Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0107

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0107
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Название доклада
Разработка реабилитационной системы интеллектуального ассистирования (РСИА)
Докладчик
Скворцов Дмитрий Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью выполнения проекта является создание реабилитационного программно-аппаратного комплекса роботизированной системы интеллектуального ассистирования (ПАК РСИА), способного обеспечить восстановление нарушенного движения или сформировать новый двигательный навык, оптимально компенсирующий имеющийся двигательный дефект. В завершенном виде конструкция ПАК РСИА будет представлять собой устройство экзоскелетонного типа, особенностями которого будет наличие дополнительной степени свободы в бедренном сочленении, а также возможности коррекции паттерна при помощи функциональной электрической стимуляции мышц (ФЭС).
Среди ключевых задач ПНИЭР:
1) создание методики проведения комплекса процедур, восстанавливающих двигательную активность с учётом особенностей неврологических паттернов;
2) разработка принципов построения роботизированного комплекса, обеспечивающего двигательную активность нижних конечностей пациента;
3) разработка модели многозвенной системы для расчёта усилий, развиваемых в суставах пилота, и симуляции динамики ПАК РСИА;
4) разработка приводных узлов устройства с несколькими степенями свободы;
5) разработка системы управления ПАК РСИА, осуществляющей функцию компенсации, с поддержкой многоканальной ФЭС;
6) изготовление и экспериментальные исследования ПАК РСИА по разработанной программе и методикам.
Актуальность и новизна исследования
Еще в середине XX века наметилась тенденция неуклонного роста числа заболеваний нервной системы, принимающая сегодня угрожающие масштабы. Изменение образа и увеличение длительности жизни стали причиной роста числа патологий и инсультов. Свой вклад в структуру инвалидации населения вносят и травмы на производстве, доля которых в России из расчета на каждого трудоспособного также увеличивается. Это является проблемой чрезвычайной медицинской и социальной значимости. Следовательно, создание высокоэффективных реабилитационно-восстановительных комплексов, позволяющих вернуть пациентов к трудовой деятельности, является актуальной государственной задачей, важность решения которой неуклонно растёт.
Несмотря на то, что работы по созданию механизированных устройств реабилитации были начаты в середине XX века, работоспособные автономные конструкции только начинают появляться. Предпосылкой является развитие нескольких технологий: (i) микропроцессорной техники, (ii) микромеханических датчиков, (iii) приводов с высоким моментом силы (в т.ч. искусственных мышц), (iv) ультралёгких высокопрочных материалов, (v) систем обратной связи, (vi) аккумуляторной техники.
Важно отметить, что проект не ограничивается созданием ПАК РСИА, включающей последние достижения науки и техники. Планируется создание конкурентного устройства на временном горизонте не менее 5-6 лет с совершением существенного задела по следующим направлениям:
1) исследование влияния ФЭС на активность и тонус мышц;
2) разработка прочных, компактных, высокомоментных приводных узлов с несколькими степенями свободы;
3) разработка адаптивной системы управления экзоскелетоном вне концепции фиксированного двигательного стереотипа.
Описание исследования

Разработка реабилитационной системы с функциями интеллектуального ассистирования требует применения следующих подходов и методик для решения поставленных перед ПНИЭР задач.

Реализация системы регистрации сократительной активности целевых групп мышц, совмещенной с системой ФЭС. Для решения задачи используются массивы электродов, регистрирующих активность целевых групп мышц пилота РСИА. Применение множества электродов позволяет реализовать высокоинформативную систему съёма мышечного сигнала. К числу ключевых особенностей выбранного подхода, выгодно отличающего его на фоне существующих решений, относится стабильность регистрации сигнала. Главным его преимуществом является относительно низкая чувствительность к снижению импеданса контакта при долговременной регистрации мышечной активности. Однако, при изменении импеданса распределение сигналов по группам мышц остается неизменным (уникальный пространственный паттерн), кроме того повышенная информативность метода позволяет рассчитывать на возможность алгоритмической компенсации влияния негативных факторов. На сегодняшний день подобных возможностей в коммерческих экзоскелетонах не предусмотрено.

