Оптимизация коленного сустава для медицинских экзоскелетов: Повышение биомеханической эффективности при реабилитации походки

Аннотация

Нарушения функций нижних конечностей, вызванные неврологическими или опорно-двигательными заболеваниями, часто приводят к ограничению подвижности и нарушению походки. Медицинские экзоскелеты все чаще применяются в реабилитации для поддержки пациентов во время восстановления походки, снижения нагрузки на физиотерапевтов и повышения эффективности терапии. Однако традиционные механизмы коленного сустава с одной осью вращения не способны точно воспроизводить сложную биомеханику человеческого колена, что вызывает к смещению суставов и дискомфорт у пациента во время занятий. Целью данного исследования является разработка и оптимизация биоинспирированного механизма коленного сустава для медицинского экзоскелета с целью повышения биомеханической эффективности, улучшения соответствия траектории естественного движения и обеспечения безопасности и комфорта пациента во время реабилитации. Предложенная конструкция основана на данных магнитно-резонансной томографии  коленного сустава здорового взрослого человека. Были разработаны две механические конфигурации: механизм с некруглой зубчатой передачей и механизм с подшипниками, перемещающимися по изогнутой поверхности. С помощью CAD-моделирования проведены симуляции для оценки кинематики сустава, распределения крутящего момента и механической устойчивости при реалистичных условиях шага. Профиль кривизны латерального мыщелка бедренной кости использовался для воспроизведения естественной траектории сгибания и разгибания колена. Результаты моделирования показали, что предложенный биоинспирированный механизм коленного сустава обеспечивает более плавное движение и равномерное распределение крутящего момента по сравнению с традиционной конструкцией с одной степенью свободы. Конфигурация уменьшает боковое смещение, снижает паразитные силы в местах контакта экзоскелета с конечностью и повышает механическую устойчивость на протяжении всего цикла шага. Проведенное исследование подтверждает, что использование биоинспирированного механизма коленного сустава может значительно повысить эффективность реабилитации походки. Полученные результаты служат основой для разработки нового поколения экзоскелетов, отличающихся биомеханической точностью, энергоэффективностью и безопасностью при клиническом применении.