Экзоскелет для реабилитации верхних конечностей методом зеркальной терапии

Челябинск

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.

Кто из нас не хотел иметь в своем постоянном распоряжении костюм супер-героя? Если вы тоже один из тех, кто с превеликим удовольствием посмотрел все части «Железного человека» - вы наверняка в восторге от железного костюма, который надевал Тони Старк перед боем со злодеями. Согласитесь, было бы неплохо обладать таким костюмом. Помимо возможности доставить вас в мгновение ока куда угодно, хоть в космос, хоть за хлебом, он защищал бы ваше тело от всевозможных повреждений и давал сверхчеловеческую силу. Можно было бы за секунды преодолевать скорость звука или одной рукой делать перестановку в доме, ну, или, в крайнем случае, спасти Землю от гибели. «Выдумки, фантастика и несбыточные мечты» — отмахнетесь вы. Но эти мечты не так далеки, как вам кажется. Частично эти фантазии уже можно воплотить в реальность с помощью экзоскелета.

Какую революцию обещают провести экзоскелеты будущего на поле боя и в мирное время? Какие технические препятствия должны преодолеть инженеры и конструкторы, чтобы сделать экзоскелеты действительно практичными для повседневного использования? Именно с этими вопросами мы и решили разобраться в данном проекте.

Назначение

Экзоскелет призван увеличивать физические параметры, сделать человека сильнее, быстрее, выносливее. В зависимости от области применения, экзоскелет может быть использован для решения множества задач в области медицины, в инженерной или военной сферах.

Цель

Провести анализ проблемы, изучить физиологию движений, разработать прототип экзоскелета для восстановления подвижности.

Разработать действующий макет мехатронной системы в устройстве экзоскелета - устройства, предназначенного для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей (датчик – микроконтроллер – мотор).

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

Cоставление чертежей и моделей элементов конструкции

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 4.5 мм, что ускоряет разработку, проектировку, а также удешевляет производство.

Этап 3

Распечатка моделей

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

Тестирование экзоскелета

Совместно с сотрудниками областной больницы разрабатывается методика применения костюма. 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.

 
Проектная группа 2
Ерахтин Константин

Ерахтин Константин

Бобков Степан

Бобков Степан

Хабиров Данил

Хабиров Данил

Волжанин Эдуард

Волжанин Эдуард

Савельева Дарья

Савельева Дарья

Савчук Владислав

Савчук Владислав

Финадеев Максим

Финадеев Максим

Мусин Данил

Мусин Данил

Шерезданова Наталья

Шерезданова Наталья

Пеньков Фёдор

Пеньков Фёдор

Таратухин Дмитрий

Таратухин Дмитрий

Шарипов Муххамад

Шарипов Муххамад

Вам понравилось? Расскажите о своем опыте своим друзьям в социальных сетях. Пусть им понравится тоже!

Приемная директора

Нажимая кнопку «Подписаться», я даю согласие на обработку моих персональных данных согласно 152-ФЗ

Анкета по оценке удовлетворенности качеством оказания образовательных услуг общеобразовательной организацией

Оценить качество

Нажимая кнопку «Подписаться», я даю согласие на обработку моих персональных данных согласно 152-ФЗ