Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

A musculoskeletal simulation study on the biomechanics of the lower extremity during the golf swing

Soodmand Iman, Kebbach Maeruan, Ren Xiping, Bruhn Sven, Tischer Thomas, Bader Rainer, Lutter Christoph

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2023

|

Vol. 25, no. 3

1--20

EN

This study aimed to investigate the mechanisms of the human body dynamics during the golf swing through a musculoskeletal simulation for different types of subjects to better understand the biomechanical aspects of the golf sport. Methods: The lower extremity model of the AnyBodyTM modeling system was adapted to a more advanced knee model to capture the large knee axial rotations during golf swing using an inverse dynamic musculoskeletal approach. Swings from three golfers, one with apparent osteoarthritis in both knee joints, one with bilateral total knee replacement, and one healthy, were captured in a motion capture laboratory and simulated. Results: The golf swing generated a high axial rotation in the knee joint (approximately 25°-31°). Ball impact represented the most critical time event, near which maximum loading of the lower extremity was observed, e.g., knee compression force raised to a maximum of 329% body weight. The fast rate of knee loading by large compression forces prior to ball impact was identified as a potential cause of knee injury for golfers. Conclusions: Our findings are comparable with previous experimental and computational studies, and the proposed musculoskeletal model can be employed to provide valuable information to clinicians and scientists, e.g., on the biomechanics of the lower extremities after total knee replacement for golf swing.

2

Solution of inverse dynamics of Stewart–Gough platform using substructure technique

Tien Tran Xuan, Cirkl David

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2021

|

Vol. 59 nr 3

329--342

EN

The inverse dynamics method is applied to the investigation of dynamical behavior of a parallel manipulator. The substructure technique is used for creating a differential-algebraic system of equations that describes motion of the Stewart-Gough platform. The system of equations is modified into a set of linear differential equations for the determination of the solution of the inverse dynamics problem. A computational algorithm is developed to solve the inverse dynamics of the manipulator. Several trajectories of the moving platform are simulated as a result of the inverse dynamics problem of the Stewart-Gough platform according to the substructure technique.

3

Development of Adaptive Control for an Asymmetric Quadcopt

Beniak Ryszard, Gudzenko Oleksandr

Pomiary Automatyka Robotyka

|

2020

|

R. 24, nr 3

29--35

EN

The paper presents an adaptive control algorithm for an asymmetric quadcopter. For determining the control algorithm, the identification was made, and an identification algorithm is presented in the form of a recursive method. The control method is realized using inverse dynamics, full state feedback and finally adaptive control method. The algorithms for the off-line and on-line identification of quadcopter model parameters are also presented. The paper shows the effectiveness of the selected algorithm on the example of the movement along a given trajectory. Finally, recommendations of the application of these different methods are made.

PL

W pracy przedstawiono algorytm sterowania adaptacyjnego dla asymetrycznego quadrocoptera. W celu określenia sterowania zrealizowano identyfikację parametrów i przedstawiono algorytm identyfikacji w formie metody rekurencyjnej. Metoda sterowania realizowana jest z wykorzystaniem dynamiki odwrotnej, przesuwania biegunów oraz sterowania adaptacyjnego. Zaprezentowano algorytmy identyfikacji parametrów modelu quadrocoptera w trybie off-line i on-line. W artykule przedstawiono skuteczność wybranych algorytmów na przykładzie ruchu wzdłuż podanej trajektorii. Na zakończenie artykułu przedstawiono zalecenia dotyczące stosowania różnych metod sterowania.

4

Artillery-Missile System Control Under Disturbances Conditions Using a Modified Computed Torque Control Method

Szmidt Piotr

Problemy Mechatroniki : uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa

|

2019

|

Vol. 10, Nr 1 (35)

75--90

EN

The paper addresses the issue of remote control of a artillery-missile system when the system is affected by dynamic and kinematic disturbances. The dynamic disturbances analysed in the paper includes disturbances from shots fired while kinematic disturbances are excitation related to the motion of the base on which the system is installed. The object of the study is a system model based on the ZU-23-2MR artillery-missile system produced and operated in Poland, designed to combat lightly armoured air, naval and ground targets. Once the system model and the assumed disturbance types are discussed, further in the paper the system control in azimuth and elevation angular position is analysed. Computed torque control with additional corrective components is presented. A certain inertia in system drive models is also adopted. Additionally, uncertainty of model identification is assumed, i.e. object control parameters are different from the parameters of the model which serves as basis for calculating the control parameters. Differences in weights, mass moments of inertia and friction torques arising in the system's drive elements are taken into account. The last part of the paper includes an analysis of the speed of target interception and precision of tracking a manoeuvring aerial target with the interference affecting the system. It was assumed that the system is located on a ship, therefore kinematic disturbances are related to the ship's movement on the sea waves, as well as dynamic disturbances are related to firing the weapon. All simulations were performed in the Scilab environment for a non-linear model of the system. Essential results are shown in a graphical form.

