Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ АППАРАТА ДЛЯ РЕАБИЛИТАЦИИ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА ПОСЛЕ ТРАВМ

Яцун С.Ф. 1 Локтионова О.Г. 1 Понедельченко М.С. 1
1 ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет»
Работа посвящена изучению закономерностей управляемого движения аппарата для реабилитации нижних конечностей человека после травм. Обозначена актуальность исследования и проектирования такого рода устройств. Предложена схема аппарата, оснащенного тремя активными шарнирами, позволяющего осуществлять реабилитационные мероприятия в различных режимах работы. Исполнительный механизм, представляющий собой трехзвенную систему, расположен на столе, который под действием электропривода изменяет свое положение, тем самым повышая эффективность работы устройства. Предложена математическая модель объекта, включающая в себя описание принципа работы и конструкции устройства, которая позволяет выявить закономерности движения аппарата. Результаты численного моделирования позволили выявить зависимости изменения управляющих моментов во времени при различных массах звеньев системы. Приведенные закономерности могут быть применены при проектировании различных реабилитационных устройств.
аппарат для реабилитации нижних конечностей
трехзвенник
активные шарниры
1. Аппараты механотерапии при реабилитации после травм / А.Ф. Бобрихин, Н.Г. Гончаров, А.Г. Гудков, А.Е. Девис, В.Ю. Леушин, Н.Г. Назаров, Д.И. Цыганов // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2010. – С. 58–62.
2. Довгань В.И., Темкин И.Б. Механотерапия // Медицина. – 1981. – С. 128.
3. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика // Владос-пресс. – 2003. – С. 551.
4. Устройство для пассивного, этапного восстановления движений в крупных суставах нижней конечности при контрактурах / М.А. Магарамов, А.А. Раджабов, А.П. Огурлиев, З.А. Дыдымов // Травматология и ортопедия России. – С. 99–101.
5. Пашаева И.Г., Свиягина Е.В. Особенности реабилитации спортсменов после травм опорно-двигательного аппарата // Труды дальневосточного государственного технического университета . – 2004. – С. 124–126.
6. Рябчиков И.В., Панков И.О., Рябчикова Е.Н. Пассивная механотерапия в реабилитации пациентов с повреждениями крупных суставов нижних конечностей // Бюллетень восточно-сибирского научного центра СО РАМН. – 2011. – C. 94.
7. Яцун С.Ф., Тарасова Е.С. Механотерапевтическое устройство для реабилитации локтевого сустава // Известия ЮЗГУ. Серия Техника и технологии. – 2012. – № 1 – C. 42–47.
8. Яцун С.Ф., Тарасова Е.С. Особенности системы управления механотерапевтического устройства для реабилитации локтевого сустава // Известия ЮЗГУ. – 2012. – № 2. – ч.1 – C. 172–179.
9. Яцун С.Ф., Рукавицин А.Н. Разработка биоинженерного мехатронного модуля для экзоскелета нижних конечностей человека // Известия самарского научного центра российской академии наук. – 2012. – С. 1351–1354.
10. Яцун С.Ф., Локтионова О.Г., Понедельченко М.С. Математическое моделирование движения аппарата для реабилитации нижних конечностей человека после травм [Электронный ресурс] / С.Ф. Яцун, О.Г. Локтионова, М.С. Понедельченко // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5. – Режим доступа: http://www.science-education.ru/111-10061.

Травмы суставов как верхних, так и нижних конечностей в большинстве случаев приводят к ограничению движений в них. Для лечения этой патологии используется метод иммобилизации конечности с помощью гипса или другого внешнего фиксатора, что неизбежно ведет к ограничению подвижности в суставе и атрофии мышц. Поэтому реабилитация после травмы даже при идеальном первичном лечении необходима для максимального ускорения восстановления. Эту задачу позволяют решать механотерапевтические аппараты, с помощью которых осуществляется разработка суставов и восстановление связочно-мышечного аппарата [1, 4, 6, 7, 8, 9, 10].

