Разработка и анализ функционального протеза руки с нейрофизиологической системой управления
МАГИСТЕРСКАЯ РАБОТА
Автор работы: О.О. Ковалев
Научный руководитель: д.ф-м.н., зав. каф. ТМ А.М. Кривцов
Содержание
Введение
Изумительный прогресс человечества, наблюдаемый в наши дни, является результатом его положительного эволюционного развития. Одним из наиболее важных органов, претерпевших эволюционный прогресс является верхняя конечность. Верхняя конечность подверглась наиболее специфическому развитию и достигла самой совершенной функции и анатомической структуры. Такое развитие в значительной степени повлияло на становление современной культуры как материальной и технической, так и духовной.
Огромная доля движений, выполняемых человеком повседневно, приходится именно на верхнюю конечность, в частности на кисть и на пальцы. Домашний быт, самообслуживание, все это не мыслимо без ее участия. Рука играет основную роль в многообразных бытовых процессах. Развитие современного общества привело к повсеместному использованию цифровой техники, управление которой требует только лишь движений пальцев, и немыслимо без участия рук. Научно-техническая революция и почти полная механизация на производствах, привели к тому, что тяжелый ручной труд свелся к движениям, также выполняемым только лишь движениями пальцев руки.
На ряду с невероятно сложной моторикой, кисть обладает познавательными свойствами, она является познавательным органом человека. Благодаря осязанию пальцами мы получаем наиболее точную информацию о форме, объеме, поверхности, консистенции, температуре используемых нами предметов. При помощи руки, как и с участием зрения и слуха, формируется у нас представление о внешнем мире и, как справедливо отмечает А. Я. Каплан, она, действительно, представляет собой продолжение нашего мозга в окружающей среде.
Рука напрямую связана с личностью человека и в определенной мере характеризует ее своими движениями. Руки участвуют в выражении наших чувств и порывов, мы пользуемся руками творя стихи, поэмы, набирая на компьютере научные статьи, играя на музыкальных инструментах. В руке лежит кисть для сотворения величайших произведений искусств, и многие шедевры Микеланджело, Репина, Родена и других мастеров искусства заслуженно пользуются всемирной известностью. Рука переносит наш внутренний мир на холсты и выражает его в музыке.
Кисть способна выполнять все эти сложные и многообразные действия благодаря редким качествам, которыми она обладает, а именно высокой чувствительностью, богатой двигательной возможностью со значительной силой захвата и завидной координацией, а также и тонкостью движений, осуществляемых на базе совершенной кибернетической регуляции.
Тенденции, определяющие необходимость создания функциональных протезов
Утрата руки для любого человека становиться большой трагедией в жизни и меняет ее переломным образом. Человек начинает испытывать большой дискомфорт в ведении повседневных дел, ему сложно выполнять даже простейшие операции, будь то почистить мандарин или завязать шнурки. Если утрачена одна рука, человек способен в большинстве бытовых ситуаций справить второй рукой. Если утеряны обе конечности, то человек становиться полностью не дееспособным. Можно ли представить, какая это трагедия для музыканта, художника, инженера? Что в такой ситуации делать отцу или матери, которые воспитывают детей?
Согласно статистике, на $10000$ мужского и женского населения России четыре человека в год утрачивают конечность в результате травмы \cite{Travm}. Среди больных с ампутационными дефектами, лица с ампутациями верхних конечностей составляют $8\%$. При этом вычленение и ампутационная культя плеча на различных уровнях — в $24.5\%$ случаев, культя предплечья — $29.4\%$, культя кисти — $3.9\%$, культя пальцев кисти — $42.2\%$ \cite{MSE}. Таким образом, в год число людей, нуждающихся в протезировании в результате травм, по городу Санкт-Петербург (с численностью населения более $5$ млн. человек) составляет более $160$ человек. По России – более $4 592$ человек в год. С учетом пациентов, нуждающихся в протезировании в результате патологий, не связанных с травмами (диабет, болезни сосудов, врожденные патологии и т. д.), число нуждающихся в протезировании значительно превышает $4 592$ человек в год. С учетом пациентов, получивших травму в предыдущие годы, данная цифра значительно возрастет. Согласно источнику \cite{Struct} ежегодно в России на протезно-ортопедических предприятиях выпускается до $8.5$ тысяч косметических и тяговых протезов верхних конечностей (данные до $2006$ года).
