автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Метод и система управления интеллектуальным протезом руки

084608361 На правах рукописи

Язид Ясин Мхесен Абу Хания

МЕТОД И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМ ПРОТЕЗОМ РУКИ

Специальность: 05.11.17- Приборы, системы и изделия

медицинского назначения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СЕН ?010

Санкт-Петербург - 2010

004608361

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

кандидат технических наук Буров Геннадий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Короткое Константин Георгиевич кандидат технических наук Кривохижина Оксана Владимировна

Ведущая организация - Санкт-Петербургский научно-практический центр медико-социальной экспертизы, протезирования и реабилитации инвалидов им. Г. А. Альбрехта (Центр)

Защита диссертации состоится часов на

заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.238.09 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" имени В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан^^ С-Сд^^ г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций —■ БолсуновК.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание технических средств для восстановления способности к ручной деятельности и самообслуживанию является сложной и во многом нерешенной проблемой. Сложность задачи заключается не только в том, что необходимо создавать легкие и прочные устройства с высоким уровнем миниатюризации отдельных частей, но, главным образом, в построении систем управления, которые могли бы обеспечить одновременное управление несколькими звеньями и учитывать динамически изменяющиеся биомеханические характеристики системы «пациент-протез»: двигательную активность пациента, изменение в широком диапазоне массы протеза с схватываемым и переносимым предметом, характер перемещений.

Протезы рук являются наиболее эффективным техническим средством реабилитации инвалидов при ампутационных и врожденных дефектах верхних конечностей. Активный протез руки изначально предназначен для выполнения сложных и нетиповых рабочих операций, связанных с жизнедеятельностью и самообслуживанием инвалида. Однако современные протезы, как правило, реализуют не более двух активных степеней подвижности. Управление движением при этом осуществляется поочередно в установочном режиме, поскольку общая доктрина управления ориентирована на преимущественное использование компенсаторных движений частей тела инвалида. Несмотря на трудности протезирования до определенной степени задача реабилитации инвалидов решается, но остается еще целый пласт неиспользованных возможностей.

Однако в большинстве случаев новые разработки направлены на усовершенствование отдельных элементов устройств и механизмов без посягательств на "классические" принципы построения и управления протезом руки. И это несмотря на то, что современная техника достигла значительных успехов в области создания средств механизации.

Трудности создания новых эффективных протезов верхних конечностей объясняются не только малым числом независимых источников управляющих сигналов при потере конечности или ее части. Значительное влияние на состояние проблемы оказывает стремление разработчиков к тотальной унификации основных модулей искусственной руки, несмотря на то, что возможны различные алгоритмы управления при различных уровнях ампутации верхней конечности и вообще другие принципы и методы управления.

Перечисленные проблемы составляют основу разработки компонентов методического, программно-алгоритмического и инструментального обеспечения системы управления интеллектуально го протеза верхней конечности после вычленения плеча.

Целью данной работы является разработка метода и системы управления интеллектуальным протезом руки, обеспечивающих максимально возможное использование реабилитационного потенциала инвалида после вычленения плечевого сустава.

Интеллектуальность протеза заключается в самостоятельном выполнении системой управления части функций управления, в том числе, одновременного связного управления движением группы активных звеньев и снижения погрешности позиционирования концевого звена, привносимой динамическим взаимодействием в системе «пациент-протез», зависящей от двигательной активности пациента и массы схватываемого и переносимого предмета.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ методов и средств протезирования верхних конечностей;

- разработать принципы построения интеллектуального протеза руки;

- разработать метод управления интеллектуальным протезом руки;

- разработать структуру системы управления интеллектуальным протезом руки;

- провести разработку макета системы управления интеллектуального протеза руки и его экспериментальное исследование.

Объектом исследования являются метод и система управления интеллектуального протеза руки.

Предметом исследования является методическое, программно-алгоритмическое и инструментальное обеспечение системы управления интеллектуального протеза верхней конечности после вычленения плеча.

Методы исследования. Исследование базируется на теории системного анализа, теории формирования реабилитационных биотехнических систем и методологии моделирования.

Новые научные результаты.

Автором получены следующие научные результаты:

- методический подход к формированию реабилитационной биотехнической системы интеллектуального протеза руки;

- метод управления интеллектуальным протезом руки после вычленения плеча, учитывающий двигательную активность пациента и изменяющуюся массу системы пациент-протез руки;

- принципы формирования реабилитационной биотехнической системы интеллектуального протеза руки после вычленения плеча;

- обобщенная структура системы управления интеллектуальным протезом руки, обеспечивающая коррекцию движения руки в зависимости от двигательной активности человека и массы системы пациент-протез руки;

- алгоритм управления интеллектуальным протезом руки после вычленения плеча;

- результаты исследования модели системы управления интеллектуального протеза руки.

Практическую ценность работы составляют:

1. Структура биотехнической системы интеллектуального протеза руки с адаптивным управлением;

2. Аналитические соотношения для оценки взаимодействий в системе «инвалид - протез руки после вычленения плеча»;

3. Программные средства для измерения, обработки и управления параметрами целенаправленного движения;

4. Результаты экспериментального исследования режимов адаптивного управления интеллектуальным протезом руки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод управления интеллектуальным протезом руки должен обеспечивать реализацию принципа обратной связи по положению исполнительных звеньев искусственной руки. При этом движения исполнительных звеньев должны выполняться одновременно подобно синергиям естественной конечности в двух - трёх активных шарнирах. При выполнении целенаправленных перемещений концевого звена (искусственной кисти) шарнирно-рычажной цепи исполнительного органа оператор-инвалид должен наблюдать только за движением кисти, а движения ориентирующих звеньев должны выполняться автоматически.

2. Система управления интеллектуальным протезом руки после вычленения плеча должна содержать электронный прибор коррекции положения исполнительного органа, подающий в автоматическом режиме команды управления наиболее нагруженному звену исполнительного органа, подобно естественной реакции на внешнее воздействие. Исполнительный орган должен быть зафиксирован на корпусе оператора-инвалида, а надплечье освобождено от весовой нагрузки исполнительных звеньев для выполнения функций управления.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава:

- на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»;

- на 64-й Научно-технической конференции Санкт-Петербургского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова (НТОРЭС им. А. С. Попова), 2009 г.;

- на Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Биомедсистемы-2009»;

- на 65-й Научно-технической конференции Санкт-Петербургского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова (НТОРЭС им. А. С. Попова), 2010 г.;

- на IX Международном славянском конгрессе по электростимуляции и клинической электрофизиологии сердца «КАРДИОСТИМ», 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 научных работ, из них 2 статьи - в журналах ВАК РФ, 6 публикаций - в трудах международных и российских научно-технических конференций.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 71 наименований. Основная часть работы изложена на 173 страницах машинописного текста. Работа содержит 64 рисунка и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость, приводится краткое содержание работы по главам.

В первой главе диссертации приводится информационный анализ по управляемым протезам верхних конечностей, освещаются вопросы создания современной модульной системы протезирования, методы съёма управляющих сигналов, принципы и методы управления, проблемы согласования протеза с человеком.

