RU127620U1

RU127620U1 - MULTIFUNCTIONAL ACTIVE HAND PROSTHETIS

Info

Publication number: RU127620U1
Application number: RU2012132879/14U
Authority: RU
Inventors: Алексей Алексеевич Бобцов; Артем Сергеевич Кремлев; Александр Сергеевич Боргуль; Алексей Анатольевич Маргун; Константин Александрович Зименко
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2013-05-10

Abstract

Многофункциональный активный протез руки, содержащий наплечник 1, исполнительный орган 2, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов 3, 4, 5, системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти 6 и исполнительным механизмом искусственной кисти 7, три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча 8, предплечья 9 и искусственной кисти 10, каждая из которых содержит микроконтроллер 11, усилитель мощности 12 и привод 13, задающий орган 14, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением 15, 16, 17, жесткое крепление 18 исполнительного органа 2 с закрепленным на нем блоком коррекции положения звена плеча 19, содержащим последовательно соединенные акселерометр 20, блок двойного интегрирования 21 и определитель угла коррекции 22, при этом определитель угла коррекции соединен с микроконтроллером 11 системы управления связным движением сгибания плеча, а жесткое крепление исполнительного органа 2 зафиксировано на корпусе инвалида и выполнено с возможностью свободного перемещения надплечья с наплечником 1, отличающийся тем, что исполнительный орган 2 оснащен блоком датчиков силового воздействия 32, содержащим датчики 23 и 24, расположенные на концах охвата, блоком 33, содержащим датчики силового воздействия 25, 26, 27 и 28, расположенные на передней, задней и двух боковых частях кисти, блоком 34, содержащим датчики силового воздействия 29, 30 и 31, расположенные на локте и концах изгиба локтевого сустава, на исполнительном органе 2 расположен р�A multifunctional active hand prosthesis containing a shoulder pad 1, an actuator 2, made in the form of a three-link articulated link chain with three angle sensors 3, 4, 5, an independent control system for the rotational actuator of the artificial brush 6 and the actuator of the artificial brush 7, three control systems the connected movement of the actuators of the flexion-extension of the shoulder 8, forearm 9 and artificial brush 10, each of which contains a microcontroller 11, a power amplifier 12 and a drive 13, a defining organ 14 made in the form of a flat three-link kinematic analogue of the actuator circuit, containing three sensors for controlling the connected movement 15, 16, 17, a rigid mount 18 of the actuator 2 with a block for adjusting the position of the link of the arm 19, containing the accelerometer 20 connected in series, the double integration unit 21 and a determinant of the angle of correction 22, while the determinant of the angle of correction is connected to the microcontroller 11 of the control system of the connected movement of the flexion of the shoulder, and a rigid mount executive body and 2 is fixed on the body of the disabled person and is made with the possibility of free movement of the shoulder girdle with the shoulder 1, characterized in that the actuator 2 is equipped with a block of force sensors 32, containing sensors 23 and 24 located at the ends of the coverage, block 33, containing force sensors 25 , 26, 27 and 28, located on the front, back and two side parts of the hand, block 34, containing force sensors 29, 30 and 31, located on the elbow and the ends of the bend of the elbow joint, located on the executive organ 2

Description

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к протезам верхних конечностей.The utility model relates to medical equipment, namely to upper limb prostheses.

Известен многофункциональный активный протез руки по патенту РФ 2026654, МПК A61F 2/56, опубл. 20.01.1995, содержащий наплечник, исполнительный орган, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов, датчики независимого управления и системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти, три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания плеча, сгибания предплечья и сгибания искусственной кисти, каждая из которых содержит сумматор, два функциональных преобразователя, усилитель мощности и привод, задающий орган, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением. Недостатком устройства является то, что оно не компенсирует погрешность положения исполнительного органа при внешних воздействиях на корпус устройства и корпус инвалида, включая и воздействие исполнительного устройства, реактивный момент которого при пуске инвалид воспринимает как внешнее воздействие. Возникающая позиционная погрешность снижает точность, увеличивает время выполнения целенаправленного действия, создает неудобство для оператора-инвалида.Known multifunctional active hand prosthesis according to the patent of the Russian Federation 2026654, IPC A61F 2/56, publ. 01/20/1995, containing a shoulder pad, an executive body made in the form of a three-link articulated link chain with three angle sensors, independent control sensors and independent control systems for the artificial brush rotation actuator and artificial brush actuator, three control systems for the connected movement of the shoulder flexion actuators bending the forearm and bending an artificial brush, each of which contains an adder, two functional converters, a power amplifier and a drive , the master body, made in the form of a flat three-link kinematic analogue of the executive circuit, containing three sensors controlling the connected movement. The disadvantage of this device is that it does not compensate for the error of the position of the executive body with external influences on the body of the device and the body of the disabled person, including the effect of the executive device, the reactive moment of which at startup the disabled person perceives as an external effect. The resulting positional error reduces accuracy, increases the time it takes to perform a targeted action, and creates inconvenience for a disabled operator.

