인간의 자세 제어를 연구하는 실험 방법

요약

이 문서는 인간의 자세 제어를 연구하는 실험 / 분석 프레임 워크를 제공합니다. 이 프로토콜은 서 있는 실험을 수행하고, 신체 운동학 및 역학 신호를 측정하고, 결과를 분석하여 인간의 자세 제어의 기본 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하기 위한 단계별 절차를 제공합니다.

초록

신경 및 근골격계의 많은 구성 요소는 안정적이고 똑바로 인간의 자세를 달성하기 위해 함께 작동합니다. 적절한 수학적 방법을 동반 한 제어 실험은 인간의 자세 제어에 관련된 다른 하위 시스템의 역할을 이해하는 데 필요합니다. 이 문서에서는 인간에서 근골격계 및 중앙 제어의 역할을 이해하기 위한 목적으로 교란된 스탠딩 실험을 수행하고, 실험 데이터를 수집하며, 후속 수학적 분석을 수행하기 위한 프로토콜을 설명합니다. 똑바로 서 있습니다. 이러한 방법에 의해 생성 된 결과는 건강한 균형 제어에 대한 통찰력을 제공하고, 환자와 노인의 균형 장애의 병인을 이해하기위한 기초를 형성하고, 개선을위한 중재 설계를 돕기 때문에 중요합니다. 자세 제어 및 안정성. 이러한 방법은 체감각 시스템의 역할을 연구하는 데 사용할 수 있습니다, 발목 관절의 본질적인 강성, 자세 제어의 시각 시스템, 또한 전정 시스템의 역할을 조사하기 위해 확장 될 수있다. 방법은 몸이 주로 발목 관절에 대해 이동하고 단일 링크 반전 진자로 간주됩니다 발목 전략의 경우에 사용되어야한다.

서문

인간의 자세 조절은 중추 신경과 근골격계 사이의 복잡한 상호 작용을 통해 실현된다^1. 서있는 인체는 본질적으로 불안정하며 다양한 내부 (예 : 호흡, 심장 박동) 및 외부 (예 : 중력) 교동에 따라 달라질 수 있습니다. 안정성은 중앙, 반사 및 내장 구성 요소가 있는 분산 컨트롤러에 의해 달성됩니다(그림1).

자세 제어에 의해 달성된다 : 활성 컨트롤러, 중추 신경계에 의해 중재 (CNS) 척수, 이는 근육 활성화를 변경; 근육 활성화의 변화없이 관절 의 움직임에 저항하는 본질적인 강성 컨트롤러(그림 1). 중앙 컨트롤러는 감각 정보를 사용하여 신체를 안정시키는 교정 근육 힘을 생성하는 내림차순 명령을 생성합니다. 감각 정보는 시각, 전정 및 체감각 시스템에 의해 변환됩니다. 구체적으로, 체감각 시스템은 지지면 및 조인트 각도에 관한 정보를 생성한다; 비전은 환경에 관한 정보를 제공합니다. 전정 시스템은 중력에 대한 머리 각도 속도, 선형 가속도 및 방향에 관한 정보를 생성합니다. 중앙 의 폐쇄 루프 컨트롤러는 2^. 액티브 컨트롤러의 두 번째 요소는 짧은 대기 시간으로 근육 활동을 생성하고 관절 운동에 저항하는 토크를 생성하는 반사 강성입니다.

활성 컨트롤러의 두 구성 요소와 관련된 대기 시간이 있습니다. 따라서 지체 없이 작용하는 관절 내재 강성은 자세 제어^3에서중요한 역할을 합니다. 본질적인 강성은 수축 근육, 연조직 및 사지의 관성 특성의 수동 점성 특성에 의해 생성되며, 이는 어떤 관절 운동에 반응하여 즉각적으로 저항 토크를 생성합니다^4. 자세 조절에서 관절 강성 (본질및 반사 강성)의 역할은 근육 활성화^4,5,6및 관절 위치에 의해 정의 된 작동 조건에 따라 변경되기 때문에 명확하게 이해되지 않습니다. ^{4개 , 7명 , 8,}둘 다 몸이 흔들리면서 변화하며, 서있는 것이 내재되어 있습니다.

