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문제 정의
- 본 연구에서는 수동 휠체어 추진시 상지 관절에서 작용하는 토크를 구할 수 있는 2차원 역동역학 모델을 개발하고 기존의 발표된 연구들과 비교하여 비슷한 경향을 나타냄을 확인하였다. 체절의 운동학적 자료는 3차원 동작분석 시스템에서 획득하였고 휠체어 바퀴에 발생하는 토크는 브레이크식 다이나 모미터에서 획득하였다.
제안 방법
- 에 도시한 실험 결과 중에서 손과 휠체어 핸드림이 접촉한 추진 구간에 대하여 역동역학 모델을 이용하여 상지 각 관절의 토크를 구하였다. 그림 2.에서 보인 다이나모미터의 브레이크 전압 3V가 인가되었을 경우에는 총 16회의 추진 중에서 4회부터 8회까지 5회의 연속적인 추진 구간에 대하여 역동역학 해를 구하였다. 그림 3.
- 에서 보인 다이나모미터의 브레이크 전압 3V가 인가되었을 경우에는 총 16회의 추진 중에서 4회부터 8회까지 5회의 연속적인 추진 구간에 대하여 역동역학 해를 구하였다. 그림 3.에서 보인 다이나모미터의 브레이크 전압 6V가 인가되었을 경우에는 총 18회의 추진 중에서 5회부터 9회까지 5회의 연속적인 추진 구간에 대하여 역동역학 해를 구하였다.
- 다이나모미터는 롤러, 토크 센서, 파우더 브레이크(powder brake) 등으로 구성되어 있으며 파우더 브레이크에 전압을 가하여 여러 가지 저항력을 생성할 수 있다. 본 실험에서는 파우더 브레이크 전압을 3V와 6V의 두 가지 조건으로 저항력을 주었는데 다이나모미터를 40rpm 으로 회전시킬때 파우더 브레이크에 인가된 전압 3V와 전압 6V 에 의한 토크 센서 출력은 표 1.과 같다. 두 값의 비율은 약 2.
- 본 실험에서는 피실험자의 손바닥에 FSR(Force Sensing Resistor) 센서를 부착하여 휠체어의 핸드 림을 잡고 추진하는 구간을 파악하였다. FSR 센서는 두 개의 필름이 간극을 가지고 나란히 배열되어 있고, 두 필름 내측에는 전도성 물질이 코팅되어 있다.
- 체절의 운동학적 자료는 3차원 동작분석 시스템에서 획득하였고 휠체어 바퀴에 발생하는 토크는 브레이크식 다이나 모미터에서 획득하였다. 본 연구는 한계점을 포함하고 있지만 상지 관절에 관한 생체역학적 해석의 도구를 구축하였으며 적은 노력으로 3차원 역동력학 모델을 구성할 수 있는 토대를 구축하였다.
- 본 연구에서는 새롭게 제작된 브레이크식 다이나 모미터를 이용하여 수동 휠체어 추진 중 발생 토크를 운동역학적 자료로 획득하였고 운동역학적 자료와 동기화된 상지 체절의 위치 정보를 3차원 동작 분석 시스템을 이용하여 운동학적 자료로 획득하였다. 이러한 두 종류의 입력자료를 개발된 역동역학 모델에 적용하여 수동 휠체어 추진 중 각 상지 관절에 발생하는 관절 토크를 계산하였다.
- 에 보인 바와 같이 우측 팔의 상완, 하완, 손의 3개의 체절로 구성하였다. 본 연구에서의 절대좌표계{XYZ}는 휠체어의 전진 방향을 +X축, 위쪽 방향을 +Y축 그리고 정중면 에서 오른쪽 방향을 +Z축으로 선정하였다. 체절 좌표계{x0y0z0}는 견관절 중심에 위치하며 방향은 절대좌표계 방향과 같다.
- 브레이크식 다이나모미터는 서로 독립적인 두 개의 롤러로 구성되어 있으며 휠체어의 추진 바퀴가 다이나모미터의 롤러와 각각 접촉하게 되어 발생 토크를 측정한다. 브레이크식 다이나모미터는 전압을 인가하여 다양한 저항력을 발생시킬 수 있으므로 휠체어가 경사로를 추진하는 효과를 다이나모미터 위에서 모사할 수 있는 특징을 가지며 본 연구에서는 이를 활용하여 저항력을 변화시킨 두 가지 경우에 대하여 실험과 해석을 수행하고 그 결과를 비교 검토하였다.