Область создания протезов верхних конечностей является одной из наиболее консервативных. Практически без изменений более ста лет эксплуатируются одни и те же методы управления (в первую очередь это относится к протезам наиболее массового применения - механическим протезам рук). Современные протезы собирают из взаимозаменяемых модулей^ На формирование существующей системы оказало влияние множество факторов, в том числе, стремление получить дешевые, но эффективные средства протезирования рук, а также потребность быстрого массового протезирования при травматических эпидемиях.

В настоящее время основными методами съёма управляющих сигналов являются использование остаточной подвижности сохранённых сегментов руки или механической и электрической активности сокращающихся сохранённых мышц руки. Во всех случаях управление активными звеньями выполняется поочерёдно, а их количество в большинстве протезов рук не пре-

вышает двух. Увеличение количества поочерёдно управляемых звеньев приводит к обременительной сосредоточенности оператора-инвалида.

Целесообразно оценивать используемые в протезировании системы управления, их качественные различия с точки зрения применения фундаментальных принципов управления, а именно, использования в них принципа разомкнутого управления или принципа обратной связи.

Все современные протезы рук за исключением механических протезов реализуют разомкнутый принцип управления. Механические протезы рук в режиме активного нагружения реализуют принцип управления с обратной связью и по положению и по усилию, что делает такой протез фактически очувствлённым.

Как показывают исследования, способность оператора ощущать то, что он делает в рабочей зоне, повышает эффективность его работы примерно в 6 раз при значительном снижении физических и умственных усилий.

В последнее время активно ведутся исследования по использованию мышечных усилителей биоэлектрического сигнала. Метод требует специального хирургического вмешательства для выделения групп мышечных волокон и присоединения к ним нервных окончаний, которые ранее управляли мышцами крупных суставов руки. Для управления исполнительными приводами протеза с помощью накладных электродов снимают биоэлектрические сигналы. Фактически, предполагается формировать комплексное движение протеза руки на основе уже сложившегося в центрах головного мозга стереотипа движения естественной конечности. Данная система отличается не только сложностью хирургического вмешательства, сложностью технической реализации, но и сложностью обучения инвалида (инвалид достаточно быстро забывает прежние навыки, а при врождённом отсутствии руки он вообще не имел опыта управления конечностью). Принцип управления здесь остаётся разомкнутым, а проблема реализации обратной связи при биоэлектрическом методе управления не имеет принципиального решения.

Предпочтительным и наиболее реальным в настоящее время является не требующее хирургического вмешательства формирование системы одновременного управления движением звеньев многофункционального протеза руки с использованием копирующего метода и организацией обратной связи с органом управления по положению и усилию.

Предлагается использовать каналы позиционного управления по отклонению, где управление исполнительным устройством осуществляется по рассогласованию задающей и исполнительной осей, по величине функции отклонения д*(г) регулируемой величины х,, (г) от предписанного значения *(/)

МО =*0 (')-*(')

Данный принцип позволит в непрерывном режиме отслеживать положение задающих осей исполнительными устройствами.

Во второй главе рассмотрены особенности управления протезом руки, разработан метод съёма сигналов управления адаптивным протезом руки, предложена структура разрабатываемой биотехнической системы и разработана её математическая модель.

После вычленения плеча для управления протезом руки предлагается использовать движения надплечья. При позиционировании надплечья, соединённого с задающим органом, данный метод позволяет инвалиду-оператору обеспечить установку двухзвенного исполнительного устройства в любой точке плоской рабочей зоны (рис. 1) без зрительного контроля за движением отдельных звеньев, в данном случае плеча и предплечья, и без дета-

органов интеллектуального протеза руки при управлении связными движениями плеча и предплечья

Предложенный метод управления двумя степенями активной подвижности искусственной руки обеспечивает управление положением и скоростью движения звеньев без контроля значения величины их углового положения при перемещениях надплечья в зоне его средней подвижности.

Для реализации управления искусственной рукой может быть сформирована следующая система управления, представленная в виде функциональной схемы (рис. 2)

Рисунок 2 - Функциональная схема системы управления протезом руки

30 - задающий орган (контроллер микроэлектроприводов); С1, С2 - сумматоры; ФП1, ФП2, ФПЗ, ФП4 - функциональные преобразователи; У1, У2 -усилители мощности (источники постоянного напряжения); Пр1, Пр2 - микроэлектроприводы; ИМ1, ИМ2 - исполнительные механизмы; ДУимь ДУим2 -• датчики угла исполнительных механизмов (аим], аВМ2).

Протез руки как объект регулирования обладает спецификой, определяемой тем, что исполнительное и задающее устройства закреплены на са-мод1 операторе.

В процессе перемещения в рабочей зоне исполнительное устройство протеза руки через устройство крепления воздействует на корпус оператора -инвалида, который должен определенным образом реагировать на изменяющееся внешние воздействие. Поскольку время реакции оператора - инвалида равно латентному периоду ^ = 0,2 сек, то очевидно, что в течение этого промежутка времени точка закрепления исполнительного устройства будет перемещаться в зависимости от законов движения его звеньев. Величина и интенсивность перемещения точки закрепления исполнительного устройства могут быть зарегистрированы с помощью акселерометрических датчиков.

Величина неконтролируемого перемещения точки подвеса исполнительного устройства зависит от массы его звеньев и от массы корпуса оператора-инвалида. При этом наибольшую погрешность вносит движение по оси X, что позволяет упростить устройство и ограничиться компенсацией погрешности только по оси X.

Блок компенсации погрешности (БКП) может быть представлен в виде следующей функциональной схемы на рис. 3. В состав БКП входит акселерометр^), блок двойного интегрирования и определитель угла коррекции (Х/Ы).

Рисунок 3 - Функциональная схема, подсистемы управления коррекцией ошибки перемещения.

Для оценки характера и величины перемещения точки подвеса исполнительного органа было выполнено построение математической модели с использованием основных уравнений динамики, уравнений Лагранжа второго рода, вида

£ ЁИ-.К = 0

си д,I

где Т - кинематическая энергия системы; - обобщенная сила (сумма моментов активных сил); - обобщенная координата.

При управлении одним приводом (плеча) имеем два подвижных звена, что требует решения системы из двух дифференциальных уравнений следующего вида

m■írг<p + mlrxc.os<p + mígr&m(p = Qll (от, +т1)х + тхгфсо$(р-т^гф18щр = 0

Воспользовавшись допущениями, сделанными для малых отклонений от положения равновесия получаем решение следующего вида:

Искомой величиной является перемещение узла крепления протеза-руки, а именно точки подвеса исполнительного органа.

При управлении двумя приводами (плеча и предплечья) имеем три подвижных звена, что требует решения системы из трёх дифференциальных уравнений следующего вида:

(и, г, +т1£1)^х-(т1г, + т,г11ф1

Л

-т2гг ~ср2 + т2г2ф2<р> +(«, +т2 ^¿г,/?, = ()„ 2 г,

+ т2р2(р2 =<£н

(т, +т2 +тз)* + (ш,г, + т2И{)—ф\ ~(Щ1"\ + 1)Ф\<Р\ + + т2г2^фг-т2г2ф2^

= 0

Пользуясь решением системы уравнений для двух подвижных звеньев, после необходимых преобразований и упрощений получаем решение в в виде следующего выражения:

г 22

тх+т2+ тъ

Исходя из представленных уравнений можно сделать следующий вывод: величина перемещения точки подвеса исполнительного органа протеза руки при связном движении двух звеньев зависит от пропорций масс оператора (звено 3) и звеньев 1 и 2 протеза-руки, а также от угловых скоростей подвижных звеньев исполнительного органа.

