OPUS 9

Tytuł: Modelowanie, analiza kinematyczno-dynamiczna i symulacyjna prototypu egzoszkieletu do rehabilitacji osób z niepełnosprawnością ruchową kończyn dolnych

Kierownik grantu: prof. dr hab. inż. Jan Awrejcewicz

Nr decyzji: 2015/17/B/ST8/01700

Okres realizacji: 2016-02-12 – 2019-06-11

Przyznane środki: 999 600 PLN

Streszczenie: https://www.ncn.gov.pl/sites/default/files/listy-rankingowe/2015-03-15/streszczenia/293885-pl.pdf

Plan badań:

1. Opracowanie nowego kryterium stabilności chodu i jego weryfikacja numeryczna.

2. Analiza geometryczno-kinematyczna ruchu kończyn dolnych podczas chodu.

3. Analiza efektywności metod elektromiograficznej, termowizyjnej i innych w identyfikacji aktywności grup mięśniowych uczestniczących w procesie lokomocji.

4. Opracowanie nowych modeli matematycznych mięśni pierzastych i optymalizacja istniejących modeli mięśni wrzecionowatych.

5. Weryfikacja doświadczalna modeli matematycznych mięśni.

6. Zaprojektowanie ogólnej konstrukcji mechanicznej egzoszkieletu z uwzględnieniem elementów regulacyjnych.

7. Opracowanie konstrukcji mechanizmów odwzorowujących rzeczywistą kinematykę stawów kolanowego i skokowego.

8. Opracowanie koncepcji napędu egzoszkieletu.

9. Opracowanie koncepcji (wybór metody) i realizacja sterowania egzoszkieletem.

10. Oszacowanie wytrzymałości doraźnej i zmęczeniowej egzoszkieletu za pomocą badań numerycznych metodą elementów skończonych.

11. Analiza stabilności lokomocyjnej człowieka wyposażonego w egzoszkielet.

12. Testowanie biozgodności fizycznego modelu egzoszkieletu w warunkach chodu normalnego.

Podsumowanie grantu:

