Бионический протез руки — различия между версиями

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
(→‎Результаты)
(→‎Контактная информация)
 
(не показаны 92 промежуточные версии 11 участников)
Строка 1: Строка 1:
 +
[[ТМ|Кафедра ТМ]] > '''Бионический протез''' <HR>
  
−
[[Файл:KovalevHand1.jpg|340px|thumb|left|]]
+
[[Файл:Kovalev prosthesis.jpg|340px|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.
+
Ежегодно на территории РФ более 8 000 людей нуждаются в протезировании в результате травм и врожденных патологий верхних конечностей. Одним из наиболее частых решений в данной ситуации является протезирование косметическим или тяговым протезом, которые не позволяют вернуть функции утраченной руки. Существующие на рынке функциональные протезы, обладают высокой стоимостью и сложно доступны на территории РФ. Данный проект направлен на создание отечественно функционального протеза верхней конечности, превосходящего аналоги, а также открытие специализированного центра по протезированию на территории РФ.
  
 
==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==
+
Цель проекта заключается в создании протеза, максимально схожего с человеческой рукой: натуральный внешний вид; натуральные движения; низкий уровень шумов, создаваемых протезом; простая и естественная система управления. Также открытие центра реабилитации и протезирования пациентов с ампутациями верхних конечностей на территории РФ. Все приведенные характеристики протеза играют важную роль при выборе пациентом протеза того или иного типа (косметический, тяговый, функциональный), не выделяет пациента в обществе, а также позволяют превзойти имеющиеся мировые аналоги.
−
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==
+
==Протез, изготовляемый при помощи технологии 3D прототипирования==
  
−
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.
+
Разработан и собран функциональный протез предплечья, полностью изготовляемый с применением технологи 3D прототипирования (FDM принтер). Проведены испытания на пациенте.
  
−
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).
+
<gallery widths=330px heights=280px perrow = 3>
 +
Файл:KovalevHand1.jpg
 +
Файл:KovalevHand2.jpg
 +
Файл:KovalevHand3.jpg
 +
</gallery>
 +
 
 +
==Модульный протез руки==
 +
 
 +
Разработан и собран модульный протез кисти «Elegant Hand» из композитных материалов с применением технологии 3D прототипирования. Проведены испытания на пациенте.
 +
 
 +
<gallery widths=330px heights=300px perrow = 3>
 +
Файл:Kovalev_prosthesis2.jpg
 +
Файл:Kovalev_prosthesis3.jpg
 +
Файл:Kovalev_prosthesis4.jpg
 +
</gallery>
  
 
==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 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.
+
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.
  
 
<gallery widths=520px heights=100px perrow = 2>
 
<gallery widths=520px heights=100px perrow = 2>
 +
Файл:KovalevHand8.jpg
 
Файл:KovalevHand4.png
 
Файл:KovalevHand4.png
−
Файл:KovalevHand5.png
 
 
</gallery>
 
</gallery>
  
 
==Результаты==
 
==Результаты==
  
−
{{#widget:YouTube|id=yleJMydAaYE}}
+
В результате работы разработано два прототипа электромеханического протеза для девочки в возрасте 15-ти лет, у которой при рождении атрофирована правая рука ниже локтя (протезированию подлежит ладонь и 2/3 предплечья). Предложена система управления на основе регистрации ориентации и динамики протеза в пространстве. Собрана электромеханическая схема регистрации мышечной активности. Проведено медицинское обследование руки девочки (институт нейрохирургии имени Поленова), по результатам которого представляется возможным управление протезом посредствам регистрации мышечной активности сохранившихся мышц (отвечающих за сгибание/разгибание и вращение кисти).
 +
 
 +
{{#widget:YouTube|id=3LSGWcb_zkY}} {{#widget:YouTube|id=nAYRCWVSl6s}}
 +
 
 +
==СМИ о проекте==
 +
 
 +
* [https://topspb.tv/news/news101342/ Телеканал Санкт-Петербург]
 +
 
 +
* Министр здравохранения В.И. СКВОРЦОВА о проекте
 +
 +
{{#widget:YouTube|id=Erzo8iJ1W8Y}}
 +
 
 +
==Научное продвижение проекта==
  
−
==Поддержка проекта==
+
'''Конкурсы:'''
 +
*Cпециальный приз от Тайваньского международного общества изобретателей в номинации «разработки, которые способствуют улучшению качества семейной жизни» на международной ярмарке инноваций в Сеуле SIIF-2016. Единственные представители от России, победившие в этой номинации.
 +
*Золотая медаль на Петербургской Технической ярмарке-2016. Проект “Функциональное протезирование верхних конечностей электромеханическими протезами, обладающими адаптивной нейрофизиологической системой управления”.
 +
*Диплом 1 степени на международной конференции “Неделя науки 2015”, секция “Биомеханика”, доклад “Разработка бионического протеза руки”.
 +
*Первое место в конкурсе “IT прорыв” (номинация “IT в медицине”). Проект “Разработка бионического протеза руки”. 2015 год.
 +
*Серебряная медаль на Петербургской Технической ярмарке-2014. Проект “Роботизированная рука”.
  
