В конце прошлого года мы писали о наших планах по разработке детского биоэлектрического протеза. Подводим промежуточные итоги и делимся новой информацией.
1. Конструкция
2. Управление
3. Гильза
4. Дизайн
Мы начали с простого и доступного решения — однохватовая кисть с двумя мио-датчиками, которые распознают фантомное сжатие и разжатие кисти. Сила и скорость пропорциональны силе сигнала (т.н. пропорциональное управление).
Сила схвата 35 Н
Время полного раскрытия кисти 0,7 с
Ширина раскрытия кисти 44-62 мм
Ширина ладони 55-65 мм
Масса без оболочки с ротатором 155 г
Такой протез выполняет базовый функционал манипулятора. Можно держать достаточно тяжелые предметы, фиксировать схват и, в отличие от тягового протеза предплечья, нет необходимости в неестественных движениях локтя или плеча. Протез осуществляет схват в щепоть за счёт снятия электрического потенциала с мышц предплечья, пальцы двигаются вместе.
Более сложные модели — это многосхватные кисти. Можно выбирать жест и управлять пальцами по отдельности. Так работают современные биоэлектрические протезы BeBionic, ILimb, Michelangelo, Vincent, Taska, Keshen.
Детские размеры есть лишь у нескольких производителей, что связано с высокой стоимостью мотор-редукторов (нужны маленькие и мощные) и необходимостью частой замены по мере роста ребёнка. Средняя цена детского многосхватного протеза — €30 000. При этом международные исследования говорят о том, что чем раньше человек начинает пользоваться протезом, тем быстрее и проще проходит реабилитация и тем выше шанс, что протез будет использоваться в дальнейшем. Поэтому так важно развивать область детского протезирования.
Наша задача — сделать бионический детский протез доступным. После реализации модели однохватогово протеза, мы приступаем к созданию опытной серии детских многофункциональных биоэлектрических протезов. Проект поддержали Фонд Содействия Инновациям и Нейронет.
Стоит задача разработать предсерийный образец протеза и провести натурные испытания с 40 пользователями.
Чтобы каждый ребенок в России мог бесплатно и легко получить протез, обновляя его по мере роста, цена должна быть низкая, а функциональность и надежность — высокие.
Решение этой инженерной задачи требует нестандартных подходов как в железе, так и в процедурной стороне вопроса. Мы собираемся использовать самые дорогие микродвигатели, которые доступны на рынке — Maxon Motors. И для снижения конечной стоимости, предполагаем устанавливать мотор-редукторы повторно. То есть при замене протеза на вырост, старый будет разбираться и мотор-редукторы можно будет использовать для следующего протеза. Гарантийный срок службы Maxon — 10 лет. Эти же двигатели стоят сейчас в марсоходах и продемонстрировали свою надежность. «Оппортьюнити», который отправили на Марс в 2004 на три месяца, в 55 раз превысил запланированный срок своей работы, а “Кьюриосити”должен был закончить миссию ещё в 2014.
Микродвигатели Maxon
Конструкция
В прошлом году мы рассказывали о различных вариантах конструкции протеза — тентакли, четырехпалые кисти, барабанные палочки. Такие смелые решения импонируют нашей философии киборгизации и отвечают требованиям функциональности. Но антропоморфный вид универсален и предпочтителен большинству пользователей. Поэтому мы разрабатываем пятипалую робо-руку, напоминающую скорее перчатку супергероя. Необычные решения мы тоже обязательно реализуем в рамках fashion-проектов или коллаборации с крупными брендами.
Для маленьких детей мы планируем делать протез с однофаланговыми пальцами. Это с одной стороны обеспечит бОльшую надежность, с другой это вынужденный шаг. На рынке просто нет необходимых по силовым и прочностным параметрам микроредукторов, которые бы могли поместиться в одну фалангу детского пальца.
Для данной конструкции подобраны оптимальные по техническим характеристикам двигатели, редукторы и червячные передачи наименьших габаритов. Расположение привода непосредственно в фалангах дает возможность реализовать протез, как всей кисти, так и для сложных травм при отсутствии нескольких пальцев.
1 – Геометрия пальца 2 – Двигатель (Maxon EC4, brushless); 3 – Редуктор (Maxon Planetary Gearhead); 4 – червячная передача (сустав); 5 – Двигатель (Maxon EC 6); 6 – Редуктор (Maxon Planetary Gearhead)
Как видно из верхнего рисунка, минимальный размер пальца составляет 42 мм. Это приблизительно соответствует возрасту ребенка от 2,5 лет.
При длине пальца порядка 70 мм (приблизительно с 7 лет), может быть применена уже двухфаланговая конструкция.
Размещение двигателя в концевой фаланге (объединенной средней и дистальной фаланг) обусловлено соответствующим диаметром пальцев, возможностью удобного размещения связующей тяги, приводящей в движение проксимальную фалангу.
