An Inverse Dynamic Model of Upper Limbs during Manual Wheelchair Propulsion

수동 휠체어 추진 중 상지 역동역학 모델

Manual wheelchair propulsion can lead to pain and injuries of users due to mechanical inefficiency of wheelchair propulsion motion. The kinetic analysis of the upper limbs during manual wheelchair propulsion needs to be studied. A two dimensional inverse dynamic model of upper limbs was developed to compute the joint torque during manual wheelchair propulsion. The model was composed of three segments corresponding to upper arm, lower arm and hand. These segments connected in series by revolute joints constitute open chain mechanism in sagittal plane. The inverse dynamic method is based on Newton-Euler formalism. The model was applied to data collected in experiments. Kinematic data of upper limbs during wheelchair propulsion were obtained from three dimensional trajectories of markers collected by a motion capture system. Kinetic data as external forces applied on the hand were obtained from a dynamometer. The joint rotation angles and joint torques were computed using the inverse dynamic model. The developed model is for upper limbs biomechanics and can easily be extended to three dimensional dynamic model.

수동 휠체어의 추진은 추진 동작의 낮은 효율로 인하여 사용자의 상지 관절에 고통과 부상까지 유발할 수 있다. 이에 따라 수동 휠체어 추진 중에 발생하는 상지 관절의 운동역학적 해석이 필요하다. 본 연구에서는 수동 휠체어 추진 중 상지 관절에 작용하는 토크를 구할 수 있는 2차원 역동역학 모델을 개발하였다. 개발한 모델은 시상면에서 상완, 하완, 손에 해당하는 3개의 체절로 상지를 구성하였고 몸통으로부터 3개의 체절을 회전조인트로 연결한 개방연쇄구조를 갖는다. 역동역학 해는 뉴턴-오일러 방법으로 구하였고 요구되는 입력자료는 실험을 통하여 획득하였다. 수동 휠체어 추진에 필요한 상지 거동의 운동학적 자료는 3차원 동작분석 시스템에서 추출하였고 역동역학 모델의 외력에 해당하는 운동역학적 자료는 브레이크식 다이나모미터에서 추출하였다. 역동역학 모델을 이용한 해석을 통하여 수동 휠체어 추진에 따른 상지 관절의 회전각과 관절 토크를 구하였다. 개발된 모델은 상지 관절에 관한 생체역학적 해석 도구이며 적은 노력으로 3차원 역동역학 모델로 확장하는 토대가 된다.