CC BY
23
Automated information control system robotic limbs
1 2 3
Kiyamov R. , Khmelev E. , Yunusov I. Автоматизированная информационная система управления роботизированной конечностью Киямов Р. В.1, Хмелев Е. А.2, Юнусов И. Ф.3
1Киямов Раиль Вахитович /Kiyamov Rail - магистрант; 2Хмелев Евгений Андреевич /Khmelev Evgeniy - магистрант, кафедра сервиса транспортных систем;
3Юнусов Ильназ Фенисович / Yunusov Ilnaz - магистрант, кафедра информационных систем, Набережночелнинский институт (филиал) Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Набережные Челны
Аннотация: в статье раскрыты важность новых разработок в области роботизированного протезирования, а также их внедрение. Выявлена и обоснована необходимость совместного использования медицины и информационных систем в создании роботизированного протеза, выполняющего все функции потерянной конечности.
Abstract: the article reveals the importance of new developments in the field of robotic prosthetics, as well as their implementation. Identified and the necessity of sharing the medicine and information systems to create a robotic prosthesis that performs all the functions of lost limbs.
Ключевые слова: информационная система, робот, протез, роботизированная рука. Keywords: information system, robot, prosthesis, robotic arm.
Тема роботизированных протезов с каждым годом становится все популярнее. Уже на текущей стадии развития технического прогресса и научных достижений у людей с определенными физическими недостатками есть большой выбор различных возможностей и протезов. В настоящее время в области протезирования появляются все новые и новые разработки, каждая из которых обходит свой аналог теми или иными возможностями, индустрия не стоит на месте. Но, несмотря на это, в мире еще ни одному ученому не удалось достичь схожести с реальной рукой.
Для начала стоит подробнее остановиться на понятии протезирование. Протезирование - это комплекс медико-социальных мероприятий, которые направлены на возмещение анатомических и функциональных дефектов человека с помощью протезно-ортопедических средств и приспособлений. Конечно, главной задачей протезирования является максимальное восстановление функций утраченного органа и возвращение человека к активной трудовой деятельности. А что же собой представляют сами протезы? 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. Умения и навыки со временем могут совершенствоваться, а скорость работы увеличиваться. При помощи рук человек выполняет различную щекотливую работу, которая требует точности и легкости движений, сюда же входит и тяжелый ручной труд. Но не стоит считать руки лишь каким-то инструментом для выполнения определенных задач. Помимо этого они также могут рассказать о характере человека, а важной частью коммуникационного процесса является сама жестикуляция. Поэтому протезирование руки можно считать очень важной и сложной медицинской задачей. Но, за всей этой многообещаемостью скрывается большой и, наверное, самый главный недостаток - это цена. Конечно,
можно ограничиться дешевым вариантом, но, мало кто будет доволен аппаратом, который предоставляет минимум функций. 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.
Как и любая другая техника, такие роботизированные протезы имеют свои недостатки. Наверное, самыми главными являются - нереально дорогая стоимость или же минимальную стоимость, но уже с минимальными функциональными возможностями. 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 также существует протезы, у которых кисть может двигаться верх или вниз, или же направо или налево, но еще 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 прямо до плеч, то ему будет сложно найти какой-то протез, если вообще сможет найти, конечно. Перечисленные три проблемы, наверное, можно считать самыми главными.
Данная тема является очень актуальной в современном мире, так как уже не только в производстве, но и в медицине используются роботизированные системы, одной из таких является хирургическая система «Da Vinci». Наверное, самой важной частью является использование робототехники в протезировании конечностей. Ведь, благодаря этому, например, люди, потерявшие руку, получают в той или иной мере возможность начать жизнь заново.
Почти до конца 20-го века, все изобретения в сфере протезирования были механического характера, а в некоторых случаях процесс сгибания вовсе регулировался вручную. Главными проблемами протезов тех времен были отсутствие какой-либо связи с организмом, негибкость и недолговечность. Протезы, которые заменяли руку или ногу, не могли функционировать, как полноценный их прототип - это всего лишь суррогат, заменяющий активные части тела, но неспособный приблизиться по возможностям к естественному аналогу. Хотя, и в нынешнее время некоторые из этих проблем встречаются на практике. Таким образом, главным минусом протезов является их внешний характер и низкая функциональность, а обладателю остается лишь использовать их как определенный элемент гардероба, который со временем становится непригодным к дальнейшей эксплуатации [1].
