+7 (900) 029-50-10
+7 (904) 808-60-10 Кванториум

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.