Для инсталляции системы мониторинга и стимуляции целевых групп мышц в состав ПАК РСИА проводится комплекс биомеханических экспериментов, направленных на измерение характерных параметров походки в норме и при патологии (кинематические, динамические и электромиографические (ЭМГ) характеристики), а также влияния ФЭС на электромиографический профиль активности мышц. Синхронно исследуются следующие параметры ходьбы:

    – гониометрические данные (эволюция углов в суставах пациента в течение цикла шага);

    – ключевые временные характеристики (длительность отдельных фаз, перемежаемость);

    – ЭМГ профиль (степень активации) мышц, участвующих в совершении движения.

Полученные данные используются в ходе разработки алгоритма расчета усилий (вращательных моментов), развиваемых в суставе за счет активности собственной мышечной системы пилота. Также, на основе результатов экспериментальных измерений разрабатываются стратегии оптимальной электрической стимуляции целевых групп мышц для коррекции патологического моторного паттерна.

Проводятся исследования по возможности преобразования сократительного профиля группы мышц в зависимости от параметров сигнала (форма импульса, длительность стимула, частота следования и др.)

Для решения задачи по разработке алгоритма расчета усилий, развиваемых в суставах пилота, используется модель, аппроксимирующая систему «человек-экзоскелет». По аналогии с робототехникой для формирования кинематической модели используется подход Денавита-Хартенберга, в рамках которого кинематическое описание можно свести к преобразованиям поворота и сдвига систем координат. Это позволяет уменьшить число переменных, однозначно определяющих положение и ориентацию сочленений относительно друг друга, до четырёх (вместо 6 в классическом случае – 3 + 3 координаты на положение и углы ориентации).

Для разработки системы управления, осуществляющей функцию компенсации двигательной патологии, выбрана стратегия отказа от фиксированного двигательного стереотипа. Предлагаемый подход заменяет широко распространенную концепцию жесткого навязывания локомоторного паттерна, выраженного в зависимостях углов в сочленениях устройства от степени завершенности цикла шага. Вместо этого, система управления, функционирующая на основе модели, описывающей динамику устройства, и алгоритма расчета усилий сгенерированных мышцами пользователя, выполняет расчет требуемой степени активации исполнительных механизмов для компенсации имеющегося двигательного дефицита. Таким образом, данный подход дополняет существующую концепцию носимых роботизированных устройств (экзоскелетонов) и способствует более эффективной реабилитации пациента. Это объясняется активным вовлечением в восстановительный процесс пластичных механизмов мозга.

Для удовлетворения требований по энергоэффективности, качеству и функциональным возможностям активных элементов ПАК РСИА схема входной и выходной ступеней выполнена в виде планетарно-цевочных передач. При осуществлении функций интеллектуального ассистирования движениям пациентов с травмами или неврологическими патологиями очень важно выполнить требования по высокой кинематической точности сервоприводов. Схема с гибкими звеньями, соединёнными дисками и центрирующим тросом, зарекомендовала себя с лучшей стороны. Такая конструкция позволит увеличить количество степеней подвижности системы.

Результаты исследования

Результаты выполнения ПНИЭР соответствуют мировому уровню по направлению разработки адаптивных систем управления, реабилитационной медицины и электроприводной техники.

Основная функция разрабатываемого экспериментального образца РСИА – стимулирование пользователя к совершению корректных с точки зрения биомеханики моторных паттернов. Для обеспечения этой возможности в системе управления устройства предусмотрен компонент, моделирующий динамику комплекса. Программный модуль производит расчёт вращательных моментов, создаваемых в сочленениях для совершения требуемой локомоции.

Разработанная в ходе реализации проекта модель многозвенной системы предусматривает наличие шести активных сочленений (по два в тазобедренном суставе и по одному в коленном суставе каждой ноги). Расчет динамики выполняется, принимая во внимание текущее состояния всей системы. В частности, в процессе симуляции учитываются кинематические характеристики движения всех сочленений (в том числе углы сгибания и угловые скорости движения с соответствующих звеньев конструкции РСИА). Кроме того, для выполнения корректной оценки моментов в процессе расчёта принимаются во внимание масс-инерциальные характеристики конструктива комплекса (т.е. пространственное положение центра масс и тензор инерции для каждого звена). Таким образом, модель, принимая данные от сенсоров устройства, выполняет расчёт усилий, которые требуется создать в сочленениях в следующий момент времени для обеспечения корректного движения динамической системы «человек-экзоскелет».

