Алгоритм управления движением исполнительного механизма прибора для активно-пассивной механотерапии голеностопного сустава

Цель исследования. Статья посвящена разработке алгоритма управления движением управляемой мобильной платформы аппарата пассивной механотерапии голеностопного сустава. Одной из наиболее распространенных травм, получаемых человеком, является повреждение голеностопного сустава при выполнении спортивных, бытовых, производственных упражнений, а также в результате автомобильных аварий. Падение с высоты с приземлением на ноги, в том числе при выполнении прыжков с парашютом, также часто приводит к травмированию голеностопного сустава. Для увеличения эффективности реабилитации, как правило, применяется механотерапия. Актуальность темы связана с высокой эффективностью роботизированных устройств реабилитации, которые, благодаря обратным связям и управляемым электроприводам могут выполнять движения нижних конечностей оптимальным способом.

Методы. Разработана структурная схема системы управления прибором. В предложенном алгоритме для вычисления управляющих напряжений применяется стратегия распараллеливания управляющих воздействий с применением корректирующихи эталонных управлений. Наличие системы силомоментного очувствления позволяет оценить изменение величины реакции во времени и своевременно зафиксировать момент возникновения спастических эффектов, контрактуры мышц и автоматически произвести изменение законов движения стопы с целью исключения травматизации пациента и устранения болевого синдрома.

Результаты. Предложена методика построения желаемой зависимости углов поворота стопы от времени в сагиттальной и фронтальной плоскостях. Разработаны алгоритм работы блока задания законов движения и принятия решений, алгоритм формирования управляющих напряжений по эталонной модели, алгоритм работы блока корректировки напряжений, а также алгоритм работы блока корректировки эталонной модели. В результате проведенных виртуальных тестов на математической модели прибора были получены основные закономерности движения исполнительного механизма в виде зависимостей угла поворота платформы от времени.

Заключение. Результаты тестирования устройства показывают, что управление движением исполнительного механизма прибора для активно-пассивной механотерапии голеностопного сустава при помощи описанных в работе алгоритмов целесообразно.

1. Математическое моделирование ходьбы человека в реабилитационном экзоскелете с помощью метода видеоанализа походки / А. С. Печурин, А. В. Федоров, А. С. Яцун, С. Ф. Яцун // Известия Юго-Западного государственного университета. 2021; 25(3): 27-40. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2021-25-3-27-40.

2. Моделирование экзоскелета с гибридным линейным гравитационным компенсатором / А.Е. Карлов, А.А. Постольный, А.В. Федоров, С.Ф. Яцун // Известия ЮгоЗападного государственного университета. 2020; 24(3): 66-78. https://doi.org/10.21869/ 2223-1560-2020-24-3-66-78.

3. Studying the Two-Legged Walking System with Video Capture Methods / A. S. Pechurin, S. F. Jatsun, A. V. Fedorov, A. S. Jatsun // In Climbing and Walking Robots Conferenceю 2021. Рp. 3-12. Springer, Cham.

4. Simulation of Static Walking in an Exoskeleton. Electromechanics and Robotics / S. Jatsun, A. Yatsun, A. Fedorov, E. Saveleva // Springer, Singapore. Р. 49-60

5. Jatsun S.F, Fedorov A.V., Yatsun A.S. Models and algorithms of control system of active-passive mechanoterapevtic device. RusAutoCon, 2022, Russia, pp.129-135.

6. Дмитриев В. А., Фёдоров А. В., Аль М. Х. Х. Анализ качественных показателей промышленного экзоскелета на основе комплекса критериев // Вопросы методологии естествознания и технических наук: современный контекст. Белгород, 2019. С.131-135.

7. Распределение энергозатрат в системе человек-экзоскелет / В. М. Антипов, А. Е. Карлов, А. В. Фёдоров, М. Х. Х. Аль // Вопросы методологии естествознания и технических наук: современный контекст. Белгород, 2019. С.109-112.

8. Фёдоров А. В. Анализ качественных показателей аппарата для пассивной механотерапии голеностопного сустава на основе комплекса критериев // Инноватика в современном мире: опыт, проблемы и перспективы развития: сборник научных статей по материалам Международной научно-технической конференции (Шифр К-276). Уфа, 2022. С.20-24.

9. Князев А. А. Компьютерное моделирование реабилитационного комплекса с применением по «MATLAB/SIMULINK» // Инновационный потенциал развития общества: взгляд молодых ученых: 2-я Всероссийская научная конференция перспективных разработок. Курск, 2022. С. 70.

10. New Approaches to Rehabilitation of the Ankle Joint Using a MechanotherapeuticApparatus / S.M. Jatsun, A.S. Jatsun, A.N. Rukavitsyn, E.N. Politov et al. // BiomedEng. 2018. 52. 37–41.

11. Jatsun S.M., Jatsun A.S., Korenevskiy N. Experience in the Development of Rehabilitation Exoskeletons // Biomedical Engineering. 2017. Т. 51. № 3.

12. Jatsun S.M., Jatsun A.S., Rukavitsyn A.N. Designing a Mechanotherapy Device for Rehabilitation of Lower Extremities of Humans // Biomed Eng. 2016. 50; 128–133.

13. Jamwal P., Hussain S., Xie S. Restage design analysis and multicriteria optimization of a parallel ankle rehabilitation robot using genetic algorithm // IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 2014. Vol. 12. № 4. P. 1433–1446.

14. Design and kinematic analysis of redundantly actuated parallel mechanismsfor ankle rehabilitation / C. Wang, Y. Fang, S. Guo, and C. Zhou // Robotica. 2015. Vol.33. № 2. Р. 366–384,

15. A New Type of Ankle-Foot Rehabilitation RobotBased on Muscle Motor Characteristics / D. Zeng, H. Wu, X. Zhao, W. Lu, XuelinLuo // IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 2020. Vol. 8. Р. 189-195.

16. Altering gait variability with an ankle exoskeleton / P. Antonellis, S. Galle, D. D. Clercq, P. Malcolm // PLoS One. 2018. Vol. 13, № 10, Art.no. e0205088.

17. Cervantes-Sánchez. Robot-assisted ankle rehabilitation: a review, disability and rehabilitation / Marian G. Alvarez-Perez, Mario A. Garcia-Murillo, J. Jesús // Assist Technol. 2020;15(4):394–408.

18. Design and Workspace Analysis of a Parallel Ankle Rehabilitation Robot (PARR) / L. Zhang, J. Li, M. Dong. et al. // Journal of Healthcare Engineering. Vol. 2019, Article ID 4164790, 10 pages.

19. Jamwal P.K., Xie S., Aw K.C. Kinematic design optimization of a parallel ankle rehabilitation robot using modified genetic algorithm // Robot Autonom Syst. 2009;57(10):1018–27.

20. Vallés Marina, Cazalilla José, Valera Ángel, et al. A 3-PRS parallel manipulator for ankle rehabilitation: towards a low-cost robotic rehabilitation // Robotica. 2017; 35:1939–57.