KR20110122150A - Model-based neuromechanical controller for a robotic leg - Google Patents

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KR20110122150A
KR20110122150A KR1020117020233A KR20117020233A KR20110122150A KR 20110122150 A KR20110122150 A KR 20110122150A KR 1020117020233 A KR1020117020233 A KR 1020117020233A KR 20117020233 A KR20117020233 A KR 20117020233A KR 20110122150 A KR20110122150 A KR 20110122150A
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KR
South Korea
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model
muscle
ankle
torque
joint
Prior art date
Application number
KR1020117020233A
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Korean (ko)
Inventor
휴 엠. 허
하르트무트 게이어
마이클 프레데릭 에일렌버그
Original Assignee
메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

하나 이상의 관절를 갖는 로봇 사지를 위한 모델 기반 신경기계 제어기는, 로봇 사지의 상태와 관련되는 피드백 데이터를 수신하고 로봇 사지의 상태를 결정하도록 구성된 유한 상태 기계와, 유한 상태 기계로부터 상태 정보를 수신하고 근육 형상 및 반사 아키텍쳐 정보와 신경근 모델을 이용하여 로봇 사지에 보내질 하나 이상의 원하는 관절 토크 또는 강성 명령을 결정하도록 구성된 근육 모델 프로세서와, 로봇 사지 관절에서 근육 모델 프로세서에 의해 결정된 생체모방 토크 및 강성을 명령하도록 구성된 관절 명령 프로세서를 포함한다. 피드백 데이터는 로봇 사지의 각각의 관절에서 장착된 하나 이상의 센서에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 양호한 실시예에서, 로봇 사지는 다리이고 유한 상태 기계는 레그 보행 사이클에 동기화된다.A model-based neuromachine controller for a robotic limb with one or more joints includes a finite state machine configured to receive feedback data relating to the state of the robotic limb and to determine the state of the robot limb, and receive state information from the finite state machine and the muscles. A muscle model processor configured to determine one or more desired joint torque or stiffness commands to be sent to the robot limb using shape and reflex architecture information and a neuromuscular model, and to command the biomimetic torque and stiffness determined by the muscle model processor at the robotic limb joint. A configured articulation command processor. The feedback data is preferably provided by one or more sensors mounted at each joint of the robot limb. In a preferred embodiment, the robotic limb is a leg and the finite state machine is synchronized to the leg walking cycle.

Description

로봇 다리용의 모델 기반 신경기계 제어기{MODEL-BASED NEUROMECHANICAL CONTROLLER FOR A ROBOTIC LEG}MODEL-BASED NEUROMECHANICAL CONTROLLER FOR A ROBOTIC LEG}

관련 출원Related application

본 출원은 2009년 1월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/148,545호의 이익을 주장하며, 그 모든 개시내용은 본 명세서에 참조로서 통합되어 있다.This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 148,545, filed January 30, 2009, all of which is incorporated herein by reference.

본 출원은 현재는 소멸되었지만 2007년 6월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/934,223호의 이익을 주장하는, 2008년 6월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/157,727호의 부분 연속 출원이고, 아래의 미국 특허 출원 제11/395,448호, 제11/495,140호, 및 제11/642,993호의 부분 연속 출원이며, 그 개시내용은 참조로서 본 명세서에 전체적으로 통합되어 있다.This application is now extinct but in part consecutive application of US patent application Ser. No. 12 / 157,727, filed Jun. 12, 2008, claiming the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 934,223, filed Jun. 12, 2007. And partial serial applications of US Patent Application Nos. 11 / 395,448, 11 / 495,140, and 11 / 642,993, the disclosures of which are incorporated herein by reference in their entirety.

또한, 본 출원은 지금은 소멸되었지만 2005년 12월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제60/751,680호의 이익을 주장하는 현재는 포기된 2006년 12월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/642,993호의 연속 출원인 2009년 10월 29일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/608,627호의 부분 연속 출원이고, 아래의 미국 특허 출원 제11/395,448호, 제11/495,140호, 및 제11/600,291호와, 지금은 소멸되었지만 2005년 8월 4일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제60/705,651호의 출원일의 이익을 주장하는 미국 특허 출원 제11/499,853호(현재는 미국 특허 번호 제7,313,463호)의 부분 연속 출원이며, 아래의 미국 특허 출원 제11/395,448호의 부분 연속 출원이고, 그 전체 개시내용은 본 명세서에 참조로서 전체적으로 통합되어 있다.In addition, US patent application Ser. No. 11 / 642,993, filed Dec. 19, 2006, which is now extinct but now disclaims the claim of US patent application 60 / 751,680, filed December 19, 2005. US Patent Application Nos. 12 / 608,627, filed Oct. 29, 2009, which is the serial application of US Patent Application Nos. 11 / 395,448, 11 / 495,140, and 11 / 600,291, Partial continuation of US Patent Application No. 11 / 499,853 (currently US Patent No. 7,313,463), which is now extinguished but claims the benefit of the filing date of US Provisional Patent Application No. 60 / 705,651, filed August 4, 2005. Application, which is a partial serial application of US Patent Application Ser. No. 11 / 395,448, below, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.

또한, 본 출원은 Hugh M. Herr, Daniel Joseph Paluska 및 Peter Dilworth에 의해 2006년 3월 31일자로 "작동기, 스프링 및 가변 댐퍼 요소를 채용하는 사람의 인공 수족 및 관절(Artificial human limbs and joints employing actuators, springs, and Variable-Damper Elements)"라는 발명의 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제11/395,448호의 부분 연속 출원이고, 미국 특허 출원 제11/395,448호는 지금은 소멸되었지만 2005년 3월 31일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/666,876호의 출원일의 이익과, 지금은 소멸되었지만 2005년 8월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/704,517호의 출원일의 이익을 주장한다.The application is also filed on March 31, 2006 by Hugh M. Herr, Daniel Joseph Paluska and Peter Dilworth, "Artificial human limbs and joints employing actuators employing actuators, springs and variable damper elements. , springs, and Variable-Damper Elements), a partial continuation of US patent application Ser. No. 11 / 395,448, filed under the name of the invention, and US patent application Ser. No. 11 / 395,448, which is now extinguished, Claim the benefit of the filing date of U.S. Provisional Patent Application 60 / 666,876 and the filing date of U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 704,517, filed August 1, 2005, which is now extinguished.

또한, 본 출원은 Hugh M. Herr, Samuel K. Au, Peter Dilworth 및 Daniel Joseph Paluska에 의해 2006년 7월 29일자로 "스프링, 가변 댐핑 및 일련의 탄성 작동기 구성요소를 구비하는 인공 발목-발 시스템(An Artificial Ankle-Foot System with Spring, Variable- Damping, and Series-Elastic Actuator Components)"이라는 발명의 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제11/495,140호의 부분 연속 출원이다.In addition, this application was issued on July 29, 2006 by Hugh M. Herr, Samuel K. Au, Peter Dilworth, and Daniel Joseph Paluska, "Ankle-foot system with spring, variable damping and a series of elastic actuator components. (An Artificial Ankle-Foot System with Spring, Variable- Damping, and Series-Elastic Actuator Components) is a partial serial application of US patent application Ser. No. 11 / 495,140 filed.

미국 특허 출원 제11/495,140호는 지금은 소멸되었지만 2005년 8월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/704,517호의 출원일의 이익을 주장하며, 또한 미국 특허 출원 제11/395,448호의 부분 연속 출원이다. 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, which is now extinguished but filed August 1, 2005, and also a partial consecutive application of U.S. Patent Application No. 11 / 395,448. to be.

또한, 본 출원은 Hugh M. Herr, Conor Walsh, Daniel Joseph Paluska, Andrew Valiente, Kenneth Pasch, 및 William Grand에 의해 2006년 11월 15일자로 "주행 및 보행용 외골격(Exoskeletons for running and walking)"이라는 발명의 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제11/600,291호의 부분 연속 출원이다. 미국 특허 출원 제11/600,291호는 지금은 소멸되었지만 2005년 11월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/736,929호의 출원일의 이익을 주장하고, 미국 특허 출원 제11/395,448호, 제11/499,853호, 및 제11/495,140호의 부분 연속 출원이다. The application is also filed November 15, 2006 by Hugh M. Herr, Conor Walsh, Daniel Joseph Paluska, Andrew Valiente, Kenneth Pasch, and William Grand, entitled "Exoskeletons for running and walking." US Patent Application No. 11 / 600,291 filed under the name of the invention. 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 November 15, 2005, but now extinguished, and U.S. Patent Application Nos. 11 / 395,448, 11 / 499,853, and 11 / 495,140.

본 발명은 전술한 특허 출원 각각의 출원일의 이익을 주장하고, 본 명세서에는 전술한 각각의 특허 출원의 개시내용이 참조로서 통합되어 있다.The present invention claims the benefit of the filing date of each of the aforementioned patent applications, and the disclosure of each of the aforementioned patent applications is incorporated herein by reference.

정부에서 지원된 연구 또는 개발에 대한 언급Reference to government-funded research or development

본 발명은 미합중국 재향군인 관리국에 의해 인가된 허가 번호 VA241-P-0026 하에 미국 정부 지원으로 제조되었다. 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리를 갖고 있다.The present invention was made with US government support under license number VA241-P-0026, licensed by the United States Veterans Administration. The government has certain rights in the invention.

기술 분야Technical field

본 발명은 보철, 교정, 외골격, 또는 로봇 장치에 사용하기 위한 인공 관절 및 사지의 제어에 관한 것으로서, 특히 운동의 신경근 모델에 기초한 로봇 다리를 위한 제어 방법론의 제어에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the control of artificial joints and limbs for use in prosthetics, correction, exoskeleton, or robotic devices, and in particular to control of control methodologies for robotic legs based on neuromuscular models of motion.

동물과 사람의 다리 운동은 복잡한 신경 네트워크에 의해 제어된다. 20세기 초기에 제안되었고[Brown, T. G., 1914, 신경 센터의 기초적 활동의 특성에 있어서, 연속적인 규칙적인 활동의 상태의 분석과 함께, 신경 시스템의 기능의 진화 이론(On the nature of the fundamental activity of the nervous centres; together with an analysis of the conditioning of rhythmic activity in progression, and a theory of the evolution of function in the nervous system)(J Physiol 48 (1), 18-46)], 오늘날 확고하게 확립된 [Orlovsky, G., Deliagina, T., Grillner, S., 1999, 연체동물부터 사람까지 운동의 뉴런 제어(Neuronal control of locomotion: from mollusc to man)(Oxford University Press, New York)], 중추 패턴 생성기(CPG)가 이 네트워크의 기초를 형성한다.Animal and human leg movements are controlled by complex neural networks. It was proposed in the early 20th century [Brown, TG, 1914, On the nature of the fundamental activity, with the analysis of the state of continuous regular activity in the characterization of the basic activity of the nerve center. of the nervous centers; together with an analysis of the conditioning of rhythmic activity in progression, and a theory of the evolution of function in the nervous system (J Physiol 48 (1), 18-46)], Orlovsky, G., Deliagina, T., Grillner, S., 1999, Neuronal control of locomotion: from mollusc to man (Oxford University Press, New York), pivotal pattern The generator (CPG) forms the basis of this network.

현재의 관점에서, 중추 패턴 생성기(CPG)는 척수 내의 뉴런 풀(neuron pool) 층으로 구성되고[Rybak, I. A., Shevtsova, N. A., Lafreniere-Roula, M., McCrea, D. A., 2006, 운동 패턴 생성에 연관된 척수 회로 모델링: 가공 운동 동안의 삭제로부터의 이해(Modelling spinal circuitry involved in locomotor pattern generation: insights from deletions during fictive locomotion)(J Physiol 577 (Pt 2), 617-639)], 이를 통해 근육 공동 작용을 전달하는 다른 뉴런 풀은 다리 신근과 굴근 근육에 규칙적인 활동을 제공하여[Dietz, V., 2003, 이동용 척수 패턴 생성기(Clin Neurophysiol 114 (8), 1379- 1389); Minassian, K., Persy, L, Rattay, F., Pinter, M. M., Kern, H., Dimitrijevic, M. R., 2007, 사람의 요수 회로는 운동류 활동을 발생시키도록 외부로부터의 강장제 투입에 의해 활성화될 수 있다(Human lumbar cord circuitries can be activated by extrinsic tonic input to generate locomotor-like activity)(Hum Mov Sci 26 (2), 275-295)], 척수 반사가 없더라도 스텝핑 운동을 발생시키기에 충분하다[Grillner, S., Zangger, P., 1979, 저위 척수 절단 고양이에 있어서 운동의 중추 생성(On the central generation of locomotion in the low spinal cat)(Exp Brain Res 34 (2), 241-261); Frigon, A., Rossignol, S., 2006, 운동 중의 감각운동 상호작용의 실험 및 모델(Experiments and models of sensorimotor interactions during locomotion)(Biol Cybern 95 (6), 607-627)]. 그럼에도 불구하고, 척수 반사는 이 복잡한 네트워크의 일부이고[Rybak, I. A., Stecina, K., Shevtsova, N. A., McCrea, D. A., 2006. 운동 패턴 생성에 연관된 척수 회로 모델링: 구심성 시뮬레이션의 효과로부터의 이해(Modelling spinal circuitry involved in locomotor pattern generation: insights from the effects of afferent stimulation)(J Physiol 577 (Pt 2), 641-658)], 운동 패턴의 선택과, 신근 및 굴근 활동의 타이밍과, 중추 패턴 생성기(CPG) 출력의 조정에 기여한다.In the present sense, the Central Pattern Generator (CPG) consists of layers of neuron pools in the spinal cord [Rybak, IA, Shevtsova, NA, Lafreniere-Roula, M., McCrea, DA, 2006, Associated modeling spinal circuitry involved in locomotor pattern generation: insights from deletions during fictive locomotion (J Physiol 577 (Pt 2), 617-639)] Other neuronal pools that deliver genes provide regular activity to the leg extensor and flexor muscles (Dietz, V., 2003, Mobile Spinal Pattern Generator (Clin Neurophysiol 114 (8), 1379-1389)); Minassian, K., Persy, L, Rattay, F., Pinter, MM, Kern, H., Dimitrijevic, MR, 2007, Human ureter circuits may be activated by external tonic injection to generate motor activity. (Human lumbar cord circuitries can be activated by extrinsic tonic input to generate locomotor-like activity) (Hum Mov Sci 26 (2), 275-295)], even without spinal reflexes, sufficient to generate stepping movements [Grillner , S., Zangger, P., 1979, On the central generation of locomotion in the low spinal cat (Exp Brain Res 34 (2), 241-261); Frigon, A., Rossignol, S., 2006, Experiments and models of sensorimotor interactions during locomotion (Biol Cybern 95 (6), 607-627). Nevertheless, spinal cord reflexes are part of this complex network [Rybak, IA, Stecina, K., Shevtsova, NA, McCrea, DA, 2006. Spinal cord circuit modeling involved in generating movement patterns: understanding from the effects of centripetal simulation Modeling spinal circuitry involved in locomotor pattern generation: insights from the effects of afferent stimulation (J Physiol 577 (Pt 2), 641-658)], selection of motor patterns, timing of extensor and flexor activity, central pattern generator (CPG) contributes to the adjustment of the output.

중추 패턴 생성의 조합을 이용하고, 반사를 조정함으로써, 칠성장어(lamprey)의 신경근 모델[Ekeberg, O., Grillner, S., 1999. 칠성장어 수영에서의 신경근 제어의 시뮬레이션(Simulations of neuromuscular control in lamprey swimming)(Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 354 (1385), 895-902)], 도롱뇽의 신경근 모델[Ijspeert, A., Crespi, A., Ryczko, D., Cabelguen, J. -M., 2007. 척수 모델에 의해 구동되는 도롱뇽 로봇에 의한 수영에서부터 보행까지(From swimming to walking with a salamander robot driven by a spinal cord model)(Science 315 (5817), 1416-1420)], 고양이의 신경근 모델[Ivashko, D. G., Prilutski, B. L, Markin, S. N., Chapin, J. K., Rybak, I. A., 2003. 운동 중에 고양이 뒷다리 이동을 제어하는 척수 신경 회로를 모델링하기(Modeling the spinal cord neural circuitry controlling cat hindlimb movement during locomotion)(Neurocomputing 52-54, 621-629); Yakovenko, S., Gritsenko, V., Prochazka, A., 2004. 운동 제어에 대한 스트레치 반사의 기여(Contribution of stretch reflexes to locomotor control): 모델링 연구(modeling study)(Biol Cybern 90 (2), 146-155); Maufroy, C, Kimura, H., Takase, K., 2008. 사지 동물 운동을 위한 일반적인 신경 제어기를 향하여(Towards a general neural controller for quadrupedal locomotion)(Neural Netw 21 (4), 667-681)], 및 사람의 신경근 모델[Ogihara, N., Yamazaki, N., 2001. 생체모방 신경-근육-골격 모델에 의한 사람의 양발 이동의 생성(Generation of human bipedal locomotion by a bio-mimetic neuro-musculo-skeletal model)(Biol Cybern 84 (1), 1- 11); Paul, C, Bellotti, M., Jezernik, S., Curt, A., 2005. 척수 손상 조사를 위한 사람 신경-근육-골격 모델의 발전(Development of a human neuro-musculo-skeletal model for investigation of spinal cord injury)(Biol Cybern 93 (3), 153-170)]은 동물 및 사람의 운동의 다양한 제어 전략을 연구하기 위한 기본적인 도구로 발전되었다. 이 모델들의 중점 사항은 실험에 의해 제안된 하부 반사와 중추 패턴 생성기(CPG)의 구성을 재생하는 것이었다[Pearson, K., Ekeberg, O., Buschges, A., 2006. 신경-역학 시뮬레이션을 이용하는 이동에 있어서 감각 기능의 평가(Assessing sensory function in locomotor systems using neuro-mechanical simulations)(Trends Neurosci 29 (11), 625-631)]. 그러나, 어떻게 이러한 구성이 운동 역학의 원리를 표현 또는 인코딩할 수 있는 가에 대한 이해에는 관심이 거의 없었다.By using a combination of central pattern generation and adjusting the reflexes, a neuromuscular model of lamprey [Ekeberg, O., Grillner, S., 1999. Simulations of neuromuscular control in lamprey swimming (Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 354 (1385), 895-902)], neuromuscular model of salamander [Ijspeert, A., Crespi, A., Ryczko, D., Cabelguen, J.-M. , 2007. From swimming to walking with a salamander robot driven by a spinal cord model (Science 315 (5817), 1416-1420)], the neuromuscular model in cats Ivashko, DG, Prilutski, B. L, 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 to locomotor control: modeling study (Biol Cybern 90 (2), 146) -155); Maufroy, C, Kimura, H., Takase, K., 2008. Towards a general neural controller for quadrupedal locomotion (Neural Netw 21 (4), 667-681), And generation of human bipedal locomotion by a bio-mimetic neuro-musculo-skeletal by Ogihara, N., Yamazaki, N., 2001. model) (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) has been developed as a fundamental tool for studying various control strategies of animal and human movement. The focus of these models was to reproduce the configuration of the lower reflection and pivot pattern generator (CPG) proposed by the experiment [Pearson, K., Ekeberg, O., Buschges, A., 2006. Using neuro-mechanical simulation Assessing sensory function in locomotor systems using neuro-mechanical simulations (Trends Neurosci 29 (11), 625-631). However, little attention has been given to understanding how this configuration can represent or encode the principles of kinetic mechanics.

이러한 원리는, 식별된 신경 네트워크의 복잡성과 달리, 다리 운동에는 제어가 거의 또는 전혀 필요 없다는 것을 시사하고 있다. 예를 들어, 보행[Alexander, R., 1976. Mechanics of bipedal locomotion. 인: 실험적인 생물학의 전망(In: Perspectives in experimental biology)(Ed. Davies, P. S.)(Pergamon, Oxford; Mochon, S., McMahon, T., 1980. Ballistic walking. J. Biomech. 13 (1), 49-57)] 및 주행[Blickhan, R., 1989. 주행 및 점프용 스프링-질량 모델(The spring-mass model for running and hopping)(J. of Biomech. 22, 1217- 1227; McMahon, T., Cheng, G., 1990), 주행의 메카니즘: 어떻게 강성이 속도와 연관되는가?(The mechanism of running: how does stiffness couple with speed?(J. of Biomech. 23, 65- 78)]에 대한 2개의 개념적인 모델이 공표되어 다리 운동의 지배적인 메카니즘을 차지하였다. 연구자는, 만약 기계적 시스템이 적절하게 조정된다면, 스스로 안정화되는 이들 모델의 커패시티를 증명하였다[McGeer, T., 1990. 수동적 동적 보행(Passive dynamic walking)(Int. J. Rob. Res. 9 (2), 62-82; McGeer, T., 1992), 보행 및 주행의 원리(Principles of walking and running)(Vol. 11 of Advances in Comparative and Environmental Physiology). Springer- Verlag Berlin Heidelberg, Ch. 4; Seyfarth, A., Geyer, H., Guenther, M., Blickhan, R., 2002. 주행 이동 기준(A movement criterion for running). J. of Biomech. 35, 649-655; Ghigliazza, R., Altendorfer, R., Holmes, P., Koditschek, D., 2003. 단순하고 안정화된 주행 모델(A simply stabilized running model)(SIAM J. Applied. Dynamical Systems 2 (2), 187-218)]. 보행 및 주행 로봇은 또한 이 원리로부터 유도된 제어 이득 및 실질적인 관련성을 증명하였다.[Raibert, M., 1986. 균형 잡힌 다리형 로봇(Legged robots that balance)(MIT press, Cambridge); McGeer, T., 1990. 수동적 동적 보행(Passive dynamic walking)(Int. J. Rob. Res. 9 (2), 62- 82); Saranli, U., Buehler, M., Koditschek, D., 2001. 렉스: 단순한 이동성 6각 로봇)(Rhex: A simple and highly mobile hexapod robot)(Int. Jour. Rob. Res. 20 (7), 616-631); Collins, S., Ruina, A., Tedrake, R., Wisse, M., 2005. 수동적 동적 보행기에 기초한 효율적인 양발 로봇(Efficient bipedal robots based on passive- dynamic walkers)(Science 307 (5712), 1082-1085)]. 그러나, 다리 역학의 이러한 원리 및 다른 원리가 어떻게 인간 운동 제어 시스템에 통합되는 가는 미해결 문제로 남아 있다. This principle suggests that, unlike the complexity of the identified neural networks, little or no control is required for leg movement. For example, walking (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 driving [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. of Biomech. 23, 65-78) Two conceptual models were published to account for the dominant mechanism of leg motion, and the researchers demonstrated the capacity of these models to self-stabilize if the mechanical systems were properly adjusted [McGeer, T., 1990. Passive. Passive dynamic walking (Int. J. Rob. Res. 9 (2), 62-82; McGeer, T., 1992), Principles of walking and running (Vol. 11 o f Advances in Comparative and Environmental Physiology.Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Ch. 4; Seyfarth, A., Geyer, H., Guenther, M., Blickhan, R., 2002. 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). Walking and traveling robots have also demonstrated control gains and substantial relevance derived from this principle. [Raibert, M., 1986. Legged robots that balance (MIT press, Cambridge); McGeer, T., 1990. Passive dynamic walking (Int. J. Rob. Res. 9 (2), 62-82); Saranli, U., Buehler, M., Koditschek, D., 2001. Rex: A simple and highly mobile hexapod robot (Int. Jour. Rob. Res. 20 (7), 616-631); Collins, S., Ruina, A., Tedrake, R., Wisse, M., 2005. Effective bipedal robots based on passive-dynamic walkers (Science 307 (5712), 1082- 1085)]. However, how these and other principles of leg dynamics are integrated into the human motion control system remains an open question.

역학과 운동 제어 사이의 상호 작용의 중요성은 신경과학자 및 생체역학자 등에 의해 인식되었다[Pearson, K., Ekeberg, O., Buschges, A., 2006. 신경-역학 시뮬레이션을 이용하는 이동에 있어서 감각 기능의 평가(Assessing sensory function in locomotor systems using neuro-mechanical simulations)(Trends Neurosci 29 (11), 625-631)]. 예를 들어, 비록 중추 패턴 생성기(CPG)가 운동에 있어서 운동 활동을 위한 중추 구동부를 형성하는 것이 일반적으로 허용될지라도[Grillner, S., Zangger, P., 1979. 저위 척수 고양이에 있어서 운동의 중추 생성에 대하여(On the central generation of locomotion in the low spinal cat)(Exp Brain Res 34 (2), 241-261); Dietz, V., 2003. 운동용 척수 패턴 생성기(Spinal cord pattern generators for locomotion)(Clin Neurophysiol 114 (8), 1379- 1389; Frigon, A., Rossignol, S., 2006), 운동 중의 감각운동 상호작용의 실험 및 모델(Experiments and models of sensorimotor interactions during locomotion)(Biol Cybern 95 (6), 607-627); Ijspeert, A. J., 2008. 동물 및 로봇의 이동 제어를 위한 중추 패턴 생성기: 리뷰(Central pattern generators for locomotion control in animals and robots: a review). (Neural Netw 21 (4), 642-653)], 룬드베르그는 1969년에, 다소 단순한 중추 입력 없이도, 운동 역학에 대한 정보를 중계하는 척수 반사는 실제 운동에서 볼 수 있는 복잡한 근육 활동을 형성할 수 있다는 것을 시사하였다[Lundberg, A., 1969. Reflex control of stepping. 인: 난센 메모리얼 강의 V(In: The Nansen memorial lecture V)(Oslo: Universitetsforlaget, 5-42)]. 이러한 아이디어를 정제하여, 타가(Taga)는 후에, 중추에서 생성된 리듬은 운동 장치의 규칙적인 운동에 의해 유발되는 감각 신호에 의해 동반되기 때문에, 운동 출력은 신경 시스템과, 근육-골격 시스템과, 환경 사이의 동적 상호작용의 신생 특성이라는 것을 제안하였다[Taga, G., 1995. 인간 이동을 위한 신경-근육-골격 시스템의 모델(A model of the neuro-musculo- skeletal system for human locomotion)(I. Emergence of basic gait. Biol. Cybern. 73 (2), 97-111)]. 찬성하여, 중추 패턴 생성기(CPG)를 피드백과 조합하고 어떻게 기본적인 걸음걸이가 신경 및 근육-골격 시스템의 규칙적인 활동 사이의 포괄적인 혼입으로부터 출현할 수 있는가를 증명하는 인간 이동의 신경근 모델을 제시하였다.The importance of the interaction between dynamics and motor control has been recognized by neuroscientists and biomechanics [Pearson, K., Ekeberg, O., Buschges, A., 2006. Sensory functions in mobility using neuro-mechanical simulations]. Assessing sensory function in locomotor systems using neuro-mechanical simulations (Trends Neurosci 29 (11), 625-631). For example, although central pattern generators (CPGs) are generally allowed to form central drives for athletic activity in athletics [Grillner, S., Zangger, P., 1979. On the central generation of locomotion in the low spinal cat (Exp Brain Res 34 (2), 241-261); Dietz, V., 2003. Spinal cord pattern generators for locomotion (Clin Neurophysiol 114 (8), 1379-1389; Frigon, A., Rossignol, S., 2006), sensory motor interaction during exercise Experiments and models of sensorimotor interactions 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)], Lundberg, in 1969, even without a rather simple central input, spinal reflexes that relay information about kinematics can form the complex muscle activity found in real exercise. It is suggested that it can be [Lundberg, A., 1969. Reflex control of stepping. In: The Nansen memorial lecture V (Oslo: Universitetsforlaget, 5-42)]. By refining this idea, Taga later said that the rhythm generated in the center is accompanied by sensory signals induced by the regular movement of the exercise device, so that the output of the exercise is the nervous system, the muscle-skeletal system, It is proposed to be an anomalous characteristic of dynamic interactions between environments [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). In favor, a combination of central pattern generator (CPG) with feedback and a neuromuscular model of human migration has been presented demonstrating how basic gait can emerge from a comprehensive incorporation between the regular activity of the neuronal and muscular-skeletal systems.

운동 출력을 발생시키는 중추 및 반사 입력의 실제 비율이 계속하여 논의된다[Pearson, K. G., 2004. 보행 걸음걸이를 발생시킴: 감각 피드백의 역할(Generating the walking gait: role of sensory feedback)(Prog Brain Res 143, 123-129); Frigon, A., Rossignol, S., 2006, 운동 중의 감각운동 상호 작용의 실험 및 모델(Experiments and models of sensorimotor interactions during locomotion)(Biol Cybern 95 (6), 607-627); Hultborn, H., 2006, 척수 반사, 에클즈부터 룬드베르그까지 및 그 외의 메카니즘 및 컨셉(Spinal reflexes, mechanisms and concepts: from Eccles to Lundberg and beyond)(Prog Neurobiol 78 (3-5), 215-232); Prochazka, A., Yakovenko, S., 2007. 신경기계 조정 가설(The neuromechanical tuning hypothesis)(Prog Brain Res 165, 255-265)]. 예를 들어, 보행 고양이에 있어서, 체중 지지 다리 신근에서 관찰되는 근육 활동의 오직 30%만이 근육 반사에 기여할 수 있는 것으로 추정되었다[Prochazka, A., Gritsenko, V., Yakovenko, S., 2002. (운동의 감각 제어: 반사 대 고레벨 제어)(Sensory control of locomotion: reflexes versus higher-level control)(Adv Exp Med Biol 508, 357-367); Donelan, J. M., McVea, D. A., Pearson, K. G., 2009. 자유롭게 보행하는 고양이의 발목 신근 근육 활동의 힘의 조절(Force regulation of ankle extensor muscle activity in freely walking cats)(J Neurophysiol 101 (1), 360-371)]. The actual proportions of the central and reflex inputs that produce motor output are discussed continuously [Pearson, KG, 2004. Generating the walking gait: role of sensory feedback (Prog Brain Res) 143, 123-129); Frigon, A., Rossignol, S., 2006, Experiments and models of sensorimotor interactions during locomotion (Biol Cybern 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 (Prog Brain Res 165, 255-265). For example, in walking cats, it was estimated that only 30% of the muscle activity observed in weight-bearing leg extensors can contribute to muscle reflexes [Prochazka, A., Gritsenko, V., Yakovenko, S., 2002. Sensory control of 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)].

