Эксπир
Регистрация / Вход

Разработка системных компонентов инновационного роботизированного комплекса для реабилитации пациентов с нарушениями функций нижних конечностей вследствие травм и заболеваний головного и спинного мозга

Номер контракта: 14.575.21.0031

Руководитель: Осипов Григорий Владимирович

Должность: Заведующий кафедрой

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
биомеханика походки, цикл ходьбы, экзоскелетонный комплекс, многоуровневая система управления, динамическая модель устройства, макет устройства.

Цель проекта:
Последние годы активно предпринимаются попытки разработать устройство, которое могло бы интегрировать человека и робота в единую систему. Направление робототехники, направленное на разработку устройств, которые могут быть полезны в биомедицине, получило мощный импульс благодаря успехам в области разработки промышленных роботов, в которых успешно сочетается производительность, точность роботизированной системы и интеллект человека. Данный проект направлен на решение проблемы инвалидизации населения. Одной из распространенных причин возникновения инвалидизации населения является получение позвоночно-спиномозговых травм (ПСМТ) и острое нарушение мозгового кровообращения (инсультов).В связи с высокой травматизацией населения и высокой экономической нагрузкой на трудоспособное население сформирован социально-значимый запрос на исследования и разработку роботизированных экзоскелетонных комплексов, предназначенных как для решения задач реабилитации пациентов с нарушениями опорно-двигательного аппарата (возникших вследствие неврологических нарушений), так и для улучшения самообслуживания и качества жизни людей, в случае которых современные методики восстановительной медицины оказались бессильны. Цель работы – разработка программных и аппаратных компонентов, формирующих элементную базу для последующего построения инновационного экзоскелетонного комплекса с функциями реабилитации, улучшения мобильности и самообслуживания пациентов с выраженными нарушениями двигательных функций.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Изготовление экспериментального образца экзоскелетонного роботизированного комплекса;
2. Проведение исследований разработанного экспериментального экзосклетонного комплекса;
3. Анализ эффективности и возможности применения разработанного экзоскеленного комплекса в целях реабилитации и абилитации пациентов с нарушениями функций нижних конечностей.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Экзоскелетонный роботизированный комплекс ЭРК-Б1 "Илья Муромец" разработан в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского в рамках проекта RFMEFI57514X0031 федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы" в 2014 - 2015 гг.

Назначение ЭРК-Б1:
- отработка технологий создания экзоскелетонных реабилитационных комплексов;
- отработка методов механотерапии и реабилитации пациентов с дисфункциями нижних конечностей;
- демонстрация возможности создания средств абилитации инвалидов, компенсирующих потерю двигательных функций нижних конечностей.
ЭРК-Б1 представляет собой активный экзоскелет нижних конечностей с 4 степенями свободы. Активное движение осуществляется в сагиттальной плоскости в коленных и тазобедренных суставах. Экзоскелет приводится в движение электроприводами. Голеностопный, коленный и тазобедренный суставы экзоскелета оснащены датчиками углов сгибания. Микромеханический датчик обеспечивает систему управления экзоскелетом информацией о текущих углах отклонения торса пилота экзоскелета от вертикали в сагиттальной и фронтальной плоскостях.

Бортовая система управления ЭРК-Б1 обеспечивает следующие режимы работы:
- смена позы (сесть, встать);
- движение с автоматическим удержанием равновесия в сагиттальной плоскости;
- движение в ручном режиме (обеспечивается адаптация к неровностям дороги и спуск/подъем по лестницам).

В качестве интерфейса управления выступают:
- смартфон с сенсорным экраном (настройка параметров движения, диагностика технического состояния);
- интерфейс ручного управления (независимое управление суставами экзоскелета, выбор режима работы).

Состав:
1. блоки приводов коленного и тазобедренного суставов;
2. голени (углепластик);
3. стопы (углепластик);
4. сегментированный пояс (алюминиевый сплав);
5. пояс с вмонтированными Li-полимерными батареями 36 В, 10 Ач;
6. контроллеры приводов суставов (НПФ Электропривод BLSD-20);
7. бортовая система управления (на базе TI BeagleBoard XM);
8. анатомические крепления к телу человека.

