Passive dynamic walking exhibits humanoid and energy efficient gaits. However, optimal design of passive walker at multi-variable level is not well studied yet. This paper presents a Chaotic Particle Swarm Optimization (CPSO) algorithm and applies it to the optimal design of flexible passive walker. Hip torsional stiffness and damping were incorporated into flexible biped walker, to imitate passive elastic mechanisms utilized in human locomotion. Hybrid dynamics were developed to model passive walking, and period-one gait was gained. The parameters global searching scopes were gained after investigating the influences of structural parameters on passive gait. CPSO were utilized to optimize the flexible passive walker. To improve the performance of PSO, multi-scroll Jerk chaotic system was used to generate pseudorandom sequences, and chaotic disturbance would be triggered if the swarm is trapped into local optimum. The effectiveness of CPSO is verified by comparisons with standard PSO and two typical chaotic PSO methods. Numerical simulations show that better fitness value of optimal design could be gained by CPSO presented. The proposed CPSO would be useful to design biped robot prototype.
Objective: The study aimed to develop a functional performance index that evaluates the functional performance of Parkinson's patients, i.e., to integrate biomechanical measurements of walking, balance, muscle strength and tremor, and to use multiple linear regression with stepwise methods to identify the most suitable predictors for the progression of disease. Method: A total of 60 subjects were tested for sub-variables of four factors: walking, balance, isometric strength and hand tremors. Potential independet variables were extracted through correlation analysis of the sub-variables and dependent variables, Hoehn & Yahr scale. And then, a stepwise multiple regression analysis using the potential independent variables was performed to identify predictor of Hoehn & Yahr scale. Results: First, the results of the study showed that physical composition and gait had a relatively more correlated with the progression of the disease, compared to balance and hand tremor. Second, Parkinson's functional performance is characterized by dynamic pattern of walking, such as foot clearance and turning angle (TA) of walking, and a high-explained regression model is completed. Conclusion: The study emphasized the importance of walking variables and body composition in minor pathological features compared to Parkinson's patient's balancing ability and hand tremor. Specifically, it revealed that dynamic walking patterns functionally characterize patients. The results are worth considering when assessing functional performance related to the progression of the disease at the site.
It is well known that the geometry of the articular surface has a major role in determining the position of articular contact and the lines of action for the contact forces. The contact force calculation of the knee joint under the effect of sliding and rolling is one of the most challenging issues in this field. We present a 3-D human knee joint model including sliding and rolling motions and major ligaments to calculate the lateral and medial condyle contact forces from the recovered total internal reaction force using inverse dynamic contact modeling and the Least-Square method. As results, it is believed that the patella, muscles and tendon affect a lot for the internal reaction forces at the initial heel contact stage. With increasing flexion angles during gait, the decreasing contact area is progressively shifted to the posterior direction on the tibia plateau. In addition, the medial side contact force is larger than the lateral side contact force in the knee joint during normal human walking. The total internal forces of the knee joint are reasonable compared to previous studies.
본 논문에서는 보행 로봇의 자세 안정화 및 동적 걸음새를 구현하였다. 10개의 RC 서보모터가 로봇 관절에 사용되었고, 각 로봇의 관절은 어떤 걸음새 동작에도 충분히 움직일 수 있게 하였다. 각 관절 궤적은 3차 스플라인 보간법에 의해 생성되며, 궤적의 안정성은 로봇 모델링에 의한 ZMP(Zero Moment Point)를 이용하여 입증하였다. 또한 복잡한 구조와 표현을 피하기 위해 각 가속도를 이용한 ZMP방법을 구현 하였고, 로봇의 안정 상태를 측정하기 위해 기울기 센서와 자이로 센서가 사용되었다. 10개의 서보모터 제어, 궤적 생성, ZMP 보상, 센서 측정 등 과 같은 대부분의 계산 과정은 DSP에서 이루어지며, PC에서는 단순히 로봇의 상태, 데이터 처리 등의 모니터링에 이용하였다.
본 연구에서는 3차원 RGB-D Xtion2 카메라를 이용하여 보행자의 골격좌표를 추출한 결과를 바탕으로 동적인 특성(속도, 가속도)을 함께 고려하여 딥러닝 모델을 통해 사람을 인식하는 방법을 제안한다. 본 논문의 핵심목표는 RGB-D 카메라로 손쉽게 좌표를 추출하고 새롭게 생성한 동적인 특성을 기반으로 자체 고안한 1차원 합성곱 신경망 분류기 모델(1D-ConvNet)을 통해 자동으로 보행 패턴을 파악하는 것이다. 1D-ConvNet의 인식 정확도와 동적인 특성이 정확도에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 정확도는 F1 Score를 기준으로 측정하였고, 동적인 특성을 고려한 분류기 모델(JCSpeed)과 고려하지 않은 분류기 모델(JC)의 정확도 비교를 통해 영향력을 측정하였다. 그 결과 동적인 특성을 고려한 경우의 분류기 모델이 그렇지 않은 경우보다 F1 Score가 약 8% 높게 나타났다.
