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문제 정의
- 수관절 회전 운동의 각도 변위를 측정하고, 측정된 각도 변위와 이론으로 해석한 진동응답 결과를 비교한다. 결과로 수관절 근육의 동역학적 특성을 파악하고, 전기 자극 강도와 가진력 크기의 관계를 유추하여, 능동형 수관절 재활 훈련 로봇 설계에 적용하고자 한다.
- 이 논문은 인체 수관절 근육을 대상으로 진동 응답을 다룬다. 수관절 재활 훈련 로봇 설계를 위하여 수관절 근육의 동역학적 특성을 파악하는 연구의 초기 단계로서, 근육을 스프링과 감쇠기로 구성된 진동 시스템으로 모델링한 사례(6)에 따라, 인체 수관절 근육을 가장 간단한 1자유도 진동 시스템으로 모델링하고, 진동 응답을 이론적으로 해석 한다.
- 효과적인 인체 수관절 재활 훈련 장치 개발을 위하여 인체 수관절 근육의 동역학적 특성을 파악하였다. 수관절 근육을 스프링과 감쇠기가 병렬로 집중 질량에 연결된 1자유도 진동 시스템으로 모델링하고, 램프 입력 형태의 가진력에 대한 진동 응답을 이론적으로 해석하였다.
제안 방법
- 2절에서 해석한 바와 같이 근육은 진동을 거의 하지 않기 때문에 정상상태 응답인 각도 변위를 측정하였다. 기능적 전기 자극 장치를 사용하여 근육에 전기 자극을 인가하고, 관절각도계인 고니오미터(goniometer)를 사용하여 각도 변위를 측정하였다.
- 5에 나타내었다. 가진력 함수를 얻기 위하여, 측정된 신호를 완전 정류(fully rectify) 하고 저역 통과 필터(low-pass filter)를 사용하였다. 필터는 MATLAB의 SIMULINK를 이용하여 작성되었고, 이것의 블록선도는 Fig.
- 그러나 일반적으로 임계 감쇠비에 가까운 부족 감쇠비 값(8)을 갖는다고 알려져 있어, 이 논문에서는 근육의 감쇠비 ζ (= c/ 2meωn) 값을 0.9로 설정하고 해석하였다.
- 근육을 1자유도 진동 시스템으로 모델링하여 이론적으로 구한 진동 응답 변위와 근육에 전기 자극을 인가했을 때 측정된 수관절의 각도 변위를 비교한다. 근육은 수축에 의해 관절에서 운동을 발생시키는데, 근육의 수축량이 진동 응답 변위에 해당한다.
- 2절에서 해석한 바와 같이 근육은 진동을 거의 하지 않기 때문에 정상상태 응답인 각도 변위를 측정하였다. 기능적 전기 자극 장치를 사용하여 근육에 전기 자극을 인가하고, 관절각도계인 고니오미터(goniometer)를 사용하여 각도 변위를 측정하였다.
- 실제 가진력 함수 추출을 위하여 수관절 근육 중 요측수근굴근에서 토크에 따른 근전도 신호를 측정하였고, 저역 통과 필터로 포락선을 구하여 가진력 함수가 1/2 주기의 sine 함수 형태임을 확인하였다. 기능적 전기 자극 장치를 사용하여 요측수근굴근에 전기 자극을 가하고, 가진력 크기에 해당하는 입력전류에 따른 진동 응답 변위인 수관절의 각도 변위를 측정하였다. 이론적으로 구한 진동 응답 변위와 유사하게 입력 전류 변화에 대하여 각도 변위 변화도 선형 비례하여 증가하는 결과를 얻었다.
- 해석 결과와 비교하기 위해서 수관절의 굴곡 운동(flexion) 및 요측 편위(radial deviation)를 발생시키는 요측수근굴근을 택하였다. 두 방향 운동 중 굴곡 운동에 대하여 3단계의 토크에서 표면 근전도 신호를 측정하였다. 실험에 적용한 토크는 0.
- 수관절 근육을 1자유도 진동 시스템으로 모델링 하여 진동 응답 식을 유도하였다.
