RU2277373C2 - Method for estimating forces and moments using feedback - Google Patents
Method for estimating forces and moments using feedback Download PDFInfo
- Publication number
- RU2277373C2 RU2277373C2 RU2004102517/14A RU2004102517A RU2277373C2 RU 2277373 C2 RU2277373 C2 RU 2277373C2 RU 2004102517/14 A RU2004102517/14 A RU 2004102517/14A RU 2004102517 A RU2004102517 A RU 2004102517A RU 2277373 C2 RU2277373 C2 RU 2277373C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- joint
- kinematic data
- dynamics
- input force
- load
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
Description
Ссылка на родственные заявкиLink to related applications
Настоящая заявка связана с предварительной заявкой на патент США №60/301891, поданной 29 июня 2001 г., на изобретение "Рекурсивный нелинейный метод с использованием обратной связи для оценки сил и моментов суставов на основе кинезиологических измерений" и с предварительной заявкой на патент США №60/353378, поданной 31 января 2002 г., на изобретение "Прямые решения проблем обратной динамики: метод линеаризации обратной связи", на основании которых испрашивается приоритет согласно положению 35 U.S.C. пар.119(a).This application is related to provisional application for US patent No. 60/301891, filed June 29, 2001, for the invention of "Recursive nonlinear method using feedback to evaluate the forces and moments of joints based on kinesiology measurements" and provisional application for US patent No. 60/353378, filed January 31, 2002, for the invention, “Direct Solutions to Inverse Dynamics Problems: Feedback Linearization Method,” based on which priority is claimed under USC 35 par. 119 (a).
А. Область техники, к которой относится изобретениеA. The technical field to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к анализу движений человека, в частности к анализу сил и моментов суставов с использованием нелинейной обратной связи при прямом моделировании динамики.The present invention relates to the analysis of human movements, in particular to the analysis of the forces and moments of joints using nonlinear feedback in direct modeling of dynamics.
В. Описание известного уровня техникиB. Description of the Related Art
При изучении движений человека для оценки сил и моментов суставов обычно используется анализ обратной (инверсной) динамики. При обычном анализе обратной динамики силы и моменты суставов вычисляются из наблюдений за сегментальным движением. Анализ обратной динамики обычно используется при решении проблем биомеханики, поскольку внутренние силы суставов человека невозможно измерить простым способом. Однако можно измерить сегментальные движения и вывести углы суставов из измеренного смещения, чтобы определить силы и моменты соответствующих суставов.When studying human movements, an analysis of the inverse (inverse) dynamics is usually used to assess the strength and moments of the joints. In a conventional analysis of the inverse dynamics, the strengths and moments of the joints are calculated from observations of segmental movement. An analysis of the inverse dynamics is usually used to solve problems of biomechanics, since the internal strength of human joints cannot be measured in a simple way. However, it is possible to measure the segmental movements and derive the angles of the joints from the measured displacement to determine the forces and moments of the respective joints.
Одной из проблем использования обратной динамики при исследовании движений человека является возникновение погрешности, вызванной вычислением производных высшего порядка для определения сил и моментов суставов. Методы с использованием концепции обратной динамики в биомеханике хорошо работают, если входные сигналы не содержат шума, а динамическая модель безупречна. Однако экспериментальные наблюдения несовершенны и содержат шумы. Источниками шума являются как измерительное устройство, так и сам сустав. Методы обратной динамики для вычисления моментов суставов требуют вычисления производных высшего порядка на основании экспериментальных наблюдений. В частности, член углового ускорения является второй производной от угла сустава, а линейное ускорение является второй производной ускорения центра масс. Численное дифференцирование экспериментальных наблюдений увеличивает шум. Особое значение для решения проблемы вычисления скоростей и ускорений имеет наличие высокочастотного шума. Амплитуда каждой из гармоник возрастает с увеличением ее гармонического числа: скорости возрастают линейно, а ускорения возрастают пропорционально квадрату гармонического числа. Например, дифференцирование второго порядка сигнала с высокочастотным шумом ω может привести к получению сигнала с частотными компонентами ω2. В результате такого параболического усиления шума получаются ошибочные вычисления сил и моментов суставов.One of the problems of using reverse dynamics in the study of human movements is the occurrence of an error caused by the calculation of higher order derivatives to determine the forces and moments of joints. Methods using the concept of inverse dynamics in biomechanics work well if the input signals are noise-free and the dynamic model is flawless. However, experimental observations are imperfect and contain noise. Sources of noise are both the measuring device and the joint itself. Inverse dynamics methods for calculating joint moments require the calculation of higher order derivatives based on experimental observations. In particular, the angular acceleration term is the second derivative of the joint angle, and linear acceleration is the second derivative of the center of mass acceleration. Numerical differentiation of experimental observations increases noise. Of particular importance for solving the problem of calculating speeds and accelerations is the presence of high-frequency noise. The amplitude of each of the harmonics increases with an increase in its harmonic number: velocities increase linearly, and accelerations increase in proportion to the square of the harmonic number. For example, the second-order differentiation of a signal with high-frequency noise ω can result in a signal with frequency components ω 2 . As a result of such a parabolic amplification of noise, erroneous calculations of the forces and moments of the joints are obtained.
Хотя существуют методы фильтрации шума, такая фильтрация сложна в реализации и требует много времени, поскольку требуется большой анализ для отделения истинного сигнала в биомеханических данных от шума. Например, для уменьшения высокочастотных ошибок обычно используется фильтрация нижних частот. Однако сложность фильтрации нижних частот состоит в выборе оптимальной частоты среза fc. Поскольку общего решения для выбора оптимальных параметров фильтрации не существует, результаты методов фильтрации часто ненадежны.Although noise filtering methods exist, such filtering is difficult to implement and time consuming, since it requires a lot of analysis to separate the true signal in biomechanical data from noise. For example, low-pass filtering is commonly used to reduce high-frequency errors. However, the difficulty of low-pass filtering is to select the optimal cutoff frequency f c . Since there is no general solution for choosing optimal filtering parameters, the results of filtering methods are often unreliable.
Для оценки сил и моментов суставов без ошибок, обусловленных выполнением обычного анализа обратной динамики, были предложены подходы на основе оптимизации. В отличие от обратной динамики методы на основе оптимизации не требуют численного дифференцирования. Однако применение решений на основе оптимизации ограничено, потому что эти методы требуют больших вычислительных затрат, не гарантируют сходимости и обычно очень сложны в реализации.To assess the strengths and moments of the joints without errors due to the usual analysis of the inverse dynamics, approaches based on optimization were proposed. Unlike inverse dynamics, optimization-based methods do not require numerical differentiation. However, the use of optimization-based solutions is limited, because these methods require large computational costs, do not guarantee convergence, and are usually very difficult to implement.
Другая проблема, связанная с использованием обратной динамики для анализа движений человека, заключается в том, что инверсный метод не позволяет прогнозировать характер новых движений. При обратной динамике силы и моменты вычисляются из наблюдаемых реакций. Прогнозирование новых движений требует вычисления реакции, ожидаемой в результате приложения сил и моментов. Анализ обратной динамики не дает возможности прогнозирования, так как вычисляются силы и моменты, а не реакция, ожидаемая в результате приложения этих сил и моментов.Another problem associated with the use of inverse dynamics for the analysis of human movements is that the inverse method does not allow predicting the nature of new movements. With the inverse dynamics, the forces and moments are calculated from the observed reactions. Prediction of new movements requires calculating the reaction expected as a result of the application of forces and moments. An analysis of the inverse dynamics does not allow forecasting, since the forces and moments are calculated, and not the reaction expected as a result of the application of these forces and moments.
Таким образом, существует потребность в эффективных с точки зрения вычислений системе и способе, которые: (1) способны оценивать силы и моменты суставов без погрешностей, обусловленных производными высшего порядка; (2) не требуют замкнутого анализа всего тела в замкнутом виде; и (3) позволяют прогнозировать характер движений человека.Thus, there is a need for a computationally efficient system and method that: (1) is able to evaluate joint forces and moments without errors due to higher order derivatives; (2) do not require a closed analysis of the whole body in a closed form; and (3) allow predicting the nature of human movements.
Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention
Один вариант осуществления настоящего изобретения позволяет оценить нагрузки на суставы человека. Нагрузка на сустав включает в себя силы и моменты, действующие на сустав. Модуль прямой динамики определяет кинематические данные путем численного интегрирования (или моделирования) динамических уравнений движения. Контроллер коррекции ошибок сводит к нулю ошибку слежения между кинематическими данными, полученными из прямого моделирования, и измеренными (или желательными) кинематическими данными. Контроллер коррекции ошибок генерирует модифицированное ускорение для ввода в модуль обратной динамики. В одном варианте модифицированное ускорение представляет собой значение, определенное без учета второй производной измеренных (или желательных) кинематических данных. Таким образом, оцененная нагрузка на суставы при ее вводе в модуль прямой динамики отслеживает измеренные (или желательные) кинематические данные без ошибок, связанных с вычислением производных высшего порядка "зашумленных" кинематических данных.One embodiment of the present invention makes it possible to evaluate loads on human joints. The load on the joint includes the forces and moments acting on the joint. The direct dynamics module determines kinematic data by numerically integrating (or modeling) the dynamic equations of motion. The error correction controller nullifies the tracking error between the kinematic data obtained from direct modeling and the measured (or desired) kinematic data. The error correction controller generates a modified acceleration for input into the inverse dynamics module. In one embodiment, the modified acceleration is a value determined without taking into account the second derivative of the measured (or desired) kinematic data. Thus, the estimated joint load when it is entered into the direct dynamics module monitors the measured (or desired) kinematic data without errors associated with the calculation of higher derivatives of “noisy” kinematic data.
В другом варианте осуществления нагрузки на суставы оцениваются рекурсивно для плоскостной последовательно связанной системы. При рекурсивном методе процесс начинается на первом конце последовательной цепи сегментов, и нагрузки на суставы вычисляются по направлению ко второму концу последовательной цепи. Сегменты в этой цепи соединены между собой суставами, и силы и моменты реакций в суставе являются общими для двух соединенных между собой сегментов. Нагрузки на сустав, оцененные для первого сегмента, используются при оценке для следующего сегмента до тех пор, пока не будет достигнут интересующий сустав или суставы. Это значит, что результатом рекурсии является вычисление сил и моментов в точке соединения для следующего сегмента. Данный результат используется в качестве ввода (входных данных) для анализа следующего сегмента. Следовательно, рекурсивный метод не требует моделирования динамики всего тела. Хотя в каком-либо конкретном случае может потребоваться рекурсивное моделирование динамики всего тела, тем не менее, рекурсивный метод обеспечивает гибкость, которая позволяет уменьшить источники ошибки.In another embodiment, joint loads are evaluated recursively for a planar, sequentially coupled system. With the recursive method, the process begins at the first end of the sequential chain of segments, and joint loads are calculated toward the second end of the sequential chain. The segments in this chain are interconnected by joints, and the forces and moments of reactions in the joint are common to two interconnected segments. Joint loads estimated for the first segment are used in the evaluation for the next segment until the joint or joints of interest are reached. This means that the result of the recursion is the calculation of forces and moments at the junction point for the next segment. This result is used as input (input) for the analysis of the next segment. Therefore, the recursive method does not require modeling the dynamics of the whole body. Although in a particular case a recursive modeling of the dynamics of the whole body may be required, nevertheless, the recursive method provides flexibility that can reduce the sources of error.
Рекурсивные варианты включают оценки открытой (незамкнутой) цепи и оценки закрытой (замкнутой) цепи. Система с незамкнутой цепью ограничивается средой на одном конце, а остальные терминальные сегменты свободны. В системе с замкнутой цепью более одного конца находится в контакте со средой. Сегменты системы связи нумеруются по порядку рекурсии, от сегмента 1 к сегменту n, который является последним рассматриваемым сегментом. Сегмент n не обязательно должен быть последним сегментом в системе из множества тел. Скорее, за сегмент n принимается сегмент, на котором желательно остановить рекурсивное вычисление, так как все интересующие силы и моменты уже найдены. Для инициации рекурсии необходимо иметь силу и момент, действующие на первый сегмент. Например, при анализе движений человека обычно измеряются силы противодействия основания (реакции опоры) под ногами, которые инициализируют рекурсивные уравнения. Использование сил реакции опоры повышает точность оценок нагрузки на суставы, находящиеся в непосредственной близости к основанию.Recursive options include estimates of an open (open) circuit and estimates of a closed (closed) circuit. An open-circuit system is limited to the environment at one end, and the remaining terminal segments are free. In a closed-circuit system, more than one end is in contact with the medium. The communication system segments are numbered in recursion order, from
В другом варианте система слежения согласно изобретению может быть применена для динамики с замкнутой формой. Уравнения системы с замкнутой формой для системы неограниченного жесткого тела описываются числом n дифференциальных уравнений. Подобно описанным вариантам с использованием рекурсии, здесь используется закон управления для линеаризации и разделения (развязывания) динамики системы.In another embodiment, the tracking system according to the invention can be applied to closed-shape speakers. The equations of a closed-form system for a system of an unbounded rigid body are described by the number n of differential equations. Like the described options using recursion, the control law is used here to linearize and separate (decouple) the dynamics of the system.
Другие признаки изобретения, его сущность и различные преимущества будут более очевидны из прилагаемых чертежей и подробного описания.Other features of the invention, its essence and various advantages will be more apparent from the accompanying drawings and detailed description.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Прилагаемые чертежи, входящие в состав материалов настоящей заявки, иллюстрируют несколько вариантов воплощения изобретения и в совокупности с описанием служат для пояснения принципов настоящего изобретения.The accompanying drawings, which are part of the materials of this application, illustrate several embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the present invention.
Фиг.1 иллюстрирует, как можно использовать рекурсивное вычисление для отделения динамики нижней части тела от динамики верхней части тела,Figure 1 illustrates how recursive computation can be used to separate the dynamics of the lower body from the dynamics of the upper body,
фиг.2 изображает схему сил свободного тела, действующих на сегменты в плоскостной последовательно связанной системе с незамкнутой цепью,figure 2 depicts a diagram of the forces of a free body acting on segments in a planar series-connected system with an open circuit,
фиг.3 изображает схему свободного тела для одного сегмента в последовательно связанной системе,figure 3 depicts a diagram of a free body for one segment in a series-connected system,
фиг.4 изображает структурную схему системы слежения для сегмента i связи,4 is a structural diagram of a tracking system for communication segment i,
фиг.5 изображает структурную схему системы слежения для сегмента i связи, иллюстрирующую более детально контроллер коррекции ошибок,5 is a structural diagram of a tracking system for communication segment i, illustrating in more detail the error correction controller,
фиг.6 изображает алгоритм, иллюстрирующий процесс рекурсивного слежения,6 is a flowchart illustrating a recursive tracking process,
фиг.7 изображает схему свободного тела, иллюстрирующую двухмерную систему из трех сегментов,7 is a free body diagram illustrating a two-dimensional system of three segments,
фиг.8А-8С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для смещения голеностопного сустава по фиг.7 с использованием малых коэффициентов обратной связи и без учета ускорений,figa-8C depict graphs illustrating the tracking accuracy for displacement of the ankle joint of Fig.7 using small feedback coefficients and excluding accelerations,
фиг.9А-9С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для смещения коленного сустава по фиг.7 с использованием малых коэффициентов обратной связи и без учета ускорений,figa-9C depict graphs illustrating the tracking accuracy for the displacement of the knee joint of Fig.7 using small feedback coefficients and excluding accelerations,
фиг.10А-10С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для сил и моментов коленного сустава по фиг.7 с использованием малых коэффициентов обратной связи и без учета ускорений,figa-10C depict graphs illustrating the tracking accuracy for the forces and moments of the knee joint of Fig.7 using small feedback coefficients and excluding accelerations,
фиг.11А-11С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для сил и моментов тазобедренного сустава по фиг.7 с использованием малых коэффициентов обратной связи и без учета ускорений,11A-11C are graphs illustrating tracking accuracy for the forces and moments of the hip joint of FIG. 7 using small feedback coefficients and excluding accelerations,
фиг.12А-12С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для смещения голеностопного сустава по фиг.7 с использованием малых коэффициентов обратной связи и с учетом ускорений,figa-12C depict graphs illustrating the tracking accuracy for displacement of the ankle joint of Fig.7 using small feedback coefficients and taking into account accelerations,
