Ground reaction force (GRF) measurements have been widely used for various purposes such as gait phase analysis, abnormal gait detection, and control of exoskeletons. The GRF is usually measured by a force plate which is restricted to laboratory environment. Although many wearable GRF measurement systems for overcoming the limitation of the use of force plate, the restricted use in the laboratory environment, are developed, there are still problems such as bulkiness, low accuracy, low capacity and poor time response.
In this thesis, a portable GRF sensing system for addressing the limitations of previous researches is proposed. The proposed system is separated into four parts (toe, left, right metatarsal, and heel parts) which are fitted to the curvature of the foot. One Z directional sensor is placed in each metatarsal part and a pair of sensors (one X directional sensor and one Z directional sensor) is located in toe and heel parts, respectively. The experiments consist of two tests; comparison of the data from the proposed system with that from force plate in static condition; analysis of dynamic condition. The static condition denotes standing test on the force plate and the dynamic condition denotes self-selected speed walking on the force plate. The proposed system is compact and measures the improved shear force, so it could be applied to measure the GRF in various environments such as treadmill walking, level ground walking, and stair walking.
지면 반력은 (Ground Reaction Force, GRF) 보행 위상 분석, 비 정상 보행 감지, 의수 또는 외골격 장치의 제어와 같은 다양한 목적을 위해 널리 사용되어 왔다. 지면 반력은 보통 상용화 된 force plate를 이용하여 측정하는데 force plate는 공간적 제약이 존재한다. 이러한 force plate의 한계점을 극복하고자 착용형 지면 반력 센서 시스템이 많이 연구되어 왔는데, 그럼에도 불구하고 시스템의 부피, 낮은 정확성, 작은 용량 그리고 좋지 못한 응답시간 등의 문제점들이 존재한다.
이 논문에서는 기존에 연구된 시스템들의 한계점을 고찰하고 이를 해결할 수 있는 휴대 가능한 지면 반력 센서 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 보행 시 사람 발의 발가락(toe)과 중족골두(metatarsal head) 부분의 굽힘을 잘 표현할 수 있도록 크게 네 부분(발가락, 첫 번째 중족골두, 다섯번 째 중족골두, 발 뒤꿈치(heel))으로 분리되어 있다. 일반적으로 보행 시 사람의 발에 가해지는 압력은 이 네 부분에서 집중되는 것을 확인할 수 있는데, 따라서 각 중족골 부분에는 수직 방향 힘 센서가 하나씩 각각 고정되어 있고, 보행 시 말기 입각기에 힘이 집중되는 엄지 발가락 부분과 부하 반응기 때 힘이 집중되는 발 뒤꿈치 중심 부분에 진행 방향과 수직 방향을 측정하는 센서 쌍을 각각 부착 시켰다. 제안된 시스템의 성능을 검증하기 위한 실험은 크게 두 가지로 수행되었다. 정적 실험(standing experiment)과 동적 실험(walking experiment)을 통해 제안된 시스템에서 측정된 힘 값은 force plate에서 측정된 데이터와 비교하여 오차를 확인하였다. 제안된 시스템은 추후에 무선형으로 제작되어 평지 연속보행, 계단 보행, 경사 보행 등에도 적용 가능할 것으로 기대한다.
