CC BY
9УДК 612.829.3
DOI: 10.18799/29495407/2023/3/30
Пассивный медицинский экзоскелет для реабилитации пациентов
с локомоторными нарушениями
Д.А. Князев^, Н.Е. Ловчев, А.В. Орешкин
Московский государственный технологический университет «Станкин», Россия, г. Москва,
н denn0762@gmail.com
Аннотация
Целью исследования является разработка прототипа медицинского экзоскелета для реабилитации пациентов с локомоторными нарушениями. Проанализировано строение нижней конечности человека, и на основе изученной информации сформулированы требования, предъявляемые к конструкции экзоскелета. Используя знания, полученные при изучении аналогичных решений в области построения экзоскелетов, разработана конструктивная и кинематическая схемы, смоделированы составные части суставов экзоскелета и детали, соединяющие части конструкции. С целью определения нагрузки, оказываемой на упругие элементы, используемые в экзоскелете, проведён расчёт требуемых параметров упругих элементов конструкции. Исходя из полученных данных выбраны упругие элементы для создания прототипа экзоскелета. Результатом работы является создание прототипа пассивного медицинского экзоскелета с использованием аддитивных технологий.
Ключевые слова: Пассивный медицинский экзоскелет, прототип экзоскелета, опорно-двигательный аппарат, механотерапия, реабилитация.
Для цитирования: Князев Д.А., Ловчев Н.Е., Орешкин А.В. Пассивный медицинский экзоскелет для реабилитации пациентов с локомоторными нарушениями // Извести томского политехнического университета. Промышленная кибернетика. - 2023. - Т. 1. - № 3. - С. 1-6. Эй!: 10.18799/29495407/2023/3/30
UDC 612.829.3
DOI: 10.18799/29495407/2023/3/30
Passive medical exoskeleton for rehabilitation of patients with locomotor disorders
D.A. Knyazev®, N.E. Lovchev, A.V. Oreshkin
Moscow State University of Technology «Stankin», Moscow, Russian Federation
H denn0762@gmail.com
Abstract
The aim of the research is to develop a prototype of a medical exoskeleton for rehabilitation of patients with locomotor disorders. The article analyzes the structure of human lower limb and, based on the information studied, formulates the requirements for the design of the exoskeleton. Using the knowledge gained from studying similar solutions in the field of building exoskeletons the authors have developed a structural and kinematic diagram. They modeled the components of the exoskeleton joints and the parts connecting the parts of the structure. In order to determine the load exerted on the elastic elements used in the exoskeleton, the required parameters of the elastic structural elements were calculated. Based on the data obtained, elastic elements were selected to create a prototype exoskeleton. The result of the work is the creation of a prototype of a passive medical exoskeleton using additive technologies.
Keywords: Passive medical exoskeleton, exoskeleton prototype, musculoskeletal system, mechanotherapy, rehabilitation.
For citation: Knyazev D.A., Lovchev N.E., Oreshkin A.V. Passive medical exoskeleton for rehabilitation of patients with locomotor disorders. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Industrial Cybernetics, 2023, vol. 1, no. 3, pp. 1-6. DOI: 10.18799/29495407/2023/3/30
Введение
Экзоскелеты - одна из инновационных биоинженерных технологий, которая заключается в разработке специальных мехатронных устройств в виде внешнего каркаса человека, благодаря которым увеличивается его мускульная сила. Производительность человека-оператора экзоскелета таким образом усиливается в несколько десятков раз. Современные экзоскелеты являются сложными техническими системами, характеризуемыми многообразием рабочих процессов и характеристик, относящихся к разным областям знаний: электронике, кибернетике, механике, гидрогазодинамике и др.
Одним из наиболее эффективных методов реабилитации после различных нарушений опорно-двигательной системы является реабилитация с помощью экзоскелета. Экзоскелет позволяет постепенно укреплять мышцы, восстанавливать моторику, а также мышечную память пациента. Для укрепления мышечной или костной ткани используют пассивные экзоскелеты.
