МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ТРАНСФЕМОРАЛЬНОГО ПРОТЕЗУ НИЖНЬОЇ КІНЦІВКИ ЛЮДИНИ

Автор(и)

  • Павло Криницький Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» , Україна image/svg+xml
  • Тетяна Клочко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» , Україна image/svg+xml https://orcid.org/0000-0003-3911-5369

DOI:

https://doi.org/10.20535/1970.69(1).2025.331907

Ключові слова:

моделювання, трансфеморальне протезування, оптимізація параметрів системи контролю та керування, дослідження міцності деталі, метод рою частинок

Анотація

Сучасні світові виклики, які виникли внаслідок проведення військових дій, пов’язані з наявністю важких поранень, зокрема втрати нормального функціонування кінцівок, потребують застосування автоматизованих технічних устроїв та систем, котрі допомагають пацієнтові відновити можливість руху. Окрім того, важкі захворювання інфекційного типу, що супроводжують існуючі умови життєдіяльності людини, деякі типи поранень та загальні обставини існування людини в умовах війни, призводять до важких психологічних навантажень, що призводять до розладів нервової системи з втратою нормального руху. 

Окрему досить складну задачу являє створення протезів нижніх кінцівок високого рівня ампутації (трансфеморальних). В цьому випадку критично важливою є наявність системи керування для симуляції рухів, які могли б бути виконані природним чином. Це включає динамічне налаштування на основі даних про навантаження, положення, швидкості та інших фізіологічних показниках.

Моделювання системи контролю автоматизованого трансфеморального протезу нижньої кінцівки є вкрай важливою сучасною проблемою, що фактично може бути виконаною на основі поєднання задач біомеханіки, робототехніки, медицини та інженерії, тобто фактично утворення автоматизованої мехатронної системи. Важливо визначити особливості створення сучасних трансфеморальних протезів, оптимізацію параметрів системи керування, потрібних для ефективного функціонування цих пристроїв.

В роботі проведено аналіз методів забезпечення роботи автоматизованого трансфеморального протезу з метою оптимізації основних характеристик системи контролю. Отже, розглянуто деякі найбільш важливі параметри системи, які призначені для забезпечення покращення надійності та довговічності протезів, підвищення рівня комфортності щоденного використання, використання легких та міцних матеріалів, покращення взаємодії між протезом та користувачем. Таким чином, проведені дослідження ресурсу міцності протезу призначені для оптимізації його ваги за критеріями мінімізації. На підставі проведених досліджень аналізу розподілу навантажень у протезованій трансфеморальній частині нижньої кінцівки, запропоновано параметри мінімізації маси деталі протезу зі збереженням її міцності, наведено результати дослідження каркасів.

Наведені результати моделювання оптимізації автоматизованої системи керування трансфеморальними протезами з врахуванням дефектів ходи за допомогою методу рою частинок з метою вибору параметрів, які покращують роботу таких протезів з огляду на конструктивні та психологічні аспекти їх застосування.

Посилання

Bojan Pancevski, “In Ukraine, Amputations Already Evoke Scale of World War I,” Wall Street Journal, Aug. 1, 2023. https://www.wsj.com/world/europe/in-ukraine-a-surge-in-amputations-reveals-the-human-cost-of-russias-war-d0bca320

Stanley Plagenhoef, F. Gaynor Evans, Thomas Abdelnour, Anatomical Data for Analyzing Human Motion Taylor & Francis Research Quarterly for Exercise and Sport February 201354(2):169-178. DOI:10.1080/02701367.1983.10605290

Drugs.com, Lower Limb Prosthesis, Medically reviewed by Drugs.com. URL: https://www.drugs.com/cg/lower-limb-prosthesis.html

Kalpana R. Gaikwad, Vasudha RAVINDRA Nikam, “Sexual Dimorphism in Femur,” IOSR Journal of Dental and Medical Sciences, 13(7):04-09, January 2014, DOI: 10.9790/0853-13760409

Mahbuba Akter, Israt Jahan Tania, Fahmida Zaman, Soniya Fahmi, “Sexual Dimorphism in Total Length of Fully Os-sified Dry Human Left Tibia ,” Journal of Current and Advance Medical Research, 5(1):7, 2018. DOI:10.3329/jcamr.v5i1.36538.

