8

Строение и управление мехатронной системой робота-массажера

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Адаптация позиционно-силовой системы манипулятора путемкоррекции ориентации инструментальной оси. Открытая архитектура контроллера мехатронной системы. Динамическое управление системой управления робота.

Русский

2012-11-14

467.5 KB

74 чел.

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Кафедра ТАВР

Пояснювальна записка

до курсової роботи з дисципліни:

«Робототехніка та мехатроніка»

на тему:

«Строение и управление мехатронной системой робота-массажера »

Роботу виконав: Керівник:

ст. гр. ГКСР-05-1 Палагін В. А.

Бронников А. И.

Харків 2012

Харківський національний університет радіоелектроніки

Факультет

Кафедра

Спеціальність

(номер, назва)

Курс

Група

семестр

ЗАВДАННЯ

НА КУРСОВИЙ ПРОЕКТ (РОБОТУ)

студентові

(прізвище, ім’я, по батькові)

1. Тема проекту (роботи)

2. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи)

3. Вихідні дані до проекту (роботи)

4. Зміст пояснювальної записки (перелік питань, що їх потрібно розробити)

5. Перелік графічного матеріалу (з точними зазначеннями обов’язкових креслень,

плакатів)

7. Дата видачі завдання


КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

номер

Назва етапів курсового проекту (роботи)

Термін

виконання етапів проекту (роботи)

примітка

Студент __________________________________

(підпис)

Керівник проекту (роботи) ___________________

                                                      (підпис)

(прізвище, ім’я та по батькові)

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит: 37 страниц, 17 рисунков, 11 источников.

Цель работы: закрепление знаний, полученных при изучении дисциплины «Робототехника и мехатроника, проектирования мехатронной системы для манипуляций на мягких тканях. В ходе разработки проекта был проведен анализ подобных манипуляторов с целью проектирования качественного и удовлетворяющего всем требованиям устройства, являющегося составной частью робота.

Результатом выполнения работы является разработка мехатронной системы для манипуляций на мягких тканях Рассчет может применяться при проектировании робота.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………...6

         1. Мехатроника, общие понятия………………………………………….9

2 Цели и критерии манипуляции на  мягких тканях………………........11

3 Механика взаимодействия робота с мягкими тканями…….………...14

4 Динамическое управление системой управления робота....................24

5.Адаптация позиционно-силовой системы манипулятора                          путем    коррекции ориентации инструментальной оси……………….30

6. Открытая архитектура контроллера мехатронной системы………..32

7.Безопасность и эффективность мехатронной системы………………33

Выводы…………………………………………………………………….36

Перечень ссылок…………………………………………………………..37

 

ВВЕДЕНИЕ

В медицине существует множество процедур, связанных с пространственными манипуляциями. Эти манипуляции проводят натренированные практикой, обладающие тонким осязательным чувством руки врача, причем часто с участием зрения. Может ли сегодняшняя техника заменять руки человека, координационные и чувствительные способности которых выше железных? Практика внедрения техники в медицину отвечает на этот вопрос положительно. На втором международном симпозиуме по медицинской робототехнике [1] рассматривались многочисленные успешные опыты применения робототехники в диагностике, хирургии, различных видов терапии, протезировании, когда робот был не только советником, но и манипуляционным помощником врача. Выигрыш робота в процедурах достигается за счет более точных, надежных действий, независимых от нервного напряжения врача, его субъективных оценок, а также за счет возможности многократного повторения определенных процедур.  Медицинские роботы можно классифицировать по признаку инвазивности следующим образом. Инвазивные роботы выполняют процедуры резекции, биопсии, пункции. Малоинвазивные роботы перемещаются в полостях и сосудах, выполняя диагностику и хирургические операции. Неинвазивные роботы выполняют манипуляции на мягких тканях, например в техниках мануальной терапии и массажа.. Эти роботы могут входить в состав мехатронных систем. Именно о этих системах будет идти речь далее.  Манипуляции на мягких тканях представляют механические воздействия на мягкие ткани, вызывающие деформации определенных участков этих тканей (механорецепторов, биологически активных точек, стенок сосудов), что приводит к изменению состояния человека в целом или отдельных его частей и органов. К мягким тканям будем относить упругую биологическую ткань - кожу, жировую прослойку, мышцы, фасции. Манипуляции на мягких тканях - это распространенные приемы мануальной терапии и массажа С точки зрения механики массажные движения представляют пространственные перемещения рук массажиста или инструмента в его руках или руки робота. Разнообразие движений велико, это на отдельных участках мягких тканей прямолинейные, дуговые, спиральные, винтовые траектории . Траектории сильно отличаются по причине большого диапазона параметров рельефа поверхности пациентов. В зависимости от величины и направления деформаций мягких тканей массажные техники называются поглаживанием, выжиманием, разминанием, растиранием, защипыванием, оттягиванием [3]  В приемах мануальной терапии деформации определенных участков мягких тканей достигаются за счет взаимодействия рук врача или инструмента робота не непосредственно с мягкими тканями, а через соединенные с ними кости, конечности. Например, прием движение конечностей в суставе вызывает растяжение определенных участков мягких тканей. При этом пациент может быть расслаблен или вызывать волевое напряжение [4].

             Цель манипуляций на мягких тканях состоит в изменении состояния пациента, для здоровых людей - гармонизация, для больных - терапия.

