Научная статья на тему 'Постановка фундаментальных и прикладных исследований в области биомехатроники'

Постановка фундаментальных и прикладных исследований в области биомехатроники Текст научной статьи по специальности «Медицина и здравоохранение»

211
63
Поделиться

Похожие темы научных работ по медицине и здравоохранению , автор научной работы — Мартыненко Ю.Г., Соколов М.Э., Буданов В.М., Белотелов В.Н., Ленский А.В., Пахомов В.Б.,

Текст научной работы на тему «Постановка фундаментальных и прикладных исследований в области биомехатроники»

Это возможность оптимального оперативного перераспределения пространства сети между функциями пропорционально объему выполняемой ими информационной работы, соответственно кардинальное повышение качества и надежности выполнения этих функций, возможность совместного решения в едином базисе , , -циативной памяти. Последнее особенно важно для создания аналога человеческого образного мышления - основы творчества.

В ходе миниатюризации этот процесс будет проходить и в единой нейронной

.

примут соответственно молекулярные размеры.

Целесообразность и техническая возможность создания такой единой информационной среды не вызывает сегодня сомнений. Для робототехники это будет основой нового поколения роботов, принципиально отличающихся от современных интеллектуальных роботов наличием упомянутого аналога образного творче.

В отличие от двух рассмотренных линий развития последняя, III линия находится еще на этапе поисковых НИР, как и сама наносистемная техника в целом. Очевидно, что ее идея близка клеточному строению живых организмов и, по-видимому, навеяна именно этой бионической ассоциацией. Отдельные наномодули, подобно живым клеткам, должны быть способны сближаться, обмениваться информацией и организовываться в специализированные структуры в соответствии с априорно заданными целями с учетом изменений внешней среды.

Таковы некоторые общие тенденции информационного развития робототехники и автоматических систем в целом от прикладных НИОКР до поисковых НИР, включающих и исследования ряда фундаментальных естественно-научных про.

, -

блем весьма важно организовать координацию ведущихся по ним в стране работ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Юревич Е.И. Бионика в робототехнике. Материалы VI Международной научнотехнической конференции “Интеллектуальные и многопроцессорные системы”. Таганрог - Дон ецк. 2005.

УДК 531/534:57:621.37/.39.002.2:621.9.048

ЮТ. Мартыненко, М3. Соколов, В.М. Буданов, В.Н. Белотелов,

АЛ. Ленский, В.Б. Пахомов

Институт .механики МГУ им. М.В.Ломоносова, г. Москва

ПОСТАНОВКА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ БИОМЕХАТРОНИКИ

В настоящее время среди новых технологий, сулящих кардинальные изменения нашему обществу, достаточно важное место занимает биомехатроника. Большинство исследователей рассматривают биомехатронику как новую дисциплину, целью которой является изучение биологических организмов, интегрированных с

.

Биомехатроника также рассматривает вопросы интеграции живых биологических компонентов в искусственные устройства. В этом случае биологическая составляющая выполняет основные функции, а искусственные компоненты занимаются всеми остальными вспомогательными задачами и обеспечивают работоспособность всей системы в целом.

Таким образом, термин «биомехатроника» объединяет несколько взаимодо-.

Во-первых, это замена утраченных (протезирование) или приобретение дополнительных функций биологическим организмом при имплантации внутрь этого организма электронных чипов или мехатронных модулей.

- , ( ) искусственно созданные механизмы.

- , ,

, -

.

История появления термина «биомехатроника» обычно связывается с исследованиями по разработке протезов нижней конечности группой биомехатроники (Biomechatronics Group) Массачусетского технологического института [1]. Созданный этой группой так называемый «магнитореологический» протез, используя информацию о силах, моментах, возникающих между протезом и ампутированной конечностью, обеспечивает реализацию требуемой походки пациента. В МТИ также построен и исследован прототип плавающего робота, в котором в качестве привода используется живая мускульная ткань. Этот робот приводится в движение двумя мускулами лягушки и управляется встроенным микроконтроллером [2, 3].

По заказу Министерства обороны США университет Беркли с 2000 года ведет работы по созданию экзоскелетона. Успешно испытанный первый прототип этого экзоскелетона, который называется Bleex 1, позволяет солдатам переносить достаточно большую нагрузку. Здесь человек оказывается полностью интегрированным в систему управления так, что он испытывает лишь малую часть переносимого веса [4].

