Human walking can be explained by McGeer’s passive walker. The passive walker can walk down hill using only gravity energy and can generate human-like locomotion without any control. There is heel-strike impulse every step which loses mechanical energy. For that reason, human uses push-off impulse to compensate the energy loss. The balance of heel-strike and push-off impulses let human walk steadily. However, there is a limitation of push-off impulse which cannot increase according to walking speed. So that, human have to use other energy source to compensate energy loss through gait strategy change from ankle to hip joint.
To verify this hypothesis, we measured ground reaction force and kinematic data during human walking. The ground reaction force gives information of which push-off impulse cannot increase like as heel-strike impulse. The mechanical energy calculated from kinematic data informs that the energy increase during swing phase, and it shows there is another energy input. The results of push-off limitation and of mechanical energy increment tell us that human changes gait strategy in fast walking.
인체의 보행은 높은 에너지 효율을 가진다. 이는 아무런 컨트롤 없이 중력에너지만으로 경사면을 걸어 내려갈 수 있는 수동보행(passive walking) 연구를 통하여 입증할 수 있다. 인체의 보행은 밀어내기충격(push-off impulse)을 이용하여 발꿈치 충격(heel-strike impulse)에 의한 에너지 손실분을 보충하면서 안정적인 걸음을 걷는다. 그러나 발목관절 토크의 크기에 의해 결정되는 밀어내기충격은 보행 속력의 증가에 따른 발꿈치충격 증가에 완전하게 대응하지 못하는 한계가 있다. 그리하여 빠른 보행속력에서 밀어내기충격으로는 불충분하던 것을 고관절 토크가 추가적인 에너지원으로 작용하여 보완해주는 보행전략변화를 보일 것으로 생각하였다.
이를 검증하기 위하여 피험자동의서에 서명한 피험자의 자기선택(self-selected) 보행속력과 최대 보행속력을 기준으로 5개의 보행속력을 가지는 보행속력세트를 정하였고, 5개의 세트를 겹치지 않는 범위 내에서 무작위 순서로 실험을 하였다. 각각의 실험마다 보행시 발생하는 지면발력과 운동정보를 측정하였다.
이와 같은 방법으로 얻은 지면반력을 통하여 밀어내기충격이 보행속력에 따라 증가하지 못하고 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 피험자의 운동정보를 통하여 외발지지단계(Single support phase) 중에 무게중심의 역학적 에너지가 증가하는 사실을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 위의 결과를 통하여 보행속력이 빨라짐에 따라 밀어내기충격을 위주로 사용하는 발목관절전략(ankle strategy)에서 고관절 토크를 사용하는 고관절전략(hip strategy)으로 보행전략이 바뀌는 것을 알 수 있었다.
