Экспериментальное исследование параметров ходьбы и приседаний в зависимости от параметров звеньев нижних конечностей Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Ревняков Е.Н.,

к.т.н., доцент кафедры «БиАС»

Политехнический институт Курганского Государственного Университета, Россия, г. Курган

Пикалов М.И.,

студент, 5 курс,

Политехнический институт Курганского Государственного Университета, Россия, г. Курган

DOI: 10.24411/2520-6990-2019-11011 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ХОДЬБЫ И ПРИСЕДАНИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПАРАМЕТРОВ ЗВЕНЬЕВ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

Revnyakov E.N.,

Ph.D., associate professor of the department "BiAS"

Polytechnic Institute of Kurgan State University, Russia, Kurgan

Pikalov M.I.,

student, 5 year,

Polytechnic Institute of Kurgan State University, Russia, Kurgan

EXPERIMENTAL RESEARCH OF PARAMETERS OF WALKING AND ACCESSIONS DEPENDING ON THE PARAMETERS OF LINKS OF LOWER EXTREMITIES

Abstract:

This scientific and technological progress is aimed at partial or complete exclusion of a person from the production process. However, to this day there are professions in which the exclusion of a person at the moment is impossible. Extreme physical loads experienced by workers, installers, builders, lead to a large number of industrial injuries. Therefore, at the moment, more than ever, there is an acute increase in the physical indicators of a person. One of the ways of realization is exoskeletons. This article will show an example of studying the kinematics of walking and human squats based on the obtained experimental data.

Аннотация:

Настоящий научно-технический прогресс нацелен на частичное, либо полное исключение человека из производственного процесса. Однако, по сей день существуют профессии, в которых исключение человека на нынешний момент невозможно. Предельные физические нагрузки, которые испытывают на себе рабочие, монтажники, строители, приводят к большому количеству производственных травм. Поэтому в данный момент как никогда остро стоит увеличение физических показателей человека. Один из путей реализации - экзоскелеты. В данной статье будет показан пример изучения кинематики ходьбы и приседаний человека на основе полученных экспериментальных данных.

Ключевые слова: экзоскелет, ходьба, приседания, кинематика.

Keywords: exoskeleton, human walking, squats, kinematics.

Исследования проведены в рамках договора (соглашения) № 14154ГУ/2019 о предоставлении гранта на выполнение научно-исследовательских работ и оценку перспектив коммерческого использования результатов в рамках реализации инновационного проекта. Настоящая статья является частью НИР по договору за 1 -й год.

Введение

Актуальность настоящей работы - обобщение знаний, путем исследования кинематики ходьбы, приседаний человека;

Ожидаемый результат - получение и суммирование всеобъемлющих знаний о нижних конечностях человека, необходимых для проектирования пассивного экзоскелета нижних конечностей человека.

Исходя из вышенаписанного, была сформулирована цель на настоящий подэтап НИР, состоя-

щая в получении, обобщении и анализе данных о биомеханики локомоций человека, что необходимо для создания пассивного экзоскелета нижних конечностей максимально полезным, комфортным и безопасным.

Для достижения этой цели предполагается решение следующих задач:

1) Проектирование и реализация установки для нижних конечностей человека, дающая возможность отслеживать положение в пространстве, а также угловые скорости отдельных звеньев ног человека;

2) Получение данных о локомоциях человека в ходе проведения эксперимента, целью которого будет выявление зависимости особенностей параметров ходьбы от параметров отдельных звеньев нижних конечностей;

3) Составление сводной таблицы данных, необходимых для дальнейших исследований.

устройства, обуславливающих оптимальную работу образующейся при этом биомеханической системы [1, 2].

Были предложены следующие анатомические параметры, напрямую влияющие на количественные и качественные показатели экзоскелета:

Таблица 1.

Анатомические параметры_

Индекс анатомического параметра Характеристика

S1 Линейное расстояние между тазобедренным суставом и коленным

S2 Линейное расстояние между коленным суставом и голеностопным

S3 Угол поворота м/у сагиттальной плоскостью и плоскостью бедра

S4 Изменение относительного угла поворота голени

S5 Изменение относительного угла поворота бедра

S6 Линейное расстояние м/у проекциями центров масс звеньев ног и соответствующими им центрами масс экзоскелета

C1 Изменение абсолютного угла между осью вращения тазобедренного сустава и нормали к поверхности

Решение задачи №1

Необходимость подобной установки обуславливается важностью анатомической параметризации - определение соответствий между различными анатомическими характеристиками строения человеческого тела и параметрами механического

Латинские литеры в таблице 1 означают вертикальные плоскости, в которых проводятся измерения: S (от лат. Sagitta) - сагиттальная плоскость; C (от лат. Coronale) - корональная плоскость. Для выявления зависимости особенностей параметров ходьбы от параметров нижних конечностей человека необходимо получить данные для индексов S3, S4, S5, C1.