Характеристики:
- вес 20 кг;
- мощность привода коленных суставов 70 Вт;
- мощность привода тазобедренных суставов 90 Вт;
- прямое управление моментом приводов (макс. 100 Нм в коленном суставе, макс. 150 Нм в тазобедренном суставе);
- частота процессора ARM системы управления 1 ГГц;
- частота опроса датчиков 200 Гц;
- погрешность определения ориентации нижних конечностей и торса в пространстве относительно вектора силы тяжести не более 1 градуса;
- возможность интеграции с датчиками давления на стопы;
- возможность интеграции с интерфейсом мозг-компьютер.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемый экзоскелетонный комплекс может применяться:
1. в качестве реабилитационного оборудования медицинских центров и домашнего комплекта снаряжения для абилитации инвалидов;
2. для отработки технологий создания экзоскелетонных реабилитационных комплексов;
3. для отработка методов механотерапии и реабилитации пациентов с дисфункциями нижних конечностей;
4. для демонстрации возможности создания средств абилитации инвалидов, компенсирующих потерю двигательных функций нижних конечностей.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
2. Проведены патентные исследования;
3. Осуществлен выбор и обоснованы направление исследований и способы решения поставленных задач;
4. Исследованы характерные статистические параметры цикла ходьбы в норме;
5. Исследованы стабилометрические показатели в зависимости от вида пареза и степени нарушения проводимости спинного мозга;
6. Исследованы временные показатели ходьбы в зависимости от типа позвоночно-спиномозговой травмы;
7. Разработаны требования к блокам голеностопного, коленного и тазобедренного суставов: по габаритам, весу, максимальному моменту, количеству сгибаний в минуту, безопасности;
8. Разработаны требования к сенсорам устройства в части точности позиционирования угла сгибания;
9. Исследован электромиографический профиль активности групп мышц в различных фазах движения, выделены характерные статистические параметры в норме и при патологии;
10. Разработана методика многоканальной регистрации данных нейросетевой активности посредством мультиэлектродных матриц MED64;
11. Разработана концептуальная модель автоматической системы управления элементами экзоскелетона;
12. Разработана физико-математическая модель экзоскелетонного роботизированного комплекса (ЭРК);
13. Разработан алгоритм скоординированного управления механическими компонентами ЭРК с учетом биомедицинских рекомендаций;
14. Разработана автоматическая система управления (АСУ) элементами ЭРК для компенсации, вызванных внешними возмущениями, отклонений динамики устройства от состояния, выработанного ПО верхнего уровня;
15. Разработано программное обеспечение электропривода для управления моментом вращения в суставе ЭРК;
16. Разработан интерфейс ПО управления электроприводом с сенсором положения сустава;
17. Исследована эффективность предложенной АСУ в части устойчивости к импульсному и регулярному воздействию случайного характера;
18. Исследованы пространственно-временных характеристик активности сети нейронных клеток;
19. Выполнен сбор данных о влиянии характеристик электрической стимуляции на коррекцию электромиографического профиля;
20. Подготовлены предложения по интегрированию системы функциональной в общую систему управления устройством;
21. Разработана эскизная конструкторская документация на компоненты ЭРК, обеспечивающие движения в коленном и тазобедренном суставе;
22. Изготовлены макеты компонентов ЭРК обеспечивающие движения в коленном и тазобедренном суставе;
23. Изготовлен макет компонента ЭРК, размещаемый на голеностопном суставе;
24. Разработана программа и методика лабораторных исследований разработанных макетов компонентов ЭРК;
25. Проведены лабораторные исследования разработанных макетов ЭРК;
26. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец ЭРК;
27. Апробированы элементы системы управления на макетах, реализующих движение в коленном и тазобедренном суставах ЭРК;
28. Разработаны критерии детектирования полезного сигнала на фоне спонтанной нейрональной активности;
29. Выполнен анализ имеющихся данных и получение новых многоканальных записей сетевых электрических разрядов в нейронных культурах на мультиэлектронных матрицах;
30. Участие в мероприятиях по демонстрации и популяризации ПНИ.
Ctrl+Enter
Esc
?

Комментарии

Для того чтобы оставить комментарий, необходимо войти в систему или зарегистрироваться.