Raport.doc

Wrocław 29.05.2009

Teoria Układów Napędowych

Seminarium

Raport

Prowadzący:

Dr inż. Henryk Chrostowski

Autor:

Jakub Wilk 149500

1. Informacje ogóle

Tematem seminarium były Układy Napędowe oraz Algorytmy Sterowania w Bioprotezach. Prezentacja odbyła się 7.04.2009 w ramach przedmiotu Teoria Układów Napędowych. Praca obejmowała  zagadnienia z zakresu kinematyki ręki ludzkiej, doboru struktur mechanicznych do spełnianego przez protezę zadania, dobór źródła energii mechanicznej oraz elementów układu przeniesienia napędu, algorytmów sterowania protezą. Przytoczono również kilka istniejących rozwiązań bioprotez aktywnych i chwytaków studyjnych. Zakończeniem seminarium była dyskusja, w trakcie której uczestnicy seminarium oraz prowadzący zadawali pytania związane z tematem.

2. Zawartość seminarium

I

a) Funkcjonalność ręki ludzkiej

Ręka ludzka jest jednym z najbardziej skomplikowanych narządów manipulacyjnych występujących w naturze. Duża liczba stopni swobody (Rys1.) oraz doskonałe oczujnikowanie (ponad 17000 zakończeń nerwowych) sprawia, że ręka doskonale spełnia kilka funkcji. Wśród najważniejszych należy wymienić:

- funkcja chwytna

- funkcja manipulacyjna

- funkcja czuciowa

Rys1. Uproszczony schemat kinematyczny ręki ludzkiej

Protezy kończyny górnej odtwarzają w większości tylko funkcję chwytną, czasami także pośrednio manipulacyjną. Ze względu na rozwój protetyki dokonano podziału funkcji chwytnych ręki na kilka podstawowych typów chwytu (Rys2.).

Rys2. Rodzaje ruchów chwytnych człowieka

Spełniane funkcje, jak i parametry mechaniczne zasadniczo wpływają na kwestię doboru układów napędowych do protez aktywnych. Kwestia algorytmów sterowania jest w głównej mierze zależna od ilości kontrolowanych stopni swobody oraz ilości sensorów imitujących zakończenia nerwowe.

Do dnia dzisiejszego nie skonstruowano protezy ani manipulatora studyjnego, którego wszystkie parametry odpowiadałby ludzkiej ręce.

b)  Wymagania konstrukcyjne dla bioprotez, warunek utrzymania chwytu

Wymagania konstrukcyjne protez:

- zwarta budowa

- układ napędowy o wysokiej sprawności, niskiej konsumpcji energii oraz umiejscowieniu wewnątrz protezy

- siła chwytu około 40 N

- prędkość zamykania protezy poniżej 2s

- szerokość otwarcia dłoni około 90 mm

- ciężar około 0,45 kg

- wymiary gabarytowe zbliżone do dłoni/ręki ludzkiej

- możliwie niewysoka cena

Aby proteza spełniała swoją funkcję, musi posiadać możliwość utrzymania przedmiotów codziennego użytku. Warunek utrzymania chwytu: siła nacisku wywierana przez palce równoważy siłę grawitacji odniesioną do współczynnika tarcia(Rys3.).

Rys3. Zjawisko tarcia w czasie chwytu

c) Struktury mechaniczne chwytaków, realizacja napędu

Zadaniem chwytaka jest zbliżanie do siebie dwóch końców członów biernych przy zastrzeżeniu, że punkty te będą podróżowały po zadanych trajektoriach. Istnieje cała gama rozwiązań struktur mechanicznych pozwalających realizować to zadanie(Rys4.). Istnieje też kilka możliwych realizacji napędu chwytaka, wykorzystujących różne rodzaje napędów (liniowe i obrotowe)(Rys5.).

Rys4. Sposoby realizacji ruchu chwytającego – różne struktury mechaniczne

Rys5. Sposoby realizacji napędu chwytaka

d) Źródła energii mechanicznej, elementy układu napędowego

Od układu napędowego w protezie wymaga się:

- wysokiej sprawności

- niskiej wagi oraz małych gabarytów

- cichej pracy

- niskiej konsumpcji energii

- możliwie niskich kosztów elementów

- dużej trwałości

- niezawodności

- prostoty montażu

Tab1. Zestawienie zalet i wad przekładni mechanicznych

Tab2. Typowe parametry przekładni mechanicznych

Tab3. Układy przeniesienia napędu stosowane w bioprotezach

Tab4. Zestawienie źródeł energii mechanicznej

e) Algorytmy sterowania bioprotezami

Ogólną ideą sterowania bioprotezą jest wzmacnianie biologicznych sygnałów, które u zdrowego człowieka sterują ruchem dłoni(Rys6).

Rys6. Schemat sterowania bioprotezą

W rozwiązaniach komercyjnych dominują rozwiązania oparte na pomiarze czynność elektrycznej mięśni (elektromiografia) (Rys7.). W poruszających się mięśniach pojawia się potencjał elektryczny, związany z sygnałami nerwowymi oraz czynnościami włókien mięśniowych. Przy odpowiednim umieszczeniu czujnika można odczytywać zmiany potencjału ze skóry pokrywającej mięsień. Sygnał taki ma charakter stochastyczny i ze względu na to jest trudny do rejestracji, obróbki i interpretacji. W protezach o jednym stopniu swobody sygnałem zamknięcia/otwarcia protezy są potencjały miograficzne prostownika palców oraz zginacza łokciowego.

