Мехатронная реабилитационная микроманипуляционная система тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Берро Сомар

• Берро Сомар
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Берро Сомар

Введение

1 Обзор информации по проблемам реабилитации микроманипуляционных возможности пациентов с ампутированной кистью

1.1 Ампутация верхней конечности

1.2 Классификация протезов верхних конечностей

1.3 Миоэлектрические протезы c неинвазивным способом управления

1.4 Миоэлектрические протезы c инвазивным способом управления

1.5 Пневматические протезы верхних конечностей

1.6 Другие виды протезов верхних конечностей

1.7 Реабилитация и принятие протезов верхних конечностей

1.8 Вывод

2 Разработка мехатронной реабилитационной микроманипуляционной системы (РМС) для пациентов с ампутированной кистью

2.1 Принципы реабилитации функции микроманипулирования

2.2 Комплекс оснащения рабочего места пациента с ампутированной кистью

2.3 Алгоритм работы комплекса оснащения рабочего места пациента с ампутированной кистью

2.4 Структура мехатронной реабилитационной микроманипуляционной системы (РМС)

2.5 Кинематическая схема протеза с микроманипулятором на адаптивной опоре (ПМО)

2.6 Адаптивная опора микроманипулятора

2.7 Формирование ЭЭ-модели протеза с микроманипулятором на адаптивной опоре (ПМО)

3 Исследование динамики протеза с микроманипулятором на адаптивной опоре (ПМО)

3.1 Математическая модель динамики ПМО

3.2 Обоснование выбора схемы и параметров связи культеприемника с корпусом протеза

3.3 Исследование области допустимых значений динамических характеристик элементов ПМО

3.4 Исследование условий ослабления влияния тремора оператора на микроманипулирования

4 Исследование процесс позиционирования рабочего органа РМС

4.1 Модель пациента с ампутированной кистью (оператора) в управлении РМС

4.2 Компьютерные модели процессов позиционирования рабочего органа в РМС

4.3 Оценка точности позиционирования рабочего органа РМС

4.4 Экспериментальное исследование точности позиционирования имитаторами протезов

Заключение

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А Альтернативные сферы применения систем

Приложение Б Детальный расчет математической модели системы

Приложение В Возмущающее воздействие тремора

Приложение Г Математическая модель асимметричного профиля скорости в модели оператора

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мехатронная реабилитационная микроманипуляционная система»

Актуальность темы исследования

Операции повышенной точности, например, монтаж приборов или электронных блоков, обычно выполняют инструментом, перемещаемым кистью, опертой на стол. На финальной стадии процесса позиционирования рабочая точка инструмента выводится в требуемое положение перераспределением усилий и деформаций сжимающих инструмент пальцев и мягких структур кисти в целом. То есть кисть играет роль своеобразного микроманипулятора, опирающегося на стол.

Данная работа посвящена проблеме создания мехатронной реабилитационной микроманипуляционной системы (РМС), по своим функциональным возможностям в некоторой степени сходным с кистью человека. На базе подобных РМС могут быть сформированы рабочие места для пациентов с ампутированной кистью по сборке, ремонту и обслуживанию, например, приборов, электронных блоков, бытовой и офисной техники. Пациенты с ампутированной кистью смогут участвовать в трудовой деятельности как в крупных организации, так и в малых предприятиях или самозанятости.

Степень разработанности темы исследования

Ведущая в мире в области реабилитационной техники компания «Ottobock SE & Co. KGaA» с ее новейшими продуктами представляет протез бионической руки с возможностью смены рабочего органа. Так же в «ФГБУ ФНОЦ Медико-Социальной Экспертизы и Реабилитации им. Г. А. Альбрехта» разрабатывались протезы с реализацией аналогичной концепции сменного рабочего органа. Однако все известные образцы рабочих, косметических и универсальных протезов не обеспечивают микроманипуляционные функции, сходные с кистью человека.

Цель и задачи работы

Целью исследования является разработка принципов построения системы из дистанционно управляемого оснащения рабочего места и микроманипулятора на адаптивной опоре, встроенного в протез для восстановления микроманипуляционных возможностей пациентов с ампутированной кистью.

Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. разработка и исследование принципов построения реабилитационных систем восстановления микроманипуляционных возможностей человека;

2. разработка 3D-модели протеза с интегрированным микроманипулятором на адаптивной опоре;

3. разработка и исследование математической модели динамики протеза с микроманипулятором на адаптивной опоре;

4. разработка и исследование компьютерной модели точности позиционирования рабочего органа реабилитационной микроманипуляционной системы.

Объектом исследования является мехатронная реабилитационная микроманипуляционная система, включающая пациента с ампутированной кистью и протез, оснащенный микроманипулятором на адаптивной опоре.

Предметом исследования является точность позиционирования рабочего органа мехатронной реабилитационной микроманипуляционной системы.

Научная новизна

1. Предложен принцип повышения точности манипулирования рабочим органом протеза для пациентов с ампутированной кистью посредством оснащения протеза микроманипулятором на адаптивной опоре, выполненной с возможностью самоустановки в произвольном положении и фиксации основания микроманипулятора на неподвижном объекте внешней среды.

2. Предложен метод управления многостепенного микроманипулятора протеза непосредственно культей пациента с ампутированной кистью на основе силомоментного датчика на культеприемнике, существенно облегчающий эксплуатацию протеза за счет интуитивно понятного характера управления.

3. Разработана и исследована математическая модель динамики протеза с микроманипулятором на адаптивной опоре, выявлена возможность установки силомоментного датчика между культеприемником и корпусом протеза.

4. Разработана и исследована компьютерная модель точности мехатронной реабилитационной микроманипуляционной системы, основанная на предложенной модели формирования управляющего воздействия пациента с ампутированной кистью при позиционировании рабочего органа на целевом объекте; установлены зависимости точности позиционирования от вида тремора и способа управления.

Теоретическая и практическая значимость исследования

Теоретическая значимость исследования заключается в разработке и исследовании подходов к реабилитации утерянных микроманипуляционных возможностей пациентов с ампутированной кистью. Предложенный принцип управления микроманипулятором протеза, существенно повышающий удобство использования протеза при трудовой деятельности пациентов с ампутированной кистью. Предложенные математические и компьютерные модели динамики и точности реабилитационной микроманипуляционной системы, позволяющие оценить зависимость погрешности позиционирования рабочих органов от вида тремора и способа организации управления.

Практическая значимость исследования заключается в улучшении эмоционального и социального состояния пациентов с ампутированной кистью благодаря полученной возможности высоко квалифицированной производственной деятельности, требующей манипулирование с повышенной точностью. А также в предлагаемых принципиальных решениях реабилитационной микроманипуляционной системы для пациентов с ампутированной кистью, рекомендациях для выбора основных параметров таких систем, оригинальных схемных и конструктивных решениях разработанной 3D-модели протеза с интегрированным микроманипулятором и адаптивной опорой ^и 210950 Ш, RU 217996 и1).

Методология и методы исследования

Для решения иных задач использовались теории механизмов и машин, аналитической геометрии и теории управления. При компьютерном и математическом моделировании использовались программы МАТЬАВ, Simulink, SoHdWorks и КОМПАС-ЭБ.

Положения, выносимые на защиту

1. Принцип повышения точности манипулирования рабочим органом протеза для пациентов с ампутированной кистью, основанный на оперативно устанавливаемой связи протеза с неподвижным объектом внешней среды через микроманипулятор с адаптивной опорой, микроманипулятор размещается на протезе, а адаптивная опора может устанавливаться как на протезе, так и на неподвижном основании рядом с целевым объектом.

2. Метод управления многостепенного микроманипулятора протеза непосредственно культей пациента с ампутированной кистью на основе силомоментного датчика на культеприемнике, упрощающий и облегчающий протез и повышающий удобство работы пациента с ампутированной кистью.

3. Математическая модель динамики протеза с микроманипулятором на адаптивной опоре, показывающая влияние соотношение динамических характеристик адаптивной опоры и силомоментного датчика культеприемника на степень ослабления колебаний, вызванных тремором.

4. Компьютерная модель точности мехатронной реабилитационной микроманипуляционной системы, включающая модель формирования управляющего воздействия пациента с ампутированной кистью при позиционировании рабочего органа.

Степень достоверности полученных результатов

Достоверность полученных результатов обусловлена корректным применением методов теоретической механики, математического анализа и программирования. Все научные положения и выводы по результатам диссертационной работы обеспечены глубокой проработкой литературного материала, согласованностью полученных теоретических и моделированных данных с результатами исследований. Выводы основаны на достоверных результатах, аргументированы и не вызывают сомнений. Работа выполнена на современном методическом уровне с применением математического анализирования аналитической геометрии и теории автоматического управления.

Публикации и апробация результатов

Результаты работы опубликованы в журналах: Наука и бизнес: пути развития (2022), Вестник МГТУ «Станкин» (2022), Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (2024). По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе Э в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 работа в РИНЦ и 2 в изданиях, индексируемых в базе Scopus. Получены 2 патента РФ на полезную модель.

