KR101190840B1 - Uncertainty estimation method of constraint force in human lower limb using multibody modeling and statiscal methods - Google Patents

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KR101190840B1 KR1020100132068A KR20100132068A KR101190840B1 KR 101190840 B1 KR101190840 B1 KR 101190840B1 KR 1020100132068 A KR1020100132068 A KR 1020100132068A KR 20100132068 A KR20100132068 A KR 20100132068A KR 101190840 B1 KR101190840 B1 KR 101190840B1
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Abstract

본 발명에 따른 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법은, 인체의 하지부를 다물체 모델로 모델링하는 단계; 인체 하지부 운동시 발생하는 무릎 관절의 구속력을 해석하는 단계; 및 통계 방법론을 이용하여 구속력의 불확실성 구간을 해석하는 단계;를 포함하여, 인체 하지부에 걸리는 구속력 추정에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.Uncertainty estimation method of the lower body restraint force using the multi-body modeling and statistical methodology according to the present invention comprises the steps of modeling the lower body part of the human body as a multi-body model; Analyzing the restraint force of the knee joint that occurs during the lower body movement; And analyzing the uncertainty section of the binding force by using statistical methodology. The reliability of the estimation of the binding force on the lower limb of the human body may be increased.

Figure R1020100132068
Figure R1020100132068

Description

다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법 {UNCERTAINTY ESTIMATION METHOD OF CONSTRAINT FORCE IN HUMAN LOWER LIMB USING MULTIBODY MODELING AND STATISCAL METHODS}UNCERTAINTY ESTIMATION METHOD OF CONSTRAINT FORCE IN HUMAN LOWER LIMB USING MULTIBODY MODELING AND STATISCAL METHODS}

본 발명은 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인체 하지부의 해부학적인 특성과 통계방법론을 다물체 동역학과 접목하여 무릎뼈에 가해지는 압력을 예측하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for estimating the uncertainty of the lower body restraint force using multibody modeling and statistical methodology. More specifically, the anatomical characteristics and statistical methodology of the lower body part of the human body are combined with multibody dynamics to apply pressure to the knee bone. It is about how to predict.

현대 문명의 발달이 근본적으로 인간을 위한 것이기 때문에 문명의 발달을 주도했던 과학기술과 학문 역시 인간과 관련된 것이 많으며 인체의 움직임에 관심을 갖는 학문 분야도 매우 다양하다. 또한 현 시대는 생활수준의 향상, 건강에 대한 관심고조, 인간중심의 고품질 제품의 요구 등으로 생체역학의 연구분야는 점차 넓어지고 세분화 되어가고 있다. 특히 생체역학적 연구에서 근 골격 시스템의 수학적 모델 개발은 지난 몇 년 동안 크게 신뢰할 수 있는 단계로 발전되었으며 이러한 모델은 다물체(Multibody) 동역학 이론과 근육역학(Muscle mechanics), 근 골격계의 기하학구조의 조합으로 종종 발표되었다. Since the development of modern civilization is fundamentally for human beings, science and technology and science that led the development of civilization are also related to human beings, and there are also various academic fields that are interested in the movement of the human body. In the current era, the field of biomechanical research is gradually expanding and segmenting due to the improvement of living standards, the increase of interest in health, and the demand for high quality products centered on humans. Especially in biomechanical research, the development of mathematical models of musculoskeletal systems has developed into a highly reliable phase over the last few years, and these models are a combination of multibody dynamics theory, muscle mechanics and the geometry of the musculoskeletal system. Often released.

또한 실제 인체 하지부의 운동학적(kinematic) 정보를 이용하면 역동역학을 통하여 근육, 건에 생기는 힘과 관절의 구속력을 측정할 수 있다. 이러한 관계를 이용하여 인체 하지부의 동적 해석이 가능하며 사람의 서있는 자세 또한 해석할 수 있다.In addition, by using kinematic information of the lower extremity of the human body, it is possible to measure the force generated in muscles and tendons and the restraint force of joints through dynamic dynamics. Using this relationship, dynamic analysis of the lower extremity of the human body is possible, and the standing posture of a person can also be analyzed.

근육-건의 힘을 측정하기 위해서는 근육-건의 길이가 매우 중요하다. 그러나 특정 운동에 대하여 근육-건의 길이변화를 정확히 예측하는 것은 불가능하다. 기존 연구에서는 사체 실험이나 자기공명(MR: magnetic resonance) 이미지 분석 등을 바탕으로 관절의 회전 각도에 따른 근육-건의 길이 변화 등이 측정 또는 추정되어 보고되었으며 그 결과도 특정 개인이나 그룹을 대상으로부터 얻은 것이다.In order to measure muscle-force force, the length of the muscle-gun is very important. However, it is impossible to accurately predict the change in muscle-length length for a particular exercise. Existing studies have measured or estimated changes in muscle- tendon length according to joint rotation angle based on cadaver experiments or magnetic resonance (MR) image analysis. will be.

같은 맥락으로 힐 타입 근육 모델(Hill-type muscle model)을 구성하는 각 파라미터(parameter) 값 역시 분석 대상인 피 실험자의 신체적 특성과 정확하게 일치되도록 해야 하지만 현실적으로 불가능하다. In the same vein, each parameter value of the Hill-type muscle model must be exactly matched with the physical characteristics of the subject under analysis, but it is practically impossible.

델프(S.L.Delp)는 1990년 이전까지 보고된 모든 자료를 참조하여 젊은 사체를 기준으로 인체 하지 운동에 관여하는 총 43개의 근육에 대한 근육-건의 파라미터값들을 정의하고 근육-건의 기하학적 특성을 정리하였다. 또한 그는 이러한 데이터와 함께 에스아이엠엠(SIMM: Software for Interactive Musculoskeletal Modeling, MusculoGraphics Inc.)을 개발하였으며, 메네갈도(L.L.Menegaldo(2004))는 에스아이엠엠(SIMM)을 바탕으로 인체 하지부 관절의 각도 변화에 따른 인체 하지부의 근육-건의 길이 변화를 관절의 회전각에 대한 함수로 표현하였다.SLDelp defined all muscle-gun parameter values for all 43 muscles involved in lower extremity locomotion based on young carcasses and summarized the muscle-gun geometry with reference to all data reported before 1990. . He also developed SIMM (Software for Interactive Musculoskeletal Modeling, MusculoGraphics Inc.) with these data, and Menelgaldo (2004) based on SIMM based on the The change in the length of the muscle- tendon of the lower extremity of the human body according to the angle change is expressed as a function of the rotation angle of the joint.

한편 남(Nam(2009))은 근육-건의 민감도와 최적화 해석을 통하여 근육-건의 모델 파라미터를 추정하였다.Nam (2009), on the other hand, estimated the model parameters of muscle-guns through muscle-gun sensitivity and optimization analysis.

또한, 종래에는 EMG(Electromyogram) 신호분석 기계로 뇌의 신경신호를 분석, 처리하여 인체 근육의 파라미터를 이용하여 관절 모멘트를 추정하는 방법도 있다.In addition, conventionally, there is a method of estimating joint moments using parameters of human muscle by analyzing and processing neural signals of the brain with an EMG (Electromyogram) signal analysis machine.

그러나, EMG 신호 자체도 실험 환경, 사람마다 다르며 모든 사람을 대상으로 실험하기는 불가능한 문제가 있다. 또한 인체 근육의 파라미터도 사람마다 정확한 데이터를 얻기도 사실상 불가능한 문제가 있다.However, the EMG signal itself also varies according to the experiment environment and the person, and there is a problem that it is impossible to experiment with all people. In addition, human muscle parameters also have a problem that is impossible to obtain accurate data for each person.

본 발명은 사람마다 다른 불확실성을 고려하여 사람이 앉았다가 일어날 때 무릎에 걸리는 구속력을 통계방법론과 접목하여 불확실성을 추정할 수 있는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법을 제공한다.The present invention provides a method for estimating the uncertainty of the lower extremity restraint of the human body using multi-body modeling and statistical methodology, which can estimate the uncertainty by combining the restraint on the knee when a person sits and rises in consideration of the different uncertainty of each person. do.

