Guvernul României

Ministerul Muncii

Ş I Familiei

Sociale Protecţiei

Amposdru

Asachi Gheorghe

Gheorghe Asachi

" Din Iaşi

Sistemelor Mecatronice

Moderne Destinate

Recuperării Medicale

A Membrului

De Doctorat -

Ing Ana

Maria Amancea

Oiposdru Universitatea

Tehnică " Gheorghe

Iaşi Mulţumiri

Kazerooni, H A Zoss

UNIUNEA EUROPEANĂ

Caracteristica de multidisciplinaritate a acestei tehnologii se referă la fuziunea transfrontalieră a ştiinţelor inginereşti, ca: ingineria mecanică, ingineria electrică, electronica, informatica. Mecatronica apare ca o necesitate a dorinţei de perfecţionare a sistemelor tehnice clasice existente în toate domeniile de activitate, rezultând sisteme simple, eficiente, economice, fiabile.

Această combinaţie echilibrată şi proporţională a domeniilor menţionate, definitivează particularitatea de structură şi caracteristicile de funcţionare a oricărui sistem mecatronic, prezentat în Fig. 1.1. Componenta fundamentală a unui sistem mecatronic o constituie structura mecanică, constituită din mecanisme cu bare articulate, angrenaje, mecanisme de tip camă-tachet, fie din combinaţii ale acestora. Deoarece elementele mecanice sunt capabile să producă parametrii necesari mişcării, cunoaşterea cinematicii şi dinamicii acestora este esenţială, iar aspectele ce ţin de lubrifiere, frecare, uzură, mecanica contactului nu trebuiesc neglijate.

Posibilitatea de exercitare a unor acţiuni specifice sistemului mecatronic este asigurată prin intermediul sistemului de acţionare ce are în componenţă actuatorii, transmisiile mecanice, sursa de energie. În funcţie de natura operaţiilor ce trebuiesc realizate de sistemul mecatronic se pot utiliza actuatori electrici, hidraulici, pneumatici, neconvenţionali. Evoluţia surprinzătoare înregistrată în domeniul electronic şi electric a facilitat integrarea acestor componente în structurile mecanice existente, ce au condus la simplificarea construcţiei mecanice. Practic, multe părţi mecanice au fost înlocuite cu sisteme electronice mai fiabile, precise, uşor de întreţinut, ieftine. Toate aceste elemente sunt esenţiale în realizarea conexiunii dintre interfaţa electromecanică ce conţine şi sistemul senzorial, cu interfaţa hardware şi software de control.

Senzorii (elemente sensibile) oferă posibilitatea de a preleva informaţii cu privire la starea sistemului sau a procesului tehnologic, a mediului în care acesta operează, modificări ale unor caracteristici funcţionale ale dispozitivului. În acelaşi timp, permit şi luarea unor decizii de comandă sau întrerupere a funcţionării sistemelor în cazul unor avarii sau în anumite condiţii limită. O mare diversitate de senzori pot fi plasaţi pe structura mecanică sau doar pe unele componente ale acesteia, funcţie de parametrii de interes ai sistemului mecatronic.

Introducerea modulelor software (algoritmi evoluaţi de calcul pentru realizarea controlului, fluxului de informaţie, achiziţie de date, interfaţa dintre operatorul uman-sistemul mecatronic prototipare virtuală, modelare, simulare, vizualizare) transformă sistemul mecatronic într-un sistem avansat, complex, automat, flexibil, inteligent. Flexibilitatea este caracterizată de uşurinţa sistemului de a fi adaptabil / a se adapta la schimbările ce apar în mediul lui de funcţionare, aceasta fiind posibilă prin modificarea programelor software de control. Inteligenţa, ce defineşte din ce în ce mai multe sistemele mecatronice, este descrisă de capacitatea adaptivă a sistemului, bazată pe raţionament, autoînvăţare, reproducere a unor operaţiuni de lucru, posibilitate de reconfigurare a sistemului în cazul unor funcţionări defectuoase, diagnosticare a erorilor, etc.

Toate aceste caracteristici remarcabile oferă o imagine asupra complexităţii şi diversităţii mecatronicii, ca ştiinţă interdisciplinară, iar principiile ei pot fi aplicate cu succes într-o mare varietate de domenii ale tehnicii. Practic, în prezent, nu există nici un domeniu în care sistemele mecatronice să nu aibă un rol predominant. Numeroase firme de profil au început să dezvolte şi să producă sisteme mecatronice, cu rolul de a îmbunătăţi performanţele funcţionale ale sistemelor tehnice, sau să sporească calitatea şi confortul vieţii sociale a oamenilor. Dintre cele mai importante domenii de aplicabilitate ale mecatronicii, se pot aminti: industria autovehiculelor; construcţia vehiculelor neconvenţionale (vagoane de marfă, electroscutere, cărucioare pentru invalizi); echipamente de birotică, calculatoare, electrocasnice, echipamente foto-video; agricultură; în dezvoltarea unor structuri robotice (manipulatoare) utilizate în industrie, a roboţilor sociali, umanoizi sau a roboţilor cu aplicaţii militare; construcţii; comerţ; transporturi; construcţia maşinilor-unelte cu comandă numerică sau în automatizarea proceselor tehnologice; aviaţie, simulatoare pentru instruirea piloţilor şi a operatorilor; dezvoltarea aparaturilor speciale utilizate în cercetare; industria farmaceutică şi medicină.

Aplicaţiile medicale sunt unele dintre cele mai promiţătoare arii de aplicabilitate a mecatronicii. Integrarea acestora în domeniul medical face posibilă "modernizarea" echipamentelor şi dispozitivelor utilizate, eficientizează intervenţiile chirurgicale, terapiile medicale şi uşurează activitatea medicilor.

În prezent, sistemele mecatronice s-au implementat pe:

• unele echipamente medicale de măsură, control;

• instrumente utilizate în intervenţii chirurgicale de precizie şi sensibilitate extrem de ridicată, cum ar fi: neurochirurgii, intervenţii chirurgicale laparoscopice, oftalmologice;

• imagistică medicală;

• sutură asistată de calculator;

• sisteme mecatronice destinate recuperării medicale a membrelor inferioareconceperea, dezvoltarea şi perfecţionarea unui nou prototip de sistem de acest gen, face şi obiectul acestei lucrări.

Beneficiile acestor sisteme mecatronice, care capătă valenţe biomedicale, împiedică formarea "blocajelor" din spitale (generate de numărul mare de pacienţi ce necesită îngrijiri medicale sau internări, aglomeraţii la cabinetele medicilor, timp de aşteptare mare, extenuarea medicilor şi a pacienţilor deopotrivă). Deasemenea, optimizarea instrumentelor folosite în chirurgii şi microchirurgii, ce erau considerate cu grad complex de dificultate deoarece implicau întreruperea semnelor vitale ale pacienţilor preţ de câteva ore (neurochirurgii, intervenţii pe cord, etc), facilitează ușurinţa intervenţiei chirurgicale şi se reduce astfel numărul deceselor înregistrate în sfera "intervenţiilor de risc major".

În concluzie, în timp ce medicii pot controla şi monitoriza mai mulţi pacienţi, cu un volum mai mic de muncă şi un mediu mai relaxant, senzaţia pacientului privind calitatea terapiei medicale este una încurajatoare. Au sentimentul că sunt mai bine trataţi, controlaţi, monitorizaţi, deoarece aparatura folosită în diagnosticare, tratare, chirurgie a fost una modernă şi eficientă. Se elimină astfel senzaţia de "diagnosticare greşită" sau "intervenţie chirurgicală eşuată", ce este frecvent percepută în rândul pacienţilor.

Justificarea temei

Membrul inferior este un segment anatomic ce are un rol definitoriu în asigurarea locomoţiei, a echilibrului şi a stabilităţii în poziţie de ortostatism. De cele mai multe ori accidentările acestuia, cu particularitate la nivelul articulaţiei genunchiului, duc la pierderea temporară a funcţiei locomotorii.

Statisticile medicale şi informaţiile provenite din secţiile de ortopedie-traumatologie arată că, anual se produc numeroase accidentări la nivelul membrului inferior şi că numărul lor este în creştere, cu precădere în perioada de iarnă. Mecanismele de producere a accidentărilor sunt numeroase: mersul pe un teren accidentat, alunecarea pe gheaţă, lovituri, contracţii bruşte ale unor muşchi, "încălzire" neadecvată a grupelor musculare în cazul sportivilor, accidente rutiere, etc. De remarcat este faptul că absolut toate categoriile sociale (femei, bărbaţi, copii, tineri, bătrâni, sportivi, etc) sunt vulnerabile şi predispuse la accidentări locale.

Indiferent de tipul lor, uşoare sau mai grave, ce pot deveni chiar cronice, după tratarea acestora din punct de vedere medical, recuperarea fizică a funcţiilor temporar pierdute ale elementelor structurale ale articulaţiei genunchiului este imperios necesară. În general, recuperarea medicală a acesteia este un proces îndelungat şi continuu , ce poate dura şi până la 6 luni. Şedinţele de terapie fizică sunt realizate, fie de fizioterapeuţi, fie de unele sisteme comerciale special dezvoltate pentru recuperarea genunchiului.

Un traumatism la nivelul membrului inferior poate avea consecinţe negative şi asupra vieţii social -economice a pacientului, spre exemplu:

• imposibilitatea de mişcare a pacientului poate genera stări suplimentare de stres în cazul persoanelor dinamice;

• este necesară intervenţia celorlalţi membri ai familiei în sprijinul pacientului, de exemplu, în deplasarea acestuia la şedinţele de recuperare fizică;

• lipsa prelungită de la serviciu poate genera pierderea locului de muncă;

• în cazul sportivilor, lipsa antrenamentelor sau a participării la activităţile sportive practicate declanşează pierderea temporară a performanţelor acestuia, implică şi pierderea mobilităţii celorlalte articulaţii sau chiar poate avea şi pierderi financiare. Nevoia de recuperare medicală şi de reluare, într-un timp cât mai scurt, a activităţilor cotidiene ale oamenilor şi sportivilor, alături de progresele ştiinţifice avansate din domeniul sistemelor mecatronice au făcut posibile implementarea unor sisteme robotizate cu aplicabilitate în recuperarea medicală. Se dezvoltă astfel o nouă ramură a roboticii, numită generic "robotică de recuperare" ce este orientată pe conceperea unor sisteme mecatronice. Astfel de sisteme sunt capabile să restabilească funcţia locomotorie a pacienţilor, dar în acelaşi timp şi să uşureze / să înlocuiască terapia fizică clasică, realizată de fizioterapeuţi.

Se creează astfel premisele apariţiei unui domeniu nou, în plină ascensiune, complex şi multidisciplinar ce implică aplicarea cunoştinţelor fundamentale de mecatronică, robotică, medicină, biomecanică şi kinetoterapie. S-au deschis noi orizonturi pentru mulţi oameni de ştiinţă pasionaţi de acest domeniu interactiv, iar sistemele de recuperare încep să-şi facă apariţia treptat pe piaţa şi în cabinetele medicilor.

Succesul înregistrat de unele sisteme comerciale existente, cum ar fi Artromot, lansat de firma ORMED, specializată în producerea şi comercializarea unei game largi de sisteme ortopedice, sau Kinetech, a atras atenţia multor cercetători şi a declanşat, fie tendinţa de perfecţionare a acestor sisteme, fie de concepere a unor sisteme noi. Toate aceste aspecte importante prezentate, subliniează motivarea temei şi cercetările din această teză, ce vor fi orientate către studiul sistemelor mecatronice de recuperare medicală existente, în vederea unor posibile optimizări, precum şi conceperea unui prototip original de dispozitiv destinat recuperării medicale a membrului inferior.

Motivaţia de dezvoltare sau optimizare a dispozitivelor destinate recuperării medicale a membrului inferior a fost influenţată de mai mulţi factori:

• preţul de cost ridicat al sistemelor comerciale existente;

• aspecte funcţionale raportate la tipurile de mişcări necesare redobândirii funcţionalităţii membrului;

• lipsa informaţiilor cu privire la starea pacientului din timpul şi după şedinţele de terapie fizică;

• lipsa elementelor sensibile (senzori) ce ar oferi detalii privind forţele aplicate /generate de muşchi, încărcarea din articulaţie, forţa tangenţială şi momentul dezvoltat în articulaţie, poziţii unghiulare, etc;

• aspecte ce ţin de dimensiune şi gabarit;

• obligativitatea realizării terapiei fizice sub supravegherea fizioterapeutului ;

• dorinţa de diminuare a timpului alocat recuperării ;

• stabilirea unei "comunicări" cât mai eficientă dintre pacient şi dispozitivul de recuperare;

• probleme ce ţin de siguranţa pacientului;

• recuperarea copiilor sau a persoanelor ce au şi alte afecţiuni speciale;

• posibilitate de recuperare de genul "homemade";

• obţinerea unei game cât mai vastă de mişcări pentru toate articulaţiile membrului inferior;

• monitorizarea semnelor vitale ale pacienţilor;

• probleme generate pe partea de control a forţelor;

• posibilitatea de recuperare a ambelor membre inferioare;

• recuperarea unui număr cât mai vast de patologii ale genunchiului. Domeniul de încadrare al temei, care este unul nou, în plină ascensiune, complex şi multidisciplinar, precum şi conceperea unui nou prototip de sistem mecatronic destinat recuperării medicale a membrului inferior, se încadrează în tendinţele şi priorităţile naţionale şi internaţionale şi fac, ca atât tema, cât şi cercetările din această lucrare să fie de actualitate.

Fizioterapeut vs. Sisteme mecatronice de recuperare medicală

Pentru tratarea patologiilor de natură ortopedico-traumatologică se impune urmarea unui proces intensiv şi riguros de recuperare medicală. Definiţia cea mai sugestivă a recuperării medicale a fost formulată în 1974 de Academia Ştiinţelor Medicale la cea de a V-a Sesiune Ştiinţifică a Academiei de Ştiinţe Medicale Române şi se referă la un "domeniu de activitate complexă medicală, educaţională, socială şi profesională prin care se urmăreşte restabilirea pe cât posibil a capacităţilor funcţionale pierdute de către un individ în urma unei boli sau a unui traumatism, precum şi dezvoltarea unor mecanisme compensatorii care să-i asigure în viitor posibilitatea de muncă sau autoservire, respectiv o viaţă independentă economic şi/sau social".

Pentru o bună înţelegere a conceptului de recuperare medicală, la care se va face referire în această lucrare, din prisma sistemului mecatronic dezvoltat în acest scop, este necesară definirea elementelor ce o compun, precum şi terminologia specifică kinetoterapiei.

1. Mişcarea pasivămişcarea la care pacientul nu contribuie în nici un fel, datorită imposibilităţii de mişcare a articulaţiei. Aceasta este de obicei realizată de un fizioterapeut.

2. Mişcarea activămişcare efectuată de pacient, fără nici un fel de asistenţă din partea fizioterapeutului.

3. Amplitudinea de mişcarese referă la toată gama de mişcări permise şi posibile ale unei articulaţii, apreciată de obicei în grade. 4. Spasticitateaeste caracterizată de o creştere a tonusului muscular, ca un răspuns imediat la o întindere musculară exagerată. 5. Atrofia muscularăefect al lipsei de mişcare.

Terminologia specifică kinetoterapiei adoptată după [START_REF] Coţoman | Kinetoterapie -Metodica desfăşurării activităţii practice[END_REF] şi care provine în general din terminologia educaţiei fizice, se referă la poziţiile uzuale adoptate de pacient în timpul şedinţei de terapie fizică şi sunt prezentate succint în Tabelul 1.1. Tabelul 1.1 Explicitarea poziţiilor fundamentale utilizate în recuperarea medicală [START_REF] Coţoman | Kinetoterapie -Metodica desfăşurării activităţii practice[END_REF] Terminologie specifică educaţiei fizice

Terminologie specifică kinetoterapiei

Stând Ortostatism

Pe genunchi

Pe genunchi

Aşezat

Aşezat cu genunchii extinşi

Culcat Decubit

Atârnat Atârnat

Sprijinit Sprijinit

Recuperarea medicală este bazată pe diverse tipuri de exerciţii fizice (gimnastică recuperatorie), şi are următoarele caracteristici şi obiective, conform [START_REF] Mircea | Compendiu de recuperare medicală[END_REF]):

• Obiectivul principal îl constituie reeducarea funcţională a membrului inferior, în scopul de a restabili într-un timp cât mai scurt, capacităţile funcţionale reduse sau parţial pierdute, în urma unui accident;

• Exerciţiile şi tehnica de recuperare sunt particularizate pentru fiecare pacient, în funcţie de diagnostic şi recomandarea medicului;

• Recuperarea este benefică pentru a preveni instalarea sau permanentizarea deficitului funcţional, reducându-se astfel consecinţele negative ale traumatismelor asupra activităţii funcţionale a pacientului;

• Această tehnică are rolul de a ajuta la obţinerea stabilităţii, care este de fapt principala funcţie a genunchiului;

• Redobândirea mobilităţii articulare, a mişcărilor permise din articulaţie, tonifierea musculară, sunt elemente cheie în cadrul unei recuperări fizice;

• Activitatea de recuperare medicală impune stabilirea unui plan reabilitativ (cuprinde obiectivele generale, etapele reabilitării, echipa) pe baza căruia se organizează programul de terapie fizică (stabilirea mijloacelor şi tehnicilor de recuperare utilizate, modul de aplicare al lor, estimarea perioadei de recuperare până la vindecarea completă a pacientului);

• Este extrem de importantă monitorizarea evoluţiei reabilitative în timpul programului de recuperare, iar aprecierea finală a rezultatelor se realizează prin modalitate clinicsubiectivă (aprecieri în funcţie de percepţia medicului şi a pacientului, mai ales când subiectul este pus să facă anumite mişcări, să stea în poziţie de ortostatism, să urce sau să coboare scări, analiza mersului, etc, raportat la gradul de durere al pacientului), cât şi prin modalitate obiectivă (scale de evaluare : KOOS, WOMAC, Oxford Knee Score);

• Durerea este un factor determinant, ce însoţeşte recuperarea medicală şi lipsa acesteia, după multe şedinţe de recuperare, poate ajuta la estimarea gradului de vindecabilitate al subiectului;

• Menţinerea activităţii şi stabilitatea grupelor musculare;

• Restabilirea rezistenţei musculare pentru a stabiliza şi proteja articulaţia de eventualele accidentări;

• Reluarea activităţii genunchiului în locomoţie pentru a preveni suprasolicitarea şoldului sau a celuilalt picior;

• Alegerea unui regim alimentar adecvat pentru optimizarea greutăţii corporale, pentru a împiedica suprasolicitarea membrelor.

În general, fizioterapeutul este persoana responsabilă şi abilitată pentru a ajuta sau a asista pacienţii în terapia lor de reabilitare fizică. În prima fază a terapiei, fizioterapeutul realizează mişcarea pasivă a pacientului, executând exerciţii multiple şi repetitive. Cele mai aplicate exerciţii se referă la: asistarea şi asigurarea mişcării de flexie şi extensie; întinderea gambei; exerciţii pentru controlul mişcării pasive; exerciţii pentru asigurarea mişcărilor de rotaţie internă şi externă; exerciţii de urcare şi coborâre a unor scări; terapii ce prevăd reducerea treptată a durerii; îmbunătăţirea funcţionalităţii genunchiului; creşterea mobilităţii şi rezistenţei structurilor ce înconjoară articulaţia; normalizarea deficienţelor locomotorii, etc. Pe tot parcursul terapiei se monitorizează amplitudinea de mişcare. Aceasta este evaluată de fizioterapeut cu ajutorul unui goniometru, ce reprezintă un intrument special destinat măsurării unghiurilor formate între două segmente anatomice. O atenţie deosebită se acordă evaluării mişcării active ce constă în monitorizarea activităţii musculare pe baza procedurii electromiografice (EMG). Această tehnică se referă la înregistrarea activităţii spontane a unui muşchi (repaus şi în timpul unei mişcări voluntare) cu ajutorul unui electrod sub formă de ac fixat între muşchi şi piele ce este conectat apoi la aparate speciale de afişare a contracţiei musculare.

Introducerea sistemelor mecatronice în terapia de recuperare fizică a pacienţilor s-a dovedit extrem de benefică, iar medicii încurajează şi solicită prezenţa în cabinetele lor a unor astfel de sisteme, eficiente şi complexe. În urma utilizării unor sisteme comerciale deja existente, medicii au fost fie mulţumiţi de unele dintre ele, fie foarte critici cu altele, sesizând o serie de aspecte ce trebuiesc îmbunătăţite, pentru a obţine o recuperare medicală de succes. Astfel, ei devin extrem de receptivi în colaborarea profesională inginer -medic, cu scopul de a obţine dispozitive cât mai performante, care să asigure recuperarea unui număr cât mai mare de pacienţi, într-un timp cât mai scurt, asigurându-le totodată inginerilor aspectele medicale importante de care trebuie să ţină cont pentru a proiecta şi implementa cu succes un astfel de Atât fizioterapeutul, cât şi sistemele specializate au acelaşi "numitor comun", şi anume recuperarea pacientului. Se pot evidenţia însă, câteva dintre aspectele esenţiale ce caracterizează cele două posibilităţi de recuperare medicală, prezentate în Tabelul 1.2, de unde se poate observa clar, că recuperarea prin tehnica modernă (sisteme mecatronice) este net superioară celei clasice (fizioterapeut).

Obiectivele tezei

Sistemele mecatronice pot avea aplicabilitate în orice domeniu medical. În recuperarea fizică a diverselor patologii ale membrului inferior, acestea sunt bine cunoscute, datorită beneficiilor multiple pe care le pot aduce terapiei.

Iniţierea prezentei teze de doctorat se datorează în primul rând importanţei pe care o are pe plan naţional şi internaţional, în domeniul recuperării medicale a membrului inferior.

Analiza acestei probleme, bazată pe incidenţa crescută a accidentărilor de la nivelul acestuia, a condus la ideea necesităţii studierii în amănunt a mecanismelor de producere a accidentărilor, metodelor de recuperare medicală, precum şi a algoritmului de proiectare a unui sistem mecatronic modern, care să permită recuperarea unei game cât mai diversificate de patologii.

Recuperarea articulaţiei genunchiului, în special, este cea pe care se va pune accent în această lucrare, deoarece accidentările apărute la nivelul ei sunt caracterizate printr-un grad ridicat de gravitate. Dacă în cazul unei leziuni, de exemplu, la nivelul articulaţiei gleznei mişcarea membrului inferior nu este în totalitate pierdută, datorită posibilităţii de îndoire a genunchiului, un traumatism în zona genunchiului duce efectiv la blocarea membrului inferior.

În acest context, obiectivul general al tezei este orientat spre cercetarea, conceperea şi implementarea unui sistem mecatronic original de recuperare medicală a articulaţiei genunchiului, care va fi destinat recuperării unei game vaste de patologii. Sistemul nou dezvoltat se va adresa tuturor categorii de persoane (femei, bărbaţi, copii, tineri, bătrâni) care necesită o tehnică de recuperare medicală, dacă: au suferit injurii sau au fost supuse unor intervenţii chirurgicale; sportivilor,; persoanelor care au suferit leziuni uşoare sau mai grave ce pot deveni chiar cronice; persoanelor vârstnice sau a celor sedentare care necesită exerciţii de reabilitare neuromotorie.

Deoarece în timpul terapiei pacientul interacţionează direct cu sistemul mecatronic, siguranţa acestuia a fost elementul primordial de care s-a ţinut cont încă din faza de proiectare a dispozitivului şi până la recuperarea efectivă a pacientului, cu ajutorul dispozitivului. Una din cele mai sigure măsuri de protecţie o constituie controlul forţei exercitate de dispozitiv asupra pacientului. Acesta nu trebuie să aplice o forţă mai mare decât limita maximă suportabilă de structurile articulaţiei umane, în caz contrar, o forţă excesiv de mare ar putea înrăutăţi starea pacientului care tocmai a început terapia de recuperare, sau i-ar provoca leziuni şi mai grave.