Światowe doświadczenia związane ze stosowaniem egzoszkieletów w rehabilitacji układu ruchu człowieka dają podstawy do stwierdzenia, że urządzenia te mogą stanowić jedno z najważniejszych i najskuteczniejszych narzędzi w procesie przywracania, a przynajmniej poprawiania sprawności lokomocyjnej osób dotkniętych różnymi formami dysfunkcji kończyn dolnych. Wyniki prac badawczych przeprowadzonych w ramach omawianego projektu nie tylko potwierdzają tę opinię, ale pozwalają realnie myśleć o rozpoczęciu produkcji takich egzoszkieletów w skali masowej, przy zachowaniu relatywnie niskich kosztów. Decydować o tym będzie ich przystępna cena, jakość konstrukcji i komfort użytkowania.
Przedstawiany projekt stawiał sobie za cel stworzenie podstaw teoretycznych dotyczących budowy funkcjonalnego egzoszkieletu przeznaczonego do rehabilitacji osób dotkniętych niesprawnością kończyn dolnych. Integralną jego częścią było wykonanie prototypu egzoszkieletu na bazie przeprowadzonych wcześniej badań i analiz w celu weryfikacji słuszności sformułowanych założeń, a także w celu określenia newralgicznych elementów urządzenia wymagających szczególnej uwagi i staranności, zarówno w fazie projektowania, jak i wykonania. Dodatkową korzyścią wynikającą z fizycznej realizacji projektu egzoszkieletu była możliwość prowadzenia przy jego użyciu pomiarów parametrów kinematycznych i dynamicznych chodu, a także testowanie rozwiązań konstrukcyjnych samego egzoszkieletu. Pozwoliło to zebrać informacje umożliwiające optymalizację kolejnych wersji urządzenia w zakresie konstrukcji mechanicznej, napędu oraz sterowania.
Projekt był realizowany w dwóch etapach. Pierwszy z nich obejmował przygotowanie bazy teoretycznej do stworzenia projektu egzoszkieletu. W ramach tej części badań przeprowadzono szczegółową analizę kinematyczną i dynamiczną kończyn dolnych podczas chodu, opracowano nowe i zoptymalizowano istniejące modele matematyczne mięśni oraz sposoby identyfikacji ich parametrów, przeprowadzono analizę skuteczności różnych metod identyfikacji aktywności grup mięśniowych kończyny dolnej w różnych fazach cyklu chodu, opracowano mechanizmy odwzorowujące w sposób możliwie dokładny kinematykę stawów biodrowego, kolanowego i skokowego, opracowano koncepcję sterowania egzoszkieletem oraz oszacowano wytrzymałość doraźną i zmęczeniową egzoszkieletu za pomocą badań numerycznych metodą elementów skończonych.
Druga, eksperymentalna część projektu obejmowała fizyczną realizację prototypu egzoszkieletu na bazie wyników badań teoretycznych. Przeprowadzono serie analiz i pomiarów testujących najważniejsze parametry kinematyczne i dynamiczne samego egzoszkieletu, jak również zespołu człowiek-egzoszkielet. Szczególnie istotne było zebranie informacji na temat współdziałania egzoszkieletu z odpowiadającym mu obiektem biologicznym i jego biozgodności kinematycznej. Ma to istotne znaczenie dla komfortu użytkownika i decyduje o praktycznej przydatności urządzenia. Dokonano walidacji doświadczalnej modeli matematycznych mięśni, przeprowadzono testy prototypu egzoszkieletu w warunkach chodu normalnego, sprawdzono zgodność wyznaczonych teoretycznie trajektorii i zakresów ruchu poszczególnych elementów egzoszkieletu z ich rzeczywistymi odpowiednikami uzyskanymi w wyniku badań eksperymentalnych.
Rezultaty przeprowadzonych prac badawczych powinny wpłynąć na obniżenie kosztów produkcji egzoszkieletów, a jednocześnie ułatwić ich dostosowanie do indywidualnych potrzeb użytkownika, wynikających z jego budowy fizycznej i rodzaju dysfunkcji układu lokomocyjnego. Chociaż badania ukierunkowane były głównie na zastosowania rehabilitacyjne, to doświadczenia zebrane podczas realizacji projektu będą mogły być wykorzystane również do innych celów, np. w konstrukcji specjalizowanych robotów dwunożnych lub egzoszkieletów przeznaczonych do celów wojskowych i przemysłowych.
Ważnym aspektem przeprowadzonych badań był ich uniwersalny charakter – uzyskane wyniki będą mogły być przeniesione, przy niewielkiej modyfikacji, na inne fragmenty ciała ludzkiego, co powinno ułatwić projektowanie pełnego, obejmującego całe ciało, egzoszkieletu człowieka. Ponadto doświadczenia zdobyte przy realizacji projektu, poparte weryfikacją eksperymentalną przy użyciu wykonanego prototypu, pozwoliły zidentyfikować najistotniejsze trudności teoretyczne i praktyczne oraz wskazać kierunki dalszych badań.

Artykuły:

