CC BY
11
УДК 621.3.087.4
ЧИЧИКАЛО НИ., д.т.н. (ГВУЗ «ДонНТУ»); НЕСТРУГИНА ЕС., аспирант (ГВУЗ «ДонНТУ»).
Моделирование процесса отклонений формы объекта от вертикального положения путем виртуального проектирования
Актуальность проблемы
Применение информационных технологий в современной жизни стало незаменимым. Современное развитие передовых технологий характеризуется активным внедрением новых решений. Огромное количество отраслей науки и техники используют пакеты прикладных программ для ускорения решения исследовательских и проектных задач. С появлением инженерных комплексов типа Lab VIEW, способных решать не только математические задачи, но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается новая эра в создании приборов и систем 100-процентной сходимости с реальными устройствами. Компьютерное трёхмерное моделирование, анимация позволяют человеку освободить творческую мысль от физических усилий. Вместе с тем, решение задач немыслимо без наличия инженерных знаний и интуиции. Одной из задач является оснащение лечебных учреждений диагностической аппаратурой, в том числе для реабилитации пострадавших от травматизма. В связи с этим задача является актуальной [1].
Анализ известных решений
Известны устройства для определения пространственной ориентации объектов, предназначенные для объективного высокоточного измерения перемещений контролируемых объектов и элементов конструкций от исходного положения, передачи данных для последующей обработки, хранения, и отображения [1-3].
Результаты контроля и оценки текущего состояния объектов являются основой для принятия решения о возможности дальнейших мероприятий. В реальности же конкретное воплощение решаемой задачи является сугубо индивидуальным.
В настоящее время контроль пространственной ориентации объектов ведется во многих отраслях науки и техники: в машиностроении и приборостроении - для контроля их пространственного положения, для точного позиционирования рабочих органов измерительной аппаратуры и станков; в медицине - для определения эффективности лекарственных препаратов и мероприятий в процессе реабилитации человека после травматизма. Если информация об этих процессах получена своевременно, то они могут быть учтены, а возможные негативные последствия сведены к минимуму [1-3].
При проектировании необходимо разработать прибор ортогонального контроля основных элементов, определяющих безопасную форму объекта, позволяющий отслеживать любые отклонения в реальном времени.
Постановка задачи
Вышесказанное позволяет сделать заключение о целесообразности использования технологии виртуального проектирования в качестве предварительной разработки информационно-измерительной системы (ИИС) контроля уровня отклонений формы позвоночника человека относительно вертикальной оси.
Цель разработки
Смоделировать виртуальный прибор (ВП) слежения за отклонениями позвоночника человека от нормы, для чего рассмотрим возможность построения профильной проекции по двум другим проекциям точек, полученным с помощью датчиков расстояния с применением пакета ЬаЬУТБ1^
Изложение основного материала
Как частный случай применения ИИС слежения за отклонениями параметров объекта от нормы, предлагается способ контроля отклонений позвоночника человека от нормы. Для контроля состояния позвоночника необходимо собирать представительные данные о состоянии позвоночника в пространстве в реальном времени. Способ основан на исследовании двигательной симптоматики. Для оценки двигательной симптоматики предлагается на теле человека установить три ортогональных датчика расстояния: первый - в местах шейного 5-го позвонка, второй -на уровне солнечного сплетения со стороны спины на уровне 15-го позвонка и третий - на поясе со стороны спины на уровне 20-го позвонка. С помощью этих датчиков измеряют положение позвоночника относительно осей х, у, ъ, чем обеспечивают ортогональный контроль отклонений позвоночника от вертикального положения. Кроме того, все измерительные элементы снабжают передающими устройствами, которые передают информацию расположенным извне приемникам об изменении положения датчиков относительно осей х, у, ъ, а затем в вычислительное устройство, чем обеспечивают визуализацию для анализа и принятия решений.
Из основ теории начертательной геометрии [4-5] известно, что сложные объекты содержат не две, а большее число изображений - проекций. Рассмотрим введение в систему П1, П2 еще одной
плоскости проекций, перпендикулярной П1 и П2:
П1-горизонтальная плоскость проекций;
П2 - фронтальная плоскость проекций;
П3 - профильная плоскость проекций; Математическую модель построения изображений запишем следующим образом:
х = П1 П П2; у = П1 П П3; 2 = П2 П П3;
О = х П у П 2. (1)
Опустим перпендикуляр на плоскость П3 из точки А и получим:
А3 - профильную проекцию точки А (рисунок 1).
