수동휠체어체계에서 질량중심과 추진 생체역학 간 종속성

Abstract

수동휠체어의 추진은 탑승자의 상체에 의해 이루어지므로 탑승자의 위치는 추진 생체역학에서 중요한 요소이다. 반면에 휠체어의 운동에 대한 저항력 가운데 중요한 구름저항은 휠체어체계의 질량중심에 따라 달라진다. 그런데 일반적으로 탑승자의 위치가 휠체어체계의 질량중심을 결정하는 절대적인 요소가 된다. 탑승자의 위치가 추진 생체역학을 결정하는 요소임과 동시에 저항력도 결정하는 요소가 되는 것이다. 본 논문에서는 탑승자의 위치와 휠체어체계의 질량중심 간에 이러한 종속관계가 추진력과 저항력에 미치는 영향을 연구하였다.이를 위해 기존의 휠체어와는 다른 구조의 휠체어를 개발하였다. 좌석의 위아래 위치 및 기울기 조절이 자유롭도록 몸체와 좌석을 구조적으로 분리하였고 하퇴부를 무릎에서 접을 수 있게 하여 휠체어체계의 질량중심과 질량분포를 부분적으로 조절할 수 있도록 설계하였다. 좌석 위치 조절은 1~1.5cm 단위로 가능하였다. 다리받이는 35° 수준으로 접을 수 있었다. 전산 시뮬레이션 결과로는 탑승자 위치를 조절하지 않은 채 휠체어체계의 질량중심을 약 3cm 조절할 수 있었으며 실측한 결과로는 평균 6cm 수준으로 조절할 수 있었다.질량중심 변화폭의 생체역학적 영향을 알기 위해 개발된 휠체어를 이용하여 같은 효과를 내는 탑승자 위치에서의 생체역학 변량들을 실험하였다. 3cm 차이에서 손의 궤적 등의 운동형상학 변량들에 유의한 차이가 있었고, 역적을 통해 본 운동역학에서는 3cm에서 크게 유의하지 않았으나 6cm에서는 더 유의한 차이를 나타내었다. 6cm의 질량중심 이동은 최저구름저항 대비 15% 수준까지 구름저항을 줄이거나 늘일 수 있었다. 또한 방향전환회전을 할 때 하퇴접음 기능으로 질량중심을 평균 6cm 옮기면 관성질량모멘트와 횡미끄럼각의 변화로 인해 최대 약 19% 더 적은 추진 횟수로 최대 약 11% 더 빠르게 도는 것을 확인하였다.본 연구를 통해 탑승자 위치와 질량중심의 종속관계는 휠체어체계 운동에 무시할 수 없는 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 기존의 틀을 깬 설계로 이러한 종속관계를 해체할 수 있었다. 질량중심의 독립적인 조절은 수동휠체어체계의 구름저항, 관성질량모멘트, 그리고 횡미끄럼각에 유의하게 영향을 미쳤다. 이러한 연구 결과는 수동휠체어 설계의 진일보에 기여하게 될 것이다.