クアドルペダルウォーキングのバイオメカニクス：四本足の動物はどのように逆の振り子のような動きを達成しますか？

ウォーキングには、重力ポテンシャルエネルギーと質量中心の運動エネルギーの周期的な交換が含まれます。私たちの目標は、歩行の四足動物の手足が、前後の四分の一の垂直方向の動きを調整して、これらの逆の振り子のような動きを生成する方法を理解することでした。さまざまな速度で歩いている犬から運動学的および地上反力データを収集しました。犬の前後の四分の一は、それぞれがそれぞれの支持肢の上にある2つの独立した二重のように振る舞うことがわかりました。質量の中心は、単一の歩行が二重にあるように、ストライドごとに2回上下に移動し、逆の振り子メカニズムを介して、質量の中心を持ち上げて加速するのに必要な機械エネルギーの最大70％が回収されました。手足がこれらの大量動きの中心を生成する方法を理解するために、前後の四分の一の動きを表す2つの独立した振り子の単純なモデルを作成しました。モデルは、前肢が後肢を歩き回ると、前四肢の25％を遅らせ、体重が前後の四分の一の間に均等に分布すると、前四半期と後四半期の動きが互いに完全に相殺されると予測しました。犬が質量の中心の平らな軌道で歩いていなかった主な理由は、各前肢が一歩時間の15％だけで同側の後肢を遅らせ、それによって前後の四分の一が上下に移動したときに生成されたことでした。同時に。二次的な理由は、前肢が体重の63％を支えていたことでした。これらの実験結果と一致して、2ペンツのモデルは、四肢相が25％未満の場合、および/または総質量が前部または後部の間に均等に分布していない場合、質量中心がストライドサイクルごとに2つの変動を受けると予測しています。

Walking involves a cyclic exchange of gravitational potential energy and kinetic energy of the center of mass. Our goal was to understand how the limbs of walking quadrupeds coordinate the vertical movements of the fore and hind quarters to produce these inverted pendulum-like movements. We collected kinematic and ground reaction force data from dogs walking over a range of speeds. We found that the fore and hind quarters of dogs behaved like two independent bipeds, each vaulting up and over its respective support limb. The center of mass moved up and down twice per stride, like a single walking biped, and up to 70% of the mechanical energy required to lift and accelerate the center of mass was recovered via the inverted pendulum mechanism. To understand how the limbs produce these center of mass movements, we created a simple model of two independent pendulums representing the movements of the fore and hind quarters. The model predicted that the fore and hind quarter movements would completely offset each other if the fore limb lagged the hind limb by 25% of the stride time and body mass was distributed equally between the fore and hind quarters. The primary reason that dogs did not walk with a flat trajectory of the center of mass was that each fore limb lagged its ipsilateral hind limb by only 15% of the stride time and thereby produced time periods when the fore and hind quarters moved up or down simultaneously. The secondary reason was that the fore limbs supported 63% of body mass. Consistent with these experimental results, the two-pendulum model predicts that the center of mass will undergo two fluctuations per stride cycle if limb phase is less than 25% and/or if the total mass is not distributed evenly between the fore or hind quarters.