Инженер — конструктор, изобретатель В.В. Мороз
Introduction
Ранее я, как и большинство обычных людей, не задумывался о проблемах протезирования, видах протезов, цене и их доступности для инвалидов. Но новая эпоха войн, которая пришла в нашу жизнь, заставила вникнуть и в эту тему.
Первый вопрос, который сразу возникает — почему так дорого стоят протезы? Понятно, что вопрос протезирования очень индивидуален и зависит от многих факторов. Здесь большую роль играет работа медиков по заживлению культи и ее надлежащей подготовки, работа протезистов по снятию мерок для создания приемной гильзы протеза. Но что такого дорого в технической части этого процесса.
По данным американской аналитической компании Frost & Sullivan, средняя цена современных усовершенствованных протезов варьируется от $5000 до $50000. Протез Bebionic стоит более $10000, i-limb — от $60000 тыс. до $120000. На сайте специализированной турецкой клиники протезирования Luxmed (https://luxmedprotez.com) указано: «Цены на протезы рук начинаются от 7500 евро в зависимости от их характеристик и функций, и может доходить до 62800 евро. Цены на бионические протезы рук начинаються от 30000€ (гарантия 3 года), на электронные — от 10200€ (гарантия 2 года). С одной стороны перечень сервиса этой компании немного объясняет цифры в итоговом чеке: «как только вы приземлитесь в аэропорту, наша команда встретит вас и бесплатно отвезет в отель, во время протезирования мы забираем вас из отеля и бесплатно доставляем в нашу клинику и обратно, после того, как ваш протез будет готов, вас ждет бесплатная однодневная поездка по Стамбулу с нашим персоналом и водителем, которые говорят на Вашем родном языке». Красиво, но думаю не эти услуги интересуют клиентов клиники, так все-таки могут ли быть цены на протезы ниже.
Понятно, что бионические протезы оснащены сенсорными датчиками, микро зубчатыми передачами, электрическими двигателями и аккумуляторными батареями не могут стоить дешево. Кроме этого, пока протезы не стали массовыми их разработка обходится достаточно дорого, так как объединяет работу инженеров, биологов, медиков. Протезы каждый раз создаются индивидуально, так как гильза, к которой крепится бионическая рука должна идеально подходить по форме и размеру. Иногда для этого приходится делать несколько моделей, а на тренировки и реабилитацию уходят недели.
При всем при этом, не смотря на то, что сверхсовременные протезы рук стоят дорого, большинство из них боятся воды и грязи, поэтому использовать их проблематично, так как такой протез можно легко сломать, просто ударившись о него. И срок службы протеза, заявленный от производителя составляет всего 3 — 5 лет.
После просмотра серии роликов в ютубе, я пришел к выводу, что навороченный бионический протез, это дорогая игрушка для богатых клиентов и престижная тема для дипломных работ студентов, а также способ «попилить» средства для различных НИИ.
Меня, как инженера-конструктора, заинтересовал вопрос разработки простого устройства — протеза кисти, способного улучшить качество жизни обычного человека со средними доходами и хотя бы частично восстановить ему функции утерянной руки.
Учитывая, что в случае ампутации предплечья для воссоздания всех степеней свободы и замещения всех движений руки необходимо, чтобы протез имел 22 независимых механизма и по 4 механизма на каждый палец, было решено, что это не реальная и не требующая решения задача. Протез не должен быть копией руки человека, важно, чтобы он соответствовал схеме ее построения, а наличие большого количества степеней свободы в созданной природой человеческой руке, это результат эволюции и является биологическим резервированием для ее продолжения. Следовательно, управление механизмами функционального протеза может приближаться, но не обязательно должно соответствовать стереотипу выполнения соответствующих функций здоровой руки.
В итоге после проведения небольшого НИОКР было создано простое дешевое «не убиваемо» устройство такое же, например, как среди транспортных средств — велосипед (отсюда и название статьи).
Conception
Все технические решения направлены на снижение стоимости протеза при обеспечении удобства его использования.
Выделены основные движения кисти в исполнении различных рабочих и бытовых действий, которые должны быть воплощены в протезе:
1) ротация (пронация/супинация) предплечья;
2) сгибание/разгибание, отведение/приведение кисти в лучезапястном суставе;
3) разгибание (раскрытие) и сгибание (схватывание) пальцев кисти.Поскольку основной функцией руки является схват и удержание предметов, а затем перемещение их в окружающей среде, то основной необходимой функцией протеза является схватывание предмета кистью, что и взято за основу конструкции.Протез разработан при ампутации предплечья на разных уровнях.Важно также отметить, что конструкция гильз, несущей и внутренней контактной, здесь не рассматривается, это сфера профессионального врача-протезиста. Дальше речь пойдет только о исполнительном механизме кисти.
Для управления протезом принят электромиографический метод. С помощью двух миодатчиков на культе считывается биоэлектрические сигналы активности мышц. Затем слабое напряжение микровольтового диапазона усиливается и в виде управляющих сигналов передается микроконтроллером блока управления, где анализируется и превращается в команду для исполнительного механизма протеза.
Designing results
1) Все механизмы: перемещения пальцев, привод, аккумуляторы расположены в кисти, в гильзе расположены только миодатчики, что позволяет использовать протез при любом уровне ампутации предплечья.
2) Принят однозахватный механизм кисти («открыть — закрыть»), реализованный с помощью одного электрического привода.
3) В герметичном боксе установлен один дешевый мини электрический мотор-редуктор на 6В(цена на AliExpress — 22 $). Благодаря этому протез не боится воздействия воды.
4) Реализован фрикционный тип запястья, что позволяет пассивную (посторонней силой, например сохраненной рукой) ротацию кисти с регулируемой тугоподвижностью.
