بررسی پایداری بدن انسان برروی سکوی نوسانی با استفاده از مدل اسکلت‏ماهیچه‏ای اندام تحتانی

انسان در زندگی روزانه خود کارهای به ظاهر ساده‏ای مانند ایستادن انجام می‏دهد، حال آن‏که برای یادگیری ایستادن پایدار بسیار تلاش کرده است. پیچیدگی چنین کارهایی پس از یک حادثه که به ناتوانی منجر شود و یا در اثر افزایش سن یادآوری خواهد شد. مطالعه نحوه‏ی کنترل حالت پایدار انسان به یافتن نحوه‏ی عملکرد سیستم عصبی مرکزی برای کنترل بدن انسان می‏انجامد. چنین یافته‏هایی قابل به کارگیری در ربات‏های انسان‏نما به منظور حفظ پایداری آن‏ها خواهد بود. همچنین این یافته‏ها در طراحی پروتزها، اورتزها و طرح‏های توانبخشی بسیار ارزشمند هستند. در این میان سیستم‏های اسکلت‏ماهیچه‏ای به دلیل شباهت بسیار زیاد آن‏ها به بدن انسان در شامل بودن یک سیستم رباتیکی چندجسمی به عنوان اسکلت بدن و واحدهای ماهیچه‏تاندونی به عنوان کاراندازهای این سیستم بسیار مورد توجه هستند. تحلیل این سیستم‏های اسکلت‏ماهیچه‏ای به دلیل نامعین بودن بودن آن‏ها در اغلب موارد، نیازمند بهینه‏سازی می‏باشد. این بهینه‏سازی‏ها دو دسته هستند. دسته اول بهینه‏سازی استاتیک است که به کمک دینامیک معکوس و با استفاده از داده‏های سینماتیکی انجام می‏شود و منجر به تخمین نیروی ماهیچه خواهد شد. دسته دوم بهینه‏سازی دینامیک بوده که روند بهینه‏سازی بسیار پیچیده‏ای دارد و در آن‏ها تحلیل به منظور دست‏یابی به فعالیت‏های ماهیچه‏ای و نحوه‏ی حرکت اسکلت بدن انجام می‏شود. این تحقیق به منظور بررسی تحلیلی پاسخ مدل اسکلت‏ماهیچه‏ای بدن انسان به اغتشاش دورانی سطح زیر پا انجام شده است. به منظور مدلسازی اسکلت بدن انسان از یک مدل رباتیکی چهار لینکی با سه درجه آزادی استفاده شده است. برای مدلسازی ماهیچه‏ها به عنوان کاراندازهای این مدل رباتیکی از ماهیچه‏های مدل نوع هیل استفاده شده است. معادلات حرکت سیستم اسکلتی با استفاده از دینامیک لاگرانژ استخراج و به کمک دینامیک کین مورد تأیید قرار گرفته‏اند. از دو نوع متفاوت مدلسازی ماهیچه‏ای نیز به منظور بررسی اثر مدلسازی ماهیچه در نتایج حاصله استفاده شده است. مدل اول از نظر محاسباتی مفیدتر بوده و مدل دوم دقت بالاتری در تخصیص خواص مرتبط با هر ماهیچه دارد. به منظور انجام بهینه‏سازی دینامیک و استاتیک از توابع هدف تنش ماهیچه‏ها و انرژی ماهیچه‏ها استفاده شده است. همچنین به منظور بررسی پایداری مدل از معیار پایداری نقطه ممان صفر استفاده شده است. با استفاده از داده‏های تجربی اندازه‏گیری‏شده برای انسان تحت اغتشاش نوسانی و وارد نمودن این داده‏ها در مدل، طی یک روند دینامیک معکوس و با کمک بهینه‏سازی استاتیکی، توابع هدف متفاوت و متغیرهای طراحی مختلفی مورد بررسی قرار گرفته و نتایج حاصله ارائه شده‏اند. همچنین با استفاده از روش ضرایب وزنی در بهینه‏سازی، با وارد نمودن تابع هدف پایداری به عنوان تابع هدف دوم، به بررسی اثر تابع پایداری در پیش‏بینی نتایج حاصله پرداخته شده است. در ادامه طی یک روند دینامیک مستقیم با کمک بهینه‏سازی دینامیکی، به پیش‏بینی مسیر حرکت مفاصل و تحریکات ماهیچه‏ای پرداخته شده است و تأثیر انتخاب توابع هدف متفاوت و نحوه‏ی مدلسازی ماهیچه‏ها در پیش‏بینی نتایج، مورد مطالعه قرار گرفته و یک تابع هدف فیزیولوژیکی مناسب برای پیش‏بینی حرکات انسان تحت این نوع اغتشاش ارائه شده است. در پایان نیز با کمک الگوریتم ژنتیک چند هدفه، به بهینه‏سازی همزمان این تابع هدف فیزیولوژیک و تابع هدف پایداری پرداخته شده و اثر وارد نمودن تابع هدف پایداری در نتایج حاصله بررسی شد. نتایج به دست آمده بیانگر تأثیر ماهیچه‏های مختلف در دفع این نوع اغتشاش، میزان نیروی تولیدی در آن‏ها و سطح فعالیت هر یک از آن‏ها می‏باشد. همچنین نتایج به دست آمده تأثیر توابع هدف مختلف برای استفاده در دینامیک مستقیم و دینامیک معکوس را نشان می‏دهد. نتایج حاصله برای فعالیت‏های ماهیچه‏ای درطی دو روند مختلف بهینه‏سازی نیز با هم مقایسه شده‏اند. تأثیر مدلسازی ماهیچه‏ای در پیش‏بینی حرکات مفاصل و فعالیت‏های ماهیچه‏ای نیز مورد بررسی قرار گرفت. احتمال استفاده از یک تابع هدف برای حفظ پایداری، در کنار یک تابع هدف فیزیولوژیکی برای دفع این نوع اغتشاش توسط بدن، از دیگر نتایج ارائه شده می‏باشد.