RU2830151C1

RU2830151C1 - Method for selecting locations of tensoresistors of force-torque sensor of extremity exoprosthesis

Info

Publication number: RU2830151C1
Application number: RU2023129722A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Ермалюк
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "МЕТИЗ ПРОИЗВОДСТВО"
Filing date: 2023-11-16
Publication date: 2024-11-14

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medical equipment, namely, to means of controlling mechatronic devices, such as extremity exoprostheses. Method for locating tensoresistors of a force-torque sensor of an extremity exoprosthesis, in which values of forces acting on the exoprosthesis are selected, moments of forces are determined, and their correlation matrices are plotted. Allowable error of measuring the restored loads is selected, the calculated values of which are determined by the exoprosthesis control system. Allowable dimensions of the force-torque sensor are selected. Allowable stresses and test loads to withstand the exoprosthesis are selected. Then, based on the obtained data, the geometry of the load-carrying elements of the force-moment sensor is constructed, response matrices are constructed for all possible combinations of the location of the strain gages taking into account the scaling of test loads to the requirements of the allowable measurement error of the restored loads, and the number and arrangement of the tensoresistors for the obtained geometry of the force-moment sensor are determined. Then, strain gages are used to measure elastic deformations of the sensor material and to determine the loading basis in a Cartesian coordinate system associated with the sensor. Loading basis consists of three forces Fx, Fy, Fz in direction of axes of coordinates and three moments of forces Mx, My, Mz around axes of coordinates.

EFFECT: more accurate restoration of forces and moments acting on the prosthesis, with the implementation of the loading model as close as possible to the patterns of human movement and meeting the requirements for cyclic and static strength.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам управления мехатронными устройствами, такими как экзопротезы конечностей, и может быть использовано при изготовлении таких протезов для конечного пользователя.The invention relates to medical technology, namely to means of controlling mechatronic devices, such as limb exoprostheses, and can be used in the manufacture of such prostheses for the end user.

Общеизвестно, что наиболее эффективным является протез конечности, максимально адаптированный под индивидуальные потребности конкретного человека, нуждающегося в таком протезе. В свою очередь, на степень такой адаптации прямое влияние оказывают факторы, непосредственно связанные с использованием протеза. Так, в случае, например, протеза нижней конечности на эффективность его использования прямое влияние оказывают походка и связанные с ней профили движения. Таким образом, представляется возможным сделать очевидный вывод о том, что для эффективного управления протезом, (протезами верхних и/или нижних конечностей) необходима информация о действующих на него силовых факторах. В зависимости от приоритетов актуален выбор различных вариантов исполнения соответствующих силомоментных датчиков - от готовых решений с высокой точностью, массой и стоимостью до полностью интегрированной в конструкцию системой тензорезисторов (см, например, https://www.nupoc.northwestern.edu/docs/news/instrumented-componentssag.pdf). Компромиссным решением является выбор расположения силомоментных датчиков в соответствии с заранее определенной моделью нагружения и геометрии изделия.It is well known that the most effective prosthesis is the one that is maximally adapted to the individual needs of a specific person who needs such a prosthesis. In turn, the degree of such adaptation is directly influenced by factors directly related to the use of the prosthesis. For example, in the case of a lower limb prosthesis, the efficiency of its use is directly influenced by gait and associated motion profiles. Thus, it seems possible to draw an obvious conclusion that for effective control of a prosthesis (upper and/or lower limb prostheses), information about the force factors acting on it is necessary. Depending on the priorities, the choice of various design options for the corresponding force-torque sensors is relevant - from ready-made solutions with high accuracy, weight and cost to a strain gauge system fully integrated into the design (see, for example, https://www.nupoc.northwestern.edu/docs/news/instrumented-componentssag.pdf). A compromise solution is to choose the location of the force-torque sensors in accordance with a predetermined loading model and product geometry.

С учетом сказанного, задача, решаемая при создании заявленного изобретения, состоит в синтезе геометрии, количества и схемы расположения тензорезисторов силомоментного датчика протеза конечностей, при этом технический результат, достигаемый при решении такой задачи, состоит в повышении точности восстановления сил и моментов, действующих на протез, с реализацией модели нагружения, максимально приближенной к паттернам движения человека и удовлетворяющей требованиям по циклической и статической прочности.Taking into account the above, the problem solved in creating the claimed invention consists of synthesizing the geometry, quantity and arrangement of strain gauges of the force-torque sensor of the limb prosthesis, while the technical result achieved in solving such a problem consists of increasing the accuracy of restoring the forces and moments acting on the prosthesis, with the implementation of a loading model that is as close as possible to human movement patterns and satisfies the requirements for cyclic and static strength.

