CC BY
23
УДК 681.51: 617.57-77
ф.м. цив1льський, е.А. дроздова, е.д. мерешко
Херсонський нацiональний технiчний ушверситет
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВЗАСМОДП ЛЮДИНИ 13 ПРОТЕЗОМ У ПРОЦЕС1
НАВЧАННЯ СТУДЕНТ1В
У po6omi розглянymi питання навчання cmydenmie mexHi4Hux спецiальностей проектуванню, експлуатацП] настроюванню сучасних мжропроцесорних 3aco6ie керування протезами за допомогою людських M'43ie. Дана класифка^я протезiв верхнiх ктщвок по способу взаемодП Их з людиною, i проаналiзованi iснyючi системи взаемодП людини з виконавчими пристроями. Представлен стрyктyрнi схеми систем керування протезами за допомогою мжропроцесора та систем, що використовують смартфон для обробки резyльтатiв, що надходять вiд датчиюв.
Ключовi слова: протези верхшх ктщвок, м'язи, ттерфейс людина-протез, смартфон, паттерни рyхiв, мжропроцесорна система, лабораторний стенд.
Ф.Н. ЦИВИЛЬСКИЙ, Е.А. ДРОЗДОВА, Е.Д. МЕРЕШКО
Херсонский национальный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА С ПРОТЕЗОМ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ
СТУДЕНТОВ
В работе рассмотрены вопросы обучения студентов технических специальностей проектированию, эксплуатации, настройке современных микропроцессорных средств управления протезами при помощи человеческих мышц. Дана классификация протезов верхних конечностей по способу взаимодействия их с человеком, и проанализированы существующие системы взаимодействия человека с исполнительными устройствами. Представлены структурные схемы систем управления протезами при помощи микропроцессора и систем, использующих смартфон для обработки результатов, поступающих от датчиков.
Ключевые слова: протезы верхних конечностей, мышцы, интерфейс человек-протез, смартфон, паттерны движений, микропроцессорная система, лабораторный стенд.
F.N. TSYVILSKYI, Ye.A. DROZDOVA, Ye.D. MERESHKO
Kherson National Technical University
RESEARCH OF INTERACTION OF A HUMAN BEING WITH PROSTHESIS IN TRAINING
PROCESS OF STUDENTS
The issues of training students of technical specialties in design, operation, setup of modern microprocessor control ofprostheses with the help of human muscles are considered. The classification of upper limb prostheses by means of their interaction with a human being is given. Existing systems of human interaction with executive devices are analyzed. Structural diagrams of prosthesis control systems with the help of a microprocessor and systems using a smartphone for processing results coming from sensors are presented.
Key words: upper limb prostheses, muscles, human-prosthesis interface, smartphone, movement patterns, microprocessor system, laboratory bench.
Постановка проблеми
Процес штеграцп людей з обмеженими можливостями в сустльство передбачае забезпечення i'x техшчними засобами реабштацп, до яких вщносяться протези р1зних вид1в. Важливим завданням навчальних заклад1в стае включения в освггнш процес елеменпв, пов'язаних 1з взаемод1ею людини й протеза. Курс лабораторних робгт для студенпв спещальностей Бюмедична 1нженер1я, Комп'ютерна 1нженер1я, Автоматизащя й комп'ютерно-штегроваш технологи, присвячений керуванню протезами за допомогою м1кропроцесор1в, може бути важливою ланкою не тшьки в 1хшм професшшм становленш, але й у вихованш майбутшх фах1вщв.
Аналiз останшх дослвджень i публжацш
У цей час на ринку протезування можна видшити калька вид1в протез1в верхшх юнщвок.
1. Косметичний протез. Кр1м естетичного призначення, таю протези не виконують практично шяких функцш i не мають переваг у пор1внянн1 1з середньов1чними протезами-гаками.
2. Тяговi протези. 1хш кисп можуть стискуватися й розтискатися за рахунок, наприклад, рухiв променево-зап'ястного або лiктьового суглоба частини руки, що залишилася. Цi рухи керують механiчним натягом ниток, що приводять «пальщ» у дiю.