Важным направлением в биомехатронике являются работы по созданию протеза вестибулярного аппарата [5]. Характеризуя этого направление, надо отметить начатые в Японии исследования по системе «дистанционного управления» человеком, основанные на прямом воздействии на вестибулярный аппарат [6]. Данная техника управления называется гальванической стимуляцией вестибулярного аппарата (GVS). В область уха помещаются электроды, подающие постоянный ток. Из-за этого у человека меняется представление о собственном положении в пространстве, и он начинает двигаться в том направлении, куда его буквально "ведут" при помощи джойстика.

Искусственный тактильный механорецептор

В рамках проводимых в Институте механики МГУ работ по биомехатронике 2003 «

». -. -, -ствлением [7], и опираются на опыт, накопленный при разработке так называемых «рукояток с отображением усилий» [8]. Использование таких рукояток предполагает возможность измерения сил, действующих на удаленный объект, управляемый . « », -

ствие инструмента с окружающими тканями, для оператора, находящегося на произвольном расстоянии от инструмента, возникает эффект присутствия «а месте событий». В работах, связанных с виртуальной реальностью, подобный эффект называется «телеприсутствием» [10]. Даже при наличии визуального контроля за движением инструмента отображение усилий на управляющую рукоятку существенно помогает оператору. Таким образом, одной из ключевых проблем для создания эффекта телеприсутствия является прецизионное измерение силового ПОЛЯ, возникающего при взаимодействии удаленных объектов.

Комплекс тактильной диагностики Института механики предназначен для инструментального осуществления одного из человеческих чувств - осязания. Чувствительным элементом комплекса является искусственный тактильный механорецептор [9], который представляет собой систему множества камер, заполненных передающей давление средой, закрепляемых на различных инструментах. Такое расположение позволяет проводить «о^пывание» недоступных для обычной пальпации мест (внутри желудка, бронха, кишки, малого таза, брюшной полости, грудной клетки). Полученная информация преобразуется в электронный вид, обрабатывается и анализируется на компьютере. В дальнейшем сигнал может передаваться на другой компьютер по сети Интернет и восприниматься специальным устройством. Это устройство передает ощущение на руку исследователя или врача. , ,

или усиленном (увеличенном) виде воспринимается наблюдателем, находящимся в непосредственной близости от предмета исследования или удаленного от него на . -ной реальности [10].

На базе созданного комплекса могут быть разработаны и внедрены медицинские лечебные и диагностические аппараты такие как, прибор для использования во время хирургической операции (определения свойств подлежащей ткани, «мягкого» выделения органа из рубцов, определения свойств лимфатического узла); снабженные осязательными датчиками эндоскопы (гастроскоп, колоноскоп, брон-), , -, . , использование целого ряда инструментов с лечебными возможностями (массажер для предстательной железы, проведение «под контролем пальца» лазерного свето-

).

Передача осязания на расстояние может быть осуществлено для дистанционной диагностики при телемедицинской конференции (определении операбельности ) .

Робототехнические системы поддержания жизнедеятельности

В настоящее время достаточно актуальной является проблема создания робо, , под огнем противника, в условиях химического или радиационного поражения.

Цель разработки системы дистанционного наблюдения и оказания квалифицированной помощи пострадавшему на этапах эвакуации заключается в создании , -формации о состоянии организма пострадавшего и экспертной системы, позволяющей управлять модулями инфузии и перфузии [11, 12].

« »,

, : , -

, , ,

, ,

, . -

,

. , -

щий настраивать соединение с контроллером, задавать различные параметры экспертной системы и пр.

В качестве базовых измерительных элементов (рис.1) в комплексе «Телец» :

♦ Электрокардиограф;

♦ датчик те мпературы;

♦ устройство изм ерения давления;

♦ пульсоксиметрический датчик.