Третья глава диссертации посвящена формированию кинематики исполнительного органа, разработке алгоритма управления протезом руки после вычленения плеча, оценке моментов, действующих на объект регулирования, выбору приводных микроэлектродвигателей и оценке показателей приводов протеза.

Кинематика исполнительного органа формируется таким образом, чтобы воспроизвести основные степени подвижности естественной верхней конечности, а именно, движения трёх крупных суставов.

Задающий орган, фактически, представляет собой алгоритмический вычислитель движений, в данном случае, сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти, обеспечивая одновременное управление тремя крупными звеньями исполнительного органа. Масштаб копирования перемещений концевого звена (конца пальцев кисти) ориентировочно может быть равен 1:5 или 1:6, а масштаб углового копирования следует выбирать исходя из воз-

можного объёма необходимых движений, которые способен выполнять инвалид-оператор.

Общее представление о разрабатываемом комплексе устройств интеллектуального протеза руки после вычленения плеча даёт структура, приведённая на рис. 4.

Рисунок 4 - Структура комплекса устройств многофункционального активного протеза руки с системой позиционного управления механизмами исполнительного органа.

Комплекс устройств многофункционального активного протеза руки содержит наплечник 1, закреплённый на надплечье оператора-инвалида; исполнительный орган 2, выполненный в виде трёхзвенной шарнирно-рычажной цепи (рис. 6) с тремя датчиками углов 3, 4, 5 одновременного связного движения; две пары датчиков независимого управления 6 - 7 и 8 - 9, а также системы 10, 11 независимого управления исполнительными механизмами ротации искусственной кисти и функцией схвата искусственной кисти. Комплекс содержит кроме того три системы управления 12, 13, 14 связным движением исполнительных механизмов сгибания- разгибания плеча, предплечья и искусственной кисти, каждая из которых содержит сумматор 15, два функциональных преобразователя 16, 17, усилитель мощности 18 и привод 19. Задающий орган 20 выполнен в виде плоского трёхзвенного кинематического аналога исполнительной цепи и содержит три датчика 21, 22, 23 управления связным движением. В состав комплекса входит жёсткое кре-

пление 24 исполнительного органа и закреплённый на нём блок 25 коррекции положения звена плеча, содержащий последовательно соединённые акселерометр 26, блок двойного интегрирования 27 и определитель угла коррекции 28, при этом определитель угла коррекции 28 соединён с сумматором 15 системы управления связным движением сгибания плеча. Жёсткое крепление 24 исполнительного органа зафиксировано на корпусе инвалида и выполнено таким образом, чтобы не препятствовать свободному перемещению надпле-чья с закреплённым на нём наплечником 1.

Система управления двухзвенным протезом руки работает следующим образом. В начале задающий орган формирует угол ап (а0П1 и а0П2) отклонения звеньев протеза, после чего рассчитанные углы а0П1 и а0П2 поступают на соответствующие функциональные преобразователи (ФП1, ФП2, ФПЗ, ФП4), усилители мощности (источники постоянного напряжения) У1, У2, микроэлектроприводы МПр1, МПр2, исполнительные механизмы ИМ1, ИМ2. С датчиков угла ДУимЬ ДУИМ2 исполнительных механизмов, значения измеренных углов аИМ] и аим2 по каналу обратной связи поступают на сумматоры электронного блока управления приводами. Задающий орган в непрерывном режиме выдаёт информацию о новых заданиях на перемещения звеньев протеза руки.

Зная, что координата точки подвеса исполнительного органа по оси X и угол ф поворота плечевого звена изменяются во времени, можно сказать, что .при измерении в латентный период г л величины Хл можно определять величину угла коррекции фл и вводить ее в контур управления в качестве компенсации погрешности при управлении движением исполнительного механизма. На базе данного чувствительного элемента (акселерометра) формируется прибор компенсации погрешности неконтролируемой оператором-инвалидом. Сигнал от акселерометра, пропорциональный величине линейного ускорения, поступает в блок двойного интегрирования 27, который вырабатывает сигнал пропорциональный величине смещения точки подвеса. Далее сигнал подаётся в определитель угла коррекции 28, который вырабатывает сигнал пропорциональный величине угла, на который необходимо довернуть привод плеча, чтобы компенсировать отклонение концевого звена. Функция определителя угла коррекции ( а) может быть представлена формулой:

где х - величина смещения точки подвеса исполнительного органа; Я - расстояние от оси сгибания плеча до центра масс исполнительного органа; к-коэффициент пропорциональности.

В целом, управление системой приводов многофункционального активного протеза с обратной связью по положению может быть представлено следующей системой уравнений;

ДШл = из.о.пл. + иакс. - ии.о.пл.

ДШр = из.о.пр. - Ш.о.пр.

ДШ = из.о.к. - Ш.о.к.

где Д11пл., ДШр.; Дик.-сигналы управления приводами сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти; из.о.пл. ,из.о.пр.; из.о.к.-сигналы датчиков угла плеча, предплечья и кисти задающего органа; Ш.о.пл., Ш.о.пр.; Ш.о.к-сигналы датчиков угла предплечья и кисти исполнительного органа; Шкс.-сигнал блока коррекции.

Таким образом, в устройстве многофункционального активного протеза после вычленения плеча часть функций управления возлагается на автоматику. Управление тремя приводами сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти осуществляется посредством движений только одного надплечья, формирующего целеуказание исполнительному органу, а управление коррекцией погрешности выполняется блоком коррекции без участия оператора.

При разработке системы управления проводилась общая оценка характеристик моментов, действующих на объекты регулирования исполнительного органа, а также выбор приводных микроэлектродвигателей системы приводов протеза.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки вычислительной математической модели и экспериментального исследования типового фрагмента системы управления интеллектуальным протезом руки. Представлены результаты моделирования и экспериментальных исследований.

Исследование математической модели проводилось с использованием программного комплекса моделировани объектов МаЙаЬ, предназначенного для решения прикладных задач в научных целях. Для проектирования и анализа механической системы исполнительного органа в виде двухзвенной шарнирно-рычажной кинематической цепи здесь был использован специальный физико-математический аппарат - раздел 81тМесЬашс8, который представляет собой пакет расширения системы БшиНпк для физического моделирования. Использованный пакет программ позволил представить исследованный механизм в виде совокупности звеньев и сопряжений.

Кроме того на модели имитации были отображены звенья подвижной системы, колеблющиеся по законам классической механики (физики твердого тела). Модель и результаты моделирования представлены на рис. 5.

а)

б)

Click On Object To Display Infoimation

-05

> -1

Scope -15

-2 -!

........£ ^ .

t J .......

