싸이클링 경기력 향상효과 예측을 위한 싸이클화 아웃솔 디자인과 클릿 부착위치에 대한 생체역학적 연구 (A) Biomechanical study on a cycling performance predicition in relation to cycle shoe outsole design and cleat position원문보기
사이클의 페달링 운동은 하지근력의 굴곡과 신전에의한 기계적인 주기 운동으로서, 페달에 작용되는 힘으로 추진력을 얻는다. 사이클링의 주요 경기력은 체력적인 요인의 장비와 인체간의 조화로서, 안장의 높이와 경사도, 크랭크의 길이, 기어의 수 그리고 자전거의 특성 등이 있다고 알려져 있다. 최근에는 신발내부에 삽입하여 신발안창(insole)과 족부사이의 압력·힘값을 측정할 수 있는 센서를 이용하여 자전거 신발과 자전거 페달의 고정형태에 따라 페달링시 인체에 미치는 생체역학적인 영향의 변화를 확인하는 연구도 진행되고 있으며, 자전거 신발의 기계적인 ...
사이클의 페달링 운동은 하지근력의 굴곡과 신전에의한 기계적인 주기 운동으로서, 페달에 작용되는 힘으로 추진력을 얻는다. 사이클링의 주요 경기력은 체력적인 요인의 장비와 인체간의 조화로서, 안장의 높이와 경사도, 크랭크의 길이, 기어의 수 그리고 자전거의 특성 등이 있다고 알려져 있다. 최근에는 신발내부에 삽입하여 신발안창(insole)과 족부사이의 압력·힘값을 측정할 수 있는 센서를 이용하여 자전거 신발과 자전거 페달의 고정형태에 따라 페달링시 인체에 미치는 생체역학적인 영향의 변화를 확인하는 연구도 진행되고 있으며, 자전거 신발의 기계적인 굽힘강성도 차이에 따라 인체 하지로부터 자전거 페달에 전달되는 에너지의 차이를 비교하는 연구도 진행되고 있다. 하지만, 싸이클 페달링 실험에 의한 연구결과로는 선수들의 개인적인 특성에 의해 발생되는 많은 변수들 때문에 경기력 향상에 영향을 미치는 요소가 정확히 무엇인지 확인하기 어렵다. 본 연구에서는 자전거 신발의 굽힘 강성도, 자전거 신발과 페달의 결착(shoe/pedal interface)위치 변화에 의한 자전거 페달링 시의 퍼포먼스(performance)변화를 보고자 인체족부와 자전거 신발의 유한요소 모델을 개발하고 실험을 통해 모델의 검증을 시행한 후, 자전거 신발의 강성도, 설계 디자인, 결착위치 변화에 따른 인체 족부와 자전거 신발 접촉부위에서의 압력결과를 보고자 하며, 이를 통해 신발 아웃솔의 디자인, 결착위치의 변화에 따른 자전거 페달링 퍼포먼스 향상효과를 예측하고자 하였다. 족부 유한요소 모델의 경우 최근 5년간 족부에 관계된 병력이 없는 정상인 남성(174Cm, 74Kg, 28세)의 우측 발에서 1mm 간격으로 획득된 족부 CT(computed tomography) image로부터 외곽선을 획득 하였고, 3차원 표면처리 프로그램인, Geomagic Studio 4.0(Raindrop Geomagic Inc. Research Triangle Park. NC. USA)을 이용하여 족부 뼈 형상의 3차원 표면을 재현하고, 원본 데이터 형상을 손상시키지 않는 범위에서의 외곽선 데이터 재현과정을 수행하였다. 이후 Ansys 5.7(Swanson Analysis Systems, Inc., Huston, PA, U.S.A.)을 이용하여 신발의 안창(insole)과 맞닿는 부위의 족저 연부조직(plantar soft tissue)과 족부관절의 연골부위를 추가적으로 제작하고, 문헌정보에 근거하여 물성치를 입력하였다. 유한요소 해석에 사용된 모델의 타당성 검증을 위하여 형태학적 검증과, 생체역학적 검증을 시행하였다. 자전거 신발 유한요소 모델은 싸이클 페달링 시 인체 족부로부터 자전거 페달로의 힘 전달이 우수하다고 알려진 카본복합소재 아웃솔이 사용된 제품의 설계 도면으로부터 모델링 하였고, 카본 복합소재와 같이 여러 방향의 물성치를 가지는 재료의 비 등방성(anisotropic)의 재료를 등방성(isotropic)의 형태로 해석할 수 있는 고전 적층 이론(classic lamination theory,CLT)를 이용하여 물성치를 적용하였다. 