効率的な歩行に貢献する「逆振り子」とは?

歩行で大切なことは、安全歩行とともに効率的な歩行を目指すことでしょう。

その効率的な歩行とは、主にエネルギー効率を意味します

そして、エネルギー効率を良くする歩行をしていくために貢献してくれるのが逆振り子」です。

今回は、逆振り子の仕組みと、効率の良い歩行につながる働きについて詳しく解説していきます。

逆振り子の作用をうまく使いながら、効率的な歩行を目指していきましょう。

歩行動作で必要な「逆振り子」とは?

逆振り子とは、支点を中心とした重心の回転運動を指します。

また、歩行動作は大きく「立脚相」「遊脚相」に分けられますが、足部を中心に重心が移動する立脚相が逆振り子になります

さらに、歩行動作の効率を上げていく役割を担っているのが、歩行の際に上下運動が起こる重心です。

もし、歩行の際に重心の上下運動が起こらなければ、前方への推進力を作るために筋力が必要になります。

筋力が必要になるとエネルギー効率が悪くなる要因になり、疲れやすくなったり、転倒リスクが増えたりしてしまいます。

引用元:すなリハチャンネル 【歩行の基本】倒立振り子運動を解説

効率良く歩くための「逆振り子」のメカニズム 

人間の体は、逆振り子を利用して効率よくエネルギーを活用できるように構造されています。

歩行の際、振り子は接地から離地に向かって前方に回転し続けています。

一方、身体重心は接地後に下降し、重心が圧力中心の真上に来る接地中点に向かって上昇。

の後、離地に向かって再び下降することが認められています。

また、振り子の脚長は接地前半で急激に縮小

その後伸びと縮みを繰り返し、接地後半で再び急激に伸びます

上記のことにより、振り子の脚長は接地直後の負荷を受けて一旦縮小。

その後起こし回転中に伸びることで重心は上昇して高い位置エネルギーを獲得できるのです。

引用元:リハビリ情報ブログ 白衣のドカタ 歩行に必須!ロッカーファンクションと倒立振り子モデルの機能と役割

効率的な歩行に関係する位置エネルギーと運動エネルギー

歩行のエネルギー効率に関係しているのが、位置エネルギーと運動エネルギーの関係です。

位置エネルギーとは、物体がある位置にあることで物体に蓄えられるエネルギーのことを言います。

一方、運動している物体の持つエネルギーを運動エネルギーといいます。

運動エネルギーは、運動の速度が速いほど、また物体の質量が大きいほど影響が大きくなります。

重心の上下運動は「運動エネルギー」「位置エネルギー」の変換を繰り返すことで、最小限のエネルギー消費で動作を行います。

また、位置エネルギーが最大となる場所が「立脚中期」になり、運動エネルギーが最大となるのが「両下肢支持期」です。

引用元:リハまにあ あなたが思う最強のセラピストとは?最強を目指すセラピストのブログ 歩行時に足がつまずいてしまう人に必要なこと〜倒立振り子と二重振り子モデル〜

効率良く歩くための立ち方とは?

逆振り子を機能するには、一番上に「重り」、その下に「支え棒」があり、地面に対して1点支えをとることです。

人間は、重い頭が上、支えの棒として脊柱・下肢になり、地面に対して基底面の狭い足部で支えています。

そして、人間の逆振り子が機能しやすくするための条件としては、重心は高く保ち、支持基底面は狭いことが求められます

そのため、重心が高い位置にある直立の立位姿勢を保持した状態が、一番効率良く逆振り子を使えることになり、楽な歩行にもつながります。

一方、膝や腰が曲がっている状態では、そのままの姿勢で歩いてしまうと重心が低くなるため、重力がうまく使えずに余分な筋力を要することになってしまいます。

高齢者の安全歩行につながる逆振り子の回転運動

高齢になるにつれて、股関節や膝関節などの関節の可動域が狭くなり、筋力も低下して足が上がりにくくなります。

その結果、歩幅も狭くなり、ますます歩く力が弱まってしまいます。

そのため、高齢者には大きな歩幅を獲得する必要があります

大きな歩幅を獲得するためには接地する足を中心にして、後方から前方へと身体を逆振り子型に大きく回転させることが重要です。

そこで、逆振り子の回転運動に影響してくるのが、下記のような要素になります。

  • ・重心の持つ速度
  • ・地面反力の鉛直成分と水平成分
  • ・振り子の慣性モーメント

また、振り子の支点に作用する地面反力について見ていくと、着地直後にかかる大きなブレーキ成分が関与しています。

ブレーキ成分には、次のような役割や特徴があります。

  • ・振り子を前方に回転させて、身体に起こし回転を生じさせていく
  • ・歩幅が増大するほど大きくなり、同時に鉛直成分も大きくなる
  • ・ブレーキ成分の増加とともに振り子の脚長はより縮み、接地後に下肢は大きく屈曲する

など、接地している時にブレーキ成分がかかることも加味していくと、自ら筋力を発揮してエネルギーを消費しないと歩き続けることはできないことになります。

しかし、逆振り子はできるだけエネルギーを消費せずに歩行するための非常に合理的な仕組みであることは間違いないでしょう。

引用元:J-STAGE 身体の逆振り子運動からみた高齢者歩行における歩幅の獲得要因

まとめ

今回は「効率的な歩行に貢献する「逆振り子」とは?」についてご説明しました。

効率の良い歩行を目指すなら、逆振り子を機能できるように、まずは直立姿勢の獲得を目指していきましょう

また、歩幅と振り子の振れ幅との間には有意な相関関係が認められています。

そのため、逆振り子を活用した歩行の際に、歩幅が大きくなるにつれてでてくる揺れ幅や歩行リズムを評価していく必要があります。

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現在、医療分野や介護施設などで幅広く活用されているAYUMI EYEを使って、あなたも効率的で安全な歩行を目指していきましょう。

(参考資料)
身体の逆振り子運動からみた高齢者歩行における歩幅の獲得要因 ー 三井孝 図子浩二
歩行における2つの”振り子”①「逆さ振り子(倒立振り子)」
「効率の良い」歩行とは?〜倒立振り子を考える〜


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