            Впервые идея управления аппаратными средствами массажа с использованием робота была предложена на Втором симпозиуме по медицинской робототехнике в Гейдельберге в 1997 году [1]. Шестизвенный промышленный робот Пума 560, предназначенный для сборки и дуговой сварки, был дополнен силовым датчиком для измерения усилия взаимодействия инструмента робота с мягкими тканями пациента. Робот "чувствует" пациента, запоминает его рельеф, упругость, затем вычисляет массажные траектории и воспроизводит их своими приводами. Штатная система управления робота, предназначенная для позиционного и контурного управления, могла реализовать лишь простые алгоритмы раздельного позиционно-силового управления. Робот выполнял различные техники классического и точечного массажа на макетах, собаке и людях-пациентах. Отзывы врачей [2] о работе робота-массажиста были положительными, так как роботные движения и деформации мягких тканей от инструмента робота были в основном подобны движениям и деформациям от человеческих рук. Преимуществом робота была его неутомимость. Новый метод аппаратного массажа был защищён Российским патентом [5].

             Однако этот робот выполнял только демонстрационные функции. Невозможно было выполнить ряд условий безопасной работы робота в массаже и мануальной терапии с различными пациентами. Штатная система управления робота с её закрытой программной и аппаратной архитектурой не могла справляться с быстрой обработкой большого количества данных в реальном времени, в частности с быстрой роботной калибровкой, адаптацией робота к пациентам различных размеров, рельефов, масс. Необходимо было решить следующие проблемы:

- согласование систем координат пациента и робота,

- масштабирование,

- коррекция сдвигов пациента,

- обучение и самообучение,

- диагностика биомедицинских параметров пациента во время процедуры,

- введение биологической обратной связи

                        МЕХАТРОНИКА

             Чтобы решить поставленные выше проблемы был необходим подход к проектированию системы как сложной системы, функционирующей в не полностью определенной среде. Такой подход представляет мехатроника.

             Мехатроника - область науки, посвященная анализу исполнительных движений мехатронных объектов и функционального взаимодействия механических, энергетических и информационных процессов в них, а также синтезу мехатронных объектов на основе синергетического объединения механических, электронных, электромеханических и компьютерных составляющих [6].

             Ниже будут рассмотрены три основные компоненты мехатронной системы для мануальной терапии и массажа: механика взаимодействия рабочего инструмента с мягкими тканями пациента, компьютерное управление, электромеханический привод.

             Характерным для мехатроники является заимствование бионических решений. В данном случае - это антропоморфная геометрия руки, управление, в первую очередь, как воспроизведение известных движений рук врачей, иерархическая структура управления с нейронечеткими моделями для управления в условиях неопределенности.

             На рис.1 представлена 3-х уровневая структура управления мехатронной системой для мануальной терапии и массажа.

Рис.1.

             Задачей верхнего уровня системы является контроль медицинской процедуры со стороны врача с выработкой необходимой коррекции процедуры. Второй уровень управляет биомедицинскими параметрами, изменяя параметры траектории рабочего инструмента и развиваемых им усилий, являющихся заданными для нижнего уровня позиционно-силового управления.

             Специфика объекта управления этой системы (человек), специфика среды (мягкие ткани), большое разнообразие техник мануальной терапии, массажа, повышенные требования к безопасности и надежности приводят к необходимости проектирования данной системы как мехатронной.

             Системе присущ ряд неопределенностей. Во-первых траектория инструмента, закрепленного на конечном звене манипулятора, не является заранее определенной и программируемой, также как усилия взаимодействия инструмента с мягкими тканями. Приблизительно определен лишь рисунок движения. Во-вторых расположение пациента по отношению к манипулятору точно не определено и может меняться во время процедуры. В-третьих, механические параметры мягких тканей (инерционность, вязкость, упругость) различны для пациентов и участков тела и могут изменяться во время процедуры. В-четвертых, не полностью определены необходимые эффективные значения биомедицинских параметров, так же как связь их с параметрами механического воздействия.

             Характер приведенных выше неопределенностей связан с наличием в системе двух человеческих объектов - врача и пациента, реакции которых не всегда оцениваются обычной логикой. Поэтому наиболее приемлемой для построения управления может быть нечеткая логика, а модель системы представляться как нейронечеткая. Однако в данной работе идеи искусственного интеллекта с участием нейронечетких моделей не рассматриваются, а используются адаптивные подходы.

 

Цели и критерии манипуляций на мягких тканях

              Хотя конечной целью манипуляций на мягких тканях является биомеханическое изменение состояния человека, в данной главе рассматривается только механика взаимодействия робота с мягкими тканями. Поэтому в рамках механики целью манипуляций на мягких тканях является направленное деформирование определенных активных участков мягких тканей. Это цель манипуляций и врача, и робота. Для робота необходимые манипуляции могут быть воспроизведением движений рук человека, а в последствие, с учетом возможностей робота, появятся новые, неизвестные сейчас манипуляционные техники.

             Траекторию инструмента как твердого тела будем представлять вектором . Например, это может быть шестимерное представление положения и ориентации:

,

где  – декартовы координаты характерной точки инструмента,  - Эйлеровы углы ориентации инструмента.

            Движение инструмента вдоль  вызывает деформации мягких тканей . Если деформации  вызывают необходимый биомеханический эффект, то соответствующие кривые  будут принадлежать множеству задаваемых траекторий .

 при ,

где - время процедуры.

            Необходимые значения деформации ограничены минимальными и максимальными значениями

.