фиг.13А-13С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для смещения коленного сустава по фиг.7 с использованием малых коэффициентов обратной связи и с учетом ускорений,figa-13C depict graphs illustrating the tracking accuracy for displacement of the knee joint of Fig.7 using small feedback coefficients and taking into account accelerations,
фиг.14А-14С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для сил и моментов коленного сустава по фиг.7 с использованием малых коэффициентов обратной связи и с учетом ускорений,figa-14C depict graphs illustrating the tracking accuracy for the forces and moments of the knee joint of Fig.7 using small feedback coefficients and taking into account accelerations,
фиг.15А-15С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для сил и моментов тазобедренного сустава по фиг.7 с использованием малых коэффициентов обратной связи и с учетом ускорений,figa-15C depict graphs illustrating the tracking accuracy for the forces and moments of the hip joint of Fig.7 using small feedback coefficients and taking into account accelerations,
фиг.16А-16С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для смещения голеностопного сустава по фиг.7 с использованием больших коэффициентов обратной связи и без учета ускорений,figa-16C depict graphs illustrating the tracking accuracy for displacement of the ankle joint of Fig.7 using large feedback coefficients and excluding accelerations,
фиг.17А-17С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для смещения коленного сустава по фиг.7 с использованием больших коэффициентов обратной связи и без учета ускорений,figa-17C depict graphs illustrating the tracking accuracy for displacement of the knee joint of Fig.7 using large feedback coefficients and excluding accelerations,
фиг.18А-18С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для сил и моментов коленного сустава по фиг.7 с использованием больших коэффициентов обратной связи и без учета ускорений,figa-18C depict graphs illustrating the tracking accuracy for the forces and moments of the knee joint in Fig.7 using large feedback coefficients and excluding accelerations,
фиг.19А-19С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для сил и моментов тазобедренного сустава по фиг.7 с использованием больших коэффициентов обратной связи и без учета ускорений,figa-19C depict graphs illustrating the tracking accuracy for the forces and moments of the hip joint of Fig.7 using large feedback coefficients and excluding accelerations,
фиг.20А-20С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для смещения голеностопного сустава по фиг.7 с использованием больших коэффициентов обратной связи и с учетом ускорений,figa-20C depict graphs illustrating tracking accuracy for displacement of the ankle joint of Fig.7 using large feedback coefficients and taking into account accelerations,
фиг.21А-21С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для смещения коленного сустава по фиг.7 с использованием больших коэффициентов обратной связи и с учетом ускорений,figa-21C depict graphs illustrating the tracking accuracy for displacement of the knee joint of Fig.7 using large feedback coefficients and taking into account accelerations,
фиг.22А-22С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для сил и моментов коленного сустава по фиг.7 с использованием больших коэффициентов обратной связи и с учетом ускорений,figa-22C depict graphs illustrating the tracking accuracy for the forces and moments of the knee joint of Fig.7 using large feedback coefficients and taking into account accelerations,
фиг.23А-23С изображают графики, иллюстрирующие точность слежения для сил и моментов тазобедренного сустава по фиг.7 с использованием больших коэффициентов обратной связи и с учетом ускорений,figa-23C depict graphs illustrating the tracking accuracy for the forces and moments of the hip joint of Fig.7 using large feedback coefficients and taking into account accelerations,
фиг.24 изображает график, иллюстрирующий погрешность для смещения голеностопного сустава на фиг.7.Fig.24 is a graph illustrating the error for displacement of the ankle joint in Fig.7.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретенияDescription of preferred embodiments of the invention
Ниже описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми ссылочными номерами обозначены идентичные или функционально подобные элементы. Кроме того, левая цифра каждого ссылочного номера на фигурах соответствует фигуре, на которой этот номер использовался впервые.Preferred embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying drawings, in which identical or functionally similar elements are denoted by the same reference numbers. In addition, the left digit of each reference number in the figures corresponds to the figure in which this number was used for the first time.
На фиг.1 представлена иллюстрация, изображающая, как рекурсивные вычисления используются для отделения динамики нижней части тела от динамики верхней части тела. Иллюстрация изображает верхнюю часть 105 тела и нижнюю часть 110 тела. Один сегмент верхней части 105 тела показан с грузом 140. Нижняя часть 110 тела содержит сегменты, имеющие голеностопный сустав 120, коленный сустав 125 и тазобедренный сустав 130. При рекурсивном методе для вычисления сил и моментов суставов верхнюю часть 105 тела можно моделировать отдельно от нижней части 110 тела. Начиная с сил 115 противодействия основания (реакции опоры), можно эффективно изолировать суставы 120, 125 и 130 нижней части 110 тела, а также связанные с ними параметры сегментов связи от верхней части 105 тела. Это значит, что внутренние силы и моменты, действующие на суставы 120, 125 и 130, можно оценивать без учета эффектов, обусловленных нагрузкой 140 и физическими параметрами верхней части 106 тела, такими как масса, центр массы, инерция и длина сегмента. Эти параметрические неопределенности верхней части 105 тела являются важными источниками погрешностей при оценке внутренних сил и моментов в теле человека, когда используются процедуры динамики всего тела в замкнутой форме. В отличие от решения в замкнутой форме для всего тела, в вариантах рекурсивного решения используются измерения сил 115 реакции опоры в качестве ограничений для рекурсивного вычисления моментов суставов, начиная от основания (опоры) и продвигаясь вверх, например, к коленному суставу 125 и тазобедренному суставу 130.Figure 1 presents an illustration depicting how recursive calculations are used to separate the dynamics of the lower body from the dynamics of the upper body. The illustration shows the upper part 105 of the body and the lower part 110 of the body. One segment of the upper body part 105 is shown with a load of 140. The lower body part 110 contains segments having an ankle joint 120, a knee joint 125 and a hip joint 130. With the recursive method for calculating joint forces and moments, the upper body part 105 can be modeled separately from the lower part 110 bodies. Starting from the base opposing forces 115 (support reactions), it is possible to effectively isolate the
Использование рекурсивного метода для оценки сил и моментов суставов позволяет сфокусировать внимание на интересующих суставах без введения дополнительных источников погрешности. Кроме того, рекурсивный метод с измерением сил 115 реакции опоры в качестве входных данных обеспечивает, например, дополнительную модальность измерения. То есть объединение информации о кинематике и силе реакции дает дополнительную возможность повышения надежности полученных оценок внутренних сил. Человек может подвергаться воздействию непредсказуемых нагрузок или ограничений динамики в результате взаимодействия с другими объектами или другими людьми в окружающей среде. Такие обстоятельства могут изменить динамическое представление, необходимое для оценки внутренних сил и моментов в суставах. Некоторые применения для использования рекурсивного метода в этих обстоятельствах включают в себя биомеханические исследования задач подъема и разработку управления вспомогательными устройствами, которые помогают людям с ограниченными физическими возможностями в выполнении их повседневных задач. Специалистам понятно, что для обеспечения дополнительных модальностей восприятия, предназначенных для использования при оценке различных сил и моментов, могут служить датчики силы и давления, встроенные в обувь.Using the recursive method to assess the strengths and moments of joints allows you to focus on the joints of interest without introducing additional sources of error. In addition, a recursive method with measurement of the support reaction forces 115 as input provides, for example, an additional measurement modality. That is, combining information about kinematics and reaction force provides an additional opportunity to increase the reliability of the obtained estimates of internal forces. A person may be exposed to unpredictable loads or dynamics constraints as a result of interaction with other objects or other people in the environment. Such circumstances can alter the dynamic presentation needed to evaluate the internal forces and moments in the joints. Some applications for using the recursive method in these circumstances include biomechanical studies of lifting tasks and the development of control for assistive devices that help people with physical disabilities perform their daily tasks. Specialists understand that to provide additional modalities of perception, intended for use in assessing various forces and moments, force and pressure sensors built into shoes can serve.
А. Рекурсивный метод для двухмерной системы с последовательной цепьюA. Recursive method for a two-dimensional system with a serial circuit
Варианты настоящего изобретения применимы к плоскостным системам, включающим рекурсивную незамкнутую цепь и рекурсивную замкнутую цепь. В системе с незамкнутой цепью максимум один конец системы, состоящей из множества тел, находится в контакте с окружающей средой. Другой конец или концы свободны или не ограничены. В системе с замкнутой цепью более одного конца контактирует с окружающей средой.Embodiments of the present invention are applicable to planar systems including a recursive open circuit and a recursive closed circuit. In an open-circuit system, at most one end of the system, consisting of many bodies, is in contact with the environment. The other end or ends are free or not limited. In a closed-circuit system, more than one end is in contact with the environment.
