스쿼트운동은 운동방법과 자세에 대한 이론적 근거 및 동작에 대한 기준 확립을 통해 안전하고 효과적으로 운동성과를 기대할 수 있는 중요한 프리웨이트운동 중의 하나이다. 그러나 바르지 못한 운동에 의한 부작용과 그에 대한 과학적 대응방안에 대한 연구와 운동모형의 개발 또한 필요하다. 스쿼트운동을 위한 풋플레이트를 설계하기 위한 구조해석의 주안점은 동적 거동을 단순화하여 구분 동작으로 모델링을 수행한다. 모델링을 기반으로 설계된 풋플레이트 바닥면에 위치한 로드셀의 한계 하중으로 인한 구조적 안전성 여부를 변형율과 응력의 크기를 산출함으로써 구조의 안정성과 이로 인한 운동기구의 설계방법을 제시한다. 이러한 스쿼트운동에 따른 세그먼트별 모델링과 지면반발력에 대응한 역학적 시뮬레이션 분석, 그리고 하중해석을 통한 운동역학분석의 결과를 통해 프리웨이트운동을 지원하는 운동보조장치, VR, 등의 기구에 적용하여 관련 시스템설계를 완성할 수 있다. 본 논문에서는 스쿼트운동 기구에 활용되는 풋플레이트의 설계 시에 인가되는 수직하중분포에 대한 설계방법을 제시하고 이러한 결과를 토대로 보다 안전하고 신뢰성 높은 운동보조기구시스템의 설계 및 제작기술을 제시하였다.
스쿼트운동은 운동방법과 자세에 대한 이론적 근거 및 동작에 대한 기준 확립을 통해 안전하고 효과적으로 운동성과를 기대할 수 있는 중요한 프리웨이트운동 중의 하나이다. 그러나 바르지 못한 운동에 의한 부작용과 그에 대한 과학적 대응방안에 대한 연구와 운동모형의 개발 또한 필요하다. 스쿼트운동을 위한 풋플레이트를 설계하기 위한 구조해석의 주안점은 동적 거동을 단순화하여 구분 동작으로 모델링을 수행한다. 모델링을 기반으로 설계된 풋플레이트 바닥면에 위치한 로드셀의 한계 하중으로 인한 구조적 안전성 여부를 변형율과 응력의 크기를 산출함으로써 구조의 안정성과 이로 인한 운동기구의 설계방법을 제시한다. 이러한 스쿼트운동에 따른 세그먼트별 모델링과 지면반발력에 대응한 역학적 시뮬레이션 분석, 그리고 하중해석을 통한 운동역학분석의 결과를 통해 프리웨이트운동을 지원하는 운동보조장치, VR, 등의 기구에 적용하여 관련 시스템설계를 완성할 수 있다. 본 논문에서는 스쿼트운동 기구에 활용되는 풋플레이트의 설계 시에 인가되는 수직하중분포에 대한 설계방법을 제시하고 이러한 결과를 토대로 보다 안전하고 신뢰성 높은 운동보조기구시스템의 설계 및 제작기술을 제시하였다.
Squat exercise is one of the important free weight exercises that can safely and effectively expect the athletic performance by establishing the rationale. Therefore, it is necessary to study the side effects caused by incorrect exercise, scientific countermeasures and to develop a exercise estimati...
Squat exercise is one of the important free weight exercises that can safely and effectively expect the athletic performance by establishing the rationale. Therefore, it is necessary to study the side effects caused by incorrect exercise, scientific countermeasures and to develop a exercise estimation model. It is effective and accurate to use a variety of assistive devices to calibrate athletic posture. The issues of the structural analysis for designing a foot plate for squat exercise is to model the behavior by the dynamic behavior. It should be consider that the center of gravity of each segmented body is different when the maximum load is applied. It is applied to complete system design through simulation method with kinematic dynamic, ground reaction force and load analysis for the free weight exercise equipment, VR device, and safety foot plate. In this paper, the authors propose the design method for the vertical load distribution applied in the design of the foot plate used for the squat exercise mechanism, and based on these results, design make the more safe and reliable free weight exercise equipment system.
Squat exercise is one of the important free weight exercises that can safely and effectively expect the athletic performance by establishing the rationale. Therefore, it is necessary to study the side effects caused by incorrect exercise, scientific countermeasures and to develop a exercise estimation model. It is effective and accurate to use a variety of assistive devices to calibrate athletic posture. The issues of the structural analysis for designing a foot plate for squat exercise is to model the behavior by the dynamic behavior. It should be consider that the center of gravity of each segmented body is different when the maximum load is applied. It is applied to complete system design through simulation method with kinematic dynamic, ground reaction force and load analysis for the free weight exercise equipment, VR device, and safety foot plate. In this paper, the authors propose the design method for the vertical load distribution applied in the design of the foot plate used for the squat exercise mechanism, and based on these results, design make the more safe and reliable free weight exercise equipment system.
