Разработка математической модели походки человека и синтез системы управления исполнительными механизмами мехатронного реабилитационного комплекса

Аннотация

В статье рассматривается разработка математической модели походки человека для синтеза системы управления мехатронного реабилитационного комплекса. Актуальность исследования обусловлена необходимостью создания эффективных реабилитационных технологий для пациентов с нарушениями двигательной функции. Существующие реабилитационные комплексы можно разделить на экзоскелеты и устройства с механическим соединением (end effector), при этом экзоскелеты демонстрируют более высокую реабилитационную эффективность, имитируя естественную походку. Исследование включает анализ различных моделей движения, таких как кинематические, динамические, биомеханические, нейронные сети и алгоритмы управления. Научная новизна работы заключается в создании модели, позволяющей учитывать индивидуальные антропометрические параметры пациента, включая массу и длины сегментов конечностей, а также моделировать поворот ступней. В рамках исследования предложен метод разбиения цикла шага на четыре фазы, каждая из которых описывается отдельной системой математических уравнений, что обеспечивает высокую точность воспроизведения различных этапов движения. Для валидации модели использовалась маркерная система захвата движений, что позволило получить данные о траекториях движения. Результаты показали, что модель эффективно генерирует траектории сагиттальных углов возвышения бедра, голени и стопы, что способствует улучшению управления реабилитационным устройством. В заключение, работа подчеркивает важность математического моделирования для создания адаптивных систем управления, которые могут существенно улучшить процесс реабилитации. Дальнейшие исследования будут направлены на доработку модели и её интеграцию с методами машинного обучения для повышения точности и надежности реабилитационных программ.