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가속 보행 동역학의 에너지 해석 및 보행 전략 규명 = An analysis of walking strategy and energetics of the accelerated walking
서명 / 저자 가속 보행 동역학의 에너지 해석 및 보행 전략 규명 = An analysis of walking strategy and energetics of the accelerated walking / 오건영.
저자명 오건영 ; Oh, Keon-Young
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2012].
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Human gait is widely studied to find out its high-efficiency mechanism. For steady-state walking, it is known that most of energy input and loss occur during double support phase. Such walking strategy and energy efficiency are explained by collisional model. However, the energetics and strategy of accelerated walking have not been found so it is need to be studied. For accelerated walking, 7 healthy and young subjects walked in walkway and then, kinematic and GRF data was collected. From empirical data, the characteristics of accelerated walking were found. To explain the strategy, accelerated walking model was suggested by using gravitational impulse model. The model can predict theologically optimal push-off impulse and its efficiency minimizing total energy input with varying gait speed and acceleration ratio. From the results, gait acceleration during double support by push-off is effective strategy like steady-state walking but it needs too large push-off impulse and such a push-off impulse may be impossible physiologically. So another possible strategy of acceleration due to limited push-off impulse was assumed and compared to the experimental results. From empirical data, it was found that push-off impulse has much smaller magnitude than that in theologically optimal accelerated walking. Therefore, push-off impulse cannot make up the all energy required to accelerate so additional energy input is required during single support phase. Similar to such analysis, almost acceleration occurs during single support phase in experiments. The accelerated model which can predict the optimal gait acceleration strategy was suggested. And also, different acceleration strategy which is acceleration during single support phase and its reason were found from empirical data and the model.

인간의 보행은 에너지 효율 측면에서 높은 효율을 가지고 있으므로, 이를 분석 및 응용하여 하지 착용 형 로봇이나 보행로봇에 적용할 경우 큰 이점이 있다. 이러한 장점 때문에 인간의 보행은 에너지 효율 측면에서 많이 연구 되어 왔다. 정상상태 보행 시 역학에너지 변화에 대해서, 양 발 지지 구간의 중요성이 강조되어 왔다. 이는 양 다리 지지 구간에서 밀어내기에 의한 에너지 유입과 뒤꿈치 충돌에 의한 에너지 소실이 평형을 이루며, 보행의 약 80%를 차지하는 한 다리 지지 구간에서는 에너지 소모가 거의 없기 때문이다. 이러한 내용은 단순 역 진자 모델을 통하여 설명 되었으며, 실험을 통해서 한 다리 지지 구간에서 대사 에너지 소모가 거의 없다는 것이 밝혀졌다. 그러나 가속 보행에서의 에너지 역학 및 보행 전략에 대해서 연구된 바가 부족하다. 또한 실생활 속에서 등속 보행뿐 아니라 가 감속 보행의 빈도가 높은 것을 생각해 보면, 가속보행 분석은 의미 있는 연구라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 가속보행 시 운동역학 및 역학에너지를 분석하는 동시에, 가속 보행을 모사하며 에너지 효율을 분석할 수 있는 모델을 수립한다. 그리고 모델을 통한 예측과 실험 결과를 비교하여 가속 보행 전략을 규명한다. 실험은 총 7명의 피험자가 등 가속 운동하는 가속 보조 기구를 따라 가속 보행하는 방법과, 또 스스로 선택한 가속도로 가속 보행하는 방법으로 이루어졌다. 동시에 적외선 카메라를 이용하여 각 관절의 위치 정보 및 힘 판을 통한 지면 반력 정보를 수집하였다. 그 결과, 가속 시 한 다리 지지 구간에서 대부분의 운동에너지가 증가하지만, 양 발 지지구간에서는 그 변화가 작다는 것을 알 수 있었다. 또한 보행 속도가 증가할수록 지면 반력의 수직, 수평 방향 모두 최대 값이 증가하였다. 충돌 모델을 통하여 가속 보행 모델을 수립한 결과, 정상 상태 보행과 마찬가지로 에너지 입력이 최소가 되는 보행은 양 발 지지 구간에서 대부분의 에너지가 유입되는 것이다. 그러나 이러한 보행은 같은 조건의 정상 상태 보행 대비 약 2배의 밀어내기 충격량을 필요로 하며, 이는 생리학적으로 불가능할 수 있다. 따라서 양 발 지지 구간에서 충분한 충격량 및 에너지를 내지 못하는 경우를 가정하여 분석하였고, 실험 결과도 이와 일치하였다. 따라서 인체의 가속 보행 전략은 제한적인 발목 밀어내기로 인하여 이론적인 최적 가속 보행과 다르며, 양 발 지지 구간 외에 한 발 지지 구간에서도 디딤 다리를 이용하여 가속한다고 할 수 있다.

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청구기호 {MME 12006
형태사항 64 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Keon-Young Oh
지도교수의 한글표기 : 박수경
지도교수의 영문표기 : Su-Kyung Park
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p.55-57
주제 가속 보행
충돌 모델
보행 전략
발목 밀어내기
accelerated gait
gravitational impulse model
gait strategy
push-off impulse
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