• D. Grzelczyk, B. Stańczyk, J. Awrejcewicz, ''Prototype, control system architecture and controlling of the hexapod legs with nonlinear stick-slip vibrations'', Mechatronics, 37, 2016, 63-78. (IF=1.871).
• D. Grzelczyk, B. Stanczyk, J. Awrejcewicz, ''Kinematics, dynamics and power consumption analysis of the hexapod robot during walking with tripod gait'', International Journal of Structural Stability and Dynamics, 17(5), 2017, 1740010 (IF=1.027).
• I. Levadnyi, J. Awrejcewicz, J.E. Gubaua, J.T. Pereira, ''Numerical evaluation of bone remodelling and adaptation considering different hip prothesis design'', Clinical Biomechanics, 59, 2017, 122-129 (IF=1.874)
• I. Wojnicz, B. Zagrodny, M. Ludwicki, J. Awrejcewicz, E. Wittbrodt, ''A two dimensional approach for modelling of pennate muscle behavior'', Biocybernetics and Biomedical Engineering, 37(2), 2017, 302-315. (IF=0.808).
• I. Levadnyi, J. Awrejcewicz, M.F. Goethel, A. Loskutov, ''Influence of the fixation region of a press-fit hip endoprosthesis on the stress-strain state of the "bone-implant" system'', Computers in Biology and Medicine, 84, 2017, 195-204 (IF=1.521)
• P. Biesiacki, D. Grzelczyk, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Numerical model of the human upper extremity and its analysis related to forward fall'', Actual Problems of Biomechanics, 12, 2017, 5-14.
• I. Levadnyi, J. Awrejcewicz, O. Szymanowska, A. Loskutov, ''On the choice of the thickness of the cement mantle in cemented hip arthroplasty'', Journalof Theoreticaland Applied Mechanics, 55(4), 2017, 1235-1244 (IF=0.679).
• S. Strafun, I. Levadnyi, V. Makarov, J. Awrejcewicz, ''Comparative biomechanical analysis of stress-strain state of the elbow joint after displaced radial head fracture'', Journal of Medical and Biological Engineering, 38, 2017, 618-624 (IF=0.989).
• I. Levadnyi, J. Awrejcewicz, Y. Zhang, M. Fagundes-Goethel, Y. Gu, ''Finite element analysis of impact for helmeted and non-helmeted head'', Journal of Medical and Biological Engineering, 38, 2018, 587-595 (IF=0.989).
• D. Grzelczyk, P. Biesiacki, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Dynamic simulation of a novel "broomstick" human forward fall model and finite element analysis of the radius under the impact force during fall'', Journalof Theoreticaland Applied Mechanics, 56(1), 2018, 239-253 (IF=0.679)
• M. Zagrodny, M. Ludwicki, W. Wojnicz, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Cooperation of mono- and bi- articular muscles: human lower limb'', Journal of Musculosceletal and Neuronal Interactions, 18(2), 2018, 176-182 (IF=1.489).
• J. Zhang; J. Awrejcewicz, O. Szymanowska, S. Shen, X. Zhao, J.S Baker, Y. Gu, ''Effects of severe hallux valgus on metatarsal stress and the metatarsophalangeal loading during balanced standing: A finite element analysis'', Computers in Biology and Medicine, 97, 2018, 1-7 (IF=1.836).
• O. Kuzmych, J. Awrejcewicz, O. Mekush, P. Pekh, K. Bortnik, E. Potemkina, I. Shubala, ''Development of control for the ankle joint simulator applied to the problem on vertical posture balance of a human'', Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2018, 6/7(96), 59-57
• D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, ''Analysis of contact forces between the ground and the hexapod robot legs during tripod gait'', Machine Dynamics Research, 2018, 42(2), 17-26.
• I. Levadnyi, J. Awrejcewicz, O. Szymanowska, D. Grzelczyk, J.E. Gubaua, J.T. Pereira, G.W.O. Dicati, ''Biomechanical rationale for choice of cement mantle thickness around a femoral stem'', Journal of Mechanics in Medicine and Biology, 2018, 18(6):1850064 (IF=0.875).
• D. Grzelczyk, O. Szymanowska, J. Awrejcewicz, ''Gait pattern generator for control of a lower limb exoskeleton'', Vibrations in Physical Systems, 2018, 29, 2018007 (10 pages).
• D. Grzelczyk, P. Biesiacki, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''A 4-link model of a human for simulating a forward fall'', Vibrations in Physical Systems, 2018, 29, 2018008
• D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, ''Modeling and control of an eight-legged walking robot driven by different gait generators'', International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2019, 19(5), 1941009 (IF=2.082). [100]
• D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, ''Dynamics, stability analysis and control of a mammal-like octopod robot driven by different central pattern generators'', Journal of Computational Applied Mechanics, 2019, 50(1), 76-89. [20]
• D. Grzelczyk, O. Szymanowska, J. Awrejcewicz, ''Kinematic and dynamic simulation of an octopod robot controlled by different central pattern generators'', Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 2019, 233(4), 400-417 (IF=0.988). [40]
• K. Vonsevych, M.F. Goethel, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, M. Bezuglyi, ''Fingers movements control system based on artificial neural network model'', Radioelectronics and Communications Systems, 2019, 62(1), 23-33
• R. Nigmatullin, A.L. Morozov, J. Awrejcewicz, M. Ludwicki, ''Modelling and experimental validation of the walking processes'', Biocybernetics and Biomedical Engineering Journal, 2020, 40(1), 200-210 (IF=1.374). [70]