−
* [http://www.spbstu.ru/ СПбПУ Петра Великого]
+
'''Гранты:'''
−
** [http://fablab.spbstu.ru/ Фаблаб Политех]
+
*Победитель программы УМНИК, проект “Разработка миографического браслета”. 2015 год.
−
** [http://tm.spbstu.ru/ Кафедра теоретической механики]
+
 
−
* Лаборатория НМСТ (Нано-микросистемной техники)
+
'''Участие в конференциях и выставках:'''
−
* [http://www.almazovcentre.ru/?page_id=16535 Российский научно-исследовательский нейрохирургический институт имени профессора А. Л. Поленова]
+
*Выставка на заседании Научно-технического совета Санкт-Петербурга. [http://www.spbstu.ru/media/news/nauka_i_innovatsii/rector-spbpu-meeting-scientific-technical-councul/ Новость на сайте СПбПУ].
 +
*Выставка Петербургская Техническая ярмарка-2016. Проект “Функциональное протезирование верхних конечностей электромеханическими протезами, обладающими адаптивной нейрофизиологической системой управления”.
 +
*Пленум Президиума "Северо-Западного отделения медицинских наук", доклад "Функциональное протезирование верхних конечностей электромеханическими протезами".
 +
*Международная конференция “Неделя науки 2015”, секция “Биомеханика”, доклад “Разработка бионического протеза руки”.
 +
*Международная конференция “Экстремальная робототехника”, доклад “Разработка бионического протеза руки”. 2015 год.
 +
*Выставка Петербургская Техническая ярмарка-2015. Проект “Разработка бионического протеза руки”.
 +
*Выставка Петербургская Техническая ярмарка-2014. Проект “Роботизированная рука”.
 +
*Поданы тезисы на конференцию SICOT 2016.
 +
 
 +
'''Открытие специализированных подразделений:'''
 +
*Научно-исследовательская лаборатория “Бионические системы” СПбПУ.
 +
*Научно-образовательный центр “Биомеханика и медицинская инженерия” СПбПУ.
 +
*Научно-технический отдел “Биотехнологии” ФГБУ НИДОИ им. Г.И. Турнера.
 +
*Открытие бакалавриата по направлению [[Биомеханика и медицинская инженерия |"Биомеханика и медицинская инженерия"]].
  
 
==Команда==
 
==Команда==
  
−
* Руководитель проекта:  [[Олег Ковалев]]
+
Проект является совместной разработкой [http://www.spbstu.ru/ СПбПУ Петра Великого] и [http://www.rosturner.ru/ ФГБУ НИДОИ им. Г. И. Турнера]. Со стороны СПбПУ Петра Великого научное руководство и продвижение проекта осуществляет [[Кривцов Антон | Кривцов Антон Мирославович]], член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой “Теоретическая Механика”, научный руководитель [http://tm.spbstu.ru/Фаблаб_Политех ЦНТМ “Фаблаб”]. Со стороны ФГБУ НИДОИ им. Г. И. Турнера научное руководство и продвижение проекта осуществляет директор института [http://www.rosturner.ru/contact.htm Баиндурашвили Алексей Георгиевич], академик РАН, доктор медицинских наук, главный детский травматолог-ортопед Санкт-Петербурга.
  
−
* Научный руководитель проекта: [[Антон Кривцов]]
 
  
−
* Специалист по НМСТ (нано-микросистемной технике): Акульшин Юрий Дмитриевич.
+
{| class="wikitable"
−
 
