BIOMECÂNICA DA CAMINHADA HUMANA: UM ESTUDO INTERDISCIPLINAR

## BIOMECÂNICA DA CAMINHADA HUMANA: UM ESTUDO INTERDISCIPLINAR

## Elisson Carlos de Carvalho 1 , Alberto Luiz Costa Losqui 2 , Damião de Sousa Vieira Junior 3

- 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Minas Gerais/Departamento Acadêmico de Ciência da Computação (DACC), elissoncarvalho314@gmail.com
- 2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Minas Gerais/Departamento Acadêmico de Matemática, Física e Estatística (DMAFE), alberto.losqui@ifsudestemg.edu.br
- 3 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Minas Gerais/Departamento Acadêmico de Matemática, Física e Estatística (DMAFE), damiao.vieira@ifsudestemg.edu.br

Palavras-chave : Caminhada, Pêndulo, Velocidade.

## Resumo expandido

O presente trabalho consiste de um estudo interdisciplinar, envolvendo várias áreas do conhecimento científico, tais como, Física, Matemática, Ciência da Computação e Biologia; conhecimentos necessários para compreender e analisar a biomecânica da caminhada humana. O caminhar é um movimento complexo, alcançado através de passadas coordenadas que permitem o deslocamento do corpo humano (BARBOSA, 2011). Várias abordagens têm sido desenvolvidas e implementadas para a modelagem da caminhada bípede, incluindo modelos baseados no movimento pendular, caminhada dinâmica passiva e baseado no método do ponto de momento zero (ZMP) (XIANG et al ., 2010). O desenvolvimento e aprimoramento de modelos que descrevem o movimento do caminhar humano pode ser aplicado em diversas áreas, como por exemplo, na compreensão do movimento (ANDERSON e PANDY, 2003), na robótica (BESSONNET et al. , 2004), no movimento-assistido por dispositivos (UCHIDA et al ., 2016), e avaliando as alterações na marcha humana decorrente da discrepância de membros inferiores (GODOY et al ., 2020). Este trabalho tem o objetivo de fazer um estudo da biomecânica da caminhada humana, obtendo informações do período das passadas, frequência dos passos, velocidade da caminhada, estabelecendo relações entre essas grandezas e comparando o movimento de caminhada ao movimento pendular. O movimento de caminhada humano pode ser interpretado como uma série de movimentos repetitivos, de forma periódica e com velocidade constante, ou seja, os passos se repetem de forma simétrica (MARQUES, 2012). O movimento de caminhada se inicia quando uma perna é elevada e finaliza quando a outra perna é abaixada, repetindo este movimento a cada dois passos (denominado ciclo da caminhada ou passada), como ilustrado na Figura 01. Pode-se pensar no movimento da perna como sendo um movimento oscilatório, onde as pernas são tratadas como um pêndulo, que realizam movimentos periódicos e repetitivos ao longo do tempo; o período é o tempo necessário para completar um ciclo (uma passada) e a amplitude é a metade do comprimento da passada.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

19 a 30 de julho de 2021 - Online

Figura 01: Ilustração do ciclo da caminhada.

<!-- image -->

Foram realizadas medidas experimentais com o uso de uma esteira ergométrica, monitorando a velocidade no processo de caminhada na faixa de 1 km/h (0,28 m/s) até 9 km/h (2,5 m/s), realizando um total de 100 passadas, em 04 indivíduos que possuem comprimento de perna distintos. O estudo foi complementado com pesquisas bibliográficas e com o desenvolvimento de um algoritmo em Python, usado para construir gráficos e analisar o comportamento da velocidade, do período, da frequência e da amplitude na caminhada. Com a análise do gráfico apresentado na Figura 02, do período em função do comprimento da perna do indivíduo (para faixas de velocidades distintas, de 0,556 m/s até 1,944 m/s), podemos notar: a) uma dependência entre o período de oscilação da perna e o comprimento da perna do indivíduo, conforme previsto nos modelos do pêndulo simples e físico (MARQUES, 2012), vale destacar que essa dependência é bem sútil, pois o comprimento das pernas está entre 0,88 m e 0,98 m, aproximadamente; b) uma dependência entre o período e a velocidade de caminhada (quanto maior a velocidade de caminhada, menor o período do movimento); c) o modelo do pêndulo físico descreve melhor a relação entre o período de oscilação e o comprimento da perna para uma região de baixa velocidade (em torno de 0,56 m/s) e, não é eficiente para outras faixas de velocidade, já que neste caso, o período de oscilação das pernas parece depender tanto do comprimento da perna, quanto da velocidade de caminhada.

