Szakdolgozat. EMG vezérlésű egyszerűsített alkar protézis fejlesztése

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Robert Bosch Mechatronikai Tanszék

Szakdolgozat

EMG vezérlésű egyszerűsített alkar protézis fejlesztése

Készítette:

Mezei Miklós Konzulens:

Lénárt József Miskolc 2015


Tartalomjegyzék

1.

Bevezetés ................................................................................................................................... 1

2.

Szükséges alapok ........................................................................................................................ 2

3.

2.1.

Az alkar felépítése .............................................................................................................. 2

2.2.

Az elektromiográfia alapjai................................................................................................. 2

Protézisek fajtái .......................................................................................................................... 4 3.1. Kozmetikai helyreállítás ........................................................................................................ 4

4.

5.

6.

3.2.

Protézis nélküli élet ............................................................................................................ 4

3.3.

Test által működtetett protézisek ...................................................................................... 5

3.4.

Tevékenység specifikus protézisek..................................................................................... 5

3.5.

Elektromos rásegítéses protézisek ..................................................................................... 6

A piacon lévő alkar protézisek kutatása és vizsgálata ................................................................ 7 4.1.

E-Nable ............................................................................................................................... 7

4.2.

OpenBionics ....................................................................................................................... 8

4.3.

Bebionic .............................................................................................................................. 9

4.4.

DARPA .............................................................................................................................. 10

Fejlett protézisek megoldásainak alkalmazása ........................................................................ 11 5.1.

Funkcióváltás .................................................................................................................... 11

5.2.

Fogáserő beállítása........................................................................................................... 12

A megépítés elemei .................................................................................................................. 13 6.1.

A kéz tervezése................................................................................................................. 14

6.2.

Inmoov alkar..................................................................................................................... 15

6.3.

Mikrovezérlő kiválasztása ................................................................................................ 16

6.4.

Arduino Uno ..................................................................................................................... 17

6.5.

EMG érzékelés lehetőségei .............................................................................................. 18

6.6.

Olimex EKG/EMG Shield ................................................................................................... 19

6.7.

EKG/EMG elektróda ......................................................................................................... 20

6.8.

Motor kiválasztása ........................................................................................................... 21

6.9.

Hitec Hs-422 ..................................................................................................................... 22

6.10.

Áram mérés lehetőségei .............................................................................................. 23

6.11.

Acs 712-es szériájú árammérő ..................................................................................... 24

6.12.

3D nyomtatás alapjai.................................................................................................... 25


6.13.

3D nyomtatás alkalmazása az építés során.................................................................. 26

6.14.

A fejlesztett Prusa I3 ismertetése ................................................................................ 27

7.

Az összeszerelés ....................................................................................................................... 28 7.1.

3D nyomtatás alkalmazása az összeszerelés során .......................................................... 28

7.2.

Hibás 3D nyomatok okai................................................................................................... 29

7.3.

A nyomtatott darabok összeszerelése ............................................................................. 30

7.4.

Szervomotorok beszerelése ............................................................................................. 31

7.5.

Az elektronika megtervezése ........................................................................................... 32

7.6.

Az elektronika megvalósítása próbapanelen ................................................................... 33

7.7.

Elektronika finomhangolása ............................................................................................. 34

8.

Tesztelés ................................................................................................................................... 35 8.1.

Az érzékelés tesztelése ..................................................................................................... 35

8.2.

Mechanikai alkatrészek tesztelése ................................................................................... 36

8.3.

A tesztelések során talált hibák kijavítása ........................................................................ 37

9.

Fejlesztés lehetőségei .............................................................................................................. 38 9.1.

Több szenzor alkalmazása ................................................................................................ 38

9.2.

Ujjankénti erőérzékelés, különleges kiegészítők.............................................................. 39

9.3.

Hőmérsékletérzékelés ...................................................................................................... 40

9.4.

Megfelelő mechanika biztosítása ..................................................................................... 41

9.5.

Emotiv Epoc alkalmazása ................................................................................................. 42

10.

Összefoglalás ........................................................................................................................ 43

11.

Irodalomjegyzék ................................................................................................................... 44

12.

Summary .............................................................................................................................. 45

13.

Ábrahivatkozások ................................................................................................................. 46


1. Bevezetés Szakdolgozatom témájaként egy elektromiográf vezérlésű, egyszerűsített alkar protézis fejlesztését választottam. Feladataim több területre is kiterjednek, például a következő fejezetben meg fogom vizsgálni az alkart jellemző kinematikát és azok mozgásait, majd áttérek az elektromiográfia alapjaira. A megkapott eredmények alapján pedig majd kialakítok egy tervet arra, hogy hogyan szeretném ezt lemodellezni, illetve megvalósítani. A harmadik, a negyedik és ötödik fejezet szorosan össze fog kapcsolódni, mivel először ismertetem majd a különböző protézisek fajtáit majd azok alapján piackutatást végezve megpróbálom kiválasztani a szükséges, és azon belül is a megvalósítható ötleteket. E feladat után, a hatodik fejezetben át kell majd gondolnom az aktuátorok integrálását az alkarba és egy tesztelésre használható prototípus létrehozásának lehetőségét is. Amint ezt befejeztem, ki kell választanom a megfelelő mikrokontrollert és a hozzá tartozó alkatrészeket, hogy a szenzor jeleit megfelelően feldolgozva azt a protézis vezérlésére fel tudjam használni. Az utolsó tervezési feladat a szoftveres vezérlésre vonatkozik, melyben létre kell hoznom egy akár több funkcióval is rendelkező programot, amit feltöltve a mikrokontrollerre a további teszteléseket el tudom végezni. A hetedik fejezetben áttérek a lényegi részre, a tényleges összeszerelésre. Ezt a tesztelés és a hibakeresés fogja követni. A szakdolgozatom végén, még az összefoglalás előtt kitérek a fejlesztési lehetőségekre, melyekben több már mai technológiai fejlettséggel is megoldható ötletet fogok felvezetni. Továbbá nem szabad megfeledkeznem arról, hogy a leírtakat nem állt módomban mindig saját ábrákkal szemléltetni, így az Ábrahivatkozások fejezetben minden átvett ábra forrását megemlítem majd.

1


2. Szükséges alapok 2.1. Az alkar felépítése Az alkar felépítését a könyöktől lefelé kezdve fogom tárgyalni, de mivel a könyököt magát a szakdolgozatom során nem fogom megépíteni így ismertetésétől is eltekintek. Maga az alkar alapvetően két egymásra merőleges forgásirányba képes mozogni, ezekért a csukló, a sing- és az orsócsont közösen felel. Az orsó- és singcsont elsősorban a könyök forgástengelyére merőleges forgómozgás megtámasztásáért felel, mely így lehetővé teszi a 180°-os elfordulást. Megvalósítási oldalról tekintve, könnyen megtervezhető ez a funkció, mivel a kezet magát, egy külön egységként gondoltam megvalósítani. Így a kéz és az alkar között létrejövő elfordulás megoldható egy vezérelt motor és egy áttétel segítségével. A

csukló

elsősorban

a

könyök

forgástengelyével

párhuzamos

forgómozgás

megtámasztásáért felel, továbbá korlátozottan képes a kiegészíteni az alkar csontjainak mozgását is. Tervezés szempontjából nehezen realizálható, mivel két tengely körüli mozgásról van szó, bár ebből egy már megoldásra került, de az arra merőleges megvalósítása komoly nehézségeket okozna. Így az alkar ezen irányú mozgását elhanyagolom az építés során [1]. Az izmokat is meg kell említeni, mivel azok felelősek a vázszerkezet mozgatásáért, de az építés szempontjából helyzetük teljesen jelentéktelen, mivel közvetlen lemásolásuk esetemben nem lenne lehetséges. Így azt a megoldást választottam a helyettesítésükre, hogy az erő létrehozására motorokat, míg azok közvetítésére pedig valamilyen huzalt fogok alkalmazni.

2.2.

Az elektromiográfia alapjai

Manapság az elektromiográfia (továbbiakban EMG) egy elterjedt vizsgálati forma, mely során a páciens izomrostjainak elektromos tevékenységeit vizsgáljuk. A jelek feldolgozásából

és

azok

vizsgálatából

következtethetünk

a

beteg

központi

idegrendszerének állapotára valamint az ingerületvezetés sebességére.

2


Az izom, ha nyugalomban van, nincs elektromos aktivitása, viszont a legkisebb összehúzódás is már jelet produkál, melyet az EMG szenzor érzékelni képes. Az ekkor keletkező jelet egyenirányítás és integrálás után vizsgálva láthatóvá válik, hogy az értéke az izom összehúzódás mértékével egyenesen arányos [2]. A jelet magát többféleképpen is érzékelhetjük. Történhet közvetlenül izomrostok közé szúrt tűelektródák használatával, de mivel a feszültségváltozás a bőrön is érzékelhető, mégpedig a test térfogati vezető képességének köszönhetően, alkalmazható bőrre tapasztható szenzor is, amit az 1. ábra szemléltet. Természetesen az utóbbi esetben szükséges a külső zajforrások szűrése, mivel a kis jelszint érték miatt az komoly hatással bírhat. A szakdolgozatom során e szenzor jelei alapján próbálom majd az alkar protézis prototípusom vezérlését megoldani, mivel ennek használata a páciens számára a legkényelmesebb, és az érzékelt jelek monitorozása egy kihívásokkal teli feladatnak ígérkezik.

