Diplomov´a pr´ace

(1)

Bionick´a ruka

Diplomov´a pr´ace

M15000204

Studijn´ı program: N2612 – Elektrotechnika a informatika Studijn´ı obor: 3906T001 – Mechatronika

Autor pr´ace: Bc. Petr Najman

Vedouc´ı pr´ace: Ing. Jan Koprnick´y, Ph.D.

(2)

Bionic Hand

Master thesis

M15000204

Study programme: N2612 – Electrical Engineering and Informatics Study branch: 3906T001 – Mechatronics

Author: Bc. Petr Najman

Supervisor: Ing. Jan Koprnick´y, Ph.D.

(3)

(4)

(5)

(6)

Abstrakt

Tato diplomová práce se zabývá problematikou levných bionických náhrad lidské horn´ı konˇcetiny. Práce obsahuje teoretický úvod do problematiky protetických náhrad horn´ı konˇcetiny. Jako technický vzorek bionické ruky poslouˇzil prototyp, který je sestaven podle japonského open-source projektu HACKberry. Tento prototyp je vyroben pomoc´ı technologie 3D tisku a doplnˇen o snadno dostup- nou elektroniku a ˇr´ıdic´ı jednotku Arduino Micro. D´ıky tˇemto vlastnostem je zajiˇstˇena n´ızká cena náhrady. K tomuto prototypu je sestrojen senzor inspirovaný podle stejného projektu a dalˇs´ı senzory pro neinvazivn´ı sn´ımán´ı signál˚u z tˇela uˇzivatele. Pˇri konstrukci sn´ımaˇc˚u se vyuˇzily infraˇcervené sn´ımaˇce vzdálenosti, elektromyografie, sn´ımaˇce zrychlen´ı a sn´ımaˇce vyuˇz´ıvaj´ıc´ı zmˇeny elektrického odporu pˇri stlaˇcen´ı nebo ohnut´ı. Ke vˇsem tˇemto senzor˚um byla na m´ıru navrhnuta, a pomoc´ı 3D tisknu vyrobena, pouzdra umoˇzˇnuj´ıc´ı kompaktnost a uchycen´ı k uˇzivateli. U vˇsech senzor˚u je dbáno na jednoduchost a minimáln´ı cenu. Tyto senzory byly pak následnˇe otestovány a jejich vlastnosti vyhodnoceny. Testován´ı probˇehlo na uˇzivatel´ıch s kompletn´ı konˇcetinou a také na uˇzivateli po amputaci horn´ı konˇcetiny. Dále se vytvoˇrila hybridn´ı patice umoˇzˇnuj´ıc´ı pˇripojen´ı bionické ruky HACKberry na komerˇcn´ı pˇredlokt´ı. Tato patice umoˇzˇnuje pˇrenos signál˚u a napájec´ıho napˇet´ı z komerˇcn´ıho pˇredlokt´ı. V rámci diplomové práce vznikly dalˇs´ı kusy r˚uzných levných náhrad inspiruj´ıc´ıch se v dalˇs´ıch open-source projektech.

V závˇeru práce probˇehlo zhodnocen´ı nabytých zkuˇsenost´ı, návrhy na vylepˇsen´ı, rozˇs´ıˇren´ı, které by vedly ke stavbˇe vlastn´ı konstrukce bionické ruky.

Kl´ıˇcová slova: bionická ruka, 3D tisk, open-source, Arduino Micro, elektromyografie, infraˇcervené sn´ımaˇce, ohybové sn´ımaˇce, silové sn´ımaˇce, sn´ımaˇce zrychlen´ı

(7)

Abstract

This diploma thesis deals with the issue of cheap bionic prostheses of human upper limb. As a technical sample of a bionic hand ser- ved the prototype, which was assembled according to the Japa- nese open-source project Hackberry. This prototype is manufactu- red using the technology of 3D printing and accompanied by easily accessible electronics, including control unit Arduino Micro. Due to these production processes it is ensured the low cost prosthetic replacement. For this prototype were constructed sensors inspired by the same project, and other sensors for non-invasive sensing of signals from the user’s body. In the design of sensors the infrared distance sensors, electromyography sensor, acceleration sensor and sensor using change in potential during compression or ben- ding were used. To all of these sensors were designed the special compact housing with proper attachment for users were designed.

These housings were made by 3D printing technology. All sensors were designed with focus on simplicity and minimal cost. These sensors were subsequently tested and their properties evaluated.

Testing was carried on users with healthy arm and also on users with an amputated arm. The hybrid socket has been created to connect the HACKberry bionic hand to a commercial forearm. This socket allows signal and power transfer from a commercial forearm.

As part of the diploma thesis there were made various other pie- ces of cheap prostheses inspired in other open-source projects. In the conclusion, evaluation of experiences, suggestions for improve- ments, extensions and reasoning over the construction of our own design of cheap bionic prostheses were carried.

Key words: bionic hand, 3D printing, open-source, Arduino Micro, electromyography, infrared sensors, bend sensors, force sensors, acceleration sensors

(8)

Podˇekov´an´ı

T´ımto bych chtˇel podˇekovat vˇsem, kteˇr´ı mi byli nápomocni pˇri vypracován´ı této diplomové práce. Zvláˇstn´ı podˇekován´ı patˇr´ı vedouc´ımu práce Ing. Janu Koprnickému, Ph.D a panu Martinu Trakalovi, který mi poskytl objektivn´ı náhled do problematiky pro- tetických náhrad d´ıky svým zkuˇsenostem. Velké podˇekován´ı patˇr´ı mé partnerce a rodinˇe za podporu pˇri studiu a vypracován´ı práce.

(9)

Obsah

Seznam obr´azk˚u . . . 13

Seznam tabulek . . . 14

Seznam zkratek . . . 15

Uvod´ 16 1 Teorie 18 1.1 Bionika . . . 18

1.2 Anatomie a fyziologie lidsk´e horn´ı konˇcetiny . . . 19

1.2.1 Kosti horn´ı konˇcetiny . . . 19

1.2.2 Svaly horn´ı konˇcetiny . . . 20

1.2.3 Fyziologie pˇredlokt´ı . . . 22

1.2.4 Fyziologie z´apˇest´ı . . . 22

1.2.5 Fyziologie prst˚u . . . 22

1.3 Druhy ´uchopu lidsk´e ruky . . . 23

1.3.1 Malé úchopové formy . . . 24

1.3.2 Velké úchopové formy . . . 24

1.4 Amputace horn´ı konˇcetiny . . . 25

1.4.1 D˚uvody k amputaci horn´ı konˇcetiny . . . 25

1.4.2 Dˇelen´ı amputac´ı podle v´yˇsky amputace . . . 26

1.5 Typy prot´ez horn´ı konˇcetiny . . . 27

1.5.1 Kosmetick´e . . . 27

1.5.2 Tahov´e . . . 28

1.5.3 Myoelektrick´e . . . 28

1.5.4 Bionick´e . . . 29

1.6 Technologie 3D tisku . . . 30

1.6.1 Nˇekter´e vyuˇz´ıvan´e technologie 3D tisku . . . 30

1.6.2 Nˇekteré vyuˇz´ıvané materiály v 3D tisku . . . 31

1.6.3 CAD zpracov´an´ı . . . 32

1.7 Elektromyografie . . . 32

1.8 Kinematika lidsk´e horn´ı konˇcetiny . . . 33

2 Popis dostupných komerˇcn´ıch, open-source a levných protetických náhrad 34 2.1 Bionické a myoelektrické open-source projekty . . . 34

2.1.1 exiii HACKberry . . . 34

(10)

2.1.2 open bionics Ada V1.0 . . . 35

2.2 Tahov´e open-source prot´ezy . . . 36

2.2.1 Flexy-Hand 2 . . . 36

2.3 Komerˇcn´ı bionické a myoelektrické náhrady . . . 37

2.3.1 ottobock Michelangelo . . . 37

2.3.2 touch bionics i-limb quantum . . . 37

2.3.3 bebionic . . . 37

3 Zkuˇsenosti a dokonˇcen´ı prototypu bionick´e ruky HACKberry 39 3.1 Z´ıskan´e zkuˇsenosti . . . 39

3.2 Prototyp HACKberry . . . 40

4 Senzory na sn´ım´an´ı sign´al˚u z konˇcetiny uˇzivatele pro bionickou ruku HACKberry 44 4.1 Senzor projektu HACKberry (MARK 1) . . . 44

4.1.1 Hardware . . . 44

4.1.2 Princip sn´ım´an´ı . . . 45

4.2 Myoelektryck´y senzor Myoware (MARK 2) . . . 47

4.2.1 Hardware . . . 47

4.3 Senzor vyuˇz´ıvaj´ıc´ı akcelerometr (MARK 3) . . . 48

4.3.1 Hardware . . . 48

4.4 Senzor vyuˇz´ıvaj´ıc´ı silov´y sn´ımaˇc (MARK 4) . . . 50

4.4.1 Hardware . . . 50

4.4.2 Princip sn´ıman´ı . . . 51

4.5 Senzor vyuˇz´ıvaj´ıc´ı sn´ımaˇc ohybu (MARK 5) . . . 52

4.5.1 Hardware . . . 52

4.5.2 Princip sn´ıman´ı . . . 52

4.6 Hybridn´ı patice pro vyuˇzit´ı prot´ezy ottobock . . . 53

5 Software 55 5.1 Programov´an´ı ˇr´ıdic´ı jednotky Arduino Micro . . . 55

5.2 Popis testovac´ıch algoritm˚u . . . 56

5.2.1 Testovac´ı algoritmus pro senzor Mark 1 . . . 56

5.3 Algoritmus mˇeˇric´ıho cyklu . . . 58

5.4 Popis ˇr´ıdic´ıho algoritmu pro HACKberry . . . 59

5.4.1 Popis funkce pro kalibraci . . . 59

5.4.2 Popis funkce pro ˇcten´ı hodnot ze senzoru . . . 59

5.4.3 V´ypoˇcet rychlosti . . . 60

5.4.4 V´ypoˇcet pozice . . . 60

(11)

5.5 ˇR´ıdic´ı algoritmus pro senzor MARK 2 . . . 61

5.6 ˇR´ıdic´ı algoritmus hybridn´ı verze HACKberry . . . 62

6 Testov´an´ı prototyp˚u a senzor˚u 64 6.1 Pr˚ubˇeh testov´an´ı senzor˚u . . . 64

6.2 Namˇeˇren´a data . . . 65

6.2.1 Namˇeˇren´a data senzoru MARK 1 . . . 66

6.3 Testov´an´ı prototyp˚u HACKberry . . . 73

6.4 Testov´an´ı hybridn´ı konstrukce HACKberry . . . 74

7 Shrnut´ı v´ysledk˚u testov´an´ı 76 7.1 Vyhodnocen´ı funkˇcnosti senzor˚u . . . 76

7.2 Vyhodnocen´ı funkˇcnosti n´ahrady HACKberry . . . 78

7.2.1 Klady . . . 78

7.2.2 Z´apory . . . 79

8 N´avrhy na rozˇs´ıˇren´ı a vylepˇsen´ı 81 8.1 Dalˇs´ı rozˇs´ıˇren´ı a anal´yza senzor˚u . . . 81

8.2 Vyuˇzit´ı barevn´eho 3D tisku . . . 81

8.3 Konektivita prot´ezy . . . 82

8.4 Zpˇetn´a vazba a ´uloˇziˇstˇe dat . . . 82

9 Závˇer 83 Literatura 84 A Obsah pˇriloˇzeného CD 88 B Schémata zapojen´ı senzor˚u 89 B.1 Schéma zapojen´ı MARK 3 . . . 89

