Laboratorium Biomechaniki
Analiza chodu z wykorzystaniem metody wizyjnej i akcelerometrycznej
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z wizyjną i akcelerometryczną metodą pomiaru i wykorzystanie ich do przeprowadzenia analizy chodu człowieka.
Wprowadzenie
Prawidłowa analiza chodu człowieka jest niezbędnym elementem procesu projektowania wielu urządzeń biomechanicznych. Mimo z pozoru prostej idei, pozwoliła ona na opracowanie szeregu nowoczesnych protez kończyny dolnej znacznie ułatwiających życie osobom po amputacji. Co więcej, na podstawie danych pozyskanych poprzez analizę chodu, z powodzeniem rozwiązano problem sterowania szeregiem egzoszkieletów wspomaganych służących do przenoszenia dużych obciążeń lub rehabilitacji.
Chód można zdefiniować jako "cykliczną aktywnością ruchową, przez co rozumie się ciągłe powtarzanie określonych wzorców koordynacyjnych kończyn dolnych i innych części ciała"[1]. Pojedyncza, kompletna sekwencja ruchu kończyny jest nazywana krokiem, a interwał czasowy potrzebny na jego wykonanie nazywa się okresem. Na krok składają się dwie główne fazy: podparcia i przenoszenia (Rys.1). W fazie podparcia, stopa cały czas utrzymuje kontakt z podłożem, przenosząc "pasażera" do nowej pozycji. Faza przenoszenia charakteryzuje się przeniesieniem stopy do nowej lokacji w celu utworzenia kolejnego punktu podparcia. Druga kończyna wykonuje cykl z przesunięciem fazowym, wynoszącym połowę okresu kroku. Naprzemienna praca obu kończyn umożliwia ostatecznie poruszanie się ciała w przód.
Rys 1 Ogólny podział cyklu kroku na fazę podporu oraz wykroku i przenoszenia. [2]
Rozszerzone ujęcie faz chodu
Chód, jak większość czynności ruchowych człowieka, jest możliwy dzięki przesyłaniu do efektorów przez centralny układ nerwowy kompletnych wzorców ruchowych. Wzorce te składają się na odpowiednie napięcie mięśni w danej chwili czasowej. Dopiero dokładna analiza tych wzorców może pozwolić na opracowanie prawidłowego algorytmu sterowania. Literatura polska dzieli krok na osiem podfaz, przy czym instrukcja ta zostanie oparta o nomenklaturę angielską, z racji jej większej przejrzystości (Rys. 2). (W literaturze anglojęzycznej podział wygląda nieco inaczej z uwagi na fakt, że fazy podporu i wymachu nazywa się okresami, natomiast polskojęzyczne podfazy nazywane są fazami)
Rys.2 Podział cyklu kroku na osiem kolejnych podfaz[2]
Fazę podporu dzieli się na pięć podfaz:
IC(InitialContact) - uderzenie pięty w podłoże, rozpoczynające cykl kroku;
LR(LoadingResponse – poprzedzone amortyzacją poprzez ugięcie kolana przenoszenie masy na daną kończynę, rozpoczynające aktywny fragment pracy na zasadzie odwróconego wahadła;
MSt(Mid-Stance) - podfaza zorientowana na przeniesienie masy nad stopą podporową, zmiana aktywnego trybu odwróconego wahadła na pasywny;
TSt(Terminal Stance) –przenoszenie masy za stopę podporową, koniec pracy na zasadzie odwróconego wahadła;
PSw(Pre-swing) – przygotowanie kończyny do fazy wymachu;
Faza przenoszenia podzielona jest natomiast na trzy podfazy:
ISw(Initial-swing) – oderwanie stopy od podłoża, nadanie przyspieszenia kończynie w celu jej przeniesienia, rozpoczęcie pracy w trybie wahadła matematycznego;
MSw(Mid-swing) – przenoszenie kończyny, kontynuacja pracy w trybie wahadła matematycznego;
TSw (Terminal-swing) - ukończenie przenoszenia kończyny i przygotowanie do jej postawienia, zakończenie pracy w trybie wahadła matematycznego;
Mechanizmy oszczędzania energii
Chód człowieka charakteryzuje się bardzo wydajnymi sposobami oszczędzania energii, przez co około 60-70% mocy potrzebnej na podniesienie i przyspieszenie środka masy jest oszczędzane przez mechanizm przenoszenia energii[19]. Umożliwione jest to przez charakterystyczny sposób pracy ludzkiego układu lokomocji. Zmiany kinetycznej i grawitacyjnej energii potencjalnej środka masy są przesunięte w fazie względem siebie o 180(Rys 3). W fazie podporu pracę kończyny często porównuje się do odwróconego wahadła. Większość energii zużytej na przemieszczenie środka masy do najwyższego położenia zostaje biernie odzyskane podczas jego opadania.
Rys.3 Od lewej - ideowa mechanizmu odwróconego wahadła działającego podczas fazy przenoszenia oraz zmiany energii kinetycznej i grawitacyjnej energii potencjalnej podczas chodu[3].
Dodatkowo w fazie przenoszenia, podudzie startuje z podwyższonego poziomu energii potencjalnej, co pozwala mu na w dużej mierze bierne przemieszczenie się do podfazy IC na zasadzie wahadła matematycznego. Mechanizmy oszczędzania energii działają z maksymalną efektywnością podczas umiarkowanego tempa chodu, w przypadku tempa bardzo wolnego lub bardzo szybkiego udział ich spada do zera.