본 발명은 힐 타입 근육 모델(Hill-type muscle model)의 특성을 이용한 근육-건 액츄에이터(Musculo-tendon actuator)를 인체의 하지부 근력에 적용함으로써 하지 운동시 무릎관절에 작용하는 구속력의 불확실성을 추정하는 방법을 제공한다.The present invention estimates the uncertainty of the restraint force acting on the knee joint during lower extremity exercise by applying the muscle-tendon actuator using the characteristics of the hill-type muscle model to the lower extremity muscle strength of the human body. Provide a way to.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법은, 인체의 하지부를 다물체 모델로 모델링하는 단계; 인체 하지부 운동시 발생하는 무릎 관절의 구속력을 해석하는 단계; 및 통계 방법론을 이용하여 구속력의 불확실성 구간을 해석하는 단계;를 포함할 수 있다.Uncertainty estimation method of the lower body restraint force using the multi-body modeling and statistical methodology according to the present invention for achieving the above object, the step of modeling the lower body part of the human body in a multi-body model; Analyzing the restraint force of the knee joint that occurs during the lower body movement; And interpreting the uncertainty section of the binding force by using a statistical methodology.

상기 모델링하는 단계는 시상면(saggital plane)에서 3개의 링크와 핀 조인트로 연결된 다물체 시스템으로 모델링하는 것을 특징으로 한다.The modeling may include modeling a multi-body system connected to three links and pin joints in a sagittal plane.

상기 모델링하는 단계는 상기 링크와 상기 조인트에 질량이 무시되는 무릎뼈를 추가하고, 근육-건의 축방향 힘(axial force)의 작용선을 포함하여 나타내는 것을 특징으로 한다.The modeling step is characterized by adding the knee bone, the mass of which is ignored in the link and the joint, including the line of action of the axial force of the muscle-gun.

상기 모델링하는 단계에서 상기 작용선은 인체 하지부의 운동시 무릎 관절에 영향을 미치는 근육으로 선택하고, 상기 선택된 근육은 대퇴직근, 중앙광근, 비복근 또는 대퇴이두근인 것을 특징으로 한다.In the modeling step, the action line is selected as a muscle that affects the knee joint during exercise of the lower extremity of the human body, and the selected muscle is characterized in that the femoral rectus muscle, the central light muscle, the gastrocnemius muscle or the biceps femur.

상기 모델링하는 단계는 에스아이엠엠(SIMM:Software for Interactive Musculoskeletal Modeling)을 이용하여 근육-건의 위치를 정의하는 것을 특징으로 한다.The step of modeling is characterized by defining the position of the muscle-gun using SIMM (Software for Interactive Musculoskeletal Modeling).

상기 구속력을 해석하는 단계는 하지부 모델의 물성치는 해부학적 데이터를 바탕으로 하고 회귀방정식을 사용하여 구하는 것을 특징으로 한다.The step of analyzing the restraining force is characterized in that the physical properties of the lower extremity model are obtained based on anatomical data and using a regression equation.

상기 구속력을 해석하는 단계에서는 3차원 근골격계 운동해석 프로그램인 상기 에스아이엠엠(SIMM)을 이용하여 인체의 하지부 운동에 관여하는 모든 근육에 대하여 근육-건의 길이를 각 관절의 회전 각도에 대한 함수로 표현하는 것을 특징으로 한다.In the step of interpreting the restraining force, the length of the muscle-key is a function of the rotation angle of each joint for all the muscles involved in the lower extremity of the human body using the 3D musculoskeletal motion analysis program (SIMM). It is characterized by the expression.

상기 구속력을 해석하는 단계는 근육-건 액츄에이터(musculo-tendon actuator)를 인체의 하지부 근력에 적용하는 것을 특징으로 한다.The step of interpreting the restraining force is characterized in that the muscle-gun actuator (musculo-tendon actuator) is applied to the lower extremity muscle strength of the human body.

상기 구속력을 해석하는 단계는 근육 활성도의 개념을 이용하여 원하는 위치에 따른 근육의 힘을 찾고, 상기 힘을 모델에 적용하여 선형화를 수행하며 고유진동을 해석하는 것을 특징으로 한다.The step of analyzing the restraining force is characterized by finding the muscle force according to the desired position using the concept of muscle activity, applying the force to the model, performing linearization and analyzing the natural vibration.

상기 불확실성 구간을 해석하는 단계는 정강이와 허벅지의 움직임에 의해 무릎뼈가 받는 구속력 중 각각 수평성분의 합을 무릎뼈를 누르는 힘으로 정의하고, 상기 무릎뼈를 누르는 힘을 관심 응답으로 설정하는 것을 특징으로 한다.The step of interpreting the uncertainty section is characterized by defining the sum of the horizontal component of the restraining force received by the knee bone by the movement of the shin and thigh as the force to press the knee bone, and set the force to press the knee bone as the response of interest. It is done.

상기 불확실성 구간을 해석하는 단계는 유전적 또는 신체적으로 개인마다 다른 최대 등척 근력을 확률 변수로 설정하는 것을 특징으로 한다.The step of interpreting the uncertainty interval is characterized by setting the maximum isometric muscle strength, which is genetically or physically different for each individual, as a random variable.

상기 불확실성 구간을 해석하는 단계는 상기 최대 등척 근력의 모집단의 특성은 평균에서 20%의 표준편차를 갖는 정규분포로 가정하는 것을 특징으로 한다.The step of analyzing the uncertainty interval is characterized in that the characteristics of the population of the maximum isometric muscle is assumed to be a normal distribution having a standard deviation of 20% from the mean.

상기 불확실성 구간을 해석하는 단계는 상기 최대 등척 근력의 모집단에서 임의의 샘플을 추출하여 구속력의 불확실성 구간을 추정하는 것을 특징으로 한다.The step of interpreting the uncertainty section is characterized by estimating the uncertainty section of the constraint force by extracting a random sample from the population of maximum isometric muscle strength.

상기 불확실성 구간을 해석하는 단계는 상기 관심응답의 유사통계량을 도출하며, 상기 유사통계량은 상기 관심응답의 평균과 표준편차의 근사값인 것을 특징으로 한다.The step of interpreting the uncertainty interval derives a pseudostatistic of the response of interest, and the pseudostatistic is an approximation of the mean and standard deviation of the response of interest.

상기 불확실성 구간을 해석하는 단계에서 상기 관심응답의 상한 및 하한에 상기 모집단의 평균 및 표준편차가 포함되는 것을 특징으로 한다.In analyzing the uncertainty interval, the average and standard deviation of the population are included in the upper and lower limits of the response of interest.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법은 사람의 무릎뼈에 얼마의 힘이 작용하는지 대략적인 분포를 알 수 있다.As described above, the method of estimating the uncertainty of the lower body restraint force using the multibody modeling and the statistical methodology according to the present invention can know a rough distribution of how much force acts on the human knee bone.

또한, 본 발명은 통계방법론을 접목함으로써 인체 하지부의 구속력 해석 결과의 신뢰성을 높일 수 있다.In addition, the present invention can improve the reliability of the results of the restraint analysis of the lower body part by incorporating statistical methodology.

또한, 본 발명은 신뢰할 수 있는 인체 데이터 표본 등을 이용하여 의료 보조기구 설계와 재활치료 등에 이용할 수 있다.In addition, the present invention can be used for the design of medical aids, rehabilitation treatment, and the like using reliable human data samples.

