[운동학습제어] 운동과정의 측정(운동학적 측정, 운동역학적 측정, 뇌 활동의 측정, 근육 활동의 측정, 운동협응의 측정)

Chapter 2 운동과정의 측정

 

1. 운동학적 측정

운동학적 측정은 힘 요인을 고려하지 않고 동작 유형이나 움직임 구조와 같이 움직임 그 자체에 대하여 기술하는 것이다.

운동학적(kinematic) 측정은 사지 또는 신체의 움직임을 묘사하는 방법으로, 힘(force) 요인을 고려하지 않고 단지 움직임 그 자체에 대하여 기술하는 방법이다. 이는 일반적으로 운동역학(biomechanics) 분야와 밀접한 관련이 있으나, 운동제어와 학습 분야에서도 인간의 운동수행을 연구하기 위한 매우 중요한 방법으로 활용되고 있다.

최근 영상분석 장비 및 자료처리의 기법이 비약적 발전에 힘입어 보다 정밀한 운동학적 측정이 가능해지고 있으며, 복잡한 동작에서 나타나는 신체분절의 다양한 변화를 빠르고 편리하게 기술할 수 있게 되었다.

운동학적 측정의 전형적인 방법으로는 운동기술을 수행하는 동안 특정한 신체 분절의 움직임을 기록하는 것이다. 먼저 측정하고자 하는 신체 분절에 특정한 표시나 LED 등과 같은 마커를 부착하고 동작분석용 카메라로 특정 기술 동작을 촬영, 기록한다. 이러한 기록을 토대로 관찰하고자 하는 관절 혹은 분절의 이차원 또는 삼차원 좌표 값을 산출하고 이 자료를 사용하여 신체분절의 위치, 속도, 가속도 및 관절의 각위치, 각속도 등에 대한 정보를 얻을 수 있다.

 

가. 위치, 속도, 가속도

위치, 속도 그리고 가속도에 대한 자료는 움직이는 동안 사지 또는 분절에 대한 시공간적인 정보를 제공한다.

운동학적 측정에서 가장 기본적으로 사용되는 변인은 위치(position), 속도(velocity) 그리고 가속도(acceleration)다. 어떤 움직임이라 할지라도 하나의 변인에 해당하는 값을 알면 다른 변인의 값을 수학적인 방법을 이용하여 계산할 수 있다.

예를 들어, 한 지점에서 다른 지점으로 신체를 움직이는 과제를 수행하는 경우를 생각해 보자. 이러한 움직임에서 위치는 운동기술을 수행하는 동안 변화하는 신체의 공간적 위치를 묘사하기 위해 사용된다. 이차원 분석에서는 X-Y의 두 가지 좌표 값으로, 삼차원 분석에서는 X-Y-Z의 세 가지 좌표 값으로 각 신체 부위의 위치를 표현할 수 있다.

두 번째 변인인 속도는 위치 값을 시간에 대하여 미분하여 산출할 수 있으며, 이는 움직인 위치의 변화량을 시간으로 나눈 것으로 일정 시간에 대한 위치의 변화율을 의미한다. 시간(X축)과 위치(Y축)의 관계를 나타낸 그래프(그림 2-8a)에서, 그래프 곡선에 대한 접선의 기울기가 급할수록 속도가 빠른 것을 의미한다. 또한 기울기 값이 0이면 속도가 0으로 정지해 있는 상태를 말한다.

가속도는 움직이는 동안의 속도 변화율을 말하며, 이는 속도 값을 시간에 대하여 다시 미분한 것이다. 즉, 시간(X축)과 속도(Y축)간의 관계를 나타낸 그래프(그림 2-8b)에서 매 순간의 기술기 값이 가속도 값이 된다. 따라서 가속도 값이 크다는 것은 속도의 변화가 빠르다는 것을 의미하며, 기울기 값이 (+)이면 가속을, (-)이면 감속을, 0이면 등속도 운동을 의미하는 것이다.

이와 같은 위치, 속도, 가속도 등의 운동학적 변인은 시간의 흐름에 따른 움직임의 과정을 잘 나타내 준다. 따라서 이러한 분석은 인간 운동의 연구를 위한 주요 측정 수단으로서 움직임 생성 원리와 변화양상을 연구하는 데에 기초 자료를 제공할 수 있다.

