KR101421122B1 - Prediction Method of Muscle Fatigue and Prediction System of Muscle Fatigue - Google Patents

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KR101421122B1 KR1020130010628A KR20130010628A KR101421122B1 KR 101421122 B1 KR101421122 B1 KR 101421122B1 KR 1020130010628 A KR1020130010628 A KR 1020130010628A KR 20130010628 A KR20130010628 A KR 20130010628A KR 101421122 B1 KR101421122 B1 KR 101421122B1
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정완호
김학성
임종광
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국방과학연구소
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Abstract

A muscular fatigue prediction method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of collecting information on an operation of a wearer and electromyogram through a sensor attached to the wearer; outputting muscular power of used muscles or moment power of a used articulation as first data based on the collected information; comparing the first data with second data stored in advance, and determining a fatigue accumulated state when the first data are within a predetermined range set by the second data.

Description

근 피로 예측방법 및 근 피로 예측시스템{Prediction Method of Muscle Fatigue and Prediction System of Muscle Fatigue}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for predicting muscle fatigue and a method for predicting muscle fatigue,

본 발명의 일실시예들은 착용자의 근 피로를 예측하는 방법 및 근 피로를 예측할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
One embodiment of the present invention relates to a method of predicting a wearer's fatigue and a system capable of predicting fatigue.

현재 인체 근육의 생리학적 평가방법에는 작업자에게 주어지는 작업량에 따른 작업 부하를 심박수 (heart rate), 산소 소모량 (oxygen consumption), 근전도 (electromyography) 등과 같은 생리적 반응을 측정하여 평가하는 방법이 있다. Currently, physiological evaluation methods of human body muscles include measuring workloads according to workload given to workers by measuring physiological responses such as heart rate, oxygen consumption, and electromyography.

심박수와 산소 소모량은 근육의 에너지 대사에 관여하기 때문에 작업 중에 소비되는 에너지의 양을 추정할 수 있다. 하지만 심박수와 산소 소모량은 전신 작업을 평가하기에는 매우 유용하지만, 국소 근육(local muscle)의 부하를 평가하는 상황에는 적합하지 않기 때문에 이러한 경우에는 근전도를 이용하여 작업 부하를 평가한다. Since heart rate and oxygen consumption are involved in the energy metabolism of muscles, the amount of energy consumed during work can be estimated. However, heart rate and oxygen consumption are very useful for assessing systemic work, but are not appropriate for situations where the local muscle load is being assessed, so in these cases, the workload is assessed using EMG.

근전도는 근육의 사용 여부(muscle on-off), 근육 사용량(muscle activity), 근육 피로(muscle fatigue) 정도를 측정할 수 있기 때문에 국부 근육의 작업 부하나 피로도를 평가하는 방법으로 유용하게 사용되고 있다. Because EMG can measure muscle on-off, muscle activity, and muscle fatigue, EMG is useful as a method of evaluating the fatigue of local muscles.

하지만, 반복하중에 따른 인체의 근 피로도를 예측하고 근육의 손상을 미연에 방지할 수 있는 방법은 현재까지 개발되지 못했다.
However, a method of predicting the fatigue of the human body due to cyclic loading and preventing muscle damage has not been developed until now.

본 발명의 일 목적은 반복하중에 의한 인체 근육의 피로도를 예측하여 피로골절 및 인대손상을 비롯한 인체상해를 예방할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.
It is an object of the present invention to provide a method and system for predicting the fatigue of a human muscle caused by cyclic loading to prevent human injury including fatigue fracture and ligament damage.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 근 피로 예측방법은, 부착된 센서를 통해 착용자의 동작 및 근전도(electromyogram)에 관한 정보들을 수집하는 단계와, 수집된 정보들을 근거로, 사용된 근육에 대한 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워를 제1 데이터로 출력하는 단계 및 상기 제1 데이터와 기저장된 제2 데이터를 비교하고, 상기 제1 데이터가 상기 제2 데이터에서 설정한 일정 범위에 있을 때, 피로 누적 상태로 판단하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of predicting muscle fatigue according to an embodiment of the present invention, comprising: collecting information on an operation of a wearer and an electromyogram through an attached sensor; Outputting the muscle power of the used muscle or the moment power of the used joint to the first data based on the information, comparing the first data with the previously stored second data, and comparing the first data with the second data And determining that the fatigue accumulation state is in a predetermined range set in the fatigue accumulation state.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 데이터들은 착용자가 특정 동작을 할 때, 사용되는 각 근육들의 근력 또는 사용된 관절들의 모멘트 파워에 대한 정보가 될 수 있다.According to one example related to the present invention, the data may be information on the muscle power of each muscle used or the moment power of joints used when the wearer performs a specific operation.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면,상기 제2 데이터는 F-N(Fatigue - Numbers of times) 곡선을 형성할 수 있도록 근육의 사용 회수 및 근력에 관한 저장된 값들을 포함하고, 상기 피로 누적 상태로 판단하는 단계는, 상기 근력을 포함하는 상기 제1 데이터와 상기 제2 데이터를 비교하고, 상기 제1 데이터가 상기 제2 데이터에서 설정된 일정 범위 이내인 경우, 이를 피로 누적 상태로 판단하는 단계가 될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the second data includes stored values related to the number of times of use and muscle strength of the muscle so as to form a FN (Fatigue - Numbers of times) curve, Comparing the first data including the muscle force with the second data, and if the first data is within a predetermined range set in the second data, determining the fatigue accumulation state.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제2 데이터는 각 관절의 모멘트 파워이고, 상기 피로 누적 상태로 판단하는 단계는, 상기 관절의 모멘트 파워를 포함하는 제1 데이터가 상기 제2 데이터에 비해 일정 수치 이상으로 감소된 경우, 이를 피로 누적 상태로 판단하는 단계가 될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the second data is a moment power of each joint, and the step of determining that the fatigue accumulation state is a state in which the first data including the moment power of the joint is constant If the value is decreased to more than the numerical value, it may be judged as the fatigue accumulation state.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 데이터로 출력하는 단계는, 상기 센서로부터 수신되는 정보를 시뮬레이션 프로그램에 입력하여 착용자의 동작을 분석하고, 상기 센서로부터 수신되는 근전도 정보를 시뮬레이션 프로그램에 입력하여 상기 동작과 관련하여 사용된 근육의 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워를 제1 데이터로 출력하는 단계가 될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of outputting as the first data may include inputting information received from the sensor into a simulation program to analyze the operation of the wearer, inputting the EMG information received from the sensor into a simulation program And outputting the muscle power of the used muscle or the moment power of the used joint in association with the operation as the first data.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는, 신체에 부착되어 착용자의 동작 및 근전도 정보를 감지하도록 형성되는 센서들 및 상기 센서들로부터 수집된 정보들을 이용하여, 사용된 근육에 대한 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워를 제1 데이터로 출력하고, 상기 제1 데이터와 기저장된 제2 데이터를 비교하고, 상기 제1 데이터가 상기 제2 데이터에서 설정한 일정 범위에 있을 때, 피로 누적 상태로 판단하는 제어부를 포함하는 근 피로 예측시스템을 개시한다.In order to achieve the above-described object, another embodiment of the present invention is a method for detecting a wearer's movement and EMG information by using sensors and information collected from the sensors, Wherein the first data and the second data are compared with each other, and when the first data is within a predetermined range set in the second data, the fatigue accumulation And a control unit for determining the state of the muscle fatigue.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 착용자가 인지할 수 있도록, 피로 여부에 관한 정보를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the apparatus may further include an output unit for outputting information on fatigue so that the wearer can recognize the fatigue.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 착용자의 피로 여부에 관한 정보를 중앙관리센터에 송신하고, 이에 따르는 상기 중앙관리센터의 지시를 수신할 수 있도록 형성되는 무선 송수신부를 더 포함할 수 있다.
According to an exemplary embodiment of the present invention, the apparatus may further include a wireless transceiver configured to transmit information on fatigue of the wearer to a central control center and receive an instruction of the central control center.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 근 피로 예측방법 및 근 피로 예측시스템은 인체 국소근육의 근 피로도를 분석하여 부하하중에 따른 반복운동 가능 횟수를 예측할 수 있다. 또한, 다양한 동작에 대해 부하 하중에 따른 반복 가능횟수를 나타내는 F-N 곡선을 근 피로도 척도로 확립하여 데이터 베이스(Data Base)로 활용함으로써 근 피로도 해석 및 예측이 가능하다.The fatigue prediction method and the fatigue prediction system according to at least one embodiment of the present invention configured as above can analyze the muscle fatigue of the human body muscles and predict the number of possible repetitive motions according to the load load. In addition, the F-N curve showing the number of iterations that can be repeated according to the load load for various operations is established as a muscle fatigue scale and used as a data base to analyze and predict muscle fatigue.

