Киберрука для набора текста: новая эра протезирования

Автор: Денис Аветисян

Исследователи представили DigiArm — доступный 3D-печатный протез руки, разработанный для повышения ловкости при выполнении задач, требующих точности, таких как работа на клавиатуре и игра на фортепиано.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Разработанный роботизированный протез руки демонстрирует независимое управление каждым пальцем, регулируемый размах и двухмерный запястный сустав, оптимизированный для задач, требующих высокой точности, таких как работа с клавиатурой и игра на фортепиано, при этом все компоненты изготовлены посредством 3D-печати с использованием доступной электроники и приводов.

DigiArm — это антропоморфный протез руки с миоэлектрическим управлением, регулируемым расстоянием между пальцами и движением запястья.

Несмотря на прогресс в области протезирования, воссоздание ловкости и интуитивного управления человеческой рукой остается сложной задачей. В данной работе, посвященной разработке ‘DigiArm: An Anthropomorphic 3D-Printed Prosthetic Hand with Enhanced Dexterity for Typing Tasks’, представлен доступный и воспроизводимый 3D-печатный роботизированный протез руки, специально разработанный для повышения ловкости при взаимодействии с электронными устройствами. Ключевой особенностью DigiArm является возможность регулировки разведения/сведения пальцев, двухмерное запястье с контролируемым уlnar/radial отклонением, оптимизированное для набора текста, и независимое управление каждым пальцем. Может ли предложенная конструкция обеспечить более эффективное выполнение задач, требующих точных движений, таких как работа с клавиатурой или игра на фортепиано, и значительно расширить функциональные возможности протезов рук?

Вызов ловкости: Ограничения современных протезов

Существующие протезы кистей рук зачастую не обладают достаточной ловкостью и приспособляемостью для выполнения сложных задач, таких как игра на фортепиано или набор текста, что существенно ограничивает самостоятельность пользователя. В то время как традиционные механические протезы предлагают лишь базовые хватательные движения, даже более современные миоэлектрические устройства, управляемые сигналами мышц, испытывают трудности с точным и плавным управлением каждым пальцем. Это приводит к тому, что люди с ампутацией испытывают значительные трудности в повседневной жизни, сталкиваясь с ограничениями в выполнении привычных действий и нуждаясь в помощи окружающих для решения задач, требующих тонкой моторики и координации. Разработка протезов, способных имитировать естественные движения и ощущения человеческой руки, остается сложной, но крайне важной задачей в области биомедицинской инженерии.

Несмотря на значительный прогресс в области протезирования, современные конструкции, даже использующие миоэлектрические интерфейсы, часто испытывают трудности с тонким управлением. Вместо естественной и адаптивной хватки, многие протезы полагаются на заранее запрограммированные варианты, что существенно ограничивает функциональность и возможности пользователя. Это приводит к тому, что выполнение даже простых повседневных задач, требующих деликатности и точности, становится затруднительным, а полноценное участие в сложных видах деятельности, таких как игра на музыкальных инструментах или набор текста, практически невозможно. Ограниченность в нюансировке движений препятствует достижению естественности и плавности, необходимых для полноценной интеграции протеза в повседневную жизнь.

Несмотря на значительные достижения в области протезирования, передовые решения, обеспечивающие более функциональные и удобные протезы, остаются недоступными для широкого круга нуждающихся. Высокая стоимость разработки, производства и обслуживания таких протезов, включая сложные электронные компоненты и индивидуальную настройку, создает существенный экономический барьер. Кроме того, ограниченное страховое покрытие и недостаточная государственная поддержка в большинстве стран усугубляют проблему доступности. Это приводит к тому, что многие люди, лишенные конечностей, вынуждены использовать более простые, менее эффективные протезы, либо вовсе обходятся без них, что существенно ограничивает их возможности для полноценной жизни и участия в общественной деятельности. Необходимость снижения стоимости и расширения доступа к передовым протезам является ключевой задачей для дальнейшего развития этой важной области медицины и реабилитации.

Анализ паттернов использования пальцев при выполнении задач, связанных с нажатием клавиш, выявил предпочтительное использование большого и указательного пальцев, а также специализацию большого пальца для клавиши пробела, при этом наблюдается тенденция к использованию внешних пальцев при нажатии клавиш, расположенных справа.

DigiArm: Доступное и адаптивное решение

DigiArm представляет собой новую роботизированную руку, созданную посредством 3D-печати, и направлена на устранение ограничений, присущих существующим протезам. Ключевым аспектом разработки является приоритет доступности и адаптивности устройства. В отличие от традиционных протезов, часто характеризующихся высокой стоимостью и ограниченными возможностями настройки, DigiArm использует недорогие материалы и модульную конструкцию. Это позволяет снизить общую стоимость производства и обеспечить возможность индивидуальной подгонки под конкретные потребности пользователя, включая изменение размера, формы и функциональности отдельных пальцев и всей конструкции руки. Разработка ориентирована на расширение доступа к передовым протезным технологиям для более широкого круга пациентов.

