홍 재 수 한국생산기술연구원 의료복지연구실용화그룹 선임연구원 ㅣ e-mail : [email protected] 전 경 진 한국생산기술연구원 의료복지연구실용화그룹 수석연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 고령자의 인체특성, 요구사항 및 역학적 안전성 등을 고려하여, 실내에서 고령자의 기립, 이승, 이동을 효과적으로 지원할 수 있는“승강기능을 갖춘 실내이동장치”연구개발 과정에 대하여 소개하고자 한다.
실내이동장치 연구 개발 사례
한국은 세계적으로도 유례가 없는 급격한 고령화가 진행 중이다. 한국의 인구통계는 2008년 기준 전체 인 구의 10.3%가 65세 이상인 고령자로 나타났다(2008, Statics Korea). 이런 급격한 고령화로 인해 고령자의 일 상생활을 지원하는 다양한 고령친화기기 개발의 중요 성이 대두되고 있는 시점이다.
선진국의 경우 고령친화제품 개발을 위하여 고령자 의 인체특성, 역학적 안전성, 사용성 평가 등의 공통핵 심기술이 제품 개발기술과 잘 융합되어 있으나 국내 대 부분의 고령친화제품 개발 기업들은 그렇지 못한 것이 현실이다. 따라서 이러한 고령자의 인체특성, 역학적 안전성, 사용성 평가를 토대로 한 고령친화제품의 설계/
개발은 아주 중요한 실정이다.
고령자의 신체적 기능 저하는 실내에서의 안전사고
로 이어지고 있다. 대표적인 실내 안전사고가 낙상사고 이고 이러한 낙상사고는 기립이나 이승・이동이 잦은 화장실(29.9%), 침실(17%), 계단(15%)에서 자주 발생 하고 있다.(2008, SAFIA Korea)
위와 같은 낙상사고를 대비하여 고령자를 위한 다양 한 이동 및 기립을 보조해 주시는 시스템 및 제품들이 출시되고 있지만, 기존제품들은 이동, 승강, 기립지원, 이승을 동시에 지원 불가능하여 수발자의 도움이 절대 적으로 필요했었다. 또한 기립지원이 가능한 승강기능 과 이동기능의 제품이 각각 따로 있어야 했으므로 고령 자의 경제적 부담과 고령사용자 및 수발자의 사용상의 불편함이 있었다. 따라서 본 연구팀에서는 고령자의 인 체특성, 요구사항 및 역학적 안전성 등을 고려하여 실 내에서 고령자의 기립, 이승, 이동을 효과적으로 지원 할 수 있는“승강기능을 갖춘 실내 이동장치”와 관련된 연구개발을 진 행하였다.
고령친화제품의 연구절차
승강기능을 갖춘 실내이동장치의 연구개발에 있어서 고령자의 인체치 수를 반영한 디자인을 실시하였고, 이를 기존 제품과 비교 분석하여 최
그림 1고령친화제품 연구절차 및 최종시제품
종 제품치수를 결정하였다. 또한 여러 가지 구조 안전 성의 문제를 검토하여, 최종 프레임 구조설계 및 최종 디자인 및 외형설계를 실시하였다. 구조설계의 안전성 을 검증하기 위한 동역학 시뮬레이션을 통해 제품을 검 증 및 수정하여 최종 시제품을 제작하는 과정으로 진행 된다.
기존 제품 분석을 위하여 대표유사제품 세 가지를 선 정하였다. 기능이 동일하게 구현되는 기존 제품은 없기 때문에 유사형태를 가지고 있는 기존의 승강의자 (Lifting-chair) 세 가지를 선정하여 분석을 실시하였다.
세 제품 모두 가이드를 사용한 승강 구조를 취하고 있 었고, 전동으로 이동하는 제품이 아니기 때문에 배터리 를 사용하지 않고 직접 전원을 연결하여 전원을 공급하 는 구조로 이루어져 있었다. 세 제품 모두 높낮이 스트 로크가 380mm~395mm 정도였고, 이러한 제품의 동적, 정적 치수와 고령자 인체특성을 이용한 전체 제품의 중 요한 설계치수 가이드라인으로 제시하는 데 활용하였 다.
제품의 안전설계를 위한 동역학 해석
제품의 안전설계를 위한 동역학 해석은 RecurDyn V7R2를 활용하여 실시하였고, 마찰력/단차/충돌을 비 교변수로 설정하였다. 마찰계수는 일반장판의 마찰계 수 0.64, 마찰계수의 규결 0.50, 욕실 및 습윤상태의 마 찰계수 0.38을 기준으로 하여 설정하였다. 단차는 일반 주택 및 가옥에 사용되는 문틀 중 계단형과 경사형 두 가지를 사용하였다.
