CC BY
83
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 615.477:796.012
А.А. Кулик, А.А. Кирсанов, В.П. Глазков, А.А. Львов
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРОТЕЗА БЕДРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Предлагается пневмомеханический протез бедра, конструкция которого дополняется упругим элементом. Сравнение с зарубежными аналогами, его преимущества над ними. Структурная схема и конструкция пневмомеханического протеза.
Пневмомеханический протез бедра, протезостроение, коленный модуль, энергосбережение
Kulik A.A., Kirsanov A.A., Glazkov V.P., L'vov A.A.
RESEACH INTO THE MOTION OF THE ELECTRO- HIP PROSTHESIS USING THE MATHEMATICAL MODELING
The new pneumatic mechanical prosthetic hip is characteristic for the design which is used to complement an elastic-slimming element. The authors provide a comparison of the new design with its foreign analogues and its advantages, including the structural design and construction of the rotor prosthesis.
Pneumatic mechanical prosthetic hip, the building of the prosthesis, the knee module with energy saving
Введение. В современном обществе проживает большое количество людей с заболеванием опорно-двигательного аппарата. По данным Росстата на территории России зарегистрировано около 4,5 млн. человек с заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Среди них около 2 млн. людей, которые перенесли операции, связанные с ампутацией нижних конечностей. Улучшение условий жизни людей, страдающих заболеванием опорно-двигательного аппарата, является первоочередной задачей, решением которой следует заниматься на государственном уровне с привлечением частного сектора экономики. При этом в странах Западной Европы активно развивается высокотехнологическое протезостроение, которое включает разработку и реализацию активных коленных модулей протеза бедра. Например, фирмой OttoBock было разработано устройство C-leg [1], использование которого позволяет значительно уменьшить атрофию мышц культи. Сенсорные датчики, вмонтированные в несущий модуль, 50 раз в секунду считывают показания: частоту перехода пациента с пятки на носок, величину нагрузки, угол наступания на стопу, скорость ходьбы. Данные передаются в микропроцессор, установленный в верхней части модуля, который обрабатывает показания датчиков и регулирует открывание/закрывание клапанов пневматического цилиндра. Таким образом, система управления подстраивает работу коленного модуля под индивидуальную походку пациента. Питание датчиков, микропроцессора и электроники осуществляется от интегрированного аккумулятора. Настройка модуля производится специалистами на основе Bluetooth-соединения и персонального компьютера [1].
Однако, устройства подобного класса обладают существенными недостатками: высокая стоимость аппарата для российского потребителя, отсутствие элементов, направленных на энергетическое сбережение заряда аккумулятора протеза, сложная схема и алгоритм реализации системы управления движением устройства. Поэтому создание отечественного электропневматического протеза бедра с возможностью энергосбережения заряда аккумулятора и одновременно доступного для отечествен-
161
ного потребителя будет являться благоприятным фактором, способствующим улучшению комфортных условий жизни людей, страдающих заболеванием опорно-двигательного аппарата.
1. Постановка задачи
Целью настоящей работы является создание электропневматического протеза бедра с возможностью энергосбережения заряда аккумулятора. Достижение поставленной цели осуществляется выполнением в следующих задач:
1. Разработать конструкцию и управление протеза бедра.
2. Математическое моделирование движения протеза в соответствии с естественным движением человека.
3. Исследование изменения скорости перемещения выходного штока электропневматического привода.
2. Описание конструкции электропневматического протеза бедра
В статье предлагается один из возможных вариантов электропневматического протеза бедра, структурная схема управления которого приведена на рис 1.
