[논문]보행 시 생체신호분석을 통한 신발 착용 유무에 따른 마찰 특성 비교

오성근; 김진현

doi:10.22156/cs4smb.2018.8.6.059

보행 시 생체신호분석을 통한 신발 착용 유무에 따른 마찰 특성 비교
A Comparative Study on the Characteristics of Friction with/without shoes by Analyzing Bio-signals during walking 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.8 no.6, 2018년, pp.59 - 66

오성근 (용인대학교 체육과학연구소) , 김진현 (제주국제대학교 스포츠재활학과)

초록
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보행 시 지면에 대한 수직력에 대한 전단력의 비율, 즉 보행자가 사용한 마찰계수(UCOF)는 미끄러짐 발생 가능성 있는 시점을 식별하는데 사용된다. 신발보행은 신발창 두께와 경도, 뒤꿈치 모양, 밑창 문양 등의 신발 디자인이 사용마찰계수를 변화시킬 것이다. 본 연구에서는 보행 시 신발 착용 유무에 따른 사용마찰계수(UCOF) 차이를 분석하기 위해 성인남녀 21명(여자 10명, 남자 11명, 나이: $25.2{\pm}2.3yrs$, 키: $165.6{\pm}7.2cm$, 몸무게: $62.2{\pm}7.8kg$)을 대상으로 보행속도, 지면반력, 사용마찰계수(UCOF) 최대 시점, CoP-CoM-수직선 각도의 차이를 알아보고, 사용마찰계수(UCOF)와의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, 첫째, 보행 시 신발 착용으로 인해 체중수용기(제동기)의 더 이른 시점에 사용마찰계수가 최대치에 도달하고, 또 그 크기도 증가한다. 둘째, CoP-CoM의 Tangent 값과 사용마찰계수(UCOF1)와의 상관관계는 오른발 제동 초기시점(UCOF1_h)보다 추진 후기에 발생하는 왼발(다음발) 착지시점(UCOF2_h)에서 더 높은 상관관계를 보여, 제동기 보다는 추진기(다음 발 제동기)와의 연관성을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The utilized coefficient of friction (UCOF) as a ratio of the shear force to the normal force on the ground during walking is used to identify the point at which slip is likely to occur. Shoe walking will change the utilized coefficient of friction by shoe design such as sole thickness and hardness, heel shape, and outsole pattern. In this study, subjects are 21 adults (10 female, 11 male, age: $25.2{\pm}2.3yrs$, height: $165.6{\pm}7.2cm$), analysis variables were walking speed, GRF, when the UCOF is maximal, and Tangent of CoP-CoM angle, and correlation analysis with the utilized friction coefficient (UCOF). As a result, First, for the shod walking the time point which UCOF is maximum about heel strike was faster and the magnitude was larger than for barefoot walking. Second, the correlation between the tangent of CoP-CoM and UCOF of right foot was higher at the left heel striking point (UCOF2_h) which occurred in the post propulsion phase than at the right heel striking point (UCOF1_h). This suggests that the right foot UCOF is related to the braking phase of left foot( which is the propulsion phase of right foot) rather than the braking phase of right foot.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Asics G1 shoes
표 Table 1. The elapsed times for barefoot and shod walking(unit: second).
표 Table 2. GRF, Tangent of CoM-CoP, Utilized coefficient of friction (UCOF) and walking speed with and without shoes for Right foot (GRF unit: Bodyweight %, speed unit : m/s).
그림 Fig. 2. Illustration of horizontal and vertical GRF, the UCOF and tangent of CoM-CoP curves represented by the average curve for barefoot walking (black line) and shod walking(red bold line) over all participants. The blue arrows indicates the points at which UCOF is maximum.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 보행 시 신발 착용 유무에 따른 사용마찰계수(UCOF) 차이를 분석하기 위해 보행속도, 지면반력, 사용마찰계수(UCOF) 최대치 도달 시점, CoP-CoM-수직선 각도의 차이를 알아보고, 상관분석을 통해 사용마찰계수(UCOF)에 관련 변인을 식별하고자 하였다. 이는 미끄러짐 예방을 위한 안전보행 평가 도구 개발에 유용한 자료를 제공할 것으로 기대된다.

