загрузка...

трусы женские
загрузка...
Реферати » Реферати з фізкультури і спорту » Імітаційне біомеханічне моделювання як метод вивчення рухових дій людини

Імітаційне біомеханічне моделювання як метод вивчення рухових дій людини

А.В. Воронов Московський міський педагогічний університет, Москва

Одним з поширених методів пізнання біологічних об'єктів є моделювання. Цей метод дозволяє, використовуючи основні закони фізики, механіки, математики, біології, фізіології та інших наук, пояснити функціональну структуру досліджуваного процесу, виявити його істотні зв'язки із зовнішніми об'єктами, внутрішню організацію, оцінити кількісні характеристики. Найбільш повно відображає гносеологічну суть моделі визначення В.А. Штофа [23]: "Під моделлю розуміється така подумки представлена ??або матеріально реалізована система, яка, відображаючи або відтворюючи об'єкт дослідження, здатна заміщати його так, що її вивчення дає нам нову інформацію про цей об'єкт". Пошук аналога оригіналу можливий на основі наступних типів моделей:

- детерміновані моделі - моделі, побудовані на системах алгебраїчних, регресійних і диференціальних рівнянь, рівнянь в приватних похідних;

- Статистичні моделі, що пророкують вірогідність різних подій.

Загальні підходи до моделювання рухів людини. Моделювання локомоций людини в спортивній біомеханіці, робототехніці, ергономіці, фізіології, реабілітаційної та космічної медицини ведеться за наступними напрямками:

- дослідження центральної і периферичної організації нормальних і патологічних рухових дій;

- Допомога в діагностиці та корекція порушень опорно-рухового апарату з подальшою реабілітацією;

- Оптимізація робочого місця оператора в системі людина-машина;

- Розробка раціональних варіантів рухових дій з метою досягнення запланованого спортивного результату.

Створення біомеханічних моделей грунтується на двох типах інформації: теоретичних знаннях про досліджуваному руховому дії і експериментальних даних, отриманих методами відеоаналізу, електроміографії, гоніометрії та ін.

Загальна теорія моделювання припускає можливість [33] побудови комплексної моделі, тобто включення в модель максимального числа параметрів. Подібна тенденція при створенні биомеханической моделі може привести до того, що така модель буде занадто важкою для розуміння.

Оскільки модель є спрощене (іноді вельми) відображення рухового дії, необхідно на початковій стадії моделювання визначити суттєві і несуттєві складові моделі, тобто вирішити, які параметри включати в модель, а якими нехтувати. Чим простіше модель, тим швидше її можна створити і тим менше ймовірність помилок при написанні формалізованої частини. Баланс між комплексністю моделі та її інформаційної значимістю залежить від цілей моделювання. Модель, що працює за системою "чорного ящика" і функціонуюча в реальному режимі часу, в деяких випадках набагато корисніше найдетальнішої моделі, що дає результати після багатогодинних розрахунків.

Кожна модель повинна задовольняти метрологічним правилам надійності та достовірності. Властивість "надійність" відображає здатність моделі давати подібну інформацію незалежно від того, хто цією моделлю користується. В "хороших" моделях можливість суб'єктивної підстроювання параметрів моделі під очікуваний результат відстежується програмною частиною і зводиться до мінімуму.

Достовірність моделі полягає в її здатності відбивати досліджуваний біомеханічний процес. Якщо теоретичні та експериментальні значення узгоджуються - модель достовірна. Однак не завжди можливо оцінити точність деяких параметрів моделі експериментальними методами. Наприклад, сили межзвенних реакцій не можна виміряти силовимірювальне датчиками без порушення цілісності рухового апарату людини. На допомогу приходять непрямі методи оцінки достовірності моделі. Для випадку межзвенних сил можна обмежитися вимірами реакцій опори за допомогою силовимірювальних платформ. Якщо модель дає реакції опори, близькі до величинам, зареєстрованим за допомогою силовимірювальних пристроїв, то з великою часткою ймовірності можна вважати, що така модель коректно оцінює і сили в суглобах.

Моделювання рухового апарату людини. Локомоторной апарат складається з трьох систем:

- скелета, що складається з кісток, суглобів і зв'язок, що забезпечують жорсткість тіла людини і протидія силі тяжкості;

- М'язової системи, що складається з м'язів і сухожиль, що виконують функцію рушіїв;

- Нервової системи, що забезпечує управління і м'язовим скороченням і контроль за ним.

Три системи анатомічно і функціонально об'єднані один з одним. М'язи з'єднані з кістковою системою в місцях кріплення сухожиль і апоневрозів до скелету. Нервова система пов'язана з м'язами допомогою мотонейронів і пропріоцепторів. Нервова система організує активацію і скорочення м'язів, рецептори м'язів через механізм зворотного зв'язку впливають на роботу мотонейронів. Довжина м'язів і, отже, стан рецепторного апарату визначаються геометричними розмірами скелета і кутами в суглобах.

У зв'язку з анатомічними особливостями будови тіла людини антропоморфна модель може бути представлена ??трьома видами моделей, анатомічна основа яких наступна: а) кістки і суглоби; б) м'язи, сухожилля, кістки, суглоби і зв'язки; в) нервова система, м'язи, кістки, суглоби і зв'язки.

Перш ніж моделювати таку складну систему, як тіло людини, необхідно визначити мету моделювання і виходячи з неї вибрати модель. Структура моделі припускає завдання числа ланок, тип суглобів, кількість і вид рушіїв. Якщо уявити повну модель тіла людини, що складається з кісток хребта і черепа, верхньої та нижньої кінцівок, то така модель буде складатися більш ніж з 80 твердих тіл (кісток) і мати 250 ступенів свободи [37]. Створити математичний алгоритм такої комплексної та "неозорої", в сенсі розмірності, завдання досить важко. В даний час з моделей тіла людини найбільш повними є: 16-17-звенні моделі з 40-44 ступенями свободи, розроблені [2, 30, 10, 11].