Plecând de la acest aspect, se conturează al doilea obiectiv al lucrării, axat pe determinarea forţelor dezvoltate în ligamentele articulaţiei genunchiului cu ajutorul unui model 3D. Cunoaşterea forţelor din ligamente, pe de o parte, este utilă pentru a aprecia limita maximă a forţei care poate provoca ruptura acestora. Pe de altă parte, şi forţele generate de principalii muşchi responsabili de mişcările genunchiului, trebuiesc măsurate în acelaşi timp ce pacientul realizează terapia. Al treilea obiectiv al tezei constă în adoptarea celei mai adecvate soluţii constructive a sistemului mecatronic, care să raspundă şi să reproducă ferm condiţia de realizare a mişcării de bază din genunchi. Se urmăreşte realizarea unui model 3D, prin tehnici moderne de modelare CAD care să simuleze cinematica sistemului, eliminând astfel orice dubiu legat de unele probleme ce pot apărea în funcţionarea acestuia.

Pe baza stabilirii soluţiei constructive optime, s-a stabilit un nou obiectiv al lucrării ce constă în realizarea fizică a prototipului conceput. Finalizarea acestuia creează premisele următorului obiectiv şi anume, comanda şi controlul dispozitivului.

Recuperarea medicală a pacienţilor cu noul sistem mecatronic dezvoltat, a permis validarea experimentală a sistemului, precum şi obţinerea celor mai bune rezultate privind mişcarea, recuperarea articulaţiei, a calităţii terapiei, dar şi a siguranţei pacientului. În cadrul Capitolului 4, Contribuţii privind proiectarea şi dezvoltarea sistemului mecatronic hibrid destinat recuperării medicale a articulaţiei genunchiului, este subliniată motivaţia dezvoltării unui nou sistem mecatronic hibrid. De asemenea, sunt prezentate arhitectura generală a sistemului mecatronic, elementele de concepţie ce intră în componenţa sa, etapele dezvoltării fizice a prototipului, precum şi modalităţile de comandă şi control ale acestuia.

Organizarea lucrării

Pentru a calcula momentul efectiv dezvoltat pe parcursul şedinţelor de recuperare, este necesară modelarea matematică (cinematică şi dinamică), realizată în capitolul 5, Modelarea matematică a structurii de tip orteză din componenţa sistemului mecatronic. În acest caz, structura de tip orteză a fost aproximată cu un mecanism serial cu structură plană, cu trei grade de mobilitate. În urma acestei modelări a fost posibilă compararea rezultatelor analitice cu cele obţinute experimental, precum şi determinarea variaţiei poziţiilor unghiulare ale articulaţiei membrului inferior.

Capitolul 6, Calibrarea sistemului mecatronic de recuperare medicală, oferă informaţii cu privire la metodele şi echipamentele utilizate pentru etalonarea senzorilor de presiune şi calibrarea mărcilor tensometrice. Mai mult, prezintă un studiu experimental al forţelor normale şi tangenţiale, studiu imperios necesar din punct de vedere al evaluării terapiei de recuperare.

În Capitolul 8, Concluzii finale, se prezintă concluziile generale asupra tezei, contribuţiile proprii, precum şi direcţiile ulterioare de cercetare.

C A P I T O L U L 2

Elemente de funcţionalitate a articulaţiei genunchiului Funcţia de bază a acestui aparat o constituie locomoţia, adică deplasarea individului în spaţiu, precum şi mobilizarea diverselor segmente ale organismului, unele în raport cu altele [START_REF] Papilian | Anatomia Omului, Volumul I Aparatul locomotor[END_REF].

Scheletul membrului inferior responsabil pentru locomoţia umană este format din: oasele coapsei, oasele gambei şi oasele piciorului. Oasele coapsei sunt în număr de două, şi anume: femurul ce reprezintă cel mai lung os al corpului uman şi patela (rotula) ce este un os mai scurt, turtit şi situat în continuarea femurului. Oasele gambei sunt reprezentate de două oase: tibia ce constituie un os medial, situat vertical, este un os puternic ce suportă greutatea corporală şi care se articulează cu femurul şi fibula (peroneul) ce este situat lateral de tibie, fiind un os lung şi mai subţire.

Cunoştinţe fundamentale privind articulaţia genunchiului

Articulaţia genunchiului este cea mai mare şi mai complexă articulaţie din corpul uman şi are un rol biomecanic extrem de important, atât în statică cât şi în locomoţie. Acestei articulaţii i se acordă o atenţie deosebită datorită câtorva observaţii generale de ordin medical, şi anume: 1) comparativ cu alte articulaţii mari (şold, scapulo umerală), este mai puţin acoperită şi protejată de părţile moi, ceea ce explică frecventele sale expuneri la factorii externi; 2) este foarte mult solicitată în statică şi locomoţie, fapt ce grăbeşte uzura mai accentuată a elementelor sale componente; 3) articulaţia genunchiului are numeroase implicaţii în patologie, fiind sediul a numeroase traumatisme şi a unor procese inflamatorii şi tumorale.

Elemente de unire capsulo-ligamentare

Elementele de unire ale articulaţiei capsulo-ligamentare, şi într-o oarecare măsură şi meniscurile genunchiului, au un rol foarte important în stabilitatea genunchiului. [START_REF] Antonescu | Patologia aparatului locomotor[END_REF] în lucrarea sa, prezintă elementele de unire capsulo-ligamentare şi rolul lor:

• capsula articulară este rezistentă şi suportă tracţiuni de până la 300 kg;

• ligamentele sunt structuri fibroase care unesc doua structuri osoase având rolul de a stabiliza o articulaţie opunându-se unor anumite tipuri de mişcări;

• ligamentele încrucişate anterior şi posterior, au o direcţie inversă unul faţă de celălalt, cu un rol esenţial în biomecanica genunchiului, fiind situate în centrul acestei articulaţii. Ambele unesc tibia de femur, iar denumirea lor provine de la faptul că se încrucişează între ele, unul fiind antero-extern şi celălalt postero-intern. Rolul lor constă în limitarea mişcării de alunecare a tibiei faţă de femur în plan antero-posterior, împiedică hiperextensia genunchiului, furnizează stabilitate în mişcările de rotaţie a tibiei;

• ligamentele colaterale sunt situate pe părţile laterale ale genunchiului. Acestea controlează deplasările laterale la nivelul genunchiului si stabilizează articulaţia;

• ligamentul patelar face parte din aparatul extensor al genunchiului.

Elementele capsulo-ligamentare descrise au o rezistenţă mecanică pasivă limitată, cu mult inferioară necesităţilor mecanicii genunchiului.

Meniscurile genunchiului au o formă triunghiulară pe secţiunea frontală, cu baza aderentă de capsula articulară şi cu vârful insinuat între femur şi tibie. Acesta au o importanţă funcţională deoarece:

• anulează incongruenţa femuro-tibială, completând golurile existente prin aşezarea condililor femurali rotunzi pe platourile tibiale întinse

• concentrează tensiunile transmise anarhic prin condilii femurali, către centrul platourilor tibiale, unde cartilajul articular este cel mai gros şi consistent

• repartizează uniform sinoviala articulară în interiorul genunchiului, contribuind astfel la lubrifierea egală a suprafeţelor cartilaginoase

• absorb şocurile mecanice pe care le transmite cartilajul, la un nivel tensional moderat

• reduc frecarea articulară

• contribuie la stabilizarea femurului prin mişcarea femurului faţă de tibie, stabilizează poziţia finală femuro-tibială către care s-a făcut mişcarea, iar prin deformarea lor, scad frecarea la care este supus cartilajul articular.

Grupe musculare

A. Muşchi flexori I. Muşchii ischiogambieri, extensori ai coapsei şi flexori ai genunchiului

1. Bicepsul crural: porţiunea lungă provine din partea posterioară a tuberozităţii ischiatice şi se uneşte cu porţiunea scurtă, apoi se inseră pe partea mijlocie a interstiţiului liniei pentru a se ataşa la apofiza stiloidă a peroneului şi la tuberozitatea tibială externă.

2. Semimembranosul se inseră pe faţa posterioară a tuberozităţii ischiace, alunecă în spatele condilului intern şi se împarte în trei fascicule care se fixează la nivelul tuberozităţii tibiale interne şi care ranforsează ligamentul posterior al articulaţiei genunchiului.

3. Semitendinosul se inseră pe tuberozitatea ischiatică şi se fixează la partea superioară a feţei interne a tibiei.

II. Muşchii labei de gâscă

1.Muşchiul croitor, flexor, adductor, rotator extern al coapsei şi flexor al genunchiuluiprovine de la spina iliacă antero-superioară şi se fixează printr-o aponevroză extinsă pe partea anterioară a tuberozităţii tibiale interne.

2.Dreptul intern flexor al genunchiului şi adductor al gambei şi al coapseise inseră pe

faţa anterioară a pubisului şi pe marginea inferioară a ramurii ischiopubiene şi se fixează pe faţa superioară a feţei tibiale interne.

3.Semitendinosul a fost prezentat mai sus.

III. Muşchiul popliteu, flexor al genunchiului şi rotator intern

Se inseră la nivelul fosetelor inferioare a feţei externe a condilului extern şi se fixează pe faţa posterioară a tibiei.

IV. Muşchii gemeni, extensori ai gleznei

Se inseră la nivelul condililor şi se unesc cu solearul pentru a forma tendonul lui Achille. 2. Tensorul fasciei lata se inseră pe creasta iliacă externă şi se fixează pe fascia lata care se inseră pe tuberculul lui Gerdy şi pe marginea externă a rotulei. Contribuie la extensia genunchiului ca urmare a acţiunii cvadricepsului.

C. Muşchii rotatori

1. În exterior:

• bicepsul crural

• tensorul fasciei lata care în timpul flexiei genunchiului joacă un rol de flexor rotator extern.

În interior:

• cei trei muşchi ai labei de gâscă

• semimembranosul • muşchiul popliteu.
Grupele musculare prezentate anterior, conform autorului [START_REF] Sîrbu | Teză de doctorat: Tratamentul fracturilor extremităţilor inferioare a femurului, Universitatea de Medicină şi Farmacie[END_REF], sunt sistematizate în Fig. 2.2.

Biomecanica articulaţiei genunchiului

Mişcările de bază ale articulaţiei genunchiului sunt cele de flexie şi extensie iar amplitudinea lor este măsurată de la poziţia de referinţă stabilită de următoarele criterii: axa gambei este colineară cu axa coapsei (Fig. 2.3) astfel încât văzută din lateral, axa femurului prelungeşte direct axa gambei. În această poziţie de referinţă, lungimea membrului inferior este maximă. Principalii flexori ai genunchiului (în lanţ cinematic deschis) sunt: bicepsul femural şi semimembranosul, la care se asociază şi semitendinosul, gemenii (din tricepsul sural), soleus şi croitorul.

Atunci când membrul inferior lucrează în lanţ cinematic deschis articulaţia femurotibială joacă rol de pârghie de gradul III, iar în lanţ cinematic închis articulaţia joacă rol de pârghie de gradul I .

Gradul de flexie a genunchiului variază în raport cu poziţia şoldului sau dacă este activă sau pasivă. Extensia gambei reprezintă mişcarea opusă flexiei cu revenire la poziţia anatomică.

Nu există mişcări de extensie care să o depăşească pe aceasta cu excepţia genului recurvatum la persoanele hiperlaxe. Amplitudinea extensiei creşte cu extensia coapsei şi scade dacă coapsa este în flexie. în aceste poziţii ale coapsei se modifică tensiunea muşchilor ischiogambieri.

Mişcarea de extensie începe cu rotaţia extremităţii femurului şi se termină cu rostogolirea pe platoul tibial. Extensia asociază şi o rotaţie externă a gambei (datorită bicepsului femural). Extensia este limitată de ligamentul încrucişat anterior şi posterior, ligamentele colaterale şi muşchii ischiogambieri. În extensie completă se obţine poziţia de "înzăvorâre" în care forţa musculară nu mai este necesară. Principalii extensori sunt cvadricepsul şi tensorul fasciei lata; la acţiune se asociază tendonul cvadricepsului şi rotula care fac parte din aparatul complex de extensie al genunchiului. Extensorii, fiind muşchi antigravitaţionali, au forţă de acţiune totală mai mare ca cea a flexorilor.

Flexia asociază şi o mişcare de rotaţie internă. Rotaţia internăexternă se datorează înălţimii diferite a condililor femurali şi a ligamentelor încrucişate; rotaţia normală maximă activă este de 15-20°, iar cea pasivă de 35-40° şi se realizează în jurul unui ax vertical care trece prin centrul spinelor tibiale. Rotaţia externă este realizată de bicepsul femural, iar cea internă de semimembranos, popliteu, semitendinos, dreptul intern şi croitor. Musculatura rotatoare internă este mult mai bine reprezentată decât cea externă, deoarece rotaţia internă este o mişcare obişnuită asociată flexiei, pe când rotaţia externă este excepţională. Înclinarea lateralăeste limitată de ligamentele colaterale; acestea sunt tensionate la maxim în extensie şi complet relaxate în semiflexie. Mişcarea de flexie-extensie nu se face în jurul unui ax fix datorită formei volute a condililor femurali. Deplasarea segmentelor diferă după modul de acţiune a membrului inferior: în lanţ cinematic deschis femurul rămâne fix, tibia alunecă pe el; în lanţ cinematic închis tibia rămâne fixă, femurul alunecând pe tibie.

Pe lângă mişcările de flexie şi extensie mai pot apărea şi mişcări secundare de rotaţie (internă şi externă) şi, de asemenea, poate să apară şi o foarte redusă mişcare de înclinare laterală.

Articulaţia genunchiului are 6 grade de libertate: 3 rotaţii şi 3 translaţii în plan transvers, sagital şi longitudinal (Fig. 2.5). Entorsa genunchiului este o leziune a ligamentelor acestuia, mergând de la simpla întindere (entorsa benignă) la ruptura completă (entorsa gravă). Ea este adesea cauzată de o mişcare de torsiune forţată a piciorului, survenind îndeosebi în timpul practicării anumitor sporturi ca fotbalul sau schiul. Entorsele benigne se traduc printr-o durere şi o umflare a articulaţiei. Purtatul unui simplu bandaj sau a unui gips timp de 3 săptămâni permite calmarea durerii.

Entorsele grave se caracterizează printr-o durere vie şi hemartroza (sângerare în cavitatea articulară). Subiectul, când stă în picioare, are impresia că îi fuge genunchiul.

Ruptura completă a unui ligament lateral necesită o imobilizare gipsata de 6 săptămâni.

Ruptura unui ligament încrucişat anterior nu necesită imobilizare gipsată, în afară de cazul în care este reparat chirurgical, prin suturarea sau transpoziţionarea ligamentară (cu ajutorul unui fragment de tendon prelevat de pe muşchii învecinaţi sau de la tendonul rotulian); această reparaţie, constrângătoare pentru pacient, nu trebuie să fie propusă decât sportivilor de performanţă. În fapt, o simplă reeducare, care de altfel oricum trebuie să urmeze, duce aproape întotdeauna la rezultate excelente şi la reluarea majorităţii activităţilor sportive.

Leziunile meniscurilor genunchiului, frecvente la sportivii de performanţă, sunt în principal rupturi, mergând uneori până la ruptura completă. Tratamentul lor este chirurgical.

Dupa intervenţie, este recomandat subiectului să îşi reia mersul cât mai repede posibil.

Luxaţia genunchiului se caracterizează prin pierderea contactului între suprafeţele articulare ale femurului şi tibiei; leziunile arterei poplitee şi ale nervului sciatic, care trece prin spatele regiunii poplitee, sunt posibile. Luxaţia genunchiului necesită o reparaţie chirurgicală.

Gonartroza este cauzată de degenerarea cartilajului articular, fiind cea mai frecventă formă de boală reumatică a genunchiului (60%), fiind şi cea mai răspândită, 10% din întreaga populaţie de peste 60 de ani. Alte patologii se mai observă pentru genunchi, care poate fi contaminat cu un germene ce antrenează apariţia unei artrite septice, poate fi sediul unei boli inflamatorii afectând sinoviala (membrana care acoperă faţa internă a capsulei articulare), ca poliartrita reumatoidă, sau o boală degenerativă care afectează cartilajele prin uzură treptată, ca artroza. Tumori pot să se dezvolte plecând de la sinovială, de la oase sau de la părţile moi înconjurătoare. În sfârşit, hidrartroza genunchiului, denumită în mod curent scurgere de sinovie sau "apă la genunchi", este cel mai des consecinţa unui traumatism, unei artroze sau unei poliartrite reumatoide.

Cauze de producere a leziunilor ligamentelor încrucişate

Leziunile ligamentare reprezintă alterarea structurii anatomice normale a acestora şi sunt clasificate în trei grade, gradul 3 reprezentând ruptura completă. Cel mai frecvent, ruptura LIA (Fig. 2.3) apare ca şi consecinţă a unei forţe care produce pivotarea genunchiului cu piciorul fixat la sol (cum se poate întampla la fotbal, ski, etc) sau în contextul unor traumatisme de mare energie, mai complexe, care pot produce leziuni multiple articulare (mai multe ligamente, meniscuri, capsula articulară, eventual fracturi intraarticulare asociate). Pot fi menţionate şi alte cauze cunoscute ce determină rupturi ale ligamentul încrucişat anterior, cum ar fi: schimbări rapide de direcţie; opriri bruşte; decelerari bruşte în timpul alergării; aterizarea incorectă din saritură; contact/impact direct. Rupturile incomplete de LIA sunt rare. Majoritatea rupturilor de LIA sunt complete şi se asociază cu leziunile altor structuri de la nivelul genunchiului: meniscuri, cartilaj articular, alte ligamente.

Cauze de producere a leziunilor ligamentelor laterale

Leziunile ligamentelor colaterale ale genunchiului sunt generate de o forţă puternică care determină întinderea acestor ligamente şi, în final, ruperea lor. Ruptura poate să apară în regiunea de mijloc sau la oricare dintre capete, acolo unde se fixează la nivelul osului. Dacă impactul este foarte puternic, pot să apară leziuni şi la nivelul altor structuri ale genunchiului. Cea mai frecventă combinaţie este ruptura LCM şi cea a ligamentului încrucişat anterior.

Rupturile LCM sunt mai frecvente decât cele ale ligamentului lateral, dar o ruptură a LCL (Fig. 2.8) are mai mari şanse de a cauza instabilitatea genunchiului. Explicaţia este dată de faptul că suprafaţa superioară a tibiei prezintă o depresiune în vecinătatea LCM şi este netedă în vecinătatea LCL, favorizând alunecările şi generând în consecinţă instabilitate. LCL se rupe sub acţiunea unei forţe care acţionează din interior şi împinge genunchiul spre exterior, sau în caz de hiperextensie a genunchiului.

C A P I T O L U L 3

Stadiul actual al cercetărilor privind utilizarea sistemelor mecatronice în recuperarea medicală 3.1 Introducere 3.2 Sisteme mecatronice utilizate în recuperarea membrului inferior 3.3 Concluzii

Introducere

În ultimii ani, cercetările efectuate în domeniul sistemelor mecatronice destinate recuperării medicale au crescut considerabil (Lee şi colab., 2005). Astfel, s-au conceput şi implementat numeroase sisteme moderne (Kamnik şi Bajd, 2007), (Emken şi colab., 2006), (Costa şi colab., 2006), (Mavroidis şi colab., 2005), (Pratt şi colab., 2004), ce pot fi aplicate în terapiile fizice de reabilitare medicală a unor segmente corporale. Dezvoltarea acestora s-a produs treptat, fiind particularizate în funcţie de patologii, în special provenite din sfera ortopedietraumatologie.

Sistemele mecatronice utilizate în recuperarea medicală pot fi o alternativă la recuperarea clasică, datorită performanţelor acestora: sunt capabile să restabilească unele deficienţe majore ale pacienţilor, contribuie la refacerea mobilităţii articulaţiilor, creşterea activităţii musculare, permit aplicarea unor protocoale de recuperare (Cai şi colab., 2011) prin exerciţii programate şi repetitive, oferă posibilitatea de a urmări şi evalua progresul recuperativ al pacientului (Lan şi colab., 2010). Dispozitivele uşurează şi munca fizioterapeutului (îl pot ajuta sau chiar înlocui) în unele procese de recuperare intensivă şi de durată, ce ar genera oboseala fizică a acestora (Zhang şi colab., 2010). Deşi tendinţa actuală este orientată spre obţinerea unor sisteme mecatronice cât mai complexe sau chiar inteligente, complexitatea acestora ridică însă unele probleme generate de interacţiunea pacientsistem mecatronic, mai ales că pacientul este conectat direct la sistemul de recuperare (Hoogen şi colab., 2002).

Pentru a evita unele situaţii critice, ce ar putea afecta pacientul, sunt necesare metode speciale de implementare a măsurilor de siguranţă, precum şi alegerea celor mai eficiente metode de comandă şi control ale sistemelor. Aceste aspecte au fost studiate de numeroşi cercetători (Ju şi colab.,2005), (Bernhardt şi colab., 2005), (Okada şi Sakaki, 2000), (Richarson şi colab., 2005).

În concluzie, pentru utilizarea şi includerea sistemelor mecatronice în terapiile fizice de recuperare, trebuie luate în considerare următoarele aspecte: patologiile ce se doresc a fi recuperate, tipul de mişcare (pasivă, activă), dacă este sau nu necesară prezenţa fizioterapeutului, verificarea condiţiilor de siguranţă pentru pacient, etc.

Sisteme mecatronice utilizate în recuperarea membrului inferior

Diversitatea sistemelor medicale concepute pentru recuperarea medicală a fost o consecinţă a multiplelor traumatisme ce afectează funcţionalitatea membrului inferior.

Datorită faptului că patologiile ce afectează membrul inferior sunt multiple, diferite, s-au conceput dispozitive specializate pentru recuperarea acestora. Astfel, sistemele de recuperare pot fi clasificate şi particularizate în funcţie de afecţiunea căreia îi sunt destinate, tipul de recuperare aplicat.

Exoscheleţi

În termeni generali, un exoschelet (orteză) reprezintă un dispozitiv aplicat pe o parte a corpului (membre inferioare sau superioare) cu scopul de a îmbunătăţi starea funcţională a unei articulaţii, de a corecta (trata) unele disfuncţii sau sprijini şi asista anumite mişcări, cum ar fi: mersul, urcatul/coborâtul scărilor, ridicarea de pe scaun, etc.

Sistemele au fost concepute pe baza caracteristicilor antropometrice ale segmentelor corporale umane, pentru a facilita fixarea externă a acestora pe unul din membre. Iniţial, acest tip de sisteme a fost destinat altor aplicaţii (Zoss şi colab., 2005), însă, în prezent, sunt recunoscute şi acceptate ca fiind o alternativă modernă la recuperarea medicală. Pentru o funcţionare corespunzătoare, cunoaşterea anatomiei şi biomecanicii membrelor pe care ortezele sunt aplicate este esenţială (Dollar şi Herr, 2008).

Multe studii raportate în literatură au la bază conceperea sau optimizarea structurilor de tip exoschelet. Astfel, s-au creat premisele apariţiei unui număr impresionant de dispozitive (Nikitczuk şi colab., 2009), (Pratt şi colab., 2004), (Sawicki şi colab., 2009), (Ackermann şi Cozman, 2009) cu scopul de a fi cât mai eficiente în recuperarea unei game diversificate de patologii ale membrului inferior. Sistemele dezvoltate pot fi totale (pentru toate articulaţiile membrului) sau parţiale (concepute special pentru o singură articulaţie).

