CC BY
95
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2018 - V. 25, № 1 - P. 114-124
УДК: 615.477.21 DOI: 10.24411/1609-2163-2018-15932
ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ В МИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОТЕЗАХ ВЕРХНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ
Я.А. ТУРОВСКИЙ, К.И. ФИСЕНКО
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская площадь, 1, Воронеж, Воронежская обл., 394018, Россия
Аннотация. Отсутствие системы обратной биологической связи между протезом конечности человека и пользователем является одним из главных недостатков практически всех мио-электрических протезов. Эта проблема особо ярко проявляется в некорректной работе большей части протезов верхних конечностей. В рамках статьи предлагается описание проведенной работы по воссозданию биологической обратной связи в миоэлектрических протезах. Информационная система разрабатывалась как дополнительный модуль, расширяющий функциональные возможности протеза, автономный или частично интегрируемый в искусственную конечность. В ходе создания прототипа системы была использована вибрационная организация типа связи, как не имеющая критических недостатков при передаче информации и в связи с отсутствием серьезных рисков причинения вреда для здоровья пользователя. Локализованы поступающие с датчиков на кисти протеза сигналы и найдено оптимальное количество тактильных датчиков исходя из технических требований к размерам, стоимости и прочим характеристикам изделия. Созданы тактильные стимуляторы, передающие данные обработки сигнала на другие части тела. Полученные результаты могут применены для существенного расширения функционала миоэлектрических протезов различных конструкций.
Ключевые слова: биологическая обратная связь, датчик, миоэлектрический протез, стимуляторы.
Введение. Важность расширения функциональности канала обратной связи в протезах верхних конечностей не вызывает сомнений. Отсутствие даже самых простых ощущений, передаваемых с протеза пользователю, достаточно часто приводит к множеству неудобств во время использования искусственной руки. В качестве примера можно привести избыточное или же, наоборот, недостаточное давление механизмов протеза на предметы, с которыми он проводит взаимодействие. В значительной части современных протезов регулирование приложенных усилий состоит в оценке параметров сжатия механической части и управлении усилий исключительно с помощью программно-аппаратных решений, минуя пользователя. Таким образом, недостаточность информации о характере захватываемого манипулятором объекта является серьезной проблемой при его использовании, так как человек вынужден опираться исключительно на зрительный анализатор и собственный опыт.
Цель исследования - создание информационной системы тактильной обратной связи для миоэлектрического протеза верхней конечности.
Материалы и методы исследования (реализация программно-аппаратного комплекса). Работу системы обратной связи можно представить следующим образом (рис. 1). При взаимодействии миоэлектрического протеза с окружающей средой и различными объектами датчики, установленные на кисти искусственной руки, получают данные, которые передаются на компьютер (включая миниатюрные одноплатные решения), где они преобразуются и затем отправляются на тактильные стимуляторы, установленные на манжетку, одетую на пользователя. Во время разработки рассматривался уровень ампутации от нижней до средней трети предплечья. Однако результаты могут быть перемасштабированы на любой уровень ампутации исходя из изложенных ниже алгоритмов. Каждый из стимуляторов передает сигнал с соответствующего ему участка кисти протеза при помощи вибрационного типа раздражения.
Рис. 1. Схема работы системы обратной связи
Среди вариантов связи для системы в качестве стимуляций были рассмотрены: электрическая, вибрационная, перемещения каретки (тактильная), звуковая и световая. Версии информационной системы со звуковой и световой стимуляцией были признаны неудобными в работе с протезом. Например, при использовании световой - пользователь непременно отвлекался от своей непосредственной работы, переводя взгляд на блок обратной связи, установленный на протезе. Варианты с перемещением каретки были признаны слишком массивными и неподходящими для системы с большим количеством стимуляторов. Способы вибрационной и электрической стимуляции имеют сходные возможности передачи информации с тактильных датчиков. При выборе первого варианта используется прерывистый вибрационный сигнал с практически отсутствующим у него риском причинения вреда здоровью человека. В случае выбора подхода на основе электрического раздражения подобные риски увеличиваются, например, можно легко вызывать резко отрицательную реакцию у человека на подобную стимуляцию, если она превышает болевой порог, в связи с чем этот вариант был отвергнут. Помимо этого сила и характер раздражения сильно зависит от состояния кожи пользователя, что дает неустойчивые результаты в плане стимуляции. Поэтому вибрационный способ организации обратной связи был использован при реализации системы обратной связи.
