Устройство биомеханического тренажера

Система биомеханических тренажеров обеспечивает пассивные движения в суставах при консервативных методах лечения посттравматических контрактур крупных суставов (локтевого, голеностопного, коленного и тазобедренного). Каждый тренажер снабжен рычажным каркасом, переносной цифровой системой управления, позволяющей осуществлять регулирование скорости и режимов движения тренажера в широком диапазоне скоростей при различных режимах движения, герметичным электромеханическим приводом, обеспечивающим плавные движения в суставах, и переносным источником питания [4].

Герметичный мехатронный модуль осуществляет движение тренажера от переносной системы управления. Особенностью модульной конструкции является совмещение вентильного двигателя постоянного тока и встраиваемого планетарного зубчато-винтового механизма (ПЗВМ).

Планетарные механизмы включают в себя многоступенчатые планетарные редукторы типа 3К, элементы редукторов выполняются винтовыми. Особенностью предлагаемого планетарного редуктора является использование винтовых зубчатых колес с большими углами подъема (до 86º). Такое исполнение позволяет достичь ряда преимуществ по сравнению прямозубыми планетарными редукторами: подбором углов наклона звеньев можно увеличить плавность работы передачи; понизить шумность и виброактивность; увеличить нагрузочную способность передачи в осевом направлении. Для всех модификаций разработаны необходимые расчетные зависимости и подготовлены материалы для их патентования [5–9]. Разработанные планетарные редукторы отличаются от многоступенчатых передач бóльшими передаточными числами (в редукторе типа 3К передаточное отношение u = 300…500 обеспечивается в одной ступени); высокой нагрузочной способностью благодаря внутреннему сопряжению зубьев; меньшей массой (примерно в 2…4 раза) и габаритами; высоким КПД (0,8…0,97).

Выходное звено привода БМТ должно совершать вращательное движение со следующими параметрами: амплитуда сгибания – 130⁰; время сгибания – 0,5…2,0 с; масса нагрузки на плече 300 мм – 1,5 кг для детского исполнения и 2,5 кг – для взрослого. Ниже приведены результаты расчета допустимых передаточных отношений модулей БМТ, исходя из анализа предельных динамических возможностей [10, 11]:

1) детский аппарат (максимальная нагрузка – 10 Н∙м) на базе трехфазного двигателя ДБМ 40-0,025-4-3 (пусковой момент – 0,093 Н∙м; частота холостого хода – 4400 об/мин; мощность – 10,7 Вт при напряжении 12 В, масса двигателя – 120 г, наружный диаметр – 40 мм);

2) аппарат взрослого человека (максимальная нагрузка – 20 Н∙м) на базе модифицированного трехфазного двигателя ДБМ 50 (пусковой момент – 0,3 Н∙м; частота холостого хода – 1500 об/мин; мощность – 11,78 Вт при напряжении 12 В; масса двигателя – 180 г, наружный диаметр – 50 мм).

Характеристики вариантов приводов БМТ

Расчеты приведены для случая управления вращением нагрузки с постоянной скоростью. Этот режим не является самым экономичным; при более оптимальном управлении можно снизить мощность нагрузки на 20%.

Анализ вариантов показал, что они незначительно отличаются по массе и габаритам. Поэтому целесообразно использовать один привод для обоих исполнений, причем в детском исполнении привод будет работать с 40%-ным запасом.

По результатам расчетов определено схемное решение исполнительного механизма. Передаточное отношение планетарного редуктора находится по формуле , где – число заходов k –го звена. Получаем при , , , , .

Основные технические характеристики унифицированного привода биомеханического тренажера: амплитуда движения – 0…130 град; скорость движения – 5…60 град/с; нагрузка – 100 Н; мощность – 15 Вт; габариты – Ø58×35 мм; масса – 250 г; напряжение, – 12 В; ток потребления – не более 2 А; ресурс – не менее 20 тыс. ч.