B.2 Sch´ema zapojen´ı MARK 4 . . . 90

B.3 Sch´ema zapojen´ı MARK 5 . . . 90

B.4 Schéma zapojen´ı hybridn´ı patice . . . 91 C Technické výkresy navrˇzených pouzder 92

D Algoritmus mˇeˇric´ıho cyklu 95

(12)

Seznam obr´azk˚u

1.1 Návrh kˇr´ıdla Leonarda Da Vinci [3] a Kˇriˇst’álový palác v Londýnˇe [2] 19

1.2 Kosti horn´ı konˇcetiny [8] . . . 20

1.3 Pohyby pˇredlokt´ı [4] . . . 22

1.4 Pohyby z´apˇest´ı [4] . . . 23

1.5 Pohyby prst˚u [4] . . . 23

1.6 Klouby prst˚u ruky [4] . . . 24

1.7 Malé úchopové formy . . . 25

1.8 Velké úchopové formy . . . 25

1.9 Silikonov´a prot´eza horn´ı konˇcetiny [10] . . . 27

1.10 Tahov´a prot´eza od firmy ottobock [11] . . . 28

1.11 Myoelektrick´a prot´eza od firmy ottobock [11] . . . 29

1.12 Bionick´a prot´eza bebionic [12] . . . 30

1.13 N´ahradn´ı kinematick´y model horn´ı konˇcetiny [20] . . . 33

2.1 Prototyp bionick´e ruky podle projektu HACKberry . . . 35

2.2 Levná bionická náhrada Ada [31] . . . 36

2.3 Bionick´a ruka ottobock Michelangelo [11] . . . 37

2.4 Bionick´a ruka i-limb quantum [23] . . . 38

3.1 Fotka vyfocen´a na tituln´ı stranu TUNI . . . 40

3.2 Vystaven´ı prototyp˚u na brnˇensk´em veletrhu Amp´er 2017 . . . 41

3.3 Blokov´e sch´ema prototypu HACKberry . . . 42

3.4 Kompletn´ı prvn´ı prototyp bionick´e n´ahrady HACKberry . . . 43

4.1 Rozˇsiˇruj´ıc´ı deska s QRE1113 [35] . . . 45

4.2 Prvn´ı verze pouzdra pro senzor QRE1113 . . . 46

4.3 Kompletn´ıpouzdro prvn´ıverze – 1. m´ısto um´ıstˇen´ısenzoru, 2. distanˇcn´ı pˇena, 3. plocha kontaktu s uˇzivatelem . . . 46

4.4 Verze pouzdra vyuˇz´ıvaj´ıc´ı m´ısto pˇeny pruˇziny . . . 47

4.5 Základn´ı ˇcást druhé verze pouzdra s popruhem . . . 47

4.6 MyoWare™ Muscle Sensor [37] . . . 48

4.7 Tˇr´ıos´y akcelerometr ADXL337 [38] . . . 49

4.8 3D model pouzdra pro akcelerometr ADXL337 . . . 50

4.9 Silov´e senzory pouˇzit´e pˇri stavbˇe sn´ımaˇce Mark 4 [40] . . . 51

4.10 Návrh pouzdra pro ˇctvercový FSR a menˇs´ı kruhový FSR . . . 51

4.11 Kompletn´ı senzory MARK 4 verze 1 a verze 2 . . . 52

(13)

4.12 Sn´ımaˇc ohybu [40] . . . 52

4.13 Origin´aln´ı z´amek ottobock a ovˇeˇrovac´ı kus hybridn´ı patice . . . 53

4.14 Obˇe ˇc´asti technick´eho prototypu hybridn´ı patice . . . 54

4.15 Tˇret´ı verze hybridn´ı patice namontovan´a na druh´y prototyp . . . 54

5.1 V´yvojov´y diagram ˇr´ıdic´ıho algoritmu pro HACKberry . . . 63

6.1 Návrh testovac´ıho cyklu pro testován´ı senzorických jednotek . . . 65

6.2 M´ısto pˇripnut´ı senzor˚u, zde senzor MARK 2 . . . 66

6.3 M´ısto pˇripnut´ı senzoru u Uˇzivatele 3, zde senzor MARK 1 . . . 66

6.4 Namˇeˇrená data senzoru MARK 1 s gumovým popruhem na Uˇzivateli 1 67 6.5 Namˇeˇrená data senzoru MARK 1 s gumovým popruhem na Uˇzivateli 2 67 6.6 Namˇeˇrená data senzoru MARK 1 s pevným popruhem na Uˇzivateli 1 68 6.7 Namˇeˇrená data senzoru MARK 1 s pevným popruhem na Uˇzivateli 2 68 6.8 Namˇeˇrená data senzoru MARK 1 s pevným popruhem na Uˇzivateli 3 69 6.9 Namˇeˇrená data senzoru MARK 2 na Uˇzivateli 1 . . . 69

6.10 Namˇeˇren´a data senzoru MARK 2 na Uˇzivateli 2 . . . 70

6.11 Namˇeˇren´a data senzoru MARK 2 na Uˇzivateli 3 . . . 70

6.12 Namˇeˇren´a data senzoru MARK 4 verze 1 na Uˇzivateli 1 . . . 71

6.18 Testov´an´ı hybridn´ı konstrukce s komerˇcn´ım pˇredlokt´ım . . . 75

7.1 Porovn´an´ı pr˚ubˇeh˚u vˇsech testovan´ych senzor˚u, data Uˇzivatele 1 . . . 79

7.2 V´ystupky na kloubech prst˚u . . . 80

B.1 Sch´ema zapojen´ı akcelerometru . . . 89

B.2 Sch´ema zapojen´ı FSR senzoru . . . 90

B.3 Sch´ema zapojen´ı flex senzoru . . . 90

B.4 Sch´ema zapojen´ı hybridn´ı patice . . . 91

C.1 Technick´y v´ykres pouzdra senzoru MARK 3 . . . 92

C.2 Technick´y v´ykres ˇcepu pro hybridn´ı patici v3 . . . 93

C.3 Technick´y v´ykres hybridn´ı patice v3 . . . 94

(14)

Seznam tabulek

6.1 Hodnoty spotˇreby proudu souˇc´astek v ruce HACKberry . . . 74

7.1 Souhrn dat z testov´an´ı senzoru MARK 1 s gumov´ym popruhem . . . 76

7.2 Souhrn dat z testov´an´ı senzoru MARK 1 s pevn´ym popruhem . . . . 76

7.3 Souhrn dat z testov´an´ı senzoru MARK 2 . . . 77

7.4 Souhrn dat z testov´an´ı senzoru MARK 4 verze 1 . . . 77

7.5 Souhrn dat z testov´an´ı senzoru MARK 4 verze 2 . . . 77

7.6 Souhrn zisk˚u napˇet´ı senzor˚u a pˇrepoˇcet na mnoˇzstv´ı vzork˚u . . . 78

(15)

Seznam zkratek

ABS Akrylonitrilbutadienstyren ADC (A/D) Analogove digit´aln´ı pˇrevodn´ık

CAD Computer Aided Design

DPS Deska ploˇsn´ych spoj˚u

EMG Elektromyografie

FDM Fusing Deposit Modeling

FSR Force Sensitive Resistors HiPS High Impact Polystyrene

HW Hardware

ICSP In-Circuit Serial Programming IR Infrared (infraˇcerven´y)

LED Light-Emitting Diode (svˇetlo emituj´ıc´ı dioda)

PC Polykarbon´at

PCB Printed circuit board

PET-G Polyetyl´en Tereftal´at

PLA Polylactid acid

POM Polyxymetyl´en

PVA Polyvinylalkohol

PWM Pulznˇe ˇs´ıˇrkov´a modulace

RAW Raw data (surov´a, nezpracovan´y data) SLA Stereolitography apparatus

SLS Selective Laser Sintering SML Selective Laser Melting

STL Standard Triangulation Language

SW Software

USB Universal Serial Bus (univerzáln´ı sériová sbˇernice)

(16)

Uvod ´

Diplomová práce na téma bionická ruka je zamˇeˇruje pˇredevˇs´ım na protetiku lidské horn´ı konˇcetiny. V rámci práce se následnˇe kompletnˇe dokonˇcil prototyp levné bio- nické náhrady open-source projektu HACKberry, k nˇemu se navrhlo a sestrojilo spektrum sn´ımaˇc˚u pro ovládán´ı pomoc´ı sval˚u uˇzivatele.

Teoretická ˇcást diplomové práce ˇreˇs´ı témata a poznatky, které jsou d˚uleˇzité pro pochopen´ı celé problematiky týkaj´ıc´ı se horn´ı konˇcetiny a protetiky pro n´ı urˇcenou.

Mezi tyto poznatky patˇr´ı historie a vznik vˇedn´ıho oboru s názvem bionika. Na tuto vˇedn´ı discipl´ınu navazuje rozprava o anatomii a fyziologii lidské horn´ı konˇcetiny. To zahrnuje popis a funkce vˇsech kost´ı, sval˚u, moˇzných pohyb˚u konˇcetinou a úchop˚u.

Následuje rozbor pˇr´ıˇcin a typy amputac´ı, které se provádˇej´ı pˇri nevratném poˇskozen´ı horn´ı konˇcetiny. Po rozboru amputac´ı následuje rozbor typ˚u protéz, které se v dneˇsn´ı dobˇe vyuˇz´ıvaj´ı. Dále byl vysvˇetlen pojem aditivn´ı výroby pomoc´ı technologie 3D tisku. Zde jsou popsány nˇekteré typy 3D tisku a materiály které se pˇri nˇem vyuˇz´ıvaj´ı.

Nacház´ı se zde rovnˇeˇz popis oboru elektromyografie, který se zabývá sn´ımán´ım napˇet’ových signál˚u z lidského tˇela. V závˇeru teoretické ˇcásti je nahl´ıˇzeno na horn´ı konˇcetinu z pohledu kinematiky, robotiky a vývoje v odvˇetv´ıch pr˚umyslu.

V dalˇs´ıch ˇcástech práce jsou popsány r˚uzné druhy komerˇcnˇe dostupných protéz, které jsou obt´ıˇznˇe dostupné, kv˚uli své nadmˇerné cenˇe. Na rozd´ıl od komerˇcn´ıch náhrad zde jsou popsány i open-source projekty, které se zabývaj´ı levnou protetikou.

Na výˇse uvedené typy náhrad se práce zamˇeˇruje a jako funkˇcn´ı vzorek je vyuˇzit jiˇz zm´ınˇený prototyp levné bionické náhrady podle projektu HACKberry. S t´ımto prototypem se nashromáˇzdila spousta zkuˇsenost´ı, které jsou v práci zaznamenány.