본 발명에 따른 피로도 예측기법 및 시스템을 이용하면 시뮬레이션 해석만으로 반복하중에 의한 인체 근육의 피로도 예측이 가능하여 피로골절 및 인대손상을 비롯한 인체상해를 예방할 수 있으며, 작업자의 근 피로도를 최소화 할 수 있다.Using the fatigue prediction method and system according to the present invention, it is possible to predict the fatigue of the human muscle by the repeated load only by the simulation analysis, thereby preventing the human injury including the fatigue fracture and ligament damage, and minimizing the fatigue of the worker .

본 발명은 의료, 재활 분야에서 환자들의 근력과 근 피로 예측, 스포츠 과학 분야에서 선수들의 훈련 시 근력과 근 피로 예측, 병사들의 근력과 근 피로 예측 등 반복하중 운동에 따른 근 피로에 의한 근육 손상에 도달하기 전에 미리 경고할 수 있으며, 본 발명에서 실시예와 같은 방법과 시스템은 유, 무선 휴대용이나 실내 설치용으로 동일하게 구현될 수 있다
The present invention relates to muscle fatigue due to fatigue caused by cyclic loading exercises such as muscle strength and fatigue prediction in patients in medical and rehabilitation fields, muscle strength and fatigue prediction in athletes training in sports science, And the method and system according to the embodiment of the present invention can be equally implemented for wired, wireless portable or indoor installation

도 1은 본 발명에 따라 반복하중에 따른 인체 근육의 피로도를 분석 및 예측하는 방법 및 시스템을 나타내는 알고리즘이다.
도 2는 본 발명에 따라 반복하중에 따른 인체 근육의 피로도를 분석 및 예측하는 방법 및 시스템을 나타내는 알고리즘이다.
도 3은 덤벨 컬(dumbbell curl) 동작 시 로드셀 실험을 통해 얻은 근력과 시뮬레이션 해석을 통해 얻은 근력에 대한 그래프이다.
도 4는 덤벨 컬(dumbbell curl) 반복동작 시 각 부하하중에 대해 근 피로도가 축적되지 않은 경우와 근 피로도가 축적된 경우에 대해 시뮬레이션 해석을 통해 얻은 상완 이두근(bicep)의 근력 그래프이다.
도 5는 덤벨 컬(dumbbell curl) 반복 부하 하중에 의한 상완 이두근 (bicep)의 근 피로도 축적에 따른 근전도(EMG) 신호 그래프이다.
도 6은 덤벨 컬(dumbbell curl) 반복 부하 하중에 의한 상완 이두근 (bicep)의 IEMG(Integrated EMG) 분석 결과를 도시하고 있다.
도 7은 덤벨 컬(dumbbell curl) 반복 부하 하중에 의한 상완 이두근 (bicep)의 주파수 영역의 FFT(fast Fourier transform) 분석 결과를 도시하고 있다.
도 8은 덤벨 컬(dumbbell curl) 반복 부하 하중에 따른 상완 이두근 (bicep)의 Mean frequency 분석 결과이다.
도 9는 덤벨 컬(dumbbell curl) 반복 부하 하중으로 인한 상완 이두근 (bicep)의 피로도 축적에 따른 관절모멘트 파워의 감소를 나타내고 있는 그래프를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명에 따른 덤벨 컬(dumbbell curl) 반복 부하 하중에 의한 상완 이두근(bicep)의 F-N 곡선 (Force-Number of cycle) 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 근 피로도 예측 및 실시간 피로정보를 디스플레이하고, 중앙관리센터 (command center)에 송신함으로써 근 피로로 인한 근육 및 인대 손상을 방지하는 시스템의 개념도이다.
FIG. 1 is an algorithm showing a method and system for analyzing and predicting the fatigue of a human body muscle according to cyclic loading according to the present invention.
FIG. 2 is an algorithm showing a method and system for analyzing and predicting the fatigue of human muscles according to cyclic loading according to the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the strength obtained from the load cell experiment and the strength obtained from the simulation analysis in the dumbbell curl operation.
Fig. 4 is a graph of muscle strength of the bicep of the upper arm obtained through simulation analysis in the case where no fatigue is accumulated in the dumbbell curl repeated operation and in the case where the fatigue is accumulated.
FIG. 5 is a graph of an EMG signal according to the accumulation of muscle fatigue of the bicep biceps caused by the dumbbell curl repetitive load.
FIG. 6 shows IEMG (Integrated EMG) analysis results of the biceps due to the dumbbell curl repetitive load.
FIG. 7 shows a fast Fourier transform (FFT) analysis result in the frequency domain of the bicep of the upper arm due to the repeated load load of the dumbbell curl.
FIG. 8 is a mean frequency analysis result of the bicep according to the repeated load of the dumbbell curl.
FIG. 9 shows a graph showing a decrease in joint moment power with fatigue accumulation of the bicep due to repeated loading of the dumbbell curl. FIG.
10 is a graph of a force-number of cycles of bicep biceps due to repeated loading of dumbbell curl according to the present invention.
FIG. 11 is a conceptual diagram of a system for displaying muscular fatigue prediction and real-time fatigue information according to the present invention and transmitting it to a central management center to prevent muscular and ligament damage due to fatigue.

이하, 본 발명에 관련된 근 피로 예측방법 및 근 피로 예측시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
Hereinafter, the fatigue prediction method and the fatigue prediction system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The suffix "module" and " part "for the components used in the following description are given or mixed in consideration of ease of specification, and do not have their own meaning or role. In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.