Принципиальная конструкция двухфалангового пальца:
1 – Мотор-редуктор (Двигатель: Maxon EC 10 flat; Редуктор: Maxon Planetary Gearhead); 2 – коническая передача (сустав); 3 – корпус проксимальной фаланги; 4 – тяга, приводящее в движение проксимальную фалангу; 5 – основание кисти (сустав)
Варианты исполнения двухфалангового пальца
При необходимости может быть применена комбинация однофоланговых и двухфаланговых пальцев.
Предварительная оценка момента на осях суставов составит 8,9 Н*см в однофаланговом пальце и 6,4 Н*см – в двухфаланговом (в суставе между концевой и проксимальной фалангами; в суставе между проксимальной фалангой и основанием кисти момент переменный, зависит от положения тяги). Время, необходимое для сжатия (разжатия) пальцев, составит порядка 0,3 секунды для однофалангового пальца и 0,7 секунды для двухфалангового. Масса представленных двигателей вместе с редуктором не превышает 10 г.
Третий вариант — это протез с запястным браслетом, где расположен микродвигатель. Это нестандартное решение, но применяемые в протезировании технологии практически не менялись на протяжении десятилетий. Область нуждается в экспериментах и модернизации.
Расположение в браслете не ограничивает мощность привода габаритами пальца. Это дает возможность обеспечить силу схвата, превосходящую компоновки с прочими вариантами расположения привода. Натяжение 5 гибких тяг обеспечивается с помощью мотор-редукторов, приводящих в действие винтовую передачу. Для минимальных размеров руки, мотор-редуктор Maxon состоит из редуктора GP 6 S c винтовой передачей и электродвигателя EC6. Диаметр мотор-редуктора составляет 6 мм.
Данную компоновку можно применять для запястий шириной от 24 мм, что соответствует возрасту 3-4 года. Максимальная сила, которую при этом может создать привод составляет 10 Н, таким образом можно обеспечить усилие на кончике пальца порядка 1-2Н для самых маленьких размеров. Недостатком компоновки является потеря энергии при преодолении сопротивления пружин, обеспечивающих разгибание пальца.
Управление
Управлять протезом можно с помощью: 1 — тяг; 2 — поверхностных мио-датчиков; 3 — вживления в мышечную ткань; 4 — считывания активности сенсомоторной коры головного (через 7-8 лет).
- Механизм тяговых протезов довольно прост: согнул руку — сжались пальцы. Тяги можно настроить на движение кисти, локтя, плеча.
- Про мио-датчики расскажем ниже подробнее.
- Многообещающе выглядит инвазивное управление вкупе с возможностью посылать сигнал обратно по нервам для реализации “очувствления” протеза. Но отторжение материалов и сам метод инвиво пока не позволяют сделать инвазивные технологии общедоступными. Мы будем вести эксперименты совместно с ДВФУ в рамках проекта «Территория киборгов». На острове Русский создается специальная зона, где в упрощенном порядке можно регистрировать медицинские изделия в области инвазивной биоинженерии и на легальной основе устанавливать нейроимпланты.
- Нейроинтерфейсы существуют уже сейчас. Но их применение связано с рядом ограничений. Для управления протезом нужно либо идти опять же инвазивным путем, либо требовать от пользователя максимальной концентрации и отсутствия внешних раздражителей (в опытных образцах предлагается управление с закрытыми глазами). Поверхностное снятие сигналов расплывчато, не дает четкого результата и может быть использовано только в лабораторных условиях.
Миоэлектрические протезы с добавлением инерциальных сборок (гироскоп, акселерометр и магнитометр) — на сегодня наиболее выигрышный вариант управления.
Но с пятидесятых годов в них используется неудобное двуканальное или одноканальное управление. Все такие протезы работают с 2 или 1 датчиком, закрепленным на внутренней стороне гильзы протеза. Электроды регистрируют сигнал с мышц сгибателей и разгибателей. Управление и выбор жеста осуществляются либо по ступенчатому принципу, либо с использованием внешнего управления (механическое переключение/ выбор жеста на смартфоне/ распознавание протезом заранее размещенных на предметах RFID меток).
Система управления Touch bionics — мобильное приложение
Решение, которое лежало на поверхности — использовать больше датчиков.
В 2013 году проект Myo браслета от Thalmic Labs, с расположенными по кругу восемью ЭМГ сенсорами, собрал на Kickstarter 4 миллиона долларов и затем привлек инвестиции около 15 млн. В 2014 году Armin van Buuren с помощью этого браслета управлял световыми эффектами своего шоу.
Браслет понимает около 25-30 жестов, но ложное срабатывание и необходимость постоянной калибровки вынудили производителя остановиться на распознавании 5 жестов.
Весной на международной выставке протезирования и ортопедии — OTWorld 2018 сразу на 2 стендах были представлены протезы с большим количество ЭМГ датчиков внутри.
Компания Otto Bock продемонстрировала систему pattern recognition Myo Plus. В процессе калибровки задаются образцы мышечных движений, характерные для конкретных схватов. И затем, когда пользователь представляет определенный жест, Myo Plus обнаруживает соответствующие сигналы мышц и автоматически выполняет захват. Это делает управление протезом естественным и понятным. Два ЭМГ сенсора не могли справиться с этой задачей, и при наличии 20-25 вариантов расположения пальцев управлять можно было по сути только 2 “кнопками”, переключая режимы по очереди.
