ChSTU repository

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ 
КАФЕДРА ПРИЛАДОБУДУВАННЯ, МЕХАТРОНІКИ ТА 
КОМП‘ЮТЕРИЗОВАНИХ ТЕХНОЛОГІЙ 
 
 
 
Допущено до захисту 
Завідувач кафедри ПМКТ 
_______ М.О. Бондаренко  
«___» ___________ 2024 р. 
 
 
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА 
ДО КВАЛІФІКАЦІЙНОЇ РОБОТИ БАКАЛАВРА 
 
на тему «Біоелектрична система управління багатофункціональним протезом 
верхньої кінцівки» 
 
 
Виконав здобувач освіти 4 курсу, групи РС-203ск 
спеціальність: 151 – Автоматизація та комп’ютерно-
інтегровані технології 
освітня програма: Робототехнічні системи та 
автоматизація 
_____ Яценко Олексій Олексійович                        . 
Керівник       Туз В.В.  
Рецензент     .  
 
 
Кваліфікаційна робота бакалавра містить результати власних здобутків автора. 
Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на 
відповідне джерело ___________________________________________________ 
підпис здобувача 
 
 
 
Черкаси – 2024 
Зміст 
 
 Стор 
Технічне завдання………………………………………………….…….. 2 
Вступ……………………………………………………………….……… 5 
1 Обгрунтування необхідного проектування на основі критичного  
аналізу існуючих  аналогів………..………………..…………………….……….. 7 
1.1 Огляд вітчизняних аналогів……………………………….………….. 7 
1.2 Огляд зарубіжних аналогів…………………………………………… 13 
2 Обґрунтування технічного завдання………………………………….. 17 
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми системи 22 
3.1 Розробка структурної схеми………………………………………… 22 
3.2 Розробка електричної принципової схеми системи управління  
біоелектричним протезом…..………………………………..………….……........ 25 
4 Розрахунок основних елементів об’єкту проектування……………... 33 
4.1 Розрахунок параметрів підсилювача біопотенціалів……….…… 33 
4.2 Розрахунок параметрів підсилювача потужності.……………….… 35 
4.3 Розрахунок надійності …………………………………..…….. ….. 37 
5 Технологічний розділ………………………………………………….. 40 
5.1 Обґрунтовування та вибір технологічного процесу виготовлення  
плати підсилювача біопотенціалів………………………………………………. 40 
5.2 Технологічний процес виготовлення плати підсилювача  
біопотенціалів …………………………………………………………………….. 41 
5.3 Вимоги, що висуваються до монтажу елементів РЕА…………. 46 
5.4 Основні вимоги, що висуваються при паянні елементів до плати… 46 
5.5 Технологічний контроль виготовлення плати підсилювача  
біопотенціалів …………………………………………... 47 
  
       
     РС-203СК.024.942.001 ПЗ 
Зм. Лист  № докум. Підп Дата  
Разроб. Яценко О.О.   Літ. Арк Аркушів 
Пров. Туз В..В.   Біоелектрична система управління  Т  3  
      багатофункціональним протезом 
Н.контр   верхньої кінцівки ЧДТУ 
Тичков В.В 
Затв.    Пояснювальна записка  
 
 
5.6 Загальні вимоги до монтажу друкованої плати…………………… 48 
5.7 Нормування часу монтажних робіт…………………………………... 49 
6 Спеціальний розділ……………………………………………………… 51 
6.1 Економічне обґрунтування розробки................................................... 51 
6.2 Охорона праці………………………………………………………. 53 
Висновок………………………………………………………………….. 68 
Список використаної літератури …………………………………..…… 69 
Додаток А Відомість технічного проекту ………………………………..  
Додаток Б Перелік нормативної документації …………………………. 
Додаток В Специфікації, перелік елементів…………………………….. 
Додаток Г Результати розрахунку на ЕОМ……………………………... 
Додаток Д Документація на технологічний процес …………………… 
  
  
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист 4 
№ докум. Підпис Дата 
 
Вступ 
 
В сучасному світі особливо гостро стоїть проблема допомоги людям з 
дефектами верхніх кінцівок. Ці дефекти можуть бути вродженими або набутими в 
результаті травм на виробництві, побутових травм, аварій, а також в результаті 
захворювань. 
Використання біоелектричних систем управління для забезпечення 
управління руховими і силовими функціями протеза дозволило позбавити 
інваліда від надмірних витрат м'язової енергії і значного об'єму компенсаторних 
рухів, що має місце при використанні активних протезів з тяговим управлінням. 
Якщо в тягових протезах, як силова функція, так і функція управління 
реалізується за рахунок м'язової енергії, то в протезах з біоелектричною системою 
управління за інвалідом залишається тільки функція управління. 
Управління виконавчими механізмами протезів може здійснюватися за 
допомогою зміни силових і геометричних параметрів м'язів людини, що 
впливають на різні типи позиційних датчиків. З фізіологічної точки зору для 
управління протезом раціональніше всього застосовувати систему управління, 
найбільш відповідну природній. Цій вимозі якнайповніше відповідають 
біоелектричні системи управління, в якості вхідного (керівного) сигналу в яких 
використовується електрична компонента м'язового збудження, і міотонічні 
системи управління, що використовують зміну об'єму м'язів при їх 
скороченні.Використання таких систем управління в протезах верхніх кінцівок 
дозволило істотно підвищити ефективність протезування. В той же час практика 
протезування і дослідницькі роботи ставлять нові задачі по подальшому 
вдосконаленню, як конструкцій протезів, так і процесу протезування інвалідів 
цими протезами. Роботи по вдосконаленню протезів пов'язані з розширенням 
контингенту протезованих, подальшим підвищенням функціональності протезів, 
їх надійності, зручності експлуатації. 
Основною і найвідповідальнішою складовою частиною протеза є система 
управління, що є електронним пристроєм, який служить для перетворення 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм.  5 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
командних сигналів в сигнали, що безпосередньо впливають на електроприводні 
пристрої виконавчих механізмів і їх комутацію. 
В даний час для управління багатофункціональними протезами верхніх 
кінцівок застосовується велика кількість технічних рішень біоелектричних, 
міотонічних і систем електроконтактів управління, орієнтованих на використання 
конкретних груп функціональних можливостей інвалідів. Протези з такими 
системами управління мають певні показання до призначення, в основному, 
визначувані особливостями конструкції і алгоритму функціонування системи. 
Такий підхід накладає жорсткі обмеження області застосування певного виду 
протеза і вимагає обов'язкової наявності в інвалідів відповідних управляючих дій. 
Крім того, жорсткі алгоритми функціонування систем управління протезами у 
багатьох випадках, особливо у випадках атипового протезування, не дозволяють 
найбільш ефективно використовувати існуючі в інвалідів індивідуальні 
різноманітні функціональні можливості управління протезами. 
У зв'язку з цим актуальні питання розробки системи управління з 
гнучкими алгоритмами функціонування, що дозволяє при обмеженій кількості 
конструктивних елементів створювати системи управління протезами із 
зовнішнім джерелом енергії різного ступеня функціональності, оптимально 
використовуючи індивідуальні особливості інвалідів до управління такими 
протезами. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 6 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
1 Обгрунтування необхідного проектування на основі критичного 
аналізу існуючих аналогів 
 
1.1 Огляд вітчизняних аналогів 
Функціональна схема пристрою управління біоелектричним протезом 
(авторське свідоцтво № 822405), розроблена авторами Чернишевим В.П., 
Яременком Д.А., Красюком Г.В. і Яровою К.А. представлена на рисунку 1.1. 
Винахід відноситься до області медицини, а саме до протезування. 
Відомий пристрій для управління біоелектричними протезами, що містить 
блок виділення управляючого сигналу, перетворювач, що перемикає вузол і блок 
виконавчих механізмів.  
Проте такий пристрій не забезпечує необхідної кількості виконуваних 
протезом функцій, що потрібне при високих ампутаціях верхніх кінцівок.  
 
  
Рисунок 1.1 - Функціональна схема пристрою для управління 
біоелектричним протезом. 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 7 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Пристрій містить блок 1 виділення управляючих сигналів, сполучений з 
перетворювачем 2 і перемикаючим вузлом 3. Перемикаючий вузол через схему 
вибірки 4, а також перетворювач 2 підключені до блоку 5 комутації, виходи якого 
сполучені з блоком 6 виконавчих механізмів. Перемикаючий вузол 3 містить 
формувачі 7, 8 імпульсів, відповідно сполучені з логічними схемами ”або” 9 та ”і” 
10. вихід схеми “і” 10 через інвертування 11 підключений до тригера 13, а вихід 
схеми “або” 9 підключений до схеми “і” 12, вихід якої через інвертування 14 
сполучений з входом тригера 13 і з RC – ланцюжком 15. Схема вибірки містить 
лічильник 16, виходи якого через дешифратор 17 підключені до блоку 18 
лічильних тригерів, виходи останніх сполучені з блоком комутації 5. Вихід схеми 
“і” 10 сполучено з лічильним входом, а вихід тригера 13 – зі скидним входом 
лічильника 16. Крім того вихід схеми ”і” 12 підключений до дозволяючого входу 
дешифратора 17, а вихід інвертування 14 – до дозволяючого входу блоку 18 
рахункових тригерів. 
Пристрій працює таким чином: при включенні джерела живлення, за 
допомогою сигналу з RC – ланцюжки 15 тригер 13, а також лічильник 16 
встановлюються в нульове положення. 
Біоелектричний сигнал, одержаний при одночасному скороченні двох 
м'язів, передається через блок 1 виділення управляючих сигналів у формувачі 7, 8, 
з виходів яких у вигляді прямокутних імпульсів сигнал надходить на схеми “або” 
9 та ”і” 10. З виходу схеми “і” 10 через інвертування 11, а також з схеми ”або” 9 
імпульси протилежної полярності надходять на схему “і ” 12, через яку сигнал на 
дозволяючий вхід дешифратора 17 не передається. Тригер 13 по негативному 
імпульсу з інвертування 11 встановлюється в одиничний стан, а блок лічильних 
тригерів 16 – в нульовий стан. Сигнали з виходу тригера 13 передаються на 
дозволяючий вхід, а з схеми “і” 10 – на рахунковий вхід лічильника 16, внаслідок 
чого, залежно від кількості одночасних скорочень управляючих м'язів лічильник 
встановлюється в певне положення. 
При почерговому скороченні м'язів біоелектричний сигнал проходить 
через формувач 7 або 8, потім через схеми “або” 9 і на вхід схеми ”и” 12, з виходу 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 8 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
який сигнал поступає на дозволяючий вхід дешифратора 17, а через інвертування 
14 – на нульовий вхід тригера 13. В результаті цього, інформація, накопичена в 
лічильнику 16 через дешифратор 17 передається в блок 18 рахункових тригерів. З 
виходу одного з тригерів блоку 18, вибраного відповідно до кількості імпульсів, 
що надійшли з лічильника 16, сигнал передається в комутуючий блок 5, який 
підключає один з виконавчих механізмів 6 до перетворювача 2. Крім того на вхід 
перетворювача 2 з блоку 1 виділення управляючого сигналу передається 
біоелектричний сигнал від почергового скорочення м'язів, який управляє 
вибраним рухом протеза. 
Таким чином, дане технічне рішення дозволяє за допомогою двох 
управляючих м'язів реалізувати необхідну кількість рухів протеза, крім того, 
пристрій відрізняється простотою управління багатофункціональним протезом і 
дозволяє реалізувати пропорційне управління виконавчими механізмами.      
Аналогом пристрою, що розробляється, можна вважати пристрій, 
описаний в авторському свідоцтві, заявленому 11.07.80 під номером 2955338/28-
13, авторами Чернишевим В.П., Яременком Д.А., Красюком Г.В. і Яровою К.А.  
Метою винаходу було збільшення терміну служби джерела живлення при 
управлінні ліктьовим приводом протеза. 
Ця мета досягалася тим, що в пристрої для управління біоелектричним 
протезом, що містить блок живлення, послідовно сполучені блок виділення 
управляючих сигналів, перший перетворювач, що комутує блок і блок виконавчих 
механізмів, що включає електропривод, а також сполучені між собою 
перемикаючий вузол, вхід якого підключений до виходу блоку виділення 
управляючих сигналів, і схему вибірки, вихід якої підключений до блоку 
виконавчих механізмів, введені додаткові електроприводи, встановлені в блоці 
виконавчих механізмів, блок управління, що містить послідовно сполучені датчик 
перевантажень, підключений до виходу блоку виконавчих механізмів, лінія 
затримки, перший підсилювач і другий перетворювач, а також вузол комутації, 
що містить сполучені між собою вимикач і другий підсилювач, сполучений з 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 9 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
блоком виконавчих механізмів і другим перетворювачем, при цьому вимикач 
сполучений з першим перетворювачем. 
  