K prototypu bionické ruky se sestrojily r˚uzné sn´ımaˇce na neinvazivn´ı sn´ımán´ı signál˚u ze sval˚u pˇredlokt´ı nebo paˇze uˇzivatele. Jako základ poslouˇzil sn´ımaˇc inspi- rovaným projektem HACKberry. Následnˇe se navrhly a zkonstruovaly dalˇs´ı typy sn´ımaˇc˚u. U tˇechto sn´ımaˇc˚u se dbá na celkovou jednoduchost a finanˇcn´ı nenároˇcnost, avˇsak za pˇredpokladu zachován´ıplné funkˇcnosti. Sn´ımaˇce vyuˇz´ıvaj´ıprincip˚u sn´ıman´ı vzdálenosti IR senzorem, s´ıly, zrychlen´ı, elektromyografie a ohybu. Celkem se vy- tvoˇrilo spektrum 5 sn´ımaˇc˚u. K tˇemto sn´ımaˇc˚um se vytvoˇril testovac´ı software pro ovˇeˇren´ı funkˇcnosti. Tyto algoritmy pak naˇsly uplatnˇen´ı v hlavn´ım programu pro ˇr´ızen´ı kompletn´ı bionické náhrady. V rámci pˇredáván´ı zkuˇsenost´ı dalˇs´ım student˚um se sestrojil druhý prototyp bionické ruky HACKberry, který se pˇrepracoval tak, aby se dal pouˇz´ıvat na komerˇcn´ım protetické pˇredlokt´ı.

Zkompletované sn´ımaˇce se podrobily testován´ı na tˇrech r˚uzných vzorc´ıch. Dvou uˇzivatel´ıch bez hendikepu a tˇret´ım uˇzivateli, který prodˇelal amputaci horn´ıkonˇcetiny.

Se vˇsemi sn´ımaˇci jsou provedena mˇeˇren´ı, kter´a sest´avala z cyklu po sobˇe jdouc´ıch

(17)

úkon˚u. Vˇsechna namˇeˇrená data jsou vyhodnocena a porovnána. Z výsledk˚u je nás- lednˇe vyhodnoceno, který sn´ımaˇc je nejoptimálnˇejˇs´ı pro pouˇz´ıván´ı.

Závˇerem diplomové práce jsou shrnuty vˇsechny výsledky a následnˇe jsou zhod- noceny vˇsechny nabyté zkuˇsenosti.

(18)

1 Teorie

1.1 Bionika

Vˇedn´ı obor zabývaj´ıc´ı se uplatˇnován´ım poznatk˚u ze studia ˇzivých organism˚u a jejich struktur pˇri vývoji nových technologi´ı. Slovo bionika je sloˇzena ze dvou pojm˚u

”biologie“ a ”technika“. Bionika nen´ı zaloˇzená na kop´ırován´ı nebo na napodobován´ı, ale zamˇeˇruje se na vyuˇz´ıván´ı princip˚u fungován´ı ˇzivých organism˚u. C´ılem bioniky je ˇreˇsit problémy v technické oblasti podobným zp˚usobem, jako se tomu dˇeje v pˇr´ırodˇe a vyuˇz´ıvá pˇri tom vˇsechno, co uˇz bylo ”vynalezeno“, a následnˇe zdokonaleno pˇr´ırodou za dlouhé miliony let. Tento vˇedn´ı obor vznikl na pˇrelomu 50. a 60. let minulého stolet´ı, d´ıky rozsáhlému pokroku v biologii, který byl zapˇr´ıˇcinˇen prudkým vývojem technických vˇed po druhé svˇetové válce. V historii lidstva se poznatky ze studia a po- zorován´ıpˇr´ırody kolem, v praxi uplatˇnuj´ıod pradávna. ˇClovˇek se v mnoha pˇr´ıpadech inspiroval ˇzivoˇcichy nebo pˇr´ırodou pˇri vytváˇren´ı vlastn´ıch konstrukc´ı. Tyto pˇr´ıklady se daj´ı naj´ıt v letectv´ı a stavitelstv´ı. Napˇr´ıklad legendárn´ı vynálezce a umˇelec Le- onardo Da Vinci se v 16. stolet´ı inspiroval netopýrem pˇri stavbˇe svého létaj´ıc´ıho stroje (viz obrázek 1.1). Ve stavitelstv´ı je to ”Kˇriˇst’álový palác“ v Londýnˇe z let 1850 aˇz 1851 (viz obrázek 1.1). Autor této stavby, Sir Joseph Paxton, se nechal pˇri jej´ım návrhu inspirovat listy viktorie královské – obrovského lekn´ınu, jehoˇz listy dosahuj´ı pr˚umˇeru aˇz dva metry a jejich ˇzebrovitá struktura jim prop˚ujˇcuje vysokou nosnost a odolnost proti poˇskozen´ı. Prvn´ı ryze bionické návrhy a myˇslenky se objevily aˇz v prvn´ı polovinˇe minulého stolet´ı. Hlavn´ımi pr˚ukopn´ıky bioniky se stali bratˇri Lilienthalové, kteˇr´ı sepsali práce jako ”Biotechnika létán´ı“. Sestrojili napˇr´ıklad stroj na mˇeˇren´ı s´ıly mávaj´ıc´ıch kˇr´ıdel. Za popularizaci tohoto vˇedeckého oboru se zaslouˇzil pˇredevˇs´ım Max O. Kramer, který se zabýval studiem k˚uˇze delf´ın˚u. D´ıky tomuto výzkumu vynalezl speciáln´ı povlaky na ponorky a dosahoval s nimi aˇz pa- desátiprocentn´ıho sn´ıˇzen´ı tˇrec´ıho odporu. Kramerova práce je významná hlavnˇe t´ım, ˇze aplikovala princip a nesnaˇzila se o pˇresnou kopii. Bylo jasné ˇze nejde vytvoˇrit kopii k˚uˇze delf´ına, ale pochopit princip, který nab´ıdla pˇr´ıroda. Takto se zrodila hlavn´ı koncepce bioniky. V roce 1960 se poˇrádá prvn´ı bionické sympozium za úˇcasti v´ıce neˇz 700 delegát˚u a docház´ı k oficiáln´ımu zrodu bioniky.

(19)

Obrázek 1.1: Návrh kˇr´ıdla Leonarda Da Vinci [3] a Kˇriˇst’álový palác v Londýnˇe [2]

Bionický výzkum 21. stolet´ı se zamˇeˇruje pˇredevˇs´ım na letectvo, námoˇrnictvo, kosmonautiku, robotiku a medic´ınu. Ze systematického hlediska m˚uˇzeme bioniku rozdˇelit na systematickou, obecnou a specificky pouˇzitou. Úkolem obecné bioniky je pˇredevˇs´ım studovat dosud poznané rostlinné a ˇzivoˇciˇsné druhy a vyhledávat nej- nadˇejnˇejˇs´ı biologické principy. Systematická bionika systematicky zpracovává a tˇr´ıd´ı poznatky a data obecné bioniky. ˇCasto také zpracovává dokumentaci a informace o problematice bioniky jako celku. Poznatky z´ıskané obecnou bionikou jsou tˇr´ıdˇeny podle obor˚u pouˇzit´ı a podle tématických skupin.

Bionika ve zdravotnictv´ı dosáhla vysokých úspˇech˚u, nedokáˇze sice zat´ım vyléˇcit nemoci, ale pomoc´ı této vˇedn´ı discipl´ıny dokáˇze ˇclovˇek vytvoˇrit urˇcité ˇcásti a orgány lidského tˇela. Vytvoˇren´ı umˇelé lidské konˇcetiny dokáˇze postiˇzeného ˇclovˇeka lépe zaˇclenit zpˇet do bˇeˇzného ˇzivota. S dalˇs´ım zdokonalován´ım elektroniky a zp˚usob˚u sn´ımán´ı signál˚u tˇela se otev´ıraj´ı zcela nové moˇznosti vyuˇzit´ı bioniky.

1.2 Anatomie a fyziologie lidsk´e horn´ı konˇcetiny

Pˇri konstrukci protetických a bionických náhrad se vycház´ı z lidského vzoru. Proto je nutné pochopit anatomii lidské horn´ı konˇcetiny, aby bylo doc´ıleno co nejvˇetˇs´ı po- dobnosti a funkˇcnost se velmi bl´ıˇzila originálu. V této kapitole bude uveden základn´ı souhrn vlastnost´ı horn´ı konˇcetiny. Popis ruky je zapsán od ramene po prsty ruky.

1.2.1 Kosti horn´ı konˇcetiny

Lidské tˇelo obsahuje 204–214 [6] volnˇe ˇci pevnˇe spojených kost´ı, které lidskému tˇelu poskytuj´ı pevnou, ale pohyblivou oporu. Nˇekteré kosti slouˇz´ı jako ochranné pouzdro d˚uleˇzitých orgán˚u. Kaˇzdá kost má sv˚uj specifický tvar a velikost. Rozsah velikost´ı je pak od 500 mm (stehenn´ı kost) do 2,6 mm (tˇrm´ınek v uchu). V rámci této diplomové práce nás budou zaj´ımat jen kosti horn´ıch konˇcetin. Tˇechto kost´ı je celkem 64, takˇze na jednu horn´ı konˇcetinu pˇripadá 32 kost´ı.

Pletenec horn´ı konˇcetiny (cingulum membri superioris) – pletenec pˇripojuje kon- ˇcetinu k trupu. Obsahuje dvˇe kosti lopatku (scapula) a kl´ıˇcn´ı kost (clavicula).

(20)

Lopatka je k trupu pˇripojena svaly a kl´ıˇcn´ı kost je spojena s hrudn´ı kost´ı a lopatkou.

Kosti paˇze (skeleton brachii, ossa brachii) – paˇzn´ı kost (humerus). Je spojena s lo- patkou v ramenn´ım kloubu a s kost´ı vˇretenn´ı a loketn´ı v loketn´ım kloubu.

Kosti pˇredlokt´ı (skeleton antebrachii, ossa antebrachii) – Obsahuj´ı vˇretenn´ı kost (radius), loketn´ı kost (ulna). Vˇretenn´ı kost je na stranˇe palce a loketn´ı kost je na stranˇe mal´ıˇcku.

Kosti ruky (skeleton manus) – Zápˇestn´ı kosti (ossa carpi) (8 kost´ı): kost lod’kovitá (os scaphoideum), kost mˇes´ıˇcitá (os lunatum), kost trojhranná (os trique- trum), kost hráˇsková (os pisiforme), kost mnohohranná vˇetˇs´ı (os trapezium), kost mnohohranná menˇs´ı (os trapezoideum), kost hlavatá (os capitatum), kost hákovitá (os hamatum). Záprstn´ı kosti (ossa metacarpi) 5 kost´ı tvoˇr´ıc´ıch pod- klad dlanˇe. ˇClánky prst˚u (ossa digitorum manus). Celkem 14 kost´ı po tˇrech ˇclánc´ıch u ukazováˇcku, prostˇredn´ıˇcku, prsten´ıˇcku a mal´ıˇcku, po dvou u palce.

Obr´azek 1.2: Kosti horn´ı konˇcetiny [8]

1.2.2 Svaly horn´ı konˇcetiny

Svaly jsou tkánˇe s elastickými vlastnostmi, schopné po dodán´ı vzruˇsivého podnˇetu kontrahovat a následnˇe relaxovat. Pˇremˇeˇnuj´ı chemickou energii na kinetickou. T´ımto zajiˇst’uj´ıpohyb jak uvnitˇr organismu, tak pohyb celého tˇela. V této budou jmenovány hlavn´ı svaly nacházej´ıc´ı se v horn´ı konˇcetinˇe. [7]

(21)

Svaly ramenn´ı, lopatkov´e a paˇzn´ı

• Sval deltový (musculus deltoideus) – sval zprostˇredkovává upaˇzen´ı, pˇredpaˇzen´ı, zapaˇzen´ı a drˇzen´ı humeru v kloubn´ı jamce.

