Моделирование антропоморфных механизмов с упругими элементами в искусственных стопах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.08 ВАК РФ

ГБ ОД

МИНИСТЕРСТВО СОЦИАЛЬНОЙ ЗАДЩЫ НАСЕЛЕНИЯ РОССИИ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧШ-ИСОЩОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ И ПР0ТЕ30СТР0ЕНИЯ (ЦНИИ1Ш)

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Алексей Алексеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТРОПОМОРФНЫХ МЕХАНИЗМОВ С УПРУГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ В ЖКУССТШШХ СТОПАХ

Специальность 01.02.08 - Биомеханика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом университете (195251, г.С.-Петербург, ул.Политехническая , 29)

Научные руководители: - чд.корр. Петровской академии наук

и искусства, доктор биологических наук, профессор А.В.Зинковский ;С.-Петербургский государственный технический университет) - доктор технических наук, профессор Б.С.Фарбе'р (Центральный научно-исследовательский институт протезирования и протезостроения)

Официальные оппоненты:

• доктор технических наук, профессор Ё.И.Воробьев кандидат технических наук, с.н.с. И.Ш.Морейнис

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт иеханики МГУ им.Ы.И.Ломоносова

Защита состоится "_"_1994г. в_часов

на заседании Специализированного совета Д 123.02.01 Центрального научно-исследовательского-института протезирования и протезостроения по адресу: 127486, Москва, ул.Ивана Сусанина,3

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_"_1994 г.

Ученый секретарь . . х/

Специализированного совета У

кандидат технических наук Н.Г.Никитин

ОЫцАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Совершенствование проектирования и из- • готовления протезов нижних конечностей человека является валной задачей, способствующей формированию походки инвалида с различными нарушениями опорно-двигательного аппарата.

Известные методы расчета и конструирование протезов нижних конечностей не учитывают влияния упругости элементов стопы и опорной поверхности на походку. В результате чего протезы, изготовленные из жестких элементов, обладают существенными недостатками, связанными с энергозатратами, значительно презышающими затраты на перемещение здорового человека, что ведет к перегрузке организма инвалида, гипертрофии его органов и, как след-' ствие, к уменьшению продолжительности жизни. Кроме того, походка человека на жестких протезах становится ассиметричной, что в значительной мере затрудняет его передвижение.

Научная гипотеза состоит в том, что введение упругих элементов в искусственную стопу приблизит походку инвалида к походке здорового человека, уменьшит энергозатраты на перемещение АМ и ассиметрига походки с упругими стопами, компьютерное моделирование позволит интенсифицировать процессы проектирования и изготовления протезов ни,«них конечностэй.

1ШЬ РАБОТЫ. Создание математических моделей антропоморфных механизмов (АМ) с упругими элементами в искусственных стопах программного обеспечения для оптимизации проектирования и разработки новых протезов нижних конечностей.

ЗАДАЧИ ШСЛдаВАЦ'Л:

- математическое моделирование движений человека с искусственной стопой.

- создание программного обеспечения для автоматизированного моделирования "человек-протез".

- разработка и оптимизация проектирования стопы человека с упругими элементами на упругом основании.

Ма*ЩДЫ У£ОЩЦВ.'-НШ. Поставленные задачи решались с помощью методов математического моделирования и средств комппьютерной техники,-теоретической механики с применением данных антропологии, физиологии. В экспериментальных исследованиях были исколь-

зованы подографил, регистрация межзвенных углов с помощью по-тенциометрических датчиков, динамография.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Для создания оптимальных конструкций протезов разработана и исследована модель АН, опирающегося на упругое основание, включающая шарнирно соединенные упругие элементы стопы. Модель представляет собой замкнутую систему дифференциальных уравнений Лагран-ка второго рода, описывающих четыре фазы движения человека. Динамика движения стопы рассмотрена на основе уравнения винк.1 ровского типа. Модель позволяет получить: силовые моменты в шарнирах АМ, прогиба упругих элементов, координаты точки отрыва от'опорной поверхности стопы, величину реакции опоры и координаты точки ее приложения, влияние .коэффициента жесткости опорного основания на динамические параметры ходьбы. Показано, что ходьба на искусственных стогах с упругими элементами на 15-20% менее энергоемка, чем ' аналогичная ходьба на искусственных стопах с жесткими элементами.

