Разработка системы обратной связи бионического протеза

Данная работа посвящена разработке системы обратной связи для электромеханического протеза кисти. Система обратной связи в протезах не нашла ещё общепризнанного и наилучшего исполнения и проблема остается открытой. Предлагается новый способ обеспечения обратной связи на основе системы датчиков, предоставляющей пользователю три канала поступления информации: через визуальный, звуковой и тактильный, в результате чего ментальная нагрузка пользователя уменьшается, в результате чего управление становится естественнее и интуитивнее.

Данная работа посвящена разработке умного электромеханического протеза кисти, оснащенного продвинутой системой обратной связи и управления для осуществления точного и интуитивного манипулирования устройством. Управление протезом получило свое общепризнанное и наилучшее исполнение на основе электромиографии, в отличие от системы обратной связи, которая еще ищет свой путь реализации. Главным отличием разрабатываемого протеза является, как раз, разработанная система обратной связи.

Протезы, доступные на рынке, надежны, но эти устройства далеки от идеала: сложны в изучении и эксплуатации. Более того, эти устройства лишены адаптивности, быстроты захвата, а главное удобства пользования. По этим причинам ученые всего мира озабочены созданием электромеханических протезов с биоэлектрическим управлением, приближенных по своим характеристикам, внешнему виду, ловкости, принципу управления к настоящей человеческой руке.

Для улучшения управляемости, точности, функциональности устройства необходима система обратной связи, позволяющая осуществлять контроль положения фаланг пальцев протеза, сигнализировать о начале и конце процесса захвата объектов, а также и о характере захвата.  

Создание электромеханического протеза, как и любого сложного мехатронного устройства, носит комплексный характер, включающий в себя разработку:

• Конструкции;
• Системы управления;
• Системы обратной связи.

За основу внешнего вида, структуры и кинематики устройства была взята реальная рука человека. Хотя неантропоморфные протезы могу превосходить по функционалу антропоморфные, было решено сконструировать устройство, внешне сходное с рукой человека, т.е. создать активный протез.

В качестве приводного механизма было решено использовать тросиковую систему, которая приводится в движение за счет вращения шкива. Используя данный принцип движения можно с помощью одного двигателя управлять бо́льшим количеством степеней свободы. 

Управление устройством реализовано на основе электромиографии (ЭМГ). ЭМГ - сигналы снимаются с поверхности руки человека с помощью электродов, расположенных на культе. Используется двухканальный миограф. Анализ принимаемых сигналов с электродов происходит на контроллере ардуино.

Обратная связь имеет важное значение для корректной работы устройства. С помощью обратной связи можно минимализировать погрешности позиционирования, избежать проскальзывания схватываемого объекта, улучшить управляемость протеза. Протез должен автоматически подстраиваться к форме схватываемого объекта и обеспечивать крепкий захват, что невозможно обеспечить без обратной связи. 

По ходу работы над проектом было разработано и изготовлено три законченных прототипа протеза кисти, не считая промежуточных вариантов пальцев. Протез обладает 5 пальцами, 6 степенью свободы, и 12 вращательных сочленений. Каждый палец приводится в движение собственным двигателем. Протез оснащен продвинутой системой обратной связи на основе датчиков Холла, датчиков силы, потенциометров, вибро двигателей, светодиодов и пьезопищалок. Для тестирования конструкции протеза и разработанной системы обратной связи была создана система управления на основе электромиографии (ЭМГ).

Обратная связь имеет важное значение для корректной работы устройства. С помощью обратной связи можно минимализировать погрешности позиционирования, избежать проскальзывания схватываемого объекта, улучшить управляемость протеза. Протез должен автоматически подстраиваться к форме схватываемого объекта и обеспечивать крепкий захват, что невозможно обеспечить без обратной связи. Обратная связь между пользователем и протезом была реализована на основе системы датчиков и вибродвигателей. При схватывании объекта зажимается датчик давления, расположенный на кончике пальца. На протяжении контакта сигнал, пропорциональный силе давления, передаётся через интенсивность вибрации вибродвигателя пользователю. Вибродвигатель находится в непосредственном контакте с поверхностью кожи пользователя. Для уменьшения ментальной нагрузки было принято решение дублировать сигналы обратной связи и перо доставлять её не только через вибрацию, но и через яркость светодиода, вмонтированного в каждый палец, и через звуковые сигналы пьезопищалки. При использовании нескольких каналов поступления информации обратной связи пользователь менее сосредоточен, задействует меньше сил, меньше утомляется, поэтому такой способ обеспечения обратной связи является более естественным.

В ходе проведенных тестов протеза с обратной связи было зафиксирована лучшая управляемость устройства, точность позиционирования пальцев и лучшее "понимание" между пользователем и устройством.

В будущем планируется уменьшить массу устройства, повысить надежность и ремонтопригодность протеза. Кроме того необходимо разработать устройство, восполняющее функции лучезапястного сустава.

1. DemengChe, Wenzeng Zhang: Dexterous and Self-adaptive Under-Actuated Humanoid Robot Hand: GCUA Hand II. Intelligent Robotics and Applications Third International Conference, ICIRA 2010 Shanghai, China, November 10-12, 2010 Proceedings, Part I
2. Zhang, W., Che, D., Liu, H., et al.: Super under-actuated multi-fingered mechanical hand with modular self-adaptive gear-rack mechanism. Industrial Robot: An International Journal 36(3), 255–262 (2009)
3. M. C. CarrozzaG. 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;
4. Cipriani, C., Zaccone,: On the Shared Control of an EMG Controlled Prosthetic Hand Analysis of User-prosthesis Interaction. IEEE Transactions on Robotics 24(1), 170–184 (2008)

This paper presents a underactuated prosthetic hand equipped with feedback system for performing man-machine interface. The prosthetic hand is composed of five fingers. The hand is actuated by six DC motors, one for each finger plus one for thumb opposition. The motors are placed inside the palm, while the sensors are spread all over the construction. Thanks to numerous sensors it is possible to achieve better controllability of phalanges and, especially, a fingertip. To measure the grasp force of the prosthetic hand a sensory the feedback system between the amputee and the device is proposed. The force sensor transmits data about the grasp force to the controller, while it controller convent these signals into vibration intensity of the vibration motors. They are located on a surface of amputee arm. Thus the amputee is able to feel how strong he holds an object. At the end of this paper, the control system is described.