• Sval nadhˇrebenov´y (musculus supraspinatus) – pod´ıl´ı se na upaˇzen´ı.

• Sval podhˇrebenový (musculus infraspinatus) – pomáhá k rotaci v ramenn´ım kloubu.

• Velký sval oblý (musculus teres major) – pomáhá pˇripaˇzen´ı a rotaci v ra- menn´ım kloubu.

• Malý sval oblý (musculus teres minor) – pomáhá k rotaci v ramenn´ım kloubu.

• Sval podlopatkový (musculus subscapularis) – pomáhá k rotaci v ramenn´ım kloubu.

• Dvojhlav´y sval paˇzn´ı(musculus biceps brachii) – flexe v loketn´ım kloubu, pod´ıl´ı se na abdukce a addukce v ramenn´ım kloubu.

• Sval hákový (musculus coracobrachialis) – pomáhá pˇripaˇzen´ı a pˇredpaˇzen´ı.

• Hlubok´y sval paˇzn´ı (musculus brachialis) – flexe v loketn´ım kloubu.

• Trojhlav´y sval paˇzn´ı(musculus triceps brachii) – pod´ıl´ıse na extenzi v loketn´ım kloubu, pˇripaˇzen´ı a zapaˇzen´ı.

Svaly pˇredlokt´ı a svaly ruky

• Pronuj´ıc´ı sval obl´y (musculus pronator teres) – pronace pˇredlokt´ı, ´uˇcastn´ı se flexe v loketn´ım kloubu.

• Zevn´ı ohýbaˇc zápˇest´ı (musculus flexor carpi radialis) – ohýbán´ı zápˇest´ı, flexe a radiáln´ı dukce (ohyb za palcem).

• Dlouhý sval dlaˇnový (musculus palmaris longus) – nap´ıná plochou ˇslachu na dlani, napomáhá flexi v loketn´ım kloubu a úˇcastn´ı se ohýbán´ı zápˇest´ı.

• Vnitˇrn´ı ohýbaˇc zápˇest´ı (musculus flexor carpi ulnaris) – ohýbán´ı zápˇest´ı, flexe a ulnárn´ı dukce (ohyb za mal´ıˇckem) a úˇcastn´ı se flexe v loketn´ım kloubu.

• Sval vˇretenn´ı (musculus brachioradialis) – supinace pˇredlokt´ı, ´uˇcast flexe v lo- ketn´ım kloubu.

• Dlouhý zevn´ı natahovaˇc zápˇest´ı (musculus extensor carpi radialis longus) – ohýbán´ı zápˇest´ı, extenze a radiáln´ı dukce.

• Krátký zevn´ı natahovaˇc zápˇest´ı (musculus extensor carpi radialis brevis) – ohýbán´ı zápˇest´ı, extenze a radiáln´ı dukce.

(22)

• Natahovaˇc prst˚u (musculus extensor digitorum) – nataˇzen´ı prst˚u a ´uˇcast na extenzi z´apˇest´ı.

• Natahovaˇc mal´ıku (musculus extensor digiti minimi) – pom´ah´a natahovat mal´ıˇcek.

• Vnitˇrn´ı natahovaˇc zápˇest´ı (musculus extensor carpi ulnaris) – ohýbán´ı zápˇest´ı, extenze a ulnárn´ı dukce.

• Kr´atk´y odtahovaˇc palce (musculus abductor pollicis brevis) – odtaˇzen´ı palce (abdukce palce).

• Oponuj´ıc´ı sval palce (musculus opponens pollicis) – opozice palce.

• ˇCervovité svaly (musculi lumbricales manus) – ohnut´ı v kloubech mezi dlan´ı a ˇclánky prst˚u, napnut´ı v kloubech mezi ˇclánky prst˚u.

1.2.3 Fyziologie pˇredlokt´ı

Pˇredlokt´ı je schopné rotace kolem své osy. To je umoˇznˇeno vzájemným natáˇcen´ım kosti loketn´ı a kosti vˇretenn´ı. Tento pohyb se nazývá supinace a pronace. Ruka je schopná rotovat kolem osy pˇredlokt´ı o 170° (viz obrázek 1.3).

Obr´azek 1.3: Pohyby pˇredlokt´ı [4]

1.2.4 Fyziologie z´apˇest´ı

Zápˇest´ı je tvoˇreno vˇetˇs´ım poˇctem k˚ustek, ty funguj´ı jako celek a tvoˇr´ı kloubn´ı spojen´ı. Takto umoˇzˇnuj´ı zápˇest´ı palmárn´ı a dorsárn´ı flexi (pohyb nahoru a dol˚u) v rozsahu 150° aˇz 170°. Dalˇs´ım moˇzným pohybem je radiáln´ı a dorsáln´ı dukce (pohyb do stran) v rozsahu 60° viz obrázek 1.4.

1.2.5 Fyziologie prst˚u

Prsty se skládaj´ı ze tˇr´ı ˇclánk˚u (falangy) vyjma palce, který se skládá pouze ze dvou ˇclánk˚u. Tyto ˇclánky se nazývaj´ı, nejbliˇzˇs´ı proximáln´ı falang, stˇredn´ı falang a distáln´ı falang. Palci chyb´ı stˇredn´ı ˇclánek. Mezi samotnými ˇclánky se pak nacház´ı metakar- pofalangové klouby a interfalangové klouby.

(23)

Obr´azek 1.4: Pohyby z´apˇest´ı [4]

Obr´azek 1.5: Pohyby prst˚u [4]

Metakarpofalangov´e klouby

Jedná se o kloub spojuj´ıc´ı prst s rukou. D´ıky tomuto kloubu je moˇzný pohyb nahoru a dol˚u (extenze a flexe) a také pˇri extenzi i úklony do stran (abdukce a addukce), tyto pohyby jsou znázornˇeny na obrázku 1.4.

Interfalangov´e klouby

Tyto klouby spojuj´ı ostatn´ı ˇclánky prst˚u. Klouby jsou válcové a umoˇzˇnuj´ı flexi a extenzi stejnˇe jako u metakarpofalangového klubu. Mezi stˇredn´ım a distáln´ım falangem je rozsah pohybu do 90°. Mezi ˇclánkem proximáln´ım falangem a stˇredn´ım falangem je rozsah pohybu aˇz 105°.

1.3 Druhy ´uchopu lidsk´e ruky

V této ˇcásti budou popsány tzv. primárn´ı úchopy zdravé lidské ruky. Primárn´ı úchop je zp˚usob, jakým vˇetˇsina jedinc˚u pouˇz´ıvá horn´ı konˇcetinu k úˇcelnému zachycen´ı svého okol´ı. Podle charakteristik pˇredmˇetu (tvar, materiál, rozmˇer, pˇredpokládaná manipulace apod.), dˇel´ıme u primárn´ıho úchopu primárn´ı úchopové formy na malé a velké.

(24)

Obr´azek 1.6: Klouby prst˚u ruky [4]

1.3.1 Malé úchopové formy

Malé úchopové formy, nˇekdy uvádˇené jako jemné nebo ˇspiˇckové, jsou tyto:

Pinzetový úchop1.7a (ˇspiˇckový, dvoubodový nebo bidigitáln´ı úchop) je provádˇen distáln´ı ˇcást´ı bˇr´ıˇska posledn´ıho ˇclánku ukazováˇcku, prostˇredn´ıˇcku, prsten´ıˇcku nebo mal´ıˇcku proti distáln´ı ˇcásti bˇr´ıˇska druhého ˇclánku palce.

Spetkov´ˇ y úchop 1.7b (tˇr´ıbodový nebo pluridigitáln´ı úchop) je provádˇen stiskem volárn´ı strany bˇr´ıˇska posledn´ıch ˇclánk˚u tˇr´ı prst˚u (palec, ukazováˇcek, prostˇred- n´ık), popˇr´ıpadˇe vˇsech prst˚u najednou.

Kl´ıˇcový úchop1.7c je provádˇen pˇritisknut´ım volárn´ı strany druhého ˇclánku palce proti radiáln´ı stranˇe ukazováku.

1.3.2 Velké úchopové formy

Dlaˇnový úchop1.8a je provádˇen intenzivn´ım sevˇren´ım vˇsech prst˚uve flexi smˇerem do dlanˇe tak, jako kdyˇz v dlani sv´ıráme kouli.

Háˇckový úchop1.8b vzniká kdyˇz ukazováˇcek, prostˇredn´ıˇcek, prsten´ıˇcek a mal´ıˇcek jsou flektovány v základn´ım kloubu a prvn´ım a druhém meziˇclánkovém kloubu.

Palec se úchopu nezúˇcastn´ı. Tento úchop se pouˇz´ıvá pˇri pˇrenáˇsen´ı taˇsky.

Válcový úchop1.8c má podobný charakter jako háˇckový úchop, ale palec smˇeˇruje proti ostatn´ım prst˚um a zajiˇst’uje tak zachycen´ı uchopovaného pˇredmˇetu.

(25)

(a) Pinzetový úchop (b) ˇSpetkový úchop (c) Kl´ıˇcový úchop Obrázek 1.7: Malé úchopové formy

(a) Dlaˇnový úchop (b) Háˇckový úchop (c) Válcový úchop Obrázek 1.8: Velké úchopové formy

1.4 Amputace horn´ı konˇcetiny

V této ˇcásti jsou uvedeny hlavn´ı pˇr´ıˇciny a druhy amputac´ı horn´ı konˇcetiny. K amputac´ım horn´ı konˇcetiny docház´ı ménˇe ˇcasto neˇz k amputac´ım doln´ı konˇcetiny [9], ale funkˇcn´ı deficit je srovnatelný a v nˇekterých pˇr´ıpadech je vˇetˇs´ı. U horn´ıch konˇcetin záleˇz´ı pˇredevˇs´ım na dominantnosti, dále na schopnosti pacienta pˇrijmout náhradu a nauˇcit se s n´ı zacházet. Nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı je zajistit uˇzivateli protézy dostateˇcnou sobˇestaˇcnost. Roli v tomto hraje i psychika pacienta.

1.4.1 D˚uvody k amputaci horn´ı konˇcetiny

Trauma – nejˇcastˇejˇs´ı d˚uvod k amputaci. Jedná se o následek pracovn´ıho úrazu, pˇr´ıˇcinou autonehody, stˇrelná poranˇen´ı, následky výbuchu a domác´ı úrazy. Prio- ritou je vˇzdy zachován´ı konˇcetiny, pokud nejsou pˇr´ıliˇs poˇskozeny mˇekké tkánˇe.

Dysfunkce konˇcetiny– provád´ı se v pˇr´ıpadech vrozených a vývojových vad, kdy

(26)

chyb´ı celá konˇcetina nebo jej´ıˇcást. V mnoha pˇr´ıpadech nem˚uˇze konˇcetina plnit ˇzádnou funkci.

Infekˇcn´ı proces – tento zákrok se provád´ı pro záchranu ˇzivota. Pˇr´ıˇcinou jsou lokáln´ı infekce a nezvladatelná sepse.

