Einigartige drei-dimensionale bipedale Fortbewegungssteuerung durch modulierende Gelenknachgiebigkeit basierend auf Bodenkraftreaktionen

Zusammenfassung Das menschliche Gehen ist von Natur aus drei-dimensional und erfordert eine koordinierte Kontrolle in mehreren Bewegungsebenen. Dabei spielen die Steuerungen in der sagittalen und frontalebenen eine zentrale Rolle in der Fortbewegung und dem Gleichgewicht. Während die Kontrolle in der sagittalen Ebene umfassend modelliert wurde, sind die Steuerungsmechanismen, die der Stabilität in der Frontalebene zugrunde liegen, weniger gut verstanden. In dieser Studie hypothesieren wir, dass die Kontrolle in der Frontalebene durch eine einfache, aber biologisch inspirierte Strategie erreicht werden kann: die Modulation der Hüftnachgiebigkeit als Reaktion auf Bodenkraftreaktionen (BFR). Um dies zu validieren, erweitern wir unser zuvor vorgeschlagenes Steuerungsframework für das bipedale Gehen, das als Concerted Control bezeichnet wird, auf drei Dimensionen und implementieren dieses Steuerungsgesetz sowohl auf der Gelenk- als auch auf der Muskelseite in bipedalen Modellen. Über ein breites Spektrum an Gehgeschwindigkeiten (0,7–1,8 m s-1) liefern beide Implementierungen dynamisch stabile drei-dimensionale Gangarten ohne Bewegungsbeschränkungen, und ihre Drehmomentprofile für Hüftabduktion–Adduktion stimmen eng mit menschlichen Daten überein, wobei in den meisten Bedingungen Kreuzkorrelationswerte über 0,86 erreicht werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Modulation der Hüftnachgiebigkeit basierend auf BFR ein sparsames und robustes Steuerungsprinzip für die Stabilität in der Frontalebene ist. Breiter gefasst heben unsere Ergebnisse das Potenzial der BFR-gesteuerten Nachgiebigkeitskontrolle als ein vereinigendes Konzept für neuromechanische Modellierung und biologisch inspirierte bipedale Fortbewegung hervor.