Моторика: наш первый биоэлектрический киборг
В июне 2017 года бионический протез «Страдивари» вышел за пределы лаборатории «Моторики» в Сколково и отправился в мир. С того момента уже трое получили свои первые моториканские миоэлектрические девайсы, но сегодня мы расскажем о самом-самом первом.
Кто стал первым киборгом, которого увидел свет, как протез справился с нагрузкой и чем все это обернулось — об этом мы расскажем в статье.
Бионический протез «Страдивари» изнутри
Создание современного высокотехнологического продукта проходит через разные стадии. Наша бионика начинает историю летом 2015 года, когда обсуждали первые варианты характеристик и опытных образцов. Постепенно разработка набирала обороты, расчёты и эскизы проверялись испытаниями и экспериментами. С тех пор вышло более 10 прототипов, с каждым разом мы меняли протез, спорили над конструкцией и затем проверяли решения. Пототипы тестировались пилотами, мы получали фидбэк, и снова начинали работать. Такой сказочный воркфлоу :)
В нынешней версии бионического протеза нами спроектировано все: механическая часть, корпусы, редукторы, зубчатые колеса, электронные компоненты, а также специальная конструкция подшипника для уменьшения размера.
Сейчас в бионическом протезе руки «Страдивари» стоят два электромиографических датчика (ЭМГ-датчика). Они определяют электрический потенциал, который вырабатывают мышцы. Полученная информация передается на микропроцессор кисти, затем через компьютерные алгоритмы она преобразуется в двигательные команды. Происходит схват.
Определение сигнала
Для комфортного управления протезом важно быстро и безошибочно определить сигнал, что не удавалось в первые месяцы испытаний.
Каждый день возникали ошибки. Их причину было сложно определить: нужно было проводить калибровку, чтобы минимизировать вероятность ошибок, перепаивать провода по новой схеме, менять прошивку в зависимости от усталости мышц, и даже поднимать ноги для уменьшения электрических наводок от пола. Это продолжалось и в будни, и в выходные. Мы проверяли разные идеи, но получить прогнозируемый результат не удавалось.
Тогда со свежими идеями к нам на помощь пришла талантливая студентка Таня. Мы увидели наши проблемы с другой стороны, и решения стали приходить быстрее. О том, как создавался алгоритм калибровки сигнала мы написали статью «Путь из лагерного робототехника в создателя киборгов».
Сейчас мы уже уверены, что сигнал у разных людей может отличаться, его сила и чистота зависит от состояния и тонуса мышц, а качество пайки должно быть безупречным. Мы взяли наиболее распространенные характеристики сигнала и настроили прошивку микроконтроллера под него. Настройка прошивки прошла несколько отладочных версий, прежде чем мы исключили наиболее вероятные причины поломки и сделали окончательный вариант.
Обучение протеза: учиться, учиться и еще раз учиться
Каждый раз при включении питания первые 2–3 секунды протез обучается касательно своих геометрических размеров и расположения конечных точек. Это обучение происходит так: при каждом включении бионического протеза «Страдивари» двигатель вращается на малом токе медленно до упора. Эти данные он запоминает и дальше работает сам. После выключения данные «забываются» и при следующем включение все происходит по новой. Для чего нужно это обучение? Для того, чтобы протез не порвал оболочку и не сломал себя в крайних точках траектории.
Шутим, конечно)) Так было в первых версиях прошивки. Сейчас протез не сможет порвать оболочку и сломать себя, а начальная калибровка необходима для более эффективного энергопотребления и корректировки температурного диапазона работы.
Электропитание и масса протеза
Вместе с аккумулятором масса всего модуля 1101 г. Конечная масса протеза зависит от длины культи руки, формы и размеров другой руки и пропорций рук пользователя.
Одно из преимуществ нашей бионики — рациональное сочетание массы, размеров и длительности работы. Мы стараемся сделать наш протез удобным в использовании, поэтому наш аккумулятор можно подзаряжать по мере необходимости, а не ждать, пока он полностью разрядится. Один наш пользователь так и поступал: в течение дня он использовал протез, а вечером дома ставил его на подзарядку — такой режим электропитания не вредит аккумулятору.