 
1 2 3 8
4
7
5 6 9
12
10
13 11
 
 
Рисунок 1.2 - Структурна схема пристрою управління 
 
Принцип роботи пристрою полягав в наступному: електропривод 4 
управляє ліктьовим механізмом і забезпечує згинання-розгинання його при 
піднятті легких (2-3 кг) предметів. При піднятті важких предметів і одночасному 
згинанні ліктьового механізму електропривод 4 не забезпечує необхідної сили для 
виконання дії. В редукторі приводу діють сили  
гальмування, тому в електричному ланцюзі електроприводу 4 виникає 
підвищений струм, який з датчика 8 перевантажень подається через лінію 
затримки 9, підсилювач 10 і перетворювач 11 на додатковий електропривод 7, 
який забезпечує паралельну з електроприводом 4 роботу при виконанні згинання 
ліктьового механізму. При виконанні розгинання ліктьового механізму сигнал з 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 10 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
виходу першого перетворювача 2 нормально замкнутий кнопковий (кінцевий) 
вимикач 12 і підсилювач 13 передається на електропривод 7. Досягши 
електроприводу 7 крайнього положення, кнопковий вимикач 12 встановлюється в 
розімкнений стан, внаслідок чого електропривод 7 вимикається з ланцюга 
розгинання ліктьового механізму. 
Аналогом пристрою, що розробляється, можна вважати пристрій, 
описаний в авторському свідоцтві, під номером 1337082, авторами Чернишевим 
В.П., Яременком Д.А., Красюком Г.В. і Яровою К.А. 
Функціональна схема системи управління протезом плеча біоелектричним 
ПР4-42 показана на рисунку 1.3, де: 1 – блоки виділення управляючих сигналів, 2 
– блок перетворення і посилення, 3 – блок формування сигналів перемикання, 4 – 
блок запам'ятовування виконуваної команди, 5 – блок комутації, 6 – блок 
виконавчих механізмів, 7 – блок початкової установки тригерів, 8 – блок 
живлення. Включенням джерела автоматично підключається виконавчий 
механізм (ВМ) кисті 30. Підключення ВМ ротації 29 до блоку 2 здійснюється 
однократною сумісною напругою управляючих м'язів культі плеча. Підключення 
ВМ ліктя 28 до блоку 2 здійснюється плавним скороченням одного або іншого 
управляючого м'яза культі плеча, тобто подачею сигналів на електроди відведення 9. 
Два аналогічні блоки 1 виділення управляючого сигналу (рисунок 1.3) 
включає: поверхневі електроди відведення біопотенціалів 9, підсилювачі 
біопотенціалів 10, детектори 11. 
Блок 2 перетворення і посилення містить: суматор 12, перетворювач 13, 
підсилювач потужності 14. Перетворювач включає: підсилювач постійного 
струму і керовані мультивібратори з різною шпаруватістю. Підсилювач 
потужності суміщає в собі функції комутатора і імпульсного підсилювача 
потужності. 
Блок 3 формування імпульсних сигналів перемикання містить дві схеми 
виділення огинаючих біосигналів, формувачі 15, 16; схему збігу 17, датчик 
позиційного сигналу перемикання 19. Формувачі 15, 16 виконані по схемі 
чекаючого мультивібратора з низьким порогом спрацьовування, що досягнуте 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист 11 
№ докум. Підпис Дата 
 
вживанням як одне плече мультивібратора операційного підсилювача. Блок 4 
запам'ятовування виконуваної команди включає: рахункові тригери 20, 21 (два 
двоступінчатих D-тригери з роздільною установкою по R і S входах) і схеми 
«АБО» 22, 23. Блок 5 комутації складається з ключових каскадів 26, 27, кожний з 
яких включає два транзистори. Реле 24, 25, що містить по одній парі перекидних 
контактів кожне, включені в емітерні ланцюги транзисторів, що дозволило 
узгоджувати джерела живлення мікросхем і ключових каскадів. Блок 6 
виконавчих механізмів включає: виконавчий механізм ліктя 28, виконавчий 
механізм ротації передпліччя 29, виконавчий механізм схвату-розкриття кисті 30. 
Блок 7 початкової установки тригерів виконаний на RC-елементах, розташованих 
на платі комутатора. 
 
5
1 2 28
9 10 11 12 13 14 29
9 10 11 30
3
25 24 6
15 16
17 20 21 8
18
19 7
22 23
4
 
Рисунок 1.3 – Функціональна схема системи управління протезом плеча 
біоелектричним ПР4-42 
Робота системи управління протезом: при включенні джерела живлення 8 
блок скидання 7 формує імпульс позитивної полярності, який, поступаючи через 
елементи «АБО» 22, 23, на R-входи D-тригерів 20, 21 встановлює їх в нульовий 
стан. При цьому контакти реле 24, 25 знаходяться в нормально-замкнутому 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 12 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
положенні, підключаючи до підсилювача потужності 14 електропривод 30 
виконавчого механізму схвату-розкриття кисті. 
По черзі скорочуючи управляючі м'язи культі плеча, інвалід посилає 
біосигнали через блоки виділення управляючих сигналів в суматор 12, на виході 
якого посилається сигнал у вигляді різниці огинаючих біосигналів, що знімаються 
з управляючих м'язів. З виходу суматора 12 сигнал передається в імпульсний 
перетворювач 13, де перетворюється в серію імпульсів, частота і тривалість яких 
змінюється пропорційно різниці амплітуд вхідних сигналів, а полярність 
визначається переважаючим по амплітуді біопотенціалом з того або іншого м'яза. 
З імпульсного перетворювача 13 сигнал надходить на підсилювач потужності 14, 
зібраний по схемі моста. Напрям струму в його діагоналі, а отже і напрям руху 
підключеного електроприводу, визначається полярністю сигналу на виході 
імпульсного перетворювача. 
Недоліком даного протеза є те, що в ньому застосований один силовий 
привід для управління ліктьовим шарніром, що приводить до швидкого 
витрачення джерела живлення.  
 
1.2 Огляд зарубіжних аналогів 
Однією з перших систем управління, орієнтованої на використання 
мікропроцесорів, є система управління біоелектричного протеза плеча з трьома 
парами рухів, в якій вектор з 9 біоелектричних сигналів (квантованих по 6 рівням 
і поступаючих від електродів, встановлених в різних точках тіла протезованого) і 
вихідний вектор з трьома відповідними ступенями свободи протеза, кожна з яких 
може приймати одне з трьох значень (позитивне, негативне або нульове, що 
відповідає руху ланки протеза в двох протилежних напрямах або стану спокою), 
використовуються як елементи параметричної матриці ухвалення рішень. 
Параметри, що визначають рішення, розраховуються на стадії "навчання", під час 
якої проводиться адаптація машинної моделі на основі різних "картин" розподілу 
біоелектричних сигналів, що виникають при штучному переміщенні ланок 
протеза. Рішення про переміщення ланки в ту або іншу сторону ухвалюється тоді, 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист 13 
№ докум. Підпис Дата 
 
коли при заданому наборі вхідних біоелектричних сигналів відносний рівень 
значення функції вірогідного напряму руху перевищує заданий довірчий рівень. 
Матриця параметрів, що визначають рішення, зберігається в оперативному 
пристрої (ОЗП) системи управління, що запам'ятовує, центральним процесором, 
яким є мікропроцесор СОДМАС ДЮ2. 
В системі, описаній в роботі, число біоелектричних сигналів істотно 
зменшено завдяки більш повному використанню інформації, що представляється 
ними. Біоелектричні сигнали розглядаються в цій системі як стохастичні 
тимчасові ряди. Алгоритм розпізнавання включає ідентифікацію параметрів рядів 
з використанням авторегресійної моделі, одержаної методом якнайменших 
квадратів. Через те, що час рахунку дуже великий, використовується алгоритм, 
виконуваний в процесі калібрування і що зводиться до багатократного визначення 
і усереднювання авторегресійних  
параметрів. В режимі роботи параметри, розраховані по вхідних сигналах, 
порівнюються з тими, що знаходяться в пам'яті. В дію приводяться  ланки,  
параметри яких виявляються ближче до еталонних значень. Дві пари рухів 
протеза управляються на основі одного біоелектричного каналу. В системі 
використовуються мікропроцесор 8080 фірми Intel, 12-розрядний аналого-
цифровий перетворювач (АЦП), ОЗП об'ємом 4 Мбайт і апаратний помножувач. 
В Токійському університеті розроблений протез, що має сім ступенів 
свободи. Протез побудований по модульному типу і містить три основні модулі: 
плечовий, ліктьовий і модуль передпліччя з кистю. Для управління рухами 
протеза використовуються 12 мікроприводів. Три приводи розташовано в модулі 
плеча, 2 - в модулі ліктя, 2 - в модулі передпліччя, решта 5 приводів забезпечує 
рух кожного з пальців. Загальна вага протеза складає 2,3 кг. Координовані рухи 
протеза здійснюються шляхом вибору відповідних програм управління 
приводами. Вибір необхідної програми проводиться шляхом подачі відповідного 
мелодійного коду, відтворного голосом людини. Система управління протеза 
виконана на мікропроцесорі  80 і містить зовнішнє ОЗП на 256 байт і ПЗП 
програм на 2 Кбайта. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 14 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
В роботі розглянута система управління багатофункціональним протезом 
передпліччя, заснована на використанні методу розпізнавання біоелектричних 
образів руху. Процедура класифікації виду руху протеза здійснюється за 
допомогою мікропроцесора, на вхід якого поступають перетворені аналого-
цифровим перетворювачем біоелектричні сигнали, що відводяться з м'язів культі 
передпліччя за допомогою 6 поверхневих електродів. Класифікація виду руху 
грунтується на лінійному дискримінантному аналізі 6 біоелектричних сигналів. 
Ухвалення рішення про одне з 6 рухів протеза (схват-розкриття пальців, згинання-
розгинання кисті, пронація і супінація передпліччя) здійснюється при оцінці 
дискримінантної функції, параметри якої залежать від величини біоелектричних 
сигналів. 
При розробці протеза аналогічного функціонального призначення фахівці 
університету в Оклахомі (США), як основу системи управління  
застосували мікропроцесорний набір фірми Intel. До складу набору 
входить центральний процесор 8085А. ОЗП на 256 байт 8155, ПЗП на 2 Кбайта 
2716. Для перетворення аналогових управляючих сигналів в цифровий код 
використовуються 16 канальний мультиплексор і аналого-цифровий 
перетворювач. Командними сигналами є біоелектричні сигнали, що відводяться за 
допомогою 6 електродів. На стадії навчання інваліда управлінню протезом 
проводиться оптимізація параметрів алгоритму класифікації рухів за наслідками 
оцінки величини електричної активності його м'язів. 
В Саутгемптонськом університеті (Великобританія) розроблена система 
управління протезом передпліччя, відмітною особливістю якого є наявність, окрім 
візуальної, ще і електронної обробки зв'язку. В протезі застосовується штучна 
кисть, кінцевий схват і датчики зусилля і положення. Система управління 
побудована по типу ієрархічної структури: сигналами управління є біоелектричні 
сигнали, сигналами корекції по положенню, швидкості і зусиллю є сигнали різних 
позиційних датчиків. Основу системи управління складає мікропроцесор Intel 
6306. До складу системи також входять ПЗП 2516, два АЦП, лічильник. Є 
можливість використовування різних типів датчиків зворотного зв'язку. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 15 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
В роботі описується протез плеча, керований за допомогою 
мікропроцесора Intel 8751, що є однокристальною ЕОМ і що містить на одному 
кристалі мікропроцесор, ОЗП, ПЗП і порти введення-виведення. Управління 
рухами ліктьового шарніра і кисті здійснюється на основі згинально-
розгинальних рухів інтактного плечового суглоба. При цьому співвідношення 
введення (положення плечового суглоба) - виведення (положення передпліччя і 
кисті) може визначатися різними програмами "з'єднання", що зберігаються з 
полями процесора. До теперішнього часу є 8 різних програм, що забезпечують 
рух протеза при одяганні, засвоєнннні їжі і ін. 
В Швеції була розроблена біоелектрична система для виконання шести 
рухів протеза кисті, що розпізнає. Система включає комплект з шести 
поверхневих електродів для зняття біоелектричних сигналів, вузол управління, 
блок живлення і ланцюг управління двигуном. БЕСУ пристосована до шведського 
протеза кисті (Sven hard), що забезпечує шість активних рухів, а саме: схват, 
розкриття, пронацію, супінацію, згинання і розгинання зап'ястка. 
Пропонований метод розпізнавання моделей заснований на використанні 
дискримінативних функцій, оброблених на ЕОМ. Розпізнавання образів руху 
здійснюється в дві фази. Перша фаза – повчальна, під час якої обчислюються 
дискримінантні функції і визначаються вагові коефіцієнти. Друга фаза – 
випробувальна, під час якої комп'ютер класифікує нові невідомі реалізації 
біоелектричних образів. На наступному етапі відбувається заміна комп'ютера 
БЕСУ, що розпізнає, здійснюючої класифікаційну процедуру. Вагові коефіцієнти 
враховуються за допомогою схеми резистора, що має високу точність. БЕСУ 
працює безпосередньо на аналогових вхідних сигналах, пропорційних ступеню 
скорочення м'язів. в даний час система оцінена в лабораторних умовах і 
декількома інвалідами в досвідченому носінні. Відзначено, що дослідження, що 
проводяться протягом ряду років, дозволили створити конструкцію протеза, що 
реалізовує розпізнавання рухів за допомогою дискримінантних функцій. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист 16 
№ докум. Підпис Дата 
 
