REZUMAT / ABSTRACTold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat...Cercetări privind sistemele de...

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV

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

Universitatea Transilvania din Brasov

Școala Doctorală Interdisciplinară

Facultatea de Inginerie Tehnologică și Management Industrial

Ing. Ovidiu FILIP

Cercetări privind sistemele de acţionare cu muşchi

pneumatici a echipamentelor de reabilitare a

articulaţiilor membrelor superioare

Research Concerning Pneumatic Muscle Based

Actuation Systems of Upper Limb Joints Rehabilitation

Equipment

REZUMAT / ABSTRACT

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Tudor DEACONESCU

BRAŞOV, 2017

3

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALE

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV

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

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

COMPONENŢA

Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii Transilvania din Braşov

Nr. ........ din ....................

PREŞEDINTE: Prof.univ.dr.ing. Gheorghe OANCEA

Universitatea Transilvania din Braşov

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof.univ.dr.ing. Tudor DEACONESCU


REFERENŢI: Prof.univ.dr.ing. Miron ZAPCIU

Universitatea Politehnica Bucureşti

Prof.univ.dr.ing. Cătălin Gabriel DUMITRAŞ

Universitatea Tehnică Gh. Asachi Iaşi

Prof.univ.dr.ing. Romeo CIOARĂ


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

..............

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le

transmiteţi în timp util, pe adresa Bd. Eroilor 29.

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

doctorat.

Vă mulţumim.

4

PREFAȚĂ

Accidentele prin care se produc traume ale aparatului locomotor au ca urmări, de cele mai

multe ori, diminuarea capacității funcționale a acestuia. O metodă de recuperare des utilizată constă

în aplicarea mișcării pasive continue. Mișcarea pasivă se realizează manual de către un

kinetoterapeut sau mecanic, de un echipament specializat pentru recuperarea membrului afectat,

atunci când bolnavul nu mai dispune de forța sau controlul necesare mișcării respective. Mișcările

repetitive contribuie la recăpătarea controlului asupra mușchilor, previn retracțiile musculare și au

ca scop recuperarea mobilității articulare.

În acest context, teza de doctorat își propune ca obiectiv central realizarea unui echipament

destinat reabilitării articulaţiilor palmei şi articulaţiilor degetelor. Elementele de noutate sunt

reprezentate de mecanismul utilizat pentru mobilizarea palmei și de sistemul de acționare a

mecanismului, acesta fiind realizat cu ajutorul unui mușchi pneumatic.

Caracterul fundamental este evidențiat de studiul teoretic al posibilităţii utilizării unui

mecanism de tip Fin Ray, preluat prin biomimetism din natură, de la aripile înotătoare ale peştilor.

Din punct de vedere experimental, teza de doctorat a avut ca finalitate obţinerea unui nou

echipament de reabilitare care asigură mobilizarea corectă și în siguranță, în limitele fiziologice, a

articulațiilor mâinii, precum şi testarea performanţelor acestuia.

***

Cu ocazia finalizării programului de doctorat doresc să mulțumesc domnului Prof. dr. ing.

Tudor DEACONESCU, conducătorul meu științific, pentru îndrumarea, sprijinul și recomandările

acordate în timpul elaborării tezei de doctorat.

Domnilor profesori referenți, Prof.dr.ing. Gheorghe OANCEA, Prof.dr.ing. Miron ZAPCIU,

Prof.dr.ing. Cătălin Gabriel DUMITRAŞ și Prof.dr.ing. Romeo CIOARĂ le mulțumesc pentru

efortul de a analiza și evalua teza de doctorat și pentru acceptul de a fi membrii ai Comisiei de

Doctorat.

De asemenea, doresc să mulțumesc domnului Prof. dr. ing. Gavrilă CALEFARIU, doamnei

Prof. dr. ing. Adriana FLORESCU, domnului Conf. dr. ing. Mihai IONESCU și doamnei Conf. dr.

ing. Catrina CHIVU pentru sugestiile acordate în timpul elaborării tezei de doctorat.

Mulțumesc domnului Prof. dr. ing. Dorin DIACONESCU pentru informațiile oferite în

domeniul mecanismelor și domnului Prof. dr. ing. Cătălin ALEXANDRU pentru sprijinul oferit în

utilizarea softului Adams.

Pentru suportul și încurajările oferite adresez mulțumiri cadrelor didactice și personalului

tehnic din cadrul Departamentului de Inginerie și Management Industrial.

Nu în ultimul rând doresc să mulțumesc familiei mele pentru înțelegerea și sprijinul oferite în

timpul derulării programului doctoral.

Cercetări privind sistemele de acţionare cu muşchi pneumatici a echipamentelor de reabilitare a

articulaţiilor membrelor superioare - Rezumat

5

CUPRINS

Pg.

teza Pg.

rezumat

Prefață..................................................................................................................... 5 4

Cuprins.................................................................................................................... 7 5

Introducere ............................................................................................................. 11 11

Partea I. Stadiul actual privind metodele şi echipamentele de reabilitare a

articulaţiilor membrelor superioare

13

13

1. Introducere în kinetologie................................................................................. 13 13

1.1.Kinetoterapie. Kinetoprofilaxie.................................................................. 13

1.2.Istoric ......................................................................................................... 14

1.3.Noţiuni generale......................................................................................... 15

1.3.1. Postura............................................................................................. 15

1.3.2. Poziţii fundamentale......................................................................... 16

1.4. Metode de imobilizare a membrelor superioare premergǎtoare

kinetoterapiei..............................................................................................

17

1.4.1. Imobilizarea articulaţiei mâinii......................................................... 17

1.4.2. Imobilizarea articulaţiei cotului........................................................ 18

1.4.3. Imobilizarea articulaţiei umǎrului..................................................... 18

1.5.Lipsa de mişcare şi influenţa acesteia asupra organismului....................... 19

1.6.Metode de tratament utilizate în kinetoterapie........................................... 21

1.7.Bilanţul articular......................................................................................... 23 13

1.8.Necesitatea utilizǎrii echipamentelor de reabilitare................................... 38 15

2. Echipamente de reabilitare................................................................................ 40 17

2.1.Clasificarea echipamentelor de reabilitare................................................. 41

2.2.Exemple de echipamente de reabilitare. Caracteristici.............................. 42

2.3.Echipamente de reabilitare a mâinii antrenate cu mușchi

fluidici........................................................................................................

57

3. Obiectivele tezei de doctorat............................................................................. 72 18

Cercetări privind sistemele de acţionare cu muşchi pneumatici ale echipamentelor de reabilitare a


6

Partea II. Studii teoretice privind posibilitatea acţionării cu ajutorul mușchilor

pneumatici a unui echipament de reabilitare a articulaţiilor

membrelor superioare

74

20

4. Analiza unor soluții inovative de structuri mecanice destinate

echipamentelor de reabilitare............................................................................

74

20

4.1. Introducere ................................................................................................ 74

4.2. Efectul Fin Ray.......................................................................................... 75

4.3. Aplicații ale efectului Fin Ray.................................................................. 78

4.4. Concluzii ................................................................................................... 85 20

5. Acționări pneumatice. Mușchi pneumatici....................................................... 86

5.1. Acționări pneumatice. Generalități............................................................ 86

5.2. Mușchi pneumatici..................................................................................... 87

5.2.1. Mușchi pneumatici cu țesătură externă împletită............................. 88

5.2.1.1. Mușchiul McKibben și mușchiul Rubbertuator.................. 88

5.2.1.2. Mușchiul Sleeved Bladder.................................................. 91

5.2.2. Mușchi pneumatici cu plasă.............................................................. 92

5.2.2.1. Mușchiul Yarlott................................................................. 92

5.2.2.2. Mușchiul ROMAC............................................................. 93

5.2.2.3. Muşchii Kukolj................................................................... 94

5.2.3. Mușchi cu țesătură înglobată în membrana elastică......................... 95

5.2.3.1. Mușchiul Morin.................................................................. 95

5.2.3.2. Mușchiul Baldwin............................................................... 97

5.2.3.3. Mușchii Paynter.................................................................. 97

5.2.3.4. Mușchiul de torsiune Kleinwachter.................................... 99

5.2.4. Mușchi plisați.................................................................................... 100

6. Structura, cinematica și modelarea echipamentului pentru reabilitarea

articulaţiilor mâinii............................................................................................

103

21

6.1. Structura mecanismului.............................................................................. 103 21

6.2. Analiza cinematică a sistemului................................................................. 111 22

6.3. Modelarea echipamentului de reabilitate................................................... 117 25

6.4. Calculul forței necesare acționării echipamentului și calculul de

verificare al acestuia...................................................................................

132

6.4.1. Determinarea forței necesare muşchiului pneumatic pentru

ridicarea unui corp cu greutatea de 5N.............................................

132

6.4.2. Verificarea la solicitări mecanice a echipamentului......................... 134



7

6.5. Alegerea și verificarea mușchiului pneumatic........................................... 143

Partea III. Cercetări experimentale privind modul de lucru al echipamentului

de reabilitare a articulaţiilor mâinii, acţionat cu ajutorul

muşchilor pneumatici

147

27

7. Standul experimental și modelul fizic al echipamentului destinat reabilitării

palmei................................................................................................................

147

27

7.1. Modelul fizic al echipamentului destinat reabilitării palmei...................... 147 27

7.2. Acționarea pneumatică a echipamentului.................................................. 151 30

7.3. Determinări experimentale......................................................................... 153 32

7.3.1. Determinarea curbei presiune-forță a mușchiului folosit în

construcția echipamentului de reabilitare.........................................

153

32

7.3.2. Cercetări experimentale efectuate asupra echipamentului pentru

reabilitarea palmei.............................................................................

160

38

7.3.2.1. Determinarea unghiurilor de extensie maximă și de flexie

maximă realizate de echipamentul de reabilitare...............

160

38

7.3.2.2. Determinarea unghiului palmă – degete realizat de

echipamentul de reabilitare.................................................

165

43

8. Concluzii și contribuții originale....................................................................... 168 46

8.1. Concluzii generale...................................................................................... 168 46

8.2. Contribuții personale.................................................................................. 171 49

8.3. Dezvoltări viitoare..................................................................................... 172 50

8.4. Valorificarea tezei...................................................................................... 172 50

Bibliografie............................................................................................................. 173 51

Anexa 1, Program de calcul pentru unghiul . ................................................ 180

Anexa 2, Fișier date............................................................................................... 182

Anexa 3, Rezumat.................................................................................................. 188 53

Anexa 4, Curriculum Vitae (româna)................................................................... 189 54

Anexa 5, Curriculum Vitae (engleză)................................................................... 190 55



8

Contents

Thesis

pg.

Abstract

pg.

