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 № 09−08−261-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 алгоритмыпрзиционно-силового управления, робототехнической системой на основе, предложенногометода 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» № 2 011 100 884 от 16.03.2011. Также материалы работы легли в основу гранта РФФИ № 09−08−261-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.

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.