모델의 검증을 위해 실제 제품의 파괴실험을 시행하였으며, 기록된 변위와 하중값에 대해서 유한요소 해석과 비교 검증하였다. 자전거 신발의 강성도가 자전거 페달링시 퍼포먼스 증가와 관계가 있는지 확인하기 위해 자전거 신발의 굽힘강도와 자전거 페달링시 족저압을 측정하였다. 신발의 굽힘 강성도를 측정하기 위해서 ASTM F911 실험 프로토콜에 따라 jig를 고안하고 실험을 시행하였으며, 족저압 측정실험은 F-scan(Tekscan Inc., South Boston, MA, USA)장비를 이용하여, 전문적인 자전거 페달링 훈련을 받은 경험이 없고, 최근 3년간 족부질환이 없었던 23세에서 28세사이의 정상인 남성(키170±4.8Cm, 72±5.4Kg)을 대상으로 페달링 RPM이 90을 유지하는 10초동안 족저압 데이터를 획득하여 족저 최대압력(peak plantar pressure)의 평균을 구했으며, 신발 아웃솔의 강성도가 다른 두 모델의 신발 각각 5회 반복 측정하였다. 유한요소 해석은 카본 복합소재가 사용된 신발모델에 프로파일, 클릿 고정위치의 다변화를 적용하여 각 조건의 적용 시 마다 전족부위 수직력 전달에 의한 응력값의 변화를 확인하였다. 자전거 신발 유한요소 모델은 제품 파괴실험 결과와 300N, 500N 하중이 적용된 시뮬레이션 해석에서 변위값의 비교로 검증을 시행하였으며 각각 87.74%, 97.24%로 비교적 우수한 유사성을 보였다. 프로파일의 변화에 따른 유한요소 해석 결과는 기존의 제품(basic model)에 대하여 5mm 양의 값과 음의 값으로 변화시킨 모델 모두에서 수직방향 응력의 감소가 나타났다. 프로파일 수정을 하지 않은 모델에 대해서 클릿의 위치를 변화시키지 않은 모델과 클릿의 위치를 전방으로 5mm, 후방으로 5mm 이동시킨 3가지 모델에 대한 수직방향 응력값의 변화는 클릿의 위치를 이동시키지 않은 모델에서 가장 높게 나타났고, 프로파일을 5mm 양의 값으로 수정된 모델의 경우 클릿을 기본위치, 전방 5mm이동 고정의 두 경우에서 페달링 방향 수직 응력값에 차이가 거의 나타나지 않았으나, 후방으로 5mm이동시켜 고정한 경우 수직방향 응력값의 유의한 감소가 관찰되었다. 프로파일을 5mm음의 값으로 수정된 모델의 경우 5mm 양의 값으로 수정된 모델의 결과와는 달리 클릿을 기본위치, 5mm 후방으로 고정시킨 모델에 비해 오히려 전방으로 5mm이동시킨 모델에서 유의한 수직방향 응력감소가 관찰되었다. 본 연구에서는 초 고강성도 복합재료인 카본 복합재 아웃솔(carbon composite material outsole)이 일반 폴리 우레탄 아웃솔(poly urethane outsole)에 비해, 자전거 신발과 페달 클릿(pedal cleat)이 접합하는 부위에서 높은 족저압이 발생하는 것을 확인하였고 이를 문헌에 근거하여 자전거 페달링시 힘전달 효율이 증가되는 기준으로 전제하였다. 이로부터 유한요소 모델 해석에서 자전거 페달링의 기능성을 향상시킬 수 있는 요소를 자전거 신발과 족부 모델의 경계면에서 발생하는 수직방향 응력으로 결정하고 그 값이 높게 나타나는 설계 디자인 요소를 도출하였다. 추가적으로, 좀더 세분화된 다양한 각도와 클릿 부착위치에서의 유한요소 해석과 도출된 디자인 설계가 적용된 시제품의 생체역학적 페달링 실험결과 분석이 필요할 것이며, 본 연구에서는 자전거 페달링 실험에서 측정된 족저압의 최대값이 발생하는 순간적인 한 시점의 하중조건과 구속조건을 생체역학적인 실험을 통해 획득하여 적용하였으나, 실제 자전거 페달링과 더욱 유사한 해석을 위해서는 자전거와 인체 하지 근골격계(musculo skeletal system) 모델을 포함한 동역학 모델 해석이 추후 진행되어야 할 것으로 사료된다.