본 발명은 근전도(electromyography) 실험을 통해 반복하중에 따른 근 피로도를 측정 및 분석하고, 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 반복하중에 따른 근 피로도를 예측할 수 있는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따르는 근 피로 예측방법 및 근 피로 예측시스템을 도 1과 같이 일 예로 도시할 수 있다.The present invention relates to a method and system for measuring and analyzing muscle fatigue with repeated loads through an electromyography experiment and predicting muscle fatigue with repeated loads using a simulation program, The prediction method and the fatigue prediction system are shown in FIG. 1 as an example.

도 1은 인체의 근 피로도를 축적된 데이터베이스를 활용하여 예측하고, 실시간으로 출력(디스플레이, 음성, 알람 등) 해주는 알고리즘이다. 의복에 장착된 근전도 센서와 모션 센서를 통해 측정된 근전도 신호와 동작정보는 구축되어 있는 근 피로도 데이터베이스를 통해 분석되어 근 피로의 축적 정도를 계산한다. 계산된 근 피로 정보는 출력부(일 예로, 디스플레이 장치나, 음성 또는 알람을 할 수 있는 음성 출력장치 등)로 출력되고, 무선 송수신부를 통해 중앙관리 센터로 보내져 중앙관리센터에서 모든 정보를 수집하여 관리한다.FIG. 1 is an algorithm for predicting the muscle fatigue of a human body using a stored database and outputting it (display, voice, alarm, etc.) in real time. The EMG signal and motion information measured through the EMG sensor and the motion sensor attached to the garment are analyzed through the built-up fatigue database to calculate the degree of fatigue accumulation. The calculated fatigue information is output to an output unit (for example, a display device, a voice output device capable of voice or alarm), and sent to a central management center through a wireless transceiver to collect all information from the central management center Management.

구체적으로 본 발명에 따른 근 피로 예측 방법 및 시스템의 데이터 베이스화는 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 a) 근전도 신호측정을 통해 반복하중에 따른 근전도 신호의 변화를 시간영역과 주파수 영역으로 분석하는 단계; b) 근전도 신호측정을 통해 얻어진 근육의 활성화 정보와 모션 데이터를 힐(Hill)의 근육모델 (Hill base muscle) 기반의 인체 모델에 입력하여 정/역 동역학을 이용하여 근육의 힘과 관절 모멘트를 출력하는 단계; c) 상기 단계에서 얻어진 근력과 관절 모멘트를 데이터 베이스로 하여 힘과 반복 가능횟수의 관계를 나타내는 F-N 곡선과 근 피로 축적 시 관절 모멘트 파워(power)의 감소율(30%)을 통해 근 피로도를 예측할 수 있는 지표를 도출하는 단계; d) 상기 단계에서 얻어진 지표를 통해 근 피로도를 예측하여 근 피로 정보를 디스플레이해줌으로써 근육 또는 인대의 손상을 예방하는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, as shown in FIG. 2, the method for predicting muscle fatigue and system according to the present invention comprises the steps of: a) analyzing a change in an EMG signal according to a cyclic load in a time domain and a frequency domain through an EMG signal measurement; b) Input muscle activation information and motion data obtained from EMG signal measurement into a human body model based on Hill base muscle, and output muscle force and joint moment using positive / reverse dynamics ; c) The muscle fatigue can be predicted by the FN curve showing the relationship between strength and repeatability frequency and the reduction rate (30%) of joint moment power at the time of muscle fatigue accumulation, using the muscle force and joint moment obtained in the above step as a database Deriving an indicator; d) preventing muscle or ligament damage by displaying muscle fatigue information by predicting muscle fatigue through the index obtained in the above step.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 근 피로 예측방법은 부착된 센서를 통해 착용자의 동작 및 근전도(electromyogram)에 관한 정보들을 수집하는 단계와, 수집된 정보들을 근거로, 사용된 근육에 대한 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워를 제1 데이터로 출력하는 단계 및 상기 제1 데이터와 기저장된 제2 데이터를 비교하고, 상기 제1 데이터가 상기 제2 데이터에서 설정한 일정 범위에 있을 때, 피로 누적 상태로 판단하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a method of predicting muscle fatigue includes the steps of collecting information on an operation and an electromyogram of a wearer through an attached sensor, And outputting the moment power of the used joint to the first data, and comparing the first data with the previously stored second data, and when the first data is in a predetermined range set in the second data, And a step of judging the state.

여기서, 상기 제1 데이터로 출력하는 단계는, 상기 센서로부터 수신되는 정보를 시뮬레이션 프로그램에 입력하여 착용자의 동작을 분석하고, 상기 센서로부터 수신되는 근전도 정보를 시뮬레이션 프로그램에 입력하여 상기 동작과 관련하여 사용된 근육의 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워를 제1 데이터로 출력하는 단계가 될 수 있다.The step of outputting the first data may include inputting information received from the sensor to a simulation program to analyze the operation of the wearer and inputting the EMG information received from the sensor into the simulation program, And outputting the muscle power of the used muscle or the moment power of the used joint as the first data.

착용자가 센서를 부착하고 실제 동작을 하게 되면, 센서를 통해 동작에 관한 정보와 그러한 동작에서 발생하는 근전도 정보를 얻을 수 있다. 이 때, 제어부는 센서에서 감지된 정보를 통해 일 예로, 동작 정보가 뛰는 동작인지 걷는 동작인지를 판단할 수 있다. 그리고, 근전도로부터 감지되는 정보들을 이용하여 특정 동작에서 어떠한 근육이 사용되는 지를 알 수 있다. When the wearer attaches the sensor and performs actual operation, the information about the operation and the EMG information generated by the operation can be obtained through the sensor. At this time, the controller can determine whether the operation information is a jump operation or a walking operation, for example, through the information sensed by the sensor. By using the information sensed from the EMG, it is possible to know which muscle is used in a specific operation.

이 때, 제1 데이터와 제2 데이터는 착용자가 특정 동작을 할 때, 사용되는 각 근육들의 근력 또는 사용된 관절들의 모멘트 파워에 대한 정보가 될 수 있다. 이러한 제2 데이터는 데이터 베이스에 미리 저장된 정보이고, 제1 데이터는 근전도 정보를 이용하여 시뮬레이션 프로그램에 입력한 후 출력되는 결과를 이용하여 얻어낸 사용된 근육의 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워가 될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.In this case, the first data and the second data may be information on the muscle power of each muscle used or the moment power of the joints used when the wearer performs a specific operation. The second data is information previously stored in the database, and the first data may be the muscle power of the used muscle or the moment power of the used joint obtained by using the output result after inputting into the simulation program using the EMG information have. This will be described later.

그리고, 상기 제2 데이터는 F-N(Fatigue - Numbers of times) 곡선을 형성할 수 있도록 근육의 사용 회수 및 근력에 관한 저장된 값들을 포함하고, 상기 피로 누적 상태로 판단하는 단계는, 상기 근력을 포함하는 상기 제1 데이터와 상기 제2 데이터를 비교하고, 상기 제1 데이터가 상기 제2 데이터에서 설정된 일정 범위 이내인 경우, 이를 피로 누적 상태로 판단하는 단계가 될 수 있다.The second data includes stored values related to the number of times of use and muscle strength of the muscle so as to form a FN (Fatigue - Numbers of times) curve, and the step of determining the fatigue accumulation state comprises: Comparing the first data with the second data, and if the first data is within a predetermined range set in the second data, judging it as a fatigue accumulation state.