Известен многофункциональный активный протез руки по патенту РФ 2427349, МПК A61F 2/56, опубл. 27.08.2011, выбранный авторами в качестве прототипа, содержащий наплечник, исполнительный орган, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов, датчики независимого управления и системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти, три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча, предплечья и искусственной кисти, каждая из которых содержит сумматор, два функциональных преобразователя, усилитель мощности и привод, задающий орган, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением, предлагается снабдить жестким креплением исполнительного органа и закрепленным на нем блоком коррекции положения звена плеча, содержащим последовательно соединенные акселерометр, блок двойного интегрирования и определитель угла коррекции, при этом определитель угла коррекции должен быть соединен с сумматором системы управления связным движением сгибания плеча, а жесткое крепление исполнительного органа зафиксировано на корпусе инвалида и выполнено с возможностью свободного перемещения надплечья с наплечником. Недостатком устройства является то, что оно не учитывает внешнее силовое воздействие на корпус, которое может вывести протез из строя. Также в прототипе отсутствует система задания сигналов на систему управления независимой ротации кисти и кисти.Known multifunctional active hand prosthesis according to the patent of the Russian Federation 2427349, IPC A61F 2/56, publ. 08/27/2011, selected by the authors as a prototype, containing a shoulder pad, an actuator made in the form of a three-link articulated link chain with three angle sensors, independent control sensors and independent control systems for the artificial brush rotation actuator and artificial brush actuator, three control systems connected movement of the executive mechanisms of flexion-extension of the shoulder, forearm and artificial hand, each of which contains an adder, two functional transformations It is proposed to equip the atelier, the power amplifier, and the drive, the master, made in the form of a flat three-link kinematic analogue of the executive circuit, containing three sensors for controlling the connected movement, with a rigid fastening of the executive organ and a block for adjusting the position of the shoulder link, containing the accelerometer connected in series, a double integration and a determinant of the angle of correction, while the determinant of the angle of correction must be connected to the adder of the control system of the connected motion Shoulder flexion eat stiffener actuator body fixed to the housing disabled and arranged to move freely with the scapular girdle. The disadvantage of this device is that it does not take into account external force on the body, which can damage the prosthesis. Also in the prototype there is no system for setting signals to the control system for independent rotation of the brush and brush.

