Лекция В. Павловского по биомехатронике на Skolkovo Robotics

1. Конференция «СКОЛКОВО-РОБОТИКС-2014». 01.03.2014
Сколково, Москва.
Биомехатроника –
новое направление в роботике: состояние
проблемы, задачи, решения
В.Е.Павловский
Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН, Москва, Россия
1

2. Современный этап развития робототехники и мехатроники
характеризуется новыми чертами поворотом в область социальных применений, медицинских
применений.
Важнейшим примером является новое направление –
биомехатроника. Биомехатроника проявляется в новом,
существенно более тесном, взаимодействии робота и человека.
Главная проблема медико-социальной робототехники – именно
взаимодействие робота с человеком, причём - взаимодействие в
обе стороны и при этом в сильном смысле.
2

3. Разработка сенсорных и аппаратно-программных методов этого
взаимодействия - центральная задача Биомехатроники, которая
является той частью Биоинженерии, которая связана с
организацией работы машины с учётом факторов
психофизиологии человека или физиологии испытуемого
животного.
3

4. Биомехатронный комплекс тренажёра-кровати для двигательной нейрореабилитации.
Общий вид.
4

5. 1. Интерфейс "Человек-Машина". Новые средства этого
интерфейса.
В тесном единении ...
5

6. Стремимся к тому же ...
6

7. Hybrid Assistive Limb или - гибридная вспомогательная конечность.
7

8. Hybrid Assistive Limb или - гибридная вспомогательная конечность.
8

9. 2. Новые сенсоры мехатронной системы "ЧеловекМашина" подгонка механизма под возможности каждого
отдельного человека - пациента.
Как это делать дёшево?
Для биомедицинских приложений - зрительносенсорное исследование пациента с генерацией
индивидуальных средств и программ для реализации
предписанных врачом лечебных воздействий.
9

10. Проекты РФФИ 11-01-12060-офи-м-2011
13-01-12037-офи-м-2013
Создан БиоМех-Тренажер - комплекс мехатронных роботизированных
устройств для нейрореабилитации нижних конечностей для широкого круга
пациентов и при различной тяжести заболеваний. Для разработки отдельных
групп мышц могут применяться как отдельные устройства комплекса, так и
весь комплекс. В исходной версии комплекс состоит из четырех устройств:
- тренажера для разработки голеностопного сустава,
- модуля для стимуляции стопы,
- тренажера-вертикализатора и
- легопулятора (экзоскелета нижних конечностей) человека.
В дальнейшем планируется дополнить этот список экзоскелетом рук
человека.
10

11. Проекты РФФИ 11-01-12060-офи-м-2011
13-01-12037-офи-м-2013
Основным модулем является сдвоенное устройство тренажеравертикализатора и легопулятора. Эти подсистемы имеют электро- и
пневмоприводы, в последних реализовано оригинальное клапанное ШИМуправление, реализующее пропорциональное управление приводами
аппарата. Созданный в проекте экзоскелет имеет и самостоятельное
значение и отрабатывается как мобильный экзоскелет ног человека. Его
конструкция имеет существенные отличия от иностранных и
отечественных аналогов с пневмоприводами, так как система не имеет
собственных шарниров, имитирующих или повторяющих суставы
человека. Благодаря этому проблема повторения точной кинематики
конкретного человека решается программно. Экзоскелет-легопулятор
имеет модульную конструкцию и некоторые шарниры могут быть легко
добавлены или удалены для создания вариантов конструкции.
11

12. Lokomat, LokomatPro
Lokomat в больнице Сургута
Artromot K3
подошвенный тренажер-стимулятор
Корвит
Что «рядом»
12

13. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
13

14. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации. Стартовое положение.
14

15. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Модуль тренажера-вертикализатора.
15

16. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Модуль экзоскелетона (1).
16

17. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Модуль экзоскелетона (2).
17

18. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Видеозахват шагательных паттернов.
18

19. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Моделирование экзоскелетона (1).
19

20. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Моделирование экзоскелетона (2).
20

21. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Моделирование экзоскелетона (3).
21

22. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Решение задач ПЗК – ОЗК – ПЗД – ОЗД (1).
22

23. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Решение задач ПЗК – ОЗК – ПЗД – ОЗД (2).
23

24. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Решение задач ПЗК – ОЗК – ПЗД – ОЗД (3-1).
24

25. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Решение задач ПЗК – ОЗК – ПЗД – ОЗД (3-2).
25

26. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Решение задач ПЗК – ОЗК – ПЗД – ОЗД (3-3).
26

27. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Длины звеньев в цилиндрах (3-4).
27

28. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Скорости звеньев в цилиндрах (3-5).
28

29. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Модуль тренажера голеностопа.
29

30. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Модуль тренажера голеностопа в отработке.
30

31. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Модуль тренажера голеностопа в эксперименте.
31

32. Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Модуль пневмостимулятора стоп.
32

33. Для управления использована система на базе модульной
микроконтроллерной
системы
"РОБОКОН-1"
(на
основе
микроконтроллеров PIC) управления роботами разработки ИПМ
им.М.В.Келдыша РАН.
Встраиваемая система РОБОКОН-1 предназначена для аппаратнопрограммного многоканального управления различными устройствами
с исполнительными двигателями постоянного тока или с
сервоприводами, с разными сенсорами аналогового и цифрового типов.
На ее основе созданы заказные системы управления модулями
разработанного тренажерного комплекса.
Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Система управления.
33

34. К необходимым в первую очередь сенсорным элементам тренажёра
отнесем следующие.
Зрительная система измерения позы и движений человека.
Зрительная система измерения объёма мышц.
Тепловизорная система контроля кровотока.
Акселерометр (направление силы тяжести в координатах тренажёра).
Датчики углов в степенях подвижности (элемент системы управления).
Датчики силы давления стоп ног (элемент системы управления).
Виртуальные датчики момента привода (элемент системы управления).
Датчики веса нижних конечностей и тела человека.
Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Перспектива. Сенсорика.
34

35. Необходимые в первую очередь сенсорные элементы, устанавливаемые на
человеке, таковы.
Электрические поля и потенциалы на коже – миограммы.
Электрические поля и потенциалы на коже – анализ реакции организма.
Электрические поля и потенциалы на коже – анализ подкожных токов.
Электрические поля и потенциалы на коже – потоотделение на ладонях состояние психики.
Частота дыхания и температура.
ЭКГ и кровяное давление.
ЭЭГ - исследования сигналов мозга.
Температура с глубин до 5 см - радиотермограф (антенны на дециметровых
длинах волн).
Биомехатронный комплекс для двигательной нейрореабилитации.
Перспектива. Сенсорика.
35

36. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Медико-биологические предпосылки развития лечебноисследовательских тренажёров заключаются в необходимости
наблюдения картины невризма в организме пациента для диагностики
динамики процесса лечения.
Современные средства механики, электроники, сенсорики и их
программного обеспечения позволяют это реализовать и обеспечить
новый импульс совместного развития биологических и мехатронных
исследований.
Дальнейшие работы в тесном содружестве биологов, медиков и
мехатроников предполагается направить на создание отечественных
многофункциональных тренажёров с развитыми компьютерными
средствами афферентации и стимуляции пациента с использованием
обратной связи от средств очувствления его организма.
36

37. Спасибо за внимание !
37