Моделирование динамики многозвенного антропоморфного механизма

• Автор: Борисов, Андрей Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 147 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1 УРАВНЕНИЯ ДИНАМИКИ МНОГОЗВЕННЫХ СИСТЕМ С ДЕФОРМИРУЕМЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СТРУКТУРЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНУТРЕННИХ УСИЛИЙ.

1.1. Аналоги моделей механических систем в современной литературе

1.2. Составление уравнений движения произвольной многозвенной динамической системы с деформируемыми элементами структуры
1.3. Модель и уравнения движения стержневой биомеханической системы с деформируемыми элементами структуры.
1.4. Составление уравнений движения многозвенной биомеханической системы на основе общих теорем
1.5. Методы исследования движения стержневой биомеханической модели человека. Метод декомпозиции
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ С УЧЕТОМ ДЕФОРМАЦИЙ
ЗВЕНЬЕВ.

2.1. Методика съемки кинограмм

2.2. Определение длин конечностей.
2.3. Определение масс и моментов инерции звеньев человека.
2.4. Методика пиктографического моделирования.
2.5. Интерполяция данных кинограмм и определение угловых перемещений, скоростей, ускорений.
ф 2.6. Определение реакций звеньев человека.
2.7. Определение моментов.
ГЛАВА 3 РЕШЕНИЕ ПРЯМОЙ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ И АНИМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХОДЬБЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
3.1. Моделирование устойчивости звеньев человека при осевых нагрузках
3.2. Моделирование устойчивости составных звеньев биомеханической системы
3.3. Определение деформаций в звеньях биомеханической системы при ходьбе.
3.4. Оценка напряжений в звеньях при моделировании ходьбы человека
3.5. Энергия упругой деформации звеньев механической системы при движении1
3.6. Решение системы дифференциальных уравнений движения стержневой механической системы с заданными моментами и сравнение модели с исходным движением человека.
3.7. Обсуждение результатов моделирования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


В последние десятилетия предпринимаются попытки создания стержневых механизмов (роботов) и возникают проблемы с описанием походки, приближенной к реальным движениям человека. Все еще не решен вопрос о том, насколько хорошо стержневая модель может описать динамику человека, ткани которого обладают в общем случае вязкоупругими свойствами. Существует проблема управления двуногими антропоморфными аппаратами, приближенными к движениям и походке человека. Накапливается разнообразная информация о выяснении возможностей построения механических систем на основе информации о биологических системах. Предлагаемая работа находится в русле подобных разработок и обеспечивает получение качественно новой информации о движении механических систем с деформируемыми элементами структуры на основе движений человека. Так как стержневая механическая система с деформируемыми элементами структуры имеет большое количество степеней свободы, то расчеты подобных систем сложны, громоздки и требуют большого количества вычислений. Анимационное моделирование, применяемое в диссертации, позволяет проводить эксперименты, не создавая натурные модели. В практике это можно использовать в медицине - при создании протезов, экзоскелетонов; в спорте — для расчета оптимальных движений спортсменов и достижения ими максимальных результатов; в космонавтике — для разработки скафандров; в технике — для создания устройств, перемещающихся с помощью конечностей; в военных целях - для работы в опасных условиях. Прежде чем получить работающий антропоморфный механизм надо создать его математическую модель, исследовать ее численно, определить оптимальные параметры механизма и возможные режимы движения. Цель исследования - создать динамическую модель многозвенной стержневой механической системы с деформируемыми элементами структуры в случае плоского движения; в расчете движений модели и ее дальнейшей анимации и пиктографической визуализации; решении прямой и обратной задачи динамики движения антропоморфных механизмов в плоском случае, применительно к задачам ходьбы. Предметом исследования являются методы моделирования механической системы с деформируемыми элементами структуры. Гипотеза заключается в проверке возможности использования данных о биомеханических системах в антропоморфных механизмах. В результате проведенного исследования гипотеза подтвердилась. Методология и методы проведенного исследования. Для достижения вышеуказанных целей использовались методы механики деформируемого твердого тела, теоретической механики, теории обыкновенных дифференциальных уравнений; экспериментальные методы создания пиктограмм и математические методы их анализа, а также анатомические данные о человеке применительно к задачам биомеханики. Практическая значимость полученных результатов: на базе проведенного исследования возможно создание протезов в медицине, учитывающих индивидуальные особенности человека и максимально приближенных по своим свойствам к реальным конечностям, создание скафандров, антропоморфных роботов различного назначения. Результаты исследования внедрены в виде методик в учебный и тренировочный процессы в Смоленском государственном институте физической культуры и спортивных заведениях Смоленской области (копии актов внедрения см. Личный вклад соискателя. Основные положения диссертации получены автором самостоятельно. Некоторые публикации осуществлены в соавторстве. Апробация результатов диссертации. Основные положения, выводы и результаты исследования докладывались и обсуждались на конференции "Биомеханика. Морфология. Морфобиомеханические и соматодиагностические особенности адаптивной физической культуры (Смоленск, ), заседаниях семинара кафедры теоретической механики БНТУ (Минск, , ) и др. Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано научных работ, среди которых 7 статей в научных журналах (из них 3 депонированы), статей в сборниках и материалах конференций. Общий объем опубликованных материалов составляет около 0 страниц. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем диссертации составляет 0 страниц. Список литературы содержит 8 наименований.