Kinematics and dynamics of the hydraulic exoskeleton of lower limb

Artykuł wprowadza w problematykę związaną z modelowaniem egzoszkieletu kończyn dolnych z napędem hydraulicznym. Na początku przedstawiono kinematyczny model egzoszkieletu. Wyznaczono położenie każdego z charakterystycznych punktów w przyjętym układzie współrzędnych z wykorzystaniem macierzy kosinusów. Następnie określono zmianę długości każdego z siłowników hydraulicznych podczas chodu i biegu. Drugi etap badań polegał na zamodelowaniu poszczególnych części egzoszkieletu w programie CAD w celu wyznaczenia momentów bezwładności każdego z elementów. Bazując na zaproponowanym modelu egzoszkieletu opracowano równania dynamiki i przeprowadzono symulację zmiany pozycji z przysiadu do pozycji stojącej w czasie 1 s. Uzyskane wyniki zaprezentowano na wykresach. We wnioskach końcowych nakreślono kierunki dalszych badań.This paper concerns the kinematics and dynamics of human leg exoskeleton. The biomechanics of human leg was studied and three degrees of freedom model of human leg was obtained. The article introduced in the hydraulic exoskeleton lower leg modelling. The human parts of body mass and inertial parameters were obtained from recent literature, and these parameters were used for modelling human leg and MATLAB package. On this basis, the model of the exoskeleton of the lower limbs with hydraulic actuator was proposed. As the actuators the three hydraulic motors were used. Kinematic model was developed with the appointment of kinematic parameters describing the dependence between various elements of the exoskeleton. To determine the coordinates of the landmarks of the direction cosine matrices were used. The Euler equations were determined and simulation was done by using Matlab package. The obtained results demonstrate the efficiency of the proposed approach that can be utilized to analyze the kinematics and dynamics of exoskeletons for the purpose of selection of their actuators

Exoskeleton as a medical device in supporting the spasticity rehabilitaion process

Spastyczność jest poważnym zaburzeniem ruchowym objawiającym się wzmożonym napięciem mięśniowym lub sztywnością mięśni. Artykuł wprowadza w tematykę związaną ze zjawiskiem wzrostu napięcia mięśniowego występującym szczególnie u osób po udarach. Scharakteryzowano przyczyny, skale spastyczności, metody rehabilitacji i podano przykłady egzoszkieletów wykorzystywane w procesie rehabilitacji. Opracowano model matematyczny i komputerowy oraz przeprowadzono symulację testu Wartenberga wraz z doborem właściwych współczynników sztywności i tłumienia.Paper discussed the the phenomenon of increased muscle tone in people with stroke. The cause, the spasticity scales and rehabilitation methods were presented. The exoskeleton in rehabilitation therapy for peoples after stroke were described. A mathematical and computer model was prepared and implemented for the pendulum knee Wartenberg test by using Matlab-Simulink package

The trajectory of the ejection seat in relation to an aircraft – modeling and simulation

W artykule przedstawiono wyznaczony analitycznie model matematyczny trajektorii lotu fotela katapultowego, który został zaimplementowany do pakietu MATLAB. Pozwoliło to na uzyskanie toru lotu fotela względem samolotu i względem powierzchni ziemi. Wyznaczono minimalną odległość w jakiej fotel przelatuje nad statecznikiem pionowym w zależności od masy pilota i prędkości lotu statku powietrznego.This paper presents a mathematical model 3-DoF of the ejection seat trajectory, which was used for the creation of a computer application with the use of the MATLAB software, owing to which it was possible to obtain the flight trajectory of the seat in relation to the aircraft and in relation to the ground. The minimum distance which the seat flows over the vertical stabilizer depending from the pilot’s mass the aircraft speed was determined

