Ту хабаршысы

● Технические науки 
 
     
                                               
№1 2014 Вестник КазНТУ  
         
200 
Протез  позволяет выполнять угловое смещение до 9º во фронтальной и сагиттальной плоскости, тем 
самым частично копирует физиологические движения. 
В КазНТУим.К.И.Сатпаева разработан протез для шейного отдела позвоночника показанный на 
рисунке 1 [2], который не требует крепления частей протеза к телу или проведения операций. Схема 
строения  протеза  (рисунок 1,b) основана  на  схеме  строения  платформенного  манипулятора 
Sholkor[3].  Отличие  в  том,  что  точкаС  в  затылочной  области  остается    неподвижной  в  процессе 
движения  головы  с  помощью  протеза.  Управляемые  движения  (поворот  головы,  кивание) 
выполняется  перемещением  двумя  приводами  точки  В.  Управляя  движением  точки  А  возможно 
добиться  наклона  головы  к  плечам.  Таким  образом,  протез  позволяет  осуществлять  управляемые 
повороты и наклон головы по отношению к нижней опоре, закрепленной к наплечнику  
Фиксация головы к верхней опоре протеза, выполнена в виде разъемного кольца, состоящего из 
двух половин соединенных шарниром, которые позволяют раскрыть кольцо и после установки их на 
шею  замкнуть  их  с  помощью  замков  образуя  жесткое  кольцо,  на  котором  диаметрально 
противоположно,  установлены  три  вертикальные  пластины  с  регулируемой  длинной  и    жестко 
скрепленные с гипсовой (пластиковой) каской,  неподвижно фиксирующейся к голове. Нижняя опора 
протеза  выполнена    также  в  виде  разъемного  кольца  состоящего  из  двух  половин  соединенных 
шарниром,  которые  позволяют  раскрыть  кольцо  и  после  установки  их  на  шею  замкнуть,  его  с 
помощью  замка,  образуя  жесткое  кольцо,  которое  в  свою  очередь  закреплено  неподвижно  к 
наплечникам жестко связанным ремнями с поясом. 
Верхняя опора протеза  соединена  с  нижней опорой с помощью шести  соединительных звеньев 
посредством  сферических  пар.  В  трех  соединительных  звеньях  предусмотрена    возможность 
регулирования  расстояний  между  верхним  и  нижним  кольцами  (опорами)  при  первоначальной 
установке  протеза  в  соответствии  с  анатомическими  особенностями  больного.  В  дальнейшем,  при 
использовании протеза, эти соединительные звенья обеспечивают неподвижность затылочной точки 
головы.  Три других соединительных звеньев имеют возможность изменять свою длину с помощью 
управляемых  приводов.  Тем  самым  обеспечивается  управляемые    физиологически  необходимые 
движения головы относительно затылочной точки и туловища. 
Схема  крепления  предлагаемого  управляемого  протеза,  изображена  на  рисунке 1, а , из 
которого следует , что при креплении протеза участвуют следующие части: 1- нижнее неподвижное 
шарнирно-разъемное кольцо с замком, 2 – верхнее подвижное шарнирно-разъемное кольцо с замком, 
11 – пластины с регулируемой длинной для неподвижного соединения каски с верхней кольцом, 12 – 
каска  для  неподвижной  фиксации  головы  к  верхнему  кольцу, 13 – наплечники  для  неподвижной 
установки нижнего кольца к туловищу, 14 – ремни для фиксации наплечников на плечах, 15 – пояс 
для неподвижной фиксации наплечников к плечам с помощью ремней. 
Работа  управляемого  протеза  основана  на  функциональных  возможностях  платформенного 
манипулятора Sholkor, описанного в работе [4].  
 
 
A
C
B
7
3
6
8
5
4
1
2
 
                                              a)                                                          b) 
 
Рис. 1.
  Протез и его схема строения 
1
2
13
14
11
12
15

● Техникалыќ єылымдар 
 
ЌазЎТУ хабаршысы №1 2014  
 
201
Строение  протеза  представлено  на  рисунке 1,b. Здесь  показаны  соединительные  звенья 3-8. 
Причем длины 3-х соединительных звеньев сходящихся в узловой точкеС устанавливаются ручным 
способом  в  зависимости  от  анатомических  данных  пациента.  В  соединительных  звеньях 4,5,8 
устанавливаются электромеханические приводы с ручным управлением.  
Для  силового  расчета  выбрана    модель    представленная  на  рисунке 2 здесь  в  первом 
приближении  форма  головы  моделируется  в  виде  шара.  Радиус  головы  принимаем  равным R = 
0.099м, а радиус шеи r= 0,064м. 
О  суммарном  объеме  движений  в  шейном  отделе  судят  по  максимальному  углу  сгибания 
головы, ее разгибания, боковых наклонов и поворотов. Общий объем движений в шейном отделе для 
здоровых лиц моложе 65 лет следующее: углы сгибания и разгибания составляют 70°, угол бокового 
наклона - 35° и угол поворота - 80°. Для лиц старше 65 лет характерно снижение этих показателей: 
угол разгибания - 40°, сгибания - 35°, наклона - 20°, поворота - 45°[5].  
R
r
X
Y
C
B
A
O
D
 
