Динамика управляемого движения аппарата для реабилитации нижних конечностей человека тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

А

Ї

Понедельчепко Максим Сергеевич

Динамика управляемого движения аппарата для реабилитации нижних конечностей человека

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005539264

21 НОЯ 2013

Курск-2013

005539264

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Заслуженный деятель наук РФ Яцун Сергей Федорович

Официальные оппоненты: Чернышев Владимир Иванович,

доктор технических наук, профессор, Госуниверситет - УНПК (г. Орел), профессор кафедры «Динамика и прочность машин»

Шохин Александр Евгеньевич

кандидат технических наук, Институт машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук (г. Москва), научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки «Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук»

Защита состоится 13 декабря 2013 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.105.01 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.

Автореферат разослан «/О» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.01

Лушников Борис Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время во всем мире активно используется метод лечебной физкультуры, основанный на выполнении дозированных движений, осуществляемых с помощью механотерапевтических аппаратов, облегчающих движения или, наоборот, требующих дополнительных усилий для их выполнения. Зачастую, травма и вынужденная обездвиженность приводит к частичной атрофии мышц и связочного аппарата. Сращение кости, позволяющее приступить к полноценным нагрузкам, происходит от одного до шести месяцев в зависимости от тяжести и локализации травмы, а полноценное восстановление связочно-мышечного аппарата происходит гораздо позже, чем сращение костей или поврежденных связок. Если опорно-двигательный аппарат не подвергается каким-либо нагрузкам, то процессы разрушения начинают преобладать над процессами восстановления, что и происходит после травмы.

Одним из главных направлений в реабилитации является разработка суставов. Существует большое количество различных тренажеров, методик и реабилитационных систем, которые позволяют заниматься реабилитацией конечностей, при этом управление аппаратами для разработки суставов максимально упрощено и не требует специальных знаний. Общие вопросы теории механизмов получили развитие в работах И.И. Артоболевского, А.П. Бессонова, В.А. Зиновьева, Н.И. Левитского, А.Ю. Ишлинского и др. Большой вклад в создание современных методов расчета сложных пространственных механизмов внесли Ф.Л. Черноусько, В.Е. Павловский, В.А. Глазунов, A.M. Формальский, Е.С. Брискин, В.П. Чмиль и др. Механика движения человека исследовалась в работах Г. Хилла, К. Бэгшоу, В. М. Зациорского, В.Л. 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 др. В большинстве случаев тренажеры представляют собой двухзвенные системы для пассивной реабилитации, которые лишь сгибают и разгибают сустав в пределах заданного угла. Эти устройства, имеющие один или два активных шарнира, функционально ограничены с точки зрения применения различных методик реабилитации, переход к трехзвенной системе с тремя активными шарнирами позволяет существенно расширить функциональные возможности аппарата.

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.

Однако при существующем разнообразии реабилитационных аппаратов достаточно мало внимания уделяется исследованию динамики управляемого движения данных устройств в составе сложной человеко-машинной системы, что определяет актуальность выбранной темы исследования.

Объектом исследования данной работы является механотерапевтический аппарат для реабилитации нижних конечностей человека.

Предметом исследования являются динамические процессы, происходящие в аппарате для реабилитации нижних конечностей человека.

Цель работы заключается в создании научных основ и инструментальных средств проектирования механотерапевтических аппаратов для реабилитации нижних

конечностей человека с тремя активными шарнирами, обеспечивающих высокую эффективность процесса реабилитации.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Анализ возможностей применения многозвенных механизмов в конструкциях реабилитационных аппаратов.

2. Разработка математических моделей движения плоского трехзвенного реабилитационного аппарата в связке с нижней конечностью человека в различных режимах функционирования.

3. Разработка инструментальных средств проектирования для определения конструктивных параметров и настройки системы автоматического управления приводами аппарата.

4. Исследование динамических особенностей движения устройства и синтез законов управления электроприводами многозвенного устройства.

