JP2012516780A - A model-based neuromechanical controller for robotic legs - Google Patents

A model-based neuromechanical controller for robotic legs Download PDF

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Abstract

少なくとも1つの関節を有するロボット肢用のモデルベースの神経機械コントローラが開示される。該コントローラは、該ロボット肢の状態に関するフィードバックデータを受け取って、該ロボット肢の状態を判定するように構成された有限状態機械と、該有限状態機械から状態情報を受け取って、筋肉の幾何学的形状及び/または配置情報、反射構造情報及び神経筋モデルを用いて、該ロボット肢に送る少なくとも1つの所望の関節トルク指令または剛性指令を決定するように構成された筋肉モデルプロセッサと、該筋肉モデルプロセッサによって決定された生体模倣型のトルク及び剛性を該ロボット肢の関節に指令するように構成された関節指令プロセッサとを備える。フィードバックデータは、好ましくは該ロボット肢の各関節に搭載された少なくとも1つのセンサーによって提供される。好適な実施形態では、該ロボット肢は脚であり、該有限状態機械は該脚の歩行サイクルに同期化される。  A model-based neuromechanical controller for a robotic limb having at least one joint is disclosed. The controller receives feedback data regarding the state of the robot limb and receives a state information from the finite state machine configured to determine the state of the robot limb and receives muscle state geometry A muscle model processor configured to determine at least one desired joint torque command or stiffness command to be sent to the robot limb using shape and / or placement information, reflex structure information and a neuromuscular model; A joint command processor configured to command biomimetic torque and stiffness determined by the processor to a joint of the robot limb. The feedback data is preferably provided by at least one sensor mounted on each joint of the robot limb. In a preferred embodiment, the robot limb is a leg and the finite state machine is synchronized to the leg walking cycle.

Description

関連出願
本願は、2009年1月30日に出願された米国仮特許出願第61/148,545号の利益を主張するものであり、該仮特許出願の全開示内容は参照により本明細書に組み込まれるものとする。
RELATED APPLICATION This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 148,545, filed January 30, 2009, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. Shall.

本願は、2008年6月12日に出願された米国特許出願第12/157,727号(該出願は、2007年6月12日に出願されたがすでに失効している米国仮特許出願第60/934,223号の利益を主張するものである)の一部継続出願であり、かつ、米国特許出願第11/395,448、第11/495,140号、及び第11/642,993号の一部継続出願である。これらの米国特許出願の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。   No. 12 / 157,727 filed Jun. 12, 2008, which was filed Jun. 12, 2007, but has expired, US Provisional Patent Application No. 60 / 934,223 No. 11 / 395,448, 11 / 495,140, and 11 / 642,993, and are continuation-in-part applications. The entire disclosure of these US patent applications is hereby incorporated by reference.

本願は、2009年10月29日に出願された米国特許出願第12/608,627号(該出願は、2006年12月19日に出願されたが放棄された米国特許出願第11/642,993号の一部継続出願であって、2005年12月19日に出願されたがすでに失効している米国仮特許出願第60/751,680号の利益を主張するものである)の一部継続出願であって、米国特許出願第11/395,448号、第11/495,140号、第11/600、291号、及び第11/499,853号(これは、米国特許第7,313,463号として特許されており、2005年8月4日に出願されたがすでに失効している米国仮特許出願第60/705,651の出願日の利益を主張するものである)の一部継続出願であり、かつ、米国特許出願第11/395,448号の一部継続出願である。これらの米国特許出願の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。   No. 12 / 608,627, filed Oct. 29, 2009 (which is filed on Dec. 19, 2006 but abandoned U.S. Patent Application No. 11 / 642,993). A continuation-in-part application, which claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 60 / 751,680, filed on December 19, 2005, but has expired) U.S. Patent Application Nos. 11 / 395,448, 11 / 495,140, 11 / 600,291, and 11 / 499,853 (this was patented as U.S. Pat. No. 7,313,463, August 4, 2005. (Which claims the benefit of the filing date of US Provisional Patent Application No. 60 / 705,651, which has been filed in the past) and is a part of US Patent Application No. 11 / 395,448 This is a continuous continuation application. The entire disclosure of these US patent applications is hereby incorporated by reference.

本願はまた、Hugh M. Herr、Daniel Joseph Paluska、及びPeter Dilworthによって2006年3月31日に出願された「Artificial human limbs and joints employingactuators, springs and Variable-Damper Elements」と題する米国特許出願第11/395,448号の一部継続出願である。米国特許出願第11/395,448号は、2005年3月31日に出願されたがすでに失効している米国仮特許出願第60/666,876号の出願日の利益、並びに、2005年8月1日に出願されたが既に失効している米国仮特許出願第60/704,517号の出願日の利益を主張するものである。   This application is also a U.S. Patent Application No. 11/11 entitled "Artificial human limbs and joints using actuators, springs and Variable-Damper Elements" filed March 31, 2006 by Hugh M. Herr, Daniel Joseph Paluska, and Peter Dilworth. This is a continuation-in-part of 395,448. U.S. Patent Application No. 11 / 395,448 is filed on March 31, 2005, but has already expired, the benefit of the filing date of U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 666,876, as well as on August 1, 2005. It claims the benefit of the filing date of US Provisional Patent Application No. 60 / 704,517, which has been filed but has already expired.

本願はまた、Hugh M. Herr、Samuel K. Au, Peter Dilworth及びDaniel Joseph Paluskaによって2006年7月29日に出願された「An Artificial Ankle-Foot System with Spring, Variable-Damping, andSeries-Elastic Actuator Components」と題する米国特許出願第11/495,140号の一部継続出願である。米国特許出願第11/495,140号は、2005年8月1日に出願されたがすでに失効している米国仮特許出願第60/704,517号の出願日の利益を主張するものであり、また、米国特許出願第11/395,448号の一部継続出願である。   This application is also filed by Hugh M. Herr, Samuel K. Au, Peter Dilworth and Daniel Joseph Paluska on July 29, 2006, “An Artificial Ankle-Foot System with Spring, Variable-Damping, and Series-Elastic Actuator Components. Is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 11 / 495,140. U.S. Patent Application No. 11 / 495,140 claims the benefit of the filing date of U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 704,517, filed on August 1, 2005, but has expired. This is a continuation-in-part of Patent Application No. 11 / 395,448.

本願はまた、Hugh M. Herr、Conor Walsh、Daniel Joseph Paluska、Andrew Valiente、Kenneth Pasch、及びWilliam Grandによって2006年11月15日に出願された「Exoskeletons for running and walking」と題する米国特許出願第11/600,291号の一部継続出願である。米国特許出願第11/600,291号は、2005年11月15日に出願されたがすでに失効している米国仮特許出願第60/736,929号の出願日の利益を主張するものであり、かつ、米国特許出願第11/395,448号、第11/499,853号、及び第11/495,140号の一部継続出願である。   This application is also a U.S. Patent Application No. 11 entitled “Exoskeletons for running and walking” filed November 15, 2006 by Hugh M. Herr, Conor Walsh, Daniel Joseph Paluska, Andrew Valiente, Kenneth Pasch, and William Grand. This is a continuation-in-part of / 600,291. U.S. Patent Application No. 11 / 600,291 claims the benefit of the filing date of U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 736,929, filed on November 15, 2005, but has expired, and This is a continuation-in-part of patent applications 11 / 395,448, 11 / 499,853, and 11 / 495,140.

本願は、上記の特許出願の各々の出願日の利益を主張するものであって、上記の出願の各々の開示を参照によって組み込んでいる。   This application claims the benefit of the filing date of each of the above patent applications, and incorporates the disclosure of each of the above applications by reference.

連邦支援の研究開発に関する陳述
本発明は、認可番号VA241-P-0026の下に米国政府の支援を受けてなされたものであり、米国復員軍人援護局によって表彰された。米国政府は本発明において所定の権利を有する。
STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH AND DEVELOPMENT This invention was made with support from the US government under grant number VA241-P-0026 and was honored by the US Veterans Support Agency. The US government has certain rights in this invention.

本発明は、人工装具、矯正器具、外骨格装具、または、ロボット装置に使用するための人工関節及び義肢の制御、特に、神経筋(神経と筋肉)の歩行モデルに基づくロボット脚の制御方法に関する。   The present invention relates to a method for controlling a robot leg based on a walking model of a neuromuscular (a nerve and a muscle), in particular, control of an artificial joint and a prosthetic limb for use in a prosthetic device, a correction device, an exoskeleton device, or a robot apparatus. .

動物及び人間の脚移動は、複雑な神経回路網によって制御されている。中枢パターン発生器(central pattern generator:CPG)がこの神経回路網のベースを形成しているということが、20世紀初頭に提唱されて(Brown, T. G., 1914.「Onthe nature of the fundamental activity of the nervous centres; together with ananalysis of the conditioning of rhythmic activity in progression, and a theoryof the evolution of function in the nervous system. J Physiol 48 (1), 18-46.」)、今日では確立されている(Orlovsky, G., Deliagina, T., Grillner,S., 1999.「Neuronal control of locomotion frommollusc to man. Oxford University Press, New York」)。   Animal and human leg movements are controlled by complex neural networks. It was proposed at the beginning of the 20th century that the central pattern generator (CPG) forms the base of this neural network (Brown, TG, 1914. “On the nature of the fundamental activity of the nervous centers; together with ananalysis of the conditioning of rhythmic activity in progression, and a theoryof the evolution of function in the nervous system.J Physiol 48 (1), 18-46. G., Deliagina, T., Grillner, S., 1999. “Neuronal control of locomotion from mollusc to man. Oxford University Press, New York”).

現在のところ、CPGは、脊髄中のニューロン(神経)プールの層から構成されており(Rybak, I. A., Shevtsova, N. A.,Lafreniere-Roula, M., McCrea, D. A., 2006. Modelling spinal circuitry involvedin locomotor pattern generation: insights from deletions during fictivelocomotion. J Physiol 577 (Pt 2), 617-639)、脊髄は、筋シナジーを伝達する他のニューロンプール(other neuron pools channeling muscle synergies)を介して、脚の伸筋及び屈筋に、脊髄反射がない場合でさえ、歩行運動をするのに十分な律動的活動を与える(Dietz,V., 2003. Spinal cord pattern generators for locomotion. Clin Neurophysiol 114(8), 1379- 1389; Minassian, K., Persy, I, Rattay, F., Pinter, M. M., Kern, H.,Dimitrijevic, M. R., 2007. Human lumbar cord circuitries can be activated byextrinsic tonic input to generate locomotor-like activity. Hum Mov Sci 26 (2),275-295, Grillner, S., Zangger, P., 1979. On the central generation oflocomotion in the low spinal cat. Exp Brain Res 34 (2), 241-261; Frigon, A.,Rossignol, S., 2006. Experiments and models of sensorimotor interactions duringlocomotion. Biol Cybern 95 (6), 607-627)と考えられている。それでもやはり、脊髄反射は、この複雑な神経回路網の一部であって(Rybak, I. A., Stecina, K., Shevtsova,N. A., McCrea, D. A., 2006. Modelling spinal circuitry involved in locomotorpattern generation: insights from the effects of afferent stimulation. JPhysiol 577 (Pt 2), 641-658)、歩行運動パターンの選択、伸筋及び屈筋活動のタイミング、及び、CPG出力の調節に寄与する。   At present, CPG is composed of a layer of neuronal pools in the spinal cord (Rybak, IA, Shevtsova, NA, Lafreniere-Roula, M., McCrea, DA, 2006. Modeling spinal structures involved in locomotor pattern generation: insights from deletions during fictivelocomotion. J Physiol 577 (Pt 2), 617-639), the spinal cord via other neuron pools that transmit muscle synergies (other neuron pools channeling muscle synergies) Clin Neurophysiol 114 (8), 1379- 1389; provides flexional activity sufficient for locomotion even in the absence of spinal reflexes (Dietz, V., 2003. Spinal cord pattern generators for locomotion. Minassian, K., Persy, I, Rattay, F., Pinter, MM, Kern, H., Dimitrijevic, MR, 2007. Human lumbar cord circuitries can be activated byextrinsic tonic input to generate locomotor-like activity.Hum Mov Sci 26 (2), 275-295, Grillner, S., Zangger, P., 1979.On the central generation o Exp Brain Res 34 (2), 241-261; Frigon, A., Rossignol, S., 2006. Experiments and models of sensorimotor interactions duringlocomotion. Biol Cybern 95 (6), 607-627) It is believed that. Nonetheless, spinal reflexes are part of this complex neural network (Rybak, IA, Stecina, K., Shevtsova, NA, McCrea, DA, 2006. Modeling spinal circuitry involved in locomotorpattern generation: insights from the JPhysiol 577 (Pt 2), 641-658), selection of gait pattern, timing of extensor and flexor activities, and regulation of CPG output.

中枢パターン発生器と調節作用を有する反射神経の組み合わせを用いることによって、ヤツメウナギ(Ekeberg, O., Grillner, S., 1999.Simulations of neuromuscular control in lamprey swimming. Philos Trans R SocLond B Biol Sci 354 (1385), 895-902)、サンショウウオ(Ijspeert, A., Crespi, A., Ryczko, D., Cabelguen, J. -M., 2007. Fromswimming to walking with a salamander robot driven by a spinal cord model.Science 315 (5817), 1416-1420)、ネコ(Ivashko,D. G., Prilutski, B. I, Markin, S. N., Chapin, J. K., Rybak, I.A., 2003. Modeling the spinal cord neural circuitry controlling cat hindlimbmovement during locomotion. Neurocomputing 52-54, 621-629; Yakovenko, S.,Gritsenko, V., Prochazka, A., 2004. Contribution of stretch reflexes tolocomotor control: a modeling study. Biol Cybern 90 (2), 146-155; Maufroy, C,Kimura, H., Takase, K., 2008. Towards a general neural controller forquadrupedal locomotion. Neural Netw 21 (4), 667-681)、及び人間(Ogihara, N., Yamazaki, N., 2001.Generation of human bipedal locomotion by a bio-mimetic neuro-musculo-skeletalmodel. Biol Cybern 84 (1), 1-11; Paul, C, Bellotti, M., Jezernik, S., Curt, A.,2005. Development of a human neuro-musculo-skeletal model for investigation ofspinal cord injury. Biol Cybern 93 (3), 153-170)の神経筋モデルが、動物及び人間の歩行運動におけるそれぞれ異なる制御方式を研究するための不可欠の道具になってきた。これらのモデルの重要性は、実験(Pearson, K., Ekeberg, O., Buschges, A.,2006. Assessing sensory function in locomotor systems using neuro-mechanicalsimulations. Trends Neurosci 29 (11), 625-631)によって提唱された、CPGのアーキテクチャ及び基礎となる反射運動を再現することにある。しかしながら、そのようなアーキテクチャが歩行運動メカニズムの原理を、どのように表しているか、または、符号化しているかを理解することについては今までほとんど注意が払われていなかった。   By using a combination of a central pattern generator and a reflex with a regulatory effect, a lamprey (Ekeberg, O., Grillner, S., 1999. Simulations of neuromuscular control in lamprey swimming. Philos Trans R SocLond B Biol Sci 354 (1385 , 895-902), Salamander (Ijspeert, A., Crespi, A., Ryczko, D., Cabelguen, J. -M., 2007. Fromswimming to walking with a salamander robot driven by a spinal cord model.Science 315 (5817), 1416-1420), Cat (Ivashko, DG, Prilutski, B. I, Markin, SN, Chapin, JK, Rybak, IA, 2003. Modeling the spinal cord neural circuitry controlling cat hindlimb movement during locomotion. Neurocomputing 52- 54, 621-629; Yakovenko, S., Gritsenko, V., Prochazka, A., 2004. Contribution of stretch reflexes tolocomotor control: a modeling study. Biol Cybern 90 (2), 146-155; Maufroy, C, Kimura , H., Takase, K., 2008. Towards a general neural controller forquadrupedal locomotion. Neural Netw 21 (4), 667-681), and people (Ogihara, N., Yamazaki, N., 2001.Generation of human bipedal locomotion by a bio-mimetic neuro-musculo-skeletalmodel. Biol Cybern 84 (1), 1-11; Paul, C, Bellotti, M., Jezernik , S., Curt, A., 2005. Development of a human neuro-musculo-skeletal model for investigation of spinal cord injury. Biol Cybern 93 (3), 153-170) It has become an indispensable tool for studying different control methods. The importance of these models is determined by experiments (Pearson, K., Ekeberg, O., Buschges, A., 2006. Assessing sensory function in locomotor systems using neuro-mechanicalsimulations. Trends Neurosci 29 (11), 625-631). The goal is to reproduce the proposed CPG architecture and underlying reflex motion. However, little attention has been paid to understanding how such an architecture represents or encodes the principles of the gait mechanism.

それらの原理は、既に判明しているニューラルネットワーク(神経回路網)の複雑さとは対照的に、脚移動にはほとんどまたは全く制御が必要とされないということを示唆している。たとえば、脚移動の支配的なメカニズムを捕捉する、歩行(Alexander, R., 1976. Mechanics ofbipedal locomotion. In: Perspectives in experimental biology (Ed. Davies, P.S.) Pergamon, Oxford;Mochon, S., McMahon, T., 1980. Ballistic walking. J. Biomech. 13 (1), 49-57)と走行(Blickhan, R., 1989. The spring-mass model forrunning and hopping. J. of Biomech. 22, 1217- 1227; McMahon, T., Cheng, G.,1990. The mechanism of running: how does stiffness couple with speed? J. ofBiomech. 23, 65-78)の2つの概念モデルが提案された。研究によって、この機械システムが適正に調整されている場合には、それらのモデルが自己安定化能力を有することが実証された(McGeer, T., 1990. Passive dynamicwalking. Int. J. Rob. Res. 9 (2), 62-82; McGeer, T., 1992. Principles ofwalking and running. Vol. 11 of Advances in Comparative and EnvironmentalPhysiology. Springer-Verlag BerlinHeidelberg, Ch. 4; Seyfarth, A., Geyer, H.,Gunther, M., Blickhan, R., 2002. A movement criterion for running. J. ofBiomech. 35, 649-655; Ghigliazza, R., Altendorfer, R., Holmes, P., Koditschek,D., 2003. A simply stabilized running model. SIAM J. Applied. Dynamical Systems2 (2), 187-218)。歩行ロボット及び走行ロボットは、さらに、この原理から得られた実用上の適合性及び制御上の利益を実証した(Raibert, M., 1986. Legged robots thatbalance. MIT press, Cambridge;McGeer, T., 1990. Passive dynamic walking. Int. J. Rob. Res. 9 (2), 62-82;Saranli, U., Buehler, M., Koditschek, D., 2001. Rhex: A simple and highlymobile hexapod robot. Int. Jour. Rob. Res. 20 (7), 616-631; Collins, S., Ruina,A., Tedrake, R., Wisse, M., 2005. Efficient bipedal robots based onpassive-dynamic walkers. Science 307 (5712), 1082-1085)。しかし、脚の力学のこの原理及び他の原理が人間の運動制御システムにどのように組み込まれるかという未解決の問題が残っている。   These principles suggest that little or no control is required for leg movement, as opposed to the complexity of neural networks already known. For example, gait (Alexander, R., 1976. Mechanics of bipedal locomotion. In: Perspectives in experimental biology (Ed. Davies, PS) Pergamon, Oxford; Mochon, S., McMahon, T., 1980. Ballistic walking. J. Biomech. 13 (1), 49-57) and running (Blickhan, R., 1989. The spring-mass model for running and hopping. J. of Biomech. 22, 1217-1227 McMahon, T., Cheng, G., 1990. The mechanism of running: how does stiffness couple with speed? J. ofBiomech. 23, 65-78). Studies have demonstrated that these mechanical systems are self-stabilizing when the mechanical systems are properly tuned (McGeer, T., 1990. Passive dynamicwalking. Int. J. Rob. Res 9 (2), 62-82; McGeer, T., 1992. Principles of walking and running.Vol. 11 of Advances in Comparative and EnvironmentalPhysiology.Springer-Verlag BerlinHeidelberg, Ch. 4; Seyfarth, A., Geyer, H. , Gunther, M., Blickhan, R., 2002. A movement criterion for running. J. ofBiomech. 35, 649-655; Ghigliazza, R., Altendorfer, R., Holmes, P., Koditschek, D., 2003 A simply stabilized running model. SIAM J. Applied. Dynamical Systems 2 (2), 187-218). Walking and traveling robots further demonstrated practical compatibility and control benefits derived from this principle (Raibert, M., 1986. Legged robots thatbalance. MIT press, Cambridge; McGeer, T., 1990. Passive dynamic walking. Int. J. Rob. Res. 9 (2), 62-82; Saranli, U., Buehler, M., Koditschek, D., 2001. Rhex: A simple and highlymobile hexapod robot. Int Jour. Rob. Res. 20 (7), 616-631; Collins, S., Ruina, A., Tedrake, R., Wisse, M., 2005. Efficient bipedal robots based onpassive-dynamic walkers. Science 307 ( 5712), 1082-1085). However, there remains an unresolved issue of how this and other principles of leg dynamics are incorporated into human motion control systems.

力学と運動制御との間のこの相互作用の重要性は、神経科学者及びバイオメカニクス研究者には同様に認識されている(Pearson, K., Ekeberg, O., Buschges, A.,2006. Assessing sensory function in locomotor systems using neuro-mechanicalsimulations. Trends Neurosci 29 (11), 625-631)。たとえば、CPGが歩行運動におけるモーター作用のための主要な駆動回路を形成することは一般に受け入れられている(Grillner, S., Zangger, P., 1979. On the central generation of locomotionin the low spinal cat. Exp Brain Res 34 (2), 241-261; Dietz, V., 2003. Spinalcord pattern generators for locomotion. Clin Neurophysiol 114 (8), 1379- 1389;Frigon, A., Rossignol, S., 2006. Experiments and models of sensorimotorinteractions during locomotion. Biol Cybern 95 (6), 607-627; Ijspeert, A. J.,2008. Central pattern generators for locomotion control in animals and robots:a review. Neural Netw 21 (4), 642-653)が、1969年にLundbergは、そのある程度単純な中枢性入力(central input)がない状態では、歩行運動力学に関する情報を中継する脊髄反射が、実際の歩行運動に見られる複雑な筋活動を形成するということを提唱した(Lundberg, A., 1969. Reflex control of stepping. In: The Nansenmemorial lecture V, Oslo: Universitetsforlaget, 5-42)。Tagaは、このアイデアを改良して、「中枢部で生成された律動は、運動器官の律動運動によって引き起こされる感覚信号によって伝達される…」ので、「運動出力(モータ出力)は、神経系と筋骨格系と環境との間の動的相互作用の創発特性(emergent property)である」と提唱した(Taga, G., 1995. A model of the neuro-musculo-skeletal system forhuman locomotion. I. Emergence of basic gait. Biol. Cybern. 73 (2), 97-111)。これに基づいて、彼は、CPGを感覚フィードバックと組み合わせて、基本的な歩きぶり(歩行)が、神経系と筋骨格系の律動的活動間のグローバルなエントレインメント(同調)からどのようにして生じるかを実証する人間の歩行運動の神経筋モデルを提示した。   The importance of this interaction between dynamics and motion control is recognized by neuroscientists and biomechanics researchers alike (Pearson, K., Ekeberg, O., Buschges, A., 2006. Assessing sensory function in locomotor systems using neuro-mechanical simulations. Trends Neurosci 29 (11), 625-631). For example, it is generally accepted that CPG forms the main drive circuit for motor action in locomotion (Grillner, S., Zangger, P., 1979. On the central generation of locomotionin the low spinal cat. Exp Brain Res 34 (2), 241-261; Dietz, V., 2003. Spinalcord pattern generators for locomotion. Clin Neurophysiol 114 (8), 1379- 1389; Frigon, A., Rossignol, S., 2006. Experiments and Models of sensorimotorinteractions during locomotion. Biol Cybern 95 (6), 607-627; Ijspeert, AJ, 2008. Central pattern generators for locomotion control in animals and robots: a review. Neural Netw 21 (4), 642-653) In 1969, Lundberg said that in the absence of that somewhat simple central input, the spinal reflex that relays information about locomotor dynamics forms the complex muscle activity seen in real locomotion. (Lundberg, A., 1969. Reflex control of stepping. In: The Nansen memorial lecture V, Oslo: Universitetsforlaget, 5-42). Taga has improved this idea, because “the rhythm generated in the central part is transmitted by sensory signals caused by the rhythmic movement of the motor organs…”, “motor output (motor output) It is an emergent property of dynamic interaction between the musculoskeletal system and the environment ”(Taga, G., 1995. A model of the neuro-musculo-skeletal system for human locomotion. I. Emergence of basic gait. Biol. Cybern. 73 (2), 97-111). Based on this, he combined CPG with sensory feedback and how the basic gait (gait) is from global entrainment between the nervous and musculoskeletal rhythmic activities. A neuromuscular model of human gait was demonstrated to demonstrate what happens.

運動出力(モーター出力)を生成する中枢性入力と反射性入力(reflex input)の実際の比が何を意味するかについては議論が続いている(Pearson, K. G., 2004. Generating the walking gait: role of sensoryfeedback. Prog Brain Res 143, 123-129; Frigon, A., Rossignol, S., 2006.Experiments and models of sensorimotor interactions during locomotion. BiolCybern 95 (6), 607-627; Hultborn, H., 2006. Spinal reflexes, mechanisms andconcepts: from Eccles to Lundberg and beyond. Prog Neurobiol 78 (3-5), 215-232;Prochazka, A., Yakovenko, S., 2007. The neuromechanical tuning hypothesis. ProgBrain Res 165, 255-265)。たとえば、歩いているネコの場合、体重を支える脚の伸筋で観察される筋活動(または筋活性。以下同じ)の約30%だけが、筋反射に寄与しうることが推定されている(Prochazka, A., Gritsenko, V., Yakovenko, S., 2002. Sensory controlof locomotion: reflexes versus higher-level control. Adv Exp Med Biol 508,357-367; Donelan, J. M., McVea, D. A., Pearson, K. G., 2009. Force regulationof ankle extensor muscle activity in freely walking cats. J Neurophysiol 101(1), 360-371)。   There is ongoing debate about what the actual ratio of central input and reflex input that generate motor output (motor output) means (Pearson, KG, 2004. Generating the walking gait: role Prog Brain Res 143, 123-129; Frigon, A., Rossignol, S., 2006.Experiments and models of sensorimotor interactions during locomotion. BiolCybern 95 (6), 607-627; Hultborn, H., 2006. Spinal reflexes, mechanisms and concepts: from Eccles to Lundberg and beyond.Prog Neurobiol 78 (3-5), 215-232; Prochazka, A., Yakovenko, S., 2007. The neuromechanical tuning hypothesis.ProgBrain Res 165, 255-265 ). For example, in walking cats, it has been estimated that only about 30% of the muscle activity (or muscle activity, the same applies hereinafter) observed with leg extensors that support weight can contribute to muscle reflexes ( Prochazka, A., Gritsenko, V., Yakovenko, S., 2002. Sensory controlof locomotion: reflexes versus higher-level control.Adv Exp Med Biol 508,357-367; Donelan, JM, McVea, DA, Pearson, KG, 2009. Force regulation of ankle extensor muscle activity in freely walking cats. J Neurophysiol 101 (1), 360-371).

人間の場合、歩行運動中の筋活動に対する反射神経(または反射作用)の寄与はより顕著であるように思われる。Sinkjaerとその同僚は、歩行の立脚期において、反射神経が、ヒラメ筋の筋活動に対して約50%寄与することを無負荷実験から推定した(Sinkjaer, T., Andersen, J. B., Ladouceur, M., Christensen, L. O.,Nielsen, J. B., 2000. Major role for sensory feedback in soleus EMG activity inthe stance phase of walking in man. J Physiol 523 Pt 3, 817-827)。最近になって、Greyとその同僚は、ヒラメ筋の筋活動がアキレス腱の腱力の変化に比例して変化することを見出し、正の力帰還(正の力フィードバック)とこの筋肉に対する作用の間の直接的関係を提唱した(Grey, M. J., Nielsen, J. B., Mazzaro, N., Sinkjaer, T., 2007.Positive force feedback in human walking. J Physiol 581 (1), 99-105)。そのような大きな反射神経の寄与が全ての脚筋に存するのか否かについては依然として明らかにはされていない。Daleyとその同僚が鳥の歩行実験から結論付けたように、おそらく、下肢近位筋が中枢性入力(central input)によって主に制御され、一方、下肢遠位筋が、より大きな固有受容フィードバック (proprioceptivefeedback)ゲイン及び機械的作用に対するより大きな感度に起因して反射性入力(reflex input)によって支配されるような状況では、運動制御には、近遠位勾配が存在するだろう(Daley, M. A., Felix, G., Biewener, A. A., 2007. Running stability isenhanced by a proximo-distal gradient in joint neuromechanical control. J ExpBiol 210 (Pt 3), 383-394)。   In humans, the contribution of reflexes (or reflexes) to muscle activity during locomotion appears to be more pronounced. Sinkjaer and colleagues estimated from reflex experiments that reflexes contribute approximately 50% to the activity of the soleus muscle during the stance phase of walking (Sinkjaer, T., Andersen, JB, Ladouceur, M , Christensen, LO, Nielsen, JB, 2000. Major role for sensory feedback in soleus EMG activity in the stance phase of walking in man. J Physiol 523 Pt 3, 817-827). Recently, Grey and colleagues found that the muscle activity of the soleus changes in proportion to changes in the tendon force of the Achilles tendon, and between positive force feedback (positive force feedback) and the action on this muscle. (Grey, MJ, Nielsen, JB, Mazzaro, N., Sinkjaer, T., 2007. Positive force feedback in human walking. J Physiol 581 (1), 99-105). It remains unclear whether such a large reflex nerve contribution exists in all leg muscles. As Daley and colleagues conclude from bird walking experiments, perhaps the proximal muscles of the lower limbs are controlled primarily by central input, while the distal muscles of the lower limbs are given greater proprioceptive feedback ( In situations where proprioceptive feedback is dominated by reflex input due to greater gain and sensitivity to mechanical action, there will be near-distal gradients in motion control (Daley, MA, Felix, G., Biewener, AA, 2007. Running stability isenhanced by a proximo-distal gradient in joint neuromechanical control. J ExpBiol 210 (Pt 3), 383-394).

