БЕЛОукраінскій державний університет інформатики і радіоелектроніки
Реферат на тему:
«Біоуправляемая протези передпліччя. Протез передпліччя з пристроєм зворотного зв'язку »
Поряд з проблемою створення високоефективних приводних пристроїв і вишукування відповідних джерел живлення, які відповідають сучасним вимогам по габаритам і енергоємності, вельми важливою є і проблема управління такими протезами. Управління протезами може здійснюватися за допомогою електричних контактів (пли безконтактних електронних пристроїв). У цих випадках інвалід здійснює тільки управління, а силові функції виконують привідні пристрої за рахунок зовнішнього джерела енергії.
З фізіологічної точки зору доцільніше використовувати управління, найбільш близьке до природного. Найбільш фізіологічним є біоелектричний управління, при якому керуючим сигналом служать електричні потенціали, що виникають при скороченні м'язів. Будь-яке скорочення (напруга) скелетних м'язів супроводжується появою в них електричної активності. Інтенсивність цієї активності тим вище, чим сильніше скорочення м'язи. Біоелектричні потенціали м'язів можуть бути зареєстровані за допомогою електродів, які вводяться всередину м'язи або під шкіру, або за допомогою поверхневих електродів, накладених на шкіру над відповідними м'язами. В останньому випадку реєструються сумарні потенціали багатьох м'язових волокон. При поверхневому відведенні біоелектричних потенціалів електроміограма являє собою складний по амплітудному і частотного діапазонів змінний електричний сигнал. Встановлено, що в залежності від ступеня скорочення м'язів амплітуди біоелектричних сигналів можуть змінюватися від декількох мікровольт до декількох мілівольт, а смуга частот становить кілька сотень герц. Встановлено також, що для управління протезами практично достатніми є амплітуди біоелектричного сигналу від 20- 30 мкв і вище, а робочий діапазон частот-100-400 Гц. Потужність біоелектричного сигналу досить мала, тому для практичного використання її необхідно посилювати. Для цього використовуються електронні підсилювачі, за допомогою яких рівень біоелектричного сигналу з м'язів підвищується до необхідної величини і перетворюється в форму, придатну для управління виконавчими органами протеза. Таким чином, біоелектрична система управління включає в себе токоотводящий (струмознімальних) пристрій, попередній підсилювач, перетворювач, крайовий підсилювач, виконавчий пристрій і джерело живлення.
У протезах з міотоніческім управлінням згинання та розгинання пальців штучної кисті використовується ефект збільшення периметра кукси при скороченні її м'язів. При скороченні м'яза кукси натискають па спеціальний датчик, сигнал з якого через електронну систему керування рухом пальців штучної кисті, ротацією кисті.
В даний час серійно випускаються різні конструкції протезів верхніх кінцівок з зовнішніми джерелами енергії. Це протези передпліччя і плеча, оснащені електромеханічними приводами, з біоелектричним, електроконтакта і міотоніческім видами управління; протези плеча з електромеханічним приводом кисті, керованим за допомогою биопотенциалов миші кукси плеча, і тяговим управлінням ліктьовим шарніром.
Біоуправляемая протези передпліччя
У практиці протезно-ортопедичної допомоги хворим після ампутації на рівні передпліччя застосовуються такі різновиди протезів із зовнішніми джерелами енергії: протези з біоелектричних управлінням і протези з міотоніческім управлінням. Розроблено також протези з біоелектричної релейного і пропорційної системами управління і пристроєм зворотного зв'язку по силі схопив, а також з біоелектричних управлінням двома функціями.
Протез передпліччя з вбудованою системою біоелектричного управління. Протез призначений для постачання хворих після ампутації на рівні передпліччя не вище 6 см від ліктьового суглоба, з укороченням кукси не менше 6 см в порівнянні зі здоровим передпліччям.
Протез складається з наступних основних частин: кисті 9 (рис. 1) з електромеханічним приводом, гільзи передпліччя 6, механізму пасивної ротації кисті 7, підсилювачів напруги з струмознімальних пристроєм 3, підсилювача потужності 8. стабілізатора живлення з електродом «Маса» 5, блоку живлення /, кріплення протеза 4, косметичної оболонки 2.
Кисть з електромеханічним приводом складається з пластмасового корпусу 5 (рис. 2). рухомих блоків II -IV пальців 2 і
Рис.1 Протез передпліччя з вбудованою системою біоелектріческогоуправленія.
Мал. 2. Кисть з електромеханічним приводом.
I пальця, мікроелектродвигунів 9 з редуктором 8, системи важелів 4, що з'єднують повзун гвинтової пари 6 редуктора з пальцями кисті. Пальці кисті обертаються навколо осей 7 і 3. При зміні напрямку обертання якоря електродвигуна рух пальців кисті змінюється на протилежне, так що, керуючи обертанням якоря, можна виконувати згинання та розгинання пальців. Зміна напрямку обертання якоря в даній конструкції здійснюється шляхом. Зміни полярності підводиться до електродвигуна напруги від джерела живлення.
