Effect_of_gait_parameters_on_energetic_cost
。 エネルギーコストに対する歩行パラメータの影響は、ステップ長、ケイデンス、ステップ幅、およびステップ変動の変化が、歩行に関連する機械的仕事と代謝コストにどのように影響するかを説明する関係です。この関係の原因は、これらの歩行パラメータが代謝的に最適な値から逸脱していることと、環境的、病理学的、およびその他の要因による逸脱に起因しています。
トレッドミル歩行中のVO2測定による代謝活動の追跡。
コンテンツ
1 輸送費
2 優先歩行
3 歩行パラメータの定義
3.1 ステップ長 3.2 ケイデンス 3.3 ステップ幅 3.43.4 ステップ変動
4 COTのフレームワークとしてのダイナミックウォーキング
4.1 レッグスイングメカニックス 4.2 歩行パラメータとエネルギーコスト
5 制約付き最適化
6 も参照してください
7 参考文献
8 外部リンク
輸送費
人間の歩行では、特定の距離を移動するには、化学エネルギーが体によって消費される必要がこの関係は、無次元の用語である輸送費（COT）で表すことができます。これは、体を1単位の距離だけ動かすのに必要な代謝エネルギーの量を表します。自己選択した速度で歩く健康な人間は、約0.8カロリー/メートル/キログラムの輸送コストがかかります。速度、安定状態、およびその他の内的および外的要因に応じて、 歩行のための輸送コストは変化する可能性がこれらの測定された代謝変化は、歩幅、歩幅、および歩行の他のパラメータの変動に起因します、COTに直接関係する
優先歩行
歩行速度と輸送費（COT）の関係の定性的な図。緑の線は、最小COTでの歩行速度を示します。
約90m / minの固定歩行速度での歩数（またはケイデンス）とエネルギー消費率の関係の定性的な図。
代謝コストは、名目上の歩行を選択することによって自然に最適化されます。不安定性や知覚される危険性などの外的要因が一時的に身体の優先順位を変える可能性がありますが、タスクに依存するエネルギー消費を最小限に抑えるという主な目標は、最終的に好ましい歩行歩行の決定を支配します。その結果、人間は輸送費を最小限に抑える好ましい歩行速度を選択する傾向が歩行と輸送コストの関係は放物線のようなもので、最低でも好ましい歩行速度がつまり、低速または高速での歩行では、1kmの歩行で同様のエネルギーコストの増加が発生する可能性が各歩行速度内で、ステップの長さとケイデンスも代謝コストに対して最適化されます。ステップ長とケイデンスの複数の比例した組み合わせを使用して同じ歩行速度を達成できますが、最適な組み合わせよりも速くて短いステップ、または遅くて長いステップをとると、輸送コストが増加します。
歩行パラメータの定義
一定の歩行速度での歩行のパラメータはすべて、個人のサイズ（脚の長さなど）によって異なります。ただし、一般的な値または平均的な自己選択値は、平均的な人間のサイズに基づいて推定できます。これらのパラメータに関連する機械的仕事と代謝コストは、動的歩行モデルによって説明できます。
ステップ長
ステップ長は、片方の足の最初の接触点と反対側の足の連続する最初の接触点との間の、移動方向に平行な距離の尺度です。左右の歩幅は通常の歩行で同じです。ステップ長に似た別の測定基準は、ストライド長として知られています。これは、同じ足の最初の接触の連続するポイント間の距離を測定し、通常、左右のストライド長は同等です。自分で選択した歩行速度では、通常の歩幅は男性で約0.75メートル、女性では性別ごとに短い平均脚長のためわずかに短くなります。 他の歩行速度の場合、好ましい歩幅は、関係に基づいて概算で予測できます。s α v 0.42
{ textstyle s ; alpha ; v ^ {0.42}}
、 どこ s { textstyle s}
ステップ長と v { textstyle v}
歩行速度です。
ケイデンス
ケイデンスは歩行速度の指標であり、通常は1分あたりの歩数で測定されます。このパラメータは、ステップ周波数とも呼ばれます。自分で選択した歩行速度では、歩数は約100歩/分です。
ステップ幅
