Käsiproteesin ohjain – prototyypin kehitystyö

Abstract

Tämä insinöörityö on prototyypin tutkimus- ja kehitystyö. Insinöörityön aihe rajattiin alkuperäisestä ideasta rakentaa kokonainen robottiproteesiraaja, joka mahdollistaisi amputaatiossa raajansa menettäneelle samat käden liikkeet kuin biologinen raaja. Työn lähtökohtana on kehittää proteesiraajan ohjaimen prototyyppi, joka mittaa käsivarren lihaksesta sen tuottaman sähköisen impulssin. Signaalin tarkoitus on muuttaa servomoottorin pyörimissuuntaa kättä koukistaessa ja ojentaessa rannenivelestä.

Työssä perehdytään käsivarren ja luustolihasten anatomiaan sekä lihasten fysiologiaan. Tarkoituksena on luoda ymmärrys prototyypin kehitykseen vaikuttavista luonnollisista tekijöistä. Lisäksi perehdytään elektromyografiaan, jolla luodaan ymmärrys, miten tuo lihaksessa tapahtuva sähköinen impulssi saadaan digitaalipiirille muutetuksi.

Prototyypin kehitysalustana toimii Raspberry Pi Pico -mikro-ohjain, jota ohjelmoidaan MicroPython-ohjelmointikielellä. Prototyypin tulee toimia itsenäisesti ilman tietokonetta sen käyttötarkoituksen mukaan eli ihmisen mukana kulkeva proteesiraajana. Pico suoriutui sille vaadituista tehtävistä. Sen rajoitteetkin tuotiin esille, sillä lihasta mitatessa dataa tuotetaan lyhyessä ajassa paljon.

Työn tuloksena oli käsiproteesiohjaimen prototyyppi. Ranteen koukistus- ja ojennusliikkeen lisäksi kehityksen aikana rinnalle tuotettiin nyrkin puristuksen havaitseminen. Prototyypin lisäksi kehitettiin EMG:n mittaamiseen ja tallentamiseen tarkoitettu MicroPython-ohjelma.

This bachelor thesis is a prototype research and development work. The original idea for study was to develop a robotic prosthetic arm, so a person having lost the limb in amputation could get a substitute bionic limb that performs as well as the biological one. The scope was limited to the development of the logic for a microcontroller, which measures the electrical impulses produced by the forearm muscle. The signal is used to change the rotation of a servomotor when the hand is bent and extended from the wrist joint.

The anatomy of the arm and skeletal muscles as well as the physiology of the muscles are introduced. The aim is to provide an understanding of the natural factors influencing the prototype development. The study focuses on electromyography, which grants knowledge of how the electrical impulses in a muscle can be converted into a digital circuit.

The development platform for the prototype is the Raspberry Pi Pico microcontroller programmed in the MicroPython programming language. The prototype must operate independently without a computer for its intended purpose – a prosthetic limb attached to a human. Pico performed the required tasks; however, its limitations became clear as a large quantity of data is produced in a brief time when measuring the muscle.

The result of the study was a prototype of a prosthetic arm controller. In addition to wrist flexion and extension movements created for the controller, a clench of a fist motion was also added. As a side product a MicroPython program for EMG data collection was developed.