ОПТИМАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ РОБОТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ МЕХАНОТЕРАПИИ НА БАЗЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Л. А. Рыбак; А. А. Волошкин; В. С. Перевузник; Д.И. Малышев

Л. А. Рыбак Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
А. А. Волошкин Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
В. С. Перевузник Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухов
Д.И. Малышев Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Ключевые слова: Тренажерный комплекс, виртуальная модель, 3-PRRR манипулятор, прямая задача кинематики, параметрический синтез

Аннотация

Анализ состояния исследований показал, что в настоящее время восстановительная ме-
ханотерапия широко применяется для реабилитации больных с функциональными нарушениями
опорно-двигательной системы, вызванными последствиями сосудистых заболеваний, наруше-
ний нейрорегуляции двигательной активности, травм и патологии опорно-двигательного аппа-
рата. В восстановительной механотерапии чаще всего использую роботы последовательной
структуры, которые обладают необходимой рабочей областью, но при этом имеют низкую
грузоподъёмность, в результате чего приходится масштабировать систему. Отличным реше-
нием для реализации механотерапии на основе робототехнических средств являются роботы
параллельной структуры. В статье представлены структура и модель в двух вариантах испол-
нения: одномодульный роботизированный комплекс (РТК) для реабилитации одной конечности
и двухмодульный роботизированный комплекс для реабилитации обеих конечностей. Каждый
модуль включает активный 3-PRRR манипулятор для перемещения стопы пациента и пассив-
ный ортез на базе RRR механизма для поддержки нижней конечности. На основе клинических
аспектов в области реабилитации сформулированы требования к разрабатываемому РТК для
реабилитации нижних конечностей с учетом антропометрических данных пациентов. Разра-
ботана математическая модель, описывающая зависимость положений звеньев активных и
пассивных механизмов двух модулей от углов в шарнирах пассивного ортеза с учётом вариан-
тов креплений кинематических цепей активных манипуляторов к подвижным платформам и их
конфигураций. Разработан метод параметрического синтеза гибридной робототехнической
системы модульной структуры с учётом сформированных уровней параметрических ограниче-
ний в зависимости от эргономичности и технологичности конструкции на основе критерия в
виде свёртки, включающей два компонента, один из которых основан на минимизации недос-
тижимых точек траектории с учётом особенностей антропометрических данных, а другой на компактности конструкции. Разработан цифровой двойник РТК и подвесной предохрани-
тельный механизм в составе РТК с использованием средств CAD/CAE системы NX. Проекти-
рование пассивного RRR механизма выполнено путем реверсивного инжиниринга с использова-
нием 3D сканирования. Представлены результаты математического моделирования, а также
результаты анализа.

