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문제 정의
- 특히, 자전거 이용자가 자전거 탈 때 핸들을 잡는 손목 부위의 꺾임으로 인해 통증이 빈번하게 발생되고 있음에도 이들의 손목을 직접적으로 보호해 줄 수 있는 보호용품의 개발은 미흡한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 [Fig. 1]과 같이 크게 2단계로 나누어 먼저 3차원 모델링과 프린팅을 접목하여 인간공학적인 로드 바이크용 손목 보호대의 프로토타입을 개발하고, 가장 평가가 우수하였던 3차원 손목 보호대의 효율성을 근전도와 주관적 측면에서 검증해보고자 하였다.
- 그러나 3차원 손목 보호대를 장시간 착용하면 온열감의 상승으로 쾌적감이 낮아지기 때문에 이를 해결하기 위한 방안과 손바닥쪽의 쿠션감이 제공될 필요가 있다. 본 연구는 3차원 데이터를 이용하여 제품화하였기 때문에 소량 생산 다양한 디자인의 개인 맞춤형을 선호하는 시대에 적합한 연구방법으로 활용할 수 있다는 데 의의가 있다. 추후 온열 쾌적성 향상을 위해 통풍 구조, 3차원 프린팅 시 채우기 정도 조절이나 출력 소재의 변경, 보호대와 다른 소재와의 결합 등을 변인으로 지속적인 연구를 진행하고자 한다.
- 본 연구에서는 3차원 모델링과 프린팅을 접목하여 인간공학적인 로드 바이크용 손목 보호대를 개발하고, 이의 효율성을 근전도와 주관적 측면에서 검증해보고자 하였다.
- 다만 쿠션감만 약 4점대 ‘약간 그렇다’로 평가되었다. 본 연구에서는 다양한 3차원 프린팅 재료 중 쿠션감을 가지고 있는 TPU를 소재로 사용하였으나, 손목 보호대로 장시간 사용하기에는 이에 대한 보완이 필요한 것을 알 수 있었다.
제안 방법
- 먼저 4방향에서 측정한 3차원 점 스캔 데이터의 형태는 머지(Merge)를 통해 조합하여 메쉬(Meshes)상태로 만든 후 매끄러운 디자인을 얻기 위해 구멍 메꾸기(Fill holes)와 스마트 브러쉬(Smart brush) 작업을 하였고, 3차원 스케치 스플라인(3D sketch spline)작업으로 손목 보호대의 완성 라인을 만들어주었다. 그다음 가장자리에 손목 보호대의 탈부착을 고려한 직사각형을 그려 트림(Trim) 작업으로 구멍을 생성하였다. 마지막으로 3차원 출력에 적합하도록 5mm의 두께를 부여(Thicken)해주고 모델링을 마무리하였다.
- 그리고 기본 정자세에서 근전도 측정 센서를 부착하고, 안정된 상태에서 책상에 앉은 후 MVC(Maximal Voluntary Contraction)를 3초간 3번 측정하였다. 그런 다음 로드바이크 타는 것과 유사한 동작 조건에서 35km/h의 일정한 속도로 30분간 격렬하게 타도록 하고 근활성도를 측정하였다. 운동 직후 다시 MVC를 3초간 3번 측정하였다.
- 피험자는 실험실에 도착 후 10분간 안정을 취하게 하고, 면 100%의 반팔과 반바지를 착용시킨 후 3차원 손목 보호대의 디자인 적합성에 대해 주관적 평가를 실시하였다. 그리고 기본 정자세에서 근전도 측정 센서를 부착하고, 안정된 상태에서 책상에 앉은 후 MVC(Maximal Voluntary Contraction)를 3초간 3번 측정하였다. 그런 다음 로드바이크 타는 것과 유사한 동작 조건에서 35km/h의 일정한 속도로 30분간 격렬하게 타도록 하고 근활성도를 측정하였다.