Nekróza tkánˇe – zp˚usobené úrazem elektrickým proudem, omrzlinami, popáleni- nami. Docház´ı k n´ım taky pˇri poruˇse perifern´ıho prokrven´ı konˇcetiny a také jako d˚usledek zuˇzován´ı aˇz uzávˇeru tepny.

Tumory – jde o nádorové onemocnˇen´ı mˇekkých tkán´ı, kost´ı nebo o metastáze z jiných tumorózn´ıch loˇzisek.

Doktoˇri se primárnˇe snaˇz´ı zachovat co nejdelˇs´ı pahýl a d˚uleˇzité r˚ustové ploténky.

Amputace v dˇetském vˇeku jsou zvláˇstn´ı t´ım, ˇze tkánˇe dále normálnˇe rostou. V nˇe- kterých pˇr´ıpadech je potˇreba po skonˇcen´ı r˚ustu upravit pahýl k funkˇcnosti protézy.

1.4.2 Dˇelen´ı amputac´ı podle v´yˇsky amputace

Amputace jsou obecnˇe provádˇeny pˇr´ımo v kloubu – exartikulace. Dále také v r˚uzných

´urovn´ıch dlouh´ych kost´ı horn´ı konˇcetiny.

Amputace prst˚u – d˚usledek traumatu, kdy docház´ı k poruˇsen´ı mˇekkých tkán´ı a skeletu (pracovn´ı úrazy a úrazy zp˚usobené výbuˇsninou). Doktor který má na starosti operaci posuzuje rozsah poˇskozen´ı, pokud by byla potˇreba nároˇcná rekonstrukce je zvaˇzována amputace.

Transkarpáln´ı amputace – zachovává nˇekteré ˇrady zápˇestn´ıch k˚ustek pro za- chován´ı pronaˇcnˇe-supinaˇcn´ıch pohyb˚u pˇredlokt´ı.

Transradiáln´ı amputace– pro zachován´ı supinace, pronace, extenze a flexe v loketn´ım kloubu, je d˚uleˇzitá délka pahýlu. Provád´ı se oddˇelen´ım zápˇestn´ıch kost´ı od kosti vˇretenn´ı a loketn´ı.

Exartikulace v loketn´ım kloubu – jedn´a se o oddˇelen´ı kosti vˇretenn´ı a loketn´ı v loketn´ım kloubu.

Transhumeráln´ı amputace – provád´ı se v r˚uzných úrovn´ıch kosti paˇzn´ı (humeru).

Exartikulace v rameni – provád´ı se u devastuj´ıc´ıch poranˇen´ı horn´ı konˇcetiny nebo nádorových onemocnˇen´ı.

(27)

1.5 Typy prot´ez horn´ı konˇcetiny

Protézy horn´ı konˇcetiny se rozdˇeluj´ı do nˇekolika r˚uzných druh˚u, v této práci budou uvedeny ˇctyˇri typy a to kosmetické, tahové, myoelektrické a bionické. Nˇekteˇr´ı pa- cienti upˇrednostˇnuj´ı jen kosmetický efekt protetické náhrady, který zakryje hlavnˇe defekt. U nˇekterých pacient˚u, kteˇr´ı se nenauˇc´ı pracovat s myoelektrickou protézou, je vhodné vybrat takovou protézu, která zprostˇredkuje samoobsluˇzné funkce. Základn´ı rozdˇelen´ıje na pasivn´ı(kosmetické), aktivn´ıovládané vlastn´ısilou a aktivn´ıovládané vnˇejˇs´ı silou. Výbˇer protézy záleˇz´ı na nˇekolika faktorech napˇr.: výˇska amputace, fy- zické a psychické schopnosti, zp˚usob vyuˇzit´ı protézy, vˇek postiˇzeného apod. Hlavn´ı d˚uvod je ovˇsem cena protéz, obzvláˇst’ tˇech myoelektrických a bionických.

1.5.1 Kosmetick´e

Kosmetické protézy se ˇrad´ı mezi pasivn´ı. Tento typ protéz je velmi rozˇs´ıˇrený. Jejich funkˇcnost je velmi omezená, ta m˚uˇze spoˇc´ıvat pouze v opoˇre pˇri drˇzen´ı pˇredmˇet˚u.

Mohou být aplikovány bezprostˇrednˇe po zákroku, a to v prvn´ı fázi postamputaˇcn´ı péˇce. Tyto protézy vyˇzaduj´ı minimáln´ı údrˇzbu a nejsou potˇreba prakticky ˇzádné náklady na servis. Dneˇsn´ı kosmetické náhrady jsou vyrábˇeny ze silikonu a je dbáno na co nejvˇetˇs´ı autentiˇcnost. Je primárn´ı, aby náhrada vypadala co nejv´ıce jako ori- ginál, to se týká barvy k˚uˇze, pigmentace a znamének. U náhrad pro ˇzeny je moˇzné napˇr. lakovat nehty. Pouˇz´ıvá se syntetické nebo i lidské ochlupen´ı. U silikonové protézy nezáleˇz´ı na délce pahýlu. Protéza pln´ı také psychosociáln´ı funkci ve smyslu podpory ˇci znovuz´ıskán´ı sebed˚uvˇery osob se zdravotn´ım postiˇzen´ım [9].

Obrázek 1.9: Silikonová protéza horn´ı konˇcetiny [10]

(28)

1.5.2 Tahov´e

Patˇr´ı mezi základn´ı aktivn´ı protézy. Zdrojem s´ıly je vlastn´ı s´ıla uˇzivatele. Pohyb je pˇrenáˇsen pomoc´ı lanka nebo soustavy lanek na protézu. Tyto protézy ˇcasto zatˇeˇzuj´ı pacienta a pˇretˇeˇzuj´ı zdravou stranu. Pˇredpokladem pouˇz´ıván´ı tahové protézy je schopnost vyvinout dostateˇcnou s´ılu pro ovládán´ı a také je potˇreba m´ıt dostateˇcnou kloubovou pohyblivost v zachovaných kloubech nebo pohyblivost druhé konˇcetiny.

Tahové protézy mohou být otev´ıraj´ıc´ı se – tahem lanka docház´ı k otevˇren´ı, pˇri jeho povolen´ı k zavˇren´ı (viz obrázek 1.10). Druhý typ je volnˇe se zav´ıraj´ıc´ı – v klidovém stavu je koncová ˇcást otevˇrená, pak tahem lanka docház´ı k sevˇren´ı. S´ıla úchopu je regulována silou uˇzivatele. Problémem je, ˇze tahovou protézu nelze vyuˇz´ıt v úrovni

úst a pod úrovn´ı pasu. Mezi tahové protézy se také mohou ˇradit r˚uzné pracovn´ı nástavce umoˇzˇnuj´ıc´ı potˇrebnou ˇcinnost uˇzivatele. Tento typ protéz je nenároˇcný na

údrˇzbu a levnˇejˇs´ı neˇz myoelektrické a bionické náhrady.

Obrázek 1.10: Tahová protéza od firmy ottobock [11]

1.5.3 Myoelektrick´e

Myoelektrické protézy patˇr´ı mezi aktivn´ı pohánˇené vnˇejˇs´ı silou. Pohon obstarávaj´ı elektromotory, piezoelektrické motory, servomotory nebo pneumatické svaly. Jsou sn´ımány elektrické impulsy ze zachovalých svalových skupin, ty jsou zpracovány ˇr´ıdic´ı jednotkou a ta pohán´ı motory. Tyto signály jsou sn´ımány formou napˇet´ı viz kapitola 1.7. Protézy lze moˇzno ˇr´ıdit digitálnˇe nebo proporcionálnˇe.

Digitáln´ı ˇr´ızen´ı – pomoc´ı svalových kontrakc´ı je ovládáno sevˇren´ı a otevˇren´ı protézy. Toto ˇr´ızen´ı m˚uˇze být jednokanálové nebo dvoukanálové. Jednokaná- lové spoˇc´ıvá v mˇeˇren´ı jedné svalové skupiny a rozliˇsuje se rychlost kontrakce.

Pomalá zp˚usob´ı sevˇren´ı a rychlá jej´ı otevˇren´ı. Dvoukanálové ˇr´ızen´ı vyuˇz´ıvá dvˇe

(29)

svalové skupiny. Kontrakc´ı jedné se protéza otevˇre, kontrakc´ı druhé se zavˇre.

Oba pohyby jsou vˇetˇsinou prov´adˇeny konstantn´ı rychlost´ı.

Proporcionáln´ı ˇr´ızen´ı – s´ılu a rychlost úchopu lze regulovat pomoc´ı myoelek- trických signál˚u. Pˇri zmˇenˇe intenzity signálu dojde ke zmˇenˇe s´ıly a rychlosti. U tohoto ˇr´ızen´ı se vyuˇz´ıvá sn´ımán´ı v´ıce svalových skupin, protéza pak umoˇzˇnuje napˇr. i rotaci v zápˇest´ı.

Pˇri sn´ımán´ı elektrických signál˚u mus´ı uˇzivatel vyvinout dostateˇcnou svalovou ak- tivitu, pˇri n´ızké úrovni signálu nen´ı náhrada pouˇzitelná a naopak pˇri velké úrovni je náhrada neefektivn´ı. V ˇCR dostupné myoelektrické protézy zprostˇredkovávaj´ı tˇr´ıprstý, ˇspetkový, úchop (viz produkt ottobock na obrázku 1.11). Tento typ protéz je nároˇcný na údrˇzbu, kterou mus´ı provádˇet kvalifikovaný personál.

Obrázek 1.11: Myoelektrická protéza od firmy ottobock [11]

1.5.4 Bionick´e

Posledn´ım uvádˇeným typem protézy jsou bionické. Bionické náhrady jsou velmi sofistikované a d´ıky tomu také nejdraˇzˇs´ı. Tento typ náhrad umoˇzˇnuje hýbán´ı prst˚u zvláˇst’, kde je kaˇzdý prst pohánˇen vlastn´ım pohonem. Tato konstrukce umoˇzˇnuje vˇsechny druhy úchopu zm´ınˇené v kapitole 1.3. Samotné prsty bionických náhrad se skládaj´ı z ˇclánk˚u, nˇekteré konstrukce pak maj´ı prsty ze dvou a nˇekteré ze tˇr´ı ˇclánk˚u.

Náhrady umoˇzˇnuj´ı pohyby zápˇest´ım a palec se pohybuje v rozmez´ı 0° aˇz 90° jako u zdravé konˇcetiny. Kaˇzdá bionická protéza je ˇr´ızena vlastn´ı ˇr´ıdic´ı jednotkou, která umoˇzˇnuje v nˇekterých pˇr´ıpadech propojen´ıs mobiln´ım telefonem, a t´ım pak provádˇet diagnostiku nebo nastaven´ı gest. V dneˇsn´ı dobˇe se vývojem a výrobou tˇechto protéz zabývá nˇekolik výrobc˚u napˇr. ottobock [11] (Michelangelo Hand), bebionic [12] (viz obrázek 1.12), touch bionics i-limb. Cena tˇechto komerˇcn´ıch náhrad je ovˇsem velmi vysoká a opravy jsou nároˇcné.