Определено влияние упругости элементов стопы на энергозатраты и распределение величины моментов в шарнирах АМ при ходьбе, и влияние свойств материалов упругих элементов стопы и величины коэффициента жесткости опорного основания на характер ходьбы человека.

Установлено, что для обеспечения антропоморфной симметричной походки АМ жесткость сочленений искусственной стопы должна быть переменной во времени.

С помощью экспериментов определено, что при ходьбе на протезе нияней конечности конструкции автора наблюдается увеличение заднего толчка и нормализация голеностопного и коленного межзвенных углов. Величина энергозатрат уменьшается при ходьбе на протезах со стопами, снабженными упругими пластинами и амортизаторами, чем при ходьбе на протезах со стопами традиционных конструкций.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Выполнена конструкция искусственной стопы с упругими амортизаторами. Полученные результаты слулат теоретической основой для оптимизации проектирования конструкции искусственных стоп. Разработанные методы и алгоритмы позволяют определить нагрузки на элементы протеза, выбрать необходимые параметры жесткости упругих элементов в шарнирах искусст-

венных стоп и параметры материалов звеньев протеза. Результаты обработки целого ряда экспериментов и расчеты использованы в практической и научной деятельности, что нашло отражение в соответствующих актах о внедрении.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНКДРДШ. В рамках НИР по договору № 15-92 "Особенности подготовки и протезирования инвалидов с короткой культей бедра" были использованы материалы диссертационной работы и расчитаны величины коэффициентов жесткости амортизаторов параметры звеньев протезов, кинематического и динамического синтеза.

В рамках хоздоговорной работы ЛЛИ им.М.И.К&чинина с ЦНИИ РТК по теме № 041701 "Экспериментальное и теоретическое исследование антропоморфных механизмов" были получены и использованы результаты

Разработана математическая модель и программное обеспечение антропоморфного механизма по теме: "Разработка и оптимизация АМ с упругими элементами в искусственных стопах". ЭФМСГИШОСТЬ ВЛЭДРйНШ:

1. Организационно-технические преимущества - сокращение сроков протезирования инвалидов за счет применения аналитических методов назначения жесткости амортизаторов искусственных стоп при подгонке протезов.

2. Социальный аффект - повышение уровня реабилитации инвалидов снабженных протеза).« ничсних конечностей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации опубликованы на Международной конференции "Достижения биомеханики в медицине". Тезисы докладов Рига, 1986 г.;

- на 1У Всесоюзном совещании по робототехническим системам, Тез;:сы докладов Киев, 1987 г.;

- на Всесоюзной научно-практической конференции "Проблема биомеханики в спорте". Тезисы докладов, Москва, 1987 г.;

- на Юбилейной научно-практической конференции ЦШШШ-50, СПбНИШ-75 Москва, ЦНИИПП, 1994 г.

0ВШ И СТРУКТУРА РАВОТЫ. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, содер.хит рисунков, таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения и включает список литературы из отечественных и зарубежных источников и приложения на страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ содержит обоснование актуальности темы диссер- . тации, сформированы цель, научная новизна и ценность работы, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ представлены аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по изучаемым вопросам решения прямой,'обратной и смещанных задач динамики антропоморфных механизмов с жесткими и упругими звеньями, анализ моделей стопы человека. При анализе общих положений уровня и состояния исследований по проблеме управления движений человека установлено, что движения человека моделируются простыми ¡Г.В.Корнев, В.Т.Назаров, В.М.Великсон или разветвленными В.В.Белецкий, В.А Богданов, М.Вукобратович, В.С.Гурфинкель, С.Ю.Алсшенский, A.B.

■ Зинковский, В.М.Зациорский, Г.Ц.Гриценко, И.Ш.Морейнис, Ф.М. Кулаков, В.В.Кузнецов, А.М.Шорыальский и др.) кинематическими цепями, связи мегзду звеньями которых предполагаются стационарными. Математической основой описания движений человека при этом является аппарат аналитической механики, уравнений Аппеля кинетостатики или уравнений движения центра масс и изменения кинетического момента. Показаны недостатки, когда стопа представлена треугольной конструкцией. Кроме того, существенным недостатком является жесткость звеньев стопы. Опорное основание, как правило, представляло собой .«есткое покрытие. В реальных условиях основание может быть любой жесткости. Не рассматривались детально динамика походки по фазам движения AM.

