Система позиционно-силового управления роботом для механотерапии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Журавлев, Виталий Валерьевич

• Журавлев, Виталий Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Журавлев, Виталий Валерьевич

Содержание.

Введение.

Глава 1. Обзор по теории и практике применения позиционно-сило-вого управления в промышленности и медицине.

1.1. Классификация аппаратных средств для механотерапии.

1.2. Обзор методов позиционно-силового управления.

1.3. Мехатронная система для выполнения манипуляций на мягких тканях и суставах.

1.4. Критерии эффективности механотерапии.

Выводы.

Глава 2. Характеристики мягких тканей.

2.1. Характеристики и модели мягких тканей.

2.2. Измерение характеристик мягких тканей.

Выводы.

Глава 3. Позиционно-силовое управление роботами для восстановительной медицины.

3.1. Силовое и позиционно-силовое управление с позиционным и силовым обучением.

3.2. Алгоритмы силового управления роботом для манипуляций на мягких тканях с использованием обучения.

3.3. Алгоритмы позиционно-силового управления роботом для манипуляций на мягких тканях с использованием обучения.

3.4. Оценка точности управления роботами для манипуляций на мягких тканях.

3.5. Применение аппарата нечетких логик для работы в недетерминированной среде.

Выводы.

Глава 4. Реализация системы позиционно-силового управления на роботе РМ-01.

4.1. Конструкции силовых модулей.

4.2. Контактное взаимодействие инструмента робота с мягкой тканью.

4.3. Реализация алгоритма ПСУ с указанием направления и силовым отслеживанием рельефа.

4.4. Реализация алгоритма силового обучения точек и позиционного отслеживания траектории.

4.5. Оценка силовых ошибок в системах совместного и раздельного

4.6. Требования, предъявляемые к проектированию роботов для механотерапии с позиций ПСУ.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система позиционно-силового управления роботом для механотерапии»

Профилактическая медицина, 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 нужны каждому человеку в значительно большей степени, чем люди ими пользуются. Они 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. Если тогда это было невозможно, то в настоящее время эту идею можно реализовать с помощью робототехники, причем с современными возможностями адаптивности и интеллектуальности. 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. Двое голландских ученых разработали простые миниатюрные роботы для выполнения расслабляющего массажа. Также 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).

Впервые идея управления роботом для массажа с использованием информации об усилии взаимодействия была предложена на Втором симпозиуме по медицинской робототехнике в Гейдельберге в 1997 году. В настоящей работе эта идея развивается и реализуется.

При работе с пациентом особое внимание уделяется безопасности выполнения процедур, что обеспечивается, в том числе, за счет использования предлагаемых методов ПСУ.

Данная диссертационная работа поддерживается грантом РФФИ № 09-08-00261-а.

Цель работы — повышение эффективности реабилитации пациентов за счет реализации позиционно-силового управления с силовым обучением манипуляционным роботом для механостимуляции.

Задачи

1. Разработать модели контактного взаимодействия инструмента робота и мягких тканей пациента;

2. Разработать методы и алгоритмы позиционно-силового управления для задач восстановительной медицины;

3. Разработать программные и аппаратные средства для медицинского робота; . ■ ; ,. . • . 6 • ■ 1 ' С

4. Провести испытания на моделях, макетах и в медицинских учрежденных, оценить эффективность разработанных алгоритмов;

5; Определить требования, предъявляемые к робототехнической системе, выполняющей приемы механотерапии;

Научная новизна

В процессе проведениям теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие новые научные результаты:

- Разработано позиционно-силовое управление (ПСУ) робототехнической системой для механотерапии, повышающее ее эффективность и безопасность.

Разработаны модели взаимодействия мягких тканей человека и инструмента робота^ необходимые для реализации алгоритмов ПСУ.

- Разработаны алгоритмы; прзиционно-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 правления роботом с силовым: обучением 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, обеспечено сопоставлением результатов' моделирования с экспериментальными, данными и испытанием разработанных алгоритмов на практике при решении задач восстановительной медицины.

Апробация работы

Основные положения работы (диссертации) 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.).

Получен патент на полезную модель «Биоуправляемый массажный робот» № 2011100884 от 16.03.2011. Также материалы работы легли в основу гранта РФФИ № 09-08-00261-а.

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.

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Журавлев, Виталий Валерьевич

Выводы и заключение

В работе получены следующие научно-технические результаты

Предложен метод позиционно-силового управления робототехническим комплексом с силовым управлением для восстановительной медицины.

Разработаны и исследованы модели взаимодействия мягких тканей и инструмента робота.

Разработаны и апробированы алгоритмы позиционно-силового управления робототехнической системой для манипуляций на мягких тканях и суставах, выявлены ограничения и предложены рекомендации по реализации алгоритмов.