A biomechanical analysis of the correct gait

Artykuł wprowadza w problematykę badania chodu prawidłowego. Opracowano model kończyn dolnych o 14 stopniach swobody (po 7 stopni na każdą kończynę) z zaimplementowanymi parametrami antropometrycznymi. Przeprowadzono symulację chodu i przedstawiono analizę wielkości kinematycznych takich jak przebiegi czasowe kątów w poszczególnych stawach. Określono wielkości dynamiczne takie jak siły występujące w wybranych mięśniach poszczególnych stawów oraz zmianę długości mięśni w funkcji zmiany kąta podczas chodu prawidłowego.In this paper the results of the research based on simulation of human gait were presented. The model of the lower limbs of 14 degrees of freedom was described. The simulation of gait was done and selected biomechanical parameters with description were presented. The dynamic forces in selected muscles at each joint and the muscle length changes as a function of an angle were specified

Mathematical model of the ejection seat trajectory in the symmetrical flight

W artykule przedstawiono model matematyczny toru lotu fotela katapultowego w układzie symetrycznym. Metodą analityczną wyznaczono składowe prędkości i przemieszczenia w funkcji czasu. Opracowany model uwzględnia zmianę gęstości powietrza w funkcji wysokości oraz zmianę przyspieszenia ziemskiego w zależności od szerokości geograficznej i wysokości lotu fotela. Określono wartość przeciążenia działającego na pilota w kierunku klatka piersiowa – plecy po wyjściu fotela z prowadnic w funkcji wysokości i prędkości lotu statku powietrznego.This paper presents a mathematical model of the ejection seat trajectory in a symmetrical design. The component speeds and seat displacements in the function of time were determined by analytical method. The model takes into account the air density change in the function of the height and the change of the free fall acceleration in the dependence from the latitude and the flight height of the seat. The value was determined of the gravity load that acts on the pilot in the direction of the chest – the back in the function of the flight height and speed

The mathematical modeling of spatial ejection

Artykuł przedstawia metodykę postępowania przy określaniu układów współrzędnych w procesie katapultowania. Poprzez właściwe i jednoznaczne stosowanie oznaczeń istnieje możliwość jasnego określania położenia fotela katapultowego względem samolotu i względem ziemi. O ile w przypadku układu symetrycznego zadanie nie jest trudne, w przestrzeni dochodzą kąty ślizgu i przechylenia oraz siły i momenty, które mają decydujący wpływ na trajektorię fotela. Autor poprzez wprowadzenie dodatkowych układów współrzędnych oraz określenie macierzy transformacji pomiędzy tymi układami, ujednolica stosowane oznaczenia i zwraca uwagę na związki pomiędzy prędkościami liniowymi i kątowymi tych układów.The paper presents the methodology followed for determination of coordinate systems in the ejection process. The using of appropriate and clear signs it is possible to clearly determining of the position of the ejection seat relativity the plane and the ground. While in the case of the symmetrical task is not difficult in space come sliding and tilting angles and the forces and moments that have a decisive influence on the trajectory of the seat. Author by introducing additional coordinate systems and to determine the transformation matrix between the two systems, standardizes used signs and draws attention to the relationship between linear and angular velocities of these systems

Numerical simulation of the human knee joint

W artykule przedstawiono budowę i scharakteryzowano liczbę stopni swobody stawu kolanowego. Na podstawie modelu rzeczywistego opracowano model komputerowy stawu z zaimplementowanymi parametrami charakteryzującymi układ mięśniowy. W modelu uwzględniono oddziaływania mięśni oraz wiązadeł na układ szkieletowy, zjawiska kontaktu pomiędzy udem i podudziem, a także pomiędzy udem i rzepką. Model został wykorzystany do przeprowadzenia symulacji ruchu kolana. Zaproponowany model przestrzenny stawu kolanowego umożliwił dokonanie analizy rozkładu sił i momentów oddziaływujących na poszczególne części stawu. Przeanalizowano deformację ścięgien mięśniowych i uzyskane wyniki zobrazowano na wykresach.In this paper the results of the research based on dynamic simulation of human knee virtual model were presented. Starting from the parts, virtual models (tibia, femur and patella) are realized by using Computational Aided Design software. The coefficients of stiffness and damping were implemented to the model. The model takes into account the impact of the muscles and ligaments in the skeletal system, the phenomenon of contact between the thigh and the lower thigh and between the thigh and the kneecap. The model was used to simulate the movement of the knee. The proposed threedimensional model of the knee has allowed to analyze the distribution of forces and moments acting on the parts of the joint. The results are illustrated in the graphs and discussed

