RU220273U1 - Board for controlling a bionic prosthesis - Google Patents
Board for controlling a bionic prosthesis Download PDFInfo
- Publication number
- RU220273U1 RU220273U1 RU2022132459U RU2022132459U RU220273U1 RU 220273 U1 RU220273 U1 RU 220273U1 RU 2022132459 U RU2022132459 U RU 2022132459U RU 2022132459 U RU2022132459 U RU 2022132459U RU 220273 U1 RU220273 U1 RU 220273U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bionic
- subunit
- board
- controlling
- prosthesis
- Prior art date
Links
Abstract
Полезная модель относится к области биопротезирования. Устройство предусмотрено для подключения к бионическому протезу руки человека и установки внутрь его корпуса. Устройство представляет собой печатную плату с установленными на ней электронными компонентами. Структурно устройство состоит из 3 блоков: блока управления бионич. протезом, блока контроля питания и блока датчиков тока. Плата выполняет функции управления бионич. протезом и контроля аккумуляторной батареи. Функции управления протезом включают в себя чтение и обработку сигналов с миографических датчиков, установленных на сохраненной части руки, а также управление двигателями, приводящими в движение бионич. протез. Функции контроля батареи включают в себя защиту от перегрева и защиту от глубокого разряда. The utility model relates to the field of bioprosthetics. The device is designed for connection to a bionic prosthetic human hand and installation inside its body. The device is a printed circuit board with electronic components installed on it. Structurally, the device consists of 3 blocks: a bionic control unit. prosthesis, power control unit and current sensor unit. The board performs bionic control functions. prosthesis and battery control. The prosthetic control functions include reading and processing signals from myographic sensors installed on the preserved part of the arm, as well as controlling the motors that drive the bionic. prosthesis. Battery monitoring features include overheat protection and deep discharge protection.
Description
Область техникиField of technology
Полезная модель относится к области медицинской техники, а именно к биопротезированию, в частности устройство предусмотрено для подключения к бионическому протезу руки человека и установки внутрь его корпуса. А также возможно применение полезной модели в области обучения техническим и биомедицинским наукам в качестве системы управления образовательных стендов и макетов.The utility model relates to the field of medical technology, namely bioprosthetics; in particular, the device is designed to be connected to a bionic prosthetic human arm and installed inside its body. It is also possible to use a utility model in the field of teaching technical and biomedical sciences as a management system for educational stands and layouts.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время из известного уровня техники существуют многочисленные описания бионических протезов в целом, но небольшое число описаний системы управления бионических протезов, как отдельного устройства, выполняющих задачи управления бионическим протезом. Известно, что существует модуль регистрации и первичной обработки биопотенциалов (RU 204901 U1, 17.06.2021), который может использоваться в системах управления бионическими конечностями. Данное устройство отличается тем, что обеспечивает регистрацию, первичную обработку и усиление сигналов с ЭМГ или ЭЭГ датчиков и может быть подключено к внешнему микроконтроллеру, а также снабжен блоком инверсии сигнала синфазной помехи в качестве средства подавления синфазной помехи и блоком буферизации входных сигналов в виде двух буферов, подключенных входами к упомянутым контактным элементам, а выходами - к соответствующим входам инструментального усилителя и входу блока инверсии сигнала синфазной помехи, при этом выход блока инверсии подключен к контактному элементу, введенному в устройство для обеспечения обратной связи, обеспечивающей замыкание инвертированного сигнала синфазной помехи с выходов буферов на тело пользователя, выход АЦП и шина данных цифрового потенциометра соединены общей шиной данных SPI. Недостатком аналога является отсутствие микроконтроллера для конечной обработки и анализа сигнала с датчиков и расчета управления электродвигателями бионического протеза.Currently, from the prior art, there are numerous descriptions of bionic prostheses in general, but a small number of descriptions of the control system of bionic prostheses, as a separate device, performing the tasks of controlling a bionic prosthesis. It is known that there is a module for registration and primary processing of biopotentials (RU 204901 U1, 06/17/2021), which can be used in control systems for bionic limbs. This device is distinguished by the fact that it provides registration, primary processing and amplification of signals from EMG or EEG sensors and can be connected to an external microcontroller, and is also equipped with a common-mode signal inversion unit as a means of suppressing common-mode interference and an input signal buffering unit in the form of two buffers , connected by the inputs to the mentioned contact elements, and by the outputs to the corresponding inputs of the instrumentation amplifier and the input of the common mode noise signal inversion block, while the output of the inversion block is connected to the contact element inserted into the device to provide feedback, ensuring the closure of the inverted common mode noise signal from the outputs buffers to the user's body, the ADC output and the digital potentiometer data bus are connected by a common SPI data bus. The disadvantage of the analogue is the lack of a microcontroller for final processing and analysis of the signal from the sensors and calculation of the control of the electric motors of the bionic prosthesis.
