menu
Из-за высокой доли людей, перенёсших инсульт, а также другие врождённые и приобретённые заболевания опорно-двигательной системы, возникает необходимость восстановления подвижности суставов верхних конечностей. При нарушении движений верхних конечностей, как правило, разрушается нейронная связь между мозгом и конечностью, а также связи в самом головном мозге. Для восстановления разрушенных связей используется метод зеркальной терапии, при котором с помощью внешнего протеза, установленного на рабочей конечности, движения зеркально переносятся на не работающую конечность, тем самым восстанавливаются нейронные связи, идущие от конечности к головному мозгу.
Провести анализ проблемы, изучить физиологию движений, разработать прототип экзоскелета для восстановления подвижности.
Наставники проекта: Ерахтин Константин, Зольников Денис
Этап 1 - Актуальность проблемы, обзор аналогов
Разработка виртуальной модели траекторий движений верхних конечностей. Для грамотной проектировки экзоскелета верхних конечностей необходимо составить модель в которой будет описана траектория движения руки и плечевого сустава, а также определение осей вращения и степеней свободы для каждого подвижного сустава.
Этап 2
После составления схемотехнической модели движений мы приступили к составлению чертежей и моделей элементов конструкции, как подвижных, так и элементов креплений. Была принята концепция сборки на съёмных универсальных креплениях для быстрой и удобной модернизации, изменений, и сборки. Были разработаны модели шарикоподшипников на основе общедоступных металлических шаров диаметром 4.5мм, что ускоряет разработку, проектировку, а также удешевляет производство.
Этап 3
На данном этапе мы приступили к распечатке моделей, изменяя при этом характеристики толщины стенок при печати, а также степень внутреннего заполнения моделей, что позволило нам определить оптимальное соотношение прочности, веса, и экономической эффективности.
Собрали подшипники, определив оптимальное соотношение шаров к диаметру подшипника, а также необходимые зазоры для наиболее стабильной работы подшипника.
Этап 4 - Сборка отдельных узлов в единый скелет
После того как основные элементы конструкции были собраны, мы приступили к сборке всего костюма, на данном этапе детали подгонялись для наиболее надёжного крепления между элементами, а также были разработаны штифты оптимальной длины для скрепления элементов конструкции. Были внесены изменения в конструкцию для увеличения подвижности и улучшения эргономических характеристик.
Этап 5 - Подключение электроники
На все оси вращения были установлены датчики, в плечевых локтевых и кистевых суставах сгиба. В качестве датчиков мы использовали переменные резисторы номиналом 10Ком с условием совпадений осей вращения резистора и конечностей. На локтевой и кистевой оси вращения были установлены энкодерные датчики с калибровочным концевиком нулевого положения. Данные, полученные от датчиков, обрабатывались микроконтроллером на базе платформы Ардуино. Были определены максимальные минимальные и средние положения отклонения конечностей, значения которых были учтены при составлении кода для обработки этих значений и перевода их в значения для работы сервоприводов.
Этап 6 - Создание электромеханической модели руки на основе сервоприводов
Основываясь на моделях траекторий движений конечности, была разработана и создана модель руки, с аналогичным количеством степеней свободы и осей вращения, как и у реальной руки. Данные с экзоскелета обрабатываются микроконтроллером, и с учётом коэффициентов смещения нулевого положения, а также коэффициента усиления сигнала передаются в необходимом формате на сервоприводы модели руки, которая в точности повторяет движения реального экзоскелета. При помощи инвертировании полученных сигналов мы смогли добиться эффекта зеркального отображения движений прототипа.
Этап 7 - Сборка второй части экзоскелета с электромеханизацией
После сборки и отладки небольшой модели руки, работающей на сервоприводах, приступаем к сборке полноразмерного прототипа экзоскелета руки с установкой на неё сервоприводов и приводов движения, отрабатываются наиболее оптимальные комбинации приводов и механизмов для обеспечения необходимых усилий и облегчения веса костюма.
Этап 8 - Настройка экзоскелета
После сборки полноразмерной части руки экзоскелета с приводами необходимо настроить систему контроля обратной связи для точного определения положения приводов, а также настроить соотношение угла поворота ведущей и ведомой руки экзоскелета. Разрабатывается система защиты от превышения допустимого угла движения и применения чрезмерного усилия приводами на конечности человека. Устанавливается система экстренного отключения.
Этап 9
Совместно с сотрудниками областной больницы разрабатывается методика применения костюма, данный экзоскелет применяется на добровольных пациентах в условиях контроля врачей, после чего проводится анализ об эффективности применения данного экзоскелета с помощью метода зеркальной терапии, а также других методах. Вносятся коррективы в конструкцию и программно-аппаратную часть костюма, достигается оптимальная скорость и плавность движений.