자세 제어에서 중앙 제어기의 역할과 관절 강성의 역할을 식별하는 것이 중요합니다. 환자를위한 표적 개입의 설계; 낙하 의 위험평가; 노인의 가을 예방을위한 전략의 개발; 및 정형 외과 및 보철과 같은 보조 장치의 디자인. 그러나, 서로 다른 서브 시스템이 함께 작용하기 때문에 전체적인 신체 운동학, 관절 토크 및 근육 근전도만 측정할 수 있기 때문에 어렵다.

따라서 측정 가능한 자세 변수를 사용하여 각 하위 시스템의 기여도를 평가하는 실험 및 분석 방법을 개발하는 것이 필수적입니다. 기술적 인 어려움은 자세 변수의 측정이 폐쇄 루프에서 수행된다는 것입니다. 결과적으로 입력 및 출력(원인 및 효과)이 서로 관련됩니다. 따라서, a) 응답(출력으로)에서 자세 반응을 불러일으키기 위해 외부 섭동(입력으로)을 적용하고, b) 시스템 모델및 디센지글 원인 및 효과를 식별하기 위해 특수 수학적 방법을^{사용한다.}

본 기사는 발목 전략이 사용될 때, 즉 발목 관절에 대해 주로 움직임이 발생할 때 자세 제어에 중점을 둡니다. 이러한 조건에서상체와 하반신은 함께 움직이며, 따라서, 신체는^{시상면(10)에서}단일 링크 역진자로 모델링될 수 있다. 발목 전략은 지지면이 단단하고 섭동이^작을때^1,11에사용됩니다.

적절한 기계적(proprioceptive) 및 시각적 감각 적 교란을 적용하고 신체 운동학, 운동학 및 근육 활동을 기록할 수 있는 스탠딩 장치가 당사 의 실험실^12에서개발되었다. 이 장치는 시각 또는 체감각 자극을 사용하여 자세 반응을 생성하여 발목 강성, 중앙 제어 메커니즘 및 상호 작용의 역할을 연구하는 데 필요한 실험 환경을 제공합니다. 또한 유양봉 공정에 직접 전기 자극을 적용하여 전정 시스템의 역할을 연구하는 장치를 확장할 수 있으며, 이는 머리 속도의 감각을 생성하고 자세 반응을 불러일으킬 수 있는^12,13 .

다른 사람은 또한 선형 압전 전기 액추에이터^11,회전 전기 모터^14,15,선형 전기 모터^16,17 인간 자세 제어를 연구하기 위해 유사한 장치를 개발했습니다. ^{, 18은} 서있는 발목에 기계적 교란을 적용하는 데 사용되었다. 더 복잡한 장치는 또한 동시에 발목과 엉덩이 관절에 여러 섭동을 적용 할 수있는 다중 세그먼트 자세 제어를 연구하기 위해 개발되었다^19,20.

스탠딩 장치

두 개의 서보 제어 식 전기 유압 회전 액추에이터는 두 개의 페달을 이동하여 발목 위치의 제어된 섭동을 적용합니다. 액추에이터는 자세 제어에 필요한 큰 토크(>500 Nm)를 생성할 수 있습니다. 이것은 신체의 질량 중심이 발목 회전 축에서 멀리 (앞쪽)인 전방 린 (forward Lean)과 같은 경우에 특히 중요하며, 자세 제어를위한 발목 토크의 큰 값을 초래합니다.

각 회전 액추에이터는 액추에이터샤프트(재료 표)의고성능 전위도계로 측정된 페달 위치 피드백을 사용하여 별도의 비례 서보 밸브로 제어됩니다. 컨트롤러는 MATLAB 기반의 xPC 실시간 디지털 신호 처리 시스템을 사용하여 구현됩니다. 액추에이터/서보 밸브는 40Hz 이상의 대역폭을 가지며, 전체 자세 제어 시스템, 발목 관절 강성 및 중앙^{제어기(21)의}대역폭보다 훨씬 큽니까.