Были исследованы кинематические, динамические и электромиографические характеристики базового локомоторного паттерна – походки, у здоровых людей и пациентов с патологиями. Выявлены основные отличия в моторике и сформированы требования к системе управления ПАК РСИА с учётом работы многоканальной функциональной электростимуляции мышц.

Исследована работоспособность и характеристики различных видов конструкций редукторов для использования в сочленениях РСИА. Был разработан планетарно-цевочный редуктор оптимальной конфигурации. Роль цевок входной ступени выполняют выходящие за пределы выходной ступени пальцы механизма параллельных кривошипов. Эффектом такого научно-технического решения является проста конструкции и возможность обеспечивать большой диапазон передаточных отношений.

Важными характеристиками, определяющими качество миниатюрного (20 мм) приводного механизма, являются его прочность и износостойкость. Были учтены сведения о недостатках конструкции и взаимного расположения различных элементов, в частности – эксцентриковых валов. Общая прочность вала снижается из-за резких переходов плоскостей, образующих участки сцепления с С-образными вставками. Концентрация напряжений была устранена путём применения сегментов особой С-образной конфигурации. Соединение таких сегментов с валом осуществляется посредством выступов и пазов радиусной формы. Редуктор содержит вал с центральной шестерней, а её поворот посредством зубчатых колёс вызывает вращение эксцентриковых валов, что приводит к возрастанию точности углов поворота. Таким образом, достигнута повышенная прочность приводных механизмов за счёт составной конструкции эксцентрикового вала, а также обеспечены необходимая кинематическая точность и увеличение степеней свободы сочленений ПАК РСИА за счет разработанных научно-технических решений.

Практическая значимость исследования
Применение алгоритмов, заложенных в систему управления и координации сочленений устройства возможно в области построения роботизированных платформ, манипуляторов антропоморфного типа. Применение ФЭС и уникальных разработок в области электроприводной техники, редукторов, значительно расширяют возможности тривиальных экзоскелетононных комплексов, воспроизводящих фиксированный паттерн движения здорового человека.
Выход на рынок адаптивной роботизированной системы реабилитации, учитывающей индивидуальные особенности пилота и степень нарушения его двигательной активности, позволит сократить время калибровки устройства под пациента. Алгоритмы системы управления ПАК РСИА позволяют рассчитывать управляющие воздействия, принимая во внимание степень активации мышечной системы пользователя, а это, в свою очередь, дает возможность реализовать методику дозированной помощи (интеллектуального ассистирования). Это обстоятельство позволяет преодолеть ограничения, присущие существующим экзоскелетным решениям и отойти от концепции фиксированного двигательного стереотипа. Кроме того, уникальность устройства обусловлена возможностью совмещения методики функциональной электростимуляции мышц в отсутствии фиксированного двигательного паттерна. На выходе проекта можно ожидать конкурентоспособность РСИА как экзоскелетонного устройства, не уступающего по своим характеристикам аналогам на временном горизонте не менее 5-6 лет.
Компоненты ПАК РСИА потенциально будут коммерциализированы робототехническими компаниями, разработчиками и производителями медицинской техники (локоматов), ортезно-протезными предприятиями. Система управления и координации будет востребована коммерческими предприятиями, профилирующим направлением которых является разработка антропоморфной робототехники (НПО «Андроидная Техника» – индустриальный партнер проекта). Потенциальными потребителями разрабатываемых технологий могут быть крупные производители робототехнических платформ промышленного назначения, такие как KUKA Robotics, Kawasaki Robotics, Toshiba Machine, Universal Robots, R.Bot, iRobot и другие.
Повсеместное внедрение РСИА в реабилитационную практику и быт человека положительно скажется на социально-экономической ситуации в обществе.