Svalový model horní končetiny a jeho řízení pro interakci s exoskeletem

Abstract

Tato diplomová práce se zaměřuje na vývoj a řízení exoskeletu horní končetiny, se zvláštním důrazem na horní končetinu, její řízení a interakci mezi horní končetinou a exoskeletem. Pro ověření konceptu je horní končetina modelována v rovinně pomocí Lagrangeových rovnic druhého druhu. Bylo vybráno osm svalů, které významně přispívají k pohybu v sagitální rovině. Model horní končetiny zjednodušuje kosti na dvojité kyvadlo a svaly jsou modelovány na základě geometrie důležitých bodů. Bylo zkoumáno několik svalových modelů založených na Hillově svalovém modelu, a pro simulace byly implementovány Vilimkův a Thelenův svalový model. Řízení pohybu horní končetiny je dosaženo pomocí metody řízení dopočtenými momenty v kombinaci s optimalizací pro řešení problému svalové redundance. Exoskelet je modelován jako dvojité kyvadlo, podobně jako horní končetina, s aktuátory umístěnými v kloubech a řízenými pomocí metody vypočtených momentů. Horní končetina a exoskelet jsou propojeny a požadované pohyby jsou opakující se trajektorie navržené tak, aby napodobovaly přirozené pohyby paže pro rehabilitační účely. Výsledky simulací ukazují horní končetiny se zraněným svalem s podporou exoskeletu ukazují, že exoskeleton kompenzuje chybějící sílu od zraněného svalu a umožňuje tak snížení jeho namáhání při daném pohybu.

This thesis focuses on the development and control of an upper limb exoskeleton, with particular emphasis on the upper limb, its control, and the interaction between the upper limb and the exoskeleton. To verify the concept, the upper limb is modeled as a planar system using the Lagrange equations of the second kind. Eight muscles that significantly contribute to motion in the sagittal plane are selected for study. The upper limb model simplifies the bones to a double pendulum, and the muscles are modeled based on the geometry of key points. Several muscle models based on the Hill muscle model are examined, and for simulations, the Vilimek and Thelen muscle models are implemented. The motion control of the upper limb is achieved using the computed torques control method combined with optimization to address the muscle redundancy problem. The exoskeleton is modeled similarly to the upper limb, as a double pendulum, with actuators placed in the joints and controlled using the computed torques method. The upper limb and exoskeleton are connected, and the desired motions are repetitive trajectories designed to mimic natural arm movements for rehabilitation purposes. The simulation results of the upper limb with an injured muscle, supported by the exoskeleton, show that the exoskeleton compensates for the missing force from the injured muscle, thereby reducing its strain during the motion.