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JKSPE : Journal of the Korean Society for Precision Engineering

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탄성밴드를 사용한 소프트형 웨어러블 슈트의 효과 연구

차은혜1, 오승용2, 홍철운2, 유미2,#orcid, 권대규2,#orcid

A Study on the Effect of Soft Wearable Suit Using Elastic Band

Eun Hye Cha1, Seong Young Oh2, Chul Un Hong2, Mi Yu2,#orcid, Tae Kyu Kwon2,#orcid
Journal of the Korean Society for Precision Engineering 2022;39(1):59-67.
Published online: January 1, 2022

1 전북대학교 대학원 헬스케어공학과

2 전북대학교 공과대학 바이오메디컬공학부

1 Department of Healthcare Engineering, Graduate School, Jeonbuk National University JFIFddDuckydqhttp://ns.adobe.com/xap/1.0/ Adobed     ! 1AQa"q 2#w8B36v7XRr$9bCt%u&Ws'(xy4T5fH  !1AQaq"2B Rbr#u67Ѳ3sTt5v8Sc$4ĂCÔ%UӅFV ?_Aנj- H>>,m*>fzp"TrKkr^r.|_&]|*vPuܶvoQ1mwVJUhu-I"=LniAƕ8"۲ k*ҿ[yu:.vUQ+)%F DHyVBk>Hy8jݹ q~9D4KRmzQ)^ʔ.J%k_tVi5NTjg!'ky|5asOȻ)R۸ߩFMԿ3L4j6dڜ#NIwUF]JqB/(FafJRzq3\G՛ ?~\ 6)6W4m[O^L0E&rRMض*C .]Unl-1 1r#Rj/&QɈ׉˩s6Rj=5Tg.y.·Pӡ:JJS:C8-2u]d&vUz;7p9 5VnL֢"y)">iי(IDDd| Yj0; LRfS:ktYK%*N2^m|&dğth":ey)uPQZW)gcC3Pv&MMWd&Ŵ۲mvTRoժM03*F3Yd6\8,\hݻ kߔi<k NTwSԪmljj[>->ptU%'LR>&EBH$MQAUx[$Z6vi&_a.KIQ{hyƒ j"JOC9eFҝfj;˚Ω<[3_m% lQ@4g=5$(J]Yc-OMq<Ǎ wSzڗ)k$7VIP붾ͯnV+卵*t]iЎD31~SA1éC2u)ʼnQn-Uoi3:grI8ؓWm*G zܕ)ZקJ}Y YlGeJ6cB2I NS3Q>k=KTBT]W6+SOXQgGR? telˊ%-Re\hѯ2TF"C/OJΩ6r[N.0{SpljjX1“jOsӥ;ҭhe}xu`Ք&.)yO̒ Fߑ.$Qw;9Iw2o+RVJMSOj[SoҌZ%;`d$blQ{Ro{Imڌ>3egf\O֝Uzx"䢸g+mv%Gʆ:|V[N'&ס-ޝ'kfE|K,G&˳98Juin/\\Qݿ̋v~Ǩ!rtWU d|E߫R4d}.qPw*Ӭv5YEcn~f5c%MTMkb-F>5JT,})QHg%{("ӔȸWMsYyWNRrkkJr0XドnͫT}r-jj,Ŕʍ\Q2Ri>v$5!]"JB2WɅ)]VԜUc8i|.jeRO6^V.¸ Q&#|ܶ-*uOG%JAtRZRr]FFG\۩w+?'zչSѧt jz>KW&ot{7P&2D;&\\>Q2JzܗAKSfeNn[jRrԕf6,q,F1tRfԗ>vֶևj-&R'Zi2=xv~Elbsvm8=ӛ"ū񕜈BȩlWau[]ٷBߨF~J!|Ipr3R̴#Yp)={7:G{+:\W}n|Q#%)7^-h"Ƒq:M*%J&$T軨I333׎g_- ucBwwjp[6i25$̏bU’ٱRv?G\~#Iͪb7<<}Ezt" q_Inw,7-d,G÷%T* Wg1"䥱kq/A.,_KhqŒxwvo u2ۥۧ.bQ}XκA$֣ +K״ZUNmڸII{.v{5z5ѮRme[moyƾd~cRݾK'j.\i&/S6f|b=5: p!6i_ 4j6=.si˧eƾtS^c.Y^RJVS-Vi3,esi08?H$GvZgg?gi䤟2adw릿:"۪lkSN>q-4kI܋ێe̊qۅgDoѨ9; #T.Q;7#~_Ufstb_'w~Xw1Xk,vcOt._}v}8"(4Z\ۘgk?J?bm_c!g{HZV]Fkk%~gEt)b秴vΰB|꽸}mp~E6ݹv;7P٤v+ri*3Ԣ|'O14_~7nP{7ZU\Vű[ +7󖱅o#:ǥŬ\|3r%TJX]V7ez¨Y]lc|O3V! 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#E-mail: yumi@jbnu.ac.kr, TEL: +82-36-270-4063, E-mail: kwon10@jbnu.ac.kr, TEL: +82-36-270-4066
• Received: April 21, 2021   • Revised: October 20, 2021   • Accepted: November 7, 2022

