ROBOTIC SYSTEMS FOR SPECIAL AND MEDICAL INTELLIGENT ASSISTANCE

Full Text

■ ВВЕДЕНИЕ Ведущие страны мира проводят исследования, посвященные созданию различных роботизированных комплексов ассистирования на основе экзоске-летных модулей с различными системами управления. Исследования в области создания экзоскелетов ведутся в нескольких направлениях: 1) разработка устройств для работы с большими физическими нагрузками (такие экзоскелеты можно отнести к индустриальным); 2) исследования, направленные на повышение физических возможностей военнослужащих при выполнении боевых задач (экзоскелеты специального назначения); 3) разработка комплексов, способствующих реабилитации пациентов с ограниченными возможностями при различных уровнях парезов (реабилитационные экзоскелеты). В целом у экзоскелетных разработок существуют потенциальные ограничения в виде отсутствия компактных высокоэффективных источников энергии и ограниченности вычислительных мощностей системы управления. Однако эти ограничения почти не распространяются на медицинские экзоскелеты [1], предназначенные для реабилитации пациентов с ограниченными возможностями: реабилитационные экзоскелетные комплексы, как правило, стационарны, в экзоскелетах этого типа предусмотрена возможность подключения внешних серверов и источников питания. ■ ЭКЗОСКЕЛЕТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ За прошедшие три десятка лет сформировался и получил развитие целый кластер реабилитационного роботизированного оборудования с функцией ассистирования на основе экзоскелетных модулей [2]. Направления исследований в области медицинских экзоскелетов для восстановления двигательной активности самые разнообразные - от частных экзомодулей для приведения единичной степени свободы [3] до систем с возможностью реабилитации какой-либо части тела [4-12]. Наибольшая потребность в реабилитационных экзоскелетах существует в сфере восстановления двигательных функций у лиц, перенесших инсульт. Задача восстановления или замещения утраченной двигательной функции у таких пациентов требует использования интеллектуальных алгоритмов [13], интерпретирующих реакцию опорно-двигательной системы на действие внешнего устройства. Разрабатываемые алгоритмы должны учитывать многофакторность и мультимодальность информации [14], анализируемой центральной и периферической нервной системой. Помимо традиционных механических параметров (направление движения, угол поворота привода, скорость, сила движения), необходимо анализировать в реальном масштабе времени и биологические параметры: биоэлектрическую активность мышц, вовлеченных в данное движение, сопротивление движению, наличие и величину удлинения /сокращения основных мышц-антагонистов для данного движения. Более того, наряду с измерением прямых механических и биомеханических параметров имеет значение вычисление таких комплексных характеристик, как текущий режим работы мышцы (изометрический, концентрический, эксцентрический и др.), соотношение между миоэлектрической активностью и развиваемым мышцей усилием при данном положении сустава. Рисунок 1. Задающие устройства копирующего типа: а - без обратной силомоментной связи (УКТ-1); б - с обратной силомоментной связью (УКТ-4). Ещё 2-3 года назад оборудование с подобным набором функционала приобрести в России было невозможно. В настоящее время ситуация изменилась, и в России появились компании, способные разрабатывать реабилитационные экзоскелеты для лиц с ограниченными возможностями, имеющих различные уровни парезов. Одна из таких организаций - НПО «Андро-идная техника», коллектив которой обладает большим опытом в разработке роботизированных устройств различного назначения [15-23], в том числе устройств для реабилитации. Созданный компанией ряд задающих устройств копирующего типа (УКТ) с обратной силомоментной связью и без нее (рис. 1) позволил сформировать задел для будущих разработок экзоскелетных комплексов медицинского назначения. Одно из первых устройств, созданных НПО «Ан-дроидная техника» для медицинских учреждений, - экзоскелетное копирующее устройство с обратной силомоментной связью (УКТ-7) для виртуального обучения студентов проведению хирургических операций (рис. 2). Устройство разработано совместно с СамГМУ. Задачи, решаемые при использовании УКТ-7: - обеспечение управления 3D-моделью антропоморфной рукой виртуального хирурга; - определение углов поворота в суставах оператора; - создание сопротивления движению руки оператора; - использование в качестве учебного пособия; - осуществление контроля работы систем, прием и формирование выходной информации о проделанной работе. УКТ-7 представляет собой фиксируемую на теле оператора рычажную конструкцию из пластика и легких сплавов, выполненную аналогично скелетной схеме человека, с совпадением положения осей подвижности и суставов. В основе управления элементами подвижности виртуального хирурга устройством управления УКТ-7 лежит интерактивный способ, реализующий принцип «подобия», осуществляемый оператором. В период с 2014 по 2016 г. в рамках сотрудничества НПО «Андроидная техника» и РНИМУ им. Н.И. Пирогова был проведен ряд работ по созданию экзоске-летных роботизированных комплексов руки и кисти человека. Комплекс создан для применения в медицинских учреждениях и исследовательских медицинских университетах. Конечными пользователями комплекса являются преподаватели медицинских вузов, врачи и другие медицинские специалисты. ■ РЕАБИЛИТАЦИОННЫЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ ВЕРХНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ Специалистами НПО «Андроидная техника» ведутся исследования по разработке экзоскелета руки человека (рис. 3), управляемого по биологически адекватным принципам, для функционирования в комплексе с интерфейсом «мозг-компьютер» (ИМК) [24]. Задача заключается в разработке технологической платформы многозвенных антропоморфных экзоскелетов, управляемых по биологически адекватным принципам с учетом задержек и величины коэффициентов в петле управления по обратной связи, характерных для управления движениями человека. Назначение