Gait Synergy Analysis and Modeling on Amputees and Stroke Patients for Lower Limb Assistive Devices

运动学 步态 物理医学与康复 下肢 外骨骼 冲程(发动机) 步态分析 均方误差 计算机科学 模拟 医学 工程类 数学 统计 外科 经典力学 机械工程 物理
作者
Fengyan Liang,Fei Gao,Junyi Cao,Sheung Wai Law,Wei‐Hsin Liao
出处
期刊:Sensors [MDPI AG]
卷期号:22 (13): 4814-4814 被引量:9
标识
DOI:10.3390/s22134814
摘要

The concept of synergy has drawn attention and been applied to lower limb assistive devices such as exoskeletons and prostheses for improving human–machine interaction. A better understanding of the influence of gait kinematics on synergies and a better synergy-modeling method are important for device design and improvement. To this end, gait data from healthy, amputee, and stroke subjects were collected. First, continuous relative phase (CRP) was used to quantify their synergies and explore the influence of kinematics. Second, long short-term memory (LSTM) and principal component analysis (PCA) were adopted to model interlimb synergy and intralimb synergy, respectively. The results indicate that the limited hip and knee range of motions (RoMs) in stroke patients and amputees significantly influence their synergies in different ways. In interlimb synergy modeling, LSTM (RMSE: 0.798° (hip) and 1.963° (knee)) has lower errors than PCA (RMSE: 5.050° (hip) and 10.353° (knee)), which is frequently used in the literature. Further, in intralimb synergy modeling, LSTM (RMSE: 3.894°) enables better synergy modeling than PCA (RMSE: 10.312°). In conclusion, stroke patients and amputees perform different compensatory mechanisms to adapt to new interlimb and intralimb synergies different from healthy people. LSTM has better synergy modeling and shows a promise for generating trajectories in line with the wearer’s motion for lower limb assistive devices.

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