Spring loaded inverted pendulum (SLIP) model represents human center of mass (CoM) dynamics in walking. The spring stiffness can characterize human walking behavior with gait speed. Due to the well-representative walking dynamics, SLIP model was served as mechanical framework to understand human walking. To improve mechanical representability, previous researchers have focused on quantitative reproduction of CoM dynamics. However, SLIP model cannot explain the movement of lower limb that induces CoM dynamics. Moreover, SLIP model cannot explain dynamics of full gait cycle, due to the lack of swing leg. Thus, in this study, we expanded SLIP models that demonstrates one joint of lower limb dynamics as well as CoM dynamics to explain the movement of lower limb and that describes the movement of both stance and swing leg continuously to explain the dynamics of full gait cycle. To demonstrate movement of lower limb, we proposed compliant off-centered curvy foot with SLIP model by reflecting asymmetric motion and torque of ankle. To reproduce the dynamics of full gait cycle, we proposed bi-compliant walking model that has different spring parameter at each phase. The compliant off-centered curvy foot with SLIP model could reproduce ankle joint motion and torque as well as CoM motion, and lower limb movement could obtain from these motion information using inverse kinematics. Bi-compliant model could maintain gait cycle with its own dynamics and the dynamics of gait cycle was similar to data. Expanded SLIP model could describe the movement of multi-segmental lower limb and the movement of leg during gait cycle and this implies that lower limb motion during walking can be understood with a mechanics-dominant framework. We examined the execution of multi-segmental lower limb using SLIP model dynamics by coupling the motion of SLIP model and multi-segmental model. Also, we applied the model to wearable gait monitoring system for estimation of lower limb motion from the measured CoM motion using the mechanical link between CoM motion and lower limb motion of the proposed model. This mechanical link allowed the system to use minimum number of sensor and make the system compact. We expect that the expanded SLIP model could be helpful in research area that needs understanding of human walking, such as bipedal robotics and exoskeletons.
다관절, 다근육의 복잡한 제어 관점으로 보행을 이해하려던 연구 방식과 달리 질량 중심 관점의 모델 개발로 인하여 간단한 역학으로 보행을 쉽게 이해하는 것이 가능해졌다. 더욱이 점 질량과 스프링으로 이루어진 탄성 모델은 질량 중심의 운동과 그 힘의 개형을 재현하기에, 스프링 강성을 통한 보행의 이해가 더 깊어졌다. 하지만, 탄성 모델은 지지다리 기준의 질량 중심 역학을 설명하기 때문에, 실제로 질량 중심 운동을 생성하는 다관절 하지의 운동과 회전 다리와 지지다리의 교차로 진행되는 보행 전 구간의 다리 운동에 대한 역학적 이해는 여전히 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는, 지지다리의 하지 관절 운동의 역학적 이해와 보행 전 구간 다리 운동의 역학적 이해를 높이기 위하여, 기존의 탄성 모델의 기계적 특성을 토대로, 질량 중심 외에 지지다리의 한 관절의 역학과 지지다리와 회전 다리의 역학을 연속적으로 재현하는 모델을 개발하고자 한다. 하지 관절 운동을 재현하는 연구로 발목 운동을 관찰하고 발목의 구조를 반영한 탄성 편심 원형 발을 제안하고 이를 탄성 모델에 결합하였다. 보행 전 구간의 역학을 재현하는 연구로는 회전 다리의 길이 변화를 관찰함으로써 보행 구간 별로 특성이 상이한 이중 탄성 모델을 제안하였다. 탄성 편심 원형 발 모델은 보행 시의 질량 중심 운동뿐 아니라 발목의 궤적도 재현하였으며, 두 운동 정보를 바탕으로 역운동학을 이용하여 다관절의 하지 운동 정보도 재현하였다. 이중 탄성 모델은 제어 기법 없이 자체적으로 발 궤적을 생성하고 보행을 지속할 뿐 아니라 보행 전 구간의 역학을 재현하였다. 다관절의 하지 운동과 보행 전 구간의 다리 운동이 탄성 모델로 재현되었다는 것은 하지 운동이 기계적인 특성이 우세한 운동으로 이해할 수 있음을 의미한다. 이러한 특징을 바탕으로 탄성 모델의 지배방정식과 다관절 모델의 운동방정식을 결합하여 질량 중심이 탄성으로 움직이기 위한 다관절의 구동방식을 살펴보았다. 또한 본 연구에서 제안하는 모델이 질량 중심의 운동과 나머지 하지 운동을 역학 모델로 연결시키기에, 본 모델을 웨어러블 보행 모니터링 시스템에 적용하여 질량 중심의 운동 정보만으로 다관절의 하지 운동을 추정하였다. 이는 센서 사용의 최소화를 가능하게 함으로써 보행 모니터링 시스템을 간편화했다는 것에 의의가 있다. 본 연구에서는 제안하는 모델을 보행 모니터링 시스템에 적용하였지만 이족 로봇의 보행 제어 설계 및 보행 보조기 설계 시에도 활용될 것으로 기대된다.