Рис. 2.
 Расчетная модель 
 
Обычно  масса  головы  составляет 7% от  всей  тела.  Для  расчетов  принят  средний  вес  тела 
равный 882,9 Н.,  тогда  вес  головы  равна G=61,8Н  (масса m = 6.3кг.).  Вес  головы  представляется  в 
виде 4-х сосредоточенных сил G/4 приложенных в точках A,B,C,D. 
 
 
 
Рис. 3
. Расчетная схем привода 
 
Движение    узлаА  выполняется  одним  приводом,  на  который  оказывает  влияние  и  нагрузка 
действующая  в  точке  D,  В  этой  связи  расчет  производится  по  узлу  А  как  наиболее  нагруженной 
нагрузкой  
F=G/3. 
В  качестве  привода  выбираем  электрический  привод  с  винтовой  передачей,  схема  которого 
показана  рисунке 3.  Здесь  введены  следующие  обозначения: 1- шаговый  электродвигатель 
постоянного  тока; 2- механическая  передача  винт-гайка; 3- нагрузка  F,  действующая  на  гайку.  В 
начале,  проводится  кинематический  расчет  винтовой  передачи.  Перемещение  гайки  винта 
определяется соотношением 
 
)
2
/(


pk
s

,                                                          (1) 
где 

 - угол поворота винта; р- шаг резьбы; k=1- число заходов резьбы. 
Скорость гайки равна 
 
)
2
/(


pk
v

, (2) 
где 
 - угловая скорость винта, рад/с. 

● Технические науки 
 
     
                                               
№1 2014 Вестник КазНТУ  
         
202 
Известные  исследования  в  отношении  руки  человека  показали,  что  мощность  в  плечевом 
суставе  равна 200 Вт,  максимальная  угловая  скорость 
рад/с.,  а  максимальное  ускорение 
составляет 
рад/с
2
. Кинематические параметры по угловой скорости и угловому ускорению руки 
принимаем за исходные при динамических расчетах протеза шеи.  
 
 
 
Рис. 4.
 Актуаторы 
 
Для  того,  чтобы  голова  выполняла  наклон  с  угловой  скоростью 

гол
 =7 рад/с,  необходимо 
чтобы точкаА протеза при вращении вокруг оси ВС двигалась скоростью  
v
А
=

гол
r=7х0,064=0,4 м/с. 
Из  формулы (2) определяем  угловую  скорость  винта.  При  этом  учитывается,  что  шаг  винта 
р=0,0004 м., тогда 
=6,25 рад/с. 
Мощность привода определяем выражением 

/
A
v
F
N


, 
где 
=0,7 – к.п.д. винтовой передачи. 
Отсюда следует, что требуемая мощность привода равна N=168 Вт. 
Исходя  из  расчетов  выбраныактуаторы  приведенные  на  рисунке 4. В  таблице 1 даны 
технические характеристики линейного актуатора типа: E21H4AB-7.5-020. 
 
Таблица 1. Технические характеристики линейногоактуатора 
 
Угловой 
шаг 
Шаг 
Минималь
ная тяга 
Провод-
ка 
Рабочее 
напря-
жение 
Фаза тока 
Фаза 
сопротив-
ления 
Фаза 
индуктив-
ности 
1,8
0
 0.04 
мм 0.5 
кг -  7.5 
В 0.16 
А 
45.9 Ω 11.7 
мГн 
Потреб-
ляемая 
мощность 
Температура 
перегрева 
Сопротив-
ление 
изоляции 
Инерция 
ротора 
Вес 
Рабочая 
темпе-
ратура 
Условия 
хранения 
другое 
245 Вт 75°С 
20 MΩ 1.4 
gcm
2
 43 
гр. -20°С ~ 
+55°С 
-40°С ~ 
+100°С 
- 
 
Из биомеханики известно [4], что момент инерции головы относительно продольной оси (ось 
Z)  ориентировочно  равен  J
z
 = 61,6 

10
-4
  кг

м
2
.  Если  исходить,  что  угловая  скорость  головы  равна 
рад/с
2
, то можно определить момент от сил инерции по формуле 

● Техникалыќ єылымдар 
 
ЌазЎТУ хабаршысы №1 2014  
 
203



z
z
J
M
=61,6 

10
-4

70=0,43 Н

м. 
 