На фиг.2 показана схема сил свободного тела, действующих на сегменты в плоскостной последовательно связанной системе с незамкнутой цепью. Система включает в себя первый сегмент 205, второй сегмент 210 и n-ый сегмент 215. Сегменты 205, 210 и 215 связаны шарнирными соединениями (поворотными суставами). Каждый из сегментов 205, 210 и 215 проиллюстрирован в виде схемы свободного тела, на которой сегменты соединены первым суставом 220 (шарниром), вторым суставом 222 (шарниром), третьим суставом 224 (шарниром) и n-ым суставом 226 (шарниром). Первый сегмент 205 включает в себя первый сустав 220 и второй сустав 222. Второй сегмент 210 включает в себя второй сустав 222 и третий сустав 224. В частности, сегменты 205 и 210 соединены следующим образом: второй сустав 222 соединяет первый сегмент 205 со вторым сегментом 210. Таким образом, последовательная цепь из n сегментов образована за счет соединения n сегментов общим или перекрывающимся суставом.Figure 2 shows a diagram of the forces of a free body acting on segments in a planar series-connected system with an open circuit. The system includes a first segment 205, a second segment 210 and an
Для каждого из суставов 220, 222, 224 и 226 показаны моменты вращения суставов, горизонтальные силы реакции и вертикальные силы реакции каждого сустава, которые обозначены как τI, Fi и Gi, соответственно. Например, для первого сустава 220 проиллюстрированы момент вращения τI, горизонтальная сила реакции Fi и вертикальная сила реакция Gi. Ниже описан пример рекурсивного вычисления со ссылкой на фиг.2. При рекурсивном вычислении система из множества тел концептуально делится на отдельные сегменты. Анализируется схема свободного тела каждого сегмента. Сегменты соединены между собой суставами (шарнирами), например вторым суставом 222. Силы реакции и моменты, например на втором суставе 222, являются общими для первого сегмента 205 и второго сегмента 210. Анализ начинается с первого сегмента 205, при этом вычисляются сила и момент в точке присоединения второго сегмента 210, т.е. на втором суставе 222 (шарнире). Вычисленные силы и момент на втором суставе 222 являются результатом рекурсии 1. Этот результат используется в качестве входных данных для анализа следующего сегмента, например второго сегмента 210. Рекурсивный анализ сегментов продолжается до тех пор, пока не будет достигнут n-ый сегмент 215. Этот n-ый сегмент 215 является представляющим интерес сегментом или сегментом, на котором желательно остановить рекурсивное вычисление. В варианте, где на первый сегмент 205 действуют силы 115 реакции опоры (фиг.1), силы и момент, действующие на второй сустав 222, вычисляются на основе сил и момента, действующих на первый сустав 220. Затем вычисляются силы и момент, действующие на третий сустав 224, на основе ранее вычисленных сил и момента, действующих на второй сустав 222. Эта рекурсивная процедура использования результата динамических вычислений в качестве входных данных для следующего вычисления повторяется до тех пор, пока не будут найдены силы и моменты для представляющего интерес сустава или суставов. Специалисту понятно, что n-ый сегмент 215 не обязательно является последним сегментом в системе из множества тел. Скорее, под n-ым сегментом подразумевается сегмент, на котором желательно остановить рекурсивное вычисление, потому что уже будут найдены интересующие силы и моменты. Следует также отметить, что силы 115 реакции опоры действуют в точке контакта, которая не обязательно находится на суставе. Дополнительные детали этих вычислений будут описаны ниже со ссылкой на фиг.3.For each of the
На фиг.3 показана схема свободного тела для одного сегмента в последовательно связанной системе. Сегмент 305 представляет собой i-ый сегмент плоскостной последовательно связанной системы, например системы, проиллюстрированной на фиг.2. Сегмент i тела включает сустав i (310) и сустав i+1 (315). Для изолированного сегмента i, где i =1...n, ускорение центра масс обозначено как (), угол сустава относительно вертикали - θi и угловое ускорение - . Как показано на фиг.3, физические параметры для сегмента i тела включают в себя: массу mi, момент инерции Ii, длину Li сегмента и длину ki до центра масс. Также на фиг.3 для каждого сустава 310 и 315 показаны моменты вращения τi суставов, горизонтальные силы Fi реакции и вертикальные силы Gi реакции. Далее представлены уравнения Ньютона-Эйлера для вычисления сил и моментов на каждом из суставов 310 и 315 сегмента i тела в уравнениях 1, 2 и 3.Figure 3 shows a diagram of a free body for one segment in a series-connected system.
Специалистам понятно, что уравнение 1 является выражением для сложения сил, действующих на сегмент 305 тела в проекции на ось х, или горизонтальном направлении. Аналогично, уравнение 2 является выражением для сложения сил, действующих на сегмент тела 305 в проекции на ось у, или вертикальном направлении. В уравнении (2) g обозначает ускорение свободного падения. Уравнение 3 является выражением для сложения угловых ускорений, действующих на суставы 310 и 315.Those skilled in the art will understand that
1. Методика обратной динамики1. The technique of inverse dynamics
При анализе обратной динамики силы и моменты, действующие на суставы, вычисляются из измеренных или желательных кинематических данных. Кинематические данные включают в себя координаты центра масс и данные угла сустава. В одном варианте осуществления настоящего изобретения рекурсивное решение для вычисления сил и моментов на каждом суставе можно получить из компактного представления (в форме матрицы) уравнений Ньютона-Эйлера в виде уравнения 4, показанного ниже. В уравнении (4) Ui=[Fi Gi τI]T - вектор (транспонированный), элементы которого соответствуют горизонтальной силе, вертикальной силе и моменту, соответственно, действующим на сустав i (310). Силы и момент на суставе i+1 (315) описаны как Ui+1. Другие детали рекурсивного решения для Ui и Ui+1 будут описаны ниже.When analyzing the inverse dynamics, the forces and moments acting on the joints are calculated from the measured or desired kinematic data. Kinematic data include the coordinates of the center of mass and joint angle data. In one embodiment of the present invention, a recursive solution for calculating the forces and moments on each joint can be obtained from the compact representation (in the form of a matrix) of the Newton-Euler equations in the form of equation 4 shown below. In equation (4), U i = [F i G i τ I ] T is a vector (transposed) whose elements correspond to horizontal force, vertical force and moment, respectively, acting on joint i (310). The forces and moment on the joint i + 1 (315) are described as U i + 1 . Other details of the recursive solution for U i and U i + 1 will be described below.