Реабилитация конечностей или суставов решает две основные проблемы: восстановление полного объема движений в суставе и наращивание мышечной силы и массы; восстановление правильного стереотипа движений [2, 5].

В настоящее время наибольшее распространение получили двухзвенные системы с одним активным шарниром. Такие устройства имеют ограниченные функциональные возможности, с целью их расширения появились трехзвенные конструкции аппаратов с несколькими активными шарнирами. Трехзвенная система может иметь пассивный коленный шарнир, а голеностопный шарнир – перемещаться поступательно.

Обычно такие устройства представляют собой системы для пассивной реабилитации, действия которых направлены на сгибание и разгибание сустава в пределах заданного угла. При этом недостаточное внимание уделяется разработке и исследованию аппаратов, воздействующих на нужные группы мышц в определенные фазы движения сустава, тем самым навязывается правильный стереотип ходьбы и тренируются мышцы, необходимые для правильной походки. В данной статье рассматривается исследование заданного движения трехзвенного механизма с активными тазобедренным, коленным и голеностопным суставами, работа которого осуществляется в сопряжении с основными принципами движения нижней конечности человека. Применение таких активных элементов существенно повышает эффективность реабилитационных мероприятий.

Целью данного исследования является изучение закономерностей управляемого движения трехзвенного механизма с тремя активными шарнирами. Для достижения поставленной цели необходимо, используя математическую модель движения трехзвенника, получить результаты исследования, провести сравнительный анализ с экспериментальными данными.

Описание трехзвенного механизма

В работе рассматривается устройство для реабилитации нижних конечностей человека после травм, которое состоит из неподвижного основания 1, стола 2, штанг 3–5, соединенных между собой электроприводами вращательного движения 6–8, фиксаторов 9–13, которые фиксируют ногу человека, электропривода вращательного движения 14, для регулировки положения тела, червячного редуктора 15.

Устройство работает следующим образом: нога человека удерживается в механизме фиксаторами 9–13. Электроприводом 14 регулируется угол наклона тела пациента. Электроприводы 6–8 передают движение ноге пациента.

pic_42.wmf

Рис. 1. Схема аппарата для реабилитации нижних конечностей человека после травм

Моделирование движения трехзвенного механизма

Для синтеза основных параметров реабилитационного аппарата крайне важно определить моменты, создаваемые электроприводами 6–8, обеспечивающих движение звеньев механизма по заданным траекториям. Будем использовать математическую модель, описанную следующей системой дифференциальных уравнений [10]:

Eqn326.wmf

Для решения поставленной задачи зададим законы изменения углов звеньев 1–3, положение которых определяется с помощью углов , φ2, φ3. Пусть эти углы изменяются по следующим законам: φi = kicos ωit, где k – амплитуда угла, подбирается в зависимости от диапазона его изменения, а ωi – частота вращения i-го звена.

Углы φ1 и φ2 звеньев 1 и 2 будем изменять в диапазоне Eqn327.wmf, а угол φ3 – Eqn328.wmf.

Для моделирования движения реабилитационного устройства будем использовать параметры экспериментального стенда для исследования движения трехзвенного реабилитационного аппарата, показанного на рис. 2. Экспериментальная установка состоит из следующих основных элементов: 1 – стойка, 2 – опорная поверхность, 3 – приводы, 4 – звенья механизма. Звенья экспериментального стенда изготовлены из пластика, массы звена 1 и звена 2 равны. Звенья связаны между собой приводами вращательного движения, которые представляют собой мотор-редукторы с червячной передачей. Весь механизм подвешен на металлическом каркасе.

а pic_43.tif б pic_44.tif

Рис. 2. Общий вид лабораторного стенда: а – фото; б – схема

Исходные параметры для моделирования: масса звена 1, m1 = 2 кг; масса звена 2, m2 = 2 кг; масса звена 3, m3 = 1,3 кг; длина звена 1, l1 = 0,43 м; длина звена 2, l2 = 0,43 м; длина звена 3, l3 = 0,14 м; угол наклона звена 1, φ1 = –π/2 рад; угол наклона звена 2, φ2 = –π/2 рад; угол наклона звена 3, φ3 = –π/2 рад; угол наклона системы координат относительно горизонта, ξ = 0.

