[논문]탄성 줄을 이용한 팔꿈치 관절 재활 분석

김병호

doi:10.5391/jkiis.2016.26.3.196

탄성 줄을 이용한 팔꿈치 관절 재활 분석
Analysis on Rehabilitation of Elbow Joint Using Elastic String 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.26 no.3, 2016년, pp.196 - 201

김병호 (경성대학교 메카트로닉스공학과 생체모방, 로봇 및 웰니스 연구실)

초록
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본 논문에서는 인간의 팔꿈치 관절의 기능을 활성화하기 위한 강성 기반 재활 메커니즘의 특성을 분석하 고자 한다.여기서,팔굼치 관절의 재활을 위한 도구는 탄성 줄을 사용하고, 사용된 줄은 선형 스프링으로 모델링하여 강성값으로 나타낸다. 이러한 메커니즘을 이용한 팔꿈치 관절 재활 훈련을 효과적으로 하기 위해서는 줄의 강성값에 따라 팔꿈치 관절에 가용할 수 있는 토오크 특성을 분석할 필요가 있다. 이러한 관점에서 다양한 시뮬레이션을 통하여 탄성 줄의 강성값 설정에 따른 팔꿈치 관절의 토오크 패턴 및 범위를 사전에 정의된 팔꿈치 관절의 운동 경로에 대하여 확인한다. 결과적으로, 이러한 강성 기반 재활 메커니즘이 팔꿈치 관절의 효과적인 재활을 수행하는데 유용하게 활용될 수 있음을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyses the characteristics of a stiffness-based rehabilitation mechanism for improving the function of the elbow joint of a human. We consider an elastic string as a tool for the elbow joint rehabilitation, where the string has been modeled as a linear spring with a stiffness. For effective rehabilitation training by using such a mechanism, we need to analyse the available torque characteristics of the elbow joint according to the stiffness of the string. Through various simulations, the torque pattern and its range of the elbow joint by assigning the stiffness of the string have been identified for a pre-defined trajectory of motion of the elbow joint. Finally, we show that the specified stiffness-based rehabilitation scheme can be used for effective rehabilitation of the elbow joint.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

결국, 식 (1) ∼ (8)로부터, 그림 1과 같은 팔꿈치 관절의 운동을 통하여 기대할 수 있는 팔꿈치 관절 토오크를 구하는 것이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 이러한 팔꿈치 관절 토오크의 특성을 파악하고, 탄성 줄 기반의 효과적인 팔꿈치 관절의 재활을 위한 적정 토오크 범위를 찾도록 하는데 중점을 두고자 한다.
본 논문에서는 강성(stiffness)으로 모사할 수 있는 탄성 줄(elastic string)을 이용하여 팔꿈치 관절 운동에 관여하는 근육의 피로를 해소하거나 근력을 보다 활성화하기 위한 간단한 운동 메커니즘을 제시하고, 탄성 줄의 강성값에 따라 가용할 수 있는 팔꿈치 관절의 재활 토오크 특성에 대하여 분석하고자 한다.
이러한 팔꿈치 관절의 운동 근력 강화 및 재활 운동은 탄성 줄의 강성을 기반으로 하기 때문에 그림 2와 같이 모델링할 수 있다. 본 논문에서는 이 모델을 기반으로 강성값에 따라 팔꿈치 관절의 운동 근력을 활성화하기 위해 가용할 수 있는 팔꿈치 관절의 토오크 특성을 분석하고자 한다.
본 논문에서는 인간의 팔꿈치 관절의 재활 및 운동 근육 강화를 위해 탄성 줄을 사용한 메커니즘을 고찰하였다. 또한, 이러한 강성 기반 재활 메커니즘을 이용하여 팔꿈치 관절의 재활 훈련을 효과적으로 수행하도록 하기 위하여 탄성 줄의 강성값에 따라 가용할 수 있는 팔꿈치 관절 토오크 패턴 및 범위를 분석하였다.