地形(地勢)への適用は歩行の重要な側面である。現在市販されている短下肢装具は、歩行の立脚期の間適切な弾性を生じるように設計された軽量かつ受動的構造を利用している(S. Ron, Prosthetics and Orthotics: Lower Limb and Spinal. LippincottWilliams & Wilkins 2002)。これらの装具で使用されている先端複合材料によって、何ら障害のない人間のアキレス腱と同じ様に、制御された背屈及び足底屈がなされている間に多少のエネルギーを貯蔵し、その後、駆動力を与えられた足底屈がなされている間はエネルギーを放出することが可能になっている(A. L. Hof, B. A. Geelen, Jw. Van den Berg, "Calf muscle moment,work and efficiency in level walking; role of series elasticity," Journalof Biomechanics, Vol. 16, No. 7, pp. 523-537, 1983; D. A. Winter,"Biomechanical motor pattern in normal walking," Journal of Motor Behavior,Vol. 15, No. 4, pp. 302 - 330, 1983)。   Application to topography (terrain) is an important aspect of walking. Commercially available short leg braces utilize a lightweight and passive structure designed to provide adequate elasticity during the stance phase of walking (S. Ron, Prosthetics and Orthotics: Lower Limb and Spinal. Lippincott Williams & Wilkins 2002). The advanced composite material used in these braces stores some energy during controlled dorsiflexion and plantar flexion, similar to the unaffected human Achilles tendon, and then drives It is possible to release energy during a strong plantar flexion (AL Hof, BA Geelen, Jw. Van den Berg, "Calf muscle moment, work and efficiency in level walking; role of series elasticity, "Journalof Biomechanics, Vol. 16, No. 7, pp. 523-537, 1983; DA Winter," Biomechanical motor pattern in normal walking, "Journal of Motor Behavior, Vol. 15, No. 4, pp. 302-330, 1983).

この受動的かつ弾性的挙動は、ゆっくりした歩行中は足関節の機能によく似ているが、通常の歩行及び速い歩行では、さらなる外部エネルギーが必要になり、それゆえ、通常の歩行及び速い歩行を、受動的な短下肢装具では実行できない(M. Palmer, "Sagittal plane characterization of normal humanankle function across a range of walking gait speeds," Master's Thesis,Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2002; D. H. Gates,"Characterizing ankle function during stair ascent, descent, and levelwalking for ankle prosthesis and orthosis design," Master's Thesis, BostonUniversity, 2004; A. H. Hansen, D. S. Childress, S. C. Miff, S. A. Gard, K. P.Mesplay, "The human ankle during walking: implication for the design ofbiomimetic ankle prosthesis," Journal of Biomechanics, Vol. 37, Issue 10,pp. 1467-1474, 2004)。この欠陥は、受動的短下肢装具を使用している下腿切断者の歩きぶりに反映される。彼らの自己選択した歩行速度は通常人よりも遅く、歩長は通常人よりも短い(D. A. Winter and S. E. Sienko. "Biomechanics of below-kneeamputee gait," Journal of Biomechanics, 21, pp. 361-367, 1988)。さらに、彼らの歩きぶりは明らかに非対称である。すなわち、障害のない側の足関節の動きの範囲がより小さく(H. B. Skinner and D. J. Effeney, "Gait analysis inamputees," Am J Phys Med, Vol. 64, pp. 82-89, 1985; H. Bateni and S.Olney, "Kinematic and kinetic variations of below-knee amputee gait,"Journal of Prosthetics & Orthotics, Vol. 14, No. 1, pp. 2-13, 2002)、一方、障害のある側では、股関節の伸展モーメントがより大きく、膝の屈曲モーメントはより小さい(D. A. Winter and S. E. Sienko. "Biomechanics of below-kneeamputee gait," Journal of Biomechanics, 21, pp. 361-367, 1988; H. Bateniand S. Olney, "Kinematic and kinetic variations of below-knee amputeegait," Journal of Prosthetics & Orthotics, Vol. 14, No. 1, pp. 2-13,2002)。彼らはまた、下腿を切断していない者よりも、歩行により多くの代謝エネルギーを消費する(N. H. Molen, "Energy/speed relation of below-knee amputeeswalking on motor-driven treadmill," Int. Z. Angew, Physio, Vol. 31, p 173,1973; G. R. Colborne, S. Naumann, P.E. Longmuir, and D. Berbrayer,"Analysis of mechanical and metabolic factors in the gait of congenitalbelow knee amputees," Am. J. Phys. Med. Rehabil, Vol. 92, pp 272-278,1992; R. L. Waters, J. Perry, D. Antonelli, H. Hislop. "Energy cost ofwalking amputees: the influence of level of amputation," J Bone JointSurg. Am., Vol. 58, No. 1, pp. 4246, 1976; E. G. Gonzalez, P. J. Corcoran, andL. R. Rodolfo. Energy expenditure in B/K amputees: correlation with stumplength. Archs. Phys. Med. Rehabil. 55, 111-119, 1974; D. J. Sanderson and P. E.Martin. "Lower extremity kinematic and kinetic adaptations in unilateralbelow-knee amputees during walking," Gait and Posture. 6, 126 136, 1997;A. Esquenazi, and R. DiGiacomo. "Rehabilitation After Amputation," JournAm Podiatr Med Assoc, 91(1): 13-22, 2001)。これらの差違は、下腿切断者が、足関節の力不足を補うために股関節の力をより多く使用するからかもしれない(A. D. Kuo, "Energetics of actively powered locomotion using thesimplest walking model," J Biomech Eng., Vol. 124, pp. 113-120, 2002; A.D. Kuo, J. M. Donelan, and A. Ruina, "Energetic consequences of walkinglike an inverted pendulum: Step-sto-step transitions," Exerc. Sport Sci.Rev., Vol. 33, No. 2, pp. 88-97, 2005; A. Ruina, J. E. Bertram, and M.Srinivasan, "A collisional model of the energetic cost of support workqualitatively explains leg sequencing in walking and galloping, pseudo-elasticleg behavior in running and the walk-to-run transition." J. Theor. Biol,Vol. 237, No. 2, pp. 170-192, 2005)。   This passive and elastic behavior closely resembles ankle function during slow walking, but normal walking and fast walking require additional external energy and hence normal and fast walking Cannot be performed with passive ankle braces (M. Palmer, "Sagittal plane characterization of normal human ankle function across a range of walking gait speeds," Master's Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2002; DH Gates, "Characterizing ankle function during stair ascent, descent, and levelwalking for ankle prosthesis and orthosis design," Master's Thesis, BostonUniversity, 2004; AH Hansen, DS Childress, SC Miff, SA Gard, KPMesplay, "The human ankle during walking: implication for the design of biomimetic ankle prosthesis, "Journal of Biomechanics, Vol. 37, Issue 10, pp. 1467-1474, 2004). This deficiency is reflected in the gait of leg amputees using passive ankle braces. Their self-selected walking speeds are slower than normal people and steps are shorter than normal people (DA Winter and SE Sienko. "Biomechanics of below-kneeamputee gait," Journal of Biomechanics, 21, pp. 361-367, 1988). In addition, their walking is clearly asymmetric. That is, the range of movement of the ankle joint on the unaffected side is smaller (HB Skinner and DJ Effeney, “Gait analysis inamputees,” Am J Phys Med, Vol. 64, pp. 82-89, 1985; H. Bateni and S. Olney, "Kinematic and kinetic variations of below-knee amputee gait," Journal of Prosthetics & Orthotics, Vol. 14, No. 1, pp. 2-13, 2002), while on the disabled side, Larger extension moments and smaller knee flexion moments (DA Winter and SE Sienko. "Biomechanics of below-kneeamputee gait," Journal of Biomechanics, 21, pp. 361-367, 1988; H. Bateniand S. Olney, "Kinematic and kinetic variations of below-knee amputeegait," Journal of Prosthetics & Orthotics, Vol. 14, No. 1, pp. 2-13, 2002). They also consume more metabolic energy in walking than those who have not cut their lower leg (NH Molen, "Energy / speed relation of below-knee amputeeswalking on motor-driven treadmill," Int. Z. Angew, Physio, Vol. 31, p 173, 1973; GR Colborne, S. Naumann, PE Longmuir, and D. Berbrayer, "Analysis of mechanical and metabolic factors in the gait of congenitalbelow knee amputees," Am. J. Phys. Med. Rehabil, Vol. 92, pp 272-278,1992; RL Waters, J. Perry, D. Antonelli, H. Hislop. "Energy cost ofwalking amputees: the influence of level of amputation," J Bone JointSurg. Am., Vol 58, No. 1, pp. 4246, 1976; EG Gonzalez, PJ Corcoran, and L. R. Rodolfo. Energy expenditure in B / K amputees: correlation with stumplength. Archs. Phys. Med. Rehabil. 55, 111-119 , 1974; DJ Sanderson and PEMartin. "Lower extremity kinematic and kinetic adaptations in unilateralbelow-knee amputees during walking," Gait and Posture. 6, 126 136, 1997; A. Esquenazi, and R. Di Giacomo. "Rehabilitation After Amputation," JournAm Podiatr Med Assoc, 91 (1): 13-22, 2001). These differences may be because amputees use more hip force to compensate for the lack of ankle strength (AD Kuo, "Energetics of actively powered locomotion using the simplest walking model," J Biomech Eng ., Vol. 124, pp. 113-120, 2002; AD Kuo, JM Donelan, and A. Ruina, "Energetic consequences of walkinglike an inverted pendulum: Step-sto-step transitions," Exerc. Sport Sci. Rev., Vol. 33, No. 2, pp. 88-97, 2005; A. Ruina, JE Bertram, and M. Srinivasan, "A collisional model of the energetic cost of support workqualitatively explains leg sequencing in walking and galloping, pseudo-elasticleg behavior in running and the walk-to-run transition. "J. Theor. Biol, Vol. 237, No. 2, pp. 170-192, 2005).

受動的短下肢装具は、地形(地勢)への適応能力を提供することができない。現在では、遅い歩行速度を超える通常の効率的な歩行を提供するために、動力を装備した(すなわちエンジン付きの)短下肢装具が開発されている(S. Au and H. Herr. "Initial experimental study on dynamicinteraction between an amputee and a powered ankle-foot prosthesis,"Workshop on Dynamic Walking: Mechanics and Control of Human and Robot Locomotion,Ann Arbor, MI, May 2006; S. K. Au, J. Weber, and H. Herr, "Biomechanicaldesign of a powered ankle-foot prosthesis," Proc. IEEE Int. Conf. OnRehabilitation Robotics, Noordwijk, The Netherlands, pp. 298-303, June 2007; S.Au, J. Weber, E. Martinez- Villapando, and H. Herr. "Powered Ankle-FootProsthesis for the Improvement of Amputee Ambulation," IEEE Engineering inMedicine and Biology International Conference. August 23-26, Lyon, France,pp. 3020-3026, 2007; H. Herr, J. Weber, S. Au. "Powered Ankle-FootProsthesis," Biomechanics of the Lower Limb in Health, Disease andRehabilitation. September 3 - 5, Manchester, England, pp. 72 - 74, 2007; S. K.Au, "Powered Ankle- Foot Prosthesis for the Improvement of Amputee WalkingEconomy," Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge,MA, 2007; S. Au, J. Weber, and H. Herr. "Powered Ankle-foot ProsthesisImproves Walking Metabolic Economy," IEEE Trans, on Robotics, Vol. 25, pp.51-66, 2009; J. Hitt, R. Bellman, M. Holgate, T. Sugar, and K. Hollander,"The sparky (spring ankle with regenerative kinetics) projects: Design andanalysis of a robotic transtibial prosthesis with regenerative kinetics,"in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., Orlando, FL, pp 2939-2945, May 2006;S.K. Au, H. Herr, "On the Design of a Powered Ankle-Foot Prosthesis: TheImportance of Series and Parallel Elasticity," IEEE Robotics &Automation Magazine, pp. 52-59, September 2008)。それらのいくつかは、障害のない人間の下肢と同等の大きさ及び重量を有し、弾性エネルギーの貯蔵機能、原動力(モーターパワー)、及び、一日の典型的な歩行活動を可能にする電池エネルギーを装備している(S. K. Au, H. Herr, "On the Design of a Powered Ankle-FootProsthesis: The Importance of Series and Parallel Elasticity," IEEERobotics & Automation Magazine, pp. 52-59, September 2008)。   Passive short leg braces cannot provide the ability to adapt to terrain. Currently, powered short-limb orthoses have been developed to provide normal, efficient walking beyond slow walking speeds (ie with an engine) (S. Au and H. Herr. "Initial experimental study on dynamic interaction between an amputee and a powered ankle-foot prosthesis, "Workshop on Dynamic Walking: Mechanics and Control of Human and Robot Locomotion, Ann Arbor, MI, May 2006; SK Au, J. Weber, and H. Herr," Biomechanicaldesign of a powered ankle-foot prosthesis, "Proc.IEEE Int. Conf.OnRehabilitation Robotics, Noordwijk, The Netherlands, pp. 298-303, June 2007; S.Au, J. Weber, E. Martinez- Villapando, and H Herr. "Powered Ankle-FootProsthesis for the Improvement of Amputee Ambulation," IEEE Engineering inMedicine and Biology International Conference. August 23-26, Lyon, France, pp. 3020-3026, 2007; H. Herr, J. Weber, S Au. "Powered Ankle-FootProsthesis," Biomechanics of the Lower Limb in Health, Disease and Rehabilitation. Septemb er 3-5, Manchester, England, pp. 72-74, 2007; SKAu, "Powered Ankle- Foot Prosthesis for the Improvement of Amputee WalkingEconomy," Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2007 ; S. Au, J. Weber, and H. Herr. "Powered Ankle-foot Prosthesis Improves Walking Metabolic Economy," IEEE Trans, on Robotics, Vol. 25, pp.51-66, 2009; J. Hitt, R. Bellman , M. Holgate, T. Sugar, and K. Hollander, "The sparky (spring ankle with regenerative kinetics) projects: Design andanalysis of a robotic transtibial prosthesis with regenerative kinetics," in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom. , Orlando, FL, pp 2939-2945, May 2006; SK Au, H. Herr, "On the Design of a Powered Ankle-Foot Prosthesis: TheImportance of Series and Parallel Elasticity," IEEE Robotics & Automation Magazine, pp. 52-59 , September 2008). Some of them have the same size and weight as an undisturbed human lower limb, allowing for storage of elastic energy, motive power (motor power), and batteries that allow typical walking activities of the day Equipped with energy (SK Au, H. Herr, "On the Design of a Powered Ankle-Foot Prosthesis: The Importance of Series and Parallel Elasticity," IEEE Robotics & Automation Magazine, pp. 52-59, September 2008).

これらの装具における能動的原動力(モーターパワー)の使用によって制御の問題が生じる。これらの動力付きの装具に関するこれまでの研究では、障害のない人間の足関節のトルク−足関節状態プロファイルを行われる活動に適合させるためのアプローチが採用されていた(S. K. Au, "Powered Ankle-Foot Prosthesis for the Improvement ofAmputee Walking Economy," Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology,Cambridge, MA, 2007; J. Hitt, R. Bellman, M. Holgate, T. Sugar, and K.Hollander, "The sparky (spring ankle with regenerative kinetics) projects:Design and analysis of a robotic transtibial prosthesis with regenerativekinetics," in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., Orlando, FL, pp2939-2945, May 2006; F. Sup, A. Bohara, and M. Goldfarb, "Design andControl of a Powered Transfemoral Prosthesis," The International Journalof Robotics Research, Vol. 27, No. 2, pp. 263-273, 2008)。原動力(モーターパワー)の供給によって、受動的装具によって提供される単なるばねのような挙動ではなく、より速い歩行時において、角度−トルクプロファイルの開仕事ループ(open work loop)をサポートすることができる。しかしながら、この制御方法は、固有の適応性をもたらすものではない。それどころか、全ての意図された活動及び地勢の変化に対してトルクプロファイルが必要とされると共に、それらのプロファイルを選択するための適切な手段も必要とされた。   The use of active motive power (motor power) in these appliances creates control problems. Previous work on these powered braces has employed an approach to adapt the torque-ankle state profile of an unaffected human ankle to the activity being performed (SK Au, "Powered Ankle- Foot Prosthesis for the Improvement of Amputee Walking Economy, "Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2007; J. Hitt, R. Bellman, M. Holgate, T. Sugar, and K. Hollander," The sparky (spring ankle with regenerative kinetics) projects: Design and analysis of a robotic transtibial prosthesis with regenerativekinetics, "in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., Orlando, FL, pp2939-2945, May 2006; F. Sup, A. Bohara, and M. Goldfarb, “Design and Control of a Powered Transfemoral Prosthesis,” The International Journal of Robotics Research, Vol. 27, No. 2, pp. 263-273, 2008). The supply of motive power (motor power) can support the open work loop of the angle-torque profile during faster walking, rather than just the spring-like behavior provided by passive appliances. . However, this control method does not provide inherent adaptability. On the contrary, a torque profile was required for all intended activities and terrain changes, and an appropriate means for selecting those profiles was also required.

一般に、既存の市販されている能動的人工足関節は、遊脚期中に足関節角度を再設定できるだけであり、地面への最初の接触時に地勢に適合した足関節位置に収束させるために数歩を要する。さらに、それらは、正常な歩行に必要な立脚期の駆動力を提供せず、それゆえ、立脚期の正味の仕事(量)を傾斜した地形に対して適応させることができない。特に、動力付きの短下肢装具の制御方式は、目標速度で既知の地勢上を歩く障害のない人間の歩行の測定から得られた一定のトルク−足関節状態の関係に頼っている。それらのコントローラは、それらの意図された歩行速度及び地勢では有効ではあるが、速度が変化したり地勢が変化したりするなどの環境外乱に対して適応できるようにするものではない。   In general, existing commercially available active ankle joints can only reset the ankle angle during the swing phase and take several steps to converge to a terrain-matched ankle position upon first contact with the ground. Cost. Furthermore, they do not provide the stance driving force necessary for normal walking, and therefore the net work (amount) of stance cannot be adapted to sloping terrain. In particular, the powered short leg brace control scheme relies on a constant torque-ankle condition relationship obtained from measurements of an undisturbed human gait walking on a known terrain at a target speed. These controllers are effective at their intended walking speed and terrain, but do not allow them to adapt to environmental disturbances such as speed changes or terrain changes.

近年、制御の基本として正の力帰還反射方式を用いる神経筋モデルが、脚移動(歩行)の生体力学のシミュレーション研究で利用されている(出版のために提出された)「H. Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodesprinciples of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscleactivities」、及び「H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan, "Positive force feedback inbouncing gaits?," Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003」。このような研究は、地勢への適応の必要性に関する有望性を示している。   In recent years, neuromuscular models that use positive force feedback reflex as the basis for control have been used in biomechanical simulation studies of leg movement (walking) (submitted for publication) “H. Geyer, H Herr, "A muscle-reflex model that encodesprinciples of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscleactivities" and "H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan," Positive force feedback inbouncing gaits ?, "Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003 ". Such studies show promise for the need for adaptation to terrain.

1側面では、本発明は、人間の歩行の神経筋モデルに基づく生体模倣型のロボット脚用のコントローラ及び制御方法である。制御アーキテクチャは、歩行の間、動力付きの義足、整形具、または、外骨格の足関節、膝関節、及び股関節に生体模倣型トルクを指令する。好適な実施形態では、動力付きの装置は、トルクの制御が可能な人工の足関節及び膝関節を備える。適切な関節トルクは、ロボット脚装置の各関節(各継ぎ手)に搭載されたセンサーによって提供されるフィードバック情報によって決定されてユーザに提供される。これらのセンサーには、限定はしないが、関節の角変位及び角速度を利用するデジタルエンコーダ、ホール効果センサーまたはこれに類するもの、足関節及び膝関節におけるトルクセンサー、及び、膝関節と足関節の間に配置された少なくとも1つの慣性測定ユニット(IMU)が含まれる。   In one aspect, the present invention is a controller and control method for a biomimetic robot leg based on a neuromuscular model of human walking. The control architecture commands biomimetic torque to a powered prosthesis, orthosis, or exoskeleton ankle, knee and hip joints during walking. In a preferred embodiment, the powered device comprises artificial ankle and knee joints capable of torque control. The appropriate joint torque is determined by feedback information provided by a sensor mounted on each joint (each joint) of the robot leg device and provided to the user. These sensors include, but are not limited to, digital encoders that utilize angular displacement and angular velocity of joints, Hall effect sensors or the like, torque sensors at ankles and knees, and between knees and ankles. Includes at least one inertial measurement unit (IMU).

ロボット脚からの関節の状態(関節の位置及び速度)のセンサー情報を、人間の歩行の神経筋モデルへの入力として使用する。ロボット脚からの関節状態に関するセンサー情報を用いて、その仮想筋肉の各々の内部状態を判定し、それぞれの仮想筋肉の筋力及び剛性に与えられるべき特定の筋活動のレベルが、らせん反射(作用)モデルから決定される。ロボット脚が、大腿を切断した者が装着する義足である場合には、足関節(足首)及び膝(関節)における角度センサーによって、それらの関節部の結合状態が測定される。股関節については、ユーザの腿のアブソリュートオリエンテーション(または絶対定位)が、人工膝にある角度関節センサー、及び該人工膝の関節と足関節の間に配置されたIMUを用いて決定される。股関節の位置及び速度を推定するために、制御アーキテクチャは、歩行中は、上半身(胴体)が比較的垂直な姿勢を維持するという想定の下で動作する。   Sensor information of the joint state (joint position and velocity) from the robot leg is used as an input to the neuromuscular model of human walking. The sensor information about the joint state from the robot leg is used to determine the internal state of each virtual muscle, and the level of specific muscle activity to be given to the strength and stiffness of each virtual muscle is determined by the spiral reflex (action). Determined from the model. When the robot leg is a prosthetic leg worn by a person who cuts the thigh, the joint state of these joints is measured by angle sensors at the ankle joint (ankle) and knee (joint). For the hip joint, the absolute orientation (or absolute orientation) of the user's thigh is determined using an angle joint sensor in the artificial knee and an IMU placed between the joint of the artificial knee and the ankle joint. In order to estimate the position and velocity of the hip joint, the control architecture operates under the assumption that the upper body (torso) maintains a relatively vertical posture during walking.

1側面では、本発明は、少なくとも1つの関節を有するロボット肢(ロボットの手及び/または足)用のモデルベースの神経機械コントローラであり、該コントローラは、ロボット肢の状態に関するフィードバックデータを受け取って該ロボット肢の状態を判定するように構成された有限状態機械、該有限状態機械からの状態情報、及び少なくとも1つのデータベースからの筋肉の幾何学的形状/配置及び反射アーキテクチャ(反射構造)情報を受け取り、神経筋モデルを用いて、ロボット肢に送るべき少なくとも1つの所望の関節トルク指令または剛性指令を決定するように構成された筋肉モデルプロセッサ、及び、ロボット肢の関節において筋肉モデルプロセッサによって決定された生体模倣型トルク及び剛性を与えることを命令するように構成された関節命令プロセッサを備える。好適な実施形態では、フィードバックデータは、ロボット肢の各関節に搭載された少なくとも1つのセンサーによって提供される。別の好適な実施形態では、ロボット肢は脚であり、有限状態機械は、脚の歩行サイクルに同期させられる。   In one aspect, the invention is a model-based neuromechanical controller for a robotic limb (robot hand and / or foot) having at least one joint, the controller receiving feedback data regarding the state of the robotic limb. A finite state machine configured to determine the state of the robotic limb, state information from the finite state machine, and muscle geometry / arrangement and reflex architecture information from at least one database A muscle model processor configured to receive and use the neuromuscular model to determine at least one desired joint torque command or stiffness command to be sent to the robot limb, and determined by the muscle model processor at the joint of the robot limb Command to provide biomimetic torque and stiffness Comprising a joint instruction processor configured. In a preferred embodiment, the feedback data is provided by at least one sensor mounted on each joint of the robot limb. In another preferred embodiment, the robot limb is a leg and the finite state machine is synchronized to the leg walking cycle.

別の側面では、本発明は、少なくとも1つの関節を含むロボット肢を制御するためのモデルベースの方法であって、有限状態機械においてロボット肢の状態に関するフィードバックデータ(帰還データともいう)を受け取るステップと、該有限状態機械及び受け取ったフィードバックデータを用いてロボット肢の状態を判定するステップと、神経筋モデル、筋肉の幾何学的形状/配置情報、及び反射アーキテクチャ(反射構造)情報、並びに、該有限状態機械からの状態情報を用いて、ロボット肢に送るべき少なくとも1つの所望の関節トルク指令または剛性指令を決定するステップと、ロボット肢の関節において筋肉モデルプロセッサによって決定された生体模倣型のトルク及び剛性を(生じるように)命令するステップを含む。   In another aspect, the invention is a model-based method for controlling a robotic limb that includes at least one joint, and receiving feedback data (also referred to as feedback data) regarding the state of the robotic limb in a finite state machine. Determining the state of the robot limb using the finite state machine and the received feedback data; a neuromuscular model, muscle geometry / placement information, and reflex architecture information; and Determining at least one desired joint torque command or stiffness command to be sent to the robot limb using state information from the finite state machine; and a biomimetic torque determined by the muscle model processor at the joint of the robot limb And commanding stiffness to occur.

本発明の他の側面、利点、及び新規な特徴は、以下の本発明の詳細な説明及び添付の図面からより明らかになろう。   Other aspects, advantages and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description of the invention and the accompanying drawings.

