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. Прототипы 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 кружкой в не расжатой 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!
Поддержать проект
Комментарии (39)
tUUtiKKi13
08.11.2017 09:29Судя по роликам в 30 секунд – показать вам особо нечего. По сути на протезе двигается один палец. А вот модуль бесконтактной оплаты от спонсора можно встроить во что угодно.
Motoricanka Автор
08.11.2017 10:00Предлагайте, что бы вы хотели увидеть — и мы включим ваши идеи в план будущих съёмок. По желаниям других людей мы уже снимали видео с разной едой, сок протезом выжимали. А свежим идеям мы всегда рады)
Про пальцы. Двигаются синхронно все пять пальцев одновременно.
Модуль оплаты покупок, конечно, можно встроить во что угодно, но для этого требуется изменение конструкции протеза, тестирование наводок и шума, и т.д. Мы это сделали и наши киборги довольны. Спонсорства «Альфа-банка» у нас нет. Ноони откликнулись на наши пожелания использовать протез для оплаты покупок и предоставили поддержку и удобный функционалtUUtiKKi13
10.11.2017 09:43Про пальцы. Двигаются синхронно все пять пальцев одновременно.
Сколько в протезе отдельных несинхронно действующих сервомоторов? Сколько каналов связи мышца – сервомотор? Сколько суставов двигаются отдельно на каждом пальце?
Уж больно похоже на то, что сервомотор один.Motoricanka Автор
11.11.2017 11:07Кисти протезов рук можно разделить на 2 группы: односхватовые и многосхватовые.
Кратко, односхватовые быстрее и сильнее, многосхватовые лучше смотрятся в рекламе и стоят дороже.
В данной статье мы рассказываем о наших односхватовых протезах. Мотор в данных протезах один. Что имеется ввиду «канал связи мышца — сервомотор» не ясно. Поясню: в протезе 2 датчика, каждый на определённой мышце. Каждый датчик подключен к контроллеру, контроллер подключен к драйверам и аккумулятору и мотору. Каждый палец является одним цельным элементом без собственных суставов. За счёт внутренних связей все пальцы двигаются синхронно (с разной скоростью и траекторией) от одного мотора.
blazer
08.11.2017 09:43Респект конечно, но… инновациями тут и не пахнет) Покажите киборга, который на гитаре аккорды зажимает!)
Motoricanka Автор
08.11.2017 10:13+1Угадали наши планы! И мы ждём, когда сможем выложить видео игры в протезе на гитаре :)) Это обязательно будет, но пока не в этой статье.
Мы пока не за инновациями гонимся, но стараемся внедрить то, что в наших силах, как можно раньше и создаем продукт, функциональный, удобный и, что немаловажно, доступный.
DeggerZed
08.11.2017 10:57а эти планы реальны? когда можно ожидать протез с которым можно будет играть на гитаре?
Murmand
08.11.2017 11:05Уважаемый автор, к содержанию статьи никаких претензий не имею, но вы могли бы «гифки» прятать под кат?
kolibri
08.11.2017 11:47фильм вспомнился «Кибершторм» — там тоже парню без рук сделали протезы, которые играли музыку, которую он писал, на клавишных.
SynmanProff
08.11.2017 11:47Интересно, а медленные движения хвата связаны с механической частью или слабое место электроника с датчиками? Можно ли добиться быстроты работы протеза?
Motoricanka Автор
08.11.2017 12:45Скорость движения протеза зависит от многих факторов:
1. От уровня сигнала с датчиков — сам пользователь управляет скоростью сжатия/разжатия различным напряжением мышц под датчиками.
2. От баланса между силой и скоростью протеза. Есть разные варианты характеристики работы.
3. От опыта пользователей. К нам часто приходят клиенты с первичным протезированием, им не всегда бывает удобно с быстрым и мощным протезом.
amarao
08.11.2017 11:48-2Критика:
наймите скульптора сделать нормальную руку. Я учусь на художника и у меня кровавые слёзы при виде вашего протеза. Не по функционалу — по внешнему виду. Буквально чуть-чуть усилий на mold для резины — и рука будет выглядеть настоящей. А сейчас у вас совершенно не раскрыты формы и планы. Рукососика, 3Д-версия.Motoricanka Автор
08.11.2017 12:49Не хотели задеть ваши чувства художника, правда.
Некоторые оболочки для протезов, похожие на настоящую руку, стоят примерно столько же, сколько стоит наш протез. В них есть возможность повторить волосяной покров, татуировки, форму ногтей и т.п. Такие оболочки мы тоже можем ставить по желанию клиента. То, что мы сейчас используем — рациональный недорогой вариант для начинающих пользователей протезов. А в комплекте и запасная на случай порезов и повреждений.
Если у вас есть опыт недорогого варианта формовки косметических оболочек, мы будем признательны и рады, если поделитесь! А при желании можете и поучаствовать в нашей команде по дизайну детских биоэлектрических протезов.amarao
08.11.2017 12:56Смотрите, волосы и ногти — это важно, но второстепенно. Важны (с точки зрения восприятия человеком) крупные формы. Самые крупные формы у вас более-менее выполнены — это gesture, у вас оно реализуется штырями и механикой. А дальше там вторичные планы. У человека ни пальцы, ни рука ни в одном месте не равномерно круглая (сосиска-style). Всё, что нужно, это взять либо художника (чтобы поправил), либо (я сейчас подумал), просто тупо руку человека (статуи, маникена!), и использовать её в качестве формы. Вы же всё равно льёте резину в форму — так сделайте форму «по форме». Как только у вас появятся переломы форм (места, где нарушается равномерность изгиба), рука «оживёт». Без всяких волос и артхауса в районе морщинок.