На основании перечисленных недостатков, можно ..сформулировать новую задачу: по заданным угловым перемещениям, вертикальной и горизонтальной составляющим реакции опоры и масг>~инерци-онным характеристикам определить моменты в шарнирах вычислить энергозатраты и динамические характеристики стопы при взаимодействии с опорой для случая, если стопы представлены упругими звеньями, а перемещения AM имеют циклическую походку. Для уточнения значений динамических характеристик требовалось рассмотреть задачу винклеровского типа. И затем сделать практические рекомендации по изготовлению протезов-ни.кних конечностей человека.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке математической модели AM

с помощью уравнений Лагранка второго рода с дополнктель.ж: уравнениями, взятыми из сопротивления материалов. Рассматр кается походка человека с четырьмя фазами дзияхшия, где первая фаза движения представляет собой контакт с опорол одно?.(ил)нос^ ком, а второй(нк)на пятку. Вторая фаза - ото контакт одной(нл) с опорой носком, а второп(нк) контакт на всю стопу. Третья фаза -это одна без контакта с опорой, а другая имеет контакт с рой всей стопой. Четвертая фаза - это одна не имеет контакта с опорой, а вторая имеет контакт с опорой на носок см.рис.1. (Эта задача в дальнейшем будет называться И.^ЬК) - нпглял конечность.

В задаче .'Я для ка-эдой фазы движения выведена сбоя система уравнений. При составлении уравнений Лагран/л второго рода потребуется знать величину функции Лагран-ка для упругих звенооа. Функция Лагран.а Ь - Т - П -У . Кинетическая энергия упругих звеньев имеет выражение:

J + 1 гп< '" ' -5' + Ч ] +

+ у ± г. • х2*^ " -

Потенциальная энергия упругих звеньев представлена формулой:

п | т | ?.'■>*

где V" - потенциальная энергия жестких звеньев, пт, - масса ¡- -го звена,

V; - скорость I. -го звена относительно полюса (произвольно фиксированной точки звена), V', - абсо.иотная величина этой скорости, ^ - радиус-вектор центра масс I -го звена (начало этого

вектора в полюсе), и); - угловая скорость вращения . (. -го звена, 1Э1 - момент инерции звена относительно полюса. СМ.рис.2

Кроме того, разработана математическая модель стопы человека представленная в виде трех упругих звеньев, соединенных методу собой шарнирами и пружинами и опирающихся на упруцое опорное основание. Эта задача будет именоваться Ш.

Первая фаза дви-кений характеризуется тем, что име£>т два уровня свлзей.

Уравнения движения для первой фазы находятся по формулам:

Рс = сц. + Х Ир^ - о,] Кч-

где -

V'' ^ , Я^Уг. «''.Г

- мнооттели см. Автор Лурье А.И. Аналитическая механика М.19о9г.

- находятся из левой части уравнений Лагранта второго рода • .

а _ _ п.

с!* Щ

К уравнениям движения, составленным по уравнениям Лагранжа второго рода добавляем еще четыре уравнения относительно неизвестных о , с(, , р,° .

± тъ I (ЕЭ)М -- < -2

2 4 j¡ < L ' '•> 2ез

р" _ С _ ¿ffljPi 7 г . с I-

rí -ге, —- , Гц, - rí,

_ ftl - (V - ,9 q г clb(2P3 -a) = 0

el, « +achJ.(2.e* -g) + T - i + ch ¿ (2e> -a)

(г - коэффициент .кесткости на кручение, F - площадь поперечного сечения стерши, ÍG - коэффициент, характеризующий форму поперечного сечения стер;адя, для прямоугольника

£ - модуль Юнга стер-кня, CJ - осевой момент инерции. По формуле. •

Д= r¿ Iq-Jt-^l + Uüi -А)Чр:(}. -r¡)l + + \рЛК ->.)I+|P* ÍJr.

где А - энергозатраты АМ на полупериоде шага.

