Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

МЕХАТРОННЫЙ ПРОТЕЗ СУСТАВА

Научная статья
Уразбахтин Р.Р.
Вавилов В.Е.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.60.061
Выпуск: № 6 (60), 2017
Опубликована:
2017/06/19
PDF

Уразбахтин Р.Р.1, Вавилов В.Е.2

1Студент, Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет, 2Старший преподаватель кафедры Электромеханики, Уфимский государственный авиационный технический университет

МЕХАТРОННЫЙ ПРОТЕЗ СУСТАВА

Аннотация

В статье рассмотрены существующие варианты реализации протезов, а конкретнее протезы, содержащие вакуумные насосы в качестве привода, и протезы, в которых отсутствует привод. Выявлены недостатки существующих протезов. Далее в статье авторами предлагается новый вариант реализации протеза – мехатронный протез сустава, в котором отсутствуют выявленные у существующих протезов недостатки. Описаны устройство мехатронного протеза сустава, принцип  работы мехатронного протеза сустава и варианты реализации системы управления мехатронным протезом сустава.

Ключевые слова: протезы, недостатки существующих протезов, новый вариант реализации протеза, мехатронный протез сустава, система управления мехатронным протезом сустава.

Urazbakhtin R.R.1, Vavilov V.E.2

1Student, Ufa State Aviation Technical University, 2Senior Lecturer of Electro-mechanics Department, Ufa State Aviation Technical University

MECHATRONIC JOINT PROSTHESIS

Abstract

The article examines existing options for the realization of prostheses, and more specifically, prostheses containing vacuum pumps as a drive, and prostheses with no drive. Shortcomings of the existing prostheses are discussed. The authors propose a new version of the prosthesis realization – the mechatronic joint prosthesis – with no shortcomings characteristic of the existing prostheses. Mechatronic joint prosthesis, its principles and the implementation of the mechatronic joint prosthesis management system are described in the paper.

Key words: prostheses, shortcomings of existing prostheses, a new version of the prosthesis, a mechatronic joint prosthesis, mechatronic joint prosthesis control system.

В настоящее время очень часто происходят аварии, результатом которых являются утрата конечностей или неизлечимые травмы конечностей человека. Для того чтобы скомпенсировать человеку часть возможностей, утраченных при потере конечности, прибегают к протезированию.

Раньше протез представлял собой механическое устройство, выполненное без возможности совершать свойственные человеку движения или совершать их посредством приложения внешней силы. На сегодняшний день существуют сложные мехатронные системы, которые способны совершать движения за счет установленных в них насосов или электродвигателей, а управление ими происходит либо через нервную систему человека, либо за счет слабых воздействий культи на чувствительную часть протеза [1].

В статье предлагается новый вариант реализации протеза, разработанный авторами статьи, который может послужить заменой коленного сустава или локтевого сустава. В дальнейшем предлагаемое устройство будем называть мехатронный протез сустава.

Мехатронный протез сустава относится к не имплантируемым внутрь организма протезам.

За основу мехатронного протеза взяты разработки, в которых в качестве привода используется вакуумный насос [1].

Например, известен протез коленного сустава, содержащий верхнюю часть, которая имеет верхние средства соединения, и установленную с возможностью поворота на верхней части нижнюю часть, которая имеет нижние средства соединения. При этом протез коленного сустава снабжен имеющим вход и выход вакуумным насосом, который приводится в действие за счет относительного движения верхней части относительно нижней части [2, Заявка на патент РФ №2013107603, A61F2/64, 27.08.2014].

Также известен протезный коленный сустав, содержащий верхнюю часть, которая имеет верхние средства соединения, и установленную с возможностью поворота на верхней части нижнюю часть, которая имеет нижние средства соединения. Протезный коленный сустав снабжен имеющим вход и выход вакуумным насосом, который приводится в действие за счет относительного движения верхней части относительно нижней части. Вакуумный насос интегрирован в верхнюю часть и соединен с вакуумным стволом [3, Патент РФ №2569027, A61F2/64, 21.07.2011].

Недостатками протезов, в которых в качестве привода используется вакуумный насос, являются низкая скорость выполнения протезом желаемых действий, большая масса протеза и подверженность используемого в протезе вакуумного насоса износу. Низкая скорость выполнения протезом желаемых действий обусловлена необходимостью нагнетать в нем давление для осуществления необходимого движения. Протез имеет существенную массу, так как большой массой обладает вакуумный насос. Подверженность износу вакуумного насоса, используемого в качестве привода, объясняется его конструкцией.

