Изготовление редукторов прототипа протеза руки с искусственными мышцами. Тестирование, отладка и испытания редукторов прототипа протеза руки с искусственными мышцами. Разработка 3D модели, сборка, тестирование, отладка и испытания лучезапястного сочленения прототипа протеза с искусственными мышцами. Разработка программного обеспечения внутренних систем прототипа протеза руки с искусственными мышцами. Тестирование, отладка и испытания программного обеспечения внутренних систем прототипа протеза руки с искусственными мышцами. Разработка 3D модели, сборка, тестирование, отладка и испытания предплечья и культиприёмной гильзы прототипа протеза с искусственными мышцами. Отладка металлических деталей прототипа протеза с искусственными мышцами. Разработка 3D модели, сборка, тестирование, отладка и испытания корпуса прототипа протеза с искусственными мышцами. Испытания прототипа протеза руки с искусственными мышцами.

Научно-технический отчет содержит 30 страниц, 11 рисунков, 7 таблицы, 1 приложение 1 часть. Ключевые слова: протезирование, миоэлектрический протез, искусственная мускула, гидравлическая мускула, бионический протез, протез на гидравлике. Объектом исследований является разработка прототипа протеза руки с искусственными мышцами. Цель работы произвести разработку приводных механизмов, программного обеспечения, компонентов прототипа протеза руки и его испытания. Выполнено изготовление редукторов прототипа протеза руки с искусственными мышцами. Изготовлены детали рудуктора для проверки работоспособных концепций приводов прототипа протеза: на 3D принтере, фрезерном и токарном станках. При изготовлении деталей на 3D принтере использовалась прочная фотополимерная смола Resione K для достижения необходимой точности компонентов, прочности и небольшой стоимости. Указанная смола сочетает в себе высокую жёсткость, гибкость и способность выдерживать растяжение. Технические характеристики: • Жесткость — 82 D • Прочность на растяжение: 52.5 МПа • Длина волны отверждения — 405 нм • Предел прочности на изгиб: 60.8 МПа • Ударная прочность по Изоду (с надрезом): 58.4 Дж/м • Удлинение при разрыве:16.8% • Прочность на растяжение — 23,4 МПа Вязкость (28 °С): 307 МПа/с Для более простых деталей, не нуждающихся в точности и прочности использовалась печать из PETG и ABS пластиков. Компоненты, на которые оказывается высокая нагрузка изготавливались на фрезерном и токарном станках из стали и конструкционного дюралюминия Д16Т. Выполнено тестирование, отладка и испытания редукторов прототипа протеза руки с искусственными мышцами. При испытании редуктора использовался бесколлекторный двигатель E-flite Six-Series и регулятор скорости HobbyWing SkyWalker 40A. При 2000 об/мин двигателя, на выходе редуктор совершает 18 об/мин. Рабочее давление, создаваемое данным мотор-редуктором достигает 50 бар. Что соответствует необходимому рабочему давлению в системе, при использовании искусственных мускулов. Также в качестве редуктора был выбран шестерёнчатый редуктор в связи с практичностью применения с насосом высокого давления. Шестерёнчатый редуктор имеет шесть каскадов суммарным передаточным числом 1:86. Корпус был выфрезерован из алюминия, для прочности и небольшого веса конструкции. В качестве мотора был выбран мотор R8 с максимальной частотой вращения 82000 оборотов в минуту, максимальным током 800 миллиампер при напряжении 3,7 вольт. На выходе мы получили усилие равное 7 кг/см2., при рычаге 12 мм. Тестирование редуктора вкупе с насосом показало нецелесообразность применения редуктора в гидросистеме данного типа, так как: установлено чрезмерно высокое давление в гидросистеме, при недостаточном объеме производительности насоса. Исходя из полученных данных, для разработки прототипа протеза руки было решено внедрить в гидросистему насос шестеренчатого типа с прямым приводом от вала низкооборотистого бесколлекторного двигателя с высоким крутящим моментом. Выполнена разработка 3D модели, сборка, тестирование, отладка и испытания лучезапястного сочленения прототипа протеза с искусственными мышцами. Лучезапястный сустав включает в себя: среднюю крестовину - 3, внешний крепежный элемент кисти – 1, внешний крепежный элемент кисти - 2, крепление предплечья - 6 и подшипники. Между крепежным элементом кисти - 1, крепежным элементом кисти - 2 и средней - 3 крестовиной находятся упорный подшипник – 4 и упорный подшипник - 5, расположенные сверху и снизу средней крестовины. Данный