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Dissertação

{en=Development of a Control Architecture for a Musculoskeletal Model of the Human Ankle Joint Using Multibody Dynamics and Hill-Type Muscle Actuators} {} EVALUATED

Detalhes: {pt=A estimulação eléctrica funcional (FES) surge como a tecnologia ideal para restabelecer a função muscular perdida no caso de paraplegia/hemiplegia. Na generalidade dos equipamentos FES destinados ao membro inferior, a estimulação está pré-definida, não existindo acção de controlo correctivo. Foi desenvolvida uma ferramenta de simulação computacional que permite o controlo, em anef fechado, do movimento articular humano.Este controlo realiza-se através de electroestimulacäo de um conjunto de músculos cuja resposta fisiológica é assegurada por um modelo constitutivo do tipo Hill. O sistema foi particularizado para o modelo biomecânico da perna e do pé, tendo sindo incluidos os 12 músculos que intervêm nos movimentos da articulação estudada, dos quais: Tibialis Anterior, Soleus, Gastrocnemius Medial e o Lateral tiveram as suas activações reguladas. O sistema foi implementado de forma discreta, de modo a simular o comportamento físico, usando controladores PID adaptados. Nos testes realizados, o sistema provou ser eficaz ao seguir a referência. Usando unicamente os dados cinemáticos de um ensaio de marcha, a referência seguida apenas com uma pequena diferença de fase. A introdução das forças de reacção, meio de aproximar a simulação da realidade,tornou o modelo mais complexo. Verificou-se que o sistema unicamente em anel fechado não conseguiu guiar o modelo. Para ultrapassar este problema, foram incluidas activações musculares, através de um sistema em anel aberto, corrigindo com sucesso os desvios resultantes da aplicação das forcas exteriores. No final, foram sugeridos melhoramentos, de forma a transformar o sistema de simulação numa ferramenta mais robusta e fidedigna da fisiologia do movimento humano. , en=Functional Electrical Stimulation appears as the ideal tool to control muscle function by artificial activation of paralyzed muscles. The devices for the lower limb are based on the open-loop approach. A simulation tool was developed using feedback approach in order to control an angle joint movement by providing the proper muscle activation. The physiological response of the muscle is guaranteed by Hill-type muscle model. The system was intentionally devised for the biomechanical model of the lower leg and foot, in which the twelve muscles inherent in the referred joint were includes. Of those, only four: Tibialis Anterior, Soleus, Medial and Lateral Gastrocnemius were actively controlled. The control system was implemented in a discrete way, in order to draw the control system as near a real physical system as possible, by using an adapted PID controller. In the test examples, the muscle control system proved to be effective on tracking the reference. For the kinematic data of the gait trial, the controlled angle was able to track the reference, only with a small phase lag. When a more complex and realistic test was performed, including the ground reaction forces, was proofed that a single feedback system couldn't follow the reference in a proper way. Aiming for an improvement of the controller performance, muscle activations provided by a feedforward methodology were added and the tracking was successfully corrected. At the end, further improvements are suggested in order to make this tool a more robust and trustworthy simulation of the human motion physiology.}
Keywords: {pt=FES, Controlo, Controlador PID, Sistemas Multicorpo, Modelo Muscular de Hill, en=FES, Control, PID controller, Multibody System, Hill Muscle Model}

Discussão: dezembro 4, 2009, 11:0