РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ МЫШЦ ДЛЯ ЭКЗОСКЕЛЕТА ВЕРХНЕЙ КОНЕЧНОСТИ

ЭКЗОСКЕЛЕТ
Экзоскелет- это носимый робот-помощник, который повторяет биомеханику человеческого тела. Если представить наш скелет с мышцами внутри, то экзоскелет- это внешний каркас с собственными «мускулами», который усиливает силу и возможности человека.
ТИПЫ ЭКЗОСКЕЛЕТОВ
АКТИВНЫЕ
ПАССИВНЫЕ
Имеют собственный источник энергии (электромоторы, пневматика, как в нашем проекте) и увеличивают силу и подвижность пользователя. Именно к этому типу относится наш экзоскелет с пневмомышцами
Не имеют двигателей и источников энергии. Они перераспределяют нагрузку или накапливают энергию одного движения для помощи в другом (например, с помощью пружин или эластичных элементов)
ПОЧЕМУ ПИМ?
Пневматическая искусственная мышца (ПИМ)- это мягкий привод, преобразующий энергию сжатого воздуха в механическое движение путем сокращения
ПРИНЦИП РАБОТЫ:
при подаче давления эластичная камера пытается расшириться радиально, но жесткая оплетка ограничивает это расширение, преобразуя его в продольное укорочение
ТИПЫ ПИМ
Данный тип мышц имеет гофрированную структуру с радиальными складками, при подаче давления они расправляются, вызывая осевое сокращение. Конструкция может быть выполнена эластичных материалов, или из материалов, имеющих память формы
складчатые
Классический тип мышц, конструкция состоит из эластичной трубки, заключенной в плетеную оболочку из высокопрочных волокон. При подаче давления трубка радиально расширяется, но плетеная оболочка ограничивает это расширение, преобразуя его в продольное укорочение

Маккиббена
Конструкция состоит из эластичной латексной трубки, в которую вшиты нерастяжимые нити. При подаче давления происходит локальное расширение стенок в зонах между нитями, что вызывает общее сокращение
вшитые нити
АКТУАЛЬНОСТЬ
ПРОБЛЕМАТИКА
Ежегодно миллионы людей нуждаются в реабилитации верхних конечностей после травм и инсультов. Промышленные экзоскелеты на электроприводах стоят от 450 тыс. руб. и весят более 4 кг, что ограничивает их доступность. Разрабатываемая конструкция с пневматическими искусственными мышцами МакКиббена весит всего 0,6 кг (без учёта источника воздуха) при себестоимости прототипа 136 044 руб. Ключевой экономический эффект достигается за счёт самостоятельного изготовления привода: себестоимость 1 метра ПИМ составила 287 руб. против 5 063 руб. у промышленного аналога
Ежегодно в России регистрируется от 450 до 470 тысяч случаев инсульта, причём к полноценной жизни возвращаются менее 20% пациентов- остальные нуждаются в длительной реабилитации, включая восстановление двигательных функций верхних конечностей. Более 8 тысяч человек ежегодно получают позвоночно-спинномозговую травму с повреждением спинного мозга, а общая численность получателей технических средств реабилитации в России в 2024 году превысила 1,5 миллиона человек. По данным Росстата, заболевания опорно-двигательного аппарата растут: зафиксирован рост на 12%, причём около 40% населения старше 50 лет страдают от заболеваний суставов
АНАЛОГИ
EksoVest / EVO
Наш прототип
ExoHeaver Active Electric
Преимущества:
  • не требует батарей или компрессора, работает только за счет механики
  • не нужно программировать или настраивать электронику
Недостатки:
  • 4.3 кг против 0.6 кг у нас, при длительной смене это ощутимая дополнительная нагрузка на позвоночник
  • помогает только при поднятых руках. При опускании создает сопротивление, мешая свободным движениям
Преимущества:
  • развивает до 25 кг на руку
  • работает от аккумуляторов в течение нескольких часов
Недостатки:
  • весит 20-24 кг (вес бронежилета или тяжелого турпоходного рюкзака)
  • жесткие металлические звенья и мощные сервоприводы при ошибке управления могут нанести серьезную травму
  • сложная кинематическая схема делает ремонт вне завода невозможным
Преимущества:
  • Вес прототипа без учета пневматики составляет всего 0,6кг, что значительно легче, чем у аналогов
  • можно настроить степень усилия под конкретную задачу
  • ПИМ в сравнении с механическими приводами гораздо безопаснее из-за мягкости, они не смогут нанести какую-либо травму
Недостатки:
  • требуются затраты на источник воздуха
ЦЕЛЬ ПРОЕКТА:
разработка и испытание моделей пневматических искусственных мышц типа МакКиббена для экзоскелета верхней конечности человека
ЦЕЛЕВАЯ АУДИТОРИЯ И СТЕЙКХОЛДЕРЫ

