설계공학특론 기말 발표 김범준 [ 생체역학 연구실 ] 김승환 [ 초미세트랜스듀서 연구실 ]

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1 설계공학특론 기말 발표 김범준 [ 생체역학 연구실 ] 김승환 [ 초미세트랜스듀서 연구실 ]

2 [ME830 설계공학 특론 ] 2 시작에 앞서  김범준  연구실 : 생체역학 연구실 ( 박수경 교수님 )  연구 분야 : 스포츠 생체 역학 ( 골프 )  석사 학위 논문 골프 스윙 시 지면반력을 통한 골반 회전 및 클럽헤드 속도 특성 추정 연구  김승환  연구실 : 초미세트랜스듀서 연구실 ( 박인규 교수님 )  연구 분야 : 유연 압력 센서  석사 학위 논문 탄소나노튜브가 코팅된 다공성 탄성중합체 를 감지부로 이용한 유연 압력센서의 개발 공통점 : 박사 1 년차, 올해 2 월 석사 학위 수여 연구적 공통점 : 석사 학위 연구의 한계점 존재

3 [ME830 설계공학 특론 ] 1. 연구 배경 2. 석사 학위 연구 소개 3. 한계점 4. 문제 해결 방안 모색 5. 결론 목차

4 [ME830 설계공학 특론 ] 4 석사 연구 주제 : 지면 반력 분석을 통한 클럽헤드 속도 특성 유추 Estimating characteristics of club head speed by analyzing ground reaction force during golf swing 김범준

5 [ME830 설계공학 특론 ] 1. 연구 배경 - 골프 스윙시 생체역학 분석을 위하여 다양한 장비들이 개발되고, 다양한 분석이 이루어짐. - 여러가지 모션과 관련 요소들이 클럽헤드 속도 향상과 관련 있다고 보고 됨. - X-factor(from McLean & Andrisani, 1997 to P Kong at al, 2015) - Kinematic sequence(from Chochan & Stobbs,1968 to Scott K.Lynn, 2013) - Wrist uncocking (from Jorgenson, 1970 to ZL, 2015) Optical motion capture (Motion Analysis) IMU motion capture (Xsens) -> 단점 : 몸에 착용해야 하므로 불편함을 피할 수 없음. [kvest.com] IMU motion capture (k-vest)

6 [ME830 설계공학 특론 ] 2. 석사 학위 연구 소개 : 연구 목표  단점 : 몸에 착용해야 하므로 불편함을 피할 수 없음. 불편하다 개수를 줄이자 작게 만들자 다른 것을 측정하면 ? 움직임 힘 (F=ma)  연구 목표 : 지면 반력을 측정하여 클럽헤드 속도와 관련 있는 요소들을 찾자 방해를 주지 않고 측정 할 수 있는 힘 지면 반력

7 [ME830 설계공학 특론 ] 2. 석사 학위 연구 소개 : 실험 6 Infrared Cameras(Hawk, USA) 2 Force Plates (AMTI, USA)  실험 목적 : 클럽헤드 속도와 관계 있는 지면반력 요소를 찾는다.  피험자 모집 : 다양한 실력의 피험자 모집 → 아마추어 8 명 ( 핸디캡 10~40) 프로 골퍼 5 명  데이터 수집 모션 정보 (200Hz), 지면반력 (400Hz)  실험 방법 각 피험자의 드라이버 헤드 스피드 및 지면반력 10 회씩 측정 Figure 3. 실험 사진

8 [ME830 설계공학 특론 ] 2. 석사 학위 연구 소개 : 결과 & 분석 클럽 헤드 속도 (m/s)

9 [ME830 설계공학 특론 ] 2. 석사 학위 연구 소개 : 결과 & 분석 K. Miura, University of Tokyo(2001)  수직 지면반력 최대 시점이 클럽 헤드 속도와 관계가 있다.  수직 지면반력 최대 시점은 몸의 윗방향 가속 시점과 관련 있고, 클럽 헤드 속도에 영향을 준다.

