Ionescu

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN

Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013

Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5 „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării”

Titlul proiectului: „Investiţie în dezvoltare durabilă prin burse doctorale (INED)”

Numărul de identificare al contractului: POSDRU/88/1.5/S/59321

Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov

Universitatea Transilvania din Braşov

Şcoala Doctorala Interdisciplinara

Centrul de cercetare: Sisteme electrice avansate

Ing. Mircea IONESCU

Studii privind acţionările

hidropneumatice în ingineria medicală

Studies on hydro-pneumatic actuators

in medical engineering

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Ileana-Constanţa ROŞCA

BRASOV, 2012

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETARII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov

Nr. 5318 din 26.07.2012

PREŞEDINTE: Prof.dr.ing. Olimpiu MUNTEANU


CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof.dr.ing. Ileana-Constanţa ROŞCA


REFERENŢI: Prof.dr.ing. Vistrian MĂTIEŞ

Universitatea Tehnică Cluj-Napoca

Prof.dr.ing. Mirela TAŞCĂU-TOTH

Universitatea Politehnica Timişoara

Prof.dr.ing. Luciana CRISTEA


Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat:

28.09.2012, ora 9,30, sala ICDT-L-11.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi

în timp util, pe adresa [email protected], [email protected] .

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat.

Vă mulţumim.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

1

CUPRINS Pg.

teza

Pg.

rezumat

Cap. 1. INTRODUCERE 9 3

Cap. 2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRII ÎN DOMENIUL ACŢIONĂRILOR

HIDROPNEUMATICE APLICATE ÎN INGINERIA MEDICALĂ

14 5

2.1. Fundamente ale acţionarilor hidropneumatice 14 5

2.1.1. Componente hidropneumatice 16 7

2.1.2. Circuite pneumatice 31 14

2.2. Aplicaţii ale sistemelor hidropneumatice in ingineria medicală 33 15

2.3. Aparate de recuperare locomotorie și tratament 36 16

2.3.1. Proteze 36 16

2.3.2. Orteze 47 19

Cap. 3. OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT 51 20

Cap. 4. BAZELE BIOMECANICE ALE CERCETĂRII 53 21

4.1. Noţiuni generale 53 21

4.2. Noţiuni privind aparatul locomotor 54 21

4.2.1. Sistemul osos 54 21

4.2.2. Sistemul articular 56 22

4.2.3. Sistemul muscular 60 23

4.3. Noţiuni de anatomia și fiziologia mâinii 64 24

4.3.1. Schelet 64 24

4.3.2. Musculatura membrului superior 67 25

4.3.3. Sinteza acţiunilor muşchilor centurii scapulare şi ai braţului 68 25

4.3.4. Forţa musculară 71 27

4.5. Cinematica mâinii 76 27

4.6. Dinamica mâinii 78 28

4.6.1. Forţele de acţiune şi de reacţiune 79 28

4.6.2. Evaluarea prehensiunii 81 28

4.7. Modelarea mâinii 83 29

4.7.1. Introducere 83 29

4.7.2. Modele ergonomice ale mâinii 84 30

4.7.3. Model biomecanic al mâinii 85 30

4.7.4. Modelarea cinematică a membrului superior 86 30

4.7.5. Acţiunea musculară şi a tendoanelor 95 31

4.7.6. Ligamente 99 32

4.7.7. Pielea si contactul cu obiecte 100 32

4.9. Tehnici de kinetoterapie a mâinii 105 32

4.9.2. Tehnici specifice mâinii 108 33

Cap. 5. CONCEPŢIA ȘI REALIZAREA UNUI SISTEM DE ANTRENAMENT KINETO-

TERAPEUTIC AL MÂINII

109 34

5.1. Introducere 109 34

5.2. Stabilirea mişcărilor 110 34

5.3. Proiectarea echipamentului 110 34

5.3.1. Stabilirea intervalelor 111 35

5.3.2. Schema cinematică 136 38

5.3.3. Materiale 157 43

5.4. Proiectarea și montarea mecanismului mâinii 161 45

5.5. Prototiparea rapidă a mecanismului 169 48

Cap. 6. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE. DISEMINAREA

REZULTATELOR. DIRECTII VIITOARE DE CERCETARE.

173 49

BIBLIOGRAFIE 176 51

Anexa 1. Măsurări antropometrice și ale fortelor din mână și degete 189

Anexa 2. Determinarea principalilor parametri statistici pentru clase de talie 242

Anexa 3. Valorile parametrilor statistici pentru forţele dezvoltate în degete și mână 249

Anexa 4. Valorile parametrilor statistici pentru unghiurile dezvoltate în degete și mână 254

Scurt Rezumat (romana/engleza) 53

CV 54

Mircea Ionescu Studii privind acţionările hidropneumatice în ingineria medicală Rezumat

2

SUMMARY Pg.

teza

Pg.

rezumat

Cap. 1. INTRODUCTION 9 3

Cap. 2. CURRENT STATE OF RESEARCH IN HIDROPNEUMATIC GUIDANCE

APPLIED IN MEDICAL ENGINEERING

14 5

2.1. Fundamentals of hydro-pneumatic driving 14 5

2.1.1. Hydro-pneumatic components 16 7

2.1.2. Pneumatic circuits 31 14

2.2. Hydro-pneumatic systems applications in medical engineering 33 15

2.3. Locomotors recovery and treatment equipment 36 16

2.3.1. Prosthesis 36 16

2.3.2. Orthesis 47 19

Cap. 3. THESIS OBJECTIVES 51 20

Cap. 4. RESEARCH BIOMECHANICS BASES 53 21

4.1. General notions 53 21

4.2. Getting on musculoskeletal 54 21

4.2.1. Skeletal system 54 21

4.2.2. Joint system 56 22

4.2.3. Muscular system 60 23

4.3. Getting on anatomy and physiology of the hand 64 24

4.3.1. Skeleton 64 24

4.3.2. Upper limb muscles 67 25

4.3.3. Actions of the muscles of the arm and scapula 68 25

4.3.4. Muscular force 71 27

4.5. Kinematics of the hand 76 27

4.6. Dynamics of the hand 78 28

4.6.1. Action and reaction forces 79 28

4.6.2. Grip evaluation 81 28

4.7. Hand modeling 83 29

4.7.1. Introduction 83 29

4.7.2. Ergonomic models of the hand 84 30

4.7.3. Biomechanics model biomecanic of the hand 85 30

4.7.4. Kinematic modeling of upper limb 86 30

4.7.5. The action of tendons and muscles 95 31

4.7.6. Tendons 99 32

4.7.7. Skin and contact with objects 100 32

4.9. Physical therapy techniques for the hand 105 32

4.9.2. Specific techniques for the hand 108 33

Cap. 5. DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A TRAINING SYSTEM FOR HAND 109 34

5.1. Introduction 109 34

5.2. Movements 110 34

5.3. Equipment design 110 34

5.3.1. Ranges setting 111 35

5.3.2. Cinematic structure 136 38

5.3.3. Materials 157 43

5.4. Design and mounting of the hand mechanism 161 45

5.5. Rapid prototyping of mechanism 169 48

Cap. 6. FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS. DISSEMINATION OF

RESULTS. FURTHER RESEARCHES

173 49

REFERENCES 176 51

Annex 1. Anthropometric measures for hand and fingers 189

Annex 2. Mean statistical parameters for high classes of subjects 242

Annex 3. Mean statistical parameters for forces developed in fingers and hand 249

Annex 4. Mean statistical parameters for angles developed in fingers and hand 254

Short summary (Romanian/English) 53

CV 54

3

Capitolul 1

INTRODUCERE

Proporţia persoanelor atinse de deficienţe motoare este surprinzător de mare. Aceste

deficienţe rezultă din leziuni ale sistemului nervos central care sunt, în general, cauze

accidentale. Principala preocupare a subiecţilor atinşi de un handicap motor priveşte capacitatea

de recuperare a aptitudinilor motrice deficiente. Reeducarea permite, atunci când aceasta este

posibilă, recuperarea parţială şi uneori totală a acestor aptitudini. În acest sens, exerciţiile de

reeducare acoperă un spectru larg de funcţiuni ca, întărirea muşchilor, recuperarea amplitudinilor

articulare sau reprogramarea neuro-senzorială. În ultimele decenii, cercetarea ştiinţifică efectuată

în domeniul ingineriei medicale şi a recuperării au condus la progrese importante. Realizarea

unor astfel de dispozitive necesită, în afară de o anume expertiză medicală proprie formalizării

nevoii specifice, cunoştinţe variate de biomecanică, automatică, robotică…

Din punct de vedere al comenzii şi controlului sistemului, obiectivul este de a garanta o

funcţionare în securitate pentru utilizator în acelaşi timp cu realizarea mişcărilor conform

performanţelor dorite de corpul medical. Definirea structurii de comandă trebuie să asigure

stabilitatea sistemului reglat în timpul mişcărilor realizate, dar şi să ia în considerare

interacţiunea utilizator – sistem pentru generarea de traiectorii fiziologic coerente. În cele mai

diverse domenii industriale şi ştiinţifice sunt favorizate acţionările de tip hidropneumatic datorită

unor posibilităţi importante de simplitate, fiabilitate, adaptabilitate şi elasticitate în realizarea

comenzilor. Ele se dovedesc profitabile şi în domeniul ingineriei medicale – sisteme terapeutice,

de asistare, antrenament şi recuperare a unor abilităţi fizice deoarece ele permit controlul forţelor

şi momentelor dezvoltate, viteze de deplasare reglabile în domenii prestabilite, controlul

regulilor de securitate şi de igienă. De asemenea, ele permit utilizarea sinergică în sisteme cu

acţionări de alte tipuri ca cele mecanice şi, mai ales, electrice.

În acest spirit a fost ghidată cercetarea referitoare la analiza sistemelor hidropneumatice

utilizate în sistemele biomedicale şi, mai ales, în sistemele de reeducare a mişcărilor mâinii prin

recuperare kineto-terapeutică. Pornind de la aceste consideraţii, teza doctorală intitulată Studii

privind acţionările hidropneumatice în sistemele biomedicale îşi propune să realizeze cercetări

teoretice şi practice în domeniul vast al aparatelor şi dispozitivelor de recuperare şi antrenament

cu acţionare hidropneumatică.

Teza de doctorat cuprinde 188 pagini, 113 de figuri, 17 de tabele şi 103 de relaţii şi este

structurată pe şase capitole. De asemenea, teza mai cuprinde şi 4 anexe (45 de pagini),

corespunzătoare cercetărilor experimentale, rezumatelor şi CV-urilor.

Capitolul 1 intitulat Introducere prezintă o scurtă trecere în revistă a problemei asistării

persoanelor cu disabilităţi motorii, congenitale sau dobândite la nivelul diferitelor segmente

locomotoare de execuţie şi/sau a celor de comandă neuro-motorie. De asemenea, cuprinde un

rezumat, pe capitole, a ceea ce cuprinde teza de doctorat cu titlul Studii privind acţionările

hidropneumatice în sistemele biomedicale. Sunt introduse şi mulţumirile de rigoare adresate

persoanelor, instituţiilor şi programului (POSDRU/88/1.5/S/59321) realizat şi finanţat în

colaborare cu Uniunea Europeană.

Capitolul 2, intitulat Stadiul actual al cercetării în domeniul acţionărilor hidropneumatice

aplicate în ingineria medicală prezintă o sintetizare a fundamentelor acţionărilor

hidropneumatice, aplicaţii ale sistemelor hidropneumatice în ingineria medicală şi aparate de

recuperare locomotorie şi antrenament - sistemele de protezare externe şi interne, orteze.


4

Capitolul 3 este intitulat Obiectivele tezei de doctorat şi tratează obiectivele punctuale ale

tezei de doctorat. Aceste obiective sunt date de studiul teoretic al elementelor de reglare

comandă şi control hidropneumatice, a bazelor biomecanice ale aplicaţiei, de concepţia şi

construcţia sistemului de recuperare/reeducare a mâinii, de testarea sistemului şi validarea

funcţionării lui.

Capitolul 4 se numeşte Bazele biomecanice ale cercetării şi este dedicat studiului şi

analizei tuturor aspectelor necesare pentru înţelegerea structurii şi funcţionării membrului

superior şi a mâinii în ansamblul sistemului locomotor uman, astfel încât să constituie o bază

solidă de dezvoltare a unei concepţii noi. Capitolul se încheie cu analiza factorilor patologici ce

conduc la necesitatea recuperării şi reeducării precum şi a unor soluţii terapeutice actuale.

Capitolul 5 intitulat Proiectarea unui sistem de antrenament kineto-terapeutic al mâinii

este partea de rezistenţă a tezei şi tratează pe larg concepţia, construcţia şi realizarea sistemului

vizat: alegerea tipurilor de mişcări efectuate de mână în diversele posturi de prehensiune precum

şi amplitudinile acestora, forţele şi momentele necesare realizării mişcărilor stabilite, un studiu

experimental ergonomic consistent al claselor de dimensiuni ale mâinii în care se pot încadra

diverşi subiecţi testaţi (peste 200 de subiecţi investigaţi), tratamentul statistic în scopul alegerii

unor valori necesare pentru stabilirea datelor de intrare în concepţia sistemului de antrenament.

Având la bază aceste studii, este concepută schema cinematică a echipamentului şi, în

continuare, schema de comandă şi control – componentele electronică şi pneumatică. Capitolul

continuă cu descrierea materialelor utilizate, a tehnologiei de fabricaţie şi a tehnicii de montaj a

sistemului, realizat în întregime de către doctorand. În final este prezentat experimentul de

testare a prototipului, obţinerea datelor experimentale şi compararea lor cu valorile prescrise.

Capitolul 6 prezintă Concluzii finale. Contribuţii originale. Mod de valorificare. Direcţii

viitoare de cercetare.

Bibliografia de la sfârşitul tezei de doctorat conţine un număr important de lucrări.

Documentaţia bibliografică studiată a necesitat cunoştinţe dintr-un spectru larg, şi anume:

anatomie, medicină, matematică, statistică, inginerie mecanică, inginerie electrică şi ergonomie.

Se poate observa astfel complexitatea temei doctorale care cuprinde referinţe variate.

Studiile efectuate în perioada doctorală au avut scopul evident de a aduce un aport pozitiv

la dezvoltarea cunoştinţelor despre cercetarea ştiinţifică şi ceea ce presupune aceasta, prin studiul

şi evaluarea cunoştinţelor în diverse domenii complexe care s-au materializat prin această teză de

doctorat, prin publicarea a 3 lucrări ştiinţifice, cotate ISI şi BDI si a încă 2 lucrări ISI în curs

de publicare, dintre care la 3 autorul este prim sau unic autor și un curs .

O mare parte din cercetările aferente tezei au fost posibile datorită accesului asigurat în

cadrul Colectivului de cercetare Sisteme Mecatronice Avansate, coordonat de către Doamna

Prof.dr.ing. Luciana CRISTEA și datorită programului POSDRU/88/1.5/S/ 59321).

Mulţumesc în mod deosebit referenţilor care, cu răbdare şi îngăduinţă, au analizat prezenta

lucrare, conducătorului ştiinţific, Doamna Prof.dr.ing. Ileana ROŞCA, tuturor colegilor din

cadrul Colectivul de cercetare D04 şi din Catedra de Mecanică Fină şi Mecatronică, pentru

sprijinul acordat în diferitele etape de pregătire ale tezei de doctorat, pentru mediul propice unei

bune desfăşurări a cercetării ştiinţifice. Nu în ultimul rând, doresc să mulţumesc celor apropiaţi

care mi-au fost alături în această perioadă stimulativă şi dificilă şi tuturor celor care, în mod

direct sau indirect, m-au susţinut pe durata activităţii mele doctorale.

5

CAPITOLUL 2

STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRII ÎN DOMENIUL ACŢIONĂRILOR HIDROPNEUMATICE APLICATE ÎN

INGINERIA MEDICALĂ

2.1. FUNDAMENTE ALE ACŢIONĂRILOR HIDROPNEUMATICE

Acţionările pneumatice au fost cunoscute şi folosite de mult timp, în multe domenii ale

tehnicii. La sfârşitul secolului al XIX-lea s-au folosit des, la lucrările de construcţii şi la curăţirea

pieselor în turnătoriile de fonte şi oţeluri pentru ciocane şi perforatoare pneumatice. Acţionările

pneumatice s-au răspândit cu repeziciune în domenii foarte diferite de exemplu: la maşinile de

format în turnătorie, la unele maşini-unelte, la acţionarea macazurilor, semnalelor şi a barierelor

de cale ferată, la sistemele de frânare a trenurilor, tramvaielor şi la autovehicule, în industria

textilă etc. În toate aceste cazuri s-a folosit mişcarea de translaţie, însă ceva mai târziu au apărut

acţionările pneumatice cu mişcare de rotaţie care au fost utilizate la maşini manuale de înşurubat,

polizat, găurit şi multe alte domenii, în aeronautică în special acolo unde greutăţile mici ale

elementelor de execuţie şi turaţiile mari necesare nu au putut fi obţinute cu motoare electrice.

Acţionările hidropneumatice şi aplicaţiile lor practice constituie un domeniu vast,

interesant şi important în tehnologia de ultimă generaţie, de la punerea în mişcare a liniilor de

fabricaţie, la acţionarea cu precizie ridicată a roboţilor umanoizi bipezi şi chiar până la aparatura

medicală de ultimă generaţie. Sistemele de acţionare hidraulice utilizează ca mediu de lucru un

lichid sub presiune. Acest tip de acţionare s-a dezvoltat rapid, în special datorită necesităţii de a

comanda şi regla forţe şi momente mari şi foarte mari cu precizie ridicată. Totodată aceste

acţionări permit un control riguros al poziţiei şi vitezei sarcinii antrenate. Reglarea puterii

hidraulice transmise oferă avantaje unice, ce nu se regăsesc la alte tipuri de acţionări, de exemplu

pur electrice, mecanice sau de oricare altă natură. [BLE.M._2011]

Dispozitivele, mecanismele sau maşinile de lucru pot fi acţionate manual, mecanic,

electric, pneumatic, hidraulic etc., denumirea acţionării fiind dată de natura energiei folosite,

astfel că la acţionările hidropneumatice se utilizează energia fluidului comprimat. Energia

pneumatică poate fi de doua feluri: energie potenţială, care se acumulează pe seama creşterii

presiunii statice a masei de aer, astfel că acţionările care folosesc în acest fel energia se numesc

acţionări pneumo-statice, care sunt la ora actuală cele mai răspândite. Acest tip de acţionare se

realizează cu mijloace simple, mecanisme cu mişcări de translaţie si rotaţie cu posibilităţi mari

de reglaj, ceea ce face ca domeniile lor de utilizare să fie foarte variate. Un alt tip de energie este

energia cinetică care ia naştere în urma creşterii vitezei de scurgere a masei de aer, altfel spus, pe

seama presiunii dinamice, motiv pentru care acţionările ce folosesc acest tip de energie se

numesc acţionări pneumo-dinamice, care au dezavantajul că nu permit dozarea consumului de

energie în mod raţional si nu pot fi utilizate decât la crearea unor mecanisme cu mişcare de

rotaţie, cu turaţii foarte mari.

Acţionările pneumatice automate se referă la totalitatea elementelor pneumatice de

comandă, reglare şi control a presiunilor şi debitelor precum şi a elementelor de execuţie legate

între ele printr-o reţea de circuite. Aceste elemente formează unul sau mai multe lanţuri de

comandă şi acţionare care îndeplinesc funcţii bine precizate. O definiţie a elementului pneumatic


6

este aceea că, acesta reprezintă partea constructivă cea mai simplă a unui sistem pneumatic în

care se realizează transformarea sau controlul unei anumite mărimi. Definite pe scurt, despre

toate aceste elemente pneumatice se poate spune că: elementul de comandă reprezintă

componenta de prelucrare a informaţiei, elementul de execuţie este componenta care realizează

transformarea energiei pneumatice în energie mecanică, iar elementele de reglare şi control

reprezintă acele componente care, variind debitele sau presiunile, realizează acordul cu

parametrii mecanici necesari funcţionării sistemului şi anume: viteze, acceleraţii, forţe sau

momente. [ALE.N._1985]

Pornind de la caracteristicile de bază ale acţionărilor hidropneumatice-debitul şi presiunea,

realizarea corectă şi eficientă a sistemelor pneumatice de automatizare presupune atât cunoaş-

terea elementelor componente cât şi a posibilităţilor acestora de cuplare şi interacţiune.

Principalele avantaje pe care le oferă acţionările pneumatice în comparaţie cu celelalte

tipuri de acţionări constă în faptul că acestea au o greutate care, în general, este mult mai redusă

decât întâlnim la alte tipuri de acţionări, suportă supraîncărcări fără pericol de avarii, întreţinerea

acestora este mai ieftină şi referitor la mediul de lucru, acţionarea pneumatică poate fi utilizată

acolo unde există pericolul de explozie datorat vaporilor de substanţe volatile inflamabile. Un alt

avantaj de luat în seamă, comparativ cu acţionarea hidraulică, este acela că nu influenţează

mediul în care lucrează şi nu necesită echipamente speciale de lucru, ca şi în cazul acţionărilor

electrice. Dacă până aici am enumerat numai avantaje, este de notat faptul că acţionările

pneumatice prezintă şi unele dezavantaje, cum ar fi: destinderea bruscă a aerului comprimat este

însoţită de scăderea temperaturii cea ce provoacă separarea şi depunerea apei în interiorul

componentelor pneumatice, fapt ce conduce la degradarea acestora. Un alt dezavantaj

considerabil este că, la transportul aerului sub presiune pe distanţe lungi, cu numeroase variaţii

de secţiune şi cu schimbări de direcţie, se acumulează pierderi de presiune care reduc

randamentul total al instalaţiei. Cel mai mare dezavantaj pe care îl întâlnim la acest tip de

acţionare este imposibilitatea opririi precise în poziţii intermediare, datorită compresibilităţii

aerului. [ALE.N._1985]

În urma analizelor tehnico-economice se evidenţiază faptul că utilizarea raţională a

energiei pneumatice, în condiţiile reducerii la minim a pierderilor, face ca acest tip de energie să

fie mai rentabil în multe domenii, decât celelalte tipuri de energie utilizate în tehnică.

