Нейрофизиологическое управление мехатронным протезом руки

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ 8
1.1 История прогресса протезов 8
1.2 Особенности управления протезами при различных ампутациях 10
1.3 Методы управления с обратной связью 12
1.4 Адаптивные методы управления 15
1.5 Нейроинтерфейсы 19
1.6 Мышечные синергии 25
1.7 Другие методы управления протезами предплечья 26
1.8 Самообучающиеся системы 27
1.9 Применение инвазивных методов 31
1.10 Интуитивное управление 33

2 СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ПРОТЕЗА 36
2.1 Исследование кинематики и динамики биологической конечности 36
2.1.1 Кинематика 36
2.1.2 Мощность кисти и пальцев 38
2.1.3 Наиболее распространенные виды схватов руки 39
2.2 Прототип модели руки на нитевых тягах 44
2.2.1 Описание механических передач, электродвигатель и элементы исполнительной системы 45
2.2.2 Модульный протез кисти 46
2.3 Анализ функциональности модели 50
2.3.1 Кинематика модели 50
2.3.2 Основные виды захватов модульного протеза кисти 54
2.4 Нейрофизиологическая система управления протезом 54
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ 57
3.1 Компьютерное моделирование прототипа протеза 57
3.1.1 Вид протеза целиком в исходном положении 58
3.1.2 Виды схватов, возможные для реализации на данном протезе 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 64

Весь текст будет доступен после покупки

В современном мире мехатронные протезы руки стали неотъемлемой частью жизни людей, которые столкнулись с ограничением своей физической активности из-за утраты руки. Такие протезы значительно улучшают качество жизни инвалидов и позволяют им вести более активный образ жизни. Однако, для улучшения функционала подобных устройств требуется разработка новых и инновационных решений. Именно в этой области нейрофизиологическое управление мехатронным протезом руки может предложить путь к более эффективной реализации этой технологии.
Разработка протезно-ортопедических изделий (ПОИ) для решения проблем, связанных с нарушением функций опорно-двигательного аппарата, основана на глубоком понимании особенностей двигательного аппарата человека и закономерностей его движений. В данной работе рассматриваются различные типы протезов верхних конечностей, включая протезы на уровне кисти и пальцев, предплечья, плеча и после вычленения соответствующей части конечности. Учитывая высокую вариативность структур организма, особенно у людей с врожденными недоразвитиями, медицинская экспертиза является необходимой перед непосредственным протезированием. В статье представлены результаты анализа современных научно-технических достижений в области разработки систем управления (СУ) протезами верхних конечностей, проанализированы достоинства и недостатки основных типов протезов и рассмотрена эффективность СУ для каждого конкретного вида ампутации, а также указаны перспективные направления дальнейших исследований для трех основных видов протезов верхних конечностей.

Весь текст будет доступен после покупки

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ
1.1 История прогресса протезов

Проектирование протезов верхних конечностей в течение долгого времени эволюционировало в соответствии с уровнем достигнутых технологий. Начиная с древних деревянных и железных протезов, эта технология продолжила развиваться, включая механические элементы, такие как храповые механизмы, системы рычагов, тяг, шарниров, пружин и шестерней, что позволило управлять схватом и раскрытием кисти, а также использовать операторские протезы.

