XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Введение

В НАШ ВЕК ПРОГРЕССА И ОТКРЫТИЙ,

СВЕРЯЯ СТУК СВОИХ СЕРДЕЦ,

ЛЮБОЙ ИЗ НАС НЕ ПРОСТО ЗРИТЕЛЬ,

А НАЧИНАЮЩИЙ ТОРЕЦ.

ПУТЕМ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ВО ВЛАСТИ МИРА В ГОД СЕМЬИ

МЫ ОКРЫЛЯЕМ НАШЕ ВРЕМЯ,

ДЕЛА И ПОМЫСЛЫ СВОИ.

В наше время робототехника развивается с космической скоростью, что может заметить даже далёкий от этой сферы человек. В последнее время особенно актуальна стала роботизированная медицина. Страны всего мира борются за статус лучшей в этой сфере, и наша не стала исключением.

Роботизированная медицина уже сегодня используется для проведения сложных хирургических операций, диагностики заболеваний, реабилитации пациентов и многих других медицинских процедур. Роботы способны выполнить сложные операции с высокой степенью точности, что позволяет сократить риск ошибок и улучшить результаты лечения.

Роботизированная медицина имеет огромный потенциал для развития и улучшения медицинской практики. Однако важно помнить, что роботы не могут заменить человеческий фактор в медицинской практике - решения о лечении и диагностике всегда должны приниматься врачом. Тем не менее, современные технологии робототехники могут значительно облегчить работу врачей и повысить качество медицинской помощи.

Актуальность

С каждым годом увеличивается количество детей с ограниченными двигательными возможностями, в том числе со слабой моторикой верхних конечностей, что можно заметить, наблюдая на занятиях ребят с ОВЗ в нашем центре.

Возрастает актуальность проектирования тренажеров адаптивной физкультуры, необходимых для реабилитации для людей с ограниченными возможностями. Следовательно, возникает необходимость улучшения технических, а также эстетических характеристик тренажеров для инвалидов. Существует огромное количество реабилитационных устройств, в которых заложен функционал для адаптации человеческого организма после травм, но их корпус далеко не идеален для восстановления здоровья пользователя.

Объект исследования: Робот-тренажер.

Предмет исследования: конструктор «Lego EV3» для создания робота- тренажера.

Цель: разработка робота-тренажера для облегчения реабилитаций для восстановления пациентов с двигательными нарушениями верхних конечностей.

Задачи:

1. Изучить необходимую информацию о специализированном оборудовании для реабилитации пациентов с двигательными нарушениями верхних конечностей.

2. Проанализировать и дать сравнительную оценку существующим на рынке тренажерам и приспособлениям для реабилитации и восстановления пациентов.

3. Смоделировать принцип работы робота-тренажера.

4. Сконструировать робот-тренажер из набора «Lego EV3».

5. Провести апробацию прототипа тренажера и сделать выводы.

Методы работы:

1. Сбор, анализ информации.

2. Проблемно-поисковый – постановка проблемы и самостоятельный поиск её решения, в данном случае – выбор моделей роботов.

3. Репродуктивный – воспроизводство знаний и способов сборки моделей роботов.

4. Эксперимент – моделирование, конструирование, апробация прототипа модели тренажёра.

5. Объяснительно-иллюстративный – демонстрация в процессе презентации проекта членам жюри.

Глава 1. Технические средства для реабилитации.

1.1. История возникновения и развития технических средств для реабилитации.

На сегодняшний день существует огромное количество тренажеров, предназначенных для улучшения различных групп мышц, различающиеся по уровню нагрузки и пр. Тем не менее, возникает вопрос: «Как же люди раньше обходились без тренажеров?».

Технические средства для реабилитации людей с ограниченными возможностями имеют долгую историю развития, начиная с древних времен. С появлением различных заболеваний и травм, люди стали искать способы улучшить качество жизни тех, кто нуждается в помощи.