사이클의 페달링 운동은 하지근력의 굴곡과 신전에의한 기계적인 주기 운동으로서, 페달에 작용되는 힘으로 추진력을 얻는다. 사이클링의 주요 경기력은 체력적인 요인의 장비와 인체간의 조화로서, 안장의 높이와 경사도, 크랭크의 길이, 기어의 수 그리고 자전거의 특성 등이 있다고 알려져 있다. 최근에는 신발내부에 삽입하여 신발안창(insole)과 족부사이의 압력·힘값을 측정할 수 있는 센서를 이용하여 자전거 신발과 자전거 페달의 고정형태에 따라 페달링시 인체에 미치는 생체역학적인 영향의 변화를 확인하는 연구도 진행되고 있으며, 자전거 신발의 기계적인 굽힘강성도 차이에 따라 인체 하지로부터 자전거 페달에 전달되는 에너지의 차이를 비교하는 연구도 진행되고 있다. 하지만, 싸이클 페달링 실험에 의한 연구결과로는 선수들의 개인적인 특성에 의해 발생되는 많은 변수들 때문에 경기력 향상에 영향을 미치는 요소가 정확히 무엇인지 확인하기 어렵다. 본 연구에서는 자전거 신발의 굽힘 강성도, 자전거 신발과 페달의 결착(shoe/pedal interface)위치 변화에 의한 자전거 페달링 시의 퍼포먼스(performance)변화를 보고자 인체족부와 자전거 신발의 유한요소 모델을 개발하고 실험을 통해 모델의 검증을 시행한 후, 자전거 신발의 강성도, 설계 디자인, 결착위치 변화에 따른 인체 족부와 자전거 신발 접촉부위에서의 압력결과를 보고자 하며, 이를 통해 신발 아웃솔의 디자인, 결착위치의 변화에 따른 자전거 페달링 퍼포먼스 향상효과를 예측하고자 하였다. 족부 유한요소 모델의 경우 최근 5년간 족부에 관계된 병력이 없는 정상인 남성(174Cm, 74Kg, 28세)의 우측 발에서 1mm 간격으로 획득된 족부 CT(computed tomography) image로부터 외곽선을 획득 하였고, 3차원 표면처리 프로그램인, Geomagic Studio 4.0(Raindrop Geomagic Inc. Research Triangle Park. NC. USA)을 이용하여 족부 뼈 형상의 3차원 표면을 재현하고, 원본 데이터 형상을 손상시키지 않는 범위에서의 외곽선 데이터 재현과정을 수행하였다. 이후 Ansys 5.7(Swanson Analysis Systems, Inc., Huston, PA, U.S.A.)을 이용하여 신발의 안창(insole)과 맞닿는 부위의 족저 연부조직(plantar soft tissue)과 족부관절의 연골부위를 추가적으로 제작하고, 문헌정보에 근거하여 물성치를 입력하였다. 유한요소 해석에 사용된 모델의 타당성 검증을 위하여 형태학적 검증과, 생체역학적 검증을 시행하였다. 자전거 신발 유한요소 모델은 싸이클 페달링 시 인체 족부로부터 자전거 페달로의 힘 전달이 우수하다고 알려진 카본복합소재 아웃솔이 사용된 제품의 설계 도면으로부터 모델링 하였고, 카본 복합소재와 같이 여러 방향의 물성치를 가지는 재료의 비 등방성(anisotropic)의 재료를 등방성(isotropic)의 형태로 해석할 수 있는 고전 적층 이론(classic lamination theory,CLT)를 이용하여 물성치를 적용하였다. 모델의 검증을 위해 실제 제품의 파괴실험을 시행하였으며, 기록된 변위와 하중값에 대해서 유한요소 해석과 비교 검증하였다. 자전거 신발의 강성도가 자전거 페달링시 퍼포먼스 증가와 관계가 있는지 확인하기 위해 자전거 신발의 굽힘강도와 자전거 페달링시 족저압을 측정하였다. 