УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИИ СУСТАВОВ МЕХАНОТЕРАПИЕЙ И ЭЛЕКТРОННАЯ МОДЕЛЬ N-СТЕПЕННЫХ ТЕНЗОВЕСОВ

Предлагаемая полезная модель относится к медицинской технике, в частности к механотерапевтическим аппаратам пассивного действия для восстановления функции суставов.
Известно принятое за прототип устройство для восстановления функции суставов механотерапией - патент РФ №66196, содержащее платформу-основание и подвижную платформу, предназначенные для фиксации сегментов конечностей, связанные между собой шарнирно, подвижная платформа снабжена датчиком угла и соединена с установленным на корпусе устройства электроприводом через тягу снабженную датчиком сопротивления движению, при этом двигатель электропривода подключен к оптимизатору объема движения, платформа-основание снабжена датчиком положения, и соединена с корпусом устройства через снабженную датчиком сопротивления движению упругую тягу посредством вибропривода, выполненного с возможностью задания вибраций в плоскости движения сегментов конечностей и подключенного к выходу дополнительного, аналогичного первому, оптимизатора объема движений, входы которого соединены с датчиком сопротивления движению и датчиком положения платформы-основания, при этом тяга подвижной платформы также выполнена упругой, а датчики сопротивления движению обеих упругих тяг выполнены двухкомпонентными для измерения нагрузки в ортогональных плоскостях, при чем оба выхода каждого двухкомпонентного датчика подключены к дополнительно введенным вычислителям среднеквадратичного сопротивления движению, выход каждого из которых подключен к функциональному входу своего оптимизатора объема движений.
Существенными признаками устройства-прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого устройства являются следующие:
устройство для восстановления функции суставов механотерапией содержит платформу-основание и подвижную платформу, предназначенные для фиксации сегментов конечностей, связанные между собой шарнирно, подвижная платформа соединена с установленным на корпусе устройства электроприводом через тягу снабженную датчиком сопротивления движению, при этом двигатель электропривода подключен к оптимизатору объема движения подвижной платформы, платформа-основание соединена с корпусом устройства через тягу посредством вибропривода, выполненного с возможностью задания вибраций в плоскости движения сегментов конечностей и подключенного к выходу оптимизатора объема движений неподвижной платформы, при этом датчик сопротивления движению подключен к вычислителю сопротивления движению, выход которого подключен к функциональному входу оптимизатора объема движений подвижной платформы.
Устройство-прототип позволяет восстанавливать функцию суставов, наращивать околосуставные ткани, уплотнять биоткани и задавать требуемые нагрузки на мышцы-держатели сустава. Однако примененные в устройстве упругие тяги, соединившие между собой платформу-основание и подвижную платформу, ограничивают взаимное перемещение сегментов сустава по трем осям, допуская лишь линейные их перемещения и угловое вокруг одной оси, и исключая угловые вокруг двух других осей (вальгусный угол и ротационный угол). Хотя известно, что, например, локтевой сустав, являясь блоковидным винтообразным, допускает кроме линейных и угловые перемещения сегментов относительно друг друга (см. книгу «Повреждения локтевого сустава при занятиях спортом» Миронов С.П., Бурмакова Г.М., Москва, 2000 г., изд. «Лесар», стр.11-12).
Предлагаемой полезной моделью решается техническая задача создания прибора, способного замерить как перемещения сегментов по трем
осям - угловые и линейные, так и нагрузки между сегментами, возникающие как мышечная реакция на эти перемещения. При этом прибор устраняет ограничения на угловые взаимные перемещения сегментов, что позволяет в более полной мере восстанавливать функции суставов.