Задачей полезной модели является создание многофункционального активного протеза руки, повышающего точность манипулирования, с одновременным снижением напряженности при управлении протезом, а также повышении функциональных возможностей устройства, благодаря возможности управления с учетом внешних силовых воздействий и возможности гибкого управления кистью за счет управления посредством сигналов электроэнцефалограммы.The objective of the utility model is to create a multifunctional active hand prosthesis that increases the accuracy of manipulation, while reducing tension when controlling the prosthesis, as well as increasing the functionality of the device, due to the ability to control taking into account external force influences and the ability to flexibly control the hand due to control by means of electroencephalogram signals.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что многофункциональный активный протез руки, содержащий наплечник, исполнительный орган, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов, системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти, три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча, предплечья и искусственной кисти, каждая из которых содержит микроконтроллер, усилитель мощности и привод, задающий орган, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением, при этом протез снабжен жестким креплением исполнительного органа и закрепленным на нем блоком коррекции положения звена плеча, содержащим последовательно соединенные акселерометр, блок двойного интегрирования и определитель угла коррекции. При этом шарнирно-рычажный механизм снабжен девятью датчиками силового воздействия, на исполнительном устройстве расположен регистратор сигналов электроэнцефалограммы, электроды которого присоединены к голове инвалида, блок обработки сигналов электроэнцефалограммы, соединенный с регистратором и устройством управления независимым исполнительным механизмом ротации кисти и кисти.The technical result of the task is achieved by the fact that a multifunctional active hand prosthesis containing a shoulder pad, an actuator made in the form of a three-link articulated-lever chain with three angle sensors, an independent control system for the rotary actuator of the artificial brush and the actuator of the artificial brush, three control systems movement of the executive mechanisms of flexion-extension of the shoulder, forearm and artificial hand, each of which contains a microcontrol , a power amplifier and a drive, a master, made in the form of a flat three-link kinematic analogue of the executive circuit, containing three sensors for controlling the connected movement, the prosthesis is provided with a rigid mount for the executive body and a block for adjusting the position of the shoulder link containing the accelerometer connected in series, block double integration and determinant of angle of correction. At the same time, the articulated lever mechanism is equipped with nine force impact sensors, an electroencephalogram signal recorder is located on the actuator, the electrodes of which are attached to the head of a disabled person, an electroencephalogram signal processing unit connected to the recorder and an independent actuator for rotating the brush and the brush are controlled by the actuator.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлена функциональная схема многофункционального активного протеза руки, обеспечивающего управление исполнительным органом с учетом сил, возникающих при внешнем воздействии на корпус устройства и независимое управление исполнительным механизмом ротации кисти и исполнительным механизмом кисти по сигналу электроэнцефалограммы.The essence of the utility model is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of a multifunctional active hand prosthesis that provides control of the actuator taking into account forces arising from external influences on the device body and independent control of the actuator of rotation of the hand and the actuator of the hand according to the electroencephalogram signal.

Многофункциональный активный протез руки содержит наплечник 1, исполнительный орган 2, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов 3, 4, 5, системы 6, 7 управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти, три системы управления 8, 9, 10 связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча, предплечья, каждая из которых содержит микроконтроллер 11, усилитель мощности 12 и привод 13, задающий орган 14, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика 15, 16, 17 управления связным движением. Устройство снабжено жестким креплением 18 исполнительного органа и закрепленным на нем блоком 19 коррекции положения звена плеча, содержащим последовательно соединенные акселерометр 20, блок двойного интегрирования 21 и определитель угла коррекции 22, при этом определитель угла коррекции 22 соединен с микроконтроллером 11 системы управления связным движением сгибания плеча, а жесткое крепление 18 исполнительного органа зафиксировано на корпусе инвалида и выполнено с возможностью свободного перемещения надплечья с наплечником 1. Исполнительный орган 2 оснащен блоком датчиков силового воздействия 32, содержащим датчики 23 и 24, расположенными на концах схвата, блоком 33, содержащим датчики силового воздействия 25, 26, 27 и 28, расположенными на передней, задней и двух боковых частях кисти, блоком 34, содержащим датчики силового воздействия 29, 30 и 31, расположенными на локте и концах изгиба локтевого сустава. Устройство содержит регистратор сигнала электроэнцефалограммы 35, расположенный на исполнительном органе, соединенный с электродами 36, расположенными на голове инвалида, и/системы 6, 7 управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти.A multifunctional active hand prosthesis contains a shoulder pad 1, an actuator 2, made in the form of a three-link articulated link chain with three angle sensors 3, 4, 5, system 6, 7 for controlling the actuator for rotating the artificial brush and the actuator for the artificial brush, three control systems 8 , 9, 10 by the connected movement of the executive mechanisms of flexion-extension of the shoulder, forearm, each of which contains a microcontroller 11, a power amplifier 12 and a drive 13, a driving organ 14, made in the form of a flat three-joint This kinematic analogue of the executive circuit, containing three sensors 15, 16, 17 control the connected movement. The device is equipped with a rigid fastener 18 of the executive body and a block 19 for adjusting the position of the shoulder link fixed to it, comprising an accelerometer 20 connected in series, a double integration unit 21 and a correction angle determiner 22, while the correction angle determiner 22 is connected to the microcontroller 11 of the control system for the connected arm flexion motion , and a rigid mount 18 of the executive body is fixed on the body of the disabled person and is made with the possibility of free movement of the shoulder girdle with the shoulder strap 1. the body 2 is equipped with a block of force impact sensors 32, containing sensors 23 and 24 located at the ends of the grip, a block 33, containing force sensors 25, 26, 27 and 28 located on the front, rear and two side parts of the brush, block 34, containing force sensors 29, 30 and 31 located on the elbow and the ends of the bend of the elbow joint. The device comprises an electroencephalogram signal recorder 35 located on an actuator connected to electrodes 36 located on the head of a disabled person, and / / a control system 6, 7 for controlling an artificial brush rotation actuator and an artificial brush actuator.