제안 방법

이러한 상황에서 팔꿈치 관절의 초기 운동각 α_initial가 0도 일때, 팽창이 없는 탄성 줄의 초기 길이(unstretched length)는 식 (8)을 사용하여 계산하였다. 그리고 팔꿈치 관절의 토오크 강도를 분석하기 위하여 줄의 강성값은 200N/m, 250N/m, 300N/m의 세 가지 경우를 고려하였다.
다음으로, 탄성 줄의 고정 위치에 따라 팔꿈치 관절의 재활 훈련 효과는 달라질 수 있기 때문에 이를 분석하기 위하여 동일한 상황에서 A 점의 x축 좌표만 0.20 m로 변경한 후, 줄의 강성값에 따른 팔꿈치 관절의 토오크 특성을 확인하는 시뮬레이션 4, 5, 6을 수행하였다. 이러한 경우, 탄성 줄의 초기 길이는 약 0.
본 논문에서는 인간의 팔꿈치 관절의 재활 및 운동 근육 강화를 위해 탄성 줄을 사용한 메커니즘을 고찰하였다. 또한, 이러한 강성 기반 재활 메커니즘을 이용하여 팔꿈치 관절의 재활 훈련을 효과적으로 수행하도록 하기 위하여 탄성 줄의 강성값에 따라 가용할 수 있는 팔꿈치 관절 토오크 패턴 및 범위를 분석하였다. 일반적인 팔꿈치 관절의 재활 운동 경로에 대하여 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 탄성 줄의 강성값 설정 및 고정 위치에 따른 팔꿈치 관절의 토오크 특성을 확인하였으며, 이러한 강성 기반 재활 메커니즘이 팔꿈치 관절의 단계적인 피로 회복이나 효과적인 근육 강화를 위하여 유용하게 활용될 수 있음을 보였다.
6초로 설정하였고, 운동 궤적의 샘플링 시간(sampling time)은 1ms로 설정하였다. 또한, 효과적인 시뮬레이션을 위하여 전완부의 길이 l 파라미터(parameter)는 0.33m로 설정하였고, 탄성 줄의 고정 위치인 A 점의 x축, y축 및 z축 좌표는 표 1과 같이 두 가지 경우를 다루었다. 이러한 상황에서 팔꿈치 관절의 초기 운동각 α_initial가 0도 일때, 팽창이 없는 탄성 줄의 초기 길이(unstretched length)는 식 (8)을 사용하여 계산하였다.
마지막으로, 탄성 줄을 이용한 경우와 아령을 이용하여 팔꿈치 관절 운동을 시도할 경우를 비교하고자 추가적인 시뮬레이션을 수행하였다.
먼저, 표 1에 제시한 것과 같이, A 점의 x축, y축 및 z축 좌표를 각각 0.12 m, -0.50 m, 0 m로 설정하고, 줄의 강성값에 따라 팔꿈치 관절의 토오크를 확인하는 시뮬레이션 1, 2, 3를 수행하였다. 이러한 경우, 식 (8)을 사용하여 계산한 탄성 줄의 초기 길이는 약 0.
본 장에서는 제안된 팔꿈치 관절 재활 운동 모델에서 팔꿈치 관절을 구동하기 위한 토오크 특성을 확인하고, 이의 활용성을 분석한다.
본 장에서는 탄성 줄을 이용한 인간의 팔꿈치 관절 재활 운동을 위한 모델을 제시하고, 팔꿈치 관절을 구동시키기 위한 토오크 방정식을 기술한다.
팔꿈치 관절 재활 토오크 특성을 확인하기 위하여 그림 2와 같은 자세에서 팔꿈치 관절을 그림 3과 같이 회전 운동하는 시뮬레이션을 수행하였다. 즉, 팔꿈치 관절의 운동 궤적은 다음과 같다.
그림 4는 표 1의 1, 2, 3번 시뮬레이션을 위하여 적용된 팔꿈치 관절 재활 메커니즘의 자취 궤적을 나타낸다. 편의를 위하여 0.1초마다 정해지는 팔꿈치 운동의 자취 궤적을 제시하였다. 그림 5는 이러한 궤적을 따라 팔꿈치 관절을 운동할 때, 사용된 탄성 줄의 강성값에 따라 팔꿈치 재활을 위해 가용할 수 있는 팔꿈치 관절의 토오크 패턴을 나타낸다.