- 그리고 기존 연구(Lee & Hong, 2019b; Park et al., 2019)를 참고하여 TPU 소재의 출력온도는 210~230℃, 내부 밀도는 10%, 외벽두께는 0.8mm로 설정하였다.
- 다음으로 3차원 손목 보호대 S2 착용 효율성 검증을 위해 근전도 측정을 통한 근활성도와 근피로도를 분석하였다. 근활성도를 분석한 [Table 6]을 살펴보면 노쪽손목굽힘근 위치에서 통계적인 차이를 보였는데, 3차원 손목 보호대를 착용하지 않은 경우 근활성도가 더 크게 나타났다(p<.
- 그다음 가장자리에 손목 보호대의 탈부착을 고려한 직사각형을 그려 트림(Trim) 작업으로 구멍을 생성하였다. 마지막으로 3차원 출력에 적합하도록 5mm의 두께를 부여(Thicken)해주고 모델링을 마무리하였다. 이 작업은 손등과 손바닥으로 나누어서 실시하였다.
- 운동 직후 다시 MVC를 3초간 3번 측정하였다. 마지막으로 손목 지지대 착용 여부에 따른 주관적 느낌을 비교하도록 하였다. 이때 실험 환경은 25℃, 64%RH였으며, 손목 보호대 착용 유무에 따라 앞서 설명한 실험 순서를 반복하였다.
- 2]에 나타내었다. 먼저 4방향에서 측정한 3차원 점 스캔 데이터의 형태는 머지(Merge)를 통해 조합하여 메쉬(Meshes)상태로 만든 후 매끄러운 디자인을 얻기 위해 구멍 메꾸기(Fill holes)와 스마트 브러쉬(Smart brush) 작업을 하였고, 3차원 스케치 스플라인(3D sketch spline)작업으로 손목 보호대의 완성 라인을 만들어주었다. 그다음 가장자리에 손목 보호대의 탈부착을 고려한 직사각형을 그려 트림(Trim) 작업으로 구멍을 생성하였다.
- 먼저 전완의 장축에 대해 손등측으로의 최대 굴곡 가동 범위 안에서 3종의 프로토타입 손목 보호대를 각각 S1-20°, S2-30°, S3-48°로 3차원 데이터에 기반하여 모델링하고, 프린팅으로 제작 후 착용 적합성에 대하여 주관적 평가를 실시하였다.
- 손목 관절의 가동 범위는 전완의 장축에 대해 손등측으로의 굴곡이 최대 약 50°이기 때문에 이를 넘지 않도록 20°(S1), 30°(S2), 48°(S3)로 선정하였다.
- 손목 관절의 가동 범위는 전완의 장축에 대해 손등측으로의 굴곡이 최대 약 50°이기 때문에 이를 넘지 않도록 20°(S1), 30°(S2), 48°(S3)로 선정하였다. 손목 보호대를 모델링하기 위해 먼저 한국인 인체치수조사 제6차 데이터에서(Korean Agency for Technology and Standards [KATS], 2010) 20대 여성 표준 손 사이즈에 해당하는 피험자 1인으로부터 선정된 각도대로 오른쪽 손을 고정시키고, 석고 붕대법으로 손등과 손바닥으로 구분하여 본뜨기를 실시하였다. 단, 보호대는 손등만 덮으므로 손허리뼈(Metacarpal bones)까지만 적용하였다.
- 본 연구에서는 여러 자전거 중 안장이 상대적으로 높으며, 핸들을 잡을 때 인체가 앞쪽으로 살짝 기울어지는 디자인으로 장시간 타게 되면 손과 손목에 통증을 유발시키는 단점이 있는 로드 바이크용을 대상으로 하였다. 손목 부위를 지지하는 보호대의 적합한 디자인을 도출하기 위해 손목 관절의 가동 범위를 고려하여 3종을 모델링하였다. 손목 관절의 가동 범위는 전완의 장축에 대해 손등측으로의 굴곡이 최대 약 50°이기 때문에 이를 넘지 않도록 20°(S1), 30°(S2), 48°(S3)로 선정하였다.
