Новая реабилитация плеча: гибридный роботизированный экзоскелет, повторяющий естественную траекторию движения
Плечо — одновременно инженерное чудо и уязвимость: шаровидный сустав с огромной амплитудой движений, поддерживаемый подвижным «поясом» из ключицы, лопатки и мышц, которые смещают суставную впадину при каждом тянущемся движении или подъёме. Когда возникает травма, инсульт или «замороженное плечо», эта сложная подвижность превращается в боль и скованность. Большинство роботизированных реабилитационных устройств работают только с тремя вращательными степенями свободы плечелопаточного (гленогумерального, GH) сустава и игнорируют поступательные смещения плечевого пояса. Итог — рассогласование, дискомфорт и менее эффективное восстановление.
В Центре передового опыта по медицинской робототехнике и реабилитации (CEMRR) Назарбаев Университета инженеры создали прототип, который решает обе задачи: плечевой экзоскелет HYBRID-2. Он объединяет четырёхзвенный механизм, точно воспроизводящий движения плечевого пояса, и кабельный параллельный механизм (CDPM) для плавного вращения GH-сустава, обеспечивая пять анатомически согласованных степеней свободы в компактной, регулируемой конструкции.
Два механизма — одна согласованная система
Конструкция опирается на предыдущие разработки (HYBRID-1 и системы, вдохновлённые CAREX), но включает ключевые улучшения для лучшего выравнивания и комфорта.
Четырёхзвенный механизм (конфигурация RRRR) для плечевого пояса
Кривошипно-коромысловый четырёхзвенный механизм имитирует движение ключицы и лопатки, обеспечивая две активные степени свободы: подъём/опускание и протракцию/ретракцию (выдвижение/сведение плечевого пояса).
Звенья удовлетворяют критерию Грашофа (AB + AD ≤ BC + CD), что позволяет кривошипу совершать полный оборот без заклинивания.
Измеренные длины: AB (кривошип) = 70,29 мм; AD (основание) = 120 мм; BC = 103,19 мм; CD = 99,7 мм.
Кинематические уравнения в MATLAB и симуляции в SOLIDWORKS подтвердили соответствие углов размаха человеческим нормам с отклонением <2°.
Этот механизм удерживает «виртуальный» центр GH-сустава экзоскелета близко к реальному центру при движении плечевого пояса, предотвращая болезненные сдвиговые нагрузки, характерные для жёстких рамных устройств.
Кабельный параллельный механизм (CDPM) для вращения GH-сустава
Четыре кабеля подвешивают манжету на плече/плечевая часть и управляют тремя вращательными степенями свободы: сгибание/разгибание, отведение/приведение, внутренняя/наружная ротация.
Длины кабелей вычисляются для каждой позы с использованием матриц вращения/положения с учётом биомеханических ограничений.
Расхождение между расчётами в MATLAB и проверкой в CAD держится в пределах 1–2 мм.
Кабели заменяют жёсткие тяги, расширяя рабочее пространство, снижая массу на руке и уменьшая риск сингулярностей. Новая система предварительного натяжения — восемь стержней с пружинными роликовыми держателями — поддерживает постоянное положительное натяжение и предотвращает провисание или сход кабеля даже под нагрузкой.
От уменьшенной модели к функциональному прототипу
Разработка началась с масштабной модели в SOLIDWORKS: манжеты для плеча/лопатки, звенья, оси и элементы натяжения — всё пригодно для 3D-печати. Универсальные и вращательные шарниры оптимизировали для плавности, а предварительное натяжение кабелей заложили на раннем этапе.
Полномасштабный прототип HYBRID-2 развивает эти решения:
базовая опора удерживает приводы позади пользователя (уменьшая нагрузку на руку);
подсистема плечевого пояса заменяет прежний инвертированный ползунно-кривошипный механизм на кривошипно-коромысловый четырёхзвенник;
дополнительная опора основания повышает устойчивость;
регулируемые точки крепления манжет подходят под разные размеры руки и будущую установку датчиков;
преднатяжение — пружины с низкофрикционными роликами (первые держатели напечатаны на 3D-принтере, планируется переход на металл);
приводы остаются «на земле» — к руке приходят только лёгкие кабели и манжеты.