Новая нативная система управления идеальна для детей. И именно ее мы хотим встроить в наши протезы. Но сама технология еще сырая, много ложных срабатываний, шумов, есть сложности в системе распознавания и обучения.
С этой мыслью мы разработали свои ЭМГ датчики. При большом количестве на рынке подобных изделий, все они не подходили под наши задачи по нескольким причинам:
1. Гелевые электроды большого размера. Нам нужны сухие и компактные.
2. Большие габариты модулей обработки сигнала.
3. Универсальность (могут снимать ЭМГ и ЭКГ сигналы), и как следствие, невысокая чувствительность
4. Высокая стоимость
Мы разработали более чувствительные ЭМГ-сенсоры, и следующим этапом будет использование матрицы таких сенсоров. Получение новых сигналов управления потребует двухстороннего обучения. Обучение человека заключается в выработке навыков формирования нужного паттерна ЭМГ сигналов, обучение машины – в умении распознавать такие паттерны с использованием нейросетевых алгоритмов. При этом программа управления каждым протезом будет автоматически корректироваться по мере обучения пользователя и робота. Мы продолжаем исследования и надеемся получить хороший результат уже в этом году.
Гильза
Производители под словом “протез” подразумевают обычно механизм кисти. Культеприемной гильзе не отводится много внимания, но от нее сильно зависит внешний вид и комфорт пользователя.
Гильза состоит из 2 слоев — внутреннего мягкого вкладыша из силикона или полиуретана и внешней жесткой несущей конструкции, выполненной из слоистых пластиков или карбона. Изготовление происходит индивидуально по слепку руки пользователя.
Внутри гильзы размещается аккумулятор. В случае когда места не хватает, аккумулятор выводят наружу в виде блока, что не совсем удобно и эстетично.
Интересный вариант — размещение гибкого аккумулятора между слоями культеприемной гильзы.
На поверхность гильзы выводятся кнопки включения, крышка для замены аккумулятора, иногда индикатор заряда. При этом гильзы получаются у всех разные.
Существуют гильзы скелетного типа, более лёгкие и удобные в использовании.
Также важным элементом протеза является лучезапястный шарнир. Его наличие придает руке естественный вид и улучшает удобство повседневного использования.
Для детей нужна ежегодная (часто 2 раза в год) замена гильзы. Существующая технология изготовления довольно трудоемкая и дорогостоящая. Мы рассматриваем варианты из совершенно других областей — изготовление кроссовок, крепления роликовых коньков, кнопка BOA на ботинках для сноуборда. Необходимо нестандартное, прорывное решение. Так, 5 лет назад, 3Д-печать позволила делать детали несерийно и изменила подход к детскому протезированию.
Возможны различные варианты — удешевление путем создания унифицированных внешних частей гильзы, скелетные гильзы с механизмом регулирования утяжки.
Мы ищем техников-протезистов, готовых к экспериментам и изготовлению большого количества протезов.
Дизайн
Конструкция представляет собой пятипалую кисть. Мы рассматриваем два основных пути в работе над дизайном. Можно сделать металлический скелет и поместить его в формообразующую оболочку.
Второй вариант — изначально делать конструкцию с корпусом.
Нам нужны ударопрочность, водонепроницаемость и простота в уходе вкупе с недорогим способом производства. Возможно, получится совместить оба варианта и дать возможность детям выбирать, как носить протез — в перчатке или без. Кроме того, такая вариативность поможет разрешить дилемму, будет ли это яркая детская игрушка или минималистичный монохромный гаджет со встроенным функционалом смартфона — можно будет выбрать перчатку или сменные элементы.
Уже совсем скоро появятся первые 40 биоэлектрических протезов для детей.
С нативным управлением и возможностью выполнять различные жесты.
Современные, удобные, ударопрочные, водонепроницаемые, со встроенным функционалом смартфона и прочным каркасом из литых элементов.
Амбициозная задача
Многосхватная детская кисть — это неочевидное для рынка решение. И во многих смыслах неоправданное: протезы дорого стоят, нужна ежегодная замена по мере роста ребенка, и хрупкость протезов плохо сочетается с активным детским образом жизни.
Вместе с тем, реабилитологи настаивают на раннем протезировании, а исследования говорят о высоком проценте благоприятной адаптации к использованию биоэлектрического протеза детьми.
Отрасль нуждается в незашоренных головах безумных, но при этом профессиональных инженеров, чтобы преодолеть существующие барьеры и сделать возможным современное высокотехнологичное детское протезирование.
Если ты прочитал всю статью, прошел по ссылкам, нашел обе пасхалки на картинках и готов предложить неожиданное решение — похоже ты нам действительно нужен. На реализацию проекта у нас открыты вакансии для инженеров в совершенно разных областях. Конструкторы, программисты, протезисты, вам не захочется тратить время на что-то еще, кроме создания армии маленьких киборгов.
Автор: motorica
