[논문]프리웨이트운동의 동적 동작분석장치에 관한 연구

무스타피줄 라후만; 박주훈; 김지원; 정병호

doi:10.15207/jkcs.2020.11.2.271

프리웨이트운동의 동적 동작분석장치에 관한 연구
A Study of Dynamic Motion Analysis Device for Free Weight Exercise 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.2, 2020년, pp.271 - 279

무스타피줄 라후만 (남부대학교 의공학과) , 박주훈 (남부대학교 전기공학과) , 김지원 (남부대학교 물리치료학과) , 정병호 (남부대학교 전기공학과)

초록
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스쿼트와 런지운동은 다양한 프리웨이트운동 중 몸통과 하체강화를 위한 중요한 운동으로 운동자세에 대한 이론적 근거 및 운동기준 동작의 확립을 통해 안전하고 효과적인 운동이 이루어져야 한다. 따라서 옵티멀 운동동작을 통한 부상 예방과 오류 동작에 대한 과학적 대응방안을 마련하기 위해 운동모형의 개발이 필요한 현실이며 이러한 목적으로 오류동작에 따른 자세교정을 위해 다양한 보조기구를 활용하는 방법이 효과적이다. 본 논문에서는 프리웨이트운동의 동적분석을 위해 지면반발력에 대응한 로드셀을 이용한 4포인트 하중검출을 통해 동적동작에 기반한 운동모형 분석시스템을 개발하고자 한다. 프리웨이트운동의 모형개발을 위해 동적 움직임을 단순화하여 구분동작에 따른 운동 모델링을 확립하고 동적인 동작분석을 통해 오류동작을 분석하고 보정하기 위한 수치정량화 데이터를 확보하였고 이를 활용할 수 있는 분석방법에 대한 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Squats and lunges are important exercises for strengthening the trunk and lower body among various free weight exercises. It should be achieved safe and effective excise through establishing of theoretical basis for exercise posture and standard movement. Therefore, it's necessary to develop the exercise model in order to prepare the scientific countermeasures for the prevent injuries and error movement through optimal exercise movement. For this purpose, it is effective to use appropriate instruments for motion compensation according to the optical motion and error motion. In this paper, we develop a motion model analysis system based on dynamic motion through the four-point load cell for dynamic motion analysis. Proposed analytical method, the optimal and the error motion numerical data is obtained through the dynamic motion analysis. And we verified that dynamic movement is simplified to establish the motion modeling according to the classification motion and the numerical quantification data for analyzing.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Design method of the free-weight exercise equipment
그림 Fig. 2. Detection data flow with 4 Point load cell
그림 Fig. 3. Foot plate sensor position
그림 Fig. 4. Wheatstone bridge circuit with load cell sensor for voltage transformation
그림 Fig. 5. Dynamic signal process flows with 4 point load cell
그림 Fig. 6. Voltage and frequency ranges of bio-potential signals
표 Table 1. Specification of loadcell sensors
그림 Fig. 7. Sallen-Key Low‐Pass Filter Circuit
그림 Fig. 8. Simulation results of proposed lowpass filter
그림 Fig. 9. Prototype test photo
그림 Fig. 10. Force distribution of the squat exercise position
그림 Fig. 11. Force distribution of the lunge exercise position
그림 Fig. 12. Output detection waveform of optimal squat movement posture
그림 Fig. 13. Anterior tibia translation during squat exercise
그림 Fig. 14. Medial collapse tibia during squat exercise
그림 Fig. 15. Output detection waveform of optimal lunge exercise
그림 Fig. 16. Medial collapse tibia during lunge exercise
그림 Fig. 17. Lean trunk during lunge exercise

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 스쿼트운동과 런지운동 중에 발생될 수 있는 부상예방 및 신체정렬 오류를 위해 로드셀 센서를 통해 생체역학적인 모션신호를 획득하고 이를 분석하여 옵티멀 운동동작을 지원하는 기기를 설계하였다. 또한, 생성된 생체역학적 신호의 사용자에게 피드백을 제공 할 수 있는 장치의 신호 처리 방법을 제안하고, 프리웨이트운동 동작모니터링 및 실시간 동적분석에 대한 기초자료를 제공하는 연구성과를 제시하였다.
본 논문에서는 프리웨이트운동을 위한 동적 동작분석을 실시간 검출하여 동작의 정확성을 확립할 수 있는 동작분석장치에 관한 연구를 수행하였다. 제안된 분석장치를 통해 상대적으로 가동범위가 큰 프리웨이트운동의 정확한 동작분석을 통해 동적 동작의 수치분석을 모니터링 함으로서 안전하고 수치해석적인 운동을 지원할 수 있는 장치를 활용한 분석기법을 제안하였다.

