The aim of this study was to investigate the kinematics of young adults during descent ramp climbing at different inclinations. Twenty-three subjects descended four steps at four different inclinations (level, $-8^{\circ}$, $-16^{\circ}$, $-24^{\circ}$). The 3-D kinematics were measured by a camera-based Falcon System. The data were analyzed using one-way ANOVA and the Student-Newman-Keuls test. The kinematics of descent ramp walking could be clearly distinguished from the kinematics of level walking. On a sagittal plane, the ankle joint was more plantar flexed at initial contact with $-16^{\circ}/-24^{\circ}$ inclination, was decreased in the toe off position with all inclinations (p<.001),and was decreased at maximum plantar flexion during the swing phase (p<.001). The knee joint was more flexed at initial contact with the $-24^{\circ}$ inclination (p<.001), was more flexed in the toe off position with all inclinations (p<.001), and was more flexed at minimum flexion during stance phase and at maximum flexion during swing phase with $-16^{\circ}$, $-24^{\circ}$ inclination (p<.001). The hip joint was more flexed in the toe off position with $-16^{\circ}$, $-24^{\circ}$ inclination and was deceased at maximum extension during stance phase with $-16^{\circ}$, $-24^{\circ}$ inclination (p<.05). In the frontal plane, the ankle joint was more everted at maximum eversion during stance phase with $-16^{\circ}/-24^{\circ}$ inclination (p<.01) and was decreased at maximum inversion during swing phase with $-16^{\circ}$, $-24^{\circ}$ inclination (p<.01). The knee joint was more increased at maximum varus during stance phase with $-16^{\circ}/-24^{\circ}$ inclination (p<.001). The hip joint was deceased at maximum adduction during stance phase with $-24^{\circ}$ inclination (p<.05). In a horizontal plane, only the knee joint was increased at maximum internal rotation during stance phase with $-24^{\circ}$ inclination (p<.05). In descent ramp walking, the different gait patterns occurred at an inclination of over $16^{\circ}$ on the descending ramp in the sagittal and frontal planes. These results suggest that there is a certain inclination angle or angular range where subjects do switch between level walking and descent ramp walking gait patterns.
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.
Falls associated with tripping over an obstacle can be dangerous, yet little is known about the strategies used for stepping over obstacles in older Parkinson disease. The purpose of this study was to investigate the lower extremity muscle activity on the obstacle gait according to obstacle height in older Parkinson diseases. The obstacle gait of 7 older Parkinson disease was examined during a 5.0 m approach to, and while stepping over, obstacles of 0, 25, 52, and 152mm. Seven pairs of surface electrodes(Noraxon MyoResearch, USA) were attached to the right-hand side of the body to monitor the adductor longus(AL), gluteus medius(GME), gluteus maximus(GMA), biceps femoris(BF), rectus femoris(RF), gastrocnemius(GA), tibialis anterior(TA). Electromyography data were filtered using a 10Hz to 350 Hz Butterworth band-pass digital filter and normalized to the maximum value in the analyzed phases. A one-way ANOVA for repeated measures was employed for selected electromyography variables to analyze the differences of the height of four obstacles. The results showed significant differences between 0.0mm and 25, 52, and 152mm obstacle height in TA and GA activities during the second phase(swing phase). But the more increase obstacle height, the more not increase the muscle activities. This means that the Parkinson disease stepping over obstacle inefficiency. To prevent and reduce the frequency of falls, elderly Parkinson disease maintained and improved their balance, muscular strength, neuromuscular control and mobility.
A large interindividual variability and some abnormally kinematic patterns at the lower extremity were the main features of the gait in children with Down syndrome. The purposes of this study were to investigate the gait asymmetry and biomechanical difference between dominant leg and non dominant leg in children with Down syndrome. Seven boys with Down Syndrome(age: $120{\pm}0.9yrs$, weight $34.4{\pm}8.4kg$, leg length: $68.7{\pm}5.0cm$) participated in this study. A 10.0 m ${\times}$ 1.3 m walkway with a firm dark surface was built and used for data collection. Three-dimensional motion analyses were performed to obtain the joint angles and range of motions. The vertical ground reaction forces(%BW) and impulses($%BW{\cdot}s$) were measured by two force plates embedded in the walkway. Asymmetry indices between the legs were computed for all variables. After decision the dominant leg and the non dominant leg with max hip abduction angle, paired samples t-test was employed for selected kinematic and ground reaction force variables to analyze the differences between the dominant leg and the non dominant leg. The max hip abduction angle during the swing phase showed most asymmetry, while the knee flexion angle at initial contact showed most symmetry in walking and running. The dominant leg showed more excessive abduction of hip in the swing phase and more flat-footed contact than the non dominant leg. Vertical peak force in running showed more larger than those of in walking, however, vertical impulse showed more small than walking due to decrease of support time. In conclusion, the foot of dominant leg contact more carefully than those of non dominant leg. And also, there are no significant difference between the dominant leg and the non dominant leg in kinematic variables and ground reaction force due to large interindividual variability.