도 1은 본 발명에 따른 인체 하지부의 2관절(biarticular) 근육 모델을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 힐 타입 근육 모델(Hill type muscle model)을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 무차원화된 근육 길이-힘의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 건의 힘과 길이의 관계를 무차원화된 힘과 변형률의 관계로 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 무차원화된 근육의 힘과 속도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 무릎 관절의 구속력 및 무릎뼈를 누르는 힘을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 인체 하지부 모델의 초기 위치 및 구속력을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 무릎 관절에 미치는 구속력 및 무릎뼈를 누르는 힘의 시간에 대한 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 무릎뼈를 누르는 힘의 민감도를 분석한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 무릎뼈를 누르는 힘의 평균 및 분산을 추정하는 그래프이다.
1 is a view schematically showing a biarticular muscle model of the lower limb of the human body according to the present invention.
2 is a diagram illustrating a hill type muscle model according to the present invention.
3 is a graph illustrating the relationship between dimensionless muscle length-force in accordance with the present invention.
4 is a graph showing the relationship between the force and the length of the gun according to the present invention as a relationship between the dimensionless force and the strain.
5 is a graph showing the relationship between the force and speed of the non-dimensionalized muscle according to the present invention.
6 is a graph showing the restraining force of the knee joint and the pressing force of the knee bone according to the present invention.
7 is a view schematically showing the initial position and the restraining force of the lower body model according to the present invention.
Figure 8 is a graph showing the change over time of the restraining force on the knee joint and the pressing force of the knee bone according to the present invention.
9 is a graph analyzing the sensitivity of the pressing force of the knee bone according to the present invention.
10 is a graph for estimating the mean and variance of the pressing force of the knee bone according to the present invention.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the embodiments. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명에 따른 인체 하지부의 2관절(biarticular) 근육 모델을 모식적으로 도시한 도면, 도 2는 본 발명에 따른 힐 타입 근육 모델(Hill type muscle model)을 도시한 도면, 도 3은 본 발명에 따른 무차원화된 근육 길이-힘의 관계를 도시한 그래프, 도 4는 본 발명에 따른 건의 힘과 길이의 관계를 무차원화된 힘과 변형률의 관계로 도시한 그래프, 도 5는 본 발명에 따른 무차원화된 근육의 힘과 속도의 관계를 나타낸 그래프, 도 6은 본 발명에 따른 무릎 관절의 구속력 및 무릎뼈를 누르는 힘을 도시한 그래프, 도 7은 본 발명에 따른 인체 하지부 모델의 초기 위치 및 구속력을 모식적으로 도시한 도면, 도 8은 본 발명에 따른 무릎 관절에 미치는 구속력 및 무릎뼈를 누르는 힘의 시간에 대한 변화를 나타내는 그래프, 도 9는 본 발명에 따른 무릎뼈를 누르는 힘의 민감도를 분석한 그래프, 도 10은 본 발명에 따른 무릎뼈를 누르는 힘의 평균 및 분산을 추정하는 그래프이다.1 is a view schematically showing a biarticular muscle model of the lower limb of the human body according to the present invention, FIG. 2 is a view showing a hill type muscle model according to the present invention, and FIG. Figure 4 is a graph showing the relationship between the non-dimensionalized muscle length-force according to the present invention, Figure 4 is a graph showing the relationship between the force and the length of the gun according to the present invention as a relationship between the non-dimensionalized force and strain, Figure 5 is the present invention Figure 6 is a graph showing the relationship between the force and speed of the non-dimensionalized muscle according to the present invention, Figure 6 is a graph showing the restraining force and the pressing force of the knee joint according to the invention, Figure 7 is a human lower extremity model of the present invention Figure 8 schematically shows the initial position and the restraining force, Figure 8 is a graph showing the change over time of the restraining force and the pressing force of the knee bones on the knee joint according to the present invention, Figure 9 is pressing the knee bones according to the present invention Force A graph analyzing the sensitivity, Figure 10 is a graph for estimating the mean and variance of the pressing force of the knee bone according to the present invention.

본 발명은 힐 타입 근육 모델(Hill-type muscle model)의 특성을 이용한 근육-건 액츄에이터(Musculo-tendon actuator)를 인체의 하지부 근력에 적용함으로써 하지 운동시 무릎관절에 작용하는 구속력의 불확실성을 추정할 수 있다. 이때 사용되는 근육 파라미터는 델프(Delp)의 자료를 이용하여 해석하고자 하는 모집단의 평균으로 가정하였으며 평균의 20%의 표준편차를 갖고 정규분포를 따르도록 한다. 그리고 이 모집단의 샘플과 그것의 통계적 특성이 불확실성 추정연구에 사용된다.The present invention estimates the uncertainty of restraint force acting on the knee joint during lower extremity exercise by applying the muscle-tendon actuator using the characteristics of the hill-type muscle model to the lower extremity muscle strength of the human body. can do. The muscle parameters used are assumed to be the mean of the population to be interpreted using the data of Dellp, and follow the normal distribution with a standard deviation of 20% of the mean. A sample of this population and its statistical characteristics are then used in the estimation of uncertainty.

본 발명에 따른 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법은 사람의 서있는 자세에 대하여 생체역학적으로 표현하며 다물체 동역학과 근육 역학(Muscle mechanics), 근육의 기하학적 특성으로 구성할 수 있다. The method of estimating the uncertainty of the lower limb restraint of the human body using the multibody modeling and the statistical methodology according to the present invention is expressed biomechanically with respect to the standing posture of the human body and is composed of multibody dynamics, muscle mechanics, and muscle geometric characteristics. Can be.

도 1에 도시된 바와 같이, 인체모델은 전형적인 시상면(saggital plane)에서 3개의 링크와 핀 조인트로 연결된 다물체 시스템으로 모델링할 수 있으며, 여기에 질량이 무시되는 무릎뼈(patella)를 추가하여 근육-건(muscle-tendon)의 축방향 힘(Axial force)의 작용선을 포함하여 나타낼 수 있다. 축방향 힘의 작용선은 하지 운동시 무릎 관절(knee joint)에 영향을 미치는 주요 근육으로 선택할 수 있으며, 선택된 근육-건은 대퇴직근(Rectus femoris), 중앙광근(Vastus intermedius), 비복근(Gastrocnemius), 대퇴이두근(Biceps femoris caput longus)이다. 도 1의 (a)에서는 설명의 편의를 위해 대퇴직근, 중앙광근, 비복근 및 대퇴이두근을 각각 Rf, Vi, Gas, Bif로 명시한다. 한편, 도 1의 (b)에서 L1은 정강이(shank) 근육의 길이, L2는 허벅지(thigh) 근육의 길이를 의미하며, trunk는 몸통이라 할 수 있다. 도 1 (b)의 근육-건의 위치를 에스아이엠엠(SIMM: software for interactive musculoskeletal modeling)를 참고하여 정의하면, a는 5cm, b는 10cm, c는 20cm, d는 8cm, e는 20cm로 정의할 수 있다. As shown in FIG. 1, the anatomical model can be modeled as a multibody system connected by three links and pin joints in a typical saggital plane, by adding a pattern of mass bones to the knee bone. And the line of action of the axial force of the muscle-tendon. The line of action of the axial force can be selected as the major muscle that affects the knee joint during lower extremity exercise, and the selected muscle-gun is the rectus femoris, Vastus intermedius, gastrocnemius, Biceps femoris caput longus. In FIG. 1 (a), for convenience of description, the thigh muscle, the central optical muscle, the gastrocnemius muscle, and the biceps femori are indicated as Rf, Vi, Gas, and Bif, respectively. Meanwhile, in FIG. 1B, L1 denotes the length of the shank muscle, L2 denotes the length of the thigh muscle, and trunk may be referred to as a trunk. The position of the muscle-gun of FIG. 1 (b) is defined by referring to software for interactive musculoskeletal modeling (SIMM), where a is 5 cm, b is 10 cm, c is 20 cm, d is 8 cm, and e is 20 cm. can do.

또한, 도 1의 (c)는 무릎뼈를 누르는 힘을 모식적으로 표현한 것이다. FT는 인체 하지부 운동시 허벅지(thigh)의 움직임으로 인해 무릎뼈에 미치는 구속력, FS는 정강이(shank)의 움직임으로 인해 무릎뼈에 미치는 구속력을 의미한다. FP는 무릎뼈를 누르는 힘으로서 FT와 FS의 수평 성분의 합으로 정의될 수 있다.In addition, Fig. 1 (c) schematically represents the force for pressing the knee bone. F T is the restraining force on the knee bone due to the thigh movement during the lower body movement, F S is the restraining force on the knee bone due to the shank movement. F P is the force on the knee bone and can be defined as the sum of the horizontal components of F T and F S.

그리고, 인체 하지부 모델의 길이, 질량 등의 물성치는 해부학적인 데이터를 바탕으로 제안된 회귀방정식을 사용할 수 있으며 허벅지의 질량을 예로 들면 다음 식(1)과 같다.In addition, the physical properties such as the length and mass of the lower extremity model can be used based on anatomical data, and the proposed regression equation can be used.

Figure 112010084624098-pat00001
Figure 112010084624098-pat00001

여기서, 괄호 안의 값은 회귀계수이고 나머지 값은 순서대로 사람의 몸무게, 허벅지의 길이, 길이 중심에서의 둘레이다. 상세한 내용은 다음 [표 1]에 나타내었다.Where the values in parentheses are the regression coefficients, and the rest are the weight of the person, the length of the thighs, and the circumference at the center of length. Details are shown in Table 1 below.



Body


Body


Length(m)


Length (m)


Mass(kg)


Mass (kg)
Moment of
inertia
(kg.m2 )
Moment of
inertia
(kg.m 2 )
CG position
(ratio
proximal/distal)
CG position
(ratio
proximal / distal)
1One ShankShank 0.430.43 0.330.33 0.004990.00499 0.420.42 22 ThighThigh 0.460.46 0.70.7 0.012620.01262 0.390.39 33 TrunkTrunk -- 4.44.4 -- --

상기[표 1]에서 정강이(shank)의 CG position을 설명하면, 정강이의 전체 길이가 1이라고 할 경우 몸에 가까운 쪽에서 정강이의 무게중심까지의 거리가 0.42임을 나타낸다.Referring to the CG position of the shank in Table 1, when the total length of the shank is 1, the distance from the side close to the body to the center of gravity of the shank is 0.42.

