Use of neural oscillators triggered by loading and hip angles to study the activation patterns at the ankle during walking in humans

Spinale Mustergeneratoren (SPG) sind neuronale Netze ohne supraspinales Input, die zyklische Bewegungen steuern. Wir wollten untersuchen, ob sich SPG an die variablen Anforderungen verschiedener Geschwindigkeiten, Störungen und ungewöhnlicher Koordinationsmuster beim Gehen anpassen können. Das SPG-Modell ist ein Oszillator aus zwei Neuronen; eines aktiviert einen Dorsalextensor und das andere einen Plantarflexor. Das Output des Oszillators repräsentiert die jeweilige Muskelaktivierung. Die Modellparameter wurden angepasst, um eine optimale Passung zwischen simulierten und gemessenen elektromyographischen Daten von gesunden Probanden zu erzielen. Eine hohe Korrelation zwischen simulierten und gemessenen Muskelaktivierungen beim normalen Gehen wies darauf hin, dass spinale Kontrolle in Modellen vom Gehen beim Menschen berücksichtigt sollte werden. Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Soleus vom Rückenmark kontrolliert werden könnte, aber nicht der Tibialis anterior

Application of neural oscillators to study the effects of walking speed on rhythmic activations at the ankle

Background: Spinal pattern generators (SPG) are neural networks in the spinal cord that do not require a central input from the brain to generate a motor output. We wanted to determine whether SPG can adapt to the changing motor demands from walking at different speeds, and performing silly walks. Methods: An SPG model consisting of an oscillator made up of two neurons was utilised in this study; one neuron activates the soleus and the other activates the tibialis anterior. The outputs of the SPG model therefore represent the electromyographic measurements from each muscle. Seven healthy subjects were requested to perform silly walks, normal walking at self-selected speed (4.8 ± 0.5 km/h), 3.5 km/h, 4.0 km/h and 4.5 km/h on a treadmill. Loading and hip angles were used as inputs into the model. Results: No significant differences in the model parameters were found between normal walking at self-selected speed and other walking speeds. Only the adaptation time constant for the ankle flexor during silly walks was significantly different from the other normal walking trials. Conclusion: We showed that SPG in the spinal cord can interpret and respond accordingly to velocitydependent afferent information. Changes in walking speed do not require a different motor control mechanism provided there is no disruption to the alternating muscular activations generated at the ankle

Development of human locomotion

Neural control of locomotion in human adults involves the generation of a small set of basic patterned commands directed to the leg muscles. The commands are generated sequentially in time during each step by neural networks located in the spinal cord, called Central Pattern Generators. This review outlines recent advances in understanding how motor commands are expressed at different stages of human development. Similar commands are found in several other vertebrates, indicating that locomotion development follows common principles of organization of the control networks. Movements show a high degree of flexibility at all stages of development, which is instrumental for learning and exploration of variable interactions with the environment

The Runbot: engineering control applied to rehabilitation in spinal cord injury patients

