[논문]근육 모델을 적용한 인체 진동 모델의 동적 해석

근육 모델을 적용한 인체 진동 모델의 동적 해석
Dynamic analysis of the human vibration model in which muscle models are applied 원문보기

조영남 (한양대학교 기계공학부) , 채제욱 (국방과학연구소) , 유홍희 (한양대학교 기계공학부)

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따라서 근육을 단순히 선형 스프링-댐퍼로 모델링하기는 무리가 있다. 본 연구의 목적은 기존 인체 진동 모델의 스프링-댐퍼 대신 근육 모델을 이용함으로써 보다 개선된 인체 진동 모델을 개발하는 것이다.

이 모델은 의자에 앉은 상태의 인체를 모델링한 것으로 5개의 강체 및 스프링-댐퍼로 구성되어 있다. 또한 시상면(sagittal plane)에서 평면운동을 한다고 가정하였고 각 관절은 핀조인트로 모델링 하였다. 그림 1에서 1번 강체는 다리를, 2번 강체는 L5에서 골반을, 3번 강체는 T11에서 L3까지를, 4번 강체는 장기를, 5번 강체는 머리에서 T10까지를 나타낸다.

PD제어의 각 이득 값들은 최적화 방법을 이용하여 실험 결과와의 오차를 최소화 하도록 결정하였다.
본 연구에서는 Matsumoto 모델의 T10 아래에 위치한 관절 부분에 스프링-댐퍼 대신 두 개의 Hill-type 근육 건 모델을 적용하였다(그림 2). 근육을 이용해 자세를 유지하기 위해 관절의 각도 및 각속도에 따라 근육의 활성도를 PD제어 방법을 이용하여 제어하였다. 이를 수식으로 나타내면 아래와 같다.
그림 1에서 1번 강체는 다리를, 2번 강체는 L5에서 골반을, 3번 강체는 T11에서 L3까지를, 4번 강체는 장기를, 5번 강체는 머리에서 T10까지를 나타낸다. 또한 스프링 및 댐핑계수는 겉보기 질량 및 가속도 전달률의 인체 실험 결과와 진동모델 해석 결과 사이의 오차가 최소화 되도록 최적화 방법을 이용해 결정되었다. 이 값들은 Matsumoto(2001) 논문에 자세히 제시되어 있다.
스프링-댐퍼를 근육으로 대체한 후 의자에서 수작방향의 가진이 가해질 때 인체의 겉보기 질량(apparent mass), T1 및 L1에서의 수직, 수평방향 가속도 전달률(acceleration transmissibility)을 구하였고 실험 결과와 비교해 보았다(그림 3). 여기서 굵은 실선이 실험 결과, 가는 실선이 기존 모델의 결과, 파란색 점이 본 연구에서 제시한 해석모델의 결과이다.

본 연구에서는 Matsumoto 모델의 T10 아래에 위치한 관절 부분에 스프링-댐퍼 대신 두 개의 Hill-type 근육 건 모델을 적용하였다(그림 2). 근육을 이용해 자세를 유지하기 위해 관절의 각도 및 각속도에 따라 근육의 활성도를 PD제어 방법을 이용하여 제어하였다.
본 연구에서 사용된 인체 진동 모델은 Matsumoto(2001)가 제안한 모델을 이용하였다(그림 1). 이 모델은 의자에 앉은 상태의 인체를 모델링한 것으로 5개의 강체 및 스프링-댐퍼로 구성되어 있다. 또한 시상면(sagittal plane)에서 평면운동을 한다고 가정하였고 각 관절은 핀조인트로 모델링 하였다.

본 연구에서 근육 모델은 Hill-type 근육-건 모델을 적용하였다. 근육에 신경으로부터 자극(neural excitation)이 전달되면 근육의 활성도(activation)가 신경자극에 점근적으로 가까워지게 되고 이를 수식으로 나타내면 아래와 같다.
본 연구에서 사용된 인체 진동 모델은 Matsumoto(2001)가 제안한 모델을 이용하였다(그림 1). 이 모델은 의자에 앉은 상태의 인체를 모델링한 것으로 5개의 강체 및 스프링-댐퍼로 구성되어 있다.

여기서 굵은 실선이 실험 결과, 가는 실선이 기존 모델의 결과, 파란색 점이 본 연구에서 제시한 해석모델의 결과이다. 결과를 보면 T1부분의 가속도 전달률 해석 결과가 실험 결과와 더 가까워 진 것을 확인할 수 있다. 따라서 인체 진동 모델을 개발할 때 스프링-댐퍼 대신 근육 모델을 이용하여 보다 나은 결과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
결과를 보면 T1부분의 가속도 전달률 해석 결과가 실험 결과와 더 가까워 진 것을 확인할 수 있다. 따라서 인체 진동 모델을 개발할 때 스프링-댐퍼 대신 근육 모델을 이용하여 보다 나은 결과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 인체의 겉보기 질량이나 L1 부분의 결과는 기존 결과와 거의 차이가 없었다.

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