În toate elementele, aparatele şi sistemele pneumatice de automatizare, fluidul de lucru

utilizat este aerul comprimat. Acesta trebuie să îndeplinească anumite condiţii, în funcţie de

cerinţele de lucru ale sistemului pneumatic şi anume: umiditatea şi puritatea aerului, mărimea

particulelor de praf cât şi vaporii de ulei necesari ungerii elementelor aflate în mişcare.

Producerea aerului comprimat se realizează cu ajutorul compresoarelor. Datorită

respectării cerinţelor de funcţionare mai sus menţionate ale elementelor pneumatice, aerul produs

de compresor necesită să fie prelucrat întrucât, datorită temperaturii de refulare, precum şi

prezenţei umidităţii şi a microparticulelor din atmosferă (toate aceste aflate la presiunea de

lucru), deteriorează suprafeţele componentelor pneumatice aflate în mişcare. Aşadar, pentru

asigurarea calităţii aerului se folosesc unităţi de prelucrare care îi conferă acestuia proprietăţile

necesare. [ALE.N._1985]

Prelucrarea digitală a semnalelor pneumatice se realizează cu ajutorul elementelor şi

blocurilor logice pneumatice, cu piese mobile sau fixe, dezvoltându-se din necesitatea de a

realiza sisteme integral pneumatice care să cuprindă atât partea de acţionare cât şi partea de

prelucrare a informaţiei. [STĂ.M._1987]

Capitolul 2. Stadiul actual al cercetării în domeniul acționărilor hidropneumatice aplicate în ingineria medicală

7

2.1.1. Componente hidropneumatice

Poziţionate între elementele de execuţie şi grupul de preparare a aerului comprimat,

elementele de reglare şi control ale puterii pneumatice au rolul de a acorda parametri unici, de

debit m şi de presiune p, asiguraţi de grupul de preparare, cu parametrii de diferite valori necesari

la intrarea elementelor de execuţie. Distribuţia energiei pneumatice către elementele de execuţie,

în raport cu ciclograma de lucru a acestora (impusă de mecanismele acţionate), la parametrii

acordaţi, rezolvă prin componentele de debit (m1 . . . mi ) obţinerea a i regimuri de viteze

repartizate pe unul sau mai multe elemente de execuţie, iar prin componentele de presiune (p1 . . .

pj ), similar, j regimuri de forţe.

Elementele hidropneumatice pot fi clasificate cel mai bine după rolul şi funcţia deţinută de

fiecare componentă în sistem. [ION.M._2010] Astfel, pot fi întâlnite următoarele componente

într-un sistem cu acţionare pneumatică:

2.1.1.1. Unitatea de pregătire şi preparare a aerului comprimat

Principalele componente elementare ce pot fi cuprinse în unităţile de pregătire şi preparare

a aerului comprimat sunt următoarele:

a. Filtre de aer, dezumidificatoare, ungătoare.

b. Compresoare;

c. Manometre şi indicatoare de presiune

d. Amortizoare de zgomot;

e. Conducte, racorduri şi accesorii de racordare.

2.1.1.2. Componente de reglare a energiei pneumatice

Elementele pneumatice de reglare sunt componente destinate să regleze viteza şi forţa

dezvoltate de organele mobile ale elementelor de execuţie din instalaţiile de acţionare. Aceste

elemente se caracterizează prin existenţa a două orificii (de intrare şi de ieşire ) şi a unui organ

de reglare a secţiunii de trecere a aerului comprimat. Ele nu au capacitatea de a menţine constant

debitul reglat independent de variaţia sarcinii, decât în cazul particular al regimului sonic de

curgere prin secţiunile lor. Având în vedere rolurile funcţionale importante pe care elementele

pneumatice de reglare le au în sistemele pneumatice, funcţie şi de cerinţele impuse acestor

sisteme, acestea trebuie să îndeplinească următoarele condiţii tehnice generale: [ION.E_1996]

a). pierderi interne de debit şi de presiune minime;

b). simplitate constructivă şi siguranţă funcţională;

c). comandă uşoară, fără eforturi şi deplasări mari la elementul ce materializează

funcţia de reglare;

d). timpi minimi de răspuns la comandă;

e). frecvenţe ridicate de funcţionare;

f). sensibilitate mare la schimbarea regimurilor de funcţionare;

g). preţ scăzut.

Cu privire la materialele din care se execută elementele pneumatice, ţinând cont de

presiunile mici la care funcţionează, acestea nu necesită materiale cu proprietăţi mecanice

ridicate. În această situaţie sunt preferate materialele uşoare din aliaje de aluminiu utilizate la

majoritatea corpurilor elementelor pneumatice. Piesele cu contact direct între suprafeţe se


8

execută din oţeluri carbon de calitate sau oţeluri aliate care, prin tratamente termice, de

cementare sau de îmbunătăţire, capătă durităţi mari pe suprafeţele de frecare.

După tipul reglării se deosebesc:

Rezistenţe pneumatice

Aceste componente au rolul de a regla o secţiune de curgere a mediului pneumatic datorită

căreia, pierderile de presiune realizate contribuie, cu concursul unor elemente existente în

amonte de ele, la reglarea componentelor de debit a aerului ce trece prin aparat în unitatea de

timp. Variaţia debitului poate fi folosită în două scopuri:

- la reglajul vitezei de deplasare a unui element de execuţie;

- la reglajul duratei de umplere a unui circuit de comandă, obţinându-se o întârziere

(temporizare) la execuţia unei mişcări.

Rezistenţele pneumatice sunt de două tipuri:

- fixe, la care secţiunea de trecere este fixă şi sunt construite sub formă unor bucşe sau

şaibe prevăzute cu un orificiu mic (d ≤ 1 mm);

- rezistenţe pneumatice (fig. 2.1, a), la care reglarea se face asupra debitului de aer (de

care depinde viteza elementului de execuţie);

- regulatoare de presiune, la care reglarea se face asupra presiunii aerului (de care

depinde forţa dezvoltată de elementul de execuţie);

- reglabile care se mai numesc şi drosele sau regulatoare de debit, la care secţiunea de

trecere se poate regla în anumite limite.

(a) (b) (c)

Figura 2.1. Rezistenţe pneumatice (a); Regulator de debit cu comandă pneumatică şi senzor de poziţie a

strângerii [W.2] (b); Regulatoare de debit cu comandă manuală (c).

Datorită intensei utilizări în sistemele pneumatice rezistenţele se găsesc într-o mare

varietate de soluţii constructiv-funcţionale.

Reglarea secţiunii de trecere se poate face continuu, de la valoarea maximă, care este egală

cu secţiunea nominală a circuitului respectiv, până la închiderea completă. Organul de reglare al

droselului se poate deplasa prin mişcare de translaţie sau de rotaţie, primul tip fiind cazul cel mai

răspândit.

Pentru toate soluţiile, se menţionează că precizia şi fineţea de reglare a vitezelor, în

dependenţă directă cu componentele de debit, este funcţie de capacitatea regulatorului de

presiune de a reacţiona la cele mai mici fluctuaţii ale presiunii reglate, provocate de pierderile de

presiune introduse prin modificarea secţiunii de droselizare.

Regulatoare de presiune.

Sunt aparate pneumatice, care reduc presiunea aerului comprimat ce trece prin aparat şi o

menţin la o valoare constantă, independent de variaţiile presiunii de la intrare şi de debitul de aer.


9

Regulatorul de presiune este un sistem de reglare automată, care se compune dintr-un sistem de

comandă şi o legătură de reacţie. Sistemul de comandă care acţionează asupra presiunii primeşte

la intrare două semnale, unul de comandă pi care se realizează din exterior şi corespunde valorii

dorite a presiunii, celălalt fiind pe, semnalul legăturii de reacţie care corespunde valorii efective a

presiunii realizate la ieşirea din regulator. Cele două semnale sunt comparate şi rezultă un semnal

nou care modifică presiunea din aval până când diferenţa dintre cele două presiuni este zero (pi –

pe = 0).

La regulatorul de presiune, sistemul de comandă îl constituie un drosel care controlează

debitul de aer care trece prin regulator. Poziţia organului de reglare al droselului este stabilită

automat, de două forţe de sens contrar ce acţionează asupra acestuia: forţa unui arc reglat din

exterior şi forţa datorată presiunii aerului din aval care acţionează asupra unei membrane. Forţa

arcului reprezintă valoarea reglată p1, iar forţa membranei reprezintă presiunea din aval pe care

acţionează prin legătura de reacţie.

2.1.1.3. Componente de distribuţie a energiei pneumatice

Supape

Sunt elemente de distribuţie automată şi sunt caracterizate prin prezenţa unuia sau mai

multor orificii şi a unui orificiu de utilizare. Aceste elemente se leagă în circuitele pneumatice,

cu scopul de a impune fluxurilor de aer intrate în aparat să urmeze trasee obligatorii

indispensabile pentru obţinerea unor tipuri particulare de comandă sau de secvenţe de comenzi

care se succed automat. Supapele pot fi de mai multe feluri şi anume:

- supape selectoare, cu rolul de a realiza legătura unui circuit pneumatic, în mod alternativ,

cu alte două circuite pneumatice, fără ca acestea să aibă legătură sau să se influenţeze reciproc;

- supape de sens unic, cu rolul de a permite trecerea fluxului de aer într-o singură direcţie

(de la A spre B) şi îl blochează în direcţia opusă (de la B spre A);

- supape de evacuare rapidă, sunt supapele ce se montează pe cilindri sau pe conductele de

comandă, când se cere o evacuare foarte rapidă în atmosferă a aerului comprimat din aval de

elementul de execuţie;

- supape de simultaneitate, sunt supapele prevăzute cu două orificii de intrare şi o ieşire,

permiţând ieşirea fluxului de aer numai dacă sunt prezente ambele semnale de intrare. Din acest

motiv această supapă se mai numeşte supapă "ŞI", realizând funcţia logică ŞI;

- supape de succesiune, servesc la alimentarea a două circuite, unul şi apoi celălalt, însă,

este de precizat faptul că ele nu permit alimentarea celui de-al doilea circuit decât dacă presiunea

în primul circuit atinge o valoare prereglată.

Distribuitoare

Distribuitorul este un aparat pneumatic care realizează distribuţia aerului comprimat pe

anumite circuite, în urma comenzilor primite din exterior, în vederea declanşării unor acţionări

pneumatice deservite de circuitele dorite. Orice distribuitor se compune din două părţi principale:

- elementul de distribuţie este partea de distribuitor care are rolul de a realiza, în interiorul

său legăturile între circuitele exterioare, corespunzătoare acţiunii elementului de comandă;

- elementul de comandă este partea din distribuitor cu rolul de a acţiona asupra elementului

de distribuţie în urma unor comenzi primite din exterior, pentru ca acesta să realizeze legăturile

între circuitele exterioare, corespunzătore comenzii primite.


10

Acesta controlează puterea pneumatică prin intermediul debitului. Datorită modului în care

se face acest control, de tipul „tot sau nimic” – discret, circuitele pneumatice deservite de el sunt

încărcate sau nu cu energie pneumatică, după cum sunt cerinţele de consum ale diverselor faze

de lucru. Distribuitoarele pneumatice îşi bazează funcţionarea pe principiul compensării forţelor.

Numărul de orificii, de poziţii, schemele de circuit, precum şi tipul şi modul de comandă,

caracterizează total din punct de vedere funcţional un distribuitor. Toate aceste elemente sunt

indicate şi de simbolul prin care se reprezintă un distribuitor – STAS 7145-76. Având un rol

funcţional determinant în sistemele pneumatice de acţionare, distribuitorul trebuie să

îndeplinească condiţii riguroase privind modul de distribuţie a energiei pneumatice şi a

frecvenţei de lucru, în raport cu viteza de evoluţie şi succesiune a fazelor de acţionare.

Principalul criteriu de clasificare îl reprezintă elementul de distribuţie, astfel găsindu-se

chiar în denumirea distribuitorului. Posibilităţile de a realiza un distribuitor prin combinarea

numeroaselor variante de elemente de comandă şi acţionare conduc la o mare diversitate de

tipuri constructiv-funcţionale de distribuitoare pneumatice. Aceasta devine cu atât mai dezvoltată

cu cât se iau în considerare şi celelalte criterii: numărul de orificii, numărul de poziţii, modul de

cuplare în circuit şi diametrul nominal, care prin prisma gabaritului, introduce o nouă familie de

distribuitoare pneumatice, şi anume, distribuitoarele pneumatice miniaturizate, fiind reprezentată

de butoanele şi piloţii pneumatici de comandă sau acţionare.

Principalele criterii de clasificare ale distribuitoarelor sunt:

1. după modul de comandă:

cu comandă directă;

cu comandă indirectă.

2. după forma constructivă a organului de distribuţie:

cu supape;

cu sertar rectiliniu (cilindric sau plan);

cu sertar rotativ (plan sau conic).

Numărul de căi este definit prin numărul de canale ce permite circulaţia fluidului de

acţionare. Orificiile de pilotare sunt excluse de la această destinaţie, majoritatea constructorilor

indicând în locul numărului de căi, numărul de orificii. Fiecare aparat de distribuţie va fi definit

prin două numere şi anume: numărul orificiilor şi numărul poziţiilor.

Numărul de poziţii reprezintă combinaţiile poziţiilor ce pot fi adoptate de supape sau

sertare prin comanda acestora. Poziţia de repaus este definită atunci când clapeta obturează

scaunul şi distribuitorul este închis, aerul venind de la alimentare nu poate trece către orificiul de

utilizare. Poziţia de lucru este definită atunci când clapeta este acţionată, distribuitorul este

deschis şi aerul poate trece. De multe ori distribuitoarele au pe lângă cele două poziţii şi o a treia,

de oprire la mijloc sau centru. La distribuitoarele pneumatice acest centru poate fi:

- centru deschis, când cele două orificii de utilizare sunt puse la atmosferă;

- centru închis-orificiile de utilizare sunt închise şi tija pistonului cilindrului rămâne

blocată în poziţia în care se găseşte fără a asigura o bună poziţionare, aerul fiind compresibil.

Debitul distribuitorului se poate regla în funcţie de diametrul orificiului de racordare.

Diametrul de trecere reprezintă cea mai mică secţiune de trecere în calea fluidului ce există într-

un distribuitor. Este evident faptul că debitul prin distribuitor este direct proporţional cu mărimea

acestui diametru, dar şi că pentru acelaşi diametru de trecere, două distribuitoare pot avea variaţii

de debit: cauzate de traiectoria aerului şi de forma clapetei sau sertarului, influenţând mai mult

sau mai puţin scurgerea aerului.


11

2.1.1.4. Componente de prelucrare a semnalului pneumatic

Elemente logice pneumatice

Elementele logice pneumatice se folosesc în sistemele de mici dimensiuni, când se doreşte

obţinerea unor sisteme pur pneumatice din motive de ambianţă (pericol de explozie, de incendiu,

umiditate etc.) sau din motive economice, un asemenea sistem fiind sensibil la perturbaţii

externe. Aceste perturbaţii fac ca semnalul de comandă să varieze accidental în jurul unei valori

medii, riscul constând în interpretarea perturbaţiei ca o modificare a semnalului de comandă,

ceea ce va determina modificarea mărimii de ieşire din sistem.

Mai sigure, din acest punct de vedere, sunt sistemele digitale. Într-un asemenea sistem

contează numai nivelele discrete ale semnalelor. De cele mai multe ori se lucrează cu două

nivele ale semnalului, prezenţa sau absenţa semnalului, semnale "on - off', sau semnale "totul sau

nimic". Din punct de vedere al logicii algebrice existenţa semnalului este echivalentă cu "i", iar

absenţa semnalului cu "0".

Temporizatoare pneumatice

Temporizatoarele pneumatice realizează decalajul comenzilor în timp, acestea fiind

construite dintr-un distribuitor pilotat la traversarea unei mici capacităţi. Viteza de umplere a

capacităţii defineşte durata de temporizare, care se poate ajusta prin intermediul unui regulator

de debit. Temporizatoarele pot fi cu ieşire pozitivă sau cu ieşire negativă. Cel cu ieşire pozitivă

se obţine prin pilotarea unui distribuitor normal închis (temporizare la deschidere), iar cel cu

ieşire negativă prin pilotarea unui distribuitor normal deschis (temporizare la închidere).

Senzorii şi limitatoarele de cursă (fig. 2.2) sunt de cele mai multe ori electromecanici, dar

pot fi şi pneumatici; alegerea lor este legată de tipul unităţii de comandă.

Figura 2.2. Montaje ale senzorilor pneumatici: cu colier (a); pe şină (b); pe tirant (c); direct (d).

2.1.1.5. Componente pneumatice de acţionare (motoare pneumatice)

Motorul pneumatic reprezintă un ansamblu de piese, cu rolul de a transforma energia

pneumatică în lucru mecanic, pe care îl transmite axului său la ieşire, unde este cuplat

mecanismul acţionat. În funcţie de mişcarea pe care o realizează, acestea se grupează în:

Motoare pneumatice liniare

Aceste motoare au rolul funcţional de a dezvolta la nivelul subansamblului său mobil aflat

în mişcare de translaţie, un lucru mecanic definit prin intermediul forţei utile, manifestată pe

parcursul unui spaţiu echivalent cursei sale de lucru. Forţa de acţionare este asigurată de

presiunea din camera de lucru, uniform distribuită pe suprafaţa corespunzătoare a unui element

mobil, prin intermediul căruia se realizează transformarea energiei pneumatice în lucru mecanic,

în deplasarea sa relativă faţă de corpul fix. Ele pot fi: cilindrii pneumatici, camere de aer, muşchi

pneumatici artificiali.


12

Cilindrii pneumatici

Prin caracterul lor de motoare pneumatice cu mişcare de translaţie, cilindri pneumatici sunt

definiţi prin parametrii tehnico-funcţionali ce au în vedere mărimile de intrare, de natură

pneumatică, şi mărimile de ieşire, de natură mecanică. Astfel parametrii tehnico-funcţionali de

ieşire se materializează la nivelul elementului de ieşire din cilindrul pneumatic - tija pistonului.

Camera sau perna de aer

Perna de aer este o componentă pneumatică ce se montează la capătul circuitului

pneumatic, putând realiza două roluri importante: unul dinamic, de deplasare axială şi static, de

amortizare a vibraţiilor unui sistem dinamic. Perna de aer este flexibilă, fabricată din fibră de

cauciuc şi ţesătură, iar în condiţii normale de incarcare, aceasta devine progresiv elastică atunci

când aerul este comprimat concomitent cu o creştere a încărcăturii. Având caracteristici

neliniare, rigiditatea unei perne de aer se poate modifica împreună cu încărcătura, astfel încât sub

sarcină, perna de aer rămâne aproape neschimbată. Pernele de aer (fig. 2.3) absorb foarte bine

sarcinile axiale şi radiale prin reglarea presiunii şi absorb vibraţiile şi zgomotul, nu oferă însă

suport de sarcină, dar în schimb completează transferul elastic de forţă prin aerul comprimat,

care este introdus în perna de aer cu ajutorul compresoarelor de aer. [W.3]

a) b) c) d)

Figura 2.3. Camere de aer: cu burduf (a); membrană de cauciuc (b); cameră completă piston-metal (c);

cameră completă fără piston (d).

Prin alipirea în serie a două sau mai multe perne de aer, se poate obţine un actuator

pneumatic modular (fig. 2.4), folosit cu succes la realizarea mişcărilor roboţilor. Pentru a putea

controla direcţia de orientare a elementelor cinematice cu acest tip de actuator, se utilizează în

paralel trei sau patru module de acest fel.

Figura 2.4. Actuator pneumatic modular de tip burduf; relaxat (a); presurizat (b). [GRA.G._2005]

Muşchiul pneumatic artificial

Cercetătorul McKibben a dezvoltat iniţial în cercetarea membrelor artificiale, un nou

model de actuator pneumatic în 1950, care în prezent îi poartă numele de muşchi pneumatic

artificial McKibben (fig. 2.5). Acesta constă într-o camera internă de presiune îmbrăcată într-un

înveliş de tip plasă confecţionat din fibre textile ne-extensibile, fixat la capete. Când camera


13

internă este presurizată, presiunea acţionează asupra suprafeţei interioare şi asupra învelişului

extern. Cu toate acestea, din cauza non-extensibilităţii firelor textile din învelişul exterior,

actuatorul se scurtează la creşterea volumului său şi produce o tensiune atunci când este cuplat la

o sarcină mecanică. Aceste prototipuri rezultate în urma cercetărilor asupra muşchilor artificiali

le-au fost oferite denumirile comerciale de Rubbertuator (Inoue, 1988; Chou şi Hannaford 1996)

sau denumirea de SAM (Hessen, 2003; Eby 2005) o structură multi-strat, în care un strat etanş de

cauciuc este legat permanent la două straturi independente spirală din fibra aramid. Ele formează

o structură tridimensională a reţelei pentru a permite contracţia necesară tubului presurizat. În

1990 au fost proiectaţi, de asemenea, muşchi pneumatici cu fibre orientate în direcţie

longitudinală sau plisate. [FERR_1992].

