priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-10-831-836pribor-40Research ArticleКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯCOMPUTER MODELING AND DESIGN AUTOMATIONМоделирование поперечного касательного взаимодействия стопы с опорной поверхностьюModeling of Transverse Tangential Interaction of the Foot with the Supporting SurfaceМусалимовВ. М.MusalimovV. M.

Виктор Михайлович Мусалимов — д-р техн. наук, профессор; главн. науч. сотр.

Санкт-Петербург

Victor M. Musalimov — Dr. Sci., Professor; Chief Researcher

St. Petersburg

musvm@yandex.ruПерепелкинаС. Ю.PerepelkinaS. Yu.

Светлана Юрьевна Перепелкина — канд. техн. наук; Высшая школа автоматизации и робототехники; доцент

Санкт-Петербург

Svetlana Yu. Perepelkina — PhD; Higher School of Automation and Robotics; Associate Professor

St. Petersburg

Svetlana.yu.perepelkina@gmail.comЕрофеевМ. А.ErofeevM. A.

Михаил Александрович Ерофеев — аспирант

Санкт-Петербург

Michael A. Erofeev — Post-Graduate Student

St. Petersburg

Институт проблем машиноведения Российской Академии наукInstitute for Problems in Mechanical Engineering of the RASСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоPeter the Great St. Petersburg Polytechnic University2024251120246710831836Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/40

Представлены результаты исследования процесса взаимодействия стопы с опорной поверхностью при ходьбе в фазах опоры и переката. В основу исследований положены экспериментальные данные сгибания–разгибания–пронации и супинации голеностопного сустава и реакций стопы при ходьбе. Основное внимание уделено анализу поперечной составляющей сил реакции. Установлено, что ударные составляющие сил реакций стопы целесообразно моделировать с помощью обобщенных функций Эрмита, а фазу переката стопы — скручиваемым эластичным армированным цилиндром. Результаты исследования используются при разработке мехатронных ортезов голеностопного сустава, они нацелены на разработку методов оценки и выявления плоскостопия на ранних этапах развития с перспективой построения карт реабилитации.

Results of the study of the interaction of the foot with the support surface during walking in the phases of support and rolling are presented. The research is based on experimental data on flexion–extension–pronation and supination of the ankle joint and foot reactions when walking. The main attention is paid to the analysis of the transverse component of the reaction forces. It was found that it is advisable to model the shock components of the foot reaction forces using generalized Hermite functions, and the phase of the foot roll with a twisted elastic reinforced cylinder. The results of the study are used in the development of mechatronic ankle orthoses. They are aimed at developing methods for assessing and identifying flat feet in the early stages of development with the prospect of building rehabilitation maps.