2 Обґрунтування технічного завдання 
 
До теперішнього часу розроблено велику кількість різних біоелектричних 
систем управління (БЕСУ) ортопедичними пристроями – протезами і апаратами – 
як в нашій країні так і за рубежем. Вони відрізняються один від одного способами 
обробки біоелектричного сигналу з метою виділення корисної інформації, 
способами перетворення обробленого сигналу для отримання необхідної якості 
управління виконавчим механізмом (ВМ) і т.д. Виникає необхідність якісної 
оцінки і порівняльного аналізу різних БЕСУ. В літературі є окремі публікації, 
присвячені питанням оцінки БЕСУ. Проте в них переважає приватний підхід і 
відсутня систематизація вимог. 
Проблема розробки і досліджень біоелектричних систем управління 
протезами і апаратами є складною комплексною проблемою. Нею займаються 
фахівці різних областей знань: лікарі, фізіологи, радіотехніки, механіки і т.д. 
Критерії оцінки біоелектрично керованих протезів і апаратів повинні бути 
вироблені зусиллями всіх фахівців, що беруть участь в рішенні цієї проблеми. Для 
цього необхідно виробити критерії оцінки окремих складових частин БЕСУ. 
Відсутність систематизації вимог не дозволяє об'єктивно визначити критерій 
ефективності. 
Перш за все потрібно сформулювати основні вимоги до електронних 
вузлів БЕСУ, зокрема до вузлів з різними способами виділення інформації з 
біоелектричного сигналу. При цьому може виявитися, що деякі з висунутих вимог 
спірні, а деякі не названі зовсім. 
I. Аналіз структури і виконуваних функцій показує, що до БЕСУ слід 
пред'явити вимоги якості управління, які можна розбити на чотири категорії: 
1) запас стійкості; 
2) величина помилок в статичному стані, або статична точність; 
3) величина помилок за наявності дії, що безперервно змінюється, або 
динамічна точність; 
4) поведінка в перехідному режимі: 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 17 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
а) максимальне перерегулювання; 
б) час перехідного процесу(швидкодія); 
в) число коливань; 
г) оцінка по інтегральних критеріях. 
II. В БЕСУ має місце передача інформації від джерела управляючих 
сигналів (м'язи) до виконавчих механізмів. Отже, електронний вузол БЕСУ є 
радіотехнічним пристроєм і повинне відповідати радіотехнічним вимогам. До них 
відносяться: пропускна спроможність, чутливість, перешкодостійкість, 
термостабільність та ін. 
Пропускна спроможність визначає повноту і якість знімання інформації. 
Пропускна спроможність залежить від чутливості (порогу спрацьовування) 
системи. Під чутливістю БЕСУ слід розуміти те мінімальне зусилля управляючого 
м'яза (у відсотках від максимального зусилля), при якому система починає 
працювати. Більш висока чутливість дозволяє повніше використовувати 
інформацію, що виділяється з біоелектричного сигналу. Але підвищення 
чутливості обмежується перешкодостійкістю вузла управління. Вона визначається 
відношенням « сигнал/перешкода». 
III. Електронний вузол БЕСУ повинен задовольняти і експлуатаційним 
вимогам. До них слід віднести: надійність, невисоку витрату електроенергії, 
зручність перезарядки джерел живлення, невеликі габарити, вагу і шум, 
ремонтоздатність, а також невисоку вартість, технологічність, уніфікацію 
елементів і вузлів. 
IV. Специфіка БЕСУ протезів може бути відображена в наступних вимогах 
до електронних вузлів: 
1) максимальні значення швидкості вільного руху і сили схвату; 
2) значення сили схвату, що розвивається за час оперативної роботи; 
3) енерговитрати управляючого м'яза; 
4) використовування динамічного діапазону управляючого сигналу; 
5) можливість відбудови від активності м'язів антагоністів; 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     18 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
6) можливість використовування комутаційних кодів при побудові 
біоелектричних систем управління декількома виконавчими механізмами від 
обмеженого числа м'язів. 
Вказані вимоги суперечливі, і дозвіл їх можливий тільки при 
використовуванні прогресивних технологій, що застосовуються в 
радіоелектроніці. 
До недавнього часу мініатюризація біоелектричних систем управління 
протезами верхніх кінцівок йшла найпростішим і доступним в умовах протезної 
галузі методом – ущільненням монтажу дискретних елементів звичайної форми і 
конструкції, причому, часто розробники свідомо йшли на погіршення 
характеристик систем управління, щоб за рахунок скорочення числа елементів 
мінімізувати її габарити. 
Шлях мініатюризації в даний час практично вичерпав свої можливості і не 
приводить до бажаного результату – створенню високоякісної, технологічної у 
виробництві, надійної системи управління, що має прийнятні габарити. Потрібен 
перехід на іншій, більш високий технологічний рівень виробництва електронних 
вузлів до протезів верхніх кінцівок, наприклад, мікросхем 
Велике значення для інваліда мають якісні параметри протеза, який 
дозволяє виконувати ряд функцій  здорової руки. Протез складається з наступних 
складових частин: електроди з підсилювачем біопотенціалів (ПБП),  гільза плеча, 
електронний модуль, ліктьовий шарнір з електроприводом, за допомогою якого 
здійснюється згинання-розгинання   ліктя, гільза передпліччя, 
променевозап’ястний шарнір з електроприводом, кисть з електроприводом. Всі 
частини протеза повинні забезпечувати інваліду комфортність, вони повинні бути 
компактними і легкими. Ці ж вимоги пред'являються до системи управління, 
розташованої в електронному модулі. 
Верхня кінцівка складається з трьох елементів: плеча, передпліччя, кисті і 
щодо плечового пояса має суму ступенів рухливості, рівну 27, з цього числа: 7 
ступенів доводиться на великі суглоби; 20 – на суглоби кисті. З погляду 
біомеханіки, верхня кінцівка є незамкнутим біокінематичним ланцюгом, 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     19 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
забезпеченим кінематичними парами з числом ступенів свободи, рівним 1, 2, 3 
(таблиця 2.1). 
Таблиця 2.1 – Кількість ступенів свободи в різних суглобах верхньої 
кінцівки  
Число ступенів 
Суглоб 
свободи суглоба 
Плечовий 3 
Ліктьовий 1 
Променеволіктьовий 1 
Променевозап’ястний 2 
Зап'ястно-п'ястний суглоб першої п'ясткової кисті 2 
Міжфаланговий суглоб I пальця 1 
Пястно-фалангові суглоби II-V пальців 2 
Проксимальні між фалангові суглоби II-V пальців 1 
Дистальні міжфалангові суглоби II-V пальців 1 
 
Протез плеча із зовнішнім джерелом енергії і біоелектричним управлінням, 
в ідеалі, повинен відтворити функції наступних органів: кісток і суглобів 
(моделюється біокінематичний ланцюг плеча); м'язів і сухожиль (створюються 
необхідні приводні системи); рухових нервів (моделюється пряма система 
управління); чутливих нервів (моделюється канал зворотного зв'язку). 
Повний об'єм функцій руки, на даному етапі технічного розвитку 
суспільства, відтворити неможливо. Вимоги достатньої надійності і допустимих 
витрат приводять до необхідності відтворення в протезі  функцій, які абсолютно 
необхідні людині в побуті і на роботі (відповідно до індивідуальних вимог 
інваліда). 
В протезі доцільно відтворювати не всю анатомічно допустиму амплітуду 
рухливості у відповідному суглобі, а лише біомеханічно виправданий діапазон 
рухливості (він в 1,5-2 рази менше анатомічного), що забезпечує інваліду 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист № докум.  20 
Підпис Дата 
 
виконання побутових функцій і простих трудових операцій. Межі анатомічної 
рухливості в суглобах приведені в таблиці 2.2. 
Таблиця 2.2 – Об'єм рухів в різних суглобах 
Найменування Допустимий розмах 
Вид руху 
анатомічних суглобів руху в пальцях 
Згинання-Розгинання 120-150 
Плечовий Відведення 90-100 
Ротація 70-80 
      Ліктьовий Згинання-Розгинання 140-150 
    Променеволіктьовий Пронація-Супінація 140-170 
Згинання-Розгинання 150-160 
Променевозап’ястний 
Відведення-Приведення 70-90 
 
Після ампутації плеча найважливіше призначення, після схвату-розкриття 
кисті, має відтворення рухів в ліктьовому суглобі, оскільки цей рух визначає 
орієнтацію кисті в просторі. До ліктьового вузла з електроприводом 
пред'являються вимоги, що часто суперечать один одному, цим пояснюється 
наявність безлічі конструкцій ліктьових вузлів, жодна з яких не задовольняє 
інваліда. Першим в цьому ряду вимог є забезпечення необхідної потужності 
ліктьового вузла (моменту, що крутить, на валу двигуна) при обмежених масі і 
габаритах вузла, другою вимогою є зменшення потужності, споживаної 
електроприводом від джерела енергії, без зменшення вантажопідйомності 
ліктьового вузла. 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 21 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми системи 
 
3.1 Розробка структурної схеми  
Структурна схема є сукупністю наступних блоків: 2 підсилювачі 
біопотенціалів з електродами, блок управління, до виходів якого підключаються 
електродвигуни виконавчих механізмів з підсилювачами потужності. Застосована 
схема підсилювача дозволяє ефективно використовувати для управління 
біопротезом значно великий відсоток енергії біосигналу. Сигнали від 
підсилювачів біопотенціалів і схеми формування опорної напруги поступають на 
вхід мультиплексора і комутуються на АЦП, який зібраний на інтегральній схемі 
перетворювача напруги в частоту. Мультиплексор у свою чергу управляється 
сигналами, що знімаються з портів мікроконтролера, для цього необхідне 
узгодження рівнів вихідних сигналів мікроконтролера і вхідних сигналів 
мультиплексора. Частота мікроконтролера, що становить 12 Мгц, задається 
кварцовим генератором. Для управління двигунами використовується широтно-
імпульсний сигнал з портів мікроконтролера, який комутується ключами. 
 
Алгоритм управління біоелектричним протезом руки 
Одним з перспективних напрямів в реабілітації інвалідів з культями плеча 
є протезування багатофункціональними протезами із зовнішнім джерелом енергії. 
Управління такими протезами вимагає менших енерговитрат в порівнянні з 
управлінням активними тяговими протезами. Протези із зовнішніми джерелами 
енергії дозволяють ширше застосовувати досягнення реконструктивно-відновної 
хірургії, більш повно використовувати різні алгоритми управління протезом. 
Функціональні якості протезів багато в чому визначаються вживаними 
системами управління і алгоритмами їх функціонування. Найефективнішими є 
системи управління, виконані на базі мікропроцесорної техніки. Такі системи 
управління здійснюють раціональне узгодження алгоритмів функціонування і 
параметрів систем управління з функціональними можливостями інвалідів до 
управління. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     22 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
Мікропроцесорна система управління застосована в біоелектричному 
протезі плеча на три пари рухів. В основі алгоритму розпізнавання управляючих 
сигналів лежить диференціація енергетичних параметрів біоелектричних сигналів, 
що відводяться від двох м'язів. Реалізація алгоритму управління здійснюється за 
допомогою прикладної програми функціонування мікропроцесора, яка містить 
наступні основні операції цифрової обробки сигналів: детектування, фільтрації, 
порогової обробки, обчислення вірогідності і формування управляючих дій. 
Для послідовного управління трьома виконавчими механізмами протеза, 
що здійснюють: згинання-розгинання в лікті, пронацію-супінацію кисті, схват-
розкриття кисті використовуються біоелектричні сигнали двоголової і триголової 
м'язів плеча. В основі методу формування управління шістьма рухами протеза від 
двох м'язів лежить можливість інваліда довільно дозувати величину електричної 
активності м'язів, як при роздільному, так і при сумісному їх скороченні. Як 
інформативний параметр, що характеризує енергію біоелектричного сигналу, 
використовується його огинаюча. Прийняття рішення про класифікацію виду 
руху протеза грунтується на оцінці рівня і характеру зміни огинаючих 
електроміограм (ОЕМГ) м'язів-антагоністів. 
Метод формування сигналів управління представлений на рисунку 3.1. 
Весь діапазон величин сигналів, що відводяться від двоголового і триголового 
м'язів плеча, розділяється на три діапазони: D0, Dl, D2 – для сигналу від 
двоголового м'яза і Т0, T1, T2 – для сигналу від трицепса.. 
Діапазони D0 і Т0 включають (орієнтовно) величини сигналів від нуля до 
10 %, діапазони D1 і Т1 – від 10 % до 40 % і діапазони D2 і Т2 – від 40 % до 100 % 
максимальних величин сигналів відводяться, відповідно, від двоголового і 
триголового м'язів плеча. Якщо величини сигналів знаходяться в діапазонах D0 і 
Т0 – електроприводи вимкнені. При величині сигналів, відповідних діапазонам D1 
і Т0 приймається рішення про включення хвату кисті, D2 і Т0 – згинання в 
ліктьовому шарнірі, D0 і Т1 – розкриття кисті, D0 і Т2 – розгинання в ліктьовому 
шарнірі, D1 і Т1 – пронація кисті і D2, Т2 – супінація кисті. Після прийняття 
рішення про вид руху протеза пропорційне управління його параметрами 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист 23 
№ докум. Підпис Дата 
 
(швидкість руху, величина зусилля) може здійснюватися сигналами, величини 
яких можуть бути різними, але не менше за величини, відповідні діапазонам D0 і 
Т0. Для виключення можливості помилкових спрацьовувань протеза при 
прийнятті рішення про вид руху оцінка величин сигналів здійснюється за 
допомогою методу цифрових автоматів, що дозволяє за час, що не перевищує 0,15 
с, провести інтегральну оцінку величин сигналів і відповідність їх вибраному 
діапазону. 
Для реалізації розглянутого методу послідовного управління трьома 
виконавчими механізмами протезу від біоелектричних сигналів двох м'язів 
система управління містить наступні основні функціональні вузли: відведення і 
посилення біоелектричних сигналів, їх обробки для класифікації виду руху і 
формування сигналів для управління електроприводами протеза.  
 
Рисунок 3.1 – Метод формування сигналів управління біоелектричним 
протезом плеча 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист № докум. Підпис 24 
Дата 
 
3.2 Розробка електричної принципової схеми системи управління 
біоелектричним протезом 
Підсилювач біопотенціалів 
Однією з найвідповідальніших ланок в системах біоелектричного 
управління протезами є підсилювач біопотенціалів (ПБП). ПБП є ланкою 
первинної обробки інформації, що відводиться від різних біологічних об'єктів 
(м'язів культі протезованого), і служить для підвищення амплітуди корисного 
сигналу до необхідного рівня, при якому гарантується надійність передачі 
інформаційних параметрів сигналу в блоки обробки або дії. 
В системах біоелектричного управління протезами застосовується 
відведення біопотенціалів м'язів за допомогою біполярних поверхневих 
електродів. Діапазон амплітуд біопотенціалів, що відводяться таким чином, 
складає (10-1000) мкВ в області частот від 100 до 800 Гц. Враховуючи це, а також 
наявність високого рівня електричних перешкод, напруга поляризації і різних 
величин перехідного опору шкіри під відвідними електродами, ПБП повинен 
володіти наступними основними характеристиками: високим вхідним опором, 
низьким рівнем шумів і виборчими частотними властивостями, що зменшують 
дію мережних наведень і високочастотних шумів. Задовольняючий таким 
вимогам ПБП розроблений з урахуванням його використовування в різних 
модифікаціях систем управління протезами верхніх кінцівок. Підсилювачі 
біопотенціалів (ПБП), застосовані в протезі, за рахунок нового схемного рішення, 
дозволяють розширити контингент інвалідів, протезованих біопротезом, 
полегшити освоєння протеза, зменшити енерговитрати при користуванні 
протезом. Нові ПБП працюють при напрузі від +3В до +15В, і з меншою 
вірогідністю самозбудження. 
До складу ПБП (рисунок 3.2) входять: 
- диференційний підсилювач (DA1, R1); 
- подвійний Т- образний фільтр пробка (С1, С2, С3, R2, R3, R4); 
- вихідний підсилювач (DA2, С4, С5, R5, R6). 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 25 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Диференційний підсилювач зібраний на інтегральній мікросхемі DA1 типу 
AD620, що є стандартним вимірювальним підсилювачем на трьох операційних 
підсилювачах (рисунок 3.3). 
C5
R6
DA2
DA1 2
-IN OUT 1 Вых
Вх1 C1 C3
2 -IN OUT 6 3 +IN
Вх2 3 +IN -Vs 5
1 7 R2 R4
Rg +Vs
8 Rg REF 4
R1
C2 R5
R3
C4
-Uп
 
Рисунок 3.2 – Схема електрична принципова УБП 
 
1 R2
R4 R6
R1 2
-IN
6 Output
8 R3
R5 R7
5 Vref
3
+IN
 
Рисунок 3.3 – Вимірювальний підсилювач 
 
Подвійний Т-образний фільтр служить для придушення перешкоди з 
частотою мережі 50Гц. Сигнали з частотою вище за резонансну повністю 
передаються через конденсатори С1, С3, а сигнали частот нижче резонансною 
через резистори R2, R4. Сигнал з частотою рівної резонансної пригнічується за 
рахунок зсуву фаз на 180 ° в плечах моста R2, С2, R4 і С1, R3, C3 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 26 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
Умовою нормальної роботи подвійного Т-образного фільтру є низький 
вихідний опір джерела сигналу, який забезпечується підсилювачем AD620 і 
високий вхідний опір навантаження, який забезпечується неінвертуючим 
підсилювачем, зібраним на DA2 .  
Використання сучасної елементної бази для поверхневого монтажу 
дозволило розмістити підсилювач на друкарській платі розміром 17,5х32,5 мм. 
У вихідному каскаді ПБП використовується мікросхема AD705, що є 
біполярним операційним підсилювачем із струмом споживання не 
перевищуючому 0,6мА і вхідним струмом. 
AD705 має низьку напругу зсуву – 25 мВ з максимальним дрейфом не 
більш 0,6 мВ/°C. Напруга живлення може застосовуватися в діапазоні від ± 2 В до 
± 18 В. Вихідний струм ОП може досягати 15 мА. 
АD705 випускається в трьох варіантах восьмививідних корпусів: 
пластиковому DIP, герметичному керамічному корпусі і корпусі SOIC для 
поверхневого монтажу. 
 
