МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ПРОТЕЗ РУКИ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к протезам верхних конечностей.
Известен многофункциональный активный протез руки по патенту РФ 2026654, МПК A61F 2/56, опубл. 20.01.1995, содержащий наплечник, исполнительный орган, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов, датчики независимого управления и системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти, три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания плеча, сгибания предплечья и сгибания искусственной кисти, каждая из которых содержит сумматор, два функциональных преобразователя, усилитель мощности и привод, задающий орган, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением. Недостатком устройства является то, что оно не компенсирует погрешность положения исполнительного органа при внешних воздействиях на корпус устройства и корпус инвалида, включая и воздействие исполнительного устройства, реактивный момент которого при пуске инвалид воспринимает как внешнее воздействие. Возникающая позиционная погрешность снижает точность, увеличивает время выполнения целенаправленного действия, создает неудобство для оператора-инвалида.
Известен многофункциональный активный протез руки по патенту РФ 2427349, МПК A61F 2/56, опубл. 27.08.2011, выбранный авторами в качестве прототипа, содержащий наплечник, исполнительный орган, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов, датчики независимого управления и системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти, три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча, предплечья и искусственной кисти, каждая из которых содержит сумматор, два функциональных преобразователя, усилитель мощности и привод, задающий орган, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением, предлагается снабдить жестким креплением исполнительного органа и закрепленным на нем блоком коррекции положения звена плеча, содержащим последовательно соединенные акселерометр, блок двойного интегрирования и определитель угла коррекции, при этом определитель угла коррекции должен быть соединен с сумматором системы управления связным движением сгибания плеча, а жесткое крепление исполнительного органа зафиксировано на корпусе инвалида и выполнено с возможностью свободного перемещения надплечья с наплечником. Недостатком устройства является то, что оно не учитывает внешнее силовое воздействие на корпус, которое может вывести протез из строя. Также в прототипе отсутствует система задания сигналов на систему управления независимой ротации кисти и кисти.
Задачей полезной модели является создание многофункционального активного протеза руки, повышающего точность манипулирования, с одновременным снижением напряженности при управлении протезом, а также повышении функциональных возможностей устройства, благодаря возможности управления с учетом внешних силовых воздействий и возможности гибкого управления кистью за счет управления посредством сигналов электроэнцефалограммы.
Технический результат поставленной задачи достигается тем, что многофункциональный активный протез руки, содержащий наплечник, исполнительный орган, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов, системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти, три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча, предплечья и искусственной кисти, каждая из которых содержит микроконтроллер, усилитель мощности и привод, задающий орган, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением, при этом протез снабжен жестким креплением исполнительного органа и закрепленным на нем блоком коррекции положения звена плеча, содержащим последовательно соединенные акселерометр, блок двойного интегрирования и определитель угла коррекции. При этом шарнирно-рычажный механизм снабжен девятью датчиками силового воздействия, на исполнительном устройстве расположен регистратор сигналов электроэнцефалограммы, электроды которого присоединены к голове инвалида, блок обработки сигналов электроэнцефалограммы, соединенный с регистратором и устройством управления независимым исполнительным механизмом ротации кисти и кисти.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлена функциональная схема многофункционального активного протеза руки, обеспечивающего управление исполнительным органом с учетом сил, возникающих при внешнем воздействии на корпус устройства и независимое управление исполнительным механизмом ротации кисти и исполнительным механизмом кисти по сигналу электроэнцефалограммы.
Многофункциональный активный протез руки содержит наплечник 1, исполнительный орган 2, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов 3, 4, 5, системы 6, 7 управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти, три системы управления 8, 9, 10 связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча, предплечья, каждая из которых содержит микроконтроллер 11, усилитель мощности 12 и привод 13, задающий орган 14, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика 15, 16, 17 управления связным движением. Устройство снабжено жестким креплением 18 исполнительного органа и закрепленным на нем блоком 19 коррекции положения звена плеча, содержащим последовательно соединенные акселерометр 20, блок двойного интегрирования 21 и определитель угла коррекции 22, при этом определитель угла коррекции 22 соединен с микроконтроллером 11 системы управления связным движением сгибания плеча, а жесткое крепление 18 исполнительного органа зафиксировано на корпусе инвалида и выполнено с возможностью свободного перемещения надплечья с наплечником 1. Исполнительный орган 2 оснащен блоком датчиков силового воздействия 32, содержащим датчики 23 и 24, расположенными на концах схвата, блоком 33, содержащим датчики силового воздействия 25, 26, 27 и 28, расположенными на передней, задней и двух боковых частях кисти, блоком 34, содержащим датчики силового воздействия 29, 30 и 31, расположенными на локте и концах изгиба локтевого сустава. Устройство содержит регистратор сигнала электроэнцефалограммы 35, расположенный на исполнительном органе, соединенный с электродами 36, расположенными на голове инвалида, и/системы 6, 7 управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти.