Foreword................................................................................................................. 5 4

Contents................................................................................................................... 7 5

Introduction............................................................................................................. 11 11

Part I. Current stage of the methods and equipment for the recovery of the

upper limb joints

13

13

1. Introduction to kinesiology............................................................................... 13 13

1.1.Kinetotherapy. Kinetoprophylaxy.............................................................. 13

1.2.History ....................................................................................................... 14

1.3.General notions.......................................................................................... 15

1.3.1. Posture.............................................................................................. 15

1.3.2. Fundamental positions...................................................................... 16

1.4. Upper limb immobilization methods prior to kinetotherapy..................... 17

1.4.1. Immobilization of the wrist............................................................... 17

1.4.2. Immobilization of the elbow joint.................................................... 18

1.4.3. Immobilization of the shoulder joint................................................ 18

1.5.Lack of movement and its influence on the body ..................................... 19

1.6.Methods of treatment used in kinetotherapy.............................................. 21

1.7.Joint balance............................................................................................... 23 13

1.8.Need for the use of recovery equipment.................................................... 38 15

2. Recovery equipments........................................................................................ 40 17

2.1.Classification of the recovery equipment................................................... 41

2.2.Examples of recovery equipment. Characteristics..................................... 42

2.3.Hand recovery equipment actuated with fluid muscles............................. 57

3. Objectives of the doctoral thesis....................................................................... 72 18

Part II. Theoretical studies on the possibility to actuate with pneumatic

muscles an equipment for the recovery of the upper limb joints

74

20

4. Analysis on several innovative solutions of mechanical structures for

recovery equipment ..........................................................................................

74

20

4.1. Introduction ............................................................................................... 74



9

4.2. Fin Ray effect............................................................................................. 75

4.3. Applications of the Fin Ray effect............................................................ 78

4.4. Conclusions................................................................................................ 85 20

5. Pneumatic actuations. Pneumatic muscles........................................................ 86

5.1. Pneumatic actuations. Generalities............................................................ 86

5.2. Pneumatic muscles..................................................................................... 87

5.2.1. Pneumatic muscles with external braided netting............................. 88

5.2.1.1. McKibben muscle and Rubbertuator muscle...................... 88

5.2.1.2. Sleeved Bladder muscle...................................................... 91

5.2.2. Pneumatic muscles with mesh.......................................................... 92

5.2.2.1. Yarlott muscle..................................................................... 92

5.2.2.2. ROMAC muscle................................................................. 93

5.2.2.3. Kukolj muscles................................................................... 94

5.2.3. Muscles with fabric embedded in elastic membrane........................ 95

5.2.3.1. Morin muscle...................................................................... 95

5.2.3.2. Baldwin muscle.................................................................. 97

5.2.3.3. Paynter muscles.................................................................. 97

5.2.3.4. Kleinwachter torsional muscle........................................... 99

5.2.4. Pleated muscles................................................................................. 100

6. Structure, kinematics and modelling of the equipment for wrist

recovery.............................................................................................................

103

21

6.1. Structure of the mechanism........................................................................ 103 21

6.2. Kinematic analysis of the system............................................................... 111 22

6.3. Modelling of the recovery equipment........................................................ 117 25

6.4. Calculation of the required force so as to actuate the equipment and its

check calculation........................................................................................

132

6.4.1. Determining the required force for the pneumatic muscle to lift a

body weighing 5N.............................................................................

132

6.4.2. Equipment check at mechanical stresses.......................................... 134

6.5. Choice and check of the pneumatic muscle............................................... 143

Part III. Experimental research on the operation mode of the equipment for

the recovery of the wrist, actuated with pneumatic muscles

147

27

7. Experimental stand and physical model of the equipment for palm recovery.. 147 27



10

7.1. Physical model of the equipment for palm recovery.................................. 147 27

7.2. Pneumatic actuation of the equipment....................................................... 151 30

7.3. Experimental determinations...................................................................... 153 32

7.3.1. Determining the pressure-force curve of the muscle used in

building the recovery equipment......................................................

153

32

7.3.2. Experimental researches on the equipment for palm

recovery............................................................................................

160

38

7.3.2.1. Determining the maximal extension and maximal flexion

angles made by the recovery equipment.............................

160

38

7.3.2.2. Determining the palm – finger angle made by the

recovery equipment............................................................

165

43

8. Conclusions and personal contributions............................................................ 168 46

8.1. General conclusions................................................................................... 168 46

8.2. Personal contributions................................................................................ 171 49

8.3. Future developments................................................................................. 172 50

8.4. Thesis enhancement................................................................................... 172 50

Bibliography............................................................................................................ 173 51

Appendix 1, Computing program for the angle . .......................................... 180

Appendix 2, Data file............................................................................................. 182

Appendix 3, Abstract............................................................................................. 188 53

Appendix 4, Curriculum Vitae (Romanian).......................................................... 189 54

Appendix 5, Curriculum Vitae (English).............................................................. 190 55



11

INTRODUCERE

Domeniul echipamentelor de reabilitare prin mișcare pasivă continuă este bine reprezentat în

țările dezvoltate, aceste echipamente putând conduce la o îmbunătățire a vieții celor suferinzi și a

activităţii celor care îngrijesc acești bolnavi. Echipamentele de reabilitare conduc la o recuperare

sau îmbunătățire mai rapidă a anumitor deficiențe, având ca efect creșterea calității vieții acestor

persoane și/sau reintegrarea socială a bolnavului. Din acest punct de vedere, Teza de doctorat se

integrează în tematica preocupărilor la nivel mondial privind îmbunătățirea condițiilor de viață.

Echipamentele de reabilitare comercializate până în acest moment sunt, în majoritate,

acționate cu ajutorul motoarelor electrice. În ultimii ani, pe plan mondial, se observă o creştere a

preocupărilor care au ca obiectiv studierea acționărilor pneumatice destinate echipamentelor de

reabilitare. În acest sens, această teză de doctorat își propune să conceapă, pe baza cercetărilor

teoretice și experimentale, un nou echipament reabilitare, a cărui acționare să fie realizată cu

ajutorul unui mușchi pneumatic.

Teza de doctorat este alcătuită din 8 capitole, grupate în 3 parți, conţinând 191 pagini, care

cuprind 263 figuri, 20 de relații matematice și 104 referințe bibliografice.

Partea I, denumită „Stadiul actual privind metodele şi echipamentele de reabilitare a

articulaţiilor membrelor superioare” cuprinde 3 capitole.

În Capitolul 1, intitulat “Introducere în kinetologie”, se prezintă un scurt istoric al

kinetoterapiei, influența imobilizării asupra organismului uman, metode de tratament utilizate în

kinetoterapie, la final prezentându-se mișcările pe care le realizează membrul superior (umăr, cot,

palmă, degete) și amplitudinile acestora.

În Capitolul 2 – denumit „Echipamente de reabilitare” – sunt prezentate mai multe

echipamente și aparate utilizate în kinetoterapie destinate creșterii forței musculare și îmbunătățirii

activității motrice a membrelor superioare.

Capitolul 3, cu titlul „Obiectivele tezei de doctorat” enunţă scopul principal al Tezei şi

anume realizarea unui echipament performant destinat reabilitării palmei. Obiectivele derivate

prezintă domeniile de cercetare care vor fi abordate în tematica tezei de doctorat.

Partea a II-a, „Studii teoretice privind posibilitatea acţionării cu ajutorul mușchilor

pneumatici a unui echipament de reabilitare a articulaţiilor membreleor superioare”, cuprinde

capitolele 4, 5 și 6.

Capitolul 4 este intitulat „Analiza unor soluţii inovative de structuri mecanice destinate

echipamentelor de reabilitare”. În acest capitol se prezintă efectul Fin Ray și se descrie modalitatea



12

de obţinere practică a acestui efect folosind diferite structuri mecanice. Capitolul mai cuprinde

diferite aplicații ale efectului Fin Ray, la finalul său realizându-se o clasificare originală a

sistemelor de tip Fin Ray.

Capitolul 5 – “Acționări pneumatice. Mușchi pneumatici” – se axează pe prezentarea

diferitelor tipuri de mușchi fluidici care pot fi utilizaţi pentru acționarea noului echipament de

reabilitare a articulațiilor palmei.

În Capitolul 6 – “Structura, cinematica și modelarea echipamentului pentru reabilitarea

articulaţiilor mâinii” - se prezintă structura mecanismului care va mobiliza palma în timpul

realizării exercițiilor de recuperare. Mecanismul este o structură elastică, de tip Fin Ray asimetrică.

Această asimetrie este necesară deoarece degetele și palma au amplitudini diferite de mișcare.

Pentru determinarea mărimii unghiurilor de rotație ale mecanismului s-a conceput modelul

matematic al acestuia, valorile determinându-se cu ajutorul softului Matlab. S-a dezvoltat apoi

modelul tridimensional al mecanismului în mediul ProEngineer. În acest program s-a realizat

analiza cinematică a mecanismului, rezultatele acesteia confirmând valorile obținute prin modelarea

matematică a mecanismului. Pe baza modelului tridimensional al echipamentului, cu ajutorul

programului Adams, s-a determinat apoi forța necesară rotirii palmei. În ultima parte a acestui

capitol s-a realizat analiza cu element finit a componentelor echipamentului, determinându-se

tensiunile și deformările maxime ale componentelor principale.

Partea a III-a, „Cercetări experimentale privind modul de lucru al echipamentului de

reabilitare a articulaţiilor mâinii, acţionat cu ajutorul muşchilor pneumatici” conține capitolele 7 și

8.

Capitolul 7 – „Standul experimental și modelul fizic al echipamentului destinat reabilitării

palmei” – prezintă, în prima parte, structura mecanică, schema pneumatică și conexiunile cu

calculatorul ale echipamentului destinat reabilitării palmei. Studiile experimentale ocupă restul

acestui capitol. Experimentele s-au realizat folosind diferite presiuni de alimentare, urmărindu-se

variaţia unghiurilor mecanismului în funcție de presiune.

În Capitolul 8 – „Concluzii şi contribuţii personale” – sunt enumerate contribuțile originale și

rezultatele obținute de autorul tezei. Se evidenţiază direcțiile de dezvoltare ulterioară și se prezintă

modalităţile de valorificare a rezultatelor tezei.



13

PARTEA I. STADIUL ACTUAL PRIVIND METODELE ŞI

ECHIPAMENTELE DE REABILITARE A ARTICULAŢIILOR

MEMBRELOR SUPERIOARE

1. Introducere în kinetologie

1.7. Bilanţul articular

Prin bilanţ articular se înţelege stabilirea deplasărilor maxime ale articulaţiilor în planele de

referinţǎ transversal, frontal și sagital. Planele de referinţǎ sunt suprafeţe care secţioneazǎ imaginar

corpul omenesc sub o anumitǎ incidenţǎ, orientǎrile celor trei plane putând fi vǎzute în figura 1.10:

Fig. 1.10 Planele anatomice de referinţǎ

c) Articulaţiile mâinii

Pentru a înţelege articulaţiile mâinii trebuie cunoscută structura osoasă a acesteia (Fig. 1.30).



14

Fig. 1.30 Structura osoasă a mâinii

În figura de mai sus se pot observa urmǎtoarele articulaţii:

articulaţia radiocarpiană – se realizează între radius şi rândul proximal al carpului,

articulaţiile intercarpiene – se realizează între cele două rânduri de oase ale

carpului şi între oasele din acelaşi rând,

articulaţiile carpometacarpiene – sunt articulaţiile dintre oasele carpului şi oasele

metacarpiene,

articulaţiile degetelor sunt formate la rândul lor din:

o articulaţii metacarpofalangiene – ce se realizează între oasele

metacarpiene şi oasele proximale ale falangelor.

o articulaţii interfalagiene – ce se realizează între falangele proximale şi cele

mijlocii - numite articulaţii proximale - şi articulaţiile dintre falangele

mijlocii şi cele distale – numite articulaţii distale.