Вектор qi=[xi y θI]T представляет координаты центра масс и угол сустава для сустава i. Специалистам понятно, что член в уравнении 4 представляет вторую производную вектора qi. Элементы уравнения 4 более подробно определены следующим образом:The vector q i = [x i y θ I ] T represents the coordinates of the center of mass and the angle of the joint for joint i. Professionals understand that a member in equation 4 represents the second derivative of the vector q i . The elements of equation 4 are defined in more detail as follows:
2. Оценка с незамкнутой цепью2. Open Circuit Rating
Как было описано выше, система с незамкнутой цепью имеет один конец, контактирующий с окружающей средой. Конец, контактирующий с окружающей средой, называется "ограниченный конец". В одном варианте настоящего изобретения ограниченным концом являются ноги человека, контактирующие с основанием или другой опорной поверхностью. В одном варианте кинематические данные дополняются измерениями сил 115 реакции опоры (обозначенных как U1) для повышения точности оценок силы инерции и момента. Сегменты пронумерованы в направлении вверх от основания, от 1 до n, где n - последний рассматриваемый сегмент. Таким образом, в методике обратной динамики Ньютона-Эйлера используются измерения сил и моментов под ногами. При U1, используемом в качестве граничного условия на сегменте 1, сила и момент на сегменте i, где i имеет значение от 1 до n (i:1→n), вычисляются последовательно с помощью уравнения 5, начиная с сегмента 1 и продвигаясь к сегменту n. При оценке с незамкнутой цепью, где n является последним сегментом в цепи, отсутствуют внешние силы, действующие на n, так что Un+1=0.As described above, an open-circuit system has one end in contact with the environment. The end in contact with the environment is called the “limited end”. In one embodiment of the present invention, the limited end is the legs of a person in contact with a base or other supporting surface. In one embodiment, the kinematic data is supplemented by measurements of the support reaction forces 115 (denoted as U 1 ) to increase the accuracy of the estimates of inertia and moment. The segments are numbered upward from the base, from 1 to n, where n is the last segment to be considered. Thus, the Newton-Euler reverse dynamics technique uses measurements of forces and moments underfoot. For U 1 , used as the boundary condition on
Поскольку в биомеханической модели имеют место шум и погрешности в измерениях, граничное условие на свободном сегменте обычно нарушается. Иными словами, в варианте с (незамкнутой) цепью, где рекурсия идет от сегмента 1 к свободному сегменту (обозначенному как n), Un+1 не равно 0. Эта избыточная детерминированность разрешается путем добавления остаточных сил и моментов вращения к сегменту n. Преимущество рекурсивной формулировки с нумерацией сегментов от 1 до n состоит в том, что нет необходимости моделировать все тело. Оценка силы и момента заканчивается на сегменте n независимо от того, является ли он последним сегментом данной последовательной системы, или нет. Параметрические неопределенности для верхних конечностей и неопределенности в модели жесткого тела являются важными источниками ошибок в оценке внутренних сил и моментов. Однако этих неопределенностей верхних конечностей можно избежать, когда требуются моменты только суставов, ближайших к плоскости силы.Since noise and measurement errors occur in the biomechanical model, the boundary condition on the free segment is usually violated. In other words, in the variant with an (open) chain, where recursion goes from
В другом варианте с незамкнутой цепью доступны только кинематические измерения. Сегменты нумеруются от 1 до n, где сегмент 1 имеет свободный конец, а не ограниченный конец. Так как сегмент 1 имеет свободный конец, U1=0 является граничным условием для рекурсии по направлению к сегменту n.In another open-circuit version, only kinematic measurements are available. Segments are numbered from 1 to n, where
3. Оценка с замкнутой цепью3. Closed circuit evaluation
В другом варианте настоящего изобретения выполняется оценка с замкнутой цепью. Как было описано выше, система с замкнутой цепью имеет более одного конца, контактирующего с окружающей средой. В этом варианте осуществления для оценки внутренних сил и моментов необходимы измерения датчиков или другие исходные силы. Сегменты нумеруются последовательно, от сегмента 1 до сегмента n, который является последним представляющим интерес сегментом. Данные измерения для датчика или исходная сила на сегменте 1 обозначается как U1, где U1≠0, потому что конец сегмента 1 ограничен. При измерениях U1, доступных в качестве граничного условия на сегменте 1, сила и момент на сегменте i, где i имеет значение от 1 до n (i:1→n), вычисляются последовательно с помощью уравнения 5, начиная с сегмента 1 и продвигаясь к сегменту n.In another embodiment of the present invention, a closed-loop assessment is performed. As described above, a closed-circuit system has more than one end in contact with the environment. In this embodiment, sensor measurements or other initial forces are needed to evaluate internal forces and moments. Segments are numbered sequentially, from
В. Обратное решение с использованием нелинейной обратной связиB. Inverse solution using non-linear feedback
На фиг.4 представлена структурная схема системы слежения для сегмента i тела. Контроллер 405 коррекции ошибок, модуль 410 обратной динамики и модуль 415 прямой динамики соединены между собой и образуют систему слежения. Вводные данные для контроллера 405 коррекции ошибок включают в себя кинематические данные , и а также переменные qi и состояния. В одном варианте требуются измеренные или желательные кинематические данные () и оценки их скоростей (). Оценки ускорения () можно использовать в применениях, не содержащих шума, однако они не являются необходимыми. Контроллер 405 коррекции ошибок выдает модифицированное ускорение ° в качестве входных данных для модуля 410 обратной динамики. Модуль 410 обратной динамики имеет дополнительные входы Ui и qi. Вектор Ui представляет силы и момент на суставе i. Выходные данные модуля 410 обратной динамики представляют оценки Ui+1 силы и момента для сустава i+1. Входные данные в модуль 415 прямой динамики 415 включают в себя Ui, Ui+1 и qi. Кроме того, оцененные сила и момент Ui+1 сустава используется в качестве входных данных во время следующей итерации, где они обозначаются как Ui для приращенного i. В каждом случае итерации или рекурсии Ui является входными данными, а Ui+1 - результатом. Модуль 415 прямой динамики выдает переменные qi и состояния. Параметры для модуля прямой динамики (т.е. Ai, Mi, Bi и Pi) идентичны параметрам для обратной динамики.Figure 4 presents a structural diagram of a tracking system for segment i of the body. The
В одном варианте осуществления изобретения силы и моменты суставов оцениваются с использованием модуля 410 обратной динамики. Уравнение 6 представляет закон управления обратной динамикой для рекурсивного вычисления данных нагрузки на сустав для Ui+1 с использованием модифицированного ускорения °. Модуль 415 прямой динамики вычисляет ускорения согласно уравнению 7 и затем осуществляет численное интегрирование ускорений для получения переменных qi и состояния, связанных с суставом i. Контроллер 405 коррекции ошибок использует обратную связь по переменным qi и состояния для формирования модифицированного ускорения В одном варианте осуществления изобретения модифицированное ускорение является значением, вычисленным без учета второй производной измеренных или желательных данных кинематики. Контроллер 405 коррекции ошибок формирует член модифицированного ускорения таким образом, что модуль 410 обратной динамики вычисляет набор входных данных или управляющих данных, обозначенных как Ui+1, которые при вводе в модуль 415 прямой динамики последовательно воспроизводят или отслеживают измеренные или желательные данные кинематики.In one embodiment of the invention, the strengths and moments of the joints are evaluated using the
Модуль 414 прямой динамики выполняет моделирование для нахождения переменных qi и состояния на основании вычисленных сил и момента. В частности, модуль 415 прямой динамики осуществляет численное интегрирование уравнения 7 для нахождения векторов положения и скорости, которые соответствуют поступившим данным Ui+1 нагрузки на сустав. В одном варианте численное интегрирование выполняют с помощью функции интегрирования, предусмотренной в программном продукте MATLAB компании MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts. Специалистам понятно, что это интегрирование можно выполнять многими методами, например методами Рунге-Кутта. Переменные qi и состояния вводятся в контроллер 405 коррекции ошибки, который вычисляет модифицированное ускорение ° для текущего шага времени. Начиная с исходных условий qi (0) и продолжая до конечной точки, контроллер 405 коррекции ошибок сводит к нулю ошибку слежения между моделированными и измеренными (или желательными) кинематическими данными.The direct dynamics module 414 performs modeling to find the variables q i and states based on calculated forces and moment. In particular, the
Специалистам понятно, что описанные уравнения, выражения, модули или функции можно реализовать в универсальном компьютере, специализированном компьютере или аппаратными средствами. В одном варианте изобретения существенные признаки изобретения реализуются универсальным компьютером, которые программируется специальным программным продуктом. Это программный продукт предпочтительно распространяется на машиночитаемом носителе, который включает в себя программные команды. Машиночитаемым носителем может быть, например, том считываемой памяти. Данные тома считываемой памяти можно получать через вычислительную сеть общего пользования, персональную вычислительную сеть или Интернет. Понятно, что программные команды могут быть реализованы в любой соответствующей форме, например, как исходный код, объектный код или код сценариев.Those skilled in the art will understand that the described equations, expressions, modules, or functions can be implemented in a universal computer, a specialized computer, or hardware. In one embodiment of the invention, the essential features of the invention are implemented by a universal computer, which is programmed with a special software product. This software product is preferably distributed on a computer-readable medium that includes software instructions. A computer-readable medium may be, for example, a read volume. Readable memory volumes can be obtained through a public computer network, personal computer network, or the Internet. It is understood that program instructions can be implemented in any appropriate form, for example, as source code, object code, or script code.