V

V

1.5 0 0.5 1 X-axis

Рисунок 5 - Исследуемая модель двухзвенной шарнирно-рычажной цепи исполнительного органа протеза руки:

а) 5шиНпк-модель двухзвенного физического маятника

б) Модель имитации движения

Для экспериментального исследования системы позиционного управления суставом протеза руки были разработаны испытательный стенд и натурный макет фрагмента исполнительного органа. Функциональная схема установки приведена на рисунке 6. Исследование проводилось с использованием программного продукта ЬаЬУША^ с применением инструмента Экспресс-Виртуальные Приборы (Экспресс-ВП) с использованием реального фрагмента исполнительного органа протеза руки, оснащённого малогабаритным автономным электроприводом с датчиком обратной связи.

Рисунок б - Функциональная схема экспериментальной установки. 1 - ПЭВМ, используется для моделирования протеза руки в LabVIEW Matlab/Simulink/SimMechanics и LabVIEW; 2 - Комплекс N1 ELVIS с модулем сопряжения М; 3 -Усилитель мощности; 4 - Источник двуполярного стабилизированного напряжения питания; 5 - Электродвигатель ДПР 42; 6 - Редуктор; 7 - Потенциометрический датчик угла поворота исполнительного механизма.

Практическое функционирование экспериментального устройства на основе принципа управления с обратной связью по положению исполнительного звена показывает, что оператор может свободно выполнять основные установочные движения без предварительной тренировки и корректировать положение исполнительного звена. При этом в многофункциональном исполнительном органе все звенья будут находиться в постоянной готовности к работе без предварительных переключений.

При практическом функционировании системы установлено, что компенсация погрешности успешно выполняется в заданном диапазоне перемещений исполнительного звена. Результаты экспериментальных исследований, проведённые на стенде подтвердили целесообразность и возможность реализации метода управления

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе выполнения диссертационного исследования были получены следующие результаты.

1. Проведен анализ построения управляемых протезов верхних конечностей, позволивший решить ряд медико-технических задач и определение необхо-

димого принципа управления - с обратной связью по положению исполнительных звеньев.

2. Разработан метод управления интеллектуальным протезом руки после вычленения плеча, обеспечивающий одновременное движение нескольких звеньев (манипулирование) и установку концевого звена исполнительного устройства в любой точке плоской рабочей зоны без зрительного контроля за движением отдельных звеньев, в данном случае плеча и предплечья, и без детализации движений в отдельных суставах.

3. Впервые разработан метод снижения погрешности позиционирования концевого звена, привносимой динамическим взаимодействием в системе «пациент-протез», зависящей от двигательной активности пациента и массы схватываемого и переносимого предмета.

4. Была разработана математическая модель исполнительного органа, основанная на применении уравнений Лагранжа второго рода и модель двухзвен-ного протеза с использованием программного продукта Ма^аЬ, полученные результаты моделирования свидетельствуют о правильности теоретической разработки.

5. Были рассмотрены характерные особенности моментов нагружения, действующие в системе механизмов исполнительного органа и выполнено исследование энергетических параметров приводов многофункционального активного протеза руки

.6, Был создан комплексный исследовательский стенд для проверки динамических характеристик системы управления одного звена протеза на базе использования программного продукта ЬАВУП^ и натурной экспериментальной модели исполнительного устройства. Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических разработок.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Язид Ясин Абу Ханиех1. Оценка закономерностей воздействия исполнительного устройства протеза руки на оператора-инвалида [Текст] / Язид Ясин Абу Ханиех., Г. Н. Буров // Биомедицинская Радиоэлектроника. Вып. № И, 2009.-С4-8.

2. Я.Я. Абу Ханиех2. Адаптивный протез руки: сьем сигналов управления [Текст] / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров // Биомедицинская Радиоэлектроника. Вып. № 4,2010. - С 20-24.

Другие статьи и материалы конференций:

3. Я. Я. Абу Ханиех. Методы управления и интеллектуальный протез руки [Текст] / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров // Труды 64 научно-техн. конференции НТОРЭС им. A.C. Попова. СПб ТЭТУ, Санкт-Петербург. 2009. С. 228-229.

4. Я. Я. Абу Ханиех. проблемы управления протезом руки [Текст] / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров //Труды Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Биомедсистемы-2009». С. 3.

5. Я. Я. Абу Ханиех. «Методика выбора электропривода протеза руки » [Текст] / Я. Я. Абу Ханиех. // IX Международном славянском конгрессе по электростимуляции и клинической электрофизиологии сердца «КАРДИО-СТИМ», 2010. С.588.

6. Я. Я. Абу Ханиех. «Адаптивная система управления протезом руки » [Текст] / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров // IX Международном славянском конгрессе по электростимуляции и клинической электрофизиологии сердца «КАРДИОСТИМ», 2010. С.589.

7. Я. Я. Абу Ханиех. У вопросу компенсации неконтролируемой погрешности при управлении многофункциональным протезом руки [Текст] / Я.Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров // Труды 65 научно-техн. конференции НТОРЭС им. A.C. Попова. СПб ТЭТУ, Санкт-Петербург. 2010. С.312-313.

8. Я. Я. Абу Ханиех. Обеспечение свойств адаптивности в протезах рук [Текст] / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров // Труды 65 научно-техн. конференции НТОРЭС им. A.C. Попова. СПб ТЭТУ, Санкт-Петербург. 2010. С.313-314.

1-Имя Язид Ясин Абу Ханиех1 читать в редакции Язид Ясин Мхесен Абу Хания

2- Имя Я. Я. Абу Ханиех2 читать в редакции Язид Ясин Мхесен Абу Хания

Подписано в печать 30.06.10. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 107.

Отпечатано с готового оригинал-макета в ООО «Технолит» 197101, С.-Петербург, Кронверкская ул., д. 12, Лит. А пом. 2н

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОТЕЗИРОВАНИЯ

ВЕРХНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ.

1.1.УПРАВЛЯЕМЫЕ ПРОТЕЗЫ ВЕРХНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ.

1.2.МЕТОДЫ СЪЕМА УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ.

1.3.ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ.

1.4.ПРОБЛЕМЫ СОГЛАСОВАНИЯ ПРОТЕЗА С ЧЕЛОВЕКОМ.

1.5. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА П. РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ПРОТЕЗА РУКИ.

2.1 .ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗОМ РУКИ ПОСРЕДСТВОМ ДВИЖЕНИЙ СОХРАНЁННЫХ СЕГМЕНТОВ.

2.2 .РАЗРАБОТКА МЕТОДА СЪЕМА СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ

АДАПТИВНЫМ ПРОТЕЗОМ РУКИ.

2.3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО

ПРОТЕЗА РУКИ.

2.4 СТРУКТУРА БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОТЕЗ РУКИ

ПАЦИЕНТ.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА Ш. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗОМ.

3.1 КИНЕМАТИКА ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА И АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗОМ РУКИ ПОСЛЕ ВЫЧЛЕНЕНИЯ ПЛЕЧА.

3.2 ХАРАКТЕРИСТИКИ МОМЕНТОВ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОБЪЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА

ПРОТЕЗА РУКИ.

