Methods for Experimental Identification of Nonlinear Dynamic Systems of Unknown Form and Order With Application to Human Gait

未知形式和阶数的非线性动态系统的实验识别方法及其应用于人类步态的方法

基本信息

  • 批准号:
    0969224
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 28万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2010
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2010-07-15 至 2014-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This research seeks to develop new methods for interrogating experimental measurements of human gait in order to better understand how the neuromuscular system functions during this important process. A new nonlinear system identification strategy will be studied that utilizes a model for the system that is appropriate for small deviations from a nominal periodic motion (or average stride cycle). A frequency-domain output-only system identification method will be created to characterize the motion of the system about this periodic trajectory using linear time-periodic systems theory, and that will be used to find a mathematical model for the nonlinear system. A video-based motion capture system will be used to record the motion of a few subjects as they walk on an instrumented treadmill, and the measurements will be used to identify a reduced model for their neuromuscular function during gait. That model will then be incorporated into the computed muscle control forward dynamics algorithm in order to gain additional insights into the roles of individual muscles and the function of the neuromuscular system during gait.This work is expected to lead to improved treatments for gait disorders, potentially benefitting many of the thousands of people in the United States who currently suffer from these disorders. Common gait disorders may stem from birth defects, residual effects of a disease, such as polio, or from injuries sustained in athletic activities, accidents or military combat, and although numerous treatments have been proposed for gait disorders, it is currently very difficult to predict how effective treatment will be. This work is expected to increase our understanding of gait so that appropriate treatments can be chosen more reliably. Also, the framework that will be used in this work is general, so the methods developed can also be used to study other nonlinear systems such as vehicles, wind turbines, machinery, etc? A short course will be created based on the results of this research and it will be used to share these new methods with a broad audience.
这项研究旨在开发新的方法来询问人体步态的实验测量,以便更好地了解神经肌肉系统在这一重要过程中如何发挥作用。 将研究一种新的非线性系统识别策略,该策略利用系统的模型,该模型适合于标称周期性运动(或平均步幅周期)。 将创建一种仅频域输出系统识别方法,以使用线性时间周期性系统理论来表征系统的运动对此周期轨迹的运动,并将用于找到非线性系统的数学模型。 基于视频的运动捕获系统将用于记录一些受试者在仪器跑步机上行走时的运动,并且测量结果将用于确定步态过程中其神经肌肉功能的简化模型。 然后,该模型将被纳入计算的肌肉控制向前动力学算法中,以便获得对步态过程中单个肌肉作用以及神经肌肉系统的功能的更多见解。预计这项工作有望改善步态疾病的治疗方法,从而使许多患有这些疾病的人受益匪浅。 常见的步态疾病可能源于先天缺陷,疾病的残留作用,例如脊髓灰质炎或体育活动,事故或军事作战中受到的伤害,尽管已经提出了许多治疗步态疾病的治疗方法,但目前很难预测治疗的有效性。 预计这项工作将增加我们对步态的理解,以便可以更可靠地选择适当的治疗方法。 另外,这项工作中将使用的框架是一般的,因此开发的方法还可以用于研究其他非线性系统,例如车辆,风力涡轮机,机械等? 将根据这项研究的结果创建简短的课程,并将用于与广泛的受众分享这些新方法。

项目成果

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