Разработка тренажёра для подготовки мышц к использованию бионического протеза

Актуальность

Актуальность создания интерактивного тренажёра обусловлена увеличением числа людей, нуждающихся в протезировании с использованием бионических моделей. Данные протезы предполагают умение пользователя сознательно сокращать и расслаблять определённые мышцы. Особенно сложно развить данный навык у детей. Современных приспособлений, решающих данную проблему, пока не существует.

В России более 20 000 человек нуждаются в протезировании верхних конечностей. Современные протезы позволяют восстановить утраченные функции и жить полноценной жизнью, что очень важно не только в бытовом плане, но и для повышения самооценки пострадавшего человека. Особенную значимость это приобретает, когда речь заходит о детях. Однако использование бионических протезов требует умения управлять определёнными группами мышц, а подобных тренажёров пока не существует. Создание же доступного способа обучения детей и взрослых управлению необходимыми группами мышц значительно бы облегчило адаптацию к современным протезам.

Цель

Создать действующий макет (на основе конструктора «Юный нейромоделист» BiTronicsLAB) многофункционального тренажёра, способствующего повышению самоконтроля и осознанности мышечных реакций.

Задачи

1. Изучить специфику обучения использованию бионического протеза, особое внимание уделить детскому возрасту.
2. Разработать и протестировать макет интерактивного тренажёра для развития определённых групп мышц.
3. Разработать форму и дизайн, вызывающие интерес у пользователя, в особенности – у детей.
4. Разработать рекомендации по использованию тренажёра у детей.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компьютер с установленным ПО (Arduino IDE, Fusion 360, программная среда DipTrace и UDK)
• 3D-принтер
• Arduino Uno
• Motor shield
• Bluetooth-модуль
• Батарейный блок
• Arduino Nano
• 2 микромотора с колёсами
• EMG-модули Bitronics
• Радиоэлементы
• Комплекты проводов с коннекторами под электроды
• Arduino Micro
• Корпуса, блок питания, колёсная база
• Модуль ЭМГ (модуль электромиографии)

Описание

На начальном этапе авторы изучили аналоги, уже имеющиеся в продаже. Провели исследование упражнений, которые необходимо выполнять для укрепления мышц, необходимых для улучшения работы бионических протезов.

Затем приступили к разработке тренажёра. Так как тренажёр должен быть удобным, привлекательным и простым в применении, а также универсальным (рассчитанным на разный возраст пользователя), было решено сделать его в игровой форме, с возможностью выбора варианта игры и уровня сложности.

На следующем этапе авторы перешли к разработке состава тренажёра, принципиальной схемы и подбору компонентов. Проект выполнен с использованием конструктора «Юный нейромоделист» BiTronicsLAB. В проекте авторы решили использовать модули ЭМГ-сенсор мышечной активности, регистрирующий разность потенциалов, возникающую в мышце при её сокращении или расслаблении.

Тренажёр представляет собой управляющий блок, в который входит 5 Arduino Nano и Arduino Micro. Микроконтроллеры Arduino Nano считывают сигналы с МИО-датчиков, закреплённых на теле, и отправляют полученную информацию о состоянии мышцы на Arduino Micro. Микроконтроллер Arduino Micro отправляет сигналы о действиях по Bluetooth на машинку или по USB на компьютер. МИО-датчики можно крепить на любые группы мышц, а также изменять настройки движения. В данной модели при напряжении мышц обеих рук машина едет вперёд, при общем расслаблении – стоит на месте, а при напряжении одной руки и расслаблении другой – поворачивает в сторону напряжённой мышцы.

Тренажёр может использоваться в двух вариантах: управление машинкой (необходимо провести её по лабиринту) и управление героем в компьютерной игре (необходимо найти выход из лабиринта и перейти на следующий уровень). Машинка включает в себя платформу с колёсами, Arduino, драйвер моторов и Bluetooth-модуль. Программная версия игры сделана в системе разработки игр UDK.

Тренажёр может быть выполнен в виде машинки/животного, которых необходимо провести по лабиринту с использованием мышечных сокращений. Лабиринт может быть нарисованным, а может быть объёмным и многоуровневым, задания постепенно усложняются, начиная с самых простых лабиринтов, пользователь может дойти до сложных заданий, требующих отточенных навыков управления своими мышцами. Данный тренажёр полезен не только для развития мышц, но и для повышения саморегуляции и концентрации внимания. Подростки и взрослые могут использовать вариант компьютерной игры, где игрового персонажа необходимо вывести из лабиринта.

Данный вариант интересен детям разного возраста, лёгок в управлении, может выполняться в любом дизайне, что касается и управляемой машинки/зверюшки и игрового окружения в компьютерном лабиринте.

Результаты работы/выводы

В результате выполнения проекта был создан тренажёр для повышения управляемости мышечных реакций. Проанализировав существующие методики подготовки к использованию бионических протезов, продумали упражнения, как можно использовать тренажёр в домашних условиях без помощи медиков, и написали демопрограммы для тренажёра.

Продвижение нашего тренажёра возможно в реабилитационных центрах для повышения контроля мышечных реакций пациентов перед протезированием, а также среди индивидуальных пользователей, в том числе детей и подростков.

Перспективы использования результатов работы

Планируется разработка более дешёвого EMG-датчика, каталога возможных дизайнерских решений как для бумажных, так и для компьютерных лабиринтов и создание брошюры- инструкции для пользователей.