Блок управління 
Блок управління складається з вхідного демультиплексора DD1, 
аналогово-цифрового перетворювача DA2, мікроконтролера DD2, схеми 
управління виконавчими механізмами DD2, стабілізатора VT1, VТ2 і схеми 
формування опорної напруги DA1. вхідний мультиплексор, зібраний на 
інтегральних схемах типу 561КП2 служить для комутації сигналів від 
підсилювачів біопотенціалів і опорної напруги на вхід аналогово-цифрового 
перетворювача. 
Мікросхема К561КП2 – демультиплексор, що містить вісім каналів 
комутації цифрових і аналогових сигналів. мікросхема має вісім входів і один 
вихід (рисунок 3.4). Позитивне живлення подається на вихід 16, а на вихід 7 – 
негативне. Для восьмиканального варіанту потрібен трьохрозрядний код 
управління (А, В, С). для чотирьох каналів достатні два розряди управління А і В.  
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
    27 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Оскільки сигнал, що подається з виходу підсилювачів біопотенціалів на 
мультиплексор, має розмах від нуля до 6 В – напруга живлення мультиплексора 
повинна бути не нижчою за рівень вхідного сигналу, тобто 6В, такий же рівень 
повинні мати і управляючі сигнали. 
З другого боку для зниження споживаного струму напруга живлення 
мікроконтролера повинна бути якнайнижче і в нашому випадку вибирається 
рівним 3 В. Такий же рівень мають і сигнали, що знімаються з мікроконтролера. 
Для узгодження рівнів вихідного сигналу мікроконтролера і вхідних сигналів 
мультиплексора служать транзистори VT1 і VT2. 
1 16
Вход 5 U
2 15 И.П.С
Вход 7 Вход 3
3 14
Выход Вход 2
4 13
Вход 8 Вход 1
5 К561КП2 12
Вход 6 Вход 4
6 11
EI А
7 10
-UИ.П.Э В
8 9
С
 
Рисунок 3.4 – Демультиплексор К561КП2. 
З виходу мультиплексора сигнал подається на аналого-цифровий 
перетворювач, зібраний на інтегральній схемі перетворювача напруги в частоту 
LM231N (рисунок 3.5). 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     28 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
 
Рисунок 3.5 – Перетворювач напруги в частоту 
LM231N містить вхідний підсилювач, прецизійну схему формування 
частоти, а також вихідний каскад з високою здатністю навантаження. 
Максимальна вихідна частота, яка може складати 100 кГц, задається за 
допомогою RC-ланцюжка при вхідному сигналі до 10 В. Нелінійність 
перетворення напруги в частоту не гірше 0,03% при максимальній частоті 50 кГц 
в динамічному діапазоні вхідного сигналу більш 80 дБ. АЦП може працювати в 
діапазоні температур від -25 до 85 0С. 
LM231N працює від одиночного джерела живлення напругою від 5 В до 36 
В, споживає при цьому струм не більше 2 мА. 
Низький дрейф вхідного підсилювача (4 мкВ/°C) дозволяє працювати 
безпосередньо з сигналами низького рівня, такими як від термопари, при 
високому вхідному опорі 250 МОм. 
Мікросхеми випускаються у восьмививідних корпусах DIP. 
При невисокій ціні LM231N може використовуватися в аналого-цифрових 
перетворювачах, ізольованих передавачах сигналу, перетворювачах частоти в 
напругу, системах фазової автопідстройки частоти, і у фільтрах з конденсаторами, 
що перемикаються. 
Вхідна напруга LM231N може змінюватися в межах від нуля до напруги  4 
В. Максимальна вихідна частота задається резистором R8 і конденсатором C6. 
Для отримання стабільних параметрів сигналу в схемі використовуються 
прецизійні резистори типу С2-296 і високостабільні плівкові конденсатори К17-7. 
Вихідна частота з LM231N подається на вхід таймера 1 мікроконтролера.
 Тактова частота 12 МГц мікроконтролера задається кварцовим резонатором 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 29 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
BQ1. Імпульс скидання при подачі живлення формується за допомогою ланцюжка 
R9, C4, VD2. 
Мікроконтролер 89С2051 є однокристальною мікро-ЕОМ (ОМЕОМ) 
популярного сімейства МК-51 (рисунок 3.6). 
Мікроконтролер містить всі вузли, необхідні для автономної роботи: 
1) центральний восьмирозрядний процесор; 
2) пам'ять програм об'ємом 4 Кбайт (тільки КМ1816ВЕ751, КР1816ВЕ51 і 
КР1830ВЕ51); 
3) пам'ять даних об'ємом 128 байт; 
4) чотири восьмирозрядні програмовані канали введення-виведення; 
5) два 16-бітові багаторежимні таймери/лічильники; 
6) систему переривань з п'ятьма векторами і двома рівнями; 
7) послідовний інтерфейс; 
8) тактовий генератор. 
1 20
RST VCC
2 19
RXD P1.7
3 18
TXD P1.6
4 17
X1 P1.5
5 16
X2 P1.4
6 15
P3.2 P1.3
7 14
P3.3 P1.2
8 13
TO P1.1
9 12
TI P1.0
10 89C
O 2051
  
 
Рисунок 3.6 – Однокристальна МІКРОЕОМ 89С2051 
 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист № докум. Підпис 30 
Дата 
 
Підсилювач потужності 
Для управління двигунами використовується широтно-імпульсний сигнал, 
що подається на схему управління двигуном протеза, виконаної на основі 
мікросхеми М54545L і представленої на рисунку 3.7.  
М54545L має такі основні характеристики: напруга живлення від 3 до 16 
В; низький струм спокою; максимальний вихідний струм 1,2 А; мала розсіювана 
потужність; передбачається можливість управління швидкістю двигуном; є 
додатковий вихід. 
M54545L має 9 виходів, призначення яких представлено в таблиці 3.1. 
VM IB
M VC Vcc
2 1 3 7 8 9
4 5 6
F R  
Рисунок 3.7 – Схема управління двигуном протеза 
 
Принцип роботи схеми управління двигуном полягає в наступному. 
Вживані в системі управління вихідні підсилювачі управляються сигналами 
високого рівня. При високому рівні на вході F відбувається обертання двигуна 
вперед, а на вході R – назад. Присутність високого рівня одночасно на двох 
входах підсилювача потужності призводить до гальмування двигуна, а якщо 
низький рівень на обох входах то відбувається зупинка двигуна. 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     31 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
Таблиця 3.1 – Призначення виведень мікросхеми M54545L 
Символ Призначення 
IB Додатковий вихід першого підсилювача 
VM Напруга живлення вихідних каскадів 
OUT2 Вихід другого підсилювача 
F Команда обертання вперед 
GND Напрям управління швидкістю 
R Команда обертання назад 
OUT1 Вихід першого підсилювача 
VC Напруга управління швидкістю 
Vcc Напруга живлення схеми управління 
 
Підсилювач потужності приводу ліктя є підсилювачем, виконаним по 
мостовій схемі. Перетворений сигнал з блоку управління подається в мостову 
схему, що складається з двох плечей, де відбувається спрацьовування одного з 
плечей підсилювача потужності. 
 
 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 32 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
4 Розрахунок основних елементів об’єкту проектування 
 
4.1 Розрахунок параметрів підсилювача біопотенціалів 
Початкові дані для розрахунку підсилювача біопотенціалів виберемо на 
основі аналізу біосигналу, що знімається поверхневими електродами з м'язів 
пацієнта і вхідних параметрів схеми електричної принципової системи управління 
біопротезом . 
Вхідний сигнал знімається за допомогою біполярних поверхневих 
електродів має амплітуду 10 – 1000 мкВ. 
Приймемо як розрахункове значення середньогеометричне значення 
вхідного сигналу Uвх= 10×1000  = 100 мкВ. 
Амплітуда вхідного сигналу підсилювача біопотенціалів обмежується 
напругою джерела живлення і може досягати 3,2 В при напрузі живлення 6 В. Як 
розрахункове приймемо значення вихідного сигналу, рівне 3,2 В. Звідси витікає, 
що загальний коефіцієнт посилення повинен складати: 
K U
U = вых ;     (4.1) 
U вх
     K 3,2
U = −6 = 32000 . 
100 ⋅10
Коефіцієнт посилення кожного з двох каскадів при рівному значенні 
повинен складати: 
                                                       KUккас = KU ;                            
(4.2) 
KUккас = 32000 ≈179 . 
Проте для більш високого значення коефіцієнта ослаблення синфазного 
сигналу і зниження рівня перешкод на вході вихідного каскаду вигідніше 
підвищити посилення першого каскаду. У зв'язку з цим приймаємо для першого 
каскаду KU1=200, для другого KU2=32000/200=160. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
  33 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Згідно проведеним дослідженням основна потужність сигналу знаходиться 
в частотному діапазоні від 100 до 300 Гц, а максимальне значення частоти може 
досягати 800 Гц. 
Як розрахункове значення приймемо середньогеометричне значення цих 
частот f в = 300 ⋅800 = 490Гц . 
Спроектований підсилювач повинен мати наступні параметри: 
- загальний коефіцієнт посилення   32000; 
- коефіцієнт посилення першого каскаду  200; 
- коефіцієнт посилення другого каскаду  160; 
- нижня робоча частота              100 Гц; 
- верхня робоча частота    500 Гц; 
- частота настройки фільтру – пробки  50 Гц. 
Для отримання коефіцієнта посилення першого каскаду KU1=200, 
знаходимо з технічного опису AD620 значення резистора R7 рівне 499 Ом. 
Параметри фільтр - пробки: С1, С2, С3, R2, R3, R4 розраховані для частоти 
50 Гц по формулі: 
f 1
0 =      (4.3) 
2πRC
де f0 - резонансна частота рівна 50 Гц. 
Вибираємо ємність конденсатора С=0,1 мкФ, тоді опір резисторів R 
складатиме по формулі: 
R 1
= ;     (4.4) 
2πf0C
7
                   R 10
= = 31,847кОм . 
6,28 ⋅50
Вибираємо найближче стандартне значення з ряду Е192 R=32 кOм. 
При цьому треба враховувати, що: 
R2=R4=R=32 кOм, R3=R/2=16 кOм, С1=С3=С=0,1 мкФ, С2=2С=0,2 мкФ.  
Опір резистора R в ланцюзі зворотного зв'язку другого каскаду приймемо 
рівним 1 МОм. При великих значеннях можлива нестійка робота підсилювача 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
  34 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
через вплив паразитних ємностей і струмів витоку, а при малому значенні 
параметри RC-ланцюжка: R5, С4 будуть незручні для практичного використання. 
Тоді опір резистора R5 вибираємо з умови отримання коефіцієнта 
посилення KU2=160. 
                                                 R R
5 =                                                           (4.5) 
КU 2
R R 106
5 = = ≈ 6,2кОм  
160 160
Ємність конденсатора С4 виберемо з умови частоти зрізу на нижніх 
частотах 100 Гц. 
С 1
4 =                                                 (4.6) 
2π ⋅ f ⋅ R5
С 1
4 = = 0,25мФ . 
2π ⋅100 ⋅ 6,2 ⋅103
 
Місткість конденсатора С5 вибираємо з умови отримання частоти зрізу на 
верхніх частотах 490Гц. 
                                       С 1
5 =                                             (4.7) 
2πfR
С 1
5 = 2π ⋅500 ⋅106 ≈ 330пФ . 
Вибираємо найближче стандартне значення з ряду Е24 С5=330 пФ. 
Одержані в результаті розрахунку номінали елементів складають: 
R1=4991%± , R2=32кОм0,5%± , R3=16кOм0,5%± , R4=32кOм0,5%± , 
R5=6,2кOм0,5%± , R6=1МОм5%± , С1=0,1мкФ, С2=0,2мкФ, С3=0,1мкФ, 
С4=0,2мкФ, С5=330пФ. 
 
4.2 Розрахунок параметрів підсилювача потужності 
Підсилювач потужності навантажений на двигун зі струмом споживання 3 
А, тому у вихідного транзистора IК=3 А. Напруга UКЕ=12 В, верхня гранична 
частота лежить в області низьких частот. Виходячи з вище перерахованих 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
  35 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
значень, проведемо вибір транзисторів вихідного каскаду: n-p-n – КТ815А і p-n-p 
– КТ814А, електричні параметри яких приведені в таблиці 4.1. 
Таблиця 4.1 – Електричні параметри транзисторів КТ815А і КТ814А. 
 UКЕ,В IК,А β Fгр,МГц PК,Вт PКт,Вт 
КТ815А 25 3 40 3 10 10 
КТ814А 25 3 40 3 10 10 
 
Тепер розрахуємо Iб транзисторів по формулі: 
I I
б =
K                                                       (4.7) 
β
I 3
б = = 0,075А . 
40
Вхідні транзистори вибираємо виходячи з умови, що струм колектора 
вхідного транзистора більше струму бази вихідного транзистора, тобто IКвх>IБвих і 
UКЕ=12 В. 
Параметри вибраного транзистора приведені в таблиці 4.2. 
Таблиця 4.2 – Електричні параметри транзистора КТ315А 
 UКЕ,В IКМ,А β Fгр,МГц PК,МВт PКт,Вт 
КТ315А 25 100 20.90  150  
 
Тепер можна розрахувати Iб транзистора: 
I 100 ⋅10−3
б = = 2,5 ⋅10−3 А  
40
Падіння напруги на резисторах R5, R6, R8 і R14 близько 10 В і оскільки 
струми через них відомі, можемо розрахувати номінали резисторів: 
R U
=                                                        (4.8) 
Iб
R 10 4
5.6 = −3 = 0.4 ⋅10 КОм  
2.5 ⋅10
R 10
8,14 = −3 = 0.027 ⋅104 = 0,27КОм = 270Ом  
37,5 ⋅10
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 36 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Як R5,6 використовуємо резистори типу С5-31, що розраховуються на 
номінальну потужність розсіювання 0,05 Вт; R8,14 – МЛТ з номінальною 
потужністю розсіювання 0,125 Вт. 
По ряду Е номінальних опорів резисторів до значення 4 КОм близьке 3,9 
КОм;а 270 Ом є номінальним значенням. Таким чином: 
R5,6=3,9 КОм±10% 
R8,14=270 Ом±10% 
 