Стоит отметить, что существуют протезы, в которых отсутствует привод. То есть протез выполнен либо без возможности совершать движения, либо выполнен с возможностью совершать движения под действием внешней силы. В связи с этим такие протезы неудобны в использовании. Предлагаемый мехатронный протез сустава более функциональный и удобный в использовании по сравнению с протезами, в которых отсутствует привод.

В настоящее время возможно создать насос, который будет лишен вышеперечисленных недостатков и будет иметь ряд преимуществ по отношению к имеющимся техническим решениям. Схема предлагаемого устройства представлена на рисунке 1.

29-06-2017 12-05-11

Рис.1 – Мехатронный протез сустава: 1 – корпус неподвижной части протеза; 2 – правые и левые электромагниты; 3 – металлическая пластина; 4 – направляющая; 5 – область без газа; 6 – область с газом; 7 – канал для прохождения газа; 8 – трубка; 9 – подвижная часть протеза; 10 – ось

 

Мехатронный протез сустава состоит из следующих частей: корпуса неподвижной части 1, правых и левых электромагнитов 2, подвижной металлической пластины 3, направляющей 4, области 5, в которой создается вакуум, заполненной газом области 6, канала для прохождения газа 7, трубки 8, подвижной части 9.

Мехатронный протез сустава устроен следующим образом. В корпусе неподвижной части 1 неподвижно закреплены правые и левые электромагниты 2. Подвижная металлическая пластина 3 механически закреплена на направляющей 4 и выполнена с возможностью перемещения вдоль нее.  Направляющая 4 необходима для придания металлической пластине 3 точного направления движения. Слева от подвижной металлической пластины 3 внутри корпуса неподвижной части 1 находится область 5, в которой создается вакуум. Справа от подвижной металлической пластины 3 находится заполненная газом область 6. Газ из области 6 не может попасть в область 5, потому что металлическая пластина 3 плотно прилегает к корпусу неподвижной части 1. Из заполненного газом пространства 6 газ по каналу для прохождения газа 7 может проходить в трубку 8. Трубка 8, выполненная с возможностью сжимания и разжимания, механически соединена с корпусом неподвижной части 1 и с подвижной частью 9. Подвижная часть 9 механически соединена с корпусом неподвижной части 1 посредством оси 10 (см. Рис.1). Предполагается, что корпус неподвижной части 1 соединяется с культей, а подвижная часть 9 может механически соединятся с необходимой частью протеза, которая индивидуально подбирается для пациента, исходя из его потребностей. Неподвижная часть мехатронного протеза сустава представляет собой правые и левые электромагниты 2, металлическую пластину 3, направляющую 4, находящиеся в корпусе неподвижной части 1. Корпус неподвижной части 1 крепится к культе, при этом обеспечивается крепление всей неподвижной части к культе. Подвижная и неподвижная части находятся в общем защитном корпусе, выполненном с возможностью прохождения внутри двигательных процессов мехатронного протеза сустава.

Мехатронный протез сустава функционирует следующим образом. Изначально протез находится в состоянии, соответствующем разогнутому положению конечности человека. При этом подвижная металлическая пластина 3 находится максимально близко к левым электромагнитам 2, за счет сил притяжения электромагнитов 2. При необходимости совершения мехатронным протезом движения меняется режим работы электромагнитов 2 и подвижная металлическая пластина 3 начинает смещаться в сторону правых электромагнитов 2. При этом увеличивается область 5, в которой создается вакуум. Подвижная металлическая пластина 3 двигается по направляющей 4 и воздействует на газ, заключенный в области 6, равномерно. В результате давления на газ подвижной металлической пластины 3 газ из области 6 через канал для прохождения газа 7 попадает в трубку 8. В результате этого трубка 8 начинает разжиматься. Газ, который находится в трубке 8, давит на подвижную часть 9. Поэтому подвижная часть 9 приходит в движение. Движение подвижной части 9 происходит по круговой траектории так, что движение мехатронного протеза сустава повторяет сгибание человеком конечности на прямой угол  за счет того, что она соединена с корпусом неподвижной части мехатронного протеза сустава 1 посредством оси 10. Толщина подвижной металлической пластины 3 подобрана так, что при нахождении в крайнем правом состоянии пластина 3 закрывает собой канал для прохождения газа 7, что не дает газу выйти обратно в область 6 из трубки 8. Таким же образом обеспечивается фиксация подвижной части 9 протеза в крайнем возможном положении, при котором правый конец подвижной части 9 максимально удален от корпуса неподвижной части 1. При необходимости вернуть протез в исходное положение производится изменение режима электромагнитов 2. В результате этого подвижная металлическая пластина 3 начинает смещаться влево, и газ из трубки 8 выходит через канал для прохождения газа 7 в область 6. При этом трубка 8 сжимается, и подвижная часть 9 возвращается в исходное положение. Также предполагается, что на корпусе неподвижной части 1 и на подвижной части 9 можно установить электромагниты, которые будут обеспечивать удержание неподвижной части 9 максимально близко к корпусу неподвижной части 1.