제안 방법

CoP-CoM-수직선 각 : 수평지면반력에 영향을 미칠 것으로 사료되는 CoP-CoM-수직선 각에 대한 tangent 값을 산출하였다.
대상자들은 동작분석용 스판반바지와 스포탑브라를 착용(여성의 경우)하고 해부학적 위치에 관절마커와 각 분절별 추적마커를 부착하고 맨발과 운동화를 싣고 보행 주로를 자기선호 속도로 자연스럽게 걷도록 요구받았다. 이 때 사용된 운동화(모델명 :Asics G1, 질량:400±80g)를 Fig 1에 나타내었다.
보행 속도 (walking speed) : 지지국면 운동역학적 특성, 특히 사용마찰계수(UCOF)에 영향을 미칠 것으로 사료되는 뒤꿈치 착지시점(RHS, LHS)의 보행속도(무게중심의 이동속도)를 산출하여 비교해 보았다.
수평 및 수직 지면반력(ground reaction force) : 사용마찰계수(UCOF)에 영향을 미칠 것으로 사료되는 수평 및 수직 지면반력을 산출하였으며, 대상자 몸무게로 표준화하였다.

대상 데이터

보행 동작과 지면반력 데이터는 Qualisys Management System과 Visual3D를 이용하여 계산되었다.
보행 시 신발(운동화) 착용 유무에 따른 마찰특성을 비교하기 위해 두 발의 지지국면을 모두 포함하도록 오른발 뒤꿈치 착지(RHS) 시점부터 왼발 발가락떼기(LTO) 시점까지 분석대상으로 삼았다.
본 연구는 지난 3년 동안 하지에 신경·정형외과적 병력이 없는 오른발이 우세발인 수도권 거주 청년 21명(여자: 10명, 남자: 11명, 나이: 25.2±2.3yrs, 키: 165.6±7.2cm, 몸무게: 62.2±7.8kg)을 대상으로 하였다.
본 연구 목적을 수행하기 위하여 3차원 동작분석이 실시되었다. 영상자료 수집을 위해 Qualisys사의 적외선 카메라 (Oqus, SF: 100 frame/sec) 12대가 사용되었으며, 보행 중 두 발의 지면반력을 측정하기 위하여 두 대의 지면반력기 (Kislter, Type 9286A, SF: 1000 Hz)가 사용되었다.
이 때 사용된 운동화(모델명 :Asics G1, 질량:400±80g)를 Fig 1에 나타내었다.

데이터처리

본 연구 목적을 수행하기 위하여 3차원 동작분석이 실시되었다. 영상자료 수집을 위해 Qualisys사의 적외선 카메라 (Oqus, SF: 100 frame/sec) 12대가 사용되었으며, 보행 중 두 발의 지면반력을 측정하기 위하여 두 대의 지면반력기 (Kislter, Type 9286A, SF: 1000 Hz)가 사용되었다.
본 연구의 목적을 달성하기 위해 21명의 대상자의 수행 데이터 모두를 SPSS 17.0 프로그램을 이용한 대응 t검정 (paired t-test)과 상관분석을 실시하였다. 본 연구의 통계적 유의 수준은 α=0.