5. Разработка макетов реабилитационных аппаратов и проведение натурных экспериментов по исследованию движения устройства.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической и прикладной механики, вычислительной математики, теории автоматического управления, теории планирования эксперимента и прикладного программирования.

Научная новизна.

1 .Разработаны математические модели плоского трехзвенного аппарата, отличительной особенностью которых являются учет динамических процессов, протекающих в электроприводах при перемещении звеньев как при холостом режиме (без учета взаимодействия устройства с ногой), так и при режимах пассивной (с учетом вязко-упругих свойств конечности) и пассивно-активной реабилитации (с учетом вязко-упругих свойств, а так же с учетом сил, создаваемых мышцами ноги).

2. Теоретически обоснован принцип движения реабилитационных устройств, заключающийся в одновременном управляемом вращении трех шарниров и соответствующий фазам движения ног человека при ходьбе.

3. Научно обоснована методика проектирования электроприводов для реабилитационных устройств, основанная на динамическом анализе немонотонного характера диаграмм управляющих моментов.

4. Установлено, что переход к дискретному импульсному управлению приводит к появлению значительных колебаний третьего звена, амплитуда и продолжительность которых зависят от периода дискретизации сигнала. Получена область параметров дискретного возмущающего воздействия, обеспечивающая минимизацию колебательных процессов третьего звена.

Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической и аналитической механики, теории механизмов и машин, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Практическая ценность. Разработаны инструментальные средства проектирования аппаратов для реабилитации нижних конечностей человека, позволяющие определять рациональные параметры, а также моменты и силы, создаваемые приводами, для реализации реабилитационных мероприятий с требуемыми характеристиками. Программный комплекс 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 тазобедренном, коленном и голеностопном суставах и исследования эффективности различных методик реабилитации.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (Москва, 2011), Международной научно-технической конференции «Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск, 2012), Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2013» (Волгоград, 2013), XI Заочной научной конференции «Теория и практика современной науки» (Москва, 2013), IX Международной научно-практической конференции «Тенденции и перспективы развития современного научного знания» (Москва, 2013), Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (Москва, 2013).

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 8 печатных работах, из них 3 статьи - в рецензируемых научных журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 108 наименований. Текст диссертации изложен на 130 страницах, содержит 78 рисунков, 12 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, дана общая характеристика диссертации, описана научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор современных устройств, предназначенных для реабилитации тазобедренного, коленного и голеностопного суставов. Выявлены недостатки существующих устройств, заключающиеся в невозможности осуществления одновременной разработки сразу трех суставов. Сформулированы цели и задачи.

Во второй главе описана конструкция объекта исследования и принцип работы механизма.

Аппарат для реабилитации нижних конечностей человека после травм (рис.1) состоит из неподвижного основания 1, стола 2, штанг 3-5, соединенных между собой приводами вращательного движения 6-8, манжет 9-13, которые фиксируют ногу человека, привода вращательного движения 14 для регулировки положения тела,

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

Разработана математическая модель аппарата для реабилитации нижних конечностей человека. Расчетная схема устройства приведена на рис. 2. Рассматривается трехзвенный механизм, звенья 1-3 которого соединены между собой приводами вращательного движения 4-6. При разработке математической модели использовались следующие допущения: все звенья механизма являются абсолютно

твердыми недеформируемыми телами, которые моделируются стержнями, центры масс С], Сг, С3 которых совпадают с геометрическими центрами звеньев 1-3.

////

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

1

X

ОМш

5 ' М>1

1 у

2 ч

ТІ С2

шд V" ------і ро-

Ли \Мзг Л. \

Рис. 2 Расчетная схема реабилитационного аппарата

Со стороны корпуса на звено 1 действует момент М1й , со стороны звена 1 на звено 2 действует момент мп, со стороны звена 2 на звено 1 действует момент, со стороны звена 2 на звено 3 действует момент М13 и со стороны звена 3, в свою очередь, на звено 2 действует момент МЪ2. Кроме того, на звенья механизма действуют силы веса, которые в общем случае направлены под некоторым углом а к выбранной системе координат, что отражает возможность устройства проводить реабилитационные мероприятия в различных плоскостях, например в горизонтальной и вертикальной

В качестве обобщенных координат будем рассматривать углы поворота Ял ~ Фі > — ф2 , С[ъ — фз каждого из звеньев относительно их центров масс.