Copyright © The Korean Society for Precision Engineering

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  • Many of the workers are exposed to work that burdens the musculoskeletal system, and musculoskeletal diseases, such as low back pain, are increasing every year. Various muscle support systems, such as wearable robots, have been developed to prevent musculoskeletal diseases at industrial sites, but the system is bulky. Therefore, the total weight is high, it is inconvenient to wear, and the wearer cannot freely perform the activities when power is not supplied. In this paper, in order to compensate for the shortcomings of the hard-type wearable robot system, a soft-type wearable suit using an elastic band was manufactured so that it is light and portable, as it does not require an actuator. The experiment was conducted to verify the effect of muscle strength assistance through an experiment (Measurement of Maximum Waist Torque and Measurement of the Approximate Dose) on the effect of the soft wearable suit. In addition, by making two different types of elastic bands in the wearable suit, it was possible to classify the more effective types for the waist and lower extremities according to the elasticity by comparing the muscle strength assisting effect according to the elastic band.
  • KEYWORDS: Soft wearable suit, Elastic band, Electromyography, Lifting, Muscular strength assistance
  • KEYWORDS: 소프트형 웨어러블 슈트, 탄성밴드, 근전도, 들어 올리기, 근력 보조

SE Type

Strong Elasticity Type

FE Type

Flexible Elasticity Type

I

((Wo-W)/Wo) × 100

Wo

Without Wearable Suit

W

With Wearable Suit
작업 근로자들이 흔히 겪는 근골격계질환은 부적절한 작업 자세, 과도한 힘 필요 작업, 접촉 스트레스 발생 작업, 진동공구 취급 작업, 반복적인 작업 등의 요인으로 인해 근육과 신경, 힘줄, 인대, 관절 등의 조직이 손상되어 신체에 나타나는 건강장해를 뜻한다. 근골격계질환은 통증, 감각 마비, 경련, 따끔거림 등의 증상을 보이고, 이상 징후로는 움직임 장애, 안력 저하, 기형 등이 나타난다.1 산업 현장, 택배, 농작업 등 다양한 현장에서 이루어지는 운반 작업은 주로 인력에 의존하여 화물 또는 자재를 목적지까지 이동시키는 작업으로 재해의 많은 부분을 차지할 뿐더러 요통 등 근골격계질환 대부분을 초래한다.2 산업 현장에서 이를 예방하고자 많은 기계 설비가 증가함에도 불구하고, 아직 많은 작업 공정에서 인력을 통한 중량물 운반이 이루어지고 있으며, 반복적으로 발생하는 몸통의 굽힘과 폄 동작들은 요통을 일으키는 주요 원인이 되고 있다. 허리를 이용하여 중량물 들어 올리기, 내리기 작업으로 인해 발생하는 요통 등의 근골격계질환은 매년 증가하는 추세이고, 이로 인한 작업 능률 저하로 경제적 손실 또한 매년 증가하고 있다.3,4
작업 중 발생하는 근골격계질환을 예방하기 위해 근력 보조에 대한 많은 연구들이 진행되었고, 다양한 근력 보조 시스템들이 개발되었다. 대표적인 근력 보조 시스템으로 웨어러블 로봇은 입는 로봇 또는 착용형 로봇이라 불리며, 사람의 팔이나 다리 등 신체 일부 기능을 강화하고 보조하기 위해 인체에 착용하여 함께 동작하는 로봇이다.5-12 최근 웨어러블 로봇 시장은 근골격계질환이나 신경 질환을 겪고 있는 환자의 재활과 치료의 목적으로 개발되고 있으며, 불완전 마비와 근력약화로 일상생활이 불편한 고령자를 위한 보조 및 재활 응용에 대한 수요가 증가하고 있다.13