Mişcările pumnului sunt executate de articulaţia mediocarpiană după cum urmează:

flexia pumnului sau flexia palmară – se obţine prin rotirea palmei în sens volar.

Poziţia de zero se obţine atunci când antebraţul este flexat la 90º şi în pronaţie



15

(Fig. 1.31). Unghiul maxim de rotaţie este de 90º conform lucrării [SBE87] sau

80º, conform lucrării (Fig. 1.32) [SID09].

extensia pumnului sau dorsiflexia - se obtine prin rotirea palmei în sens dorsal.

Unghiul maxim de rotaţie este de 70º conform lucrărilor [SBE87] şi [SID09] (Fig.

1.33)

Fig. 1.31 Poziţia de zero

Fig. 1.32 Flexia pumnului

Fig. 1.33 Extensia pumnului

1.8. Necesitatea utilizării echipamentelor de reabilitare

Echipamentele de reabilitare sunt foarte importante în cazul kinetoterapiei pasive.

Kinetoterapia pasivă este realizată de kinetoterapeut cu sau fără ajutorul echipamentelor de



16

reabilitare. Utilizarea echipamentelor de reabilitare uşurează munca terapeutului, mobilizarea

membrului afectat fiind realizată de aceste echipamente după setarea parametrilor de mișcare.

Marea majoritate a echipamentelor care se comercializează în acest moment permit programarea

diferitelor exerciţii cu deplasări şi viteze adaptate fiecărui pacient.

Tratamentul kinetoterapeutic se realizează în spitale sau cabinete particulare de specialitate.

Bolnavii care au nevoie de un tratament kinetoterapeutic îndelungat pot urma tratamentul şi acasă.

În cazul în care pacientul nu îşi poate mobiliza singur membrul bolnav la domiciliu, exerciţiile de

kinetoterapie pasivă pot fi realizate de un alt membru al familiei sau, în cel mai rǎu caz, ele sunt

întrerupte şi reluate la o nouă internare în spital. Întreruperea exerciţiilor poate conduce la

imobilizări definitive şi, în cazul celor care sunt imobilizaţi la pat, la tulburări la nivel

cardiovascular, demineralizări osoase, hipotrofie musculară etc.

Utilizarea echipamentelor de reabilitare poate evita situaţiile amintite mai sus. După o

instruire corespunzătoare, bolnavul poate folosi echipamentul pentru a executa exerciţiile

recomandate de kinetoterapeut. În acest caz bolnavul îşi poate modifica singur parametrii

exerciţiilor (amplitudinea mişcării, viteza acesteia, timpul de pauză între cicluri), în conformitate cu

evoluţia stării sale de sănătate. Programarea executării exerciţiilor este mult mai flexibilă, deoarece

ea nu mai este legată de programul kinetoterapeutului.

Folosirea echipamentelor de recuperare în spitale poate conduce la o descărcare a activităţii

kinetoterapeuţilor şi îndreptarea atenţiei acestora spre cazurile mai grave. Supravegherea bolnavilor

care îşi execută singuri exerciţiile se poate realiza aşadar cu mai puţine cadre specializate.

Kinetoterapia pasivă se adresează aparatului locomotor, sistemului cardiovascular, sistemului

neurologic şi sistemului respirator.

Echipamentele de reabilitare se adresează în special aparatului locomotor şi afecţiunilor

sistemului nervos ce influenţeazǎ aparatul locomotor.

Mobilizările pasive se utilizează în cazul fracturilor care necesită sau nu extensie continuă, în

cazul afecţiunilor reumatismale şi a celor neurologice. În cazul afecţiunilor neurologice, deşi

tratamentul este de lungă durată, bolnavul îşi poate recupera aproape în totalitate mobilitatea

pierdută.

În cazul discopatiei lombare joase kinetoterapia pasivă se va orienta spre întărirea

musculaturii coloanei vertebrale şi corectarea posturii corpului.



17

2. Echipamente de reabilitare

Concluzii

În urma analizei efectuate în capitolele precedente se desprind următoarele concluzii:

interesul omului față de kinetologie a apărut din cele mai vechi timpuri, observându-se

faptul că anumite posturi și mișcări ameliorează durerile, iar exercițiile fizice fortifică

organismul și cresc capacitatea acestuia de a se regenera după boală.

lipsa de mișcare conduce la scăderea metabolismului, afecțiuni ale aparatului

locomotor, circulator și respirator. Din aceasta cauză, mobilizările pasive se

recomandă atât în cazul pacienților cu deficiențe locomotorii recuperabile, cât și

pacienților cu deficiențe locomotorii irecuperabile.

mobilizarea pasivă presupune cunoașterea biomecanicii cazului, mișcările executându-

se pe direcții fiziologice.

mobilizările articulațiilor, pasive sau active, previn depunerile articulare și adeziunile

tendinoase care pot să apară în cazul imobilizării prelungite și care au ca efect

reducerea mobilității articulațiilor.

mobilizarea articulațiilor are ca efect atenuarea durerii, perioada de recuperare se

scurtează, iar costurile utilizate pentru tratarea bolnavului scad.

utilizarea echipamentelor de reabilitare permite tratarea mai multor pacienți sub

supravegherea unui kinetoterapeut. Echipamentele de reabilitare pot fi utilizate atât în

centre de reabilitare cât și la domiciliul bolnavului.

majoritea echipamentelor de reabilitare a membrelor superioare, comercializate în

acest moment, folosesc motoarele electrice pentru generarea mișcării de rotație.

vitezele de rotație sunt mici, valorile acestora fiind cuprinse între 0,5º/s ÷ 3º/s,

studiind brevetele publicate în ultimii ani, se observă apariția unor echipamente noi de

reabilitare cu acționare pneumatică.

în urma studierii acestor echipamente s-a observat faptul că, exceptând articulațiile

degetelor, pentru celelalte articulații se folosește același tip de mecanism pentru

mobilizarea segmentelor cu deficiențe.

în general, echipamentele de reabilitare folosesc o cuplă de rotație care este aliniată cu

articulația pe care urmează să o mobilizeze.



18

în cazul articulațiilor degetelor mecanismul este mai complex. Acesta are în structura

lui mai multe cuple de rotație, rotațiile cuplelor fiind dependente între ele.

deoarece flexia maximă a palmei se obține extinzând concomitent şi degetele, iar

extensia maximă a palmei se realizează cu degetele flectate, se propune realizarea unui

nou echipament pentru mobilizarea simultană a articulației palmei (articulația

radiocarpiană) și a articulației metacarpofalangiană a degetelor.

3. OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT

Cunoscute fiind tendințele existente la nivel mondial în ceea ce priveşte construcţia

echipamentelor de reabilitare, obiectivul principal al tezei de doctorat îl reprezintă conceperea unui

echipament pentru reabilitarea membrului superior, destinat mobilizării simultane a palmei și a

degetelor, acționarea fiind realizată cu un mușchi pneumatic.

Noutatea acestui echipament de reabilitare constă în mobilizarea simultană a articulației

palmei și a articulațiilor metacarpofalangiene, acționarea echipamentului realizându-se cu ajutorul

unui mușchi pneumatic.

Cercetările teoretice realizate asupra mecanismului de tip Fin Ray, cel care mobilizează palma

și degetele, urmate de cercetările experimentale realizate asupra echipamentului de reabilitare,

acționat cu ajutorul unui mușchi pneumatic, determină caracterul fundamental al temei de cercetare.

Caracterul aplicativ al tezei de doctorat constă în realizarea unui prototip al echipamentului de

reabilitare, a structurii sale mecanice și a circuitelor pneumatice de acţionare, pe care să se poată

testa performanţele acestuia.

Obiectivul principal va fi îndeplinit prin atingerea următoarelor obiective specifice:

1. Realizarea unui studiu cu privire la stadiul actual al metodelor şi echipamentelor de

reabilitare a articulaţiilor membrelor superioare. Acesta va cuprinde următorii paşi:

prezentarea unor noțiuni de kinetoterapie

studiul lipsei de mișcare și influența acesteia asupra organismului

studiul metodelor de tratament utilizate în kinetoterapie

analiza bilanțului articular al membrului superior

determinarea necesităţii utilizării echipamentelor de reabilitare

prezentarea unor echipamente de reabilitare destinate membrelor superioare.



19

2. Studii teoretice privind posibilitatea acţionării cu ajutorul mușchilor pneumatici a unui

echipament de reabilitare a articulaţiilor membrelor superioare. Această analiză se va realiza

parcurgându-se următoarele etape:

a. Analiza unor soluții inovatoare de structuri mecanice:

studiul efectului Fin Ray

aplicații ale efectului Fin Ray

b. Acționări pneumatice:

mușchi pneumatici – diferite variante constructive

c. Structura cinematică și modelarea echipamentului:

schema structurală a mecanismului propus pentru susținerea și deplasarea palmei

analiza cinematică a mecanismului

modelarea matematică a mecanismului utilizând softul Matalb

modelarea CAD a mecanismului propus utilizând softul ProEngineer

calculul forței necesare acționării echipamentului de reabilitare

analiza cu element finit a componentelor echipamentului

3. Studiul privind modul de lucru al echipamentului de reabilitare a articulaţiilor mâinii, acţionat

cu ajutorul muşchilor pneumatici:

prezentarea structurii mecanice,

conceperea și realizarea instalației pneumatice,

ridicarea caracteristicii forță – presiune a mușchiului utilizat

trasarea curbei presiune – unghi pentru articulația palmei

trasarea curbei presiune – deplasare cremalieră

trasarea curbei presiune – unghi pentru articulația degetelor

La finalul tezei de doctorat se vor prezenta concluziile care se desprind în urma

experimentelor realizate, se vor enumera contribuţiile personale și se vor trasa noi direcții de

cercetare, care pot fi dezvoltate pornind de la echipamentul de reabilitare conceput şi studiat.



20

PARTEA II. STUDII TEORETICE PRIVIND POSIBILITATEA ACŢIONĂRII

CU AJUTORUL MUȘCHILOR PNEUMATICI A UNUI

ECHIPAMENT DE REABILITARE A ARTICULAŢIILOR

MEMBRELOR SUPERIOARE

4. ANALIZA UNOR SOLUŢII INOVATIVE DE STRUCTURI MECANICE

DESTINATE ECHIPAMENTELOR DE REABILITARE

4.4. Concluzii

Pornind de la exemplele prezentate mai sus, în continuare se poate face următoarea clasificare

a sistemelor de tip Fin Ray:

- din punctul de vedere al deformării, structurile Fin Ray pot fi:

o plane

o spaţiale

- din punctul de vedere al structurii pot fi:

o cu nervuri

o fără nervuri (structurile care au în componență două elemente elastice)

- din punctul de vedere al numărului de elemente elastice:

o cu un element elastic şi unul sau două elemente de tracțiune

o cu două elemente elastice

- din punctul de vedere al forței de acționare pot fi:

o forțe de tracțiune sau compresiune

o forțe care acţionează transversal pe elementul elastic

- din punctul de vedere al realizării structurale acestea pot fi:

o simetrice

o asimetrice

Alte concluzii care se desprind din analiza exemplelor prezentate sunt următoarele:

- nervurile transversale asigură o deformare a întregului element elastic și cu ajutorul lor se

pot realiza structuri lungi cu efect Fin Ray.