Устройство имеет каналы связного и независимого управления движением исполнительных механизмов, а также канал коррекции положения звена плеча.The device has channels for connected and independent control of the movement of actuators, as well as a channel for adjusting the position of the shoulder link.

Каналы связного управления определяются следующими цепями составляющих элементов. Датчики углов 3, 4, 5 исполнительного органа 2 и датчики управления связным движением 15, 16, 17 задающего органа 14 соединены соответственно с системами управления связным движением 8, 9, 10, которые соединены с исполнительными механизмами сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти. При этом исполнительный орган 2 закреплен со стороны шарнира сгибания плеча на жестком креплении 18, а задающий орган 14 со стороны шарнира сгибания плеча соединен с наплечником 1, развернут на 180 градусов и соединен концевым звеном с поясом. Датчики силового воздействия располагаются следующим образом: два датчика 23, 24 располагаются на концах схвата и объединены в блок 32, четыре располагаются на верхней - датчик 25, нижней - датчик 26 и боковых частях кисти - датчики 27 и 28, которые объединены в блок 33, датчик 29 - на локте, два датчика 30, 31 - на концах изгиба локтевого сустава, датчики 29, 30 и 31 объединены в блок 34, и каждый из силовых датчиков соединен с соответствующими системами управления связным и независимым движением 6, 7, 8, 9, 10.Communication control channels are determined by the following chains of constituent elements. The angle sensors 3, 4, 5 of the actuator 2 and the sensors for controlling the connected movement 15, 16, 17 of the actuator 14 are connected respectively to the systems for controlling the connected movement 8, 9, 10, which are connected to the executive mechanisms of flexion-extension of the shoulder, forearm and hand. In this case, the actuator 2 is fixed from the side of the shoulder flexion hinge to the rigid mount 18, and the driver 14 from the side of the shoulder flexion hinge is connected to the shoulder pad 1, rotated 180 degrees and connected by an end link to the belt. Force sensors are located as follows: two sensors 23, 24 are located at the ends of the grip and are combined in block 32, four are located on the top - sensor 25, lower - sensor 26 and the side parts of the brush - sensors 27 and 28, which are combined in block 33, the sensor 29 is on the elbow, two sensors 30, 31 are on the ends of the bend of the elbow joint, the sensors 29, 30 and 31 are combined into a block 34, and each of the power sensors is connected to the respective control systems for a connected and independent movement 6, 7, 8, 9 , 10.

Каналы независимого управления определяются следующими цепями составляющих элементов. Выход регистратора сигнала электроэнцефалограммы 35 связан с системами 6, 7 независимого управления, которые в свою очередь соединены с исполнительными механизмами ротации искусственной кисти и искусственной кисти.Independent control channels are determined by the following chains of constituent elements. The output of the electroencephalogram signal recorder 35 is connected to independent control systems 6, 7, which in turn are connected to actuators for rotating the artificial brush and artificial brush.

Канал коррекции положения звена плеча определяется следующей цепью составляющих элементов.The channel for correcting the position of the shoulder link is determined by the following chain of constituent elements.

