이터에서는사람의근골격근계와같은인체의충격흡수기능이없는것을고려하여정상치수 1/2 로선정하여충격시험을하였다. 낙하높이는 Figure 55 에서나타낸것처럼신발에라스트를삽입하여받침대의높이를조정하여신발의충격면을수평으로조정하고난후고정대에단단히체결하여고정한후낙하물체의최고점상승시위치에서신발사이의거리로써 925 mm 으로조정된다. 신발의 Out/Mid/In-sole 의높이가신발마다다르기때문에충격시험할때높이를조정및설정해주어야만한다. 3kg 5kg 8kg 10kg 15kg 낙하높이 20kg Figure 54. Weight 설정. Figure 55. 낙하높이설정. 1-35
1.2 충격흡수성반발탄성시험결과 Table 24. L.V.D.T 데이터 1.2.1 충격흡수성반발탄성시험시간 [sec] L.V.D.T[mm] 실험은자유낙하와하중두가지모드를이용하였으며, N 사의신발은 Air-bag 이장착된 air-max 를 R 사는 Out-sole 을이용하였으며, 신발의크기는 270 mm 였다. 1. Test Date : 2002 년 11 월 25 일 (N 사 ) 시험조건 : Weight ; 38 Kg, Height ; 925 mm 0.001 2.41879 0.002 5.4859 0.003 7.863292 0.004 10.62369 0.005 13.68928 0.006 15.07939 0.007 15.60279 0.008 15.51428 0.009 14.7971 0.01 13.86628 0.011 12.79966 0.012 11.16387 0.013 9.880566 0.014 7.906018 0.015 6.3099 0.016 4.295679 0.017 2.437101 0.018 0.137532 0.019-1.98045 0.02-3.84056 0.021-5.78611 0.022-6.13097 0.023-6.21032 0.024-6.427 0.025-7.03432 0.026-7.60654 0.027-7.48752 1-36
Figure 124. 모니터링프로그램 1-37
Table 24 는 L.V.D.T 에서수신한데이터를표시한것이고, Figure 124 는충격시험완료시의모니터링프로그램전체화면을나타낸것이다. 충격시험을할경우에분석에필요한데이터는 1 차충격시의압축거리와탄성거리이므로, 모니터링프로그램에서 2 차이상의충격시데이터는수신하지않도록설정하였다. Table 25. 시간의변화에따른압축거리 시간 [sec] 압축거리 [mm] 0.001 2.41879 0.002 5.4859 0.003 7.863292 0.004 10.62369 0.005 13.68928 Figure 125. 압축거리 - 시간. 1-38 0.006 15.07939 0.007 15.60279
Table 25 와 Figure 125 는시간의변화에따른압축거리를표시한것이다. 최대압축거리에도달하는시간은 7 ms 이고, 최대압축거리는 15.60279 mm 이며, 전체적으로압축거리가선형적으로변화하였다. 이는신발에충격을가하였을경우순식간에안정적으로압축이되었다는것을의미한다. 아래의 Table 26 과 Figure 126 은시간의변화에따른탄성거리를표시한것으로최대탄성거리에도달하는시간은 18 ms 이고, 최대탄성거리는 23.12082 mm 이며, 탄성거리가안정적으로변화하였다는것을알수있다. 이는신발에충격을가하였을경우충격에의해신발이압축된상태에서원래의상태로복원하는데인체에큰무리없이복원되었다는것을의미한다. Table 26. 시간의변화에따른탄성거리 시간 [sec] 탄성거리 [mm] 0.008 15.51428 0.009 14.7971 0.01 13.86628 0.011 12.79966 0.012 11.16387 0.013 9.880566 0.014 7.906018 0.015 6.3099 0.016 4.295679 0.017 2.437101 0.018 0.137532 0.019-1.98045 0.02-3.84056 0.021-5.78611 0.022-6.13097 0.023-6.21032 0.024-6.427 0.025-7.03432 0.026-7.60654 1-39
Figure 126. 탄성거리 - 시간. 1-40