- 손목 지지대의 객관적 평가를 위한 근전도 측정은 표면 근전도 시스템(TeleMyo 2400T G2, Noraxon Inc., USA)을 사용하였으며, 데이터 획득을 위한 전극 부위는 해부학적 위치에서 선정하였다. 근전도 측정부위는 [Fig.
- 석고 붕대법을 이용한 이유는 손목 부위의 직접적인 스캔은 구조적으로 데이터 손실이 많이 발생될 수 있어 정확한 스캔 정보를 얻기 위해서였다. 완성된 본뜨기 석고 샘플은 정교한 모델링 작업을 위해 3차원 데이터 획득 전에 랜드마크를 부착하였으며, 3차원 스캐너 VIVID 910(Konica Minolta Sensing, Inc., Japan)을 사용하여 각각 앞, 뒤, 좌, 우로 스캔하였다. 이 데이터를 활용하여 3차원 모델링은 Geomagic Design X(3D Systems, Inc.
- 그런 다음 로드바이크 타는 것과 유사한 동작 조건에서 35km/h의 일정한 속도로 30분간 격렬하게 타도록 하고 근활성도를 측정하였다. 운동 직후 다시 MVC를 3초간 3번 측정하였다. 마지막으로 손목 지지대 착용 여부에 따른 주관적 느낌을 비교하도록 하였다.
- , Japan)을 사용하여 각각 앞, 뒤, 좌, 우로 스캔하였다. 이 데이터를 활용하여 3차원 모델링은 Geomagic Design X(3D Systems, Inc., Korea) 프로그램에서 역설계하였다. 역설계란 2차원 혹은 3차원 상에서 직접 설계도를 그리며 모델링을 하는 것이 아닌 획득된 3차원 데이터를 이용하여 그 위에서 모델링하는 것을 의미하며, 본 연구의 구체적인 모델링 과정은 [Fig.
- 마지막으로 3차원 출력에 적합하도록 5mm의 두께를 부여(Thicken)해주고 모델링을 마무리하였다. 이 작업은 손등과 손바닥으로 나누어서 실시하였다.
- 자전거를 탈 때 효율적으로 손목을 잡아 줄 수 있는 3차원 손목 보호대의 적합한 각도를 찾기 위해 출력 제품 S1, S2, S3에 대한 주관적 평가를 실시하였다. 설문지는 기존 연구의 사용성 평가항목 설문지(Koo & Lee, 2017)에 근거하여 작성하였으며, 평가를 위한 피험자 선정은 자전거 이용자들 중 Size Korea(KATS, 2010) 20대 여성 평균 손목둘레 15.
- 제작된 프로토타입 샘플 중 손목 보호대로 가장 적합하다고 평가된 S2에 대하여 디자인 측면에서 다시 응답하게 하였다. 그 결과 [Table 5]에서 보는 바와 같이 디자인 적합성, 사이즈 적절성, 조작 편리성이 약 5점대로 우수하다고 평가되었으며, 밀착성은 6.
- 석고 붕대법에 의한 완성된 본뜨기부터 모델링된 샘플과 3차원 프린팅에 의한 출력물까지의 일련의 과정을 거친 결과물은 [Table 2]와 같았다. 착용 시 피부에 닿는 쪽은 부드러운 소재의 싱글 저지(면 60%, 폴리에스터 40%, 두께 0.51mm)로 마감하였으며, 손등 부분과 손바닥 부분 결합이 가능하도록 옆면의 홈에 벨크로를 부착하여 착ㆍ탈의와 여밈이 편리하도록 하였다. 완성된 각 샘플은 부분별 치수 측정 수치는 [Table 3]에 나타내었고, 측정 위치는 [Fig.