Вторая фаза имеет два уровня связей, аналогичных первой фазе, и одно уравнение связи вида:

J - 2е, eos /L - 2et eos -22, coi = 0

которое получено по аналогии с движением звеньев кривошипп ■латунным механизмом. Из теоретической механики имеем:

-- -геЛ , -- 2г, > = ¿е~\ ^

д Л' о 1г <ЗЙ4

где А - обобщенная реакция связи.

Подставляя в соответствующие уравнения, имеем = - шЛ^п Хг , = йг,. + 21,. \ ъ'п К1 ,

Составляя 15 уравнений с 15 неизвестными, определяем

«С, <Л*\ , с'; ; Р> - ,/>, , и; , Су; , -Г"

Третья фаза имеет одно уравнение связи, которое также получено по аналогии с Движением звеньев криволинейно-шатунного механизма. Уравнения длнкения получаются такие же и для фазы дзи«ешш А1А (без учета разрыва замкнутой цепи аналогичной первой фазы движения).

Четвертая фаза не имеет уравнений связей, поэтому уравнения движения составляются для разомкнутой механической системы по формуле Лагран;ка второго рода.

В задаче К2 рассматривается уравнение винклерсйского типа

где ш

(А - погонная масса звена , т(х) - Л*) (*") Р- плотность материала, р (х) - площадь поперечного сечения, 4

- погонная жесткость звена, Е(х) -модуль Юнга упругость материала, &

3(х) - момент инерции поперечного сечения звена

р(х,1) = д М + д к (х, I)

Ц (х) - погонный вес звена

пн(х 0- реактивная сила упругого звена

' ^, к [уМ - ] - ^ [ № '

расстояние от точки звена до основания по нормам в точке х

К '- коэффициент жесткости опорного основания. Введем коэффициент "включения" А ( 9 и")

1 /Л ^ /

у(О>0 Тогда р С > . -I ) - ^ (*) + А

Отсюда _ н _

Ко второму шарниру трехзвенной шдели стопы в начальной точке относительно голеностопного шарнира заданы внешний момент и компоненты внешней силы, разлаженные по вертикали'и горизонтали. Внешний момент определяется из общей задачи динамики АМ в голеностопном суставе,-а горизонтальная и вертикальная составляющие силы в голеностопе определяются из условия "разрыва" замкнутой механической цепи.

Уравнения винклерэвского типа I можно представить конечно-разностным уравнением в виде:

„„ л-с ^

♦ НГ{<. -2 *.")] V ^ [(С - 2 «Г- м,г;) *

^ (1Г,ч -21Г, +7Х., ) -2М, ) +

= (2)

Кроме того, уравнения £ ) имеют внутренние граничные условия, описывающие соединение звеньев шарниром и пружинами - 1 се д1Г + Мв" _ ,

=-2се + м; [0] Пгг] - о

а м

сС

м: м;

с с

где (А - перерезывающая сила звена,

- изгибающий момент звена,

- внешняя сила в шарнире,

- внешний момент, приложенный к правому звену,

- внешний момент, приложенный к левому звену,

- жесткость пружины (см.рис.3),

- плечо звена (см.рис.3)

В точке, находящейся в близком расстоянии от голеностопного сустава, приложены внешняя сила и внешний момент, Внутренние граничные условия для этой точки можно записать следующий образом:

[гг]-о,.Сгг] =0, [а].й»ц(0, См]-ХЛь) гДЕ гГ- — , а , а-ЕЭ ^

- внешняя сила приложена в точке Мви(0 - внешний момент, приложенный в точке. Смотреть рис.3.

О ; м„(о

) 'X [

Рис.3.

После всего проделанного получаем линейную систему уравнений. Затем с помощью элементарных преобразований получаем пя-тидиагональную матрицу из коэффициентов при неизвестных величинах.

Систему псевдолинеиных разностных уравнений решаем итерационным методом. Для этого значениям ЯЛ."*' , входящим в аргументы функций А , приписываем индекс итерации 5 , а •псонцолинийно входящим в конечно-разностное уравнение (2) значениям I;/'" приписываем индекс £-И

Условие окончания итерации определяется по условию:

. Jsti _ Л»1 S п*< |

та* гГ. - V.