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문제 정의
본 논문에서는 스쿼트 운동의 운동역학적 데이터 검출을 위한 풋플레이트의 설계 모델링과 수직하중분포에 대한 분석방법을 제시함으로서 스쿼트 운동기구의 의공학적 설계기술을 통한 안정된 운동보조기구시스템 설계 및 제작기술을 제안하였다. 또한 사용자의 동작을 풋플레이트에 적용된 로드셀 센서(Load cell sensor)를 통해 생체역학신호를 획득하고 분석함으로서 올바른 스쿼트운동의 동작을 수행할 수 있도록 지원하는 장치를 설계할 수 있으며 휴먼 인터페이스와 연동하여 운동과정을 데이터베이스화하여 실시간 자세모니터링, VR기술활용, 운동량 측정 등의 운동역학에 따른 기초연구에 폭넓게 활용 될 수 있다.
제안 방법
계산된 변형률과 응력의 값을 활용하여 사용자가 안전하게 사용할 수 있을 정도로 적절한 값인지를 평가하여 설계에 반영하도록 하였다. 최대 회전각을 60〫로 설정하고 재료에 대한 파라미터를 [Table 2]와 같이 설정하였다.
구조해석 하중부여 위치의 결정 결과는 [Fig. 4]와 같고 각각의 포인트는 짝을 이루는 발바닥의 위치점을 선정하고 각 점에 집중하중이 작용하도록 조건을 설정하여 이를 해석하였다. 점선으로 이루어진 부분이 발바닥의 내딛는 허용범위로 설정하였다.
구조해석 하중부여위치의 결정은 [Fig. 4]와 같이 풋플레이트에 발바닥의 위치를 한정하고 그 공간 중 특정부위(보수적인 해석에 필요한 조건) 6개소에 균등한 하중 또는 한 점에 편심된 하중(20% 편심)을 갖게 될 경우를 가정하여 각 조건에서 하중의 변화량이 구조적 안전성에 영향을 미칠 수 있는지에 대해 풋 플레이트의 변형률과 응력의 정도를 계산하였다.
구조해석은 수직하중 200kg이 작용하는 운동 초기 스탠딩자세와 중간 위치, 그리고 가장 낮은 자세의 운동 최종 위치 각각에 대해 양쪽 균일한 하중이 작용하는 경우와 편심이 있는 경우에 대해 해석하였다. 각 결과로부터 주어진 하중에 대해 풋 플레이트의 구조적인 변형과 항복에 충분히 미치지 못하는 수준의 최대 응력이 생긴다는 것을 확인할 수 있었으며 이를 통해 시험대상 운동기구가 구조적으로 안전한 기구임을 확인하였다.
또한 로드셀 상단직경 Φ94[mm], 하단직경 Φ118[mm], 높이20[mm]인 SUS재질의 로드셀로 형상화한 후 구속조건을 고정함으로서 해석의 용이성을 확보하였고 풋플레이트의 구조와 함께 하중센서의 구조설계는 [Fig. 5]의 설계구조와 같다.
조건이 짝을 이루는 발의 위치점을 선정하고 각 점에 집중하중이 작용하는 조건으로 해석하였다. 하중의 자세별 위치점 정보는 사용자 자세 조건 및 각 조건별 하중의 크기로 모델링에서 사용한 신체 각 세그먼트별 하중 데이터에 반영하였고 Standing Position, Descending &Ascending Phase, Squating Position 세 가지 자세에 대하여 적용함으로서 해석을 용이하게 수행하였다.
풋 플레이트 6개의 위치에 대해 양측에 균등한 하중이작용하는 경우와 한쪽으로 120% 편심인 경우에 대해 총12개 위치점에 대해 구조해석을 수행하였다. [Fig.
하중의 자세별 위치점 정보는 사용자 자세 조건 및 각 조건별 하중의 크기로 모델링에서 사용한 신체 각 세그먼트별 하중 데이터에 반영하였고 Standing Position, Descending &Ascending Phase, Squating Position 세 가지 자세에 대하여 적용함으로서 해석을 용이하게 수행하였다.
성능/효과
2)밸런스를 취하며 숨도 들이쉬면서 그대로 무릎을 굽혀 허리 위상반신을 내린다. 3)허벅지와 바닥이 평행을 이룰 때까지 허리를 낮춘다. 그리고 가능하면 평행 상태에서 1초 이상정도 머문다.