사람에 있어서, 이동에 있어서 근육 활동에 대한 반사의 기여는 보다 현저한 것으로 보인다. 싱크야에르(Sinkjaer) 및 동료는 언로딩 실험으로부터 반사는 보행에서의 입각기 중에 넙치근 근육 활동에 대해 약 50% 기여한다고 평가하였다[Sinkjaer, T., Andersen, J. B., Ladouceur, M., Christensen, L. O., Nielsen, J. B., 2000. 사람의 보행의 입각기 상태에서의 넙치근 EMG 활동의 감각 피드백을 위한 주요한 역할(Major role for sensory feedback in soleus EMG activity in the stance phase of walking in man)(J Physiol 523 Pt 3, 817-827)]. 보다 최근에는, 그레이(Grey)와 그 동료들은 넙치근 활동이 아킬레스 힘줄 힘의 변화에 비례하여 변화되어, 이 근육을 위한 활동과 포지티브 힘 피드백 사이의 직접적인 연관성을 시사하는 것을 발견하였다[Grey, M. J., Nielsen, J. B., Mazzaro, N., Sinkjaer, T., 2007. 사람의 보행에 있어서 포지티브 힘 피드백(Positive force feedback in human walking)(J Physiol 581 (1), 99-105)]. 이러한 큰 반사 기여가 모든 다리 근육에 존재하는가 아닌가는 미해결로 남아 있다. 데이리(Daley)와 그 동료들이 새와의 운동 실험으로부터 결론지은 바와 같이, 아마도, 근원(proximo-distal) 구배가 운동 제어에 존재하는데, 여기서 가까운 다리 근육은 주로 중추 입력에 의해 제어되는 반면, 먼 다리 근육은 더 고도의 자기수용 피드백 게인과 기계적 효과에 대한 더 큰 민감도로 인해 반사 입력에 의해 지배된다[Daley, M. A., Felix, G., Biewener, A. A., 2007. 주행 안정성은 관절 신경기계 제어의 근원 구배에 의해 강화된다(Running stability is enhanced by a proximo-distal gradient in joint neuromechanical control)(J Exp Biol 210 (Pt 3), 383-394)]. In humans, the contribution of reflexes to muscle activity in movement appears to be more pronounced. Sinkjaer and colleagues estimate that reflexes from unloading experiments contribute about 50% to halibut muscle activity during the standing 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). More recently, Gray and colleagues have found that halibut activity changes in proportion to changes in Achilles tendon force, suggesting a direct link between activity for this muscle and positive force feedback [Grey, MJ , Nielsen, JB, Mazzaro, N., Sinkjaer, T., 2007. Positive force feedback in human walking (J Physiol 581 (1), 99-105). Whether such large reflex contributions are present in all leg muscles remains unresolved. As Daley and his colleagues concluded from the exercise experiments with birds, perhaps a proximo-distal gradient exists in motor control, where the close leg muscles are primarily controlled by central input, Far leg muscles are dominated by reflex inputs due to higher self-acceptance feedback gain and greater sensitivity to mechanical effects [Daley, MA, Felix, G., Biewener, AA, 2007. Driving stability is controlled by joint nervous system control. Running stability is enhanced by a proximo-distal gradient in joint neuromechanical control (J Exp Biol 210 (Pt 3), 383-394)].

지형에 대한 적응은 보행의 중요한 측면이다. 오늘날 상업적으로 입수가능한 발목-발 보철은 보행의 입각기 상태 동안에 적절한 탄성을 제공하도록 구성된 경량의 수동적 구조체를 이용하고 있다[S. Ron, 보철학 및 장구학: 하지 및 척수(Prosthetics and Orthotics: Lower Limb and Spinal)(Lippincott Williams & Wilkins 2002)]. 이들 장치에 사용되는 진보된 복합물은 제어된 배측굴곡(dorsiflexion) 및 저측굴곡(plantar flexion) 동안에 소정의 에너지 저장과, 건강한 사람의 아킬레스 힘줄에서와 같이 힘이 가해진 저측 굴곡 동안의 후속 에너지 방출을 허용한다[A. L. Hof, B. A. Geelen, Jw. Van den Berg, "레벨 보행에서의 종아리 근육 운동, 작용 및 효율: 일련의 탄성의 역할"(Calf muscle moment, work and efficiency in level walking; role of series elasticity)(Journal of Biomechanics, Vol. 16, No. 7, pp. 523-537, 1983); D. A. Winter, "일반적인 보행에서의 생체역학 운동 패턴"(Biomechanical motor pattern in normal walking), (Journal of Motor Behavior, Vol. 15, No. 4, pp. 302 - 330, 1983)]. Adaptation to the terrain is an important aspect of walking. Today's commercially available ankle-foot prostheses utilize lightweight passive structures that are configured to provide adequate elasticity during the standing phase of the walk [S. Ron, Prosthetics and Oralology: Prosthetics and Orthotics: Lower Limb and Spinal (Lippincott Williams & Wilkins 2002). Advanced composites used in these devices allow for a certain energy storage during controlled dorsiflexion and plantar flexion and subsequent energy release during energized lower flexion, such as in the Achilles tendon of a healthy person. [A. L. Hof, B. A. Geelen, Jw. Van den Berg, "Calf muscle moment, work and efficiency in level walking; role of series elasticity" (Journal of 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.

비록 수동적-탄성 거동이 저속의 보행 동안의 발목의 기능에 대한 양호한 근사일지라도, 평상시 및 고속 보행 속도에는 외부 에너지의 추가가 필요하고, 이에 따라 어떠한 수동적 발목-발 장치에 의해 수행될 수 없다[M. Palmer, "걸음걸이 속도의 범위에 걸친 일반적인 사람의 발목 기능에 대한 시상 봉합 평면 특징"(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); D. H. Gates, "발목 보철 및 정형술 구성을 위한 계단 상승, 하강 및 수평 보행 동안의 발목 기능 특징화"(Characterizing ankle function during stair ascent, descent, and level walking for ankle prosthesis and orthosis design),(Master's Thesis, Boston University, 2004); A. H. Hansen, D. S. Childress, S. C. Miff, S. A. Gard, K. P. Mesplay, "보행 중의 사람 발목 : 생체 모방 발목 보철의 구성에 대한 암시"(The human ankle during walking: implication for the design of biomimetic ankle prosthesis)(Journal of Biomechanics, Vol. 37, Issue 10, pp. 1467-1474, 2004)]. 이 결함은 수동적 발목-발 보철을 사용하는 하퇴 절단자의 걸음걸이에 반영된다. 그들의 스스로 선택된 보행 속도는 정상보다 더 느리고, 보폭 길이가 더 짧다[D. A. Winter and S. E. Sienko. "무릎 아래 절단자 걸음걸이의 생체역학"(Biomechanics of below-knee amputee gait)(Journal of Biomechanics, 21, pp. 361-367, 1988)]. 또한, 그 걸음걸이는 명백하게 비대칭적이고, 영향을 받지 않은 측의 발목 운동의 범위가 더 작으며[H. B. Skinner and D. J. Effeney, "절단자의 걸음걸이 분석"(Gait analysis in amputees)(Am J Phys Med, Vol. 64, pp. 82-89, 1985); H. Bateni and S. Olney, "무릎 아래 절단자 걸음걸이의 운동학적 및 동역학적 변화"(Kinematic and kinetic variations of below-knee amputee gait)(Journal of Prosthetics &Orthotics, Vol. 14, No. 1, pp. 2-13, 2002)], 한편, 영향을 받는 측에서는, 힙 신장 모멘트(hip extension moment)가 더 크고, 무릎 굴곡 모멘트가 더 작다[D. A. Winter and S. E. Sienko. "무릎 아래 절단자 걸음걸이의 생체역학"(Biomechanics of below-knee amputee gait)(Journal of Biomechanics, 21, pp. 361-367, 1988); H. Bateni and S. Olney, "무릎 아래 절단자의 운동학적 및 동역학적 변화"(Kinematic and kinetic variations of below-knee amputee gait)(Journal of Prosthetics &Orthotics, Vol. 14, No. 1, pp. 2-13, 2002)]. 또한, 이들은 비절단자보다 더 많은 신진 대사 보행 에너지를 소비한다[N. H. Molen, "모터 구동식 트레드밀 상에서의 무릎 아래 절단자 보행의 에너지/속도 연관성"(Energy/speed relation of below-knee amputees walking on motor-driven treadmill)(Int. Z. Angew, Physio, Vol. 31, p 173, 1973); G. R. Colborne, S. Naumann, P.E. Longmuir, and D. Berbrayer, "선천적인 무릎 아래 절단자의 걸음걸이의 기계적 및 신진대사 인자의 분석"(Analysis of mechanical and metabolic factors in the gait of congenital below knee amputees)(Am. J. Phys. Med. Rehabil, Vol. 92, pp 272-278, 1992); R. L. Waters, J. Perry, D. Antonelli, H. Hislop. "보행 절단자의 에너지 비용: 절단 수준의 영향"(Energy cost of walking amputees: the influence of level of amputation)(J Bone Joint Surg. Am., Vol. 58, No. 1, pp. 4246, 1976); E. G. Gonzalez, P. J. Corcoran, and L. R. Rodolfo. B/K 절단자의 에너지 소비: 보철 길이와의 연관성(Energy expenditure in B/K amputees: correlation with stump length)(Archs. Phys. Med. Rehabil. 55, 111-119, 1974); D. J. Sanderson and P. E. Martin. "보행 중의 일방 무릎 아래 절단자의 하지 말단 운동학적 및 동역학적 적응"(Lower extremity kinematic and kinetic adaptations in unilateral below-knee amputees during walking)(Gait and Posture. 6, 126 136, 1997); A. Esquenazi, and R. DiGiacomo. "절단 후의 재활"(Rehabilitation After Amputation)(Journ Am Podiatr Med Assoc, 91(1): 13-22, 2001)]. 이러한 차이는 절단자가 발목 파워의 부족을 보상하기 위해 힙 파워를 더 많이 사용한 결과일 수 있다[A. D. Kuo, "가장 단순한 보행 모델을 사용하는 활동적이고 힘이 가해지는 운동의 에너지론"(Energetics of actively powered locomotion using the simplest walking model)(J Biomech Eng., Vol. 124, pp. 113-120, 2002); A. D. Kuo, J. M. Donelan, and A. Ruina, "반전 진자와 같은 보행의 에너지 결과: 스텝-스토-스텝 변이"(Energetic consequences of walking like 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, "지지 워크의 효과적인 비용의 충돌 모델이 보행 시의 다리 배열과, 주행 및 보행에서 주행으로의 변이에 있어서 급속한 유사 탄성 다리 거동을 정성적으로 설명한다"(A collisional model of the energetic cost of support work qualitatively explains leg sequencing in walking and galloping, pseudo-elastic leg behavior in running and the walk-to-run transition)(J. Theor. Biol, Vol. 237, No. 2, pp. 170-192, 2005)]. Although passive-elastic behavior is a good approximation of the function of the ankle during low speed walking, normal and high speed walking speeds require the addition of external energy and thus cannot be performed by any passive ankle-foot device [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 level walking for ankle prosthesis and orthosis design," (Master's Thesis, Boston University, 2004); AH Hansen, DS Childress, SC Miff, SA Gard, KP Mesplay, "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 defect is reflected in the gait of the lower leg cutter using passive ankle-foot prostheses. Their self-selected walking speed is slower than normal and the stride length is shorter [D. A. Winter and S. E. Sienko. "Biomechanics of below-knee amputee gait" (Journal of Biomechanics, 21, pp. 361-367, 1988). In addition, the gait is clearly asymmetrical, with a smaller range of ankle movements on the unaffected side [H. B. Skinner and D. J. Effeney, "Gait analysis in amputees" (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), on the other hand, on the affected side, the hip extension moment is greater and the knee flexion moment is smaller [D. A. Winter and S. E. Sienko. "Biomechanics of below-knee amputee gait" (Journal of Biomechanics, 21, pp. 361-367, 1988); 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). In addition, they consume more metabolic walking energy than non-cutters [N. H. Molen, "Energy / speed relation of below-knee amputees walking 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 congenital below knee amputees" (Am. J. Phys. Med. Rehabil, Vol. 92, pp 272-278, 1992); R. L. Waters, J. Perry, D. Antonelli, H. Hislop. "Energy cost of walking amputees: the influence of level of amputation" (J Bone Joint Surg. Am., Vol. 58, No. 1, pp. 4246, 1976); E. G. Gonzalez, P. J. Corcoran, and L. R. Rodolfo. Energy expenditure in B / K amputees: correlation with stump length (Archs. Phys. Med. Rehabil. 55, 111-119, 1974); D. J. Sanderson and P. E. Martin. "Lower extremity kinematic and kinetic adaptations in unilateral below-knee amputees during walking" (Gait and Posture. 6, 126 136, 1997); A. Esquenazi, and R. DiGiacomo. "Rehabilitation After Amputation" (Journ Am Podiatr Med Assoc, 91 (1): 13-22, 2001). This difference may be the result of the cleaver using more heap power to compensate for the lack of ankle power [A. D. 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 walking like 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, "Effective cost-impact models of support walks qualitatively explain rapid leg resilient leg behavior in walking and walking and walking-to-travel transitions. (A collisional model of the energetic cost of support work qualitatively explains leg sequencing in walking and galloping, pseudo-elastic leg behavior in running and the walk-to-run transition) (J. Theor. Biol, Vol. 237, No. 2, pp. 170-192, 2005).

수동적 발목-발 보철은 지형에 대한 적응 기능을 제공할 수 없다. 느린 보행 속도를 초월하여, 정상적인 경제적 걸음걸이를 제공하기 위해, 이제 동력 발목-발 보철이 개발되었다[S. Au 및 H. Herr. "절단자와 동력 발목-발 보철 사이의 동적 상호작용에 대한 초기 실험 연구(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); S. K. Au, J. Weber, 및 H. Herr, "동력 발목-발 보철의 생체역학 디자인(Biomechanical design of a powered ankle-foot prosthesis)" (Proc. IEEE Int. Conf. On Rehabilitation Robotics, Noordwijk, The Netherlands, pp. 298-303, June 2007); S. Au, J. Weber, E. Martinez- Villapando 및 H. Herr. "절단자의 보행의 개선을 위한 동력 발목-발 보철(Powered Ankle-Foot Prosthesis for the Improvement of Amputee Ambulation)" (IEEE Engineering in Medicine and Biology International Conference. August 23-26, Lyon, France, pp. 3020-3026, 2007); H. Herr, J. Weber 및 S. Au. "동력 발목-발 보철(Powered Ankle-Foot Prosthesis)" (Biomechanics of the Lower Limb in Health, Disease and Rehabilitation. September 3 - 5, Manchester, England, pp. 72 - 74, 2007); S. K. Au, "절단자의 보행 경제학을 위한 동력 발목-발 보철(Powered Ankle-Foot Prosthesis for the Improvement of Amputee Walking Economy)" (Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2007); S. Au, J. Weber, 및 H. Herr. "동력 발목-발 보철은 보행 대사 경제학을 향상시킨다(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 및 K. Hollander, "스파키(재생성 운동학을 갖는 스프링 발목-발) 프로젝트: 재생성 운동학을 갖는 로봇 경경골 보철의 설계 및 분석(The sparky (spring ankle with regenerative kinetics) projects: Design and analysis 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, "동력 발목-발 보철의 디자인: 직렬 및 병렬 탄성의 중요성(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)]. 이들 중 일부는 완전한 인간 발목에 비견할 만한 크기 및 중량으로 이루어져 있으며, 하루의 통상적 보행 활동을 제공하기 위한 탄성적 에너지 저장부, 모터 동력 및 배터리 에너지를 갖는다[S. K. Au, H. Herr, "동력 발목-발 보철의 디자인: 직렬 및 병렬 탄성의 중요성(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)]. Passive ankle-foot prosthetics cannot provide adaptation to the terrain. To provide a normal economic gait beyond slow walking speed, a power ankle-foot prosthesis has now been developed [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, "Biomechanical design of a powered ankle-foot prosthesis" (Proc. IEEE Int. Conf. On Rehabilitation Robotics, Noordwijk, The Netherlands , pp. 298-303, June 2007); S. Au, J. Weber, E. Martinez- Villapando and H. Herr. "Powered Ankle-Foot Prosthesis for the Improvement of Amputee Ambulation" (IEEE Engineering in Medicine and Biology International Conference. August 23-26, Lyon, France, pp. 3020- 3026, 2007); H. Herr, J. Weber and S. Au. "Powered Ankle-Foot Prosthesis" (Biomechanics of the Lower Limb in Health, Disease and Rehabilitation. September 3-5, Manchester, England, pp. 72-74, 2007); S. K. Au, "Powered Ankle-Foot Prosthesis for the Improvement of Amputee Walking Economy" (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-Foot) Project with Regenerating Kinematics: Design and Analysis of Robot Tibial Prosthetics with Regenerating Kinematics. spring ankle with regenerative kinetics) projects: Design and analysis 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: The Importance of Series and Parallel Elasticity" (IEEE Robotics & Automation Magazine, pp. 52-59, September 2008). Some of these are of size and weight comparable to complete human ankles and have elastic energy storage, motor power and battery energy to provide daily walking activity [S. K. 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).

이들 보철에서의 능동적 모터 동력의 사용은 제어의 문제를 발생시킨다. 이들 동력식 장치에 대한 과거의 연구에서, 수행되는 활동을 위한 완전한 인간 발목의 토크-발목 상태 프로파일을 일치시키려는 시도가 이루어졌다[S. K. Au, "절단 자의 보행 경제성을 위한 동력 발목-발 보철(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, 및 K. Hollander, "스파키(재생성 운동학을 갖는 스프링 발목-발) 프로젝트: 재생성 운동학을 갖는 로봇 경경골 보철의 설계 및 분석(The sparky (spring ankle with regenerative kinetics) projects: Design and analysis of a robotic transtibial prosthesis with regenerative kinetics)" (in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., Orlando, FL, pp 2939-2945, May 2006); F. Sup, A. Bohara 및 M. Goldfarb, "동력 경대퇴 보철의 설계 및 제어(Design and Control of a Powered Transfemoral Prosthesis)" (The International Journal of Robotics Research, Vol. 27, No. 2, pp. 263-273, 2008). 모터 동력의 제공은 수동 장치에 의해 제공되는 스프링형 거동 이외에 더 빠른 보행의 각도-토크 프로파일의 개방 작업 루프가 지원될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 이 제어 접근법은 어떠한 고유한 적응도 보여주지 못하였다. 대신, 모든 의도된 활동들 및 지형 변화에 대해 토크 프로파일이 이들 사이에서의 선택을 위한 적절한 수단과 함께 요구된다.The use of active motor power in these prostheses creates a problem of control. In past studies of these powered devices, attempts have been made to match the torque-ankle state profile of the complete human ankle for the activity being performed [S. K. 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, "Sparky (Spring Ankle-Foot) Project with Regenerating Kinematics: Design and Analysis of Robot Tibial Prosthetics with Regenerating Kinematics (The sparky (spring ankle with regenerative kinetics) projects: Design and analysis of a robotic transtibial prosthesis with regenerative kinetics "(in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., Orlando, FL, pp 2939-2945, 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 provision of motor power means that in addition to the spring-like behavior provided by the manual device, an open work loop of faster walking angle-torque profiles can be supported. However, this control approach did not show any inherent adaptation. Instead, for all intended activities and terrain changes, a torque profile is required with appropriate means for choosing between them.

일반적으로, 기존의 상업적으로 입수할 수 있는 능동적 발목 보철들은 유각 위상 동안 발목 관절 각도를 재구성할 수 있을 뿐이며, 최초 지면 접촉시 지형에 적합한 발목 위치로 수렴하기 위해 다수의 걸음이 필요하다. 또한, 이들은 일반적 걸음걸이를 위해 필요한 입각기 위상에서 어떠한 동력도 제공하지 않으며, 따라서, 지형 구배에 순수 서있는 작업을 적응시킬 수 없다. 특히, 동력 발목-발 보철을 위한 제어 체계는 알려진 지형을 가로지르는, 목표 속도로 보행하는 완전한 인간의 측정치로부터 얻어진 고정된 토크-발목 상태 관계에 의존한다. 비록 해당 목표 걸음걸이 속도 및 지형에서는 효과적일 수 있지만, 이들 제어기는 속도 전이 및 지형 변동 같은 환경적 교란들에 대한 적응이 불가능하다.In general, existing commercially available active ankle prostheses can only reconstruct the ankle joint angle during the phase phase and require multiple steps to converge to the ankle position appropriate for the terrain upon initial ground contact. In addition, they do not provide any power in the stance phase needed for general gait and thus cannot adapt pure standing work to terrain gradients. In particular, the control scheme for power ankle-foot prosthetics relies on a fixed torque-ankle state relationship obtained from complete human measurements walking at a target speed across a known terrain. Although they may be effective at their target gait speed and terrain, these controllers are unable to adapt to environmental disturbances such as speed transitions and terrain variations.

제어의 기초로서 포지티브 힘 피드백 반사 체계를 갖는 신경근 모델이 다리 운동의 생물역학의 시뮬레이션 연구에서 최근 채용되었다[H. Geyer, H. Herr, "다리 역학의 원리들을 인코딩하는 근육-반사 모델은 인간 보행 동역학 및 근육 활동을 예측한다(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)" (Submitted for publication); H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan, "활기찬 걸음걸이의 포지티브 힘 피드백(Positive force feedback in bouncing gaits?)" (Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003)]. 이런 연구들은 지형 적응에 대한 필요성에 관한 장래성을 보여주고 있다.A neuromuscular model with a positive force feedback reflex system as the basis of control has recently been employed in a biomechanical simulation study of leg motion [H. Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities" ( Submitted for publication); H. Geyer, A. Seyfarth, R. Blickhan, "Positive force feedback in bouncing gaits?" (Proc. R Society. Lond. B 270, pp. 2173-2183, 2003)] . These studies show the prospect of the need for terrain adaptation.

일 양태에서, 본 발명은 인간 운동의 신경근 모델에 기초한 생체모방 로봇 다리를 위한 제어기 및 제어 방법이다. 제어 아키텍쳐는 보행 동안 동력식 다리 보철, 교정기 또는 외골격의 발목, 무릎 및 힙 관절에서 생체모방 토크를 명령한다. 양호한 실시예에서, 동력식 장치는 인공 발목 및 무릎 관절을 포함하며, 이들은 토크 제어가능하다. 로봇 다리 장치의 각 관절에 장착된 센서에 의해 제공되는 피드백 정보에 의해 결정되는 바에 따라 사용자에게 적절한 관절 토크가 제공된다. 이들 센서는 디지털 인코더, 홀 효과 센서 등을 사용하여 각도 관절 변위 및 속도, 발목 및 무릎 관절에서의 토크 센서 및 무릎과 발목 관절 사이에 위치된 적어도 하나의 관성 측정 유닛(IMU)을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.In one aspect, the invention is a controller and control method for a biomimetic robotic leg based on a neuromuscular model of human motion. The control architecture commands biomimetic torque at the ankle, knee and hip joints of the powered leg prosthesis, braces or exoskeleton during walking. In a preferred embodiment, the powered device includes an artificial ankle and knee joint, which are torque controllable. Appropriate joint torque is provided to the user as determined by feedback information provided by sensors mounted on each joint of the robotic leg device. These sensors include, but are not limited to, angular joint displacement and speed, torque sensors at the ankle and knee joint, and at least one inertial measurement unit (IMU) located between the knee and ankle joint using digital encoders, hall effect sensors, and the like. It doesn't work.

로봇 다리로부터의 관절 상태(위치 및 속도)의 센서 정보는 인간 운동의 신경근 모델에 대한 입력으로서 사용된다. 로봇 다리로부터의 관절 상태 센서 정보는 그 가상 근육 각각을 위한 내부 상태를 결정하기 위해 사용되며, 어떠한 개별 가상 근육 힘 및 강성도가 근육 활동의 특정 레벨에 제공되어야하는지가 척추 반사 모델로부터 결정된다. 로봇 다리가 경대퇴 절단자에 의해 착용되는 다리 보철인 경우, 발목 및 무릎의 각도 센서는 이들 관절을 위한 관절 상태를 측정한다. 힙 관절에 대하여, 사용자의 넓적다리의 절대적 배향은 보철 무릎 및 발목 관절 사이에 위치된 IMU와 보철 무릎의 각도 관절 센서 양자 모두를 사용하여 결정된다. 힙 위치 및 속도를 추정하기 위해, 제어 아키텍쳐는 상체(상반신)가 걸음걸이 동안 비교적 수직 위치를 유지한다는 가정 하에서 작동한다.Sensor information of joint state (position and velocity) from the robotic leg is used as input to the neuromuscular model of human motion. Joint state sensor information from the robotic leg is used to determine the internal state for each of its virtual muscles, and it is determined from the spinal reflex model which individual virtual muscle force and stiffness should be provided for a particular level of muscle activity. If the robotic leg is a leg prosthesis worn by the femoral cutter, the ankle and knee angle sensors measure the joint condition for these joints. For hip joints, the absolute orientation of the user's thigh is determined using both the IMU located between the prosthetic knee and ankle joint and the angular joint sensor of the prosthetic knee. To estimate heap position and speed, the control architecture operates under the assumption that the upper body (upper body) maintains a relatively vertical position during gait.

일 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 관절을 포함하는 로봇 사지를 위한 모델 기반 신경기계 제어기이며, 이 제어기는 로봇 사지의 상태에 관한 피드백 데이터를 수신하고 로봇 사지의 상태를 결정하도록 구성된 유한 상태 기계와, 유한 상태 기계 및 근육 형상으로부터의 상태 정보, 적어도 하나의 데이터베이스로부터의 반사 아키텍쳐 정보를 수신하고, 신경근 모델을 사용하여, 로봇 사지에 전송될 적어도 하나의 원하는 관절 토크 또는 강성도 명령을 결정하도록 구성된 근육 모델 프로세서와, 로봇 사지 관절에서 근육 모델 프로세서에 의해 결정된 생체모방 토크 및 강성도를 명령하도록 구성된 관절 명령 프로세서를 포함한다. 양호한 실시예에서, 피드백 데이터가 로봇 사지의 각 관절에 장착된 적어도 하나의 센서에 의해 제공된다. 다른 양호한 실시예에서, 로봇 사지는 다리이고, 유한 상태 기계는 다리 걸음걸이 사이클에 동기화된다.In one aspect, the present invention is a model-based neuromachine controller for a robotic limb that includes at least one joint, the controller configured to receive feedback data about the status of the robotic limb and to determine the status of the robotic limb. And receive state information from a finite state machine and muscle shape, reflection architecture information from at least one database, and using the neuromuscular model to determine at least one desired joint torque or stiffness command to be sent to the robot limb. A muscle model processor and a joint command processor configured to command the biomimetic torque and stiffness determined by the muscle model processor at the robotic limb joint. In a preferred embodiment, the feedback data is provided by at least one sensor mounted to each joint of the robot limb. In another preferred embodiment, the robotic limb is a leg and the finite state machine is synchronized to the gait cycle.

다른 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 관절을 포함하는 로봇 사지를 제어하기 위한 모델 기반 방법이며, 이 방법은 유한 상태 기계에서 로봇 사지의 상태에 관한 피드백 데이터를 수신하는 단계와, 유한 상태 기게 및 수신된 피드백 데이터를 사용하여 로봇 사지의 상태를 결정하는 단계와, 신경근 모델, 근육 형상 및 반사 아키텍쳐 정보 및 유한 상태 기계로부터의 상태 정보를 사용하여 로봇 사지로 전송될 적어도 하나의 원하는 관절 토크 또는 강성도 명령을 결정하는 단계와, 로봇 사지 관절에서 근육 모델 프로세서에 의해 결정된 생체모방 토크 및 강성도를 명령하는 단계를 포함한다.In another aspect, the present invention is a model-based method for controlling a robot limb including at least one joint, the method comprising receiving feedback data relating to a state of the robot limb in a finite state machine, finite state machine and Determining the state of the robot limb using the received feedback data, and at least one desired joint torque or stiffness to be transmitted to the robot limb using neuromuscular model, muscle shape and reflex architecture information, and state information from the finite state machine. Determining a command, and commanding the biomimetic torque and stiffness determined by the muscle model processor at the robotic limb joint.

본 발명의 다른 양태, 장점 및 신규 특징은 첨부 도면과 연계하여 고려할 때 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 일반적 신경근 모델 아키텍쳐의 예시적 실시예의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 양태에 따른, 일반적 신경근 모델 아키텍쳐의 전개의 6개 단계들을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 일반적 신경근 모델 아키텍쳐의 일 양태에 따른 패턴 생성을 도식적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 양태에 따른, 모델과 지면 사이의 동적 상호작용으로부터 자체 조직화된 인간 모델의 보행과, 대응하는 지면 반력을 각각 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 양태에 따른, 모델과 인간 피험체를 위한 힙, 무릎 및 발목 각각을 위한 정적 상태 보행을 비교한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 양태에 따른, 모델의 스냅샷(도 6a), 순수 일(net work)(도 6b), 신근 근육 활성화 패턴(도 6c) 및 대응 지면 반력(도 6d)을 포함하는 계단을 올라가는 보행에 대한 적응을 도시하고 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 양태에 따른, 모델의 스냅샷(도 7a), 순수 작업(도 7b), 신근 근육 활성화 패턴(도 7c) 및 대응 지면 반력(도 7d)을 포함하는 계단을 내려가는 보행에 대한 적응을 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 일 양태에 따른, 근육-힘줄 모델의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 양태에 따른 접촉 모델을 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 양태에 따른, 양호한 실시예에 사용되는 발목-발 보철의 예시적 실시예를 도시하며, 이는 물리적 시스템(도 10a), 구동 트레인의 도면(도 10b) 및 기계적 모델(도 10c)을 각각 도시하고 있다.
도 11은 본 발명의 일 양태에 따른, 도 10a 내지 도 10c의 발목-발 보철의 상단 레벨 제어를 이행하기 위해 사용되는 각 상태 동안의 상태 전이 임계치 및 등가 발목-발 생물기계장치를 구비한 걸음걸이 사이클에 동기화된 유한 상태 기계의 예시적 실시예의 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 양태에 따른 발목-발 보철을 위한 제어 시스템의 예시적 실시예의 블록도이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 일 양태에 따른, 세 가지 보행 조건들, 즉, 평탄한 지면(도 13a), 상승 경사로(도 13b) 및 하강 경사로(도 13c)를 위한 하나의 완전한 걸음걸이 사이클에 걸친 보철 토크의 예시적 플롯이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 일 양태에 따른, 두 개의 링크 발목 관절 모델(도 14a), 상세 힐-형 근육 모델(도 14b) 및 근육 모델 골격 부착부의 형상(도 14c)을 포함하는 보철 마이크로제어기 상에 구현된 바와 같은 근골격 모델의 예시적 실시예를 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 양태에 따른, 발목 각도, 근육 힘 및 발목 토크의 족저 굴곡 성분 사이의 관계를 포함하는, 가상 족저 굴곡 근육을 위한 반사 체계의 예시적 실시예를 도시한다.
도 16a 및 도 16b는 각각 발목 토크와 발목 각도를 포함하는, 완전한 사지를 갖는 체중 및 키가 일치하는 피험체의 생물학적 발목의 것들에 비교된 절단 수술을 받은 피험체의 실험 동안의 보철 측정 토크 및 각도 궤적을 도시한다.
도 17은 본 발명의 일 양태에 따른, 생물학적 토크 프로파일에 대한 파라미터 최적화 이후의 토크 프로파일의 비교이다.
도 18a 내지 도 18c는 세 가지 다른 보행 조건들, 즉, 평탄한 지면(도 18a), 상승 경사로(도 18b) 및 하강 경사로(도 18c)를 위한 본 발명의 예시적 실시예를 위한 실험적으로 측정된 보철 토크 각도 궤적의 플롯들이다.
Other aspects, advantages and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description of the invention when considered in conjunction with the accompanying drawings.
1 is a block diagram of an exemplary embodiment of a general neuromuscular model architecture, in accordance with an aspect of the present invention.
2A-2F illustrate six stages of development of a general neuromuscular model architecture, in accordance with an aspect of the present invention.
3 diagrammatically illustrates pattern generation according to one aspect of a general neuromuscular model architecture in accordance with the present invention.
4A and 4B illustrate the walking of a self-organized human model and the corresponding ground reaction forces, respectively, from the dynamic interaction between the model and the ground, in accordance with an aspect of the present invention.
5A-5C compare static state gait for each hip, knee and ankle for the model and human subject, in accordance with an aspect of the present invention.
6A-6D are snapshots of the model (FIG. 6A), net work (FIG. 6B), extensor muscle activation pattern (FIG. 6C) and corresponding ground reaction forces (FIG. 6D), according to one aspect of the present invention. It shows the adaptation to walking walking up stairs.
7A-7D illustrate a staircase including a snapshot of a model (FIG. 7A), a pure work (FIG. 7B), an extensor muscle activation pattern (FIG. 7C), and a corresponding ground reaction force (FIG. 7D), in accordance with an aspect of the present invention. It shows the adaptation to walking.
8 is a schematic of a muscle-tendon model, in accordance with an aspect of the present invention.
9 illustrates a contact model in accordance with an aspect of the present invention.
10A-10C show an exemplary embodiment of ankle-foot prosthesis used in the preferred embodiment, according to one aspect of the present invention, which is a physical system (FIG. 10A), a view of the drive train (FIG. 10B), and The mechanical model (FIG. 10C) is shown respectively.
11 is a step with a state transition threshold and an equivalent ankle-foot biomechanical device during each state used to implement top level control of the ankle-foot prosthesis of FIGS. 10A-10C, in accordance with an aspect of the present invention. A diagram of an exemplary embodiment of a finite state machine synchronized to a hang cycle.
12 is a block diagram of an exemplary embodiment of a control system for ankle-foot prosthetics in accordance with an aspect of the present invention.
13A-13C show one complete gait cycle for three walking conditions, namely flat ground (FIG. 13A), rising ramp (FIG. 13B) and falling ramp (FIG. 13C), according to one aspect of the present invention. An example plot of prosthetic torque over.
14A-14C show a prosthesis comprising two link ankle joint models (FIG. 14A), a detailed heel-shaped muscle model (FIG. 14B) and a muscle model skeletal attachment (FIG. 14C), according to one aspect of the present invention. An exemplary embodiment of a musculoskeletal model as implemented on a microcontroller is shown.
15 illustrates an exemplary embodiment of a reflex system for a virtual plantar flexion muscle, including the relationship between plantar flexion components of ankle angle, muscle force, and ankle torque, in accordance with an aspect of the present invention.
16A and 16B show prosthetic measurement torques during an experiment of a subject undergoing amputation compared to those of a biological ankle of a subject having a weight and height with complete limbs, including ankle torque and ankle angle, respectively; The angle trajectory is shown.
17 is a comparison of torque profiles after parameter optimization for biological torque profiles, in accordance with an aspect of the present invention.
18A-18C are experimentally measured for an exemplary embodiment of the present invention for three different walking conditions: flat ground (FIG. 18A), rising ramp (FIG. 18B) and falling ramp (FIG. 18C). Plots of prosthetic torque angle trajectories.