+
|-
−
* Специалист по 3D прототипированию: [[Дайнис Дзенушко]]
+
| <center>[[File:Kovalev.jpg|100px]]</center>
 +
| [[Олег Ковалев|Ковалев Олег Олегович]]
 +
'''Автор и руководитель проекта''' <BR>
 +
'''e-mail:''' kovalev.oleg.o@gmail.com
 +
|-
 +
| <center>[[File:Krivtsov 02.jpg|100px]]</center>
 +
| [[Кривцов Антон|Кривцов Антон Мирославович]]
 +
'''Научное руководство и продвижение''' <BR>
 +
|-
 +
| <center>[[File:Baindurashvili 02.jpg|100px]]</center>
 +
| [http://www.rosturner.ru/contact.htm Баиндурашвили Алексей Георгиевич]
 +
'''Научное руководство и продвижение''' <BR>
 +
|-
 +
| <center>[[File:Portnaya5589.jpg|100px]]</center>
 +
| Портная Мария Марковна
 +
'''Промышленный дизайнер''' <BR>
 +
'''e-mail:''' portnaya93@gmail.com
 +
|-
 +
| <center>[[File:Enskiy5897.jpg|100px]]</center>
 +
| Энский Давид С.
 +
'''Инженер''' <BR>
 +
|-
 +
| <center>[[File:Gyseva.jpg|100px]]</center>
 +
| Гусева Ирина Анатольевна.
 +
'''Научный сотрудник''' <BR>
 +
|-
 +
| <center>[[File:Loboda main.jpg|100px]]</center>
 +
| [[Лобода Ольга|Лобода Ольга Сергеевна]]
 +
'''Научный сотрудник''' <BR>
 +
|-
 +
| <center>[[File:Akulshin.jpg|100px]]</center>
 +
| Акульшин Юрий Дмитриевич  
 +
'''ведущий инженер НИЛ НМСТ СПбПУ''' <BR>
 +
|-
 +
| <center>[[File:Dainis Dz photo.jpg|100px]]</center>
 +
| [[Дзенушко Дайнис|Дзенушко Дайнис]]  
 +
'''Специалист по 3D прототипированию''' <BR>
 +
|-
 +
|}
  
 
==Контактная информация==
 
==Контактная информация==
Строка 60: Строка 134:
 
'''E-mail:''' kovalev.oleg.o@gmail.com
 
'''E-mail:''' kovalev.oleg.o@gmail.com
  
−
'''Phone:''' +7 951 656 82 88
+
[[Category: Научные проекты]]
−
 
 
−
[[Category: Студенческие проекты]]
 

Текущая версия на 01:29, 15 ноября 2019

Кафедра ТМ > Бионический протез
Kovalev prosthesis.jpg

Актуальность[править]

Ежегодно на территории РФ более 8 000 людей нуждаются в протезировании в результате травм и врожденных патологий верхних конечностей. Одним из наиболее частых решений в данной ситуации является протезирование косметическим или тяговым протезом, которые не позволяют вернуть функции утраченной руки. Существующие на рынке функциональные протезы, обладают высокой стоимостью и сложно доступны на территории РФ. Данный проект направлен на создание отечественно функционального протеза верхней конечности, превосходящего аналоги, а также открытие специализированного центра по протезированию на территории РФ.

Цели и задачи проекта[править]

Цель проекта заключается в создании протеза, максимально схожего с человеческой рукой: натуральный внешний вид; натуральные движения; низкий уровень шумов, создаваемых протезом; простая и естественная система управления. Также открытие центра реабилитации и протезирования пациентов с ампутациями верхних конечностей на территории РФ. Все приведенные характеристики протеза играют важную роль при выборе пациентом протеза того или иного типа (косметический, тяговый, функциональный), не выделяет пациента в обществе, а также позволяют превзойти имеющиеся мировые аналоги.

Протез, изготовляемый при помощи технологии 3D прототипирования[править]

Разработан и собран функциональный протез предплечья, полностью изготовляемый с применением технологи 3D прототипирования (FDM принтер). Проведены испытания на пациенте.

  • KovalevHand1.jpg
  • KovalevHand2.jpg
  • KovalevHand3.jpg

Модульный протез руки[править]

Разработан и собран модульный протез кисти «Elegant Hand» из композитных материалов с применением технологии 3D прототипирования. Проведены испытания на пациенте.

  • Kovalev prosthesis2.jpg
  • Kovalev prosthesis3.jpg
  • Kovalev prosthesis4.jpg

Система управления на основе МИО датчиков[править]

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.

  • KovalevHand8.jpg
  • KovalevHand4.png

Результаты[править]

В результате работы разработано два прототипа электромеханического протеза для девочки в возрасте 15-ти лет, у которой при рождении атрофирована правая рука ниже локтя (протезированию подлежит ладонь и 2/3 предплечья). Предложена система управления на основе регистрации ориентации и динамики протеза в пространстве. Собрана электромеханическая схема регистрации мышечной активности. Проведено медицинское обследование руки девочки (институт нейрохирургии имени Поленова), по результатам которого представляется возможным управление протезом посредствам регистрации мышечной активности сохранившихся мышц (отвечающих за сгибание/разгибание и вращение кисти).