1. ábra. Az EMG szenzorok helyes elrendezése egy adott izomcsoport vizsgálatának esetén

3


3. Protézisek fajtái A technológiai fejlődés lehetővé tette, hogy egyre jobb és jobb protéziseket tervezhessünk és gyárthassunk, de ezek még mindig nem tudják száz százalékosan helyettesíteni az elvesztett végtagot. Mivel ez a cél jelenleg sokévnyi fejlesztésre van, több féle protézis típust gyártanak a különböző igények kielégítésére [3].

3.1. Kozmetikai helyreállítás Ennek a kategóriának a jegyében gyártott protézisek első sorban azt a célt szolgálják, hogy az amputált végtagot úgy pótolja, hogy az nagy részben hasonlítson a meglévő vagy elvesztett eredeti végtagra, a hasonlóság a 2. ábrán meg is figyelhető. Funkcionalitását tekintve kissé elmarad a többi kategóriától, de egyszerűbb funkciók, mint a fogás vagy másik kéz kiegyensúlyozására alkalmas.

3.2.

Protézis nélküli élet

A kategóriák között meg kell ezt is említeni, mivel több olyan ember is létezik, akik nem használnak protéziseket. Ennek több oka is van. Rengetegen szolidaritásból teszik ezt, mivel az arra rászorulóknak több mint a fele sosem juthatott ilyen segítséghez. Sok esetben előfordul az is, hogy egyszerűen nem javít az életkörülményeken a használata és mivel előfordulhat az is, hogy viselése kényelmetlenséget okoz, extrémebb esetekben komoly fájdalmat, többen is az első évben lemondanak a protézisek alkalmazásáról.

2. ábra. A Prolimb cég által gyártott kozmetikai protézis

4


3.3.

Test által működtetett protézisek

Ezek funkcionalitásukat tekintve már nagyobb súllyal bírnak, mivel általában képesek tárgyak fogására, vagy ha lábakról van szó, a test tömeg megtartására és járás segítésére. A mozgáshoz szükséges erőt általában egy kábelrendszeren át, mechanikusan továbbítják a válltól, felkartól vagy mellkastól. Ez a rendszer viszonylag egyszerű, de csak bizonyos esetekben alkalmazható.

3.4.

Tevékenység specifikus protézisek

Mivel a protézisek még nem képesek teljesen ellátni egy meglévő kéz munkáját, sokszor specifikus

megoldásokat

alkalmaznak.

Ezek

megkönnyítik

a

protézist

viselő

mindennapjait, mind szórakozás tekintetében mind pedig munka során. Ide tartoznak a hobbikhoz használható specifikus fogóeszközök, külön a futásra tervezett lábak, illetve az egyéb sportalkalmazások, amit a 3. ábra szemléltet is. Hátrányt jelent, hogy csak az adott tevékenységben segít, viszont mivel speciálisan arra a célra tervezték, egy átlagos kézhez képest akár jobban is be tudja tölteni funkcióját.

3. ábra. Az Armdynamics által gyártott speciális protézis

5


3.5.

Elektromos rásegítéses protézisek

Ez a kategória a legújabb és leggyorsabban fejlődő szegmens. Itt a mozgatáshoz elektromos motorokat alkalmaznak, melyek tartó és emelő ereje a 10 kg-ot is meghaladhatja. Mivel az ilyen protézisek esetén elsősorban a funkció számít, ezért gyakran készülnek kemény és ütésálló anyagokból. A mikrokontrollerek miatt fejlett vezérléssel is párosulhat, mely az egyszerű fogást több funkcióval is kiegészítheti, mint például a csukló forgása és mozgatása, intelligens szorítás és hőmérsékletérzékelés. Vezérlés több féle szenzorjel alapján is megtörténhet. Ezek a szenzorok más-más fejlettséggel rendelkeznek. Jelenleg a legelterjedtebb az EMG vezérelt protézisek (4. ábra), mivel áruk és egyszerű analóg jel kimenetük nagyon könnyen feldolgozható és továbbítható. A legfejlettebb és kísérleti rendszerek már a neuron vezérlést alkalmaznak, mivel az sokkal pontosabb és bonyolultabb mozgást biztosíthatnak. Ezeknél a rendszereknél

a

motoronkénti

vezérlés

egy

bizonyos

mennyiség

után

jobban

megvalósítható, mint az EMG-vel, mivel a szenzorok kisebb helyigénnyel rendelkeznek.

4. ábra. Az EMG jel biztosítása az ép felkarról

6


4. A piacon lévő alkar protézisek kutatása és vizsgálata Fejlesztésem megkönnyítése érdekében több már használatban lévő fejlett, illetve nyílt forrású protézist vizsgáltam meg és mértem fel azok képességeit illetve hátrányait. Ezek a kezdeményezések és cégek különböző utakon indultak el, ezért protéziseik más-más probléma megoldását rejthetik.

4.1.

E-Nable

Több tekintetben is különbözik az általam vizsgált protézisektől. Először is itt nem egy konkrét gyártó cégről van szó, ez inkább egy kezdeményezés, mivel a terv teljesen nyílt forráskódú, így mindenki gyárthatja és szabadon fejlesztheti. Továbbá azért is más, mivel a fejlesztett protézisük test által működtetett. Ez teljesen érthető mivel céljuk elsősorban az volt, hogy bárhol elérhető és áramforrástól független eszközt készítsenek, amely gyermekek százezrein segíthet a háború sújtotta területeken is. Legelsőként kifejlesztett protézisük egy kézfejet helyettesítését tűzte ki célul. Ez azokon a pácienseken segít, akiknek az alkarjuk viszonylag épp, így azok használatával fogó kézmozgást tudnak lére hozni. Az 5. ábrán jól látszik, hogy az erőátvitelt itt is egyszerű huzalokkal oldották meg.

5. ábra. Az E-Nable test által működtetett protézise

7


4.2.

OpenBionics

Az OpenBionics egy átmentet képez az E-Nable és a többi kereskedelmi forgalomban lévő protézis között. Ennek oka az, hogy ők is nyílt forráskódúvá tették dizájnjukat viszont emellett egy elektromos rásegítéses szerkezetről beszélhetünk. A kéz maga, a lemezes tervezésnek köszönhetően kevesebb, mint 200 gramm tömegű. Ez azt is okozza, hogy az előállítási ára körülbelül ötven-hatvanezer forint közé tehető. A protézisük különlegessége a rugalmas ujjak mellett a 6. ábrán is látható hüvelykujj mechanizmus, mely erősebbé teszi az ujj vezérlését így elérve azt, hogy egyenletesebb legyen a fogás. Továbbá lehetővé teszi azt is, hogy magának az ujjnak több köztes állása legyen, így bonyolultabb formájú tárgyak precíz szorítása is egyszerűsödhet.

Erre a

tulajdonságra rásegítendő az ujjak puha anyaggal való párnázása, mely növelve a súrlódást nagyobb tapadást okoz fogás közben. A terv legnagyobb hátránya az, hogy maga az ujjak anyaga túl rugalmas, mely hosszabb használat esetén, illetve bizonyos környezeti körülmények között akár roncsolódhat is.

6. ábra. A hüvelykujj fogaskerekes megoldása

8


4.3.

Bebionic

A Steeper cég tulajdonában lévő Bebionic protézis (7. ábra) az egyik legfejlettebb, ami kereskedelmi forgalomban jelenleg megtalálható. Nem csak megjelenését tekintve hasonlít egy kézre, rengeteg új funkcióval is rendelkezik, amivel vetélytársai nem. A vezérlés maga EMG szenzor jelekre épül viszont azok számától szignifikánsan eltérő mennyiségű funkcióval bír. Ezt a problémát úgy oldották meg, hogy a mozgásformákat különböző feltételekhez kötötték. Az egyik ilyen feltétel a hüvelykujj állása, amit a protézis viselője másik kezével tud beállítani. Attól függően, hogy az függőlegesen vagy vízszintesen áll eltérő mozgást fog biztosítani az alkar vezérlése. A további mintákat különböző gombokkal lehet elérni. Itt olyan kisegítő funkciók kaptak helyet, mint például a mutató ujj külön történő használata vagy számítógép kezelést megkönnyítő egér fogás és kattintás biztosítása. Továbbá olyan tulajdonságokkal is rendelkeznek a cég által gyártott protézisek, amelyek magát az eszközt illetve a megfogott tárgyat is védik. Ennek fő célja az, hogy ha a protézis véletlenül neki ütődik egy tárgynak, akkor az ujjak csukódása miatt ne sérüljön meg maga a mozgatást végző motor. A tárgyakat védő funkció elsősorban azt foglalja magába, hogy az ujjak által kifejtett erőt korlátozzuk, így ha az meghalad egy szintet, akkor a vezérlés megállítja a mozgást és biztosítja a tárgy megtartásához elegendő erőt. Ezt a funkciót úgy érik el, hogy folyamatosan figyelik a motor által felvett áramerősséget és korlátozzák azt.

7. ábra. A Bebionic protézis finommozgás közben

9


4.4.