Не так давно в области протезирования появилось такое направление, как «биомехатроника», которое представляет собой соединение робототехники и нервных клеток человека [2]. Задачей научных исследований в данном направлении является разработка искусственных конечностей, которыми можно будет управлять лишь силой мысли, а функционально будет повторять свой реальный аналог. Уже сейчас есть несколько разработок, которые позволяют управлять роботизированной рукой в той или иной мере лишь одной силой мысли, но, они все еще находятся лишь на экспериментальной стадии. Например, роботизированная рука от исследовательской группы из Университета Брауна разработала специальный имплантат, который помогал парализованным управлять роботизированной рукой.
Что касается предлагаемого решения:
Для кистевого сустава можно придумать массу различных способов для решения, начиная с обычных кронштейнов и заканчивая шестеренками. В данном случае необходимо разработать несколько различных моделей, хотя бы в программной среде 3D моделирования, чтобы выяснить, как лучше построить саму платформу под определенный вариант решения проблемы. Например, использовать один сервопривод для поворота кистевого сустава на 360 градусов вправо или влево и использовать ещё один для положения верх или вниз. Благодаря шестеренкам можно придумать максимально простой и не занимающий много места механизм. Также следует помнить, что самое главное - механика и в ходе работы не забывать высчитывать ее. А что касается протезов до плечевого сустава, то здесь есть место, где можно развернуть идею. Например, распечатать на 3D принтере максимально похожую модель руки, просчитать все необходимые диаметры, длину, ширину и т.п., и возле самого плечевого сустава сделать своеобразную «коробку» с платой, отвечающей за всю работу (например, Arduino), а все кабели от пальцев и кисти провести через внутреннюю часть распечатанной руки, тем самым спрятать кабели, чтобы случайно их никто не вынул. Для соединения плечевого сустава и локти можно воспользоваться теми же сервоприводами. Как самый простой вариант можно сделать следующим образом: закрепить два сервопривода в части, отвечающей моторным функциям плечевого сустава, лицевой стороной внутрь, чтобы выходные валы были напротив друг друга, и на валы поставить шестеренки. Далее в локтевом суставе должны с двух сторон быть жестко фиксированные шестеренки, и, следовательно, если сервопривод крутит верх или вниз, то благодаря фиксированным шестеренкам получится сделать самые простые движения локтем. В дальнейшем можно придумать простой и не требующий много места механизм, с помощью которого локоть двигался бы как сверху вниз, так и слева направо.
Arduino — это небольшая плата с собственным процессором и памятью. На плате также есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: лампочки, датчики, моторы, чайники, роутеры, магнитные дверные замки и вообще всё, что работает от электричества [3].
В заключение стоит отметить, что протезирование на данный момент является важнейшем атрибутом в медицине и промышленности, так как многие люди нуждаются конечностях, которые потеряли их в той или иной ситуации, а также для облегчения трудоемкого процесса на производстве. Однако, по статистике, лишь 9% из всех нуждающихся людей могут себе позволить новую конечность.
В свою очередь, с каждым новым достижением в этой отрасли, люди, лишившиеся конечностей, обретают новую надежду на возвращение к нормальной жизни. Жаль только, что пока большая часть этих изобретений существуют только в виде лабораторных образцов, а если и за пределами научных институтов, то далеко не всем по карману. Так что пока всё, что остается, - это надеяться на то, что когда продукция нового поколения поступит в более массовое производство, то и цена не будет такой сногсшибательной.
Литература
1. Тимофеев А. Н. Адаптивные робототехнические комплексы. Издательство: Машиностроение, 1988.
2. Статья «Биомехатроника». [Электронный ресурс]: Помощь инвалидам и создание суперчеловека. URL: http://gridder.ru/technologies/biomehatronika-pomoshh-invalidam-ili-sozdanie-super-cheloveka/ (дата обращения: 08.09.2016).
3. Материал «Что такое Ардуино?». [Электронный ресурс]. URL: http://arduino.ru/About/ (дата обращения: 08.09.2016).
