Разработка биоинженерного мехатронного модуля для экзоскелета нижних конечностей человека Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 615.471

РАЗРАБОТКА БИОИНЖЕНЕРНОГО МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ ДЛЯ ЭКЗОСКЕЛЕТА НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА

© 2012 С.Ф. Яцун, А.Н. Рукавицын

Юго-Западный государственный университет, г. Курск

Поступила в редакцию 26.11.2012

В статье рассмотрены некоторые вопросы создания реабилитационных механотерапевтических устройств, проектируемых на основе современных мехатронных биоинженерных технологий.

Ключевые слова: экзоскелет, мехатронный модуль, биоинженерия, реабилитация, исполнительное звено, механотерапия

Современные инновационные технологии активно используются в разных областях человеческой жизни. В последние годы возникло и бурно развивается во всем мире новая отрасль науки и техники - биоинженерия. Современная биоинженерия базируется на знаниях в области медицины, биологии, механики, электроники, современных методах компьютерного управления и обработки информации [1]. Экзоскелеты - одна из инновационных биоинженерных технологий, которая заключается в разработке специальных мехатронных устройств в виде внешнего каркаса человека, благодаря которым увеличивается его мускульная сила. Данная технология позволяет сочетать интеллект человека и силу машины, так как оператор становится частью машины. Такой каркас может встраиваться в специальный костюм, и он способен повторять биомеханику человека, значительно увеличивая его физическую силу. Принцип работы устройства такой же, как и у мехатронных устройств: сенсоры подают двигателям сигналы, действие каких мышц нужно сымитировать. Производительность человека-оператора экзоскелета таким образом усиливается в несколько десятков раз. Эк-зоскелеты могут использоваться как в вооруженных силах, так и в терапевтических целях - для помощи людям с физическими недостатками, после травм и с проблемами с опорно-двигательным аппаратом. С помощью подобных систем человек сможет переносить громоздкие грузы с большой скоростью и ориентироваться на незнакомой местности.

Экзоскелеты востребованы людьми с нарушениями опорно-двигательного аппарата, так как двигательные нарушения являются основными факторами, снижающими качество жизни, способность к самообслуживанию, обуславливающие стойкую инвалидизацию данного контингента больных. Экзоскелеты в данном случае становятся настоящим прорывом в улучшении качества их жизни. Кроме того, мехатронный экзоскелет

Яцун Сергей Федорович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической механики и мехатроники. E-mail: [email protected] Рукавицын Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической механики и мехатроники. E-mail: [email protected]

позволит медсёстрам и врачам поднимать пациентов с кровати, не прилагая к этому каких-нибудь значимых усилий. Экзоскелет может стать более дешевой альтернативой хирургическому эндопро-тезированию крупных суставов, которое является довольно сложной и дорогостоящей операцией и не рекомендуемая пациентам с ослабленным здоровьем [2]. Примером подобной реабилитационной системы является японский экзоскелет для нижних конечностей Hybrid Assistive Limb (HAL), представленный на рис. 1.

Рис. 1. Люди с повреждениями опорно-двигательного аппарата со специальным экзоскелетом (HAL)

Современное реабилитационное механоте-рапевтическое устройство (экзоскелет) представляет собой систему со сложной конфигурацией (см. рис. 2), объединяя в себе различные механические и электронные компоненты, призванные в совокупности обеспечивать максимально эффективный и безопасный процесс реабилитации пациентов. При этом большое значение приобретают функциональные возможности каждого узла, из которых и складываются характеристики устройства [3, 4]. Необходимо отметить, что при существующем множестве подобных устройств, предназначенных для людей с болезнями опорно-двигательного аппарата, математическому моделированию их функционирования в составе сложной биоинженерной мехатронной системы уделяется недостаточно внимания.

Рис. 2. Экзоскелет для нижних конечностей человека и его расчетная схема

Разрабатываемое биоинженерное реабилитационное устройство для нижних конечностей состоит из двух отдельных модулей с индивидуальными приводами. Со стороны привода коленного модуля к исполнительному звену 1 прикладывается управляющий момент М. Привод поступательного движения модуля мышц голени воздействует на исполнительное звено 2 управляющим усилием Р. С учетом антропометрических данных человека, а также для того, чтобы не нанести вред пациенту, перемещение исполнительного звена 1 коленного модуля дополнительно ограничено препятствиями А и В, поэтому плавное изменение угла поворота ф=ф^) данного звена возможно лишь в некотором интервале [ф(0), ф(т)], где т - время движения исполнительного звена.

