ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАХВАТА ПРЕДМЕТОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ В ПРОТЕЗАХ ВЕРХНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ (11-13)

Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 51, 20 20 11
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАХВАТА ПРЕДМЕТОВ С ЛОЖНОЙ ФОРМЫ В ПР ОТЕЗАХ
ВЕРХНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

Авдейчиков Дмитрий Андреевич
Московский Госу дарственный Тех нический Университет
им. Н.Э. Баумана
г. Москва
Аннотация
В данной статье рассматриваются методы решения проблемы захвата и удержания предметов
современными биопротезам и, разработанными для людей с ампутированными верхними конечностями.
Ав тор приводит образцы технологий, созданные зарубежными инженерами -учеными.
Ключевые слова:

Введение
Слово «ампута ция» происходит от латинского
термина «amputare», означающего «вырезать » - это
удаление конечности из -за травмы, медицинского
заболевания или хирургического вмешательства,
как мера, используемая для борьбы с такими
воспалительными процессами в пораженной
конечности как малигнизация или гангрена [1].
Обычно ампутации в верхних конечностях
наблюдаются в таких ситуациях, как врожденный
дефицит конеч ностей, дорожно -транспортные
происшествия, по жар или поражение
электрическим током, потеря руки в
сельскохозяйств енном оборудовании, ампутация в
результате рака, диабета или травмы, ук уса
животных или рептилий, несчастных с лучаев на
строительстве, и связан ные с вой ной травмы
наземных мин, обморожения и т. д. В специальной
литературе различают две категории : ампутации у
гражданских и военных лиц.
В связи с развитием индустриализации и
отс утствием осведомленнос ти работников о
параметрах безопасности, особенно на технически
сложных производствах, число случаев ампутаций
продолжает расти. Эффект ампутации конечностей
приводит к психическим травмам человека ,
связанным и с отсутствием естественн ой части тела,
потерей во зможности заниматься деятельностью,
выполняемой вручную и возможност и
трудоустройства, а также к физической
зависимост и от других членов семьи, страхом
социальной разобщенности и проблемам со
здоровьем . Медицинский протез представл яет
собой искусственную часть тела, созданную в
рамках медицинской робот отехники и призванную
восстановить функциональную способность
человека выполнять основные движения без
помощи ручной поддержки. Протезы верхних
конечностей актуальны как для тех, кто с традает
потерей верхней конечности, приобретенной с
рождения так и для т ех, кто приобрел данн ое
заболевание в виду полученной травмы.
При проектировании биопротезов необходимо
учитывать различные формы изделий, с которыми
человеку предстоит контактировать . Чтобы
увеличить хватательные возможности биопротеза ,
команда дизайнеров часто жертвует его
косметической привлекательностью. Однако в то
время, как одни пациенты желают получить
устройство, наиболее аналогичное по своим
механическим свойствам человеческой руке,
другие, наоборот, отдают предпочтение
физиологической составляюще й. Косметический
вид биопротеза эстетически приятен и похож на
конечно сть, которую он должен заменить. Данное
устройство может быть статически верным, но
безжизненно, когда речь идет о движении. В связи
с этими особенностями, з амена конечности должна
быть антропоморфной по фор ме, размеру и
контуру.
В 2011 году Компания «BelterandDollar»
рассмотрела рабочие характеристики часто
используемых протезов и антропоморфных
устройств . Первонача льное иссл едование было
ограничено несколькими конкретными
движениями, т акими как захват двум я пальцами.
Звенья были приведены в действие с помощью
набора жгутов, которые контролировали функции
открывания и закрывания звеньев (пальцев). Эти
протезы были на званы неавтоматизированными
устройствами, контролируемыми так называемым и
«ремнями без опаснос ти» [3]. Дальнейшее развитие
возможностей протеза привело к его управлению с
использованием электродвигателей и
исполнительных механизмов,
классифицированных как а втоматизированные
протезы рук .
Дальнейшее развитие индустрии
биопротезир ования продолжа ется в направлении
всех аспект ов важных для человека и которые
необходимо учитывать при проектировании
устройства. Одн ой из проблем в исполнительном
механизме протеза ру ки во время операции сжатия
является проскальзывания предметов . Особенно
это проявляется при захвате предметов небольших
размеров, имеющих сложную форму или при
деформации формы предмета. Р егулировка усилия
сжатия на протезе выполняется путем подачи на
исп олнительный привод каждого паль ца
дискретного сигнала, который чаще всег о
фор мируется на основе одного из метод ов чтения
информации, соответствующей данной функции .
Это могут быть сигналы электромиографии,
энцефалограммы, снятие вибрации поверхностных

