Human postural responses appeared to have stereotyped modality, such as ankle mode, knee mode, and hip mode in response to various perturbations. We examined whether human postural control gain of full-state feedback could be decoupled along with the eigenvector. To verify the model, postural responses subjected to fast backward perturbation were analyzed. Upright posture was modeled as 3-segment inverted pendulum incorporated with feedback control, and joint torques were calculated using inverse dynamics. Postural modalities, such as ankle, knee, and hip mode, were obtained from eigenvectors of biomechanical model. As oppose to the full-state feedback control, independent eigenvector control assumes that modal control input is determined by the linear combination of corresponding modality. We used optimization method to obtain and compare the feedback gains for both independent eigenvector control and full-state feedback control. As a result, we found that both feedback gains of two control models that fit the joint angle and joint torque data are reasonably closed each other, especially at the joint angle feedback gains. This implies that the simple parameterization using eigenvectors may be used to correlate the feedback gains of full-state feedback control, and this concept could be applied to explain torque feedback mechanism ruled by central nervous system.
본 연구에서는 인체의 균형능력을 고유벡터를 이용하여 정량화 하고자 하였다. 인체를 공학적인 관점에서 선형 시스템으로 모델링한 후 토크 피드백 컨트롤 하게 되면, 게인값을 통해 자세대응전략을 표현할 수 있게 된다. 기존에는 직립자세에서 미끄러짐(후방외란)에 대응하는 균형유지 기전을 분석하기 위해 인체를 2세그먼트 역진자로 측면 모델링 한 후 이를 Full-state feedback 컨트롤하는 관점으로 접근하였으나, 최근에는 Alenxander에 의해 고유벡터(아이겐벡터, Eigenvector) 좌표계상에서 모드분석을 통해 피드백하는 방법이 새롭게 제안되었다.
Full-state feedback과는 다르게 고유벡터 피드백에서는 고유벡터 좌표계상에서의 모달 토크(modal torque)가 그에 상응하는 모드에만 관련되어 피드백 된다. 이는 인체의 자세응답이 시스템의 모드와 관련 있다는 가정 하에 각 관절에서 발생되는 조인트 토크가 고유벡터 좌표계상에서 모드별로 완전히 분리될 수 있음을 의미한다. 인체의 균형능력을 고유벡터 컨트롤을 이용하여 정량적으로 나타낼 수 있게 되면, 자세응답 해석을 위한 간략화된 알고리즘을 제공할 뿐만 아니라, 생리학적으로 토크발생 기전을 이해하기 위한 중추신경계의 명령체계를 분석하는데 새로운 해석을 제공할 수 있을 것이다.
하지만 본 연구결과 고유벡터 피드백 컨트롤을 이용하여 인체의 자세대응전략의 변화를 게인 스케일링을 통해 확인할 수 있었음에도 불구하고, Full-state feedback 컨트롤에 비해 만족할 만한 수준의 시뮬레이션 결과를 얻을 수는 없었다. 때문에 Alexander가 제안한 모드별 피드백 컨트롤의 유효성은 아직 확실히 입증되지 못하였다. 향후 진행되는 연구에서는 full-state feedback과 고유벡터 피드백 컨트롤을 병행하여 자세응답 분석을 시도할 계획이다.
