نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

رویکرد نو در تحلیل دینامیک راه رفتن سه‌بعدی انسان در حضور کنترل کننده‌ی مد لغزشی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

حسین رستمی باروجی 1
عبدالرضا اوحدی 2
فرزاد توحیدخواه 3

1 دانشجوی دکتری، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 استاد، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 استاد، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

https://doi.org/10.22041/ijbme.2024.2018711.1877
چکیده
با وجود پیش‌رفت‌های گسترده در زمینه‌ی مطالعه‌ی بیومکانیک راه رفتن انسان، هنوز مدل راه رفتن مناسب با قابلیت شبیه‌سازی سیستم کنترل مغز انسان خصوصا در حالت سه‌بعدی ارائه نشده است. اهمیت موضوع زمانی بیش‌تر می‌شود که شبیه‌سازی راه رفتن انسان یکی از نیازمندی‌های اصلی طراحان تجهیزات بیومکانیکی نظیر اندام‌های مصنوعی، ربات‌های پوشیدنی و ربات‌های انسان‌نما است. با توجه به محدودیت‌ها و پیچیدگی‌ مطالعات پیشین، در این تحقیق یک مدل دینامیکی سه‌بعدی بر اساس کنترل کننده‌ی مد لغزشی (SMC) ارائه شده است که رفتار راه رفتن فرد سالم روی زمین را در مراحل مختلف حرکتی شبیه‌سازی می‌کند. در این پژوهش بررسی جامع و تحلیلی از پیامدهای انتخاب ترتیب دوران سه‌بعدی سیستم مختصات مفاصل صورت گرفته که با مدل دینامیک معکوس 11 درجه‌ی آزادی انجام شده است. بر اساس نتایج به دست آمده، کنترل کننده‌ی SMC با خطای حداقلی قادر به تولید راه رفتن سه‌بعدی انسان است. هم‌چنین در تحلیل راه رفتن سه‌بعدی (آنالیز گیت) این نتیجه حاصل شده است که توالی چرخش کاردان مناسب دینامیک پیچیده‌ی راه رفتن سه‌بعدی نیست و باید از ترتیب YXZ استفاده شود چرا که بدون این تغییر، سینماتیک مفاصل متحمل پرش‌های غیرفیزیکی و خطای محاسبات خواهد شد. از نتایج این تحقیق می‌توان در طراحی و شبیه‌سازی سیستم کنترلی ربات‌های انسان‌نما، ربات‌های پوشیدنی و پروتزهای فعال و غیرفعال استفاده کرد. 

کلیدواژه‌ها

گیت
راه رفتن
مدل‌سازی دینامیک
آنالیز سه‌بعدی
مد لغزشی
ترتیب دوران

موضوعات

عنوان مقاله English

A New Approach in Dynamic Analysis of Human 3D Gait in the Presence of Sliding Mode Controller

نویسندگان English

Hossein Rostami Barooji 1
Abdolreza Ohadi 2
Farzad Towhidkhah 3
1 Ph.D. Student, Department of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Professor, Department of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
3 Professor, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Despite the extensive progress in the field of biomechanics of human gait, a suitable gait model with the ability to simulate the control system of the human brain has not yet been presented, especially in 3D mode. The importance of the issue increases when the simulation of human walking is one of the main requirements of designers of biomechanical equipment such as artificial organs, wearable robots and humanoid robots. Regarding the constraints and complexities of previous studies, in this research, a forward dynamic 3D model of gait based on sliding mode controller (SMC) is presented, which simulates the walking behavior of healthy individual on the ground in different movement phases. One of the strengths of this research is the comprehensive and analytical review of 3D rotation consequences of the joints coordinate systems, which is done with 11 DOF inverse dynamic model. Based on the obtained results, the SMC controller is well able to produce stable 3D human gait. Also, in 3D gait analysis, the Cardan rotation sequence is not suitable and YXZ order should be used. This outcome is a very useful result for 3D motion generation for human like walking pattern. The results of this study can be used in the design of humanoid robots, active and passive prostheses. Also, the presented model can simulate the walking of an amputee with a prosthesis and the role of the controller in the path, which is very important and beneficial in terms of rehabilitation.