Рис. 1 Пример старинных протезов

Однако, механические протезы имели серьезные недостатки, такие как искусственное ограничение силы схвата и незначительную развиваемую силу в протезах. Первый мехатронный протез был изобретен в 1508 году итальянским инженером Леонардо да Винчи. Он создал руку-протез, которая смогла выполнять множество функций и задач.
Однако это был одиночный случай, и мехатронные протезы оставались в рамках экспериментов и исследований до XX века.
В 1912 году немецкий ученый и изобретатель Фердинанд Порше создал первый опытный ножной протез. Он использовал механизмы и пружины, благодаря которым протез сохранял свою форму и мог выполнять движения, соответствующие движениям стопы.
В 1948 году произошла революция в области мехатронных протезов, когда был изобретен первый электрический протез. Новый протез использовал электрический мотор для создания движения, а не пружины и механизмы.
С тех пор технологии стали совершенствоваться, и появились более современные протезы. В 1971 году появился первый микропроцессор, который использовался в протезах для контроля движений.
В 1993 году компания DEKA Research & Development создала протез-руку DEKA Arm, которая использовала продвинутую технологию микропроцессоров и быстродействующих электромеханических систем для управления движениями протеза.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Курдыбайло С.Ф., Замилацкий Ю.И., Андриевская А.О., Буров Г.Н., Антипов А.В., Чекушина Г.В., Петров В.Г. Конструкции протезов верхних конечностей. Учебное пособие (исторический очерк). СПб: Нимфа, 2009. 458 с.
2. Киракозов Л.Р., Монахова М.И. Исследование рынка высокофункциональных электромеханических кистей для протезов верхних конечностей с биоэлектрическим управлением // Вестник всероссийской гильдии протезистов-ортопедов. 2014. № 4 (58). С. 23–26.
3. Буров Г.Н., Большаков В.А., Большакова М.А. Принципы создания современных реабилитационных устройств в протезировании верхних конечностей // Вестник всероссийской гильдии протезистов-ортопедов. 2017. № 1 (63). С. 9–13.
4. Большаков В.А., Буров Г.Н. К вопросу формирования системы управления протезом при ампутационных дефектах в пределах предплечья // Вестник всероссийской гильдии протезистов-ортопедов. 2014. № 4 (58). С. 31–33.
5. Буров Г.Н. Анализ систем управления протезами верхних конечностей / Руководство по протезированию и ортезированию / под ред. М.А. Дымочки, А.И. Суховерховой, Б.Г. Спивака. 3-е изд. Т. 2. М., 2016. С. 106–116.
6. Кужекин А.П., Морейнис И.Ш., Якобсон Я.С. и др. Конструкции протезно-ортопедических изделий. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. 240 с.
7. Буров Г.Н., Большаков В.А. Определение требований к источникам управляющих сигналов системы управления протезом предплечья // Вестник всероссийской гильдии протезистов-ортопедов. 2017. № 2 (64). С. 36–40.
8. Буров Г.Н., Большаков В.А. Исследование компенсаторных движений с использованием гониометрического комплекса после ампутаций предплечья // Вестник всероссийской гильдии протезистов-ортопедов. 2014. № 2 (56). С. 15–19.
9. Pasluosta C.F., Chiu A.W.L. Modulation of grasping force in prosthetic hands using neural network-based predictive control // Methods in Molecular Biology. 2015. V. 1260. P. 179–194. doi: 10.1007/978-1-4939-2239-0_11
10. Rasouli M. et al. Stable force-myographic control of a prosthetic hand using incremental learning // Proc. 37th Annual Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Milan, Italy, 2015. P. 4828–4831. doi: 10.1109/embc.2015.7319474
11. Fukushima S., Nozaki T., Ohnishi K. Development of haptic prosthetic hand for realization of intuitive operation // Proc. 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2016. P. 6403–6408. doi: 10.1109/IECON.2016.7793456
12. Ortega-Palacios R. et al. Low-cost upper limb prosthesis, based on opensource projects with voice-myoelectric hybrid control // Proc. GMEPE/PAHCE. Porto, Portugal, 2018. doi: 10.1109/GMEPE-PAHCE.2018.8400727
13. Mablekos-Alexiou A. et al. A biomechatronic extended physiological proprioception (EPP) controller for upper-limb prostheses // Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. Hamburg, Germany, 2015. P. 6173–6178. doi: 10.1109/IROS.2015.7354257
14. Dosen S. et al. EMG biofeedback for online predictive control of grasping force in a myoelectric prosthesis // Journal of Neuro Engineering and Rehabilitation. 2015. V. 12. N 1. doi: 10.1186/s12984-015-0047-z

Весь текст будет доступен после покупки