- 효과적인 인체 수관절 재활 훈련 장치 개발을 위하여 인체 수관절 근육의 동역학적 특성을 파악하였다. 수관절 근육을 스프링과 감쇠기가 병렬로 집중 질량에 연결된 1자유도 진동 시스템으로 모델링하고, 램프 입력 형태의 가진력에 대한 진동 응답을 이론적으로 해석하였다. 해석 결과 진동 응답 변위는 가진력 크기에 따라 선형 비례하여 증가하나, 감쇠비 값이 1에 가깝기 때문에 진동을 거의 하지 않는 특성을 보였다.
- 수관절 근육의 가진력에 해당하는 근전도 신호를 측정하고, 정상상태(steady state) 응답을 측정하였다.
- 표면 근전도를 측정하기 위해서는 측정 대상 근육을 선정하고 위치를 파악해야 한다(13). 수관절 운동을 수행할 때 근전도 신호가 가장 크게 발생하는 지점을 파악하여 표면 근전도 센서를 부착하였다. Fig.
- 이 논문은 인체 수관절 근육을 대상으로 진동 응답을 다룬다. 수관절 재활 훈련 로봇 설계를 위하여 수관절 근육의 동역학적 특성을 파악하는 연구의 초기 단계로서, 근육을 스프링과 감쇠기로 구성된 진동 시스템으로 모델링한 사례(6)에 따라, 인체 수관절 근육을 가장 간단한 1자유도 진동 시스템으로 모델링하고, 진동 응답을 이론적으로 해석 한다. 실제 근육의 물성치를 대입하여 응답 해석 결과를 얻는다.
- 기능적 전기 자극 장치를 사용하여 수관절 근육에 전기 자극을 인가한다. 수관절 회전 운동의 각도 변위를 측정하고, 측정된 각도 변위와 이론으로 해석한 진동응답 결과를 비교한다. 결과로 수관절 근육의 동역학적 특성을 파악하고, 전기 자극 강도와 가진력 크기의 관계를 유추하여, 능동형 수관절 재활 훈련 로봇 설계에 적용하고자 한다.
- 실제 근육의 물성치를 대입하여 응답 해석 결과를 얻는다. 실험을 통해 수관절 근육으로부터 근전도 신호를 측정하여 근육에 가해지는 가진력 함수를 추출한다. 기능적 전기 자극 장치를 사용하여 수관절 근육에 전기 자극을 인가한다.
- 인체 상지 근육의 수축 시간(twitch time, T)이 40 ms임을 고려하여 필터의 차단 주파수 (fc = 1 / 2πT)를 4 Hz로 하였다(14).
- 인체 수관절 근육을 Fig. 1과 같이 스프링과 감쇠기가 병렬로 집중 질량에 연결된 진동 시스템으로 모델링하였다. 이 시스템에 임의의 하중 F(t)가 가해진다고 하면, 운동방정식은 다음과 같은 식으로 표현된다.
- 전기 자극 장치의 자극 조건은 Table 2에 나타내었다. 입력전류를 0 mA부터 1 mA씩 단계적으로 증가시키면서 수관절의 각도 변위를 측정하였다. 피험자는 총 3명으로 나이 및 신체 조건을 Table 3에 나타내었다.
- 9에 나타내었다. 전기 자극 장치의 전극 패드를 요측수근굴근의 근전도 측정 부분인 중앙부와 원위부(심장을 기준으로 먼 쪽)에 해당하는 수관절 부근에 부착하였다. 가진력 함수는 3.
- 해석 결과와 비교하기 위해서 수관절의 굴곡 운동(flexion) 및 요측 편위(radial deviation)를 발생시키는 요측수근굴근을 택하였다. 두 방향 운동 중 굴곡 운동에 대하여 3단계의 토크에서 표면 근전도 신호를 측정하였다.
대상 데이터
- 실험 대상 근육은 근전도 신호 측정 근육인 요측수근굴근이고, 여기에 실험 장치가 부착된 모습을 Fig. 9에 나타내었다. 전기 자극 장치의 전극 패드를 요측수근굴근의 근전도 측정 부분인 중앙부와 원위부(심장을 기준으로 먼 쪽)에 해당하는 수관절 부근에 부착하였다.