Угол поворота кисти ± 10°. Например, при ходьбе с сумкой или при вождении транспортного средства лучше кисть разблокировать и дать ей свободу качения.
При необходимости с помощью верхней рукоятки кисть можно зафиксировать от поворота.
Доступна ротация кисти вокруг оси предплечья. Угол поворота кисти ± 15°.
С помощью боковых рукояток кисть можно зафиксировать в нужном положении от поворота, а также отсоединить от гильзы протеза.
5) Реализован пассивный (посторонней силой, например сохраненной рукой) тип изменения положения большого пальца для противостояния его остальным пальцам, обеспечивая два типа захвата: оппозиционный и латеральный, что позволяет выполнять значительное количество повседневных задач.
Угол поворота в «пястно-запястном суставе» большого пальца 95°.
Латеральное и оппозиционное положение большого пальца.
6) Реализован улучшенный захват и удержание предмета за счет мягких подушечек пальцев и фрикционной поверхности ладони.
Подушечки пальцев выполнены сменными из мягкого полиуретана. На ладони в канавке типа «ласточкин хвост» зафиксированы съемные фрагменты полиуретанового шнура.
7) Реализована возможность моделирования большого количества типов захватов для фиксации предметов различной конфигурации или формирования различных жестов за счет пассивного (посторонней силой, например сохраненной рукой) изменения положения каждого пальца относительно приводного механизма.
На каждом пальце установлены фиксаторы, которые позволяют отсоединить палец от приводного механизма, изменить его положение и снова связать с приводным механизмом в новом положении.
После разблокировки фиксаторов и приложения внешней силы к пальцам (например сохраненной рукой) ими можно охватывать различные предметы сложной формы такие, например, как мяч, ручка, малярная кисть, руль автомобиля и т.д., затем после последующей фиксации, используя миодатчики можно обжать предмет пальцами с помощью привода кисти.
Сформированный точный захват «щипок» для удержания мелких предметов.
Сформированный точный захват с использованием указательного пальца для работы с клавиатурой различных бытовых приборов и ПК.
8) На кисти предусмотрено местное управление протезом дублирующее миодатчики.
На боковых поверхностях кисти под крышкой корпуса установлены два геркона «open» и «closed», которые могут быть использованы на стадии обучения управления протезом биоэлектрическими сигналами или в других случаях. Магнит выполнен в виде запонки и крепится на рукав здоровой руки. Достаточно поднести его к соответствующей боковой поверхности корпуса кисти для управления протезом. Использование герконов позволяет выполнить конструкцию не восприимчивую к воздействию воды, т.е. грубо говоря можно ловить рыбу в реке (если это кому-то интересно) не опасаясь повредить протез.
9) В крайних положениях привод отключается конечными выключателями, также используется моментный выключатель для отключения привода при достижении требуемого усилия захвата. Это обеспечивает защиту мотор-редуктора от перегрузок и гарантирует его длительную работу. В качестве конечных и моментного выключателей используются герконы, что делает конструкцию протеза не восприимчивой к воздействию воды.
10) В герметичном отсеке корпуса протеза установлены два стандартных элемента питания: аккумулятор Li-ion Keeppower 17500 1200 mAh (цена — 5$ за штуку).
Использование в протезе популярных и широко распространенных в бытовых приборах аккумуляторов позволяет пользователю самостоятельно их заряжать и менять по мере необходимости.
11) В связи с широким диапазоном ротации большого пальца, в оболочке образовано большое открытое пространство. Для защиты внутренних полостей от попадания пыли, на большой палец может одеваться чехол из кожи или резины с фиксацией его к оболочке при сборке нижней и верхней ее половинок. Как было указано выше, электрические компоненты конструкции находятся в герметичных отсеках, поэтому попадание воды в протез не опасно.
12) Внутри корпуса с выходом на сторону ладони может быть установлен светодиод, который будет включаться одновременно с приводом. Днем его не видно, а в условиях плохой видимости он будет освещать захватываемый предмет. Это важно при отсутствии обратной связи, так как пользователь должен видеть предмет и этим контролировать его правильный захват.
13) В протезе применен простейший механизм передачи усилия от привода к пальцам.
14) С целью снижения стоимости и взаимозаменяемости все пальцы выполнены одинаковыми.
15) В промежуточном положении пальцы не жестко связаны с приводом, например если приподнять указательный палец, на тот же угол опустится мизинец. Это качество важно при автоматическом захвате предметов конической формы.
16) Простота конструкции позволяет проводить обслуживание протеза и замену вышедших из строя деталей без привлечения специальных сертифицированных сервисных центров производителя. Протез может быть полностью разобран и собран в домашних условиях при наличии навыков уровня веломастера.
Основные технические характеристики
1) Масса протеза в сборе с аккумулятором — 0.8 кг.
2) Время закрытия (открытия) кисти — 1.9 сек.
3) Усилие схвата — 7 кг.
4) Габаритные размеры
Conclusion
Результаты проектирования подтверждают возможность создания простого и дешевого протеза кисти, способного улучшить качество жизни обычного человека и хотя бы частично восстановить ему функции утерянной руки.
Простое дешевое «не убиваемо» устройство позволяет использовать его в любых условиях, будь то на производстве, в быту, на рыбалке и т.д. не переживая о возможной его поломке.
Естественно у него есть свои недостатки — необходимость посторонней силы для формирования различных типов захватов, что делает его не удобным при ампутации обеих рук.
Но, отметим, что автомобиль с велосипедом также не возможно сравнивать ни по мощности ни по скорости ни по грузоподъемности, тем не менее это не мешает массово использовать велосипеды как дешевое общедоступное средство передвижения.
E-mail: [email protected]
15.05.2024