Для мехатронного протеза сустава предлагается использовать два варианта системы управления. Во-первых, можно использовать физический вариант управления мехатронным протезом сустава, то есть мехатронный протез будет устроен таким образом, что  начнет двигаться после того, как датчики системы управления уловят сокращения мышц культи. Недостатками такой реализации системы управления мехатронным протезом сустава являются длительный срок обучения использованию мехатронного протеза сустава и не всегда правильное распознавание системой управления желаемых действий. Однако протезы с такой системой управления существуют на сегодняшний день, поэтому ее можно без проблем реализовать на практике. Во-вторых, можно использовать систему управления, датчики которой соединены с нервными окончаниями культи. Система управления устроенная таким образом получает и обрабатывает сигналы идущие от головного мозга по нервным окончаниям культи, а затем передает их мехатронному протезу сустава. При применении такой схемы пользователю мехатронного протеза сустава не придется учиться управлять таким протезом, ведь он будет частично интегрирован в его организм. Но на сегодняшний день существуют трудности реализации данной схемы управления протезом. Сигнал, поступающий к протезу, представляет собой очень слабый электрический ток, но силы этого электрического тока не достаточно для того, чтобы дать протезу сигнал к действию. Поэтому в системе управления необходима установка модуля, позволяющего усилить этот электрический ток [4].

Итак, предлагаемый мехатронный протез сустава обладает лучшими по сравнению с протезами, содержащими вакуумный насос, характеристиками. У мехатронного протеза сустава выше скорость выполнения желаемых действий, меньше вес и меньшая степень подверженности износу. Поэтому применение мехатронного протеза сустава на практике будет более удобным для пациента, нежели применение протеза, содержащего вакуумный насос.

Список литературы / References

  1. Как работают бионические протезы [электронный ресурс]. - URL: http://www.popmech.ru/science/235633-kak-rabotayut-bionicheskie-protezy/(дата обращения: 01.05.2017).
  2. Заявка на патент РФ №2013107603, A61F2/64, 27.08.2014
  3. Патент РФ №2569027, A61F2/64, 21.07.2011
  4. Щукин Т. Задача управления биопротезом и ее возможные решения / Щукин Т. // Труды 2-й Российской конференции «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях - 2011» (Нижний Новгород). - Н. Новгород: Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2011. - с.238.
  5. Е.С. Фролов Механические вакуумные насосы / Е.С. Фролов, И.В. Автономова, В.И. Васильев, Н.К. Никулин, П.И. Пластинин - М.: Машиностроение, 1989. - 288 с.
  6. Компания Ossur создала управляемый мыслью протез [электронный ресурс]. - URL: http://gagadget.com/science/17039-kompaniya-ossur-sozdala-upravlyaemyij-myislyu-protez (дата обращения: 01.05.2017)
  7. Implantable Myoelectric Sensors [электронный ресурс]. - URL: http://neural.iit.edu/research/imes/ (дата обращения: 01.05.2017).
  8. Протезы нового поколения (часть 2) [электронный ресурс]. - URL: http://medbooking.com/blog/post/integrirovannoje-protezirovanije-dostizhenija-i-perspektivy (дата обращения: 01.05.2017).
  9. Сафин Д.Р. Оценка эффективности различных конструкций электродов и усилителей биосигналов в системах управления протезами / Сафин Д.Р., Пильщиков И.С., Гусев В.Г., Ураксеев М.А. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2009. – №2(10). – c.88–101
  10. Raspopovic S Restoring natural sensory feedback in real-time bidirectional hand prostheses. / Raspopovic S, Capogrosso M, Petrini FM, Bonizzato M, Rigosa J, Di Pino G, Carpaneto J, Controzzi M, Boretius T, Fernandez E, Granata G, Oddo CM, Citi L, Ciancio AL, Cipriani C, Carrozza MC, Jensen W, Guglielmelli E, Stieglitz T, Rossini PM, Micera S - Sci Transl Med 2014, 6(222):222ra19
  11. Aszmann OC Bionic reconstruction to restore hand function after brachial plexus injury: a case series of three patients. / Aszmann OC, Roche AD, Salminger S, Paternostro-Sluga T, Herceg M, Sturma A, Hofer C, Farina D. - The Lancet 2015, 385(9983):2183-2189
  12. Электроника для человеческого тела: 9 современных кибернетических улучшений [электронный ресурс]. - URL: http://www.facepla.net/the-news/electronics-news-mnu/2046-e-man.html (дата обращения: 01.05.2017).