DARPA

A kereskedelmi forgalomban lévő protéziseken kívül meg kell említeni az Amerikai Egyesült Államok hadserege által fejlesztett programot is, mely a veteránok harcok során szerzett sérüléseit hívatott orvosolni [4]. Kutatásuk több olyan fejlesztést is tartalmaz, mely jelenleg kereskedelmi forgalomba még nem került, illetve kezdeti fázisban van. Erre példa maga a vezérlés, mely nem EMG alapokra épül, hanem a szükséges szenzor jeleket közvetlenül az agyból szerzi meg, így több funkció elérése válik lehetővé. Ilyen tulajdonság a közvetlen ujjankénti vezérlés, a folytonos visszacsatolás vagy, mint ahogy a 8. ábra is szemlélteti, két különálló kar vezérlése. Ez lehetővé teszi az, hogy ne szenzorokkal érzékeljük a szorítóerőt, hanem azt elhagyva az agy kapja meg közvetlenül a számára értelmezhető jeleket. Itt kitérnék a neurális vezérlés alkalmazó protézisek kereskedelmi forgalomban történő elterjedését hátráltató összetett problémákra. Ezek többnyire gazdasági indokok, mint az alkalmazott anyagok ára, de maga a technológiai megvalósítás is nehézkes, mivel jelenleg nincs olyan szenzor megoldás mely kiválthatná a műtétileg felhelyezett jelvevőket.

8. ábra. Les Baugh, az első ember, akit két robotikus protézissel láttak el

10


5. Fejlett protézisek megoldásainak alkalmazása A kereskedelmi forgalomban lévő protéziseket elemezve és az általuk megoldott problémák vizsgálata után több olyan viszonylag egyszerűen megvalósítható funkciót találtam melyek növelhetik az általam készítendő prototípus használhatóságát.

5.1.

Funkcióváltás

Első ilyen megoldás, amely felvetődik az a gombokkal történő váltás a funkciók között. A Bebionic protéziseinél volt látható, hogy nem csak gombokkal, hanem a hüvelykujj helyzetével is választhatunk a több féle mozgásforma között (9. ábra). Mivel viszont az erőforrásaim limitáltak és csak egy kezdetleges prototípus megépítése a cél, jóval kevesebb mozgásminta megvalósítása indokolt. A kéz megépítése egyszerűsödik, mivel nincs szükség a hüvelykujjal történő állításra. Továbbá kevesebb digitális bemenet alkalmazására van szükség a gombok száma miatt, így a vezérlés költségei is csökkenhetnek.

9. ábra. A Bebionic hüvelykujj mechanizmusa

11


5.2.

Fogáserő beállítása

A második funkció mely átvételre érdemes, azaz ujjak szorításának beállítási lehetősége. Ennek megvalósítását egy már a kereskedelemben is használt megoldással építeném meg, aminek az a lényege, hogy figyeljük a motor áramfelvételét, és amikor az elér, egy szintet a motort megállítjuk. Azért szükséges külön árammérő, mert fogás esetén nem lehet az EMG szenzor analóg jeleire támaszkodni, mert akkor az érzékelés során keletkező zaj a kéz remegéséhez vezetne és károsíthatná az elektronikai komponenseket. A határszint beállítása leginkább a megfogott tárgy szilárdságától függene, de legegyszerűbb megoldás az, ha egy műanyag pohár vagy PET palack összeroppanási határára állítjuk be az erőkorlátot a tesztelések során. Hasonló, a 10. ábrán is látható módszert használja a Bebionic cég is a funkció szemléltetésére. A határerő finomhangolása később megoldható egy potenciométer beiktatásával, így a vezérlés monitorozása közben folyamatosan állíthatóvá válik a megadott érték. Ez az a funkció mely leginkább fontos a nem neurálisan vezérelt protéziseknél, mivel rendkívül megkönnyíti a hétköznapi tárgyak használatát, továbbá ezzel elkerülhetőek olyan kellemetlenségek a szociális életben, mint például a túl erős vagy túl gyenge kézfogás.

10. ábra. Az intelligens fogás szemléltetése egy gumilabdával.

12


6. A megépítés elemei Fontos, hogy a tervezéssel párhuzamosan folyamatosan kiválasszam a megfelelő alkatrészeket, hogy a további folyamatokban ne jelenjen majd meg semmilyen hiba. Így az első alpontban a legfontosabb alkotóelemre térik ki, vagyis a vázszerkezet választási paramétereire, melyet rögtön a kiválasztott alkar modell fog követni. Az ezt követő alpontok a mikrokontroller és az azt támogató EMG-hez köthető alkatrészek kiválasztására fognak összpontosítani. Ismertetni fogom a különböző elektronikai komponensek alapvető funkcióit és képességeit, illetve kitérek azok kompatibilitására is. A nyolcadik alpont során áttekintem majd a protézis izmait helyettesítő motorok lehetőségeit és azok kompatibilitását a szerkezettel. Az ez utáni alpont már az árammérési funkcióval kapcsolatos lesz, melyben különböző szenzorok tulajdonságait összehasonlítva megpróbálom majd kiválasztani a számomra legalkalmazhatóbb megoldást. A tizenkettedik alpontban áttérek a gyártás előkészítésére, melyben a manapság divatos 3D nyomtatást fogom alkalmazni. Ismertetem a technológiának az alapjait, majd az alkalmazási lehetőségeit, illetve bemutatom a saját nyomtatómat is.

13


6.1.

A kéz tervezése

Miután átvizsgáltam a kéz és alkar anatómiáját, több megvalósítási lehetőség közül választhattam. Első ilyen lehetőség egy egyszerű kéz elkészítése mely az ujjakat, mint ahogy a 11. ábrán is látszik, egy-egy hajlékony csővel helyettesíti. Ennek megvalósítása nem okozott volna komoly gondot, mivel a megépítéshez szükséges anyagok könnyen beszerezhetőek. Viszont a megépítés során problémák léptek volna fel, elsősorban az ujjak mozgatásáért felelős motorok rögzítése kapcsán. A másik lehetőség a teljes alkar 3D tervezése majd ömledékrétegezéses technológiával történő 3D nyomtatása. Ebben az esetben könnyebben megvalósíthatóvá válnának a különböző tervezett funkciók, mivel külön azok igénye szerint történne a tervezés, sőt a jövőbeli fejlesztéseket is megkönnyíthetné. Így a megvalósítás költsége továbbra is alacsony marad, viszont az építés maga és a tervezés ideje komolyan megnő, amely csökkenti az esetleges problémák orvoslására fordított időt. Ez komoly gondot jelentene, mivel nehézkessé tenné a projekt befejezését, hogyha a nyomtatás során derülne ki egy olyan hiba mely a már a tervezés elejétől jelen van.

11. ábra. Easton Lachapelle szemlélteti Youtube csatornáján az általa elkészített kézszerkezetet

14


6.2.

Inmoov alkar

Az előzőleg felvetett lehetőségek közül végül egyiket sem, pontosabban egy hibrid megoldást választottam. Ez azt foglalja magában, hogy egy már létező, ingyenesen elérhető tervet megvizsgáltam, amely egyszerűen megvalósítható és 3D nyomtatással könnyedén legyártható. Ez a terv az Inmoov francia robotikai cég tulajdonát képezi, mely elsősorban azt tűzte ki célul, hogy egy nagyobb közösség által, együtt fejlesszenek egy humanoid robotot. Ennek a robotnak egy alkatrésze, a 12. ábrán is megfigyelhető teljes alkar, amit használni szeretnék a projektem során. Az alkar alkatrészei ingyenesen elérhetőek több tervmegosztó oldalon és könnyen gyárhatóak. Több még inkubációs fázisban lévő protézistervező startup vállalkozás is ezt választotta első prototípusának, mivel a kéz maga sokszorosan tesztelt és egyszerű felépítésű. Továbbá minden alapvető feltételnek megfelel, mivel a szembe fordítható hüvelykujjon kívül lehetőség nyílik a csukló egy tengely körüli elfordítására illetve a motorok rögzítése könnyedén és stabilan megoldható. Rögzítése jelenleg az alkarhoz nem teljesen lehetséges, de a megoldás elsődleges célja nem is ez hanem, hogy a vezérlés fejlesztéséből ne vegyen el időt a szerkezet tesztelése.

12. ábra. A cég alapítója, Gael Langevin dolgozik a humanoid robotjukon

15


6.3.

Mikrovezérlő kiválasztása

A vezérlés kiválasztása az egyik legfontosabb feladat, mivel ez fogja meghatározni a többi alkatrész jellegét és használatának módját is. Több előre meghatározott szempontnak kell megfelelni melyek elsősorban a programozhatóságra és az alkar funkcióinak teljesítésére vonatkoznak. Jelenleg már több olyan mikrokontroller is létezik, mely használata viszonylag egyszerű, mivel magasabb szintű nyelven is programozható. Ezek már könnyen elérhetőek kereskedelmi forgalomban és gyakran előre megépített egységként kaphatóak, melyeken a kivezetések könnyen hozzáférhetőek. Másik járható út egy beágyazott rendszer lenne, erre példa a 13. ábrán látható WiFi router célra tervezett elektronikája. Ez a megoldás sokkal jobban optimalizálva lenne az adott igényekhez, de megépítése rengeteg időt és fejlesztést igényel mely csak sorozatgyártás esetén térülhet meg. Továbbá fontos a megfelelő mennyiségi analóg és digitális csatlakozási lehetőség száma. Legalább hat darab PWM kimenetre lesz szükség, mivel az alkar alapvető mozgásaihoz ugyanennyi motor kell. Ezen kívül bemenetekre azért lesz szükség, mivel az érzékelés itt fog megtörténni, analóg inputokon a szenzoroké, míg a digitálisakon pedig a funkcióváltó nyomógomboké.

13. ábra. A WiFi router áramkörét csak egy specifikus feladat elvégzésére tervezték

16


6.4.