가상 현실 장치 및 환경

가상 현실 (VR) 헤드셋(재료의 표)는비전을 교란하는 데 사용됩니다. 헤드셋에는 LCD 화면(눈당 1080 x 1200픽셀 해상도의 듀얼 AMOLED 3.6' 화면)이 포함되어 있어 사용자에게 장치에 전송된 미디어의 입체적인 뷰를 제공하여 3차원 깊이 의 지각을 제공합니다. 새로 고침 빈도는 90 Hz이며, 사용자에게 견고한 가상 감각을 제공하기에^{충분합니다(22).} 화면의 시야는 110°이므로 실제 상황과 유사한 시각적 섭동을 생성할 수 있습니다.

헤드셋은 사용자의 머리 의 회전을 추적하고 사용자가 가상 환경에 완전히 몰입되도록 그에 따라 가상 보기를 변경합니다. 따라서 일반적인 시각적 피드백을 제공할 수 있습니다. 또한 시상평면에서 시야를 회전시킴으로써 시야를 교란시킬 수 있습니다.

운동 측정

수직 반력은 발 아래 두 개의 플레이트 사이에 끼어 있는 4개의 로드 셀에 의해 측정됩니다(재료표). 발목 토크는 565 Nm의 용량과 104 kNm / rad의 비틀림 강성을 가진 토크 트랜스듀서에 의해 직접 측정됩니다. 또한 로드 셀에 의해 변환되는 수직 힘으로부터 간접적으로 측정될 수 있으며, 그들의 거리를 이용하여^{회전(23)의}발목 축까지, 서있는 발에 가해지는 수평힘이^작다고가정하면^2,24. 압력 중심(COP)은 발목 토크를 총 수직힘으로 나누어 시상평면에서 측정하고, 로드^셀(23)에의해 측정된다.

운동학 측정

발목 전략을 사용할 때 피사체의 발이 페달과 함께 움직이기 때문에 발 각도는 페달 각도와 동일합니다. 수직에 대하여 생크 각도는 생크의 선형 변위로부터 간접적으로 수득되며, 50 μm의 해상도와 750^Hz25의대역폭을 가진 레이저 범위 파인더(표의 재료표)에 의해 측정된다. 발목 각도는 발과 생크 각도의 합계입니다. 수직에 대하여 본체 각도는 좌우 후방 사이의 중간점의 선형 변위로부터 간접적으로 얻어지며, 레이저 범위 파인더(표)를 이용하여측정된 우수한 장골 등뼈(PSIS)의 해상도를 100 μm 및 750 Hz^23의대역폭 . 헤드 위치 및 회전은 초당 60펄스의 시간 적외선(IR) 펄스를 방출하는 VR 시스템 기지국에 의해 VR 환경의 글로벌 좌표계에 대해 측정되며, 이는 밀리미터 이하의 헤드셋 IR 센서에 의해 포착됩니다. 정밀도.

데이터 수집

모든 신호는 코너 주파수가 486.3인 안티 앨리어싱 필터로 필터링된 다음 1000Hz에서 샘플링하여 고성능 24비트/8채널, 동시 샘플링, 동적 신호 수집카드(재료 표)를제공합니다. 20 V의 범위.