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Kak rabotajut bionicheskie protezy [How bionic dentures work] [Electronic resource]. - URL: http://www.popmech.ru/science/235633-kak-rabotayut-bionicheskie-protezy/ (accessed: 01.05.2017).
  2. Patent application RF №2013107603, A61F2/64, 27.08.2014
  3. RF patent №2569027, A61F2/64, 21.07.2011
  4. Shhukin T. Zadacha upravlenija bioprotezom i ee vozmozhnye reshenija [The task of managing the bionic prosthesis and its possible solutions] / Shhukin T. // Proceedings of the 2nd Russian conference "Nonlinear dynamics in cognitive studies - 2011" (Nizhny Novgorod). - N. Novgorod: Nizhny Novgorod: IPF RAN, 2011. – 238 p. [in Russian]
  5. E.S. Frolov Mehanicheskie vakuumnye nasosy [Mechanical vacuum pumps] / E.S. Frolov, I.V. Avtonomova, V.I. Vasil'ev, N.K. Nikulin, P.I. Plastinin - M.: Mashinostroenie, 1989. - 288 p.
  6. Kompanija Ossur sozdala upravljaemyj mysl'ju protez [The company OSSUR has created a thought controlled prosthesis] [Electronic resource]. - URL: http://gagadget.com/science/17039-kompaniya-ossur-sozdala-upravlyaemyij-myislyu-protez (accessed: 01.05.2017).
  7. Implantable Myoelectric Sensors [Electronic resource]. - URL: http://neural.iit.edu/research/imes/ (accessed: 01.05.2017).
  8. Protezy novogo pokolenija (chast' 2) [Prostheses of the new generation (part 2)] [Electronic resource]. - URL: http://medbooking.com/blog/post/integrirovannoje-protezirovanije-dostizhenija-i-perspektivy (accessed: 01.05.2017).
  9. Safin D.R. Ocenka jeffektivnosti razlichnyh konstrukcij jelektrodov i usilitelej biosignalov v sistemah upravlenija protezami [Evaluation of the effectiveness of different designs of electrodes and amplifiers biosignals in the control systems of prostheses] / Safin D.R., Pil'shhikov I.S., Gusev V.G., Urakseev M.A. // News of higher educational institutions. Povolzhskiy region. Technical Sciences. – 2009. – №2(10). – p.88–101
  10. Raspopovic S Restoring natural sensory feedback in real-time bidirectional hand prostheses. / Raspopovic S, Capogrosso M, Petrini FM, Bonizzato M, Rigosa J, Di Pino G, Carpaneto J, Controzzi M, Boretius T, Fernandez E, Granata G, Oddo CM, Citi L, Ciancio AL, Cipriani C, Carrozza MC, Jensen W, Guglielmelli E, Stieglitz T, Rossini PM, Micera S - Sci Transl Med 2014, 6(222):222ra19
  11. Aszmann OC Bionic reconstruction to restore hand function after brachial plexus injury: a case series of three patients. / Aszmann OC, Roche AD, Salminger S, Paternostro-Sluga T, Herceg M, Sturma A, Hofer C, Farina D. - The Lancet 2015, 385(9983):2183-2189
  12. Jelektronika dlja chelovecheskogo tela: 9 sovremennyh kiberneticheskih uluchshenij [Electronics for the human body: 9 modern cybernetic enhancements] [Electronic resource]. -  URL: http://www.facepla.net/the-news/electronics-news-mnu/2046-e-man.html (accessed: 01.05.2017).