Arduino Uno

Az előző oldalon felvetett feltételek alapján próbáltam kiválasztani a lehető legjobb megoldást, mely végül az Arduino mikrovezérlő család egyik tagja, pontosabban az Uno vezérlőlapka lett, ami a 14. ábrán látható. Több, pozitív tulajdonsággal is rendelkezik, melyek minden tekintetben kielégítik az általam támasztott igényeket. A be és kimenetek jól elkülöníthetőek, továbbá jelölve van a hat darab PWM vezérelhető pin. Ezen kívül az Uno rendelkezik saját 3,3 és 5 Voltos kimenettel is mely így feleslegessé teszi a külső táp használatát a különböző társított eszközöknél. Programozása egyszerűen kivitelezhető, mivel USB-n keresztül a számítógéphez csatlakoztatható. Programozási felülete a Processing nyelvre épül, így a beépített könyvtáraknak hála, USBn keresztül képesek vagyunk a vezérlővel kommunikálni működés közben és monitorozni az összes változó értékeit, mely jelentősen megkönnyítheti a munkafolyamatokat. Programozási nyelve alapvetően a C és a C++ keveréke. Ez abban nyilvánul meg, hogy bizonyos C++ könyvtárak máshogy vannak implementálva a programozási felületbe, ezért bizonyos parancsok eltérnek, vagy definiálatlanok is lehetnek.

14. ábra. Az alkalmazott Arduino Uno mikrovezérlő

17


6.5.

EMG érzékelés lehetőségei

Az EMG szenzor magában nem biztosít megfelelő jeleket. Ezt három fő dolog okozza, a jelszint, mivel mV-os nagyságrendű, az, hogy az adott izomcsoportra nem tudjuk megfelelően felhelyezni, illetve, hogy magában az izmokban keletkezett jelek eléggé zajosak lehetnek. Ezekért alkalmaznak három darab szenzort, melynek jeleit egy differenciál erősítőn keresztül vezetve egy viszonylag zajmentes jelet kaphatunk. Az EMG szenzor alkalmazásához így alapvetően három dolog szükséges. Első maga a szenzor, ezek általában több darabos csomagokban kaphatóak mivel higiéniai okokból egyszer használatosak. Második maga a kábel, amelyet általában szigeteléssel ellátott így csökkenti a külső forrásból származó zajokat. Harmadik pedig az erősítő, melynek több dolgot is kell egyszerre biztosítania. Ezek közül az egyik a nagy stabilitású 5 Voltos tápfeszültség, mely nélkülözhetetlen, hiszen hiánya komoly zajt jelenthet a differenciált jelben így értelmezhetetlenné téve azt. Két lehetőségen gondolkodtam, amikor az erősítő kiválasztásához jutottam. Először megvizsgáltam, hogy milyen meglévő nyílt forráskódú tervek léteznek a megvalósításra. Többet is találtam, melyek egyszerű, bárhol fellelhető elektronikai alkatrészeket alkalmaztak, viszont mindegyik megépítési idejét és költségét megnövelte a differenciál erősítő alkalmazása. Továbbá bármilyen hiba megjelenése az építés során jelentősen befolyásolhatta volna a projekt sikerességét így inkább amellett döntöttem, hogy egy professzionális, hozzáértő cég által gyártott terméket kell választanom. Több szempontot figyelembe véve történt a kiválasztás. Elsősorban az alkalmazott alapanyag minősége, a zajmentesség és a visszajelzések alapján próbáltam választani a cégek termékei között. Mivel viszont ezek minden esetben megfelelőek voltak előbbre került a szoftveres támogatottság és az ár is, mint meghatározó tulajdonság.

18


6.6.

Olimex EKG/EMG Shield

Az előzőleg felsorolt komplex szempontok alapján az OLIMEX EKG/EMG Shield-re esett (15. ábra) a választásom. Ez az erősítő az összes általam megfogalmazott feltételnek eleget tesz. Elektronikai alkatrészei kifogástalan minőségűek és zajszűrést tekintve is megfelelő. Elsősorban mégsem ezek voltak végül a döntő indokok, hanem az, hogy kompatibilis a kiválasztott Arduino Uno mikrokontrollerrel, így jelentősen megkönnyíti a megépítést és kísérletezést Az erősítő maga több beállítási lehetőséggel is rendelkezik, például használhatjuk a mikrokontroller referencia feszültségét is az erősítőn beállítotton kívül, továbbá 3,3 illetve 5 Voltos tápfeszültségen is működtethető. Maga az erősítő egy csatornás, de az Arduino Shield rendszere miatt, több is egymásra helyezhető így hat csatornásra bővíthető. Ezt a funkciót segíti a kontrol pin, aminek a programozása lehetővé teszi a több csatornás mintavételezést is. Magának a szenzornak a csatlakozása egy 3,5 milliméteres szabványos Jack dugón keresztül történik, ez megfelelő rögzítést és könnyű kezelést biztosít. Több nyílt forráskódú program is segíti a tesztelést. Ezek mind EKG illetve EMG üzemmódban is működnek, megkönnyítve a jelszintek behatárolását illetve a megírt programok tesztelését.

15. ábra. Az Olimex által gyártott erősítő áramkör

19


6.7.

EKG/EMG elektróda

A vezérlésen és az erősítésen kívül szükséges megemlíteni magát az elektródát is. A kiválasztása során több probléma is felmerült, ezek a szabványoktól és használati feltételektől függtek. Fel kellett mérnem, hogy milyen csatlakozási felület lesz a jellemző és az alapján választanom a két féle lehetőség közül. Egyik lehetőség volt a többször használható vákuummal rögzíthető elektróda, mely hosszútávon olcsóbb, viszont sokkal kevésbé kézenfekvő az alkalmazása. A beszerzett elektróda típusa végül egy eldobható fajta lett, mivel alkalmazása kényelmes és használata nem jár semmilyen hátránnyal, mivel a szenzorról a tappancs részt leszedve többször használhatóvá tehető. A szenzor tappancs fajtája teljesen lényegtelen, egyedül arra kell odafigyelnünk, hogy EKG vagy EMG elektróda legyen. A kettő majdnem tökéletesen helyettesíti egymást, hátrány nagyobb értékű berendezéseknél nem jelentkezik, egyedül az olcsóbb rendszerekben tapasztalható némi zaj keletkezése. Csatlakoztatás lehetőségnél többféle szabvány variáció ismert, de én a legelterjedtebbet választottam, mely a DIN típusú fej (16. ábra). Ez a fajta lehetőséget nyújt arra, hogy a szenzorokat és a kábelt egyszerűen összekapcsoljuk és biztosítsuk a stabil jelátmenetet. A csatlakozás jellege miatt viszont zaj forrása is lehet, mivel nem szigetelt.

16. ábra. Az érzékelő csatlakozók és az EMG szenzor

20


6.8.

Motor kiválasztása

Az ujjakat mozgató inak helyettesítése az Inmoov alkar rendszernél könnyedén realizálható egy elektromos motor és damil vagy egyéb fonál használatával. Ez jelentősen megkönnyíti a vezérlést viszont új problémákat vet fel. Mivel az ujjak anyaga nem rugalmas, így nem az gondoskodik az ujjak visszamozgatásáról, a motor pedig csak húzásra képes, ha csak damilt használunk. Ezt megoldandó egy másik Inmoov kiegészítőt használok, melyet a motorra rögzítve megnöveli a húzókart és a damil két végét egy korong peremén egymástól átmérő távolságra rögzíti, így eléri azt, hogy a motor kétirányú mozgása lehetővé tegye a két irányba történő húzást. Vezérelhetőséget figyelembe véve a sima egyenáramú motor nem alkalmazható, így a léptetőmotor illetve a szervomotor maradt, mint két lehetséges aktuátor. A léptető motor mellett szól az, hogy beszerzése könnyű és olcsó, de vezérlését tekintve több elektronikát és programozást igényel Arduino programozási környezetben, mint egy szervomotoré, illetve a tartónyomatéka nem megfelelő a projekthez szükséges mérettartományokban. Így választásom végül a szervomotorra esett, mivel az Arduino programozási felületbe integrált könyvtárak nagyon megkönnyítik a kezelését, és bekötése kisebb méretek esetén, semmilyen egyéb elektronikát és logikai áramkört nem igényel, csak a tápellátást és a vezérlőjelet. Továbbá az Inmoov által tervezett alkarral a standard RC szervomotorok kompatibilisek és ezt a 17. ábra jól is szemlélteti.

17. ábra. A szervomotorok a beépítést követően

21


6.9.

Hitec Hs-422

Elsősorban a hobbi RC fórumokat látogattam meg, mivel a távirányítható hobbijátékokban gyakran alkalmaznak szervomotorokat azok kis tömege és nagy nyomatéka miatt. Több fajtája ismert, méretük általában megegyezik csupán belső felépítésükben és emiatt szögtartományukban térhetnek el. Szerkezetüket tekintve léteznek fémfogaskerekes megoldások, melyek nagyobb erőt képesek elviselni, de ebben az esetben nincs szükség erre, elég csupán a műanyag megoldás. Továbbá a szögtartomány tekintetében nincs szükség 180°-nál nagyobb szögelfordulásra, mivel az Inmoov kiegészítő dizájnja miatt feleslegessé teszi azt. Választásom így a 18. ábrán látható Hitec Hs-422 szervomotorra esett. A hasonló árú versenytársait minőségben és teljesítményben is felülmúlja. Továbbá az alacsony árhoz képest meglepően pontos vezérlés lehetőségének köszönhetően a hobbi RC építők között ennek a motornak az alkalmazása mindennapossá vált. Standard 5 Voltos tápbemenet és földelés mellett egy adatkábellel rendelkezik. A motor fogja kiadni az alkar tömegének nagy részét, mivel hat darabra lesz szükség a megfelelő vezérléshez. A Hitec Hs-422 ezen téren is viszonylag helyt áll az ő 45,5 grammos súlyával, mely így nem fogja negatívan befolyásolni az alkar használhatóságát a tesztek során.