Также существует аналог, описанный в патенте RU 2635632 С1, 14.11.2017, в котором осуществляется обработка ЭМГ-сигнала; передача набора признаков ЭМГ-сигнала в систему управления интеллектуальной бионической конечностью; определение типа жеста на основании набора признаков ЭМГ-сигнала посредством использования искусственной нейронной сети; формирование управляющего сигнал на основании определенного типа жеста и передача на двигатели, приводящие в движение пальцы бионической конечности. В этом аналоге обеспечивается простая схема усиления сигнала с использованием инструментального усилителя и «драйвера правой ноги» (инверсия сигнала синфазной помехи) с фиксированным коэффициентом усиления. Недостатком аналога является то, что система управления интеллектуальной бионической конечностью состоит из многочисленных блоков, соединенных между собой гибкими шлейфами и расположенных на расстоянии друг от друга в различных частях бионической конечности, что снижает надежность системы и помехозащищенность линии передачи сигналов, а также увеличивает общие размеры системы управления.There is also an analogue described in patent RU 2635632 C1, November 14, 2017, in which the EMG signal is processed; transferring a set of EMG signal features to the control system of an intelligent bionic limb; determining the type of gesture based on a set of features of the EMG signal through the use of an artificial neural network; generation of a control signal based on a certain type of gesture and transmission to the motors that drive the fingers of the bionic limb. This analogue provides a simple signal amplification circuit using an instrumentation amplifier and a "right-foot driver" (common-mode signal inversion) with a fixed gain. The disadvantage of the analogue is that the control system for an intelligent bionic limb consists of numerous blocks interconnected by flexible cables and located at a distance from each other in different parts of the bionic limb, which reduces the reliability of the system and the noise immunity of the signal transmission line, and also increases the overall size of the system management.
Наиболее близким прототипом является система управления протезом, описанная, как часть бионического протеза кисти руки в патенте RU 176303 U1, 16.01.2018. Система управления протезом выполнена в виде микропроцессорной системы и включает в себя микроконтроллер управления протезом и соединенные с ним управляющие драйверы электроприводов систем сгибания пяти пальцев, датчики угла сгибания пяти пальцев, тензометрические датчики усилия схвата, датчик смещения поверхности удерживаемого протезом предмета привод устройства блокировки 2 поворотного основания первого пальца, сетевые интерфейсы для проводной и беспроводной коммуникации с внешними устройствами, интерфейсы для приема биоэлектрических сигналов управления, средства ввода-вывода отображения и настройки функций протеза, устройство электропитания. А также устройство обладает размерами, позволяющими установку внутрь ладони бионического протеза. Однако, недостатком данной системы является отсутствие блока управления автономным питанием, включающим в себя субблок зарядки, субблок контроля напряжения и субблок преобразования напряжения питания.The closest prototype is the prosthesis control system, described as part of a bionic hand prosthesis in patent RU 176303 U1, 01/16/2018. The prosthesis control system is made in the form of a microprocessor system and includes a prosthesis control microcontroller and connected to it control drivers of electric drives of five-finger flexion systems, five-finger flexion angle sensors, strain gauge grip force sensors, a displacement sensor for the surface of an object held by the prosthesis, a drive for locking device 2 of the rotary base. first finger, network interfaces for wired and wireless communication with external devices, interfaces for receiving bioelectric control signals, input/output means for displaying and setting up prosthesis functions, power supply device. The device is also sized to allow installation of a bionic prosthesis inside the palm. However, the disadvantage of this system is the absence of an autonomous power supply control unit, which includes a charging subunit, a voltage control subunit and a supply voltage conversion subunit.