보행 동안 동력식 다리 보철, 정형술 또는 외골격의 발목, 무릎 및 힙 관절에서의 생체모방 토크를 명령하기 위한 제어 아키텍쳐가 제공되어 있다. 본 실시예에서, 동력식 장치는 토크 제어가능한 인공 발목 및 무릎 관절을 포함한다. 로봇 다리 장치의 각 관절에 장착된 센서에 의해 제공된 피드백 정보에 의해 결정되는 바에 따라 사용자에게 적절한 관절 토크가 제공된다. 이들 센서는 디지털 인코더, 할-효과 센서 등을 사용하는 각도 관절 변위 및 속도, 무릎 및 발목 관절의 토크 센서 및 무릎과 발목 관절 사이에 위치된 적어도 하나의 관성 측정 유닛(IMU)을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.A control architecture is provided for commanding biomimetic torques at the ankle, knee and hip joints of powered leg prosthetics, orthopedic or exoskeleton during walking. In this embodiment, the powered device includes a torque controllable artificial ankle and knee joint. Appropriate joint torque is provided to the user as determined by feedback information provided by sensors mounted on each joint of the robotic leg device. These sensors include, but are not limited to, angular joint displacement and speed using digital encoders, Hal-effect sensors, and the like, torque sensors in the knee and ankle joints and at least one inertial measurement unit (IMU) located between the knee and ankle joints. It doesn't work.

로봇 다리(힙, 무릎 및 발목)로부터의 관절 상태(위치 및 속도)의 센서 정보는 인간 운동의 신경근 모델에 대한 입력으로서 사용된다. 이 모델은 그 가상 근육 각각을 위한 내부 상태를 결정하고, 척추 반사 모델로부터 결정된 근육 활성화의 특정 레벨에 대해 제공되어야 하는 개별 가상 근육 힘 및 강성도를 형성하기 위해 로봇 다리로부터의 관절 상태 센서 정보를 사용한다. 로봇 다리가 경대퇴 절단자에 의해 착용된 다리 보철이라면, 발목 및 무릎의 각도 센서는 이들 관절을 위한 관절 상태를 측정한다. 힙 관절에 대하여, 사용자의 대퇴의 절대 배향이 보철 무릎 및 발목 관절 사이에 위치된 IMU와 보철 무릎의 각도 관절 센서 양자 모두를 사용하여 결정된다. 힙 위치 및 속도를 추산하기 위해, 제어 아키텍쳐는 상체(상반신)가 걸음걸이 동안 비교적 수직 위치를 유지한다는 가정 하에 작동한다.Sensor information of joint status (position and velocity) from the robotic legs (hip, knee and ankle) is used as input to the neuromuscular model of human motion. This model uses the joint state sensor information from the robotic leg to determine the internal state for each of its virtual muscles, and to form individual virtual muscle forces and stiffnesses that should be provided for specific levels of muscle activation determined from the spinal reflex model. do. If the robotic leg is a leg prosthesis worn by a femoral cutter, the ankle and knee angle sensors measure the joint condition for these joints. With respect to the hip joint, the absolute orientation of the user's thigh is determined using both the IMU located between the prosthetic knee and the ankle joint and the angular joint sensor of the prosthetic knee. To estimate heap position and speed, the control architecture works on the assumption that the upper body (upper body) remains in a relatively vertical position during the gait.

본 명세서 및 본 명세서에 참조로 통합된 출원에서 사용될 때, 이하의 용어들은 이하의 의미를 명시적으로 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.As used in this specification and the application incorporated herein by reference, the following terms expressly include but are not limited to the following meanings.

"작동기"는 후술된 바와 같은 모터의 일 유형을 의미한다."Operator" means one type of motor as described below.

"주동근"은 다른 요소, 즉, 길항근에 의해 저지 또는 상쇄작용되는 수축 요소를 의미한다."Apical muscle" means a contractile element that is arrested or counteracted by another element, ie the antagonist.

"주동근-길항근 작동기"는 (적어도) 서로 대향하여 동작하는 두 개의 작동기, 즉, 여기시 두 개의 요소를 함께 당기는 주동근 작동기와 여기시 두 개의 요소를 멀어지는 방향으로 압박하는 길항근 작동기를 포함하는 메커니즘을 의미한다."Apical-antagonist" means a mechanism that includes (at least) two actuators operating opposite each other, namely an agonist that pulls two elements together here and an antagonist actuator that presses two elements apart here. it means.

"길항근"은 다른 요소, 즉, 주동근에 의해 저지 또는 상쇄작용되는 확장 요소를 의미한다."Antagonist" means another element, an expansion element that is arrested or canceled by the main root muscle.

"생체모방"은 관절 또는 사지 같은 생물학적 구조체 또는 메커니즘의 특성 및 거동을 모방하는 인간이 만든 구조체 또는 메커니즘을 의미한다."Bioimitation" means a human made structure or mechanism that mimics the properties and behavior of a biological structure or mechanism, such as a joint or limb.

"배굴"은 발의 단부가 상향 이동하도록 발목 관절을 절곡시키는 것을 의미한다."Odor" refers to bending the ankle joint so that the end of the foot moves upward.

"탄성"은 신장 또는 압축에 의한 변형 이후 원래의 현상으로 복귀할 수 있다는 의미이다."Elastic" means that it can return to the original phenomenon after deformation by stretching or compression.

"연신"은 관절에서 사지의 뼈들 사이의 각도를 증가시키는 사지 내의 관절 주변의 굴곡 이동을 의미한다."Elongation" refers to the bending movement around the joint in the limb, which increases the angle between the bones of the limb at the joint.

"굴곡(flexion)"은 관절에서의 사지의 뼈들 사이의 각도가 감소하는 사지의 관절 주변에서의 절곡 운동을 의미한다."Flexion" means the bending motion around the joint of the limb, in which the angle between the bones of the limb in the joint decreases.

"모터"는 전기, 공압 또는 유압 모터 및 작동기를 포함하는 공급된 에너지를 기계적 에너지로 변환함으로써 운동을 생성 또는 부여하는 활성 요소를 의미한다."Motor" means an active element that generates or imparts movement by converting supplied energy, including electric, pneumatic or hydraulic motors and actuators, into mechanical energy.

"족저 굴곡"은 발의 단부가 하향 이동하도록 발목 관절을 절곡시키는 것을 의미한다."Foot plantar flexion" means bending the ankle joint so that the end of the foot moves downward.

"스프링"은 압축 또는 신장된 이후 그 원래의 형상으로 복귀하는 금속 코일 또는 판 구조체 같은 탄성 장치를 의미한다."Spring" means an elastic device, such as a metal coil or plate structure, that is returned to its original shape after compression or stretching.

본 발명의 이러한 양태에 따른 신경근 모델 기반 제어 체계의 예시적 실시예가 도 1에 블록도로서 도시되어 있다. 도 1에서, 본 발명에 따른 신경근 모델은 각각의 모델링된 근육 유닛(120)을 위한 반사 루프(110)를 포함한다. 모든 모델링된 근육들로부터의 예측된 힘 및 강성도가 문헌으로부터의 근육 모멘트 아암 값(140)을 사용하여 관절 토크 및 강성도를 연산(130)하기 위해 사용된다. 모델 추산치는 그후 생체 모방 로봇 다리 관절(150)을 위한 원하는 순수 토크 및 강성도 값으로서 제어기로 전송된다. 제어기(160)는 그후 각 로봇 관절(150)에서의 토크 및 강성도 값을 추적한다.An exemplary embodiment of a neuromuscular model based control scheme in accordance with this aspect of the present invention is shown as a block diagram in FIG. 1. In FIG. 1, the neuromuscular model according to the present invention includes a reflex loop 110 for each modeled muscle unit 120. Predicted force and stiffness from all modeled muscles are used to calculate 130 joint torque and stiffness using muscle moment arm values 140 from the literature. The model estimate is then sent to the controller as the desired pure torque and stiffness value for the biomimetic robot leg joint 150. The controller 160 then tracks the torque and stiffness values at each robot joint 150.

각각의 가상 근육(virtual muscle)이 그의 필요로 하는 힘을 생성하기 위해서는, 근육 자극 파라미터[STIM(t)]가 필요하다. 이 파라미터는 외부 입력 또는 로컬 피드백 루프(local feedback loop) 중 하나로부터 결정될 수 있다. 예시적인 생체모방 다리(biomimetic leg)에 대한 제어 방법에서 STIM(t)은 로컬 피드백 루프에 기반하여 계산된다. 이 아키텍쳐(architecture)는 가이어(Geyer)와 헤르(Herr)에 의해 개발된 반사 피드백 프레임워크(reflex feedback framework)에 기반한다[H. Geyer, H. Herr, "다리 역학의 원리를 인코딩하는 근육-반사 모델로 인간 보행 동역학과 근육 활동을 예측함(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)", (개시를 위해 제출), 본 명세서에서 참조로서 전체가 포함됨]. 이 프레임워크에서 신경 제어가 온전한 인간 근육의 신장 반사를 모방하도록 설계된다. 이 신경근 반사 기반의 제어 방법은 생체모방 로봇 다리가 인간형 관절 역학을 모사할 수 있게 한다. In order for each virtual muscle to generate its required force, muscle stimulation parameters [STIM (t)] are needed. This parameter may be determined from either an external input or a local feedback loop. In the control method for an exemplary biomimetic leg, STIM (t) is calculated based on a local feedback loop. This architecture is based on the reflex feedback framework developed by Geyer and Herr [H. Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities", (Submitted for initiation), the entirety of which is incorporated herein by reference]. In this framework, neural control is designed to mimic renal reflexes of intact human muscles. This neuromuscular reflection-based control method allows a biomimetic robot leg to simulate human-like joint dynamics.

신경기계 모델(neuromechanical model). 다리 역학의 원리를 인코딩하는 반사 제어를 갖는 인간 모델로 인간 보행 동역학과 근육 활동을 예측한다. 신경과학자가 동물과 인간의 보행를 제어하는 점점 더 복잡해지는 신경 네트워크를 밝혀내는 동안, 생체역학자는 다리의 역학의 원리가 고려된다면 그 운동은 작은 모터 제어를 필요로 한다는 것을 발견했다. 본 명세서에서는 어떻게 근육 반사 거동이 이러한 2가지 관찰을 연결시키는 데 중요할 수 있는 지를 보여준다. 다리 역학의 원리를 인코딩하는 근육 반사 거동에 의해 구동되는 인간 운동 모델이 개발되었다. 이러한 원리를 기반으로 한 반사 제어를 갖춤으로써 상기 모델은 지면과의 동역학적 상호 작용으로부터 보행 걸음걸이(gait)로 안정화되고, 지면 장애를 견디고, 계단에 자체 적응한다. 또한, 상기 모델은 실험에서 알려진 관절 각도, 관절 토크 및 근육 활동과의 정성적 합치를 보여주며, 다리 역학의 원리를 운동을 담당하는 신경 네트워크에 연결하는 근육 반사 거동에 의해 인간의 모터 출력이 대부분 형성될 수 있다고 제안한다.Nervous system model. Predict human walking kinetics and muscle activity with a human model with reflex control encoding the principles of leg dynamics. While neuroscientists have uncovered an increasingly complex neural network that controls animal and human walking, biomechanics have found that, if the principles of leg dynamics are taken into account, the motion requires small motor control. Here we show how muscle reflex behavior can be important in linking these two observations. A human kinetic model developed by muscle reflex behavior that encodes the principles of leg dynamics has been developed. With reflection control based on this principle, the model stabilizes from gait interaction with the ground, withstands ground obstacles, and adapts itself to stairs. The model also shows a qualitative agreement with joint angles, joint torques, and muscle activity known in the experiment, and human motor output is largely driven by muscle reflex behavior that links the principles of leg dynamics to the neural networks responsible for movement. It can be formed.

모터 제어를 갖춘 인간 보행 모델은 근육 반사에 기반하며, 그러한 다리 역학의 원리를 포함하도록 설계된다. 이러한 원리는 다리 운동(legged locomotion)의 단순 개념 모델로부터 도출되며, 입각기의 순응적 다리 거동(compliant leg behavior in stance)에 대한 의존관계[Blickhan, R., 1989. 주행과 홉핑을 위한 스프링-질량 모델(The spring-mass model for running and hopping). J. of Biomech. 22, 1217- 1227; Ghigliazza, R., Altendorfer, R., Holmes, P., Koditschek, D., 2003. 단순 안정화 주행 모델(A simply stabilized running model). SIAM J. Applied. Dynamical Systems 2 (2), 187-218; Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. 순응적 다리 거동이 보행과 주행의 기초 동역학을 설명함(Compliant leg behaviour explains the basic dynamics of walking and running). Proc. R. Soc. Lond. B 273, 2861-2867]와, 정적 관절 토크 평형상태에 기반한 분절식 다리의 안정화[Seyfarth, A., Guenther, M., Blickhan, R., 2001. 탄성 3분절식 다리의 안정적 작동(Stable operation of an elastic three-segmented leg). Biol. Cybern. 84, 365-382; Guenther, M., Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. 인간 다리 디자인: 제약 하에서의 최적화된 축방향 정렬(Human leg design: optimal axial alignment under constraints). J. Math. Biol. 48, 623-646]와, 탄도학적 유각 역학의 개발(exploitation of ballistic swing-leg mechanics)[Mochon, S., McMahon, T., 1980. 탄도학적 보행(Ballistic walking). J. Biomech. 13 (1), 49-57]과, 유각-다리 오므림을 사용하는 걸음걸이 안정성 향상[Seyfarth, A., Geyer, H., Guenther, M., Blickhan, R., 2002. 주행을 위한 이동 표준(A movement criterion for running). J. of Biomech. 35, 649-655; Seyfarth, A., Geyer, H., Herr, H. M., 2003. 유각-다리 오므림: 안정적 주행을 위한 단순 제어 모델(Swing-leg retraction: a simple control model for stable running). J. Exp. Biol. 206, 2547-2555]을 포함한다. 척수 반사(spinal reflex)와 결합된 힐 타입 근육(hill-type muscle)이 채용되며, 효과적으로 이러한 역학적 특징을 인코딩하기 위해 포지티브 힘 및 길이 피드백 체계(positive force and length feedback schemes)가 포함된다.Human walking models with motor control are based on muscle reflexes and are designed to incorporate the principles of such leg dynamics. This principle derives from a simple conceptual model of legged locomotion and is dependent on the compliant leg behavior in stance [Blickhan, R., 1989. Spring for driving and hopping. 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] and stabilization of articulated legs based on static joint torque equilibrium [Seyfarth, A., Guenther, M., Blickhan, R., 2001. of an elastic three-segmented leg). Biol. Cybern. 84, 365-382; Guenther, M., Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. Human leg design: optimal axial alignment under constraints. J. Math. Biol. 48, 623-646 and exploitation of ballistic swing-leg mechanics [Mochon, S., McMahon, T., 1980. Ballistic walking. J. Biomech. 13 (1), 49-57], and improved gait stability using angle-leg rims [Seyfarth, A., Geyer, H., Guenther, M., Blickhan, R., 2002. Movement for Driving Standard (A movement criterion for running). J. of Biomech. 35, 649-655; Seyfarth, A., Geyer, H., Herr, H. M., 2003. Swing-leg retraction: a simple control model for stable running. J. Exp. Biol. 206, 2547-2555. Hill-type muscles combined with spinal reflexes are employed, and positive force and length feedback schemes are included to effectively encode these mechanical features.

모델의 거동을 인간 보행에 대한 문헌으로부터의 동역학적, 운동학적, 및 근전계적 근거와 비교하면, 다리 역학의 원리를 인코딩하도록 설계된 모터 제어를 갖춘 신경근 모델은 생체학적 보행 역학과 근육 활동을 생성할 수 있다는 것이 나타났다. 이러한 반사 제어는 모델이 지면 수준의 급격한 변화를 견디고 파라미터 조정 없이 계단의 상승 및 하강에 적응하게 한다.Comparing the behavior of the model with the kinetic, kinematic, and electromechanical evidence from the literature on human gait, a neuromuscular model with motor control designed to encode the principles of leg dynamics can produce biomechanical walking dynamics and muscle activity. It turns out that you can. This reflection control allows the model to withstand drastic changes in ground level and adapt to the rise and fall of stairs without adjusting parameters.

인간 모델의 구조와 제어는 개념적 포인트-질량 모델(point-mass model)로부터, 상부 몸체 및 7개의 근육에 의해 각각 동작되고 근육 반사에 의해 제어되는 2개의 3분절 다리를 갖는 신경근 두발 동물로 6단계로 발전된다. 도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 이러한 태양에 따라 일반적 신경근 모델 아키텍쳐의 발전의 6개의 스테이지를 도시한다. 제1의 3개의 스테이지는 입각기의 순응적 다리 거동을 통합하고 안정화시킨다(도 2a 내지 도 2c). 제4 스테이지는 상부 몸체와 그의 밸런스 제어를 부가한다(도 2d). 마지막 2개의 스테이지는 유각 동안의 다리의 펴짐과 오므림을 준비하고 보장한다(도 2e 내지 도 2f).The structure and control of the human model are six stages, from the conceptual point-mass model, to a neuromuscular bipedal animal with two 3-segment legs, each operated by the upper body and seven muscles and controlled by muscle reflexes. Develops. 2A-2F show six stages of development of a general neuromuscular model architecture in accordance with this aspect of the invention. The first three stages integrate and stabilize the conformal leg behavior of the stator (FIGS. 2A-2C). The fourth stage adds an upper body and its balance control (FIG. 2D). The last two stages prepare and assure the straightening and pinching of the legs during the instep (FIGS. 2E-2F).

이하의 단락에서 더 상세히 설명되는 도 2a 내지 도 2f에서, 포지티브 힘 피드백(positive force feedback: F+)을 갖는 덩어리진 바스티 그룹 근육(lumped vasti group muscle: VAS)과 비장근(soleus muscle: SOL)을 구동함으로써 입각기 다리 구조(도 2a)로부터 발전하여 보행과 주행을 가능하게 하는 순응적 다리 거동이 발생됨(도 2b)으로 이어진다. 무릅의 과도한 신장을 방지하기 위해 F+ 를 사용하여 양관절형 비장근(biarticular gastrocnemius muscle: GAS)이 부가되고(도 2c), VAS는 무릎이 170°임계치를 너머 신장된다면 억제된다. 발목의 과도한 신장을 방지하기 위해 경골 전방 근육(tibialis anterior muscle: TA)이 부가되어, 포지티브 길이 피드백(L+)에 의해 구부러진 위치로 발목 관절을 당기는 것은 비장근으로부터의 네거티브 힘 피드백(F-)에 의해 정상 입각기 조건 하로 억제된다. 다리 유각을 허용하기 위해 상부 몸체가 부가된다(도 2d). 힙 굴근(hip flexor: HFL) 및 입각기 다리의 동시활동하는 힙 신근(co-activated hip extensor muscles: GLU, HAM)에 의해 수직에 대해 기울어진 기준 내로 구동되고, 양관절형 HAM은 힙 신근 모멘트에 의한 무릅의 과도한 신장을 방지한다. 다른(앞서 가는) 다리의 착지는 HFL/GLU에 각각 일정한 자극을 더하고/뺌으로써, 그리고 다른 다리에 의해 지탱되는 하중에 비례적으로 VAS를 억제함으로써 유각을 시작시킨다(도 2e). 실제 다리 유각은 HAM의 L- 에 의해 억제되기까지 L+ 를 사용하여 HFL에 의해 촉진된다(도 2f). HFL의 자극은 이륙하는 상부 몸체의 기울기에 따라 편향된다. 또한, GLU 및 HAM을 위해 F+ 를 사용하는 것은 유각의 단부를 향해 다리를 오므리고 펴지게 한다. 최종적으로 TA의 이제 억제되지 않은 L+ 는 발목을 굽혀진 위치로 구동시킨다(도 2g).In FIGS. 2A-2F, which are described in more detail in the following paragraphs, lumped vasti group muscle (VAS) and soleus muscle (SOL) with positive force feedback (F +) By driving, it develops from the standing leg structure (FIG. 2A), resulting in a compliant leg behavior that enables walking and running (FIG. 2B). Biarticular gastrocnemius muscle (GAS) is added using F + to prevent excessive elongation of the knee (FIG. 2C) and VAS is inhibited if the knee is stretched beyond the 170 ° threshold. Tibialis anterior muscle (TA) is added to prevent excessive extension of the ankle, and pulling the ankle joint to a position bent by positive length feedback (L +) is caused by negative force feedback (F-) from the sphincter. Suppressed under normal standing conditions. An upper body is added to allow leg elevation (FIG. 2D). The hip flexor (HFL) and the co-activated hip extensor muscles (GLU, HAM) of the leg legs are driven into the vertically inclined reference, and the articulated HAM is the hip extensor moment Prevent excessive elongation of the knee by Landing of the other (preceding) leg initiates the burn by adding a constant stimulus to the HFL / GLU, respectively, and suppressing the VAS in proportion to the load held by the other leg (FIG. 2E). The actual leg elevation is promoted by HFL using L + until suppressed by L− of HAM (FIG. 2F). The stimulus of the HFL is deflected according to the tilt of the upper body taking off. In addition, using F + for GLU and HAM causes the legs to be lifted and stretched towards the ends of the glaze. Finally, now unsuppressed L + of TA drives the ankle to the bent position (FIG. 2G).

입각기 다리 순응성 및 안정성. 두발의 스프링-질량 모델은 인간 운동에 대한 개념적 기초를 위한 출발점으로서 사용된다(도 2a). 비록 이러한 모델은 2개의 무질량 스프링 다리(201, 215) 상에서 진행하는 포인트-질량(205)만으로 이루어지지만, 이는 걸음걸이 둘 다를 입각기의 순응적 다리 거동에 기반한 하나의 개념적 프레임워크로 단일화한다[Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. 순응적 다리 거동이 보행과 주행의 기초 동역학을 설명함(Compliant leg behaviour explains the basic dynamics of walking and running). Proc. R. Soc. Lond. B 273, 2861-2867].Plinth leg compliance and stability. The two-spring spring-mass model is used as a starting point for the conceptual basis for human motion (FIG. 2A). Although this model consists of only point-mass 205 running on two massless spring legs 201 and 215, it unifies both steps into one conceptual framework based on the conformable leg behavior of the stance. 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.

신경근 다리의 순응적 거동을 실시하기 위해, 각 스프링(210, 215)은 넓적다리(220), 정강이(225), 및 발(230)로 대체되며, 비장근(SOL)(235)과 바스티 근육 그룹(VAS)(240)이 부가되어, 걸음걸이의 입각기 기간 동안 로컬 포지티브 힘 피드백(F+)을 통해 둘 다 그들의 근육 활동을 발생시킨다(도 2b). 이러한 힘 반사는 Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. 튀는 걸음걸이에서의 포지티브 힘 피드백?(Positive force feedback in bouncing gaits?) Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183.에서와 동일한 방법으로 모델링된다. 포지티브 힘 피드백 하에서, 근육(m)의 자극[Sm(t)]은 사전 자극(S0,m)과, 근육의 시간 지연(Δt) 및 얻어진(G) 힘(Fm)의 합이다: Sm(t) = S0,m + GmFm(t - Δtm).In order to achieve adaptive behavior of the nerve root legs, each spring 210, 215 is replaced with a thigh 220, a shin 225, and a foot 230, and the sphincter muscle (SOL) 235 and the basti muscles. A group (VAS) 240 is added to generate their muscle activity both via local positive force feedback (F +) during the gait phase of the gait (FIG. 2B). These force reflections are described by Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. Positive force feedback in bouncing gaits? Proc. R. Soc. Lond. Modeled in the same manner as in B 270, 2173-2183. Under positive force feedback, the stimulus [Sm (t)] of muscle (m) is the sum of the prestimulus (S0, m) and the time delay (Δt) and the obtained (G) force (Fm) of the muscle: Sm (t ) = S0, m + GmFm (t-Δtm).

순응적 다리 거동이 기본적인 반면, 이는 또한 분절식 다리의 관절 안정성을 위협한다[Seyfarth, A., Guenther, M., Blickhan, R., 2001. 탄성 3분절식 다리의 안정적 작동(Stable operation of an elastic three-segmented leg). Biol. Cybern. 84, 365-382; Guenther, M., Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. 인간 다리 디자인: 제약 하의 최적화된 축방향 정렬(Human leg design: optimal axial alignment under constraints). J. Math. Biol. 48, 623-646]]. 분절식 다리에서, 무릎과 발목 토크(τk 및 τa)는 정적 평형(τka = hk/ha)을 따르며, hk 및 ha는 각각 무릎과 발목으로부터 다리 힘 벡터(Fleg)로의 직각 거리이다. 효과에 있어서, 하나의 관절에서의 큰 신장 토크는 다른 관절을 Fleg에 근접하게 가압하여, 스프링과 같이 거동하는 다리에 대해 과도한 신장의 우려가 생긴다[상세한 것은 Seyfarth, A., Guenher, M., Blickhan, R., 2001. 탄성 3분절 다리의 안정적 작동(Stable operation of an elastic three- segmented leg). Biol. Cybern. 84, 365-382 참조].While compliant leg behavior is fundamental, it also threatens joint stability of the articulated leg [Seyfarth, A., Guenther, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation of an elastic articulated leg elastic three-segmented leg). Biol. Cybern. 84, 365-382; Guenther, M., Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. Human leg design: optimal axial alignment under constraints. J. Math. Biol. 48, 623-646]. In the articulated leg, the knee and ankle torques (τ k and τ a ) follow the static equilibrium (τ k / τ a = h k / h a ), where h k and h a are the leg force vectors from the knee and ankle, respectively ( Right angle to Fleg). In effect, a large stretch torque in one joint forces the other joint close to the Fleg, resulting in excessive stretch concerns for the leg behaving like a spring [see Seyfarth, A., Guenher, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation of an elastic three-segmented leg. Biol. Cybern. 84, 365-382].

무릎 또는 발목에서의 이러한 과도하게 신장되는 경향은 비복근(GAS)(245)과 경골 전방(TA)(250) 근육을 부가함으로써 반해진다(counter)(도 2c). SOL 및 VAS 처럼 양관절형 GAS는 걸음걸이의 입각기 기간 동안 로컬 포지티브 힘 피드백(F+)을 사용한다. 이러한 근육 반사는 발목에서의 큰 신장 토크로부터 결과되는 무릎의 과도한 신장을 방지할 뿐 아니라, 종합적인 순응적 다리 거동을 발생시키는 데 기여한다. 반대로, 단일관절형 TA는 로컬 포지티브 길이 피드백(L+)을 사용하는데, 이때 STA(t) = S0 , TA + GTA(lCE , TA - loff , TA)(t - Δt, TA)를 따르며, 단, lCE , TA는 TA 섬유 길이이고, loff , TA는 길이 오프셋이다. 발을 굽힐 때 TA의 L+ 는 큰 무릎 토크가 발생될 때 발목이 과도하게 신장되는 것을 방지한다. 그러나, 이러한 근육 반사는 충분한 발목 신근의 활동이 무릎과 발목의 토크 평형을 보전한다면 필요치 않다. 이러한 상황에서 TA가 불필요하게 SOL과 대항하는 것을 피하기 위해, SOL로부터의 네거티브 힘 피드백(F-)으로 TA 자극이 억제되며, 그 결과 STA(t) = S0 , TA +GTA(lCE , TA - loff , TA)(t - Δt, TA) -GSOLTA FSOL(t - ΔtSOL)가 된다. 무릎이 과도하게 신장되는 것을 더 방지하기 위해, 만약 무릎이 170도 임계치를 너머 신장된다면 VAS가 억제되며, SVAS(t) = S0 , VAS + GVAS FVAS (t - ΔtVAS) - kΦΔΦk(t - Δtk)이고, 단, kΦ는 비례적 게인, ΔΦk = Φk - 170도, Φk는 무릎 각도이다. 이러한 반사 억제는 ΔΦ 〉0이고 무릎이 실제로 신장될 때만 활성화된다.This overstretching tendency in the knee or ankle is countered by the addition of gastrocnemius (GAS) 245 and tibial anterior (TA) 250 muscles (FIG. 2C). Like SOL and VAS, articulated GAS uses local positive force feedback (F +) during the gait phase of the gait. This muscle reflex not only prevents excessive elongation of the knee resulting from large stretch torque at the ankle, but also contributes to generating comprehensive compliant leg behavior. In contrast, the mono-articular 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 ), Where l CE and TA are TA fiber lengths, and l off and TA are length offsets. When bending, TA's L + prevents the ankle from overextending when large knee torque occurs. However, this muscle reflex is not necessary if sufficient ankle extensor activity preserves the knee and ankle torque balance. In this situation, TA stimulation is suppressed with negative force feedback (F-) from SOL to avoid TA from unnecessarily opposing SOL, resulting in S TA (t) = S 0 , TA + G TA (l CE , TA -l off , TA ) (t-Δ t, TA ) -G SOLTA F SOL (t-Δt SOL ). To further prevent the knee from being stretched too much, if the knee is stretched beyond the 170 degree threshold, VAS is suppressed and S VAS (t) = S 0 , VAS + G VAS F VAS (t-Δt VAS )-k Φ ΔΦ k (t-Δt k ), with k Φ being proportional gain, ΔΦ k = Φ k -170 degrees, and Φ k being the knee angle. This reflex suppression is ΔΦ> 0 and is only activated when the knee is actually stretched.

