Emberi egyensúlyozás íves talpú cipőben
Emberi egyensúlyozás mechanikai modelljét vizsgálom íves talpú cipőben való állás esetén. A szakirodalomból ismert boka-csípő-lépés (ankle-hip-step) szabályozási stratégia, amely szerint három fokozatban történik az emberi egyensúlyozás: (1) kis kitérések esetén csak a bokán keresztül szabályozunk és a test merev testnek tekinthető, mint egy inverz inga; (2) nagyobb kitérések esetén a csípőn keresztül is szabályozunk, ekkor a test egy kettős inverz ingaként modellezhető; (3) még nagyobb kitérések esetén lépéssel korrigáljuk a testhelyzetet. A jelen TDK munkában én a bokán keresztüli szabályozást vizsgálom.
A mechanikai modell egy íves talpból és egy hozzá csuklón keresztül kapcsolódó merev testből áll. A talp és a test közötti ízületi kapcsolatokat egy lineáris karakterisztikájú rugóval és csillapító elemmel modellezem. A szabályozás egy aktív nyomatékkal történik a talp és a test között. A szabályozott rendszer kimenete a test és a talp szöghelyzete és szögsebessége. A szabályozás célja mind a talp mind a test állandósult függőleges helyzetének az elérése. Ennek eléréséhez arányos-deriváló (PD) szabályozót alkalmazunk.
Négy szabályozási paramétert definiálunk, P1 a test arányossági tényezője, P2 a talp arányossági tényezője, D1 a test deriváló tényezője és D2 a talp deriváló tényezője. A stabilitási tulajdonságokat először a reflexkésés figyelembe vétele nélkül vizsgálom a megfelelő négy dimenziós paramétertérben az állapottér modell együttható mátrixa alapján.
Ezután a reflexkésés hatását vizsgálom, amelynek értékét a szakirodalom alapján 0,2 s-nak veszem fel. A stabilitásvizsgálathoz feltételezem, hogy az idegrendszer egy digitális szabályozóhoz hasonlóan működik, ezért figyelembe veszem a mintavételezés hatását. A stabilitásvizsgálathoz előállítom a rendszer leképezési mátrixát. Ennek a mátrixnak a mérete függ a mintavételezési lépésköztől. A stabilitás feltétele az, hogy a leképezési mátrixnak a sajátértékei abszolút értékben kisebbek legyenek, mint 1.
Az eredményeket stabilitástérképek formájában mutatom be különböző paraméterek, pl. különböző talp görbületi sugár illetve különböző reflexkésés esetén.
Irodalom:
1. Y. Asai, Y. Tasaka, K. Nomura, T. Nomura, M. Casidio, and P. Morasso, A model of postural control in quiet standing: Robust compensation of delay–induced instability using intermittent activation of feedback control, PLoS ONE, 4:e6169, 2009.
2. I. D. Loram and M. Lakie. Direct measurement of human ankle stiffness during quiet standing: the intrinsic mechanical stiffness is insufficient for stability. Journal of Physiology, 545(3):1041–1053, 2002.
3. T. Insperger and G. Stepan. Semi-Discretization for Time-Delay Systems. Springer, New York, 2011.
szerző
-
Sindler László
mechatronikai mérnöki
nappali alapszak
konzulens
-
Dr. Insperger Tamás
egyetemi tanár, Műszaki Mechanikai Tanszék