Раскрытие сущностиEssence Revealing
В последние годы в связи с развитием современной микроэлектронной базы появилась возможность минимизировать размеры и вес медицинской аппаратуры, в том числе бионических протезов. Бионические протезы постепенно приходят на смену традиционным, не позволяющим человеку контролировать движения искусственных пальцев рук. Одним из компонентов, влияющих на крупные габариты и большой вес протеза, является аппаратура управления бионическим протезом. Таким образом, при достижении снижения габаритных размеров и веса аппаратуры, можно добиться улучшения пользовательских характеристик всего изделия.In recent years, in connection with the development of modern microelectronic base, it has become possible to minimize the size and weight of medical equipment, including bionic prostheses. Bionic prostheses are gradually replacing traditional ones, which do not allow a person to control the movements of artificial fingers. One of the components that influences the large dimensions and heavy weight of the prosthesis is the control equipment for the bionic prosthesis. Thus, by achieving a reduction in the overall dimensions and weight of the equipment, it is possible to improve the user characteristics of the entire product.
Следовательно, была поставлена техническая задача разработки устройства управления бионическим протезом, выполненного в виде платы с размерами не более 70×40×10 мм, весом не более 20 грамм и выполняющего функции:Consequently, the technical task was set to develop a control device for a bionic prosthesis, made in the form of a board with dimensions of no more than 70 × 40 × 10 mm, weighing no more than 20 grams and performing the following functions:
управление 6 электродвигателями;control of 6 electric motors;
получение данных от 6 электромиографических (ЭМГ) датчиков, 6 датчиков тока и 6 датчиков положения электродвигателей;receiving data from 6 electromyographic (EMG) sensors, 6 current sensors and 6 electric motor position sensors;
формирование напряжений питания для работы электродвигателей (+5 В) и микроконтроллера (+3,3 В);generation of supply voltages for operation of electric motors (+5 V) and microcontroller (+3.3 V);
управление зарядкой аккумуляторной батареи (АКБ) типа 2S2P (две ячейки последовательно, две параллельно) от источника напряжения 10 В;control of charging of a 2S2P type battery (two cells in series, two in parallel) from a voltage source of 10 V;
защита АКБ от разряда ниже допустимых значений (3 В) и обеспечение выхода из этого состояния при последующей зарядке;protecting the battery from discharge below permissible values (3 V) and ensuring recovery from this state during subsequent charging;
активная балансировка током до 200 мА последовательно подключенных элементов АКБ;active balancing with a current of up to 200 mA of series-connected battery elements;
защита от перегрева АКБ при зарядке;protection against battery overheating when charging;
управление внешней индикацией состояния процесса зарядки АКБ. Красный цвет в ходе выполнения зарядки, зеленый при успешном завершении зарядки, оба вместе при перегреве или повреждении ячеек.control of external indication of the state of the battery charging process. Red when charging is in progress, green when charging is successful, both together when the cells are overheated or damaged.
При анализе рынка существующих решений не было найдено единого устройства, обеспечивающего весь необходимый функционал.When analyzing the market for existing solutions, no single device was found that provides all the necessary functionality.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемой полезной модели, заключается в уменьшении массово-габаритных характеристик системы управления бионическим протезом и объединении всех ее компонентов в одном устройстве с добавлением функций работы с аккумуляторной батареей, что помогает улучшить помехозащищенность полезной модели.The technical result achieved by implementing the proposed utility model is to reduce the weight and size characteristics of the bionic prosthesis control system and combine all its components in one device with the addition of functions for working with a battery, which helps improve the noise immunity of the utility model.
