Одной из важнейших социальных проблем, стоящих в настоящее время является реабилитация и социальная защита инвалидов. При этом целью реабилитации является восстановление социального статуса инвалида, достижение им материальной независимости и его социальная адаптация. Обеспечение техническими (биоинженерными) средствами реабилитации является частью реализации комплекса мероприятий по улучшению качества жизни инвалидов. Последние достижения биоинженерии, в области создания механотерапевтических устройств, позволяют значительно повысить качество жизни инвалидов и больных с нарушениями опорно-двигательного аппарата и проходящих реабилитацию, и позволяют им стать полноправными членами общества в равной степени со здоровыми людьми. Лечение методом механотерапии базируется на использовании основной биологической функции организма – движения. Данный метод заключается в строгом дозировании физических упражнений на фоне постановки правильного дыхания [1].

Современное реабилитационное механотерапевтическое устройство (экзоскелет) представляет собой систему со сложной конфигурацией (см. рис. 1), объединяя в себе различные механические и электронные компоненты, призванные обеспечивать максимально эффективный и безопасный процесс реабилитации пациентов [1]. Работа практически любого реабилитационного устройства сводится к механическому взаимодействию реабилитационного устройства с конечностью пациента.

Рис. 1. Устройство для реабилитации нижних конечностей человека

Для исследования динамического поведения реабилитационного устройства была составлена его расчётная схема (см. рис. 2), где само устройство было представлено в виде многозвенника A1A2A3, лежащего в координатной плоскости OXY, и состоящего из двух подвижных звеньев, центры масс которых находятся в точках O1 и O2 соответственно.

Рис. 2. Расчетная схема устройства для реабилитации нижних конечностей человека

Динамические уравнения движения системы были разработаны на основе уравнений Лагранжа 2-го рода [2] и имели следующий вид:

– уравнение для обобщенной координаты φ1:

(1)

– уравнение для обобщенной координаты φ2:

(2)

Здесь m1 и m2 – массы звеньев 1 и 2 соответственно; L1 и L2 –длины звеньев; FТ1 и FТ2 – силы тяжести; М1 и М2 – крутящие моменты электродвигателей приводов

На основе полученных выражений, было проведено исследование динамически рассматриваемой системы в среде Mathcad 2000. Вычисления проводились при постоянном 1 и переменных 2 значениях крутящего момента M1.

Результаты моделирования представлены на рис. 3.

При переменных значениях угла поворота φ2 динамические характеристики принимали вид, представленный на рис. 4.

Рис. 3. Временные зависимости перемещения S и скорости звена V центра масс звена 2

Рис. 4. Временные зависимости перемещения S и скорости звена V центра масс звена 2 при переменных значениях момента M2 и угла поворота φ2

Выводы

1. В исследуемом механотерапевтическом устройстве, движение каждого звена влияет на движение всех остальных.

2. Для установления параметров, определяющих рабочую область движения исполнительного органа устройства, а также форму траекторий движения, которые должна обеспечивать реабилитационная система, необходимо 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 2009-2013 годы.