다음 Table 27 과 Figure 127 은시간의변화에따른하중을표시한것으로최대하중에도달하는시간은 6 ms 이고, 최대하중은 25260715[N] 이었다. 신발에충격이가해지는순간은전체적으로하중을받는시간은 9 ms 로이해할수있으며, 이시간대에충격시의모든에너지를흡수하는것으로판단할수있다. Figure 127. 하중 - 시간. Table 27. 시간의변화에따른하중 시간 [sec] 하중 [N] 0.001 5203343 0.002 6443078 0.003 11576772 0.004 19716730 0.005 24657943 0.006 25260715 0.007 19452067 0.008 11641355 0.009 2323712 0.01-2242667 0.011-5085574 0.012-6313912 0.013-6294917 0.014-7399156 0.015-8303314 0.016-8689544 0.017-8681946 0.018-8693343 0.019-8089305 0.02-7547316 0.021-6953408 0.022-5783321 0.023-5141292 0.024-4618299 0.025-3653357 0.026-2927751 0.027-2218607 Figure 127. 하중 - 시간. 1-41
Table 28 과 Figure 128 은압축거리에따른하중변화를나타낸것으로최대압축거리는선형적으로변화하는데비하여하중은마지막부분에가서감소하는것을알수있다. 이것은신발에충격이가해지면최대압축거리바로직전까지하중이증가하면서충격을흡수하고, 마지막최대압축거리에서반발하는특징을지니고있는것으로알수있다. Table 28 압축거리에따른하중변화 압축거리 [mm] 하중 [N] 2.41879 5203343 5.4859 6443078 7.863292 11576772 10.62369 19716730 13.68928 24657943 15.07939 25260715 15.60279 19452067 Figure 128. 하중 - 압축거리. 1-42
그리고, Table 29 와 Figure 129 는탄성거리에따른하중변화를나타낸것으로탄성거리가 1.5 mm 정도변함에따라서신발에하중이거의걸리지않음을알수있다. 이는충격시신발의압축거리가약 15 mm 정도인데비하여그변화가굉장히작음을알수있다. 이는신발의복원력이뛰어나다는것을나타내어주는것으로판단할수있다. Table 29. 탄성거리에따른하중변화 탄성거리 [mm] 하중 [N] 15.51428 11641355 14.7971 2323712 13.86628-2242667 12.79966-5085574 11.16387-6313912 9.880566-6294917 7.906018-7399156 6.3099-8303314 4.295679-8689544 2.437101-8681946 0.137532-8693343 -1.98045-8089305 -3.84056-7547316 -5.78611-6953408 -6.13097-5783321 -6.21032-5141292 -6.427-4618299 -7.03432-3653357 -7.60654-2927751 Figure 129. 하중 - 탄성거리. 1-43
2. Test Date : 2002 년 11 월 25 일 (R 사 ) 시험조건 : Weight ; 20 Kg, Height ; 925mm R 사의신발을시험한결과 N 사와유사하였으나, Air-bag 이장착된 N 사의신발보다충격흡수능력이떨어지는것을알수있었으며그결과를 Table 30 ~ 35, Figure 130 ~ 135 에각각나타내었다. Table 30. L.V.D.T 데이터시간 [sec] L.V.D.T[mm] 0.001 0.217826 0.002 1.10744 0.003 2.029099 0.004 2.872936 0.005 3.638951 0.006 4.314936 0.007 4.659795 0.008 4.963454 0.009 5.073321 0.01 4.929884 0.011 4.456847 0.012 3.831217 0.013 3.048418 0.014 2.285455 0.015 1.554537 0.016 0.675604 0.017-0.09346 0.018-0.8198 0.019-1.54462 0.02-2.27706 0.021-2.96983 0.022-3.63514 0.023-4.27297 0.024-4.86198 0.025-5.47388 0.026-5.99574 0.027-6.49472 0.028-7.00743 0.029-7.48199 0.03-7.93214 0.031-8.33194 1-44
Figure 130. 모니터링프로그램. 1-45
Table 31. 시간의변화에따른압축거 시간 [sec] 리압축거리 [mm] 0.001 0.217826 0.002 1.10744 0.003 2.029099 0.004 2.872936 0.005 3.638951 0.006 4.314936 0.007 4.659795 0.008 4.963454 0.009 5.073321 Figure 131. 압축거리 - 시간. 1-46