Для реализации тактильной связи необходимо использовать ряд критериев, связанных с биологическими особенностями человека. Так, точная и правильная работа системы зависит от корректного позиционирования датчиков в зависимости от этих параметров.
Первый параметр - пространственный порог, необходимый для распознавания количества одновременных раздражений, получае-
мых от тактильных стимуляторов. Тактильные датчики необходимо расставить на миоэлек-трическом протезе исходя из целей и задач его функционирования. Плотность их расположения должна быть максимально возможной, а в идеале - стремиться к плотности расположения аналогичных рецепторов на здоровой руке человека. Следовательно, каждый тактильный стимулятор, расположенный на пользователе, должен соответствовать одному датчику.
Второй параметр - абсолютный порог (порог ощущения) в рамках нашей системы зависит от силы, необходимой для нажатия тактильного датчика. При выполнении миоэлек-трическим протезом аккуратной и деликатной работы подобное усилие должно быть невысоким, схожим с минимальной силой раздражения, вызывающей возбуждение в виде ощущения. Так как в системе используются не пропорциональные, а дискретные тактильные датчики, то значение этого параметра целиком зависит от технических характеристик датчиков. Датчики используемые в информационной системе обратной связи имеют силу срабатывания 0.25 Ньютона.
Если увеличить количество датчиков, то точность определения получаемой пользователем информации о предметах, с которыми он взаимодействует с помощью протеза, также увеличится, следовательно, снизится пространственный порог между датчиками, это усилит функциональные возможности системы обратной связи. Но из-за размера самих датчиков возникают дополнительные ограничения на их число, в результате снижается качество и достоверность данных, приходящих пользователю.
Третий параметр - важный для работы системы обратной связи - пороговая сила. Выражается он в виде наименьшей силы раздражения тактильного стимулятора, способной вызвать возбуждение соответствующих рецепторов у пользователя. Индивидуальная настройка для каждого пользователя этого параметра позволит протезу взаимодействовать с предметами, чьи свойства и характеристики (вес, прочность и т. д.) обычно затрудняют использование искусственных рук.
Результаты и их обсуждение. Для проведения исследований по расположению тактильных датчиков необходимо было создать макет миоэлектрического протеза. В качестве основы стала рука из открытого аппаратного кода антропоморфного робота проекта ¡пМооу
[1]. В ходе работы, опытным путем было определено оптимальное количество тактильных датчиков для кисти в количестве 18 штук. Их конечное число было обусловлено ограничениями, связанными с техническими особенностями, размерами датчиков, конструкцией кисти, параметрами вибрации на человеке и пространственного порога.
В дальнейшем был проведен поиск оптимального местонахождения блока тактильной стимуляции на руке испытуемого. В ходе предварительных испытаний конструкции первого прототипа тактильного стимулятора были определены оптимальные точки установки на предплечье человека для всего комплекта тактильных стимуляторов. По полученным данным разработан первый прототип системы обратной связи. Изготовленный комплекс был интегрирован в макет искусственной кисти руки. Также было подготовлено необходимое программное обеспечение для предварительных испытаний нашей системы обратной связи.
После завершения этого процесса мы получили готовую к проверке лабораторную установку. Для апробации нашей системы были проведены предварительные опыты. В ходе испытаний пользователь должен был локализовать активную область на макете протеза. По результатам начальных опытов обнаружилась слабая защищенность конструкции первого прототипа от физических воздействий манжетки и руки на корпус стимулятора. При недостаточно аккуратном использовании установки увеличивалась вероятность поломки стимулятора и комплекса обратной связи. Причиной этого стало отсутствие защитного кожуха между стимулятором и кожей на предплечье пользователя. Данная особенность серьезно ограничила ресурс эксплуатации системы, не превышавший трех испытаний. Для устранения этого недостатка начальный вариант конструкции стимулятора был существенно изменен: были изготовлены защитные кожухи, индивидуальные для каждого стимулятора, что позволило конфигурировать их в зависимости от формы предплечья пользователя.
