Имитационное моделирование динамики алгоритма управления биомеханического тренажера | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Медицина

Опубликовано в Молодой учёный №5 (28) май 2011 г.

Статья просмотрена: 50 раз

Библиографическое описание:

Егоров С. А. Имитационное моделирование динамики алгоритма управления биомеханического тренажера // Молодой ученый. — 2011. — №5. Т.2. — С. 181-184. — URL https://moluch.ru/archive/28/3152/ (дата обращения: 17.07.2018).

Действие алгоритма основано на учете величины момента сопротивления. Привод совершает разгибательное движение в суставе до тех пор, пока сопротивление не достигнет порогового значения Мкр. В этом случае привод переключается на осциллирующий режим, заставляя сустав совершать быстрые колебательные движения малой амплитуды. Такой режим способствует расслаблению сгибательных мышц и снижению болевых ощущений. Осциллирующий режим функционирует некоторый период времени (от нескольких секунд до нескольких минут), задаваемый программно, после чего привод возвращается в исходное положение, заставляя сустав сгибаться и давая возможность для восстановления локального кровообращения и релаксации разгибателей. Затем цикл повторяется вновь.
В приводе реализован алгоритм управления движением шарнирно-рычажной системы тренажера для разработки контрактур с уменьшением болевых ощущений.
Схема работы алгоритма в течение одного цикла разработки показана на рис. 1.
Алгоритм работает следующим образом. Под действием номинального напряжения U = U0 привод совершает разгибание сустава (прямой ход) до тех пор, пока сопротивление не достигнет критического значения Мкр. Этот момент фиксируется датчиком тока, т.к. потребляемый ток прямо пропорционален преодолеваемой нагрузки:
, (1)
где сМ – отношение статического синхронизирующего момента двигателя к пусковому току фазы.
При достижении М2 = Мкр происходит переключение на режим осцилляции. Привод под действием управления U = U1 начинает отрабатывать движение в обратном направлении (сгибание сустава) в течение заданного полупериода осцилляции Тосц. Амплитуда управляющего напряжения U1 определяется из условия прохождения заданного угла разгибания α за полупериод:
. (2)
При окончании полупериода в момент времени τ = Тосц происходит переключение управления на прямой ход U = U1, заставляя сустав разгибаться. Разгибание продолжается до тех пор, пока вновь не наступит событие М2 = Мкр, после чего совершается второй цикл осцилляции.
В течение каждого колебания в фазу осцилляции счетчик циклов n регистрирует количество совершенных осцилляций. При совершении заданного числа N осцилляций фаза осцилляции заканчивается и привод под действием управляющего напряжения U = U1 возвращается в исходное положение и цикл разработки заканчивается.
Для работы алгоритма необходимо задать следующие параметры:
Мкр – пороговое значение момента сопротивления, характеризующего наступление контрактуры, Н∙м;
М – число циклов разработки в течение сеанса разработки;
N – число осцилляций в течение цикла разработки;
Тосц – полупериод осцилляции, с;
α – амплитуда осцилляции, град.

Рис. 1. Схема работы алгоритма в течение одного цикла разработки

Остальные параметры (характеристики двигателя: ωХХ, МП, Jрот, U0; редуктора: u, η, J1, J2; предельный угол разгибания в суставе φпр) фиксированы и зашиты в ПЗУ микропроцессора. Их можно также перепрограммировать, например, при перенастройке тренажера на другой сустав, замене двигателя или редуктора, но в отличие от перечисленных выше параметров управления они недоступны через пульт пользователя.
Для проверки работоспособности предложенного алгоритма проведен комплекс исследований по имитационному моделированию динамики тренажера.
Заметим, что для работы алгоритма не важен точный вид зависимости (6) и тем более значение показателя контрактуры (который существенно привязан к предложенной модели). Но для имитационной модели необходимо формализованное описание зависимости усилия сопротивления разгибанию от угла разгибания, причем с учетом положительной динамики в процессе разработки.
На рис. 2–6 представлены результаты имитационного моделирования: показаны диаграммы изменения угла и угловой скорости разгибания, управляющего напряжения, момента сопротивления и показателя контрактуры за цикл разработки. Для наглядности предложен идеализированный случай, когда каждая осцилляция эффективна – после каждой осцилляции показатель степени 1/k в выражении (6) увеличивается на единицу. Режим осцилляции – Тосц = 0,1 с, α = 20º. Подвижность в суставе до начала разработки составляла 56,1º, в конце цикла разработки – 80,1º. Можно видеть, что обратный ход начинается в момент, когда М2 = Мкр.
Прямой ход в течение каждой осцилляции совершается за большее время, чем обратный. Это связано с тем, что во время прямого хода приводу приходится преодолевать сопротивление, тогда как в течение обратного хода нагрузка помогает тренажеру сгибать сустав.
Основным результатом проведенного моделирования является проверка работоспособности алгоритма. Построенная на диаграммах реализация подтверждает, что алгоритм обеспечивает требуемый режим осцилляции.

Рис. 2. Диаграмма изменения угла разгибания за цикл разработки

Рис. 3. Диаграмма изменения угловой скорости разгибания за цикл разработки
Рис. 4. Диаграмма изменения управляющего напряжения за цикл разработки
Рис. 5. Диаграмма изменения момента сопротивления за цикл разработки
Рис. 6. Диаграмма изменения показателя контрактуры за цикл разработки


Основные термины (генерируются автоматически): цикл разработки, прямой ход, управляющее напряжение, сустав, привод, исходное положение, обратный ход, угловая скорость разгибания, диаграмма изменения, работа алгоритма.


