Математическое моделирование ходьбы человека с голеностопным шарнирным ортезом

Abstract

Побудовано математичну модель ходьби людини з гомілковостопним шарнірним ортезом. З метою підсилення розвантажувального ефекту в конструкцію ортеза вмонтовано блок пружин. Для моделювання використовується система дев’яти твердих тіл (корпус людини, стегна, гомілки та дволанкові стопи), зв’язаних між собою циліндричними шарнірами. У ортезованому суглобі поряд із активними м'язовими зусиллями діють також пружні сили, що створюються пружинами. Досліджується задача оптимізації параметрів пружин за умови мінімізації максимального значення (на інтервалі подвійного кроку) моменту активних сил в ортезованому суглобі. Розроблено методику побудови наближеного розв’язку сформульованої задачі, що ґрунтується на процедурах параметризації узагальнених координат кубічними згладжувальними сплайнами, концепції обернених задач динаміки і чисельних методах нелінійного математичного програмування.

The mathematical model of the human gait with ankle join orthosis is built. The spring block is built-in into the orthosis design in order to increase unloading effect. The system of 9 rigid bodies (trunk and two four-link legs) joined by the cylindrical hinges is used for modeling. The active muscles forces and orthosis’s spring elastic forces are acting together in the orthotics joint. The elastic parameters stiffness optimization problem in order to minimize maximum value of the active forces torque (over double stride interval) in the orthotic hinge is investigated. The methodology of the approximate solution constructions based on the generalized coordinates parameterization by the set of cubic smoothing splines, the inverse dynamic approach and numerical methods of the nonlinear mathematical programming is developed.