На фиг.5 представлена структурная схема системы слежения для сегмента i, иллюстрирующая дополнительные детали контроллера коррекции ошибок. В проиллюстрированном варианте осуществления контроллер 405 коррекции ошибок содержит модули, которые реализуют уравнение 8, где параметр Kpi представляет позиционный коэффициент обратной связи, а параметр Kvi - коэффициент обратной связи по скорости. Модуль 510 разности предназначен для формирования значения ei ошибки (определенного в уравнении 12) и значения ошибки производной из кинематических данных, полученных в результате моделирования и измеренных (или желательных) кинематических данных. В контроллере 405 коррекции ошибок значение ei ошибки умножается на позиционный коэффициент Kpi обратной связи, а значение ошибки производной умножается на коэффициент Kvi обратной связи по скорости для формирования модифицированного ускорения °. Параметры Kpi и Kvi определяются в уравнениях 9 и 10 как постоянные диагональные матрицы, которые управляют уравнениями 1, 2 и 3.5 is a structural diagram of a tracking system for segment i, illustrating additional details of the error correction controller. In the illustrated embodiment, the
Для изучения эффекта включения ускорений (a=1) и исключения ускорений (a=0) во время моделирования добавлен параметр a. Специалистам понятно, что когда параметр a устанавливается равным нулю, вторая производная кинематических данных, член оценки ускорения , не учитывается в уравнении 8. Следовательно, в любом случае в системе слежения используется только модифицированное ускорение °. Преимущество неиспользования второй производной кинематических данных с наличием шума состоит в повышенной точности оценки силы и момента.To study the effect of turning on accelerations (a = 1) and eliminating accelerations (a = 0), a parameter was added during the simulation. It will be appreciated by those skilled in the art that when parameter a is set equal to zero, the second derivative of kinematic data, a member of the acceleration estimate , is not taken into account in equation 8. Therefore, in any case, the tracking system uses only modified acceleration ° . The advantage of not using the second derivative of kinematic data with noise is the increased accuracy of the force and moment estimates.
На фиг.6 представлен алгоритм, иллюстрирующий рекурсивный процесс слежения. Первоначальное значение i равно 1 для последовательно связанной системы с интересующим сегментом n. Как было описано выше, n является последним интересующим сегментом, т.е. точкой остановки рекурсии. Процесс начинается с этапа 605. Измеренные или желательные кинематические данные для сегмента i получают на этапе 610. Как описывалось выше, сегмент i имеет суставы (шарниры), обозначенные как i и i+1. Затем на этапе 615 вычисляется модифицированное ускорение ° на суставе i с использованием варианта структуры обратной связи, описанного выше. Анализ обратной динамики выполняется на этапе 620 для получения и сил и момента на суставе i+1. В случае рекурсии, где i=1, сила реакции/момент на суставе 1 вводятся на этапе 620 как U1. В других случаях рекурсии, где i≠1 и i+1<n, информация о нагрузке на сустав для сустава i+1 (представленная как конкатенированный вектор Ui+1) подается в качестве входных данных U1 для следующего сегмента в другом случае рекурсии. Ui+1 вводится на этапе 625 в анализ прямой динамики для получения моделированных кинематических данных на суставе i. На этапе 630 определяется, требуется ли дополнительная рекурсия. Если i+1 равно n, то управление передается на этап 635, на котором рекурсия заканчивается, в противном случае значение i увеличивается на 1 на этапе 640 и управление возвращается на этап 605, на котором другой случай рекурсии выполняет процесс слежения для следующего сегмента тела.6 is a flowchart illustrating a recursive tracking process. The initial value of i is 1 for a series-connected system with the segment of interest n. As described above, n is the last segment of interest, i.e. recursion stopping point. The process starts at
С. Прямое прогнозирование новых движенийC. Direct forecasting of new movements
В одном варианте осуществления настоящего изобретения моделирование динамического уравнения движения, обеспечиваемое модулем прямой динамики, можно использовать для прогнозирования новых движений. Моделированные кинематические данные представляют данные сегментального положения и скорости из оцененной нагрузки на сустав (включая силы и моменты). Таким образом, модуль прямой динамики можно выполнить с возможностью моделирования новых движений сегментов тела в ответ на приложенные силы и моменты.In one embodiment of the present invention, the dynamic equation of motion simulation provided by the forward dynamics module can be used to predict new movements. The simulated kinematic data represent segmental position and velocity data from the estimated joint load (including forces and moments). Thus, the direct dynamics module can be performed with the possibility of modeling new movements of body segments in response to the applied forces and moments.
Можно изменять различные параметры в прямой модели и наблюдать воздействие на моделированную реакцию. Например, изменение таких параметров сегмента, как масса, инерция, длина и центр массы в модуле 415 прямой динамики влияет на кинематическую реакцию. Этот тип возможности прогнозирования позволяет изучать чувствительность модуля 415 прямой динамики к физическим параметрам.You can change various parameters in a direct model and observe the effect on the simulated response. For example, a change in segment parameters such as mass, inertia, length and center of mass in
D. Динамика ошибокD. Error dynamics
Проблема оценки момента вращения и силы суставов описана в одном варианте изобретения как система слежения, использующая закон управления с нелинейной обратной связью согласно уравнению 6. Для демонстрации осуществления слежения целесообразно рассмотреть динамику ошибок с замкнутым циклом. На фиг.5 результат Ui+1 модуля обратной динамики представляет закон управления по уравнению 6. Если этот закон управления ввести в модуль прямой динамики (путем подстановки в уравнение 4), получается соотношение для замкнутого цикла согласно уравнению 11. Уравнение 12 определяет ei как ошибку между измеренными кинематическими данными qmi и моделированной переменной qi состояния, которая получена в результате интегрирования в модуле 415 прямой динамики. Ниже описана динамика ошибок для нескольких сценариев.The problem of estimating the rotation moment and joint strength is described in one embodiment of the invention as a tracking system using a non-linear feedback control law according to equation 6. To demonstrate the implementation of tracking, it is advisable to consider the dynamics of errors with a closed loop. In Fig. 5, the result U i + 1 of the inverse dynamics module represents the control law according to Equation 6. If this control law is introduced into the direct dynamics module (by substituting in Equation 4), the relation for the closed loop according to Equation 11 is obtained. Equation 12 defines e i as an error between the measured kinematic data q mi and the simulated state variable q i , which is obtained as a result of integration in the
С учетом ускорений: a=1Taking into account accelerations: a = 1
В идеальной ситуации с точными измерениями и нулевой ошибкой в численном дифференцировании динамики ошибок в замкнутом цикле определены дифференциальным уравнением 13.In an ideal situation with accurate measurements and zero error in the numerical differentiation, the dynamics of errors in a closed cycle are determined by differential equation 13.
Динамику ошибок переменной qi состояния можно контролировать независимо посредством присвоения собственного значения. Пусть λ1 и λ2 обозначают собственные значения уравнения 13. Уравнение 14 обеспечивает критически убывающее решение, т.е. без синусоидальных осцилляций, с действительными и равными собственными значениями. Это решение дает самый быстрый и точный ответ.The error dynamics of the state variable q i can be controlled independently by assigning an eigenvalue. Let λ 1 and λ 2 denote the eigenvalues of equation 13. Equation 14 provides a critically decreasing solution, i.e. without sinusoidal oscillations, with real and equal eigenvalues. This solution provides the fastest and most accurate answer.
В уравнении 15 приведено соотношение между Kp и Kv для достижения критически убывающего ответа.
В одном варианте правильное время слежения и вычисления можно обеспечить с помощью собственных значений, имеющих значение 100. Ниже будут описаны со ссылками на фиг.8-23 результаты моделирования как с большими, так и с малыми коэффициентами обратной связи.In one embodiment, the correct tracking and calculation time can be achieved using eigenvalues having a value of 100. Below, with reference to Figs. 8-23, simulation results with both large and low feedback coefficients will be described.
2. Без учета ускорений: а=02. Excluding accelerations: a = 0
Предположим, что ускорения, оцениваемые по измеренным кинематическим данным, не учитываются, т.е. а=0. Динамика ошибок при замкнутом цикле выражается неоднородным дифференциальным уравнением 16.Suppose that the accelerations estimated from the measured kinematic data are not taken into account, i.e. a = 0. The dynamics of errors in a closed cycle is expressed by an inhomogeneous differential equation 16.
Хотя решение уравнения 16 содержит вынуждающий член, допуская, что член ускорения ограничен, ошибка сводится к нулю за счет присвоения собственным значениям в уравнении 16 отрицательной и вещественной части. Как и ранее, в случае с учетом ускорений, можно соответственно предусмотреть коэффициенты обратной связи для критически убывающего ответа с использованием отношения, данного в уравнении 15.Although the solution to equation 16 contains a coercive term, assuming that the acceleration term is limited, the error is reduced to zero due to the assignment of eigenvalues in equation 16 of the negative and real parts. As before, in the case of accelerations, feedback coefficients can be provided for a critically decreasing response using the ratio given in
3. Введение ошибки оценки производной3. Introduction of derivative estimation error
В приведенных выше формулировках уравнений для ошибок предполагается, что член производной и член ускорения можно точно вычислить путем дифференцирования кинематических данных. Действительно, ошибки численного дифференцирования содержащих шум кинематических измерений нельзя проигнорировать и они учитываются в следующих формулах.In the above formulations of equations for errors, it is assumed that the term of the derivative and member acceleration can be accurately calculated by differentiating kinematic data. Indeed, the errors in the numerical differentiation of noise-containing kinematic measurements cannot be ignored and they are taken into account in the following formulas.
