다 체절 척추 동역학 분석 기반 3차원 인체 운동 분석 통합 시스템 개발
저자
발행사항
서울 : 성균관대학교 일반대학원, 2016
학위논문사항
학위논문(박사)-- 성균관대학교 일반대학원 : 생명공학과 2016. 8
발행연도
2016
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
Integrated 3-D human motion analysis system based on multi-segmented spine dynamic analysis
형태사항
xvi, 118 p. : 삽화, 표 ; 30 cm
일반주기명
지도교수: 문정환
부록수록
참고문헌 : p. 101-106
DOI식별코드
소장기관
인체를 분석하는 방법으로 운동 분석은 정적인 형태의 임상 사진(X-Ray, CT, MRI)과 비교하여 시간에 따른 인체 움직임을 측정하고 힘과 모멘트를 분석함으로써 진단 및 처방, 스포츠 능력 향상, 인간 공학적인 작업 능률 향상 등의 분야에서는 필수적인 방법이다. 이러한 필요성에 의하여 운동 분석 시스템이 연구되고 개발되어 왔지만 현재까지 국내에서의 연구가 미진한 상태이며 해외의 상용 시스템들은 고가의 제품 군으로 형성이 되어있다. 따라서 본 연구에서는 시스템의 실시간 측정을 위해 사용되는 고가의 실시간 O/S를 사용하지 않고 대체하는 방법으로 저가의 비 실시간 O/S인 윈도우를 사용하고 윈도우 O/S에서 제공되는 타이머 중에 2msec 정도의 시간 정밀도를 가지는 멀티미디어 타이머를 사용하여 측정 모듈을 개발하였으며 또한 측정 데이터의 신뢰성을 확보하였다.
운동분석 시스템을 통한 운동분석 시에 인체의 동역학적 분석 방법으로는 발바닥에 작용하는 외부 힘으로부터 허리까지 올라가면서 힘과 모멘트를 분석하는 상향식 모델(Upward model)과 손에 작용하는 외부 힘으로부터 허리까지 내려가면서 힘과 모멘트를 분석하는 하향식 모델(Downward model)이 있다. 이 중에 발바닥에 작용하는 힘을 측정하기 위해 고가의 지면반력기를 사용하는 상향식 모델은 시스템이 고가이고 공간의 제약을 받는다는 단점이 있다. 허리의 힘과 모멘트를 구하기 위해 이런 제약이 없는 하향식 모델의 필요성이 대두 됨에 따라 본 연구에서는 척추를 단일 체절로 보지 않고 변위가 많은 T8/T9 부분과 T12/L1부분을 관절로 나누어 다 체절 척추 모델로 분석을 수행하여 하향식 모델의 정확도를 향상시켰다. 본 연구의 세부 내용은 아래와 같다.
1) 모션 캡쳐 및 지면 반력 계측 시스템 개발 및 검증
인체 계측 방법으로 모션 캡쳐 및 지면 반력 계측 시스템을 개발하였고 데이터를 검증하였다. 모션 캡쳐로는 다중 카메라를 이용한 3차원 마커 인식 방법을 사용하였고 실시간 O/S를 사용하지 않고 윈도우의 멀티미디어 타이머로 실시간 계측을 하였다. 지면 반력 계측을 위하여 16 bit 입력 데이터를 받아서 힘, 모멘트, 압력중심 값으로 변환하였다. 그리고 두 시스템에서 계측된 데이터를 동기화 처리하였다.
2) 인체 운동 분석 정보 생성 시스템 개발
인체의 운동 분석을 편리하게 수행할 수 있는 운동 분석 정보 생성 시스템을 개발하였다. 곡선 보외법을 사용하여 트래킹을 처리하였고 곡선 보간법을 사용하여 은닉 마커 복원 처리를 하였다. 라벨링의 데이터 처리는 소프트웨어 개발 방식 중에 검색 속도 향상을 위하여 링크드리스트 방식을 사용하지 않고 배열의 인덱스 방식을 사용하였다.
3) 다 체절 척추 동역학 모델 개발 및 검증
척추를 포함하는 몸통을 하나의 체절로 놓지 않고 다 체절 척추 방식으로 몸통을 3 체절로 놓고 동역학 모델을 개발하였고 모션 캡쳐 및 지면반력 계측 시스템과 운동 정보 생성 시스템으로 검증을 수행하였다. 인체 체절을 정의하고 인체 계측 정보를 사용하여 질량 중심 및 관절 중심을 산출하고 다 체절 척추에 대한 운동학적 (Kinematic) 모델과 운동역학적(Kinetic) 모델을 개발하여 대칭/비대칭 동작에 대한 실험을 통하여 검증을 수행하였다.
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