3.3.ВЫБОР ПРИВОДНЫХ МИКРОЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ДЛЯ СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ МНОГОФУШСЦИОНАЛЬНОГО

ПРОТЕЗА РУКИ.

3.4.0ЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИВОДОВ ПГОТЕЗА.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА ^ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАЗРАБОТКА ПРОТЕЗА.

4.1 .ОПИСАНИЯ МОДЕЛИ ПГОТЕЗА РУКИ.

ОПИСАНИЯ МОДЕЛИ МАТЬАВ И ЬАВУ1Е\У).

4.2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ. (ФРАГМЕНТ ПРОТЕЗА РУКИ).

4.3. ФОРМИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ФРАГМЕНТА ПРОТЕЗА РУКИ.

4.4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ФРАГМЕНТА ПРОТЕЗА РУКИ.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. Создание технических средств для восстановления способности к ручной деятельности и самообслуживанию является I сложной и во многом нерешенной проблемой. Сложность задачи заключается не только в том, что необходимо создавать легкие и прочные устройства с высоким уровнем миниатюризации отдельных частей, но, главным образом, в принципах построения систем управления. Требования, предъявляемые к данным устройствам, всегда противоречивы. При создании данных устройств необходимо разрешение, например, такого противоречия: чем выше уровень ампутации, тем меньше остается у инвалида источников управляющих сигналов, но при этом должно подлежать восстановлению все большее число подвижных управляемых звеньев. Протезы рук представляют наглядный этому пример. Считается, что протезы рук являются наиболее эффективным техническим средством реабилитации инвалидов при ампутационных и врожденных дефектах верхних конечностей. Активный протез руки изначально предназначен для выполнения сложных и нетиповых рабочих операций, связанных с жизнедеятельностью и самообслуживанием инвалида. Однако современные протезы, как правило, реализуют не более двух активных степеней подвижности. Обычно это сгибание локтя и схват или ротация кисти и схват. Управление движением при этом осуществляется поочередно в установочном режиме, поскольку общая доктрина управления ориентирована на преимущественное использование компенсаторных движений частей тела инвалида. Несмотря на трудности протезирования до определенной степени задача реабилитации инвалидов решается, но остается еще целый пласт неиспользованных возможностей.

Протез руки должен удовлетворять двум основным требованиям: кос-метичности и функциональной эффективности. В настоящее время решение первой задачи достигнуто в удовлетворительных пределах, вторая же задача требует решения в соответствии с современным уровнем техники.

В настоящее время большая часть протезов рук использует технические решения, которые известны с середины и конца 19 века. Совершенствуется технология изготовления комплектующих узлов, совершенствуются виды взаимодействия человека с протезом, однако с момента создания биоэлектрического метода управления не произошло заметного развития в области создания новых принципов построения протезов рук и методов управления движением исполнительных механизмов. И это несмотря на то, что современная техника достигла значительных успехов в области создания средств механизации.

В большинстве случаев новые разработки направлены на усовершенствование отдельных элементов устройств и механизмов без посягательств на "классические" принципы построения и управления протезом руки.

Трудности создания новых эффективных протезов верхних конечностей объясняются не только малым числом независимых источников управляющих сигналов при потере конечности или ее части. Значительное влияние на состояние проблемы оказывает стремление разработчиков к тотальной унификации основных модулей искусственной руки, несмотря на то, что возможны различные алгоритмы управления при различных уровнях ампутации верхней конечности и вообще другие принципы управления.

Перечисленные проблемы составляют основу разработки компонентов методического, программно-алгоритмического и инструментального обеспечения системы управления интеллектуального протеза верхней конечности после вычленения плеча.

Целью данной работы является разработка метода и системы управления интеллектуальным протезом руки, обеспечивающих максимально возможное использование реабилитационного потенциала инвалида после вычленения плечевого сустава.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ методов и средств протезирования верхних конечностей;

- разработать принципы построения интеллектуального протеза руки;

- разработать метод управления интеллектуальным протезом руки;

- разработать структуру системы управления интеллектуальным протезом руки;

- провести разработку макета системы управления интеллектуального протеза руки и его экспериментальное исследование.

Объектом исследования являются метод и система управления интеллектуального протеза руки.

Предметом исследования является методическое, программно-алгоритмическое и инструментальное обеспечение системы управления интеллектуального протеза верхней конечности после вычленения плеча.

Методы исследования. Исследование базируется на теории системного анализа, теории формирования реабилитационных биотехнических систем и методологии моделирования.

Новые научные результаты.

Автором получены следующие научные результаты:

- методический подход к формированию реабилитационной биотехнической системы интеллектуального протеза руки;

- метод управления интеллектуальным протезом руки после вычленения плеча, учитывающий двигательную активность пациента и изменяющуюся инерционную массу системы пациент-протез;

- принципы формирования реабилитационной биотехнической системы интеллектуального протеза руки после вычленения плеча;

-обобщённая структура системы управления интеллектуальным протезом руки, обеспечивающая коррекцию движения руки в зависимости от двигательной активности человека и массы системы пациент-протез руки;

- алгоритм управления интеллектуальным протезом руки после вычленения плеча;

- результаты исследования модели системы управления интеллектуального протеза руки.

Практическую ценность работы составляют:

1. Структура биотехнической системы интеллектуального протеза руки с адаптивным управлением;

2. Аналитические соотношения для оценки взаимодействий в системе «инвалид - протез руки после вычленения плеча»;

3. Программные средства для измерения, обработки и управления параметрами целенаправленного движения;

4. Результаты экспериментального исследования режимов адаптивного управления интеллектуальным протезом руки.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод управления интеллектуальным протезом руки должен обеспечивать реализацию принципа обратной связи по положению исполнительных звеньев искусственной руки. При этом движения исполнительных звеньев должны выполняться одновременно подобно синергиям естественной конечности в двух — трёх активных шарнирах. При выполнении целенаправленных перемещений концевого звена (искусственной кисти) шарнирно-рычажной цепи исполнительного органа оператор-инвалид должен наблюдать только за движением кисти, а движения ориентирующих звеньев должны выполняться автоматически.

2. Система управления интеллектуальным протезом руки после вычленения плеча должна содержать электронный прибор коррекции положения исполнительного органа, подающий в автоматическом режиме команды управления наиболее нагруженному звену исполнительного органа, подобно естественной реакции на внешнее воздействие. Исполнительный орган должен быть зафиксирован на корпусе оператора-инвалида, а надплечье освобождеполняется поочерёдно, а их количество в большинстве протезов рук не превышает двух. Увеличение количества поочерёдно управляемых звеньев приводит к обременительной сосредоточенности оператора-инвалида.

Предложено оценивать используемые в протезировании системы управления, их качественные различия с точки зрения применения фундаментальных принципов управления, а именно, использования в них принципа разомкнутого управления или принципа обратной связи.

Все современные протезы рук за исключением механических протезов реализуют разомкнутый принцип управления.

В последнее время активно ведутся исследования по использованию мышечных усилителей биоэлектрического сигнала. Принцип управления здесь остаётся разомкнутым, а проблема реализации обратной связи при биоэлектрическом методе управления не имеет принципиального решения.

