Помимо наших классических пневматических мускулов есть ещё один привод с похожими свойствами и функционирующий как человеческая мышца. Это привод типа VAMP.

Созданный сотрудниками Гарвардского университета актуатор из эластичного материала имеет ячеистую структуру. Полости в нем соединены с вакуумным насосом, который, откачивая из них воздух, заставляет всю конструкцию сокращаться. Форма и расположение ячеек обеспечивают равномерное сокращение по всей длине эластомера.

Изменяя конфигурацию и положение полостей, можно добиться линейного, скручивающего, сгибающего движений или их комбинаций Это позволяет приводам, названным VAMP (vacuum-actuated muscle-inspired pneumatic structures, приводимые вакуумом и вдохновленные мышцами пневматические структуры) сокращаться подобно настоящей мышце.

В силу своей конструкции «робомышцы» безопасны в использовании: они поглощают удары, продолжают работать при двухмиллиметровом повреждении и в случае поломки просто перестают работать, не лопаясь, не загораясь и не оставляя острых краев.

В общем это пневматика наоборот, т.е. работает от вакуума..

Всем привет. Продолжаем. А теперь коснемся темы биотоков.

Использование биотоков является одним из основных бионических методов управления, но довольно сложно найти какую то простую и подготовленную информацию по этой теме. Сия технология является основой всех биоэлектронных систем и в частности протезов и нейроинтерфейсов.

В настоящее время я вижу три вида сигнала, которые можно где то использовать и которые несут практическую ценность:

1.ЭМГ — Электромиограмма

Электрические импульсы мышечных сигналов. Мышцы, имеются в виду, опорно двигательной системы. Источником этих сигналов является нервы и в частности нервные клетки. Сами мышцы сигналы не генерируют, но управляются ими.

2.ЭКГ — Электрокардиограмма

Электрические импульсы мышц сердца. Частный случай предыдущих сигналов, но ,по причине жизненной важности органа, выводится как отдельный вид. Я думаю это правильно.

3.ЭЭГ — Электроэнцефалограмма

Электрическая активность мозга. Мозг является биоэлектрической системой с огромным пластом различных сигналов и снятие хотя бы части сигналов дает возможность прямого управления «мозг-устройство».

Первый и самый просто метод это просто специальный шилд для ардуино. Называется такой шилд EKG-EMG Shield. Фото модуля, монетка для определения размера.

Это одноканальный усилитель, позволяющий снять ЭМГ и ЭКГ с очень неплохой точностью. Наличие библиотек и изначальная интегрированность в ардуино также является огромным плюсом. Минусом является одноканальность и большой размер платы.

Взять можно отсюда.

Одноканальность не позволяет использовать этот модуль для чего то сложного, но позволяет сделать неплохой измеритель сердечной активности.

Второй метод значительно сложней и это самодельный усилительный модуль с неограниченным количеством каналов. То есть можно просто напаивать новые линии до того количества, что будет нужно. И так же и настраивать под что нужно. Фото прототипа восьмиканального усилителя нейротоков.

Схема одного канала .Таких там восемь.

Из плюсов можно выделить что схему можно настраивать под ЭЭГ, ЭКГ и ЭМГ, можно снимать нужные частоты и изменять параметры схемы как нужно. Немаловажным является что при использовании SMD элементов один канал будет примерно 1.5 см куб.

Минус это помехи и тех. недоработки. Схема рабочая, но сырая и требует шлифовки. Требует внешнею арудину для анализа сырых аналоговых данных.

Применять ее можно для все снятия всех видов сигналов и даже для инвазивных исследований. Самый дешевый из всех трех методов.

Третий метод самый сложный, но и самый точный и широкий в использовании. Этот метод заключается в использование специальной микросхемы ADS1299 .Эта микросхема является основой знаменитого проекта OPEN BCI и на ее основе строятся почти все дешевые ЭЭГ и ЭМГ приборы.

Взять её можно вот тут.

Микросхема очень маленькая и очень чувствительная к статическому электричеству. Фото с монетой для понимания размера. Фото не очень, но важно понимание что микросхема очень маленькая и тяжелая в монтаже. Имеет 64 вывода.

Плюсом этого метода можно назвать огромный потенциал микросхемы и отработанность схем на её основе. Кроме того там восемь полноценных входных каналов.