Блок коррекции 19 положения звена плеча закреплен на жестком креплении 18 исполнительного органа. Он содержит последовательно соединенные акселерометр 20, блок двойного интегрирования 21 и определитель угла коррекции 22, при этом определитель угла коррекции 22 соединен с микроконтроллером 11 системы управления связным движением сгибания плеча.The correction unit 19 of the position of the shoulder link is mounted on a rigid mount 18 of the executive body. It contains a series-connected accelerometer 20, a dual integration unit 21 and a correction angle determiner 22, while the correction angle determiner 22 is connected to the microcontroller 11 of the control system for the connected motion of the shoulder flexion.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Исполнительные механизмы представляют собой двигатели постоянного тока. Системы управления исполнительными механизмами связанного движения представляют собой микроконтроллеры сравнивающие показания датчиков углов 3, 4, 5 исполнительного органа 2 с задаваемыми датчиками связанного управления 15, 16, 17 соответственно. Сигналы с датчиков 15, 16, 17 задаются движениями надплечья и поясницы. Движение надплечья осуществляется в пределах зоны его подвижности и совместно с поясничной подвижностью, что увеличивает масштаб копирования и, следовательно, повышает точность манипулирования. На основании рассогласования микроконтроллер 11 вырабатывает широтно-импульсно модулированный (ШИМ) сигнал, который, проходя через усилитель 12, передается на исполнительный механизм 13. Каждая из трех данных систем представляет собой позиционную следящую систему с управлением движением исполнительного механизма по рассогласованию. Так, сигнал с датчика 15 управления связным движением сгибания-разгибания плеча поступает на микроконтроллер системы управления 8, и одновременно на микроконтроллер поступает сигнал с датчика угла 3. Аналогично на микроконтроллер системы управления 9 поступают сигналы с датчиков 4 и 16, а на микроконтроллер системы управления 10 с датчиков 5 и 17. Микроконтроллеры выполняют функцию сравнения величин сигналов, определяя величину рассогласования угловых положений задающей и исполнительной частей устройства. ШИМ сигнал поступает на усилитель мощности, который управляет работой двигателя, соединенного с исполнительным механизмом сгибания-разгибания плеча. Отработка угла, заданного сигналом с датчика связного движения 15, завершится, когда величина рассогласования с сигналом датчика 3 обратной связи будет равна нулю. При этом двигатель остановится. Аналогично осуществляется работы системы управления связным движением предплечья и искусственной кисти.Actuators are DC motors. The control systems for the actuators of the associated motion are microcontrollers comparing the readings of the angle sensors 3, 4, 5 of the actuator 2 with the preset sensors of the associated control 15, 16, 17, respectively. The signals from the sensors 15, 16, 17 are set by the movements of the shoulder girdle and lower back. The movement of the shoulder girdle is carried out within the zone of its mobility and together with lumbar mobility, which increases the scale of copying and, therefore, increases the accuracy of manipulation. Based on the mismatch, the microcontroller 11 generates a pulse width modulated (PWM) signal, which, passing through the amplifier 12, is transmitted to the actuator 13. Each of these three systems is a positional tracking system with motion control of the actuator for the mismatch. So, the signal from the sensor 15 for controlling the joint movement of flexion-extension of the shoulder is fed to the microcontroller of the control system 8, and at the same time the signal from the angle sensor 3 is sent to the microcontroller 3. Similarly, the signals from sensors 4 and 16 are sent to the microcontroller of the control system 9, and the microcontroller of the control system 10 with sensors 5 and 17. Microcontrollers perform the function of comparing the values of the signals, determining the amount of the mismatch of the angular positions of the master and actuator parts of the device. The PWM signal is fed to a power amplifier, which controls the operation of the motor connected to the shoulder flexion-extension actuator. The development of the angle specified by the signal from the connected motion sensor 15 will be completed when the amount of the mismatch with the signal from the feedback sensor 3 is equal to zero. The engine will stop. The control system for the connected movement of the forearm and artificial hand is carried out similarly.