کلیدواژه‌ها English

Gait
Walking
Dynamic Modeling
3D Analysis
Sliding Mode
Rotation Sequence
  1. Ezati, M., Ghannadi, B., & McPhee, J. (2019). A review of simulation methods for human movement dynamics with emphasis on gait. Multibody System Dynamics, 47(3), 265-292. https://doi.org/10.1007/s11044-019-09685-1.
  2. Huang, Y., Wang, Q. N., Gao, Y., & Xie, G. M. (2012). Modeling and analysis of passive dynamic bipedal walking with segmented feet and compliant joints. Acta Mechanica Sinica, 28(5), 1457-1465. https://doi.org/10.1007/s10409-012-0079-6.
  3. Bazargan-Lari, Y., & Khoogar, A. R. (2020). A More Realistic Replica of a Walking Biped for Implying Dynamics and Control On Ascending and Descending Stairs by Considering Self-Impact Joint Constraint. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Mechanical Engineering, 44, 1029-1052. https://doi.org/10.1007/s40997-019-00302-2.
  4. Bazargan-Lari, Y., Eghtesad, M., Khoogar, A. R., & Mohammad-Zadeh, A. (2015). Tracking control of a planar five-link bipedal walking system with point contact, considering self-impact joint constraint by adaptive neural network method. Latin American Journal of Solids and Structures, 12, 1074-1101. https://doi.org/10.1590/1679-78251563.
  5. Shandiz, M. A., Farahmand, F., Osman, N. A. A., & Zohoor, H. (2013). A robotic model of transfemoral amputee locomotion for design optimization of knee controllers. International Journal of Advanced Robotic Systems, 10(3), 161. https://doi.org/10.5772%2F52855.
  6. Srivastava, M., Srivastava, M., Sagar, P., & Mamatha, T. G. (2021). Simulation of human gait for design of lower extremity exoskeletons–a review. Materials Today: Proceedings, 44, 4485-4491. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.10.723.
  7. Grabke, E. P., Masani, K., & Andrysek, J. (2019). Lower limb assistive device design optimization using musculoskeletal modeling: a review. Journal of Medical Devices, 13(4). https://doi.org/10.1115/1.4044739.
  8. de Oliveira, M. L. S., & Gonçalves, P. B. (2021). Predicting the dynamics of the human gait single support phase. The European Physical Journal Special Topics, 230, 3501-3508. doi.org/10.1140/epjs/s11734-021-00230-w.
  9. Geyer, H., & Herr, H. (2010). A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics produces human walking dynamics and muscle activities. IEEE Transactions on neural systems and rehabilitation engineering, 18(3), 263-273. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2010.2047592.
  10. Geyer, H., Seyfarth, A., & Blickhan, R. (2003). Positive force feedback in bouncing gaits? Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 270(1529), 2173-2183. https://doi.org/10.1098/rspb.2003.2454.
  11. Khadiv, M., Ezati, M., & Moosavian, S. A. A. (2019). A computationally efficient inverse dynamics solution based on virtual work principle for biped robots. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Mechanical Engineering, 43, 37-52. https://doi.org/10.1007/s40997-017-0138-5.
  12. Schiehlen, W. (2014). Human walking dynamics: modeling, identification and control. In MATEC Web of Conferences (Vol. 16, p. 05008). EDP Sciences. doi.org/10.1051/matecconf/20141605008.
  13. De Groote, F., & Falisse, A. (2021). Perspective on musculoskeletal modelling and predictive simulations of human movement to assess the neuromechanics of gait. Proceedings of the Royal Society B, 288(1946), 20202432. https://doi.org/10.1098/rspb.2020.2432.
  14. Winter, D. A. (2009). Biomechanics and motor control of human movement. John Wiley & Sons.
  15. Hatze, H. (1975). A new method for the simultaneous measurement of the moment of inertia, the damping coefficient and the location of the centre of mass of a body segmentin situ. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology, 34(1), 217-226. https://doi.org/10.1007/BF00999935.
  16. Yu, B., Gabriel, D., Noble, L., & An, K. N. (1999). Estimate of the optimum cutoff frequency for the Butterworth low-pass digital filter. Journal of Applied Biomechanics, 15(3), 318-329. DOI: https://doi.org/10.1123/jab.15.3.318.
  17. Sangeux, M. (2019). Biomechanics of the Hip During Gait. In: Alshryda, S., Howard, J., Huntley, J., Schoenecker, J. (eds) The Pediatric and Adolescent Hip. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-12003-0_3.
  18. Rostami Barooji, H., Ohadi, A., & Towhidkhah, F. (2023). Determination of sagittal plane kinetic and kinematic characteristics of human toe joint during level walking. International Journal of Dynamics and Control, 11(1), 66-77. https://doi.org/10.1007/s40435-022-00974-w.
  19. Vicon’s plug-in-gait marker placement. [Online]. Available: http://www.idmil.org/mocap/Plug-inGait+Marker+Placement.pdf
  20. Forczek, W., Ivanenko, Y., Salamaga, M., Sylos-Labini, F., Frączek, B., Masłoń, A., ... & Suder, A. (2020). Pelvic movements during walking throughout gestation-the relationship between morphology and kinematic parameters. Clinical biomechanics, 71, 146-151. doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2019.11.001
  21. Ginsberg, J. (2008). Engineering dynamics (Vol. 10). Cambridge University Press.
نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
دوره 17، شماره 2
تابستان 1402
صفحه 179-193

  • تاریخ دریافت 03 دی 1402
  • تاریخ بازنگری 25 دی 1402
  • تاریخ پذیرش 15 بهمن 1402

صفحه اصلی

تماس با ما