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관성 센서기반 스쿼트 각도 측정 융합 시스템 개발
Development of a Squat Angle Measurement System using an Inertial Sensor 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.10, 2020년, pp.355 - 361  

주효성 (울산대학교 의용생체공학전공) ,  우지환 (울산대학교 전기공학부 의공학전공)

초록
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스쿼트는 장소에 제약 없이 효과적으로 하체 근력을 증진시킬 수 있는 운동이다. 스쿼트 시 잘못된 자세로 인한 부상이 빈번하게 발생하고 있으며, 부상을 예방하기 위해서는 적절한 각도를 유지하며 운동하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 허벅지에 착용된 단일 관성 센서 모듈을 이용하여 스쿼트 각도를 측정할 수 있는 시스템을 개발하고 검증하였다. 스쿼트 각도를 측정하기 위해 각 관성 센서(가속도 센서, 자이로 센서)의 장단점을 상호 보완 하는 상보필터 알고리즘을 사용하였고, 임상 실험을 통해 각 상보필터 계수에 따른 스쿼트 각도의 정확도를 평가하였다. 분석 결과, 최적의 상보필터 계수를 기반으로 계산된 스쿼트 각도는 측각기에서 측정한 각도와 상관 계수 0.623와 편향 오차 -5.6°로 유의한 상관관계를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The squat is an exercise that can effectively improve the muscle strength of the lower body, which can be performed in a variety of places without restrictions on places including homes. However, injuries due to incorrect motion or excessive angles are frequently occurring. In this study, we develop...

주제어

#스쿼트   #관성 센서   #상보 필터   #모션 캡쳐   #홈 피트니스  

표/그림 (6)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 단일 IMU를 이용하여 스쿼트 각도를 측정할 수 있는 시스템을 개발하고 검증하였다. 상보필터를 기반으로 허벅지에 착용된 관성 센서의 각도를 계산하여 스쿼트 각도를 측정하였고, 상보필터 계수에 따른 스쿼트 각도의 측정 정확도가 평가되었다.
  • 본 연구에서는 단일 관성 센서를 이용하여 스쿼트 각도를 측정할 수 있는 시스템을 개발하고 정확도를 검증하였다. 본 연구에서 개발된 시스템에 기반하여 스쿼트 각도에 따른 정확한 스쿼트 깊이를 측정할 수 있다면, 트레이너의 지속적인 지도없이 운동의 정도를 스스로 평가할 수 있게 된다.
  • 본 연구에서는 사용자의 허벅지에 착용하여 스쿼트 각도를 측정할 수 있는 IMU를 개발하였다. Fig.
  • 이 때, 가속도 센서와 자이로 센서 데이터가 적절히 가중되어 조합될 수 있는 G의 최적 값은 사용 목적에 따라 달라질 수 있다. 본 연구에서는 실험을 통해 G의 최적 값을 평가하고 각 G 값에 따른 정확도를 검증하였다.
  • 본 연구에서는 허벅지에 착용할 수 있는 단일 관성 센서 기반의 스쿼트 각도 측정 시스템을 개발하였다. 단일 IMU에서 가속도와 자이로 센서 데이터를 측정하고 상보 필터를 적용하여 스쿼트 각도를 계산하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
잘못된 자세로 스쿼트를 하는 경우 어떤 문제가 발생할 수 있는가? 또한, 스쿼트는 닫힌 사슬 운동(close kinetic chain)으로 무릎 관절의 안정성을 증가시킬 수 있기 때문에, 무릎 수술 이후 재활에도 활용된다[6]. 이러한 장점들이 있으나, 잘못된 자세로 스쿼트를 하는 경우에는 무릎 관절에 과도한 전단력(shearing force)과 압축력(compressive force)을 유발하여 오히려 무릎 부상과 허리 부상 위험을 증가시킬 수 있다. 따라서 올바른 자세로 적절한 스쿼트 각도를 유지하며 운동 하는 것이 중요하다[7-9].
스쿼트란 무엇인가? 스쿼트(squat)는 앉고 일어나는 동작을 기본으로 하체 근육을 단련시키는 대표적인 근력 운동 중 하나이다[1]. 스쿼트는 스포츠 선수의 기량에 있어서 중요한 근육인대둔근(gluteus maximus), 대퇴사두근(quadriceps), 슬굴곡근(hamstring)을 단련시키기 때문에, 다양한 목적의 생활 체육이나 스포츠 훈련 프로그램에 자주 활용된다[2-5].
관성 센서 모듈 기반 모션 캡쳐의 장점은 무엇인가? 관성 센서 기반 모션 캡쳐는 관성 센서 모듈(Inertial Measurement Unit, IMU)을 대상의 신체에 착용하고 측정된 가속도, 자이로, 지자계 센서 데이터를 분석하여 3차원 공간상의 움직임을 평가하는 방식이다. IMU 기반 모션 캡쳐는 저렴한 비용 대비 정확하게 움직임을 평가할 수 있으며, 휴대 및 설치가 용이한 장점이 있어 다양한 동작 분석 연구에 활용되고 있다[13-16]. 관성 센서의 활용에 있어 여러 개의 관성 센서를 사용하면, 보다 정확하게 움직임을 평가할 수 있으나 대부분의 상황에서 다수의 관성 센서를 사용하는 것은 비용과 편의성 측면에서 어려움이 있다[16].
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참고문헌 (17)