В системе независимого управления сигналы электроэнцефалограммы, отражающие электрическую активность головного мозга инвалида, при помощи электродов 36 передаются на регистратор 35, после чего поступают на вход систем независимого управления 6, 7, состоящих из микроконтроллера и усилителя, и ШИМ сигналы, получаемые с усилителей передаются на исполнительные устройства ротации искусственной кисти и искусственной кисти. При воздействии на исполнительный орган внешних сил происходит одновременное воздействие на блоки датчиков 32, 33, 34 соответственно. При превышении значением, получаемым с датчика, установленного порога, усилие, создаваемое двигателем, ослабляется до тех пор, пока значение сигналов блоков датчиков 23, 24, 25 не окажется ниже порогового. Активный (приводной) шарнир сгибания плеча воспринимает нагрузку от веса всего исполнительного органа и сил, возникающих в процессе движения звеньев исполнительных устройств. Нагрузка, вызванная действием реактивных моментов, действующая в точке подвеса исполнительного органа, оказывает наибольшее влияние на точность выполнения движений. Исполнительный орган, выполняя маятниковые движения в вертикально-сагиттальной плоскости, оказывает воздействие на точку подвеса благодаря реактивному моменту колеблющейся системы. Сила, действующая в точке подвеса маятника, направлена горизонтально и стремится развернуть корпус оператора-инвалида. Наибольшее значение это воздействие имеет при пуске с большим ускорением, то есть при большом рассогласовании задающего сигнала и сигнала обратной связи, а также при наибольшем моменте инерции устройства - вытянутой искусственной руки. Инвалид воспринимает силу, действующую в точке подвеса, как внешнее воздействие. Время реакции инвалида на внешнее воздействие (латентный период), как оператора исполнительного органа, составляет ориентировочно 0,2 секунды. За это время точка подвеса исполнительного органа совершает неконтролируемое движение, которое вызывает погрешность в ориентации искусственной руки. Величина смещения точки подвеса зависит от массы подвижной части корпуса инвалида, массы исполнительного органа, угла его поворота и ускорений. Зная величину ускорения подвижной части корпуса инвалида в зоне подвеса исполнительного органа, можно определить величину смещения точки подвеса за время латентного периода. Величина ускорения в предлагаемом устройстве определяется с помощью датчика ускорений - акселерометра 20, который входит в состав блока коррекции 19. Сигнал от акселерометра, пропорциональный величине линейного ускорения, поступает в блок двойного интегрирования 21, который вырабатывает сигнал, пропорциональный величине смещения точки подвеса. Далее сигнал подается в определитель угла коррекции 22, который вырабатывает сигнал, пропорциональный величине угла, на который необходимо довернуть двигатель, расположенный на плече, чтобы компенсировать отклонение концевого звена. Функция определителя угла коррекции (w) может быть представлена формулой: w=k*x/R, где x - величина смещения точки подвеса исполнительного органа, R - расстояние от оси сгибания плеча до центра масс исполнительного органа, k - коэффициент пропорциональности. Знак угла коррекции зависит от направления вектора внешнего воздействия и, соответственно, знака ускорения точки подвеса. Сигнал, пропорциональный углу коррекции, поступает на микроконтроллер 11 в качестве дополнительного сигнала управления. Здесь происходит суммирование всех поступающих сигналов управления, а после преобразования и усиления сигнал поступает на двигатель, соединенный с исполнительным механизмом сгибания-разгибания плеча. Коррекция выполняется автоматически и компенсирует отклонение, вызванное внешним воздействием, пока оператор-инвалид сам не начнет регулировать положение искусственной руки по прошествии латентного периода за счет движения надплечья, освобожденного в данном устройстве от несения весовой нагрузки исполнительного органа.In an independent control system, electroencephalogram signals reflecting the electrical activity of the brain of a disabled person are transmitted