- 실험에 사용된 근전도 측정 장치는 표면 근전도를 측정할 수 있는 것으로 Biometrics사의 제품이며, 컨트롤러(W4X8), 표면 근전도 센서(SX230FW), 기준전극(R206)으로 구성된다. 표면 근전도를 측정하기 위해서는 측정 대상 근육을 선정하고 위치를 파악해야 한다(13).
- 두 방향 운동 중 굴곡 운동에 대하여 3단계의 토크에서 표면 근전도 신호를 측정하였다. 실험에 적용한 토크는 0.02, 0.07, 0.10 N․m이다. 이 토크 범위는 수관절의 표면 근전도 신호 크기와 토크가 선형적으로 비례하는 구간이며, 토크 0.
- 진동 응답 측정 실험은 Table 3과 같이 3명의 피험자를 대상으로 수행하였으며, 대표적으로 피험자 1에 대하여 전기 자극의 입력 전류에 따라 움직인 수관절의 모습을 Fig. 11에 나타내었다. Fig.
- 4에 표면 근전도 측정장치를 부착한 모습을 나타내었다. 피험자(subject)는 나이 35세의 남성으로 신체조건은 신장 172 cm 와 체중 68 kg이다.
데이터처리
- 식 (3)을 식 (2)에 대입하면 근육의 진동 응답을 구할 수 있다. 이 논문에서는 수치해석 프로그램인 Mathematica(9)를 이용하여 식 (2)를 계산하였고, 결과는 다음 식과 같다.
이론/모형
- 수관절 근육 중 해석에 사용한 요측수근굴근(FCR, flexor carpi radialis)의 물성치를 Table 1에 나타내었다. 근육의 질량 및 공진주파수는 참고문헌(10,11)에서 인용하였다. 식 (4)에 Table 1의 근육 물성치를 대입하고, 상승 시간 t1이 0.
성능/효과
- 실제 가진력 함수 추출을 위하여 수관절 근육 중 요측수근굴근에서 토크에 따른 근전도 신호를 측정하였고, 저역 통과 필터로 포락선을 구하여 가진력 함수가 1/2 주기의 sine 함수 형태임을 확인하였다. 기능적 전기 자극 장치를 사용하여 요측수근굴근에 전기 자극을 가하고, 가진력 크기에 해당하는 입력전류에 따른 진동 응답 변위인 수관절의 각도 변위를 측정하였다.
- 기능적 전기 자극 장치를 사용하여 요측수근굴근에 전기 자극을 가하고, 가진력 크기에 해당하는 입력전류에 따른 진동 응답 변위인 수관절의 각도 변위를 측정하였다. 이론적으로 구한 진동 응답 변위와 유사하게 입력 전류 변화에 대하여 각도 변위 변화도 선형 비례하여 증가하는 결과를 얻었다. 이로써 수관절 근육의 동역학적 특성을 파악하였으며, 재활훈련 장치 설계에 활용할 수 있다.
- 12에 그래프로 나타내었다. 점선은 측정한 데이터를 직선 맞춤한 결과인데, 상관계수 R = 0.991 ~ 0.994로 입력 전류 변화에 선형 비례하는 각도 변위 변화가 나타났다. 가진력 크기에 대하여 선형 비례하는 응답 변위를 보이는 2.
- 수관절 근육을 스프링과 감쇠기가 병렬로 집중 질량에 연결된 1자유도 진동 시스템으로 모델링하고, 램프 입력 형태의 가진력에 대한 진동 응답을 이론적으로 해석하였다. 해석 결과 진동 응답 변위는 가진력 크기에 따라 선형 비례하여 증가하나, 감쇠비 값이 1에 가깝기 때문에 진동을 거의 하지 않는 특성을 보였다.
후속연구
- 이론적으로 구한 진동 응답 변위와 유사하게 입력 전류 변화에 대하여 각도 변위 변화도 선형 비례하여 증가하는 결과를 얻었다. 이로써 수관절 근육의 동역학적 특성을 파악하였으며, 재활훈련 장치 설계에 활용할 수 있다.
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