Objective : The purpose of this study was to investigate the changes of gait patterns and muscle activations with increased loads during stair walking. Also, it can be used as descriptive data about continuous stair walking in a real life setting. Method : Twelve sedentary young male adults(Age: $27.0{\pm}1.8yrs$, Weight: $65.8{\pm}9.9kg$) without any lower extremity injuries participated in this study. Participants performed stair walking up 7 floors and their ascending and descending motion on each floor was analyzed. A wireless electromyography(EMG) were attached on the Rectus Femoris(RF), Biceps Femoris(BF), Gastrocnemius(GN), Tibialis Anterior(TA) muscle to calculate integrated EMG(iEMG), median frequency(MDF) and co-contraction index(CI). Chest and left heel accelerometer signal were recorded by wireless accelerometer and those were used to calculate approximate entropy(ApEn) for analyzing gait pattern. All analyses were performed with SPSS 21.0 and for repeated measured ANOVA and Post-hoc was LSD. Results : During ascending stairs, there were a statistically significant difference in Walking time between 1-2nd and other floors(p=.000), GN iEMG between 2-3th and 6-7th(p=.043) floor, TA MDF between 1-2nd and 5-6th(p=.030), 6-7th(p=.015) floor and TA/GN CI between 2-3th and 6-7th(p=.038) floor and ApEn between 1-2nd and 6-7th(x: p=.003, y: p=.005, z: p=.006) floor. During descending stairs, there were a statistically significant difference in TA iEMG between the 6-5th and 3-2nd(p=.026) floor, and for the ApEn between the 1-2nd and 6-7th(x: p=.037, y: p=.000, z: p=.000) floor. Conclusion : Subjects showed more regular pattern and muscle activation response caused by regularity during ascending stairs. Regularity during the first part of stair-descending could be a sign of adaptation; however, complexity during the second part could be a strategy to decrease the impact.
본 논문은 계단 보행 조건에서 작동할 수 있는 능동형 대퇴의지를 설계하고 구조 최적화를 통해 경량화를 진행하는 것을 목적으로 한다. 계단 보행 시 무릎에 걸리는 토크는 일반 보행에 비해 크므로 능동형 상대적으로 큰 토크를 낼 수 있는 동력 시스템이 필요하다. 또한 의지의 무게는 사용자의 착용감과 피로감과 연관이 되므로 의지의 경량화 설계 또한 필수적이다. 계단 보행 시 필요한 토크를 만들어내고 경량화와 소형화 구조를 적용하기 위해 플랫형 BLDC 모터를 사용하였다. 다양한 감속 장치를 이용해 필요 토크를 생성하고 작동각도 및 속도를 만족할 수 있게 감속비를 선정하였다. 구조 및 구동부 설계가 완료된 후 최적화를 통해 구조 경량화를 수행하였다. 계단 보행 시 나타나는 하중 조건을 고려하여 최적화를 수행하였으며, 해석 및 실험을 통해 최적화된 구조의 안정성을 검증하였다. 결과적으로 구조물의 강성은 유지하면서 위상 최적화와 형상 최적화를 통하여 무게를 감량하였으며, 공간 효율이 좋아졌다.
Jang-hoon Shin;Hye-Kang Park;Joonyoung Jung;Dong-Woo Lee;Hyung Cheol Shin;Hwang-Jae Lee;Wan-Hee Lee
Physical Therapy Rehabilitation Science
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제11권4호
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pp.478-487
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2022
Objective: This study was conducted to analyze the effect of wearable complex muscle support system on energy efficiency during walking in elderly. Design: Cross sectional study Methods: Twenty healthy elderly participated in this study. All subjects performed a 6 minuteswalk test(6MWT) and stair climbing test in dual, slack and no suit conditions. In each condition, oxygen consumption(VO2), metabolic equivalents(METs), energy expenditure measures(EEm), physiological cost index(PCI), walking velocity and heartrate were measured. Through repeated measured ANOVA, it was investigated whether there was a statistically significant difference in the measurement results between the three conditions. Results: In over-ground walking, VO2, METs and EEm showed significant differences between no suit and slack conditions(p<0.05). In stair climbing, VO2 showed significant difference between slack and dual conditions(p<0.05). Also, METs and EEm showed significant differences between no suit and slack, and between slack and dual conditions(p<0.05). Conclusions: Wearing the wearable complex muscle support system for elderly does not have much benefit in energy metabolism efficiency in over-ground, but there is a benefit in stair walking.
