Розробка керування для імітатора гомілкостопового суглоба в застосуванні до задачі балансу вертикальної пози людини
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.150321Ключові слова:
оптимальний контролер, вертикальний баланс людини, функціонування гомілкостопного суглобу, імітатор суглобуАнотація
Розроблено оптимальний контролер гомілкостопового суглоба на базі моделі, що описує систему вертикального балансу людини у відповідь на малі збурення. Запропоновано метод оптимізації вибору матриць управління що призводить до стабілізації з врахуванням вимог комфортного повернення людини в положення рівноваги, мінімізації зусиль симулятора центральної нервової системи (ЦНС).
З метою розуміння способів функціонування ЦНС проаналізовано роботу її відділів, які відповідають за стабілізацію постави. Це робить можливим застосування цих знань до задачі балансу вертикальної пози. Дослідження обмежується вивченням функціонування гомілкостопового суглоба з точки зору його впливу на стабілізацію пози. Основна цінність роботи – розробка методологічної платформи для подальшого моделювання функціонування суглобів гомілки, коліна та стегна в сукупності та визначення оптимального вибору стратегії керування ЦНС.
Дослідження підтверджують гіпотезу, що при малих збуреннях в сагітальній площині ключова роль в стабілізації належить гомілкостопному суглобу. Представлено закон управління контролера та проведено його модельну реалізацію. Для цього використані актуальні значення операційних точок, які були отримані на базі програмної платформи відстеження руху Opti Track Flex 13, що моделює процес руху людини в реальному часі.
Результати є важливими при дослідженні постави людини. Моделювання функціонування різних м'язових груп в сукупності мають велике значення для реабілітації хворих з проблемами ЦНС при зниженій м'язовій активності. Результати корисні для проектування функціонального електричного контролера стимуляції ЦНС, розробки технічних засобів реабілітації для осіб, що знаходяться під ризиком падіння
Посилання
- Kuo, A. D. (1995). An optimal control model for analyzing human postural balance. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 42 (1), 87–101. doi: https://doi.org/10.1109/10.362914
- Wojnicz, W., Zagrodny, B., Ludwicki, M., Syczewska, M., Mrozowsky, J., Awrejcewicz, J. (2017). Approach for determination of functioning of lower limb muscles. 14th International Conference. Dynamical Systems – Theory and Application. Lodz. Available at: https://www.dys-ta.com/abs_view?pkey=agxzfmR5cy10YS1ocmRyEgsSBVBhcGVyGICAgKDRm78LDA
- Golliday, C., Hemami, H. (1976). Postural stability of the two-degree-of-freedom biped by general linear feedback. IEEE Transactions on Automatic Control, 21 (1), 74–79. doi: https://doi.org/10.1109/tac.1976.1101142
- Pandy, M. G., Zajac, F. E., Sim, E., Levine, W. S. (1990). An optimal control model for maximum-height human jumping. Journal of Biomechanics, 23(12), 1185–1198. doi: https://doi.org/10.1016/0021-9290(90)90376-e
- Bobbert, M. F., van Ingen Schenau, G. J. (1988). Coordination in vertical jumping. Journal of Biomechanics, 21 (3), 249–262. doi: https://doi.org/10.1016/0021-9290(88)90175-3
- Horak, F. B., Nashner, L. M. (1986). Central programming of postural movements: adaptation to altered support-surface configurations. Journal of Neurophysiology, 55 (6), 1369–1381. doi: https://doi.org/10.1152/jn.1986.55.6.1369
- Nashner, L. M., McCollum, G. (1985). The organization of human postural movements: A formal basis and experimental synthesis. Behavioral and Brain Sciences, 8 (01), 135. doi: https://doi.org/10.1017/s0140525x00020008
- Allum, J. H. J., Honegger, F., Pfaltz, C. R. (1989). Chapter 32 The role of stretch and vestibulo-spinal reflexes in the generation of human equilibriating reactions. Afferent Control of Posture and Locomotion, 399–409. doi: https://doi.org/10.1016/s0079-6123(08)62236-0
- Hemami, H., Weimer, F., Robinson, C., Stockwell, C., Cvetkovic, V. (1978). Biped stability considerations with vestibular models. IEEE Transactions on Automatic Control, 23 (6), 1074–1079. doi: https://doi.org/10.1109/tac.1978.1101892
- Hemami, H., Katbab, A. (1982). Constrained Inverted Pendulum Model For Evaluating Upright Postural Stability. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 104 (4), 343. doi: https://doi.org/10.1115/1.3139720
- Camana, P. C., He Mam I, H., Stockwell, C. W. (1977). Determination Of Feedback For Human Posture Control Without Physical Intervention. Journal of Cybernetics, 7 (3-4), 199–225. doi: https://doi.org/10.1080/01969727708927559
- He, J., Levine, W. S., Loeb, G. E. (1991). Feedback gains for correcting small perturbations to standing posture. IEEE Transactions on Automatic Control, 36 (3), 322–332. doi: https://doi.org/10.1109/9.73565
- Kuo, A. D., Zajac, F. E. (1993). A biomechanical analysis of muscle strength as a limiting factor in standing posture. Journal of Biomechanics, 26, 137–150. doi: https://doi.org/10.1016/0021-9290(93)90085-s
- Kuo, A. D., Zajac, F. E. (1993). Chapter 31 Human standing posture: multi-joint movement strategies based on biomechanical constraints. Progress in Brain Research, 349–358. doi: https://doi.org/10.1016/s0079-6123(08)62294-3
- Barin, K. (1989). Evaluation of a generalized model of human postural dynamics and control in the sagittal plane. Biological Cybernetics, 61 (1). doi: https://doi.org/10.1007/bf00204758
- Horak, F. B., Nashner, L. M., Diener, H. C. (1990). Postural strategies associated with somatosensory and vestibular loss. Experimental Brain Research, 82 (1). doi: https://doi.org/10.1007/bf00230848
- Kuo, A. D., Zajac, F. E. (1992). What is the nature of the feedforward component in motor Control. Behav. Brain Sci., 15, 767.
- Zajac, F. E. (1989). Muscle and tendon: properties, models, scaling, and application to biomechanics and motor control. Critical Reviews in Biomedical Engineering, 17 (4), 359–411.
- Zagrodny, B., Awrejcewicz, J. (2015). Cooperation of One and Multi-Joint Muscles. Nonlinear Dynamics and Systems Theory, 15 (1), 99–106.
- Chen, M. Z. Q., Shen, K., Zhai, C. (2016). A biomechanical model of human muscular-skeletal system with inertial effects. 2016 35th Chinese Control Conference (CCC). doi: https://doi.org/10.1109/chicc.2016.7554841
- Olszewski, H., Wojnicz, W., Wittbrodt, E. (2013). Method of Skeletal System Modelling. Archive of Mechanical Engineering, 60 (3), 335–346. doi: https://doi.org/10.2478/meceng-2013-0022
- Kuzmych, O., Aitouche, A., Hajjaji, A. E., Telmoudi, A. J. (2017). Effective Lyapunov level set for nonlinear optimal control. Application to turbocharged diesel engine model. 2017 4th International Conference on Control, Decision and Information Technologies (CoDIT). doi: https://doi.org/10.1109/codit.2017.8102564
- Anderson, B. D. O., Moore, J. B. (1989). Optimal Control: Linear Quadratic Methods. Prentice-Hall International, Inc., 394.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2018 Olena Kuzmych, Jan Awrejcewicz, Oksana Mekush, Petro Pekh, Katerina Bortnik, Elena Potemkina, Iryna Shubala
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.