- 피험자는 앞서 평가한 피험자와 동일한 20대 여성 7인을 대상으로 하였고[Table 1], 손목 지지대 착용 여부에 따라 근피로도와 근활성도를 측정하였다. 추가적으로 가장 적합하다고 평가된 제품에 대해 디자인, 사이즈, 조작 편리성, 밀착감, 쿠션감을 다시 응답하게 하였고, 손목 보호대 착용 유무에 따른 손목 부위의 편안함, 쾌적감, 손목의 피로도에 대해서도 주관적 평가를 실시하였다.
- 피험자는 각 제품을(S1, S2, S3) 착용한 상태에서 로드바이크 타는 것과 유사한 동작 조건에서 20km/h의 속도로 20분간 자전거를 타고난 후 평가에 대한 설문작성을 하도록 하였고, 제품은 순서 효과가 없도록 변형된 라틴스퀘어 법으로(Keedwell & Dénes, 2015) 제공하였다. 평가항목은 착용 시 손목 안정성, 동작 적합성, 밀착성, 착용 쾌적성에 대해 리커트 7점 척도로(1점: 전혀 그렇지 않다, 4: 보통이다, 7: 매우 그렇다) 평가하였다. 설문평가에서 얻어진 데이터 분석은 SPSS 24.
- 피험자는 각 제품을(S1, S2, S3) 착용한 상태에서 로드바이크 타는 것과 유사한 동작 조건에서 20km/h의 속도로 20분간 자전거를 타고난 후 평가에 대한 설문작성을 하도록 하였고, 제품은 순서 효과가 없도록 변형된 라틴스퀘어 법으로(Keedwell & Dénes, 2015) 제공하였다.
- 4]에 나타내었다. 피험자는 실험실에 도착 후 10분간 안정을 취하게 하고, 면 100%의 반팔과 반바지를 착용시킨 후 3차원 손목 보호대의 디자인 적합성에 대해 주관적 평가를 실시하였다. 그리고 기본 정자세에서 근전도 측정 센서를 부착하고, 안정된 상태에서 책상에 앉은 후 MVC(Maximal Voluntary Contraction)를 3초간 3번 측정하였다.
- 0을 활용하여 평균값과 표준편차, ANOVA를 실시하였다. 피험자는 앞서 평가한 피험자와 동일한 20대 여성 7인을 대상으로 하였고[Table 1], 손목 지지대 착용 여부에 따라 근피로도와 근활성도를 측정하였다. 추가적으로 가장 적합하다고 평가된 제품에 대해 디자인, 사이즈, 조작 편리성, 밀착감, 쿠션감을 다시 응답하게 하였고, 손목 보호대 착용 유무에 따른 손목 부위의 편안함, 쾌적감, 손목의 피로도에 대해서도 주관적 평가를 실시하였다.
대상 데이터
- 모델링된 손목 보호대의 출력은 최근 많이 사용되고 있는 FMD(Fused deposition modeling) 방식의 CUBICON Single Plus(Cubicon Inc., Korea)를 이용하였으며, 출력에 사용된 소재는 유연성을 가지고 있는 TPU(Thermoplastic Polyurethane)로 선정하였다. 그리고 기존 연구(Lee & Hong, 2019b; Park et al.
- 본 연구에서는 여러 자전거 중 안장이 상대적으로 높으며, 핸들을 잡을 때 인체가 앞쪽으로 살짝 기울어지는 디자인으로 장시간 타게 되면 손과 손목에 통증을 유발시키는 단점이 있는 로드 바이크용을 대상으로 하였다. 손목 부위를 지지하는 보호대의 적합한 디자인을 도출하기 위해 손목 관절의 가동 범위를 고려하여 3종을 모델링하였다.
- 설문지는 기존 연구의 사용성 평가항목 설문지(Koo & Lee, 2017)에 근거하여 작성하였으며, 평가를 위한 피험자 선정은 자전거 이용자들 중 Size Korea(KATS, 2010) 20대 여성 평균 손목둘레 15.2±0.5cm, 손둘레 18.1±0.9cm, 손두께 2.4±0.2cm에 해당하는 7인을 대상으로 하였다(Table 1).