В результате опытов для каждого стимулятора был создан алюминиевый корпус, обеспечивающий дополнительную защиту конструкции. Наличие этого корпуса существенно подняло ресурс использования устройства, после проведения 20 экспериментов признаков разрушений комплекса стимуляторов обнаружено
не было. Версию тактильного стимулятора с дополнительным корпусом далее будем именовать как второй опытный вариант. Для апробации этой версии прибора был проведен следующий этап испытаний, аналогичный предыдущему. Эти опыты выявили ряд серьезных недостатков второго опытного варианта тактильных стимуляторов, которые возникли при доработке конструкции.
Первым обнаруженным недостатком второго прототипа являлась малая сила вибрационного раздражения. Это приводило к совершению пользователем ошибок по локализации данных. В результате для улучшения указанного параметра была переделана схема крепления тактильных стимуляторов к несущей манжетке нашего комплекса. Из конструкции крепления были убраны фиксирующие элементы, выступающие в роли посадочных гнезд для тактильных стимуляторов. После внесения в систему обратной связи изменений проведены испытания, по результатам которых было обнаружено, что вторая модификация значительно увеличила силу вибрационного раздражения, сделав ее достаточной для формирования вибрационных ощущений у пользователя.
Другим выявленным недостатком при тестировании оказался недостаточный учет в расположении тактильных стимуляторов в зависимости от пространственного порога испытуемого новом прототипе системы обратной связи. Данный эффект возникал из-за ограниченной площади поверхности предплечья человека, куда устанавливается система обратной связи, аппаратно-технических издержек конструкции комплекса и изменившихся из-за защитной оболочки размеров тактильных стимуляторов. Решение проблемы несоответствия пространственных порогов расположению стимуляторов в системе обратной связи развивалось сразу несколькими способами.
Первый реализованный способ - это формирование блочной структуры установки стимуляторов. Разработанный вариант позволяет уместить все устройства тактильного раздражения на ограниченном пространстве предплечья испытуемого или культи инвалида в дальнейшем, учитывая соответствие пространственных порогов. Всего было предложено две версии размещения тактильных стимуляторов в блоках.
Самый простой путь - это построение пяти блоков линий «палец-ладонь». На иллюстрированной схеме такого подхода (рис. 2) разными
ДОЦОТЛЬ ОБ ОТШ МЕБТСЛЬ ТЕСЫК0ШЫЕ8 - 2018 - V. 25, № 1 - Р. 114-124
маркерами (квадратный, пятиугольный, круглый, треугольный, прямоугольный) обозначены эти блоки. В блочной структуре распознавание испытуемым раздражений, возникающих внутри узла (блока), становится труднее, а в конкретном случае снижается интуитивное разделение и локализация сигнала с датчиков, находящихся в областях, которые необходимо различать для корректного функционирования системы. Например, дистальная фаланга пальца и область ладони, входящая в состав того же блока.
Рис. 2. Отклоненное в ходе испытаний блочное разделение датчиков
Второй вариант (рис. 3) структурного разделения включал в себя следующие блоки: дис-тальный (треугольный), средний (пятиугольный), проксимальный (круглый) и ладонь (квадратный). По результатам испытаний первый метод был отвергнут, так как второй способ группировки показал лучшие результаты по точности определения количества раздражений, выполненных тактильными стимуляторами. Поэтому он был выбран как основной для дальнейшего использования в системе.
На изображении (рис. 4) видно, как установлены тактильные стимуляторы на манжетке в соответствии с нумерацией датчиков (рис. 5). Одна из особенностей расположения блоков стимуляторов - установка их поперек предплечья человека. Порядок блоков на манжетке системы обратной связи идет от локтя к кисти пользователя следующим образом: дисталь-ный, средний, проксимальный и ладонь. Такой вариант был выбран, потому что дистальный
и средние блоки имеют наибольшее количество стимуляторов, по 5 штук каждый, соответственно, задача соответствия пространственного порога упрощается, если их расположить на верхней части предплечья, так как оно расширяется ближе к локтевому суставу. Проксимальный блок и блок, отвечающий за датчики, расположенные на ладони, имеют меньшее количество стимуляторов - 4 штуки, поэтому они были смещены ближе к запястью человека, из-за того что в этой области предплечье человека суживается, и, соответственно, уменьшается возможная площадь для установки системы обратной связи. Увеличение пространственного порога тактильных рецепторов от запястья к локтевому суставу не оказало негативного влияния на точность распознавания пользователем данных.
