[논문]팽이기초 메카니즘을 융합한 신개념 신발 개발 연구

김연덕; 이지현; 김상환

doi:10.5762/kais.2016.17.3.724

팽이기초 메카니즘을 융합한 신개념 신발 개발 연구
Development of advanced technology shoes combined conical top foundation mechanism 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.3, 2016년, pp.724 - 731

김연덕 (호서대학교 토목공학과) , 이지현 (호서대학교 토목공학과) , 김상환 (호서대학교 토목공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 지반공학이론과 생체공학이론을 융합시켜 지반과 발의 상호거동에 대하여 학제간 융합 메카니즘을 개발하는 연구이다. 지반공학 분야에서 널리 적용되고 있는 팽이기초(Conical top foundation)의 메카니즘을 이용하여 단단한 지반 및 연약한 지반에서의 안전하고 편안한 보행이 가능하게 하는 신개념 신발을 개발하였다. 새롭게 개발된 신발에 대한 검증을 위하여 실험적으로 확인하였다. 실험을 수행하기 위하여 이 연구에서 개발된 융합이론에 따라 신개념 신발을 설계하고 시제품을 제작하였다. 또한 연약한 지반과 단단한 지반으로 구분하여 인공지반을 조성하고 보행 시 일반적인 기존신발과 신개념 신발의 족저압에 대하여 특수한 측정 장비를 이용하여 측정하였다. 실험 결과로 부터 신개념 신발의 실질적인 거동과 이론적인 예측이 매우 일치한다는 것을 확인하였다. 따라서 융합 메카니즘이 적용된 신개념 신발의 경우 강도와 강성이 불규칙적인 지반의 경우에도 위치별로 팽이원추부에 의하여 지반의 특성에 따라 상호거동에 의한 평형상태로 유지하도록 보행 시 하중전이가 발생하여 인체공학적으로 발바닥에 가해지는 압력이 균등해져서 안정된 보행을 할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 본 연구는 향후 새로운 형태의 다양한 학제간 융합 메카니즘을 개발하는데 유용하게 이용될 것으로 기대 된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the interdisciplinary study of a combined mechanism on the interactions between ground and foot using bioengineering and geotechnical engineering. A new mechanism of advanced technology shoes, which can be made safe with a comfortable gait on both soft and hard ground, were developed combining the mechanism of conical top foundation. The experimental tests were carried out to verify the developed shoes. The prototype shoes and test grounds were designed and produced to perform the tests. The general existing shoes and advanced technology shoes were used to measure the pressures re-acting the sole during the tests by a special measurement system. The results clearly showed that the pressures acting on the sole of advanced technology shoes were distributed uniformly compared with that of the existing shoes, and were in good agreement with theoretical approach of the new mechanism. Therefore, the advanced technology shoes could allow a safe gait ergonomically by a new mechanism on any ground type. The load transfer could occur by the interaction between ground and shoes. In addition, these results are expected to be useful for the development of an interdisciplinary study of a new mechanism in the future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 미국 MIT 내 CSI(Center for Sports Innovation)에서는 미국 New Balance 사와 공동기술개발을 통해, 철인 3종경기화, 마라톤화, 사이클화 등 고기능성 생체 역학적 연구를 활성화 하고 있다[6]. 본 논문은 지반거동이론과 생체거동이론을 융합시켜 지반과 발의 상호거동에 대하여 융합적인 생체 메카니즘의 개발연구로 지반공학 분야에서 널리 적용되고 있는 팽이기초 (Conical top foundation)의 메카니즘을 이용하여 단단한 지반 및 연약한 지반에서의 안전하고 편안한 보행이 가능한 신발을 개발하는 데 목적이 있다.
본 연구에서 개발된 신개념 신발을 제작하여 연약한 지반과 단단한 지반을 대상으로 개발된 새로운 신발의 효과를 검증하는 실험을 실시하였다. 그 결과들에 대한 분석을 실시하면 다음과 같다.
본 연구에서는 개발된 신개념 신발에 대한 실질적인 평가를 위하여 실험적 검증을 실시하였다. 실험적 검증을 위하여 신개념 신발을 제작하고 본 연구에서 제시한 신개념 신발의 효과에 대하여 일반적인 기존 신발과 비교 분석하여 평가를 실시하였다.
본 연구에서는 지반거동이론과 생체거동이론을 융합 시켜 지반과 발의 상호거동에 대하여 융합적인 생체 메카니즘에 대한 개발연구로 지반공학 분야에서 널리 적용 되고 있는 팽이기초 (Conical top foundation)의 메카니즘을 이용하여 단단한 지반 및 연약한 지반에서의 안전하고 편안한 보행이 가능한 신개념 신발을 개발하였다. 새롭게 개발된 신발에 대한 검증을 위하여 실험적으로 확인하였다.
상기 신개념 신발의 실질적인 평가를 위하여 본 연구에서 개발된 설계기술의 개념과 방법에 따라 새로운 신발을 제작하였다.
본 연구에서는 지반거동이론과 생체거동이론을 융합 시켜 지반과 발의 상호거동에 대하여 융합적인 생체 메카니즘에 대한 개발연구로 지반공학 분야에서 널리 적용 되고 있는 팽이기초 (Conical top foundation)의 메카니즘을 이용하여 단단한 지반 및 연약한 지반에서의 안전하고 편안한 보행이 가능한 신개념 신발을 개발하였다. 새롭게 개발된 신발에 대한 검증을 위하여 실험적으로 확인하였다. 검증 결과 개발된 신개념 신발은 실질적인 거동과 이론적인 예측이 매우 일치한다는 결과를 얻었다.