 

나. 선운동과 각운동

선운동은 직선이나 곡선의 움직임을, 각운동은 축을 중심으로 한 회전의 움직임을 말한다.

운동학적 변인을 사용하여 움직임을 표현하는 데에 있어서, 임의의 위치, 속도, 가속도 값을 갖는 움직임은 선운동(linear motion)이나 각운동(angular motion) 형태로 나타난다. 선운동은 물체나 신체가 직선 또는 곡선의 형태로 움직이는 것을 말하며, 각운동은 물체 또는 신체가 고정된 축(회전축)에 대하여 회전하는 것으로 회전운동(rotational motion)이라고도 한다. 이와 같은 두 가지 형태의 운동은 동작 분석의 목적에 따라서 다르게 사용된다. 예를 들어, 한 지점에서 다른 지점으로 걸어갈 때의 전신 움직임을 운동학적으로 묘사하기 위해서는 선운동으로 표현하는 것이 적절하지만, 걷는 동안 발 움직임의 특성을 묘사하려고 한다면 발목 관절을 기준으로 하여 회전하는 발의 각운동으로 표현하는 것이 바람직하다.

 

다. 동적 분석 방법

운동 동작 분석 방법은 측정장비를 신체부위에 직접 부착하여 움직임을 분석하는 직접적인 방법과 영상으로 촬영하여 분석하는 간접적인 방법으로 구분할 수 있다.

움직임을 기술하기 위해 신체 분절의 위치를 기록하는 방법은 매우 오랜 역사를 가지고 있다. 최근 들어 컴퓨터 기법이 발달함에 따라 다양한 분석 도구가 개발되었으며, 이는 보다 복잡한 운동기술 동작의 운동학적 자료를 얻기 위하여 사용되고 있다. Winter(1990)는 이러한 동작 분석 방법을 크게 직접적인 방법과 간접적인 방법으로 구분하여 설명하고 있다.

직접적인 방법(direct method). 각도계(goniometer)를 측정하고자 하는 관절 부위에 부착하여 관절의 각도를 직접 측정할 수 있다. 이러한 각도계는 관절 각의 크기가 커질수록 큰 전압을 발생시키는 전위차계를 가지고 있어 관절 각도의 변화에 관한 정보를 제공할 수 있다.

간접적인 방법(imaging method). 간접적인 측정 방법은 측정기를 사용하여 신체의 위치 정보를 직접 측정하는 것이 아니라, 운동 동작을 영상으로 촬영하여 녹화된 영상으로부터 수행자의 운동 상태에 관한 정보를 분석하는 방법이다. (...)

 

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2. 운동역학적 측정

운동역학적 연구는 움직임의 근원을 크기와 방향성을 지닌 힘으로 간주하며, 물리 법칙에 따라서 움직임이 어떻게 발생하고 정지하며, 변화를 일으키는지에 초점을 둔다.

인간의 움직임을 정확하게 이해하기 위해서는 인체에 작용하는 내, 외적 힘에 대한 분석이 함께 이루어져야 한다. 앞에서 설명한 운동학적 측정에서는 움직임의 원인보다는 동작의 패턴이나 구조를 묘사하는 데에 중점을 두는 반면에 운동역학(kinetics)적 측정에서는 인간 움직임에서 발생하는 힘에 중점을 두어 동작을 분석한다.

힘은 크기와 방향성을 지니며, 이러한 특성은 운동역학적 연구에 매우 중요한 요인으로 작용한다. 특히 뉴턴의 운동 법칙은 동작에서의 힘과 관련된 기본적인 원리를 잘 설명해 주고 있으며, 운동역학적 연구에서는 힘의 원리에 따라서 인간의 움직임이 어떻게 시작되고 정지하며, 변화해 가는지에 관심을 가지고 있다.

인간에게 작용하는 힘으로는 지면 반력(ground reaction force), 관절 반력(joint reaction force), 근력(muscle force), 유체 저항(fluid resistance), 탄성력(elastic force), 관성력(inertial force), 그리고 관절을 축으로 발생한 신체분절의 회전력(joint torque) 등이 있다. 이러한 힘을 측정하기 위해 사용되는 방법으로는 직접적인 방법과 간접적인 방법이 있다.

