CZ24302U1 - Zařízení pro detekci silových účinků - Google Patents

Description

Zařízení pro detekci silových účinků

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro detekci silových účinků, zejména na protetické náhrady nebo robotické manipulátory, které sestávají z ramenní části, loketní části a záprstní části, které jsou opatřeny aktuátory. Zařízení je určeno k lékařským aplikacím pro exoprotetické náhrady a asistenční robotické manipulátory. Zařízení umožňuje identifikaci velikosti a směru výsledného silového účinku.

Dosavadní stav techniky

Protetická náhrada je ovlivněna a fyzicky ovlivňuje okolní prostředí, z tohoto důvodu je nutné vědět velikosti a směry silových účinků působících na protetickou náhradu, aby se předcházelo kolizím stavům s okolím protéz. Dosud navrhované a užívané senzorové systémy v oblasti exoprotetických náhrad a asistenčních robotických manipulátorů využívají především kamerového systému sestávajícího z jedné kamery či sad kamer, které poskytují informace pro obsluhu či kontrolní systém robotického manipulátoru a o jeho okolí. Z informace získané kamerami lze přibližně interpretovat velikost a směr kontaktní síly podle velikosti detekované polohy a zpomalení protetické náhrady a objektů nacházejících se ve styku s protézou. Pro detekci stavu okolí protetické náhrady se také experimentálně používají dálkoměmé senzory pro měření polohy a zrychlení/zpomalení robotického manipulátoru v okolním prostředí protetické náhrady. Pro předcházení kolizních stavů se k detekci překážek v okolí různých typů manipulátorů využívá i lase20 rových sítí a infračervených závor. Průmyslové manipulátory mívají jen nezbytně nutné senzory fungujících jako koncová čidla a navigační majáky.

V oblasti detekce silových, momentových a tlakových účinků ve styku protézy s okolními tělesy se nejčastěji používají taktilní (dotykové) snímače schopné získávat údaje o velikosti síly resp. tlaku zkoumaném objektu jednoduchým dotykem. Relevantními fyzikálními parametry při styku protézy s vnějším objektem je právě síla resp. dotykový tlak. Pro identifikaci komplexnějšího typu silového zatížení se používá maticových taktilních snímačů. Základem maticových taktilních snímačů je maticové uspořádání dotykových prvků, a to od několika málo až po stovky kusů. Hlavní informaci, kterou maticové taktilní snímače poskytují je rozložení kontaktních sil působících na snímací pole. Pomocí této informace je následně určována informace o velikosti a směru silových účinků působících na protetickou náhradu. Tato metoda je však konstrukčně a finančně složitá a nákladná. V protetice tedy nebyla nikdy v praxi používána, a je na mechanických protézách testována experimentálně. Existuje řada fyzikálních principů a konstrukčních řešení maticových taktilní snímačů, lišících se rozměry, vlastnostmi a principy. Nej používanějšími principy metod identifikace velikosti silového účinku jsou: optické, ultrazvukové, s pro35 měnlivou tloušťkou elastické vrstvy, piezoelektrické.

V současnosti exoprotetické náhrady a asistenční robotické manipulátory využívají především přímého ovládání uživatelem. Přímého řízení uživatelem je využíváno také k předcházení kolizních stavů a detekci překážek. Exoprotetické náhrady a asistenční robotické manipulátory nevyužívají takového senzorového systému, který by umožňoval rozpoznat velikost a směru silových účinků působících na exoprotetickou náhradu a asistenční robotický manipulátor. Současným nedostatkem je rozměmost instalovaných senzorových systémů, a problémem je také ergonomicky a funkčně implementovat senzorový systém na asistenční robotický manipulátor nebo exoprotetickou náhradu.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro detekci silových účinků, zejména na protetické náhrady nebo robotické manipulátory sestávající z ramenní části, loketní části a záprstní části, které jsou opatřeny aktuátory, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že sestává ze senzorových bloků umístěných v ramenní části, loketní části a záprstní

- 1 CZ 24302 Ul

Aóoti iCAii rvři txz>i L· mrwliilii cKJSt-n Haf nřÍnníanómn L rrmrlnln nraJ^nronAifAní Hat fx/rvrAVWU vij im^· v JUVV* |n»l Vll^ il II1V7MWIV* M wi V» V«VtV 1|J WJ VI1V1IIU ll 11 1VUU1 14 |J1VU£j|J1 UW VUlll UUl· V ’ * * ným mikroprocesorem, přičemž senzorové bloky jsou tvořeny senzory detekce zatížení aktuátorů.

Zařízení je s výhodou tvořeno šesti bloky senzorů umístěných po třech v ramenní části, po dvou v loketní části a po jednom v záprstní části. K modulu předzpracování dat je ve výhodném provedení připojen modul expertního systému identifikace velikosti a směru působení výsledné vnější síly, který je tvořen mikropočítačem s databází expertních znalostí a algoritmem založeným na metodách umělé inteligence.

Senzorový systém je tedy tvořen skupinou bloků senzorů, jehož význam spočívá v možnosti detekce zatížení aktuátorů pro identifikaci velikosti a směru působení výsledné vnější síly na protetické náhrady nebo asistenční robotické manipulátory. Rozmístění bloků senzorů na protetické náhradě nebo asistenčním robotickém manipulátoru je dáno konstrukcí, na níž je systém implementován následovně.

Senzorový systém je tvořen bloky senzorů. Každý blok senzorů je tvořen ampérmetrem měřícím napájení aktuátorů, realizujících otáčivý pohyb v kloubech protetické paže či asistenčního manipulátoru, a zesilovačem.