Одним из первых технических средств, которое использовалось для реабилитации, были простые протезы. Древние египтяне использовали деревянные протезы для замены потерянных конечностей. В дальнейшем, с развитием технологий, протезы стали более сложными и адаптивными к потребностям пациентов.

В средние века появились первые устройства для реабилитации с помощью механических устройств, таких как костыли и шины. С развитием медицины и научных исследований, появились новые технологии, такие как электрические стимуляторы мышц, массажные аппараты и другие устройства, которые помогли улучшить процесс реабилитации.

В XVI веке стало популярным лазанье по горам с помощью альпинистских веревок, а также метание дисков. Первое оборудование, предназначенное для совершения физических упражнений, изобрел Фридрих Людвиг Ян (1778-1852), которого на данный момент именуют отцом гимнастики. Фридрих Ян полагал, что с помощью физической подготовки можно поднять уровень народного духа, а наилучшим способом достижения этого, он считал гимнастику [5]. В связи с этим он открывал огромное количество арен и площадок для занятия спортом. Также Фридрих Ян создал особые тренажеры - деревянные кони и балансиры на брусьях.

Тем не менее, шведский врач Густав Вильгельм Зандер (1835-1920) совершил настоящий прорыв в сфере оздоровления людей с помощью тренажерных устройств.

В конце XVIII века появились первые велотренажеры в стационарном виде

– их изобрел Фрэнсис Лоундес. На тот момент, тренажер представлял собой достаточно массивную конструкцию, которая заставляла работать одновременно и ногами, и руками.

В 1970 – х годах ряд кардиотренажеров пополнил и стационарный велотренажер в том виде, в котором мы привыкли видеть его сейчас. Еще спустя пару десятков лет появились эллиптические тренажеры, которые сейчас именуются орбитреками. Его в 1995 году изобрел американский инженер Прекор. Эллиптический тренажер имитирует нормальное движение стопы во время тренировки, но снижает нагрузку на суставы. Такое изобретение было необходимостью помочь дочери проводить физическую реабилитацию после травмы пятки.

В настоящее время технические средства для реабилитации становятся все более инновационными и эффективными. Разработка роботизированных протезов, виртуальной реальности для тренировки двигательных навыков, биомедицинских устройств и других технологий позволяют улучшать качество жизни людей с ограниченными возможностями.

В будущем, с развитием технических средств для реабилитации, мы можем ожидать все более инновационные и эффективные решения, которые помогут людям с ограниченными возможностями вернуться к полноценной жизни.

Дополнительно можно отметить, что с развитием информационных технологий и медицинских наук появляются новые методики реабилитации, основанные на использовании сенсоров, мониторинге данных и аналитике. Например, с помощью носимых устройств и приложений можно отслеживать физическую активность пациентов, контролировать выполнение упражнений и мониторить общее состояние здоровья.

Примеры:

1. Роботизированные экзоскелеты. Экзоскелеты - это устройства, которые надеваются на тело человека и помогают усилить или восстановить движения. Для реабилитации верхних конечностей разрабатываются роботизированные экзоскелеты, которые помогают пациентам выполнять упражнения и укреплять мышцы.

2. Виртуальная реальность. Технология виртуальной реальности используется для создания тренировочных сценариев, которые помогают пациентам восстановить движения и координацию в верхних конечностях. С помощью специальных устройств и программ пациенты могут проводить сеансы реабилитации в виртуальном пространстве.

3. Электростимуляция. Электростимуляция - методика, при которой нервы и мышцы стимулируются с помощью электрических импульсов. Для реабилитации верхних конечностей используются специальные электростимуляторы, которые помогают улучшить силу и контроль мышц.

4. Мобильные приложения. Существуют мобильные приложения, разработанные специально для реабилитации верхних конечностей. Они предлагают различные упражнения, игры и тренировки, которые помогают пациентам восстановить движения и координацию.