또한, 상기 제2 데이터는 각 관절의 모멘트 파워이고, 상기 피로 누적 상태로 판단하는 단계는, 상기 관절의 모멘트 파워를 포함하는 제1 데이터가 상기 제2 데이터에 비해 일정 수치 이상으로 감소된 경우, 이를 피로 누적 상태로 판단하는 단계가 될 수 있다.
The second data is a moment power of each joint, and the step of determining the state of fatigue accumulation is a step of, when the first data including the moment power of the joint is reduced to a predetermined value or more as compared with the second data, This may be a step of judging the fatigue accumulation state.

근 피로 예측시스템으로 구현하는 경우, 근 피로 예측시스템은 신체에 부착되어 착용자의 동작 및 근전도 정보를 감지하도록 형성되는 센서들 및 상기 센서들로부터 수집된 정보들을 이용하여, 사용된 근육에 대한 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워를 제1 데이터로 출력하고, 상기 제1 데이터와 기저장된 제2 데이터를 비교하고, 상기 제1 데이터가 상기 제2 데이터에서 설정한 일정 범위에 있을 때, 피로 누적 상태로 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.When implemented as a muscle fatigue prediction system, the muscle fatigue prediction system uses sensors that are attached to the body to sense the wearer's motion and EMG information, and information gathered from the sensors, And the first data is compared with the previously stored second data, and when the first data is within a predetermined range set in the second data, And a control unit for judging whether or not there is a difference.

이 경우, 상기 착용자가 인지할 수 있도록, 피로 여부에 관한 정보를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.In this case, the information processing apparatus may further include an output unit for outputting information on fatigue so that the wearer can recognize the information.

또한, 상기 착용자의 피로 여부에 관한 정보를 중앙관리센터에 송신하고, 이에 따르는 상기 중앙관리센터의 지시를 수신할 수 있도록 형성되는 무선 송수신부를 더 포함할 수 있다.The information processing apparatus may further include a wireless transmitting / receiving unit configured to transmit information on the wearer's fatigue to the central management center and receive instructions from the central management center.

본 발명에 의하면, 근육의 힘은 일반 강체(rigid body)와 달리 근육의 신경 전달인 활성화 정도가 고려되어야 하므로 힐(Hill)의 근육모델(Hill base muscle) 기반의 시뮬레이션 프로그램을 통해 근력을 얻을 수 있다. 시뮬레이션의 구동은 역 동역학(inverse dynamics)와 정 동역학(forward dynamics)로 나뉘어지는데, 먼저 시뮬레이션에 실험으로부터 얻은 모션 데이터(동작 정보)를 입력하여 역 동역학(inverse dynamics)에서 이 위치정보를 받아 동작에 따른 근육의 수축정보를 저장한다. 이어서 정 동역학(forward dynamics)에서는 위치정보를 삭제하고, 저장된 근육의 수축정보와 근육의 활성화 곡선(activation curve)데이터만을 가지고 근육의 힘(근력)을 도출한다. 근육의 활성화 곡선은 근전도 실험에서 측정된 근전도(EMG) 데이터의 정류과정(Rectification, high/low pass filter, nomalization)을 거친 후 얻게 된다.According to the present invention, since the muscle force, which is different from the rigid body, must be considered as the degree of activation, which is the neurotransmission of the muscles, the muscular strength is obtained through the simulation program based on Hill base muscle have. The driving of the simulation is divided into inverse dynamics and forward dynamics. First, the motion data (motion information) obtained from the experiment is input to the simulation and the position information is received from the inverse dynamics. And stores contraction information of the corresponding muscles. Then, in the forward dynamics, the position information is deleted, and the muscular strength (muscle strength) is derived only by the stored muscle contraction information and the activation curve data of the muscle. The activation curve of muscle is obtained after rectification (EMG) data measured by electromyography (Rectification, high / low pass filter, nomalization).

또한 본 발명에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 실제 착용자 근육의 물성치를 산출하기 위하여 로드셀을 이용하여 측정한 힘과 착용자의 운동역학 계산 값을 일치시키면서 근육의 물성치(stiffness, damping)를 재설정하였다. In the present invention, as shown in FIG. 3, the stiffness and damping of the muscles are reconfigured while matching the force measured by the load cell with the calculated kinematics of the wearer in order to calculate physical property values of the wearer's muscles.

도 4는 근 피로도가 축적되기 전 첫 번째 동작과 근 피로도가 쌓여서 덤벨 컬 동작을 더 이상 수행하지 못하는 바로 전 마지막 동작의 인체 근육 중 상완 이두근이 낼 수 있는 힘을 근전도 신호를 활용하여 시뮬레이션으로 해석한 그래프이다. FIG. 4 is a graph showing the strength of the biceps biceps of the human body in the last motion before the dumbbell curl operation is performed due to the first motion and muscle fatigue accumulated before the muscle fatigue accumulation is analyzed by the simulation using the EMG signal It is a graph.

이 그래프의 패턴은 근전도(EMG) 신호와 비슷한 경향성을 보여준다. 그래프에서의 한 동작 시 두 개의 정점이 나타나는데 첫 번째 정점은 덤벨을 들어올릴 때 상완 이두근에 작용하는 무게이고 두 번째 정점은 덤벨을 내릴 때 상완 이두근에 작용하는 힘을 나타낸다. 이는 상완 이두근의 수축이 완전히 일어나 더 이상 힘을 낼수 없는 상태를 보여준다. 근 피로도가 축적되기 전이나 축적된 후의 그래프에서 덤벨의 무게가 증가할수록 상완 이두근의 힘도 증가하는 것을 보여준다. 또한 같은 덤벨의 무게로 반복하중을 가해주었을 때 근 피로가 축적되기 전보다 근 피로가 축적된 후의 상완 이두근의 힘이 더욱 증가 된 것을 보여주고 동일 동작의 시간 또한 길어진 것을 보여준다. 이는 모멘트 파워의 계산에서 덤벨 컬 동작의 이동거리는 매회 같지만 근 피로가 축적될수록 동작의 시간의 증가로 인한 일률이 감소하는 것을 보여준다.The pattern in this graph shows a similar tendency to the EMG signal. In the graph, two vertices are shown in the graph. The first vertex represents the force acting on the biceps bicep when lifting the dumbbell, and the second vertex represents the force acting on the biceps bicep when lowering the dumbbell. This shows that the contraction of the biceps brachii is complete and can no longer exert its force. The graph shows that as the weight of the dumbbell increases, the strength of the biceps brachii increases before or after muscle fatigue accumulation. In addition, when the repeated dumbbell weight was applied, the force of the biceps brachium after the fatigue accumulation was increased before the fatigue accumulation, and the time of the same operation was also prolonged. This shows that the travel distance of the dumbbell curl motion in the calculation of moment power is the same every time but the work rate decreases as the fatigue accumulates.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 도 5는 반복 부하 하중으로 인한 근 피로도가 축적됨에 따른 변화를 보여주고 있는, 상완 이두근의 정류(rectification)된 근전도 (EMG) 신호이다. 덤벨의 무게가 증가함에 따라 상완 이두근의 근전도 신호의 진폭(Amplitude)이 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 진폭의 증가는 더 큰 부하 하중에 대해 더 많은 근육이 사용되면서 근섬유의 활동전위가 증가하였기 때문이다. 첫 번째 덤벨 컬(dumbbell curl) 동작 수행 시 근전도 신호(왼쪽)에 비해 근 피로가 축적되어 더 이상 동작을 수행하지 못하기 직전의 근전도 신호(오른쪽)의 진폭이 크게 증가한 것을 확인할 수 있다. 이것은 근육이 피로해지면서 근섬유의 수축 능력이 감소함에 따라 운동단위의 동시화(synchronization)와 점증(recruitment)의 결과이다.In addition, according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is a rectified EMG signal of the biceps brachial that shows a change as muscle fatigue due to repeated load is accumulated. As the weight of the dumbbell increases, the amplitude of the EMG signal of the biceps brachii increases. This increase in amplitude is due to the increased activity of muscle fibers as more muscle is used for larger load loads. In the first dumbbell curl operation, muscle fatigue was accumulated compared to the EMG signal (left), and the amplitude of the EMG signal (right) immediately before the operation was no longer observed increased significantly. This is the result of synchronization and recruitment of the exercise units as the muscles become tired and the contraction capacity of the muscle fibers decreases.