18. ábra. A felhasznált Hitec Hs-422 szervomotor

22


6.10. Áram mérés lehetőségei Szakdolgozatom egyik fontos eleme az ujjakat terhelő erő mérése. Ezzel a funkcióval több kényelmi megoldás is megvalósítható, mint például a törékenyfalú tárgyak megfogása vagy pedig a megfelelő szorítás beállítása. Ezzel azt érjük el, hogy kevesebb terhelés jut a szervomotorokra melyek élettartama így jelentősen megnövelhető. Magát az érzékelés alapját már ismertettem, mely során a motor áram felvételét nézzük. Ennek több megoldása is lehetséges. Először egy egyszerű áramkörrel akartam megvalósítani ezt, mely lényegében egy műveleti erősítőt használva egy szorzó áramkört létre hozva a kimeneten az áramnak megfelelő feszültség értéket mutatja. Hátránya, hogy a visszacsatolás áramfogyasztása miatt az érték jelentősen torzuláson esett volna át, így egy másik megoldást kerestem. Végül robotikában is gyakran használt Hall szenzor mellett döntöttem, mely az áram által keltett mágneses teret érzékeli és annak függvényében analóg feszültség jellel reagál, felépítése a 19. ábrán jól meg is figyelhető.

19. ábra. Az integrált Hall szenzor felépítési vázlata

23


6.11. Acs 712-es szériájú árammérő A Hall szenzor maga csak az integrált felépítés mellett használható megfelelően és pontosan árammérésre, egyéb esetben a szenzor mozgása és a nem megfelelő közvetítő közeg együtt erősen befolyásolná az érzékelés sikerességét. Az integrált felépítésű mérők általában többlábas kivitelben kerülnek gyártásra. Az egy pár adat és egy pár vizsgált lábon kívül további lábakat is hozzá szoktak adni, ha az alkatrész fizikai stabilitását növelni akarják a beépített áramkörben. Választás során problémát jelentett az, hogy ezek a szenzorok általában 10-20 Amper nagyságban működnek 0,5 Amper felbontás mellett, amely nem megfelelő számunkra, mivel a motor várható maximum áramfelvétele alig fogja meghaladni a 0,5 Ampert. Viszont vannak kisebbek, melyek -2 és +2 Amper között mérnek 150 mV/A felbontással, ezek számomra ideálisak lehetnek és mivel az Arduino analóg bemenete 10 bites így viszonylag pontosan tudom majd leolvasni az értékeket. Végül egy olyan alkatrészt választottam erre a célra mely maradéktalanul megfelel a feltételeknek, ez az ACS712 ELCTR-05B-T nevű árammérő mely +-5 Amper között képes mérni 185 mV/A felbontás mellett. A 20. ábrán látható az előre megépített, integrálható szerkezete.

20. ábra. A felhasznált ACS712-es sorozatú Hall szenzor

24


6.12. 3D nyomtatás alapjai A 3D nyomtatás egy több évtizede létező technológia, viszont elterjedése csak az elmúlt 5 évben vált igazán lehetségessé. Ennek oka a vezérlés technológia árának ugrásszerű csökkenése, mely lehetővé tette, hogy gyorsabb mikrokontrollereket elterjedjenek. Az első generációs 3D nyomtatók optikai elven működtek. A 3D tervezett fájlt egy programmal, a megadott rétegvastagságonként felszeletelik, majd azt az adott géphez megfelelő nyelvvel képenként megalkotják a G kódot. Az alapanyag egy UV érzékeny folyadék, mely a fény hatására rétegenként megszilárdítható. Mai napig alkalmazzák ezt a technológiát mivel rendkívül gyors, és felületi minősége kiváló. Viszont korlátozottan alkalmazható, mivel a szilárdsága viszonylag alacsony illetve biológiai kísérletek alapján erősen mérgező is [5]. A

jelenleg

legelterjedtebb

és

legdivatosabb

additív

gyártási

technológia

az

ömledékrétegezés (21. ábra). Ennél a gyártási módszernél a műanyagot egy fűtött fejen átvezetjük, ahol az megolvad. Az ömlesztett műanyagot ezek után célzottan egy adott helyre juttatjuk így felépítve a 3D tervezett darabot. Népszerűsége többek között a jó ár érték aránynak köszönhető, mivel viszonylag olcsón beszerezhető és a megfelelő beállítások mellett akár 0,1 mm-en belül is lehet a pontossága. Hátránya elsősorban abból ered, hogy a nyomtatók maguk nem elég megbízhatóak, gyakran elromlanak, de ez eltűnhet, ahogy a technológia kiforr.

21. ábra. Az ömledékrétegezés modellje

25


6.13. 3D nyomtatás alkalmazása az építés során Az additív technológiák rendkívül gyorsan terjednek, ennek oka az, hogy minden iparágban alkalmazhatóak és gyakran csak ezzel oldhatóak meg bizonyos feladatok. A repülőgép ipar, az űripar és egyéb egyedi termékeket gyártó iparágak gyorsan integrálták gyártásukba a 3D nyomtatókat, mivel jelentősen csökkentették a gyártási költségeket miközben egyre bonyolultabb felépítésű termékeket tudtak létrehozni. Az új technológia alkalmazása így bizonyos esetekben jelentősen csökkentette a termékek tömegét, előállítási idejét és emiatt az árát is. A másik fontos ágazat a gyártmány prototípus elkészítése.

Ez leginkább a dizájn

szektorban jelentős mivel ott gyakrabban vezetnek be új termékeket, de természetesen például az autóipar is nagy hasznát veszi, mivel a 3D nyomtatott alkatrészek akár a későbbi gyártmánnyal

megegyező

tulajdonságokkal

is

rendelkezhetnek,

így

tesztelésük

egyszerűbbé tehető. Az alkar megépítésének szempontjából a prototípusgyártás a legmeghatározóbb. Lehetővé teszi, hogy rendkívül kedvező feltételek mellett készíthessem el a protézist, hiszen így én magam is képes vagyok a gyártásra az általam készített nyomtatón (22. ábra), ami így jelentősen csökkenti a gyártás árát, és amíg a nyomtatás megy, másra is koncentrálhatok.

22. ábra. A gyártásra használt Prusa I3 3D nyomtató

26


6.14. A fejlesztett Prusa I3 ismertetése Az alkar protézis legyártásának legfontosabb eleme az általam megépített 3D nyomtató. A gép alapja egy belgiumi cég, a Charlie’s 3D technologies által gyártott összeszerelhető készlet, mely a Prusa I3 nyílt forráskódú nyomtató terveire épül majdnem teljes mértékben. A nyomtatónak két üzemmódja van, egyikben egy számítógépről kapja a nyomtatáshoz szükséges G kódot, míg a másikban egy SD kártyáról olvashatja be azt, így önállóan működőképessé tehető. A szerkezeten magán látszik, hogy egy kezdetleges technológiáról van szó, és mint a legtöbb ilyen készletben vásárolt termék összeszerelése után még rengeteg időt igényel. A vezérlés beállításai nem voltak megfelelőek, például a gép felépítéséhez és szerkezeti erősségéhez képest a gyorsulás értékek irreális nagyok voltak. A Prusa I3 egy derékszögű koordináta rendszerben dolgozik, a 22. ábrán jól látható volt, hogy a nyomtatóasztal az Y tengelyen mozog és az erre merőleges X tengelyt a Z tengely mozgatja függőlegesen. A szoftver futtatásáért egy Arduino Mega mikrokontroller felel, míg a RAMP 1.4 bővítő kártya lehetővé teszi, hogy a szükséges öt léptető motort gond nélkül vezérelje. A legnagyobb nyomtatható tárgy mérete pedig 200mm × 200mm × 200mm lehet [6]. Az eredeti 3D nyomtatóból az első üzembe helyezés óta, csak a motorok a szerkezet és a vezérlés maradt meg. Több fontos fejlesztés hajtottam rajta végre melyek jó része nyílt forráskódú terveken alapul. Ilyen például a tárgyasztaltól való kézi távolság beállítást kiváltó,

kapacitív

szenzorra

épülő

érzékelés.

Ez

jelentősen

megkönnyíti

a

használhatóságot, hiszen így garantálható, hogy az első lefektetett műanyag réteg ugyanolyan vastag lesz mindenhol, így sem méreti sem tapadási probléma nem lesz.

27


7. Az összeszerelés Ezen fejezet első három pontjában a 3D nyomtatott alkatrészek beszerelésével és a keletkező hibák kijavításával fogok foglalkozni. Csak ezek után válik lehetségessé a szervomotorok beépítése és az inakat helyettesítő damilok behúzása, melyet részletesen a negyedik pontban tárgyalok majd. Az ötödik alfejezettől már az elektronikai tervezés következik, melyet a próbapanelen való megvalósítás és finomhangolás követett.

7.1.

