ТОЧНОСТЬ ОПИСАНИЯ РУКИ ЧЕЛОВЕКА СИСТЕМОЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Фролов А. А., Прокопенко Р. А., Бирюкова Е. В., Роби-Брами А.
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва; *Университет П. и М. Кюри, INSERM-483, Париж
Общепринято, что для широкого
класса рабочих движений рука человека может быть представлена
как система трех твердых тел (плечо, предплечье, кисть), соединенных
идеальными шарнирами. Как правило, плечевой сустав моделируется
шаровым шарниром, а локтевой и луче-запястный - шарниром с двумя
взаимно-перпендикулярными осями вращения. Многочисленные экспериментальные
данные указывают на то, что такая модель является приближенной.
Однако, работы в которых бы оценивалась ее точность, практически
отсутствуют. В настоящей работе предложен метод расчета геометрических
параметров суставов на основе экспериментальных записей движений
руки. Записи производились с помощью электромагнитной системы
Spatial Tracking System (STS) FastrackTM Polhemus,
позволяющей регистрировать координаты и ориентации маркеров, уставновленных
на руке человека, относительно неподвижной системы координат.
Четыре маркера были установлены на акромионе, плече, предплечье
и кисти. Эти данные использовались для расчета наилучшего приближения
руки системой твердых тел, соединенных шарнирами с неизменной
геометрией. Оценивалось положение центра вращения в плечевом суставе,
а также положения и направления осей в локтевом и луче-запястном
суставах. Показано, что эти оси не являются перпендикулярными
и пересекающимися. Угол между осями в локтевом суставе составлял
у разных испытуемых от 71° до 108°, а в луче-запястном от 74°
до 110°. Расстояние между осями составляло соответственно от 0,5
см до 2,5 см и от 0,2 см до 0,7 см. Было также показано, что положение
оси сгибания-разгибания в локте существенно зависит от степени
пронации предплечья. Кинематика руки определялась в виде изменений
во времени углов вращений относительно анатомических осей. Найденные
геометрические параметры суставов использовались при решении прямой
задачи кинематики. Разность между вычисленными и зарегистрированными
координатами и ориентациями датчиков рассматривалась как ошибка
метода расчета кинематики. Минимизация этой ошибки по углам вращения
в суставах качественно не меняет зависимости углов вращения от
времени. Ошибка расчета прямой кинематики, соответствующая найденному
минимуму, состаляет 0,6 см для координат и 7° для ориентаций датчиков.
Эта ошибку для широкого класса движений можно считать оценкой
приближения модели руки системой твердых тел с неизменной геометрией
суставов.