Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

DEVELOPMENT BIOENGINEERING MECHATRONIC MODULE FOR EXOSKELETAL HUMAN LOWER EXTREMITY

Rukavitsyn A.N. 1 Yakovlev I.A. 1
1 South-West State University
В статье рассмотрены вопросы исследования динамики механотерапевтического устройства для реабилитации больных с повреждениями опорно-двигательного аппарата, разрабатываемых на основе современных мехатронных технологий.
The paper considers some of the issues up rehabilitation mehanoterapevticheskih devices designed based on advanced mechatronic bioengineering technologies.
exoskeleton
mechatronic module
bioengineering
rehabilitation
the actuator
mechanotherapy

Одной из важнейших социальных проблем, стоящих в настоящее время является реабилитация и социальная защита инвалидов. При этом целью реабилитации является восстановление социального статуса инвалида, достижение им материальной независимости и его социальная адаптация. Обеспечение техническими (биоинженерными) средствами реабилитации является частью реализации комплекса мероприятий по улучшению качества жизни инвалидов. Последние достижения биоинженерии, в области создания механотерапевтических устройств, позволяют значительно повысить качество жизни инвалидов и больных с нарушениями опорно-двигательного аппарата и проходящих реабилитацию, и позволяют им стать полноправными членами общества в равной степени со здоровыми людьми. Лечение методом механотерапии базируется на использовании основной биологической функции организма – движения. Данный метод заключается в строгом дозировании физических упражнений на фоне постановки правильного дыхания [1].

Современное реабилитационное механотерапевтическое устройство (экзоскелет) представляет собой систему со сложной конфигурацией (см. рис. 1), объединяя в себе различные механические и электронные компоненты, призванные обеспечивать максимально эффективный и безопасный процесс реабилитации пациентов [1]. Работа практически любого реабилитационного устройства сводится к механическому взаимодействию реабилитационного устройства с конечностью пациента.

rukav1.tif

Рис. 1. Устройство для реабилитации нижних конечностей человека

Для исследования динамического поведения реабилитационного устройства была составлена его расчётная схема (см. рис. 2), где само устройство было представлено в виде многозвенника A1A2A3, лежащего в координатной плоскости OXY, и состоящего из двух подвижных звеньев, центры масс которых находятся в точках O1 и O2 соответственно.

rukav2.tif

Рис. 2. Расчетная схема устройства для реабилитации нижних конечностей человека

Динамические уравнения движения системы были разработаны на основе уравнений Лагранжа 2-го рода [2] и имели следующий вид:

– уравнение для обобщенной координаты φ1:

ruk001.wmf (1)

– уравнение для обобщенной координаты φ2:

ruk002.wmf (2)

Здесь m1 и m2 – массы звеньев 1 и 2 соответственно; L1 и L2 –длины звеньев; FТ1 и FТ2 – силы тяжести; М1 и М2 – крутящие моменты электродвигателей приводов

На основе полученных выражений, было проведено исследование динамически рассматриваемой системы в среде Mathcad 2000. Вычисления проводились при постоянном 1 и переменных 2 значениях крутящего момента M1.

Результаты моделирования представлены на рис. 3.

При переменных значениях угла поворота φ2 динамические характеристики принимали вид, представленный на рис. 4.

rukav3.tif

Рис. 3. Временные зависимости перемещения S и скорости звена V центра масс звена 2

rukav4.tif

Рис. 4. Временные зависимости перемещения S и скорости звена V центра масс звена 2 при переменных значениях момента M2 и угла поворота φ2

Выводы

1. В исследуемом механотерапевтическом устройстве, движение каждого звена влияет на движение всех остальных.

2. Для установления параметров, определяющих рабочую область движения исполнительного органа устройства, а также форму траекторий движения, которые должна обеспечивать реабилитационная система, необходимо оптимизировать ее параметры и синтезировать алгоритмы работы и законов управления движением исполнительных звеньев.

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.