Динамика механотерапевтического устройства для реабилитации локтевого сустава

Актуальность темы

В последние годы ведущие страны мира активно работают в области создания реабилитационных систем для пациентов, перенесших инсульты, травмы или хирургические вмешательства, повлекшие за собой нарушения двигательных функций. Принцип действия такого рода устройств заключается в использовании механотерапии — метода лечебной физкультуры, основанного на выполнении дозированных движений (преимущественно для отдельных сегментов конечностей), осуществляемых с помощью механотерапевтических аппаратов, облегчающих движения или, наоборот, требующих дополнительных усилий для их выполнения. Механотерапия предназначается для избирательного воздействия на определённые функции двигательной системы человека.

Современные реабилитационные системы способны не просто действовать по жестко заданный программе, но и осуществлять контроль процесса реабилитации, непрерывно корректируя параметры движения и адаптируя их для конкретного пациента. При этом возникает необходимость изучения особенностей биомеханики движения с целью достижения максимальной эффективности устройств, а также математического описания их функционирования в составе сложной человеко-машинной системы. Общие вопросы теории механизмов получили развитие в работах Б. П. Тимофеева, И. И. Артоболевского, H.H. Попова, В. А. Глазунова и др. Механика движения человека исследовалась в работах Г. Хилла, К. Бэгшоу, В. М. Зациорского, B.JI. Уткина, Р. Б. Зальтера, А. Джонса и др. Дальнейшие исследования, посвященные изучению особенностей кинематики конечностей человека и их взаимодействию с реабилитационным устройством, представлены в работах П. Люма, Дж. Хука, Г. Мансура и других.

Однако при существующем разнообразии подобных реабилитационных устройств достаточно мало внимания уделяется математическому описанию динамики их функционирования в составе сложной человеко-машинной системы, что определяет актуальность выбранной темы исследования.

Объектом исследования является механотерапевтическое устройство для реабилитации локтевого сустава, движущееся совместно с рукой человека.

Предметом исследования в работе являются динамические процессы, происходящие в системе «реабилитационное устройство — рука человека» при движении.

Цель работы состоит в создании научных основ и инструментальных средств проектирования механотерапевтических устройств для реабилитации локтевого сустава, выявлении закономерностей движения, анализе динамических особенностей, определении конструктивных параметров и синтезе рациональных законов управления.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ возможностей применения механотерапевтических устройств в области реабилитации.

2. Анализ кинематики руки человека с учетом особенностей строения локтевого сустава.

3. Разработка математической модели динамики реабилитационного устройства, взаимодействующего с рукой пациента.

4. Исследование динамических особенностей системы «реабилитационное устройство — рука человека» с учетом действия сил, создаваемых мышцами.

5. Исследование динамики системы при условии упругой деформации локтевого сустава.

6. Создание программного комплекса для определения конструктивных параметров устройства и моделирования движения системы в различных режимах.

7. Разработка экспериментальной модели реабилитационного устройства и проведение экспериментальных исследований движения системы.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической и прикладной механики, теории робототехнических систем, вычислительной математики и систем управления.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель динамики системы «реабилитационное устройство — рука человека», учитывающая кинематические особенности строения локтевого сустава, процессы, протекающие в электроприводах ограниченной мощности, а также нелинейный характер сил, создаваемых мышечной системой человека

2. Математическая модель динамики сгибания руки в локтевом суставе под действием реабилитационного устройства при условии упругой деформации локтевого сустава, на основании модели выявлены зависимости внутренних сил, возникающих в суставе, от геометрических параметров системы.

3. Динамические закономерности движения системы «реабилитационное устройство — рука человека» с учетом сил, создаваемых мышечной системой, в результате исследования которых предложен способ определения появления мышечной активности путем мониторинга токов, протекающих в обмотках электроприводов. 6

4. Научно обоснованная методика определения конструктивных параметров устройства и мощности электроприводов, а также синтеза законов управления реабилитационным устройством для реализации различных алгоритмов движения, предусмотренных программой реабилитации локтевого сустава.