 
4.3 Розрахунок надійності 
Надійність любих видів РЕС „закладається” в процесі їх розробки і 
виробництва. Вона визначається рядом факторів, серед яких необхідно виділити: 
якість використаних елементів і їх захищеність конструктивними методами; 
структурна захищеність РЕС, що забезпечує їх функціонування при наявності 
відмов; правильний вибір коефіцієнтів навантаження і т.д. 
Для оцінки надійності РЕС і наступного її аналізу використовується ряд 
методів, серед яких найбільше поширення отримав наближений метод 
розрахунку надійності, оснований на представленні РЕС у вигляді структурних 
схем, складовими ланцюгами яких є елементи надійності – об’єкти (модулі, 
деталі приладу і т.д.), які мають кількісні характеристики надійності, наприклад 
інтенсивності відмов, ймовірності безвідмовної роботи і т.д. Елементами 
надійності, крім конструктивних елементів, можуть бути також елементи 
монтажу, пайки, мікромодулі і т.д. 
Також використовується метод наближеного розрахунку надійності 
об’єкта з урахуванням середніх інтенсивностей відмов його елементів і середніх 
навантажень, які впливають на елементи в процесі роботи. 
Для визначення кількісного значення ймовірностей відмов 
використовують експоненціальний закон надійності. Його використання 
виправдано тим, що елементи надійності підтверджені в основному раптовим 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 37 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
відмовам, розрахунок надійності об’єкта ведеться на час до надходження першої 
відмови і можливе припущення, що потік відмов є простим. 
Для розрахунку надійності пристрою за допомогою цього методу, 
необхідно визначити інтенсивності відмов елементів приладу за довідником. 
Потім необхідно визначити результуюче значення інтенсивності відмов 
елементів, яке являє собою добуток табличного значення інтенсивності їх відмов 
і кількості елементів n даного типу, що використовуються в аналізованому 
приладі. 
Максимальне значення ймовірностей безвідмовної роботи елементів, 
відповідає мінімальним значенням інтенсивностей їх відмов і визначається за 
формулою: 
Р (t) e−λ*
= елем mint
елемmax                                           (4.9) 
де Релем max(t) – ймовірність безвідмовної роботи певного елемента виробу; 
λ*  -6  -1
елемmint  –  результуюча інтенсивність відмов певного елементу схеми, 10  год  . 
Аналогічно визначають мінімальні значення ймовірностей безвідмовної 
роботи елементів, які відповідають максимальним значенням інтенсивностей відмов.  
Результуючі ймовірності безвідмовної роботи всього приладу 
визначаються за формулами: 
n
−∑λ*
елем min
Pmax (t) = e i=1
                                                                (4.10) 
n
−∑λ*
елем max
P i=1
min (t) = e                                         (4.11) 
де i – кількість  типів елементів. 
Для наочності отриманий результат доцільно оформити у вигляді графіка, 
на якому зобразити максимальне і мінімальне значення ймовірностей 
безвідмовної роботи приладу (в часовому інтервалі 25000год>t>0 ).  
Розглянуті формули є ідеалізованими, оскільки в реальних умовах 
апаратура підвергається різним навантаженням, не рівних одиниці. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 38 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Оцінимо надійність приладу, який працює в умовах змінних навантажень. 
В простішому випадку можна припустити, що інтенсивність відмов виробу 
змінюється пропорційно навантаженню. розрахунок надійності в такому випадку 
виконується для кожного інтервалу часу: 
 n n
−∑λ* 
i min (∆t1 )τ +∑λ*
i min (∆t2 )(t−τ )
P (t) = e  i=1 i=1 
max                     (4.12) 
де λ*
i (∆t1 ) *
, λi (∆t2 )   інтенсивності відмов на інтервалах часу 0 - τ, τ - t 
відповідно. 
Розглянутий метод обліку впливу умов експлуатації об’єкта на його 
надійність не є єдиним. Запропоновано вводити спеціальні поправочні 
коефіцієнти в межах від одиниці (для лабораторних умов) до тисячі (для 
апаратури, що встановлюється на ракетно-космічних об’єктах). Крім того, 
пропонується враховувати специфіку елементної бази, а також силу і вид впливу. 
Так, робота релейних елементів суттєво залежить від вібраційного навантаження 
і її частотного діапазону. При навантаженні в 20g релейні елементи 
експлуатувати не рекомендовано. Це ж навантаження на роботу ІМС практично 
не впливає. 
Розрахунок надійності елементів мікроконтролерних вагів проводився за 
допомогою ЕОМ.  
Для схеми управління біоелектричним протезом плеча значення ІВ рівні: 
λ −6
мс = 0.9 ⋅10 1 ч  - ІВ для мікросхем;  
λ = 0.5 ⋅10−6
R 1 ч  - ІВ для резистора; 
λc = 0.15 ⋅10−6 1 ч  - ІВ для конденсатора; 
λраз = 0.35 ⋅10−6 1 ч  - ІВ для роз'єму; 
λ −6
пл = 0.1 ⋅10 1 ч  - ІВ для плат; 
λпайки = 0.01 ⋅10−6 1 ч  - ІВ паяння сполучного; 
λ = 0.5 ⋅10−6
кв 1 ч  - ІВ кварцу; 
t =10000ч .  
Таким чином ми одержали, що ВБР схеми при часі напрацювання 
рівному 10000ч рівна 0.86. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 39 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
5 Технологічний розділ 
 
В технологічному розділі дипломного проекту розробляється 
технологічний процес виготовлення плати управління протезом руки. 
Технологічність конструкції друкованої плати - пристосованість 
конструкції друкованої плати до обмежених витрат трудових, матеріальних і 
енергетичних ресурсів на підготовку виробництва і промисловий випуск в заданій 
кількості по вищій категорії якості (виробнича технологічність) і при 
технологічному обслуговуванні і ремонті (експлуатаційна технологічність). 
Виробнича технологічність друкованої плати  визначається трудомісткістю 
виготовлення. Експлуатаційна технологічність друкованої плати  оцінюється 
контролездатністю і взаємозамінністю. 
 
5.1 Обґрунтовування та вибір технологічного процесу виготовлення 
плати підсилювача біопотенціалів 
Для виготовлення плати обирається наступна технологічна схема 
підготовки плати, складання і монтажу елементів радіоелектронної апаратури 
(РЕА): виготовлення фотошаблону розведення доріжок, підготовка та 
виготовлення друкованої плати, складання і монтаж вузлів одноплатної 
конструкції з ручною установкою елементів при використовуванні методу 
групового паяння. 
1. Підготовчі операції: 
- підготовка монтажної плати до друку; 
- виготовлення фотошаблону друкованої плати; 
- друкування та травлення монтажної плати; 
- контроль виготовлення друкованої плати; 
- підготовка елементів РЕА до монтажу. 
2.  Складання і монтаж функціональних вузлів. 
3.  Операції паяння монтажних з'єднань та функціональних вузлів на 
друкованій платі. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 40 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
4.  Контроль виготовлення плати вимірювача артеріального тиску. 
 
5.2 Технологічний процес виготовлення плати підсилювача 
біопотенціалів  
Підготовчі операції виготовлення друкованої плати 
Підготовка монтажної плати до друку. Монтажна плата представляє собою 
гетинаксову пластину, що металізована з однієї сторони. Перед використанням 
монтажної плати, її оброблюють слабким розчином хлорної кислоти у воді у 
співвідношенні 1:10 на протязі 10-15 хвилин, з метою очищення її від слідів 
органічного бруду та окислення міді [27]. Після цього, підготовлену плату 
промивають під напором води протягом не менше 3 хвилин, протирають бязевою 
серветкою змоченою в спирті.  
Виготовлення фотошаблону друкованої плати. Фотошаблон друкованої 
плати виготовляється фототермічним методом на целулоїдному матеріалі PRZ-25, 
який представляє собою аркуш прозорої плівки товщиною 0,8 мм формату А4, 
яку безпосередньо перед використанням необхідно протерти бязевою серветкою 
змоченою в спирті та осушити тепловим феном. Фототермічне друкування 
відбувається на плівці за допомогою лазерного принтеру, що дозволяє 
підтримувати високу розподільчу здатність (не менше 600 dpi) та якість (не гірше 
80 php/inch) – наприклад, Canon LBP-1120, HP-1300, тощо – виведенням 
графічного зображення плану розведення доріжок, який створено в 
спеціалізованих програмах (P-CAD, AutoCAD, KOMPAC) на ПЕОМ. Після 
отримання графічного зображення на плівці, її не слід зберігати довше 15 хвилин, 
а треба негайно розпочати процес друкування монтажної плати [28]. 
Друкування та травлення монтажної плати. Перенесення фотозображення з 
плівки на металізовану сторону монтажної плати відбувається наступним чином. 
Целулоїдна плівка прикладається до металізованої сторони монтажної плати 
стороною на якій відбувався фототермічний друк (сторона з нанесеним 
термопорошком). При цьому необхідно дотримуватися паралельного 
розташування реперних міток шаблону відносно сторін плати. Після цього, плата 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 41 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
з плівкою затискаються в струбцинах та кладуться під прес в індукційний 
розігрівач на 5-8 хвилин. Сила тиску пресу на плату повинна становити 75-90 Н, 
температура в зоні розігріву – 150 ºС. Таким чином, вихрові струми, що 
наводяться в металізованій фользі, яка покриває лицьову сторону плати приводять 
до її розігріву, що сприяє плавленню та переходу термопорошку з плівки на плату 
з подальшим вплавленням його в металеву фольгу [28]. 
Після закінчення процесу фотодрукування, плату протирають бязевою 
серветкою зі спиртом, сушать та проводять її травлення в травильному розчині 
наступного складу [27]: 
- залізо хлорне (FeCl3) – 15-20 мас.часток; 
- гліцерин – 3-5 мас.часток; 
- біфторид магнію (MgF2) – 0,5 мас.часток; 
- дистильована вода – інше. 
Температура травильного розчину повинна становити 65-70 ºС, час 
травлення – до 40 хвилин. Для уникнення протравів, та забезпечення найбільш 
рівномірного травлення, рекомендується проводити барбацію травильного 
розчину шляхом введення в останній повітря з компресору. Також ефективним 
може виявитися перемішування розчину (30-50 об/хв) або дія на нього 
ультразвуковими коливаннями (44 кГц; 650 Вт). 
Після протравлення плату необхідно промити під напором води (3-5 
хвилин), протерти бязевою серветкою зі спиртом та провести очищення її 
поверхні від термопорошку. Для цього використовується метод хіміко-механічної 
обробки поверхні розчинами ацетону, бензину Б-70, або іншими розчинниками. 
Тривалість очистки – до 10 хвилин. Після цього – промивка напором води (3-5 
хвилин), протирання бязевою серветкою зі спиртом та сушка [27]. 
Контроль виготовлення друкованої плати. Контроль виготовлення 
друкованої плати проводиться за допомогою лупи х7 (для візуального 
спостереження цілісності доріжок та контактних площадок) та електричного 
тестеру (перевірка цілісності та провідності електричних з‘єднань). На операцію 
контролю виготовлення друкованої плати на цьому етапі відводиться 15 хвилин. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 42 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Підготовка елементів РЕА до монтажу. Підготовка елементів до монтажу 
починається з контролю елементів РЕА за номіналами «придатний-непридатний». 
З цією метою використовують електричний мультиметр – для простих елементів 
РЕА (резисторів, діодів, конденсаторів тощо) та вимірювальний стенд – для 
мікроконтролерів, світлодіодних матриць, мікросхем тощо. Для більш 
компактного розташування елементів, та оптимізації процесу паяння необхідно 
сформувати виводи окремих елементів (резисторів, конденсаторів, транзисторів) 
шляхом рихтування, підрізання або загинання. Після цього, елементи монтажу 
вкладаються в технологічні касети в яких відбувається процес лудження виводів 
елементів РЕА сплавом Розе (Розе-5у). 
 
Складання і монтаж функціональних вузлів на друкованій платі 
Установка на плату контактів, перемичок, штирів та елементів монтажу. 
Складання і монтаж функціональних вузлів на друкованій платі починається з 
установки на плату контактів, перемичок, штирів та елементів РЕА. При цьому, 
процес монтажу повинен відбуватися в такій послідовності: спочатку 
встановлюються зовнішні елементи РЕА (резисторні блоки, мікротранзисторні 
збірки та конденсатори), потім – впроваджені елементи максимального розміру – 
контактні площадки під мікросхеми; далі – впроваджені елементи середнього та 
мінімального розміру – резистори, конденсатори, транзистори та діоди. 
Останніми на друковану плату встановлюються контактні штирі та площадки, а 
також – перемички між різними контактами плати. 
Підготовка виводів елементів РЕА. Підготовка виводів елементів полягає в 
їх лудженні з метою подальшого гарного приєднання останніх до контактних 
площадок на монтажній платі. При цьому кількість флюсу, який наноситься на 
місце паяння, повинна бути мінімальною.  
При залуджуванні виводів необхідно уникати їх перегріву протягом часу 
більше 3 секунд. При цьому місце лудіння має бути достатньо прогрітим за 
допомогою паяльника із забезпеченням повного розтікання розплавленого 
припою.  
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     43 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
Після лудження виводи необхідно охолодити. Поверхня виводів після 
лудження повинна мати однорідний, глянсовий вигляд без видимих  забруднень і 
напливів.  
Контроль правильності і якості установки елементів РЕА. Контроль 
правильності і якості установки елементів відбувається шляхом зовнішнього 
огляду на якість лудження виводів, відсутність подряпин, тріщин корпусу, 
пошкодження написів, а також вірної полярності встановлення елементів РЕА 
(особливо для діодів та силових пристроїв).   
Плати, які не пройшли етап контролю правильності і якості установки 
елементів поступають назад – на монтажну ділянку. Придатна плата залучається 
до технологічної операції паяння, плати ж, які мають відхилення на етапі 
складання і монтажу функціональних вузлів – повертаються на доопрацювання. 
 