Keitaro Naruse14-16 등은 간병인을 지원하기 위해 DC 모터를 사용한 파워 어시스트 장치를 개발하였다. 이 장치는 에너지 소비를 줄이기 위해 케이블에 기계식 브레이크를 걸어 동일한 각도일 때 배터리가 소모되지 않도록 하여 실제 사용 시 2,400 mAh 배터리가 물체를 집을 때 100회 이상 작동된다. Lotz 등17-19은 빈번하게 무거운 물건을 들어야 하는 작업 중 등 근육 및 관절 부하에 대한 요구를 줄이기 위해 개인용 리프트 보조 장치(PLAD)를 개발하였다. PLAD는 탄성 에너지를 활용하여 허리에 대한 보조 모멘트를 생성하는 수동시스템으로 사람이 리프팅 활동 중에 PLAD를 착용하면 몸통을 앞으로 구부릴 때 탄성 구성 요소가 늘어나 탄성 에너지를 생성하며, 이 저장된 에너지는 리프팅의 상승 단계에서 방출되어 리프팅과 관련된 근육의 에너지 수요를 줄인다. Stadler 등20-22은 산업 생산 향상을 위한 Robo-Mate 프로젝트를 통해 외골격을 제작하였고, 짧은 거리에서 물건을 들어 올리고, 내리고, 운반하는 것을 지원하기 위해 설계되었다. 브러시리스 모터 EC90e와 기어를 사용한 Harmonic Driver로 구성된 액추에이터 장치는 허벅지와 몸통을 연결하여 필요한 보조 토크를 제공한다. Tanaka 등23은 허리와 무릎 관절을 지지하기 위한 반 능동 보조 메커니즘이 있는 스마트 슈트의 프로토 타입을 개발하였다. 스마트 슈트의 기본적인 보조는 탄성력에 의해 이루어지고, 조정 가능한 보조 힘 메커니즘은 DC 모터에 의해 구동되며, 사용자의 관절 표면에 설치된 밴드 센서를 통해 감지되는 움직임에 따라 신체를 지지할 수 있다. Wehner 등24,25은 UC 버클리 인간 공학 실험실에서 쪼그리고 앉는 스쿼트 동안 엉덩이에 수동적인 신전 모멘트를 추가하여 필요한 신전근의 근력을 줄여서 허리에 가해지는 힘을 감소시키는 하지 외골격 장치를 제안하였다. 개발된 웨어러블 장치의 케이블 메커니즘은 스쿼트 중 에너지를 흡수하고 사용자가 중립으로 돌아왔을 때 에너지를 되돌리는 방식으로 최대 척추 압축력을 약 1,300 N 감소시키며, 등 근육 활동이 54% 감소하였다.
웨어러블 로봇은 액추에이터에서 발생하는 힘을 단단한 프레임을 통해 인체에 전달하기 때문에 보조력을 착용자에게 쉽게 전달할 수 있지만 시스템의 부피가 커서 총 중량이 높고 착용이 불편하며 전원이 공급되지 않으면 착용자가 자유롭게 활동을 할 수 없다.26 이러한 매커니즘은 비용이 많이 들며, 휴대용이 아니면 충분한 작업 속도, 유연성 및 운동 범위가 크지 않다는 단점이 있다.27 섬유 소재로만 구성된 다양한 형태의 웨어러블 슈트도 개발되었지만, 인체에 미치는 근력 보조 효과에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 논문은 웨어러블 로봇의 단점을 보완할 수 있는 근력 보조 시스템으로 액추에이터와 같은 구동기가 필요 없어 가볍고 휴대가 가능한 섬유 형태의 탄성밴드로 이루어진 소프트형 웨어러블 슈트를 제작하여 효과성을 검증하고자 하였다. 또한 웨어러블 슈트 내 탄성밴드의 종류를 바꿔서 적용하였을 때, 반복적으로 중량물을 들어 올리는 작업 수행 시 몸통과 하지 근력의 보조 정도를 각각 비교하고자 하였다.
본 실험에서 사용한 슈트는 소프트형 웨어러블 슈트로 액추에이터와 같은 구동기가 없으며 탄성밴드의 탄성력을 이용하여 착용자의 근육을 보조하도록 설계되었다. 탄성밴드의 성질에 따라 SE (Strong Elasticity)형과 FE (Flexible Elasticity)형으로 구분하였고(Fig. 1), 상지와 하지를 구분하여 설명해보자면 상지의 척추기립근 위치와 하지의 대퇴이두근 위치에 탄성밴드가 있어 작업 시 탄성력을 이용하여 근력을 보조할 수 있으며, 상체는 조끼 형식으로 착용하고 다리는 벨크로 방식으로 고정시킨다. 척추기립근 위치의 탄성밴드와 대퇴이두근 위치의 탄성밴드로 길이를 조절하여 신장에 맞출 수 있으며, 상지 고정부와 하지 고정부의 벨크로 체결 방식을 통하여 체형 사이즈에 맞출 수 있다.
Fig. 1

Soft wearable suit using elastic band

KSPE_2022_v39n1_59_f001.jpg
탄성밴드 타입별 스펙을 알아보고자 한국 의류시험 연구원(KATRI)에서 인장 강도와 인장 신도를 측정한 결과(시험 속도는 모두 50 mm/min의 동일한 속도로 진행), SE형의 인장강도는 2,420 N, FE형은 3,263 N이고, 인장신도는 SE형의 경우 138.5%, FE형의 경우 256.3%로 측정되었다. 또한 SE형의 탄성밴드 소재는 폴리프로필렌과 엘라스틱 고무로 구성되어 있으며, FE형의 탄성밴드 소재는 면과 고무재질로 구성되어 있다.
3.1 피험자 선정
본 연구의 대상은 전라북도 J 대학교의 재학중인 건강한 20대 성인 남성들로 모집하였으며, 실험 전 연구 담당자 또는 책임자로부터 본 실험에 대한 자세한 설명을 들은 후 서면 동의 절차를 거쳐 총 13명의 피험자를 선정하였으며, 피험자의 신체 정보는 아래 Table 1과 같이 나타냈다.
Table 1