Геометрические связи, наложенные на механическую систему представим в виде:

V

2

У, - г 0

0 1і, 0 0

(1)

Пм =

(3)

-<ры) - - (р^ ) 0 /._, 8т(0>,-0>м) сое (<р,~<р^) О О О 0 10

^ 0 0 0 1, где 7\_, - матрица перехода из г'-ой системы координат в г'-1, г - номер звена; (рг

абсолютный угол наклона 1-го звена к оси ОХ:; , У1; - координаты центров масс г-го звена в абсолютной системе координат ХОУ.Для звена / = 1: /0 = 0 , = 0. Векторы скоростей центров масс С,, С2, С3 звеньев имеют следующий вид:

К=\х, У, 0Г (4)

Для получения дифференциальных уравнений движения данной системы воспользуемся уравнениями Лагранжа 2-го рода в форме:

ЛI Эд,

(5)

Т - кинетическая энергия всей системы;

т = ±т,,

(6)

где п - число звеньев. Так как все звенья рассматриваемой системы совершают плоское движение, кинетическая энергия каждого звена будет складываться из кинетической энергии вращательного и поступательного движения:

^ тУ2 З.ф] Т. =->-!-+-¡¿Ц 2 2

- угловая скорость г'-го звена системы. Модуль вектора ¡-ой скорости:

(7)

У>=^х,2+у,2. (8)

Для определения обобщенных сил Qt воспользуемся принципом возможных перемещений:

a=——

S<p,

Запишем уравнение электропривода в общем виде:

L, — + RJ, + CU1 dt

dt

-=un

(9)

(10)

где / - ток в цепи г'-го электродвигателя; Ь, Я - индуктивность и сопротивление обмотки г'-го электродвигателя; С„. - скоростная постоянная угловой скорости; ¡7,- -напряжение; (р, - абсолютный угол г'-го звена.

Подставляя (7), (10) в (6), с учетом (8), (9) после соответствующих преобразований получим систему дифференциальных уравнений, описывающих движение рассматриваемого механизма:

$ W +m3)(sm2 (p| + +m])^-cos(<pl -<p2) +

+ фгт2 cos(^>, - ) - -^j- (m2 + m, )<p,2 sin 2<p, + ф2 (-j m, + m}) ^ sin(^ - (p2) + + -ф2) = CE1I, cos(2>, -m2glx cos $ -m3g/, cos^;

feOA + —+ 2т3)со8 2р,) + ф(-^т, +m3)-^-cos(^ -fZ>2) +

+ ф2тъ~-со&{ф2 -(p2) + ^(m2 + 2т2){ф22sm(^>] + ф2) + 12 %\х\2ф2ф2 --2<plll cos(9>, +(р2) + ф2т2^-5\п{(р2-<p2) = CS2I2 -m2g^-cos<p2 -m3gl2 cos <p2; fi}(J3 + + тъ13 cos2(P3) + p2m3^-cos(<p2 - (p2) + ф^т2~-со&(ф^ -<Py) +

+ -jm3(2i](&12 sin((D, + ф,) + 212 sin(<p2 + <р3)ф2г +l2 $т2ф3ф3 -2ф11, cos(p, -2ф212 cos((», +(Зз)) + (г>,2тз-^-зга((г>з -$) + ф2тг^~&т{(рг -(р2) = -СЕг1г + m3g^cos<p2\

■ dt 11 dt ~ dt - ' " dt dt 33 A 3

Полученная система уравнений позволяет выполнить исследование влияния управляющих воздействий на характер движения звеньев устройства, осуществить анализ динамических процессов и решить задачи синтеза параметров аппарата.