제안 방법

대상자의 정렬조건별 수직하중의 크기를 계산하기 위해 운동모드를 Standing Position, Descending & Ascending phase, Squating position의 3가지 형태로 구분하여 해석할 수 있다.
동작신호의 검출에는 로드셀 센서(Load Cell Sensor)를 적용하였고, 시스템에 대한 최적화된 설계 기술를 통한 장치개발을 통해 프리웨이트운동의 실시간 동작분석을 가능하도록 프로토타입을 제작하여 적용하였다. 프리웨이트운동을 위한 프로토타입을 통해 동적 운동데이터 안정성을 확보 하였다.
제안된 분석장치를 통해 상대적으로 가동범위가 큰 프리웨이트운동의 정확한 동작분석을 통해 동적 동작의 수치분석을 모니터링 함으로서 안전하고 수치해석적인 운동을 지원할 수 있는 장치를 활용한 분석기법을 제안하였다. 또한 동적 움직임 분석과 관련하여 획득 된 생체 역학적 신호정보를 분석하여 제안된 프로토타입의 성능을 시험하였다. 프리웨이트운동 중에서 대표적인 스쿼트운동과 런지운동을 시험한 한 결과, 정상운동과 오류동작에서 의미 있는 패턴 파형을 획득하였으며 이를 분석한 운동모형에 적용하였다.
런지운동은 옵티멀자세, 무릎이 안쪽으로 쏠리는 편심 오류 동작, 허리가 구부려지는 오류동작을 각각 시행하면서 동작에 따른 출력파형을 검출하였다. Fig.
연구의 결과 지면반발력에 따른 각각의 프리웨이트운동의 연속동작을 센서를 통해서 검출하였다. 로드셀은 4 포인트에서 동작을 검출하였고 적용된 장치는 힘의 분배와 동작에 따른 생체역학적인 변화과정을 특정하였다. 샘플링타임은 0.
2 는 4포인트 로드셀을 통한 동적 데이터 검출과정을 나타냈다. 로드셀을 통한 지면반발력을 이용한 검출신호를 아날로그 저역통과필터를 통해 필터링을 수행한다. 검출된 신호를 가독성이 가능한 증폭신호로 변환한다.
본 논문에서는 스쿼트운동과 런지운동 중에 발생될 수 있는 부상예방 및 신체정렬 오류를 위해 로드셀 센서를 통해 생체역학적인 모션신호를 획득하고 이를 분석하여 옵티멀 운동동작을 지원하는 기기를 설계하였다. 또한, 생성된 생체역학적 신호의 사용자에게 피드백을 제공 할 수 있는 장치의 신호 처리 방법을 제안하고, 프리웨이트운동 동작모니터링 및 실시간 동적분석에 대한 기초자료를 제공하는 연구성과를 제시하였다.
로드셀은 4 포인트에서 동작을 검출하였고 적용된 장치는 힘의 분배와 동작에 따른 생체역학적인 변화과정을 특정하였다. 샘플링타임은 0.5ms이며 검출된 신호를 필터회로를 통해 AD변환되어 데이터 저장하였다. 실험 전에 실험대상자는 운동부상을 예방하기 위해 10분이상의 충분한 스트레칭 및 웜업 후 실험을 시작하였다.
식 (7)은 로드셀을 적용하기 위한 용량을 산출하기 위한 계산이다. 설계에서는 프리웨이트운동을 기준으로 한 용량산출이 이루어져야 하므로 플랫폼의 경우를 기준으로 계산하였고, 운동동작을 위한 가중치를 함께 고려하여 산출하였다.
스쿼트운동은 옵티멀자세, 무릎이 앞쪽으로 돌출된 오류 동작, 무릎이 안쪽으로 모아지는 오류동작을 각각 시행하면서 동작에 따른 출력파형을 검출하였다. Fig.
연구의 결과 지면반발력에 따른 각각의 프리웨이트운동의 연속동작을 센서를 통해서 검출하였다. 로드셀은 4 포인트에서 동작을 검출하였고 적용된 장치는 힘의 분배와 동작에 따른 생체역학적인 변화과정을 특정하였다.
본 논문에서는 프리웨이트운동을 위한 동적 동작분석을 실시간 검출하여 동작의 정확성을 확립할 수 있는 동작분석장치에 관한 연구를 수행하였다. 제안된 분석장치를 통해 상대적으로 가동범위가 큰 프리웨이트운동의 정확한 동작분석을 통해 동적 동작의 수치분석을 모니터링 함으로서 안전하고 수치해석적인 운동을 지원할 수 있는 장치를 활용한 분석기법을 제안하였다. 또한 동적 움직임 분석과 관련하여 획득 된 생체 역학적 신호정보를 분석하여 제안된 프로토타입의 성능을 시험하였다.
또한 동적 움직임 분석과 관련하여 획득 된 생체 역학적 신호정보를 분석하여 제안된 프로토타입의 성능을 시험하였다. 프리웨이트운동 중에서 대표적인 스쿼트운동과 런지운동을 시험한 한 결과, 정상운동과 오류동작에서 의미 있는 패턴 파형을 획득하였으며 이를 분석한 운동모형에 적용하였다. 본 논문을 통해 프리웨이트운동의 동적 동작분석에 기반한 분석방법의 프로세스를 개발하였으며, 다양한 프리웨이트운동 분야로 확장 할 수 있을 것으로 사료된다.

대상 데이터

4개의 FSR(Force Sensing Resistor)센서를 이용하기 위해 검출된 신호처리 구성요소는 게인 및 신호 컨디셔닝 셀, 앤티 앨리어싱 필터, ADC (아날로그-디지털 변환기) 및 디지털 신호 처리 블록으로 구성된다. 저역 통과 아날로그 필터는 아날로그 신호가 ADC에 도달하기 전에 중첩된 고주파노이즈를 제거하여 신호처리를 지원한다.

후속연구

프리웨이트운동 중에서 대표적인 스쿼트운동과 런지운동을 시험한 한 결과, 정상운동과 오류동작에서 의미 있는 패턴 파형을 획득하였으며 이를 분석한 운동모형에 적용하였다. 본 논문을 통해 프리웨이트운동의 동적 동작분석에 기반한 분석방법의 프로세스를 개발하였으며, 다양한 프리웨이트운동 분야로 확장 할 수 있을 것으로 사료된다.

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저자의 다른 논문 :

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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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