- forța care deformează structura trebuie să formeze un anumit unghi cu elementul elastic

pentru a realiza momentul încovoietor. În acest scop, construcţia trebuie să aibă o formă

triunghiulară în cazul structurii plane și o formă piramidală în cazul structurii spațiale.



21

Întrucât teza de doctorat îşi propune studiul echipamentelor de reabilitare a membrelor

superioare având o construcţie bazată pe structuri de tip Fin Ray, acţionate de muşchi pneumatici, în

continuare se va studia în detaliu acest tip de acționare.

6. STRUCTURA, CINEMATICA ȘI MODELAREA ECHIPAMENTULUI

PENTRU REABILITAREA ARTICULAŢIILOR MÂINII

În acest capitol se va prezenta structura echipamentului pentru reabilitarea articulației mâinii,

se va studia cinematica mecanismului care mobilizează palma în timpul exerciţiului de reabilitare şi

se va modela un asemenea sistem.

6.1. Structura mecanismului

În figura 6.3 este prezentată schema structurală a mecanismului propus pentru susținerea și

mobilizarea palmei care trebuie reabilitată.

Fig. 6.3 Schema structurală a mecanismului propus pentru suportul palmei

Mecanismul care are rolul de susținere și mobilizare a palmei este compus din două

mecanisme patrulater. Mecanismele sunt legate între ele prin intermediul unor arcuri torsionale.

Aceste arcuri sunt plasate în zona cuplelor de rotație B și C, cuplând elastic elementele rigide 1 și 5

(balansierul AB cu balansierul BE), respectiv elementele rigide 7 și 3 (balansierul FC cu balansierul



22

CD). Lungimea balansierului AB este dată de distanța dintre articulația pumnului și articulațiile

metacarpofalangiene, iar distanța BE reprezintă lungimea dintre articulațiile metacarpofalangiene și

articulațiile proximale.

Flexia maximă a palmei se obține în cazul extensiei degetelor, iar extensia maximă a palmei

se realizează în cazul în care degetele sunt flexate. Mecanismul propus respectă această mișcare

naturală a palmei, deoarece rotirea în sus a balansierului AB determină rotirea în sens contrar a

balansierului BE.

6.2.Analiza cinematică a sistemului

Pentru dimensionarea mecanismului se pleacă de la următoarele constrângeri:

balansierul AB trebuie să se rotească în sus cu 70° față de orizontală şi cu 80° în jos față de

orizontală;

lungimile balansierelor AB și BE depind de conformația (dimensiunile) palmei bolnave.

Au fost adoptate următoarele valori: AB = 70 mm și BE = 40 mm.

Determinarea celorlalte dimensiuni ale mecanismului patrulater s-a realizat prin simularea

funcționării sistemului utilizând softul Pro/Engineer. În urma acestor simulări s-au obținut

următoarele dimensiuni: BC = 70 mm, CD = 70 mm, CF = 25 mm, FE = 45 mm, distanța AD

măsurată pe verticală, Adv = 70 mm, iar pe orizontală Adh = 5 mm, [FIL17b].

Folosind teorema cosinusului în triunghiurile ABD și BCD, se pot scrie următoarele relații

pentru mecanismul ABCD, [FIL17b]:

(6.4)

În mod identic, în mecanismul patrulater BEFC, utilizând teorema cosinusului în triunghiurile

BCE și CEF se obțin relațiile:

(6.5)



23

Pentru ca mecanismul patrulater BCFE să funcționeze corect, este necesar ca arcurile

torsionale montate în cuplele B și C să fie tensionate pe toată zona de lucru a acestui mecanism

(90°). Din această cauză, se vor folosi arcuri cu brațele dispuse la 270°, zona de lucru fiind cuprinsă

între 90° - 180° (Fig 6.12).

Fig. 6.12 Arc torsional cu braţele dispuse la 270°

Pentru ca biela EF să se afle în echilibru, trebuie ca forțele şi momentele care acţionează

asupra ei să se anuleze. În figura 6.13 sunt prezentate forțele şi momentele care acționează asupra

bielei EF ca urmare a utilizării arcurilor torsionale.

Fig. 6.13 Forțele şi momentele introduse de arcuri în mecanism

Momentul de torsiune din cupla B are valoarea:

(6.6)

în care Fe – forţa aplicată în punctul E, bb – brațul forței Fe, K – constanta elastică a arcului.

Momentul de torsiune din cupla C se calculează cu relaţia:

(6.7)



24

unde Ff este forţa aplicată în punctul F, bc – brațul forței Ff.

Pentru ca biela EF să fie în echilibru trebuie ca forțele Fe și Ff să fie egale:

°

°

(6.8)

unde:

(6.9)

(6.10)

Din relaţiile de mai sus rezultă:

(6.11)

Unghiurile și pot fi exprimate ca o sumă de unghiuri care pot fi determinate din

cele două mecanisme patrulater:

(6.12)

(6.13)

Având în vedere faptul că mișcarea de intrare în mecanismul pentru suportul palmei, în cazul

acestei analize, este rotația φ52, rezultă ca unghiul este cunoscut. Atribuind diferite valori

unghiului , se pot determina poziţiile mecanismului BCEF.

Legătura dintre mecanismul BCEF și mecanismul ABCD este realizată de echilibrul forțelor

la nivelul bielei EF. În acest sens unghiurile , și devin:

(6.14)

Introducând relațiile 6.12 și 6.13 în relația 6.11 se obține:

(6.15)

Înlocuind în relaţia 6.15 relațiile 6.14 se obține o ecuație având ca necunoscută cos .

Rezolvarea ecuației s-a realizat cu ajutorul softului Matlab [GHI98]. În Anexa I se prezintă un set

de fişiere Matlab prin care se calculează unghiul folosind ca date de intrare diferite valori ale

unghiului , [FIL17b].



25

Verificarea acurateței datelor s-a realizat utilizând simularea mecanismului în Pro/Engineer.

S-au ales 16 valori ale unghiului care acoperă întreaga zonă de funcționare a mecanismului.

Valorile sunt prezentate în tabelul 6.1

Tabelul 6.1 Valorile unghiului obținute în Matlab şi ProE

1 2 3 4 5 6 7 8

70,6475 70,4015 69,6557 68,3085 66,175 63,0636 58,91 53,9399

Matlab

164,086 161,8852 155,8189 146,6856 135,2855 122,4188 108,8857 95,4856

ProE 164,0856 161,8856 155,819 146,6856 135,2856 122,419 108,8856 95,4856

9 10 11 12 13 14 15 16

48,7186 43,7669 39,3092 35,4258 32,0932 29,2327 26,7495 24,5503

Matlab

82,9968 71,6855 61,3075 51,5966 42,2856 33,1078 23,7965 14,0854

ProE

82,9967 71,6856 61,3078 51,5967 42,2856 33,1078 23,7967 14,0856

Având în vedere faptul că mecanismul prezentat mai sus asigură unghiurile funcționale ale

palmei și degetelor, se poate trece la modelarea echipamentului pentru reabilitarea palmei.

6.3. Modelarea echipamentului de reabilitare

În figura 6.17 se poate urmări poziția mâinii pe mecanism în cazul flexiei maxime a

pumnului, iar cazul extensiei maxime a pumnului este prezentat în figura 6.18.

Fig. 6.17 Flexia maximă a pumnului Fig. 6.18 Extensia maximă a pumnului

În figurile de mai sus se pot observa cele două patrulatere care formează mecanismul Fin Ray.

Primul mecanism patrulater este cel care asigură rotirea palmei. Rotirea în sens antiorar a arborelui

conduce la rotirea în sens antiorar a palmei, deci a ridicării acesteia. În acelaşi timp, al doilea

mecanism, cel care asigură deplasarea degetelor, se va roti în sens orar. În acest fel, rotirea în sens



26

antiorar a palmei va conduce la închiderea pumnului, iar rotirea în sens orar va conduce la

deschiderea acestuia.

Dispozitivele medicale produse în prezent sunt specializate fie pe rotația palmei, fie pe rotația

degetelor. Pornind de la cele prezentate mai sus se observă că acest dispozitiv aduce ca noutate

mișcarea simultană a palmei și a degetelor, asigurând mobilizarea simultană a mai multor grupe de

mușchi.

Fig. 6.19 Echipamentul pentru reabilitarea palmei

În figura de mai sus este prezentat echipamentul cu toate elementele sale componente.

Concluzii

Prezentarea efectului Fin Ray și a aplicațiilor acestuia permite înțelegerea modului de

funcționare al diferitelor mecanisme care au la bază acest fenomen. Plecând de la aplicațiile

cunoscute ale efectului Fin Ray a fost conceput un sistem de reabilitare a articulaţiilor mâinii care

roteşte palma și degetele pe zonele funcționale ale acestora.

Analiza noului sistem de reabilitare a constat, în primul rând, în modelarea matematică a

acestuia și în realizarea unui program care calculează pozițiile cuplelor mecanismului. Simularea în

Pro Engineer a confirmat modelul matematic.

Odată validat modelul matematic, s-a trecut la realizarea modelului tridimensional al

echipamentului folosit pentru reabilitarea palmei. Acest model tridimensional a permis analiza

cinematică și dinamică, precum și analiza la solicitări a echipamentului. În urma acestor studii, s-a

constatat faptul că echipamentul asigură deplasarea palmei și a degetelor pe zona funcțională a

acestora, iar rezultatul analizei la solicitări mecanice a scos în evidență faptul că echipamentul

asigură rezistența necesară în condițiile reale de funcţionare.



27

PARTEA III. CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND MODUL DE

LUCRU AL ECHIPAMENTULUI DE REABILITARE A

ARTICULAŢIILOR MÂINII, ACŢIONAT CU AJUTORUL

MUŞCHILOR PNEUMATICI

7. Standul experimental și modelul fizic al echipamentului destinat reabilitării

palmei

Plecând de la modelul tridimensional realizat în ProEngineer a fost realizat modelul fizic pe

care s-au efectuat cercetările experimentale prezentate în acest capitol.

7.1. Modelul fizic al echipamentului destinat reabilitării palmei

Ținând cont de rezultatele obținute în capitolele precedente, s-a putut trece la realizarea fizică

a echipamentului. Pentru construcția echipamentului s-a plecat de la următoarele premise:

- asigurarea protecției utilizatorului,

- echipamentul conceput trebuie să fie uşor, pentru a putea fi mutat fără dificultate,

- să fie rezistent,

- să fie realizat cu costuri minime.

În conformitate cu cele prezentate mai sus s-a optat pentru confecţionarea echipamentului din

profile de aluminiu, exceptând angrenajul roata dințată – cremalieră și placa suport a antebrațului,

care sunt realizate din material plastic.

În figura 7.1 este prezentat modelul fizic al echipamentului, realizat după conceptul

tridimensional al echipamentului modelat în ProEngineer.

Fig. 7.1 Structura mecanică a echipamentului



28

Se poate observa faptul că în cazul în care presiunea în sistem este zero, echipamentul se

găsește în poziție de flexie maximă. Deoarece poziția palmei bolnavului este diferită de flexia

maximă, în momentul în care bolnavul dorește să utilizeze echipamentul, suportul palmei trebuie

poziționat astfel încât acesta să sprijine palma bolnavă. Pentru aceasta, mușchiul se va alimenta cu

aer sub presiune, mecanismul pentru suportul palmei ridicându-se până când acesta ajunge în

contact cu palma.

