저항 운동 시 근육 협응 작용을 고려한 인체 근육력 및 동작 예측 방법

Abstract

제품 설계 및 해석에 있어 디지털 인체 모델을 이용한 근골격 시뮬레이션은 갈수록 활용 범위가 높아지고 있다. 특히 인체와 제품 사이의 상호작용이 중요한 제품의 경우 이러한 디지털 인체 모델을 이용한 해석을 통해 제품 개발 비용을 줄이고 효용을 높일 수 있다. 높은 하중을 이용하는 저항 운동 기구의 경우 제품의 효과를 극대화하고 부상을 방지하기 위해서 이러한 인체-제품 사이의 상호작용을 고려한 해석이 중요한 대표적 경우이다. 그러나 기존의 근골격 시뮬레이션 해석 툴을 이용한 운동기구 해석의 경우, 일반적인 인체 동작에 사용하는 근육 최적화 기법을 이용함으로써 주동근-길항근 동시수축, 관절안정성 유지와 같은 저항 운동에서 중요한 요소들을 고려하지 못하고 있다. 본 연구에서는 저항 운동 기구 중 체스트 프레스 머신을 선정하여 실험적으로 획득한 운동 시의 인체의 근육 사용 패턴을 통하여 관절 안정성을 유지하기 위한 주동근 길항근 동시수축을 정의하고, 이를 고려한 근육 최적화 방법을 제안하였다. 이를 OpenSim-MATLAB interface와 결합하여 근골격 시뮬레이션을 수행, 기존의 근육 최적화 방법과 그 결과를 비교, 관절 안정성을 유지하는 실제 인체 동작에 대하여 더 정확히 반영하는 근육력 예측이 가능함을 확인하였다. 여기에 근육 간의 협응 작용을 고려한 근육 시너지 기반 인체 모델을 개발, 이를 OpenSim model과 연결하여 역동역학 및 정동역학 해석에 적용함으로써, 실제 중추신경계로부터 개별 근육으로 운동뉴런이 전달되는 과정을 고려한 근골격 시뮬레이션 모델을 구현하였다. 마지막으로 체스트 프레스 머신을 이용한 운동 시의 관절에 대한 기구학적 분석을 통해 관절 각 가속도를 최소화하는 방식으로 저항 운동 시의 인체 동작을 생성하였다. 이를 통해 인체 동작 데이터가 없는 상황에서 저항 운동시의 인체의 행동 전략을 반영하여 인체 동작을 예측하고 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 하였다.