Artykuły konferencyjne:

• I. Levadnyi, J. Awrejcewicz, ''Biomechanical investigation of contact interactions on articular surfaces of elbow joint'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics, Biała Podlaska, Poland, September 5-7, 2016, 153-154.
• P. Biesiacki, J. Mrozowski, D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, ''Forward fall on outstretched hands as a 4-DOF biomechanical model'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics, Biała Podlaska, Poland, September 5-7, 2016, 47-48.
• I. Levadnyi, J. Awrejcewicz, ''Finite element analysis of fixation of intertrochanteric fractures of the femur using different designs'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics, Biała Podlaska, Poland, September 5-7, 2016, 155-156.
• I. Levadnyi, O. Szymanowska, W. Kunikowski, J. Awrejcewicz, ''The influence of the thickness of the cement mantle on the quality of total hip arthroplasty'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics, Biała Podlaska, Poland, September 5-7, 2016, 161-162.
• I. Levadnyi, J. Awrejcewicz, ''The study of stress state in the case of different types of fixation of the stem prosthesis in the femoral bone'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics, Biała Podlaska, Poland, September 5-7, 2016, 159-160.
• I. Levadnyi, J. Awrejcewicz, ''The rational choice of the thickness of the cement mantle in total hip arthroplasty'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics, Biała Podlaska, Poland, September 5-7, 2016, 157-158.
• W. Wojnicz, B. Zagrodny, M.Ludwicki, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, E. Wittbrodt, ''Biomechanical model for gait analysis in a sagittal plane'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics, Biała Podlaska, Poland, September 5-7, 2016, 311-312.
• B. Zagrodny, M.Ludwicki, W. Wojnicz, J. Awrejcewicz, ''Cooperation of mono- and biarticular muscles: human lower limb'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics, Biała Podlaska, Poland, September 5-7, 2016, 321-322.
• M. Ludwicki, B. Zagrodny, W. Wojnicz, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Influence of additional loads on chosen gait parameters and muscles activity'', 27th Symposium on Vibrations in Physical Systems, Poznań-Będlewo, Poland, May 9-13, 2016, 227-236.
• D. Grzelczyk, P. Biesiacki, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Modelling and analysis of the human upper extremity in various forearm configurations resulting from a fall'', 23rd Congress of the European Society of Biomechanics, Seville, Spain, July 2-5, 2017, 908.
• D. Grzelczyk, P. Biesiacki, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''A 5-link mechanical model simulating a foreward fall process on the outstreched arms'', 23rd Congress of the European Society of Biomechanics, Seville, Spain, July 2-5, 2017, 905.
• M.F. Goethel, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Coordinative patterns and gait stability accessed by nonlinear dynamics approach: a preliminary study'', Proceedings of the 23rd International Conference on Engineering Mechanics, Svratka, Czech Republic, May 15-18, 2017, 346-349.
• W. Wojnicz, B. Zagrodny, M. Ludwicki, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, E. Wittbrodt, ''Determination of the relationship between lower limb muscle activities, centre of mass and centre of pressure displacement over stepping'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics ''Biomechanics 2018'', Zielona Góra, Poland, September 5-7, 2018, 251-252.
• O Szymanowska, D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, ''A simple approach to simulate lower limb movement during gait'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics ''Biomechanics 2018'', Zielona Góra, Poland, September 5-7, 2018, 221-222.
• M. Ludwicki, B. Zagrodny, W. Wojnicz, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Criterion of gait stability based on centre of mass displacement'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics ''Biomechanics 2018'', Zielona Góra, Poland, September 5-7, 2018, 137-138.
• B. Zagrodny, M. Ludwicki, W. Wojnicz, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Muscle activity during gait - electromyographic and thermographic point of view'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics ''Biomechanics 2018'', Zielona Góra, Poland, September 5-7, 2018, 259-260.
• W. Kunikowski, O. Szymanowska, M. Krain, D. Grzelczyk, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Open and scalable trajectory-based exoskeleton control system architecture'', International Conference of the Polish Society of Biomechanics ''Biomechanics 2018'', Zielona Góra, Poland, September 5-7, 2018, 125-126.