PL

W pracy zajęto się zagadnieniem sterowania zdalnie sterowanym zestawem artyleryjsko-rakietowym w warunkach oddziaływania na zestaw zakłóceń dynamicznych i kinematycznych. Do analizowanych w artykule zakłóceń dynamicznych należy zaliczyć zakłócenia pochodzące od strzałów, zaś zakłócenia kinematyczne stanowią zakłócenia związane z ruchem podstawy, na której posadowiony jest zestaw. Obiekt badań stanowi model zestawu oparty o stosowany i produkowany w Polsce zestaw artyleryjsko-rakietowy typu ZU-23-2MR, który przeznaczony jest do zwalczania lekko opancerzonych celów powietrznych, nawodnych i lądowych. Po omówieniu modelu zestawu jak i modelu przyjętych zakłóceń, w dalszej części pracy poddano analizie układ sterowania położenia kątowego w azymucie i elewacji wyżej wymienionego zestawu. Przedstawiono sterowanie oparte o metodę dynamiki odwrotnej z dodatkowymi członami korygującymi. Przyjęto także pewną inercję w modelach napędu układów. Dodatkowo, założono niepewność identyfikacji modelu, tj. parametry obiektu sterowania są różnie od parametrów modelu, który stanowi podstawę do obliczenia wartości sterujących. Uwzględniono przy tym różnicę w masach, masowych momentach bezwładności oraz momentach tarcia powstających w układach napędowych zestawu. Ostatnia część pracy obejmuje analizę szybkości przechwycenia i dokładności śledzenia manewrującego celu powietrznego przy działających na zestaw zakłóceniach. Założono, że zestaw znajduje się na okręcie, pojawiają się zatem zakłócenia kinematyczne związane z ruchem okrętu na fali morskiej, a także zakłócenia dynamiczne wynikające z oddawania strzałów. Wszystkie symulacje zostały przeprowadzone w środowisku Scilab i dla nieliniowego modelu zestawu. Najistotniejsze wyniki przedstawiono w postaci graficznej.

5

Control Methods Design for a Model of Asymmetrical Quadrocopter

Beniak R., Gudzenko O.

Journal of Automation Mobile Robotics and Intelligent Systems

|

2016

|

Vol. 10, No. 2

40--49

EN

The paper describes the results of quadrocopters motion properties for the control based on the inverse dynamics method and optimal control method with synthesis linear-quadratic regulator (LQR). Motion of quadrocopters is tested for composite trajectories. The new model of asymmetrical quadrocopters, taking into account the rotation and shift of one arm relative to the other, was developed. A few criteria for evaluation of the effectiveness of control methods of quadrocopters are presented in this paper. An analysis of the results allows selecting a method for solving the problem of quadrocopters control and making recommendations for the formation of trajectories.

6

Force ratio in masticatory muscles after total replacement of the temporomandibular joint

Vilimek M., Horak Z., Baca W.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2016

|

Vol. 18, no. 3

131--136

EN

The temporomandibular (TM) joint is one of the most active joints in the human body, and any defect in this joint has a significant impact on the quality of life. The objective of this study was to analyze changes in the force ratio after TM joint replacement on contralateral TM joint loading. Implantation of an artificial TM joint often requires removal of 3 of the 4 masticatory muscles (activators). In order to perform true loading of the TM joint, loading during mastication was investigated. Input kinematic variables and mastication force were experimentally examined. The inverse dynamics approach and static optimization technique were used for solution of the redundant mechanism. Muscle forces, and reactions in the TM joint were calculated. We modified the model for several different tasks. The m. temporalis and m. masseter were removed individually and together and the forces of mastication on the TM joint were calculated for each variation. To evaluate the results, a parametric numerical FE analysis was created to compare the magnitude of the TM joint loading during the bite process for four different muscle resections. The results show an influence relative to the extent of muscle resection on contralateral TM joint loading in a total TM joint replacement. The biggest increase in the loading magnitude on the contralateral TM joint is most evident after m. masseter and m. temporalis resection. The results from all simulations support our hypothesis that the greater the extent of muscle resection the greater the magnitude of contralateral TM joint overloading.