Это лишь некоторые примеры технических средств для реабилитации верхних конечностей, которые активно развиваются и помогают людям восстановить функциональность после травм или заболеваний.

Таким образом, технические средства для реабилитации играют важную роль в улучшении жизни людей с ограниченными возможностями, помогая им вернуть мобильность, самостоятельность и комфорт. С постоянным развитием новых технологий и подходов, надежды на более эффективные и доступные способы реабилитации только увеличиваются.

1.2. Анализ тренажеров для реабилитации верхних конечностей

Тренажеры для реабилитации верхних конечностей играют важную роль в процессе восстановления после травм, инсультов, операций и других

медицинских состояний, которые могут повлиять на функциональность верхних конечностей. Анализ таких тренажеров позволяет выявить их эффективность, удобство использования и потенциальные преимущества для пациентов. Ниже представлен обзор некоторых известных тренажеров для реабилитации верхних конечностей:

1. BTE PrimusRS. Этот тренажер предлагает широкий спектр упражнений для реабилитации руки, запястья и плеча. Он оснащен программируемым управлением нагрузкой и установками для индивидуальных тренировок. BTE PrimusRS позволяет работать над улучшением силы, гибкости и координации в верхних конечностях.

2. Armeo Spring. Этот тренажер используется для реабилитации после инсульта, травмы головы или шейного отдела позвоночника. Он предлагает упражнения для тренировки моторики, координации и баланса в верхних конечностях. Armeo Spring обеспечивает пациентам оптимальную поддержку и контроль движений.

3. MusicGlove. Этот тренажер разработан специально для реабилитации после инсульта или других мозговых повреждений. MusicGlove предлагает игровой подход к тренировкам, где пациенты используют специальные перчатки и сенсоры для выполнения упражнений, связанных с музыкой.

4. Hand Mentor Pro. Этот тренажер предназначен для восстановления функций руки, особенно после повреждений нервов или мышц. Hand Mentor Pro предлагает упражнения для укрепления мышц, улучшения диапазона движения и ловкости пальцев.

5. Tyromotion AMADEO. Этот тренажер предназначен для восстановления функций руки и предлагает разнообразные упражнения для улучшения силы, гибкости и координации. Tyromotion AMADEO также имеет возможность записывать данные о прогрессе пациента для дальнейшей оценки результатов.

6. SaeboFlex. Этот тренажер разработан специально для пациентов с парезом или параличом верхних конечностей. SaeboFlex предлагает регулируемую систему поддержки для руки, облегчая выполнение упражнений тренировки мышц и восстановления функциональности.

Эти тренажеры представляют различные методы и подходы к реабилитации верхних конечностей, учитывая потребности пациентов с различными медицинскими проблемами. Они помогают улучшить силу, гибкость, координацию и моторику рук, что важно для повседневных задач и самостоятельной жизни пациентов.

1.3. Форма и конструкция тренажера на развитие мышц верхних конечностей.

Сегодня разработано большое количество восстановительных аппаратов с различной направленностью и, соответственно, разным механизмом действия.

Какие бывают реабилитационные тренажеры?

Пассивные тренажеры.

Применяются в рамках так называемой СРМ-терапии — метода пассивной механотерапии, которая может использоваться на всех этапах восстановительного лечения пациентов — для разработки верхних (к примеру, плечевого или локтевого сустава) и нижних (коленного, тазобедренного суставов) конечностей. В первую очередь пассивные тренажеры могут применяться на ранней послеоперационной стадии реабилитации: с помощью аппаратов пациент может совершать такие движения, которые были бы невозможны без дополнительной технической поддержки.

Активно-пассивные тренажеры для верхних и нижних конечностей.

Предназначены для сочетания упражнений в активном (с использованием двигательных навыков и способностей пациента) и пассивном (за счет энергии движущихся элементов тренажера) режимах. К показаниям относится, например, восстановление после травм или инсультов. Активно-пассивные реабилитационные тренажеры подходят также для лечения пациентов с заболеваниями суставов, мышечной слабостью, расстройством координации.