Для достижения названного технического результата в устройстве для восстановления функции суставов, содержащем платформу-основание и подвижную платформу, предназначенные для фиксации сегментов конечностей, связанные между собой шарнирно, подвижная платформа соединена с установленным на корпусе устройства электроприводом через тягу снабженную датчиком сопротивления движению, при этом двигатель электропривода подключен к оптимизатору объема движения подвижной платформы, платформа-основание соединена с корпусом устройства через тягу посредством вибропривода, выполненного с возможностью задания вибраций в плоскости движения сегментов конечностей и подключенного к выходу оптимизатора объема движений неподвижной платформы, при этом датчик сопротивления движению подключен к вычислителю сопротивления движению, выход которого подключен к функциональному входу оптимизатора объема движений подвижной платформы, шарнир выполнен сферическим, электропривод подвижной платформы выполнен трехкомпонентным; тяга, снабженная датчиком сопротивления движению, выполнена в виде n-степенных тензовесов, где n - число измеряемых сил и моментов, представляющих из себя упругую тензометрированную балку, одним концом жестко соединенную с электроприводом, а другим концом жестко соединенную с поворотной платформой, при этом упругая тензометрированная балка, представляет из себя последовательно соединенные не менее чем шесть упругих элементов с тензомостами, каждый из которых состоит не менее чем из четырех тензорезисторов; вычислитель сопротивления движению выполнен в виде электронной модели тензовесов, входы которой соединены с выходами всех тензомостов, при чем выходные напряжения электронной модели тензовесов пропорциональны трем силам,
действующим по трем взаимно ортогональным осям системы координат, и трем моментам, действующим вокруг этих осей.
xi, j=1
i, j=1
ij
i
j
вых[i+1, j=i]
вых[i+1, j=i]
1
2
1
2
i
j
i
j
Для реализации данного результата предложенная электронная модель n-степенных тензовесов содержит n цепей из n последовательно соединенных операционных усилителей с управляемым коэффициентом передачи, имеющими кроме информационного входа вход управления коэффициентом передачи, который для каждого [i, j] усилителя, где индекс i соответствует номеру последовательной цепи и номеру моделируемой оси тензовесов, а индекс j - номеру усилителя в последовательной их цепи и номеру перекрестной оси тензовесов, соединен с выходом усилителей [i+1, j=i], a выходы усилителей [i, j] соединены с информационными входами усилителей [i,j+1], причем входы управления усилителей [i, j=1] соединены с выходами усилителей задатчиков коэффициента передачи этих усилителей , где u - выходное напряжение соответственного усилителя, a F- сила, действующая вдоль оси тензовесов, которую моделирует соответствующий усилитель модели, а коэффициенты передач усилителей [i, j] К определяются при нагружении тензометрированной балки тарированными нагрузками вдоль осей i и осей j соответственно F и F, как , где Δu - изменение выходного напряжения усилителя [i+1, j=i], Δu=u[i+1, j=i]-u[i+1, j=i], u и u - выходное напряжение усилителя [i+1, j=i] при нагружении тензовесов, подключенных к модели силами F и F и при их нагружении только силой F при F=o соответственно.
