Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

AUTOMATED MASSAGE DEVICES WITH ADAPTIVE FORMS AND SURFACE HARDNESS

Chesnokova E.S. 1 Makarov A.M. 1 Volkov I.V. 1
1 FGBOU VPO «Volgograd State Technical University»
1975 KB
The existing massage and medical wellness devices, and also surfaces for dream and rest have been analysed and their shortcomings are revealed. The new automated massage device with variable rigidity and a form of a surface and a microprocessor control system is developed for the solution of a problem of increase of comfort when using these devices. Interrelations between parameters of an entrance and exhaust outlet of the pneumatic camera and speed of its filling and sinking have been established. The mathematical dependences describing the pneumatic camera filled with air under the set initial conditions at present of time are received. Algorithms of adaptation of a form and rigidity of a surface of the massage device depending on requirements and specific features of the consumer are developed.
massage devices
pneumatic camera
adaptation
rigidity
pressure
surface temperature

Автоматизация с каждым днём приобретает всё большую роль в производственной деятельности, а также в повседневной жизни человеческого общества, в удовлетворении его растущих потребностей. В последние годы в связи с заметным уменьшением природных ресурсов, тревожными глобальными изменениями климата и ростом численности населения Земли роль автоматизации стремительно возрастает, а сферы её применения непрерывно расширяются.

В настоящее время принимаются попытки по созданию устройств для повышения комфорта людей во время сна и отдыха, оказания массажного и лечебно-оздоровительного воздействия на их тело. Это касается как специализированных медицинских устройств, так и обычных матрасов.

Анализ существующих устройств показывает, что все матрасы можно разделить на две группы: пружинные и беспружинные. Бывают также надувные, водяные и другие матрасы, однако они не получили широкого распространения, так как слишком сложны в эксплуатации или неудобны и малоэффективны.

Обычные матрасы неэффективны в медицинских учреждениях, особенно для лежачих больных, при послеоперационном восстановлении и т.д. [4–6].

Существующие специализированные устройства в этой области обладают рядом недостатков: низкое быстродействие, отсутствие возможности контроля температуры поверхности, невысокая адаптация поверхности матраса под лежащего человека, отсутствие возможности сбора информации о поведении человека во время сна.

Поэтому целью исследования является повышение эффективности массажного воздействия за счет разработки нового автоматизированного лечебно-оздоровительного устройства и получения математической модели, описывающей его работы.

Материалы и методы исследования

Для повышения эффективности массажного воздействия разработано лечебно-оздоровительное устройство [1, 7, 8], содержащее исполнительный механизм 1 и систему управления 2 (рис. 1). Исполнительный механизм содержит корпус 3, жесткую несущую панель 4 с отверстиями 5, на которой установлена система периодически расположенных исполнительных элементов 6 в виде двумерной матрицы, обтянутой сверху эластичным материалом 7. Система управления имеет внешние устройства ввода-вывода: панель управления 8 и дисплей 9.

Исполнительные элементы 6 представляют собой пальцеобразные полые пневматические камеры, имеющие основания 10, боковые стенки 11 и рабочие площадки 12 (рис. 2).

В основании 10 имеется отверстие 13 с гибкой трубкой 14, связанной с электропневматическим распределителем 15, расположенным в корпусе 3 под несущей панелью 4. На основании 10 пневматической камеры установлен датчик давления 16. Под рабочей площадкой 12 пневматической камеры установлен датчик температуры 17 и нагревательный элемент 18. Исполнительные элементы 6 ориентированы вертикально по отношению к несущей панели 4. Под несущей панелью 4 в корпусе 3 размещены подводящие каналы высокого давления 19, связанные с ресивером 20 компрессора 21, а также проложены электрические кабели 22, связывающие электропневматические распределители 15, датчики давления 16, датчики температуры 17 и нагревательные элементы 18 с системой управления 2. Компрессор 21 с ресивером 20 могут быть расположены внутри корпуса 3, а могут быть вынесены за пределы лечебно-оздоровительного устройства.

