Сокращения и обозначения 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Анализ предметной области 9
1.1 Описание объекта анализа 9
1.2 Моделирование предметной области 12
1.2.1 Документирование элементов модели в StarUML 16
1.2.1.1 Описание документаций компонентов диаграммы
«RoboticHand» 16
1.2.1.2 Описание документации компонентов диаграммы «Обработка
полученных данных» 19
1.2.2 Потоки событий 20
1.2.3 Диаграмма деятельности 23
1.2.3.1 Создание диаграммы деятельности в StarUML 23
1.2.4 Диаграмма классов 24
1.2.5 Пакеты в языке UML 25
1.2.6 Диаграммы взаимодействия 27
1.2.7 Диаграммы последовательности 28
1.2.8 Атрибуты и операции классов 28
1.2.9 Отношение между классами 29
1.3 Анализ существующих проектных решений 30
1.3.1 Бионический протез руки «BeBionic» 31
1.3.2 Протез руки с кистью «Michelangelo Otto Bock» 33
1.3.3 Роботизированный протез руки «MAXBIONIC» 34
1.4 Выявленные требования 36
1.4.1 Функциональные требования 36
1.4.2 Нефункциональные требования 37
1.5 Вывод по главе 37
2 Проектирование функциональной модели 38
2.1 Функциональная модель 38
2.2 Функция «Обработка сигналов» 39
2.3 Функция «Определение количества необходимых управляющих
элементов» 43
2.4 Функция «Определение параметров» 47
2.5 Вывод по главе 49
3 Реализация системы 50
3.1 Аппаратная часть 50
3.2 Исполнительная часть 58
3.2.1 Схема роботизированного протеза руки 60
3.2.2 Обработка сигналов 61
3.2.3 Определение количества необходимых управляющих элементов .. 65
3.3 Готовая модель 66
3.4 Вывод по главе 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 72
ПРИЛОЖЕНИЕ А 74
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 78
В веке информационных и прогрессивных технологий с ростом направлений, которые применяют новые технологии и материалы, нельзя не задуматься о способах решения проблем связанных с травмами, полученными в различных обстоятельствах (производственные травмы, следствия дорожно-транспортных происшествий (ДТП), несчастные случаи). Не смотря на то, что во всех сферах деятельности человечества уделяется огромное внимание безопасности человека, не имеется полной гарантии и защиты от случаев получения травмы. Основными причинами этого являются халатность или невнимательность самого человека, отказ или недоработка системы.
Разработка роботизированных протезов становится все популярнее с каждым годом. В настоящее время, в текущей стадии развития технического прогресса, у людей с определенными физическими недостатками имеется относительно большой выбор использования различных протезов. В области протезирования появляются все новые и новые предложения, каждый из которых обходит по функциональности свой аналог теми или иными возможностями. Разумеется, несмотря на эти достижения, в мире еще ни одному ученому не удалось достичь функциональности реальной руки.
Прежде чем приступить к разработке, вначале стоит подробно изучить и исследовать понятия протезирование. Протезирование является комплексом медико-социальных мероприятий, которые предназначены для устранения анатомических и функциональных дефектов человека, путем применения протезно-ортопедических средств и приспособлений. Главное задачей протезирования является максимальное восстановление функций утраченного органа и возвращение человека к активной трудовой деятельности.
Что же из себя представляют сами протезы конечностей? Протезы - это искусственные конечности, призванные заменить или дополнить потерявшие возможность двигаться и функционировать природные части тела человека. Протезом может быть, например, аналог ноги или кисти, части черепа или позвоночника.
Рука человека очень удивительна. При помощи рук человек выполняет различную работу, которая требует точности и легкости движений, сюда же входит и тяжелый ручной труд. Не стоит считать руки лишь каким-то инструментом для выполнения производственных задач. Помимо этого, они также могут дополнить информацию о характере человека, например, важной частью коммуникационного процесса является сама жестикуляция. Поэтому протезирование руки можно считать очень важной и сложной медицинской задачей. Несмотря на актуальность и возможностей реализации скрывается, самый главный недостаток - это стоимость конечной продукции. Конечно, можно ограничиться дешевым вариантом реализации, но, его функциональности не буде устраивать клиента, так как предоставляет минимум функций. Поэтому, разработка такого протеза занимает много времени и средств. Но, несмотря на усилия инженеров, на рынке еще нет полнофункционального роботизированного протеза, который мог бы себе позволить каждый нуждающийся в этом человек.
Как и любая другая устройство, эти роботизированные протезы имеют свои недостатки. Наверное, самым главным недостатком является - нереально дорогая стоимость или же, при минимальной стоимости, протез имеет минимальные функциональные возможности. Оно и понятно, что разработка подобного устройства занимает много времени и средств. Но, несмотря на это, на рынке еще нет роботизированного протеза, который мог бы себе позволить практически каждый второй нуждающийся в этом человек. К следующей проблеме можно легко отнести участок кистевого сустава руки, например, многие существующие в настоящий момент протезы изначально просто не имеют возможность для поворачивания кистевого сустава, т.е. у них сустав остается в статичном положении независимо от ситуации. Однако, так же существует протезы, у которых кисть может двигаться верх или вниз, или же направо или налево, но нет протеза с возможностями реального аналога. Из этого следует, что человеку с протезом руки при необходимости схватить что-то под углом придется самому принять более-менее удобное положение, чтобы протез смог захватить необходимый предмет и не уронить его только из-за невозможности принять определенное положение. Можно добавить ещё один наглядный недостаток, практически все протезы разрабатывают лишь до локтя, а есть те, которые включают себе лишь протезы пальцев и кисти. Следовательно, если человек лишился руки до плеч, то ему будет сложно найти протез. Перечисленные три проблемы можно считать самыми главными.
Целью данной выпускной квалификационной работы является повышение качества жизни лиц имеющих ограниченные возможности при отсутствии верхних конечностей на основе проектирования автоматизированной системы управления роботизированным протезом руки.
В данной выпускной квалификационной работе будет рассматриваться один из способов изготовления и автоматизирования протезов руки. Так же, будут рассмотрены способы ускорения возвращения дееспособности конечности с помощью накладок, которые призваны помочь врачам автоматизировать ход реабилитации пациентов.
В данной выпускной квалификационной работе рассматривается проектирование автоматизированной системы управления роботизированным протезом руки на основе микроконтроллера Arduino.
Целью выпускной квалификационной работы являлось проектирование автоматизированной системы управления роботизированным протезом руки, для возможности установки протеза руки пациентам, потерявшим ее в разных жизненных ситуациях.
На предварительном этапе был проведен анализ предметной области, были проведены анализ рассматриваемого процесса и анализ методов разработки, составлены функциональные требования, были найдены аналоги данной системы и проведено сравнение систем. Так же были описаны функции управления роботизированным протезом руки, изучены методы визуального моделирования систем в StarUML.
В процессе работы были сформированы основные требования к функциональности системы роботизированного протеза и разработаны алгоритмы.
В результате реализации работы спроектирован и собран прототип протеза руки, управление которого реализовано на базе микропроцессора Arduino Uno V3. Все управляющие сгибанием пальцев и вращением кисти компоненты расположены внутри локтевого короба.
Было выявлено, что самым слабым местом сборки является тяговая нить, так как она постоянно трется об внутренние поверхности и стирается, так же со временем нить теряет начальную степень натяжения, из-за чего ход сгибания пальцев протеза становится трудно контролируемым. В будущем планируется использовать стальные нити.
В дальнейшем рекомендуется продолжить поддержку работы по улучшению показателей системы и расширением ее функциональных возможностей с целью повышения качества работы роботизированного протеза руки.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
