Бионический протез фаланга-2
Описание проекта
На рынке бионических протезов присутствует недостаток доступных технологических решений. Неудовлетворенность пользователей функционалом существующих решений, их надежностью и ценой ставит задачу по разработке упрощенной и доступной модели.
Проект бионического протеза предплечья «Фаланга – 2» – попытка оптимизировать конструкцию ULP протезов, создать упрощенный функциональный аналог дорогостоящих моделей протезов верхних конечностей. Предназначен для людей с ампутацией предплечья, кисти, плеча.рочный этап весной 2023 года.
Команда:
Инженер конструктор – Даниил Драгунов
Инженер электронщик – Арсений Горбушин
Инженер программист – Топорков Никита
Менеджер – Даниил Драгунов
( * ) – компонент может быть удален или изменен в процессе разработки.
1. Наименование, цель выполнения ОКР, основание и сроки выполнения ОКР
1.1 ЛРИМ.008-Фаланга-2
1.2 Шифр СЧ ОКР
1.3 Основание ОКР: Развитие компетенций участников проекта, разработка оптимизированной модели миоэлектрического протеза для верхних конечностей.
1.4 Сроки выполнения ОКР:
|
2 Цель выполнения ОКР, наименование и обозначение изделия
2.1 Цель разработки:
Разработать полноценную модель бионического протеза для применения в медицинской практике.
2.2 Подлежащие достижению обобщенные результаты выполнения ОКР:
- Создание механических модулей с относительно упрощенной конструкцией, использование стандартизированных деталей для конструкции механики.
- Время работы аккумуляторного блока не менее 3 часов.
- Использование ЭМГ электродов и датчиков в основе системы управления.
- Создание системы блокировки механики.
- Обеспечение пропорционального управления.
3 Технические требования к изделию.
3.1 Описание общих требований к конструкции
Модель бионического протеза предплечья «Фаланга – 2» – упрощенный функциональный аналог дорогостоящих моделей протезов верхних конечностей. Предназначен для людей с ампутацией предплечья.
Конструкция в общем виде должна представлять собой системную электрокисть (электрический манипулятор), с шириной раскрытия кисти (хвата) до 95 мм, активной ротацией кисти на 360 градусов и пассивной ротацией в бок на 40 градусов.
Активная ротация механических компонентов изделия осуществляется за счет приводов, контролируемые механической системой, которая не позволяет вращаться механике без подачи питания на моторы. Система блокировки должна иметь функцию аварийного отключения.
Вес системной электрокисти не должен превышать 540 грамм. Габариты устройства не должны превышать 75 мм в ширину, 180 мм в длину и 70 мм в высоту. Ширина подушечек захвата – 55 мм.
Конструкция должна включать в себя ЭМГ сенсоры восприятия сокращения мышц оператора.
Конструкция должна быть относительно проста в сборке и обеспечена возможностью быстрого доступа к электронным и механическим компонентам для их замены или ремонта.
Защита блока электроники IPX4.
Требования к электронике
Питание всех электронных компонентов должно быть обеспечено аккумуляторным блоком, расположенным в культеприемной гильзе протеза.
Требуемое время работы: 3.0 часа.
Должны быть выбраны моторы, позволяющие развивать пропорциональную скорость 8 – 200 мм/с и достигать пропорциональную силу захвата до 180 H.
3.2 Состав изделия:
В состав изделия Фаланга-2 должно входить:
- Механический блок в виде манипулятора (грейфера). (МБ);
- Вычислительный блок приема и обработки сигнала. (ВБ);
- Система управления (СУ);
- Система питания (СП);
Состав МБ:
1. BLDC мотор на сжатие кисти;
2. BLDC мотор на активную ротацию кисти;
3. Блок пассивной ротации кисти;
4. Корпус;
Состав ВБ:
1. Микроконтроллер на базе STM32;
2. Плата периферии для отладки;
3. Энкодеры для каждого мотора;
4. ЭМГ процессор ( возможно использование готового EMG датчика);
Состав СУ:
1. Сухие ЭМГ электроды;
2. Отладочный компонент ЭМГ электродов.
Состав СП:
1. Внутренний источник питания;
2. Преобразователи питания (при необходимости);
3. Датчик уровня источника питания;
4. Кнопка включения.