Специфика работы механотерапевтического устройства в составе сложной человеко-машинной системы требуют, чтобы исполнительное звено 1 сошло со связи (ограничителя) В в момент времени =0 и «мягко» коснулось ограничителя А при (=т, т.е. так, чтобы были удовлетворены условия

Л Л,

Л2

ф,) I,

ф(01,

= 0;

.= 0

Программное движение звена 1, удовлетворяющее требованиям «мягкого» касания, принимаем в следующем виде:

ф,) = ф(0) + [ф(т) -ф(0)]

, 1 .(2Ш

---81П| -

т 2л I г

решения задачи применим уравнения Лагранжа II рода [5]. Будем рассматривать данную биоинженерную систему как механическую систему как систему с двумя степенями свободы, приняв за обобщенные координаты угол ф поворота звена 1 и смещение у звена 2. Для рассматриваемой системы можно записать уравнения связей:

хС2 = сот,;

= у+1 ^ф;

V!

= I б1П ф

(1)

В соответствии с выбранными обобщенными координатами имеем

Л (дТ^ Л,

дф

Г дТ^

ду

дТ дф

дТ ду

=

= Qy

(2)

Совокупность уравнений (1) и (2) позволяет составить дифференциальные уравнения движения рассматриваемой механической системы. Составим выражение для кинетической энергии системы Т, как функцию обобщенных скоростей ф и у и обобщенных координат ф и у. Кинетическая энергия системы равна сумме кинетической энергии Т1 звена 1 и кинетической энергии Т2 звена 2:

т _ т1 У2 + 2ф2

2

2

2т^уф б1П ф ф т2±2

■--\---у -

2

2

Центр тяжести звена 1 находится в точке С1; а звена 2 - С2. Будем считать, что торможение звена 1 начинается в тот момент, когда его угловое ускорение обращается в ноль. Пренебрегая силами сопротивления движению, определим значения управляющих сил и моментов в начале торможения исполнительного звена коленного модуля. Для

(т + т2) У2 2

+

(т42 + 3 )ф2

- тг1уф 8ш ф

Найдем значения слагаемых уравнений Лагранжа:

2

2

дТ

д? d дТ

dT

= (щ + m2)y - mjpsmp;

= (m + m)У - mjpsinp- m/ф1 cos p;

дТ дх дТ др d дТ dT др дТ др

= 0;

= (m/2 + J )р- m/y sinp;

= (m/2 + J )P - m/y sin p - щ/ypcos p; = -щ/ypcos p.

(3)

Определим обобщенные силы Qy и Qф. Для определения Qy мысленно наложим на систему связь ф=еош1 и, сообщив системе возможную скорость у, вычислим возможную мощность сил,

действующих на нее: N = буУ = РУ , отсюда

Q? = p

(4)

Qp= M

(5)

y = 2/psinp+ 2/p2 cos p.

y = 2/psin p + 2/p2 cos p.

(8)

Равенства (8) представляют собой зависимость управляющего момента М и управляющего усилия Р от известных функций ф,ф и ф . Так как ф является заданной функцией времени, то вычисление производных ф и ф, а следовательно, и управляющего момента М и усилия Р не представляет труда. Вычислим М и Р в момент начала торможения звена 1. В этот момент угловое ускорение ф обращается в нуль. Производные ф и ф соответственно равны:

ф = [ф(г) - ф(0)](1 - со^2лг / г) / т

и

p=2 4pT) -p0)](sin 2ftt/т)/т2

24p(r)-p(0)] 2ж

Отсюда -2-sin— t = 0, или —t = ж и

г = -. 2

Таким образом, торможение звена 1 начинается в

Т т->

момент времени г = —. В этот момент времени

Аналогично, мысленно наложив на механическую систему связь у=сот1 и сообщив ей возможную скорость ф, получим выражение возможной мощности N: N = йф Ф = Мф, отсюда

[p(0) + p(r)] 2 , 2[p(r) - p(0)] т

(9)

Обобщенные силы Qy и Qv можно определить и из выражения работы сил на элементарных перемещениях системы, соответствующих вариации каждой обобщенной координаты:

A = QySy = Pdy.

Qy&p = M&p

Подставляя (3), (4) и (5) в (2), получим:

|(Ш + m)У - ш}фътф - ш^ф2 cos^ = P; [(ml2 + J )ф- ш^у&тф = M.