성능/효과

35 kgf의 아령을 사용하여 동일한 패턴의 팔꿈치 운동을 시도할 때, 기대할 수 있는 팔꿈치 관절의 토오크 패턴을 나타낸다. 결과적으로, 아령을 사용할 경우에는 탄성 줄을 이용한 경우와는 달리 팔꿈치의 운동각이 0도 일때, 팔꿈치 관절 토오크가 가장 크고, 팔꿈치 운동각이 커질수록 토오크 효과가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 또한, 주어진 범위내에서 토오크가 0이 되는 영역이 없음을 알 수 있다.
35kgf의 일정 질량을 사용한 경우와 동일한 효과에 해당함을 의미한다. 결과적으로, 탄성 줄을 이용하여 팔꿈치 관절의 재활을 수행하고자 할 때, 재활 훈련자는 본 논문에서 제시한 해석 방법을 적용함으로써 보다 효과적인 탄성 줄 선택 및 운동 범위 설정이 가능하다.
또한, 이러한 강성 기반 재활 메커니즘을 이용하여 팔꿈치 관절의 재활 훈련을 효과적으로 수행하도록 하기 위하여 탄성 줄의 강성값에 따라 가용할 수 있는 팔꿈치 관절 토오크 패턴 및 범위를 분석하였다. 일반적인 팔꿈치 관절의 재활 운동 경로에 대하여 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 탄성 줄의 강성값 설정 및 고정 위치에 따른 팔꿈치 관절의 토오크 특성을 확인하였으며, 이러한 강성 기반 재활 메커니즘이 팔꿈치 관절의 단계적인 피로 회복이나 효과적인 근육 강화를 위하여 유용하게 활용될 수 있음을 보였다. 결과적으로, 제시된 탄성 줄을 이용한 팔꿈치 재활 운동 메커니즘은 아령과 같은 일정 질량을 이용하여 팔꿈치 운동을 할 경우에 비해 더 유연한 재활 운동 효과를 얻는데 활용될 수 있고, 제시된 해석 방법은 보다 유연한 팔꿈치 재활 운동 효과를 얻기 위한 탄성 줄 선택 및 운동 범위 설정에 유용하게 활용될 수 있다.
표 2는 줄의 강성값에 따른 최대 팔꿈치 관절 토오크 및 등가 부하 효과를 나타낸다. 즉, 세 가지 강성값 200N/m, 250N/m 및 300N/m을 갖는 탄성 줄을 A(0.12m, -0.50m, 0m)에 고정하여 이용하면, 각각 7.80Nm, 9.75Nm, 11.70Nm의 최대 토오크를 팔꿈치 관절의 재활에 활용할 수 있게 되는데, 이것은 아령과 같은 일정 질량을 이용하여 팔꿈치 운동을 할 경우, 팔꿈치 각이 47도에서 각각 3.54kgf, 4.42kgf, 5.30kgf을 사용한 상황과 동일한 효과에 해당하는 것으로 해석할 수 있다. 또한, 탄성 줄을 A(0.
60도가 되면, 최대의 토오크가 요구됨을 알 수 있다. 즉, 이것은 세 가지 강성값 200 N/m, 250 N/m 및 300 N/m을 갖는 탄성 줄을 A(0.20 m, -0.50 m, 0 m)에 고정하여 이용하면, 각각 9.84 Nm, 12.30 Nm, 14.76 Nm의 최대 토오크를 팔꿈치 관절의 재활에 활용할 수 있다는 것으로 해석할 수 있다. 이러한 해석을 통하여, 재활 훈련자는 요구되는 재활의 강도에 따라 상응하는 탄성 줄을 선정함으로써 약 0∼15 Nm의 범위내의 맞춤형 팔꿈치 관절 재활 훈련을 계획할 수 있게 된다.
그림 5는 이러한 궤적을 따라 팔꿈치 관절을 운동할 때, 사용된 탄성 줄의 강성값에 따라 팔꿈치 재활을 위해 가용할 수 있는 팔꿈치 관절의 토오크 패턴을 나타낸다. 초기 자세에서 팔꿈치 각을 증가시키면, 탄성 줄의 강성 특성에 의해 팔꿈치 관절에 가해지는 토오크가 점차적으로 증가되다가 최고점에 도달한 후, 감소하는 구간이 있음을 확인할 수 있다. 또한, 탄성 줄의 강성값이 커지면, 동일한 각도 범위내에서 팔꿈치 관절에 가해지는 토오크가 커짐을 알 수 있다.