DigiArm использует кабельную систему привода и недоактивированный модуль пальцев для реализации сложных движений при упрощенной механической конструкции. Кабельный привод позволяет передавать усилие от двигателей к пальцам с минимальным количеством компонентов, снижая вес и стоимость устройства. Недоактивированный модуль пальцев, состоящий из соединенных звеньев, обеспечивает адаптацию к различным формам и размерам объектов без необходимости индивидуальной настройки каждого пальца. Такая конструкция значительно уменьшает сложность и стоимость производства по сравнению с традиционными протезами, сохраняя при этом функциональность и возможность захвата предметов различной формы и размера.

Платформа DigiArm, будучи полностью открытым исходным кодом, способствует развитию сообщества и кастомизации устройства. Это означает, что схемы, программное обеспечение и документация доступны для бесплатного использования, модификации и распространения. Открытый доступ позволяет исследователям, инженерам и энтузиастам вносить свой вклад в улучшение конструкции, алгоритмов управления и функциональности DigiArm. Более того, это позволяет индивидуальным пользователям и протезистам адаптировать устройство к конкретным потребностям и анатомическим особенностям, создавая персонализированные протезы, недоступные в рамках стандартных коммерческих решений. Открытый характер платформы также снижает стоимость разработки и производства, делая протезирование более доступным для широкого круга лиц.

Пользователь управляет DigiArm для набора текста, используя движения пальцев и запястья для имитации действий и нажатия клавиш.

Уточненное управление и механическая реализация

Конструкция DigiArm включает в себя двухстепенную свободу вращения запястья, обеспечивающую пронацию/супинацию и ульнарное/радиальное движение. Данная реализация позволяет расширить диапазон маневрирования и повысить гибкость манипулятора при взаимодействии с различными объектами и выполнениях точных задач. Пронация и супинация обеспечивают поворот кисти внутрь и наружу, а ульнарное и радиальное движение — отклонение кисти в стороны, имитируя естественные движения человеческой руки и повышая эффективность захвата и манипулирования.

Механизм разведения пальцев DigiArm обеспечивает ручную регулировку расстояния между ними, что позволяет адаптировать захват для объектов различной формы и размера. Данная функция позволяет пользователю изменять конфигурацию пальцев, оптимизируя контактную поверхность и повышая стабильность захвата при работе с предметами, не имеющими стандартной геометрии. Регулировка осуществляется непосредственно пользователем, обеспечивая гибкость и точность в адаптации к конкретным задачам и объектам.

Интеграция датчика силы и системы захвата движения обеспечивает обратную связь, необходимую для реализации замкнутого контура управления DigiArm. Датчик силы измеряет приложенное усилие при взаимодействии с объектами, а система захвата движения отслеживает положение и скорость пальцев и запястья. Эти данные передаются в управляющий микроконтроллер, который корректирует работу приводов для достижения заданной траектории и усилия. Такая реализация позволяет значительно повысить точность и отзывчивость манипулятора, минимизируя отклонения и обеспечивая стабильное взаимодействие с окружающей средой.

В качестве управляющей электроники DigiArm использует широко доступные микроконтроллеры, такие как ESP32 и Teensy 4.1. Выбор этих платформ позволяет существенно снизить стоимость устройства и упростить процесс интеграции в существующие системы. ESP32, благодаря встроенному модулю Wi-Fi и Bluetooth, обеспечивает возможности беспроводной связи и удаленного управления. Teensy 4.1, в свою очередь, отличается высокой производительностью и широким набором периферийных устройств, что позволяет реализовать сложные алгоритмы управления и обработки данных в реальном времени. Использование стандартных, легкодоступных компонентов облегчает процесс ремонта, модификации и дальнейшей разработки системы DigiArm.

В ходе тестирования было зафиксировано снижение на 19% компенсирующих движений локтя и плеча при выполнении задач, связанных с нажатием клавиш, при использовании регулируемого расстояния между пальцами и движений запястья. Данный показатель демонстрирует повышение удобства использования DigiArm при взаимодействии с цифровыми интерфейсами, указывая на снижение нагрузки на верхние конечности и повышение эффективности выполнения задач за счет оптимизации движений кисти и запястья.

Конструкция DigiArm обеспечивает надежный захват объектов массой до 2 кг. Данный показатель был определен в ходе серии тестов, включающих захват и удержание различных предметов с различной формой и размером. Предел в 2 кг гарантирует возможность взаимодействия с широким спектром инструментов и объектов повседневного использования, сохраняя при этом стабильность и точность манипуляций. Превышение данного веса может привести к снижению надежности захвата и необходимости дополнительной стабилизации.

Конструкция DigiArm включает в себя двухмоторный механизм запястья для лучезапястного и пронационно-супинационного отклонений, модуль пальца с приводом от троса и системой бевельных шестерен, регулируемый механизм разведения пальцев и модуль большого пальца с интегрированным двигателем, обеспечивающим двунаправленное вращательное движение.

