Бионический протез руки
Содержание
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
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
Степень ампутации руки может быть различной: пальцы, часть кисти, кисть, часть предплечья и т. д. Для охвата всех возможных случаев наиболее эффективным вариантом является создание модульной конструкции руки. То есть оснащение каждой секции руки (пальца, кисти, предплечья) отдельной системой двигателей. Тогда в зависимости от вида ампутации, протез можно собирать из готовых модулей. Также это повышает ремонтопригодность протеза. Данному пути следует компания TouchBioniсs [1]. Данный путь обладает рядом минусов, он сопряжен со сложностями в изготовлении механики и большими габаритами кисти (это создает проблему в случае протезирования детской руки). Альтернативный путь, разработка линейки протезов в зависимости от вида ампутации и возраста пациента, с проработкой механики для каждого конкретного случая. Например, в случае ампутации кисти и части предплечья наиболее эффективно располагать двигатели в предплечье, а не в ладони, как в случае модульности конструкции. Это позволит установить более мощные двигатели и сохранить натуральные габариты ладони. 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, представленный на рисунке 1. Прототип обладает 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. В качестве тяг использована плетеная нить из высокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (Dyneema) диаметром 0.5 мм и усилием на разрыв 56 кг. Для снижения трения нитей о корпус руки, проложены канальцы из фторопласта, внутри которых проведена нить. Двигатели размещены согласно рисунку 1. 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), двух стабилизаторов на 6В 3А, вентилятора для охлаждения стабилизаторов и самовосстанавливающегося предохранителя на 9А.
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
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 [5], 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
Поддержка проекта
- СПбПУ Петра Великого
- Лаборатория НМСТ (Нано-микросистемной техники)
- 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
E-mail: kovalev.oleg.o@gmail.com
Phone: +7 951 656 82 88