10 [ME830 설계공학 특론 ] 3. 한계점  골퍼들의 의견을 들어보자 ! 피험자를 하였던 5 명의 프로 골퍼들한테 다시 연락하여 인터뷰 모두 자기가 몸을 위로 들어올린 사실을 인지 못함 심지어 몇몇 프로는 골프 스윙 시 몸을 드는 것이 아니라고 주장

11 [ME830 설계공학 특론 ] 4. 문제 해결 방안 모색 - 연구의 본질을 정의하라 [2016.03.16 설계 공학 특론 강의 中 ] - 공학에 대한 송지호 교수의 정의 : “ 사람이 또는 사회가 필요로 하는 또는 욕구 ( 欲求 ) 하는 유형 ( 有形 ), 무형 ( 無形 ) 의 것을 구현하는 학문 ” [2016.03.16 설계 공학 특론 강의 中 ] - 실용을 중시하는 산업계에서 먼저 인정을 받아라 [2016.05.04 설계 공학 특론 강의 中 ] [http://me.kaist.ac.kr]  내 연구의 본질은 ? 골퍼들의 클럽헤드 스피드 향상을 도모  내 연구를 필요로 하는 사람들은 ? 골퍼  내 연구가 인정받아야 할 산업계는 ? 내 연구가 골퍼들에게 인정 받는가 ? 골프 기존 골프계의 지식과 병합

12 [ME830 설계공학 특론 ] 4. 문제 해결 방안 모색 -1 [Angular velocity of pelvis]  골퍼들의 의견을 들어보자 ! 모두 빠른 회전을 목적으로 스윙을 하였다고 진술 ( 골프의 본질은 회전 운동 !) 가설 1 : 수직 가속은 목적이 아니라 빠른 회전을 하기 위한 어떠한 행위의 결과

13 [ME830 설계공학 특론 ] 4. 문제 해결 방안 모색 -1  골퍼들의 의견을 들어보자 ! ( 골프의 본질은 회전 운동 !) 가설 1 : 수직 가속은 목적이 아니라 빠른 회전을 하기 위한 어떠한 행위의 결과 [Angular velocity of pelvis] × : Amateur × : Professional 모두 빠른 회전을 목적으로 스윙을 하였다고 진술

14 [ME830 설계공학 특론 ] 4. 문제 해결 방안 모색 -2  골퍼들의 의견을 들어보자 ! 가설 2 : 수직 가속은 하체를 이용한 회전과 관련 있다 프로 골퍼 피험자들은 스윙할때 하체를 사용해서 회전하는 것이 좋다고 알려져 있고 그 것을 생각하며 스윙 하였다고 진술

15 [ME830 설계공학 특론 ] 4. 문제 해결 방안 모색 : 연구 방향 수정 [Angular velocity of pelvis] 지면반력 vs 클럽 헤드 속도 수직력 측정 + 피드백 장비 개발  수직 지면반력 최대 시점  물리적 증명 ( 동역학 )  클럽헤드 속도 증가 방법 제시 ( 몸을 위로 가속한다 )  웨어러블 수직 지면반력 측정 장비 제작 ( 신발 깔판 )  장지 정확도 검증  장비의 학습 효과 검증

16 [ME830 설계공학 특론 ] 4. 문제 해결 방안 모색 : 연구 방향 수정 [Angular velocity of pelvis] 지면반력 vs 클럽 헤드 속도 수직력 측정 + 피드백 장비 개발  수직 지면반력 최대 시점  물리적 증명 ( 동역학 )  관련 있는 회전 요소 확인 ( 골반 회전과 관련 가능성 )  웨어러블 수직 지면반력 측정 장비 제작 ( 신발 깔판 )  장지 정확도 검증  장비의 학습 효과 검증 수직 방향 가속과 회전과의 관계 규명  EMG(Electromyography)  Simple Mechanical Modeling

17 [ME830 설계공학 특론 ] 5. 요약 및 결론 [ 강의 수강 전 ] F=ma 괴리 [ 강의 수강 후 ]  연구의 본질을 재 정의 - 골프의 본질은 회전 운동 - 골퍼들의 클럽헤드 속도 향상을 위한 연구 - 골퍼들의 인정을 받아야함  공학적 필요성 조명  실제 산업계의 인정 × : Amateur × : Professional 골프학

18 [ME830 설계공학 특론 ] 5. 요약 및 결론 [ 강의 수강 전 ][ 강의 수강 후 ]  연구의 본질을 재 정의 - 골프의 본질은 회전 운동 - 골퍼들의 클럽헤드 속도 향상을 위한 연구 - 골퍼들의 인정을 받아야함  공학적 필요성 조명  실제 산업계의 인정 F=ma 생체역학 골프역학 골프학 해부학 × : Amateur × : Professional

19 [ME830 설계공학 특론 ] Appendix A. × : Amateur × : Professional (G. F.John Maddalozzo,1987) Posterior Deltoid Latissimus Dorsi External Oblique Glutenus Maximus Quadricep