7

Mirakhorlo M., Azghani M. R.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2015

|

Vol. 17, no. 4

21--29

EN

Lifting is known to be a major reason for musculoskeletal injuries. In this way, lifting has a crucial effect on human musculoskeletal system and intensity of this impact depends slightly on the selection of techniques. Underlying mechanisms by which trunk muscles are executed during performing lifting are central to biomechanical study of lifting techniques. In the current study, the trunk muscular control mechanisms of lifting are investigated using the synergetic control analysis. Non-negative matrix factorization has been used to extract trunk muscles synergies from their activities – which are computed by a previously validated musculoskeletal model – during different lifting techniques aimed to investigate motor control strategies. Three lifting techniques are considered; stoop, squat and semi-squat. Three synergies account for variety among muscle activation of trunk muscles with related VAF (Variability Account For) of over 95%. Trunk muscle synergy weightings and related time-varying coefficients are calculated for each kind of lifting techniques considering three synergies. Paired correlation coefficients between muscle synergies are all greater than 0.91 (P < 0.05) suggesting that trunk muscle synergies are similar for examined techniques in spite of their kinematic diversity. This similarity can be a result of their common ultimate goal. The acquired results also elucidate the mechanisms of muscle activation patterns that can be exploited in future studies and ergonomic interventions.

8

A case study of inverse dynamics control of manipulators with passive joints

Blajer W., Kołodziejczyk K.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2014

|

Vol. 52 nr 3

793--801

EN

Manipulators with both active and passive joints are examples of underactuated systems, featured by less control inputs than degrees of freedom. Due to the underactuation, in the trajectory tracking (servo-constraint) problem, the feed-forward control obtained from an inverse model is influenced by internal dynamics of the system, leading to a more involved control design than in the fully actuated case. It is demonstrated that a convenient approach to the problem solution is to formulate the underactuated system dynamics in the input-output normal form, with the arising governing equations formulated either as ODEs (ordinary differential equations) or DAEs (differential-algebraic equations). The interrelationship between the inverse dynamics control and the associated internal dynamics is then studied and illustrated using a planar manipulator with two active and one passive joint. Some simulation results for the sample case study are reported.

9

Control of electric drive by means of inverse dynamics

Zając M.

Czasopismo Techniczne. Automatyka

|

2013

|

R. 110, z. 3-AC

3--16

EN

This paper presents a method for positioning an electric drive with an elastic mechanical part by applying the inverse problem of dynamics. The presented assumptions take into account technological requirements and limitations of dynamic variables. The desired trajectory of the mechanical part of the electromechanical system has also been determined. On this basis, an algorithm for determining the control voltage waveform is proposed.

PL

W artykule przedstawiono metodę pozycjonowania napędu elektrycznego z elementem elastycznym z zastosowaniem zagadnienia odwrotnego dynamiki. Sformułowano założenia i uwzględniając wymagania technologiczne oraz ograniczenia wielkości dynamicznych, określono przebieg pożądanej trajektorii układu elektromechanicznego. Na tej podstawie opracowano algorytm obliczeniowy w celu określenia przebiegu napięcia sterującego.

10

Exploiting QuTEM for Improving Joint Angles Estimation in the Context of Clinical Motion Analysis

Stępień J., Lebek K.

Machine Graphics and Vision

|

2011

|

Vol. 20, No. 3

283-298

EN

This paper describes a statistical procedure designed to work with quaternions (QuTEM) as a useful tool for interpreting recorded joint motion in the particular context of clinical gait analysis. We believe that QuTEM addresses some of the problems of analyzing and interpreting joint motion data acquired using numerous available devices. The theoretical introduction is followed by a measured noise robustness test and two usage scenarios describing actual practical applications of this procedure.

11

Identification of internal loads at the selected joints during performance of a backward somersault

Czaplicki A.

Archive of Mechanical Engineering

|

2009

|

Vol. LVI, nr 3

303-316

EN

A backward tucked somersault from the standing position is analyzed in this study. The used computations were based on a three-dimensional model of the human body defined in natural coordinates. The net torques and internal reactions occuring at the ankle, knee, hip, upper trunk-neck and neck-head joints were obtained by inverse dynamics. The achieved results confirmed the significant loads at the joints at the beginning of the landing phase and revealed the way the analyzed stunt was controlled. It was also shown that the natural coordinates provide a useful environment for modeling spatial biomechanical structures.