데이터처리
- 근활성도는 신호 처리를 한 후 평균 제곱근(Root Mean Square; RMS) 값을 도출하여 자전거 타는 동안 분석하였다. 객관적 데이터 분석은 SPSS 24.0을 이용하여 paired t-test를 실시하였고, 주관적 데이터는 평균값과 표준편차, ANOVA를 실시하였다.
- 근피로도 분석을 위한 근전도 측정은 신호의 정규화를 위해 정해진 MVC 테스트 방법(Konrad, 2006)을 사용하였으며, 신호 처리 역시 선행연구(Lee & Hong, 2017) 방법으로 처리 후 중앙 주파수(Median frequency)를 구하여 분석하였다. 근활성도는 신호 처리를 한 후 평균 제곱근(Root Mean Square; RMS) 값을 도출하여 자전거 타는 동안 분석하였다. 객관적 데이터 분석은 SPSS 24.
- 평가항목은 착용 시 손목 안정성, 동작 적합성, 밀착성, 착용 쾌적성에 대해 리커트 7점 척도로(1점: 전혀 그렇지 않다, 4: 보통이다, 7: 매우 그렇다) 평가하였다. 설문평가에서 얻어진 데이터 분석은 SPSS 24.0을 활용하여 평균값과 표준편차, ANOVA를 실시하였다. 피험자는 앞서 평가한 피험자와 동일한 20대 여성 7인을 대상으로 하였고[Table 1], 손목 지지대 착용 여부에 따라 근피로도와 근활성도를 측정하였다.
이론/모형
- 근피로도 분석을 위한 근전도 측정은 신호의 정규화를 위해 정해진 MVC 테스트 방법(Konrad, 2006)을 사용하였으며, 신호 처리 역시 선행연구(Lee & Hong, 2017) 방법으로 처리 후 중앙 주파수(Median frequency)를 구하여 분석하였다.
- 8mm로 설정하였다. 출력 조건 설정과 모델링된 파일의 G-code 생성과정은 큐비콘사의 Cubicreator 3 프로그램(Cubicon, Inc., Korea)을 활용하였다.
성능/효과
- 5]와 같았다. S3이 다른 프로토타입에 비해 굴곡 각도가 커서 피부의 길이 변형으로 손등의 윗부분과 양쪽 가장자리의 길이가 상대적으로 긴 것을 알 수 있었다.
- 제작된 프로토타입 샘플 중 손목 보호대로 가장 적합하다고 평가된 S2에 대하여 디자인 측면에서 다시 응답하게 하였다. 그 결과 [Table 5]에서 보는 바와 같이 디자인 적합성, 사이즈 적절성, 조작 편리성이 약 5점대로 우수하다고 평가되었으며, 밀착성은 6.1점으로 더 좋게 평가되었다. 다만 쿠션감만 약 4점대 ‘약간 그렇다’로 평가되었다.
- 착용감이 우수하였던 S2는 디자인 적합성, 사이즈 적절성, 조작 편리성, 밀착감에서 만족하였고, 3차원 손목 보호대를 착용하지 않은 경우보다 노쪽손목굽힘근 위치에서 3차원 손목 보호대를 착용하지 않은 경우에 비해 근활성도가 더 작게 나타났으며, 근피로도도 낮은 경향을 보여 손목을 보호하는 역할에 효율적임을 알 수 있었다. 또한 3차원 손목 보호대 착용 유무에 따른 주관적 착용감 평가에서도 3차원 손목 보호대 착용 시 미착용에 비해 손목 부분에서 더 편안함을 느꼈으며, 손목의 피로도 역시 착용 시 낮게 느끼는 경향을 보였다.
- 이러한 결과를 통해 손목 보호대의 착용은 손목의 각도 유지와 적절한 압박감으로 주관적인 측면에서의 만족도도 높고, 객관적으로도 효율성이 있음을 알 수 있었다. 그러나 3차원 손목 보호대를 장시간 착용하면 온열감의 상승으로 쾌적감이 낮아지기 때문에 이를 해결하기 위한 방안과 손바닥쪽의 쿠션감이 제공될 필요가 있다.