На рынке представлено не так много решений в области построения пассивных медицинских эк-зоскелетов. Одно из таких решений - конструкция экзоскелета для компенсации веса человека при ходьбе и беге. Данное устройство может применятся при реабилитации и с целью транспортировки грузов [1-5]. Данная конструкция содержит седло, соединенную с ним раму и экзоноги. Основным элементом компенсации веса служит аккумулятор потенциальной энергии (газ или пружина) и включатель аккумулятора (управляемый храповый механизм; клапан гидравлического механизма; фрикционный механизм обратного хода). Таким образом, разработка пассивного медицинского экзоске-лета, основной функцией которого будет непосредственно реабилитация, является актуальной задачей.
Разработка требований к экзоскелету
На первом этапе исследования определены кли-нико-анатомические требования к активным и пассивным экзоскелетам нижней конечности. Отметим, что в настоящее время не существует общего стандарта предъявляемых требований к экзоскеле-там, исходя из этого требования, представленные в работе, сформулированы с опорой на строение и функционирование здоровой конечности, а также проводимые в клиниках реабилитационные процедуры.
С этой целью обобщен материал по активной и пассивной амплитуде движений нижней конечности у полностью здорового человека и её потере при различных состояниях. Нога анатомически состоит из трёх основных частей: бедра, голени и стопы (рис. 1). Бедро образовано бедренной костью (самой массивной и прочной из человеческих костей) и надколенником, защищающим коленный сустав. Надколенник обеспечивает блок при разгибании голени. Голень образуют большая и малая берцовые кости. Стопу образует множество мелких костей. Место сочленения бедренной кости с тазовой костью называется тазобедренным суставом. Сочленение бедренной и берцовых костей называется коленным суставом, а берцовых костей с костями стопы - голеностопным суставом [6].
__Скелет нижней конечности
Скелет нижней конечности, правой
А — вид спереди; Б — вид сзади;
1 — тазовая кость (os coxae);
2 — бедренная кость (femur);
3 — надколенник (patella);
4 — большеберцовая кость (libia);
5 — малоберцовая кость (fibula);
6 — кости стопы (ossa pedis)
Рис. 1. Строение скелета нижней конечности Fig. 1. Lower limb skeleton structure
Главной задачей реабилитации является восстановление и продление активной жизнедеятельности, социальная интеграция и обеспечение приемлемого качества жизни.
Важно сказать, что реабилитация - это очень индивидуальный метод и мало того, что упражнения подбираются индивидуально, и устройства, используемые при реабилитации, должны иметь индивидуальную подстройку.
Из различных видов реабилитации нас интересует физическая реабилитация. Её средствами являются: лечебная физическая культура, лечебный массаж, физиотерапия, механотерапия.
А
Б
В настоящее время растет количество роботизированного оборудования, которое практически полностью формирует движения пациента. Наиболее востребованные тренажеры - автоматизированные механические устройства, работающие благодаря электрическому приводу. И, конечно, всегда остаются простые механизмы, требующие от пациента физических усилий во всей полноте.
Таким образом, сформулируем общие требования к разрабатываемому прототипу экзоскелета:
• однотипность строению нижней конечности человека;
• легкость и прочность конструкции;
• мобильность и доступность по себестоимости;
• безопасность для человека;
• должен состоять из биологически инертных материалов;
• должен обладать объёмом движений, приближённым к показателям здорового человека. Дополнительные требования к конструкции экзоскелета:
• индивидуальная настройка в зависимости от роста пациента;
• возможность замены комплектующих экзоске-лета по мере износа;
• возможность анатомической параметризации. При формировании конструкции экзоскелета
необходимо соблюдать ограничения подвижности суставов человека, приведенные в таблице.
Разработка конструкции медицинского экзоскелета для реабилитации пациентов с локомоторными нарушениями
На втором этапе исследования разработана кинематическая (рис. 2) и конструкционная схемы экзоскелета (рис. 3).
1
Рис. 2. Кинематическая схема экзоскелета Fig. 2. Exoskeleton kinematic diagram
Таблица. Ограничения подвижности суставов человека Table. Limitation of human joint mobility
Сустав Joint Тип движения Movement type Норма Norm Ограничение/Limitation
Незначительное Minor Умеренное Moderate Значительное Significant
Тазобедренный Hip Сгибание Bending Разгибание Extension Отведение Abduction <100 180-171 50-26 100-109 170-161 25-21 110-119 160-151 20-16 >120 <150 <15
Коленный Knee Сгибание Bending Разгибание Extension 30-59 180-176 60-89 175-171 90-109 170-161 >110 <160
й Подошвенное
ы н сгибание 150-121 120-111 110-101 <100
с О Ü Plantar flexion
s- 2 ö « Тыльное
и < е разгибание 70-74 75-79 80-84 >85
л о Dorsi exten-
t-c sion
Как видно из кинематической схемы экзоскеле-та, конструкция предполагает обеспечить по одной подвижности в коленном и тазобедренном суставах и три подвижности в голеностопном суставе.