안전 메커니즘

6 개의 안전 메커니즘은 과목에 부상을 방지하기 위해 서 있는 장치에 통합되었습니다. 페달은 별도로 제어되며 서로 간섭하지 않습니다. (1) 액추에이터 샤프트에는 샤프트 회전이 수평 위치에서 ± 20 °를 초과하면 유압을 분리하는 밸브를 기계적으로 활성화하는 캠이 있습니다. (2) 두 개의 조정 가능한 기계적 정지는 액추에이터의 운동 범위를 제한; 각 실험 전에 각 피사체의 동작 범위로 설정됩니다. (3) 피실험자와 실험자 모두 패닉 버튼을 누르고; 버튼을 누르면 액추에이터에서 유압 전원이 분리되어 느슨해져 수동으로 이동할 수 있습니다. (4) 피사체의 양쪽에 위치한 난간은 불안정한 경우 지원을 제공할 수 있습니다. (5) 피사체는 전신 하네스(재료 표)를 착용하고,천장의단단한 크로스바에 부착되어 낙상 시 이를 지지합니다. 하네스는 느슨하고 피사체가 불안정해지지 않는 한 정상적인 서있는 것을 방해하지 않으며, 하네스가 피사체가 떨어지는 것을 방지합니다. 추락의 경우, 페달 움직임은 패닉 버튼을 사용하거나 실험자가 피사체에 의해 수동으로 정지됩니다. (6) 서보 밸브는 전기 공급이 중단된 경우 페일 세이프 메커니즘을 사용하여 액추에이터의 회전을 중지합니다.

프로토콜

모든 실험 방법은 McGill 대학 연구 윤리 위원회에 의해 승인되었으며, 과목은 참여하기 전에 정보에 입각한 동의서에 서명합니다.

1. 실험

참고: 각 실험에는 다음 단계가 포함됩니다.