Предпочтительным и наиболее реальным в настоящее время является не требующее хирургического вмешательства формирование системы одновременного управления движением звеньев многофункционального протеза руки с использованием копирующего метода и организацией обратной связи с органом управления по положению и усилию.

Предлагается использовать каналы позиционного управления по отклонению, где управление исполнительным устройством осуществляется по рассогласованию задающей и исполнительной осей.

Данный принцип позволит в непрерывном режиме отслеживать положение задающих осей исполнительными устройствами.

Во второй главе рассмотрены особенности управления протезом руки, разработан метод съёма сигналов управления адаптивным протезом руки, предложена структура разрабатываемой биотехнической системы и разработана её математическая модель.

После вычленения плеча для управления протезом руки предлагается использовать движения надплечья в вертикально сагиттальной плоскости. но от весовой нагрузки исполнительных звеньев для выполнения функций управления.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»;

- на 64-й Научно-технической конференции Санкт-Петербургского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова(НТОРЭС им. А. С. Попова), 2009 г.;

- на Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Биомедсистемы-2009»;

- на 65-й Научно-технической конференции Санкт-Петербургского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова (НТОРЭС им. А. С. Попова), 2010 г.;

- на ГХ Международном славянском конгрессе по электростимуляции и клинической электрофизиологии сердца «КАРДИОСТИМ», 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 научных работ, из них 2 статьи - в журналах ВАК РФ, 6 публикаций - в трудах международных и российских научно-технических конференций.

В первой главе диссертации приводится информационный анализ по управляемым протезам верхних конечностей, освещаются вопросы создания современной модульной системы протезирования, методы съёма управляющих сигналов, принципы и методы управления, проблемы согласования протеза с человеком.

В настоящее время основными методами съёма управляющих сигналов являются использование остаточной подвижности сохранённых сегментов руки или механической и электрической активности сокращающихся сохранённых мышц руки. Во всех случаях управление активными звеньями вы

Предложенный метод управления двумя степенями активной подвижности искусственной руки обеспечивает управление положением и скоростью движения звеньев без контроля значения величины их углового положения при перемещениях надплечья в зоне его средней подвижности. Для реализации управления искусственной рукой предложена система управления, представленная в виде функциональной схемы.

Протез руки как объект регулирования обладает спецификой, определяемой тем, что исполнительное и задающее устройства закреплены на самом операторе. В процессе перемещения в рабочей зоне исполнительное устройство протеза руки через устройство крепления воздействует на корпус оператора - инвалида, который должен определенным образом реагировать на изменяющееся внешние воздействие. Поскольку время реакции оператора - инвалида равно латентному периоду, то очевидно, что в течение этого промежутка времени точка закрепления исполнительного устройства будет перемещаться в зависимости от законов движения его звеньев.

Величина неконтролируемого перемещения точки подвеса исполнительного устройства зависит от массы его звеньев и от массы корпуса оператора-инвалида. Предложено ввести в систему управления блок компенсации погрешности на базе акселерометра.

Для оценки характера и величины перемещения точки подвеса исполнительного органа было выполнено построение математической модели с использованием основных уравнений динамики, уравнений Лагранжа второго рода. Исходя из представленных уравнений сделан следующий вывод: величина перемещения точки подвеса исполнительного органа протеза руки при связном движении двух звеньев зависит от пропорций масс оператора и звеньев протеза-руки, а также от угловых скоростей подвижных звеньев исполнительного органа.

Третья глава диссертации посвящена формированию кинематики исполнительного органа, разработке алгоритма управления протезом руки поеле вычленения плеча, оценке моментов, действующих на объект регулирования, выбору приводных микроэлектродвигателей и оценке показателей приводов протеза.

Кинематика исполнительного органа формируется таким образом, чтобы воспроизвести основные степени подвижности естественной верхней конечности, а именно, движения трёх крупных суставов.

Задающий орган, фактически, представляет собой алгоритмический вычислитель движений, в данном случае, сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти, обеспечивая одновременное управление тремя крупными звеньями исполнительного органа. Масштаб копирования перемещений концевого звена (конца пальцев кисти) ориентировочно может быть равен 1:5 или 1:6, а масштаб углового копирования следует выбирать исходя из возможного объёма необходимых движений, которые способен выполнять оператор» инвалид.

Общее представление об устройстве интеллектуального протеза руки после вычленения плеча дано в виде структуры комплекса устройств многофункционального активного протеза руки с системой позиционного управления механизмами исполнительного органа. Приводится описание разработанного алгоритма управления. Управление тремя приводами сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти осуществляется посредством движений только одного надплечья, формирующего целеуказание исполнительному органу, а управление коррекцией погрешности выполняется блоком коррекции без участия оператора.

При разработке системы управления проводилась общая оценка характеристик моментов, действующих на объекты регулирования исполнительного органа, а также выбор приводных микроэлектродвигателей системы приводов протеза.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки вычислительной математической модели и экспериментального исследования типового фрагмента системы управления интеллектуальным протезом руки. Представлены результаты моделирования и экспериментальных исследований.

Исследование математической модели проводилось с использованием программного комплекса моделирования объектов Matlab, предназначенного для решения прикладных задач в научных целях.

Для экспериментального исследования системы позиционного управления суставом протеза руки были разработаны испытательный стенд и натурный макет фрагмента исполнительного органа. Исследование проводилось с использованием программного продукта Lab VIEW и реального фрагмента исполнительного органа протеза руки, оснащённого малогабаритным автономным электроприводом с датчиком обратной связи.

Практическое функционирование экспериментального устройства на основе принципа управления с обратной связью по положению исполнительного звена показывает, что оператор может свободно выполнять основные установочные движения без предварительной тренировки и корректировать положение исполнительного звена. При этом в многофункциональном исполнительном органе все звенья будут находиться в постоянной готовности к работе без предварительных переключений.

При практическом функционировании системы установлено, что компенсация неконтролируемой погрешности успешно выполняется в заданном диапазоне перемещений исполнительного звена. Результаты экспериментальных исследований, проведённые на стенде подтвердили целесообразность и возможность реализации метода управления.

выводы

Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы.

1. Экспериментальное исследование фрагмента исполнительного органа протеза руки показало, что разработанная система управления позволяет реализовать непрерывное управление по принципу обратной связи.

2. Разработанная система управления движением исполнительного звена позволяет обеспечить отработку сигнала коррекции положения при внешнем воздействии.

3. Предложенный метод управления многофункциональным протезом руки обеспечивает одновременное управление несколькими активными шарнирами исполнительного органа и коррекцию положения концевого звена шарнирно-рычажной цепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенная разработка интеллектуального протеза руки и технологии управления биотехнической системой подтвердила целесообразность использования принципа управления с обратной связью по положению исполнительных звеньев и копирующего метода формирования сигналов управления движением звеньев исполнительного, органа. В предложенной системе в процессе ориентации концевого звена шарнирно-рычажной цепи исполнительного органа оператор-инвалид наблюдает только за положением кисти и не нуждается в контроле положения звеньев плеча и предплечья подобно управлению естественной конечностью. Введение прибора коррекции положения кисти позволило организовать дополнительный канал управления, компенсирующий погрешность, возникающую в процессе внешнего воздействия и действия реактивного момента, возникающего в процессе движения исполнительного органа, также воспринимаемого оператором- инвалидом, как внешнее воздействие.