< £

тр* | гГ . I Кроме того, в этой главе рассмотрены ударные взаимодействия стопы с опорой при переходе движения АМ из второй фазы в третью и из четвертой в-первую. При ударных взаимодействиях механических систем происходит потеря кинетической энергии. В нашем случае кинетическая энергия для каждой фазы вычислялась непосредственно. Разность кинетической энергии при соответствующих переходах определялась выражениями

Т» - Tt и Т, - т,

где j, - номер фазы движения АМ выражения Т) . По формуле

(ti )•-1,2......п)-где

•4-1*°. 9п..'-0 , ^п*г -0,. .. qK- 0. , (4)

К - число независимых обобщенных координат. Проверяя ударные переходы из второй фазы в третью и четвертой в первую, с помощью формулы (4) убеждаемся в справедливости найденных величин

Ti , J ~ С~п

По формуле (см. 10)

[Z (t)]- l(^0)-z(i-D),b1(i(L))c{i(i))Bt

определяем интенсивность импульсных воздействий при известных ■ 2 (i* О) и i ( h - о) . Матрицы 6 ( г) , С ( I ) и вектор Z(-t) определяются по составленным уравнениям во второй главе аналогично (см.Оормальский. Перемещение АМ). Из уравнения нахо

ДИМ Е

Итак, получены дифференциальные уравнения Яагранжа второго рода для всех с*13 движения, составлено уравнение винкяеровского типа для стопы человека с тремя звеньями и разработан вычислительный алгоритм для этой задачи и рассмотрены ударные переходы из второй фазы в третью и четвертой в пемзую.

В ТРДЪЕЛ ГЛАВа описывается проверка адекватности математической модели АМ на упругом основании. Проверка проводится по

следующим параметрам: I) величине моментов в шарнирах АМ; 2 ) энергозатратам АМ; 3) величине прогиба упругого звена на опорной поверхности. Представлены контрольные примеры решения задачи винклеровского вида реализуемых при определении динамических характеристик стопы АМ. Доказано влияние коэффициента жесткости опорного основания "к" на динамику двикения АМ и модуля Юнга упругого звена (плюсны) на величину прогиба упругого основания и положения точки отрыва контактирующего авена с опорной поверхностью. Экспериментально определены изменения углов положения звеньев АМ во времени и реакции опоры на стопы по горизонтали и вертикали, оти данные являются исходными данными для реализации задачи, поставленной во ^второй главе.

Время цикла движения АМ принято за 100^ Установлено, что время опирания на пятку равно 9/о, на всю стопу - 39/Ь, на носок - 1Ь%, безопорной движение стопы - 37%. Массинерционные характеристики (МИХ) АМ определены по методике В.М.Зациорского Определены моменты в шарнирах АМ необходимые для вычисления углов положения звеньев АМ. Величины обобщенных координат определялись экспериментально при помощи потенциометрических датчиков, а значения их производных - методами численного диф-ференциро вания.

Моменты в шарнирах АМ для упругих звеньев вычисляются по формулам, полученным во второй главе. Для получения тех же моментов в кестких звеньях АМ в данных формулах, содержащие

Г , 5 принимаем равными нулю. При сравнении результатов вычисчения моментов АМ с упругими и жесткими звеньями установлено, что значения моментов для жестких звеньев в верхней части АМ больше, чем соответствующие значения моментов упругого АМ. Для никней части АМ значение моментов в шарнирах с жесткими звеньями меньше, чем соответствующие моменты упругого АМ. Сравнение величин моментов для кестких звеньев АМ, опубликованные в работе В.Е.Барбюна , и полученные по разработанному алгоритму отличаются не более что находится в пределах допустимой погрешности инженерных расчетов и подтверждает адекватность представленной математической модели АМ

Анализ энергозатрат АМ с дзсткиыи и упругими звеньями вычисленных по формуле (3) показал, что анергозатраты с упругими

звеньями АМ на 16-20% меньше, чем соответствующий АМ о четкими звеньями. Максимальное значение зшргозатрат АМ с кьеткиии звеньями, опубликованные в работе В.Й.Бврбюка, составляет ДаЩо и отличается от вычисленных на "/?•/„ , что находится в пределах допустимых норм и подтверждает адекватность модели.