Рис. 1. Структурная схема управления пневмомеханическим протезом бедра где УУ - устройство управления, ДУК - датчик управления компрессором, К - компрессор, УУК - устройство управления клапанами, ИЭ - исполнительный элемент, ДОС - датчик обратной связи
Устройство управления предназначено для формирования электрического сигнала, управляющего скоростным перемещением выходящего штока. Сигнал с устройства управления передается на датчик управления компрессором, который формирует поток воздуха с заданным значением давления, поступающим в цилиндр. Давление внутри цилиндра регулируется устройством управления клапанами. Внутри корпуса пневматического цилиндра расположен выходной шток, соединенный с исполнительным механизмом протезирующего устройства, через упругий элемент (пружина). Пружина создает силовое воздействие, возвращающее выходной шток пневмомеханического цилиндра в исходное состояние. Следует отметить, что в момент возвращения штока в исходное состояние электродвигатель (компрессор) является выключенным, что снижает общий расход заряда энергии аккумулятора протеза. Таким образом, применение в устройстве управления пружины, может обеспечить энергосберегающий режим работы компрессора.
Система управления электропневматического протеза бедра может быть реализована в едином корпусе, установленном в области коленного шарнира протеза, конструкция которого представлена на рис. 2. По принципу работы и управлению протез соответствует системе разгрузки скелета человека [2]. Начальный сигнал управления формируется пьезодатчиками, расположенными внутри приёмной гильзы. В процессе движения микроконтроллер системы управления формирует сигнал, характеризующий перемещение выходного штока привода согласно сигналам, получаемым от датчиков обратной связи. В качестве датчиков обратной связи могут быть использованы датчики угла и давления, размещенные в голеностопном узле устройства и на его стопе. Упругий элемент, расположенный в области голеностопного сустава, может обеспечить плавность движения протеза. Рис. 2. Электропневматический 2. Математическое моделирование движения протеза
протез бедра: 1-культя, 2-коленный На первоначальной стадии проектирования рассматрива-
модуль, 3-электропневматический емого устройства построена математическая модель движения привод, 4-кулачек, 5-стойка, „ „
6-голеностопнЬш узел 7-стопа протеза. В качестве исходной математической модели принята
модель движения трехзвенной механической ноги, предложенная Като [5], кинематическая схема которой представлена на рис. 3.
Рис. 3. Модель трехзвенной механической ноги: а - фаза опоры, б - фаза переноса
Из схемы видно, что перемещение трехзвенной механической ноги соответствует движению предлагаемого электропневматического протеза бедра и включает две стадии движения механизма-человека: фазы опоры и переноса. Во время фазы опоры обе ноги находятся на поверхности; во время фазы переноса одна из ног - опорная находится в процессе переноса. При ходьбе эти фазы чередуются [7].
Дифференциальные уравнения, описывающие зависимость М = / (0) для механической ноги Като, имеют следующий вид [8]:
а) для фазы опоры:
|/1 + ш^2 + (ш2 + т3)/12 + {ш2/2/1 соз(01 - 0 2) + ш31х12 соз(01 - 02)]0 2 + + {ш3/1а3 соэ(01 - 03)]03 - (01а1 + 0211 + 03/1)б1п01 = М1 -М2 -М3,
{ш2!1а2 соэ(01 - 02) + т31112 соэ(01 -02)]031 +[/2 + ш2а^ + ш3/22]ё2 + (1)
+ {ш3/2а3 соэ(02 -03)}03 -(02а2 + 03/2^т02 = М2 -М3,
{ш3/1 а3 соб(01 -03)]01 +{ш3/1 а3 соб(02 -03)}02 + (13 + ш3а32)03
б) для фазы переноса: {/3 + ш3Ъ32 + (ш2 + ш1)/32 ]03 + {ш2/3Ъ2 соб(03 - 02) + ш1/3/2 СОБ(03 - 02)]02 +
■03 а3 б1п 0 3 = М3
+ {ш1/3Ъ1 СОБ(03 - 01)]()1 + (03Ъ3 +G2/3 + 03 = М3 - (М2 -М1),
{ш2/3Ъ2 СОБ(03 -02) + ш1/3/2 СОБ(03 -02)]03 + (12 + ш2Ъ22 + ш1/2)(02 + + {ш1/2Ъ2 соб(02 - 01 )]01 + (02Ъ2 + G1Ъ2)siп 02
(2)
'■М 2 - М1,
{ш1/3Ъ1 cos(03 - 01)]0&3 +{ш1/2Ъ1 cos(03 - 02)]02 + (11 + ш1Ъ12)0)1 + G1Ъ1 siп 01 = М
3 1 3 1 3 1 2
где ш1, ш2, ш3 - соответствующая масса звена; /1, /2, /3 - расстояние между суставами; а1, а2, а3 - расстояние между центрами тяжести звена и соответствующего сустава; Ъ1, Ъ2, Ъ3 -расстояние между центрами тяжести звена и соответствующей точкой опоры; 01,02,03 - вес звеньев; М1, М 2, М 3 - суставные моменты; 01,0 2,0 3 - угловые координаты измеренные от вертикали.