20 [ME830 설계공학 특론 ] Appendix B. Figure 3. 실험 사진 클럽 헤드 속도 (m/s) [3-axis of GRF] 클럽 헤드 속도 (m/s)

21 [ME830 설계공학 특론 ] 21 석사 연구 주제 : 탄소나노튜브가 코팅된 다공성 탄성중합체를 감지부로 이용한 유연 압력센서의 개발 Development of CNT-Coated Porous Elastomer Based Flexible Pressure sensor 김승환

22 [ME830 설계공학 특론 ] 22 석사 연구 주제 : 탄소나노튜브가 코팅된 다공성 탄성중합체를 감지부로 이용한 유연 압력센서의 개발 Development of CNT-Coated Porous Elastomer Based Flexible Pressure sensor 김승환

23 [ME830 설계공학 특론 ] 23 1. 연구 배경 : 유연 압력 센서의 중요성 Conformal contact to curved surface of target object Foldable & flexible Flexible pressure sensor Advantages of flexible sensor for pressure sensing Accuracy of pressure sensing at curved surface ↑ Human skin-compatible (wearable) Convenience ↑ (portable)  Flexible structure made of polymers and elastomers (ex) PDMS, Ecoflex, PET, PI, PEN, PU…  High flexibility & low roughness Rigid pressure sensor VS  Limitation of pressure detection because of their rigid and flat sensing structure  Not suitable for detection of curved surface. (ex) skin http://www.interfaceforce.com/ http://thecoolgadgets.com http://phys.org/news

24 [ME830 설계공학 특론 ] 24 2. 연구 배경 : 유연 압력 센서의 유망한 연구 분야 T. Sekitani et al., Adv. Mater., 2010 Promising application fields S. Mannsfeld et al., Nature Materials, 2010 Human interface device Mobile healthcare K. Lee et al., Adv. Mater, 2014 G. Zhu et al., Nano Letters, 2013 G. Zhu et al., Nano Letters, 2010 G. Schwartz et al., Nature Comms, 2013 S.Takamatsu, Sensors and Actuators, 2014 Highly sensitive e-skin Flexible keyboard Flexible piano pad Electronic skin for artificial intelligence Human pressure sensing Energy harvesting Flexible keyboard

25 [ME830 설계공학 특론 ] 25 1. 연구 배경 : 압력 센서와 관련한 전문 배경 지식  압력 센서의 기본 원리 (a)Piezo-resistivity -Simple sensing mechanism -High resolution, sensitivity -Fast response time (b) Capacitance -Simple sensing mechanism -Stable sensor signal -Influenced by human body (c) Piezo-electricity -High sensitivity -Fast response time -Stable sensor signal -Not suitable for detection of static pressure Y. Zang et al., Mater. Horiz, 2015 : 외부 압력 가해지면,  센서 감지부의 압축 및 geometry 변화  전기 신호 변화  압력센서의 성능과 관련된 인자 민감도 (sensitivity) 해상도 (resolution) 작동 압력 범위 (detection range) 히스테리시스 (hysteresis) 반응속도 (response time) 장기적 안정성 ( long-term reliability)

26 [ME830 설계공학 특론 ] 26 2. 석사 연구 소개  작동 원리  연구 컨셉 1. 기본 구조체 : 다공성의 탄성중합체 (PDMS) 2. 감지 물질 : 탄소나노튜브 (CNT) Cost-effective Mechanical flexibility High conductivity + PDMS Increase of Sensitivity and Resolution Decrease of viscoelastic hysteresis Increase of pressure detection range 다공성의 전도성 PDMS 기반의 유연 압력 센서 + Flexibility Resistive type Pressure-sensitive

27 [ME830 설계공학 특론 ] 27 2. 석사 연구 소개  Sensor performances 설계 공학특론, 송지호 교수님

28 [ME830 설계공학 특론 ] 28 2. 석사 연구 소개  Sensor performances  Application: flexible piano pad Human-interfacing device Over 1000 cycles

29 [ME830 설계공학 특론 ] 29 3. 한계점 : 기존 센서의 문제점  문제의 정의 12 문제 정의센서의 민감도 (sensitivity) 가 충분 히 높지 않음. 센서 표면과의 conformal contact 이 필요함.  센서의 성능을 지표하는 가장 기본적인 특성  맥박감지, 심박 감지 등 작은 범위의 압력 측정 어플리케이션에 사용되기 힘듦.  굴곡진 또는 울퉁불퉁한 표면의 정확한 압력 측정에 필수적인 요소 Conformal contact Non-conformal contact Adv. Mater. 2015, 27, 634–640 Mater. Horiz., 2015, 2, 140–156 해결을 통해 고감도 유연 압력센서 제작.