Достоверность результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены экспериментальными данными и совпадают с результатами исследований других авторов.

Практическая ценность. Предложена методика проектирования, позволяющая определить конструктивные параметры реабилитационного устройства и мощность электроприводов, и синтезировать законы управления, которая найдет применение в учебном процессе для специалистов в области мехатроники и биомеханики. Разработан экспериментальный стенд, включающий прототип механотерапевтического устройства и программу для моделирования различных алгоритмов управления, который может найти применение в медицине для восстановления объема движения в локтевом суставе и исследования эффективности различных методик реабилитации.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «управляемые вибрационные технологии и машины «(Курск

— 2012), Всероссийской школе для молодежи «Мехатроника, робототехника.

Современное состояние и тенденции развития" (Курск, 2012), IV

Всероссийской научно-практической конференции «Современные 7 наукоемкие инновационные технологии» (Самара, 2012 г.), Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки — от теории к практике» (г. Новосибирск, 2013), Международной научно-практической конференции «Наука и образование» (Германия, 2012), семинаре Института машиноведения им. A.A. Благонравова РАН (Москва, 2013), семинарах кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ (2011 — 2013 г).

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 9 печатных работах, из них 3 статьи — в рецензируемых научных изданиях и журналах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 98 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 162 страницах текста, содержит 127 рисунков.

4.6 Выводы по 4 главе

В результате исследований в четвертой главе:

1. Разработано экспериментальное реабилитационное устройство для локтевого сустава.

2. Рассмотрены режимы работы, которые должно обеспечивать реабилитационное устройство и предложены алгоритмы управления системой реабилитации, реализующие описанные режимы, а также правила перехода от одного режима к другому.

3. Предложена сенсорная система для определения силы взаимодействия руки человека «л реабилитационного устройства для получения дополнительных диагностических данных

4. Проведены экспериментальные исследования, результаты которых подтверждают данные, полученные при численном моделировании.

Заключение

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача создания научных основ и инструментальных средств проектирования устройства для реабилитации локтевого сустава человека методами механотерапии, в основе которой лежит создание математического аппарата, позволяющего определять конструктивные параметры устройства, производить синтез законов управления и моделировать движение сложной человеко-машинной системы с целью изучения ее свойств и подбора рациональных алгоритмов работы.

На основе проведенных исследований в диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Выявлено перспективное направление создания механотерапевтических устройств для локтевого сустава, позволяющих реализовывать различные программы реабилитации.

2. На основании исследований закономерностей движения руки, обусловленных особенностями строения локтевого сустава, предложена схема устройства, позволяющая реализовывать оба возможных движения предплечья одновременно, проведен кинематический анализ движения системы «реабилитационное устройство — рука человека» и определены конструктивные параметры устройства.

3. Разработана математическая модель, описывающая динамику движения реабилитационного устройства совместно с рукой человека, учитывающая кинематические особенности строения локтевого сустава, процессы, протекающие в электроприводах ограниченной мощности, нелинейный характер сил, создаваемых мышечной системой человека.

4. В результате исследований динамической модели движения системы «реабилитационное устройство — рука человека» выявлена нелинейная зависимость сил, действующих на руку человека, от обобщенных координат системы. Установлены законы управляющего напряжения, позволяющие уменьшить ускорения, негативно влияющие на состояние пациента. Для определения мышечной активности предложено измерять величину управляющего тока, протекающего через обмотки электродвигателей.

5. Проведено исследование динамики системы с учетом внутренних деформаций в локтевом суставе, на основании которого установлено, что в рабочем диапазоне величина нагрузки на локтевой сустав не превышает допустимых значений.

6. Разработан программный комплекс для определения геометрических параметров устройства, а также изучения возможных способов управления, позволяющий исследовать различные алгоритмы работы устройства для подбора оптимальной методики реабилитации.

7. Создан экспериментальный стенд, с помощью которого проведены экспериментальные исследования, подтверждающие результаты, полученные теоретически.