Загрузка...
Учебная работа. Биоуправляемые протезы предплечья. Протез предплечья с устройством обратной связи
кафедра ЭТТ
РЕФЕРАТ на тему:
«Биоуправляемые протезы предплечья. Протез предплечья с устройством оборотной связи»
МИНСК, 2008
вместе с неувязкой сотворения высокоэффективных приводных устройств и изыскания соответственных источников питания, удовлетворяющих современным требованиям по габаритам и энергоемкости, очень принципиальной является и неувязка управления таковыми протезами. Управление протезами может осуществляться средством электронных контактов (пли бесконтактных электрических устройств). В этих вариантах инвалид производит лишь управление, а силовые функции делают приводные устройства за счет наружного источника энергии.
С физиологической точки зрения целесообразнее употреблять управление, более близкое к естественному. Более физиологичным является биоэлектрическое управление, при котором управляющим сигналом служат электронные потенциалы, возникающие при сокращении мускул. Всякое сокращение (напряжение) скелетных мускул сопровождается возникновением в их электронной активности. Интенсивность данной нам активности тем выше, чем посильнее сокращение малая мышь«>мышцы (Мышцы или мускулы от лат. musculus — мышка, маленькая мышь). Биоэлектрические потенциалы мускул могут быть зарегистрированы при помощи электродов, вводимых вовнутрь малая мышь«>мышцы (Мышцы или мускулы от лат. musculus — мышка, маленькая мышь) либо под кожу, либо при помощи поверхностных электродов, накладываемых на кожу над надлежащими способны сокращаться под воздействием служащий для передачи в мозг важной для организма информаци»>нервных (орган животного, служащий для передачи в обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков»>мозг важной для организма информаци) импульсов»>мускулами. В крайнем случае регистрируются суммарные потенциалы почти всех мышечных волокон. При поверхностном отведении биоэлектрических потенциалов электромиограмма представляет собой непростой по амплитудному и частотному диапазонам переменный электронный сигнал. Установлено, что зависимо от степени сокращения мускул амплитуды биоэлектрических сигналов могут изменяться от нескольких микровольт до нескольких милливольт, а полоса частот составляет несколько сотен герц. Установлено также, что для управления протезами фактически достаточными являются амплитуды биоэлектрического сигнала от 20— 30 мкВ и выше, а рабочий спектр частот—100—400 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ). Мощность биоэлектрического сигнала очень мала, потому для практического использования ее нужно усиливать. Для этого употребляются электрические усилители, при помощи которых уровень биоэлектрического сигнала с мускул увеличивается до нужной величины и преобразовывается в форму, подходящую для управления исполнительными органами протеза. Таковым образом, биоэлектрическая система управления содержит в себе токоотводящее (токосъемное) устройство, подготовительный усилитель, преобразователь, оконечный усилитель, исполнительное устройство и источник питания.
В протезах с миотоническим управлением сгибанием и разгибанием пальцев искусственной кисти употребляется эффект роста периметра культи при сокращении ее мускул. При сокращении мышь) культи нажимают па особый датчик, сигнал с которого через электрическую систему управляет движением пальцев искусственной кисти, ротацией кисти.
В истинное время серийно выпускаются разные конструкции протезов верхних конечностей с наружными источниками энергии. Это протезы предплечья и плеча, снаряженные электромеханическими приводами, с биоэлектрическим, электроконтактным и миотоническим видами управления; протезы плеча с электромеханическим приводом кисти, управляемым при помощи биопотенциалов мыши культи плеча, и тяговым управлением локтевым шарниром.
Биоуправляемые протезы предплечья
В практике протезно-ортопедической помощи нездоровым опосля ампутации на уровне предплечья используются последующие разновидности протезов с наружными источниками энергии: протезы с биоэлектрическим управлением и протезы с миотоническим управлением. Разработаны также протезы с биоэлектрической релейной и пропорциональной системами управления и устройством оборотной связи по силе схвати, также с биоэлектрическим управлением 2-мя функциями.
Протез предплечья со интегрированной системой биоэлектрического управления. Протез предназначен для снабжения нездоровых опосля ампутации на уровне предплечья не выше 6 см от локтевого сустава, с укорочением культи не наименее 6 см по сопоставлению со здоровым предплечьем.