Результаты, полученные в рамках работы над диссертацией, представлялись и обсуждались на следующих научно-методических конференциях: НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбПУ 18-2Э.11.2019, Санкт-Петербург; 5-я международная конференция «Arctic: History and Modernity» 18-19.03.2020, Санкт-Петербург; III Международная конференция «ICMSIT-Ш 2022: Метрологическое обеспечение инновационных технологий» Э-5.0Э.2022, Красноярск - Санкт-Петербург.

Личный вклад автора

Соискателем предложен принцип повышения точности манипулирования рабочим органом протеза для пациентов с ампутированной кистью; метод управления многостепенного микроманипулятора протеза на основе силомоментного датчика за счет интуитивно понятного характера управления. Основные научные положения, компьютерная модель, практические решения, результаты моделирования, эксперименты и теоретические выводы сформулированы и выполнены автором лично.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертационная работа выполнена в рамках специальности 2.5.4. Роботы, мехатроника и робототехнические системы по пунктам:

- п.Э. Развитие принципов и методов построения мехатронных устройств и систем как результата синергетического объединения узлов точной механики, электротехнических, электропневматических, электрогидравлических, электронных и компьютерных компонентов с целью проектирования и практического применения качественно новых машин, систем и модулей с высокоэффективным цифровым управлением их функциональными движениями.

- п.4. Математическое и полунатурное моделирование мехатронных и робототехнических систем, включая взаимодействие со средой, анализ их характеристик, оптимизация и синтез по результатам моделирования.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и четырех приложений. Содержание работы изложено на 121 страницах, включает 60 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список содержит 120 наименований.

1 Обзор информации по проблемам реабилитации микроманипуляционных возможности пациентов с ампутированной кистью 1.1 Ампутация верхней конечности

Ампутация - это хирургическая операция, приводящая к частичной или полной потере конечности [1]. По данным Всемирной организации здравоохранения (WHO), около 1,3 миллиарда человек (16% населения мира) живут с постоянной инвалидностью [2], из которых не менее 10 миллионов - люди с ампутацией, из которых 3 миллиона - люди с ампутацией верхних конечностей [3]. Травмы являются основной причиной, часто возникающей в результате несчастных случаев на производстве, дорожно-транспортных происшествий и падений [4-6]. Также учащаются случаи ампутации из-за недостаточного кровоснабжения [7]. Другие возможные причины включают врождённые аномалии и рак. Хотя исследований на эту тему меньше, было показано, что потеря верхней конечности имеет более серьёзные психосоциальные последствия, чем потеря нижней. Независимо от уровня ампутации, а также от того, ампутирована ли одна или обе руки, способность человека выполнять повседневные задачи будет значительно снижена [8; 9]. Ампутация сама по себе не считается личной проблемой со здоровьем, а скорее общественной. Это связано с влиянием имитации на социальную и профессиональную жизнь человека. Последствия распространяются на его семью, работу и круг общения. Это соответствует анализу инвалидности, данному в Международной классификации функционирования, ограничений жизнедеятельности и здоровья (МКФ) [10].

Исторически названия и уровни ампутации различались. Для описания ампутаций в зависимости от их локализации была принята специальная терминология. Протезы верхних конечностей впоследствии классифицируются в зависимости от уровня ампутации [11-13].

С самого зарождения цивилизации люди страдали от проблемы ампутации, и они начали искать подходящие решения для создания протезов. В XV веке появились железные руки, предназначенные для переноски предметов с помощью

тросов. Они считались прототипом тяговых протезов, которые впоследствии получили широкое распространение [14]. В 1791 году «Кулибин Иван Петрович» изобрел первую в России модель протеза конечности [15]. В 1883 году в Санкт-Петербурге открылся Мариинский приют для инвалидов и ампутантов, где инвалиды получили первые протезы, снабженные рабочими приспособлениями

[15]. В 1919 году профессор и врач «Альбрехт Герман Александрович», считающийся основоположником протезирования в Российской империи и Советском Союзе, а также изобретателем первых в отечественной практике активных механических протезов верхних конечностей, возглавил Петроградский институт протезирования (позднее - НИИ протезирования им. проф. Г. А. Альбрехта) [15]. В Европе процент людей с ампутированными конечностями резко возрос, особенно после мировых войн и революций, что привело к развитию протезирования, призванного помочь инвалидам в их профессиональной жизни

[16]. В начале текущего столетия, с развитием технологий, особенно в области медицины, появилось биопротезирование (бионические руки), способствующее восстановлению подвижности людям с ампутированными конечностями [17].

1.2 Классификация протезов верхних конечностей

Протезы верхних конечностей можно разделить на активные и пассивные в зависимости от их функции. На рисунке 1. 1 представлена общая классификация протезов верхних конечностей.

Для людей с ампутацией подбор протеза конечности более сложен из-за несоответствия между определенными уровнями ампутации и типом необходимого протеза. Индивидуальная настройка имеет решающее значение при окончательной модификации протезов верхних конечностей [18]. Приспособление и желаемая функция протеза в конечном итоге определяются такими факторами, как характер несчастного случая [19], состояние культи после операции, предполагаемое использование культи, а также телосложение, возраст и размер пользователя [20].

Рисунок 1.1 - Классификация протезов верхних конечностей

Пассивные/косметические или нефункциональные протезы верхних конечностей - это косметические протезы, которые соответствуют внешнему виду, размеру и весу культи или используются для компенсации постурального баланса с учетом веса культи [11]. Таким образом, они помогают человеку с ампутацией интегрироваться и чувствовать себя комфортно в социальных ситуациях, но имеют ограниченные функциональные возможности и обеспечивают элементарные способности хватания по сравнению с неповрежденной конечностью [21-23]. Пользователи пассивных протезов рук испытывают функциональные трудности при подтягивании, захвате, удержании и отпускании предметов в повседневной жизни [24-27].

Пассивные протезы можно разделить на две категории в зависимости от конечности, которую они выполняют: кисть или инструмент. Пассивные протезные инструменты очень полезны для повседневной и спортивной деятельности, например, инструменты для удержания и отпускания хоккейных клюшек, удочек, бейсбольных бит, лыжных палок и камер [28-30]. Протезные инструменты также были разработаны для занятий, требующих использования рук, таких как поднятие тяжестей или игра на скрипке [31-34].

Несмотря на то, что существует множество протезных инструментов для различных видов деятельности, не всегда ясно, насколько они эффективны и безопасны в плане улучшения производительности пользователя [21]. Они могут быть полезны для обучения новым конкретным навыкам и поддержки ловкости рук даже в случае отторжения протеза руки [Э5-Э7]. Фактически, протезный инструмент может оказаться предпочтительнее протеза руки, поскольку он обеспечивает большую функциональность для выполнения конкретной задачи и может иметь меньше недостатков [Э5-Э8].

Несмотря на достижения в производстве протезов верхних конечностей и их широкую доступность на рынке, пассивные протезы не утратили своей популярности и важности среди пользователей из-за технических и механических проблем, связанных с активным протезированием [Э9].

Активные или функциональные протезы верхних конечностей - это биосовместимые мехатронные устройства, целью которых является восстановление утраченных физиологических функций после ампутации верхней конечности, возможно, частично, но с максимально возможной эффективностью [11]. И протез предплечья активный тяговый является один из первых разработанных активных протезов руки.

Это традиционный протез, также известный как подвесной протез, который крепится к крюку или руке и управляется движениями и силой тела [22; 40]. Протез предплечья активный тяговый отличается высокой прочностью и простотой конструкции, а также может использоваться в условиях, где протез с электрическими компонентами может быть поврежден. С помощью этого протеза можно выполнять по крайней мере одно или несколько движений, таких как сгибание локтя, опускание и поднимание плеча, сгибание лопатки, приведение или отведение лопатки и разгибание грудной клетки [41] . В некоторых случаях ампутации может быть добавлена локтевая система для обеспечения дополнительной подвижности [42]. Самый существенный недостаток этих протезов - ремень управления, который может быть неудобным и вызывать износ одежды.

Хотя новые материалы помогают уменьшить дискомфорт, ремень должен быть достаточно надёжным, чтобы фиксировать движение плеча и удерживать протез. Система ремня и троса также ограничивает потенциальное усилие захвата крюком или другими управляющими устройствами. Этот протез также может повредить хрупкие ткани вокруг культи после ампутации [43].

1.3 Миоэлектрические протезы с неинвазивным способом управления

Миоэлектрическое управление является наиболее распространенным способом управления протезом с электрическим приводом. В целом, этот тип использует небольшие электродвигатели в рабочем органом (кисти или крюке) (Рисунок 1.2), запястье и локте для обеспечения движения. Двигатели питаются от аккумуляторной системы [44].

Рисунок 1.2 - Миоэлектрический протез трансрадиального уровня с крючком

Наиболее известные за последние годы миоэлектрические протезы были впервые продемонстрированы в 1948 году Райнхольдом Рейтером в Мюнхенском университете. В устройстве использовалась поверхностная электромиография (ЭМГ) для управления движущимися [40].

Миоэлектрические сигналы возникают при сокращении произвольно управляемых мышц культи и регистрируются поверхностными электродами, имплантированными в гильзу протеза (Рисунок 1.3). Электроды должны поддерживать контакт с мышцами, от которых поступают управляющие сигналы. Зарегистрированный миоэлектрический сигнал сначала усиливается, а затем преобразуется в управляющий сигнал, который приводит в действие электродвигатели, приводящие протез в действие [41].

