In this dissertation, the human posture and gait control adjustability were quantified using dynamic models, in order to understand why changes of control mechanism are required in challenging conditions such as larger perturbation and speed increase.
A quantitative postural control model, consisting of two-segment inverted pendulum with joint torque controller, was employed to explain abnormal postural responses of patients with Parkinson’s disease (PD). We hypothe-sized that postural control impairment of subjects with PD can be quantified as an abnormal scaling of postural feedback gain with increased postural challenges. The results showed that the model simulations can well reproduce postural responses in young, elderly and PD subject groups for a wide range of surface perturbations. Continuous feedback gain scaling was observed for all subject groups, implying that the nervous system automatically adjusts motor output to accommodate changes in biomechanical constraints. Abnormal postural responses of subjects with PD were consistent with smaller than normal ankle feedback gain, larger than normal hip feedback gains, and an inflexible selection of feedback gain as the perturbation conditions change.
As a part of postural control study, we also investigated whether postural responses to back push, as an impulse disturbance, can be described with continuous feedback manner as push size increased. The result showed that the model simulations reasonably well reproduced postural responses for a wide range of push perturbation and the feedback gain scaling was also observed with the increase of push size. In the view of gain scaling, subjects sensitively adjusted their ankle torque related gains to suppress ankle torque generation with-out violating constraints.
A compliant walking model having radial telescoping legs was proposed in order to understand the substantial dynamics of human walking within the framework of energetics. In this study we calculated the dynamic effective leg stiffness and examined the contribution of effective leg stiffness and its change with gait speed to gait dynamics and energetics. Eight subjects walked over-ground at four different gait speeds ranged from natural to maximum gait speed. Dynamic effective leg stiffness was estimated from a damped compliant walking model that best fits the ground reaction force data. To examine the relationship between the effective leg stiffness and gait dynamics, oscillation period of compliant walking model was calculated from damped natural frequency and compared with the duration data of single support phase. To examine the energetic benefits of effective leg stiffness change with speed, propulsion energy stored in the compliant leg was calculated as a function of effective leg stiffness and gait speed. The result showed small damping ratio, implying collision loss is the major energy loss during the gait cycle. The duration of single support phase closely matched with the oscillation period of compliant walking model, which maximizes the propulsion energy released during the double support phase. Effective leg stiffness increased with gait speed to build up greater propulsion energy required at faster gait before collision. Results imply that humans adjust their effective leg stiffness to optimize gait dynamics and their energetics.
본 연구에서는 다이내믹 모델을 이용하여 인체의 자세 균형 및 보행 능력을 제어 조정성 (Control adjustability) 측면에서 정량적으로 나타낼 수 있는 기법을 제안하였다. 제어 조정성이란 인체가 균형을 유지하거나 보행을 지속하기 위해 외란의 크기나 종류, 또는 보행 속도에 따라 제어 방법을 적합하게 바꾸는 능력을 의미한다. 제안된 기법을 통해 직립 자세에 가해지는 외란의 크기가 증가하거나 빠른 속도로 보행해야 할 때 인체의 자세 제어 방식이 어떻게 또는 왜 변화하게 되는지 고찰하였다.
직립 자세에서의 균형유지 기전을 정량적으로 설명하기 위해 두 개의 링크로 구성된 역진자 제어 모델이 도입되었다. 인체의 자세 균형 메커니즘은 감각신호 피드백을 통해 중추신경계가 근육에 운동 명령을 전달하여 움직임 에러를 보정하는 과정으로 이해할 수 있다. 이를 피드백 제어 시스템을 갖는 역진자 모델과 비교하면 센서로부터 상태를 읽어 들여 상태 오차를 계산한 후, 이를 보정하기 위해 보상 토크를 발생 시키는 과정과 유사하다. 이 때, 중추 신경계의 운동 명령은 피드백 제어 시스템의 성능과 안정도 특성을 나타내는 피드백 게인 (Linear time-invariant feedback gain)에 대응될 수 있으며, 게인값은 관절 토크 발생에 각각의 상태 오차가 얼마만큼의 기여를 하게 되는지를 나타낸다. 따라서, 외란의 크기에 따른 상?하체의 움직임 및 관절 토크의 발생을 역진자 모델을 통해 재현한 후 피드백 게인값의 변화를 관찰하면, 제어 조정성 측면에서 인체의 자세 전략 변화를 설명할 수 있게 된다. 제안된 기법을 이용하여 청년군, 노인군, 파킨슨 환자군의 지지면 외란 (support surface translation)에 대한 균형 응답 특성을 비교 분석 하였으며, 파킨슨 환자군의 비정상적 균형 응답 특성 (Postural abnormality)이 유연하지 못한 자세 전략 변화에서 기인하는 것임을 피드백 게인값의 변화 (Feedback gain scaling)를 통해 설명하였다 (in chapter 2). 또한, 지지면 미끄러짐과는 달리 후방에서 상체에 직접적으로 충격 (Back push)이 가해졌을 때 외란의 크기 증가에 따른 청년군의 자세 전략 변화를 정량화하였다 (in chapter 3).
속도가 증가함에 따라 인체의 보행 전략이 어떻게 바뀌게 되는지 정량적으로 설명하기 위해 무게중심 (CoM), 스프링 (Spring), 댐퍼 (Damper), 곡선형 발 (curved foot)로 구성된 보행 모델 (Compliant walking model)을 제안하였다 (in chapter 4). 곡선형 발은 보행시 압력중심 (CoP)의 이동을 모사하기 위해 도입 되었으며, 스프링과 댐퍼는 각각 다리의 강성 (Effective leg stiffness)과 댐핑 (damping)에 대응 된다. 이 때, 다리 (Effective leg of compliant walking model)는 길이 방향으로 변위를 발생시켜 무릎 관절의 움직임으로 인해 발생하는 무게중심의 궤적을 모사할 수 있게 해준다. 보행시 인체의 무게중심과 지면반력의 궤적을 모델 시뮬레이션을 통해 재현하였으며, 이를 이용해 다리의 강성과 댐핑을 측정하였다. 보행 속도가 증가함에 따라 다리의 강성과 댐핑이 증가하고, 보행 속도에 상관없이 한발 지지 구간 (Single support phase) 의 지속 시간 (duration time)이 다리의 진동 주기와 잘 맞아 떨어지는 현상이 관찰 되었다. 이를 에너지 (Walking energetic) 관점에서 해석하기 위해 보행 모델을 이용하여 보행 속도와 다리의 강성 변화에 따라 충돌 직전에 다리에 저장되는 추진 에너지를 계산하였다. 파라미터 스터디 (Parameter study) 결과 빠른 보행에는 더 많은 추진 에너지가 필요하였으며, 해당 보행 속도에서 추진 에너지를 극대화하는 강성이 모델을 통해 계산된 피험자의 강성과 유사한 값을 지니는 것을 관찰하였다. 이는 충돌 때 사용되는 추진 에너지를 최대화 하기 위해 인체가 보행 속도에 따라 다리의 강성을 조정하는 것으로 해석할 수 있다.
본 연구에서 제안된 자세 균형 및 보행의 제어 조정성 정량화 기법은 노인이나 환자군의 균형 혹은 보행 이상을 모델 파라미터의 변화를 통해 정량적으로 진단할 수 있으며, 나아가 재활이나 훈련을 통해 향상되는 기능의 추이 또한 정량적으로 표현할 수 있을 것으로 기대한다.
