Имитационное моделирование динамики алгоритма управления биомеханического тренажера

Действие алгоритма основано на учете величины момента сопротивления. Привод совершает разгибательное движение в суставе до тех пор, пока сопротивление не достигнет порогового значения М_кр. В этом случае привод переключается на осциллирующий режим, заставляя сустав совершать быстрые колебательные движения малой амплитуды. Такой режим способствует расслаблению сгибательных мышц и снижению болевых ощущений. Осциллирующий режим функционирует некоторый период времени (от нескольких секунд до нескольких минут), задаваемый программно, после чего привод возвращается в исходное положение, заставляя сустав сгибаться и давая возможность для восстановления локального кровообращения и релаксации разгибателей. Затем цикл повторяется вновь.

В приводе реализован алгоритм управления движением шарнирно-рычажной системы тренажера для разработки контрактур с уменьшением болевых ощущений.

Схема работы алгоритма в течение одного цикла разработки показана на рис. 1.

Алгоритм работает следующим образом. Под действием номинального напряжения U = U₀ привод совершает разгибание сустава (прямой ход) до тех пор, пока сопротивление не достигнет критического значения М_кр. Этот момент фиксируется датчиком тока, т.к. потребляемый ток прямо пропорционален преодолеваемой нагрузки:

, (1)

где с_М – отношение статического синхронизирующего момента двигателя к пусковому току фазы.

При достижении М₂ = М_кр происходит переключение на режим осцилляции. Привод под действием управления U = –U₁ начинает отрабатывать движение в обратном направлении (сгибание сустава) в течение заданного полупериода осцилляции Т_осц. Амплитуда управляющего напряжения U₁ определяется из условия прохождения заданного угла разгибания α за полупериод:

. (2)

При окончании полупериода в момент времени τ = Т_осц происходит переключение управления на прямой ход U = U₁, заставляя сустав разгибаться. Разгибание продолжается до тех пор, пока вновь не наступит событие М₂ = М_кр, после чего совершается второй цикл осцилляции.

В течение каждого колебания в фазу осцилляции счетчик циклов n регистрирует количество совершенных осцилляций. При совершении заданного числа N осцилляций фаза осцилляции заканчивается и привод под действием управляющего напряжения U = –U₁ возвращается в исходное положение и цикл разработки заканчивается.

Для работы алгоритма необходимо задать следующие параметры:

М_кр – пороговое значение момента сопротивления, характеризующего наступление контрактуры, Н∙м;

М – число циклов разработки в течение сеанса разработки;

N – число осцилляций в течение цикла разработки;

Т_осц – полупериод осцилляции, с;

α – амплитуда осцилляции, град.

Рис. 1. Схема работы алгоритма в течение одного цикла разработки

Остальные параметры (характеристики двигателя: ω_ХХ, М_П, J_рот, U₀; редуктора: u, η, J₁, J₂; предельный угол разгибания в суставе φ_пр) фиксированы и зашиты в ПЗУ микропроцессора. Их можно также перепрограммировать, например, при перенастройке тренажера на другой сустав, замене двигателя или редуктора, но в отличие от перечисленных выше параметров управления они недоступны через пульт пользователя.

Для проверки работоспособности предложенного алгоритма проведен комплекс исследований по имитационному моделированию динамики тренажера.

Заметим, что для работы алгоритма не важен точный вид зависимости (6) и тем более значение показателя контрактуры (который существенно привязан к предложенной модели). Но для имитационной модели необходимо формализованное описание зависимости усилия сопротивления разгибанию от угла разгибания, причем с учетом положительной динамики в процессе разработки.

На рис. 2–6 представлены результаты имитационного моделирования: показаны диаграммы изменения угла и угловой скорости разгибания, управляющего напряжения, момента сопротивления и показателя контрактуры за цикл разработки. Для наглядности предложен идеализированный случай, когда каждая осцилляция эффективна – после каждой осцилляции показатель степени 1/k в выражении (6) увеличивается на единицу. Режим осцилляции – Т_осц = 0,1 с, α = 20º. Подвижность в суставе до начала разработки составляла 56,1º, в конце цикла разработки – 80,1º. Можно видеть, что обратный ход начинается в момент, когда М₂ = М_кр.

Прямой ход в течение каждой осцилляции совершается за большее время, чем обратный. Это связано с тем, что во время прямого хода приводу приходится преодолевать сопротивление, тогда как в течение обратного хода нагрузка помогает тренажеру сгибать сустав.

Основным результатом проведенного моделирования является проверка работоспособности алгоритма. Построенная на диаграммах реализация подтверждает, что алгоритм обеспечивает требуемый режим осцилляции.