Проекты

Разработка экзоруки

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «IT в медицине, биомедицинские технологии, медицинское приборостроение, бионика» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2114
Предметы: Физика, Биология, Информатика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В настоящее время наблюдается активный рост роботизированной реабилитации пациентов. Однако в современном мире до сих пор не хватает роботизированных реабилитационных устройств для рук. Роботизированная реабилитация набирает популярность в настоящее время. Одним из методов роботизированной реабилитации утративших свои функции конечностей является использование экзоскелетов. Экзоскелет — устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей

Экзорука представляет собой устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций руки. Спроектированным механизмом, обеспечивающим множество степеней свободы для каждого пальца, управляют серводвигатели с заданной программой работы.

Цель

Разработка, конструирование и производство функциональной экзоруки, позволяющей восстановить функции моторики руки.

Задачи

Механика

  1. Изучение строения руки и кисти.
  2. Моделирование механизма экзоруки в САПРе Autodesk Fusion 360.
  3. Проведение тестов напечатанного механизма, анализ недостатков, неточностей сборки, технологичности производства.
  4. Печать новой окончательной модели, подготовка технической документации, расчёт производственного цикла изделия.

Электроника

  1. Программирование серводвигателя на нужный закон движения, обеспечивающий необходимую подвижность экзоруке.
  2. Испытание различных алгоритмов движения.

Система управления

Совмещение распечатанного прототипа с запрограммированными серводвигателями, разработка специальной системы управления экзорукой.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • 3D-принтер
  • Компьютер с установленным ПО (САПР Autodesk Fusion 360, С++, Autodesk Tinkercad, САПР EasyEda)
  • Платформа Arduino IDE, контроллер Arduino Nano
  • Bluetooth-модуль для Arduino
  • Серводвигатель – MG90S, аккумулятор 18650
  • Измерительные приборы

Описание

Автором были проделаны следующие этапы работы.

1. Создание 3D-модели экзоруки. Были выполнены исследования строения кисти руки человека, анализ разновидностей экзоскелетов, создана 3D-модель экзоруки.

2. Кинематический механизм. Был проведён анализ, приведено подробное описание кинематического механизма с опорой на математические и геометрические законы.

3. Электроника. Были проведены анализ и описание принципа действия приводящего механизма экзоруки, состоящего из набора серводвигателей, разработана принципиальная схема электроники.

4. Мобильное приложение. Было разработано мобильное приложение, управляющее экзорукой.

5. Основные результаты, выводы и перспективы. Сформулированы основные результаты и выводы по проделанной работе, проведён анализ результатов, обозначены перспективы дальнейшей работы.

Результаты работы/выводы

В результате работы над проектом при помощи аддитивных технологий был разработан действующий прототип экзоруки, управляемый пользователем через смартфон при помощи протокола связи Bluetooth.

В результате разработки модели экзоруки был получен модульный ряд, который позволяет собирать индивидуальные модули в зависимости от размеров руки человека. Был проведён детальный анализ кисти руки человека, существующих экзоскелетов, выявлены основные проблемы современного производства экзоскелетов, явные преимущества создания экзоскелетов с использованием аддитивных технологий.

Проведены испытания экзоруки, в соответствии с результатами которых прототип дорабатывался и редактировался. Данный прототип обеспечивает выполнение минимального ряда упражнений, необходимых для двигательной реабилитации кисти руки человека, также имеется режим индивидуальной регулировки положения фаланг.

Перспективы использования результатов работы

Разработка обратной связи с другой рукой, которая позволит записывать собственные упражнения, а также прорабатывать нефункционирующую руку в реальном времени синхронно с работающей рукой.

Сбор данных длин фаланг пальцев для создания медианных данных.

Создание базы упражнений, из которой лечащий врач сможет выбрать индивидуально для каждого пациента необходимые упражнения и отобразить их в его смартфоне.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИТУ МИСиС

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

  1. Конференция «Дни Науки МИСиС» – победитель.
  2. Городская конференция «Город возможностей» – призёр.
  3. Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» – призёр.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Проект «Инженерный класс в московской школе» позволяет всем ребятам, заинтересованным в области инженерного дела, продвинуться далеко вперёд. Создано очень много возможностей для заинтересованных учеников в получении дополнительных знаний (мастер-классы от вузов, школ), практики (многосторонняя инженерная практика для обучающихся). Организовано множество инженерных конкурсов (конференция «Инженеры будущего» и др.), позволяющих как показать собственные достижения, так и увидеть достижения других ребят, познакомиться с ними, расширить круг общения, обсудить с ними различные вопросы и увидеть новые взгляды на вещи. Мне очень нравится обучаться в инженерном классе, ведь ни один другой обычный класс не сможет обеспечить такое большое количество возможностей для роста учеников»