Figura 2.5. Vedere în secţiune a unui muşchi pneumatic artificial de tip McKibben.

Muşchii pneumatici artificiali sunt, în unele aspecte, foarte similari cu cei cu burduf,

deoarece ambii sunt realizaţi din cauciuc, nu au piese mecanice în mişcare şi, prin urmare, nu

există frecare, forţele aferente modelelor studiate, atunci când se măresc, depinzând aproape

liniar de presiune. În majoritatea aplicaţiilor, ei sunt utilizaţi câte doi, unul opusul altuia; când

este sub presiune, muşchiul îşi micşorează lungimea, generând o forţă de tracţiune, care depinde

foarte mult de contracţie. Muşchiul pneumatic artificial complet contractat nu mai poate genera

forţă dacă nu mai are deplasare, în timp ce unul uşor întins generează forţă maximă. Spre

deosebire de cei cu burduf, care dezvoltă forţa utilă prin dilatare reuşind chiar sa-şi dubleze

lungimea iniţială, contracţia acestui tip de actuator pneumatic nu poate depăşi 25% din lungimea

totală a camerei presurizate. Cele mai multe aplicaţii sunt pe roboţi mobili, în cazul cărora sunt

utilizaţi microcontroleri specifici (Caldwell et al.1995; Tondu şi Lopez, 2000). Acest lucru se

datorează faptului că forţa maximă permisă este limitată şi depinde de rezistenţa materialelor

utilizate la confecţionare, diametrul interior şi de presiune. [BEA.P_2010]

Motoare pneumatice rotative

(a) b)

Figura 2.6. Motoare pneumatice rotative (a); motoare pneumatice unghiulare (b). [W.13]


14

Motoarele rotative au rolul de a transforma energia pneumatică în energie mecanică de

rotaţie cu ajutorul unei turbine pneumatice, fiind alimentată cu aer comprimat. Lucrul mecanic se

obţine pe seama energiei cinetice (pneumo-dinamice) a jetului de aer care loveşte în paletele

turbinei. În acest scop, energia pneumo-statică este transformată, în prealabil, în energie cinetică

prin micşorarea secţiunii de curgere şi creşterea vitezei. Aceste motoare mai sunt cunoscute şi

sub denumirea de microturbine pneumatice şi se folosesc pe scară largă pentru antrenarea

diferitelor scule de mână, a unor agregate de mici dimensiuni de rectificat, găurit, frezat, a

diferitelor instalaţii de laborator.

2.1.2. Circuite pneumatice

2.1.2.1. Noţiuni generale

Circuitul pneumatic defineşte traseul semnalului pneumatic (a aerului comprimat), de la

sursă până la elementul de execuţie ce se află la capătul circuitului, reprezentându-se toate

componentele întâlnite de acest semnal (componente de prelucrare, control şi comandă semnal).

Schema pneumatică este reprezentarea grafică, obţinută prin utilizarea de simboluri şi

reguli de reprezentare, a unui sistem pneumatic şi descrie cu acurateţe funcţionarea acestuia.

Elaborarea schemei pneumatice este un pas important în proiectarea unui sistem pneumatic şi,

odată ce unitatea a fost realizată, este unul din instrumentele de bază pentru operaţiunile de

punere în funcţiune, reglare a parametrilor de funcţionare, diagnosticare şi reparare. Fiind o

reprezentare a sistemului pneumatic, în principiu, schema are o structură identică acestuia, însă

în ea nu sunt reprezentate elementele mecanice, cu excepţia celor direct intercondiţionate cu cele

pneumatice. Reprezentarea schematică a unui sistem pneumatic se întâlneşte în două variante:

1. Reprezentarea pe nivele, aceasta fiind cea rezultată din proiectare; cunoaşterea modului

de dispunere a elementelor într-o schemă uşurează mult aplicarea algoritmilor de proiectare,

înţelegerea şi interpretarea schemelor, dar în activitatea practică, acest tip de reprezentare, la

confruntarea cu instalaţia reală, produce dificultăţi în localizarea echipamentelor şi urmărirea

funcţionarii lor. Arhitectura schemei nu este în corelare cu arhitectura reală a instalaţiei, deoarece

rareori elementele pneumatice pot fi aşezate pe instalaţie în structură pe nivelele de care s-a

vorbit anterior. Din acest motiv, în documentaţia ce însoţeşte o instalaţie se întâlneşte şi un alt tip

de reprezentare.

2. Reprezentarea elementelor pneumatice se face ţinând seama de poziţia lor reală pe

suportul aparatelor unde sunt montate (desigur, în limitele posibilităţilor), astfel, se ţine seama de

poziţia de lucru a actuatoarelor (orizontală, verticală, oblică), de poziţia şi modul de grupare a

celorlalte elemente, luând ca reper diferite părţi din instalaţie şi dacă este necesar, se apelează

chiar la reprezentările axonometrice. [ION.E._1996]

În general o schemă pneumatică secvenţială reprezintă un circuit de prelucrare a

informaţiilor, în care se evidenţiază următoarele tipuri de variabile: de intrare, de stare şi de

ieşire. Astfel, atunci când la un timp t , se modifică variabilele de intrare, circuitul secvenţial

trece într-o altă stare, după o perioadă de tranziţie care se încheie după un interval de timp Δt.

Această tranziţie determină modificarea variabilelor de ieşire, conform legilor de comandă

pentru care a fost proiectat circuitul secvenţial. Trebuie menţionat că la toate schemele logice

secvenţiale, trecerea dintr-o stare internă în alta, se realizează numai prin modificarea unei

singure variabile de intrare. [ION.M_2010]

La circuitele pneumatice secvenţiale, variabilele de intrare sunt materializate prin impul-


15

surile de ieşire a microlimitatorilor pneumatici, variabilele de ieşire prin semnale de pilotare ale

distribuitoarelor de acţionare a organelor de lucru, variabilele de excitaţie prin impulsurile de

comandă ale memoriilor, iar variabilele de stare (secundare) prin impulsurile de ieşire ale

memoriilor. Pentru a se putea trece la sinteza schemelor pneumatice secvenţiale trebuie să se

facă descrierea completă a funcţionării automatului, ceea ce reflectă corespondenţa dintre

variabilele de intrare şi de ieşire pentru un ciclu complet de funcţionare. Prin ciclu complet de

funcţionare sau secvenţă completă se înţelege evoluţia automatului de la starea de început sau

iniţială, prin mai multe stări succesive (secvenţe), fiecare dintre acestea corespunzând unei

situaţii reale de funcţionare a automatului, ultima stare în care se comută fiind identică cu starea

iniţială.

2.2. APLICAŢII ALE SISTEMELOR HIDROPNEUMATICE ÎN INGINERIA MEDICALĂ

Prin aparatură medicală, mai recent denumită dispozitiv medical (după Monitorul

Oficial partea I nr. 544 din 02/11/2000, art. 2) se înţelege orice instrument, aparat, mecanism,

material sau alt articol utilizat singur sau în combinaţie, inclusiv partea de software necesară

pentru funcţionarea lui corectă, destinat de producător să fie folosit pentru om şi care nu îşi înde-

plineşte acţiunea principală prevăzută în/sau pe corpul uman prin mijloace farmacologice, imu-

nologice sau metabolice, dar care poate fi ajutat în funcţia sa prin astfel de mijloace, în scop de:

○ diagnostic, prevenire, monitorizare tratament sau alinare a durerii;

○ diagnostic, supraveghere, tratament sau compensare a unei leziuni ori a unui handicap;

○ investigaţie, înlocuire ori modificare a anatomiei sau a unui proces fiziologic;

○ control al concepţiei.

Industria instrumentelor de diagnostic medical precum şi a dispozitivelor de profil

destinate îmbunătăţirii actului medical, a condus la utilizarea optimă a tuturor resurselor

cunoscute de omenire la momentul actual, fapt ce a dus la diversificarea ofertelor în toate

domeniile pe piaţa de specialitate. S-au schimbat mult şi funcţiile pe care le realizează aceste

aparate datorită şi noilor tehnologii ce permit miniaturizarea lor. Astfel s-au consolidat funcţiile

realizate de acestea, forţând la limită capacitatea intelectuală a omului de a scoate maxim posibil

cu resurse minime.

Piaţa mondială de echipamente de diagnostic şi monitorizare, inclusiv reactivi, depăşeşte

cifra anuală de 20 biliarde de dolari şi este în creştere cu 4% pe an. Această creştere continuă

este cauzată în principal de inovaţiile realizate de către producători. Astfel producătorii de

componente de comandă şi control al fluidelor vor avea deplin succes în viitor dacă continuă să

se adapteze permanent la schimbările ce au loc pe piaţa de profil din întreaga lume. În industria

dispozitivelor medicale se întâlnesc diverse componente hidropneumatice de comandă şi control,

cum ar fi: pompe, supape de toate felurile, traductori, capacitoare, tuburi şi conectori, motoare

liniare şi rotative precum şi sisteme complexe de prelucrare a semnalului pneumatic.

Pentru o mai bună cunoaştere a posibilităţilor de utilizare a energiei hidraulice şi

pneumatice s-a efectuat un studiu în acest domeniu ce a condus la următoarea clasificare a

dispozitivelor medicale ce folosesc mai mult sau mai puţin energia hidraulică şi\sau pneumatică,

aceasta realizându-se în funcţie de mai multe criterii, astfel: [KAC.La_ 2011]

a). destinaţie;


16

b). principiul de funcţionare;

c). regimul de funcţionare;

d). specialităţile medicale pe care le deserveşte.

2.3. APARATE DE RECUPERARE LOCOMOTORIE ŞI TRATAMENT

2.3.1. Proteze

Cuvântul „proteză” provine de la cuvintele greceşti: „pro” - în loc, şi „tilhemi” - aşezare,

indicând prin urmare un aparat care să înlocuiască lipsa unui organ în întregime sau numai a unui

segment al corpului. Denumirea de proteză este de multe ori folosită greşit în limbajul comun,

fapt ce dă naştere la confuzii atunci când este vorba de un aparat ortopedic, care are ca scop

îndreptarea unei atitudini vicioase sau să permită reglarea unei funcţii.

Principiul de protezare constă în folosirea de părţi artificiale (proteze) pentru îmbunătăţirea

funcţiei vitale şi a modului de viaţă a persoanelor cu deficienţe motorii şi nu numai. Trebuie de

la început să recunoaştem că, până în prezent, cu toate progresele realizate în domeniile

industriale, nu s-a ajuns încă până acolo încât să se poată înlocui natura, printr-o creaţie tehnică

oricât de desăvârşită ar fi ea. [RAD.C_2009]

2.3.1.1. Protezarea externă a aparatului locomotor

Protezarea umărului

Amputaţiile braţului de la umăr în jos sunt indicate în cazul tumorilor maligne ale

humerusului, primitive sau secundare precum şi în cazul traumatismelor grave cu distrugerea

pachetului vasculo-nervos, imputându-se pe bună dreptate intervenţiei clasice că lasă un umăr

inestetic, fără relieful capului humeral, în anumite cazuri însă preferându-se o amputaţie înaltă a

humerusului. Protezarea umărului se face în mod identic ca şi după dezarticulaţiile interscapulo-

toracice, proteza servind exclusiv pentru completarea lipsei membrului superior, având deci un

caracter pur estetic. Aceasta se execută pe baza folosirii în construcţia ei a unor elemente sub

formă de semifabricate la care manşonul umeral, manşonul de braţ şi antebraţ îşi păstrează

individualitatea. Ele se pot confecţiona din piele, lemn, plastic sau combinaţii ale acestora.

Fixarea de trunchi a protezei de umăr se face prin intermediul manşonului humeral-toracal cu

chingi uşoare peste spate.

Protezarea braţului

Amputaţiile braţului sunt necesare în cazul traumatismelor grave asociate cu zdrobirea

ţesuturilor şi a pachetelor vasculo-nervoase, tumori maligne primitive ale extremităţilor

inferioare a humerusului, cangrene ale membrului superior, infecţii osteoarticulare grave care

pun viaţa bolnavului în pericol. Protezarea bontului de braţ se poate face cu trei categorii de

proteze: estetice, de lucru şi mecanice.

Proteza estetică (fig. 2.19, c) nu are, în general, decât o valoare estetică dar rămâne foarte

importantă pentru prevenirea instalării atitudinilor scoliotice. Proteza estetică se poate realiza din

piele, material plastic, lemn sau poate fi combinată, realizându-se dintr-o serie de semifabricate,

sisteme de prindere şi accesorii de asamblare. Pentru sistemul de fixare la trunchi se foloseşte o

chingă de bumbac sau benzi elastice.


17

Proteza de lucru (fig. 2.19, a) este realizată ţinând cont de particularităţile bolnavului, şi pe

care acesta o poate utiliza cu uşurinţă şi eficient în desfăşurarea normală a unor gesturi, fără să

ducă la reduceri importante ale libertăţii de mişcare a corpului. Infirmul care are handicap prin

amputaţie unilaterală a braţului, rămâne capabil de muncă cu celălalt membru superior, dar

invalizii cu amputaţii bilaterale nu mai sunt în stare să execute cu bonturile lor funcţiile vitale

(alimentare, etc.) motiv pentru care ei trebuie neapărat protezaţi în sensul de a li se crea diferite

dispozitive, care ataşate distal, la manşonul de braţ, să permită o minimă autoservire. Aceste

dispozitive pot fi fixe sau mobile, acţionate de o chingă prin tracţiune de umărul opus sau prin

abducţia bontului protezat. Proteza este indicată pentru toate bonturile de braţ, indiferent de

nivelul lor şi se execută prin măsură şi mulaj, în aceleaşi condiţii ca la protezele estetice.

Proteza mecanică constituie uneori o problemă destul de dificilă pentru tehnicienii

ortopedişti, pentru punerea în acţiune a unei asemenea proteze funcţională (articulaţia cotului,

articulaţia radio-carpiană, prehensiunea şi extensia), fiind necesară o anumită energie, care poate

proveni din energia fiziologică sau dintr-o sursă externă.

În prima categorie (care foloseşte energia fiziologică) se încadrează proteza a cărei energie

se bazează pe mişcarea bontului cu abducţie sau printr-un cablu de tracţiune fixat la capătul unui

ham umeral, plasat pe umărul opus. Mişcarea de anteducţie a acestui umăr conduce la

deschiderea mâinii, iar închiderea se face pasiv, printr-un arc, când umărul revine la poziţia

normală, sau invers. Orice tip de mână mecanică are un clichet de siguranţă la menţinerea

prehensiunii, manipulat manual de mâna opusă.

Protezarea mâinii

Amputarea mâinii se poate realiza în cazul traumatismelor grave, a tumorilor maligne, a

osteomielitei cronice fistulizate şi a paraliziilor cu pierdere totală a sensibilităţii. Protezele

confecţionate pentru bonturile mâinii şi degetelor satisfac, în primul rând, cerinţele estetice şi nu

pe cele funcţionale. Mâna artificială nu poate să compenseze funcţiile mâinii naturale şi nu poate

suplini simţul tactil. Pe bontul rezultat după o dezarticulaţie radio-carpiană este dificil să se

ataşeze o mână mecanică, deoarece datorită mecanismului de cuplare a acesteia, ar rezulta un

membru artificial mai lung decât cel sănătos. În general, în aceste situaţii, bontul se protezează

cu o mână estetică, fixată printr-un manşon de piele. În cazul lipsei unor degete, se poate realiza

o proteză de tip mănuşă, cu decupare pentru degetele restante, iar în cazul lipsei totale a

degetelor se poate folosi o proteză de tip mănuşă întreagă.

Proteze bionice

In medicină, bionica este ramura care se ocupă de înlocuirea sau îmbunătăţirea funcţionării

organelor sau a altor părţi ale corpului prin mijloace mecanice.

De-a lungul timpului au fost create diferite tipuri de proteze pentru persoanele care au

suferit o amputaţie în urma războaielor sau a accidentelor, sau din motive congenitale. Protezarea

parţială a mâinii este mult mai complexă, nevoile fiecărui pacient fiind diferite de la caz la caz.

În multe cazuri de traumatisme, policele nu este afectat în totalitate sau deloc (fig. 2.8), ceea ce

este foarte avantajos pentru crearea diverselor prize.

Acest tip de proteză aduce o nouă dimensiune în domeniul protezării membrului superior,

cu nivele de flexibilitate, durabilitate, prezentare estetică şi funcţionalitate totală, care nu a mai

fost realizată până acum. Pentru prima dată, o proteză de mână oferă tipuri de mişcări, prinderi,

similare cu ale mâinii naturale. Cu abilitatea de a se îndoi, a atinge, a ridica şi a arăta, acest tip de

proteză reflectă funcţia unei mâini naturale.


18

Figura 2.7. Proteză bionică de braţ. [W.2.4]. Figura 2.8. Proteză pentru mâna cu policele sănătos.

2.3.1.2. Protezarea internă a organelor

Inima artificială

Deşi există deja de câţiva ani înlocuitori ai inimii omeneşti, până în prezent aceste surogate

nu au reuşit niciodată o adaptare favorabilă a ritmului de pompare a sângelui conform nevoilor

pacienţilor, ca de exemplu să funcţioneze mai lent atunci când bolnavul este relaxat şi mai alert

atunci când aceasta depune un oarecare efort. Profesorul Alain Carpentier şi echipa sa de

cercetători au dezvoltat o inimă artificială care ar corespunde și ar îndeplini întocmai această

sarcină de adaptare [W.2.7]. Conform creatorilor săi, inima artificială pentru oameni va avea o

durată de viaţă de nouă ani şi o autonomie de până la şase ore pentru o încărcare. Partea de

alimentare a motorul sintetic cu energie electrică este posibilă cu ajutorul a doi acumulatori pe

care pacientul îi va purta ataşaţi pe îmbrăcăminte şi care se vor conecta la dispozitiv în parte din

spate.

Inimă artificială fără puls

Figura 2.9. Inimă artificială, AbioCor. [W.2.5] Figura 2.10. Inimă artificială MicroMed HA5. [W.2.8]

Inginerul NASA David Saucier şi doctorul Michael DeBakey au formulat cu ceva timp în

urmă noţiunea de „Inimă fără puls”. [W.2.8] Este vorba despre două minipompe, care imită

ventriculul stâng şi ventriculul drept, alimentând constant corpul cu sânge, într-un flux continuu.

În prezent conceptul s-a transformat în realitate, iar chirurgii Billy Cohn de la Texas Heart


19

Institute, din Houston, Texas şi Bud Frazier de la Micromed, companie creată special pentru a

produce inima artificială fără puls, au implantat deja dispozitivul de pompare denumit MicroMed

HA5 la peste 30 de vaci, iar în martie 2011şi în pieptul unui pacient uman, aflat pe moarte.

Plămânul artificial

Cercetătorii din Cleveland au construit un plămân artificial foarte eficient, care poate

respira aer obişnuit şi nu doar oxigen pur, aşa cum necesită alte versiuni de plămân artificial

create anterior în laboratoare. [W.2.9] Noua tehnologie concretizează ideea unui plămân artificial

creat de om, portabil şi chiar implantabil, care să le vină în ajutor celor care suferă de diferite

afecţiuni pulmonare, estimaţi la aproximativ 200 de milioane de oameni pe întreaga planetă.

Figura 2.11. Plămân artificial model MC3 BioLung. [W.10]

Noul plămân, creat de cercetătorii Universităţii Case Western Reserve este modelat după

principiile naturale ale plămânului uman și conţine tuburi din cauciuc siliconat asemănătoare

vaselor sanguine, care se dilată şi se contractă, permiţând circulaţia aerului în mod similar unui

plămân normal. Testele efectuate cu sânge de porc au demonstrat că noul plămân artificial este

de trei până la de cinci ori mai eficient decât cea mai buna variantă de pe piaţă în acest moment.

2.3.2. Orteze

Ortezarea membrului superior presupune aplicarea unui suport extern care

restabileşte/îmbunătăţeşte funcţional sau structural un anumit segment. Ea este indicată în

traumatisme, accidente sportive, accidente de munca, afecţiuni neurologice, artroze.

Obiectivele generale ale aplicării unei orteze se adresează: combaterii spasticitătii, redării

funcţionalităţii segmentului afectat, menţinerii aliniamentului corect şi reintegrării socio-

profesionale. Ele prezintă o serie de avantaje importante în raport cu alte sisteme de asistare, ca:

greutate redusă asigurata de materialele performante, posibilitatea efectuării igienei zilnice, au

sisteme de închidere cu banda velcro ce asigură manevrarea cu uşurinţă a dispozitivelor.

Criteriile de clasificare a ortezelor membrului superior sunt multiple: în funcţie de

caracterul static sau dinamic, în funcţie de caracteristicile constructive, în funcţie de segmentele

cărora li se adresează, în funcţie de obiectivele urmărite, ortezele sunt: de posturare (pentru

combaterea spasticitătii/durerii); de corecţie.