한편, 도 2는 힐 타입 근육 모델(Hill type muscle model)을 도식화하여 나타낸 것이다. 도 2에서 Ft는 힘줄이라고 불리는 건(tendon)을 통하여 뼈에 전달되는 힘이며 이것은 최대등척근력(isometric maximum muscle force, Fo m)으로 무차원화된 식으로 다음 식(2)와 같이 표현될 수 있다.On the other hand, Figure 2 is a diagram showing a hill type muscle model (Hill type muscle model). In FIG. 2, F t is a force transmitted to a bone through a tendon called a tendon, which is a dimensionless expression of isometric maximum muscle force (F o m ), as shown in Equation 2 below. Can be.

Figure 112010084624098-pat00002
Figure 112010084624098-pat00002

식 (2)에서

Figure 112010084624098-pat00003
Figure 112010084624098-pat00004
는 각각 근육의 능동적인 힘(active force)과 수동적인 힘(passive force)을 무차원화한 것이다. 또한, a(t)는 근육 활성화 지수이다.In equation (2)
Figure 112010084624098-pat00003
Wow
Figure 112010084624098-pat00004
Are the non-dimensionalization of the active and passive forces of each muscle. Also, a (t) is the muscle activation index.

도 2에서 CE(contractile element)는 능동적인 수축요소로서 흥분충동에 의한 근력인

Figure 112010084624098-pat00005
의 발생 메커니즘을 모델화한 요소이다. 여기서 액틴과 미오신 사이의 공간에 연결교의 결합이 가장 많을 때를 최적길이(optimal five length, lo m)라 하며 이 상태에서 근육은 가장 큰 힘을 낼 수 있다. 그리고 이 때의 힘이 앞서 언급한 최대 등척 근력(maximum muscle isometric force, Fo m )이다. 근육의 길이가 수축 또는 신장되면서 연결교의 결합이 파괴 또는 간섭이 일어나며 앞서 설명한 이유로 근력이 약화되는데 이것을 도 3에 근육 활성화 지수 a(t)와 함께 근 섬유의 무차원화 된 길이의 함수로 도시할 수 있다. 여기서 횡축은
Figure 112010084624098-pat00006
이며 종축은 능동적인 힘을 무차원화 한 힘,
Figure 112010084624098-pat00007
이다.In FIG. 2, the contractile element (CE) is an active contraction element,
Figure 112010084624098-pat00005
The modeling mechanism of the generation of. In this case, the optimal length of the coupling bridge in the space between actin and myosin is called the optimal five length (L o m ). In this state, the muscle can exert the greatest force. The force at this time is the maximum muscle isometric force (F o m ) mentioned above. As the length of the muscle contracts or elongates, the binding of the bridge bridges is broken or interfered, and the muscle strength is weakened for the reasons described above, which can be shown as a function of the non-dimensionalized length of the muscle fiber with the muscle activation index a (t) in FIG. have. Where the horizontal axis is
Figure 112010084624098-pat00006
The vertical axis is the force that is active-dimensionalized,
Figure 112010084624098-pat00007
to be.

도 3에서 점을 포함한 선은 도 2에서 PE(passive element)로 표현되었으며 수동적인 힘을 무차원화한 힘

Figure 112010084624098-pat00008
이다. 이것은 마치 고무밴드와 같은 성질을 가지고 있어서 휴식시 길이 이하일 경우 즉, 느슨한(slack) 상태에서는 아무런 힘도 작용하지 못한다. 하지만 길이가 그 이상 신장 되면 비선형 스프링처럼 급격히 증가 한다. 이러한 특성은 식 (3)과 같이 지수함수를 사용하여 표현할 수 있다.In FIG. 3, a line including a point is represented as a passive element (PE) in FIG.
Figure 112010084624098-pat00008
to be. It has the same properties as a rubber band so that no force is applied when it is less than the length at rest, i.e. in a slack state. But as it extends further, it grows rapidly like a nonlinear spring. This property can be expressed using an exponential function as shown in equation (3).

Figure 112010084624098-pat00009
Figure 112010084624098-pat00009

또한, 근육은 힘줄이라 불리는 건(tendon)을 통하여 뼈와 뼈 사이에 힘을 전달한다. 초기에는 근육의 특성만 고려되었으나 자작(Zajac(1989))에 의하여 건의 특성을 함께 고려하게 되었다. 건은 뼈 또는 연골에 부착되어 있고 일부는 골 막을 뚫고 골질 또는 연골질 속에 들어가 있으며 기계적인 강도는 연결되어 있는 근육보다 훨씬 크기 때문에 근력에 의해 파손되지 않으면서 뼈에 힘을 전달할 수 있다. Muscles also transmit force between bones through tendons called tendons. Initially, only muscle characteristics were taken into account, but by Zajak (1989), the characteristics of the tendon were also considered. The gun is attached to bone or cartilage, part of it penetrates the periosteum and is in the bone or cartilage, and the mechanical strength is much greater than the muscle to which it is connected, allowing the force to be transmitted to the bone without being damaged by muscle force.

그리고 도 2에서 보듯이 근육과는 우모각(pennation angle,

Figure 112010084624098-pat00010
)만큼 기울어져 반대쪽 건과 연결될 수 있다. 근육의 길이가 변화되면 우모각도 이에 따라 변화되며 이러한 기하학적 관계는 식 (4)와 같이 표현될 수 있다.And as shown in Figure 2 and the muscles (pennation angle,
Figure 112010084624098-pat00010
Tilt by) to connect to the opposite gun. As the length of the muscle changes, the right angle also changes accordingly, and this geometric relationship can be expressed as shown in Eq. (4).

Figure 112010084624098-pat00011
Figure 112010084624098-pat00011

여기서

Figure 112010084624098-pat00012
는 근육의 길이가
Figure 112010084624098-pat00013
일 때의 우모각이다. 건도 근육의 수동적인 요소의 특성과 같이 건의 길이가 건의 슬랙 길이(tendon slack length,
Figure 112010084624098-pat00014
)보다 클 경우에만 근력을 뼈(골)에 전달할 수 있으며 그 관계는 다음 식 (5) 및 식 (6)으로 주어질 수 있다.here
Figure 112010084624098-pat00012
Is the length of the muscle
Figure 112010084624098-pat00013
It is right angle when. Like the characteristics of the passive elements of the tendon muscle, the length of the gun is the tendon slack length,
Figure 112010084624098-pat00014
Only if greater than) can transfer strength to the bone (bone) and the relationship can be given by the following equation (5) and (6).

Figure 112010084624098-pat00015
Figure 112010084624098-pat00015

Figure 112010084624098-pat00016
Figure 112010084624098-pat00016

식 (5) 및 (6)에서 ε는 건의 변형률(strain)을 나타내며, 건의 힘과 길이의 관계를 무차원화된 힘과 변형률의 관계로 도 4에 도시되어 있다. 앞서 건의 기계적인 강도는 근육의 그것보다 크다고 언급 하였는데 도 4를 참조하면 좀더 자세하게 알 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 근육에서 생성 가능한 최대 근력일 때 건의 변형률은 약 3.3%이며, 최대 강도는 근육의 최대 힘보다 약 3.5배 정도 강하며 이 때의 변형률은 약 10%이다. 그리고 그 이상의 힘이 전달되면 건은 파괴될 수 있다.In equations (5) and (6), ε represents the strain of the gun, and the relationship between the force and the length of the gun is shown in FIG. 4 as the relationship between the dimensionless force and the strain. We mentioned earlier that the mechanical strength of the gun is greater than that of the muscle, but with reference to Figure 4 it can be seen in more detail. As shown in FIG. 4, the maximum strain produced by the muscle is about 3.3%, the maximum strength is about 3.5 times stronger than the maximum force of the muscle, and the strain is about 10%. And if more force is transmitted, the gun can be destroyed.