本発明の1側面にしたがう一般的な神経筋モデルアーキテクチャの例示的な1実施形態のブロック図である。1 is a block diagram of an exemplary embodiment of a general neuromuscular model architecture according to one aspect of the present invention. FIG. A〜Fは、本発明の1側面にしたがう一般的な神経筋モデルアーキテクチャの進展の6つの段階の各々を示している。A through F illustrate each of the six stages of development of a general neuromuscular model architecture in accordance with one aspect of the present invention. 本発明による一般的な神経筋モデルアーキテクチャの1つの側面にしたがうパターン発生を視覚的に表したものである。Figure 2 is a visual representation of pattern generation according to one aspect of a general neuromuscular model architecture according to the present invention. Aは、本発明の1側面にしたがう、モデルと地面との間の動的相互作用から自己組織化された(self-organized)人体モデルの歩行を示しており、Bは、対応する床反力(地面反力ともいう)を示している。A shows the walking of a self-organized human body model from the dynamic interaction between the model and the ground according to one aspect of the present invention, and B is the corresponding floor reaction force. (Also called ground reaction force). A、B、Cにおいて、それぞれ、本発明の1側面にしたがって、股関節(または臀部)、膝(関節)、足関節(または足首)について、モデルと被験者とで定常歩行(定常状態時の歩行)を比較して示している。In A, B, and C, according to one aspect of the present invention, steady walking (walking in a steady state) between the model and the subject with respect to the hip joint (or hip), knee (joint), and ankle joint (or ankle), respectively. Is shown in comparison. 階段を上る歩行への適応を示しており、A、B、C、Dは、それぞれ、本発明の1側面にしたがう、モデルのスナップショット、正味の仕事、伸筋活動パターン、対応する床反力を示している。A, B, C, and D, respectively, are model snapshots, net work, extensor activity patterns, and corresponding floor reaction forces according to one aspect of the present invention. Is shown. 階段を下りる歩行への適応を示しており、A、B、C、Dは、それぞれ、本発明の1側面にしたがう、モデルのスナップショット、正味の仕事、伸筋活動パターン、対応する床反力を示している。A, B, C, and D are model snapshots, net work, extensor activity patterns, and corresponding floor reaction forces, respectively, according to one aspect of the present invention. Is shown. 本発明の1側面にしたがう筋肉−腱モデルの略図である。1 is a schematic illustration of a muscle-tendon model according to one aspect of the present invention. 本発明の1側面にしたがう接触モデルを示す。2 illustrates a contact model according to one aspect of the present invention. 本発明の1側面にしたがう好適な実施形態で使用される短下肢装具の例示的な1実施形態を示しており、A、B、Cは、それぞれ、物理系、(ドライブトレーン(動力伝達系)、機械モデルを示している。1 illustrates an exemplary embodiment of an ankle foot orthosis used in a preferred embodiment according to one aspect of the present invention, wherein A, B, and C are the physical system, (drive train (power transmission system), respectively) Shows the machine model. 本発明の1側面にしたがう、歩行サイクルに同期化された有限状態機械の例示的な1実施形態を示す図であり、該有限状態機械は、各状態において状態遷移閾値及び等価な足関節−足の生体力学的特性(または構造)を有し、図10のA〜Cの短下肢装具の最上位レベルの制御を実施するために使用される。FIG. 4 illustrates an exemplary embodiment of a finite state machine synchronized to a walking cycle in accordance with one aspect of the present invention, the finite state machine including a state transition threshold and an equivalent ankle-foot in each state. And are used to implement the highest level of control of the ankle foot orthosis of FIGS. 10A-10C. 本発明の1側面にしたがう、短下肢装具用の制御システムの例示的な1実施形態のブロック図である。1 is a block diagram of an exemplary embodiment of a control system for a short leg brace according to one aspect of the present invention. FIG. 本発明の1側面にしたがう、3つの歩行条件、すなわち、水平な地面(Aに示す)、上り斜面(Bに示す)、下り斜面(Cに示す)に対する完全な1歩行サイクルにわたる装具トルクのプロット例である。In accordance with one aspect of the present invention, a plot of orthosis torque over a complete walking cycle for three walking conditions: horizontal ground (shown in A), uphill (shown in B), downhill (shown in C). It is an example. 本発明の1側面にしたがう、装具のマイクロコントローラに実装された筋骨格モデルの例示的な1実施形態を示しており、Aは、2リンク足関節モデル、Bは、詳細なヒルタイプ筋肉モデル(Hill-type muscle model)、Cは、筋肉モデル骨接合(muscle model skeletal attachment)の幾何学的形状/配置を示している。FIG. 4 illustrates an exemplary embodiment of a musculoskeletal model implemented in a brace microcontroller according to one aspect of the present invention, where A is a two-link ankle model and B is a detailed hill-type muscle model ( Hill-type muscle model), C, shows the geometry / arrangement of muscle model skeletal attachment. 本発明の1側面にしたがう、足関節の角度、筋力、及び足関節トルクの足底屈筋成分間の関係を含む、仮想足底屈筋の反射方式の例示的な1実施形態を示す。6 illustrates an exemplary embodiment of a virtual plantar flexor reflex scheme, including a relationship between ankle angle, muscle strength, and plantar flexor component of ankle torque, in accordance with an aspect of the present invention. A、Bは、それぞれ、肢(特に下肢)を失った被験者が装着した装具と下肢が損傷していない体重と身長が釣り合った被験者の生物学的足関節との間で、実験中に測定されたトルク(足関節トルクを含む)と角度(足関節角度を含む)の軌跡を比較して示す図である。A and B are respectively measured during the experiment between the brace worn by the subject who lost the limb (especially the lower limb) and the biological ankle of the subject whose weight and height are not damaged by the lower limb. FIG. 5 is a diagram showing a comparison of trajectories of torque (including ankle joint torque) and angle (including ankle joint angle). 本発明の1側面にしたがう、パラメータを最適化した後のトルクプロファイルを生物学的トルクプロファイルと比較して示す図である。FIG. 4 shows a torque profile after optimizing parameters compared to a biological torque profile according to one aspect of the present invention. 本発明の例示的な1実施形態について、3つの異なる歩行条件、すなわち、水平な地面(Aに示す)、上り斜面(Bに示す)、下り斜面(Cに示す)において、実験によって測定された装具のトルク−角度の軌跡をプロットした図である。One exemplary embodiment of the present invention was measured experimentally on three different walking conditions: horizontal ground (shown in A), uphill (shown in B), downhill (shown in C). It is the figure which plotted the locus | trajectory of the torque-angle of an orthosis.

制御アーキテクチャは、歩行中に、動力付きの義足、整形具、または外骨格の足関節、膝関節及び股関節に生体模倣型トルク指令を与えるために提供される。この実施形態では、動力付きの装置は、トルクの制御が可能な人工の足関節及び膝関節を備える。ロボット脚装置の各関節に搭載されたセンサーによって提供されたフィードバック情報によって決定された適切な関節トルクがユーザに提供される。これらのセンサーには、限定はしないが、関節の角変位及び角速度を利用するデジタルエンコーダ、ホール効果センサーまたはこれに類するもの、足関節及び膝関節におけるトルクセンサー、及び、膝関節と足関節の間に配置された少なくとも1つの慣性測定ユニット(IMU)が含まれる。   A control architecture is provided to provide biomimetic torque commands to the powered prosthetic leg, orthosis, or exoskeleton ankle, knee and hip joints during walking. In this embodiment, the powered device comprises artificial ankle and knee joints that can control torque. The appropriate joint torque determined by the feedback information provided by the sensor mounted on each joint of the robot leg device is provided to the user. These sensors include, but are not limited to, digital encoders that utilize angular displacement and angular velocity of joints, Hall effect sensors or the like, torque sensors at ankles and knees, and between knees and ankles. Includes at least one inertial measurement unit (IMU).

ロボット脚(股関節、膝関節、及び足関節)からの関節の状態(関節の位置及び速度)のセンサー情報を、人間の歩行の神経筋モデルへの入力として使用する。このモデルは、ロボット脚からの関節状態に関するセンサー情報を用いて、その仮想筋肉の各々の内部状態を判定し、及び、らせん反射(作用)モデルから決定されたそれぞれの仮想筋肉の筋力及び剛性に与えられるべき特定の筋活動のレベルを確立する。ロボット脚が、大腿を切断した者が装着する義足である場合には、足関節及び膝関節における角度センサーによって、それらの関節部の関節状態が測定される。股関節については、ユーザの腿のアブソリュートオリエンテーション(または絶対定位)が、人工膝にある角度関節センサー、及び該人工膝の関節と足関節の間に配置されたIMUを用いて決定される。股関節の位置及び速度を推定するために、制御アーキテクチャは、歩行中は、上半身(胴体)が比較的垂直な姿勢を維持するという想定の下で動作する。   Sensor information of joint states (joint position and velocity) from robot legs (hip joints, knee joints, and ankle joints) is used as input to a neuromuscular model of human walking. This model uses the sensor information about the joint state from the robot leg to determine the internal state of each virtual muscle, and to determine the strength and stiffness of each virtual muscle determined from the spiral reflex (action) model. Establish the level of specific muscle activity to be given. When the robot leg is a prosthetic leg worn by a person who cuts the thigh, the joint state of these joints is measured by angle sensors at the ankle joint and knee joint. For the hip joint, the absolute orientation (or absolute orientation) of the user's thigh is determined using an angle joint sensor in the artificial knee and an IMU placed between the joint of the artificial knee and the ankle joint. In order to estimate the position and velocity of the hip joint, the control architecture operates under the assumption that the upper body (torso) maintains a relatively vertical posture during walking.

本明細書、並びに参照により本明細書に組み込まれた出願において使用されているいくつかの用語の意味を下記するが、それらの意味に限定されるわけではない。   The meanings of some terms used in this specification, as well as in applications incorporated herein by reference, are set forth below, but are not limited to those meanings.

「アクチュエーター」は、後述のように規定されるあるタイプのモーターを意味する。   “Actuator” means a type of motor defined as described below.

「作動筋」は、他の要素である拮抗筋による抵抗または反作用を受ける収縮性要素を意味する。   “Agonist muscle” means a contractile element that is subjected to resistance or reaction by another element, an antagonist muscle.

「作動筋−拮抗筋アクチュエーター」は、互いに逆の作用を行う(少なくとも)2つのアクチュエーター、すなわち、エネルギーを与えられると2つの要素を近づける作動筋アクチュエーターと、エネルギーを与えられると2つの要素を遠ざける拮抗筋アクチュエーターとから構成されるメカニズム(機構)を意味する。   “Actuator-antagonist actuators” are (at least) two actuators that act oppositely to each other: an actuator actuator that brings two elements closer when energized and a distance between the two elements when energized It means a mechanism (mechanism) composed of an antagonistic muscle actuator.

「拮抗筋」は、別の要素である作動筋による抵抗または反作用を受ける膨張性要素を意味する。   “Antagonist muscle” means an inflatable element that is subjected to resistance or reaction by another element, the agonist muscle.

「生体模倣」は、関節や四肢などの生体構造や生体機構の特性及び挙動をまねる(模倣する)人工の構造または機構を意味する。   “Biomimetic” means an artificial structure or mechanism that mimics (imitates) the characteristics and behavior of biological structures such as joints and limbs and biological mechanisms.

「背屈」は、足の先端が上に向かって動くように足関節を曲げることを意味する。   “Dorsal flexion” means bending the ankle joint so that the tip of the foot moves upward.

「弾性」は、伸張や圧縮による変形後に元の形状に回復する能力を意味する。   "Elasticity" means the ability to recover to its original shape after deformation due to stretching or compression.

「伸展」は、関節における肢の骨間の角度を大きくする該肢の関節のまわりの曲げ運動を意味する。   “Extension” means a bending motion around the joint of the limb that increases the angle between the bones of the limb at the joint.

「屈曲」は、関節における肢の骨間の角度を小さくする該肢の関節のまわりの曲げ運動を意味する。   “Bend” means a bending motion around the joint of the limb that reduces the angle between the bones of the limb at the joint.

「モーター」は、供給されたエネルギーを機械エネルギー(または力学的エネルギー)に変換することによって運動を生じさせ、または運動を与える能動要素を意味し、電気モーター/電気アクチュエーター、空気圧モーター/空気圧アクチュエーター、または、油圧モーター/油圧アクチュエーターを含む。   “Motor” means an active element that creates or imparts motion by converting supplied energy into mechanical energy (or mechanical energy), and includes an electric motor / electric actuator, a pneumatic motor / pneumatic actuator, Or it includes a hydraulic motor / hydraulic actuator.

「足底屈」は、足の先端が下に向かって動くように足関節を曲げることを意味する。   “Planar flexion” means bending the ankle joint so that the tip of the foot moves downward.

「ばね」は、圧縮後や伸張後に元の形状に復帰する金属コイルやリーフ構造(leaf structure)などの弾性デバイスを意味する。   “Spring” means an elastic device such as a metal coil or leaf structure that returns to its original shape after compression or extension.

本発明のこの側面にしたがう、神経筋モデルベースの制御方式の例示的な1実施形態を図1のブロック図に示す。図1において、本発明にしたがう神経筋モデルは、各々のモデル化された筋肉ユニット120毎に反射ループ(反射アーキテクチャ)110を有する。文献から得られる筋肉のモーメントアーム値140を用いて関節トルク及び剛性を計算する(130)ために、全てのモデル化された筋肉からの予測された力及び剛性が使用される。このモデルの計算値は、生体模倣型ロボット脚の関節150に対する所望の正味のトルク値及び剛性値としてコントローラに送られる。コントローラ160は、ロボット関節150の各々におけるトルク値及び剛性値を追跡する。   One exemplary embodiment of a neuromuscular model-based control scheme according to this aspect of the invention is shown in the block diagram of FIG. In FIG. 1, a neuromuscular model according to the present invention has a reflection loop (reflection architecture) 110 for each modeled muscle unit 120. Predicted forces and stiffness from all modeled muscles are used to calculate (130) joint torque and stiffness using the muscle moment arm values 140 obtained from the literature. The calculated values of this model are sent to the controller as the desired net torque and stiffness values for the biomimetic robot leg joint 150. The controller 160 tracks the torque value and stiffness value at each of the robot joints 150.

仮想筋肉の各々が要求された力を生ずるためには、筋刺激(筋肉刺激)パラメータSTIM(t)が必要である。このパラメータを、外部入力または局所フィードバックループから決定することができる。例示的な生体模倣型脚の制御方法では、STIM(t)はローカルフィードバックループに基づいて計算される。このアーキテクチャは、Geyer及びHerrによって開発された反射フィードバックフレームワークに基づく(出版のために提出された「H. Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodesprinciples of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscleactivities」)。該論文の全内容を参照により本明細書に組み込むものとする。このフレームワークでは、神経制御は、障害のない(すなわち損傷を受けていない)人間の筋肉の伸展反射を模倣するように設計されている。この神経筋反射に基づく制御方法は、生体模倣型ロボット脚が人間と同様の関節力学(または機構)を複製することを可能にする。   In order for each of the virtual muscles to produce the required force, a muscle stimulation (muscle stimulation) parameter STIM (t) is required. This parameter can be determined from an external input or a local feedback loop. In an exemplary biomimetic leg control method, STIM (t) is calculated based on a local feedback loop. This architecture is based on the reflection feedback framework developed by Geyer and Herr ("H. Geyer, H. Herr," A muscle-reflex model that encodesprinciples of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscleactivities "). The entire contents of the article are incorporated herein by reference. In this framework, neural control is designed to mimic the stretch reflex of an unhindered (ie undamaged) human muscle. This control method based on neuromuscular reflex enables a biomimetic robot leg to replicate joint mechanics (or mechanism) similar to humans.

神経機械モデル。歩行力学(歩行のメカニズム)の原理を符号化する反射制御を有する人体モデルは、人間の歩行動力学及び筋肉活動を予測する。神経科学者は、動物及び人間の歩行を制御する複雑なニューラルネットワーク(神経回路網)を次第につきとめつつある一方で、バイオメカニクス研究者は、歩行力学の原理に注目すれば、歩行には、モーター制御がほとんど必要とされないことを見出している。ここで、筋反射(筋肉反射ともいう)行動がそれら2つの見解を関連付けるのにどれ程重要なものでありうるかを示す。開発された人間の歩行モデルは、歩行力学の原理を符号化する筋反射行動によって駆動される。この原理に基づく反射制御を具備したことによって、該モデルは、地面との動的な相互作用から歩行状態へと安定化し、地面の変動に耐え、及び、階段にも自己適応する。さらに、該モデルは、実験から既知の関節角度、関節トルク、及び筋肉活動と定性的に合致しており、人間のモーター出力は、歩行力学の原理を歩行を担っているニューラルネットワークに関連付ける筋反射活動によって主に形成できることを示唆している。   Neural machine model. A human body model with reflex control that encodes the principles of gait dynamics (gait mechanism) predicts human gait dynamics and muscle activity. While neuroscientists are gradually finding complex neural networks that control the walking of animals and humans, biomechanics researchers can focus on the principles of gait mechanics, We find that little control is needed. Here we show how important muscle reflex (also called muscle reflex) behavior can be to relate these two views. The developed human walking model is driven by muscle reflex behavior that encodes the principles of walking mechanics. By providing reflection control based on this principle, the model stabilizes from dynamic interaction with the ground to a walking state, withstands ground fluctuations, and self-adapts to stairs. In addition, the model is qualitatively consistent with experimentally known joint angles, joint torques, and muscle activity, and the human motor output is a muscle reflex that associates the principles of walking mechanics with the neural network responsible for walking. It suggests that it can be formed mainly by activities.

モーター制御を具備する人間の歩行モデルは、かかる歩行力学の原理を含むように設計された筋反射に基づく。これらの原理は、脚歩行の単純な概念モデルに由来し、立脚状態における従順な脚動作(Blickhan, R., 1989. The spring-mass model for running and hopping.J. of Biomech. 22, 1217- 1227; Ghigliazza, R., Altendorfer, R., Holmes, P.,Koditschek, D., 2003. A simply stabilized running model. SIAM J.Applied. Dynamical Systems 2 (2), 187-218; Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan,R., 2006. Compliant leg behaviour explains the basic dynamics of walking andrunning. Proc. R. Soc. Lond. B 273, 2861-2867)、静的な関節トルク平衡に基づくセグメント化された脚の安定化(Seyfarth, A., Gunther, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation ofan elastic three-segmented leg. Biol. Cybern. 84, 365-382; Gunther, M.,Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. Human leg design: optimal axialalignment under constraints. J. Math. Biol. 48, 623-646)、バリスティック遊脚機構(ballistic swing-legmechanics)の利用(Mochon,S., McMahon, T., 1980. Ballistic walking. J. Biomech. 13 (1), 49-57)、及び、遊脚の引き戻し(Swing-legretraction)を用いた歩行の安定性の向上(Seyfarth, A., Geyer, H., Gunther, M., Blickhan, R., 2002. A movementcriterion for running. J. of Biomech. 35, 649-655; Seyfarth, A., Geyer, H.,Herr, H. M., 2003. Swing-leg retraction: a simple control model for stablerunning. J. Exp. Biol. 206, 2547-2555)への依存を含む。螺旋状の反射神経と組み合わされた、正の力及び長さ(または距離)帰還作用を含むヒルタイプ筋肉を用いて、それらの機械的特性を効果的に符号化する。   Human gait models with motor control are based on muscle reflexes designed to include such gait dynamics principles. These principles are derived from a simple conceptual model of leg walking. Blickhan, R., 1989. The spring-mass model for running and hopping. J. of Biomech. 22, 1217- 1227; Ghigliazza, R., Altendorfer, R., Holmes, P., Koditschek, D., 2003.A simply stabilized running model.SIAM J.Applied.Dynamical Systems 2 (2), 187-218; Geyer, H. , Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. Compliant leg behavior explains the basic dynamics of walking and running. Proc. R. Soc. Lond. B 273, 2861-2867), segmentation based on static joint torque balance Stabilized Legs (Seyfarth, A., Gunther, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation of an elastic three-segmented leg. Biol. Cybern. 84, 365-382; Gunther, M., Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. Human leg design: optimal axialalignment under constraints. J. Math. Biol. 48, 623-646), ballistic swing-legmechanics (Mochon, S., McMahon, T., 1980. Ballistic walking. J. Biomech. 13 (1), 49-57) and improved walking stability using swing-leg retraction (Seyfarth, A., Geyer, H., Gunther, M., Blickhan, R., 2002. A movementcriterion for running.J. Of Biomech.35, 649-655; Seyfarth, A., Geyer, H., Herr, HM, 2003.Swing-leg retraction: a simple control model for stablerunning. J. Exp. Biol. 206, 2547-2555). Using hill-type muscles with positive force and length (or distance) feedback combined with spiral reflexes, they effectively encode their mechanical properties.

このモデルの挙動を、人間の歩行に関する文献からの動力学的証拠、運動学的証拠、及び筋電図検査の証拠と比較すると、歩行力学の原理を符号化(コード化)するように設計されたモーター制御を具備する神経筋モデルは、生物学的な歩行機構及び筋肉活動を生成できることがわかった。この反射制御によって、該モデルは、パラメータを介入させることなく、地面の高さの突然の変化に耐えることができ、かつ、階段の上り下りに適応することができる。   Designed to encode the principles of gait mechanics when comparing the behavior of this model with kinetic, kinematic and electromyographic evidence from the human gait literature. It has been found that a neuromuscular model with motor control can generate biological gait mechanisms and muscle activity. With this reflection control, the model can withstand sudden changes in ground height without parameter intervention and can adapt to ascending and descending stairs.

人体モデルの構造及び制御は、概念的な質点モデル(point-mass model)から6つの段階を経て、上半身、及び、各々が7つの筋肉によって動かされて筋反射によって制御される2または3つに分節した脚を有する神経筋活動を行う二足動物に進展する。図2のA〜Fは、本発明のこの側面にしたがう、一般的な神経筋モデルアーキテクチャの進展の6つの段階を示している。最初の3つの段階(図2のA〜C)では、立脚状態における従順な(または立脚状態に順応した)脚動作が統合されて安定化される。4番目の段階(図2のD)では、上半身及びそのバランス制御が加わる。最後の2つの段階(図2のE及びF)では、遊脚期中における脚の突き出し及び引き込みの準備を行うと共にそれらを確実に行うようにする。   The structure and control of the human body model goes from a conceptual point-mass model through six stages to the upper body and two or three, each controlled by muscle reflexes, moved by seven muscles. Progresses to bipedal animals with neuromuscular activity with segmented legs. 2A-F illustrate the six stages of development of a general neuromuscular model architecture in accordance with this aspect of the invention. In the first three stages (A to C in FIG. 2), the compliant leg movements in the standing state (or adapted to the standing state) are integrated and stabilized. In the fourth stage (D in FIG. 2), the upper body and its balance control are added. In the last two stages (E and F in FIG. 2), preparation for leg protrusion and retraction during the swing phase is made and ensured.

以下の段落でより詳細に説明する図2のA〜Fにおいて、立脚時の脚構成(図2のA)から開始して、正の力帰還F+でヒラメ筋(SOL)及び集中した広筋群(vasti group muscles:VAS)を駆動することによって、歩行及び走行の鍵(重要な手段)としての従順な脚動作が生じる(図2のB)。膝の過伸展を防止するために、F+を用いる二関節筋である腓腹筋(gastrocnemius muscle:GAS)が追加され(図2のC)、膝関節が閾値の170°を超えて伸びるとVASは抑制される。足関節の過伸展を防止するために、前脛骨筋(TA)が追加され、前脛骨筋による長さの正帰還L+を用いた足関節の定位置への引き込みは、正常な立脚状態の下においてヒラメ筋からの負の力帰還F-によって抑制される。足の振りを可能にするために上半身が追加される(図2のD)。上半身は、立脚時の足の股関節屈筋(hip flexor:HFL)及び共に駆動される股関節伸展筋(GLU、HAM)によって垂直方向に対して基準角度だけ傾けられ、この場合、二関節筋のHAMによって、股関節伸展筋モーメントから生じる膝の過伸展が防止される。HFL/GLUに一定の刺激をそれぞれ加え/除去することによって、及び、他方の脚にかかる負荷に比例してVASを抑制することによって、着地状態にある該他方の(先行している)脚が振り出しを開始する(図2のE)。実際の脚の振り出しは、L+がHAMのL-によって抑制されるまで、該L+を使用するHFLによって促進される(図2のF)。HFLの刺激は、地面から離れるときの上半身の傾きに依存してバイアスをかけられる。さらに、GLU及びHAMに対してF+を用いることによって、脚を引っ込め、振り出しが終わりに近づくと脚をまっすぐにする。最後に、TAの今や抑制されていないL+によって、足関節は定位置まで動かされる(図2のG)。   2A-F described in more detail in the following paragraphs, starting with the leg configuration during standing (FIG. 2A), the soleus muscle (SOL) and the concentrated vastus muscles with positive force feedback F + By driving (vasti group muscles: VAS), a compliant leg movement is generated as a key for walking and running (an important means) (B in FIG. 2). In order to prevent overextension of the knee, the gastrocnemius muscle (GAS), a biarticular muscle using F +, was added (C in Fig. 2), and VAS was suppressed when the knee joint extended beyond the threshold of 170 ° Is done. An anterior tibial muscle (TA) is added to prevent ankle overextension, and retracting the ankle into position with positive feedback L + of the length by the anterior tibial muscle under normal stance Is suppressed by negative force feedback F- from the soleus. The upper body is added to allow swinging of the foot (D in FIG. 2). The upper body is tilted by a reference angle with respect to the vertical direction by the hip flexor (HFL) of the foot and the hip extension muscle (GLU, HAM) driven together, and in this case by the HAM of the biarticular muscle Overextension of the knee resulting from the hip extension muscle moment is prevented. By adding / removing certain stimuli to / from the HFL / GLU respectively and suppressing the VAS in proportion to the load on the other leg, the other (predecessor) leg in the landing state Shaking is started (E in FIG. 2). The actual leg swing is promoted by the HFL using L + until L + is suppressed by L− of HAM (F in FIG. 2). HFL stimuli are biased depending on the inclination of the upper body as it leaves the ground. In addition, by using F + for GLU and HAM, the leg is retracted and straightened when the swing is near the end. Finally, the ankle is moved to a fixed position by the now unrestrained L + of TA (G in FIG. 2).

立脚時の脚の従順さ及び安定性。二足歩行ばね-質量モデルが、人間の歩行の概念的基礎の出発点として使用される(図2のA)。このモデルは、2つの質量ゼロのばね脚210、220上で進行する質点205のみから構成されているが、人間の歩行及び走行で観察される質量中心動力学を再現し、立脚時の従順な脚動作に基づいて、それらの歩行と走行の両方を1つの概念的フレームワークに統合する(Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. Compliant leg behaviourexplains the basic dynamics of walking and running. Proc. R. Soc. Lond. B 273,2861-2867)。   Leg compliance and stability when standing. A bipedal spring-mass model is used as a starting point for the conceptual basis of human walking (FIG. 2A). This model is composed only of the mass point 205 that travels on the two massless spring legs 210, 220, but reproduces the mass center dynamics observed during human walking and running, and is compliant when standing. Based on leg movement, both those walking and running are integrated into one conceptual framework (Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. Compliant leg behaviors explained the basic dynamics of walking and running. Proc. R. Soc. Lond. B 273,2861-2867).

神経筋脚の従順な挙動を実現するために、各ばね210、215は、腿220、すね225、及び足230で置き換えられ、ヒラメ筋(SOL)235及び広筋群(VAS)240が追加される。歩行の立脚期の間、これらの筋は、局所的な正の力帰還(F+)によって筋活動を行う(図2のB)。この力の反射は、Geyer, H., Seyfarth, A.,Blickhan, R., 2003の「Positive force feedback in bouncing gaits? Proc.R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183」に記載されているのと同じ様にモデル化される。正の力帰還がされている状態では、筋肉mの刺激Sm(t)は、予備刺激S0,mと、筋力Fmを(Δtだけ)時間遅延させて利得(G)を乗じたものとの和であり、すなわち、Sm (t)=S0, m+GmFm(t−Δtm)である。   To achieve compliant behavior of the neuromuscular leg, each spring 210, 215 is replaced with a thigh 220, a shin 225, and a foot 230, and a soleus (SOL) 235 and a broad muscle group (VAS) 240 are added. The During the stance phase of gait, these muscles perform muscle activity with local positive force feedback (F +) (B in FIG. 2). This force reflection is described in Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003, “Positive force feedback in bouncing gaits? Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183”. Modeled in the same way as In the state of positive force feedback, the stimulation Sm (t) of the muscle m is the sum of the preliminary stimulation S0, m and the muscle force Fm delayed by (Δt) and multiplied by the gain (G). That is, Sm (t) = S0, m + GmFm (t−Δtm).

従順な脚動作は極めて重要であるが、分節した脚の関節の安定性を脅かすものでもある(Seyfarth, A., Gunther, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation ofan elastic three-segmented leg. Biol. Cybern. 84, 365-382; Gunther, M., Keppler,V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. Human leg design: optimal axial alignmentunder constraints. J. Math. Biol. 48, 623-646)。分節した脚では、膝関節トルクτ及び足関節トルクτは、静的平衡τ/τ=h/hにしたがう。ここで、h、hは、それぞれ、膝関節、足関節から脚力ベクトルFlegまでの垂直距離である。実際には、一方の関節における大きな伸展トルクによって他方の関節がFlegにより接近させられ、バネのように挙動する脚が過伸展を起こす恐れがある(詳細については、Seyfarth, A., Gunther, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation ofan elastic three-segmented leg. Biol. Cybern. 84, 365-382を参照)。 Obedient leg movement is extremely important, but also threatens the stability of the segmented leg joint (Seyfarth, A., Gunther, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation of an elastic three-segmented leg Biol. Cybern. 84, 365-382; Gunther, M., Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. Human leg design: optimal axial alignmentunder constraints. J. Math. Biol. 48, 623-646). In the segmented leg, the knee joint torque τ k and the ankle joint torque τ a follow a static equilibrium τ k / τ a = h k / ha. Here, h k and h a are vertical distances from the knee joint and the ankle joint to the leg force vector Fleg, respectively. In fact, a large extension torque in one joint causes the other joint to be brought closer to the Fleg, causing the leg that behaves like a spring to overextend (for details see Seyfarth, A., Gunther, M ., Blickhan, R., 2001. See Stable operation of an elastic three-segmented leg. Biol. Cybern. 84, 365-382).

膝関節または足関節において過伸展を起こすこの傾向は、腓腹筋(GAS)245及び前脛骨筋(TA)250を追加することによって生じる(図2のC)。SOL及びVASと同様に、二関節のGASは、歩行の立脚期の間、局所的な正の力帰還(F+)を用いる。この筋反射は、足関節における大きな伸展トルクに起因する膝関節の過伸展を防止するだけでなく、従順な脚挙動全体の実現に寄与する。これとは対照的に、単関節のTAは、局所的な正の長さ帰還(L+)を用い、この場合、STA(t)=S0,TA+GTA(lCE,TA−loff,TA)(t−Δt,TA)である。ここで、lCE,TAはTA繊維長であり、loff,TAは長さオフセットである。足を曲げることによって、TAのL+は、大きな膝関節トルクが生じたときに足関節が過伸展するのを防止する。しかしながら、この筋反射は、足関節伸筋の十分な活動によって膝関節及び足関節のトルク平衡が保持される場合には必要ではない。この状況においてTAが不必要にSOLに対抗するのを回避するために、SOLからの負の力帰還(F-)によってTA刺激が抑制され、この結果、STA(t)=S0,TA+GTA(lCE,TA−loff,TA)(t−Δt,TA)−GSOLTAFSOL(t−ΔtSOL)となる。さらに、膝関節が過伸展を起こすのを防ぐために、膝関節が閾値の170°を超えて延びるとVASが抑制されて、SVAS(t)=S0, VAS+GVASFVAS(t−ΔtVAS)−kψΔψk(t−Δtk)となる。ここで、kψは比例ゲイン(比例利得)、Δψk=ψk−170°、及び、ψkは膝関節角度である。この反射抑制は、ψk>0で膝関節が実際に伸展している場合にのみ作動する。 This tendency to overextend at the knee or ankle joints is caused by the addition of gastrocnemius (GAS) 245 and anterior tibial muscle (TA) 250 (FIG. 2C). Similar to SOL and VAS, biarticular GAS uses local positive force feedback (F +) during the stance phase of gait. This muscle reflex not only prevents overextension of the knee joint due to a large extension torque at the ankle joint, but also contributes to the realization of the compliant overall leg behavior. In contrast, single-joint TA uses local positive length feedback (L +), where S TA (t) = S 0, TA + G TA (l CE, TA −l off , TA ) (t−Δ t, TA ). Here, l CE and TA are TA fiber lengths, and l off and TA are length offsets. By bending the foot, TA's L + prevents the ankle joint from overextending when large knee joint torque is generated. However, this muscle reflex is not necessary if the knee and ankle torque balance is maintained by sufficient activity of the ankle extensors. To avoid unnecessarily counteracting SOL in this situation, TA stimulation is suppressed by negative force feedback (F-) from SOL, resulting in S TA (t) = S 0, TA + G TA (l CE, TA -l off, TA ) (t- Δt, TA ) -G SOLTA F SOL (t-Δt SOL ) Further, in order to prevent the knee joint from overextending, when the knee joint extends beyond the threshold value of 170 °, VAS is suppressed and S VAS (t) = S 0, VAS + G VAS F VAS (t−Δt VAS ) −k ψ Δψ k (t−Δt k ). Here, k ψ is a proportional gain (proportional gain), Δψ k = ψ k −170 °, and ψ k is a knee joint angle. This reflection suppression only works when ψ k > 0 and the knee joint is actually extended.

