Бионический протез руки на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Косачева К.К. 1Юрков Н.А. 1Кудрявцев С.С. 1Евдокимов М.И. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Работа в формате PDF

789.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Потеря конечности или ее части - это серьезная проблема для человека как в физическом, так и психологическом плане. К счастью, наука и техника не стоят на месте, и современные протезы способны не только восполнить утраченные функции, но и наделить новыми, дополнительными возможностями.

Цель: создание демонстративной модели бионического протеза руки на базе конструктора Lego Mindstorms.

Задачи:

1. Изучить создание бионических протезов

2. Изучить функционал современных бионических протезы

3. Рассмотреть электронную часть протеза

4. Создать модель протез верхней конечности на базе конструктора Lego Mindstorms

5. Разработать программу для демонстрации созданного протеза в ПО Lego Mindstorms

6. Написать программу для игры «Камень-ножницы-бумага» в ПО Lego Mindstorms

7. Глава 1. Бионические протезы в истории человечества

Развитие протезирования имеет длинную историю – от примитивных механизмов до сложных современных конструкций.

Истоки ортопедической техники идут из Древнего Египта. Древнеегипетские протезы производились из ткани и дерева, их главным предназначением было своим видом создать у человека чувство цельности, полноценного вида в обществе. Это стремление позволило выполнить первый функциональный протез большого пальца ноги еще в период 950–710 гг. до н.э. (Рисунок 1.1, Приложения)

Базовой функцией протезов оставалась эстетическая замена, служащая человеку сокрытием уродства или травмы. ((Рисунок 1.2, Приложения)

Активному развитию протезов способствовала начавшаяся эпоха Ренессанса, когда открылись новые перспективы для искусства и философии и произошел резкий скачок развития в науке и медицине. В это время широкое распространение получило протезирование зубов.[1]

Благодаря Питеру Вердайну в 1696 г. был разработан первый протез ноги ниже колена, не требующий дополнительной фиксации. Именно эта модификация протеза голени позже станет основой для современных протезов. Кроме того, существующие протезы из железа и меди Густав Герман предложил заменить на алюминиевые с целью сделать протез легче и функциональнее. [3]

Дальнейший прогресс в протезировании произошел в конце XX и начале XXI вв. Создание новых классов биопротезов напрямую связано с развитием микроэлектроники, медицины, нейрофизиологии, в настоящее время является одной из приоритетных задач модернизации отечественного здравоохранения. На сегодняшний день современный бионический протез представляет собой электронно-механическое устройство, большая часть которого создается из пластика . Основными компонентами конструкции таких протезов являются каркас, механика и система управления. Первый прототип современного бионического протеза был разработан в СССР в 1956 году. [2]

До недавнего времени протезы крепились к телу пациента механически и не имели никакой связи с нервной системой. Теперь протезы рук обладают различным набором движений для повседневных задач, набором вариантов захвата и сжатия предметов.

Некоторые протезы позволяют активно заниматься спортом .

Глава 2. Современные бионические протезы

Сама по себе бионика - это прикладная наука, рожденная на стыке медицины, биологии и инженерии. Управление бионическими протезами осуществляется за счет использования миографии или энцефалограммы при помощи электроники и биотоков.

Различают протезы с внешним источником энергии верхних конечностей (рук) и нижних конечностей (ног).

Бионические протезы рук предназначены для частичного восполнения утраченных функций конечности, необходимых человеку для полноценной жизнедеятельности. (Рисунок 2.1, Приложения)

Биноческие протезы ног. Высоко-функциональные протезы предназначенные для максимального восстановления функций утраченной конечности. (Рисунок 2.2, Приложения)

Бионические протезы рук (протезы с внешним источником энергии)

Бионические протезы рук состоят из приемной гильзы, изготовленной по индивидуальному гипсовому слепку культи, роботизированной кисти и источника энергии (аккумулятора). В приемной гильзе установлены специальные датчики, которые считывают сигналы,, а микропроцессоры интерпретируют их в двигательные команды. [2]

По функционалу современные бионические протезы рук частично способны заменить конечность, чтобы человек мог выполнять повседневные бытовые нужды - употреблять пищу, завязывать шнурки, работать за компьютером и пользоваться дверным ключом. Тонкая регулировка позволяет контролировать силу сжатия, пользователь может аккуратно взять пластиковый стаканчик и не смять его или приготовить яичницу, правильно разбив яйца. (Рисунок 2.3, Приложения)

Бионические протезы ног (протезы с внешним источником энергии)

Бионические протезы нижних конечностей призваны восполнить свойства утраченной конечности и способны максимально точно воссоздать естественную походку.

Умные самообучаемые коленные модули позволяют самостоятельно передвигаться и преодолевать посильные препятствия. Электроника протеза автоматически подстраивается под рельеф местности, изменение скорости ходьбы и нагрузки на протез. [2]

Управление протезом осуществляется в режиме реального времени посредством современных гаджетов через bluetooth, позволяя пользователю чувствовать себя уверенно и свободно в самых различных ситуациях.