PL

W niniejszej pracy poddano identyfikacji biomechanicznej salto z miejsca w tył w pozycji kucznej. Obliczenia przeprowadzono wykorzystując trójwymiarowy model ciała człowieka zdefiniowany we współrzędnych naturalnych. W wyniku rozwiązania zagadnienia odwrotnego uzyskano przebiegi zbiorczych momentów sił mięśniowych oraz reakcji wewnętrznych w stawach kończyny dolnej i na poziomie połączeń tułowia z szyją oraz szyi z głową. Uzyskane wyniki wskazują na wysoki poziom obciążeń w stawach na początku fazy lądowania oraz ukazują sposób sterowania ciałem człowieka w trakcie badanego salta. Obliczenia potwierdziły też przydatność współrzędnych naturalnych w modelowaniu przestrzennych struktur biomechanicznych.

12

Modeling of underactuated mechanical systems in partly specified motion

Blajer W., Kołodziejczyk K.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2008

|

Vol. 46 nr 2

383-394

EN

This paper deals with the inverse dynamics problem of underactuated mechanical systems subjected to execute partly specified motions. The modeling methodology focuses on a special class of differentially flat systems, represented by a group of relevant technical examples. The governing equations are obtained as index three differential-algebraic equations, and a simple numerical code for their solution is reported. The solution comprises both the dynamic analysis of the underactuated systems in partly specified motion and the synthesis of control that assures realization of such motion.

PL

Praca dotyczy zagadnienia symulacji dynamicznej odwrotnej klasy układów mechanicznych, w których liczba sygnałów sterowania, równa liczbie zadanych charakterystyk ruchu (sygnałów wyjściowych), jest mniejsza od liczby stopni swobody, reprezentowanej przez liczne przykłady techniczne. Równania tak zdefiniowanego ruchu programowego niezupełnego otrzymywane są w postaci równań różniczkowo-algebraicznych o indeksie równym trzy. Omawiany jest prosty, efektywny i stabilny algorytm całkowania tych równań. Rozwiązaniem są przebiegi w czasie zmiennych stanu układu w zadanym ruchu programowym oraz sterowania wymaganego dla realizacji tego ruchu.

13

Musculotendon forces derived by different muscle models

Vilimek M.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2007

|

Vol. 9, nr 2

41-47

EN

The accuracy, feasibility and sensitivity of several different methods for calculating muscle forces during functional activities in humans were investigated. The upper extremity dynamic system was chosen, where the flexion–extension of elbow joint was studied. To counteract the redundant mechanisms we adopted optimization criteria with and without models of individual muscles according to their active and passive properties. Comparisons with known movements solved by inverse dynamics approach and optimization techniques provided similar results for all optimization criteria. Moreover, if muscle models with active and passive properties are included in these analyses, it is relatively easy to calculate muscle forces of both agonists and antagonists. These approaches may be used to provide input data for dynamic FEM stress analysis of bones and bone–implant systems.

14

Dynamics and Control of Robots with Parallel Kinematic Structures

Heimann B., Abdellatif H.

Machine Dynamics Problems

|

2005

|

Vol. 29, No. 4

59-68

EN

It is often, that the dynamics of parallel robots are mostly restricted to simple models to keep real-time capabilities in control systems. The here presented approach for modelling the dynamics takes especially into consideration real-time and parameter identification aspects. This formulation is automatically obtained by an algorithm, that utilizes Jourdain's principle of virtual power using operational space presentation. It leads to a formulation of the dynamic equations of minimal order. The use of linear estimators is based on a formulation of the dynamic equations, which is linear with respect to a dynamic parameter vector of minimal dimension. The principal design methodology for such machines with parallel kinematic structure is exemplarily discussed by consideration of two different machines: the robot "PaLiDA" and a hydraulic test stand "MSI" with 6 degree-of-freedom each. The experimental application of the identified model to model-based feedforward control of the innovative hexapod PaLiDA, which has been developed by the Institute of Production Engineering and Machine Tools of the University of Hannover, proves the capability and efficiency of the presented algorithms.

15

Biomechanical modelling for whole body motion using natural coordinates

Czaplicki A., Silva M. T., Ambrosio J. C.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2004

|

Vol. 42 nr 4

927-944

EN

The study of spatial human movements requires the development and use of a three-dimensional model. The model proposed here has 44 degrees-of-freedom and it is described using natural coordinates, which do not require an explicit definition of rotation coordinates. The biomechanical model consists of 16 anatomical segments composed of 33 rigid bodies. Joint actuators are introduced into equations of motion of the multibody model by means of kinematic driver constrains in order to reflect the effect of the muscle forces about each anatomical joint. After associating a Lagrange multiplier to each joint actuator, the torques that represent muscle forces become coupled with the biomechanical model through the Jacobian matrix of the underlying multibody system. The developed model is applied to identify net torques and reaction forces at the anatomical joints in application cases that include the take-off to aerial trajectories and standing backwards somersault.