În funcţie de capacităţile lor de asistare a terapiei, se pot distinge două categorii de exoscheleţi: pasivi şi activi. Sistemele pasive sunt utilizate în general pentru: a asigura stabilitatea în momentul transferului greutăţii corporale pe membrul respectiv, suportul şi sprijinul monopodal, creşterea eficienţei musculare, (Banala şi colab., 2006). Orteza activă contribuie la realizarea mişcărilor din articulaţii şi conform lui [START_REF] Hillman | Rehabilitation Robotics from past to present-a historical perspective[END_REF] şi (Cai şi colab., 2011) prima orteză activă apare în anii 1960, cu scopul de a ajuta pacienţii paralizaţi să-şi mişte picioarele, asigurându-le în acelaşi timp o posibilitate de recuperare.

Dispozitivele portabile (orteza sau exoschelet) sunt, în general, simplu de implementat şi pot genera forţele necesare producerii mişcărilor de bază din articulaţii. Cel mai adesea, sunt realizate din elemente rigide şi sunt acţionate electric (cel mai frecvent), hidraulic sau pneumatic. Însă, cu toate acestea, în literatură sunt menţionate câteva deficienţe, ce apar la interacţiunea dintre dispozitiv şi pacient:

• Elementele rigide utilizate în construcţia lor pot fi incomode pentru pacient, în special la contactul dintre piele şi dispozitiv (dacă acestea sunt aplicate direct), iar frecările suplimentare apărute, pot provoca leziuni la nivelul suprafeţei pielii.

• Forma şi greutatea sistemului externacesta trebuie să fie cât mai uşor pentru a le permite pacienţilor să se deplaseze cu uşurinţă. Alegerea unor materiale adecvate, pentru a fi utilizate în construcţia ortezelor şi protezelor a făcut şi obiectul de studiu al unor cercetători ca (Herr şi Kornblu, 2004), (Jardim şi Siqueira, 2009).

• Alinierea necorespunzătoare dintre articulaţia umană şi ortezăproblemă semnalată şi de (Stienen şi Hekman, 2009), (Jarrasse şi Morel, 2009).

• Incapacitatea sistemelor de monitorizare în timp real a reacţiei pacientului şi a procesului de recuperare.

• La unele dispozitive controlul forţelor este deficitar, iar consecinţa directă se reflectă asupra pacientului. Spre exemplu, aplicarea unei forţe excesive şi imposibilitatea ajustării acesteia în timp real, poate aduce membrul inferior într-o poziţie forţată de hiperextensie.

• Ortezele totale (complete) ce implică şi mişcarea simultană a celorlalalte articulaţii ale membrului inferior, nu permit exerciţii individualizate pentru o singură articulaţie. Această limitare face dificilă diagnosticarea, tratamentul şi evaluarea procesului recuperativ al unei articulaţii (Cai şi colab., 2011).

Plecând de la aceste aspecte amintite, unele studii din literatură (Fleischer şi Hommel, 2008), (Sawicki şi Ferris, 2009), (Mavroidis şi colab., 2005) s-au axat pe introducerea unor tehnici speciale de monitorizare a mişcării active, de evaluare a forţelor aplicate, strategii de control pentru interacţiunea dintre pacient şi sistemul portabil.

Dispozitivul conceput de (Mavroidis şi colab., 2005), prezentat în Materialele utilizate în construcţia ortezei sunt: polipropilenă (pentru zona de fixare a piciorului) şi fibră de carbon (pentru coapsă şi gambă). Articulaţiile de tip balama permit flexia dorsală şi plantară a gleznei, dar şi flexia -extensia genunchiului.

Orteza utilizează şase muşchi artificiali pneumatici (câte unul pentru fiecare flexie a gleznei şi câte doi pentru flexorii, respectiv extensorii genunchiului), ce sunt controlaţi pe baza semnalelor electromiografice (EMG) şi mioelectrice. Această modalitate de control furnizează informaţii privind muşchiul contractat, durata şi amplitudinea forţei dezvoltate.

Acţionarea pneumatică a fost adoptată şi în construcţia ortezelor realizate de (Luna şi colab., 2008), (Belforte şi colab., 2001), (Knestel şi colab.,2008).

Autorii (Aguirre-Ollinger şi colab., 2011) propun o structură de tip exoschelet (Fig.

Platforme pentru recuperarea locomoţiei

Conceperea unor platforme care să asigure reeducarea mersului, restabilirea funcţiei locomotorii sau creearea senzaţiei de mers, a făcut obiectul de studiu şi pentru (Iwatta şi Yoshida, 1999), (Wang şi colab., 2003), [START_REF] Miyasato | Tele-nursing system with realistic sensations using virtual locomotion interface[END_REF], (Christensen şi colab., 2000).

Aceste sisteme se pretează a fi utilizate în recuperarea pacienţilor ce au suferit accidente cerebrale sau leziuni la nivelul măduvii spinării, accidente ce afectează implicit funcţia locomotorie (De Leon şi colab., 2002), (Volpe şi colab., 2000), (Reinkensmeyer şi colab., 2004), (Schmidt şi colab., 2002).

Dispozitivele de acest gen sunt frecvent utilizate în clinici, în condiţiile în care incidenţa atacurilor cerebrale creşte în rândul populaţiei (The World Health Report, 2011). Conform lui (Jorgensen şi Nakayama, 1995), imediat după producerea accidentului vascular, doar 37% din supravieţuitori sunt capabili să meargă şi 21% din pacienţii cu pareze uşoare îşi mai redobândesc funcţia locomotorie (Wandel şi colab., 2000). Consecinţele negative ale accidentelor cerebrale asupra membrului inferior se referă la: imposibilitatea de mişcare, pierderea mobilităţii, instabilitate, spasticitate, slăbiciune musculară, etc.

Utilizarea sistemelor de recuperare a locomoţiei, îi permit pacientului (ce este menţinut în poziţie verticală cu ajutorul unor curele), să meargă normal pe o suprafaţă mobilă ce se mişcă în direcţia opusă celei de mers [START_REF] Kommu | Rehabilitation Robotics[END_REF]. Înclinarea platformei (în cazul sistemului Sarcos) între +14° până la -5.4° , îi permite pacientului să simuleze urcarea unei rampe.

Dintre aspectele pozitive ale platformelor de reeducare a mersului sau de creare a senzaţiei de mers, se pot menţiona: asigură mişcarea pasivă, permit efectuarea mişcărilor normale efectuate de o persoană în orice activitate zilnică, au o construcţie simplă. Există însă şi unele deficienţe ce trebuiesc îmbunătăţite, cum ar fi:

• Sistemele trebuie să se mişte în concordanţă cu limitele fiziologice de mişcare ale pacientului (prevenirea unor noi posibile accidentări sau agravări a bolii);

• Gabaritul acestora le limitează doar la utilizarea în clinici de recuperare (reducerea dimensiunilor acestui sistem ar permite utilizarea lor şi la domiciliul pacientului);

• Prezenţa fizioterapeutului este necesară;

• Actuatorii hidraulici din componenţa unor astfel de sisteme nu sunt recomandaţi a fi utilizaţi în scopuri medicale, deoarece sunt greu de întreţinut şi controlat (deşi ei pot asigura balansarea greutăţii corporale a pacienţilor);

• În ceea ce priveşte interfaţa sistemului cu pacientul, dispozitivul ar trebui să nu constrângă mişcarea pacientului (nu este întotdeauna posibil), ci trebuie să îi permită să meargă "liber" în orice direcţie, cu ce viteză doreşte, etc;

• Probleme ce ţin de incapacitatea sistemelor de a oferi informaţii privind progresul recuperativ al pacienţilor;

• Trebuie să aibă suprafaţa mobilă suficient de lungă pentru a forţa/obliga pacientul să meargă cât mai mult.

Cele mai cunoscute platforme de recuperare a mersului sunt cele realizate de (Mankala şi colab., 2009), (Veneman şi colab., 2007), (Reinkensmeyer şi colab., 2006), (Hesse şi Uhlenbrock, 2000), (Schmidt şi colab., 2007) Sistemul este destinat în special pacienţilor ce au suferit accidente cerebrale şi care au rămas cu semiparalizii, însă acesta poate fi utilizat şi pentru redobândirea mobilităţii unor articulaţii ce au fost implicate în accidentări locale. Platforma Lokomat conţine două orteze şi o suprafaţă mobilă, pe fiecare orteză fiind implementaţi senzorii de forţă şi de poziţie, pentru măsurarea deplasărilor unghiulare şi cuplul dezvoltat la nivelul articulaţiilor. Principalul avantaj al utilizării acestui sistem îl constituie faptul că acesta asigură locomoţia, implicând în acelaşi timp toate articulaţiile principale ale membrului inferior. Câteva dintre limitările acestui dispozitiv se referă la faptul că: poate fi utilizat doar în clinici (în special datorită dimensiunilor acestuia), recuperarea medicală se realizează numai în prezenţa unuia sau a mai multor fizioterapeuţi (pentru a ghida picioarele pacienţilor de-a lungul benzii orizontale), iar durata şedinţei de recuperare depinde de starea de oboseală a fizioterapeutului (Mankala şi colab., 2009), (Behrman şi Harkema, 2000), (Dobkin şi colab., 2006).

Sisteme comerciale pentru mişcarea pasivă

Conceptul de mişcare pasivă a fost introdus prima oară în 1970 de (Salter şi Simmonds, 1980).

Autorii dezvoltă un dispozitiv care să asigure mişcarea pasivă continuă, iar după câteva teste pe un iepure, observă că sistemul este eficient pentru îmbunătăţirea imperfecţiunilor din cartilajul articular şi a fracturilor intraarticulare. Principiul de aplicare a acestei mişcări asupra pacienţilor a fost studiat şi de (O'Driscoll şi [START_REF] O'driscoll | Continuous passive motion (CPM): Theory and principles of clinical application[END_REF].

Multe studii existente în literatură prezintă rolul şi importanţa utilizării unor astfel de sisteme pentru recuperarea unor disfuncţii articulare, precum şi efectele aplicării acestora asupra pacienţilor. Recuperarea fizică prin tehnica aplicării mişcării pasive este însă controversată, unii autori o recomandă [START_REF] Johnson | The effect of continuous passive motion on wound healing and joint mobility after knee arthroplasty[END_REF], Harms şi Engstrom (1991) ca metodă de recuperare, iar alţii precum Nielson şi colab. (1988), Kumar şi colab. (1996), Pope şi colab.

(1997) consideră că folosirea dispozitivelor pentru asigurarea mişcării pasive nu aduce nici un beneficiu semnificativ recuperării articulaţiilor umane.

Însă, cu toate acestea, sistemele pentru recuperarea mişcării pasive au continuat să se dezvolte, existând în prezent numeroase sisteme comerciale (Chattanooga Group, OptiFlex³), (Otto Bock, 480 E PRO Knee CPM), (Medcom Group, Kinetec), (Ormed, Artromot), (The Furniss Corporation, 1850 Knee CPM), ce sunt utilizate deja în multe centre de recuperare cu scopul de a ajuta pacienţii să îşi redobândească mobilitatea unor articulaţii (genunchiului, cotului, şoldului, gleznei, etc). Fig. 3.5 Dispozitiv pentru mişcare pasivă Knee Phoenix CPM Sistemul Knee Phoenix CPM (Fig. 3.5) produs de firma The Furniss Corporation LTD, este destinat exerciţiilor de redobândire a mişcării pasive a unei articulaţii (genunchi, șold) şi refacerea mobilităţii acesteia. Dispozitivul asigură mişcarea de flexie în domeniul 0°-110° şi cea de extensie între -5 până la 105 grade. Pacientul are posibilitatea să îşi selecteze manual amplitudinea de mişcare (flexie -extensie), viteza sau durata de realizare a terapiei prin intermediul unui dispozitiv special. Câteva dintre avantajele pe care le oferă în timpul terapiei sunt: menţine un domeniu larg de mişcare; îmbunătăţeşte starea cartilajului articular, a ligamentelor şi tendoanelor; previne apariţia artrozei generată de uzura ce intervine la nivelul articulaţiei şi care contribuie la creşterea rigidităţii articulare; reduce durerea instalată la nivelul articulaţiei; poate fi utilizat şi după intervenţii chirurgicale în zona genunchiului; datorită design-ului ce nu pune în pericol starea pacientului, poate fi utilizat şi acasă.

Sistemele comerciale, ca şi cel prezentat, au marele dezavantaj că nu asigură mişcarea activă, sunt incapabile să urmărească reacţiile şi evoluţia recuperativă a pacientului şi sunt, în general, foarte scumpe. De aceea este necesar un sistem complex care să integreze şi posibilitatea de realizare a mişcării active, dar şi să monitorizeze progresul pacientului.

Sisteme pentru mişcarea activă

În mişcarea activă pacientul poate interveni voluntar pentru realizarea unor mişcări. Această mişcare este extrem de importantă pentru a evalua gradul de recuperare al acestuia. Practic, după ce pacientul a fost recuperat pasiv (faza de început a terapiei fizice de reabilitare) în momentul în care acesta poate să realizeze anumite mişcări, se poate aplica tehnica recuperării mişcării active. În această tehnică, manevrele de întărire a activităţii musculare sunt esenţiale şi se pot aplica următoarele tipuri de exerciţii:

• exerciţii active asistate-exerciţii de contrabalansare a membrului cu greutăţi ataşate pe picior sau fără (în acest caz balansul este generat de greutatea proprie a tibiei)

• exerciţii active-exerciţiile voluntare ale pacientului ce pot fi: statice, kinetice, isokinetice. Exerciţiile statice (isometrice) se referă la o contracţie împotriva unei rezistenţe (obstacol) fixe, pentru un unghi prestabilit de flexie. Exerciţiile cinetice (isometrice), descriu posibilitatea pacientului de a mişca rezistenţa (obstacolul), pe un anumit domeniu de mişcare. În timpul acestora, nu se produce nici o modificare a unghiului din articulaţie. Exerciţiile isokinetice sunt realizate în general cu ajutorul unor sisteme specializate ce facilitează creşterea rezistenţei musculare într-o mişcare constantă a membrului.

Numeroase studii (Miyaguchi şi colab., 2003), (Topp şi colab., 2002), au arătat că exerciţiile de întărire musculară (de rezistenţă musculară) au efecte pozitive asupra recuperării medicale a unei articulaţii disfuncţionale, pentru îmbunătăţirea mobilităţii şi stabilităţii articulaţiilor, reducerea durerii, eficienţa lor pentru pacienţii cu artrită reumatoidă sau artoză [START_REF] Vlieland | Rehabilitation of people with rheumatoid arthritis[END_REF], (Huang şi colab., 2003), (Stevens şi colab., 2003).

Sistemul produs de (Lubken şi colab., 2006) care se regăseşte pe piaţă, este unul din sistemele ce asigură recuperarea mişcării active a genunchiului. Prototipul dezvoltat conţine un sistem mecanic asemănător unei biciclete, ce poate limita mişcarea, astfel încât să îi permită pacientului să intervină voluntar în acţionarea pedalelor. Proiectul devoltat de (Bradley şi colab., 2009) este eficient în recuperarea mişcării de flexie-extensie a genunchiului şi a şoldului realizând în acelaşi timp şi exerciţii active, pasive, rezistive. Un alt sistem, Multi-Iso conceput de [START_REF] Moughamir | A system approach for control development of the lower limb training machines[END_REF] este utilizat doar în recuperarea mişcării de flexie-extensie a genunchiului şi oferă posibilitatea unor exerciţii active, pasive, rezistive, întocmai ca şi sistemul NeXOS. Acesta utilizează metode clasice de control a vitezei, forţei, poziţiei, însă sunt dezvoltate cu tehnici de control fuzzy.

Sisteme mecatronice hibride

Sistemul mecatronic hibrid defineşte un sistem capabil să-i asigure pacientului, atât mişcarea pasivă, cât şi cea activă, devenind astfel cel mai complet dispozitiv de recuperare.

Această categorie de sisteme reprezintă o tehnologie modernă şi cea mai recentă cercetare în domeniul dezvoltării sistemelor de recuperare medicală, devenind o tendinţă nouă şi de actualitate, spre care mulţi cercetători se îndreaptă. De menţionat este faptul că dispozitivele de acest tip se regăsesc şi sunt prezentate în literatură, într-un număr mult mai restrâns (Bradley şi colab., 2009), (Bradley şi colab., 2000), (Van der Loos, 2004), (Moughamir şi colab., 2002), [START_REF] Proiectul | [END_REF], comparativ cu celelalte categorii de sisteme de recuperare.

În anul 2007 cercetătorii (Kamnik şi Bajd, 2007) implementează un sistem special conceput pentru a ajuta persoanele cu dizabilităţi locomotorii să realizeze manevra de aşezare ridicare (de pe un scaun) şi este acţionat prin intermediul unui servosistem electrohidraulic. Proiectul realizat de (Wongnangam şi colab., 2008) se referă la un dispozitiv capabil să asigure mişcarea pasivă şi activă, pacienţilor cu proteze totale de genunchi.

Sistemul conceput de (Dong şi colab., 2006) este destinat pacienţilor cu afecţiuni neuromusculare sau celor ce au suferit diferite accidentări la nivelul membrului. Acesta este capabil să asigure o rezistenţă pasivă, astfel încât să îi permită pacientului să intervină activ în terapia de recuperare, prin contracţia musculară. Dispozitivul este eficient în realizarea exerciţiilor de mobilitate articulară şi întărire a forţei musculare.

În anul 2009 (Akdoğan şi colab., 2009) propune o structură robotică de tip manipulator pentru executarea mişcării de flexie -extensie a genunchiului. Dispozitivul este acţionat electric, în timp ce senzorii de forţă şi poziţie implementaţi în sistem oferă informaţii necesare controlului dispozitivului, precum şi posibilitatea de urmărire a reacţiilor pacientului pe parcursul terapiei.

În acelaşi an, se dezvoltă şi proiectul lui Hung Ho şi colaboratorii (2009), prezentat în Fig. 3.6, ce este realizat plecând de la varianta comercială a sistemului Artromot. Optimizarea sistemului comercial în scopul obţinerii şi a mişcării active s-a realizat prin introducerea unui controller, ce permite un algoritm de control evoluat (logica fuzzy).

Sistemul este controlat astfel încât motorul electric din componenţa acestuia să dezvolte o forţă rezistentă, ce trebuie să se opună forţei aplicate de pacient asupra suportului de fixare a piciorului. Pe acest suport se găsesc implementaţi senzori de forţă, iar deplasările sunt monitorizate prin intermendiul unui potenţiometru. În acest sens, dispozitivul este capabil să realizeze ambele tipuri de mişcări necesare unei terapii reuşite, oferă posibilitatea de observare a performanţelor pacientului, însă forţele musculare dezvoltate în timpul intervenţiei voluntare a pacientului nu sunt evidenţiate.

Concluzii

Evaluarea critică a literaturii existente demonstrează că sistemele mecatronice sunt frecvent utilizate, în domeniul recuperării medicale, pentru o multitudine de aplicaţii.

Analiza cercetărilor în domeniu evidenţiază o variatate de abordări constructive şi tehnologii avansate ce sunt adaptate şi utilizate în construcţia unor astfel de dispozitive. Deasemenea, s-a putut distinge clar că sistemele sunt concepute în concordanţă cu afecţiunile ce se doresc a fi recuperate şi că unele procese de reabilitare fizică sunt intensive şi de durată.

Cu toate acestea, indiferent de tipul patologiei, sistemele trebuie să satisfacă câteva cerinţe minime, necesare în orice tehnică de recuperare medicală şi anume: să asiste persoanele cu afecţiuni pentru că acestea să îşi poată relua într-un timp cât mai scurt activităţile curente; să asigure redobândirea mobilităţii articulare şi a activităţii musculare.

Pe baza studierii literaturii existente, se poate spune că utilizarea sistemelor mecatronice, ca alternativă modernă la recuperarea medicală clasică, este extrem de benefică. Cu toate acestea, dispozitivele nu sunt utilizate pe scară largă, iar introducerea acestora în clinicile de recuperare şi cabinetele medicilor este limitată de unele deficienţe şi probleme tehnice majore:

• probleme ce apar la interacţiunea dintre pacient şi sistemul de recuperare (se cunoaşte faptul că în timpul terapiei, pacientul este conectat direct la dispozitivul de recuperare);

• absenţa unor măsuri suplimentare de control pentru garantarea siguranţei pacientului în timpul şedinţei de recuperare;

• unele dispozitive sunt incapabile de a realiza mişcările în concordanţă cu limitele fiziologice de mişcare ale pacientului (nerespectarea cerinţelor anatomice şi biomecanice), ajungând astfel să constrângă mişcarea în loc să o recupereze;

• lipsa unor protocoale de comunicare şi afişare în timp real a reacţiei pacientului la tehnica de recuperare aplicată, precum şi de monitorizare a progresului recuperativ al acestuia;

• individualizarea unor sisteme pentru o singură patologie, respectiv un singur membru inferior, pe baza diagnosticului primit şi a recomandărilor furnizate de medici;

• imposibilitatea reefectuării, de către pacient, a unor şedinţe de recuperare la domiciliu (în general, acestea se efectuează numai în clinici şi cu prezenţa fizioterapeutului);

• la unele dispozitive, controlul forţelor este deficitar, iar consecinţa directă se reflectă asupra pacientului. Spre exemplu, aplicarea unei forţe excesive şi imposibilitatea ajustării acesteia în timp real, poate aduce membrul inferior într-o poziţie forţată de hiperextensie.

• incapacitatea acestora de a gestiona unele situaţii critice apărute în timpul terapiei (de natură tehnică) sau modificări ce ţin de starea funcţională a pacientului. Este cunoscut faptul că, în timpul procesului de recuperare, uneori, pacienţii au o tendinţă să îşi mişte brusc picioarele, ca urmare a unor reflexe spontane. Un astfel de reflex, apărut în timpul utilizării sistemului, poate forţa piciorul să se deplaseze peste amplitudinea lui maximă de mişcare, generându-i leziuni suplimentare la nivelul celorlalte elemente din structura articulaţiei (ligamente, tendoane, întinderi musculare, etc).

• interfeţe complicate de operare/comandă (deoarece sistemele se adresează în exclusivitate pacienţilor, medicilor, fizioterapeuţilor şi nu specialiştilor din domeniul tehnic, este necesară o interfaţă cât mai simplă şi prietenoasă).

• lipsa unor sisteme care să permită monitorizarea semnelor vitale ale pacientului;

• unele aspecte constructive ale unor sisteme de recuperare (materiale inadecvate utilizate în construcţia lor; forma şi dimensiunile de gabarit) fac dificilă manevrarea acestora.

Pentru rezolvarea acestor dificultăţi cu care se confruntă sistemele de recuperare medicală, este necesară utilizarea unor metode speciale de control, care să-i garanteze recuperarea medicală şi să îi menţină siguranţa pe toată perioada în care acesta utilizează sistemul.

Efectuarea unui control, în condiţii optime, impune alegerea celui mai adecvat tip de acţionare, dar şi a unor algoritmi evoluaţi de control. Acţionarea electrică este cea mai bună soluţie şi este recomandată în aplicaţiile medicale, iar o comandă a sistemului cu tensiuni mici (+5V, 12V) ar garanta siguranţa pacientului.

Utilizarea unor controllere avansate cu posibilitate de comunicare în timp real, ar putea conduce la îmbunătăţirea preciziei de funcţionare a sistemului, dar ar permite şi obţinerea unui "feedback" din partea pacientului.

Motivația constructivă

Motivaţia care a stat la baza conceperii unui sistem de recuperare, nou şi original, pentru recuperarea medicală a articulaţiei genunchiului, a fost bazată pe cerinţele medicilor ortopezi de a avea un sistem complex şi capabil să asigure o recuperare totală a pacienţilor. De asemenea, aceştia semnalează o incidenţă crescută a accidentărilor de la nivelul membrului inferior ce conduc, în general, la pierderea temporară a funcţiei locomotorii.