Особенности бионических протезов

Бионические протезы, как никакие другие, способны вернуть свободу движений и вновь почувствовать вкус к жизни. При изготовлении бионических протезов используются современные гипоаллергенные.

материалы, придающие изделию прочность, легкость и схожесть с конечностью. Современные люди не стараются скрыть свои особенности и делают протез частью своего неповторимого стиля. Поэтому сегодняшние бионические протезы верхних и нижних конечностей - не только инновационные, но и дизайнерские изделия. [3]

Глава 3.Электронная часть бионического процесса

С каждым годом область разработки бионических протезов развивается, уже сейчас имеются футуристические устройства, которые помимо установки степеней свободы на основании приема и обработки ЭМГ сигнала, позволяют выполнять мониторинг процесса реабилитации и повседневного использования, проводить NFC оплату, взаимодействовать с протезом с помощью мобильного телефона и голоса. [2]

Подобные достижения становятся доступны благодаря возрастающей технологической составляющей протеза. Если раньше протез содержал только систему распознавания миоэлектрических образов, то теперь, уровень современного развития интегральных схем и вычислительных мощностей, позволяет добавлять все больший функционал. [3] Современные бионические протезы, в общем виде, представляют собой набор из трех компонентов (Рисунок 3.1, Приложения):

1. Каркас. Корпус протеза, произведенный из лёгких металлических сплавов, чаще всего титана. В последнее время, с развитием 3D-печати все чаще начинает изготавливаться из пластика для удешевления конструкции. Обеспечивает антропоморфность конструкции для имитации биологической руки и защищает внутренние компоненты протеза от повреждений. Имеет культеприемную гильзу, изготавливаемую индивидуально. В культеприемник встроены ЭМГ электроды, максимально близко прилегающие к мышцам человека. При начале использования протеза пользователь помещает культю в гильзу.

2. Механика. Набор шарниров, тяг и электрических приводов, обеспечивающих подвижность протеза. Примитивные версии протезов содержат всего один привод, который позволяет только сжимать и разжимать кисть целиком. Как, было отмечено, в современных версиях доступно изменение положения отдельных пальцев. Таким образом, количество подвижных частей в современных протезах обеспечивается как минимум пятью приводами на каждый палец и сложной рычажной системой. В дополнение встречаются производители, которые добавляют возможность поворота кисти, что так же требует добавление поворотного механизма.

3. Контроллер. Электронная начинка протеза, представляющая собой электрическую схему на базе микропроцессора. Обеспечивает обработку ЭМГ показаний и выполняет установку позиций приводов. В зависимости от сложности устройства может обеспечивать выполнение других функций, таких как взаимодействие с внешними устройствами, вывод информации, обработку показаний сторонних датчиков. [4]

4. Глава 4. Сервопривод в бионическом протезе

Сервоприводом называется устройство, которое задействуется в управлении рабочими механизмами посредством обратной связи. Проще говоря, сервопривод является «автоматическим точным исполнителем» — получая на вход значение управляющего параметра (в режиме реального времени), он «своими силами» (основываясь на показаниях датчика) стремится создать и поддерживать это значение на выходе исполнительного элемента.

Само название произошло от латинского «servus», что в переводе означает помощник. Изначально сервопривод использовался в качестве вспомогательного оборудования для различных станков, машин и механизмов. Однако с развитием технологий и постоянно растущей необходимостью повышать точность электронных устройств им начали отводить куда более значимую роль, в том числе при изготовлении протезов

Сервопривод устанавливается для точного контроля положения или движения механических систем. Он состоит из двигателя (часто электрического), управляющей электроники и датчиков положения. Сервопривод получает сигналы от контроллера (например, микроконтроллера или компьютера). Он указывает, в какую позицию необходимо переместиться, или какую скорость соблюдать. Датчики выполняют контролирующую функцию, а электроника регулирует их, чтобы достичь заданной точки или скорости. 

Конструктивное исполнение и принцип действия механизма отличается, исходя из серии оборудования. Практически все устройства состоят из следующих элементов:

Привод – это узел, который сообщает движение исполнительному органу;

Передаточный механизм – чаще всего эту функцию выполняет редуктор и передача (шестеренчатая кривошипная);

Датчик – оповещает оператора о достижении нужной позиции и направляет сигнал через обратную связь;

Блок питания – используется в системах, которые напрямую подключаются к электросети, поскольку там нужно трансформация типа и уровня напряжения;

Система управления – это блок, который передает сигналы на серводвигатель для изменения места положения. Подача осуществляется с помощью микроконтроллеров, микропроцессоров или других плат. (Рисунок 4.1, Приложения)

Глава 5. Практическая часть

5.1. Создание бионического протеза на базе конструктора Lego Mindstorms

Для демонстрации работы бионического протеза верхней конечности мы создали модель на базе конструктора Lego Mindstorms. (Рисунок 5.1.1, Приложения)

Модель включает в себя следующие элементы: программируемый блок EV3, три больших мотора, один средний мотор, четыре датчика касания.