Системный

блок

комплекса

«Телец»

Измерительная

манжета

Измеритель

давления

Микроконтроллер

Датчик давления

АЦП

Выносной датчик

ИК излучатель

ИК приемник

Электрод 1 Электрод N

Пульсоксиметр

Микроконтроллер

АЦП

Центральный

контроллер:

прием и передача данных

Персональный компьютер

Запоминающее

устройство

Устройство

приема

данных

Электрокардиограф

Датчик температуры

-----1

- Блок АЦП

Г—'

Контроллер обмена

Экспертная

система

Пульт управления и визуализации

Рис.1. Структурная схема комплекса «Телец»

Насос

, , может связываться с контроллером посредством беспроводного радиоинтерфейса (такого, как Bluetooth) или через интерфейс RS-232. Программа для обработки поступающих от измерителей содержит следующие элементы:

♦ модуль приема и передачи сообще ний между пультом и синхронизирующим устройством;

♦ набор модулей для обработки информационных сообщений от синхрони-

, ;

♦ модуль визуал изации данных;

♦ модуль записи данных;

о критических ситуациях;

♦ модуль настроек.

Поступающие по общему интерфейсу сообщения регистрируются модулем приема-передачи и затем направляются на обработчик, соответствующий типу со-( ). -ботчик выделяет информационную часть и записывает текущие данные о соответствующем параметре витальной функции в оперативную память. Обработчики выполнены в виде подключаемых модулей, что дает возможность использовать другие обработчики и другие типы данных, не заложенные изначально в функциональные возможности программы.

После обработки данные используются экспертной системой для определения изменений в состоянии человека и выдачи рекомендаций по настройкам перфузии. Кроме того, система обязана выдавать сигнал тревоги в случае критической ситуации с пациентом. Рекомендации экспертной системы обязательно должны быть утверждены врачом, после чего могут быть использованы для управления .

Пользовательский интерфейс позволяет настраивать, в том числе, способы обработки данных экспертной системой, пороги срабатывания сигнализации и пр. Очень важным представляется учет шокового состояния пациента, физиологические параметры которого могут существенно выходить за рамки обычных физио-.

специальных начальных данных, позволяющих строить адекватную систему кор.

Работа программы осуществляется в реальном времени. Прием и передача сообщений происходит по событиям. Время приема или передачи сообщения реги.

, .

При построении модели системы жизнеобеспечения с мехатронными модулями перфузии была использована трехкамерная модель системы «чело-век-искусственная почка» и результаты ее анализа, выполненные И.В. Новожиловым и ГЛ. Кулаковым [13, 14]. Все параметры, на которые оказывает влияние ме-хатронный модуль перфузии, по сути сводятся к двум взаимосвязанным группам. Во-первых - это гемодинамические параметры (объем циркулирующей крови ( )), ( ), , центральное венозное давление (ЦВД), артериальное давление (АД), минутный и ( ), ( ), -сооксиметрии. Во-вторых - параметры, изменяющиеся при интоксикации, - ЧСС,

( ), , . Внутренняя жидкостная среда организма моделируется тремя камерами с

объемами У1,У2,У3, где объем V представляет собой объем кровеносной системы

(объем циркулирующей крови), У2 - объем межклеточной ЖИДКОСТИ, Уъ - объ-

емвнутриклеточной жидкости [13, 14]. Камеры разделены полупроницаемыми , . сквозь мембраны не изменяет объемов ввиду малости концентрации шлаков в жидкости. Предполагается, что скорость массопереноса данного шлака по обе сто-

роны мембраны за счет диффузии пропорциональна разности концентраций шлака по обе стороны мембраны с коэффициентами ^ Ы2. Использование трехкамерной модели распределения жидкости в организме обусловлено неравномерностью процесса перераспределения веществ в организме между внутрисосудистой и внутриклеточной жидкостями в процессе ультрафильтрации воды и элиминации токсических веществ из организма.

Построенная система обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающая работу системы поддержания жизнедеятельности и в которой объемная скорость кровотока через перфузионный насос рассматривается как управление, представляет собой билинейную управляемую систему со скалярным ограничен.

момент времени оптимальной объемной скорости потока крови через диализатор. Описанный подход позволяет оптимизировать управление процессом перфузии и добиться наибольшей эффективности функционирования перфузионной медицин.

М ионейростимулятор

В настоящее время Институтом механики МГУ совместно с ИППИ РАН и ЦКБ РАН разрабатываются устройства, предназначенные для реабилитации пациентов с нарушениями функций опорно-двигательного аппарата (после травм, инсультов, артрозов и т.п.). Разработан комплекс МНС-16К, предназначенный для проведения курсов функциональной мионейростимуляции. Стимуляция осуществляется прямо-

16- . -метров стимула эффектом стимуляции может быть стимуляция либо релаксация , .

