Введение к работе
Актуальность темы. Исследование функционирования опорно-двигательного аппарата (ОЛА) человека и животных является одним из ключевых направлений развития современной биомеханики. Об этом свидетельствуют материалы отечественных (Нижішй Новгород 1995, 1996) и международных (Париж 1993, Амстердам 1994, Юваскела 1995, Лувейн 1996) конференций обществ биомехаников. Большое количество экспериментальных данных о кинематических характеристиках движения как ОДА в целом, так и отдельных его частей, как правило, сопровождается существенно меньшим количеством кинетических или динамических данных о конкретных движениях. Наряду с этим часто ставится вопрос об оценке распределения внутренних мышечных усилий, определяющих управление движением, и величины энергозатрат в исследуемом и прогнозируемых движениях.
Решения подобных задач требуют разработки гомологических моделей, детально отражающих структуру и форму сегментов ОЛА. При моделировании движений человека с позиций биомеханики в большинстве исследований используются антропоморфные модели (AM) ОЛА, подразумевающие структурное и функциональное соответствие систем тел, образующих AM, и основных сегментов ОДА. Для математического моделирования (ММ) движения AM наиболее часто используется аппарат аналитической механики, а именно — системы обыкновенных дифференциально - алгебраических уравнений движения, отражающие динамику AM. Популярность такого подхода заключается в естественности системы параметров ММ, соответствующих геометрическим и инерционным характеристикам сегментов ОЛА как системы твердых тел, соединенных шарнирами заданного класса подвижности. При таком подходе наиболее актуален вопрос об адекватном выборе этих параметров, а также структуре модели в предположении, что каждый сегмент ОДА имеет свою внутреннюю варьируемую структуру.
Проблема структурной и параметрической настройки AM становится замкнутой при наличии кинематических и дополнительных кинетических (например, действие внешних сил) измерений. В качестве критерия адекватности AM реальному ОЛА предлагается воспользоваться нормой разности одноименных измеряемых и вычисляемых по ММ величин. Исследование конкретных критериев адекватности и процесс выбора структуры и адекватных параметров AM представляется возможным только при наличии компьютерной модели, включающей, как базисный элемент, универсальную динамическую модель AM.
Решение задачи синтеза целенаправленных антропоморфных дві-жений, на которой осуществляется структурная и параметрическая настройка ММ, естественным образом позволяет прогнозировать энергосиловую картину при конструировании новых и оптимизации традиционных движений ОЛА. Структурное варьирование основных сегментов ОДА с учетом параметрического варьирования ил внутренних вязко-упругих свойств дают возможность определит! необходимые характеристики материалов для задач искусственного протезирования, а также учитывать анатомические формы суставных соединений, что позволяет непосредственно перейти к оцен ке направлений линий действия сил мышечного сокращения. Таки& образом, разработка и реализация принципов построения адекватных ММ для исследования движений ОДА человека, представляется актуальной проблемой современной биомеханики.
Цель работы состоит в создании математических моделей AM, адекватно описывающих широкий класс движений человека на осно ве методов аналитической динамики, вычислителыой математики и их компьютерной реализации. Основная концепция исследования заключается в разработке принципов построения адекватных компьютерных моделей опорно-двигательного аппарата, человека для оценки энерго-силовых характеристик реальных и прогнозируемых движений в естественных условиях, а также в системах человек-машина и при искусственном протезировании опорных и двигательных функций ОДА человека.
Научную новизну составляют следующие результаты работы, являющиеся предметом защиты.
1. Разработана и исследована универсальная литематическал
модель (ММ) антропоморфного механизма (AM), позволяющая в
рамках задач аналитической динамики осуществлять структурную
и параметрическую настройку по задаваемому критерию адекват
ности.
-
Предложен и исследован интегральный критерий адекватности AM, учитывающий норму разности между одноименными вычисляемыми и измеряемыми величинами при варьировании геометрических и кинематических параметров модели.
-
Предложен метод синтеза движений AM, основывающийся на решении смешанной задачи динамики систем тел с вестационарны-ми динамическими связями, обеспечивающими заданное поведение интегральных характеристик движения в сочетании с требуемой кинематикой.
-
Разработаны тестовые задачи, проведен анализ и адаптация вычислительных методов для решения плохо обусловленных систем дифференциально-алгебраических уравнений, описывающих
динамику разветвленных кинематических цепей с нестационарными неудерживающими связями. 11а конкретных примерах показана связь устойчивости вычислительных алгоритмов с обусловленностью ММ и разрядностью вычислительных платформ.
