Об одном способе моделирования несимметричной походки человека
НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова
В работе рассматривается задача математического моделирования походки человека в сагиттальной плоскости с учетом несимметрии нижних конечностей. Актуальность задачи связана с необходимостью построения расчетных моделей, пригодных для анализа движения человека с активным протезом коленного сустава и последующего синтеза управляющих воздействий.
В качестве исходной схемы используется плоская многозвенная модель, развивающая классическое представление человека в виде антропоморфного механизма. Базовая пятизвенная модель включает туловище, бедра и голени. Для более корректного описания контакта с опорной поверхностью модель расширяется за счет введения стоп как дополнительных звеньев. Такое расширение позволяет явно описывать не только одноопорную фазу движения, но и двухопорную фазу, в которой одна нога завершает отталкивание, а другая принимает нагрузку.
Особенность рассматриваемой постановки состоит в том, что модель предполагается несимметричной. Одна нижняя конечность описывает движение здоровой ноги, в то время как вторая содержит активный протез коленного сустава. В этом случае параметры звеньев, законы движения в суставах, ограничения на моменты и условия контакта с опорой могут различаться для правой и левой ноги. Такая постановка ближе к реальному движению человека с протезом, чем симметричная модель походки, и позволяет исследовать влияние протезируемого звена на кинематику и динамику всего механизма.
Отдельное внимание уделяется моделированию переходов между фазами движения. Переход от одноопорной фазы к двухопорной связан с постановкой переносимой ноги на опору, а переход от двухопорной фазы к следующей одноопорной фазе - с отрывом задней ноги. В рамках предложенной модели эти события задаются условиями контакта и геометрическими ограничениями на положение стоп. Такой подход позволяет рассматривать шаг как последовательность участков движения с различными системами связей.
Предлагаемая модель может быть использована как промежуточный этап между простой пятизвенной схемой и более сложной биомеханической моделью человека. Ее преимущество состоит в том, что она сохраняет сравнительно небольшое число степеней свободы, но при этом учитывает важные особенности реальной походки: наличие стоп, смену фаз опоры, несимметрию нижних конечностей и возможное активное управление в коленном суставе протезируемой ноги.
