МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОПТИМАЛЬНЕ КЕРУВАННЯ БІОНІЧНИМ ПРОТЕЗОМ ВЕРХНЬОЇ КІНЦІВКИ В САГІТАЛЬНІЙ ПЛОЩИНІ
DOI:
https://doi.org/10.32782/pet-2025-2-5Ключові слова:
біонічний протез, динамічне моделювання, сагітальна площина, лінійно – квадратичний контролер, OpenSim, MATLABАнотація
У роботі досліджено процес моделювання та оптимального керування біонічним протезом верхньої кінцівки в сагітальній площині. Метою дослідження є створення математичної моделі біонічного протеза верхньої кінцівки, моделювання його руху в сагітальній площині та розробка робастного лінійно-квадратичного регулятора (LQR) для забезпечення фізіологічно природної реакції ліктьового суглоба з урахуванням кутового положення, швидкості та прискорення. Для опису рухів верхньої кінцівки використано лагранжевий формалізм, що дозволив отримати рівняння руху дволанкової моделі руки. Система рівнянь була лінеаризована в околі робочих точок. Для побудови оптимального закону керування застосовано методи теорії оптимального керування, зокрема синтез LQR-контролера. Розрахунки та моделювання виконано в середовищі MATLAB із використанням відкритої біомеханічної моделі руки OpenSim. У роботі поєднано нелінійне динамічне моделювання з апроксимацією у просторі станів для розробки робастного контролера. Запропонований підхід доводить можливість ефективного відтворення фізіологічних рухів верхньої кінцівки з використанням LQR-регулятора. Отримані результати показують здатність системи підтримувати стабільність та точність рухів навіть за умов збурень і похибок у вимірах, що наближає її до біологічних принципів керування. Розроблений LQR-контролер забезпечує стійке, точне та енергоефективне керування рухами біонічного протеза верхньої кінцівки у сагітальній площині. Запропонована модель може бути використана як основа для створення прототипів високотехнологічних біонічних пристроїв та подальших досліджень у напрямі розширення моделі до тривимірного простору та інтеграції нейронних або ЕМГ-сигналів для більш природного керування.
Посилання
Hussain Z., Azlan N. Z. 3-D Dynamic Modeling and Validation of Human Arm for Torque Determination During Eating Activity Using Kane’s Method. Iranian Journal of Science and Technology. Transactions of Mechanical Engineering. 2020. Vol. 44, No. 3. DOI: https://doi.org/10.1007/s40997-019-00299-8
Davoudabadi Farahani S., Svinin M., Andersen M. S., de Zee M., Rasmussen J. Prediction of closed-chain human arm dynamics in a crank-rotation task. Journal of Biomechanics. 2016. Vol. 49, No. 13. P. 2684–2693. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2016.05.034
Lemieux P. O., Tétreault P., Hagemeister N., Nuno N. Influence of prosthetic humeral head size and medial offset on the mechanics of the shoulder with cuff tear arthropathy: A numerical study. Journal of Biomechanics. 2013. Vol. 46, No. 4. P. 806–812. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2012.11.021
Ali N., Andersen M. S., Rasmussen J., Robertson D. G. E., Rouhi G. The application of musculoskeletal modeling to investigate gender bias in non-contact ACL injury rate during single-leg landings. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 2014. Vol. 17, No. 14. P. 1602–1616.
Rasmussen J., Torholm S., de Zee M. Computational analysis of the influence of seat pan inclination and friction on muscle activity and spinal joint forces. International Journal of Industrial Ergonomics. 2009. Vol. 39, No. 1. P. 52–57. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ergon.2008.07.008
Rasmussen J., Holmberg L. J., Sorensen K., Kwan M., Andersen M. S., de Zee M. Performance optimization by Musculoskeletal simulation. Movement & Sport Sciences – Science & Motricité. 2012. Vol. 1, No. 75. P. 73–83.
Yamaguchi G. T. Dynamic Modelling of Musculoskeletal Motion. New York: Springer, 2006.
Hussain Z. Kane’s Method for Dynamic Modeling. Proceedings of International Conference, October 2016. P. 174–179.
Ariff F. H. M., Rambely A. S., Ghani N. A. A. Shoulder’s modeling via Kane’s method: Determination of torques in smash activity. IFMBE Proceedings. 2011. Vol. 35, No. 6. P. 207–209. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-21729-6_55
Murphy M. A., Sunnerhagen K. S., Johnels B., Willén C. Three-dimensional kinematic motion analysis of a daily activity drinking from a glass: A pilot study. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 2006. Vol. 3. P. 1–11. DOI: https://doi.org/10.1186/1743-0003-3-18
Kuo A. An optimal control model for analyzing human postural balance. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 1995. Vol. 42, No. 1. P. 87–101.
Golliday C., Hemami H. Postural stability of the two-degree-of-freedom biped by general linear feedback. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 1995. Vol. 42, No. 1. P. 102–110.
Grzelczyk D., Biesiacki P., Mrozowski J., Awrejcewicz J. A 3-link model of a human for simulating a fall in forward direction. In: Dynamical Systems in Applications. Springer, 2018. P. 845–856.
Grzelczyk D., Szymanowska O., Awrejcewicz J. Kinematic and dynamic simulation of an octopod robot controlled by different central pattern generators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part I: Journal of Systems and Control Engineering. 2018. Vol. 232, No. 8. P. 1011–1022.
Chadwick E. K., Blana D., Simera J. D., Lambrecht J., Kim S. P., Cornwell A. S., Taylor D. M., Hochberg L. R., Donoghue J. P., Kirsch R. F. Continuous neuronal ensemble control of simulated arm reaching by a human with tetraplegia. Journal of Neural Engineering. 2011. Vol. 8, No. 3. Article 034003. DOI: https://doi.org/10.1088/1741-2560/8/3/034003
Chadwick E. K., Blana D., Kirsch R. F., van den Bogert A. J. Real-Time Simulation of Three-Dimensional Shoulder Girdle and Arm Dynamics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2014. In press. URL: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=67554584
Brian D., Anderson O., Moore J. Optimal Control. Linear Quadratic Methods. Canberra: Prentice-Hall International, Inc., 1989. ISBN 0-13-638651-2.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