Минус это сложность. Огромнейшая сложность монтажа, но в результате можно сделать устройство принимающее и анализирующие все виды сигналов.

Схема подключения

Микросхему можно подключать к ардуино и, следовательно, использовать и совмещать со всеми модулями.

Все методы требуют подготовки кожи для электродов при неинвазивном использовании и очень хорошей защиты от помех.

Всем привет!

Ну чтож, начнем. И первый пост будет про один из основных робототехнических приводов -сервопривод и про то как его сделать.
Второй же тип привода - пневмомускулу, уже рассмотрели вот тут

Под сервоприводом чаще всего понимают механизм с электромотором, который можно попросить повернуться в заданный угол и удерживать это положение. Однако, это не совсем полное определение.

Если сказать полнее, сервопривод — это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т.п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному внешнему значению.

Иными словами:

Сервопривод получает на вход значение управляющего параметра. Например, угол поворота.

Блок управления сравнивает это значение со значением на своём датчике.

На основе результата сравнения привод производит некоторое действие: например, поворот, ускорение или замедление так, чтобы значение с внутреннего датчика стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра.

Наиболее распространены сервоприводы, которые удерживают заданный угол, и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.

Сервопривод состоит из следующих компонентов: Мотор-редуктор, силовой драйвер, энкодер, зажим для энкодера, микроконтроллер.

Привод — электромотор с редуктором. Чтобы преобразовать электричество в механический поворот, необходим электромотор. Однако зачастую скорость вращения мотора бывает слишком большой для практического использования. Для понижения скорости используется редуктор: механизм из шестерней, передающий и преобразующий крутящий момент.

Включая и выключая электромотор, можно вращать выходной вал — конечную шестерню сервопривода, к которой можно прикрепить нечто, чем мы хотим управлять. Однако, для того чтобы положение контролировалось устройством, необходим датчик обратной связи — энкодер, который будет преобразовывать угол поворота обратно в электрический сигнал. Для этого часто используется потенциометр. При повороте бегунка потенциометра происходит изменение его сопротивления, пропорциональное углу поворота. Таким образом, с его помощью можно установить текущее положение механизма.

Кроме электромотора, редуктора и потенциометра в сервоприводе имеется электронная начинка, которая отвечает за приём внешнего параметра, считывание значений с потенциометра, их сравнение и включение/выключение мотора. Она-то и отвечает за поддержание отрицательной обратной связи.

К сервоприводу тянется три провода. Два из них отвечают за питание мотора, третий доставляет управляющий сигнал, который используется для выставления положения устройства.

В качестве мотор-редуктора в нашем самодельном серве используется обычный мотор от электростеклоподъёмников. Опробованы и российские и китайские модели. Подходят все, имеющие стандартное крепление. Этот редуктор дешевый и дает огромный момент.

или же собранный

Хотя скорее подходят все имеющие возможность всверлиться в выходную ось вращения для установки энкодера.

Силовой драйвер - самая сложная и напряженная часть сервопривода.

Драйвер был трижды полностью переработан. В первой версии сервопривода использовался драйвер на Н-мосте биполярных транзисторов (кт827 и кт825).

Этот драйвер работал, но очень короткий срок (менее минуты). Далее наступал перегрев. Для более слабых моторов пойдет, но для мощных стеклоподъемников нет. Применения теплоотводов было невозможно, т.к. это значительно увеличивало массогабариты. А это один из основных параметров. Масса и размеры сервопривода должны быть минимальны. Во второй версии была попытка использовать Н-мост на силовых полевых транзисторах (irp9140n и irfz44n) .. Драйвер не заработал совсем, несмотря на все усилия. Причина была в слишком низком напряжении на выходе микроконтроллера управления.

Требовалось увеличить напряжения до 12 в, с сохранением возможности ШИМ. В третей версии драйвера были устранены все недостатки предыдущих моделей драйвера. Драйвер в этой модели представляет собой два Н-моста , внутренний мост на полевых транзисторах и внешний мост на биполярных. . Нагрев транзисторов во время испытания был минимален и поэтому теплоотвод был уже не нужен. Внешний мост увеличивал напряжения до необходимого, а внутренний нужен был для силового управления мотором. Схема для удобства была разделена на две части.

Энкодер представляет собой обычный переменный резистор на 5ком.Особых требований к нему нет. Единственное условие кроме сопротивление является то ,чтобы выходной вал бегунка был 6 мм в диаметре. Он всверливается в выходную шестеренку мотора и позволяет определить текущий угол.