상부 몸체 및 그의 밸런스. 개념적 스프링-질량 모델로부터 신경근 두발 동물로 발전되는 그 다음 단계에서, 포인트 질량 표시가 없어지고, 둘레에 다리가 유각될 수 있는(도 2d) 상부 몸체(255)가 도입된다. 이러한 상부 몸체(255)는 머리, 아암 및 트렁크(trunk)(HAT)를 결합한다. 운동 동안 HAT(255)를 밸런싱하기 위해, 각 다리에는 둔근 그룹(gluteus muscle group: GLU)(260)과 힙 굴근 그룹(hip flexor muscle group: HFL)(265)이 부가된다. GLU(260)와 HFL(265)는, 중력에 대하여 경사 각도(θ)를 향한 HAT의 비례-미분 신호(proportional-derivative signal)(255)로 자극되며, SGLU / HFL ~ ±[kP (θ - θref) + kd dθ/dt] 이고, 단, kP 및 kd는 비례 및 미분 게인이고, θref는 기준 경사 각도이다[유사한 접근방법으로서 예를 들어, Guenther, M., Ruder, H., 2003. 2차원 인간 보행의 합성: 람다 모델의 시험(Synthesis of two-dimensional human walking: a test of the λ-model). Biol. Cybern. 89, 89-106과 비교됨]. 또한, 양관절형 슬와근 그룹(biarticular hamstring muscle group: HAM)(270)가 포함되며, SHAM ~ SGLU는 무거운 HAT(255)를 당길 때 GLU(260)에 의해 발생된 큰 힙 토크로부터 결과된 무릎의 과도한 신장에 반한다. 힙 토크는 다리가 충분한 중량을 견딘다면 HAT(255)를 밸런싱할 수만 있기 때문에, GLU(260), HAM(270), 및 HFL(265)의 자극은 각 다리에 대해 그것이 견디는 몸체 중량의 양에 비례하여 모듈화된다. 그 결과, 각 다리의 힙 근육은 입각기 동안만 HAT의 밸런스 제어에 기여한다.Upper body and its balance. In the next stage of development from a conceptual spring-mass model to a neuromuscular biped, the point mass indication is eliminated and an upper body 255 is introduced in which a leg can be angled around (FIG. 2D). This upper body 255 combines the head, arms and trunk HAT. In order to balance the HAT 255 during exercise, each leg is added with a gluteus muscle group (GLU) 260 and a hip flexor muscle group (HFL) 265. GLU 260 and HFL 265 are stimulated with a proportional-derivative signal 255 of the HAT towards the tilt angle θ with respect to gravity, and S GLU / HFL ˜ ± [k P ( θ-θ ref ) + k d dθ / dt], provided that k P and k d are proportional and differential gain, and θ ref is the reference tilt angle [as a similar approach, for example, Guenther, M., Ruder , H., 2003. Synthesis of two-dimensional human walking: a test of the λ-model. Biol. Cybern. 89, 89-106]. In addition, a biarticular hamstring muscle group (HAM) 270 is included and S HAM -S GLU results from the large hip torque generated by the GLU 260 when pulling the heavy HAT 255. Against excessive elongation of the knee; Since hip torque can only balance the HAT 255 if the legs endure enough weight, the stimulation of the GLU 260, HAM 270, and HFL 265 is dependent on the amount of body weight it bears for each leg. Modularly proportional. As a result, the hip muscles of each leg contribute to the balance control of the HAT only during the standing phase.

유각 다리 펴기 및 오므리기. 인간 모델의 구조는 유각 다리의 펴기 및 오므리기를 생성하는 근육-반사 제어를 제외하고는 완성되었다. 입각기 다리의 기능적 중요성은 대측성(contralateral) 다리에 의해 견뎌지는 몸체 중량(bw)의 양에 비례하여 감소되며, 유각 다리 펴기는 이미 이중 지지부에서 시작된다고 여겨진다(도 2e). 인간 모델은 어느 다리가 입각기에 마지막으로 진입하는지(대측성 다리) 검출하고, 대측성 다리가 견디는 중량에 비례하여 동측성(ipsilateral) 다리의 VAS(240)의 F+ 를 억제하며, SVAS(t) = S0 , VAS + GVAS FVAS (t - ΔtVAS) - kΦΔΦk(t - Δtk) - kbw

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이다. 대측성 억제는 무릎이 그의 기능적 스프링 거동을 파괴하고, 발목이 신장하는 동안 굽혀지며, 지면으로부터 다리를 떨어지게 하고 전방으로 가압하게 한다. 이러한 캐터펄트 기구(catapult mechanism)는 발목이 충분히 가압될 때에만 유각을 시작할 수 있는 반면, 본 모델은 또한 HFL(265)의 자극을 증가시키고 GLU(260)의 자극을 감소시킴으로써, 이중 지지부의 고정된 양 ΔS만큼 유각 다리 펴기를 준비한다.Stretch and pinch your bead. The structure of the human model was completed except for the muscle-reflective control, which produced straightening and pinching of the leg legs. The functional importance of the standing leg is reduced in proportion to the amount of body weight (bw) to be tolerated by the contralateral leg, and it is believed that the angled leg extension already begins at the double support (FIG. 2E). The human model detects which leg enters the standing phase last (the contralateral leg), suppresses the F + of the VAS 240 of the ipsilateral leg in proportion to the weight that the contralateral leg bears, and S VAS (t ) = S 0 , VAS + G VAS F VAS (t-Δt VAS )-k Φ ΔΦ k (t-Δt k )-k bw
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to be. The contralateral suppression causes the knee to break its functional spring behavior, bend while the ankle is stretched, to lift the leg from the ground and press forward. While this catapult mechanism can only start the burn when the ankle is fully pressurized, the model also increases the stimulation of the HFL 265 and decreases the stimulation of the GLU 260, thereby fixing the double support. Prepare the leg stretch for both ΔS.

실제 유각 동안 다리의 탄도학적 동작에 주로 의존하지만, 2가지 방법으로 영향을 받는다(도 2f). 한 편으로는 유각 다리의 펴기가 용이해진다. HFL(265)은 입각기에서 유각으로의 전이에서의 HAT(255)의 전방 피치 각도(θref)에 의해 편향된 포지티브 길이 피드백(L+)을 사용하여 자극되며, SHFL(t) = S0 , HFL + klean (θ - θref)TO + GHFL(lCE , HFL - loff , HFL)(t - Δt, HFL) 이다. 이러한 접근방법을 사용하면, 유각 다리의 탄도학적 동작은 모멘텀을 얻어 그것을 때에 맞춰 전방으로 보내는 것을 보장한다[Mochon, S., McMahon, T., 1980. 탄도학적 보행(Ballistic walking). J. Biomech. 13 (1), 49-57].It depends mainly on the ballistic behavior of the legs during actual burns, but is affected in two ways (FIG. 2F). On the one hand, it is easier to straighten the legs. HFL 265 is stimulated using positive length feedback (L +) biased by the forward pitch angle (θ ref ) of HAT 255 in the transition from standing to angular, where S HFL (t) = S 0 , HFL + k lean (θ-θ ref ) TO + G HFL (l CE , HFL -l off , HFL ) (t- Δt, HFL ). Using this approach, ballistic movement of the ridge bridge ensures that momentum is gained and sent forward in time (Mochon, S., McMahon, T., 1980. Ballistic walking). J. Biomech. 13 (1), 49-57].

또한, 유각 다리는 또한 너무 뻗어지는 것(overreaching)이 방지되며, 오므려지는 것이 보장된다. 다리가 유각 동안 적절한 배향에 도달하고 유지된다면, 다리 시스템은 걸음걸이 사이클로 자가 안정화된다[McGeer, T., 1990. 수동적 동적 보행(Passive dynamic walking). Int. J. Rob. Res. 9 (2), 62-82; Seyfarth, A., Geyer, H., Guenther, M., Blickhan, R., 2002. 주행에 대한 이동 표준(A movement criterion for running). J. of Biomech. 35, 649-655; Ghigliazza, R., Altendorfer, R., Holmes, P., Koditschek, D., 2003. 단순하게 안정화된 주행 모델(A simply stabilized running model). SIAM J. Applied. Dynamical Systems 2 (2), 187-218; Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. 순응적 다리 거동이 보행과 주행의 기초 동역학을 설명함(Compliant leg behaviour explains the basic dynamics of walking and running). Proc. R. Soc. Lond. B 273, 2861-2867]. 유각 다리가 착지되기 전에 추가적으로 오므려진다면, 방해에 대한 이러한 기계적 자가 안정화의 허용오차가 크게 향상될 수 있다[Seyfarth, A., Geyer, H., 2002. 스프링형 주행의 자연적 제어 - 최적화된 자가 안정화(Natural control of spring-like running - optimized self-stabilization). In: 기어오르기 및 보행 로봇에 대한 제5차 국제 컨퍼런스 회보(Proceedings of the 5th international conference on climbing and walking robots). Professional Engineering Publishing Limited, pp. 81-85; Seyfarth, A., Geyer, H., Herr, H. M., 2003. 유각 다리 오므리기: 안정적 주행를 위한 단순 제어 모델(Swing-leg retraction: a simple control model for stable running). J. Exp. Biol. 206, 2547-2555]. 이러한 정지 및 오므리기 방법(halt-and-retract strategy)을 실시하기 위해, 인간 모델에 3개의 근육 반사가 포함된다. 무릎이 펴지는 것이 방지되는 동안 완전한 신장에 도달할 때 다리가 받는 전방 충격에 의해 발생될 수 있는, 유각 다리가 과도하게 뻗어지는 것이 방지된다. 이 점에서 HFL의 L+ 는 HAM이 유각에서 받는 신장에 비례하여 억제되며, SHFL(t) = klean (θ - θref)TO +GHFL(lCE , HFL -loff , HFL)(t -Δt, HFL) -GHAMHFL(lCE , HAM - loff , HAM)(t - Δt, HAM) 이다. 또한, F+ 는 GLU를 위해 사용되며, SGLU(t) = S0 , GLU + GGLU FGLU (t - ΔtGLU) 이고, 또한 HAM을 위해 사용되며, SHAM(t) = S0 , HAM + GHAM FHAM (t - ΔtH AM) 가 되어, 실제 펴기 운동량에 따라 유각 다리가 정지될 뿐 아니라 이러한 운동량의 부분을 다리를 펴지게 하고 오므리는 데 전달하는 것을 보장한다. 최종적으로, 발 간격을 보장하기 위해 도입된 TA L+ 는 유각 전체에 걸쳐 유지된다. SOL, GAS, 및 VAS는 이러한 단계 동안 활동하지 않게 유지된다.In addition, the legs are also prevented from overreaching and are guaranteed to be pinched. If the leg reaches and remains in proper orientation during the angle, the leg system self-stabilizes with a gait cycle [McGeer, T., 1990. Passive dynamic walking. Int. J. Rob. Res. 9 (2), 62-82; Seyfarth, A., Geyer, H., Guenther, M., Blickhan, R., 2002. A movement criterion 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. If the legs are additionally retracted before landing, the tolerance of this mechanical self-stabilization to disturbances can be greatly improved [Seyfarth, A., Geyer, H., 2002. Natural control of spring-type driving-optimized self Natural control of spring-like running-optimized self-stabilization. In: Proceedings of the 5th international 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. To implement this halt-and-retract strategy, three muscle reflexes are included in the human model. While the knees are prevented from being stretched, overstretched legs are prevented from being overstretched, which may be caused by the anterior impact the legs receive when they reach full extension. At this point, L + in HFL is suppressed in proportion to the height HAM receives from the flap, and 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 ). Also, F + is used for GLU , S GLU (t) = S 0 , GLU + G GLU F GLU (t-Δt GLU ), also used for HAM , S HAM (t) = S 0 , HAM + G HAM F HAM (t-Δt H AM ), which ensures that the leg is not only stopped according to the actual amount of stretching, but also passes that portion of the momentum to straightening and pinching. Finally, TA L + introduced to ensure foot spacing is maintained throughout the well. SOL, GAS, and VAS remain inactive during this phase.

반사 제어 파라미터. 본 모델에 사용된 방정식을 통해 근육 자극[Sm(t)]에 대한 상이한 반사 기여가 제어된다. 파라미터 최적화가 실행되지 않았다. 파라미터는 반사 거동(F+, L+)의 사전 지식으로부터 유도되었고, 또는 타당한 추정치를 만듦으로써 유도되었다. 모든 근육 자극은 근육 활동[Am(t)]으로 변형되기 전에 0.01 내지 1의 범위 내에 제한된다. 표 1은 바람직한 실시예에 사용된 입각기 반사 방정식을 나타낸다.Reflection control parameters. The equations used in this model control different reflection contributions to muscle stimulation [Sm (t)]. Parameter optimization was not performed. The parameters were derived from prior knowledge of reflection behaviors (F +, L +), or by making valid estimates. All muscle stimuli are limited in the range of 0.01 to 1 before being transformed into muscle activity [A m (t)]. Table 1 shows the standing reflection equations used in the preferred embodiment.

Figure pct00002
Figure pct00002

Figure pct00003
Figure pct00004
다리가 이중 지지부 내의 끌려가는 다리(trailing leg)이면 DSup는 1이고, 그렇지 않으면 0이다. {}+/- 는 포지티브/네거티브 값만을 지시한다.
Figure pct00003
And
Figure pct00004
DSup is 1 if the leg is a trailing leg in the double support, otherwise 0. {} +/- indicates only positive / negative values.

표 2는 바람직한 실시예에 사용된 유각 반사 방정식을 나타낸다.Table 2 shows the angle reflection equations used in the preferred embodiment.

Figure pct00005
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({}PTO 는 앞서 떨어질 때 취해진 상수 값이다.)({} PTO is a constant value taken when falling earlier.)

결과. 인간 모델은 근육을 피드-포워드 방식으로 움직이는 중추 패턴 발생기(CPG)를 갖지 않지만, 지면을 감지하기 위해 각각의 발의 볼(ball)과 힐(heel)에 위치한 센서를 사용하여 각각의 다리에서 입각기 및 유각을 위한 상이한 반사작용을 절환한다. 그 결과, 모델과 그것의 기계적 환경의 동역학적 상호작용은 근육 활동을 발생시키기 위한 중요한 부분이 된다. 도 3은 본 발명의 이러한 태양에 따른 패턴 발생을 도식적으로 나타낸다. 도 3에서는, 중추 패턴을 대신하여, 반사작용이 근육 자극(Sm)(305, 310)을 발생시킨다. 좌측(L)의 다리(320) 및 우측(R)의 다리(330)는 별개의 입각기(340, 345) 및 유각(350, 355) 반사작용을 가지며, 이것은 볼 및 힐 센서(370, 375)로부터의 접촉 감지(360, 365)에 기초하여 선택된다. 반사작용 출력은 기계적 입력(Mi)(380, 385), 서로 얽힌 기구들 및 모터 제어에 의존한다.result. The human model does not have a central pattern generator (CPG) that moves muscles in a feed-forward manner, but uses a sensor located on each foot's ball and heel to sense the ground, standing on each leg. And different reflexes for glazing. As a result, the dynamic interaction of the model with its mechanical environment becomes an important part of generating muscle activity. 3 diagrammatically illustrates pattern generation according to this aspect of the invention. In FIG. 3, instead of the central pattern, reflexes generate muscle stimulation (S m ) 305, 310. The legs 320 on the left (L) and the legs 330 on the right (R) have separate stances 340, 345 and angles 350, 355 reflecting, which are ball and heel sensors 370, 375. ) Is selected based on contact sensing 360, 365 from. The reflex output depends on mechanical inputs (M i ) 380, 385, intertwined instruments and motor control.

보행 걸음걸이. 기구들과 모터 제어의 이러한 상호의존이 인간의 이동에 얼마나 중요한지를 알아보기 위해, 모델은 그 좌측 다리를 입각기 상태로 하고 그 우측 다리를 유각 상태로 하여 보통의 보행 속도(v0=1.3ms-1)로 출발되었다. 모델화된 근육의 반사작용은 20ms까지의 시간 지연을 포함하기 때문에, 모든 근육들은 처음에는 가동되지 않는다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일태양에 따른 모델과 지면 사이의 동적 상호작용 및 대응하는 지면 반력으로부터 자체 편성된 인간 모델의 보행을 각각 나타낸다. 도 4a 및 도 4b에는, 250ms마다 촬영된 인간 모델의 스냅샷(도 4a) 및 대응 모델(GRF)의 스냅샷(도 4b)이 도시되어 있으며, 좌측 다리(405, 410) 및 우측 다리(415, 420)에 대해 별개의 플롯이 존재한다(30Hz 저역 필터링됨). 1.3ms-1의 수평 속도로 출발하여, 모델은 첫 번째 두 스텝에서 느려지고, 동일한 속도의 보행을 급속히 회복한다. 다리 근육은 우측 다리(415)에 대해서만 도시되어 있으며, 10%보다 큰 근육 활동을 나타낸다. 각각의 다리에 대한 φa,k,h(발목, 무릎 및 힙 각도의 정의)의 초기 조건은 φa,k,h=85도, 175도, 175도(좌측 다리) 및 φa,k,h=90도, 175도, 140도(우측 다리)였다.Walking gait. To see how important this interdependence of mechanisms and motor control is to human movement, the model puts its left leg in standing position and its right leg in elevation, at a normal walking speed (v0 = 1.3 ms- ). 1 ) set off. Since the reflexes of modeled muscles include a time delay of up to 20ms, all muscles are not initially activated. 4A and 4B respectively show the dynamic interaction between the model and the ground according to one aspect of the invention and the walking of a human model that is self-organized from the corresponding ground reaction forces. 4A and 4B, snapshots of a human model taken every 250ms (FIG. 4A) and snapshots of the corresponding model GRF (FIG. 4B) are shown, left leg 405, 410 and right leg 415. 420, there is a separate plot (30 Hz low pass filtered). Starting at a horizontal speed of 1.3 ms −1 , the model slows down in the first two steps and rapidly recovers walking at the same speed. The leg muscles are shown only for the right leg 415 and show greater than 10% muscle activity. The initial conditions of φ a, k, h (definition of ankle, knee and hip angles) for each leg are φ a, k, h = 85 degrees, 175 degrees, 175 degrees (left leg) and φ a, k, h = 90 degrees, 175 degrees, and 140 degrees (right leg).

이러한 불안한 초기 조건 때문에, 모델은 약간 주저앉으며, 첫 번째 스텝에서 느려진다(도 4a). 그러나 그것의 파라미터가 적절히 선택되면, 모델은 후속 스텝에서 신속히 회복되며, 보행은 모델과 지면 상의 동적 상호작용으로부터 자체 편성된다. 입각기 상태의 다리의 수직 지면 반력(GRF)은 걸음걸이에 대해 M자형 패턴 특성을 나타내고(도 4b), 정상 상태 보행에서 모델 및 인간의 유사한 전신 동역학을 나타낸다.Because of this disturbing initial condition, the model sits slightly and slows down in the first step (FIG. 4A). However, if its parameters are properly selected, the model quickly recovers in subsequent steps, and the walk itself is organized from the dynamic interaction on the ground with the model. The vertical ground reaction force (GRF) of the leg in the standing state exhibits M-shaped pattern characteristics for gait (FIG. 4B), and similar systemic dynamics of the model and human in steady state gait.

각도, 토크 및 근육 활동의 정상 상태 패턴. 이러한 유사성은 면밀한 검사시에도 유지된다; 모델은 인간의 보행 데이터로부터 알려진 각도, 토크 및 근육 활동 패턴과 질적인 동일함을 나타낸다. 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 태양에 따른 힙(도 5a), 무릎(도 5b) 및 발목(도 5c)에서 모델과 인간 대상의 1.3ms-1의 정상 상태 보행을 비교한 것이다. 도 5a 내지 도 5c에서, 동일한 다리의 힐-스트라이크(heel-strike) 간의 하나의 보폭을 기준으로 하여, 모델의 힙, 무릎 및 발목의 근육 활동, 토크 및 각도의 정상 상태 패턴이 인간의 보행 데이터와 비교된다[Perry(1992)의 것을 개작함]. 보폭의 대략 60%인 수직 점선(510)은 토우-오프(toe-off)를 나타낸다. 비교된 근육들은 장내전근(adductor longus)(HFL)(520), 상부 대둔근(upper gluteus maximum)(GLU)(530), 반막양근(semimembranosis)(HAM)(540) 및 외측 광근(vastus lateralis)(550)이다.Steady state pattern of angle, torque and muscle activity. This similarity is maintained even during close examination; The model shows qualitative identity with known angle, torque and muscle activity patterns from human gait data. 5A-5C compare the steady state gait of 1.3 ms −1 of the model and human subject in the hip (FIG. 5A), knee (FIG. 5B) and ankle (FIG. 5C) according to one aspect of the present invention. 5A-5C, based on one stride between heel-strikes of the same leg, the steady state pattern of muscle activity, torque, and angle of the hip, knee, and ankle of the model is shown in human walking data. Compared to Perry's (1992). Vertical dashed line 510, approximately 60% of the stride length, represents toe-off. The compared muscles were found in the adductor longus (HFL) 520, the upper gluteus maximum (GLU) 530, the semimembranosis (HAM) 540 and the lateral tussalis (vastus lateralis). 550).

모델 예측과 보행 데이터 사이의 가장 강한 일치는 발목에서 찾을 수 있다(도 5c). 반사작용 모델은 보행중인 인간의 발목으로부터 관찰되는 발목 운동학 φa 및 토크 τa를 발생시킬 뿐만 아니라, 표면 근전계로부터 추측된 실험적 SOL, TA 및 GAS와 닮은 SOL, TA 및 GAS를 예측한다. SOL 및 GAS에 있어서, 이러한 활동도는 전적으로 입각기 상태에서 그들의 국소 F+ 반사작용에 의해 발생된다. TA에 있어서, 그것의 L+ 반사작용은 초기 입각기 상태에서 발의 발바닥 휘어짐에 대해 높은 활동도로 응답하지만, 이 스텝의 나머지 부분 동안 SOL로부터의 F-에 의해 억제된다. SOL 활동도가 입각기로부터 유각으로의 이행시에 감소될 때에만(보폭의 60%), TA의 L+ 재개가 발바닥 휘어짐에 맞서 발을 당긴다.The strongest match between model prediction and gait data can be found in the ankle (FIG. 5C). The reflex model not only generates ankle kinematics φ a and torque τ a observed from walking human ankles, but also predicts SOL, TA, and GAS resembling experimental SOL, TA, and GAS estimated from surface electromyography. In SOL and GAS these activities are generated by their local F + reflexes entirely in the standing state. For TA, its L + reflex responds with high activity to the plantar flexion of the foot in the initial standing state, but is suppressed by F- from SOL during the remainder of this step. Only when SOL activity decreases from transition from stance to stir (60% of stride), the resumption of the TA's L + pulls against foot flexion.

이러한 비교는 무릎과 힙에 대해서는 더 약한 일치를 나타낸다. 예를 들어, 인간의 무릎의 일반적인 궤적(φk)이 모델에 의해 캡쳐되지만, 모델의 무릎은 초기 입각기 상태에서 약 10도 또는 인간의 무릎보다 30% 더 구부러진다(도 5b). 이러한 큰 무릎 굴신과 관련하여, 모델은 초기 입각기 상태로 이어지는 후반의 유각 상태에서 관찰되는 VAS 활동이 결여되어 있다. 힐-스트라이크 후에만, VAS의 F+가 다리의 하중에 응답하여 근육 그룹과 만나 이들을 동작시킬 수 있다. 신근 활동의 지연은 초기 입각기 상태에서 상대적으로 약한 무릎을 야기할 뿐만 아니라 무거운 HAT가 충격 후에 전방으로 기울어지게 한다. HAT의 균형 제어는 점진적으로 입각기 다리에 의해 지지되는 중량과 만나서, 힐-스트라크 전까지 균형 반사작용이 나타내지 않으며, 그리하여 HAT를 그것의 기준 기울기로 복귀시키기 위해 비정상적으로 큰 GLU 및 HAM 활동을 발생시키야 한다(도 5c). 따라서, 모델의 힙 궤적(φh) 및 토크 패턴(τh)은 힙 신근 GLU 및 HAM이 충격 전에 활성화되고 몸통의 그러한 과도한 경사를 방지할 수 있는 인간의 것과 최소로 닮는다.This comparison shows a weaker agreement on the knees and hips. For example, the general trajectory φ k of the human knee is captured by the model, but the knee of the model bends about 10 degrees or 30% more than the human knee in the initial standing state (FIG. 5B). In connection with this large knee flexion, the model lacks the VAS activity observed in the late stent state leading to the initial standing state. Only after the heel strike, the F + of the VAS can meet the muscle groups in response to the load on the legs and operate them. Delays in extensor activity not only cause relatively weak knees in the early standing state, but also cause the heavy HAT to tilt forward after impact. Balance control of the HAT progressively meets the weight supported by the stance legs, resulting in no balanced reflexes until heel-stroke, thus generating unusually large GLU and HAM activity to return the HAT to its baseline slope. Should be done (FIG. 5C). Thus, the hip trajectory φ h and torque pattern τ h of the model are at least similar to those of humans, where hip extensor GLU and HAM are activated prior to impact and can prevent such excessive tilt of the torso.

지면 변화에 대한 자체 적응. 제한된 반사작용 제어에도 불구하고, 인간 모델은 지면 레벨의 갑작스러운 변화를 용인하고 오래 지속되는 지면 레벨의 변화에 자체 적응한다. 도 6a 내지 도 6d는 모델이 각각 4cm까지 올라가는 일련의 계단을 만나는 예를 도시한다. 도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 태양에 따른 모델의 스냅샷(도 6a), 순수일(도 6b), 신근 활성 패턴(도 6c) 및 대응 지면 반력(도 6d)을 포함한, 계단 오르기에 대한 적응을 도시한다. 도 6a 내지 도 6d에서, 1.3ms-1의 정상 상태 보행으로부터 접근하여, 인간 모델의 8개 보폭이 각각 4cm 오르막의 5개 스텝을 커버하는 것으로 도시되어 있다. 모델은 8번째 보폭에서 정상 상태 보행을 회복한다. 하나의 보폭은 우측 다리의 힐-스트라이크에서부터 힐-스트라이크까지로 정의된다. 도 6a에 도시된 것은 우측 다리의 힐-스트라이크 및 토우-오프 시의 모델의 스냅샷이다. 이 다리에 대해서는 도 6b에 연장 작용인 포지티브 작용을 갖는 힙, 무릎 및 발목에서 발생되는 입각기 상태 동안의 순수일이 도시되어 있고, 도 6c에 각각의 보폭의 5개의 신근의 활성 패턴이 도시되어 있고, 도 6d에 좌측 다리(660)의 지면 반력이 비교를 위해 포함된 체중(bw)을 기준으로 한 대응 지면 반력(650)이 도시되어 있다.Self adaptation to ground changes. Despite limited reflex control, the human model tolerates abrupt changes in ground level and adapts itself to long-lasting ground level changes. 6A-6D show an example where the model meets a series of stairs each up to 4 cm. 6A-6D illustrate steps for climbing stairs, including a snapshot of the model according to one aspect of the invention (FIG. 6A), pure water (FIG. 6B), extensor activity pattern (FIG. 6C), and corresponding ground reaction force (FIG. 6D). Shows adaptation. 6A-6D, approaching from a steady state walk of 1.3 ms −1 , eight strides of the human model are shown to cover five steps of 4 cm uphill each. The model recovers steady state walking at the eighth stride. One stride is defined as the heel strike from the right leg to the heel strike. Shown in FIG. 6A is a snapshot of the model at heel-strike and toe-off of the right leg. For this leg, pure work during the standing state that occurs in the hips, knees and ankles with a positive action extending in FIG. 6B is shown, and in FIG. 6C the active patterns of five extensors of each stride are shown. And FIG. 6D shows the corresponding ground reaction force 650 based on the weight bw in which the ground reaction force of the left leg 660 is included for comparison.

정상 상태 보행(첫 번째 보폭)으로부터 접근하여, 모델은 쭉 뻗은 우측 다리의 발로 두 번째 보폭의 말미에 계단에 닿는다(도 6a). 이러한 초기 충격은 모델을 느려지게 하게, 상체를 전방으로 기울이며, 이는 GLU 및 HAM에 의해 발생되는 큰 힙 토크를 발생시킨다(세 번째 보폭, 도 6b 및 도 6c). 힙 연장 토크는 또한 무릎을 연장시키기 때문에, VAS는 정상 상태에서만큼 큰 힘을 느끼지 않으며, 그것의 힘 피드백 제어는 그것의 근육 자극을 저하시키지만(도 6c), 입각기 상태 동안 무릎에서의 순수일은 정상 상태일 때와 대략 동일하게 유지된다. 대조적으로, 모델의 서행은 입각기 상태 동안 발목 신근 GAS 및 SOL이 느끼는 힘을 감소시키고, 이들의 힘 피드백 반사작용은 다소 적은 근육 자극을 발생시켜서, 발목의 순수일을 저하시킨다(도 6b 및 도 6c). 네 번째 및 다섯 번째 보폭에서, 모델은 약 1ms-1의 계단 오르기 보행으로 안정화되고, 이때 전방 및 후방 추력이 주로 힙와 무릎에서 발생된다. 여섯 번째 보폭에서 정상에 도달한 후에, 모델은 여덟 번째 보폭에서 1.3ms-1인 원래의 정상 상태 보폭 속도를 회복한다.Approaching from steady state walking (first stride), the model touches the stairs at the end of the second stride with the feet of the stretched right leg (FIG. 6A). This initial impact tilts the upper body forward, causing the model to slow down, which results in the large hip torque generated by the GLU and HAM (third stride, Figures 6b and 6c). Since hip extension torque also extends the knee, the VAS does not feel as much force as it does in the normal state, and its force feedback control degrades its muscle irritation (FIG. 6C), but pure work in the knee during the standing state It remains approximately the same as it was in the steady state. In contrast, the slowing of the model reduces the force felt by the ankle extensor GAS and SOL during the stance phase, and their force feedback reflexes result in somewhat less muscle stimulation, lowering the net work of the ankle (FIGS. 6B and FIG. 6). 6c). At the fourth and fifth strides, the model is stabilized with a stair climbing walk of about 1 ms −1 , with forward and rear thrust occurring primarily on the hips and knees. After reaching normal at the sixth stride, the model recovers the original steady-state stride rate, which is 1.3 ms -1 at the eighth stride.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 태양에 따른 계단 내려가기 적응을 도시하며, 모델의 스냅샷(도 7a), 순수일(도 7b), 신근 활성 패턴(도 7c) 및 대응 지면 반력(도 7d)을 포함한다. 도 7a 내지 도 7d에는, 1.3ms-1의 정상 상태 보행으로부터 접근하여, 인간 모델의 8개 보폭이 각각 4cm 오르막의 5개 스텝을 커버하는 것으로 도시되어 있다. 모델은 여덟 번째 보폭에서 정상 상태 보행을 회복한다. 하나의 보폭은 우측 다리의 힐-스트라이크에서부터 힐-스트라이크까지로 정의된다. 도 7a에 도시된 것은 우측 다리의 힐-스트라이크 및 토우-오프 시의 모델의 스냅샷이다. 이 다리에 대해서는 도 7b에 연장 작용인 포지티브 작용을 갖는 힙, 무릎 및 발목에서 발생되는 입각기 상태 동안의 순수일이 도시되어 있고, 도 7c에 각각의 보폭의 5개의 신근의 활성 패턴이 도시되어 있고, 도 7d에 좌측 다리(760)의 지면 반력이 비교를 위해 포함된 체중(bw)을 기준으로 한 대응 지면 반력(750)이 도시되어 있다. 모델은 각각 4cm 내리막을 갖는 5개의 스텝을 커버한 후에 열네 번 째 포복에서 1.3ms-1의 정상 상태 보행을 회복한다.7A-7D illustrate a step down adaptation in accordance with one aspect of the present invention, with a snapshot of the model (FIG. 7A), a pure day (FIG. 7B), an extensor activity pattern (FIG. 7C), and a corresponding ground reaction force (FIG. 7d). 7A-7D, approaching from a steady state walk of 1.3 ms −1 , eight strides of the human model are shown to cover five steps of 4 cm uphill each. The model recovers steady-state walking at the eighth stride. One stride is defined as the heel strike from the right leg to the heel strike. Shown in FIG. 7A is a snapshot of the model at heel-strike and toe-off of the right leg. For this leg, pure work during the standing state that occurs in the hip, knee and ankle with an extended positive action in FIG. 7B is shown, and the active pattern of five extensors of each stride is shown in FIG. 7C. And a corresponding ground reaction force 750 based on the weight bw in which the ground reaction force of the left leg 760 is included for comparison. The model recovers a steady state walk of 1.3 ms −1 on the fourteenth crawl after covering five steps with 4 cm downhill each.