Пусть ευ и εη представляют ограниченную ошибку в вычислениях скорости и ускорения. Оценки и выражены в уравнении 17:Let ε υ and ε η represent a limited error in the calculations of velocity and acceleration. Grades and expressed in equation 17:
Динамика с замкнутым циклом, включающая ошибку оценки производной, дана в уравнении 18.Closed-loop dynamics, including the derivative estimation error, are given in equation 18.
Подставив уравнение 17 в уравнение 18, получаем следующее уравнение 19.Substituting equation 17 into equation 18, we obtain the following
Динамика ошибок для а=0 и а=1 дана в уравнениях 20 и 21.The error dynamics for a = 0 and a = 1 are given in
Е. Динамика системы с замкнутой формойE. Dynamics of a closed-form system
В следующем варианте осуществления систему отслеживания можно применить для динамики с замкнутой формой. Уравнения системы с замкнутой формой для системы неограниченного жесткого тела описаны числом n дифференциальных уравнений в матричной форме уравнения 22. В уравнении 22 М соответствует матрице массы, а Р соответствует вкладам, обусловленным членами силы Кориолиса, центробежной силы и силы тяжести, соответственно. Входные значения U соответствуют чистым моментам вращения сустава. Подобно описанным рекурсивным вариантам, закон управления по уравнению 23 используется для линеаризации и разделения динамики системы. Член ° уравнения 23 определен в уравнении 24, в котором Kp и Kv являются диагональными матрицами n×n, имеющими критически убывающий отклик.In a further embodiment, the tracking system can be applied to closed-shape speakers. The equations of the closed-form system for an unbounded rigid body system are described by the number n of differential equations in the matrix form of equation 22. In equation 22, M corresponds to the mass matrix, and P corresponds to the contributions due to the terms of the Coriolis force, centrifugal force and gravity, respectively. The input U values correspond to the net moments of rotation of the joint. Like the described recursive variants, the control law according to equation 23 is used to linearize and separate the dynamics of the system. Member ° of equation 23 is defined in equation 24, in which K p and K v are n × n diagonal matrices having a critically decreasing response.
F. Моделирование плоскостной системы с открытой цепьюF. Modeling a planar system with an open circuit
На фиг.7 представлена схема свободного тела, иллюстрирующая двухмерную систему с открытой цепью, содержащую три сегмента. Эти три сегмента включают в себя голень 705, бедро 710 и туловище 715 человека. Предполагается, что сустав 710 шарнирно сочленен с основанием. Коленный сустав 725 соединяет голень 705 и бедро 710. Тазобедренный сустав 730 соединяет бедро 710 и туловище 715. Моделирование демонстрирует осуществление одного варианта системы слежения для оценки сил и моментов суставов. Выбранные параметры системы типичны для среднего мужчины ростом 1,7 м и весом 74 кг. Рассматриваемое моделируемое движение представляет собой движение приседания в голеностопном, коленном и тазобедренном суставах 720, 725 и 730. Целью является использование U1 в качестве ограничения для инициализации рекурсии и для итерационного вычисления U2=[F2G2τ2] и U3=[F3G3τ3]. Требуемый вектор моментов и сил суставов обозначен как U=[u1u2u3]T. Для выработки эталонных траекторий используется зарегистрированное движение среднего мужчины, осуществляющего приседание. Специалистам понятно, как можно зафиксировать и зарегистрировать движение с использованием обычных методов. Уравнения Ньютона-Эйлера для движения каждого изолированного сегмента тела описаны в следующих уравнениях 25-33.7 is a diagram of a free body illustrating a two-dimensional system with an open circuit containing three segments. These three segments include the shin 705, the thigh 710, and the trunk 715 of the person. It is believed that joint 710 is articulated to the base. The knee joint 725 connects the shin 705 and the hip 710. The hip joint 730 connects the hip 710 and the trunk 715. The simulation demonstrates the implementation of one version of the tracking system to evaluate the forces and moments of the joints. The selected system parameters are typical for an average man with a height of 1.7 m and a weight of 74 kg. The simulated movement under consideration is the squat movement in the ankle, knee and hip joints 720, 725 and 730. The goal is to use U 1 as a constraint for initializing recursion and for iteratively calculating U 2 = [F 2 G 2 τ 2 ] and U 3 = [F 3 G 3 τ 3 ]. The required vector of moments and joint strength is denoted as U = [u 1 u 2 u 3 ] T. For the development of reference trajectories, the registered movement of the average man performing a squat is used. Those skilled in the art will understand how motion can be recorded and recorded using conventional methods. The Newton-Euler equations for the motion of each isolated body segment are described in the following equations 25-33.
1. Сегмент 1: Голень 7051. Segment 1: Shin 705
2. Сегмент 2: Бедро 7102. Segment 2: Hip 710
3. Сегмент 3: Туловище 7153. Segment 3: Torso 715
Моделирование предназначено для сравнения работы системы отслеживания с традиционным подходом обратной динамики. Входные данные включают в себя кинематические данные для движения, а также силы реакции опоры. В описанном моделировании работа системы отслеживания анализируется для двух случаев: с учетом оценок ускорения (а=1 на фиг.5) и без учета оценок ускорения (а=0 на фиг.5). Для обеспечения согласованности предполагается, что измерения реакции опоры идеальные и получены аналитически. Аналитически вычисленный вектор U1=[F1G1τ2] реакции опоры получают с помощью уравнений рекурсии, начиная от туловища 715 и продвигаясь по направлению к опоре, как было описано выше. При использовании U1 в качестве ограничения, рекурсивно оцениваются U2 и U3. Моделирование выполняется для двух различных наборов матриц коэффициентов обратной связи, которые дают критически убывающий отклик. Результаты моделирования показаны на фиг.8-23.The simulation is intended to compare the performance of the tracking system with the traditional reverse dynamics approach. Input data includes kinematic data for motion, as well as support reaction forces. In the described simulation, the operation of the tracking system is analyzed for two cases: taking into account the estimates of acceleration (a = 1 in figure 5) and without taking into account the estimates of acceleration (a = 0 in figure 5). To ensure consistency, it is assumed that the measurements of the support reaction are ideal and obtained analytically. The analytically calculated vector U 1 = [F 1 G 1 τ 2 ] of the support reaction is obtained using the recursion equations, starting from the trunk 715 and moving towards the support, as described above. When using U 1 as a constraint, U 2 and U 3 are recursively evaluated. Modeling is performed for two different sets of feedback coefficient matrices that give a critically decreasing response. The simulation results are shown in Figs.
В моделировании, показанном на фиг.8-15, использованы небольшие значения коэффициентов обратной связи по уравнению 34. Для простоты иллюстрации эталонные данные смещения сустава сглажены. Как было описано выше, включение оценок ускорения часто является нежелательным, потому что анализ обратной динамики требует вычисления производных высшего порядка, что приводит к ошибочным результатам. Каждая пунктирная кривая на фиг.8-11 соответствует точности моделированного слежения, в котором не учитываются желательные ускорения (а=0). На обоих графиках на фиг.8 и 9 и на графиках силы и момента на фиг.10 и 11, без учета ускорений, моделированный результат с использованием малых коэффициентов обратной связи дает неудовлетворительные характеристики слежения. Как показано на фиг.12-15, при включении желательных ускорений (а=1) получаются исключительно хорошие характеристики слежения и оценки моментов суставов.In the simulations shown in Figs. As described above, the inclusion of acceleration estimates is often undesirable, because the analysis of the inverse dynamics requires the calculation of higher order derivatives, which leads to erroneous results. Each dashed curve in Figs. 8-11 corresponds to the accuracy of the simulated tracking, which does not take into account the desired accelerations (a = 0). On both graphs in FIGS. 8 and 9 and on the graphs of force and moment in FIGS. 10 and 11, excluding accelerations, the simulated result using small feedback coefficients gives unsatisfactory tracking characteristics. As shown in FIGS. 12-15, when the desired accelerations (a = 1) are turned on, extremely good tracking and joint moment characteristics are obtained.