Deoarece echipamentul nu este solicitat de forțe mari, dimensiunile de gabarit au fost alese

având în vedere dimensiunile palmei și ale antebraţului unui adult. În acest sens, lățimea

mecanismului pentru suportul palmei este de 145 mm. Înălțimea echipamentului este dată de flexia

maximă a palmei. În această poziție vârful degetelor nu trebuie să atingă baza echipamentului,

distanța între suportul antebrațului și baza echipamentului fiind de 185 mm. Lungimea

echipamentului trebuie să asigure o bază stabilă pentru antebraț. Din acest motiv s-a ales ca suportul

antebrațului să aibă lungimea de 380 mm.

Masa echipamentului, având muşchiul pneumatic montat pe el, este de 2,6 kg.

În mod normal, poziţia de echilibru a unui mecanism bazat pe efectul Fin Ray este cea de

simetrie. În acest caz, deoarece mecanismul nu este simetric, poziţia de echilibru a suportului

palmei este redată în figura 7.2.

Fig. 7.2 Poziția de echilibru a suportului palmei

În figura de mai sus, mușchiul pneumatic este desprins din suportul său din spate, suportul

palmei fiind menținut în această poziție de echilibrul momentelor dezvoltate de arcurile de torsiune.

Pentru aducerea suportului palmei în poziție de flexie maximă este necesară împingerea

cremalierei în faţă. Pentru a realiza acestă poziție, suportul din spate al mușchiului este deplasat

spre față, astfel încât, prin intermediul mușchiului, cremaliera va fi împinsă spre înainte. Poziția de

flexie maximă se poate observa în figura 7.3.



29

Fig. 7.3 Poziția de flexie maximă

În vederea transformării mișcării de translație în mișcare de rotație se folosește un mecanism

pinion-cremalieră. În figura 7.4 se observă mecanismul pinion-cremalieră și modul de funcționare al

acestuia în cadrul echipamentului destinat reabilitării palmei. Suportul în care este fixată cremaliera

este acționat în mod direct de mușchiul pneumatic. Un profilul U ghidează suportul cremalierei în

traiectoria sa liniară pentru a asigura contactul dintre cremalieră și pinion. Componentele din figura

7.4 permit mici ajustări pentru asigurarea unei deplasări ușoare a mecanismului pinion-cremalieră.

Fig. 7.4 Mecanismul pinion cremalieră.

În figura 7.5 este prezentat cazul extensiei maxime obţinute de echipamentul de reabilitare a

articulaţiilor mâinii, în comparație cu poziția similară obținută în simularea din ProEngineer. Se

observă faptul că simularea din ProEngineer aproximează cu fidelitate modelul fizic, diferenţele

fiind date de caracteristicile arcurilor torsionale. În cazul real, constanta elastică a arcului diferă

uşor de la un arc la altul, poziționarea brațelor arcului putând introduce astfel abateri față de

modelul teoretic.



30

Fig. 7.5 Poziția de extensie maximă

7.2. Acționarea pneumatică a echipamentului

În vederea realizării cercetărilor experimentale s-a conceput schema pneumatică de acționare

prezentată în figura 7.6:

Fig. 7.6 Schema pneumatică de acționare a echipamentului

Conform schemei, principalele componente sunt următoarele:

- compresorul de aer - acesta asigură aerul comprimat necesar instalației pneumatice;

- grupul de pregătire a aerului comprimat - are rolul de a filtra și usca aerul, precum și de a

asigura o anumită valoare a presiunii în instalația pneumatică;

- un distribuitor pneumatic tip 3/2 - cu rol de oprire rapidă a instalației pneumatice;



31

- un regulator proporțional de presiune - controlează continuu presiunea aerului care

acționează mușchiul pneumatic;

- un senzor de debit - cu ajutorul acestuia se măsoară debitul de aer care ajunge în

mușchiul pneumatic;

- un senzor de presiune care măsoară presiunea aerului din interiorul mușchiului

pneumatic.

Pentru realizarea schemei pneumatice s-au folosit simboluri standardizate, prezentate în

lucrarea [CRO02].

Funcționarea instalației pneumatice se realizează astfel: aerul atmosferic este absorbit de un

compresor, care comprimă și stochează aerul într-un rezervor. Din rezervor, aerul este trecut prin

grupul de pregătire, care-l filtrează, elimină apa din acesta și, prin intermediul regulatorului de

presiune, prevăzut și cu un manometru, stabilizează presiunea aerului la o valoare cerută de sistem

(valoarea maximă de 6 bar). Pentru a ajunge la mușchiul pneumatic, aerul este trecut apoi printr-un

distibuitor normal deschis cu poziţie reținută, care are rol de a descărca presiunea din instalația

pneumatică în atmosferă în caz de defecțiune a instalației pneumatice. Urmează apoi regulatorul

proporțional de presiune prin intermediul căruia se comandă mişcările muşchiului pneumatic. Între

regulatorul proporțional și mușchiul pneumatic se mai introduc doi senzori. Un senzor este pentru

măsurarea debitului de aer utilizat de mușchi și altul este pentru măsurarea presiunii aerului din

interiorul mușchiului. Datele furnizate de senzori pot fi stocate și prelucrate prin intermediul unei

plăci de achiziții de date și a unui computer, utilizând un program de calculator dedicat (FluidLab).

Amplasarea componentelor pneumatice pe echipament este arătată în figura 7.7:

Fig. 7.7 Poziţionarea pe echipamentul de reabilitare a componentelor electrice şi pneumatice

Alimentarea cu aer a muşchiului pneumatic se face la capătul fix al acestuia, de celălalt capăt

al său fixându-se cremaliera (figura 7.8).



32

Fig. 7.8 Cuplarea pneumatică a mușchiului

7.3. Determinări experimentale

7.3.1. Determinarea curbei presiune-forță a mușchiului folosit în construcția

echipamentului de reabilitare

Pentru ridicarea curbei de dependenţă a forţei dezvoltate de muşchiul pneumatic în funcţie de

presiunea de alimentare se va folosi aceeași schemă pneumatică prezentată în figura 7.6. Obţinerea

acestei dependenţe se face cu muşchiul pneumatic izolat, extras din echipamentul de reabilitare. În

figura 7.9 este prezentată masa standului experimental pe care s-au făcut aceste determinări. Pe

aceasta sunt fixate aparatele pneumatice inclusiv mușchiul pneumatic care urmează să fie testat.

Muşchiul pneumatic are capătul liber legat la un traductor de forţă.

Fig. 7.9 Vedere de sus a standului experimental

Figura 7.10 prezină o vedere de ansamblu a standului experimental în care este cuprinsă

aparatura pneumatică, partea electrică și cea electronică. Legătura dintre senzori și computer se

realizează cu ajutorul unei interfețe analog digitale (Easy Port), prezentată și ea în figura 7.10.



33

Fig. 7.10 Vedere din față a standului

Presiunea din mușchiul pneumatic este gestionată de regulatorul proporțional de presiune.

Comanda regulatorului proporțional de presiune se realizează prin intermediul unui modul de

referință MPZ-1-24DC-SGH-6-SW. Modulul este proiectat să asigure maximum 6 valori diferite ale

tensiunii de referință, valori reglabile prin intermediul unor potențiometre rotative. Ieșirea din

modul asigură o tensiune constantă, în funcție de tensiunea de referință, comanda fiind realizată prin

intermediul unui controller digital. În cazul în care nu se primește semnal de la tensiunile de

referință, reglarea tensiunii de ieșire se realizează de la un potențiometru extern, care este cuplat la

acest modul de referință.

În figura 7.11 este prezentată schema electrică de comandă a regulatorului proporțional de

presiune. Deoarece se urmărește obţinerea unei variații continue a presiunii, comanda modulului de

referință se realizează cu un potențiometru rotativ extern de 10 kΩ. În acest fel, tensiunea de

comandă a regulatorului proporțional de presiune variază de la 0 la 10V, obținând o variație a

presiunii de la 0 la 6 bari.



34

Fig. 7.11 Schema electrică de comandă a regulatorului proporţional de presiune

Transmiterea informațiilor de la senzori la computer se poate observa în figura 7.12.

Fig. 7.12 Fluxul informațiilor de la senzori la computer



35

Salvarea datelor se realizează cu ajutorul softului FluidLab®-P V1.0. Acest soft, realizat de

Festo Ag & Co, este specializat pe colectarea și prelucrarea datelor furnizate de sistemele

pneumatice. În acest caz se vor stoca datele referitoare la presiune și tensiunea furnizată de senzorul

de forță.

Reprezentatea grafică a interfeței FluidLab este prezentată în figura 7.13. Meniul principal

este prezentat sub forma unei bare verticale de instrumente.

Fig. 7.13 Interfața FluidLab

Pornind de sus în jos se va realiza o scurtă descriere a butoanelor care compun bara de

instrumente:

- primul buton comandă închiderea programului;

- următoarele trei butoane deschid trei subprograme destinate

înregistrării datelor în cazul experimentelor de bază, a comutării cilindrilor sau a

echipamentelor care folosesc aparatură proporțională;

- butonul cinci realizează configurarea programului;

- ultimul buton furnizează informaţii despre soft şi despre modificări.

În urma rulării subprogramelor, datele colectate pot fi vizualizate sub forma unor grafice, care

se pot salva ca fișiere .jpg, sau sub forma unor fişiere text, cu extensia .txt.



36

Ridicarea curbei de dependenţă a forţei dezvoltate de muşchiul pneumatic în funcţie de

presiunea de alimentare presupune parcurgerea unor etape intermediare. O prima etapă constă în

etalonarea senzorului de forță.

În lucrarea [PET12] s-a determinat funcția de etalonare a traductorului:

(7.1)

În urma stabilirii funcției de etalonare s-a trasat graficul din figura 7.14.

Fig. 7.14 Dreapta de etalonare a traductorului de forță [PET12]

A doua etapă constă în ridicarea caracteristicii presiune - tensiune de ieșire a senzorului de

forță. Prin varierea continuă a presiunii se modifică forța cu care mușchiul pneumatic acționează

asuprea senzorului de forță. Variația forței este determinată prin intermediul tensiunii de ieșire a

senzorului de forță. Cu ajutorul softului FluidLab s-au înregistrat presiunea din sistem și tensiunea

de ieșire a senzorului de forță. Rezultatele sunt prezentate în graficul din figura 7.15.

Din grafic se observă faptul că deși presiunea din sistem crește, senzorul de forță emite

semnal doar după aproximativ 0,5 s. Acest fenomen se explică prin faptul că, iniţial, o parte din

energia pneumatică este consumată pentru deformarea tubului elastic și învingerea forțelor de

frecare care apar între tubul elasic al muşchiului și fibrele de ţesătură încorporate în acesta.

Fig. 7.15 Graficul evoluţiei în timp a presiunii și tensiunii



37

Pentru determinarea corespondenței dintre tensiunea de ieșire și forță, din fișierul text (vezi

date.txt din Anexa 2) în care se găsesc valorile după care s-a construit graficul de mai sus se rețin

liniile în care valoarea presiunii este cea mai apropiată de 0, 1, 2, 3, 4, 5 și, respectiv, 6 bari.

Valorile reținute sunt prezentate în tabelul 7.3.

