Протез стопы на 3д-принтере. Пройти путь от идеи до прототипа
Здравствуйте уважаемые хабаровчане! Вас приветствует молодой стартап Медитроника. Мы хотим поделиться с вами процессом создания искусственной человеческой стопы, а также рассказать о трудностях, с которыми нам пришлось столкнуться.
Все началось в 2019, когда мы познакомились с Михаилом — бывшим спортсменом, который лишился конечности в результате автомобильной аварии. В ходе беседы выяснилось, что протез стопы обошёлся ему в несколько сотен тысяч рублей. Самым удивительным оказался тот факт, что при такой огромной стоимости протеза, его возможности весьма ограничены (протез очень жесткий, так как делается из карбона). А в случае появления трещины или расслоения, замене подлежит вся стопа целиком. Тогда мы и загорелись идеей сделать надежный, модульный, функциональный, а главное доступный протез стопы, часть деталей которого можно было бы распечатать на 3D-принтере, а часть заказать на любой торговой площадке типа AliExpress.
Просмотрев рынок протезов ног, прикинув все за и против и прогнав через светлые умы нашей тогда еще НЕкоманды основные цели и задачи, мы приступили к увлекательнейшему процессу создания прототипа нашего протеза.
Так развивался наш проект
Мы разбили нашу работу на четыре этапа:
1. Проектирование
2. Конструирование
3. Тестирование
4. Внедрение
Нашими главными задачами были:
— уложиться в габариты по высоте (75 мм)
— протез должен выдерживать человека массой минимум 90 кг
— большинство деталей должны быть доступны в продаже или печататься на 3D-принтере
— сделать протез ремонтопригодным для непродвинутых пользователей
Наш первый прототип не отличался каким-то изысканным дизайном, этот шаг был направлен на проверку прочности критически важных силовых узлов, а также выявления недостатков конструкции.
Именно на этом этапе была сформирована общая концепция конструкции.
Результаты тестов нас порадовали, все элементы протеза, за исключением покупных петель, которые имели значительный люфт
Так же параллельно мы протестировали форму протеза, которая повторяет дорогостоящие карбоновые стопы, использовав различные комбинации следующих параметров:
сдвоенный механизм или одинарный
разные формы подошвенной пружины
разные материалы (ABS, PLA, SBS)
разную степень заполнения при печати деталей (от 10 до 100%)
с прорезью и без
Наилучшей комбинацией оказалась одинарная пружина без прорезей на раздвоенной подошвенной пружине из PLA 75% заполнения. Такая комбинация показала оптимальные показния гибкости, на такой модели можно было не только ходить, но и бегать. Однако от такой компоновки пришлось отказаться, т.к. пластик лопался в крайних положениях, а при увеличении процента заполнения терялась нужная гибкость, поэтому мы вернулись к первоначальной компоновке.
Следующим нашим шагом был эксперимент с петлями.
Петли напечатанные из PLA или ABS не выдерживали нагрузки и лопались.
Металлические покупные петли оказались очень тяжелыми и со временем давали сильный люфт.
В итоге мы остановились на дюралюминиевых петлях, которые необходимо вытачивать на заказ. Поиски мастера способного выточить петли с минимальными допусками, заняли кучу времени и n-ое количество попыток.
По итогу петли оказались самой дорогой и трудозатратной деталью в протезе.
Следующим шагом были эксперименты с жесткостью и размером пружин, одним из важных критериев комфортного использования протеза является отсутствие «проваливания» в области подъема стопы (когда пружина очень мягкая) или напротив чрезмерной жесткости, которая не позволит накопиться энергии для эффективного выкида стопы. В итоге после ряда проб и ошибок, а также через обратную связь с тестировщиками, мы нашли золотую середину.
Параллельно со всеми вышеизложенными тестами мы проверяли на прочность разные пластики и быстро пришли к выводу, что лучшим выбором будет инженерный пластик: ABS либо нейлон. Хоть ABS довольно капризный пластик, но печатать дома им возможно. Тогда как нейлон почти не поддается домашней печати.
После ряда тестов и доработок нам удалось создать законченный прототип, который устраивал нас и тестировщиков. Наш протез оказался простым и надежным, т.е.таким, каким мы его и задумывали — он не боится воды, на нем можно прыгать и его просто ремонтировать. Из-за простоты конструкции его легко масштабировать почти под любой размер ноги, путем замены лишь двух печатаемых деталей. На нашем протезе легко регулировать жесткость пружин путем подкручивания барашков, что в свою очередь дает больше возможностей настраивать протез под определенные задачи: высокая активность/повседневность.
Процесс сборки
Законченный прототип состоит из:
-10 деталей печатаемых на 3D-принтере, 3 из которых носят лишь косметический характер и не влияют на функциональность.
-6 деталей которые можно приобрести на Aliexpress. (4 амортизатора и 2 подшипников).
-5 деталей (петли), которые вытачиваются отдельно
-4 оси
-18 винтов и гаек
Конечная стоимость протеза, с учетом затрат на материалы, обработку и сборку, составляет 25 000 руб (без учета стоимости пересылки), что по меркам аналогов довольно скромно.
Немного про планы:
Стопу мы изначально проектировали по модульному типу, с заделом на будущее. Под защитными накладками присутствует пространство, там планируется разместить модули с сервоприводами, чтобы стопа ассистировала человеку при подъеме по лестнице, а потом еще модуль и еще. И так до момента создания полноценной бионики, быть может даже превосходящей биологический эталон.
Нашей конечной целью является снабжение недорогими протезами людей, которые не могут себе позволить многомиллионные аналоги. Наш интерес в развитии нашего стартапа до полноценного КБ с постоянным штатом сотрудников для модернизации и развития доступного протезирования конечностей. К сожалению наши возможности ограничены, и в данный момент мы не можем реализовать многие идеи и решения ввиду отсутствия финансирования.
Сегодня мы находимся на заключительном этапе нашей кампании. Мы организуем сбор средств на мелкосерийное производство. Мы не призываем вас жертвовать нам средства, наш интерес лишь в распространении данной информации тем людям, которые нуждаются в недорогой и надежной искусственной стопе, так как такого рода продукция очень специфична и не имеет эффективных каналов рекламации.
Если хотите, вы тоже можете поддержать наш краудфанговый проект.
