Система позиционно-силового управления роботом для механотерапии

На правах рукописи Журавлев Виталий Валерьевич Система позиционно-силового управления роботом для механотерапии Специальности: 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2011 Работа выполнена в Московском государственном индустриальном университете Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты: Ведущая организация Кандидат технических наук доцент Головин Вадим Федорович Доктор медицинских наук академик РАМН РФ Разумов Александр Николаевич Доктор физико-математических наук профессор Павловский Владимир Евгеньевич Доктор технических наук профессор Афонин Вячеслав Леонидович ОАО «Научно-производственное объединение «Экран» Защита состоится «20» сентября 2011 года в 16:30 на заседании диссертационного совета Д 212.141.02 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5. Ваш отзыв на реферат в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью организации, просим выслать по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, ученому секретарю совета Д 212.141.02, ауд. 613М. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автореферат разослан «___» ________ 2011 года. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент _________Муратов И.В. Актуальность работы Данная работа посвящена разработке робототехнических систем для механотерапии в восстановительной медицине. Восстановительная медицина, к которой относится механотерапия, по словам академика И.П. Павлова, достигает своей цели только в случае перехода от медицины патологии к медицине здоровья здоровых. Эта мысль актуальна и сегодня. В Российском научном центре восстановительной медицины и курортологии под руководством академика РАМН А.Н. Разумова разработана здоровьецентрическая модель системы здравоохранения, суть которой заключается в сохранении здоровья здорового человека. Среди множества немедикаментозных воздействий естественным является механическое воздействие, включающее процедуры движения конечностей в суставах и массаж. Эти процедуры известны издавна, эффективность их бесспорна, но доступность ограничена по причине больших энергозатрат массажистов и, следовательно, их высокой стоимости. Повысить массовость и эффективность этих оздоровительных процедур можно путем использования аппаратных средств, о чем писал Н.В. Заблудовский еще в 19 веке. В настоящее время эту идею можно реализовать с помощью робототехники. Выигрыш робота в проведении процедур достигается за счет более точных, надежных действий, независимых от нервного напряжения врача, его субъективных оценок, а также за счет возможности многократного повторения определенных процедур. Также использование роботов для восстановительной медицины будет экономически оправдано в случае массового применения их в повседневной жизни в оздоровительных центрах, в том числе и университетских для повышения работоспособности преподавателей и студентов, тренажерных залах и в качестве домашнего массажиста. Идея использования роботов для массажа не является новой. Активно внедряются в быт различные роботы для массажа груди, лица, головы и других частей тела. Однако в таких роботах никак не оценивается эффект от выполнения массажных процедур. Эффективность выполнения массажа должна контролироваться путем измерения и оценки текущего состояния пациента. Это достигается управлением роботом как биотехнической системой. Поскольку массажное воздействие является механическим, то необходимым условием для реализации биотехнического управления является управление положением и усилием, то есть, позиционно-силовое управление (ПСУ). При работе с пациентом особое внимание уделяется безопасности выполнения процедур, что обеспечивается, в том числе, за счет использования предлагаемых методов ПСУ. Цель работы – повышение эффективности реабилитации пациентов за счет реализации метода позиционно-силового управления робототехнической системой c силовым обучением для механотерапии. Задачи Разработать модели контактного взаимодействия инструмента робота и мягких тканей пациента; Разработать метод и алгоритмы позиционно-силового управления для задач восстановительной медицины; Разработать программные и аппаратные средства для медицинского робота; Провести испытания на моделях, макетах и в медицинских учреждениях, оценить эффективность разработанных алгоритмов; Определить требования, предъявляемые к робототехнической системе, выполняющей приемы механотерапии. Научная новизна В процессе проведения теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие новые научные результаты: Разработан метод позиционно-силового управления (ПСУ) с силовым обучением робототехнической системой для механотерапии, повышающий ее эффективность и безопасность. Разработаны модели взаимодействия мягких тканей человека и инструмента робота, необходимые для реализации алгоритмов ПСУ. Разработаны алгоритмы позиционно-силового управления робототехнической системой на основе предложенного метода силового обучения, необходимые для механотерапии. Реализованы алгоритмы позиционно-силового управления с использованием метода силового обучения на модернизированном роботе РМ-01. Практическая ценность Предлагаемый метод позиционно-силового управления роботом адаптирует существующую робототехнику для решения задач восстановительной медицины; На основе разработанных методов управления