Бионический протез руки
Содержание
Актуальность
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
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
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.
Результаты
В результате работы разработан прототип 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).
Научное продвижение проекта
Конкурсы:
- 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”.
Патенты (подающиеся):
- Система управления функциональным протезом.
- Электронейрографическая система управления функциональным протезом.
- Функциональный протез предплечья.
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
- Руководитель проекта: Олег Ковалев
- Научный руководитель проекта: А.М. Кривцов, О.С. Лобода
- 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