SvSh123
08.11.2017 17:08Только вот незадача: все эти «вторичные планы» — это концентраторы напряжений. Неживому они противопоказаны. :)
denkle
09.11.2017 07:53Буквально чуть-чуть усилий на mold для резины — и рука будет выглядеть настоящей.
Эффект зловещей долины будет. Даже тут протезы выглядят слишком человечными. Лучше наоборот пока делать их как в том же MGS5 или Deus EX HR, собственно тут же этот вопрос поднимался пару раз в том числе от обладателя протезов, эта кожеподобная резина ухудшает восприятие протеза, особенно у детей.
Akon32
08.11.2017 12:24А сколько стоят ваши протезы (можно подробнее по этапам — изготовление, "установка", адаптация) ?
Motoricanka Автор
08.11.2017 13:02Стоимость начинается от 350 тысяч рублей в зависимости от комплектации.
Немного уточню: подробнее по этапам вас интересует процесс создания протезов?
daggert
08.11.2017 17:51Думаю что вопрошающего выше интересует как и меня: Сколько у меня должно быть денег, которые я принесу к вам, чтоб у меня появился протез вместо оторванной руки? За 350к я получу сам протез? Или это будет протез + обучение и подгонка под меня?
Motoricanka Автор
08.11.2017 20:29В эту сумму входит все: сам протез+подгонка+обучение.
А если вы гражданин РФ, то государство компенсирует эти 350 тысяч.
holy_desman
08.11.2017 17:03Класс! Очень порадовала новость. Выше пишут что такие протезы уже делают, но я-то услышал о модели для живых потребителей в первый раз и очень даже в восторге. И потому что страх потерять конечность — один из моих страшных страхов, и потому что делают наши ребята (элементная база, ясное дело локализована в РФ врядли вся, но это не так важно) и потому что вообще прогресс движется.
Успехов вам, парни! Так держать!Motoricanka Автор
08.11.2017 20:30Спасибо вам :)
А что касается элементной базы, то в России ее вообще нет. Только металл) но и он потом может стать китайским, когда выйдем на крупную серию.
little-brother
08.11.2017 18:39А что если использовать не мускульный датчик, который весьма капризен и требует обучения, а джойстики, управляемые пальцами ног?
Для регулировки силы сжатия можно использовать светодиоды/экранчик или вибромоторы.SvSh123
08.11.2017 19:18В этом блоге в одной из прежних статей кто-то предложил такую идею в комментах. Вроде пришли к выводу, что не прокатит…
little-brother
08.11.2017 21:35Ага, нашел. По мне конечно так себе аргумент, что при ходьбе пользоваться нельзя. При ходьбе у рук задача обычно поддерживать равновесие, а не хватать.
FirExpl
09.11.2017 07:47ИМХО, конечно, но если нужно будет занять устойчивое положение, то использовать пальцы ног для чего-то кроме его (положения) поддержания будет крайне затруднительно.
alexhott
08.11.2017 19:51Отлично что у нас хоть понемногу но что-то подобное делают, хотя по сути достаточно примитивно в плане механики. Не в обиду, но такое ощущение что редуктор из шуруповерта на видео позаимствовали.
Motoricanka Автор
09.11.2017 22:46Сравнение с шуруповёртом не обидно, так как это массовое, удобное и надёжное устройство. У редуктора протеза есть родственные элементы с редуктором шуруповёрта (зубчатая коническая пара), но в шуруповёрте нет требования отсутствия люфта при реверсе, и не критичны масса и размеры. В планах на будущее у нас есть рабочие протезы с функцией шуруповёрта, паяльника и ещё много других вариантов промышленного использования.
B_Air
09.11.2017 13:12Здравствуйте! работа отличная=) А можете подробнее про определение сигнала рассказать?
Motoricanka Автор
11.11.2017 11:06Можем и поподробнее)
Прощупываются мышцы и в определённые места на руке прикладываются ЭМГ-датчики (как у Фёдора на руке под чёрной резинкой на видео «Калибровка датчиков миопротеза «Страдивари»), для двухканального управления ищутся места для двух датчиков. Датчики подключаются к устройству, визуализирующему сигналы от датчиков. На шкале устройства дифференцированно отображается сигнал от разных датчиков при напряжении разных мышц, как и на осциллографе на видео. По соответствию напряжения мышц сигналам с датчиков, т.е. картинке на осциллографе, принимается решение о дальнейшем протезировании.
Когда найдены места на руке под датчики, эти места учитываются при изготовлении культеприемной гильзы и ниш для датчиков. После изготовления гильзы датчики помещаются в ниши гильзы и проверяется работа протеза. При проверке работы протеза регулируется и обсуждается комфортный клиенту уровень сигнала, приводящий протез в движение.
Иногда для этого достаточно стандартной регулировки на датчиках, иногда создаётся специальная прошивка для пользователя с учётом его сигналов. После тренировки с протезом выполняется окончательная настройка уровня сигнала и пользователь вступает в ряды киборгов-моториканцев.
Это краткое описание процесса. Многие подробности описать не можем, так как это как раз наше know-how. А сложнее всего найти места под датчики оказалось у нашего разработчика Фёдора, поэтому на видео неподдельная радость. Так что теперь у нас успешно протезируются клиенты с двухканальным управлением, которым по причине отсутствия сигналов отказали в других предприятиях даже в одноканальном управлении.
SvSh123
Синяя коробочка, которая видна на снимках — это аккумулятор? А где он в штатном режиме находится?
Motoricanka Автор
Все верно, синяя коробочка — это аккумуляторы. Это были опытные образцы. Сейчас уже они спрятаны внутри гильзы, это их место на данной стадии.
А в следующей версии они будут иметь возможность горячей замены.