Схема построения интеллектуального протеза руки позволяет исключить какие-либо хирургические вмешательства и использовать известные малогабаритные системы электропривода и микропроцессорные электронные блоки управления. Благодаря использованию миниатюрного задающего устройства система управления обеспечивает движение ориентирующих звеньев исполнительного органа подобно синергиям естественной конечности и в то же время обеспечивает автоматическую компенсацию перемещения точки подвеса (соответственно, положения кисти) исполнительного органа при внешнем воздействии, что делает протез после вычленения плеча интеллектуальным.

В процессе исследования и разработки были определены структура биотехнической системы многофункционального протеза руки и алгоритм управления копирующей системы. Данная система должна включать исполнительный орган в виде незамкнутой шарнирно-рычажной цепи, задающий орган в виде масштабного кинематического аналога, электронный блок управления автономными приводами ориентирующих крупных звеньев плеча и предплечья, прибор компенсации погрешности при внешнем воздействии и крепление протеза, размещаемое на корпусе оператора-инвалида.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность создания интеллектуального протеза руки после вычленения плеча, работоспособность системы приводов протеза руки с использованием предложенных принципа и метода управления, а также целесообразность введения прибора коррекции положения точки подвеса исполнительного органа.

В процессе выполнения диссертационного исследования нами были получены следующие результаты.

1. Проведен анализ построения управляемых протезов верхних конечностей, позволивший решить ряд медико-технических задач и определение необходимого принципа управления - с обратной связью по положению исполнительных звеньев.

2. Разработан метод управления интеллектуальным протезом руки после вычленения плеча, обеспечивающий одновременное движение нескольких звеньев (манипулирование) и установку концевого звена исполнительного устройства в любой точке плоской рабочей зоны без зрительного контроля за движением отдельных звеньев, в данном случае плеча и предплечья, и без детализации движений в отдельных суставах.

3. Впервые разработан метод снижения погрешности позиционирования концевого звена, привносимой динамическим взаимодействием в системе «пациент-протез», зависящей от двигательной активности пациента и массы схватываемого и переносимого предмета.

4. Была разработана математическая модель исполнительного органа, основанная на применении уравнений Лагранжа второго рода и модель двухзвен-ного протеза с использованием программного продукта МаиаЬ, полученные результаты моделирования свидетельствуют о правильности теоретической разработки.

5. Были рассмотрены характерные особенности моментов нагружения, действующие в системе механизмов исполнительного органа и выполнено исследование энергетических параметров приводов многофункционального активного протеза руки

6. Был создан комплексный исследовательский стенд для проверки динамических характеристик системы управления одного звена протеза на базе использования программного продукта ЬАВУШШ и натурной экспериментальной модели исполнительного устройства. Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических разработок.

1. Артоболевский И. И. Теория механизмов Текст.- М.: Наука, 1965. 776. с.

2. Буров Г. Н. Современное состояние проблемы управления протезами верхних конечностей и достигаемый эффект протезирования. Текст.- Вестник гильдии протезистов-ортопедов. №4(10) 2002. 37-43. с.

3. Буров А. Г., Зинковский А. В. Воссоздание биоэлектрического образа движения по неполным данным средствами нейронных сетей. Протезирование и протезостроение. Текст. // Сборник трудов ЦНИИПП. Выпуск 96. М, 2000. 103-106. с.

4. Бетехтин И. И. Практическое руководство по протезной технике. Текст., издательство НКСО РСФСР, М.:, 1936. 174. с.

5. Бутенин Н. В. "Курс теоретической механики". В двух томах. Текст. / Бутенин Н. В., Я. Л. ЛунцД. Р. Меркин -СПб.: Издательство Лань, 2002.736.

6. Воронов А. А., Титов В. К., Новогранов Б. Н. Основы теории автоматического регулирования и управления Текст.-М.:, Высшая школа, 1977. 520. с.

7. Горбань А. Н., Дунин-Барковский В. Л., Миркес Е. М. и др. Нейроинфор-матика. Текст. -Новосибирск.: Наука, 1998.

8. Гурфинкель В. С., Малкин В. Б., Цетлин М. Л., Шнейдер А. Ю. Биоэлектрическое управление. Текст. // М.: Наука, 1972. 242. с.

9. Горбань А. Н., Россиев Д. А. Нейронные сети на персональном компьютере. Текест. Новосибирск.: Наука, 1996.

10. Дмитриев В. М., Зайченко Т. Н., Зюзьков В. М. и др. Система автоматизации моделирования управляемого электропривода. Текст. Томск: ТГУ, 1997. 92. с.

11. Дистанционно управляемые роботы-манипуляторы. Текст. Под ред. чл,-корр. АН СССР Е. П. Попова и д-ратехн.наук, проф. М. Б. Игнатьева. М.:, Мир, 1976. 462. с.

12. Дмитриев В. М., Зайченко Т. Н., Гарганеев А. Г. и др. Автоматизация функционального проектирования электромеханических систем и устройств преобразовательной техники. Текст. Томск: ТГУ, 2000. 292. с.

13. Дьяконов В. П. МАТЪАВ 6/6.1/6.5 + ЗтшНпк 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. Текст. М.: СОЛОН-Пресс. -2003, 576. с.

14. Дольников Ю. И. Протезирование и протезостроение. Текст. Сб. трудов, Вып. 18. М.:1968. 35. с.

15. Егоров И. Н. "Проектирование следящих систем двухстороннего действия". Текст. / Егоров И. Н., Жигалов Б. А., Кулешов В. С., Кубарев Е. И., Петров Б. А. М.: Машиностроение, 1980. 300. с.

16. Жданов А. А., Полян Е. Л., Синицын С. В. Разработка адаптивной системы биоэлектрического управления протезом руки. Текст. //Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации:

17. Труды XIII Международного научно-технического семинара. М.: Издательство МГУ, 178-180. с.

18. Жданов А. А. Метод автономного адаптивного управления, текст. Известия Академии Наук. Теория и системы управления, 1999. №5. 127-134. с.

19. Интеллектуальные системы автоматического управления.Текст. / под ред. Макарова И. М., ЛохинаВ. М. //М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. 576. с.

20. Итикава К., Като И. Управление движением верхней конечности. Текст. / Пер. с яп.-М.:ВЦП,1974.186. с.

21. Конструкции протезно-ортопедических изделий .Текст. Под ред. к.т.н. Кужекина А. П., М. Легкая и пищевая промышл., 1984. 40. с.

22. Кудрявцев В. Н. Планетарньг передачи.-1.: машиностроение.Текст. 1996. 308. с.

23. Кобринский А. Е., Вот они роботы Текст.- М.:, Наука, 1972. 176. с.

24. Копылов Ф. А., Певзнер М. С. Медицинские основы протезирования Текст. Издательство мед. литературы. Л., 1962.200. с.

25. Лившиц М. М., Якобсон Я. С. «Эргономический подход к созданию систем управления многофункциональными биоэлектрическими протезами» Текст.- Сборник трудов ЦНИИПП. Протезирование и протезостроение, 1978.вып.45,45-54. с.