1. 사전 테스트
   1. 수행할 모든 시험의 명확한 개요를 준비하고 데이터 수집을 위한 검사 목록을 만듭니다.
   2. 주제에 필요한 모든 정보를 동의서에 제공하고, 철저하게 읽고, 질문에 답한 다음, 양식에 서명하도록 요청하십시오.
   3. 피사체의 체중, 신장 및 나이를 기록합니다.
2. 과목 준비
   1. 근전도 측정
      1. 발목근육의근전도 측정을 위해 전극 간 거리가 1cm인 단일 차동 전극(재료 표)을 사용합니다.
      2. 1000의 전체 이득과 20-2000 Hz의 대역폭앰프(재료표)를사용합니다.
      3. 높은 신호 대 잡음 비(SNR) 및 최소한의 교차 토크를 보장하기 위해, 세니암 프로젝트^26에서제공하는 지침에 따라 전극 부착 영역을 찾아 표시한다: (1) 내측 위트로네미옴(MG)의 경우, 가장 눈에 띄는 부푼 부분 근육; (2) 측면 위장혈증(LG)의 경우, 비골의 머리와 발뒤꿈치 사이의 라인의 1/3; (3) 솔레우스(SOL)의 경우, 대퇴골과 내측 말레올루스 사이의 라인의 2/3; (4) 경골 전방 (TA) 1/3 비골의 끝과 내측 말레올루스의 끝 사이의 라인.
      4. 표시된 부위를 면도기로 면도하고 알코올로 피부를 청소하십시오. 피부가 완전히 건조하게 됩니다.
      5. 기준 전극을 위해 슬개골에 뼈 부위를 면도하고 알코올로 깨끗하게 하십시오.
      6. 피사체가 편안한 척추 자세로 거짓말을하십시오.
      7. 기준 전극을 슬개골의 면도 부위에 놓습니다.
      8. 양면 테이프를 사용하여 전극을 근육의 면도 부위에 하나씩 부착하여 전극이 피부에 단단히 고정되도록 주의하십시오.
      9. 각 전극을 배치한 후, 피험자가 발바닥 굴곡/등굴 수축을 저항에 대해 수행하도록 요청하고 오실로스코프의 파형을 검사하여 EMG 신호에 높은 SNR이 있는지 확인합니다. 신호 SNR이 불량하면 SNR이 높은 위치가 발견될 때까지 전극을 이동합니다.
      10. 피사체의 움직임이 EMG 케이블에 의해 방해받지 않도록 하십시오.
   2. 운동학 측정
      1. 스트랩으로 생크에 반사 마커를 부착하여 생크 각도 측정에 사용할 수 있습니다.
         참고: 생크 마커를 생크에 가능한 한 높게 배치하여 주어진 회전에 대해 가능한 가장 큰 선형 변위를 생성하므로 각도 해상도가 향상됩니다.
      2. 피사체를 본체 하네스에 두어 두어.
      3. 상체 각도 측정에 사용할 스트랩으로 피사체의 허리에 반사 마커를 부착하십시오. 허리 반사 마커가 왼쪽과 오른쪽 PSIS 사이의 중간 지점에 배치되고 피사체의 의류가 허리 반사 표면을 덮지 않도록합니다.
      4. 피사체가 서 있는 장치에 도착합니다.
      5. 피사체의 발 위치를 조정하여 각 다리의 측면 및 내측 malleoli를 페달의 회전 축에 맞춥니다.
      6. 피사체의 발 위치를 마커로 윤곽을 그리고 실험 중에 발을 같은 위치에 유지하도록 지시합니다. 이렇게 하면 발목과 액추에이터의 회전 축이 실험 전반에 걸쳐 정렬된 상태로 유지됩니다.
      7. 레이저 레인지 파인더의 수직 위치를 조정하여 반사 마커의 중심을 가리킵니다. 레이저 레인지 파인더와 반사 마커 사이의 수평 거리를 조정하여 레인지 파인더가 미드 레인지에서 작동하고 조용한 서있는 동안 포화되지 않도록합니다.
      8. 피사체가 발목을 앞뒤로 기울이고 레이저가 작동 범위 내에 있는지 확인하십시오.
      9. 회전의 발목 축에 대해 레이저 범위 파인더의 높이를 측정합니다.
         주: 이러한 높이는 선형 변위를 각도로 변환하는 데 사용됩니다.
   3. 실험 프로토콜
      1. 각 시험 조건에 대해 무엇을 기대해야하는지 피험자에게 알립니다.
      2. 피사체에게 앞을 내다보면서 옆으로 조용히 서서 실제 세상의 혼란에 직면했을 때, 그들이 하는 것처럼 균형을 유지하라고 지시한다.
      3. 교란된 시험의 경우, 섭동을 시작하고 피사체가 그것에 적응하도록 허용하십시오.
      4. 주체가 안정적인 동작을 설정하면 데이터 수집을 시작합니다.
      5. 피로를 피하기 위해 각 시험 후 충분한 휴식 기간을 피험자에게 제공하십시오. 더 많은 시간이 필요한지 확인하기 위해 그들과 의사 소통하십시오.
      6. 다음 시험을 수행합니다.
         1. 장치 테스트의 경우, 피사체가 도착하기 2시간 전에 센서 데이터를 검사하기 위해 2분 테스트를 수행합니다. 기록된 센서 데이터에서 불규칙하게 큰 소음이나 오프셋을 찾습니다. 문제가 있는 경우 피사체가 도착하기 전에 해결합니다.
         2. 조용히 서있는 경우, 교란없이 2 분 조용한 서있는 시험을 수행하십시오.
            참고: 이 평가판은 교란에 대한 응답으로 자세 변수가 변경되는지 여부를 결정하는 데 필요한 참조를 제공합니다.
         3. 교란 된 실험의 경우, 섭동을 실행하고 2-3 분 동안 데이터를 수집합니다. 자세 제어에서 시력의 역할을 검토하는 것이 목적이라면 시각적 인 섭동을 적용하십시오. 자세 제어에서 두 시스템의 상호 작용을 검사하는 것이 목표인 경우 시각적 및 페달 교란을 동시에 적용합니다.
            참고: 스탠딩 장치 페달의 회전으로 페달 교란이 적용됩니다. 마찬가지로 VR 헤드셋을 사용하여 가상 시야를 회전시켜 시각적 섭동을 적용합니다. 페달/시야의 각도는 연구 목표에 따라 선택된 신호를 따릅니다. 토론 섹션에서는 자세 제어 및 각 교란의 장점연구에 사용되는 섭동 유형에 대한 세부 정보를 제공합니다.
      7. 각 특정 섭동에 대해 최소 3번의 시험을 수행합니다.
         참고: 수집된 데이터에 대한 분석을 수행할 때 모델의 신뢰성을 보장하기 위해 여러 번의 시험이 수행됩니다. 예를 들어, 모델의 유효성을 교차할 수 있습니다.
      8. 피험자가 특정 섭동에 반응하는 법을 배우지 않도록 무작위로 시험을 수행; 이렇게 하면 시간 변화 동작을 확인할 수 있습니다.
      9. 각 평가판 이후에 데이터를 시각적으로 확인하여 획득한 신호의 품질이 높은지 확인합니다.