제안 방법

실험 대상지반은 연약한 지반과 단단한 지반 을 실험실에서 조성하여 보행실험을 실시하였다. 각 신발에는 Insole 압력측정 시스템을 이용하여 보행시 발바닥에 전달해지는 압력분포를 측정하였다.
5. 과 같이 두께를 다르게 하여 휨 강성의 차이를 둠으로써 보행 시 절곡부가 유연하게 구부러지도록 휨 강성이 큰 부분과 작은 부분으로 구성하여 보행 시 인체의 피로감을 최소화 시켜주며 착화 감을 향상시켜줄 수 있도록 설계하였다.
11. 과 같이 지반조성은 주문진 표준사를 이용하여 상대밀도 실험결과에 따라 인공지반을 조성하였다.
느슨한 인공지반을 조성하기 위해서는 강사구가 4mm인 체를 이용하여 30cm의 높이에서 강사 할 때 상대밀도 22.6%로 느슨한 상태를 얻을 수 있다는 상대밀도시험결과에 따라 느슨한 모래지반을 아크릴 토조에 조성하여 실험을 실시하였다.
또한 각 팽이원추의 제원 즉, 크기 지름과 높이는 지반 및 지면의 종류와 형태, 그리고 사람의 체중 등을 고려하여 상호 역학적인 분석과 외피와 내부재료의 역학적 거동을 검토하여 다양하게 변경할 수 있도록 계획하였다.
또한 깔창재 내부에는 깔창뼈대를 삽입하여 발바닥으로 전달되는 체중이 팽이모양 부재에 균등하게 전달되도록 깔창재보다 강성이 상대적으로 큰 재료로 계획하였다.
과 같이 Techstorm 사의 Insole 압력측정시스템으로 압력센서의 밀도는 6 cell/cm²로 총 106개의 센서로 구성 되어 있으며 보행 시 양족의 족저압을 무선으로 측정할 수 있는 첨단장치이다. 또한 본 실험에서는 신개념 신발과 일반적인 기존신발(운동화)를 이용하였다.
실험 대상지반은 연약한 지반과 단단한 지반 을 실험실에서 조성하여 보행실험을 실시하였다. 각 신발에는 Insole 압력측정 시스템을 이용하여 보행시 발바닥에 전달해지는 압력분포를 측정하였다.
본 연구에서는 개발된 신개념 신발에 대한 실질적인 평가를 위하여 실험적 검증을 실시하였다. 실험적 검증을 위하여 신개념 신발을 제작하고 본 연구에서 제시한 신개념 신발의 효과에 대하여 일반적인 기존 신발과 비교 분석하여 평가를 실시하였다.
연약한 지반과 단단한 지반을 모사하기 위하여 모래를 이용하여 인공지반 및 보행실험환경을 조성하였다. 단단한 지반은 실험실 바닥을 보행 하였다.
측정방법은 상기 일반 기존신발과 신개념 신발에 Insole 압력측정 센서를 설치하고 인공 조성된 연약한 지반과 단단한 지반에 대하여 각 보행 시 발바닥에 가해지는 압력 분포를 측정하였다. 이 측정결과는 지반별로 일반적인 기존신발과 새로 개발된 신개념 신발에 대하여각 족저압을 비교 분석 하고 신개념 신발을 평가하였다.
즉 팽이원추로 구성된 밑창과 뼈대가 삽입된 깔창이 일체화된 신발로 지반종류 및 지면형태에 관계없이 상호 역학적인 수축과 이완작용으로 발바닥에 체중을 안정되게 분산시켜 추가적인 착화 감을 향상시키도록 하였다. 결론적으로 실험적 검증을 위하여 제작된 신개념 신발은 발의 인체적 피로를 최소화시켜 줄 뿐 아니라 외부에서 전달되는 충격을 분산시키는 완충 기능과 복원력을 제공 하여 인체공학적으로 안정된 보행과 교정되게 하는 역할도 할 수 있도록 하였다.
측정방법은 상기 일반 기존신발과 신개념 신발에 Insole 압력측정 센서를 설치하고 인공 조성된 연약한 지반과 단단한 지반에 대하여 각 보행 시 발바닥에 가해지는 압력 분포를 측정하였다. 이 측정결과는 지반별로 일반적인 기존신발과 새로 개발된 신개념 신발에 대하여각 족저압을 비교 분석 하고 신개념 신발을 평가하였다.
피로감을 최소화 시켜주고 착화 감을 향상시켜줄 수 있도록 제작하였다.