Purpose: The purpose of this study is to compare lower extremity muscle activities and ankle joint angles between different foot strike patterns (forefoot strike, heelfoot strike) during stair ascent walking. Methods: The subjects of this study were 22 males who walked in each foot strike pattern on ascent stairs at a speed of 85 beats/min. During stair walking with the two types of foot strike patterns, the muscle activities of the rectus femoris, tibialis anterior, medial gastrocnemius, hamstring, and gluteus medius were measured. Additionally, ankle joint angles for inversion, eversion, dorsi flexion, and plantar flexion were recorded. Each participant underwent the experiment three times, with the foot strike pattern randomized. Results were averaged according to the foot strike pattern. Results: Significant differences in ankle angles were observed across all phases according to foot strike pattern. Muscle activities in the lower extremities showed significant differences in all phases except the swing 1 phase. Moreover, differences in foot movement trajectory were noted depending on the foot strike pattern. Conclusion: Walking on ascent stairs elicited differences in lower extremity muscle activities and ankle joint angles based on foot strike pattern. These findings can serve as foundational data for selecting a suitable foot strike pattern tailored to individual patient conditions when training patients in walking on ascent stairs.
외골격 보행보조로봇은 로봇 시스템을 인체에 직접 착용하는 형태이므로 기구적인 측면에서는 인체 근골격 구조에 최적화된 메커니즘으로 구성되어야 하며, 제어적인 측면에서는 근골격계의 손상을 일으킬 수 있는 로봇의 부적합한 거동을 예방할 수 있는 안전장치를 갖추어야 한다. 외골격 보행보조로봇을 개발하기 위해서는 보행이나 근골격계의 거동특성에 대한 이해 및 분석이 필요하다. 본 연구에서는 최적화된 로봇시스템 설계를 위하여 구동장치의 관절력과 동력 용량을 예측하였으며 몇 가지 보행동작에 대한.관절거동특성을 파악할 수 있는 자료를 획득하였다. 평지보행을 제외한 나타나는 주요한 동작으로는 계단오르고 내리기, 안기, 서기, 경사면 걷기 등이 있다. 본 연구에서는 경사면 걷기를 제외한 모든 동작에 대한 동작 실험을 수행하고 분석하였다.
Ahn Seung Chan;Hwang Sung Jae;Kang Sung Jae;Kim Young Ho
대한의용생체공학회:의공학회지
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제26권3호
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pp.145-150
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2005
A new gait detection system using both FSR (force sensing resistor) sensors and a gyrosensor was developed to detect various gait patterns. FSR sensors were put in self-designed shoe insoles and a gyrosensor was attached to the heel of a shoe. An algorithm was also developed to determine eight different gait transitions during four gait phases: heel-strike, foot-flat, heel-off and swing. The developed system was evaluated from nine heathy mans and twelve hemiplegic patients. Healthy volunteers were asked to walk in various gait patterns: level walking, fore-foot walking and stair walking. Only the level walking was performed in hemiplegic patients. The gait detection system was compared with a optical motion analysis system and the outputs of the FSR sensors. In healthy subjects, the developed system detected successfully more than $99\%$ for both level walking and fore-foot walking. For stair walking, the successful detection rate of the system was above$97\%$. In hemiplegic patients, the developed system detected approximately 98% of gait transitions. The developed gait phase detection system will be helpful not only to determine pathological gait phases but also to apply prosthetics, orthotics and functional electrical stimulation for patients with various gait disorders.