На данном этапе представлена упрощенная кинематическая схема экзоскелета. Сама конструкция предполагает установку пружинных элементов коленного и голеностопного соединений обособленно от основной силовой части, как показано на конструкционной схеме (рис. 3).
Пружинный элемент в тазобедренном суставе расположен внутри системы, на оси вращения, так как этот сустав сам по себе имеет достаточно большие размеры ввиду приходящихся на него нагрузок.
г ^
Рис. 3. Конструкционная схема экзоскелета Fig. 3. Exoskeleton structural diagram
Подбор пружинных элементов
для системы компенсации веса
Рассмотрим две части ноги как независимые системы. Предположим, что тело испытуемого, без учёта веса ног, весит 50 кг (Fi=490,5 Н) [7, 8]. Вес одного бедра примем равным 4 кг (G=39,24 Н). Проведём расчёт из предположения, что при наклоне бедра на угол 45 градусов от линии горизонта во время приседа пружина, создающая силу F2, должна обеспечить неподвижность системы, то есть компенсировать действие силы тяжести G и веса тела F1 [9, 10]. Составим уравнение моментов для двух случаев:
Угол отклонения от горизонта равен 90 градусов, то есть испытуемый стоит.
В таком случае очевидно, что момент вращения задаётся лишь силой F2 для обеспечения статического положения F2=0.
Угол отклонения от горизонта равен 45 градусов, то есть испытуемый находится в приседе.
Допуск: вращение по часовой стрелке принимаем за положительное направление. Уравнение моментов для данной ситуации будет выглядеть следующим образом:
M = F ■ l - G ■ BD - F ■ TB,
где M - общий момент внешних сил; l - расстояние отступа точки приложения силы F2 от центральной оси звена; F2 - сила, создаваемая пружиной и обеспечивающая компенсацию веса; F1 - вес тела человека, без учёта веса ног; BD - расстояние от края звена экзоскелета до точки приложения силы тяжести в момент приседания под углом 45 градусов; TB - расстояние от края звена экзоскелета до проекции на горизонтальную ось другого края звена в момент приседания под углом 45 градусов.
Учитывая, что угол отклонения от горизонта равен 45 градусам, а длина звена AB - 35 см:
42
TB = cos 45° ■ AB = — ■ 0,35 « 0,25м .
2
Зная, что точка приложения силы тяжести G находится в центре звена, примем:
BD = TB = 025 = 0,125м .
2 2
Рассчитаем F2 с учетом, что l=3 см и M=0: = G ■BD + Fi ■TB = 12753 = 4251Я,
l
0,03
тогда коэффициент упругости пружины растяжения: *=
М
где АЬ - длина растяжения пружины.
Зная размер вала, через который натянут тросик, идущий от пружины, и угол наклона бедренного звена, можно рассчитать:
AL = 2 -л- 0,03 • -
45 360
0,0236 м = 2,36 см
где 0,03 - радиус вала.
Исходя из проделанных вычислений:
4251
K =-« 180127 Н/м.
0,0236
Таким образом, для конструирования экзоскелета необходимо подобрать пружину с коэффициентом упругости 180127 H/м и ходом 0,0236 см либо эквивалентную пружину с увеличенным ходом и пропорционально уменьшенным коэффициентом упругости для обеспечения необходимой силы натяжения тросика пружины. При этом длина пружины, по сути, ограничена длиной звена с вычетом хода пружины, однако для удобства крепежа стоит ограничить максимальную длину пружины до 2/3 от длины звена.
Расчёт пружины голевого звена рассчитывается аналогично, за исключением изменённых параметров, а именно: Fi=529,74 Н; G=29,43 Н; угол равен 60 градусам; 1=3 см; AB=45 см; радиус вала равен 3 см.