충돌은 사람이 손을 뻗어 벽이나 냉장고 등에 부딪혔 을 때를 가정하여 힘이 의자의 어깨부분에 전달되도록 하였으며, 이를 봉과 의자의 어깨부과 충돌하는 상황으 로 모사하였다.
그림 3 계단형과 경사형 문턱 그림 2기존 승강의자 치수 분석
앞 캐스터의 크기를 50mm, 뒤쪽 캐스터 크기를 120mm로 설계하여 실시한 동역학 해석의 결과는 표 1 과 같다. 현재의 설계데이터에서 100kg 하중 시 2cm 높 이의 문턱은 안전하게 넘을 수 있을 것으로 판단된다.
하지만 의자 높이는 최대 높이에서는 장애물과 정면으 로 가슴부분을 충돌했을 때는 전복의 위험이 있는 것으 로 드러나 무게 중심을 뒤로 이동하여 설계를 수정하였 다.
좌면 각도별 STS(Sit-to-stand) 사용성 평가
좌면의 틸팅 각도별 Sit-to-stand 동작에 대한 실험평 가를 위해 실험에 필요한 실험 장치를 직접 제작하였 다. 본 연구에서 실험장치의 목표는 좌면의 정확한 틸 팅 각도를 구현함에 있다. 따라서 좌면의 각도를 -5도부
터 35도까지 5도씩 총 9단계의 각도를 구현할 수 있게 설계/제작하였다.
의자의 높이(오금 높이 최소값: 고령자 여성의 5%
tile)는 성인의 인체 최소치수를 기준으로 설계하여 실 험 시에 피실험자의 오금 높이에 위치할 수 있도록 설 계하였고, 좌면의 너비(엉덩이 너비 최대값: 여성의 95% tile)는 모든 피실험자가 넓게 앉을 수 있도록 인체 치수 최대값보다 더 크게 설계하였다. 의자의 깊이는 인체치수와 상관없이 각도조절의 공간을 포함하여 충 분히 넓게 설계하였다.
첫 번째로 3차원 Motion capture는 VICON INC. UK.
의 MX-T20 카메라 10기를 활용하여 캡쳐하였다. 두 번 째로 지면반력은 AMTI INC. OR6_7-2000 Force plate 2 기를 통해 기립 시 발판의 3차원 지면반력(Ground reaction force)을 측정하였다. 세 번째로 EMG 측정은
비교변수 마찰력 0.64(장판) 0.50(일반) 0.38(습윤)
단 차 계단형10mm 계단형20mm 경사형10mm 경사형20mm
충 돌 높이 600mm에서 최저
No Load (100kg)
- 기동토크를 측정함.
- 마찰력이 작을수록 Slip 크게 발생
- 계단형과 경사형의 단차 극복 토크가 비슷함
- 20mm 단차 극복은 충돌에 의해 한쪽 앞 바퀴가 들렸을 때 일어남.(불안정 상태가 됨)
- 10mm 단차 극복은 무리 없을 것으로 판단됨.
- 매우 쉽게 전복됨.
- 마찰력이 작을수록 Slip 크게 발생 - 기동 시 좌측으로 틀어짐.
- 단차 극복을 위해 약 2배의 토크가 필요함.
- 10mm 단차 극복에는 초기 속도가 반드시 필요할 것으로 판단됨.(불안정상태)
- 안정적인 상태로 정지함.
Load (300kg) 표 1동역학 해석결과 분석
그림 4좌면 각도별 STS(Sit-to-stand) 실험장치 및 실험방법
Delsys INC.의 Trigno Wireless EMG System의 6개 채 널 을 사 용 하 여 Erector spinae(Bazrgari B), Rectus femoris, Vastus lateralis 이렇 게 세 가지 근육을 측정하였으 며, EMG Works Analysis 이용 하여 분석하였다.
위의 지면반력기와 EMG 측 정장비는 측정값을 아날로그 신호형태로 출력하여 VICON INC.의 motion capture 소프 트웨어인 Nexus를 통하여 동 기화하여 실험을 진행하였다.
실험에 들어가기 앞서 3차 원 motion capture를 위해 피 실험자의 몸에 VICON 장비의 일반적인 마커셋인 Plug in
gait full body marker set을 활용하여 총 35개의 maker 를 부착하였고, 세 가지 근육(Erector spinae, Rectus femoris, Vastus lateralis)의 EMG 측정을 위해 좌우 양 쪽에 Wireless EMG Electrode 6개 채널을 부착하였다.
실험은 총 9단계의 각도(-5°~35°)에서 STS 모션을 3 번씩 반복하여 총 27번 동작을 캡쳐/측정 하는 것으로 실험이 진행되었다.