The purpose of this study is to evaluate the effects of the lower extremities patterns in proprioceptive neuromuscular facilitation to the gait and stair up of the hemiplegic stroke patient. the patient was taken lower extremities patterns in porprioceptive neuromuscular facilitation with 5 times per week for 8 weeks. The results were as followings ; 1. The walking times was decreased from 78 seconds to 39 seconds at 20m, 2. The stride length was increased from 48.3cm to 93.3cm. 3. The step length was increassed from 25.2cm to 47.2cm. 4. The stair up was increased from 3.2cm to 15.5cm.
Biomechanical can physchological approaches have provided the optimum stair dimensions but physiological approach has never been used in assessing the common method of assessing the optimum stair dimension. Therefore, this study was conducted to investigate the validity of the physiological measure of heart rate in assessing the optimum stair dimensions. Sixteen subjects were asked to walk up three different stairs with their normal walking speed. The results showed that the physiological approach with the heart rate difference was found to be valid in assessing the optimum stair dimension. The optimum stair dimension from this study (riser length for 185 mm and tread length for 310 mm) was chosen because it was similar to optimum dimension by the psychological approach (Irvine et al., 1990).
Purpose : The purpose of this study was to investigate the influence on the ground reaction force parameters according to wearing positions of backpack for during stair ascending and descending. Methods : Participants selected as subject were consisted of young female(n=10) and performed stairs walks(ascending and descending) with 2 types of wearing position(front of trunk[FT], rear of trunk[RT]). Passive(Fz 1) and active(Fz 2) forces of the vertical GRF were determined from time function and frequency domain. Also shear forces(Fx, Fy 1, Fy 2), dynamic postural stability index(MLSI, APSI, VSI, DPSI), loading rate and center of pressure (${\Delta}COPx$, ${\Delta}COPy$, COP area) were calculated from time function and frequency domain. Results : Fx, Fy 1, Fy 2, and Fz 1 in GRF didn't show significant differences statistically according to the wearing positions of backpack(p>.05), but stair descending showed higher forces than that of stair ascending. Particularly, Fz 2 of stair ascending showed higher forces than that of stair descending(p<.001), RT types showed higher than that of FT types(p<.05). MLSI, APSI, VSI, and DPSI of stair descending showed the increased stability index than that of stair ascending(p<.05), MLSI of RT types showed the decreased stability index than that of FT types(p<.05). Loading rate didn't show significant differences statistically according to the wearing positions of backpack(p>.05), but stair descending showed higher loading rate than that of stair ascending(p<.001). Also, ${\Delta}COPx$ in stair descending showed the increased movement than that of stair ascending(p<.05). Conclusions : A backpack of 10 kg(10 kg(ratio of body weights $17.61{\pm}1.17%$) showed significantly change GRF parameters according to wearing positions during stair ascending and descending. If possible, we suggest that the dynamic stability, in case of stairs walking with a smaller weights can be further improved.
In this study, a new gait phase detection system using both FSR(Force Sensing Resister) sensors and a gyrosensor was developed to detect various gait patterns. FSR sensors were put in self-designed shoe insoles and a gyrosensor was attached to the posterior aspect of a shoe. An algorithm was also developed to determine eight different gait transitions among four gait phases: heel-strike, foot-flat, heel-off and swing. The developed system was compared with the conventional gait phase detection system using only FSR sensors in various gait experiments such as level walking, fore-foot walking and stair walking. In fore-foot walking and stair walking, the developed system showed much better accuracy and reliability to detect gait phases. The developed gait phase detection system using both FSR sensors and a gyrosensor will be helpful not only to determine pathological gait phases but to apply prosthetics, orthotics and functional electrical stimulation to patients with gait disorders.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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