The initial impact at foot strike is produced by a slider type mechanical model, which can be measured using a force platform to evaluate various shoes. The lower extremity and foot motion was filmed by a 16mm high speed movie camera and several points on the rear half of the shoe and those near the trochanter and the lateral epicondyle were digitized to provide the linear and angular positions and velocities during impact. With these observed kinematics, a slider type foot strike simulator composed of guide rail and sliding dummy is designed. The simulator system makes the artificial foot of the dummy with running shoe on it to follow the foot strike motion. The dummy has the relevant mass-spring-damper system modeled after McMahon's. The motion of the model is drived by the gravity force and the generated motion alone with the ground reaction forces are monitored by the same procedures afore mentioned producing the initial foot strike impact similar to the onto observed in human gait.
This study validated the musculoskeletal model of the human lower extremity by comparative study between calculated muscle parameters through simulation using modified hill-type model and measured them through isokinetic exercise. And the relationship between muscle forces and moments participated in motion was quantified from the results of simulation. For simulation of isokinetic motion, a three-dimensional anatomical knee model was constructed using trials of gait analysis and the EMG-force model was used to determine muscle activation level exciting muscles. The modified Hill-type model was used to calculate individual muscle forces and moments in dynmaic analysis and the results were validated by comparing them of experiments on BIODEX. The results showed that there was a high correlation between calculated torques from simulation and measured them from experiments for isokinetic motion(R=0.97). Therefore we concluded that the simulation by using musculoskeletal model was so useful means to predict and convalesce musculoskeletal-related diseases, and analyze unrealizable experiment such as clash condition.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.17
no.8
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pp.814-823
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2011
Nowadays many neurological diseases such as stroke and Parkinson diseases are continually increasing. Orthotic devices as well as exoskeletons have been widely developed for supporting movement assistance and therapy of patients. Robotic knee orthosis can compensate stiff-knee gait of the paralyzed limb and can provide patients consistent assistance at wearable environments. With keeping a robotic orthosis wearable, however, it is not easy to develop a compact and safe actuator with fast rotation and high torque for consistent supports of patients during walking. In this paper, we propose a novel kinematic model for a robotic knee orthosis to drive a knee joint with independent actuation during swing and stance phases, which can allow an actuator with fast rotation to control swing motions and an actuator with high torque to control stance motions, respectively. The suggested kinematic model is composed of a hamstring device with a slide-crank mechanism, a quadriceps device with five-bar/six-bar links, and a patella device for knee covering. The quadriceps device operates in five-bar links with 2-dof motions during swing phase and is changed to six-bar links during stance phase by the contact motion to the patella device. The hamstring device operates in a slider-crank mechanism for entire gait cycle. The kinematics and velocity/force relations are analyzed for the quadriceps and hamstring devices. Finally, the adequate actuators for the suggested kinematic model are designed based on normal gait requirements. The suggested kinematic model will allow a robotic knee orthosis to use compact and light actuators with full support during walking.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.4
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pp.431-437
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2010
The purpose of this study is to compute the ground reaction forces during gait in the absence of force plates. The difficulties in using force plates for hemiparetic patients inspired us to initiate this study. Level-walking experiments were performed using a three-dimensional motion analysis system with synchronized force plates. Kinematic data were obtained from the three-dimensional trajectories of reflective markers. Gait events were also detected from the kinematic data. The human body was modeled as 13 rigid segments. The mass and the center of mass of each segment were determined from anthropometric data. Vertical ground-reaction forces obtained from the kinematic data were in good agreement with those obtained using the force plate. The computed and measured values of anterior and lateral ground reaction showed similar tendencies. The computation results can be used as the basic data for inverse dynamic analysis.
Most of 3D character animation adjusts the gait of their characters for various terrains, using motion capture data through the motion capture equipments. This motion capture data can be naturally presented as real human motions, which are to be adjusted according to the various types of terrain. In addition, there would be a difficulty applying motion capture data for other characters in which the motion data will be captured again or edited for the existing motion data. Therefore, this paper proposes a method that is to generate walking motion for various terrains, such as flat, inclined plane, stair, and irregular face, and a method that is to calculate the trajectory of the swing leg and pelvis. These methods are able to generate various gaits controlled by the parameters of body height, walking speed, stride, etc. In addition, the positions and angles of joint can be calculated by using inverse kinematics, and the cubic spline will be used to calculate the trajectory of the joint.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.34
no.6C
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pp.593-603
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2009
In this paper, we propose a new integrated computer vision system designed to track multiple human beings and extract their silhouette with an active stereo camera. The proposed system consists of three modules: detection, tracking and silhouette extraction. Detection was performed by camera ego-motion compensation and disparity segmentation. For tracking, we present an efficient mean shift based tracking method in which the tracking objects are characterized as disparity weighted color histograms. The silhouette was obtained by two-step segmentation. A trimap is estimated in advance and then this was effectively incorporated into the graph cut framework for fine segmentation. The proposed system was evaluated with respect to ground truth data and it was shown to detect and track multiple people very well and also produce high quality silhouettes. The proposed system can assist in gesture and gait recognition in field of Human-Robot Interaction (HRI).