Рисунок 1.3 - Аппаратное обеспечение системы управления миоэлектрическим

Величина обработанного сигнала приблизительно пропорциональна изометрической силе, прилагаемой мышцей, и микропроцессор рассчитывает действия на основе силы миоэлектрического сигнала [29; 41]. Многие миоэлектрические протезы используют обработанный сигнал «бЕМО» в качестве входного сигнала для системы управления включением/выключением, что подходит для протезов с максимум двумя степенями свободы. В этом случае скорость движения рабочего органа всегда постоянна, и движение начинается после достижения пороговых значений сигнала [45].

протезом

Пропорциональное управление позволяет пользователь контролировать скорость и силу движений рабочего органа протеза, запястья и локтя путем изменения силы сокращения мышц входных сигналов [46-47].

Более продвинутый протез использует систему управления, основанную на алгоритмах классификации сигналов электромиографии (ЭМГ) [48]. Алгоритм классификации извлекает характеристики из записанных сигналов, которые затем используются для определения соответствующего движения, выполняемого пользователем [49-51]. Широкому распространению метода управления протезом препятствует точность алгоритмов классификации, которая все еще не достигает 90%, а также необходимость длительного обучения перед использованием протеза [52].

Поверхностные электроды часто относительно недороги и поэтому могут быть интегрированы в более доступные протезы, например, в биоэлектронные устройства, напечатанные на SD-принтере. Это снижает общую стоимость производства и приобретения, делая их более доступными для пользователей. Этот метод чрезвычайно эффективен благодаря своей гибкости и неинвазивности [53]. К наиболее популярным устройствам для электромиографии верхних конечностей относятся Brunei Hand компании Open Bionics, Michelangelo Hand компании Otto bock и I-Limb компании Touch Bionics (Рисунок 1.4).

(а) (б) (в)

Рисунок 1.4 - Некоторые из самых популярных протезов для электромиографии верхних конечностей: а) Burnel hand; б) Michalangelo hand; в) I-Limb hand

Несмотря на их преимущества, искажение ЭМГ-сигналов и шум от электромагнитных помех могут ограничивать их качество [54]. Качество этих сигналов можно улучшить, имплантировав регистрирующие электроды непосредственно в мышцу инвазивным способом [55].

1.4 Миоэлектрические протезы c инвазивным способом управления

Инвазивный способ управления обычно использует два типа имплантируемых электродов для регистрации ЭМГ-сигналов. Первый тип - это эпимизиальные электроды, которые фиксируются на наружной поверхности целевой мышцы, не проникая в саму мышцу [56]. Второй тип - внутримышечные электроды, которые помещаются внутрь мышечной ткани [57]. Имплантируемые электроды измеряют сигналы непосредственно от мышц, устраняя проблему слабых регистрируемых сигналов и шума. Это улучшает алгоритм классификации и распознавания образов в системе управления протезами [58; 59].

В настоящее время прогресс в этом направлении достигается за счет использования остеоинтеграционных имплантатов, которые вживляются в скелетную часть культи (Рисунок 1.5). Это решение повышает надежность соединения культи с протезом и обеспечивает надёжное решение проблемы использования имплантируемых нейроэлектродов. Через остеоинтегрированный имплантат электроды, хирургически прикреплённые к нерву, могут передавать сигнал на протез [60]. Сочетание остеоинтеграции и имплантированного электрода открывает путь к более надежному протезированию и лучшим алгоритмам классификации и распознавания образов на основе методов машинного обучения [61; 62].

Несмотря на многообещающие результаты, связанные с этим методом проблемы, как и с большинством инвазивных методов получения сигналов, заключаются в необходимости хирургического вмешательства, возможности неврологических повреждений и могут быть нелогичны, если не используются нейронные сигналы от культи [63; 64].

Доступные миоэлектрические устройства выполняют функции как одинарного, так и многозахвата [65]. Хотя функция многозахвата имеет низкую кривую обучения, в 2016 году авторы обнаружили, что участники смогли освоить одиннадцать движений протеза с минимальной подготовкой [66]. Они также обнаружили, что лёгкость обучения была связана с более выраженной фантомной чувствительностью конечности, большей долей остаточной функции конечности и более длительным периодом после ампутации. Хотя миоэлектрические протезы обладают множеством преимуществ, у них есть и недостатки, такие как большой вес, более требовательное обслуживание и более высокие температуры [22].

Рисунок 1.5 - Инвазивный миоэлектрический протез с остеоинтеграционном

имплантатом

Ограничение количества каналов управления, которые могут быть использованы, также является одним из основных текущих недостатков системы

управления протезами, основанной на сигналах. В некоторых исследовательских работах использовалось до семи биполярных электродов для улучшения системы управления за счет повышения точности обнаруженных сигналов и увеличения количества идентифицированных жестов [67]. К сожалению, эта технология всё ещё находится в стадии разработки и не будет внедрена производителями в ближайшее время, поскольку большее количество электронов означает более сложную систему и более высокую вероятность электромеханических сбоев. Некоторые бионические протезы даже требуют мобильного приложения для переключения между жестами, в то время как другие требуют использования внешних устройств, таких как педаль [68].

1.5 Пневматические протезы верхних конечностей

Более 60 лет назад была представлена первая конструкция полностью функциональной пневматической руки. Это была рука «Гейдельберг» (Рисунок 1.6) [69]. Протез имеет внешний источник питания - бак со сжатым газом, подключенный к приводам в локте, запястье и кисти. Она также оснащена набором клапанов, которые открываются и закрываются при движении плеча. Для управления давлением газа, проходящего через клапаны, добавлены несколько сопел, чтобы контролировать скорость движения звеньев и силу сжатия руки.

Рисунок 1.6 - Инвазивный миоэлектрический протез с остеоинтеграционном

имплантатом

В конце XX века появилась тенденция использования пневматических искусственных мышц для управления движением протезов [70; 71]. Пневматическая искусственная мышца состоит из деформируемой трубки, изготовленной из эластичных материалов, которая сжимается и расширяется под действием пневматического давления [72]. Замена локтевого привода на пневматическую искусственную мышцу позволила протезам приобретать мягкое, деликатное движение, аналогичное движениям здоровой руки человека (Рисунок 1.7) [73; 74]. Высокая нелинейность затрудняет построение точной математической модели для понимания динамики пневматических искусственных мышц. Это приводит к низкой точности исследования проблемы вибрации, возникающей при использовании их. Эти проблемы до сих пор препятствуют широкому использованию пневматических искусственных мышц в протезной промышленности [75].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Берро Сомар, 2026 год

Список литературы

1. Yoo J.C., Du H.K., Min C.C. Amputation stump management: A narrative review // World Journal of Clinical Cases, Vol. 10, No. 13, 2022. pp. 3981-3988.

2. Disability [Электронный ресурс] // World Health Organization: [сайт]. [2023]. URL: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/disability-and-health (дата обращения: 12.10.2023).

3. Micera S. Staying in Touch: Toward the Restoration of Sensory Feedback in Hand Prostheses Using Peripheral Neural Stimulation // IEEE Pulse, Vol. 7, No. 3, 2016. pp. 16-19.

4. 0stlie K., Skjeldal O.H., Garfelt B., Magnus P. Adult acquired major upper limb amputation in Norway: prevalence, demographic features and amputation specific features. A population-based survey // Disability and Rehabilitation, Vol. 33, No. 17, 2010. pp. 1636-1649.

5. Alshehri F.M., Ahmed S.A., Ullah S., Ghazal H., Nawaz S., Alzahrani A.S. The Patterns of Acquired Upper and Lower Extremity Amputation at a Tertiary Centre in Saudi Arabia // Cureus, Vol. 14, No. 4, 2022. P. e24026.

6. Ziegler-Graham K., MacKenzie E.J., Ephraim P.L., Travison T.G., Brookmeyer R. Estimating the prevalence of limb loss in the United States: 2005 to 2050 // Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, Vol. 89, No. 3, 2008. pp. 422-429.

7. Fletcher D.D., Andrews K.L., Hallett Jr J.W., Butters M.A., Rowland C.M., Jacobsen S.J. Trends in rehabilitation after amputation for geriatric patients with vascular disease: implications for future health resource allocation // Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, Vol. 83, No. 10, 2002. pp. 1389-1393.

8. Desteli E.E., imren Y., Erdogan M., Sarisoy G., Co§gun S. Comparison of upper limb amputees and lower limb amputees: a psychosocial perspective // European Journal of Trauma and Emergency Surgery, Vol. 40, No. 6, 2014. pp. 735-739.

9. Rybarczyk B., Behel J. Limb Loss and Body Image // In: Psychoprosthetics. London: Springer, 2008. pp. 22-31.

10. Jarrasse N., Maestrutti M., Morel G., Roby-Brami A. Robotic prosthetics: beyond the technical performance: A study of socio-anthropological and cultural phenomena influencing the appropriation of technical objects interacting with the body // EEE Technology and Society, Vol. 34, No. 2, 2015. pp. 69-77.

11. Segura D., Romero E., Abarca V.E., Elias D.A. Upper Limb Prostheses by the Level of Amputation: A Systematic Review // Prosthesis, Vol. 6, 2024. pp. 277-300.

