Dispozitiv Simulator Biomecatronic

Cuprins

Capitolul 1 6

Noțiuni generale de mecatronică 6

1.1. Introducere 6

1.2 Ce este mecatronica 6

1.3 Scurt istoric 7

1.4 Relatia material-energie-informatie 8

1.5 Mecatronica in educația si practica inginereasca 10

1.6 Produs și proces de producție 11

1.7 Elementele principale ale sistemelor mecatronice 12

1.8 Structura bloc a sistemelor mecatronice 13

1.9 Exemple de produse si sisteme mecatronice 14

1.10. Importanța studiului mecatronicii 18

1.11 Educatia mecatronica in Romania 19

Capitolul 2 20

Paralela Robot-Om 20

2.1 Scheletul uman 20

2.2 Pelvisul 22

2.3 Gamba, glezna 23

2.4 Coapsa și genunchiul 24

2.5 Gamba și talpa 26

Capitolul 3 28

Memoriu de prezentare. 28

3.1 Introducere 28

3.2 Prezentarea constructivă și elemente de calcul 28

3.3 Modelarea geometrică a membrului inferior 32

3.4 Analiza cinetostatică a articulației gleznei 35

3.5 Biomecanica șoldului 41

Capitolul 4 53

Dispozitiv simulator biomecatronic 53

4.1. Introducere 53

4.2. Modelul cinematic al membrului inferior. 54

4.4. Descrierea dispozitivului simulator 57

4.5. Sistem de reabilitare cu simulator de structură paralelă 59

Concluzii 64

Bibliografie 65

Capitolul 1

Noțiuni generale de mecatronică

Introducere

Definirea caracteristicilor fundamentale ale sistemelor mecatronice este importanta în studiul lor ulterior, având în vedere că topicul domeniului mecatronic este pluridisciplinar și include următoarele arii de studiu (fig.1.1): modelarea sistemelor fizice, senzori și actuatori, sisteme și semnale, sisteme logice programabile, achiziție și procesare de date.

Fig.1.1 Cuvinte cheie pentru domeniul mecatronic (Robert H. Bishop- The University of Texas at Austin)

1.2 Ce este mecatronica

Revoluția informatică (a doua revoluție industrială) a marcat saltul de la societatea industrializată la societatea informațională, generând un val de înnoiri în tehnologie și educație.

Japonezii au definit sensul acestor mișcări de înnoire, brevetând termenul de mecatronică, la inceputul deceniului al 8-lea al secolului trecut anul 1969-1970.

În 1972 – termenul de mecatronică a fost brevetat de Yaskawa Electric Co. și definește fuziunea tehnologică Mecanică – Electronică – Informatică

Tehnologia mecatronică se deosebește fundamental de tehnologia traditională, prin faptul că adaugă componenta informație la componentele material și energie.

Nu se poate spune că in lumea specialiștilor există un acord unanim susținut în ceea ce privește definirea acestei îmbinări sinergetice: mecanica-electronica-informatica. Se folosesc și alte denumiri ca: mecano-informatica, mecanisme inteligente, produse inteligente, informatizarea sistemelor mecanice de acționare, comanda prin calculator a sitemelor electromecanice.

Posibile definiții ale mecatronicii

Mecatronica – știința mașinilor inteligente

Mecatronica – tehnologia mecanică cerută de societatea informationala

Mecatronica – viziune globală în tehnologie

Conceptul de mecatronică este sugestiv ilustrat în figura 1. 2

Fig.1.2 Conceptul de mecatronica

Aceasta imagine sugerează faptul că, în activitatea de concepție, pentru realizarea de produse și servicii performante, abordarea tradițională în baza căreia: ingineria mecanică studiază probleme specifice mișcării maselor, ingineria electrică-electronică studiază probleme specifice mișcării electronilor, iar automatiștii-informaticienii studiază probleme specifice mișcării informației, nu mai este posibilă. În structura unui produs mecatronic, practic nu se pot separa cele trei mișcări. Mai mult, imaginea sugerează că activitățile de concepție și proiectare vizează finalizarea prin procesare-fabricare. Totul se desfășoară pe baza unui management performant, in acord cu nevoile pieței.

Deci, Produse de inaltă tehnicitate = Produs mecatronic Ex: automobilul modern, mașini-unelte cu comandă numerică, tehnica de calcul tehnică de telecomunicatii, aparatura de cercetare, roboții, aparatura biomedicală, aparatura electrocasnică, aparatura militară etc.

1.3 Scurt istoric

Mecatronica este rezultatul evoluției firești în dezvoltarea tehnologică. Aceasta evoluție este sugestiv evidențiată in fig.1.3.

Fig. 1.3 Fluxul către integrarea mecatronică

După cum se observă, elementul central îl constituie tehnologia mecanică, care s-a dezvoltat către mecanizare.

Progresele in domeniul tehnologiei electronice, apariția circuitelor integrate, mici ca dimensiuni, ieftine și fiabile, au permis includerea electronicii în structurile mecanice.

Se realizează astfel primul pas către integrare: integrarea electromecanică. Structurile electromecanice astfel obținute nu dispun de inteligență proprie.

• Următorul pas in integrare a fost determinat de apariția microprocesoarelor. Cu aceleași caracteristici constructive ca și crcuitele integrate, adică mici ca dimensiuni, ieftine și fiabile, microprocesoarele au putut fi integrate in structurile electromecanice realizate anterior.

Astfel, acestea devin inteligente. Aceasta inseamna ca pot preleva informatii privind starea interna, starea mediului, pot prelucra aceste informatii si pot lua decizii privind comportarea sistemului.

Aceasta evolutie tehnologica determina mutatii majore si in privinta populatiei active ocupata in diferite sectoare de activitate. Astfel, dezvoltarea industriala conduce la scaderea populatiei ocupata in industria primara si la cresterea ponderii populatiei ocupate in industria tertiara. Industria tertiara, care este industria serviciilor, realizeaza in prezent aproximativ 70% din produsul national brut al Japoniei.

1.4 Relatia material-energie-informatie

Tehnologia mecatronica aduce in centrul atentiei problema informatiei care, este componenta datatoare de ton in raport cu materialul si energia. Aceasta pozitie a informatiei este motivata prin urmatoarele argumente :

informatia asigura satisfacerea nevoilor spirituale ale omului;

numai informatia creste valoarea nou adaugata a tuturor lucrurilor;

informatia inseamna cultura.

Promovarea legaturilor informationale in structura sistemelor tehnice le asigura flexibilitate si reconfigurabilitate .

Evaluarea cantitativa si calitativa a informatiei constituie o problema esentiala in educatie, cercetare si in activitatile de productie. Informatia este deopotriva importanta in medicina, literatura, arta, muzica, sport etc.

Comparatia material-energie-informatie se prezinta in figura 1.4. Nevoile de material si energie pentru o persoana sunt limitate. Cand aceste nevoi sunt satisfacute, fiinta umana cauta satisfacerea nevoilor spirituale. Informatia asigura satisfacerea acestor nevoi. Valoarea informatiei depinde nu atat de cantitate, cat de prospetimea acesteia, pentru ca spiritul uman cere frecvent noi stimuli. In aceasta ordine de idei, valoarea materialului si a energiei depinde de integrarea acestora. Valoarea informației depinde de diferențierea acesteia. Se vede deci ca materialul, energia si informația au caracteristici diferite. In societatea avansat informatizata, producția bazata pe consumul de material si energie ajunge la saturatie. Pe de alta parte, cerintele pentru informatie sunt in continua crestere. Acesta este motivul pentru care industriile bazate pe consumul de material si energie isi vor incetini ritmul de dezvoltare, iar industria bazata pe consumul de informatie va continua sa se dezvolte in ritm alert.

Discutând despre valoarea nou adaugată, se subliniază faptul că societatea avansat informatizata este societatea in care valoarea nou adaugata creste datorita informatiei.

Fig. 1.4 Relatia material-energie-informatie

1.5 Mecatronica in educația si practica inginereasca

Dezvoltarea tehnologiei mecatronice a condus la adaptarea programelor educationale din scoli si universitati la cerintele noii tehnologii. Ca urmare a acestor stradanii s-au conturat principiile mecatronice in educatie.

Aceste principii vizeaza:

dezvoltarea gandirii sistemice;

formarea deprinderilor de a lucra in echipa;

invatarea afectiva.

Rolul major al informatiei a determinat redefinirea obiectivelor in procesul educational:

formarea deprinderilor de informare

mentale

de actiune

sociale (lucrul in echipa, in retea)

Educatia mecatronica asigura flexibilitate in actiune si gandire, trasaturi definitorii ale specialistului in economia de piata. Laboratoarele interdisciplinare de mecatronica constituie baza pentru materializarea principiilor: “educatie prin practica”, “educatie prin cercetare”. Foarte curand mecatronica a devenit filosofie.

Pentru practica inginereasca filosofia mecatronica a marcat saltul de la ingineria traditionala, secventiala, la ingineria simultana sau concurenta (paralela).

In figura 1.5 se prezinta principial modul de abordare in proiectarea traditionala (1.5.a) si mecatronica (1.5.b)

Fig.1.5.a Etapele proiectării clasice Fig.1.5.b Proiectarea în mecatronică

In proiectarea mecatronica, inca din faza de conceptie se are in vedere intregul. Lantul cinematic informational are o structura mult mai compacta. Interconectarea prin magistrale de date permite cresterea simtitoare a vitezei de prelucrare a informatiilor.

1.6 Produs și proces de producție

“Produsul” – pentru un utilizator constitue un mijloc de satisfacere a unei necesitati.Pentru o comerciala (intreprindere)”produsul” constitue rezultatul unui proces tehnologic care implica diverse activitati.

Ecuatiile fundamentale ale managementului productiei se materializeaza prin echilibrare dintre termenul promis clintului si termenul de livrare a produsului pe de o parte si marketing(servicii maxime,variante ,termene minime ,pret minim/calitate maxima)si aspectul financiar(costuri minime ,stocuri minime)pe de o alta parte.

In figura 1.6 se prezinta procesul de realizare a produselor cu rolul implicarii societati , populatiei si a naturii in general.Aceste trei elemente determina functia de nesitati, aparitia unui nou produs.