20

CAPITOLUL 3

OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT

Tematica prezentei teze de doctorat se înscrie într-un domeniu interdisciplinar, la frontiera

dintre inginerie şi medicină, care este ingineria reabilitării şi reeducării. Cercetarea dedicată unei

teme aparținând acestui domeniu este o provocare interesantă dar foarte complexă, cu ramificații

bine separate şi care, totuși, trebuie să fie aplicate interdependent pentru găsirea şi

implementarea unei soluții. Pe de altă parte, sistemele de reabilitare/reeducare şi antrenament

trebuie să răspundă unor exigențe de personalizare importante, datorită diversității

antropometrice accentuate a publicului vizat. Aceasta impune, în paralel, condiții ergonomice

pentru o utilizare cât mai puțin sau deloc traumatizantă, precum şi condiții de economicitate în

ceea ce privește amploarea cazuisticii vizate.

Teza are ca scop studiul şi cercetarea aplicării în ingineria medicală a reabilitării, a unei

clase de acționări–hidropneumatice–care cu puțin timp în urmă era folosită mai ales în aplicații

industriale, dar care prezintă avantaje evidente în obținerea de sisteme simple, relativ puțin

costisitoare şi care pot produce forțe, momente şi deplasări în game ușor controlabile şi reglabile.

Ţinând seama de aceste considerente, autorul îşi propune să atingă următoarele obiective:

1. Să se realizeze un studiu complex în ceea ce priveşte stadiul actual al cercetării în domeniul

acţionărilor hidropneumatice în ingineria medicală şi în cele conexe, referitor la mijloacele

de comandă şi control folosite pentru realizarea parametrilor impusi/necesari.

2. Să analizeze sistemele biomedicale existente, în care sunt aplicate în prezent comanda şi

controlul cu mijloace hidropneumatice.

3. Să studieze şi să modeleze, din punct de vedere ergonomic şi biomecanic, posturile curente,

legate de mișcările fiziologice ale mâinii în timpul activității unui subiect normal astfel încât

deplasările, solicitările stabilite să poată sta la baza concepției unui sistem de antrenament.

4. Să efectueze un studiu experimental antropometric al mâinii pentru stabilirea intervalelor

curente de dimensiuni caracteristice taliei osaturii, prin efectuarea de măsurări pe grupe mari

de subiecți, astfel încât să permită tratamentul statistic al datelor experimentale şi obtinerea

lor cu un nivel de încredere acceptabil, dată fiind aplicarea sistemului pe subiectul uman.

5. Să construiască un model cinematic al dispozitivului de antrenament.

6. Să conceapă şi să elaboreze schema hidopneumatică de acționare a dispozitivului de

antrenament al mâinii, pentru diferite solicitări aplicabile subiectului uman în programul de

recuperare/reeducare şi, gradual, în limitele amplitudinilor fiziologice normale.

7. Să conceapă şi să elaboreze schema electronică de comandă pentru actionarea prototipului.

8. Să conceapă şi să realizeze componentele ce formează prototipul.

9. Să proiecteze un experiment pentru verificarea comportării dispozitivului construit.

10. Să obțină şi să prelucreze datele experimentale obținute în scopul validării funcționării

dispozitivului şi propunerii lui spre utilizare în condiții reale de antrenament-reabilitare.

11. Ţinând cont de discriminarea statistică a parametrilor evaluaţi, a caracteristicii de stabilitate

în funcționare, să se enunţe concluziile finale şi direcţiile viitoare de cercetare.

21

CAPITOLUL 4

BAZELE BIOMECANICE ALE CERCETĂRII

4.1. NOŢIUNI GENERALE

Biomecanica este ştiinţa care studiază mişcările fiinţelor vii, ţinând seama de

caracteristicile lor mecanice. Ea poate fi considerată o mecanică aplicată la statica şi dinamica

vieţuitoarelor în general şi a omului în special. Are un domeniu de cercetare apropiat de al

anatomiei, fiziologiei şi mecanicii. Poate una dintre cele mai bune definiţii a fost furnizată de

către Herbert Hatze în 1974: "Biomecanica este studiul structurii şi funcţionării sistemelor

biologice prin intermediul metodelor din mecanică." [W.4.2]

Pentru studiul biomecanic segmentele corpului uman se interpretează ca fiind corpuri

rigide datorită proprietăţii acestora de a nu se deforma, compresa sau alungi sub acţiunea unei

forţe exterioare. Corpul rigid este acel corp ale cărui particule ocupă poziţii fixe în raport cu

celelalte particule din interiorul acestuia.

4.2. NOŢIUNI PRIVIND APARATUL LOCOMOTOR

Aparatul locomotor formează partea somatică a organismului uman şi este alcătuit din

oase, articulaţii şi muşchi. Acesta are două funcţii principale şi anume de susţinere şi locomoţie a

corpului. Aparatul locomotor se dezvoltă împreună cu sistemul nervos ce îi asigură legătura cu

mediul înconjurător şi oferă corpului uman o postură bipedă care permite realizarea mişcărilor

complexe. Aparatul locomotor este alcătuit din trei sisteme:

a). sistemul osos;

b). sistemul articular;

c). sistemul muscular.

4.2.1. Sistemul osos

Osteologia este ramura anatomiei care se ocupă cu studiul oaselor. Oasele sunt organe

dure, rezistente, de culoare alb-gălbuie, ansamblul lor reprezentând scheletul.

Scheletul uman este format din aproximativ 206 oase, acest aproximativ se datorează

faptului că unele oase pot varia de la individ la individ, în funcţie de nivelul de dezvoltare. Dintre

acestea un număr 34 alcătuiesc coloana vertebrală care funcţionează drept ax de susţinere în jurul

căreia se grupează celelalte oase. Scheletul uman se împarte în 2 subunităţi:

a). scheletul axial;

b). scheletul apendicular.

4.2.1.1. Scheletul axial

CAPUL, GÂTUL şi TRUNCHIUL sunt segmentele care formează principala parte a corpului, şi

anume, componenta axială a scheletului. Aceasta componentă a corpului reprezintă mai mult de

50% din greutatea unei persoane şi are o dinamică mult mai lentă decât celelalte părţi ale

corpului fiind constituită din 80 de oase, după cum urmează:

1. Capul - este format din 22 oase;

2. Coloana vertebrală este formată dintr-un număr de 33 oase, împărţită pe cinci zone;


22

3. Cutia toracică formată din 25 oase: un stern şi 24 coaste.

4.2.1.2. Scheletul apendicular

Această parte a sistemului osos este reprezentată de oasele membrelor şi este format dintr-

un număr de 134 oase ce sunt dispuse de o parte şi de alta a planului sagital. Extremităţile

superioare (mână), inferioare (picior), centura scapulară (humerală), centura pelviană (a

bazinului) constituie porţiunea apendiculară a scheletului. În general, segmentele devin mai mici

şi mai rapide pe măsură ce se depărtează de trunchi devenind astfel mai greu de urmărit datorită

complexităţii lanţului cinematic format, a dimensiunilor şi a vitezei generate.

Atât la membrul toracal cât şi la cel pelvian aceste membre se împart în 4 segmente:

- scheletul zonal sau al centurii;

- scheletul braţului sau al coapsei;

- scheletul antebraţului sau gambei;

- scheletul mâinii şi piciorului.

Scheletul zonal îşi are denumirea în funcţie de membrul la care se face referinţă, astfel că:

al centurii scapulare pentru membru toracal şi al centurii pelviene pentru membrul pelvian.

Repartizarea celor 134 oase componente ale scheletului apendicular este următoarea:

a) Centura scapulară formată din 4 oase;

b) Extremitatea superioară formată din 64 oase;

c) Centura pelviană: coxal 2 oase;

d) extremitatea inferioară formată din 64 oase;

4.2.2. Sistemul articular

Articulaţiile sunt constituite din totalitatea elementelor prin care oasele se unesc între ele,

altfel spus, ele sunt un ansamblu de părţi moi şi dure prin care se unesc două sau mai multe oase

vecine. Aceste elemente sunt reprezentate de formaţiuni conjunctive şi muşchi. Forma

suprafeţelor articulare sunt netede, acoperite de cartilaj hialin. Fără articulaţii nu ar fi posibilă

realizarea funcţiei statice şi dinamice a oaselor, deci deplasarea şi activităţile organismului.

4.2.2.1. Clasificarea articulaţiilor

A. Din punct de vedere structural, articulaţiile se împart în trei grupe:

1. Articulaţii fibroase: terminaţii osoase unite prin ţesut colagenos;

2. Articulaţii cartilaginoase: terminaţii osoase unite prin ţesut cartilaginos;

3. Articulaţii sinoviale: terminaţii osoase acoperite de cartilagiu articular şi închise de o

capsulă articulară care are o membrană sinovială.

B. Din punct de vedere funcţional, datorită gradului lor de mobilitate, la care se adaugă

formaţiunile de legătură şi modul de dezvoltare, articulaţiile se clasifică în trei grupe:

1. Articulaţii fixe;

2. Articulaţii semi-mobile;

4.2.2.2. Ligamentele

Ligamentele sunt componente articulare formate din fascicule de fibre rezistente, dar

elastice, cu rolul de a lega două sau mai multe oase ale unei articulaţii ce îi conferă acesteia

rezistenţă şi stabilitate. Acestea previn rotirea sau îndoirea peste limită a articulaţiei într-o

direcţie nedorită.

Capitolul 4. Bazele biomecanice ale cercetării

23

Bilanţul articular evidenţiază aprecierea gradului de mobilitate într-o articulaţie, prin

măsurarea analitică a unghiurilor de mişcare, în planurile şi axele corespunzătoare, pe direcţiile

anatomice posibile.

Poziţia de funcţiune reprezintă poziţia de maximă utilitate a articulaţiei, fapt ce asigură

independenţa funcţională individului, referitoare la acea articulaţie. O anomalie de amplitudine

articulară poate fi considerată dacă amplitudinea depăşeşte valoarea de maxim sau de minim,

astfel că se poate vorbii de anomalii prin exces cauzate de hiperlaxitate capsulo-ligamentară sau

hipotonie musculară, sau mai poate fi vorba de anomalie prin deficit cauzate de rigiditate

articulară sau hipertonie musculară.

4.2.3. Sistemul muscular

Orice mişcare a corpului uman, de la vibraţie şi până la cel mai mare efort, este realizată cu

ajutorul muşchilor, în lipsa cărora nu ar exista nici mişcare, nici respiraţie sau bătăi ale inimii.

Partea anatomiei care are ca obiect de studiu muşchii şi anexele lor, precum şi activitatea

biomecanică a acestora în cadrul aparatului locomotor, poartă numele de miologie generală.

Descrierea sistematică a fiecărui muşchi în parte, în ordinea grupării lor pe segmente corporale,

poartă denumirea de miologie specială. [ANA.T CURS 5]

Musculatura formează împreună cu scheletul, sistemul locomotor. Muşchiul reprezintă un

ţesut contractil format din celule musculare, cu rolul bine definit de a genera forţa necesară

pentru a produce şi întreţine locomoţia.

În corpul uman se găsesc peste 600 de muşchi, se pot clasifica în trei grupe mari, astfel:

muşchii scheletici sau somatici sunt muşchii striaţi care se fixează pe schelet prin

tendoane, constituind componenta activă a sistemului locomotor. Această grupă este

constituită din peste 500 muşchi, ce reprezintă aproximativ 50% din greutatea

corpului omenesc şi răspund la comenzile directe ale sistemului nervos central.

muşchii netezi sunt muşchii care coordonează mişcarea involuntară a organelor

interne;

muşchiul cardiac sau miocardul reprezintă cea mai mare parte din masa inimii,

mişcarea lui automată determinând inima să bată şi asigurând funcţionarea

sistemului sanguin. [W.4.1]

Nervii muşchilor sunt formaţi din fibre motoare, senzitive şi vegetative, iar fibrele motoare

pornesc din scoarţa motrică a creierului, trecând prin măduva spinării şi ies la nivelul muşchilor

enervaţi de ele. Impulsul nervos se transformă în contracţie musculară prin nişte plăci motoare

numite sinapse neuromusculare, localizate spre capetele fibrelor intrafusale, în punctul în care se

cuplează fibra nervoasă cu fibra musculară la nivelul hilului. O singură fibră nervoasă se

ramifică şi inervează mai multe fibre musculare formând o unitate motorie, iar numărul de unităţi

motorii activate determină forţa de contracţie a muşchiului.

Muşchii sunt formaţi din corpul muscular (venter sau gaster), care reprezintă porţiunea

principală, contractilă şi două extremităţi denumite caput şi caudă. Prin intermediul tendoanelor

forţa muşchiului se transmite oaselor, iar la acestea se adaugă anexele muşchilor, care sunt

formaţiuni auxiliare ce ajută la activitatea musculară. [ANA.T CURS 5]

Datorită numărului mare de muşchi și a diversităţii lor, aceştia pot fi clasificaţi în funcţie

de mai multe criterii, un criteriu eficient de clasificare fiind cel topografic:

- muşchii din zona capului se împart în două categorii: muşchii mimicii şi masticatori;


24

- muşchii membrului superior;

- muşchii trunchiului;

- muşchii membrului inferior.

Un alt criteriu de clasificare important este dat de acţiunea cinematică pe care o

îndeplineşte, şi anume criteriul miocinematic, în funcţie de care muşchii pot fi:

- muşchii determinanţi ai mişcării;

- muşchii flexori ai mişcării sau muşchii agonişti;

- muşchii sinergici;

- muşchii antagonişti. [ANA.T CURS 5]

4.3. NOŢIUNI DE ANATOMIA ŞI FIZIOLOGIA MÂINII

Anatomic, mâna începe cu al doilea rând (distal) de oase carpiene, care se articulează cu

capetele metacarpienelor (articulaţia carpometacarpiană), patru artrodii pentru metacarpienele II-

V) o articulaţie selară între trapez şi primul metacarpian. Ultimele patru metacarpiene se

articulează între ele prin bazele lor (articulaţia intermetacarpiană), formând trei artrodii. La

capatul distal al metacarpienelor se articulează cavităţile glenoide ale primelor falange

(articulaţiile metacarpofalangiene). articulaţiile interfalangiene proximale (prima şi a doua

falangă) şi articulaţiile interfalangiene distale (intre a doua şi a treia falangă) sunt trohleartroze.

Policele are propria articulaţie carpometacarpiană - articulaţia trapezo-metacarpiană, însă şi

numai o articulaţie interfalangiană - condiliană. Toate articulaţiile mâinii sunt întărite de câte un

manşon capsular şi ligamente dispuse lateral şi ligamente interosoase (la nivelul

intermetacarpienelor, fiecare ligament întinzându-se între două oase alăturate).

4.3.1. Schelet

Membrele sau extremităţile sunt două perechi de apendice mobile destinate diferitelor

mişcări. Acestea prezintă o porţiune care se leagă de trunchi numită centura membrului şi o

porţiune care o continuă pe aceasta numită membrul liber.

Membrul superior este alcătuit din patru părţi: umăr, braţ, antebraţ şi mână. Oasele care

alcătuiesc membrul superior sunt:

Clavicula este un os lung şi pereche care este situat la limita dintre torace şi gât, fiind

orientat transversal fixat între manubriul sternului şi acromion.

Scapula (omoplatul) este un os lat având forma triunghiulară, fiind situat la partea

posterosuperioară a toracelui. Scapula împreună cu clavicula formează centura membrului

superior.

Următoarele oase formează scheletul membrului superior liber:

Humerusul este un os lung şi pereche, care prezintă o diafiză şi două epifize (una

superioară şi alta inferioară).

Radiusul este un os lung şi pereche fiind situat in partea laterală a antebraţului, în dreptul

degetului mare.

Ulna este un os lung şi pereche fiind situat în partea medială a antebraţului, în prelungirea

degetului mic. Împreună cu radiusul formează antebraţul, fiind articulate între ele prin epifizele

lor dar rămân puţin distanţate la nivelul diafizei prin spaţiul interosos.


25

Figura 4.1. Sistemul articular al mâinii. (vedere dorsală, mâna dreaptă)

Carpul este format din opt oase dispuse pe două rânduri care au o formă aproape cubică

având feţele: superioară, inferioară, anterioară, dorsală, laterală şi medială.

Metacarpul este format din cinci oase metacarpiene şi constituie scheletul palmei

împreuna cu dosul mâinii. Metacarpienii sunt oase lungi şi perechi formate din corp, bază şi cap.

Oasele degetelor poarta denumirea de falange (în total de 14) ce definesc 5 degete , astfel

ca degetul mare (policele) este format din două falange iar celelalte degete, arătător (index),

mijlociu (mediu), inelar şi cel mic, sunt formate din trei falange fiecare. Toate falangele prezintă

aceiaşi formă constructivă şi anume corp, bază şi cap, fiind denumită după poziţia pe care o

ocupă de la palmă spre capăt ce corespunde unghiei, astfel: proximală, medială și distală

4.3.2. Musculatura membrului superior

Mişcările membrului superior prezintă o cinematică complexă datorată lanţului cinematic

pe care îl realizează elementele componente ale acestuia, şi anume oase, capsule ligamentare,

tendoane şi muşchi.

Membrul superior prezintă un număr de cinci articulaţii mari, respectiv articulaţia

scapulohumerală, a cotului, articulaţiile radioulnare (proximală, distală) şi radiocarpiană, la care

se adaugă articulaţiile mâinii. Pentru realizarea mişcărilor în acest lanţ cinematic este necesară

intervenţia unei forţe realizată de muşchi. Muşchii care realizează mişcarea membrului superior

sunt definiţi în figura 4.2.

4.3.3. Sinteza acţiunilor muşchilor centurii scapulare şi ai braţului

A. Muşchii care contribuie la realizarea mişcărilor în articulaţia scapulohumerală sunt:

1. Abducţia – adducţia reprezintă mişcarea prin care braţul se îndepărtează de corp şi,

respectiv, mişcarea de sens opus, adică acesta se apropie de corp. Muşchii abductori sunt


26

supraspinosul, deltoidul şi bicepsul, iar muşchii adductori ai braţului sunt pectoralul

mare, latissimul, deltoidul, subscapularul, subspinosul, rotundul mic şi coracobrahialul.

2. Flexiunea – extensiunea reprezintă mişcarea prin care braţul se proiectează înainte, iar

extensiunea reprezintă mişcarea de proiecţie înapoi a braţului. Muşchii ce contribuie la

flexiune sunt deltoidul, bicepsul, coracobrahialul şi pectoralul mare, iar muşchii care

contribuie la extensiune sunt deltoidul, latissimul, subspinosul, rotundul mare şi tricepsul.

3. Pronaţie – supinaţie a humerusului reprezintă mişcarea de rotaţie înăuntru şi în afară, în

jurul unui ax vertical ce trece prin centrul capitulului humeral. Muşchii rotatori interni

sunt subscapularul, pectoralul mare, latissimul, rotundul mare, deltoidul şi bicepsul, iar

pentru supinaţie (rotaţie externă) acţionează muşchiul subspinos şi rotundul mic.

4. Circumducţia este mişcarea care rezultă din alternarea mişcărilor de abducţie – adducţie

şi flexiunea – extensiunea braţului, iar muşchii care o produc sunt cei anteriori.

Figura 4.2. Muşchii membrului superior: vedere frontală (a); vedere dorsală (b).

B. Muşchii care contribuie la realizarea mişcărilor în articulaţia cotului sunt:

5. Flexie – extensie, are loc în partea humeroantebrahială şi reprezintă apropierea

antebraţului de braţ, la flexiune, şi deplasarea în sens invers la extensiune. Pronaţia –

supinaţia sunt mişcări ce au loc doar în articulaţia humeroradială. Muşchii responsabili

de acestea sunt brahialul, bicepsul, brahioradialul, extensorul radial lung al carpului şi

muşchii epitrohleeni, muşchii tricepşi, anconeul, muşchii epicondilieni laterali.

C. Muşchii care contribuie la realizarea mişcărilor în articulaţiile radioulnare sunt:

6. Pronaţie – supinaţie sunt mişcări necesare în vederea efectuării prehensiunii, astfel încât

pronaţia este mişcarea prin care faţa palmară orientată în poziţie ortostatică, adică

orientată spre corp, se roteşte înspre posterior, iar rotaţia în sens invers, adică cu faţa

palmară în planul frontal defineşte mişcarea de supinaţie.


27

Limitarea mişcărilor de rotaţie se face de către formaţiunile ligamentare în combinaţie cu

muşchii periarticulari.

D. Muşchii care contribuie la realizarea mişcărilor în articulaţiile mâinii sunt ordonaţi în patru

grupe musculare funcţionale, astfel:

- muşchii flexori: radial al carpului, ulnar al carpului, superficial al degetelor, profund al

degetelor, lung al policelui şi muşchiul lung palmar;

- muşchii extensori: ulnar al carpului, scurt radial ar carpului, lung radial al carpului, lung

al policelui şi extensorul degetelor;

- muşchii abductori: lung extensor radial al carpului, lung abductor al policelui, flexorul

radial al carpului, lungul flexor al policelui şi extensorul policelui;

- muşchii adductori: muşchiul extensor ulnar al carpului, şi flexorul superficial al

degetelor. [PAP.V._2003]

4.3.4. Forţa musculară

Forţa musculară este dependentă în mod direct de trei parametri ai muşchiului enervat,

respectiv de mecanica musculară, arhitectura muşchiului şi locul de inserţie al acestuia.