3D nyomtatás alkalmazása az összeszerelés során

A gép méretei nem teszik lehetővé, hogy az egész alkart egyben nyomtassam ki, de az Inmoov a tervezés során tisztában volt az elterjedt nyomtatóméretekkel ezért a nagy alkatrészeket kis alegységekre bontottak melyek darabonként nyomtathatóak és összeszerelhetőek. A nagyméretű alkatrészeken kívül voltak olyan darabok melyek nyomtatása nem a mérete, hanem a formája miatt volt nehézkes, de ezt különböző beállítási lehetőségekkel ki lehetett küszöbölni. A gyártáshoz PLA műanyagot használtam, mely jelenleg az egyik legelterjedtebb anyag a 3D nyomtatásban. Ennek több oka is van, de elsődlegesen az, hogy a többi műanyag alternatíva vagy túl gyenge vagy nehézkes a nyomtatása. Például a fröccsöntésben a legelterjedtebb ABS nyomtatáshoz nehezen alkalmazható, mert az olvadás közben felszabaduló gázok és a hűlés közben keletkező nagy feszültség a szerkezetében, nehezen kezelhető anyaggá teszi. A PLA ezzel szemben viszonylag kis olvadási ponttal rendelkezik, ami miatt jóval kezelhetőbb, továbbá szilárdsága nem sokkal marad el ABShez képest. A nyomtatás előkészítéséhez a Cura nevű programot használtam. A különböző nyomtató adatok és sebesség beállítások után betöltöttem a fájlokat, melyeket elhelyezve a virtuális nyomtatási tálcán beállíthattam helyzetüket is. A program ezek után elvégezte a rétegekre történő szeletelést, majd a kapott képeken a beállítások alapján lefuttatta az útkeresési algoritmusát így előállítva a felhasználható G kódot, ami ellenőrizhető egy másik ablakban.

28


7.2.

Hibás 3D nyomatok okai

Hiába rendkívül egyszerűen működnek a 3D fájlszeletelő programok, előfordulhatnak, olyan hibák melyeket a program nem vesz észre. Ezek általában a gyártandó darab bizonyos kialakításai miatt keletkeznek. Ilyen hiba például az, amikor túlságosan is hegyes szöget zár be a darab a vízszintessel, ilyenkor előfordulhat, hogy a szeletelés miatt az egymásra kerülő rétegek nem fedik egymást, így gyakorlatilag levegőben történik a nyomtatás. Ez azért is problémás, mert ilyenkor az olvadt műanyagnak nincs mire felfeküdnie, így saját súlyától fogva megereszkedik, és így nem biztosít megfelelő tapadó felületet a következő rétegekhez. Természetesen beszélni kell az emberi hibákról is, amely a technológia hiányos ismeretéből vagy pedig a munkadarab rossz felméréséből eredhet. A nyomtatás során több hibába is ütköztem, mely fő oka a munkadarab rossz felmérése és a gép hiányosságai együtt okoztak. Legnagyobb hiba, ami előfordult az az volt, hogy nyomtatás nem fejeződött be. Ennek oka a nyomtató fej eltömődése volt, ami több problémára is visszavezethető. Egyik ilyen a magas hőmérséklet, mely lehetővé tette azt, hogy a PLA műanyag kikristályosodhasson így eltömítve a fejet. Továbbá mivel nem ismertem a fej bizonyos méreteit, ezért a visszahúzási sebességet túl nagyra állítottam. Ez azt jelenti, hogy amikor a gép üresjáratban utazik, hogy elkerülje a gravitáció miatt minimálisan kijövő műanyag okozta problémákat, egy kis visszahúzás történik, mely csökkenti a fejben lévő nyomást így a műanyag nem szivárog ki. Viszont nagy sebesség mellett a nyomtatószál kijöhet az olvasztó kamrából és megduzzadva eltömítheti a fejet.

29


7.3.

A nyomtatott darabok összeszerelése

Az összeszerelés első részében a nyomtatott darabokat először elő kellett készítenem. Minden darabot lesorjáztam, eltávolítottam róluk a nyomtatáshoz szükséges támasztékokat illetve előkészítettem bizonyos felületek a ragasztáshoz.

Mivel a nyomtatás nagy

pontosságú volt, ezért a felületek nagy része gond nélkül csatlakozott, kivételt csak a kézfej darabjai jelentettek. A kéz több alkatrészének esetében a csatlakozó felületeket le kellett csiszolnom, hogy azok ne akadályozzák majd a szabad mozgást és a szervomotorokat ne érje felesleges terhelés. Ugyanezen okok miatt az ujjperceket egymáshoz rögzítő csapok furatait is újra kellett fúrnom. A kézfej összeszerelése nem okozott komoly problémát, a kis- és gyűrűsujj rögzítése egy M8-as csavarral történt meg, míg az ujjperceket egy régi, fel nem használt ABS nyomtatószálból vágott darabkákkal rögzítettem egymáshoz, ez a 23. ábrán meg is figyelhető. Az alkar egységeinek összeragasztása is hasonló nehézségű művelet volt, egyedül egy probléma merült fel, az pedig a csukló forgását akadályozta. Ez a mozgás egy áttételen keresztül valósult volna meg, de a csuklóhoz tartozó nagyobb fogaskerék túlságosan szorosan érintkezett a szervomotorhoz rögzített kisebb kerékkel, így módosítanom kellett az ezeket tartó alkatrészt, hogy minden nagyobb erőkifejtés nélkül mozogni tudjon.

23. ábra. A kinyomtatott kéz ujjainak ABS szállal történő rögzítése

30


7.4.

Szervomotorok beszerelése

A váz megépítése és tartóelemek rögzítése után az aktuátorok beszerelése következett. Minden szervomotorhoz tartozott egy csomag, mely tartalmazta azok rögzítéséhez szükséges csavarokat és rezgéscsillapító gumidarabokat. Beszerelés előtt egy egyszerű Arduino

programmal,

minden

motort

a

90°-os

szögállásába

állítottam,

hogy

megkönnyítsem a későbbi munkafolyamatokat. Mielőtt rögzítettem volna a motorokat a nyomtatott tartóegységükbe, előkészítettem őket az inakat helyettesítő damilok beszerelésére. Ez azt foglalta magába, hogy az Inmoov által tervezett és általam legyártott damil rögzítő korongokat rászereltem a motorhoz biztosított fröccsöntött alkatrészekre, így biztosítva az ujjak jövőbeli gondtalan mozgását. A teljes összeszerelés még nem történhetett meg, mivel az inak beszerelésére még nem került sor. Első lépésben rögzítettem a damilok egyik végét a szervomotorhoz, majd átvezetve azokat a csuklón és az ujjakban, visszafelé is behúztam őket, ez után csavaroztam össze csak a teljes vázat és értem el a végleges 24. ábrán is látható kinézetet. Végül mielőtt még rögzítettem volna az inak másik végét is, annyira megfeszítettem minden huzalt, hogy az ujjak egyenesen maradjanak és szervo mozgás nélkül ne mozduljanak el egy irányba sem.

24. ábra. Az elkészített Inmoov alkar összeszerelt állapotában

31


7.5.

Az elektronika megtervezése

Az elektronika megtervezése terén nem volt szükségem semmilyen komoly számítás elvégzésére, mivel a vezérlést alkotó elemeket úgy választottam meg, hogy azok a legtöbb funkcióhoz szükséges elemeket tartalmazzák. Az elektronikai elemek összekötésénél arra kellett figyelnem, hogy minden a megfelelő be- vagy pedig kimenetre kerüljön. Ez leginkább a motoroknál volt fontos, mivel azokat PWM kimenetre kell kötni, másképp nem képesek feladatukat ellátni. Továbbá szabadon kellett hagynom a négyes kimenetet a mikrokontrolleren, mivel az Olimex bővítő lap ahhoz hangolja magát. A kapcsolást a Fritzing nevű program segítségével hoztam létre, mely lehetővé teszi Arduino kompatibilis eszközök egyszerű összekötését majd az azokhoz rendelt lábak alapján a nyáklap kialakítását is. De természetesen hiányosságai is vannak a programnak, a 25. ábrán látható a végleges kialakítás melyről hiányzik az EMG jelerősítő lap bekötése mivel a programon belül nem volt lehetőségem ezt megoldani. Mivel viszont az Olimex lap kompatibilis az Arduino-val egymásra csatlakoztathatóak, így ha a szükséges nullás analóg bemenetet és négyes számú digitális kimenetet üresen hagyom, az érdemben nem befolyásolja a kapcsolást. Ezen csatlakozások feltüntetése a nyák terven sem szükséges, mivel az is az előzőekhez hasonlóan kompatibilis lenne a mikronkontrollerrel.

25. ábra. A Fritzing szoftverben elkészített kapcsolás

32


7.6.

Az elektronika megvalósítása próbapanelen

Az alkarban nem férne el a teljes vezérlés jelenlegi formájában, mivel az Arduino felépítéséből kifolyólag magas. Így a teljes elektronikát az alkaron kívül, kísérletezési jelleggel egy prototípuskapcsolásként építettem meg. A 26. ábrán láthatóan, először a nyomógombok beépítését valósítottam meg, mellyel párhuzamosan meg is írtam a vezérlés erre vonatkozó struktúráját, így elérve azt, hogy rögtön le is tesztelhessem az alkatrészek működését egy RGB LED-del. Egy építési hiba itt derült ki, mégpedig úgy, hogy a gomb bekapcsolása során keletkező feszültségtüske megzavarta a vezérlést. Ezt egy a vezérlőjel és föld közé beépített 10kΩ-os ellenállás beépítésével orvosoltam. Az ezt követő építési műveletek során már csak egy bekötési nehézség maradt, ami az áramérzékelő bekötési irányára vonatkozott. Erre azért kellett komolyan odafigyelni, mivel ettől függött a mérés során kapott feszültség érték nagysága. Ha fordítva történt volna a bekötés, az Arduino analóg érzékelése csak az első pár biten valósult volna meg, mely így nagyobb valószínűséggel adott volna rossz értékeket.

