РАЗРАБОТКА РОБОТИЗИРОВАННОГО ЭКЗОПРОТЕЗА КИСТИ ЧЕЛОВЕКА,

Содержание

АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Последствия инсульта 4
2 Анатомия кисти 5
3 Описание устройства 7
3.1 Перчатка 7
3.2 Каркас 9
3.3 Электрическая часть 11
3.4 Управление 14
4 Составляющие устройства 16
4.1 Широтно-импульсная модуляция 16
4.2 Аналого-цифровой преобразователь 20
4.2.1 Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения 20
4.2.2 Параллельный аналого-цифровой преобразователь 21
4.2.3 Сигма-дельта АЦП 22
4.3 Стабилизаторы напряжения 24
4.4 Микроконтроллер STM32 28
4.5 Драйвер двигателей 32
4.6 Принцип работы двигателя постоянного тока 36
4.7 Операционный усилитель 36
4.8 Защита от статических разрядов 38
4.9 Энкодер 38
4.10 Протокол SWD 41
4.11 Протокол USB 43
4.12 Протокол UART 44
4.13 Протокол SPI 45
5 Модернизация экзоскелета 48
6 Результаты работы 56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 59

Введение

Интеграция роботизированных систем в современную медицинскую практику способствует улучшению качества реабилитационного процесса, снижению его трудоемкости и повышению эффективности работы терапевтов. Одним из таких решений является мягкий экзоскелет кисти, который применяется для терапии и реабилитации пациентов, перенесших инсульт и утративших подвижность верхней конечности. Экзоскелет представляет собой техническую систему, объединяющую элементы робототехники, биомеханики и управления. Существуют два основных типа конструкций: мягкие и жесткие.
В раннем постинсультном восстановительном периоде проводят упражнения, направленные на восстановление утраченной функции конечности. В процессе проведения упражнений, врачам помогают соответствующие устройства. В целом можно выделить два типа устройств - направленные на реализацию потерянных движений конечности и обеспечивающие проведение (помощь в проведении) реабилитационных упражнений.
В мире проводятся исследования и разработки таких устройств [1-5], которые активно используются в реабилитационных центрах. Существуют устройства как стационарные, так и носимые, последние позволяют «надевать» устройство или же комплекс устройств и выполнять упражнения в более комфортных условиях. Эти устройства используют тросовые и пневматические системы движения, имитирующие работу мышечных волокон и сухожилий. Основные проблемы связаны с ограниченным временем автономной работы и сложностью управления. Жесткие экзоскелеты, используемые в реабилитации, ограничивают свободу движений пациента, что затрудняет его естественное взаимодействие с окружающей средой и имеют значительные размеры.
Цель исследования является разработка функционального экзоскелета кисти [6-7], направленного на восстановление утраченной функции верхней конечности после инсульта, позволяющего приводить в движение фаланг пальцев, используя тросы и двигатели постоянного тока. Разработка направлена на реализацию устройства, обеспечивающего контролируемое проведение упражнений.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

Заключение

Смоделирован и напечатан каркас экзоскелета, макеты предплечья и кисти. Спроектирована и изготовлена печатная плата. Разработано приложение, позволяющее управлять экзоскелетом путем отправки команд по протоколу USB, также осуществляя прием данных.
Устройство находится на этапе разработки, на данный момент позволяет осуществлять независимое сгибание-разгибание пальцев отдельно каждым пальцем с возможностью измерять ток, потребляемый двигателем. Контроль потребления тока двигателя дает дополнительную информацию и позволяет судить о степени подвижности пальца.

Литература

1. Yurkewich, A., Kozak, I.J., Hebert, D., Wang, R.H., Mihailidis, A. Hand Extension Robot Orthosis (HERO) Grip Glove: Enabling Independence amongst Persons with Severe Hand Impairments after Stroke. J. NeuroEng. Rehabil. 2020, 17, 33.
2. Connelly, L., Jia, Y., Toro, M.L., Stoykov, M.E., Kenyon, R.v., Kamper, D.G. A Pneumatic Glove and Immersive Virtual Reality Environment for Hand Rehabilitative Training after Stroke. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 2010, 18, 551-559.
3. Thielbar, K.O., Triandafilou, K.M., Fischer, H.C., O’Toole, J.M., Corrigan, M.L., Ochoa, J.M., Stoykov, M.E., Kamper, D.G. Benefits of Using a Voice and EMG-Driven Actuated Glove to Support Occupational Therapy for Stroke Survivors. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 2017, 25, 297-306.
4. Yurkewich, A., Kozak, I.J., Ivanovic, A., Rossos, D., Wang, R.H., Hebert, D.,
Mihailidis, A. Myoelectric Untethered Robotic Glove Enhances Hand Function and Performance on Daily Living Tasks after Stroke. J. Rehabil. Assist. Technol. Eng. 2020, 7,
2055668320964050.
5. CyberGrasp-CyberGlove Systems LLC. Available online:
http://www.cyberglovesystems.com/cybergrasp (accessed on 21 April 2022).
6. Борзенко Е.И., Жданов Д.С., Макаров Р.Е., Селезнев А.И., Утукин В.,
Буреев А.Ш. Мехатронный экзоскелет кисти для реабилитации после инсульта. Мехатроника, автоматизация, управление. 2024;25(2):101-107.
https://doi.org/10.17587/mau.25.101-107.
7. Борзенко Е.И., Жданов Д.С., Макаров Р.Е., Утукин В.М. Разработка тросовой системы кистевого экзоскелета для восстановления утраченной функции конечности // Молодежь и современные информационные технологии: сборник трудов XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 20-22 марта 2023 г. Томск, 2023. С. 285-287.
8. STM32F411xC STM32F411xE datasheet. Arm® Cortex®-M4 32b MCU+FPU, 125 DMIPS, 512KB Flash, 128KB RAM, USB OTG FS, 11 TIMs, 1 ADC, 13 comm. interfaces [Электронный ресурс] // URL: https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f411re.pdf (дата обращения: 14.05.2023).