Протез с силомоментным очувствлением

Актуальность

По статистике, количество людей с инвалидностью, связанной с утратой верхней конечности, возрастает. В особенности это касается детей от 8 до 14 лет, а также молодёжи с ограниченными возможностями. Формируется высокий спрос на биоэлектрические протезы рук, которые могут обеспечить людям полноценную жизнь. Из-за необходимости создания индивидуальной конструкции, позволяющей обеспечить максимальный комфорт при использовании, и сложности механизмов управления такие протезы имеют высокую стоимость и недоступны для большинства населения. В результате человек лишается трудоспособности, возможности самостоятельно себя обеспечивать. Это приводит к ограничению его жизнедеятельности и необходимости в социальной защите. В связи с этим необходимо предоставить альтернативное решение, наиболее сходное по функциональности с настоящей конечностью, так как именно кисть выполняет множество функций, которые используются людьми в современной жизни на постоянной основе. Человек не задумывается о сложности движения рук, так как они происходят сами собой. А люди, лишённые рук из-за травм, болезней, несчастных случаев, остаются один на один с трудными проблемами: как обеспечить себя едой, как получить работу, как познакомиться с друзьями. Именно поэтому возникает острая необходимость создания более доступных биоэлектрических протезов рук, не уступающих уже имеющимся на рынке решениям.

Цель

Создать макет протеза руки с системой адаптивного управления по алгоритмам базовых движений.

Задачи

1. Узнать потребности людей с ограниченными возможностями.
2. Сформулировать требования к модели протеза в соответствии с требованиями потребителей.
3. Провести исследование аналогов на рынке.
4. Разработать конструкцию протеза и конструкцию пальцев кистевого протеза.
5. Разработать дизайн-проект системы управления.
6. Выявить преимущества и недостатки моделей.
7. Создать электрическую схему в программе Fritzing.
8. Разработать программу управления системой, способной выполнять следующие функции: нажатие на клавиши компьютерной клавиатуры и/или музыкального инструмента, на сенсорный экран гаджетов.
9. Изготовить образец системы.
10. Провести тестирование адаптивного протеза на полигоне.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Одноплатный компьютер Raspberry Pi
• 4 сервопривода MG995
• Тензометрические датчики на 1 кг
• Аналого-цифровой преобразователь Hx711
• Макетная плата, соединительные провода
• Компьютер с установленным на него ПО (SolidWorks, С++, Python)

Описание

В работе использованы информационно-аналитические и статистические методы исследования при проведении анализа данных для комплексной оценки модели функционирования кисти руки. Применены методы экспертных оценок, 3D-моделирования, объектно-ориентированного программирования и основы теории управления в человеко-машинных системах.

Работа проводилась поэтапно, с использованием доступных ресурсов. В первую очередь, потребовалось узнать потребности людей с ограниченными возможностями, проконсультировавшись со специалистами в данной области. В качестве специалистов выступили действующие врачи травматологи-ортопеды, которые ежедневно общаются с пациентами, уже имеющими протез или желающими приобрести его. Был проведён опрос, в результате которого удалось сформулировать основную проблему – высокую стоимость моделей на рынке, из-за которой многие люди не могут позволить себе приобрести протез и жить полноценной жизнью.

После формулирования потребностей людей и требований к модели проекта было проведено исследование уже существующих аналогов. Проанализировав результаты исследования и выявив преимущества и недостатки протезов, начали моделирование конструкции в программе SolidWorks.

Далее были рассмотрены возможные варианты алгоритмов управления движениями кисти и конструкции прототипа протеза. Изучалась информация о системах управления бионическими протезами из открытых источников.

После того как было выявлено представление расчётной модели и составляющих алгоритмов управления движениями, разработали электронную схему в программе Frizing.

Параллельно с разработкой программы управления проводились проектирование, конструирование и отладка технологии изготовления прототипа системы. Изготовление изделия планируется с применением 3D-принтерa и 3D-ручки. В итоге было проведено тестирование работоспособности прототипа протеза на полигоне.

Система управления показала достаточную работоспособность, выполнив все тестовые функции на компьютерной клавиатуре и на музыкальном инструменте – синтезаторе. Планируется добавить функцию скроллинга сенсорного экрана.

Результаты работы/выводы

1. Проведено исследование аналогов протеза на рынке.
2. Разработана конструкция пальцев кистевого протеза.
3. Разработана общая конструкция протеза.
4. Создана электрическая схема в программе Fritzing.
5. Разработана программа управления системой.
6.  Проверена работоспособность конструкции и алгоритм управления.

В ходе выполнения проекта выполнены этапы моделирования, программирования, производства, технико-экономического обоснования, отладки технологии.

Моделирование
Проект выполнен в программе 3D-моделирования SolidWorks. Автор тщательно работал над 3D-моделью проекта, так как именно от её выполнения зависят такие качества продукта, как эффективность, адаптивность и универсальность.

Программирование
Программирование прототипа было выполнено на языке Python с помощью различных библиотек для работы с Raspberry Pi. Код на данный момент выполняет функции при вводе специальных значений. В дальнейшем планируется подключение нейроинтерфейса для совершенствования связи управления человека и механизма.

Перспективы использования результатов работы

Основная модель монетизации, которая была рассмотрена на данный момент – это продажа макета системы школам для обучения детей в кружках робототехники.
Также для промышленного образца запланировано выполнение печати 3D-модели из полиамида. Примерная стоимость печати составляет 22 866 рублей.

После получения лицензии и прохождения клинических испытаний будет рассмотрена возможность изготовления по заказам органов социального обеспечения и распространения протеза среди лиц с ОВЗ.

На основе предложенного решения и разработанной технологии возможно выполнение более сложных бионических протезов, таких как полнофункциональный протез руки человека, а также подключение нейроинтерфейса для более удобного управления протезом.
Также возможна аренда протеза людям для выполнения технически простой работы во избежание потери трудоспособности. Можно разработать систему крепления и доработать конструкцию для использования в качестве тренажёра для разработки атрофированных мышц после длительной иммобилизации конечности, связанной с травмой (перелом, вывих и т. д.).

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЦПНиП НИТУ «МИСиС»

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

Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» по направлению «Многообразие науки» 2022 года – призёр

Мнение автора

«Я очень рада, что приняла участие в открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» по направлению «Инженеры», помимо представления своего проекта я увидела множество интересных работ других авторов. Спасибо большое организаторам, участникам конференции и научным руководителям за такие уникальные и замечательные проекты, а также за творческую и вдохновляющую атмосферу!»