Согласно данным Федеральной службы государственной статистики, в России на 2023 год проживают почти 11 млн инвалидов, из них 4,5 млн относятся к III-й степени, когда ампутированы руки на уровне предплечья. Для помощи таким людям существуют бионические протезы. В последние годы они получают все большее распространение. Объем рынка протезов в 2021 году составлял 6,4 млрд долларов и постепенно увеличивался. Это объясняется общим развитием робототехники и медицины, а также правительственными программами, направленными на помощь пострадавшим. Вместе с тем усовершенствование конструкции бионических протезов остается актуальной проблемой. Главная цель развития – повысить удобство и снизить стоимость, чтобы обеспечить широкую доступность. Ученые ПНИПУ рассмотрели текущие промышленные решения на рынке бионических протезов и нашли способ улучшить систему электродвигателей в них.
Исследование опубликовано в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления» №49 за 2024 год. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Бионические протезы считаются наиболее современными, они работают на электрическом приводе и способны частично или даже полностью выполнять функции утраченных органов. Ученые ПНИПУ рассмотрели крупнейшие компании на рынке и изучили параметры представленных протезов — максимальный ток, емкость аккумуляторов, показатели циклов сжатия-расжатия кисти, усилие при захвате, диапазон температуры при эксплуатации, вес, который они могут выдерживать. Выяснилось, что сейчас основное направление для научных исследований — это разработки в области систем считывания данных с организма пациента. При этом крайне мало внимания уделяется задействованным в проектировании приводам.
Большинство разработок электродвигателей ограничиваются выбором готовых продаваемых вариантов, поскольку индивидуальные увеличивают и так большую стоимость протеза.
Ученые ПНИПУ нашли способ оптимизировать электродвигатели внутри бионического протеза. Новое решение позволит отказаться от используемых сейчас цепочек, состоящих из нескольких двигателей и механических передач, которые усложняют конструкцию, делают ее тяжелой, добавляют механические шумы, увеличивают вероятность поломки.
Политехники предлагают заменить существующую систему на линейные и сферические двигатели. Первый из них помогает элементам менять положение в одном направлении, например, чтобы поднять груз или открыть крышку. Второй — обеспечивает движение в нескольких плоскостях.
Для внедрения разработки политехники изучили точки применения двигателей, которые уже используются по старой схеме и нуждаются в новом технологическом решении. Среди них выделили три основных.
Первая точка — обеспечение подвижности пальцев. Сейчас в протезах эта цель достигается с помощью традиционного вращающегося двигателя и передаточного механизма — актуатора, который трансформирует вращательное движение в линейное. Это приводит к недостаточной эффективности использования ограниченного внутреннего пространства протеза, увеличению его веса и уменьшению срока работы.
Ученые Пермского Политеха рассматривают вариант замены его сразу на линейный двигатель. Он может быть плоским и цилиндрическим, первый — более компактный, при этом второй предпочтителен из-за замкнутого магнитопровода, который в режиме жесткой экономии энергии позволяет увеличить срок автономной работы протеза.
Вторая точка применения электродвигателя — это обеспечение подвижности кисти в целом, а именно имитация запястья и мышц, отвечающих за наклоны. Третья — основание противостоящего пальца (большого), которому нужно двигаться в двух плоскостях. В этих случаях политехники предлагают заменить двигатель на сферический, который отличается возможностью обеспечить сразу две функции – вращение вокруг оси и наклоны относительно нее.
— На основе этих предложений мы сформировали свой вариант расположения предлагаемых двигателей в корпусе протеза: цилиндрические и линейные двигатели предполагается использовать для движения четырех пальцев, а сферические — для кисти и большого пальца. Затем мы провели расчеты и представили схему компоновки электропривода протеза, которая уменьшит вес и шум конструкции, а также обеспечит ее отказоустойчивость, — объясняет ведущий инженер кафедры электротехники и электромеханики ПНИПУ Александр Плюснин.
Для замены применяемых сейчас линейных актуаторов ученые провели расчеты и определили параметры питания, которыми должны обладать будущие двигатели. Они рассчитываются исходя из емкости предполагаемого аккумулятора, на современных моделях она составляет около 1500 мАч.
У каждого двигателя политехники определили токопотребление — для подвижности пальцев необходимо 0,4 А, а для запястий— 0,8 А. Предполагается, что при работе всех двигателей одновременно потребляемый ток составит 4,48 А. Тогда емкости стандартного аккумулятора хватит примерно на 1200 полных циклов перемещения.
— Нам было важно показать, что замена применяемых сейчас двигателей целесообразна только в том случае, если новые двигатели будут иметь или очевидные преимущества с перспективой стать полноценной заменой, или частичные преимущества, став альтернативным, но тоже перспективным решением. Согласно проведенным исследованиям предложенный вариант может претендовать на то, чтобы удовлетворить указанным требованиям, — говорит заведующий кафедрой электротехники и электромеханики ПНИПУ Борис Кавалеров.
Ученые ПНИПУ предложили новый, оптимизированный вариант электропривода протеза. Предложенное решение позволит уменьшить вес и объем, отводимый в протезе под двигательную систему, сделает его тише, улучшит компоновку и оптимизирует энергопотребление. Политехники отмечают, что полученные результаты могут быть использованы не только в протезировании, но и при разработке манипуляторов роботов-андроидов.