Fig 1.6. Dezvoltarea unui produs

Fig 1.7. Relatia produs nou si proiectarea de produs

In figura 1.7 se prezintă detaliat etapele procesului de proiectare a unui produs. Se poate observa ca proiectarea unui produs poate influienta decisiv asupra lor.

1.7 Elementele principale ale sistemelor mecatronice

Structura de bază a unui sistem mecatronic cuprinde următoarele componente, prezentate în fig. 1.8.

Fig. 1.8 Elementele principale ale unui sistem mecatronic

Semnificația notațiilor folosite este următoarea:

SPS – sistem de programare a sarcinilor;

CS – controler secvențial;

CM – controler de mișcare;

AP – amplificator de putere;

A – actuator;

T – transmisie;

SM – sistem mecanic;

ST – senzori și traductoare;

DCS – dispozitiv de control al semnalului;

M – mediu;

Vom face o scurtă prezentare a fiecărui element de bază a sistemelor mecatronice.

Sistemul de programare a sarcinilor – generează mișcările dorite și secvențele acestora în concordanță cu cerințele sau comenzile transmise:

Controlerele – compară parametrii curenți ai mișcării cu cei înscriși și face corecturile necesare;

Amplificatorul de putere – amplifică semnalele necesare actuatorilor;

Actuatorii – transformă semnalul controlat în semnal de intrare (moment, forță, viteza, etc.) necesari sistemului mecanic;

Transmisia – realizează obținerea unor parametrii necesari funcționării sistemelor mecanice (curele, cremaliere, mecanisme cu reductoare etc.)

Sistemul mecanic – realizează poziția dorită la ieșirea din sistemul mecatronic.

Dispozitivele de condiționare – prelucrează semnalele în concordanță cu cerințele impuse semnalelor de intrare în controler;

Senzorii și traductoarele – sunt componente ale sistemului informațional, și ne dau informații despre starea sistemului mecanic respectiv a mediului.

1.8 Structura bloc a sistemelor mecatronice

În general un sistem mecatronic poate fi considerat un hipersistem, format dintr-o serie de sisteme, conform schemei din fig. 1.9.

Într-un sistem de fabricație mecatronic, fiecare componentă este autonomă, funcționarea lor fiind corelată în funcție de succesiunea operațiilor de executat, a mișcărilor organelor active, ele fiind acționate de sursa de energie mecanică(motoare). Funcționarea autonomă a componentelor privește realizarea autonomă a comenzi actuatorilor fiecărui utilaj component al sistemului, având un comportament de automatizare prin autoconfigurare, autoreglare, programabilitate și comunicare.

Fig. 1.9 Structura bloc a unui sistem mecatronic

Autoconfigurarea – se referă la efectuarea automată a reechipărilor, trecerea în sistem pornit-oprit, aducerea semifabricatelor în ordinea dorită, alegerea valorilor nominale ale regimurilor de lucru sau de manipulare.

Autoreglarea – se referă la menținerea automată a valorilor parametrilor de funcționare.

Programabilitatea – este dată de facilitatea de a accepta o memorie și de a utiliza programe de calcul în vederea ordonării execuției fazelor cuprinse în programul de lucru, pentru succesiunea prestabilită prin instrucțiuni.

Comunicarea – se referă la proprietatea componentelor de a schimba mesaje cu componentele de același rang sau de ranguri diferite.

Realizarea acestor deziderate necesită echipamente și componente ale sistemului de comandă bazate pe automatizare subordonată tehnicii de calcul.

Tendinte

In ultimii ani mecatronica este definita simplu: stiinta mașinilor inteligente. Mai recent demersurile pentru innoire in educatie si cercetare aduc in atentie problema mecatronicii ca: mediu educational in societatea informationala, respectiv mediu de proiectare si fabricare integrata pe fundalul caruia s-a dezvoltat conceptul de proiectare pentru control.

In literatura de specilalitate au devenit consacrate extinderi in alte domenii ca: hidronica, pneutronica, termotronica, autotronica, agromecatronica (agricultura de precizie). Evolutia in dezvoltarea tehnologica inseamna: micromecatronica, nanomecatronica si biomecatronica. Tendinta generala este de “intelectualizare a masinilor si sistemelor”

1.9 Exemple de produse si sisteme mecatronice

Practic tot ceea ce numim produs de inalta tehnicitate este produs mecatronic.

Se prezintă în continuare câteva domenii și exemple reprezentative de produse mecatronice.

Domeniul roboticii

Robotul industrial

Este un exemplu reprezentativ de produs mecatronic.

Utilizat in procesul de producție sau prestări servicii:

pentru a realiza funcții de manipulare analoge cu cele realizate de mâna omului

pentru automatizarea anumitor secvențe ale procesului de producție sau servicii;

Structural este un sistem ce se compune din 4 subsisteme (fig. 1.10) :

Fig. 1.10 Schema bloc a unui robot industrial

Sistemul de conducere sau comanda – are rolul sistemului nervos uman, de adaptare a starii interne a robotului la starea externa a mediului prin darea de comenzi sistemului de actionare, astfel stabilind succesiunea si durata miscarilor elementelor ce compun sistemul mecanic

Sistemul de actionare – analog sistemului muscular uman, pune in miscare elementele sistemului mecanic pe baza comenzilor primite de la sistemul de comanda

Sistemul mecanic – analog sistemului osos uman, asigura miscarile dorite obiectelor manipulate

În continuare se prezintă câteva exemple de roboți

Fig 1.15 Structuri de roboți mobili bipezi

Domeniul transporturi

Fig 1.16 Aplicații in domeniul transporturilor

Domeniul comunicații

Fig 1.17 Aplicații in domeniul comunicațiilor

Domeniul medicină și reabilitare

Fig. 1.18. Instalație pentru reabilitare Lokomat

Fig. 1.19 Robot chirurgical Hitachi

Domeniul tehnică de calcul

Fig. 1.20 Hard Disk

Servicii

1.10. Importanța studiului mecatronicii

Problema integrării este esențială in mecatronică. In realizarea diferitelor produse și sisteme, trebuie găsite solutii specifice pentru integrarea componentelor: mecanică-electronică- informatică.

Până in prezent sunt validate două soluții: integrarea in modul hardware și integrarea in modul software.

Mecatronica a deschis orizonturi nebănuite in toate domeniile, datorită stimulării efectului de sinergie.

Prin faptul că informația este componenta dătătoare de ton in mecatronică, impactul tehnologiei depășeste sfera economicului, fiind esențial in domeniile social, cultural etc.

Aceasta explică interesul deosebit la nivelul Comunității Europene si a tarilor comunitare de a lansa initiative si a dezvolta programe speciale pentru acest domeniu. Demersurile intaresc convingerea ca in societatea informationala, relevanta culturala depinde de performantele tehnice, tehnologice.

Problematica sistemelor mecatronice nu poate fi abordata fara o fundamentare a notiunilor specifice pentru teoria sistemelor.

1.11 Educatia mecatronica in Romania

În țara noastră filosofia mecatronica a patruns prin infiintarea in 1991 a specializarilor de mecatronica in inginerie la Brasov, Cluj-Napoca, Universitatea Tehnica “Gheorghe Asachi” Iasi, Universitatea “Stefan cel Mare” din Suceava., Universitatea Politehnica Bucuresti, iar în anul 2011 și la Universitatea din Oradea

Fig. 1.23 Laborator Mecatronică și Acționări hidro-pneumatice

Capitolul 2

Paralela Robot-Om

Am introdus acest capitol ținând cont de faptul că sistemul general al robotului est asemănător cu sistemul general al omului, iar sistemul mecanic al robotului este echivalentul sistemului osos al omului. Prin intermediul membrelor inferioare se realizează sistemul de locomoție bipedă.

2.1 Scheletul uman

Sistemul osos la om este format în medie din 206 oase multe dintre ele putând fi perechi, cartilaje flexibile care au rol structural în lobii urechilor nasului și parte din coaste și acoperă terminațiile osoase în articulații și ligamente puternice, care stabilizeaza scheletul îmbinând oasele la încheieturi, unde se unesc două sau mai multe oase. În ansamblu șistemul osos reprezintă cam douazeci la suta din masa corpului.

Tipuri de oase

Oasele pot fi împărțite în patru tipuri mari: lungi, scurte, plate și neregulate în funcție de formă. Forma arată de asemenea, funcția lor mecanică.

Oasele lungi care cuprind toate oasele membrelor cu excepția celor de la încheietura mâinii și de la gleznă și rotulă sunt mai mult lungi decât late. Fiecare constă în diafiză (ax) și la fiecare capăt o epifiza (extremitate sau terminație osoasă). Acestea acționează ca pârghii și pun corpul în mișcare, atunci când sunt împinse de mușchii în contracție și unele mai ales oasele membrelor inferioare, au un rol important în menținerea greutății corpului.

Oasele scurte-carpienele (oasele de la încheietura mâinii) și tarsienele (oasele gleznei au forma de cub). Acestea formează o punte de legătură în încheietură și la gleznă unde sunt necesare în efectuarea mișcării limitate dar sunt esentiale la stabilitate.

Oasele plate care includ sternul, coastele, scapulele și oasele craniului, sunt subțiri și plate uneori usor curbate. Unele cum sunt coastele și oasele craniului alcătuiesc cutii protectoare pe când fiecare scapulă reprezintă o semnificativă suprafață pentru fixarea mușchilor.

Oasele neregulate care includ oasele feței, vertebrele și oasele pelviene sau coapsele sunt oasele care nu se potrivesc descrierii nici uneia dintre categoriile enumerate mai sus.

Cartilajul

Cartilajul este un țesut de legatură specializat care acoperă terminațiile ligamentelor și are un mic rol structural la ureche nas și coaste și de asemenea formează locașul spongios între vertebre. Această substanță elastică asemănătoare jeleului este rigidă are o rezistență mare la întindere și rezistă atât forței de compreșie cât și celei de întindere. În articulații cartilajul rezistă solicitărilor,este moale și are o suprafață netedă împregnată cu un fluid șinuovila lubrifiant care are un coeficient de frecare extrem de scăzut.

Scheletul poate fi împărțit în două mari categorii:

Scheletul axial, coloana vertebrală, craniul, coastele și sternul care formează axa principală a corpului.

Scheletul apendicular care include oasele membrelor și cele ale centurii scapulare și pelviene care leagă membrele de scheletul axial.

