Проектирование и разработка роботизированного прототипа для реабилитации голеностопного сустава
DOI:
https://doi.org/10.52889/1684-9280-2025-76-5-jto021Ключевые слова:
голеностопный сустав , объем движений в суставе , ортопедические процедуры , реабилитация , робототехника , экзоскелетАннотация
Целью данного исследования являлась разработка и создание роботизированного устройства для реабилитации голеностопного сустава, способного воспроизводить физиологические движения стопы в трех анатомических плоскостях и поддерживать как активные, так и пассивные режимы терапии. Устройство предназначено для реабилитации после травм и хирургических операций на голеностопном суставе, для пациентов с неврологическими нарушениями двигательной функции нижней конечности, а также для проведения биомеханических исследований движений стопы. Для разработки платформы использован метод автоматизированного проектирования. Конструкция обеспечивает тыльное и подошвенное сгибание, инверсию и эверсию, а также внутреннюю и наружную ротацию. Механическая система включает перфорированную платформу для фиксации стопы, дуговые направляющие с роликовыми опорами, три линейных актуатора для преобразования поступательных движений в угловые и центральный опорный узел для вращения по вертикальной оси. Все конструктивные элементы изготовлены из анодированного алюминия и инструментальной стали, что обеспечивает прочность, легкость и устойчивость к коррозии. Система управления основана на микроконтроллере с энкодерами, драйверами и механизмами безопасности. Программное обеспечение поддерживает ручной, полуавтоматический и автоматический режимы терапии с возможностью калибровки и сохранения параметров пациента. Кинематическое моделирование подтвердило возможность достижения требуемого диапазона движений: тыльное и подошвенное сгибание до ±25°, инверсия и эверсия до ±15°, а также плавная внутренняя и наружная ротация. Моделирование показало высокую точность и повторяемость траекторий. Биомеханический анализ подтвердил достаточный диапазон усилий, а прочностные расчеты показали напряжения и деформации в пределах безопасных значений. Разработанный прототип робота для реабилитации голеностопного сустава демонстрирует возможность клинического применения, обеспечивая воспроизведение естественных движений стопы, надежную фиксацию и адаптивные режимы терапии. Система является перспективным технологическим решением для повышения эффективности восстановления после травм и операций, а также для расширения возможностей биомеханических исследований.
Библиографические ссылки
1. Chen, K., Xiong, B., Ren, Y., Dvorkin, A. Y., Gaebler-Spira, D., Sisung, C. E., & Zhang, L. Q. (2018). Ankle passive and active movement training in children with acute brain injury using a wearable robot. Journal of rehabilitation medicine, 50(1), 30–36. https://doi.org/10.2340/16501977-2285
2. Zhai, X., Wu, Q., Li, X., Xu, Q., Zhang, Y., Fan, S., Zhang, L. Q., & Pan, Y. (2021). Effects of Robot-Aided Rehabilitation on the Ankle Joint Properties and Balance Function in Stroke Survivors: A Randomized Controlled Trial. Frontiers in neurology, 12, 719305. https://doi.org/10.3389/fneur.2021.719305
3. Yeung, L. F., Ockenfeld, C., Pang, M. K., Wai, H. W., Soo, O. Y., Li, S. W., & Tong, K. Y. (2018). Randomized controlled trial of robot-assisted gait training with dorsiflexion assistance on chronic stroke patients wearing ankle-foot orthosis. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 15(1), 51. https://doi.org/10.1186/s12984-018-0394-7
4. Zhang, F., Wang, X., Halaki, M., Guan, C., Celler, B. G., & Su, S. W. (2018). A portable ankle rehabilitation robot for motion training and evaluation. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 26(12), 2378–2387. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2018.2879302
5. Kim, J., Lee, D., Seo, K., & Lim, B. (2020). Development of an ankle rehabilitation robot with passive and active exercise modes. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 17(1), 65. https://doi.org/10.1186/s12984-020-00705-1
6. Winter, D. A. (2009). Biomechanics and motor control of human movement (4th ed.). Wiley. Electronic resource. Access mode: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9780470549148
7. Perry, J., & Burnfield, J. M. (2010). Gait analysis: Normal and pathological function (2nd ed.). SLACK Incorporated. Electronic resource. Access mode: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3761742/
8. Gull, M. A., Bai, S., & Bak, T. (2020). A review on design of upper limb exoskeletons. Robotics, 9(1), 16. https://doi.org/10.3390/robotics9010016
9. Chang, W. H., & Kim, Y. H. (2013). Robot-assisted gait training in stroke rehabilitation. Journal of Stroke, 15(3), 174–181. https://doi.org/10.5853/jos.2013.15.3.174
10. Molteni, F., Gasperini, G., Cannaviello, G., & Guanziroli, E. (2018). Exoskeleton and end-effector robots for upper and lower limb rehabilitation: Narrative review. PM&R, 10(9), S174–S188. https://doi.org/10.1016/j.pmrj.2018.06.005
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
