Математичне моделювання та відновлення ходи людини з електромеханічним екзоскелетом

M. V. Demydyuk, B. A. Lytvyn

Анотація


Побудовано математичну модель для динамічного аналізу та відновлення ходи людини за допомогою електромеханічного екзоскелета. Опорно-руховий апарат людини змодельовано плоскою системою дев’яти твердих тіл, екзоскелет – парою триланкових шарнірних важелів, закріплених на нижніх кінцівках. Керування екзоскелетом відбувається за допомогою електромеханічних приводів: електрична напруга, яку подано на вхід електродвигунів, забезпечує формування необхідних зусиль у шарнірах системи. За припущення, що рівень м’язових сил в основних суглобах (тазостегновому, колінному, гомілковостопному) ніг людини є малим і недостатнім для виконання локомоторних функцій, сформульовано задачу пошуку таких керувань екзоскелета, які забезпечать антропоморфність руху біотехнічної системи. Розроблено алгоритм наближеного розв’язання задачі, який ґрунтується на процедурах параметризації узагальнених координат механічної системи сімейством кубічних згладжувальних сплайнів, концепції обернених задач динаміки та числових методах нелінійного програмування.

 

Зразок для цитування: М. В. Демидюк, Б. А. Литвин, “Математичне моделювання та відновлення ходи людини з електромеханічним екзоскелетом,” Прикл. проблеми механіки і математики, Вип. 17, 147–159 (2019), https://doi.org/10.15407/apmm2019.17.147-159

 


Ключові слова


хода людини, електромеханічний екзоскелет, математичне моделювання, оптимальне керування, сплайн-апроксимація, параметрична оптимізація, нелінійне програмування

Посилання


Yu. M. Barchyna, O. A. Gorbunov, E. A. Osadchyi, “Prospects of programmed biomechanics in regeneration of human locomotor apparatus of sick and disabled people,” Medical Informatics and Engineering, No. 3, 46–47 (2013) (in Russian), https://doi.org/10.11603/mie.1996-1960.2013.3.1744

V. V. Beletskii, Two-Legged Walking: Model Problems of Dynamics and Control [in Russian], Nauka, Moscow (1984).

V. E. Berbyuk, Dynamics and Optimization of Robototechnical Systems [in Russian], Naukova Dumka, Kiev (1989).

V. E. Berbyuk, M. V. Demydyuk, G. F. Ivakh, "Problems of optimizing of structures and laws of control of the motion of electromechanical manipulators", Izv. AN SSSR, Ser. Tekhn. Kibernet., No. 3, 113–123 (1987); English translation: Sov. J. Comput. Syst. Sci., 25, No. 6, 103–112 (1987).

V. E. Berbyuk, M. V. Demydyuk, B. A. Lytvyn, “Mathematical modelling of human gait based on experimental data,” Vis. Lviv. Univ., Ser. Prykl. Mat. Inf., No. 3, 86–91 (2000) (in Ukrainian).

V. E. Berbyuk, M. V. Demydyuk, B. A. Lytvyn, “Mathematical modeling and opti-mization of walking of human being with prosthesis of crus,” Probl. Uprav. Inform., No. 3, 128–144 (2005); English translation: J. Autom. Inform. Sci., 37, No. 6, 46–60 (2005), https://doi.org/10.1615/J Automat Inf Scien.v37.i6.60

V. E. Berbyuk, B. A. Lytvyn, “Mathematical modeling of human walking on the basis of optimization of controlled processes in biodynamical systems,” Mat. Met. Fiz.-Mekh. Polya, 41, No. 3, 153–161 (2001); English translation: J. Math. Sci., 104, No. 5, 1575–1586 (2001), https://doi.org/10.1023/A:1011352207020

A. V. Borisov, “Automated designing of three-dimensional models of exoskeletons with links of variable length,” Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 16, No. 12, 828–835 (2015) (in Russian), https://doi.org/10.17587/mau.16.828-835

A. V. Borisov, “ Empirical and theoretical approaches to control of exoskeleton motion,” Vestn. Balt. Fed. Univ. im. I. Kanta, Ser. Fiz.-Mat. Tekh. Nauki, No. 3, 33–47 (2017) (in Russian).

A. V. Borisov, G. M. Rozenblat, “Matrix method of constructing the differential equations of motion of an exoskeleton and its control ,” Prikl. Mat. Mekh., 81, No. 5, 511–522 (2017); English translation: J. Appl. Math. Mech., 81, No. 5, 351–359 (2017), https://doi.org/10.1016/j.jappmathmech.2018.03.002

G. K. Borovin, A. V. Kostyuk, G. Seet, V. V. Iastrebov, “Computer simulation of hydraulic system of exoskeleton,” Matem. Model., 18, No. 10, 39–54 (2006) (in Russian).

A. S. Vitenson, K. A. Petrushanskaja, “Phase analysis of human gait and some rhythmic movements,” Ros. Zh. Biomekh., 9, No. 1, 19–35 (2005) (in Russian).

A. A. Vorobyev, A. V. Petrukhin, O. A. Zasypkina, P. S. Krivonozhkina, A. M. Pozd-nyakov, “Exoskeleton as a new means in habilitation and rehabilitation of invalids (Review),” Sovrem. Thekhnol. Med., 7, No. 2, 185–197 (2015) (in Russian), http://doi.org/10.17691/stm2015.7.2.22

V. D. Daminov, P. V. Tkachenko, “Exoskeletons in medicine: world experience and clinical practice of Pirogov center,” Vestn. Nats. Med.-Khirurg. Tsentr. Im. Pirogova, 12, No. 4 (part 2), 17–22 (2017) (in Russian).

M. V. Demydyuk, B. A. Lytvyn, “The problems of mathematical modeling of human gait considering biomechanical experimental data,” Prykl. Probl. Mekh. Mat., Iss. 10, 123–134 (2012) (in Ukrainian).

M. V. Demydyuk, B. A. Lytvyn, “Mathematical modeling of human gait with exo-skeleton,” Prykl. Probl. Mekh. Mat., Issue 12, 120–129 (2014) (in Ukrainian).

M. V. Demydyuk, B. A. Lytvyn, “The mathematical modeling of the human gait with ankle hinged orthosis,” Probl. Uprav. Inform., No. 2, 46–57 (2015); English translation: J. Autom. Inform. Sci., 47, No. 4, 64–77 (2015), https://doi.org/10.1615/JAutomatInfScien.v47.i4.70

E. K. Lavrovskii, “On the energetics of the walking gait of a human operator using a passive exoskeleton apparatus,” Mekh. Tv. Tela, No. 1, 9–24 (2015); English translation: Mech. Solids, 50, No. 1, 6–18 (2015), https://doi.org/10.3103/S0025654415010021

E. K. Lavrovskii, E. V. Pismennaya, “On the lower limb exoskeleton regular locomotion under input control deficit,” Ros. Zh. Biomekh., 18, No. 2, 208–225 (2014) (in Russian).

E. K. Lavrovskii, E. V. Pismennaya, “On control of lower limb exoskeleton regular locomotion using electric drives,” Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 19, No. 3, 160–168 (2018) (in Russian).

E. K. Lavrovskii, E. V. Pismennaya, P. A. Komarov, “Control of lower limb exoskeleton locomotion with its viscoelastic connection with the body of a human-operator body,” Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 16, No. 2, 96–101 (2015) (in Russian).

E. K. Lavrovskii, E. V. Pismennaya, P. A. Komarov, “On the problem of the organization of the lower limb exoskeleton walk with the help of control in the knee joints,” Ros. Zh. Biomekh., 19, No. 2, 158–176 (2015) (in Russian), http://doi.org/10.15593/rzhbiomeh/2015.2.03

M. N. Nikolenko, D. A. Kotin, “Active modules of the medical exoskeleton with synchronous electric drive and field-oriented control system,” Model. Sist. Set. Ekon. Tekhn. Prir. Obshchestv., No. 4(24), 155–167 (2017) (in Russian).

S. T. Melkonyan, S. A. Sargsyan, M. G. Harutyunyan, K. G. Stepanyan, Yu. L. Sarkissyan, “Dynamic analysis and optimal control of biomechatronic systems of rehabilitation devices for human extremeties,” Izv. NAN RA and GIUA, Ser. Tekhn. Nauki, 64, No. 1, 3–14 (2011) (in Russian).

A. Stashkevich, E. Osadchiy, N. Vovk, O. Gorbunov, “The concept of construction and experience of the medical device application “Exoskeleton”,” Litopys Travm. Ortoped., 21–22, No. 1–2, 306 (2011) (in Russian).

D. V. Skvortsov, Clinical Analysis of movements. Gait analysis [in Russian], Stimul, Ivanovo (1996).

A M. Formalsky, Displacement of anthropomorphous mechanisms [in Russian], Nauka, Moscow (1982).

A. J. del-Ama, A. D. Koutsou, J. C. Moreno, A. de-los-Reyes, A. Gil-Agudo, J. L. Pons, “Review of hybrid exoskeletons to restore gait following spinal cord injury,” J. Rehabil. Res. Dev., 49, No. 4, 497–514 (2012), http://doi.org/10.1682/jrrd.2011.03.0043

R. Beckett, K. Chang, “An evaluation of the kinematics of gait by minimum energy,” J. Biomech., 1, No. 2, 147–159 (1968), http://doi.org/10.1016/0021-9290(68)90017-1

V. Berbyuk, “Multibody Systems Modeling and Optimization Problems of Lower Limb Prostheses,” in: D. Bestle, W. Schiehlen (eds), IUTAM Symposium on Optimization of Mechanical Systems, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers (1996), pp. 25–32, https://doi.org/10.1007/978-94-009-0153-7_4

V. Berbyuk, A. E. Boström, B. Lytwyn, Bo. Peterson, “Energy-optimal control of bipedal locomotion systems,” J. Stability and Control: Theory and Application (SACTA), 4, No. 2, 74–89 (2002).

A. J. del-Ama, A. D. Koutsou, J. C. Moreno, A. de-los-Reyes, A. Gil-Agudo, J. L. Pons, “Review of hybrid exoskeletons to restore gait following spinal cord injury,” J. Rehabil. Res. Dev., 49, No. 4, 497–514 (2012), http://www.uniexo.com https://doi.org/10.1682/jrrd.2011.03.0043

N. Koceska, S. Koceski, F. Durante, P. B. Zobel, T. Raparelli, “Control Architecture of a 10 DOF Lower Limbs Exoskeleton for Gait Rehabilitation,” Int. J. Adv. Robotic Syst., 10, No. 1, 68–78 (2013), https://doi.org/10.5772/55032

I. Veneva, D. Chakarov, P. Venev, E. Zlatanov, M. Tsveov, D. Trifonov, X. Navaro, “Exoskeleton for rehabilitation,” Probl. Eng. Cybern. Robotics, 69, 30–39 (2018).

M. K. Vukobratovic, M. D. Jovanovic, “Active exoskeletons, beginning, present state and the future,” Probl. Mashinostr. Avtomat., No. 4, 7–16 (2007).

D. A. Winter, Biomechanics and motor control of human movement, Wiley, New York (2009), https://doi.org/10.1002/9780470549148


Повний текст: PDF

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.