Fig. 2.1. Principalele oase ale corpului uman

Structura oaselor

Oasele sunt formate din țesut viu care, pe lângă funcția lor mecanică, înmagazinează calciul și alte minerale și nasc celulele din sânge. Oasele conțin celule înconjurate de o masă compacta. Aceasta este formată 35% din proteine, în special collagen, ce le conferă densitate și flexibilitate, și în jur de 65% săruri minerale, mai ales calciu și fosfati, care le conferă duritatea. Această combinație face ca oasele să fie de 5 ori mai puternice de cât oțelul. Celulele oaselor include osteocite, celulele care mențin masa compactă; osteoblaste, celulele care fabrică osul, și osteoclaste, celule care erodează masa compacta a osului. Osteoblastele și osteoclastele remodelează în mod constant oasele conform forței exercitate asupra lor de către mușchi, și, fie eliberează, fie înmagazinează calciul, în funcție de necesitătile corpului.

Oasele conțin două tipuri de țesut osos care, împreună le asigură putere și ușurință. Osul compact, întâlnit în partea de exterior, constă din cilindrii paraleli numiți osteoane, ce sunt alcătuiți din tuburi concentrice de masă compactă. În interiorul fiecărui osteon există un canal care conduce vasele de sânge. Spațiile mici dintre osteoane conțin osteocite izolante. Ușor spongioase oasele au o structură de fagure, cu spații și puncte de sprijin osoase, numite tubercule. Spațiile conțin o măduva ca și jeleul; măduva galbena formează țesutul gras, iar cea roșie întâlnită mai ales în oasele plate la adult, produce celulele din sânge. Ceea ce acoperă și cuprinde majoritatea oaselor, este o membrană subțire numită periost.

2.2 Pelvisul

Fiecare os coxal este format din trei oase – iliac (ilion), ischion și pubis-care se unesc în timpul adolescenței. Iliacul, care formează partea majoră a osului coxal, se articulează cu osul sacru prin articulația sacroiliacă în spatele pelvisului. Ischionul, care este inferior și posterior, susține greutatea omului în poziție de șezut. În fața pelvisului, pubisul sau osul pubian, se leagă de opusul lui printr-un disc cartilaginos numit simfiza pubiană. Ligamete puternice întăresc atât articulația sacroiliacă, cât și simfiza pubiană, pentru a menține stabilitatea structurală a pelvisului. Pe suprafața laterală a fiecarui os coxal, unde se unesc oasele iliac, ischion și pubis, există un ,,buzunar” adânc numit acetabulum care se articulează cu capul femurului. Această legatură permite o mai mică libertate de mișcare decât cea formată de oasele brațului și umărului pentru că este limitată de ligamente stabilizatoare puternice.

a b

Fig. 2.2 Pelvisul la femeie și la bărbat văzute din față.

Pelvisul formează un punct central în corp. Nu este doar o legatură între corp și membrele inferioare dar așigură, de asemenea, o suprafață mare de atașare a mușchilor, și adăpoșeste, protejează vezica urinară și organele de reproducere.

2.3 Gamba, glezna

Femurul sau osul coapsei este cel mai mare os al corpului. La capătul proximal, un cap rotund se potriveste în acentabulum, buzunarul din partea dreapta a pelvisului, pentru a formă o arțiculatie sferoidală, care este întărită de articulații puternice. Un gât triunghiular conduce la axul lung, care este curbat pentru a asigura o mai mare rezistență la apăsare. În locul în care se întâlnesc gâtul și axul se găsesc marele și micul trohanter, care sunt părti de care se atașează mușchi coapsei și mușchii fesieri. La capătul său distal, femurul se lărgește în codili mediali și laterali pentru a forma o articulație trohleana – genunchiul cu oasele gambei. Rotula este un os triunghiular cuprins în tendonul mușchiului coapsei, quadriceps femural și protejază partea anterioară a articulației genunchiului. Cel mai mare os al gambei este tibia. Condilii, lateral și medial ai capătului proximal, se articulează cu femurul la genunchi, pe când la capătul distal tibia formează încheietura gleznei – articulația trohleana – cu talusul, unul dintre oasele gleznei. Fibula subțire, alt os al gambei, se articulează cu tibia la ambele capete. Spre deosebire de oasele antebrațului, aceste legături nu permit mișcarea, dar așigură stabilitate. Maleola medială a tibiei și maleola laterală a fibulei formează proeminențele osoase caracteristice ambelor părți ale gleznei.

Fig. 2.3 Oasele membru inferior

Ca și mâinile, piciorul conține trei seturi de oase. Șapte oase tarsiene formează glezna. Talusul se articulează cu tibia și fibula pentru a forma articulația gleznei. Calcaneul, cel mai mare os al gleznei, formează călcâiul și este punctul de care se atașeaza marele tendon calcanean (al lui Ahile) din mușchii gambei în poziția stat în picioare, atât calcaneul cât și talusul susțin inițial greutatea corpului, înainte să o transmită mai departe. Celelalte tarsiene sunt navicularul (în formă de barcă), cuboidul, primul, al 2-lea și al 3-lea cuneiform.

Cinci metatarsiene formeaza tarsul sau talpa pciorului. La capetele lor distale, unde se articulează cu oasele degetelor, formează, bolta piciorului. Primul metatarsian este cel mai puternic. Împreună, tarsienele și metatarsienele, prin natura poziționării lor și a întăririi ligamentelor și tendoanelor, formează un fel de arc care ține talpa la distanță de pământ. Aceste bolți dau arcuri ce amortizează impactul cauzat de mers și alergat, mai întâi prin apatizare și apoi revenirea la forma inițială și difuzarea greutății corpului. Oasele tarsiene și metatarsiene actionează de asemenea ca niște pârghii, ridicând corpul și împingându-l înainte în timpul mersului.

Cele 14 falange din degete sunt mult mai scurte și mai mobile decât cele de la mâini. Fiecare deget are trei falange, cu excepția halucelui, care are două. Funcțional, degetele de la picioare joacă un rol secundar tarsului și metatarsului.

Fig. 2.4 Glezna și talpa

2.4 Coapsa și genunchiul

Femurul sau osul coapsei se articulează cu pelvisul la nivelul soldului, o legatură articulată care nu are flexibilitatea articulației de la umăr dar este mult mai stabilă. La genunchi, femurul se articulează cu tibia printr-o articulație ce permite flexia și extensia.

Mușchii care mișcă piciorul își au originea în pelvis și fie traversează articulațiile șoldului și ale genunchiului pentru a se insera pe tibie. Mușchii coapsei anterioare, mai ales puternicul cvadriceps femural, flexează coapsa la șold și întind membrul la genunchi producând mișcarea piciorului înainte în timpul mersului. Mușchii coapsei mediale sunt aductorii care trag piciorul medial. Mușchii coapsei posterioare, mai ales tendonul popliteu, extind coapsa la șold și flexează membrul la genunchi producând ducerea sa înapoi în timpul mersului. Mușchii fesieri sunt extensorii majori ai coapsei care folosesc la cățărat și alergat.

Nervii care alimentează membrul inferior provin din plexul lombar și sacral. Din plexul lombar, nervii femurali servesc mușchii și pielea coapsei anterioare; nervul obturator deservește mușchii aductori și pielea coapsei mediale iar cel femoral cutanos deservește pielea coapsei laterale. Din plexul sacral, nervii sacrali deservesc tendonului popliteu; nervii gluteali superior și inferior deservesc muschii gluteali; iar nervul posterior femoral cutanos deservește pielea feselor și a coapsei posterioare.

Pelvisul la femeie este mai puțin adânc ca la bărbat, iar deschiderea centrală – canalul pelvian – este mai largă și mai rotundă comparativ cu cea îngustă, în formă de inimă, întâlnită la barbați.

Osul sacru la femei este mai larg și mai scurt, făcând mai larg arcul pubian. Orificiul pelvian trebuie să fie destul de mare pentru a se adapta mărimii capului unui copil nascut la termen, deoarece trece prin colul uterin și prin vagin, în timpul nașterii.

Sâgele este trimis la mușchii coapsei de artera iliacă externă care devine artera femurală la intrarea în coapsă, și al mușchii iliac și adductor de artera iliacă internă. Artera femurală devine artera proplitee când se aproprie de genunchi. Sângele este drenat de la coapsă prin vena femurală care devine vena iliaca externă când intră în pelvis, și superficială, de vena mare safena.

2.5 Gamba și talpa

Mușchii gambei mișcă glezna și piciorul. Mare parte a mușchilor gambei își au originea în piciorul propriu-zis și ca și mușchii antebrațului, se termină în tendoane lungi care traverseaza glezna și se inserează pe oasele gambei. Mușchii sunt uniți printr-un fascicul de țesut conector care îi împiedică să se umfle excesiv la efort, și se extind în interior pentru a forma trei compartimente – anterior, posterior și lateral – fiecare cu propriul nerv și rezervă de sânge. Mușchii gambei anterioare dorsiflexează gamba pentru a preveni târâtul degetelor pe pământ în timpul mersului; doi mușchi extensori îndreaptă, de asemenea, degetele. Cel mai puternic mușchi al piciorului plantar flexează piciorul, astfel asigurând șiguranța mișcării; mușchii flexori îndoaie de asemenea degetele. Mușchii laterali peroneali plantari flexează și răsucesc gamba.

Fig. 2.6 Oasele și vasele de sânge ale piciorului

Alimentarea nervoasă a gambei este așigurată de două componente ale nervului sciatic, nervii comun peroneal și tibial care se divid chiar deasupra genunchiului. Nervul comun peroneal se ramifică din nervul peroneal adânc, care deservește mușchii anteriori și pielea și nervul peroneal superficial care deservește mușchii laterali și pielea. Nervii tibiali servesc mușchii posteriori și pielea.

Artera proplitee alimentează cu sânge arterial arterele tibiale anterioară și posterioară care se divid din ea sub genunchi. Artera tibială anterioară alimentează mușchii anteriori. Artera tibială posterioară alimentează mușchii posteriori, pe când ramificația sa, artera peroneală, alimentează arterele laterale peroneale. Sângele este drenat de la picior prin venele tibiale anterioară și posterioară care se unesc la genunchi pentru a forma vena poplitee.

