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.

Abstract

The article discusses the development of a mathematical model of human gait for the synthesis of a control system for a mechatronic rehabilitation complex. The relevance of the research is determined by the necessity to create effective rehabilitation technologies for patients with motor function impairments. Existing rehabilitation complexes can be divided into exoskeletons and devices with mechanical linkage (end effectors), with exoskeletons demonstrating higher rehabilitation effectiveness by mimicking natural gait. The scientific novelty of this study lies in the development of a model that takes into account the individual anthropometric parameters of the patient, including body mass and the lengths of limb segments, as well as the ability to simulate foot rotation. Within the framework of the study, a method for dividing the gait cycle into four phases is proposed, each described by a separate system of mathematical equations, which ensures high accuracy in reproducing various stages of movement. To validate the model, a marker-based motion capture system was used, which provided data on movement trajectories. The results showed that the model effectively generates trajectories of sagittal angles of hip, shank, and foot elevation, contributing to improved control of the rehabilitation device. In conclusion, the work emphasizes the importance of mathematical modeling for the development of adaptive control systems that can significantly enhance the rehabilitation process. Further research will focus on refining the model and integrating it with machine learning methods to improve the accuracy and reliability of rehabilitation programs.