2. 인간 자세 통제의 식별

1. 바디 각도와 시각적 섭동사이의 동적 관계를 비파라메트릭 식별
   1. 실험
      1. 섹션 1.1 과 1.2의 단계에 따라 2 분 동안 시각적으로 교란 된 시험을 획득하십시오.
      2. 0.087 라드의 피크 대 피크 진폭과 0.105 라드 / s의 속도를 가진 사다리꼴 신호 (TrapZ)를 사용합니다.
      3. 페달 위치를 0 각도로 일정하게 잡습니다.
   2. 분석
      참고: 섹션 2.1.2 및 2.2.2의 데이터 분석은 MATLAB을 사용하여 수행됩니다.
      1. 다음 명령을 사용하여 원시 바디 각도 및 시각적 섭동 신호(관측 가능한 가장 높은 주파수가 10Hz)를 decimate합니다.
         
         
         어디
         
         
         
         참고: 1kHz의 샘플링 속도의 경우 데시메이션 비율이 50이어야 10Hz의 가장 높은 주파수를 가지어야 합니다.
      2. 전력 추정을 위한 창 길이를 결정하는 가장 낮은 관심 주파수를 선택합니다.
         참고: 여기서는 0.1Hz의 최소 주파수가 선택되므로 전력 추정을 위한 창 길이는 1/0.1 Hz = 10s입니다. 주파수 분해능은 최소 주파수와 동일하므로 0.1, 0.2, 0.3, ..., 10Hz에 대해 계산이 수행됩니다.
      3. 창 유형과 겹치는 정도를 선택하여 전력 스펙트럼을 찾습니다.
         참고: 120s의 시험 길이의 경우 50% 겹치는 10s 해닝 창은 전력 스펙트럼 추정을 위해 평균 23개의 세그먼트를 생성합니다. 데이터를 20Hz로 소멸했기 때문에 10초 창에는 200개의 샘플 길이가 있습니다.
      4. 이 함수를 사용하여 시스템의 주파수 응답(FR)을 찾습니다.
         
         어디
         
         
         
         
         참고: 제시된 함수는 지정된 길이와 동일한 겹침 수를 가진 해닝 창을 사용하여 지정한 주파수에서 소멸된 VR 섭동과 본체 각도 사이의 교차 스펙트럼을 계산합니다. (즉, 50% 겹침). 마찬가지로, VR 입력의 자동 스펙트럼을 계산합니다. 그런 다음 예상 교차 스펙트럼 및 자동 스펙트럼을 사용하여 시스템의 FR을 계산합니다.
      5. 다음 명령을 사용하여 2.1.2.4 단계에서 예상 FR의 게인과 단계를 찾습니다.
         
         
         어디
         
         
      6. 다음 명령을 사용하여 일관성 함수를 계산합니다.
         
         어디
         
         참고 : 함수는 사이의 일관성을 찾는 것과 유사한 절차를 따릅니다.
      7. 게인, 위상 및 일관성을 주파수 함수로 플로팅합니다.
         