Cadrul tălpii este format din 26 de oase 7 oase tarșiene 5 metatarșiene 14 falange. Între oasele tarsiene și între tarsiene și metatarsiene sunt legături plane care permit mișcării mici de alunecare și conferă flexibilitate minimă oaselor care formează bolțile tălpii. Articulațiile dintre falange seamănă cu cele ale mâinii, dar falangele la talpă sunt mult mai scurte și le lipsesc abilitățile și funcțiile manipulative.

Fig. 2.7 Vedere plantară a gambei

Inițiatorii mișcării gleznei și tălpii sunt ajutati de mușchii intrinseci mai mici din talpă. Acesti mușchi servesc la menținerea stabilității piciorului când se adapteaza forțelor în continuă schimbare care acționează asupra sa.

Nervul tibial deservește mușchii intrinseci ai piciorului și pielea gambei, pe când nervul comun peroneal deservește pielea piciorului superior. Artera tibială anterioară devine dorsală piciorului când trece de la gleznă și formează artera arcuită care dă naștere la arterele metatarsiene ale gambei piciorului. Artera tibială posterioară se împarte în arterele laterale plantare din gleznă. Artera laterală plantară formează arcul plantar care dă arterele digitale și care alimentează degetele. Sângele este drenat de la degete prin venele digitale care intră în arcul plantar, și prin venele plantare laterală și medială, vena posterioară tibială. Vena dorsală a piciorului se goleste în vena tibială anterioară. Sângele din venele metatarsiene este drenat prin arcul venos în venele safene, mare și mică.

Capitolul 3

Memoriu de prezentare.

3.1 Introducere

Sistemul locomotor al omului este format din următoarele subsisteme:

Subsistemul osos (mecanic) care cuprinde articulațiile (cuple cinematice) șoldului, genunchiului și tălpii, și elementele de legătură (oasele)

Subsistemul muscular (acționare)

Subsistemul tactil (informatic)

Conform celor prezentate în capitolul 2

Sistemul locomotor poate fi bolnav, in general, datorită factorilor:

Fracturi, care afectează subsistemul osos,

Rupere de ligamente, care afectează subsistemul muscular

Deteriorarea cartilajului dintre articulații, care afectează cuplele cinematice de rotație

Atac cerebral care conduce la paralizii totale sau parțiale afectânt sistemul muscular (de actionare) datorită lipsei controlului central (sistemul nervos – afectat)

În urma unor tratamente de specialitate se aplică și un tratament de recuperare a sistemului locomotor, care are ca și scop îmbunătățirea funcțiilor acestui sistem. Tratamentul de recuperare poate fi aplicat manual de către om, respectiv kinetoterapeut. În paralel cu kinetoterapia se poate utiliza sisteme artificiale care să simuleze anumite mișcări ale omului. Aceste sisteme pot fi pur mecanice, având o conducere a mișcărilor manuală aplicată uneori chiar de către bolnav. Dacă la sistemul mecanic se adaugă un sistem de acționare și un sistem de control informatizat, sistemul artificial devine un sistem mecatronic.

3.2 Prezentarea constructivă și elemente de calcul

În cadrul proiectului în primul rând am conceput simulator al locomoției acționat pneumatic, care se poate atașa unui membru sau ambelor membre inferioare putând fi comandat și condus în forță sau poziție. În al doi-lea rând am studiat un sistem mecatronic de recuperare a sistemului locomotor utilizăn un simulator al mișcărilor având o structură robotică cu arhitectură paralelă.

În calculul de proiectare a sistemului de reabilitare s-a considerat o paralizie a membrelor inferioare care v-a trebui reabilitată prin diverse metode

Această zonă poate fi asimilată cu un mecanism, având două cuple cinematice (clasa aV-a sau a III-a) și trei elemente conform schemelor din fig. 3.1.

Principiul de bază în studiul sistemelor de reabilitare a locomoției poate fi enunțat ca și principiul comportamenului locomotor uman. Pornind de la rezultatele literaturii de specialitate biomecanică comportamentul locomotor uman a fost cuantificat cu ajutorul următoarelor funcții: de susținere, de propulsie, de navigație și de echilibru.

Sistemul de reabilitare proiectat trebuie să realizeze prin structura sa mecanică și a sistemului de acționare următoarele funcții:

Funcția de echilibrare „Capacitatea sistemului locomotor, care are în compunere două mecanisme pedipulare, de a împiedica prăbușirea corpului în timpul locomoției”, permite formularea următorului raționament: sistemul locomotor posedă funcția de echilibrare în cazul în care forțele și momentele care acționează asupra sa îndeplinesc o condiție denumită „condiția de echilibru dinamic”.

În cadrul analizei dinamice se are în vedere faptul că sistemul mecanic are o parte a variabilelor articulare impusă, care generează mersul (locomoția). Prin impunerea condiției de echilibru dinamic se obțin ecuațiile diferențiale care permit formularea problemei dinamice de echilibru în care există următorul set de date inițiale (fig. 3.2).

Fig. 3.2. Structura sistemului mecanic de echilibrare și susținere

– datele inițiale cunoscute: mărimile geometrice (dimensiuni) mărimile masice ale structurii (greutatea corpului) și variabilele articulare ale mecanismelor pedipular;

– date inițiale necunoscute: variabilele articulare ale lanțului cinematic de echilibru.

Datorită acestui set de date inițiale, problema dinamică de echilibru poate fi încadrată în clasa problemelor de dinamică directă.

Funcția de susținere, este definită ca fiind capacitatea sistemului locomotor de a menține o anumită poziție a corpului în raport cu solul. Această funcție caracterizează sistemul de acționare.

Pentru analiza dinamică se vor avea în vedere următoarele caracteristici ale sistemului mecanic (sistemului osos uman):

– sistemul mecanic (osos) are o structură complexă formată prin compunerea mai multor lanțuri cinematice (fig. 3.1 și 3.2);

– analiza dinamică se aplică unei structuri a cărei închidere variază periodic; este o structură închisă în momentul suportului bilateral și o structură deschisă în momentul suportului unilateral (fig. 3.3).

Fig. 3.3. Structură pentru analiza dinamică

Prin impunerea condiției de susținere ecuațiile algebrice obținute permit formularea problemei dinamice de susținere.

Funcția de propulsie este definită ca fiind capacitatea sistemului locomotor, care are în compunere două mecanisme pedipulare, de a modifica poziția relativă a corpului față de sol și de a transmite acestuia forța motoare prin contact, cu frecare.

Propulsia prin frecare impune o anumită condiție între forțele de inerție și exterioare care acționează asupra structurii relativ la forțele de frecare dintre talpă și sol. Această condiție este denumită „Condiția de propulsie”.

În urma impunerii condiției de propulsie se definește problema dinamică de propulsie care stabilește dacă legile de mișcare din cuplele cinematice (articulații) permit sau nu propulsia (mersul – pășirea).

Pe baza prezentării anterioare s-a stabilit un algoritm general de analiză dinamică prezentat în figura 3.4.

Schema care cuprinde mărimile care trebuiesc determinate la fiecare etapă, condițiile impuse mărimilor obținute și modul de soluționare a cazurilor, în cazul în care aceste condiții nu sunt îndeplinite.

Pe baza celor prezentate anterior se constată că există o legătură indisolubilă între analiza dinamică a sistemului locomotor uman și al roboților mobili pășitori.

Problemele prezentate vor fi aplicate în paragraful următor, în cazul articulației gambeiși articulației șoldului.

Fig. 3.4. Algoritm de analiză dinamică

3.3 Modelarea geometrică a membrului inferior

Pornind de la funcțiile pe care trebuie să la îndeplinească sistemul de reabilitare am conceput modelul geometric al membrului inferior, prezentat în figura 3.5.

Fig. 3.5 Modelul geometric al membrului inferior

Modelul cuprinde partea inferioară (piciorul) 1, articulat de corpul 3 (tibia), printr-o cuplă cinematică de rotație, carcasa de legătură 4, prevăzută cu o semiflanșă de legătură 5, conjugata semiflanșei 6, a corpului 3. Între cele două semiflanșe există o cuplă cinematică de rotație 7.

Acționarea cuplelor cinematice se realizează pneumatic, utilizând două micromotoare pneumatice cu piston, cu simplă acțiune 8, 14.

Sursa de energie pneumatică se obține de la un microcompresor pneumatic cu membrană 24, acționat manual de către om (sau electric de la o sursă cu baterii). Echilibrul sistemului se realizează de către arcurile elicoidale din structura micromotoarelor, ajutate de arcurile 26, 27.

Se fac în continuare calcule de dimensionare a cuplelor cinematice (articulații) ținând cont de greutatea medie a unui om m=80.

Schema de calcul este prezentată în figura 3.6.

Fig. 3.6. Cuplă cinematică de rotație, simetrică

Bolțurile se dimensionează la solicitarea de forfecare:

(3.1)

– diametrul bolțului

– număr de secțiuni

– material inoxidabil cu titan

– accelerația gravitațională

Se alege:

Calculul motoarelor pneumatice cu piston

Schema de principiu a motorului pneumatic cu piston, cu simplă acțiune este prezentată în figura 3.8.

Fig. 3.8 Schema de principiu a motorului cu simplă acțiune

Conform principiului de mișcare motoarele funcționează prin tragere și trebuie să învingă forța dezvoltată de masa omului.

(3.2)

Se consideră:

– raportul tije-diametru piston

Rezultă:

Deci:

– diametrul pistonului

– diametrul tijei

Debitul de aer necesar:

(3.3)

Reprezintă volumul maxim al micromotorului.

– cursa maximă a pistonului

Rezultă cu valorile cunoscute:

Pentru cele două micromotoare, debitul de aer necesar la o pășire este:

La un mers normal, considerăm 60 pași/min rezultă:

Debitul fiind relativ mic, poate fi asigurat de către un microcompresor cu membrană.

3.4 Analiza cinetostatică a articulației gleznei

3.4.1. Biomecanica articulației gleznei

Segmentul terminal al membrului inferior prezintă un număr de 32 de articulații, care pot fi grupate în: articulația gleznei, articulația astragalocalcaneeana, articulația mediotarsiană, articulațiile intertarsiene ale celor cinci oase ale tarsului anterior, articulațiile tarsometatarsiene, articulațiile intermetatarsiene, articulațiile metatarsofalangiene și articulațiile interfalangiene.