Отличительными признаками предложенного устройства являются следующие - шарнир выполнен сферическим (трехстепенным, а ранее был двух), электропривод подвижной платформы выполнен трехкомпонентным (ранее также был двухкомпонентным); тяга, снабженная датчиком
xi,j=1
i,j=1
ij
i
j
сопротивления движению, выполнена в виде n-степенных тензовесов, где n - число измеряемых сил и моментов, представляющих из себя упругую тензометрированную балку, одним концом жестко соединенную с электроприводом, а другим концом жестко соединенную с поворотной платформой, при этом упругая тензометрированная балка, представляет из себя последовательно соединенные не менее чем шесть упругих элементов с тензомостами, каждый из которых состоит не менее чем из четырех тензорезисторов; вычислитель сопротивления движению выполнен в виде электронной модели тензовесов, входы которой соединены с выходами всех тензомостов, при чем выходные напряжения электронной модели тензовесов пропорциональны трем силам, действующим по трем взаимно ортогональным осям системы координат, и трем моментам, действующим вокруг этих осей. Также предложена электронная модель n-степенных тензовесов, которая содержит n цепей из n последовательно соединенных операционных усилителей с управляемым коэффициентом передачи, имеющими кроме информационного входа вход управления коэффициентом передачи, который для каждого [i, j] усилителя, где индекс i соответствует номеру последовательной цепи и номеру моделируемой оси тензовесов, а индекс j - номеру усилителя в последовательной их цепи и номеру перекрестной оси тензовесов, соединен с выходом усилителей [i+1, j=i], a выходы усилителей [i, j] соединены с информационными входами усилителей [i, j+1], причем входы управления усилителей [i, j=1] соединены с выходами усилителей задатчиков коэффициента передачи этих усилителей  где  u - выходное напряжение соответственного усилителя, a F - сила, действующая вдоль оси тензовесов, которую моделирует соответствующий усилитель модели, а коэффициенты передач усилителей [i, j] К определяются при нагружении тензометрированной балки тарированными нагрузками вдоль осей i и осей j соответственно F и F,
вых[i+1,j=i]
вых[i+1,j=i]
1
2
1
2
i
j
i
j
как  где Δu - изменение выходного напряжения и усилителя [i+1,j=i], Δu=u[i+1,j=i]-u[i+1,j=i], u и u - выходное напряжение усилителя [i+1,j=i] при нагружении тензовесов, подключенных к модели силами F и F и при их нагружении только силой F при F=0 соответственно.
Благодаря наличию этих отличительных признаков в совокупности известными признаками, указанными в ограничительной части формулы, достигается следующий результат - устройство позволяет замерить как перемещения сегментов по трем осям - угловые и линейные, так и нагрузки между сегментами, возникающие как мышечная реакция на эти перемещения. При этом прибор устраняет ограничения на угловые взаимные перемещения сегментов, что позволяет в более полной мере восстанавливать функции суставов.
Предложенное решение может найти применение при восстановлении функций всех суставов с использованием механотерапевтических аппаратов.
Предложенное техническое решение поясняется рисунками.
На фиг.1 представлена схема устройства.
На фиг.2 представлена функциональная схема электронной модели тензометрированной упругой шестикомпонентной балки.
Изображенное на фиг.1 устройство для восстановления функции суставов содержит платформу-основание 1 и подвижную платформу 2, предназначенные для фиксации сегментов конечностей, связанные между собой посредством сферического (трехстепенного) шарнира 3. Подвижная платформа 2 соединена с установленным на корпусе устройства трехкомпонентным электроприводом 4 через упругую тензометрированную балку (тягу) 5, при этом двигатель электропривода 4 подключен к оптимизатору 6 объема движения подвижной платформы 2, платформа-основание 1 соединена с корпусом устройства через тягу 7 посредством вибропривода 8, выполненного с возможностью задания вибраций в
плоскости движения сегментов конечностей и подключенного к выходу оптимизатора 9 объема движений платформы-основания 1, при этом тензорезисторы балки 5 подключены к электронной модели тензовесов 10 (состоящей из усилителей 11, 12 фиг.2), выход которой подключен к функциональному входу оптимизатора 6 объема движений подвижной платформы 2. Тензометрированная балка 5 одним концом жестко соединена с электроприводом 4, а другим концом жестко соединена с поворотной платформой 2. Упругая Тензометрированная балка 5, представляет из себя последовательно соединенные не менее чем шесть упругих элементов с тензомостами 13, каждый из которых состоит не менее чем из четырех тензорезисторов.