Для изучения динамических свойств движения системы были сформулированы следующие задачи:

1. Определение управляющих напряжений Ut, формирующих моменты электродвигателей, в результате действия которых происходит движение точек С], С2, Сз механизма по заданным траекториям без учета взаимодействия с ногой человека;

2. Определение управляющих напряжений [/,-, формирующих моменты электродвигателей, в результате действия которых происходит движение точек С\, С2, С3 механизма по заданным траекториям с учетом упруго-вязких свойств, а также сил, создаваемых мышцами конечности человека;

3. Определение закономерностей движения (траектории точек С,-, зависимости изменения угловых скоростей, ускорений точек С, от времени) трехзвенника с тремя активными шарнирами 0\, 02, Оъ для различных видов управляющих воздействий /7,-.

Для проектирования электроприводов были определены моменты = CEiL,

необходимые для обеспечения движения звеньев механизма по заданным траекториям. Для этого были исследованы два способа реабилитации, для моделирования которых были заданны законы изменения углов звеньев 1-3. Первый обусловлен биомеханическими возможностями ноги и соответствует фазам движения конечности. Законы изменения углов звеньев для этого способа реабилитации:

Л Л Л Л

=-—costs; =—cos—I для интервала 0<f <0.7, = -—cos—г для интервала л

0.7 < г <1; (¡j,=—cos®. Второй основан на традиционных принципах работы

л

существующих устройств, законы изменения углов звеньев: $£>,=-—cos®;

л л

<р2= — cos«; ю = — cos®. 12 " 20

Для моделирования движения реабилитационного устройства использовались параметры экспериментального стенда для исследования движения трехзвенного реабилитационного аппарата.

г) Д) е)

Рис. 3 Временные характеристики изменения управляющих моментов звеньев механизма: 1 - при га, =2, т, =2,ш3 =1,3 кг; 2 - при от, = 4, т2 =4,т3 =2,6кг; 3 -при от, = 1, т2 = 1 = 0,65 кг; а - М10 для первого способа реабилитации; б - Л/2, для первого способа реабилитации; в - М32 для первого способа реабилитации; г - Мю для второго способа реабилитации; д - М2, для второго способа реабилитации; е - Мп для второго способа реабилитации Для первого способа реабилитации диаграммы изменения моментов звеньев имеют немонотонный характер (рис. 3). Пиковые значения моментов возникают на интервале 0.7 < I < 1 с, в это время динамические нагрузки, которые испытывает механизм, возрастают в 10-20 раз. Для второго способа характерно плавное изменение характеристики - моменты имеют синусоидальный вид. При росте масс

звеньев наблюдается тенденция к увеличению значений моментов. Полученные диаграммы используются для выбора приводов устройства.

Была разработана САУ аппаратом, которая позволяет дискретно управлять приводами. Для отладки ее работы решалась обратная задача динамики, заключающаяся в получении адекватных законов изменения углов звеньев посредством подачи ступенчатых законов изменения управляющих моментов. Таким образом, для осуществления цифрового (дискретного) управления трехзвенным механизмом посредством полученных моментов зададим их с временем дискретизации Дг, которое изменялось в диапазоне 0,005 < Дг < 0,05с. Получим следующие зависимости изменения углов звеньев от времени (рис. 4).

<?■>.. Р«

0_5 1 15

а) б) в)

Рис. 4 Временные диаграммы изменения углов звеньев системы при подаче управляющих сигналов: 1 - идеальная характеристика, 2 - полученная при подаче

дискретного сигнала; а - (0 при А? = 0,025с; б - <Р2 (0 при Л/ = 0,025с; в - (0

при М = 0,005с

Шаг дискретизации оказывает существенное влияние на точность работы системы, так при шаге 0,05 с звенья бедра и голени отрабатывают требуемые углы с погрешностью не более 5%, а угол поворота стопы совершенно не отвечает заданному. При уменьшении шага дискретизации до 0,025 с расхождение между требуемыми и формируемыми углами двух первых звеньев не превышает 2%, для третьего звена — 10%. Это означает, что при проектировании реабилитационного устройства необходимо уделять особое внимание точности отработки необходимых углов за счет выбора оптимальных параметров системы управления приводами аппарата.