Протез состоит из последующих главных частей: кисти 9 (рис. 1 ) с электромеханическим приводом, гильзы предплечья 6, механизма пассивной ротации кисти 7, усилителей напряжения с токосъемным устройством 3, усилителя мощности 8. стабилизатора питания с электродом «Масса» 5, блока питания /, крепления протеза 4, косметической оболочки 2.
Кисть с электромеханическим приводом состоит из пластмассового корпуса 5 (рис. 2 ),. подвижных блоков II —IV пальцев 2 и
Рис.1 Протез предплечья со интегрированной системой биоэлектрическогоуправления.
Рис. 2. Кисть с электромеханическим приводом.
I пальца, микроэлектродвигателя 9 с редуктором 8, системы рычагов 4, соединяющих ползун винтообразной пары 6 редуктора с пальцами кисти. Пальцы кисти вращаются вокруг осей 7 и 3. При изменении направления вращении якоря электродвигателя движение пальцев кисти изменяется на обратное, так что, управляя вращением якоря, можно делать сгибание и разгибание пальцев. Изменение направления вращения якоря в данной конструкции осуществляется методом. конфигурации полярности подводимого к электродвигателю напряжения от источника питания.
Привод механизма состоит из электродвигателя 1 (рис. 3), эластичной муфты 2, редуктора 3, состоящего из зубчатых колес Zi—Z4 винтообразной передачи, включающей в себя трехзаходный винт 8 и ползун 9, направляющих стержней 11 для ползуна 9, упрямого подшипника б, муфты обгона 7. Упрямый подшипник б и муфта обгона 7 заключены в корпус 5. Вращение вала электродвигателя 1 через эластичную муфту 2 передается на зубчатые колеса Z/—Z* и через их — поочередно на муфту обгона 7 и трехзаходный винт 8. При вращении винта 8 ползун 9 совершает поступательное движение относительно направляющих стержней 11 и приводит в движение систему рычагов 10 пальцев кисти, шарнирно связанных с ползуном 9. Пальцы кисти при всем этом совершают сгибательные либо разгибательные движения зависимо от направления вращения вала электродвигателя.
Рис. 3. Кинематическая схема механизма кисти.
Муфта обгона 7 служит для автоматической смены упрямого подшипника скольжения, обеспечивающего самоторможение при передаче движения от ползуна к движку, на подшипник 6 качения, позволяющий достигнуть высочайшего КПД при передаче движения от мотора к ползуну.
При вращении винта 8 в направлении, соответственном смыканию пальцев (движение на схват) и передаче мощности от электродвигателя к винту, винт 5 в корпусе 5 благодаря обгонной муфте 8 свободно прокручивается и упрямым подшипником в данном случае является шариковый подшипник муфты обгона 7. При передаче мощности от винта к движку и при вращении винта в оборотном направлении вращается корпус 5. В этом случае упрямым подшипником является подшипник скольжения, образованный торцом корпуса 5. При раскрытии пальцев за счет вращения электродвигателя роль упрямого подшипника делает шариковый подшипник 4. При схвате предмета пальцами кисти па ползуне 9 возникает сила, направленная вдоль оси винта к пальцам кисти. Эта сила через винт 8 придавливает торец корпуса 5 обгонной муфты к корпусу редуктора 3 и делает условие торможения привода за счет силы трения. Винт 8 в этом случае фиксируется от проворачивания при помощи 2-ух шариков муфты обгона 7 и особых косых выемок в корпусе 5, что обеспечивает фиксацию пальцев кисти при схвате. Гильза предплечья обычно изготовляется из слоистого пластика по персональному гипсовому слойку с культи и удерживается на культе при помощи ремешкового крепления либо при помощи шинно — кожаной манжеты, именуемой гильзой плеча, изготовляемой также персонально. В крайнее время в практике протезирования обширное распространение получила так именуемая неспадающая гильза предплечья (см. рис. 1).
Такое крепление высвобождает от доп устройств для удержания протеза на культе. По-видимому, неспадающей гильзе из-за ее преимуществ следует отдавать предпочтение при изготовлении протезов предплечья, потому что опыт указывает, что она удачно быть может применена почти всегда протезирования.