Исходными данными задачи винклеровского типа №2 являются горизонтальная и вертикальная составляющие силы, порученные с помощью "разрыва" механической цепи в голеностопном шарнире АМ

По формулам второй главы для четырех фаз движения АМ определяются: точка отрыва контактирующего эвена с опорной поверхностью Ос , точка прилокения равнодействующих сил в зоне контакта с опорной поверхностью Л-, и реакция опоры , ¿» 1,2. Те *е величины находятся из решения задачи №2 винклеровского типа. Результаты отличаются не более Ю-20>'£. Данная погрешность является допустимой в инженерных расчетах.

Реализация задачи винклеровского типа (Ж) представлена на контрольных примерах:

1) задача затухающего колебания балки;

2) нелинейная задача;

3) статическая задача прогиба балки под действием сосредоточен ной нагрузки с учетом отрыва.

Показало исследование влияния коэффициента жесткости опорного основания "к" на динамику движения АМ. В задаче №1 опорное основание принято кестким. В задаче винклеровского типа задача В£ основание упругое установлено, что результаты решения задачи !гй - прогибы -Г , и, и полокение точек отрыва О, и О, значительно зависят от "к". При этом с уменьшением коэффициента .(есткости опорного основания улеличивается прогиб плюсны, а ее точка отрыва смещается с плюснофаланговому шарниру. Из полученных результатов можно сделать вывод, что с уменьшением величины "к" уменьшается величина расстояния точки приложения равнодействующих сил от плюснофалангового сустава, кроме того опорные реакции незначительно изменяются с изменением жесткости основания.

Представлены результаты исследования влияния величины моду ля Юнга упругого звена плюсны на величину прогиба упругого основания и полокение точки отрыва контактирующего звена с опорной поверхностью. Расчет выполнен на примере задачи винклеровского типа. Материал плюсны выбирался наиболее часто использу-

емый при изготовлении протезов ни.кних конечностей: СКУ-6;СКУ-7 СКУ-7н; СКУ-1Ш; СКУ-8

Как показали результаты, полученные при решении задачи К2, что с уменьшением модуля Юнга прогиб основания увеличивается, а точка отрыва плюсны от основания смещается в сторону плюсно-фалангового шарнира. Причем изменение модуля Юнга значительно влияет на эти параметры.

В ЧДТШРТОЙ ГЛАВД выполнен анализ ходьбы АМ на протезах бедра и голени снабкенных искусственными стопами с рекуперацион ными пластинами. Описана конструкция искусственной стопы с- ре-куперационными пластинами (рис.4).

С помощью разработанной математической модели и реализации ее вычислительного алгоритма получены суставные моменты^ энер готраты и опорные реакции при ходьбе в нopмej на протезах с обычными стопами и протезах со стопой конструкции автора показанной на рис.4

Рис.4

Аналогичные расчеты сделаны при ходьбе на протезе голени и бодра с обычными стопами. Выполнены расчеты при ходьбе на протезе голени и бедра со стопами конструкции автора. Сравнение полученных результатов позволяет сделать выводы о том, что при ходьбе на протезах конечностей с искусственными стопами конструкции автора наблюдается заметное увеличение заднего толчка (вто рого пика на графике вертикальной опорной реакции) , а так.ле нормализация голеностопного и коленного меювенных углов. Кроме того, изменяется соотношение мекду временем опоры на передний

и задний отдел стопы. Время фазы опоры и фазы переноса приближается к норме. Величины энергозатрат указывают на то, что ходьба на протезах со стопами, снабженными рекуперационныш пластинами, отличается меньшей энергоемкостью, чем ходьба на протезах со стопами традиционных конструкций.

Выполнен расчет величины жесткости амортизаторов, расположенных вокруг плюснофалангового и голеностопного суставов. Эти величины .жесткости составляют соответственно г. 2., е^-с-Ь^-Сг^^^/,/•

НеоЗходимая жесткость амортизаторов зависит от веса пациента и рода его деятельности. С учетом массо-инерционные харак- Ь' /< Л теристики, скорости перемещения человека, все эти величины будут оказываеть влияние на выбор жесткости амортизаторов данной конструкции.