xi,j=1
i,j=1
ij
i
j
вых[i+1,j=i]
Изображенная на фиг.2 электронная модель n-степенных тензовесов 10 содержит n цепей из n последовательно соединенных операционных усилителей 12 с управляемым коэффициентом передачи, имеющих кроме информационного входа вход управления коэффициентом передачи, который для каждого [i, j] усилителя 12, где индекс i соответствует номеру последовательной цепи и номеру моделируемой оси тензовесов, а индекс j - номеру усилителя 14 в последовательной их цепи и номеру перекрестной оси тензовесов, соединен с выходом усилителей 12 [i+1, j=i], а выходы усилителей 12 [i, j] соединены с информационными входами усилителей 12 [i, j+1], причем входы управления усилителей 12 [i, j=1] соединены с выходами усилителей 11 задатчиков коэффициента передачи этих усилителей  где u - выходное напряжение соответственного усилителя, a F - сила, действующая вдоль оси тензовесов, которую моделирует соответствующий усилитель 11 модели 10, а коэффициенты передач усилителей 12 [i,j] К определяются при нагружении тензометрированной балки тарированными нагрузками вдоль осей i и осей j соответственно F и F, как , где Δu -
вых[i+1,j=i]
1
2
1
2
i
j
i
j
изменение выходного напряжения усилителя 12 [i+1,j=i], Δu=u[i+1,j=i]-u[i+1,j=i], u и u - выходное напряжение усилителя [i+1, j=i] при нагружении тензовесов, подключенных к модели силами F и F и при их нагружении только силой F при F=0 соответственно.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При задании пробного линейного или углового движения вдоль любой из координат (X, Y, Z) возникает мышечная реакция на это движение, которая через тензометрированную балку 5. которая при этом деформируется в зоне малых деформаций, подчиняющихся закону Гука. Эти деформации измеряются тензомостами 13 и несут информацию о паре сил, действующих на тензометрированную балку 5. Эта пара сил и является следствием мышечной реакции на пробное движение.
Сигналы с тензомостов 13 поступают на вход электронной модели тензовесов 10, состоящей из усилителей-задатчиков 11 коэффициента передач между силами и напряжениями с выходов тензомостов 13 и усилителей 12 с управляемым коэффициентом передачи. Которые имитируют перекрестные связи тензовесов. Т.е. усилители 11 выступают как измерительные без учета перекрестных связей и несут приближенную информацию о силах и моментах, являющихся компонентами пары векторных сил, действующих на весы как реакция на пробное движение. А усилители 12, соединенные в матрицу позволяют уточнить данные о компонентах пары сил. Если без усилителей 12 погрешность разделения пары сил на компоненты доходит до 30%, то применение предложенной матрицы этих коэффициентов снижает погрешность до 0,2%.
Пара сил, разделенная на компоненты, измеренные с такой точностью позволяет определить пару сил, действующие между сегментами сустава, которые вводятся в оптимизатор 6 и на их основе вычисляется объем движений и скорость движений. Измеренные объем движений и скорость пробных движений необходимы для реализации работы оптимизатора 6. который работает аналогично прототипу, управляя линейными приводами 1
и угловыми приводами 2. Причем, имея информацию о компонентах пары сил, как мышечной реакции на движение, оптимизатор 6 в состоянии пораздельно управлять каждой компонентой пробного движения, задаваемого соответствующим приводом (линейным или угловым) по соответствующей координате.
Разделение пары сил на три силы и три момента позволяет определить мышечную реакцию на движение вдоль или вокруг соответствующей оси, а также взаимное перемещение сегментов сустава вдоль или вокруг соответствующей оси.
Устройство в целом позволяет задать как три линейных, так и три угловых взаимных перемещения сегментов. Сегменты могут быть закреплены с платформой-основанием 1 и платформой поворотной 2 как с помощью манжет, так и инвазивно через спицы (эти элементы на чертежах условно не показаны).
Привод 8 задает условно неподвижному сегменту три линейных перемещения. Привод 4 задает поворотному сегменту три угловых движения. При этом шаровой шарнир 3 и упругие тяги 5 позволяют в допустимых пределах совершать взаимное перемещение сегментов сустава в трехмерном пространстве по трем угловым и трем линейным координатам. Измеряются эти перемещения тензометрированной балкой 5. На балке тензомосты 13 преобразуют эту пару сил в шесть напряжений, которые будучи подключенными к электронной модели 10, обрабатывающей эти сигналы по описанной выше методике, которая позволяет разделить пару сил на три силы и три момента, а следовательно электронная модель 10 выполняет функцию преобразования напряжений в три силы и три момента разложенных на три ортогональные оси. Работа оптимизаторов 6 и 9 подробно описана в патенте РФ №66196. Здесь оптимизаторы 6 и 9 по каждой из метрических координат работают независимо друг от друга, благодаря разделению сил и моментов на ортогональные составляющие.