3. Мехашчш протези, керованi м'язовою актившстю. Так1 пристро!, як правило, виконаш з металу, мають бiльшу мщтстъ, але мають тiльки два ступеш свободи - стискання та розжимання.
4. Бiонiчнi протези, у яких кожний палець управляеться окремим мотором - це дае велику перевагу в плаш манiпуляцiй iз предметами.
Найбшьш перспективними е бiонiчнi протези.
Можна видiлити чотири основнi типи взаемодп людини iз протезом [1].
Перший, найбшьш радикальний - рiзного роду iмпланти в моторну й сенсорну зони кори головного мозку. Такий iнтерфейс мае т ж недолiки, що й трансплантована рука. Особливо доречш iмпланти в мозок у випадку, коли за якихсь причин порушений зв'язок головного мозку й руки. В шших випадках варто додатково оцiнювати користь/ризик вш використання такого iнтерфейсу.
Другий споаб керування - використання електроенцефалографп (ЕЕГ). Метод ЕЕГ заснований на реестрацп бюелектрично! активностi головного мозку, що виникае внаслщок поширення потенщалу ди по нейронах. Метод уважаеться перспективним, але мае низку технiчних складностей, яш заважають появi в продажу штерфейсу на його основi. По-перше, через особливостi реестрацп карти мозково! активностi систему потрiбно «навчати» заново при перемщенш електродiв. А по-друге, сам сигнал дуже нестiйкий до рiзного роду електричних наведень i перешкод.
Третiй: бiоелектричнi протези - коли електроди iмплантуються до периферичних нейронiв у частинi руки, що залишилася. Суть бюелектричних протезiв полягае в тому, що тсля ампутацп кукса руки зберiгае залишки хватального м'яза. При скороченш м'яза надходить електричний iмпульс змiнного струму, що сприймаеться розташованими на шкiрi керуючими електродами бiомеханiчного протеза руки. Електронна пiдсилювальна система, наявна в цих електродах, дозволяе включати й виключати електродвигун, який здiйснюе перемiщення великого й вказiвного пальцiв. Такий споаб мае ва тi ж проблеми, що трансплантацiя й мозковi iмпланти, до того ж вимагае тривало! й iндивiдуально! роботи лiкарiв.
Четвертий тип штерфейсу - електромiографiя (ЕМГ). Найпростiша його реалiзацiя - тригерна -використовуеться в механiчних протезах, керуючи стисненням або розжиманням кисп. У бiонiчнi протези впроваджена точно така ж система керування. Але, як уже було сказано, ЕМГ у них використовуеться тшьки для двох ступешв свободи - згинання й розгинання пальщв. Також до них може бути доданий i третш ступiнь свободи - одночасне напруження обох м'язiв, на яких вимiрюеться ЕМГ активнiсть.
Електромiографiя - це метод аналiзу м'язово! активносп, заснований на вимiрi рiзницi потенцiалiв у двох крапках, м1ж якими пiд шкурою по мембранах м'язових волокон поширюеться потенцiал дп (саме цей потенцiал являе собою поширення хвилi м'язово! активностi вiд зони, куди надходить потенщал дп моторного нейрона, що змушуе «працювати» м'язи). Такий споаб дозволяе записувати сигнал м'язово! активносп з мiнiмальним рiвнем шуму. Бiльша частина руху пальщв i кистi тiсно пов'язана з м'язами передплiччя.
Схема обробки керуючих впливiв у випадку з електромюграмою i електроенцефалограмою приблизно однакова. [2]
Зчитувальний пристрш являе собою набiр датчиков, кожний з яких рееструе активнiсть м'яза або дiлянки мозку. Число таких датчиков звичайно варшеться вiд восьми до тридцяти двох. Отримаш одночасно iз усiх сенсорiв данi являють собою масив, протяжний у часi. У той момент, коли оператор продумуе рух або робить його на рiвнi кукси, параметри, що рееструються датчиками, мiняються, i в масивi даних виникае ушкальна стiйка картина, називана шаблоном або паттерном руху.