Physical characteristic of subject

Table 1
Subject (n = 13)
Category Mean Std.
Age [years] 25.6 0.8
Height [cm] 176.1 6.1
Weight [kg] 80.2 15.4
3.2 실험 기기 및 실험 방법

3.2.1 실험 기기

허리 최대 근력을 측정하기 위한 시스템으로 근력부하측정시스템(Biodex System 3, Biodex Medical System Inc., USA)를 사용하였으며, 이 시스템은 등척성, 등속성, 등장성, 패시브 모션 모드 및 반응성 편심 모드에 대한 관련 데이터를 수집할 수 있다.28 등속 저항 모드는 지속적인 노력에 따른 운동 범위의 특정 지점의 약점, 통증 또는 피로로 인한 힘 출력 변화를 나타내며, 반응성 편심 모드는 재활 초기 단계에서 최대 신경근 재교육을 위한 것으로 미리 결정한 최소 힘을 생성하고 유지함으로써 관절을 둘러싼 근육에 부하를 가할 때, 사전 부하를 통해 관절을 안정시키고 보호하는 것이다. 패시브 모션 모드는 다기능 모드로 고유한 제어 속성을 통해 모든 재활 단계에서 조기 개입이 가능하고, 등척성 모드는 수술 전, 후 또는 동작과 관련된 통증이 요인일 때 운동 범위의 고통스러운 지점을 피하면서 힘을 개발하고 관절 삼출을 줄이는데 효과적이다. 마지막으로 등장성 모드는 관성 없는 일정한 힘과 동심 또는 편심 근육 수축을 제공하면서 속도를 변화시킬 수 있는 모드로 힘이 선택되기 때문에 관절의 보호 사전 부하도 제공한다. 이러한 6가지 작동 모드를 특징으로하는 근력 부하 측정시스템은 스포츠 및 정형외과 의학, 소아 의학, 신경 재활, 노인 의학, 산업 의학 및 연구자들이 정확하고 객관적인 데이터를 제공하기 위해 사용되며, 정확성, 안전성, 신뢰성, 유효성 등을 제공한다.28
근육의 활동을 측정하기 위해 16채널 표면 근전도(TeleMyo Desktop DT, Noraxon Inc., USA) 측정시스템을 사용하였으며, 근육 생체 전위 신호를 개별적 또는 다른 운동학적 신호와 결합하여 측정 및 정량화로 진단에 도움이 되는 데이터를 제공한다. 측정 데이터가 각 센서에서 수신기로 직접 전송되어 컴퓨터 또는 지능형 소형 장치에서 후속 표시 및 분석을 수행하는 단거리 무선 센서 네트워크인 DTS와 생체 전위 신호 또는 동작 관련 신호를 측정하고 전송하는데 사용되는 소형 개별 무선 송신기인 DTS 센서로 구분되며, 데스크탑 DTS 시스템은 하나의 네트워크에서 최대 16개의 신체 착용 DTS 센서를 수용할 수 있다. 표면 근전도 측정시스템의 경우 RF 전송이 2.4와 2.5 GHz 사이의 주파수에서 발생하는데 WiFi 및 Bluetooth 통신 모듈을 포함한 다른 무선시스템이 일반적으로 동일한 주파수에서 작동하기 때문에 간섭의 원인이 될 수 있다.29

3.2.2 허리 근력의 최대 토크값 측정

본 실험은 근력 부하 측정시스템을 사용하여 탄성력이 다른 두 가지 타입의 웨어러블 슈트를 입고 허리 최대 근력을 측정했을 때 슈트 내 탄성밴드의 탄성력에 따른 허리 최대 토크값을 비교하였다. 피험자들은 온 몸을 고정시킨 후 시작 신호에 맞춰 등속성 모드로 60° 각도 내에서 신전/굽힘(Extension/Flexion)을 최대 허리 힘만으로 5번 반복하였으며, SE형 작업복을 착용 후 측정이 끝나면 허리 부하에 스트레스를 줄이고자 10-20분 정도의 휴식 후 동일한 방식으로 FE형 작업복 착용 후 실험을 진행하였다. 이때, 변동계수(Coefficient of Variation, CoV)는 테스트 세트의 일관성을 즉시 결정하는 데 유의한 데이터로 15% 미만이 정상 한계이기 때문에 15% 이상일 경우 재측정하였다.28