This paper has regarded mechanism design of cane-like passive type walking aid for the elderly using 3-RPS parallel manipulator. First, gait patterns of the elderly have been experimented. By means of motion capturing and image processing, we decided loaded forces and places of the cane when the elderly walked with a cane. Using these results we have developed a passive type walking aid. Second, the walking pattern has been simulated using dynamic analysis program, ADAMS and we find out the similarity between the real walking and the simulated walking. Finally after assuring the similarity, with adjusting the new mechanism design to the simulated walking we will decide whether the walking aid is safe and stable when the elderly walks with this cane-like walking aid. This paper will be basis for the development of the mechanism design applying 3-RPS parallel manipulator.
In the present study, three-dimensional motion analyses were performed to determine biomechanics of the lower extremity in unexpected missing foot steps for ten healthy young volunteers. In unexpected missing foot steps, the whole plantar surface of the foot or the heel contacted to the ground. A rapid ankle dorsiflexion was found right after missing foot steps and an increased plantarflexion moment was noted during loading response. After the unexpected situation, the breaking force increased rapidly. At this time, both tibialis anterior and soleus were simultaneously activated. Moreover, the range of motion at ankle, knee and hip significantly decreased during stance. In pre-swing, rectus femoris and biceps femoris prevented the collapse of the lower limbs. During late stance, propulsive forces decreased and thus, both plantarflexion moment and power generation were significantly reduced. On the opposite side, hip extension and pelvic upward motion during terminal swing were significant. Due to the shortened pre-swing, the energy generation at the ankle to push sufficiently off the ground was greatly reduced. This preliminary study would be helpful to understand the biomechanics of unexpected dynamic perturbations and valuable to prevent frequent falling of the elderly and patients with gait disorders.
The purpose of this study was to investigate the different patterns of the lower limb between elderly and adult females to reduce the rate of falls. Ten old females(age: $73.1{\pm}2.69yrs$, height: $151.9{\pm}4.82cm$, mass: $57.36{\pm}5.36$) and ten adult females(age: $28\pm}4.76$ yrs, height: $160.6{\pm}6.83cm$, mass: $53.9{\pm}8.44$) were participated in this experiment. The gait motions were captured with Qualisys system and variables were calculated with Visual-3D. The following results were found. The elderly female group showed bigger inclination angle between COM and COP than the adult female group so that the dynamic stability was reduced in walking for the compensation with a bigger stride width. The elderly female group ensure for the necessary forward movement of COM in order to replace the decreased function of ankle and knee joint. If the distance between COM and COP is closer and the energy reduction of a specific joint is reduced, they could prevent the elderly female's falling rate by strengthening of muscles which were related the extension of ankle joint.
Background: Arm swing plays a role in gait by accommodating forward movement through trunk balance. This study evaluates the biomechanical characteristics of arm swing during gait. Methods: The study performed computational musculoskeletal modeling based on motion tracking in 15 participants without musculoskeletal or gait disorder. A three-dimensional (3D) motion tracking system using three Azure Kinect (Microsoft) modules was used to obtain information in the 3D location of shoulder and elbow joints. Computational modeling using AnyBody Modeling System was performed to calculate the joint moment and range of motion (ROM) during arm swing. Results: Mean ROM of the dominant elbow was 29.7°±10.2° and 14.2°±3.2° in flexion-extension and pronation-supination, respectively. Mean joint moment of the dominant elbow was 56.4±12.7 Nm, 25.6±5.2 Nm, and 19.8±4.6 Nm in flexion-extension, rotation, and abduction-adduction, respectively. Conclusions: The elbow bears the load created by gravity and muscle contracture in dynamic arm swing movement.
Purpose: This study examines the correlations between neck pain, neck range of motion, static and dynamic balance abilities, and walking abilities in patients with chronic stroke. Methods: A total of 29 participants were selected from patients with chronic stroke experiencing moderate to severe neck pain. Their neck pain, neck range of motion, static and dynamic balance abilities, and walking abilities were assessed and measured. Pearson's correlation coefficient was used to analyze the measurements and determine the correlations between neck pain, neck range of motion, static and dynamic balance abilities, and walking abilities. Results: Neck pain significantly correlated with static and dynamic balance and walking abilities. Regarding neck ROM, neither neck flexion nor extension showed significant correlations with static balance and walking abilities. However, except for left-lateral flexion, neck lateral flexion showed significant correlations with static and dynamic balance and walking abilities. Left-lateral flexion did not show a significant correlation with dynamic balance ability. Except for left rotation, neck rotation showed significant correlations with static and dynamic balance and walking abilities. Left rotation did not show a significant correlation with dynamic balance ability. Conclusion: The results of this study demonstrate that there are correlations between neck pain, neck range of motion, balance abilities, and walking ability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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