(30)

Obrázek 1.12: Bionická protéza bebionic [12]

1.6 Technologie 3D tisku

3D tisk neboli aditivn´ı výroba je proces tvorby pˇredmˇetu ve tˇrech dimenz´ıch z pev- ného materiálu. Pˇri aditivn´ı výrobˇe je objekt vytvoˇren pokládán´ım souvislých vrstev materiálu, dokud nen´ı zcela dokonˇcen. Kaˇzdá tato vrstva je úzce rozˇr´ıznutou horizontáln´ı sekc´ı daného objektu (objekt se softwarovˇe rozˇrezán na plátky v ho- rizontáln´ım smˇeru. Vˇsechna zaˇr´ızen´ı na výrobu 3D model˚u pracuj´ı na principu rozloˇzen´ı poˇc´ıtaˇcového modelu do tenkých vrstev a jejich následném sestaven´ı do reálného modelu na pracovn´ı plochu tiskárny. Model je stavˇen na základn´ı desce, která po dokonˇcen´ı kaˇzdé vrstvy sjede o dol˚u právˇe o tlouˇst’ku vytvoˇrené vrstvy.

Technologie 3D tisku existuje jiˇz dlouho, opravdový boom ale zaˇz´ıvá aˇz v posledn´ıch letech. Jednou z prvn´ıch osob, která se zabývala technikou velmi podobnou 3D tisku, byl profesor Nakagawa z Tokijské univerzity. Vyuˇz´ıval vrstvy z laminátu, které po spojen´ı tvoˇrily formu pro výrobu dalˇs´ıch nástroj˚u. Za otce 3D tisku je povaˇzován z vˇetˇsiny zdroj˚u Charles Hull, který si nechal v roce 1986 patentovat aditivn´ı technologii nazvanou Stereolitografie. V roce 1993 si nechal Massachusettský technologický institut (MIT) patentovat technologii trojrozmˇerných tiskaˇrských tech- nik, která pracovala na principu práˇskového materiálu spojovaného tekutým spo- jovým materiálem. Tedy pojem 3D tiskárna známe aˇz z druhé poloviny 90. let mi- nulého stolet´ı. [13]

1.6.1 Nˇekter´e vyuˇz´ıvan´e technologie 3D tisku

V této podkapitole budou uvedeny nˇekteré vyuˇz´ıvané technologie 3D tisku [14].

SLA(Stereolitography apparatus) – Metoda vytváˇren´ıobjekt˚u pomoc´ıpostupného vytvrzován´ı polymer˚u pomoc´ı ultrafialového záˇren´ı. Na ˇcásteˇcnˇe vytvrzené vrstvy polymeru se nanáˇs´ı dalˇs´ı vrstva.

(31)

FDM (Fusing Deposition Modeling) – Velmi rozˇs´ıˇrená metoda hlavnˇe d´ıky hobby 3D tisku. Umoˇzˇnuje pohodlnou výmˇenu a dostupnost materiál˚u na trhu. Hlav- n´ımi materiály které se vyuˇz´ıvaj´ı jsou ABS a PLA. Model se tiskne vrstvu po vrstvˇe.

PolyJet – Nˇekolik trysek nanáˇs´ı zároveˇn materiál (nebo v´ıce r˚uzných materiál˚u) a na pracovn´ı ploˇse je materiál vytvrzován ultrafialovým záˇren´ım.

SLM (Selective Laser Melting) – Materiál je na pracovn´ı plochu nanáˇsen v podobˇe práˇsku po tenkých vrstvách a pˇr´ımo na n´ı je taven laserovým paprskem.

SLS (Selective Laser Sintering) – Energeticky nároˇcná metoda, smˇes materiál˚u ve formˇe práˇsku je tavena laserovým paprskem, podobnˇe jako u SLM.

1.6.2 Nˇekteré vyuˇz´ıvané materiály v 3D tisku

Zde budou uvedeny nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı materi´aly vyuˇz´ıvan´e v technologii 3D tisku [16].

ABS(Akrylonitrilbutadienstyren) – Termoplastický materiál o hustotˇe 1045 kg/m³, pouˇz´ıvaný pro 3D tisk. Hlavn´ımi výhodami ABS je tuhost, odolnost proti n´ızkým a vysokým teplotám a chemikáli´ım (kyseliny, uhlovod´ıky a oleje) a zdravotn´ı nezávadnost. D´ıly vytisknuté materiálem ABS lze lepit. Materiál patˇr´ı mezi nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı pro tisk metodou extruze plastu a FDM. ABS je dodáván ve formˇe vlákna o pr˚umˇerech 3 mm. Tento materiál nelze doporuˇcit pro tisk velkých objekt˚u (nejdelˇs´ı rozmˇer cca 80 mm).

PLA (Polylactid Acid) – Tento materiál je vedle ABS nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı pro 3D tisk metodou extruze plastu. Tento termoplastický polyester je z´ıskáván z obno- vitelných zdroj˚u, napˇr. z kukuˇriˇcného nebo bramborového ˇskrobu a je biolo- gicky odbouratelný. Pro potˇreby 3D tisku je dodáván obvykle ve formˇe vlákna o pr˚umˇeru 1,75 aˇz 3 mm.

HiPS (High impact Polystyrene – houˇzevnatý polystyrén) – Je to termoplast, polystyrén s pˇr´ıdavkem kauˇcuku. Pouˇz´ıvá se pro tisk na dvouhlavých 3D tiskárnách. HIPS tiskoviny lze brousit.

PVA (Polyvinylalkohol) – Materiál urˇcený pro tisk metodou FDM. Pˇrednost´ı je jednoduchá zpracovatelnost na 3D tiskárnách, kvalita tisku i pˇri velkých de- tailech a výborné vrstven´ı tisknutého objektu.

PC (Polykarbonát) – Je to termoplastický plast. Má dobrou tepelnou odolnost a odolnost v˚uˇci náraz˚um. Zachovává si svoji ohebnost i v chladu. Vyuˇz´ıvá se hlavnˇe pro tisk transparentn´ıch prototyp˚u. Je to nejtvrdˇs´ı plast, který se pouˇz´ıvá. Nevýhodou je vysoká teplota tán´ı oproti ABS a PLA, coˇz prodluˇzuje dobu tisku.

PET-G (polyetylén tereftalát – gylokal) – Tento materiál je v´ıce odolný v˚uˇci kyselinám, rozpouˇstˇedl˚um, vysokým i n´ızkým teplotám.

(32)

FLEXIBLE– Jemný, mˇekký, elastický, a pokud je vystavený horké vodˇe, i ohebný materiál. D´ıky tˇemto vlastnostem se dá pˇretváˇret jeho tvar. Materiál se dá vyuˇz´ıt v lékaˇrstv´ı, protetice a u netkaných textili´ı. Je netoxický a schopný rozkladu.

PMMA– Materiál odolný povˇetrnostn´ım vliv˚um, propouˇst´ı UV záˇren´ı a má dobré optické vlastnosti. Mezi jeho pˇrednosti patˇr´ı i dobré elektroizolaˇcn´ı vlastnosti.

POM(Polyxymetylén) – Konstrukˇcn´ı termoplast pouˇz´ıvaný u pˇresných d´ıl˚u, které vyˇzaduj´ı velkou tuhost, n´ızké tˇren´ı a vynikaj´ıc´ı rozmˇerovou stabilitu. Má velké vyuˇzit´ı ve stroj´ırenstv´ı.

PP-SoftJet– Termoplastický polymer, pouˇz´ıvá se jako obalový materiál. Vyuˇz´ıvá se v textiln´ım a potravináˇrském pr˚umyslu. Je to houˇzevnatý materiál podobný gumˇe.

1.6.3 CAD zpracov´an´ı

Návrh 3D modelu, podle kterého pak 3D tiskárna vytiskne prakticky jakýkoli d´ıl, se vytváˇr´ı v r˚uzných 3D CAD prostˇred´ıch. Model navrhnutý v takovémto prostˇred´ı se pak jen pˇrevede do formátu STL (Standard Triangulation Language). Souborový formát STL, jako zkratka vycházej´ıc´ı z technologie 3D tisku zvané stereolitografie, byl vyvinut firmou 3D Systems. Soubor popisuje tˇr´ırozmˇernou povrchovou geometrii modelu. Pˇrevedený model se reprezentuje jako soubor trojúheln´ık˚u r˚uzných velikost´ı v závislosti na poˇzadovaném rozliˇsen´ı. ˇC´ım vyˇsˇs´ı je rozliˇsen´ı, t´ım menˇs´ı je velikost trojúheln´ık˚u (povrch je mnohem hladˇs´ı), ale délka výpoˇctu modelu se zvˇetˇs´ı. STL model je rozdˇelen do velmi tenkých vrstev podél roviny os XY. Kaˇzdá vrstva je postavena na vrstvu pˇredchoz´ıa pohybuje se ve smˇeru osy Z. Pro 3D tisk je nezbytné, aby byly vˇsechny normály správnˇe nastaveny smˇerem z daného projektu.

1.7 Elektromyografie

Elektromyografie (EMG) je metoda, která je zaloˇzena na sn´ımán´ı povrchové nebo mezisvalové aktivity. Zaznamenává zmˇenu elektrického potenciálu, ke které docház´ı pˇri svalové aktivaci. EMG je tradiˇcnˇe vyuˇz´ıváno pro medic´ınský výzkum a diagnostiku neuromuskulárn´ı poruchy. D´ıky rozˇs´ıˇren´ı výkonných mikrokontroler˚u a inte- grovaných obvod˚u se EMG sn´ımaˇce dostávaj´ı i do protetických náhrad, robotiky a dalˇs´ıch ˇr´ıdic´ıch a kontroln´ıch systém˚u. U povrchového sn´ımán´ı se napˇet´ı pohybuje v rozmez´ı 0,1–10 mV a s frekvenc´ı 0,01 Hz – 10 kHz.

Signál vzniká v depolarizovaných membránách svalových bunˇek, kde se vlna de- polarizace pohybuje od zdroje (nervosvalová ploténka) ke ˇslachovým úpon˚um sval˚u.