후속연구

일반적인 팔꿈치 관절의 재활 운동 경로에 대하여 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 탄성 줄의 강성값 설정 및 고정 위치에 따른 팔꿈치 관절의 토오크 특성을 확인하였으며, 이러한 강성 기반 재활 메커니즘이 팔꿈치 관절의 단계적인 피로 회복이나 효과적인 근육 강화를 위하여 유용하게 활용될 수 있음을 보였다. 결과적으로, 제시된 탄성 줄을 이용한 팔꿈치 재활 운동 메커니즘은 아령과 같은 일정 질량을 이용하여 팔꿈치 운동을 할 경우에 비해 더 유연한 재활 운동 효과를 얻는데 활용될 수 있고, 제시된 해석 방법은 보다 유연한 팔꿈치 재활 운동 효과를 얻기 위한 탄성 줄 선택 및 운동 범위 설정에 유용하게 활용될 수 있다. 향후, 이러한 팔꿈치 관절 토오크 특성 분석은 팔꿈치 재활 메커니즘 개발 [11, 12]에 유용하게 활용될 수 있다.
그러나 탄성 밴드의 구체적인 강성(stiffness)이 운동 효과에 미치는 영향에 대 해서는 고려되지 않았다. 이것은 팔꿈치 재활 운동의 범위를 결정하는데 있어서 매우 중요하기 때문에 추가적 인 연구가 필요하다.
본 논문에서는 강성(stiffness)으로 모사할 수 있는 탄성 줄(elastic string)을 이용하여 팔꿈치 관절 운동에 관여하는 근육의 피로를 해소하거나 근력을 보다 활성화하기 위한 간단한 운동 메커니즘을 제시하고, 탄성 줄의 강성값에 따라 가용할 수 있는 팔꿈치 관절의 재활 토오크 특성에 대하여 분석하고자 한다. 특히, 다양한 시뮬레이션을 통하여 탄성 줄의 강성값 설정에 따른 팔꿈치 관절의 토오크 패턴 및 범위를 사전에 정의된 팔꿈치 관절의 재활 운동 경로에 대하여 확인하며, 이러한 강성 기반 재활 메커니즘이 팔꿈치 관절의 효과적인 재활 운동 효과를 극대화하는데 의미있게 활용될 수 있음을 보인다.
결과적으로, 제시된 탄성 줄을 이용한 팔꿈치 재활 운동 메커니즘은 아령과 같은 일정 질량을 이용하여 팔꿈치 운동을 할 경우에 비해 더 유연한 재활 운동 효과를 얻는데 활용될 수 있고, 제시된 해석 방법은 보다 유연한 팔꿈치 재활 운동 효과를 얻기 위한 탄성 줄 선택 및 운동 범위 설정에 유용하게 활용될 수 있다. 향후, 이러한 팔꿈치 관절 토오크 특성 분석은 팔꿈치 재활 메커니즘 개발 [11, 12]에 유용하게 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	팔꿈치나 어깨 관절 메커니즘의 근육에 심한 긴장이 발생될 수 있는 경우는?	인간이 다양한 작업장에서 무거운 짐을 팔을 이용하여 반복적으로 들어 옮기는 경우, 팔꿈치나 어깨 관절 메커니즘의 근육에 심한 긴장(stress)이 발생될 수 있다. 또한 테니스, 골프 등 스포츠 활동으로 인하여 팔꿈치나 어깨 관절의 움직임에 어려움이 발생하거나 과도한 피로가 쌓이는 경우가 있다.
	팔꿈치 관절 메커니즘의 역할은 무엇인가?	또한 테니스, 골프 등 스포츠 활동으로 인하여 팔꿈치나 어깨 관절의 움직임에 어려움이 발생하거나 과도한 피로가 쌓이는 경우가 있다. 특히, 팔꿈치 관절 메커니즘은 팔 운동이 요구되는 다양한 스포츠 활동이나 어떤 물체를 조작 및 이동하는데 있어서 팔 메커니즘의 중요한 매개체 역할을 수행하기 때문에 항상 손상될 우려가 있어서 쌓여있는 긴장을 완화시기기 위한 충분한 운동이 요구된다.
	탄성 밴드의 구체적인 강성이 운동 효과에 미치는 영향에 대해 추가적인 연구가 필요한 이유는?	그러나 탄성 밴드의 구체적인 강성(stiffness)이 운동 효과에 미치는 영향에 대 해서는 고려되지 않았다. 이것은 팔꿈치 재활 운동의 범위를 결정하는데 있어서 매우 중요하기 때문에 추가적 인 연구가 필요하다.

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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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