Разработаны конструкции силовых модулей робота.

Разработан программно-аппаратный робототехнический комплекс для выполнения манипуляций на мягких тканях на модернизированном роботе на базе промышленного робота РМ-01.

Предложенные в диссертации алгоритмы, реализующие позиционно-силовое управление, безопасного отключения и отвода руки исполнительного устройства обеспечивают адекватное и безопасное функционирование роботизированной биотехнической системы в условиях неполноты и неточности информации о параметрах мягких тканей. Разработанная система безопасности позволяет исключить причинение дискомфорта, травмирования пациента.

Проведенные совместные испытания с медицинскими специалистами позволили сформулировать ряд методических аспектов при проведении процедур механостимуляции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Журавлев, Виталий Валерьевич, 2011 год

1. Аппаратный шлейф-массаж Электронный ресурс. URL: http://medrelax.narod.ru/ (дата обращения: 10.04.2008).

2. Архипов М.В., Головин В.Ф. Пневматический силовой модуль медицинского робота // Экстремальная робототехника: Труды 17-й Всероссийской научно-технической конференции. СПб., 2006. С. 73-78.

3. Архипов М.В., Журавлев В.В. Управление медицинским роботом в условиях неопределенности // Труды МГИУ. 2006. С. 45-47.

4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Профессия. 2003. 750 с.

5. Войнов В.В. Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом: Дис. . канд. техн. наук. М., 2009. 191 с.

6. Головин В.Ф. Мехатронная система для манипуляции на мягких тканях // Мехатроника, автоматизация, управление. 2002. №7. С. 31-42.

7. Головин В.Ф., Архипов М.В., Журавлев В.В. Метод силового обучения при планировании траекторий робота для восстановительной медицины // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. №10. С. 29-30.

8. Головин В.Ф., Архипов М.В., Журавлев В.В. Проблемы развития робототехники в восстановительной медицине // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. №9. С. 49-53.

9. Головин В.Ф., Журавлев В.В. Управление медицинским роботом в условиях неопределённости // Экстремальная робототехника: Труды 17-й Всероссийской научно-технической конференции. СПб., 2006. С. 282-287.

10. Головин В.Ф., Саморуков А.Е. Способ массажа и устройство для его осуществления: Патент на изобретение № 2145833, 1998.

11. И. Гориневский Д.Н., Формальский A.M., Шнейдер А.Ю., Управление манипуляционными системами на основе информации об усилиях. М.: Физматлит, 1994. 368 с.

12. Градецкий В.Г., Кравчук Л.Н., Пушкин М.М. Движение миниатюрных роботов в условиях априорной неопределенности при наличии эффектов запаздывания. М., 1999. 33 с. (Препринт ИПМ РАН №649)

13. Дубровский В.И., Валеология. Здоровый образ жизни. М.: Retorika, 2001.560 с.

14. Егоров И.Н. Системы позиционно-силового управления технологическими роботами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. №10. С. 15-20.

15. Егоров И.Н. Управление робототехническими системами с силомоментным очувствлением: Учебное пособие для студентов вузов. Владимир: ВГУ, 2005. 263-с.

16. Егупов Н.Д. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления. М.: МГТУ им. Баумана, 2002. 744 с.

17. Еремушкин* М.А. Мануальные методы исследования в комплексе реабилитационных мероприятий при патологии опорно-двигательного аппарата: Дисс. . доктора мед. наук. М., 2006. 207 с.

18. Журавлев. В.В. Позиционно-силовое управление медицинским, роботом в условиях неопределенности // Актуальные проблемы защиты и* безопасности: Труды 18-й Всероссийской научно-технической конференции Экстремальная робототехника. СПб., 2007. С. 226-231.

19. Зенкевич C.JL, Ющенко A.C. Основы управления манипуляционными роботами. М.: МГТУ им. Баумана, 2004. 480 с.

20. Макаров И.М., Лохин В.М. Интеллектуальные системы автоматического управления. М.: Физматлит, 2001. 576 с.

21. Модуль силовой адаптации медицинского робота / А.Н. Разумов и др. // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2006. №1-3. С. 137-145.

22. Поварещенкова Ю.А. Влияние различных приемов массажа на проявление скоростно-силовых свойств мышечного аппарата: Дисс. . канд. биол. наук. Ярославль, 1999. 131 с.

23. Подураев Ю.В. Контурное силовое управление технологическими роботами на основе,тензорно-геометрического метода: Дисс. . докт. техн. наук. М., 1993. 343 с.

24. Полищук В. И:, Терехова Л. Г. Техника и методика реографии и реоплетизмографии: М.: Медицина, 1983. 176 с.