Suprafețele articulare sunt reprezentate pe de o parte de pensa tibioperoniera și pe de alta de fața superioară și părțile superioare laterale ale astragalului. Fețele articulare ale astragalului realizează un mosor, cu un șanț central, două versante și două margini. Șanțul mosorului nu este strict anteroposterior, ci oblic înainte și în afară cu 30° față de planul sagital. Rezultă că mișcările nu vor fi efectuate strict anteroposterior, ci și oblic, în flexie dorsală, vârful piciorului ajungând și în aductie.

Articulația gleznei este formată din trei piese osoase și dintr-o serie de ligamente care asigură legatura între ele. În partea superioară, pilonul tibial și maleolele medială și laterală (fibulară) formează o scobitură în care este introdusă a treia piesa osoasă, talusul, mărginită superior de o suprafață cilindrică, dând astfel posibilitatea piciorului să execute mișcări într-un singur plan (figura 3.9).

Considerate împreună, articulația tibiotarsiană și articulatia astragalocalcaneeana au fost asemanate de G. Gauhier (1977) cu o suspensie cardanică (figura 3.10). Axul de rotație al articulației tibiotarsiene fiind plasat perpendicular pe axul de rotație al articulației astragalocalcaneene (axul Henke), indiferent dacă tibia sau calcaneul oscilează pe astragal, aceasta reușește să se mențină în plan orizontal.

Modelul biomecanic simplificat al acestei articulații este reprezentat în figura 3 Contactul între cele două componente articulare se face pe o suprafață cilindrică corespunzând unui unghi la centru de circa 70—80°. Din poziția anatomică, talusul se rotește cu 20—30° în cazul flexie dorsale a piciorului și cu 30—50° în cazul mișcărilor de flexie plantara. În plan frontal, axa empirică a articulației gleznei face un unghi de 80° cu axa de simetrie longitudinală a tibiei și trece foarte aproape de vârfurile maleolelor (figura 3.11).

Fig. 3.11 Modelul simplificat al articulatiei gleznei.

3.4.2. Determinarea forțelor de reacțiune din articulația gleznei în condiții dinamice

Pentru determinarea forțelor de reacțiune și a momentului din articulația gleznei am folosit metoda dinamică inversă în care mărimile cinematice (forțele de reacțiune ale solului și dimensiunile antropometrice) sunt considerate date de intrare pentru rezolvarea sistemului biomecanic (tabelul 3.1). Această metodă de calcul presupune următoarele condiții:

• corpul uman este împărțit în lanțuri cinematice,

• la rândul lor aceste lanțuri se împart pe segmente,

• segmentele sunt considerate corpuri rigide,

• forțele de frecare cu aerul și din articulație sunt nule.

După cum s-a mai spus, asupra sistemului glezna/picior acționează două tipuri de forțe, unele interne (forțele de reacțiune din articulație Rx,y1, forța din tendonul lui Ahile Fa , forța dezvoltată de mușchiul triceps al gambei Fm1, forța dezvoltată de mușchiul tibial anterior Fm2, forța de greutate G), respectiv forțe externe (forțele de reacțiune ale solului asupra piciorului Rx,y0) (figura 3.12).

Fig. 3.12 Modelul biomecanic al sistemului glezna-picior.

Folosind cea de-a doua lege a lui Newton, în plan vom avea trei ecuații de mișcare, dar numărul necunoscutelor este mai mare, deci nu se pot determina. Soluția acestei probleme ar fi reducerea necunoscutelor la un număr de trei (forțele de reacțiune din articulația gleznei și momentul net generat de forțele musculare). Reducerea necunoscutelor se face după cum urmează (figura 3.13):

– se consideră F ca fiind suma tuturor forțelor musculare și a tendoanelor,

– se deplasează punctul de aplicație al acestei forțe în articulația gleznei, iar forța F se transformă în F*

– forței F* îi corespunde o forță de echilibru care are același punct de aplicatie, are aceeași direcție dar este de sens contrar (-F*),

– cuplul forțelor (F* ,-F*) dă naștere unui moment net ce acționează în articulația gleznei.

Fig. 3.13 Generarea momentului net muscular ce acționează în articulația gleznei.

Folosindu-mă de perioadele fazei de suport ale piciorului pe sol (figura 3.14) voi determina forțele de reacțiune precum și momentul net generat de forțele musculare, moment ce acționează în articulația gleznei și face ca piciorul să se rotească.

În primul caz, atunci când piciorul intră în contact cu solul (10% din faza de sprijin a piciorului pe sol), aplicând cea de-a doua legea a lui Newton, ecuațiile de echilibru ale sistemului biomecanic se pot scrie după cum urmează:

(3.4)

(3.5)

(3.6)

unde: mp – masa piciorului, mp = 0,015 x mt, mp = 1,05 kg,

G – forța de greutate a piciorului [N],

Rx,y0 – forțele de reacțiune ale solului asupra piciorului pe cele două direcții, x, y [N],

Rx,y1 – forțele de reacțiune din articulația gleznei pe cele două direcții, x, y [N],

Ff – forța de frecare dintre picior și sol [N],

μ. – coeficientul de frecare dintre cele două suprafețe,

Mt – masa totală a corpului, Mt = 70 kg,

Mg – momentul net muscular ce acționează în articulația gleznei [Nm],

θp – accelerația unghiulară a piciorului în planul mișcării, θp = 1,6686 rad/s2,

Ip – momentul de inerție al piciorului, Ip = 0,0034 kgm2,

α1 – unghiul de atac al piciorului față de sol [°],

α2 – unghiul de înclinație al tibiei față de axa verticală a corpului [°],

d1 – distanța dintre punctul de acțiune al forțelor de reacțiune ale solului și centrul articulației gleznei [m],

d2 – distanța dintre centrul articulației gleznei și sol [m],

d3 – distanța dintre centrul de greutate al piciorului și centrul articulației [m],

d4 – distanța dintre centrul articulației și punctul cel mai distant al piciorului [m],

d5 – lungimea totală a piciorului [m],

d6 – distanța pe axa Y dintre centrul de rotație al articulației gleznei și centrul de masă al piciorului [m],

ax,y – accelerația centrului de masă al piciorului; ax = 0,6247 m/s2, ay = 0,1001 m/s2.

Aplicând ecuațiile de echilibru pentru sistemul biomecanic descris mai sus, se vor obține următoarele:

(3.7)

(3.8)

(3.9)

(3.10)

(3.11)

(3.12)

Fig. 3.14 Modelul biomecanic al sistemului gleznă-picior în cele patru faze de sprijin ale piciorului pe sol: 10%, 25%, 45%, 70%.

Tabelul 3.1 Datete antropometrice și cinematice în cazul unei persoane de sex masculin, cu o masă de greutate de 70 kg.

În cel de-al doilea caz, atunci când piciorul se află în contact total cu solul (25% din faza de sprijin a piciorului pe sol), ecuațiile de echilibru ale sistemului sunt date de relatiile:

(3.13)

(3.14)

(3.15)

(3.16)

(3.17)

(3.18)

În cel de-al treilea caz, contactul dintre picior și sol se face tot în totalitate, doar că axa de simetrie a tibiei formează un unghi de 10° cu axa verticală (45% din faza de sprijin a piciorului pe sol). în acest caz ecuațiile de echilibru sunt date de ecuațiile:

(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

În cel de-al patrulea caz și ultimul, contactul dintre picior și sol se face doar pe falange (70% din faza de sprijin a piciorului pe sol), ecuațiile de echilibru putând fi scrise după cum urmează:

(3.25)

(3.26)

(3.27)

(3.28)

(3.29)

(3.30)

În urma înlocuiri datelor cinematice și antopometrice în ecuațiile de echilibru, pentru toate cele patru faze, sau obținut anumite valori numerice ale forțelor de reacțiune precum și momentele din articulația gleznei (tabelul 3.2). Astfel, cu ajutorul datelor cinematice obținute se poate trasa diagrama de interdependență dintre forțele de reacțiune respectiv moment și fazele de suport ale piciorului pe sol (figura 3.15).

Tabelul 3.2 Datele cinematice rezultate în urma rezolvării ecuațiilor de echilibru în cazul unei persoane de sex masculin, cu o masă de greutate de 70 kg.

Fig. 3.15 Diagrama de interdependență dintre forțele de reacțiune respectiv și fazele de suport ale piciorului pe sol, în cazul unui individ cu o masă de greutate de 70 kg.

3.5 Biomecanica șoldului

3.5.1. Încărcările sistemului anatomic șold-coapsă

Măsurarea experimentală a forțelor care privesc articulația șoldului protezat arată că acestea sunt mai mici decât cele bazate pe modele analitice.

În urma studiilor s-a stabilit că forțele exercitate asupra articulației protezate sunt în general de 2,6…2,8 ori greutatea corpului în faza mersului cu sprijin unipodal.

Oricum, în timpul mișcărilor complexe (fugă, saritură, întindere) sarcina exercitată poate fi de până la zece ori greutatea corpului. De aceea, diferiți factori ca: obezitatea, creșterea activității fizice sunt componente importante care se adaugă la sarcina exercitată pe componenta femurală și favorizează ruperea tibiei protetice.

Asupra articulației șoldului acționează forțe în plan frontal și sagital. În plan sagital aceste forțe tind să încline coada protezei spre posterior. Centrul de greutate al corpului se află pe linie mediană, anterior celei de-a doua vertebre sacrate și este posterior articulației. Forțele acționând în aceași direcție cresc când șoldul încărcat este flectat, ca atunci când subiectul se ridică de pe un scaun, la urcatul și coborâtul scărilor, sau în înclinație și întindere.

Forțele care acționează asupra componentei femurale protetice, atât în plan sagital cât și frontal, produc asupra ei un efect de torsiune. Astfel, în timpul ciclului de mers, forțele sunt direcționate contrar capului femural protetic, cu un unghi polar între 15-25°, anterior planului sagital al protezei (fig. 3.16).

Fig. 3.16 Sistemul forțelor asupra femurului

În timpul urcatului scărilor și îndreptării piciorului care se ridică, forța rezultată este aplicată într-un punct chiar îndepartat, anterior capului. Din acest motiv, ruptura tijei protetice femurale începe de obicei în partea antero-laterală. De aceea, în modelarea biomecanică a componentei femurale protetice se urmărește cu insistență creșterea rezistenței porțiunii proximale a cozii pentru a umple cât mai bine metafiza și a crește astfel stabilitatea torsională a capului femural.