Похожие статьи

Программно-аппаратный комплекс для измерения угловой...

Предложен косвенный метод определения угловой скорости по паспортным данным двигателя и измеряемым величинам — фазные токи и напряжения [1, 2].

Рис. 1. Алгоритм изменения угловой скорости двигателя в асинхронном приводе.

Система автоматического управления углом поворота нагрузки

В данной работе проведен анализ исходной системы автоматического управления, включающий

Датчиком обратной связи служит потенциометр Д1, который механически связан с редуктором (Ред.) Потенциометр преобразует угол поворота в напряжение .

Обзор алгоритмов управления асинхронными электроприводами

Рис. 3. Система управления позицией асинхронного двигателя прямым методом.

Также преобразования проще, поскольку мы управляем только частотой и амплитудой напряжения. Но при данном способе управления изменения параметров двигателя в процессе работы...

Модель адаптивной системы управления и ее применение для...

Подробно алгоритм и эксперименты по автоматическому обнаружению подцелей описаны в работах [3-5].

Робот может управлять рукой, прилагая усилия в суставах.

На рисунках 3 и 4 приведены найденные системой в ходе обучения оптимальные последовательности...

Алгоритмы настройки для гибридной системы управления...

. Применение робастных алгоритмов, образованных с помощью введения отрицательных обратных связей, имеет достаточно широкое

10. Шевко Д. Г. Модели и алгоритмы нелинейно преобразованных гибридных систем прямого адаптивного управления: дис. … канд. техн. наук.

Общие и индивидуальные закономерности изменения силовых...

Цель исследования. Изучить общие и индивидуальные закономерности изменения силовых возможностей мышц коленного сустава от положения тела в

Соотношение силовых возможностей мышц правой и левой ног при разгибании и сгибании в коленном суставе.

Технологические объекты второго порядка с запаздыванием

Этот вид запаздывания появляется, к примеру, при перемещении вещества или энергии с конечной скоростью в системе, без изменения их структуры и свойств.

В книге [3] авторы предложили методы синтеза квазиоптимальных по быстродействию алгоритмов...

Моделирование движения инерционного транспортного робота...

- задавать алгоритм расчета оптимальной траектории (метод ветвей и границ, полный перебор, жадный алгоритм)

- инерционность робота, за счет величины наброса скорости (изменение скорости за цикл управления)

Преобразования переменных в системах координат a, b, c и α, β

Подставим (2) в уравнение (1): А) Прямой перевод переменных из трехфазной системы в двухфазную: a, b, c → α, β.

Графики напряжений uα и uβ. Б) Обратный перевод переменных из двухфазной системы в трехфазную: α, β → a, b, c.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Программно-аппаратный комплекс для измерения угловой...

Предложен косвенный метод определения угловой скорости по паспортным данным двигателя и измеряемым величинам — фазные токи и напряжения [1, 2].

Рис. 1. Алгоритм изменения угловой скорости двигателя в асинхронном приводе.

Система автоматического управления углом поворота нагрузки

В данной работе проведен анализ исходной системы автоматического управления, включающий

Датчиком обратной связи служит потенциометр Д1, который механически связан с редуктором (Ред.) Потенциометр преобразует угол поворота в напряжение .

Обзор алгоритмов управления асинхронными электроприводами

Рис. 3. Система управления позицией асинхронного двигателя прямым методом.

Также преобразования проще, поскольку мы управляем только частотой и амплитудой напряжения. Но при данном способе управления изменения параметров двигателя в процессе работы...

Модель адаптивной системы управления и ее применение для...

Подробно алгоритм и эксперименты по автоматическому обнаружению подцелей описаны в работах [3-5].

Робот может управлять рукой, прилагая усилия в суставах.

На рисунках 3 и 4 приведены найденные системой в ходе обучения оптимальные последовательности...

Алгоритмы настройки для гибридной системы управления...

. Применение робастных алгоритмов, образованных с помощью введения отрицательных обратных связей, имеет достаточно широкое

10. Шевко Д. Г. Модели и алгоритмы нелинейно преобразованных гибридных систем прямого адаптивного управления: дис. … канд. техн. наук.

Общие и индивидуальные закономерности изменения силовых...

Цель исследования. Изучить общие и индивидуальные закономерности изменения силовых возможностей мышц коленного сустава от положения тела в

Соотношение силовых возможностей мышц правой и левой ног при разгибании и сгибании в коленном суставе.

Технологические объекты второго порядка с запаздыванием

Этот вид запаздывания появляется, к примеру, при перемещении вещества или энергии с конечной скоростью в системе, без изменения их структуры и свойств.

В книге [3] авторы предложили методы синтеза квазиоптимальных по быстродействию алгоритмов...

Моделирование движения инерционного транспортного робота...

- задавать алгоритм расчета оптимальной траектории (метод ветвей и границ, полный перебор, жадный алгоритм)

- инерционность робота, за счет величины наброса скорости (изменение скорости за цикл управления)

Преобразования переменных в системах координат a, b, c и α, β

Подставим (2) в уравнение (1): А) Прямой перевод переменных из трехфазной системы в двухфазную: a, b, c → α, β.

Графики напряжений uα и uβ. Б) Обратный перевод переменных из двухфазной системы в трехфазную: α, β → a, b, c.

Задать вопрос