Ruch unoszenia, względny i bezwzględny
W najprostszym ujęciu, zakłada się, że układ współrzędnych względem którego porusza się byrła lub punkt materialny, jest nieruchomy. Jednakże, do analizy pewnych zjawisk niezbędne jest przeanalizowanie sytuacji w której układ względem którego posusza się badana bryła, jest ruchomy względem głównego układu odniesienia. Najprościej taki przypadek można zobrazować poprzez pasażera przemieszczającego się w wagonie jadącego pociągu. Ruch pasażera, względem wagonu, nazywamy ruchem względnym (ruch bryły lub punktu względem poruszającego się układu współrzędnych). Natomiast ruch pasażera względem układu odniesienia, w tym przypadku ziemi, nazywamy ruchem bezwzględnym(czyli ruch bryły lub punktu względem układu odniesienia). Ruchem unoszenia nazywamy w tym przypadku ruch wagonu względem ziemi (ruch ruchomego układu współrzędnych względem układu odniesienia).
Opis stanowiska
Analiza chodu zostanie przeprowadzona metoda wizyjną. Stanowisko pomiarowe składa się z bieżni treningowej oraz szybkiej kamery Basler model acA2000-340km wraz z dedykowanym komputerem. Doświetlenie jest zrealizowane poprzez dwie halogenowe lampy o mocy 100W.
Dodatkowo, do celów pomiaru zmian energii kinetycznej i potencjalnej służy przenośne urządzenie akcelerometry z interfejsem Bluetooth wyposażone w trójosiowy akcelerometr i żyroskop. Dane z czujników przekazywane są do komputera z interfejsem użytkownika w LV.
Przebieg ćwiczenia
Do celów ćwiczenia należy przygotować krótkie, bądź ściśle przylegające spodnie (w celu umożliwienia ścisłego przylegania markerów). Pomiary należy wykonać dla każdego uczestnika ćwiczenia.
Przygotować markery poprzez wycięcie ich z arkusza i zaopatrzenie w taśmę dwustronna.
Należy umiejscowić na po dwa markery na udzie i podudziu nogi zwróconej do kamery oraz stopie nogi dalszej(w celu wyznaczenia prędkości względnej).
Przed przystąpieniem do akwizycji obrazóu należy pamiętać o załączeniu doświetlenia stanowiska w postaciu dwu halogenowych reflektorów.
Przy użyciu programu JolantaForGrab nagrać sekwencje chodu dla każdego uczestnika ćwiczenia. Pomiary powinny być wykonane w postaci sekwencji ramek oraz filmu. Dokonuje się tego poprzez zaznaczenie w opcjach pozyskiwania opcji sekwencja ramek, natomiast w celu nagrania filmu należy zaznaczyć zarówno opcję sekwencja ramek i film. UWAGA: pomiary jednorazowo powinny nie przekraczać 10s (Rozmiar takiego nagrania oscyluje w granicy 2GB).
Na uzyskanych nagraniach należy dokonać identyfikacji poszczególnych faz chodu, oraz wyznaczyć kąty w stawie kolanowym. Pomiar należy wykonać dla pełnego, niezakłóconego cyklu kroku (od kontaktu pięty z podłożem do następnego kontaktu pięty z podłożem). Należy zmierzyć czas wykonania kroku i wykonać 20 pomiarów w równym odstępie czasu. Kąty można wyznaczyć przy użyciu programu Dartfish Connect, poprzez wybranie na pasku narzędzi opcji Analyze (program potrzebuje niekiedy około 10 sekund na inicjalizacje tego modułu) i przeciągniecie nagrania do obszaru roboczego. Narzędzie służące do pomiaru kąta znajduje się na pasku po prawej stronie.
Określić przemieszczenie i prędkość markerów dla ruchu unoszenia, względnego i bezwzględnego w kolejnych fazach chodu(pomiar dokonywany jest z częstotliwością 178 klatek na sekundę).
W drugiej części ćwiczenia należy zamocować przenośny akcelerometr na pasie i dokonać pomiaru wychyleń i przyspieszeń dla każdego uczestnika.
Na podstawie uzyskanych danych należy wykreślić wykres zmian energii kinetycznej i potencjalnej grawitacji (dodatkowo punktowane).
Pytania Kontrolne
-Fazy chodu
-Mechanizmy oszczędzania energii
-Ruch względny, bezwzględny i unoszenia w przypadku człowieka poruszającego się po bieżni.
-Akcelerometr
Sprawozdanie
W sprawozdaniu należy zamieścić opis wykonanego ćwiczenia wraz z krótkim(max. 1 strona A4) wstępem teoretycznym.
Należy wykonać wykresy zmian kąta w stawie kolanowym oraz uśrednioną trajektorie (wszystkie przebiegi umieścić na jednym wykresie).
Wyznaczyć liniową prędkość względna, bezwzględna i unoszenia dla zmierzonych markerów(dla wybranej osoby).
Literatura
Błaszczyk. J, Biomechanika Kliniczna, Wydawnictwo Lekarski PZWL, Warszawa 2002
Perry J. Gait Analysys, Normal and Pathological Functions. Thorafare: SLACK Incorporated; 1992
Walsh C., Biomimetic Design of an Under-Actuated Leg Exoskeleton For Load-Carrying Augmentation, Massachusetts Institute of Technology
Wyszukiwarka