Rys7. Schemat metody EMG

Jednym z bardziej rewolucyjnych pomysłów jest akustomiografia, czyli pomiar szumów akustycznych powstających podczas pracy mieśnia.  Membrana przenosi zbierane ze skóry drgania do komory powietrznej, w której pod wpływem drgań zmienia się ciśnienie (Rys8.). Zmiany te mierzone są przez superczuły mikrofon. Dodatkowo w skład układu rejestracji wchodzi filtr elektroniczny oraz wzmacniacz sygnału.

Rys8. Schemat czujnika akustomiograficznego

f) Istniejące rozwiązania

Sensor Hand: Jedna z najpowszechniej stosowanych protez aktywnych, sprzedawana przez niemiecką firmę Ottobock. Charakteryzuje się prostotą działania (jeden stopień swobody), estetycznym wyglądem i prostym sterowaniem. Jej układ napędowy składa się z przekładni zębatej czołowej, kolejnej przekładni zębatej stożkowej oraz silnika prądu stałego. Sterowanie protezą odbywa się za pomocą dwóch elektrod przyklejanych do ręki pacjenta.

I – Limb: nowatorskie rozwiązanie firmy Touch Bionics. Proteza wykonana z pięciu palców o konstrukcji modułowej, z których każdy posiada swój własny układ napędowy. Konstrukcja jest wykonana z tworzyw sztucznych. Zastosowanie mikronapędów, pozwoliło na umieszczenie układu napędowego wewnątrz każdego z palców. Układ składa się z silnika prądu stałego z elastyczna listwą zębatą. Sterowanie odbywa się za pomocą sygnałów EMG.

Shadow Hand: manipulator studyjny firmy Shadow Robot Company Ltd. Konstrukcja bardzo dobrze odwzorowuje parametry ręki ludzkiej. Posiada 24 stopnie swobody. Napęd stanowi 40 siłowników pneumatycznych. Układ napędowy jest umieszczony poza samą konstrukcją, co sprawia, że nie można jej wykorzystać jako protezy aktywnej.

3. Pytania i odpowiedzi

P: Dlaczego manipulatory studyjne nie są wykorzystywane jako protezy ?

O: Wynika to głównie z problemami ze sterowaniem większą liczbą stopni swobody oraz stosowanymi w nich układami napędowymi znajdującymi się na zewnątrz konstrukcji.

P: Jak plasują się ceny protez aktywnych ?

O: Cena wytworzenia prototypu w zamierzeniu najtańszej protezy aktywnej na rynku, stworzonej przez Michała Turowa, wynosi około 16 000 zł. Najpowszechniej stosowane protezy firmy Ottobock są niemal dwukrotnie droższe.

P: Jakie projekty biomanipulatorów lub protez powstały na Politechnice Wrocławskiej ?

O: Najnowszym osiągnięciem jest proteza skonstruowana przez Michała Turowa, do której zaadoptowano sterowanie akustomiograficzne. Ponadto w ramach pracy magisterskiej Artura Handke powstał biomanipulator Hand-K, konstrukcja, która reprezentuje światowy poziom wśród manipulatorów studyjnych.

P: Jakiego rzędu wzmocnienia sygnału biologicznego zapewnia układ sterowania ?

O: Potencjał sygnału miograficznego to około 1,5 mV. Zamknięcie protezy odbywa się poniżej 2 sekund, natomiast siła nacisku jaką osiąga to około 50 N. Silniki napędzające protezy mają moc mierzoną do kilkunastu lub kilkudziesięciu wat. Moc mipotencjału mierzona może być w miliwatach. Stąd wzmocnienie wynosi od trzech do czterech rzędów.

P: Jak wygląda potencjalne zastosowanie hydrauliki w bioprotezach ?

O: Zastosowanie hydrauliki jest ograniczone przez jej zależność od zewnętrznego źródła energii. Ponadto rozmiary protezy utrudniają umieszczenie kompletnego układu napędowego wewnątrz protezy. Hydraulika i mikrohydraulika sprawdza się za to dobrze w biomanipulatorach studyjnych, ze względu na liniowy charakter aktuatorów, symulujący działanie mięśni ludzkich.

P: Jak wygląda zastosowanie „mieśni pneumatycznych/hydraulicznych” w protezach lub biomapulatorach ?

O: Mięśnie hydrauliczne są specjalną konstrukcją, wykorzystującą programowalną odkształcalność elementów poddanych ciśnieniu. Element wypełniony cieczą odkształca się w konkretny sposób, skracając swoją długość i zwiększając przekrój poprzeczny (dokładnie tak jak ludzki mięsień). Pod warunkiem, że pracuje w zakresie odkształceń sprężystych, po zdjęciu ciśnienia, materiał wróci do postaci wyjściowej, tym samy zachowując się jak monostabilny siłownik. Rozwiązanie takie upraszcza układ napędowy, eliminując konieczność stosowania dwóch siłowników na jeden staw. Rozwiązanie to ciągle jeszcze jest dopracowywane. Niemniej jednak w połączeniu z mikrohydrauliką i mikronapędami, może stanowić bardzo dobre rozwiązanie układu napędowego protezy, nie tylko biomanpulatora.