동역학 전산모의해석을 이용한 인체 거동 분석

Abstract

[한글]인간은 살아가면서 생활에 필요한 사소한 동작에서부터 생활을 영위하기 위한 작업, 운동 등의 동작을 수행하고 있다. 이러한 여러 동작들 중에서 인간의 가장 중요한 활동 중에 하나는 보행이다. 그렇기 때문에 보행에 관한 연구가 중요하며 많이 수행되고 있고 이러한 보행 중에는 많은 돌발적인 상황이 발생할 수 있다. 최근에는 보행 시 상체를 지지하는 하지의 기능에 대하여 많은 연구들이 진행되고 있다. 그러나 몸의 지지에 있어서 개개의 근육과 다른 수동적 구성요소들의 영향을 모두 분석해야 하지만, 근골격 시스템의 중복성으로 인해 각 개개의 근력을 결정하는 것은 매우 복잡하고 어렵다.또한 쪼그려 앉은 작업 자세는 한국에서 작업자들에게 매우 자주 사용되는 자세이다. 쪼그려 앉은 자세는 작업의 특성상 오랜 기간 동안 반복적으로 같은 자세를 유지하게 되며, 중량물 취급 등의 작업에 비해 순간적인 생체역학적인 부하는 크지 않더라도 장기간 지속함으로 인해 작업자의 근골격계에 나쁜 영향을 끼칠 수 있다. 작업 자세 분석을 통한 근골격계 질환 해결방안은 산업계에서는 다방면으로 연구되고 있다. 그러나 농작업 자세 분석이나 농작업의 작업 강도에 대한 연구는 부족한 실정이다. 더욱이 근전도나 동작분석 시스템을 통한 객관적인 농작업 자세 분석에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.따라서 본 연구에서는 일반적인 보행과 헛디딤 보행에서의 하지관절이 수직 지지모멘트에 미치는 영향을 삼차원 동작분석 시스템과 동역학 전산모의해석 시스템을 통하여 정량화하고 각 보행 주기에서의 각 관절 지지모멘트의 영향을 분석하였다. 또한 쪼그려 앉은 작업 자세에서의 관절의 부하를 정량적으로 판단하기 위하여 삼차원 동작분석 시스템과 전산모의해석 시스템을 이용하여 의자의 사용 없이 단순히 쪼그려 앉아서 작업을 할 시와 10, 15, 20㎝ 의자에 앉아서 작업을 하는 동안 관절 영향의 정량적인 평가를 시행하였다.보행주기에 따른 지지모멘트의 영향을 분석하기 위하여 오른발 중간입각기, 전유각기, 왼발 중간입각기로 나누어 해석하였다. 모델을 정렬한 후에, 특정한 한 관절을 제외하고 모두 0으로 한 후 0.001초 동안 해석하여 발생되는 골반중심의 수직 가속도를 계산하였다. 또한 쪼그려 앉은 자세의 분석을 위하여 각 의자 높이에 따른 관절의 영향을 분석하기 위하여 각기 다른 높이의 의자를 생성하여 각 모델을 분석하였다.분석결과는 인체가 보행 중에 상체의 수직 방향 지지에는 발목관절의 영향이 가장 크고 이러한 보행 및 돌발상황에서의 균형회복 메커니즘 또는 병적 보행에서의 보상작용 메커니즘을 이해하기 위해서는 근육의 기여도에 평가도 필요하겠다. 또한 쪼그려 앉은 자세에서 호미질 등의 작업을 할 시에는 의자를 사용하여야 하지만 의자의 높이도 또한 각 사람의 하지장의 길이에 따라 적당한 높이를 사용해야 하며 이를 보편화할 수 있는 관계를 정립하여야 하겠다.따라서 삼차원 동역학 전산모의해석의 방법을 이용하면 기존의 연구들에서는 볼 수 없었던 돌발 상황이나 병적 보행에서의 보상작용의 메커니즘을 이해하는데 기여할 것으로 생각된다. 그리고 농촌이나 산업현장에서의 여러 가지 특수한 동작에 대한 정량적인 분석이 가능하여 이전까지는 단순히 의사나 재활치료사를 통하여 진단할 수 있었던 근골격계 질환에 대하여 손쉽게 접근할 수 있을 것으로 기대한다.

[영문]Relative contributions of lower extremity joints on the support moment were investigated in this study. Three-dimensional (3D) gait analyses were performed in normal walking and unexpected step-down walking. For both gait studies, inverse dynamics were performed to obtain each joint moment of the lower extremity, which was applied to the forward dynamics simulation to determine the contributions on the support moment at different phases of the walking. The forward dynamic simulation results showed that, in normal walking, the ankle joint contributed significantly during single-limb-support. However, the ankle joint, knee joint and hip joint worked together during double-limb-support. In unexpected step-down walking, the important contributors on the support of the body during single-limb-support were not only ankle joint but also knee joint.The agriculturists used to squat during working in sowing and harvesting season. The squatting work keeps a person in same working posture for a long time. Maintaining this posture for a long term results in musculoskeletal disorders. It is reported that the joint compression force in knee is as 7.8 times as weight in the squatting posture. The joint compression force in knee and spine was reduced by using a chair of suitable height in squatting posture. In the present paper, 3D motion analysis was used to evaluate effects of squatting posture with various height of chairs. 3D dynamic simulations were performed based on the results of 3D motion analysis to measure joint angle and torque on various height of a chair.The present research was carried out to evaluate the effects of chair heights (no chair, 10cm, 15cm and 20cm height) on lumber, hip and knee joint in squatting posture. 3D dynamic simulations were performed by using MSC.ADAMS and BRG.LifeMOD motion capture data used as input data of inverse dynamic simulation, and then joint angles and torques were calculated.The present study, analyzing the relative contributions of the lower limb joint moments for the body support, would be helpful to understand different unexpected walking conditions and compensatory mechanisms for various pathological gaits.The angle of thoracic joint has no significant difference for height change of chair. As the height of chair is increased, the magnitude of torque is decreased in lumber. In the other hands, as the height of chair is decreased, the magnitude of torque is increased in knee and hip joints. As a result, it is recommended to use suitable chair to reduce musculoskeletal disorders in the squatting.