Cao, Liang;Liu, Jiepeng;Zhang, Xiaolin;Chen, Y. Frank
Structural Engineering and Mechanics
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v.71
no.3
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pp.245-255
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2019
In this paper, an inverted-pendulum model consisting of a point supported by spring limbs with roller feet is adopted to simulate human walking load. To establish the kinematic motion of first and second single and double support phases, the Lagrangian variation method was used. Given a set of model parameters, desired walking speed and initial states, the Newmark-${\beta}$ method was used to solve the above kinematic motion for studying the effects of roller radius, stiffness, impact angle, walking speed, and step length on the ground reaction force, energy transfer, and height of center of mass transfer. The numerical simulation results show that the inverted-pendulum model for walking is conservative as there is no change in total energy and the duration time of double support phase is 50-70% of total time. Based on the numerical analysis, a dynamic load factor ${\alpha}_{wi}$ is proposed for the traditional walking load model.
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.
Excessive vibrations can occur in long-span structures such as floors or footbridges due to occupant?s daily activity like walking and cause a so-called vibration serviceability issue. Since 1970s, researchers have proposed many human walking load models, and some of them have even been adopted by major design guidelines. Despite their wide applications in structural vibration serviceability problems, differences between these models in predicting structural responses are not clear. This paper collects 19 popular walking load models and compares their effects on structure?s responses when subjected to the human walking loads. Model parameters are first compared among all these models including orders of components, dynamic load factors, phase angles and function forms. The responses of a single-degree-of-freedom system with various natural frequencies to the 19 load models are then calculated and compared in terms of peak values and root mean square values. Case studies on simulated structures and an existing long-span floor are further presented. Comparisons between predicted responses, guideline requirements and field measurements are conducted. All the results demonstrate that the differences among all the models are significant, indicating that in a practical design, choosing a proper walking load model is crucial for the structure?s vibration serviceability assessment.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.4
no.4
s.14
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pp.65-76
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2004
Walking loads are usually considered as nodal loads in the finite element vibration analysis of structures subjected to walking loads. Since most of the walking loads act on elements not nodes, the walking loads applied on the elements should be converted to the equivalent nodal walking loads. This paper begins with measuring walking loads by using a force plate equipped with load cells and investigates the characteristics of the walking loads with various walking rates. It is found that the walking loads are more affected by walking rates than other parameters such as pedestrian weight, type of footwear, surface condition of floor etc. The measured walking loads are used as input loads for a finite element model of walking induced vibration. Finally, this paper proposes the equivalent nodal walking loads that are converted from the walking loads acting on elements based on finite element shape functions. And the proposed equivalent walking loads are proved to be applicable for efficient analysis of floor vibration induced by walking loads.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.17
no.2
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pp.71-77
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2017
In this study, the boundary non-linear analysis of the sky bridge subjected to walking load and running load is performed. The sky bridge is installed in the mid-story between two buildings and the walking load and running load induced by pedestrians are measured by load cell. LRB is modeled as a non-linear hysteresis model to accurately represent the behavior of LRB. For the serviceability evaluation of sky bridge, the acceleration responses of sky bridge are analyzed based on ISO 2631-2 and the velocity response are analyzed based on standards Bachmann &Amann. In serviceability evaluation of this sky bridge, the pedestrian can not perceive the vibration except for resonance running loads consequently. Therefore, it is concluded that this sky bridge haven't problem in the serviceability.
The purpose of this study is to optimize parameters of a contact model to obtain similar ground contact force of human walking. Dynamic walking simulation considering ground contact is performed to determine load specifications when developing walking assist robots. Large contact forces that are not observed in actual experimental data occur during the simulation at the initial contact (e.g., heel contact). The large contact force generates unrealistic large joint torques. A lower exoskeleton robot with no ankles is developed with the Matlab simscape and the nonlinear hyper volumetric contact model is applied. Parameters of the nonlinear hyper volumetric model were optimized using actual walking contact force data. As a result of optimization, it was possible to obtain a contact force pattern similar to actual walking by removing the large contact force generated during initial contact.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.1
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pp.173-188
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2002
In General, the measured loads and load-time function suggested by Bachmann iota walking are used for vibration analysis of structures subjected to footstep loads. It is not easy to measure walking loads because they we influenced by various parameters. Therefore, it is needed to model the walking loads that can be applied to structure analysis. Parameter study is used for the walking loads having various walking frequency for vibration analysis of structures under walking loads. In this study, walking loads were measured directly by using a force plate within two load cells, and the parameters of the walking loads were analyzed. The measured walking loads are decomposed into harmonic loads by using the Fouler series. Functional relationship between the walking frequency and the Fourier coefficients can be derived from the coefficients of harmonic loads obtained by the decomposition process, and the walking loads were formulated. It is possible to apply the venerated walking loads easily or conveniently by the proposed equation to the analysis of a structure subjected to walking loads.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.19
no.12
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pp.38-44
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2002
A walking training robot is proposed to provide stable and comfortable walking supports by reducing body weight load partially and a force control of an arm of walking training robot using sliding mode controller is also proposed. The current gait training apparatus in hospital are ineffective for the difficulty in keeping constant unloading level and for the constraint of patients' free walking. The proposed walking training robot effectively unloads body weight during walking. The walking training robot consists of an unloading manipulator and a mobile platform. The manipulator driven by an electro-mechanical linear mechanism unloads body weight in various levels. The mobile platform is wheel type, which allows patients to walt freely. The developed unloading system has advantages such as low noise level, lightweight, low manufacturing cost and low power consumption. A system model fur the manipulator is established using Lagrange's equation. To unload the weight of the patients, sliding mode control with p-control is adopted. Both control responses with a weight and human walking control responses are analyzed through experimental implementation to demonstrate performance characteristics of the proposed force controller.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.21
no.5
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pp.188-202
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2004
This research was designed to investigate biomechanical aspects of the evolution based on the hypothesis of dynamic cooperative interactions between the locomotion pattern and the body shape in the evolution of human bipedal walking The musculoskeletal model used in the computer simulation consisted of 12 rigid segments and 26 muscles. The nervous system was represented by 18 rhythmic pattern generators. The genetic algorithm was employed based on the natural selection theory to represent the evolutionary mechanism. Evolutionary strategy was assumed to minimize the cost function that is weighted sum of the energy consumption, the muscular fatigue and the load on the skeletal system. The simulation results showed that repeated manipulations of the genetic algorithm resulted in the change of body shape and locomotion pattern from those of chimpanzee to those of human. It was suggested that improving locomotive efficiency and the load on the musculoskeletal system are feasible factors driving the evolution of the human body shape and the bipedal locomotion pattern. The hypothetical evolution method employed in this study can be a new powerful tool for investigation of the evolution process.
This paper describes of a mathematical and real experimental analysis for a walking robot which uses servo valve driven hydraulic actuator. Recently, many researchers are developing a walking robot based on hydraulic systems for the difficult and dangerous missions such as walking in the rough terrain and carrying a heavy load. In order to design and control a walking robot, the characteristics of the hydraulic actuators in the joint through the view point of walking such as controllability and backdrivability must be analyzed. A general mathematical model was used for analysis and proceeds to position and pressure changes characteristic of the input and backdrivability experiment. The result shows the actuator is a velocity source, had a high impedance, the output stiffness is high in contact with the rigid external force. So stand above the controller and instruments that complement the design characteristics can be seen the need to apply a hydraulic actuator in walking robot.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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