Завдання розтзнавання задуманих рухiв може бути виршена тiльки за умови, що кожному певному руху вщповдае унiкальний паттерн. Виявити стiйкi однозначнi стани в масивах даних украй складно, але якщо ця робота проведена устшно, по !! результатах формуеться бiблiотека паттернiв, яка надалi використовуеться системою розтзнавання рухiв. Оск1льки можливостi протеза по зрозумших причинах поступаються можливостям оригiналiв, необхiдно паттерни руху протеза привести у вщповщтстъ до паттершв руху оригiналу. Так формуеться штерфейс «людина - протез», який дозволяе транслювати паттерн електрично! м'язово! або мозково! активносп в паттерн мехашчних рухiв бiокерованого протеза.
Формулювання мети дослвдження
Метою дослiдження е аналiз iснуючих систем управлiння бiонiчними протезами, зокрема на основi мiкропроцессору, та обгрунтування можливостi використання елементiв таких систем в курсах лабораторних робгг для студенпв спецiальностей Бiомедична iнженерiя, Комп'ютерна iнженерiя, Автоматизацiя й комп'ютерно-штегроваш технологi!.
Викладення основного матерiалу дослвдження
Особливий штерес представляе функцюнальне протезування, що дозволяе пацiентовi виконувати рiзнi руховi функцп. Кожному пацiентовi функцiональний протез пiдбираеться iндивiдуально, залежно вiд бажань i майбутньо! активносп пацiента.
Використання системи керування, iндивiдуально налаштовано! на паттерни рухiв кисп конкретно! людини, найбiльш наближенi до природнього iнтерфейсу мiж людиною й протезом: вш мае велику функцюнальшсть (не iнвазивний), швидко настроюеться й стшкий до зовнiшнiх впливiв. Протез повторюе практично ва рухи справжньо! руки, рухаються пальцi й кисть, з його допомогою можна здшснювати звичнi для звичайних людей ди. Останнi модифiкацi! бiонiчних протезiв, використовуваних при протезуванш верхнiх кiнцiвок, постачеш сенсорними датчиками, що контролюють зусилля захвату предмепв, що дозволяе пацiентовi виконувати з максимальною точнiстю навиъ найскладнiшi рухи.
Можливе також пбридне рiшення, у якому для керування протезом використано кшька типiв датчиков. [3]
По-перше, це електромiографичнi датчики, яш прикладаються до поверхнi шшри в областi передплiччя й зчитують електричнi сигнали м'язiв. Кiлькiсть датчиков залежить вiд того, ск1льки активних м'язiв залишилося в пацiента тсля травми. Чим бiльше активних м'язiв, тим бiльше сигналiв керування протезом, отже, бшьше захватiв i машпуляцш можливо здiйснити протезом.
По-друге, це активш електроенцефалографiчнi датчики, як1 прикладаються до голови й зчитують бюпотенщал кори головного мозку. Керування протезом здшснюеться силою думки. Дана технолопя застосовуеться для людей з великим ступенем ампутацп або вiдсутнiстю активних м^в.
Перспективним напрямком е використання смартфону для керування протезами. 1дея полягае в реестрацп за допомогою поверхневих електродiв сигналу електрично! активносп мозку, попм виконуеться обробка сигналу за допомогою вхщних ланцюгiв тдсилювача, перетворення його в цифровий код, i передача цифрового коду на мобшьний пристрiй, i зворотно! видача сигналiв керування для виконавчого мехашзму протеза (рис. 1) [4].
Рис. 1. Блок-схема роботи системи керування протезом
Керування протезом здшснюеться за допомогою спещального додатку для смартфона, при цьому пристрш зв'язуеться 3i штучною рукою по Bluetooth. Додаток дозволяе запрограмувати спещальш жести, необхщш, наприклад, при роботi з побутовими приладами або предметами, пiдтримка яких не закладена в алгоритми керування вщ початку. Для звичайно! роботи iз протезом смартфон нг потрбний -штучна рука управляеться за допомогою м'язових сигналiв (рис. 2).