to the recorder 35 using electrodes 36, after which they are fed to independent control systems 6, 7, consisting of a microcontroller and amplifier, and PWM signals received from amplifiers are transmitted to executive devices of rotation of an artificial brush and artificial brush. When acting on the executive body of external forces, there is a simultaneous effect on the sensor blocks 32, 33, 34, respectively. If the value received from the sensor exceeds the set threshold, the force generated by the engine is weakened until the signal value of the sensor blocks 23, 24, 25 is below the threshold. The active (drive) hinge for bending the shoulder perceives the load from the weight of the entire actuator and the forces arising during the movement of the links of the actuators. The load caused by the action of reactive moments, acting at the point of suspension of the executive body, has the greatest impact on the accuracy of the movements. The executive body, performing pendulum movements in the vertical sagittal plane, affects the suspension point due to the reactive moment of the oscillating system. The force acting at the point of suspension of the pendulum is directed horizontally and tends to deploy the body of the disabled operator. This effect is of greatest importance when starting with high acceleration, that is, with a large mismatch between the driving signal and the feedback signal, as well as with the greatest moment of inertia of the device — an extended artificial arm. A disabled person perceives the force acting at the suspension point as an external effect. The reaction time of a disabled person to external influence (latent period), as an operator of the executive body, is approximately 0.2 seconds. During this time, the suspension point of the executive body makes an uncontrolled movement, which causes an error in the orientation of the artificial arm. The magnitude of the displacement of the suspension point depends on the mass of the movable part of the body of the disabled person, the mass of the executive body, the angle of rotation and acceleration. Knowing the magnitude of the acceleration of the movable part of the body of the disabled person in the suspension zone of the executive body, it is possible to determine the magnitude of the shift of the suspension point during the latent period. The acceleration value in the proposed device is determined using the acceleration sensor - accelerometer 20, which is part of the correction unit 19. The signal from the accelerometer, proportional to the linear acceleration, is fed to the double integration unit 21, which generates a signal proportional to the offset value of the suspension point. Next, the signal is supplied to the determinant of the angle of correction 22, which generates a signal proportional to the angle at which it is necessary to turn the engine located on the shoulder to compensate for the deviation of the end link. The function of the correction angle determinant (w) can be represented by the formula: w = k * x / R, where x is the displacement of the suspension point of the executive body, R is the distance from the shoulder bending axis to the center of mass of the executive body, k is the proportionality coefficient. The sign of the correction angle depends on the direction of the vector of external influence and, accordingly, the sign of the acceleration of the suspension point. A signal proportional to the angle of correction is supplied to the microcontroller 11 as an additional control signal. Here, a summation of all incoming control signals takes place, and after conversion and amplification, the signal enters the engine connected to the shoulder flexion-extension actuator. The correction is performed automatically and compensates for the deviation caused by external influences, until the disabled operator himself begins to adjust the position of the artificial arm after a latent period due to the movement of the shoulder girdle, freed in this device from bearing the weight of the executive body.

