Компания Steeper разрабатывает наиболее приближенный к реальности бионический протез кисти, не имеющий аналогов в мире.
Завязать шнурки, сложить постельное белье, открыть пакет с чипсами — список действий, которые очень сложно выполнить одной рукой, может быть бесконечным. Люди со врожденной ампутацией конечности или потерявшие кисть в результате несчастного случая, ежедневно сталкиваются с этими непростыми задачами. Для облегчения повседневной жизни этих людей в британской компании Steeper был разработан миоэлектронный протез кисти Bebionic. Под действием миоэлектрических сигналов, которые формируются при сокращении мышц руки, протез способен выполнять различные движения согласно потребностям пользователя. Одной из последних новинок, представленных на рынке, стал протез кисти Bebionic размера S для женщин, подростков и мужчин некрупной комплекции. Мощные двигатели FAULHABER обеспечивают безупречную и быструю работу протеза, поддерживая силу захвата на постоянном уровне.
Многие из нас знакомы с многофункциональными протезами только из фантастических фильмов, в которых искусственные конечности придают персонажам сверхъестественные силы. В реальной жизни бионические протезы рук не превращают их владельцев в супергероев. Напротив, они помогают им совершать множество действий, которые не представляют затруднений для большинства людей. Так, например, Ники Эшвил, первый пользователь маленького протеза Bebionic, радуется тому, что она наконец-то может кататься на велосипеде: «Раньше я даже не пыталась сесть на велосипед, так как боялась падения на неровной дороге или неправильной нагрузки на спину».
Интуитивное движение
Миоэлектронный протез Bebionic весит от 400 до 600 грамм, то есть его вес не превышает веса человеческой кисти. Для его управления используются слабые электронные сигналы в организме. Они формируются в результате сокращения мышц и могут измеряться с помощью электродов, приложенных к коже — по аналогии с электрокардиограммой при обследовании сердца.
Два электрода, встроенных в основание протеза, распознают миоэлектрические сигналы и передают их в электронную систему управления. После усиления эти сигналы приводят в действие пять миниатюрных электродвигателей (по одному двигателю для каждого пальца), которые отвечают за движение пальцев, раскрытие или сжатие кисти в кулак. При этом сила сокращения мышц определяет скорость и силу захвата: слабый сигнал создает медленное движение, а сильный сигнал — быстрое движение.
Мышцы, используемые для раскрытия и сжатия протеза кисти, в человеческой руке отвечают за движение кистевого сустава. Пользователь протеза должен научиться пользоваться этими мышцами в других целях. «Человеческий мозг обладает невероятной гибкостью. Спустя короткое время пользователи протеза совершают движения также интуитивно, как водители жмут на тормоз при желании остановить автомобиль», — рассказывает Тед Варли, технический директор в компании Steeper.
Дополнительные двигатели для улучшенного контроля
Первый миоэлектронный протез кисти был представлен на рынке еще в начале 1980-х годов. В нем использовался только один двигатель и один механизм захвата, с помощью которого можно было свести вместе большой, указательный и средний пальцы. Безымянный палец и мизинец присутствовали в протезе только из эстетических соображений и не имели функций. Около десяти лет назад данная концепция была существенно переработана при проектировании протеза Bebionic. «Мы выяснили, что люди готовы смириться с уменьшенной силой захвата каждого пальца, если вместо этого они получают больше возможностей», — комментирует Тед Варли. Поэтому для управления пальцами в протезе Bebionic установлен отдельный электродвигатель для каждого пальца. Четыре двигателя основных пальцев расположены внутри ладони, а пятый двигатель — в большом пальце. В двигатели встроены кодовые датчики, которые непрерывно и с высокой точностью определяют положение пальцев.
Благодаря индивидуальному управлению можно складывать пальцы в 14 различных комбинаций. Используя удерживающий захват, в котором большой палец перемещается вверх и вниз при согнутых остальных пальцах, можно держать плоские предметы, например, тарелку, миску или банковскую карту. Сведение пальцев в кулак позволяет переносить тяжелые грузы до 25 килограммов, а с вытянутым указательным пальцем можно пользоваться клавиатурой или пультом дистанционного управления. В позиции силового захвата большой палец выдвигается в сторону, а остальные пальцы сводятся вместе до упора. Этот захват применяется для удержания предметов сложной формы, например, бокала для вина. «Данная комбинация выглядит более естественно, чем сведенные вместе большой, указательный и средний пальцы. Кроме того, при использовании всех пальцев обеспечивается более надежный захват», — подчеркивает Варли.