Figure 132. 탄성거리 - 시간. 1-47 Table 32. 시간의변화에따른탄성거리 - 시간 시간 [sec] 탄성거리 [mm] 시간탄성거리 0.01 4.929884 0.05-15.8654 0.011 4.456847 0.051-16.398 0.012 3.831217 0.052-16.8298 0.013 3.048418 0.053-17.2143 0.014 2.285455 0.054-17.5775 0.015 1.554537 0.055-17.8598 0.016 0.675604 0.056-18.104 0.017-0.09346 0.057-18.31 0.018-0.8198 0.058-18.4763 0.019-1.54462 0.059-18.664 0.02-2.27706 0.06-18.7998 0.021-2.96983 0.061-18.931 0.022-3.63514 0.062-19.0775 0.023-4.27297 0.063-19.2148 0.024-4.86198 0.064-19.3491 0.025-5.47388 0.065-19.4849 0.026-5.99574 0.066-19.6207 0.027-6.49472 0.067-19.8038 0.028-7.00743 0.068-19.9564 0.029-7.48199 0.069-20.138 0.03-7.93214 0.07-20.3379 0.031-8.33194 0.071-20.5241 0.032-8.71494 0.072-20.7377 0.033-9.08727 0.073-20.9544 0.034-9.40466 0.074-21.168 0.035-9.69916 0.075-21.3801 0.036-9.95399 0.076-21.5876 0.037-10.2012 0.077-21.7799 0.038-10.4789 0.078-21.963 0.039-10.7643 0.079-22.1416 0.04-11.0389 0.08-22.317 0.041-11.3639 0.081-22.4773 0.042-11.7531 0.082-22.6238 0.043-12.1925 0.083-22.7504 0.044-12.6534 0.084-22.842 0.045-13.1569 0.085-22.9381 0.046-13.7185 0.086-23.0098 0.047-14.2602 0.087-23.0831 0.048-14.7958 0.088-23.1105 0.049-15.3329 0.089-23.1258 0.09-23.1258
Figure 133. 하중 - 시간. Table 33. 시간의변화에따른하중 시간 [sec] 하중 [N] 시간 하중 시간 하중 0.001 1333444 0.032 812982.7 0.062 668621.3 0.002 1425886 0.033 766128.6 0.063 654691.7 0.003 1628498 0.034 714209.1 0.064 748400 0.004 1738669 0.035 844640.9 0.065 663556 0.005 2012196 0.036 778791.8 0.066 648360 0.006 1715875 0.037 767394.9 0.067 702812.1 0.007 1456277 0.038 790188.8 0.068 628098.8 0.008 1147293 0.039 716741.8 0.069 691415.2 0.009 733204 0.04 761063.2 0.07 664822.3 0.01 333044.3 0.041 647093.7 0.071 655958 0.011 205145.2 0.042 628098.8 0.072 714209.1 0.012 35457.19 0.043 676219.3 0.073 655958 0.013 3798.985 0.044 598973.2 0.074 628098.8 0.014-36723.5 0.045 625566.1 0.075 655958 0.015-139296 0.046 625566.1 0.076 581244.6 0.016-132964 0.047 588842.6 0.077 638229.4 0.017-143095 0.048 685083.6 0.078 602772.2 0.018-170954 0.049 604038.5 0.079 571114 0.019-59517.4 0.05 610370.2 0.08 625566.1 0.02-75979.7 0.051 653425.3 0.081 568581.4 0.021-89909.3 0.052 588842.6 0.082 587576.3 0.022 126632.8 0.053 640762.1 0.083 602772.2 0.023 