Для решения этой задачи предлагается установка (далее Костюм) на основе инерциальных измерительных модулей с малым потреблением, IMU - сенсоров. Сенсоры широко распространены в робототехнике и машиностроении. В качестве контроллера Костюма будет использоваться Arduino Leonardo [3], который в свою очередь использует микроконтроллер ATmega32u4 [3]. Выбор пал именно на этот вариант по причине большой популярности, малой стоимости и легкости в использовании. Также стоит отметить, что аппаратно-программное средство Arduino лояльно для новых пользователей и просто в освоении. В качестве сенсоров будут использованы IMU - сенсор на 10 степеней свободы, который включает в себя

следующие датчики: трехосный акселерометр LIS331DLH [4]; трехосный гироскоп L3G4200D [5]; трёхосный магнетометр/компас LIS3MDL [6]; барометр LPS331AP [7];

Модуль общается с платой-контроллером по протоколу I2C, поэтому для использования одновременно больше 1 сенсора необходимо использовать специальный расширитель портов, работающий по принципу галетного переключателя. Так же для визуального наблюдения в цепь необходимо добавить лампочку-индикатор на каждый сенсор. Таким образом, для сборки Костюма используется следующая комплектация: плата Arduino Leonardo; 4 х IMU - сенсор на 10 степеней свободны [8]; кейс-держатель для «кроны» 9V; расширитель портов I2C; SD - картридер;

Использование переносного источника питания и картридера позволяет сделать Костюм мобильным, значительно ускорить и расширить количество доступных для записи движений человека. Аппаратная схема Костюма представлена на рисунке 1.

Рисунок 9. Аппаратная схема Костюма

После аппаратного подключения необходима программа - скетч, специально написанный для платформы Arduino. Используемый скетч находится на облачном сервисе в открытом доступе на Yandex Disk [9]. Из него видно, что расширитель

портов прерывает связь с сенсором каждые 5 миллисекунд и соединяется со следующим. Таким образом, частота получаемых данных с одного сенсора равна 50 Гц. Внешний вид аппаратной части Костюма представлен на рисунке 2.

Рисунок 10. Внешний вид аппаратной схемы Костюма

Для определения точности записанных данных на выходе необходимо подать на вход эталонную физическую величину. Рассмотрим два случая: запись данных акселерометром, запись данных гироскопом.

Определить ускорение свободного падения возможно, например, повторив лабораторную работу по физике за 9 класс школьной программы обучения, либо воспользоваться эмпирической формулой 1 [9]:

й = 9,73031В * (1 4- 0,005302 * sin! (р -0,000006 * sm!2(f0 - 0,0000030S6h (1)

В формуле (1) ф - широта, h - высота над уровнем моря в метрах. Географические данные расположения города Кургана - 55^27' северной широты и 75,4 метра над уровнем моря.

В таблице 2 указаны результаты определения ускорения свободного падения.

Таблица 2.

Результаты определения ускорения свободного падения_

№ п/п Метод нахождения Результат

1 Математический маятник 9,81302

2 Эмпирическая формула (1) 9,80946

3 Трехосный акселерометр LIS331DLH 9,80671

Относительная погрешность акселерометра для 1 и 2 случая составляет 0,064% и 0,028% соответственно. Исходя из этого, можно утверждать высокую степень точности измерительного прибора

Для проверки точности трехосного гироскопа можно повторить лабораторную работу с «маятником Обербека» [10]. В этом случае относительная погрешность гироскопа составила 0,81%.

Решение задачи №2

Результаты, полученные при решении этой задачи, напрямую повлияют на анатомическую параметризацию будущего экзоскелета. Поэтому, исходя из географического расположения и назначения экзоскелета, в качестве участников эксперимента были выбраны 10 мужчин европеоидной расы возрастом 19-30 лет с отсутствием патологий опорно-двигательного аппарата. Антропометрические показатели каждого участника представлены в приложении А, массы сегментов тела найдены в соответствии с [11, 12].