В данном случае угол изменён на 60 градусов, так как при длинах звеньев 35 и 45 см, а также наклоне бедренного звена от горизонта на 45 градусов, угол наклона голенного звена от горизонта равен 60 градусам.
Расчет второго звена проводится аналогично, но для пружины растяжения.
На следующем этапе исследования, используя программное обеспечение Fusion 360, была создана 3Б-модель экзоскелета и спроектирован комплекс крепёжных элементов (рис. 4), необходимых для соединения частей конструкции.
Рис. 4. Крепёжные элементы Fig. 4. Connecting elements
Прототип медицинского экзоскелета для реабилитации пациентов с локомоторными нарушениями
Разработанный прототип экзоскелета состоит:
• из стопы;
• голенного звена;
• бедренного звена;
• соединителя, обеспечивающего объединение ног экзоскелета в единую конструкцию. Крепление экзоскелета к телу носителя осуществлялось при помощи ремневой системы. Прототип экзоскелета представлен на рис. 5, 6.
Рис. 5. Нога экзоскелета на человеке Fig. 5. Exoskeleton leg on a person
Рис. 6. Экзоскелет Fig. 6. Exoskeleton
Заключение
Разработанный и описанный в статье прототип медицинского экзоскелета для реабилитации пациентов с локомоторными нарушениями позволяет проверить работоспособность компонентной базы, сформировать требования к разрабатываемому прототипу, оценить преимущества и недостатки данной конструкции.
Собранный прототип экзоскелета имеет ряд недостатков, которые можно устранить за счет использования более дорогих материалов, в частности замена всех 3D-печатных деталей на металлические позволит сделать конструкцию стабильнее, а добавление каркаса для спины позволит экзоске-лету более плотно фиксироваться на теле человека. Вместо пластины под ступню эргономичнее вмонтировать в конструкцию часть элемента обуви.
Однако, даже несмотря на недостатки, данный прототип достаточно прочен и пригоден к использованию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экзоскелет: пат. 2760527 Российская Федерация, МПК A61H 3/00, № 2021110519: заявл. 2021.04.15; опубл. 2021.11.26. -11 с.
2. Простая конструкция компенсации веса человека при ходьбе и беге: пат. 2489130 Российская Федерация, МПК A61H 3/00, № 2011148041/14: заявл. 2011.11.28; опубл. 2013.08.10. - 13 с.
3. Основы реабилитации двигательных нарушений по методу Козявкина / В.И. Козявкин, Н.Н. Сак, О.А. Качмар, М.А. Бабадаглы. - Львов: НВФ «Украинские технологии», 2007. - 192 с.
4. Усилитель мышц голени // Pikabu.ru. URL: https://pikabu.ru/story/usilitel_myishts_goleni_7051255 (дата обращения: 10.05.2023).
5. Турлапов Р.Н. Динамика управляемого движения четырехзвенного аппарата для расширения функциональных возможностей человека: дис. ... канд. наук. - Курск, 2015. - 152 с.
6. Реабилитация пациентов с заболеваниями опорно-двигательного аппарата // Библиофонд. URL: https://www.bibliofond.ru/ view.aspx?id=802268 (дата обращения: 10.05.2023).
7. Пассивный экзоскелет нижних конечностей человека / Н.Д. Бабанов, М.Г. Мощенков, Г.П. Егоров, О.В. Кубряк // Динамика сложных систем - XXI век. - 2019. - № 4. - C. 23-28.
8. Экзоскелет для разгрузки нижних конечностей: пат. 202527 Российская Федерация, МПК A61H 3/00, № 2020134460: заявл. 21.10.2020; опубл. 20.02.2021. - 9 с.
9. Клинико-анатомическое обоснование требований к разработке экзоскелетов верхней конечности / А.А. Воробьев, А.В. Петрухин, О.А. Засыпкина, П.С. Кривоножкина // Оренбургский медицинский вестник. - 2014. - T. II. - № 3 (7). -C. 14-18.
10. Обоснование требований к разработке экзоскелета микрохирурга / А.А. Воробьев, В.Ф. Байтингер, Ф.А. Андрющенко, А.А Никулин // Волгоградский научно-медицинский журнал. - 2016. - № 3 (51). - C. 38-40.