             Соответствующие траектории  также ограничены. Так для придавливающего массажа траектории инструмента должны проходить внутри мягких тканей, ограниченных двумя поверхностями:

> - представляет уравнение поверхности кожи,  -представляет уравнение поверхности твердой костной ткани,  - представляет уравнение поверхности, на которой лежит заданная траектория .

             Сложность для автоматизации роботного воспроизведения траекторий состоит в том, что траектория , обеспечивающая необходимые деформации мягких тканей , зависит от большого числа заранее неизвестных параметров и практически может быть получена лишь в результате многократного повторения и коррекции приема со стороны и пациента и врача. Критериями оценки правильности выполнения приема, а следовательно точности  получения траектории  являются с одной стороны ощущения пациента с другой стороны критериями являются наблюдения и ощущения врача, и в первую очередь осязательные. Врач видит и выдерживает рисунок движений, но основной информацией для коррекции является осязательная. Практика врача формирует пространственный и силовой стереотип необходимых движений, который он сравнивает с возникающими в процедурах ощущениями. 

Механика взаимодействия робота с мягкими тканями

          В настоящее время, несмотря на множество медицинских описаний манипуляций на мягких тканях, механика взаимодействия рук врача (инструмента) с мягкими тканями исследована крайне скупо. Лишь некоторые исследования кратко представлены в работе [7].

            Не теряя общности, будем рассматривать взаимодействия инструмента робота со средой в придавливающих приемах массажа, когда нормальная сила сопротивления среды  направлена от поверхности. Оттягивающие и закручивающие приемы могут быть рассмотрены с аналогичным подходом. Тангенциальная составляющая направлена вдоль поверхности мягкой ткани. Если моменты сопротивления среды малы, то

,

 - сила упругости, присутствующая во всех манипуляциях на мягких тканях. В некотором диапазоне , где  - коэффициент упругости мягкой ткани.

             Числовые значения  различаются для разных тканей, тонуса мышц, их размеров, направления деформации, площади поверхности и формы инструмента. Однако значения  для мягкой ткани на порядки меньше значений для твердых материалов. Волокнистая мышечная ткань анизотропна, значения  вдоль и поперек волокон отличаются. Существенно нелинейные упругие свойства мягкой ткани проявляются при деформировании ее до твердой кости. В работе [5] приводятся усредненные по множеству экспериментов зависимости  для различных участков, пациентов, инструментов.

             Некоторые из таких зависимостей приведены на рис.2 (для передней поверхности предплечья – кривая 1, передней поверхности бедра - кривая 2, ягодиц - кривая 3).

Рис.2

На приведенном выше рисунке  - значения глубины мягких тканей до кости.

             Сила упругости в тангенциальном направлении ограничивается усилием , зависящим от силы трения , удерживающей смещаемый участок. Если тангенциальное усилие робота превышает силу трения, происходит проскальзывание. Для постоянного усилия придавливания кривые  приведены на рис.3.

Если , то , где  - коэффициент упругости мягкой ткани в тангенциальном направлении, и .

Рис. 3

              - сила сухого трения инструмента о поверхность кожи. Существенна при движении инструмента вдоль поверхности тела в массажных приемах. В некотором диапазоне пропорциональна силе нормального давления с коэффициентом трения .

.

Значения  отличаются для сухой, влажной, смазанной кремом, кожи с волосяным покровом и лежат в диапазоне (0,2 - 0,7).

              - сила вязкого трения, зависящая от скорости деформации. Может быть существенной при деформации вязкой жировой прослойки, в ударных и вибрационных приемах.

              - инерционная сила. Может быть существенной в ударных и вибрационных приемах при значительной присоединенной деформируемой массе , а также при движениях конечностей в мануальной терапии.

              - сила тяжести деформируемого участка. Может быть существенной при давлении на инструмент сверху и в движениях конечностей в мануальной терапии.

             Аналогичные характеристики можно рассматривать для моментов сил сопротивления, например, для  - момента сил сопротивления при закручивании мягких тканей вокруг нормали к поверхности тела.

             Также следует учитывать возможные смещения мягких тканей во время процедур, например от дыхания пациента, от силового воздействия робота и от рефлекторных воздействий.

             Учитывая вышеизложенное в работе, мягкие ткани следует рассматривать как нестационарную, смещающуюся в пространстве, анизотропную, инерционную, упруго-вязкую среду.

             В работе [8] приведена аналитическая модель динамической среды в виде: , где  - матрица, определяющая инерционные свойства среды,

         - вектор, определяющий упруго-вязкие свойства среды.

             В частном одномерном случае деформирования среды вдоль направления нормального к поверхности мягкой ткани линеаризованное уравнение имеет вид:

,

где  – присоединенная масса мягкой ткани,  - вязкость,  - упругая деформация мягкой ткани.

             Значительно более грубой моделью среды, с которой робот может находиться в контакте, является неупругое твердое тело, представляющее совершенную геометрическую связь. Такого рода модель применяется для разработки управления в ряде контактных задач механообработки: зачистка заусенцев, сборка вставлением деталей друг в друга, завинчивание, открытие люка, вращение штурвала [9].

             Для задач манипулирования на мягких тканях моделью твердого тела может быть костный скелет. Уравнение связи в этом случае имеет вид: .

             Для поглаживания, когда инструмент с минимальной деформацией скользит вдоль поверхности тела, моделью твердого тела может быть поверхность кожи .