직접적인 방법은 지면반력기(force plateform)나 힘변환기(force transducer), 장력 측정기(strain guage) 등과 같은 측정기구를 사용하여 힘을 직접 측정하는 것이다. 특히 지면반력기는 가장 널리 사용되는 힘 측정기이며, 보행 연구나 재활 현장에서 많이 활용되고 있다. 또한 힘변환기와 장력 측정기는 사지 움직임 과제를 수행하는 동안 발생하는 힘의 크기를 측정하는 데에 사용된다. 

힘에 대한 측정은 힘을 직접 측정할 수 있는 실험 장비를 사용하여 충격량 또는 장력 등을 직접 기록하는 방법과 운동학적 자료를 통해 수학적으로 계산하는 간접적 방법이 있다.

반면 간접적인 방법은 관절이나 분절의 속도나 가속도, 그리고 질량을 측정하고 그 자료를 이용하여 수학적인 방법으로 힘을 계산하는 것이다(예 ; 힘 = 질량 × 가속도). 따라서 운동학적 분석으로부터 가속도를 구할 수만 있다면 힘을 직접적으로 측정하지 않아도 힘의 작용에 대하여 설명할 수 있다. 

 

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3. 뇌 활동의 측정 (생략)

운동수행과 대뇌의 작용의 관계를 규명하기 위하여 EGG, MEG, PET, fMRI, TMS 등이 사용되고 있다.

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4. 근육 활동의 측정

근전도는 피부 표면에 전극을 부착하여 근육이 활동할 때 발생하는 전기적 파형을 감지하는 것이다.

인체의 운동은 골격근이 수축함으로써 이루어지는데 근육의 크기 및 수축 정도에 따라 각기 다른 크기의 전기적 활동이 나타난다. 이렇게 근육에서 발생하는 전기적 신호를 증폭시켜 근육의 반응 양상을 측정하고, 신호의 진폭이나 진동수를 분석하는 것이 근전도(electromyography : EMG) 분석이다.

근전도 기법은 일반적으로 측정하고자 하는 근육 위의 피부 표면에 표면 전극(sur-face elecrode)을 부착하여, 각 근육으로부터 발생한 전기적 신호를 증폭시킨 후 필터링을 통해 노이즈를 제거한다. 이러한 EMG 신호를 통하여 근육이 발휘하는 힘의 양, 근육의 수축 크기와 시간, 근육의 피로 상태, 그리고 다전극을 사용한 경우에는 운동수행시 근육의 동원 순서 및 타이밍, 그리고 근육의 협응력 등과 같은 움직임의 시공간적 주요 특성을 알아낼 수 있다. 

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5. 운동협응의 측정

운동협응 형태를 묘사하는 방법으로는 각도-각도 다이어그램, 위상편면 분석법, 교차상관 분석이 사용된다.

인간의 운동은 수많은 신경과 근육, 그리고 관절 등의 유기적인 작용으로 이루어진다. 이러한 운동에서 나타나는 협응에 대한 연구에서 주로 사용되는 측정 방법은 운동학적 분석과 운동역학적 분석에서 사용되는 방법과 동일하다. 그러나 협응 연구에서는 측정된 자료가 인간의 복잡한 운동을 얼마나 정확하게 표현할 수 있는가하는 문제가 매우 중요하다. 이와 같이 운동협응을 묘사하기 위한 방법으로 각도-각도 다이어그램, 위상평면 분석법, 그리고 교차상관 분석법 등이 사용되고 있다.

 

가. 각도-각도 다이어그램

각도-각도 다이어그램은 걷기, 달리기와 같이 연속적이고 주기적인 움직임을 두 관절의 각도 변화로써 그래프 상에 나타낸 것이다.

나. 위상평면 분석법

위상평면 분석법은 관절의 각위치와 각속도의 관계를 그래프로 나타내어 움직임이 어떻게 조절되는지를 효과적으로 묘사하는 기법 중 하나다. 

다. 교차상관 분석법

교차상관 분석법은 두 관절에 대한 각위치 사이의 교차상관을 계산하여 관절간의 협응 정도를 양적으로 표현하는 아법이다.

 

 

 

 

 

<운동학습과 제어>, 김선진, 대한미디어, 2015