한편, 근육이 수축 또는 신장될 때 각각의 방향으로 일정한 속도로 운동을 하게 된다면 이때 근육에서 생성되는 힘은 정적인 상태에서 낼 수 있는 힘과는 다르게 될 것이다. 이러한 동적인 상태에서 근육이 건을 통하여 뼈에 전달하는 힘은 정적인 상태에서의 그것과 비교해볼 때, 도 5와 같이 수축운동(concentric contraction)에서는 작아지게 되며 확장운동(eccentric contraction)에서는 커지게 된다. 이러한 효과는 식 (7)에서 f(v)로 표현되며 도 5에 도시되어 있다. 근의 수축 운동시 속도가 증가하면서 힘이 줄어드는 것은 두 가지 이유 때문이다. 가장 중요한 첫째 이유는 수축 요소 내에서 액틴과 미오신 사이의 연결교 결합이 깨지면서 수축되는 상태의 새로운 결합으로 바뀌는 과정에서 힘을 잃게 된다는 것과 두 번째 이유는 수축 요소와 결체 조직의 유체점성(fluid viscosity) 때문이라는 해석이다. 또한 확장운동은 무거운 물체를 들고 있을 때 무게를 견디지 못하고 물체를 내려놓는 것으로 설명할 수 있다. 즉 수축을 하려고 하나 외부의 힘에 의해 확장되는 경우를 말한다. 도 5의 확장운동(eccentric contraction) 부분을 보면 이때 외부의 힘이 크면 확장되는 속도는 크며 작으면 확장되는 속도 또한 작은 것을 알 수 있다. 이러한 근육의 특성은 다음 식 (7)과 같이 결정될 수 있다.On the other hand, if the muscles are contracted or stretched at a constant speed in each direction, the force generated in the muscles will be different from the forces that can be produced in the static state. In this dynamic state, the force transmitted by the muscles to the bone through the gun becomes smaller in the concentric contraction and larger in the eccentric contraction, as compared to that in the static state. do. This effect is represented by f (v) in equation (7) and shown in FIG. There are two reasons why the force decreases as the speed increases during muscle contraction. The first and most important reason is that the linkage linkage between actin and myosin in the contraction element is broken and lost in the process of being replaced with a new contraction state, and the second reason is the fluid viscosity of the contraction element and the connective tissue. It is because of the interpretation. In addition, the expansion movement can be explained by putting down an object without carrying weight when carrying a heavy object. In other words, it tries to contract but is expanded by external force. Looking at the eccentric contraction portion of Figure 5 it can be seen that when the external force is large, the expansion speed is large and if the expansion speed is small, the expansion speed is also small. The characteristics of these muscles can be determined by the following equation (7).

Figure 112010084624098-pat00017
Figure 112010084624098-pat00017

식 (7)에서 v는 근육의 운동속도이며 양의 값은 근이 수축할 때를 나타낸다. 그리고,

Figure 112010084624098-pat00018
는 f(v)를 결정짓는 파라미터들이다. 본 발명에서는 등척(isomectric) 수의근 최대 수축(maximum voluntary contraction, 이하 MVC) 운동상태에 한하여 설명하므로 f(v)의 값은 a(t) 값과 함께 1이 될 수 있다.In Eq. (7), v is the speed of movement of the muscle and a positive value represents when the muscle contracts. And,
Figure 112010084624098-pat00018
Are parameters that determine f (v). In the present invention, only the maximum voluntary contraction (MVC) state of motion of the isotctric voluntary muscle is described. Therefore, the value of f (v) may be 1 together with the a (t) value.

결과적으로 지금까지 논의된 결과를 종합하면 건을 통하여 뼈에 작용하는 힘, Ft를 다음 식 (8)과 같이 유도할 수 있다.As a result, combining the results discussed so far, the force acting on the bone through the gun, F t , can be derived as shown in Equation (8).

Figure 112010084624098-pat00019
Figure 112010084624098-pat00019

근육의 특성은

Figure 112010084624098-pat00020
의 4개 파라미터들에 의하여 결정될 수 있다. 이들 파라미터들의 값은 유전적 또는 신체적인 차이로 인하여 개인마다 서로 다를 수 있다. 델프(Delp)는 1990년 이전까지 여러 학자들에 의하여 실험되거나 측정되어 보고된 자료들을 참조하여 젊은 사체를 기준으로 위의 파라미터를 정리하였다.Muscle characteristics
Figure 112010084624098-pat00020
It can be determined by four parameters of. The values of these parameters may differ from person to person due to genetic or physical differences. Delp summarized the above parameters on the basis of young carcasses with reference to data that have been tested or measured by scholars before 1990.

또한, 식 (5)에서 관절의 각 변화에 따른 근육-건의 길이,

Figure 112010084624098-pat00021
가 알려져 있다면 이 식은
Figure 112010084624098-pat00022
만의 함수가 되기 때문에 건을 통하여 골에 작용하는 힘, Ft는 수치해석적으로 결정될 수 있다.In addition, the length of the muscle- tendon according to each change of the joint in equation (5),
Figure 112010084624098-pat00021
If is known, this expression
Figure 112010084624098-pat00022
Since it is a function of Gulf, the force acting on the goal through the gun, F t , can be determined numerically.

Figure 112010084624098-pat00023
에 대해서는 사체를 해부하여 관절의 회전 각도를 조절하면서 실험한 사례들이 여러 차례 보고되어 왔지만 본 발명에서는 메네갈도 (L.L.Menegaldo(2004))등에 의한 연구 결과를 사용하기로 한다. 이들은 델프 등에 의해 개발된 3차원 근골격계 운동해석 소프트웨어인 에스아이엠엠(SIMM: Software for Interactive Musculoskeletal Modeling, MusculoGraphics Inc.)을 이용하여 하지부 운동에 관여하는 모든 근육에 대하여 근육-건의 길이 등을 각 관절의 회전 각도에 대한 함수로 표현할 수 있다.
Figure 112010084624098-pat00023
For example, many cases have been reported while dissecting a carcass and adjusting a rotation angle of a joint, but in the present invention, the result of the research by Menegaldo (LLMenegaldo (2004)) will be used. They used the software for Interactive Musculoskeletal Modeling (SIMM), a 3D musculoskeletal exercise analysis software developed by Delf et al. It can be expressed as a function of the rotation angle of.

Vi근을 예로 들면, Vi근은 도 1과 같이 무릎관절(

Figure 112010084624098-pat00024
)의 회전각도에 대한 함수로 표현될 수 있다. 다시 말해서 Vi근육의 근육-건 길이인
Figure 112010084624098-pat00025
는 미터(meter) 단위로 다음 식 (9)와 같이 표현되며 변화되는 값은 도 6에 도시되어 있다.For example, the Vi muscle as shown in Figure 1 is a knee joint (
Figure 112010084624098-pat00024
It can be expressed as a function of the rotation angle of. In other words, the muscle-to-length of Vi muscle
Figure 112010084624098-pat00025
Is expressed in the following formula (9) in meters, and the changed value is shown in FIG. 6.

Figure 112010084624098-pat00026
Figure 112010084624098-pat00026

식 (9)에서

Figure 112010084624098-pat00027
는 무릎 관절의 회전각(deg)이며 0도에 가까울수록 무릎은 펴진 상태이며, 120도로 가면서 무릎 관절은 굽혀지는 것을 나타낸다.In equation (9)
Figure 112010084624098-pat00027
Is the rotational angle (deg) of the knee joint and the closer to 0 degrees the knee is in a stretched state, and the knee joint is bent while going to 120 degrees.

본 발명에서는 도 1의 (c)에서와 같이 정강이(Shank)와 허벅지(Thigh)의 움직임에 의해 무릎뼈(patella)가 받는 구속력 중 각각 수평성분 합의 음의 값을 무릎뼈(patella)를 누르는 힘(compressive force)으로 정의하며, 사람마다 다른 최대 등척근력(isometric maximum muscle force)인

Figure 112010084624098-pat00028
에 대한 관심 응답의 민감도를 유한 차분법(Finite Difference Method)으로 해석할 수 있다.In the present invention, as shown in (c) of Figure 1 (c) the force of pressing the patella to the negative value of the sum of the horizontal component of the restraining force received by the patella (patella) by the movement of the shank and thigh (Thigh), respectively defined as the compressive force, which is the maximum isometric muscle force
Figure 112010084624098-pat00028
The sensitivity of the response of interest to can be interpreted by the finite difference method.

도 7은 인체 하지부 모델의 초기 자세(도 7의 (a) 참조)와 하지부의 운동시 정강이(shank)와 허벅지(thigh)의 움직임으로 인해 무릎뼈에 미치는 구속력을 각각 FS와 FT로 나타낸 것이다.7 shows the initial posture of the lower extremity model of the human body (see FIG. 7 (a)) and the restraint force on the knee bone due to the shank and thigh movement during lower extremity movement as F S and F T , respectively. It is shown.