Практические рекомендации по применению искусственной стопы с рекуперационными пластинами заключаются в следующем. Для улучшения кинематики и динамики движений инвалида после ампутации на уровне голени и бедра при ходьбе на протезах рекомендуется использовать протез показанный на рис.4, в который вмонтированы три упругие пластины и вставлены амортизаторы между выступами расположенными вокруг шарниров голеностопный и плюснофаланго-вый шарниры. С помощью протеза предложенного автором, удалось улучшить характеристики суставных моментов, мощностей и производимых энергозатрат. Рекомендуется для лиц с весом в пределах 50 4 70 кг использовать амортизаторы С/ = г,5"•¿■о

, а при весе 70 + 90 кг 1,1 ■ , ^Л-С-о7'при

весетЬо кг Ь.\-1<>у, !ЛГ-/оХ ¡^Ы^

Ъ и Ь О Д и

1. Разработана математическая модель АМ о упругими элементами в искусственных о топах, позволяющая расчитывать динамические характеристики, как одноопорных, так и дьуходорних фаз движения с учётом ударных взаимодействий отоп.

2. Разработан, математическая модель стопы из трах упругих звеньев, соединённых между собой прукинами. Модель дозволяет раочитать динамику взаимодействия стопы на твёрдой и упругой опоре. Внешний момент и внешняя сила в голеностопном шарнире при моделировании определяются из общей математической модели движения человека.

С помощью модели стопы опрвдалвни прогибы упругих ЗЕвНЬвВ стоны, координаты точки отргаа отопи от опорной поверхности, координаты точки приложения величина равнодействующей оилы реакции опоры.

3. Введение упругих эламенгов ь crony AM уменьшает энергозатраты на I5-2ÜÜ по сравнению с представлением оюпы же отними элементами. Упругие элементы стопы ЛМ влияют на величины моментов в шарнирах, уменьшая численные значения моментов в шарнирах верхней чаати и увеличивая в шшнеИ чаоти ЛМ.

4. Существенное влияние на динамику взаимодействия искусственной стопы о опорой оказывают механические свойства материалов, из которых изготавливаю! упругие элементы стопы и кеоткооти опорного основания. Величина модуля LHra упругих элементов оюпы и ковффициен! кёегкооти опорного основания влияют на координаты точки отрыва отопы о опорой, коорДинаты точки приложения равнодействующей силы реакции опоры. Коэффициент Иуаооона практического влияния на эти биомеханические характеристики не оказывает.

5. Разработана конструкция стопы, обладающая упругими амортизаторами. Для этой конотрукщш расчитаны величины кесткости амортиэаторов, расположенных вокруг алюоне^алангового и голено-отопного суставов.

6. Установлено, что при ходьба на протезах никних конечностей о искусственными стопами наблюдается заметное увеличение заднего толчка по сравнению о жёсткими псотезами нижних конечноо-тей, а также нормализация голеностопного и коленного мехзвен-нше углов, что приближав! динамограмму и временную характеристику на ходьбу к норме.

Спиоок опубликованных работ по теме дисоертащш

1. Ьаоильев A.A., Зянковский A.b., Терантьев Ь.4. ...ате-матичеокое моделирование стопы чаловека. Депонирована в ШШ'Ш за ft 8947-Ь от 26 декабря 1985 г.

2. Васильев Л.Л., Зинкоеский A.L. Динамическая модель стопы человека. Тезисы докладов, Рига, IS86 г.

3. Васильев A.A., Ьинковокий A.b. Динамичаокий антропоморфный механизм о упругими стодамл. Тезисы докладов, Киев, 1387 г.

4. Васильев A.A., Ьинкоьокий A.b. Моделирование динамических свсйогв'оходы спортсмена с помощью ЭШ. Тезисы докладов, Москва, 1987 г.

5. Ъасильав A.A., йииковсний A.B., Фарбер Ь.С. Разработка и оптимизация антропоморфных механизмов с упругими стопами. Тазиоы докладов, Москва, ДКШШЯ, 1Ь94 г.

6. Васильев A.A., ФарАвр Б.С., Зинкоеокий A.b. Моделирование антропоморфных механизмов с упругими стопами. Тезисы докладов, Никяий Ьовгород, 1994 г.

Подниоано к печати 10. II.94. Заказ № 530. Тираж 100 экз.

Отпечатано на р тапринге ИПЦ СПбГТУ. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

t