도 6은 도 5의 근전도 신호로부터 부하 하중의 반복횟수에 따른 상완 이두근의 사용 여부와 근육이 발휘하는 힘을 추정하기 위해 추출된 신호의 면적을 계산한 값(integrated EMG; IEMG)이다. 이러한 IEMG 값은 각 운동 주기(cycle)의 총 운동량을 나타낸다. 이 그래프를 통해 부하 하중이 증가함에 따라 근섬유 활동전위의 증가로 IEMG 값이 증가함을 확인할 수 있다. 이 결과는 도 5에서 확인한 결과와 일치함을 알 수 있다. 또한, 10kg의 경우를 제외하면, 부하 하중의 반복횟수가 증가함에 따라 IEMG 값의 증감이 반복되면서 전체적으로는 증가하는 경향성을 보이고 있다. 이러한 IEMG 값의 증가는 도 5의 근전도 변화에서도 확인하였듯이 근 피로도가 축적됨에 따라 근전도의 진폭(Amplitude)이 증가하기 때문이다. 한편, 전체적인 IEMG의 증가 가운데 증가와 감소가 반복되는 이유는 반복된 자극에 의한 단일 근육의 감소된 반응으로 인한 국소적인 피로가 발생하여 일정량의 운동을 수행한 후에는 회복기를 갖기 때문이다. 이러한 회복기에는 상완 이두근이 많은 힘을 낼 수 없으므로, 부하 하중을 지지하기 위해 수근굴근과 어깨 근육 등이 보조적으로 더 많은 쓰이게 된다. 6 is an integrated EMG (IEMG) obtained by calculating the area of the extracted signal to estimate the use of the biceps according to the repetition frequency of the load and the force exerted by the muscles from the EMG signal of FIG. This IEMG value represents the total momentum of each cycle. This graph shows that as the load load increases, the IEMG value increases due to an increase in muscle fiber activity potential. This result is consistent with the results shown in Fig. In addition, except for the case of 10 kg, the increase and decrease of the IEMG value are repeated as the number of repetition of the load load increases, and the tendency to increase as a whole is shown. The increase in the IEMG value is due to the increase in the amplitude of the EMG as the muscle fatigue accumulates, as confirmed from the EMG change in FIG. On the other hand, the increase and decrease in the overall increase of IEMG are repeated because the local fatigue due to the decreased response of the single muscle caused by the repeated stimulation occurs, and after the exercise of a certain amount, there is a recovery period. Since the biceps brachii can not exert a great deal of force during this recovery period, the sickle flexor and shoulder muscles are supplemented more to support the load.

도 6에서 3, 5, 7kg의 경우와는 달리, 10kg의 경우에는 IEMG의 미세한 증가와 감소가 반복될 뿐 전체적으로 증가하는 경향성이 보이지 않는다. 이는 상완 이두근이 낼 수 있는 최대 근력 이상의 과부하 조건에서는 수근굴근과 어깨 근육 등 다른 근육들이 최대 근력 이하의 부하 하중 조건 시에 비해 비교적 더 많이 사용됨에 따라 상완 이두근의 총 운동량은 일정하게 유지되고, IEMG 값이 안정적으로 유지되기 때문이다. In FIG. 6, unlike the cases of 3, 5, and 7 kg, the IEMG is slightly increased and decreased repeatedly in the case of 10 kg, but the tendency does not increase as a whole. In the overload condition above the maximum biceps force of the biceps brachii, the other biceps such as the sagittal and shoulder muscles were used relatively more than under the maximum load, and the total momentum of the biceps brachii was kept constant. This is because the value is stably maintained.

도 7은 시간 영역의 근전도 신호(도 5)를 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform; FFT)을 통해 주파수 영역의 신호로 변환한 것이다. 모든 부하 하중에 대해 반복 동작으로 인한 근 피로도가 축적됨에 따라 진폭(Amplitude)이 증가하고, 고주파에서 저주파로 이동하는 주파수 천이(frequency shift) 현상을 나타난다. 이러한 현상은 근육이 피로해지면 진폭은 커지지만 빈도수가 감소하기 때문이다. 즉, 근 피로로 인해 근막의 전도 속도가 감소하면 활동전위의 기간(duration)을 증가시키게 되어 빈도수를 낮추게 된다. 또한 부하 하중이 증가할수록 진폭(Amplitude)이 증가하지만, 근 피로가 축적된 10kg의 경우 (도 7, 오른쪽) 7kg에 비해 진폭이 다소 작게 측정된 것은 도 6의 IEMG 변화 양상과 일치함을 확인하였다.FIG. 7 is a graph showing a result of converting a time-domain EMG signal (FIG. 5) into a frequency domain signal through a fast Fourier transform (FFT). As the muscle fatigue due to the repetitive motion is accumulated for all the load loads, the amplitude increases and a frequency shift phenomenon occurs from high frequency to low frequency. This is because the muscle becomes fatigued, the amplitude increases but the frequency decreases. That is, decreasing the conduction velocity of the fascia due to muscle fatigue increases the duration of the action potential and lowers the frequency. In addition, it is confirmed that the amplitude is slightly smaller than 7 kg in the case of 10 kg of accumulated fatigue (FIG. 7, right) as the load load increases, but it is consistent with the IEMG change pattern of FIG. 6 .

도 8은 반복 부하 하중에 따른 주파수 영역의 신호 (도 7)로부터 근 피로의 평가 척도로 사용되는 평균 주파수, 파워 중심주파수 (MPF, mean power frequency)를 나타내고 있다. 도 8에 따르면, 부하 하중이 증가함에 따라 낮은 평균 주파수(MPF)를 가진다. 또한 근 피로도가 축적됨에 따라 MPF가 감소한다. Fig. 8 shows the mean frequency, mean power frequency (MPF), which is used as an evaluation measure of fatigue from the signal in the frequency domain according to the cyclic loading (Fig. 7). According to Fig. 8, it has a low average frequency (MPF) as the load load increases. Also, as muscle fatigue accumulates, MPF decreases.