Human walking is a complicated interaction among the musculoskeletal system, nervous system and the environment. An injury affecting the neurological system, such as a spinal cord injury (SCI) can cause sensor and motor deficits, and can result in a partial or complete loss of their ambulatory functions. Functional electrical stimulation (FES), a technique to generate artificial muscle contractions with the application of electrical current, has been shown to improve the ambulatory ability of patients with an SCI. FES walking systems have been used as a neural prosthesis to assist patients walking, but further work is needed to establish a system with reduced engineering complexity which more closely resembles the pattern of natural walking. The aim of this thesis was to develop a new FES gait assistance system with a simple and efficient FES control based on insights from robotic walking models, which can be used in patients with neuromuscular dysfunction, for example in SCI. The understanding of human walking is fundamental to develop suitable control strategies. Limit cycle walkers are capable of walking with reduced mechanical complexity and simple control. Walking robots based on this principle allow bio-inspired mechanisms to be analysed and validated in a real environment. The Runbot is a bipedal walker which has been developed based on models of reflexes in the human central nervous system, without the need for a precise trajectory algorithm. Instead, the timing of the control pattern is based on ground contact information. Taking the inspiration of bio-inspired robotic control, two primary objectives were addressed. Firstly, the development of a new reflexive controller with the addition of ankle control. Secondly, the development of a new FES walking system with an FES control model derived from the principles of the robotic control system. The control model of the original Runbot utilized a model of neuronal firing processes based on the complexity of the central neural system. As a causal relationship between foot contact information and muscle activity during human walking has been established, the control model was simplified using filter functions that transfer the sensory inputs into motor outputs, based on experimental observations in humans. The transfer functions were applied to the RunBot II to generate a stable walking pattern. A control system for walking was created, based on linear transfer functions and ground reaction information. The new control system also includes ankle control, which has not been considered before. The controller was validated in experiments with the new RunBot III. The successful generation of stable walking with the implementation of the novel reflexive robotic controller indicates that the control system has the potential to be used in controlling the strategies in neural prosthesis for the retraining of an efficient and effective gait. To aid of the development of the FES walking system, a reliable and practical gait phase detection system was firstly developed to provide correct ground contact information and trigger timing for the control. The reliability of the system was investigated in experiments with ten able-bodied subjects. Secondly, an automatic FES walking system was implemented, which can apply stimulation to eight muscles (four in each leg) in synchrony with the user’s walking activity. The feasibility and effectiveness of this system for gait assistance was demonstrated with an experiment in seven able-bodied participants. This thesis addresses the feasibility and effectiveness of applying biomimetic robotic control principles to FES control. The interaction among robotic control, biology and FES control in assistive neural prosthesis provides a novel framework to developing an efficient and effective control system that can be applied in various control applications

A Bio-inspired architecture for adaptive quadruped locomotion over irregular terrain

