This study was designed to investigate the feasibility to utilize the electromyogram (EMG) for estimating the muscle torque. The muscle torque estimation plays an important role in functional electrical stimulation because electrical stimulation causes muscles to fatigue much faster than voluntary contraction, and the stimulation intensity should then be modified to keep the muscle torque within the desired range. We employed the neural network method which was trained using the major EMG parameters and the corresponding knee extensor torque measured and extracted during isometric contractions. The experimental results suggested that (1) our neural network algorithm and protocol was feasible to be adopted in a real-time feedback control of the stimulation intensity, (2) the training data needed to cover the entire range of the measured value, (3) different amplitudes and frequencies made little difference to the estimation quality, and (4) a single input to the neural network led to a better estimation rather than a combination of two or three. Since this study was done under a limited contraction condition, the results need more experiments under many different contraction conditions, such as during walking, for justification.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.30
no.6
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pp.650-657
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2013
This study uses a muscle activation sensor and elbow joint model to develop an estimation algorithm for human elbow joint torque for use in a human-robot interface. A modular-type MVS (Muscle Volume Sensor) and calibration algorithm are developed to measure the muscle activation signal, which is represented through the normalization of the calibrated signal of the MVS. A Hill-type model is applied to the muscle activation signal and the kinematic model of the muscle can be used to estimate the joint torques. Experiments were performed to evaluate the performance of the proposed algorithm by isotonic contraction motion using the KIN-COM$^{(R)}$ equipment at 5, 10, and 15Nm. The algorithm and its feasibility for use as a human-robot interface are verified by comparing the joint load condition and the torque estimated by the algorithm.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.28
no.6
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pp.670-677
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2011
This study is to estimate the joint torques without torque sensor using the EMG (Electromyogram) signal of agonist/antagonist muscle with Neural Network Back Propagation Algorithm during the elbow motion. Command Signal can be guessed by EMG signal. But it cannot calculate the joint torque. There are many kinds of field utilizing Back Propagation Learning Method. It is generally used as a virtual sensor estimated physical information in the system functioning through the sensor. In this study applied the algorithm to obtain the virtual senor values estimated joint torque. During various elbow movement (Biceps isometric contraction, Biceps/Triceps Concentric Contraction (isotonic), Biceps/Triceps Concentric Contraction/Eccentric Contraction (isokinetic)), exact joint torque was measured by KINCOM equipment. It is input to the (BP)algorithm with EMG signal simultaneously and have trained in a variety of situations. As a result, Only using the EMG sensor, this study distinguished a variety of elbow motion and verified a virtual torque value which is approximately(about 90%) the same as joint torque measured by KINCOM equipment.
A patient-specific musculoskeletal model, whose parameters can be identified noninvasively, was developed for the automatic generation of patient-specific stimulation pattern in FES. The musculotendon system was modeled as a torque-generator and all the passive systems of the musculotendon working at the same joint were included in the skeletal model. Through this, it became possible that the whole model to be identified by using the experimental joint torque or the joint angle trajectories. The model parameters were grouped as recruitment of muscle fibers, passive skeletal system, static and dynamic musculotendon systems, which were identified later in sequence. The parameters in each group were successfully estimated and the maximum normalized RMS errors in all the estimation process was 8%. The model predictions with estimated parameter values were in a good agreement with the experimental results for the sinusoidal, triangular and sawlike stimulation, where the normalized RMS error was less than 17%, Above results show that the suggested musculoskeletal model and its parameter estimation method is reliable.
Kim, Ye Jin;Jeon, Hye-seon;Park, Joo-hee;Moon, Gyeong-Ah;Wang, Yixin
Physical Therapy Korea
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v.29
no.4
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pp.262-268
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2022
Background: Virtual reality (VR) programs based on motion capture camera are the most convenient and cost-effective approaches for remote rehabilitation. Assessment of physical function is critical for providing optimal VR rehabilitation training; however, direct muscle strength measurement using camera-based kinematic data is impracticable. Therefore, it is necessary to develop a method to indirectly estimate the muscle strength of users from the value obtained using a motion capture camera. Objects: The purpose of this study was to determine whether the pedaling speed converted using the VR engine from the captured foot position data in the VR environment can be used as an indirect way to evaluate knee muscle strength, and to investigate the validity and reliability of a camera-based VR program. Methods: Thirty healthy adults were included in this study. Each subject performed a 15-second maximum pedaling test in the VR and built-in speedometer modes. In the VR speedometer mode, a motion capture camera was used to detect the position of the ankle joints and automatically calculate the pedaling speed. An isokinetic dynamometer was used to assess the isometric and isokinetic peak torques of knee flexion and extension. Results: The pedaling speeds in VR and built-in speedometer modes revealed a significantly high positive correlation (r = 0.922). In addition, the intra-rater reliability of the pedaling speed in the VR speedometer mode was good (ICC [intraclass correlation coefficient] = 0.685). The results of the Pearson correlation analysis revealed a significant moderate positive correlation between the pedaling speed of the VR speedometer and the peak torque of knee isokinetic flexion (r = 0.639) and extension (r = 0.598). Conclusion: This study suggests the potential benefits of measuring the maximum pedaling speed using 3D depth camera in a VR environment as an indirect assessment of muscle strength. However, technological improvements must be followed to obtain more accurate estimation of muscle strength from the VR cycling test.
In this study, we tried to investigate the impedance characteristic of human arm in a cooperative task. Human arm was moved in a desired trajectory. The motion was actuated by a 1 degree-of-freedom robot system. As the muscle is mechanically analogous to a spring-damper system, a second-order equation was considered as the model for arm dynamics. In the model, inertia, stiffness and damping factor were considered. The impedance parameter was estimated from the position and torque data obtained from the experiment and based on the "Estimation of Parametric Model". It was found that the inertia is almost constant over the operational time. The damping factor and stiffness were high...
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.18
no.10
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pp.442-447
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2017
The purpose of this study was to establish norm-referenced criteria for the isokinetic strength of the elbow joint in Korean high school baseball players. Two hundred and one high school baseball players participated in this study, none of whom had any medical problem with their upper limbs. The elbow flexion/extension test was conducted four times at a speed of $60^{\circ}/sec$. The HUMAC NORM (CSMI, USA) system was used to obtain the values of the peak torque and peak torque per body weight. The results were presented as norm-referenced criterion valuesusing the 5-point scale of Cajori which consists of five stages (6.06%, 24.17%, 38.30%, 24.17%, and 6.06%). In the results of this study, the peak torques of the elbow (flexor and extensor?) at an angular velocity of $60^{\circ}/sec$ were $37.88{\pm}8.14Nm$ and $44.59{\pm}11.79Nm$, and the peak torque per body weight of the elbow (flexor and extensor?) were $50.06{\pm}8.66Nm$ and $58.28{\pm}12.84Nm$, respectively. The reference values of the peak torque and peak torque per body weight of the elbow flexor and extensor were setat an angular velocity of $60^{\circ}/sec$. On the basis of the results analyzed in this study, the following conclusions were drawn. There is a lack of proper studies on the elbow joint strength, even though the most common injury in baseball players occurs in the elbow joint. Therefore, we need to establish a standard muscle strength in order to prevent elbow joint injuries and improve their performance. The criteria for the peak torque and peak torque per body weight established here in will provide useful information for high school baseball players, baseball coaches, athletic trainers and sports injury rehabilitation specialists in injury recovery and return to rehabilitation, which can beutilized as objective clinical assessment data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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