上半身とそのバランス。概念的なばね−質量モデルから神経筋動作を行う二足動物に進展する次のステップでは、質点表現は破棄され、上半身(上体)255(該上半身のまわりに脚を振り動かすことができる)が導入される(図2のD)。この上半身255は、頭、腕、及び胴体(これらをHATと略記する)と結合する。歩行の間HAT255のバランスをとるために、臀筋群(GLU)260及び股関節屈筋群(HFL)265が脚の各々に付加される。GLU260及びHFL265は、HAT255の重力の方向に対する前傾角(前方側への傾き角)θの比例微分(proportional-derivative)信号、SGLU/HFL 〜±[kp(θ−θref)+kddθ/dt]で刺激される。ここで、kpは比例ゲイン(比例利得)、kdは微分ゲイン(微分利得)であり、θrefは基準傾き角である(類似のアプローチについては、たとえば、「Gunther, M., Ruder, H., 2003. Synthesis of two-dimensional humanwalking: a test of the λ- model. Biol. Cybern. 89, 89-106」と比較されたい)。重いHAT255を引き上げるときにGLU260によって生じる大きな股関節トルクに起因する膝関節の過伸展に対抗するために、SHAM〜SGLUを有する二関節筋のハムストリング筋群(hamstring muscle group:HAM)270も含まれている。脚が十分な重さの重量を支える場合には股関節トルクだけがHAT255とバランスをとる(平衡状態を保つ)ことができるので、GLU260、HAM270及びHFL265の刺激は、各脚が支える体重に比例して脚毎に調節される。この結果、各脚の股関節筋は、立脚期の間のみHATのバランス制御に貢献する。 The upper body and its balance. In the next step, which evolves from a conceptual spring-mass model to a bipod with neuromuscular motion, the mass representation is discarded and the upper body (upper body) 255 (can swing the leg around the upper body) Is introduced (D in FIG. 2). The upper body 255 is coupled to the head, arms, and torso (these are abbreviated as HAT). In order to balance the HAT 255 during walking, a gluteal muscle group (GLU) 260 and a hip flexor group (HFL) 265 are added to each of the legs. GLU260 and HFL265 are proportional-derivative signals of forward tilt angle (tilt angle forward) θ with respect to the direction of gravity of HAT255, S GLU / HFL˜ ± [k p (θ−θ ref ) + k d dθ / Dt]. Here, k p is a proportional gain (proportional gain), k d is a differential gain (differential gain), and θ ref is a reference tilt angle (for a similar approach, see, for example, “Gunther, M., Ruder, H., 2003. Synthesis of two-dimensional human walking: a test of the λ-model. Biol. Cybern. 89, 89-106 ”). In order to combat the knee hyperextension caused by the large hip torque generated by GLU 260 when lifting heavy HAT 255, the bi-articular hamstring muscle group (HAM) 270 with S HAM to S GLU is also included. include. If the legs support a sufficient weight, only the hip joint torque can balance (maintain equilibrium) with the HAT 255, so the stimulation of the GLU 260, HAM 270 and HFL 265 is proportional to the weight supported by each leg. Adjusted for each leg. As a result, the hip joint muscles of each leg contribute to HAT balance control only during the stance phase.

脚を繰り出し(突き出し)及び脚を引っ込めるスイング動作(脚の振り動かし)。人体モデルの構造は、脚を繰り出し及び脚を引っ込めるスイング動作を生じる筋反射制御を除いて完成している。立脚期の脚の機能の重要性は、対をなす脚のうちの一方の側(すなわち対側)の脚によって支えられている体重(bw)に比例して小さくなること、及び、両脚支持期において早くも脚を繰り出すスイング動作が開始されること(図2のE)が想定されている。人体モデルは、どの脚が最後に立脚期に入ったか(どの脚が対をなす脚のうちの対側の脚であるか)を検出し、該対側の脚が支えている重量に比例して他方の側(すなわち同側)の脚のVAS240のF+を抑制する。この場合、

Figure 2012516780

である。この対側性の抑制によって、膝関節は、ばねのように機能する動作を中断し、及び、足関節が伸びている間に曲がって、脚を地面から離して前方に進めることが可能になる。このカタパルト(または射出機)機構は、足関節が十分に押し返す場合にのみスイング動作を開始することが可能であるが、該モデルは、さらに、両脚支持期において一定量ΔSだけ、HFL265の刺激を大きくし、GLUの刺激を小さくすることによって脚を繰り出すスイング動作の準備をする。 Swinging out the legs (protruding) and retracting the legs (leg swinging). The structure of the human body model is completed except for the muscle reflex control that generates a swing motion that extends the leg and retracts the leg. The importance of leg function in the stance phase is reduced in proportion to the weight (bw) supported by the leg on one side of the pair of legs (ie, the opposite side), and the two-leg support period In FIG. 2, it is assumed that the swing motion of extending the leg is started as early as (E in FIG. 2). The human body model detects which leg last entered the stance phase (which leg is the opposite leg of the pair of legs) and is proportional to the weight supported by the opposite leg. The F + of the VAS 240 on the other leg (ie, the same side) is suppressed. in this case,
Figure 2012516780

It is. This contralateral restraint causes the knee joint to cease to act like a spring and bend while the ankle is extended, allowing the leg to move forward away from the ground. . Although this catapult (or injection machine) mechanism can only start swinging when the ankle joint pushes back sufficiently, the model further stimulates HFL265 by a certain amount ΔS in both leg support periods. Prepare for swinging action to extend the leg by increasing the size and reducing the stimulation of GLU.

実際のスイング動作中は、脚のバリスティック運動(ballistic motion)に主に頼っているが、該運動は2つの点で影響を受ける(図2のF)。一方、スイングする脚の繰り出しは容易になる。HFL265は、立脚期から遊脚期への移行時にHAT255の前方ピッチ角(forward pitch angle)θrefによってバイアスされた長さの正帰還(L+)を用いて刺激される。該刺激は、SHFL(t)=S0, HFL+klean(θ−θrefTO+GHFL(lCE, HFL−loff, HFL)(t−Δt, HFL)である。このアプローチを用いることによって、スイングする脚のバリスティック運動が、時間的に遅れることなく脚を前方に進めるための運動量を獲得することが確保される(Mochon, S., McMahon, T., 1980. Ballistic walking. J. Biomech. 13(1), 49-57)。 During the actual swing motion, we rely primarily on the ballistic motion of the legs, which is affected in two ways (F in FIG. 2). On the other hand, the swinging leg can be easily extended. The HFL 265 is stimulated with positive feedback (L +) of length biased by the forward pitch angle θ ref of the HAT 255 during the transition from the stance phase to the swing phase. The stimulus is S HFL (t) = S 0, HFL + k lean (θ−θ ref ) TO + G HFL (l CE, HFL −l off, HFL ) (t−Δ t, HFL ). By using this approach, it is ensured that the ballistic movement of the swinging leg gains momentum to advance the leg forward without time delay (Mochon, S., McMahon, T., 1980 Ballistic walking. J. Biomech. 13 (1), 49-57).

さらに、スイングする脚は、伸ばし過ぎないようにされ、かつ、確実に該脚の引き込みが行われる。遊脚期に、脚が伸びて適正な向きを維持すると、歩行システムは自己安定化して歩行サイクルに入る(McGeer, T., 1990. Passive dynamic walking. Int. J. Rob. Res. 9 (2),62-82; Seyfarth, A., Geyer, H., Gunther, M., Blickhan, R., 2002. A movementcriterion for running. J. of Biomech. 35, 649-655; Ghigliazza, R., Altendorfer,R., Holmes, P., Koditschek, D., 2003. A simply stabilized running model. SIAM J.Applied. Dynamical Systems 2 (2), 187-218; Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan,R., 2006. Compliant leg behaviour explains the basic dynamics of walking andrunning. Proc. R. Soc. Lond. B 273, 2861-2867)。外乱に対するこの機械的自己安定性の耐性は、スイングする脚が地面に着地する前に追加的に引き込まれる場合には大きく改善されうる(Seyfarth, A., Geyer, H., 2002. Natural control of spring-likerunning - optimized self-stabilization. In: Proceedings of the 5thinternational conference on climbing and walking robots. ProfessionalEngineering Publishing Limited, pp. 81-85; Seyfarth, A., Geyer, H., Herr, H.M., 2003. Swing-leg retraction: a simple control model for stable running. J.Exp. Biol. 206, 2547-2555)。この「停止−引き込み」方式を実施するために、3つの筋反射が人体モデルに設けられる。スイングする脚の伸ばし過ぎ(過伸展)は、該脚を繰り出している間に膝関節が完全伸展状態まで伸びたときに該脚が受ける前方インパルス(forward impulse)によって生じるものであるが、かかる伸ばし過ぎが防止される。ここで、HFLのL+は、スイング動作時にHAMが受ける伸びに比例して抑制される。この場合、SHFL (t)=klean(θ−θref)TO+GHFL(lCE, HFL−loff, HFL)(t−Δt, HFL)−GHAMHFL(lCE, HAM−loff, HAM)(t−Δt, HAM)である。さらに、F+が、GLUとHAMに対してそれぞれ使用されて、SGLU (t)=S0,GLU+GGLU FGLU(t−ΔtGLU)、S HAM (t)=S0, HAM+G HAM F HAM(t−ΔtHAM)となり、これによって、実際の繰り出し運動量に依存して、スイングしている脚が、停止するだけでなく、この運動量の一部を、脚をまっすぐにするために及び脚を引き込みために使用する(転化する)ことが確保される。最後に、フットクリアランス(foot clearance。または、足間距離)を確保するために導入されたTAのL+がスイング動作全体にわたって維持される。SOL、GAS及びVASは、この遊脚期の間活動しない。 Further, the swinging leg is prevented from being excessively stretched, and the leg is reliably retracted. During the swing phase, if the leg stretches and maintains the proper orientation, the walking system self-stabilizes and enters the walking cycle (McGeer, T., 1990. Passive dynamic walking. Int. J. Rob. Res. 9 (2 ), 62-82; Seyfarth, A., Geyer, H., Gunther, M., Blickhan, R., 2002. A movementcriterion for running. J. of Biomech. 35, 649-655; Ghigliazza, R., Altendorfer , R., Holmes, P., Koditschek, D., 2003.A simply stabilized running model.SIAM J.Applied.Dynamical Systems 2 (2), 187-218; Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. Compliant leg behavior explains the basic dynamics of walking and running. Proc. R. Soc. Lond. B 273, 2861-2867). The resistance of this mechanical self-stability to disturbance can be greatly improved if the swinging leg is additionally retracted before landing on the ground (Seyfarth, A., Geyer, H., 2002. Natural control of spring-likerunning-optimized self-stabilization.In: Proceedings of the 5thinternational conference on climbing and walking robots.Professional Engineering Publishing Limited, pp. 81-85; Seyfarth, A., Geyer, H., Herr, HM, 2003.Swing- leg retraction: a simple control model for stable running. J. Exp. Biol. 206, 2547-2555). In order to implement this “stop-withdrawal” scheme, three muscle reflexes are provided in the human body model. Excessive stretching (overextension) of a swinging leg is caused by a forward impulse received by the leg when the knee joint extends to a fully extended state while the leg is extended. Overpass is prevented. Here, L + of HFL is suppressed in proportion to the elongation that HAM receives during the swing operation. In this case, S HFL (t) = k lean (θ−θ ref ) TO + G HFL (l CE, HFL −l off, HFL ) (t−Δ t, HFL ) −G HAMHFL (l CE, HAM −l off, HAM ) (t− Δt, HAM ). Further, F + is used for GLU and HAM, respectively, S GLU (t) = S 0, GLU + G GLU F GLU (t−Δt GLU ), S HAM (t) = S 0, HAM + G HAM F HAM (t−Δt HAM ), so that depending on the actual payout momentum, the swinging leg not only stops, but also a part of this momentum is used to straighten the leg and Is used (converted) for entrainment. Finally, the TA L + introduced to ensure foot clearance (or foot-to-foot distance) is maintained throughout the swing motion. SOL, GAS and VAS are inactive during this swing phase.

反射制御パラメータ。筋刺激Sm(t)に対するそれぞれの反射作用の寄与は、該モデルで使用された式によって決定される。どのパラメータの最適化も実施されなかった。パラメータは、反射運動(F+、L+)についての以前の知識から得られたか、または、もっともらしい推定を行うことによって得られたものである。全ての筋刺激は、筋活動A(t)に変換される前は、0.01〜1の範囲に制限されている。表1には、好適な実施形態で使用される立脚期の反射方程式が示されている。

Figure 2012516780
Reflection control parameter. The contribution of each reflex effect to the muscle stimulation Sm (t) is determined by the formula used in the model. No parameter optimization was performed. The parameters were obtained from previous knowledge of reflex motion (F +, L +) or were obtained by making plausible estimates. All muscle stimulation is limited to the range of 0.01 to 1 before being converted to muscle activity Am (t). Table 1 shows the stance phase reflection equation used in the preferred embodiment.
Figure 2012516780

表2には、好適な実施形態で使用される遊脚期の反射方程式が示されている。

Figure 2012516780
Table 2 shows the swing equation during the swing phase used in the preferred embodiment.
Figure 2012516780

結果。人体モデルは、その筋肉をフィードフォワード制御によって活性化させる中枢パターン発生器(central pattern generator:CPG)を有していないが、地面を検出するためにそれぞれの足の親指のつけ根のふくらみとかかとにあるセンサーを用いて立脚用及び遊脚用のそれぞれ異なる反射神経(または反射作用)をそれぞれの足毎に切り替える。その結果、該モデルとそれの機械的環境との動的相互作用は、筋活動の生成に不可欠な要素となっている。図3は、本発明のこの側面にしたがうパターン発生を視覚的に示している。図3では、中枢パターンの代わりに、反射神経が筋刺激Sm305、310を生成する。左(L)320の脚と右(R)330の脚は、別々の立脚用反射神経340、345、及び、遊脚用反射神経350、355を有しており、これらの反射神経は、足の親指のつけ根のふくらみとかかとにあるセンサー370、375からの接触検出360、365に基づいて選択される。反射神経の出力は、機械的入力M380、385、絡み合い機構(intertwining mechanics)、及びモーター制御に依存する。 result. The human body model does not have a central pattern generator (CPG) that activates its muscles by feedforward control, but it uses a bulge and heel at the base of each thumb to detect the ground. A sensor is used to switch different reflexes (or reflexes) for standing leg and swing leg for each foot. As a result, the dynamic interaction between the model and its mechanical environment is an indispensable element in the generation of muscle activity. FIG. 3 visually illustrates pattern generation according to this aspect of the invention. In FIG. 3, instead of the central pattern, reflexes generate muscle stimulation Sm 305, 310. The left (L) 320 leg and the right (R) 330 leg have separate standing leg reflexes 340 and 345 and free leg reflexes 350 and 355, which are connected to the foot. Selected based on contact detection 360, 365 from sensors 370, 375 at the bulge and heel of the thumb. The output of reflexes depends on mechanical inputs M i 380, 385, intertwining mechanics, and motor control.

歩行状態。機構及びモーター制御のこの相互依存性が人間の歩行にどれほど重要であるかを調べるために、該モデルを、立脚期には左脚から、遊脚期には右脚から開始させ、標準的な歩行速度v0=1.3m/秒で移動させた。このモデル化された筋反射の時間遅延は最大20msであるので、最初は全ての筋肉は活動していない。図4のAは、本発明の1つの側面にしたがう、モデルと地面との間の動的な相互作用から自己組織化された(self-organized)人体モデルの歩行を示しており、Bは、対応する床反力(GRF)を示している。図4のAには、250ms毎に撮影された人体モデルのスナップショットが示されており、図4のBには、対応するモデルGRFが示されており、左脚405、410と右脚415、420のそれぞれについて別個にプロットされている(30Hz低域フィルタリングを施されている)。該モデルは、水平速度1.3m/秒で歩行を開始して、初めの2歩歩いた後で速度を落とすが、同じ歩行速度に急速に回復している。筋活動>10%を示す右脚415の脚筋だけが図示されている。それぞれの脚のψa,k,h(足関節、膝関節、及び股関節の角度の定義)の初期条件は、(左脚について)ψa,k,h=85°、175°、175°、(右脚について)ψa,k,h=90°、175°、140°であった。 Walking state. To examine how important this interdependence of mechanism and motor control is to human walking, the model was started from the left leg during the stance phase and from the right leg during the swing phase, It was moved at a walking speed v0 = 1.3 m / sec. Since this modeled muscle reflex time delay is a maximum of 20 ms, initially all muscles are inactive. FIG. 4A illustrates the walking of a human body model that is self-organized from the dynamic interaction between the model and the ground in accordance with one aspect of the present invention; The corresponding floor reaction force (GRF) is shown. 4A shows a snapshot of a human body model taken every 250 ms, and FIG. 4B shows a corresponding model GRF. The left leg 405, 410 and the right leg 415 are shown. , 420 are plotted separately (with 30 Hz low pass filtering). The model starts walking at a horizontal speed of 1.3 m / s and decreases the speed after walking the first two steps, but rapidly recovers to the same walking speed. Only the leg muscles of the right leg 415 showing muscle activity> 10% are shown. The initial conditions for each leg ψ a, k, h (definition of ankle, knee and hip joint angles) are (for the left leg) ψ a, k, h = 85 °, 175 °, 175 °, (Regarding the right leg) ψ a, k, h = 90 °, 175 °, 140 °.

これらの乱された初期条件のために、該モデルは、わずかにつぶれて最初の一歩で速度が遅くなる(図4のA)。しかしながら、そのパラメータが適正に選択されている場合には、該モデルは後続の歩行の間に急速に回復し、モデルと地面との間の動的相互作用から歩行を自己組織化する。ここで、立脚期における脚の垂直方向の床反力(GRF)は、歩行状態のM形パターン特性を示しており(図4のB)、これは、定常歩行に関して、モデルと人間との全身動力学(全身ダイナミクス)の類似性を示唆している。   Because of these disturbed initial conditions, the model collapses slightly and slows down in the first step (A in FIG. 4). However, if the parameters are properly selected, the model recovers rapidly during subsequent walking and self-organizes the walking from the dynamic interaction between the model and the ground. Here, the floor reaction force (GRF) in the vertical direction of the leg in the stance phase shows an M-shaped pattern characteristic in the walking state (B in FIG. 4), which is related to the whole body between the model and the human with respect to the steady walking. This suggests similarities in dynamics (whole body dynamics).

角度、トルク及び筋活動の定常状態のパターン。この類似性はまたより綿密な検査にも耐えるものである。すなわち、人間の歩行データから既知の角度、トルク及び筋活動パターンと該モデルのそれらとは量的に合致する。図5のA、B、及びCは、本発明の1つの側面にしたがう、股関節(図5のA)、膝関節(図5のB)、及び足関節(図5のC)についてのモデルと被験者の1.3m/秒における定常歩行をそれぞれ比較した図である。図5のA〜Cでは、該モデルの筋活動、トルク、並びに、股関節の角度、膝関節の角度、足関節の角度の定常状態のパターンが、同じ脚の踵接地から踵接地までの1ストライド(歩幅)に正規化されて、人間の歩行データと比較されている(出典:Perry,1992)。ストライドの60%付近の垂直の点線510は足指が離れたこと(足指離地)を示している。比較対象の筋肉は、長内転筋(HFL)520、大臀筋上部(upper gluteus maximus:GLU)530、半膜様筋(HAM)540、外側広筋(VAS)550である。   Steady state pattern of angle, torque and muscle activity. This similarity also withstands closer inspection. That is, a known angle, torque, and muscle activity pattern from human gait data are quantitatively matched with those of the model. FIGS. 5A, 5B, and 5C show models for hip joints (FIG. 5A), knee joints (FIG. 5B), and ankle joints (FIG. 5C), according to one aspect of the present invention. It is the figure which compared each subject's normal walk in 1.3m / sec. In FIGS. 5A to 5C, the steady state pattern of the muscle activity, torque, hip joint angle, knee joint angle, and ankle joint angle of the model is one stride from the heel contact to the heel contact of the same leg. Normalized to (step length) and compared with human walking data (Source: Perry, 1992). A vertical dotted line 510 in the vicinity of 60% of the stride indicates that the toes are separated (toe separation). The muscles to be compared are the long adductor muscle (HFL) 520, the upper gluteus maximus (GLU) 530, the semi-membranous muscle (HAM) 540, and the lateral vastus muscle (VAS) 550.

モデル予測と歩行データと間の最良の合致は足関節に見出すことができる(図5のC)。反射モデルは、歩行時の人間の足関節について観察された足関節運動ψ及びトルクτを生成するだけでなく、表面筋電計から推測される実験に基づくSOL、TA、及びGAS活動に似ているSOL、TA及びGAS活動も予測する。SOL及びGASについては、この活動は、立脚期におけるそれらの局所的なF+反射によって排他的に生成される。TAについては、そのL+反射は立脚期の初期における足の足底屈に対してより高い活動度で応答するが、該立脚期の残りの期間中はSOLからのF-によって抑制される。SOLの活動が、立脚期から遊脚期への移行時(ストライドの60%の時点)に小さくなるときのみ、TAのL+によって、足底屈を行うように足を引き寄せる動きが開始される。 The best match between model prediction and gait data can be found at the ankle joint (C in FIG. 5). The reflex model not only generates the ankle motion ψ a and torque τ a observed for the human ankle during walking, but also for SOL, TA, and GAS activities based on experiments inferred from surface electromyography. Predict similar SOL, TA and GAS activities. For SOL and GAS, this activity is generated exclusively by their local F + reflex in the stance phase. For TA, its L + reflex responds with higher activity to plantar flexion in the early stance phase, but is suppressed by F- from the SOL for the remainder of the stance phase. Only when the SOL activity becomes smaller during the transition from the stance phase to the swing phase (at 60% of the stride), the L + of the TA starts to pull the foot to perform plantar flexion.

この比較から、膝関節と股関節の場合の合致の程度はより小さいことがわかる。たとえば、人間の膝の一般的な軌跡ψが該モデルによって得られるが、立脚期の初期では、該モデルの膝関節は、人間のものよりも約10°すなわち30%以上も大きく曲がる(図5のB)。このより大きな膝関節の曲がりに関連して、該モデルでは、立脚期の初期へ続く遊脚期中の後期(または末期)においてVAS活動が観察されない。踵接地(期)の後にのみ、VASのF+が関与し、該F+が、脚にかかる荷重(重さ)に応答して筋肉群を活性化する(活動させる)ことができる。伸筋活動の遅れによって、立脚期の初期における比較的弱い膝(関節)だけでなく、太い(または重い)HATもまた、(地面への)衝突後に前方に傾く。HATのバランス制御は、立脚期における脚によって支持されている重さ(体重)に徐々に関与するので、平衡反射神経(balance reflexes)は、踵接地までは活動しておらず、踵接地後に、HATを基準の傾斜レベル(基準傾斜角)に戻すために異常に大きなGLU活動及びHAM活動を生成しなければならない(図5のC)。したがって、該モデルの股関節の軌跡ψ及びトルクパターンτは、人間(人間の場合は、股関節伸展筋GLU及びHAMは、衝突の前に活動状態にあって、胴体がそのように大きく傾斜するのを防ぐことができる)の軌跡及びトルクパターンに最も類似していない。 From this comparison, it can be seen that the degree of matching in the case of the knee joint and the hip joint is smaller. For example, a general trajectory ψ k of a human knee is obtained by the model, but in the early stance phase, the knee joint of the model bends about 10 ° or 30% more than that of a human (see FIG. 5 B). In connection with this larger knee flexion, in the model no VAS activity is observed in the late (or end) swing phase following the early stance phase. Only after heel contact (phase) is the VAS F + involved, and the F + can activate (activate) muscle groups in response to the load (weight) on the leg. Due to the delay in extensor activity, not only the relatively weak knee (joint) in the early stance phase, but also the thick (or heavy) HAT leans forward after a collision (to the ground). Since balance control of the HAT is gradually involved in the weight (weight) supported by the leg in the stance phase, balance reflexes are not active until heel contact, Abnormally large GLU activity and HAM activity must be generated to return the HAT to the reference tilt level (reference tilt angle) (FIG. 5C). Thus, the hip trajectory ψ h and torque pattern τ h of the model are human (in the case of humans, the hip extension muscles GLU and HAM are in an active state before the collision and the torso tilts so much Is not most similar to the locus and torque pattern.

地面の変化に対する自己適応:人体モデルは、反射制御に制限があるにもかかわらず、地面の高さの突然の変化に耐え、かつ、地面の永続的な変化に自己適応する。図6のA〜Dは、該モデルが、各段が4cmずつ高くなっている一連の階段に遭遇する例を示している。図6は、本発明の1つの側面にしたがう、階段を歩いて上ることへの適応の様子を示しており、該モデルのスナップショット(図6のA)、正味の仕事(図6のB)、伸筋活動パターン(図6のC)、及び、対応する床反力(図6のD)を含む。図6のA〜Dでは、1.3m/秒での定常歩行から始まる人体モデルの8つのストライドが示されており、そのうちの5歩の各々では4cm傾いている。該モデルは、8番目のストライドで定常歩行に戻る。1つのストライドは、右足の踵接地から踵接地までをいう。図6のAには、右脚の踵接地時(踵が地面に着くとき)と該右足の足指離地時(足指が地面から離れるとき)の該モデルのスナップショットが示されている。この脚について、図6のBには、立脚期中に股関節、膝関節、及び足関節で生じる正味の仕事(正の仕事は伸展(伸長)時の仕事である)が、図6のCには、各ストライドにおける5つの伸筋の活動パターンが、図6のDには、体重(bw)に対して正規化された対応する床反力650が、比較のための左脚の床反力660と共に、示されている。   Self-adaptation to ground changes: The human body model withstands sudden changes in ground height despite the limited reflex control and self-adapts to permanent ground changes. FIGS. 6A-6D show examples where the model encounters a series of stairs where each step is 4 cm higher. FIG. 6 illustrates the adaptation to walking up the stairs in accordance with one aspect of the present invention, with a snapshot of the model (A in FIG. 6), net work (B in FIG. 6). , The extensor muscle activity pattern (C in FIG. 6) and the corresponding floor reaction force (D in FIG. 6). 6A to 6D show eight strides of a human body model starting from steady walking at 1.3 m / second, and each of the five steps is tilted by 4 cm. The model returns to steady walking on the 8th stride. One stride refers to the right foot from heel contact to heel contact. FIG. 6A shows a snapshot of the model when the heel of the right leg is touched (when the heel touches the ground) and when the right foot is released from the toe (when the toe leaves the ground). . For this leg, FIG. 6B shows the net work that occurs at the hip, knee, and ankle joints during the stance phase (positive work is the work during extension (extension)), and FIG. The activity pattern of the five extensors in each stride is shown in FIG. 6D, where the corresponding floor reaction force 650 normalized to body weight (bw) is the floor reaction force 660 of the left leg for comparison. Along with.

該モデルは、定常歩行(1番目のストライド)から開始して、2番目のストライドの終わりに、いっぱいに伸ばされた右脚の足が階段に到達している(図6のA)。この早期の衝突によって該モデル(の速度)が遅くなって、上半身が前方に傾き、該上半身は、GLU及びHAMによって生成される大きな股関節トルクを受ける(図6のB及びCの三番目のストライド)。股関節伸展トルクは膝(膝関節)を伸展させる傾向もあるので、立脚期中の膝関節における正味の仕事(量)が定常状態のときと同程度に維持されるとしても、VASは、定常状態のときと同程度の力を受けず、その力帰還制御によってそれの筋刺激は小さくなる(図6のC)。これとは対照的に、該モデルの減速によって、立脚期中に足関節伸筋GAS及びSOLが受ける力は小さくなり、それらの力帰還反射によってそれよりわずかに小さな筋刺激が生成され、足関節の正味の仕事(量)は低減する(図6のB及びC)。ストライド4及び5では、該モデルは、約1m/秒で階段を上る歩行状態に落ち着き、この場合、前方及び上方への推力は、主として股関節及び膝関節において生成される。該モデルは、6番目のストライドにおいて安定期に到達した後、8番目のストライドにおいて、元の定常歩行速度である1.3m/秒に戻る。   The model starts with a steady walk (first stride) and at the end of the second stride, the fully extended right leg foot reaches the stairs (A in FIG. 6). This early collision slows down the model, causing the upper body to lean forward and the upper body to receive a large hip torque generated by GLU and HAM (the third stride of FIGS. 6B and 6C). ). Hip extension torque also tends to extend the knee (knee joint), so even if the net work (amount) at the knee joint during the stance phase is maintained at the same level as at steady state, VAS It does not receive the same level of force as the time, and its muscle stimulation is reduced by the force feedback control (C in FIG. 6). In contrast, the deceleration of the model reduces the forces experienced by the ankle extensors GAS and SOL during the stance phase, and their force feedback reflexes produce slightly smaller muscle stimuli, The net work (amount) is reduced (B and C in FIG. 6). In strides 4 and 5, the model settles into a walking state that climbs the stairs at about 1 m / sec, where forward and upward thrust is generated primarily at the hip and knee joints. The model returns to the original steady walking speed of 1.3 m / sec in the eighth stride after reaching the stable period in the sixth stride.