Не вызывает сомнений, что задача по возврату человеку функций утраченной руки представляет большую актуальность. При современном развитии науки и техники, а также медицины, наиболее возможным вариантом представляется создание электромеханических протезов, по внешнему виду и функционалу походящих на природные конечности.
Цель работы
Как было показано выше, создание функционального протеза прядставляет большую актуальность для современной медицины, а главное, современное состояние науки и техники уже позволяет создавать искусственные руки, которые могут облегчать жизнь людей, утративших верхнюю конечность. Но существующие протезы требуют дальнейших доработок с целью их усовершенствования.
Целью данной работы является разработка и анализ функционального протеза руки, максимально схожего с человеческой рукой и обладающего адаптивной нейрофизиологической системой управления.
Результаты работы
В данной работе проводится разработка и исследование функционального протеза руки с нейрофизиологической системой управления. Получены следующие результаты:
- Проведен анализ анатомии и принципов работы человеческой руки. Определены основные параметры, которым должен удовлетворять протез. Определены основные виды жестов, которые протез должен воспроизводить.
- Разработана и собрана модель функционального протеза руки на нитевых тягах. Для изготовления применена технология 3D прототипирования.
- Разработана и собрана модель модульного протеза руки.
- Проведен анализ кинематики модульного протеза руки. Получены уравнения траекторий фаланг и кончика пальца. Проведен анализ основных видов захватов, которые может совершать протез. Достигнута повторяемость 6 из 7-ми видов захватов.
- Проведен анализ динамики модульного протеза руки. Получено выражение для усилий, развиваемых на кончике пальца. Данных усилий достаточно, чтобы протезом можно было брать и удерживать большую часть предметов, используемых в быту.
- Проведено конечноэлементное моделирование модуля палец. Проанализировано распределения напряжений в деталях. По результатам моделирования получено в каких местах возникают концентраторы напряжений и из каких материалов стоит изготавливать протез.
- Разработана система регистрации мышечной активности на основе датчиков электрического потенциала с сухим контактом с кожей. Система позволяет управлять протезом осознанно.
- Проведены клинические испытания на пациенте подросткового возраста с врожденным пороком развития (аплазией) верхней конечности на уровне верхней трети предплечья.
Функциональный протез в связке с электромиографической системой управления позволил пациенту осознанно манипулировать предметами, что значительно упростило его повседневную жизнь.
Полученные результаты направлены на создание функционального протеза, и позволят в дальнейшем создать устройство максимально схожее с человеческой рукой как по внешнему виду, так и по функционалу (с учетом достижений современных науки и техники).
Дальнейшие шаги, планируемые в данной работе:
- Снижение уровня шумов, создаваемых двигателями.
- Анализ усилий, создаваемых протезом при различных видах хватов.
- Организация системы обратной связи для протеза.
- Применение массива электродов для регистрации сигналов с мышц, что позволит создать более совершенное управление протезом.
Литература
Иван Б. Матев. Реабилитация при повреждениях руки. Медицина ифизкультура. София. 1981.
Joseph T. Belter, Jacob L. Segil, Aaron M. Dollar, Richard F. Weir. Mechanical design and performance specifications of anthropomorphic prosthetic hands: A review. // Journal of Rehabilitation Research \& Development. 2013. P. 599-618.
Christine Connolly. Prosthetic hands from Touch Bionics. // Industrial Robot. 2008. P 290-293.