- 즉, 최대 가동 범위(50°)에 비해 너무 적은 각도(20°)나 혹은 최대 가동 범위에 가까우면(48°) 손목의 안정성과 밀착성이 S2(30°)에 비해 떨어지는 것을 알 수 있었다.
- 착용 평가결과, 손등측으로의 굴곡이 30°인 S2가 착용 시 다른 부분의 동작을 방해하지 않는 동작 적합성과 착용 쾌적성에서 유의하게 우수하였고, 동작 적합성과 착용 쾌적성은 유의차는 없었으나, 보통 이상으로 선호하여 최대 가동 범위에 비해 너무 적거나 큰 각도는 오히려 착용감에 부정적 영향을 주는 것을 확인하였다.
- 착용감이 우수하였던 S2는 디자인 적합성, 사이즈 적절성, 조작 편리성, 밀착감에서 만족하였고, 3차원 손목 보호대를 착용하지 않은 경우보다 노쪽손목굽힘근 위치에서 3차원 손목 보호대를 착용하지 않은 경우에 비해 근활성도가 더 작게 나타났으며, 근피로도도 낮은 경향을 보여 손목을 보호하는 역할에 효율적임을 알 수 있었다. 또한 3차원 손목 보호대 착용 유무에 따른 주관적 착용감 평가에서도 3차원 손목 보호대 착용 시 미착용에 비해 손목 부분에서 더 편안함을 느꼈으며, 손목의 피로도 역시 착용 시 낮게 느끼는 경향을 보였다.
- 한편, 운동 후 3차원 손목 보호대 착용 유무에 따른 주관적 착용감 평가에서도 [Table 8]에서 보는바와 같이 3차원 손목 보호대를 착용하지 않은 경우(3.5점)보다 착용했을 때 6.2점으로 손목 부분에서 편안함을 느꼈고(p<.01), 손목의 피로도는 3.0점으로 낮게 느끼는 경향을 보였다(p=.09).
후속연구
- 즉, 3차원 손목 보호대를 착용하면 엄지손가락쪽이 근활성도가 낮아지고, 근피로도도 낮아지기 때문에 이와 연관되어 손목을 보호하는 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다. 물론 본 연구결과에서는 3차원 손목 보호대 착용 유무에 따른 근피로도가 통계적으로 차이가 나지 않았으나, 근활성도가 높은 경우 근피로도가 높아지게 되며, 지속적인 근피로도는 근골격계 질환의 원인이 될 수 있다는 선행연구 결과(Veiersted et al., 1990)에서도 알 수 있듯이 장시간 손목 보호대 없이 자전거를 탈 경우 손목에 피로도가 쌓여 추후에는 손목 통증을 유발할 수 있을 것으로 생각된다.
- 09). 즉, 3차원 손목 보호대를 착용하면 엄지손가락쪽이 근활성도가 낮아지고, 근피로도도 낮아지기 때문에 이와 연관되어 손목을 보호하는 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다. 물론 본 연구결과에서는 3차원 손목 보호대 착용 유무에 따른 근피로도가 통계적으로 차이가 나지 않았으나, 근활성도가 높은 경우 근피로도가 높아지게 되며, 지속적인 근피로도는 근골격계 질환의 원인이 될 수 있다는 선행연구 결과(Veiersted et al.
- 본 연구는 3차원 데이터를 이용하여 제품화하였기 때문에 소량 생산 다양한 디자인의 개인 맞춤형을 선호하는 시대에 적합한 연구방법으로 활용할 수 있다는 데 의의가 있다. 추후 온열 쾌적성 향상을 위해 통풍 구조, 3차원 프린팅 시 채우기 정도 조절이나 출력 소재의 변경, 보호대와 다른 소재와의 결합 등을 변인으로 지속적인 연구를 진행하고자 한다.
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