ステップ幅は、片方の足の最初の接触点と反対側の足の連続する最初の接触点との間の、各足の正中線に垂直な距離の尺度です。自分で選択した歩行速度では、ステップ幅は通常約10〜12cmです。これは、ステップ幅を0.12 L
{ textstyle 0.12L}
、 どこ L { textstyle L}
脚の長さです。
ステップ変動
ステップ変動性は、1回の歩行試行中にすべての有効なステップから計算されたステップ長とステップ幅の標準偏差の尺度です。自己選択された歩行速度では、ステップ幅の変動（〜2.8 cm）は、ほとんどの場合、ステップ長の変動（〜1.8 cm）よりも大きくなります
COTのフレームワークとしてのダイナミックウォーキング
倒立振子理論で体幹軌道経路に沿って移動する質量のない脚の重心。速度ベクトルは、時間1と時間2での床反力に垂直に示されています。
動的歩行では、人体は、倒立振子の受動的ダイナミクスと一致する、シングルサポートの質量のない剛体脚とダブルサポートの2つの質量のない脚によってサポートされる重心（COM）としてモデル化できます 。歩行の倒立振子理論としても知られています。シングルサポートでは、地面の反力がCOMの動きに垂直であるため、作業は行われません。ダブルサポートでは、トレーリングレッグがリーディングレッグと連動してCOMモーションを上方にリダイレクトします。このステップからステップへの移行期間中、後脚はCOMに正の機械的仕事を及ぼし、前脚はCOMに負の機械的仕事を及ぼします。安定した歩行歩行を維持するには、これらの作業項の合計またはネットワークがゼロに等しい必要がこれは、システムエネルギーの変化により、移行の開始と終了の間に異なるCOM速度が与えられるためです。このシステムの理想的な正味の機械的仕事はゼロですが、地面の反力を生成するには筋収縮が必要であり、消費される代謝エネルギーがゼロではないことを意味します。
レッグスイングメカニックス
倒立振子理論における質量のない脚の仮定は、単一の支持中に反対側の脚を振るのに必要な仕事の量を省略します。脚の振り子がぶら下がっている振り子のパラダイムと類似しているため、実行される作業は重力によって支配されます。固有振動数を超える速度で脚を振ると、筋肉の作用によって発生する股関節のトルクが大幅に大きくなります。典型的な安定した歩行の場合、レッグスイングを実行するために消費されるエネルギーは、消費される総代謝エネルギーの10％から30％を占めると概算されます。
歩行パラメータとエネルギーコスト
個々の歩行パラメータを変更すると、歩行のエネルギーコストに影響します。ただし、これらの同じ変更は他の歩行パラメータにも影響を及ぼし、人体がエネルギーコストを最小限に抑える最適化を適用する必要があるというトレードオフにつながります。
ステップ長
ダブルサポート中の地面反力の増加とスイングフェーズ中のヒップトルクの増加により、ステップ長が長くなるとエネルギーコストが増加します。動的歩行モデルによると、ステップからステップへの遷移における機械的仕事は、ステップの長さに比例して増加し、次のように説明できます。W ˙ α l 4
{ textstyle { dot {W}} ; alpha ; l ^ {4}}
、 どこW ˙
{ textstyle { dot {W}}}
機械的仕事率であり、 l { textstyle l}
はステップ長であり、正味の代謝率の比例的な増加に相当します。この関係は、より長いステップ長に関連するより広いステップ角度でCOMをリダイレクトするための垂直方向の力の寄与が減少するためです。より長いステップ長はまた、より広い角度を移動するためにスイングフェーズ中に追加のヒップトルクを必要とし、これは脚の長さの二乗の係数で代謝コストの割合に貢献します。
ケイデンス
ケイデンスが増加すると、単位時間内に脚の振りやステップからステップへの移行のインスタンスが増え、エネルギーコストの割合が増加します。機械的仕事とステップ周波数の関係は、次のように記述できます。W ˙ α f 3
{ textstyle { dot {W}} ; alpha ; f ^ {3}}
ステップからステップへの遷移の場合、ここでW ˙
{ textstyle { dot {W}}}
