[논문]보행패턴을 접목한 직립주행 자전거용 크랭크 구동장치의 거동분석

형준호; 노종련; 김사엽

doi:10.3795/ksme-a.2017.41.10.991

초록
AI-Helper

인간의 보행에서 안정적인 디딤을 가능하게 하는 동작특성은 보행 일주기의 60%를 차지하는 긴 디딤국면이다. 본 연구에서는 이러한 보행패턴을 자전거의 크랭크 구동장치에 반영하여 직립자세에서 안정적으로 구동할 수 있는 자전거를 설계하고자 한다. 크랭크의 회전속도를 디딤국면에서는 느리게 되돌림국면에서는 빠르게 움직이도록 급속귀환 기구를 크랭크 구동시스템에 적용하였다. 이 급속귀환 크랭크기구의 설계변수를 정의하고 설계변수의 변화가 크랭크의 거동에 미치는 영향을 시뮬레이션 하였다. 또한 실험장치를 제작한 후 탑승자의 구동동작을 분석한 결과 보행패턴을 접목한 크랭크는 사용자 무게중심 안정화에 기여하는 것으로 나타났다. 향후 보행패턴을 접목한 크랭크는 서서 타는 자전거의 구동시스템에 접목 가능할 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

Gait stability is partly characterized by an extended stance phase that comprises 60 of the gait ％ cycle. In this study, a gait pattern was employed for a crank drive system that allows for stable lower limb kinematics during stand-up cycling. A quick return mechanism was applied to the crank...

Gait stability is partly characterized by an extended stance phase that comprises 60 of the gait ％ cycle. In this study, a gait pattern was employed for a crank drive system that allows for stable lower limb kinematics during stand-up cycling. A quick return mechanism was applied to the crank system to allow for a slow rotation of the crank during the stance phase and for a quick return during the swing phase. Design parameters for the quick return crank mechanism were defined, and kinematic simulations were performed to understand the behavior of the mechanism. To evaluate the design, an experimental instrument was fabricated, and the cycling motion was analyzed. The results indicated that this new drive system can stabilize the center of mass of the user. This study can contribute to the development of a stand-up bicycle that allows for more comfortable leg kinematics.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 인간의 보행패턴을 자전거의 크랭크 구동장치에 반영하여 직립자세에서도 안정적으로 구동할 수 있는 자전거를 제안하였다. 급속귀환 메커니즘을 크랭크에 접목하여 보행에서 나타나는 고유의 리듬감을 크랭크 동작에서 구현함으로써 직립 구동시 체중심이 보다 안정된 동작을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 인간 보행에서 나타나는 충분한 디딤과 빠른 되돌림(slow stance and quick return)이라고 하는 안정적 보행을 가능하게 하는 동작패턴⁽⁷⁾을 크랭크 시스템에 접목하여 사점을 제거하고 동시에 다리의 피로를 줄일 수 있는 구동장치를 구현하고자 한다 이를 위해 급속귀환기구(quick return mechanism)가 적용된 크랭크 기구를 개념화 하고 설계변수를 정의하며 설계변수의 변화가 기구의 거동에 어떤 영향을 미치는지 운동학적으로 분석해 보고자 한다 그리고 실험장치를 설계 및 제작하여 보행패턴이 적용된 크랭크가 사용자 동작에 유의미한 변화를 일으키는지 평가해 보고자 한다.

