論文の概要: Subject-Specific Predictive Musculoskeletal Simulations of Lower-Limb Exoskeleton Assistance: Metabolic and Biomechanical Effects of Joint Assistance Strategies

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.02991v2
• Date: Mon, 05 Oct 2026 02:03:34 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-10-07 04:43:28.53775
• Title: Subject-Specific Predictive Musculoskeletal Simulations of Lower-Limb Exoskeleton Assistance: Metabolic and Biomechanical Effects of Joint Assistance Strategies
• Title（参考訳）: 下肢外骨格補助の主観的筋骨格シミュレーション : 関節補助戦略の代謝と生体力学的効果
• Abstract要約: 下肢のエキソ骨格は歩行中のエネルギー消費を減らすためにかなりの進歩を遂げている。 本研究では,筋骨格モデルを用いた予測シミュレーションを用いて,エネルギー最適下肢共同支援戦略について検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Lower-limb exoskeletons have made considerable progress in reducing energy expenditure during walking. However, designing optimal assistance strategies remains challenging, particularly given inter-individual variability in anthropometry and biomechanics. This study explores energy-optimal lower-limb joint-assistance strategies using predictive simulations with musculoskeletal models. Subject-specific models of six able-bodied subjects, with BMI-based muscle strength scaling, were used in predictive simulations to generate gait at self-selected walking speeds. Ideal actuators were incorporated to simulate various combinations of joint assistance at peak levels of 25 Nm and 50 Nm to examine the effects of assistance on gait and metabolic savings. The effects of each assistance configuration were assessed through cost of transport (COT), joint kinematics, muscle activations, assistive torques, and joint-level power metrics to characterize the biomechanical and energetic impacts of different assistance strategies. At 50 Nm, combined H+K+A (hip-knee-ankle) assistance resulted in the greatest mean COT reduction of 48.50 +/- 4.55%, with individual reductions ranging from 42.22% to 54.65% across the subjects. Among single-joint conditions, assisting the hip was most effective, reducing COT by 31.77 +/- 5.21%; the knee and ankle produced smaller, comparable reductions (19.17% and 17.02%). H+A (hip-ankle) assistance (44.60 +/- 7.08%) emerged as the most effective two-joint assistive configuration. Increasing the torque bound increased positive assistive power primarily at the hip and ankle, while knee assistance showed little sensitivity and delivered positive power near pre-swing. These results support H+A assistance as an efficient two-actuator target, while identifying the knee's atypical pre-swing power strategy as a candidate for targeted experimental validation.
• Abstract（参考訳）: 下肢のエキソ骨格は歩行中のエネルギー消費を減らすためにかなりの進歩を遂げている。 しかし、人文科学やバイオメカニクスにおける個人間の多様性を考えると、最適な支援戦略を設計することは依然として困難である。 本研究では,筋骨格モデルを用いた予測シミュレーションを用いて,エネルギー最適下肢共同支援戦略について検討する。 BMIをベースとした筋力スケーリングを応用した6名の健常者対象別モデルを用いて,自選択歩行速度での歩行を予測シミュレーションした。 理想アクチュエータは,25Nmと50Nmのピークレベルにおける各種関節補助の組合せをシミュレートするために組み込まれ,歩行と代謝の貯蓄に対する補助の効果について検討した。 各補助構成の影響は, 輸送コスト (COT) , 関節運動学, 筋活動, 補助トルク, 関節レベルパワー指標を用いて評価し, 異なる補助戦略の生体力学的およびエネルギー的影響を特徴づけた。 50Nmでは、H+K+A(ヒップ・ニー・アンクル)の併用により、COTの48.50+/-4.55%の減少率となり、被験者全体で42.22%から54.65%の減少率となった。 単関節状態の中で、腰の補助が最も効果的であり、COTは31.77 +/- 5.21%減少し、膝と足首はより小さくなり、19.17%と17.02%減少した。 H+A(ヒップアンクル)アシスト(44.60 +/- 7.08%)が最も効果的な2関節補助装置として登場した。 トルクバウンドの増大は、主に股関節と足首で正の補助力を増大させ、膝の補助は感度が低く、前投球付近で正のパワーを供給した。 これらの結果は, 膝の非定型先投力戦略を標的とした実験的検証候補として同定し, H+A支援を効果的な2アクチュエータターゲットとして支持する。

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