БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОТЕЗ ПРЕДПЛЕЧЬЯ

BIOELECTRICAL PROSTHESIS OF THE FOREARM

Egor Tarasenko

student of the faculty of biomedical engineering of Bauman Moscow state university,

Russia, Moscow

Student of CUIC «PERSPECTIVE»

Russia, Kurganinsk

Kirill Popko

radiophysicist engineer, master of radiophysics, graduate student of the Institute of Basic Sciences FSBEI HPE "Kuban State Technological University"

Russia, Krasnodar

АННОТАЦИЯ

По данным Федерального реестра инвалидов, на июнь 2019 года численность инвалидов, проживающих в Российской Федерации, превышает 11 миллионов, из них более 4,5 миллионов – инвалиды III группы [1].  Основная проблема современных протезов заключается в их высокой стоимости и долгом производстве. Также, все представленные на рынке протезы выполнены из твёрдых частей, что уменьшает их подвижность и способность захвата предметов. Данная работа посвящена созданию биоэлектрического протеза предплечья из PLA пластика с использованием силиконовых вставок. Корпус устройства выполнен методом 3D-печати.

Апробация работы:

1. Российская научно-социальная программа для молодёжи и школьников «Шаг в будущее», МГТУ им. Н. Э, Баумана, г. Москва, 2018-2019 гг.;
2. Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ имени Д. И. Менделеева, г. Москва, 2018 г.;
3. Всероссийская олимпиада «Созвездие», г. Королёв, 2018 г.;
4. Международный фестиваль детского и молодёжного научно-технического творчества «От винта!», г. Краснодар, 2018 г.;
5. Губернаторский конкурс молодёжных инновационных проектов «Премия IQ года», г. Краснодар, 2019 г.

ABSTRACT

According to the Federal Register of Disabled Persons, as of June 2019, the number of people with disabilities living in the Russian Federation exceeds 11 million, of which more than 4.5 million are group III invalids. The main problem of modern prostheses is their high cost and long production. Also, all prostheses on the market are made of solid parts, which reduces their mobility and ability to capture objects. This work is devoted to the creation of a bioelectric forearm prosthesis from PLA plastic using silicone inserts. The body of the device is made by 3D printing.

Ключевые слова: протезирование, инвалидность, 3D-печать.

Keywords: prosthetics, disability, 3D printing.

Системой привода протеза может быть сила мышц человека, либо электропривод. Решено было использовать второй вариант, поскольку моторы способны обеспечить большую силу захвата, а также при использовании одного мотора для приведения в движение одного пальца возможно использовать различные виды хвата.

Изначально началась работа над демонстрационным образцом. За основу руки была взята часть робота из проекта InMoov французского скульптора Гаэля Ланжевена [2]. На сайте проекта размещены STL файлы деталей робота, в том числе кисти, пальцы и предплечья, используемые для протеза руки человека.

Создание протеза началось с разработки системы движения пальцев. Было решено использовать принцип червячного вала. В приводе использовался коллекторный электромотор GM20-130. Был собран лабораторный образец (рисунок 1), состоящий из основания, электромотора, болта, подвижной части с резьбой, пружины, лески, видоизмененного протеза пальца. Мотор вращает ось с резьбой, при её вращении перемещается подвижная часть, так как в ней находится гайка. На подвижной части закреплена леска, отвечающая за сгибание пальца. При приближении подвижной части к мотору, леска натягивается, тем самым сгибая палец. Когда бегунок движется от мотора, леска перестаёт натягивать детали протеза, он разжимается. Для того чтобы палец разгибался до конца, вторая леска, отвечающая за разгибание пальца, закреплена на моторе при помощи пружины.

Рисунок 1. Первая версия лабораторного образца привода пальца в разжатом и в сжатом состоянии

Размеры привода 87x40x34 мм, скорость сгибания/разгибания пальца 19 секунд при напряжении 12 В. Данные параметры лабораторного образца не подходят для использования в протезе кисти, так как потребуется закрепить пять моторов в области предплечья, с такими размерами это невозможно, а из-за резьбы болта с мелким шагом  скорость сгибания пальца не позволит пациенту комфортно пользоваться протезом. Леска, отвечающая за разгибание пальца, была закреплена на пружине. Со временем пружина растянулась, и палец сгибался слабее и меньше. Было решено использовать систему с большей скоростью движения и с измененным принципом разгибания пальца.

Во второй версии привода (рисунок 2) вместо болта использовалась ось от шагового мотора CD-привода дисковода компьютера, так как она имеет больший шаг резьбы, это позволило увеличить скорость движения пальца. Время полного сгибания/разгибания пальца 5 секунд. Лески, отвечающие за сгибание и разгибание, были объединены, таким образом, при движении головки в одну сторону, палец сгибался, в другую — разгибался.

Рисунок 2. Вторая версия лабораторного образца привода пальца в разжатом и в сжатом состоянии

Так как установка всё еще имела размеры, не позволяющие разместить пять приводов в одном протезе, было решено использовать мотор меньших размеров. Для эксперимента была собран привод пальца с использованием шагового двигателя от CD-привода дисковода компьютера. Для его подключения использовалась плата Arduino UNO. Была изучена литература [3,4]. Был написан скетч для работы привода. При проведении испытания выяснилось, что мощности данного мотора не хватает для приведения пальца в движение.

