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문제 정의
- 본 논문에서는 의자의 좌면 높이와 힙업기능에 의한 기립보조를 실험하고 평가하였다. 먼저, 좌면 높이조절을 위해 기립보조의자를 제작하고 힙업보조가 없는 상태에서 기립동작시의 대퇴직근의 근전도 최대값을 측정하였다.
- 마지막으로 적응 평활화 필터에 의해 근전도의 진폭신호(envelope EMG)를 얻었다. 본 연구에서는 근전도 진폭이 최대값(peak value)이 되는 시점에서의 기립동작 상태를 분석 및 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 기립보조의자의 힙업각도를 15도로 설정함으로써, 근전도의 최대값이 나타나는 대퇴각도에서는 힙업 보조가 될 수 있도록 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 힙업기능을 위한 힙업기구의 좌면 상승각도는 15도로 설정하고, 설계 및 제작하였다.
- 각 피험자는 초기대퇴각도, 즉 초기높이에서 각각 5회씩 기립동작을 수행하였으며, 3차원 동작 측정데이터와, 대퇴직근의 근전도를 동시에 측정하였다.
- 그러나 본 논문에서는 좌면의 힙업각도(hip-up angle)에 따른 기립동작에 주안점을 두었기 때문에, 별도의 인체운동 해석은 수행하지 않고, 단지 좌면의 높이에 따른 기립시의 대퇴각도 변화와 슬관절의 신전(extension)에 관여하는 대퇴직근(Rectus femoris)의 근전도를 분석하였다[13].
- 기립보조의자는 승강기구(lifting mechanism), 좌면기구(seat mechanism), 끼임감지 기구(entrapment sensing mechanism), 제어시스템(control system)으로 구성하였다(그림 1
- 대퇴각도는 6개의 고속 적외선 카메라로 구성된 3차원 동작 측정시스템(HWK-200, MotionAnalysis Co.)으로 측정하였고, 대퇴직근의 근전도는 동적 근전도 측정시스템(Bagnoli-4, Delsys Co.)으로 측정하였다.
- 먼저, 좌면 높이조절을 위해 기립보조의자를 제작하고 힙업보조가 없는 상태에서 기립동작시의 대퇴직근의 근전도 최대값을 측정하였다. 동시에 3차원 동작 측정시스템을 이용하여 대퇴각도를 측정하였다. 이 결과, 좌면의 초기 위치가 높을수록 근전도의 최대값은 감소하는 것을 보였고, 기립보조에 효과적인 것도 알 수 있었다.
- 두 번째로 대퇴의 초기각도가 7도, 14도, 21도로 하는 좌면의 초기높이에 따라, 기립시 근전도의 최대값이 나타나는 대퇴각도를 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 2장에서 측정한 5명의 피험자에 대한 기립동작시 대퇴직근의 근전도를 분석하여 힙업각도를 정하였다. 특히 이 측정결과에서 최대 근전도가 나타날 때의 대퇴각도를 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 신체구조에 관계없이 모든 사람이 기립보조의자를 사용할 수 있도록 승강기구의 최대 상승높이를 450 mm가 되도록 설계하였다.
- 따라서 본 연구에서는 힙업보조와 사용자 체중에 의한 복원이 가능하도록 60 kgf 반발력의 가스 스프링을 선정하였다.
- 첫 번째 그래프는 근전도 측정시스템의 출력을 1KHz 샘플링하여 입력한 근전도 신호이며, 두 번째는 60Hz BRF(band rejection filter)에 의해 전원 잡음이 제거된 신호이고, 세 번째는 전파정류(full rectification)된 신호이다. 마지막으로 적응 평활화 필터에 의해 근전도의 진폭신호(envelope EMG)를 얻었다. 본 연구에서는 근전도 진폭이 최대값(peak value)이 되는 시점에서의 기립동작 상태를 분석 및 평가를 수행하였다.
- 먼저 좌면의 높이에 따른 기립동작을 측정하였다. Hutchinson의 연구에서는 기립시 하체의 골격 각도를 파악하기 위해 다양한 방법을 제안하였으나[14], 본 연구에서는 고관절과 슬관절 그리고 의자의 각 모서리에 적외선 반사 마커를 부착하였다.