Рис. 2. Керування протезом за допомогою смартфону
Пбридне ршення керування протезом верхшх шнщвок полягае в тому, що мiкросхема коректуе дп двигуна, а корекцiя сили захвату вщбуваеться через здорове плече (рис. 3). Навчання руховим функцiям мжропроцесор може здiйснювати через смартфон, тдключений до здорового плеча - грейферу.
Дана концепщя не досконала, тому що вимагае задiяти обидвi шнщвки, хоч i з меншими матерiальними витратами.
Рис. 3. Керування протезом за допомогою смартфону з елементами навчання
Можливо також керування кистю руки безпосередньо на смартфонi. У протез вбудоваш спецiальнi сенсори для зняття електромiограми - електрично! активносп м'язiв ампутовано! кiнцiвки. Данi по бездротовому зв'язку передаються на смартфон, де обробляються в спещальному додатку. Далi команди вiдсилаються назад на штучну руку й пускають у хвд електричнi сервоприводи. У результата протез виконуе ту або шшу операцiю (рис. 4).
Bluetooth Bluetooth
Рис. 4. Керування кистю протезу за допомогою смартфону
Залежно ввд отриманих iнструкцiй такий протез може виконувати дп окремими пальцями або ваею роботизованою кистю. На каркас руки можуть бути встановленi яш-небудь iнструменти для виконання специфiчних завдань.
Для повноцiнного функцiонування протеза необхвдно, щоб вiн управлявся пащентом штуггивно, без здiйснення стороннiх машпуляцш. Найбiльш перспективним, неiнвазивним способом е керування за допомогою реестрацп активносп збережених м'язiв. Для реестрацп м'язово! активностi рекомендуеться використання датчиков електричного потенцiалу EPIC Sensors [5]. Конструкщя даних датчиков така, що тдсилювач розташованi безпосередньо поблизу електрода, що значно тдвищуе завадостiйкiсть системи.
Принципова схема пристрою датчика наведена на рис. 5 [6].
Рис. 5. Принципова схема датчика типу EPIC Sensors
При Ra=Rб вихщна напруга буде виражена формулою:
Uout= (иА + иБ)*-^
Для реестрацп м'язово! активностi використовуеться один модуль, що складаеться iз трьох електродiв: два датчики електричного потенцiалу EPIC Sensors (PS25201B або PS25100) i металева пластина, використовувана для вирiвнювання потенщалу шк1ри й землi джерела живлення. Загальний вид модуля представлений на рис.6. Два датчики встановлюються безпосередньо поблизу дослщжуваного м'яза, на вщсташ 0.5 см, земляний електрод розташовуеться на вiддаленнi (2 -3 см) вщ датчиков. Сигнали, одержуваш з датчиков вiднiмаються, що дозволяе позбутися наведення зовнiшнiх джерел електричного поля. Сигнали з датчиков надходять на мiкросхему з iнструментальним тдсилювачем. На входi й виходi тдсилювача встановленi RC фiльтри низьких частот (нижче 400 Гц).
Рис. 6. Загальний вид модуля реестрацп м'язовоТ активносл
Одержуваний сигнал надходить на мжрокроконтролер, де вiдбуваeться оцифровка. Пальщ й кисть людсько! руки приводяться в рух за допомогою м^в (згиначiв i розгиначiв). На кожний CTyniHb свободи людсько! руки припадае по двi м'язовi групи: згинач i розгинач. При розташуванш модуля з електродами над певною групою м'язiв можна визначати активнiсть м'яза, а отже, можна судити про чинений у цей момент рух. М'яз анатомiчно розташований так, що група м'язiв, вiдповiдальна за згинання вказiвного й пiдмiзинного пальцiв розташована пiд м'язом-згиначем середнього пальця. Це вносить значну складнiсть при спробi подiлу сигналiв, що надходять на один електрод з дешлькох груп м'язiв одночасно. Дана проблема частково вирiшуеться шляхом збiльшення числа скануючих модулiв уздовж перетину руки. Збшьшения кiлькостi модулiв i розташування !х над кожною iз груп м'язiв дозволить визначати незалежнi рухи пальщв рук i згинання/розгинання долонi.