Создание проекта мы начали с разработки пальцев. Каждый палец работает от мотора.

Три пальца работают за счет больших угловых моторов. (Рисунок 5.1.2, Приложения)

Один с помощью среднего мотора, находится под прямым углом по отношению к другим пальцам, он выполняет роль большого пальца. (Рисунок 5.1.3, Приложения)

Каждый палец оборудован рычажной системой.

Далее мы преступили к созданию каркаса. Для этого мы использовали рамки и балки для их соединения. .(Рисунок 5.1.4, Приложения)

Для того чтобы передавать сигнал к каждому пальцу, нами были установлены датчики касания, которые оповещают программный блок о достижении нужной позиции и направляет сигнал на моторы. .(Рисунок 5.1.5, Приложения)

5.2. Создание программы в ПО Lego Mindstorms

5.2.1. Демонстрация протеза

Мы запрограммировали протез в ПО Lego Mindstorms. Программа имеет четыре программных последовательности, отвечающих за движение каждого пальца по отдельности. Работают в режиме многозадачности, что позволяет воспроизводить программы одновременно.

Программы для пальцев схожи, отличаются лишь портами для моторов и датчиков касания.

При запуске программы сбрасывается значение мотора, тем самым обнуляя его. Далее блок ожидание в режиме сравнение – датчик касания, ждет состояния «нажато». При нажатии, включается мотор. Работает мотор до тех пор, пока датчик касания не будет в состоянии «отпущено», после этого мотор выключается. Измеренное значение градусов отправляется по шине данных на мотор с отрицательной скоростью. Таким образом, палец протеза возвращается в исходное положение.

Данная программа, позволяет управлять протезом при нажатии на датчик. Чем дольше мы нажимаем на датчик, тем сильнее сгибается палец. (Рисунок 5.2.1.1, Приложения)

5.2.2. Игра «Камень-ножницы-бумага»

Мы решили расширить функционал протеза и внедрить игру «камень-ножницы-бумага». Для этого мы создали дополнительную программу. (Рисунок 5.2.2.1, Приложения)

При нажатии на датчик касания, который установлен возле большого пальца, робо-рука показывает одно из значений: камень, ножницы или бумагу.

Каждое положение руки имеет числовое значение.

Камень (0)– рука остается в том же положении, все пальцы сжаты.

Бумага (1)– все пальцы разжаты.

Ножницы (2)– два пальца разжаты.

С помощью блоков «случайное значение» и «переключатель», протез случайно выдавал значение от 0 до 2. Таким образом программа выбирала какое действие выполнить.

Нами были созданы свои блоки. Каждый блок отвечает за действие.

Действие «ножницы». Выполняется с помощью рулевого управления. Запускаются два больших мотора на 180 градусов, после чего возвращаются обратно. (Рисунок 5.2.2.3, Приложения)

Действие «бумага». Выполняется с помощью блоков «рулевое управление», «большой мотор» и «средний мотор». (Рисунок 5.2.2.2, Приложения)

Действие «камень». Моторы остаются в том же положении, все пальцы сжаты в кулак.

Заключение

Нами была создана демонстрационная модель бионического протеза руки с использованием конструктора Lego Mindstorms. В задачи этого проекта входило изучение создания бионических протезов, изучение функциональности современных бионических протезов, рассмотрение электронной части протеза, создание модели протеза верхней конечности на основе Lego Mindstorms, разработка программы для демонстрации создал протез в программе Lego Mindstorms и, наконец, написал программу для игры «Камень-ножницы-бумага» в программе Lego Mindstorms.

Значение этого исследования заключается в возможности использования конструктора Lego Mindstorms в качестве практического и доступного инструмента для изучения и понимания бионических протезов. Создавая демонстрационную модель и программируя ее для имитации функциональности бионической руки, этот проект предлагает осязаемый и интерактивный способ изучения области бионики.

Кроме того, разработка программы для игры «Камень-ножницы-бумага» демонстрирует универсальность и адаптивность программного обеспечения Lego Mindstorms, так как его можно использовать не только в образовательных целях, но и в развлекательных целях.

В целом, успех этого исследовательского проекта подчеркивает потенциал конструктора Lego Mindstorms как ценного инструмента как для обучения, так и для инноваций в области бионики. Он открывает новые возможности для привлечения студентов и энтузиастов к изучению бионических протезов, а также предоставляет платформу для творчества и исследований в области программирования и робототехники.

Список используемых источников

1. https://eee-science.ru/wp-content/uploads/2023/04/Микроконтроллеры_в_протезировании_конечностей.pdf;

2. https://habr.com/ru/articles/572146/;

3. https://motorica.org/bionicheskij-protez.

4. https://sterbrust.tech/tehnologicheskaya-osnastka/zapchasti/chto-takoe-reduktor.html

5. Приложения