- 본 논문에서는 의자의 좌면 높이와 힙업기능에 의한 기립보조를 실험하고 평가하였다. 먼저, 좌면 높이조절을 위해 기립보조의자를 제작하고 힙업보조가 없는 상태에서 기립동작시의 대퇴직근의 근전도 최대값을 측정하였다. 동시에 3차원 동작 측정시스템을 이용하여 대퇴각도를 측정하였다.
- 본 논문에서는 기립보조의자에 대한 생체역학적인 평가를 기반으로 힙업기능을 가진 기립보조의자에 대한 설계기준을 제시하고, 기능이 구현된 의자를 이용하여 5명의 피험자와 실험을 통해 기립보조의자에 대한 효과를 분석한다.
- 본 논문에서는 높이조절을 3단계로만 설정하여 기립보조에 대한 평가를 수행하였다. 향후에는 다양한 높이에서 힙업기능과 연동하였을 때의 기립동작을 분석할 필요가 있다.
- 본 논문에서는 먼저 승강이 가능한 프로토타입 기립보조의자를 설계하였다(그림 1
- 본 논문에서는 좌면의 지지강도를 높이면서도 승강시 마찰을 최소화할 수 있도록 승강기구는 좌면프레임을 지지하는 지지프레임(support frame)과, 지지프레임에 고정된 승강기구의 컬럼(column)과 컬럼에 끼워져 컬럼을 따라 이동하는 리니어부쉬(linear bush), 그리고 좌면프레임의 승강 동작을 위한 선형구동기(linear actuator)로 구성하였다(그림 1(a)).
- 본 연구에서 제안하는 기립보조의자는 앉은 자세에서 기립동작을 지원하는 것이 주 목적으로 하므로, 컬럼의 지지각도는 75도보다 높은 80도로 설계하였다(그림 1(a)).
- 그러나 피험자마다 신체적 구조는 차이가 있으므로, 이 초기높이는 피험자가 의자에 앉았을 때 대퇴와 수평면과 이루는 각도가 설정된 초기각도(초기대퇴각도라고함)가 될 때의 높이로 정하였다. 본 연구에서는 초기대퇴각도는 7도, 14도, 21도를 기립동작의 초기높이로 설정하였다(그림 5 참조). 여기서 초기대퇴각도 21도는 사용자의 발뒤꿈치가 바닥에서 떨어지지 않았을 때의 최대 좌면 높이에 해당한다.
- 세 번째로 힙업기능을 적용하였을 때 기립보조에 대한 생체역학적 분석을 시도하였다. 그 결과, 힙업 기능은 기립보조에 효과적이다는 것을 알 수 있었다.
- 힙업기구를 기립보조의자에 적용한 후, 피험자의 동작에 대한 생체역학적 평가를 수행하였다. 이를 위해 5명의 피험자는 기립보조의자의 초기높이에서 힙업보조가 있을 때와 없을 때 각각 5회씩 기립동작을 수행하였다. 3차원 동작 측정과 대퇴직근의 근전도 측정 등의 실험환경은 2.
- 최저 하강높이는 좌면의 하부 구조물의 높이를 고려하여 80 mm로 설계하였다.
- 특히 이 측정결과에서 최대 근전도가 나타날 때의 대퇴각도를 분석하였다.
- 힙업기구를 기립보조의자에 적용한 후, 피험자의 동작에 대한 생체역학적 평가를 수행하였다.
대상 데이터
- 그리고 초기대퇴각도 7도는 대퇴의 위쪽 면이 수평면과의 평행한 상태가 될 때의 좌면 높이에 해당한다. 본 연구에서는 이 두 각도의 중간인 14도를 초기대퇴각도로 선정하였다. 각 피험자는 초기대퇴각도, 즉 초기높이에서 각각 5회씩 기립동작을 수행하였으며, 3차원 동작 측정데이터와, 대퇴직근의 근전도를 동시에 측정하였다.
- 본 연구에서는 좌면의 힙업용 구동기로는 별도의 전기장치가 필요 없는 가스 스프링(gas spring)(Free lock gas oil, ICSN Co.)을 사용하였다.
- 본 연구에서는 피험자로서 대퇴근육에 병리학적 이상이 없는 건강한 남성 5명(26세, 169 ± 5.5 cm, 76 ± 6 kg)을 선정하였다.