Согласно конструкции протеза бедра основными элементами устройства являются коленный модуль и стопа, шарнирно соединенные между собой, что позволяет принять 0 3 = 0 и М 3 = 0. Учитывая
это условие в уравнениях (1) и (2) с учётом массово-геометрических параметров строения бедра человека, можно получить математическую модель движения электромеханического протеза бедра в виде системы дифференциальных уравнений:
б
а
а) для фазы опоры:
|/1 + m1a¡2 + (m2 + m3)/12 }&1 + {m2l2l1 cos(0 -02)+m3l1l2 cos(0 - 02)}02 - (G1a1 + G2l1 + G3l1)sin01 = =M1 - M2, (3)
{m2l1a2 cos(9j - 02) + m3l1l2 cos(01 - 02)}&1 + [/2 + m2al + m3l2 ]02 - (G2a2 + G3l2)sin02 = M2;
б) для фазы переноса:
(12 + m2b22 + m1l2)0)2 +{m1l2b2 cos(02 - 01)}0)1 + (G2b2 + G1b2)sin02 = M2 -M1, (4) (4)
(I1 + m1b12)0&1 + G1b1 sin 01 = M1.
Подставляя значения углов поворота коленного сустава человека, полученные в результате математического моделирования его движения [6], в уравнения (3) и (4), можно определить значения моментов, прикладываемых к коленному шарниру механизма. Зависимости Mi = f (t) представлены на рис. 3 и 4.
а б
Рис. 3. Зависимость М1 = / (/) для голеностопного сустава: а - фаза опоры, б- фаза переноса
Рис. 4. Зависимость М2 = / (/) для коленного сустава: а - фаза опоры, б- фаза переноса
Из приведенных зависимостей видно, что значения моментов формируемых относительно шарниров механизма не значительно отличаются от значений моментов, прикладываемых к голени и стопе здорового человека, которые составляют М 1тах = 4 Н • м, М 2тах = 22 Н • м, соответственно.
Дальнейшее исследование динамики движения электропневматического протеза бедра связано с определением усилий, формируемых силовыми элементами устройства и прикладываемых к его шарнирам. При этом в процессе моделирования перемещения штока пневматического привода необходимо учитывать
усилие, формируемое пружиной, расположенной в устройстве управления протеза. Тогда усилие, развиваемое приводом, на момент поднятия механической ноги в фазу переноса имеет вид:
М 2
Р =—- + Р_____
и
(5)
где Р, Рпруж - усилия, прикладываемые к коленному шарниру и формируемые пружиной рекуператора энергии,
М 2 — моменты вращения, формируемые относительно коленного и голеностопного шарниров протеза, 12 — расстояние от центра шарнира до выходного штока электропривода.
Следует отметить, что в момент возращения коленного сочленения в исходное состояние при выключенном компрессоре пневматического привода: Р = Р , где Р = 12 Н ■ м . В результате
вычислений значений изменения усилий, формируемых электроприводом, по формуле 5 получена зависимость Р = / (V), представленная на рис. 5.