Tese de doutoramento Programa Doutoral em Engenharia Electrónica e de ComputadoresThis thesis presents a tentative advancement on walking control of small quadruped and humanoid position controlled robots, addressing the problem of walk generation by combining dynamical systems approach to motor control, insights from neuroethology research on vertebrate motor control and computational neuroscience. Legged locomotion is a complex dynamical process, despite the seemingly easy and natural behavior of the constantly present proficiency of legged animals. Research on locomotion and motor control in vertebrate animals from the last decades has brought to the attention of roboticists, the potential of the nature’s solutions to robot applications. Recent knowledge on the organization of complex motor generation and on mechanics and dynamics of locomotion has been successfully exploited to pursue agile robot locomotion. The work presented on this manuscript is part of an effort on the pursuit in devising a general, model free solution, for the generation of robust and adaptable walking behaviors. It strives to devise a practical solution applicable to real robots, such as the Sony’s quadruped AIBO and Robotis’ DARwIn- OP humanoid. The discussed solutions are inspired on the functional description of the vertebrate neural systems, especially on the concept of Central Pattern Generators (CPGs), their structure and organization, components and sensorimotor interactions. They use a dynamical systems approach for the implementation of the controller, especially on the use of nonlinear oscillators and exploitation of their properties. The main topics of this thesis are divided into three parts. The first part concerns quadruped locomotion, extending a previous CPG solution using nonlinear oscillators, and discussing an organization on three hierarchical levels of abstraction, sharing the purpose and knowledge of other works. It proposes a CPG solution which generates the walking motion for the whole-leg, which is then organized in a network for the production of quadrupedal gaits. The devised solution is able to produce goal-oriented locomotion and navigation as directed through highlevel commands from local planning methods. In this part, active balance on a standing quadruped is also addressed, proposing a method based on dynamical systems approach, exploring the integration of parallel postural mechanisms from several sensory modalities. The solutions are all successfully tested on the quadruped AIBO robot. In the second part, is addressed bipedal walking for humanoid robots. A CPG solution for biped walking based on the concept of motion primitives is proposed, loosely based on the idea of synergistic organization of vertebrate motor control. A set of motion primitives is shown to produce the basis of simple biped walking, and generalizable to goal-oriented walking. Using the proposed CPG, the inclusion of feedback mechanisms is investigated, for modulation and adaptation of walking, through phase transition control according to foot load information. The proposed solution is validated on the humanoid DARwIn-OP, and its application is evaluated within a whole-body control framework. The third part sidesteps a little from the other two topics. It discusses the CPG as having an alternative role to direct motor generation in locomotion, serving instead as a processor of sensory information for a feedback based motor generation. In this work a reflex based walking controller is devised for the compliant quadruped Oncilla robot, to serve as purely feedback based walking generation. The capabilities of the reflex network are shown in simulations, followed by a brief discussion on its limitations, and how they could be improved by the inclusion of a CPG.Esta tese apresenta uma tentativa de avanço no controlo de locomoção para pequenos robôs quadrúpedes e bipedes controlados por posição, endereçando o problema de geração motora através da combinação da abordagem de sistemas dinâmicos para o controlo motor, e perspectivas de investigação neuroetologia no controlo motor vertebrado e neurociência computacional. Andar é um processo dinâmico e complexo, apesar de parecer um comportamento fácil e natural devido à presença constante de animais proficientes em locomoção terrestre. Investigação na área da locomoção e controlo motor em animais vertebrados nas últimas decadas, trouxe à atenção dos roboticistas o potencial das soluções encontradas pela natureza aplicadas a aplicações robóticas. Conhecimento recente relativo à geração de comportamentos motores complexos e da mecânica da locomoção tem sido explorada com sucesso na procura de locomoção ágil na robótica. O trabalho apresentado neste documento é parte de um esforço no desenho de uma solução geral, e independente de modelos, para a geração robusta e adaptável de comportamentos locomotores. O foco é desenhar uma solução prática, aplicável a robôs reais, tal como o quadrúpede Sony AIBO e o humanóide DARwIn-OP. As soluções discutidas são inspiradas na descrição funcional do sistema nervoso vertebrado, especialmente no conceito de Central Pattern Generators (CPGs), a sua estrutura e organização, componentes e interacção sensorimotora. Estas soluções são implementadas usando uma abordagem em sistemas dinâmicos, focandos o uso de osciladores não lineares e a explorando as suas propriedades. Os tópicos principais desta tese estão divididos em três partes. A primeira parte explora o tema de locomoção quadrúpede, expandindo soluções prévias de CPGs usando osciladores não lineares, e discutindo uma organização em três níveis de abstracção, partilhando as ideias de outros trabalhos. Propõe uma solução de CPG que gera os movimentos locomotores para uma perna, que é depois organizado numa rede, para a produção de marcha quadrúpede. A solução concebida é capaz de produzir locomoção e navegação, comandada através de comandos de alto nível, produzidos por métodos de planeamento local. Nesta parte também endereçado o problema da manutenção do equilíbrio num robô quadrúpede parado, propondo um método baseado na abordagem em sistemas dinâmicos, explorando a integração de mecanismos posturais em paralelo, provenientes de várias modalidades sensoriais. As soluções são todas testadas com sucesso no robô quadrupede AIBO. Na segunda parte é endereçado o problema de locomoção bípede. É proposto um CPG baseado no conceito de motion primitives, baseadas na ideia de uma organização sinergética do controlo motor vertebrado. Um conjunto de motion primitives é usado para produzir a base de uma locomoção bípede simples e generalizável para navegação. Esta proposta de CPG é usada para de seguida se investigar a inclusão de mecanismos de feedback para modulação e adaptação da marcha, através do controlo de transições entre fases, de acordo com a informação de carga dos pés. A solução proposta é validada no robô humanóide DARwIn-OP, e a sua aplicação no contexto do framework de whole-body control é também avaliada. A terceira parte desvia um pouco dos outros dois tópicos. Discute o CPG como tendo um papel alternativo ao controlo motor directo, servindo em vez como um processador de informação sensorial para um mecanismo de locomoção puramente em feedback. Neste trabalho é desenhado um controlador baseado em reflexos para a geração da marcha de um quadrúpede compliant. As suas capacidades são demonstradas em simulação, seguidas por uma breve discussão nas suas limitações, e como estas podem ser ultrapassadas pela inclusão de um CPG.The presented work was possible thanks to the support by the Portuguese Science and Technology Foundation through the PhD grant SFRH/BD/62047/2009