Kinematic analysis of exoskeleton for human arm

Głównym zadaniem egzoszkieletu jest zwiększenie siły ludzkich mięśni. Od wielu lat przeprowadzano próby poprzez zastosowanie specjalnych urządzeń. W artykule przedstawiono model kończyny górnej. Do opisania położeń łańcucha kinematycznego wykorzystano notację Denavit-Hartenberga. Model opisuje łańcuch kinematyczny otwarty o siedmiu stopniach swobody. Na podstawie danych antropometrycznych zaimplementowano długość, masę i parametry kątowe poszczególnych elementów. Następnym etapem było stworzenie modelu egzoszkieletu kończyny przy wykorzystaniu pakietu MATLAB/Simulink oraz SimMechanics. Przeprowadzono analizę kinematyki. Wyniki symulacji porównano z badaniami rzeczywistymi przemieszczeń kątowych poszczególnych segmentów.The main task of the exoskeleton is increasing the muscle power. Paper discussed the kinematic exoskeleton suit for human arms. The model of exoskeleton consist of nine degrees of freedom was calculated by using Denavit-Hartenberg notation. Based on anthropometrical parameters data were implemented to MATLAB-Simulink package and analysis of kinematics was done. The simulation results were compared with the angular displacement tests of individual segments

Kinematics of exoskeleton of lower limb

Artykuł wprowadza w problematykę związaną z modelowaniem egzoszkieletów. Na początku przeanalizowano pracę poszczególnych partii mięśni kończyny dolnej podczas chodu i biegu. Na tej podstawie zaproponowano model egzoszkieletu kończyn dolnych z napędem pneumatycznym. Do napędu wykorzystano sześć muskułów. Opracowano model kinematyczny z wyznaczeniem parametrów opisujących zależności kinematyczne występujące pomiędzy poszczególnymi elementami egzoszkieletu. Do wyznaczenia współrzędnych charakterystycznych punktów wykorzystano macierze kosinusów kierunkowych. Następnie określono długości poszczególnych muskułów w pozycji wyjściowej. Bazując na przeprowadzonych badaniach zmiany kątów poszczególnych stawów kończyny dolnej podczas chodu i biegu w jednym cyklu, określono zmianę długości każdego z muskułów. Następnie wyznaczono zmianę prędkości zmniejszania i zwiększania długości każdego z muskułów. Zaprezentowano wyniki w postaci przemieszczeń i prędkości. We wnioskach nakreślono cel następnych badań.The article introduced the problems related to the exoskeleton modelling. A preliminary analysis work of individual muscle groups of the lower limb during gait. On this basis, the model of the exoskeleton of the lower limbs with pneumatic drive was proposed. As the actuator the six muscles were used. Kinematic model was developed with the appointment of kinematic parameters describing the dependence between various elements of the exoskeleton. To determine the coordinates of the landmarks of the direction cosine matrices used. Then the length of individual muscles in the starting position were determined. Based on studies of the angles change of the various joints of the lower limb during gait in one cycle set to change the length of each muscle. Then the determined change rate of decreasing and increasing the length of each muscle. In the final part of article the results of displacement and velocity were presented. In the conclusions the purpose of further research was described

Aircraft and ejection seat dynamics in three-dimensional space

Artykuł przedstawia model matematyczny dynamiki statku powietrznego i fotela katapultowego. Przeprowadzono symulację wybranego typu fotela katapultowego z uwzględnieniem zmiany masy pilota i prędkości lotu statku powietrznego przy wykorzystaniu pakietu MATLAB ze szczególnym uwzględnieniem przelotu nad statecznikiem pionowym samolotu.Paper discussed the mathematical model of dynamics of the aircraft and ejection seat. The numerical simulation on the selected type of ejection seat in function of pilot mass and speed of aircraft by using MATLAB package with a particular focus on the vertical stabilizer plane was studied