3.2.3 근전도를 통한 IEMG 측정

본 실험에서는 웨어러블 슈트 착용 유무에 따라 반복적으로 중량물을 들어 올릴 때 근육별 IEMG(적분 근전도)값을 비교하기 위해서 각 근육에 근전도를 부착하고 웨어러블 슈트를 착용하지 않은 상태, SE형 슈트를 착용한 상태, FE형 슈트를 착용한 상태에서 각각 중량물 들어 올리기를 반복하였다. 들어 올릴 때의 자세는 허리를 구부리고 들어 올리는 자세(Stoop Lift (Fig. 3))로 광배근, 척추기립근, 대퇴직근, 전경골근, 대퇴이두근, 비복근 좌우 총 12곳의 근육에 근전도를 부착하여 진행하였으며, 중량물 무게는 운반할 때 많이 취급하는 5, 10, 15, 20 kg30로 선정하였다.30
실험 순서는 다음 Fig. 4와 같이 SE형 웨어러블 슈트를 착용하고, 중량물 5 kg를 들어 올린 상태로 3초를 유지한 후 중량물을 다시 내려놓고 3초 유지한다. 이를 3번 반복 후 중량물 10, 15, 20 kg 역시 동일한 방법으로 진행한다. 다음 실험 시작 전 근피로도를 줄이기 위해 약 10분 정도 충분한 휴식 후 FE형 웨어러블 슈트를 착용했을 때와 웨어러블 슈트를 착용하지 않았을 때 전 과정을 동일한 방법으로 진행한다. 또한, 실험 전 피험자들이 들어 올리고 내릴 때 동영상 촬영을 통하여 관절 가동 범위를 일치시켰다. 근전도 수집을 위한 샘플링 주파수는 1,000 Hz로 설정되었으며, 근활성도 신호 처리 방법은 Raw Data에서 필터링을 통하여 20-400 Hz 사이에서 대역 통과 필터를 사용하였다.30 Filtering 후 Rectification 과정을 통해 표면 근전도 원신호를 절댓값으로 변환하고, Smoothing과 Integration을 통해 IEMG 값을 구하였다. 총 3번의 실험을 통해 나온 IEMG의 결과값을 평균을 통하여 산출하였다.
Fig. 2

Lumbar peak torque measurement using Biodex system 3

KSPE_2022_v39n1_59_f002.jpg
Fig. 3

Muscle usage measurement posture (Stoop lift)

KSPE_2022_v39n1_59_f003.jpg
3.3 분석 방법
수집한 데이터는 통계분석프로그램(SPSS 12.0, SPSS Inc., USA)을 통해 허리 근력의 최대 토크값에 대한 데이터는 정규성 검정을 통해 정규분포를 따르는 것을 확인 후 독립표본 t 검정으로 분석하였다. IEMG에 대한 데이터는 이원분산분석(Two Way ANOVA)을 통해 착용 여부와 중량물에 따른 비교를 하였으며 Tukey를 통하여 사후 검정을 실시하였다. 통계적 유의 수준은 0.05로 설정하였다.
4.1 허리 최대 근력 측정 결과 비교
탄성력이 다른 두 가지 타입의 슈트를 각각 입은 후 허리 최대 근력을 측정 후 신전의 최대 토크값을 구하여 비교하였다. 허리를 최대 근력으로 신전/굽힘을 수행한 결과값에서 신전값만 비교한 이유는 착용 슈트 내 탄성밴드의 두 가지 탄성력 중 허리를 폈을 때 어떤 착용 슈트가 힘을 더 많이 사용할 수 있는지 알아보기 위한 것으로 굽힘 했을 시 측정된 데이터 값은 배제하고 비교하였다. 통계 분석 결과 SE형 착용 후와 FE형 착용 후의 신뢰 구간을 통해 SE형 착용 후와 FE형 착용 후 5%의 유의 수준에서 유의한 차이를 나타냈다(p < 0.05).
Fig. 4

Experimental protocol for measuring muscle usage using EMG

KSPE_2022_v39n1_59_f004.jpg
결과적으로 피험자들이 상대적으로 FE형의 착용 슈트보다는 SE형 착용 슈트에서 허리 근력의 최대 토크값이 높게 나왔으며, 평균적으로 FE형 보다 SE형을 착용했을 때 허리 근력의 최대 토크값이 평균 약 2.91% 증가되었음을 Table 2를 통하여 확인할 수 있다.
Table 2

Lumbar peak torque results for SE type and FE type

Table 2
Biodex results Subjects Mean±Std. [Nm] t p
A B C D E F G H I J K L M
SE type [Nm] 185.3 202.7 260.4 256.4 113.9 160.7 196.7 221.5 232.8 156.2 172.1 145.9 199.3 186.03±44.79 -4.084 .000
FE type [Nm] 176.9 167.6 282.0 255.7 119.9 153.2 182.4 162.0 229.3 168.9 176.1 151.0 193.3 192.61±43.29
%Difference 4.5 17.3 -8.3 0.3 -5.2 4.6 7.3 26.9 1.5 -8.2 -2.4 -3.5 3.0 2.91±10
4.2 IEMG 측정 결과 비교
근육별 IEMG 측정 결과는 광배근, 척추기립근, 대퇴직근, 전경골근, 대퇴이두근, 비복근을 상지 근육, 하지 앞 근육, 하지 뒤 근육으로 각각 분류하여 각 타입의 웨어러블 착용 전(Wo)과 착용 후(W)를 비교하였다. 측정된 IEMG의 개인차를 고려하기 위해 피험자 각각 근 사용량 감소율(I)을 계산하고, 평균을 통해 웨어러블 슈트 유무와 종류에 따라 감소율을 비교하였다.31 중량물 무게에 따른 웨어러블 슈트 착용 전, 후 IEMG 감소율은 아래 Table 3에 나타냈다.
Table 3