PL

W pracy zaprezentowano pełną metodologię do badania ruchów człowieka. Podstawowym elementem tej metodologii jest trójwymiarowy biomechaniczny model ciała ludzkiego. Położenia członów modelu opisano za pomocą współrzędnych naturalnych, co wyeliminowało konieczność użycia współrzędnych kątowych. Model składa się z 33 ciał sztywnych połączonych przegubami (stawami) i posiada 44 stopnie swobody. Wypadkowe momenty sterujące w poszczególnych stawach pochodzące od sił mięśniowych wprowadzono do dynamicznych równań ruchu modelu za pomocą stosownych więzów kinematycznych pomiędzy sąsiadującymi członami w danym stawie. Wartości tych momentów wyznaczono wykorzystując formalizm mnożników Lagrange'a. Model wykorzystano do identyfikacji wypadkowych momentów mięśniowych i reakcji wewnętrznych w głównych stawach kończyny dolnej człowieka podczas odbicia do skoku w dal oraz w trakcie wykonywania salta w tył z miejsca.

16

Sterowanie ruchem pojazdu podwodnego w płaszczyźnie pionowej z zastosowaniem dynamiki odwrotnej

Garus J.

Zeszyty Naukowe Akademii Marynarki Wojennej

|

2002

|

R. 43 nr 2 (150)

25-31

PL

W artykule opisano wyniki sterowania ruchem pojazdu podwodnego wykorzystaniem tzw. metod dynamiki odwrotnej. Przeprowadzając analizę o kreślono algorytm zapewniający prowadzenie pojazdu wzdłuż zadanej trajektorii poprzez zaprogramowaną zmianę sił generowanych przez pędniki . Zamieszczono przykładowe wyniki badań symulacyjnych ruchu zdalnie sterowanego pojazdu podwodnego w płaszczyźnie pionowej.

EN

The paper presents the results of control of underwater vehicle motion with reverse dynamics methods. In the analysis derived was an algorithm ensuring moving the vehicle along the pre-set trajectory. It contains examples results of the motion simulation investigations of underwater vehicle remotely controlled in vertical pane.

17

Prediction of the dynamic characteristics and control of aircraft in prescribed trajectory flight

Blajer W., Graffstein J., Krawczyk M.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2001

|

Vol. 39 nr 1

79-103

EN

A unified and general approach to modeling and simulation of aircraft prescribed trajectory flight is presented in the paper. The program of motion is composed of a specified trajectory in space (two constrains on the aircraft position), a required fuselage attitude with respect to the trajectory, and optionally, elevator and rudder deflections and thrust changes, a tangent realization of the trajectory constrains arises, which yields two additional constraints on the fuselage attitude (which thus becomes fully specified). The govering equations of the programmed motion are developed in the form of differential-algebraic equations, and a method of solving the equations is proposed. The solution consist of variations of the aircraft state variables and the required control that ensures realization of the prescribed motion program. This gives a unique opportunity to study simulated control strategies and evaluate feasibility of modeled aircraft mission. Some results of numerical simulations are reported.

PL

Predykcja własności dynamicznych i sterowania samolotem w ruchu programowym po założonej trajektorii. W pracy przedstawione jest uogólnione i zmodyfikowane podejście do modelowania i symulacji programowego ruch samolotu. Program ruchu budowany jest za pomocą założonej trajktorii przestrzennej (dwa warunki więzów nakładane na położenie samolotu), narzuconych zmian konfiguracji płatowca względem tej trajektorii oraz, opcjonalnie, zmian prędkości lotu. W przypadku samolotu sterowanego klasycznie za pomocą wychyleń powierzchni sterowych (lotek oraz sterów wysokości i kierunku) oraz zmiany siły ciągu, realizacja więzów trajektorii lotu jest styczna, co implikuje dwa dodkowe warunki na zmiany konfiguracji płatowca względem trajektorii. W ten sposób zmiany konfiguracji kątowej płatowca stają się w pełni określone (zaprogramowane). Równania ruchu programowego generowane są w postaci równań różniczkowo-algebraicznych. Proponowana jest metoda numerycznego rozwiązania tych równań. Jako rozwiązania są zmiany w czasie zmiennych stanu ruchu samolotu oraz przebiegi sterowania samolotem wymagane dla ścisłej realizacji więzów programowych. Otwiera to nowe możliwości analizy symulowanych manewrówsamolotu oraz oceny ich realizowalności. Przytaczne są wybrane wyniki symulacji numerycznej.