предлагается разработка новых специализированных роботов для механотерапии Силовая обратная связь повышает эффективность и безопасность применения робототехнических средств для механотерапии. Проведенные эксперименты и исследования на реальном оборудовании в РНЦ ВМиК подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов; Разработаны датчики усилия медицинского робота для обеспечения силовой обратной связи. Методы исследования При разработке основных положений работы использованы методы теории автоматического регулирования, теории стационарных случайных процессов, теории нечетких вычислений. Исследование работоспособности разрабатываемых алгоритмов проводится путем моделирования с использованием математических пакетов МВТУ 3.7, Matlab Simulink, Simulink Response Optimization, а также на модернизированном роботе на базе РМ-01 в клинической практике. Достоверность научных положений, сформулированных в работе, подтверждена корректным использованием математического аппарата, результатами моделирования применения разработанного метода на практике при решении задачи позиционно-силового управления роботом для механотерапии. Апробация работы Основные положения работы докладывались на: 18-й научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 2007 г.); международной выставке «Робототехника» 2007 г. VII, VIII Международной научно-практической конференции «Молодые ученые – промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (Москва, 2008-2009 гг.); Международной научно-технической мультиконференции "Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2009) С. Дивноморское, 2009 г.; VII, VIII, IX Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи (НТТМ-2007, НТТМ-2008, НТТМ-2009). Всероссийский выставочный центр (Москва, ВВЦ, 2007-2009гг.); Работа написана при поддержке гранта РФФИ № 09-08-00261-a. Получен патент на полезную модель «Биоуправляемый массажный робот» № 2011100884 от 16.03.2011. Положения, выносимые на защиту: Концепция применения робототехники с позиционно-силовым управлением в задачах восстановительной медицины; Модели контактного взаимодействия инструмента робота и мягкой ткани пациента; Метод и алгоритмы позиционно-силового управления роботом для восстановительной медицины; Требования к робототехнической системе для механотерапии; Структура диссертации и содержание работы Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цели и задачи диссертации. В первой главе приведен обзор применения робототехнических средств в медицине. Общая классификация аппаратных средств медицинского назначения, в которой определено место данной разработки, приведена на рис. 1. Среди средств для механотерапии, выполняющих приемы разнообразного массажа, рассмотрены существующие аппаратные комплексы – роботы для шлейф-массажа, массажа лица и спины. Рис. 1. Классификация робототехнических средств для медицины Эффективность выполнения массажа должна контролироваться путем измерения и оценки параметров состояния пациента. Такая система является биотехнической. Поскольку массажное воздействие является механическим, то необходимым условием для реализации биотехнического управления является управление положением и усилием, то есть, позиционно-силовое управление (ПСУ). Поэтому общая структура такой системы может быть представлена в виде схемы, как на рис. 2. Система включает в себя два замкнутых контура управления – биотехнический и силовой. Биотехническая обратная связь обеспечивает управление по параметрам психофизиологического состояния пациента . В данной работе рассматривается силовая обратная связь (выделена на рис. 2). Основными переменными данного контура являются траектория X и усилие взаимодействия F. Рис. 2. Структурная схема системы Системы ПСУ известны в машиностроении. Теоретические основы методов позиционно-силового управления рассмотрены в работах M. Вукобратовича, Д.Е. Охоцимского, Е.И. Юревича, В.С. Гурфинкеля, В.Л. Афонина, И.Н. Егорова, Ю.В. Подураева. В главе приведен обзор данных работ, однако применение таких позиционно-силовых систем связано с работой с твердыми материалами – шлифовка, сборка, обдирка, и т.д. Для работы на мягких тканях предлагается разработанный в диссертации метод ПСУ с использованием силового обучения. Одним из решений робототехнической системы с использованием ПСУ для механотерапии является комплекс, представленный на рис. 3. Робот оснащен датчиками усилий. С помощью силовых датчиков робот способен обеспечивать необходимое постоянное усилие взаимодействия инструмента робота с мягкой тканью. Одна из разработок на базе отечественного робота РМ-01 была запатентована, на ней проведены исследования совместно с Российским научным центром восстановительной медицины и курортологии. Рис. 3. Модернизированный робот для механотерапии Дальнейшее совершенствование системы рассматривается с применением в качестве основы промышленных манипуляционных роботов с современной системой управления, позволяющей реализовывать сложные алгоритмы ПСУ. Также предполагается разработка специализированных медицинских роботов с упрощенной кинематикой. Критериями эффективности выполнения процедур считаются показатели точности отслеживания задаваемого усилия. Эти показатели могут рассматриваться в числе требований, предъявляемых к проектированию робота. Для массажиста требование поддерживать заданное усилие является