Forţa de contracţie depinde de doi factori mai importanţi și anume: numărul fibrelor

musculare al unui muşchi şi lungimea acestora. Contracţiile musculare, datorită forţei pe care o

exercită, constituie un factor definitoriu în menţinerea posturii şi a echilibrului stabil, fiind o a

doua forţă interioară care intervine în realizarea mişcării, ca o reacţie de răspuns la stimulare,

prin impulsul nervos. [SER.I_2011] Moto-neuronul alfa primeşte toate impulsurile motorii,

indiferent de originea lor, iar când starea de excitaţie care rezultă din această sumaţie a atins un

nivel suficient, neuronul reacţionează stereotip, trimiţând un impuls motor fibrelor musculare pe

care le inervează prin terminaţiile sale. Întregul muşchi se contractă cu intensităţi variabile,

activitate care este explicabilă prin două mecanisme: prin sumaţie în timp, în corelare cu

frecvenţa cu care se succed impulsurile şi prin sumaţie în spaţiu, în legătură cu un număr

crescător de unităţi motorii care intră în acţiune. [SER.I 2011]

Contracţia musculară se poate defini ca o manifestare legată de schimbarea elasticităţii

musculare și se manifestă fie ca o întărire a muşchiului, fie ca o modificare de tărie şi de formă a

acestuia.

4.5. CINEMATICA MÂINII

Pentru o abordare pur cinematică, corpul uman poate fi considerat ca un sistem de corpuri

rigide legate prin articulaţii, această simplificare având avantajul unei abordări simple, care

determină concluzii foarte apropiate de realitate. Astfel se poate defini în orice moment oricare

din părţile corpului, poziţia şi orientarea acestuia prin raportarea la două sisteme de referinţă:

- un sistem de referinţă fix, unic şi bine precizat;

- un sistem de referinţă ataşat corpului.

Dacă se studiază corpul uman ca un ansamblu de corpuri legate între ele prin articulaţii,

fiecăruia din aceste corpuri trebuie să i se ataşeze un sistem de referinţă, care să-i definească

poziţia şi orientarea faţă de corpul ce-l precedă în succesiunea considerată, pentru ca la orice

moment, orice corp din succesiunea ce formează sistemul să poată fi în mod simplu exprimat

faţă de sistemul de referinţă fix.


28

Articulaţia mâinii face parte din grupul articulaţiilor conduse de aparate ligamentare şi in

cazul în care apare ineficienţa ligamentară sau deteriorarea ligamentului, se produc deformaţii în

precizia mişcării. Conducerea într-o articulaţie include parametrii vectoriali ai forţei şi anume,

sensul, direcţia şi amplitudinea mişcării în articulaţie.

După direcţia de mişcare faţă de cele trei axe ale sistemului tridimensional, se deosebesc

mişcările: pe orizontală, înainte şi înapoi, pe verticală, în sus şi în jos și lateral, la dreapta şi la

stânga (după Descartes 1637).

4.6. DINAMICA MÂINII

Importanţa integrităţii articulare a mâinii reprezintă o prioritate pentru orice individ, iar

musculatura la nivelul mâinii are un rol foarte bine definit şi anume acela de poziţionare, fapt

pentru care orice individ trebuie să-şi menţină tonusul muscular permanent.

4.6.1. Forţele de acţiune şi de reacţiune

Baza anatomofuncţională a unei mişcări este reprezentată de arcul neuro-musculo-osteo-

articular. Prin intrarea în acţiune a aparatului locomotor comandat de sistemul nervos, se

declanşează o serie de forţe interioare care conlucrează la realizarea mişcărilor. Forţele interioare

sunt obligate să învingă o serie de forţe exterioare care se opun mişcării, mişcarea rezultând din

interacţiunea forţelor interioare ale corpului omenesc cu forţele exterioare ale mediului de

deplasare.

Pentru a se produce lucru mecanic, forţele interioare trebuie să fie superioare ca intensitate

rezistenţelor opuse de forţele exterioare şi să acţioneze pe aceeaşi direcţie, dar în sens invers

acestora din urmă. Organele care participă la locomoţie aparţin sistemului nervos, sistemului

osteoarticular şi sistemului muscular. Atât locomoţia, cât şi mişcarea sub forma exerciţiului fizic

utilizează energia mecanică care se manifestă ca nişte forţe. În urma proceselor metabolice din

organismul uman rezultă energie care este utilizată sub formă termică, electrică, fizico-chimică şi

mecanică.

Succesiunea forţelor interioare ale locomoţiei, care intervin în realizarea unei mişcări este

următoarea: impulsul nervos → contracţia musculară → pârghia osoasă → mobilitatea articulară.

Controlul mişcării este realizat de sistemul nervos somatic sau al vieţii de relaţie. Acesta

este alcătuit din acele formaţiuni care au rolul de a integra organismul în mediul extern, de a

realiza relaţia organismului cu acest mediu. Activitatea sistemului nervos somatic este

conştientă, voluntară şi are ca efectori musculatura striată (somatică).

Forţele care acţionează asupra unui corp, inclusiv în timpul practicării exerciţiilor fizice,

determină o reacţie a ţesuturilor asupra cărora acţionează.

Deoarece la producerea flexiei-extensiei participă câţiva muşchi, trebuie făcute anumite

presupuneri esenţiale în anumite situaţii statice şi dinamice.

4.6.2. Evaluarea prehensiunii

Prehensiunea este un gest precis, adaptat, conştientizat sau reflex, care pe baza

informaţiilor instantanee exteroceptive şi proprioceptive se automatizează prin repetare şi

determină coordonarea optimă a mâinii pentru prindere sau apucare. [ZAM.E_2006]

După Littler mâna este divizată in trei elemente de mişcare:


29

- raza 1, policele, metacarpianul I şi articulaţiile dintre ele; metacarpianul I nu se articulează cu

cel de-al doilea şi astfel policele poate fi opus degetelor II-V; şi muşchii policelui;

- raza 2, indexul, prin cei 7 muşchi proprii, poate fi mobilizat independent fată de celelalte trei

degete;

- raza 3 – formată din degetele III-V şi metacarpienele corespunzătoare.

Razele 1 şi 2 formează o unitate funcţională pentru activităţi de prehensiune fine, precise,

la care participă în mică măsură şi degetul III. Legătura funcţională dintre razele 1-3 asigură

prehensiunea de forţă. Ea este evidenţiată de redoarea în extensie a inelarului , care face

imposibilă „strângerea în pumn a celorlalte degete”. Aceste trei raze de mişcare sunt grupate în

jurul unei unităţi centrale stabile, reprezentată de rândul distal al carpienelor, metacarpienelor II

şi III şi musculatura aferentă: muşchiul flexor radial al carpului şi muşchii extensori radial ai

carpului (lung şi scurt). Tipuri de prehensiune

1. Prehensiunea terminală se realizează între extremitatea pulpei policelui, aproape de

unghie şi extremitatea pulpei fiecărui deget, în particular a indexului.

2. Prehensiunea subterminală se realizează între pulpa policelui şi pulpa altui deget când

este bidigitală sau pulpele a două degete, când este tridigitală.

3. Prehensiunea subtermino-laterală se realizează între pulpa policelui şi faţa laterală a unui

deget, mai frecvent indexul, ca şi cum am număra banii, am prinde o farfurie sau am

răsucii o cheie, motiv pentru care se mai numeşte „pensa de cheie”.

4. Prehensiunea polici digitopalmară este o prehensiune de forţă realizată între palmă şi

ultimele patru degete şi police; se aplică în jurul unor obiecte grele si voluminoase.

5. Prehensiunea prin opoziţie digitopalmară opune palmei ultimele patru degete şi permite

sesizarea unor obiecte mai mici decât precedenta: mânuirea unui levier, apucarea

volanului, agăţarea de o bară, purtarea unui geamantan.

6. Prehensiunea latero-laterală se realizează interdigital între feţele alăturate a două degete,

mai ales index şi medius. [ZAM.E_2006]

4.7. Modelarea mâinii

4.7.1. Introducere

De-a lungul timpului, au fost dezvoltate cu diverse scopuri, modele ale mâinii ce încercau

să pună în evidenţă fiziologia unor elemente anatomice astfel încât probleme patologice sau

funcţionale ale mâinii să fie mai bine înţelese. Multe dintre aceste modele erau cinematice, foarte

simplificate, de cele mai multe ori 2D, în principal, pentru o analiză calitativă. Alte modele, mai

ales dinamice, servesc analizei cantitative necesare în planificarea chirurgicală asupra

tendoanelor sau în evaluarea transferului de semnal nervos pentru comanda efectorilor. De

asemenea, unele sunt dedicate modelării diferitelor operaţii în scopul concepţiei protezării.

Pentru determinarea axelor de rotaţie a articulaţiilor cu două grade de libertate, s-a luat în

considerare o conexiune virtuală a acestora, aproximaţie care a dat rezultate mulţumitoare pentru

majoritatea cazurilor, mai ales dacă nu a existat interesul în rolul ţesutului moale sau în

tensiunile dezvoltate în articulaţii. Toate cercetările de până în prezent au considerat pentru

tendon modelul curelei fără frecare, care dezvoltă tensiuni uniforme pe toată lungimea lui dacă

nu intervin ramificaţii sau conexiuni cu alte tendoane.


30

Modelarea matematică a muşchiului a fost, în general, făcută folosind modelul Hill. Acest

model simplu permite luarea în considerare a trei parametri principali: nivelul de activare al

muşchiului, variaţia forţei produse de muşchi în raport cu lungimea lui şi viteza de contracţie. În

final, ecuaţiile dinamice de echilibru formează un sistem nedeterminat, cu mai multe necunos-

cute (forţele din muşchi) decât ecuaţii. Nedeterminarea este ridicată prin impunerea de condiţii

suplimentare ca: inecuaţii ce se referă la valoarea maximă a forţei ce poate fi dezvoltată de

fiecare muşchi şi la faptul că tendoanele nu pot prelua încărcări de compresiune.

4.7.2. Modele ergonomice ale mâinii

În ergonomie, modelele mâinii sunt folosite pentru simularea posturilor din timpul

manipulării obiectelor cu diferite scopuri. În ultima perioadă, în concepţia ergonomică a

diferitelor produse au fost introduse persoane virtuale-manechine, mai ales în producţia

aerospaţială şi de automobile, dar şi pentru alte produse de larg consum, în simularea funcţiilor,

formarea personalului sau simularea unor situaţii de muncă ([COLO_2005]; [YANG_2007]).

Modelele timpurii ale mâinii erau foarte simple din punct de vedere geometric, formate din

cilindri şi conuri unite prin legături, dar algoritmii de dinamică inversă erau suficient de precişi

pentru a satisface nevoile de modelare şi simulare. Cele recente înglobează progrese ale

prelucrării de imagine şi reconstrucţie de corpuri 3D pe baza prelucrării statistice a datelor

rezultate din imaginile recuperate pe numeroşi subiecţi analizaţi.

4.7.3. Model biomecanic al mâinii

Ţinând seama de cunoştinţele actuale, de modelele biomecanice existente, este posibil să se

estimeze configuraţia musculară necesară realizării unei mişcări şi contracarării unei acţiuni

exterioare, dar folosirea acestor informaţii la studiul manipulării este limitată. Pe de o parte,

modelele biomecanice sunt lipsite de realism în ceea ce priveşte manevrarea obiectelor din punct

de vedere compus: mecanic şi ergonomic, iar pe de altă parte ele ar necesita înglobarea unor

informaţii despre contact. Cele curente nu permit posturile de apucare şi nici zonele şi forţele de

contact şi, cu atât mai puţin, nu prevăd algoritmul mişcării pentru apucare. Studiile calitative

efectuate în robotică permit compararea posturilor de prehensiune pentru diferite tipuri de roboţi

şi pot fi adaptate şi la prehensiunea umană.

4.7.4. Modelarea cinematică a membrului superior

Pentru obţinerea unor posturi cât mai apropiate de realitate este necesar să se adopte un

număr corect de grade de libertate între diferitele oase. În acest sens, este important ca modelul

să ia în considerare nu numai mişcările policelui şi ale degetelor, dar şi curbura palmei. Mâna

este considerată ca un ansamblu de cinci lanţuri cinematice deschise, din corpuri rigide,

conectate la carp prin diferite articulaţii care caracterizează comportarea lor cinematică.

Articulaţiile distală şi proximală inter-falangială ale degetelor, ca şi articulaţia inter-

falangială a policelui sunt articulaţii trohleare ce pot executa doar flexie şi extensie. Ele sunt

modelate prin articulaţii cu un singur grad de libertate (cilindrice) şi pentru acestea se defineşte

un ax de rotaţie ce uneşte cele două falange adiacente (tip balama).

Articulaţiile dintre metacarpiene şi falangele policelui şi ale degetelor sunt articulaţii

condilare ce pot executa mişcări flexie/extensie şi de abducţie/adducţie. [BRAND_1992]

Articulaţia dintre carp şi metacarpiene la police este o articulaţie în şa ce poate executa mişcări

flexie/extensie şi de abducţie/adducţie. [BRAND_1992] Toate acestea vor fi reprezentate prin


31

articulaţii cu două grade de libertate, prin definirea a două axe de rotaţie care unesc cele două

segmente adiacente. Axele nu se intersectează şi nu sunt ortogonale [BRAND_1992] şi, astfel este

necesară o legătură imaginară pentru a face legătura dintre ele. [GIUR_1995] Modelul permite

arcuirea palmei prin modelarea articulaţiei carpului cu metacarpienele degetului mic şi inelar

prin articulaţii artrodiale ce permit mişcări cu amplitudini foarte mici [KAPA_1998] modelate ca

având un singur grad de libertate prin definirea câte unei axe oblice de rotaţie pentru

flexie/extensie ce uneşte carpusul cu fiecare metacarpian, astfel încât să simuleze cât mai

aproape de adevăr arcuirea palmei. [KAPA_1998] Din cauza importanţei rolului formei palmei în

prehensiune, acest model este considerat ca fiind cel mai adecvat la simularea prehensiunii decât

oricare altul din literatura de specialitate.

Pentru studiul dinamicii directe şi inverse, metoda din robotică Denavit-Hartenberg

[DENA_1995] a fost utilizată şi defineşte poziţia oricărui segment.

Pentru studiul cinematic complet al membrul superior uman liber, pe baza observaţiilor

anatomice, se consideră o structură în lanţ cinematic deschis cu 12 grade de libertate. Acest

model se numeşte braţ cu mânuşă pliantă fără degete pentru că falangele acţionează toate

simultan, putând strânge mâna sub formă de pumn.

4.7.5. Acţiunea musculară şi a tendoanelor

Muşchii şi tendoanele controlează mişcarea lanţurilor scheletice. Muşchii sunt reprezentaţi

printr-un model Hill simplu, cu trei componente care ţine seama de nivelul de activare al

muşchiului (α), variaţia forţei produse de muşchi în raport cu lungimea lui şi relaţia viteză-forţă

de contracţie ca şi diferitele arhitecturi musculare.

Modelul conţine un element de contracţie (CE) care este elementul principal ce generează

forţă, un element elastic paralel (PEE) care reprezintă forţa pasivă atunci când muşchiul este

tensionat şi un element elastic în serie (SEE), tendonul, care este considerat ca inextensibil

(figura 4.4). Forţa pe care o poate dezvolta un muşchi depinde de lungimea lui şi de viteza de

contracţie.

a) b)

Figura 4.3. Model Hill cu trei

componente, pentru muşchi.

Figura 4.4. Modele ale tendoanelor ce traversează articulaţia: linie

dreaptă (a); modelul Landsmeer (b).

Cei mai mulţi muşchi nu acţionează direct pe oase, ci transmit forţa tendoanelor care se

inserează pe acestea. Pentru modelarea acţiunii unui tendon ce traversează o articulaţie, s-a

considerat o linie dreaptă ce uneşte două puncte: unul pe osul proximal şi, celălalt, pe osul distal

(fig. 4.4,a). Aproximaţia satisface mulţumitor comportarea tuturor tendoanelor, cu excepţia

extensorilor, pentru care a fost adoptat primul model Landsmeer (fig. 4.4,b). Mecanismul

capsular al tendoanelor degetelor (figura 4.4, b) permite conectarea şi divizarea căii tendonului.


32

4.7.6. Ligamente

Acţiunea ligamentelor este foarte importantă pentru analiza mişcărilor libere ale degetelor.

Ea nu este determinantă pentru manipularea obiectelor decât dacă aceasta se face cu viteze mari.

In cazul articulaţiilor interfalangeal distale şi proximale ale degetelor şi policelui, inserţia

ligamentelor colaterale pe segmentele proximale ale articulaţiilor corespund axului de flexie şi

extensie. [DUB_1981] Deci, ele nu dezvoltă nici un moment în jurul articulaţiei şi deci, nu trebuie

modelate. În cazul articulaţiilor metacarpo-falangeale, inserţia proximală a ligamentului lateral

pe capătul metacarpului rămâne dorsală spre centrul curburii articulare şi astfel, ligamentele

colaterale sunt laxe în extensie şi întinse în flexiune, diminuând considerabil domeniul mişcărilor

laterale ([CRAIG_1992]; [DUB_1981]; [KAPA_1998]). Tensiunea asupra ligamentelor radial şi

ulnar creste, respectiv, cu adducţia şi cu abducţia articulaţiei metacarpo-falangiene. Linia de

acţiune a ligamentelor rămâne dorsală în flexie-extensie, dezvoltând un moment de extensie în

articulaţie care se adaugă momentului de abducţie - adductie.

4.7.7. Pielea si contactul cu obiecte

Una din scopurile modelării mâinii constă în punerea în evidentă a capabilităţii ergonomice

de prehensiune şi transport a unor obiecte. Pentru a satisface această caracteristică este necesar,

printre altele, să se modeleze şi aspectul exterior al pielii. Se propune un model similar celui

produs de Endo [ENDO_2007] sau [GOUS_2007] în care modelul pielii este o reţea poligonală 3D

generată pe baza unor imagini tomografice. Un algoritm ce descrie deformarea suprafeţei pielii

defineşte geometria suprafeţei atunci când aceasta este modificată. Fiecărui os i se atribuie o

învelitoare de forma unei capsule. Vârfurile pielii modificate se deplasează odată cu oasele.

Atunci când capsulele se intersectează, vârfurile sunt o rezultantă a celor două învelitori. Pentru

determinarea contribuţiei fiecărei deplasări la crearea denivelării rezultante, întotdeauna

cuantificată cu unitatea, se atribuie ponderi de contribuţie celor două originale.

Modelul necesar descrierii posturii de prindere necesită verificarea momentului când

modelul pielii vine în contact cu suprafaţa obiectului. În realitate, suprafaţa mâinii este deformată

în contact cu obiectul şi deformaţia este, în general, neliniară.

Atunci când se încearcă estimarea modelului muscular asociat cu postura de prindere,

modelul necesită mai multe informaţii: forţele din contactele cu obiectul. Cum suprafaţa

degetului este deformabilă, contactul nu se produce doar într-un punct ci pe o arie ce creste odată

cu forţele normale. Datorită acestui efect, degetul va suporta, în afara forţei normale şi

tangenţiale de frecare, şi momente de frecare de torsiune faţă de punctul de contact.

Cele mai multe obiecte manipulate de om sunt mult mai rigide decât mâna acestuia şi,

atunci, este normal ca obiectul să fie considerat ca obiect rigid şi degetul ca obiect deformabil.

4.9. TEHNICI DE KINETOTERAPIE A MÂINII

Recuperarea medicală este cea mai nouă formă de asistenţă medicală apărută în a doua

jumătate a secolului XX, fiind într-o continuă dezvoltare. Este o activitate complexă prin care se

urmăreşte restabilirea cât mai deplină a capacităţilor funcţionale reduse sau pierdute de către o

persoană, dezvoltarea mecanismelor compensatorii şi de adaptare, care să-i asigure în viitor

posibilitatea de autoservire, viaţă activă, independenţă economică şi socială. Kinetoterapia se

defineşte ca un complex de metode şi tehnici ce folosesc mişcarea în scop terapeutic, urmărind


33

creşterea mobilităţii articulare, creşterea forţei şi a rezistenţei musculare, îmbunătăţirea

coordonării mişcărilor şi înlăturarea unor deficienţe ale aparatului locomotor. [W.4.6]

Forma exerciţiului fizic este determinată de totalitatea aspectelor externe ale mişcărilor

(ceea ce se vede din exterior), raportate la caracteristicile spaţio-temporale în care se efectuează

exerciţiul. Forma exerciţiului este dată de succesiunea în care se deplasează în timp şi spaţiu

elementele componente ale fiecărei mişcări – poziţia corpului şi a segmentelor sale, succesiunea

secvenţelor motrice ale întregului exerciţiu, traiectoria, direcţia, ritmul, tempoul şi mărimea

forţei contracţiilor musculare. [AVR.E_2006a, b]

4.9.2. Tehnici specifice mâinii

Kinetoterapia membrului superior se poate realiza prin:

c). tehnici anakinetice de posturare care au valoare deosebită, la fel ca şi mobilizările

de tip Maigne, motiv pentru care kinetoterapeutul trebuie să le acorde toată atenţia.