Рисунок 1. - Геометрическая интерпретация методики построения изображений
Для получения трехкоординатного изображения точки надо повернуть плоскость П1 вокруг оси х и плоскость П3 вокруг оси ъ до совмещения их с плоскостью П2 (рисунок 2).
Отсюда очевидно:
1. Каждая точка пространства характеризуется тремя координатами: А(х, у, ъ).
2. Каждая проекция точки на плоскости задаётся двумя координатами: А1 (х, у); А2 (х, ъ); А3 (у, ъ).
3. Две проекции точки однозначно определяют ее положение в пространстве.
Таким образом, задаём точку на фронтальной и горизонтальных проекциях координатами: А1 (х, у); А2 (х, ъ) (рисунок 3).
Рисунок 2. - Получение трех координатного изображения точки
X и У и выдаём их на график горизонтальной проекции (рисунок 4).
Датчики 1 и 2 Координата XI
I
У
Координата VI
у
Координата II
Датчики 3 и 4 Координата Х2
У
Координата У2 Координата Z2
Датчики 5 и о Координата ХЗ
Координата УЗ
2
Координата Z3
Для построения горизонтальной проекции точек используем координаты по осям х (выступает в роли оси абсцисс) и у (выступает в роли оси ординат). Введённые значения, группируем в массивы
Рисунок 3. - Панель ВП, имитирующая поступление информации от ортогональных датчиков расстояния
Рисунок 4. - Схема построения горизонтальной проекции в блоке диаграмм LabVIEW
Ниже приведена схема отображения горизонтальной проекции точек на передней панели в LabVIEW, соответствующую исходному состоянию позвоночника (рисунок 5).
Для удобства восприятия, рядом с графиком размещаем числовые значения координат точек на горизонтальной проекции (рисунок 6).
Аналогичным образом строим остальные две проекции. Для построения фронтальной проекции точек используем координаты по осям х (выступает в роли оси абсцисс) и ъ (выступает в роли оси ординат). Для построения фронтальной проекции точек используем координаты по осям у (ось абсцисс) и ъ (ось ординат) (рисунок 7, рисунок 8) [6-8].
Рисунок 5. - Горизонтальная проекция на передней панели
Датчик 1 Датчик 3 Датчик 5
Координата X 1 Координата Х2 Координата ХЗ
| 4
Координата ? 1 Координата 7.2 Координата 13
3 2
Рисунок 6. - Выбор числовых значений координат точек на горизонтальной проекции
Рисунок 7. - Схема построения 3-х проекций в блоке диаграмм LabVIEW
Фронтальная проекция График 1 Профильная проекция График 3
0 123456789 10 Координаты X 2 ■■ 0 11111111111111111111111Ш1НЯ111П1 1111111111111111111111111111№Н111 23456789 10 Координаты V
Горизонтальная проекция График 2
0123456789 10 Координаты X
Рисунок 8. - Изображение 3-х проекций на передней панели LabVIEW
Как видно из рисунка 8, профильная проекция отображает форму позвоночника в случае отклонения формы исследуемого объекта от исходной. Для обеспечения ортогональности отображаемого по-
ложения объекта необходимо в LabVIEW построить полную схему виртуального прибора ИИС контроля состояния позвоночника человека в процессе реабилитации после травматизма (рисунок 9).
Рисунок 9. - Обобщенная схема виртуального прибора ИИС
Рассмотрим несколько фрагментов, моделирующих различные упрощенные варианты отображения поведения формы позвоночника (рисунок 10 - рисунок 13).
Путем набора различных последовательностей исходной и текущей информации можно получить контурный график формы позвоночника в зависимости от уровня отклонений его от исходного состояния.
В реальной системе текущая информация будет пополняться от датчиков ортогонального положения, подключенных через стандартный интерфейс к программе Lab VIEW с последующей обработкой и аппроксимацией формы позвоночника.