도 9는 근 피로도가 축적되기 전과 근 피로도가 쌓여 더 이상 덤벨컬 동작을 수행하지 못하기 바로 직전 단계의 팔꿈치 관절 모멘트를 해석한 그래프이다. 관절의 모멘트는 부하하중이 증가할수록 모멘트 파워는 증가하는 경향성을 보였다. 그러나 덤벨 컬 동작의 시간이 지속될수록 근 피로도가 축적되어서 근 피로도가 축적되기 전의 파워보다 감소하는 경향성을 보여주었다. 도 9에 따르면 근 피로도가 축적된 경우 관절 모멘트의 파워(power)가 평균적으로 30% 감소하였다. 따라서 본 발명에서는 근 피로 축적의 척도로써 관절 모멘트 파워(power)의 30% 감소를 정의하였다.FIG. 9 is a graph showing an analysis of the elbow joint moments immediately before the fatigue is accumulated and the muscle fatigue is accumulated and the dumbbell curl is no longer performed. The moments of the joints tend to increase as the load load increases. However, as the duration of the dumbbell curl motion continued, the muscle fatigue was accumulated and the muscle fatigue showed a tendency to decrease compared to the power before the accumulation. According to FIG. 9, when the fatigue is accumulated, the power of the joint moment is decreased by 30% on average. Thus, the present invention defined a 30% reduction in joint moment power as a measure of muscle fat accumulation.

도 10은 근 피로 축적의 척도를 나타내는 F-N 곡선을 도시하고 있다. 이를 데이터 베이스로 하여 시뮬레이션 해석만으로도 근 피로도를 예측할 수 있어 근육 또는 인대의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.Fig. 10 shows an F-N curve showing a measure of muscle fat accumulation. By using this as a database, it is possible to predict muscle fatigue by simulation analysis alone, and it is possible to prevent damage to muscles or ligaments.

도 11에 도시된 것과 같이 본 발명에 따른 근 피로 예측 시스템을 사용하면, 본 발명에 따른 데이터 베이스를 활용하여 근 피로도를 예측함으로써 실시간 피로정보를 출력(디스플레이, 음성, 알람 등)하고, 중앙관리센터 (command center)에 송신함으로써 병사 또는 작업자들의 피로도를 모니터링 할 수 있는 시스템을 구축할 수 있다. 이러한 시스템을 통해 병사 또는 작업자들의 근 피로로 인한 근육 및 인대 손상을 방지하고, 작업 효율을 증대시킬 수 있다.
11, when the fatigue prediction system according to the present invention is used, real-time fatigue information is output (display, voice, alarm, etc.) by predicting the fatigue using the database according to the present invention, By sending it to the command center, a system can be built to monitor the fatigue of soldiers or workers. Such a system can prevent muscle and ligament damage due to fatigue of the soldier or the worker and increase the working efficiency.

실시예Example 1  One

만 25세 남성 1명을 덤벨컬(dumbbell curl) 동작 시 반복 부하 하중에 따른 대상자의 상완 이두근(bicep)의 활성화 정도인 근전도 신호를 측정하였으며 3kg, 5kg, 7kg, 10kg의 덤벨을 이용하여 부하하중의 크기를 조절하였다.A 25-year-old male measured the EMG signal, which is the activation level of the bicep of the subject, according to the cyclic load during dumbbell curl operation. Using the dumbbell of 3kg, 5kg, 7kg and 10kg, .

근전도를 측정할 때 전극간의 거리는 2cm 근섬유 방향으로 놓이고 그라운드 전극은 외측이나 내측에 장치했다.When measuring the EMG, the distance between the electrodes was set to 2 cm in the direction of the muscle fiber, and the ground electrode was placed outside or inside.

전극의 부착위치는 근육 수축에 따른 근복의 위치변화에 따라서 전극이 탈착될 수도 있기 때문에 근육이 최대 수축되었을 시 촉진되는 이두근(bicep) 근복의 아래 1/3지점에 장착되었으며 피부의 오물을 제거하기 위해 전극을 부착하기 전 반드시 알코올 솜으로 소독을 하였다.Since the electrode may be detached depending on the position of the muscle due to muscle contraction, the electrode is attached to the lower one third of the bicep muscle, which is promoted when the muscle is contracted to the maximum. It was sterilized with alcohol cotton before attaching the electrode.

근전도 센서는 근전도 모듈에 연결하여 사용하였으며, 샘플링 레이트(sampling rate)1500Hz, 로우 패스 필터(low pass filter) 500Hz, 하이 패스 필터(high pass filter)10Hz로 1개 채널의 근전도 신호를 수집하였다. The EMG sensor was connected to the EMG module, and one channel EMG signal was collected at a sampling rate of 1500 Hz, a low pass filter of 500 Hz, and a high pass filter of 10 Hz.

착용자는 어깨 넓이로 다리를 벌리고 기립 자세를 유지한 채로 우측 팔만으로 덤벨컬 동작을 수행하였다. 각 부하 하중마다 덤벨을 일정한 속도로 들다가 착용자가 더 이상 덤벨을 들지 못하는 정도까지의 근전도 신호를 측정하였다.The wearer performed the dumbbell curl operation with the right arm only while keeping the standing posture with the leg open at the shoulder width. The dumbbell was lifted at a constant speed for each load and the EMG signal was measured to the extent that the wearer could no longer hold the dumbbell.

상기와 같이 측정된 근전도 신호를 저장한 후, 저장된 신호로부터 시간 영역과 주파수 영역에서 각각 IEMG와 FFT방법으로 신호 처리 및 분석을 하였다.After storing the measured EMG signals, signal processing and analysis were performed using the IEMG and FFT methods in the time domain and the frequency domain, respectively, from the stored signals.

착용자의 정확한 근육 물성치를 역추적하기 위해 로드셀을 이용하여 측정한 근력과 시뮬레이션 해석 결과값을 비교하여 해석에 필요한 근육의 물성치를 재조정한 후, 힐의 근육모델 (Hill base muscle) 기반의 인체 모델을 이용하여 상완 이두근의 힘과 관절 모멘트를 얻었다. 시뮬레이션 해석을 통한 관절 모멘트의 파워를 근 피로가 축적되지 않은 경우와 근 피로가 축적되어 더 이상 움직일 수 없는 경우를 비교한 결과, 약 30%의 파워가 감소하였다.In order to trace back the exact physical properties of the wearer, we compare the muscle force measured by the load cell with the simulation results and readjust the physical properties of the muscles required for the analysis. Then, the human body model based on the Hill base muscle And the strength and joint moment of the biceps brachii were obtained. The power of the joint moment by the simulation analysis was compared with the case in which the muscle fatigue was not accumulated and the case where the muscle fatigue accumulated and could no longer be moved. As a result, the power decreased by about 30%.