도 8의 (a)는 도 7의 (b)에 도시한 모션으로 1초간 해석하고 그에 대한 구속력의 변화를 나타낸 그래프이다. 이에 대하여 도 7의 (c)에 나타낸 바와 같이 FT와 FS의 수평 성분의 합을 무릎뼈를 누르는 힘(compressive force)로 정의하며 그에 대한 결과를 도 8의 (b)에 도시하며, 무릎뼈를 누르는 힘을 관심응답, Y=FP로 설정한다.(A) of FIG. 8 is a graph which analyzes for one second with the motion shown to (b) of FIG. 7, and shows the change of restraint force with respect to it. On the other hand, as shown in (c) of FIG. 7, the sum of the horizontal components of F T and F S is defined as the compressive force of the knee bone, and the result thereof is shown in FIG. Set the bone pressure to respond to interest, Y = F P.

한편, 최대등척근력(

Figure 112010084624098-pat00029
)은 사람마다 다르기 때문에 본 발명에 따른 해석 결과에 대한 신뢰성을 높이기 위해서 본 발명에서는 통계 방법론을 사용한다. On the other hand, maximum isometric muscle strength (
Figure 112010084624098-pat00029
) Varies from person to person, so the present invention uses statistical methodology to increase the reliability of the analysis results.

확률변수의 모집단이 정규분포를 따른다고 가정하고 설계변수와 시스템 성능이 식(10)과 같이 표현된다면 확률변수의 평균과 분산 및 관심응답에 대한 확률변수의 민감도 정보를 이용하여 시스템 성능의 평균과 분산은 각각 식(11)과(12)을 통해 얻을 수 있다.Assuming that the population of random variables follows a normal distribution, and the design variables and system performance are expressed as in Eq. (10), the average of the system performance is calculated using the sensitivity information of the random variables for the mean and variance and the response of the random variable. Dispersion can be obtained through equations (11) and (12), respectively.

Figure 112010084624098-pat00030
Figure 112010084624098-pat00030

Figure 112010084624098-pat00031
Figure 112010084624098-pat00031

Figure 112010084624098-pat00032
Figure 112010084624098-pat00032

여기서, Y는 앞에서 정의한 관심응답(compressive force, 무릎뼈를 누르는 힘)을 나타내며 bi는 확률변수를 나타낸다. 평균을 구하기 위한 식 (11)에서

Figure 112010084624098-pat00033
는 확률변수의 평균을 나타내며 E(Y)는 관심응답의 평균을 나타낸다. 그리고, Var(Y)는 관심응답의 분산이며 이것은 확률변수의 분산 Var(bi)와 관심응답에 대한 확률변수의 민감도를 이용하여 식 (12)를 통해 얻을 수 있다.Here, Y represents the compressive force defined above, and b i represents the random variable. In equation (11) to find the mean
Figure 112010084624098-pat00033
Represents the mean of the random variable and E (Y) represents the mean of the response of interest. Var (Y) is the variance of the response of interest, which can be obtained through Eq. (12) using the variance Var (b i ) of the random variable and the sensitivity of the random variable for the response of interest.

위의 방법을 이용하면 설계변수 모집단의 통계적 분포를 알고 있을 때, 관심응답의 평균과 분산을 구할 수 있다. 본 발명에서는 확률 변수로서 유전적 또는 신체적으로 개인마다 다른 최대 등척 근력(isometric maximum muscle force,

Figure 112010084624098-pat00034
)으로 설정하였으며, 델프(Delp)의 자료를 이들 모집단의 평균으로 가정하였다. 또한 모집단의 특성은 평균에서 20%의 표준편차를 갖는 정규분포로 가정하였다. 이러한 가정으로부터 구속력의 불확실성 구간 추정이 가능한데, 이유는
Figure 112010084624098-pat00035
와 같은 인체 해부학적인 데이터를 정확하게 측정하기가 어렵고, 정확하게 측정이 가능하더라도 모집단 전체를 대상으로 실험하기는 불가능하기 때문이다. Using the above method, we can find the mean and variance of the responses of interest when we know the statistical distribution of the design variable population. In the present invention, as the random variable, isometric maximum muscle force, which is genetically or physically different from individual to individual,
Figure 112010084624098-pat00034
) And the data from Delp was assumed as the mean of these populations. The population characteristics were also assumed to be normal distributions with a standard deviation of 20% from the mean. From this assumption, it is possible to estimate the uncertainty interval of the binding force because
Figure 112010084624098-pat00035
This is because it is difficult to accurately measure human anatomical data, and even if accurate measurement is possible, it is impossible to test the entire population.

본 발명에서는 위와 같은 특성을 가진 최대 등척 근력,

Figure 112010084624098-pat00036
의 모집단을 10000개를 생성하고 임의로 100의 샘플을 추출하여 구속력의 불확실성 구간을 추정한다. 추출된 샘플의 평균과 표준편차를 각각
Figure 112010084624098-pat00037
라고 한다면, 식 (11)과 식 (12)는 다음 식 (13) 및 (14)와 같이 수정될 수 있다.In the present invention, maximum isometric muscle strength having the above characteristics,
Figure 112010084624098-pat00036
Create a population of 10,000 and randomly sample 100 to estimate the uncertainty interval of the binding force. The mean and standard deviation of the extracted samples
Figure 112010084624098-pat00037
Equation (11) and Equation (12) can be modified as in the following Equations (13) and (14).

Figure 112010084624098-pat00038
Figure 112010084624098-pat00038

Figure 112010084624098-pat00039
Figure 112010084624098-pat00039

여기서,

Figure 112010084624098-pat00040
Figure 112010084624098-pat00041
는 관심응답의 유사통계량(Pseudo statistics)으로 각각 관심응답의 평균과 표준 편차의 근사값을 나타낸다. 한편 구간추정에서 100(1-α)%의 신뢰도를 가진 평균과 분산의 신뢰구간은 다음 식 (15) 및 (16)과 같이 구할 수 있다.here,
Figure 112010084624098-pat00040
Wow
Figure 112010084624098-pat00041
Pseudo statistics show the approximation of the mean and standard deviation of the responses of interest. In the interval estimation, the confidence intervals of the mean and the variance having the reliability of 100 (1-α)% can be obtained as shown in the following equations (15) and (16).

Figure 112010084624098-pat00042
Figure 112010084624098-pat00042

Figure 112010084624098-pat00043
Figure 112010084624098-pat00043

여기서, μ와 σ2은 예측하고자 하는 관심응답의 평균과 분산이고,

Figure 112010084624098-pat00044
와 s2은 추출된 샘플의 평균과 분산이다. 그리고, n은 샘플의 크기이며
Figure 112010084624098-pat00045
는 Student t 분포,
Figure 112010084624098-pat00046
은 자유도가 n-1인 카이제곱 분포를 나타낸다.Where μ and σ 2 are the mean and variance of the responses of interest to be predicted,
Figure 112010084624098-pat00044
And s 2 are the mean and variance of the extracted samples. And n is the size of the sample
Figure 112010084624098-pat00045
Is the Student t distribution,
Figure 112010084624098-pat00046
Represents a chi-square distribution with n-1 degrees of freedom.

한편, 샘플을 추출할 때 마다 샘플의 통계적 특성은 다를 것 인데 마찬가지로 추정된 상한 값과 하한 값도 다를 것이다. 이것은 신뢰도와 관련된 것이며 이는 추출된 샘플의 특성으로 해석한 관심응답의 평균과 분산이 모집단의 특성으로 해석한 관심응답의 평균과 분산을 포함활 확률이 100(1-α)%라는 의미이다.On the other hand, each time a sample is taken, the statistical properties of the sample will be different, as will the estimated upper and lower limits. This is related to the reliability, which means that the mean and variance of the responses of interest interpreted as the characteristics of the sample extracted are 100 (1-α)% including the mean and variance of the responses of interest interpreted as the characteristics of the population.

지금까지의 과정을 다시 정리하면 먼저 시스템 설계변수의 표본으로부터 통계량(평균, 분산)을 구하고 식(13)과 식(14)를 이용하여 시스템 성능의 유사통계량을 도출한다. 마지막으로 구간추정을 적용하여 시스템 성능의 통계적 분포를 예측한다. To recapitulate the process so far, first obtain the statistics (average, variance) from a sample of system design variables, and use the equations (13) and (14) to derive similar statistics of system performance. Finally, interval estimation is applied to predict the statistical distribution of system performance.

