The force between the ground and a human foot is specifically called ground reaction force (GRF), which is important for evaluating the performance of athletes and identifying injuries in sports biomechanics. Especially, investigating vertical GRF (vGRF) and anterior-posterior GRF (A-P GRF) is important during walking, running, and jumping which are the fundamental movements of sports. In this study, a wearable two axes GRF measuring system was developed to measure vGRF and A-P GRF during walking, running and jumping. First of all, a high capacity two axes (normal force and shear force) force sensor was developed and the characteristic of the sensor, such as linearity, hysteresis, repeatability, interference rate, and impact response, were examined. Next, a wearable GRF measuring system was developed by installing eight of the developed force sensors in specific locations. A forefoot bending stiffness test was conducted to confirm the comfortability of the system. GRF measurement tests during walking, running, and jumping tests on a commercial force plate were also carried out on three subjects wearing the system. Finally, a center of pressure (COP) estimation test was conducted to validate the developed system. It was found that the developed system guaranteed comfortability for the users and it was able to measure partial vGRF and A-P GRF for certain regions where the force sensors were installed. The results suggest that the developed system could be used in the investigation of performance of athletes and injury identification.
스포츠 생체역학 분야에서는 운동 선수들의 능력을 평가하고 부상 정도를 파악하는 인자로 지면 반력 (Ground reaction force)이라는 운동학적 정보를 이용한다. 스포츠 생체역학 분야에서는 인간의 기본적인 동작을 걷기, 달리기, 점프로 정의하고 있으며 많은 연구들에서 이 동작들에 대한 지면 반력을 측정하고 있다. 이 때 지면 반력을 측정하는 방법으로 지면과 일체형인 힘 판을 이용하거나 깔창 형태의 족저압 측정 시스템을 이용하고 있다. 힘 판의 경우, 외부 환경에서 사용하기 어렵다는 단점과 트레드밀 (Treadmill) 식 힘 판의 경우, 같은 속도의 보행에 대해 일반 지형에서의 보행과 보행 패턴에 있어 차이점이 있다는 연구 결과가 보고되고 있다. 깔창 형태의 시스템의 경우, 외부에서 사용가능하고 어떠한 환경에서도 지면 반력을 측정할 수 있다는 장점이 있으나 내구성과 반복성이 떨어지며 단축 (수직 방향)의 지면 반력만을 측정할 수 있다는 단점이 존재한다. 이러한 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 걷기, 달리기, 점프 시에 수직과 전후 방향 지면 반력을 측정할 수 있는 착용형 2축 지면 반력 측정 시스템을 개발하고자 한다. 수직 지면 반력과 수평 지면 반력을 측정하면 지형에 따른 마찰 계수 (Coefficient of friction)를 직접 계산할 수 있어 미끄러짐에 의한 부상 정도를 파악할 수 있다. 또한 지면과 신발 사이의 힘을 직접적으로 측정하기 때문에 다양한 지면 환경에 따른 분석이 가능하다. 2축의 지면 반력을 측정할 수 있는 시스템 개발을 위해 우선 소형2축의 힘을 측정할 수 있는 반사형 광학식 센서를 이용한 힘 센서를 개발하고 이에 대한 선형성, 정확도, 반복성, 히스테리시스 (Hysteresis), 간섭 효과, 충격 실험을 진행했다. 검증 결과, 모든 특성이 기존의 깔창 형태의 시스템에 사용되고 있는 힘 센서에 비해 우수함을 확인했다. 다음으로 개발한 힘 센서를 이용하여 착용형 지면 반력 시스템을 개발했다. 센서의 위치를 선정하기 위해 12명의 피실험자에 대한 보행 시의 족저압 분포를 측정하였고 이를 통해 센서의 부착 위치와 부착 개수를 정했다. 달리기와 점프 시와 같이 인간의 무게중심을 빠르게 이동시키는 동작을 사용자가 불편함을 느끼지 않고 자연스럽게 움직이게 하기 위해서는 시스템의 유연성이 보장되어야 한다. 이를 위해 개발한 시스템과 상용 운동화와의 전각 구부러짐 강도 (Forefoot bending stiffness)를 측정 및 비교했다. 그 결과 개발한 시스템이 사용 운동화를 착용했을 때와 비슷한 착용감을 제공할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 시스템의 검증을 위해 트레드밀 (Treadmill) 식 힘 판 위에서 3명의 피실험자에 대해 걷기, 달리기, 점프 동작을 수행하여 힘 판에서의 지면 반력과 개발한 시스템에서 측정한 지면 반력을 비교했다. 또한 보행 시 압력 중심 (Center of pressure)를 비교했다. 그 결과 개발한 시스템은 걷기, 달리기, 점프 시에 수직, 전후 방향의 지면 반력을 측정할 수 있고 발의 위치에 따른 지면 반력 정보를 측정할 수 있어 스포츠 생체역학 분야에서 지면 반력을 측정할 수 있는 시스템으로써의 가능성을 확인할 수 있었다.?