Устройство имеет каналы связного и независимого управления движением исполнительных механизмов, а также канал коррекции положения звена плеча.
Каналы связного управления определяются следующими цепями составляющих элементов. Датчики углов 3, 4, 5 исполнительного органа 2 и датчики управления связным движением 15, 16, 17 задающего органа 14 соединены соответственно с системами управления связным движением 8, 9, 10, которые соединены с исполнительными механизмами сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти. При этом исполнительный орган 2 закреплен со стороны шарнира сгибания плеча на жестком креплении 18, а задающий орган 14 со стороны шарнира сгибания плеча соединен с наплечником 1, развернут на 180 градусов и соединен концевым звеном с поясом. Датчики силового воздействия располагаются следующим образом: два датчика 23, 24 располагаются на концах схвата и объединены в блок 32, четыре располагаются на верхней - датчик 25, нижней - датчик 26 и боковых частях кисти - датчики 27 и 28, которые объединены в блок 33, датчик 29 - на локте, два датчика 30, 31 - на концах изгиба локтевого сустава, датчики 29, 30 и 31 объединены в блок 34, и каждый из силовых датчиков соединен с соответствующими системами управления связным и независимым движением 6, 7, 8, 9, 10.
Каналы независимого управления определяются следующими цепями составляющих элементов. Выход регистратора сигнала электроэнцефалограммы 35 связан с системами 6, 7 независимого управления, которые в свою очередь соединены с исполнительными механизмами ротации искусственной кисти и искусственной кисти.
Канал коррекции положения звена плеча определяется следующей цепью составляющих элементов.
Блок коррекции 19 положения звена плеча закреплен на жестком креплении 18 исполнительного органа. Он содержит последовательно соединенные акселерометр 20, блок двойного интегрирования 21 и определитель угла коррекции 22, при этом определитель угла коррекции 22 соединен с микроконтроллером 11 системы управления связным движением сгибания плеча.
Устройство работает следующим образом.
Исполнительные механизмы представляют собой двигатели постоянного тока. Системы управления исполнительными механизмами связанного движения представляют собой микроконтроллеры сравнивающие показания датчиков углов 3, 4, 5 исполнительного органа 2 с задаваемыми датчиками связанного управления 15, 16, 17 соответственно. Сигналы с датчиков 15, 16, 17 задаются движениями надплечья и поясницы. Движение надплечья осуществляется в пределах зоны его подвижности и совместно с поясничной подвижностью, что увеличивает масштаб копирования и, следовательно, повышает точность манипулирования. На основании рассогласования микроконтроллер 11 вырабатывает широтно-импульсно модулированный (ШИМ) сигнал, который, проходя через усилитель 12, передается на исполнительный механизм 13. Каждая из трех данных систем представляет собой позиционную следящую систему с управлением движением исполнительного механизма по рассогласованию. Так, сигнал с датчика 15 управления связным движением сгибания-разгибания плеча поступает на микроконтроллер системы управления 8, и одновременно на микроконтроллер поступает сигнал с датчика угла 3. Аналогично на микроконтроллер системы управления 9 поступают сигналы с датчиков 4 и 16, а на микроконтроллер системы управления 10 с датчиков 5 и 17. Микроконтроллеры выполняют функцию сравнения величин сигналов, определяя величину рассогласования угловых положений задающей и исполнительной частей устройства. ШИМ сигнал поступает на усилитель мощности, который управляет работой двигателя, соединенного с исполнительным механизмом сгибания-разгибания плеча. Отработка угла, заданного сигналом с датчика связного движения 15, завершится, когда величина рассогласования с сигналом датчика 3 обратной связи будет равна нулю. При этом двигатель остановится. Аналогично осуществляется работы системы управления связным движением предплечья и искусственной кисти.