이론/모형

단단한 지반은 실험실 바닥을 보행 하였다. 느슨한 지반인 모래 지반은 균질성 확보 및 상대밀도를 만족시키기 위해 낙하에 의한 방법[7] 으로 조성하였다.

성능/효과

1. 연약한 지반에서는 팽이원추가 보행시 체중에 의해 지반에 관입되면서 다짐과 구속압의 증가로 신발저면의 지반이 개량되는 효과를 얻어 족저압은 골고루 분산 되어 안정된 보행을 할 수 있게 된다.
2. 단단한 지반에서의 팽이원추는 체중이 가해지면 팽이원추는 압축되며 스프링 역할을 하게 되어 팽이원추의 압축거동이 발바닥에 동일한 압력을 전달해주며 보다 안정된 보행을 하게 된다.
3. 단단한 지반과 연약한 지반에서 보행 시 팽이원추의 지반과의 상호 역학적 거동에 의하여 족저압은 균일 하게 분산되는 것으로 나타났다.
4. 실험적 검증을 통하여 불규칙적인 지반의 강도와 강성을 보이는 경우라도 위치별로 팽이원추가 지반의 특성에 따라 상호 압축 거동에 의하여 평형상태로 유지되며 보행 시 하중전이가 발생하여 인체공학적으로 발바닥에 가해지는 압력이 균질해져 안정된 보행을 할 수 있게 된다는 것을 확인하였다.
새롭게 개발된 신발에 대한 검증을 위하여 실험적으로 확인하였다. 검증 결과 개발된 신개념 신발은 실질적인 거동과 이론적인 예측이 매우 일치한다는 결과를 얻었다. 이 연구로부터 얻은 결과를 정리하면 다음과 같다.
결과에서 보이는 바와 같이 연약한 지반에서 발가락·전족·중족·후족 부위로 나눠 발바닥에 미치는 족저압 측정한 결과 개발된 신발에서는 압력이 골고루 분산된 다는 것을 보여주고 있다. 반면 일반적인 기존신발에서는 압력이 발가락 부위를 제외한 전족·중족·후족 부위에 집중되는 경향을 보여주고 있다.
즉 팽이원추로 구성된 밑창과 뼈대가 삽입된 깔창이 일체화된 신발로 지반종류 및 지면형태에 관계없이 상호 역학적인 수축과 이완작용으로 발바닥에 체중을 안정되게 분산시켜 추가적인 착화 감을 향상시키도록 하였다. 결론적으로 실험적 검증을 위하여 제작된 신개념 신발은 발의 인체적 피로를 최소화시켜 줄 뿐 아니라 외부에서 전달되는 충격을 분산시키는 완충 기능과 복원력을 제공 하여 인체공학적으로 안정된 보행과 교정되게 하는 역할도 할 수 있도록 하였다.
상기 실험결과에 따라 본 연구에서 개발된 신개념 신발의 경우 지반과 팽이원추의 실질적인 상호거동이 이론적인 예측 거동과 일치한다는 것을 검증되었다. 따라서 불규칙적인 지반의 강도와 강성을 보이는 경우라도 위치 별로 팽이원추가 지반의 특성에 따라 상호 압축 거동에 의해 평형상태로 유지되며 보행 시 하중전이가 발생하여 인체공학적으로 발바닥에 가해지는 압력이 균질해져 안정된 보행을 할 수 있게 된다는 것을 확인하였다.
반면 일반적인 기존신발에서는 압력이 발가락 부위를 제외한 전족·중족·후족 부위에 집중되는 경향을 보여주고 있다. 따라서 이러한 결과에 따라 본 연구에서 개발된 신개념 신발의 경우 발바닥에 전달되는 하중의 분산효과가 큰 것으로 나타난 것으로 보아 이론적인 예측과 일치한다는 결론을 얻었다.
또한 균일한 족저압으로 발에 피로도 또한 줄어들 것이며 편안하고 안정된 보행을 가능하게 하였다.
상기 실험결과에 따라 본 연구에서 개발된 신개념 신발의 경우 지반과 팽이원추의 실질적인 상호거동이 이론적인 예측 거동과 일치한다는 것을 검증되었다. 따라서 불규칙적인 지반의 강도와 강성을 보이는 경우라도 위치 별로 팽이원추가 지반의 특성에 따라 상호 압축 거동에 의해 평형상태로 유지되며 보행 시 하중전이가 발생하여 인체공학적으로 발바닥에 가해지는 압력이 균질해져 안정된 보행을 할 수 있게 된다는 것을 확인하였다.
과 같이 나타났다. 이 경우에 있어서도 본 연구에서 개발된 신발의 경우 연약한 지반에서 얻어진 결과와 동일하게 발가락·전족·중족·후족 부위로 나눠 발바닥에 미치는 압력은 골고루 분산됨을 알 수 있다. 또한 일반신발에서는 압력이 발가락 부위를 제외한 전족·중족·후족 부위에 집중되어 나타난다.