Паяння монтажних з'єднань та функціональних вузлів на друкованій 
платі 
Знежирення плати. Після протравлення і очищення від залишків 
термопорошку плату необхідно знежирити. Для цього поверхня плати 
протирається розчинами ацетону, бензину Б-70, або іншими розчинниками. 
Тривалість знежирення – до 2 хвилин. Після цього – протирання бязевою 
серветкою зі спиртом та сушка. 
Флюсування місць паяння. Перед підготовкою до паяння контактні 
площадки необхідно профлюсувати. Для цього використовується спиртовий флюс 
ФС-50. При цьому кількість флюсу, який наноситься на контактну площадку, 
повинна бути мінімальною.  
Далі необхідно виконати лудіння контактних площадок з метою їх 
кращого пропаю. При лудінні контактних площадок необхідно уникати їхнього 
перегріву протягом часу більше 3 секунд. Крім того місце лудіння має бути 
достатньо прогрітим для забезпечення повного розтікання розплавленого припою. 
Поверхня контактних площадок після лудіння повинна мати однорідний, 
глянсовий вигляд без видимих пор, забруднень і напливів.  
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 44 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Паяння з'єднань та перемичок на монтажній платі. Паяння монтажних 
з'єднань та перемичок повинне забезпечуватися надійністю електричного 
контакту і необхідною механічною міцністю. Кількість припою, який 
відбирається паяльником повинна бути мінімально необхідною. Не допускається 
великий наплив припою в місці пайки – припій повинен заливати місце з'єднання 
виробів електронної техніки з усіх боків, заповнювати щілини і зазори між 
дротами і контактами. Температура жала паяльника контролюється приладом 
МПП-254Г, який входить до складу паяльної станції. При цьому необхідно 
уникати зайвого перегріву монтажних з‘єднань на платі, тоді коли саме місце 
паяння має бути достатньо прогрітим. Після спаювання місце пайки 
охолоджується на повітрі без примусового обдування.  
Очистка та сушка монтажної плати. Після закінчення етапу пайки з‘єднань 
монтажної плати, її необхідно очистити та просушити. Для цього, монтажну плату 
прогрівають термофеном або в електрокалорифері при температурі 65-85 ºС для 
рівномірного розтікання припою по поверхні монтажних плат та випаровування 
залишків флюсу та органічних розчинників. Після цього отриману плату сушать 
теплофеном та охолоджують на повітрі не менше 2-3 хвилин [27]. 
 
Контроль виготовлення плати підсилювача біопотенціалів 
Контроль виготовлення плати підсилювача біопотенціалів повинен 
відбуватися на кожному етапі технологічного процесу. Остаточний контроль 
проводиться на вимірювальному стенді, який дозволяє перевірити 
функціонування основних вузлів та блоків пристрою „інформаційне табло”. 
Також ефективним є тестова перевірка роботи пристрою із залученням адептів 
(експертів). Така тестова перевірка дозволяє виявити та вчасно уникнути ряду 
проблем, пов‘язаних з роботою пристрою, а саме: надійність функціонування 
пристрою в умовах вібрацій, температурного удару, підвищеної вологості та 
яскравості – емітуючі умови зовнішнього середовища, а залучення експертів 
дозволить випробувати захист від „дурня”, програмних помилок та апаратних 
збоїв.   
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист 45 
№ докум. Підпис Дата 
 
 
5.3 Вимоги, що висуваються до монтажу елементів РЕА 
Елементи при закріпленні їх виводів повинні бути по можливості 
розташовані так, щоб напис на друкованій платі їх маркування розташовувався з 
одного боку та був добре видний. 
З‘єднувальні, силові та інформаційні дроти не повинні мати пошкоджень 
при монтажі (підпалів, надрізувань). 
Дроти перетином 0,35 мм і менш слід кріпити з виконанням повного 
обороту навкруги контактної пелюстки, дроти перетину понад 0,35 мм - не менше 
обороту. 
 
5.4 Основні вимоги, що висуваються при паянні елементів до плати 
На якість паяних з'єднань істотно впливають не тільки технологічні умови 
проведення процесу паяння, але і правильний вибір матеріалів: флюсів, припоїв, 
очисних рідин. 
Вибір флюсу проводиться виходячи з потрібної хімічної активності, яка 
повинна бути найбільшою в інтервалі температур  плавлення припою. Він 
повинен швидко і рівномірно розтікатися по матеріалу, добре проникати в зазори 
і видалятися з них, легко витіснятися розплавленим припоєм. Для паяння 
монтажних з'єднань використовують переважно низько- і середньо температурні 
припої з температурою плавлення Тпл < 450 °С. Основними компонентами 
припоїв є олово і свинець, до яких для забезпечення спеціальних якостей можуть 
додаватися різноманітні хімічні елементи, зокрема: сурма, срібло, вісмут, кадмій.  
 До технічних вимог при паяні з'єднань відносять: достатню механічну 
міцність і пластичність; задану теплопровідність і електричні характеристики; 
коефіцієнт термічного розширення (КТР) близький до КТР паяного металу; 
корозійну стійкість як в процесі паяння, так і при експлуатації. 
Паяння монтажних з'єднань повинне забезпечуватися надійністю 
електричного контакту і необхідною механічною міцністю. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
    46 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Кількість флюсу, який наноситься на місце паяння, повинна бути 
мінімальною. Не допускається велика кількість змочувань флюсом місць паяння. 
Монтажні з'єднання слід лудити і паяти. Необхідно уникати зайвого 
перегріву монтажних виробів електронної техніки. Взагалі, тривалість одного 
дотику паяльника в зону паяння не повинна перевищувати 2-3 секунд. При цьому 
місце паяння має бути достатньо прогрітим за допомогою паяльника із 
забезпеченням повного розтікання розплавленого припою.  
Після паяння спаяне місце необхідно охолодити, при цьому спаяні вироби 
повинні бути нерухомі.  
Поверхня монтажних з'єднань повинна мати глянцевий вигляд без 
видимих пор, забруднень і напливів. Припій повинен заливати місце з'єднання 
виробів електронної техніки з усіх боків, заповнювати щілини і зазори між 
дротами і контактами.  
Температуру жала паяльника необхідно контролювати, наприклад 
приладом 4-703 МГ2.821.Э1649 або МПП-254Г. 
 
5.5 Технологічний контроль виготовлення плати  підсилювача 
біопотенціалів  
Загальна структура контрольних операцій включає візуальний контроль 
монтажу, автоматичний контроль правильності монтажних з'єднань, 
функціональний контроль зібраних плат. 
Шляхом зовнішнього огляду і порівняння із зразками перевіряють тип, 
номінальне значення, маркування, якість лудіння виводів, відсутність подряпин, 
тріщин корпусу і пошкодження написів.   
Механічну міцність монтажних з'єднань допускається перевіряти 
вибірково, але не більш разу в процесі прийому монтажу. Зусилля повинне бути 
направлено уздовж осі припаяного дроту і не повинне перевищувати 0,5 кг. В 
окремих випадках допускається перевірка пінцетом, на губки якого повинні бути 
надіті ізоляційні трубки. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     47 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
Контроль правильності електричних з'єднань є необхідною операцією 
перед настройкою. В одиничному і дрібносерійному виробництві цю операцію 
виконують вручну за допомогою універсальної вимірювальної апаратури по 
картах опорів і монтажній схемі. 
В масовому виробництві широко використовують автоматичні тестери, які 
працюють за принципом неврівноваженого моста. Плата через з'єднувачі 
підключається до тестера, який за розробленою програмою перевіряє омічний 
опір кожної електричної ділянки і визначає його стан. Плати, які не пройшли 
перевірку монтажу поступають на ділянку ремонту. Годна плата поступає на 
функціональний контроль, де перевіряють логічні зв'язки елементів за допомогою 
діагностичних тестів. Плати, які мають відхилення початкових параметрів 
поступають на регулювання, а несправні - на ремонт. 
Якість паяного з'єднання дротів перетином 0,12 мм2 і менше, повинні 
перевірятися візуально. 
При контролі якості монтажу забороняється перегинати дріт в зоні паяння. 
Перевірене паяння контролер повинен відзначати кольоровим лаком, який 
наноситься на місце спаю у вигляді невеликої акуратної крапки.  
 
5.6 Загальні вимоги до монтажу друкованої плати 
До монтажної роботи допускаються особи, які атестовані по операціях 
даного технологічного процесу. 
Робітник при виконанні будь-якої виробничої задачі відповідає за якість 
виконання роботи і при здачі продукції майстру винен відділити придатну 
продукцію від браку. 
Складання і монтаж друкованої плати в міру необхідності робітник 
повинен вести по індивідуальних технологічних картах і еталонних зразках. 
Збірка компонентів друкованої плати складається з подачі їх до місця установки, 
орієнтації виводів щодо монтажних отворів або контактних майданчиків, 
сполучення з складальними елементами і фіксації в потрібному положенні. 
Використовування ручної збірки економічно доцільне при виробництві не більше 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 48 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
15 тис. плат в рік партіями по 100 штук. На кожній платі повинно бути розміщено 
не більше 100 елементів, у тому числі 20 інтегральних мікросхем. Істотною 
перевагою ручної збірки є можливість постійного візуального контролю, який 
дозволяє використовувати відносно великі допуски на розміри висновків, 
контактних майданчиків і монтажних отворів.  
 
5.7 Нормування часу монтажних робіт 
Нормування часу монтажних робіт виконують на підставі карт 
технологічних процесів, які визначають порядок виконання операцій, 
використовування приладів, інструментів, матеріалів, а також режимів обробки і 
нормативів часу. Розрахунок норм штучного часу на операцію (хв.) визначається 
по формулі: 
Тшт = Топ × (1 + 0,01 × К)                                             (5.1) 
     де  ТОП - оперативний час, Топ = 134,18 хв. (табл.5.1);  
К - час на організаційно-технологічне обслуговування робочого місця, 
відпочинок і власні потреби у відсотках від оперативного часу, К = 14 %.  
Тшт = Топ × (1 + 0,01 × К) = 134,18 × (1 + 0,14) = 152,9 хв. (2 год.33 хв.)     
 
Оперативний час на виконання монтажних операцій приведений в табл.5.1. 
Таблиця 5.1 - Оперативний час на виконання операцій по виготовленню 
плати підсилювача біопотенціалів 
№ Кількість, Оперативний ∑ТОП, 
Назва етапу роботи 
п/п циклів час, ТОП, хв. хв. 
Підготовчі операції 
Підготовка монтажної плати 
1          3          1,5 4,5 
до   друку 
Виготовлення фотошаблону 
2          2         0,16 0,32 
друкованої плати 
Продовження таблиці 5.1 
3 Друкування та травлення          1           60 60 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 49 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
монтажної плати 
Контроль виготовлення 
4          1           10 10 
друкованої плати 
Підготовка елементів РЕА до 
5          5           2,5 12,5 
монтажу 
Складання і монтаж функціональних вузлів 
Установка на плату контактів, 
6 перемичок, штирів та         4           1,5       6,0 
елементів РЕА 
Підготовка виводів елементів 
7        110          0,05       5,5 
РЕА 
Контроль правильності і якості 
8         42          0,08      3,36 
установки елементів РЕА 
Паяння монтажних з'єднань та функціональних вузлів на друкованій платі 
9 Знежирення плати 1 0,5 0,5 
10 Флюсування місць паяння 110 0,05 5,5 
Паяння з'єднань та перемичок 
11 110 0,05 5,5 
на монтажній платі 
Очистка та сушка монтажної 
12 1 2,5 2,5 
плати 
Контроль виготовлення плати вимірювача артеріального тиску 
Остаточний контроль на 
13 1 3 3 
вимірювальному стенді 
Тестова перевірка роботи 
14 пристрою із залученням 1 15 15 
адептів 
Всього 134,18 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 50 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
6 Спеціальний розділ 
 
 
6.1 Економічне обґрунтування розробки 
Біоелектричні системи управління протезами верхніх кінцівок 
представляють собою інноваційні технології, які значно покращують якість життя 
осіб з ампутованими кінцівками. Дані системи забезпечують високий рівень 
функціональності та інтеграції з фізіологічними процесами, що робить їх 
надзвичайно перспективними на ринку медичних технологій. 
Аналіз ринку та попит 
1. Розмір ринку: Світовий ринок протезів зростає завдяки збільшенню 
кількості людей з ампутованими кінцівками, старінню населення та зростанню 
кількості захворювань, що ведуть до ампутацій (наприклад, діабет). За даними 
досліджень, ринок протезів верхніх кінцівок оцінювався в $1.1 мільярда у 2023 
році і прогнозується зростання до $1.8 мільярда до 2030 року. 
2. Попит на біоелектричні протези: З огляду на підвищену 
функціональність та комфорт, попит на біоелектричні протези постійно зростає. 
Вони забезпечують кращу адаптацію та функціональність у порівнянні з 
механічними протезами, що приваблює як пацієнтів, так і медичні установи. 
Вартість розробки та виробництва 
1. Дослідження та розробка (R&D): Інвестиції у R&D для розробки 
біоелектричних протезів включають в себе витрати на наукові дослідження, 
клінічні випробування, розробку програмного забезпечення та технологій 
сенсорного зчитування. Орієнтовні витрати на R&D для одного проекту можуть 
становити від $500 тисяч до $5 мільйонів залежно від складності та новизни 
технології. 
2. Виробничі витрати: Виробництво біоелектричних протезів потребує 
високотехнологічного обладнання, матеріалів високої якості та спеціалізованих 
компонентів (наприклад, електроди, сенсори, мікропроцесори). Вартість 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     51 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
виготовлення одного протезу може коливатися від $10 тисяч до $50 тисяч залежно 
від конфігурації та функціональних можливостей. 
Економічна ефективність та вигоди 
1. Зниження витрат на охорону здоров'я: Використання 
біоелектричних протезів може знизити довгострокові витрати на медичну 
допомогу завдяки зменшенню кількості ускладнень та підвищенню якості життя 
пацієнтів. 
2. Підвищення продуктивності та інтеграція в суспільство: 
Високофункціональні протези сприяють підвищенню працездатності пацієнтів, 
їхньої соціальної інтеграції та зниженню залежності від соціальних виплат. Це 
позитивно впливає на економіку загалом через збільшення робочої сили та 
зменшення навантаження на соціальні програми. 
3. Інновації та технологічний розвиток: Інвестиції у розробку 
біоелектричних протезів стимулюють розвиток суміжних технологій, таких як 
біонічні технології, штучний інтелект та медична робототехніка, що сприяє 
економічному зростанню та технологічному прогресу. 
Фінансування та підтримка 
1. Державні гранти та субсидії: Багато урядів і міжнародних 
організацій надають фінансову підтримку на розробку медичних інновацій, 
включаючи протези. Це може значно знизити початкові витрати на дослідження 
та розвиток. 
2. Приватні інвестиції: Приватні інвестори, венчурні фонди та 
компанії, зацікавлені у розвитку медичних технологій, активно інвестують у 
перспективні проекти, що забезпечує додаткові фінансові ресурси для розробки і 
впровадження біоелектричних протезів. 
Висновок 
Біоелектрична система управління багатофункціональним протезом 
верхньої кінцівки має значний економічний потенціал завдяки зростаючому 
попиту, високій функціональності, зниженню медичних витрат та покращенню 
якості життя пацієнтів. Інвестиції у дану технологію не тільки економічно 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 52 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
обґрунтовані, але й сприяють загальному технологічному розвитку та інноваціям 
у сфері охорони здоров’я. 
 
