Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработана структура реабилитационных устройств активно-пассивной механотерапии, включающая комплект кинематических датчиков углов, датчиков сило-моментного взаимодействия и миодатчиков. Система человек - экзоскелет представляет собой сложную био-электро-механическую многозвенную систему. При проектировании экзоскелетныой реабилитационной системы применялись механизмы параллельной структуры. В рассматриваемой системе, оператор осуществляет информационное взаимодействие с окружающей средой с помощью технологии искуственного зрения, тактильных сенсоров и силовое взаимодействие за счет мышечной системы человека и электроприводов устройства, человеко-машинный интерфейс, контролирующий силовое и информационное взаимодействие человека с экзоскелетом и, собственно, экзоскелет, создающий дополнительные силовые воздействия на пациента, что обеспечивает снижение нагрузки на мышечную систему оператора. Экзоскелет снабжен системой персонифицированных фиксирующих элементов, гарантирующих комфортное пребывание оператора в экзоскелете. Положение звеньев экзоскелета и оператора оценивается абсолютными углами. Для контроля за этими углами применяются датчики углов поворота. Взаимодействие спины оператора и спины экзоскелета измеряется с помощью датчика сил. Экзоскелет, оснащенный электроприводами, создающими моменты относительно тазобедренного шарнира (ТБШ), помогает пациенту выполнять ту или иную двигательную задачу, регулируя уровень значений моментов мышечной системы. Структура ЧМИ позволяет этому интерфейсу, контролировать как силовые, так и кинематические параметры системы, состоящей из модулей спины, бедра, ТБШ, и управляемого устройства, установленного в ТБШ, получившего название линейный гравитационный компенсатор (ЛГК). Разработана структура АПМ, содержащая человеко-машинный интерфейс, обеспечивающая выбор индивидуальной программы реабилитации (ИПР) пациента, с учетом априорной информации о состоянии ОДА и текущей величины реакции между стопой пациента и опорной поверхностью АПМ с возможностью корректировки программы реабилитационных упражнений. Человеко-машинный интерфейс, контролирующий силовое и информационное взаимодействие человека с экзоскелетом и, собственно, экзоскелет, создающий дополнительные силовые воздействия на пациента обеспечивают управление нагрузкой на мышечную систему пациента. Мерой силового взаимодействия в системе человек- экзоскелет является сила, которая измеряется специальным датчиком. Также интерфейс имеет информационные каналы, с помощью которых, происходит измерение углов поворота звеньев оператора и экзоскелета. Бортовой вычислитель обрабатывает эту информацию в соответствии с алгоритмом управления и формирует управляющее напряжение, поступающее на приводы системы. Таким образом обеспечивается мнимальное отклонение желаемой траектории от действительной и соблюдение антропоморфных параметров походки здорового человека. С использованием человеко- машинного интерфейса, пациент может выбирать режимы реабилитационных процедур и их интенсивность. Проведено математическое моделирование движения на основе кинематического и динамического анализа в активном и пассивном режимах. Первичное определение зависимостей углов поворота звеньев человеко- машинной системы проведено на основе экспериментально–теоретического метода. Идея метода состоит в экспериментальном определении траекторий движения точек при ходьбе. Далее по полученным траекториям определялись параметры ряда Фурье для проекций этих точек в системе координат OXZ. На следующем этапе происходило определение зависимостей, определяющих задающие воздействия приводов. В рамках эксперимента на испытуемом были закреплены маркеры, положение которых соответствовало оси вращения тазобедренного, коленного, голеностопного, плюсневого суставов и положению носка стопы и пятки. В экспериментах использовался элемент системы технического зрения - web-камера HD-4310 (HP Inc.) с разрешением 1920х1080 пикселей и частотой 30 кадров в секунду. Изображение с камеры обрабатывалось на ПК с использованием функций библиотеки с открытым исходным кодом Open CV. Испытуемый проходил с фиксированной длиной шага на расстоянии 2,2 метра от камеры. Для каждого испытуемого подбирали несколько комфортных темпов. По видео определялись основные параметры походки: ширина шага, высота подъёма ноги над опорной поверхностью, время полного шага. Испытуемому было предложено идти прогулочным шагом по беговой дорожке. Перед съёмкой проводилась адаптация к условиям эксперимента. Во время видеосъёмки испытуемый безостановочно в спокойном темпе перемещался по беговой дорожке, участок которой попадал в кадр. После предварительной обработки данные, поступившие с СТЗ, формировали естественные траектории движения точек при ходьбе. Чтобы получить максимально естественную траекторию движения характерных точек стопы в пространстве, ограничения темпа шага не были строгими. В результате серии проведенных экспериментов был получен ряд траекторий, из которых была построена усредненная траектория движения характерных точек стопы. Чтобы применить математическую модель, полученные траектории оцифровывались и находились законы изменения соответствующих проекций с помощью интерполяции. Для этого использовался метод подбора полиномиально - кусочных функций на основании вектора параметров походки. В результате аппроксимации с помощью функции Фурье 5-го порядка была получена гладкая траектория для каждой характерной точки стопы. Как показали результаты сравнительного анализа исходных данных и данных, полученных на основе полиномиальных функций, использованный подход дает удовлетворительную точность. Максимальная относительная ошибка 0,53%, средняя квадратичная ошибка 0,0071% для значений параметров, близких к параметрам эксперимента. Полученные промежуточные результаты систематизации и предварительной оценки полученных данных представлены в серии научных статей, опубликованных в ведущих российских и зарубежных журналах а так же планируется публикация достигнутых результатов в ведущих российских и зарубежных журналах: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-67569-0 https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-67569-0_37 https://ieeexplore.ieee.org/document/10694635/keywords#keywords https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10553969/metrics#metrics https://ieeexplore.ieee.org/document/10693953 Результаты разработок представлялись на Всероссийских и международных выставочных площадках и форумах, о чем имеется информация в сети Интернет: https://swsu.ru/news/science/yuzgu_-_uchastnik_kurskoy_korenskoy_yarmarki_-_202/ https://nauka.tass.ru/nauka/20703997