СМИ о проекте[править]

  • Министр здравохранения В.И. СКВОРЦОВА о проекте

Научное продвижение проекта[править]

Конкурсы:

  • Cпециальный приз от Тайваньского международного общества изобретателей в номинации «разработки, которые способствуют улучшению качества семейной жизни» на международной ярмарке инноваций в Сеуле SIIF-2016. Единственные представители от России, победившие в этой номинации.
  • Золотая медаль на Петербургской Технической ярмарке-2016. Проект “Функциональное протезирование верхних конечностей электромеханическими протезами, обладающими адаптивной нейрофизиологической системой управления”.
  • Диплом 1 степени на международной конференции “Неделя науки 2015”, секция “Биомеханика”, доклад “Разработка бионического протеза руки”.
  • Первое место в конкурсе “IT прорыв” (номинация “IT в медицине”). Проект “Разработка бионического протеза руки”. 2015 год.
  • Серебряная медаль на Петербургской Технической ярмарке-2014. Проект “Роботизированная рука”.

Гранты:

  • Победитель программы УМНИК, проект “Разработка миографического браслета”. 2015 год.

Участие в конференциях и выставках:

  • Выставка на заседании Научно-технического совета Санкт-Петербурга. Новость на сайте СПбПУ.
  • Выставка Петербургская Техническая ярмарка-2016. Проект “Функциональное протезирование верхних конечностей электромеханическими протезами, обладающими адаптивной нейрофизиологической системой управления”.
  • Пленум Президиума "Северо-Западного отделения медицинских наук", доклад "Функциональное протезирование верхних конечностей электромеханическими протезами".
  • Международная конференция “Неделя науки 2015”, секция “Биомеханика”, доклад “Разработка бионического протеза руки”.
  • Международная конференция “Экстремальная робототехника”, доклад “Разработка бионического протеза руки”. 2015 год.
  • Выставка Петербургская Техническая ярмарка-2015. Проект “Разработка бионического протеза руки”.
  • Выставка Петербургская Техническая ярмарка-2014. Проект “Роботизированная рука”.
  • Поданы тезисы на конференцию SICOT 2016.

Открытие специализированных подразделений:

  • Научно-исследовательская лаборатория “Бионические системы” СПбПУ.
  • Научно-образовательный центр “Биомеханика и медицинская инженерия” СПбПУ.
  • Научно-технический отдел “Биотехнологии” ФГБУ НИДОИ им. Г.И. Турнера.
  • Открытие бакалавриата по направлению "Биомеханика и медицинская инженерия".

Команда[править]

Проект является совместной разработкой СПбПУ Петра Великого и ФГБУ НИДОИ им. Г. И. Турнера. Со стороны СПбПУ Петра Великого научное руководство и продвижение проекта осуществляет Кривцов Антон Мирославович, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой “Теоретическая Механика”, научный руководитель ЦНТМ “Фаблаб”. Со стороны ФГБУ НИДОИ им. Г. И. Турнера научное руководство и продвижение проекта осуществляет директор института Баиндурашвили Алексей Георгиевич, академик РАН, доктор медицинских наук, главный детский травматолог-ортопед Санкт-Петербурга.


Kovalev.jpg
 Ковалев Олег Олегович

Автор и руководитель проекта
e-mail: kovalev.oleg.o@gmail.com

Krivtsov 02.jpg
 Кривцов Антон Мирославович

Научное руководство и продвижение

Baindurashvili 02.jpg
 Баиндурашвили Алексей Георгиевич

Научное руководство и продвижение

Portnaya5589.jpg
 Портная Мария Марковна

Промышленный дизайнер
e-mail: portnaya93@gmail.com

Enskiy5897.jpg
 Энский Давид С.

Инженер

Gyseva.jpg
 Гусева Ирина Анатольевна.

Научный сотрудник

Loboda main.jpg
 Лобода Ольга Сергеевна

Научный сотрудник

Akulshin.jpg
 Акульшин Юрий Дмитриевич

ведущий инженер НИЛ НМСТ СПбПУ

Dainis Dz photo.jpg
 Дзенушко Дайнис

Специалист по 3D прототипированию

Контактная информация[править]

E-mail: kovalev.oleg.o@gmail.com

Источник — «http://tm.spbstu.ru/?title=Бионический_протез_руки&oldid=54493»