[논문]가상현실 루지 시뮬레이터의 동작과 영상정보별 인체 근육활성도 분석

강승록; 김의령; 김경; 봉혁; 권대규

doi:10.7736/kspe.2015.32.9.825

가상현실 루지 시뮬레이터의 동작과 영상정보별 인체 근육활성도 분석
Muscular Activity Analysis in Lower Limbs from Motion and Visual Information of Luge Simulator based Virtual Reality 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.9, 2015년, pp.825 - 831

강승록 (전북대학교 헬스케어공학과) , 김의령 (전북대학교 헬스케어공학과) , 김경 (전북대학교 자동차부품 금형기술혁신센터) , 봉혁 (트윈테크(주)) , 권대규 (전북대학교 바이오메디컬공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, capture motion and visual information from a virtual reality luge simulator to analyze muscular activity in the lower limbs. The Luge Simulator consists of a motion platform with a pneumatic module for weight distribution. We recruited luge athletes and healthy subjects and made real-time surface EMG measurements to estimate the muscular activity in the lower limbs according to the motion protocol of a simulator, and a test was conducted for each subject. The results indicated that the rectus femoris had the highest muscular activity according to the level of the slope and velocity of the luge. The soleus muscle showed a high level of activity during a turn in the luge according to the direction. We found that the development of a virtual reality sports simulator based on physical reaction results could bring positive effects to optimize reality and human cenesthesia.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 가상현실 기반 루지 시뮬레이터하고, 개발된 시뮬레이터의 움직임과 영상정보에 따른 하지의 근육활성화를 분석하여 시뮬레이터의 가상현실감에 대한 실감성을 정량적으로 평가하기 위한 기초연구를 하고자 한다.
본 연구에서는 실시간 근육활성도 평가 기술을 이용하여 루지 시뮬레이터의 가상현실감에 대한 실감성을 정량적으로 평가하고자 하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

개발된 루지 시뮬레이터를 이용하여 피험자들은 정해진 코스를 따라 탑승장치에 설치되어 있는 날과 브레이크를 이용하여 경기를 진행하였다. 루지 경기를 진행하는 동안 BIOPAC MP150(Biopac System Inc.
루지 경기 및 실험은 총 3회 반복 실시하였으며 피험자 별 동일한 시간에 측정하였다. 또한 실내 온도변화에 따른 피험자들의 신체 생리학적 변화에 대한 환경오차를 줄이기 위해 측정 시 25±0.
본 연구는 개발된 시뮬레이터 시스템에서 제공하는 시청각 정보와 인체의 감각기관과 운동기관 간 상호작용을 평가하여 체감성에 대한 정량적 평가를 하고자 하였다. 실험결과에서 나타난 것처럼 경사 각도 증가에 따라 근육활성도 수준도 높아지는 경향을 보이는데, 경사 각도 증가에 따라 인체감각기관은 속도감을 느끼고 운동기관인 근육은 이에 반응하여 더 큰 근수축을 동원해 시스템을 제어하고자 하였다.
본 연구에서는 개발된 루지 시뮬레이터에 삽입된 동작 프로토콜(motion protocol)과 시청각 기능에 따른 사용자의 인체 생리학적 반응과 체감성에 대한 반응을 평가하기 위해 실시간 근육활성도 평가를 실시하였다.
본 연구에서는 루지 시뮬레이터 개발 및 가상현실감에 대한 정량적 평가를 위해 구간특성에 따라 하지의 근육활성도를 평가하였다.
시뮬레이터 움직임, 영상정보로 인한 인체의 반응을 관찰하여 체감성에 대한 정량적 평가를 하고자 하였다. 하지만 피험자가 선수가 아닌 일반인이 대부분이기 때문에 제한적인 결과를 보였다.

대상 데이터

Fig. 1은 본 연구에서 개발한 루지 시뮬레이터로서 시뮬레이터 플랫폼, 구동기(actuator), 3자유도 동작 시스템, 공압하중 분산장치, 탑승장치와 영상 시현장치로 구성되어 있다.
하부 플랫폼은 전체 시스템을 지탱하는 장치로써 철판 각관재를 적용하였다. 제작되는 프레임은 40mm x 40mm x 2.5t 의 두께를 가지는 철판을 사용하였으며 프레임을 감싸는 철판재는 3.2t 철판을 사용하여 내부 강성을 유지하도록 설계하였다.
최근 6개월 이내 운동 상해로 인한 재활 경험이나 근골격계에 대한 병력이 없으며 국가대표 경험 3년 이상인 20대 루지 선수(age: 26, height: 168cm, weight: 55kg)와 성인 7명(age: 25 ± 0.94 yr, height: 170 ± 2.14cm, weight: 65 ± 4.19kg)을 피험자로선출하였다.