Для получения временных зависимостей крутящих моментов зададим законы изменения углов звеньев. Положим, что Eqn329.wmf Eqn330.wmf для интервала 0 ≤ t ≤ 0,7, Eqn331.wmf для интервала 0,7 ≤ t ≤ 1; Eqn332.wmf

Выбор такого движения трехзвенной системы обусловлен биомеханическими возможностями ноги человека и соответствует фазам движения человека [3]. Определим величину управляющих моментов в зависимости от величины массы звеньев механизма.

Получим графики изменения моментов звеньев во времени.

а pic_45.tif бpic_48.tif вpic_49.tif

Рис. 3. Временные характеристики изменения управляющих моментов M10 звеньев механизма: 1 – при исходных значениях масс звеньев; 2 – при m1 = 4, m2 = 4, m3 = 2,6; 3 – при m1 = 1, m2 = 1, m3 = 0,65; а – диаграмма изменения момента M10; б – диаграмма изменения момента M21; в – диаграмма изменения момента M32

Исследуем другой режим работы трехзвенного механизма, при котором шарнир O3 движется поступательно. Такой принцип движения используется во многих существующих аппаратах для разработки суставов [1, 4]. Законы изменения углов звеньев:

Eqn333.wmf Eqn334.wmf

Eqn335.wmf

Ниже приведены графики изменения моментов звеньев во времени.

аpic_46.tif бpic_50.tif  вpic_47.tif

Рис. 4. Временные характеристики изменения управляющих моментов M10звеньев механизма: 1 – при исходных значениях масс звеньев; 2 – при m1 = 4, m2 = 4, m3 = 2,6; 3 – при m1 = 1, m2 = 1, m3 = 0,65; а – диаграмма изменения момента M10; б – диаграмма изменения момента M21; в – диаграмма изменения момента M32

Для первого режима работы диаграммы изменения моментов звеньев имеют немонотонный характер. Пиковые значения моментов возникают на интервале 0,7 ≤ t ≤ 1 с, в это время механизм испытывает особо сильные нагрузки. Для второго режима характерно плавное изменение характеристики – моменты имеют синусоидальный вид. При росте масс звеньев наблюдается тенденция к увеличению значений моментов.

В ходе экспериментальных исследований также были получены зависимости изменения управляющих моментов от времени для второго режима работы устройства (рис. 5).

а pic_51.tif бpic_53.tif  вpic_52.tif

Рис. 5. Временные характеристики изменения управляющих моментов звеньев механизма, полученные экспериментальным путем: а – временные характеристики изменения управляющих моментов M10; б – временные характеристики изменения управляющих моментов M21; в – временные характеристики изменения управляющих моментов M32

Отклонение экспериментальных данных от значений, полученных в ходе математического моделирования, составляет в среднем 8–10 %.

Заключение

В работе предложена схема аппарата для реабилитации нижних конечностей человека, оснащенного тремя управляемыми электромеханическими приводами, движение которого имитирует движение ноги человека. Приведены расчетная схема и математическая модель, позволяющая исследовать управляемое движение устройства численным методом. В результате моделирования выявлены зависимости управляющих моментов от массы звеньев системы.

Рецензенты:

Савин Л.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Мехатроника и МИ», ФГОУ ВПО «Госуниверситет УНПК», г. Орел;

Кобелев Н.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции, ЮЗГУ, г. Курск.

Работа поступила в редакцию 16.09.2013.

Библиографическая ссылка

Яцун С.Ф., Локтионова О.Г., Понедельченко М.С. СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ АППАРАТА ДЛЯ РЕАБИЛИТАЦИИ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА ПОСЛЕ ТРАВМ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-5. – С. 1033-1039;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32448 (дата обращения: 21.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074