12 Националь ная ассоциация ученых (НАУ) # 51, 20 20
слое в кожи и т.д. Однако ни один из этих методов
не дает обратной связи кром е виз уальной, что и
приводит к таком у явлению, как проскальзывание
предметов сложной формы при их держании в
кисти биопротеза. В 2017г. Китайскими учеными
была представлена математичес кая и физическая
модель с функцией профилактики
проскальзывания предмето в и к онтроля
деформации бионического протеза кисти [ ]. В
начале 2019г стали активно развиваться методы
получения обратной связи при помощи матрицы
тактильных сенсоров, расположенных на
внутренней сторон е «ладони» протеза .
В данной статье остановимся подоб ротн ее на
одном из возможных решений данной проблемы .
Например, к оманда инженеров -ученых MIT
(Massachusetts Institute of Technology) под
руководством Сабраниана Сандарама разработала
недорогой в изготовлени и образец ,
масштабируемой тактильной перчатки (STA G),
охватывающей всю руку с 548 датчиками (рис.1)
[2]. STAG может записывать тактильное видео с
частотой кадров около 7,3 Гц, измеряя нормальные
силы в диапазоне от 30 мН до 0,5 Н (пр и
квантовании около 150 уровней и пиковом
гистерезисе около 17,5%) . В ажно отм етить, что
устройство может быть изготовлено из недорогих
материалов (около 10 долларов США) .

Рисунок 1. Принцип работы перчатки STAG

Основная технология STAG базируется на
сходстве в ба зовых способов восприятия формы ,
так как известны завис имост и между визуальным и
тактильным доменами. Учеными MIT была
выдвинута гипотеза, основанная на исследованиях
зрительного восприятия (показывающих, что 32 ×
32 пикселей хватает для расп ознавания сцен
визуальных данных), что аналогичное
минимальное количе ство датчи ков подходит для
тактильного датчика. STAG состоит из массива 548
датчиков, прикрепленных поверх специальной
вязаной перчатки. На рис. 2. показано
расположение 548 датчиков и 64 электродов.

Рис унок 2. Карта сенсоров перчатки STAG [2]

Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 51, 20 20 13
Массив датчик ов состоит из пленки (толщиной
0,1 мм), чувствительной к усилиям, к которой
обращается сеть ортогональных проводящих
каналов (0,34 мм) . Эти каналы с каждой стороны,
изолированны тонким слоем кле я (0,13 мм) и
полиэтиленовой пленкой низкой плотн ости около
13 мкм. Каждая точка перекрытия между
ортогональными электродами чувствительна к
нормальной силе, модулируя электрическое
сопротивление через чувствительную пленк у.
Типичная силовая харак теристика одного
чувств ительного элемента, получе нная как
сопротивление сквозной пле нки, изменяется
примерно от 4кОм (без нагрузки) до уровня ниже
2кОм (при нормальной нагрузке 0,5 Н).
Чувствительные элементы демонстрируют
стабильное сопротивление до 60°C и становятся
изоли рующими при температуре выше 80° C.
Такти льная идентиф икация происх одит на
основе «слепк ов» текущей тактильной карты, в
которых объекты соприкасаются с перчаткой.
Основная работа выполняется посредством
сверточно -нейронн ой сет и (CNN) .
Иден тиф ицир уются объекты, используя
отфильтрованные кадры (32 × 32 ) массива в
коорд инатах датчика. При этом и спользуется
технология ResNet -18, которая принимает N
входных кадров. Точность идентификации
повышается с увеличением количества вход ящих
кадров и дост игает м аксимальной
производительности примерно с семью
слу чайными вход ящими кадрами (рис. 3)

Рисунок 3. Связь точности идентификации с числом вход ящих кадров

Это вполне объяснимо, поскольку несколько
контактов с объектом способствуют более точной
его идентифи каци и. На основе вход ящих кадров
нейронная сеть после заверш ения процесс а
обучения способна весьма точно формировать
выход ящий вектор, отражающий форму
контактного объекта. Необходимо отметить, что
при условии удерживания объекта двумя и более
несмежными областями ладони, используется
век тор максимального градиента для
формирования точной ка ртины распределения
усилий.
На основании вышесказанного можно с
уверенностью судить о скором развитии
медицинской робототехники, занимающейся
созданием актив ных биопротезов различных типов,
в том числе протезов верхних конечносте й. Однако,
несмотря на уже существующее многообразие
конструкций, способ ов и систем управления, на
современном этапе недостаточно изучена проблема
захвата и удержания предметов сложной формы
фалангами протезов верхних конечностей .
Существующие методы решен ия данной проблемы
носят характер прототипов и пока не нашли
широко го коммерческо го применени я на рынке
медицинской техники.

Список литературы
Лагунова И.Г. Ампутационные культи
конечн остей // М.: Медгиз, 1950.
Sundaram, S., Kel lnhofer, P., Li, Y. et
al. Learning the signatures of the human grasp using a
scalable tactile glove // Nature 569, 698 –702 , 2019, 29
мая .
Kulkarni, Tushar & Uddanwadiker, Rashmi.
(2016). Overview: Mechanism an d Control of a
Prosthetic Arm. Molecular & cellular biomechanics //
Mol ecular & cellular biomechanics: MCB .12(3),
январь 2016.