제안 방법

보행패턴을 반영한 크랭크 구동 시스템 설계를 위해 메커니즘 기본 원리를 정의하였다. 보행동작의 특징은 공간적으로 앞뒤로 긴 보행 고유의 궤적 형태를 보인다는 것과 시간적으로는 디딤국면(stance phase)과 되돌림국면(swing phase)의 점유율이 다르다는 것이다 특히 디딤 동작(stance)을 안정적으로 수행할 수 있도록 디딤국면이 보행 일주기 동안의 (gait cycle) 60 %에 해당하는 긴시간을 차지하고 반대로 나머지 40 %의 짧은시간동안 되돌림(swing) 동작이 급속히 수행된다.
메커니즘 거동분석을 위해 설계변수 A와 C를 변화시키며 피동암이 정속으로 1회전을 수행하도록 운동학적 시뮬레이션을 수행 하였다. 링크타입에 대해서는 편심거리 A를 9 mm, 12 mm, 15 mm로 변화시키고 피동핀 회전반경 C를 38 mm, 43 mm, 48 mm로 변화시키며 시뮬레이션을 수행하였고 슬라이더타입에 대해서는 편심거리 , A에 대해서만 9 mm, 12 mm, 15 mm로 변화시키며 시뮬레이션 하였다.
마지막으로 링크타입과 슬라이더 타입의 위상비교를 하였다. 최대 편차각이 나타나는 시점이 링크타입에서 약 6% 가량 더 빨리 나타남을 알 수 있다.
보행 패턴이 접목된 크랭크구동장치의 생체역학적인 의의를 확인하기 위해 실험장치를 설계 및 제작하고 사용자 동작을 평가하였다. 제작된 실험 장치의 메커니즘 유형은 슬라이더 타입(slider type)이며 편심거리 A는 11.
실험장치는 고정식 사이클 에르고미터(Tacx, Taiwan)에 장착하여 약 80W의 일정한 부하를 제시하였다.(Fig. 11) 기존 크랭크 구동장치와 비교실험을 위 해 안장을 제거한 일반자전거도 함께 실험하였다.
피험자는 실험 전 직립구동에 익숙해지도록 충분히 연습을 하도록 하였다. 측정을 위해 피험자는 비프 음에 맞추어 30 rpm의 페달링 속도로 약 20초간 구동 동작을 수행하였고 크랭크회전 10회 동안의 인체동작 데이터를 얻었다. 얻어진 데이터 로부터 인체질량중심(center of Mass, COM)의 수직변위와 하지 관절의 굽힘각을 추출하였고 추출된 데이터는 크랭크회전 일주기로 구분하고 각각의 일주기를 100 %로 정규화(normalizing) 하여 평균처리 하였다.
메커니즘 거동분석을 위해 설계변수 A와 C를 변화시키며 피동암이 정속으로 1회전을 수행하도록 운동학적 시뮬레이션을 수행 하였다. 링크타입에 대해서는 편심거리 A를 9 mm, 12 mm, 15 mm로 변화시키고 피동핀 회전반경 C를 38 mm, 43 mm, 48 mm로 변화시키며 시뮬레이션을 수행하였고 슬라이더타입에 대해서는 편심거리 , A에 대해서만 9 mm, 12 mm, 15 mm로 변화시키며 시뮬레이션 하였다. 이때 링크타입의 크랭크핀 회전반경 B와 링크길이 D는 각각 43 mm, 28 mm로 설정하였다 시뮬레이션 결과로부터 편차각 .
동작분석을 위해 인체에 Helen Hays 마커프로토콜에 따라 25개의 반사마커를 부착하였다. 적외선카메라 8대(Osprey, Motion Analysis, USA)를 활용하여 구동 동작을 60 Hz의 샘플링속 도로 측정하고 3차원으로 동작을 기록하였다. 피험자는 실험 전 직립구동에 익숙해지도록 충분히 연습을 하도록 하였다.
측정을 위해 피험자는 비프 음에 맞추어 30 rpm의 페달링 속도로 약 20초간 구동 동작을 수행하였고 크랭크회전 10회 동안의 인체동작 데이터를 얻었다. 얻어진 데이터 로부터 인체질량중심(center of Mass, COM)의 수직변위와 하지 관절의 굽힘각을 추출하였고 추출된 데이터는 크랭크회전 일주기로 구분하고 각각의 일주기를 100 %로 정규화(normalizing) 하여 평균처리 하였다.

대상 데이터

피험자는 근골격계에 이상이 없는 건강한 성인 남성 2명을 대상으로 하였고 평균키 [±SD]는 178.5 [±12] cm, 평균몸무게 [±SD]는 77 [±4.2] kg 을 보였다.
제작된 실험 장치의 메커니즘 유형은 슬라이더 타입(slider type)이며 편심거리 A는 11.7 mm, 크랭크핀 회전반경 B는 43 mm, 편차각 φ는 30°를 나타낸다.