Principalele tipuri de posturi utilizate pentru recuperarea mâinii sunt:

- posturile antideclive realizate liber de către pacient sau cu ajutorul unor eşarfe sau

dispozitive speciale;

- posturile seriate în atele utilizate pentru menţinerea unei poziţii funcţionale câştigate sau

pentru corectarea unei diformităţi sau deviaţii;

- posturile de repaus, utilizate mai ales pe timpul nopţii;

- posturi de prevenire a deviaţiilor, utilizate în cadrul recuperării paraliziilor de nervi

periferici;

- orteze de diferite tipuri;

d). manipulări cea ce reprezintă utilizare mişcării pasive în sechelele posttraumatice de

la nivelul pumnului acestea fiind: mobilizarea radiocarpiană, flexia radiocarpiană şi

extensia radiocarpiană. Mişcările pasive sunt întotdeauna precedate de masaj şi

căldură. Amplitudinea mişcărilor creşte progresiv în timpul unei şedinţe, atingând

întotdeauna maximul posibil, moment în care se transformă practic în întinderi;

e). mobilizările pasivo – active, sunt acele mobilizări care fac trecerea spre

mobilizările active cu rezistenţă şi se utilizează când forţa musculară are valori între

2 şi 3, neputând asigura mişcarea pe întreaga amplitudine;

f). mobilizările active: reprezintă baza recuperării mâinii, realizându-se în toate

articulaţiile pumnului, mâinii, degetelor şi policelui, pe toate direcţiile posibile, atât

analitic, cât mai ales global. Fizioterapia adjuvantă pregăteşte fiecare program

kinetic prin masajul, termoterapia caldă si rece, fototerapia Bioptron, stimulările

electrice, electroterapia, acupunctura, etc.

34

CAPITOLUL 5

PROIECTAREA UNUI SISTEM DE ANTRENAMENT KINETO-TERAPEUTIC AL MÂINII

5.1. INTRODUCERE

Efectuându-se studii şi cercetări în domeniul aparaturii medicale, s-a constatat nevoia de

noi sisteme şi tehnologii în vederea recuperării locomotorii a corpului uman reducându-se astfel

timpul de reintegrare în activitatea normală şi nu în ultimul rând, calitatea actului recuperator,

adică posibilitatea de a realiza mişcările naturale identice cu cele dinaintea traumatismului

suferit. Astfel ţinta acestor cercetări este de a obţine un prototip de sistem acţionat

hidropneumatic folosit la recuperarea locomotorie a mâinii care a avut de suferit în urma unei

solicitări dinamice excesive ce a necesitat tratament medical complex sau persoana suferă de

maladii care îi reduc posibilitatea de mişcare. Se doreşte ca acest sistem să poată efectua mişcări

ale degetelor cu o forţă, un moment şi o traiectorie controlată. Toate caracteristicile ce vor fi

exercitate de sistemul mai sus mentionat vor fi, anterior realizării conceptului, determinate prin

calcul analitic şi modelate cu ajutorul software-ul Matlab iar proiectarea asistată de calculator se

va face cu sofware-ul Catia.

5.2. STABILIREA MIŞCĂRILOR

Mişcările pe care le poate realiza mâna, în totalitatea lor cu celelalte articulaţii ale

membrului superior, sunt mişcări complexe, foarte greu de realizat mecanic sau cu ajutorul

tehnologiei de astăzi, însă omenirea tinde şi speră că se vor găsi soluţii care să imite şi să

controleze aceste mişcări.

În urma celor studiate, s-au stabilit mişcările care au loc în articulaţia mâinii în totalitatea

lor - mână, pumn şi degete - astfel că, pentru început trebuie stabilite elementele cinematice care

intră în componenţa mecanismului mâinii. Aceste elemente fiind oasele care formeză structura

osoasă a mâinii, însă în funcţionarea mecanismului mai intră şi alte componente de luat în seamă

ca, muşchii, ligamente, tendoane şi articulaţii. Dacă se simplifică puţin lucrurile, în sensul că se

iau în calcul doar mişcările, nu şi forţele care intervin, deci se priveşte pur cinematic, atunci se

pot definitiva cu exactitate toate tipurile de mişcări ce se regăsesc în mecanismul mâinii.

5.3. PROIECTAREA ECHIPAMENTULUI

La conceperea şi proiectarea echipamentului s-au avut în vedere mai mulţi factori

importanţi în modul de funcţionare, cote de gabarit, energii de acţionare, modul de comandă şi

execuţie şi mulţi alţi parametri de lucru ai echipamentului proiectat.

În acest sens, referitor la cotele de gabarit precum şi la forţele şi momentele necesare, sau

efectuat o serie de cercetări şi măsurători antropometrice în vederea stabilirii cu exactitate a

lungimilor elementelor componente mecanismului mâinii şi amplasarea acestuia în poziţia cea

mai comodă pentru cei ce folosesc respectivul aparat. Aceste măsurători au scos în evidenţă

intervalul forţelor şi momentelor dezvoltate de membrul superior, cu precădere în articulaţiile

mâinii.

Capitolul 5. Proiectarea uni sistem de antrenament kineto-terapeutic al mâinii

35

Figura 5.1. Concepţia structurii de bază a echipamentului.

5.3.1. Stabilirea intervalelor

Pentru stabilirea dimensiunilor componentelor mecanismului mâinii și a fortelor medii

dezvoltate de subiecţi sănătoşi, au fost efectuate măsurări antropometrice, măsurări ale

deplasărilor unghiulare ale falangelor degetelor, precum și măsurări ale fortelor anatomice și în

stare de confort fiziologic dezvoltate în diversele segmente ale mâinii.

Măsurătorile antropometrice au fost efectuate pe un număr de 207 subiecţi, având o

dezvoltare şi o condiţie fizică normală, fără dificultăţi în locomoţia membrului superior. Dintre

aceştia, 116 sunt de sex masculin și 91 de sex feminin (Anexa 1).

În urma obţinerii datelor experimentale, s-a constatat o mare diversitate a valorilor obţinute

și o mare amplitudine a intervalului de variaţie a înălţimii subiecţilor participanţi la studiu.

Pentru o tratare mai coerentă a acestor date experimentale, subiecţii au fost împărţiţi în mai

multe clase de înălţime: până la 1,69 m, între 1,70 și 1,79, 1,80 – 1,89 și între 1,90 m și 2,02 m,

separat pentru subiecţi de sex masculin și de sex feminin.

Dimensiunile falangelor degetelor; ale mâinii și ale membrului superior au fost

reprezentate în funcţie de talie – lungimea și perimetrul fiecărei falange. Au fost determinaţi

principalii parametri statistici pentru fiecare clasă de talie, descrisă mai sus (Anexa 2).

Pentru exemplificare, în figura 5.2 este prezentată variaţia dimensiunilor falangei mijlocii a

degetului inelar în funcţie de talie pentru clasa de subiecţi feminini cu talia între 1,70 și 1,79 m.

Estimaţia mediei aritmetice și estimaţia abaterii standard [ROSC_1998] au fost calculate cu

formulele:

n

i

ixn

x1

1,

n

i

i xxn 1

2

1

1 , (5.1)

pentru a se determina intervalul de încredere pentru o valoarea oarecare din şirul de determinări

cu un nivel de încredere de 68,3 %, adică,

x,xxi . (5.2)


36

După analizarea rezultatelor obţinute pe clase de dimensiuni și sexe, s-au construit noi clase de

dimensiuni mixte care au fost considerate mai aproape de situaţia reală de exploatare a unui

dispozitiv de recuperare și antrenament a mâinii (Anexa 3). Au fost, astfel, obţinute patru clase

de subiecţi ordonaţi după talie: 152-1,69 m; 1,70-1,79 m; 1,80-1,89 m și 1,90-2,02 m.

Fig. 5.2. Variatia lungimii și perimetrului falangei mijlocii a inelarului în functie de talie pentru clasa de

subiecţi feminini cu talia cuprinsă între 1,70 m și 1,79 m.

Dintre aceste clase, din multiple considerente ca: frecventa de apariţie a dimensiunilor

taliei, media taliei populaţiei într-un anumit segment de vârstă al populaţiei dată în statistici

oficiale și, mai ales, pentru uşurinţa construirii dispozitivului cu mijloacele materiale accesibile,

s-a ales ca reprezentativă o clasă de talie cuprinsă între 1,80 și 1,89 m, care cuprinde un

număr de 60 de subiecţi.

Pentru această clasă s-a urmărit eliminarea erorilor aberante și tratarea lor statistică cu un

nivel de încredere corespunzător la 2, adică de 95,4 %.

Eliminarea valorilor aberante s-a făcut folosind testul Grubbs, cu funcţia discriminantă:

crgxx

g ~1

. (5.3)

Pentru un risc de 5 %, și un volum al eşantionului de n=60, valoarea gcr=3,03. Dacă

crgg , atunci valoarea extremă testată – xmin sau xmax nu este aberantă și poate fi păstrată în

şirul de valori. În caz contrar, valoarea pentru care g>gcr este considerată aberantă și se elimină

din şirul de valori luate în considerare la obţinerea rezultatului final.

După depistarea și eliminarea erorilor aberante din şirurile de valori obţinute pentru

lungimile și perimetrele falangelor celor cinci degete și pentru dimensiunile mâinii, s-au

recalculat parametri statistici și, cu ajutorul lor, intervalele de încredere cu un nivel de încredere

de 95,4 %, adică corespunzător la 2, obţinându-se valorile din Tabelul 5.2.

În urma analizei dimensionale a şirurilor de determinări antropometrice efectuate asupra

membrului superior, a mâinii și a tuturor degetelor, s-au ales dimensiunile ce urmează să fie

materializate în dispozitivul de recuperare și antrenament al mâinii. Aşa cum s-a arătat,

dimensiunile (Tabelul 5.3) au fost alese astfel încât să se încadreze în intervalele de încredere și,

în acelaşi timp, să permită realizarea practică a prototipului dispozitivului și punerea lui în

funcţiune cu mijloacele actuale disponibile.


37

Tabelul 5.2. Valorile parametrilor statistici ale şirurilor de valori ale dimensiunilor degetelor, ale mâinii

și ale membrului superior pentru clasa de subiecţi cu talia cuprinsă între 1,80 m și 1,89 m, cu = 95,4 %.

Parametri

Deget/falangă

Lungime Perimetru

Media mm

Abaterea

standard mm

Interval de

încredere

mm

Media mm

Abaterea

standard mm

Interval de

încredere

mm

Police F1 32,6117 2,2723 (28,0670; 37,1563) 59,267 4,254 (50,759; 67,775)

F2 41,6414 2,1495 (37,3424; 45,9404) 64,967 5,894 (53,178; 77,756)

Index

F1 25,0542 1,9114 (21,2314; 28,8771) 4,8000 4,510 (38,980; 57,020)

F2 31,0475 1,8164 (27,4146; 34,6803) 5,4867 4,630 (45,606; 64,127)

F3 55,7530 3,0973 (49,5584; 61,9477) 6,4867 5,017 (54,833; 74,900)

Deget

mijlociu

F1 26,3783 1,4867 (23,4050; 29,3517) 4,9783 4,488 (40,808; 58,759)

F2 35,9467 2,2581 (31,4304; 40,4629) 5,6983 5,030 (46,923; 67,044)

F3 60,0466 3,2835 (53,4796; 66,6135) 6,3083 5,579 (51,925; 74,242)

Inelar

F1 26,3633 1,5489 (23,2656; 29,4611) 4,6700 4,220 (38,260; 55,140)

F2 34,6000 2,1671 (30,2658; 38,9342) 5,2305 4,595 (43,115; 61,495)

F3 57,5633 4,0559 (37,4890; 69,5259) 6,0300 5,305 (37,350; 72,639)

Deget mic

F1 23,2383 1,7084 (19,8215; 26,6552) 4,2733 4,166 (51,064; 51,457)

F2 26,2102 1,7387 (22,7328; 29,6875) 4,8183 4,401 (39,380; 56,986)

F3 44,9083 3,1389 (38,6304; 51,1862) 5,4417 4,900 (44,617; 64,217)

Mână Lungime Lăţime

202 7,134 (187,548; 216,085) 82,917 4,688 (73,541; 92,292)

Membru

superior

Antebraţ Braţ

277,600 10,472 (256,656; 29,8544) 336,831 16,925 (302,981; 370,680)

Tabelul 5.3. Valorile adoptate ale dimensiunilor degetelor, mâinii și

ale membrului superior [mm].

Deget/falangă Lungime Perimetru

Police F1 30 64

F2 42 77

Index

F1 27 55

F2 30 60

F3 52 69

Deget

mijlociu

F1 28 55

F2 32 65

F3 57 70

Inelar

F1 27 47

F2 34 58

F3 55 64

Deget mic

F1 26 45

F2 27 49

F3 46 58

Mână Lungime Lăţime

202 90

Membru superior Antebraţ Braţ

278 287

În mod analog au fost tratate datele experimentale referitoare la forţele dezvoltate în degete

pentru diferite pehensiuni, stabilindu-se intervalele de variaţie pentru subiecţi sănătoşi cu un

nivel de încredere de 95,4 %. Tabelele cu valorile prelucrate și cu datele sintetizate se regăsesc în

Anexa 3. Pentru stabilirea experimentală a amplitudinilor mişcărilor degetelor la nivelul inter-


38

falangeal și la nivelul deget police mână, s-a urmărit acelaşi mod de tratare a datelor

experimentale, valorile prelucrate și datele sintetizate se regăsesc în Anexa 4.

În urma tratamentului acestor date experimentale, rezultatele adoptate au fost folosite

pentru proiectarea prototipului dispozitivului de recuperare/antrenament a mâinii.

5.3.2. Schema cinematică

5.3.2.2. Realizarea schemei cinematice a mecanismului mâinii

Simplificarea cinematică a mecanismului mâinii se reduce la formarea lanţurilor

cinematice ce au în componenţă cuple cinematice plane şi spaţiale, în care mişcarea principală

este de rotaţie. Am spus mişcare principală deoarece, în fiecare articulaţie a mâinii, pe lângă

mişcarea de rotaţie mai are loc şi mişcare de translaţie provenită din alunecarea oaselor ce intră

în componenţa articulaţiei. Aceste mişcări de translaţie sunt însă foarte reduse, fapt ce se poate

neglija în modelarea cinematică luându-se în considerare doar caracterul de rotaţie al articulaţiei.

Descrierea articulaţiilor mâinii, definirea gradelor de libertate şi simbolizarea cinematică este

următoarea:

1. Articulaţia radiocarpiană este o articulaţie sferică cu trei grade de libertate: flexie-

extensie - rotaţie în jurul axei Ox, adducţie-abducţie - rotaţie în jurul axei Oy și pronaţie-

supinaţie - rotaţie în jurul axei Oz.

2. Articulaţiile metacarpofalangiene sunt articulaţii sferice cu două grade de libertate,

deoarece mişcarea de abducţie - adducţie este relativ redusă şi se poate neglija în

modelarea cinematică. Mişcările principale în această articulaţie sunt: flexie-extensie -

rotaţie în jurul axei Ox și adducţie-abducţie - rotaţie în jurul axei Oy.

3. Articulaţiile interfalangiene acestea sunt proximală şi distal. Acestea permit mişcări cu un

singur grad de mobilitate formând cuple cinematice de rotaţie, astfel mişcarea fiind de

flexie-extensie - rotaţie în jurul axei Ox.

4. Articulaţia interfalangiană a degetului police realizează mişcarea de suprapunere a două

rotaţii: adducţie-abducţie - în jurul unei axe ce trece prin baza metacarpianului și opziţie-

repoziţie - în jurul unei axe radioulnare ce trece prin osul trapez. [DRA.D_2006]

Figura 5.2. Schema cinematică a mâinii.

Figura 5.3. Cuplele cinematice ale mecanismului

prototipat; C–carpiene; MC–metacarpiene; FP–

falange proximale; FM–falange mediane; FD–

falange distale; 1–police; 2–index; 3–degetul

mijlociu; 4–inelar; 5–degetul mic.


39

În urma cercetărilor efectuate pe mână, modelul cinematic pe care se bazează funcţionarea

mecanismului, la aparatul prototipat a fost necesară înlocuirea unor cuple cinematice. Astfel

cupla cinematică sferică, a articulaţiei radiocarpiană s-a înlocuit cu două cuple cilindrice în locul

celor trei din (figura 5.2), reducându-se astfel mobilitatea la două grade de libertate, fiind

posibile mobilităţiile de flexie-extensie - rotaţie după axa Ox şi adducţie-abducţie - rotaţie după

axa Oy. O altă schimbare care a fost absolut necesară este introducerea unor cuple de rotaţie între

elementele cinematice carpiene şi metacarpiene, schimbare ce permite mişcarea de adducţie-

abducţie a elementelor cinematice metacarpiene - o rotaţie după axa Oy.

Motivarea schimbărilor ce au fost efectuate, este dată de faptul că mecanismul prototipat

nu poate fi coaxial cu axele de rotaţie a cinematicii mâinii, iar de aici rezultă faptul că în cuplele

cinematice ale articulaţiilor carpofalangiene, datorită distanţei dintre axe, în momentul rotiri vor

avea loc mişcări de translaţie a elementelor cinematice metacarpiene. Pentru a permite mişcarea

de translaţie a metacarpienelor în mecanismul prototipat a fost necesară introducerea unei plăci

cu rolul de suport fix al întregului mecanism. La degetul police s-au înlocuit cele două articulaţii

cardanice, ale articulaţiilor carpometacarpiană şi metacarpofalangiană, cu o articulaţie sferică.

Aici motivaţia acestei schimbări este dată de spaţiul redus în care trebuie să se încadreze întregul

mecanism, adică de suprafaţa dorsală a mâinii (figura 5.3).

5.3.2.3. Schema de comandă şi control

Pentru realizarea comenzii către elementele de execuţie ale echipamentului, se utilizează

un calculator prin care cu ajutorul tastaturii sunt trimise comenzile către unitatea de comandă.

Pentru a realiza legătura dintre calculator şi blocul de comandă este necesară utilizarea unei

interfeţe seriale. Odată ce unitatea de comandă primeşte semnalul, aceasta are rolul de prelucrare

de semnal şi trimiterea lui către electrodistribuitorul pneumatic comandat, însă nu înaite de a se

trece prin blocul electric care are rolul de a amplifica tensiunea semnalului de la 5V la tensiunea

de lucru a electrodistribuitorului pneumatic, tensiune de 24V.

Electrodistribuitorul pneumatic are rolul de a comanda energia pneumatică pe circuitul ales

spre celelalte componente pneumatice cu rol de comandă şi control pneumatic. La capătul

circuitului se regăsesc elementele de execuţie a mecanismului mâinii, si anume actuatorii

flexibili miniaturali montaţi pe mecanismul mâinii. Construcţia şi funcţionarea blocurilor

componente sistemului va fi descrisă în continuare.

Componenta electronică

Interfaţa serială

Pentru a putea pune în funcţiune circuitul de comandă, a fost realizat un program software

prin care utilizatorul poate trimite comenzi de la tastatură catre microcontroller şi mai departe

spre circuit. Acest program de comandă a fost realizat cu ajutorul softului QT-Creator, folosit de

către firma Nokia la crearea aplicaţiilor pentru telefoane. Acest program permite crearea simplă

a unei interfeţe cu utilizatorul. În această interfaţă, utilizatorul, are posibilitatea să vizualizeze

literele de pe tastatură care sunt alocate pentru fiecare electrovalvă în parte şi să o poată acţiona

individual faţă de celelalte. Deasemenea electrovalvele pot fi acţionate şi concomitent, astfel

încât să lucreze împreună pentru punerea în funcţiune a protezei din care fac parte.

Paşii ajutători la realizarea interfeţei cu utilizatorul sunt:

- După deschiderea programului se selectează opţiunea „Creare proiect”;


40

- Se selectează fişierul ţintă pentru program;

- Generarea automata a celor 5 fişiere.

După efectuarea acestor paşi se va deschide programul propriu-zis, unde se poate observa

generarea automată a unor linii de comandă în urma paşilor efectuaţi anterior.

Trecerea în fereastra de desenare a interfeţei cu utilizatorul se face dând dublu clic pe

fişierul „comandă.ui”. După deschiderea modulului de desenare, se aleg butoanele necesare

pentru crearea interfeţei cu utilizatorul. Acestea se trag în fereastra de editare şi se ordonează

astfel încât să se creeze interfaţa dorită.

La fiecare tastă care a fost introdusă în interfaţă este necesar să i se modifice proprietăţile.

Pentru aceasta, în partea dreaptă jos a programului există o listă cu proprietăţi specifice fiecărei

taste de comandă în parte care se pot edita. De aici i se defineşte denumirea nouă a proprietăţii

alocate, mărimea de afişare şi alte caracteristici care ajută la folosirea funcţiilor caracteristice

tastei. După ce s-au definit toate caracteristicile de care programul are necesitatea pentru buna

funcţionare, interfaţa cu utilizatorul va avea următoarea formă (Figura 5.4).

Figura 5.4. Interfaţa după introducerea parametriilor de comandă.

Cu acest circuit se pot acţiona o serie de 18 electrovalve pneumatice, fiecare dintre acestea

fiind conectată la câte o ieşire a circuitului şi are alocată tasta corespunzătoare acelei ieşiri. După

ce s-a apăsat un caracter, programul va trimite instrucţiuni la microcontroller, care va comanda

mai departe cu ajutorul circuitului electric, la care electrovalvă se va trimite tensiunea de lucru.

Circuitul va trimite semnal pe un port de ieşire acţionat până în momentul în care se va

trimite apasa o tastă corespunzătoare altui port, sau se va apăsa tasta X. Prin apăsarea tastei X

microcontrollerul nu va mai emite comandă circuitului şi se va înceta acţionarea. De asemenea se

pot acţiona simultan toate ieşirile circuitului de comandă prin apasărea tastei Y. În urma acestei

comenzi, microcontrollerul va comanda toate cele 18 ieşiri, astfel punându-se în funcţiune cele

18 electrovalve.