図7のA〜Dは、本発明の1つの側面にしたがう、モデルのスナップショット(図7のA)、正味の仕事(図7のB)、伸筋活動パターン(図7のC)、及び、対応する床反力(図7のD)を含む階段を降りる歩行への適応を示している。図7のA〜Dには、人体モデルの1.3m/秒の速度の定常歩行から開始して8つのストライドが示されており、そのうちの5歩の各々は4cm傾いている。該モデルは、8番目のストライドで定常歩行に復帰する。1つのストライドは、右脚の踵接地から踵接地までである。図7のAには、右脚の踵接地及び足指離地における該モデルのスナップショットが示されている。この脚について、図7のBには、立脚期中に股関節、膝関節及び足関節で生成される正味の仕事(正の仕事は伸展(伸長)時の仕事である)が、図7のCには、各々のストライドの5つの伸筋の活動パターンが、図7のDには、体重(bw)について正規化された対応する床反力750が比較用の左脚の床反力760と共に、さらに示されている。該モデルは、各々が4cmだけ傾いている5歩の下り歩行を行った後、14番目のストライドにおいて1.3m/秒の定常歩行に戻る。   7A-D illustrate a model snapshot (FIG. 7A), net work (FIG. 7B), extensor activity pattern (FIG. 7C), and in accordance with one aspect of the present invention. , Showing adaptation to walking down the stairs with the corresponding floor reaction force (D in FIG. 7). In FIGS. 7A to 7D, eight strides are shown starting from a steady walking at a speed of 1.3 m / second of the human body model, and each of the five steps is tilted by 4 cm. The model returns to steady walking on the 8th stride. One stride is from heel contact to right heel contact. FIG. 7A shows a snapshot of the model at right leg heel contact and toe off. For this leg, FIG. 7B shows the net work generated at the hip, knee and ankle joints during the stance phase (the positive work is the work during extension (extension)). The activity pattern of the five extensors of each stride is shown in FIG. 7D, where the corresponding floor reaction force 750 normalized for body weight (bw) is compared with the floor reaction force 760 for the left leg for comparison. Further shown. The model goes back to a steady walk of 1.3 m / sec on the 14th stride after taking 5 steps of walking, each tilted by 4 cm.

図7のA〜Dは、モデルが下りの階段に出くわしたときの歩行シーケンスを示している。該モデルは、9番目のストライドの終わりで、右足で最初の階段を下りている(図7のA)。この下方への移動によって、該モデルは加速し、及び、10番目のストライドにおいて右脚に全体としてより大きな最初の衝撃が生じ、ほとんどの伸筋がより強い反応を示す(図7のC及びD)。生じる力がより小さくなるのはGASだけであるが、これは、このストライドでは、膝関節が、いつもより屈曲した状態を維持するからである。その結果、足関節における正の正味の仕事は大きく増加する(図7のB)。この増加、並びに、足が地面から離れるときの上半身の前方への傾斜により引き起こされるより大きなHFL刺激(不図示)は、遊脚期において歩幅を大きくして右脚を前方に推進させる(図7のA)。該モデルは、過渡的な10番目のストライドの後で、下方への移動の際にこのより大きな歩幅を維持し(11番目及び12番目のストライド)、該モデルの下方への加速は、(地面への)衝突直後のGLU、HAM及びVASの高められた活動によって対抗され(図7のC及びD)、これによって、股関節における正味の正の仕事が低減し、膝関節における正味の負の仕事が増加し(図7のB)、該モデルを約1.5m/秒の下りの歩行状態に安定化させる。平らな地面に戻って下方への加速がなくなると、該モデルは減速し、これによって、歩幅が自動的に狭くなり(図7のA)、13番目乃至14番目の歩行において1.3m/秒の定常歩行に戻るように駆動される。   7A to 7D show a walking sequence when the model encounters a downstairs. The model is descending the first stair with the right foot at the end of the ninth stride (A in FIG. 7). This downward movement accelerates the model, and in the 10th stride, the right leg has an overall greater initial impact, with most extensors responding more strongly (C and D in FIG. 7). ). It is only GAS that produces less force, because with this stride, the knee joint remains more flexed than usual. As a result, the net positive work at the ankle joint is greatly increased (B in FIG. 7). This increase, as well as the greater HFL stimulation (not shown) caused by the forward tilt of the upper body when the foot leaves the ground, increases the stride during the swing phase and propels the right leg forward (FIG. 7). A). The model maintains this greater stride during the downward movement after the transient 10th stride (11th and 12th strides), and the downward acceleration of the model is (ground Counteracted by increased activity of GLU, HAM and VAS immediately after the collision (C and D in FIG. 7), which reduces net positive work at the hip joint and net negative work at the knee joint. Increases (B in FIG. 7) and stabilizes the model to a walking state of about 1.5 m / sec. When there is no further downward acceleration after returning to the flat ground, the model decelerates, thereby automatically reducing the stride (A in FIG. 7) and 1.3 m / sec on the 13th to 14th walks. It is driven to return to steady walking.

階段の上り下りの両方について単一の制御では足りない。モデルの耐性及び適応性にとって重要なことは、その動的筋反射応答である。立脚期の脚のはね返りは、脚の伸筋SOL、GAS及びVASが受ける負荷の大きさに依存し、このはね返りによって、階段を上がるときに前方に進むことができるように脚が十分に曲がること、及び、階段を下るときに足が十分にブレーキをかけることが保証される。他方、遊脚の前方への推進はモデルの動力学によって異なる。立脚期の終わりに近い時点の反対側の脚の(地面への)衝突後の急な減速、上半身の前方への傾斜、及び足関節の伸展率(または伸展速度)はすべて、遊脚期における脚の推進力に寄与する。これらの組み合わされた特徴によって、遊脚が、階段を上る歩行の際に十分に伸び、及び、階段を下る歩行の際に十分に伸びることが確保される。後者の場合、GLU及びHAMの力帰還は、脚の過度の回転を抑制すると共に、脚が迅速に引き込まれ及び繰り出されるようにする。   A single control is not sufficient for both up and down stairs. What is important for the tolerance and adaptability of the model is its dynamic muscle reflex response. The bounce of the leg in the stance phase depends on the amount of load that the leg extensors SOL, GAS and VAS are subjected to, and this bounce ensures that the leg bends sufficiently so that it can move forward when going up the stairs. And it is guaranteed that the foot will brake sufficiently when going down the stairs. On the other hand, propulsion of the swing leg forward depends on the dynamics of the model. The abrupt deceleration after the collision of the opposite leg (to the ground) near the end of the stance phase, tilting the upper body forward, and the rate of extension of the ankle (or extension speed) are all during the swing phase. Contributes to leg propulsion. These combined features ensure that the free leg is fully extended when walking up the stairs and fully extended when walking down the stairs. In the latter case, GLU and HAM force feedback suppresses excessive rotation of the leg and allows the leg to be retracted and extended quickly.

筋腱ユニット。二足動物の14個の全ての筋−腱ユニット(MTU)は、同じモデル構造を有する。図8は、本発明の1つの側面にしたがう筋−腱モデルの略図である。図8において、作動している収縮性要素(CE)810は、直列に接続された弾性体(SE)820と共に、通常の動作時には筋−腱ユニット(MTU)を形成する。CE810がその最適な長さlCE830(lCE>lopt840)よりも長く伸びると、並列に接続された弾性体(PE)850が関与する。これとは逆に、バッファー弾性体(BE)860は、SE820が弛んでいる(lMTU870−lCE830<lslack880)の場合に、作動しているCE810がつぶれるのを阻止する。 Muscle tendon unit. All 14 muscle-tendon units (MTUs) of a bipod have the same model structure. FIG. 8 is a schematic illustration of a muscle-tendon model according to one aspect of the present invention. In FIG. 8, the working contractile element (CE) 810 forms a muscle-tendon unit (MTU) during normal operation with the elastic bodies (SE) 820 connected in series. When CE 810 extends longer than its optimal length l CE 830 (l CE > l opt 840), an elastic body (PE) 850 connected in parallel is involved. Conversely, the buffer elastic body (BE) 860 prevents the working CE 810 from collapsing when the SE 820 is slack (l MTU 870-l CE 830 <l slack 880).

図8に示されているように、作動しているヒルタイプ収縮性要素(CE)は、直列の弾性体(SE)に沿った力を生じる。MTUは、個々のCEがそれらの力−長さ関係で上行脚(ascending limb)に主に作用するように骨格にはめ込まれるが、該MTUモデルは、並列弾性体(PE)を備え、該弾性体は、CEが最適な長さloptを超えて伸びると関与する。さらに、バッファー弾性体(BE)は、脚の幾何学的形状/寸法によって、MTUがたるみを生じるほどに該MTUが縮んだときにCEがつぶれないことを確保する。BEは、MTUが、弛緩した筋肉−たとえば、膝が過度に曲がったときの弛んだGAS−を表現できるようにする数値ツールに過ぎないことに留意されたい。しかしながら、BEは、MTUの外部に力を生じない。 As shown in FIG. 8, an active hill type contractile element (CE) produces a force along a series of elastic bodies (SE). The MTU is fitted into the skeleton so that individual CEs mainly act on the ascending limb in their force-length relationship, but the MTU model comprises a parallel elastic body (PE) and the elastic The body is involved when CE extends beyond the optimal length l opt . In addition, the buffer elastic body (BE) ensures that the leg geometry / dimensions prevent the CE from collapsing when the MTU contracts to such an extent that the MTU will sag. Note that BE is just a numerical tool that allows MTU to represent relaxed muscles-for example, a relaxed GAS when the knee is bent too much. However, BE does not generate force outside the MTU.

表3には個々のMTUパラメータが示されている。全てのパラメータはYamaguchi他から推定されたものである(Yamaguchi, G. T., Sawa, A. G. -U., Moran, D. W.,Fessler, M. J., Winters, J. M., 1990. A survey of human musculotendon actuatorparameters. In: Winters, J., Woo, S. -Y. (Eds.), Multiple Muscle Systems:Biomechanics and Movement Organization. Springer- Verlag, New York, pp. 717- 778)。最大アイソメトリックフォース(最大等尺性(収縮)力ともいう)Fmaxが、25N/cmの力が想定されている個々のまたはグループ化された筋肉−生理学上の断面積から推定されている。最大の収縮速度vmaxは、遅筋に対しては6lopt/秒に、中程度の速筋に対しては12lopt/秒に設定されている。最適なCE長lopt及びSE弛み長(たとえば、弛みがとれて力を伝え始める長さ)lslackは、筋繊維及び腱の長さを反映している。

Figure 2012516780
Table 3 shows the individual MTU parameters. All parameters were estimated from Yamaguchi et al. (Yamaguchi, GT, Sawa, AG-U., Moran, DW, Fessler, MJ, Winters, JM, 1990. A survey of human musculotendon actuatorparameters. In: Winters, J., Woo, S. -Y. (Eds.), Multiple Muscle Systems: Biomechanics and Movement Organization. Springer- Verlag, New York, pp. 717-778). The maximum isometric force (also referred to as the maximum isometric (contraction) force) F max is estimated from the individual or grouped muscle-physiological cross sections where a force of 25 N / cm 2 is assumed. Maximum of contraction velocity v max is set to 12l opt / sec to 6l opt / sec, against moderate fast-twitch for the slow-twitch. The optimal CE length l opt and SE slack length (eg, the length at which slacking begins to transmit force) l slack reflects the length of muscle fibers and tendons.
Figure 2012516780

CE及びSEがどのようにモデル化されたかについての詳細はGeyer他による文献に記載されている(Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. Positive force feedback inbouncing gaits? Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183)。CEの力FCE=AFmax(lCE)f(vCE)は、筋活動A、CEの力−長さ関係f(lCE)、及び、CEの力−速度関係f(vCE)の積である。この積を用いたアプローチに基づくと、MTUの動力学は、f(vCE)を反転することによって得られるCEの速度vCEを積分することによって計算される。FSE=FCE+FPE−FBE、f(vCE)=(FSE−FPE+FBE)/(AFmax(lCE))とする。この式は、FSE−FPEがゼロに近づくときの筋肉伸展(または筋肉伸長)中の数値的な臨界点を有する。シミュレーションの速度を上げるために、この臨界点は、並列弾性体の力発生FPEにf(vCE)を導入する、すなわち、FPE〜(lCE−lopt(vCE)とすることによって回避される。PEは、該モデルの通常動作の範囲外で関与すること、及び、BEと同様に、通常歩行の間は、筋肉の動力学に対して小さな役割しか果たさないことに留意されたい。しかしながら、このアプローチでは、f(vCE)=(FSE+FBE)/(A Fmax(lCE)+FPE)が得られ、これは、粗い時間ステップを用いて数値的に積分することが可能である。このアプローチは、モデルのシミュレーション速度を速くするのに便利であるが、筋肉の動力学が時間解像度が一定で制限されているPCボード上でエミュレートされたときにも非常に有用であった。 Details on how CE and SE were modeled can be found in the literature by Geyer et al. (Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. Positive force feedback inbouncing gaits? Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183). The CE force F CE = AF max f l (l CE ) f v (v CE ) is the muscle activity A, the CE force-length relationship f l (l CE ), and the CE force-velocity relationship f v It is the product of (v CE ). Based on this product approach, the MTU dynamics are calculated by integrating the CE velocity v CE obtained by inverting f v (v CE ). F SE = F CE + F PE -F BE, f v (v CE) = a (F SE -F PE + F BE ) / (AF max f l (l CE)). This equation has a numerical critical point during muscle extension (or muscle extension) as F SE -F PE approaches zero. In order to increase the speed of the simulation, this critical point introduces f v (v CE ) into the force generation F PE of the parallel elastic body, ie F PE ~ (l CE −l opt ) 2 f v (v CE ). Note that PE is involved outside the normal behavior of the model and, like BE, plays a minor role in muscle dynamics during normal walking. However, this approach yields f v (v CE ) = (F SE + F BE ) / (AF max f l (l CE ) + F PE ), which integrates numerically using coarse time steps. It is possible. This approach is useful for speeding up the simulation of the model, but was also very useful when muscle dynamics were emulated on a PC board with constant and limited time resolution.

MTUは共通のパラメータ及び個別のパラメータを有する。共通のパラメータは、興奮収縮連関の時定数:tecc=0.01、CEの力−長さ関係の幅:w=0.56lopt、及び、残留力係数:c=0.05、CEの力−速度関係のエキセントリックフォースの増強:N=1.5及び該関係の形状係数:K=5、並びに、SEの校正ひずみ(reference strain):εref=0.04を有する(詳細については、Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003.Positive force feedback in bouncing gaits? Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183を参照されたい)。共通のパラメータには、PE校正ひずみ:εPE=w(この場合、FPE=Fmax(lCE/lopt−1)/εPE (vCE))、BEの静止長lmin=lopt−w、及びその校正圧縮(または基準圧縮):εBE=w/2(この場合、FBE=Fmax[(lmin−lCE)/lopt/εPE )もある。個別のMTU取り付けパラメータは、文献から容易に得ることができ、及び、各筋肉または筋肉群を識別するものである。それらの値は表4に記載されている。

Figure 2012516780
The MTU has common parameters and individual parameters. The common parameters are: time constant of excitement-contraction coupling: t ecc = 0.01, width of CE force-length relationship: w = 0.56 l opt and residual force coefficient: c = 0.05, CE Eccentric force enhancement of force-velocity relationship: N = 1.5 and shape factor of the relationship: K = 5, and SE reference strain: ε ref = 0.04 (for details, see Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. Positive force feedback in bouncing gaits? See Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183). Common parameters include PE calibration strain: ε PE = w (in this case F PE = F max (l CE / l opt −1) 2 / ε PE 2 f v (v CE )), BE stationary length l min = l opt −w and its calibration compression (or reference compression): ε BE = w / 2 (in this case, F BE = F max [(l min −l CE ) / l opt ] 2 / ε PE 2 ) There is also. Individual MTU attachment parameters can be easily obtained from the literature and identify each muscle or group of muscles. These values are listed in Table 4.
Figure 2012516780

筋骨格接続及び質量分布。MTUは、1つまたは2つの関節にそれらをまたぐようにかかることによって骨(骨格)に接続する。足関節及び膝関節については、筋力Fから関節トルクτへの変換は、可変レバーアームr(ψ)=rcos(ψ−ψmax)を用いてモデル化される。ここで、ψは関節角度、ψmaxはrがその最大値に達したときの角度、τ=r(ψ)Fである。股関節については、単純にr(ψ)=rが想定されている。他方、足関節及び膝関節については、MTUの長さの変化Δlは、Δl=ρr[sin(ψ−ψmax−sin(ψref−ψmax)]としてモデル化され、股関節については、Δlは、Δl=ρr(ψ−ψref)としてモデル化される。基準角度ψrefは、l=lopt+lslackの場合の関節角度である。係数ρは、筋肉の羽状角(pennation angle)の要因となるもの(または羽状角を見込むもの)であって、MTUの繊維長が、関節の作動範囲全体にわたって生理学的範囲内に留まることを確保するものである。それぞれの筋肉及び関節に関する特定のパラメータは表4に記載されている。これらの値は、実験的証拠(Muraoka, T., Kawakami, Y., Tachi, M.,Fukunaga, T., 2001. Muscle fiber and tendon length changes in the human vastuslateralis during slow pedaling. J. Appl. Physiol. 91, 2035-2040; Maganaris, C,2001. Force-length characteristics of in vivo human skeletal muscle. ActaPhysiol. Scand. 172, 279-285; Maganaris, C, 2003. Force-length characteristicsof the in vivo human gastrocnemius muscle. Clin. Anat. 16, 215-223; Oda, T.,Kanehisa, H., Chino,K., Kurihara, T., Nagayoshi, T., Kato, E., Fukunaga, T., Kawakami, Y., 2005. Invivo lenth- force relationships on muscle fiver and muscle tendon complex inthe tibialis anterior muscle. Int. J. Sport and Health Sciences 3, 245-252)によって支持されているか、または、解剖学上の大まかな推定によって得られたものである。 Musculoskeletal connections and mass distribution. The MTU connects to the bone (skeleton) by straddling them over one or two joints. For ankle and knee joints, the transformation from muscle force F m to joint torque τ m is modeled using a variable lever arm r m (ψ) = r 0 cos (ψ−ψ max ). Here, [psi is joint angle, angle when [psi max is the r m has reached its maximum value, is τ m = r m (ψ) F m. For the hip joint, simply r m (ψ) = r 0 is assumed. On the other hand, for ankle and knee joints, the MTU length change Δl m is modeled as Δl m = ρr [sin (ψ−ψ max −sin (ψ ref −ψ max )], and for the hip joint, Δl m is modeled as Δl m = ρr (ψ−ψ ref ), where the reference angle ψ ref is the joint angle when l m = l opt + l slack , and the coefficient ρ is the wing angle of the muscle (Pennation angle) factor (or expectation of winged angle), ensuring that the fiber length of the MTU stays within the physiological range throughout the range of operation of the joint. Specific parameters for muscles and joints are listed in Table 4. These values are experimental evidence (Muraoka, T., Kawakami, Y., Tachi, M., Fukunaga, T., 2001. Muscle fiber and tendon length changes in the human vastuslateralis during slow pedaling.J. Appl.Physiol. 91, 2035-2040; M Force-length characteristics of in vivo human skeletal muscle. ActaPhysiol. Scand. 172, 279-285; Maganaris, C, 2003. Force-length characteristics of the in vivo human gastrocnemius muscle. Clin. Anat. 16, 215-223; Oda, T., Kanehisa, H., Chino, K., Kurihara, T., Nagayoshi, T., Kato, E., Fukunaga, T., Kawakami, Y., 2005. Invivo lenth-force int. J. Sport and Health Sciences 3, 245-252), or obtained by rough anatomical estimation. relationships on muscle fiver and muscle tendon complex in the tibialis anterior muscle.

人体モデルの7つのセグメントは単純な剛体であり、そのパラメータが表5に記載されている。それらの値は、他のモデリング研究、たとえば、Gunther及び Ruderの研究(Gunther, M., Ruder, H., 2003. Synthesisof two-dimensional human walking: a test of the λ- model. Biol. Cybern. 89, 89-106)で使用されたものと似ている。それらのセグメントは、回転関節によって接続されている。人間の場合と同様に、それらの関節は自由に動く範囲(70°<ψ<130°、ψ<175°、及びψ<230°)を有し、その角度の範囲外では、機械式のソフトリミットが関与するが、これは、地面の衝突点と同じようにしてモデル化される。モデルのセグメントは、それぞれ異なる質量m、長さl、及び、それらの局所的な質量中心の特性距離dG,S、及び、(遠位端または末端部から測定した)関節位置dJ,S、及び慣性Θを有する。

Figure 2012516780
The seven segments of the human body model are simple rigid bodies whose parameters are listed in Table 5. These values are derived from other modeling studies such as Gunther and Ruder (Gunther, M., Ruder, H., 2003. Synthesis of two-dimensional human walking: a test of the λ-model. Biol. Cybern. 89 , 89-106). These segments are connected by a rotating joint. As in the human case, these joints have free-moving ranges (70 ° <ψ a <130 °, ψ k <175 °, and ψ h <230 °), and outside that angular range, the machine The equation's soft limit is involved, but this is modeled in the same way as a ground collision point. Each segment of the model has a different mass m s , length l s , and their local mass center characteristic distance d G, S , and joint position d J (measured from the distal end or end). , S and inertia Θ s .
Figure 2012516780

地面への接触及び関節制限。二足動物モデルのそれぞれの足部は、足指(つま先)及び踵に接触ポイントを有する。接触ポイント(CP)は、地面に衝突(または接触)するときに、垂直床反力(vertical reaction force:床反力の垂直成分)Fy=−Freff1fvによって押し返される。この力は、筋力と同様に、力−長さ関係f1(ΔyCP)=ΔyCP/Δyrefと力−速度関係fv(dyCP/dt)=1−dyCP/dt/vmax(図9)の積である。鉛直床反力をモデル化するためのこの積によるアプローチは、ばね項と非線形のばね−ダンパー項の和として鉛直床反力を記述する既存のアプローチに類似している(Scott, S., Winter, D., 1993. Biomechanical model of the human foot:kinematics and kinetics during the stance phase of walking. J. Biomech. 26 (9),1091-1104; Gerritsen, K., van den Bogert, A., Nigg, B., 1995. Direct dynamicssimulation of the impact phase in heel-toe running. J. Biomech. 28 (6),661-668; Gunther, M., Ruder, H., 2003. Synthesis of two-dimensional humanwalking: a test of the λ- model. Biol. Cybern. 89, 89-106)。しかしながら、ばね項とダンパー項を分離することによって、接触モデルのパラメータを、2つの基本的な材料特性、すなわち、地面の剛性k=Fref/Δyref及び最大弛緩速度vmax(該速度は、地面が変形後にどのくらいの速さで元の形状に回復することができるかを特徴付けるものである)と解釈することができる。たとえば、vmax=∞は、地面への衝突(または接触)が完全に弾性的であることを意味しており、この場合は、地面は常にCPを押し返すように作用する。また、vmax=0は、地面への衝突(または接触)が完全に非弾性的であることを意味しており、この場合は、地面は砂と同じように下向きの速度についてCPを押し返すが、上向きの速度については押し返さない。同じ衝突モデルが、ソフトリミットの剛性が0.3Nm/degで最大弛緩速度が1deg/秒である、モデルの関節の機械式ソフトリミット(前のセクションを参照)を記述するために使用されることに留意されたい。 Ground contact and joint limitations. Each foot of the biped animal model has contact points on the toes (toes) and the heel. The contact point (CP) is pushed back by vertical reaction force (vertical reaction force) F y = −F ref f 1 f v when colliding (or contacting) the ground. Similar to the muscular force, this force includes force-length relationship f 1 (Δy CP ) = Δy CP / Δy ref and force-speed relationship f v (dy CP / dt) = 1−dy CP / dt / v max ( 9). This product approach to modeling vertical floor reaction forces is similar to existing approaches that describe vertical floor reaction forces as the sum of a spring term and a nonlinear spring-damper term (Scott, S., Winter , D., 1993. Biomechanical model of the human foot: kinematics and kinetics during the stance phase of walking.J. Biomech. 26 (9), 1091-1104; Gerritsen, K., van den Bogert, A., Nigg, B., 1995. Direct dynamicssimulation of the impact phase in heel-toe running.J. Biomech. 28 (6), 661-668; Gunther, M., Ruder, H., 2003. Synthesis of two-dimensional humanwalking: a test of the λ-model. Biol. Cybern. 89, 89-106). However, by separating the spring and damper terms, the parameters of the contact model are reduced to two basic material properties: ground stiffness k = F ref / Δy ref and maximum relaxation speed v max (the speed is And how fast the ground can recover to its original shape after deformation). For example, v max = ∞ means that the collision (or contact) with the ground is completely elastic, in which case the ground always acts to push back the CP. Also, v max = 0 means that the collision (or contact) with the ground is completely inelastic, in which case the ground pushes the CP back for a downward velocity, just like sand. , Do not push back for upward speed. The same collision model will be used to describe the mechanical soft limits (see previous section) of the joints of the model, with a soft limit stiffness of 0.3 Nm / deg and a maximum relaxation rate of 1 deg / sec. Please note that.

図9は、本発明の1つの側面にしたがう接触モデルを示している。図9では、接触ポイント920がyより低くなった場合に接触が生じている(910)。垂直床反力Fyは、筋力と同様に、力−長さ関係(f1)と力−速度関係(fv)の積としてモデル化され、この場合、Δyrefは、dy/dt=0のときにFy=Frefとなる場合の地面の圧縮度(または圧縮量)であり、dyref/dtは地面の最大弛緩速度である(小さい図面)。最初に、水平床反力(床反力の水平方向成分)Fxが、Fyに比例するすべり摩擦(すべり摩擦係数μslを有する)としてモデル化される。しかしながら、接触ポイント920(の速度)が減速して最低速度vlimを下回ると、水平モデルはスティクション(または静止摩擦)930に切り替わる。スティクション930中は、Fxも力−長さ関係と力−速度関係の積としてモデル化されるが、これは、スティクション基準ポイントxの付近で地面との相互作用を両方向で可能にするために前のものとは少し異なっている。該モデルは、Fxがスティクション限界力μst Fyを超えるとすべり摩擦に切り替わる。パラメータFref=815N、Δyref=0.01m、dyref/dt=0.03m/秒、Δxref=0.1m、dxref/dt=0.03m/秒、vlim=0.01m/秒、μsl=0.8、μst=0.9である。 FIG. 9 illustrates a contact model according to one aspect of the present invention. In Figure 9, the contact when the contact point 920 is lower than y 0 has occurred (910). The vertical floor reaction force F y is modeled as a product of a force-length relationship (f 1 ) and a force-velocity relationship (f v ), as in the case of muscle force. In this case, Δy ref is dy / dt = 0. Is the degree of compression (or amount of compression) of the ground when F y = F ref, and dy ref / dt is the maximum relaxation rate of the ground (small drawing). First, the horizontal floor reaction force (the horizontal component of the floor reaction force) F x is modeled as sliding friction (having a sliding friction coefficient μ sl ) proportional to F y . However, the horizontal model switches to stiction (or static friction) 930 when the contact point 920 (velocity) decelerates below the minimum velocity v lim . Among stiction 930, F x also force - length relationship and force - but is modeled as the product of velocity relation, which is the interaction with the ground near the stiction reference point x 0 can be in both directions To be a little different from the previous one. The model switches to sliding friction when F x exceeds the stiction limit force μ st F y . Parameters F ref = 815 N, Δy ref = 0.01 m, dy ref /dt=0.03 m / sec, Δx ref = 0.1 m, dx ref /dt=0.03 m / sec, v lim = 0.01 m / sec , Μ sl = 0.8, μ st = 0.9.

地面接触の間、垂直床反力に加えて、水平反力がCPに加えられる。最初は、この力は、地面上でのCPの動きに力Fx=μsl Fyで対抗する動摩擦力としてモデル化される。CPが減速して速度vlimを下回ると、水平反力は、垂直衝撃力を計算する(図9)のと同様のやり方で計算されたスティクション力としてモデル化される。スティクションは、スティクション力が限界力Flim=μst Fyを上回ると動摩擦に変化する。したがって、CPが地面から離れるまで、遷移条件に依存して、両方のタイプの水平反力が相互に入れ替わる。 During ground contact, horizontal reaction force is applied to CP in addition to vertical floor reaction force. Initially, this force is modeled as a dynamic friction force that counteracts the movement of the CP on the ground with the force F x = μ sl F y . As the CP decelerates below the velocity v lim , the horizontal reaction force is modeled as a stiction force calculated in a similar manner to calculating the vertical impact force (FIG. 9). Stiction changes to dynamic friction when the stiction force exceeds the limit force F lim = μ st F y . Thus, depending on the transition conditions, both types of horizontal reaction force alternate with each other until the CP leaves the ground.