Кардиотренажеры.

К таковым относятся велоэргометры, степперы, реабилитационные беговые дорожки и так далее. По сути, это все те же аппараты с активно- пассивным механизмом действия. От привычных кардиотренажеров реабилитационные отличаются более низкой скоростью и небольшим шагом ее изменения, что позволяет пациенту держать ситуацию под контролем. Обычно восстановительные устройства оборудованы длинными поручнями и ремнями безопасности.

Силовые реабилитационные тренажеры для ног и рук.

Предназначены для восстановления мышечной силы и функциональности, также подходят для спортивных тренировок. Такие реабилитационные аппараты должны быть адаптированы под пациентов: нагрузку следует давать дозированно, амплитуда также должна регулироваться с учетом индивидуальных особенностей человека. Движение силовых аппаратов осуществляется за счет силы самого пациента.

Стабилоплатформы (стабилометрические платформы).

Аппараты этой группы необходимы для развития силы и координации, реабилитации опорно-двигательного аппарата и физической формы в целом. Эти реабилитационные тренажеры применяются после инсульта, у пациентов с рассеянным склерозом, болезнью Паркинсона и в других случаях. Предназначены, в частности, для улучшения баланса, координации, способности удерживать равновесие.

Так же тренажеры делятся на деревянные и электронные. Примеры тренажеров:

Тренажер «Елочка с фигурами»1

Тренажер «Ёлочка с фигурами» применяется для развития и восстановления функций верхних конечностей, развития и восстановления мелкой моторики, элементарных бытовых навыков, развития ловкости и подвижности пальцев руку всех возрастных групп пациентов (дети от 5 лет, подростки, взрослые, гериатрические пациенты). (Приложение 2)

Тренажер «Елочка с перекладиной»

Применяется для развития и восстановления функций верхних конечностей, плечевого и локтевого суставов, развития и восстановления мелкой моторики, координации, восстановления элементарных бытовых навыков, развития ловкости и подвижности пальцев рук у всех возрастных групп пациентов (дети от 5 лет, подростки, взрослые, гериатрические пациенты).

Тренажер «Pablo»2

- Аппарат для коррекции нарушений крупной и мелкой моторики мышц верхних и нижних конечностей.

- Позволяет создать всеобъемлющий отчет, графический анализ, комплексно отражающий лечебный процесс.

- Измерение объема движений в суставах всей верхней конечности.

Тренажёр «RELIVER»3

Уникальный массажер, разрабатывающий кисть, имеющую проблемы в результате инсульта, мозговых, спинальных заболеваний и нервных болезней. Данный массажер для руки восстанавливает функции, которые были утрачены в связи с заболеваниями, ожогами, переломами (включая сотрясение головного мозга), хроническим ревматизмом и прочими заболеваниями головного мозга.

1https://dvm-reab.ru/product-category/catalog/reabilitaczionnye-trenazhery/page/2/

2 https://beka.ru/katalog/mekhano-i-robotizirovannaya-terapiya/vosstanovlenie-funktsiy-verkhnikh- konechnostey/pablo/

3https://supportshop.ru/trenazhery-reabilitacionnye/reabilitacionnye-trenazhery-dlya-ruk/massazher-

trenazher-dlya-kisti-ruki-dlya-vosstanovleniya-posle-insulta-dvigatelnoj-funktsii

2. Практическая часть.

2.1. Разработка конструкции тренажера.

Работа над созданием тренажера началась с составление перечня свойств, которыми должен обладать проектируемый объект при анализе аналогов и обзора литературных данных, изучении реальных прототипов и выявления всевозможных достоинств и недостатков рассматриваемого объекта. Было рассмотрено несколько вариантов тренажеров, которые помогают в решении проблемы.