Din studiile efectuate rezultă că punctul de presiune maximă, la contactul cap femural-cupă acetabulară, descrie o elipsă, centrul de rotație fiind în centrul geometric al capului femural aproximat cu o sferă . Această mișcare eliptică areun rol deosebit de important în apariția unei stări de preuzură de la nivelul cupei acetabulare protetice (confecționată din polietilenă hiperdensă – UHMWPE)

Astfel, deși suprafața cupei nu este alterată, în structura acesteia se observă o slabire a calităților mecanice, unidirecțional, prin ruperea legăturilor cristaline pe direcția de abducție-adducție datorată tensiunilor tangențiale din substrat.

Fig. 3.17 Sistemul de axe caracteristic articulației de șold

În fig 16 sunt reprezentate cele trei axe caracteristice unei articulații de șold. Astfel:

– axa X este caracteristică mișcării de abducție-adducție,

– axa Y corespunde.mișcării de flexie+extensie

– axa Z este cea de rotație.

În mers principala axă este flexie extensie ±20 grade, iar la mișcarea de abducție adducție sunt ±5 grade. Mișcarea de rotație se poate neglija. Punctele extreme ale mișcării se găsesc pe o elipsa. Punctul A este cprespunzător flexiei maxime și pe direcția de flexie extensie are viteza zero, iar pe direcția de abducție adductie are viteza maximă B. Punctul C este asemănător punctului A, diferind doar sensul mișcarii, la fel si D cu B.

Fig. 3.18 Modelul biomecanic al sistemului anatomic șold – coapsă:forțele ce acționează asupra sistemului anatomic (a);descompunerea forțelor ce acționează asupra sistemului anatomic (b).

Pentru un subiect uman cu masa 53 kg în poziția de echilibru ortostatic, forțele ce acționează asupra sistemului anatomic șold-coapsă sunt reprezentate în fig. 7. a, b, acestea fiind reprezentate în planul frontal, unde:

FM – forța exercitată de către mușchii abductori, FM = 600 N;

FMx,y – componentele pe axele Ox, Oy, a forței exercitată de către mușchii abductori, [N];

Rs – forța de reacțiune din articulația șoldului, [N];

Rsx,y – componentele pe axele Ox, Oy, a forței de reacțiune din șold, [N];

Gc – greutatea coapsei, Gc = 52 N;

A, B, C, O – marele trohanter, articulația genunchiului, centrul de greutate al coapsei, articulația șoldului;

α– unghiul pe care îl face mușchiul abductor cu verticala, α= 35°;

β – unghiul de înclinație al gâtului femural față de orizontală, β = 45°;
a, b, c, d, e, f, g – distanțele ce se formează între componentele forțelor interne și centrul de rotație al articulației șoldului, respectiv: a = 0,325 m; b = 0,2 m; c =0,025 m; d = 0,011 m; e = 0,018 m; f = 0,025 m; g = 0,4 m și AO = 0,035 m;

Rgx,y – componentele pe axele Ox, Oy, a forței de reacțiune din articulația genunchiului, unde Rgx = 3,8 N și Rgy = 394 N;

Mg – momentul reactiv din articulația genunchiului, Mg = 20,3 Nm;

Ms – momentul reactiv din articulația țoldului, [Nm].

Ținând seama de modelul biomecanic din fig. 3.18 b și de datele menționate anterior, se vor calcula componentele forțelor de reacțiune pe cele două direcții (Rs x,y) și momentul reactiv din articulația șoldului (Ms). Pentru determinarea necunoscutelor este necesar scrierea ecuațiilor de echilibru. Datorită faptului că subiectul uman se găsește în poziție ortostatică, suma forțelor nu mai este egală cu forța de inerție dată de condiția dinamică, ci va fi egală cu zero, după cum urmează:
(3.18)

Astfel, ecuațiile de echilibru pentru modelul biomecanic prezentat în fig. 7 se particu-larizează sub forma:

(3.19)

Din sistemul ecuațiilor de echilibru (3.19) se va obține:

(3.20)

Se cunoaște faptul că forța musculară dezvoltată de mușchiul abductor, FM = 600 N și face cu verticala un unghi de α = 35°. Astfel, forța musculară se descompune după cele două direcții Ox, Oy în două componente, FMx,y. Ținând cont de modul de descompunere a forței musculare și de unghiul α, va rezulta faptul că:

(3.21)

Înlocuind sistemul de ecuații (3.21) în sistemul de ecuații (3.20) se vor obține următoarele:
(3.22)

Înlocuind în sistemul de ecuații (3.22) valorile numerice ale parametrilor specifici modelului biomecanicdin fig. 3.18, s-au obținute valorile forțelor de reacțiune și a momentului reactiv din șold: Rsx = 347,94 N; Rsy = 686,15 N și Ms = -1,23 Nm.

În urma rezultatelor obținute se poate reface modelul biomecanic al sistemului anatomic șold – coapsă, reprezentat în fig. 3.18. Astfel, sensurile forțelor de reacțiune și al momentului vor fi corectate, după cum se poate observa în fig. 3.19.

Fig. 3.19 Modelul biomecanic al sistemului anatomic șold – coapsă revizuit după determinarea valorică a forțelor de reacțiune și a momentului reactiv din articulația șoldului.

3.5.2. Elemente de dinamică

În ortostatism, cu sprijinul pe ambele membre pelviene, capul femurului este solicitat la compresiune. Această solicitate se datorează greutății corpului situat deasupra articulației coxofemurale. Sprijinindu-se pe ambele capete femurale, bazinul nu necesită pentru stabilizarea sa în plan frontal decât forțe musculare mici. Greutatea corpului este transmisă direct și egal la cele două capete femurale.

În cazul sprijinului unipodal, condițiile sunt complet schimbate. Pentru determinarea reacțiunilor din articulația coxofemurală, se notează cu G1 greutatea părții superioare a corpului suportată de capul femural (cap trunchi, membre toracice, membrul pelvian oscilant-stâng). Această greutate totală este G1 = 5/6 G, unde G este greutatea totală a corpului uman.

Fig. 3.20. Forțele de reacțiune din membrul pelvian portant.

Notând de asemenea cu Fh,Z și Fh,Y reacțiunile din articulație, iar cu Mh, momentul reactiv din articulație și cu Gb greutatea membrului pelvian portant, se poate scrie următoarele ecuații de echilibru:

(3.23)

(3.24)

(3.25)

(3.26)

unde: Gh – este greutatea membrului pelvian de sprijin, și:

Stiind că:

(3.27)

(3.28)

Se va obține:

(3.29)

Având în vedere că se va obține relația:

din care rezultă că:

(3.30)

care exprimă deplasarea greutății G1 spre membrul pelvian oscilant, în cazul sprijinului unipodal.

3.5.3. Comparație între transmisibilitatea de la nivelul unei articulații normale și una protezată

În cazul unei articulații normale sunt practic trei sisteme de amortizare reprezentate de cele două cartilaje și de lichidul sinovial, în timp ce la o proteză articulară de tip Charnley în care cupa cotiloidă este realizată din polietilenă de înaltă densitate (UHMWPE), iar capul femural este realizat din oțel aliat pe bază de Co-Cr, singurul sistem de amortizare este cupa cotiloidă (componenta acetabulară) (figura 3.21.).

Fig.3.21. a) articulația de șold normală; b) detaliu în care sunt reprezentate sistemele de amortizare; c) articulație protezată; d) detaliu de la articulatia protezată în care este reprezentat sistemul de amortizare.

Considerând că asupra articulației normale și a celei protezate acționează aceeași forță redusă F, se vor calcula transmisibilitățile pentru cele două situații.

Articulația normală: – din literatura de specialitate sunt date modulul de elasticitate al cartilajului E = 0,76 Mpa, grosimea cartilajului pentru cupa acetabulară și capul femural în zona de contact t = 4mm, la o deformație de 0,1 mm cartilajul își revine la dimensiunea inițială într-un minut, de unde se poate calcula tangenta unghiului de pierderi tanδ = 0,66, cu datele de dinainte se calculează și pulsația la rezonanță ωN = 16,981 rad/s, iar pulsația pe parcursul unui pas în regim de mers normal este ω = 25,132 rad/s.

Transmisibilitatea pentru cartialj TRcartilaj este: TRcartilaj = 0,881, dar, conform figurii 3.21, sunt date două cartilaje, deci transmisibilitatea TR1 va fi: TR1 = TR2cartilaj = 0,766.

În concluzie, forța trasmisă pentru o articulație normală este:

În realitate, valoarea va fi mult mai mică, întrucât nu s-a luat în considerare amortizarea indusă de lichidul sinovial.

Articulația protezată. – în acest caz s-a luat în calcul o cupă acetabulară confecționată din polietilenă cu densitate mare (UHWMPE), cu un modul de elasticitate E = 1400 Mpa, diametrul interior 32 mm, diametru exterior 44 mm, și în condițiile de mers normal, s-a calculat tangenta unghiului de pierderi tanδ = 0,02. În acest caz transmisibilitatea este TR2 = 1,001. Forța transmisă în această situație este:

Din ecuațiile de mai sus rezultă că în cazul articulației protezate forța transmisă de la articulația șoldului la cea a genunchiului este mai mare ce ne duce la concluzia că aceasta din urmă va fi afectată.

3.5.4. Elementele componente ale unei proteze totale de șold

Protezarea totală a șoldului este indicată în cazul pseudartrozei de col femural cu necroza capului, la indivizi peste 60 de ani. Tot peste această vârstă, intervenția are indicații relative în coxartroză, nevroză aseptică, eșecurile osteosintezei septice de col, sechele după fracturile de cotil, sechele după artritele septice și TBC, protruzia acetabulară din artrita reumatoidă. La indivizii peste 65 de ani, tehnica își poate găsi indicația și în fracturile recente ale colului femural. în condiții cu totul deosebite (artrite reumatice, sinovite vilo-modulare, luxație congenitală inveterată, distrofii sau tumori ale capului femural),intervențla poate fi aplicată și sub 50 de ani.

Prima proteză totală de șold, alcătuită din doua componente, una femurală și una acetabulară, care să articuleze congruent, a fost imaginată de Ph. Wiles încă din anul 1938. În anul 1951 au fost operate trei cazuri, în două din cazuri s-au aplicat proteze realizate din oțel și a fost necesară extragerea lor după un an și acceptarea rejecției cap-col tip Girldstone. Cel de-al doilea caz, s-a soldat cu un bun rezultat funcțional timp de trei ani, când proteza s-a rup, și a trebuit de asemenea extrasă.