В системе независимого управления сигналы электроэнцефалограммы, отражающие электрическую активность головного мозга инвалида, при помощи электродов 36 передаются на регистратор 35, после чего поступают на вход систем независимого управления 6, 7, состоящих из микроконтроллера и усилителя, и ШИМ сигналы, получаемые с усилителей передаются на исполнительные устройства ротации искусственной кисти и искусственной кисти. При воздействии на исполнительный орган внешних сил происходит одновременное воздействие на блоки датчиков 32, 33, 34 соответственно. При превышении значением, получаемым с датчика, установленного порога, усилие, создаваемое двигателем, ослабляется до тех пор, пока значение сигналов блоков датчиков 23, 24, 25 не окажется ниже порогового. Активный (приводной) шарнир сгибания плеча воспринимает нагрузку от веса всего исполнительного органа и сил, возникающих в процессе движения звеньев исполнительных устройств. Нагрузка, вызванная действием реактивных моментов, действующая в точке подвеса исполнительного органа, оказывает наибольшее влияние на точность выполнения движений. Исполнительный орган, выполняя маятниковые движения в вертикально-сагиттальной плоскости, оказывает воздействие на точку подвеса благодаря реактивному моменту колеблющейся системы. Сила, действующая в точке подвеса маятника, направлена горизонтально и стремится развернуть корпус оператора-инвалида. Наибольшее значение это воздействие имеет при пуске с большим ускорением, то есть при большом рассогласовании задающего сигнала и сигнала обратной связи, а также при наибольшем моменте инерции устройства - вытянутой искусственной руки. Инвалид воспринимает силу, действующую в точке подвеса, как внешнее воздействие. Время реакции инвалида на внешнее воздействие (латентный период), как оператора исполнительного органа, составляет ориентировочно 0,2 секунды. За это время точка подвеса исполнительного органа совершает неконтролируемое движение, которое вызывает погрешность в ориентации искусственной руки. Величина смещения точки подвеса зависит от массы подвижной части корпуса инвалида, массы исполнительного органа, угла его поворота и ускорений. Зная величину ускорения подвижной части корпуса инвалида в зоне подвеса исполнительного органа, можно определить величину смещения точки подвеса за время латентного периода. Величина ускорения в предлагаемом устройстве определяется с помощью датчика ускорений - акселерометра 20, который входит в состав блока коррекции 19. Сигнал от акселерометра, пропорциональный величине линейного ускорения, поступает в блок двойного интегрирования 21, который вырабатывает сигнал, пропорциональный величине смещения точки подвеса. Далее сигнал подается в определитель угла коррекции 22, который вырабатывает сигнал, пропорциональный величине угла, на который необходимо довернуть двигатель, расположенный на плече, чтобы компенсировать отклонение концевого звена. Функция определителя угла коррекции (w) может быть представлена формулой: w=k*x/R, где x - величина смещения точки подвеса исполнительного органа, R - расстояние от оси сгибания плеча до центра масс исполнительного органа, k - коэффициент пропорциональности. Знак угла коррекции зависит от направления вектора внешнего воздействия и, соответственно, знака ускорения точки подвеса. Сигнал, пропорциональный углу коррекции, поступает на микроконтроллер 11 в качестве дополнительного сигнала управления. Здесь происходит суммирование всех поступающих сигналов управления, а после преобразования и усиления сигнал поступает на двигатель, соединенный с исполнительным механизмом сгибания-разгибания плеча. Коррекция выполняется автоматически и компенсирует отклонение, вызванное внешним воздействием, пока оператор-инвалид сам не начнет регулировать положение искусственной руки по прошествии латентного периода за счет движения надплечья, освобожденного в данном устройстве от несения весовой нагрузки исполнительного органа.
Предложенное устройство протеза руки может быть применено при коротких культях плеча, после одностороннего и двустороннего вычленения плечевого сустава, а также после вычленения ключицы и лопатки.
Технико-экономическая эффективность полезной модели заключается в повышении удобства инвалида благодаря повышению точности манипулирования, снижению напряженности при управлении протезом, а также повышении функциональности устройства благодаря возможности управления с учетом внешних силовых воздействий и возможности гибкого управления кистью за счет управления посредством сигналов электроэнцефалограммы.
Пример конкретного исполнения
Наплечник выполнен в виде бандажа для плечевого сустава, жесткое крепление - в виде пластикового каркаса, позволяющего фиксировать устройство на теле инвалида. Исполнительный орган выполнен в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов, в качестве которых выбраны оптические энкодеры, расположенные в местах соединения звеньев. Исполнительные механизмы представлены электродвигателями постоянного тока. Микроконтроллер семейства AVR, усилитель мощности, выполненный на основе транзисторной силовой платы управления двигателями и электродвигатель постоянного тока собраны в единый корпус и представляют собой системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти, исполнительным механизмом искусственной кисти и три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча, предплечья и искусственной кисти. Задающий орган выполнен в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением, в качестве которых используются оптические энкодеры. Блок двойного интегрирования и определитель угла коррекции выполнены на основе микроконтроллеров семейства AVR и объединены с трехосевым MEMS акселерометром в единый корпус, представляют собой блок коррекции положения звена плеча. Датчики силового воздействия, выполнены в виде резистивных датчиков контроля прикладываемой силы и расположены в пазах на поверхности исполнительного органа и схвата в точках, указанных в описании полезной модели. Регистратор сигналов электроэнцефалограммы - выполнен в виде портативного энцефалографа, производящего обмен данными по беспроводному протоколу, что позволяет крепить его в любом месте на теле инвалида. Электроды мокрого типа выполнены по пассивной технологии с возможностью неинвазивного крепления на голове инвалида. Блок обработки сигналов электроэнцефалограммы выполнен на основе микроконтроллера с ARM архитектурой.
Таким образом, заявляемая модель обеспечивает создание устройства для повышения удобства инвалида благодаря повышению точности манипулирования, снижения напряженности при управлении протезом, а также повышения функциональности устройства благодаря возможности управления с учетом внешних силовых воздействий и возможности гибкого управления кистью за счет управления посредством сигналов электроэнцефалограммы.