Figura 02: Gráfico do período em função do comprimento da perna do indivíduo.

<!-- image -->

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Com a análise do gráfico apresentado na Figura 03, do período em função da velocidade de caminhada, podemos notar: a) os dados obtidos neste trabalho, em baixas velocidades, estão em acordo com os dados obtidos por outro autor (VOLOSHIN, 2000) em altas velocidades, seguindo um comportamento coeso; b) para baixas velocidades (velocidade de caminhada), o ajuste de uma função exponencial na forma , (representado por uma linha contínua no gráfico) 𝑎𝑒 -𝑏𝑥 + 𝑐 descreve bem o comportamento do período em função da velocidade; c) independente do comprimento da perna, o período parece coalescer à medida que a velocidade de caminhada aumenta.

Figura 03: Gráfico do período em função da velocidade de caminhada.

<!-- image -->

Com a análise dos gráficos apresentados na Figura 04, da frequência da passada em função da velocidade, e na Figura 05, do comprimento da passada em função da velocidade, podemos notar: a) os dados obtidos neste trabalho, em baixas velocidades, estão em acordo com os dados obtidos por outro autor (VOLOSHIN, 2000) em altas velocidades, seguindo um comportamento coeso; b) o comportamento da frequência e comprimento da passada é harmonioso para uma faixa de velocidades (entre 0,5 m/s e 2 m/s) e sofre uma pequena alteração/discrepância nos pontos (entre 2 m/s e 3 m/s), causada pela transição da locomoção na fase de caminhada para a fase de corrida (MONTEIRO e ARAÚJO, 2001). As próximas etapas deste trabalho incluem ampliar as medidas experimentais para faixas de velocidades maiores e analisar mais indivíduos que possuem comprimento de perna distintos, para apurar de forma cada vez mais detalhada a dependência entre as grandezas: período, velocidade, comprimento, frequência e amplitude no movimento de caminhada.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Figura 04: Gráfico da frequência da passada em função da velocidade de caminhada.

<!-- image -->

Figura 05: Gráfico do comprimento da passada em função da velocidade de caminhada.

<!-- image -->

## Referências

ANDERSON, Frank C.; PANDY, Marcus G. Individual muscle contributions to support in normal walking. Gait &amp; posture , v. 17, n. 2, p. 159-169, 2003.

BARBOSA, Corália P. F. M. Modelação biomecânica do corpo humano: aplicação na análise da marcha . Tese de Doutorado. Universidade do Minho. Campus de Gualtar, 2011.

BESSONNET, Guy; CHESSE, Stephane; SARDAIN, Philippe. Optimal gait synthesis of a seven-link planar biped. The International journal of robotics research , v. 23, n. 10-11, p. 1059-1073, 2004.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

GODOY, Marcos Marcondes de; COSTA, Mara Raiane de Lima; CRUVINEL, Fernando Guimarães. Análise cinemática da marcha em indivíduo com discrepância de membro inferior: um estudo de caso. Brazilian Journal of Health Review , Curitiba, v. 3, n. 1. ISSN 2595-6825, p. 802-811, (2020).

MARQUES, Gil C. Dinâmica do Movimento dos Corpos: Movimento dos Animais. Capítulo 12 . 24 f. Apostila (Licenciatura em Ciências) - USP/UNIVESP, São Paulo. Disponível em:

https://midia.atp.usp.br/plc/plc0002/impressos/plc0002\_12.pdf. Acesso em: 12 jan.

(2021).

MONTEIRO, Walace David; ARAÚJO, Claudio Gil Soares de. Transição caminhada-corrida: considerações fisiológicas e perspectivas para estudos futuros. Revista Brasileira de Medicina do Esporte , v. 7, n. 6, p. 207-222, 2001.

UCHIDA, Tomas. K.; SETH, Ajay.; POUYA, Soha.; DEMBIA, Christopher L.; HICKS, Jennifer L.; DELP, Scott. L. Simulating ideal assistive devices to reduce the metabolic cost of running. PloS one , v. 11, n. 9, p. e0163417, 2016.

VOLOSHIN, A. S. Impact propagation and its effects on the human body. Biomechanics in sport , p. 577, 2000.

XIANG, Yujiang; ARORA, Jasbir S.; ABDEL-MALEK, Karim. Physics-based modeling and simulation of human walking: a review of optimization-based and other approaches. Structural and Multidisciplinary Optimization , v. 42, n. 1, p. 1-23, 2010.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_