Рисунок 10. - Фрагмент отображения исходного состояния
позвоночника
Датчик 1 Датчик 3 Датчик 5 Координата XI Координата Х2 Координата ХЗ Координата ¥1 Координата Y2 Координата Y3
4 4 4 И 5 4
Координата Z1 Координата Z2 Координата Z3 Координата Z1 Координата Z2 Координата Z3
Is I6 4 .И |б 4
Фронтальная проекция График 1 АД Профильная проекция 'рафик 3
0 1 2 3 4 5 Координс 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 Координаты Y 7 8 9 10
Горизонтальная проекция График 2 ^Д
0 1 2 3 4 5 6 7 В 9 10 Координата Y1 Датчик 4 Координата Х2 Координата Y2 Датчик 6 Координата ХЗ 4 Координата Y3
Координ атыХ 4 I5 4
Рисунок 11. - Фрагмент отображения возможного варианта текущего состояния позвоночника
Рисунок 12. - Фрагмент отображения возможного варианта текущего состояния позвоночника
Датчик 1 Датчик 3 Датчик 5
Координата XI Координата Х2 Координата ХЗ КоординатаУ! Координата У2 Координата УЗ
4 4 4 1 3 4
Координата 11 Координата 22 Координата 23 КоординатаИ Координата Координата гз
6 6 4 8 6 4
Фронтальная проекция График 1 Профильная проекция График 3 Щ 9
^ ::::::::::::::::::: 1031 6-
=1 о 42-о-
0 12 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 0 9 10
Координаты X Координаты У
Горизонтальная проекция График 2
Датчик 2 Датчик 4 Датчик 6
Координата XI Координата Х2 Координата ХЗ
Г
0 12 3 4 5 6 7 8 9 10 КоординатаУ! КоординатаУ2 Координата УЗ
Координаты X 1 3 4
Рисунок 13. - Фрагмент отображения возможного варианта состояния позвоночника, близкого к критическому
Выводы
Новизна.
1. Впервые разработана структура и виртуальная модель ИИС контроля состояния позвоночника человека в процессе реабилитации после травматизма.
2. Методами виртуального проектирования в инженерном комплексе LabVIEW показана эффективность предложенного способа.
3. Определены дальнейшие направления доводки ИИС до рабочего варианта, при котором может быть достигнута 100-процентная сходимость виртуальной и реальной модели.
Практическое применение
1. Разработанная в прикладном пакете LabVIEW модель позволяет с помощью фронтальной и горизонтальной проекций определять профильную проекцию любого исследуемого объекта.
2. Предложенная разработка может быть рекомендована медицинским учреждениям , в том числе железнодорожного транспорта, для целей определения эффе-кивности лечебных мероприятий
Список литературы.
1.Актуальное моделирование, визуализация и анимация. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 456 с.,
2. В.К. Батоврин, А.С. Бессонов, В.В. Мошкин, В.Ф. Папуловский. LabVlEW: практикум по основам измерительных технологий: Учебное пособие для вузов. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 208 с.
3. Материалы 61-й открытой студенческой научно-технической конференции СНТК МАМИ 2011. Московский государственный технический университет МАМИ. 08-20 апреля 2011 года.
4. Е. М. Кирин, М. Н. Краснов. Теоретические основы решения задач по начертательной геометрии: учеб. пособие. Пенза: изд-во Пенз. гос. ун-та. 2007.- 148 с.
5. И.В. Бизин. Автоматизация исследования методов восстановления изображения сечения по проекциям. Орел: ОрелГТУ. 2008.- 16 с.
6. 3DS MAX 8 для «чайников». Пер. с анг. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2006, - 368 с., ил. Парал. тит англ.
7. 3DS MAX 6.0 Windows: Пер. с англ. - М.: ДМК Пресс 2004. - 624 с.
8. 3DS MAX 6.0: Практический курс.: 2004. - 384 с. - Серия книг «Ваш персональный компьютер».
Аннотации:
Ключовi слова: вiртуальна модель, датчики ортогонального положення, шформацшно-вимiрювальна система контролю.
У статл надано приклад дослвдження рь вня вщхилень форми об'екту вщносно вертикально! ос за допомогою вiртуальноl моделi шляхом використання шформацп ввд ортогональних датчишв вщсташ.
Ключевые слова: виртуальная модель, датчики ортогонального положения, информационно-измерительная система контроля.
В статье дан пример исследования уровня отклонений формы объекта относительно вертикальной оси с помощью виртуальной модели путем использования информации от ортогональных датчиков расстояния.
Keywords: virtual model, ortogonal position sensors, informative-measuring checking system .
The example of research of object form rejections of vertical axis level by a virtual model using the information from the ortogonal distance sensors is given in the article.