Circuitul electric de comandă

Pentru punerea în practică a comenzilor date prin intermediul unei tastaturi conectată la un

calculator este necesară realizarea circuitului electric care face conexiunea dintre calculator şi

electrovalvele care urmează să fie comandate. Întrucât semnalul digital transmis de circuitul

electronic are o tensiune maximă de 5V, iar pentru comanda electrovalvelor pneumatice este


41

necesară tensiunea de 24V, este obligatorie introducerea unui circuit electric cu rolul de a furniza

tensiunea de lucru necesară. În acest scop a fost concepută o schemă electrică de comandă a

circuitului pneumatic ce a fost realizată şi textată cu ajutorul software-ului Eagle Layout Editor

versiunea 5.7.0. Pentru o mai bună explicaţie această schemă a fost desfăcută în două părţi, după

cum urmează:

1. schema de conexiune calculator – circuit electric alimentare microcontroller Atmega88P;

2. microcontroller Atmega88P – reprezentarea ieşirii semnalului.

Figura 5.5. Conexiunea calculatorului–circuit electric de alimentare prin buffer-ul de tranziţie MAX 232.

Pentru prelucrarea datelor primite de la calculator s-a folosit un microcontroller de tip

Atmega88P care este alimentat de la o sursă de energie de 12 V. Circuitul va emite în urma

prelucrării semnalelor primite de la calculator aceeaşi tensiune cu care este alimentat, doar ca o

va face exact pe portul pe care se doreşte, astfel putându-se comanda oricare dintre cele 18

electrovalve folosite mai departe în componenţa protezei de recuperare a mâinii.

Din circuit vine spre led-urile de semnalizare a functionării circuitului o alimentare de 5V,

care trece prin tranzistorul BC547 de tip npn care activează mai departe tranzistorul de tip pnp

BD682. Acesta din urmă funcţionează ca un comutator care închide circuitul şi se alimentează

led-ul indicând astfel funcţionarea. Tranzistorul de tip pnp, mai are rolul de a se opune trecerii

tensiunii de 12 V de la alimentare spre microcontrollerul Atmega88P.

Figura 5.6. Reprezentarea ieşirii semnalului.

Programul de comandă

Programul de comandă al circuitului electric a fost conceput în limbajul de programare

C++ şi foloseşte la la trimiterea comenzilor date de utilizator prin intermediul calculatorului către


42

microcontroller-ul plăcii de comandă. Acest circuit se conectează la un calculator şi cu ajutorul

softului realizat, prin acţionare de la tastatură, astfel se pot comanda un număr de optsprezece

electrovalve sau distribuitoare. Acestea se pot comanda atât individual cât şi toate în acelaşi

timp. Trimiterea semnalului simultan la toate cele cele optsprezece electrovalve se face foarte

uşor prin apăsarea unei singure taste de pe tastatură, nefiind necesară apăsarea tuturor tastelor

corespunzătoare celor optsprezece ieşiri. Interfaţa de utilizare este foarte simplă şi poate fi

folosită de către orice utilizator, explicând exact ce butoane trebuiesc apăsate pentru ca

microcontrollerul să emită semnal mai departe. Codul sursă se poate modifica astfel încât se

poate comanda orice sistem mecatronic care foloseşte o tensiune de alimentare cuprinsă între 5V

şi 25V.

Componenta pneumatică

Schema circuitului pneumatic de comandă a fost realizată şi testată cu ajutorul software-

ului FluidSim, secţiunea didactică, pus la dispoziţie de către Firma Festo.

Figura 5.7. Circuitul pneumatic de comandă şi contrul a 16 actuatori pneumatici.


43

Scopul realizării acestui circuit este de a prelucra energia pneumatică la parametri necesari

regimului de funcţionare a actuatorilor pneumatici folosiţi la acţionarea mecanismului cinematic

al mâinii din cadrul aparatului propus pentru prototipare.

Elementele pneumatice componente ale circuitului realizat sunt: unitate de prelucrare a

aerului comprimat, comutator variabil de presiune, contorizator/numărător de cicluri complete,

electrodistribuitoare pneumatice de tipul 3/2 ; 24V, regulator de presiune cu acţionare manual,

drosele, supape de sens unic, capacitoare, actuatori pneumatici.

Actuatorul pneumatic miniatural utilizat în construcţia aparatului

Actuatorii pneumatic sunt componentele finale dintr-un circuit pneumatic, având rolul de

execuţie a mişcării folosind ca energie aerul comprimat. Aceştia pot fi de diferite tipuri şi modele

constructive, având însă o funcţie precisă, aceea de a transforma energia pneumatică în lucru

mecanic. Din acest punct de vedere, actuatorul pneumatic poate realiza mişcarea sub două forme

bine definite şi anume, mişcare de rotaţie şi mişcare de translaţie. Aşadar se poate vorbi de

motoare pneumatice liniare şi motoare pneumatice rotative.

Actuatorii flexibili miniaturali sunt actuatori care au o structură flexibilă atunci când se

află în stare de repaus şi sunt activaţi de fluid sub presiune, prezentând caracteristici unice care

pot fi utilizate în multe aplicaţii cu rezultate foarte bune. Acesţi actuatori au un număr mare de

grade de liberate, fapt ce le oferă posibilitatea de a efectua mişcări diverse, putând chiar fi

acţionaţi pe o traiectorie sinusoidală. Aceste avantaje oferă actuatorului aplicaţii diverse de la

aeronautică, automobile, automatizări până la aplicaţii în aparatura medicală. [DEG.A_2009]

În functie de avantajele şi dezavantajele enumerate, în alegerea acestui tip de actuator au

fost decisive avantajele oferite de greutatea foarte redusă precum şi simplitatea constructivă.

Actuatorul pneumatic ales, are caracteristica funcţională bazată pe principiul extinderii

camerei presurizate, efectuând lucrul mecanic prin compresiune și nu prin tracţiune cum se

întâlneşte în cazul muşchilor artificiali pneumatici de tipul McKibben sau a celor care sub

acţiunea fluidului presurizat se comprimă, micşorâdu-se iar forţa utilă este de tracţiune.

[PLE.D_2005] Caracteristica elastică a actuatorului îi permite o deformare utilă de două ori mai

mare decât lungimea iniţială pe direcţia axialăceea ceea ce nu a mai fost întâlnit la niciun alt

actuator și care oferă posibilitatea integrării lui în spaţii restrânse a mecanismului acţionat.

5.3.3. Materiale

Materialul folosit la construcţia acestei camere presurizate este cauciucul siliconat. Acest

material a fost ales în urma rezultatelor foarte bune la testele de elasticitate şi rezistenţă la

îmbătrânire. [VLA.C_2010] Materialul elastic are forma tubulatură, de secţiune cilindrică cu

diametrul exterior de 12 mm având peretele de grosime 1,5 mm. Au fost testate diferite lungimi

ale tubulaturii, din 5 în 5 mm, începând cu 10 mm şi până la 30 mm, cu scopul de a determina

deformaţia minimă necesară impusă de cerinţele actuatorului realizat. (Fig. 5.8)

Pentru a corecta deformaţia pe direcţia dorită este necesar a se utiliza un material neelastic

pentru armătură sau din care să se confecţioneze un înveliş exterior cu rolul de a reduce

deformaţia pe direcţia radială a camerei presurizate.

În cazul acestei structuri s-au avut în vedere valorile necesare următoare: forţa realizată Fr

= 40 N; lungimea minimă a deformaţiei Ld = 20 mm; presiunea maximă de lucru Pmax = 5 bari;

lungimea iniţială maximă Li = 20 mm. Pentru a realiza aceste performanţe un rol important îl are

natura firului textil care impune o rezistenţă la încovoiere, pe o singura direcţie longitudinală, în


44

timp ce fibrele trebuie să asigure o rigiditate satisfăcătoare [WAN.Z_2011] pentru ca, în ansablu,

ţesutul textil să reziste la solicitările generate de acţionarea pneumatică.

Trebuie avută în vedere şi posibilitatea de montare a materialului elastic pe capetele de

acţionare a actuatorului, astfel încât să nu se mărească ineficient gabaritul acestuia. Din punct de

vedere constructiv-funcţional, se pot obţine forme diverse ale capetelor de fixare în funcţie de

natura mecanismului acţionat, însă pentru a nu produce torsiune în materialul elastic este

recomandat a se utiliza o articulaţie sferică în partea de acţionare asupra mecanismului.

Figura 5.8. Diferite lungimi a materialului elastic. Figura 5.9. Tipuri de materiale textile supuse testării.

Construcţia acestui tip de actuator a fost posibilă în mai multe etape. În prima etapă s-au

stabilit cotele materialelor utilizate.

Pentru a asigura o etanşare bună a componentelor şi a nu deteriora materialul elastic, s-au

fixat capetele de materialul elastic prin înfăşurarea unui fir textil rigid cu grosimea de 0,4 mm,

având o rezistenţă mare la rupere. După montarea materialului elastic pe capetele de fixare (fig.

5.10) ce conţin şi orificiile de alimentare, s-a trecut la testarea camerelor presurizate utilizând

presiune variată de la 0 la 2 bari pentru a testa etanşeitatea înbinărilor şi calitatea materialului

elastic (fig. 5.11). Verificarea a fost efectuată la această presiune pentru a nu depăşi limita de

elasticitate a materialului şi al deteriora. Pentru testare s-au folosit componente pneumatice

simple de comandă şi control al presiunii de aer astfel: un regulator de presiune cu manometru,

un distribuitor de tipul 3/2 cu comandă manuală şi revenire cu arc, un distribuitor 5/2 cu

comandă pneumatică. [ION.E_2010]

Figura 5.10. Capetele actuatorului: sferic (a);

hexagonal cu orificiul de alimentare (b).

Figura 5.11. Testarea camerei sub presiune cu

două compartimente ( A şi B ).

Următoarea etapă în construcţia actuatorului este montarea materialului neelastic prin

acelaşi procedeu de fixare, dar folosind un număr de 15 înfăşurări. Pentru a păstra cotele camerei

presurizate (Lcp=10 mm), s-a folosit un surplus de material de 5 mm pentru fixarea

componentelor. S-au realizat mai mulţi actuatori de diverse lungimi utilizând diferite materiale

textile pentru a controla eficient deformaţia.


45

Următorul pas constă în testarea proprietăţilor materialului textil în condiţii reale folosind

în acest scop presiunea de lucru P = 4 bari. Metoda de testare a constat în aşezarea actuatorului

între două reazeme fixe şi ataşarea la capătul sferic a unui manometru electronic, aşezat între

capul sferic şi reazemul fix. Pentru a masura forţa maximă de compresiune actuatorul a fost

acţionat la o presiune de 5 bari. La această presiune manometrul a indicat o forţă de 55 N. Au

fost efectuate măsurători la presiuni variate astfel că valorile măsurate sunt date în tabelul 1. de

revenirea actuatorului în poziţia iniţială este dată de elasticitatea materialului din care este

realizată camera presurizată.

Figura 5.12. Testarea actuatorului la presiunea de lucru; a. fără presiune; b. cu presiune.

Pornind de la necesitatea unui actuator de mici dimensiuni şi respectând datele de

proiectare, actuatorul pneumatic flexibil realizat şi testat în condiţii de laborator are rezultate

satisfăcătoare, el putând executa un număr de acţionări de până la 3000-3500 de cicluri, la o

presiune de lucru de 4 bari dezvoltând o forţă de 49 N.

După depăşirea pragului de 3500 cicluri s-a constatat că apar deteriorări ale materialului

elastic datorită frecărilor dintre materiualul textil şi cel elastic. Pentru reducerea uzurii s-a

încercat utilizarea de lubrifianţi sintetici prelungindu-se astfel utilizarea actuatorului cu încă 500

cicluri. În concluzie se poate utiliza acest tip de actuator un număr limitat de cicluri având

rezultate bune cheltuieli mici şi consum scăzut de energie

5.4. PROIECTAREA ŞI MONTAREA MECANISMULUI MÂINII

Construcţia echipamentului ce urmează a fi prototipat este alcătuit din ptru blocuri

funţionale distincte asistate de calculator. Primele trei blocuri, şi anume: blocul electroni, electric

şi cel pneumatic, construcţia lor precum şi funcţionarea, au fost descrise anterior.

În continuare se va descrie construcţia şi funcţionarea blocului de execuţie, componenta

cea mai inportantă a echipamentului deoarece, această zonă vine în contact direct cu persoana

careia îi este adresată utilitatea acestui echipament. Referitor la datele antropometrice ale mâinii,

valorile acestora diferă de la un subiect la altul, motiv pentru care mecanismul realizat este

dedicat numai acelor persoane care fac parte din categoria cotele de gabarit luate în calcul la

realizarea piesele componente ale mecanismului (fig. 5.13).

Pentru buna funcţionare a mecanismului, fiecare piesă în parte a fost realizată virtulal în

soft-ware-ul Catia, versiunea 5R18, fiind un software specializat în proiectare asistată de

calculator. În acest soft-ware, s-a utilizat modulul Mechanical Design, unde, cu submodulul Part

Design au fost realizate piesele virtuale, pentru început în 2D iar apoi, 3D. Pentru verificarea la

montare a pieselor virtuale s-a folosit submodulul Asembly Design, parte a modulului

Mechanical Design, operaţie ce are scopul de simulare a asamblării pieselor în mecanism.


46

În timpul mişcării de flexie-extensie a degetelor, datorită împosibilităţii de a monta

articulaţia mecanismului pe aceiaşi axă cu articulaţia metacarpo-falangiană, în momentul rotaţiei

are loc o mişcare de translaţie a elementului ce ţine loc de metacarpian. Pentru realizarea

mişcării în condiţii optime, a fost necesară introducerea unei plăci de susţinere (fig. 5.14).

Această placă are rolul de placă de bază fiind componenta fixă a mecanismului, poziţionată pe

partea dorsală a mâinii şi menţinând amplitudinea mişcărilor în intervalul stabilit.

Figura 5.13. Distanţele dintre articulaţiile

mâinii după care au fost luate în calcul la

proiectarea echipamentului, (în mm).

Figura 5.14. Placă de sustinere: vedere palmară (a);

vedere dorsală (b).

Pentru comtrolul amplitudinnilor au fost decupate în materialul plăcii de bază traseele pe

care se ghidează şi se limitează rotaţia pieselor. Se observă faptul că aceste trasee permit

mişcarea de rotaţie doar în momentulîn care degetele se află în poziţia de extensie iar în

momentul flexiei mişcarea de rotaţie este suprimată. Aceasta se datorează faptului că în

momentul flexării degetelor, acestea nu pot fi şi în mişcare de abducţie.

Figura 5.15. Flexia-extensia în articulaţia trapezo-metacarp.


47

Elementul de suport al metacarpianului police a fost introdus cu rolul de a obţine

mmişcarea de flexie-extensie în articulaţia trapezo-metacarp. În articulaţia sferică situată pe acest

suport sunt suprimate două grade de libertate, şi anume de rotaţie pe axa y şi z, fiind posibilă

doar rotaţia pe axa x.

Pentru articulaţiile metacarpo-falangiene şi articulaţiile interfalangiene mişcarea este una

de rotaţie realizată în mecanism printr-o cuplă cinematică cilindrică. În cea ce priveste

amplitudinea mişcării precum şi menţinerea în intervalul stabilit, piesele au fost în aşa fel

proiectate în zona de articulaţie încât, în momentele de flexie maximă precum şi extensie

maximă, acestea vor venii în contact prin două suprafeţe ce se suprapun.

În figura 5.16 sunt exemplificate suprafeţele care vor fi în contact la momentul de extensie

maximă, cazul A-A' , pentru momentul de flexie maximă vor fi în contact sprafeţele B-B'.

Figura 5.16. Articulaţie metacarpo-falangiană.

Pentru a obţine o mişcare de rotaţie cât mai apropiată de cea reală, piesele componente ale

falangelor au fost proiectate astfel încât axele de rotaţie din articulaţiile interfalangiene ale

mecanismului să fie poziţionate în coaxialitate cu axele de rotaţie ale articulaţiilor

interfalangiene ale mâinii. Acest lucru a fost posibil prin realizarea unei curburi a suprafeţei de

sprijin pe partea dorsală a degetelor, curbură care articulează piesele pe părţile laterale ale

degetelor (fig. 5.17). Elementul care închide lanţul cinematic al fiecărui deget este falanga distală

proiectată astfel încât aceasta să asigure o aşezare pe vârful degetului de unde să nu poată

aluneca, asigurând stabilitatea întregului ansamblu. Este de specificat faptul că, fixarea pe degete

a fiecărei piese din componenţa mecanismului, cu excepţia falangei distale, este realizată prin

panglici din material textil fixate cu scai. Orificiile prin care sunt realizate aceste fixări, sunt

reprezentate în figura 5.18.

Figura 5.17. Rotaţia în articulaţia interfalangiană,

poziţia axelor.

Figura 5.18. Ansamblul metacarpian-falange al

mecanismului.


48

După realizarea modelului 3D virtual cu ajutorul soft-ware-ului Catia v5R18 şi asamblarea

pieselor componente (fig. 5.19) în submodulul Asembly Design, parte a modulului Mechanical

Design, şi rezultatele au fost bune, s-a trecut la faza de obţinere a pieselor prin tehnologia de

prototipare rapidă din material plastic.

Figura 5.19. Totalitatea pieselor componente ale mecanismului mâinii, vedere palmară.

5.5. PROTOTIPAREA RAPIDĂ A MECANISMULUI

Tehnologiile care pot fi aplicate într-un demers de prototipare rapidă ca alternativă la

metodele tradiţionale de fabricare sunt numeroase. Principiile folosite şi condiţiile de aplicare

sunt extrem de variate dar aplicarea industrială este dată de eficacitatea dovedită în ceea ce pri-

veşte impactul comercial în sensul reducerii timpului de lansare pe piaţă a unui produs oarecare.

Depunere de material topit (Fused Deposition Modeling – FDM), este un procedeu ce

diferă de majoritatea celorlalte sisteme prin faptul că nu foloseşte un laser pentru a crea stratul de

material. Materialul sub formă de filament trece printr-un cap de extrudare, este încălzit până

aproape de punctul său de topire şi apoi depus acolo unde este nevoie, pentru construirea

modelului dorit. Materialul utilizat poate fi un fir (filament) realizat din ceară specială, nailon,

poliamidă sau plastic ABS. [RAD.C_2009] Încălzirea plasticului ABS se realizează la o

temperatură de 270C, la care materialul se găseşte în stare semilichidă, el putând fi în

continuare extrudat, printr-o duză de diametru foarte mic (0,254 mm sau 0,127 mm) şi este depus

imediat acolo unde configuraţia piesei din stratul respectiv o cere.

După realizarea modelului virtual în software-ul Catia, format STL acesta s-a încărcat în

programul de lucru al maşinii de prototipat, repoziţionat, rotit şi scalat. Aceste transformări

geometrice sunt necesare deoarece modelul virtual trebuie să se găsească în interiorul zonei de

modelare pentru a putea fi modelat fizic.

Dezavantajul major al modelelor realizate prin prototipare rapidă, indiferent de tipul

procedeului folosit, se referă la rugozitatea suprafeţei. Acest parametru deosebit de important al

reperelor mecanice, realizat cu ajutorul procedeului FDM, este influenţat direct de o serie de

factori ca: precizia modelului STL, orientarea modelului în spaţiul de lucru, diametrul duzei de

extrudare a materialului, pasul de secţionare a modelului virtual, dimensiunile de gabarit ale

prototipului, complexitatea formei geometrice a modelului şi tipul de material utilizat.

49

CAPITOLUL 6

CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE. DISEMINAREA REZULTATELOR. DIRECŢII VIITOARE DE

CERCETARE

6.1. CONCLUZII FINALE

Studiul şi cercetarea acţionărilor şi automatizărilor hidropneumatice în ingineria medicală,

care a făcut obiectul prezentei teze de doctorat, a avut drept bază importanţa pe care oamenii din

lumea întreagă o acordă protecţiei mediului înconjurător prin folosirea energiilor nepoluante, cu

precădere în ultimii ani, orientându-se spre utilizarea tot mai eficientă a aerului comprimat, prin

apariţia de noi tehnologii care pot scoate în avidenţă avantejele energiei pneumatice. Aceste

avantaje sunt din plin fructificate prin utilizarea formei de energie pneumatică în diferite ramuri

ale ştiinţei, dintre care, în această lucrare este scoasă in evidenţă ingineria medicală

Abordarea studiului s-a făcut după trei direcţii principale, astfel: studierea echipamentelor

pneumatice a stadiului actual al cercetărilor în domeniile ingineriei medicale, a căror obiect de

studiu îl constituie recuperarea aparatului locomotor, studiul analitic al biomecanicii membrului

superior precum şi studiul tehnicilor şi achipamentelor kinetoterapeutice de recuperare

locomotorie a mâinii.

Scopul final al tezei de doctorat a fost obţinerea unui un prototip de sistem acţionat

hidropneumatic care are obiectivul principal facilitarea recuperării locomotorie a mâini prin

tratament complex şi activ conştientizat, pentru a venii în ajutorul persoanelor care au avut de

suferit în urma unei solicitări dinamice excesive ce a necesitat tratament medical complex sau

persoana suferă de maladii care ii reduc posibilitatea de mişcare. Materializarea lui atestă faptul

că această teză de doctorat este o lucrare interdisciplinară, aflată la frontiera dintre mai multe

domenii. Tehnicile utilizate cuprind un domeniu extins, de la ecuaţii clasice de calcul mecanic,la

automatizări, modelare biomecanică, acţionări pneumatice, algoritmi de programare precum şi

domeniul proiectării CAD şi prototipare rapidă.