12. Minks T., Cassisi J.E., Lighthall N.R., Proctor M., Mendelson S. Impact of amputation of the upper limb and prostheses on perceptions of competence, warmth, and functional abilities // Rehabilitation Psychology, Vol. 69, No. 1, 2024. pp. 14-23.

13. Зефирова Г.С., Мирзоянц Г.Г., Строков И.А., Молашенко Н.П. Гипотиреоидная миопатия // Сов. мед., №. 6, 1978. С. 126-130.

14. Росстат. ЗДРАВООХРАНЕНИЕ В РОССИИ 2017. Москва: Росстат, 2017. 170 с.

15. Петров В.Г., Замилацкий Ю.И. Технологии изготовления протезов верхних конечностей. СПБ: Гиппократ, 2008. 128 с.

16. Звездина Н.В. Статистический анализ смертности в России // Экономика, статистика, информатика, №. 2, 2017. С. 125-130.

17. Коробенков Н.О., Кочетов С.С., Григоров П.А. Бионическое протезирование конечности // Сибирский медицинский журнал (Иркутск), №. 3, 2019. С. 22-27.

18. Xu K., Qin S. An Interdisciplinary Approach and Advanced Techniques for Enhanced 3D-Printed Upper Limb Prosthetic Socket Design: A Literature Review // Actuators, Vol. 12, 2023. P. e223.

19. Van Lunteren A., van Lunteren-Gerritsen G., Stassen H., Zuithoff M. A field evaluation of arm prostheses for unilateral amputees // Prosthetics and Orthotics International, Vol. 7, 1983. pp. 141-151.

20. Amsuess S., Vujaklija I., Goebel P., Roche A.D., Graimann B., Aszmann O.C., Farina D. Context-dependent upper limb prosthesis control for natural and robust use // IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, Vol. 24, No. 7, 2015. pp. 744-753.

21. Maat B., Smit G., Plettenburg D., Breedveld P. Passive prosthetic hands and tools: A literature review // Prosthetics and Orthotics International, Vol. 42, No. 1, 2018. pp. 66-74.

22. Biddiss E., Chau T. Upper limb prosthesis use and abandonment: a survey of the last 25 years // Prosthetics and Orthotics International, Vol. 31, No. 3, 2007. pp. 236-257.

23. Ritchie S., Wiggins S., Sanford A. Perceptions of cosmesis and function in adults with upper limb prostheses: a systematic literature review // Prosthetics and Orthotics International, Vol. 35, No. 4, 2011. pp. 332-341.

24. Fraser C.M. An evaluation of the use made of cosmetic and functional prostheses by unilateral upper limb amputees // Prosthetics and Orthotics International, Vol. 22, No. 3, 1998. pp. 216-223.

25. Kyberd P.J., Wartenberg C., Sandsjo L. Survey of upper-extremity prosthesis users in Sweden and the United Kingdom // Journal of Prosthetics and Orthotics, Vol. 19, No. 2, 2007. pp. 55-62.

26. Kejlaa G.H. Consumer concerns and the functional value of prostheses to upper limb amputees // Prosthetics and Orthotics International, Vol. 17, No. 3, 1993. pp. 157-163.

27. Biddiss E., Beaton D., Chau T. Consumer design priorities for upper limb prosthetics // Disability and Rehabilitation: Assistive Technology, Vol. 2, No. 6, 2007. pp. 346-357.

28. Highsmith M.J., Carey S.L., Koelsch K.W. Design and fabrication of a passive-function, cylindrical grasp terminal device // Prosthetics and Orthotics International, Vol. 33, No. 4, 2009. pp. 391-398.

29. Dillingham T.R. Rehabilitation of the upper limb amputee // In: Rehabilitation of the injured combatant / Ed. by Dillingham T.R., Belandres P. Washington: Office of the Surgeon General, 1998. pp. 33-77.

30. Beckerle P., Willwacher S., Liarokapis M., Bowers M.P., Popovic M.B. Prosthetic Limbs // In: Biomechatronics / Ed. by Popovic M.B. Cambridge: Academic Press, 2019. pp. 236-272.

31. Radocy B. Upper-extremity prosthetics: considerations and designs for sports and recreation // Clinical Prosthetics & Orthotics, Vol. 11, No. 3, 1987. pp. 131153.

32. Radocy B. Special considerations: upper-limb prosthetic adaptations for sports and recreation // In: Atlas of limb prosthetics: surgical, prosthetic, and rehabilitation principles / Ed. by Bowker H.K., Michael. J.W. Rosemont: Mosby, 1992.

33. Norris R.N. Applied ergonomics: adaptive equipment and instrument modification for musicians // Md Med J., Vol. 42, No. 3, 1993. pp. 271-275.

34. Bragaru M., Dekker R., Geertzen J.H. Sport prostheses and prosthetic adaptations for the upper and lower limb amputees: an overview of peer reviewed literature // Prosthetics and Orthotics International, Vol. 36, No. 3, 2012. pp. 290-296.

35. Vasluian E., van Wijk I., Dijkstra P.U. Adaptive devices in young people with upper limb reduction deficiencies: use and satisfaction // Journal of Rehabilitation Medicine, Vol. 47, No. 4, 2015. pp. 346-355.

36. Webster J.B., Levy C.E., Bryant P.R. Sports and recreation for persons with limb deficiency // Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, Vol. 82, No. 3, 2001. pp. 38-44.

37. Walker J.L., Coburn T.R., Cottle W. Recreational terminal devices for children with upper extremity amputations // Journal of Pediatric Orthopaedics, Vol. 28, No. 2, 2008. pp. 271-273.

38. Michael J.W., Gailey R.S., Bowker J.H. New developments in recreational prostheses and adaptive devices for the amputee // Clinical Orthopaedics and Related Research, Vol. 256, 1990. pp. 64-75.

39. Biddiss E., Chau T. Upper-limb prosthetics: critical factors in device abandonment // American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, Vol. 86, No. 12, 2007. pp. 977-987.

40. Zuo K.J., Olson J.L. The evolution of functional hand replacement: From iron prostheses to hand transplantation // Plastic surgery (Oakv), Vol. 22, No. 1, 2014. pp. 44-51.

41. Billock J.N. Upper Limb Prosthetic Terminal Devices: Hands Versus Hooks // Clinical Prosthetics and Othotics, Vol. 10, No. 2, 1986. pp. 57-65.

42. Jette A.M., Spicer C.M., Lalith J., editors. Upper-Extremity Prostheses // In: The Promise of Assistive Technology to Enhance Activity and Work Participation. Washington: National Academies Press, 2017. pp. 99-163.

43. Uellendahl J. Myoelectric versus Body-Powered Upper-Limb Prostheses: A Clinical Perspective // American Academy of Orthotists and Prosthetists., Vol. 12, 2017. pp. 25-29.

44. Belter J.T., Segil J.L., Dollar A.M., Weir R.F. Mechanical design and performance specifications of anthropomorphic prosthetic hands: A review // The Journal of Rehabilitation Research and Development, Vol. 50, No. 5, 2013. pp. 599-618.

45. Geethanjali P. Myoelectric control of prosthetic hands: state-of-the-art review // Medical Devices: Evidence and Research, Vol. 9. pp. 274-255.

46. Magbagbeola M. An AI Driven Approach to Autonomous Sensory Feedback for Upper Limb Prosthesis, University College London, London, Doctoral thesis (Ph.D) 2022.

47. Kulkarni T., Uddanwadiker R. Overview: Mechanism and Control of a Prosthetic Arm // Tech Science Press, Vol. 12, No. 3, 2015. pp. 147-195.

48. Tsuji T., Shibanoki T., Nakamura G., Furui A. Development of Myoelectric Robotic/Prosthetic Hands with Cybernetic Control at the Biological Systems // Journal of Robotics andMechatronics, Vol. 31, No. 1, 2019. pp. 27-34.

49. Chowdhury R.H., Reaz M.B.I., Ali M.A.B.M., Bakar A.A.A., Chellappan K., Chang T.G. Surface Electromyography Signal Processing and Classification Techniques // sensors, Vol. 13, 2013. pp. 2431-12466.

50. Classification of the Myoelectric Signals of Movement of Forearms for Prosthesis Control // Journal of Medical and Bioengineering, Vol. 5, No. 2, 2016. pp. 7684.

51. Yoo H., Park H., Lee B. Myoelectric Signal Classification of Targeted Muscles Using Dictionary Learning // sensors, Vol. 19, 2019. P. e2370.

52. Balbinot A., Schuck Júnior A., Favieiro G.W. Decoding Arm Movements by Myoelectric Signal and Artificial Neural Networks // Intelligent Control and Automation, Vol. 4, 2013. pp. 87-93.

53. Prakash A., Sharma S., Sharma N. A compact-sized surface EMG sensor for myoelectric hand prosthesis // Biomedical Engineering Letters, Vol. 9, No. 4, 2019. pp. 467-479.

54. Yadav D., Veer K. Recent trends and challenges of surface electromyography in prosthetic applications // Biomedical Engineering Letters, Vol. 13, No. 3, 2023. pp. 353-373.

55. Bumbasirevic M., Lesic A., Palibrk T., Milovanovic D., Zoka M., Kravic-Stevovic T., Raspopovic S. The current state of bionic limbs from the surgeon's viewpoint // EFORT Open Reviews, Vol. 5, 2020. pp. 65-72.