이론/모형

φ와 링크의 진입각 θ₁, θ₂를 측정하였다. 소프트웨어는 ADAMS를 이용하였다.
2] kg 을 보였다. 동작분석을 위해 인체에 Helen Hays 마커프로토콜에 따라 25개의 반사마커를 부착하였다. 적외선카메라 8대(Osprey, Motion Analysis, USA)를 활용하여 구동 동작을 60 Hz의 샘플링속 도로 측정하고 3차원으로 동작을 기록하였다.
이 같은 동작을 크랭크 기구로 구현하기 위해서 급속귀환 기구(quick return mechanism)를 응용하였다.^(8,9) 구동부인 크랭암(crank arm) 회전축과 체인링에 해당하는 피동암(driven arm) 회전축을 이격시키고 사람의 근력에 의해 발생하는 크랭크암의 회전력을 링크(link)를 통하여 체인링에 전달하도록 하였다.

성능/효과

(Fig. 5) 편심거리 A의 변화는 편차각에 영향을 주는 것으로 나타났다. 편심거리 A가 9 mm에서 15 mm로 증가할수록 최대 편차각(maximum deviation angle)은 점점 증가하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 인간의 보행패턴을 자전거의 크랭크 구동장치에 반영하여 직립자세에서도 안정적으로 구동할 수 있는 자전거를 제안하였다. 급속귀환 메커니즘을 크랭크에 접목하여 보행에서 나타나는 고유의 리듬감을 크랭크 동작에서 구현함으로써 직립 구동시 체중심이 보다 안정된 동작을 얻을 수 있었다. 따라서 보행패턴을 접목한 크랭크는 직립주행 자전거의 구동장치에 사용되어 사용자 편의에 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다.
5) 편심거리 A의 변화는 편차각에 영향을 주는 것으로 나타났다. 편심거리 A가 9 mm에서 15 mm로 증가할수록 최대 편차각(maximum deviation angle)은 점점 증가하는 것으로 나타났다. 이 같은 경향은 링크타입(link type)과 슬라이더타입(slider type) 모두 동일하였다.
(Fig. 6) 결과적으로 크랭크핀 회전 반경 B에 비해 편심거리 A의 상대값이 커지면 커질수록 좌우 크랭크암의 편차각은 더욱 커진다는 것을 알 수 있으며 메커니즘 유형이 링크타입 (link type)인지 슬라이더 타입(slider type)인지에 따라서도 차이가 난다는 것을 알 수 있었다.
사용자의 체중심(COM) 수직변위는 보행패턴을 접목한 크랭크에서 40 mm로 측정돼 79 mm를 보인 기존의 크랭크 보다 현저히 낮았다.(Fig.

후속연구

급속귀환 메커니즘을 크랭크에 접목하여 보행에서 나타나는 고유의 리듬감을 크랭크 동작에서 구현함으로써 직립 구동시 체중심이 보다 안정된 동작을 얻을 수 있었다. 따라서 보행패턴을 접목한 크랭크는 직립주행 자전거의 구동장치에 사용되어 사용자 편의에 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다. 향후 보행패턴 크랭크장치가 실제 사용자의 하지관절 피로를 줄일 수 있는지에 대해 관절 모멘트, 근활성도, 그리고 산소섭취량 등 직접적이고도 다각적인 관점에서 연구가 필요하다.
따라서 보행패턴을 접목한 크랭크는 직립주행 자전거의 구동장치에 사용되어 사용자 편의에 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다. 향후 보행패턴 크랭크장치가 실제 사용자의 하지관절 피로를 줄일 수 있는지에 대해 관절 모멘트, 근활성도, 그리고 산소섭취량 등 직접적이고도 다각적인 관점에서 연구가 필요하다. 또한 사람에 따라 신체조건과 보행습관이 다르기 때문에 선호하는 보행 패턴이 다를 수 있다.
또한 사람에 따라 신체조건과 보행습관이 다르기 때문에 선호하는 보행 패턴이 다를 수 있다. 따라서 최대 편차각과 최대 편차각이 나타나는 시점의 변화가 사용자에게 미치는 영향에 대해서도 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직립주행 자전거에 스텝퍼 또는 일립티컬의 구동시스템을 접목할 경우 문제점은?	(2~5) 그 이유는 페달이 사점을 통과할 때 무릎을 굽힌 상태에서 체중을 한쪽 다리에서 반대쪽 다리로 옮겨야하기 때문이다 이 때문에 직립주행 자전거에는 일반 크랭크 대신에 스텝퍼 또는 일립티컬 같은 다른 형태의 구동시스템이 접목되기도 한다.(6) 그러나 이들 구동시스템의 경우 동력전달효율이 떨어지고 구동부 중량이 크다는 한계가 있어 교통수단목적으로 사용하기에는 제약이 따른다. 이에 기존의 크랭크 구동장치의 경량성을 유지하고 동시에 사점을 제거함으로써 편안하게 구동할 수 있는 직립자전거용 구동장치 개발이 필요하다.
	보행동작의 특징은 무엇인가?	보행패턴을 반영한 크랭크 구동 시스템 설계를 위해 메커니즘 기본 원리를 정의하였다. 보행동작의 특징은 공간적으로 앞뒤로 긴 보행 고유의 궤적 형태를 보인다는 것과 시간적으로는 디딤국면(stance phase)과 되돌림국면(swing phase)의 점유율이 다르다는 것이다 특히 디딤 동작(stance)을 안정적으로 수행할 수 있도록 디딤국면이 보행 일주기 동안의 (gait cycle) 60 %에 해당하는 긴시간을 차지하고 반대로 나머지 40 %의 짧은시간동안 되돌림(swing) 동작이 급속히 수행된다.(Fig.
	직립자전거는 무엇인가?	직립자전거(stand-up bicycle)는 선 자세로 구동하는 개인운송기구로서 최근 등장하고 있는 새로운 유형의 자전거이다 도시에서 자전거를 교통수단으로 활용하기 위해서는 대중교통과의 연계성이 중요한데,(1) 직립자전거는 안장이 없기 때문에 경량화 및 소형화에 유리하고 휴대성이 뛰어나다는 장점이 있다. 그러나 일반 크랭크 구동장치에서 직립자세로 구동할 경우 페달 회전주기상의 사점(dead center)에서 구동효율이 떨어지고 다리의 피로가 조기에 발생한다.