데이터처리
- 또한 분산분석법(ANOVA test)을 이용하여 좌면 높이(초기대퇴각도)에 따른 대퇴 근전도와의 유의성 분석을 하였다.
- 또한 힙업기능에 대한 기립보조효과를 보다 더 명확히 평가하기 이해, 좌면의 초기 위치와 그리고 힙업보조를 두 변수로 하는 2-way ANOVA를 실시하였다. 이 결과 p < 0.
이론/모형
- 기립동작 분석시 측정된 근전도와 3차원 기립동작 데이터간의 시간지연이 발생하면 해석이 어렵기 때문에, 본 연구에서는 진폭신호 생성시, 미분 알고리즘을 적용하여 이동평균을 위한 데이터의 간격을 시간당 데이터의 특성에 따라 가변하는, 적응 평활화 필터(adaptive smoothing filter)[9]를 사용하였다.
성능/효과
- 결론적으로 높이조절이 가능한 기립보조의자는 기립 동작시, 보다 적은 근력으로 기립보조가 가능하며, 힙업기능도 기립보조에 효과적인 것을 알 수 있었다.
- 그 결과, 힙업 기능은 기립보조에 효과적이다는 것을 알 수 있었다.
- 그리고 분산분석을 수행한 결과, 힙업보조가 있을 때는 좌면의 초기높이(초기대퇴각도)에 관계없이 힙업보조가 없을 때보다 근전도의 최대값은 작았으며, 그 차이도 유의하다는 것을 보여 준다.
- 그러나 근전도의 최대값은 평균적으로 감소되는 경향을 보였다. 따라서 본 연구에서 제안한 힙업기능은 기립보조에 효과적이라고 판단된다.
- 두 번째로 대퇴의 초기각도가 7도, 14도, 21도로 하는 좌면의 초기높이에 따라, 기립시 근전도의 최대값이 나타나는 대퇴각도를 분석하였다. 이 결과 초기높이에 관계없이 대퇴의 상대각도가 15도 이하에서 근전도의 최대값이 나타났다. 따라서 본 연구에서는 힙업기능을 위한 힙업기구의 좌면 상승각도는 15도로 설정하고, 설계 및 제작하였다.
- 그리고 그림 9는 2장의 실험에서 설정한 7도, 14도, 21도의 초기대퇴각도에 대한 근전도의 최대값이 나타났을 때의 상대적 대퇴 각도를 나타내었다. 이 데이터는 5명의 측정데이터를 평균한 결과이고, 근전도의 최대값의 평균은 초기대퇴각도에 대한 상대적 대퇴각도가 15도 이하에서 나타났다. 따라서 본 연구에서는 기립보조의자의 힙업각도를 15도로 설정함으로써, 근전도의 최대값이 나타나는 대퇴각도에서는 힙업 보조가 될 수 있도록 하였다.
- 이 결과, 좌면의 초기 위치가 높을수록 근전도의 최대값은 감소하는 것을 보였고, 기립보조에 효과적인 것도 알 수 있었다.
- 이러한 결과로부터 우리는 좌면이 높아짐에 따라, 즉 대퇴각도가 커짐에 따라 근전도의 최대 값은 작아지며, 기립보조에 효과적이라는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 그러나 본 연구에서 사용한 가스 스프링은 직경 27 mm, 길이 200 mm이며, 최대 스트로크는 50 mm의 사양을 가지고 있기 때문에, 좌면 하부의 공간 제약과 스트로크의 한계에 의해 가능한 최대 힙업각도는 제한된다.
- 향후에는 다양한 높이에서 힙업기능과 연동하였을 때의 기립동작을 분석할 필요가 있다. 이를 바탕으로 사용자의 기립동작의 특성을 고려한 최적의 기립보조의자에 대한 연구를 진행할 예정이다.
- 본 논문에서는 높이조절을 3단계로만 설정하여 기립보조에 대한 평가를 수행하였다. 향후에는 다양한 높이에서 힙업기능과 연동하였을 때의 기립동작을 분석할 필요가 있다. 이를 바탕으로 사용자의 기립동작의 특성을 고려한 최적의 기립보조의자에 대한 연구를 진행할 예정이다.
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