この結果は、人間の歩行では、力学とモーター制御を別々には考察できないことを示唆している。本発明の1つの側面にしたがう人歩行の神経筋モデルは、最初のひと押しの後は歩行状態を自立的に構成し、何らかの介入を要することなく、地面(の高さ)の急な変化に耐え、かつ、階段歩行に適応する。このモデルの耐性及び適応性の中核をなすのは、筋反射に対する該モデルの信頼性であり、該筋反射は、歩行力学に関する知覚情報(センサー情報)を脚筋の活動に組み込む。該モデルは、CPGを有していない場合には、原則として、中枢性入力(central input)は歩行運動を生成するために必要とはされないことを明らかにしており、神経系とその機械的環境(物理的環境)とを連続的に仲介する反射性入力(reflex input)が、通常の人歩行を制御する際に中枢性入力に優先する場合もあることを示唆している。   This result suggests that dynamics and motor control cannot be considered separately in human walking. The neuromuscular model of human walking according to one aspect of the present invention is that the walking state is configured autonomously after the first push, and the ground (height) changes rapidly without any intervention. Endure and adapt to staircase walking. Central to this model's tolerance and adaptability is the model's reliability to muscle reflexes, which incorporate perceptual information (sensor information) on gait dynamics into leg muscle activity. The model reveals that, in the absence of CPG, in principle, the central input is not required to generate gait, and the nervous system and its mechanical environment. This suggests that a reflex input that continuously mediates the (physical environment) may override the central input in controlling normal human walking.

さらに、該モデルの結果は、それらの連続的な反射性入力が、歩行力学(または歩行機構)の原理を符号化(コード化)することを示唆している。歩行中の脊髄反射の役割に関する現在の実験的研究及びモデリング研究は、遊脚期と立脚期のタイミング、及び、耐荷重性伸筋における筋力の生成に対するそれらの寄与に焦点を当てている(Pang, M. Y., Yang, J. F., 2000. The initiation of the swing phase inhuman infant stepping: importance of hip position and leg loading. J Physiol528 Pt 2, 389-404; Dietz, V., 2002. Proprioception and locomotor disorders. NatRev Neurosci 3 (10), 781-790; Ivashko, D. G., Prilutski, B. L, Markin, S. N.,Chapin, J. K., Rybak, I. A., 2003. Modeling the spinal cord neural circuitrycontrolling cat hindlimb movement during locomotion. Neurocomputing 52-54,621-629; Yakovenko, S., Gritsenko, V., Prochazka, A., 2004. Contribution ofstretch reflexes to locomotor control: a modeling study. Biol Cybern 90 (2),146-155; Ekeberg, O., Pearson, K., 2005. Computer simulation of stepping in thehind legs of the cat: an examination of mechanisms regulating thestance-to-swing transition. J Neurophysiol 94 (6), 4256-4268; Maufroy, C,Kimura, H., Takase, K., 2008. Towards a general neural controller forquadrupedal locomotion. Neural Netw 21 (4), 667-681; Donelan, J. M., Pearson,K. G., 2004. Contribution of sensory feedback to ongoing ankle extensoractivity during the stance phase of walking. Can J Physiol Pharmacol 82 (8-9),589-598; Frigon, A., Rossignol, S., 2006. Experiments and models ofsensorimotor interactions during locomotion. Biol Cybern 95 (6), 607-627; Grey,M. J., Nielsen, J. B., Mazzaro, N., Sinkjaer, T., 2007. Positive force feedbackin human walking. J Physiol 581 (1), 99-105)。耐荷重性に対する反射の寄与は、正の力帰還を歩行システムの根底をなす動力学に結合することから始まった(Prochazka, A., Gillard, D., Bennett, D., 1997. Positive forcefeedback control of muscles. J. of Neurophys. 77, 3226-3236; Geyer, H.,Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. Positive force feedback in bouncing gaits?Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173- 2183)。モーター制御システムにおいて歩行力学の原理を符号化するアイデアを体系的にさらに詳しく調べる作業はこれまでなされていないようである。人体モデルに実装された筋反射(神経)のいくつかは、周期運動に移行させる(体幹バランス、遊脚の開始)ための単純な手段であったが、従順な立脚期の脚の挙動(Blickhan, R., 1989. The spring-mass model for running and hopping.J. of Biomech. 22, 1217- 1227; McMahon, T., Cheng, G., 1990. The mechanism ofrunning: how does stiffness couple with speed? J. of Biomech. 23, 65-78; Geyer,H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. Compliant leg behaviour explains thebasic dynamics of walking and running. Proc. R. Soc. Lond. B 273, 2861-2867)、セグメント化されたチェーン(Seyfarth, A., Gunther, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation ofan elastic three-segmented leg. Biol. Cybern. 84, 365-382; Gunther, M.,Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. Human leg design: optimal axialalignment under constraints. J. Math. Biol. 48, 623-646)、及び、遊脚の引き戻し(Herr, H., McMahon, T., 2000. A trotting horse model. Int. J.Robotics Res. 19, 566-581; Herr, H., McMahon, T., 2001. A galloping horsemodel. Int. J. Robotics Res. 20, 26-37; Herr, H. M., Huang, G. T., McMahon, T.A., Apr 2002. A model of scale effects in mammalian quadrupedal running. J ExpBiol 205 (Pt 7), 959-967; Seyfarth, A., Geyer, H., 2002. Natural control ofspring-like running - optimized self-stabilization. In: Proceedings of the 5thinternational conference on climbing and walking robots. ProfessionalEngineering Publishing Limited, pp. 81- 85; Seyfarth, A., Geyer, H., Herr, H.M., 2003. Swing-leg retraction: a simple control model for stable running. J.Exp. Biol. 206, 2547-2555)を含む前述の歩行力学及び制御の原理を符号化していたのは主に立脚期の反射であった。該モデルは、これらの機能的反射に基づいて、人歩行の既知の関節角度及びトルクの軌跡に収束するだけでなく、歩行実験において観察されるいくつかの個々の筋活動パターンを予測する。予測された筋活動と観察された筋活動の一致は、歩行力学の原理が、これまで予想されていたものよりもモーター制御においてより大きな役割を果たすことができるものであって、その場合、筋反射は、それらの原理を歩行に関与するニューラル・ネットワークに結合することを示唆している。   Furthermore, the model results suggest that their continuous reflective inputs encode (encode) the principles of gait mechanics (or gait mechanisms). Current experimental and modeling studies on the role of spinal reflex during walking focus on the timing of swing and stance and their contribution to the generation of muscle strength in load-bearing extensors (Pang , MY, Yang, JF, 2000.The initiation of the swing phase inhuman infant stepping: importance of hip position and leg loading.J Physiol528 Pt 2, 389-404; Dietz, V., 2002.Proprioception and locomotor disorders. NatRev Neurosci 3 (10), 781-790; Ivashko, DG, Prilutski, B. L, Markin, SN, Chapin, JK, Rybak, IA, 2003.Modeling the spinal cord neural circuitry control cat cat hindlimb movement during locomotion. 629; Yakovenko, S., Gritsenko, V., Prochazka, A., 2004. Contribution ofstretch reflexes to locomotor control: a modeling study.Biol Cybern 90 (2), 146-155; Ekeberg, O., Pearson, K. , 2005. Computer simulation of stepping in thehind legs of the cat: an examination of mechanisms regulating J Neurophysiol 94 (6), 4256-4268; Maufroy, C, Kimura, H., Takase, K., 2008. Towards a general neural controller forquadrupedal locomotion. Neural Netw 21 (4), 667 -681; Donelan, JM, Pearson, KG, 2004. Contribution of sensory feedback to ongoing ankle extensoractivity during the stance phase of walking.Can J Physiol Pharmacol 82 (8-9), 589-598; Frigon, A., Rossignol, S., 2006. Experiments and models of sensorimotor interactions during locomotion. Biol Cybern 95 (6), 607-627; Gray, MJ, Nielsen, JB, Mazzaro, N., Sinkjaer, T., 2007. Positive force feedbackin human walking. J Physiol 581 (1), 99-105). The contribution of reflection to load bearing began with coupling positive force feedback to the dynamics underlying the walking system (Prochazka, A., Gillard, D., Bennett, D., 1997. Positive forcefeedback control of muscles. J. of Neurophys. 77, 3226-3236; Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. Positive force feedback in bouncing gaits? Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173 -2183). There seems to be no systematic investigation of the idea of coding the principles of walking mechanics in a motor control system. Some of the muscle reflexes (nerves) implemented in the human body model were simple means for transitioning to periodic movements (trunk balance, swing leg initiation), but compliant stance leg behavior ( Blickhan, R., 1989.The spring-mass model for running and hopping.J. Of Biomech. 22, 1217-1227; McMahon, T., Cheng, G., 1990.The mechanism ofrunning: how does stiffness couple with speed J. of Biomech. 23, 65-78; Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. Compliant leg behavior explains thebasic dynamics of walking and running. Proc. R. Soc. Lond. B 273 , 2861-2867), segmented chains (Seyfarth, A., Gunther, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation of an elastic three-segmented leg. Biol. Cybern. 84, 365-382; Gunther, M., Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. Human leg design: optimal axialalignment under constraints. J. Math. Biol. 48, 623-646), and pull back of the free leg (Herr) , H., McMahon, T., 2000. A trotting horse m odel. Int. J. Robotics Res. 19, 566-581; Herr, H., McMahon, T., 2001. A galloping horsemodel. Int. J. Robotics Res. 20, 26-37; Herr, HM, Huang, GT, McMahon, TA, Apr 2002.A model of scale effects in mammalian quadrupedal running.J ExpBiol 205 (Pt 7), 959-967; Seyfarth, A., Geyer, H., 2002.Natural control ofspring-like running- optimized self-stabilization.In: Proceedings of the 5thinternational conference on climbing and walking robots.Professional Engineering Publishing Limited, pp. 81- 85; Seyfarth, A., Geyer, H., Herr, HM, 2003.Swing-leg retraction: a It was mainly the reflection of the stance phase that encoded the above-mentioned gait dynamics and control principles including J. Exp. Biol. 206, 2547-2555). Based on these functional reflexes, the model not only converges to known joint angle and torque trajectories of human walking, but also predicts several individual muscle activity patterns observed in walking experiments. The agreement between predicted and observed muscle activity is that the principle of gait mechanics can play a greater role in motor control than previously anticipated, in which case Reflection suggests combining these principles with neural networks involved in walking.

好適な実施形態において、本発明の神経機械モデルは、動力付きの短下肢装具用の筋反射コントローラとして実施されている。この実施形態は、シミュレーション研究に基づく、正の力帰還反射を有するヒルタイプ筋肉を備える足関節底屈筋を利用する適応型筋反射コントローラである。このモデルのパラメータは、体重と身長のバランスがとれた損傷を受けていない被験者が1m/秒で水平な地面を歩行したときの測定から得られた人間の足関節のトルク−角度プロファイルに合致するように適合化された。この単一のパラメータセットを用いて、水平な地面、上り坂、及び下り坂を歩く下腿切断者について臨床試験が行われた。これらの試験の間、明確な地形判定を行うという問題に対処することを要することなく、損傷を受けていない被験者に相当する態様で、地面の勾配変化に応答して該装具の足関節の働きが適応することが観察された。具体的には、該装具によって供給されるエネルギーは、地面の傾斜角と直接の相関関係があった。この研究は、変化する地形表面上を移動する動力付き人工装具(補綴具)の適応性を強化するための神経筋コントローラの重要性を強調している。   In a preferred embodiment, the neuromechanical model of the present invention is implemented as a muscle reflex controller for a powered short leg brace. This embodiment is an adaptive muscle reflex controller that utilizes an ankle plantar flexor muscle with hill-type muscles having positive force feedback reflex based on simulation studies. The parameters of this model match the torque-angle profile of the human ankle obtained from measurements when an uninjured subject with a balance of weight and height walks on the level ground at 1 m / sec. So adapted. Using this single parameter set, clinical trials were conducted on leg amputees walking on the horizontal ground, uphill and downhill. During these tests, the ankle function of the brace in response to ground gradient changes in a manner equivalent to an uninjured subject without having to deal with the problem of making a clear terrain determination. Was observed to adapt. Specifically, the energy supplied by the brace has a direct correlation with the ground inclination angle. This study highlights the importance of neuromuscular controllers to enhance the adaptability of powered prostheses (prosthetics) that move over changing terrain surfaces.

適応能力を有するコントローラを作製するために、本発明の制御の基本として正の力帰還反射構成を具備する神経筋モデルが、動力付き短下肢装具用の制御システムの一部として使用された。ここで提示するコントローラは、足関節−足複合体モデルを利用して、足関節(足継手)に指令するための物理トルクを決定する。このモデルでは、足関節に2つの仮想アクチュエーターが設けられる。足底屈トルクの場合は、該アクチュエーターは正の力帰還反射構成を具備するヒルタイプ筋肉である。この構成は、筋紡錘及びゴルジ腱紡錘からの求心性信号の組み合わせに起因する反射性筋反応をモデル化する。背屈トルクの場合は、インピーダンスが仮想回転ばね−ダンパーによって提供される。   In order to create an adaptive controller, a neuromuscular model with a positive force feedback reflex configuration as the basis for control of the present invention was used as part of a control system for a powered short leg brace. The controller presented here determines the physical torque for commanding the ankle joint (ankle joint) using the ankle-foot complex model. In this model, two virtual actuators are provided at the ankle joint. In the case of plantar flexion torque, the actuator is a hill-type muscle with a positive force feedback reflex configuration. This configuration models the reflex muscle response resulting from the combination of afferent signals from the muscle spindle and Golgi tendon spindle. In the case of dorsiflexion torque, the impedance is provided by a virtual rotary spring-damper.

この神経筋モデルのパラメータは、目標速度1.0m/秒で歩行している損傷を受けていない被験者の測定された足関節トルクと、損傷を受けていない該被験者の測定された動きを入力とした与えたときの該モデルの出力トルクとが最良に合致するように、最適化手順によって適合化(または設定)された。この神経筋モデルベースの人工装具コントローラを用いて、肢切断者が装着した動力付き短下肢装具にトルク指令を提供した。この制御方式を2つの基準を用いて評価した。第1に、人工装具の足間接トルク及び足関節角度プロファイルを、水平な地面上を目標歩行速度で歩行している損傷を受けていない(該人工装具と比較可能な)被験者の足間接トルク及び足関節角度プロファイルと定性的に合致するように生成する能力について、コントローラが試験された。第2の性能基準は、コントローラのパラメータを変更せずに、歩行する斜面の傾斜を大きくした場合に歩行サイクルの正味の仕事が増加するという生物学的に一貫した傾向を示すようにするコントローラの能力であった。一般的なセンサーを用いて地面の傾斜の変化を検出することは困難であるので、それらの変化に適応する固有の能力を有するコントローラは貴重である。   The parameters of this neuromuscular model are input the measured ankle torque of an undamaged subject walking at a target speed of 1.0 m / sec and the measured movement of the undamaged subject. Was adapted (or set) by an optimization procedure to best match the output torque of the model as given. Using this neuromuscular model-based prosthetic controller, a torque command was provided to a powered short leg brace worn by a limb amputee. This control scheme was evaluated using two criteria. First, the indirect foot torque and ankle joint angle profile of the prosthesis are determined by comparing the foot indirect torque of the undamaged subject (comparable to the prosthesis) walking on the horizontal ground at the target walking speed and The controller was tested for the ability to produce a qualitative match with the ankle angle profile. The second performance criterion is that of a controller that exhibits a biologically consistent trend of increasing the net work of the walking cycle when the slope of the walking slope is increased without changing the controller parameters. It was ability. Since it is difficult to detect changes in ground inclination using common sensors, a controller with the inherent ability to adapt to those changes is valuable.

図10のA〜Cは、好適な実施形態で使用された短下肢装具の例示的な1実施形態の物理システム(図10のA)、ドライブトレーン(駆動系)の図(図10のB)、及び、力学モデル(図10のC)を示す。この研究で使用された短下肢装具は、iWalk,LLCによって開発されたものである。この装具は、MITメディアラボのバイオメカトロニクスグループにおいて開発された一連のプロトタイプの後継機であり、それらのプロトタイプについては、2008年6月12日に出願された米国特許出願第12/157,727号に記載されており、該出願の全内容は参照により本明細書に組み込まれるものとする。該装具は、完全独立型の装置であって、損傷を受けていない生物学的足関節−足複合体の重量(1.8kg)及び大きさを有している。図10のAには、モーター、動力伝達装置(トランスミッション)、及び電子回路を収容するハウジング(筐体)1005、足関節(足継手)1010、足1015、一方向性の縦向き板ばね(parallel leaf spring。または平行板ばね)1020、及び、直列板ばね(series leaf spring)1025が示されている。図10のBには、タイミングベルト1030、ピン継手メインハウジング1035、モーター1040、ボールねじ1045、足関節(足継手)1010、ボールナット1050、ピン継手(直列ばね)1055、及び、足運動インジケータ1060が示されている。図10の力学モデル(機械モデル)には、ペアレントリンク1065、モーター1040、動力伝達装置(トランスミッション)1070、直列ばね(series spring)1025、一方向性の縦向きばね(または一方向性の平行ばね)1020、足1015、直列ばね移動アームr1075、ばねの静止長(またはレスト長:rest length)1080、及びSEA1085が示されている。該物理システム中の回転要素は、モデル図において明確化のために直線状の等価物として示されている。 FIGS. 10A-10C are diagrams of an exemplary embodiment physical system (FIG. 10A), drive train (drive system) of an ankle foot orthosis used in the preferred embodiment (FIG. 10B). And a dynamic model (C in FIG. 10). The short leg orthosis used in this study was developed by iWalk, LLC. This bracelet is a successor to a series of prototypes developed at the MIT Media Lab's Biomechatronics Group, which are described in US patent application Ser. No. 12 / 157,727 filed Jun. 12, 2008. The entire contents of which application are hereby incorporated by reference. The brace is a fully independent device and has the weight (1.8 kg) and size of an intact biological ankle-foot complex. FIG. 10A shows a housing (housing) 1005 for housing a motor, a power transmission device (transmission), and an electronic circuit, an ankle joint (foot joint) 1010, a foot 1015, a unidirectional longitudinal leaf spring (parallel). A leaf spring (or parallel leaf spring) 1020 and a series leaf spring 1025 are shown. 10B includes a timing belt 1030, a pin joint main housing 1035, a motor 1040, a ball screw 1045, an ankle joint (foot joint) 1010, a ball nut 1050, a pin joint (series spring) 1055, and a foot motion indicator 1060. It is shown. 10 includes a parent link 1065, a motor 1040, a power transmission device (transmission) 1070, a series spring 1025, a unidirectional longitudinal spring (or a unidirectional parallel spring). ) 1020, foot 1015, series spring moving arm r s 1075, spring rest length 1080, and SEA 1085 are shown. The rotating elements in the physical system are shown as linear equivalents for clarity in the model diagram.

足関節は、下方の足構造を上方の脚構造に結合する転がり軸受構造であり、該脚構造の上に、足を失った人のソケットに取り付けるためのピラミッド形状の人工装具取付具を備えている。該足は、たとえば、足を失った人が受ける地面接触時の衝撃を最小限にするための受動性の薄型Flex-Foot(商標)(Osur(商標))である。一方向性の板ばね、すなわち縦向きばねは、足関節を横断して作動し、足関節と足が垂直関係になったときに係合する。該ばねは、動力付き(または電動機付き)ドライブトレーンと並列をなして(または同時に)動作し、アキレス腱の受動的機能を提供する。動力付きドライブトレーンは、図10のBに示されているように、足関節を横断する動力付き(または電動機付き)連動装置である。これは、上方の脚の端部からの24Vで動作するブラシレスモータ(Powermax EC-30、200ワット、48V、Maxon)、減速比40/15のベルト伝動装置、及び、3mmピッチの線形ボールねじ(linear ball screw)の直列結合から構成されている。この動作電圧において、該モーターによってドライブトレーンを介して生成可能な理論上の最大トルクは約340Nmである。   The ankle joint is a rolling bearing structure that couples the lower foot structure to the upper leg structure, and includes a pyramid-shaped prosthetic attachment on the leg structure for attaching to the socket of a person who has lost the foot. Yes. The foot is, for example, a passive thin Flex-Foot ™ (Osur ™) to minimize the impact on the ground contact experienced by a person who has lost the foot. Unidirectional leaf springs or longitudinal springs operate across the ankle joint and engage when the ankle and foot are in a vertical relationship. The spring operates in parallel (or simultaneously) with a powered (or motorized) drive train to provide the passive function of the Achilles tendon. The motorized drivetrain is a motorized (or motorized) interlocking device that traverses the ankle joint, as shown in FIG. 10B. This consists of a brushless motor (Powermax EC-30, 200 watts, 48V, Maxon) operating at 24V from the end of the upper leg, a belt drive with a reduction ratio of 40/15, and a linear ball screw with a pitch of 3 mm ( linear ball screw). At this operating voltage, the theoretical maximum torque that can be generated by the motor via the drive train is about 340 Nm.

足部では、直列ばね、すなわち、Kevlar-composite(ケブラーコンポジット)板ばねが、該足をモーメントアームrを有する方向依存性のボールナットに接続する。したがって、ドライブトレーンをロック(固定)して、足関節のまわりにトルクを加えることによって評価される、直列ばねの有効回転剛性(effective rotary stiffness)は、正のトルクについては533N・m/ラジアンであり、負のトルクについては1200N・m/ラジアンであり、この場合、正のトルク(すなわち、足底屈トルク)は、図10のCに示されているように直列ばねを圧縮する傾向がある。ドライブトレーンと直列ばねとは、直列弾性アクチュエーター(series-elastic actuator:SEA。G. A.Pratt and M. M. Williamson, "Series elastic actuators," Proceedingson IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,Pittsburgh, pp. 399-406, 1995)を構成する。これらの構成要素の配列の概略が図10のCに示されている。 The foot, the series spring, i.e., Kevlar-composite (kevlar composite) leaf spring, connected to the directional dependence of the ball nut having a moment arm r s the foot. Therefore, the effective rotary stiffness of the series spring, evaluated by locking the drivetrain and applying torque around the ankle, is 533 N · m / radian for positive torque. Yes, for negative torque is 1200 N · m / radian, where positive torque (ie plantar flexion torque) tends to compress the series spring as shown in FIG. . Drivetrain and series spring are series-elastic actuators (SEA. GAPratt and MM Williamson, "Series elastic actuators," Proceedingson IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Pittsburgh, pp. 399-406, 1995). An outline of the arrangement of these components is shown in FIG.

センサー。足関節におけるホール効果角度センサーは主要な制御入力であって、−0.19〜0.19ラジアンの範囲を有しており、この場合、ゼロは、足が脚(またはすね)に垂直であることに対応する。関節角度(継手の角度)は、メインハウジングに搭載された線形ホール効果センサー(Allegro A1395)で測定される。このセンサーは、足構造にしっかりと接続された磁石の近くに配置され、これによって、磁軸が該磁石の動く経路である弧に接するようになっている。この配列のおかげで、センサー位置における磁界の強さは、該磁石がセンサーを横切って回転するにつれて変化する。歪みゲージは、ピラミッド形状の人工装具取付具の内部に配置されて、足関節におけるトルクの測定を可能にしている。直列ばねに配置された歪みゲージは、動力付きドライブトレーンの出力トルクの検出を可能にしており、これによって、SEAの閉ループ力制御が可能である。モーター自体は、ホール効果整流センサーを有しており、先進のブラシレスモーター制御技術を使用可能にする光学式シャフトエンコーダーが装着されている。   sensor. Hall effect angle sensors at the ankle joint are the primary control input and have a range of -0.19 to 0.19 radians, where zero is the foot is perpendicular to the leg (or shin) Corresponding to that. The joint angle (joint angle) is measured by a linear Hall effect sensor (Allegro A1395) mounted on the main housing. The sensor is placed near a magnet that is firmly connected to the foot structure so that the magnetic axis is in contact with the arc that is the path of movement of the magnet. Thanks to this arrangement, the strength of the magnetic field at the sensor position changes as the magnet rotates across the sensor. The strain gauge is placed inside the pyramid-shaped prosthesis fixture to allow measurement of torque at the ankle joint. Strain gauges arranged in series springs enable detection of the output torque of the powered drive train, thereby enabling SEA closed loop force control. The motor itself has a Hall effect commutation sensor and is fitted with an optical shaft encoder that enables advanced brushless motor control technology.

マイクロコントローラ。短下肢装具の全体制御及び通信は単一チップの16ビットのDSP指向マイクロコントローラ、すなわち、Microchip Technology IncorporatedのdsPIC33FJ128MC706によって提供される。該マイクロコントローラは、1秒当たり4000万命令を実行し、128キロバイトのフラッシュプログラムメモリ及び16384バイトのRAMを有する。該マイクロコントローラは、実時間制御をサポートするのに十分な計算能力を提供する。   Microcontroller. Overall control and communication of the ankle brace is provided by a single chip 16 bit DSP oriented microcontroller, dsPIC33FJ128MC706 from Microchip Technology Incorporated. The microcontroller executes 40 million instructions per second and has 128 kilobytes of flash program memory and 16384 bytes of RAM. The microcontroller provides sufficient computing power to support real-time control.

モーター制御。もう1つの16ビットdsPIC33FJ128MC706が専用のモーターコントローラとして使用された。現代のブラシレスモーター制御方式による高い計算負荷及び高速性の要求は、主マイクロコントローラの実時間要求からのタスク分離と共に、このアーキテクチャを採用する動機付けとなった。主マイクロコントローラと該モーターマイクロコントローラとの間の高速デジタルリンクによって、実質的に瞬時にモーターコマンドが与えられた。   Motor control. Another 16-bit dsPIC33FJ128MC706 was used as a dedicated motor controller. The high computational load and high speed requirements of modern brushless motor control systems have motivated the adoption of this architecture, along with task separation from the real-time requirements of the main microcontroller. The motor command was provided virtually instantaneously by the high speed digital link between the main microcontroller and the motor microcontroller.

無線インターフェース。開発及びデータ収集のために、マイクロコントローラの高速シリアルポートが外部通信に割り当てられる。このポートをケーブルを介して直接使用することができ、または、このポートに種々の無線通信装置を取り付けることができる。本研究では、500Hzのセンサー情報及び内部状態情報が、シリアルポートを介して460キロボーで(遠隔)伝送され、IEEE 802.11g無線ローカルエリアネットワーク装置(Lantronix Wiport)を介して送信される。   Wireless interface. For development and data collection, the microcontroller's high-speed serial port is assigned to external communication. This port can be used directly via a cable, or various wireless communication devices can be attached to this port. In this study, sensor information and internal state information at 500 Hz are transmitted (remotely) via a serial port at 460 kbaud and transmitted via an IEEE 802.11g wireless local area network device (Lantronix Wiport).

バッテリー(電池)。人工装具の全ての電力は、165ワット時/kgエネルギー密度を有する0.22kgのリチウムポリマー電池によって提供された。この電池は、5000ステップの駆動式歩行(動力が供給される歩行)を含む一日の電力要件を提供することができた。   Battery (battery). All power for the prosthesis was provided by a 0.22 kg lithium polymer battery with an energy density of 165 watt hours / kg. This battery was able to provide a daily power requirement including a 5000 step drive walk (powered walk).

最適な機構部品(機械部品)の選択。質量、大きさ(サイズ)、トルク、速度、エネルギー効率、衝撃耐性、及び、ほとんど音が出ない動作の各要件を満たすことは重要な課題である。特に重要なのは、生物学的トルク及び歩行運動を生成するためのドライブトレーンのモデル化及び最適化である。モーターの選択、全体の速度伝達比(または伝達率)、直列弾性ばね、及び、縦向きばねのいくつかの効果が、S. K. Au, H. Herrによる「On the Design of a Powered Ankle-Foot Prosthesis: The Importance of Series and Parallel Elasticity," IEEERobotics & Automation Magazine, pp. 52-59, September 2008」に記載されている。   Selection of optimal mechanical parts (machine parts). Meeting the requirements of mass, size (size), torque, speed, energy efficiency, impact resistance, and operation with little sound is an important issue. Of particular importance is the modeling and optimization of the drive train to generate biological torque and walking motion. Several effects of motor selection, overall speed transmission ratio (or transmission ratio), series elastic springs, and longitudinal springs are “On the Design of a Powered Ankle-Foot Prosthesis: The Importance of Series and Parallel Elasticity, “IEEE Robotics & Automation Magazine, pp. 52-59, September 2008”.