După tratarea acestora din punct de vedere medical, recuperarea fizică a capacităţilor funcţionale pierdute temporar ale articulaţiei genunchiului, muşchilor, tendoanelor şi ligamentelor, este foarte importantă. Şedinţele de terapie fizică sunt de obicei realizate de fizioterapeuţi sau de unele sisteme comerciale ce asigură recuperarea pasivă, recuperarea completă fiind un proces îndelungat şi continuu. Aceasta presupune: "reeducarea" funcţională a genunchiului ce implică realizarea mişcării de flexie şi extensie (într-un mod de recuperare pasiv şi activ); refacerea mobilităţii articulare; restabilirea domeniului de mişcare în concordanţă cu limitele fiziologice ale pacientului; îmbunătăţirea stării cartilajului articular, a ligamentelor şi tendoanelor, creşterea rezistenţei musculare, etc.

De cele mai multe ori, numărul mare de pacienţi ce solicită ajutorul fizioterapeuţilor, le creează acestora un volum imens de lucru, uneori fiind de-a dreptul depăşiţi de situaţie. Dorinţa de reluare, într-un timp cât mai scurt, a activităţilor cotidiene ale oamenilor şi sportivilor, a încurajat dezvoltarea sistemelor de recuperare, capabile să facă legătura între pacient -medic-fizioterapeut. Însă, în urma utilizării unor sisteme comerciale deja existente, rezultatul obţinut nu s-a ridicat la nivelul aşteptărilor medicilor, aceştia au fost foarte critici cu acestea, şi au sesizat o serie de aspecte ce trebuiesc îmbunătăţite, pentru a obţine o recuperare medicală de succes. Aceştia informează că, la momentul actual, clinicile şi spitale se confruntă cu o "criză" a unor sisteme ce pot asigura o recuperare medicală completă, care ar fi extrem de benefice pentru toate părţile implicate direct în recuperarea medicală. Pe de altă parte, nici analiza stadiului actual al cercetărilor în domeniu nu evidenţiază existenţa unui sistem care să satisfacă în totalitate nevoia de recuperare a pacientului. Plecând de la aceste premise, s-a creat motivaţia de a studia în amănunt posibilităţile de reabilitare fizică cu ajutorul unui sistem biomecatronic destinat următoarelor tipuri de patologii: entorse; ligamentoplastii; fracturi în vecinătatea articulaţiei; fracturi ale rotulei sau platoului tibial; şold operat; endoproteză de genunchi.

Plecând de la obiectivul general al tezei, pentru realizarea sistemului mecatronic de recuperare s-au luat în calcul o serie de elemente constructive şi funcţionale, stabilindu-se astfel etapele de proiectare, conform diagramei din Fig. 4.1: La nivelul structurii software se regăsesc implementate criteriile privind siguranţa pacientului, secvenţe de răspuns în timp real, regulatoare software, dar şi trei posibilităţi de oprire a sistemului: automată, semiautomată şi manuală.

Interfaţa grafică cu utilizatorul se prezintă sub forma unui display ce conţine câteva dintre informaţiile de bază ale pacientului: datele antropometrice (sex, vârstă, înălţime, greutate corporală), domeniul de mişcare particularizat pentru fiecare pacient în parte, consideraţii biomecanice, permiţând şi afişarea informaţiilor privind starea pacientului.

Această bază de date va fi regăsită şi în calculator, utilizat pentru memorări de date, prelucrări şi procesări.

Sistemul dezvoltat, a fost gândit astfel încât să asigure mişcarea principală din articulaţia genunchiului, şi anume flexia -extensia. Un alt criteriu important de care s-a ţinut cont se referă la condiţiile de siguranţă pentru pacient. Pentru a evita alte posibile accidentări ale pacientului, de exemplu, când sistemul aplică o forţă mai mare pentru a realiza o mişcare de flexie sau extensie, s-au stabilit următoarele criterii:

• Forţele musculare ale principalilor muşchi responsabili de mişcările genunchiului, vor fi măsurate în timp ce pacientul realizează terapia, cu ajutorul sistemului. Astfel că pentru o anumită valoare a forţei, sistemul mecatronic trebuie să ştie să aplice o forţă mai mică sau cel puţin egală cu cea măsurată prin intermediul electromiografiei, pentru a evita alte posibile accidentări.

• Se vor realiza două limitări: una la nivel hardware şi una la nivel software. Limitarea de la nivel hardware ţine de construcţia sistemului şi de prezenţa butonului de siguranţă, iar cele de la nivel software se stabilesc prin linii de program, ce oferă cele trei posibilităţi de oprire amintite mai sus.

Informaţiile despre pacient sunt transmise calculatorului şi apoi sistemului mecatronic prin protocoalele de comunicaţie. La nivelul sistemului mecatronic se poate lua următoarea decizie: se activează blocul de comandă prin intermediul actuatorilor ce vor genera forţa necesară mişcării membrului pacientului, urmând apoi activarea blocului de măsurători, pe baza informaţiilor provenite de la senzori. Comanda şi controlul actuatorilor se face prin intermediul microcontroller-lui, ce poate avea intrări şi ieşiri analogice sau digitale. Prin utilizarea algoritmilor evoluaţi de control alături de senzori, se va dezvolta posibilitatea sistemului de putea urmări reacţiile pacientului, de a şti când să alterneze mişcările (pasivăactivă şi invers), să schimbe domeniul de mişcare prin aplicarea unei forţe mai mari sau mai mici, în funcţie de necesitatea pacientului.

Avantajele utilizării unui astfel de sistem mecatronic constau în următoarele: sunt uşor adaptabile, pot fi folosite individual, nu mai necesită prezenţa fizioterapeutului, va asigura atât mişcarea pasivă cât şi cea activă, va permite exerciţii repetitive.

Conceperea sistemului mecatronic hibrid

Componentele mecanice

Structura mecanică prezentată, a sistemului mecatronic, este una integrată, ce îmbină două sisteme care funcţionează simultan, într-o singură formă compactă: un ansamblu bazat pe o transmisie şurub cu bile-piuliţă şi un mecanism articulat cu bare, de care se va fixa membrul inferior.

Ansamblul şurub cu bile-piuliţa s-a utilizat deoarece s-a urmărit obţinerea unei mişcări liniare. Deşi existau mai multe mecanisme ce puteau fi utilizate în scopul obţinerii acestei mişcări, s-a ales această soluţie, din următoarele considerente: oferă cea mai bună posibilitate de control; coeficient de frecare mic; jocuri neglijabile; foarte utilizat în construcţii de roboţi industriali. Aceste avantaje recomandă ansamblul şurub-piuliţă şi în aplicaţiile medicale, în special cele care vizează recuperarea mişcării de flexie-extensie a genunchiului, în defavoarea celorlalte mecanisme, cum ar fi:

• Bielă manivelăbraţul manivelei trebuie să fie mare; prezenţa jocurilor în cuple ce duc la şocuri; frecări pe ghidaje; control deficitar al mecanismului; la schimbarea direcţiei apar forţe ce nu pot fi controlate; control complicat; schimbarea sensului este dificilă;

• Cremaliera -frecări mari în ghidaje; construcţia cremalierei este complicată; angrenarea nu este continuă (intrarea şi ieşirea din angrenare este cu microşocuri);

• Cama spaţială -mişcarea tachetului era imprimată de un cilindru cu canal; control dificil, la capăt de cursă s-ar fi putut produce un blocaj; încărcarea pe tachet putea genera blocarea întregului sistem.

Structură de tip orteză -s-a folosit cu scopul de a stabiliza membrul inferior pe tot parcursul terapiei de recuperare. Elementele flexibile şi ajustabile din construcţia acestuia se aliniază perfect la caracteristicile antropometrice ale pacientului, permiţându-i acestuia să realizeze mişcări în limitele fiziologice.

O astfel de structură flexibilă a facilitat implementarea unor potenţiometre, corespunzătoare fiecărei articulaţii implicate în mişcare, cu scopul de a urmări modificările succesive ale poziţiilor unghiulare, pe parcursul terapiei. Monitorizarea în timp real a poziţiilor unghiulare, este extrem de importantă pentru evaluarea progresului terapeutic al pacientului, reprezentând în acelaşi timp şi un criteriu de începere şi finalizare a recuperării medicale. Înainte de începerea recuperării, pacientului i se măsoară limita lui de mişcare.

Sistemul de acţionare

Sistemul de acţionare al sistemului mecatronic, prezentat în Fig. 4.3 este format dintr-o sursă de energie, un sistem de conversie a energiei electrice în energie mecanică (motor de curent continuu), un sistem de transmisie mecanică şi o structură de control. Considerentele ce s-au avut în vedere în alegerea acţionării electrice, au vizat în primul rând obţinerea unui control precis, cu posibilitatea de reglare a vitezei în limite largi, performanţă care o recomandă în orice aplicaţie medicală, mai ales pentru garantarea siguranţei pacientului. Transmisia mecanică de tip reductor cu roţi dinţate a fost folosită din următoarele motive: pentru a face legătura între actuator şi elementele cinematice conducătoare (contribuie la punerea în mişcare atât a mecanismului articulat cu bare cât şi a ansamblului şurub-piuliţă); pentru conversia mişcării de translaţie de la ieşirea actuatorului în mişcarea de rotaţie; pentru a îmbunătăţi caracteristicile motorului (cuplu, turaţie, etc). Transmisia prin curea s-a folosit pentru a face legătura dintre actuator şi cupla acţionată de motor.

Principiul de funcţionare

În Fig. 4.4 este evidenţiată schema cinematică a sistemului mecatronic dezvoltat. Acţionarea este asigurată de un motor de curent continuu (10), care transmite mişcarea prin intermediul a două roţi de curea cu dantură (7, 8, 9), ce pun în mişcare ansamblul şurub-piuliţă (1,[START_REF] Basic | Lucrarea a fost prezentată în cadrul Conferinţei COMEFIM '10[END_REF].

Structura de tip orteză [START_REF] Amancea | A NUMERICAL SIMULATION SOLUTION[END_REF][START_REF] Rehabilitation | A COMPARATIVE VIEW CONCERNING THE DESIGN AND FUNCTIONALITY CONCEPTS[END_REF] este acţionată prin rotirea şurubului, care va deplasa înainte/înapoi piuliţa, generând astfel mişcarea de flexie a membrului inferior. De corpul piuliţei se fixează un sistem de reazăm pentru picior. Cursa piuliţei pe şurub, asigură mişcarea piciorului pacientului şi, implicit, mişcarea mecanismului cu bare ataşat pe aceasta. Pe structura mecanică a ansamblului şurub cu bile-piuliţă s-au introdus două limitatoare de cursă care au dublu rol: pentru a evita distrugerea mecanismului (în cazul unei mişcări excesive a piuliţei) şi pentru siguranţa pacientului (în momentul în care membrul inferior ajunge la capătul cursei). Cursa maximă de deplasare a piuliţei pe şurub este de 350mm. Fig. 4.4 Structura cinematică a sistemului mecatronic (1.şurub; 2. piuliţă; 3, 4. elementele ortezei; 5. lagăre de rostogolire; 6. mecanism de ghidare; 7, 9. roţi pentru transmisie prin curea; 8. curea dinţată de transmisie; 10. motor) Dispunerea pacientului în raport cu sistemul dezvoltat este condiţionată de aşezarea acestuia pe un scaun pivotant (pe verticală), iar poziţia iniţială de începere a terapiei este cu genunchiul în flexie, cu un unghi de 90 de grade între coapsă şi gambă.

Modelarea şi simularea subsistemelor din componenţa ansamblului şurub-piuliţă a fost necesară pentru a urmări comportamentul acestora, în condiţii reale de funcţionare. Pentru a modela structura mecanică, s-a utilizat programul CAD SolidWorks care a permis realizarea modelului tridimensional, plecând de la modelarea fiecărei componente a ansamblului. Software-ul poate genera şi desenele de execuţie ale ansamblului, direct din modelul tidimensional. În Fig. 4.5 este prezentată structura mecanică a ansamblului şurub cu bilepiuliţă, modelată în SolidWorks. Pentru a se putea preleva informaţii cu privire la momentul dezvoltat la nivelul genunchiului, dar şi a monitorizării poziţiilor unghiulare ale pacientului în condiţii dinamice (în timpul terapiei cu sistemul), s-a studiat posibilitatea implementării pe structura dispozitivului a următorilor senzori: senzori de presiune, traductoare piezoelectrice, potenţiometre.

Senzori de presiune

Senzorii de presiune FSR (Force Sensing Resistor) utilizaţi sunt produşi de firma Interlink Electronics (http://www.interlinkelectronics.com). Acest tip de senzori, descrişi pe baza Fig. 4.6., permit determinarea forţei normale (încărcarea genunchiului). Cunoaşterea acestei forţe este foarte importantă din punct de vedere al recuperării, fiind şi o informaţie preţioasă pentru medici.

Se pot menţiona câteva dintre performanţele acestora care îi recomandă în a fi utilizaţi în cadrul structurii sistemului biomecatronic: oferă o precizie a forţei aplicate (cuprinsă între 0, 1N ÷ 100 N), însă aceasta poate fi modificată pentru fiecare senzor în funcţie de aplicaţiile în care este utilizat, putând ajunge şi până la 50 kg; rezistenţi; cost accesibil; simpli şi uşor de utilizat; foarte subţiri: 0.45 mm şi cu un diametru de 18 mm; pot funcţiona în domeniul de temperatură : -30° ÷ +70°.

Senzorii sunt formaţi din două membrane, separate printr-un distanţier adeziv, pe conturul exterior al acestora. O membrană este elastică (de culoare neagră) şi impregnată cu grafit. Cealaltă membrană transparentă este realizată asemănător unui cablaj imprimat flexibil.

Pentru obţinerea "traseelor" de pe suprafaţa cablajului flexibil a fost utilizată o cerneală electroconductivă (pe bază de argint, staniu) depusă în mai multe straturi care prezintă o serie de asperităţi (nespecificate de producator). Senzorii funcţionează pe baza principiului piezorezistiv. În momentul aplicării unei presiuni pe suprafaţa activă a senzorului (transparentă), datorită proprietăţilor elastice ale membranei, a traseelor şi formei acestora, se va obţine un contact mecanic între suprafețele celor două membrane. Aceasta implică variaţia unei rezistenţe electrice între cele două suprafeţe. Deoarece pe membrana activă sunt două trasee întrepătrunse, fără contact între ele, la momentul aplicării presiunii şi datorită conductivităţii electrice a grafitului, cele două trasee se unesc. Rezultă o rezistenţă electrică totală între bornele senzorului (când nu este atins, valoarea rezistenţei este infinit).

Rezistenţa electrică variază invers proporţional cu forţa aplicată (la o forţă mare rezistenţa este mică), iar valoarea acesteia este diferită în funcţie de modul de aplicare al forţei (într-un punct, sau pe întreaga suprafaţă activă a senzorului). Acest tip de senzor poate fi folosit într-un divizor de tensiune, adaptat la gama de forţe aplicate pe suprafaţa senzorului, care se doreşte a fi măsurată, rezultând în acest fel o echivalenţă între presiune (forţă) / tensiune (V).

Traductori electrorezistivi (TER)

Pentru a putea măsura forţele tangenţiale care se dezvoltă în timpul contactului între piciorul uman şi suportul pe care acesta este fixat, a fost necesară utilizarea unor traductori electrorezistivi fixaţi pe două elemente elastice aşezate la extremităţile suportului.

Traductorul este de tip folie metalică foarte subţire (grosimea de cca. 0.0025÷0.0050mm) pe suport din polimeri (de cca. 0.03 mm), cu valori ale rezistenţelor de 350 Ω. TER au fost amplasate în zonele cu tensiuni maxime ale piesei-suport pentru picior, oferind un semnal proporţional cu alungirea specifică a lamelei pe care au fost lipiţi.

Pentru un TER lipit pe o piesă solicitată la tracţiune uniaxială, variaţia rezistenţei în raport cu alungirea specifică, este dată de relaţia (4.1):

l k R R ε = ∆ (4.1)
Deoarece variaţia de rezistenţă care trebuie măsurată este foarte mică (de ordinul a

Ω -4 10
), TER se montează în punte Wheatstone, în vederea creşterii preciziei.

Potenţiometre

Trei potenţiometre produse de firma Vishay Spectrol (http://www.vishay.com), descrişi în Fig. 4.7 s-au amplasat pe structura de tip orteză, pentru a măsura deplasarea unghiulară de la nivelul articulaţiilor, odată cu translarea piuliţei pe şurub.

Valoare rezistenţă 50K

Tensiune maximă de lucru 158 (V)

Rezistenţă mecanică 10000 de cicli de funcţionare Cunoaşterea valorilor/modificărilor unghiulare este necesară pentru a monitoriza progresul pacientului în timpul şedinţei de terapie fizică, din punctul de vedere al amplitudinii de mişcare. Practic, unghiul de flexie reprezintă un criteriu de începere sau finalizare a recuperării. Pacientul începe procedura de recuperare pornind de la un grad minim de flexie pe care îl poate realiza, şi o finalizează în momentul în care doctorul decide că acesta este capabil să îşi mişte activ membrul până la limita maximă de flexie-extensie.

Senzori de temperatură şi umiditate de contact

În mod curent, în timpul şedinţelor de recuperare activă, în funcţie de durata, tipul şi intensitatea exerciţiilor aplicate, la nivelul muşchilor se produce o temperatură locală mai mare decât cea obişnuită a corpului uman. Măsurarea temperaturii la nivel muscular poate oferi două tipuri de informaţii: poate semnaliza intervenţia activă a muşchilor (primele contracţii musculare, în special după recuperarea pasivă), sau poate ajuta la estimarea gradulului de oboseală musculară a pacientului. Astfel, fizioterapeutul poate să intervină în reducerea timpului destinat fiecărui exerciţiu, în schimbarea acestuia sau chiar în luarea unei pauze (pentru a permite muşchilor să se relaxeze).

Componente electronice de achiziţie şi condiţionare a semnalelor

Partea electronică este indispensabilă în funcţionarea optimă a unui sistem mecatronic. Din multitudinea circuitelor electronice existente, pentru realizarea montajului electronic necesar funcţionării microcontrollerelor şi a preluării de către acestea a informaţiilor din sistem, s-au utilizat: rezistenţe fixe şi variabile; diode; amplificatoare operaţionale şi de instrumentaţie;

indicatori luminoşi (led); butoane normale şi cu automenţinere.

Amplificatoare operaţionale(AO) şi de instrumentaţie (AI)în vederea realizării montajului electronic s-a luat în calcul utilizarea a trei amplificatoare operaţionale modelul TL 072 CN, pentru fiecare semnal de interes (două pentru semnalul traductorilor electrorezistivi şi unul pentru semnalul de tip EMG). AO sunt necesare pentru scalarea

Sistemul informatic

Pachetul software ce a fost integrat în structura sistemului biomecatronic hibrid este Python (http://www.python.org) (Anexa A), o variantă open-source frecvent utilizată în mediul academic. La nivel de software se regăsesc următoarele elemente:

• modulele de comunicaţie cu microcontrollerul. Cu ajutorul acestor module, se interoghează microcontrollerul vis-a-vis de valorile analogice. Acesta va returna informaţiile cerute (de exemplu comenzi pentru driver-ul ce acţionează motorul) într-o structură încapsulată conform cu protocolul lui de utilizare;

• partea de scalare din tensiuni (0÷5 V) în forţă, deplasare, presiune;

• logica de comandă;

• înregistrarea în timp real a tuturor valorilor de la microcontroller şi memorarea acestora într-o bază de date proprie;

• afişarea în timp real a valorilor obţinute (calculate);

• definirea parametrilor sistemului şi stabilirea limitelor funcţionale ale acestora (de exemplu atingerea capetelor de cursă ale ansamblului şurub-piuliţă sau apăsarea butonului de panică);

• posibilităţi de control manual;

• analiza şi vizualizarea datelor.

Dezvoltarea fizică a sistemului mecatronic prin integrare constructivă

Urmărirea etapelor stabilite pentru realizarea fizică a sistemului mecatronic a făcut posibilă implementarea acestora într-un prototip nou de dispozitiv de recuperare medicală. În Fig. 4.10 se vor prezenta etapele constructive şi introducerea treptată a componentelor de bază necesare funcţionării optime a sistemului biomecatronic propus. Cu ajutorul L298N, se pot controla maxim două motoare, cu o gamă vastă de tensiuni de alimentare. În Tabelul 4.2 sunt prezentaţi parametrii maximi absoluţi de funcţionare ai driverului.

Pentru comanda efectivă a motorului, se vor folosi doar pinii 1-9 prezentaţi în Tabelul 4. Pentru implementarea măsurilor de siguranţă pentru pacient la nivel hardware, Pin-ul 6 care permite funcţionarea driverului şi, implicit, rotirea motorului, a fost conectat la intrarea dată de butonul de Panică.. Odată apăsat acest buton de Panică, acţionarea întregului sistem este sistată până la revenirea în stare de normalitate, sau până la acţionarea de către supervizor/medic curant a butonului Confirmare Panică.

Acţionarea butonului de Confirmare Panică permite revenirea sistemului în condiţiile de funcţionare anterioare, specifice unor forţe, unghiuri şi cupluri de siguranţă. Revenirea în zona de funcţionare normală, după acţionarea butonului de panică, poate fi realizată atât de la nivelul panoului de comandă, prin apăsarea butoanelor aferente comenzii de deplasare, cât şi la nivel de microcontroller-software, prin intermediul algoritmului de monitorizare a condiţiilor de siguranta şi aducerea sistemului în condiţii optime de funcţionare. Sensul de rotaţie al motorului cât şi direcţia de deplasare a sistemului sunt semnalate prin amplasarea între motor şi driverul L298N, a unor indicatori luminoşi de tip LED.

Comenzile trimise către driverul L298N, pentru acţionarea motorului prin intermediul pinilor 5 şi 7 au o natură duală. În condiţiile de funcţionare Manuală a sistemului, comenzile sunt date prin intermediul butoanelor amplasate pe panoul de comandă, butoane monitorizate în permanenţă de microcontroller, pentru a observa intenţia de utilizare a modului de operare manual.

Pentru funcţionarea în mod automat, microcontrollerul transmite secvenţe de comenzi pentru acţionarea motorului. Aceste comenzi pot fi de tip ON/OFF sau de tip PWM. Fiecare tip de comandă este adaptată fiecărui algoritm de funcţionare a sistemului, în funcţie de restricţiile impuse fiecărui tratament în parte, precum şi în funcţie de tipul de control dorit:

controlul forţei, controlul unghiular, controlul deplasării sau controlul cuplului. În Fig. 4.12, pot fi observate zone de monitorizare a funcţionării sistemului (In1, In2 care notifică microcontroller-ul asupra comenzii de funcţionare într-un sens sau altul al motorului, comenzi date fie manual, fie automat), precum şi zone de monitorizare a sistemului de Safety, prin monitorizarea atingerii limitelor/capetelor de cursă mecanice ale sistemului, apăsarea butoanelor de comandă manuală deplasare sistem, acţionarea butonului de panică de către pacient, precum şi apăsarea butonului de confirmare Panică, ce permite introducerea manuală/automată a sistemului în zona de funcţionare de siguranţă (Safety). Fig. 4.12 Schema electrică de comandă şi control a motorului de curent continuu Exceptând pinii notaţi cu "Out1" şi "Out2", cu ajutorul cărora se realizează comanda motorului, restul pinilor sunt pini conectaţi la intrările Digitale (DI) ale microcontroller-ului şi sunt folosiţi în monitorizarea funcţionării sistemului, precum şi în diferite intercondiţionări de la nivelul software-ului de comandă şi control.