실시예Example 2 2

만 25세 남성 1명을 사이드 레터럴(side lateral) 동작 시 반복 부하 하중에 따른 대상자의 삼각근(deltoid)의 활성화 정도인 근전도 신호를 측정하였으며 2kg, 3.5kg, 5kg, 7kg의 덤벨을 이용하여 부하하중의 크기를 조절하였다.One 25-year-old male was measured the electromyogram signal of activation of the deltoid of the subject according to the cyclic load during the side lateral operation. Using the dumbbell of 2kg, 3.5kg, 5kg, 7kg, The size of the load was adjusted.

근전도를 측정할 때의 전극은 노락손 듀얼 전극(미국 노락손사 제품(Noraxon, USA)를 이용하였으며, 전극간의 거리는 2cm 근섬유 방향으로 놓이고 그라운드 전극은 외측이나 내측에 장치했다.Electromyography was performed using a Noraxon dual electrode (Noraxon, USA). The distance between the electrodes was 2 cm in the direction of the myofiber, and the ground electrode was placed on the outside or inside.

근전도를 측정할 때 전극간의 거리는 2cm 근섬유 방향으로 놓이고 그라운드 전극은 외측이나 내측에 장치했다.When measuring the EMG, the distance between the electrodes was set to 2 cm in the direction of the muscle fiber, and the ground electrode was placed outside or inside.

전극의 부착위치는 근육 수축에 따른 근복의 위치변화에 따라서 전극이 탈착될 수도 있기 때문에 근육이 최대 수축되었을 시 촉진되는 삼각근(deltoid) 근복의 아래 1/3지점에 장착되었으며 피부의 오물을 제거하기 위해 전극을 부착하기 전 반드시 알코올 솜으로 소독을 하였다.Since the electrode may be detached depending on the position of the muscle due to muscle contraction, the electrode is attached to the lower third of the deltoid muscle, which is promoted when the muscle is contracted to the maximum. It was sterilized with alcohol cotton before attaching the electrode.

근전도 센서는 근전도 모듈에 연결하여 사용하였으며, 샘플링 레이트(sampling rate)1500Hz, 로우 패스 필터(low pass filter) 500Hz, 하이 패스 필터(high pass filter)10Hz로 1개 채널의 근전도 신호를 수집하였다. The EMG sensor was connected to the EMG module, and one channel EMG signal was collected at a sampling rate of 1500 Hz, a low pass filter of 500 Hz, and a high pass filter of 10 Hz.

착용자는 어깨 넓이로 다리를 벌리고 기립 자세를 유지한 채로 우측 팔만으로 사이드 레터럴(side lateral) 동작을 수행하였다. 각 부하 하중마다 덤벨을 일정한 속도로 들다가 착용자가 더 이상 덤벨을 들지 못하는 정도까지의 근전도 신호를 측정하였다.The wearer performed side lateral motion with only his right arm while keeping his legs open and standing in shoulder width. The dumbbell was lifted at a constant speed for each load and the EMG signal was measured to the extent that the wearer could no longer hold the dumbbell.

상기와 같이 측정된 근전도 신호를 저장한 후, 저장된 신호로부터 시간 영역과 주파수 영역에서 각각 IEMG와 FFT방법으로 신호 처리 및 분석을 하였다.After storing the measured EMG signals, signal processing and analysis were performed using the IEMG and FFT methods in the time domain and the frequency domain, respectively, from the stored signals.

착용자의 정확한 근육 물성치를 역추적하기 위해 로드셀을 이용하여 측정한 근력과 시뮬레이션 해석 결과값을 비교하여 해석에 필요한 근육의 물성치를 재조정한 후, 힐의 근육모델 (Hill base muscle) 기반의 인체 모델을 이용하여 상완 이두근의 힘과 관절 모멘트를 얻었다. 시뮬레이션 해석을 통한 관절 모멘트의 파워를 근 피로가 축적되지 않은 경우와 근 피로가 축적되어 더 이상 움직일 수 없는 경우를 비교한 결과, 약 30%의 파워가 감소하였다.
In order to trace back the exact physical properties of the wearer, we compare the muscle force measured by the load cell with the simulation results and readjust the physical properties of the muscles required for the analysis. Then, the human body model based on the Hill base muscle And the strength and joint moment of the biceps brachii were obtained. The power of the joint moment by the simulation analysis was compared with the case in which the muscle fatigue was not accumulated and the case where the muscle fatigue accumulated and could no longer be moved. As a result, the power decreased by about 30%.

실시예Example 3 3

만 25세 남성 1명을 펠빅 림브(pelvic limb) 동작 시 반복 부하 하중에 따른 대상자의 대퇴직근(rectus femoris)의 활성화 정도인 근전도 신호를 측정하였으며 3kg, 5kg, 7kg, 9kg의 모래주머니를 이용하여 부하하중의 크기를 조절해 주었다.One 25-year-old male measured EMG signal, which is the activation level of the rectus femoris, in the pelvic limb during repetitive load operation. Using 3 kg, 5 kg, 7 kg, and 9 kg sand bags, And the magnitude of the load was adjusted.

근전도를 측정할 때 전극간의 거리는 2cm 근섬유 방향으로 놓이고 그라운드 전극은 외측이나 내측에 장치했다.When measuring the EMG, the distance between the electrodes was set to 2 cm in the direction of the muscle fiber, and the ground electrode was placed outside or inside.

전극의 부착위치는 근육 수축에 따른 근복의 위치변화에 따라서 전극이 탈착될 수도 있기 때문에 근육이 최대 수축되었을 시 촉진되는 대퇴직근(rectus femoris) 근복의 아래 1/3지점에 장착되었으며 피부의 오물을 제거하기 위해 전극을 부착하기 전 반드시 알코올 솜으로 소독을 하였다.The electrodes were attached to the lower third of the rectus femoris muscle, which is promoted when the muscle is contracted to the maximal extent, because the electrode may be detached depending on the position of the muscle contraction due to muscle contraction. Before the electrode was attached to remove, it was sterilized with alcohol cotton.

근전도 센서는 근전도 모듈에 연결하여 사용하였으며, 샘플링 레이트(sampling rate)1500Hz, 로우 패스 필터(low pass filter) 500Hz, 하이 패스 필터(high pass filter)10Hz로 1개 채널의 근전도 신호를 수집하였다. The EMG sensor was connected to the EMG module, and one channel EMG signal was collected at a sampling rate of 1500 Hz, a low pass filter of 500 Hz, and a high pass filter of 10 Hz.

상기와 같이 측정된 근전도 신호를 저장한 후, 저장된 신호로부터 시간 영역과 주파수 영역에서 각각 IEMG와 FFT방법으로 신호 처리 및 분석을 하였다.After storing the measured EMG signals, signal processing and analysis were performed using the IEMG and FFT methods in the time domain and the frequency domain, respectively, from the stored signals.

착용자의 정확한 근육 물성치를 역추적하기 위해 로드셀을 이용하여 측정한 근력과 시뮬레이션 해석 결과값을 비교하여 해석에 필요한 근육의 물성치를 재조정한 후, 힐의 근육모델 (Hill base muscle) 기반의 인체 모델을 이용하여 하지의 힘과 관절 모멘트를 얻었다. 시뮬레이션 해석을 통한 관절 모멘트의 파워를 근 피로가 축적되지 않은 경우와 근 피로가 축적되어 더 이상 움직일 수 없는 경우를 비교한 결과, 약 30%의 파워가 감소하였다.
In order to trace back the exact physical properties of the wearer, we compare the muscle force measured by the load cell with the simulation results and readjust the physical properties of the muscles required for the analysis. Then, the human body model based on the Hill base muscle And the strength of the lower limb and the joint moment were obtained. The power of the joint moment by the simulation analysis was compared with the case in which the muscle fatigue was not accumulated and the case where the muscle fatigue accumulated and could no longer be moved. As a result, the power decreased by about 30%.