Из рисунка видно, что изменение усилия, формируемого электропневматическим приводом, имеет пропорционально возрастающую зависимость, близкую к линейной, что обеспечивается применением пружины в его конструкции. Усилие, формируемое пневмоприводом в фазе переноса при подъеме свободного сочленения, должно составлять не менее 24 Н.
3. Исследование изменения скорости перемещения выходного штока электропневматического привода
Как правило, выбор элементов систем управления протеза бедра связан с определением технических характеристик, таких как скорость перемещения выходного штока пневматического цилиндра и скорость воздуха, нагнетаемого электрическим компрессором. Причем скорость перемещения выходного штока пневматического цилиндра можно определить исходя из формулы:
Рис. 5. Зависимость P = f (t) в фазу переноса
1 t
v = — f Pdt, m J
(6)
Результаты вычисления значений скорости перемещения выходного штока привода по формуле (6) представлены на рис. 6.
Они позволяют определить характеристики пневматического цилиндра и выбрать тип электрического компрессора. Кроме того, полученные результаты могут быть использованы в дальнейших работах, направленных на исследование движения протезирующих устройств с уменьшением расхода заряда аккумулятора и созданием их систем управления. Заключение
Таким образом, в процессе решения поставленной задачи предложена конструкция и система управления пневмоэлектрического протеза бедра, позволяющие обеспечить плавность движения пользователя с устройством. Получена математическая модель движения электромеханического протеза бедра, которая способствует более детальному исследованию физических закономерностей, возникающих при движении человека с протезом и управления протезами и протезируемыми системами; созданию опытных образцов устройств подобного класса.
Рис. 6. Зависимость v = f (t) в фазу переноса
ЛИТЕРАТУРА
o
1. Глазков В.П. Система для разгрузки нижних конечностей человека / Глазков В.П., Непран Л.П., Кулик А.А., Фролов Н.И. // Вестник СГТУ, № 4 (43), выпуск 2, С.170-173
2. Пат. 2266722 РФ, МПК7А61 F2/64, A61F2/68. Управляемый электроникой протезный коленный сустав, протезный узел и способ управления вращением электронного протеза коленного су-
става / Деффенбаух Б. Д. (США); заявитель и патентообладатель Massachusetts Institute of Technology; пат.поверенный Зыло В.П. - № 2002118693/14 ; заявл. 22.01.01 ; опубл. 27.12.05; приоритет 20.01.00, № 60/177,108 (США).
3. The Technology of the Power Knee- Режимдоступа: http//ossur.com (дата обращения 20.03.2013).
4. Высокие технологии для улучшения качества жизни - Режим доступа: http//ottobock.ru/cps/rde/xchg/ob_ru_ru/hs.xsl/850.html (дата обращения 20.03.2013).
5. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы / М. Вукобратович. М.: Наука. 1976.
6. Глазков В.П. Математическая модель движения протезов и протезируемых систем для нижних конечностей человека / В.П. Глазков Кулик А.А. // сб. трудов конф. ММТТ-23 июнь 2010г. С. 141-143, 2010
7. Охоцимский Д.Е. Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата / Д.Е. Охоцимский, Ю.Ф. Голубев. М.: Наука, 1984.
8. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы /М. Вукобратович. -М.: Наука. 1976.
Кулик Алексей Анатольевич -
ассистент кафедры «Автоматизация, управление, мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleksei A.Kulik -
Assistant Lecturer
Department of Automation, Control and Mechatronucs, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Кирсанов Анатолий Александрович -
студент кафедры «Автоматизация, управление, мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Anatolii A. Kirsanov -
Undergraduate,
Department of Automation, Control and Mechatronucs, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Глазков Виктор Петрович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизации, управления и мехатроники» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Львов Алексей Арленович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Радиоэлектроники и телекоммуникации» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Victor P. Glazkov -
Dr. Sc., Professor
Department of Automation, Control and Mechatronucs, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Alexey A. L'vov -
Dr. Sc., Professor.
Department of Information Systems
and Technologies,
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 15.09.14, принята к опубликованию 25.12.14