В отличие от фиг.8-11, модели на фиг.16-19 дают отличные характеристики слежения. В этих моделях коэффициенты обратной связи увеличены для улучшения результатов в случае, когда желательные ускорения не учитываются (а=0). Уравнения 35 и 36 дают параметры коэффициентов обратной связи. На обоих графиках смещения на фиг.16 и 17 и графиках силы и момента на фиг.18 и 19 пунктирные линии, представляющие точность моделированного слежения без учета оценок ускорения (а=0), практически не отличаются от эталонных данных. Как видно на чертежах, варианты оценки нелинейной обратной связи сил и моментов суставов эффективны и при этом не требуют, например, производных высшего порядка из содержащих шум измеренных данных.In contrast to FIGS. 8-11, the models in FIGS. 16-19 give excellent tracking characteristics. In these models, the feedback coefficients are increased to improve the results when the desired accelerations are not taken into account (a = 0).
На фиг.24 представлен график, иллюстрирующий ошибку слежения для смещения голеностопного сустава на фиг.7. Пунктирная линия на фигуре соответствует абсолютному значению средней ошибки слежения, когда учитываются желательные ускорения (а=1). Сплошная линия соответствует абсолютному значению средней ошибки слежения, когда оценки ускорения не учитываются (а=0). Для каждого из нескольких значений Kp была вычислена средняя ошибка слежения (в течение моделирования) между желательным и моделированным углом. Для каждой точки данных было вычислено абсолютное значение средней ошибки для построения графика. В проиллюстрированном случае, когда оценки ускорения (а=0) не учитываются, средняя ошибка слежения для смещения голеностопного сустава 720 сходит к нулю с увеличением значений Kp. Средние ошибки слежения для других углов и состояний не показаны специально, так как специалисту понятно, что при этом получаются аналогичные результаты.On Fig presents a graph illustrating the tracking error for the displacement of the ankle joint in Fig.7. The dashed line in the figure corresponds to the absolute value of the average tracking error when the desired accelerations are taken into account (a = 1). The solid line corresponds to the absolute value of the average tracking error when acceleration estimates are not taken into account (a = 0). For each of several values of K p , the average tracking error (during simulation) between the desired and the simulated angle was calculated. For each data point, the absolute value of the average error was calculated to plot the graph. In the illustrated case, when acceleration estimates (a = 0) are not taken into account, the average tracking error for displacement of the ankle joint 720 tends to zero with increasing values of K p . The average tracking errors for other angles and states are not shown specifically, as the specialist understands that this gives similar results.
Настоящее изобретения может быть реализовано во многих различных формах, и оно не должно рассматриваться как ограниченное описанными вариантами. Эти варианты представлены исключительно для тщательного и полного раскрытия изобретение, чтобы специалисты смогли получить полное представление о нем. Например, специалисту понятно, что описанные системы и способы слежения можно распространить на трехмерные системы. Кроме того, в модуль 415 прямой динамики (фиг.4) можно ввести, например, обычные методы распределения мышечного усилия. Результат модуля распределения мышечного усилия можно затем использовать для инициирования прямого моделирования. Альтернативно, модуль распределения мышечного усилия может использовать результат модуля 410 обратной динамики (фиг.4) и не использоваться при прямом моделировании.The present invention can be implemented in many different forms, and should not be construed as limited to the described options. These options are presented solely for the thorough and complete disclosure of the invention, so that specialists can get a complete picture of it. For example, one skilled in the art will understand that the described tracking systems and methods can be extended to three-dimensional systems. In addition, in the
Кроме того, предложенные устройство и способы не ограничены жесткими телами. Специалистам понятно, что принципы настоящего изобретения можно применить и к другим системам, которые можно охарактеризовать уравнением 22. Варианты оценки с использованием обратной связи отслеживают данные из систем, управляемых дифференциалом второго порядка набора данных.In addition, the proposed device and methods are not limited to rigid bodies. Those skilled in the art will understand that the principles of the present invention can be applied to other systems that can be characterized by Equation 22. Evaluation options using feedback track data from systems controlled by a second-order differential of the data set.
Несмотря на описанные предпочтительные варианты оценки с использованием обратной связи сил и моментов суставов (которые являются иллюстративными и не ограничительными), следует отметить, что специалисты смогут предложить модификации и изменения на основании представленного раскрытия. Следовательно, в описанные конкретные варианты можно внести изменения, которые подпадают под объем притязаний изобретения, охарактеризованных в прилагаемой формуле изобретения и эквивалентах.Despite the described preferred assessment options using feedback of the forces and moments of the joints (which are illustrative and not restrictive), it should be noted that specialists will be able to propose modifications and changes based on the disclosure presented. Therefore, changes can be made to the specific embodiments described that fall within the scope of the claims described in the appended claims and equivalents.
Claims (37)
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US30189101P | 2001-06-29 | 2001-06-29 | |
US60/301,891 | 2001-06-29 | ||
US35337802P | 2002-01-31 | 2002-01-31 | |
US60/353,378 | 2002-01-31 | ||
US10/151,647 | 2002-05-16 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004102517A RU2004102517A (en) | 2005-02-10 |
RU2277373C2 true RU2277373C2 (en) | 2006-06-10 |
Family
ID=35208685
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004102517/14A RU2277373C2 (en) | 2001-06-29 | 2002-06-28 | Method for estimating forces and moments using feedback |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2277373C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2660312C1 (en) * | 2017-08-01 | 2018-07-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский испытательный институт инженерных войск" Министерства обороны Российской Федерации | Method for determining efficiency of biomechanical anthropomorphic means (passive exoskeletons) |
-
2002
- 2002-06-28 RU RU2004102517/14A patent/RU2277373C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Burdea G. et all/ Virtual reality technology. 1994, John Wiley & Sons, Inc., p. 17-37. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2660312C1 (en) * | 2017-08-01 | 2018-07-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский испытательный институт инженерных войск" Министерства обороны Российской Федерации | Method for determining efficiency of biomechanical anthropomorphic means (passive exoskeletons) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004102517A (en) | 2005-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7135003B2 (en) | Feedback estimation of joint forces and joint moments | |
JP4392448B2 (en) | System and method for predicting unknown behavior in serial chain systems | |
JP4764431B2 (en) | System and method for estimating joint loads using a closed-form dynamics approach | |
US7623944B2 (en) | System and method of estimating joint loads in a three-dimensional system | |
Hicks et al. | Is my model good enough? Best practices for verification and validation of musculoskeletal models and simulations of movement | |
Mummolo et al. | Quantifying dynamic characteristics of human walking for comprehensive gait cycle | |
Musić et al. | Model based inertial sensing of human body motion kinematics in sit-to-stand movement | |
Davoudabadi Farahani et al. | Optimization-based dynamic prediction of kinematic and kinetic patterns for a human vertical jump from a squatting position | |
Fakoorian et al. | Ground reaction force estimation in prosthetic legs with nonlinear Kalman filtering methods | |
Akhavanfar et al. | Sharing the load: modeling loads in OpenSim to simulate two-handed lifting | |
RU2277373C2 (en) | Method for estimating forces and moments using feedback | |
Potter et al. | Error-state Kalman filter for lower-limb kinematic estimation: Evaluation on a 3-body model | |
Warner et al. | Backstepping control of open-chain linkages actuated by antagonistic hill muscles | |
CN111403019B (en) | Method for establishing ankle joint artificial limb model, model-free control method and verification method | |
Akbari et al. | Swift augmented human–robot dynamics modeling for rehabilitation planning analyses | |
Bailly et al. | Recursive estimation of the human body’s center of mass and angular momentum derivative | |
Dariush et al. | A well-posed, embedded constraint representation of joint moments from kinesiological measurements | |
CN100581459C (en) | Joint force and joint torque feedback estimation | |
Dariush | A Forward Dynamics Solutions To Multi-Modal Inverse Dynamics Problems | |
Bailly et al. | Recursive Filtering of Kinetic and Kinematic Data for Center of Mass and Angular Momentum Derivative Estimation | |
Xiu et al. | Experimental study of a momentum-based method for identifying the inertia barycentric parameters of a human body | |
Menon et al. | Controlling Muscle-Actuated Articulated Bodies in Operational Space | |
Venture et al. | Creating Personalized Dynamic Models | |
Zhakatayev et al. | Blind parameter identification of implicit differential equations using the collocation discretization and homotopy optimization methods | |
Zhakatayev et al. | Synthesis of Lower-Body Human Walking using Trigonometric Spline Method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110629 |