Tabelul 7.3 Variaţia presiunii și a tensiunii de ieșire a traductorului în timp

Timp[s] 0,103 2,938 4,178 5,636 7,051 7,967 9,609

Presiune[bar] 0,098 1,006 2,012 2,998 4,014 5,000 5,898

Tensiune[V] 0,000 0,098 0,664 1,182 1,533 1,885 2,227

Din relația 7.1 se determină funcția care descrie variația forței F în funcție de tensiunea U.

(7.2)

Întroducând în relaţia (7.2) valorile tensiunilor din tabelul 7.3 se determină corespondența

dintre tensiunea de ieșire a senzorului de forță și forța care acționează asupra senzorului. În tabelul

7.4 se poate observa această dependență.

Tabelul 7.4 Variația tensiunii de ieșire a traductorului și a forței mușchiului în timp

Timp[s] 2,597 2,938 4,178 5,636 7,051 7,967 9,609

Tensiune[V] 0,000 0,098 0,664 1,182 1,533 1,885 2,227

Forța[N] 0,000 10,301 68,963 120,983 156,909 192,938 232,344

Timp[s] 12,696 13,776 14,800 16,301 17,777 18,479

Tensiune[V] 2,031 1,650 1,260 0,859 0,303 0,000

Forța[N] 207,881 168,884 128,966 87,922 31,013 0,000

Combinând tabelele 7.3 și 7.4 se obține graficul forţei dezvoltate de muşchiul pneumatic în

funcţie de presiunea de alimentare:

Timp[s] 12,696 13,776 14,800 16,301 17,777 21,263

Presiune[bar] 5,020 4,004 3,008 1,992 0,986 0,098

Tensiune[V] 2,031 1,650 1,260 0,859 0,303 0,000



38

Fig. 7.16 Caracteristica forță - presiune a mușchiului pneumatic

Din graficul de mai sus se poate observa comportamentul mușchiului pneumatic în timpul

funcționării. Curba de comprimare este diferită de cea de destindere. În cazul comprimării, forțele

dezvoltate de mușchiul pneumatic sunt mai mici decât cele obţinute în cazul destinderii. Pentru

comprimarea mușchiului presiunea creşte de la 0 la 6 bari, curba comprimării fiind partea din curbă

mai apropiată de abscisă. Destinderea mușchiului pneumatic se realizează pe partea superioară a

curbei, presiunea scăzând de la 6 la 0 bari. Zona cuprinsă în interiorul curbei este zona histerezisului

mușchiului pneumatic și este specifică tuturor sistemelor elastice.

7.3.2. Cercetări experimentale efectuate asupra echipamentului pentru reabilitarea

palmei

7.3.2.1. Determinarea unghiurilor de extensie maximă și de flexie maximă realizate de

echipamentul de reabilitare

Măsurătorile efectuate au vizat determinarea unghiurilor de extensie și de flexie maximă pe

care palma, deplasată de suportul AB, le face în raport cu antebrațul. Dreapta orizontală care trece

prin punctul A se consideră bază în măsurarea unghiului . Unghiurile negative sunt considerate

unghiurile pentru care suportul AB se găsește sub axa orizontală, pentru valorile pozitive suportul

AB fiind poziționat desupra dreptei orizontale. În figura 7.17 se prezintă o schiță a unghiului care

urmează a fi măsurat.



39

Fig. 7.17 Extensia și flexia palmei

Conform lucrării [FIL17c], pentru determinarea deplasării unghiulare a suportului AB se

modifică în mod continuu presiunea din sistem. În cazul experimentului desfăşurat, presiunea creşte

de la 0 la 6 bari, apoi se reduce presiunea în mod continuu de la 6 bari la 0. Rotația suportului AB

s-a măsurat cu ajutorul unui raportor digital. În figura 7.18 se prezintă una dintre măsurătorile

făcute pentru determinarea mărimii unghiului pe care palma îl face în raport cu antebrațul. În

vederea realizării unei măsurători corecte, brațele raportorului s-au așezat pe o suprafaţă plană, unul

în prelungirea celuilalt, în această poziție realizându-se setarea la zero (figura 7.19).

Fig. 7.18 Măsurarea unghiului antebraț - palmă



40

a b

Fig. 7.19 Afişajul raportorului digital: a – reglat la zero, b – unghi oarecare

Valorile măsurate sunt prezentate în tabelul 7.5.

Tabelul 7.5 – Rotire suport AB

Presiune [Bar] 0 1 2 3 4 5 6

Unghi [°] -76.2 -64.7 -49.8 -25.0 7.1 35.0 61.8

Cu valorile din tabelul 7.5 se obține diagrama din figura 7.20. Rezultatele experimentale

obţinute au scos în evidenţă apariţia unor abateri ale mărimii unghiurilor limită în raport cu cele

obţinute pe cale teoretică. Astfel, în cazul flexiei maxime, abaterea este de aproximativ 4° la

începutul contracției mușchiului și ajunge la 13°, la finalul contracției, din cauza histerezisului

mușchiului. În cazul extensiei maxime abaterea este de aproximativ 8°.

Fig. 7.20 Dependenţa unghi - presiune

Presiune [Bar] 6 5 4 3 2 1 0

Unghi [°] 61.8 57.2 45.7 21.3 -18 -49 -67



41

O evaluare indirectă a unghiului de rotire a suportului palmei AB se poate realiza şi prin

măsurarea deplasării cremalierei. Presupunând că pinionul și cremaliera angrenează pe cercul de

divizare, putem concluziona că deplasarea liniară a cremalierei se transpune integral pe un arc de

cerc al cercului de divizare. Cunoscând lungimea arcului de cerc se poate determina unghiul la

centru corespunzător acestui arc. Acest unghi ar trebui să corespundă rotației suportului AB.

Pentru măsurători se pleacă de la poziția de flexie maximă pe care o realizează echipamentul,

valoarea unghiului pentru suportul AB fiind de -76,2°. Acestă poziție se consideră poziția de zero

pentru cremalieră. În tabelul 7.6 se prezintă rezultatele măsurătorilor.

Tabelul 7.6 – Deplasarea cremalierei

Presiune [Bar] 0 1 2 3 4 5 6

Cremaliera

[mm] 0 3.2 7.5 14.8 23.1 31.4 37.3

Presiune [Bar] 6 5 4 3 2 1 0

Cremaliera

[mm] 37.3 36.1 33.8 26.1 15.9 7.6 2.1

Dependenţa deplasare cremalieră – presiune este prezentată în figura 7.21.

Fig. 7.21 Dependenţa deplasare cremalieră - presiune

Cu ajutorul formulei 7.3 se poate determina poziţia unghiulară a suportului AB în funcție de

deplasarea cremalierei.

(7.3)

unde: α° - unghiul la centru măsurat în grade, Larc – lungimea arcului de cerc, rd – raza cercului de

divizare.



42

Având în vedere că în poziția inițială suportul AB se găsește la -76,2° față de orizontală, se

poate figura dependenţa unghi - presiune, determinată de deplasarea cremalierei.

Fig. 7.22 Dependenţa unghi – presiune

Suprapunând curbele unghi - presiune, una determinată prin măsurarea directă a unghiului,

cealaltă determinată indirect, prin măsurarea deplasării cremalierei, se poate observa influența

abaterilor de montaj asupra deplasării unghiulare a suportului AB (figura 7.23).

Fig. 7.23 Curbele unghi - presiune măsurate direct și indirect

Abaterile maxime apar în zona extensiei maxime. În cazul măsurării directe valoarea maximă

a unghiului este cu aproximativ 4° mai mică decât în cazul măsurării indirecte. Această diferență

apare deoarece măsurarea indirectă este influențată de erorile de construcție şi de montaj.



43

Având în vedere cele prezentate mai sus, pentru reglarea echipamentului se va folosi

diagrama din figura 7.20. De exemplu, dacă urmărim să poziționăm echipamentul în poziția de 0°,

trebuie crescută presiunea la 3,8 bari. Această valoare se obține din intersecția curbei de contracție

a mușchiului cu axa orizontală (0°). Pentru un punct de pe curba de contracție a mușchiului se va

găsi o singură valoare corespondentă atât pentru unghi cât și pentru presiune. În acest fel, pentru

orice unghi al suportului AB cuprins în zona activă a echipamentului se determină o valoare unică a

presiunii. În acest mod se pot realiza diferite programe de deplasare ale suportului AB.

7.3.2.2. Determinarea unghiului palmă – degete realizat de echipamentul de reabilitare

Determinarea unghiului palmă – degete presupune măsurarea unghiului , unghi prezentat

în figura 7.24. Conform lucrării [SBE87] extensia degetelor variază între 0° și 90° în funcție de

individ. Se deduce astfel că o palmă este funcțională dacă extensia acesteia are cel puţin valoarea 0.

Fig. 7.24 Flexia și extensia degetelor

Măsurarea acestui unghi presupune creşterea continuă a presiunii de la 0 la 6 bari şi apoi

scăderea acesteia până la 0 bar. Pe echipamentul de reabilitare s-au citit valorile unghiului atunci

când presiunea a variat din bar în bar în sens crescător și apoi descrescător. Valorile s-au măsurat cu

un raportor digital conform figurii 7.25.

În urma măsurătorilor efectuate s-au obținut valorile din tabelul 7.7:

Tabelul 7.7 Rotirea suportului pentru degete BE

Presiune [Bar] 0 1 2 3 4 5 6

Unghi [°] 4.7 13.7 26.6 39.4 50.9 68 79.5

Presiune [Bar] 6 5 4 3 2 1 0

Unghi [°] 79.5 78.5 68.2 47.9 28.9 16 5.9



44

Fig. 7.25 Măsurarea unghiului de flexie a degetelor

Cu ajutorul valorilor din tabelul 7.7 se trasează graficul din figura 7.26.

Fig. 7.26 Dependenţa unghi - presiune

Deoarece poziția suportului palmei AB nu atinge valorile de extrem obținute pe cale teoretică,

pozițiile limită ale suportului degetelor BE nu sunt nici ele atinse. Mecanismul pentru suportul

palmei a fost proiectat astfel încât, la rotirea maximă a palmei, să se atingă valoarea maximă a

rotirii degetelor. În acest caz, deoarece suportul palmei nu atinge valoarea maximă teoretică, nici

suportul degetelor nu va atinge această valoare. Din figura de mai sus se mai observă și un fenomen

de histerezis care apare din cauza arcurilor torsionale care acționează mecanismul BEFC.

Concluzii

Având în vedere rezultatele obținute în urma măsurătorilor, se poate deduce faptul că

echipamentul poate fi folosit pentru scopul propus, adică se poate utiliza pentru reabilitarea



45

articulaţiilor mâinii şi a degetelor. Echipamentul realizează deplasarea palmei și a degetelor pe zona

funcțională a acestora, având probleme doar pe zona mobilității maxime.

Abaterile pe care le are echipamentul față de pozițiile teoretice pot fi explicate prin erorile

apărute la montaj și prin constantele elastice diferite ale arcurilor de torsiune.

Un prim experiment a constat în ridicarea caracteristicii forță – presiune a mușchiului utilizat.

Se observă că această curbă prezintă un histerezis, specific mușchiului pneumatic.

Utilizarea mușchiului pneumatic în construcția echipamentului pentru reabilitarea palmei va

imprima echipamentului mișcări diferite în faza de ridicare și de coborâre a palmei. Curba de

deplasare a palmei va prezenta un histerezis asemănător cu cel al mușchiului pneumatic. Acest

dezavantaj se transformă în avantaj la capăt de cursă, schimbarea sensului de mișcare realizându-se

fără șocuri. Se evidențiază în acest mod caracterul compliant al mușchiului pneumatic.