도 7a 내지 도 7d는 계속해서 모델이 하향 계단을 만나는 보행 시퀀스를 도시한다. 아홉 번째 보폭의 말미에, 모델은 우측 다리로 첫 번째 스텝에 닿는다(도 7a). 하향 동작은 모델을 가속시키고, 열 번째 포복에서 우측 다리의 첫 번째 충격이 전체적으로 더 커지게 하고, 대부분의 신근의 응답이 커지게 한다(도 7a 내지 도 7d). GAS만이 더 작은 힘을 발생시키는데, 이는 무릎이 이 보폭에서 평소다 더 구부러진 상태로 머무르기 때문이다. 그 결과, 발목에서의 포지티브 순수일이 실질적으로 증가한다(도 7b). 이러한 증가 및 테이크-오프(take-off)(도 7a)시에 상체의 전방 기울기에 의해 유발되는 더 큰 HFL 자극(도시되지 않음)은 유각 상태에서 우측 다리를 전방으로 추진하여 스텝 길이를 증가시킨다(도 7a). 과도기적인 열 번째 보폭 후에, 모델은 하향 동작에서 더 큰 스텝을 유지하고(열한 번째 및 열두 번째 보폭), 이때 모델의 하향 가속은 충격에 즉시 뒤따르는 GLU, HAM 및 VAS의 증가된 활동도에 의해 무력화되고(도 7c 및 도 7d), 이것은 힙에서의 포지티브 순수일을 감소시키고 무릎에서의 네거티브 순수일을 증가시키며(도 7b), 모델을 약 1.5ms-1의 하향 보행으로 안정시킨다. 편평한 지면으로 돌아오면, 하향 가속의 부재는 모델을 서행시키고, 이는 자동적으로 스텝 길이를 감소시키고(도 7a), 열세 번째 및 열네 번째 스텝 내에 1.3ms-1의 정상 상태 보행으로 되돌린다.7A-7D continue to illustrate the walking sequence where the model meets the down stairs. At the end of the ninth stride, the model reaches the first step with the right leg (FIG. 7A). The downward motion accelerates the model, causing the first shock of the right leg to be greater overall at the tenth crawl and the response of most extensors to be greater (FIGS. 7A-7D). Only the GAS generates less force because the knee stays more bent at this stride. As a result, the positive net work at the ankle substantially increases (FIG. 7B). This increase and greater HFL stimulation (not shown), caused by the anterior tilt of the upper body at take-off (FIG. 7A), propels the right leg forward in an angled state, increasing the step length. (FIG. 7A). After the transitional tenth stride, the model maintains a larger step in downward motion (eleventh and twelfth stride), where the downward acceleration of the model is due to the increased activity of GLU, HAM and VAS immediately following the impact. Disabled (FIG. 7C and FIG. 7D), this reduces the positive net work in the heap and increases the negative net work in the knee (FIG. 7B) and stabilizes the model with a downward walk of about 1.5 ms −1 . Returning to flat ground, the absence of downward acceleration slows the model, which automatically reduces the step length (FIG. 7A) and returns to steady state walking of 1.3 ms −1 within thirteenth and fourteenth steps.

계단을 오르고 내리는 것 모두에 있어서, 단일 제어는 신뢰할 수 없다. 모델의 용인 및 적응에 대한 중요 요인은 그것의 동적 근육-반사작용 응답이다. 입각기 상태 다리의 반동은 올라갈 때 다리가 전방 진행을 허용할 만큼 충분히 구부러지는 것을 허용하지만 내려갈 때는 실질적으로 제동하는 것을 보장하는 다리 신근 SOL, GAS 및 VAS가 얼마나 큰 하중을 느끼는가에 달려 있다. 다른 한편으로, 유각 상태는 다리의 전방 추진은 모델 동역학에 따라 달라진다. 반대쪽 다리의 충격 후의 갑작스러운 감속, 상체의 전방 기울어짐 및 입각기 말미 부근의 발목 연장은 모두 유각 상태의 다리 추진에 기여한다. 이들 조합된 특징들은 유각 다리가 계단을 오르는 보행시에 그리고 실질적으로 계단을 내려오는 보행시에 충분히 뻗어나가는 것을 보장한다. 이를 위해, GLU 및 HAM의 힘 피드백은 다리의 과도한 회전을 억제하고, 그 대신 다리를 신속하게 접고 펴게 한다.In both climbing and descending stairs, a single control is not reliable. An important factor for acceptance and adaptation of the model is its dynamic muscle-reflex response. The stance of the standing foot depends on how much load the leg extensors SOL, GAS and VAS feel that allow the leg to bend sufficiently to allow forward progression when ascending but actually brake when descending. On the other hand, the angle of play is that the forward propagation of the bridge depends on model dynamics. Sudden deceleration after impact of the opposite leg, forward tilting of the upper body, and ankle extension near the end of the stance all contribute to the propagation of the leg. These combined features ensure that the angled leg extends sufficiently during walking up the stairs and substantially walking down the stairs. To this end, the force feedback of the GLU and HAM suppresses excessive rotation of the legs and instead quickly causes the legs to fold and straighten.

근육 힘줄 유닛. 14개의 두발 동물의 모든 힘줄 유닛(MTU)은 동일한 모델 구조를 갖는다. 도 8은 본 발명의 일 태양에 따른 근육 힘줄 모델의 개략도이다. 도 8에서, 능동 수축성 요소(CE)(810)는 직렬 탄성부(SE)(820)와 함께 통상의 동작에서 근육 힘줄 유닛(MTU)을 형성한다. CE(810)가 최적의 길이 ℓCE830(ℓCE>ℓopt840)를 넘어서 연장되면, 평행 탄성부(PE)(850)가 결합된다. 반대로, SE(820)가 느슨해지면(ℓMTU870-ℓCE830<ℓslack880), 완충 탄성부(BE)(860)는 능동 CE(810)가 붕괴되는 것을 방지한다. Muscle tendon unit. All tendon units (MTUs) of 14 bipedal animals have the same model structure. 8 is a schematic diagram of a muscle tendon model according to one aspect of the present invention. In FIG. 8, the active contractile element (CE) 810 forms a muscle tendon unit (MTU) in normal operation with the tandem elastic (SE) 820. Once the CE 810 extends beyond the optimal length l CE 830 (l CE > l opt 840), the parallel elastics (PE) 850 are engaged. Conversely, if the SE 820 becomes loose (l MTU 870-l CE 830 <l slack 880), the cushioning elastic portion (BE) 860 prevents the active CE 810 from collapsing.

도 8에 도시된 바와 같이, 능동 힐-타입 수축성 요소(CE)는 직렬 탄성부(SE)와 일렬로 힘을 발생시킨다. MTU는 개별 CE가 주로 힘-길이 관계의 상승하는 사지 상에 작용하도록 골격에 끼워지지만, MTU 모델은 평행 탄성부(PE)를 포함하고, 이것은 CE가 최적의 길이 ℓopt를 넘어가면 결합된다. 또한, 완충 탄성부(BE)는 다리의 기하학적 형상이 MTU를 느슨하게 되도록 단축시킬 때 CE가 붕괴하지 않도록 보장한다. BE는 무릎이 과도하게 구부러질 때 MTU가 느슨한 근육, 예를 들어 느슨한 GAS를 묘사할 수 게 하는 수치적 도구이다. 그러나 BE는 MTU 외부에서는 힘을 발생시키지 않는다.As shown in FIG. 8, the active heel-type contractile element CE generates a force in line with the series elastic section SE. The MTU is fitted to the skeleton such that individual CEs act primarily on the rising limbs of the force-length relationship, but the MTU model includes parallel elastics (PE), which are coupled when the CE goes beyond the optimal length l opt . In addition, the cushioning elastic portion BE ensures that the CE does not collapse when the leg geometry shortens the MTU to loosen. BE is a numerical tool that allows the MTU to describe loose muscles, eg loose GAS, when the knees are bent excessively. However, BE does not generate forces outside the MTU.

표 3은 개별 MTU 파라미터를 나타낸다. 모든 파라미터는 야마구치(Yamaguchi) 등으로부터 예측된다[Yamaguchi, G.T., Sawa, A.G.-U., Moran, D. W., Fessler, M.J., winters, J.M., 1990. A survey of human musculotendon actuator parameters. In: Winters, J., Woo, S. -Y. (Eds.), Multiple Muscle Systems: Biomechanics and Movement Organization. Springer- Verlag, New York, pp. 717- 778]. 최대 등가 힘(Fmax)은 25N/cm-2의 힘을 갖는 개별 또는 그룹화된 근육 생리학적 단면적으로부터 평가된다. 최대 수축 속도(Vmax)는 느린 근육에 대해서는 6ℓoptS- 1으로 설정되고, 중간 빠르기의 근육에 대해서는 12ℓoptS-1로 설정된다. 최적 CE 길이 ℓopt 및 SE 슬랙 길이 ℓslack은 근육 섬유 및 힘줄 길이를 반영한다.Table 3 shows the individual MTU parameters. All parameters are predicted from Yamamaguchi et al. [Yamaguchi, GT, Sawa, AG-U., Moran, DW, Fessler, MJ, winters, JM, 1990. A survey of human musculotendon actuator parameters. In: Winters, J., Woo, S.-Y. (Eds.), Multiple Muscle Systems: Biomechanics and Movement Organization. Springer- Verlag, New York, pp. 717-778. Maximum equivalent force (F max ) is evaluated from individual or grouped muscle physiological cross-sectional areas with a force of 25 N / cm −2 . The maximum contraction velocity (V max ) is set at 6L opt S - 1 for slow muscles and 12L opt S -1 for muscles of medium pace. The optimal CE length l opt and SE slack length l slack reflect the muscle fiber and tendon length.

Figure pct00006
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CE 및 SE가 어떻게 모델화되었는지는 게이어(Geyer) 등[Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. 튀는 걸음걸이에서의 힘 피드백?(Positive force feedback in bouncing gaits?) Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183]에서 상세히 알 수 있다. CE의 힘, FCE = A Fmax f(ℓCE)fv(vCE)는 근육 활동(A), CE 힘-길이 관계 F(ℓCE) 및 CE 힘-속도 관계 Fv(vCE)의 곱이다. 이러한 곱의 방법에 기초하여, MTU 동역학은 CE 속도(vCE)를 적분함으로써 계산될 수 있고, 이것은 fv(vCE)를 역전시킴으로써 구해진다. FSE = FCE + FPE - FBE이면, fv(vCE)=(FSE-FPE+FBE)/(A Fmax f(ℓCE ))이다. 이 방정식은 FSE-FPE가 0에 근접할 때 근육 이환 동안 수치적 임계 점을 갖는다. 시뮬레이션을 촉진하기 위해, 이 임계 점은 Fv(vCE)를 평행 탄성부 FPE~(ℓCE-ℓopt)2fv(vCE)에 도입함으로써 회피된다. PE는 모델에서 정상 작동 범위 밖에서 결합되고, BE처럼 정상 이동 동안 근육 동역학을 위해 작은 역할을 한다. 그러나, 이러한 방법으로는, fv(vCE)=(FSE+FBE)/(A FmaxF(ℓCE)+FPE)가 얻어지고, 이것은 대략적인 시간 단계를 사용하여 수치적으로 적분될 수 있다. 이러한 방법은 모델의 시뮬레이션을 촉진하기에 편리하지만, 근육 동역학이 고정되고 한정된 시간 해상도를 갖는 PC 보드 상에서 에뮬레이트될 때도 중요하다.How CE and SE are modeled is described by Geeyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. Positive force feedback in bouncing gaits? . R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183. Force of CE , F CE = AF max f (ℓ CE ) f v (v CE ) is the muscle activity (A), CE force-length relationship F (ℓ CE ) and CE force-velocity relationship F v (v CE ) Is the product of Based on this product method, the MTU kinetics can be calculated by integrating the CE velocity (v CE ), which is obtained by reversing f v (v CE ). If F SE = F CE + F PE -F BE, then f v (v CE ) = (F SE -F PE + F BE ) / (AF max f 1 (L CE )). This equation has a numerical critical point during muscle morbidity when F SE -F PE approaches zero. To facilitate the simulation, this critical point is avoided by introducing F v (v CE ) into the parallel elastic part F PE ˜ (L CE −L opt ) 2 f v (v CE ). PE binds outside the normal operating range in the model and plays a small role for muscle dynamics during normal movement, like BE. However, with this method, f v (v CE ) = (F SE + F BE ) / (AF max F 1 (L CE ) + F PE ) is obtained, which is numerically obtained using an approximate time step. Can be integrated. This method is convenient for facilitating the simulation of the model, but is also important when muscle dynamics are emulated on a PC board with a fixed and limited time resolution.

MTU는 공통의 그리고 개별의 파라미터를 갖는다. 공통의 파라미터는 여기 수축 커플링의 시간 상수(tecc=0.01); CE 힘-속도 관계의 폭(w=0.56ℓopt) 및 잔류 응역 인자(c=0.05); CE 힘-속도 관계의 편심력 개선(N=1.5) 및 형상 인자(K=5); SE 기준 신장(εref=0.04)를 포함한다[상세한 내용은 다음을 참조: Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. 튀는 걸음걸이에서의 힘 피드백?(Positive force feedback in bouncing gaits?) Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183]. 공통의 파라미터는 PE 기준 신장은 εPE=w이고, 여기서 FPE=Fmax(ℓCE/ℓopt-1)2PE 2fv(vCE)이고, BE 휴지 길이는 ℓmin=ℓopt-w이며, 그 기준 압축은 εBE=w/2이고, 여기서 FBE=Fmax[(ℓmin-ℓCE)/ℓopt]2PE 2이다. 개별 MTU 부착 파라미터는 논문으로부터 용이하게 얻을 수 있으며, 각각의 근육 또는 근육 그룹을 구별짓는다. 이들 값은 표 4(MTU 부착 파라미터)에 나열되어 있다.MTUs have common and separate parameters. Common parameters include the time constant (t ecc = 0.01) of the excitation contraction coupling; The width of the CE force-velocity relationship (w = 0.56 L opt ) and the residual response factor (c = 0.05); Eccentric force improvement (N = 1.5) and shape factor (K = 5) of the CE force-velocity relationship; Includes SE reference elongation (ε ref = 0.04) [For more information see: Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. Positive force feedback in bouncing gaits?) Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173-2183. A common parameter is that PE reference elongation is ε PE = w, where F PE = F max (ℓ CE / ℓ opt -1) 2 / ε PE 2 f v (v CE ), and the BE idle length is ℓ min = ℓ opt -w, the reference compression is ε BE = w / 2, where F BE = F max [(L min −L CE ) / L opt ] 2 / ε PE 2 . Individual MTU attachment parameters can be easily obtained from the paper and distinguish each muscle or muscle group. These values are listed in Table 4 (MTU Attachment Parameters).

Figure pct00007
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근골격 연결 및 질량 분포. MTU는 1개 또는 2개의 관절을 쥠으로서 골격에 연결된다. 근육 힘Fm으로부터 관절 토크τm로의 변환은 발목 및 무릎에 대해 가변 레버 암 rm(φ)=r0 cos(φ-φmax)를 사용하여 모델화되고, 여기서 φ은 관절 각도이고, φmax는 rm이 그것의 최대값에 도달하는 각도이고, τm=rm(φ)Fm이다. 힙에 대해서는, 간단히 rm(φ)=r0이라고 간주된다. 다른 한편으로, MTU 길이의 변화 △ℓm은 발목 및 무릎에 대해 △ℓm=ρr[sin(φ-φmax-sin(φrefmax)]로 모델화되고, 힙에 대해 △ℓm=ρr(φ-φref)로 모델화된다. 기준 각도 φref는 ℓm=ℓopt+ℓslack의 경우의 관절 각도이다. 인자 ρ는 근육 우상각(pennation angle)이고, MTU의 섬유 길이가 관절의 작동 범위를 통해 생리학적 한계 내에 머무르는 것을 보장한다. 각각의 근육 및 관절의 구체적인 파라미터는 표 4에 나열되어 있다. 이들 값은 실험적 증거["느린 페달링 동안의 인간의 외측 광근에서의 근섬유 및 힘줄 길이 변화(Muscle fiber and tendon length changes in the human vastus lateralis during slow pedaling)", Muraoka, T., Kawakami, Y., Tachi, M., Fukunaga, T., 2001. J. Appl. Physiol. 91, 2035-2040; "생체내 인간 골격근의 힘-길이 특성(Force-length characteristics of in vivo human skeletal muscle)", Maganaris, C, 2001. Acta Physiol. Scand. 172, 279-285; "생체내 인간 비복근의 힘-길이 특성(Force-length characteristics of the in vivo human gastrocnemius muscle)", Maganaris, C, 2003. Clin. Anat. 16, 215-223; "전경골근에서 있어서의 근섬유 및 근건복합체 상의 생체내 길이-힘 관계(In vivo lenth-force relationships on muscle fiver and muscle tendon complex in the tibialis anterior muscle)", Oda, T., Kanehisa, H., Chino, K., Kurihara, T., Nagayoshi, T., Kato, E., Fukunaga, T., Kawakami, Y., 2005. Int. J. Sport and Health Sciences 3, 245-252]에 의해 지지되거나, 개략적인 해부학적 평가를 통해 얻어졌다.Musculoskeletal connections and mass distribution. The MTU is connected to the skeleton by cutting one or two joints. The transformation from muscle force F m to joint torque τ m is modeled using variable lever arm r m (φ) = r 0 cos (φ-φ max ) for the ankle and knee, where φ is the joint angle and φ max Is the angle at which r m reaches its maximum and τ m = r m (φ) F m . For the heap, it is simply assumed that r m (φ) = r 0 . On the other hand, the change of the MTU length △ ℓ m is modeled by △ ℓ m = ρr [sin ( φ-φ max -sin (φ ref -φ max)] to the ankle and the knee, for the heap △ ℓ m = modeled as ρr (φ-φ ref ) The reference angle φ ref is the joint angle for ℓ m = ℓ opt + ℓ slack The factor ρ is the muscle pennation angle and the fiber length of the MTU is It ensures that it stays within physiological limits throughout the operating range.The specific parameters of each muscle and joint are listed in Table 4. These values are empirical evidence ["muscle fiber and tendon length in human lateral muscles during slow pedaling". Muscle fiber and tendon length changes in the human vastus lateralis during slow pedaling ", Muraoka, T., Kawakami, Y., Tachi, M., Fukunaga, T., 2001. J. Appl. Physiol. 91, 2035 -2040; "Force-length characteristics of in vivo human skeletal muscle", Maganaris, C Acta Physiol.Scand. 172, 279-285; "Force-length characteristics of the in vivo human gastrocnemius muscle", Maganaris, C, 2003. Clin. Anat. 16 , 215-223; "In vivo lenth-force relationships on muscle fiver and muscle tendon complex in the tibialis anterior muscle", Oda, T., Kanehisa , H., Chino, K., Kurihara, T., Nagayoshi, T., Kato, E., Fukunaga, T., Kawakami, Y., 2005. Int. J. Sport and Health Sciences 3, 245-252, or obtained through a schematic anatomical evaluation.

인체 모델의 7개의 세그먼트들은 그 파라미터들이 표 5에 나열된 단순한 강성 몸체이다. 그 값들은 예컨대 Guenther와 Ruder의 다른 모델링 연구[Guether, M., Ruder, H., 2003. 2차원 인간 보행의 합성: λ-모델의 테스트(Synthesis of two-dimensional human walking: a test of the λ-model). Biol. Cybern. 89, 89-106]에 사용된 것들과 유사하다. 세그먼트들은 회전 관절(revolute joint)에 의해 연결된다. 인체와 관련하여, 이 관절들은 범위 밖에서 기계적 소프트 리미트(mechanical soft limits)가 관련되는 자유 작동 범위(70°<φa<130°, φk<175° 및 φh<230°)를 가지며, 이는 지면 충격 지점과 동일한 방식으로 모델링된다. 모델의 세그먼트들은 국부 질량 중심(dG ,S), 및 관절 위치(dJ ,S)(원위 단부로부터 측정됨), 및 관성(ΘS)의 상이한 질량(mS) 및 길이(lS), 및 특성 거리를 갖는다.The seven segments of the human model are simple rigid bodies whose parameters are listed in Table 5. The values are for example synthesized by Guenther and Ruder [Guether, M., Ruder, H., 2003. Synthesis of two-dimensional human walking: a test of the λ -model). Biol. Cybern. 89, 89-106. The segments are connected by a revolute joint. In relation to the human body, these joints have a free operating range (70 ° <φ a <130 °, φ k <175 ° and φ h <230 °) with which mechanical soft limits are outside the range, It is modeled in the same way as the ground impact point. The segments of the model are the local center of mass (d G , S ), and the joint position (d J , S ) (measured from the distal end), and the different mass (m S ) and length (l S ) of inertia (Θ S ). , And characteristic distance.

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지면 접촉 및 관절 한계. 두 발 모델(bipedal model)의 각각의 발 세그먼트는 발가락과 뒤꿈치에서 접촉 지점을 갖는다. 지면을 충격할 때, 접촉 지점(CP)은 근육힘과 유사하게 연직 반력(vertical reaction force)(Fy = -Frefflfv)에 의해 뒤로 밀리게 되는데, 연직 반력은 힘-길이 관계[fl(ΔyCP) = ΔyCPref] 및 힘-속도 관계[fv(dyCP/dt) = 1 - dyCP/dt/vmax]의 곱이다(도 9). 모델링 연직 반력에 대한 이러한 곱 접근법은 연직력을 스프링 및 비선형 스프링-댐퍼 항목(term)의 합으로 설명하는 기존의 접근법[Scott, S., Winter, D., 1993. 인간 발의 생체역학 모델: 보행의 입각기 상태 동안의 운동학 및 동역학(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. 힐-토우 주행에 있어서 충격 상태의 직접적인 역학 시뮬레이션(Direct dynamics simulation of the impact phase in heel-toe running). J. Biomech. 28 (6), 661-668; Guether, M., Ruder, H., 2003. 2차원 인간 보행의 합성: λ-모델의 테스트(Synthesis of two-dimensional human walking: a test of the λ-model). Biol. Cybern. 89, 89-106]과 유사하다. 그러나 스프링과 댐퍼 항목을 분리함으로써, 접촉 모델의 파라미터들은 2개의 기본 재료 특성, 지면 강성 (k = Fref / Δyref) 및 최대 완화 속도(vmax)로 해석될 수 있으며, 이는 지면이 변형된 후 얼마나 빨리 그 형상을 복원할 수 있는가의 특성을 나타낸다. 예를 들어, vmax = ∞는 지면이 CP에 대해 항상 밀어내는 완전 탄성 지면 충격을 설명하며, vmax = 0는 모래와 같이 지면이 하방 속도에 대해서는 CP에서 뒤로 밀어내지만 상방 속도에 대해서는 뒤로 밀어내지 못하는 완전 비탄성 충격을 설명한다. 충격 모델은 0.3N m deg-1의 소프트 리미트 강성 및 1deg s-1의 최대 완화 속도로 모델의 관절(이전 항목 참조)의 기계적 소프트 리미트를 설명하기 위해 사용된다는 것을 주의하라.Ground contact and joint limits. Each foot segment of the bipedal model has a point of contact at the toe and heel. When impacting the ground, the contact point (CP) is pushed back by the vertical reaction force (Fy = -F ref f l f v ) similar to the muscle force, which is the force-length relationship [ f l (Δy CP ) = Δy CP / Δ ref ] and the force-velocity relationship [f v (dy CP / dt) = 1-dy CP / dt / v max ]. This product approach to modeling vertical reaction forces is an existing approach that describes vertical forces as the sum of spring and nonlinear spring-damper terms [Scott, S., Winter, D., 1993. Biomechanical Model of Human Foot: Gait 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 dynamics simulation of the impact phase in heel-toe running. J. Biomech. 28 (6), 661-668; Guether, M., Ruder, H., 2003. Synthesis of two-dimensional human walking: a test of the λ-model. Biol. Cybern. 89, 89-106. However, by separating the spring and damper items, the parameters of the contact model can be interpreted as two basic material properties, ground stiffness (k = F ref / Δy ref ) and maximum relaxation velocity (v max ), It shows how quickly the shape can be restored afterwards. For example, v max = ∞ describes a fully elastic ground shock that the ground always pushes against the CP, and v max = 0, like sand, pushes the ground back out of the CP for downward velocity but backwards for upward velocity. Explain fully inelastic shocks that cannot be pushed out. Note that the impact model is used to account for the mechanical soft limit of the joints of the model (see previous item) with a soft limit stiffness of 0.3 N m deg -1 and a maximum relaxation rate of 1 deg s -1 .

도 9는 본 발명의 일 양태에 따른 접촉 모델을 도시한다. 도 9에서, 접촉은 접촉 지점(920)이 y0 아래로 떨어지는 경우에 일어난다(910). 지면의 연직 반력(Fy)은 근육힘과 유사하게, Δyref가 dy/dt = 0일 때 Fy = Fref인 지면 압축이며, dyref/dt는 지면의 최대 완화 속도(작은 도면)인, 힘-길이(fl) 및 힘-속도(fv) 관계의 곱으로 모델링된다. 초기에, 지면의 수평 반력(Fx)은 활주 계수(μsl)와 함께 Fy에 비례하는 활주 마찰로 모델링된다. 그러나 접촉 지점(920)은 최소 속도(vlim) 아래로 감속하고(930), 수평 모델은 정지마찰(930)로 전환된다. 정치마찰(930) 동안, Fx는 힘-길이 및 힘-속도 관계의 곱으로 또한 모델링되는데, 이들은 정지마찰 기준점(x0) 주위에서 양 방향으로 지면과 상호작용을 허용하기 위해 앞의 것들과는 조금 상이하다. Fx가 한계 정지마찰력(μstFy)을 초과한다면, 모델은 활주 마찰로 다시 전환된다. 파라미터: Fref = 815N , Δyref = 0.01m, dyref/dt= 0.03ms-1, Δxref = 0.1m, dxref/dt= 0.03ms-1, vlim = 0.01ms-1, μsl = 0.8, μst = 0.9.9 illustrates a contact model in accordance with an aspect of the present invention. In FIG. 9, contact occurs when contact point 920 falls below y 0 (910). Similar to muscle force, the vertical reaction force (F y ) of the ground is ground compression where F y = F ref when Δy ref is dy / dt = 0, and dy ref / dt is the maximum relaxation velocity of the ground (small figure). , Is modeled as the product of the force-length (f l ) and force-velocity (f v ) relationships. Initially, the horizontal reaction force F x of the ground is modeled as sliding friction proportional to Fy with the sliding coefficient μ sl . However, the contact point 920 decelerates below the minimum speed v lim 930 and the horizontal model is converted to static friction 930. During static friction 930, F x is also modeled as the product of the force-length and force-velocity relationships, which are different from those in the past to allow interaction with the ground in both directions around the static friction reference point (x 0 ). Is a bit different. If F x exceeds the limit static friction force (μ st F y ), the model switches back to sliding friction. Parameters: F ref = 815N, Δy ref = 0.01m, dy ref / dt = 0.03ms -1 , Δx ref = 0.1m, dx ref / dt = 0.03ms -1 , v lim = 0.01ms -1 , μ sl = 0.8, μ st = 0.9.

연직 반력이외에, 수평 반력은 지면 접촉 동안 CP에 가해진다. 초기에, 이 힘은 힘(Fx = μslFy)을 갖는 지면 상의 CP의 움직임에 반하는 운동 마찰력으로 모델링된다. CP가 vlim 아래로 감속될 때, 수평 반력은 수직 충격력이 연산되는 것과 유사한 방식으로 연산된 정지마찰력으로 모델링된다(도 9). 정지마찰력이 한계 힘(Flim = μstFy)을 초과한다면, 정지마찰은 운동 마찰로 다시 변화한다. 따라서, 전이 조건(transition conditions)에 따라, 수평 반력의 양 유형은 CP가 지면을 떠날 때까지 상호 교체(interchange)된다.In addition to the vertical reaction forces, horizontal reaction forces are applied to the CP during ground contact. Initially, this force is modeled as a kinetic frictional force against the movement of the CP on the ground with a force (Fx = μ sl F y ). When the CP is decelerated below v lim , the horizontal reaction force is modeled as a static friction force calculated in a similar manner as the vertical impact force is calculated (FIG. 9). If the static friction exceeds the limit force (F lim = μ st F y ), the static friction changes back into kinetic friction. Thus, depending on the transition conditions, both types of horizontal reaction force are interchanged until the CP leaves the ground.

이 결과는 인간 이동의 경우 기계 및 모터 제어를 분리하여 볼 수 없다는 것을 제안한다. 본 발명의 일 양태에 따른 인간 이동의 신경근 모델은 최초 푸시(initial push) 후에 보행 걸음걸이로 자체-조직화(self-organize)되며, 지면 높이의 갑작스러운 변화를 견디며, 개입 없이 계단 보행에 순응한다. 이 모델의 관용성(tolerance) 및 순응성에 대한 중심은 근육 반사에 대한 의존이며, 이는 운동에 관한 감각 정보를 다리 근육의 활성화로 통합시킨다. CPG가 없기 때문에, 모델은 원리적으로 보행 이동을 발생하기 위한 중추 입력이 요구되지 않으며, 신경계와 그 기계적 환경 사이에서 끊임없이 조정하는 반사 입력이 통상적인 인간 운동의 제어에서 중추 입력보다 우선할 수 있음을 제안한다.This result suggests that the machine and motor control cannot be seen separately for human movement. The neuromuscular model of human migration according to one aspect of the present invention is self-organized with gait steps after initial push, withstands abrupt changes in ground level, and adapts to stepped walking without intervention . The center of tolerance and compliance of this model is its dependence on muscle reflexes, which integrate sensory information about movement into the activation of leg muscles. Since there is no CPG, the model does not, in principle, require a central input to generate a walking movement, and the reflex input constantly adjusting between the nervous system and its mechanical environment may take precedence over the central input in the control of normal human motion. Suggest.