Рис. 3. Утвержденное в ходе испытаний блочное разделение датчиков
Другой путь решения задачи соответствия пространственных порогов тактильным стимуляторам был наиболее кардинальным. Он заключался в разработке и создании более миниатюрного вибрационного раздражителя в сравнении с имеющимися. В совокупности эти предложения по изменению второго опытного прототипа системы обратной связи вплотную подвели к созданию конечного образца тактильного стимулятора. Использование обоих способов решения проблемы в новом прототипе не только избавило его от вышеуказанного дефекта, но и кардинально изменило его характеристики в необходимых нам направлениях.
Рис. 4. Расположение стимуляторов на манжетке (каждому стимулятору соответствует датчик с рис. 5)
Рис. 5. Нумерация датчиков на макете кисти руки
В качестве основы обновленной конструкции тактильного стимулятора был выбран виброэлектродвигатель ОХ-4А [2]. Одновременно с этим при разработке нового варианта были учтены проблемы предыдущих образцов. Для решения вопроса физической защищенности конструкции спроектирована специальная защитная металлическая гильза, не влияющая на пороговую силу вибрационного раздражения. После внедрения в аппаратную часть системы обратной связи новой конструкции тактильных стимуляторов возобновились работы в области увеличения эргономичности системы. Были доведены до удовлетворительных параметры, связанные с антропометрической совместимостью комплекса.
На последнем этапе изготовления системы потребовалась разработка программного обеспе-
чения по использованию этого комплекса обратной связи для протезов различных типов, а также помогающего в определении твердости и формы предметов с помощью сигналов, которые формируют тактильные стимуляторы. Первой частью программного комплекса стала программа, обрабатывающая информацию, которую получила от тактильных датчиков. Эта функция реализует способность передачи информации о взятом протезом предмете, в частности, его форме. Также программа передает преобразованную информацию на тактильные стимуляторы. Вторая программа визуализирует задействованные в работе локализованные участки кисти миоэлек-трического протеза, является важнейшей составляющей курса подготовки пользователя к работе с системой. По результатам проведенных натурных испытаний была определена серьезная роль именно этого ракурса обучения. В совокупности эти программы составляют комплекс, который можно применить как сферу подготовки к использованию разработанной системы обратной связи инвалидом.
Итоговая конструкция системы прошла испытание, в котором приняли участие 30 испытуемых (22 мужчины и 8 женщин) в возрасте от 18 до 28 лет. Перед экспериментом испытуемому необходимо было пройти тест на исследование тревожности (опросник Спилбергера), по окончанию теста испытуемый переходит ко второму этапу. Второй этап заключается в определении порога чувствительности при помощи циркуля Вебера в области предплечья, на котором планируется установка устройства тактильной стимуляции. В дальнейшем на руку испытуемого, в указанную выше область, надевается устройство обратной связи. Степень плотности контакта аппаратной части системы с кожей формировалась исходя из пожеланий испытуемого относительно его удобства. После объяснения схемы работы прибора проводилось обучение, на которое отводилось 10 минут. За это время пользователь тренировался определять между собой блоки стимуляторов и собственно вибрационные раздражители внутри блока, активно используя программную составляющую. По завершении основного обучения проводились испытания, состоящие из трёх фаз. Каждая представляла собой эксперимент, в течение которого испытуемый локализовал и определял активную зону на макете миоэлектри-ческого протеза с помощью стимуляторов. После 18 попыток первая фаза завершалась, и с пользо-
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2018 - V. 25, № 1 - P. 114-124
вателем проводилось дополнительное корректировочное обучение длительностью от 1 до 2 минут, в некоторых случаях испытуемый не испытывал нужды в дополнительном обучении, и оно заменялось 2 минутным перерывом. Вторая и третья фазы эксперимента так же включали в себя по 18 попыток каждая. Между ними проходил обязательный перерыв в 2 минуты, но уже без возможности дополнительного обучения. Проведенные трехэтапные опыты дали 44,26% точность распознавания активных зон лабораторной установки протеза относительно каждого стимулятора.
Заключение:
1. Разработаны подходы по установке и расположению тактильных датчиков на кисти протеза в зависимости от анатомических особенностей руки и возраста пользователя.