상기와 같이 설명된 근 피로 예측방법 및 근 피로 예측시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The above-described fatigue prediction method and fatigue prediction system are not limited to the configuration and method of the embodiments described above, but the embodiments may be applied to all or some of the embodiments so that various modifications can be made. May be selectively combined.

Claims (8)

부착된 센서를 통해 착용자의 동작 및 근전도(electromyogram)에 관한 정보들을 수집하는 단계;
수집된 정보들을 근거로, 사용된 근육에 대한 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워를 제1 데이터로 출력하는 단계; 및
상기 제1 데이터와 F-N(Fatigue-Numbers of times) 곡선을 형성할 수 있도록 근육의 사용 회수 및 근력에 관한 저장된 값들을 포함하는 제2 데이터를 비교하고, 상기 제1 데이터가 상기 제2 데이터에서 설정한 일정 범위에 있을 때, 피로 누적 상태로 정의하는 단계를 포함하고,
착용자의 근전도를 측정하여 상기 근전도에 의하여 근육의 활성화 정보와 모션 데이터를 추출하는 단계;
상기 근육의 활성화 정도, 모션 데이터 및 인체모델을 이용하여 관절 모멘트를 출력하는 단계;
상기 관절 모멘트, 상기 F-N 곡선 및 근피로 축적에 따른 관절 모멘트 파워의 감소율에 근거하여 피로도를 예측하는 지표를 도출하는 단계; 및
상기 지표를 통하여 근 피로도를 예측하는 단계를 포함하는 근 피로 예측방법.
Collecting information about an operation of the wearer and an electromyogram through the attached sensor;
Outputting the muscle power of the used muscle or the moment power of the used joint to the first data based on the collected information; And
Comparing the first data with second data including stored values relating to the number of times of muscle use and muscle strength so as to form a FN (Fatigue-Numbers of times) curve, and setting the first data in the second data And a fatigue accumulation state, when the vehicle is in a certain range,
Measuring the EMG of the wearer and extracting muscle activation information and motion data by the EMG;
Outputting a joint moment using the degree of activation of the muscle, motion data, and a human body model;
Deriving an index for predicting fatigue based on the joint moment, the FN curve, and the reduction rate of the joint moment power according to the accumulation of muscle fiber; And
And predicting muscle fatigue through the index.
제1항에 있어서,
상기 데이터들은 착용자가 특정 동작을 할 때, 사용되는 각 근육들의 근력 또는 사용된 관절들의 모멘트 파워에 대한 정보인 것을 특징으로 하는 근 피로 예측방법.
The method according to claim 1,
Wherein the data is information about a muscle power of each muscle used or a moment power of joints used when the wearer performs a specific operation.
삭제delete 제2항에 있어서,
상기 제2 데이터는 각 관절의 모멘트 파워이고,
상기 피로 누적 상태로 판단하는 단계는, 상기 관절의 모멘트 파워를 포함하는 제1 데이터가 상기 제2 데이터에 비해 일정 수치 이상으로 감소된 경우, 이를 피로 누적 상태로 정의하는 단계인 것을 특징으로 하는 근 피로 예측방법.
3. The method of claim 2,
The second data is the moment power of each joint,
Wherein the step of determining the fatigue accumulation state is a step of defining the fatigue accumulation state when the first data including the moment power of the joint is reduced to a predetermined value or more as compared with the second data, Fatigue prediction method.
제2항에 있어서,
상기 제1 데이터로 출력하는 단계는
상기 센서로부터 수신되는 정보를 시뮬레이션 프로그램에 입력하여 착용자의 동작을 분석하고,
상기 센서로부터 수신되는 근전도 정보를 시뮬레이션 프로그램에 입력하여 상기 동작과 관련하여 사용된 근육의 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워를 제1 데이터로 출력하는 단계인 것을 특징으로 하는 근 피로 예측방법.
3. The method of claim 2,
The step of outputting as the first data
The information received from the sensor is input to the simulation program to analyze the operation of the wearer,
And inputting the electromyogram information received from the sensor into the simulation program and outputting the muscle power of the muscle used or the moment power of the joint used in relation to the operation as the first data.
신체에 부착되어 착용자의 동작 및 근전도 정보를 감지하도록 형성되는 센서들; 및
상기 센서들로부터 수집된 정보들을 이용하여, 사용된 근육에 대한 근력 또는 사용된 관절의 모멘트 파워를 제1 데이터로 출력하고, 상기 제1 데이터와 F-N(Fatigue-Numbers of times) 곡선을 형성할 수 있도록 근육의 사용 횟수 및 근력에 관한 저장된 값들을 포함하는 제2 데이터를 비교하고, 상기 제1 데이터가 상기 제2 데이터에서 설정한 일정 범위에 있을 때, 피로 누적 상태로 정의하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 착용자의 근전도를 측정하여 상기 근전도에 의하여 근육의 활성화 정보와 모션 데이터를 추출하고, 상기 근육의 활성화 정보, 모션 데이터 및 인체모델을 이용하여 관절 모멘트를 출력하고, 상기 관절 모멘트, 상기 F-N곡선 및 근피로 축척에 따른 관절 모멘트 파워의 감소율에 근거하여 피로도를 예측하는 지표를 도출하여 상기 지표를 통하여 근피로도를 예측하는 것을 특징으로 하는 근 피로 예측시스템.
Sensors attached to the body to detect movement of the wearer and EMG information; And
Using the information collected from the sensors, it is possible to output the muscle power of the used muscle or the moment power of the joints used as the first data, and form the first data and the FV (Fatigue-Numbers of times) curve And comparing the second data including stored values relating to the number of times of muscle use and muscle strength so as to define a fatigue accumulation state when the first data is within a predetermined range set in the second data,
The control unit measures the wearer's EMG and extracts activation information and motion data of the muscles according to the EMG, outputs the joint moment using the muscle activation information, the motion data, and the human body model, and calculates the joint moment, the FN Wherein an index for predicting fatigue is derived based on a reduction rate of joint moment power according to a curve and a muscle fatigue scale, and the fatigue prediction is predicted through the index.
제6항에 있어서,
상기 착용자가 인지할 수 있도록, 피로 여부에 관한 정보를 출력하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근 피로 예측시스템.
The method according to claim 6,
Further comprising an output unit for outputting information on whether or not fatigue is to be recognized by the wearer.
제6항에 있어서,
상기 착용자의 피로 여부에 관한 정보를 중앙관리센터에 송신하고, 이에 따르는 상기 중앙관리센터의 지시를 수신할 수 있도록 형성되는 무선 송수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근 피로 예측시스템.
The method according to claim 6,
Further comprising a wireless transceiver configured to transmit information on fatigue of the wearer to a central control center and receive an instruction of the central control center according to the information.
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