  1. R. F. Escamilla. (2001). Knee biomechanics of the dynamic squat exercise. Medicine & Science in Sports & Exercise, 33(1), 127-141. DOI : 10.1097/00005768-200101000-00020 

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  2. G. Kathiresan, N. Jali, N. R. Afiqah, N. A. Aznie, N. Fidieyama & N. Osop. (2010). The relationship between ankle joint flexibility and squatting knee flexion posture in young Malaysain men. World Journal of Sport Sciences, 3(3), 226-230. 

  3. M. W. Kevin, L. A. George, D. W. Mike, W. P. Larry & M. G. Kim. (2005). The effect of short-term unilateral and bilateral lower-body resistance training on measures of strength and power. Journal of Strength and Conditioning Research, 19(1), 9-15. DOI : 10.1519/14173.1 

  4. M. Kritz, J. Cronin & P. Hume. (2009). The bodyweight squat: a movement screen for the squat pattern. Strength and Conditioning Journal, 31(1), 76-85. DOI : 10.1519/SSC.0b013e318195eb2f 

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  5. D. E. Toutoungi, T. W. Lu, A. Leardini, F. Catani & J. J. O'Connor. (2000). Cruciate ligament forces in the human knee during rehabilitation exercises. Clinical Biomechanics, 15, 176-187. DOI : 10.1016/s0268-0033(99)00063-7 

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  6. B. J. Schoenfeld. (2010). Squatting kinematics and kinetics and their application to exercise performance. Journal of Strength and Conditioning Research, 24(12), 3497-3506. DOI : 10.1519/JSC.0b013e3181bac2d7 

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  7. A. Hemmerich, H. Brown, S. Smith, S. S. K. Marthandam & U. P. Wyss. (2006). Hip, knee, and ankle kinematics of high range of motion activities of dailiy living. Journal of Orthopaedic Research, 24, 770-781. DOI : 10.1002/jor.20114 

  8. S. Kim, O. Kwon, K. Park, I. Jeon & J. Weon. (2015). Lower extremity strength and the range of motion in relation to squat depth. Journal of Human Kinetics, 45, 59-69. DOI : 10.1515/hukin-2015-0007 

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  9. C. M. Powers. (2003). The influence of altered lower-extremity kinematics on patellofemoral joint dysfunction: a theoretical perspective. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy, 33, 639-646. DOI : 10.2519/jospt.2003.33.11.639 

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  10. M. O. Reilly, B. Caulfield, T. Ward, W. Johnston & C. Doherty. (2018). Wearable inertial sensor systems for lower limb detection and evaluation: a systematic review. Sports Medicine, 48(5), 1221-1246. DOI : 10.1007/s40279-018-0878-4 

  11. Z Tang, M. Sekine, T. Tamura, N. Tanaka, M. Yoshida & W. Chen. (2015). Measurement and estimation of 3D orientation using magnetic and inertial sensors. Advanced Biomedical Engineering, 4, 135-143. DOI : 10.14326/abe.4.135 

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  12. D. Giansanti, G. Maccioni & Vello Macellari. (2005). The development and test of a device for the reconstruction of 3-D position and orientation by means of a kinematic sensor assembly with rate gyroscopes and accelerometers. IEEE Transaction on Biomedical Engineering, 52(7), 1271-1277. DOI : 10.1109/tbme.2005.847404 

  13. H. Zhou, T. Stone, H. Hu & N. Harris. (2008). Use of multiple wearable inertial sensors in upper limb motion tracking. Medical Engineering and Physics, 30, 123-133. DOI : 10.1016/j.medengphy.2006.11.010 

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  14. C. N. K. Nam, H. J. Kang & Y. S. Suh. (2014). Golf swing motion tracking using inertial sensors and a stereo camera. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, 63(4), 943-952. DOI : 10.1109/TIM.2013.2283548 

  15. J. Kodama & T. Watanabe. (2016). Estimation of inertial sensor-based estimation methods of lower limb joint moments and ground reaction force: results for squat and sit-to-stand movements in the sagittal plane. Sensors, 16, 1209. DOI : 10.3390/s16081209 

  16. V. Bonnet, C. Mazza, P. Fraisse & A. Cappozzo. (2012). A least-squares identification algorithm for estimating squat exercise mechanics using a single inertial measurement unit. Journal of Biomechanics, 45, 1472-1477. DOI : 10.1016/j.jbiomech.2012.02.014 

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  17. R. Jim, T. Dominic, S. James, C. Andrew & H. Colin. (2008). A biomechanical investigation of a single-limb squat: implications for lower extremity rehabilitation exercise. Journal of Athletic Training, 43, 477-482. DOI : 10.4085/1062-6050-43.5.477 

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