후속연구

이 연구는 지반거동이론과 생체거동 이론의 융합적인 접근으로 향후 새로운 형태의 다양한 생체 메카니즘을 개발하는데 본 신발 개발이 도움이 될 것으로 기대 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	팽이기초사이의 지반구속 효과로 어떤 효과가 나타나는가?	이와 같은 팽이기초사이의 지반구속 효과로 기초와 부근의 지반이 개량되는 것과 같은 지지력증가와 침하량 억제의 효과가 나타나는 것이다. 따라서 Fig.
	팽이기초공법의 기본 메커니즘은 어떤 구조로 되어있는가?	이 기초의 기본 메카니즘은 팽이를 서로 붙잡아 매어 팽이기초는 유연성이 있는 강성지반구조로 된다. 팽이 원추부의 접지 면은 45˚ 로 수평적 접지면의 약 1.
	팽이기초공법은 어떤 형태로 되어 있는가?	1. 과 같이 연약하여 지지력이 부족한 지반위에 팽이의 원추부가 방석처럼 자리하고 그아래 지반지층에 팽이의 말뚝부가 촘촘히 박혀있는 형태로 되어 있다.

참고문헌 (7)

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Y. J. Lee, S. J. Jo, World Tourism Trends Research in 2005, 333, Research Institute for Gangwon, 2005.
S. H. Kim, H. Y. Lee, Y. D. Kim, "Plantar foot pressure distribution depending on ground conditions and shoe type," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 16 No. 4, 2899-2905, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.4.2899

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Y. J. Moon, "Kinetic analysis trend for develop high Performance sport shoes," Korean journal of Sport Science, Vol. 90 No. 1, 25-30, 2010.
Nigg, B. M. "Biomechanical aspects of running. Biomechanical of runing shoes". 1-25, 1986.
S. B. Park, "A Biomechanical Footwear Research & Analysis in Korea and Past, Present and Future in International Research Trend," Eromonomics Society of Korea, 77-82, 2006.
T. S. Oh, "Model Testing and Analysis on Shield TBM Excavation for RailWay Tunnel in Mixed Ground" Dept. of Railway Construction Engineering Graduate School of Railway Seoul National University of Science and Technology, 2014.

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