Определим мощность, необходимую для поворота головы относительно продольной оси 


/


Z
Z
M
N
=10,75 Вт. 
Отсюда следует, что выбранной выше мощности актуатора достаточно для поворота головы с 
необходимым ускорением. 
Рассматриваемый 
привод 
состоит 
из 
шагового 
электродвигателя, 
механического 
преобразователя  движения  (винтового  редуктора)  с  передаточным  отношением,  определяемым    по 
формуле  
 
 
)
/(
2
/
k
p
v
u





= 15,7 рад/мм. (3) 
 
Уравнение движения вала двигателя определяется соотношением 
 
 
u
M
M
M
J
J
C
D
D
R
D
/
)
(
Pr






, (4) 
 
где  J
D
 – момент  инерции  двигателя; 
Pr
R
J
-  приведенный  к  валу  двигателя  момент  инерции 
редуктора; M
D
 – электромагнитный  момент  развиваемый  двигателем;  М
С
 – момент  сил 
сопротивления; М- момент действующий на привод со стороны верхнего разъемного кольца. 
Для электрической цепи управления используются следующие уравнения: 
уравнение электрического равновесия 
 
dt
di
L
i
R
e
U
A
A
A



,  
(5) 
где U- напряжение  на  якоре; e- ЭДС  двигателя, L
A
 – индуктивность  обмотки  якоря; R
A
 – 
активное сопротивление якоря. 
Уравнение ЭДС вида 
 
 
D
e
C
e



, (6) 
где С
е 
– коэффициент противо ЭДС; 

D
- угловая скорость вала электродвигателя. 
Уравнение электромагнитного момента 
 
 
A
M
D
i
C
M


 ,  
(7) 
 
где  С
М
 – коэффициент электромагнитного момента электродвигателя. 
 Преобразование уравнений (4-7) к безразмерному виду и применение преобразования Лапласа 
позволяет получить уравнение динамики в операторной форме [6] 
 
 
)
(
)
1
(
1
)
1
(
)
(
)
1
(
1
)
(
s
M
s
T
s
T
s
T
K
s
U
s
T
s
T
K
s
A
M
A
M
A
M
D








. (8) 
 
Здесь 
A
A
A
R
L
T
/

 - электромагнитная  постоянная  времени; 
2
/
M
A
D
M
C
R
J
T

- 
электромеханическая постоянная времени;  коэффициенты 
M
D
C
K
/
1

, 
2
/
M
A
M
C
R
K

. 
 Эти величины определяются по паспортным данным электродвигателя. 
Управляющим воздействием является напряжение на якоре.  В соответствии с равенством (8) 
построена структурная схема привода и осуществлен компьютерный анализ переходных процессов с 
применением библиотеки SimulinkMathlab. 
 

● Технические науки 
 
     
                                               
№1 2014 Вестник КазНТУ  
         
204 
ЛИТЕРАТУРА 
1 
Dai Jan S. An historical review of the theoretical development of rigid body displacements from Rodrigues 
parameters to the finire twist. Mech. and Mach. Theory, 2006, v. 41, №1, p. 41-52. 
2 
Шоланов К.С., Султанбаев Т.Ж., Биомбекова А.Б. Управляемый протез шейного отдела позвоночника, 
Заявка  на  изобретение  №2012/1315.1.  Заключение  о  выдаче  инновационного  тента  на  изобретение  от 
05.07.2013г. 
3 
Шоланов К.С. Кибернетические машины: кн.1 – Монография. – Алматы, 2008. –299с. 
4 
Глазунов  В.А.,  Колискор  А.Ш.,  Крайнев  А.В.  Пространственные  механизмы  с  параллельной 
структурой. - М.: Наука, 1991.  
5 
Бегун П.И., Шукейло Ю.А.  Биомеханика.-СПб.: Политехника, 2000. 
6 
Герман – Галкин  С.Г.  Компьютерное  моделирование  полупроводниковых  систем  в MATLAB 6.0. – 
СПб.: КОРОНА принт, 2001.-320с. 
 
REFERENCES 
1DaiJanS.AnhistoricalreviewofthetheoreticaldevelopmentofrigidbodydisplacementsfromRodriguesparameters to 
the finire twist. Mech. and Mach. Theory, 2006, v. 41, № 1, p. 41-52. 
2 Sholanov KS, TZ Sultanbaev, Biombekova AB Managed prosthesis of the cervical spine, application for the 
invention № 2012/1315.1.Opinion on the issuance of innovative awning for the invention of 05.07.2013g. 
3 Sholanov KS Cybernetic machines: kn.1 - Monograph. - Almaty, 2008. -299s. 
4 Glazunov VA, Koliskor AS, AV Krainev Spatial arrangements with parallel structure. - Moscow: Nauka, 
1991. 
5Runner PI, Shukeilo YA Biomehanika.-SPb.: University of Technology, 2000. 
6 German - SG Galkin Computer simulation of semiconductor systems in MATLAB 6.0. - St. Petersburg.: 
CROWN print, 2001.-320C. 
 