Система управления (рис. 3) также связана с компрессором 21, с ресивером 20 и содержит центральный микропроцессор 23, запоминающее устройство 24, панель управления 8 и дисплей 9.

ches1.tif

Рис. 1. Общий вид автоматизированного массажного устройства

ches2.tif

Рис. 2. Общий вид исполнительного элемента в виде пневматической камеры

ches3.tif

Рис. 3. Функциональная схема системы управления устройством

Работа лечебно-оздоровительного устройства осуществляется следующим образом. С помощью дисплея 9 и панели управления 8 системы управления 2 пользователь задает требуемый режим работы лечебно-оздоровительного устройства, записанный на запоминающем устройстве 24. Центральный микропроцессор 23, получая информацию от датчика давления, установленного в ресивере 20, управляет работой компрессора 21 для поддержания в ресивере 20 необходимого давления воздуха. В зависимости от режима работы центральный микропроцессор 23 системы управления 2 получает информацию по электрическим кабелям 22 от датчиков давления 16 и датчиков температуры 17, установленных в исполнительных элементах 6, в зависимости от этого центральный микропроцессор управляет отдельно каждым нагревательным элементом 18, установленным внутри пневматической камеры, и каждым электропневматическим распределителем 15, соединяя пневматическую камеру 6 с каналом высокого давления 19 или атмосферой (низкое давление), либо поддерживает внутри пневматической камеры 6 постоянное давление.

Математическое моделирование

Для математического описания процессов, происходящих во время работы устройства, разработана его математическая модель [2–3].

При выводе математической модели были сделаны следующие допущения:

– характер истечения воздуха из сопла питания воздушной подушки принят изотермическим;

– ударной силой действия струи сжатого воздуха можно пренебречь;

– постоянной времени изменения давления по площади воздушной подушки можно пренебречь.

Рассмотрим процесс работы воздушной подушки. При подаче воздуха в воздушную камеру происходит поднятие подушки, изменяется давление. При изменении давления в подушке изменяется жесткость поверхности. При избыточном давлении воздух из подушки выходит через спускной клапан.

Система уравнений, описывающих работу устройства, имеет вид:

chesnok01.wmf,

где Gисх(t) – массовый расход воздуха, исходящего из пневматической камеры; fисх – площадь выходного сечения канала, отводящего воздух из камеры; R – газовая постоянная; Т – температура воздуха в пневматической камере; p2(t) – давление воздуха на выходе из пневматической камеры; p1(t) – среднее давление воздуха в камере; Gвх(t) – массовый расход воздуха, поступающего в пневматическую камеру; chesnok02.wmf – площадь сечения канала подачи воздуха в пневматическую камеру; dc – диаметр питающего канала; р0(t) – давление воздуха на входе в питающий канал; р0max(t) – максимальное давление питания; τ – постоянная времени нарастания давления.

Результаты исследования и их обсуждение

Отличиями разработанного лечебно-оздоровительного устройства является его конструктивное исполнение, при котором исполнительный механизм состоит из двумерной матрицы исполнительных элементов (пневматических камер), причем давление внутри каждой камеры и ее температура может регулироваться отдельно системой управления. При этом устройство может быть выполнено в виде матраса или подушки, предназначенных не только для создания массажного эффекта, но и для отдыха и сна людей на поверхности определенной жесткости независимо от того, находятся они в процессе лечения или восстановления в медицинских учреждениях или используют устройство в домашних условиях. Кроме того, устройство позволяет контролировать температуру и осуществлять нагрев различных частей или всего тела человека, что позволяет дополнительно улучшить кровообращение при профилактике и лечении пролежней, а также создать более комфортные условия для пациентов, например, в операционных и реанимационных отделениях. Таким образом, расширяются функциональные возможности всего устройства в целом.

С целью повышения энергоэффективности жилого здания и снижения затрат на обогрев помещения, а также при оказании дополнительного теплового массажного воздействия на тело пациента, разработанное устройство оснащено функцией подогрева, позволяющей создавать и поддерживать комфортные температурные условия в зоне сна человека. При этом централизованная система отопления квартиры или дома может работать в экономном режиме в ночное время.

Выводы

Разработанная адаптивная кластерная система, каждый элемент которой обеспечивает возможность измерения давления на поверхность и температуры, изменения уровня поверхности в вертикальной плоскости и поддержания комфортной температуры, подтверждают возможность разработки универсального матраса с изменяемым коэффициентом жесткости и формой, позволяющего удовлетворить запросы даже самых требовательных пользователей. Кроме того, матрас, оборудованный центральным микропроцессором, может выполнять и диагностические функции, например, определять температуру и вес тела лежащего на нем человека.

Полученные результаты могут быть использованы в лечебной медицине, курортно-санаторных учреждениях, повседневной жизни человека, а модификации подобных устройств – при транспортировке хрупких, взрывоопасных грузов, для захвата предметов с неизвестной или переменной формой поверхности и др.