2. Определено оптимальное количество тактильных датчиков исходя из технических требований и ограничений информационной системы обратной биологической связи для миоэлектрического протеза.
3. Локализованы поступающие с кисти протеза сигналы несущие информацию об активности тех или иных датчиков имитирующих тактильную активность.
4. Созданы вибрационные стимуляторы, передающие результат обработки сигнала на другие части тела пользователя. По итогам исследования можно создать систему с большим количеством стимуляторов различной направленности.
5. Создана информационная система обучения пользователя работе с миоэлектриче-скими протезами, которые обладают обратной тактильной связью. В результате проектирования была выбрана вибрационная организация обратной связи, как не имеющая серьезных недостатков при передаче информации и отсутствию рисков для здоровья пользователя.
Полученные результаты могут применены для существенного расширения функционала миоэлектрических протезов различных конструкций.
INFORMATION SYSTEM OF FEEDBACK IN MYOELECTRIC UPPER-LIMB PROSTHESES
YA.A. TUROVSKY, K.I. FISENKO Voronezh State University, Universitetskaya Sq., 1, Voronezh, 394018, Russia
Abstract. The absence of a system of reverse biological communication between the limb prosthesis and the user is one of the main disadvantages of almost all myoelectric prostheses. This problem is especially evident in the incorrect work of most of the of the upper-limb prostheses. The present article offers a description of the conducted work on the reconstruction of biological feedback in myoelectric prostheses. The information system was developed as an additional module (autonomous or partially integrated into an artificial limb) that expands the functional capabilities of the prosthesis. In the course of developing the prototype of the system, vibration feedback organization was used, as it has no critical disadvantages concerning the transmission of information, and presents no serious risks of harming the user's health. Incoming signals from the sensors to the prosthesis hands were localized, and the optimal number of tactile sensors was determined based on the technical requirements for the size, cost and other characteristics of the product. Tactile stimulators were created, which transmit signal processing data to other parts of the body. The results obtained can be used to significantly expand the functionality of myoelectric prostheses of various designs.
Keywords: biological feedback, sensor, myoelectric prosthesis, stimulators.
Introduction. The importance of extending the functionality of the feedback channel in upper-limb prostheses is beyond doubt. The lack of even the simplest sensations transmitted from the prosthesis to the user often causes a lot of inconvenience in the process of using an artificial hand. As an example, there is excessive or, on the contrary, insufficient pressure of the prosthesis mechanisms on the objects with which it interacts. In
a significant part of modern prostheses, control of applied force consists in evaluating the mechanical part compression parameters and adjusting the force solely with the help of hardware-software solutions, bypassing the user. Thus, the lack of information about the nature of the object grasped by the manipulator is a serious problem hampering its use, due to which the user is forced to rely solely on his visual analyzer and his previous experience.
Purpose of the study is creating an information system of tactile feedback for myoelectric upper-limb prosthesis.
Materials and methods (software and hardware complex implementation). The operation of the feedback system can be represented as follows (Fig. 1). When a myoelectric prosthesis interacts with the environment and with various objects, the sensors installed on the artificial hands receive data that are transferred to the computer (including miniature single-board solutions), where they are converted and then sent to the tactile stimulators installed on the cuff that the user is wearing. During the development phase, we considered the levels of amputation from the lower third to the middle third of the forearm. However, the results can be re-scaled to any level of amputation based on the algorithms outlined below. Each of the stimulators transfers the signal from the corresponding part of the hand prosthesis with the help of vibration-type stimulation.
Fig. 1. Diagram of the feedback system
The following communication types were considered as stimulation options for the system: electrical, vibration, carriage movement (tactile), sound and light stimulation. The information system versions with sound and light stimulation were recognized as inconvenient in working with the prosthesis. For example, when using light stimulation, the user was invariably distracted from his actual work, always looking at the feedback unit installed on the prosthesis. Variants with carriage movement were recognized as too cumbersome and unsuitable for a system with a large number of stimulators. Vibration and electrical stimulation have similar possibilities of transferring information from tactile sensors. With the former option, an intermittent vibration signal is used, which presents practically no risks to human health. If the approach based on electrical stimulation is selected, such risks increase; for example,
it is very easy to cause in the user a sharply negative reaction to such stimulation if it exceeds the pain threshold; therefore, this option was rejected. In addition, the strength and the nature of the stimulation strongly depend on the state of the user's skin, which gives unstable results in terms of stimulation. Therefore, it is the vibration type of feedback organization that was used in the implementation of the feedback system.