Микроконтроллер представляет собой электронную начинку от маломощных китайских микросервоприводов. Если просто — берем самую дешевую серву и выдираем оттуда мелкую плату. Это и есть мозги и контролер нашей сервы.

Аналог данной системы подобного размера у нас создать пока не получилось. Электроника питается от 5в. и выдает ШИМ сигнал того же уровня. ШИМ идет на драйвер. Микроконтроллер относительно надежен, дешев и точен, что позволяет использовать именно такой вариант, а не разрабатывать свой с нуля.Можно сделать и с нуля, но пайка смд деталей это такое дело...

Выходы этого контролера, те что шли на мотор, надо подключить к входам H моста. А выходу моста уже к мотор-редуктору.

Такая конструкция сервопривода показала себя очень хорошо и будет дальше улучшаться и использоваться .

Апробационной площадкой для испытаний роботизированного хирургического экзоскелета стала Волгоградская областная клиническая больница №1, а первым испытателем конструкции – врач акушер-гинеколог отделения гинекологии ВОКБ № 1, эндоскопист Виктория Александровна Сейкина.

«Спина отдыхает, потому что вес рук держится на экзоскелете… У него достаточно большой запас на модификации по размерам, - делится своими мыслями В.А. Сейкина. – Очень мобильный… очень много элементов, которые можно подобрать, подкорректировать под себя, непосредственно самому хирургу в процессе подготовки к операции».

Эта версия экзоскелета вполне может стать спецодеждой для эндохиругов и в разы облегчить работу специалистов во время операций, сняв нагрузку с позвоночника и взяв на себя функцию поддержки рук одновременно не ограничивая их движений.  Для комфорта использования и эстетичности конструкции некоторые металлические детали скрыты под тканевым футляром. Внешне экзоскелет напоминает рюкзак с «крыльями», прикрепленными к карбоновой пластине – каркасу устройства, которая поддерживает спину в прямом положении. Всего же в этой модификации экзоскелета использовано 50 подшипников, и вообще более сотни сложных деталей.  Получен патент на изобретение.

Один из авторов изобретения – профессор А.А. Воробьев – сам хирург и не понаслышке знает проблемы своих коллег. «Сегодня современная медицина шагнула далеко вперед и построена на малоинвазивности и эндоскопии. Это будущее медицины, − отмечает профессор Воробьев. – Такие операции легче переносятся пациентами, уменьшают кровопотери, сокращают реабилитационный период. Зато хирургам работать стало сложнее: многочасовые операции либо несколько операций подряд! И все это практически в одном положении тела с полной концентрацией внимания, глядя на экран монитора… Значительное нервно-эмоциональное и психическое напряжение, статическое напряжение отдельных групп мышц… Это приводит к потере трудоспособности, снижению производительности труда, ухудшению результатов операций».

Поэтому совершенно не удивительно, что идея создать модификацию экзоскелета для эндохирурга не просто витала в воздухе, она активно искала пути реализации. И в стенах Волгоградского меда учёные работали над спецодеждой для эндоскописта. Для этого были поставлены дополнительно основные задачи: устройство не должно ограничивать движений хирурга, должно иметь возможность быть простерилизованным или полностью скрываться под стерильным халатом от операционного поля, помимо лёгкости по весу должно снимать нагрузку с позвоночника, принимая её на себя.

Соавтор-разработчик старший научный сотрудник лаборатории моделирования патологии Волгоградского медицинского научного центра, к.м.н. Ф.А. Андрющенко рассказал, что это устройство создано с большим запасом прочности – 2-, 3-, 5-кратным, «чтобы в момент операции исключить возможность даже случайной поломки». «Это полностью Российский аппарат, – объясняет Фёдор Андреевич. – В его изготовлении использованы материалы только отечественного производства. Металлические детали – это авиационный сплав... Наш экзоскелет, несмотря на сложность изготовления, прост и дёшев в эксплуатации».

Будущее, о котором говорил Н.И. Пирогов, наступает. Во время презентации А.А. Воробьев процитировал его слова: «Будущее принадлежит медицине профилактической». Именно это и предстоит решать новому экзоскелету эндохирурга, помогая врачу избежать профзаболеваний.
https://www.volgmed.ru/ru/news/content/2019/04/10/7850/