-
Разработан комплекс мобильных программ для решения основных задач анализа, синтеза, параметрической адаптации и оптимизации движений AM для широкого класса моделей и динамических режимов, включая вязко-упругие ударные взаимодействия. Для анализа результатов моделирования разработаны модули иллюстративной машинной графики, включая пространственную анимацию. Основные вычислительные модули адаптированы для PC и SUN SPARC STATION платформ.
-
Разработана технология синтеза широкого класса целенаправленных сложнокоординационных движений AM, обеспечивающая их реализацию за счет варьирования параметров вязко-упругих соединений и нестационарных кинематических и динамических уравнений связей, что позволяет оптимизировать кинематику движения AM, используя ее в качестве цели. Возможности метода иллюстрируются на примерах моделирования профессиональных и спортивных движений человека.
7. С помощью разработанной технологии исследовано движе
ние AM в экстремальных условиях. На конкретных примерах по
казано изменение структуры управления и величины энергозатрат
AM при варьировании силы тяжести и интенсивности выполняемых
движений.
-
На основе варьирования параметров вязко-упругих соединений структуры и формы основных сегментов ММ опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека проведена оценка распределения сосредоточенных сил и моментов внутри сегментов, что позволяет определить необходимые свойства и формы материалов для задач протезирования при динамических нагрузках.
-
Разработаны принципы расчета кинематики много суставных сухожилий с произвольной структурой взаимосвязей для задач синтеза динамики кинематических цепей с учетом анатомических форм суставных соединений. Результаты применения метода иллюстрируются на задачах определения скоростей сокращения основных мышц для целенаправленных движений руки и оценки положений точек крепления спиральных сухожилий пальцев руки при редуцировании пространственной модели.
Практическая ценность работы состоит в разработке универсальной математической модели и ее компьютерной реализации, позволяющей сформулировать принципы построения адекватных антропоморфных моделей движения ОДА человека. Результаты ис-
следований используются при анализе, синтезе и оптимизации тра диционных профессиональных и спортивных движений человека (СПбГТУ), оценке управления движением в экстремальных уело виях (ЦНИИ РТК, С.-Петербург), при изучении рекуперационны: свойств вкладышей протезов нижних конечностей (ННИИП, Моек ва), при построении анатомических моделей кисти руки для зaдa^ восстановительной микрохирургии (Limburg University Centre, Бель гия).
Достоверность результатов обеспечивается применением тра дидионного аппарата механо-математического моделирования, устойчивостью результатов расчетов к применению различных мето дов численного анализа, в частности, широкого спектра численны! методов интегрирования систем неявных обыкновенных дифференциально - алгебраических уравнений движения, согласованностьк результатов расчетов с экспериментальными данными и аналогичными результатами других исследователей.
Апробация работы. Научные результаты и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались не Российских и международных конференциях по проблемам биомеханики:
" 14-й конгресс международной ассоциации биомехаников" (Париж Франция, 1993), "II Всероссийская конференция по биомеханике'" (Н.Новгород, 1994), "Второй всемирный конгресс биомехаников'' (Амстердам, Нидерланды, 1994), международная конференция" Со временные достижения спортивной науки" (С-Петербург, 1994) "15-й конгресс международной ассоциации биомехаников" (Ювас-кела, Финляндия, 1995), б-я международная научно-практическая конференция " Робототехника для экстремальных условий" (С-Пе-тербург, 1995), международная выставка-конференция "Биомехан-ика-96" (Н. Новгород, 1996), "10-я конференция европейской ассоциации биомехаников" (Лувейн, Бельгия, 1996). На семинарах ННИИП (Москва, 1994), ЦНИИ РТК (С-Петербург, 1994, 1995): департамента спорта Манчестерского Метрополитан университета (Манчестер, Англия, 1995), департамента базисных медицинскш наук Лимбургского Университета (Дипенбек, Бельгия, 1995,1996). кафедр "Прикладная математика" и "Биомеханика и валеология" СПбГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 67 научных трудов, включая 2 монографии и 2 учебных пособия. Список основных публикаций приводится в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Диссертация изложена на 307 страницах текста в формате TgX и включает 7 таблиц, 158
рисунков и графиков. Список литературы содержи- 192 наименования.