In order to provide tactile communication, it is necessary to use a number of criteria related to the person's biological characteristics. Thus, accurate and correct operation of the system depends on the correct positioning of the sensors depending on those parameters.
The first parameter is the spatial threshold required to recognize the number of simultaneous stimuli obtained from tactile stimulators. Tactile sensors must be placed on the myoelectric prosthesis depending on its purposes and tasks. The density of their location must be as high as possible, and ideally must approach the density of similar receptors on a healthy human arm. Therefore, each tactile stimulator located on the user must correspond to one sensor.
The second parameter - the absolute threshold (the stimulus threshold) - depends in the framework of our system on the force required to press a tactile sensor. When a myoelectric prosthesis is performing accurate and delicate work, such effort should be low, similar to the minimal stimulus that causes excitation in the form of sensation. Since the system uses discrete tactile sensors rather than proportional ones, the value of this parameter depends entirely on the technical characteristics of the sensors. The sensors used in the feedback information system have an actuation force of 0.25 N.
If the number of sensors is increased, then the accuracy of determining the information received by the user about the objects with which he or she interacts with the help of the prosthesis will also increase; therefore, the spatial threshold between the sensors will also decrease, which will enhance the functionality of the feedback system. However, because of the size of the sensors themselves, there are additional restrictions on their number, which results in reduced quality and reliability of the data received by the user.
The third parameter important for the operation of the feedback system is the threshold strength. It is expressed as the least strength of stimulus delivered by a tactile stimulator which is
capable of causing the excitation of the corresponding receptors in the user. Adjusting this parameter individually for each user will allow the prosthesis to interact with objects whose properties and characteristics (weight, strength, etc.) usually make it difficult to use artificial hands.
Results and discussion. To conduct research on the location of tactile sensors, it was necessary to create a model of myoelectric prosthesis. The model was based on the hand from the open-source hardware code of the humanoid robot of the InMoov project [1]. In the course of the research, the optimal number of tactile sensors for the hand was determined experimentally to be 18. Their finite number was due to limitations related to technical peculiarities, the size of the sensors, the design of the hand, the parameters of vibration on the person and the spatial threshold.
Then, we searched for the optimal location of the tactile stimulation unit on the subject's arm. During the preliminary tests of the first tactile stimulator prototype, the optimal points of installation on the human forearm were determined for the whole set of tactile stimulators. On the basis of the obtained data, the first prototype of the feedback system was developed. The complex was integrated into the artificial hand model. We also prepared the necessary software for preliminary tests of our feedback system.
When this process was completed, we received a ready-to-test laboratory unit. Preliminary experiments were carried out for approbation of our system. During the tests, the user had to localize the active area on the prosthesis model. The initial experiments showed that the design of the first prototype did not provide adequate protection of the case of the stimulator from the physical contact with the cuff and the human arm. If the unit was not used carefully enough, the probability of breakdown of the stimulator and the feedback complex increased. The reason for that was the absence of a protective cover between the stimulator and the skin on the user's forearm. That significantly limited the service life of the system, which did not exceed three tests. To eliminate this shortcoming, the initial version of the stimulator design was significantly changed: protective covers were manufactured individually for each stimulator, which allowed them to be configured depending on the shape of the user's forearm.
Following the experiments, an aluminum case was created for each stimulator in order to provide additional protection for the unit. The presence of
this case significantly increased the service life of the device; after 20 experiments, there were no signs of damage to stimulator complex. The version of the tactile stimulator with an additional case will be further referred to as the second experimental version. In order to test this version of the device, the next phase of testing was carried out, similar to the previous one. Those experiments revealed a number of serious disadvantages of the second experimental version of tactile stimulators which arose when the design was modified.
The first shortcoming of the second prototype to be discovered was the small strength of vibration stimulation. This resulted in the user making mistakes in data localization. As a result, to improve the abovementioned parameter, we changed the way of fixing tactile stimulators to the supporting cuff of the complex. Fixing elements acting as mounting sockets for tactile stimulators were removed from the fastening structure. After making changes to the feedback system, tests were carried out, which showed that the second modification significantly increased the strength of the vibration stimulation, making it sufficient to generate vibration sensations in the user.