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.11
no.1
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pp.58-66
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2005
Usual human gait can be modeled as continual impact phenomenon that happens due to the topological change of the kinematic structure of the two feet. The human being adapts his own control algorithm to minimize the ill effect due to the collision with the environment. In order to operate a Humanoid robot like the human being, it is necessary to understand the physics of the impact and to derive an analytical model of the impact. In this paper, specially, we focus on impact analysis of the kicking motion in playing soccer. At the instant of impact, the external impulse exerted on the ball by the foot is an important property. Initially, we introduce the complete external impulse model of the lower-extremity of the human body and analyze the external impulses for several kicking postures of the lower-extremity. Secondly, a trajectory-planning algorithm of a ball, in which the initial velocity and the launch angle of the ball are calculated for a desired trajectory of the ball, will be introduced. The aerodynamic effect such as drag force and lift force is also considered. We carry out numerical simulation and experimentation to verify the effectiveness of the proposed analytical methodology.
Objective : The purpose of this study was to investigate difference in fascicle behavior of the medial gastrocnemius during the locomotion with varying intensities, such as gait and one-legged and two-legged vertical jumping. Methods : Six subjects (3 males and 3 females; age: $27.2{\pm}1.6yrs.$, body mass: $62.8{\pm}9.8kg$, height: $169.6{\pm}8.5cm$) performed normal gait (G) at preferred speed and maximum vertical jumping with one (OJ) and two (TJ) legs. While subjects were performing the given tasks, the hip, knee and ankle joint motion and ground reaction force was monitored using a 8-infrared camera motion analysis system with two forceplates. Simultaneously, electromyography of the triceps surae muscles, and the fascicle length of the medial gastrocnemius were recorded using a real-time ultrasound imaging machine. Results : Comparing to gait, the kinematic and kinetic parameters of TJ and OJ were found to be significantly different. Along with those parameters, change in the medial gastrocnemius (MG) muscle-tendon complex (MTC) length ($50.57{\pm}6.20mm$ for TJ and $44.14{\pm}5.39mm$ for OJ) and changes in the fascicle length of the MG ($18.97{\pm}3.58mm$ for TJ and $20.31{\pm}4.59mm$ for OJ) were observed. Although the total excursion of the MTC and the MG fascicle length during the two types of jump were not significantly different, however the pattern of length changes were found to be different. For TJ, the fascicle length maintained isometric longer during the propulsive phase than OJ. Conclusion : One-legged and two-legged vertical jumping use different muscle-tendon interaction strategies.
Journal of rehabilitation welfare engineering & assistive technology
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v.6
no.2
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pp.9-14
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2012
In this study, an advanced knee joint for active prosthesis leg driven by a linear actuator is suggested. The structure of knee joints of existing active prosthesis legs consists of three links. This kind of linkage requires large torque to drive the active prosthesis legs. Thus a new linkage structure is suggested to solve such problem in this paper. Motion characteristics of the suggested linkage are examined in the simulation. The motion simulation results show that the proposed linkage is able to imitate human gait cycles with the half of linear actuator speed in existing linkages.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.31
no.10
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pp.913-922
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2014
This paper describes design of a robotic above-knee prosthetic leg which is powered by electrical motors. As a special feature, the robotic prosthetic leg has enough D.O.F.s. For mimicking the human leg, the robotic prosthetic leg is composed of five joints. Three of them are called 'active joint' which is driven by electrical motors. They are placed at the knee-pitch-axis, the ankle-pitch-axis, and the an! kle-roll-axis. Every 'active joint' has enough torque capacity to overcome ground reaction forces for walking and is backlashless for accurate motion generation and high-performance balance control. Other two joints are called 'passive joint' which is activating by torsion spring. They are placed at the toe part and designed by Crank-rocker mechanism using kinematic design approach. In order to verify working performance of the robotic prosthetic leg, we designed a gait trajectory through motion capture technique and experimentally applied it to the robot.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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