Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструкции лучезапястного сустава для протеза руки человека

Сведения об участнике
ФИО
Яремчук Ольга Валерьевна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Машиностроение. Энергетика
Раздел области наук
Приборостроение. Радиотехника и электроника
Тема
Разработка конструкции лучезапястного сустава для протеза руки человека
Резюме
Данная работа посвящена разработке конструкции лучезапястного сустава для электромеханического протеза руки человека. Предлагается конструкция запястного узла, обеспечивающая две степени свободы, благодаря чему становится реализуемым большее количество движений и захватов. В работе, помимо принципа работы устройства, приводится расчет червячных и конических зубчатых передач, на работе которых основан разработанный узел.
Ключевые слова
Протез, реабилитация, запястье, мехатроника, зубчатые механизмы
Цели и задачи
Цель данной работы — разработка конструкции лучезапястного сустава, который обеспечивает наиболее антропоморфные движения руки. Изделие должно обеспечивать грузоподъемность в 2 кг включая массу протеза кисти. Конструкция изделия должна придерживаться следующих требований: размеры не более: 80х50х100 мм; масса не более 0,5 кг.
При выполнении проекта было необходимо выполнить следующие задачи: разработать общую концепцию механизма и создать кинематическую схему, подобрать двигатели, провести расчет геометрических параметров и прочности для конической и червячной передач. На основе полученных данных была поставлена задача прорисовать трёхмерную модель лучезапястного протеза и создать имитационную модель.
Введение

В последние десятилетия было разработано большое количество электромеханических протезов рук. Многие научные работы уделяют большее внимание разработке конструкции пальцев, уделяя меньше внимания и времени на разработку запястного узла протеза[1]. Например, в коммерчески успешном проекте bebionic[2] присутствует только одна степень свободы в лучезапястном суставе, отвечающая только за пронацию/супинацию, что недостаточно для комфортной эксплуатации устройства. Чтобы охватить полный спектр движений человеческой руки необходимо, как минимум, еще одна степень свободы. Данная работа посвящена разработке конструкции лучезапястного сустава для протеза руки человека. Движение запястья играет важную роль при экплуатации протеза. 

Методы и материалы

При разработке конструкции лучезапястного сустава проводились проектирование зубчатых механизмов, а также расчёт конструкции на прочность в системе ANSYS. В механизме были использованы червячная и коническая зубчатые передачи. Для каждой из передач был проведен расчет геометрических параметров и прочности, а так же выбраны материалы, определены допускаемые напряжения, параметры зубчатых колес, проведен расчет зубьев на выносливость.

С помощью трёхмерной модели был проведен анализ на прочность в компьютерной среде ANSYS, который показал, что данная конструкция выдерживает массу искусственной руки с грузом в 2 кг. После чего, на основании полученных данных, была создана конструкторская документация устройства.
 

Описание и обсуждение результатов

При разработке миоэлектрического протеза кисти важны все аспекты устройства, а именно: конструкция, масса, размеры, энергопотребление, а также внешний вид устройства. Однако все аспекты учесть не всегда удается, т.к. многие из них противостоят друг другу. Например, для обеспечения прочного и надежного захвата требуется немалое количество двигателей и датчиков, занимающих большое пространство в ладони, от чего становится невозможна установка узла лучезапястного сустава с большим количеством степеней свободы. В противном случае страдает внешний вид устройства.

Как было упомянуто выше, данная работа посвящена разработке конструкции лучезапястного сустава для протеза руки человека. Движение запястья играет важную роль при приближении протеза руки к захватываемому объекту. С анатомической точки зрения запястье человека имеет 2 степени свободы — вращения вокруг двух осей. Еще одно вращательное движение осуществляется мышечными группами за счёт перемещения костей между запястьем и локтем — при их перекрещивании происходит поворот кисти вокруг оси предплечья. Итого, общая степень свободы равна трем. При проектировании искусственного запястья нерационально воспроизводить все 3 вращательных движения, поскольку это достаточно усложняет механизм, что приводит к понижению надежности, увеличению габаритов и повышению себестоимости.

Работа запястья электромеханического протеза основана на работе трех редукторов и двух двигателей постоянного тока. В основе узла лежат три конических зубчатых колеса и две червячных передачи. Благодаря комбинации двух двигателей запястье позволяет сгибать/разгибать сустав, а также вращать относительно предплечья (пронация/супинация). Была разработана трёхмерная модель лучезапястного сустава для последующего изготовления деталей на трёхмерном принтере. Все узлы редукторов и двигатели крепятся на металлическую пластину, которая укладывается в корпус из пластика. Конструкция протеза руки имеет модульную структуру. Для соединения модуля запястья с кистью протеза был добавлен фланец, который крепится с фланцем на кисти болтовым соединением. С помощью трёхмерной модели было проверено, будет ли данная конструкция достаточно подвижна и не будут ли детали препятствовать друг другу при движении, после чего были изготовлены детали устройства. 

В дальнейшем планируется уменьшить габариты устройства, повысить надежность и ремонтопригодность, улучшить эстетические характеристики.

Используемые источники
1) M. C. Carrozza G. Cappiello S. Micera B. B. Edin·L. Beccai C. Cipriani Received: Design of a cybernetic hand for perception and action 11 September 2006 / Accepted: 19 October 2006 / Published online: 6 December 2006 Springer-Verlag;
2) Bebionic, "Bebionic Hand", http://bebionic.com
3) Борисов И.И., Кривошеев С.В., Резников С.С., Олейник Р.В. Разработка электромеханического протеза кисти с обратной связью // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Казань, 20-24 августа 2015 г.): Сборник докладов - 2015. - С. 541-543
4) Ваньшин А.И., Печников А.Ф. Расчет червячных передач.: Метод. указания для студентов всех спец. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. – 28 с.
Information about the project
Surname Name
Yaremchuk Olga
Project title
Developing wrist prosthesis design for the human hand
Summary of the project
This paper is devoted to the development of the design of the wrist joint for electromechanical prosthetic hand. The design of the wrist construction is offered, which providing two degrees of freedom, thus more types of grips and movements are avalible for the device. The principle of operation is based on gears system. In this paper, in addition to the principle of the device operation, calculation of worm and bevel gears are provided.
Keywords
Prosthesis, reabilitation, wrist, mechatronics