Прибор активно-пассивной механотерапии голеностопного сустава человека для посттравматической реабилитации

Цель работы: повышение эффективности процесса реабилитации с помощью прибора для активно-пассивной механотерапии и реабилитации, обеспечивающего заданную точность за счет адаптивного управления движением стопы, с учетом индивидуальных особенностей голеностопного сустава Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: 1. Разработка структуры системы реабилитации ГС на основе роботизированного прибора для активно-пассивной механотерапии голеностопного сустава (АПМГС) с применением управляемой мобильной платформы (УМП), обеспечивающей планирование и реализацию заданных траекторий движения стопы. 2. Разработка метода выбора условий, обеспечивающих допустимые по физиологическим ограничениям траектории движения стопы на основе кинематического и динамического анализа мобильной платформы (УМП) параллельного механизма в активном и пассивном режимах. 3. Разработка метода планирования траекторий движения стопы пациента и модели виртуального шарнира мгновенной оси вращения УМП, пересекающейся с центром голеностопного сустава. 4. Разработка эталонной математической модели, описывающей УМП прибора при движении в активном и пассивном режимах по заданным траекториям, с учетом сило-моментного взаимодействия стопы пациента и УМП. 5. Разработка адаптивного алгоритма управления движением УМП прибора АПМГС как в пассивном, так и активном режимах движения в сагиттальной, фронтальной плоскостях относительно продольной и поперечной осей вращения с учетом корректирующего воздействия и эталонной модели; 6. Разработка системы контроля реакции стопы пациента на УМП прибора АПМГС. 7. Разработка и создание прототипа прибора АПМГС и методики проведения сравнительных экспериментальных исследований АПМГС с применением комплексного интегрального критерия качества реабилитации и сравнение АПМГС с другими способами реабилитации на основе экспертных оценок и шкал MRC, Эшворта, Тардье. Научную новизну диссертации составляют: – структура роботизированного прибора АПМГС, отличающаяся от известных наличием блока планирования реабилитационных упражнений, человеко-машинный интерфейс и управляемую мобильную платформу (УМП), выполненную в виде "сендвича" с возможностью измерения и контроля сило-моментного взаимодействия между платформой и стопой пациента, трех линейных электроприводов и устройства фиксации стопы пациента; – математическая модель, описывающая управляемое движение УМП прибора АПМГС при движении в активном и пассивном режимах реабилитации, отличающаяся от известных наличием модели физиологических ограничений костно- мышечной системы голеностопного сустава и стопы, позволяющая моделировать влияние спастических эффектов на характер управляемого движения мобильной платформы; – метод выбора условий, обеспечивающих допустимые по физиологическим ограничениям траектории движения стопы на основе кинематического и динамического анализа мобильной платформы (УМП) параллельного механизма в активном и пассивном режимах; – метод планирования траекторий движения стопы пациента, отличающийся от известных, применением моделей виртуального шарнира и мгновенной оси вращения УМП, пересекающейся с центром голеностопного сустава; – система контроля реакции стопы пациента на УМП, отличающаяся тем, что применяется «сендвич - панель», в которой силы стопы пациента контролируются четырьмя датчиками, формирующими сигналы обратной связи для адаптивной системы управления; – адаптивный алгоритм управления пространственным движением УМП прибора АПМГС, отличающийся от известных тем, что управляющие напряжения формируются на основе эталонной модели и корректирующего сигнала, вычисляемого с учетом отклонений реакции от заданной; – методика проведения исследований АПМГС с применением комплексного интегрального критерия качества реабилитации на основе экспертных оценок и шкал MRC, Эшворта, Тардье. Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана структура роботизированного прибора АПМГС; адаптивный алгоритм управления, построенный на принципе суперпозиции сигналов, полученных по эталонной модели и корректирующего сигнала, определяемого по отклонению показаний силовых датчиков от заданных; алгоритмы формирования обратных связей; математические модели прибора АПМГС с учетом характера взаимодействия человека и машины. На основании проведенных теоретических исследований разработан и создан прототип прибора АПМГС, для расширения реабилитационных процедур и способствующий повышению эффективности реабилитационных мероприятий. Результаты исследования в части математической модели роботизированного АПМГС и алгоритма управления внедрены на кафедре механики, мехатроники и робототехники ЮЗГУ, а также в ВУНЦ ВВС «Военно-воздушной академии им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина». Использование результатов диссертационной работы на практике подтверждено соответствующими актами о внедрении. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки Российской Федерации в рамках грантов РФФИ №08-08-00438-а, РФФИ №18-08-00773-а, грантов Российского научного фонда №14-39-00008, № 22-39-00008, проекта «Приоритет 2030». Положения, выносимые на защиту. 1. Структура системы прибора АПМГС, содержащая управляемую мобильную платформу (УМП), три линейных электропривода, устройство фиксации стопы пациента, блок планирования и управления движением УМП и человеко-машинный интерфейс, обеспечивает выбор индивидуальной программы реабилитации (ИПР) пациента с возможностью корректировки программы реабилитационных упражнений. 2. Адаптивный алгоритм управления прибором АПМГС с учетом метода планирования траекторий движения стопы пациента, как в активном, так и пассивном режимах, основанный на суперпозиции управляющих напряжений, полученных по эталонной модели и обратным связям, обеспечивает точность воспроизведения траектории до 1%. 3. Метод выбора условий, обеспечивающих допустимые траектории движения стопы на основе совпадения виртуального шарнира УМП и голеностопного сустава с применением кинематического и динамического анализа, позволяет синтезировать безопасные для пациента траектории движения стопы. 4. Математическая модель, описывающая управляемое движение УМП с учетом системы контроля реакции стопы пациента, позволяет вычислить эталонное управляющее напряжение, создать виртуальный двойник прибора АПМГС и обеспечить функциональные возможности непрерывной активно- пассивной механотерапии ГС.