또한, 모델 결과는 이러한 연속적인 반사 입력이 걸음걸이 메카니즘의 원리를 인코딩한다는 것을 제안하다. 운동 중의 척추 반사의 기능에 대한 현재의 실험 및 모델링 연구는 유각 및 입각기 상태의 타이밍 및 신근을 지지(bearing)하는 하중에서의 근육 힘의 발생에 대한 이들의 기여에 집중한다[Pang, M. Y., Yang, J. F., 2000. 유아 걸음의 유각 상태의 개시: 힙 위치와 다리 로딩의 중요성(The initiation of the swing phase in human infant stepping: importance of hip position and leg loading). J Physiol 528 Pt 2, 389-404; Dietz, V., 2002. 고유수용성 및 이동 장애(Proprioception and locomotor disorders). Nat Rev Neurosci 3 (10), 781-790; Ivashko, D. G., Prilutski, B. L, Markin, S. N., Chapin, J. K., Rybak, I. A., 2003. 운동 중 고양이 뒷다리 움직임을 제어하는 척수 신경망 모델링(Modeling the spinal cord neural circuitry controlling cat hindlimb movement during locomotion). Neurocomputing 52-54, 621-629; Yakovenko, S., Gritsenko, V., Prochazka, A., 2004. 운동 제어에 대한 신장 반사의 기여: 모델링 연구(Contribution of stretch reflexes to locomotor control: a modeling study). Biol Cybern 90 (2), 146-155; Ekeberg, O., Pearson, K., 2005. 고양이 뒷 다리의 스테핑에 대한 컴퓨터 시뮬레이션: 입각기-유각기 전이를 반복하는 메카니즘의 고찰(Computer simulation of stepping in the hind legs of the cat: an examination of mechanisms regulating the stance-to-swing transition). J Neurophysiol 94 (6), 4256-4268; Maufroy, C, Kimura, H., Takase, K., 2008. 네다리 운동에 대한 일반적인 신경 제어기에 대하여(Towards a general neural controller for quadrupedal locomotion). Neural Netw 21 (4), 667-681; Donelan, J. M., Pearson, K. G., 2004. 보행의 입각기 상태 동안 일어나는 발목 신근 활동에 대한 감각 피드백 기여(Contribution of sensory feedback to ongoing ankle extensor activity during the stance phase of walking). Can J Physiol Pharmacol 82 (8- 9), 589-598; Frigon, A., Rossignol, S., 2006. 운동 동안의 감각운동 상호작용의 실험 및 모델(Experiments and models of sensorimotor interactions during locomotion). Biol Cybern 95 (6), 607-627; Grey, M. J., Nielsen, J. B., Mazzaro, N., Sinkjaer, T., 2007. 인간 보행의 포지티브 힘 피드백(Positive force feedback in human walking). J Physiol 581 (1), 99-105]. 하중 지지에 대한 반사 기여는 운동 시스템의 근본 역학에 대한 포지티브 힘 피드백으로 연결되기 시작하였다[Prochazka, A., Gillard, D., Bennett, D., 1997. 근육의 포지티브 힘 피드백 제어(Positive force feedback control of muscles). J. of Neurophys. 77, 3226-3236; Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2003. 튀는 걸음걸이에서의 포지티브 힘 피드백?(Positive force feedback in bouncing gaits?) Proc. R. Soc. Lond. B 270, 2173- 2183]. 모터 제어 시스템에서 보행 역학의 원리를 인코딩하는 아이디어로 체계적으로 확장된 연구는 이전에 없었던 것으로 보인다. 인간 모델에서 실행된 몇몇 근육 반사는 주기적 운동(몸통 밸런스, 유각-다리 개시)으로 진입시키기 위한 단순한 방편이었지만, 주로 입각기 상태는 부응하는 입각기 다리 거동[Blickhan, R., 1989. 주행 및 홉핑에 대한 스프링-질량 모델(The spring-mass model for running and hopping). J. of Biomech. 22, 1217- 1227; McMahon, T., Cheng, G., 1990. 주행의 메카니즘: 어떻게 강성이 속도와 결합되는가?(The mechanism of running: how does stiffness couple with speed?) J. of Biomech. 23, 65-78; Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2006. 순응성 다리 거동은 보행 및 주행의 기본 역학을 설명한다(Compliant leg behaviour explains the basic dynamics of walking and running). Proc. R. Soc. Lond. B 273, 2861-2867], 세그먼트화된 체인의 안정화[Seyfarth, A., Guenther, M., Blickhan, R., 2001. 탄성적인 3-세그먼트 다리의 안정한 동작(Stable operation of an elastic three-segmented leg). Biol. Cybern. 84, 365-382; Guenther, M., Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. 인간 다리 설계: 제약: 제약 상태의 최적의 축 정렬(Human leg design: optimal axial alignment under constraints). J. Math. Biol. 48, 623-646], 및 유각-다리 오무리기(retraction)[Herr, H., McMahon, T., 2000. 말 트롯팅 모델(A trotting horse model). Int. J. Robotics Res. 19, 566-581; Herr, H., McMahon, T., 2001. 말 캘롭핑 모델(A galloping horse model). Int. J. Robotics Res. 20, 26-37; Herr, H. M., Huang, G. T., McMahon, T. A., Apr 2002. 포유동물의 네 다리 주행의 스케일 효과의 모델(A model of scale effects in mammalian quadrupedal running). J Exp Biol 205 (Pt 7), 959-967; Seyfarth, A., Geyer, H., 2002. 스프링과 유사한 주행 최적화된 자기 안정화의 자연 제어(Natural control of spring-like running-optimized self-stabilization). In: Proceedings of the 5th international conference on climbing and walking robots. Professional Engineering Publishing Limited, pp. 81- 85; Seyfarth, A., Geyer, H., Herr, H. M., 2003. 유각 다리 수축: 안정한 주행에 대한 단순 제어 모델(Swing-leg retraction: a simple control model for stable running). J. Exp. Biol. 206, 2547-2555]를 포함하여 이전에 설명된 제어 및 보행 역학 및 제어의 인코딩된 원리를 반영한다. 이러한 기능적 반사에 기초하여, 모델은 인간 보행의 공지된 관절 각도 및 토크 궤적으로 수렴될 뿐 아니라, 보행 실험에서 관찰된 몇몇 개별적인 근육 활성화 패턴을 또한 예측한다. 예측된 근육 활성화와 관찰된 근육 활성화 사이의 이러한 매칭은, 근육 반사가 이 원리들을 이동에 반응하는 신경망으로 연결하는 상태에서, 보행 기계의 원리가 이전에 예측했던 것보다 모터 제어에 더 큰 역할을 할 수 있음을 제안한다.The model results also suggest that these continuous reflection inputs encode the principles of the gait mechanism. Current experimental and modeling studies of the function of spinal reflexes during exercise focus on their contribution to the generation of muscle forces at timing bearing and extensor loads in the altitude and standing state [Pang, MY, Yang, JF, 2000. The initiation of the swing phase in human infant stepping: importance of hip position and leg loading. J Physiol 528 Pt 2, 389-404; Dietz, V., 2002. Proprioception and locomotor disorders. Nat Rev 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 circuitry controlling cat hindlimb movement during locomotion. Neurocomputing 52-54, 621-629; Yakovenko, S., Gritsenko, V., Prochazka, A., 2004. Contribution of stretch reflexes to locomotor control: a modeling study. Biol Cybern 90 (2), 146-155; Ekeberg, O., Pearson, K., 2005. Computer simulation of stepping in the hind legs of the cat: an examination of mechanisms regulating the stance-to-swing transition). J Neurophysiol 94 (6), 4256-4268; Maufroy, C, Kimura, H., Takase, K., 2008. Towards a general neural controller for quadrupedal locomotion. Neural Netw 21 (4), 667-681; Donelan, J. M., Pearson, K. G., 2004. Contribution of sensory feedback to ongoing ankle extensor activity 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; Grey, M. J., Nielsen, J. B., Mazzaro, N., Sinkjaer, T., 2007. Positive force feedback in human walking. J Physiol 581 (1), 99-105]. Reflective contributions to load bearing began to translate into positive force feedback on the fundamental dynamics of the motor system [Prochazka, A., Gillard, D., Bennett, D., 1997. Positive force feedback control of muscles 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. It seems that there has never been a systematic expansion of the idea of encoding the principles of gait mechanics in motor control systems. Some muscle reflexes performed in the human model were a simple way to enter cyclic movements (body balance, incidence-leg initiation), but predominantly standing conditions corresponded to standing leg movements [Blickhan, R., 1989. Driving and hopping. 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. of Biomech. 23, 65-78; 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, Stabilization of segmented chains [Seyfarth, A., Guenther, M., Blickhan, R., 2001. Stable operation of an elastic three-segmented leg). Biol. Cybern. 84, 365-382; Guenther, M., Keppler, V., Seyfarth, A., Blickhan, R., 2004. Human leg design: optimal axial alignment under constraints. J. Math. Biol. 48, 623-646, and a leg-retraction [Herr, H., McMahon, T., 2000. A trotting horse model. Int. J. Robotics Res. 19, 566-581; Herr, H., McMahon, T., 2001. A galloping horse model. 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 Exp Biol 205 (Pt 7), 959-967; Seyfarth, A., Geyer, H., 2002. Natural control of spring-like running-optimized self-stabilization. In: Proceedings of the 5th international conference on climbing and walking robots. Professional Engineering 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, reflect the previously described control and walking mechanics and encoded principles of control. Based on these functional reflections, the model not only converges to the known joint angles and torque trajectories of human walking, but also predicts some individual muscle activation patterns observed in walking experiments. This matching between predicted muscle activation and observed muscle activation plays a greater role in motor control than the walking machine principle previously predicted, with muscle reflexes linking these principles to neural networks that respond to movement. I suggest you can.

바람직한 실시예에서, 본 발명의 신경기계 모델(neuromechanical model)은 동력식 발목-발 보철을 위한 근육 반사 제어기로 구현되었다. 이 실시예는 시뮬레이션 연구에 기초하고, 포지티브 힘 피드백 반사가 있는 힐(Hill)-타입 근육을 포함하는 족저굴곡근(ankle plantar flexor)을 활용하는 적응성 근육-반사 제어기이다. 모델의 파라미터들은 1m/sec에서 중량 및 높이-일치식 완전한 대상(intact subject) 보행의 지면 보행 측정치로부터 얻어진 인간 발목의 토크-각도 프로파일과 일치되기에 적절하였다. 이러한 단일 파라미터의 세트를 사용하여, 지면, 램프 오르막, 및 램프 내리막 조건에서 하퇴 절단자(transtibial amputee) 보행으로 실시되었다. 이 시험 동안, 인공 발목 작동의 적응은 분명한 지형 감지의 어려움 없이 완전한 대상에 비교가능한 방식으로 지면 경사 변화에 반응하여 관찰되었다. 구체적으로, 보철에 의해 제공된 에너지는 지면 경사 각도와 직접적으로 관계가 있었다. 이 연구는 가변적인 지표면에 걸친 동력식 보철 장치의 적응성을 개선하기 위한 신경근 제어기의 중요성을 강조한다.In a preferred embodiment, the neurochanchanical model of the present invention has been implemented as a muscle reflex controller for powered ankle-foot prosthetics. This embodiment is an adaptive muscle-reflex controller based on simulation studies and utilizing an ankle plantar flexor that includes a Hill-type muscle with positive force feedback reflex. The parameters of the model were appropriate to match the torque-angle profile of the human ankle obtained from ground walking measurements of weight and height-matched intact subject walking at 1 m / sec. Using this single set of parameters, a transtibial amputee walk was performed at ground, ramp uphill, and ramp downhill conditions. During this test, adaptation of artificial ankle operation was observed in response to changes in ground slope in a way comparable to complete subjects, with no apparent terrain detection difficulties. In particular, the energy provided by the prosthesis was directly related to the ground tilt angle. This study highlights the importance of neuromuscular controllers to improve the adaptability of motorized prosthetic devices over variable surfaces.

적응 능력을 구비한 제어기를 제조하기 위해, 본 발명의 제어의 기초로서 포지티브 힘 피드백 반사 개념을 구비한 신경근 모델은 동력식 발목-발 보철에 대한 제어 시스템의 일부로 사용되었다. 본원에 제공된 제어기는 발목 관절에서 이용하는 물리적 토크를 결정하기 위한 발목-발 복합체의 모델을 채용한다. 이 모델에서, 발목 관절에는 2개의 가상의 액추에이터가 제공된다. 족저굴곡(plantar flexion) 토크의 경우, 액추에이터는 포지티브 힘 피드백 반사 개념을 갖춘 힐-타입 근육이다. 이 개념은 골지건(Golgi tendon) 기관 및 근방추(muscle spindle)로부터의 구심성 신호의 몇몇 조합으로 인한 반사성 근육 반응을 모델링한다. 배측굴곡(dorsiflexion) 토크의 경우, 가상의 회전 스프링-댐퍼에 의해 임피던스가 제공된다.To produce a controller with adaptive capability, a neuromuscular model with a positive force feedback reflex concept as the basis of the control of the present invention has been used as part of a control system for powered ankle-foot prostheses. The controller provided herein employs a model of the ankle-foot composite to determine the physical torque used at the ankle joint. In this model, the ankle joint is provided with two virtual actuators. In the case of plantar flexion torque, the actuator is a heel-type muscle with a positive force feedback reflex concept. This concept models the reflex muscle response due to some combination of afferent signals from the Golgi tendon organ and muscle spindle. In the case of dorsiflexion torque, the impedance is provided by an imaginary rotating spring-damper.

이 신경근 모델의 파라미터들은 1.0m/sec의 타겟 속도에서 완전한 대상 보행의 측정된 발목 토크와 완전한 대상의 측정된 움직임을 입력할 때의 모델의 출력 토크 사이에서 최상의 일치를 제공하도록 최적화 절차에 의해 맞춰졌다. 신경근 모델 기반의 보철 제어기는 절단자에 의해 착용된 동력식 발목-발 보철에 토크 명령을 제공하기 위해 사용되었다. 이러한 제어 전략은 2개의 기준을 사용하여 평가되었다. 첫째, 제어기는 타겟 지면 보행 속도에서 비교가능한 완전한 대상의 토크와 발목 각도와 정량적으로 부합하는 보철 발목 토크와 발목 각도 프로파일을 생성하는 능력이 시험되었다. 두 번째 성능 기준은 제어기 파라미터를 변경하지 않고 증가하는 보행 경사에 대한 걸음걸이 주기 순수일을 증가시키는 생물학적으로 일관된 경향을 보이기 위한 제어기의 능력이었다. 통상적인 센서를 사용하여 지면 경사의 변화를 감지하는 것은 어려우며, 따라서 이러한 변화에 적응하는 내재적 능력을 갖춘 제어기가 특히 중요하다.The parameters of this neuromuscular model are adjusted by the optimization procedure to provide the best match between the measured ankle torque of the complete object gait and the model's output torque when entering the measured object's complete movement at a target speed of 1.0 m / sec. lost. Neuromuscular model-based prosthetic controllers were used to provide torque commands to motorized ankle-foot prostheses worn by the amputator. This control strategy was evaluated using two criteria. First, the controller was tested for the ability to produce a prosthetic ankle torque and ankle angle profile that quantitatively matches the comparable torque and ankle angle of a complete subject at target ground walking speed. The second performance criterion was the controller's ability to exhibit a biologically consistent trend to increase gait cycle net work for increasing gait slope without changing controller parameters. It is difficult to detect changes in ground slope using conventional sensors, so a controller with inherent ability to adapt to these changes is particularly important.

도 10a 내지 도 10c는 바람직한 실시예에 사용된 발목-발 보철의 예시적 실시예에 대한 물리적 시스템(도 10a), 구동 트레인의 도면(도 10b), 및 기계적 모델(도 10c)을 도시한다. 이 연구를 위해 사용된 발목-발 보철은 iWalk, LLC에 의해 개발 중인 것이다. 이 보철은 2008년 6월 12일자로 출원된 미국 가특허출원 12/157,727호에 설명된, MIT 미디어 연구소의 생체기계 그룹에서 개발된 프로토타입 시리즈를 계승한 것으로, 이 문헌의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다. 보철은 완전한 생물학적 발복-발 복합체의 크기 및 중략(1.8kg)을 갖는 완전한 자립식 장치이다. 도 10a에는 모터, 트랜스미션, 및 전자장치를 위한 하우징(1005), 발목 관절(1010), 발(1015), 단방향성 평행 리프 스프링(1020), 및 직렬 리프 스프링(1025)이 도시된다. 도 10b에는 타이밍 벨트(1030), 핀 관절 주 하우징(1035), 모터(1040), 볼 나사(1045), 발목 관절(1010), 볼 너트(1050) 핀 관절(직렬 스프링)(1055), 및 발 움직임 지시기(1060)가 도시된다. 도 10c의 기계적 모델에는 모 링크(parent link)(1065), 모터(1040), 트랜스미션(1070), 직렬 스프링(1025), 단방향성 평행 스프링(1020), 발(1015), 직렬 스프링 모멘트 아암(rs)(1075), 스프링 현수 길이(rest length)(1080), 및 SEA(1085)가 도시된다. 물리적 시스템의 회전 요소는 명확성을 위해 모델 개념도에서 선형 등가물로 도시되었다.10A-10C show a physical system (FIG. 10A), a view of a drive train (FIG. 10B), and a mechanical model (FIG. 10C) for an exemplary embodiment of ankle-foot prosthesis used in the preferred embodiment. The ankle-foot prosthesis used for this study is under development by iWalk, LLC. This prosthesis inherits a series of prototypes developed by the Biomechanical Group of the MIT Media Laboratory, described in U.S. Provisional Patent Application No. 12 / 157,727, filed June 12, 2008, which is incorporated herein in its entirety. Included by reference. Prostheses are fully self-contained devices with the size and weight (1.8 kg) of the complete biological underfoot-foot complex. 10A shows a housing 1005, ankle joint 1010, foot 1015, unidirectional parallel leaf spring 1020, and tandem leaf spring 1025 for motors, transmission, and electronics. 10B includes a timing belt 1030, pin joint main housing 1035, motor 1040, ball screw 1045, ankle joint 1010, ball nut 1050 pin joint (serial spring) 1055, and Foot movement indicator 1060 is shown. The mechanical model of FIG. 10C includes a parent link 1065, a motor 1040, a transmission 1070, a series spring 1025, a unidirectional parallel spring 1020, a foot 1015, a series spring moment arm ( r s ) 1075, spring rest length 1080, and SEA 1085 are shown. Rotational elements of the physical system are shown as linear equivalents in the model conceptual diagram for clarity.

발목 관절은 하부 발 구조물을 절단자의 소켓에 부착하기 위한 보철 피라미드 고정구(fixture)로 토핑된 상부 다리 정강이 구조물에 연결하는 구름 베어링 설계이다. 발은 절단자에게 지면 접촉 충격을 최소화하기 위해 수동형 로우 프로파일 Flex-풋™(Osur™)을 포함한다. 단방향성 리프 스프링, 평행 스프링은 발목과 발이 서로 수직일 때 결합하는 발목 관절을 가로질러 작용한다. 스프링은 아킬레스건의 수동 기능을 제공하는 동력식 구동 트레인에 평행하게 작용한다. 동력식 구동 트레인은 도 10b에 도시된 것과 같이 발목 관절을 가로지르는 모터식 링크이다. 상부의 다리 정강이로부터 직렬로, 동력식 구동 트레인은 24V에서 작동하는 브러시리스 모터(파워맥스 EC-30, 200 와트, 48V, 맥슨), 40/15 감속비를 갖는 벨트 구동 트랜스미션, 및 3mm 피치 선형 볼 나사로 이루어진다. 이러한 작동 전압에서, 구동 트레인을 통해 모터에 의해 발생될 수 있는 이론적 최대 토크는 대략 340Nm이다.Ankle joint is a rolling bearing design that connects the lower foot structure to the upper leg shin structure, topping with a prosthetic pyramid fixture to attach to the socket of the cutter. The foot includes a passive low profile Flex-Foot ™ (Osur ™) to minimize ground contact impact to the cutter. Unidirectional leaf springs, parallel springs, act across the ankle joint, which engages when the ankle and foot are perpendicular to each other. The spring acts parallel to the powered drive train providing the manual function of the Achilles tendon. The powered drive train is a motorized link across the ankle joint as shown in FIG. 10B. In series from the upper leg shank, the powered drive train is a brushless motor (Powermax EC-30, 200 Watt, 48V, maxon) operating at 24V, a belt drive transmission with 40/15 reduction ratio, and a 3mm pitch linear ball. It is made of screws. At this operating voltage, the theoretical maximum torque that can be generated by the motor through the drive train is approximately 340 Nm.

발에서, 직렬 스프링, 케블라-복합재료 리프 스프링은 발을 방향 의존적인 모멘트 아암(rs)으로 볼 너트에 연결한다. 따라서, 구동 트레인을 로킹하고 발목 관절 주위에서 토크를 가하는 것에 의해 평가된 직렬 스프링의 유효 회전 강성은 포지티브 토크에 대해 533 N·m, 네가티브 토크에 대해 1200 N·m이며, 포지티브 토크(또는 족저굴곡 토크)는 도 10c에 도시된 바와 같이 직렬 스프링을 가압한다. 구동 트레인 및 직렬 스프링은 함께 직렬 탄성 액추에이터(SEA)를 포함한다[G. A. Pratt and M. M. Williamson, "직렬 탄성 액추에이터(Series elastic actuators)," Proceedings on IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Pittsburgh, pp. 399-406, 1995]. 이러한 구성요소들의 배열체는 도 10c에 개략적으로 도시된다.At the foot, the tandem spring, the Kevlar-composite leaf spring, connects the foot to the ball nut with a direction dependent moment arm (r s ). Thus, the effective rotational stiffness of the tandem spring evaluated by locking the drive train and torqueing around the ankle joint is 533 Nm for positive torque and 1200 Nm for negative torque and positive torque (or plantar flexion). Torque) presses the tandem spring as shown in FIG. 10C. The drive train and series spring together comprise a series elastic actuator (SEA) [GA Pratt and MM Williamson, "Series elastic actuators," Proceedings on IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Pittsburgh, pp. . 399-406, 1995]. An arrangement of these components is shown schematically in FIG. 10C.

센서. 홀 효과(hall effect) 각도 센서는 발목 관절에서 일차적인 제어 입력이며, -0.19 내지 0.19 범위의 라디안을 가지며, 영(zero)은 발이 정강이에 수직인 것에 대응한다. 관절 각도는 주 하우징에 장착된 선형 홀 효과 센서(알레그로 A1395)로 측정된다. 이 센서는 자축이 자석의 움직임의 호에 수직하도록 발 구조물에 단단히 연결되는 자석에 가까이 있다. 이러한 배열의 결과, 자기장 강도는 자석이 센서를 지나 회전함에 따라 센서 위치에서 변화한다. 변형 게이지는 보철 피라미드 부착부 내부에 위치되어, 발목 관절에서 토크의 측정을 허용한다. 직렬 스프링에 위치된 변형 게이지는 모터식 구동 트레인의 출력 토크의 감지를 허용하고, 이에 의해 SEA의 폐쇄 루프 힘 제어가 허용된다. 모터는 자체적으로 홀 효과 통신 센서를 포함하고 개선된 브러시리스 모터 제어 기술의 사용을 가능하게 하는 광학 샤프트 인코더와 함께 끼워진다.sensor. The hall effect angle sensor is the primary control input at the ankle joint and has radians in the range -0.19 to 0.19, with zero corresponding to the foot perpendicular to the shin. The joint angle is measured with a linear Hall effect sensor (Allegro A1395) mounted in the main housing. The sensor is close to a magnet that is firmly connected to the foot structure such that the magnetic axis is perpendicular to the arc of movement of the magnet. As a result of this arrangement, the magnetic field strength changes at the sensor position as the magnet rotates past the sensor. The strain gauge is located inside the prosthetic pyramid attachment, allowing measurement of torque at the ankle joint. The strain gage located in the series spring allows the detection of the output torque of the motorized drive train, thereby allowing closed loop force control of the SEA. The motor itself includes a Hall effect communication sensor and is fitted with an optical shaft encoder that enables the use of advanced brushless motor control technology.

마이크로제어기. 발목-발 보철에 대한 전체적인 제어 및 통신은 단일 칩, 16 비트, DSP 지향식 마이크로제어기, 마이크로칩 인코포레이티드 dsPIC33FJ128MC706에 의해 제공된다. 마이크로제어기는 128 킬로바이트의 플래시 프로그램 메모리, 및 16384 바이트의 램(RAM)을 구비하여 초당 4천만 명령을 수행한다. 마이크로제어기는 실시간 제어를 지원하기 위한 적절한 연산을 제공한다.Microcontroller. Overall control and communication for the ankle-foot prosthesis is provided by a single chip, 16 bit, DSP oriented microcontroller, Microchip Inc. dsPIC33FJ128MC706. The microcontroller has 128 kilobytes of flash program memory, and 16384 bytes of RAM to perform 40 million instructions per second. The microcontroller provides the appropriate operation to support real time control.

모터 제어기. 제2의 16비트 dsPIC33FJ128MC706이 전용 모터 제어기로서 사용된다. 최신 블러시리스(brushless) 모터의 높은 계산 부하 및 속도 요구는, 이러한 구조물에 동기를 제공하는 주요 미세제어기의 실시간 요구로부터의 작업 분리에 더해 방법론을 제어한다. 주요 미세제어기와 모터 미세제어기 사이의 고속 디지털 링크는, 모터의 사실상 순간적인 명령을 공급한다.Motor controller. A second 16-bit dsPIC33FJ128MC706 is used as the dedicated motor controller. The high computational load and speed requirements of modern brushless motors control the methodology in addition to the separation of work from the real-time demands of key microcontrollers that motivate these structures. The high speed digital link between the main microcontroller and the motor microcontroller provides the virtually instantaneous command of the motor.

무선 인터페이스. 미세제어기의 고속 시리얼 포트는 전개 및 데이터 수집을 위해 외부 통신에 전념한다. 이러한 포트는 케이블을 통해 직접적으로 사용될 수 있거나 또는 부착된 매우 다양한 무선 통신 장치를 가질 수 있다. 현재의 연구에서, 500Hz 센서 및 내부 상태 정보는 460킬로보의 시리얼 포트에 걸쳐 측정되고, IEEE 802.11g 무선 로컬 영역 네트워크 장치[랜트로닉스 와이포트(Lantronix Wiport)]를 통해 전송된다. Wireless interface. The microcontroller's high-speed serial port is dedicated to external communication for deployment and data collection. Such ports may be used directly via cables or may have a wide variety of wireless communication devices attached. In the present study, 500 Hz sensor and internal state information is measured over a serial port of 460 kilobolo and transmitted over an IEEE 802.11g wireless local area network device (Lantronix Wiport).

배터리. 보철을 위한 모든 전력은 165Watt·H/kg의 에너지 밀도를 갖는 0.22kg의 리튬 폴리머 배터리에 의해 공급된다. 배터리는, 동력화된 보행의 5000 걸음을 포함하는 낮 동안의 동력 요구를 제공할 수 있다.battery. All power for the prosthesis is supplied by a 0.22 kg lithium polymer battery with an energy density of 165 Watts / H / kg. The battery can provide daytime power demands, including 5000 steps of motorized walking.

최적의 기계적 부품 선택. 질량, 크기, 토크, 속도, 에너지 효율, 쇼크 공차(shock tolerance), 및 거의 무음의 작동을 위한 필요조건을 충족시키는 것은 사소한 작업이 아니다. 물론, 보행의 이동 및 생물학적 토크의 생산을 위한 구동 계열(drive train)의 최적화 및 모델링은 중요하다. 모터 선택, 전체적인 전송 비율, 직렬 탄성 스프링, 및 병렬 스프링의 약간의 효과가, 2008년 9월 발행된 IEEE 로보틱스 & 오토메이션 잡지(IEEE Robotics & Automation Magazine) 52-59쪽; 에이유 에스. 케이.(S. K. Au) 및 헤르 에이치.(H. Herr)에 의해 쓰여진 "동력화된 단하지 보철의 설계에 있어서의 연속된 병렬 탄성의 중요성(On the Design of a Powered Ankle-Foot Prosthesis: The Importance of Series and Parallel Elasticity)"에 기재되어 있다.Optimum mechanical part selection. Meeting the requirements for mass, magnitude, torque, speed, energy efficiency, shock tolerance, and nearly silent operation is not a trivial task. Of course, optimization and modeling of drive trains for the movement of walking and the production of biological torques is important. Some of the effects of motor selection, overall transmission rate, series elastic springs, and parallel springs are described in IEEE Robotics & Automation Magazine, September 2008, pp. 52-59; AY S. On the Design of a Powered Ankle-Foot Prosthesis: The Importance of Written by SK Au and H. Herr. Series and Parallel Elasticity ".

제어 아키텍쳐. 제어 아키텍쳐의 목적은, 보철 발목(prosthetic ankle) 상태의 가능한 센서 측정으로부터 결정되는 절단자(amputee)의 걸음걸이 사이클에 적절한 발목 토크를 명령하는 것이다. 제어기는, 인간의 단하지 복합체(ankle-foot complex)의 신경근 모델을 사용하는 적절한 토크를 사용한다. 이러한 모델에서, 인간 발목 관절을 나타내는 경첩 관절(hinge joint)은 2개의 경합하는 가상 작동기, 즉, 힐 형상의 근육 모델인 단일 방향 족저 굴근(plantar flexor) 및 걸음걸이 주기(gait phase)에 따라 양방향성 비례 미분 위치 제어기 또는 단일 방향의 가상 회전 스프링 댐퍼로 작용하는 배굴근(dorsiflexor)에 의해 작동된다. 유한 상태 기계는 절단자의 걸음걸이 주기의 추정치를 유지시킨다. 추정된 걸음걸이 주기에 따라, 가상 작동기 중 하나 또는 다른 하나, 또는 둘 모두는 가상 발목 관절에 토크를 생성한다. 이후, 총 가상 토크는 보철 하드웨어에 명령하는 발목 토크로서 사용된다. 발목 관절에서의 물리적 토크는 동력화된 구동 계열 및 병렬 스프링 모두에 의해 생성된다. 발목 각도 센서는 병렬 스프링에 의해 생성된 토크를 결정하는데 사용되며, 나머지 소정의 토크는 모터 제어기를 통해 명령받는다.Control architecture. The purpose of the control architecture is to command ankle torque appropriate for the gait cycle of the amputee, determined from possible sensor measurements of the prosthetic ankle state. The controller uses the appropriate torque using a neuromuscular model of the human ankle-foot complex. In this model, the hinge joint representing the human ankle joint is bidirectional with two competing virtual actuators, the unidirectional plantar flexor and gait phase, a heel shaped muscle model. It is actuated by a proportional differential position controller or a dorsiflexor acting as a unidirectional virtual rotary spring damper. The finite state machine maintains an estimate of the cutter's gait cycle. Depending on the estimated gait cycle, one or the other, or both, of the virtual actuators generate torque in the virtual ankle joint. The total virtual torque is then used as ankle torque to command the prosthetic hardware. Physical torques at the ankle joint are produced by both motorized drive series and parallel springs. The ankle angle sensor is used to determine the torque generated by the parallel springs and the remaining predetermined torque is commanded through the motor controller.