26. ábra. A gombok és a ledek bekötése a próbapanelen.

33


7.7.

Elektronika finomhangolása

Két olyan pont is van a vezérlésben, melynek nem megfelelő működése teljes egészében megakadályozná az alkar működését, ezek az EMG szenzor és az árammérő. Az EMG finomhangolása azért szükséges, mert a szenzor rendelkezik egy minimális zajjal, ha a kapcsolási határt túl alacsonyra venném, akkor előfordulhatna, hogy a zajt is szándékos jelnek érzékelné a vezérlés. Míg az árammérésnél a rosszul beállított érték megakadályozná, hogy ellássa a szenzor azt a feladatot, amiért beépítésre került vagyis, hogy az ujjak bizonyos erőkifejtésig működjenek. Az árammérés beállítása viszont egy, az előzőekben említett problémát is felvet, vagyis bekötési iránya tovább befolyásolhatja a pontosságát. Mivel a szenzor -5 Ampertől +5 Amperig mér, a motor várható maximum felvett árama pedig 0,5 Amper 4,5Volton, ha jó irányba kötjük be, akkor abszolút értéket tekintve 5,5Ampernek fog megfelelni. Ez a 0,185 mV/A érzékenység mellett azt fogja eredményezni ,hogy a 10 biten érzékelő analóg kimenet alsó 25-30%-a lesz kihasználva. Rossz irány esetén ez az érték 10-15%. A finomhangolást mind a két esetben úgy oldanám meg, hogy az analóg bemenetre egy 10kΩ-os potenciométert kötnék, mely feszültségosztóként működve befolyásolni tudná a határért felelős változókat.

34


8. Tesztelés A teszteléseket több szempont alapján fogom elvégezni. Az első pontban az EMG szenzort jellemző jelfajtákat térképezem fel, majd a második alfejezetben a mechanikai alkatrészek vizsgálata fog megtörténni. Az utolsó alpont során a tesztelések során kiderült vezérlési hiányosságokra próbálok majd megoldásokat találni.

8.1.

Az érzékelés tesztelése

Az elektronikai tesztelés elsősorban az EMG szenzor érzékelési tartományának feltérképezését és finomhangolását foglalta magába. Ehhez egy a gyártó oldalán is feltüntetett nyílt forráskódú szoftver és vezérlést használtam. A Windows kompatibilis program neve Electric Guru, melyet Rob Sacks írt meg és tette mindenki számára elérhetővé. A szoftver első sorban az erősítő bővítmény szívritmus érzékelési képességére lett optimalizálva, de az EMG szenzor jeleit is gond nélkül feldolgozza. A 27. ábrán látható a program maga, mely több olyan funkcióval is rendelkezik, amik a szívritmus érzékelés során elengedhetetlenek, de a szakdolgozat szempontjából csak a felső rész érdekes. A vezérlés feltöltése és az Arduino csatlakozása után szinkronizálhatjuk a programmal a szenzorunkat, így láthatóvá válik, hogy milyen nagyságú a zaj mértéke. A jel amplitúdó egy 10 bites skálán, 0-tól 1023ig terjedően van szemléltetve, amiről így leolvashatóak az értékek, melyek ebben az esetben egy egyszerű kézmozgás okozta jelváltozást mutatnak.

27. ábra. Az Electric Guru program kezelőfelülete

35


8.2.

Mechanikai alkatrészek tesztelése

A kar megépítése során, több ideiglenes megoldást is alkalmaztam, melyek az előzőekben már ismertettem. Ezek tesztelése során több komoly gond is felmerült, melyek közül néhány már a tervezés során nyilvánvaló volt. A legszembetűnőbb probléma az ujjak nem megfelelő mozgása volt. Ennek oka nem az ABS-szel történő rögzítés volt, hanem a 3D nyomtatás során használt nagy rétegvastagság, ami azt okozta, hogy az ujjak felülete még a csiszolás után is túlságosan érdes maradt. Továbbá már az összeszerelésnél is probléma volt a csukló szerkezete, a folyamatos mozgás során kiderült, hogy a nagy fogaskerék, mely a kezet tartja, elmozdulhat ezzel a megakasztva a szervomotor működését. Ezt egy ebből adódó hiba követte, mely a motorra rögzített kis fogaskerékkel mozgásával kapcsolatban lépett fel, mivel nem volt megfelelően rögzítve így a motor rögzítése, a 28. ábrán is láthatóan lecsiszolta a kapcsolódást ezzel tönkre téve az alkatrészt.

28. ábra. A csukló mozgása során alkalmazott elkopott fogaskerék

36


8.3.

A tesztelések során talált hibák kijavítása

A tesztelések során több hiba is kiderült. A mechanikai problémák megoldása könnyen javíthatóak voltak, mivel a fogaskerekek újranyomtatása és csukló módosítása illetve az ujjak csiszolása megoldotta a gondokat. Viszont az EMG zaj szint mérése komoly vezérléssel kapcsolatos hiányosságokat vetett fel. Már ismerve a jel jellegét és zaj szintjét átgondolhattam a szenzorhoz tartozó program sorokat. Az Arduino programozási felület használata egy plusz programsor alkalmazásával bizonyos változó értékek nyomon követése lehetővé válik, ha a mikrokontroller kommunikálni tud a számítógéppel. Ezt alkalmazva nyomon követtem a szenzorból érkező analóg jelek 10 bitre vetített értékeit. A jelek 2,5 Volt azaz 512 érték körül történő összpontosulása volt megfigyelhető. Viszont ebben az esetben nem lehetett volna egyetlen értékhatárt beállítani így egy egyszerű képletet állítottam fel. Ez elsősorban azt foglalta magába, hogy a mindenkori érzékelt értéket kivonva az 512-nek vett átlagból megkaptunk egy eltérést, amire már lehetett építeni, de még itt is előfordultak negatív csúcsok, melyek szintén tartozhattak az érzékelendő jelhez. Végül az eddig leírt kivonást kiegészítettem, még pedig úgy, hogy vettem az abszolút értékét, ezzel elérve azt, hogy csak egy, pozitív kapcsolási határt kelljen megadnom, ezzel jelentősen egyszerűsítve a programot. Az így mért értékek a 29. ábrán megfigyelhetőek.

29. ábra. A tizedszámrendszerben kapott jelek az abszolút érték függvény után

37


9. Fejlesztés lehetőségei A prototípus megépítésének ideje alatt több fejlesztése lehetőség is felmerült. Bizonyos ötletek megvalósítása elkerülhetetlen, ha használható termékként piacra szeretném vinni, néhány viszont csak a funkciók sokszínűségét növelné.

9.1.

Több szenzor alkalmazása

A jelenlegi felépítés csak egy EMG szenzor alkalmazását teszi lehetővé, ez azért is fontos, mivel így csak egy jel alapján alkotjuk meg a mozgást. Ha még egy érzékelőt beépítünk, akkor a funkciók sora jelentősen kibővíthető, mivel a két különálló izom mozgásából akár három különböző hívójelet is kinyerhetünk. A bővítés maximum három esetleg négy szenzorig lehetne lehetséges és értelemszerű, mivel három különálló izom egymástól független mozgatása már komoly feladatot jelenthet, és ez jelentősen csökkentheti a protézis használhatóságát. Megvalósíthatóságot tekintve akár az általam kiválasztott Olimex erősítő is képes lenne erre a feladatra, mivel a 30. ábrán látható módon a felépítése lehetővé teszi, hogy egymásra épüljenek a további szenzorok. Természetesen ez csak tesztelés illetve prototípus szinten működhetne, mivel ebben a formájában fizikai méretét tekintve egyszerűen túl nagy lenne, és nem lehetne megfelelően beépíteni az alkarba.

30. ábra. Az Arduino függőleges bővíthetősége

38


9.2.

Ujjankénti erőérzékelés, különleges kiegészítők

A prototípus építésében is egy ujj esetében alkalmazott motor erőkifejtés mérése több funkciónál is hasznosnak bizonyult. Természetesen nem tudja teljesen utánozni az emberi kéz effajta viselkedését, de ha minden ujj mozgását folyamatosan ilyen szenzorokkal figyelnénk sokkal kényelmesebbé és egyenletesebbé lehetne tenni a fogást. Továbbá lehetőség nyílna arra, hogy a bonyolult formájú testek biztonságos tartását biztosítsuk, mivel az ujjak sokkal jobban tudnának az adott tárgy köré fonódni. Viszont egy érdekes és vonzó funkció lehetne a teljes kéz vagy az ujjak cseréje, hogy az egy specifikus tevékenység végzését elősegítse, ezzel konkrétan a protézist visszafejlesztve egy egyszerűbb megoldásra. Erre példa a 31. ábrán látható gitározást segítő megoldás. A jövőben valószínűleg nagy divat lesz a különböző extrém funkciók beépítése, mivel egyre több cég fog foglalkozni ilyen prototípusok gyártásával és valahogyan majd többet kell adniuk, mint a konkurenciának. Ezek lehetnek majd például a mutatóujj helyére beépíthető forrasztópáka vagy pedig pont a középsőujj helyére beépített csipesz mely a nyák rögzítését tenné lehetővé.