は機械的仕事率であり、 f { textstyle f}
ステップ周波数です。代謝コストの割合もこの関係に従います。ケイデンスがレッグスイングの代謝コストに与える影響は、次のように概算されます。E ˙ α f 4
{ textstyle { dot {E}} ; alpha ; f ^ {4}}
、 どこE ˙
{ textstyle { dot {E}}}
代謝コストの割合であり、 f { textstyle f}
ステップ周波数です
ステップ幅
歩幅と頻度の選択と同様に、人間も代謝的に最適なステップ幅を選択します。より広いスタンスを採用すると、パッシブダイナミックシステムの安定性が向上し、スタンスレッグからのスイングレッグの横方向のクリアランスが向上します。動的歩行モデルによれば、脚の内側の「揺れ」は倒立振子パラダイムによっても説明でき、より広いスタンスでは、同様にCOMをリダイレクトするために地面反力を増加させる必要があり、したがって代謝需要が増加します。 。スタンスが狭い場合は、クリアランスが不十分なため、ヒップトルクを上げてスイングレッグを横方向に突き出すことがあり、代謝コストも高くなります。ステップからステップへの遷移のステップ幅とエネルギーコストの関係は、次のように説明できます。E ˙ α W ˙α w 2
{ textstyle { dot {E}} ; alpha ; { dot {W}} ; alpha ; w ^ {2}}
、 どこE ˙
{ textstyle { dot {E}}}
代謝コストの割合です、W ˙
{ textstyle { dot {W}}}
は機械的仕事率であり、 w { textstyle w}
ステップ幅です。
ステップ変動
ステップ幅の変動は、歩行の安定性のための神経系の能動的制御に関連しており、バランスの摂動にさらされると増加する一方で、外部安定剤の存在下で減少します 。歩幅の変動は、歩行中の中外側運動と前後運動の間に存在する結合に起因しますが、程度は減少します。ステップ幅の変動は、代謝コストの割合と正の相関があり、中外側バランスに関連する変動に関しては、好ましい歩行における代謝コストの約6％を占めます。歩幅と歩幅の正味の変化により、歩幅変動に伴うエネルギーコストの一部が発生する可能性がありますが、歩行中の横滑り防止装置の努力に起因する可能性のあるコストの一部が存在します。
制約付き最適化
エネルギーコストの等高線図。クチュールラインは、同じ輸送コストを必要とするパラメータの組み合わせを表します。色付きの線は、さまざまなパラメータへの最適化を表しています。（緑）ステップ周波数。（赤）歩行速度; （青）ステップ長。
複数の異なる歩行パラメータは歩行のエネルギーコストに大きな影響を与えるため、代謝コストの最適化の主な目標を検討する際には、これらの各パラメータを考慮する必要が歩行速度、ケイデンス、および歩幅のこのような最適化の視覚化は、等高線図の形式で表すことができます。この場合、同じ等高線上にあるパラメーターの組み合わせは、同じ輸送コスト（cal / kg / m）を共有します。 。 緑、赤、青の点線は、それぞれケイデンス、歩行速度、歩幅が制限されている値を表しています。これらの線は、いくつかの一定のパラメータ値を表す線が一定のCOT等高線で形成する接点を見つけることによって形成できます。たとえば、制限された歩行速度（赤）に最適なCOTは、図の点Bに示すように、垂直線を描画し、それらが輪郭との接線を形成する場所に注目することで見つけることができます。これらの一連の交差点は、制約された歩行速度の下で最適なCOTの曲線を形成できます。これらの制約付き最適化値は、単一のパラメーターを異なる値に固定することによって観察される自然淘汰された優先歩行パラメーターを反映するだけでなく、多変量システムの輸送コストの識別を可能にする予測マップの一部を形成します。
も参照してください
優先歩行速度
歩行分析
パッシブダイナミクス
ナイスミスのルール
ウォーキング
実行中のエネルギー
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外部リンク
パッシブダイナミックウォーキング
エネルギー最小化の制御”