Механизм пассивной ротации кисти служит дли подвижного и разъемного соединения кисти с гильзой предплечья и дозволяет пассивно устанавливать в подходящем положении кисть при использовании протезом. Механизм состоит из 2-ух пластмассовых колец, одно из которых имеет углубления, распределенные неравномерно по внутреннему краю, и соединяется с гильзой предплечья. Другое кольцо имеет выступы по внешнему краю, буквально надлежащие углублениям в первом кольце, и соединяется с корпусом кисти.
Рис 4. Блок-схема управления протезом.
При соединении гильзы с кистью кольцо с выступами заводится в кольцо с ложбинками и поворачивается в нем на пол-оборота. Благодаря неравномерности расположения по окружности колец выступов н углублении, кисть крепко и в то же время подвижно с неко-торым трением соединяется с гильзой предплечья, позволяя производить пассивные пронацию и супинацию кисти.
Усилители напряжения 3 (см. рис. 1), усилитель мощности 8, стабилизатор питания с электродом «Масса» 5 образуют двухканальную электрическую систему управления. Система управления создана для усиления мощности биоэлектрических потен-циалов, отводимых мускул культи поверхностными электродами, соединенными со входами системы. Управление протезом поясняется блок-схемой (рис. 4). При напряжении (сокращении) одной из групп мускул культи предплечья биоэлектрический сигнал с этих мускул отводится одной из пар электродов 1 токоотводящего устройства и подается на вход 1-го из каналов системы управления. Сигнал в усилителе напряжения 2 усиливается по амплитуде. Усиленный сигнал вы-прямляется и сглаживается в активном сенсоре 3, а потом усиливается по току в усилителе мощности 4. Таковым образом, при сокращении управляющих мускул, т. с. при подаче на вход усилителя биоэлектрического сигнала определенной амплитуды выходное реле 5 в перегрузке усилителя мощности 4 данного канала срабатывает и подключает через своп контакты электродвигатель б привода кисти к источнику питания. Пальцы кисти, связанные с приводом, совершают при всем этом движение, к примеру, сгибание. Прекращение подачи сигнала, т. е. расслабление управляющих мускул, вызывает остановку и фиксацию пальцев в данном положении. Подача биоэлектрического сигнала на вход второго канала усилителя, т. е. сокращение мышцы-антагониста, вызывает соответственно срабатывание выходного реле этого канала, и электродвигатель привода кисти подключается к источнику питания в обратной полярности, что обусловливает вращение вала в обратном направлении, как следует, пальцы кисти в этом случае будут разгибаться.
Таковым образом, подавая попеременно на входы каналов системы управления био-электрические сигналы величиной выше порога срабатывания, можно управлять движением пальцев кисти протеза в главном режиме, т.е. по принципу включено-выключено. Блок питания представляет собой батарею из 10 поочередно соединенных аккумов типа ЦНК-0,45. Номинальное напряжение батареи составляет 12,5 В. Блок питания соединяется с усилителем биопотенциалов средством гибкого кабеля и электронного двухштыревого разъема и при ношении протеза располагается в кармашках одежки либо на поясе инвалида.
Косметическая оболочка (перчатка) на кисть изготовляется в главном из вспененного поливинилхлорида по особым формам. Масса протеза (без усилится и блока питания) составляет в среднем 0,8-0,9 кг, масса усилителя —0,12 кг , масса блока питания —0,32 кг; габаритные размеры—138x78x18 мм. Сила схвата на концах пальцев искусственной кисти — не наименее 20 Н.
Протез предплечья с устройством оборотной связи
Протез предназначен для нездоровых опосля ампутации предплечья на уровне, не превосходящем 6 см от локтевого сустава. Укорочение предплечья обязано быть не наименее 7,5 см по сопоставлению с нормой. Таковым образом, протез быть может назначен нездоровым с культей предплечья на уровне средней трети.