31. ábra. A Mifeld szervezet egyik protézise

39


9.3.

Hőmérsékletérzékelés

Az ember az alapvető érzékszerveit gyakran annyira megszokottnak veszi, hogy el sem tudja képzelni, hogy mennyivel lenne rosszabb az élete, ha azok egyáltalán nem vagy hiányosan működnének. Ilyen alapvető dologként tekintünk az ujjakkal történő hőmérsékletmérésre is, melyet alig veszünk észre, pedig gyakran használjuk. Helyettesítése neurális vezérlés esetén közvetlenül az agynak küldött jelekkel teljes egészében a jövőben meg is oldható lehet, de az EMG vezérelt protézisek esetén teljesen más megoldásokat igényelne. Ilyen lehetne például az ujjak végében elhelyezett NTC termisztor jeleit érzékelő vezérlés, mely az adatokat egy kisebb LCD kijelzőn jelenítené meg (32. ábra). A megvalósítása máshogyan is lehetséges, az viszont több védelmi megoldást igényelne. Ez azt foglalná magába, hogy az érzékelt szenzor jelét egy az épp testrészhez rögzített ellenálláson reprodukálnánk így elérve ott ugyanazt a hőmérsékletet. Természetesen így mindig csak az adott helyi hőmérsékletnél nagyobb hőt tudnánk érzékeltetni, ezen kívül szükségszerű lenne egy maximum beállítása is, hogy elkerüljük az égési sérüléseket.

32. ábra. Derick Bailey vázlata az Arduino-val történő hőmérsékletmérésre

40


9.4.

Megfelelő mechanika biztosítása

A protézisek célja elsősorban az, hogy megkönnyítsék a viselőjének az életét még pedig úgy, hogy az adott végtag feladatait többé-kevésbé helyettesíti, de az előzőekben leírtak alapján nem szabad elfelejteni azt sem, hogy kényelmesnek kell lenni, másképp előfordulhat, hogy ellentétes hatást elérve hátráltat a mindennapokban. Az a tulajdonság mely leginkább befolyásolja a használatot és a kényelem érzetet az a tömeg. Ez a jövőben rendkívüli módon lecsökkenthető különböző könnyű anyagok, mint szénszálas kompozitok illetve alumínium használatával, továbbá a csatlakozások és a szerkezet áttervezése is javíthat majd ezen. Egyéb más kényelmi funkciók alkalmazása is lehetségessé válik az áttervezéssel. Ilyen például a Bebionic ujjain is látható megoldás (33. ábra), mely lehetővé teszi azt, hogy az elmozduljon, ha nem várt erőhatás éri. Így elkerülhető az aktuátorok és a felépítmény károsodása is. De ilyen tulajdonságok lehetnek majd az állítható méretek, mellyel, sokkal több egyedi méretkombináció válna elérhetővé. Így egy növésben lévő gyermek számára már kiskorától jó minőségű protézist lehetne biztosítani, hiszen nem kellene akár évente cserélni azt, ahogy a méretei növekednek.

31. ábra. A Bebionic protézisvédelmi megoldása

41


9.5.

Emotiv Epoc alkalmazása

A neurális vezérlés még a jövő zenéje, de rengeteg lehetőség van benne, ami miatt érdemes szót említenem róla. A piaci forgalomban lévő protézisek áttekintése során már megemlítettem a DARPA-t, mely a beépített neurális hálózatok fejlesztése mellett tette le a voksát, mivel ez a jövőben az egyik leginkább járható út. De hátrányait is kifejtve említésre került már a szükséges műtét mely jelenleg egy hosszadalmas művelet. Nem helyettesítő, de egy jó alternatívát jelenthet a külső érzékelés, mely teljesen más módon dolgozza fel a neurális jeleket, mivel ez csak a szürkeállomány bizonyos jeleit veszi fel. Lényegében nem tényleges motorikus jeleket tudunk feldolgozni, hanem az agy külső rétegeinek aktivitását mely attól erősen különbözhet

[7]

. Az ilyen érzékelők egyik

legnevesebb gyártója az Emotiv cég, termékeik elsősorban a mindennapi használati cikkeket célozzák meg (34. ábra). Alkalmazása azért lenne kézenfekvő, mivel jeleit felerősíti és lehetőség van azok továbbadására más platformok felé, például gyakran használják játékok irányítására is. A technológia hátránya az előzőlegesem említetteken kívül az, hogy a jelszintek nem egyenletesek, továbbá ha a használó fáradt, használata nehéz lehet és még jobban kimerítheti őt.

34. ábra. Az Emotiv Epoc használat közben

42


10. Összefoglalás A szakdolgozatom írása során átvizsgáltam a különböző protézis fajtákat és azok alkalmazási lehetőségeit. Továbbá piackutatást végezve átnéztem a már kereskedelmi forgalomban lévő, megvalósított végtagprotéziseket és azok legfontosabb és általam realizálható tulajdonságait megpróbáltam integrálni a tervekbe. Sorra vettem a tervezés során felhasználandó alkatrészeket, kitérve a feléjük támasztott elvárásokra és azok teljesítésére. Először a vázszerkezetről döntöttem, majd a mikrovezérlőt választottam ki. Ez egy fontos lépés volt a megvalósítás során, mivel a többi elektronikai komponens erre épült rá. Erre példa az EMG jelek felerősítésért felelős elektronika mely teljes egészében kompatibilis a vezérléssel. Folytatva a szükséges elemek sorát, eljutottam az EMG szenzor majd pedig az aktuátorok kiválasztásáig. Csak ezek után térhettem rá az árammérés lehetőségeire illetve a 3D nyomtatással történő gyártás előkészítésére. A következő lépés a 3D nyomtatott komponensek részleges összeszerelése volt, melyet a szervomotorok beépítése követett. Az inakat helyettesítő damilok behúzása után már befejeződhetett a teljes kar építése. Ez után realizáltam egy próbaáramkört, mellyel a funkcióváltásért felelős programot tesztelhettem. Utolsó lépésben elvégeztem még néhány alapvető tesztet az érzékelt jelekkel és a mechanikával kapcsolatban, a talált hibákat pedig kijavítottam. Majd a szakdolgozat lezárásaképpen felvetettem, néhány a jövőben alkalmazható kiegészítő funkciót mely tovább növelheti a protézisek használhatóságát.

43


11. Irodalomjegyzék [1] Dr. Donáth Tibor: Anatómia Atlasz. Medicina Könyvkiadó Zrt., 2013 [2] K.R. Mills:The Basics of Electromyography. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 2005.November [3] WorkSafeBC Evidence-Based Practice Group, Dr. Craig W. Martin: Upper Limb Prostheses A Review of the Literature With a Focus on Myoelectric Hands. February 2011 [4] Arati Prabhakar, Steven H. Walker: Breakthrough Technology for National Security. Defence Advanced Research Project Agency, March 2015 [5] Shirin Mesbah Oskui, Graciel Diamante, Chunyang Liao, Wei Shi, Jay Gan, Daniel Schlenk, William H. Grover: Assessing and Reducing the Toxicity of 3D-Printed Parts. November 2015 [6] http://reprap.org/wiki/Prusa_i3 [7] https://emotiv.com/epoc.php

Linkek utoljára ellenőrizve: 2015.11.26.

44


12. Summary In the beginning of my thesis, I examined different types of prosthetics and the possibilities in them. After that, I did a market research on released limb prosthetics and I tried to find possible integrations of my design in their main features and properties. One after the other, I reviewed the parts and set my expectations for them, then I investigated how they met the requirements. First I chose the framework, then the microcontroller unit. This was an important task, because every other electronic component will rely on that. For example, the EMG amplifier unit is fully compatible with the controller. To continue the enumeration of the important parts, I had to choose the EMG sensor and the optimal actuators. Then, I searched for ways of current measuring and prepared to produce the main parts with 3D printing. In the next step, I partially assembled the main frame so that I could install the servomotors. I used a line that replaces the tendons so I could finish the assembling. Afterwards, I made a circuit to test the program that is responsible for the function changing. In the last phase I made some other tests about the sensed signals and mechanics, thereafter I solved the revealed problems. To close my thesis, I investigated some future possibilities for development to increase the utilities of prosthetics.

45


13. Ábrahivatkozások 1. ábra: http://veritymedical.co.uk/ 2. ábra: http://www.prolimb.com/ 3. ábra: http://armdynamics.com/ 4. ábra: http://www.popsci.com/ 5. ábra: http://enablingthefuture.org/ 6. ábra: http://www.openbionics.com/ 7., 9., 10.,33.ábra: http://bebionic.com/ 8.ábra:http://www.cnet.com/au/news/amputee-simultaneously-controls-two-prostheticarms-with-his-mind/ 11. ábra: https://www.youtube.com/user/HalfFullEffects 12. ábra: http://inmoov.fr/ 19. ábra: http://www.allegromicro.com/ 21. ábra: http://blog.capinc.com/2014/12/design-for-3d-printing-success/ 31. ábra: http://www.mifeld.org/ 32.ábra:https://www.safaribooksonline.com/blog/2013/07/30/arduino-show-me-thetemperature/ 34. ábra: https://emotiv.com/

Linkek utoljára ellenőrizve: 2015.11.26. 46

Szakdolgozat. EMG vezérlésű egyszerűsített alkar protézis fejlesztése

Recommend Documents