IEMG reduction rate by weight

Table 3
IEMG reduction rate [%] 5 kg 10 kg 15 kg 20 kg
Latissimus dorsi muscle SE type 9.70 13.91 14.88 16.90
FE type 12.86 19.47 17.63 11.88
Erector spinae muscle SE type 8.35 -1.67 3.73 3.73
FE type 24.38 7.14 14.53 12.74
Rectus femoris muscle SE type -0.34 4.98 5.88 15.69
FE type 11.35 8.29 5.56 16.18
Anterior tibial muscle SE type 23.21 21.77 10.93 20.35
FE type 14.61 15.71 7.46 14.52
Biceps femoris muscle SE type 12.61 16.34 19.35 18.52
FE type 6.76 16.65 15.59 12.44
Gastrocnemius muscle SE type 14.82 8.12 1.09 4.06
FE type -1.12 0.54 0.97 1.98
(1)
Decreasing rate I=Wo-W/Wo×100
Fig. 5(a)는 상지 근육인 광배근의 IEMG를 나타낸 것으로 중량물 무게에 따라 IEMG가 증가하였으며, 웨어러블 슈트를 착용 전보다 SE형, FE형 착용 후 IEMG가 감소됨을 확인할 수 있다(p < 0.05). 중량물 5, 10, 15 kg에서 SE형과 FE형 간의 유의미한 차이는 없었으며, 20 kg를 들어 올렸을 때 SE형이 FE형보다 근소한 차이로 적은 IEMG를 보였다. 피험자들의 개별적인 IEMG 감소율은 평균적으로 13.85% 감소하였으며, FE형 착용 후 평균적으로 15.46% 감소하였다.
Fig. 5

Results of muscle usage by muscle (With-without soft wearable suit: *p < 0.05., **p < 001, Object weight: #p < 0.05, ##p < 0.01)

