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Stability Radius as a Method for Comparing the Dynamics of Neuromechanical Systems

机译:稳定性半径作为比较神经力学系统动力学的一种方法

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摘要

Robust motor behaviors emerge from neuromechanical interactions that are nonlinear, have delays, and contain redundant neural and biomechanical components. For example, in standing balance a subject’s muscle activity (neural control) decreases as stance width (biomechanics) increases when responding to a lateral perturbation, yet the center-of-mass motion (behavior) is nearly identical regardless of stance width. We present stability radius, a technique from robust control theory, to overcome the limitations of classical stability analysis tools, such as gain margin, which are insufficient for predicting how concurrent changes in both biomechanics (plant) and neural control (controller) affect system behavior. We first present the theory and then an application to a neuromechanical model of frontal-plane standing balance with delayed feedback. We show that stability radius can quantify differences in the sensitivity of system behavior to parameter changes, and predict that narrowing stance width increases system robustness. We further demonstrate that selecting combinations of stance width (biomechanics) and feedback gains (neural control) that have the same stability radius produce similar center-of-mass behavior in simulation. Therefore, stability radius may provide a useful tool for understanding neuromechanical interactions in movement and could aid in the design of devices and therapies for improving motor function.
机译:鲁棒的运动行为来自非线性的,具有延迟的神经机械相互作用,并包含多余的神经和生物力学成分。例如,在站立平衡时,受试者的肌肉活动(神经控制)随着对横向扰动的响应而随着姿势宽度(生物力学)的增加而降低,而无论姿势宽度如何,质量中心运动(行为)几乎相同。我们提出了稳定半径,这是鲁棒控制理论的一项技术,旨在克服经典稳定度分析工具(如增益裕度)的局限性,这些局限性不足以预测生物力学(植物)和神经控制(控制器)的并发变化如何影响系统行为。我们首先介绍该理论,然后将其应用到具有延迟反馈的额面站立平衡的神经力学模型中。我们表明稳定半径可以量化系统行为对参数变化的敏感性差异,并预测变窄的姿态宽度会增加系统的鲁棒性。我们进一步证明,选择具有相同稳定半径的姿态宽度(生物力学)和反馈增益(神经控制)的组合会在模拟中产生相似的质心行为。因此,稳定半径可以为理解运动中的神经机械相互作用提供有用的工具,并且可以帮助设计用于改善运动功能的装置和疗法。

著录项

  • 期刊名称 other
  • 作者单位
  • 年(卷),期 -1(21),5
  • 年度 -1
  • 页码 840–848
  • 总页数 20
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种
  • 中图分类
  • 关键词

  • 入库时间 2022-08-21 11:21:51

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