В третьей главе представлены результаты исследования динамических особенностей движения системы "реабилитационное устройство - нога человека". На основе математической модели, описанной в главе 2, была разработана математическая модель реабилитационного устройства с учетом ноги в режиме пассивной и пассивно-активной реабилитации. При исследовании движения механизма использовались следующие допущения: манжеты, посредством которых аппарат крепится к ноге, жесткие, возникающие при движении аппарата с ногой деформации последней очень малы, поэтому в модели они не учитываются. Обобщенными координатами выступают углы поворота звеньев, которые отсчитываются от горизонтальной оси против часовой стрелки. При этом будем считать, что мышцы ноги моделируются двухкомпонентным элементом, состоящим из вязкой и упругой составляющих 7-9, условно изображенных в расчетной схеме рис. 5, создаваемые ими моменты направлены противоположно моментам приводов 4-6.

//////

~.....

тд - а^ Г.Л^ ,

--------} З/Мкз &

/ —^

Рис. 5 Расчетная схема системы «реабилитационное устройство-нога человека»

Мышца - это орган тела человека, состоящий из ткани, способной сокращаться под влиянием нервных импульсов и обеспечивающий основные функции движения. Для моделирования мышцы будем использовать двухкомпонентную модель, включающую в себя сократительный Рш и упругий С1 элементы (рис. 6).

Рис. 6 Двухкомпонентная модель мышцы

Для определения действующих сил использовалась модель мышечного сокращения Хилла:

где р0 — максимальное напряжение, развиваемое мышцей, или максимальный груз, поддерживаемый мышцей без ее удлинения, а и Ь — константы, которые можно найти на основании экспериментальных данных.

Тогда момент силы, развиваемый мышцей, будет иметь вид:

С|

(р + а)у = Ь(р-р0),

Рис.7 Расчетная схема мышцы конечности: 1,2- кости, 3 - мышца, 4 - вязко-упругий

элемент

Анализ расчетной схемы, показанной на рис. 7, позволяет установить связь между угловым и линейным коэффициентами вязкости. Угловой коэффициент вязкости вычислим по формуле:

и,.«,. вт((р...)

¿ = ~ , , V и. (13)

л/V + пи~ + 2пЧПи сов(ф(,) где ц - коэффициент вязкости мышцы, (р.= (р. - (р._х - относительный угол между звеньями, пи,п21 - расстояние от сустава до места крепления /-ой мышцы.

Момент сил вязкого сопротивления определяются для каждой мышцы по формуле:

^в, (14)

где - угловая скорость г'-го звена. Л,- - плечо силы. Тогда момент вязкого сопротивления для каждого звена примет вид:

п

МКг=ШМЫ. (15)

м

Моменты сил упругости для каждой мышцы будут иметь следующий вид:

Мгу=-(/2.(16) где начальная длина мышцы, /2у- длина после деформации, к - коэффициент упругости.

Длина мышцы рассчитывается по формуле:

1> = лги + п2,г + С08(ср,.м). (17)

Момент упругости для каждого звена:

п

М№=ТМЧ. (18)

м

На рис. 8 приведены диаграммы изменения моментов, возникающих в электроприводах, вызванные управляющими напряжениями, во времени для следующих режимов реабилитации: для холостого режима, для пассивного режима (с учетом вязко-упругого взаимодействия конечности с аппаратом) и для активно-пассивного режима (когда человек сам создает осмысленное усилие, но его не хватает для движения конечности).

/ \ \ \ \ \ / / / \_____.....