Предложенное устройство протеза руки может быть применено при коротких культях плеча, после одностороннего и двустороннего вычленения плечевого сустава, а также после вычленения ключицы и лопатки.The proposed device of the prosthetic arm can be used for short stumps of the shoulder, after unilateral and bilateral isolation of the shoulder joint, as well as after the isolation of the clavicle and scapula.

Технико-экономическая эффективность полезной модели заключается в повышении удобства инвалида благодаря повышению точности манипулирования, снижению напряженности при управлении протезом, а также повышении функциональности устройства благодаря возможности управления с учетом внешних силовых воздействий и возможности гибкого управления кистью за счет управления посредством сигналов электроэнцефалограммы.The technical and economic efficiency of the utility model consists in increasing the convenience of a disabled person by increasing the accuracy of manipulation, reducing tension when controlling the prosthesis, and also increasing the functionality of the device due to the ability to control taking into account external force influences and the ability to flexibly control the brush due to control by means of electroencephalogram signals.

Пример конкретного исполненияConcrete example

Наплечник выполнен в виде бандажа для плечевого сустава, жесткое крепление - в виде пластикового каркаса, позволяющего фиксировать устройство на теле инвалида. Исполнительный орган выполнен в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов, в качестве которых выбраны оптические энкодеры, расположенные в местах соединения звеньев. Исполнительные механизмы представлены электродвигателями постоянного тока. Микроконтроллер семейства AVR, усилитель мощности, выполненный на основе транзисторной силовой платы управления двигателями и электродвигатель постоянного тока собраны в единый корпус и представляют собой системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти, исполнительным механизмом искусственной кисти и три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча, предплечья и искусственной кисти. Задающий орган выполнен в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением, в качестве которых используются оптические энкодеры. Блок двойного интегрирования и определитель угла коррекции выполнены на основе микроконтроллеров семейства AVR и объединены с трехосевым MEMS акселерометром в единый корпус, представляют собой блок коррекции положения звена плеча. Датчики силового воздействия, выполнены в виде резистивных датчиков контроля прикладываемой силы и расположены в пазах на поверхности исполнительного органа и схвата в точках, указанных в описании полезной модели. Регистратор сигналов электроэнцефалограммы - выполнен в виде портативного энцефалографа, производящего обмен данными по беспроводному протоколу, что позволяет крепить его в любом месте на теле инвалида. Электроды мокрого типа выполнены по пассивной технологии с возможностью неинвазивного крепления на голове инвалида. Блок обработки сигналов электроэнцефалограммы выполнен на основе микроконтроллера с ARM архитектурой.The shoulder pad is made in the form of a brace for the shoulder joint, the hard mount is in the form of a plastic frame that allows you to fix the device on the body of a disabled person. The executive body is made in the form of a three-link articulated link chain with three angle sensors, which are selected as optical encoders located at the junction of the links. Actuators are represented by DC motors. Microcontroller of the AVR family, a power amplifier based on a transistor power control board for engines and a direct current electric motor are assembled in a single housing and are independent control systems for the artificial brush rotation actuator, artificial brush actuator and three control systems for the connected movement of the flexion-extension actuators shoulder, forearm and artificial brush. The master unit is made in the form of a flat three-link kinematic analogue of the executive circuit, containing three sensors for controlling the connected motion, which are used as optical encoders. The double integration unit and the correction angle determinant are made on the basis of the AVR family of microcontrollers and combined with the three-axis MEMS accelerometer in a single housing, they are a block of the correction of the position of the shoulder link. The force sensors are made in the form of resistive sensors for monitoring the applied force and are located in grooves on the surface of the actuator and gripper at the points indicated in the description of the utility model. The electroencephalogram signal recorder is made in the form of a portable encephalograph that exchanges data using a wireless protocol, which allows you to mount it anywhere on the body of a disabled person. The wet electrodes are made using passive technology with the possibility of non-invasive fastening on the head of a disabled person. The block of signal processing of the electroencephalogram is made on the basis of a microcontroller with ARM architecture.

Таким образом, заявляемая модель обеспечивает создание устройства для повышения удобства инвалида благодаря повышению точности манипулирования, снижения напряженности при управлении протезом, а также повышения функциональности устройства благодаря возможности управления с учетом внешних силовых воздействий и возможности гибкого управления кистью за счет управления посредством сигналов электроэнцефалограммы.Thus, the claimed model provides a device for improving the convenience of a disabled person by increasing the accuracy of manipulation, reducing tension when controlling the prosthesis, as well as increasing the functionality of the device due to the ability to control taking into account external forces and the ability to flexibly control the brush due to control by means of electroencephalogram signals.

Claims

A multifunctional active hand prosthesis containing a shoulder pad 1, an actuator 2, made in the form of a three-link articulated link chain with three angle sensors 3, 4, 5, an independent control system for the rotational actuator of the artificial brush 6 and the actuator of the artificial brush 7, three control systems the connected movement of the actuators of the flexion-extension of the shoulder 8, forearm 9 and artificial brush 10, each of which contains a microcontroller 11, a power amplifier 12 and a drive 13, a defining organ 14 made in the form of a flat three-link kinematic analogue of the actuator circuit, containing three sensors for controlling the connected movement 15, 16, 17, a rigid mount 18 of the actuator 2 with a block for adjusting the position of the link of the arm 19, containing the accelerometer 20 connected in series, the double integration unit 21 and a determinant of the angle of correction 22, while the determinant of the angle of correction is connected to the microcontroller 11 of the control system of the connected movement of the flexion of the shoulder, and a rigid mount Executive and 2 is fixed on the body of the disabled person and is made with the possibility of free movement of the shoulder girdle with the shoulder 1, characterized in that the actuator 2 is equipped with a block of force sensors 32, containing sensors 23 and 24 located at the ends of the coverage, block 33, containing force sensors 25 , 26, 27 and 28, located on the front, back and two side parts of the hand, block 34, containing force sensors 29, 30 and 31, located on the elbow and the ends of the bend of the elbow joint, located on the executive organ 2 35 electroencephalogram recorder of which is connected to the electrodes 36 with the head and connected to a disabled independent control systems 6, 7.