자이로 센서 데이터를 이용한 압력 중심 및 지면 반력 추정 기법

Abstract

압력 중심과 지면 반력은 보행 분석에서 중요한 측정 정보로써, 이로부터 역학적 일이나 관절 부하를 계산할 수 있다. 이를 일상 생활 보행 모니터링 등 실험실이 아닌 환경에서 측정하기 위해 지면 반력을 착용형 시스템으로 측정하려는 연구가 진행되고 있다. 이들 연구는 대부분 힘 센서를 이용하거나 모션 정보를 이용했는데, 두 가지 방법 모두 제한점이 있었다. 힘 센서를 이용한 시스템은 자연스러운 보행을 해칠 수 있으며, 무엇보다 보행에서 큰 힘이 가해지므로 반복된 측정에서 시스템이 쉽게 망가질 수 있다. 모션 정보를 이용하는 시스템은 신체 여러 부위에 많은 수의 광학 마커 혹은 관성 센서를 부착해야 한다. 이런 문제점을 해결하기 위한 시도로서, 한 선행연구에서는 보행 모델 시뮬레이션을 이용해 제한된 측정 정보로부터 지면 반력 추정하는 기법을 제안하였다. 그러나 이 연구는 실제 압력 중심 정보를 안다고 가정하고 이를 시뮬레이션에 적용하였다. 따라서 이 기법을 착용형 시스템에 적용하기 위해선 센서 정보로부터 압력 중심 궤적과 특정 보행 시점을 알아내는 기법이 필요하다. 본 연구에서는 최소한의 자이로 센서로부터 압력 중심 궤적을 추정하는 기법을 제안한다. 사람의 보행에서 압력 중심의 위치가 발 움직임에 매우 높은 연관성을 가지고 있다는 점에 착안해서 발의 움직임으로부터 압력 중심의 위치를 추정하는 기법을 개발하였다. 압력 중심 속도와 발의 각 부분이 땅과 접촉하는 시점 사이의 관계를 분석했는데, 이 분석을 기반으로 압력 중심 속도의 네 가지 구간을 정의하고 각 구간에서의 압력 중심 속도 개형을 제안하였다. 이 방법으로 압력 중심 위치를 5% NRMSE 및 0.97 $R^2$의 정확도로 나타낼 수 있었다. 이 기법을 통해 각 발 등에 자이로 센서를 하나씩 부착하여 보행에서의 압력 중심을 추정할 수 있었다. 이 추정 결과를 이용해 지면 반력도 추정할 수 있음을 실험을 통해 보였다. 10명의 건강한 남성 피험자에게서 얻은 데이터를 이용해 제안한 기법을 검증했다. 피험자들은 3, 4, 5km/h로 힘 판이 내장된 트레드밀 위를 걸었고, 각 발에 자이로 센서를 하나씩 착용했다. 자이로 센서 측정 정보로부터 압력 중심 궤적은 NRMSE 6.82% 및 $R^2$ 0.959의 정확도로 추정되었다. 이 압력 중심 궤적을 이용해서 지면 반력은 수직 방향이 NRMSE 12% 및 $R^2$ 0.894의 정확도로 추정하였고. 수평 방향이 NRMSE 9.9% 및 R2 0.862의 정확도로 추정하였다. 즉 발의 모션을 통해 간접적으로 압력 중심을 추정함으로써 최소 센서를 사용하여 지면 반력 추정을 가능하게 하였다. 이 기법을 착용형 시스템에 적용한다면 보다 간편하게 보행 지면 반력 측정이 가능할 것이다.