элемент ответственен за наклоны кисти право-лево. В центре находится вертикальное отверстие для крепежного болта. За наклон кисти внутрь наружу ответственно соединение крепления предплечья - 6 и средней крестовины - 3 с горизонтальным отверстием, где располагаются шариковые подшипники. Ротационный механизм включает в себя: вращающуюся муфту - 3, крепежное кольцо - 1, крепежное кольцо - 2, сепаратор - 4, шарики и ролики. Крепежное кольцо - 1 имеет желоб диаметром 4 мм для размещения в нем шариков и стыкуется с желобом крепежного кольца - 2. Вращающаяся муфта - 3 на кольце с большим диаметром имеет углубление для размещения в нем роликов, которые удерживает сепаратор - 4. Снизу вращающейся муфты - 3 находится углубление с диаметром 3 мм для размещения в нем шариков, которое стыкуется с углублением находящимся на крепежном кольце - 2. Для этого необходимо вращающуюся муфту - 3 вставить в крепежное кольцо - 2 через отверстие с большим диаметром. Вращающаяся муфта - 3 кольцом с меньшим диаметром крепится на болты к крепежному кольцу - 1, благодаря чему достигается возможность поворота. Детали лучезапястного сочленения были изготовлены на 3D принтере. При изготовлении деталей на 3D принтере использовалась прочная фотополимерная смола Resione K для достижения необходимой точности компонентов, прочности и небольшой стоимости. Для более простых деталей, не нуждающихся в точности и прочности использовалась печать из PETG и ABS пластиков. В ходе испытания лучезапястного сочленения было выявлено, что кисть имеет возможность совершать наклоны внутрь и наружу, повороты вправо - влево, а так-же вращаться по часовой и против часовой стрелки. Выполнена разработка программного обеспечения внутренних систем прототипа протеза руки с искусственными мышцами. В ходе разработки программного обеспечения внутренних систем прототипа протеза руки с искусственными мышцами было принято решение использовать в основе фильтрации миоэлектрических сигналов нейронную сеть. Программное обеспечение было написано на языках программирования Python и Arduino C. Python использовался для написания нейронной сети, которая была развернута на микрокомпьютере Orange PI 5. Arduino C в свою очередь применялся для создания программ в микроконтроллерах Arduino, управляющих сервоприводами, бесколлекторным мотором, тензодатчиками и потенциометрами. Распознавание жестов в нейронной сети основано на способности миографических датчиков регистрировать процессы биоэлектрического типа, происходящие в мышечной ткани во время изменения состояния. Сигналы с группы датчиков, расположенных в определённых местах, поступают в микроконтроллер Arduino, где происходит сбор показаний в режиме реального времени. Собранные данные передаются посредством соединения с COM-портом микрокомпьютера Orange PI 5 в среду программного обеспечения для дальнейшей обработки. Проводное соединение выбрано для обеспечения скорости передачи данных и помехозащищенности на стадии разработки. В программе происходят следующие этапы обработки: Визуализация - для визуального контроля входных данных и настроек обработки. Определение максимумов - для передачи в нейронную сеть берутся максимальные значения входных сигналов по модулю, т.к. входные значения имеют синусоидальный характер Среднее-скользящее - для сглаживания данных временных рядов, чтобы уменьшить «шум» в данных и упростить выявление закономерностей и тенденций. Частотный анализ - для выделения большего кол-ва признаков из потока входных сигналов выделяются диапазоны частот, в которых происходили сокращения мышц. Берется максимальное значение, и частота, на которой максимальное значение зафиксировано. Данные собираются в массив и в зависимости от режима работы передаются в модуль нейронной сети (написанной на Python) для выделения признаков и дальнейшего распознавания набора жестов или записываются в файл для создания датасета используемого в процессе обучения нейронной сети. Модель нейронной сети построена по принципу обучения с учителем для решения задач классификации. Для этого собранные данные объединяются в датасет затем размечаются, в зависимости от архитектуры сети - приводятся к требуемому виду и подаются на вход нейронной сети для обучения. Схема модели нейронной сети состоит из входного Conv слоя, который принимает данные, затем идет несколько скрытых слоев (MaxPooling, Flatten, Dense) в которых производятся необходимые вычисления и формируются признаки