Jednotlivé bloky senzorů jsou pevně umístěny v blízkosti systému řízení robotické paže a s aktuátory jsou spojeny pomocí kabelů vedení elektrického proudu.

Počet bloků senzorů senzorového systému je roven počtu aktuátorů, který je roven počtu stupňů volností pohybu protetické paže či asistenčního manipulátoru.

Senzorový systém exoprotetické náhrady homí končetiny je tvořen šesti senzorovými bloky. Každý blok je tvořen ampérmetrem a zesilovačem.

Bloky senzorového systému jsou propojeny s modulem předzpracování signálu ze senzorických bloků. Zpracovaný signál v podobě je v podobě dat přenášen pomocí vodičů z modulu předzpracování signálu do modulu expertního systému identifikace velikosti a směru působení výsledné vnější síly na exoprotetickou náhradu nebo asistenční robotický manipulátor. Zpracování měřených dat oblasti znalostních systémů založených na metodách umělé inteligence. Modulu expertního systému identifikuje na základě databáze expertních pravidel velikost a směru působení výsledné vnější síly na protetickou náhradu nebo asistenční robotický manipulátor. Modulu expertního systému takto také identifikuje na hrozbu poškození ěi kolizního stavu protetické náhrady nebo asistenčního robotického manipulátoru.

Senzorový systém je navržen tak, aby nebránil pohybu exoprotetické náhrady ani asistenčnímu robotickému manipulátoru a využívá moderních miniaturních senzorů pro snížení celkové hmotnosti, která nepřesahuje včetně mikropočítače s napájením 0,5 kg. Cena senzorového systému je do pěti tisíc korun českých. Životnost senzorového systému je 2 roky. V průběhu doby životnosti se systém sám kalibruje, je bezúdržbový a nevyžaduje další investice s výjimkou energetické spotřeby. Senzorový systém je energeticky a ekologicky výhodný.

Objasnění obrázků na výkresech

Senzorový systém dle tohoto technického řešení, bude podrobněji popsán na konkrétních případech provedení s pomocí přiložených obrázků, kde na Obr. la a lb je znázorněno příkladné užití senzorového systému na asistenčním robotickém manipulátoru. Na Obr. 2 je vyobrazeno schéma rozmístění bloků senzorů v místech hlavních kloubových spojeních asistenčního robotického manipulátoru odpovídajícího kinematickému modelu anatomického uspořádání homí končetiny: I. - ramenní části s třemi stupni volnosti, II.- loketní části s dvěma stupni volnosti, III. - zápěstní části s jedním stupněm volnosti.

Příklad uskutečněného technického řešení

Příkladný senzorový systém získává informace o zatížení aktuátorů pro identifikaci velikosti a směru působení výsledné vnější síly působící na asistenční robotický manipulátor. Senzorový

-2CZ 24302 Ul systém 1 implementovaný na asistenčním robotickém manipulátoru sestává dle Obr. 2 z šesti bloků senzorů umístěných po třech v ramenní části I, po dvou v loketní části II a po jednom v záprstní části III· Dále je systém tvořen modulem 2 sběru dat z bloků senzorů umístěných na asistenčním robotickém manipulátoru a modulem 3 předzpracování dat ze senzorů, kteiý je tvo5 řen mikroprocesorem.

Informace o velikosti a směru působení výsledné vnější síly působící na asistenční robotický manipulátor je získávána modulem 4 expertního systému identifikace velikosti a směru působení výsledné vnější síly, kteiý je tvořen mikropočítačem s databází expertních znalostí a algoritmem založeným na metodách umělé inteligence. Mikropočítač také identifikuje na hrozbu poškození či io kolizního stavu protetické náhrady nebo asistenčního robotického manipulátoru.

Příkladný senzorový systém nebrání pohybu asistenčnímu robotickému manipulátoru a využívá miniaturních senzorů a dalších elektronických prvků. Celková hmotnost celého senzorového systému je včetně mikropočítače s napájením 0,5 kg. Senzorový systém je primárně určen k implementaci na exoprotetické náhrady a asistenční robotické manipulátory

Průmyslová využitelnost

Mobilní senzorový systém s bloky senzorů je určených k detekci zatížení aktuátorů pro identifikaci velikosti a směru působení výsledné vnější síly působící na exoprotetické náhrady a asistenční robotické manipulátory a identifikaci hrozeb poškození či kolizního stavu protetické náhrady nebo asistenčního robotického manipulátoru. Senzorový systém nalezne použití v řízení exoprotetických náhrad a asistenčních robotických manipulátorů. Zařízení je určeno k lékařským aplikacím v oblasti protetických a asistivních technologií s možnostmi využití v nemocnicích, ordinacích, léčebnách, lázních, armádě a podobně.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro detekci silových účinků, zejména na protetické náhrady nebo robotické ma25 nipulátory sestávající z ramenní části, loketní části a záprstní části, které jsou opatřeny aktuátory, vyznačující se tím, že sestává ze senzorových bloků umístěných v ramenní Části (I), loketní části (II) a záprstní části (III), které jsou připojeny k modulu (
2. 2) sběru dat připojeném k modulu (3) předzpracování dat tvořeným mikroprocesorem, přičemž senzorové bloky jsou tvořeny senzory detekce zatížení aktuátorů.

   30 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že je tvořeno šesti bloky senzorů umístěných po třech v ramenní části (I), po dvou v loketní části (II) a po jednom v záprstní části (III).
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, žek modulu (3) předzpracování dat je připojen modul (4) expertního systému identifikace velikosti a směru působení

   35 výsledné vnější síly.
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že modul (3) předzpracování dat je tvořen mikropočítačem s databází expertních znalostí a algoritmem založeným na metodách umělé inteligence.