162090 0.054 617968.2 0.084 554651.7 0.024 329245.3 0.055 600239.6 0.085 625566.1 0.025 410290.3 0.056 685083.6 0.086 605304.9 0.026 429285.3 0.057 601505.9 0.087 579978.3 0.027 601505.9 0.058 628098.8 0.088 661023.3 0.028 597706.9 0.059 681284.6 0.089 604038.5 0.029 634430.4 0.06 625566.1 0.09 623033.5 0.03 748400 0.061 711676.4 0.091 644561.1 0.031 711676.4 1-48
Table 34. 압축거리에따른하중변화 압축거리 [mm] 하중 [N] 0.217826 1333444 1.10744 1425886 2.029099 1628498 2.872936 1738669 3.638951 2012196 4.314936 1715875 4.659795 1456277 4.963454 1147293 5.073321 733204 Figure 134. 하중 - 압축거리. 1-49
Figure 135. 하중 - 탄성거리. 1-50 Table 35. 탄성거리에따른하중변화탄성거리 [mm] 하중 [N] 탄성거리 [mm] 하중 [N] 4.929884 333044.3-16.398 653425.3 4.456847 205145.2-16.8298 588842.6 3.831217 35457.19-17.2143 640762.1 3.048418 3798.985-17.5775 617968.2 2.285455-36723.5-17.8598 600239.6 1.554537-139296 -18.104 685083.6 0.675604-132964 -18.31 601505.9-0.09346-143095 -18.4763 628098.8-0.8198-170954 -18.664 681284.6-1.54462-59517.4-18.7998 625566.1-2.27706-75979.7-18.931 711676.4-2.96983-89909.3-19.0775 668621.3-3.63514 126632.8-19.2148 654691.7-4.27297 162090-19.3491 748400-4.86198 329245.3-19.4849 663556-5.47388 410290.3-19.6207 648360-5.99574 429285.3-19.8038 702812.1-6.49472 601505.9-19.9564 628098.8-7.00743 597706.9-20.138 691415.2-7.48199 634430.4-20.3379 664822.3-7.93214 748400-20.5241 655958-8.33194 711676.4-20.7377 714209.1-8.71494 812982.7-20.9544 655958-9.08727 766128.6-21.168 628098.8-9.40466 714209.1-21.3801 655958-9.69916 844640.9-21.5876 581244.6-9.95399 778791.8-21.7799 638229.4-10.2012 767394.9-21.963 602772.2-10.4789 790188.8-22.1416 571114-10.7643 716741.8-22.317 625566.1-11.0389 761063.2-22.4773 568581.4-11.3639 647093.7-22.6238 587576.3-11.7531 628098.8-22.7504 602772.2-12.1925 676219.3-22.842 554651.7-12.6534 598973.2-22.9381 625566.1-13.1569 625566.1-23.0098 605304.9-13.7185 625566.1-23.0831 579978.3-14.2602 588842.6-23.1105 661023.3-14.7958 685083.6-23.1258 604038.5-15.3329 604038.5-23.1258 623033.5-15.8654 610370.2
1.2.2 결론 L.V.D.T 와 Ring Force Sensor 를이용하여압축거리, 탄성거리및하중을측정한결과, 데이터가선형적으로변화하였으며, 이는 N 사와 R 사의신발이충격흡수능력이뛰어난것을알수있었다. 본연구에서제작한충격시험기는신발완제품의품질을평가하기위한시험항목으로모든신발완제품에대하여충격흡수및반발탄성능력을측정할수있는시험방법으로적용가능할것으로판단된다. 1-51