Microcontroller-ul Micro Maestro

Microcontroller-ul facilitează comunicarea dintre calculator şi driverul de comandă al motorului şi este un kit de dezvoltare construit de Pololu Electronics (http://www.pololu.com/). Acesta dispune de 18 porturi I/O şi este prezentat în Fig. 4.13. Caracteristicile funcţionale ale acestui tip de microcontroller sunt următoarele: oferă trei posibilităţi de comandă (USB; semnal TTL (5V); scripturi interne); au încorporate convertoare analog digitale şi digital analogice, dimensiuni mici (lungime de 4.57 cm şi lăţime de 2.79 cm), permit achiziţia semnalului până la 8, 12, 16 ksamples/secundă, pulsul la ieşire PWM are o rezoluţie de 0,25 µs, oferă o ieşire în tensiune de 5V, frecvenţa semnalului PWM la ieşire este de 2,93 şi 12MHz.

În montajul electronic realizat s-au utilizat 9 intrări analogice, în următoarea configuraţie: patru intrări pentru senzorii de presiune; una pentru semnalul EMG; trei pentru potenţiometre şi două pentru senzorii piezorezistivi. Intrările digitale utilizate sunt în număr de trei, corespunzătoare pentru capetele de cursă şi butonul de panică.

Microcontrollerul comunică cu calculatorul şi structura hardware prin interfaţa USB. Comanda acţionării motorului este limitată în funcţie de informaţiile achiziţionate de la partea de măsură (senzori), de limitatoarele de la capătul cursei, de intercondiţionările prestabilite la nivel software. În funcţie de aceste aspecte, comanda motorului poate fi realizată în următoarele moduri: cu semnal ON/OFF, alternant, cu semnal continuu de stabilire a direcţiei de deplasare (monitorizarea encoderului), fie prin generarea de semnale PWM (implică utilizarea unor regulatoare PI sau PID) pentru obţinerea unui control precis.

În cazul atingerii unuia dintre capetele de cursă (cu sau fără buton de panică apăsat), revenirea sistemului în condiţii de operare se va face doar sub supravegherea medicului sau a fizioterapeutului. În acest caz, controlul poate fi făcut fie din software (prin intermediul microcontroller-ului), fie din panoul de comandă.

Panoul de comandă

Panoul de comandă prezentat în Fig. 4.14 oferă posibilitatea de comandă a deplasării motorului, în semnal continuu (ON/OFF).

Acesta conţine o serie de butoane şi indicatori luminoşi, în următoarea succesiune:

• 1 buton pentru deplasarea motorului în sens direct;

• 1 buton pentru deplasarea motorului în sens invers;

• 1 buton pentru deblocarea situaţiilor critice provocate fie de semnalizarea "stării de panică" (provocată de către pacient, prin apăsarea butonului de oprire automată pe care îl are la îndemână pe parcursul terapiei), fie de modificări ale domeniului de deplasare, forţă, funcţie de necesităţile pacientului. Menţinerea acestuia în stare apăsată permite mişcarea manuală a motorului şi ieşirea din intervalele critice (generate de depăşirea bruşcă a parametrilor de funcţionalitate);

• 2 butoane neutilizate , însă ulterior vor putea fi folosite pentru setarea parametrilor funcţionali ai pacientului.

Concluzii

Sistemul mecatronic propus şi dezvoltat pentru aplicaţii ce implică recuperarea medicală a membrului inferior este o soluţie originală, integrată, performantă, complexă şi eficientă, ce nu a mai fost adoptată, până în prezent de nici un cercetător. Pe lângă faptul că dispozitivul este capabil să asigure o recuperare medicală totală pentru o gamă vastă de patologii, acesta este, în acelaşi timp şi o alternativă de rezolvare a numeroaselor probleme ale sistemelor de recuperare deja existente. Deficienţele majore ale acestora, de natură tehnică şi funcţională, au fost evidenţiate critic în partea de Concluzii a Capitolului 3.

Originalitatea sistemului este subliniată de următoarele caracteristici esenţiale:

Soluţia constructivă

Varianta constructivă adoptată şi implementată este una integrată şi complexă, ce uneşte într-o singură structură compactă, trei tipuri de sisteme de recuperare medicală: sisteme pentru recuperarea mişcării pasive, a mişcării active, structură funcţională de tip orteză (exoschelet).

Domeniul de aplicabilitate -prin prisma patologiilor membrului inferior

Îmbinarea celor trei sisteme de recuperare, facilitează obţinerea celui mai eficient sistem de reabilitare, capabil să asigure, pe lângă recuperarea genunchiului şi reabilitarea funcţională a celorlalte articulaţii (şoldul şi glezna). Astfel, acesta preia şi tratează multiple afecţiuni existente la nivelul membrului, ce până acum erau recuperate individual, utilizând câte un sistem special ce le era destinat acestora.

Tratament personalizat aplicat fiecărui pacient

Sistemul poate aplica un protocol de recuperare diferenţiat şi particularizat pacienţilor, de tip buclă închisă: diagnostic -tratament aplicat -evaluare a eficienţei procesului de recuperare. Diagnosticul şi recomandările privind reabilitarea fizică sunt furnizate de medic, iar sistemul trebuie să se adapteze criteriilor impuse de terapia specifică fiecărui pacient. În acelaşi timp, după aplicarea exerciţiilor de recuperare, sistemul trebuie să ofere o analiză a progresului pacientului pe parcursul terapiei. Analiza se generează în timpul şedinţei de terapie fizică, este memorată în baza de date a pacientului, putând fi consultată ulterior de medic, care va decide dacă pacientul s-a vindecat sau mai necesită recuperare.

Metode de comandă şi control

Utilizarea metodelor speciale de comandă şi control sunt eficiente atât pentru a asigura recuperarea medicală a pacienţilor, cât şi pentru a garanta siguranţa acestora în timpul şedinţei de terapie fizică. Sistemul dezvoltat conţine numeroşi senzori utilizaţi cu scopul de a sesiza şi transmite informaţiile referitoare la starea pacientului, inclusiv de monitorizare a semnelor vitale ale acestuia. Acţionarea electrică este utilizată deoarece este cea mai recomandată în aplicaţiile medicale, datorită avantajelor: permit un control precis, iar comanda sistemului cu tensiuni mici (+5V, 12 V) nu pune în pericol siguranţa pacientului.

Protocoale de comunicare cu feedback de la pacient

Dispozitivul are implementate controllere avansate, care conduc la îmbunătăţirea preciziei de funcţionare, favorizând în acelaşi timp şi obţinerea "feedback-ului" în timp real din partea pacientului. În acest fel se stabileşte o "comunicare" directă şi o interfaţă "prietenoasă" între sistem şi pacient, ce îi permite acestuia posibilitatea de monitorizare şi evaluare a progresului terapiei, prin afişare în timp real.

Condiţii de siguranţă pentru interacţiunea pacient -sistem mecatronic

Sistemul are implementat la nivel hardware şi software unele constrângeri ce vizează siguranţa pacientului, deoarece aceasta este o cerinţă foarte importantă, impusă de recuperarea medicală cu ajutorul dispozitivelor specializate. În acest fel se evită problemele frecvente ce apar la interacţiunea dintre pacient şi sistemul de recuperare.

Dispozitivul are posibilitatea să se adapteze la dimensiunile antropometrice ale pacienţilor, şi poate recupera pe rând ambele membre.

Simplu şi portabil

Deşi dispozitivul este o structură integrată a mai multor sisteme de recuperare, el este în esenţă simplu, de greutate şi dimensiuni reduse, uşor de manevrat şi utilizat. Aceste caracteristici îi oferă portabilitate, făcându-l astfel integrabil atât în cabinetele medicilor, cât şi la domiciliul pacienţilor.

C A P I T O L U L 5

Modelarea matematică a structurii de tip orteză din componenţa sistemului mecatronic 5.1 Analiza cinematică a structurii de tip orteză 5.2 Analiza dinamică a structurii de tip orteză

Simularea numerică a parametrilor cinematici de poziţie

Structura de tip orteză, care intră în componenţa sistemului mecatronic, este folosită pentru a monitoriza unghiurile din articulaţiile membrului inferior în timpul şedinţei de recuperare. Aceasta şi, implicit, membrul inferior, se vor mişca simultan cu deplasarea piuliţei pe şurub în timpul mişcării de flexie, respectiv extensie.

Datorită faptului că, în timpul şedinţei de recuperare, apar modificări unghiulare în toate articulaţiile implicate, variază şi momentul care se dezvoltată în articulaţia genunchiului. Determinarea precisă a acestuia, în concordanţă cu cele două mişcări (flexie şi extensie) este necesară pentru evaluarea gradului de incapacitate funcţională a articulaţiei, sau a celui de recuperare medicală. Pentru a calcula cuplul efectiv dezvoltat pe parcursul şedinţelor de recuperare, este necesară modelarea matematică (cinematică şi dinamică) a structurii de tip orteză, care poate fi aproximată cu un mecanism serial cu structură plană, cu trei grade de mobilitate, corespunzătoare celor trei articulaţii umane : şold, genunchi, gleznă.

Analiza cinematică a a structurii de tip orteză

Analiza cinematică a fost realizată plecând de la modelul dezvoltat de Doroftei (2005), în care a fost considerat, pentru exemplificare, un mecanism serial cu structură plană, având 3 grade de mobilitate şi toate cuplele cinematice de rotaţie (Fig. 5.1). (5.3) Plecând de la matricele de trecere de la un sistem de axe de coordonate la următorul, putem determina matricea de transformare omogenă totală a mecanismului ca fiind egală cu: (5.4) unde:

            ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ - = =             ⋅ ⋅ - ⋅             ⋅ ⋅ - ⋅             ⋅ ⋅ - = = ⋅ ⋅ =
1 1 cosθ = c , 1 1 sinθ = s , 2 2 cosθ = c , 2 2 sinθ = s , 3 3 cosθ = c , 3 3 sinθ = s , ) cos( θ θ θ + + = s .

Analiza dinamică a structurii de tip orteză

Determinarea matricelor de rotaţie

Plecând de la matricele de transformare omogene, putem scrie matricele de rotaţie, ca fiind:

( ) ( ) ( ) ( )           + + + - + = 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 2 1 2 1 2 1 2 ( ) ( ) ( ) ( )           + + + + + + - + + = 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos           - = = = - 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 θ θ θ θ T R R R (5.10)           - = = = - 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 2 2 2 2 1 2 1 1 2 2 1 θ θ θ θ T R R R (5.11)           - = = = - 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 3 3 3 3 2 3 1 2 3 3 2 θ θ θ θ T R R R (5.12) ( ) ( ) ( ) ( )           + + - + + = = = - 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 2 1 2 1 2 1 2 1 0 2 R R R (5.12) ( ) ( ) ( ) ( )           + + + + - + + + + = = = - 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 0 3 1 0 T R R R .
(5.13)

Determinarea vectorilor de poziție

Vectorii de poziţie

p i i 1 -
sunt exprimaţi în raport cu sistemul de axe { }

1 - i , adică i i i i i p p , 1 1 1 - - - = .
Conform convenţiei Denavit-Hartenberg standard, avem: (5.16) Vectorii de poziţie calculaţi în sistemul de axe curent pot fi determinaţi folosind relaţia: (5.26)

Calculul vitezelor și accelerațiilor

Propagarea vitezelor unghiulare

Pentru prima cuplă cinematică, de rotaţie ( ), vom avea:

1 = i ) avem: ( )           =           ⋅           - = = ⋅ = + ⋅ = 1 1 1 1 1 1 1 , 0 0 1 0 1 , 0 0 0 , 0 0 1 0 1 , 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos θ θ θ θ θ θ ω ω ω ω   R R (5.27) Pentru cea de-a doua cuplă cinematică, de rotaţie ( 2 = i ), ( )           + =                     +           ⋅           - = = + ⋅ = 2 1 2 1 2 2 2 2 2 , 1 1 1 , 0 1 2 1 2 , 0
( )           + + =                     +           + ⋅           - = = + ⋅ = 3 2 1 3 2 1 3 3 3 3 3 , 2 2 2 , 0 2 3 2 3 , 0 3 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 cos sin θ θ θ ω ω ω       R (5.29)

Propagarea accelerațiilor unghiulare

( )           =           ⋅           - = = ⋅ = + × + ⋅ = 1 1 1 1 1 1 1 , 0 0 1 0 1 , 0 0 1 , 0 0 0 , 0 0 0 , 0 0 1 0 1 , 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 cos sin θ θ θ ε ε ω ω ε ε     R R (5.30) ( )           + =           + ⋅           - = =                     +           ×           +           ⋅ = = + × + ⋅ = 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 1 1 2 , 1 1 2 , 1 1 1 , 0 1 1 , 0 1 2 1 2 , 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 0 0 0 0 0 θ θ θ ε ω ω ε ε               R R (5.31) ( )           + + =           + + ⋅           - = =                     +           ×           + +           + ⋅ = = + × + ⋅ = 3 2 1 3 2 1 3 3 3 3 3 3 2 1 2 1 3 , 2
θ θ θ ε ω ω ε ε                      R R
(5.32)

Propagarea vitezelor liniare

          ⋅ =           ×           =                     ⋅ ⋅ ⋅           - ×           = = ⋅ × + ⋅ = 0 0 0 0 0 0 0 sin cos 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 , 0 1 0 , 0 0 1 0 1    l l l l p R v R v (5.33) ( )           + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =           + ⋅ +           ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = =           ×           + +           ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = =                     ⋅ ⋅ ⋅           - × ×           + +           ⋅ ⋅           - = = ⋅ × + ⋅ = 1 1 2 1 2 1 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 2 1 1 2 1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 2 2 2 1 2 2 1 2 , 0 2 1 , 0 1 2 1 2 , 0
                 l l l l l l l l l l l l p R v R v (5.34) =                     ⋅ ⋅ ⋅           - × ×           + + +           + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅           - = = ⋅ × + ⋅ =
3 3 3 3 3 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 3 3 3 3 2 3 3 2 3 , 0 3 2 , 0 θ θ θ ω l l l l l p R v R v                   + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ = =           + + ⋅ +           + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ = =           ×           + + +           + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ = 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 1 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 3 2 1 3 3 2 1 1 2 1 3 2 1 3 2 1 θ θ θ                               l l l l l l l l l l l l l l l
(5.35)

Propagarea accelerațiilor liniare

          ⋅ ⋅ - = =           ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - = =                       ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - +           ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ×           +           ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                               ⋅ ⋅ ×           ×           +           ⋅ ⋅ ×           ⋅           - = = + × + × ⋅ = = × × + × + × × × ⋅ + × × + × + ⋅ = 0
] ( [ )] ( ) ( 2 ) ( [ 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 , 0 0 1 , 0 0 0 1 1 , 0 0 1 0 0 1 1 , 0 0 1 , 0 0 0 1 1 , 0 0 0 1 1 , 0 0 0 , 0 0 0 1 0 , 0 0 0 , 0 0 0 1 0 , 0 0 0 , 0 0 1 0 1 θ θ θ ω ω ε ω ω ε ω ω ω ω ε                                 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l p p R p p p p p a R a (5.36) )] ( ) ( 2 ) ( [ 1 2 2 , 1 1 2 , 1 1 1 2 2 , 1 1 1 2 2 , 1 1 1 , 0 1 1 2 1 , 0 1 1 , 0 1 1 2 1 , 0 1 1 , 0 1 2 1 2 , 0 2 p p p p p a R a × × + × + × × ⋅ + + × × + × + ⋅ = ω ω ε ω ω ω ω ε
(5.37) Datorită calculului laborios, se vor considera separat termenii ecuaţiei (5.37). (5.40)

          ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - = =           ⋅ ⋅ - ⋅           - = ⋅ 0 cos sin sin cos 0 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 1 1 2 1 1 2 2 2 2 1 , 0 θ θ θ          l l l l l l a R (5.38)           ⋅ =           ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                     ⋅ ⋅ ×           ⋅           - = × ⋅ 0
0 sin cos ) ( θ θ θ ε         l l l l l p R (5.39)           ⋅ - =           ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ×           ⋅           - = =                               ⋅ ⋅ ×           ×           ⋅           - = = × × ⋅
          ⋅ ⋅ ⋅ - =           ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅           - ⋅ = =                       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ×           ⋅           - ⋅ = =                               ⋅ ⋅ ×           ×           ⋅           - ⋅ = = × × ⋅ ⋅
0 sin cos 2 ] ) ( [ 2 θ θ θ ω ω            l l l l l l l p R (5.41)           ⋅ =           ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                     ⋅ ⋅ ×           ⋅           - = = × ⋅
) ( θ θ θ ε         l l l l l p R (5.42)           ⋅ - =           ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ×           ⋅           - = =                               ⋅ ⋅ ×           ×           ⋅           - = = × × ⋅
( )             + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - = =           ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - = =           ⋅ - +           ⋅ +           ⋅ ⋅ ⋅ - + +           ⋅ - +           ⋅ +           ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - = 0
2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 θ θ θ                                         l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l a (5.44) )] ( ) ( 2 ) ( [ 2 3 3 , 2 2 3 , 2 2 2 3 3 , 2 2 2 3 3 , 2 2 2 , 0 2 2 3 2 , 0 2 2 , 0 2 2 3 2 , 0 2 2 , 0 2 3 2 3 , 0 p p p p p a R a × × + × + × × ⋅ + + × × + × + ⋅ = ω ω ε ω ω ω ω ε
(5.45) Din motivul menţionat anterior, vom calcula (5.45).

(

( ) ( )                       + ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ + + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ - - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - = =             + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅           - = ⋅ 0 ) ( cos sin ) cos( ) sin( ) ( sin cos ) sin( ) cos( 0 ) ( cos sin sin cos 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 3 3 3 3 θ θ θ                               l l l l l l l l l l l l l l a R (5.46)           + ⋅ = =           + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                     ⋅ ⋅ ×           + ⋅           - = × ⋅ 0 ) ( )
                l l l l l p R (5.47) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )             + ⋅ - = =             + ⋅ ⋅ - + ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                       + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ×           + ⋅           - = =                               ⋅ ⋅ ×           + ×           + ⋅           - = = × × ⋅
)] ( [ 2 2 1 3 2 2 1 3 3 2 2 1 3 3 3 3 3 3 2 1 3 3 2 1 3 3 2 1 3 3 3 3 3 3 3 3 2 1 2 1 3 3 3 3 2 3 2 , 0 θ θ θ ω ω                 l l l l l l l p R (5.48) ( ) ( ) ( )           + ⋅ ⋅ ⋅ - = =           ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅           - ⋅ = =                       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ×           + ⋅           - ⋅ = =                               ⋅ ⋅ ×           ×           + ⋅           - ⋅ = = × × ⋅ ⋅ 0
3 3 2 3 3 , 2 2 2 , 0 θ θ θ ω ω                 l l l l l l l p R (5.49)           ⋅ =           ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                     ⋅ ⋅ ×           ⋅           - = × ⋅
3 3 2 3 3 , 2 θ θ θ ε         l l l l l p R (5.50)           ⋅ - =           ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - ⋅           - = =                       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ×           ⋅           - = =                               ⋅ ⋅ ×           ×           ⋅           - = = × × ⋅
                      + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - = =                       ⋅ + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ - + ⋅ ⋅ ⋅ - + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - = =           ⋅ - +           ⋅ +           + ⋅ ⋅ ⋅ - +             + ⋅ - + +           + ⋅ +                       + ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ + + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ - - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - = 0 ) ( ) ( cos sin ) cos( ) sin( ) ( sin cos ) sin( ) cos( 0 ) ( ) ( cos sin ) cos( ) sin( 2 ) ( sin cos ) sin( ) cos( 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 ) ( 0 0 ) ( cos sin ) cos( ) sin( ) ( sin cos ) sin( ) cos( 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 3 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 3 3 2 1 3 3 2 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 3 3 3 3 2 1 3 3 2 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 θ θ θ                                                                                        l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l a ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
(5.52)

Determinarea accelerațiilor centrelor de masă

                ⋅ ⋅ - =               ⋅ +           ⋅ - +           ⋅ ⋅ - = =                             - ×           ×           +               - ×           +           ⋅ ⋅ - = = × × + × + = 0 2 2 0 0 2 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 ) ( 1 1 2 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 , 1 1 1 , 0 1 1 , 0 1 1 , 1 1 1 , 0 1 1 , 0 1 , θ θ θ ω ω ε                 l l l l l l l l l l p p a a C C C (5.53) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )                 + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - = =               + ⋅ +           + ⋅ - + +             + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - = =                             - ×           + ×           + +               - ×           + + +             + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - = = × × + × + =
) ( 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 , 2 2 2 , 0 2 2 , 0 2 2 , 2 2 2 , 0 2 2 , 0 θ θ θ ω ω ε                                                   l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l p p a a C C C (5.54) ( ) ( ) ( ) =                             - ×           + + ×           + + +               - ×           + + + +                       + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - = = × × + × + = 0 0 2 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 ) ( ) ( cos sin ) cos( ) sin( ) ( sin cos ) sin( ) cos( ) ( 3 3 2 1 3 2 1 3 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 3 , 3 3 3 , 0 3 3 , 0 3 3 , 3 3 3 , 0 3 3 , 0 3 3 , 0 l l l l l l l l l l l l p p a a θ θ θ ω ω ε                                        ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
                            + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - = =               + + ⋅ +           + + ⋅ - + +                       + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - = 0 2 ) ( cos sin ) cos( ) sin( 2 ) ( sin cos ) sin( ) cos( 0 0 2 0 2 0 0 ) ( ) ( cos sin ) cos( ) sin( ) ( sin cos ) sin( ) cos( 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 3 2 1 3 3 2 1 3 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 θ θ θ                                                                l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l
(5.55)

Calculul forțelor și momentelor

Determinarea vectorilor gravitaționali

          - = 0 0 0 g g , (5.56)           ⋅ - ⋅ - =           - ⋅           - = ⋅ = 0 cos sin 0 0 1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 θ θ θ θ θ θ g g g g R g (5.57)           + ⋅ - + ⋅ - = =           - ⋅           + + - + + = ⋅ = 0 ) cos( ) sin( 0 0 1 0 0 0 ) cos( ) sin( 0 ) sin( ) cos( θ θ θ g g g g R g (5.58)           + + ⋅ - + + ⋅ - = =           - ⋅           + + + + - + + + + = ⋅ = 0 ) cos(( ) sin( 0 0 1 0 0 0 ) cos( ) sin( 0 ) sin( ) cos( θ θ θ g g g g R g
(5.59)

Determinarea forțelor și momentelor

Presupunând că nu există forţe de încărcare externe, atunci:

= i ), ( ) ( ) ( ) ( )                             + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - ⋅ - = = ⋅ - = 0 2 ) ( cos sin ) cos( ) sin( 2 ) ( sin cos ) sin( ) cos( 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 3 3 , 0 3 3 θ θ θ                            l l l l l l l l l l m a m F C (5.62)           + + ⋅ ⋅ ⋅ - = =                     + + ⋅           ⋅ ⋅ ⋅ × ×           + + -           + + ⋅           ⋅ ⋅ ⋅ - = = ⋅ × - ⋅ - = 3 2 1 2 3 3
0 0 θ θ θ ω ω ε                   l m l m l m I I M (5.63) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )                             ⋅ + + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - ⋅ = =                             + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ - ⋅ + +           ⋅ - ⋅ - ⋅ - = = ⋅ + ⋅ - = - ⋅ - = 0 2 ) ( cos sin ) cos( ) sin( 2 ) ( sin cos ) sin( ) cos( 0 2 ) ( cos sin ) cos( ) sin( 2 ) ( sin cos ) sin( ) cos( 0 123 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 123 2 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 3 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 2 3 2 1 3 2 1 3 2 2 2 1 3 2 1 3 2 1 2 1 3 2 1 3 123 123 3 3 , 0 3 3 3 3 4 , 3 3 * 3 3 3 3 4 , 3 3 3 , 2 3 c g l l l l l s g l l l l l m l l l l l l l l l l m c g s g m a m g m F F g m θ θ θ                                                       (5.64) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )                             + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - - ⋅ + + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ - - ⋅ + + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ = =                             ⋅ + + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅           - ⋅ = = ⋅ = 0 2 2 2 2 0 2 ) ( 2 ) ( 1 0 0 0 0 3 2 1 3 3 2 3 2 1 3 3 12 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 3 2 1 3 3 2 3 2 1 3 3 12 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 θ θ θ                                                          c l s l c g l c l s l s l c l s g l s l c l m c g l c l s l c l s l s g l s l c l s l c l c s s c m F R F (5.65) ( ) ( ) ( ) ( ) =           + + ⋅ ⋅ ⋅ + +                             ⋅ + + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ ×                             - +           = = - × - × + + = θ θ θ                                  l m c g l c l s l c l s l s g l s l c l s l c l m l l M F p F p p M M C C ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) =           + + ⋅ ⋅ ⋅ + +                                 ⋅ + + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = =           + + ⋅ ⋅ ⋅ + +                             ⋅ + + + ⋅ + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + + ⋅ - + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ ×               = θ θ θ                                                       l m c g l c l s l c l s l l m l m c g l c l s l c l s l s g l s l c l s l c l m l ( )                         ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + + ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ =          (5.66) ( )                           ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + + ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = = ⋅           - = ⋅ =
Cuplul actuatorului utilizat pentru acţionarea cuplei cinematice C se poate calcula folosind relaţia:

[ ] ( )                         ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + + ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = = ⋅ = ⋅ = θ θ θ τ          (5.68) Pentru elementul cinematic 2 ( 2 = i ), ( ) ( )                 + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ - = = ⋅ - = 0 2 cos sin 2 sin cos θ θ θ             l l l l l l m a m F C , (5.69)           + ⋅ ⋅ ⋅ - = =                     + ⋅           ⋅ ⋅ ⋅ ×           + - -           + ⋅           ⋅ ⋅ ⋅ - = = ⋅ × - ⋅ - = 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 , 0 2 2 2 2 , 0 2 2 , 0 2 2 2 * 2 2 0 0 12 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 12 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 θ θ θ ω ω ε             l m l m l m I I M (5.70) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 
                                   + + ⋅ ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - + + + ⋅ ⋅         + + ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - + + + ⋅ ⋅         + + ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ + - = =                 + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ + +           ⋅ - ⋅ - ⋅ -                             + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - - ⋅ + + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ - - ⋅ + + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ = = ⋅ + ⋅ - = - ⋅ - = θ θ θ                                                                         c l m s l m c g m m l m m c l m m s l m m s l m c l m s g m m l m m s l m m c l m m l c l s l l s l c l m c g s g m c l s l c g l c l s l s l c l s g l s l c l m a m g m F F g m F F C (5.71) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
=                                   + + ⋅ ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - + + + ⋅ ⋅       + + ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - + + + ⋅ ⋅       + + ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ + - ⋅ ⋅           - = = ⋅ = 0 2 2 ) ( 2 2 2 2 1 0 0 0 0 2 1 3 3 3 2 3 2 1 3 3 θ θ θ                               ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )                                     + + ⋅ ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - + + + ⋅ ⋅ ⋅       + - + ⋅ ⋅ ⋅       + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - + + + ⋅ ⋅ ⋅       + - + ⋅ ⋅ ⋅       + - ⋅ ⋅ + - = 0 2 2 θ θ θ                                  c l m s l m c g m m c l m m s l m m l m m s l m c l m s g m m s l m m c l m m l m m (5.72) ( ) +                           ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + + ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = = - × - × + + = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) +                             + + ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ - - ⋅ + + ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ - - ⋅ + + ⋅ - ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ×               - - -                                   + + ⋅ ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - + + + ⋅ ⋅       + + ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ + + + ⋅ ⋅ ⋅ - + + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ - + + + ⋅ ⋅       + + ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ + - ×               + 0 2 2 2 2 0 0 2 0 2 2 ) ( 2 2 2 2 0 0 2 3 2 1 3 3 2 3 2 1 3 3 12 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 3 2 1 3 3 2 3 2 1 3 3 12 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 3 2 1 3 3 3 2 3 2 1 3 3 3 12 2 3 2 1 2 3 2 1 2 1 3 2 2 1 2 1 3 2 3 2 1 3 3 3 2 3 2 1 3 3 3 12 2 3 2 2 1 2 3 2 1 2 1 3 2 θ θ θ                                                             =           + ⋅ ⋅ ⋅ + 2 1 2 2 2 0 0 12 1 θ θ     l m (5.73)               ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = = ⋅           - = ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅             ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = = ⋅ = ⋅ = θ θ θ τ      (5.75) Pentru elementul cinematic 1 ( 1 = i ),                 ⋅ ⋅ - ⋅ - = ⋅ - = 0 2 2 1 1 2 1 1 1 , 0 1 1 * 1 1 1 θ θ    l l m a m F C (5.76)           ⋅ ⋅ ⋅ - = =                     ⋅           ⋅ ⋅ ⋅ ×           -           ⋅           ⋅ ⋅ ⋅ - = = ⋅ × - ⋅ - = 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 , 0 1 1 1 1 , 0 1 1 , 0 1 1 1 * 1 1 0 0 12 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 12 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0                                     + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ + - ⋅ - + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ - ⋅ ⋅ + - = =               ⋅ - ⋅ - ⋅ +           - ⋅ - -                 + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ - + ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ - ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - - ⋅ - ⋅ = = ⋅ - ⋅ - = - ⋅ - = z z C F l m θ θ θ                                           
(5.78)

1 , 0 1 1 1 1 1 1 , 0 1 0 1 1 , 0 0 1 0 0 0 0 F c s s c F R F ⋅           - = ⋅ = (5.79) =           ⋅ ⋅ ⋅ + ×               - - ×                             - +           + = = - × - × + + = 1 2 1 1 2 , 1 1 1 1 , 0 1 1 1 2 , 1 1 * 1 1 2 , 1 1 , 1 1 1 , 0 1 , 1 1 1 , 0 1 2 , 1 1 1 , 0 1 0 0 12 1 0 0 2 0 0 2 0 0 ) ( 1 1 θ   l m F l F l l M M F p F p p M M C C ( )                                                           ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅         ⋅ - ⋅ + + ⋅       ⋅ - ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅       ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ - - ⋅ ⋅         + + ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ - ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅       ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ - - ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅       ⋅ + + + + ⋅ ⋅ ⋅       - ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅       ⋅ - ⋅ ⋅ ⋅ ⋅       ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ θ θ θ                          l m l l m g l m l m l m l l l m l l l l m l l l m l F l l m l l m l m l m l l m l m m m l l l m l l l m l l l l m z (5.80) 1 , 0 1 1 1 1 1 1 , 0 1 0 1 1 , 0 0 1 0 0 0 0 M c s s c M R M ⋅           - = ⋅ = (5.81) Cuplul actuatorului corespunzător cuplei cinematice A se determină cu relaţia: m m m l l l m l l l m z ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅       ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ - - ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ - ⋅ ⋅       ⋅ + + + + ⋅ ⋅ ⋅       - ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅       ⋅ -θ θ θ τ          
(5.82)

Ecuațiile dinamice de mișcare

Sub formă matriceală, ecuaţiile (5.76) şi (5.82) pot fi scrise după cum urmează:

G q q N q M + + ⋅ = ) , (    τ
(5.83)

Simularea numerică a parametrilor cinematici de poziţie

Pentru poziţia iniţială (Fig. 5.2.a), se consideră,

l l H H l L l L l l l l l l H H l L l L = ⋅ ⋅ ⋅ - + + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ - ⇒ = + ⋅ = ⋅ + ⋅ = = ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ - + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ - α α α α α α α α α α α α
(5.87)

0 sin 2 2 2 2 = + ⋅ ⋅ ⋅ - a L l L α (5.88)

Etalonarea senzorilor de presiune

Calibrarea senzorilor a fost necesară înainte de a fi introduşi în sistemul platformă al dispozitivului de recuperare medicală, pentru următoarele considerente:

• evidenţierea comportamentului şi sensibilitatea senzorilor de presiune la o forţă normală aplicată;

• pentru a obţine o dependenţă între variaţia rezistenţei interne a senzorilor ca efect al aplicării forţei;

• pentru a stabili un interval optim de funcţionare al senzorilor;

• calibrarea se va folosi şi ca o metodă de validare (comparare) a rezultatelor obţinute pentru forţele normale care se dezvoltă la interacţiunea dintre pacienţi şi sistemul de recuperare medicală. Calibrarea acestora s-a realizat în trei etape:

1. Utilizând tribometrul UMT-2 pentru a urmări sensibilitatea senzorilor la forţe mici. 2. Calibrarea pe bază de greutăţi etalonatepentru a evidenţia răspunsul senzorilor în cazul aplicării unei forţe normale mai mari (care să fie aproximativă cu o forţă normală pe care o poate aplica pacientul, în mod normal).

3. Calibrarea acestora cu ajutorul unor subiecţi umani care calcă pe platforma suport, cu senzorii fixaţi, exact ca şi în condiţiile reale de recuperare medicală cu ajutorul sistemului biomecatronic hibrid (piciorul pacientului este fixat solidar cu sistemul care conţine placa rigidă cu senzori). Dispozitivul prezintă câteva caracteristici tehnice importante care îl recomandă în a fi utilizat în măsurători de natură tribologică de precizie ridicată :

• asigură mişcări programabile liniare şi de rotaţie;

• oferă două posibilităţi de măsurare a frecării: în mişcare de translaţie şi de rotaţie;

• domeniul de încărcare este cuprins între 1µN şi 20 N;

• forţele se pot aplica pe direcţiile X,Y,Z;

• poate funcţiona şi la viteze foarte mici (0.1 µs) pentru a monitoriza mişcarea de stickslip;

• are posibilitatea de control a vitezei, acceleraţiei, poziţiilor liniare şi unghiulare;

• utilizează 6 senzori pentru măsurători simultane ale forţei şi cuplului pe direcţiile X,Y,Y;

• conţine senzori de temperatură şi umiditate.

Principiul metodei

Scopul calibrării senzorilor de presiune a fost de a determina răspunsul şi variaţia rezistenţei interne a acestora la o forţă aplicată, cunoscută şi prestabilită. Pentru aceasta, s-a utilizat microtribometrul UMT-2 existent în Laboratorul de Tribologie al Departamentului de Inginerie Mecanică, Mecatronică şi Robotică, din cadrul Facultăţii de Mecanică de la Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" din Iaşi.

Echipamentul de testare a fost utilizat pentru a aplica diferite forţe de încărcare pe suprafaţa activă a senzorului. Pentru a realiza măsurătorile, din cadrul configuraţiei hardware a tribometrului s-a folosit sistemul de deplasare liniară, pe care a fost montată o placă rigidă de suport pentru senzori. Sistemul de deplasare liniară nu a fost acţionat, el fiind ajustat în prealabil pentru o bună poziţionare a pinului de fixare deasupra centrului senzorului, conform Senzorii au fost testaţi în domeniul de forţă cuprins între 200mN şi 20N, cu pinii având ataşati cilindri de oţel cu diametre cuprinse între 6 şi 13 mm (pentru senzorii rotunzi) şi o placă metalică din oţel cu latura de 37 mm (corespunzătoare zonei active a senzorului pătrat). S-au utilizat diferite metode de atingere a suprafeţei active a senzorului (fie prin atingere şi menţinere în aceeaşi poziţie a pinului pe suprafaţa activă a senzorului, fie prin atingere şi ridicare a pinului) cu diverse variaţii ale forţei impuse.

În testele de etalonare, s-a aplicat o forţă constantă, într-un singur punct, fără deplasare. S-au efectuat teste succesive în acelaşi punct, la valori diferite ale forţei, care este tradusă de senzorul de presiune ca o variaţie a rezistenţei electrice.

Testul a fost repetat pentru fiecare dintre cei patru senzori, observându-se o insensibilitate la forţe foarte mici (până în 1,5 -2 N). Senzorii au fost conectaţi la câte un divizor de tensiune care a permis înregistrarea variaţiilor în tensiune cu ajutorul microcontrolerului conectat la calculator prin portul USB.

Achiziţia de date

Achiziţia de date furnizate de senzori s-a realizat cu ajutorul unei plăcuţe electronice, un microcontroller cu 18 canale şi cu comunicare USB. Canalele disponibile pe plăcuţa microcontrolerului pot fi utilizate fie ca intrări/ieşiri analogice, fie ca şi intrări/ieşiri digitale. Pentru conversia analog/digitală şi invers, microcontrollerul are o rezoluţie de 10 biţi, cu o rată de eşantionare până la 47.1 kHz. Deoarece s-a dorit observarea variaţiei forţei aplicate pe suprafaţa activă a senzorului, dar şi datorită faptului că această variaţie a forţei este percepută de senzor ca o variaţie a unei rezistenţe electrice, a fost necesară utilizarea unui divizor de tensiune.

Divizorul asigură o tensiune cuprinsă între 0 ÷ +5V curent continuu pentru fiecare senzor, în concordanţă cu forţa aplicată şi rezistorul utilizat (Fig. 6. 3, 1kΩ). Ieşirea din divizorul de tensiune a fost direct conectată într-un canal al microcontrollerului, ce a fost setat ca intrare analogică. S-a dorit monitorizarea sensibilităţii senzorilor la forţe relative mici, incrementate cu câte o unitate de la un test la altul. Se poate observa faptul că la aplicarea unei forţe de 2N, răspunsul senzorilor s-a situat în aceeaşi gamă de tensiune, dar au fost înregistrate variaţii (zgomote) de amplitudine mare. Aceeaşi procedură a fost aplicată fiecărui senzor în parte. În diagramele următoare sunt prezentate legile de variaţie a forţei în funcţie de tensiune, pentru fiecare senzor, după cum urmează: Utilizarea tribometrului UMT-2 a demonstrat sensibilitatea senzorului, chiar şi la forţe mici. În realitate, forţele de încărcare pe care le poate genera un picior uman sunt mult mai mari decât cele aplicate de tribometru. Astfel, pentru a observa forţele de încărcare maxime suportate de aceşti senzori, s-a impus utilizarea metodei clasice de etalonare, pe bază de greutăţi. În acest sens, senzorii de presiune au fost fixaţi pe plăcuţa suport (Fig. 6.10), astfel încât să respecte cerinţele anatomice ale piciorului, ca în Fig. 6.9. Senzorii au fost numiţi generic: senzori călcâi, senzor faţă (corespunzător vârfului piciorului), senzori dreapta şi stânga (corespunzători părţilor laterale ale piciorului). Pe sistemul de legătură al piciorului uman cu suportul de prindere, se găseşte fixat un dispozitiv de măsurare a forţelor tangenţiale care se dezvoltă în timpul deplasării piciorului pe direcţia orizontală. La extremităţile suportului s-au introdus două elemente elastice pe care sau ataşat patru mărci tensometrice, cu valori rezistive de 350Ω. Informaţiile cu privire la forţele dezvoltate sunt transmise la puntea tensometrică P3 Vishay, un echipament performant de măsură care oferă rezultate extrem de precise.

Puntea utilizată în testările experimentale poate fi conectată în trei modalităţi: sferturi, jumătăţi sau punte întreagă, pentru valori rezistive ale mărcilor tensometrice de 120Ω, 350Ω, 1000Ω. • posibilitatea de conectare cu calculatorul printr-un protocol de comunicaţie serial (USB);

• un meniu de comenzi accesibil, fie direct prin taste, fie cu ajutorul calculatorului, dacă echipamentul a fost conectat la acesta. Prin accesarea meniului se pot alege canalele de lucru, echilibrarea punţii tensometrice, etalonarea factorului de scalare dar şi posibilitatea de înregistrare a rezultatelor experimentale;

• un display pentru vizualizarea şi citirea datelor;

• card de memorare a datelor;

• cele patru canale utilizabile în configuraţiile dorite de utilizator;

• ieşire analogică de semnal pe mufa BNC: 0-2.5V.

Principiul metodei

Scopul calibrării mărcilor tensometrice a fost de a studia caracteristicile elastice ale lamelelor pe care s-au fixat mărcile. Pentru aceasta, s-a utilizat puntea tensometrică Vishay P3 existentă în Laboratorul de Tribologie al Departamentului de Inginerie Mecanică, Mecatronică şi Robotică, din cadrul Facultăţii de Mecanică de la Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" din Iaşi.

Echipamentul de testare a fost utilizat pentru a urmări deformaţiile produse la nivelul elementului elastic în cazul aplicării succesiv a unor greutăţi etalonate pe lamelă. Pentru a realiza măsurătorile, din cadrul configuraţiei hardware a punţii s-au folosit doar două canale, iar mărcile au fost conectate pe structura de jumătate de punte Wheatstone, conform Fig. 6.16. Fig. 6.17 Caracteristicile elastice ale traductorilor: a. călcâi; b. vârf

Studiul experimental al forţelor normale şi tangenţiale

Cunoaşterea forţelor normale şi tangenţiale, care se dezvoltă în timpul recuperării cu sistemul la interacţiunea piciorului uman cu reazămul pe care acesta se fixează, este importantă din punct de vedere al evaluării terapiei de recuperare. Această forţă normală este generată, în primul rând, de greutatea proprie a tibiei, care se transmite în acelaşi timp şi sistemului de recuperare. Distribuţia forţei normale poate fi determinată cel mai precis cu ajutorul senzorilor de presiune FSR (Force Sensing Resistor) oferiţi de Interlink Electronics (http://www.interlinkelectronics.com). Determinarea experimentală a forţelor normale şi tangenţiale a fost necesară din următoarele motive:

• acestea intră în calculul momentului total dezvoltat la nivelul genunchiului, pe baza căruia se stabileşte protocolul de recuperare cu ajutorul sistemului, dar şi o metodă de estimare a gradului de recuperare al pacientului;

• forţa normală este un criteriu esenţial de începere a terapiei cu ajutorul sistemului.

Monitorizarea distribuţiei forţei la nivelul tălpii, înregistrată de cei patru senzori utilizaţi, oferă informaţii privind poziţionarea piciorului în raport cu sistemul. În condiţii iniţiale de începere a terapiei, greutatea proprie a tibiei trebuie să fie distribuită uniform pe senzori, când piciorul este aşezat vertical faţă de plăcuţa suport (care conţine senzorii), cu un unghi de 90 de grade între coapsă şi gambă. Valori crescute ale forţei înregistrate, în special de senzorii laterali, atrage atenţia că pacientul nu este aşezat corespunzător cerinţelor impuse de recuperarea medicală;

• cu ajutorul ei se poate deduce gravitatea afecţiunii, fiind o informaţie pe baza căreia medicii pot stabili şedinţele de terapie fizică. Medicii confirmă că, după o perioadă lungă de imobilizare a membrului inferior, pacientul nu îşi poate controla mişcările piciorului, având tendinţa să îl "scape". Această tendinţă este provocată de atrofia parţială sau totală a muşchilor, care se traduce prin imposibilitatea de control al transferului greutăţii proprii a tibiei, generând dureri insuportabile la nivelul articulaţiei genunchiului. Pentru a evita acest aspect, dar şi pentru a reduce durerea resimţită de pacient, una din recomandările medicale, pentru terapia fizică, se referă la transferul greutăţii proprii a segmentului, care trebuie făcut treptat (în fazele incipiente ale recuperării) până la transferul total;

• forţa normală mai poate furniza o informaţie preţioasă, necesară tot în sfera medicală, şi anume că poate evidenţia instabilitatea genunchiului (imediat după accidentări locale). Această instabilitate generează înclinări laterale ale piciorului, care nu sunt acceptate din punct de vedere al condiţiilor biomecanice. Nerespectarea alinierii membrului conform cerinţelor fiziologice normale ale pacientului, poate genera accidentări suplimentare ale elementelor din structurile anatomice învecinate (ligamente, tendoane);

• forţa normală poate fi utilă şi pentru monitorizarea recuperării după unele patologii de la nivelul articulaţiei gleznei sau pentru a evalua postrecuperator fazele mersului şi transferul greutăţii pe membrul ce a fost afectat;

• poate evidenţia zonele cu tensiuni maxime în cazul special al persoanelor cu platfus, cu implicaţii în biomecanica mersului. Deoarece terapia se realizează cu ajutorul sistemului mecatronic, în cazul de faţă rolul fizioterapeutului este doar de asistare a terapiei. În acelaşi timp, acesta trebuie să îi descrie pacientului sistemul care îl va recupera (pentru a înlătura reticenţa acestuia la prezenţa sistemului) şi să îi explice beneficiile pe care i le poate oferi recuperării medicale. Pe baza diagnosticului primit, se elaborează criteriul de recuperare (pasiv sau activ) care este bazat pe diverse tipuri de exerciţii fizice (gimnastică recuperatorie) şi are următoarele caracteristici şi obiective, conform cu [START_REF] Mircea | Compendiu de recuperare medicală[END_REF]):

• Obiectivul principal îl constituie reeducarea funcţională a membrului inferior, în scopul de a restabili într-un timp cât mai scurt, capacităţile funcţionale reduse sau parţial pierdute, în urma unui accident;

• Exerciţiile şi tehnica de recuperare sunt particularizate pentru fiecare pacient, în funcţie de diagnostic şi recomandarea medicului;

• Recuperarea este benefică pentru a preveni instalarea sau permanentizarea deficitului funcţional, reducându-se astfel consecinţele negative ale traumatismelor asupra activităţii funcţionale a pacientului;

• Această tehnică are rolul de a ajuta la obţinerea stabilităţii, care este de fapt principala funcţie a genunchiului;

• Redobândirea mobilităţii articulare, a mişcărilor permise din articulaţie, tonifierea musculară sunt elemente cheie în cadrul unei recuperări fizice;

• Activitatea de recuperare medicală impune stabilirea unui plan reabilitativ (cuprinde obiectivele generale, etapele reabilitării, echipa) pe baza căruia se organizează programul de terapie fizică (stabilirea mijloacelor şi tehnicilor de recuperare utilizate, modul de aplicare al acestora, estimarea perioadei de recuperare până la vindecarea completă a pacientului);

• Este extrem de importantă monitorizarea evoluţiei reabilitative în timpul programului de recuperare, iar aprecierea finală a rezultatelor se realizează prin modalitate clinicsubiectivă (aprecieri în funcţie de percepţia medicului şi a pacientului, mai ales când subiectul este pus să facă anumite mişcări, să stea în poziţie de ortostatism, să urce sau să coboare scări, analiza mersului, etc, raportat la gradul de durere al pacientului), cât şi prin modalitate obiectivă (scale de evaluare: KOOS, WOMAC, Oxford Knee Score);

• Durerea este un factor determinat, ce însoţeşte recuperarea medicală şi lipsa acesteia, după multe şedinţe de recuperare, poate ajuta la estimarea gradului de vindecabilitate al subiectului;

• Menţinerea activităţii şi stabilitatea grupelor musculare;

• Restabilirea rezistenţei musculare pentru a stabiliza şi proteja articulaţia de eventualele accidentări;

• Reluarea activităţii genunchiului în locomoţie pentru a preveni suprasolicitarea şoldului sau a celuilalt picior;

• Alegerea unui regim alimentar adecvat pentru optimizarea greutăţii corporale, pentru a împiedica suprasolicitarea membrelor.

Teste realizate pe un subiect sănătos

Testarea unui subiect sanătos a fost necesară pentru a evalua performanţele sistemului mecatronic în concordanţă cu cerinţele de recuperare impuse. S-a dorit urmărirea forţelor dezvoltate la interacţiunea dintre pacient şi sistemul biomecatronic (forţele normale şi tangenţiale, care vor da o informaţie completă asupra momentului din articulaţia genunchiului), precum şi monitorizarea amplitudinii de mişcare (prin evaluarea modificărilor unghiulare din articulaţii). Valorile obţinute în urma testului, pentru parametrii de interes menţionaţi ai subiectului sănătos, se vor folosi ca etalon în evaluarea gradului de recuperare al pacienţilor.