Development of an exoskeleton model in a neurorehabilittion perspective

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017A locomoção é uma tarefa de grande importância na vida das pessoas. Ainda que pareça uma tarefa simples, andar é um exercício complexo que envolve controlo nervoso a fim de ativar os músculos e criar um movimento coordenado. Embora exista variabilidade natural nos padrões de marcha de indivíduos saudáveis, é possível definir um padrão “normal”. O mínimo distúrbio a nível neuromuscular que afete a marcha de um individuo resulta na perturbação da qualidade de vida do mesmo, podendo mesmo condicionar a sua independência. Paralisia Cerebral, Esclerose Lateral Amiotrófica e Parkinson são algumas das doenças que podem afetar o padrão normal da marcha. Outra condição que pode desencadear alterações é o Acidente Vascular Cerebral (AVC), de acordo com a com a Organização Mundial de Saúde, cerca de 15 milhões de pessoas em cada ano sofrem um AVC, das quais 50% sofrem alterações da marcha não permanentes. Cada uma das condições mencionadas provoca alterações diferentes à marcha normal permitindo a definição de padrões de marcha de acordo com a condição que os afeta. Por norma, o tratamento mais utilizado para distúrbios da marcha é reabilitação motora que consiste na realização repetida de exercícios que permitem a estimulação dos músculos de forma a que voltem a estar ativos. Ao longo do tempo as técnicas de reabilitação motora foram evoluindo e recentemente a engenharia uniu-se à medicina para originar uma nova área: a Reabilitação Robótica. Esta área faz uso de tecnologias robóticas com o objetivo de proporcionar um tratamento mais personalizado e adequado a cada paciente, beneficiando assim quer o paciente, quer os terapeutas. Embora ainda esteja em crescimento, esta área tem já demonstrado um grande potencial. O Exoesqueleto é um dispositivo robótico que começou por ser usado em fins militares de forma a aumentar a capacidade que cada soldado carrega, é agora bastante utilizado na Reabilitação Robótica. Este dispositivo estimula o paciente a andar e vai apoiando conforme necessário, respondendo ao paradigma ajudar tanto quanto necessário, ou seja, o dispositivo ajuda o paciente a caminhar, dando-lhe apenas o impulso necessário para que este consiga prosseguir, tendo como objetivo final deixar de ser necessário enviar este impulso. Este procedimento é determinado pela estrutura de controlo do exosqueleto que consiste na estratégia que rege e define o comportamento do dispositivo robótico de acordo com a informação que os sensores do mesmo lhe fornecem. Por exemplo, existem controlos de posição, em que o exosqueleto conhece uma trajetória de padrão normal e ajusta a posição do paciente mediante a diferença que deteta entre a posição dita atual e a posição de referência. A estratégia de controlo desempenha também um papel muito importante no âmbito da Reabilitação Robótica, é claro que os pacientes beneficiam de terapias o mais personalizadas possível, no entanto, o desenvolvimento de uma estratégia de controlo é um processo moroso e que envolve recursos. Uma possível solução para esta limitação é a simulação, que consiste na imitação de um processo ou sistema do mundo real em função do tempo, sendo usado para processos de otimização, testes, treinos e engenharia de segurança. Tendo isto em conta, simulação seria uma forma rápida e económica de estudar novas estratégias de controlo ou até otimizar já existentes. O objetivo deste trabalho consistiu em desenvolver um modelo capaz de realizar simulações de um exosqueleto, mais especificamente do exosqueleto H1, desenvolvido ao abrigo do projeto HYPER. Este modelo foi desenvolvido em OpenSim, um simulador de uso livre desenvolvido pelo National Center for Simulation in Rehabilitation Research (NCSRR), Stanford University, USA. Este simulador é usado maioritariamente para projetos na área da biomecânica com especial enfoque para o estudo do comportamento de sistemas músculo-esqueléticos. Primeiramente, foi efetuado um estudo intensivo sobre padrões de marcha, de forma a perceber quais as condições que podem afetar a marcha de um individuo. Este estudo apresenta a definição de alguns padrões de marcha como: (1) Padrão Normal, (2) Padrão Hemiplégico, causado por AVC, (3) Padrão Diplégico, causado por Paralisia Cerebral, (4)Padrão Neuropático, causado por Esclerose Lateral Amiotrófica, (5) Padrão Miotrófico, causado por Distrofia Muscular, (6)Padrão Parkinsoniano, causado pela doença de Parkinson. Além disto, foi realizada uma pesquisa bibliográfica de forma a conhecer o estado da arte das estratégias de controlo usadas na área de Reabilitation Robótica. Conhecer as características de um padrão de marcha, bem como dos controladores existentes é importante na medida em pode ser interessante desenvolver estratégias de controlo de acordo com o padrão de marcha ou pelo menos conhecer que padrões se devem ajustar para uma terapia mais eficaz de acordo com a condição que afeta o paciente. A construção deste modelo iniciou-se no SolidWorks, um