성능/효과

Table 2과 Fig 2에 나타낸 오른발 압력중심(center of pressure)과 무게중심(center of mass)과 무게중심선이 이루는 각에 대한 tangent 값을 살펴보면, 오른발 착지사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_h)과 오른발가락떼기 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_t)에서는 신발 착용유무에 따른 유의한 차이가 없었으나, 왼발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF2_h)에서는 맨발보행(0.274)보다 신발보행의 경우(0.221)가 더 작게 나타났다(p<0.01).
둘째, CoP-CoM-수직선의 Tangent 값과 사용마찰계수(UCOF1)와의 상관관계는 오른발 제동 초기시점(RHS)보다 추진 후기에 발생하는 왼발(다음발) 착지시점(LHS)이 더 높은 상관관계를 보여, 제동기 보다는 추진기와의 연관성을 보인다.
뒤꿈치 착지 시 보행속도는 신발착용 유무에 따른 차이가 없었던 반면, 지지기(stance phase) 소요시간은 맨발보다 신발보행이 더 길게 나타났는데, 이는 수평속도가 차이가 없었고 수직속도는 신발보행의 경우가 더 높았다는 것을 알 수 있다.
반면, 신발보행의 경우에는, 오른발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_h)에서는 상관관계가 거의 없는 것으로 나타났으며, 오른발가락떼기 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_t)에서는 높은 정적 상관관계를 나타냈고(r=.823, p<0.01), 왼발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF2_h)에서는 매우 높은 정적 상관관계를 보였다(r=.948, p<0.01).
반면, 왼발 착지 마찰계수 최대사용 시점(UCOF2_h)에서는 오른발 수평지면반력은 맨발보다 신발보행 시 더 작은데, 수직지면반력은 오히려 맨발보다 신발보행 시더 크게 나타나, 결과적으로 사용마찰계수는 맨발보다 신발보행 시 더욱 더 작게 나타났다. 이는 일반적으로 맨발보행보다 신발보행에서 무게중심의 수직 요동이 더 크다는 특성과 일치한다.
오른발 Tangent of CoM-CoP와 사용마찰계수(UCOF1)와의 상관관계를 살펴보면, 맨발보행의 경우, 오른발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_h)과 오른 발가락떼기 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_t)에서는 다소 높은 부적 상관관계를 나타냈으며(r=-.615, p<0.01; r=-.652, p<0.01), 왼발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF2_h)에서는 높은 정적 상관관계를 보였다(r=.868, p<0.01).
오른발 수직 지면반력과 사용마찰계수(UCOF1)와의 상관관계를 살펴보면, 맨발보행의 경우, 오른발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_h)에서는 유의하진 않지만 낮은 부적 상관관계를 나타났으나(r=-.287, p<.208), 오른발가락떼기 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_t)과 왼발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF2_h)에서는 높은 부적 상관관계를 보였다(r=-.772, p<0.01; r=-.745, p<0.01).
오른발 수직 지면반력을 살펴보면, 오른발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_h)에서 맨발보행(64.4 BW%)보다 신발보행의 경우(32.9 BW%)가 더 작았으며(p<0.01), 오른발가락떼기 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_t)에서는 신발 착용 유무에 따른 유의한 차이가 없었다.
오른발 수평 지면반력과 사용마찰계수(UCOF1)와의 상관관계를 살펴보면, 맨발보행의 경우, 오른발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_h)과 왼발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF2_h)에서는 상관관계가 거의 없는 것으로 나타났으나(각각 r=.089, r=<0.057), 오른발가락 떼기 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_t)에서는 유의하진 않지만 낮은 부적 상관관계를 보였다(r=-.393, p<.078).
오른발 수평 지면반력을 살펴보면, 오른발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_h)에서 맨발보행(15.6 BW%)보다 신발보행의 경우(8.8 BW%)가 더 작았으며(p<.001), 오른발가락떼기 사용마찰계수 최대 시점(UCOF1_t)에서는 신발 착용 유무에 따른 유의한 차이가 없었고, 왼발 착지 사용마찰계수 최대 시점(UCOF2_h)에서는 맨발보행(17.4 BW%)보다 신발보행의 경우(15.4 BW%)가 더 작았다(p<0.05).
오른발 착지시점(RHS)의 보행속도와 오른발 최대 사용마찰계수(UCOF1)와의 상관관계를 살펴보면, 맨발보행의 경우는 상관관계가 거의 없었으며(r=.106, p<.647), 신발의 경우는 다소 높은 부적 상관관계를 나타냈다(r=-.495, p<0.05).
첫째, 보행 시 신발 착용으로 인해 체중수용기(제동기)의 더 이른 시점에 사용마찰계수가 최대치에 도달하고, 또 그 크기도 증가한다.