Rozdziały w książkach:

• B. Stańczyk, D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, ''Mathematical modelling and investigations of the hexapod robot'', in: Research Advances in Applied Mechanics, R.Mania (Ed), TU Press, Lodz, 2016, pp. 169-190 (ISBN 978-83-7283-768-4).
• P. Biesiacki, J. Mrozowski, D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, ''Modelling of forward fall on outstretched hands and a system with ground contact'', in: Springer Proceedings in Mathematics and Statics - ''Dynamical Systems: Modelling'', Ed. J. Awrejcewicz, Springer, 2016, 61-72 (978-3-319-42401-9).
• O. Szymanowska, G. Szymkiewicz, D. Lewandowski, D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, ''Hydraulically driven unit converting rotational motion into linear one'', in: Springer Proceedings in Mathematics and Statics - ''Dynamical Systems: Modelling'', Ed. J. Awrejcewicz, Springer, 2016, 361-373 (978-3-319-42401-9).
• P. Biesiacki, D. Grzelczyk, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''A novel human "broomstick" forward fall model and its application in the strength analysis of the human upper extremity'', in: Engineering Dynamics and Life Sciences, (Eds.) J. Awrejcewicz, M. Kaźmierczak, J. Mrozowski, P. Olejnik, DAB&M of TUL Press, Lodz, 2017, 65-72 (ISBN 978-83-935312-4-0).
• D. Grzelczyk, B. Stańczyk, O. Szymanowska, J. Awrejcewicz, ''Simulation of the octopod robot controlled by different Central Patterns Generators'', in: Engineering Dynamics and Life Sciences, (Eds.) J. Awrejcewicz, M. Kaźmierczak, J. Mrozowski, P. Olejnik, DAB&M of TUL Press, Lodz, 2017, 229-238 (ISBN 978-83-935312-4-0).
• M. Krain, B. Zagrodny, J. Awrejcewicz, ''Exoskeleton – control by pressure sensors – practical solution'', in: Engineering Dynamics and Life Sciences, (Eds.) J. Awrejcewicz, M. Kaźmierczak, J. Mrozowski, P. Olejnik, DAB&M of TUL Press, Lodz, 2017, 285-296 (ISBN 978-83-935312-4-0).
• I. Levadnyi, D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, O. Loskutov, ''Influence of the fixation region of a hip stem on the behaviour of the "bone–implant" system'', in: Engineering Dynamics and Life Sciences, (Eds.) J. Awrejcewicz, M. Kaźmierczak, J. Mrozowski, P. Olejnik, DAB&M of TUL Press, Lodz, 2017, 321-328 (ISBN 978-83-935312-4-0).
• W. Wojnicz, B. Zagrodny, M. Ludwicki, M. Syczewska, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''Approach for determination of functioning of lower limb muscles'', in: Dynamical Systems in Applications, (Ed.) J. Awrejcewicz, Springer, 2018, 423-438 (ISBN 978-3-319-96601-4).
• D. Grzelczyk, P. Biesiacki, J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, ''A 3 link model of a human for simulating a fall in forward direction'', in: Dynamical Systems in Applications, (Ed.) J. Awrejcewicz, Springer, 2018, 135-146 (ISBN 978-3-319-96601-4).
• O. Jarzyna, D. Grzelczyk, J. Awrejcewicz, ''A simple pattern generator for biped walking'', in: Applicable Solutions in Non-Linear Dynamical Systems, (Eds.) J. Awrejcewicz, M. Kaźmierczak, P. Olejnik, Lodz University of Technology, Lodz, 2019, 227-236 (ISBN 978-83-66287-30-3).