KSPE_2022_v39n1_59_f005.jpg
Fig. 5(b)는 상지 근육인 척추기립근의 IEMG를 나타낸 것으로 다른 근육들과 달리 높은 IEMG를 보인다. 중량물 무게에서 모두 SE형보다 FE형의 IEMG가 적었으며 SE형은 착용 전, 후 유의미한 차이를 보이지 않았지만, FE형은 착용 전, 후 중량물 모두에서 유의미한 차이를 보였다(p < 0.05). 피험자들의 개별적인 IEMG 감소율은 평균적으로 3.54% 감소하였으며, FE형 착용 후 평균적으로 14.70% 감소하였다.
Fig. 5(c)는 하지 앞 근육인 대퇴직근의 IEMG를 나타낸 것으로 다른 근육들과 달리 적은 IEMG를 보이며, 중량물간 IEMG의 변화가 거의 없다. 또한 웨어러블 슈트 착용 전, 후의 뚜렷한 차이를 볼 수 없으며, SE형과 FE형 간의 차이도 볼 수 없지만 중량물 20 kg에서 착용 전과 FE형이 통계적으로 유의하게 감소된 것을 확인할 수 있었다(p < 0.05). 피험자들의 개별적인 IEMG 감소율은 평균적으로 6.55% 감소하였으며, FE형 착용 후 평균적으로 10.34% 감소하였다.
Fig. 5(d)는 하지 앞 근육인 전경골근의 IEMG를 나타낸 것으로 중량물에 무게에 따라 IEMG가 증가하였으며, 웨어러블 슈트를 착용 전보다 SE형, FE형 착용 후 IEMG가 감소되었다. FE형을 착용했을 때보다 SE형을 착용했을 때 IEMG가 더 감소하였으며, 유의한 차이를 확인할 수 있었다(p < 0.05). FE형도 SE형만큼 IEMG가 감소되진 않았지만 중량물 모두에서 IEMG가 감소하였으며, 중량물 10과 20 kg에서 유의한 차이가 있었다(p < 0.05). 피험자들의 개별적인 IEMG 감소율은 평균적으로 19.06% 감소하였으며, FE형 착용 후 평균적으로 13.07% 감소하였다.
Fig. 5(e) 하지 뒤 근육인 대퇴이두근의 IEMG를 나타낸 것으로 척추기립근과 마찬가지로 다른 근육들에 비해 높은 IEMG를 보인다. 중량물 무게에 따라 IEMG가 증가되며, 모든 중량물에서 웨어러블 슈트 착용 후 IEMG가 감소됨을 보였다. 대부분의 중량물에서 SE형의 웨어러블 슈트가 FE형의 웨어러블 슈트보다 IEMG가 더 감소하였으며(p < 0.05), FE형 또한 중량물 5 kg를 제외하고 모든 중량물에서 유의하게 감소됨을 보였다(p < 0.05). 피험자들의 개별적인 IEMG 감소율은 평균적으로 16.70% 감소하였으며, FE형 착용 후 평균적으로 12.86% 감소하였다.
Fig. 5(f)는 하지 뒤 근육인 비복근의 근사용량을 나타낸 것으로 웨어러블 슈트 착용 전보다 착용 후 IEMG가 감소됨을 확인할 수 있으나 통계적으로 유의한 결과는 중량물 5 kg에서 착용 전과 SE형 착용 후(p < 0.05)를 제외하고 나타나지 않았다. SE형과 FE형 간의 차이도 중량별로 다르고 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다. 피험자들의 개별적인 IEMG 감소율은 평균적으로 6.47% 감소하였으며, FE형 착용 후 평균적으로 0.11% 감소하였다.
본 연구는 액추에이터와 같은 구동기가 없어 착용하기 쉽고, 가벼운 소프트형 웨어러블 슈트를 개발하여 효과를 검증하고자 하였고, 웨어러블 슈트 내의 탄성밴드는 허리의 척추기립근과 대퇴이두근 부위에 위치하며 탄성밴드의 종류에 따라 얼마나 효과가 다른지 알아보기 위해 인체 영향 평가 실험(허리 최대 근력 측정, EMG)을 진행하였다. 본 실험에 참여하는 13명의 피실험자들은 SE형의 슈트를 착용했을 때와 FE형의 슈트를 착용했을 때 허리 최대 근력의 차이를 알아보기 위해 Biodex System 3을 사용하여 측정한 결과 탄성밴드의 인장 강도가 상대적으로 강한 FE형을 착용했을 때 허리 최대 근력이 SE형보다 평균 약 2.91% 더 증가하였음을 확인할 수 있었으며 유의한 차이를 보였다(p < 0.05).
웨어러블 슈트 착용 전, SE형 착용 후, FE형 착용 후 중량물(5, 10, 15, 20 kg)을 들어 올렸을 때 근육별 IEMG를 보기 위해 근전도를 사용하였으며, 들어 올릴 때 허리를 주로 사용하는 Stoop 자세로 실험을 진행하였다. Stoop Lift는 무릎 굴곡은 약 135° 이상으로 약간 굽힘된 상태(거의 확장된 상태)에서 주로 몸통 굴곡 약 90°인 허리 영역의 굽힘에 의해 수행되어32-34 척추기립근과 대퇴이두근의 IEMG가 다른 근육들에 비해 많은 것을 알 수 있다(Figs. 5(b), 5(e)). 결과적으로 웨어러블 슈트(SE형, FE형)를 착용했을 때가 착용하지 않았을 때보다 IEMG가 감소하였고, 슈트의 효과성을 검증하였다. SE형은 광배근, 전경골근, 대퇴이두근의 근사용량이 거의 모든 중량물에서 유의하게 감소하였다. 또한, FE형은 상지 근육인 광배근과 척추기립근에서 모든 중량물에 따라 착용 전·후 근사용량이 유의하게 감소했고(p < 0.05), 전경골근과 대퇴이두근에서 부분적으로 유의한 차이를 나타냈다. Stoop Lift 시 상대적으로 탄성력이 강한 FE형을 착용할 경우 척추기립근의 근력 보조가 좀 더 효과적임을 Fig. 5(b)를 통해 확인할 수 있으며, 하지 근력 보조에 경우 FE형과 SE형 간의 큰 차이가 없었지만 두 타입 모두 하지 근력 보조에 효과적이었다. 이를 통해 FE형이 Stoop 자세로 중량물을 들어올렸을 때 상지와 하지 근사용량이 감소되었으며, 인장강도가 강한 밴드일수록 근력 보조에 효과적일 것이라고 판단된다.
본 실험 결과의 한계는 첫 번째, 두 가지 타입의 탄성밴드를 사용한 소프트형 웨어러블 슈트의 경우 탄성밴드를 구성하는 소재와 재질이 다르기 때문에 인장강도와 신도만으로 비교하기엔 어려움이 있었다는 점이다. 두 번째, 근전도를 통하여 피험자들의 IEMG 값을 비교하였는데 좀 더 정확한 차이를 보기 위해서는 실험 전 피험자들의 %MVC를 측정하여 피험자가 낼 수 있는 최대 힘과 비교를 했을 때 실험 결과에 대한 더 명확한 근거를 낼 수 있다는 것이다. 하지만 본 논문 역시 피험자 개별적으로 착용 전, 후의 감소율을 계산하여 비교하였기 때문에 충분히 타당성이 있다고 생각한다.35
섬유 특징(탄성밴드의 탄성력)을 이용한 소프트형 웨어러블 슈트의 효과에 대한 인체 영향 평가 실험을 통해 근력 보조 효과를 검증하였다. 또한 웨어러블 슈트 내 탄성밴드를 두 가지의 다른 타입으로 제작하여 탄성밴드에 따른 근력 보조 효과를 비교하여서 탄성력에 따라 허리와 하지에 각각 더 효과적인 타입을 구분하였다. 중량물을 들어 올릴 때 허리의 힘을 많이 사용하는 작업자와 다리 힘을 많이 사용하는 작업자에게 좋은 지침이 될 수 있다. 또한 단단한 외골격으로 이루어져 액추에이터를 사용하는 하드형 웨어러블 로봇과 달리 섬유 재질로만 이루어져 가볍고 착용과 휴대가 편한 소프트형 웨어러블 슈트의 근력 보조 효과를 검증하였기 때문에 발전된 소프트형 웨어러블 슈트 개발에 대한 중요한 지표로 제시될 수 있다고 사료된다.
이 논문은 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 (재)전북테크노파크의 지원(No. CN10120JB001)을 받아 수행하였음.
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Seung Young Oh
KSPE_2022_v39n1_59_bf002.jpg
Ph.D. candidate in the Department of Healthcare Engineering, Jeonbuk National University. His research interest is biomechanics, rehabilitation.
Chul Un Hong
KSPE_2022_v39n1_59_bf003.jpg
Professor in the Division of Biomedical Engineering, Jeonbuk National University. His research interest is Rehabilitation, Biophysics, Sensor engineering.
Mi Yu
KSPE_2022_v39n1_59_bf004.jpg
Research Professor in the Division of Biomedical Engineering, Jeonbuk National University. Her research interest is rehabilitation, biomechanics and healthcare engineering.
Tae Kyu Kwon
KSPE_2022_v39n1_59_bf005.jpg
Professor in the Division of Biomedical Engineering, Jeonbuk National University. His research interest is biomechanics, rehabilitation, sports science.