Mezi zdroji signálu a elektrodou se nacházej´ı vrstvy tkánˇe. Mezi epidermis (nej- svrchnˇejˇs´ı vrstva k˚uˇze) a elektrodou se nacház´ı elektrolyt, který má vliv na signál jako horn´ı propust. D´ıky vrstvám tkánˇe mezi elektrodou a zdroji signálu, nesn´ımá povrchová elektroda pouze jednu motorickou jednotku, ale dostupný signál je sumac´ı

(33)

vˇsech motorických jednotek v dosahu. V nˇekterých pˇr´ıpadech jednotka nesn´ımá jen vybraný sval, ale i svaly v bl´ızkém okol´ı. [18]

1.8 Kinematika lidsk´e horn´ı konˇcetiny

Lidská ruka je v robotice nedostiˇzným vzorem a je inspirac´ı pro konstrukci efek- tivn´ıch úchopných hlavic. Bionika a biomechanika se vyuˇz´ıvá pˇri vývoji takovýchto efektor˚u, které se pak daj´ı vyuˇz´ıvat v protetice. Horn´ı konˇcetina ˇclovˇeka obsahuje v kinematickém náhradn´ım schématu 28° aˇz 35° volnosti (viz obrázek 1.13), pˇritom jen samotná ruka obsahuje 20° volnosti. Pro pr˚umyslovou aplikaci antropomorfn´ıho efektoru se ukazuje, ˇze pro 90 % aplikac´ı postaˇcuje tˇr´ıprsté chapadlo (moˇzná po- dobnost s myoelektrickou náhradou ottobock viz 1.11). Poznatky a postupy z´ıskané pro pr˚umyslová zaˇr´ızen´ı se v mnoha pˇr´ıpadech prom´ıtaj´ı do vývoje protetiky a bio- nických náhrad. [20]

Obrázek 1.13: Náhradn´ı kinematický model horn´ı konˇcetiny [20]

(34)

2 Popis dostupných komerˇcn´ıch, open-source a levných protetických náhrad

Tvorba bionických náhrad dnes jiˇz nen´ı pouze záleˇzitost´ı specializovaných firem, ale objevuje se stále v´ıce nových nezávislých open-source projekt˚u na levné a funkˇcn´ı protézy. Na vývoji tˇechto nových ˇreˇsen´ı se pod´ılej´ı r˚uzn´ı samostatn´ı ”kutilové“, univerzity a firmy po celém svˇetˇe. Tato ˇreˇsen´ı si pak m˚uˇze kdokoli stáhnout a sám vyzkouˇset. Ten kdo chce vytvoˇrit vlastn´ı ˇreˇsen´ı se m˚uˇze inspirovat. Tento trend se zaˇcal rozv´ıjet s dostupnost´ı 3D tisku a tiskáren. D´ıky této technologii, se m˚uˇze jakýkoli prototyp nebo jen samostatný d´ıl, nechat vyrobit za n´ızkou cenu a velmi rychle. Staˇc´ısi ve 3D CADu navrhnout 3D model d´ılu, pˇrevést do formátu, se kterým pracuj´ı 3D tiskárny, a nechat si ho vytisknout.

V této chv´ıli je dostupných nˇekolik samostatných open-source projekt˚u, v násle- duj´ıc´ı kapitole bude popsáno pár vybraných. Projekty se liˇs´ı tvarem, funkˇcnost´ı, velikost´ı a komplexnost´ı. Co ovˇsem vˇsechny projekty spojuje je právˇe technologie výroby a hlavnˇe snaha udrˇzet poˇrizovac´ı cenu na co nejniˇzˇs´ı hodnotˇe. Naprostou vˇetˇsinu projekt˚u m˚uˇzeme rozdˇelit do dvou skupin, na tahové protézy vyuˇz´ıvaj´ıc´ı jen mechaniky r˚uzných materiál˚u, a bionické (myoelektrické) typy, které vyuˇz´ıvaj´ı pro vlastn´ı pohyb r˚uznou elektroniku a elektrosouˇcástky.

V této kapitole bude také uveden popis nˇekolika vybraných komerˇcn´ıch bio- nických protéz. Tyto komerˇcn´ı náhrady maj´ı vˇetˇsinou vysokou kvalitu zpracován´ı a jsou technologicky pokroˇcilé. Tyto protézy vznikaj´ı ve velkých firmách s dlou- holetou tradic´ı a na jejich vývoji a výrobˇe se pod´ılej´ı des´ıtky lid´ı. Z tˇechto fakt˚u ovˇsem plyne jejich nˇekdy aˇz astronomická cena, která m˚uˇze být v ˇrádech milion˚u korun. Jsou také sloˇzité a nároˇcné na údrˇzbu, která mus´ı být provádˇena odborným personálem.

2.1 Bionick´e a myoelektrick´e open-source projekty

2.1.1 exiii HACKberry

Japonský open-source projekt, HACKberry [30], uveˇrejnˇen v roce 2015. Základn´ı ideou tohoto projektu bylo vytvoˇren´ı funkˇcn´ı bionické náhrady s vyuˇzit´ım volnˇe dostupných souˇcástek a technologie 3D tisku. Tˇemito aspekty pak dosáhnout co nejmenˇs´ı ceny bionické protézy.

Podle tohoto projektu byl vytvoˇren prototyp, který poslouˇzil jako funkˇcn´ı vzorek. Tento prototyp byl sestaven v rámci semestráln´ıho projektu [19]. Kompletn´ıˇsasi

(35)

této náhrady je vytvoˇreno technologi´ı 3D tisku (FDM technologie). Pohyb zajiˇst’uj´ı tˇri servomotory ˇr´ızené jednotkou Arduino Micro. Napájen´ı zajiˇst’uje baterie o napˇet´ı 7,4 V. Projekt obsahuje také návrh senzoru pro neinvazivn´ı sn´ımán´ı, který byl sestaven a otestován v rámci této diplomové práce. Jedná se tak o komplexn´ı, finanˇcnˇe nenároˇcné ˇreˇsen´ı komerˇcn´ıch náhrad. Vˇsechny ˇcásti potˇrebné k sestaven´ı takové protézy jsou vˇetˇsinou lehce dostupné a finanˇcnˇe nenároˇcné. Souhrn zkuˇsenost´ı s prototypem a kompletn´ı technické parametry jsou popsány v následuj´ıc´ı kapitole 3.

Obr´azek 2.1: Prototyp bionick´e ruky podle projektu HACKberry

2.1.2 open bionics Ada V1.0

Levnou protetickou rukou se zabývá také Britská spoleˇcnost open bionics [31].

Jedn´ım z jejich novˇejˇs´ıch produkt˚u je levná bionická náhrada s názvem Ada. Spo- leˇcnost nab´ız´ı stl data ke staˇzen´ı nebo umoˇzˇnuje koupit kompletn´ı vývojový kit, který obsahuje vytisknutou konstrukci ruky, veˇskerý potˇrebný materiál a elektro- niku. Tento kit se dá objednat pˇr´ımo na stránkách open bionics za 599£ (v pˇrepoˇctu cca 18500 Kˇc). Tato cena je vˇsak oproti komerˇcn´ım náhradám minimáln´ı. Uvád´ı se ˇze, Ada je velmi lehká na kompletaci, která by nemˇela zabrat v´ıce neˇz hodinu. Dlaˇn náhrady obsahuje motory pro pohyb vˇsech pˇeti prst˚u a ˇr´ıdic´ı elektroniku pro jejich ˇr´ızen´ı. Obsahuje vlastn´ı na m´ıru vytvoˇrenou DPS (deska ploˇsných spoj˚u), jej´ımˇz srd- cem je mikrokontrolér ATMEGA2560. Bionická ruka Ada má pˇet stupˇn˚u volnosti, je zaloˇzená na open-source technologii, je kompatibiln´ı s vývojovým prostˇred´ım Ar- duino IDE a programuje se pˇres rozhran´ı USB. Celá ruka váˇz´ı 380 g jej´ı hlavn´ı rozmˇery jsou 215 × 178 × 58 mm a pracuje na napˇet´ı 12 V. Kompletn´ı ruka Ada zvládne ˇspetkový, pinzetový, válcový a háˇckový úchop. Ruka také umoˇzˇnuje, d´ıky ˇr´ızen´ı vˇsech prst˚u, r˚uzná dalˇs´ı gesta.

(36)

Obrázek 2.2: Levná bionická náhrada Ada [31]

2.2 Tahov´e open-source prot´ezy

2.2.1 Flexy-Hand 2

ˇCistˇe tahová bionická náhrada [32]. Je navrˇzena tak, aby se dala kompletovat velice jednoduˇse a rychle. Ke stavbˇe nen´ı potˇreba dokupovat ˇzádný spojovac´ı ma- teriál a uˇzivatel nebo konstruktér si vystaˇc´ı jen s 3D tiskárnou a kusem provázku, vlasce apod. Flexy-Hand 2 je velice podobná lidskému vzoru (oproti HACKberry) a neobsahuje ani tolik ˇcást´ı. ˇClánky prst˚u jsou mezi sebou a i mezi dlan´ı spojeny flexibiln´ım materiálem, který dovoluje jejich vlastn´ı ohýbán´ı. Samotné ohýbán´ı je pak realizováno tahem za provázky. Kaˇzdým prstem je takovýto provázek nutné protáhnout, jeden konec pˇripevnit na ˇspiˇcku prstu a druhý na základnu, která se pˇripne na zápˇest´ı. K samotnému zavˇren´ı ruky pak staˇc´ı pohyb dlan´ı. K vyuˇz´ıván´ı této náhrady se poˇc´ıtá s t´ım, ˇze uˇzivatel podstoupil transkarpáln´ı amputaci. Exis- tuj´ı i varianty, kde nen´ı nutné tento pohyb dlan´ı provádˇet a o pohyb se stará motor s elektronikou, pak uˇz ale náhrada nespadá do této kategorie. Bionická ruka se dá také vytisknout v nˇekolika r˚uzných velikostech, staˇc´ı jen upravit CAD data.

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno, náhrada je projektována tak, aby bylo jej´ı sestaven´ı co nejednoduˇs´ı a nejrychlejˇs´ı. V podm´ınkách univerzity jsme ale narazili na nˇekolik problém˚u. Problém byl s flexibiln´ım materiálem, toho bylo testováno nˇekolik r˚uzných variant, které se liˇsily samotnou flex´ınebo výrobn´ım materiálem. Velkým problémem se ukázalo, ˇze bionická ruka je navrhnuta hlavnˇe pro tisknut´ı na hobby tiskárnách a ne na profesionáln´ı technice (návrh nepoˇc´ıtal s pouˇzit´ım podp˚urných materiál˚u pˇri tisku). Pˇri tisknut´ı na profesionáln´ıch 3D tiskárnách se stalo, ˇze samotná tiskárna zaplnila lanovody pro spojen´ıˇclánk˚u prst˚u provázkem podp˚urným materiálem a t´ım bylo znemoˇznˇeno jejich protaˇzen´ı a zkompletovan´ı náhrady.

(37)

2.3 Komerˇcn´ı bionické a myoelektrické náhrady

2.3.1 ottobock Michelangelo

Michelangelo je modern´ıbionická náhrada od jiˇz zmiˇnované firmy ottobock [11]. Tato bionická ruka podle výrobce zvládá aˇz sedm r˚uzných úchopových forem. Mezi nˇe patˇr´ı napˇr. kl´ıˇcový úchop, abdukci/addukci prst˚u, ˇspetkový úchop a neutráln´ı reˇzim.

Michelangelo je vybavena ˇr´ıdic´ım systémem na bázi AxosBus (adaptivn´ı výmˇena dat pro ovládán´ı nervových funkc´ı). Je to integrovaný systém pro pˇrenos dat. R˚uzné komponenty jsou pˇrizp˚usobeny za úˇcelem co nejlepˇs´ı komunikace. V klidovém stavu vypadá protéza velmi pˇrirozenˇe.

Obr´azek 2.3: Bionick´a ruka ottobock Michelangelo [11]

2.3.2 touch bionics i-limb quantum

Výrobce bionických protéz touch bionics [23] má ve svém sortimentu nejnovˇejˇs´ı model ruky i-limb (viz obrázek 2.4). Výrobce uvád´ı, ˇze jde o jednu z nejv´ıce vyspˇelých bionických náhrad, které jsou k dostán´ına trhu. Náhrada se vyznaˇcuje tˇremi zp˚usoby ˇr´ızen´ı, a to pˇres mobiln´ı aplikaci, pomoc´ı sval˚u a proximitn´ı ˇr´ızen´ı. I-limb se m˚uˇze nastavit do 24 r˚uzných úchop˚u nebo gest. Mobiln´ı aplikace také umoˇzˇnuje vytváˇren´ı vlastn´ıch uˇzivatelských gest a celkový poˇcet gest tak m˚uˇze stoupnout o dalˇs´ıch 12.