56. Peckham P.H., Ackermann Jr D.M., Moss C.W. The Role of Biomaterials in Stimulating Bioelectrodes // In: Biomaterials Science (Third Edition) / Ed. by Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen F.J., Lemons J.E. Cambridge: Academic Press, 2013. pp. 981-996.

57. Comparison between Intramuscular Multichannel Electrodes and Supramysial Multichannel Electrodes via EMG Measurements for Potential Use as Larynx Stimulation Electrodes: In Vivo Animal Analysis // Sensors, Vol. 19, No. 20, 2019. P. e4477.

58. Vu P.P., Vaskov A.K., Lee C. Long-term upper-extremity prosthetic control using regenerative peripheral nerve interfaces and implanted EMG electrodes // Journal of Neural Engineering, Vol. 20, No. 2, 2023. P. e026039.

59. Lowery M.M. Simulation of Intramuscular EMG Signals Detected Using Implantable Myoelectric Sensors (IMES) // IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, Vol. 53, No. 10, 2014. pp. 1926-1933.

60. Li Y., Ortiz-Catalan M., Bránemark R. Osseointegrated Amputation Prostheses and Implanted Electrodes // In: Bionic Limb Reconstruction. New York: Springer, 2021. pp. 45-55.

61. Osborn L.E., Moran C.W., Johannes M.S. Extended home use of an advanced osseointegrated prosthetic arm improves function, performance, and control efficiency // Journal of Neural Engineering, Vol. 18, 2021. P. e026020.

62. Mastinu E., Clemente F., Sassu P. Grip control and motor coordination with implanted and surface electrodes while grasping with an osseointegrated prosthetic hand // Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, Vol. 16, 2019. P. e49.

63. Chen Z., Min H., Wang D., Xia Z., Sun F., Fang B. A Review of Myoelectric Control for Prosthetic Hand Manipulation // Biomimetics, Vol. 8, No. 3, 2023. P. e328.

64. Roche A.D., Rehbaum H. Prosthetic Myoelectric Control Strategies: A Clinical Perspective // Current Surgery Reports, Vol. 2, 2014. P. e44.

65. Kerver N., van Twillert S., Maas B., van der Sluis C.K. User-relevant factors determining prosthesis choice in persons with major unilateral upper limb defects: A meta-synthesis of qualitative literature and focus group results // PloS One, Vol. 15, No. 6, 2020. P. e0234342.

66. Atzori M., Gijsberts A., Castellini C., Caputo B., Hager A.-G.M., Elsig S., Giatsidis G., Bassetto F., Müller H. Effect of clinical parameters on the control of myoelectric robotic prosthetic hands. Journal of Rehabilitation Research and Development // ournal of Rehabilitation Research and Development, Vol. 53, No. 3, 2016. pp. 345-358.

67. Zhang Z., Yu X., Qian J. Classification of Finger Movements for Prosthesis Control with Surface Electromyography // Sensors and Materials, Vol. 32, No. 4, 2020. pp. 1523-1532.

68. Tavakoli M., Benussi C., Lourenco J.L. Single channel surface EMG control of advanced prosthetic hands: A simple, low cost and efficient approach // Expert Systems with Applications, Vol. 79, 2017. pp. 322-332.

69. Kessler H.H., Kiessling E.A. The Pneumatic Arm Prosthesis // The American Journal of Nursing, Vol. 65, No. 6, 1965. pp. 14-117.

70. Caldwell D.G., Tsagarakis N. Biomimetic actuators in prosthetic and rehabilitation applications // Technology and Health Care, Vol. 10, 2002. pp. 107-120.

71. Cochrane C., Hertleer C., Schwarz-Pfeiffe A. Smart textiles in health: An overview // In: Smart Textiles and their Applications. Cambridge: Woodhead Publishing, 2016. pp. 9-32.

72. Daerden F., Lefeber D. Pneumatic Artificial Muscles: actuators for robotics and automation // European Journal of Mechanical and Environmental Engineering, Vol. 47, No. 1, 2002. pp. 11-21.

73. DINDORF R. Models of artificial arm actuated by pneumatic muscles actuators // BIO-ALGORITHMS AND MED-SYSTEMS, Vol. 6, No. 1, 2010. pp. 113121.

74. Upadhya A.R., Rao V. Design, fabrication and testing of pneumatic muscle actuator artificial human arm // Journal of Mechanical Engineering Research and Developments (JMERD), Vol. 42, No. 5, 2019. pp. 115-118.

75. Kalita B., Leonessa A., Dwivedy S.K. A Review on the Development of Pneumatic Artificial Muscle Actuators: Force Model and Application // Actuators, Vol. 11, 2022. P. e288.

76. Nishikawa K., Hirata K., Takaiwa M. Development of Self-Powered 5-Finger Pneumatically Driven Hand Prosthesis Using Supination of Forearm // Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 34, No. 2, 2022. pp. 454-465.

77. Takeda H., Tsujiuchi N., Koizumi T., Kan H., Hirano M., Nakamura Y. 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS // Development of Prosthetic Arm with Pneumatic Prosthetic Hand and Tendon-Driven Wrist. Minnesota. 2009. pp. 50485051.

78. Trent L., Intintoli M., Prigge P., Walters L.S. A narrative review: current upper limb prosthetic options and design // Disability and Rehabilitation: Assistive Technology, Vol. 15, No. 6, 2020. pp. 604-613.

79. Hruby L.A., Gstoettner C., Sturma A., Salminger S., Mayer J.A., Aszmann O.C. Bionic Upper Limb Reconstruction: A Valuable Alternative in Global Brachial Plexus Avulsion Injuries—A Case Series // Journal of Clinical Medicine, Vol. 9, 2020. P. e23.

80. Lange G., Yee C., Johar K., Akthar F. Classification of Electroencephalogram Data from Hand Grasp and Release Movements for BCI Controlled Prosthesis // Procedia Technology, Vol. 26, 2016. pp. 374-381.

81. Nguyen P.D., Pham C.T. 2019 IEEE International Symposium on Measurement and Control in Robotics (ISMCR) // Towards a modular and dexterous transhumeral prosthesis based on biosignals and active vision. Houston. 2019. pp. 231236.

82. Toro-Ossaba A., Tejada J.C., Rúa S., López-González A. A Proposal of Bioinspired Soft Active Hand Prosthesis // Biomimetics, Vol. 8, 2023. P. e29.

83. Jin H., Dong E., Xu M., Yang J. A Smart and Hybrid Composite Finger with Biomimetic Tapping Motion for Soft Prosthetic Hand // Journal of Bionic Engineering, Vol. 17, 2020. pp. 484-500.

84. Mohammadi A., Lavrano J., Zhou H., Mutlu R., AliciI G., Tan Y., Choong P., Oetomo D. A practical 3D-printed soft robotic prosthetic hand with multi-articulating capabilities // PLOS ONE. 2020. URL: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0232766 (дата обращения: 10.5.2021).

85. Moulaei K., Bahaadinbeigy K., Haghdoostd A.A., Nezhad M.S., Sheikhtaheri A. Overview of the role of robots in upper limb disabilities rehabilitation: a scoping review // Archives of Public Health, Vol. 81, 2023. P. e84.

86. Salminger S., Stino H., Pichler L.H., Gstoettner C., Sturma A., Mayer J.A., Szivak M., Aszmann O.C. Current rates of prosthetic usage in upper-limb amputees -have innovations had an impact on device acceptance? // Disability and Rehabilitation, Vol. 44, No. 14, 2022. pp. 3708-3713.

87. Piscitelli D., Beghi M., Bigoni M. Prosthesis rejection in individuals with limb amputation: a narrative review with respect to rehabilitation // Rivista di Psichiatria, Vol. 56, No. 4, 2021. pp. 175-181.

88. Brack R., Amalu E.H. A review of technology, materials and R&D challenges of upper limb prosthesis for improved user suitability // Journal of Orthopaedics, Vol. 23, 2020. pp. 88-96.

89. Baldock M., Pickard N., Prince M., Kirkwood S., Chadwell A., Howard D., Dickinson A., Kenney L., Gill N., Curtin S. Adjustable prosthetic sockets: a systematic review of industrial and research design characteristics and their justifications // Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, Vol. 20, 2023. P. e147.

90. Buongiorno D., Cascarano G.D., De Feudis I., Brunetti A., Carnimeo L., Dimauro G., Bevilacqua V. Deep learning for processing electromyographic signals: A taxonomy-based survey // Neurocomputing, Vol. 452, 2021. pp. 549-565.

91. Alturkistani R., Kavin A., Devasahayam S., Thomas R., Colombini E.L., Cifuentes C.A., Homer-Vanniasinkam S., Wurdemann H.A., Moazen M. Affordable passive 3D-printed prosthesis for persons with partial hand amputation // Prosthetics and Orthotics International, Vol. 44, No. 2, 2020. pp. 92-98.

92. Engdahl S.M., Christie B.P., Kelly B., Davis A., Chestek C.A., Gates D.H. Surveying the interest of individuals with upper limb loss in novel prosthetic control techniques // Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, Vol. 12, 2015. P. e53.