Основываясь на этих данных, мы приступили к разработке своего тренажера на базе конструктора Lego EV3. (Приложение 3.)

Модель включает в себя следующие элементы:

1. Программируемый блок EV3.

2. Четыре больших мотора.

Создание проекта мы начали с разработки части для предплечья так, как она самая большая. Каждая часть работает от мотора и может двигаться как вместе, так и отдельно.

Тренажер представляет собой устойчивую рамную конструкцию. В отличии от доступных на рынке аналогов у этого устройства есть ряд преимуществ. Во-первых, оно работает сразу с плечевым, лучезапястным и локтевым суставами. Во-вторых, в этот тренажер может быть загружена программа и пациент будет проходить курс занятий без участия врача.

2.2. Создание программы.

Мы запрограммировали протез в ПО Lego Mindstorms. Программа имеет четыре программных последовательности, отвечающих за движение каждой части по отдельности.

1. Программа для работы с запястьем:

Включает в себя работу одного большого мотора с ожиданием в одну секунду, подключенного к порту D.

2. Программа для работы с плечевым суставом:

Включает в себя работу одного большого мотора с ожиданием в одну секунду, подключенного к порту А.

3. Программа для работы с локтевым суставом:

Включает в себя работу двух больших моторов с ожиданием в одну секунду, подключенного к портам В; С.

4. Программы для работы всего тренажера одновременно:

Программа работает в режиме многозадачности, что позволяет воспроизводить программы одновременно. При запуске программы сбрасывают моторы, далее включается блок ожидание, что позволяет остановить работу моторов и подождать 1 секунду до включения следующего блока действий. Данная программа, позволяет управлять протезом при нажатии на блок управления.

Заключение

Мною была разработана модель робота-тренажера для помощи в реабилитации верхних конечностей с использованием конструктора Lego Mindstorms EV3. В задачи этого проекта входило изучение типов, видов тренажёров для реабилитации, изучение функциональности современных тренажеров, создание робота-тренажера для помощи в реабилитации верхних конечностей на основе Lego Mindstorms EV3, разработка программы для демонстрации тренажёра в программе Lego Mindstorms.

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

Список литературы

1. https://dvm-reab.ru/product-category/catalog/reabilitaczionnye- trenazhery/page/2/

2. https://fizreamed.ru/articles/vozniknovenie-i-razvitie-sistemy-okazaniya- protezno-ortopedicheskoj-pomoshchi-v-rossii/

3. https://aupam.ru/pages/invatehnika/tekhnicheskie_sredstva_reabilitacii_invalid ov_v_rossii/oglavlenie.html

4. https://vk.com/doc47476519_513676279?hash=z7cPzOEje2x9p9v6MIFVajj15 bjWdTJxzWnoJhLgDwz&dl=4Luk1Gg2yyRNPenNNMliJWzcGHAIKEmHY chQ1rwr6Ic

5. https://www.kp.ru/guide/reabilitatsionnye-trenazhery.html#tupe

Приложение 1.

1. BTE PrimusRS. Этот тренажер предлагает широкий спектр упражнений для реабилитации руки, запястья и плеча.

2. Armeo Spring. Этот тренажер используется для реабилитации после инсульта, травмы головы или шейного отдела позвоночника.

3. MusicGlove. Этот тренажер разработан специально для реабилитации после инсульта или других мозговых повреждений.

4. Hand Mentor Pro. Этот тренажер предназначен для восстановления функций руки, особенно после повреждений нервов или мышц.

5. Tyromotion AMADEO. Этот тренажер предназначен для восстановления функций руки и предлагает разнообразные упражнения для улучшения силы, гибкости и координации.

6. SaeboFlex. Этот тренажер разработан специально для пациентов с парезом или параличом верхних конечностей.

Приложение 2.

Тренажер «Елочка с фигурами»

Тренажер «Елочка с перекладиной»

Тренажер «Pablo»

Тренажёр «RELIVER»

Приложение 3.