Structure of the bionic hand prosthesis control system with sensor feedback

Abstract

Проведено аналіз стану проблеми створення високофункціональних біонічних протезів та показано актуальність створення адаптивної системи керування такими протезами за результатами опрацювання біосигналів. Розглянуто переваги та недоліки методу прямої реєстрації сигналів з моторних відділів кори головного мозку людини, застосування спеціалізованих так званих нервових манжет для отримання сигналів безпосередньо від периферійних нервових волокон, а також імплантованих електродів та реєстрації поверхневих електроміографічних сигналів (пЕМГ). Враховуючи неінвазивність, безпечність та простоту технічної реалізації в основі роботи проєктованої системи використано метод реєстрації саме пЕМГ. Однак для підвищення інформативності вихідного матеріалу та можливості виділення більшої кількості інформативних ознак окремих фантомних рухів запропоновано використати мультиелектродну систему, а також для забезпечення адаптивності роботи протеза запропоновано в розробленій структурі системи керування реалізувати сенсорний зворотний зв’язок. Для цього запропоновано використати сигнали з тактильних сенсорів, які розміщуватимуться на кінцях пальців протеза. Запропоновано структуру системи керування, яка включає в себе два пов’язані канали обміну даними та чотири основні елементи: мультиелектродну систему із пЕМГ сенсорами; куксоприймаючу гільзу із актуаторами; смартфон чи ПК із відповідним програмним забезпеченням; біонічний протез із процесорним модулем, драйверами двигунів та модулем реєстрації сигналів з тактильних сенсорів. Запропоновано основні структурні елементи, такі, як мультиелектродна система, куксоприймаюча гільза та власне біонічний протез виконати як окремі незалежні елементи, які з’єднуються між собою по окремих безпровідних каналах обміну даними. Розроблено елементи мультиелектродної системи записування пЕМГ та записування сигналів сенсорного зворотного зв’язку

The article analyzes the state of the problem of creating highly functional bionic prostheses and the relevance of creating an adaptive control system for such prostheses based on the results of biosignal processing is shown. The advantages and disadvantages of the method of direct signals registration from the motor departments of the human cerebral cortex, the use of specialized so-called nerve cuffs to receive signals directly from peripheral nerve fibers, as well as implanted electrodes and registration of surface electromyographic signals (sEMG) were considered. Taking into account the non-invasiveness, safety and simplicity of technical implementation, the sEMG registration method was used as the basis for the work of the designed system. However, to increase the informativeness of the source material and the possibility of isolating a greater number of informative signs of individual phantom movements, it is proposed to use a multi-electrode system, and to ensure the adaptability of the prosthesis, it is proposed to implement sensory feedback in the proposed control system structure. For this purpose, it is proposed to use signals from tactile sensors, which will be placed at the prosthesis fingers ends. The structure of the control system is proposed, which includes two related data exchange channels and four main elements: a multielectrode system with sEMG sensors; a stump-receiving sleeve with actuators; a smartphone or PC with appropriate software; a bionic prosthesis with a processor module, motor drivers and a module for registering tactile sensors signals. It is proposed to implement the main structural elements, such as the multielectrode system, the stump-receiving sleeve and the bionic prosthesis itself, as separate independent elements that are interconnected via separate wireless data exchange channels. The elements of the multielectrode system for recording sEMG and sensory feedback signals were developed