Для достижения поставленного результата предлагается способ определения мест расположения тензорезисторов силомоментного датчика экзопротеза конечности, включающий первоначальный выбор значений действующих на экзопротез сил, определение моментов сил и построение матрицы их корреляции; выбор допустимой погрешности измерения восстанавливаемых нагружений, расчетные значения которых обусловлены системой управления экзопротезом; выбор допустимых габаритов силомоментного датчика; выбор допускаемых напряжений и испытательных нагружений, которые должен выдерживать экзопротез; последующее построение на основе полученных данных геометрии несущих элементов силомоментного датчика, построением матрицы откликов для всех возможных комбинаций расположения тензорезисторов с учетом скалирования тестовых нагружений под требования допустимой погрешности измерения восстанавливаемых нагружений и определение для полученной геометрии силомоментного датчика количества и схемы расположения тензорезисторов.In order to achieve the set result, a method is proposed for determining the locations of strain gauges of the force-torque sensor of the limb exoprosthesis, including the initial selection of the values of the forces acting on the exoprosthesis, determination of the moments of forces and construction of their correlation matrix; selection of the permissible measurement error of the recoverable loads, the calculated values of which are determined by the exoprosthesis control system; selection of the permissible dimensions of the force-torque sensor; selection of the permissible stresses and test loads that the exoprosthesis must withstand; subsequent construction, based on the obtained data, of the geometry of the load-bearing elements of the force-torque sensor, construction of a response matrix for all possible combinations of strain gauge location taking into account the scaling of test loads to meet the requirements of the permissible measurement error of the recoverable loads and determination of the number and arrangement scheme of strain gauges for the obtained geometry of the force-torque sensor.

Сущность изобретения поясняется с учетом фиг.1, на которой показан отклик конструкции на действие модели нагружения в рамках итерации оптимизации параметров конструкции, а также фиг.2, 3 с вариантами конструкции датчика, полученными согласно заявленному способу без и с ограничениями на симметрию, соответственно. The essence of the invention is explained taking into account Fig. 1, which shows the response of the structure to the action of the loading model within the framework of the iteration of optimization of the parameters of the structure, as well as Fig. 2, 3 with variants of the sensor structure obtained according to the claimed method without and with restrictions on symmetry, respectively.

Идеология заявленного способа состоит в том, что синтез рациональной геометрии датчика реализуется как градиентный поиск максимума целевой функции минимального сингулярного значения матрицы откликов на действие модели нагружения при ограничениях на напряжения в конструкции.The ideology of the claimed method is that the synthesis of rational sensor geometry is implemented as a gradient search for the maximum of the objective function of the minimum singular value of the response matrix to the action of the loading model under stress constraints in the structure.

В вариантах практической реализации заявленного способа (геометрия, количество и схема расположения тензорезисторов силомоментного датчика экзопротеза конечностей) использует следующие исходные данные:In the variants of practical implementation of the claimed method (geometry, quantity and arrangement of strain gauges of the force-torque sensor of the limb exoprosthesis), the following initial data are used:

модель нагружения экзопротеза, а именно описание значений действующих сил, моментов сил, и их матрица корреляции; выбор оптимальных параметров (размеров элементов) геометрии несущих элементов силомоментного датчика осуществляется путем решения оптимизационной задачи градиентным методом по критерию максимизации минимального сингулярного значения матрицы откликов при ограничении на максимальное значение эквивалентных напряжений по Мизесу на уровне предела пропорциональности для выбранного материала несущего элемента, допустимых габаритах силомоментного датчика и условии на симметрию конструкции; например, для случая проектирования протеза колена с микропроцессорным управлением модель нагружения строится на основе записей трех сил и трёх моментов на стенде-протезе референтным силомоментным датчиком при реализации характерных паттернов ходьбы;a model of exoprosthesis loading, namely a description of the values of the acting forces, moments of forces, and their correlation matrix; the selection of the optimal parameters (element sizes) of the geometry of the load-bearing elements of the force-torque sensor is carried out by solving the optimization problem using the gradient method according to the criterion of maximizing the minimum singular value of the response matrix with a limitation on the maximum value of the von Mises equivalent stresses at the level of the proportionality limit for the selected material of the load-bearing element, the permissible dimensions of the force-torque sensor and the condition for the symmetry of the structure; for example, for the case of designing a knee prosthesis with microprocessor control, the loading model is constructed based on the records of three forces and three moments on the prosthesis stand by the reference force-torque sensor during the implementation of characteristic walking patterns;

допустимая погрешность измерения восстанавливаемых нагружений, расчетные значения которых обусловлены системой управления экзопротезом;permissible measurement error of recoverable loads, the calculated values of which are determined by the exoprosthesis control system;

допустимые габариты силомоментного датчика;permissible dimensions of the force-torque sensor;

конструкция соединительных элементов силомоментного датчика с прочими элементами экзопротеза;design of connecting elements of the force-torque sensor with other elements of the exoprosthesis;

требования по допускаемым напряжениям и описание испытательных нагружений, которые должен выдерживать экзопротез.requirements for permissible stresses and a description of the test loads that the exoprosthesis must withstand.

Определение количества и синтез схемы расположения тензорезисторов для полученной геометрии силомоментного датчика осуществляется построением матрицы откликов для всех возможных комбинаций расположения тензорезисторов с учетом скалирования тестовых нагружений под требования допустимой погрешности измерения восстанавливаемых нагружений.The determination of the quantity and synthesis of the arrangement scheme of strain gauges for the obtained geometry of the force-torque sensor is carried out by constructing a response matrix for all possible combinations of the arrangement of strain gauges, taking into account the scaling of test loads to the requirements of the permissible measurement error of the recovered loads.

