Разработка и анализ функционального протеза руки с нейрофизиологической системой управления — различия между версиями

Версия 11:32, 21 июня 2016

МАГИСТЕРСКАЯ РАБОТА
Автор работы: О.О. Ковалев
Научный руководитель: д.ф-м.н., зав. каф. ТМ А.М. Кривцов

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

• http://www.youbionic.com/

• http://bebionic.com/

• http://www.prensilia.com/

• http://schunk-microsite.com/

• 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.