Design of the endoskeleton of a biocontrolled hand prosthesis

Abstract

Проаналізовано конструкції біокерованих протезів, які сьогодні поширені на ринку протезної техніки, зокрема протези i-Limb, «рука Мікеланджело» та Bebionic. Показано, що в цих конструкціях використовуються порожнисті оболонкові моделі фалангів пальців і долоні, які разом утворюють зовнішній скелет конструкції протеза. Цей вид конструкції характеризується складністю виготовлення, а відповідно і вартістю, і нераціональним використанням обʼєму, оскільки всередині цихпорожнистих елементів розміщуються тягові елементи, зубчасті або інші елементи, які забезпечують передавання зусиль при виконанні згинальних рухів таких пальців. Запропоновано використання ендоскелета як несучої основи для кріплення електроприводів та елементів керування. При цьому конструкція являє собою групу шарнірно зʼєднаних елементів і штанг для передавання зусиль, в яких забезпечується одночасний згин у всіх шарнірних зʼєднаннях, а форма виконуваних рухів наближена до природної. При цьому в запропонованій конструкції раціональніше використовується об’єм елементів пальців, оскільки стає можливою фіксація на стержнях конструкції зовнішніх насадок з еластомерних матеріалів, які повторюють форму справжніх пальців, будуть м’якими для надійного утримання предметів при виконанні захватів. При цьому, можливим стає встановлення в такі елементи датчиків для забезпечення тактильних відчуттів. У результаті дослідження розроблено 3-D моделі всіх елементів ендоскелета протеза, які виготовлені методом 3-D друку. На етапі прототипування в якості електроприводів для оцінювання траєкторій виконуваних рухів використовувалися біполярні крокові двигуни, керовані модулем Arduino Uno. Показано, що підвищення функціональності стає можливим за рахунок встановлення датчиків для забезпечення тактильних відчуттів. Встановлено, що кількість виконуваних рухів практично така ж, як і в аналогів, а вартість запропонованої конструкції значно нижча. При цьому надійність вища за рахунок використання значно меншої кількості елементів конструкції та їх зʼєднань

The article analyzes the constructions of biocontrolled prostheses that are common today on the market of prosthetic equipment, in particular the i-Limb, «Michelangelo hand» and Bebionic prostheses. It is shown that these constructions use hollow shell models of the phalanges of the fingers and the palm, which together form the exoskeleton of the prosthesis construction. This type of design is characterized by the complexity of manufacturing, and accordingly, the cost, and the irrational use of volume, since traction elements, gear elements or other elements are placed inside these hollow elements, which ensure the transmission of forces when performing bending movements of such fingers. The article proposes the use of the endoskeleton as a support base for fixing electric drives and control elements. At the same time, the structure is a group of hingedly connected elements and rods for the transmission of forces, in which simultaneous bending is ensured in all hinged joints, and the form of the performed movements is close to natural. At the same time, the volume of the finger elements is more rationally used in the proposed design, as it becomes possible to fix out external nozzles of elastomeric materials on the structure rod, which will repeat the shape of real fingers, will be soft for reliable holding of objects when performing grip movements. At the same time, it becomes possible to install sensors in such elastomeric elements to provide tactile sensations. As a result of the research, 3-D models of all prosthesis endoskeleton elements were developed and they were manufactured by 3-D printing. At the prototyping stage, bipolar stepper motors controlled by the Arduino Uno module were used as electric drives to evaluate the trajectories of the performed movements. It is shown that it becomes possible to increase the functionality due to the installation of sensors to provide tactile sensations It was established that the number of performed movements is practically the same as that of analogues, and the cost of the proposed design is much lower. At the same time, reliability is higher due to the use of a much smaller number of structural elements and their connections