26. Мильберн Кен., Крото Джон. Внутренний мир Р1азЬ5 для дизайнера Текст.: пер. англ.- К.: "ДиаСофт", 2000.496. с.

27. Онищенко А. Б. Электрический привод: учебник для студ. Высш. учеб. Заведений / Онищенко А. Б. М.: Издательский центр «Академия». Текст. 2006. 288с.

28. Общий очерк ампутаций и экзартикуляций. Текст. Доктор Макс Шеде, Берлин, 1880. 548. с.

29. Петров 3. Е., Слепцов А. А. Виртуальные приборы в физических измерениях. Текст. //сборник научных трудов Фундаментальные и прикладные проблемы физики. Выпуск №1. г. Якутск, 2000.105-128. с.

30. Протезы верхних конечностей. Текст. Каталог 2001-2002. РКК "Энергия", 2002. 21. с.

31. Принципы управления многофункциональными протезами верхних конечностей. Методические рекомендации для работников протезной промышленности». Текст. /Украинский НИИ протезирования, 1976,16. с.

32. Протезы верхних конечностей. Текст. Каталог 2001-2002. РКК "Энергия", 2002. 21. с.

33. Петелина В. В., Кузавкова М. А. Оценка работы инвалида при возрастающей скорости отслеживания движения. Текст. Сборник трудов ЦНИ-ИПП. Протезирование и протезостроение, 1978.вып. 47, 38-42. с.

34. Розенблатт Ф. Принципы нейродинамики. Перцептроны и теория механизмов мозга. Текст. Под ред. С.М. Осовца М.: Мир; 1965.

35. Славуцкий Я. JI. Физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами. Текст.//М.: Медицина, 1982. 289. с.

36. Справочник по протезированию. Текст. Под ред. Филатова В. И. JL, Медицина, 1978.280. с.

37. Сборник трудов ЦНИИПП. Текст. Выпуск 96. М, 2000.103-106. с.

38. Справочная система MATLAB. Текст.

39. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. Текст. М.: Высшая школа, 2001. 416. с.

40. Отчёт по научно-исследовательской теме: «Исследование принципов построения системы непрерывного управления приводами протеза для детей до 7 лет после вычленения плеча». № Гос. регистрации 0193.0 008075. Текст. СПбНИИП им. Г. А. Альбрехта. 1996,121с.

41. Федосов В. П., Нестеренко А. К. Цифровая обработка сигналов в lab VIEW/ под ред. В. П. Федосова.- М.: ДМК Пресс, 2007.- 472. с.

42. Шевченко Ю. JL, Шихвердиев Н. Н., Оточкин А. В. и др. Возможности прогнозирования исхода заболеваний при кардиохирургических вмешательствах. Текст. Вестн хир 1990.вып.9: 3-5. с.

43. Эргономический подход к созданию систем управления многофункциональными биоэлектрическими протезами. Текст. М. М.Лившиц, Я.С.Якобсон. Сборник трудов ЦНИИПП. Протезирование и протезостроение [Текст]. 1978. Вып. 45,- С. 45-54.'

44. Язид Ясин Абу Ханиех. Оценка закономерностей воздействия исполнительного устройства протеза руки на оператора-инвалида Текст. / Язид Ясин Абу Ханиех., Г. Н. Буров // Биомедицинская Радиоэлектроника. Вып. №11, 2009.-С. 4-8.

45. Я. Я. Абу Ханиех. Адаптивный протез руки: съем сигналов управления Текст. / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров // Биомедицинская Радиоэлектроника. Вып. № 4, 2010.- С. 20-24.

46. Я. Я. Абу Ханиех. Методы управления и интеллектуальный протез руки Текст. / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров // Труды 64 научно-техн. конференции НТОРЭС им. А. С. Попова. СПб ТЭТУ, Санкт-Петербург. 2009,- С 228229.

47. Я. Я. Абу Ханиех. проблемы управления протезом руки Текст. / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров //Труды Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Биомедсистемы-2009».- С 3.

48. Я. Я. Абу Ханиех. «Методика выбора электропривода протеза руки » Текст. /Я. Я. Абу Ханиех. //Труды IX Международного славянского конгресса по электростимуляции и клинической электрофизиологии сердца «КАРДИОСТИМ», 2010.- С. 588.

49. Я. Я. Абу Ханиех. «Адаптивная система управления протезом руки » Текст. / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров //Труды IX Международного славянского конгресса по электростимуляции и клинической электрофизиологии сердца «КАРДИОСТИМ», 2010.- С 589.

50. Я. Я. Абу Ханиех. Обеспечение свойств адаптивности в протезах рук Текст. / Я. Я. Абу Ханиех., Г. Н. Буров // Труды 65 научно-техн. конференции НТОРЭС им. А.С. Попова. СПб ГЭТУ, Санкт-Петербург. 2010.- С. 313314.

51. Biomechanics and Neural Control of Posture and Movement. Текст. Jack M.Winters, Patrick E.Crago (Eds.). Springer-Verlag, New York, Berlin, Heidelberg, 2000. p 683.

52. Biomechanics and Neural Control of Posture and Movement Текст. Jack M.Winters, Patrick E.Crago (Eds.). Springer-Verlag, New York, Berlin, Heidelberg, 2000. p 683.

53. Bicchi A and Sorrentino R, Dexterous manipulation through rolling, Текст., presented at Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Washington, DC., 1995. p 562.

54. Dizio P and Lackner JR. "Motor adaptation to coriolis force perturbations of reaching movements: Текст., endpoint but not trajectory adaptation transfers to the nonexposed arm". J Neurophysiol 74:1787-1792,1995.

55. Extremität. Max Nader. Berlin, Schiele and Schon.TeKcrr. 1990. p 95.

56. Flanagan JR, Lolley S "The inertial anisotropy of the arm is accurately predicted during movement planning". Текст. J Neurosci 21: 1361-1369,2001.

57. Flanagan JR, Wing AM "The role of internal models in motion planning and control: Текст. Evidence from grip force adjustments during movements of handheld loads". J Neurosci 17: 1519-1528,1997.

58. Gordan A.N., Rossiev D.A., Gilev S.E. et al. Medical and physiological applications of MuItiNeuron neural simulator. In: Текст. Proceedings of World Congress on Neural Networks-1995 (WCNN495).V.l. Washington; 1995. p 170175.

59. Gordan A.N., Rossiev D.A., Gilev S.E. et al. «NeuroComp» group: neural-networks software and its application. Russian Academy of Sciences, Krasnoyarsk Computing Center. Текст. Preprint N8. Krasnoyarsk, 1995.

60. Kunstliche Glieder,Prof.Dr.Hermann Gocht, Dr. R.Radike, Dr. F.Schede., Stutgart, Verlag von Ferdinand Enke, (Текст. 1920. p 566.

61. Kawato M "Internal models for motor control and trajectory planning". Текст. Curr Opin Neurobiol 9: 718-727, 1999.

62. Krakauer JW, Ghilardi MF, and Ghez C. "Independent learning of internal models for kinematic and dynamic control of reaching". Nature Neurosci 2: 10261031, 1999.