구조해석은 수직하중 200kg이 작용하는 운동 초기 스탠딩자세와 중간 위치, 그리고 가장 낮은 자세의 운동 최종 위치 각각에 대해 양쪽 균일한 하중이 작용하는 경우와 편심이 있는 경우에 대해 해석하였다. 각 결과로부터 주어진 하중에 대해 풋 플레이트의 구조적인 변형과 항복에 충분히 미치지 못하는 수준의 최대 응력이 생긴다는 것을 확인할 수 있었으며 이를 통해 시험대상 운동기구가 구조적으로 안전한 기구임을 확인하였다.
시뮬레이션을 통한 설계방법을 통한 운동모형의 모델링은 최대 하중이 작용할 때 구분된 신체 각각의 세그먼트별 무게중심 위치가 달라진다는 점을 고려해야 한다는 점을 확인하였고 그 외에 최대하중의 설계 값인 400kg가작용할 때 데이터센터에 표시되는 로드셀의 출력 값이 하중이 작용하는 동안 안정한 값을 유지하는지 점검함으로써 기구에서 표시하는 데이터가 신뢰도 있는 값임을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
후속연구
본 논문에서는 스쿼트 운동의 운동역학적 데이터 검출을 위한 풋플레이트의 설계 모델링과 수직하중분포에 대한 분석방법을 제시함으로서 스쿼트 운동기구의 의공학적 설계기술을 통한 안정된 운동보조기구시스템 설계 및 제작기술을 제안하였다. 또한 사용자의 동작을 풋플레이트에 적용된 로드셀 센서(Load cell sensor)를 통해 생체역학신호를 획득하고 분석함으로서 올바른 스쿼트운동의 동작을 수행할 수 있도록 지원하는 장치를 설계할 수 있으며 휴먼 인터페이스와 연동하여 운동과정을 데이터베이스화하여 실시간 자세모니터링, VR기술활용, 운동량 측정 등의 운동역학에 따른 기초연구에 폭넓게 활용 될 수 있다.
본 논문을 통해 스쿼트 운동기구에 대한 구조해석과 설계방법을 제시함으로서 원격진단, 가상현실, 운동치료기구의 개발을 위한 기초데이터로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스쿼트 운동 형태의 특징은?
스쿼트운동(Squat Exercise)은 생체역학적인 관점에서 중요하게 인식되는 프리웨이트(Free Weight)운동 중 하나로 일상생활동작이나 스포츠 활동에서 중요한 하지의 근육을 훈련하고 체간과 하체근력을 강화하기 위한 중요한 동작을 포함하고 있다[1,2,3]. 스쿼트 운동은 하지의 닫힌 사슬 운동의 형태로써 인체의 다관절을 사용하는 프리웨이트 운동으로, 큰엉덩근 뿐만 아니라 넙다리네갈래근(Quadriceps), 큰허리근(Psoas Major), 척추세움근(Elector Spinae), 햄스트링(Hamstring) 등의 협력수축을 만들어 낸다[4,5]. 스쿼트 운동의 방법은 1) 어깨 넓이로 발을 벌리고 양 팔은 몸에 가볍게 붙인다.
구조해석 결과, 풋 플레이트와 하중에 대해 알 수 있는 것은?
구조해석은 수직하중 200kg이 작용하는 운동 초기 스탠딩자세와 중간 위치, 그리고 가장 낮은 자세의 운동 최종 위치 각각에 대해 양쪽 균일한 하중이 작용하는 경우와 편심이 있는 경우에 대해 해석하였다. 각 결과로부터 주어진 하중에 대해 풋 플레이트의 구조적인 변형과 항복에 충분히 미치지 못하는 수준의 최대 응력이 생긴다는 것을 확인할 수 있었으며 이를 통해 시험대상 운동기구가 구조적으로 안전한 기구임을 확인하였다.
스쿼트운동이란?
스쿼트운동(Squat Exercise)은 생체역학적인 관점에서 중요하게 인식되는 프리웨이트(Free Weight)운동 중 하나로 일상생활동작이나 스포츠 활동에서 중요한 하지의 근육을 훈련하고 체간과 하체근력을 강화하기 위한 중요한 동작을 포함하고 있다[1,2,3]. 스쿼트 운동은 하지의 닫힌 사슬 운동의 형태로써 인체의 다관절을 사용하는 프리웨이트 운동으로, 큰엉덩근 뿐만 아니라 넙다리네갈래근(Quadriceps), 큰허리근(Psoas Major), 척추세움근(Elector Spinae), 햄스트링(Hamstring) 등의 협력수축을 만들어 낸다[4,5].
참고문헌 (14)
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