Another disadvantage revealed during the tests was that the location of tactile stimulators in the new feedback system prototype failed to adequately reflect the spatial threshold of the subject. This effect was due to the limited surface area of the human forearm, where the feedback system was mounted, to hardware and technical costs of the design of the complex, and to the size of tactile stimulators, which changed as a result of adding the protective cover. The search for solution to the problem of discrepancy between the spatial thresholds and the location of stimulators in the feedback system developed in several ways.
The method that was implemented first was developing a block structure of stimulator installation. The developed version makes it possible to fit all tactile stimulation devices in the limited space of the subject's forearm or, in future, of a disabled person's stump, taking into account the correspondence of the spatial thresholds. In total, two versions of tactile stimulators block placement were proposed.
The simplest way is to build five blocks of "finger - palm" lines. In the illustration of this approach (Fig. 2), these blocks are designated by different markers (square, pentagonal, round, triangular, and rectangular). In this block structure, recognition of the stimuli arising within a unit
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2018 - V. 25, № 1 - P. 114-124
(block) becomes more difficult for the test subject, and in specific cases we can observe a decline in the intuitive separation and localization of the signal from the sensors located in the areas that need to be distinguished for the correct functioning of the system. One example is the distal phalanx of the finger and the area of the palm which is part of the same block.
Fig. 2. Block division of sensors declined as a result of tests
The second variant (Fig.3) of the structural division included the following blocks: distal (triangular), middle (pentagonal), proximal (round) and palm (square). Based on the test results, the first method was rejected, since the second grouping method showed better results in the accuracy of determining the number of stimuli coming from the tactile stimulators. Therefore, it was chosen as the main one for further use in the system.
The illustration (Fig. 4) shows how the tactile stimulators on the cuff are positioned in accordance with the numbering of the sensors (Fig. 5). One of the specific features of this placement of the stimulator blocks is that they are positioned across the human forearm. The order of the blocks on the feedback system cuff going from the user's elbow to the hand is as follows: distal, middle, proximal and palm. This option was chosen because the distal and the middle blocks have the largest number of stimulators, five stimulators each, therefore, the problem of spatial threshold correspondence is simplified if they are placed on the upper part of the forearm, which becomes wider closer to the elbow joint. The proximal block and the block responsible for the sensors located
on the palm have a smaller number of stimulators - four stimulators each, so they were displaced closer to the wrist, due to the fact that in this area the human forearm becomes narrower, and, accordingly, the area available for positioning the feedback system also becomes smaller. The increase in the spatial threshold of the tactile receptors from the wrist to the elbow joint did not have any adverse effect on the accuracy of data recognition by the user.
Fig. 3. Block division of sensors approved as a result of tests
Hand of l':,- lest subject
16 12 8 4
15 11 7 3
18 14 10 6 2
17 13 9 5 1
Elbow uf Ihc tea1 subjL-ct
Fig. 4. Location of the stimulators on the cuff (each stimulator corresponds to a sensor in Fig.5)
Another way of solving the problem of the correspondence of spatial thresholds to tactile stimulators was the most cardinal one. It consisted in the development and creation of a more miniature vibration stimulator in comparison with the available ones. Together, these proposals on
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2018 - V. 25, № 1 - P. 114-124
changing the second feedback system prototype brought us close to creating the final version of the tactile stimulator. Using both ways of solving the problem in the new prototype not only made it possible to rid it from the defect mentioned above, but also radically changed its characteristics in the necessary directions.
Fig. 5. Numbering of sensors on the hand model
The updated design of the tactile stimulator was based on OX-4A electric vibration motor [2]. At the same time, when developing a new version, we took into account the problems of the previous prototypes. To solve the problem of physical security of the structure, a special protective metal sleeve was designed that does not affect the threshold strength of vibration stimulation. After introduction of the new design of tactile stimulators into the hardware component of the feedback system, work was resumed in the field of increasing the ergonomics of the system. The parameters related to the anthropometric compatibility of the complex were brought to a satisfactory level.