3.2 Требования назначения
3.2.1 Характеристики, обеспечивающие выполнением изделия своих функций:
– Бесперебойность питания
– Защита от перегрузки
– Система экстренного отключения блокировки механики.
– Возможность ручного раскрытия/закрытия хвата.
3.2.2 Нормы и количественные показатели
3.2.3 Технические характеристики, необходимые для выполнения требуемых задач (мощность, время работы)
– Время бесперебойной работы не менее 3 часов;
– Пропорциональная скорость 8 – 200 мм/с;
– Пропорциональная сила хвата до 180 H;
3.3 Конструктивные требования
3.3.1 Габаритные требования:
– ДхШхВ не более 180х75х70 мм ( * )
3.3.2 Требования консервации
– Хранение должно осуществляться в собранном виде в пластиковом контейнере с наполнителем из блочного поролона.
3.3.3 Вид исполнения (блочное, моноблочное, контейнерное)
– Блочный
3.3.4 Требования к конструктивному оформлению, к разработке в качестве базового и приспособленности конструкции к дальнейшей модернизации:
3.3.5 Масса устройства не должна превышать 540 г.
3.3.6 Съёмный источник питания
3.4 Требования живучести к внешним воздействиям
Материалы, используемые при создании конструктивных частей робота должны быть стойкими к УФ излучению, должна быть обеспечена защита электронных модулей системой IPX4.
3.5 Требования надежности
Общее время работы должно составлять не менее 10 тыс. часов (необходимо провести расчёты!)
– Готовность к механическим воздействиям (падении с 1.5 м.)
3.6 Требования эргономики, обитаемости и технической эстетики
– Внешние элементы корпуса протеза должны быть выполнены из литого пластика или другого качественного пластика.
– Должна быть обеспечена возможность отсоединения и присоединения кисти к культеприемной гильзе.
– Незатрудненная замена источника питания (АКБ).
– Возможность быстрого доступа к электронным компонентам для замены или ремонта.
3.7 Транспортирование
Транспортировку проводить в пластиковом контейнере с наполнителем из блочного поролона или пластиковом тубусе 60 см в длину в комплекте с культеприемной гильзой.
3.8 Требования безопасности
– Наличие свето-шумовой индикации при степени разряда аккумулятора;
– Возможность экстренного отключения блокировки механики;
– Возможность ручного открытия кисти протеза.
3.9 Требования ЭМС
–
3.10 Требования к эксплуатации, хранению, удобству технического обслуживания и ремонта
– Должен быть обеспечен максимально прямой доступ к конструктивных частям и их креплениям внутри корпуса для удобства ремонта и обслуживания.
3.11 Требования технологичности
3.12 Требования стандартизации, унификации и каталогизации
– Выбор инструментов и расходников проводится согласно стандартам ЛРиМ.
– Документооборот вести в соответствии с системой каталогизации ЛРиМ.
4 Технико-экономические требования
– Максимально возможное использование необходимых элементов из запасов ЛРиМ.
5 Требования к сырью, материалам и КИМП
6 Требования к консервации, упаковки и маркировки
7 Требования к учебно-тренировочным средствам
Предполагается наличие учебно-тренировочного стенда к ревизии №2, для обучения работы с алгоритмами управления бесколлекторными двигателями с помощью драйверов моторов EPOS2 50/5,
изучение принципов фильтрации ЭМГ сигнала для обеспечения точного управления моторами.
Схема стенда к ревизии №2 :
8 Специальные требования
9 Требования к документации
Документооборот проводить в Confluence на базе ЛРиМ и использовать систему каталогизации по стандартам ЛРиМ.
10 Порядок выполнения и приёмки этапов ОКР
Перечень работ:
Передача требований по эксплуатации ЭМГ системы управления – Драгунов Д.
Моделирование элементов конструкции протеза – Звонков И.
Составление ПЭ, ПКИ – Драгунов Д., Горбушин А.
Составление Э1 – Горбушин А.
Составление ВО, СБ, – Звонков И.
Составление 3д сборки – Звонков И.
Написание программы пропорционального управления – …
Роли:
ПМ – Драгунов Д.
Конструктор – Звонков И.
Электронщик – Горбушин А.
Программист –