Залежно від цілей дослідження вибирають і вид моделі. Найбільш часто використовують 11-звенную плоску модель. Подібна модель з високою точністю описує такі локомоции, як ходьба, легкоатлетичний біг, біг на ковзанах [37, 41].

Дослідження локомоций людини за допомогою плоскої многозвенной моделі здійснюється як у вигляді прямої, так і у вигляді зворотного задач динаміки.

При вирішенні прямої задачі динаміки вводять початкову конфігурацію системи, а також вектор управління. Після чисельного інтегрування системи диференціальних рівнянь знаходять кінцеву конфігурацію системи і кінематичні і динамічні траєкторії [30, 31, 22, 13, 14, 16, 24]. Для того щоб при рішенні не були спотворені фізіологічні параметри, додають деякі обмеження на кінематику і динаміку моделі. Наприклад, при моделюванні м'язової системи додають залежності "сила-швидкість", "сила-довжина" [26, 39]. Для спрощення рішення системи диференціальних рівнянь досить часто лінеарізуют рівняння [22, 3]. При моделюванні, заснованому на інтегруванні диференціальних рівнянь, необхідно знайти відповідь на питання: "Якими мають бути початкові кінематичні і динамічні параметри, для того щоб механічна система перейшла з одного відомого положення в інше?"

При вирішенні оберненої задачі динаміки за відомою кінематиці знаходяться сили / моменти, що викликали цей рух. Особливу увагу при такому способі моделювання приділяється рівнянням. Вони повинні якомога точніше описувати досліджуваний біологічний процес з урахуванням фізичних, анатомічних і фізіологічних параметрів [19, 36]. Наприклад, при моделюванні бігу на ковзанах [6, 41] враховуються сили аеродинамічного опору сегментів тіла і сили тертя ковзанів об лід. Для оцінки навантаження на м'язову систему використовують рівняння "сила-час", "сила-швидкість", "сила-довжина", періоди електричної активності м'язів [30].

При вирішенні як прямий, так і зворотної задачі механіки припущення, що лежать в основі побудови моделі тіла людини, наступні:

- сегменти тіла людини (включаючи тулуб) абсолютно тверді ;

- Всі суглоби ідеальні;

- Довжини сегментів, положення центрів мас відомі;

- Визначені лінійна і кутова кінематика ланок тіла;

- Маси, тензор моментів інерції ланок тіла відомі;

- Сили реакції прикладені в центрах обертання в суглобах;

- Моменти управління є функціями сил межзвенних реакцій, кутів, кутових швидкостей;

- Сили опору зовнішнього середовища відомі.

Зупинимося дещо докладніше на деяких припущеннях, зроблених вище. Твердження про те, що всі сегменти тіла людини абсолютно тверді, цілком коректно для таких сегментів, як плече, передпліччя, стегно і гомілку. Для стопи припущення про абсолютну твердості є вимушеним [15]. Ідеальні циліндричні шарніри не відображають анатомії суглобів, однак зручні для математичного моделювання.

Припущення про наявність рушіїв в суглобах у вигляді м'язових моментів дозволяє уникнути необхідності включення в модель плечей тяги м'язів. Незважаючи на спірність багатьох припущень, застосовуваних при побудові антропоморфних моделей, ці моделі працюють і дають дослідникам необхідну інформацію про кінематиці і динаміці локомоций людини [2].

Моделі управління антропоморфного механізму. Після створення антропоморфної моделі необхідно вибрати систему управління ланками тіла. Найбільш простий вид управління являють приводи, що створюють моменти в шарнірах [31]. Кожен привід створює момент щодо осі обертання в суглобі. Схема управління приводами заснована на реципрокного гальмування антагоністів: момент створюють тільки м'язи-агоністи, момент антагоністів дорівнює нулю. Задача з приводним управлінням при відомих силах реакції опори завжди однозначно можна залагодити.

В тому випадку, якщо як рушіїв розглядаються м'язи, число невідомих багато більше ступенів свободи антропоморфного механізму. Так, управління верхньої конечністю з 7 узагальненими координатами в моделі [34] здійснюється 32 м'язами. Рухи в трьох суглобах нижньої кінцівки здійснюються як мінімум 9 м'язами [40, 17]. Для знаходження рішення в таких моделях, коли число невідомих більше числа рівнянь, необхідно створити алгоритм управління м'язами, відмінний від приводного. Оскільки координаційні механізми подолання м'язової надмірності ясні не до кінця, дослідники придумують схеми управління руховими діями на основі відомих математичних алгоритмів. Найбільш часто зустрічається математичним способом подолання м'язової надмірності є метод мінімізації цільової функції. В біомеханічних дослідженнях цільові функції найчастіше відображають наступні фізіологічні параметри: мінімуми метаболічної енергії, механічної роботи, сил тяги м'язів і т.п. Пропоновані критерії поверхнево відображають механізми управління ЦНС м'язами, однак для деяких типів локомоций принцип мінімуму цільової функції дає результати, близькі до експериментально виміряним силам тяги м'язів [27, 28, 31].

Механізми управління м'язової активністю і швидкісно-силовими характеристиками м'язів докладно досліджені в односуглобних рухах [32, 21] і локомоціях, скоєних переважно в одній площині, таких, як ходьба, вертикальна стійка,

Сторінки: 1 2 3 4
загрузка...

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар