Математическое моделирование силового взаимодействия экзоскелета и человека при реабилитации больных с повреждениями нижних конечностей

Цель исследования. Обеспечение заданной точности последовательных и параллельных движений в голеностопе, колене, бедре активного реабилитационного экзоскелета нижних конечностей с одновременной частичной разгрузкой голеностопного и коленного суставов от осевых нагрузок за счет установки одного из приводов вращательного движения на бедерном суставе. Задачи: разработка и реализация стратегии активно - пассивного движения (АПД), при которой фазы пассивного движения нижних конечностей (при этом, экзоскелет обеспечивает перемещение конечностей), сочетаются с фазами активного движения, когда сам пациент осуществляет желаемое движение, а экзоскелет ассистирует ему. Сравнительный анализ результатов экспериментов и оценка адекватности и применимости математической модели.

Методы. Исследование выполнено в соответствии с общепринятыми методами проведения и планирования экспериментальных исследований. При моделировании движения нижних конечностей учитываются параметры, характеризующие силовое взаимодействие экзоскелета и человека, что позволяет определять реакции в тазобедренном шарнире и синтезировать параметры системы управления с учетом внешних возмущающих воздействий.

Результаты. Разработана математическая модель движения нижних конечностей реабилитационного тренажерно - обучающего комплекса, отличающаяся от известных тем, что наряду с учетом кинематических и динамических особенностей движения звеньев реабилитационного устройства, учитываются параметры, характеризующие силовое взаимодействие экзоскелета и человека, что позволяет определять реакции в тазобедренном шарнире и синтезировать параметры системы управления с учетом внешних возмущающих воздействий.

Заключение. Предлагаемая в работе математическая модель и структура реабилитационного аппарата в виде плоского манипулятора – экзоскелета, оснащенного двумя приводами, один из которых совмещен с осью тазобедренного сустава человека, позволяет скомпенсировать влияние активных и реактивных сил, действующих на тазобедренный сустав человека при выполнении медицинских манипуляций.

1. Knyazev A. A., Yatsun A. S., Fedorov A. V. Information systems of the device for active-passive mechanotherapy of the ankle joint // International Journal of Open Information Technologies. 2023. Vol. 11, № 4. P. 47-54.

2. Bonato P., Reinkensmeyer D., Manto M. Two decades of breakthroughs: charting the future of NeuroEngineering and Rehabilitation // Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 2025. Vol. 22, № 1. P. 1-2. https://doi.org/10.1186/s12984-025-01580-5.

3. Shi D. et al. A review on lower limb rehabilitation exoskeleton robots // Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019. Vol. 32, № 1. P. 1-11. https://doi.org/10.1186/s10033-019-0389-8.

4. Sanchez-Manchola M. et al. Development of a robotic lower-limb exoskeleton for gait rehabilitation: AGoRA exoskeleton // 2018 IEEE ANDESCON. – IEEE, 2018. P. 1-6. DOI: 10.1109/ANDESCON.2018.8564692.

5. Different profiles of upper limb function in four types of neuromuscular disorders / A. Bergsma, M. M. Janssen, A. C. Geurts, E. H. Cup, I. J.. de Groot // Neuromuscular disorders. 2017. Vol. 27(12). P. 1115-1122. https://doi.org/10.1016/j.nmd.2017.09.003

6. The assistive gait devices and their implementation in activities of daily living for patients with neuromuscular disease: A systematic review and meta-analysis / M. Mijic, C. Wirner-Piotrowski, A. Jung, K. Gutschmidt, M. Arndt, N. García-Angarita, ... B. Schoser // Journal of Neuromuscular Diseases. 2024. P. 22143602241289216. DOI: 10.1177/22143602241289216

7. Павловский M. A., Акинфеева Л. Ю., Бойчук O. Ф. Теоретическая механика. Динамика. Киев: Выща шк., 1990. 480 с.

8. Safarov D. I., Tistsov E. D., Yatsun S. F. Simulation of interaction between a person and a rehabilitation exoskeleton // International Journal of Open Information Technologies. 2024. Vol. 12, №. 4. P. 108-115. DOI: 10.25559/INJOIT.2307-8162.12.202404.108-115.

9. Emelyanova O., Tistsov E., Jatsun S. Automation Control of the Movement of Robotic Device for Patient Positioning // International Russian Automation Conference (RusAuto-Con). IEEE, 2024. Р. 537-542. DOI: 10.1109/RusAutoCon61949.2024.10693953.

10. Jatsun S., Emelyanova O., Fursov G. Modeling of Controlled Motion of a Rehabilitation Exoskeleton for the Lower Extremities // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). IEEE, 2025. Р. 682-687. DOI: 10.1109/ICIEAM65163.2025.11028542.

11. The effectiveness of wearable upper limb assistive devices in degenerative neuromuscular diseases: A systematic review and meta-analysis / M. Gandolla, A. Antonietti, V. Longatelli, A. Pedrocchi // Frontiers in bioengineering and biotechnology. 2020. Vol. 7. P. 450. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00450.

12. Muramatsu H., Katsura S. Repetitive motion-reproduction based on a motion-copying system for automation of human motions // 2017 56th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan (SICE). IEEE, 2017. P. 1443-1446. DOI: 10.23919/SICE.2017.8105611.

13. Miura K., Matsui A., Katsura S. Synthesis of motion-reproduction systems based on motion-copying system considering control stiffness // IEEE/ASME Transactions On Mechatronics. 2015. Vol. 21, № 2. P. 1015-1023. DOI: 10.1109/TMECH.2015.2478897.

14. Monitoring contact behavior during assisted walking with a lower limb exoskeleton / X. Wan, Y. Liu, Y. Akiyama, Y. Yamada // IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering. 2020. Vol. 28, no. 4. P. 869-877. DOI: 10.1109/TNSRE.2020.2979986.

15. Bembli S., Haddad N. K., Belghith S. Computer aided decision model to control an exoskeleton-upper limb system // International conference on advanced systems and emergent technologies (IC_ASET). IEEE. Hammamet, Tunisia, 2019. P. 166-172. DOI: 10.1109/ASET.2019.8871010.