Obţinerea datelor experimentale în stare brută, a impus găsirea de noi metode de evaluare a

fenomenelor studiate şi evidenţiate în urma studiului teoretic. Prelucrarea lor a presupus

construirea unor algoritmi de achiziţie şi analiză a datelor înregistrate, în scopul evidenţierii

particularităţilor studiului în abordarea teoretică.

În cadrul tezei s-a realizat o analiză critică a echipamentelor medicale ce au în componenţă

acţionări hidropneumatice realizând o clasificare a acestora precum şi studiul recuperării

aparatului locomotor uman. S-au luat în considerare tehnicile actuale de kinetoterapie şi

echipamentelor destinate acestui sector şi s-a realizat o imagine de ansamblu, la momentul

actual, a dispozitivelor de asistare şi recuperare a persoanelor cu probleme locomotorii.

Ca urmare a analizei şi a studiului critic efectuat, stadiului actual al cercetării în domeniul

ingineriei medicale având în componenţă acţionarea hidropneumatică, s-a constatat faptul că

domeniul medical şi cunoaşterii tot mai profunde a funcţionării corpului uman a fost şi este de

actualitate în măsura în care se doreşte îmbunătăţirea actului medical, a performanţelor corpului

uman de a se reface în timpi record prin posibilitatea acordării unui tratament complex de

reabilitatre a funcţiilor aparatului locomotor.


50

Conform studiilor din ultimii ani, recuperarea aparatului locomotor este mult mai eficientă

prin mişcare, executând mişcările bine alese cu parametrii dinamici bine determinaţi şi asistaţi de

sisteme computerizate. De asemenea, studiile efectuate până la momentul actual au luat în

considerare spre analiză şi folosirea unei energii de acţionare cât mai putin dăunătoare vieţii,

acest factor fiind prioritar în evaluarea caracteristicilor funcţionale a echipamentului prototipat.

În cadrul tezei, mai exact al capitolului patru, s-au prezentat câteva generalităţi şi

terminologia generală a domeniului biomecanic, forţele implicate în mişcările membrului

superior şi s-a realizat o analiză teoretică a locomoţiei ce va sta la baza funcţionării

mecanismului prototipat.

6.2. Contribuţii originale

Teza de doctorat „Studii privind acţionările hidropneumatice in ingineria medicală”

îmbină cunoştinţele din mai multe domenii în vederea obţinerii unui prototip de echipament

medical destinat recuperării locomotorie a mâinii, acţionat cu actuatori flexibili miniaturali axaţi

pe principiul extinderii camerei presurizate. Acest tip de actuatori constituie un concept propriu,

fiind proiectaţi şi confecţionaţi de autorul acestei teze, dedicaţi punerii în mişcare a

mecanismului mâinii. Referitor la acest mecanism autorul a adus o contribuţie la proprie la

realizarea mişcării în articulaţia carpometacarpiană a policelui înlocuind două articulaţii

cardanice cu o articulaţie sferică şi una cilindrică. Această substituţie a permis mecanismului

prototipat să se adapteze mai bine peste mişcăriile de abducţie-adducţie a degetului police.

6.3. DISEMINAREA REZULTATELOR

Cercetările ştiinţifice efectuate asupra temei şi domeniilor adiacente ei, care s-au întins pe

o perioadă de doi ani, s-au materializat prin unele rezultate valorificate prin publicaţii în reviste

de specialitate de diverse categorii şi participare la contracte de cercetare, care se structurează în

felul următor: 3 lucrări în ISI proceedings,

2 lucrări în ISI proceedings, acceptate spre publidcare.

Dintre acestea, autorul este: la 1 – unic autor, la 2 - prim autor şi la 2 – coautor.

6.4. DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE

Rezultatele teoretice şi experimentale ale cercetărilor dezvoltate în prezenta teză de

doctorat deschid noi orizonturi de cercetare în ingineria medicală bazată pe construirea de

sisteme de reeducare/reabilitare. Dintre numeroasele cercetări ce vor fi abordate în viitor se pot

menţiona:

Proiectarea unei instalaţii mecatronice cu reglarea dimensiunilor antropometrice

pentru adaptarea la subiectul uman;

Continuarea evaluării, d.p.d.v. statistic şi al parametrilor de analiză constataţi a

functionării în exploatare şi evaluarea fiabilităţii;

Utilizarea şi a altor metode de evaluare prezentate în cadrul tezei şi compararea

statistică a rezultatelor prin metoda ANOVA, o statistică des întâlnită în literatura de

specialitate din domeniului biomecanic.

51

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

[1.] [ALE.N_1985]. Alexandrescu N.; Radcenco V.; Ionescu E.; IonescuM. Calculul şi proiectarea

elementelor şi schemelor pneumatice de automatizare, Editura Tehnică Bucureşti, 2011

[2.] [AVR.E_2006a]. Avramescu E.T., Ionescu A.M., Croitoru S. Kinetoterapie în activităţi sportive.

Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti. 2006

[3.] [AVR.E_2006b]. Avramescu, E. T. Bazele anatomice ale mişcării.Suport de curs. Univ. Craiova

[4.] [BEA.P_2010]. Beater P.., Pneumatic drives, Springer, 2010

[5.] [BLE.M_2011]. BLEJAN Marian, Cercetări privind dezvoltarea de sisteme informatice destinate

acţionărilor hidraulice de precizie, Teză de doctorat, Univ. Politehnica Bucureşti, 1985

[6.] [BRAND_1992]. Brand, P.W. & Hollister, A.M. (1992). Clinical Mechanics of the Hand, Elsevier

Science Health Science div, third edition, ISBN13 9780815127864, St. Louis

[7.] [COLO_2005]. Colombo and Cugini, 2005; Virtual humans and prototypes to evaluate ergonomics

and safety. Journal of Engineering Design, 16, 2, (April 2005), pp. (195–207), ISSN 0954-4828

[8.] [CRAIG_1992]. Craig, S.M., 1992. Anatomy of the joints of the fingers. Hand Clinics, 8, 4,

(November 1992), pp. (693-700), ISSN 0749-0712

[9.] [DEG.A_2009]. De GREEF Aline, LAMBERT Pierre, DELCHAMBRE Alain. Towards flexible

medical instruments: Review of flexible fluidic actuators. Elsevier journal Precision Engineering

33. 2009. Pag 311-321

[10.] [DENA_1995]. Denavit, J. and Hartenberg, R.S. (1955) ‘A kinematic notation for lower-pair

mechanisms based on matrices’, Journal of Applied Mechanics, Vol. 77, pp.215–221.

[11.] [DRA.D_2006]. DRĂGULESCU Doina. Modelarea în biomecanică. Ed. Did. şi Ped., 2006.

[12.] [DUB_1981]. Dubousset, J.F., 1981. The digital joints. In: Tubiana, R. (Ed.), The Hand. Saunders

Company, Philadelphia, pp. 191-201.

[13.] [ENDO_2007]. Endo, Y., Kanai, S., Kishinami, T., Miyata, N., Kouchi, M., Mochimaru, M.

(2007). Virtual grasping assessment using 3D digital hand model. 10th Annual Applied

Ergonomics Conference: Celebrating the Past - Shaping the Future.

[14.] [FERR_1992]. Ferrari, C. & Canny, J. (1992). Planning optimal grasps, Proceedings 1992 IEEE

International Conference on Robotics and Automation pp. 2290–2295.

[15.] [GIUR_1995]. Giurintano, D.J., Hollister, A.M., Buford, W.L., Thompson, D.E. & Myers, L.M.

(1995). A virtual 5-link model of the thumb. Medical Engineering & Physics, 17, 4, (June 1995),

pp. (297-303), ISSN 1350-4533

[16.] [GOUS_2007]. Goussous, F.A. Grasp planning for digital humans. PhD dissertation. Iowa

University. 2007

[17.] [GRA.G_2005]. GRANOSIK Grzegorz; BORENSTEIN Johann, Integrated Joint Actuator for

Serpentine Robots, IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, Vol. 10, No 5, Oct. 2005, p. 473–481

[18.] [ION.E_1996]. IONESCU Emil; IONESCU Mihai; COMŞA Rareş, Echipamente hidro-

pneumatice de automatizare. vol. I, pneumatica, Editura Universităţii Transilvania Braşov, 1996

[19.] [ION.E_2010]. E. Ionescu, B. Braun, M. Ionescu, Acţionări şi automatizări pneumatice. Editura

Universităţii Transilvania, Brasov, (2010), chapter 3, pp. 37-44.

[20.] [ION.M_2010]. Braun B., Repanovici C., Ionescu Mircea. CAD Models obtaining for Eco-Tech

and Biomechanics 21th

International DAAAM Symposiumm Viena, Austria, 2010, ISBN 978-3-

901509-73-5, ISSN 1726-9679, p.641

[21.] [ION.M_2011]. Braun B., Roșca I., Drugă C., Ionescu Mircea. Assisted scanning techniques

optimization with application in Biomechanics, IFMBE Proceedings of International Conference

on Advancement of Medicine and Health Care Through Technology, MediTech, Cluj-Napoca,

Springer Verlag, Vol. 36, 2011, DOI:10.1007/978-3-642-22586-4, p. 376-379

[22.] [ION.M_2012_1]. Ionescu Mircea, Roșca I., Braun B. Miniature Flexible Pneumatic Actuator,

Applied Mechanics and Material, OPTIROB, Trans Tech Publication, Swizerland, 2012, vol. 186,

DOI: 10.4028, p.291-296


52

[23.] [ION.M_2012_2]. Ionescu Mircea, Roșca I. Contribution to Analyze and Modeling of the Hand,

International Conference of Biomechanics, Neurorehabilitation, Mechanical Engineering,

Manufacturing Systems, Robotics and Aerospace, ICMERA 2012, acceptat spre publicare în

International Journal Trans Tech Publishing Ltd., Zurich, Switzerland, Applied Mechanics and

Materials, 2012

[24.] [ION.M_2012_3]. Ionescu Mircea. Rapid Prototyping of a Hand model for Rehabilitation,

International Conference of Biomechanics, Neurorehabilitation, Mechanical Engineering,

Manufacturing Systems, Robotics and Aerospace, ICMERA 2012, acceptat spre publicare în

International Journal Trans Tech Publishing Ltd., Zurich, Switzerland, Applied Mechanics and

Materials, 2012

[25.] [KAC.L_2011]. KACSO Lajos, Contribuţii la metodele şi tehnicile de investigare a sistemelor

biomecanice umane, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Braşov, 2011

[26.] [KAPA_1998]. Kapandji, A.I., 1998. Fisiologie articulaire. Membre Supérieur. Ed. Maloine, Paris.

[27.] [PAP.V_2003]. PAPILIAN Victor. Anatomia omului. Vol.1. Aparatul locomotor. Editura BIC

ALL, Bucureşti 2003

[28.] [PLE.D_ 2005]. PLETTENBURG H Dick. Pneumatic Actuators: a Comparison of Energy-to-

Mass Ratio’s. Proceedings of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation

Robotics June 28 - July 1, Chicago, IL, USA. 2005. pag. 545-549.

[29.] [RAD.C_2009]. RADU Ciprian. Contribuţii la studiul elementelor de protezare obţinute prin

prototipare rapidă. Teză de doctorat. Universitatea „Transilvania” din Braşov. 2009

[30.] [ROSC_1998]. ROȘCA I. Metrologie generală, Editura Macarie, Târgoviște, 1998

[31.] [SER.I_2011]. SERBAN Ionel. Studii şi cercetări privind influenţa mediului înconjurător asupra

stabilităţii şi locomoţiei umane, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Brasov, 2011

[32.] [VLA.C_2010]. C. Vlăduţă, Materiale compozite de tip cauciuc şi mase plastice reciclate. Teză de

doctorat, Universitatea Transilvania din Braşov, Braşov, (2010), chapter 2

[33.] [W.2.10] http://www.popsci.com/popsci/flat/bown/2007/health/item_87.html, 13.05.2012, 13:30

[34.] [W.2.3] http://www.perne-de-aer.ro/, 08.05.2012, 15:40

[35.] [W.2.4] http://www.popsci.com/scitech/article/2005-11/neuro-controlled-bionic-arm, 08.05.2012

[36.] [W.2.5] http://dsc.discovery.com/news/2006/09/06/artificialheart_hea.html?category=health

&guid=20060906160030, 08.05.2012, 22:50

[37.] [W.2.7] http://www.descopera.ro/dnews/7899053-cea-mai-performanta-inima-artificiala-

realimenteaza-sperantele-cardiacilor-video, 13.05.2012, 11:30

[38.] [W.2.8] http://www.stiintasitehnica.com/inima-artificiala-fara-puls-redefine-te-viul--video-

_1225.html, 13.05.2012, 12:10

[39.] [W.2.9] http://www.stiintasitehnica.com/un-nou-plaman-artificial-poate-respira-aer-nu-doar-

oxigen-pur_442.html, 13.05.2012, 12:30

[40.] [W4.1] http://gabitza.wikispaces.com/Aparatul+Locomotor DATA 18.05.2012 ORA 11:10

[41.] [W4.2] http://www.asbweb.org- American Society of Biomechanics

[42.] [W4.6] http://kinetoterapie-medicina.blogspot.ro/

[43.] [WAN.Z 2011]. Z. Wang, N. Chen, Tensile behavior of textile reinforced flexible composites with

notch. Industria textilă, vol.62 (2011) 24-29

[44.] [YANG_2007]. Yang, J., Kim, J.H., Abdel-Malek, K., Marler, T., Beck, S. & Kopp, G.R. A new

digital human environment and assessment of vehicle interior design. Computer-Aided Design 39

(2007) 548–558

[45.] [ZAM.E_2006]. ZAMORA Elena, Anatomie funcţională şi biomecanică--- Curs I

http://www.popsci.com/popsci/flat/bown/2007/health/item_87.html

http://www.perne-de-aer.ro/

http://dsc.discovery.com/news/2006/09/06/artificialheart_hea.html?category=health%20&guid

http://dsc.discovery.com/news/2006/09/06/artificialheart_hea.html?category=health%20&guid

http://www.descopera.ro/dnews/7899053-cea-mai-performanta-inima-artificiala-realimenteaza-sperantele-cardiacilor-video

http://www.descopera.ro/dnews/7899053-cea-mai-performanta-inima-artificiala-realimenteaza-sperantele-cardiacilor-video

http://www.stiintasitehnica.com/inima-artificiala-fara-puls-redefine-te-viul--video-_1225.html

http://www.stiintasitehnica.com/inima-artificiala-fara-puls-redefine-te-viul--video-_1225.html

http://www.stiintasitehnica.com/un-nou-plaman-artificial-poate-respira-aer-nu-doar-oxigen-pur_442.html

http://www.stiintasitehnica.com/un-nou-plaman-artificial-poate-respira-aer-nu-doar-oxigen-pur_442.html

53

SCURT REZUMAT

Studiul şi cercetarea acţionărilor şi automatizărilor hidropneumatice în ingineria medicală,

care a făcut obiectul prezentei teze de doctorat, a avut drept bază importanţa acordată protecţiei

mediului înconjurător prin folosirea energiilor nepoluante, prin orientarea spre utilizarea tot mai

eficientă a aerului comprimat, prin apariţia de noi tehnologii care pot scoate în evidenţă

avantajele energiei pneumatice. Aceste avantaje sunt din plin fructificate prin utilizarea ei în

diferite ramuri ale ştiinţei, dintre care, în această lucrare, este evidenţiată ingineria medicală

Abordarea studiului s-a făcut după trei direcţii principale, astfel: studierea echipamentelor

pneumatice a stadiului actual al cercetărilor în domeniile ingineriei medicale, a căror obiect de

studiu îl constituie recuperarea aparatului locomotor, studiul analitic al biomecanicii membrului

superior precum şi studiul tehnicilor şi echipamentelor kineto-terapeutice de recuperare

locomotorie a mâinii.

Scopul final al tezei de doctorat a fost obţinerea unui un prototip de sistem acţionat

hidropneumatic care are obiectivul principal facilitarea recuperării locomotorie a mâinii prin

tratament complex şi activ conştientizat, pentru a veni în ajutorul persoanelor care au avut de

suferit în urma unei solicitări dinamice excesive ce a necesitat tratament medical complex sau

celor care suferă de maladii care reduc posibilitatea de mişcare. Realizarea lui atestă faptul că

prezenta teză este o lucrare interdisciplinară, aflată la frontiera dintre mai multe domenii.

Tehnicile utilizate cuprind un domeniu extins, de la ecuaţii clasice de calcul mecanic, la

automatizări, modelare biomecanică, acţionări pneumatice, algoritmi de programare precum şi

domeniul proiectării CAD şi prototipare rapidă.

SHORT SUMMARY

The studies and researches on hydro-pneumatic driving and automatic in medical

engineering, that constituted the subject of this thesis, were based on the pay importance to the

environment protection by using non pollutant energies, the more and more efficient use of the

compressed air, by new technologies emphasizing the pneumatic energy advantages. These

advantages are fully employed by its use in different science domains of which, in this work,

medical engineering is highlighted.

The research was approached on three principal directions: study of pneumatic devices and

the actual stage of research in medical engineering of locomotors systems rehabilitation, the

analytic study of upper limb biomechanics and, as well as the physiotherapeutic help techniques

and equipments for the hand analyze.

The ultimate goal of this thesis was to design and construct a prototype of a hydro-

pneumatic driven system, which could be used as to facilitate the locomotors rehabilitation of the

hand by complex and consciously active therapy as to help the persons who have suffered as a

result of an excessive dynamic solicitation and required medical treatment complex or those

suffering from diseases which reduce the possibility of moving. Its realization postulates that the

present thesis is an interdisciplinary work, placed at the border between many domains. The

employed techniques include an expanded field, from classical mechanical equations to

automates, biomechanics modeling, pneumatic driving, programming algorithms, and either,

CAD design and rapid prototyping.


54

CURRICULUM VITAE

Nume: IONESCU

Prenume: Mircea

Data naşterii: 26.02.1972, Braşov, România;

Adresă: B-dul. Valea Cetăţii, nr.19, bl.A27, sc.D1, ap.22, Braşov,

Telefon: +40-721-566054;

E-mail: [email protected]

Naţionalitate: Română;

Stare civilă: Necăsătorit;

STUDII:

2009-2011 Master: Sisteme Mecatronice Avansate pentru Industrie și Medicină, Facultatea de

Mecanică, Universitatea Transilvania din Brasov

2004-2009 Studii universitare: Universitatea Transilvania din Braşov, Facultatea de Mecanică,

Secţia Mecanică Fină

1989-1992 Liceu: Liceul Industrial Nr.4 "Auto" Braşov, - electromecanic.

1989 Şcoala Profesionala "Auto" Braşov, profilul mecanic-auto

1986-1988 Liceul Industrial "Stegul-Rosu" Braşov, - electromecanic

ACTIVITATE PROFESIONALĂ:

2009-prezent Doctorand cu frecvenţă - Universitatea “Transilvania” din Braşov, D04- Sisteme

Mecatronice Avansate

2007-prezent I.S.U.J. Braşov - Subofiţer operativ principal;

2004-2007 SC “TOD-FAX COMEX” SRL BRASOV, cond-auto

1993-2004 SC “METALOPLAST” SA BRASOV, electromecanic-auto

1989-1992 SC “MECON” SA BRASOV, mecanic motoare-auto

Carnet de şofer: Categoriile B, C, E (1990).

ABILITĂŢI SOFTWARE :

- WindowsOffice, AutoCAD, ProE, MathCAD, Maple, OrCad

LIMBI STRĂINE :

- Engleza - bine

ACTIVITATE ŞTIINŢIFICĂ:

- Articole publicate: 5 ;

- Cărţi publicate: 1.

55

CURRICULUM VITAE

Name: IONESCU

First name: Mircea

Date of birth: 26.02.1972, Braşov, România;

Address: B-dul. Valea Cetăţii, nr.19, bl.A27, sc.D1, ap.22, Braşov,

Phone: +40-721-566054;

E-mail: [email protected]

Nationality: Romanian;

Social status: single

STUDIES:

2009-2011 Master: Advanced Mechatronic Systems, Mechanical Engineering Faculty,

Transylvania University of Brasov

2004-2009 Undergraduate: Transylvania University of Braşov, Mechanical Engineering

Faculty, Precision Mechanics Department

1989-1992 High School: Industrial No. 4 "Auto" Braşov, - electro mechanic.

1989 Professional school Auto Braşov, mechanic-auto

1986-1988 High School Industrial "Stegul-Rosu" Braşov, - electro mechanic

PROFESIONAL EXPERIENCE:

2009-present PhD Student - Transylvania University of Brasov, D04 - Advanced Mechatronic

Systems Research Group

2007-present I.S.U.J. Braşov - Principal operative sub officer;

2004-2007 SC “TOD-FAX COMEX” SRL BRASOV, automotive driver

1993-2004 SC “METALOPLAST” SA BRASOV, electro mechanic auto

1989-1992 SC “MECON” SA BRASOV, motors mechanic auto

Driving license: Categories B, C, E (1990).

SOFTWARE SKILLS:

- WindowsOffice, AutoCAD, ProE, MathCAD, Maple, OrCad

FOREIGN LANGUAGES:

- English - well

SCIENTIFIC ACTIVITY:

- Published papers: 5 ;

- Published books: 1.

Ionescu

Documents

Transcript of Ionescu