동작분석 장비를 통한 3차원 motion capture와 지면 반력기의 데이터를 VICON NEXUS를 통해 동기화하여 수집하고, 후 처리하였다. 이렇게 후 처리된 데이터는 19개의 Segments와 19개의 Joints 로 이루어진 가상모 델을 통해 동작에 대한 관절특성분석이 가능하다. 그리 고 모든 조인트는 관절마다 x, y, z 방향으로 세 개씩 구 성되어있다. 이처럼 실험(motion capture)을 통해 생성 된 모델의 Knee Joint(left, right)와 Hip Joint(left, right) moment의 Peak 값을 분석하였다.
EMG데이터의 분석과정은 Filtering, Rectification,
Smoothing(RMS(Root Mean Square), MVC에 의한 Normalization 이렇게 4단계로 이루어진다.
Joint moment 분석 결과
좌면 틸팅의 각도 변화에 따른 관절모멘트(Knee, Hip) 결과값을 보면 고령의 여자와 젊은 여자들의 실험 결과가 다르게 나타난 것을 알 수 있다. 엉덩이관절의 모멘트 값은 두 그룹 모두 전체적으로 낮아지는 경향을 보이고 있으며, 고령자 그룹은 10°에서 610Nmm로 가 장 높게 나타났으며 35°에서 494Nmm로 가장 낮게 나 타났다. 그리고 젊은 여성그룹은 5°에서 870Nmm로 가 장 높게 나타났으며, 고령자그룹과 마찬가지로 35°에서 734Nmm로 가장 낮게 나타났다. 그러나 Knee joint에 서는 고령자그룹의 모멘트 결과 값은 각도가 높아짐에 따라 오히려 증가하는 경향을 보였다. 5°에서 595Nmm 로 가장 낮았고 0°~5°까지는 613Nmm로 약간 높아졌 다가 10°에서 다시 604Nmm로 낮아지고 다시 점점 높
그림 5Joint moment 결과값
아져 25°에서 656Nmm로 가장 높았다가 35°까지 완만 하게 유지하는 경향으로 나타났다. 반면에 젊은 여자의 경우에는 -5°, 689Nmm에서 시작하여 5°에서 15°에서 730Nmm로 가장 높게 나타났으나 35°에서 662Nmm로 가장 낮게 나타나 15°이후에는 각도가 높아질수록 낮 아지는 경향을 나타냈다.
근 활성도 분석 결과
좌면 틸팅의 각도 변화에 따른 근육 활성도 결과 값 을 보면 젊은 여자 그룹은 결과값이 크고, 모든 근육에 서 낮아지는 경향이 뚜렷하게 나타난 반면에 고령 여자 그룹은 아주 낮은 기울기로 낮아지는 것을 알 수 있다.
고령 여자그룹의 근육별 결과를 보면 첫 번째로 Erector spinae는 25.1%(-5°)에서 시작하여 30°에서
20.6%로 가장 낮게 나타났으 며, 완만한 기울기로 낮아지는 경향을 보이고 있다. 두 번째 로 Rectus femoris는 20°에서 19%로 가장 높게 나타났으며, 35°에서 가장 낮은 16.5%로 나타났다. 세 번째로 Vastus lateralis는 상대적으로 가장 높은 값을 보였으며 -5°에서 40.1%로 가장 높게 나타났으 며, 상승과 하강을 반복하면서 30°에서 36.4%로 가장 낮게 나타났다.
젊은 여자그룹의 근육별 결 과를 첫 번째로 Erector spinae 는 30.4%(-5°)에서 시작하여 30°에서 23.3%로 가장 낮게 나타났으며, 5°~35°사이에서 아주 완만한 기울기로 낮아지는 경향을 보이고 있다.
두 번째로 Rectus femoris는 0°에서 32.2%로 가장 높게 나타났으며, 35°에서 가장 낮은 20.8%로 나타났다. 세 번째로 Vastus lateralis는 고령자와 마찬가지로 상대적 으로 가장 높은 값을 보였으며 -5°에서 53.7%로 가장 높게 나타났으며, 35°에서 42.6%로 가장 낮게 나타났 다.
급격한 고령화로 인해 고령자의 일상생활을 지원하 는 다양한 고령친화기기 개발의 중요성이 대두되고 있 는 시점에서 고령친화제품개발을 위하여 고령자의 인 체특성, 역학적 안전성, 사용성 평가 등의 공통핵심기 술이 제품 개발기술 발전뿐만 아니라 고령자의 요구가 반영된 제품 개발을 통한“승강기능을 갖춘 실내이동장 치”는 고령자들의 삶의 질이 향상될 수 있을 것이다.
그림 6근전도(%MVC) 결과값