Înainte de începerea terapiei, s-au notat într-o bază de date, caracteristicile antropomentrice ale subiectului supus testului, precum şi câteva informaţii generale ale acestuia, prezentate în Tabelul 7. Protocolul experimental, prezentat şi în Fig. 7.2 a constat în următoarele etape: 1. mai întai i s-a descris sistemul biomecatronic şi principiul de funţionare; 2. i s-a garantat siguranţa pe tot parcursul utilizării dispozitivului; 3. subiectului i s-a explicat că poate oricând să întrerupă testul, prin activarea (apăsarea) butonului de panică; 4. pasul următor a constat în poziţionarea subiectului în sistemul biomecatronic -poziţia de început a terapiei este cu genunchiul în flexie, cu un unghi de 90⁰ între coapsă şi gambă.

Alinierea corectă a subiectului/pacientului este foarte importantă pentru corectitudinea rezultatelor. În acest sens, o aliniere corectă se realizează prin utilizarea unui scaun pivotant. După cum se poate observa, piciorul pacientului este menţinut fix pe platforma sistemului, cu ajutorul unor bretele. Structura de tip orteză se ataşează imediat ce condiţiile iniţiale de realizare a terapiei au fost indeplinite. În Fig. 7.3 este prezentată amplitudinea de mişcare înregistrată pentru articulaţia genunchiului, în timpul unei testări cu ajutorul sistemului mecatronic. Pe grafic se pot distinge clar cele patru curse complete de deplasare, care se traduc prin extensie (deplasare înainte) şi flexie (deplasarea înapoi). Deasemenea se poate remarca variaţia unghiului din articulaţie în raport cu poziţia de zero grade (corespunde poziţiei iniţiale de 90°) în funcţie de deplasarea înainte sau înapoi. Vârfurile situate deasupra poziţiei de zero corespund extensiei, iar cele situate pe axa negativă corespund mişcării de flexie. Se poate remarca faptul că acestea au o formă simetrică, iar amplitudinea maximă de mişcare pentru subiectul din acest studiu este de 46°. Amplitudinea de mişcare este mai mare pentru deplasarea înainte, echivalentă unghiului de 32°, şi mai mică, corespunzătoare unui unghi de 14°, pentru mişcarea de flexie. Această diferenţă de unghi se explică prin faptul că poziţia de început a terapiei este favorabilă mişcării de extensie, subiectul realizând această mişcare cu mare uşurintă, în timp ce flexia este limitată de prezenţa scaunului, constrângerile provocate de ligamente şi de întâlnirea la nivel posterior a celor două segmente, coapsă şi gambă.

Analizând curbele din Fig. 7.3 se mai pot observa mici vârfuri înregistrate deasupra poziţiei de referinţă, care variază între 4° şi 10°. Aceste vârfuri sunt generate de trecerea de la mişcarea de extensie la cea de flexie şi de modul de deplasare al segmentelor, unul în raport cu altul, în acest caz femurul este fix, iar tibia alunecă pe el. cele două grafice se poate observa aceeaşi simetrie a curbelor, prezentă şi în cazul analizei amplitudinii de mişcare, cu delimitarea vizibilă şi pe diagrame a deplasării înainte-înapoi a piciorului. Deşi simetria şi forma vârfurilor se respectă, se poate remarca faptul că acestea sunt în opoziţie. Aceasta se explică prin faptul că în timpul mişcării de extensie este acţionată lamela din zona vârfului piciorului, iar în timpul mişcării de flexie este tensionată lamela corespunzătoare zonei călcâiului. Deasemenea se mai poate observa că forţa tangenţială corespunzătoare vârfului piciorului prezintă nişte variaţii negative, care se traduc prin creşterea forţei tangenţiale înregistrate la nivelul mărcii tensiometrice din vârf. De asemenea se mai remarcă prezenţa unor zgomote pe curba corespunzătoare forţei tangenţiale din călcâi, ce sunt introduse de unele perturbaţii apărute în sistemul mecanic, pe timpul funcţionării. O evoluţie în opoziţie a curbelor forţelor normale din Fig. 7.6 si 7.7 se înregistrează şi pentru senzorii din călcâi şi vârf, corespunzătoare cursei complete de deplasare înainte-înapoi a piciorului. Aşa cum se întamplă şi în timpul mersului, forţa normală cea mai mare se înregistreaza la contactul călcâiului cu solul, în cazul testului cu ajutorul subiectului uman, la contactul călcâiului acestuia cu suportul de sprijin al piciorului. În caz contrar, în timpul mişcării de extensie, forţa normală cea mai mare se va dezvolta la nivelul vârfului, ce are corespondenţă, în fazele mersului, cu perioada de propulsie a piciorului. Altfel spus, greutatea proprie a tibiei, adică forţa de încărcare normală resimtiţă la nivelul piciorului, se va transfera/balansa treptat din călcâi în vârf. Fig. 7.8 Referinţă forţă normală dreapta subiect sănătos Fig. 7.9 Referinţă forţă normală stânga subiect sănătos În Fig. 7.8 şi 7.9 sunt prezentate forţele normale dezvoltate pe părţile laterale ale piciorului. Deşi se observă evoluţii diferite ale curbelor, se poate remarca faptul că forţele înregistrate sunt aproximativ uniform distribuite pe părţile laterale, cu valori de 36N pentru forţa normală dezvoltată pe partea stângă şi de 37N pentru forţa dezvoltată pe partea dreaptă. Diferenţele apărute la nivel de formă a curbelor poate fi generată de o postură necorespunzătoare a subiectului ce s-a dezvoltat pe parcursul testului.

Terapii de recuperare medicală aplicate pacienţilor

Deoarece testele efectuate pe subiectul sănătos au demonstrat capacitatea sistemului de a evidenţia forţele normale şi tangenţiale dezvoltate, dar şi faptul că dispozitivul funcţionează optim, nepunând în pericol siguranţa subiectului, s-a trecut la aplicarea unei terapii de recuperare medicală pe un lot de trei pacienţi cu deficienţe la nivelul articulaţiei genunchiului.

Pacienţii au provenit de la Spitalul Sf. Spiridon din Iaşi, de la secţia de ortopedietraumatologie, iar terapia s-a desfăşurat sub atenta observaţie a medicului curant.

Aceştia au avut diagnostice diferite şi evoluţii clinice diferite. Medicul a stabilit tipul de recuperare care îi este adecvat fiecărui pacient, în funcţie de deficienţele monitorizate de acesta pe parcursul spitalizării.

Cu ajutorul sistemului mecatronic s-a încercat recuperarea postoperatorie a unui pacient cu fractura la nivelul femurului însoţită de leziuni ale structurilor învecinate ale articulaţiei genunchiului, recuperarea unui pacient care a suferit o ruptură a ligamentului încrucişat anterior şi a necesitat o ligamentoplastie, precum şi recuperarea unui pacient cu o entorsă de gradul 1 spre 2.

Pentru explicitarea şi evidenţierea terapiei cu sistemul de recuperare, se vor prezenta etapele terapiei pacientului diagnosticat cu fractură la nivelul femurului însoţită de leziuni ale structurilor învecinate ale articulaţiei genunchiului. În Anexa B este prezentată şi evoluţia recuperativă a pacientului după ligamentoplastie.

Înainte de începerea şedintelor de reabilitare fizică, s-au consemnat în baza de date (existentă la nivel software) caracteristicile antropometrice ale acestuia precum şi diagnosticul şi tipul de recuperare aplicat (conform indicaţiilor medicului), prezentate în Tabelul 7. Accident la locul de muncă După ce i s-a explicat pacientului protocolul de recuperare, şi acesta şi-a dat acordul privind realizarea terapiei cu ajutorul sistemului mecatronic, s-au notat capacităţile funcţionale ale acestuia la momentul începerii terapiei. I s-a măsurat amplitudinea de mişcare, ce a fost introdusă în baza de date, iar medicul i-a recomandat 4 şedinţe de recuperare intensive. Altfel spus, o şedinţă de recuperare a însemnat de fapt o săptămâna de terapie, cu întrevederi zilnice şi exerciţii repetitive timp de o oră, cu pauze de 5 minute, după primele 15 minute de exerciţii. Analizând aspectul curbelor determinate experimental în timpul şedinţei de recuperare, din Fig. 7.13 şi 7.14 se poate observa forţa normală înregistrată pe senzorul din vârf şi cel din călcâi, fiind vizibil şi asemănător unui balans, deşi piciorul este menţinut fix de sistemul de recuperare. Creşterea valorilor de forţă înregistrate este determinată şi de activarea contracţiei musculare, practic pacientul intervenind activ în recuperarea medicală.

Rezultate obţinute

Concluzii

Evaluarea progresului recuperativ al pacientului s-a făcut prin prisma monitorizării forţei tangenţiale şi normale. Astfel, o forţă normală şi tangenţială mare evidenţiază gravitatea diagnosticului şi incapacitate funcţională ridicată a pacientului. Reducerea acesteia, prin exerciţii repetitive şi adaptabile fiecărui pacient, spre valorile determinate în cazul subiectului sănătos evidenţiază uşurinţa de mişcare a acestuia, practic recuperarea pacientului. Membrul inferior este un segment anatomic care are un rol definitoriu în asigurarea locomoţiei, a echilibrului şi a stabilităţii în poziţie de ortostatism. De cele mai multe ori, accidentările acestuia, cu particularitate la nivelul articulaţiei genunchiului, duc la pierderea temporară a funcţiei locomotorii. Mecanismele de producere a accidentărilor sunt numeroase: mersul pe un teren accidentat, alunecarea pe gheaţă, lovituri, contracţii bruşte ale unor muşchi, "încălzire" neadecvată a grupelor musculare în cazul sportivilor, accidente rutiere. Un traumatism la nivelul membrului inferior poate avea consecinţe negative şi asupra vieţii social -economice a pacientului, iar pentru tratarea patologiilor de natură ortopedico-traumatologică se impune urmarea unui proces intensiv şi riguros de recuperare medicală. În general, fizioterapeutul este persoana responsabilă şi abilitată pentru a ajuta sau a asista pacienţii în terapia lor de reabilitare fizică, Însa, de multe ori, numărul mare de pacienţi care necesită recuperare medicală duce la extenuarea fizică a fizioterapeutului. Recuperarea medicală presupune: "reeducarea" funcţională a genunchiului, ce implică realizarea mişcării de flexie şi extensie (într-un mod de recuperare pasiv şi activ); refacerea mobilităţii articulare; restabilirea domeniului de mişcare în concordanţă cu limitele fiziologice ale pacientului; îmbunătăţirea stării cartilajului articular, a ligamentelor şi tendoanelor, creşterea rezistenţei musculare.

Introducerea sistemelor mecatronice în terapia de recuperare fizică a pacienţilor s-a dovedit extrem de benefică şi reprezintă o alternativă modernă la recuperarea clasică (cu ajutorul fizioterapeutului), datorită performanţelor sistemelor mecatronice: sunt capabile să restabilească unele deficienţe majore ale pacienţilor, contribuie la refacerea mobilităţii articulaţiilor, creşterea activităţii musculare, permit aplicarea unor protocoale de recuperare prin exerciţii programate şi repetitive, oferă posibilitatea de a urmări şi evalua progresul recuperativ al pacientului. Astfel, dispozitivele uşurează şi munca fizioterapeutului (îl pot ajuta sau chiar înlocui) în unele procese de recuperare intensivă şi de durată.

Studiul sistemelor mecatronice de recuperare medicală a articulaţiei genunchiului este una dintre provocările actuale din domeniul ingineriei mecanice, mecatronicii şi roboticii. Aceasta, deoarece accidentările apărute la nivelul ei sunt caracterizate printr-un grad ridicat de gravitate. Dacă în cazul unei leziuni, de exemplu, la nivelul articulaţiei gleznei mişcarea membrului inferior nu este în totalitate pierdută, datorită posibilităţii de îndoire a genunchiului, un traumatism în zona genunchiului duce efectiv la blocarea membrului inferior.

Diversitatea dispozitivelor medicale concepute pentru recuperarea medicală a fost o consecinţă a multiplelor traumatisme ce afectează funcţionalitatea membrului inferior. Datorită faptului că patologiile ce afectează membrul inferior sunt multiple şi diferite, s-au conceput dispozitive specializate pentru recuperarea acestora. Astfel, sistemele de recuperare pot fi clasificate şi particularizate în funcţie de afecţiunea căreia îi este destinat dar şi în funcţie de tipul de recuperare aplicat.

Deşi tendinţa actuală este orientată spre obţinerea unor sisteme mecatronice cât mai complexe sau chiar inteligente pentru recuperarea articulaţiei genunchiului, complexitatea acestora ridică, însă, unele probleme generate de tipul de recuperare aplicat (activ sau pasiv) interacţiunea pacient-sistem mecatronic, mai ales că pacientul este conectat direct la sistemul de recuperare.

Contribuţii personale

Printre contribuţiile personale ale autoarei acestei lucrări pot fi menţionate următoarele:

1. Efectuarea unei ample sinteze bibliografice, cu scopul stabilirii stadiului actual al cercetărilor privind: elementele de funcţionalitate ale articulaţiei genunchiului (anatomie, biomecanică, patologie) şi sistemele mecatronice utilizate în recuperarea medicală a membrului inferior, cu particularitate pe articulaţia genunchiului. 2. Propunerea şi dezvoltarea unui sistem mecatronic hibrid, destinat recuperării medicale a articulaţiei genunchiului, caracterizat de următoarele elemente de originalitate:

• Soluţia constructivă Varianta constructivă adoptată şi implementată este una integrată şi complexă, ce uneşte, într-o singură structură compactă, trei tipuri de sisteme de recuperare medicală: sisteme pentru recuperarea mişcării pasive, a mişcării active, precum şi o structură funcţională de tip orteză (exoschelet).

• Domeniul de aplicabilitate -prin prisma patologiilor membrului inferior Îmbinarea celor trei sisteme de recuperare facilitează obţinerea celui mai eficient sistem de reabilitare, capabil să asigure, pe lângă recuperarea genunchiului, şi reabilitarea funcţională a celorlalte articulaţii (şoldul şi glezna). Astfel, acesta preia şi tratează multiple afecţiuni existente la nivelul membrului, ce până acum erau recuperate individual, utilizând câte un sistem special ce le era destinat acestora.

• Tratament personalizat aplicat fiecărui pacient

Sistemul poate aplica un protocol de recuperare diferenţiat şi particularizat pacienţilor, de tip buclă închisă: diagnostic -tratament aplicat -evaluare a eficienţei procesului de recuperare. Diagnosticul şi recomandările privind reabilitarea fizică sunt furnizate de medic, iar sistemul trebuie să se adapteze criteriilor impuse de terapia specifică fiecărui pacient. În acelaşi timp, după aplicarea exerciţiilor de recuperare, sistemul trebuie să ofere o analiză a progresului pacientului pe parcursul terapiei. Analiza se generează în timpul şedinţei de terapie fizică, este memorată în baza de date a pacientului, putând fi consultată ulterior de medic, care va decide dacă pacientul s-a vindecat sau mai necesită recuperare.

• Metode de comandă şi control

Utilizarea metodelor speciale de comandă şi control sunt eficiente atât pentru a asigura recuperarea medicală a pacienţilor, cât şi pentru a garanta siguranţa acestora în timpul şedinţei de terapie fizică. Sistemul dezvoltat conţine numeroşi senzori utilizaţi cu scopul de a sesiza şi transmite informaţiile referitoare la starea pacientului, inclusiv de monitorizare a semnelor vitale ale acestuia. Acţionarea electrică este utilizată deoarece este cea mai recomandată în aplicaţiile medicale datorită avantajelor pe care le posedă: permite un control precis, iar comanda sistemului cu tensiuni mici (+5V, 12 V) nu pune în pericol siguranţa pacientului.

• Protocoale de comunicare cu feedback de la pacient Dispozitivul are implementate controllere avansate, care conduc la îmbunătăţirea preciziei de funcţionare, favorizând în acelaşi timp şi obţinerea "feedback-ului" în timp real din partea pacientului. În acest fel, se stabileşte o "comunicare" directă şi o interfaţă "prietenoasă" între sistem şi pacient, ce îi permite acestuia posibilitatea de monitorizare şi evaluare a progresului terapiei, prin afişare în timp real.

• Condiţii de siguranţă pentru interacţiunea pacient -sistem mecatronic

Sistemul are implementat la nivel hardware şi software unele constrângeri ce vizează siguranţa pacientului, deoarece aceasta este o cerinţă foarte importantă, impusă de recuperarea medicală cu ajutorul dispozitivelor specializate. În acest fel, se evită problemele frecvente ce apar la interacţiunea dintre pacient şi sistemul de recuperare.

Dispozitivul are posibilitatea să se adapteze la dimensiunile antropometrice ale pacienţilor, şi poate recupera pe rând ambele membre inferioare.

• Simplu şi portabil

Deşi dispozitivul este o structură integrată a mai multor sisteme de recuperare, el este în esenţă simplu, de greutate şi dimensiuni reduse, uşor de manevrat şi utilizat. Aceste caracteristici îi oferă portabilitate, făcându-l astfel integrabil atât în cabinetele medicilor, cât şi la domiciliul pacienţilor.

3. Efectuarea unei analize cinematice şi dinamice a structurii cinematice, cu scopul de a determina forţele şi momentul dezvoltat la nivelul articulaţiei genunchiului.

4. Dezvoltarea unui model matematic a structurii de tip orteză din componenţa sistemului mecatronic.

5. Simularea numerică a parametrilor cinematici de poziţie ai membrului inferior, care corespund cazului unei şedinţe de recuperare reală cu ajutorul sistemului mecatronic. 6. Calibrarea senzorilor înainte de implementarea acestora pe sistemul mecatronic, cu scopul de a urmări comportamentul acestora şi de a determina legile lor de variaţie.

7. Determinarea experimentală a forţelor normale şi tangenţiale dezvoltate la interacţiunea sistemului mecatronic cu piciorul uman, necesare din următoarele motive:

• acestea intră în calculul momentului total dezvoltat la nivelul genunchiului, pe baza căruia se stabileşte protocolul de recuperare cu ajutorul sistemului, dar şi o metodă de estimare a gradului de recuperare al pacientului;

• forţa normală este un criteriu esenţial de începere a terapiei cu ajutorul sistemului.

Monitorizarea distribuţiei forţei la nivelul tălpii, înregistrată de cei patru senzori utilizaţi, oferă informaţii privind poziţionarea piciorului în raport cu sistemul. În condiţii iniţiale de începere a terapiei, greutatea proprie a tibiei trebuie să fie distribuită uniform pe senzori, când piciorul este aşezat vertical faţă de plăcuţa suport (care conţine senzorii), cu un unghi de 90 de grade între coapsă şi gambă. Valori crescute ale forţei înregistrate, în special de senzorii laterali, atrage atenţia că pacientul nu este aşezat corespunzător cerinţelor impuse de recuperarea medicală;

• cu ajutorul forţei normale se poate deduce gravitatea afecţiunii, fiind o informaţie pe baza căreia medicii pot stabili şedinţele de terapie fizică. Medicii confirmă că, după o perioadă lungă de imobilizare a membrului inferior, pacientul nu îşi poate controla mişcările piciorului, având tendinţa să îl "scape". Această tendinţă este provocată de atrofia parţială sau totală a muşchilor, care se traduce prin imposibilitatea de control al transferului greutăţii proprii a tibiei, generând dureri insuportabile la nivelul articulaţiei genunchiului. Pentru a evita acest aspect, dar şi pentru a reduce durerea resimţită de pacient, una din recomandările medicale, pentru terapia fizică, se referă la transferul greutăţii proprii a segmentului, care trebuie făcut treptat (în fazele incipiente ale recuperării) până la transferul total;

• forţa normală mai poate furniza o informaţie preţioasă, necesară tot în sfera medicală, şi anume că poate evidenţia instabilitatea genunchiului (imediat după accidentări locale). Această instabilitate generează înclinări laterale ale piciorului, care nu sunt acceptate din punct de vedere al condiţiilor biomecanice. Nerespectarea alinierii membrului conform cerinţelor fiziologice normale ale pacientului, poate genera accidentări suplimentare ale elementelor din structurile anatomice învecinate (ligamente, tendoane);

• forţa normală poate fi utilă şi pentru monitorizarea recuperării după unele patologii de la nivelul articulaţiei gleznei sau pentru a evalua postrecuperator fazele mersului şi transferul greutăţii pe membrul ce a fost afectat;

• poate evidenţia zonele cu tensiuni maxime în cazul special al persoanelor cu platfus, cu implicaţii în biomecanica mersului.

8. Trasarea curbelor corespunzătoare forţelor dezvoltate obţinute pe cale experimentală în urma efectuării unor teste pe subiecţi sănătoşi şi pacienţi. Acestea au demonstrat că sistemul este eficient în recuperarea medicală, constatându-se diferenţe calitative şi cantitative între şedinţele de terapie aplicate.

Valorificare rezultate

Pe parcursul celor trei ani de studii doctorale, s-au publicat 4 lucrări ştiinţifice în care autoarea prezentei teze este prim autor. De asemenea, autoarea a participat, ca şi cursant, la două şcoli de vară internaţionale : "Human-Machine Systems, Cyborgs and Enhancing Devices -HUMASCEND 2012", organizată de Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" din Iaşi, Facultatea de Mecanică, în perioada 14-18 Iunie, 2012; "Models and Methods in Kinematics and Robotics", organizată de Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, Facultatea de Construcţii de Maşini, în perioada 01-08 Iulie, 2012.

Direcţii viitoare de cercetare

• Introducerea unor elemente de inteligenţă artificială ar oferi sistemului mecatronic posibilitatea de a învăţa unele mişcări efectuate de fizioterapeut şi de a le aplica apoi în concordanţă cu particularităţile specifice fiecărui pacient. Aceste elemente pot conduce la înlocuirea totală a fizioterapeutului, făcând ca prezenţa acestuia la şedinţele de recuperare medicală să nu mai fie absolut necesară. data8=float(ord(OutPortC_8 [1])*256+ord(OutPortC_8[0])+1)*5.12/1024.##Unghi Genunchi data8=data8/0.010277777#-genunchi_initial data9=float(ord(OutPortC_9 [1])*256+ord(OutPortC_9 [0])+1)*5.12/1024.##Unghi Glezna data9=data9/0.010722222#-glezna_initial # data10=float(ord(OutPortC_10 [1])*256+ord(OutPortC_10 [0]))*5.12/1024. # data11=float(ord(OutPortC_11 [1])*256+ord(OutPortC_11 [0]))*5.12/1024. #data12=float(ord(OutPortC_12 [1])*256+ord(OutPortC_12 [0]))*5.12/1024.

Figura 2 . 3 Figura 2 . 7 Figura 3 . 1 Figura 3 . 3 Figura 3 . 5 Figura 3 . 6

 232731333536 Figura 2.3 Poziţie de referinţă la nivelul membrului inferior stâng ....................................... Figura 2.4 a. Flexia activă a genunchiului cu şoldul în flexie; b.flexia pasivă a genunchiului; c. flexia activă a genunchiului cu şoldul în extensie ........................................ Figura 2.5 Gradele de libertate ale articulaţiei genunchiului şi tipul de mişcare realizat pe fiecare axă .............................................................................................................. Figura 2.6 Mişcările de rotaţie................................................................................................Figura 2.7 Mecanisme de producere a rupturii ligamentelor încrucişate ............................... Figura 2.8 Mecanisme de producere a rupturii ligamentelor laterale .....................................Figura 3.1 Orteză (Mavroidis şi colab., 2005)........................................................................ Figura 3.2 Orteză (Sawicki şi Ferris, 2009) ........................................................................... Figura 3.3 Orteză (Aguirre-Ollinger şi colab., 2011) ............................................................. Figura 3.4 Sistem LOKOMAT (Colombo, 2000) ..................................................................Figura 3.5 Dispozitiv pentru mişcare pasivă Knee Phoenix CPM ......................................... Figura 3.6 Sistem mecatronic hibrid (Hung Ho şi colab., 2009) ............................................