30 [ME830 설계공학 특론 ] 30 4. 해결 방안 : 첫 번째 문제점 ( 민감도 증가 ) 의 해결 방법 : 변형 및 통합  구조적 측면 센서 감지부가 sub-mm 수준의 피라미드 모양의 돌기를 가진 어레이 구조를 가지도록 변형 : 작은 압력에 대하여 더 큰 geometry 변화  더 큰 전기 signal 의 변화 야기  센서 감지부의 모양을 피라미드 구조로 변형 TMAH etching 하여 피라미드 모양의 트렌치를 보유한 Si wafer mold 제작 및 PDMS molding 절차적 지식 작전적 지식

31 [ME830 설계공학 특론 ] 31 4. 해결 방안 : 첫 번째 문제점 ( 민감도 증가 ) 의 해결 방법 : 변형 및 통합  구조적 측면 센서 감지부가 sub-mm 수준의 피라미드 모양의 돌기를 가진 어레이 구조를 가지도록 변형 : 작은 압력에 대하여 더 큰 geometry 변화  더 큰 전기 signal 의 변화 야기  센서 감지부의 모양을 피라미드 구조로 변형 TMAH etching 하여 피라미드 모양의 트렌치를 보유한 Si wafer mold 제작 및 PDMS molding 절차적 지식 작전적 지식  센서 감지부의 표면적이 증가되도록 변형 공극률증가, 접촉 면적의 증가  더 큰 전기 signal 의 변 화 야기 Polystyrene bead template 이용. PDMS molding 절차적 지식 작전적 지식

32 [ME830 설계공학 특론 ] 32 4. 해결 방안 : 첫 번째 문제점 ( 민감도 증가 ) 의 해결 방법 : 변형 및 통합  구조적 측면 센서 감지부가 sub-mm 수준의 피라미드 모양의 돌기를 가진 어레이 구조를 가지도록 변형 : 작은 압력에 대하여 더 큰 geometry 변화  더 큰 전기 signal 의 변화 야기  센서 감지부의 모양을 피라미드 구조로 변형 TMAH etching 하여 피라미드 모양의 트렌치를 보유한 Si wafer mold 제작 및 PDMS molding 절차적 지식 작전적 지식  센서 감지부의 표면적이 증가되도록 변형 통합  재료적 측면 공극률증가, 접촉 면적의 증가  더 큰 전기 signal 의 변 화 야기 Polystyrene bead template 이용. PDMS molding  센서 감지부의 재료를 softer material 로 변형  작은 압력에 대하여 큰 geometry 변화  PDMS 의 E: 1-3GPa  Ecoflex 0030 의 E: 30-70MPa 절차적 지식 작전적 지식 절차적 지식 작전적 지식

33 [ME830 설계공학 특론 ] 33 4. 해결 방안 : 두 번째 문제점 (conformal contact) 의 해결 방법 : 확장 응용 http://t-robotics.blogspot.kr/2013/08/blog-post.html#.V1ajKPmLRhE sensor Target object 돌기 layer 돌기 구조의 제작 : 폴리머 기반의 나노 와이어, 나노 섬유  게코 도마뱀 발바닥의 미세한 돌기 구조를 모사한 미세돌기 layer 를 제작 ( 확장 응용 ) 및 센서에 부착. : 표면적 증가 및 돌기 구조로 인해 conformal contact 가능.  미세한 돌기를 가진 layer 를 이용 Pang, C. et al. Nature Ma-terials, 11(9), pp. 795-801.

34 [ME830 설계공학 특론 ] 34 5. 요약 및 결론 - 고감도 / 물체와 conformal contact 을 형성 하는 유연 압력 센서의 개발 센서 감지부의 - 구조적 변형 : 피라미드 어레이 형태, 공극률 증가 - 재료의 변형 : softer 물질 이용  민감도 증가 게코 도마뱀 발바닥을 모사한 돌기 구조 제작 및 센서에 부착  물체와 conformal contact 형성 가능. 연구에 적용 1. 민감도 증가 2. conformal contact 필요 박사연구주제적용 ??

35 [ME830 설계공학 특론 ] 감사합니다.