software de desenho assistido por computador, onde o sistema foi modelado de acordo com as propriedades físicas do H1, seguindo-se modelação por código em XML. Após a construção, o modelo foi validado. Para efetuar esta validação foram efetuadas provas estáticas e em movimento com o exosqueleto, tendo sido recolhidos os seguintes dados: ângulos e momento de cada articulação. Os momentos recolhidos nestas provas foram depois comparados com os momentos calculados com a ferramenta Inverse Dynamics do OpenSim, que usou como dados de entrada os ângulos de cada articulação. O modelo construído, denominado Exoskeleton, foi depois integrado num novo modelo em conjunto com um modelo já disponível na base de dados OpenSim, o 3DGait2392. A junção destes modelos deu origem ao ExoBody, um modelo que permite estudar a interação entre o dispositivo robótico e o paciente. Apesar de este modelo não ter passado por um processo de validação análogo ao do Exoskeleton, foi usado para um pequeno estudo de marcha onde se comparou a marcha de um individuo saudável com um paciente de AVC com e sem o uso do exosqueleto. Para a realização deste estudo foram utilizados data sets disponíveis online na base de dados OpenSim, estando já preparados para ser usados como dados de entrada das ferramentas Inverse Kinemaitcs e Inverse Dynamics. A Inverse Kynematics é uma ferramente que calcula para cada instante de tempo a posição do modelo que melhor corresponde à posição experimental, sendo esta determinada por marcadores por norma colocados na pele do individuo em estudo. A Inverse Dynamics, por sua vez, determina as forças generalizadas responsáveis por um determinado movimento em cada articulação. Ambos os modelos construídos são capazes de realizar simulações no OpenSim sem gerar erros de sistema e dentro de tempos computacionais considerados normais. Tal como esperado, a comparação entre os dados experimentais e os dados simulados referentes ao modelo Exoskeleton foram concordantes e por isso o modelo foi validado com sucesso. Considerando o ExoBody model, os resultados apresentados evidenciam diferenças entre os padrões de marcha e também é possível verificar diferenças aquando do uso do exosqueleto ou sem o mesmo. Posto isto, é possível concluir que os objetivos deste trabalho foram alcançados com sucesso uma vez que se desenvolveu o modelo que permite a simulação do exosqueleto bem como a sua personalização, adição de componentes como atuadores ou controladores. É importante referir que o modelo Exoskeleton tem algumas limitações, nomeadamente referentes ao design do mesmo que poderá ser melhorado. Partindo deste trabalho, novos desafios podem ser enfrentados na perspetiva de continuar a melhorar e abrir horizontes na Reabilitação Robótica, nomeadamente, seria importante fazer uma validação do ExoBody incluindo um estudo de forças de reação.Locomotion plays a very important role in a person’s life. Although healthy individuals show natural variability in gait patterns, it is possible to define an acceptable pattern for “normal gait”. However, some pathologies as Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), Spinal Cord Injury (SCI), Stroke or others can induce abnormal gait patterns that can limit the life of a person, making him/her dependent of others and consequently reducing his/hers quality of life. Robotics rehabilitation therapies are a growing solution that intends to revert or diminish the impairments in gait. The use of robotic devices, such as exoskeletons, cover some limitations of the traditional therapeutic methods, which is a great benefit for both patients and therapists. Furthermore, the application of an adequate treatment in these patients can be improved with the understanding of how the pathology affects the individual and through the development of specific solutions for each patient. Nowadays, computational dynamic simulations have great potential and help researchers to find optimal and personalized solutions for each patient. Thus, the present work describes the development of an exoskeleton model in a neurorehabilitation perspective. First of all, a detailed description of gait patterns is presented, followed by the state of the art in robotics rehabilitation, considering that this field contains very powerful solutions for gait disorders. The model was developed in OpenSim, an open source software dedicated to model musculoskeletal systems and dynamic simulations of movement. In order to verify the accuracy of the model, experimental data were collected in static and motion trials performed with the wearable robot and afterwards compared with the simulated data resultant from Inverse Dynamics, a tool from OpenSim. The Exoskeleton model was successfully validated and then integrated in a new model, named ExoBody, within a musculoskeletal model. The ExoBody model was used to perform gait analysis comparing simulations with and without the exoskeleton, revealing some differences. Even though the built models present limitations, this work represents a step-forward in human-centered rehabilitation