необходимых жестов. Затем данные поступают на выходной слой, состоящий из кол-ва требуемых классов. В конце сеть выдает результат о распознанном жесте и процентное отношение насколько это распознавание близко к требуемым жестам. Результат, в виде команды, передается обратно в микроконтроллер. Микроконтроллер распределяет управление сервоприводами с учетом сигналов, приходящих от датчиков давления каждого пальца и при достижении установленных порогов нагрузки или угла сгиба происходит отключение привода и фиксация жеста. Выполнено тестирование, отладка и испытания программного обеспечения внутренних систем прототипа протеза руки с искусственными мышцами. При испытаниях программного обеспечения внутренних систем прототипа протеза руки с искусственными мышцами использовались 3 миоэлектрических датчика Elemyo 1.4 и 3 миоэлектрических датчика DFRobot OYMotion. 5 тензодатчиков размещенных на кончиках пальцев в силиконовых оболочках для лучшего распределения усилия по датчику, 5 потенциометров, 1 микрокомпьютер Orange PI 5, 1 микроконтроллер Arduino Nano и 1 микроконтроллер Arduino Mega. Располагаем миоэлектрические датчики на предплечье, стараясь учитывать расположение над мышцами. Предварительно обезжирив поверхности руки и контактов датчиков спиртовой салфеткой для уменьшения помех. Подключаем устройство, состоящее из Arduino Nano и датчиков, в разъем USB Orange PI 5. В другой разъем USB Orange PI 5 подключаем плату Arduino Mega соединенной с исполнительными устройствами. На Orange PI 5 запускаем программное обеспечение, состоящую из блоков: • Сбора потока данных с датчиков • Обработки входящих данных • Визуализации • Органов управления и настройки • Нейронного модуля • Канала отправки команд на исполнительные устройства Органами управления настраиваем обработку входных данных с датчиков. Немного смещая каждый датчик на руке, добиваемся четкой реакции датчиков (группы датчиков) на требуемые жесты. После настройки в меню программного обеспечения подключаем модуль с нейронной сетью (предварительно обученный на нескольких десятках тысяч срезов жестов пациента). После этого модуль нейросети определяет в потоке данных необходимый жест. После выделения жеста и уверенном его распознавании 4 раза подряд с уверенностью в 99% подается команда на исполнительные механизмы. Arduino Mega соединенная с исполнительными устройствами получает команды и учитывая особенности приводов и их положения на основе датчиков производит управление механической частью. На основе полученной информации можно сделать вывод, что испытания разработанного программного обеспечения прошли успешно. Выполнена разработка 3D модели, сборка, тестирование, отладка и испытания предплечья и культиприёмной гильзы прототипа протеза с искусственными мышцами. В ходе работы были разработаны предплечье и культиприёмная гильза. Предплечье вмещает в себя гидронасос, соединяется с крестовиной кисти и культиприёмной гильзой. Снаружи предплечье усилено тремя алюминиевыми рейками. Культиприёмная гильза имеет отверстия для крепления ремешков, которые будут помогать распределять вес конструкции протеза. Также на культиприёмной гильзе находятся отверстия для крепления гидрораспределителя. Внутренняя часть культиприёмной гильзы имеет скругленное основание, для предотвращения травмирования и дискомфорта. Детали предплечья изготовлены на 3D принтере из фотополимерной смолы Resione K, детали культиприёмной гильзы из PETG. Алюминиевые рейки изготовлены на фрезерном станке. В ходе испытаний выло выявлено, что предплечье и культиприёмная гильза успешно выдерживают усилие 20 кг прикладываемое на кисть. Выполнена отладка металлических деталей прототипа протеза с искусственными мышцами. В ходе тестирования прототипа протеза руки с искусственными мышцами было выявлено, что нет необходимости изготавливать компоненты пальцев, кисти, лучезапястного сочленения, предплечья и культиприёмной гильзы из металла, достаточной прочностью гибкостью и небольшим весом обладает пластик PETG и Resione K. Из металла были изготовлены следующие детали: • Диагональные тяги рычажного действия расположенные в пальцах – латунь • Соединительные тяги расположенные в кисти – сталь • Соединительные тяги расположенные в кисти – латунь • Рейки для усиления компонентов предплечья – алюминий • Гидрораспределитель – латунь • Коллектор – латунь • Гидробак компенсационного действия – латунь Выполнена разработка 3D модели, сборка, тестирование, отладка