Введение к работе
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.
-
Разработка математических моделей движения плоского трехзвенного реабилитационного аппарата в связке с нижней конечностью человека в различных режимах функционирования.
-
Разработка инструментальных средств проектирования для определения конструктивных параметров и настройки системы автоматического управления приводами аппарата.
-
Исследование динамических особенностей движения устройства и синтез законов управления электроприводами многозвенного устройства.
-
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.
-
Научно обоснована методика проектирования электроприводов для реабилитационных устройств, основанная на динамическом анализе немонотонного характера диаграмм управляющих моментов.
-
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 управленій, 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.