трудновыполнимой задачей, и от процедуры к процедуре отклонения усилия увеличивается. Преимуществом робота является независимость поддержания точности усилия от количества повторов процедур. В главе рассматривается необходимость выработки специфических требований, предъявляемые к роботу, включающие рабочую зону, кинематику, требования точности по положению и усилию, требования к эргономике и безопасности. Вторая глава посвящена исследованию взаимодействий инструмента робота с мягкими тканями, которые отличаются от взаимодействий с твердыми телами, рассмотренных в первой главе. Под мягкими тканями (МТ) понимаются мышцы, фасции, кожа, жировая прослойка, связки, хрящи, сухожилия. Для задач массажа считаем, что МТ пассивна. Существенными особенностями мягких тканей являются их нелинейные характеристики и большие деформации при механотерапии. В главе приведены основные виды воздействий на МТ в характерных приемах массажа. Рассматривая контактное взаимодействие, следует отметить распределённый характер нагружения МТ при массаже, но в дальнейшем будет использоваться эквивалентная сосредоточенная сила сопротивления среды Fe, уравновешиваемая усилием привода Fd. , где M – матрица приведенных масс инструмента робота и мягкой ткани, x – вектор перемещений инструмента, Fe – вектор силы сопротивления МТ, Fs – вектор силы упругости МТ, Ff – вектор силы трения инструмента о МТ, Fd – вектор усилия, развиваемого приводом. Основой массажа является механическое деформирование различных участков МТ. Различные виды деформации представляют разные техники и приемы массажа. Эти приемы и техники также подразумевают использование набора различных инструментов. Характерные для массажа приемы и их числовые параметры приведены в таблице 1. Таблица 1. Числовые значения параметров массажа в различных приемах Приемы массажа Длина участка, м Скорость, м/с Усилие, Н Площадь пятна контакта, м² Давление, Па Деформа-ции, мм Поглаживание 0,01–1,0 0,01– 0,3 <1 10-4 – 10-2 <102 1 – 2 Выжимание 0,01–1,0 0,01– 0,2 1–100 10-4 – 5∙10-3 102– 105 2–50 Разминание точки >0,02 0,01– 0,3 1– 30 4∙10-6 – 10-4 104 – 106 2–50 Придавливаю-щее разминание 0,01– 0,1 0,01– 0,3 1–100 10-4 – 5∙10-3 102 – 105 2–50 Оттягивающее разминание 0,01– 0,1 0,01– 0,2 1– 50 – – 2–20 Тракции 0,01–1,0 0,01– 0,1 1– 50 – – 2–20 В работе рассмотрен ряд моделей контактного взаимодействия и предлагается модель МТ, в которой сила реакции N1 МТ при вертикальном давлении на нее с заданным усилием будет равна силе реакции N2 при движении вдоль МТ, прижимаясь с этим же заданным усилием (рис. 4). Рис. 4. Упрощенная модель мягкой ткани

Похожие:

	Программа вступительных испытаний для лиц, поступающих в магистратуру... Рабочая программа по курсу «Система государственного и муниципального управления» составлена на основе требований Государственных...		Ноу спо владивостокский морской техникум Суб система управления безопасной эксплуатации судна и предотвращения загрязнения окружающей среды структурированная и документированная...
	Методические указания для организации самостоятельной работы по дисциплине... Система управления персоналом в органах государственной власти (указать, для какой ветви власти и уровня управления)		Управления Система государственного управления: Метод указания/ Казан гос технол ун-т; Сост проф. К. С. Идиатуллина. Казань, 2004. 44 с
	Система для получения тепловой энергии Система также содержит накопительную емкость и котел (теплообменник) с термокатом, блоки управления, гидравлического вентиля, высоковольтный...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Для освоения данного курса предполагается знание следующих дисциплин: «Основы менеджмента», «Система государственного и муниципального...
	Проект Эта система поможет учителю в проверке знаний учащихся. Система управления тестами "tmsystem 1" написана на языке php5 с использованием...		Автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования... Система управления академией
	Реферат Дипломный проект на тему «Автоматизированная система управления... Дипломный проект на тему «Автоматизированная система управления санаторным комплексом «Валуево». Подсистема «Диетпитание» состоит...		Система управления интернет-библиотекой учебно-методической литературы (умл cms) Доступны функции поиска, комментирования и рейтингования материалов. Система работает с материалами в любых электронных форматах....
	Образовательная программа Раздел Цели и задачи образовательной программы Общие сведения о мбоу кудиновской сош. (Условия функционирования общеобразовательного учреждения, кадровый потенциал оу, режим работы...		Методические указания для организации самостоятельной работы по дисциплине... Персонал предприятия как объект управления. Место и роль управления персоналом в системе управления предприятием. Принципы управления...
	Тема: Система управления базами данных Microsoft Access. Назначение и основные возможности База данных – это совокупность специальным образом организованных данных о конкретной предметной области (информационная система,...		Ю. Ф. Филиппова ...
	Аннотация: Система предназначена для управления структурой, дизайном...		Экономический механизм управления природопользованием в приморских... Рабочая программа по курсу «Система государственного и муниципального управления» составлена на основе требований Государственных...