制御アーキテクチャ。制御アーキテクチャの目的は、人工装具の足関節状態の利用可能なセンサ測定から決定された足喪失者の歩行サイクルに適した足関節トルクを指令することである。コントローラは、人間の足関節−足複合体の神経筋モデルを用いて適切なトルクを決定する。このモデルでは、人間の足関節を表しているちょうつがい関節(またはヒンジ継手)は、2つの競合する仮想アクチュエーターによって作動させられる。これらのアクチュエーターは、ヒルタイプ筋肉モデルである一方向性の足底屈筋と、歩行段階に依存して、双方向性比例微分位置コントローラと一方向性仮想回転ばね−ダンパーのいずれかとして作用する背屈筋である。有限状態機械は、足喪失者の歩行段階の推定値を維持する。この推定された歩行段階に依存して、仮想アクチュエーターのいずれか一方または両方が、仮想足関節においてトルクを発生する。この場合、正味の仮想トルクは、人工装具のハードウエアへの足関節トルク指令として使用される。足関節における物理的トルクは、動力付き駆動トレーン及び縦向きばねの両方によって生成される。足関節角度センサーを用いて、縦向きばねによって生成されるトルクを決定し、残りの所望のトルクは、モーターコントローラによって指令される。   Control architecture. The purpose of the control architecture is to command an ankle torque that is suitable for the walking cycle of the lost leg determined from available sensor measurements of the prosthetic ankle state. The controller uses the neuromuscular model of the human ankle-foot complex to determine the appropriate torque. In this model, the hinge joint (or hinge joint) representing the human ankle joint is actuated by two competing virtual actuators. These actuators act as either a unidirectional plantar flexor, a hill-type muscle model, or a bi-directional proportional differential position controller and a unidirectional virtual rotary spring-damper, depending on the walking stage. It is a flexor. The finite state machine maintains an estimate of the walking stage of the foot lost person. Depending on this estimated walking stage, either or both of the virtual actuators will generate torque at the virtual ankle joint. In this case, the net virtual torque is used as an ankle torque command to the hardware of the prosthesis. The physical torque at the ankle joint is generated by both a powered drive train and a longitudinal spring. An ankle joint angle sensor is used to determine the torque generated by the longitudinal spring and the remaining desired torque is commanded by the motor controller.

最上位レベルの状態機械制御。人工装具の最上位レベル制御は、歩行サイクルに同期した有限状態機械によって実施される。歩行中、2つの状態、すなわち、遊脚期と立脚期が認識される。人工装具センサー入力(ピラミッド形状の歪みゲージから推定された足関節トルク、足関節角度、及びモーター速度)は、状態遷移を決定するために連続的に観察される。これらの状態遷移の条件は実験的に決定された。図11は、状態機械の動作と遷移条件を示している。背屈筋及び足底屈筋として作用する仮想アクチュエーターは、状態機械からの歩行状態推定値に依存してトルクを発生する。   Top level state machine control. The top level control of the prosthesis is performed by a finite state machine synchronized to the walking cycle. During walking, two states are recognized: the swing phase and the stance phase. Prosthetic sensor inputs (ankle torque, ankle angle, and motor speed estimated from pyramid-shaped strain gauges) are continuously observed to determine state transitions. These state transition conditions were determined experimentally. FIG. 11 shows the state machine operation and transition conditions. The virtual actuator that acts as the dorsiflexor and plantar flexors generates torque depending on the walking state estimate from the state machine.

図11では、遊脚状態1110がSW1120として視覚的に示されており、立脚状態1130が制御された足底屈(CP)1140、制御された背屈(CD)1150、及び、動力付き足底屈(PP)1160に分割されている。状態遷移1170、1180は、ピラミッド形の歪みゲージによって測定された人工装具の足関節トルクTP、並びに、人工装具の足関節角度θを用いて決定される。 In FIG. 11, the free leg state 1110 is visually shown as SW 1120, the stance state 1130 is controlled plantar flexion (CP) 1140, controlled dorsiflexion (CD) 1150, and powered sole It is divided into bending (PP) 1160. The state transitions 1170 and 1180 are determined using the prosthetic ankle joint torque T P measured by a pyramidal strain gauge and the prosthetic ankle joint angle θ.

足が地面から離れる遊脚期への遷移(移行)は、ピラミッド形の歪みゲージを用いて測定された全足関節トルクが5N・m未満に低下するか、角度センサーの飽和を阻止するために、測定された足関節角度θが−0.19ラジアン未満(または−0.19ラジアン以下)に低下することによって検出される。正のトルクは、足関節(足首)を足底屈させるように作用するアクチュエータートルクとして定義され、正の角度は背屈に対応する。早すぎる状態遷移を防止するために、立脚期中に生じた足関節トルクは、それらの遷移が可能になるためには20N・mを超えなければならない。さらに、200ms(ミリ秒)のバッファー時間によって、立脚期に最少のタイムフレームが提供される。踵接地時における立脚期への遷移は、ピラミッド形の歪みゲージを用いて測定されたトルクが−7N・m未満(または−7N・m以下)に減少することによって検出される。   The transition to the swing phase in which the foot leaves the ground is to reduce the total ankle joint torque measured using a pyramidal strain gauge to less than 5 N · m or prevent saturation of the angle sensor. The detected ankle joint angle θ is detected by decreasing to less than −0.19 radians (or less than −0.19 radians). Positive torque is defined as the actuator torque that acts to bend the ankle joint (ankle), and a positive angle corresponds to dorsiflexion. To prevent premature state transitions, the ankle torque generated during the stance phase must exceed 20 N · m for those transitions to be possible. Furthermore, a buffer time of 200 ms (milliseconds) provides a minimal time frame during the stance phase. The transition to the stance phase at the time of heel contact is detected when the torque measured using a pyramidal strain gauge decreases to less than -7 N · m (or less than -7 N · m).

本発明のこの側面にしたがう短下肢装具の制御システムの例示的な実施形態のブロック図が図12に示されている。図12には、神経筋モデル1210、縦向きバネ(または平行ばね)モデル1220、進み補償器1230、摩擦補償器1240、モーターコントローラ1250、及び、(図10のCにしたがって機械的モデルとして示されている)人工装具1260が示されている。   A block diagram of an exemplary embodiment of a control system for ankle foot orthosis according to this aspect of the invention is shown in FIG. In FIG. 12, a neuromuscular model 1210, a longitudinal spring (or parallel spring) model 1220, a lead compensator 1230, a friction compensator 1240, a motor controller 1250, and a mechanical model (shown as C in FIG. 10). A prosthesis 1260 is shown.

人工装具の測定された関節状態

Figure 2012516780

を用いて、神経筋モデルからのトルク指令τを生成する。この所望の足関節トルクは、現在のトルク指令を得るためにトルク制御システムを通じて人工装具のアクチュエーターに送られる。このトルク制御システムの3つの主要な構成要素は、フィードフォワードゲインKff、進み補償器、及び、摩擦補償項である。所望のアクチュエータートルクτd,SEAを得るために、人工装具の足関節トルクτに対する縦向きばねの寄与が所望の足関節トルクから差し引かれる。次に、閉ループトルクコントローラが、測定されたアクチュエータートルクτSEAを用いて所望のアクチュエータートルクを生成するように制御する。最後に、摩擦補償項によって追加のトルク値τが生成され、これが、閉ループトルクコントローラの出力に追加される。 Measured joint condition of the prosthesis
Figure 2012516780

Is used to generate a torque command τ d from the neuromuscular model. This desired ankle torque is sent through the torque control system to the prosthetic actuator to obtain the current torque command. The three main components of this torque control system are a feed forward gain K ff , a lead compensator, and a friction compensation term. In order to obtain the desired actuator torque τ d, SEA , the contribution of the longitudinal spring to the prosthetic foot joint torque τ p is subtracted from the desired foot joint torque. Next, a closed loop torque controller controls to generate the desired actuator torque using the measured actuator torque τ SEA . Finally, an additional torque value τ f is generated by the friction compensation term and added to the output of the closed loop torque controller.

図13のA〜Cは、3つの歩行条件について完全な1歩行サイクル(同じ足の踵接地から踵接地まで)にわたって人工装具のトルクをプロットしたものであり、該3つの歩行条件は、水平な地面(図13のA)、上り斜面(図13のB)、下り斜面(図13のC)である。これらの各々について、測定されたSEAのトルク寄与度を用いて推定された指令トルクの平均1305、1310、1315(細い線)±標準偏差(破線)及び人工装具のトルク、並びに、縦向きばねのトルク寄与の角度ベースの推定値1320、1325、1330(太い線)が示されている。垂線(破線)1335、1340、1345は、立脚期の終わりを示している。   FIGS. 13A-C are plots of prosthetic torque over a complete walking cycle (from heel contact to heel contact of the same foot) for the three walking conditions. These are the ground (A in FIG. 13), the upslope (B in FIG. 13), and the downslope (C in FIG. 13). For each of these, the mean 1305, 1310, 1315 (thin line) ± standard deviation (dashed line) of the command torque estimated using the measured SEA torque contribution and the torque of the prosthesis, and the longitudinal spring Angle-based estimates 1320, 1325, 1330 (thick lines) of torque contribution are shown. Vertical lines (broken lines) 1335, 1340, and 1345 indicate the end of the stance phase.

背屈筋モデル。図14は、人工装具マイクロコントローラに実装された筋骨格モデルの例示的な実施形態を示しており、ヒルタイプ筋肉モデルと2結合足関節モデルへのばね−ダンパー接続機構(図14のA)、詳細なヒルタイプ筋肉モデル(図14のB)、及び、筋肉モデルの骨格接続機構の幾何学的形状/配置(図14のC)を含み、該骨格接続機構には、可変モーメント−アーム及び筋肉モデル用の角度座標系が含まれている。図14のA及びCには、背屈筋(ばね−ダンパー)1405、足底屈筋(MTC)1410、足1415、脚(すね)1420、及び踵1425の機械的表現が示されている。   Dorsal flexor model. FIG. 14 illustrates an exemplary embodiment of a musculoskeletal model implemented in a prosthetic microcontroller, including a spring-damper connection mechanism (A in FIG. 14) to a hill-type muscle model and a two-joint ankle model. Includes a detailed hill-type muscle model (B in FIG. 14) and the geometry / arrangement of the skeletal connection mechanism of the muscle model (C in FIG. 14), which includes variable moment-arms and muscles An angular coordinate system for the model is included. 14A and 14C show mechanical representations of a dorsiflexor (spring-damper) 1405, a plantar flexor muscle (MTC) 1410, a foot 1415, a leg (shin) 1420, and a heel 1425. FIG.

図14のAの背屈筋は背屈筋アクチュエーターである。これは、前脛骨筋(Tibialis Anterior)及び他の生物学的背屈筋を表している。この背屈筋は、設定ポイント(設定値)が、

Figure 2012516780

であって、
Figure 2012516780

という関係を有する仮想回転ばね−ダンパーとして実施される。 The dorsiflexor muscle of A of FIG. 14 is a dorsiflexor actuator. This represents the Tibialis Anterior and other biological dorsiflexors. This dorsiflexor has a set point (set value)
Figure 2012516780

Because
Figure 2012516780

This is implemented as a virtual rotary spring-damper having the relationship

ここで、Kはばね定数、Kは減衰定数、θは足関節角度、及び、

Figure 2012516780

は足関節角速度である。立脚期の間、Kの値は、水平な地面上の正常な歩行時の生物学的足関節の立脚期の挙動に最良に合致するように、他の筋肉モデルパラメータと共に最適化された。減衰係数Kは、立脚期の間は、前足が足底接地時に地面からはね返るのを防ぐために、実験に基づいて5Nm-s/ラジアンに調整された。また、立脚期の間、背屈筋は、生物学的筋肉の一方向特性をまねるべく背屈トルクを提供するためだけに作用する。さらに、足が脚(またはすね)に垂直になった結果、立脚期中に背屈筋によって生成されたトルクがゼロに下がると、背屈筋の動作が、立脚期の残りの期間停止させられる。したがって、背屈筋は、立脚期の初期においてトルク生成に寄与するだけであり、この初期の期間では、人間の背屈筋が重要な役割を果たすことが知られている(J. Perry, Gait Analysis: Normal and Pathological Function, New Jersey: SLACK Inc.,1992, Chapter 4, pp. 55-57)。遊脚期には、背屈筋は、位置コントローラとして機能して、足を設定ポイント
Figure 2012516780

まで動かす。この場合、K=220N・m/ラジアンの利得、及びK=7N・m・s/ラジアンの減衰係数によって、遊脚期の初期にすぐに足を地面から離すことが可能になる。 Where K P is the spring constant, K V is the damping constant, θ is the ankle joint angle, and
Figure 2012516780

Is an ankle joint angular velocity. During the stance phase, the value of K P was optimized along with other muscle model parameters to best match the stance phase behavior of the biological ankle during normal walking on the horizontal ground. Damping coefficient K V during the stance phase, to prevent the forefoot that bounce off the ground when the sole ground and adjusted to 5 Nm-s / radian empirically. Also during the stance phase, the dorsiflexor acts only to provide dorsiflexion torque to mimic the unidirectional characteristics of biological muscle. In addition, when the foot is perpendicular to the leg (or shin) and the torque generated by the dorsiflexor during the stance phase falls to zero, the dorsiflexor movement is stopped for the remainder of the stance phase. Thus, the dorsiflexor only contributes to torque generation in the early stance phase, and it is known that the human dorsiflexor plays an important role in this early period (J. Perry, Gait Analysis: Normal and Pathological Function, New Jersey: SLACK Inc., 1992, Chapter 4, pp. 55-57). During the swing phase, the dorsiflexor acts as a position controller and sets the foot point
Figure 2012516780

Move up. In this case, the gain of K P = 220 N · m / radian and the attenuation coefficient of K V = 7 N · m · s / radian allow the foot to be released immediately from the ground at the beginning of the swing phase.

足底屈筋モデル。図14のA〜Cの仮想的な足底屈筋は、人間の足底屈筋の組み合わせを表す筋肉−腱複合体(MTC)を備える。このMTCは、S. K. Au, J. Weber及びH. Herrによる「Biomechanical design of a powered ankle-foot prosthesis」(Proc. IEEE Int. Conf. OnRehabilitation Robotics, Noordwijk, The Netherlands, pp. 298-303, June 2007)に基づいており、該文献にMTCが詳細に説明されている。MTCは、筋繊維をモデル化する収縮性要素(CE)、及び、腱をモデル化する直列要素(SE)から構成されている。収縮性要素は、3つの一方向性要素、すなわち、正の力帰還反射機構を有するヒルタイプ筋肉、弾性限度が高い並列(または平行)弾性要素、弾性限度が低い(またはバッファー(緩衝)用の)並列(または平行)弾性要素から構成される。アキレス腱を表す非線形の一方向性ばねである直列要素が収縮性要素に直列に接続されている。足関節モデルに筋肉−腱複合体を取り付けるための取り付け機構の幾何学的形状/配置は非線形であって、アクチュエーターの力から生じるトルクの計算を複雑にしている。   Plantar flexor model. The virtual plantar flexor muscles of FIGS. 14A to 14C include a muscle-tendon complex (MTC) representing a human plantar flexor muscle combination. This MTC is the “Biomechanical design of a powered ankle-foot prosthesis” by SK Au, J. Weber and H. Herr (Proc. IEEE Int. Conf. On Rehabilitation Robotics, Noordwijk, The Netherlands, pp. 298-303, June 2007. MTC is described in detail in this document. The MTC is composed of a contractile element (CE) that models muscle fibers and a serial element (SE) that models tendons. The contractile element has three unidirectional elements: a hill-type muscle with a positive force feedback reflex mechanism, a parallel (or parallel) elastic element with a high elastic limit, and a low elastic limit (or buffer) ) Composed of parallel (or parallel) elastic elements. A series element that is a non-linear unidirectional spring representing the Achilles tendon is connected in series with the contractile element. The geometry / arrangement of the attachment mechanism for attaching the muscle-tendon complex to the ankle model is non-linear, complicating the calculation of torque resulting from the actuator force.

足底屈筋の直列弾性要素。直列弾性要素(SE)は、「H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan, "Positive force feedback inbouncing gaits?," Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003」に記載されているように筋収縮性要素に直列に接続している腱として動作する。腱の歪みをεとして、

Figure 2012516780

と定義する。lSEは直列要素の長さ、lslackはその静止長(レスト長)であり、該直列要素は、「H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan, "Positive force feedback inbouncing gaits?," Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003」に記載されている非線形ばねとして規定される。すなわち、
Figure 2012516780

である。ここで、Fmaxは、筋肉が及ぼすことができる最大アイソメトリックフォース(最大等尺性(収縮)力)である。「H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan, "Positive force feedback inbouncing gaits?," Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003」によれば、この二次形式は、一般的にモデル化されている区分的に指数−線形の腱剛性曲線の近似として使用された。この近似は、モデルパラメータの数を少なくするためになされた。 A series elastic element of plantar flexor muscles. The series elastic element (SE) is described in “H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan,“ Positive force feedback inbouncing gaits ?, ”Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003”. Acts as a tendon connected in series to the muscle contractile element as is. Let ε be the tendon strain,
Figure 2012516780

It is defined as l SE is the length of the series element, l slack is the rest length (rest length), and the series element is “H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan,“ Positive force feedback inbouncing gaits ?, ”Proc R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003 ”. That is,
Figure 2012516780

It is. Here, F max is the maximum isometric force (maximum isometric (contraction) force) that the muscle can exert. According to "H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan," Positive force feedback inbouncing gaits ?, "Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003, this secondary form is Used as an approximation to the piecewise exponential-linear tendon stiffness curve that is commonly modeled. This approximation was made to reduce the number of model parameters.

足底屈筋の収縮要素:図14のBの足底屈筋の仮想アクチュエーターの収縮要素(CE)は、正の力帰還反射機構を備えるヒルタイプ筋肉モデルである。これは、(出版のために提出された)「H.Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodes principles of leggedmechanics predicts human walking dynamics and muscle activities」に記載されているように、力を生成するための能動性の筋繊維、及び2つの並列弾性要素を含む。ヒルタイプの筋繊維は一方向性の力を生成する。この力は、筋繊維の長さlCE、速度VCE、及び筋肉活性化度(または筋肉活動度)Aの関数である。結果として生じる力FMFは、「H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan, "Positive force feedback inbouncing gaits?," Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003」に記載されているように、

Figure 2012516780

によって与えられる。ヒルタイプの筋肉の力−長さ関係fL(lCE)は、鐘形(ベル形)の曲線であり、
Figure 2012516780

によって与えられる。ここで、loptは収縮性要素の長さlCEであり、この場合に、筋肉は、最大のアイソメトリックフォース(最大の等尺性(収縮)力)Fmaxを提供することができる。パラメータwは、鐘形曲線の幅であり、パラメータcは、該鐘形の極値の近くの該曲線の値を表しており、
Figure 2012516780

である。CEの力−速度関係fV(VCE)は、次のヒル方程式
Figure 2012516780

で表される。ここで、vmax(<0)は筋肉の最大収縮速度であり、vCEは繊維収縮速度であり、Kは曲率定数(curvature constant)であり、Nは、
Figure 2012516780

となるように、(Fmaxで正規化された)無次元筋力(dimensionless muscle force)を規定する。 Contractor element of plantar flexor: The contractor element (CE) of the virtual actuator of plantar flexor muscle of FIG. 14B is a hill type muscle model with a positive force feedback reflex mechanism. This can be done as described in “H.Geyer, H. Herr,“ A muscle-reflex model that encodes principles of leggedmechanics predicts human walking dynamics and muscle activities ”(submitted for publication). Includes active muscle fibers to produce and two parallel elastic elements. Hill type muscle fibers generate unidirectional forces. This force is a function of muscle fiber length l CE , velocity V CE , and muscle activation (or muscle activity) A. The resulting force F MF is described in “H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan,“ Positive force feedback inbouncing gaits ?, ”Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003”. As
Figure 2012516780

Given by. The hill-type muscle force-length relationship f L (l CE ) is a bell-shaped curve,
Figure 2012516780

Given by. Here, l opt is the length l CE of the contractile element, in which case the muscle can provide the maximum isometric force (maximum isometric (contraction) force) F max . The parameter w is the width of the bell-shaped curve and the parameter c represents the value of the curve near the extreme value of the bell-shaped curve,
Figure 2012516780

It is. The CE force-velocity relationship f V (V CE ) is
Figure 2012516780

It is represented by Where v max (<0) is the maximum muscle contraction rate, v CE is the fiber contraction rate, K is the curvature constant, and N is
Figure 2012516780

Define dimensionless muscle force (normalized by F max ) so that

(出版のために提出された)「H.Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodes principles of leggedmechanics predicts human walking dynamics and muscle activities」によれば、CEに並列に配置された弾性限界が大きい並列弾性要素(HPE)の力−長さ関係は、

Figure 2012516780

によって与えられる。弾性限界が小さいバッファー並列弾性要素(LPE)も、(出版のために提出された)「H.Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodes principles of leggedmechanics predicts human walking dynamics and muscle activities」に基づいて含まれている。これは、次の非線形ばねの形態で与えられた。
Figure 2012516780

したがって、全体の足底屈筋力は、
Figure 2012516780

によって記述される。ここで、FCEは収縮性要素によって生成される力である。CEとSEは直列であるので、FCE=FSE=FMTCという式が成立する。 According to “H.Geyer, H. Herr,“ A muscle-reflex model that encodes principles of leggedmechanics predicts human walking dynamics and muscle activities ”(submitted for publication), the elastic limit placed in parallel with CE The force-length relationship of a large parallel elastic element (HPE) is
Figure 2012516780

Given by. A buffer parallel elastic element (LPE) with low elastic limit is also “H. Geyer, H. Herr,“ A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanicals predicts human walking dynamics and muscle activities ” Included on the basis of. This was given in the form of a non-linear spring:
Figure 2012516780

Therefore, the total plantar flexor strength is
Figure 2012516780

Described by. Where F CE is the force generated by the contractile element. Since CE and SE are in series, the equation F CE = F SE = F MTC is established.

反射機構。収縮性要素の活性化(活動度)Aは、(出版のために提出された)「H. Geyer, H. Herr, "Amuscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts humanwalking dynamics and muscle activities,"」及び「H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan,"Positive force feedback in bouncing gaits?," Proc. R Society. Lond.B 270, pp. 2173-2183, 2003」に記載されているように、図15に示す正の力帰還反射構成を用いて生成される。図15には、仮想足底屈筋の反射構成の例示的な実施形態が示されており、足関節角度、筋力、足関節トルクの足底屈筋成分間の関係が含まれている。   Reflection mechanism. The activation (activity) A of the contractile element is "H. Geyer, H. Herr," Amuscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts humanwalking dynamics and muscle activities, " And “H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan,“ Positive force feedback in bouncing gaits ?, ”Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003”. , Generated using the positive force feedback reflection configuration shown in FIG. FIG. 15 illustrates an exemplary embodiment of a virtual plantar flexor reflex configuration, which includes relationships between plantar flexor components of ankle joint angle, muscle strength, and ankle torque.

図15に示されているように、この帰還ループは、遊脚期に足底屈筋力が生成されないようにするための立脚期スイッチが含まれている。立脚期中に、足底屈筋力FMTCに、反射ゲイン(反射利得)GainRFを乗じて、DelayRFだけ遅延させ、次にオフセット刺激PRESTIMを加えて、神経刺激信号を得る。該刺激は、0〜1の範囲に制限され、時定数Tを有する低域通過フィルターに通されて、筋肉興奮収縮連関を刺激する。結果として生じた信号は、初期値PreAを有する、式(4)中の活性化度(活動度)として使用される。さらに、(出版のために提出された)「H.Geyer, H. Herr, "A muscle- reflex model that encodes principles of legged mechanicspredicts human walking dynamics and muscle activities」にしたがって、抑制ゲインGainSUPPが、立脚期中に2つのアクチュエーターが互いに争うのを阻止するのを助けるために実装された。ここで、背屈筋によって生成されたトルクは、GainSUPP・FMTCによって、または、その値がゼロに低下するまで小さくされる。 As shown in FIG. 15, the feedback loop includes a stance phase switch for preventing plantar flexor strength from being generated during the swing phase. During the stance phase, the plantar flexor strength F MTC is multiplied by the reflection gain (reflection gain) Gain RF , delayed by Delay RF , and then the offset stimulation PRESTIM is added to obtain the nerve stimulation signal. The stimulus is limited to a range of 0 to 1 and is passed through a low-pass filter having a time constant T to stimulate muscle excitation-contraction coupling. The resulting signal is used as the degree of activation (activity) in equation (4) with the initial value PreA. Furthermore, according to “H. Geyer, H. Herr,“ A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities ”(submitted for publication), the suppression gain Gain SUPP Implemented to help prevent two actuators from competing with each other. Here, the torque generated by the dorsiflexor is reduced by Gain SUPP · F MTC or until its value drops to zero.

足底屈筋の幾何学的形状/配置及び実装。筋肉モデルのフレームワークにおいて、足関節角度θfootは、図14のCに示されているように定義される。この角度をモデルへの入力として使用することによって、筋肉−腱複合体の長さが、(出版のために提出された)「H. Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodesprinciples of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscleactivities」に記載されているように次の式によって計算される。

Figure 2012516780

ここで、ρは、筋繊維の羽状角(pennation angle)を表すスケーリングファクタであり、φrefは、負荷がない状態におけるlCE=loptのときの足関節角度である。 Plantar flexor geometry / arrangement and implementation. In the framework of the muscle model, the ankle joint angle θ foot is defined as shown in FIG. By using this angle as an input to the model, the length of the muscle-tendon complex can be derived from the "H. Geyer, H. Herr," A muscle-reflex model that encodesprinciples of It is calculated by the following formula as described in "legged mechanics predicts human walking dynamics and muscleactivities".
Figure 2012516780

Here, ρ is a scaling factor representing the wing angle (pennation angle) of muscle fibers, and φ ref is the ankle joint angle when l CE = l opt in a state where there is no load.

繊維長lCEを、lCE=lMTC−lSEを用いて計算することができ、ここで、lSEは、筋肉動力学からFCE=FSE=FMTCの現在の値が与えられると(3)の逆関数から得られる。次に、繊維収縮速度VCEを、微分を用いて得ることができる。これは、神経筋モデルの動力学によって決定される一次微分方程式を生成する。θfootの時間履歴及び初期条件が与えられると、この式をFMTCについて解くことができる。しかしながら、積分は微分よりも計算上よりロバストなので、(出版のために提出された)「H. Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodes principlesof legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities」に記載されているように、FMTCについて解くために、この実装の積分形が使用された。 The fiber length l CE can be calculated using l CE = l MTC -l SE , where l SE is given the current value of F CE = F SE = F MTC from muscle dynamics It is obtained from the inverse function of (3). The fiber shrinkage rate V CE can then be obtained using differentiation. This produces a first order differential equation determined by the dynamics of the neuromuscular model. Given a time history of θ foot and initial conditions, this equation can be solved for FMTC . However, since integrals are computationally more robust than derivatives, “H. Geyer, H. Herr,“ A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities ” The integral form of this implementation was used to solve for F MTC as described in.

取付具の半径がrfootで、最大筋肉−腱モーメントアームが達成される角度がφmaxの場合、FMTCと足関節トルクに対する(結果として生ずる)足底屈筋の寄与Tplantarとの間の関係は、

Figure 2012516780

によって与えられる。ここで、R(θfoot)は、筋肉取付具から足関節モデルまでに生じる可変モーメントアームである。この関係は図6のグラフに示されている。それゆえ、結局のところ、足底屈筋モデルを、単一入力θfootを単一出力Tplantarに結合する動的システムとして取り扱うことができる。 Relationship between F MTC and ( consecutive ) plantar flexor contribution T plantar to the ankle torque when the radius of the fitting is r foot and the angle at which the maximum muscle-tendon moment arm is achieved is φ max Is
Figure 2012516780

Given by. Here, R (θ foot ) is a variable moment arm generated from the muscle fitting to the ankle joint model. This relationship is shown in the graph of FIG. Therefore, after all, the plantar flexor model can be treated as a dynamic system that couples a single input θ foot to a single output T plantar .

神経筋モデルパラメータの決定。足底屈筋モデルは、生物学的な足底屈筋の全てを一括して(すなわちいっしょくたにして)表現するものである。同様に、背屈筋も全ての生物学的背屈筋を表している。この研究では、関節及びトルクの測定値は足関節においてのみ取得された。その結果、腓腹筋などの多関節筋の状態を正確に予測することができなかった。したがって、足底屈筋は、人間の主要な単関節足底屈筋であるヒラメ筋に基づいた。したがって、足底屈筋パラメータ値の大部分は、ヒラメ筋について「H. Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodes principlesof legged mechanics predicts human walking dynamics and muscleactivities,"」(本文献は出版のために提出されたものである)に記載されているものである。しかしながら、背屈筋のパラメータだけでなく、足底屈筋のいくつかのパラメータは、この一括モデルによって大きな影響を受けることが予測されていたか、または、生物学ではよく知られていなかった。これらの6個のパラメータは、遺伝的アルゴリズムと勾配降下法(gradient descent)を組み合わせて用いて、神経筋モデルを、損傷を受けていない被験者の歩行データに最良に合致させることができるように適合化(または設定)された。   Determination of neuromuscular model parameters. The plantar flexor model expresses all of the biological plantar flexors collectively (that is, together). Similarly, dorsiflexors represent all biological dorsiflexors. In this study, joint and torque measurements were taken only at the ankle joint. As a result, the state of articulated muscles such as the gastrocnemius could not be accurately predicted. Therefore, the plantar flexor muscle was based on the soleus muscle, which is the main single joint plantar flexor muscle of humans. Therefore, most of the plantar flexor muscle parameter values for the soleus muscle are “H. Geyer, H. Herr,“ A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscleactivities, ”. Are submitted for the purpose). However, not only the parameters of the dorsiflexor but also some parameters of the plantar flexor were predicted to be greatly affected by this collective model or were not well known in biology. These six parameters are adapted using a combination of genetic algorithms and gradient descent to best fit the neuromuscular model to the gait data of an uninjured subject. (Or set).

