Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Исследования, посвященные проблемам двуногой ходьбы, в настоящее время ведутся во всех промышленно развитых странах. В основном они касаются биомеханики движений человека и механики роботов. На данный момент накопилось большое количество разработок в этой области по разным направлениям. Диссертация посвящена исследованию, гак называемой, пассивной двуногой ходьбы - сравнительно нового направления в исследовании двуногой ходьбы. Пассивный подход позволяет создавать и исследовать простые механико-математические модели двуногой ходьбы, которые в своих движениях близки к движениям человека. Использование данных моделей может найти долгосрочные приложения в робототехнике и медицине, в частности, в ортопедии. Так имеет место корреляция между моделями пассивных походок и некоторыми случаями патологических походок, возникающих вследствие причин механического, а не неврологического характера.
Пассивные модели, как показывают исследования, весьма эффективны с энергетической точки зрения, так как распределение масс в протезе оказывает значительное влияние на потребление кислорода человеком и на его походку, использование пассивных моделей может способствовать разработке более эргономичных протезов.
Связь работы с крупными научными программами, темами
Работа проводилась в рамках темы "Моделирование ударно - вибрационных процессов трехзвенных упругих систем", финансируемой министерством образования РБ номер госрегистрации 9&-9Q
Цели и задачи исследования
Целью данного исследования было моделирование процесса пассивной двуногой ходьбы, и сопутствующих ему нагрузок, проведение исследований на устойчивость, возникновение хаотических режимов движения. Моделирование процессов ходьбы с учетом упругости звеньев и накопления повреждений.
В ходе исследования решались следующие задачи:
Построение математической модели циркульной двуногой ходьбы при соответствующих условиях контакта с опорной поверхностью.
Исследование устойчивости походки при двуногой ходьбе и исследование асимптотической устойчивости.
Исследование влияния изменения параметров системы на характеристики походки.
Математическое моделирование двуногой ходьбы с учетом сгибания звеньев в коленных шарнирах.
Исследование устойчивости двуногой ходьбы с учетом сгибания звеньев в коленных шарнирах, исследование асимптотической устойчивости.
Моделирование упругого деформирования звеньев при ходьбе и моделирование процессов накопления повреждений э звеньях.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования в данной работе является процесс двуногой ходьбы вниз по наклонной плоскости без учета и с учетом упругости звеньев и накопления повреждений.
Гипотеза
Двуногий механизм, спроектированный должным образом, может идти вниз по наклонной плоскости устойчивой походкой без наличия какой либо управляющей системы и подвода энергии. При определенных параметрах механизма его движение может быть асимптотически устойчивым. Движения данного механизма близки к движениям человека во время ходьбы с нормальной скоростью.
Методология и методы проведенного исследования
При моделировании двуногой ходьбы движение рассматривается как последовательность шагов. Каждый шаг делится на несколько стадий. В случае циркульной модели походки это две стадии переноса и смены ног. Стадия переноса описывается системой из двух нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, получаемых с помощью метода уравнений Лагранжа 11-го рода. Стадия смены ног для упрощения модели считается мгновенной и описывается системой алгебраических уравнений, получаемых исходя из закона сохранения кинетического момента. В связи со значительной сложностью уравнений, были получены и исследованы аналитические решения линеаризованных дифференциальных уравнений. Полные дифференциальные уравнения исследованы численными методами. В случае модели с коленными суставами шаг делится на четыре стадии, уравнения которых получаются аналогичными методами. Походка считается устойчивой в том случае, когда параметры, описывающие систему в начале шага и в конце, име-
ют одни и те же значения.
Научная новизна и значимость полученных результатов
В ходе исследования развиты перспективные существующие подходы к моделированию двуногой пассивной ходьбы. Впервые получены уравнения модели с циркульной походкой , учитывающие не только массу ног модели, но также их моменты инерции, что важно для более точного моделирования реальных физических процессов. Для модели с коленными шарнирами впервые были получены полные дифференциальные уравнения движения, учитывающие не только параметры непосредственно двигательного аппарата, но и массу корпуса им поддерживаемого, что способствует более точному моделированию реальных объектов. Для более реального моделирования процессов, имеющих место при ходьбе, рассмотрены вопросы учета упругости звеньев, накопления повреждений.
Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов.
Полученные в работе результаты могут быть использованы:
1. При проектировании мобильных роботов.
Модели, представленные в данной работе либо аналогичные им, могут быть использованы для получения оптимальньрс стратегий управления ходьбой. Как показывают исследования, двуногий механизм, осно-вапный на пассивной модели, может идти по горизонтальной поверхности, либо в гору при наличии очень простой системы управления и привода, при этом обеспечивается высокая устойчивость, в то время как при обычном подходе приходится использовать сложнейшие и весьма дорогостоящие приводы и вычислительные средства. Кроме того, в связи с высокой энергетической эффективностью пассивных моделей они могут быть использованы для определения наилучшего распределения масс в шагающих механизмах.
2.При проектировании более удобных и эргономичных протезов.
Используя пассивные модели двуногой ходьбы можно определить, при каком распределении масс в протезе ходьба человека получится наиболее устойчивой, и в каком случае она будет требовать наименьших усилий, при этом возможно, что в некоторых случаях путем подбора соответствующих характеристик протеза удастся исключить необходимость в костылях. Кроме того, как и в случае с мобильными роботами
при использовании моделей близких к приведенным в работе, появляется возможность проектирования более простых и дешевых протезов, оснащенных приводами и системами управления.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
На защиту выносятся две математические модели двуногой ходьбы, для которых получены уравнения движения, сформулированы условия смены ног, проведены исследования на устойчивость, получены условия стохастизации походки и перехода к хаотическому движению, развиты подходы к учету упругости звеньев и накоплению повреждений при ходьбе.
Личный вклад соискателя
Все основные положения диссертации получены лично соискателем.
Апробация результатов диссертации
По результатам диссертационных исследований были сделаны доклады на конференциях:
"Вычислительные методы и производство: реальность проблемы перспективы "Гомель 1998
Международной 53-й научно технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов БГПА Минск 1999
Mechanica 99 , Kaunas, 1999
Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте. Санкт-Петербург, 1999
Механика - 99. Минск 1999
Опубликованность результатов
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем диссертации
Д иссертация состоит из введения, общей характеристики работы, трех глав, заключения и списка использованных источников. Общтй объем работы - 85 страниц машинописного текста, в том числе объем занимаемый иллюстрациями - 12 страниц. Количество использованных источников включает 80 наименований.