Данная задача достигается за счет того, что полезная модель состоит из следующих функциональных блоков: блок управления бионическим протезом, основным элементом которого является микроконтроллер, позволяющий достичь минимального времени обработки сигнала с электромиографических датчиков и рассчитать сигналы для управления электроприводов бионического протеза; блок датчиков тока, позволяющий получать обратную связь по усилию на электродвигатели; в отличие от прототипа, снабжен блоком контроля питания, который разделен на функциональные субблоки: субблок аккумуляторной батареи, являющийся источником питания для автономной работы бионического протеза, субблок зарядки, выполняющий зарядку аккумуляторной батареей, субблок контроля напряжения, измеряющий с высокой точностью напряжение на 4 аккумуляторной батарее, субблок балансировки, производящий балансировку ячеек аккумуляторной батареи, субблок преобразования напряжения, формирующий напряжение питания для всего устройства. Данные блоки представляют собой электронные компоненты, установленные на печатную плату из жаростойкого текстолита, покрытую паяльной маской, по средствам пайки и электрически соединены между собой медными печатными проводниками.This task is achieved due to the fact that the utility model consists of the following functional blocks: a control unit for a bionic prosthesis, the main element of which is a microcontroller that makes it possible to achieve a minimum processing time for signals from electromyographic sensors and calculate signals for controlling electric drives of a bionic prosthesis; a current sensor unit that allows you to receive force feedback to electric motors; Unlike the prototype, it is equipped with a power control unit, which is divided into functional subunits: a battery subunit, which is the power source for the autonomous operation of the bionic prosthesis, a charging subunit, which charges the battery, a voltage control subunit, which accurately measures the voltage on the 4th battery , a balancing subunit that balances the battery cells, a voltage conversion subunit that generates the supply voltage for the entire device. These blocks are electronic components installed on a printed circuit board made of heat-resistant PCB, covered with a solder mask, by soldering and electrically connected to each other by copper printed conductors.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Сущность полезной модели позволяют раскрыть следующие чертежи:The essence of the utility model can be revealed in the following drawings:
Фиг. 1 - структурная функциональная схема,Fig. 1 - structural functional diagram,
Фиг. 2 - принципиальная электрическая схема,Fig. 2 - electrical circuit diagram,
Фиг. 3 - общий вид печатной платы полезной модели.Fig. 3 - general view of the utility model printed circuit board.
Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model
Блок управления бионическим протезом 1 выполнен на базе микроконтроллера STM32F303RET6. Субблок аккумуляторной батареи 2 блока контроля питания 3 выполнен в виде 4 ячеек типоразмера 18650, 2 из которых соединены последовательно, 2 параллельно по схеме 2S2P. Вместе с ними установлен NTC терморезистор для контроля температуры ячеек. В субблоке контроля напряжения 2 блока контроля питания 3 были применены супервизоры MCP100T-300I/TT с током потребления 45 мкА, точностью измерения ±75 мВ. В субблоке балансировки 4 была использована микросхема LM2663 с током до 200 мА и потреблением 1,3 мА. Субблок преобразования напряжения в блоке контроля питания состоит из преобразователей напряжения на 5 В и 3,3 В. Преобразователь +5 В в субблоке преобразования напряжения питания 5 был выполнен на микросхеме ST1S10, током до 3А. Преобразователь+3,3 В в субблоке преобразования напряжения питания 5 был выполнен на микросхеме L78L33 с выходным током до 100 мА.The control unit for bionic prosthesis 1 is based on the STM32F303RET6 microcontroller. The battery subunit 2 of the power control unit 3 is made in the form of 4 cells of standard size 18650, 2 of which are connected in series, 2 in parallel according to the 2S2P circuit. Together with them, an NTC thermistor is installed to control the temperature of the cells. In the voltage control subunit 2 of the power control unit 3, MCP100T-300I/TT supervisors with a current consumption of 45 μA and a measurement accuracy of ±75 mV were used. Balancing subunit 4 used an LM2663 chip with a current of up to 200 mA and a consumption of 1.3 mA. The voltage conversion subunit in the power control unit consists of voltage converters of 5 V and 3.3 V. The +5 V converter in the supply voltage conversion subunit 5 was made on an ST1S10 chip, with a current of up to 3A. The +3.3 V converter in the supply voltage conversion subunit 5 was made on the L78L33 chip with an output current of up to 100 mA.
Блок датчиков тока 6 выполнен на микросхеме ZXCT1010 с чувствительностью 1 мВ/мА в диапазоне 10-3000 мА.The current sensor block 6 is made on a ZXCT1010 chip with a sensitivity of 1 mV/mA in the range of 10-3000 mA.
Субблок зарядки 7 выполнен на микросхеме BQ2057WSN с погрешностью регулирования напряжения 1%. Для управления током зарядки в субблоке зарядки 7 выбран р-канальный транзистор IRF4905.Charging subunit 7 is made on a BQ2057WSN chip with a voltage regulation error of 1%. To control the charging current in charging subunit 7, a p-channel transistor IRF4905 is selected.