А С"' ,

б) в)

Рис.8 Временные характеристики изменения моментов звеньев системы: а - Мхо ■ б -

Мг1; в- М- ¡2 ; 1 - холостой режим; 2 - режим пассивной реабилитации конечности; 3 -режим пассивно-активной реабилитации

По сравнению с холостым режимом, численные значения моментов при пассивной реабилитации возрастают, это объясняется тем, что значения масс звеньев увеличились, так как аппарат работает в связке с ногой человека, а также приводам необходимо компенсировать моменты вязкого-упругого сопротивления конечности. В режиме пассивно-активной реабилитации численные значения управляющих моментов убывают по сравнению с пассивным режимом, что объясняется появлением активных сил со стороны мышц ноги.

Сравнение моментов с полученными при холостом режиме позволяет определить степень реабилитации конечности человека.

В результате численного моделирования были получены идеализированные зависимости управляющих напряжений, которые являются основой для проектирования дискретной системы управления (рис. 9).

щув

5-*- 0

А \

5

-•'"С ./ /--

В

ив)., в

(, с

а) б) в)

Рис.9 Временные характеристики изменения управляющих напряжений приводов системы: а - привода 4; б - привода 5; в - привода 6; 1 - холостой режим; 2 - режим

пассивной реабилитации В четвертой главе разработан экспериментальный реабилитационный аппарат для реабилитации нижних конечностей человека (рис. 10).

Экспериментальная установка состоит из основания стола 1, штанг 2-4, соединенных между собой электроприводами вращательного движения 5-7, манжет 14-16, которые фиксируют ногу человека. Для устройства разработана система

автоматического управления, которая представляет собой комплекс, включающий в себя: 1) датчики тока 8-10, датчики углов поворота 11-13; 2) блок электроприводов; 3) блок управления.

Описаны инструментальные средства проектирования

аппаратов для реабилитации нижних конечностей человека. В ходе экспериментальных

исследований также были получены зависимости

изменения управляющих

моментов от времени для второго режима работы устройства (рис. 11).

17 7 10 13

Рис.10 Общий вид лабораторного стенда

а) б) в)

Рис. 11. Временные характеристики изменения управляющих моментов звеньев

механизмам - теоретические; 2 - экспериментальные; а - М10 • б - М21; в - М32

Отклонение экспериментальных данных от значений, полученных в ходе математического моделирования, связанно с погрешностью измерений и составляет в среднем 8-10%.

Полученные результаты экспериментов подтверждают правильность предложенной математической модели. Это означает, что разработанный программный комплекс, моделирующий динамику системы «реабилитационное устройство — нога человека», может использоваться для проведения численных экспериментов по отработке различных программ реабилитации. Путем задания различных характеристик мышц и варьирования законов управления могут исследоваться различные методики реабилитации, подбираться оптимальные параметры для каждой из них.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ На основе проведенных исследований и обобщений в диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Установлено, что аппараты для реабилитации нижних конечностей человека, оснащенные тремя активными шарнирами, обладают более широкими функциональными возможностями за счет расширения диапазонов рабочих углов, возможности разработки отдельных суставов, а также возможности разрабатывать

тазобедренный, коленный и голеностопный суставы одновременно, научно обоснована предложенная кинематическая схема устройства.

2. Разработана математическая модель, описывающая два способа реабилитации конечности человека: первый обусловлен биомеханическими возможностями конечности и соответствует фазам движения ноги человека при ходьбе, второй основан на традиционных принципах работы существующих устройств, заключается в поступательном перемещении шарнира голеностопного сустава. Модель учитывает особенности работы аппарата, обусловленные свойствами нижней конечности человека.

3. Предложена модель взаимодействия реабилитационного устройства с ногой человека, которая позволяет моделировать работу системы «реабилитационное устройство - нога человека», предложен метод оценки состояния мышечных тканей нижних конечностей на основе изменения моментов, возникающих в приводах устройства.