и испытания корпуса прототипа протеза с искусственными мышцами. Корпус был изготовлен на 3D принтере из Resione K, пальцы кисти сгибаются на угол 90 градусов. Пальцы кисти расположены на различной высоте и по-разному углублены, что соответствует анатомии здоровой кисти. Данный вариант расположения увеличивает эргономичность и улучшает удержание предметов. В суставы (шарниры) пальцев встроены подшипники, для уменьшения трения деталей друг о друга и плавности хода. Во время проведения испытаний на прочность корпус протеза был закреплен за предплечье к краю стола, на другой конец (кисть) оказывалась нагрузка 20 кг. Никаких сколов, трещин и вмятин замечено не было. Выполнены испытания прототипа протеза руки с искусственными мышцами. Технические характеристики гидронасоса: • Номинальное напряжение: 7,4 В • Скорость без нагрузки: 3000 об/мин • Ток без нагрузки: 5 А • Ток под нагрузкой: 10 А • Создаваемое давление: 0-8 МПа • Расход: 600 мл/мин • Размер: (ДхШхВ): 55 x 28 x 28 мм • Вес: 110 гр • Материал шестеренок: Металл Средства измерений и испытательное оборудование Наименование средств измерения, испытательного оборудования: • Лабораторный блок питания • Комплект гирь • Рулетка • Вольтметр • Амперметр • Штангенциркуль • Линейка • Весы • Безмен • Секундомер Разработанный прототип протеза руки с искусственными мышцами имеет независимое сгибание/разгибание пальцев посредством управления миоэлектрическими датчиками. Успешно справляется с удержанием и манипулированием предметов пальцами. На кончиках пальцев находятся силиконовые подушечки, для предотвращения выскальзывания фиксируемых предметов. Кисть протеза имеет возможность поворачиваться на 45 градусов по часовой и против часовой стрелке, что соответствует 90 градусам. Максимальное растяжение на кончиках пальцев соответствует заявленному в техническом задании 2 кг. Сила захвата большим и указательным пальцами равняется 15 Н, а всеми пальцами - 30 Н. Время раскрытия/закрытия при захвате тремя пальцами соответствует 2 секундам, а время раскрытия/закрытия при захвате всеми пальцами равняется 3 секундам в связи с необходимостью перекачки большего объема в гидравлических мускулах. Для этого необходимо поддерживать постоянные объем и давление в разгибателях, либо в сгибателях. Захват большим и указательным пальцев соответствует 2 секундам, указанным в техническом задании. Максимальную нагрузку на палец испытывали при помощи гирь, тест прочности прошел успешно, палец выдержал нагрузку 7 кг. Время полного сжатия с положения открытая ладонь соответствует 3 секундам. Кисть и пальцы прототипа протеза руки с искусственными мышцами были изготовлены из Resione K. Компоненты, на которые оказывается высокая нагрузка, такие как диагональные тяги были изготовлены и латуни, соединительные тяги были изготовлены из латуни и стали. Лучезапястное соединение было изготовлено из Resione K, в соединительные отверстия которого устанавливаются подшипники. Предплечье изготовлено из Resione K и усилено алюминиевыми рейками. Культиприемная гильза изготовлена из PETG. Металлические компоненты, подверженные коррозии имеют защитный слой краски. За управление приводами отвечает микроконтроллер Arduino Mega, в свою очередь за микроконтроллер Arduino Nano получает сигналы от миоэлектрических датчиков и отправляет в микрокомпьютер Orange PI 5 для фильтрации и распознавания жестов. Для прототипа протеза руки было собрано автономное электропитание на основе аккумуляторов 18650 Samsung 25R, 2500mAh, 20A. 6 аккумуляторов, соединённых параллельно - 3 х 2 обеспечивают напряжение 7,2 В и объем 7500 мАч для питания гидронасоса. 4 аккумулятора соединенных параллельно 2 х 2 Обеспечивают напряжение 5 В и объем 5000 мАч для питания сервоприводов в гидрораспределителе, микроконтроллеров, микрокомпьютера, тензодатчиков, потенциометров и миоэлектрических датчиков. Напряжение понижается до 7,2 В для гидронасоса и до 5 В для сервоприводов и электроники при помощи понижающих преобразователей напряжения DC-DC XM1584. Контроллер заряда аккумуляторов BMS дает возможность заряжать систему аккумуляторов. В шарниры имитирующие суставы установлены подшипники и втулки для обеспечения плавности хода и износостойкость компонентов. Гидравлическая система включает: • Гидронасос • Гидросраспределитель • Компенсационный гидробак • Редукционный клапан 20 кг/см2 • Редукционный клапан 30 кг/см2 • Коллектор сброс • Гидравлические мускулы • Трубки • Фитинги Искусственные мускулы включают: • Эластичную оплетку • Латексную трубку • Обжимные муфты • Фитинги Гидравлическая система работает на синтетическом масле ZIC ATF 3 Dexron 3. Данное масло было выбрано в связи с низкой вязкостью. Культиприемная гильза обеспечивает надежное крепление к культе благодаря ремешкам, которые крепятся к корпусу человека. Тензодатчики установленные в силиконовые вставки измеряют оказываемое усилие пальцами на предмет и отключают приводы при достижении определенного порога. Ввиду чего, протез не может повредить предмет или нанести человеку вред. Габариты протеза: • Ширина кисти – 76 мм • Длина кисти (с пальцами) – 170 мм • Длина большого пальца – 100 мм • Диаметр предплечья - 84 мм • Длина предплечья – 187 мм • Вес протеза 4 кг Работа приводов прототипа протеза руки с искусственными мышцами абсолютно не нарушается, как от брызг воды, так и от опускания кисти с приводами в воду. В таком состоянии протез может работать продолжительное время. Температура окружающего воздуха также не играет существенной роли в работе приводов, так как температура застывания гидравлического масла, используемого в системе на данный момент – 42 градуса, температура воспламенения 230 градусов. Результаты испытаний: Независимое сгибание, разгибание пальцев - Требование выполнено Максимальное растяжение на кончиках пальцев - 2 кг - Требование выполнено Максимальная сила захвата большим и указательным пальцем - 15 Н - Требование выполнено Максимальная сила захвата всеми пальцами - 30 Н - Требование выполнено Максимальное время раскрытия или закрытия - Захват тремя пальцами - 2 сек. - Требование выполнено Максимальное время раскрытия или закрытия - Захват всеми пальцами - 3 сек. - Требование выполнено Максимальное время раскрытия или закрытия - Захват большим и указательным пальцем - 2 сек. - Требование выполнено Максимальная нагрузка на палец (статическая нагрузка) - 7 кг - Требование выполнено Время полного сжатия с положения (открытая ладонь) - 3 сек - Требование выполнено Шарниры имитирующие суставы, должны быть устойчивыми и обеспечивать плавное движение в них. В суставы пальцев будут установлены подшипники, втулки или другие компоненты, обеспечивающие износостойкость деталей. - Требование выполнено Гидравлическая система состоит из: гидро или пневмоцилиндров, двигателей, редукторов, искусственных мышц, шлангов. - Требование выполнено Искусственные мышцы состоят из: фиксирующей оплётки, мягких трубок, обжимных муфт - Требование выполнено Для гидравлической системы будет использоваться гидравлическое масло или другие жидкости, подходящие для работы - Требование выполнено Ширина кисти, мм - 74-85 - Требование выполнено Длина кисти, мм - 170-182 - Требование выполнено Длина большого пальца, мм - 100-120 - Требование выполнено Оценка успешности выполненной работы по этапу. В ходе проведения работ по второму этапу можно сделать вывод, что применение привода с гидравлическими мышцами в протезе позволяет добиться плавного линейного движения, а благодаря гидравлическому давлению получается достичь высокого отношения прочности к весу, амортизации, высокой ударопрочности и виброустойчивости. Применение данного привода увеличивает износостойкость двигателя, редуктора и других компонентов входящих в систему. Благодаря разработанной гидравлической системе, гидронасос можно включать только при необходимости отработки привода, что существенно сокращает потребление электроэнергии аккумуляторов. Разработанное программное обеспечение даёт возможность оператору управлять всеми пальцами, наклонами (вверх-вниз, враво-влево) и ротацией кисти протеза как независимо друг от друга, так и совершать необходимые команды одновременно. Всё вышеперечисленное открывает перспективы использовать разработанный привод в условиях высоких нагрузок и агрессивных средах. Что дает возможность применения его в робототехнике для управления тяжелыми инструментами и передвижения в пространстве, в экзоскелетах, за счет плавного хода 25-35% от первоначальной длины, небольших габаритов и веса. А также расширит спектр вакансий для людей с ампутациями рук применяя его в протезировании. Стоит отметить, что технология изготовления гидравлических мышц, включая эластичную трубку ещё нуждается в доработке, чтобы обеспечить маслостойкость и увеличить прочность, а привод в доработке отдельных компонентов, для уменьшения габаритов конструкции, улучшения прочности и эффективности.