             Эти модели допускают предположение, что датчик усилия, расположенный вдоль инструментальной оси робота, измеряет нормальное усилие .

Позиционно-силовое управление роботом для выполнения манипуляций на мягких тканях

             Выше цель манипуляций на мягких тканях была определена как достижение положительного биомедицинского эффекта. При этом инструмент должен перемещаться по траектории , обеспечивающей усилие . Алгоритм управления в общем случае должен включать измерение вектора биомедицинских параметров, характеризующих состояние пациента, деформации активных участков мягких тканей , траекторию , усилие .. В настоящее время врачи в ручных процедурах мануальной терапии и массажа не практикуют аппаратного измерения биомедицинских параметров и , а ориентируются в основном на выполнение предписанных траекторий с обеспечением на них заданных усилий.

             Поэтому будем считать целью роботных манипуляций является воспроизведение движений врача, считая движения врача и развиваемые им усилия как бы программно заданными. В связи с такой постановкой цели идеальными были бы измерения траектории движения врача с помощью, например, видеокамер, а усилий с помощью тензоперчаток. Эти измерения представили бы заданные значения траекторий и усилий для робота, а аналогичные измерения для созданного робота позволили бы оценить его ошибки. Однако организация таких трудоемких измерений пока нереальна и сравнение манипуляций врача и робота проводятся методом экспертных оценок при наблюдениях манипуляций роботов и врачей на пациентах [2].

                   Пусть  представляет усилие сопротивления мягкой ткани от инструмента робота, а  - усилие, при котором достигается биомеханический эффект на траектории .

             В общем случае задавать и контролировать усилие и положение в упругой среде можно лишь в случае точного описания среды. Тогда:

.

             Существует подход [8], в котором управление разделяется на силовое управление вдоль некоторых  направлений, когда:

,

и позиционное управление вдоль остальных  направлений, когда:

.

             Здесь  - вектор размерностью  управляемых усилий, а  - вектор размерностью  управляемого положения,  - размерность вектора .

             Рассмотрим частный случай позиционно-силового управления, когда , , т.е. инструмент движется только вдоль нормали к поверхности тела одним приводом или системой приводов. В медицине это приемы шиатсу, прессура, оттягивание. К аналогичной одномерной схеме можно отнести приемы оттягивания (вакуумного, с защипыванием), закручивания, продольного растирания с малым смещением.

             Цель силового управления состоит в том чтобы обеспечить такой закон управления ,при котором

,

где  - направление инструментальной оси робота, совпадающее с нормалью к поверхности тела,  и , - реальное и заданное усилия сопротивления робота вдоль оси .

             Приближение понимается в смысле минимума некоторых оценок усилия, например:

 и

 - временя регулирования усилия.

             Спецификой управления манипуляциями на мягких тканях может быть также требование сохранения контакта с мягкими тканями  и требование безопасности , где  - предельно допустимое усилие при котором превышается упругий предел деформаций мягких тканей.

             Рассмотрим преобразование координат точки при смещение её вдоль инструментальной оси .

             Пусть точка смещается по оси  из начала координат инструментальной системы  на величину  в точку . Эйлеровы углы точек одинаковы, а координаты положения связаны следующим образом:

,

,

.

             Пусть привод или система приводов переносят точки кривой  вдоль  до заданной кривой  в соответствии с соотношением:

,

где . определяет направляющую кривую, из которой смещением на  получатся заданная кривая  (рис.4).

Рис 4

             Пусть  и  - векторы точек  и соответственно. Тогда имеем:

.

             На участке, где деформации пропорциональны усилиям, имеем:

,

где  - координата поверхности мягкой ткани.

             Реализация силовой системы возможна в вариантах пассивного, разомкнутого и замкнутого по усилию управления.

             Для пружинного привода имеем:

.

             Управление возможно за счет изменения длины  и упругости пружины  (рис. 5).

 

Рис.5

             Приводы (рис.5, 6, 7) не имеют датчиков усилия, однако и в разомкнутом варианте представляют работоспособные системы. Разомкнутый электропривод представляется линейной моделью (рис.6) в соответствии с дифференциальным уравнением:

,

а разомкнутый пневмопривод (рис.7) представляется дифференциальным уравнением:

,

где  - давление в полости пневмоцилиндра, задаваемое пропорционально необходимому усилию .

Рис. 6

F0=p0S

 

               

Рис. 7

             Приводы (рис.8, 9) содержат датчики усилия, причем система (рис.9) включает следящий привод, замкнутый по положению.

Рис. 8

Рис. 9

             Силовые приводы, рассмотренные выше могут быть включены в состав систем позиционно-силового управления.

             Рассмотрим теперь сложное движение, в котором  и  представляют заданную траекторию и направляющую кривую.

             Возможной группой вариантов систем позиционно-силового управления может быть такая, в которой используется позиционные следящие приводы роботов. Заданной для отработки этими приводами траекторией может быть направляющая кривая , а коррекция движения с учетом задаваемого в направлении инструментальной оси усилия  осуществляется дополнительным силовым приводом, расположенным на конечном звене позиционно управляемого манипулятора.

             В системе (рис.10) усилие создает пружинный привод с упругостью . Блок А выполняет преобразование:

,

где  - компонента вектора  в неподвижной системе координат,

          - угол высоты - один из углов ориентации инструментальной системы.

             Эта система не содержит датчик усилия, так же как система (рис.11), в которой дополнительный привод может быть позиционно разомкнутым электрическим или пневматическим.