Один конец тензовесов 6 крепят к приводу поворота 9, а второй через
10 пружины 6 с подвижной платформой 5, соединенной с поворотным сегментом сустава 4. Тензомосты 12 запитывают от внешнего источника питания, а выходы тензомостов соединяют с усилителями, выходы которых подключают к электронной модели тензовесов. На выходе электронной модели тензовесов реализуются электрические сигналы, пропорциональные силам и моментам, разложенным на соответствующие оси. Это позволяет в реальном режиме времени определять как нагрузки, действующие между сегментами, так и их взаимные перемещения.
При активном или пассивном с помощью электропривода задании взаимного перемещения сегментов тензометрированная балка, совмещенная с электронной моделью, выдает сигналы, которые можно ввести по цепи ввода через аналого-цифровой преобразователь в ЭВМ, и на основании этих сигналов сформировать закон управления приводами такой, который обеспечит наибольший объем движений или наименьшие нагрузки между сегментами.
Электронная модель 10 тензометрированной балки 5 содержит 36 функциональных блоков. Из них 6 - это делители, с числителем равным 1. Знаменатель этих блоков определяется нагружением тарированной нагрузкой вдоль оси i (для моментов вокруг оси i) и измерением электрического напряжения с i-го моста. То есть:
ij
Функциональные блоки К - это умножители для сигналов с i-го моста и j-го моста.
ij
По сути, напряжение с i-го моста управляет коэффициентом передачи K:
i
iт
Коэффициент передачи К, определяется нагружением тарированной нагрузкой вдоль оси j и измерением электрического напряжения с выхода i-го моста при F≠0.
uiт
iт1
iт2
iт1
где Δ=u-u где u - напряжение с i-го
iт
jт
iт2
iт
jт
моста при нагрузке вдоль i-ой координаты тарированной силой F, при F=0, а u. - напряжение с i-го моста при нагружении балки тарированными нагрузками F и F.
При описанной стратегии тарировки тензовесов определяются все 36 коэффициентов передач электронной модели.
Затем производится комбинированная нагрузка по всем осям при различных сочетаниях тарированных нагрузок, и измеряются напряжения на выходе электронной модели. Эти напряжения адекватны нагрузкам и они сравниваются с соответствующими тарировочными нагрузками, действующими по i-ым осям. Тем самым определяется ошибка абсолютная:
i
i
iт
ΔF=u-F
i
где u[н] - выходное напряжение модели, приведенное к силе.
i
ij
Если эта ошибка, отнесенная к максимальной измеряемой величине i нагрузки, не превышает допустимой, т.е.  , то электронная модель считается удовлетворительной, если ε%>[ε%], то в строке u[н], в которой погрешность превышает допустимую, корректируется функциональный блок, имеющий наибольшее отклонение коэффициента передачи от 1. Корректировка его заключается в его уменьшении или его увеличении и сравнении ошибок при этих корректировках. Если ошибка уменьшается при увеличении коэффициента передачи К, то делается еще шаг на его увеличение. Реализация этого алгоритма непосредственно в процессе тарировки позволяет настроить электронную модель с требуемой точностью по разделению нагрузок на три силы и три момента.
При этом входными сигналами электронной модели тензометрированной балки являются напряжения с шести мостов физических весов, которые несут информацию не только о нагрузке i-го канала, но и о нагрузках перекрестных сигналов. Тогда как выходные сигналы электронной модели несут информацию о разделенных нагрузках.