表6に最適化されていないパラメータ値を示す。

Figure 2012516780
Table 6 shows parameter values that are not optimized.
Figure 2012516780

肢を失っていない被験者データの収集。動力学的及び運動学的歩行データは、実験対象としてのヒトの使用に関するスポールディング委員会(Spaulding committee on the Use of Humans as ExperimentalSubjects)によって承認された研究において、Gait Laboratory of Spaulding Rehabilitation Hospital, HarvardMedical Schoolで収集された(H. Herr, M. Popovic, "Angular momentum in human walking,"The Journal of Experimental Biology, Vol. 211, pp 487-481, 2008)。ある健康な成人男子(81.9kg)が、インフォームドコンセントが得られた後に、モーションキャプチャ研究所において10mの通路をゆっくりとした歩行速度で歩くように要求された。   Collection of subject data without limb loss. Kinetic and kinematic gait data were collected from a Gait Laboratory of Spaulding Rehabilitation Hospital, Harvard Medical School, in a study approved by the Spalding committee on the Use of Humans as Experimental Subjects. (H. Herr, M. Popovic, “Angular momentum in human walking,” The Journal of Experimental Biology, Vol. 211, pp 487-481, 2008). A healthy adult male (81.9 kg) was required to walk at a slow walking speed in a 10 m passage at the Motion Capture Laboratory after informed consent was obtained.

モーションキャプチャは、8個の赤外線カメラを備えるVICON512モーションキャプチャシステムを用いて実施された。反射マーカーを被験者の体上の33箇所に配置して、赤外線カメラが実験の間それらの位置を追跡できるようにした。それらのカメラは、120Hzで動作して、約1mm以内の精度で所与のマーカーを追跡することができた。それらのマーカーは、下半身を追跡するために、以下の体の目印に配置された:両側上前腸骨棘(bilateral anterior superior iliac spines)、上後腸骨棘(posterior superioriliac spines)、大腿骨外側顆(lateral femoral condyles)、外果(lateral malleoli)、前足及び踵。棒(またはワンド)が頸骨及び大腿骨の上に置かれ、マーカーが、頸骨及び大腿骨骨幹中央部(mid-femur)の中間軸の上で該棒に取り付けられた。マーカーは、上半身の胸骨、鎖骨、C7及びT10脊椎骨、頭部、両肩上、ひじ、手関節(手首関節)にも配置された:。   Motion capture was performed using a VICON 512 motion capture system with 8 infrared cameras. Reflective markers were placed at 33 locations on the subject's body so that the infrared camera could track their position during the experiment. The cameras were able to track a given marker with an accuracy within about 1 mm, operating at 120 Hz. These markers were placed on the following body landmarks to track the lower body: bilateral anterior superior iliac spines, posterior superioriliac spines, lateral femur Lateral femoral condyles, lateral malleoli, forefoot and heel. A rod (or wand) was placed over the tibia and femur and a marker was attached to the rod on the mid-femur mid-axis of the tibia and femur. Markers were also placed on the upper sternum, clavicle, C7 and T10 vertebrae, head, both shoulders, elbow, wrist joint (wrist joint):

床反力は、通路に組み込まれた2つのスタガードフォースプレート(staggered force plate:Advanced Mechanical Technology Inc.(Watertown, MA, USA)のモデル番号2222またはOR6-5-1)を用いて測定された。床反力と圧力中心を測定するこれらのフォースプレートの精度は、それぞれ、約0.1N、2mmである。フォースプレートのデータは、1080Hzで収集されて、VICONモーションキャプチャデータと同期化された。関節トルクは、標準的な逆ダイナミクスモデルの修正バージョンを用いて、床反力及び関節運動学から計算された。Oxford Metrics(英国)のVICON Bodybuilder(3次元生体モデル生成ツール)が、逆ダイナミクス(逆動力学)計算を実施するのに使用された。   The floor reaction force was measured using two staggered force plates (model number 2222 or OR6-5-1 from Advanced Mechanical Technology Inc. (Watertown, MA, USA)) incorporated in the passage. The accuracy of these force plates for measuring the floor reaction force and the center of pressure is about 0.1 N and 2 mm, respectively. Force plate data was collected at 1080 Hz and synchronized with VICON motion capture data. Joint torque was calculated from floor reaction force and joint kinematics using a modified version of the standard inverse dynamics model. Oxford Metrics (UK) VICON Bodybuilder (3D biological model generation tool) was used to perform inverse dynamics calculations.

6つの実験は、水平な地面上のゆっくりした歩行速度(平均で1.0m/秒)について行われ、1つの実験は、この歩行条件での目標とする足関節及びトルクの軌跡を表すために使用された。立脚期の終わりは、歩行サイクルにおいてピークトルクに到達した後、関節トルクが最初にゼロに下がった時点として定義された。この事象は、選択された実験において、歩行サイクルの67%の時点で起こった。   Six experiments were performed for slow walking speeds (on average 1.0 m / sec) on a horizontal ground, and one experiment was used to represent the target ankle and torque trajectory under this walking condition. Used. The end of the stance phase was defined as the point at which the joint torque first dropped to zero after peak torque was reached in the walking cycle. This event occurred at 67% of the walking cycle in the selected experiment.

図16のA及びBには、足を失っている被験者について実験中に測定された人工装具のトルク及び角度の軌跡が、肢が損傷していない体重と身長が調和している被験者の生物学的足関節のトルク及び角度の軌跡と比較されて示されている。図16のA及びBには、足関節トルク(図16のA)、足関節角度(図16のB)が、同じ足の踵接地(0%サイクル)から踵接地(100%サイクル)までの水平な地面における1歩行サイクルにわたって示されている。図16のA、Bには、神経筋モデル制御による人工装具の測定されたトルク及び角度プロファイルについての平均1610、1620(細い線)±1標準偏差(破線)、及び、同じ歩行速度(1m/秒)で歩行する肢が損傷していない体重と身長が調和した被験者の1歩行サイクルについて足関節の生体力学値1630、1640(太い線)がプロットされている。垂線は、人工装具の歩行サイクルにおける遊脚期の平均開始時刻1650、1660(細い破線)と、生物学的足関節の遊脚期の開始時刻1670、1680(細い一点鎖線)を示している。   In FIGS. 16A and 16B, the prosthetic torque and angle trajectory measured during the experiment for the subject who lost his / her foot is the biology of the subject whose body weight and height are not limb-injured. It is shown compared to the torque and angle trajectory of the ankle joint. 16A and 16B, the ankle torque (A in FIG. 16) and the ankle joint angle (B in FIG. 16) are the same from the heel contact (0% cycle) to the heel contact (100% cycle) of the same foot. Shown over one walking cycle on level ground. 16A and 16B show the average 1610, 1620 (thin line) ± 1 standard deviation (dashed line) for the measured torque and angle profile of the prosthesis under neuromuscular model control, and the same walking speed (1 m / The biomechanical values 1630 and 1640 (thick lines) of the ankle joint are plotted for one walking cycle of a subject whose body weight and height are not damaged in the limb walking in seconds). The vertical lines indicate the mean start times 1650 and 1660 of the swing phase in the walking cycle of the prosthesis, and the start times 1670 and 1680 of the swing phase of the biological ankle joint (thin alternate long and short dash lines).

最適化によってモデルパラメータを実験データに適合させる。パラメータFmax、GainFB、GainSUPP、φref及びφmaxが調整のために選択された。パラメータ調整の目的は、神経筋モデルを、対応する生物学的足関節の角度の軌跡が該モデルに入力された場合に、特定の歩行条件において該生物学的足関節のトルク軌跡に最良に合致させることができるパラメータセットを見出すことであった。最適化の費用関数Cost(cost function)は、生物学的足関節角度の軌跡が与えられた場合に、立脚期における生物学的トルクプロファイルとモデルのトルクプロファイルとの間の2乗誤差として、次のように定義された。

Figure 2012516780

ここで、Tはモデルのトルク出力である、Tbioは生物学的足関節トルクである。 The model parameters are adapted to the experimental data by optimization. The parameters F max , Gain FB , Gain SUPP , φ ref and φ max were selected for adjustment. The purpose of parameter adjustment is to best match the neuromuscular model with the biological ankle torque trajectory in a specific gait condition when the corresponding biological ankle angle trajectory is input to the model. It was to find a parameter set that could be Cost function (Cost) of optimization is given as the square error between the biological torque profile in the stance phase and the torque profile of the model given the biological ankle angle trajectory: Was defined as
Figure 2012516780

Where T m is the torque output of the model and T bio is the biological ankle torque.

遺伝的アルゴリズムの最適化が、最適なパラメータ値の初期サーチ(初期探査)をするために選択され、直接サーチ(直接探査)が、最適なパラメータセットを特定するために含められた。MatlabのGenetic-Algorithm tool(遺伝的アルゴリズムツール)を用いて両方の最適化法を実施した。選択された1.0m/秒の歩行速度での水平な地面上の人間の歩行データを用いて、最適化のための基準挙動を提供した。最適化パラメータの各々について許容できる範囲を表7に示す。

Figure 2012516780
Genetic algorithm optimization was selected to do an initial search (optimum search) for optimal parameter values, and a direct search (direct search) was included to identify the optimal parameter set. Both optimization methods were implemented using Matlab's Genetic-Algorithm tool. Human walking data on horizontal ground at a selected walking speed of 1.0 m / s was used to provide a reference behavior for optimization. Table 7 shows the allowable ranges for each of the optimization parameters.
Figure 2012516780

初期の母集団は最適化ツールによって選択された。パラメータの最適化から得られたパラメータ値を表8に示す。

Figure 2012516780
The initial population was selected by the optimization tool. Table 8 shows the parameter values obtained from the parameter optimization.
Figure 2012516780

パラメータ最適化の結果。最適化の有効性を確認するために、最適化は、生物学的足関節の角度プロファイルを神経筋モデルへの入力として用いて、最終的なパラメータについて実行された。得られたトルクプロファイルと生物学的トルクプロファイルとの比較を図17に示す。   Result of parameter optimization. To confirm the effectiveness of the optimization, optimization was performed on the final parameters using the biological ankle angle profile as input to the neuromuscular model. FIG. 17 shows a comparison between the obtained torque profile and the biological torque profile.

図17には、損傷していない生物学的足関節の足関節モーメントプロファイルと、入力として生物学的足関節の角度プロファイルを有し、かつ、最適化されたパラメータ値を有する神経筋モデルの足関節モーメントプロファイルとの比較において、生物学的足関節モーメント(灰色の線)1710、モデル化された背屈筋成分(一点鎖線)1720、モデル化された足底屈筋成分(細い線)1730、及び、神経筋モデル全体(足底屈筋及び背屈筋)のモーメント(破線)1740が示されている。神経筋モデルの足関節モーメントは、歩行サイクルの大部分において生物学的足関節モーメントとほぼ正確に合致する。   FIG. 17 shows a foot of a neuromuscular model having an ankle moment profile of an intact biological ankle and an angle profile of the biological ankle as an input and having optimized parameter values. In comparison with the joint moment profile, biological ankle moment (grey line) 1710, modeled dorsiflexor component (dashed line) 1720, modeled plantar flexor component (thin line) 1730, and The moment (dashed line) 1740 of the entire neuromuscular model (plantar flexor and dorsiflexor) is shown. The ankle moment of the neuromuscular model matches the biological ankle moment almost exactly during the majority of the walking cycle.

低レベルトルク制御。立脚期に足関節において実際に生成される物理トルクは縦向きばねと動力付きドライブトレーンとの複合作用に由来する。回転縦向きばねの剛性は、動作範囲においてほぼ線形であって、500N・m/ラジアンである。このばね定数を用いて、縦向きばねの寄与が予測されて、所望の足関節トルクから差し引かれる。残りのトルクは、動力付きドライブトレーンによって生成されなければならない。   Low level torque control. The physical torque actually generated at the ankle during the stance phase is derived from the combined action of the longitudinal spring and the powered drive train. The stiffness of the rotating longitudinal spring is approximately linear in the operating range and is 500 N · m / radian. Using this spring constant, the vertical spring contribution is predicted and subtracted from the desired ankle torque. The remaining torque must be generated by a powered drive train.

動力付きドライブトレーンの性能は、図12に示すように、進み補償、摩擦補償、及びフィードフォワード技術を使用することによって改善される。開ループドライブトレーンの動力学の実験的調査が実施されて、それらの改善を実施するために使用された(M. Eilenberg, "A Neuromuscular-Model Based Control Strategy forPowered Ankle-Foot Prostheses," Master's Thesis, Massachusetts Instituteof Technology, Cambridge, MA, 2009)。水平な地面、上り斜面、及び下り斜面上の歩行についての出力トルクと指令されたトルクとの対比が図13のA〜Cに示されている。人工装具の出力トルクは、SEAトルクの寄与に関する直列ばねにおける歪みゲージと、縦向きばねのトルク寄与に関する足関節角度ベースの縦向きばねトルク推定値を用いて推定された。   The performance of the powered drive train is improved by using advance compensation, friction compensation, and feed forward techniques, as shown in FIG. An experimental study of open-loop drivetrain dynamics was conducted and used to implement those improvements (M. Eilenberg, "A Neuromuscular-Model Based Control Strategy for Powered Ankle-Foot Prostheses," Master's Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2009). A comparison between the output torque and the commanded torque for walking on a horizontal ground, an uphill slope, and a downhill slope is shown in FIGS. The output torque of the prosthesis was estimated using a strain gauge in the series spring for SEA torque contribution and an ankle angle-based longitudinal spring torque estimate for the torque contribution of the longitudinal spring.

臨床評価。人工装具は、健康で活動的な75kgの下腿切断者の右脚に装着された。この被験者には、人工装具を装着した歩行に自然に適応するための時間が与えられた。人工装具への無線リンクを用いて、これらの実験からの歩行データを記録した。水平な地面上の歩行実験の間、被験者は、10mの長さの通路を歩くように要求された。予定された目標歩行速度は、損傷を受けていない被験者の歩行速度に一致するように、1.0m/秒に設定された。被験者は、通路の始まりから約5mのところから歩行を開始して、該通路の終わりを約3m通過したところで歩行を停止した。地面上のマーカーが、10mの通路の始まりと終わりを示すために使用された。被験者の質量中心が各マーカーの上を通過した時点を示すことによって各実験における平均歩行速度を確認するために、ストップウォッチが使用された。全部で10回の試験が実施された。目標速度の5%以内の歩行速度での実験が処理のために使用され、結果として45の歩行サイクルを生じた。被験者は、次に、11°の2m長の斜面を自分で選択した速度で歩いて上るように要求された。10回の斜面上りの実験において、被験者は、プラットホーム上の傾斜の始まりから約2mのところの水平な地面からスタートして、該傾斜を約1m過ぎたところで停止した。次に、12回の斜面下り実験においてこの同じ経路を逆向きに歩行した。   Clinical evaluation. The prosthesis was worn on the right leg of a healthy and active 75 kg leg amputee. This subject was given time to naturally adapt to walking with the prosthesis. Walking data from these experiments were recorded using a wireless link to the prosthesis. During the walking experiment on the horizontal ground, the subject was required to walk a 10 m long passage. The scheduled target walking speed was set at 1.0 m / sec to match the walking speed of the uninjured subject. The subject started walking from about 5 m from the beginning of the passage and stopped walking after passing about 3 m from the end of the passage. A marker on the ground was used to indicate the beginning and end of a 10 meter passage. A stopwatch was used to confirm the average walking speed in each experiment by showing when the subject's center of mass passed over each marker. A total of 10 tests were performed. Experiments with walking speeds within 5% of the target speed were used for processing, resulting in 45 walking cycles. The subject was then requested to walk up the 11 ° 2m long slope at his chosen speed. In 10 uphill experiments, the subject started from a level ground about 2 m from the start of the slope on the platform and stopped after about 1 m of the slope. Next, the same route was walked in the reverse direction in 12 slope down experiments.

データ分析。水平な地面上での実験における最初の3つと最後の3つの歩行サイクルは過渡的なものであると想定されたために無視された。残りの歩行サイクルの各々が、1000データポイントをカバーするようにリサンプリングされた。平均値及び標準偏差の軌跡が、得られたデータから計算された。斜面の上りと下りの両方において、斜面上の最後のステップ(一歩)が、代表的な歩行サイクルとして使用された。選択されたそれぞれの歩行サイクルは、リサンプリングされて、水平な地面での実験について説明したのと同様のやり方で平均化された。   Data analysis. The first three and last three walking cycles in the horizontal ground experiment were ignored because they were assumed to be transient. Each of the remaining gait cycles was resampled to cover 1000 data points. The mean and standard deviation trajectories were calculated from the data obtained. The last step (one step) on the slope, both up and down the slope, was used as a representative walking cycle. Each selected walking cycle was resampled and averaged in a manner similar to that described for the level ground experiment.

個々の歩行サイクルにおける正味の仕事が、踵接地から足指離地(toe-off)までの足関節角度にわたって足関節トルクを数値積分することによって計算された。この場合、遊脚期は、正味の仕事の計算については無視された。次に、各歩行条件での正味の仕事の平均が、個々の歩行サイクルの正味の仕事の値から計算された。   The net work in each gait cycle was calculated by numerically integrating the ankle torque over the ankle angle from heel contact to toe-off. In this case, the swing period was ignored for the net work calculation. Next, the average net work for each gait condition was calculated from the net work values for the individual gait cycles.

結果。トルク追跡。本実験では、短下肢装具が、神経筋コントローラによって指令されるトルク及び速度を実際に生成する能力を有することが前提条件であった。この能力は、水平な地面上の歩行、斜面の上り、斜面の下りについて、指令されたトルク対測定された出力トルクを示している図13のA〜Cにおいて明らかにされている。   result. Torque tracking. In this experiment, it was a prerequisite that the short leg brace had the ability to actually generate torque and speed commanded by the neuromuscular controller. This capability is demonstrated in FIGS. 13A-C showing commanded torque versus measured output torque for walking on a level ground, climbing a slope, and descending a slope.

地面傾斜への適応。神経筋モデル制御式人工装具の地面傾斜への適応の評価は、図9のa〜cの臨床試験データによって確認された。それらの試験の数値積分されたデータから、次のように正味の仕事値(ワークループエリア:work loop area)が得られた。
水平な地面 5.4±0.5ジュール
上り斜面 12.5±0.6ジュール
下り斜面 0.1±1.7ジュール
Adaptation to ground inclination. The evaluation of the adaptation of the neuromuscular model controlled prosthesis to the ground slope was confirmed by the clinical trial data of FIGS. From the numerically integrated data of these tests, the net work value (work loop area) was obtained as follows.
Horizontal ground 5.4 ± 0.5 joules
Uphill slope 12.5 ± 0.6 Joule
Downhill slope 0.1 ± 1.7 Joules

生物学的膝関節との比較。この神経筋モデルの目的は、有用な方法で人間の足関節−足複合体固有の動力学を表すことである。したがって、人間の挙動をまねる人工装具コントローラの能力に基づいて該コントローラを評価することができる。前述した図16のA及びBは、水平な地面を歩行しているときの人工装具からのトルク及び角度のプロファイルを、損傷していない肢を有する体重と身長が調和した被験者のそれらのプロファイルと共に示している。    Comparison with biological knee joint. The purpose of this neuromuscular model is to represent the dynamics inherent in the human ankle-foot complex in a useful way. Thus, the controller can be evaluated based on the ability of the prosthetic controller to mimic human behavior. FIGS. 16A and 16B described above show the torque and angle profiles from the prosthesis when walking on the horizontal ground, along with those profiles of subjects with uncompromised weight and height with uninjured limbs. Show.

図18のA〜Cは、3つの異なる歩行条件、すなわち、水平な地面(図18のA)、上り斜面(図18のB)、下り斜面(図18のC)について、測定された人工装具のトルク−角度の軌跡をプロットしたものである。図18のA〜Cには、平均1810、1820、1830±1標準偏差が示されている。矢印は時間の経過と共に進む方向を示している。人工装具の正味の仕事の平均は、地面の傾斜が大きくなるにつれて大きくなる。この結果は、文献「A. S. McIntosh, K. T. Beatty, L. N. Dwan, and D. R. Vickers,"Gait dynamics on an inclined walkway," Journal of Biomechanics, Vol.39, pp 2491-2502, 2006」に記載された人間の足関節データと整合している。   18A to 18C show prosthetic devices measured for three different walking conditions: horizontal ground (A in FIG. 18), uphill slope (B in FIG. 18), and downhill slope (C in FIG. 18). Is a plot of the torque-angle trajectory. 18A to 18C show averages 1810, 1820, and 1830 ± 1 standard deviations. Arrows indicate the direction of advance with time. The average net work of the prosthesis increases as the ground slope increases. This result is shown in the document "AS McIntosh, KT Beatty, LN Dwan, and DR Vickers," Gait dynamics on an inclined walkway, "Journal of Biomechanics, Vol.39, pp 2491-2502, 2006". It is consistent with the joint data.

水平な地面上の歩行に関しては、人工装具の測定された足関節トルク及び足関節角度プロファイルは、(該人工装具と比較可能な)損傷を受けていない人間のそれらのプロファイルと定性的に一致する。観察された差違は下位のものであて、複数の要因によって生じたものであるとすることは合理的でありうる。該要因には、切断に起因する臨床被験者の脚筋の萎縮及び/または肥大、肢の長さの違い、及び、おそらくは、機能可能な二関節筋である腓腹筋の欠如が含まれる。さらに、人工装具の角度センサーの(検出)範囲が制限されているために、人工装具は、損傷を受けていない足関節の全可動範囲にわたっては動くことができない。   For walking on level ground, the measured ankle torque and ankle angle profiles of the prosthesis qualitatively match those of an undamaged human (comparable to the prosthesis). . It may be reasonable to assume that the observed differences are subordinate and are caused by multiple factors. Factors include atrophy and / or hypertrophy of leg muscles of clinical subjects due to amputations, limb length differences, and possibly the lack of gastrocnemius muscle, a functioning biarticular muscle. Furthermore, due to the limited (detection) range of the prosthetic angle sensor, the prosthesis cannot move over the full range of motion of the undamaged ankle joint.

地面傾斜への適応。本明細書において提示した神経筋制御は、地形を明確に検出することなく、地面の傾斜に独自に適応することができる。水平な地面上の歩行時における足関節の正味の仕事量に対する、上り斜面の歩行時における足関節の正味の仕事量の増加、及び、下り斜面の歩行時における足関節の正味の仕事量の減少は、「A. S. Mclntosh, K. T. Beatty, L. N. Dwan, and D. R. Vickers,"Gait dynamics on an inclined walkway," Journal of Biomechanics, Vol.39, pp 2491-2502, 2006」からのデータによれば、これらと同じ条件下での損傷を受けていない人間の足関節の挙動と合致する。これらの歩行条件における立脚期の正の正味の仕事のかかる変化は、神経筋モデルが呈する傾斜適応挙動を示している。これらの生体に似た挙動変化を生じる神経筋モデルの能力は、該モデルが人間の足底屈筋の重要な特性を具現化することを示唆している。さらに、該モデルは速度に対する適応の可能性を有していることも期待される。より早く移動しようとする際に、人工装具の着用者は、該人工装具をより強く押し付ける場合がある。この追加の力によって、モデル化された反射機構(または反射神経)がより強い仮想筋力を指令し、その結果、より大きなエネルギー出力が生じて、より速い歩行速度を達成することができる。   Adaptation to ground inclination. The neuromuscular control presented in this specification can be uniquely adapted to the slope of the ground without clearly detecting the terrain. Increased net work of the ankle when walking uphill, and decrease net work of the ankle when walking downhill, compared to the net work of the ankle when walking on horizontal ground Are the same according to data from "AS Mclntosh, KT Beatty, LN Dwan, and DR Vickers," Gait dynamics on an inclined walkway, "Journal of Biomechanics, Vol.39, pp 2491-2502, 2006. Consistent with the behavior of an undamaged human ankle under conditions. Such changes in the positive net work during the stance phase under these walking conditions indicate the slope adaptation behavior exhibited by the neuromuscular model. The ability of these neuromuscular models to produce behavioral changes similar to these living bodies suggests that the model embodies important characteristics of human plantar flexor muscles. Furthermore, the model is also expected to have the possibility of adapting to speed. When trying to move faster, the wearer of the prosthesis may press the prosthesis more strongly. This additional force allows the modeled reflex mechanism (or reflexes) to command a stronger virtual muscle force, resulting in a greater energy output and achieving a faster walking speed.

好適な実施形態を開示したが、多くの他の実施例が当業者には想起されるであろうし、それらの実施例は全て本発明の範囲内のものである。上述の種々の実施形態の各々を、説明した他の実施形態と組み合わせて多くの特徴を提供することができる。さらに、本明細書では、本発明の装置及び方法の複数の個別の実施形態を説明したが、本明細書に記載されているのは、本発明の原理の適用の例示に過ぎない。したがって、当業者による他の配列(構成)、方法、変更形態、及び置換もまた、本発明の範囲内のものとみなされ、本発明は、添付の特許請求の範囲以外によっては限定されない。
While preferred embodiments have been disclosed, many other examples will occur to those skilled in the art, and all of these examples are within the scope of the present invention. Each of the various embodiments described above can be combined with the other described embodiments to provide many features. Furthermore, although a number of individual embodiments of the apparatus and method of the present invention have been described herein, what has been described herein is merely illustrative of the application of the principles of the present invention. Accordingly, other sequences (configurations), methods, modifications, and substitutions by one of ordinary skill in the art are also considered to be within the scope of the present invention, and the present invention is not limited except as by the appended claims.

Claims (9)

少なくとも1つの関節を備えるロボット肢用のモデルベースの神経機械コントローラであって、有限状態機械、筋肉モデルプロセッサ、及び関節指令プロセッサを備え、
前記有限状態機械は、前記ロボット肢の状態に関するフィードバックデータを受け取り、該受け取ったフィードバックデータを用いて、前記ロボット肢の状態を判定するように構成され、
前記筋肉モデルプロセッサは、前記有限状態機械から状態情報を受け取り、及び、少なくとも1つのデータベースから筋肉の幾何学的形状及び/または配置並びに反射構造情報を受け取って、神経筋モデルを用いて、前記ロボット肢に送る少なくとも1つの所望の関節トルク指令または剛性指令を決定するように構成され、
前記関節指令プロセッサは、前記筋肉モデルプロセッサによって決定された生体模倣型のトルク及び剛性を前記ロボット肢の関節に指令するように構成される、神経機械コントローラ。
A model-based neuromachine controller for a robotic limb comprising at least one joint comprising a finite state machine, a muscle model processor, and a joint command processor
The finite state machine is configured to receive feedback data relating to the state of the robot limb and to determine the state of the robot limb using the received feedback data;
The muscle model processor receives state information from the finite state machine and receives muscle geometry and / or arrangement and reflex structure information from at least one database and uses a neuromuscular model to provide the robot Configured to determine at least one desired joint torque command or stiffness command to be sent to the limb;
The neuromechanical controller, wherein the joint command processor is configured to command biomimetic torque and stiffness determined by the muscle model processor to a joint of the robot limb.
前記フィードバックデータは、前記ロボット肢の各関節に取り付けられた少なくとも1つのセンサーによって提供される、請求項1の神経機械コントローラ。   The neuromechanical controller of claim 1, wherein the feedback data is provided by at least one sensor attached to each joint of the robot limb. 前記ロボット肢は脚であり、前記有限状態機械は、前記脚の歩行サイクルに同期化される、請求項1の神経機械コントローラ。   The neuromechanical controller of claim 1, wherein the robot limb is a leg and the finite state machine is synchronized to a walking cycle of the leg. 前記脚は、動力付きの短下肢装具から構成される、請求項3の神経機械コントローラ。   The neuromechanical controller of claim 3, wherein the leg comprises a powered short leg brace. 前記脚は膝関節を備える、請求項3の神経機械コントローラ。   The neuromechanical controller of claim 3, wherein the leg comprises a knee joint. 前記脚は膝関節をさらに備える、請求項4の神経機械コントローラ。   The neuromechanical controller of claim 4, wherein the leg further comprises a knee joint. 前記脚は股関節をさらに備える、請求項6の神経機械コントローラ。   The neuromechanical controller of claim 6, wherein the leg further comprises a hip joint. 少なくとも1つのセンサーが、関節の角変位及び角速度センサーであるか、トルクセンサーであるか、慣性測定ユニットである、請求項2の神経機械コントローラ。   The neuromechanical controller of claim 2, wherein the at least one sensor is a joint angular displacement and angular velocity sensor, a torque sensor, or an inertial measurement unit. 少なくとも1つの関節を備えるロボット肢を制御するための方法であって、
前記ロボット肢の状態に関するフィードバックデータを有限状態機械で受け取るステップと、
前記有限状態機械及び前記受け取ったフィードバックデータを用いて、前記ロボット肢の状態を判定するステップと、
神経筋モデル、筋肉の幾何学的形状及び/または配置情報、反射構造情報、並びに、前記有限状態機械からの状態情報を用いて、前記ロボット肢に送る少なくとも1つの所望の関節トルク指令または剛性指令を決定するステップと、
筋肉モデルプロセッサによって決定された生体模倣型のトルク及び剛性を前記ロボット肢の関節に指令するステップ
を含む方法。
A method for controlling a robotic limb comprising at least one joint comprising:
Receiving feedback data regarding the state of the robot limb with a finite state machine;
Determining the state of the robot limb using the finite state machine and the received feedback data;
At least one desired joint torque command or stiffness command to be sent to the robot limb using a neuromuscular model, muscle geometry and / or placement information, reflex structure information, and state information from the finite state machine A step of determining
Directing biomimetic torque and stiffness determined by a muscle model processor to a joint of the robot limb.
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