Hierarchical neural control of human postural balance and bipedal walking in sagittal plane

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2006.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Includes bibliographical references (p. 177-192).The cerebrocerebellar system has been known to be a central part in human motion control and execution. However, engineering descriptions of the system, especially in relation to lower body motion, have been very limited. This thesis proposes an integrated hierarchical neural model of sagittal planar human postural balance and biped walking to 1) investigate an explicit mechanism of the cerebrocerebellar and other related neural systems, 2) explain the principles of human postural balancing and biped walking control in terms of the central nervous systems, and 3) provide a biologically inspired framework for the design of humanoid or other biomorphic robot locomotion. The modeling was designed to confirm neurophysiological plausibility and achieve practical simplicity as well. The combination of scheduled long-loop proprioceptive and force feedback represents the cerebrocerebellar system to implement postural balance strategies despite the presence of signal transmission delays and phase lags. The model demonstrates that the postural control can be substantially linear within regions of the kinematic state-space with switching driven by sensed variables.(cont.) A improved and simplified version of the cerebrocerebellar system is combined with the spinal pattern generation to account for human nominal walking and various robustness tasks. The synergy organization of the spinal pattern generation simplifies control of joint actuation. The substantial decoupling of the various neural circuits facilitates generation of modulated behaviors. This thesis suggests that kinematic control with no explicit internal model of body dynamics may be sufficient for those lower body motion tasks and play a common role in postural balance and walking. All simulated performances are evaluated with respect to actual observations of kinematics, electromyogram, etc.by Sungho JoPh.D

The Impact of Anterior Cruciate Ligament Reconstructive Surgery on Neuromotor Function

The purpose of this dissertation was to examine the systemic neuromechanical implications in individuals who have had an ACL reconstruction (ACLR) compared to healthy controls. The specific aims addressed were to: 1) examine differences in inter-limb coordination during walking at different speeds, 2) examine differences in trunk, neck and head acceleration during gait, and 3) investigate whether the reaction time responses assessed during stepping are negatively affected by ACLR. The findings of study 1 revealed that maximal coordination stability was achieved when walking at the person’s preferred gait speed. However, individuals with a previous ACLR exhibited reduced coordination stability between the knees, indicative of decreased inter-limb coupling. Further, individuals within the ACLR group who deviated the most from anti-phase coordination during walking also demonstrated lower coordination stability. These findings could contribute to the secondary issues related to ACL damage. Study two examined differences in upper body accelerations during gait, revealing that the ACLR group had a diminished capacity to attenuate gait-related oscillations from the trunk to the head. Further, the vertical acceleration signals for the ACLR individuals were more complex, indicating that they had a reduced ability to optimally accelerations during walking. These results demonstrate the impact of ACL damage is not localized but is more systemic and can negatively impact postural control. The third study assessed how ACLR would impact of general neuromotor function and stepping reaction times. The findings revealed that ACLR individuals had slower reaction times during stepping compared to healthy controls. In contrast to the slowing of reaction time (under postural conditions), there were no changes across any other neuromotor/mechanical measures. This result indicates that the ACLR group had a reduced ability to respond to unexpected stimuli. Overall, the results of this investigation suggest that ACL damage has a wide-spread impact as it not simply localized to the injured knee. The collective results from these studies show changes in movement strategy prioritization in those with an ACLR. These novel findings provide an alternate perspective and may change the ways in which clinicians and healthcare providers assess individuals who have had ACL reconstructive surgery