При неполном базисе восстанавливаемых нагружений матрица откликов определяется как A^T(AA^T+BB^T)^-1, где A - матрица откликов на восстанавливаемые нагружения, В - матрица откликов на дополнение к базису восстанавливаемых нагружений. Матрица откликов строится на основе решения линейной статической задачи при действии модели нагружения. Синтез силомоментного датчика экзопротеза конечности человека позволяет посредством измерения упругих деформаций материала датчика с помощью конечного числа тензорезисторов определять базис нагружения в декартовой системе координат, связанной с датчиком. В общем случае полный базис нагружения состоит из 3-х сил Fx, Fy, Fz в направлении осей координат и 3-х моментов сил Мх, Мy, Mz вокруг осей координат, характерных, например, для походки человека,With an incomplete basis of recoverable loads, the response matrix is defined as A ^T (AA ^T +BB ^T ) ^-1 , where A is the matrix of responses to recoverable loads, B is the matrix of responses to the complement to the basis of recoverable loads. The response matrix is constructed based on the solution of a linear static problem under the action of the loading model. The synthesis of a force-torque sensor of a human limb exoprosthesis allows, by measuring the elastic deformations of the sensor material using a finite number of strain gauges, to determine the loading basis in the Cartesian coordinate system associated with the sensor. In the general case, the complete loading basis consists of 3 forces Fx, Fy, Fz in the direction of the coordinate axes and 3 moments of forces Мх, Мy, Mz around the coordinate axes, characteristic, for example, of human gait,

Методом сингулярного разложения матрицы откликов производится ортогонализация модели нагружения по критерию ортогональности откликов на соответствующие нагружения. Места расположения тензорезисторов определяются в местах максимумов по модулю сингулярных форм матрицы откликов - см. пример откликов на действие сил и моментов на фиг.1. Синтезированный силомоментный датчик экзопротеза, состоящий из системы тензорезисторов, расположенных в определенных местах, и параметров геометрии, обладает свойством оптимальности по признаку соотношения точностей восстановления сил и моментов при минимальной массе при реализации модели нагружения близкой к паттерну походки человека и удовлетворяет требованиям по циклической и статической прочности.The method of singular decomposition of the response matrix is used to orthogonalize the loading model according to the criterion of orthogonality of responses to the corresponding loadings. The locations of the strain gauges are determined at the locations of the maxima by the module of the singular forms of the response matrix - see the example of responses to the action of forces and moments in Fig. 1. The synthesized force-torque sensor of the exoprosthesis, consisting of a system of strain gauges located in certain places and geometry parameters, has the property of optimality according to the criterion of the ratio of the accuracy of restoration of forces and moments with a minimum mass when implementing a loading model close to the human gait pattern and satisfies the requirements for cyclic and static strength.

В зависимости от допустимых габаритов силомоментного датчика и условий на симметрию существует возможность синтеза различных вариантов исполнения конструкции датчика. Способ позволяет определить множество варьируемых параметров геометрии конструкции и множество потенциальных мест установки тензорезисторов с учетом их габаритов (размеров), требований монтажа (плоскостность области монтажа тензорезистора), технологичности (доступность для монтажа тензорезистора и его выводов). Примеры варианты конструкции датчика с выбранными местами расположения тензорезисторов представлены на фиг.2, 3 для условий ограничения по симметрии относительно осей X, Y и без него, соответственно.Depending on the permissible dimensions of the force-torque sensor and the conditions for symmetry, it is possible to synthesize various design options for the sensor. The method allows determining a set of variable parameters of the geometry of the structure and a set of potential locations for installing strain gauges, taking into account their dimensions (sizes), installation requirements (flatness of the strain gauge installation area), and manufacturability (accessibility for installing the strain gauge and its terminals). Examples of design options for the sensor with selected locations for the strain gauges are shown in Figs. 2, 3 for conditions of symmetry limitations relative to the X, Y axes and without it, respectively.

Claims

A method for determining the locations of strain gauges of a force-torque sensor of a limb exoprosthesis, in which the values of the forces acting on the exoprosthesis are selected, the moments of forces are determined and their correlation matrices are constructed; an acceptable measurement error of the recoverable loads is selected, the calculated values of which are determined by the exoprosthesis control system; acceptable dimensions of the force-torque sensor are selected; acceptable stresses and test loads that the exoprosthesis must withstand are selected; then, based on the obtained data, the geometry of the load-bearing elements of the force-torque sensor is constructed, response matrices are constructed for all possible combinations of the arrangement of strain gauges taking into account the scaling of test loads under the requirements of the permissible measurement error of the recovered loads and the number and arrangement pattern of strain gauges are determined for the obtained geometry of the force-torque sensor, and then, using strain gauges, the elastic deformations of the sensor material are measured and the loading basis is determined in the Cartesian coordinate system associated with the sensor, wherein the loading basis consists of three forces Fx, Fy, Fz in the direction of the coordinate axes and three moments of forces Mx, My, Mz around the coordinate axes.