Опис роботи пропонованого лабораторного стенда. У момент виникнення намiру руху на датчиках електричного потенщалу EPIC Sensors, розташованих у модул^ рееструеться бюелектрична активнiсть, що проявляеться збiльшенням амплиуди сигналу. Сигнал з модуля посилюеться пiдсилювачем, що нормуе, виконаним на основi iнструментального пiдсилювача з метою забезпечення захисту вщ синфазно! перешкоди. Посилений сигнал надходить на смуговий фшьтр, смуга пропущення якого вщповщае дiапазону змiни сигналу. Далi сигнал надходить на мжрокомп'ютер Arduino Nano, де вщбуваеться оцифровка, i наступна передача даних по обраному штерфейсу на смартфон або комп'ютер. Отримаш з мiкрокомп'ютера данi обробляються, i вщображаються на екранi у формi змiнюваних у часi iмпульсiв; при наявносп дек1лькох модулiв мiкрокомп'ютер може створювати команди для керування виконавчими мехашзмами.
Суть курсу лабораторних робгг полягае в тестуваннi й налаштуванш роботи датчиков з використанням рiзних видiв електронних приладiв: тестеру, осцилографу, мiкропроцесорного комплексу, а також мiкрокомп'ютерiв типу Arduino, Ruspberry i ш. Пропонуеться скануючий електрод розташувати над одшею iз груп м'язiв, i при даному розташуваннi оцiнювати сигнал, що надходить iз сусiднiх м^в. При проведеннi попереднього дослiду амплиуда сигналу, що знiмався, виявилася бшьш нiж в 2 рази слабшше за амплiтуду сигналу основного м'яза.
У робот можливо запропонувати студентовi не тiльки оцiнити отриманi результати, але й дати можливють настроювання приймаючого приладу по чутливостi, видачi керуючих впливiв на рiзнi виконавчi пристро!, так1 як iндикатори, реле, сервоприводи, у вiдповiдностi iз заданим м'язами алгоритмом, а також запропонувати створення примiтивних пристро!в функцiонального протезування.
Висновки
Використання запропонованого лабораторного стенда в навчанш студенпв буде сприяти пiдготовцi фахiвцiв, здатних розробляти й експлуатувати засоби вимiрювання, контролю й дiагностики, допоможе ïm дiстати навички роботи iз сучасними мiкропроцесорними засобами, навчить монтажу, налагодженню систем подiбного виду з використанням сучасно! елементноï бази й нових шформацшних технологiй.
Список використаноТ л^ератури
1. Евгений Жванский Не опускайте рук: почему бионические протезы не становятся доступнее? -http://www.forbes.ru/tehnologii/345329-ne-opuskayte-ruk-pochemu-bionicheskie-protezy-ne stanovyatsya-dostupnee
2. Завьялов С. А., Мейгал А. Ю. Технологии биоуправляемых протезов сегодня и завтра // Journal of Biomedical Technologies. 2015. № 2. С. 36-42.
3. Максим Ляшко Бионический протез руки MAXBIONIC https://boomstarter.ru/projects/221181/bionicheskiy protez ruki maxbionic/posts?page=2
4. Чернышев А.А., Мустецов Н.П. Алгоритм управления многофункциональным протезом руки // Информационные технологии в медицине. -2014. -No122.-C. 67-172.
5. Медико-социальная экспертиза и инвалидность при ампутациях конечностей // Медико-социальная экспертиза. URL:
http://invalidnost.com/publ/mediko_socialnaja_ehkspertiza_pri_nekotorykh_zabolcvanijakh/msch_i_in validnost_pri_amputacijakh_koncchnostej/2-l-0-460.html (25.04.2017)
6. Esa Kuronen EPIC SENSORS IN ELECTROCARDIOGRAM MEASUREMENT// Master's Thesis Autumn 2013 Degree programme in Information Technology Oulu University of Applied Sciences -С.47.