Figura 4 . 1 Figura 4 . 2

 4142 Figura 4.1 Etapele de proiectare ale sistemului biomecatronic hibrid ................................... Figura 4.2 Arhitectura sistemului mecatronic dezvoltat.........................................................

Figura 4 . 3 Figura 4 . 4

 4344 Figura 4.3 Reprezentarea generală a sistemului de acţionare................................................. Figura 4.4 Structura cinematică a sistemului mecatronic .......................................................

Figura 4 . 5 Figura 4 . 6 Figura 4 . 7

 454647 Figura 4.5 Model tridimensional al ansamblului şurub cu bile -piuliţă ................................. Figura 4.6 Senzori de presiune FSR : a. elemente componente; b. variantă integrată ...........Figura 4.7 Potenţiometre Vishay Spectrol ............................................................................. Figura 4.8 Amplificator operaţional utilizat: a. Structura integrată; b. Conexiune pin ..........

Figura 4 . 9

 49 Figura 4.9 Schema amplificatorului de instrumentaţie ...........................................................

Figura 4 .Figura 4 .Figura 5 . 1 Figura 6 . 1 Figura 7 . 1 Figura 7 . 4

 4451617174 Figura 4.10 Sistem mecatronic dezvoltat ............................................................................... Figura 4.11 Diagrama Bloc a driverului L298N ....................................................................Figura 4.12 Schema electrică de comandă şi control a motorului de curent continuu .......... Figura 4.13 Microcontroller utilizat (Micro Maestro, (http://www.pololu.com/): a. forma integrată; b. configurare pini ..................................................................................... Figura 4.14 Panoul de comandă ............................................................................................. Figura 5.1 Mecanism serial cu 3 grade de mobilitate ............................................................ Figura 5.2 Mecanismul corespunzător structurii de tip orteză a. poziţia iniţială; b. poziţia în timpul funcţionării ................................................................................................. Figura 5.3 Variaţia unghiurilor α2 şi α3 .............................................................................. Figura 6.1 Micotribometrul UMT-2 .................................................................................... Figura 6.2 Dispozitiv utilizat în testări experimentale pentru determinarea forţei normale.................................................................................................................................. Figura 6.3 Divizor de tensiune ............................................................................................. Figura 6.4 Variaţia tensiunii înregistrate de senzori la aplicarea cu ajutorul microtribometrului a unor forţe în gama: crescător .............................................................. Figura 6.5 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul aferent călcâiului ............... Figura 6.6 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul poziţionat pe partea stângă .................................................................................................................................... Figura 6.7 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul poziţionat pe partea dreaptă ................................................................................................................................... Figura 6.8 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul poziţionat în faţă, corespunzător vârfului ........................................................................................................... Figura 6.9 Poziţionarea senzorilor în raport cu forma piciorului uman ............................... Figura 6.10 Procedeu experimental ..................................................................................... Figura 6.11 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul poziţionat în faţă .............. Figura 6.12 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul din dreapta ....................... Figura 6.13 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul din stânga ......................... Figura 6.14 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul din călcâi ......................... Figura 6.15 Echipamentul tensometric Vishay-Model P3 ................................................... Figura 6.16 Dispozitiv utilizat în testări experimentale pentru determinarea forţei tangenţiale ............................................................................................................................. Figura 6.17 Caracteristicile elastice ale traductorilor: a. călcâi; b. vârf ..............................Figura 7.1 Recuperare medicală de tip buclă închisă .......................................................... Figura 7.2 Poziţionarea subiectului sănătos în raport cu sistemul biomecatronic, în vederea realizării testelor experimentale ............................................................................... Figura 7.3 Referinţă unghi genunchi subiect sănătos .......................................................... Figura 7.4 Referinţă forţă tangenţială călcâi subiect sănătos ............................................... Figura 7.5 Referinţă forţă tangenţială vârf subiect sănătos ..................................................

Figura

  Figura 7.6 Referinţă forţă normală călcâi subiect sănătos .................................................... Figura 7.7 Referinţă forţă normală faţă subiect sănătos .......................................................

Figura B. 4 Figura B. 5 Figura B. 6 Figura B. 8 1 Tabelul 1 . 2 Tabelul 2 . 1 Tabelul 4 . 1 Tabelul 4 . 2 Tabelul 4 . 3 Tabelul 4 . 4 Tabelul 7 . 1 Tabel 7 . 2 1

 4568112214142434471721 Figura B.4 Forţa normală înregistrată pe senzorul din dreapta în prima şedinţă de recuperare .............................................................................................................................. Figura B.5 Variaţia unghiului de la nivelul genunchiului în prima şedinţă de recuperare .............................................................................................................................. Figura B.6 Variaţia unghiului de la nivelul gleznei în prima şedinţă de recuperare ............ Figura B.7 Variaţia unghiului de la nivelul şoldului în prima şedinţă de recuperare ........... Figura B.8 Forţa tangenţială în zona călcâiului în a patra şedinţă de recuperare ................. Figura B.9 Forţa tangenţială în zona din faţă în a patra şedinţă de recuperare .................... Figura B.10 Forţa normală înregistrată pe senzorul din călcâi în a patra şedinţă de recuperare .............................................................................................................................. Figura B.11 Forţa normală înregistrată pe senzorul din dreapta în a patra şedinţă de recuperare .............................................................................................................................. Figura B.12 Variaţia unghiului de la nivelul genunchiului în a patra şedinţă de recuperare .............................................................................................................................. Figura B.13 Variaţia unghiului de la nivelul gleznei în a patra şedinţă de recuperare......... Figura B.14 Variaţia unghiului de la nivelul şoldului în a patra şedinţă de recuperare ..............................................................................................................................

Fig. 1 . 1

 11 Fig.1.1 Elementele structurale ale unui sistem mecatronic

Fig. 2 . 1

 21 Fig. 2.1 Elemente componente ale articulaţiei genunchiului, vedere anterioară

Fig. 2 . 2

 22 Fig. 2.2 Grupe musculare la nivelul genunchiului: A. Muşchi extensori; B. Muşchi flexori; C.Muşchi rotatori interni; D. Muşchi rotatori externi[START_REF] Sîrbu | Teză de doctorat: Tratamentul fracturilor extremităţilor inferioare a femurului, Universitatea de Medicină şi Farmacie[END_REF]

Fig. 2 . 3

 23 Fig. 2.3 Poziţie de referinţă la nivelul membrului inferior stâng[START_REF] Sîrbu | Teză de doctorat: Tratamentul fracturilor extremităţilor inferioare a femurului, Universitatea de Medicină şi Farmacie[END_REF]

Flexia

  activă atinge o amplitudine de 140º dacă şoldul este deja flectat (Fig 2.4.a) şi numai 120º dacă şoldul este extins (Fig. 2.4.c). Această diferenţă se datorează faptului că tendoanele genunchiului pierd o parte a eficienţei odată cu extensia şoldului. Dacă tendoanele se contractă brusc şi puternic, genunchiul este proiectat în flexie iar finalul extensie active este urmat de un grad de extensie pasivă.

Fig. 2 .

 2 Fig. 2.4 a. Flexia activă a genunchiului cu şoldul în flexie; b.flexia pasivă a genunchiului; c. flexia activă a genunchiului cu şoldul în extensie

Fig. 2 .

 2 Fig. 2.5 Gradele de libertate ale articulaţiei genunchiului şi tipul de mişcare realizat pe fiecare axă. (Translaţie ; Rotaţie)[START_REF] Machado | şi colaboratorii, Development of a planar multibody model of the human knee joint[END_REF]

Fig. 2 .

 2 Fig. 2.6 Mişcările de rotaţie

Fig. 2 .

 2 Fig.2.7 Mecanisme de producere a rupturii ligamentelor încrucişate

Fig. 2 .

 2 Fig.2.8 Mecanisme de producere a rupturii ligamentelor laterale

  Fig 3.1, este unul complex şi destinat recuperării medicale a unor multiple afecţiuni ale genunchiului, asigurând mişcare pasivă sau activă asistată (pentru primele două săptămâni după intervenţia chirurgicală).

Fig. 3 . 1

 31 Fig. 3.1 Orteză (Mavroidis şi colab., 2005)

3. 3

 3 Fig. 3.3 Orteză (Aguirre-Ollinger şi colab., 2011)

  Fig. 3.4 Sistem LOKOMAT[START_REF] Colombo | Treadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis[END_REF]

Fig. 3 .

 3 Fig.3.6 Sistem mecatronic hibrid (Hung Ho şi colab., 2009)

Fig. 4 . 1

 41 Fig. 4.1 Etapele de proiectare ale sistemului mecatronic hibrid 4.2 Arhitectura generală a sistemului mecatronic dezvoltat

Fig. 4 . 3

 43 Fig. 4.3 Reprezentarea generală a sistemului de acţionare

Fig. 4 .

 4 Fig. 4.5 Model tridimensional al ansamblului şurub cu bile -piuliţă

  de presiune FSR (http://www.interlinkelectronics.com): a. elemente componente; b. variantă integrată

Fig. 4 .

 4 Fig. 4.7 Potenţiometre Vishay Spectrol (http://www.vishay.com)

  Fig. 4.9 Schema amplificatorului de instrumentaţie

Fig. 4 1

 41 Fig. 4.10 Sistem mecatronic dezvoltat

Fig. 4 .

 4 Fig. 4.11 Diagrama Bloc a driverului L298N (http://www.st.com)

Fig. 4 .

 4 Fig. 4.13 Microcontroller utilizat (Micro Maestro, (http://www.pololu.com/): a. forma integrată; b. configurare pini

Fig. 4 .

 4 Fig. 4.14 Panoul de comandă

Fig. 5 . 1

 51 Fig. 5.1 Mecanism serial cu 3 grade de mobilitate

  elementele cinematice ale piciorului au secţiunea constantă pe toată lungimea lor, vectorii de poziţie ai centrelor de masă vor fi:

  de-a treia cuplă cinematică, tot de rotaţie ( 3 = i

2 α

 2 Fig. 5.2 Mecanismul corespunzător structurii de tip orteză: a. poziţia iniţială; b. poziţia în timpul funcţionării

  dezvoltat în mediul de lucru Matlab (Anexa A), s-a determinat variaţia unghiurilor α 2 şi α 3 , realizându-se şi o comparaţie a rezultatelor obţinute experimental cu cele obţinute analitic (Fig. 5.3).

Fig 3

 3 Fig. 5.3 Variaţia unghiurilor α 2 şi α 3

1 .

 1 Descrierea echipamentului de testareTribometrul universal UMT-2 (Universal Material Tester) produs de CETR (Center for Tribology), SUA (http://www.cetr.com/) este un dispozitiv modern de testare a proceselor tribologice apărute la suprafaţa unor materiale. Instrumentul prezentat în Fig.6.1 este compact şi poate realiza măsurători precise la scară micro sau macro ale forţei şi coeficientului de frecare, ale uzurii (adezivă şi abrazivă) şi a adâncimii de uzare, rezistenţa la zgâriere, micro şi nanodeformaţii, microduritatea, lubrifierea, etc.Echipamentul utilizează un pachet software specific care, prin comunicarea cu un calculator standard prin interfaţă USB, facilitează înregistrarea datelor, analiza şi vizualizarea acestora sub formă de grafice.

Fig. 6 . 1

 61 Fig. 6.1 Micotribometrul UMT-2 (http://www.cetr.com/)

Fig. 6 . 2 .

 62 Fig. 6.2. Senzorii au fost montaţi pe o suprafaţă plană, rigidă, ataşată suportului microtribometrului.

Fig. 6 . 2

 62 Fig. 6.2 Dispozitiv utilizat în testări experimentale pentru determinarea forţei normale

Fig. 6 . 3

 63 Fig. 6.3 Divizor de tensiune

Fig. 6 . 4

 64 Fig.6.4 Variaţia tensiunii înregistrate de senzori la aplicarea cu ajutorul microtribometrului a unor forţe în gama: crescător

Fig. 6

 6 Fig. 6.5 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul aferent călcâiului

Fig. 6

 6 Fig. 6.9 Poziţionarea senzorilor în raport cu forma piciorului uman

Fig. 6 .

 6 Fig. 6.11 Legea de variaţie a forţei/tensiune pentru senzorul poziţionat în faţă

Fig. 6 .

 6

Fig. 6 .

 6 Fig. 6.16 Dispozitiv utilizat în testări experimentale pentru determinarea forţei tangenţiale

Fig. 7 . 1

 71 Fig. 7.1 Recuperare medicală de tip buclă închisă

Fig. 7 . 2

 72 Fig. 7.2 Poziţionarea subiectului sănătos în raport cu sistemul biomecatronic, în vederea realizării testelor experimentale

Fig. 7 . 3

 73 Fig. 7.3 Referinţă unghi genunchi subiect sănătos

Fig. 7 . 4

 74 Fig. 7.4 Referinţă forţă tangenţială călcâi subiect sănătos

Fig. 7

 7 Fig. 7.6 Referinţă forţă normală călcâi subiect sănătos

Fig 7 .

 7 Fig 7.10 Progresul recuperativ privind mobilitatea articulară la începutul şi sfârşitul terapiei cu sistemul

Fig 7 .

 7 Fig 7.13 Forţa normală dezvoltată în vârf

  Fig. B.1 Forţa tangenţială în zona călcâiului în prima şedinţă de recuperare

  7.6 Referinţă forţă normală călcâi subiect sănătos .................................................... Figura 7.7 Referinţă forţă normală faţă subiect sănătos ....................................................... Referinţă forţă normală dreapta subiect sănătos ................................................. Figura 7.9 Referinţă forţă normală stânga subiect sănătos ................................................... Progresul recuperativ privind mobilitatea articulară la începutul şi sfârşitul terapiei cu sistemul .................................................................................................. Figura 7.11 Monitorizarea progresului recuperativ al pacientului la începutul şi sfârşitul terapiei cu sistemul mecatronic, pe baza forţei tangenţiale dezvoltate .................... Figura 7.12 Forţa tangenţială în călcâi a pacientului supus recuperării vs. subiect sănătos ................................................................................................................................... Figura 7.13 Forţa normală dezvoltată în vârf ....................................................................... Figura 7.14 Forţa normală dezvoltată în călcâi ....................................................................

	Figura 7.8 Figura 7.10

Figura B.1 Forţa tangenţială în zona călcâiului în prima şedinţă de recuperare .................. Figura B.2 Forţa tangenţială în zona din faţă în prima şedinţă de recuperare ...................... Figura B.3 Forţa normală înregistrată pe senzorul din călcâi în prima şedinţă de recuperare ..............................................................................................................................

  La momentul actual, impactul major pe care îl au sistemele mecatronice de recuperare medicală este fundamentat pe baza cercetărilor desfaşurate la nivel naţional şi internaţional. Pe plan naţional există preocupări în acest domeniu, la universităţile de prestigiu din ţară. Pe

plan internaţional, există asociaţii sau jurnale ce au un aport considerabil în sprijinirea, încurajarea, publicarea cercetărilor şi a rezultatelor obţinute. Dintre acestea se pot preciza: Rehabilitation Institute Research Corporation, Australian Rehabilitation and Assistive Technology Association, Journal of Rehabilitation Research and Development; Orthotics and Prosthetics in Rehabilitation; IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, Journal of Biomedical Engineering, Journal of Biomechanics, etc.

  Tabelul 1.2 Caracteristici comparative ale metodelor clasice (fizioterapeut)/ sisteme moderne de recuperare medicală Deasemenea, aceştia apreciază intenţia inginerilor de a crea sisteme mecatronice moderne cu aplicabilitate în domeniul lor de interes, mai ales că, în momentul actual, clinicile şi spitalele se confruntă cu o "criză" a dispozitivelor speciale de recuperare medicală, iar numărul pacienţilor ce necesită astfel de manevre creşte considerabil.

	sistem.
		Fizioterapeut		Sisteme mecatronice
	Mişcare pasivă	Da	Observaţii	Da	Observaţii
	Monitorizare mişcare activă	Da	Tehnică auxiliară EMG	Tehnică EMG inclusă în sistem
	Apreciere amplitudine de mişcare	Da	Auxiliar prin goniometru utilizarea unui	Afişare automată
		Fizioterapeut		Sisteme mecatronice
	Forţa aplicată	Imprecisă	Forţa aplicată de fizioterapeut	Foarte precisă şi controlabilă
	Exerciţii programabile şi repetitive	Da	Generează oboseala fizioterapeutului
	Număr de pacienţi recuperaţi zilnic	Redus	Se impune un fizioterapeut pentru un singur pacient	Mare	Terapia se desfaşoară mult mai repede.
	Siguranţa pacientului	Asigurată		Asigurată
	Comunicarea cu pacientul	Excelentă		Da	Protocoale speciale
	Monitorizare semne vitale:			Da-Senzori speciali
	puls, temperatură, tensiune	Da	Auxiliar	implementaţi pe
	arterială			sistem
	Confort pacient	Uneori stresant	Generat de mediul din clinică	Relaxant-recuperarea poate fi făcută şi de acasă
	Posibilităţi de reglare a
	vitezei, amplitudinea de	Minime
	mişcare,forţei
	Obligativitatea deplasării la clinică pentru realizarea recuperării	Da		Nu, poate fi facută şi de acasă
		Întotdeauna		Le poate învaţa singur
		aplicate şi repetate		şi aplica apoi,
	Tipuri de exerciţii	de fizioterapeut,		nemaifiind necesară
		pentru fiecare		prezenţa
		pacient în parte		fizioterapeutului
				Imediată, în timp real,
	Monitorizarea performanţelor pacientului	Redusă		afişează, înregistrează şi memorează poziţiile unghiulare,
				forţele dezvoltate, etc
	Evaluarea oboselii musculare	Comunicată de pacient		Afişată
		Fizioterapeut		Sisteme mecatronice
	Implicarea aparţinătorilor	Da-deplasarea
	pacientului în recuperarea	pacientului la		Nu
	medicală	clinică
		Uneori mare şi
	Timp de aşteptare privind începerea şi desfăşurarea şedinţelor de recuperare	depinde de programaţi pe zi / numărul de pacienţi		Mic
		fizioterapeut

2.1 Anatomia articulaţiei genunchiului 2.2 Biomecanica articulaţiei genunchiului 2.3 Patologia articulaţiei genunchiului 2.4 Aspecte de analiză mecanică a articulaţiei genunchiului 2.1 Anatomia articulaţiei genunchiului 2.1.1 Descrierea aparatului locomotor

	Aparatul locomotor este alcătuit atât din totalitatea structurilor osoase legate între ele prin
	articulaţii, cât şi din muşchi, înglobând trei sisteme principale: sistemul osos, sistemul
	articular şi sistemul muscular.

Tip de mişcare: Extensie, Flexie, Rotaţie internă şi externă Amplitidine de mişcare (º) Observaţii

			Deoarece în starea de
	Extensia activă	Nu există grad de extensie	referinţă, extensia este
			maximă.
	Extensia pasivă	5-10º	De la poziţia de referinţă.
	Flexia activă	140º 120º	Dacă şoldul este flectat. Dacă şoldul este extins.
	Flexia pasivă	160º	Permite călcâiului să atingă fesele.
	Rotaţie activă Rotaţie pasivă	15-20 o 35-40 o

2.3 Patologia articulaţiei genunchiul 2.3.1 Leziuni ale articulației genunchiului În

  acest paragraf se vor aminti doar câteva elemente de patologie a articulaţiei genunchiului.

L 4 Contribuţii privind conceperea şi dezvoltarea sistemului mecatronic hibrid destinat recuperării medicale a articulaţiei genunchiului 4.1 Motivația constructivă 4.2 Arhitectura generală a sistemului mecatronic dezvoltat 4.3 Conceperea sistemului mecatronic hibrid 4.4 Dezvoltarea fizică a sistemului mecatronic prin integrare constructivă 4.5 Comanda şi controlul sistemului mecatronic 4.6 Concluzii

  În acest fel se stabileşte o "comunicare" directă şi o interfaţă "prietenoasă" între sistem şi pacient, ce îi permite acestuia să îşi monitorizeze şi evalueze progresul terapiei.După cum se poate observa din literatura existentă, un sistem care asigură doar un anumit tip de mişcare, nu este suficient de eficient pentru obţinerea unei recuperări totale. Cel mai complet şi eficient rămâne sistemul mecatronic hibrid, deşi prezintă şi acesta unele deficienţe ce trebuiesc perfecţionate. Deşi literatura actuală remarcă o multitudine de sisteme utilizate în recuperarea

medicală, se poate spune că, momentan încă nu există un sistem care să satisfacă în totalitate nevoia de recuperare a pacientului şi care să nu se confrunte cu toate problemele tehnice menţionate anterior.

În consecinţă, conceperea, dezvoltarea şi implementarea unui prototip original de sistem biomecatronic flexibil şi adaptabil la nevoile pacientului este justificată şi va face obiectul de studiu al acestei lucrări. Acesta va fi destinat recuperării unei game diversificate de patologii ale membrului inferior (în special pentru articulaţia genunchiului).

C A P I T O L U

Pregătirea pacienţilor pentru terapia cu sistemul mecatronic 7.2 Teste realizate pe subiect sănătos 7.3 Terapii de recuperare aplicate pacienţilor 7.4 Concluzii 7.1 Pregătirea pacienţilor pentru terapia cu sistemul mecatronic

	C A P I T O L U L 7
	Rezultate experimentale
	7.1 După tratarea afecţiunilor din punct de vedere medical (chirurgical sau nechirurgical),
	pacientului i se explică importanţa şedinţelor de recuperare pentru redobândirea capacităţilor
	funcţionale anterioare accidentării. Astfel, înainte de începerea oricărei manevre de recuperare,
	se stabileşte o întrevedere între pacient -medic-fizioterapeut, cu scopul de a elabora paşii
	necesari realizării terapiei fizice.
	În prealabil, medicul îi conturează fizioterapeutului punctele forte pe care trebuie să le
	urmărească pe parcursul recuperării medicale şi recomandă prudenţă, mai ales dacă pacientul
	a mai avut antecedente medicale anterioare (tratate sau parţial tratate) în zona articulaţiei
	genunchiului.Plecând de la această discuţie dintre pacient -medic-fizioterapeut se elaborează
	o recuperare medicală de tip buclă închisă, ca în Fig. 7.1.

  1.

	Tabel 7.1 Caracteristici generale privind subiectul sănătos supus testului
	Sex	F
	Vârsta	28 ani
	Înălţime	170 cm
	Greutate corporală	58 kg
	Antecedente medicale anterioare	Nu
	Profesie	Inginer

  2.

	Tabel 7.2 Caracteristici generale privind pacientul supus şedintei de recuperare medicală
	Sex	M
	Vârsta	43 ani
	Înălţime	183 cm
	Greutate corporală	85 kg
	Antecedente medicale anterioare	Nu
	Profesie	Constructor
	Mecanismul de producere a
	accidentului

  Toate titlurile acestor lucrări sunt prezentate în lista bibliografică. Rezultatele obţinute au fost diseminate în cadrul unor conferinţe sau workshop-uri internaţionale: Rotrib'10 , 11-th International Conference on Tribology, Iaşi, 2010; The 10-th International Conference on Mechatronics and Precision Engineering (COMEFIM 10), Bucureşti, 2011; ACME 2012 , The 5th International Conference on Advanced Concepts on Mechanical Engineering", organizată de Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" din Iaşi, Facultatea de Mecanică, în perioada 14-15 Iunie, 2012.

Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0118/these.pdf © [A.M. Amancea], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés

A N E X