93. Liz Haverkate, Gerwin Smit, Dick H Plettenburg. Assessment of body-powered upper limb prostheses by able-bodied subjects, using the Box and Blocks Test and the Nine-Hole Peg Test // Prosthet Orthot Int., Vol. 40, No. 1, Feb 2016. pp. 109-125.

94. Susan Spaulding, Tzurei Chen. 30 - Prosthetic Options for Persons With Upper Extremity Amputation // In: Orthotics and Prosthetics in Rehabilitation. Philadelphia: Saunders, 2020. pp. 759-783.

95. Francesca Cordella, Anna Lisa Ciancio, Rinaldo Sacchetti, Angelo Davalli, Andrea Giovanni Cutti, Eugenio Guglielmelli, Loredana Zollo. Literature Review on Needs of Upper Limb Prosthesis Users // Front. Neurosci., Vol. 10, May 2016. P. 209.

96. Dario Croccolo, Massimiliano De Agostinis, Stefano Fini, Giorgio Olmi, Francesco Robusto, Nicolo Vincenzi. On Hirth Ring Couplings: Design Principles Including the Effect of Friction // Actuators, Vol. 7, No. 4, 2018. P. 79.

97. David Rybansky, Martin Sotola, Pavel Marsalek, Zdenek Poruba, Martin Fusek. Study of Optimal Cam Design of Dual-Axle Spring-Loaded Camming Device // Materials, Vol. 14, No. 8, Apr 2021. P. 1940.

98. An Elastic Model of the Holding Power of Spring Loaded Camming Devices Used as Rock Climbing Anchors [Электронный ресурс] // Massachusetts Institute of Technology: [сайт]. [2012]. URL: http: //web. mit. edu/custer/www/rocking/cams/cams .body. html (дата обращения: 10.07.2020).

99. Берро С., Тимофеев А. Н. Электромеханический протез кисти, 210950, May 13, 2022.

100. Берро С., Тимофеев А. Н. Электромеханический протез кисти, 217996, Apr 28, 23.

101. Bhatia K.P., Bain P., Bajaj N., Elble R.J., Hallett M. Consensus Statement on the Classification of Tremors, From the Task Force on Tremor of the International Parkinson and Movement Disorder Society // Movement Disorders, Vol. 33, 2018. pp. 75-87.

102. Andrade A.O. Practical Applications in Biomedical Engineering. London: INTECH, 2013. 424 pp.

103. Venkadesan M., Valero-Cuevas F.J. Effects of neuromuscular lags on controlling contact transitions // Philosophical Transactions of the Royal Society A, No. 367, 2009. pp. 1163-1179.

104. Lakie M., Walsh E.G., Arblaster L.A., Villagra F., Roberts R.C. Limb temperature and human tremors // Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry, Vol. 57, 1994. pp. 35-42.

105. Yu Meigal A., Rissanen S.M., Tarvainen M.P., Georgiadis S.D., Karjalainen P.A., Airaksinen O., Kankaanp M. Linear and nonlinear tremor acceleration characteristics in patients with Parkinson's disease // Physiological Measurement, Vol. 33, 2012. pp. 395-412.

106. Heuer H. Ergonomics, Cognitive Psychology of Human-Machine Systems // In: International Encyclopedia of the Social & Behavioral Sciences. Pergamon, 2001. pp. 4734-4736.

107. Pola J., Wyat H.J. Offset Dynamics of Human Smooth Pursuit Eye Movements: Effects of Target Presence and Subject Attention // Vision Res., Vol. 18, No. 37, 1997. pp. 2579-2595.

108. Cámara C., De la Malla C., López Moliner J., Brenner E. Eye movements in interception with delayed visual feedback // Experimental Brain Research, Vol. 236, 2018. pp. 1837-1847.

109. Linford C.W., Hopkins J.T., Schulthies S.S., Freland B., Draper D.O., Hunter I. Effects of Neuromuscular Training on the Reaction Time and Electromechanical Delay of the Peroneus Longus Muscle // Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, Vol. 87, No. 3, 2006. pp. 395-401.

110. Spering M., Schütz A.C., Braun D.I., Gegenfurtner K.R. Keep your eyes on the ball: smooth pursuit eye movements enhance prediction of visual motion // ournal of Neurophysiology, Vol. 105, No. 4, 2011. pp. 1756-1767.

111. Tresilian J.R. Hitting a moving target: Perception and action in the timing of rapid interceptions // Perception & Psychophysics, Vol. 67, No. 1, 2005. pp. 129-149.

112. Harris C.M., Wolpert D.M. Signal-dependent noise determines motor planning // Nature, Vol. 394, 1998. pp. 780-784.

113. Wong J.D., Cluff T., Kuo A.D. The energetic basis for smooth human arm movements // eLife. 2021. URL: https://elifesciences.org/articles/68013 (дата обращения: 17.02.2022).

114. TRESILIAN J.R. Hitting a moving target: Perception and action in the timing of rapid interceptions // Perception & Psychophysics, Vol. 67, No. 1, 2005. pp. 129-149.

115. Rew K.-H., Kim K.-S. A Closed-Form Solution to Asymmetric Motion Profile Allowing Acceleration Manipulation // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 7, 2010. pp. 2499-2506.

116. Huang J., Li G., Su H., Li Z. Development and Continuous Control of an Intelligent Upper Limb Neuro-Prosthesis for Reach and Grasp Motions Using Biological Signals // IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics Systems, Vol. 52, No. 6, 2021. pp. 3431-3441.

117. Huang J., Li G., Meng Q., Xiam H., Liu Y., Li Z. 6th IEEE International Conference on Advanced Robotics and Mechatronics (ICARM) // Development and Hybrid Control of an Upper Limb Prosthesis for Reach and Grasp Motions. Chongqing. 2021. pp. 106-111.

118. Rotha N., Seliktarb R., Mizrahia J. Mechanical impedance control in the human arm while manually transporting an open-top fluid filled dish // Applied Bionics and Biomechanics, Vol. 8, 2011. pp. 429-440.

119. Fu M.J., Cavusoglu C.M. Human Arm-and-Hand Dynamics Model with Variability Analyses for a Stylus-based Haptic Interface // IEEE transactions systems, man, and cybernetics, part B, Vol. 42, No. 6, 2012. pp. 1633-1644.

120. Wells T.S., Yang S., MacLachlan R.A., Handa J.T., Gehlbach P., Riviere C. IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics // Comparison of Baseline Tremor Under Various Microsurgical Conditions. Manchester. 2013. pp. 14821487.

Список иллюстративного материала

Рисунок 1.1 - Классификация протезов верхних конечностей................................12

Рисунок 1.2 - Миоэлектрический протез трансрадиального уровня c крючком ... 14 Рисунок 1.3 - Аппаратное обеспечение системы управления миоэлектрическим

протезом.........................................................................................................................15

Рисунок 1.4 - Некоторые из самых популярных протезов для электромиографии

верхних конечностей: а) Burnel hand; б) Michalangelo hand; в) I-Limb hand..........16

Рисунок 1.5 - Инвазивный миоэлектрический протез c остеоинтеграционном

имплантатом..................................................................................................................18

Рисунок 1.6 - Инвазивный миоэлектрический протез c остеоинтеграционном

имплантатом..................................................................................................................19

Рисунок 1.7 - Модель локтевого сустава пневматическими искусственными мышцами: I) исходное положение предплечья; II) сгибание предплечья; III)

разгибание предплечья.................................................................................................20

Рисунок 1.8 - Пневматический протез кисти с пятью пальцами.............................21

Рисунок 1.9 - Удерживание шоколадного рожка в чашке с помощью

пневматического протеза..............................................................................................21

Рисунок 1.10 - Трансгумеральный гибридный протез [78]......................................22

Рисунок 1.11 - Гибридный интерфейс «мозг-машина» [81]....................................23

Рисунок 1.12 - Мягкий активный протез кисти, держащий отвертку.....................24

Рисунок 1.13 - Мягкий протез кисти руки с 3Э-печатью.........................................24

Рисунок 2.1 - Положение руки при выполнении задач, требующих высокой

точности движений.......................................................................................................30

Рисунок 2.2 - Принципиальные схемы реабилитации микроманипулирования

инструментом в виде мобильного пятистепенного манипулятора..........................31

Рисунок 2.3 - Принципиальные схемы реабилитации микроманипулирования инструментом в виде стационарного манипулятора, перемещающий протез.......32

Рисунок 2.4 - Принципиальные схемы реабилитации микроманипулирования инструментом в виде стационарного манипулятоар, перемещающий

обслуживаемый объект.................................................................................................33

Рисунок 2.5 - Принципиальные схемы реабилитации микроманипулирования инструментом в виде трехстепенного микроманипулятора на адаптивной опоре 34 Рисунок 2.6 - Структура комплекса оснащения рабочего места пациента с ампутированной кистью (оператор): а) принципиальная схема комплекса; б)

структурная схема комплекса ...................................................................................... 36

Рисунок 2.7 - Укрупненная схема мехатронной реабилитационной

микроманипуляционной системы (РМС)...................................................................39

Рисунок 2.8 - Первоначальные предложения по кинематической схеме микроманипулятора: а) со сферической системой координат; б) с параллельными

кинематическими парами.............................................................................................42

