In this research, the human walking is modeled as a simple mechanical system and used for analyzing energetic feature of gait. Among many previously suggested walking models, the inverted pendulum-like model is mostly accepted one. The model proposed by Garcia and supported by Kuo is the simplest type of inverted pendulum model. Though it is very simple mechanical model, it could predict the energetic features of human gait such as mechanical work done on the center-of-mass or mechanical power of each joint using gait parameters such as step length and step frequency. However, the model also has a defect due to excessive simplification, especially on the double support phase where the center-of-mass velocity redirection occurs. The model assumes that the momentum changing process occurs instantaneously by simultaneous push-off and heel-strike impulses. In fact, it is not an instantaneous process but occur over finite time duration. Therefore, the simplest walking model could not explain some mechanical features related to the momentum changing process.
Based on the existing simplest walking model, the model suggested in this research reflects finite time duration of momentum changing process. Thus, the gravitational effect on the center-of-mass during the process, which was ignored in the existing model, is included. To verify the model, human walking experiment was performed and 6 subjects have participated. Subjects have walked following the 5 different frequency cues and ground reaction forces and kinematic information have measured. The result showed that the model could explain the gait features that were not possible to be explained by the existing model. The gait strategy change from ankle to hip with increasing walking speed was observed. This is due to the biomechanical constraint of the ankle, and is explained by making proper assumption to the suggested model's prediction.
본 연구는 인체 보행을 간단한 기계적 시스템으로 모델링하여 보행 속도에 따른 보행 특성을 모델을 통해 설명하고자 하였다. 기존에 제안되었던 보행 모델 중 가장 널리 받아들여지고 있는 간단한 보행 모델(the simplest walking model)은 인체 보행을 지지다리를 모사한 역진자 운동의 주기적 반복으로 설명하였다. 또한, 평지에서의 발뒤꿈치 충돌로 인한 에너지 손실을 보상하는 방안으로 발목의 밀어내기 힘과 고관절 토크를 제시하였다. 이 모델은 간단한 구조임에도 인체 보행의 에너지적 특성을 정성적인 측면에서 잘 설명할 수 있었다. 하지만 양발지지단계에서의 운동량 변환 과정을 순간적이라고 가정한 데 따른 몇 가지 단점을 내포하고 있었으며 이 때문에 명확히 설명할 수 없는 부분 역시 존재했다. 실제 인체 보행에서는 이러한 운동량 변환 과정에 걸리는 시간이 한 스텝 내에서 20% 정도의 무시하지 못할 비율을 차지하고 있다.
본 연구에서는 이러한 기존 모델의 단점을 극복하기 위해 보다 실제적인 유한 시간 충돌을 가정하고 중력의 영향을 반영한 새로운 보행 모델을 제시하였다. 모델을 검증하고 보행 특성 분석에 응용하기 위해 다섯 가지 서로 다른 보행 속도에 대한 인체 보행 실험을 수행하였다.
실험 결과, 본 연구에서 제시한 유한 충돌 모델이 기존의 모델이 설명하지 못한 인체 보행 특성을 정량적으로 설명할 수 있음을 확인하였다. 한편, 보행 속도의 증가에 따른 발목 밀어내기 힘의 감소 현상을 실험을 통해 관찰하였다. 이러한 현상의 원인으로 발목 밀어내기의 생체역학적 한계에 대한 가설을 세우고 추가적인 실험 및 분석을 수행하였으나, 생체역학적인 한계에 이르렀다고 생각되었던 발목 밀어내기 힘이 중량조끼를 착용한 상태에서의 보행에서 더 큰 힘을 내는 것을 관찰함으로써, 가설이 옳지 않다는 결론을 내릴 수 있었다. 즉, 발목 힘이 한계에 이른 것이 아닌 다른 이유로 인하여 보행 속도에 따른 발목 밀어내기 힘의 감소 현상이 일어나는 것이다. 발목 밀어내기 힘에 관여하는 근육들에는 분명 힘-속도 관계에 따른 한계 및 구속조건이 존재하나, 근육조직이나 힘줄 등의 수동적 요소도 발목 밀어내기 힘에 영향을 미칠 수 있으며 개인의 보행 습관 등도 관여할 수 있기 때문에 정확한 원인에 대한 추가적 연구가 필요할 것이다.
본 연구에서 새로이 제안한 유한 충돌 모델은 인체 보행 특성을 보다 정량적이고 실제적으로 설명할 수 있다는 점에서 기존 모델과 차별성을 갖는다. 검증된 모델은 다양한 보행 특성 예측 및 분석에 이용될 수 있을 것이며, 보행 보조 관련 장비 또는 휴머노이드 로봇의 개발에 간접적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
