Gait mechanics is the study that examines the relationship between the forces and the motion during walking. Whereas many of previous studies focused on the joint kinematics during walking, recent trend of gait research introduced the human walking in view of point mass and related forces and works. Findings include that the energetically optimal gait occurs when the heel strike collision loss is fully compensated by the push-off propulsion during the double support phase, and this is observed for young healthy subjects at various gait speeds. The force and the motion of multi-joint, multi-actuated human locomotion could be well demonstrated by the passive oscillatory motion of the spring loaded inverted pendulum (SLIP) model for various gait speeds of the young and the elderly. Recently there are several engineering attempts to design wearable robot/walking assistive devices based on human walking mechanism, such as energetically optimal walking and/or springy legged bipedal walking. However, if we consider that one of the possible dominant customers who would have the benefit of walking assistive devices would be either the patients with gait related disease or the disabled, then the questions should be asked whether the previous observed gait mechanics observed from healthy young subjects could be also observed from the elderly or patients with gait related diseases. In general, most of the gait simulation model assumes symmetry between steps, in leg configurations, among mechanical parameters involved in the modeling. Therefore in this study, we examined how the gait asymmetry, which is either being generated from biomechanical constraint or physiological constraint, affects the gait mechanics observed from healthy, young subjects and the model with symmetric gait assumption. Biomechanical constraints and its role to gait asymmetry with speed even observed from the young subjects was measured and analyzed in Chapter 2. Major finding of this chapter is that the balance between the collision loss and the propulsion work would be achieved with the expense of gait asymmetry when physiological constraint was applied. Energetic optimality for the elderly the osteoarthritis (OA) patients were examined in Chapter 3. Elderly gait was observed to be energetically optimal, whereas the OA subjects showed greater energetic asymmetry between each step. Optimal gait prediction model was proposed for non-steady gait, and compared with the data of OA subjects. To quantify specifically how and when the non-optimal energetics occurs during the whole gait cycle, we examined the mechanical energy profiles of the young, the elderly and the OA subjects in Chapter 4. Normal subjects showed approximately compensatory relationship between the gravitational potential energy and the kinetic energy having minor effect of the work done by the ground reaction force. However, OA subjects walked with excessive actuation applied throughout the whole gait cycle, implying they walk with more energy. We proposed a concept model of OA subjects walk with continuously actuated compliant bipedal model.
본 논문에서는 인체의 보행역학에서 관찰되는 비대칭 요소들에 대해 고찰 하였다. 보행시 힘과 질량중심의 운동을 재현하거나, 근력의 작용-반작용에 의해 발생하는 지면반력에 의한 역학적 을 고찰함으로써 보행시의 역학특성에 대해서 알아보았다.
보행 시 충돌에 의해 에너지 손실이 발생하는 것을 보상하는 방법은 뒷다리의 추진력에 의한 역학적 일이다. 보행 속도가 빨라질수록 충돌에너지 손실이 커지고, 이를 보상하기 위해 추진력이 더 큰 일을 해야 한다. 하지만 발목의 근육으로 낼 수 있는 근력의 한계로 인하여 고속에서는 저속에서와 같은 보상이 불가하기 때문에 몸무게를 지지하는 수직방향의 일은 비대칭성을 가지더라도 전진방향의 가속을 유발하기 위한 전진방향의 역학적 일의 보상을 확보하는 방식으로 고속보행이 이루어짐을 밝혔다.
일상생활이 가능한 보행관련 질환 중 비대칭 보행특성을 보이는 무릎 골관절염 환자군 및 같은 연령대의 고령자의 보행특성을 고찰하였고 이를 정량화 하기 위해 비대칭 보행시의 역학에너지 예측 모델을 제안하였다. 대칭보행에서 관찰되었던 에너지 관점에서의 최적보행 특성이 무릎 골관절염 환자군 에서는 관찰되지 않았으며, 이는 질환으로 인해 발생하는 근력, 통증 등으로 인한 생리학적 제한조건으로 인해 발생하는 보행 특성의 변화라고 결론지었다.
앞서 언급된 보행 특성 및 보행시의 에너지 특성이 특정한 보행 구간에서의 총 합으로 표현되어 연속적인 보행이 비연속적인 지표로 분석되었으므로, 본 장에서는 시간에 따른 역학적 일의 분포를 고찰하였다. 그 결과, 정상 청년군에서는 근력의 적극적인 구동을 통해 에너지의 주기적인 증감이 이루어지는, 에너지 관점에서 매우 동적인 보행이 이루어지는데 반해, 노인군 및 환자군의 경우에는 에너지 변화 폭이 매우 작고, 스텝이 아닌 스트라이드 단위로 주기성이 발생하는 현상을 보였고, 이는 비대칭 보행 고찰에 있어, 구간별로 나타나는 연속적인 역학지표를 고찰하는 것이 필요하다는 것을 의미한다. 또한 보행시의 에너지 흐름의 증감 및 정상 청년군에 비해 다소 감소된 에너지 증감현상을 보이는 노인군 및 환자군의 보행 시 역학적 일 분포를 고려하기 위해서는 보행 전구간 가진이 이루어지는 능동 탄성각 모델이 필요함을 제안하였고, 역학적 에너지 변화가 없는 기존에 탄성각 모델 및 한발 지지구간에서만 제한적으로 가진이 이루어지는 기존의 능동가진 모델의 한계를 보임으로써 추가적인 에너지 유입 경로를 갖는 지지점 가진 탄성각 모델의 필요성을 보였다.
