The ground reaction force is used as an index to diagnose disease or for dynamic analysis of walking. In the method of measuring the ground reaction force, the wearable system developed for solving the restriction of the space is limited in the long time use in various environments due to the durability of the sensor and the attachment of the equipment.
In this study, we propose a ground reaction force estimation method that requires less space constraints and requires no pedestrian equipment attachment, which uses walking video and a spring walking model that reflects the dynamic characteristics of the lower limb during walking. The position of the waist of the pedestrian was collected from the walking video taken using a single RGB camera and the center of mass was estimated from it. The video was assumed to be taken of the sagittal plane of the walking performed on the treadmill. In order to estimate the center of mass, the symmetry of the walking and the change of the body parts’ mass distribution were considered. The ground reaction force was estimated from the spring walking model that reproduces the center of mass trajectory. For the experimental verification of the proposed estimation method’s result, the ground reaction force was measured on the force plate embedded in the treadmill and compared with the estimated results. The estimated ground reaction force showed errors of NRMS 9.26 ± 2.44% and 10.33 ± 1.39% for vertical and horizontal, respectively.
Since the proposed method does not consider the change of the pedestrian perspective in the video, it is limited to apply to the general even terrain walking. The ground reaction force of the proposed method is expected to be used in the dynamic analysis of pedestrians using a single camera witch has only articulated information. In addition, if a model that can reproduce a disease walking such as asymmetry of ground reaction force is applied, it can be used as a method of deriving a diagnostic index.
지면반력은 질병 진단에 활용 가능한 지표로 사용되거나 보행의 역학 분석에 사용된다. 지면반력을 측정하는 방법 중 공간의 제약이 해소하고자 개발된 착용형 시스템은 센서의 내구성과 장비 부착을 이유로 다양한 환경에서의 장시간 사용에 한계가 있다.
본 연구에서는 보행 중 하지의 동역학 특성을 반영하는 탄성 보행 모델과 보행 영상을 이용하여 공간의 제약이 적고 보행자의 장비 부착이 필요치 않은 지면반력 추정기법을 제안한다. 단일 RGB 카메라를 이용하여 촬영한 보행 영상에서 보행자의 허리 위치를 수집하고 이로부터 무게중심을 유추하였다. 영상은 트레드밀 위에서 수행되는 보행의 시상면의 촬영을 가정하였다. 영상에서 이미지 영역을 추적하는 방법으로 허리 위치를 수집하고, 무게중심을 유추하기 위해 신체의 보행의 대칭성과 질량분포의 변화를 고려하였다. 이 무게중심 궤적을 재현하는 탄성 보행 모델로부터 지면반력을 추정하였다. 제안하는 지면반력 추정기법의 실험적 검증을 위해, 트레드밀에 내장된 힘판에서 지면반력을 측정하고 추정결과와 비교하였다. 추정된 지면반력은 수직수평에 대해 각각 NRMS 9.26 ± 2.44 %, 10.33 ± 1.39 %의 오차를 보였다.
제안한 방법은 영상에서 보행자 원근의 변화를 고려하지 않았기 때문에 보편적인 평지 보행에 적용되기에 한계가 있다. 제안한 방법의 지면반력은 단일 카메라를 사용하였을 때, 다관절 정보만으론 한계가 있는 보행자의 역학 분석에 활용될 것으로 기대된다. 또한 지면반력의 비대칭성과 같은 질환 보행도 재현할 수 있는 모델이 적용된다면, 진단 지표를 도출할 방법으로써 활용될 수 있다.