Numeroase critici aduse cimentării au stimulat o serie de specialiști să revină la protezele totale care nu necesită cimentare (tabelul 3.3.).

Proteza totala de șold, prezentată în figura 3.21, este alcătuită din doua piese, una femurală și una acetabulară. Piesa femurală (1) este alcătuită dintr-o extremitate sferică atașată prin intermediul unui gât de o coadă, ce are o lungime specifică. Coada (c) are profil dreptunghiular în formă de pană, cu lăcașuri de ușurare și un orificiu de extracție (d). Gâtul (b), care unește coada cu sfera, are o formă cilindrică și o bază de așezare pe extremitatea secționată a colului femural. Pe partea adiacentă cozii se găsesc trei trepte pe care se face așezarea pe masivul micului trohanter. Unghiul de înclinare dintre coada protezei și gâtul cu capul sferic este de 143°.

Piesa acetabulară (2) este formată dintr-o calotă sferică (f) al cărui interior se articulează cu capul părtii femurale și are forma unei scobituri emisferice. Prezintă pe diametrul periferic 4 canale echidistante (e) și se prelungește pe axă cu o tijă filetată, perforată în tot lungul ei de un orificiu (i) în care se poate introduce o tijă de ghidare.

În cazul extremității sferice, aceasta se mai poate realiza din aliaje metalice cobalt-crom, precum și din ceramică.

3.5.5. Metode de protezare a șoldului

a) Metoda de protezare a șoldului prin cimentare

Fig. 3.24 Proteză totală de șold cementată;

a)radiografie; b) vedere schematică

Chiar dacă acest tip de protezare (protezare cimentată) este pe termen scurt un avantaj, pe termen îndelungat (10-15 ani) devine un dezavantaj, datorită distrugerii materialului de adeziune dintre partea metalică a protezei și os. Distrugerea adezivului este mai des întâlnită în rândul pacienților în vârstă. Din aceste motive metoda de protezare prin cimentare se folosește în cazul pacienților mai tineri și mai activi.

b) Metode de protezare a șoldului fără cementare

În cazul protezării fără cementare se vor folosi materiale ale căror suprafață prezintă porozități, pentru ca țesutul osos ce împrejmuiește proteza să poată adera cu ușurință la această suprafață. Dacă în primul caz, protezarea prin cimentare, adeziunea dintre os și partea metalică a protezei se făcea cu ajutorul unui polimer acrilic, în acest caz adeziunea se face în timp prin aderarea țesutului osos la suprafața implantului. Acest proces din urmă se mai numește și osteointegrare.

Acest tip de proteze sunt proporționale cu greutatea pacientului, și sunt mai mari și mai lungi în comparație cu protezele ce folosesc cimentarea. Acest lucru se datorează suprafețelor de adeziune dinte țesutul osos și implant, care cu cât sunt mai mari cu atât durata de viață a implantului este mai mare.

Uneori dacă este necesar, protezarea totală a articulației șoldului se face și hibrid, adică prin combinarea metodei de protezare prin cementare cu metoda de protezare fără cementare (figura 3.24)

Fig. 3.24 Protezare fără cementare: a) radiografie; b) vedere schematică.

Durabilitatea unui implant este un factor ce depinde componentele utilizate (tipul de materiale și tipul de suprafață a acestora), de tehnica și calitatea fixării implantului, nivelul de activitate al pacientului, precum și de biocompatibilitate (reacția corpului față de implant).

Cele mai dese combinații de materiale în cazul unei proteze totale de șold sunt metalele sau ceramicele contra polietilenei. Durabilitatea unui implant este mai mică în cazul pacienților mai tineri decât în cazul pacienților în vârstă, datorită nivelului lor de activitate. Particulele rezultate în urma frecărilor ce au loc în articulația artificială produc reacții adverse din partea țesutului care îl înconjoară, și de aici rejecția totală a implantului de către corp.

Pornind de la faptul ca dimensiunile capsulei din polietilenă sunt proportionale cu cele ale extremității sferice a componentei femurale, este recomandat ca în cazul pacienților tineri, extremitatea sferică să aibă un diametru de 22 mm, ducând astfel la o uzură mai mică a implantului. Pe de altă parte, acest fapt constituie un dezavantaj în fața instabilității.

Articulația artificială a șoldului metal-metal a fost folosită pentru prima dată în America în anii 1960. Datorită unei tehnologii nu prea avansate, componentele unei proteze precum și fixarea acesteia erau primitive în comparație cu cele folosite astăzi. Astăzi, componentele unei articulații artificiale au o rugozitate mică, acest lucru ducând la o mai mică uzură.

Fig. 3.25 Protezare hibridă: a) radiografie; b) vedere schematică.

Uzura volumetrică a componentelor metalice în comparație cu cele realizate din polietilenă, este de la 20-100 de ori mal mică, depinzând de mărimea suprafeței de contact. Datorită unei uzuri volumetrice mai mici, reacția biologică a țesutului uman este mai puțin inflamatorle. Deci, în cazul în care se dorește mărirea suprafeței de contact metal-metal, acest lucru crescând stabilitatea implantului, în comparație cu suprafața metal-polietirenă, nu vor existata penalități.

Protezele totale de șold ceramică-ceramică, au început să fie utilizate în Europa încă din anii 1970. Dar la început au fost probleme ce se datorau existenței particulelor mari din structura materialului, ceea ce ducea la fisurare. Fabricarea ceramicii este acum mult mai avansată, iar riscul de fisură este mult mai mic. Aceste materiale au o uzură foarte mică, asemănătoare cu cea produsă de metale. Dar, datorită structurii nu prea performante a ceramicelor, componenta acetabulară (capsula) trebuie realizată cu o grosime mai mare, micșorându-se riscurile de fisuri.

Pe baza relațiilor prezentate anterior se poate realiza programarea simulatorului biomedical pentru orice articulație al sistemului locomotor în vederea simulării unor mișcări cu intensități și forțe variabile pentru reabilitarea sistemului locomotor.

Capitolul 4

Dispozitiv simulator biomecatronic

4.1. Introducere

Se prezintă în acest capitol două tipuri de mecanisme simulatoare pentru reabilitarea locomotorie. Primul dispozitiv se referă la simularea mișcărilor membrului inferior utilizând motoare pneumatice de acționare. Aceste simulatoare au în vedere principiul structurii sistmului de locomoție al omului.

Scheletul membrelor inferioare este format din centura pelviană și scheletul membrului inferior liber și prezintă o serie de particularități imprimate de ostostatism și locomoția bipedă.

Scheletul membrelor inferioare asigură stabilitatea, susțin greutatea corpului și amortizează acțiunea forțelor din timpul alergării și săritului. Cele trei părți ale membrului inferior sunt: coapsa, care se extinde de la pelvis la genunchi, gamba, care se extinde de la genunchi la gleznă și talpă. (figurile 4.1 și 4.2)

Scheletul membrului inferior se prezintă în figura 4.3.

1.marele trohanter;

2. epicondilul lateral;

3. condilul lateral

4. Fibula;

5. maleola laterala;

6. capul femurului;

7. gatul femurului;

8. femurul;

9. rotula;

10.epicondilul medial;

11.condilul medial

12.tibia;

13.maleola mediala;

14. talus;

15.metatas;

16.falange;

Fig. 4.3 Scheletul membrului inferior:

Scheletul membrului inferior prezintă în principal trei articulații de bază:

articulația femur-pelvis, formată din capul femurului (sferic) și buzunarul pelvisului (acetabulum), care este o articulatie sferică;

articulația femur-gamba, articulația trohleana (genunchiul).

articulația gleznei (încheietura gleznei) unde tibia se articulează cu talusul (os al gleznei).

Elementele principale ale scheletului (elemente de legatură) sunt: femurul (osul coapsei) și tibia (cel mai mare os al gambei).

Picioarele (tapla) susține greutatea corpului, menține echilibrul. Picioarele acționează ca parghii care împing corpul inainte în timpul mișcării. Fiecare picior are 26 de oase, care îmbinate cu prezența ligamentelor faciliteaza funcția piciorului de suport al de grutate și mișcare. Între aceste oase exista o serie de articulații. Pe baza structurii acestor schelete se concep și se realizează orice dispozitiv de protezare sau ortezare.

4.2. Modelul cinematic al membrului inferior.

Lanțul cinematic al membrului inferior conține subansamble, putând fi considerate rigide în modelarea cinematică, format din: coapsă, gambă și picior, legate între ele prin cuple cinematice corespunzătoare articulațiilor prezentate anterior:

Articulația coxofemurală, este o articulație tipic sferică (cupla cinematică de

clasa a III-a), având trei grade de libertate.

Articulația genunchiului, este cea mai mare articulatie a corpului uman,

considerată ca având trei grade de libertate (cuplă cinematica de clasa a III-a). Aici apare o combinație de rostogolire și alunecare.

Articulația gleznei , care poate fi considerata tot o cuplă cinematică de clasa a

III-a, având trei grade de libertate.

Pentru studiul cinematic complet al membrului inferior, se poate considera o structură în lant cinematic deschis, serial cu 10 grade de libertate, câte trei la nivelul articulațiilor prezentate anterior și o rotație (clasa a 5-a) de flexie – extensie având axa prin corpul talusului. Prin aceasta mișcare fața dorsală a piciorului se îndeparteaza de gambă, având o amplitudine de 60 – 80o.

Modelul cinematic complet, ținând cont de cele arătate, se prezinta în figura 4.4, iar modelul cinematic simplificat se prezintă în figura 4.5.

Se consideră dimensiunile scheletului notate cu:

F – lungimea femurului

T – lungimea tibiei

P – lungimea plantei ( tars- metatars)

D – lungimea falangelor

B – lățimea bazinului ( osul sacru)

Pentru studiul simulatorului se consideră modelul cinematic simplificat ( figura 4.5). Se consideră membrul inferior ca o structură în lanț cinematic deschis cu 4 grade de libertate, având 4 cuple cinematice de rotație. Se consideră un sistem de referință fix X0O0Y0Z0, cu originea la jumatatea lățimii bazinului. Se atașează câte un sistem de referință la fiecare articulație ( cupla cinematică) respectând convenția Hortenberg – Denevitt (H – D).