 

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

             Система (рис.12) с дополнительным приводом электрическим или пневматическим имеет датчик усилия.

             Усилие , измеренное датчиком, может быть использовано в аналогичных структурах для коррекции направляющей кривой . В этом случае корректор (рис.13) по ошибке усилий:

,

вычисляет для траектории  поправку  в направлении инструментальной оси робота.

             Силовое управление может выполняться не только с измерением компоненты , но и с измерением тангенциальной составляющей . Один из вариантов контроля тангенциальной составляющей представлен на рис.13. Сравнивается сигнал с датчика  с задаваемым и ошибка  изменяет вес усилия, задаваемого вдоль инструментальной оси:

,

где  представляет возрастающую функцию от ошибки силового тангенциального контроля.Для первых трех систем (рис. 10,11,12) характерно пространственное разделение позиционных приводов и силового привода, расположенного на конечном звене позиционного робота. Другими словами, возможна конструктивная надстройка существующих позиционных роботов.

             Система позиционно-силового управления (рис. 13) предполагает использование приводов позиционного робота, но дополняется контроллером, планирующим траекторию с учетом реальных усилий.

 

Динамическое управление системой приводов робота

 

             Рассмотренные четыре структуры представляют кинематическое управление роботами. Однако мягкие ткани, над которыми производятся манипуляции в приемах мануальной терапии и массажа, представляют нестационарную, инерционную, упруго-вязкую среду, поэтому естественным для повышения качества манипулирования является динамическое управление. Подходы к управлению, учитывающие динамическое описание среды, были разработаны в ряде работ [8,10].

             Робот, взаимодействующий с динамической средой, может быть представлен следующей моделью [8]:

,

,

где - векторы обобщенных (суставных) координат положения, скорости, ускорения соответственно,  - матрица, характеризующая инерционные свойства манипулятора,  - вектор, характеризующий гравитационные, центробежные, кориолисовы силы в звеньях манипулятора,

 - матрица, характеризующая инерционные свойства среды,  - вектор, характеризующий упруго-вязкие свойства среды и ее вес,

  - вектор, управляющих моментов, развиваемых приводами манипулятора,

  - вектор сил, действующих на конечное звено (инструмент) манипулятора со стороны среды,

  - матрица Якоби, связанная с преобразованием скоростей обобщенных координат  и декартовых координат

.

             Если , то среда описывается уравнением

,

где  - матрица ранга . В этом случае одним из законов динамического управления, основанном на решении обратной задачи динамики (или методе вычисляемых моментов), является закон управления с обратными связями по :

.

             Здесь  - заданное значение усилия,  - ошибка воспроизведения заданного усилия,  - непрерывная вектор-функция, связанная с уравнением .

             В работе [8] доказывается экспоненциальная и практическая устойчивость системы с приведенным законом управления.

Данная система может быть реализована, если датчики усилия расположены во всех суставах манипулятора, или усилие измеряется  многокомпонентным датчиком, расположенным на кисти манипулятора, причем .

             Для задачи манипулирования на мягких тканях данное управление может рассматриваться как перспективное при получении полной информации о манипуляторе и среде, и о влиянии отклонений описания модели манипулятора на качество управления.

             Если , то возможны следующие законы динамического управления:

          ,

,

.

             В этих выражениях введены следующие обозначения:

 - вектор обобщенных координат, по которым осуществляется позиционное управление,

- ошибка позиционного управления,

 - непрерывная дифференцируемая вектор-функция, связанная с уравнением:

,

где и появляются при разделении вектора q на два подвектора  и  в соответствии с выражением:

.

 - вектор, отражающий интегральное регулирование по ошибке силового слежения.

Позиционно-силовые системы с приведенными законами управления могут быть реализованы, если имеется возможность постановки задачи с разделением обобщенных координат на позиционно управляемые q1 и управляемые по усилию q2, например, в роботе с декартовой кинематической схемой.

             Пусть пространство задачных координат разделено на два подпространства, то есть ,

где , , , причем .

             Тогда позиционно-силовое управление должно обеспечить отработку заданной траектории  с одновременным отслеживанием усилия  вдоль направления . Закон управления в этом случае сводится к применению ПИД - регуляторов в контурах позиционирования и отработки усилия.

,

где  - вектор управления в задачных координатах,

        ,

        ,

 - диагональные матрицы коэффициентов ПИД - регуляторов,

,

.

             Управление в задачных координатах пересчитывается в обобщенные с помощью матрицы Якоби .

.

             Законы регулирования, приведенные выше обеспечивают устойчивость и робастность системы для определенного диапазона коэффициентов регуляторов [8,11].

             Предложенные законы управления:

,

при полной информации о роботе и среде, могут быть реализованы лишь моментными малоинерционными двигателями, для которых передаточное отношение редуктора  и момент инерции якоря  малы.

             В случае, когда вторичный элемент двигателя (это может быть и пневмо двигатель) имеет значительную инерцию и редуктор или передаточный механизм имеют значительные передаточные отношения, следует учитывать динамику этого двигателя.

             Уравнение динамики двигателя имеет вид:

,

где  - масса (момент инерции) вторичного подвижного элемента двигателя,  - перемещение вторичного подвижного элемента двигателя,  - активное усилие (момент), развиваемое двигателем,  - напряжение на управляющей обмотке двигателя,  - усилие сопротивления двигателю со стороны звена манипулятора,  - обобщенная сила привода,  - коэффициент усиления передаточного механизма.