Protéza zvládá primárn´ı úchopové formy jako pinzetový úchop, ˇspetkový úchop apod. Baterie dodávaná spoleˇcnˇe s protézou má nomináln´ı napˇet´ı 7,4 V, maximáln´ı proud 5 A a kapacitu 2000 mAh. Dostupné jsou ˇctyˇri velikostn´ı verze, jejichˇz váha se pohybuje od 432 do 572 g. Celá ruka zvládne unést 40–90 kg v závislosti na velikostn´ı verzi, prsty samotné pak jsou schopny zvládnout zat´ıˇzen´ı 20–32 kg.

2.3.3 bebionic

Bionická náhrada bebionic [12] je ergonomicky a podle výrobce unikátnˇe zpracovaná protéza, která nab´ız´ı to nejlepˇs´ı na trhu (viz obrázek 1.12). Náhrada obsahuje vlastn´ı motor pro kaˇzdý prst zvláˇst’. To umoˇzˇnuje velmi pˇrirozené pohyby a koordinaci. Mo- tory jsou situovány tak, aby byla ruka optimálnˇe vyváˇzená. Kaˇzdý prst monitoruje vlastn´ıˇr´ıdic´ı jednotka, která poskytuje pˇresnou polohu a spolehlivou kontrolu. Podle

(38)

Obr´azek 2.4: Bionick´a ruka i-limb quantum [23]

výrobce tato protéza zvládá 14 r˚uzných úchop˚u napˇr.: pinzetový, kl´ıˇcový, ˇspetkový, hákový apod. Náhrada je ˇr´ızena proporcionálnˇe, takˇze umoˇzˇnuje pˇresnou kontrolu s´ıly úchopu. Odolná konstrukce a pokroˇcilé materiály pouˇzité dˇelaj´ı náhrady do- stateˇcnˇe pevnou, aby zvládla unést aˇz 45 kg. Koneˇcky vˇsech prst˚u jsou potaˇzeny gumovým povrchem pro lepˇs´ı pˇrilnavost ke vˇsem ostatn´ım materiál˚um.

(39)

3 Zkuˇsenosti a dokonˇcen´ıprototypu bionick´e ruky HACKberry

3.1 Z´ıskan´e zkuˇsenosti

Tato diplomová práce úzce navazuje na magisterský projekt [19] z letn´ıho semestru roku 2016, který se zabýval stavbou prototypu bionické ruky podle open-source projektu HACKberry[30]. V této kapitole budou popsány a zaznamenány dosavadn´ı zkuˇsenosti z´ıskané s dlouhodobým testován´ım, prezentován´ım a údrˇzbou posta- veného prototypu. C´ılem projektu bylo vytvoˇren´ı a ovˇeˇren´ı bionické ruky HACK- berry. Tento c´ıl se podaˇril splnit, ale nepodaˇrilo se zhodnotit konstrukci z dlou- hodobˇejˇs´ıho hlediska a prototyp neproˇsel dlouhodobou zátˇeˇz´ı, aby se ovˇeˇrily jeho vlastnosti pˇri delˇs´ım pouˇz´ıván´ı.

Po uplynut´ı pˇribliˇznˇe dvou mˇes´ıc˚u, kdy byl prototyp uskladnˇen a nepouˇz´ıván, se projevily nedostatky ve spoj´ıch a samotném materiálu. Vˇetˇsina d´ıl˚u pouˇzitá pˇri výrobˇe prototypu byla vytiˇstˇena na 3D tiskárnˇe z materiálu polykarbonát (PC).

D´ıky velkému pnut´ı ve spoj´ıch a chybám pˇri montáˇzi doˇslo na nˇekterých v´ıce expo- novaných m´ıstech k prasknut´ı konstrukce. Tyto praskliny se nacházely zejména na ˇclánc´ıch prst˚u, jmenovitˇe prostˇredn´ıˇcku a prsten´ıˇcku. Poˇskozen´ı bylo ˇcásteˇcnˇe opra- veno pomoc´ı lepidla, aby se pˇredeˇslo dalˇs´ımu rozˇsiˇrován´ı poˇskozen´ı. Toto opatˇren´ı bylo zavedeno z nedostatku ˇcasu a náhradn´ıch d´ıl˚u.

Takto opravený prototyp byl prezentován veden´ı ústavu mechatroniky a tech- nické informatiky (MTI), univerzitn´ım novinám [21] (viz obrázek 3.1) a byla s prototypem natoˇcena reportáˇz pro ˇCeskou televizi [22]. V ˇr´ıjnu 2016 byla bionická ruka k vidˇen´ı na stroj´ırenském veletrhu (MSV) konaj´ıc´ım se v Brnˇe. Pro tyto pˇr´ıpady byl vytvoˇren pˇredvádˇec´ı algoritmus a tato pˇr´ıleˇzitost se vyuˇzila k otestován´ı dlou- hodobˇejˇs´ıho fungován´ı bionické ruky v kuse. Tento test prototyp zvládl, aˇz na jiˇz poˇskozené d´ıly, které nápor nevydrˇzely a jiˇz pˇr´ıtomné praskliny se rozˇs´ıˇrily a natrvalo poˇskodily dva jiˇz zm´ınˇené prsty.

Po této zkuˇsenosti byla na ruce provedena celková údrˇzba a výmˇena zniˇcených ˇcást´ı. Byly vytisknuty nové ˇcásti a prototyp byl opraven do opˇet funkˇcn´ıho stavu.

Pˇri této opravˇe byla ovˇeˇrena kompaktnost konstrukce, takˇze nen´ı tˇeˇzké ani nákladné vymˇenit ˇcásti tisknuté na 3D tiskárnˇe. Elektronika poˇskozena nebyla a funguje bez problému.

Bˇehem akademického roku 2017 probˇehla prezentace prototypu pˇri vˇsech dnech otevˇrených dveˇr´ı Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studi´ı.

(40)

Obr´azek 3.1: Fotka vyfocen´a na tituln´ı stranu TUNI

V bˇreznu roku 2017 byl za pomoci dvojice student˚u, z Fakulty zdravotnických studi´ı (FZS), vytvoˇren druhý prototyp bionické ruky HACKberry. Oba prototypy byly prezentovány v rámci brnˇenského Ampéru (viz obrázek 3.2) v term´ınu 21. aˇz 24. 3. 2017. Prvn´ı prototyp byl vybaven základn´ım druhem sn´ımaˇce a návˇstˇevn´ıci si mohli vyzkouˇset jeho funkˇcnost. Druhý prototyp (ˇcerná dlaˇn) obsahoval ukázkový algoritmus a vykonával v cyklu pˇredem nastavené úkony. Bohuˇzel v té dobˇe ne- byl druhý prototyp zcela kompletn´ı a chybˇel v nˇem motor pro pohon prostˇredn´ıku, prsten´ıku a mal´ıku. Z veletrhu se oba prototypy vrátily bez vˇetˇs´ıho poˇskozen´ı na sa- motné konstrukci. U druhého prototypu doˇslo pouze k uvolnˇen´ıdrátku slouˇz´ıc´ıho pro ˇr´ızen´ı servomotoru palce. Toto poˇskozen´ı bylo odstranˇeno bez nutnosti servomotor vymˇenit.

V dubnu roku 2017 byli autor a vedouc´ı práce osloveni redaktorem Týden´ıku Kvˇety a vznikl ˇclánek, který vyˇsel 27. 4. 2017. Tento ˇclánek byl napsán, tak aby osvˇetlil problematiku ˇsirˇs´ımu publiku. Mimo jiné se opˇet podaˇrilo vyzdvihnout TUL a Fakultu mechatroniky, informatiky a mezioborových studi´ı v oˇc´ıch veˇrejnosti.

D´ıky vˇsem tˇemto poznatk˚um, které se ukázaly aˇz postupem ˇcasu, dlouhodobˇejˇs´ım pouˇz´ıván´ım a testován´ım, bylo moˇzné identifikovat nejslabˇs´ı ˇclánky celé konstrukce a ovˇeˇrit snadnost opravy a údrˇzby.

3.2 Prototyp HACKberry

P˚uvodn´ı prototyp levné bionické náhrady HACKberry, jehoˇz funkˇcn´ı základ vznikl v rámci semestráln´ıho projektu [19], je v rámci diplomové práce doplnˇen o chybˇej´ıc´ı ˇcásti a hlavnˇe o senzorické jednotky, které jsou popsány v kapitole 4. V této kapitole

(41)

Obrázek 3.2: Vystaven´ı prototyp˚u na brnˇenském veletrhu Ampér 2017

bude popsán samotný prototyp a dokonˇcuj´ıc´ı úpravy které na nˇem jsou provedeny.

Elektronika prototypu se skládá z ˇr´ıdic´ı jednotky Arduino Micro [24]. Základem této ˇr´ıdic´ı jednotky je 8bitový RISC mikrokontrolér ATmega32U4. Arduino Micro má 20 digitáln´ıch vstup˚u/výstup˚u, frekvenci procesoru 16 MHz, pamˇet’ flash o veli- kosti 32 KB, SRAM 2,5 KB a EEPROM 1 KB. Pracovn´ı napˇet´ıˇr´ıdic´ı jednotky je 5 V a napájec´ı napˇet´ı se pohybuje v rozmez´ı 7–12 V. Rozmez´ı napájec´ıho napˇet´ı je do- poruˇcené, pˇri testován´ı prototypu se vyzkouˇselo, ˇze napájec´ı napˇet´ı m˚uˇze být pouze 6 V a jednotka funguje bezchybnˇe. Z 20 vstup˚u/výstup˚u 7 umoˇzˇnuje PWM, tato vlastnost se vyuˇz´ıvá k ˇr´ızen´ı tˇr´ı servomotor˚u, které uvádˇej´ı do pohybu prsty prototypu. Servomotor HS-311 [26], který pohán´ı ukazováˇcek, je analogový a má stan- dardn´ı rozmˇery 40×20×36 mm. Jeho toˇcivý moment je pˇri napˇet´ı 4,8 V 3,02 kg/cm a pˇri napˇet´ı 6 V 3,53 kg/cm. HS-311 má pˇri zátˇeˇzi spotˇrebu 800 mA a bez zátˇeˇze 180 mA. Dalˇs´ı dva servomotory EMAX ES08MD [27] jsou menˇs´ıch rozmˇer˚u a slouˇz´ı k polohován´ı palce a zbylých tˇr´ı prst˚u zároveˇn. Tyto digitáln´ı mikroservomotory s rozmˇery 32×11,5×24 mm maj´ı toˇcivý moment pˇri 4,8 V 2 kg/cm a pˇri napˇet´ı 6 V 2,4 kg/cm. Vˇsechny servomotory jsou modeláˇrské a jejich dostupnost je bez- problémová. Daj´ı se také jednoduˇse nahradit silnˇejˇs´ımi modely pro zajiˇstˇen´ı lepˇs´ıch vlastnost´ı stisku. Veˇskeré elektronické ˇcásti jsou pak usazeny a propojeny pˇres DPS [43], která obsahuje konektory napájec´ı a senzorový, vyp´ınaˇc a mikrosp´ınaˇce.