참고문헌 (9)

Hyeong, J., Roh, J. and Kim, S., 2016, "Optimization of Pivot Obliquity for a Foldable Bicycle," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 17, No. 7, pp. 931-936.

원문보기 상세보기
Santalla, A., Manzano, Jose M., Pe Rez, M. and Lucia, A., 2002, "A New Pedaling Design: the Rotor-effects on Cycling Performance," Medicine & Science in Sports & Exercise, Vol. 34, pp. 1387-1398.
Lucia, A., Balmer, J., Davison, RC., Perez, M., Santalla, A. and Smith, PM., 2004, "Effects of the Rotor Pedalling System on the Performance of Trained Cyclists During Incremental and Constant Load Cycle Ergometer Tests," Int J Sports Med., Vol. 25, No. 7, pp. 479-485.

상세보기
Belen, L., Habrard, M., Micallef, J. P., Perrey, S. and Le, Gallais, D., 2007, "Cycling Performance and Mechanical Variables Using a New Prototype Chainring," Eur J Appl Physiol, Vol. 101, pp. 721-726.

상세보기
Rodriguez-Marroyo, JA., Garcia-Lopez, J., Chamari, K., Cordova, A., Hue, O. and Villa, JG., 2009, "The Rotor Pedaling System Improves Anaerobic But Not Aerobic Cycling Performance in Professional Cyclists," Eur J Appl Physiol, Vol. 106, pp. 87-94.

상세보기
Stone, C. and Hull, M. L., 1993, "Rider/Bicycle Interaction Loads During Standing Treadmill Cycling," JOURNAL OF APPLIED BIOMECHANICS, Vol. 9, pp. 202-218.

상세보기
Perry, J., 1987, "Gait Analysis : Normal and Pathological Function," Slack Incorporated, New Jersey, pp. 3-7.
Lee, J., 2008, "Design of Packer Holder Mechanism in an Egg Grading Machine," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 25, No. 2, pp. 96-104.
Lee, J., 2008, "Cam Design of Packer Holder in Egg Granding Machine," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 32, No. 10, pp. 897-904.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 보행패턴을 접목한 직립주행 자전거용 크랭크 구동장치의 거동분석
Design of Crank Drive System Based on Gait Pattern for Stand-up Bicycle 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 보행패턴을 접목한 직립주행 자전거용 크랭크 구동장치의 거동분석 Design of Crank Drive System Based on Gait Pattern for Stand-up Bicycle 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

형준호 (8) 노종련 (1) 김사엽 (10)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문 더보기

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 보행패턴을 접목한 직립주행 자전거용 크랭크 구동장치의 거동분석
Design of Crank Drive System Based on Gait Pattern for Stand-up Bicycle 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

활용도 Top5 논문