Pentru membrul inferior drept variabilele articulare se prezintă în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1 Variabilele articulare pentru membrul inferior drept

Se poate considera matricea de trecere ce reprezintă situarea degetelor față de sistemul de referință fix, prin scrierea matricelor de trecere de la un sistem la altul:

(4.1)

(4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5)

Prin scrierea matricelor particulare și efectuând produsele, aplicând simplificările cunoscute (cos = C; sin = S) se obține:

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9) (4.10)

Considerând matricile de situare a degetelor:

(4.11)

Utilizand programe Matlab, rezulta ecuatiile cinematice ale modulului redus:

nx = S1-2-3-4

ny = -C1-2-3-4

nz = 0

x = C1-2-3-4

y = S1-2-3-4

z = 0 (4.12)

ax = 0

ay = 0

az = 1

Px = DS1-2-3-4 + PS1-2-3 + TC1-2 + FC1

Py = – DC1-2-3-4 – PC1-2-3 + TS1-2 + FS1

Pz =

Se observă că ecuațiile cinematice sunt selectiv simple, forma lor se datorează faptului că toate cuplele cinematice au axele paralele.

4.4. Descrierea dispozitivului simulator

Dispozitivul simulator este conceput în prima fază pentru a simula mișcările unui singur membru inferior, putând fi extins pentru simularea succesivă a mișcărilor pentru ambele membre inferioare.

Structura mecanică a fost concepută pe baza lanțului cinematic simplificat (figura 4.5), iar acționarea cuplelor cinematice de rotație se realizează utilizând motoare pneumatice liniare cu piston. Schema de principiu este prezentată în figura 6. Construcția cuprinde placa 3, jucând rolul de femur, racordată la placa suport 2 (șold) prin cupla cinematică de rotație 4, iar la partea inferioară este racordată prin articulația 5, suportul 15 la placa 14, care joacă rol de tibie. Placa 14 este racordată prin articulația 20 la placa 19, care joacă rol de gleznă. Piciorul cuprinde o placă superioara 22 între care se găsesc șase senzori de forță. Talpa este articulată la gleznă prin articulația 24 și menținută în echilibru prin arcul lamelar 25, care joacă rol de element de compleanță.

Întregul sistem mecanic prezentat este racordat la un cadru suport 26, prin articulația sferica 1 (pivot), care joacă rolul capului femural si pelvis.

Sistemul de acționare pentru un membru inferior cuprinde trei motoare liniare cu piston, având diametrul de 20mm și lungimea cursei de 50-100mm, de tip FESTO. Fiecare motor este racordat prin articulații la un element din amonte și unul din aval al cuplei cinematice pe care o acționează. Motorul 6 pune în mișcare femurul față de șold, motorul 10 pune în mișcare tibia față de femur (articulația genunchiului), iar motorul 16, pune în mișcare piciorul față de tibie simulând articulația gleznei.

Motoarele pneumatice cu dublă acțiune sunt alimentate prin conducte din plastic de la un microprocesor cu baterii, prin intermediul unor distribuitoare, comandate la rândul lor printr-un sistem de comandă.

Fig. 4.6 – Simulator biomecatronic

Dispozitivul simulator prezentat poate fi atașat unui membu inferior sau ambelor membrelor inferioare și programat pentru realizarea unor mișcări de reabilitare similare mișcărilor normale.

Un exemplu de atașare a unui astfel de simulator la un membru inferior este prezentat în fig. 4.7.

Fig. 4.7 Exemplu de atașare a unui simulator

4.5. Sistem de reabilitare cu simulator de structură paralelă

Acest sistem utilizează un mecanism robotic de structură paralelă pentru simularea mișcărilor membrelor inferioare. El este atașat unui ansamblu în care se găsește omul supus reabilitării. Sistemul este prezentat în figura 4.8

Fig.4.8 Sistem simulator cu mecanism de structură paralelă

Fig.4.9 Structura cinematică a sistemului simulator

Un exemplu de mecanism cu structură paralelă este prezentat în figura 4.10.

Mecanismul este format dintr-un cadru metalic, care reprezintă platforma fixă (1) și care se fixează de cadrul sistemului simulator. De platforma fixă se racordează prin cuple cinematice de rotație (2) conexiunile mecanismului (3) care sunt cuple cinematice de translație acționate prin motoare pneumatice liniare.

Tija motoarelor liniare (4) se racordează prin cuple cinematice de rotație(5) la elementul de ieșire – platforma mobilă (6). Față de această platformă mobilă, se fixează talpa piciorului care primește mișcările imprimate apoi întregului sistem.

Articulațiile conexiunilor pot fi realizate și prin cuple cinematice sferice, mărindu-se gradul de mobilitate al platformei mobile.

Fig.4.10 Model CAD a unui mecanism de structură paralelă

Mecanismul cu structură paralelă simulează mișcări similare operatorului uman în vederea efectuării exercițiilor fizice de reabilitare a sistemului locomotor. Mecanismul paralel este format dintr-o platformă fixă, o platformă mobilă care reprezintă efectorul final și conexiuni între cele două platforme care cuprind cuple cinematice sferice și cuple cinematice de translație realizate cu diferite tipuri de actuatori. Acestea sunt cuplele cinematice conducătoare.

În continuare am analizat un mecanism cu structură paralelă cu acționare electromecanică care poate fi utilizat într-un sistem de reabilitare.

Simularea reprezintă funcționarea modelelor pe calculator.

În funcție de programul utilizat, modul de obținere a modelelor diferă:

Fig.4.11 Model CAD al unui mecanism de structură paralelă.

– elementele dispozitivelor de ghidare se pot obține din corpuri geometrice simple, prin operații booleene, care apoi se asamblează în același fișier;

– elementele dispozitivelor de ghidare se pot obține de asemenea din corpuri geometrice simple; fiecare element se realizează în câte un fișier separat, asamblarea elementelor realizându-se într-un alt fișier care le înglobează pe cele existente.

În vederea simulării se definesc elementele fixe și cuplele cinematice. Pentru cazul cuplelor cinematice conducătoare, se definesc deplasările relative maxime posibile ale elementelor componente (cursele maxime).

În cadrul simulării se pot impune deplasările relative ale elementelor cuplelor cinematice conducătoare, conferindu-se astfel anumite situări elementelor conduse (modelul geometric direct) sau se poate impune o anumită situare platformei mobile, conferindu-se elementelor componente ale cuplelor cinematice conducătoare și conduse anumite deplasări relative (modelul geometric invers).

În continuare se prezintă diferite situări ale elementelor mecanismelor dispozitivului simulator cu topologie paralelă obținute în urma simulării, pe baza parametrilor utilizați în cadrul modelării geometrice a acestor mecanisme. În figurile 4.12, se prezintă diferite situări ale elementelor mecanismelor PF3 + 3xRTR + PM3, PF3 + 3xRRS + PM3, respectiv PF3 + 6><STS + PM3

Fig 4.12 Simularea mișcarilor elementelor mecanismelor PF3 + 3xRTR + PM3

Figura 4.13 Simularea mișcarilor elementelor mecanismelor PF3 + 3xRRS + PM3.

Concluzii

În cadrul prezentului proiect de diplomă, în conformitate cu tema dată și capitolele stabilite de către coordonatorul științific , mi-am adus următoarele contribuții:

Am realizat o sistematizare a materialului bibliografic studiat privind apariția destul de secretă a mecatronicii, precum și prezentarea domeniilor principale în care a pătruns conceptul de mecatronică, printre care și medicina și reabilitarea.

Am prezentat noțiuni generale privind structura sistemului locomotor al omului, pentru care am insistat în studiul dispozitivelor de reabilitare.

Am prezrntat realizări în domeniul sistemelor și dispozitivelor utilizate în reabilitatea sistemului locomotor.

În final amstudiat un sistem de reabilitare utilizând un simulator având structura similară unui robot cu arhitectură paralelă.

În continuare am conceput un dispozitiv de simulare a sistemului locomotor cu acționare pneumatică.

Consider că obiectivele propuse prin temă au fost realizate.

Bibliografie

Babuția I., Mureșan I., Dragomir T.L ș.a. : "Conducerea automată a proceselor" – Ed. Facla, Timișoara, 1985.

Dolga V. "Traductoare și senzori" – Ed. Facla, Timișoara, 1996.

Davidovici A., ș.a : Modelarea, simularea și comanda manipulatoarelor și roboților industriali" – Ed. Tehnică, București, 1986.

Doroftei I., “Mobile robots developed at ULB”, în Robotica la sfârșit de mileniu, Editura Universității din Oradea, 2000;

Fatikow S. ș.a., “Tehnologia microsistemelor și microrobotică”, Ed. Tehnică, București, 1999;

Kovacs F. ș.a.: "Introducere în robotică", Ed. Printech, București, 2000.

Kovacs F., Țarcă R.C., “Roboți de servicii”, Ed. Universității din Oradea, 2001;

Mătieș V. ș.a., “Tehnologie mecatronică și procesul educațional”, Ed. Dacia, Cluj-Napoca, 2001;

Radu C., Roșca I., – “Biomecanica și protezarea șoldului” – Analele Universității din Oradea, 2004

Sassan A., “Biotehnologii și dezvoltare”, București, 1996;

Starețu I., “Sisteme de prehensiune”, Ed. Libris, Brașov, 1998;

Starețu I. ș.a., “Mâini mecanice”, Editura Libris, Brașov, 2002;

Tripe Vidican C., Tripe Vidican A., ș.a.: "Actuatori și microactuatori – realizări, tendințe" – Analele Universității din Oradea, 2002.

Tripe Vidican A – “Sisteme mecatronice” – Ed. Universității din Oradea, 2004

Tripe Vidican A. : "Proiectarea și Construcția Sistemului Mecanic al R.I." – Ed. Universității din Oradea, 2006

Thomas McCracken – “Nou atlas de anatomie umană” – Editura Aquila 1993, Oradea

Țarcă R.C., “Introducere în robotică”, Ed. Universității din Oradea, 2003;

https://grabcad.com/library/tag/knee

http://www.ottobock.ro/proteze/produse-de-la-a-la-z/genunchiul-protetic-c-leg/

www.ortotech.ro/