Экспериментальные результаты: реальные пользователи, реальная работа
Для проверки HYBRID-2 12 студентов Назарбаев Университета (разного пола, роста, длины рук и ширины туловища) выполнили пять задач по одной степени свободы. Три задачи (yaw, roll, pitch) реализовывались кабелями CDPM, ещё две (pitch и roll плечевого пояса) — поворотными приводами четырёхзвенника.
Участники сидели ровно в регулируемом кресле; высоту плечевой манжеты и мягкие элементы подбирали под комфорт и соосность. Каждая задача включала три синусоидальных траектории; фиксировались средняя максимальная ошибка положения двигателя (δ%) и ток привода (А).
Ключевые наблюдения:
В задачах CDPM наибольший ток требовался для roll: подъём против силы тяжести энергозатратнее, чем горизонтальные вращения; yaw и pitch были экономичнее.
В задачах четырёхзвенника более высокие передаточные числа в поворотных приводах снижали потребляемый ток по сравнению с линейными кабельными тяговыми режимами — за счёт механического выигрыша.
Влияние антропометрии: у более высоких участников наблюдались большие ошибки (~5%) и более высокие токи/моменты из-за больших плеч моментов; меньшая ширина туловища и диаметр руки коррелировали с меньшим энергопотреблением даже у высоких испытуемых.
Общая точность: ошибки 2–5%, чаще <3% — приемлемо для реабилитации, где важнее плавность и безопасность, чем субмиллиметровая точность. Токи оставались в пределах допустимых значений — риск перегрузки не выявлен.
Эти результаты показывают чувствительность HYBRID-2 к геометрии тела (рост, ширина плеч, диаметр руки) и закрывают важный пробел: в предыдущих кабельных системах плечевой реабилитации редко количественно оценивали влияние индивидуальных различий на электрические и механические характеристики.
Почему соосность критична — и как это решает HYBRID-2
В обычных плечевых роботах центр GH часто фиксирован, тогда как реальное плечо смещается на 10–20 мм при движениях плечевого пояса. Несоосность приводит к боли, ограничению амплитуды и ухудшению моторного переобучения. HYBRID-2 решает проблему, связывая отслеживание плечевого пояса (четырёхзвенник) и приведение в движение GH-сустава (CDPM), сохраняя синхронность центров суставов.
Ранняя валидация показывает:
кинематическая ошибка <2° (четырёхзвенник) и <2 мм (CDPM);
рабочее пространство больше, чем у жёстких рычажных конструкций;
регулируемость под разные размеры тела.
На фоне существующих кабельных и последовательных плечевых экзоскелетов (часто ограниченных 3 DOF без компенсации плечевого пояса) HYBRID-2 выделяется анатомической точностью.
Следующие шаги: управление, натяжение и клинические испытания
Работа продолжается по направлениям:
интегрированное управление четырьмя кабелями CDPM с энкодерной обратной связью;
импеданс-контроллер с датчиками силы/момента;
оптимизация натяжения для поддержания положительных усилий в кабелях;
модернизация кабелей для снижения трения и растяжения;
стратегии «положение + момент» для безопасной, податливой помощи.
Прототип уже доказал жизнеспособность гибридной концепции: он лёгкий на руке, точный по траекториям и адаптируемый под пользователя. Если дальнейшие испытания подтвердят безопасность и эффективность, HYBRID-2 сможет предложить пациентам после инсульта, при повреждениях ротаторной манжеты и при «замороженном плече» более естественный путь восстановления — робот, который движется вместе с плечом, а не против него.
В роботизированной реабилитации точность — не только техническая, но и человеческая. Когда машина «понимает» танец плеча, пациент снова может тянуться без страха.
https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=11036249 https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/15397734.2025.2468730