Литература

1. Smirnova S.N., Mel'nikova E.A., Zakharova I.A., Maybrodskaya A.E. Patent. 2809544 Russian Federation,
A 61 N 1/00. Sposob reabilitatsii patsientov posle total'nogo endoprotezirovaniya
tazobedrennogo sustava v rannem posleoperatsionnom periode [A method of rehabilitation of patients
after total hip replacement in the early postoperative period], applicant and patent holder of the
State Medical University of the Russian Academy of Medical Sciences named after M.F.
Vladimirsky. No. 2022127993; application No. 28.10.2022; publ. 12.12.2023, Bull. No. 35.
2. Kirpichev I.V. Stuktura koksartroza v razlichnykh vozrastnykh gruppakh u bol'nykh,
nuzhdayushchikhsya v pervichnom endoprotezirovanii tazobedrennogo sustava [The structure
of coxarthrosis in various age groups in patients requiring primary hip replacement],
Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of science and education],
2015, No. 3.
3. Nicholas J. Rehabilitation of patients with Rheumatic Disor-ders. Physical medicine and rehabilitation,
Braddom R. (ed). W.B. Saunders Company, 1996, pp. 711-727.
4. Endoprotezirovanie tazobedrennogo sustava [Hip arthroplasty], Rukovodstvo po reabilitatsii
bol'nykh s dvigatel'nymi narusheniyami [Guidelines for rehabilitation of patients with motor
disorders], ed. by A.N. Belovoy, O.N. Shchepetovoy. Moscow: Antidor, 1999, Vol. 2,
Ch. 10, pp. 435-448yu
5. Kurbanov S.Kh. Individual'naya reabilitatsiya posle endoprotezirovaniya tazobedrennogo
sustava: avtoref. diss. … d-ra med. nauk [Individual rehabilitation after hip replacement: abstract.
dr. of eng. sc. diss.]. St. Petersburg, 2009, 38 p.
6. Bouri M., Stauffer Y., Schmitt С., Allemand Y., Gnemmi S., Clavel R. The WalkTrainerTM:
A Robotic System for Walking Rehabilitation, International Conference on Robotics and
Biomimetics, 2006.
7. Wang Y., Wang K., Zhang Z., Liang-Liang Chen L. Mechanical Characteristics Analysis of a
Bionic Muscle Cable-Driven Lower Limb Rehabilitation Robot, Journal of Mechanics in Medicine
and Biology, 2020.
8. Available at: https://www.woodway.com/products/loko-help (accessed 27 April 2021).
9. Rios A., Hernandez E., Jaime A., Keshtkar S., De la Garza R. Kinematics Analysis of a New
3DOF Parallel Manipulator as Walking Rehabilita-tion Device, 15th International Conference
on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE), 2018.
10. Almaghout K., Tarvirdizadeh B., Alipour K., Hadi A. Design and control of a lower limb rehabilitation
robot considering undesirable torques of the patient’s limb, Journal of Engineering
in Medicine, 2020.
11. Bouri M., Le Gall B., Clavel R. A new concept of parallel ro-bot for rehabilitation and tness:
the Lambda, In Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Robotics and
Biomimetics (ROBIO), 2009, pp. 2503-2508.
12. Available at: https://www.hocoma.com/solutions/erigo/ (accessed 27 April 2021).
13. Hidler J.M., Wall A.E. Alterations in muscle activation patterns during robotic-assisted walking,
ClinBiomech (Bristol, Avon), 2005, Vol. 20 (2).
14. Lam T., Anderschitz M., Dietz V. Contribution of Feedback and Feed forward Strategies to
Locomotor Adaptations, J Neurophysiol, 2006, Vol. 95, pp. 766-773.
15. Mirbagheri M.M., Tsao C., Pelosin E., Rymer W.Z. Therapeutic Effects of Robotic-Assisted
Locomotor Training on Neuromuscular Properties, Proceedings of the IEEE 9th International
Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR), 2005, pp. 561-564.
16. Voloshkin A., Rybak L., Mohan S G., Dubrovin A. Nozdracheva L. Designing a Robotized
System for Rehabilitation Taking Into Account An-thropological Data of Patients, New Trends
in Medical and Service Robotics, 2021.
17. Voloshkin A., Virabyan L., Mamaev V., Kholoshevskaya L. Design of mechanisms of a ro-botic
system for rehabilitation of the lower limbs, Young Scientists and Students "Topical Problems
of Mechanical Engineering" (ToPME 2020) 2nd-4th, 2020.
18. Behera L., Rybak L., Malyshev D., Gaponenko E. Determination of Workspaces and Intersections
of Robot Links in a Multi-Robotic System for Trajectory Planning, Appl. Sci., 2021,
Vol. 11, pp. 4961.
19. Truelsen T. and Bonita R. The worldwide burden of stroke: current status and future projections,
in Handbook of clinical neurology, 2009, Vol. 92, pp. 327-336.
20. Voloshkin A., Tereshchenko A., Carbone G., Rybak L., Nozdracheva A. Design of a Suspension
Lever Mechanism in Biomedical Robotic System, Frontiers in Robotics and AI., 2022, Vol. 9.