S. De Mits, P. Coorevits, D. De Clercq, D. Elewaut, J. Woodburn, Ph. Roosen, Reliability and Validity of the INFOT Three-Dimensional Foot Digitizer for Patients with Rheumatoid Arthritis. J Am Po-diatr Med Assoc. 2011 May-Jun;101(3):198-207. doi: 10.7547/1010198

Propel physiotherapy, Prosthetic Leg Fit: Types of Knee Prosthesis for Leg Amputations, URL: https://propelphysiotherapy.com/amputation/prosthetic-legs-types-of-knee-prosthesis/#_Knee_Prosthetic

Mehmet Sefa Gümüş, Abdullah Çakan, Mete Kalyoncu, «Dimension Optimization of Polycentric Knee Mechanism Using The Bees Algorithm and Genetic Algorithm», Journal of Materials and Mechatronics A, Year 2023, , 318 - 332, 26.06.2023 DOI: 10.55546/jmm.1243744

Tucker et al.: Control strategies for active lower extremity prosthetics and orthotics: a review. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation 2015 12:1. DOI:10.1186/1743-0003-12-1

P.K. Krynytskyi, T.R. Klotchko, “Ergonomic features of designing a human lower limb prosthesis,” in Proc. of ХXІІІ International scientific and technical conference INSTRUMENT МАКING: state and prospect, 14-15 May 2024, Kyiv, IMF of Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, pp. 218-224, 2024 (In Ukrainian).

The Impact of Control Technology, 2nd ed., T. Samad and A.M. Annaswamy (eds.), 2014. Available at www.ieeecss.org.

Krynytskyi P. K., Klotchko T.R., “Optimization of the control system of an automated transfemoral prosthesis for people with gait defects,” in Proc. of ХXІV International scientific and technical conference INSTRUMENT МАКING: state and prospect, 13-14 May 2025, Kyiv, IMF of Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, pp. 230-238, 2025.

V. Skytsiouk and T. Klotchko, “Basic principles of spatial position of imaginary and real TONTOR step”, Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak., no. 63(1), pp. 100–106, Jul. 2022. DOI: 10.20535/1970.63(1).2022.260659

G.S. Tymchyk, V.I. Skytsiouk, T.R. Klotchko, L.K. Polishchuk, S. Zahorodnii, Nurbapa Mekebayev, Konrad Gromaszek, ”Forces balance in coordinate system of object’s existence 3D space,” Proc. of SPIE, vol. 12476, 124760U-1, 0277-786X. DOI: 10.1117/12.2659188

Bohai MR Dampers Series C. https://bohai.co/product/c-series

Nano - Arduino Docs. URL: https://docs.arduino.cc/resources/datasheets/A000005-datasheet.pdf

FSR 400 Series Data Sheet - Seeed Studio. URL: https://files.seeedstudio.com/wiki/Grove-Round_Force_Sensor_FSR402/res/FSR402.pdf

MPU-6050 GY-521. URL: https://arduino.ua/prod512-akselerometr-i-giroskop-mpu-6050-modyl-6dof?srsltid=AfmBOoo3qJBx6vDkuJgcGwYgUcre85X4m-W6iDcFsoFhW5xAMpVE8ulv

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-06-28

Як цитувати

[1]
П. Криницький і Т. Клочко, «МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ТРАНСФЕМОРАЛЬНОГО ПРОТЕЗУ НИЖНЬОЇ КІНЦІВКИ ЛЮДИНИ», Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak., вип. 69(1), с. 86–92, Чер 2025.

Номер

Розділ

ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ БІОМЕДИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