Center of Pressure (CoP) and Ground reaction force (GRF) are the essential measures in gait analysis, from which mechanical work and joint loads can be calculated. There have been studies on developing wearable GRF measurement systems to measure GRFs in non-laboratory settings, such as daily gait monitoring. Most of the proposed wearable systems use force sensors or motion information, but both have their own limitations. Systems using force sensors might interfere with natural gaits, and can be broken easily from repeated measurement since large forces are applied during gait. Systems using motion information requires a large number of optical markers of inertial sensors attached to several body segments. As an attempt to resolve these issues, a previous study suggested a method for estimating GRFs from limited measurements by using dynamic simulations. However, this study assumed that the actual CoP information is known and applied it to simulation. Thus, in order to apply this method to the wearable system, a method to obtain CoP trajectories and timings of gait events from sensor data is needed.
In this study, we propose a method for estimating the CoP trajectory in human walking using a minimum gyro sensor. Noticing that the position of CoP during walking is highly dependent on foot motion, we developed a method for estimating the position of CoP from foot motion. The relationship between the velocity of CoP and ground-contact events of each foot segment were analyzed. Based on this analysis, we defined four phases of CoP velocity and suggested velocity profiles for each phase. In this way, positions of CoP could be represented with normalized root-mean-square error (NRMSE) of 5% and correlation coefficient ($R^2$) of 0.97.
We tested that CoP profiles and timings of gait events can be estimated reasonably well using a single gyro sensor on each instep of foot, and the estimation results can be used for GRF estimations. Data from 10 healthy male subjects were used to evaluate the suggested method. Subjects walked at 3, 4, 5 km/h on an instrumented treadmill with a single gyro sensor on each instep. From measurements of gyro sensor, CoP profiles were estimated with NRMSE 6.82% and $R^2$ 0.959. Using these CoP profiles, GRFs were estimated with NRMSE 12% and R2 0.894 in vertical direction and NRMSE 9.9% and $R^2$ 0.862 in horizontal direction. Thus, by indirectly estimating the center of pressure through the foot motion, GRF can be estimated by using minimum sensor. If this method is applied to a wearable system, it will be possible to measure the GRF easier during gait.
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.