Рисунок 3. Костюм

В ходе проведения эксперимента (на рисунке 3 приведен пример момента тестирования Костюма) для каждого участника были зафиксированы следующие сведения: траектория движения центра масс человека (располагается в проекции тазобедренного сустава [13]), траектория движения центров масс голени и бедра, угловая скорость бедра и голени, угол поворота голени относительно бедра. Центры масс отдельных звеньев нижних конечностей испытуемых находятся индивидуально при помощи методики, представленной в работе [14].

Следует отметить, что достаточно фиксировать движение одной ноги, т.к. нога в процессе

ходьбы находится либо в фазе опоры, либо в фазе переноса [15, 16]. Ротация фаз ног позволяет получить всю полноту картину, исследуя лишь одну конечность. В случае приседаний, обе ноги движутся по одинаковой траектории.

Все данные, зафиксированные в ходе проведения эксперимента, находятся в открытом доступе на облачном сервисе Yandex Disk [9]. На рисунке 4, для примера характера фиксируемых данных, показан график зависимости по оси Y на датчик, закрепленный на бедре испытуемого №1, при приседаниях.

_ Время

Рисунок 11. График зависимости действия ускорения по оси Y на датчик, закрепленный на бедре испытуемого, при приседаниях

Первоначальный анализ получаемых данных [17], алгоритм упрощенного варианта которого

показал наличие некоторой зашумленности. Этот также реализован на платформе АМшпо [18]. На

факт хорошо виден на рисунке 4. Поэтому было рисунке 5 показан результат фильтрации упро-

иринято решение использовать фильтр Калмана щенным фильтром Калмана.

Рисунок 12. График фильтрованных значений зависимости действия ускорения по оси Y на датчик, закрепленный на бедре испытуемого, при приседаниях

По графикам на рисунках 4 и 5 заметно, что акселерометр записывает не только собственные ускорения пользователя, но и ускорение свободного падения. Таким образом, ускорение, которое фиксирует акселерометр характеризуется следующим выражением:

Ак — "I"

= 5у + ¿у (2)

4 - &

В формуле (2) А - проекции полного ускорения по осям акселерометра; g - проекции ускорения свободного падениям по осям акселерометра; а - проекции собственного ускорения по осям акселерометра. Исходя из этого, возможно использо-

вать акселерометр, прикрепленный к звену конечности, как g-сенсор [19], который позволит определить положение звена по отношению к вектору ускорения свободного падения. Комбинированное программное использования связки акселерометр - гироскоп повышает качество фиксированных данных. Таким образом, Костюм позволяет получить данные о положениях, скоростях и ускорениях нижних конечностей пользователя. Эти данные будут использованы при выполнения последующих работ в рамках грантового договора. Окончательно получаемые результаты на выходе от Костюма для испытуемого №1 визуализированы на рисунках 6, 7.

Рисунок 13. Зависимость углов м/у звеньями ног и нормалью к поверхностью; сплошная кривая - бедро,

пунктир - голень

Рисунок 7. Характер обработанных данных; движение - приседания; сплошная кривая - угол м/у спиной и нормали к поверхности; пунктирная кривая - угловая скорость спины

На рисунках выше по количеству «пульсаций» хорошо прослеживается количество движений, совершенных за время записи. Восстановим траекторию движения центров масс звеньев и проследим моменты времени, в которых появляется возможность запасания энергии. При приседаниях, т.к. обе ноги движутся одинаково, модель челове-

ка в сагиттальной области можно привести к трех-звенному манипулятору, чье положение зависит от 3-х координат.

На рисунке 8 прослеживается, что при приседаниях наибольшая амплитуда перемещения у центра масс спины, а наименьшая - у коленного сустава.

Рисунок 8. Траектория коленного, тазобедренного суставов, ц.м. корпуса

№

20

-20

40

Ф аза пеD5н□ по. 1 Фо: I :

* ^^ 1 500

' ' ' *1 1 • i + A i * . + jb i г»4* j i ■ ' \

!

Время, не

Рисунок 9. Угловые скорости голени (сплошная), бедра (пунктир), спины (точечная кривая). Прослеживается фазовое смещение вращения бедра относительно двух других звеньев

При равных инерционных характеристиках наиболее очевидным путем запасания энергии было бы запасание энергии движения спины, однако, относительно коленного сустава в это же время совершает вращательное движение около 80% массы всего организма.

Решение задачи №3

Составим окончательную таблицу, в которой отразим необходимые нам результаты для каждого испытуемого (в соответствии с приложением А).