본 발명에서는 무릎 관절의 각도 θ를 초기 120도에서 1초간 무릎 관절이 펴지면서 정강이(shank)의 각도가 80도가 되도록 모션을 주어 해석하였다. 도 9는 근력에 대한 관심응답의 민감도 변화로서, Vi근의 최대 등척 근력(isometric maximum muscle force,

Figure 112010084624098-pat00047
)이 관심응답 해석시 가장 민감하게 작용한다는 것을 알 수 있다. 또한 무릎 관절의 각도에 따라서도 Vi근의 민감도는 변하는데 무릎관절의 각도가 가장 큰 초기위치에서 가장 크며 관절의 각도가 작아질수록 작아짐을 볼 수 있다. 또한 Gas근과 Bif근은 본 발명의 해석 모델에서 중력에 저항하는 힘이 아니므로 그의 민감도는 0에 가깝다고 할 수 있다.In the present invention, the angle θ of the knee joint is interpreted by giving motion such that the angle of the shank is 80 degrees while the knee joint is stretched for 1 second at an initial 120 degrees. 9 is a change in the sensitivity of the response of interest to muscle strength, the isometric maximum muscle force of the Vi muscle,
Figure 112010084624098-pat00047
) Is the most sensitive in interpreting the response of interest. In addition, the sensitivity of the Vi muscle changes according to the angle of the knee joint. The angle of the knee joint is the largest at the initial position, and the smaller the joint angle, the smaller the joint angle. In addition, since the Gas and Bif roots are not forces that resist gravity in the analytical model of the present invention, their sensitivity is close to zero.

그리고 도 10의 (a) 및 (b)는 각각 식(15)와 식(16)에 의해 모집단의 샘플을 이용하여 모집단의 평균응답 평균응답과 표준편차를 추정한 그래프이다. 각각의 그래프에서 일점쇄선과 점선은 관심응답의 상한과 하한을 추정한 그래프이며 중간에 위치한 실선은 모집단의 평균으로 가정한 델프(Delp)의 데이터로 해석한 그래프이다. 10 (a) and 10 (b) are graphs for estimating the mean response mean and standard deviation of the population using the sample of the population by Equation (15) and Equation (16), respectively. In each graph, the dashed line and the dotted line are graphs for estimating the upper and lower limits of the response of interest, and the solid line in the middle is a graph interpreted by the data of Delp assuming the average of the population.

평균과 표준편차를 추정한 도 10의 (a) 및 (b) 그래프 모두 모집단의 평균과 표준편차를 포함하고 있으며 추정 구간의 크기는 민감도해석의 경향에 맞추어 무릎관절의 각도가 작아질수록 즉, 무릎이 펴질수록 작아짐을 알 수 있으며 무릎뼈(patella)를 누르는 힘으로 정의한 관심응답 역시 무릎관절의 각도가 작아질수록 크기 또한 작아짐을 알 수 있다.The graphs of (a) and (b) of FIG. 10 in which the mean and the standard deviation are estimated include the mean and the standard deviation of the population, and the size of the estimated interval is smaller as the angle of the knee joint decreases according to the trend of sensitivity analysis. It can be seen that the more the knee is stretched, the smaller the response of interest defined by the force of pressing the patella is also smaller as the angle of the knee joint decreases.

상기에서 설명한 내용을 정리하여 본 발명에 따른 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법을 정리하면 다음과 같다.In summary, the method of estimating the uncertainty of the lower body restraint force using the multibody model and the statistical methodology according to the present invention is summarized as follows.

본 발명에 따른 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법은, 인체의 하지부를 다물체 모델로 모델링하는 단계, 인체 하지부 운동시 발생하는 무릎 관절의 구속력을 해석하는 단계 및 통계 방법론을 이용하여 구속력의 불확실성 구간을 해석하는 단계를 포함할 수 있다.The uncertainty estimation method of the lower body restraint force using the multibody modeling and statistical methodology according to the present invention includes the steps of modeling the lower body part of the human body as a multibody model, analyzing the restraint force of the knee joint generated during the lower body part exercise; Interpreting the uncertainty interval of the binding force using statistical methodology.

여기서, 인체의 하지부를 다물체 모델로 모델링하는 단계는 시상면(saggital plane)에서 3개의 링크와 핀 조인트로 연결된 다물체 시스템으로 모델링할 수 있다.Here, the step of modeling the lower body part of the human body as a multi-body model may be modeled as a multi-body system connected with three links and pin joints in the sagittal plane.

또한, 인체의 하지부를 다물체 모델로 모델링하는 단계는 상기 링크와 상기 조인트에 질량이 무시되는 무릎뼈를 추가하고, 근육-건의 축방향 힘(axial force)의 작용선을 포함하여 나타낼 수 있다.In addition, the modeling of the lower body of the human body with a multibody model may be performed by adding a knee bone in which mass is ignored to the link and the joint, and including a line of action of the axial force of the muscle-gun.

상기 모델링하는 단계에서 상기 작용선은 인체 하지부의 운동시 무릎 관절에 영향을 미치는 근육으로 선택하고, 상기 선택된 근육은 대퇴직근, 중앙광근, 비복근 또는 대퇴이두근으로 할 수 있다.In the modeling step, the action line may be selected as a muscle affecting the knee joint during exercise of the lower limb of the human body, and the selected muscle may be the femoral rectus muscle, the central optical muscle, the gastrocnemius muscle, or the biceps femur.

한편, 상기 모델링하는 단계는 에스아이엠엠(SIMM:Software for Interactive Musculoskeletal Modeling)을 이용하여 근육-건의 위치를 정의할 수 있으며, 상기 구속력을 해석하는 단계는 하지부 모델의 물성치는 해부학적 데이터를 바탕으로 하고 회귀방정식을 사용하여 구할 수 있다.On the other hand, the modeling step may be used to define the position of the muscle-gun using the software for Interactive Musculoskeletal Modeling (SIMM), the step of analyzing the restraint is based on the anatomical data of the physical properties of the lower extremity model It can be obtained by using the regression equation.

상기 구속력을 해석하는 단계에서는 3차원 근골격계 운동해석 프로그램인 상기 에스아이엠엠(SIMM)을 이용하여 인체의 하지부 운동에 관여하는 모든 근육에 대하여 근육-건의 길이를 각 관절의 회전 각도에 대한 함수로 표현할 수 있다.In the step of interpreting the restraining force, the length of the muscle-key is a function of the rotation angle of each joint for all the muscles involved in the lower extremity of the human body using the 3D musculoskeletal motion analysis program (SIMM). I can express it.

상기 구속력을 해석하는 단계는 근육-건 액츄에이터(musculo-tendon actuator)를 인체의 하지부 근력에 적용할 수 있다. 근육-건 액츄에이터를 인체의 하지부 근력에 적용하는 경우에, 근육 활성도, a(t)의 개념을 이용하여 최적화 구성을 통하여 원하는 위치에 따른 근육의 힘을 찾고 그 힘을 모델에 적용하여 선형화를 수행하고 고유진동을 해석하는 과정을 포함할 수 있다. 즉, 상기 구속력을 해석하는 단계는 근육 활성도의 개념을 이용하여 원하는 위치에 따른 근육의 힘을 찾고, 상기 힘을 모델에 적용하여 선형화를 수행하며 고유진동을 해석할 수 있다.The step of analyzing the restraining force may be applied to the muscles of the lower extremities of the human body. In the case of applying the muscle-gun actuator to the muscles of the lower extremities of the human body, the concept of muscle activity, a (t) is used to find the force of the muscle according to the desired position through the optimization configuration, and apply the force to the model to perform linearization. This may involve performing and interpreting natural vibrations. That is, in the step of analyzing the restraining force, the muscle force according to the desired position can be found by using the concept of muscle activity, the force can be applied to the model, and the natural vibration can be analyzed.

또한, 상기 불확실성 구간을 해석하는 단계는 정강이와 허벅지의 움직임에 의해 무릎뼈가 받는 구속력 중 각각 수평성분의 합을 무릎뼈를 누르는 힘으로 정의하고, 상기 무릎뼈를 누르는 힘을 관심 응답으로 설정할 수 있다.In addition, the step of interpreting the uncertainty interval may be defined as the sum of the horizontal component of the restraining force received by the knee bone by the movement of the shin and thigh as the force to press the knee bone, and the force to press the knee bone as the response of interest have.

여기서, 상기 불확실성 구간을 해석하는 단계는 유전적 또는 신체적으로 개인마다 다른 최대 등척 근력을 확률 변수로 설정한다.Here, in the step of interpreting the uncertainty interval, the maximum isometric muscle force, which is genetically or physically different for each individual, is set as a random variable.

상기 불확실성 구간을 해석하는 단계는 상기 최대 등척 근력의 모집단의 특성은 평균에서 20%의 표준편차를 갖는 정규분포로 가정하고, 상기 최대 등척 근력의 모집단에서 임의의 샘플을 추출하여 구속력의 불확실성 구간을 추정한다.The step of interpreting the uncertainty interval assumes that the characteristic of the population of maximum isometric muscles is a normal distribution having a standard deviation of 20% from the mean, and extracts an arbitrary sample from the population of the maximum isometric muscles to determine the uncertainty interval of the constraint force. Estimate.