Привід механізму складається з електродвигуна 1 (рис. 3), еластичної муфти 2, редуктора 3, що складається з зубчастих коліс Zi-Z4 гвинтової передачі, що включає в себе трехзаходний гвинт 8 і повзун 9, напрямних стрижнів 11 для повзуна 9, наполегливої підшипника б, муфти обгону 7. Завзятий підшипник б і муфта обгону 7 укладені в корпус 5. Обертання вала електродвигуна 1 через еластичну муфту 2 передається на зубчасті колеса Z / -Z * і через них - послідовно на муфту обгону 7 і трехзаходний гвинт 8. При обертанні гвинта 8 повзун 9 робить поступальний рух тносітельно напрямних стрижнів 11 і приводить в рух систему важелів 10 пальців кисті, шарнірно пов'язаних з повзуном 9. Пальці кисті при цьому здійснюють згинальні або розгинальні руху в залежності від напрямку обертання валу електродвигуна.
Мал. 3. Кінематична схема механізму кисті.
Муфта обгону 7 служить для автоматичної зміни наполегливої підшипника ковзання, що забезпечує самоторможіння при передачі руху від повзуна до двигуна, на підшипник 6 кочення, що дозволяє досягти високого ККД при передачі руху від двигуна до повзуна.
При обертанні гвинта 8 в напрямку, відповідному змиканню пальців (рух на схват) і передачі потужності від електродвигуна до гвинта, гвинт 5 в корпусі 5 завдяки обгінної муфті 8 вільно прокручується і наполегливим підшипником в даному випадку є кульковий підшипник муфти обгону 7. При передачі потужності від гвинта до двигуна і при обертанні гвинта в зворотному напрямку обертається корпус 5. у цьому випадку наполегливим підшипником є підшипник ковзання, утворений торцем корпусу 5. при розкритті пальців за рахунок обертання електродвігат Еля роль наполегливої підшипника виконує кульковий підшипник 4. При схопив предмета пальцями кисті па повзунові 9 виникає сила, спрямована уздовж осі гвинта до пальців кисті. Ця сила через гвинт 8 притискає торець корпусу 5 обгонів муфти до корпусу редуктора 3 і створює умови гальмування приводу за рахунок сили тертя. Гвинт 8 в цьому випадку фіксується від провертання за допомогою двох кульок муфти обгону 7 і спеціальних косих виїмок в корпусі 5, що забезпечує фіксацію пальців кисті при схопив. Гільза передпліччя зазвичай виготовляється з шаруватого пластику за індивідуальним гіпсовому слойку з кукси і утримується на культі за допомогою ремешковие кріплення або за допомогою шинно - шкіряною манжети, званої гільзою плеча, виготовленої також індивідуально. Останнім часом в практиці протезування широке поширення набула так звана неспадающій гільза передпліччя (див. Рис. 1).
Таке кріплення звільняє від додаткових пристроїв для утримання протеза на культі. Мабуть, неспадающій гільзі через її переваг слід віддавати перевагу при виготовленні протезів передпліччя, так як досвід показує, що вона успішно може бути використана в більшості випадків протезування.
Механізм пасивної ротації кисті служить дли рухомого і роз'ємного з'єднання кисті з гільзою передпліччя і дозволяє пасивно встановлювати в потрібному положенні кисть при користуванні протезом. Механізм складається з двох пластмасових кілець, одне з яких має поглиблення, розподілені нерівномірно по внутрішньому краю, і з'єднується з гільзою передпліччя. Інша кільце має виступи по зовнішньому краю, точно відповідні заглибинах в першому кільці, і з'єднується з корпусом кисті.
Рис 4. Блок-схема управління протезом.
При з'єднанні гільзи з пензлем кільце з виступами заводиться в кільце з заглибленнями і повертається в ньому на півоберта. Завдяки нерівномірності розташування по колу кілець виступів н поглибленні, кисть міцно і в той же час рухомо з неко-менту, котрим тертям з'єднується з гільзою передпліччя, дозволяючи здійснювати пасивні пронацию і супінація кисті.
Таким чином, подаючи по черзі на входи каналів системи управління біо-електричні сигнали величиною вище порога спрацьовування, можна управляти рухом пальців кисті протеза в ключовому режимі, тобто за принципом включено-виключено. Блок живлення являє собою батарею з 10 послідовно з'єднаних акумуляторів типу ЦНК-0,45. Номінальна напруга батареї складає 12,5 В. Блок живлення з'єднується з підсилювачем биопотенциалов за допомогою гнучкого кабелю і електричного двоштиркової роз'єму і при носінні протеза розміщується в кишенях одягу або на поясі інваліда.