4. На основании исследований закономерностей движения нижней конечности человека, обусловленных особенностями строения суставов, предложена схема устройства, позволяющая реализовывать сгибание ноги во всех трех суставах, проведен кинематический анализ движения системы «реабилитационное устройство -нога человека» и определены конструктивные параметры устройства.

5. Установлено, что применение цифровой системы управления, основными достоинствами которой являются повышенная чувствительность, отсутствие дрейфа параметров, высокая устойчивость к шумам и возмущениям приводит к появлению значительных колебаний третьего звена, амплитуда и продолжительность которых зависит от периода дискретизации сигнала.

6. В результате исследований динамической модели движения системы «реабилитационное устройство - нога человека» выявлена нелинейная зависимость моментов, возникающих при работе устройства. Установлены законы управляющих моментов, позволяющие уменьшить их пиковые значения, негативно влияющие на работу аппарата. Для определения мышечной активности предложено измерять величину управляющих моментов, формируемых электроприводами.

7. Разработаны инструментальные средства проектирования, позволяющие находить параметры механотерапевтических аппаратов, определяемые на этапах реабилитационных мероприятий, а также значения управляющих напряжений, для определения которых учитываются свойства электропривода, моментов и сил, генерируемых приводами, для реализации движения с требуемыми характеристиками.

8. На основании научно-теоретических исследований была разработана методика проектирования экспериментального оборудования для исследования управляемого движения реабилитационного устройства, с помощью которого получены экспериментальные значения токов и углов поворота звеньев, позволяющие определить мышечную активность конечности. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие результаты, полученные теоретически.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Яцун С.Ф. 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/l 11-100612.

2. Яцун С.Ф. Синтез параметров аппарата для реабилитации нижних конечностей человека после травм [Текст] / С.Ф. Яцун, О.Г. Локтионова, М.С. Понедельченко // Фундаментальные исследования. - 2013. -№ 10,4.5. - С. 1033-1039.

3. Яцун С.Ф., Локтионова О.Г., Понедельченко М.С. Дискретное управление движением аппарата для реабилитации нижних конечностей человека после травм [Текст] / С.Ф. Яцун, О.Г. Локтионова, М.С. Понедельченко // Фундаментальные исследования. - 2013. -№ 10, 4.5. - С. 1040-1044.

Другие публикации

4. Дышенко B.C. Разработка компоновки и конструкции шагающего робота [Текст] / B.C. Дышенко, М.С. Понедельченко // Управляемые вибрационные технологии и машины: сборник научных статей IX научно-технической конференции Вибрация-2010. - 2010. - 4.2. - С. 276-284.

5. Понедельченко М.С. Разработка и проектирование конструкции шагающего робота [Текст] / М.С. Понедельченко // Управляемые вибрационные технологии и машины: сборник научных статей X научно-технической конференции Вибрация-2012.-Ч. 2. С. 134-144.

6. Яцун С.Ф. Исследование и разработка двуногого шагающего аппарата [Текст] / С.Ф. Яцун, М.С. Понедельченко // МИКМУС-2011: материалы XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов. - 2011. - С. 146.

7. Яцун С.Ф. Динамические особенности управляемого движения аппарата для реабилитации нижних конечностей человека в режиме пассивно-активной реабилитации [Текст] / С.Ф. Яцун, М.С. Понедельченко // XI Заочная научная конференция «Теория и практика современной науки». - 2013. - С. 69-76.

8. Понедельченко М.С. Динамические особенности управляемого движения аппарата для реабилитации нижних конечностей человека с учетом вязкого сопротивления ноги [Текст] / М.С. Понедельченко, С.Ф. Яцун // IX Международная научно-практическая конференция «Тенденции и перспективы развития современного научного знания»- 2013. - С. 48-55.

Подписано в печать 8.ПЛЗ. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 130 экз. Заказ №48. Отпечатано в типографии «Деловая полиграфия» г. Курск ул. Карла Маркса д.616