또한, 상기 불확실성 구간을 해석하는 단계는 상기 관심응답의 유사통계량을 도출하며, 이 때 상기 유사통계량은 상기 관심응답의 평균과 표준편차의 근사값으로 할 수 있다.In addition, the step of interpreting the uncertainty interval may derive the similar statistics of the response of interest, wherein the similar statistics may be an approximation of the mean and standard deviation of the response of interest.

상기 불확실성 구간을 해석하는 단계에서 상기 관심응답의 상한 및 하한에 상기 모집단의 평균 및 표준편차가 포함될 수 있도록 불확실성 구간을 추정할 수 있다.In the step of interpreting the uncertainty interval, the uncertainty interval may be estimated to include the mean and standard deviation of the population in the upper and lower limits of the response of interest.

이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

Rf: 대퇴직근 Vi: 중앙광근
Bif: 대퇴이두근 Gas: 비복근
FT: 허벅지의 움직임으로 인해 무릎뼈에 미치는 구속력
FS: 정강이의 움직임으로 인해 무릎뼈에 미치는 구속력
FP: FT와 FS의 수평 성분의 합
Ft: 건을 통해 뼈에 전달되는 힘
lm: 건의 길이
Rf: Femoral Muscles Vi: Central muscle
Bif: Biceps Gas: Gastrocnemius
F T : restraint on knee bone due to thigh movement
F S : restraint on knee bones due to shin movement
F P : Sum of horizontal components of F T and F S
F t : Force transmitted to the bone through the gun
l m : Length of the gun

Claims (15)

인체의 하지부를 다물체 모델로 모델링하는 단계;
인체 하지부 운동시 발생하는 무릎 관절의 구속력을 해석하는 단계; 및
통계 방법론을 이용하여 구속력의 불확실성 구간을 해석하는 단계;를 포함하며,
상기 불확실성 구간을 해석하는 단계에서는,
상기 하지부의 운동시 정강이와 허벅지의 움직임으로 인해 무릎뼈에 미치는 구속력 중 각각의 수평성분의 합을 무릎뼈를 누르는 힘으로 정의하고, 상기 무릎뼈를 누르는 힘을 관심응답으로 설정하며, 확률변수로 설정된 최대 등척 근력의 모집단에서 임의의 샘플을 추출하여 상기 구속력의 불확실성 구간을 추정하고, 상기 관심응답의 평균 및 분산의 신뢰구간은 각각 다음의 수학식과 같이 구해지는 것을 특징으로 하는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법.
Figure 112012056433031-pat00058

Figure 112012056433031-pat00059

여기서, μ와 σ2은 예측하고자 하는 상기 관심응답의 평균과 분산이고,
Figure 112012056433031-pat00060
와 s2은 추출된 샘플의 평균과 분산이며, n은 샘플의 크기이고,
Figure 112012056433031-pat00061
는 Student t 분포이며,
Figure 112012056433031-pat00062
은 자유도가 n-1인 카이제곱 분포이다.
Modeling the lower limb of the human body with a multibody model;
Analyzing the restraint force of the knee joint that occurs during the lower body movement; And
Interpreting the uncertainty interval of the binding force using statistical methodology;
In the step of interpreting the uncertainty interval,
The sum of the horizontal components of the restraint force on the knee bone due to the movement of the shin and the thigh during the movement of the lower leg is defined as the pressing force of the knee bone, and the pressing force of the knee bone is set as an interest response, Multivariate modeling and statistics, wherein a random sample is extracted from the set maximum isometric muscle force, and the uncertainty interval of the constraint force is estimated, and the confidence intervals of the mean and variance of the response of interest are respectively calculated as follows. Uncertainty estimation method of lower limb restraint using methodology.
Figure 112012056433031-pat00058

Figure 112012056433031-pat00059

Where μ and σ 2 are the mean and variance of the response of interest to be predicted,
Figure 112012056433031-pat00060
And s 2 are the mean and variance of the extracted samples, n is the size of the sample,
Figure 112012056433031-pat00061
Is the Student t distribution,
Figure 112012056433031-pat00062
Is the chi-square distribution with n-1 degrees of freedom.
제1항에 있어서,
상기 모델링하는 단계는,
시상면(saggital plane)에서 3개의 링크와 핀 조인트로 연결된 다물체 시스템으로 모델링하는 것을 특징으로 하는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부의 구속력의 불확실성 추정 방법.
The method of claim 1,
The modeling step,
A method for estimating the uncertainty of the restraint of the lower extremities of the human body using multibody modeling and statistical methodology, which is modeled as a multibody system connected by three links and pin joints in a sagittal plane.
제2항에 있어서,
상기 모델링하는 단계는,
상기 링크와 상기 조인트에 질량이 무시되는 무릎뼈를 추가하고, 근육-건의 축방향 힘(axial force)의 작용선을 포함하여 나타내는 것을 특징으로 하는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법.
The method of claim 2,
The modeling step,
Uncertainty of the lower extremity restraint of the human body using multibody modeling and statistical methodology, characterized in that the link and the joint is added to the knee bone, the mass is ignored, including the line of action of the axial force of the muscle-gun Estimation method.
제3항에 있어서,
상기 모델링하는 단계에서,
상기 작용선은 인체 하지부의 운동시 무릎 관절에 영향을 미치는 근육으로 선택하고, 상기 선택된 근육은 대퇴직근, 중앙광근, 비복근 또는 대퇴이두근인 것을 특징으로 하는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법.
The method of claim 3,
In the modeling step,
The action line is selected as the muscle affecting the knee joint during exercise of the lower extremity of the human body, and the selected muscle is the femoral rectus muscle, the central light muscle, the gastrocnemius muscle, or the biceps femur. Uncertainty estimation method.
제4항에 있어서,
상기 모델링하는 단계는,
에스아이엠엠(SIMM:Software for Interactive Musculoskeletal Modeling)을 이용하여 근육-건의 위치를 정의하는 것을 특징으로 하는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법.
The method of claim 4, wherein
The modeling step,
A method for estimating the uncertainty of the lower extremity restraint of the human body using multibody modeling and statistical methodology characterized by defining the position of the muscle-gun using SMMM (Software for Interactive Musculoskeletal Modeling).
제5항에 있어서,
상기 구속력을 해석하는 단계는,
하지부 모델의 물성치는 해부학적 데이터를 바탕으로 하고 회귀방정식을 사용하여 구하는 것을 특징으로 하는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법.
The method of claim 5,
Analyzing the binding force,
Physical properties of the lower extremity model is based on anatomical data and is calculated using a regression equation.
제6항에 있어서,
상기 구속력을 해석하는 단계에서는,
3차원 근골격계 운동해석 프로그램인 상기 에스아이엠엠(SIMM)을 이용하여 인체의 하지부 운동에 관여하는 모든 근육에 대하여 근육-건의 길이를 각 관절의 회전 각도에 대한 함수로 표현하는 것을 특징으로 하는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법.
The method of claim 6,
In the step of analyzing the binding force,
Using the three-dimensional musculoskeletal exercise analysis program (SIMM) for the muscles involved in the lower extremity movement of the human body characterized in that the length of the muscle-gun as a function of the angle of rotation of each joint Uncertainty estimation method of lower body restraint force using object modeling and statistical methodology.
제7항에 있어서,
상기 구속력을 해석하는 단계는,
근육-건 액츄에이터(musculo-tendon actuator)를 인체의 하지부 근력에 적용하는 것을 특징으로 하는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법.
The method of claim 7, wherein
Analyzing the binding force,
A method of estimating the uncertainty of the lower extremity constraint of the human body using multibody modeling and statistical methodology, characterized by applying a muscle-tendon actuator to the lower extremity muscle strength of the human body.
제8항에 있어서,
상기 구속력을 해석하는 단계는,
근육 활성도의 개념을 이용하여 원하는 위치에 따른 근육의 힘을 찾고, 상기 힘을 모델에 적용하여 선형화를 수행하며 고유진동을 해석하는 것을 특징으로 하는 다물체 모델링과 통계 방법론을 이용한 인체 하지부 구속력의 불확실성 추정 방법.
9. The method of claim 8,
Analyzing the binding force,
Finding the strength of muscle according to the desired position using the concept of muscle activity, applying the force to the model, performing linearization and analyzing the natural vibration Uncertainty estimation method.
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