신발의 굽힘 강성도를 측정하기 위해서 ASTM F911 실험 프로토콜에 따라 jig를 고안하고 실험을 시행하였으며, 족저압 측정실험은 F-scan(Tekscan Inc., South Boston, MA, USA)장비를 이용하여, 전문적인 자전거 페달링 훈련을 받은 경험이 없고, 최근 3년간 족부질환이 없었던 23세에서 28세사이의 정상인 남성(키170±4.8Cm, 72±5.4Kg)을 대상으로 페달링 RPM이 90을 유지하는 10초동안 족저압 데이터를 획득하여 족저 최대압력(peak plantar pressure)의 평균을 구했으며, 신발 아웃솔의 강성도가 다른 두 모델의 신발 각각 5회 반복 측정하였다. 유한요소 해석은 카본 복합소재가 사용된 신발모델에 프로파일, 클릿 고정위치의 다변화를 적용하여 각 조건의 적용 시 마다 전족부위 수직력 전달에 의한 응력값의 변화를 확인하였다. 자전거 신발 유한요소 모델은 제품 파괴실험 결과와 300N, 500N 하중이 적용된 시뮬레이션 해석에서 변위값의 비교로 검증을 시행하였으며 각각 87.74%, 97.24%로 비교적 우수한 유사성을 보였다. 프로파일의 변화에 따른 유한요소 해석 결과는 기존의 제품(basic model)에 대하여 5mm 양의 값과 음의 값으로 변화시킨 모델 모두에서 수직방향 응력의 감소가 나타났다. 프로파일 수정을 하지 않은 모델에 대해서 클릿의 위치를 변화시키지 않은 모델과 클릿의 위치를 전방으로 5mm, 후방으로 5mm 이동시킨 3가지 모델에 대한 수직방향 응력값의 변화는 클릿의 위치를 이동시키지 않은 모델에서 가장 높게 나타났고, 프로파일을 5mm 양의 값으로 수정된 모델의 경우 클릿을 기본위치, 전방 5mm이동 고정의 두 경우에서 페달링 방향 수직 응력값에 차이가 거의 나타나지 않았으나, 후방으로 5mm이동시켜 고정한 경우 수직방향 응력값의 유의한 감소가 관찰되었다. 프로파일을 5mm음의 값으로 수정된 모델의 경우 5mm 양의 값으로 수정된 모델의 결과와는 달리 클릿을 기본위치, 5mm 후방으로 고정시킨 모델에 비해 오히려 전방으로 5mm이동시킨 모델에서 유의한 수직방향 응력감소가 관찰되었다. 본 연구에서는 초 고강성도 복합재료인 카본 복합재 아웃솔(carbon composite material outsole)이 일반 폴리 우레탄 아웃솔(poly urethane outsole)에 비해, 자전거 신발과 페달 클릿(pedal cleat)이 접합하는 부위에서 높은 족저압이 발생하는 것을 확인하였고 이를 문헌에 근거하여 자전거 페달링시 힘전달 효율이 증가되는 기준으로 전제하였다. 이로부터 유한요소 모델 해석에서 자전거 페달링의 기능성을 향상시킬 수 있는 요소를 자전거 신발과 족부 모델의 경계면에서 발생하는 수직방향 응력으로 결정하고 그 값이 높게 나타나는 설계 디자인 요소를 도출하였다. 추가적으로, 좀더 세분화된 다양한 각도와 클릿 부착위치에서의 유한요소 해석과 도출된 디자인 설계가 적용된 시제품의 생체역학적 페달링 실험결과 분석이 필요할 것이며, 본 연구에서는 자전거 페달링 실험에서 측정된 족저압의 최대값이 발생하는 순간적인 한 시점의 하중조건과 구속조건을 생체역학적인 실험을 통해 획득하여 적용하였으나, 실제 자전거 페달링과 더욱 유사한 해석을 위해서는 자전거와 인체 하지 근골격계(musculo skeletal system) 모델을 포함한 동역학 모델 해석이 추후 진행되어야 할 것으로 사료된다.
