Редактирование: Бионический протез руки
Внимание! Вы не авторизовались на сайте. Ваш IP-адрес будет публично видимым, если вы будете вносить любые правки. Если вы войдёте или создадите учётную запись, правки вместо этого будут связаны с вашим именем пользователя, а также у вас появятся другие преимущества.
Правка может быть отменена. Пожалуйста, просмотрите сравнение версий, чтобы убедиться, что это именно те изменения, которые вас интересуют, и нажмите «Записать страницу», чтобы изменения вступили в силу.
Текущая версия | Ваш текст | ||
Строка 1: | Строка 1: | ||
− | |||
− | [[Файл: | + | [[Файл:KovalevHand1.jpg|350px|thumb|left|]] |
==Актуальность== | ==Актуальность== | ||
− | + | Основными органами человеческого организма, позволяющими воздействовать на окружающую среду, являются руки. Утрата одной конечности приводит к большому дискомфорту в ведении повседневной жизни. Утрата обеих конечностей делает человека не дееспособным. В связи с этим, задача по возврату утраченной конечности представляет большую актуальность. При современном развитии науки и техники наиболее возможным вариантом представляется создание электромеханических протезов, по внешнему виду и функционалу походящих на природные конечности. | |
==Цели и задачи проекта== | ==Цели и задачи проекта== | ||
+ | Целью данной работы является разработка бионического протеза, позволяющего частично возмещать функции утраченной конечности; организация системы управления на основе регистрации мышечной активности; организация системы управления на основе определения ориентации протеза в пространстве, организация тактильной обратной связи. Используются технологии 3D печати и передовые достижения технологий МЭМС. | ||
− | + | ==Механика руки== | |
+ | Основными условиями, налагаемыми на механику протеза, являются: независимое движение пальцев (сгибание/разгибание), возможность взятия как крупногабаритных (чашка), так и маленьких предметов (электронная карточка, монета), возможность совершения вращательного движения кисти, срок работы без подзарядки должен составлять не менее 12ти часов, рука должна иметь природоподобный вид. | ||
+ | В данной работе разработан прототип, обладающий 6-ю степенями свободы: каждый палец сгибается/разгибается независимо от остальных, реализована вращательная степень свободы кисти с предплечьем вокруг крепления гильзы к руке пациента (деталь синего цвета, рисунок 1). | ||
+ | Пальцы приводятся в движение посредствам сервомашинок Impact IS45MGD (момент на валу 10кгс/см, скорость поворота вала на 60 градусов равна 0.08 c). Передача усилия с серводвигателя на палец осуществляется посредством тяговых нитей, крепящихся одним концом к кончику пальца, другим к валу двигателя. Проложено по 2 тяги на палец (одна работает на сгибание, вторая на разгибание). При вращении двигателя в одну сторону происходит намотка первой нити и разматывание второй, в результате чего происходит сгибание пальца, при вращении в противоположную сторону аналогично происходит разгибание. | ||
+ | Рука изготовлена с использованием технологии 3D печати. Ладонь и облицовочный каркас выполнены из пластика T-Glass (полиэтилентерефталат гликоль - модифицированный, прочность на разрыв 55-75 Н / мм2). Несущий каркас, к которому крепятся двигатели, выполнен из 2 мм алюминиевых листов. | ||
+ | Управление двигателями осуществляется по средствам микроконтроллера Arduino Nano 3.0. | ||
+ | Для оптимизации энергопотребления реализован режим работы руки, при котором происходит полное отключение двигателей после совершения движения. Удержание предмета осуществляется за счет трения в редукторе мотора и его достаточно для удержания легких предметов (смартфон). | ||
+ | Питание осуществляется посредствам внешнего блока, состоящего из LiPol аккумулятора на 2.2мА/ч (7.4В, 30С). | ||
− | == | + | ==Система управления на основе акселерометра и гироскопа== |