Индивидуальностью данной конструкции протеза является возможность управления скоростью перемещения пальцев искусственной кисти и величиной силы схвата. Управление скоростью перемещении н силой схвата осуществляется конфигурацией амплитуды биоэлектрического сигнала, подаваемого па вход системы управлении, т. с. конфигурацией степени сокращении (напряжения) управляющих мускул культи. Скорость перемещения пальцев кисти находится в прямой зависимости от степени напряжения мускул культи, а сила схвата — от времени подачи (длительности) управляющего сигнала на вход системы управления. Протез состоит из последующих главных узлов: кисти 9 (рис. 5) с электромеханическим приводом, усилителя мощности с преобразователем и узлом оборотной связи 8, электромагнитного вибратора 7, гильзы предплечья б, электрода «Масса» 5, усилителей напряжения 4, распределительной коробки 3, соединительного кабеля 2, блока питания 1, датчика давления 10. Принцип деяния протеза с устройством оборотной связи значительно различается от принципа деяния обрисованных ранее протезов, в каких система управления работает в главном режиме. Управление протезом быть может пояснено при помощи блок-схемы (рис. 6). Биоэлектрические сигналы отводятся при помощи поверхностных электродов 1 с мускул культи, за ранее усиливаются по амплитуде в усилителях 2 напряжения, детектируются и усиливаются по току в интеграторах 3, потом преобразовываются частотно-импульсным преобразователем 4 в последовательность прямоугольных импульсов, изменяющихся по продолжительности и частоте пропорционально амплитуде отводимого с мускул управляющего сигнала. Дальше перевоплощенный сигнал поступает в усилитель мощности 5, в перегрузке которого через коммутаторы б включен электродвигатель привода кисти 7. При сокращении управляющей малая мышь«>мышцы (Мышцы или мускулы от лат. musculus — мышка, маленькая мышь), к примеру сгибателей кисти, биоэлектрический сигнал через усилитель 2 и интегратор 3 1-го из каналов вызывает сначало срабатывание коммутатора б в данном канале системы, в итоге чего же электродвигатель 7 привода подключается к усилителю мощности 5, а потом срабатывает преобразователь 4 и через усилитель мощности сигнал вызывает сгибание пальцев искусственной кисти.
Рис. 5 Протез предплечья с блоком оборотной связи.
Рис. 6. Блок-схема управления протезом с устройством оборотной связи.
Аналогично работает и 2-ой канал, управляющий разгибанием пальцев кисти от мускул-разгибателей. Плавненько изменяя амплитуду сигнала с давления 8, размещенного в 1 пальце кисти, усилителя 9, усиливающего сигналы датчика давления, звена 10, ограничивающего время работы преобразователя 11, модифицирующего непрерывный сигнал датчика в импульсные дискретные сигналы, усилителя мощности 12 и электромагнитного вибратора 13, сердечник которого при насаженом протезе касается кожи культи. При схвате предмет повлияет на датчик, который изменяет свое электронное сопротивление при сдавливании и повлияет в свою очередь па преобразователь 11, генерирующий прямоугольные импульсы, частота следования которых прямо пропорциональна силе, работающей па датчик.
Прямоугольные импульсы опять усиливаются по мощности и приводят в действие электромагнитный вибратор 13, включенный в качестве перегрузки Ц, усилителе 12. Колебания сердечника вибратора воспринимаются человеком через кожу культи, и по частоте вибрации сердечника определяется сила схвата на концах пальцев искусственной кисти. Чтоб у человека не возникала адаптация к вибрационному раздражению культи, информация о силе схвата поступает не повсевременно, а через звено 10, которое ограничивает по времени вибрационное раздражение. Установлено, что просвет времени, равный 1,5—3 с, достаточен для определения величины силы схвата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белова А.Н. Нейрореабилитация.-М. Антидор, 2000 г. — 568с.
2. Прикладная лазерная медицина. Под ред. Х.П. Берлиена, Г.И. Мюллера.- М.: Интерэкспорт, 2007г.
3. Александровский А.А. Компьютеризованная кардиология. Саранск; «Красноватый Октябрь» 2005: 197.
4. Разработка и постановка мед изделий на Создание. Муниципальный эталон Республики Беларусь СТБ 1019-2000.
5. Штарк М.Б., Скок А.Б. Применение электроэнцефалографического биоуправления в медицинской практике. М. — 2004 г
6. Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. Общая физиотерапия. М.,СПб.: СЛП, 2008.
7. Ультрафиолетовое излучение в профилактике заразных болезней./ А.Л. Вассерман, М.Г. Шандала, В. Г.Юзбашев. М. 2003г.
]]>