6.2 Охорона праці 
Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на дослідника при 
роботі в проектно-технічній лабораторії 
В даній бакалаврській роботі проводиться розробка системи управління 
протезом руки. При проведенні таких досліджень необхідно опрацювати значну 
кількість теоретичного матеріалу, використати відповідне програмне 
забезпечення та провести необхідні розрахунки. Виконання цих робіт можливе 
лише при застосуванні сучасної комп’ютерної техніки. Результати, які отримані 
під час досліджень з даної тематики, теж підлягають подальшій обробці 
програмним забезпеченням за допомогою комп’ютерної техніки.  Тому виникає 
потреба в забезпеченні безпечної та продуктивної організації праці дослідника 
при роботі з персональним комп’ютером (ПК). 
Для цього необхідно проаналізувати всі параметри робочого середовища, 
які можуть впливати на здоров’я та працездатність дослідника, тим самим 
змінюючи продуктивність його праці.  
За рівнем фізичного навантаження роботу співробітників лабораторії 
необхідно віднести до категорії І а, тобто робота, яка виконується сидячі та не 
потребує фізичного навантаження. 
Дослідження проводяться  в приміщенні, яке має наступні  геометричні 
розміри: довжина – 12 м, ширина – 5,5 м, висота стелі – 3,5 м. Відповідно площа 
всього приміщення становить 66 м2, а об’єм – 231 м3. Тому на одного працюючого 
припадає 13,2 м2, що відповідає вимогам ДБН В.2.2.28-2010 та ДСанПіН 3.3.2-
007-98, відповідно до яких площа, яка припадає на одне робоче місце, яке 
обладнане ПК, повинна складати не менше 6 м2, а об’єм - не меншим ніж 20 м3.  
Серед багатьох чинників зовнішнього середовища, що впливають на 
організм людини під час праці, освітлення займає одне з перших місць.  
Освітлення має властивість впливати не лише на органи зору, а й на діяльність 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     53 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
організму в цілому, тому при діяльності втомлюваність очей, в основному, 
залежить від напруженості процесів, що супроводжують зорове сприйняття. При 
поганому освітленні у людини перенапружуються органи зору, що призводить до 
швидкого втомлення. Це в свою чергу може призвести до помилкових дій під час 
роботи і навіть до нещасного випадку. 
Приміщення лабораторії згідно з ДБН В.2.5-28-2018 «Природне та штучне 
освітлення» має природне та штучне освітлення. Природне освітлення 
приміщення лабораторії здійснюється через п’ять вікон, які зорієнтовані на захід. 
Розміри кожного вікна становлять 1,2×3 м. Робоче місце розташоване таким 
чином, що усі вікна знаходяться перед робочим місцем працюючого. За рахунок 
цього забезпечене мінімальне потрапляння прямих сонячних промінів на екран 
монітора, які б спричиняли би відбиття світла від екрану. При цьому у полі зору 
працюючого забезпечується оптимальне співвідношення яскравості робочих та 
навколишніх поверхонь. 
Під час роботи працівник в більшості випадків працює з даними,  які 
виводяться програмним забезпеченням (з розрахунками на екрані монітора). 
Тобто найменшим об’єктом розрізнення виступає “крапка”  на екрані монітора (в 
текстових редакторах та математичних прикладних програмах це текст чорного 
кольору на білому фоні). Найменший об’єкт розрізнення – 0,22-0,24 мм, що 
відповідає дуже високому ступеню точності зорової праці. Розряд зорової праці – 
II, підрозряд – Г. Контраст об’єкту розрізнення з фоном - великий.  Для даного 
типу зорової праці нормативне значення КПО згідно норм освітлення 
ДБН В.2.5-28-2018 дорівнює 1,8%. Робоче місце розташовано на відстані 2 м від 
вікна і в цій точці значення КПО становить 28-32%, що задовольняє нормам. Тому 
рівень природного освітлення можна вважати достатнім. 
Для темного часу доби в приміщенні передбачене штучне освітлення. 
Штучне освітлення завжди передбачається у всіх виробничих та побутових 
приміщеннях, якщо недостатньо природного світла. При організації штучного 
освітлення необхідно забезпечити сприятливі гігієнічні умови для зорової роботи 
і одночасно враховувати економічні показники. При штучному освітленні 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 54 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
нормується величина освітленості в люксах (Лк), яка вибирається в залежності від 
характеристик зорової праці з урахуванням найменшого розміру об'єкта 
розрізнення, фону, контрасту об'єкта розрізнення з фоном. 
Приміщення обладнане дванадцятьма світильниками денного світла типу 
ЛСП02-2х58-001, які розташовані симетрично та рівновіддалено від стін. 
Відповідно до ДБН В.2.5-28-2018 для даного типу зорової праці нормативний 
рівень штучного загального освітлення становить 400 лк. Фактичне значення 
даного параметра становить 410- 420 Лк. Отже, рівень штучного освітлення на 
робочому місці є достатнім. 
Суттєвий вплив на стан організму працівника, його працездатність 
здійснює мікроклімат (метеорологічні умови) у робочих приміщеннях, під яким 
розуміють умови внутрішнього середовища цих приміщень, що впливають на 
тепловий обмін працюючих з оточенням. Ці умови визначаються поєднанням 
температури, відносної вологості та швидкості руху повітря, температури 
поверхонь, що оточують людину та інтенсивності теплового (інфрачервоного) 
опромінення. 
Можливості організму пристосовуватись до метеорологічних умов  
обмежені. Верхньою межею терморегуляції людини, що знаходиться у стані 
спокою, прийнято вважати 30-31 °С при відносній вологості 85% чи 40 °С при 
відносній вологості 30%. При виконанні фізичної роботи ця межа значно нижча.  
Отже, для нормального теплового самопочуття людини важливо, щоб 
температура, відносна вологість і швидкість руху повітря знаходились у певному 
співвідношенні. 
Згідно ДСН 3.3.6.042-99 «Повітря робочої зони», що регламентує 
параметри мікроклімату виробничих приміщень, нормативні значення параметрів 
мікроклімату наступні: 
1. Температура повітря: в холодний період року – 22-24 °С (допустима – 
21-25 °С); в теплий період року – 23-25 °С (допустима – 22-28 °С). 
2. Вологість повітря:  в холодний період року – 40-60 %; в теплий період 
року – 40-60 %. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 55 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
3. Швидкість руху повітря: в холодний період року – 0,1 м/с (допустима –  
не більша ніж 0,1 м/с); в теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1-0,2 м/с). 
Фактичні значення параметрів мікроклімату становлять: 
1. Температура повітря: в холодний період року – 16-17 °С; в теплий 
період року – 23-25 °С. 
2. Вологість повітря:  в холодний період року – 42-45 %; в теплий період 
року – 50-53 %. 
3. Швидкість руху повітря: в холодний період року –  0,06-0,1 м/с;  в 
теплий період року – 0,07-0,15 м/с. 
З наведених даних видно, що фактичне значення вологості повітря та 
швидкості руху повітря відповідають нормативним значенням параметрів. 
Значення температури повітря в холодний період року є нижчим за нормативне 
значення, отже, необхідно провести модернізацію системи опалення у даному 
приміщенні. 
Шум також є одним з важливих факторів виробничого середовища, який 
може негативно впливати на працівника. Шум може послаблювати увагу, 
посилювати розвиток втоми, сповільнює реакцію людини на небезпеку. Внаслідок 
цього знижується працездатність та підвищується ймовірність нещасних випадків. 
В даному приміщенні головним джерелом шуму є вентилятор 
охолодження джерела живлення системного блоку. Шум, який видає системний 
блок не перевищує нормативне значення еквівалентного рівня шуму, яке згідно 
вимог ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми рівнів шуму на робочих місцях» 
становить 50 дБА. 
Головним джерелом електромагнітного випромінювання в приміщенні є 
монітор та системний блок ПК. Рівні електромагнітного випромінювання на 
робочих місцях співробітників лабораторії повністю відповідають вимогам ДСН 
3.3.6.096-2002. 
В даному приміщенні застосовується електромережа змінного струму  
напругою 220 В, електропроводка якої виконана приховано мідним дротом ППВ 
3*2.5 мм2. Таке виконання проводки запобігає виникненню та поширенню пожежі 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     56 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
внаслідок можливого короткого замкнення в проводці, та можливому ураженню 
працівника струмом. Обладнання, а саме системні блоки та монітори, встановлене 
в кабінеті, живиться напругою 220 В і споживає потужність менше ніж 2500 Вт. 
Оскільки системний блок ПК має металевий корпус, то згідно ДСТУ Б В.2.5-
82:2016 в приміщенні лабораторії передбачена магістраль захисного заземлення, 
яка забезпечує захист людини від ураження електричним струмом. 
За категорією пожежонебезпеки згідно ДСТУ Б В.1.1-36:2016, дане 
приміщення відноситься до типу В (тверді горючі та важкогорючі речовини і 
матеріали, речовини та матеріали, здатні при взаємодії з киснем повітря або одне з 
одним лише горіти). Стіни приміщення виготовлені з цегли, оштукатурені та 
пофарбовані водоемульсійною фарбою. Стеля виготовлена методом перекриття 
приміщення залізобетонними плитами, а підлога з кахельної плитки. Всі 
матеріали застосовані для будівництва приміщення повністю дозволені для 
оздоблення приміщень органами державного санітарно-епідеміологічного 
нагляду.  
Приміщення оснащено системою автоматичної пожежної сигналізації 
відповідно до вимог ДБН В.2.5-56-2014. Також в приміщенні знаходяться три 
переносних вуглекислотних вогнегасника ВВК-5, які використовуються для 
гасіння легкозаймистих та горючих рідин, твердих горючих речовин та 
матеріалів, електропроводок, що знаходяться під напругою до 1000 В, що 
відповідає ДСТУ Б В.1.1.36:2016. 
Для забезпечення проведення швидкої та організованої евакуації 
персоналу на випадок виникнення пожежі в будівлі передбачений план евакуації,  
розміщений на стіні з вільним доступом до нього (ДБН В.1.1-7-2016). 
На працездатність співробітника  лабораторії окрім зовнішніх факторів 
виробничого середовища також впливає безпосередня організація робочого місця. 
Отже, робочий стіл має такі розміри: висота – 710 мм, ширина – 510 мм, довжина 
– 1100 мм. Відповідно стілець має такі розміри: висота – 400 мм, ширина – 400 
мм. Відстань від екрана до ока складає 700 мм при розмірі екрану по діагоналі 
22", а клавіатура розміщена на поверхні столу на відстані 200 мм від працюючого. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 57 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
Отже, організація робочого місця повністю задовольняє ергономічним вимогам 
ДСТУ 8604:2015. 
Важливим фактором для підвищення продуктивності праці та запобіганню 
виснаження організму являється правильна організація її режиму. Отже, при 
організації праці, яка пов’язана з роботою за комп’ютером та іншими приладами, 
для збереження здоров’я працюючого, запобігання виникненню професійних 
захворювань та підтримки працездатності на належному рівні повинні бути 
передбаченні перерви для відпочинку. 
Організація, де розташована лабораторія, за свої кошти організовує 
проведення попереднього (при прийнятті на роботу) і періодичних (протягом 
трудової діяльності) медичних оглядів працівників, зайнятих на важких роботах, 
роботах із шкідливими чи небезпечними умовами праці або таких, де є потреба у 
професійному відборі, а також щорічного обов'язкового медичного огляду осіб 
віком до 21 року, відповідно «Положення про медичний огляд працівників певних 
категорій» та Наказу МОЗ України №246 від 21.05.2007. 
З усіма працівниками перед допуском до роботи проводять вступний та 
первинний інструктажі згідно типового положення про навчання з питань 
охорони праці (ДНАОП 0.00-4.12-05). Допуск до роботи відбувається після 
проведення перевірки знань із вступного та первинного інструктажів. Перевірка 
здійснюється згідно затвердженого переліку запитань. 
Вступний інструктаж з питань охорони праці проводиться з усіма 
працівниками, які щойно прийняті на роботу (постійну або тимчасову) незалежно 
від їх освіти, стажу роботи за цією професією або посади. Первинний інструктаж 
проводиться з працівниками на робочому місці до початку роботи. Запис про 
проведення вступного інструктажу робиться у спеціальному журналі. 
Повторний інструктаж проводиться на робочому місці з усіма 
працівниками та студентами: на роботах з підвищеною небезпекою - 1 раз у 
квартал, на інших роботах - 1 раз на півріччя. 
Отже, після проведення детального аналізу приміщення та безпосередньо 
робочого місця можна зробити висновок, що всі фактори виробничого 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     58 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
середовища, окрім температури приміщення в холодний період року, 
відповідають своїм нормативним значенням. Тому необхідно провести 
модернізацію системи централізованого водяного опалення, щоб забезпечити 
відповідність значення температури повітря в холодний період року 
нормативному значенням цього параметра, а саме на рівні 20-22 °С. 
 
Модернізація системи водяного опалення лабораторії 
Системи опалення являють собою комплекс елементів, необхідних для 
нагрівання приміщень в холодний період року. До основних елементів системи 
опалення належать: джерела тепла, теплопроводи та нагрівальні прилади. 
Теплоносіями можуть бути нагріта вода, пара чи повітря. Системи опалення 
повинні компенсувати втрати тепла через огороджуючі зовнішні будівельні 
конструкції та підігрівати холодне повітря, яке надходить ззовні через вікна, 
двері, ворота та ін. Для підприємств та організацій проектується, як правило, 
центральна водяна система опалення низького тиску або система повітряного 
опалення. При проектуванні системи опалення необхідно визначити категорію 
вибухопожежної небезпеки виробництва; внутрішню температуру повітря в 
приміщенні, залежно від категорії роботи (легка, середньої важкості, важка); 
розрахункову зовнішню температуру повітря для даного кліматичного району; 
орієнтовні втрати тепла будинком; тепловиділення від людей, електродвигунів, 
нагрітих поверхонь котлів, сушильних установок, світильників, та іншого 
обладнання; необхідну систему опалення, вид теплоносія, тип опалювальних 
приладів; кількість тепла на опалення приміщень; поверхню нагрівальних 
приладів; кількість елементів секцій в одному нагрівальному приладі, загальну 
кількість секцій; годинні витрати води (повітря) на опалення; необхідну поверхню 
нагріву.  
Основною метою системи опалення є створення комфортної температури у 
приміщенні, де перебуває та працює людина. Система опалення повинна 
підтримувати температуру повітря в приміщенні на рівні від 20 до 22 °C . В 
залежності від того який теплоносій використовується в опалювальній системі, 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     59 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
вона може поділятися на декілька типів: водяна, парова, низького тиску, високого 
тиску.  Водяна та парова системи опалення в залежності від тиску пари чи 
температури води можуть бути низького тиску (тиск пари до 70 кПа чи 
температура води до 100 °С), та високого тиску (тиск пари більше 70 кПа чи 
температура води понад 100 °С). 
Найчастіше використовується водяне опалення низького тиску, яке має ряд 
переваг в порівнянні з паровим опаленням та відповідає основним санітарно-
гігієнічним вимогам. До основних переваг цієї системи можна віднести 
рівномірне нагрівання приміщення; можливість централізованого регулювання 
температури води; підтримання відносної вологості повітря в приміщенні  на 
відповідному рівні; виключення можливості опіків від нагрівальних приладів; 
високий рівень пожежної безпеки. Основний недолік системи водяного опалення 
– можливість її замерзання при аварійному відключенні в зимовий період, а також 
повільне нагрівання великих приміщень після тривалої перерви в опаленні.  
Парове опалення має низку санітарно-гігієнічних недоліків, тому 
застосовується рідко. Зокрема, внаслідок перегрівання повітря знижується його 
відносна вологість, а органічний пил, що осідає на нагрівальних приладах, 
підгоряє і створює запах гару. Окрім того, існує небезпека пожеж та опіків. 
Враховуючи вищевказані недоліки не допускається застосування парового 
опалення в пожежонебезпечних приміщеннях та приміщеннях зі значним 
виділенням пилу. 
До опалювальних приладів висувають ряд вимог, за якими їх кла-
сифікують, аналізують ступінь досконалості та проводять порівняння. 
Опалювальні прилади повинні мати за можливістю більш низьку 
температуру корпуса для забезпечення непригорання пилу та неможливості опіків 
при доторканні до корпусу, зменшення нейтралізації нестійких іонів з негативним 
зарядом, зниження швидкості руху повітря і відповідно швидкості руху 
пиловидних частинок; мати найменшу площу для зменшення відкладання пилу; 
мати вільний доступ для видалення пилу з корпуса та з огороджуючих конст-
рукцій за ним. 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
     60 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
 
