Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Design of a bone-anchored myoelectric prosthesis with tactile sensation transmission capabilities

Paweł Wojciech Jasiński

Abstract

The presented dissertation focuses on the analysis of kinematics and dynamics of the human arm and design of a myoelectric prosthesis prototype. A myoelectric prosthesis is a prosthesis which utilizes myoelectric potentials for control. Myoelectric potentials are voltages generated on the surface of a muscle during its operation. The target prosthesis should be lightweight, and with size and mass distribution comparable to those of a human arm, as well as have a similar kinematic structure and dynamic capabilities. It should have mechanical limitations, disabling it from achieving positions unachievable to the human arm. Additionally, the prosthesis is to be bone-anchored and capable of transmitting tactile sensation, which is to facilitate control to the end user. Tactile sensations are those associated with the sense of touch. The first chapter of this work treats of the history of prosthetics, with particular attention given to upper extremity prosthesis development. Thereafter, a circumlocution of technologies which laid a foundation for the modern myoelectric prosthesis, and those which may influence the development of prosthetics in the upcoming years is performed. Additionally, three arbitrarily chosen models of the currently available myoelectric prosthesis have been compared, based on their price, control system and the degree of amputation with which they can be used. In the next chapter, an analysis of the kinematics of the human arm has been conducted. In the ensuing chapter, the process of mechanism design has been explored, together with its principle of operation. Furthermore, the dynamic capabilities of a human arm have been analyzed using OpenSim software. The final chapter contains a summary of the dissertation, as well as an analysis of compliance with objectives. Especially the matter of tactile sensation transmission, its importance and how it can be implemented has been discussed. Analysis of human arm kinematics has been performed based on anatomy knowledge from the literature. Types of joints present in the human upper extremity have been determined, and the number of degrees of degrees of freedom and degrees of manoeuvrability has been calculated. The 3D model has been prepared using Autodesk's Inventor software. During the design, movement constraints have been assumed based on literature, and kinematic capabilities have been assumed based on the prior analysis. Analysis of the behaviour of the muscles in a human arm has been conducted empirically, using OpenSim software. The changes in the length of specific muscles depending on the change of angular position of respective joints have been determined and approximated using a polynomial approximation. Production of a functional prototype, based on prepared design, preparation of a tactile sensation transmission system, and preparation of a control simplifying the program, based on classification algorithms have been proposed as possible future development paths.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Paweł Wojciech Jasiński (FM) Paweł Wojciech Jasiński,, Faculty of Mechatronics (FM)
Title in Polish
Projekt zakotwiczanej dokostnie mioelektrycznej protezy ręki z możliwością przenoszenia wrażeń taktylnych
Supervisor
Jakub Możaryn (FM/IACR) Jakub Możaryn,, The Institute of Automatic Control and Robotics (FM/IACR)Faculty of Mechatronics (FM)
Certifying unit
Faculty of Mechatronics (FM)
Affiliation unit
The Institute of Automatic Control and Robotics (FM/IACR)
Study subject / specialization
, Automatyka i Robotyka (Automation and Robotics)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
08-02-2019
Issue date (year)
2019
Reviewers
Jan Klimaszewski (FM/IACR) Jan Klimaszewski,, The Institute of Automatic Control and Robotics (FM/IACR)Faculty of Mechatronics (FM) Jakub Możaryn (FM/IACR) Jakub Możaryn,, The Institute of Automatic Control and Robotics (FM/IACR)Faculty of Mechatronics (FM)
Keywords in Polish
Biorobotyka, Elektromiografia, Proteza, Układ sterowania, Mioelektryczność
Keywords in English
Biorobotics, Electromyography, Prosthesis, Control system, Myoelectricity
Abstract in Polish
Niniejsza praca skupia się na analizie kinematyki oraz dynamiki ludzkiej ręki oraz zaprojektowaniu prototypu protezy mioelektrycznej. Proteza mioelektryczna, to taka która do sterowania wykorzystuje pomiar wartości miopotencjałów, czyli potencjałów powstających na powierzchni mięśni podczas ich pracy. Docelowa proteza powinna być lekka, o gabarytach i rozkładzie masy zbliżonych do tych w ludzkiej ręce, oraz posiadać podobną strukturę kinematyczną i możliwości dynamiczne. Powinna ona posiadać ograniczenia mechaniczne, uniemożliwiające ruch nieosiągalny dla ludzkiej ręki. Dodatkowo, proteza powinna być montowana dokostnie i zdolna do przenoszenia wrażeń taktylnych, co ma na celu ułatwienie użytkownikowi kontroli urządzenia. Wrażenia taktylne, to odczucia związane ze zmysłem dotyku. W pierwszym rozdziale pracy omawiana jest historia protetyki, ze zwróceniem szczególnej uwagi na rozwój budowy protez kończyny górnej. Następnie, omawiane są technologie, które leżą u podstaw nowoczesnych protez mioelektrycznych, oraz które mogą w najbliższym czasie wpływać na rozwój protetyki. Zestawiono również ze sobą trzy wybrane modele protez mioelektrycznych ręki dostępnie obecnie na rynku, na podstawie ich ceny, zastosowanym rodzaju sterowania oraz stopniowi amputacji przy którym mogą zostać wykorzystane. W następnym rozdziale przeprowadzono analizę kinematyki ludzkiej ręki. W kolejnym rozdziale omówiono proces projektowania mechanizmu, oraz samo działanie mechanizmu protezy. Następnie zbadano zachowanie mięśni ludzkiej ręki podczas ruchu obrotowego w poszczególnych stawach za pomocą programu OpenSim. W ostatnim rozdziale zamieszczono podsumowanie pracy inżynierskiej z analizą spełnienia założeń, oraz plany na przyszły rozwój pracy. W szczególności omówiono tu metodę przenoszenia wrażeń taktylnych dla pacjenta po amputacji ręki, wagę tego rozwiązania oraz możliwości implementacji. Analizę kinematyki ludzkiej ręki przeprowadzono na podstawie wiedzy z anatomii zawartej w literaturze. Określono rodzaje połączeń które występują w ludzkiej ręce, oraz liczbę stopni ruchliwości i manewrowości. Do przygotowania modelu 3D mechanizmu protezy wykorzystano program Inventor firmy Autodesk. Podczas projektowania przyjęto ograniczenia ruchu na podstawie literatury, oraz możliwości kinematyczne na podstawie przeprowadzonej wcześniej analizy. Analiza zachowania mięśni w ludzkiej ręce zostałą przeprowadzona doświadczalnie z wykorzystaniem programu OpenSim. Określono zmiany długości poszczególnych mięśni w zależności od zmian pozycji kątowej w poszczególnych stawach, oraz przybliżono je za pomocą aproksymacji wielomianowej. Jako możliwe kierunki rozwoju projektu określono przygotowanie funkcjonalnego prototypu na podstawie przygotowanego projektu, przygotowanie systemu przesyłania wrażeń taktylnych oraz opracowanie programu ułatwiającego kontrolę bazującego na algorytmach klasyfikujących.
File
  • File: 1
    276728_inz.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 31812

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTce5f661962fd44b2932e1bca3741b284/
URN
urn:pw-repo:WUTce5f661962fd44b2932e1bca3741b284

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page