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문제 정의
- 최근에 있어서 인간중심 제품혁신설계가 공학설계분야에서 매우 중요하게 되었고, 고령화시대에 따른 헬스케어기술에 대한 관심이 증가되고 있어서 인체의 생체분석 및 평가 기술에 대한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다. 본 논문에서는 저자들이 기 개발한 인체 근골격 다물체동역학 모델과 인체 동작분석 및 동역학 해석 기술에 대하여 소개를 하고, 보행 및 팔굽혀펴기 동작을 예제로 하여 생체 분석 및 평가 사례를 기술하였다.
제안 방법
- 이에 따라 가상 마커의 3차원 동작 데이타를 기반으로 각 관절에서의 관절기구학 정보(관절각도, 관절각속도, 관절각가속도)를 계산하였다. 계산된 관절기구학 정보와 인체분절계수(분절질량, 분절질량관성모멘트 등)를 이용하여 운동방정식에 따라 각 관절에서의 3차원 관절모멘트와 관절력을 계산하였다. 또한 각 관절에서의 힘평형 방정식을 이용하여 3차원 관절력을 다음과 같이 산출하였다[3].
- 한국인 표준체형과 유사한 체형을 지닌 병변이 없는 21세 남성사체(키 170 cm, 몸무게 65 kg)의 1 mm 간격의 전신 컴퓨터 단층촬영(computer tomography, CT) 사진들을 이용하여 전신 3차원 골격 형상 모델을 개발하였다. 골격 형상 모델은 RapidformTM(Inus Tech. Inc., Korea)과 SolidworksTM(Solidworks Inc., USA)를 사용하여 개발하였다. 인체 전신 골격 모델은 상지 6분절, 하지 6분절, 척추 3분절로 구성되었고(Fig.
- 인체 동작중에 발생하는 근력의 예측은 주로 근전도 신호를 이용한 실험적 방법을 사용하였으나 근전도 신호의 부정확성과 낮은 신뢰성 등의 문제로 인하여 최적화 기법을 이용하여 근력을 예측하는 수치해석 알고리즘이 적용되고 있다[4]. 관절에 발생한 관절모멘트와 관절력과 평형을 이루는 주위의 각 근력에 의한 관절모멘트 및 근력의 합력 수식을 제한조건으로 하고, 각 근육에 작용하는 응력의 제곱의 합의 최소화를 목적함수로 정의하는 최적화기법을 활용하여 각 시간증분 상태에서의 준정적 평형상태에서의 근력을 예측하였다. 하지에서는 20개 주요 근육을 모델링 하였고, 상지에서도 20개의 주요 근육을 모델링 하였다.
- 척추 부위는 목과 흉추에서 단축 회전관절을 적용하여 1자유도 운동이 가능하도록 하였다. 관절을 묘사할 때 가상 물체를 이용하여 2개 이상의 회전관절을 이용하여 원하는 3차원 관절 운동을 표현하였다. 각 분절의 질량, 관성 모멘트 등의 인체 분절 계수는 Zatsiorsky[2]의 자료를 사용하였다.
- 전신에 35개의 반사마커를 해부학적 주요 위치에 부착하였다. 그 후보행 및 팔굽혀펴기 동작의 3차원 동작분석(HawkTM ,Motion Analysis Inc., USA)과 지면반력(TelemyoTM, Noraxon Inc., USA)을 측정하였다. 두 동작 데이터는 각각 3회 실험을 한 후 평균값을 이용하여 기구학적 변인을 계산하였다.
- 계산된 관절기구학 정보와 인체분절계수(분절질량, 분절질량관성모멘트 등)를 이용하여 운동방정식에 따라 각 관절에서의 3차원 관절모멘트와 관절력을 계산하였다. 또한 각 관절에서의 힘평형 방정식을 이용하여 3차원 관절력을 다음과 같이 산출하였다[3].
- 2에서와 같이 개발된 인체 다물체 동역학 모델을 이용하여 보행 및 팔굽혀펴기 동작의 동작 시뮬레이션 결과를 볼 수 있다. 시뮬레이션은 피검자의 3차원 동작 측정 데이터를 근골격 모델에 연동하고, 각 관절의 시간에 따른 각도를 계산 후, 관절각도의 변화에 따라 동작을 재현하였다.
- 여기서 실제 마커의 위치는 동작 분석 시스템을 통해 얻어진 3차원 공간상의 좌표값이고, 가상 마커의 위치는 근골격 동역학 모델에 위치한 3차원 좌표값이다. 이에 따라 가상 마커의 3차원 동작 데이타를 기반으로 각 관절에서의 관절기구학 정보(관절각도, 관절각속도, 관절각가속도)를 계산하였다. 계산된 관절기구학 정보와 인체분절계수(분절질량, 분절질량관성모멘트 등)를 이용하여 운동방정식에 따라 각 관절에서의 3차원 관절모멘트와 관절력을 계산하였다.
