Тема: Математическое моделирование движения нижних конечностей при ходьбе

Ходьба, по общепринятому определению — это наиболее естественная из всех локомоций человека. Определение «естественная» подразумевает «привычная», однако нельзя полагать, что в столь знакомом всем явлении не может быть никаких секретов.
Движение человека сложно моделировать, поскольку даже стояние является неустойчивой позой с точки зрения механики. Ходьба же представляется чередой еще более неустойчивых динамичных положений. Такой двигательный акт — результат сложной скоординированной работы скелетных мышц и нервной системы.
Двуногую ходьбу изучают специалисты в областях биологии, физиологии, медицины, математики, механики, и к настоящему моменту были опубликованы сотни работ по этой теме. Интерес обусловлен как возможностью понять организацию локомоционных процессов в живой природе, так и наличием чисто практических целей.
Одна из таких целей — разработка антропоморфных механизмов, которая является одним из важных направлений в робототехнике, протезировании, конструировании экзоскелетонов и двуногих шагающих роботов [1].
Анализ ходьбы применяется и в медицинских целях, например, в корректирующей ортопедической хирургии, которая получила наибольшее развитие в 80-е гг. вместе с усовершенствованием компьютерных систем анализа. К настоящему моменту многие ведущие ортопедические больницы мира содержат соответствующие лаборатории [2].
Исследование движения человека используется при постановке таких диагнозов, как инсульт, церебральный паралич, болезнь Паркинсона, а также при выявлении некоторых нервно-мышечных и психических расстройств [3].
Таким образом, актуальность данной работы состоит в необходимости количественно оценивать характер движения человека и степень отклонения от нормы.
Целью данной исследовательской работы является разработка математической модели ходьбы человека на примере одноопорной фазы, которая бы позволила рассчитать моменты, развиваемые в суставах.
Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:
1. Провести анализ предшествующих работ.
2. Построить механическую модель ходьбы человека.
3. Построить математическую модель для одноопорной фазы движения.
4. С помощью видеоанализа определить экспериментально законы движения модели.
5. Произвести обработку полученных данных.
6. Получить решение прямой задачи динамики.
7. Соотнести с данными ЭМГ для какого-либо сустава.
Купить

Таким образом, были получены следующие результаты:
1. На основе анализа анатомии нижних конечностей человека построена механическая модель.
2. Получены уравнения движения модели для одноопорной фазы.
3. Разработан метод решения прямой задачи динамики и его реализация в математическом пакете Matlab.
4. Для одноопорной фазы вычислены моменты, развиваемые в суставах.
5. Дополнительно проведено сопоставление с данными ЭМГ для мышц-сгибателей стопы.
Результаты могут использоваться при решении задач управления, параметрической оптимизации, оценок затрат энергии и т. д., а также в диагностических оценках.
Купить