본 연구에서는 [Fig. 3]와 같이 고관절(Hip joint) 회전 각도와 각속도를 기반으로 SITST와 STTSI 근력 지원 시점을 판단하여, 사용자에게 적절한 근력 지원을 수행하는 알고리즘을 제안한다. 자세한 알고리즘에 대한 설명은 아래의 3.1.1-3.1.3에서 다룬다. 알고리즘에 적용된 수식은 각 좌/우측 고관절의 각도 및 각속도에 적용된다.

[Fig. 3] 
SITST, STTSI Judgement algorithm overview

본 연구에서 제안한 SITST, STTSI 근력 지원 알고리즘이 실험자가 각 동작을 수행할 때 근력 지원이 되는지 비교하기 위해, 근전도 센서를 실험자의 대퇴직근(Rectus femoris)^[9]와 대퇴이두근(Biceps Femoris)^[10]에 부착하였다.

실험에 사용된 의자는 등받이가 없는 형태며, 실험자가 앉았을 때 무릎 각도가 90˚에 최대한 가깝도록 의자 높이(53 cm)를 설정하였다. 로봇의 동작 주기는 20 bpm으로 설정하였으며, 각 beat에 맞춰 SITST, STTSI 동작을 수행하였다. 근력 지원력을 측정하기 위해 ANR 사의 Muscle sense model M40 근전도(EMG) 센서를 사용하였다. 센서 [Fig. 4]과 같이 수집 대상 동작에 해당하는 근육 위치에 부착하였다.

[Fig. 4] 
EMG sensor attachment area

Pilot study의 일환으로 실험 대상자는 1명으로 선정하였다. 대상자의 정보는 아래 [Table 2]와 같다.

[Fig. 5]와 같이 총 3일에 나눠서 실험을 진행하였다. Day 1에는 SITST, STTSI 근력지원과 관련된 변수를 사용자화 했다. Day 2에는 SITST 근력 지원 실험을 진행하였고, Day 3에는 STTSI 근력 지원 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 운동은 1분 앉았다 일어나기 동작이다. 수행하는 동안의 근전도를 측정하였다. 실험 케이스는 기기 미착용, 기기 착용-근력 미지원, 기기 착용-근력 세 가지 경우로 나누어 진행하였다. 각 실험 사이에는 근피로도 감소를 위해 5분간 휴식을 진행하였다^[11].

[Fig. 5] 
Test protocol

SITST, STTSI 동작을 수행할 때 기기 미착용, 기기 착용 – 근력 미지원, 기기 착용 – 근력 지원 세 가지 경우에 대한 근전도 Peak 값을 비교해 보았다. 실험 결과는 Paired t-test를 이용하여 유의수준 0.05 이하의 데이터를 비교해보았다([Table 3]-[Table 6] 참고). 통계적으로 유의미한 실험 결과는 [Fig. 6], [Fig. 7]에 표현한 그래프와 같이 나타났다.

[Fig. 6] 
Sit-To-Stand (SITST) Rectus Femoris EMG Peak

[Fig. 7] 
Stand-To-Sit (STTSI) BF (Biceps Femoris) EMG Peak

Sit-To-Stand (SITST) 동작에서 우측 Rectus Femoris의 근전도Peak 평균값은 기기 미착용(121.5 mV), 기기 착용 – 근력 지원(96 mV)으로 약 20% (p=0.018) 감소를 보였다. 좌측 Rectus Femoris의 평균 근전도 Peak 값은 기기 미착용(105 mV), 기기 착용 – 근력 지원(122 mV)로 약 16% (p=0.009) 상승을 보였다. 기기 착용 – 근력 미지원(132 mV)에 비교했을 때 약 8% 감소한 것을 보아 이는 기기의 무게, 발의 초기 위치^[12] 등 복합적인 요인이 반영되어 상승된 것으로 보인다. Stand-To-Sit (STTSI) 동작에서 우측 햄스트링의 근전도 Peak 평균값은 기기 미착용(19 mV), 기기 착용 – 근력 지원(15 mV)로 약 21% (p=0.014) 감소를 보였다.

본 연구에서는 고관절 회전각과 각속도를 이용하여 SITST, STTSI Phase 판단 알고리즘과 각 Phase 별 고관절 Extension torque 지원 알고리즘을 제시하였다.

1차 함수의 Extension torque 지원 알고리즘을 사용했을 때, 기립 및 착석 초기에는 지원력이 강하게 적용되었지만, 기립 및 착석 종료 시점으로 가까워질수록 지원력이 떨어지는 현상을 발견하였다. 또한 착석 시에는 저항감을 유발하여 착석에 방해 요소로 작용하는 현상을 발견하였다. 추후 고차함수의 형태로 Extension torque 지원 알고리즘을 구성하여 위의 현상들을 해결하고자 한다.

실험 대상자 1명 대상으로 SITST, STTSI 동작을 수행할 때 좌측 및 우측 다리 중 하나의 다리에서만 근력 지원 시 근활성도 Peak 값이 줄어드는 현상을 발견하였다. 이는 동작 수행 시 초기 발 위치에 따른 무게중심의 변화, 좌/우 주동근 발달 차이와 같은 환경적 요인이 작용한 것으로 생각된다^[12,13]. 후속 연구 진행 시에는 해당 요인들을 고려하여 실험 환경을 구축하고자 한다. 또한 실험 대상자의 수를 늘려서, 알고리즘의 효과성에 대해 추가적인 검증이 필요하다.