- , USA)를 사용하여 개발하였다. 인체 전신 골격 모델은 상지 6분절, 하지 6분절, 척추 3분절로 구성되었고(Fig. 1) 어깨 및 엉덩이 관절은 3축 회전조인트, 무릎 및 팔꿈치 관절은 1축 회전조인트, 팔목 및 발목은 2축 회전조인트로 구성되었다. 척추 부위는 목과 흉추에서 단축 회전관절을 적용하여 1자유도 운동이 가능하도록 하였다.
- 인체의 동작을 구현하기 위해 동작분석 카메라에서 얻어진 35개 마커의 위치 데이터를 근골격 모델의 동일한 해부학적 위치에 가상마커를 형성하여 연동하였다. 여기서 실제 마커의 위치는 동작 분석 시스템을 통해 얻어진 3차원 공간상의 좌표값이고, 가상 마커의 위치는 근골격 동역학 모델에 위치한 3차원 좌표값이다.
- 하지에서는 20개 주요 근육을 모델링 하였고, 상지에서도 20개의 주요 근육을 모델링 하였다. 주요 근육의 부착 위치는 해부학적 위치와 OpenSimm[5]에서 제공하는 정보를 들을 고려하여 개발하였다.
- 1) 어깨 및 엉덩이 관절은 3축 회전조인트, 무릎 및 팔꿈치 관절은 1축 회전조인트, 팔목 및 발목은 2축 회전조인트로 구성되었다. 척추 부위는 목과 흉추에서 단축 회전관절을 적용하여 1자유도 운동이 가능하도록 하였다. 관절을 묘사할 때 가상 물체를 이용하여 2개 이상의 회전관절을 이용하여 원하는 3차원 관절 운동을 표현하였다.
- 한국인 표준체형과 유사한 체형을 지닌 병변이 없는 21세 남성사체(키 170 cm, 몸무게 65 kg)의 1 mm 간격의 전신 컴퓨터 단층촬영(computer tomography, CT) 사진들을 이용하여 전신 3차원 골격 형상 모델을 개발하였다. 골격 형상 모델은 RapidformTM(Inus Tech.
대상 데이터
- 관절을 묘사할 때 가상 물체를 이용하여 2개 이상의 회전관절을 이용하여 원하는 3차원 관절 운동을 표현하였다. 각 분절의 질량, 관성 모멘트 등의 인체 분절 계수는 Zatsiorsky[2]의 자료를 사용하였다. 인체 전신 골격 모델은 사용 다물체 동역학 해석 SW인 RecurDynTM(Functionbay Inc.
- 보행 및 팔굽혀펴기 실험 피검자는 27세 남성(170 cm, 72 Kg)이었다. 피검자는 실험 목적과 내용에 대하여 숙지하였고, 실험 동의서에 자발적 서명을 한 후 참여하였다.
데이터처리
- , USA)을 측정하였다. 두 동작 데이터는 각각 3회 실험을 한 후 평균값을 이용하여 기구학적 변인을 계산하였다.
이론/모형
- 각 분절의 질량, 관성 모멘트 등의 인체 분절 계수는 Zatsiorsky[2]의 자료를 사용하였다. 인체 전신 골격 모델은 사용 다물체 동역학 해석 SW인 RecurDynTM(Functionbay Inc., Korea)를 플랫폼으로 탑재하였다.
성능/효과
- 3(a)는 보행 동작에서의 상지 및 하지의 주요 관절에서의 관절기구학 정보를 나타낸 결과이다. 개발된 인체 근골격 동역학 모델을 이용한 관절기구학 결과의 검증을 위하여 상용 인체동작 분석 소프트웨어인 Visual3DTM(C-Motion Inc., USA)의 결과와 비교한 결과 최대 10% 이내의 오차를 보였다[3,6]. Fig.
후속연구
- 본 연구에서 제안한 인체 근골격 시스템의 다물체 동역학 모델을 이용하여 보행 및 팔굽혀펴기 동작의 생체 분석 및 평가 기술에서는 관절기구학, 관절모멘트 및 근력을 기준 문헌과 비교하여 매우 비슷하게 예측할 수 있었다 개발된 모델과 생체 분석 및 평가 기술은 인체에 손상을 가하지 않는 비파괴 생체분석 기술이라고 할 수 있고, 다양한 동작 중에 발생하는 인체의 생체역학 연구 및 인간중심 제품개발, 그리고 재활/스포츠 등과 같은 다양한 분야에 활용될 수 있으리라 생각한다.
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