         
         
         참고: 제시된 방법은 시각적 및 기계적 섭동이 모두 적용되는 경우, 다중 입력, 다중 출력(MIMO) FR 식별 방법을 사용해야 하는 경우^9로확장될 수 있습니다. 식별은 또한 하위 공간 방법(본질적으로 MIMO 시스템을 다루는)^27을 사용하거나 MIMO Box-Jenkins^28과같은 파라메트릭 전송 함수 방법을 사용하여 수행할 수도 있습니다. 하위 공간 및 Box-Jenkins(및 기타 방법)는 MATLAB 시스템 식별 도구 상자에서 구현됩니다.
2. 서있는 발목 본질강성의 파라메트릭 식별
   1. 실험
      1. 기계적으로 교란된 시험을 2분 동안 수행합니다. 0.02 rad의 피크 대 피크 진폭과 200 ms의 스위칭 간격으로 의사 랜덤 이진 서열(PRBS) 교란을 사용하여 페달 평균 각도가 0이 되도록 합니다.
   2. 분석
      1. 발 신호를 한 번 분화하여발 속도를 얻기 위해 (두 번 발 가속을 얻으려면 (그리고 발 가속을 얻기 위해 세 번 (마찬가지로 토크를 차별화하여 속도와 가속을 얻으려면 다음을 사용하여 명령:
         
         어디
         
         
         
      2. 다음 명령을 사용하여 발 속도의 로컬 최대값 및 로컬 최소값의 위치를 계산하여 펄스를 찾습니다.
         
         
         어디
         
         
         
         
         참고: 함수는 모든 로컬 최대값(양수 발 속도)과 해당 위치를 찾습니다. 로컬 미니마를 찾으려면 동일한 함수가 사용되지만 발 각도 속도의 부호를 되찾아야 합니다.
      3. 다음 명령을 사용하여 코너 주파수가 50Hz인^8차 버터워스 로우 패스 필터를 디자인합니다.
         
         
         
         
         
      4. 버터워스 필터를 사용하여 제로 페이즈 시프트로 모든 신호를 필터링합니다.
         
         
         
         참고:"filtfilt" 함수는 필터링된 신호의 이동을 일으키지 않습니다. 시프트를 생성하기 때문에 "필터" 함수를 사용하지마십시오.
      5. 발 속도를 플롯하고 발 속도의 극각과 펄스의 시작 사이의 시간 기간의 추정치를 시각적으로 찾습니다(피크 속도 전에 발 속도가 0인 첫 번째 점임). 이 연구의 섭동을 위해, 이 점은 단계 2.2.2.2에서 발견된 속도 극단적 이전에 25 ms를 발생했습니다.
      6. 각 펄스에 대해, 펄스가 시작되기 전에 25 ms의 발목 토크의 평균으로 발목 배경 토크를 계산합니다, 즉, 속도 극초전 25ms까지 50 ms를 시작하는 세그먼트의 토크의 평균. 다음 명령을 사용하여 양수 속도를 가진 k^th 펄스에 대해이 작업을 수행하십시오.
         
         
         
         참고: 이 작업은 2.2.2.2단계에서 발견되는 최대 및 최소 속도(음수 발 속도)에 대해 수행됩니다.
      7. 다음 명령을 사용하여 모든 펄스에 대한 모든 백그라운드 토크의 최소 및 최대 토크를 찾습니다.
         
         
      8. 각 펄스에 대해 다음 명령을 사용하여 펄스 시작 후(내장 토크 세그먼트로) 65ms의 토크 데이터를 추출합니다.
         
         
         참고: 이것은 또한 발목 토크의 첫 번째 및 두 번째 유도체(본질 토크의 제1 및 제2 파생을 제공하기 위해)뿐만 아니라 발 각도, 발 속도, 발 가속 및 발 경련에 대해서도 수행됩니다.
      9. 다음 명령을 사용하여 초기 값에서 k^th 내장 토크 세그먼트의 변화를 계산합니다.
         
         참고: 이 작업은 발 각도를얻기 위해 비슷하게 수행됩니다.
      10. 토크 범위(2.2.2.7단계에서 획득)를 3Nm 너비의 빈으로 나누고 각 빈에서 배경 토크가 있는 펄스를 찾습니다.
          참고 : 이 작업은"찾기"기능 및 인덱싱을 사용하여 수행됩니다. 발목 배경 토크가 크게 변경되지 않기 때문에 각 빈에서 본질적인 강성이 일정하다고 가정합니다.
      11. 확장된 내재 모델(EIM)^29의내재 강성 파라미터를 추정하고, j(j)의펄스를 사용하여^jth 빈에 대해.
          1. j^th bin의 모든 내장 토크 응답을 통합하여 벡터를 형성합니다.
             