Cycle pedaling is repetitive motion by muscle power of lower extremity. The driving force occurs through (by) the load transmission from foot to pedal. Major factors of cycling performance are physical strength, saddle height, and crank length (and so on). There were biomechanical studies(researches...
Cycle pedaling is repetitive motion by muscle power of lower extremity. The driving force occurs through (by) the load transmission from foot to pedal. Major factors of cycling performance are physical strength, saddle height, and crank length (and so on). There were biomechanical studies(researches by) measuring pressure and power of foot-shoe interface during cycle pedaling. Those studies validated the biomechanical influences to cyclists in variable types of cycle design. Recently, the difference of energy transmission from lower extremities to cycle pedals as bending stiffness of cycle shoes changes was studied. In this study, finite element models of human foot and cycle shoes were developed to predict the cycle pedaling performance as changes of shoe bending stiffness and shoe attaching position. Finite element models were validated with reference data and result of experimental test. The geometry of foot FE(finite element) model was based on the CT(computed tomography) data(slice thickness=1mm) of right foot(174 Cm, 74Kg, 28 aged, male) with no medical history within last 5years. Three-dimensional model reconstruction in computational model wasprocessed by Geomagic Studio 4.0(Raindrop Geomagic Inc. Research Triangle Park. NC. USA) and foot plantar soft tissue and cartilage were added and Ansys 5.7(Swanson Analysis Systems, inc., Huston, PA, U.S.A.) was used to make finite element model. Morphological and biomechanical model was validated. Material properties were adapted from previous research reference. Cycle shoe FE model was based on the CAD data served by cycle shoe manufacturing company. Cycle shoe outsole was made of carbon fiber composite known as a good type of material for force transmission from human lower extremities to cycle pedals. Material properties were calculated by softwarebased on classic lamination theory(CLT). Carbon composite material property had anisotropic character. But, CLT based software can regard that as isotropic material. To validate the cycle shoe FE model, product failure bending test was proceeded. Cycle shoe bending stiffness of two types of cycle shoes(M-125, R-225, Shimano, Japan)and in-shoe plantar pressure during pedaling were measured to verify the relationship between cycle shoe stiffness and pedaling performance. Bending stiffness test was based on ASTM F911 test protocol. In-shoe plantar pressure data were collected with non-trained cyclists(N=5, height=170±4.8Cm, 72±5.4Kg) have no clinical history in the lower extremities in the recent 3years. Pedaling R.P.M. is maintained for 10 seconds(R.P.M.=90) during data collection. Plantar pressure data were collected using an F-scan(Tekscan Inc., South Boston, MA, U.S.A.) instrument. Peak plantar pressure data of five time's repetitions were averaged with two types of cycle shoes. Finite element analysis were proceeded with various type of shoe profile models and cleat attaching positions and peak von mises stress results wereobserved in the forefoot region caused by applied loads and boundary conditions. Cycle shoe FE model was validated with experimental load-displacement results(300N-87.74%, 500N-97.24%) well. Vertical von mises stresses were decreased in the both of profile design modified modelcompared with basic model. In the finite element analysis with various cleat positions of non-modified outsole profile design, significant high vertical von mises stress was observed in the model of neutral cleat position compared with both forwardand backward cleat positioned models. In the case of 5mm positive outsole profile modified design, there was no significantdifference of vertical von mises stress value between neutral and 5mm forward cleat positioned model but, significant decrease of vertical von mises stress was observed in the 5mm backward cleat positioned model. In the case of 5mm negative outsole profile modified design, significant decrease of vertical von mises stress wasobserved in the 5mm forward cleat positioned model compared with neutral and 5mm backward cleat positioned model. In this study, comparative high foot plantar pressure was observed in carbon composite material outsole with ultra high stiffness than poly urethane material outsole. Based on the previous research, we supposed that high pressure in the plantar forefoot region means good force transmission during cycle pedaling. From this hypothesis, vertical von mises stress in the foot-shoe interface of cycle shoe part was determined to the factor of cycling performance prediction. And, we suggested the cycle shoe FE model with high vertical von mises stress as a performance improvable design. In addition to this study, FE analysis about more various profile angles and cleat attaching positions are needed. In this study, computer simulation of cycle pedaling was limited at a point of maximum peak contact pressure occurred in the plantar forefoot region. In the future study, dynamic simulation of cycle pedaling motion with cycle and human musculoskeletal system model is needed for the more similar analysis to real cycle pedaling.