At the last stage of constructing the system it was necessary to develop software for using this feedback complex for prostheses of various types, as well as for helping the user to determine the hardness and shape of objects using signals generated by tactile stimulators. The first part of the software complex was a program that processes the information received from tactile sensors. This function makes it possible to communicate information about an object grasped by the prosthesis, in particular, about its shape. Besides, the program transmits the transformed information to tactile stimulators. The second program visualizes the localized parts of myoelectric prosthetic hand
which are involved in the work; it is a major component of the course of training a user to work with the system. The results of field tests revealed the special significance of this particular aspect of training. Together, the described programs constitute a complex that can be applied as a field of preparation for the use of the developed feedback system by the disabled.
The final version of the system underwent a test which involved 30 subjects (22 men and 8 women) aged 18 to 28. Before the experiment, the subject had to undergo an anxiety test (Spiel-berger's questionnaire), at the end of which the subject passed to the second stage. The second stage consists in determining the sensitivity threshold with the help of Weber's compass in the area of the forearm, where the device of tactile stimulation is planned to be installed. Then, the feedback device is put on the arm of the subject in the above-mentioned area. The closeness of contact between the system hardware and the skin was determined based on the subject's wishes regarding his or her convenience. Explanations concerning the operation principle of the device were followed by a training session, which took 10 minutes. During this time, the user trained to distinguish the stimulator blocks, actively using the software component. After the completion of the basic training, tests were carried out, which consisted of three phases. Each phase was an experiment during which the subject localized and determined the active zone on the myoelectric prosthesis model using stimulators. After 18 attempts, the first phase was completed, and additional correction training of the user took place, which took 1 to 2 minutes; in some cases the subject did not need additional training, and it was replaced by a 2-minute break. The second and third phases of the experiment also included 18 attempts each. Between them there was a mandatory 2-minute break, but without the possibility of additional training. The conducted three-phase experiments yielded 44.26% accuracy of recognition of the active zones of the laboratory prototype of the prosthesis for each stimulator.
Conclusion:
1. Approaches have been developed to the installation and placement of tactile sensors on the prosthetic hand depending on the anatomical features of the hand and the age of the user.
2. The optimal number of tactile sensors has been determined based on the technical requirements and the limitations of the biological feed-
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2018 - V. 25, № 1 - P. 114-124
back information system for the myoelectric prosthesis.
3. The signals arriving from the prosthetic hand and carrying information about the activity of certain sensors imitating tactile activity have been localized.
4. Vibration stimulators have been created which transmit the result of signal processing to other parts of the user's body. Based on the results of the study, it is possible to create a system with a large number of stimulators of different types.
5. An information system has been created for teaching the user to work with myoelectrical pros-theses with tactile feedback. As a result of the project, vibration feedback organization was chosen, as having no serious disadvantages concerning the transfer of information and posing no risks to the health of the user.
The results obtained can be used to significantly expand the functionality of myoelectric prostheses of various designs.
Литература
1. Фисенко К.И., Пешков С.А., Туровский Я.А. Информационная система тактильной и температурной обратной связи в миоэлектрических протезах // Сборник студенческих работ факультета компьютерных наук ВГУ / под ред. Д. Н. Борисова. Вып. 9. Воронеж: Издательский Дом Воронежского государственного университета, 2015. С. 276-280.
2. Hand and Forarm | InMoov [Электронный ресурс]: InMoov. Режим доступа: http://inmoov.fr/hand-and-forarm/
3. Series OX-4A - OX MOTOR CO., LTD. [Электронный ресурс] : OX MOTOR CO., LTD. Режим доступа: http://www.qxmotor.com.hk/frame.html7OX4A.html
References
1. Fisenko KI, Peshkov SA, Turovskiy YaA. Informatsion-naya sistema taktil'noy i temperaturnoy obratnoy svyazi v mioelektricheskikh protezakh [Information system of tactile and temperature feedback in myoelectric prosthe-ses]. In: Borisov DN, editor. Sbornik studencheskikh rabot fakul'teta komp'yuternykh nauk VGU. Issue 9. Voronezh: Izdatel'skiy Dom Voronezhskogo gosudarstvennogo un-iversiteta; 2015. Russian.
2. Hand and Forarm | InMoov [Internet]. InMoov. Available from: http://inmoov.fr/hand-and-forarm/
3. Series 0X-4A - OX MOTOR CO., LTD. [Internet]. OX MOTOR CO., LTD. Available from: http://www.qxmotor.com.hk/frame.html70X4A. html