최고 수준 상태 기계 제어. 보철의 최고 수준 제어는 보행 사이클에 동시성을 지니게 하는 유한 상태의 기계에 의해 구현된다. 보행 동안, 2가지 상태로서, 유각기(swing phase) 및 입각기(stance phase)가 인지된다. 보철 센서 입력(피라미드형 변형 게이지로부터 추정되는 발목 토크, 발목 각도, 및 모터 속도)은 상태 천이를 결정하기 위해 지속적으로 관찰된다. 이러한 상태 천이를 위한 조건은 실험적으로 결정되었다. 도 11은 천이 조건 및 상태 기계의 작동을 도시한다. 배굴근 및 족저 굴근 가상 작동기는 상태 기계로부터 보행 상태 추정치에 따라 토크를 전개한다.Top level state machine control. The highest level of control of the prosthesis is realized by a finite state machine that allows concurrency in the walking cycle. During walking, two states are known: swing phase and stance phase. Prosthetic sensor inputs (ankle torque, ankle angle, and motor speed estimated from pyramidal strain gauges) are continuously observed to determine state transitions. The conditions for this state transition were determined experimentally. 11 illustrates the operation of the transition condition and state machine. The dorsal and plantar flexor virtual actuators develop torque from the state machine according to the walking state estimate.

도 11에서, 유각 상태(1110)는 SW(1120)로 시각적으로 표시되었고 입각(1130)은 제어된 족저 굴곡(CP)(1140), 제어된 배굴곡(CD)(1150), 및 동력공급된 족저 굴곡(PP)(1160)으로 나뉜다. 상태 천이(1170, 1180)는, 피라미드형 변형 게이지로부터 측정된 보철 발목 토크(Tp) 및 보철 발목 각도(θ)를 이용하여 결정된다. In FIG. 11, the angle state 1110 is visually represented as SW 1120 and the elevation 1130 is controlled plantar flexion (CP) 1140, controlled flexion flexion (CD) 1150, and powered. Plantar flexion (PP) (1160). State transitions 1170 and 1180 are determined using the prosthetic ankle torque T p and the prosthetic ankle angle θ measured from the pyramidal strain gauge.

발이 지면을 떠날 때, 유각기로의 천이는, 피라미드형 변형 게이지를 사용하여 측정된 5N·m보다 작은 총 발목 토크로의 강하 또는 발목 센서 집중을 방지하기 위한 -0.19라디안보다 작은 측정된 발목 각도(θ)로의 강하에 의해 탐지된다. 양의 토크는 발목을 족저 굴곡시키는 경향의 작동기 토크로서 규정되고, 포지티브의 각도는 배굴곡에 대응된다. 너무 이른 상태 천이를 방지하기 위해, 입각기 동안 전개된 발목 토크는 가능케 되는 이러한 천이가 20 N·m를 초과해야 한다. 또한, 200ms의 버퍼 타임은 입각 주기 동안 최소 시간을 제공한다. 발꿈치가 닿을 때(heel-strike) 입각기로의 천이는 피라미드형 변형 게이지를 이용하여 측정된 -7N·m보다 낮은 토크로의 감소에 의해 탐지된다.When the foot leaves the ground, the transition to the angle of incidence is measured with ankle angle less than -0.19 radians to prevent descent to total ankle torque less than 5 N · m or ankle sensor concentration measured using a pyramidal strain gauge. It is detected by a drop in (θ). Positive torque is defined as the actuator torque of the tendency to plantar flex the ankle, and the positive angle corresponds to flexion flexion. In order to prevent premature transition, the ankle torque developed during the standing phase should allow this transition to exceed 20 N · m. In addition, a buffer time of 200ms provides a minimum time during the standing period. Transition to the heel-strike stance is detected by a reduction to torque lower than -7 Nm measured using a pyramidal strain gauge.

본 발명의 이러한 태양에 따른 단하지 보철을 위한 제어 시스템의 예시적인 실시예의 블록도가 도 12에 도시된다. 신경근 모델(12010), 병렬 스프링 모델(1220), 리드 보상기(1230), 마찰 보상기(1240), 모터 제어기(1250), 및 보철(1260)(도 10C에 따라 기계적 모델로 도시됨)이 도 12에 도시된다.A block diagram of an exemplary embodiment of a control system for a prosthetic prosthesis according to this aspect of the invention is shown in FIG. 12. Neuromuscular model 12010, parallel spring model 1220, lead compensator 1230, friction compensator 1240, motor controller 1250, and prosthesis 1260 (shown as a mechanical model according to FIG. 10C) are shown in FIG. 12. Is shown.

보철 측정 발목 상태

Figure pct00009
는 신경근 모델로부터의 토크 명령(τd)을 생성하는데 사용된다. 이러한 소정의 발목 토크는 보철 작동기로의 현재 명령을 획득하기 위해 토크 제어 시스템을 통해 공급된다. 이러한 토크 제어 시스템의 3개의 주요 성분으로는 피드포워드 이득(feedforward gain; Kff), 리드 보상기, 및 마찰 보상 항(term)이 있다. 소정의 작동기 토크(τd, SEA)를 획득하기 위해 보철 발목 토크로의 병렬 용수철 기여(τp)는 소정의 발목 토크로부터 제외된다. 이후, 폐루프(closed-loop) 토크 제어기는 측정된 작동기 토크(τSEA)를 이용하여 소정의 작동기 토크를 실행시킨다. 마지막으로, 마찰 보정 항은, 폐루프 토크 제어기의 출력에 부가된 추가적인 토크 값(τf)을 생성한다.Prosthetic Measurement Ankle Condition
Figure pct00009
Is used to generate the torque command τ d from the neuromuscular model. This predetermined ankle torque is supplied through the torque control system to obtain a current command to the prosthetic actuator. Three main components of this torque control system are feedforward gain (K ff ), lead compensator, and friction compensation term. The parallel spring contribution τ p to the prosthetic ankle torque is subtracted from the predetermined ankle torque to obtain the desired actuator torque τ d, SEA . The closed-loop torque controller then executes the predetermined actuator torque using the measured actuator torque τ SEA . Finally, the friction correction term produces an additional torque value τ f added to the output of the closed loop torque controller.

도 13a 내지 도 13c는 3개의 보행 조건, 즉, 평탄한 지면(도 13a), 상승 경사로(ramp ascent)(도 13b), 및 하강 경사로(ramp descent)(도 13c) 동안 하나의 완전한 걸음걸이 사이클(동일한 발의 발꿈치가 닿을 때에서 발꿈치 닿을 때)에 걸친 보철 토크의 그래프도이다. 각각의 도면에 도시된 것은, 토크 평균(1305, 1310, 1315)(얇은 라인) ± 표준 편차(은선), 및 병렬 스프링 토크 기여의 각도 기초 추정치 및 측정된 SEA 토크 기여를 사용하여 추정된 보철 토크(1320, 1325, 1330)(굵은 라인)이다. 수직(점선) 라인(1335, 1340, 1345)은 입각기의 종단부를 나타낸다.13A-13C show one complete gait cycle during three gait conditions: flat ground (FIG. 13A), ramp ascent (FIG. 13B), and ramp descent (FIG. 13C). This is a graphical representation of prosthetic torque over the same heel touch to the heel touch). Shown in each figure are prosthetic torques estimated using torque averages 1305, 1310, 1315 (thin line) ± standard deviation (hidden line), and angle-based estimate of parallel spring torque contribution and measured SEA torque contribution. (1320, 1325, 1330) (thick lines). Vertical (dashed) lines 1335, 1340, and 1345 represent the terminations of the standing positions.

배굴근 모델. 도 14a 내지 도 14c는, 2개의 링크 발목 관절 모델에의 스프링 댐퍼 부착 및 발꿈치 형상 근육 모델(도 14a), 상세한 발꿈치 형상 근육 모델(도 14b), 및 근육 모델에 대한 발목 좌표 프레임 및 다양한 순간의 팔 이행을 포함하는 근육 모델 골격 부착의 형상(도 14c)을 포함하는 보철 미세제어기에서 구현되는 근골격 모델의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 14a 및 도 14c에 도시된 것은 배굴근(스프링-댐퍼)(1405), 족저 굴근(MTC)(1410), 발(1415), 정강이(shank; 1420), 및 발꿈치(1425)의 기계적인 도면이다.Dorsal muscle model. 14A-14C show spring damper attachment to two link ankle joint models and an heel shaped muscle model (FIG. 14A), a detailed heel shaped muscle model (FIG. 14B), and an ankle coordinate frame and various moments for the muscle model. An exemplary embodiment of a musculoskeletal model implemented in a prosthetic microcontroller including the shape of a muscle model skeletal attachment including arm transitions (FIG. 14C) is shown. Shown in FIGS. 14A and 14C are mechanical views of the dorsal flexor (spring-damper) 1405, plantar flexor (MTC) 1410, foot 1415, shank 1420, and heel 1425. to be.

도 14a의 배굴근은 배굴근 작동기이다. 이는 전경골근(Tibialis Anterior) 및 다른 생물학적 배굴근 근육을 나타낸다. 이러한 배굴근은,

Figure pct00010
의 설정값을 갖는 가상 회전식 스프링 댐퍼 및 관계식(1)에 의해 구현된다.The dorsal muscle of Fig. 14A is a dorsal muscle actuator. This represents Tibialis Anterior and other biological flexor muscles. These dorsal muscles,
Figure pct00010
It is implemented by a virtual rotary spring damper having a set value of and relation (1).

Figure pct00011
Figure pct00011

여기서, Kp는 스프링 상수이고, Kv는 댐핑 상수이며,

Figure pct00012
는 발목 각도이고,
Figure pct00013
는 발목 각속도이다. 입각기에서, Kp의 값은, 통상의 지면 레벨 보행에 대한 생물학적 발목의 입각기 행위를 최적으로 적응시키기 위해 다른 근육 모델 파라미터와 함께 최적화된다. 댐핑 항(Kv)은 앞발이 발평면부(foot-flat)의 지면에서 튀는 것을 막기 위해 입각기 동안 5Nm·s/rad로 실험적으로 조정되었다. 또한, 입각기 동안, 배굴근은, 생물학적 근육의 단일 방향 특성을 모방하기 위해 배굴근 토크를 제공하기 위해서만 작용한다. 또한, 배굴근에 의해 생성된 토크가 입각 동안 발이 정강이에 수직이 되게 됨에 기인하여 0으로 떨어질 때, 배굴근은 입각기의 나머지에 장애를 입히게 된다. 따라서, 인간 배굴근 근육이 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있을 때, 배굴근은 단지 입각기의 초기의 토크 생산에만 기여한다[1992년 발행된 뉴저지 슬랙 아이엔씨.(New Jersey: SLACK Inc.)의 4장, 55-57쪽; 페리 제이.(J. Perry)의 "걸음걸이 분석: 통상적이고 병리학적인 기능(Gait Analysis: Normal and Pathological Function)" 참조]. 유각기에서, 배굴근은 설정값
Figure pct00014
로 발을 구동시키는 위치 제어기로서 작용한다. 여기서, Kp=220N·m/rad 및 댐핑 상수 Kv=7N·m·s/rad의 이득은 유각기에서의 초기의 발의 빠른 지상고(ground clearance)를 제공한다.Where K p is a spring constant, K v is a damping constant,
Figure pct00012
Is the ankle angle,
Figure pct00013
Is the ankle angular velocity. In standing, the value of K p is optimized along with other muscle model parameters to optimally adapt the standing behavior of biological ankles to conventional ground level walking. The damping term (K v ) was experimentally adjusted to 5 Nm · s / rad during standing to prevent the forefoot from bouncing off the ground of the foot-flat. Also, during the standing phase, the dorsal muscles act only to provide the dorsal muscle torque to mimic the unidirectional properties of biological muscles. In addition, when the torque generated by the dorsal muscle drops to zero due to the foot being perpendicular to the shin during standing, the dorsal muscles will cause the rest of the standing muscles to fail. Thus, when human dorsal muscles are known to play an important role, dorsal muscles only contribute to the initial torque production of the standing phase [4 of New Jersey: SLACK Inc., published in 1992]. Chapters, pp. 55-57; See J. Perry's "Gait Analysis: Normal and Pathological Function". At the drone, the flexor muscle is set
Figure pct00014
Acts as a position controller to drive the foot. Here, the gain of K p = 220 N · m / rad and the damping constant K v = 7 N · m · s / rad provides a fast ground clearance of the initial foot in the staging phase.

족저 굴근 모델. 도 14a 내지 도 14c의 가상 족저 굴근은 인간 족저 굴근의 조합을 나타낸 근건 복합체(MTC)를 포함한다. MTC는, 2007년 6월 발행된 네덜란드 노드위크의 Proc. IEEE Int. Conf. On Rehabilitation Robotics의 298-303쪽; 에이유 에스. 케이., 웨버 제이.(J. Weber), 및 헤르 에이치.(H. Herr)에 의해 쓰여진 "동력공급된 족부 단하지 보철의 생체역학적 설계(Biomechanical design of a powered ankle-foot prosthesis)"에 기초되며, 이는 하기에 더 상세히 기재된다. 이는 근섬유를 모델화한 수축 요소(CE) 및 건을 모델화한 직렬 요소(SE)로 구성된다. 수축 요소는, 양의 힘 피드백 반사적 도식을 갖춘 발꿈치 형상 근육, 높은 한계의 병렬 탄성, 낮은 한계 또는 버퍼의 병렬 탄성의 3가지 단일 방향 성분으로 구성된다. 아킬레스건을 나타내는 비선형 단일 방향 스프링인 직렬 요소는 수축 요소와 일렬로 있다. 발목 관절 모델에의 근건 복합체의 부착 형상은 비선형이어서, 작동기 힘으로부터 기인하는 토크의 연산을 복잡하게 한다.Plantar flexor model. The virtual plantar flexors of FIGS. 14A-14C include muscle tendon complex (MTC) showing a combination of human plantar flexors. MTC, The Netherlands Proc. IEEE Int. Conf. On Rehabilitation Robotics, pp. 298-303; AY S. Based on the "Biomechanical design of a powered ankle-foot prosthesis" written by K., J. Weber, and H. Herr. This is described in more detail below. It consists of a contraction element (CE) modeling muscle fibers and a series element (SE) modeling the gun. The contraction element consists of three unidirectional components: a heel shaped muscle with a positive force feedback reflective scheme, high limit parallel elasticity, low limit or parallel elasticity of the buffer. A series element, a nonlinear unidirectional spring representing an Achilles tendon, is in line with the contraction element. The attachment shape of the root canal composite to the ankle joint model is nonlinear, complicating the calculation of torque resulting from the actuator force.

족저 굴근 직렬 탄성 요소. 직렬 탄성 요소(SE)는 근육 수축 요소와 일렬로 있는 건으로서 작용한다[2003년 발행된 Proc. R Society. Lond. B 270의 2173-2183쪽; 게여 에이치.(H. Geyer), 세이파스 에이.(A. Seyfarth), 및 브릭한 알.(R. Blickhan)에 의해 쓰여진 "튀는 걸음걸이에서의 포지티브 힘 피드백?(Positive force feedback in bouncing gaits?)" 참조]. 획득된 ε는 건 긴장으로서, 하기와 같이 규정된다.Plantar flexors serial elastic elements. The tandem elastic element (SE) acts as a line in line with the muscle contraction element [Proc. R Society. Lond. Pp. 270, pp. 2173-2183; "Positive force feedback in bouncing gaits?" Written by H. Geyer, A. Seyfarth, and R. Blickhan. )" Reference]. Ε obtained is the tendon tension, which is defined as follows.

Figure pct00015
Figure pct00015

여기서, lSE는 직렬 요소의 길이이고, lslack은 그것의 나머지 길이이다. 직렬 요소는 2003년 발행된 Proc. R Society. Lond. B 270의 2173-2183쪽; 게여 에이치., 세이파스 에이., 및 브릭한 알.에 의해 쓰여진 "튀는 걸음걸이에서의 포지티브 힘 피드백?(Positive force feedback in bouncing gaits?)"에 기재된 비선형 스프링으로 구체화된다.Where l SE is the length of the serial element and l slack is the remaining length of it. The serial element was published in 2003 in Proc. R Society. Lond. Pp. 270, pp. 2173-2183; It is embodied by the nonlinear spring described in "Positive force feedback in bouncing gaits?" Written by Gay H., Seyphas A., and Brick Egg.

Figure pct00016
Figure pct00016

여기서, Fmax는 근육이 발휘할 수 있는 최대 등장력(isometric force)이다. 하기의 2003년 발행된 Proc. R Society. Lond. B 270의 2173-2183쪽; 게여 에이치., 세이파스 에이., 및 브릭한 알.에 의해 쓰여진 "튀는 걸음걸이에서의 포지티브 힘 피드백(Positive force feedback in bouncing gaits?)"에서는, 이러한 2차 방정식 형태가 통상적으로 모델링된 구분적 지수 선형 건 강성 곡선의 근사치로 사용된다. 이러한 근사치는 모델 파라미터의 개수를 감소시키도록 만들어진다.Where F max is the maximum isometric force the muscle can exert. Proc. R Society. Lond. Pp. 270, pp. 2173-2183; In "Positive force feedback in bouncing gaits?" Written by Gay H., Seyphas A., and Brick R., this form of quadratic equation is typically modeled distinctive. Used as an approximation of an exponential linear stiffness curve. This approximation is made to reduce the number of model parameters.

족저 굴근 수축 요소. 족저 굴근 가상 작동기의 수축 요소(CE)(도 14b 참조)는 양의 힘 피드백 반사 도식을 갖는 발꿈치 형상 근육 모델이다. 이는, 게여 에이치. 및 헤르 에이치.에 의해 쓰여진 "다리 역학의 원리를 표현한 근육 반사 모델은 인간 보행 역학 및 근육 활성을 예측함(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)"(공개를 위해 제출됨)에 기재된 2개의 병렬 탄성 부품 및 힘을 발생시키는 활성 근섬유를 포함한다. 발꿈치 형상 근섬유는 단일 방향 힘을 발휘한다. 이러한 힘은, 근섬유 길이(ICE), 속도(VCE), 및 근육 활성(A)의 함수이다. 최종 힘(FMF)은 2003년 발행된 Proc. R Society. Lond. B 270의 2173-2183쪽; 게여 에이치., 세이파스 에이., 및 브릭한 알.에 의해 쓰인 "튀는 걸음걸이에서의 포지티브 힘 피드백(Positive force feedback in bouncing gaits?)"에 기재된 바와 같이 하기와 같은 등식으로 규정된다.Plantar flexor contraction element. The contraction element CE (see FIG. 14B) of the plantar flexor virtual actuator is a heel shaped muscle model with a positive force feedback reflection scheme. This is, H. "A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities", published by Her H. Two parallel elastic parts and active muscle fibers generating force. Heel-shaped muscle fibers exert a unidirectional force. This force is a function of muscle fiber length (I CE ), velocity (V CE ), and muscle activity (A). The final force (F MF ) was published in Proc. R Society. Lond. Pp. 270, pp. 2173-2183; It is defined by the following equation as described in "Positive force feedback in bouncing gaits?" By Gay H., Seyphas A., and Brick Egg.

Figure pct00017
Figure pct00017

발꿈치 형상 근육의, 힘-길이 관계식[fL(ICE)]은 하기의 등식으로 규정되는 벨형 곡선이다.The force-length relationship [f L (I CE )] of the heel shaped muscle is a bell-shaped curve defined by the following equation.

Figure pct00018
Figure pct00018

여기서, Iopt는 근육이 최대 등장력(Fmax)을 제공할 수 있는 수축 요소 길이(ICE)이다. 파라미터(w)는 종형 곡선의 폭이며, 파라미터(c)는 벨의 극단부 부근의 곡선의 크기를 나타낸다. Where I opt is the contractile element length I CE at which the muscle can provide the maximum isotonic force F max . Parameter w is the width of the bell curve and parameter c represents the magnitude of the curve near the extreme of the bell.

Figure pct00019
Figure pct00019

CE의 힘-속도 관계식[fv(VCE)]은 발꿈치 등식이다.The force-velocity relation of CE [f v (V CE )] is the heel equation.

Figure pct00020
Figure pct00020

여기서, Vmax<0은 근육의 최대 수축 속도이고, VCE는 섬유 수축 속도이며, K는 만곡 상수이고, N은 미소한 근육 힘(Fmax에 의해 표준에 맞춰짐)을 나타낸다.Where V max <0 is the maximum contraction rate of the muscle, V CE is the rate of fiber contraction, K is the curvature constant, and N is the slight muscle force (standardized by F max ).

Figure pct00021
Figure pct00021

하기의 게여 에이치. 및 헤르 에이치.에 의해 쓰여진 "다리 역학의 원리를 표현한 근육 반사 모델은 인간 보행 역학 및 근육 활성을 예측함(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)"(공개를 위해 제출됨)에는, CE에 대응하여 설정된 높은 한계의 병렬 탄성(HPE)에 대한 힘-길이 관계식이 하기와 같이 규정된다.The following is H. "A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities", published by Her H. The force-length relationship for the high limit parallel elasticity (HPE) established in response to CE is defined as follows.

Figure pct00022
Figure pct00022

낮은 한계의 버퍼 병렬 탄성(LPE) 또한, 게여 에이치. 및 헤르 에이치.에 의해 쓰여진 "다리 역학의 원리를 표현한 근육 반사 모델은 인간 보행 역학 및 근육 활성을 예측함(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)"(공개를 위해 제출됨)에 기초하여 포함된다. 이는, 하기의 비선형 스프링의 형상으로 주어진다.Lower limit buffer parallel elasticity (LPE) also gains. "A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities", published by Her H. Submitted for). This is given by the following nonlinear spring shape.

Figure pct00023
Figure pct00023

따라서, 총 족저 굴근 힘은 하기와 같이 기술된다.Thus, the total plantar flexion force is described as follows.

Figure pct00024
Figure pct00024

여기서, FCE는 수축 요소에 의해 전개되는 힘이다. CE 및 SE는 연속해 있기 때문에, 하기의 등식을 유지한다.

Figure pct00025
Where F CE is the force developed by the contraction element. Since CE and SE are continuous, the following equation is maintained.
Figure pct00025

반사 도식. 수축 요소 활성(A)은, 도 15에 도시된 양의 힘 피드백 반사 도식을 사용하여 생성된다[게여 에이치. 및 헤르 에이치.에 의해 쓰여진 "다리 역학의 원리를 표현한 근육 반사 모델은 인간 보행 역학 및 근육 활성을 예측함(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)"(공개를 위해 제출됨) 및 2003년 발행된 Proc. R Society. Lond. B 270의 2173-2183쪽; 게여 에이치., 세이파스 에이., 및 브릭한 알.에 의해 쓰여진 "튀는 걸음걸이에서의 포지티브 힘 피드백?(Positive force feedback in bouncing gaits?)" 참조]. 도 15는 발목 토크의 발목 각도, 근육 힘, 및 족저 굴근 부품 간의 관계를 포함하여, 가상 족저 굴근 근육에 대한 반사 도식의 예시적인 실시예를 도시한다.Reflective Schematic. Shrinkage element activity (A) is generated using the positive force feedback reflection scheme shown in FIG. 15 [gay H. "A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities", published by Her H. Submitted for) and Proc. R Society. Lond. Pp. 270, pp. 2173-2183; See “Positive force feedback in bouncing gaits?” Written by Gay H., Seyphas A., and Brick R.]. FIG. 15 illustrates an exemplary embodiment of a reflective scheme for virtual plantar flexor muscles, including relationships between ankle angle, muscle force, and plantar flexor component of ankle torque.

도 15에 도시된 바와 같이, 이러한 피드백 루프는 유각기 동안의 족저 굴근 힘 전개에 장애를 입히기 위한 입각기 전환을 포함한다. 입각 동안, 족저 굴근 힘(FMTC)은 DelayRF만큼 지연된 반사 이득(GainRF)과 곱해지고, 오프셋 자극(PRESTIM)에 더해져서 신경 자극 신호를 획득한다. 자극은 0 내지 1의 범위로 한정되고, 근육 흥분 수축 결합(excitation-contraction coupling)을 자극하기 위해 시간 상수(T)로 저대역 통과된다. 최종 신호는 PreA의 초기값을 갖는 등식(4)의 활성화로서 이용된다. 또한, 하기의 게여 에이치. 및 헤르 에이치.에 의해 쓰여진 "다리 역학의 원리를 표현한 근육 반사 모델은 인간 보행 역학 및 근육 활성을 예측함(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)"(공개를 위해 제출됨)에 기재된 억제 이득(suppression gain)(Gainsupp)은, 입각 동안 2개의 작동기가 서로를 방해하는 것을 막는 것을 돕도록 구현된다. 이때, 배굴근에 의해 생성된 토크는 Gainsupp·FM TC에 의해 또는 그 값이 0으로 떨어질 때까지 감소된다.As shown in FIG. 15, this feedback loop includes a stance transition to impede plantar flexion force development during the stray phase. During standing, plantar flexor force F MTC is multiplied by the reflection gain Gain RF delayed by Delay RF and added to the offset stimulus PRESTIM to obtain a neural stimulus signal. The stimulus is defined in the range of 0 to 1 and is low pass with a time constant (T) to stimulate muscle excitation-contraction coupling. The final signal is used as the activation of equation (4) with an initial value of PreA. In addition, following H. "A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities", published by Her H. The suppression gain (Gain supp ) described in (Submitted for) is implemented to help prevent two actuators from interfering with each other during standing . At this time, the torque produced by the flexor times is reduced until the value or by Gain supp · F M TC falls to zero.

족저 굴근 형상 및 구현. 근육 모델 프레임워크 내에서, 발목 각도(θfoot)는 도 14c에 도시된 바와 같이 규정된다. 모델에 입력되는 이러한 각도를 사용하여, 근건 복합체의 길이는, H. Geyer, H. Herr에 의해 쓰여진 "다리 역학의 원리를 표현한 근육 반사 모델은 인간 보행 역학 및 근육 활성을 예측함(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)"(공개를 위해 제출됨)에 기재된 하기의 등식으로 계산된다. Planar flexor shape and implementation. Within the muscle model framework, the ankle angle θ foot is defined as shown in FIG. 14C. Using these angles entered into the model, the length of the tendon complex was written by H. Geyer, H. Herr, “A muscle reflex model representing the principles of leg dynamics predicts human gait dynamics and muscle activity. reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities "(submitted for publication).

Figure pct00026
Figure pct00026

여기서, ρ는 근섬유의 우상각(pennation angle)을 나타내고, φref는 부하가 없을 때의 lCE=lopt에서의 발목 각도이다.Where ρ represents the pennation angle of the muscle fiber and φ ref is the ankle angle at 1 CE = l opt when there is no load.

섬유 길이(lCE)는 lCE = lMTC - lSE로부터 계산될 수 있고, 상기 식에서 lSE는, 근 역학에 기초한 전류값 FCE = FSE = FMTC라고 할 때, 식(3)의 역수로부터 구할 수 있다. 섬유의 수축 속도(VCE)는 미분법을 통해 구할 수 있다. 이는 신경근 모형의 역학에 의해 결정되는 일차 미분 방정식을 생성한다. 이 방정식은 초기 조건과 θf o ot의 시간 이력이 주어지면 FMTC에 대한 값을 구할 수 있다. 그러나, 적분법이 미분법보다 계산적으로 효과적이기 때문에, H. Geyer, H. Herr,에 의해 발표된 "다리 역학의 원리를 표현한 근육 반사 모델은 인간 보행 역학 및 근육 활성을 예측함(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)"에 설명된 바와 같이 이런 과정의 적분 형태가 FMTC를 구하기 위해 이용되었다. The fiber length l CE can be calculated from l CE = l MTC -l SE , where l SE is the current value F CE = F SE = F MTC based on muscle dynamics. Can be obtained from the inverse. The shrinkage rate (V CE ) of the fiber can be obtained by differential method. This produces a first order differential equation determined by the dynamics of the neuromuscular model. This equation can be found a value for F MTC given the initial condition and the time history of θ f o ot the ground. However, because the integral method is more computationally effective than the differential method, the muscle reflex model that expresses the principles of leg dynamics published by H. Geyer, H. Herr, predicts human gait dynamics and muscle activity (A muscle-reflex model The integral form of this process was used to obtain F MTC as described in that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities.

최대 근건 모멘트 아암에서 부착 반경, rfoot, 및 각도(φmax)를 알면, 발목 토크(Tplantar)에 대한 최종 족저 굴근과 FMTC의 관계가 아래의 식에 의해 도출된다. Knowing the attachment radius, r foot , and angle φ max at the maximum tendon moment arm, the relationship between the final plantar flexor and F MTC for the ankle torque T plantar is derived by the equation below.

Tplantar = FMTC cos(θfoot ~ Φmax) rfoot = FMTC ·R(θfoot) (13) T plantar = F MTC cos (θ foot ~ Φ max ) r foot = F MTCRfoot ) (13)

상기 식에서, R(θfoot)은 발목 관절 모형에 대한 근육 부착으로부터 기인하는 가변 모멘트 아암이다. 이 관계는 도 6에 그래프로 도시되어 있다. 즉, 족저 굴근 모형은 본질적으로 단일 입력 값(θfoot)을 단일 출력 값(Tplantar)에 링크하는 역학 시스템으로서 취급될 수 있다. Where R (θ foot ) is the variable moment arm resulting from muscle attachment to the ankle joint model. This relationship is shown graphically in FIG. That is, the plantar flexor model can be treated as a dynamic system that essentially links a single input value θ foot to a single output value T plantar .

신경근 모형의 파라미터 결정. 족저 굴근 모형은 모든 생체 족저 굴근을 대표한다. 이와 유사하게, 배굴근이 모든 생체 배굴근을 대표한다. 이 작업에서, 발목 관절에서만 관절 및 토크 측정치가 취해졌다. 그 결과, 비복근과 같은 다관절 근육의 상태는 정확하게 추정될 수 없었다. 따라서, 족저 굴근은 사람에 있어 대부분을 차지하는 우세한 단관절 족저 굴근, 즉 족저근(Soleus)을 기반으로 한다. 따라서, 대부분의 족저 굴근의 파라미터는 H. Geyer, H. Herr에 의해 발표된 족저근에 대한 "다리 역학의 원리를 표현한 근육 반사 모델은 인간 보행 역학 및 근육 활성을 예측함(A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities)"에 보고되어 있다. 그러나, 족저 굴근의 일부 파라미터와 배굴근에 대한 파라미터는 전 모형에 의해 상당한 영향을 받거나 생물학에 잘 알려지지 않은 것으로 생각되었다. 이들 6개의 파라미터는 신경근 모형이 온전한 대상의 보행 데이터와 양호하게 부합할 수 있도록 유전 알고리즘과 기울기 강하법의 조합에 의해 결정되었다. Parameter determination of neuromuscular model. Plantar flexor model represents all plantar flexors. Similarly, the dorsal muscles represent all living dorsal muscles. In this work, joint and torque measurements were taken only at the ankle joint. As a result, the state of articular muscles such as gastrocnemius muscle could not be estimated accurately. Thus, plantar flexors are based on the predominant mono-articular plantar flexors, or soleus, which occupies most of the human. Thus, most plantar flexor parameters are based on the plantar muscles published by H. Geyer, H. Herr, "A muscle-reflex model expressing the principles of leg dynamics predicts human gait dynamics and muscle activity (A muscle-reflex model). that encodes principles of legged mechanics predicts human walking dynamics and muscle activities ". However, some parameters of plantar flexors and parameters for dorsal flexors were thought to be significantly influenced by the previous model or not well known in biology. These six parameters were determined by a combination of genetic algorithms and gradient descent methods to ensure that the neuromuscular model fits well with the walking data of intact subjects.

최적화되지 않은 파라미터 값들이 표 6에 도시되어 있다.Unoptimized parameter values are shown in Table 6.

