Biomechanical analysis of the human gait cycle for different scenarios

Abstract

O objectivo geral do presente trabalho é a caracterização experimental da biomecânica da marcha humana através do Cassino Tracking System (CaTraSys). O CaTraSys, concebido no Laboratory of Robotics and Mechatronics, University of Cassino and South Latium, é um sistema que avalia a posição/orientação e força exercida por sistemas multicorpo ao longo de grandes trajectórias usando um conjunto de cabos em arquitectura paralela. É um sistema económico e de fácil operação. O sistema proposto poderia ter aplicação clínica como dispositivo de avaliação, por exemplo no campo das terapias de reabilitação. No presente trabalho é usada uma configuração de três cabos ligados ao joelho e outros três ligados ao tornozelo (configuração 3-3). O set-up experimental consiste em um tapete rolante não motorizado e a população testada encontra-se entre os 20 e os 28 anos de idade. Diferentes condições experimentais são avaliadas: um teste de referência, em que o sujeito anda a uma velocidade seleccionada pelo próprio (estimado para 5 km/h); um teste de carga, em que a marcha é efectuada com um peso extra de 6 kg; um teste de calçado, onde é pedido ao sujeito que realize o teste com um calçado diferente; e por fim um teste de velocidade rápida, em que a velocidade de marcha é aumentada, sem que ocorra corrida (estimado para 8 km/h). O princípio de funcionamento do CaTraSys é baseado nos cálculos de trilateração, que resumidamente determinam a posição do end-effector a partir de três comprimentos de cabos. No campo da aquisição de dados, o procedimento de calibração e cálculo de forças são também abordados. O software usado para o processamento de dados é o LabVIEW e o MATLAB. Para a análise de dados, diferentes técnicas são usadas. Primeiramente é necessário proceder ao pré-tratamento do sinal, pelo que é usado o filtro Butterworth. Para a obtenção da trajectória média, um tratamento estatístico é elaborado. O ângulo da perna apresentado durante o teste é calculado. O método das diferenças finitas é usado para o cálculo da velocidade e aceleração a partir dos dados de trajectória. Características básicas dos padrões de marcha 2D e 3D são discutidas, para os resultados experimentais de trajectória, ângulo da perna, velocidade, aceleração e forças do end-effector. Diferentes condições de teste e características antropométricas são avaliadas a fim de estudar a sua influência sobre a marcha da população. Para que uma análise objectiva seja possível, são determinados parâmetros espaciotemporais.

The general purpose of the present work is the experimental characterization of the biomechanics of human walking using Cassino Tracking System (CaTraSys). CaTraSys, conceived at Laboratory of Robotics and Mechatronics, University of Cassino and South Latium, is a system for the estimation of pose and force exerted by multibody systems along large trajectories using a set of wires in parallel architecture. It is a low cost and easy operable system. The proposed system could have clinical application as an assessing device, for example in the field of the rehabilitation therapies. In the present work a configuration of three cables attached to the knee and other three attached to the ankle point is used (3-3 configuration). The experimental set-up uses a nonmotorized treadmill and the population understudy is between the 20 and 28 years old. Different experimental modes are evaluated: a reference test, where the subject walks on a self-selected velocity (estimated for 5 km/h); a loading test, where the walking is performed with an extra weight of 6 kg; a footwear test, where the subject is asked to perform the test with different shoes and at last a fast test, where the walking velocity is increased, with no running (estimated for 8 km/h). The operating principle is based on the trilateration computations, which basically determine the position of the end-effector from three cables length. In the field of the data acquisition, the calibration procedure and the forces computation are also covered. The software used for the data processing is the LabVIEW and MATLAB. For the data analysis, different techniques are required. Firstly, it is necessary to do the signal pre-processing, in which it is used the Butterworth filter. In order to obtain an average trajectory curve, a statistical treatment method is devised. Shank angles are calculated. The finite-difference method is used for the computation of the velocity and acceleration from the trajectory data. Basic characteristics of the 2D and 3D gait patterns are discussed, for CaTraSys results of trajectory, shank angle, velocity, acceleration and forces of the end-effector. Different test conditions and anthropometric characteristics are evaluated in order to study their influence on the gait of the tested population. In order to accomplish an objective analysis, gait spatiotemporal parameters are determined.