Для перевода протеза Bebionic в различные положения пользователи также применяют мышцы руки. Если при раскрытой кисти поступает еще один сигнал «Раскрыть», протез переходит в следующий режим. Дополнительный сигнал поступает от большого пальца, который подводится сбоку костальным пальцам или переводится в противоположное положение. В зависимости от выбранной позиции большого пальца возможны различные захваты. При этом пользователь протеза самостоятельно решает, какие из 14 вариантов захвата он желает использовать, и может задавать их последовательность. С помощью программного обеспечения возможно индивидуальное программирование протеза.
Повышенная самооценка
Бионическая кисть облегчает выполнение множества повседневных задач. «Зачастую это мелочи, которые становятся проще благодаря протезу, однако в совокупности они существенно повышают качество жизни», — убежден Тед Варли. Кроме того, искусственная кисть оказывает важный психологический эффект. «Многие пользователи рассказывают нам, что протез Bebionic повышает их самооценку, так как этот новый высокотехнологичный элемент привлекает к себе внимание и интерес окружающих».
В связи с этим важную роль также играет привлекательный дизайн протеза, в котором применяются алюминий и нержавеющая сталь. Внешняя форма максимально приближена к естественному прообразу. «При проектировании третьего поколения протезов Bebionic мы выбрали нестандартный подход: сначала мы разработали оболочку, а затем приступили к поиску решений по встраиванию отдельных компонентов в эту оболочку, — подчеркивает Варли. — Пять лет назад это было невозможно в протезировании кисти, поскольку технологии еще не достигли необходимого уровня». Более того, идеальный для решения данной задачи миниатюрный двигатель постоянного тока серии 1024 SR все еще находился в стадии разработки, когда в 2013 году компания Steeper обратилась в компанию FAULHABER. Проектные группы обоих предприятий приступили к совместной работе над созданием двигателя и протеза кисти. Разработчики Steeper и FAULHABER регулярно встречались в Великобритании и Швейцарии. В этих встречах также принимала участие компания Electro Mechanical Systems (EMS) как посредник и эксклюзивный торговый представитель FAULHABER в Великобритании. Результатами тесного сотрудничества стали двигатель с превосходным соотношением силы и объема, а также специальный привод для большого пальца. Таким образом, совместная работа завершилась с большим успехом.
Отличные характеристики
Новый миниатюрный двигатель постоянного тока серии 1024 SR является лучшим в своем классе и самым мощным миниатюрным двигателем из представленных на рынке. Несмотря на диаметр всего 10 мм и длину всего 24 мм он обеспечивает удерживающий момент 4,6 мНм.
А за счет пологой кривой частоты вращения и крутящего момента он гарантирует постоянно высокий крутящий момент во всем диапазоне скоростей. Эти превосходные характеристики обусловлены внедрением новой конструкции катушки, в которой содержится на 60% больше меди, чем в предыдущей модели. Катушка комбинируется с мощным редкоземельным магнитом. Для максимально бесшумной работы в протез встроен специальный планетарный редуктор серии 10/1 без содержания пластмассы. «Особенно сложной задачей стала разработка линейного привода для большого пальца», — рассказывает Тициано Бордонцотти, руководитель службы сбыта в FAULHABER MINIMOTOR. Благодаря прецизионному подшипнику с четырехточечным контактом от компании Micro Precision Systems (MPS), входящей в состав группы FAULHABER и занимающейся производством прецизионных подшипников и микросистем, удалось существенно сократить длину привода по сравнению с решениями конкурентов. Несмотря на компактные размеры подшипника с четырехточечным контактом, его уникальные характеристики позволяют поддерживать высокие осевые силы, необходимые для решения поставленных задач. При общей длине менее 49 мм привод большого пальца способен выдерживать осевые силы до 300 Н.
Тед Варли в восторге от результатов совместной работы: «Протез кисти Bebionic размера S представляет собой наиболее приближенную к реальности модель на рынке миоэлектронных протезов кисти. Успешная реализация этого проекта стала возможной только благодаря тесному сотрудничеству с увлеченными своей работой специалистами FAULHABER».
DR. FRITZ FAULHABER GMBH & СО. KG