데이터처리

0을 사용하였다. 데이터 분석은 경사와 방향에 따라 나눈 구간에서 측정된 하지 근육군의 초당 최대근력 값에 대한 평균과 표준편차를 계산하였다. 피험자 별 동작 프로토콜에 따른 최대근력 변화에 대한 유의성을 검증하기 위해 일원 분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였고 이때 유의수준은 p<0.
개발된 루지 시뮬레이터를 이용하여 피험자들은 정해진 코스를 따라 탑승장치에 설치되어 있는 날과 브레이크를 이용하여 경기를 진행하였다. 루지 경기를 진행하는 동안 BIOPAC MP150(Biopac System Inc., USA)를 이용하여 하지 근육의 실시간 표면근전도 평가를 실시하였다. 측정한 하지 근육은 좌측과 우측의 대퇴직근(Rectus Femoris, RF), 전경골근(Tibialis anterior, TA), 비복근(Gastrocnemius, G), 가자미근(Soleus muscle, SM)이다(Fig.
루지 시뮬레이터의 동작 프로토콜에 따른 하지의 근육별 활성도 변화를 통계적으로 검증하기 위하여 SPSS 18.0을 사용하였다. 데이터 분석은 경사와 방향에 따라 나눈 구간에서 측정된 하지 근육군의 초당 최대근력 값에 대한 평균과 표준편차를 계산하였다.
데이터 분석은 경사와 방향에 따라 나눈 구간에서 측정된 하지 근육군의 초당 최대근력 값에 대한 평균과 표준편차를 계산하였다. 피험자 별 동작 프로토콜에 따른 최대근력 변화에 대한 유의성을 검증하기 위해 일원 분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였고 이때 유의수준은 p<0.05이다.

성능/효과

사용자는 가상이라는 것을 뇌로 인지하지만 시뮬레이터에서 인체에 제공하는 움직임과 영상정보로 인해 감각과 운동기관에 직접적으로 작용되어 반응되는 무의식적 근반응으로 인해 더 큰 실감성을 제공하는 것으로 판단된다. 가자미근은 사용자가 방향제어를 위해 인체가 시뮬레이터에 힘을 전달하는 작용점으로 피험자의 신체적 특성에 크게 의존한다고 사료된다. 전경골근은 루지 탑승자세인 족관절의 족저굴곡 형태로 인해 근활성에 관여하지 않는 것으로 나타났다.
21% 수준의 더 큰 근활성 반응을 나타냈다. 사용자는 가상이라는 것을 뇌로 인지하지만 시뮬레이터에서 인체에 제공하는 움직임과 영상정보로 인해 감각과 운동기관에 직접적으로 작용되어 반응되는 무의식적 근반응으로 인해 더 큰 실감성을 제공하는 것으로 판단된다. 가자미근은 사용자가 방향제어를 위해 인체가 시뮬레이터에 힘을 전달하는 작용점으로 피험자의 신체적 특성에 크게 의존한다고 사료된다.
이는 시뮬레이터가 인체에 제공하는 정보를 인체기관이 정보를 받아들이고 이를 제어하기 위해 운동기관이 반응하여 작용되었다. 실험결과에서 루지 시뮬레이터가 경사 각도가 13° 증가할 때 근육은 약 21.86 ~ 26.21% 수준의 더 큰 근활성 반응을 나타냈다. 사용자는 가상이라는 것을 뇌로 인지하지만 시뮬레이터에서 인체에 제공하는 움직임과 영상정보로 인해 감각과 운동기관에 직접적으로 작용되어 반응되는 무의식적 근반응으로 인해 더 큰 실감성을 제공하는 것으로 판단된다.
가자미근은 사용자가 방향제어를 위해 인체가 시뮬레이터에 힘을 전달하는 작용점으로 피험자의 신체적 특성에 크게 의존한다고 사료된다. 전경골근은 루지 탑승자세인 족관절의 족저굴곡 형태로 인해 근활성에 관여하지 않는 것으로 나타났다.

후속연구

향후 다양한 근육과 측정기술을 적용하여 실감성에 대한 정량적 평가를 실시하여 가상현실 스포츠 시뮬레이터 개발 시 연구자료로 활용할 수 있다.

참고문헌 (11)

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Kang, S. R., Kim, U. R., Moon, D. A., and Kwon, T. K., "Estimation of Physical Fitness Factors for Developing Motion Pattern of Luge Simulator," Proc. of the Korean Society of Mechanical Engineers Conference, pp. 3881-3884, 2013.
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Jeong, S. H., Piao, Y. J., Kwon, T. K., and Kim, N. G., "Development of a Virtual Bicycle Simulator for the Rehabilitation Training of Postural Balance," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 24, No. 10, pp. 137-145, 2007.
Kim, E. R., Kang, S. R., Yu, C. H., Moon, D. A., Park, S. Y., et al., "Effect of Basal Physical Fitness and ADL Function in the Aged according to Horse Riding Exercise," Journal of Biomedical Engineering Research, Vol. 34, No. 4, pp. 163-169, 2013.

원문보기 상세보기
Korea Luge Federation, "Playing Equipment," http://luge.sports.or.kr:8088/servlets/org/front/app20/action/app20_30 (Accessed 3 August 2015)
Holtermann, A., Mork, P., Andersen, L., Olsen, H. B., and Sogaard, K., "The Use of EMG Biofeedback for Learning of Selective Activation of Intra-Muscular Parts within the Serratus Anterior Muscle: A Novel Approach for Rehabilitation of Scapular Muscle Imbalance," Journal of Electromyography and Kinesiology, Vol. 20, No. 2, pp. 359-365, 2010.

상세보기
Yu, M., Lee, S. Y., Piao, Y. J., Kim, K., Jeong, G. Y., et al., "Characteristic Analysis of Lower Limbs Muscles in Young Normal Adults on a Tilting Bed Using an Unstable Platform," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 28, No. 12, pp. 1425-1433, 2011.
Kang, S. R., Jeong, G. Y., Bae, J. J., Min, J. Y., Yu, C. H., et al., "Effect of Muscle Function and Muscular Reaction of Knee Joint in the Twenties on the Whole Body Vibration Exercise," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 30, No. 7, pp. 762-768, 2013.

원문보기 상세보기
Kim, S. J., "The Effect of Ski Simulator Learning on Coordinative Structure of Body Segments," The Korean Journal of Physical Education, Vol. 37, No. 1, pp. 133-144, 1998.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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