Cycle pedaling is repetitive motion by muscle power of lower extremity. The driving force occurs through (by) the load transmission from foot to pedal. Major factors of cycling performance are physical strength, saddle height, and crank length (and so on). There were biomechanical studies(researches by) measuring pressure and power of foot-shoe interface during cycle pedaling. Those studies validated the biomechanical influences to cyclists in variable types of cycle design. Recently, the difference of energy transmission from lower extremities to cycle pedals as bending stiffness of cycle shoes changes was studied. In this study, finite element models of human foot and cycle shoes were developed to predict the cycle pedaling performance as changes of shoe bending stiffness and shoe attaching position. Finite element models were validated with reference data and result of experimental test. The geometry of foot FE(finite element) model was based on the CT(computed tomography) data(slice thickness=1mm) of right foot(174 Cm, 74Kg, 28 aged, male) with no medical history within last 5years. Three-dimensional model reconstruction in computational model wasprocessed by Geomagic Studio 4.0(Raindrop Geomagic Inc. Research Triangle Park. NC. USA) and foot plantar soft tissue and cartilage were added and Ansys 5.7(Swanson Analysis Systems, inc., Huston, PA, U.S.A.) was used to make finite element model. Morphological and biomechanical model was validated. Material properties were adapted from previous research reference. Cycle shoe FE model was based on the CAD data served by cycle shoe manufacturing company. Cycle shoe outsole was made of carbon fiber composite known as a good type of material for force transmission from human lower extremities to cycle pedals. Material properties were calculated by softwarebased on classic lamination theory(CLT). Carbon composite material property had anisotropic character. But, CLT based software can regard that as isotropic material. To validate the cycle shoe FE model, product failure bending test was proceeded. Cycle shoe bending stiffness of two types of cycle shoes(M-125, R-225, Shimano, Japan)and in-shoe plantar pressure during pedaling were measured to verify the relationship between cycle shoe stiffness and pedaling performance. Bending stiffness test was based on ASTM F911 test protocol. In-shoe plantar pressure data were collected with non-trained cyclists(N=5, height=170±4.8Cm, 72±5.4Kg) have no clinical history in the lower extremities in the recent 3years. Pedaling R.P.M. is maintained for 10 seconds(R.P.M.=90) during data collection. Plantar pressure data were collected using an F-scan(Tekscan Inc., South Boston, MA, U.S.A.) instrument. Peak plantar pressure data of five time's repetitions were averaged with two types of cycle shoes. Finite element analysis were proceeded with various type of shoe profile models and cleat attaching positions and peak von mises stress results wereobserved in the forefoot region caused by applied loads and boundary conditions. Cycle shoe FE model was validated with experimental load-displacement results(300N-87.74%, 500N-97.24%) well. Vertical von mises stresses were decreased in the both of profile design modified modelcompared with basic model. In the finite element analysis with various cleat positions of non-modified outsole profile design, significant high vertical von mises stress was observed in the model of neutral cleat position compared with both forwardand backward cleat positioned models. In the case of 5mm positive outsole profile modified design, there was no significantdifference of vertical von mises stress value between neutral and 5mm forward cleat positioned model but, significant decrease of vertical von mises stress was observed in the 5mm backward cleat positioned model. In the case of 5mm negative outsole profile modified design, significant decrease of vertical von mises stress wasobserved in the 5mm forward cleat positioned model compared with neutral and 5mm backward cleat positioned model. In this study, comparative high foot plantar pressure was observed in carbon composite material outsole with ultra high stiffness than poly urethane material outsole. Based on the previous research, we supposed that high pressure in the plantar forefoot region means good force transmission during cycle pedaling. From this hypothesis, vertical von mises stress in the foot-shoe interface of cycle shoe part was determined to the factor of cycling performance prediction. And, we suggested the cycle shoe FE model with high vertical von mises stress as a performance improvable design. In addition to this study, FE analysis about more various profile angles and cleat attaching positions are needed. In this study, computer simulation of cycle pedaling was limited at a point of maximum peak contact pressure occurred in the plantar forefoot region. In the future study, dynamic simulation of cycle pedaling motion with cycle and human musculoskeletal system model is needed for the more similar analysis to real cycle pedaling.
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