             Если электродвигатель моделируется уравнениями:

,

,

где  - момент инерции якоря двигателя,  - угол поворота вала двигателя,  - напряжение и ток в управляющей обмотке двигателя,  - сопротивление управляющей обмотки двигателя,  - конструктивные коэффициенты,  - момент сопротивления электродвигателю от нагрузки звена,  - передаточное отношение редуктора,  - обобщенная сила привода, то структурная модель привода имеет следующий вид (рис. 14).

Рис. 14

             Таким образом, чтобы обеспечить прохождение робота по траектории  необходимо для вычисляемых функций  подавать на обмотку двигателя напряжение u в соответствии со структурной моделью (рис.15).

Рис. 15

             Некоторые предложенные выше структуры и законы управления были реализованы в моделях роботов, взаимодействующих с мягкими тканями. В качестве примера ниже приводится модель одно-приводной системы с тремя массами:  - масса подвижных частей робота,  - масса инструмента, закреплённого на кисти робота через компенсирующую пружину,  - присоединённая масса мягкой ткани (рис.16). Для четырёх элементов этой системы дифференциальные уравнения имеют вид:

,

,

,

,

где  - смещение инструмента,  - деформация пружины,  - деформация среды,  - усилие развиваемое двигателем,  - сила сжатия пружины,  - сила сопротивления среды,  - коэффициенты упругости и вязкости среды.

Рис.16

Структурная схема соответствующая дифференциальным уравнениям приведена на рис.17.

Рис.17

Адаптация позиционно-силовой системы манипулятора путем коррекции ориентации инструментальной оси

      Одним из рациональных решений использования силовой информации о среде является размещение датчика усилия на кисти робота. Именно такое решение подразумевают рассмотренные выше структуры позиционно-силового управления роботом для манипуляций на мягких тканях.

             Наиболее информационной является компонента датчика , но при условии что инструментальная ось робота выставляется по нормали к поверхности мягкой ткани или более точно, чтобы инструментальная ось была согласована с расчётной траекторией инструмента . Тогда .

             Поверхность мягкой ткани может быть определена до начала медицинской процедуры (off-line), например, система технического зрения или тактильной распознающей системой. Тактильная система является предпочтительной, так как может использовать силовой датчик кисти, необходимый для измерений в основной медицинской процедуре. Недостатком таких измерений является их статичность, т.е. смещения пациента во время процедуры могут стать фатальными для управления.

             Другим методом оценки реальной поверхности являются её текущие измерения (on-line). Действительно, большинство техник мануальной терапии и массажа предусматривают постепенное возрастание рабочего усилия, начиная с минимального, когда инструмент лишь касается поверхности мягкой ткани. Таким образом поверхность мягкой ткани, а следовательно и нормали к ней будут уточняться в некотором итерационном процессе. Первое грубое вычисление поверхности даёт первый проход инструмента при минимальном контактном усилии. Приближённо вычисляются нормали и с их учётом осуществляется второй проход. Если этот итерационный процесс устойчив, то он сойдется к вычислению эффективной траектории . Таким образом будет осуществляться адаптация робота путем коррекции ориентации его инструментальной оси.

             Рассмотрим вычисления нормали по точкам поверхности, заданной уравнением:

.

             Нормаль в точке  может быть представлена уравнением:

.

             Можно определять также косинусы углов наклона касательных к осям :

, , ,

где:

.

             Если выделить участки направляющей кривой , где точки примерно лежат в одной плоскости, близкой к соприкасающейся плоскости, то на них можно строить векторы главной нормали или бинормали.

             Пусть главные нормали лежат в плоскости направляющей кривой  и отдельные узловые точки этой кривой обозначены через . Тогда вектор касательной в точке  можно вычислить по формуле [9]:

,

где .

             Для точек -го сегмента между точками  и  вектор касательной определяется линейной интерполяцией:

,

где ,  - длина ломанной до узловой точки .

Если , то вектор нормали  можно получить поворотом вектора  на угол .

Открытая архитектура контроллера мехатронной системы

 

             Первая реализация робота для мануальной терапии массажа была выполнена на основе промышленного робота РМ-01 и таким образом была продемонстрирована возможность проведения некоторых роботных медицинских процедур, а также определены направления совершенствования робота на пути к разработке мехатронной системы.

             Препятствием к реализации большинства существующих "ручных" медицинских процедур явились следующие ограничения штатной системы управления "Сфера-36":

- недостаточное быстродействие центрального процессора,

- малый объем оперативной памяти,

- ограниченные возможности ввода/вывода цифровой и аналоговой информации,

- язык программирования ARPS не позволяет реализовать алгоритмы позиционно-силового управления в режиме реального времени.

             Архитектура системы управления "Сфера-36" не позволяет справиться с указанными проблемами.

             На сегодняшний день существует ряд аппаратных и программных средств, совместимых с персональным компьютером типа IBM PC, которые решают задачи развития мехатронной системы. Такими модулями являются:

- интерфейсы для ввода аналоговой биомедицинской информации, (например, плата сбора аналоговой и цифровой информации ЛА-70),

- комплекс для оценки состояния пациента, (например, физиотерапевтическая приставка "ИНФИТА-КОМБИ"),

- система технического зрения для согласования системы координат робота и пациента,

- графический интерфейс для моделирования выполняемых процедур.