În mod identic și deplasarea degetelor prezintă histerezis. În acest caz histerezisul este

influențat atât de mușchiul pneumatic, cât și de cele două arcuri care acționează mecanismul pentru

deplasarea degetelor.

Experimental s-au trasat și curbele:

presiune – unghi, curbă asociată rotirii articulației pumnului,

presiune – deplasare cremalieră, din care se poate calcula rotația articulației pumnului,

presune – unghi, curbă asociată rotirii articulațiilor degetelor.

Determinarea poziției palmei se poate determina în două moduri:

indirect – prin determinarea pozitiei cremalierei și calculul rotirii suportului palmei

direct – prin deterrminarea rotirii suportului palmei

Metoda indirectă este mai imprecisă decât metoda directă, deoarece nu ţine cont de erorile de

construcție ale echipamentului.

Pentru realizarea comenzii automate a echipamentului se recomandă instalarea unui senzor de

rotație pe arborele echipamentului.

În urma experimentelor realizate s-a constatat că muşchiul pneumatic asigură forța necesară

antrenării echipamentului de reabilitare.

Sistemul de comandă conceput permite reglarea vitezei de funcționare a echipamentului într-

un domeniu acoperitor cerinţelor exerciţiului de reabilitare.



46

8. Concluzii şi contribuţii originale

Ca urmare a cercetărilor efectuate pentru întocmirea tezei de doctorat, în continuare se

prezintă concluziile desprinse din rezultatele obţinute, precum și contribuțiile personale.

8.1. Concluzii generale

Obiectivul principal al acestei teze de doctorat a fost acela de realizare a unui echipament

pentru recuperarea articulațiilor mâinii, a cărui acționare să fie obţinută cu ajutorul unui mușchi

pneumatic. În acest sens, s-a conceput un echipament de reabilitare care îndeplinește obiectivul

propus, echipament care poate fi folosit pentru recuperarea mobilității articulațiilor mâinii, utilizând

mișcarea pasivă continuă.

Noutatea echipamentului este dată de sistemul de acționare utilizat (mușchi pneumatic) și de

noul mecanism propus, bazat pe efectul Fin Ray. În acest caz, principalul avantaj al acționării cu un

mușchi pneumatici este acela al complianţei. Complianţa, inversa rigidităţii, este acea proprietate a

unui motor care permite deviaţii de la o anumită poziţie de echilibru în cazul în care asupra

sistemului acţionat se exercită forţe exterioare. Motoarele cu complianţă ajustabilă (muşchii

pneumatici) prezintă anumite avantaje, cum ar fi capacitatea de minimizare a efectelor şocurilor

mecanice, siguranţa oferită la interacţiunea cu omul sau abilitatea de a înmagazina şi elibera energie

în elemente elastice de tip pasiv. Utilizarea muşchilor pneumatici asigură adaptabilitatea sistemelor

acţionate la situaţia concretă de lucru, în unele cazuri diferită de cea planificată iniţial.

Structura teza de doctorat este realizată în trei părți.

În prima parte sunt prezentate noțiuni de biomecanică şi kinetoterapie necesare înțelegerii

funcționării articulațiilor membrului superior. Este realizată apoi o analiză a stadiului actual al

echipamentelor de reabilitare a articulațiilor membrelor superioare, fiind studiate atât cele care se

comercializează în prezent, cât și echipamentele aflate în stadiul de brevet.

Partea a doua a tezei a rezultat în urma analizei efecuate asupra echipamentelor de reabilitare

prezentate anterior. În acestă parte se propune obţinerea unui nou echipament pentru reabilitarea

articulațiilor mâinii care să mobilizeze simultan atât articulația palmei cât și articulațiile degetelor,

acționarea fiind realizată cu un mușchi pneumatic liniar. Pe modelul CAD s-a realizat simularea

mecanismului pe care se sprijină palma, acest model fiind folosit și pentru analizele cinematice și

dinamice. Analiza cinematică a fost confirmată de programul realizat în Matlab. În urma simulării

funcționării mecanismului s-a putut observa faptul că acesta asigură caracteristicile de mişcare

impuse echipamentului de reabilitare.



47

În cea de-a treia parte a tezei, pornind de la structura CAD, s-a realizat structura mecanică a

echipamentului, s-a conceput și realizat instalația pneumatică și standul destinat testelor

experimentale. Experimentele efectuate au validat soluția propusă, echipamentul de reabilitare

îndeplinind cerințele pentru care a fost conceput.

Din studiile efectuate pentru elaborarea tezei se desprind următoarele concluzii:

1. În prima parte a tezei de doctorat s-a urmărit prezentarea echipamentelor de reabilitare a

articulațiilor membrului superior şi a noțiunilor generale de kinetoterapie, cu accent pe mobilitatea

articulațiilor membrului superior. În urma consultării bibliografiei, a lucrărilor recent apărute în

domeniul tezei, s-au putut evidenția mai multe domenii de studiu:

kinetoterapia și recuperare medicală,

metodele de recuperare utilizate în kinetoterapie,

reabilitarea membrului superior, bilanț articular,

necesitatea utilizării echipamentelor de reabilitare,

stadiul actual al echipamentelor destinate reabilitării articulațiilor membrului

superior.

Analizând critic echipamentele de reabilitare care se comercializează în prezent, se poate

reține faptul că majoritatea celor destinate reabilitării membrului superior folosesc pentru acționare

motoare electrice. Conform bibliografiei studiate, cercetările se îndreaptă, în acest moment, şi spre

echipamentele acționate pneumatic.

Utilizarea mușchilor pneumatici liniari în acționarea echipamentelor de reabilitare presupune

cunoașterea mai multor aspecte legate de aceștia:

tipurile constructive de mușchi,

caracteristicile acestor mușchi și în ce domenii pot fi utilizați,

exemple de aplicații tehnice care folosesc mușchi pneumatici liniari.

În urma cercetării realizate s-a propus ca noul echipament de reabilitare să fie acționat cu

ajutorul muşchilor pneumatici liniari produși de compania Festo.

2. Partea a doua a tezei se axează pe studiile teoretice care s-au efectuat asupra echipamentului

de reabilitare a articulațiilor mâinii, acționat cu ajutorul mușchilor pneumatici liniari.

Structura mecanică destinată sprijinirii și mobilizării palmei se bazează pe efectul Fin Ray,

acest lucru aducând un element de originalitate cercetării.



48

Într-o primă etapă s-a realizat modelarea virtuală a mecanismului utilizând softul

ProEngineer. Prin simulări repetate s-au stabilit dimensiunile finale ale mecanismului. Pe modelul

final s-au realizat analizele cinematice și dinamice.

Pe structura finală s-a refăcut analiza cinematică și, cu ajutorul softului Matlab, s-au calculat

pozițiile intermediare şi finale ale mecanismului. S-a constatat că diferențele între cele două analize

sunt minore.

Cu ajutorul softului Adams s-a determinat forța maximă necesară acționării echipamentului.

Acestă forță a fost utilizată în analiza cu element finit a echipamentului. În urma acestei analize s-au

determinat și vizualizat tensiunile maxime care apar în componentele echipamentului și

deformațiile suferite de acestea.

3. Ultima parte a tezei a constat în realizarea fizică a echipamentului destinat reabilitării

articulațiilor mâinii, a standului pentru testări și realizarea cercetărilor experimentale privind modul

de lucru al acestui echipament.

Cercetările experimentale au condus la următoarele concluzii:

echipamentul poate fi folosit pentru reabilitarea mâinii,

în urma experimentelor realizate s-a constatat faptul că echipamentul de reabilitare

prezintă abateri minore față de pozițiile extreme teoretice. Aceste abateri pot fi

explicate prin erorile apărute la montaj și constantele elastice diferite ale arcurilor de

torsiune folosite.

curba deplasării palmei se aseamănă cu cea a mușchiului, prezentând un histerezis

asemănător muşchiului pneumatic,

curba deplasării degetelor prezintă și ea histerezis. Această curbă este influențată atât

de histerezisul mușchiului pneumatic, cât și de histerezisul arcurilor torsionale.

muşchiul pneumatic asigură forța necesară antrenării echipamentului de reabilitare,

echipamentul permite reglarea vitezei de funcționare a echipamentului.

Un avantaj al folosirii acţionării pneumatice este cel economic. Utilizarea acționării cu un

muşchi pneumatic liniar reduce prețul de cost al echipamentului, comparativ cu acţionările clasice

cu motoare electrice.

Având în vedere cele prezentate mai sus, se poate concluziona că echipamentul de reabilitare

propus îndeplinește scopul și cerințele impuse în tema de cercetare.



49

8.2. Contribuţii personale

Teza de doctorat eviențiază în conținutul ei două idei originale:

1. construcţia mecanismului suport pentru palmă, structura sa bazându-se pe efectul Fin

Ray,

2. utilizarea unui nou tip de acționare a echipamentului, muşchiul pneumatic liniar

înlocuind motorul electric.

În continuare sunt prezentate contribuțiile personale rezultate în urma elaborării tezei de

doctorat:

1. studiul asupra articulațiilor membrului superior, din punct de vedere al kinetologiei

2. sinteza stadiului actual al echipamentelor destinate reabilitării articulațiilor membrelor

superioare

3. utilizarea unui nou sistem de acționare al echipamentului de reabilitare, cel cu un

mușchi pneumatic liniar

4. în vederea alegerii celei mai bune variante de mușchi pneumatic liniar s-a realizat un

studiu asupra diferitelor tipuri de mușchi pneumatici

5. conceperea unui nou mecanism pentru susţinerea și deplasarea palmei

6. modelarea virtuală a noului mecanism utilizând softul ProEngineer

7. simularea funcționării şi analiza cinematică și dinamică a mecanismului utilizând

softul ProEngineer

8. realizarea unei noi analizei cinematice

9. pe baza analizei cinematice s-a realizat un program scris în Matlab cu ajutorul căruia

s-au determinat pozițiile mecanismului. Comparând valorile pozițiilor mecanismului

obținute prin cele două metode s-a constatat faptul că diferențele obţinute sunt

nesemnificative

10. determinarea forței necesare acționării echipamentului cu ajutorul softului Adams

11. analiza cu element finit a componentelor mecanismului

12. realizarea fizică a structurii mecanice a echipamentului

13. conceperea și realizarea instalației pneumatice necesară acționării echipamentului

14. conceperea și executarea standului experimental

15. trasarea caracteristicii forță – presiune a mușchiului pneumatic liniar

16. determinarea experimentală a graficului rotirii articulației palmei prin metoda directă

17. determinarea experimentală a graficului rotirii articulației palmei prin metoda indirectă

18. determinarea experimentală a graficului rotirii articulațiilor degetelor



50

19. concluzii referitoare la experimentele realizate

8.3. Dezvoltări viitoare

Având în vedere faptul că cercetările realizate în țara noastră în domeniul echipamentelor de

reabilitare sunt destul de sărace în informații, prezenta lucrare poate fi un punct de plecare pentru

dezvoltări viitoare. În acest sens se pot sugera câteva direcții noi de studiu a acestui echipament:

studierea și eliminarea abaterilor care apar în zona pozițiilor extreme ale

mecanismului,

studierea influenței arcurilor torsionale asupra pozițiilor extreme ale deplasării

degetelor,

conceperea unei noi structuri de comandă a echipamentului,

realizarea unui echipament portabil de reabilitare pornind de la modelul fix existent,

exploatarea echipamentului într-un centru de reabilitare în vederea determinării

punctelor slabe și realizarea unor îmbunătățiri ulterioare

8.4. Valorificarea tezei

Pe parcursul elaborării tezei de doctorat au fost susţinute şi publicate 5 lucrări științifice la

conferințe naționale și internaționale, în calitate de prim autor, două dintre ele fiind indexate ISI

Web of Knowledge.