(6)

Для обеспечения вертикального положения тела человека при ходьбе необходимо обеспечить перемещение крайней точки исполнительного звена 1 вдоль прямой, перпендикулярной оси у, поэтому на механизм дополнительно оказывается наложенной связь y+2l cos ф=у0, или у=у0 - 2l cos ф ...y0=const, следовательно, У = 21 фsinф. Отсюда

Подставляя (9) в (8), получаем интересующие нас выражения

MI Т I = -4щ/2[p(t) - p(0)]2 ^sm[p(0) + p(T)];

P

Т 2

Т I 1

- I = 4/(mi + 2m2)[p(T) - p(0)]2 -^cos 2 i Т

p(0) + p(T) 2

На основе представленных выражений с помощью пакета блочного моделирования МаЙаЪ^тиНпк получены графики зависимостей управляющих моментов и сил от времени. Вычисления производились в интервале [0;т] с шагом 0,001т при следующих исходных данных: Ш]= 12 кг; ш2= 6 кг; 11= 1,8 кгм2; 1=0,5 м; ф(0)=0; ф(т)=п/6. Графики зависимостей М и Р от времени показаны на рис. 3, 4.

0 0.1

0.2 0.3

Рис. 3. График зависимости управляющего момента М от времени

г

г

Т

<

20

20

].4

Выводы: разрабатываемые биоинженерные мехатронных модули должны учитывать естественные движения в коленном суставе человека и движения совместно с механотерапевтическим устройством. Движение каждого звена влияет на движение остальных звеньев. Указанное взаимовлияние может происходить через механические устройства, общую нагрузку, через общий источник энергии, а также вследствие естественных и искусственных динамических связей между каналами в блоке управления [6]. При этом необходимо формировать управление мехатронной системой (особенно на высоких скоростях, где влияние динамических факторов существенно) с учетом перекрестных связей.

Р(1) о

"20

"40 -

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

t

Рис. 4. График зависимости управляющего усилия Р от времени

Для анализа поведения исполнительного звена биоинженерного модуля и проведения численного эксперимента в дальнейшем необходимо разработать уточненную математическую модель проектируемого мехатронного устройства с целью получения необходимых данных, определяющих

рабочую область движения исполнительного органа, а также форму траекторий, которую должна обеспечивать система реабилитации для реализации естественных движений нижних конечностей человека, что позволит оптимизировать ее параметры и синтезировать алгоритмы работы и законов управления движением исполнительных звеньев.

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яцун, С.М. Неинвазивные методы контроля в диагностике вязко-эластичных свойств кожного покрова / СМ. Яцун, А.Н. Рукавицын, А. Ф. Вальков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12(36), №4(3). С. 732-734.

2. Уварова, Н.П. Экзоскелеты: настоящее и будущее / Н.П. Уварова, И.А. Яковлев, А.Н. Рукавицын // Наука и инновации - 2012: Материалы VIII Международной научно-практической конференции. 2012. Т. 16 Биологические науки, «Каика \ 81и&а», Прземисл. С. 6572.

3. Яцун, С.Ф. Кинематический анализ движения руки в локтевом суставе при реабилитации методами механотерапии / С.Ф. Яцун, Е.С. Тарасова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13, №4(4). С. 1215-1220.

4. Яцун, С.Ф. Исследование динамики движения манжеты реабилитационного устройства совместно с рукой человека / С.Ф. Яцун, Е.С. Тарасова, А.И. Жакин// Известия ЮЗГУ. 2012. №1 (40). С. 35-41.

5. Яблонский, А.А. Курс теоретической механики: учебник для ВУЗов / А.А. Яблонский, В.М. Никифорова. -М.: Интеграл-Пресс, 2007. 608 с.

6. Подураев, Ю.В. Основы мехатроники: учебное пособие / Ю.В. Подураев. - М., Из-во МГТУ «Станкин», 1999. 80 с.

DEVELOPMENT OF BIOENGINEERING MECHATRONIC MODULE FOR THE EXOSKELETON OF HUMAN INFERIOR EXTREMITIES

© 2012 S.F. Yatsun, A.N. Rukavitsyn

South-West State University, Kursk

In article some questions of creation the rehabilitation mechanical-therapy devices designed on the basis of modern mechatronic bioengineering technologies are considered.

Key words: exoskeleton, mechatronic module, bioengineering, rehabilitation, executive link, mechanic therapy

Sergey Yatsun, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Theoretical Mechanics and Mechatronics. E-mail: [email protected]

Alexander Rukavitsyn, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Theoretical Mechanics and Mechatronics. E-mail: [email protected]