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A Study on the Effect of Soft Wearable Suit Using Elastic Band
J. Korean Soc. Precis. Eng.. 2022;39(1):59-67.   Published online January 1, 2022
DOI: https://doi.org/10.7736/JKSPE.021.037
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A Study on the Effect of Soft Wearable Suit Using Elastic Band
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Fig. 1 Soft wearable suit using elastic band
Fig. 2 Lumbar peak torque measurement using Biodex system 3
Fig. 3 Muscle usage measurement posture (Stoop lift)
Fig. 4 Experimental protocol for measuring muscle usage using EMG
Fig. 5 Results of muscle usage by muscle (With-without soft wearable suit: *p < 0.05., **p < 001, Object weight: #p < 0.05, ##p < 0.01)

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

A Study on the Effect of Soft Wearable Suit Using Elastic Band
Subject (n = 13)
Category Mean Std.
Age [years] 25.6 0.8
Height [cm] 176.1 6.1
Weight [kg] 80.2 15.4
Biodex results Subjects Mean±Std. [Nm] t p
A B C D E F G H I J K L M
SE type [Nm] 185.3 202.7 260.4 256.4 113.9 160.7 196.7 221.5 232.8 156.2 172.1 145.9 199.3 186.03±44.79 -4.084 .000
FE type [Nm] 176.9 167.6 282.0 255.7 119.9 153.2 182.4 162.0 229.3 168.9 176.1 151.0 193.3 192.61±43.29
%Difference 4.5 17.3 -8.3 0.3 -5.2 4.6 7.3 26.9 1.5 -8.2 -2.4 -3.5 3.0 2.91±10
IEMG reduction rate [%] 5 kg 10 kg 15 kg 20 kg
Latissimus dorsi muscle SE type 9.70 13.91 14.88 16.90
FE type 12.86 19.47 17.63 11.88
Erector spinae muscle SE type 8.35 -1.67 3.73 3.73
FE type 24.38 7.14 14.53 12.74
Rectus femoris muscle SE type -0.34 4.98 5.88 15.69
FE type 11.35 8.29 5.56 16.18
Anterior tibial muscle SE type 23.21 21.77 10.93 20.35
FE type 14.61 15.71 7.46 14.52
Biceps femoris muscle SE type 12.61 16.34 19.35 18.52
FE type 6.76 16.65 15.59 12.44
Gastrocnemius muscle SE type 14.82 8.12 1.09 4.06
FE type -1.12 0.54 0.97 1.98
Table 1 Physical characteristic of subject
Table 2 Lumbar peak torque results for SE type and FE type
Table 3 IEMG reduction rate by weight

Table 1

Table 2

Table 3

JKSPE : Journal of the Korean Society for Precision Engineering

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