IoT Хакатон
17 февраля 2017, 20:53

Университет IoT: команда «Роботизированный протез ноги»

  1. Название проекта.
  2. Роботизированный протез ноги с функцией удаленного мониторинга
  3. Состав участников команды.
    • Романенков Николай, НИУ ВШЭ, студент образовательной программы “Информатика и вычислительная техника”
    • Интс Глеб, НИУ ВШЭ, студент образовательной программы “Информатика и вычислительная техника”
    • Селиванцев Виктор, НИУ ВШЭ, студент образовательной программы “Информатика и вычислительная техника”
    • Кочемасова Софья, НИУ ВШЭ, студент образовательной программы “Информатика и вычислительная техника”
    • Ролич Алексей Юрьевич, ассистент департамента компьютерной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ
  4. Краткая аннотация проекта.
  5. Разрабатываемая система представляет собой программно-аппаратный комплекс в виде роботизированного протеза ноги с возможностью удаленного мониторинга. Целью данной работы является разработка метода управления коленным шарниром в протезе ноги, обеспечивающего максимально возможное восстановление естественного стереотипа ходьбы, моделирование и прототипирования электромеханического протеза ноги выше колена при помощи 3D печати, разработка системы мониторинга состояния протеза ноги и пользователя.
  6. Краткое описание структуры проекта.
  7. Аппаратная часть.
    Помимо создания 3D модели электромеханического протеза ноги, необходимо разработать действующий протез, включающий в себя пластиковый корпус, микроконтроллер с возможностью передачи данных по беспроводному каналу связи (Wi-Fi, Bluetooth, LoRa), датчики, аккумулятор, который крепится к корпусу и непосредственно сам механизм коленного и голеностопного суставов. Протез должен позволять человеку выполнять следующие возможности:
    • Стоять;
    • Ходить, при этом нога должна автоматически подстраиваться:
    • Садиться;
    • Нагибаться (пример завязывать шнурки).
    Проведя обзор и анализ существующих решений, было решено использовать гироскоп для измерения угла. Проанализировав и наблюдая долгое время за ходьбой, было получено, что голень ноги и туловище человека все время находятся параллельно друг другу. Для сгибания колена используется сервопривод, который сгибает ногу на тот же градус, на который отклонен гироскоп. Голеностоп работает механически. В нем используются пружины, для изменения градуса относительно голени.

    Программная часть.
    Подсистема мониторинга позволит контролировать состояния протеза ноги, контролировать оказывающееся на составные части протеза давление, для того чтобы максимально допустимая нагрузка не превышалась. Подсистема мониторинга также позволит контролировать активность пользователя (количество шагов, уверенность и устойчивость шага). Планируется внедрить GPS-модуль, для возможности позиционирования пользователя с протезом для отслеживания его местоположения.

    Разработанное приложение позволит собирать и визуализировать данные от протеза, следить за местоположением обладателя протеза врачам или семье обладателя протеза.

  8. Пример предполагаемого внедрения проекта.
  9. Согласно статистическим данным, причиной ампутации конечностей в 48 % случаев является травма (бытовая, производственная, огнестрельные ранения), в 42%—сосудистые заболевания, в 10%—опухоли и врожденные деформации. Среди больных с ампутационными дефектами лица с ампутациями нижних конечностей составляют 92 %, с ампутациями верхних конечностей — 8 %. При этом вычленение в тазобедренном суставе и высокая (до 8 см) культя бедра встречается в 4 % случаев, культя бедра на различных уровнях (за исключением высокой)- 33,7 %, культя голени на различных уровнях — 51,3%, культя стопы — 8%; вычленение и ампутационная культя плеча на различных уровнях — в 24,5 % случаев, культя предплечья — 29,4 %, культя кисти — 3,9%, культя пальцев кисти — 42,2 %.

    Как видно из этих цифр, значительную часть среди людей с инвалидностью составляют люди с утратой нижних конечностей, которые нуждаются в протезировании. Им требуется доступный протез, который возмещал бы утраченные возможности движения. При ампутации выше уровня колена протезирование усложняется – т.к. при этом теряется коленный сустав, а значит, требуется его замещение. Для искусственного колена одними из важнейших свойств являются способность сгибаться и подкосоустойчивость – без этих качеств человек не сможет полноценно передвигаться и использовать протез в качестве опоры, то есть утратит одни из основных функций нижних конечностей.

    На данный момент существует несколько типов протезов ног:
    • Косметический – создается при помощи 3D принтера и используется для украшения уже установленного протеза;
    • Временный – в основном реализуется при помощи 3D печати и не позволяет человеку полностью передвигаться;
    • Полный – конечный протез, который позволяет человеку полностью передвигаться. В настоящее время в основном делается без 3D печати.
    Отдельно стоит выделить полный протез. На настоящий момент это самый востребованный и самый дорогой протез (его цена доходит до 2 млн. рублей), но 3D печать позволит в разы уменьшить его стоимость. В его конструкцию входит коленный сустав, который работает автоматически, и голеностопный сустав, который работает механически.

    Потенциальный потребителем данной разработки могут быть как конечные пользователи с ампутированными нижними конечностями (B2C), так и реабилитационные центры для людей с ампутированным нижними конечностями (B2B). Следует отметить, что благодаря 3D печати можно различным образом визуально кастомизировать протез по запросам пользователя.
10111
5