Рисунок 2.9 - Кинематической схеме микроманипулятора системой измерения положения гильзы для управлять приводы манипулятора: 1- культеприёмник; 2-механизм арретирования; 3- тормозная система; 4- рабочий орган; 5- мембрана; 6-

эластичная установка; 7- двигатель; 8- винт-гайка механизма; 9- датчики............44

Рисунок 2.10 - Кинематическая схема протеза с микроманипулятором на

адаптивной опоре .......................................................................................................... 45

Рисунок 2.11 - Предлагаемая конфигурация для механизма поддержки...............47

Рисунок 2.12 - Дисковая система фиксации для опор..............................................48

Рисунок 2.13 - График зависимостей силы зажима на невращающийся диск

механизма фиксации от массы ПМО..........................................................................49

Рисунок 2.14 - Принцип работы кулачкового механизма фиксации......................51

Рисунок 2.15 - Определение формы кулачка.............................................................52

Рисунок 2.16 - Профиль кулачка с различными коэффициентами статического

трения.............................................................................................................................52

Рисунок 2.17 - Адаптивная опора с механизмом фиксации.....................................54

Рисунок 2.18 - Внутренние компоненты узла кулачкового механизма фиксации 54

Рисунок 2.19 - ЭЭ-модель протеза с микроманипулятором на адаптивной опоре

(ПМО): а) внешний вид; б) микроманипулятор на адаптивной опоре....................55

Рисунок 2.20 - Кинематическая схема протеза с микроманипулятором на

адаптивной опоре..........................................................................................................57

Рисунок Э.1 - Расчетная схема математической модели динамически ПМО с

культей оператора ......................................................................................................... 59

Рисунок Э.2 - Отклик положения рабочего органа на ступенчатое воздействие привода при различных значениях жесткости (С б) механической связи между

остаточной конечностью и корпусом ПМО...............................................................62

Рисунок Э.Э - Характеристики зависимости динамического отклика положения рабочего органа в передаточной функции Ид(8) от жесткости адаптивной опоры Сь при условии, что масса корпуса протеза и рабочего органа меньше массы микроманипулятора и адаптивной опоры: а) пикового абсолютного смещения; б)

перерегулирования........................................................................................................64

Рисунок Э.4 - Характеристики зависимости динамического отклика положения рабочего органа в передаточной функции Ид(я) от жесткости адаптивной опоры Сь при условии, что масса корпуса протеза и рабочего органа больше массы микроманипулятора и адаптивной опоры: а) - пикового абсолютного смещения; б)

- перерегулирования.....................................................................................................65

Рисунок Э.5 - Характеристики зависимости динамического отклика положения рабочего органа в передаточной функции Ид(8) от жесткости адаптивной опоры Сь при условии, что масса корпуса протеза и рабочего органа равна массе микроманипулятора и адаптивной опоры: а) пикового абсолютного смещения; б)

перерегулирования ........................................................................................................ 65

Рисунок Э.6 - График степени ослабления влияния нормального тремора на

манипулирование от жесткости адаптивной опоры Сь.............................................68

Рисунок Э.7 - Зависимости колебании рабочего органа от жесткости адаптивной

опоры Сь.........................................................................................................................68

Рисунок 4.1 - Блок-схема типичной системы управления позиции инструмента с приводном механизмом................................................................................................70

Рисунок 4.2 - Модель оператора в управлении РМС................................................70

Рисунок 4.3 - Скорости привод манипулятора ПМО: а) управления ПИД-

регулятором; б) управления профилем скорости......................................................72

Рисунок 4.4 - Положение рабочего органа: а) управления ПИД-регулятором; б)

управления профилем скорости...................................................................................73

Рисунок 4.5 - Управляющее воздействие (сигнал) от оператора при движении

рабочего органа в целевую точку................................................................................74

Рисунок 4.6 - Функциональные схемы системы управления РМС: а) управления

педалями; б) управления силомоментным датчиком культи...................................77

Рисунок 4.7 - Компьютерные модели РМС: а) управления педалями; б) управления

силомоментным датчиком культи...............................................................................79

Рисунок 4.8 - Позиционирование рабочего органа в РМС при наличии нормального

тремора...........................................................................................................................80

Рисунок 4.9 - Позиционирование рабочего органа в РМС при наличии

эссенциального тремора...............................................................................................80

Рисунок 4.10 - Позиционирование рабочего органа в РМС при наличии

паркинсонического тремора ......................................................................................... 81

Рисунок 4.11 - Имитатор протезов первого вида для ампутации ниже локтя.......84

Рисунок 4.12 - Имитатор протезов второго вида для ампутации выше локтя.......84

Рисунок 4.13 - Ручкой c кончиком кисти для рисования тонкой линии «uni Pin» 84

Рисунок 4.14 - Размещение точки на бумаге эксперимента.....................................85

Рисунок 4.15 - Позиционирования инструмента имитатором первого вида сидя . 86 Рисунок 4.16 - Позиционирования инструмента имитатором первого вида стоя . 86

Рисунок 4.17 - Позиционирования инструмента имитатором второго вида..........86

Рисунок 4.18 - Результаты эксперименты позиционирования инструмента:........87

Рисунок 4.19 - Средние значения погрешности позиционирование инструмента

экспериментов ............................................................................................................... 88

Рисунок 4.20 - Оценка погрешности позиционирование инструмента у задорого человека и имитаторами традиционных протезов.....................................................89

Приложение А

Альтернативные сферы применения систем с микроманипудятором на

адаптивной опоре

Кроме использования в протезах и ортезах концепция микроманипулирования с адаптивной опорой на окружающие неподвижные объекты перспективна для различных задач работы здоровых людей в экстремальных условиях холода, разрежения, вибраций. На следующем рисунке представлен вариант мехатронной микроманипуляционной системы в виде переносного микроманипулятора на адаптивной опоре.

Рисунок А.1 - Микроманипулятор для экстремальных климатических условий.

Общая компоновка

Система может быть пригодна для многих случаев, включая:

- работы в Арктике и условиях экстремально низких температур: громоздкие изолирующие перчатки сильно ограничивают ловкость, а воздействие холода на обнаженную кожу приводит к быстрому онемению, боли и обморожению в течение нескольких минут;

- работы в условиях вакуума или в космосе: когда герметичная перчатка для скафандра по своей природе громоздка и ограничивает подвижность кисти;

- работы с опасными материалами и веществами: несколько слоев защитного снаряжения создают барьер для деликатной работы;

- работы на объектах с высокой вибрацией, например, транспорте: там, где человеческим рукам трудно поддерживать устойчивые и точные движения.

Приложение Б Детальный расчет математической модели системы по оси X

Рисунок Б.1 - Расчетная схема математической модели динамически ПМО с

культей оператора

Положение рабочего органа обозначается как хр определяются сделавшем образом

*, = Хс + Х

(Б.1)

Винт-гайка механизма изменяет длину х^, что приводит к изменению положения массах тс и ть. Мы можем определить следующее соотношение

Хм = Хс + ХЬ .

(Б.2)

Второй закон движения Ньютона для та

-с х -Ь х +с (х -х ) = т х

а а а а л V с а) ас

(Б3)

для Шс

-СЛХс-Ха) + Рм=тсХс-

для Шь

сьхь — ть*ь ■

(Б.4)

(Б.5)

где ¥м - Сила, приложенная со стороны гайки к массам.

Применение преобразования Лапласа к уравнениям Б.Э, Б. 4 и Б. 5

из (Б.Э) ^ -сяха (*)- ЬазХа (з) + ^Хс (з)- ^Х^а (з) = таз2Ха (з)

^ (Ша82 + ЬаЭ + Са + С, ) Х-а (*) = С,Хс (3 )

Х(, ) =

+ ь,Р + С + С,

Х(').

(Б.6)

из

(Б 4) ^ -С, Хс (з) + с,Ха (з) + Fм (з) = тсз2Хс (з) (Шс,2 + С,) Хс (з ) = С, Ха (з)+Fм (з).

(Б. 7)

(Б.6)^( Б.7)^( шсЗ 2 + с, ) Хс (з ) =

С С

Ша* + ьа* + С а + С

Хс (з) + Fм (з)

Шсь + С,--г

V + ьа^ + Са + 1

Хс (з ) = Рм (з ) .

(Б. 8)

из

(Б.5) ^-СьХь (з) + Рм (з) = тьз2Хь (з)

Шь,2 + Сь) Хь ( ^ ) = рм ( з)

^ (5 )

X (,) =

+ Сь

(Б. 9)

С

Рассматривая механизм винтовой гайки, прикрепленный к двигателю постоянного тока, применяя второй закон Ньютона

Мдв -мс -Мвг д = Jnpsde ,

(Б. 10)

Мвг.д = FM d * tg (¥ + v) + Моп, (Б.11)

м = f d f , (Б. 12)

оп м 2 тр

^ M - - d * (tg (ш + ф)+ f ) F = J £л , (Б.13)

дв дв ^ \ ö V' ' / J тр J м пр дв ' ^ ^

где Мдв - крутящий момент двигателя; Мс - момент на винте; Мвгд - гайка

движущий момент; М оп - момент трения в опорах винта; £пр - коэффициент трения

скольжения на пяте; Jпр - приведенный к валу двигателя момент инерции системы;

В - вязкостный коэффициент демпфирования двигателя; £дв - угловое ускорение

вала двигателя; у - угол подъема резьбы; ф - угол трения; d - средний диаметр резьбы.