Вес готового биоэлектрического протеза руки «Страдивари» вместе с аккумулятором
В режимах лабораторного испытания наш протез работает не менее 2500 полных циклов сжатия/разжатия на одной зарядке. Другими словами протезом можно, например, 16 часов подряд перекладывать детали на конвейере. В реальной эксплуатации наш протез на одной зарядке работает примерно 3 дня, то есть на выходные можно уезжать налегке без зарядки, тем более идти в бар, не боясь приехать домой с нерасжатой кружкой в руке (и такие случаи бывают у пользователей). А если протез забыли выключить, то и через неделю грусти и печальки без пользователя протез сохранит заряд и работоспособность.
Наш первый киборг
Мы гордимся не только нашей командой разрабочиков, но и нашими пилотами-киборгами. Самым первым стал Фуркат — это первый пользователь биоэлектрического протеза кисти «Страдивари», который покинул нашу лабораторию настоящим киборгом!
Для установки протеза необходима культеприемная гильза. Она изготавливается индивидуально в каждом случае и учитывает все особенности культи. За один приезд такую гильзу не сделать, Фуркат приезжал в протезное предприятие трижды.
Когда культеприемная гильза была готова, над ней поколдовал наш инженер и прикрепил к ней механическую и электрическую части протеза. Время и дата установки были назначены. И вот время пришло! Для опытного инженера Фёдора Кубышкина это была бессонная ночь, ведь предстояли тесты не на собственных руках, а на реальном пользователе с реальными задачами. Фуркат приехал к лабораторию в Сколково с утра, и процесс начался.
Протез кисти надевается на культеприемную гильзу, специально закреплять его не нужно, он держится за счет особенностей формы руки и гильзы. Следующим шагом стала настройка ЭМГ-датчиков, и уже после Фуркат приступил к первой тренировке с протезом. Его задачей было брать и переставлять разные предметы. Сначала он управлялся протезом без косметической оболочки:
Протез с косметической оболочкой в действии выглядит так:
Одним из интересных испытаний в быту, которые прошлым летом выпали на долю первого протеза, стал газон. Точнее, газонокосилка, которой Фуркат косил газон. Не без гордости наши инженеры взирали на результат его работы :)
Еще одним важным моментом, о котором нельзя не упомянуть, является то, что бионический протез руки «Страдивари» пользователи могут получить бесплатно. О том, как это делается можно почитать в руководстве «Как получить протез бесплатно за счет государства».
Первая осень киборга
Установку протеза кисти мы проводили летом. С первой версии констурирования были приняты верные решения, которые безотказно работали у Фурката. Уже в октябре мы по своей инициативе провели технический осмотр протеза и обновили механику и электронику: версия механики была обновлена до четвёртой, а версия прошивки до девятой. На протезе есть кнопки, которые активируют схват и разжатие пальцев, используются для диагностики неполадок и в период обучения пользованию протеза. В одну из последних встреч Фуркат сказал, что будет не против, если мы их уберем, ему достаточно ЭМГ-датчиков для управления протезом. Сейчас он использует протез по нескольку часов в день и доволен его работой.
Мы тоже. Но будем продолжать совершенствовать «начинку» и возможности протеза: у нас установился такой порядок, что новая версия прошивки появляется каждый месяц, а механика получает апгрейд каждые 2–3 месяца. В наших планах улучшить его сопротивление статическим нагрузкам — повиснуть на нем, опереться и т.п., увеличить число хватов. В общем, есть еще, что усовершенствовать!
Пока готовилась статья, наша лаборатория потрудилась над еще парой киборгов — девочкой Залией и Геннадием.
Залия, испытатель первого бионического протеза для подростков
Геннадий из Казахстана. Киборг, который получил водительские права
Объединившись с «Альфа-банком» мы научили протез платить по счетам, а точнее расплачиваться в магазинах и общественном транспорте в одно касание. Как это происходит, покажет наш пилот-испытатель и комрад Сергей:
А тем временем в лаборатории в специальном шкафу лежат другие протезы кистей и ждут, чтобы сделать чью-то жизнь технологичнее и лучше.
Первый детский бионический протез
Сейчас мы запустили краудфандинговую кампанию. Ее цель — создать биоэлектрические протезы для маленьких супергероев. Пока в мире нет доступных детских протезов, но в наших силах это исправить. Да и в ваших, если вы к нам присоединитесь, сделаете ли вы взнос или поделитесь ссылкой на кампанию «Моторика — бионические протезы для маленьких супергероев» — оба эти варианта действия принесут пользу!