Было решено использовать начальный вариант мотора. Так как в первых версиях привода подвижная головка передвигалась вдоль основания с постоянной скоростью, на это затрачивалось больше времени. В следующей версии привода (рисунок 3) леска была присоединена к цилиндрической насадке на моторе. За счёт этого время полного сгибания пальца сократилось до одной секунды.

Рисунок 3. Третья версия привода пальца

От данной системы пришлось отказаться, так как коллекторные моторы не способны удерживать определённое положение, поэтому в протезе используются сервоприводы.

В ходе работы была замечена проблема твердотельных протезов: даже при полном сгибании пальцев между фалангами остаётся пространство, это затрудняет захват предметов маленьких размеров. Поэтому мы приступили к разработке мягкого протеза. Была собрана версия, предназначенная для демонстрации принципа работы протеза (рисунок 4). Протез состоит из основания, мягких пальцев и рёбер жесткости. К концам пальцев прикреплена леска. Натягиваясь, она тянет за собой всю конструкцию пальца и рука сжимается.

Рисунок 4. Демонстрационная версия протеза кисти

В качестве материала пальцев используется виксинт ПК-68. Это силиконовый компаунд, предназначенный для использования в интервале температур от -60° до +200°.

Для получения готового продукта необходимо смешать компаунд (термоактивную термопластическую полимерную смолу) и отвердитель №68 (катализатор холодного отверждения кремнийорганических герметиков и компаундов №68). Объём формы для литья одного пальца равен 10,24*10-6 м3. Для данного объёма было рассчитано отношение массы компаунда к массе отвердителя, оно составило 12:4. При таком соотношении достигается оптимальная жесткость материала.

Был проведён эксперимент для вычисления предела пропорциональности силикона (максимальное внутреннее напряжение, при котором деформация материала остаётся упругой). Для этого нужно было рассчитать модуль Юнга (коэффициент пропорциональности между механическим напряжением в материале и относительной деформации). Был проведён ряд экспериментов на лабораторной установке (рисунок 5).

Рисунок 5. Лабораторная установка для измерения модуля Юнга материала

1 –  силикон; 2 – штатив; 3 – груз

Материал испытывает предел пропорциональности до тех пор, пока деформация тела прямо пропорциональна прикладываемой силе. На графике зависимости напряжения от удлинения (рисунок 6) является точка, в которой график зависимости перестаёт быть линейным.

Рисунок 6. График зависимости напряжения в материале от удлинения. Точка 1- предел абсолютной упругости; точка 2- предел пропорциональности; точка 3- предел упругости

Силикон из-за малого коэффициента трения не способен фиксироваться между двумя пластинами, а если крепить его к пластине при помощи болтов, то материал трескается. По этим причинам максимальная масса грузов, используемая при проведении эксперимента, составила 2 кг. На графике (рисунок 7) видно, что при данной массе грузов удлинение материала всё еще пропорционально напряжению в нём. Так как предел пропорциональности материала не найден, его планируется вычислить. Так же планируется определить зависимость предела пропорциональности материала от отношения массы отвердителя к общей массе материала.

Рисунок 7. График зависимости напряжения в силиконе от удлинения

Далее началась работа над гибким протезом предплечья. Собран лабораторный образец (рисунок 8). Он, в отличие от демонстрационной версии, имеет пять пальцев. За счёт уменьшения размеров рёбер жесткости на силиконовых частях протеза, и поворота большого пальца, захватывающая способность протеза увеличилась.

Рисунок 8. Первая версия гибкого протеза руки

Основная проблема первой версии протеза состоит в том, что большой палец не противопоставлен остальным, как в кисти человека, поэтому протез не обладает достаточной способностью захвата. По это причине была разработана вторая версия протеза кисти (рисунки 9, 10). В ней изменено положение большого пальца относительно остальных пальцев, что обеспечивает противопоставление частей протеза и лучший захват предметов. У человеческой кисти могут сгибаться не только пальцы, но и сама кисть. Поэтому в протезе в месте запястно-пястного сустава I пальца кисти и в районе глубоких поперечных пястных связок были добавлены силиконовые вставки для большей подвижности кисти.

Рисунок 9. Вторая версия протеза предплечья

Рисунок 10. Вторая версия протеза предплечья

Части протеза приводятся в движение пятью сервоприводами MG995 (рисунок 11). Угловая скорость вращения оси сервопривода составляет 5,235 рад/с при 4.8 В, 6,54 рад/с при 6 В; Крутящий момент: 8.5 кг×см (при 4.8 В питания), 10 кг×см (при 6 В); Длина крепления для лески на сервоприводе – 2 см, получается, каждый сервопривод сможет удерживать более 5 кг (сервоприводы будут работать от 7,5 В), то есть в сумме кисть должна удерживать груз массой до 25 килограммов.

Список литературы:

1. Численность инвалидов /[Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://sfri.ru (Дата обращения 03.08.2019).
2. InMoov | open-source 3D printed life-size robot /[Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://inmoov.fr (Дата обращения 05.08.2019).
3. Ревич Ю.В. «Занимательная электроника» 3-е издание – Санкт-Петербург, 2016. – 75-93 с.
4. Петин В. А. «Проекты с использованием контроллера Arduino» 2-е издание – Санкт-петербург, 2015. – 23-30, 274 с.