экзоскелетного комплекса этого типа - медицинская реабилитация пациентов, имеющих двигательные нарушения верхнего пояса в результате инсульта, а также социальная реабилитация, направленная на улучшение качества жизни людей, утративших двигательную активность верхних конечностей в результате травмы головного или спинного мозга. Технические характеристики устройства: длина - 750 мм; масса - 7 кг; количество степеней подвижности - 7. Рисунок 2. Задающее устройство с обратной силомоментной связью. Управление данным экзоскелетным комплексом осуществляется за счет обработки сигналов головного мозга, получаемых методом электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Оператор (человек с ограниченными возможностями) помещается в специальное кресло перед монитором, на голову ему надевается 128-канальная шапочка ЭЭГ (рис. 4а), на руке (правой / левой - в зависимости от диагноза) фиксируют экзоске-летное устройство (рис. 4б). Рисунок 3. Реабилитационный экзоскелет верхних конечностей. Сущность реабилитационного процесса заключается в ассистировании экзоскелетом функционала воображаемого движения. То есть, если оператору предлагается нарисовать в своем воображении движение руки вверх, он интерпретирует эту команду в управляющий паттерн, а устройство его обрабатывает. При этом, если через определённое количество циклов реабилитационных тренировок оператор способен оказать противопоставляющее действие выполняемой экзоскелетом команды, устройство сразу остановится и изменит направление движения вслед за рукой оператора. В настоящее время устройство проходит испытания в лаборатории РНИМУ им. Н. И. Пирогова под руководством д.б.н. А. А. Фролова. ■ РЕАБИЛИТАЦИОННЫЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ КИСТИ Экзоскелет кисти с двумя степенями свободы и внешним программным управлением предназначен для процедуры реабилитации постинсультных больных. Кинематика экзоскелетного комплекса представлена на рисунке 5, общий вид устройства - на рисунке 6. Рычажный механизм экзоскелета кисти состоит из приводимых в движение электроприводами соединен- Рисунок 6. Общий вид экзоскелета кисти. ных между собой трёх вращательных пар звеньев: 1) ложемент с фиксатором запястья и захват кисти; 2) захват кисти и захват проксимальных фаланг пальцев; 3) захват проксимальных фаланг пальцев и захват средних, дистальных фаланг пальцев. Звенья первой и второй кинематической пары приводятся в движение электроприводами, приводное звено третьей кинематической пары связано рычажной передачей с приводным звеном второй кинематической пары. Изделие обеспечивает: - пассивное раскрытие кисти руки человека на основании команд от интерфейса «мозг-компьютер» с целью предоставления проприоцептивной и тактильной обратной связи при воображении раскрытия кисти. - движения расслабленной кисти человека на сжатие и раскрытие по командам, посылаемым врачом посредством интерфейса специализированного программного обеспечения. Общий вид устройства, зафиксированного на операторе, представлен на рисунке 7. Данное устройство в настоящее время проходит испытания в лаборатории РНИМУ им. Н. И. Пирогова под руководством д.б.н. А. А. Фролова. ■ ИНТЕРФЕЙС УПРАВЛЕНИЯ У данных устройств есть одно общее - использование интерфейса «мозг-компьютер» для интерпретации воображаемого движения в фактическое [25]. Применение экзоскелетов руки, управляемых посредством интерфейса «мозг - компьютер», является новой и обнадеживающей технологией нейрореабилитации. В основе этой технологии лежит явление нейропластичности, благодаря которому двигательные функции человека могут восстановиться даже через несколько лет после инсульта или травмы. Многократное воспроизведение состояния, связанного с воображаемым действием, подкрепляется обратной связью от классификатора ЭЭГ активности мозга. Таким образом, с помощью ИМК закрепляется связь между намерением и соответствующей активностью мозга. В случае, когда конечность полностью обездвижена, ИМК, основанный на воображении движения, - единственное средство восстановления двигательных функций с активным участием пациента. Если идентификация специфической активности мозга стимулирует соответствующее ей движение, процесс закрепления связи между воображением движения и активностью мозга становится особенно эффективным. Пассивное движение, осуществляемое с помощью экзоскелета, обеспечивает стимуляцию сенсомоторных областей мозга, которая дополнительно стимулируетих пластичность, что в конечном итоге должно привести к улучшению качества двигательного управления. ■ ВЫВОДЫ Сформировавшиеся в настоящее время в России исследовательские коллективы способны создавать устройства, обеспечивающие повышение качества жизни людей с ограниченными возможностями. И, как правило, в таких коллективах формируется тандем технических специалистов и специалистов медико-биологической направленности. Во многих технических решениях российские коллективы находятся в начале пути, что обусловлено несколькими факторами: тотальная зависимость от импортных комплектующих, низкий уровень роботизации предприятий и профильных образовательных центров, а следовательно, низкий уровень специалистов. Однако российская индустрия роботостроения в ближайшие годы будет очень активно развиваться, преодолевать проблемы зависимости от импорта и выстраивать новую направленность - от разработки реабилитационных экзоскелетов верхних конечностей в сторону экзоскелетов нижних конечностей, ожидается разработка перспективных устройств ассистирования специального и космического назначения.

About the authors

Е А Dudorov

Scientific production association "Android technics"

Email: dudorov@npo-at.com
PhD, CTO of JSC "SPA "Android Technics". ap. 187, 35 Zelenyi log st Magnitogorsk, Russia, 445008.

А А Bogdanov

Scientific production association "Android technics"

Email: bogdanov@npo-at.com
chief designer of JSC "SPA "Android Technics".

A F Permyakov

Scientific production association "Android technics"

Email: director@rusandroid.com
CEO of JSC "SPA "Android Technics".

References

Supplementary files