биомеханический анализ движенийударно-фрикционное взаимодействиеупруго-фрикционное взаимодействиефункция Эрмитаbiomechanical analysis of movementsimpact-friction interactionelastic-friction interactionHermite functionРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № 124041500009-8).The work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. 124041500009-8).ReferencesМусалимов В. М., Паасуке М., Гапеева Е., Ерелине Я., Ерофеев М. А. Моделирование динамики опорно-двигательной системы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17, № 6. С. 1159–1166.Musalimov V.M., Paasuke M., Gapeeva E., Ereline Ya., Erofeev M.A. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2017, no. 6(17), pp. 1159–1166. (in Russ.)Мусалимов В. М., Перепелкина С. Ю. Построение зависимостей между параметрами динамических моделей на основе анализа кинематики ходьбы // Сб. тез. докл. на XIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике. 21–25 августа 2023 г. СПб: Политех-Пресс, 2023. Т. 4. С. 86–87.Musalimov V.M., Perepelkina S.Yu. Tezisy dokladov na XIII Vserossiyskom s”yezde po teoreticheskoy i prikladnoy mekhanike (Abstracts of Reports at the XIII All-Russian Congress on Theoretical and Applied Mechanics), St. Petersburg, 2023, vol. 4, рр. 86 –87. (in Russ.)Мусалимов В. М., Ерофеев М. А., Монахов Ю. С., Малов М. С. Моделирование ударно-фрикционного взаимодействия стопы с опорной поверхностью с использованием базиса обобщенных функций Эрмита // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66, № 8. С. 652–659. DOI:10.17586/0021-3454-2023-66-8-652-659.Musalimov V.M., Erofeev M.A., Monakhov Yu.S., Malov M.S. Journal of Instrument Engineering, 2023, no. 8(66), pp. 652–659, DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-8-652-659. (in Russ.)Перепелкин А. И., Мандриков В. Б., Краюшкин А. И., Атрощенко Е. С. Некоторые особенности механических свойств стопы человека // Вестник ВолгГМУ. 2016. Вып. 3(59). С. 22–24.Perepelkin A.I., Mandrikov V.B., Krayushkin A.I., Atroschenko E.S. Journal of Volgograd State Medical University, 2016, no. 3(59), pp. 22–24. (in Russ.)Оганесян О. В., Иванников С. В., Коршунов А. В. Восстановление формы и функции голеностопного сустава шарнирно-дистракционными аппаратами. М.: БИНОМ, 2003.Oganesian O.V., Ivannikov S.V., Korshunov A.V. Vosstanovleniye formy i funktsii golenostopnogo sustava sharnirnodistraktsionnymi apparatami (Restoration of the Shape and Function of the Ankle Joint with Hinge-Distraction Devices), Moscow, 2003, 120 p. (in Russ.)Витензон А. С. Закономерности нормальной и патологической ходьбы человека. М.: Зеркало, 1998. 271 с.Vitenzon A.S. Zakonomernosti normal’noy i patologicheskoy khod’by cheloveka (Patterns of Normal and Pathological Human Walking), Moscow, 1998, 271 р. (in Russ.)Скворцов Д. В. Диагностика двигательной патологии инструментальными методами: анализ походки, стабилометрия. М., 2007. 617 с.Skvortsov D.V. Diagnostika dvigatel’noy patologii instrumental’nymi metodami: analiz pokhodki, stabilometriya (Diagnostics of Movement Pathology with Instrumental Methods: an Analysis of Gait, Stabilometry), Moscow, 2007, 617 р. (in Russ.)Каган И. И. Топография, анатомия и оперативная хирургия в терминах, понятиях, классификациях. Оренбург: ОрГМА, 1997. 178 с.Kagan I.I. Topografiya, anatomiya i operativnaya khirurgiya v terminakh, ponyatiyakh, klassifikatsiyakh (Topography, Anatomy and Operative Surgery in Terms, Concepts, Classifications), Orenburg, 1997, 178 р. (in Russ.)Nalam V., Adjei E., and Lee H. Quantification and Modeling of Ankle Stiffness during Standing Balance // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2021. Vol. 68, N 6. P. 1828–1837. DOI: 10.1109/TBME.2020.3023328.Nalam V., Adjei E., and Lee H. IEEE, Trans. Biomed. Eng., 2021, no. 6(68), pp. 1828–1837, DOI: 10.1109/TBME.2020.3023328.Roy A., Krebs H. I., Patterson S. L., Judkins T. N., Khanna I., Forrester L. W., Macko R. M., Hogan N. Measurement of Human Ankle Stiffness Using the Anklebot // Proceedings of the 2007 IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics. Noordwijk, 12–15 June 2007. DOI: 10.1109/ICORR.2007.4428450.Roy A., Krebs H.I., Patterson S.L., Judkins T.N., Khanna I., Forrester L.W., Macko R.M., Hogan N. Proceedings of the 2007 IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics, Noordwijk, June 12–15, 2007, DOI:10.1109/ icorr.2007.4428450.Kato E., Kanehisa H., Fukunaga T., Kawakami Y. Changes in ankle joint stiffness due to stretching: The role of tendon elongation of the gastrocnemius muscle // European Journal of Sport Science. 2010. Vol. 10, N 2. P. 111–119. DOI: 10.1080/17461390903307834.Kato E., Kanehisa H., Fukunaga T., Kawakami Y. European Journal of Sport Science, 2010, no. 2(10), pp. 111–119, DOI: 10.1080/17461390903307834.Wind A. M., Rouse E. J. Neuromotor Regulation of Ankle Stiffness is Comparable to Regulation of Joint Position and Torque at Moderate Levels // Sci. Rep. 2020. Vol. 10, N 1. P. 10383. DOI: 10.1038/s41598-020-67135-x.Wind A.M., Rouse E.J. Sci. Rep., 2020, no. 1(10), pp. 10383, DOI: 10.1038/s41598-020-67135-x.Мусалимов В. М., Перепелкина С. Ю., Гапеева Е., Паасуке М., Ерелине Я., Ерофеев М. А. Количественная оценка и моделирование биомеханических характеристик голеностопного сустава // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2024. Т. 24, № 3. С. 446–454. DOI:10.17586/22261494-2024-3-445-454.Musalimov V.M., Perepelkina S.Yu., Paasuke M.A., Gapeeva E.N., Ereline J.J., Erofeev M.A. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2024, no. 3(24), pp. 520–527, DOI: 10.17586/22261494-2024-24-3-520-527. (in Russ.)Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975. 576 с.Timoshenko S.P., Goodyer J. Teoriya uprugosti (Theory of Elasticity), Moscow, 1975, 576 р. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.