25. Попов Г.И. Биомеханика. М.: Академия, 2007. 256 с. .

26. Разумов А.Н. Здоровье здорового человека. М.: Медицина, 1996. 413 с. . V

27. Разумов А.Н., Головин В.Ф., Саморуков А.Е. Направление и перспективы- клинического исследования робототехнических систем для манипуляции на мягких тканях // Массаж, эстетика тела. 2006. №2. С. 31-35.

28. Разумов А.Н;, Саморуков А.Е., Еремушкин H.A. Основные направления и перспективы клинического использования роботных систем для манипуляций на мягких тканях // Вопросы^ курортологии. 2004. №1. G. 35.

29. Реография. Импедансная плетизмография / Под ред. Г. И. Сидоренко. Минск: Беларусь, 1978. 160 с.

30. Робот для массажа Электронный ресурс. URL: http://medicalrobot.narod.ru/ (дата обращения: 16.05.2007).

31. Сабирьянова Е.С. Влияние оздоровительного массажа на функциональное состояние сердечно сосудистой системы и ее волновую активность у студентов, ведущих спортивный образ жизни: Дисс. . канд. мед. наук. Курган, 2002. 143 с.

32. Саврасов Г.В. Медицинская робототехника: состояние, проблемы и общие принципы проектирования // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1998. Спец. выпуск Биомедицинская техника и технология. С. 35 50.

33. Тиманин Е.М. Теоретические и экспериментальные основы виброакустической вискоэлаграфии мягких тканей: Дисс. . доктора техн. наук. Нижний Новгород, 2006. 308 с.

34. Управляемое движение мобильных роботов по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям/В.Г. Градецкий и др.; ИПМ РАН: М.: Наука, 2001. 359 с.

35. Филаретов В.Ф., Зуев A.B., Позиционно-силовое управление электроприводом манипулятора // Мехатроника, автоматизация, управление. 2006. №9. С. 20-24.

36. Фу К., Гонзалес Р., Ли К. Робототехника. М.: Мир, 1989. 621 е.,

37. Эман А. А. Биофизические основы измерения артериального давления. Л.: Медицина, 1983. 128 с.

38. Юревич Е.И. Основы робототехники. СПб.: БХВ-Петербург, 2005.408 с.

39. Adaptive force module for medical robots / A.Razumov et al. // IARP: Proceedings of The Workshop on Adaptive and Intelligent robots: Present and Future. M., 2005. P. 70-82.

40. Cyberknife Stereotactic Radiosurgery System Электронный ресурс. URL: http://www.accuray.com/ (дата обращения: 25.03.2008).

41. Jones К. С., Du W. Development a Massage Robot for Medical Therapy // Proceedings of the ШЕБ/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM'03). Kobe (Japan), 2003. P. 1096-1101.

42. KUKA Cleanroom robots Электронный ресурс. URL: http://www.kiika-robotics.com/en/products/industrialrobots/special/ cleanroomrobots/ (дата обращения: 15.01.2008).

43. Lokomat® Enhanced FunctionaLLocomotion Therapy Электронный ресурс. URL: http://www.hocoma.com/en/products/lokomat/ (дата обращения: 15.01.2011)

44. M.Borner. Experiences with a computer-assisted robot (Robodoc) for cementless hip replacement // IARP: Proceedings of 2nd Workshop on Medical Robotics. Heidelberg, 1997. P: 133-137.

45. Tickle massage robot' Электронный ресурс. URL: . http://www.xs4all.nl/7~notnot/tickle/TICKXEcat.html (дата обращения: 22.03.2008).

46. Towards Personal Service Robots for the Elderly Электронный ресурс. / N. Roy [et al.]. URL: http://mapleleaf.csail.mit.edu/~nickroy/papers/ WIRE2000-html/paper.html (дата обращения: 14.11.2008).

47. Vadim Golovin. Robot for massage // IARP: Proceedings of 2nd Workshop on Medical Robotics. Heidelberg, 1997. P. 90-101.

48. Voges U. Evaluation of ARTEMIS, the advanced robotics and telemanipulator system for minimally invasive surgery // IARP: Proceedings of 2nd Workshop on Medical Robotics. Heidelberg, 1997. P. 137-149.

49. Vukobratovic M. How to control interacting with dynamic environment // Journal of Intelligent and Robotic System. 1997. №19. P. 119-152.

50. Vukobratovic M., Surdilovic. Control of robotic systems in contact tasks: an overviev // Известия Академии Наук. Теория и системы управления. 1997. №5. С. 173-192.

51. WAO-1: Face massage robot Электронный ресурс. URL: http://pinktentacle.com/2007/10/wao-1 -face-massage-robot/ (дата обращения: 30.05.2009).