Расширение горизонтов: Перспективы развития

Разработка DigiArm представляет собой важный шаг к созданию доступных и недорогих протезов, что особенно важно для людей с ограниченными финансовыми возможностями. Помимо традиционного применения для людей, потерявших верхние конечности, потенциал данной технологии простирается значительно дальше. Конструкция и принципы, лежащие в основе DigiArm, могут быть адаптированы для создания экзоскелетов, облегчающих жизнь людям с ограниченной подвижностью, или даже роботизированных устройств для помощи в реабилитации после инсульта или других неврологических заболеваний. Гибкость и модульность конструкции позволяют создавать решения для широкого спектра задач, от помощи в быту до выполнения сложных промышленных операций, открывая новые возможности для улучшения качества жизни людей с различными физическими ограничениями.

Дальнейшая разработка DigiArm ориентирована на внедрение передовых методов управления, таких как электромиография (ЭМГ) и даже неинвазивные интерфейсы мозг-компьютер, что позволит значительно повысить интуитивность управления протезом. ЭМГ, регистрируя электрическую активность мышц, позволит протезу реагировать на намерения пользователя с высокой точностью, а интерфейсы мозг-компьютер откроют возможность управления непосредственно силой мысли. Эти технологии позволят пользователю не просто управлять протезом, а чувствовать его как естественную часть своего тела, расширяя возможности взаимодействия с окружающим миром и возвращая утраченную функциональность с невиданной ранее степенью свободы и контроля.

Исследования направлены на расширение возможностей DigiArm за счет интеграции альтернативных методов сенсорики, таких как ультразвуковая визуализация и магнитомиография. Эти технологии позволят протезу не только «видеть» окружающую среду, но и воспринимать текстуру и плотность объектов, что значительно улучшит адаптацию к сложным условиям. Например, ультразвук может обеспечить более детальное представление о форме и расположении предметов, а магнитомиография — улавливать слабые магнитные поля, генерируемые мышцами, для более точного управления и обратной связи. Внедрение подобных сенсорных систем позволит DigiArm выполнять деликатные манипуляции, ориентироваться в незнакомой обстановке и обеспечивать более естественное взаимодействие с окружающим миром, приближая функциональность протеза к возможностям естественной руки.

Платформа DigiArm, будучи открытым исходным кодом, стимулирует широкое сотрудничество и инновации в области протезирования. Это позволяет исследователям, инженерам и даже отдельным энтузиастам вносить свой вклад в улучшение конструкции и функциональности протеза, адаптируя его к уникальным потребностям каждого пользователя. Возможность модификации и кастомизации не ограничивается лишь внешним видом — открытый доступ к программному обеспечению и аппаратной части позволяет создавать индивидуальные решения, учитывающие специфику ампутации, образ жизни и личные предпочтения человека. Такой подход способствует не только снижению стоимости протезов, но и значительно расширяет возможности их адаптации к различным задачам и условиям, открывая новые перспективы для повышения качества жизни людей с ограниченными возможностями.

Система управления DigiArm построена на основе ESP32 для беспроводной связи и Teensy 4.1 для управления семью двигателями в реальном времени посредством ШИМ-сигналов и SPI-коммуникации с энкодерами.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует осознанный подход к проектированию систем, которые не стремятся к мгновенному совершенству, а рассчитаны на адаптацию и эволюцию. DigiArm, с его возможностью регулировки расстояния между пальцами и движением запястья, является примером этого принципа. Как заметил Брайан Керниган: «Простота — это главное. Достижение простоты требует огромных усилий». Подобно тому, как сложные системы требуют постоянной доработки, DigiArm, разработанный с учетом возможности модификации, позволяет поддерживать его функциональность в изменяющихся условиях и обеспечивает устойчивость к устареванию. Акцент на открытом исходном коде и доступности 3D-печати способствует долговечности системы за счет возможности коллективного улучшения и ремонта.

Что дальше?

Представленный DigiArm, подобно любому механизму, запечатлел лишь мгновение на оси времени. Его достоинство не в абсолютной функциональности, но в отправной точке для дальнейших итераций. Проблема не в самом протезе, а в долговечности любой системы, в неизбежном износе, требующем адаптации и переосмысления. Необходима разработка систем самодиагностики и модульной замены компонентов, ведь логирование — это хроника жизни системы, а не её гарантия бессмертия.

Очевидным направлением является расширение сенсорных возможностей. Улучшение тактильной обратной связи, позволяющее различать текстуры и силу нажатия, откроет двери к более сложным манипуляциям. Однако, следует помнить, что точность — это лишь одна грань. Важнее — способность к адаптации к непредсказуемости реального мира. Разработка алгоритмов, имитирующих интуитивные движения, будет сложнее, чем простое воспроизведение заученных шаблонов.

И, наконец, необходимо переосмыслить саму концепцию «протеза». Вместо попыток воссоздать утраченную функцию, возможно, стоит искать новые способы взаимодействия с окружающим миром. Интеграция протеза с нейронными сетями, создание экзоскелетов, расширяющих возможности человека, — эти направления, возможно, окажутся более перспективными, чем простое копирование естественной анатомии. Ведь время — это не метрика, а среда, в которой эволюционируют системы.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.23017.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-28 04:43