51

Bibliografie selectivă

[AND15] ANDRIKOPOULOS, G., et al., Motion Control of a Novel Robotic Wrist

Exoskeleton via Pneumatic Muscle Actuators, In Emerging Technologies & Factory

Automation (ETFA), 2015 IEEE 20th Conference on, pp. 1-8. IEEE, 2015.

[AUB14] AUBIN, P., et al., A pediatric robotic thumb exoskeleton for at-home rehabilitation,

International Journal of Intelligent Computing and Cybernetics, Vol. 7, no. 3, pp.

233 – 252, 2014

[DAE99] DAERDEN, F., "Conception and realization of Pleated Pneumatic Artificial Muscles

and their use as compliant actuation elements", PHD Thesis, Vrije Universiteit

Brussel, 1999

[DEA07] DEACONESCU, T. Studies regarding the performance of pneumatic muscles,

International Conference on Economic Engineering and Manufacturing Systems,

Brașov, 25 – 26 October 2007

[DEA16] DEACONESCU, T., DEACONESCU, A. Applications of Pneumatic Muscles

Developed within the Festo National Fluid Actuation and Automation Training

Centre in Brasov. RECENT, Vol. 17, no. 4, pp. 540-547, 2016

[ERI16] ERIN, O., et al. Design of a bio-inspired pneumatic artificial muscle with self-

contained sensing. in Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2016

IEEE 38th Annual International Conference of the, pp. 2115-2119. IEEE, 2016.

[FEL16] FELT, W., et al. Contraction Sensing With Smart Braid McKibben Muscles,

IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 21, no. 3, pp. 1201-1209, 2016

[FIG14] FIGLIOLINI, G., REA, P. Mechatronic design and experimental validation of a novel

robotic hand. Industrial Robot: An International Journal, vol. 41, no. 1, pp. 98-108,

2014

[FIL13a] FILIP, O., DEACONESCU, T. Cutting-Edge Actuating Systems of the Upper Limb

Rehabilitation Devices, Advances in Production, Automation and Transportation

System, Proceedings of the 6th

International Conference on Manufacturing

Engineering, Quality and Production Systems (MEQAPS ’13), Proceedings of the 4th

International Conference on Automotive and Transportation Systems (ICAT ’13), pp.

55-59, 2013



52

[FIL13b] FILIP, O., DEACONESCU, T. Pneumatically-Actuated Device for Wrist

Rehabilitation, ICEEMS 2013, 7th

International Conference on Economic

Engineering and Manufacturing System, Recent, Vol. 14, no 4, pp. 263-266, 2013

[FIL17a] FILIP, O., DEACONESCU, T. Finite-element analysis of some pneumatically-

actuated wrist-rehabilitation equipment. In MATEC Web of Conferences, Vol. 94, p.

01005, EDP Sciences, 2017

[FIL17b] FILIP, O., DEACONESCU, T. Mathematical modelling of a Fin Ray type

mechanism, used in the case of the wrist rehabilitation equipment. In MATEC Web of

Conferences, Vol. 94, p. 01006, EDP Sciences, 2017

[FIL17c] FILIP, O., DEACONESCU, T. Experimental Research upon a Pneumatic Equipment

for Wrist Recovery, Recent, Vol. 18, no 2 , pp. 99-102, 2017

[GOP16] GOPURA, R.A.R.C., BANDARA, D.S.V., KIGUCHI, K., MANN, G.K.

Developments in hardware systems of active upper-limb exoskeleton robots: A

review. Robotics and Autonomous Systems, 75, pp.203-220, 2016.

[KUT10] KUTNER, N.G., et al. Quality-of-Life Change Associated With Robotic-Assisted

Therapy to Improve Hand Motor Function in Patients With Subacute Stroke: A

Randomized Clinical Trial. Physical Therapy, Vol. 90, no. 4, 2010, p. 493-504

[MEN15] MENG, W., et al., Design and Control of a Robotic Wrist Orthosis for Joint

Rehabilitation*, In IEEE International Conference on Advanced Intelligent

Mechatronics (AIM), Busan, pp. 1235-1240, 2015

[PET12] PETRE, I. - Cercetări privind echipamentele de reabilitare a articulaţiilor portante

acţionate cu ajutorul muşchilor pneumatici. Tezǎ de doctorat, Universitatea

Transilvania din Braşov, 2012

[SBE87] SBENGHE, T. Kinetologie profilactică terapeutică și de recuperare. București:

Editura Medicala, 1987

[SID09] SIDENCO, E. L., Ghid practic de evaluare articulara și musculara in kinetoterapie,

București: Editura Fundației „Romania de Maine”, 2009

[SUT16] SUTTON L., et al., Design of an Assistive Wrist Orthosis Using Conductive Nylon

Actuators, In 6th IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics

and Biomechatronics (BioRob), pp. 1074-1079, Singapore, 2016

http://www.kineticmuscles.com/pdf/2010-April_Physical-Therapy_Kutner.pdf



53

Rezumat

În teza de doctorat intitulată Cercetări privind sistemele de acţionare cu muşchi pneumatici a

echipamentelor de reabilitare a articulaţiilor membrelor superioare este prezentat un echipament

destinat reabilitării încheieturii palmei şi a articulaţiilor degetelor, echipament care este acționat cu

ajutorul unui mușchi pneumatic. Spre deosebire de echipamentele existente, acest echipament

folosește pentru mobilizarea palmei un mecanism care are la bază efectul Fin Ray, mecanism care

mobilizează atât palma cât și degetele. Utilizarea mușchiului pneumatic pentru acționarea

echipamentului prezintă avantajul deplasării fără șocuri la capăt de cursă. Mecanismul utilizat

pentru deplasarea palmei s-a modelat matematic. În urma acestei modelări s-au determinat

unghiurile teoretice pe care le realizează mecanismul, unghiuri care acoperă zona funcțională a

articulației palmei și a articulațiilor degetelor. Modelul matematic a fost confirmat de analiza

cinematică a modelul CAD realizat în ProEngineer. Utilizând softul Adams s-a determinat forța

necesară acționării echipamentului, forță care a fost folosită pentru alegerea mușchiului pneumatic

și verificarea la solicitări mecanice a echipamentului. S-a realizat modelul fizic al echipamentului și

s-au realizat mai multe experimente. Ca urmare a acestor experimente se poate afirma că

echipamentul realizat poate fi utilizat pentru reabilitarea articulației palmei.

Abstract

In the doctoral thesis entitled Research on the Actuation Systems with Pneumatic Muscles of

the Recovery Equipment for Upper Limb Joints there is presented an equipment for wrist recovery,

which is actuated with a pneumatic muscle. Unlike the existing ones, this equipment uses for palm

mobilization a mechanism based on the Fin Ray effect, which mobilizes both palm and fingers.

Using the pneumatic muscle to actuate the equipment has the advantage of the shock-free

movement at the end of the stroke. The mechanism used for moving the palm was mathematically

modelled. As a result of this modelling, the theoretical angles made by the mechanism were

determined, angles covering the functional area of the wrist and knuckles. The mathematical model

was confirmed by the kinematic analysis of the CAD model achieved in ProEngineer. The required

force to actuate the equipment was determined with the Adams software, and used to choose the

pneumatic muscle and to test the equipment at mechanical stresses. The physical model of the

equipment was achieved, and several experiments were made. As a result of these experiments, it

can be said that the achieved equipment can be used for wrist recovery.

54

Curriculum Vitae

FILIP OVIDIU

Data nasterii: 09.06.1970

Adresa: Str. Armoniei, Nr. 9, Bl. 55, Sc. A, Ap. 18, BRASOV

Telefon: +40767510911

Email: [email protected]

EXPERIENTA INGINER PROIECTANT 01.08.2005 – prezent

Firma: Geometric SRL

Oras lucru: Brasov

Departament: Inginerie

Domeniu Activitate Firma: proiectare asistata de calculator in industria auto.

Responsabilitati:

-proiectare. modelare si desen (piese simple, complexe, piese din tabla si

asamblari metalice)

ASISTENT UNIVERSITAR 06.10.1996 - 01.10.2008

Firma:Universitatea Transilvania Brasov

Oras lucru: Brasov

Departament: Inginerie

Domeniu Activitate Firma: Educatie.

Responsabilitati:

-conducator de proiect de an la disciplinele: prioectare CAD, hidraulica,

constructia masinilor-unelte.

-conducator de laborator la disciplinele de mai sus si la disciplina tolerante si

control dimensional.

EDUCATIE Studii:

Liceul Radu Negru din Fagaras absolvit in 1988


Facultatea de Inginerie Tehnologică

Secţia: Maşini Unelte, absolvită în 1995

Studii Aprofundate


Facultatea de Inginerie Tehnologică

Specializarea: Sisteme de Fabricaţie Integrate, absolvită în 1996

APTITUDINI Limbi straine:

engleza (mediu)

Operare PC:

Microsoft Office, AutoCAD, Wildfire 4, Creo 2, Catia V4, Catia V5.

Adams

55

Curriculum Vitae

FILIP OVIDIU

Date of birth: 9th June1970

Address: Armoniei Street, No. 9, Bl. 55, Sc. A, Ap. 18, BRASOV

Phone : +40767510911

E-mail: [email protected]

WORK EXPERIENCE DESIGNING ENGINEER 01.08.2005 – present

Company: Geometric SRL

City of the workplace: Brasov

Department: Engineering

Company’s sphere of activity: computer aided design in the automotive industry.

Responsibilities:

-design. modelling and drawing (simple parts, complex parts, sheet-metal parts

and metallic fittings)

ASSISTANT PROFESSOR 06.10.1996 - 01.10.2008

Company: Transilvania University of Brasov

City of workplace: Brasov

Department: Engineering

Company’s sphere of activity: Education.

Responsibilities:

-academic-year project supervisor for the disciplines: CAD design, hydraulics,

machine-tool building.

-head of laboratory for the above disciplines and for the discipline: tolerances

and dimensional control.

EDUCATION Studies:

Radu Negru College in Fagaras, graduated in 1988

Transilvania University of Braşov

Faculty of Technological Engineering

Department: Machine-Tools, graduated in 1995

Advanced Studies

Transilvania University of Braşov

Faculty of Technological Engineering

Specialism: Integrated Manufacturing Systems, graduated in 1996

SKILLS Foreign langages:

English (medium)

Computer skills:

Microsoft Office, AutoCAD, Wildfire 4, Creo 2, Catia V4, Catia V5,

Adams

REZUMAT / ABSTRACTold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat...Cercetări privind sistemele de...

Documents

Transcript of REZUMAT / ABSTRACTold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat...Cercetări privind sistemele de...