Косметична оболонка (рукавичка) на кисть виготовляється в основному з спіненого полівінілхлориду за спеціальними формами. Маса протеза (без посилиться і блоку живлення) становить в середньому 0,8-0,9 кг, маса підсилювача -0,12 кг. маса блоку живлення -0,32 кг; габаритні розміри-138x78x18 мм. Сила схвата на кінцях пальців штучної кисті - не менше 20 Н.
Протез передпліччя з пристроєм зворотного зв'язку
Протез призначений для хворих після ампутації передпліччя на рівні, що не перевищує 6 см від ліктьового суглоба. Скорочення передпліччя повинно бути не менше 7,5 см в порівнянні з нормою. Таким чином, протез може бути призначений хворим з куксою передпліччя на рівні середньої третини.
Особливістю даної конструкції протеза є можливість управління швидкістю переміщення пальців штучної кисті і величиною сили схвата. Управління швидкістю переміщення н силою схвата здійснюється зміною амплітуди біоелектричного сигналу, що подається па вхід системи управлінні, т. З. зміною ступеня скорочення (напруги) керуючих м'язів кукси. Швидкість переміщення пальців кисті знаходиться в прямій залежності від ступеня напруги м'язів кукси, а сила схвата - від часу подачі (тривалості) керуючого сигналу на вхід системи управління. Протез складається з наступних основних вузлів: кисті 9 (рис. 5) з електромеханічним приводом, підсилювача потужності з перетворювачем і вузлом зворотного зв'язку 8, електромагнітного вібратора 7, гільзи передпліччя б, електрода «Маса» 5, підсилювачів напруги 4, розподільної коробки 3, з'єднувального кабелю 2, блоку живлення 1, датчика тиску 10. Принцип дії протеза з пристроєм зворотного зв'язку істотно відрізняється від принципу дії описаних раніше протезів, в яких система управління працює в ключовому режимі. Управління протезом може бути пояснено за допомогою блок-схеми (рис. 6). Біоелектричні сигнали відводяться за допомогою поверхневих електродів 1 з м'язів кукси, попередньо посилюються по амплітуді в підсилювачах 2 напруги, детектируются і посилюються по струму в інтеграторах 3, потім перетворюються частотно-імпульсним перетворювачем 4 в послідовність прямокутних імпульсів, що змінюються по тривалості і частоті пропорційно амплітуді відведеного з м'язів керуючого сигналу. Далі перетворений сигнал надходить в підсилювач потужності 5, в навантаженні якого через комутатори б включений електродвигун приводу кисті 7. При скороченні керуючої м'язи, наприклад згиначів кисті, біоелектричний сигнал через підсилювач 2 і інтегратор 3 одного з каналів викликає спочатку спрацьовування комутатора б в даному каналі системи , в результаті чого електродвигун 7 приводу підключається до підсилювача потужності 5, а потім спрацьовує перетворювач 4 і через підсилювач потужності сигнал викликає згинання пальців спокуса твенной кисті.
Мал. 5 Протез передпліччя з блоком зворотного зв'язку.
Мал. 6. Блок-схема управління протезом з пристроєм зворотного зв'язку.
Аналогічно працює і другий канал, керуючий разгибанием пальців кисті від м'язів-розгиначів. Плавно змінюючи амплітуду сигналу з м'язи, можна плавно змінювати швидкість руху пальців кисті. Система зворотного зв'язку складається з датчика тиску 8, розташованого в 1 пальці кисті, підсилювача 9, що підсилює сигнали датчика тиску, ланки 10, що обмежує час роботи перетворювача 11, що перетворює безперервний сигнал датчика в імпульсні дискретні сигнали, підсилювача потужності 12 і електромагнітного вібратора 13, сердечник якого при надітому протезі стосується шкіри кукси. При схопив предмет впливає на датчик, який змінює свій електричний опір при стисненні і впливає в свою чергу па перетворювач 11, що генерує прямокутні імпульси, частота проходження яких прямо пропорційна силі, що діє па датчик.
Прямокутні імпульси знову посилюються за потужністю і пускають у хід електромагнітний вібратор 13, включений в якості навантаження Ц, підсилювачі 12. Коливання сердечника вібратора сприймаються людиною через шкіру кукси, і по частоті вібрації сердечника визначається сила схвата на кінцях пальців штучної кисті. Щоб у людини не виникала адаптація до вібраційному подразнення кукси, інформація про силу схвата надходить не постійно, а через ланка 10, яке обмежує в часі вібраційне подразнення. Встановлено, що проміжок часу, рівний 1,5-3 с, достатній для розпізнавання величини сили схвата.