REFERENCES
1. Borisov A.V., Borisova V.L., Konchina L.V., Kulikova M.G., Maslova K.S. Ekzoskelet [Exoskeleton]. Patent RF, no. 2021110519, 2021.
2. Rodin I.A. Prostaya konstruktsiya kompensatsii vesa cheloveka pri khodbe i bege [A simple design for compensating a person's weight when walking and running]. Patent RF, no. 2011148041/14, 2013.
3. Kozyavkin V.I., Sak N.N., Kachmar O.A., Babadagly M.A. Osnovy reabilitatsii dvigatelnykh narusheniypo metodu Kozyavkina [Fundamentals of rehabilitation of movement disorders using the Kozyavkin method]. Lvov, NVF "Ukrainian Technologies" Publ., 2007. 192 p.
4. Usilitel myshts goleni [Shin muscle strengthener]. Pikabu.ru. Available at: https://pikabu.ru/story/usilitel_myishts_goleni_ 7051255 (accessed: 10 May 2023).
5. Turlapov R.N. Dinamika upravlyaemogo dvizheniya chetyrekhzvennogo apparata dlya rasshireniya funktsionalnykh vozmozhnostey cheloveka. Diss. Kand. nauk [Dynamics of controlled movement of a four-link apparatus for expanding human functional capabilities. Cand. Diss.]. Kursk, 2015. 152 p.
6. Reabilitatsiya patsientov s zabolevaniyami oporno-dvigatelnogo apparata [Rehabilitation of patients with diseases of the musculoskeletal system]. Bibliofund. Available at: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=802268 (accessed: 10 May 2023).
7. Babanov N.D., Moshchenkov M.G., Egorov G.P., Kubryak O.V. Passivny ekzoskelet nizhnikh konechnostey cheloveka [Passive exoskeleton of the human lower extremities]. Dinamika slozhnykh sistem -XXIvek, 2019, no. 4, pp. 23-28.
8. Glebov V.V., Kangin M.V., Kangin E.M., Kumaneev M.A. Ekzoskelet dlya nizhnikh konechnostey [Exoskeleton for unloading the lower extremities]. Patent RF, no. 2020134460, 2021.
9. Vorobyev A.A., Petrukhin A.V., Zasypkina O.A., Krivonozhkina P.S. Kliniko-anatomicheskoe obosnovanie trebovaniy k razrabotke ekzoskeletov verkhney konechnosti [Clinical and anatomical substantiation of the requirements for the development of exoskeletons of the upper limb]. Orenburgskiy meditsinskiy vestnik, 2014, vol. II, no. 3 (7), pp. 14-18.
10. Vorobiev А.А., Baytinger V.F., Andruschenko F.A., Nikulin А.А. Substantiation of the requirements for the development of exoskeleton for microsurgery. Volgogradskiy nauchno-meditsinskiy zhurnal, 2016, no. 3 (51), pp. 38-40. In Rus.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Денис Алексеевич Князев, магистрант Московского государственного технологического университета «Станкин», Россия, 127055, г. Москва, Вадковский пер., 1. denn0762@gmail.com
Николай Евгеньевич Ловчев, магистрант Московского государственного технологического университета «Станкин», Россия, 127055, г. Москва, Вадковский пер., 1. nk.lovchev@gmail.com
Алексей Викторович Орешкин, магистрант Московского государственного технологического университета «Станкин», Россия, 127055, г. Москва, Вадковский пер., 1. d56.a@mail.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Denis A. Knyazev, master's student, Moscow State
University of Technology «Stankin», 1, Vadkovsky
lane, Moscow, 127055, Russian Federation.
denn0762@gmail.com
Nikolay E. Lovchev, master's student, Moscow State University of Technology «Stankin», 1, Vadkovsky lane, Moscow, 127055, Russian Federation. nk.lovchev@gmail.com
Alexey V. Oreshkin, master's student, Moscow State University of Technology «Stankin», 1, Vadkovsky lane, Moscow, 127055, Russian Federation. d56.a@mail.ru
Поступила в редакцию: 10.11.2023 Поступила после рецензирования: 10.12.2023 Принята к публикации: 20.12.2023
Received: 10.11.2023 Revised: 10.12.2023 Accepted: 20.12.2023