Все электронные компоненты установлены на печатную плату с размерами 70×40×10 мм из жаростойкого текстолита марки FR4, покрытую паяльной маской, по средствам пайки и электрически соединены между собой медными печатными проводниками толщиной 33 мкм. Вес полезной модели в сборе составил 20 грамм.All electronic components are installed on a printed circuit board with dimensions of 70x40x10 mm made of heat-resistant textolite FR4, covered with a solder mask, by soldering and electrically connected to each other by copper printed conductors 33 microns thick. The weight of the assembled useful model was 20 grams.
Claims (4)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU220273U1 true RU220273U1 (en) | 2023-09-05 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1999026330A2 (en) * | 1997-11-17 | 1999-05-27 | Lifestyle Technologies | Universal power supply |
EP2618455A1 (en) * | 2010-09-14 | 2013-07-24 | Sony Corporation | Group of charge-storage units, charger, electronic device, electrically driven vehicle, method for charging and method for discharging group of charge-storage units, method for supplying/receiving electric power, and method for determining charge/discharge route in group of charge-storage units |
RU2635632C1 (en) * | 2016-12-14 | 2017-11-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Бионик Натали" | Method and system of intellectual bionic limb control |
RU176303U1 (en) * | 2017-07-11 | 2018-01-16 | Станислав Александрович Муравьёв | BIONIC HAND BRUSHES |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1999026330A2 (en) * | 1997-11-17 | 1999-05-27 | Lifestyle Technologies | Universal power supply |
EP2618455A1 (en) * | 2010-09-14 | 2013-07-24 | Sony Corporation | Group of charge-storage units, charger, electronic device, electrically driven vehicle, method for charging and method for discharging group of charge-storage units, method for supplying/receiving electric power, and method for determining charge/discharge route in group of charge-storage units |
RU2635632C1 (en) * | 2016-12-14 | 2017-11-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Бионик Натали" | Method and system of intellectual bionic limb control |
RU176303U1 (en) * | 2017-07-11 | 2018-01-16 | Станислав Александрович Муравьёв | BIONIC HAND BRUSHES |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Guerreiro et al. | BITalino-A multimodal platform for physiological computing. | |
Connan et al. | Assessment of a wearable force-and electromyography device and comparison of the related signals for myocontrol | |
US20200170547A1 (en) | A human intention detection system for motion assistance | |
CN108720842A (en) | Wearable lower limb rehabilitation system based on electromyography signal feedback | |
CN103892945A (en) | Myoelectric prosthesis control system | |
EP2326242A1 (en) | Ecg data acquisition device | |
CN113332597B (en) | Functional electric stimulation instrument capable of adaptively adjusting output intensity and control method thereof | |
Akhtar et al. | A low-cost, open-source, compliant hand for enabling sensorimotor control for people with transradial amputations | |
RU220273U1 (en) | Board for controlling a bionic prosthesis | |
Fujiwara et al. | Identification of hand gestures using the inertial measurement unit of a smartphone: a proof-of-concept study | |
CN108968957A (en) | A kind of knee joint, ankle motion feel tester | |
Kamei et al. | Classification of forearm and finger motions using electromyogram and arm-shape-changes | |
Saggio et al. | Long term measurement of human joint movements for health care and rehabilitation purposes | |
Suh et al. | Finger motion detection glove toward human-machine interface | |
Anderson et al. | Calibration and evaluation of a force measurement glove for field-based monitoring of manual wheelchair users | |
CN110338809B (en) | A baby hip posture capturer | |
CN110152274A (en) | Horizontal bar-based wearable device and method of use thereof | |
CN215227749U (en) | A portable remote non-invasive continuous electromyography monitoring device | |
CN101342101B (en) | Multi-freedom prosthetic hand control device based on multi-force sensitive resistance sensor | |
Wheeler et al. | Wireless wearable controller for upper-limb neuroprosthesis. | |
JP6840343B2 (en) | Pseudo-electroencephalogram generation system and electroencephalogram measurement system | |
TWM537471U (en) | Muscle power detection device for muscle power classification | |
CN112148126A (en) | Limb action sensing device, system and wearable equipment | |
CN112426134A (en) | Tongue muscle stress detection and swallowing function rehabilitation training device in oral cavity | |
Zizoua et al. | Wearable bio-instrument for detecting body movement based on strain gauges |