             여기서 i^th () 그룹 j의 본질토크 응답입니다.
             참고: 마찬가지로, 2.2.2.11.2 단계에서 사용되는^jth 그룹의 본질토크의 발각, 속도 및 가속도 및 제1 및 제2 유도체를 연결합니다.
          2. 발 각도, 속도, 가속도 및 저크뿐만 아니라 그룹 j의 토크의 첫 번째 및 두 번째 미분은 함께 배치하여 회귀 행렬을 형성합니다.
             
          3. 백슬래시(\) 연산자를 사용하여^jth 그룹에 대한 본질적인 강성 매개변수를 찾습니다.
             
          4. 저주파 본질강성으로서의 제4 원소를 추출한다.
      12. 모든 그룹(빈)에 대해 섹션 2.2.2.11에서 단계를 수행하고 해당 저주파 고유 강성을 추정합니다.
      13. 모든 예상 저주파 강성 값을 피사체의 임계 강성으로 나눕니다.
          
          여기서 m은 피사체의 질량이고, g는 중력 가속도이며, 인체 중심의 높이는 인체 측정 데이터^30에서유래한 회전의 발목 축 위에 있는 질량 중심의 높이이다. 이렇게 하면 정규화된 강성()이부여됩니다.
      14. 발목 배경 토크를 발목 배경 COP위치()로 변환하여 발목 배경 토크를 해당 측정된 수직 힘으로 분할합니다.
      15. 압력 중심의 함수로 플롯합니다.
          
          어디
          
          

결과

의사 랜덤 삼차 시퀀스 (PRTS) 및 TrapZ 신호

도 2A는 의사 임의 속도 프로파일을 통합하여 생성되는 PRTS 신호를 나타낸다. 각 샘플 시간에 대해 신호 속도는 0과 같거나 미리 정의된 양수 또는

토론

몇몇 단계는 인간 자세 통제를 공부하기 위하여 이 실험을 능력을 발휘하기에서 중요합니다. 이러한 단계는 신호의 올바른 측정과 관련이 있으며 다음을 포함합니다: 1) 발목 토크의 정확한 측정을 위해 1) 페달의 회전에 대한 생크 발목 축의 올바른 정렬. 2) 범위 파인더가 범위에서 작동하고 실험 중에 포화되지 않도록 레인지 파인더를 올바르게 설정합니다. 3) 좋은 품질과 최소한의 크로스 토크?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
5K potentiometer	Maurey	112P19502	Measures actuator shaft angle
8 channel Bagnoli surface EMG amplifiers and electrodes	Delsys		Measures the EMG of ankle muscles
AlienWare Laptop	Dell Inc.	P69F001-Rev. A02	VR-ready PC laptop
Data acquisition card	National instruments	4472	Samples the analogue signals from the sensors
Directional valve	REXROTH	4WMR10C3X	Bypasses the flow if the angle of actuator shaft goes beyond ±20°
Full body harness	Jelco	740	Protect the subjects from falling
Laser range finder	Micro-epsilon 1302-100	1507307	Measures shank linear displacement
Laser range finder	Micro-epsilon 1302-200	1509074	Measures body linear displacement
Load cell	Omega	LC302-100	Measures vertical reaction forces
Proportional servo-valve	MOOG	D681-4718	Controls the hydraulic flow to the rotary actuators
Rotary actuator	Rotac	26R21VDEISFTFLGMTG	Applies mechanical perturbations
Torque transducer	Lebow	2110-5k	Measures ankle torque
Virtual Environment Motion Trackers	HTC inc.	1551984681	Tracks the head motion
Virtual Reality Headset	HTC inc.	1551984681	Provides visual perturbations