اصول بهینگی برای تخمین مبتنی بر مدل راه رفتن انسان

اگرچه انسان توانایی انجام حرکات بالقوه زیادی را دارد. الگوهای راه رفتن کلیشه ای بوده و به نظر می رسد بر اساس اصول بهینگی مانند انرژی حداقلی انتخاب می شود.وقتی این حرکات در مدل های اسکلتی عضلانی متحرک به کار گرفته می شوند ممکن است اینگونه اصول بهینگی برای تخمین چگونگی انطباق راه رفتن بیمار با مداخلات مکانیکی مانند وسایل پروتز یا جراحی مورد استفاده قرار گیرد.در این مقاله ما اثرات شاخص اجرای متفاوت در الگو های تخمینی راه رفتن را با استفاده از مدل دو بعدی اسکلتی عضلانی بررسی می کنیم.مشکل کنترل بهینه مربوط برای خانواده ای از تابع های هزینه با استفاده از متد جمع آوری مستقیم حل شد. معلوم شد که توابع هزینه مانند خستگی با حالت ایستاده وخمیدگی زانو موجب راه رفتن واقعی می شوند.در مقابل، تابع های هزینه ی مبتنی بر انرژی ازخمیدگی زانو در حالت ایستاده اجتناب می کنند.ما به این نتیجه رسیدیم که شاید به حداقل رسانی خستگی یکی از اصول بهینگی اساسی در کنترل راه رفتن انسان باشد.

Although humans have a large repertoire of potential movements, gait patterns tend to be stereotypical and appear to be selected according to optimality principles such as minimal energy. When applied to dynamic musculoskeletal models such optimality principles might be used to predict how a patient’s gait adapts to mechanical interventions such as prosthetic devices or surgery. In this paper we study the effects of different performance criteria on predicted gait patterns using a 2D musculoskeletal model. The associated optimal control problem for a family of different cost functions was solved utilizing the direct collocation method. It was found that fatigue-like cost functions produced realistic gait, with stance phase knee flexion, as opposed to energy-related cost functions which avoided knee flexion during the stance phase. We conclude that fatigue minimization may be one of the primary optimality principles governing human gait.