Опалювальні прилади повинні мати найменші приведені витрати на 
виготовлення, монтаж та експлуатацію. Найменшу витрату металу, найменшу 
питому вартість, віднесену до 1 м2 площі поверхні або до 1 кВт теплового потоку. 
Зовнішній вигляд (форма, розміри, фарбування) опалювальних приладів 
повинен відповідати інтер'єру приміщення, а їх об'єм, віднесений до одиниці 
теплового потоку, бути якнайменшим. 
Повинна забезпечуватись максимальна механізація робіт при виробництві 
та монтажу опалювальних приладів. Опалювальні прилади повинні мати 
достатню механічну міцність. 
Опалювальні прилади повинні пропорційно реагувати на автоматичну 
керованість їх тепловіддачею; забезпечувати пріоритет теплоти у приміщенні; 
бути довговічними, температуростійкими. Опалювальні прилади повинні 
забезпечити найбільшу щільність питомого теплового потоку, віднесену на 
одиницю площі. Опалювальні прилади можуть мати додаткове обладнання для 
задоволення потреб споживача – дзеркала, вішалки, зволожувачі повітря тощо. 
За переважним видом тепловіддачі всі опалювальні прилади розділяють на 
три групи, а саме: радіаційні, що передають випромінюванням не менше 50% су-
марного теплового потоку (до них відносять сталеві бетонні опалювальні панелі 
та випромінювачі); конвективно-радіаційні, що передають конвекцією від 50% до 
75% сумарного теплового потоку (в цю групу включають секційні та панельні 
радіатори, підлогові та стінові опалювальні панелі, гладкотрубні опалювальні 
прилади); конвективні, передають конвекцією понад 75% загального теплового 
потоку (до цієї групи відносять  конвектори та ребристі труби). 
За матеріалом опалювальні прилади розділяють на металеві (чавунні, 
сталеві, алюмінієві, мідні тощо), біметалеві (сталево-алюмінієві, мідно-
алюмінієві), неметалеві (керамічні, пластмасово-бетонні) та комбіновані 
(металево-керамічні, металево-бетонні тощо). 
Чавунні секційні батареї – теплові прилади, які відносяться до застарілих 
систем опалення. Мають малу поверхню віддачі тепла й низьку теплопровідність 
металу, роблять нагрівання в основному випромінюванням і близько 20% тепла 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. 61 
Лист № докум. Підпис Дата 
 
передають повітрю конвекцією. Рух теплоносія в системі відбувається 
гравітаційним шляхом, що сильно сповільнює передачу тепла. Для збільшення 
конвекційної віддачі тепла чавунними радіаторами, їх рекомендують розміщати 
тільки під вікнами, щоб холодне повітря, що опускається з поверхні скла, 
примусово проходило через радіатор.  
Панельні сталеві батареї являють собою дві сталеві пластини, між якими 
циркулює теплоносій. Пластини мають товщину 1,2 мм, з'єднані між собою 
точковим електрозварюванням, містять виштампувані канали, по яких протікає 
вода. Панель розмірами за звичайний чавунний радіатор має товщину 30 мм, але 
вдвічі меншу тепловіддачу. Для підвищення теплової потужності ставлять 
паралельно дві, навіть три панелі. При двох або трьох панелях радіатор передає 
тепло випромінюванням тільки зовнішніми площинами, тому до всіх внутрішніх 
площин радіатор приварюють ряди П-подібних пластин, які значно збільшують 
поверхню тепловіддачі, тобто внутрішні площини працюють як конвектор. 
Основний недолік такий же, як й в алюмінієвих радіаторах – прискорена корозія.  
Алюмінієві секційні батареї, більш досконала конструкція, у якій 
застосований матеріал з великим коефіцієнтом теплопередачі у вигляді 
алюмінієвого сплаву. Секції алюмінієвого радіатора мають глибину всього 80-110 
мм. Алюмінієві секційні радіатори більше половини тепла віддають 
випромінюванням, іншу половину – конвекцією. Деякі типи алюмінієвих 
радіаторів можуть  мати сильно розвинену поверхню у вигляді додаткових тонких 
ребер, розміщених усередині секції, при цьому зростає площа нагрівання однієї 
секції. Теплова потужність однієї секції декларується виготовлювачами до 180 
ватів. Завдяки зменшеному обсягу води в секціях алюмінієві радіатори добре 
піддаються регулюванню за допомогою термозапірних клапанів і термочуттєвих 
головок. Теплорегулюючі елементи, якими необхідно постачати всі алюмінієві 
радіатори, дозволяють обмежувати протік гарячої води через радіатор при 
досягненні заданої температури в кімнаті. Основний і самий великий недолік – 
схильність до електрохімічної корозії. Біметалічні секційні радіатори,  найбільш 
досконала конструкція, що дозволяє використати всі переваги алюмінієвих 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист 62 
№ докум. Підпис Дата 
 
радіаторів, уникаючи їхніх недоліків. Біметалічний радіатор складається з міцного 
й стійкого до електрохімічної корозії сталевого трубопровідного каркаса, 
зовнішні ребра виконані з високоякісного алюмінієвого сплаву методом лиття під 
високим тиском. При цьому утвориться монолітне з'єднання, що виключає 
можливість контакту алюмінію з водою, а значить і корозії. Ці радіатори не 
вимагають спеціальної підготовки води (очищення, зниження кислотності, 
лужності), на відміну від алюмінієвих радіаторів. Радіатори мають корпус без 
гострих кутів, температура на поверхні в 2 рази нижче, ніж усередині, що 
дозволяє навіть по дуже строгих нормах застосовувати їх у дитячих і лікувальних 
установах. При роботі радіатор створює ефект повітряного теплового вентилятора 
й дуже добре перемішує шари повітря в приміщенні. 
В приміщенні застосовується схема периметральної двотрубної тупикової 
вітки системи опалення з рухом теплоносія в середині системи за схемою “зверху-
донизу”. Кількість тепла, що втрачається будівельною конструкцією QK залежить 
від різниці температур, величини їх значень, площі та виду матеріалу та може 
бути підрахована для плоских поверхонь за формулою: 
                                         QK = k ⋅ Fk (tвн − t зовн )                                        (6.1) 
QK = 0,97 ⋅42 ⋅ (22− (−20)) =1711 ккал/год 
де: k = 0,97 ккал/год – коефіцієнт теплопередачі конструкції огорожі (стін);  
     Fк – поверхня огороджувальної конструкції, F 2
к = 105 м ; 
     tвн – розрахункова температура повітря в приміщенні, t = 22 °C;  
     tзовн – розрахункова температура зовнішнього повітря (приймається                
              за кліматичними даними для даного міста), t = -20 °C. 
Відносні витрати води розраховуються за формулою: 
q 7,98 ⋅ (∆t −10)
=
                                          ∆Tприл ⋅ L                                              (6.2) 
7,98 ((85+ 50
⋅ − 22) −10)
q 2 291,27
= = = 0,39
(85−50) ⋅21,3 746,8  ккал/год 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 63 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
де: ∆t – різниця температур між середньою температурою теплоносія   
            в  нагрівальному приладі та температурою в приміщенні, °С;  
∆Tприл – перепад температур теплоносія в нагрівальному приладі, °С; 
        L – кількість води, що подається зверху донизу, L=21,3 кг/м2 ⋅ год; 
Температурний перепад в даній системі складає 50-85 °C. 
Значення е. к. м. можна порахувати за формулою: 
 
                                qе.к.м. = 7,98 ⋅ (∆t −10) ⋅α ,                                       (6.3) 
q 85 + 50
е.к.м. = 7,98 ⋅ (∆t −10) ⋅α = 7,98 ⋅ (( − 22) −10) ⋅ 0,89 = 252
2  ккал/год 
 
де: α – поправочний коефіцієнт, що залежить від відносної витрати води,  
який дорівнює α=0,89. 
Необхідну поверхню приладів е.к.м. Fприл можна визначити за формулою: 
F Qк 1711
прил. = = = 6,8м2 .
qе.к.м. 252  
 
Серед широкого різноманіття радіаторів обираємо сталеві панельні 
радіатори. Панельні сталеві радіатори є спеціальними опалювальними приладами, 
які володіють середнім ступенем теплопровідності, в порівнянні з агрегатами, 
виготовленими з інших матеріалів. 
Виробляються ці пристрої з дуже якісної сталі, яку попередньо захищають 
спеціальними засобами від корозії. Такі радіатори можуть мати ребра або 
виготовлятися без них. Застосовуються такі прилади в закритих і автономних 
опалювальних системах, в яких наголошується знижений вміст кисню в 
теплоносії. 
Панельні сталеві радіатори мають досить просту конструкцію. Перший 
шар - це штамповані сталеві листи. Вони мають невелику товщину, є досить 
міцними, стійкі до корозії навіть у разі зіткнення з рідиною. У цих листах 
проробляються невеликі канали, по яких і циркулює теплоносій. Далі йде 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист № докум. Підпис 64 
Дата 
 
обрешітка, яка призначена для збільшення віддачі тепла. Ці панелі мають певний 
рельєф у вигляді літери «П». Самий останній шар представлений декоративними 
панелями, які облагороджують зовнішній вигляд агрегату. Усередині радіатора 
присутня теплоносій, який циркулює по каналах, з'єднаним між собою. Слід 
сказати, що теплоносій подано у відносно малій кількості. Такий принцип роботи 
дозволяє швидко нагріти приміщення. 
Панельні сталеві радіатори володіють такими перевагами: 
1. Привабливий зовнішній вигляд. Сучасні дизайнери пропонують масу 
рішень, які допоможуть органічно вписати ці прилади в інтер'єр. 
2. Високий ступінь тепловіддачі. Справа в тому, що сталь відмінно 
проводить тепло. 
3. Цілісність. Після покупки пристрою його не слід додатково збирати. Він 
вже повністю готовий до установки. 
4. Економічність. Справа в тому, що радіатор не вимагає великої кількості 
теплоносія, тому нагрівається значно швидше інших апаратів. Крім того, прилад 
оснащений терморегулятором. 
5. Невелика вага. Завдяки цьому стіни, система опалення не відчувають 
дуже велике навантаження. 
6. Доступність. 
7. Велике розмаїття. 
Обираємо радіатор Purmo Compact 22. Оскільки ширина радіатора 
становить 0,55 м,  довжина 1 м, глибина – 0,102 м визначимо площу поверхні  
радіатора: 
                    fе.к.м.=2·0,55⋅1 + 2·0,102⋅1 + 2·0,55·0,102 = 1,4162 м²                
(7.4) 
Необхідна кількість радіаторів визначається за формулою: 
F
n = прил ,
                                               fе.к.м.                                                    (6.5) 
n 6,8
= = 4,8
1,4162  
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист 65 
№ докум. Підпис Дата 
 
де fе.к.м - площа поверхні одного радіатора.     
Отже, в приміщенні лабораторії, що аналізується, необхідно встановити 5 
сталевих панельних радіаторів Purmo Compact 22 для забезпечення нормативних 
умов мікроклімату. 
 
Рисунок 6.1 – Сталевий панельний радіатор Purmo Compact 22 
 
Таблиця 6.1 – Характеристика сталевого панельного радіатора Purmo 
Compact C22: 
Маса, кг/м 32,6 
Потужність при температурі теплоносія 2012 
  Об’єм, л/м 6,2 
Робочий тиск, атм 10 
Розміри (ВхШхГ), мм 500х10
Виробник Фін лян
Товщина сталі панелі, мм  1,25 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
 66 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
 
Рисунок 6.2 – Види сталевих панельних радіаторів Purmo Compact 
 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 
Зм. Лист 67 
№ докум. Підпис Дата 
 
Висновок 
 
Проведений аналіз перспективних розробок систем управління 
багатофункціональними протезами верхніх кінцівок. З урахуванням результатів 
цього аналізу був визначений напрям досліджень, що базується на використанні 
засобів мікропроцесорної техніки в системах управління протезами. 
Запропонований новий підхід до побудови систем управління протезами, 
дозволяючий в рамках єдиного технічного рішення системи управління найбільш 
ефективно використовувати існуючі у інвалідів різнорідні функціональні 
можливості управління. 
Побудова систем управління протезами на базі мікропроцесорної техніки є 
перспективною і дає можливість фахівцям в області протезобудування 
створювати нові типи протезів і нові, складніші системи управління. 
В результаті виконання даного дипломного проекту була розроблена 
біоелектрична система управління багатофункціональним протезом верхньої 
кінцівки. Для цього була побудована структурна схема системи управління, а 
потім розроблена схема електрична принципова. Також був проведений 
розрахунок схеми основних компонентів в системі біоелектричного управління 
протезом. В ході побудови електричної схеми були визначені параметри 
елементів схеми, які відповідають вибраній елементній базі. Крім цього був 
розроблений технологічний процес виготовлення друкованої плати. 
В розділі охорони праці була проведена комплексна оцінка робочого місця, 
виявлені небезпечні і шкідливі виробничі чинники при проектуванні системи 
управління протезом. Проведена модернізація системи водяного опалення 
лабораторії. В результаті розроблених технічних і організаційних заходів робоче 
місце в лабораторії відповідає допустимим умовам праці. 
 
Арк 
РС-203ск.024.414.001ПЗ 68 
Зм. Лист № докум. Підпис Дата