− | + | Управление протезом осуществляется при помощи 6-ти осевого датчика (3х осевой акселерометр + 3х осевой гироскоп), вмонтированного в корпус руки. Принцип управления следующий: при помощи алгоритма DCM []. происходит определение наклона руки относительно линии горизонта (тангаж) и угла поворота вокруг собственной оси (крен). Отсчет ведется относительно начального положения руки (в момент включения). Если тангаж положителен – рука производит хватательное движение. Если тангаж имеет отрицательное значение, то рука разжимается. Крен можно использовать для совершения вращательного движении, например, при отведении локтя в право или влево будет происходит вращение руки по часовой или против часовой стрелки. Также для управления можно независимо использовать акселерометр. Например, при резком и коротком движении вниз, рука будет совершать хватательное движение, при аналогичном движении вверх – будет разжиматься. | |
− | + | На практике был применен только первый из описанных методов (управление по тангажу). Результат оказался положительным, пациент смог совершать манипуляции с предметами (использовать протез для удержания предметов). | |
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
==Система управления на основе МИО датчиков== | ==Система управления на основе МИО датчиков== | ||
− | |||
Для полноценного функционирования протеза необходимо, чтобы он управлялся пациентом интуитивно, без совершения сторонних манипуляций. Наиболее перспективным, неинвазивным способом является управление посредствам регистрации активности сохранившихся мышц. | Для полноценного функционирования протеза необходимо, чтобы он управлялся пациентом интуитивно, без совершения сторонних манипуляций. Наиболее перспективным, неинвазивным способом является управление посредствам регистрации активности сохранившихся мышц. | ||
− | Для регистрации мышечной активности используются датчики электрического потенциала, обладающие следующими характеристиками: материал электрода AgCl, площадь ~1 см2, для получения сигнала достаточно сухого контакта с кожей. Конструкция данных датчиков такова, что усилитель расположен непосредственно вблизи электрода, что значительно повышает помехоустойчивость системы. Принципиальная схема устройства датчика приведена на рисунке 2. | + | Для регистрации мышечной активности используются датчики электрического потенциала EPIC Sensors, обладающие следующими характеристиками: материал электрода AgCl, площадь ~1 см2, для получения сигнала достаточно сухого контакта с кожей. Конструкция данных датчиков такова, что усилитель расположен непосредственно вблизи электрода, что значительно повышает помехоустойчивость системы. Принципиальная схема устройства датчика приведена на рисунке 2. |
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
==Результаты== | ==Результаты== | ||
− | + | <gallery widths=330px heights=300px perrow = 3> | |
+ | Файл:KovalevHand1.jpg | ||
+ | Файл:KovalevHand2.jpg | ||
+ | Файл:KovalevHand3.jpg | ||
+ | </gallery> | ||
− | {{#widget:YouTube|id= | + | {{#widget:YouTube|id=yleJMydAaYE}} |
− | == | + | ==Поддержка проекта== |
− | * [ | + | * [http://www.spbstu.ru/ СПбПУ Петра Великого] |
+ | ** [http://fablab.spbstu.ru/ Фаблаб Политех] | ||
+ | ** [http://tm.spbstu.ru/ Кафедра теоретической механики] | ||
+ | * Лаборатория НМСТ (Нано-микросистемной техники) | ||
+ | * [http://www.almazovcentre.ru/?page_id=16535 Российский научно-исследовательский нейрохирургический институт имени профессора А. Л. Поленова] | ||
− | + | ==Команда== | |
− | |||
− | |||
− | |||
− | == | ||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | + | * Руководитель проекта: [[Олег Ковалев]] | |
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | + | * Научный руководитель проекта: [[Антон Кривцов]] | |
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | + | * Специалист по НМСТ (нано-микросистемной технике): Акульшин Юрий Дмитриевич. | |
− | + | * Специалист по 3D прототипированию: [[Дайнис Дзенушко]] | |
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
==Контактная информация== | ==Контактная информация== | ||
Строка 134: | Строка 60: | ||
'''E-mail:''' kovalev.oleg.o@gmail.com | '''E-mail:''' kovalev.oleg.o@gmail.com | ||
− | [[Category: | + | '''Phone:''' +7 951 656 82 88 |
+ | |||
+ | [[Category: Студенческие проекты]] |