- 브레이크식 다이나모미터를 이용하여 획득하는 자료는 휠체어 바퀴에 관한 토크이므로 시상면 (sagittal plane)에서 2차원 모델을 구성하였다. 상지에 관한 운동학적 모델은 그림 4.
- 수동 휠체어 추진 중 상지 각 체절의 변위를 측정하기 위하여 피실험자의 해부학적 위치에 총 18 개의 반사마커를 부착[14]하고 휠체어 바퀴의 회전 각, 회전 속도 등을 획득하기 위하여 좌우 바퀴의 중심축에 1개씩, 바퀴살에 1개씩 총 4개의 반사마커를 부착하여 6대의 적외선 카메라(100Hz)를 사용하는 3차원 동작분석 시스템(VICON MX System, Vicon Motion Systems Limited, UK)을 이용하였다. 그림 1.
- 본 실험에 참여한 피실험자는 신경학적 또는 근골격계 병력이 없고 휠체어 탑승 경험이 없는 남성 (나이: 26세, 신장: 168cm, 체중: 63kg)으로 선정하였다. 실험 전에 피실험자에게 실험 방법에 대하여 충분히 설명하였고 피실험자가 휠체어 추진 연습을 실시한 후 측정하였다. 피실험자가 휠체어 추진 경험이 부족하므로 비교적 균질한 자료를 획득하기 위하여 1분당 40회로 설정한 메트로놈을 따라서 25～30초 동안 휠체어를 추진하도록 하였다.
- 여기서는 그림 2.와 그림 3.에 도시한 실험 결과 중에서 손과 휠체어 핸드림이 접촉한 추진 구간에 대하여 역동역학 모델을 이용하여 상지 각 관절의 토크를 구하였다. 그림 2.
- 본 연구에서는 새롭게 제작된 브레이크식 다이나 모미터를 이용하여 수동 휠체어 추진 중 발생 토크를 운동역학적 자료로 획득하였고 운동역학적 자료와 동기화된 상지 체절의 위치 정보를 3차원 동작 분석 시스템을 이용하여 운동학적 자료로 획득하였다. 이러한 두 종류의 입력자료를 개발된 역동역학 모델에 적용하여 수동 휠체어 추진 중 각 상지 관절에 발생하는 관절 토크를 계산하였다. 브레이크식 다이나모미터는 서로 독립적인 두 개의 롤러로 구성되어 있으며 휠체어의 추진 바퀴가 다이나모미터의 롤러와 각각 접촉하게 되어 발생 토크를 측정한다.
- 절대좌표계에서 손까지 개방 연쇄로 구성한 모델에 부과되는 외력으로는 그림 4.에서 힘 F로 보인 바와 같이 측정된 토크를 핸드림의 반지름으로 나누어 힘 요소로 변환한 후에 손과 핸드림 접촉부분에 해당하는 손의 한 지점에 핸드림의 접선방향 즉 손의 체절 좌표계의 (-y3 )방향으로 힘 요소를 가하였고 이로부터 각 관절의 토크를 계산하였다. 개방 연쇄 모델에 대한 역동역학 해는 로봇공학 분야에서 이미 많은 연구가 있었다.
- 실험 전에 피실험자에게 실험 방법에 대하여 충분히 설명하였고 피실험자가 휠체어 추진 연습을 실시한 후 측정하였다. 피실험자가 휠체어 추진 경험이 부족하므로 비교적 균질한 자료를 획득하기 위하여 1분당 40회로 설정한 메트로놈을 따라서 25～30초 동안 휠체어를 추진하도록 하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 참여한 피실험자는 신경학적 또는 근골격계 병력이 없고 휠체어 탑승 경험이 없는 남성 (나이: 26세, 신장: 168cm, 체중: 63kg)으로 선정하였다. 실험 전에 피실험자에게 실험 방법에 대하여 충분히 설명하였고 피실험자가 휠체어 추진 연습을 실시한 후 측정하였다.
- 브레이크식 다이나모미터를 이용하여 획득하는 자료는 휠체어 바퀴에 관한 토크이므로 시상면 (sagittal plane)에서 2차원 모델을 구성하였다. 상지에 관한 운동학적 모델은 그림 4.에 보인 바와 같이 우측 팔의 상완, 하완, 손의 3개의 체절로 구성하였다. 본 연구에서의 절대좌표계{XYZ}는 휠체어의 전진 방향을 +X축, 위쪽 방향을 +Y축 그리고 정중면 에서 오른쪽 방향을 +Z축으로 선정하였다.
- 본 연구에서는 수동 휠체어 추진시 상지 관절에서 작용하는 토크를 구할 수 있는 2차원 역동역학 모델을 개발하고 기존의 발표된 연구들과 비교하여 비슷한 경향을 나타냄을 확인하였다. 체절의 운동학적 자료는 3차원 동작분석 시스템에서 획득하였고 휠체어 바퀴에 발생하는 토크는 브레이크식 다이나 모미터에서 획득하였다. 본 연구는 한계점을 포함하고 있지만 상지 관절에 관한 생체역학적 해석의 도구를 구축하였으며 적은 노력으로 3차원 역동력학 모델을 구성할 수 있는 토대를 구축하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 가장 효율적인 방법 중의 하나로 알려진 재귀적 뉴턴-오일러(recursive Newton-Euler) 방법을 사용하였다 [17]. 그리고 필요한 체절의 물성치는 Winter[16]을 이용하였다.
- 개방 연쇄 모델에 대한 역동역학 해는 로봇공학 분야에서 이미 많은 연구가 있었다. 본 연구에서는 가장 효율적인 방법 중의 하나로 알려진 재귀적 뉴턴-오일러(recursive Newton-Euler) 방법을 사용하였다 [17]. 그리고 필요한 체절의 물성치는 Winter[16]을 이용하였다.
- 운동학적 자료와 동기화된 운동역학적 자료로서 토크 측정은 제작된 브레이크식 다이나모미터를 이용하였다[15]. 다이나모미터는 롤러, 토크 센서, 파우더 브레이크(powder brake) 등으로 구성되어 있으며 파우더 브레이크에 전압을 가하여 여러 가지 저항력을 생성할 수 있다.
성능/효과
- 발생 지점은 두드러진 특징을 찾을 수 없었다. 다이나모미터 브레이크의 인가 전압에 따른 두 가지 저항력의 비율을 약 2.79배 정도로 부과하여 실험하고 해석한 결과로 발생하는 최대 토크의 비가 견관절은 2.1배, 주관절은 1.9배, 수근관절은 2.1배 정도로 나타났다. 저항력이 큰 경우 에는 기존에 발표된 연구들[7-11]과 유사한 경향을 보이고 있으나 저항력이 작은 경우에 주관절의 결과는 그렇지 않았다.
- 첫째, 휠체어 추진의 결과를 측정하는 시스템이 휠체어 바퀴의 회전토크 만을 측정할 수 있어서 휠체어에 작용하는 힘요소를 고려할 수 없었다. 따라서 힘요소를 고려한다면 본 연구에서 구한 관절 토크보다 큰 수치를 나타낼 것으로 사료된다. 둘째, 운동학적인 자료는 이미 3차원으로 획득하고 있으므로 측정하는 힘과 토크 등의 운동역학적 자료를 3차원으로 획득할 수 있다면 3차원 역동역학 모델을 구성하여 3차원 해석이 가능할 것이다.
- 본 연구는 몇 가지 한계를 가지고 있다. 첫째, 휠체어 추진의 결과를 측정하는 시스템이 휠체어 바퀴의 회전토크 만을 측정할 수 있어서 휠체어에 작용하는 힘요소를 고려할 수 없었다. 따라서 힘요소를 고려한다면 본 연구에서 구한 관절 토크보다 큰 수치를 나타낼 것으로 사료된다.
- 휠체어를 추진하는 과정에서 견관절에는 굴곡 운동과 굴곡 토크가 작용하는 것으로 나타났으나 주관절은 신전 운동과 굴곡 토크가 작용하는 것으로 나타났다. 수근관절은 내전 운동과 외전(abduction, radial deviation) 토크가 작용하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 힘요소를 고려한다면 본 연구에서 구한 관절 토크보다 큰 수치를 나타낼 것으로 사료된다. 둘째, 운동학적인 자료는 이미 3차원으로 획득하고 있으므로 측정하는 힘과 토크 등의 운동역학적 자료를 3차원으로 획득할 수 있다면 3차원 역동역학 모델을 구성하여 3차원 해석이 가능할 것이다. 셋째, 다양한 실험을 통하여 보다 합리적인 결과를 도출해야 한다.
- 저항력이 큰 경우에는 견관절과 주관절의 토크 곡선이 유사한 경향을 보이며 이것은 휠체어 추진에 견관 절과 주관절이 협동한다는 것으로 이해할 수 있다. 본 연구의 결과는 한 명의 피실험자로부터 획득한 자료로부터 구한 결과이므로 한계를 가지고 있는 것으로 사료된다.
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