1. Пациенты, проходящие реабилитацию верхних конечностей
Люди с последствиями инсульта, травмами спинного мозга, повреждениями локтевого сустава, мышечной дистрофией
2. Промышленные рабочие и специалисты ручного труда
Сварщики, маляры, монтажники, сборщики на конвейерах, выполняющие монотонные операции с поднятыми руками. Экзоскелет снижает нагрузку на плечевой пояс и профилактирует профессиональные заболевания опорно-двигательного аппарата.
Реабилитационные центры и частные клиники
Заинтересованы в расширении парка оборудования для механотерапии без привлечения крупных бюджетов
Производственные предприятия и службы охраны труда
Стейкхолдеры, заинтересованные в снижении утомляемости персонала, уменьшении числа профзаболеваний и связанных с ними больничных. Внедрение экзоскелетов рассматривается как инструмент повышения производительности и сохранения здоровья работников
1. Реабилитационные центры и частные клиники

2. Производственные предприятия и службы охраны труда
Заинтересованы в расширении парка оборудования для механотерапии без привлечения крупных бюджетов
Заинтересованы в снижении утомляемости персонала, уменьшении числа профзаболеваний и связанных с ними больничных. Внедрение экзоскелетов рассматривается как инструмент повышения производительности и сохранения здоровья работников
1. Пациенты, проходящие реабилитацию верхних конечностей
2. Промышленные рабочие и специалисты ручного труда
Люди с последствиями инсульта, травмами спинного мозга, повреждениями локтевого сустава, мышечной дистрофией
Сварщики, маляры, монтажники, сборщики на конвейерах, выполняющие монотонные операции с поднятыми руками. Экзоскелет снижает нагрузку на плечевой пояс и профилактирует профессиональные заболевания опорно-двигательного аппарата.
1. Реабилитационные центры и частные клиники
Заинтересованы в расширении парка оборудования для механотерапии без привлечения крупных бюджетов
2. Производственные предприятия и службы охраны труда
Стейкхолдеры, заинтересованные в снижении утомляемости персонала, уменьшении числа профзаболеваний и связанных с ними больничных. Внедрение экзоскелетов рассматривается как инструмент повышения производительности и сохранения здоровья работников
ЭКОНОМИКА
Электроника:
материалы:
оплата труда:
коммунальные услуги:
ИТОГО:
286511,4 РУБ.
аппаратная платформа, релейный модуль, блок питания 4488,4 руб.
кабельная оплетка, баллоны со сжатым воздухом, провода 131782,5 руб.
122 часа 12200 руб.
за два месяца работы 124 м2 126066,6 руб.
ЭТАПЫ РАБОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ
ИТОГОВАЯ СБОРКА
ПРОТОТИПЫ ПИМ
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
  1. Анализ рынка, изучение приводов, экзоскелетов
  2. Поиск подходящих материалов, разработка электрической схемы
Конечная сборка полного
прототипа экзоскелета, тестирование
  1. Сборка тестовых вариантов ПИМ, выработка лучшей технологии изготовления
  2. Моделирование деталей для экзоскелета, фитингов для мышц, печать на 3D-принтере
  1. Изучение тягового усилия ПИМ и иных характеристик
  2. Были исследованы возможности при разном давлении и добавочной массе груза
РАЗРАБОТКА

На этапе разработки прототипа экзоскелета был выполнен ручной набросок итогового проекта, который позволил наглядно представить, как будет выглядеть готовый экзоскелет, продумать его общую структуру, основные элементы и визуальное решение ещё на этапе первоначальной разработки.
А также был заранее продуман план по дальнейшей разработке экзоскелета для шейного отдела с поддержкой головы для людей, которые не могут держать её самостоятельно
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА И ПОДКЛЮЧЕНИЕ
В системе используется сжатый воздух из баллонов. Его распределение осуществляется через соленоиды от набора VEX EDR, которые управляют подачей и сбросом воздуха для сокращения или расслабления мышц.
Управление соленоидами происходит через одноканальный релейный модуль, получающий сигнал от контроллера Particle Photon. Питание всей системы обеспечивает блок питания LS-50-5. Для контроля давления в системе установлен манометр
ЧТО В ИТОГЕ?
Во время работы над проектом были разработаны и испытаны ПИМ типа МакКиббена, смоделированы части экзоскелета в Компас 3D и распечатаны на 3D-принтере, собран экспериментальный стенд и проведен анализ полученных данных о сокращении мышц, после чего можно сказать, что чем выше давление, тем больше сокращение и тяговое усилие ПИМ настолько велико, что практически не изменяется с дополнительным весом, впоследствии собран экзоскелет с применением ПИМ, разработана электрическая схема для подключения мышц к пневматическим баллонам
В результате проведённой работы была продемонстрирована возможность создания и эффективного применения экзоскелета верхней конечности на основе пневматических искусственных мышц с использованием аддитивных технологий
УЧАСТИЕ В МЕРОПРИЯТИЯХ
КОМАНДА
Если вам понравился проект и вы хотите узнать о нём больше, перейдите по ссылке на GoogleДиск внизу страницы
  • СОКОЛОВА Александра
    Разработчик
  • ЛУБЯГИН Игорь
    Наставник
This site was made on Tilda — a website builder that helps to create a website without any code
Create a website