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
- Разработан адаптивный алгоритм управления прибором активно- пассивной механотерапии голеностопного сустава по планируемым траекториям, как в активном, так и в пассивном режимах, основанных на комплексировании управляющих напряжений, полученных по эталонной модели и обратным связям, который будет обеспечивать точность воспроизведения траектории до 1%. Мерой силового взаимодействия в системе человек- экзоскелет является сила , которая измеряется специальным датчиком. Также интерфейс имеет информационные каналы, с помощью которых, происходит измерение углов поворота звеньев оператора и экзоскелета. Бортовой вычислитель обрабатывает эту информацию в соответствии с алгоритмом управления и формирует управляющее напряжение, поступающее на ЛГК ТБШ, который воздействует на экзоскелет, задавая характер желаемых движений звеньев экзоскелета. Блок принятия решений (БПР) получает значения отклонений, которые, согласно определенному алгоритму, преобразуются в управляющие напряжения. Задача БПР — установить правильное напряжение для обеспечения движения платформы в соответствии с заданным законом. Установив желаемый закон изменения угла поворота, скорости и ускорения в соответствии с эталонной моделью, можно рассчитать управляющее напряжение U*.. Врач-реабилитолог устанавливает следующие параметры для работы устройства: значения углов поворота частей устройства, обеспечивающие необходимую ориентацию при механотерапии, на которой находится стопа пациента; граничные условия на месте выполнения реабилитационного упражнения; T — время выполнения упражнения; максимальная сила, действующая на стопу человека на платформу R*; количество повторений. Также для каждого сустава формируется желаемый закон движения, например, для механотерапии при выполнении реабилитационных упражнений изменение угла поворота стопы - Разработаны математические модели и алгоритмы планирования и коррекции движения УМП, которые позволяют создать виртуальный двойник прибора активно- пассивной механотерапии голеностопного сустава для изучения функциональным возможностям непрерывной активно- пассивной механотерапии голеностопа. Для реализации «виртуального шарнира» платформы и обеспечения пересечения осей вращения подвижной платформы в центре (зона контакта большеберцовой и таранной костей) ГСС использован параллельный кинематический механизм (ПКМ) основанный на трех линейных приводах. Изменяя длины приводов, можно изменять положение управляемой мобильной платформы (УМП) и, следовательно, стопы пациента. В состав аппарата входят подвижная платформа, электроприводы, датчики силовой рамы, система управления. Электроприводы манипулятора будут соединены с корпусом посредством шарниров. Результаты экспериментальных исследований процесса взаимодействия между стопой пациента и управляемой мобильной платформой устройства. Исследования проводились при различных исходных положениях стопы, величина движения составляла 40° от исходных положений. Вес ноги пациента составляет 12 кг. Анализ полученных диаграмм показывает наличие задержки в реальном сигнале, отражающей вращение CMP относительно желаемого, достигающее 0,4 с. Анализ экспериментальных диаграмм позволил получить математическую модель, в которой сила P представлена ​​как сумма двух членов, один из которых определяется жесткостью, приложенной мышцами при повороте стопы вокруг AJ. - Разработан интегральный критерий для оценки эффективности процесса реабилитации на основе сравнительных исследований АПМГС с применением шкал MRC, Эшворта, Тардье. Четкость целей и ступенчатая оценка позволяют формулировать цели реабилитации в доступном формате, что повышает мотивацию и удовлетворенность пациента лечением. Полученные результаты систематизации и предварительной оценки полученных данных будут представлены в итоговом научно-техническом отчете по итогам текущего года в соответствии планом работы, а так же в серии научных статей, опубликованных в ведущих российских и зарубежных журналах. В работе в качестве основополагающего методологического принципа оценки эффективности реабилитации предлагается динамика механических критериев и показателей, а также сравнение полученных результатов с ожидаемыми результатами в соответствии с поставленной целью. Разработанные критерии и методология оценки эффективности реабилитации являются весьма информативными и практичными, что позволяет своевременно вносить корректировки в процесс реабилитации. На основе проведенных исследований разработана структура системы реабилитации голеностопного сустава на базе роботизированного устройства для активно-пассивной механотерапии голеностопного сустава (АПМАС), которая обеспечивает планирование и реализацию заданных траекторий движения стопы благодаря тому, что управляемая мобильная платформа (УМП) выполнена в форме «сэндвича» с возможностью управления взаимодействием силы и момента, что, в случае необходимости, обеспечивает доступ к точной оценке этих сил, в дополнение к MRCS, MAS и MTS. Также разработана математическая модель, отражающая нелинейную реакцию мышечной ткани голеностопного сустава на деформацию и устанавливающая аналитическую зависимость между реакцией, углом поворота и угловой скоростью CMP, параметры которой определяются на основе анализа регрессии наименьших квадратов.