             Другие программные модули, необходимые для реализации вышеприведенных алгоритмов кинематического и динамического управления, а также алгоритмов биомеханического управления с биологической обратной связью, необходимо создавать и совершенствовать.

             Возможности подключения модулей и их модернизации, возможности подключения к внешней сетевой коммуникационной среде, развития системы в условиях максимальной независимости от изменений системной платформы - всё это дает открытая архитектура системы управления.

             Хотя система управления "Сфера-36" позволяет подключение внешней ЭВМ (персонального компьютера) через интерфейс RS-232 (со скоростью передачи информации не более 9600 бит в секунду), однако это позволяет лишь повысить сервис при подготовке и хранении больших управляющих программ, но не позволяет реализовать алгоритмы управления приводами робота.

             Следующим шагом, расширяющим возможности системы управления роботом, было использование разработок фирм "Intelligent Control group at ISR" и "Advantech". В этих разработках процессоры верхнего и приводного уровней штатной системы управления удаляются и заменяются платой TRC004 или PCL-832, вставляемой в слот компьютера. Платы позволяют передачу цифровых команд, прямое чтение шести суставных инкодеров, чтение через аналого-цифровой преобразователь шести потенциометров для калибровки, управления суставными двигателями через цифро-аналоговые преобразователи. Необходимые для управления команды входят в состав прилагаемых библиотек.

Безопасность и эффективность мехатронной системы

 Медицинская робототехника также как любая медицинская техника может представлять опасность для врача или оператора, обслуживающего робот, и в особенности для пациента. Привычное для промышленной робототехники требование исключить человека из рабочей зоны робота для медицинского робота является невыполнимым и абсурдным требованием. Поэтому существующие запреты вызваны инерцией мышления, в частности представлением о медицинском роботе как о монстре из фильма ужасов. Однако, если говорить о роботах для мануальной терапии и массажа, самая опасная для пациента механика манипулятора должна проектироваться как податливая, оснащенная датчиками усилия, то есть способная уступать телу пациента как. в основной процедуре так и в случае отказа. Поэтому если рука манипулятора малоинерционная и развивает наибольшие усилия порядка 60Н, то механические воздействия при отказах не более опасны чем от ошибок массажиста.

Другим препятствием к внедрению медицинской робототехники является инерционное представление о потере психоэмоционального контакта при замене приятных человеческих рук механическими. Проведенные нами исследования говорят о быстром привыкании пациента к мягкому инструменту робота и отсутствии отрицательных эмоций, и особенно наглядно это продемонстрировали опыты на собаке. Собака прижимается к инструменту робота, массаж робота ей нравится.

Поскольку рассматриваемая механическая система должна конкурировать с прекрасными, развитыми многовековой практикой, руками человека шансами на успех являются массовость ее использования и снижение ее стоимости. На сегодняшний день ручное выполнение процедур мануальной терапии и массажа очень распространено, но насколько оно является необходимым и достаточным?

Что касается необходимости, то следует предположить, что как средство релаксации и мобилизации приемы мануальной терапии и массажа жизненно необходимы в такой же степени как активные волевые движения для человека. Средства релаксации известны как сон, пассивное бездействие, пассивные движения, релаксационный массаж, алкоголь, табакокурение, наркотики. В этом ряду релаксационных средств пассивные движения конечностей и массаж являются самыми естественными, нерадикальными, неинвазивными, немедико-ментозными, без побочных отрицательных эффектов.

Область применения этих техник очень широка. Это терапевтическое воздействие для больных:

- травмированных на производстве и войне,

- больных церебральным параличем,

- страдающих невралгиями, остеохондрозом, артритами,

-          лежачих больных в послеоперационный период.

Для здоровых людей это гармонизация, коррекция отклонений, снятие усталости. К этой группе относятся люди малоподвижные, ленивые к физкультуре и спорту, несимметрично нагружаемые, подверженные стрессам, утомляемые физической или умственной работой, пожилые люди. Это спортсмены и космонавты, пользователи вычислительной техники, шоферы дальних перевозок, администрация, участники заседаний, студенты на многочасовых лекциях. Реабилитационные воздействия необходимы в случаях продолжительных стрессовых нагрузок, когда механизмы саморегуляции функциональных систем гомеостатического уровня оказываются недостаточными для сохранения показателей внутренней среды в норме.

Другой вопрос - пользуются ли процедурами мануальной терапии и массажа каждый человек в достаточной степени? На сегодняшний день основным препятствием к доступности является ограниченное мышечная энергетика "ручников". Предлагаемые ручные процедуры являются энергоемкими, а потому, дорогостоящими, то есть являются достоянием привилегированных. В спорте, например, это элита уровня олимпийской команды, если говорить о санаториях и курортах, то это эпизодические сеансы. В клиниках, домах престарелых это сильно заниженные нормы процедур.

 


Выводы

 

             1. Учитывая наличие в разрабатываемой медицинской системе, выполняющие процедуры мануальной терапии и массажа, трех взаимосвязанных компонент: механики взаимодействия робота с пациентом, электронной и электромеханической системы приводов и компьютерного управления, оправданным является проектирование системы как мехатронной.

             2. Современная медицинская система для выполнения манипуляций на мягких тканях должна проектироваться как иерархическая с тремя уровнями управления, включая биомеханическое и позиционно-силовое управления.