Преобразование Лапласа для электрического уравнения цепи якоря двигателя

е (t ) = Rai (t) + hj^ + v (t)

^ Преобразование Лапласа ^

E (s) = Rai (s) + Lasl (s) + V (s), (Б.14)

где \ - сопротивление якоря; Ьа - индуктивность якоря; е - напряжение якоря; г ток якоря; V - обратная ЭДС, которая пропорциональна угловой скорости

^ к ) = Кеадв (I)

^ Преобразование Лапласа ^

V (s ) = Kes6de (s)

(Б. 15)

где содв - скорость двигателя; ке - константа скорости двигателя; 0дв - угловое

смещение вала двигателя.

Крутящий момент пропорционален току якоря

Мдв (Г) = Ктг (Г)

^ Преобразование Лапласа ^

Мдв (,) = КтI (,) , (Б. 16)

где Кт - постоянная крутящего момента двигателя. Крутящий момент можно записать в виде

(Б.11) & (Б.12)^( Б.13)^

Мд Ы = Е (,)- ^^ 0 (,) . (Б.17)

дв ( ) Я + ( ) Я + дв ( )

а а а а

Угловое смещение к линейному смещению

0де =и рвм = и рПвг Хм, (Б. 18)

где ир - передаточное отношение редуктора; ивг - передаточное отношение

механизма винт-гайка; 1 - шаг винта; z - число заходов винта.

Из-за жесткости соединения между гайкой и корпусом 3 уравнение 13 может быть записано в преобразованном Лапласе

К . ч К К „ , ч „„ , ч й

т -ЕОдв(,)-впдв(,)-й*(&т)Р(,) = Jnp^М. (Б. 19)

Я + о 4 ' Я + О 2

а а а а

Передаточная функция скорости двигателя по напряжению двигателя

из

(Б.2 Н Хм - X + X, К.

Хм ~Т

К.

т„5 + с --

л т,52 + с

V

та5 + V + са + с1 У

из

(Б.18) ^ Оде = ырпм - ^м = ирМв^Хм ^ Хм =

О,

" р^вг 5

К =

татотЬ56 + ЬатстЪ5 + ((са + с, ) тстЬ + с,татЬ + сЬтатс ) + (^Лт + )

+ ((с + с ) с,т + с с,т + сст ) 52 + Ъ с с,$ + ссс,

\\ а 5 / Ь с 5 Ь а а 5 Ь / а 5 Ь а 5 Ь

(татЬ + татс ) "р^вг5" + (Ъ„тЪ + ЬатС ) МрМвг5' + ((с„ + ^ ) тЪ +(с„ + ^ ) тС +(^ + сЪ ) та ) "р"«5' + (ЬасЬ + Ъас5 ) МрМвг5' + (^Ъ + ^Ъ + сЛ ) МрМвг5

О . (Б 20)

(Б.20)^( Б.19):

Ь- к к И /

Е--о -ВО, --*^+ + / )К = 3 5О,

Л +15 Я + Ь 5 дв 2 V) /р) м пр д

Н М - Одв(5) Но( 5 '

(Б.21)

н о( 5 ) =

КТиеЫм (( та тЪ + татс ) ^ +(ЬатЪ + Ьа тс ) ^ +((Са + С5 )(тЪ + тс ) + (СЪ + С5 ) та ) ^ +(ЬаСЪ + ЪаС5 ) 5 2 + (СаСЪ + С5СЪ + СаС5 ) 5 ) [(татЬ + татс )Ьа3оиеим + Ьа - * (& (У + Я>) + /тр ) татстЪ ^ 5

+ ^(ЪатЬ + ЬаШс )Ьа3ши1,им +(татЪ + та тс )(Яа3Ш + ЬаВ Ки м + Ьа | * + Л, ) ЬатстЪ + Яа | * Л, ) татстЬ

((Са + С5 )(тЬ + тс ) + (СЬ + С5 ) та )Ьа3шиеим + (ЪатЪ + Ъатс )(Яа+ ЬаВ )иеим

+ (татЬ + татс )(КтКе + КаВ)иеим +((са + с„ )тстЪ + С;татЪ + СЪтатс )Ьа |* (& Л, ) + Яа |* (& Л, )ЬатстЪ

(ЪаСЬ + ЪаС5 ) Ьа3шиеим +((Са + С5 )(тЪ + тс ) + (СЬ + С5 ) та )(Яа30 + ЬаВ ) иеим + (ЬатЪ + Ьа тс )(КТКе + ЯаВ )иеи м + (ЬаС5тЬ + ЬаСЬтс )* + Л, ) + ((Са + С5 )тстЬ + С5татЬ + СЬтатс )(У + ^О + А- )

(СаСЬ + С5СЬ + СаС5 ) Ьа3шиеим +(ЬаСЪ + ЬаС5 )(Яа3Ш + ЬаВ )и еи м +((Са + С5 )(тЪ + тс ) + (СЪ + С5 ) та )(КТК е + ЯаВ )иеим + ((Са + С5 )СЬтс + С5СЬта + СаС5тЬ )Ьа | * (У + V) + Л- ) + (ЬаС5тЬ + ЬаСЬтс )Яа | * (У + «»)+ Л, )

(с«Сь + ССь + СаС5 )(Яа3 пр + ЬаВ ) и^ им +(ЬА + ЬаС5 )(КТКе + ЯаВ У ^ м +((Са + С; )сЪтс + С^а + С^^ ) Яа | * (& (У+V) + )

+* ^ (У + V) + Л, ) ЪаС5Сь

V 2 У

+ + ^^^^ + ^^^^ ^^^^^^ + ЯаВ )иеим + Яа-*(& (У+V)+ /, ) ЬаС1СЪ + Ьа | * (y+v)+ /, )саСхСЪ ^^ + Яа | * (^ ^^^^^^ Л, ) СаС;^

Передаточная функция положения рабочего органа относительно масса тЬ по напряжению двигателя

Нм (5)- На (5) .

^ ' Е(5) - - - оК }

и ривг 5

(Б. 22)

Передаточная функция положения рабочего органа по перемещение механизма «винт-гайка»

(Б.1)^( Б.2)^ Xм = X, +

К

К.

Р ' 2

+ сь

Хр = Хм -

2 ,

ШЛ + с,

X = X,. -

ШaШсШb5 + Кт^5 +((са + с, ) ШсШь + сШаШь + сьШаШс ) ^" + (^Щ + ^^с ) ^ _ ^ + ((са + с ) сьШс + CsCЬШa + ) ^' + ^^ + сас,сЪ_

(+ сь ) ((ШаШь + ШаШс ) ^4 + (ьаШь + ьаШс ) ^ + ((са + ^ ) Шь + сьШа + (са + с ) Шс + с,Ша ) ^ Л

-X,.

+(ь„с, + ьс ) ^ + с с + с с, + сс,

\ а ь а^/ а в £ ь а в

Ид (, ) =

^ (з )

(Б.2Э)

И

(, ) =

+ ьаШьШь!15 +((Са + 2С) тьть + 2сьта ть ) з" + 2ЬаСьтьз + (( 2Са + 4С ) Сьть + СьСьта ) з

2^

+ь сс^з + к с,с,. + 2с с.с,.

V а ь ь а ь ь , ь ь

ш ш,ш, - ш ш ш, ) ^ +(ь щщ - ь ш ш, ) ^ +(( с + 2с ) тт + 2с,т т, -( с + с ) т т, - с т т, - ^т т ) з4 ^

\ а ь ь а с ь / \ а ь ь а с ь / \\ а , / ь ь ь а ь \ а с ь , а ь ь а с )

+ (2ьаСьть - ЪаС,ть - ЬаСьШс ) 3' + ((2Са + 4С ) Сьть - СаС,ть + СьСьта - (Са + С ) Сьтс - ССта ) з ' + (ЬаСС - ЬаСС ) з +СаСьСь + 2сСьСь - СаССь

Приложение В

Возмущающее воздействие тремора на положении рабочего органа

Рисунок В.1 - Расчетная схема математической модели динамически ПМО с культей оператора с жестким соединением на месте приводов микроманипулятора

Тремор культи лиц без кисти можно моделировать ритмичным колебательным сигналом с определенной амплитудой и частотой. В ПМО, тремор представляет собой силу FT, приложенную к массе та (масса культи, культеприемника и части руки).

Второй закон движения Ньютона для та

с х -Ъ х +с (х -х) + ГТ=тх .

а а а а я \ воз а / Т а а

(В.1)

для (тс+ ть)

~С* (Х«о, ~Ха)~ СЪХвоз = К + Щ )Хвоз • <Д2)

Применение преобразования Лапласа к уравнениям В.1и В.2

( В. 1) ^ с а Ха ( 5 ) - Ъа 5Ха ( 5 ) + ^ Хво3 ( 5 ) - ^ ( 5 ) + Fт ( 5 ) - ^ ( 5 )

^ (та52 + Ьа5 + Са + С )X (5) - ^воэ (5 ) + КТ (5)

^ X ( 5 ) =

та5 + Ьа5 + Са + С