Figure pct00027
Figure pct00027

Figure pct00028
Figure pct00028

비 절단 대상에 대한 데이터 수집. 운동역학 및 운동학적 보행 데이터는 스폴딩 위원회(Spaulding committee)에 의해 승인된 실험적 대상으로서 인간의 이용에 대한 연구를 통해 하버드 의대의 스폴딩 재활 병원의 주행 실험실에서 수집되었다. 이는 H. Herr, M. Popovic에 의해 "The Journal of Experimental Biology, Vol. 211, pp 487-481, 2008"에 발표된 "인체 보행시 각 운동량(Angular momentum in human walking)"에 공지되어 있다. 건강한 성인 남성(81.9kg)은 사전동의 하에 모션 캡처 실험실에서 10m 보행로를 따라 서행으로 보행 속도를 유지하여 보행하도록 요구되었다. Data collection for non-cutting targets. Kinematics and kinematic gait data were collected in a traveling laboratory at Harvard Medical School's Spaulding Rehabilitation Hospital through research into human use as an experimental subject approved by the Spaulding committee. This is known in "Angular momentum in human walking" published by H. Herr, M. Popovic in "The Journal of Experimental Biology, Vol. 211, pp 487-481, 2008". A healthy adult male (81.9 kg) was required to walk at slow motion along a 10m footpath in a motion capture laboratory with prior consent.

모션 캡처가 8개의 적외선 카메라를 구비한 VICON 512 모션 캡처 시스템을 이용하여 수행되었다. 반사 표지가 대상 신체의 33 곳의 위치에 배치됨에 따라 시험을 진행하는 동안 적외선 카메라가 상기 위치를 추적하도록 하였다. 카메라는 120 Hz에서 작동되었고 대략 1mm 내에서 주어진 표지를 추적할 수 있었다. 표지는 하체를 추적하기 위한 다음과 같은 골표적에, 즉 양측의 전상장골극(anterior superior iliac spines), 후상장골극(posterior superior iliac spines), 측방향 대퇴관절구(femoral condyles), 측방향 복사뼈, 전족부 및 발뒤꿈치에 배치되었다. 원드(wand)가 경골 및 대퇴골에 걸쳐 배치되었고, 표지가 경골 및 중간 대퇴골의 중간 골체에 걸쳐 위치된 원도에 부착되었다. 표지는 또한 상체에서 다음과 같은 지점에, 즉 흉골, 쇄골, C7 및 T10 요추골, 두부, 그리고 어깨, 팔꿈치 및 허리 관절의 양측에 배치되었다. Motion capture was performed using the VICON 512 motion capture system with eight infrared cameras. The infrared camera tracked the location during the test as the reflective marker was placed at 33 locations on the subject's body. The camera was operated at 120 Hz and was able to track a given marker within approximately 1 mm. The markers were placed on the following bone targets to track the lower body: bilateral anterior superior iliac spines, posterior superior iliac spines, lateral femoral condyles, and lateral ankle bones. , Forefoot and heel. A wand was placed over the tibia and the femur and a marker was attached to the circle located over the middle bone of the tibia and middle femur. The marker was also placed at the following points in the upper body: the sternum, clavicle, C7 and T10 lumbar vertebrae, head, and both sides of the shoulder, elbow and lumbar joints.

지면 반발력은 (미국 매사추세츠주의 워터타운에 소재하는 어드밴스드 메커니컬 테크롤로지, 인크.로부터 상업적으로 구입 가능한 모델 번호 2222 또는 OR6-5-1)인 2개의 스태거형 힘 측정판을 이용하여 측정되었다. 지면 반발력과 압력 중심을 측정하는 이들 측정판의 정밀도는 각각 대략 0.1 N 및 2mm이다. 힘 측정판 데이터는 1080 Hz에서 수집되었고 VICON 모션 캡처 데이터와 동기화되었다. 관절 토크는 표준 역동 역학 모형의 변형 버전을 이용하여 지면 반발력과 관절 운동학으로부터 산출되었다. 영국에 소재하는 옥스퍼드 매트릭스에 의해 상업적으로 구입 가능한 Vicon Bodybuilder는 역동 역학 산출을 수행하기 위해 사용되었다. Ground repulsion was measured using two staggered force plates, Model No. 2222 or OR6-5-1, commercially available from Advanced Mechanical Technology, Inc., Watertown, Massachusetts, USA. The accuracy of these measuring plates for measuring ground repulsion and center of pressure is approximately 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 ground repulsion and joint kinematics using a modified version of the standard dynamics model. Commercially available Vicon Bodybuilder by Oxford Matrix, UK, was used to perform dynamic dynamics calculations.

지면에서의 서행 보행 속도(평균 1.0 m/s)에 대해 6회의 시험이 선택되었고 이 보행 조건에 대한 목표 발목 및 토크 궤적을 나타내도록 1회의 시험이 이용되었다. 입각기의 마지막은 보행 사이클에서 토크가 최고조에 도달된 후에 제로로 강하될 때 시간 흐름에 따른 지점으로서 한정되었다. 이 경우는 선택된 시험에 있어 67%의 보행 사이클에서 발생하였다.Six tests were selected for slow walking speed on the ground (average 1.0 m / s) and one test was used to represent the target ankle and torque trajectory for this walking condition. The end of the stance was defined as the point over time when the torque dropped to zero after the peak had reached its peak in the walking cycle. This case occurred at a walking cycle of 67% for the selected test.

도 16a 및 도 16b는 온전한 사지를 가진 중량 및 신장이 부합하는 대상의 생체 발목의 토크 및 각도 궤적과, 절단 수술을 받은 대상의 보철에 대해 시험을 통해 측정된 토크 및 각도 궤적이 도시되어 있다. 도 16a 및 도 16b에는 발꿈치가 닿기 시작할 때부터(0% 사이클) 발가락이 떨어질 때까지(100% 사이클) 지면 보행 사이클에 대한 발목 토크(도 16a)와 발목 각도(도 16b)가 도시되어 있다. 도 16a 및 도 16b에는 보철에 대해 측정된 토크 및 각도 프로파일에 대한 평균(1610, 1620; 얇은 선) ± 1 표준 편차(실선)가 플롯이 되어 있고, 신경근 모형 제어로부터 기인한 보철의 측정된 토크 및 각도 프로파일과, 동일한 보행 속도(1 m/sec)로 온전한 사지를 갖은 중량 및 신장에 부합되는 대상의 보행 사이클에 대한 발목 생체역학(1630, 1640; 굵은 선)에 대한 평균(1610, 1620; 가는 선) ± 1 표준 편차(점선)가 도 16a 및 도 16b에 그래프로 나타나 있다. 수직선은 보철 보행 사이클에 대한 유각기(1650, 1660; 얇은 점선)의 초기와, 생체 발목의 유각기(1670, 1680; 굵은 점선)의 초기의 평균 시간을 나타낸다. 16A and 16B show torque and angular trajectories of the subject's living ankles with intact limb weight and height, and torque and angular trajectories measured through testing on the prosthesis of the subject undergoing amputation. 16A and 16B show ankle torque (FIG. 16A) and ankle angle (FIG. 16B) for the ground walking cycle from the start of the heel to the toe drop (100% cycle) to the toe drop (100% cycle). 16A and 16B plot the mean (1610, 1620 (thin line)) ± 1 standard deviation (solid line) for the measured torque and angular profile for the prosthesis and the measured torque of the prosthesis resulting from neuromuscular model control. And averages 1610, 1620 for ankle biomechanics 1630, 1640 (bold line) for the subject's gait cycle that conformed to weight and height with intact limbs at an angle profile and the same walking speed (1 m / sec); Thin line) ± 1 standard deviation (dotted line) is shown graphically in FIGS. 16A and 16B. The vertical line represents the average time of the initial stages of the stages 1650, 1660 (thin dashed line) for the prosthetic gait cycle, and the initial stage of the stages of the living ankle stages 1670, 1680 (bold dotted line).

최적화 기법을 통해 실험적 데이터에 대한 모형 파라미터의 조정. 다음의 파라미터들은 Fmax, GainFB, Gainsupp, Φref 및 Φmax를 조정하기 위해 선택되었다. 파라미터 조정의 목적은 모형에 대해 입력 값으로서 상응하는 생체 발목 각도 궤적이 주어지면 신경근 모형이 특정 보행 조건에서 생체 발목 토크 궤적에 양호하게 부합할 수 있는 파라미터 설정을 찾는 것이었다. 최적화를 위한 비용 함수는, 생체 발목 각도 궤적이 주어지면, 입각기 단계 동안 생체 토크 프로파일과 모형 토크 프로파일 사이의 제곱 오차로서 정의되었다. Adjustment of model parameters to experimental data through optimization techniques. The following parameters were selected to adjust F max , Gain FB , Gain supp , Φ ref, and Φ max . The goal of parameter adjustment was to find a parameter setting that would allow the neuromuscular model to better match the bioankle torque trajectories under certain walking conditions given the corresponding bioankle angle trajectories as inputs to the model. The cost function for optimization was defined as the squared error between the biotorque profile and the model torque profile during the standing phase, given the bioankle angle trajectory.

Figure pct00029
(14)
Figure pct00029
(14)

Tm는 모형의 토크 출력이고 Tbw은 생체 발목 토크이다. T m is the torque output of the model and T bw is the living ankle torque.

유전 알고리즘을 이용한 최적화 기법은 최적의 파라미터 값들에 대한 초기 조사를 수행하기 위해 선택되었고, 직접 조사는 최적의 파라미터 세트를 정확히 찾아내기 위해 포함되었다. 매틀랩(Matlab) 프로그램의 유전 알고리즘 툴이 최적화 방법 양자를 수행하기 위해 사용되었다. 1.0 m/s로 선택된 보행 속도에서의 인간의 지면 보행 데이터가 최적화에 대한 대상 거동을 제공하기 위해 이용되었다. 최적화 파라미터 각각의 허용 가능한 범위가 표 7(최적화 파라미터의 범위)에 도시되어 있다. Optimization techniques using genetic algorithms were selected to perform an initial search for optimal parameter values, and direct search was included to pinpoint an optimal set of parameters. Genetic algorithmic tools from Matlab program were used to perform both optimization methods. Human ground walking data at walking speed selected at 1.0 m / s was used to provide target behavior for optimization. The allowable range of each of the optimization parameters is shown in Table 7 (range of optimization parameters).

Figure pct00030
Figure pct00030

초기 모집단이 최적화 프로그램에 의해 선택되었다. 파라미터 최적화로부터 도출된 파라미터 값들이 표 8(신경근 모형 파라미터의 조정된 값들)에 나타나 있다. The initial population was selected by the optimization program. The parameter values derived from parameter optimization are shown in Table 8 (adjusted values of neuromuscular model parameters).

Figure pct00031
Figure pct00031

파라미터 최적화의 결과. 최적화 유효성을 검증함에 있어서, 최적화는 신경근 모형에 대한 입력 값으로서 생체 발목 각도 프로파일을 이용하여 최종 파라미터가 적용되었다. 생체 토크 프로파일과 최종 토크 프로파일이 도 17에 비교되어 도시되어 있다. Result of parameter optimization. In validating the optimization, the optimization was applied to the final parameter using the bio-ankle angle profile as input to the neuromuscular model. The biotorque profile and the final torque profile are shown in comparison to FIG. 17.

도 17에 도시된 바와 같이, 생체 발목 모멘트(회색 선, 1710), 모형화된 배굴근 성분(일점 쇄선, 1720), 모형화된 족저 굴근 성분(가는 선, 1730), 전체 신경근 모형(굴곡근 및 배굴근)의 모멘트(파선, 1740)가, 온전한 생체 발목에서부터 신경근 모형의 발목까지의 발목 모멘트 프로파일을, 입력치로서의 생체 발목 각도 프로파일 및 최적화된 파라미터 값들과 비교되어 있다. 신경근 모형의 발목 모멘트는 대부분의 보행 사이클에 있어서 생체 발목 모멘트와 거의 정확히 부합한다.As shown in FIG. 17, bioankle moments (gray line, 1710), modeled dorsal flexor component (dotted dashed line, 1720), modeled plantar flexor component (thin line, 1730), whole nerve root model (flexible and flexor muscle) ) Moment (dashed line, 1740) is compared with the ankle moment profile from the intact living ankle to the ankle of the neuromuscular model with the bioankle angle profile as input and optimized parameter values. The ankle moment of the neuromuscular model almost exactly matches the bioankle moment for most walking cycles.

로우 레벨 토크 제어. 입각기 단계 동안 발목 관절에서 실제로 발생하는 물리적 토크는 병렬 스프링과 모터 구동 트레인의 합동 작용으로부터 발생한다. 500 N·m/rad의 스프링 강성을 갖는 회전식 병렬 스프링의 강성은 작동 범위에서 대략 선형으로 나타난다. 이 스프링 상수를 이용하여, 병렬 스프링 기여도를 예측하고 원하는 발목 토크로부터 감해진다. 남아있는 토크는 모터 구동 트레인에 의해 생성된다. Low level torque control. The physical torque actually occurring at the ankle joint during the standing phase comes from the joint action of the parallel spring and the motor drive train. The stiffness of the rotary parallel spring with a spring stiffness of 500 Nm / rad appears to be approximately linear in the operating range. Using this spring constant, the parallel spring contribution is predicted and subtracted from the desired ankle torque. The remaining torque is produced by the motor drive train.

모터 구동 트레인의 성능은 도 12에 도시된 바와 같이, 진상 보상(lead compensation), 마찰 보상 및 피드 포워드 기술(feed-forward techniques)을 이용함으로써 개선된다. 개방형 루프 구동 트레인 동력학의 실험적 연구는 이들 개선점을 시행하기 위해 수행되고 이용되었다 [M. Eilenberg, "A Neuromuscular-Model Based Control Strategy for Powered Ankle-Foot Prostheses," Master's Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2009]. 지면 보행, 상승 경사면 및 하강 경사로서의 출력 토크 대 명령 토크가 13a 내지 도 13c에 도시되어 있다. 보철 출력 토크는 SEA 토크 기여에 대한 직렬 스프링의 응력 게이지와, 병렬 스프링 토크 기여에 대한 발목 각도에 기초한 병렬 스프링 토크 추정치를 이용하여 추정된다.The performance of the motor drive train is improved by using lead compensation, friction compensation and feed-forward techniques, as shown in FIG. Experimental studies of open loop drive train dynamics have been performed and used to implement these improvements [M. Eilenberg, "A Neuromuscular-Model Based Control Strategy for Powered Ankle-Foot Prostheses," Master's Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2009]. Output torque versus command torque as ground walking, rising slope and falling slope are shown in FIGS. 13A-13C. The prosthetic output torque is estimated using the stress gauge of the serial spring to SEA torque contribution and the parallel spring torque estimate based on the ankle angle to the parallel spring torque contribution.

임상 평가. 보철은 건강하고 활동적인 75㎏의 하퇴 환자의 오른쪽 발에 시술되었다. 대상은 보철을 통한 보행이 자연스럽게 이루어지도록 시간이 주어졌다. 이들 시험으로부터의 보행 데이터를 기록하기 위해 보철에 대한 무선 링크가 이용되었다. 지면 보행 시험 동안에, 대상에게는 10m의 긴 경로를 가로질러 보행하도록 요구되었다. 의도된 목표 보행 속도는 온전한 대상의 보행 속도와 일치하도록 1.0m/s으로 설정되었다. 대상은 경로의 시작부로부터 대략 5m 앞에서 보행하기 시작하여 경로의 종료부를 대략 3m 지나 보행을 멈췄다. 지면의 표시들은 경로의 10m의 시작부와 종료부에 나타내기 위해 사용되었다. 스톱워치는 대상의 무게 중심이 각각의 표시를 지나갈 때마다 알림으로써 각각의 시험의 평균 보행 속도를 확인하기 위해 이용되었다. 총 10회의 시험이 정해졌다. 목표 속도의 5% 내의 보행 속도로 이루어진 시험이 프로세싱을 위해 이용되었고, 그 결과 45개의 보행 사이클이 생성되었다. 다음, 대상은 11도의 각도를 이루는 2m의 경사로를 스스로 선택한 속도로 보행하도록 요구되었다. 대상은 10회의 상승 경사로 시험 동안에 경사로의 시작부로부터 대략 2m에 위치한 지면에서 보행하기 시작하여 플랫폼상의 경사로를 대략 1m 지나 보행을 멈췄다. 이런 동일한 과정이 12회의 하강 경사로 시험 동안 반대로 진행되었다. Clinical evaluation. Prostheses were performed on the right foot of a healthy, active 75 kg lower leg patient. Subject was given time to walk naturally through the prosthesis. A radio link to the prosthesis was used to record walking data from these tests. During the ground walking test, the subject was asked to walk across a 10 m long path. The intended target walking speed was set at 1.0 m / s to match the walking speed of the intact object. Subject began walking approximately 5 meters from the beginning of the path and stopped walking approximately 3 meters past the end of the path. Marks on the ground were used to indicate the beginning and end of the 10 m of the path. A stopwatch was used to confirm the average walking speed for each test by informing each subject as the center of gravity passed each mark. A total of ten tests were set. Tests with walking speeds within 5% of the target speed were used for processing, resulting in 45 walking cycles. The subject was then asked to walk on a 2 m ramp, at an angle of 11 degrees, at his or her own chosen speed. Subject began walking on the ground approximately 2m from the beginning of the ramp during 10 climb ramp tests and stopped walking approximately 1m past the ramp on the platform. This same process was reversed during the 12 descent ramp tests.

데이터 분석. 지면 시험에서 맨 처음 3개의 보행 사이클과 마지막 3개의 보행 사이클은 일시적인 것으로 가정되어, 무시되었다. 남아 있는 각각의 보행 사이클은 1000개의 데이터 포인트를 스팬(span)하기 위해 다시 샘플링되었다. 평균 및 표준 편차 궤적은 최종 데이터로부터 계산되었다. 상승 경사로 및 하강 경사로에 있어, 경사로의 마지막 스텝이 대표적인 보행 사이클로서 이용되었다. 선택된 각각의 보행 사이클은 지면 실험과 관련하여 설명된 바와 같은 동일한 방식으로 다시 샘플링되어 평균이 내어졌다.Data analysis. In the ground test, the first three walk cycles and the last three walk cycles were assumed to be temporary and were ignored. Each remaining walk cycle was resampled to span 1000 data points. Mean and standard deviation trajectories were calculated from the final data. For ascending and descending ramps, the last step of the ramp was used as a representative walking cycle. Each walk cycle selected was resampled and averaged in the same manner as described in connection with the ground experiment.

발꿈치가 닿기 시작할 때부터 발가락이 떨어질 때까지 발목 각도에 대한 발목 토크를 수치화하여 통합함으로써 네트워크가 각각의 개별 보행 사이클에 대해 산출되었다. 여기서 유각기는 네트워크 산출에서 무시되었다. 각각의 보행 조건에 대한 평균 네트워크가 개별 보행 사이클 네트워크 값들로부터 계산되었다. The network was calculated for each individual gait cycle by numerically integrating ankle torque against ankle angle from the start of the heel to the fall of the toe. At this point, the vane was ignored in network calculations. The average network for each walking condition was calculated from the individual walking cycle network values.

결과. 토크 트랙킹. 본 실험의 전제조건은 발목-발 보철이 신경근 제어기에 의해 명령을 받는 토크 및 속도를 실제로 생산하는 능력에 있었다. 이 능력은 지면 보행, 상승 경사로 및 하강 경사로의 측정 출력 토크에 대한 명령 토크를 도시하는 도 13a 내지 도 13c에 나타나 있다. result. Torque tracking. The precondition for this experiment was the ability of the ankle-foot prosthesis to actually produce the torque and speed commanded by the neuromuscular controller. This capability is shown in FIGS. 13A-13C which show the command torque for the measured output torque of ground walking, rising ramp and falling ramp.

지면 경사도에 대한 적응. 신경 근육 모형 제어 보철의 지면 경사도 적응 평가는 도 9a 내지 도 9c의 임상 시험 데이터에 의해 확인되었다. 이들 시험의 수치적 통합 데이터는 네트워크 값들(워크 루프 영역;work loop area)을 아래와 같이 제공하였다. Adaptation to ground slope. Ground slope adaptation assessment of neuromuscular model control prostheses was confirmed by the clinical trial data of FIGS. 9A-9C. The numerical integration data of these tests provided network values (work loop area) as follows.

지면 5.4 ± 0.5 주울(Joules)5.4 ± 0.5 joules above ground

상승 경사면 12.5 ± 0.6 주울Rising slope 12.5 ± 0.6 joules

하강 경사면 0.1 ± 1.7 주울Down slope 0.1 ± 1.7 joules

생체 발목에 대한 비교. 이 신경근 모형의 목적은 인간의 발목-발 복합체의 고유의 역학을 유용한 방식으로 나타내는 것이다. 따라서, 인간의 거동을 모방하는 이의 능력에 기초하여 최종 보철 제어기를 평가할 수 있다. 전술한 도 16a 및 도 16b에는 온전한 사지를 가진 중량 및 신장에 일치하는 대상의 지면 보행 토크 및 각도 프로파일과 함께 보철부터의 지면 보행 토크 및 각도 프로파일이 도시되어 있다. Comparison for living ankles. The purpose of this neuromuscular model is to present the intrinsic dynamics of the human ankle-foot complex in a useful way. Thus, the final prosthetic controller can be evaluated based on its ability to mimic human behavior. 16A and 16B described above show ground walking torque and angular profiles from prostheses along with ground walking torque and angular profiles of subjects consistent with weight and elongation with intact limbs.

도 18a 내지 도 18c는 3가지 다른 보행 조건, 즉 지면(도 18a), 상승 경사면(18b) 및 하강 경사면(18c)에 대해 측정된 보철 토크-각도 궤적의 플롯이다. 도 18a 내지 도 18c에는 평균(1810, 1820, 1830) ± 1 표준 편차가 도시되어 있다. 화살표는 시간 변화에 따른 전방향 전달을 나타낸다. 평균 보철 네트워크는 지면 경사도가 증가함에 따라 증가한다. 이 결과는 문헌[A. S. Mclntosh, K. T. Beatty, L. N. Dwan, and D. R. Vickers, "경사진 인도 상의 보행 역학(Gait dynamics on an inclined walkway)," Journal of Biomechanics, Vol. 39, pp 2491-2502, 2006]으로부터의 인간 발목 데이터와 일치한다. 18A-18C are plots of prosthetic torque-angle trajectories measured for three different walking conditions: ground (FIG. 18A), rising slope 18b and falling slope 18c. 18A-18C show the mean 1810, 1820, 1830 ± 1 standard deviation. Arrows indicate forward propagation over time. The average prosthetic network increases with increasing ground slope. This result is described in 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].

보철의 측정된 발목 토크 및 발목 각도 프로파일은 지면 보행에 대한 비교 가능한 온전한 각각의 발목 토크 및 발목 각도 프로파일과 정량적으로 일치한다. 절단에 기인한 임상 대상의 다리 근육의 위축 및 비대와, 사지 길이의 차이와, 기능적 양축 관절 비복근 근육의 부족을 포함하여 다수의 인자에 상당히 영향을 미칠 수 있는 차이점이 적은 것으로 나타났다. 또한, 보철 각도 센서의 제한된 범위는 보철이 온전한 발목 움직임의 전체 범위로 도달되는 것을 방해하였다. The measured ankle torque and ankle angle profile of the prosthesis is quantitatively consistent with each comparable intact ankle torque and ankle angle profile for ground walking. There were few differences that could significantly affect a number of factors, including atrophy and hypertrophy of the leg muscles of the clinical subjects due to amputation, differences in limb lengths, and lack of functional biaxial joint gastrocnemius muscle. In addition, the limited range of prosthetic angle sensors prevented the prosthesis from reaching the full range of intact ankle movements.

지면 경사도 적응. 본 명세서에 제공된 신경근 제어는 지형의 명백한 감지 없이 지면 경사에 대한 고유의 적응을 나타낸다. 경사로 상승 동안의 증가된 발목 순수일과 경사로 하강 동안의 감소된 발목 순수일은, [A. S. McIntosh, K. T. Beatty, L. N. Dwan, and D. R. Vickers, "경사진 인도 상의 걸음걸이 역학(Gait dynamics on an inclined walkway)," Journal of Biomechanics, Vol. 39, pp 2491-2502, 2006]으로부터의 데이터에 따르면, 동일한 조건들 하에 완전한 인간 발목의 거동과 일치한다. 보행 조건들에 걸친 입각기 포지티브 순수일의 이러한 변동은 신경근 모델의 긴급한 경사-적응 거동을 나타낸다. 거동에서의 이들 생체모방 변화들을 생성하는 신경근 모델의 능력은 모델이 인간 족저굴근의 중요한 특징을 구현한다는 것을 제안한다. 또한, 모델은 속도 적응에 대한 가능성을 갖는 것이 예견된다. 더 빠르게 이동하는 시도에서, 사용자는 보철 상에서 더 심하게 가압할 수 있다. 이러한 추가적인 힘은 더 높은 가상 근육 힘을 명령하도록 모델링된 반사를 일으켜서, 더 큰 에너지 출력을 초래하여, 더 높은 보행 속도를 발생시킨다.Ground slope adaptation. The neuromuscular control provided herein represents an inherent adaptation to ground tilt without explicit sensing of the terrain. Increased ankle net work during ramp up and decreased ankle net work during ramp down is [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, consistent with the behavior of a complete human ankle under the same conditions. This variation in the standing positive net work over walking conditions represents the urgent slope-adaptation behavior of the neuromuscular model. The ability of the neuromuscular model to generate these biomimetic changes in behavior suggests that the model implements important features of the human plantar flexor. It is also envisaged that the model has the potential for speed adaptation. In an attempt to move faster, the user may press harder on the prosthesis. This additional force causes reflexes that are modeled to command higher virtual muscle forces, resulting in greater energy output, resulting in higher walking speeds.

양호한 실시예가 개시되어 있지만, 많은 다른 실시예들이 당업자에 의해 본 발명의 범위 내에서 실시될 수 있다. 위에서 기술된 다양한 실시예들 각각은 다수의 특징들을 제공하기 위해서 달리 기술된 실시예들과 결합될 수 있다. 또한, 전술한 것은 본 발명의 장치 및 방법의 많은 별개의 실시예들을 기술한 것이고, 본 명세서에 기술된 것들은 본 발명의 원리의 적용의 단지 예시일 뿐이다. 그러므로, 당업자에 의한 다른 배열, 방법, 수정 및 대체물들이 본 발명의 범위 내에서 또한 고려되며, 이는 이하의 청구범위를 제외하고 제한되지 않는다.Although preferred embodiments are disclosed, many other embodiments may be practiced by those skilled in the art within the scope of the present invention. Each of the various embodiments described above can be combined with other described embodiments to provide a number of features. In addition, the foregoing describes many distinct embodiments of the apparatus and method of the present invention, and those described herein are merely illustrative of the application of the principles of the present invention. Therefore, other arrangements, methods, modifications and substitutions by those skilled in the art are also contemplated within the scope of the invention, which is not limited except as by the claims below.

Claims (9)

하나 이상의 관절을 갖는 로봇 사지를 위한 모델 기반 신경기계 제어기이며,
로봇 사지의 상태와 관련되는 피드백 데이터를 수신하고, 수신된 피드백 데이터를 이용하여 로봇 사지의 상태를 결정하도록 구성된 유한 상태 기계와,
유한 상태 기계로부터의 상태 정보와 하나 이상의 데이터베이스로부터의 근육 형상 및 반사 아키텍쳐 정보를 수신하고, 신경근 모델을 이용하여 로봇 사지로 보내질 하나 이상의 원하는 관절 토크 또는 강성 명령을 결정하도록 구성된 근육 모델 프로세서와,
로봇 사지 관절에서 근육 모델 프로세서에 의해 결정된 생체모방 토크 및 강성을 명령하도록 구성된 관절 명령 프로세서를 포함하는
모델 기반 신경기계 제어기.
Model-based neuromachine controller for robotic limbs with one or more joints,
A finite state machine 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;
A muscle model processor configured to receive state information from the finite state machine and muscle shape and reflex architecture information from one or more databases, and determine one or more desired joint torque or stiffness commands to be sent to the robot limb using the neuromuscular model;
A joint command processor configured to command the biomimetic torque and stiffness determined by the muscle model processor in the robotic limb joint;
Model-based Neural Machine Controller.
제1항에 있어서,
피드백 데이터는 로봇 사지의 각각의 관절에서 장착된 하나 이상의 센서에 의해 제공되는
모델 기반 신경기계 제어기.
The method of claim 1,
Feedback data is provided by one or more sensors mounted at each joint of the robot limb.
Model-based Neural Machine Controller.
제1항에 있어서,
로봇 사지는 다리이고 유한 상태 기계는 다리 걸음걸이 사이클에 동기화되는
모델 기반 신경기계 제어기.
The method of claim 1,
Robotic limbs are legs and finite state machines are synchronized to the gait cycle
Model-based Neural Machine Controller.
제3항에 있어서,
다리는 동력식 발목-발 보철을 포함하는
모델 기반 신경기계 제어기.
The method of claim 3,
Legs include motorized ankle-foot prosthetics
Model-based Neural Machine Controller.
제3항에 있어서,
다리는 무릎 관절를 포함하는
모델 기반 신경기계 제어기.
The method of claim 3,
The leg contains the knee joint
Model-based Neural Machine Controller.
제4항에 있어서,
다리는 무릅 관절를 더 포함하는
모델 기반 신경기계 제어기.
The method of claim 4, wherein
The legs contain more knee joints
Model-based Neural Machine Controller.
제6항에 있어서,
다리는 힙 관절를 더 포함하는
모델 기반 신경기계 제어기.
The method of claim 6,
The legs contain more hip joints
Model-based Neural Machine Controller.
제2항에 있어서,
하나 이상의 센서는 각도 관절 변위 및 속도 센서, 토크 센서, 또는 관성 측정 유닛인
모델 기반 신경기계 제어기.
The method of claim 2,
One or more sensors may be angular joint displacement and speed sensors, torque sensors, or inertial measurement units.
Model-based Neural Machine Controller.
하나 이상의 관절을 갖는 로봇 사지를 제어하는 방법이며,
유한 상태 기계에서 로봇 사지의 상태와 관련되는 피드백 데이터를 수신하는 단계와,
유한 상태 기계와 수신된 피드백 데이터를 이용하여 로봇 사지의 상태를 결정하는 단계와,
신경근 모델, 근육 형상 및 반사 아키텍쳐 정보, 및 유한 상태 기계로부터의 상태 정보를 이용하여, 로봇 사지에 보내질 하나 이상의 원하는 관절 토크 또는 강성 명령을 결정하는 단계와,
로봇 사지 관절에서 근육 모델 프로세서에 의해 결정된 생체모방 토크 및 강성을 명령하는 단계를 포함하는
로봇 사지 제어 방법.
To control robotic limbs with one or more joints,
Receiving feedback data relating to the state of the robot limb in a finite state machine,
Determining the state of the robot limb using the finite state machine and the feedback data received;
Using the neuromuscular model, muscle shape and reflex architecture information, and state information from a finite state machine, determining one or more desired joint torque or stiffness commands to be sent to the robot limb;
Instructing the biomimetic torque and stiffness determined by the muscle model processor in the robotic limb joint.
Robot limb control method.
KR1020117020233A 2009-01-30 2010-02-01 Model-based neuromechanical controller for a robotic leg KR20110122150A (en)

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US14854509P 2009-01-30 2009-01-30
US61/148,545 2009-01-30

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KR20110122150A true KR20110122150A (en) 2011-11-09

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