후속연구

또한, 뒤꿈치착지 시점보다 발가락떼기 시점에서 더 높은 상관관계를 보고한 Yamaguchi의 연구결과[17]와 유사하지만, 그들은 발가락떼기 바로 이전에 다음 발(왼발)뒤꿈치 착지에 따른 영향을 간과하였다. 또한 본 연구에서는 맨발보행과 달리 신발보행 시 뒤꿈치 착지 시점에서는 Tangent of CoM-CoP와 사용마찰계수(UCOF1)와의 상관관계가 없는 것으로 나타났는데, 이는 Tangent 값과 사용마찰계수의 상관관계를 일반화하기에는 더 많은 연구가 필요하다는 것을 의미하며, 특히 본 연구결과에서 제시한 제동기보다는 다음 발 추진기 시점에 주목할 필요가 있다고 판단된다. 또한 이는 오른발 제동 초기시점(RHS)보다 추진 후기에 발생하는 왼발(다음발) 착지시점(LHS)의 보행속도가 사용마찰계수(UCOF1)와 상관관계가 더 높았다는 본 연구결과도 이를 뒷받침해 준다고 할 수 있다.
본 연구에서는 보행 시 신발 착용 유무에 따른 사용마찰계수(UCOF) 차이를 분석하기 위해 보행속도, 지면반력, 사용마찰계수(UCOF) 최대치 도달 시점, CoP-CoM-수직선 각도의 차이를 알아보고, 상관분석을 통해 사용마찰계수(UCOF)에 관련 변인을 식별하고자 하였다. 이는 미끄러짐 예방을 위한 안전보행 평가 도구 개발에 유용한 자료를 제공할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신발 보행 시 사용마찰계수를 변화시키는 요인은 무엇인가?	보행 시 지면에 대한 수직력에 대한 전단력의 비율, 즉 보행자가 사용한 마찰계수(UCOF)는 미끄러짐 발생 가능성 있는 시점을 식별하는데 사용된다. 신발보행은 신발창 두께와 경도, 뒤꿈치 모양, 밑창 문양 등의 신발 디자인이 사용마찰계수를 변화시킬 것이다. 본 연구에서는 보행 시 신발 착용 유무에 따른 사용마찰계수(UCOF) 차이를 분석하기 위해 성인남녀 21명(여자 10명, 남자 11명, 나이: $25.
	미끄러짐을 방지하기 위해 바닥에 가해지는 수직력에 대한 전단력의 비율이 접촉면에서의 마찰계수보다 낮아야 하는 이유는?	보행 중에 바닥에 가해지는 전단력(수평 지면반력)이발이나 신발과 지면 접촉면에서의 최대정지마찰력(마찰계수×수직력)을 초과하지 않으면 미끄러지지 않는다[9,10]. 따라서 미끄러짐을 방지하기 위해 바닥에 가해지는 수직력(수직지면반력)에 대한 전단력의 비율이 접촉면에서의 마찰계수보다 낮아야 한다.
	미끄러짐 발생 가능성 있는 시점을 식별하는 데 사용되는 것은 무엇인가?	보행 시 지면에 대한 수직력에 대한 전단력의 비율, 즉 보행자가 사용한 마찰계수(UCOF)는 미끄러짐 발생 가능성 있는 시점을 식별하는데 사용된다. 신발보행은 신발창 두께와 경도, 뒤꿈치 모양, 밑창 문양 등의 신발 디자인이 사용마찰계수를 변화시킬 것이다.

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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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