The purpose of this study was to identify the effect of the hip internal rotation on gluteal and erector spinae muscle electromyographic (EMG) activity during treadmill walking. Eleven healthy subjects were recruited. All subjects performed treadmill walking while maintaining the hip in neutral position (condition 1) and in internal rotation (condition 2). Surface EMG activity was recorded from four muscles (gluteus maximus (GM), gluteus medius (GMED), tensor fascia latae (TFL), and erector spinae (ES)) and the hip internal rotation angle was measured using a three dimensional motion analysis system. The gait cycle was determined with two foot switches, and stance phase was normalized as 100% stance phase (SP) for each condition using the MatLab 7.0 program. The normalized EMG activities according to the hip rotation (neutral or internal rotation) were compared using a paired t-test. During the entire SP of treadmill walking, the EMG activities of GM in condition 1 were significantly greater than in condition 2 (p<.05). The EMG activities of TFL and ES in condition 2 were significantly greater than in condition 1 (p<.05). The EMG activities of the GMED in condition 1 were significantly greater than in condition 1 (p>.05) except for 80~100% SP. Further studies need randomized control trials regarding the effect of hip internal rotation on the hip and lumbar spine muscle activity. Kinetic variables during gait or going up and down stairs are also needed.
Purpose : In this case report, we demonstrated the improvement of gait ability on the child who has mental retardation with incomplete gait pattern. Methods : The subject was a 4 years old boy with mental retardation. We applied the Bobath approach to the subject. Treatments included to facilitate trunk alignment and stability, and to train weight bearing and shifting, to facilitate pelvis posterior-anterior movement, and to train walk especially stance phase and assist up-down stairs locomotion in environment similar to actual daily life. It was performed 24 sessions for 12 weeks. Results : With this treatment, he could accomplish dynamic standing stability and he could independent walk at the out door after 12 weeks. In gross motor function measure(GMFM), total motor function was improved to 85.6% from 75.7%. Conclusion : The gait ability of child with mental retardation was improved by using the bobath approach.
This paper investigates the load model for single footfall trace of human walking. A large amount of single person walking load tests were conducted using the three-dimensional gait analysis system. Based on the experimental data, Fourier series functions were adopted to model single footfall trace in three directions, i.e. along walking direction, direction perpendicular to the walking path and vertical direction. Function parameters such as trace duration time, number of Fourier series orders, dynamic load factors (DLFs) and phase angles were determined from the experimental records. Stochastic models were then suggested by treating walking rates, duration time and DLFs as independent random variables, whose probability density functions were obtained from experimental data. Simulation procedures using the stochastic models are presented with examples. The simulated single footfall traces are similar to the experimental records.
This paper presents a three dimensional modeling and a trajectory generation for minimized impact walking of the biped robot. Inverse dynamic analysis and forward dynamic analysis are performed considering impact force between the foot and ground for determining the actuator capacity and for simulating the proposed biped walking robot. Double support phase walking is considered for close to human's with adding the kinematic constraints on the one of the single support phase.
Mechanical loading to bone cells using simple sine wave or constant wave fluid flow has been widely used for in vitro experiments. Human gait is characterized by a complex loading to bones of lower extremities which results from a series of events consisting of heel strike, foot flat and push-off during the stance phase of the gait cycle. Telemetric force analyses have shown that human femora are subject to multiphasic loading. Therefore, it would be ideal if the physiologic loading conditions during human walking can be used for in vitro mechanotransduction studies. Here, for a mechanotransduction study, we develop it fluid flow system (FFS) in order to simulate human physiologic mechanicalloading on bone cells. The development methods of the FFS including the COR (Center for Orthopedic Research), monitor program are presented. The FFS could generate various multiphasic loading conditions of human gaits with output flow. Wall shear distribution was very uniform, with 81 % of the effective loading area of the culture on a glass slide. Our results demonstrated that the FFS, provide a new translational approach for unveiling molecular mechanotransduction pathways in bone cells.
Human body is hard to be in perfect balance during walking. Most of time the trunk is supported by one leg and the center of mass(COM) falls to the contralateral side. Thus, dynamic variables such as the velocity of the COM should be considered when gait stability is evaluated. The purpose of this study was to investigate whether the extrapolated center of mass(XCom) which utilized the COM position and its velocity, is appropriate to evaluate gait stability. Ten healthy adults participated in this study and performed 3 different types of gaits(normal(NG), hands on waists(HWG), and hands on shoulders(HSG)) onto 4 different types of obstacle(obstacle height: 0%, 30%, 40% and 50% of leg length). Medio-lateral Com-CoP and XCom-CoP inclination angle were calculated during support phase. For all condition, greater M-L XCoM-CoP inclination angles were found(p<.05) compared with those of matched obstacle height CoM-CoP. Especially, M-L XCoM-CoP inclination angle at 50% height revealed the best condition for monitoring dynamic stability. Significantly increased in M-L XCoM-CoP inclination angle was found(p<.05) as obstacle height increased on NG and HWG.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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