пациента в соответствии с имеющейся патологией. Стимулятор радиоканалом связан

,

. -16 .

использования в домашних условиях. В этом случае индивидуальная программа стимуляции записывается в постоянную память микропроцессора, управляющего рабо.

Другим направлением совместных исследований является разработка стенда для поэтапной «вертикализации» пациента с возможностью движения ног от внешнего источника энергии. Стенд представляет собой кровать, снабженную приводами для движения ног пациента и приводом для перевода кровати в наклонное по, . -тов неврологического профиля, перенесших инсульт, черепно-мозговую или спин. ,

периоде афферентного притока, характерного для естественных движений, во многом способствует скорейшему и более полному выздоровлению таких пациентов. Однако начало ходьбы, связанной с необходимостью поддерживать равновесие, в условиях слабости мышц и утерянного навыка ходьбы, приводит к развитию патологического рисунка движений, который с большим трудом поддается корректировке в дальнейшем. Поэтому предлагается начинать тренировку мышц и восстановление навыка ходьбы лежа в постели с постепенным наклоном кровати по мере улучшения состояния пациента. Существенной частью такого стенда-кровати является привод ног, разрабатываемый в Институте механики МГУ. Привод должен обеспечивать необходимый паттерн попеременного движения ног пациента и при этом не мешать произвольным движениям ног, когда окрепнут мышцы пациента и восстановится способность управлять ими.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Herr H., Wilkenfeld A., Blaya J. Patient-adaptive prosthetic and orthotic leg systems. //Proceedings of the 12th Nordic Baltic Conference on Biomedical Engineering and Medical Physics. 2002 June. Reykjavik. Iceland P.123-128.

2. Herr H., Dennis B. A swimming robot Actuated by Living Muscle Tissue. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 2004 (In press).

3. http://biomech.media.mit.edu.

4. http://bleex.me.berkeley.edu/media.htm.

5. Садовничий BA., Александров В.В., и др. Математическая модель каналово-отолитовой реакции на поворот вестибулярного аппарата в гравитационном поле. //Фундаментальная и прикладная математики. 2005. Т.11. №7. С.207-220.

6. Maeda, T., Ando, H. & Sugimoto, M. 2005, Virtual Acceleration with Galvanic Vestibular Stimulation in Virtual Reality Environment. 289 p.

7. Гориневский Д. М., Формальский А. М., Шнейдер А. Ю. Управление манипуляционными системами на основе информации об усилиях. - М.: Физматлит, 1994 - 368 с. (См. также Gorinevsky D.M., Formal’sky A.M., Schneider A.Yu. Force control of robotics systems. CRC Press, Boca Raton, New York. 1997.)

8. Гурфинкель EM., Формальский A.M. Об управлении движением при помощи рукоятки с отображением усилий // Изв. АН. Теория и системы управления, 1996. №1. С.150—158.

9. Садовничий В.А., Григорьев А.И., Окунев Ю.М., Соколов М.Э., Буданов B.M., Мартыненко ЮГ. Искусственный тактильный механорецептор. Теория, опыт создания, экспериментальная апробация //Технология живых систем. 2005. Т.2. № 4—5. С.3—10.

10. Moy G., Wagner C., and Fearing R. S. A compliant tactile display for teletaction, Proceedings 2000 ICRA. IEEE Int. Conf. on Robotics and Aut., Piscataway, NJ, USA. 2000.

11. . ., . ., . ., . ., . .

// - .

2005. 4. .24—28.

12. . ., . ., . . -

// , -

ция, управление. 2003. № 10. C.26—28.

13. Новожилов КВ. Фракционный анализ. — М.: МГУ, 1991. — 190 с.

14. Новожилов Н.В., Кулаков Г.П. , Балабанов П.Н., Тумкин СВ. К оценке влияния скоростей потоков крови, диализирующего раствора и качества полупроницаемой мембраны на эффективность диализа // Мед. Техника. 1977. № 2. С.24—29.

УДК 681.51: 007.52: 631.324

. . , . . , . .

НИИ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва e-maiLTobot@sm.bmstu.ru

ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И СОЗДАНИЯ ПОЛУАВТОНОМНЫХ И АВТОНОМНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Как показал отечественный и зарубежный опыт разработки и использования

( ), -

,

имеют ряд принципиальных недостатков и ограничений, основными из которых :