             3. Для разработки позиционно-силового управления необходимым является представление мягкой ткани, с которой взаимодействует робот, моделью нестационарной, инерционной, упруго-вязкой среды.

             4. Для разработки позиционно-силового управления могут быть использованы известные и предложенные в работе структуры и законы управления, в том числе кинематического, динамического и адаптивного по коррекции ориентации инструментальной оси.

             5. Чтобы обеспечить развитие данной мехатронной системы и ее конкурентоспособность предлагается открытая архитектура контроллера системы управления.

             6. Чтобы снизить стоимость самой дорогостоящей приводной части системы предлагается использовать податливость и грубость как свойства несовместимые с известными прецизионными жесткими роботами.

 


Литература

1. Golovin V. Robot for massage. Proceedings of JARP 2nd Workshop on Medical Robotics Heidelberg, 1997.

2. Саморуков А.Е.,Головин В.Ф..Экспертная оценка робота для мануальной терапии и массажа ,Бюллетень органа Московских мануальных терапевтов -М..2000

3. Гаваа Лувсан. Традиционные и современные аспекты восточной рефлексотерапии. -М.: Наука, 1992

4. Иваничев Г.А. Мануальная медицина. -М.: ООО "Медпресс", 1998

5. Головин В.Ф., Саморуков А.Е. Патент №214833 на изобретение «Способ массажа и устройство для его осуществления», -М:., 1998

6. Подураев Ю.В. Основы мехатроники. -М: Изд-во Станкин, 2000

7. Головин В.Ф. Леготин С.Д. Шашилов И.Н. Биомеханический роботный комплекс исследования упругих свойств мягких тканей. -М.: МГИУ, 1998

 

8. Vukobratovic M. How to control robots interacting with dynamic environment, in Journal of Intelligent and Robotic Systems,19,1997

9. Гориневский Д.М. и др. Управление манипуляционными системами на основе информации об усилиях. -М.: Физматлит, 1994

10. Vukobratovic M., Surdilovic D. Control of robotic systems in contact tasks: an overview, -М.: Известия АН. Теория и системы управления, №5, 1997

11. Karan B. Robast position/force control of robot manipulator in contact with linear dynamic environment, in Proc. 3th ECPD Int. confer. on advanced robotics, Bremen, 1997.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10673. Изучение диаграммы деятельности, изображение условных и параллельных поведений систем 778 KB
  Лабораторная работа №7 по дисциплине CASEтехнологии Диаграммы деятельности Цель работы: изучить диаграммы деятельности научиться изображать условное и параллельное поведение систем. Теоретические сведения Деятельность представляет собой нек
10674. Моделирование контекста и функциональных требований к системе 233 KB
  Практическая работа №1 Моделирование контекста и функциональных требований к системе Цель работы: изучение диаграммы прецедентов: ее элементов актеров и прецедентов и основных типов связи между ними получение основных навыков построения диаграммы прецедентов в п...
10675. Проблема сознания в философии. Идеальное бытие сознания 99 KB
  Проблема сознания в философии. Идеальное бытие сознания. Наличие сознания разума уникальная человеческая черта. Его возможности принято считать безграничными. Именно благодаря разуму человечество сумело занять господствующее положение в биосфере. Но каким образ
10676. Основной вопрос и основные направления философии 43.5 KB
  Основной вопрос и основные направления философии 1. Общее понятие основного вопроса философии его стороны. Основным в философии традиционно считается вопрос об отношении мышления к бытию а бытия к мышлению сознанию. Важность данного вопроса заключается в том что
10677. Слово про похід Ігорів 15.4 KB
  Слово про похід Ігорів Як краще розповісти про похід Ігорів за зразком давнього співця Бояна чи за вимогами сучасності Ігор Святославович укріпив ум силою а серце вигострив мужністю й повів свої хоробрі полки на землю Половецьку за землю Руську. Ігор чекає свого бра
10678. Балада БОНДАРІВНА 14.55 KB
  Балада БОНДАРІВНА У містечку Богуславку Каньовського пана Там гуляла Бондарівна як пишная пава. У містечку Богуславку сидить дівок купка Межи ними Бондарівна як сива голубка. Прийшов до них пан Каньовський та й шапочку ізняв Обійняв він Бондарівну та й поцілував. Ой ...
10679. Історичні пісні. Ой Морозе, Морозенку 14.16 KB
  Ой Морозе Морозенку Історичні пісні Ой Морозе Морозенку Ти славний козаче За тобою Морозенку Вся Вкраїна плаче. Не так тая Україна Як та стара мати Заплакала Морозиха Та стоячи біля хати. Ой зза гори та зза кручі Буйне військо виступає. Попереду Морозенко Сивим ко...
10680. Пісня про Богдана Хмельницького Чи не той то Хміль 14.13 KB
  Чи не той то Хміль Пісня про Богдана Хмельницького Історичні пісні Чи не той то хміль Що коло тичин вється Ой той то Хмельницький Що з ляхами бється. Чи не той то хміль Що по пиві грає.. Ой той то Хмельницький Що ляхів рубає. Чи не той то хміль Що у пиві кисне Ой той...
10681. Енеїда - Котляревський Іван 16.48 KB
  Енеїда Котляревський Іван Після загибелі Трої Еней разом з товаришами відпливає у море. Еней був парубок моторний І хлопець хоть куди козак Удавсь на всеє зле проворний Завзятіший од всіх бурлак. Но греки як спаливши Трою Зробили з неї скирту гною Він взявши торбу т...