Травматизм в Российской Федерации на основе данных статистики. http://vestnik.mednet.ru/content/view/234/30/lang,ru/
МСЭ и инвалидность при ампутациях конечностей. http://www.invalidnost.com/publ/mediko\_socialnaja\_ehkspertiza\_pri\_nekotorykh \_zabolevanijakh/mseh\_i\_invalidnost\_pri\_amputacijakh\_konechnostej/2-1-0-460
Ф. М. Биктимирова. Структура инвалидности, связанной с ампутацией конечности. Казанский протезно-ортопедический центр “Реабилитация инвалидов”. Казанский медицинский журнал, 2011г., тоб 92, №2. http://cyberleninka.ru/article/n/struktura-invalidnosti-svyazannoy-s-amputatsiey-konechnostey
Интегральные роботы. Сборник статей под ред. Е. Поздняка, М., Мир, 1973, вып.1, 1975, вып.2.
Rohseim, M.E., Robot Evolution: The Development of Anthrobotics, New York, NY, USA: John Wiley $\&$ Sons, Inc., 1994, pp. 189-225
Shadow Robot Company, “Shadow Dexterous Hand”, London, England: Shadow Robot Company, 2016. http://www.shadowrobot.com/.
Butterfass, J., Hirzinger, G., Knoch, S. and Liu H., “DLR’s Mulitsenosry Articulated Hand Part1: Hard- and Software Architecture”, IEEE Conference of Robotics and Automation, Belgium, vol.3, Leuven, Belgium, May 1998, pp. 2081-2086.
Butterfass, J., Grbenstein, M., Liu, H. and Hirzinger G., “DLR-Hand II: Next Generation of a Dexterous Robot Hand”, Proc. of the IEEE International Conference of Robotics $\&$ Automation, vol. 1 , Seoul, Korea, May 2001, pp. 109-114.
Lovchik, C.S. and Diftler, M.A., “The Robonaut Hand: A Dexterous Robot Hand For Space”, Proc. of the IEEE International Conference on Robotics $\&$ Automation, vol. 2, Michigan, USA, May 1999, pp. 907-912
Jacobsen, S.C, Wood, J.E., Knutti, D.F. and Biggers, K.B., “The UTAH/MIT dexterous hand: work in progress”, Robotics Research: 1st International Symposium, 1984, pp.601-653.
Li-Ren Lin; Han-Pang Huang. “Mechanism design of a new multifingered robot hand”, Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Vol 2., Apr 1996, pp. 1471-1476
Chappell, P.H., Light, M., “Development of a lightweight and adaptable multiple-axis hand prosthesis”, Medical Engineering $\&$ Physics, v 22, n 10, Dec. 2000, 679-84.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, патент № 013443.
Kyberd, P.J. and Chappell, P.H., “The Southampton Hand: An intelligent myoelectric prosthesis”, Journal of Rehabilitation Research $\&$ Development, vol. 31, no. 4, pp. 326-335, Nov 94.
Joseph T. Belter, Jacob L. Segil, Aaron M. Dollar, Richard F. Weir. Mechanical design and performance specifications of anthropomorphic prosthetic hands: A review. // Journal of Rehabilitation Research $\&$ Development. 2013. P. 599-618.
Christine Connolly. Prosthetic hands from Touch Bionics. // Industrial Robot. 2008. P 290-293.
Tatiana Tommasi, Francesco Orabona, Claudio Castellini and Barbara, Caputo"Improving Control of Dexterous Hand Prostheses Using Adaptive Learning", IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, VOL. 29, NO. 1 pp. 207-219, 2013.
Xueyan Tang, Yunhui Liu, Congyi Lv and Dong Sun. Hand Motion Classification Using a Multi-Channel Surface Electromyography Sensors. // Sensors. 2012. P. 1130-1147.
М. Г. Серебренников, А. А. Первозванский. Выявление скрытых периодичностей. // Физматлит, 1965 год.
C J Harland, T D Clark, N S Peters, M J Everitt and P B Stiffell. A compact electric potential sensor array for the acquisition and reconstruction of the 7-lead electrocardiogram without electrical charge contact to the skin. // Physiological Measurement, 26 (6). 2005. P. 939-950.