К.С.Шоланов, Ж.Л.Корганбаева
 
Мойын  омыртқасы  протезінің  көмегімен  адамның  функционалдық  мүмкіншіліктерін  жүзеге 
асыру 
Түйіндеме. 
Жұмыста  жазылған  мойын  омыртқасының  протезі  адамға  физиологиялық  қозғалыстар 
жасауына (бұрылу, көлбеу, иілу) мүмкіндік береді.  
Адам  физиологиясының  талаптарына  сай  жетектердің  есептері  мен  алгоритмдері  келтірілген. 
Электрқозғалтқыштан жəне винтті редуктордан тұратын электржетегі бойынша басқару жүйесінің анализі үшін 
теудеулер алынған. 
Түйін  сөздері:
платформалы  манипулятор,  мойын  омыртқасының  протезі,  үшқозғалмалы,  операциясыз 
бекіту, мойынның физиологиялық қасиеттері. 
 
К.С.Шоланов, Ж.Л.Корганбаева
 
Реализация  функциональных  возможностей  человека  с  помощью  протеза  шейного  отдела 
позвоночника 
Резюме. 
Описанный  в  работе  протез  шейного  отдела  позвоночника  позволяет  пациенту  выполнять 
физиологические движение головы (поворот, наклон, кивание). 
Проведен алгоритм расчеты приводов исходя изтребованию физиологии человека и выбраны приводы. 
Получены  выражении  для  анализы  систем  управления  электроприводом,состоящий  из  электродвигателя  и 
винтового редуктора. 
Ключевые  слова:
платформенный  манипулятор,  протез  шейного  позвонка,  трехподвижный, 
безоперационное крепление, физиологические свойства шеи. 
 
K.S.Sholanov, ZH.L.Korganbaeva
 
The implementation of the functionality of a man using a prosthesis of the cervical spine 
Summary.
 Described in the prosthesis of the cervical spine allows the patient to perform the physiological 
movement of the head (pan , tilt, nodding ) . 
Algorithm performed calculations based on the request of the drives of human physiology and the selected 
drives.  Expressions are obtained for the analysis of control systems for electric drive consists of an electric motor and 
helical gear unit. 
Key words:
 platform manipulator , the prosthesis of the cervical vertebrae, trehpodvizhny, non-surgical fixation, 
the physiological properties of the necks. 
 

● Техникалыќ єылымдар 
 
ЌазЎТУ хабаршысы №1 2014  
 
205
УДК 004.89:378 
И.М. Увалиева
1
, С.С. Смаилова
1
, Waldemar Wojcik
2
 
(
1
ВКГТУ им. Д.Серикбаева, Усть-Каменогорск, 
2
Institut of Electronics and Information Technology, Lublin University of Technology) 
 
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ АНАЛИЗА ДАННЫХ ОБРАЗОВАНИЯ
 
 
Аннотация. 
Статья посвящена разработке комплексной технологиианализа данных образования, которая 
включает методы оперативного и интеллектуального анализа данных образовательного процесса, мониторинга 
удовлетворенности  потребителей  и  мониторинга  образовательного  процесса,  а  также  методов  принятия 
решения на основе теории нечетких множеств.  
Ключевые  слова:
  анализ  данных,  комплексная  технология  анализа  данных,  оперативный  анализа 
данных, интеллектуальный анализ данных, информационно-аналитическая система. 
 
Введение 
Характерным  признаком  современных  систем  управления  является  ситуация,  когда  в 
информационных  системах  накапливаются  большие  объемы  информации,  которые  практически  не 
обрабатываются.  Сложность  решения  этой  проблемы  заключается  в  необходимости  использования 
интеллектуальных алгоритмов обработки информации, которые могли бы дать наглядные и понятные 
результаты  для  принятия  решений  в  целях    совершенствования  учебного  процесса.  Традиционные 
методы анализа информации не позволяют решать задачи такого класса. 
Специфика  анализа  данных  в  сфере  образования  заключается  в  том,  что  большинство  этих 
задач подразумевают построение моделей, которые раскрывают закономерности в данных. Поэтому 
наиболее востребованными в сфере образования являются описательные модели интеллектуального 
анализа. Эти задачи способствуют улучшению понимания анализируемых данных. Ключевой момент 
в  таких  моделях - легкость  и  прозрачность  результатов  для  восприятия  человеком.  Возможно, 
обнаруженные  закономерности  будут  специфической  чертой  именно  конкретных  исследуемых 
данных и больше нигде не встретятся, но это все равно может быть полезно и потому должно быть 
известно. К такому виду задач относятся кластеризация и поиск ассоциативных правил. 
 

жүктеу/скачать 43,12 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: