4.Развитие робототехники на кафедре АППиЭ.
4.1. "Зарождение" робототехники на кафедре АППиЭ.История робототехники берет свое начало еще до 90 -х годов. Первопроходцем стал Контес В.Д. А начинал он разработки с устройства дистанционной репозиции костей голени. Данная система позволяла оградить врача рентгенолога от вредных излучений, но при этом сохранить контроль над управлениями положений ноги на снимке. К сожалению самого устройства в первоначальном варианте не сохранилось, но удалось найти патент на данное устройство и лишь схематические изображения данного устройства.
Рисунок 1 - Патент.
Рисунок 2 - Схематическое изображение устройства для дистанционной репозиции костей голени.
В найденном патенте я нашел более подробную информацию об устройстве:
Изобретение относится к медицине, в частности к травматологии и ортопедии, и может быть использовано при лечении закрытых переломов костей голени. Для осуществления репозиции используют электромеханическую манипуляционную систему. На обладающей поступательными степенями подвижности вдоль вертикальной и горизонтальной осей системы и вращательной степенью подвижности вокруг вертикальной оси стойке жестко фиксируют ступню. На второй стойке системы жестко фиксируют коленный сустав. Затем выполняют репозицию костей голени без вскрытия мягких тканей под рентгеном. Репозицию осуществляют с контролем передаваемых на экраны изображений сопрягаемых участков костей и пациента. При репозиции управляют манипуляционной системой, рентген аппаратом и видеокамерой с дистанционного пульта. Устройство для осуществления репозиции содержит электромеханическую манипуляционную систему со следящим электроприводом для всех кинематических пар и блокировочными элементами. Манипулятор системы установлен на подвижной платформе и содержит продольно перемещаемую и вращаемую стойку, снабженную основанием и опорной площадкой. Вторая стойка с устройством жесткой фиксации коленного сустава может перемещаться в вертикальном направлении. Подвижная излучающая головка рентгеновского аппарата подключена к органам дистанционного управления. Изобретение позволяет повысить точность соединения костных фрагментов при закрытых переломах и исключить возможность облучения врачей в процессе проведения репозиции. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к медицине и может быть использовано в травматологии, ортопедии. По данным статистических исследований сравнительно высокий процент переломов голени наблюдается в зимний период. Причем в большинстве случаев имеют место закрытые переломы костей голени. Методы современного чрескостного остеосинтеза не всегда позволяют осуществить точное сопоставление (репозицию) костей без вскрытия мягких тканей, т.к. эта операция представляет собой довольно трудную задачу.
Вскрытие же тканей часто ведет к различным послеоперационным осложнениям, удлинению сроков выздоровления, повторным операциям и другим нежелательным эффектам. Установлено также, что в большинстве случаев закрытых переломов костей голени вполне можно было бы обойтись и без вскрытия тканей, например, при отсутствии дополнительных отломков костей, но при этом необходимо существенно повысить точность и надежность выполнения операми репозиции. Выполнить эти условия можно, лишь осуществляя операцию под рентгеном при отсутствии врача непосредственно в операционном поле.
Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ дистанционной репозиции при переломах костей голени, включающий осуществление репозиции без вскрытия мягких тканей под рентгеном с помощью манипуляторов (US 4.558.697 A 17.12.1985.). Конструкция манипуляторов в известном способе не позволяет достаточно точно осуществлять репозицию и полностью исключить возможность облучения врачей.
Известна также следяще-направляющая роботизированная система для точного сведения элементов костей голени (US 5086401 A, 04.02.92), состоящая из рентгеновской установки, видеокамер, в 3-х плоскостях перемещающегося манипулятора в виде элементов, соединенных кинематическими парами, снабженными электроприводами, подключенными к системе управления с выносным пультом, рассмотренная в качестве ближайшего аналога устройства. Следует отметить, что роботизированная система не обладает достаточной жесткостью для осуществления репозиции, что снижает надежность выполнения операции.
Таким образом, цель изобретения заключается в том, чтобы максимально повысить точность соединения костных фрагментов при закрытых переломах костей голени под рентгеном и полностью исключить возможность облучения врачей в процессе осуществления репозиции.
Поставленная цель достигается тем, что репозиция осуществляется дистанционно, с вынесенного из операционного поля пульта управления с помощью специального устройства, содержащего электромеханическую манипуляционную систему со следящим электроприводом для всех кинематических пар и блокировочными элементами и пульт с органами дистанционного управления и экраном, соединенный с видеокамерой, при этом электромеханический манипулятор системы установлен на подвижной платформе и содержит стойку, выполненную с возможностью продольного перемещения и вращения относительно ее вертикальной оси и поступательного перемещения вдоль горизонтальной оси платформы, снабженную основанием и упорной площадкой, а вторая стойка с устройством жесткой фиксации коленного сустава выполнена с возможностью перемещения в вертикальном направлении, при этом подвижная излучающая головка рентген аппарата подключена к органам дистанционного управления.
Основные конструктивные особенности репозиционной установки представлены на фиг. 1. Общая кинематическая схема манипуляционной системы представлена на фиг. 2, на фиг. 3 представлен общий вид устройства. Электромеханическая манипуляционная система смонтирована на подвижной платформе 1 и состоит из следующих элементов:
-электромеханического трехстепенного опорного манипулятора, имеющего стойку 5 с поступательной степенью подвижности вдоль вертикальной оси, поступательной степени подвижности 11 вдоль горизонтальной оси установки, вращательной степени подвижности 9 вокруг вертикальной оси манипулятора с углом поворота на 45o в обе стороны относительно оси, опорной площадки 4, упорной площадки 3 с регулируемым углом установки для жесткой фиксации ступни, второй опорной стойки 7, имеющей одну поступательную степень подвижности в вертикальном направлении, фиксирующее устройство 6 и конические винты 12 для жесткой фиксации коленного сустава.
Для всех кинематических пар разработан унифицированный следящий электропривод на базе серийного авиационного электромеханизма МП-100М для поступательных пар и МЗК-2 для вращательных кинематических пар. Примененные электромеханизмы имеют достаточно высокие весогабаритные характеристики с развитием усилий до 150 кг для поступательных пар и полезный вращающий момент на выходном устройстве 20 Нм для вращательных пар.
Все применяемые в установке электромеханизмы снабжены специальными тормозными муфтами, предотвращающими выбег исполнительного устройства после отработки заданного перемещения.
На установке находятся местный пульт управления 2 для выполнения установочных перемещений по всем управляемым координатам манипуляционной системы.
Оперируемая голень патента закрепляется на специальной репозиционной установке 1 пяткой на основании 4 стойки 5 с прижимом ступни к упорной площадке 3 и жесткой ее фиксации при помощи ремней и бинтов. Коленный сустав закрепляется на стойке 7 в специальном фиксирующем устройстве 6 с помощью конических винтов 12 и ремней.
Подвижная излучающая головка 14 (фиг. З) рентгенаппарата 5 выставляется врачом над местом закрытого перелома кости голени.
Видеокамера 13, связывающая визуально пациента с врачом, передает изображение на дистанционный пульт 16. Здесь же установлен и второй экран с изображением места закрытого перелома кости голени патента.На дистанционный пульт выведены все органы управления репозиционной установкой, включением видеокамеры и рентгенаппарата. Врач анализирует визуально положения сопрягаемых участков костей и при помощи кнопок подает управляющие сигналы на соответствующие входы следящих систем отдельных степеней подвижности с учетом визуальной оценки достигнутого результата. Врач по выбору может выставить желаемую скорость отработки следящих систем в регулируемом диапазоне 1: 10.
Таким образом, выполняя дозированные перемещения по отдельным степеням подвижности (в зависимости от текущего результата) врач дистанционно осуществляет репозицию непосредственно под визуальным контролем всего операционного поля и пациента.
Для повышения надежности система управления имеет двойную блокировку как со стороны врача, так и со стороны пациента от возможных нештатных ситуаций. С целью повышения электробезопасности все функциональные блоки репозиционной установки имеют питающие напряжения, не превышающие 24 В.
Формула изобретения
1. Способ дистанционной репозиции при закрытых переломах костей голени без вскрытия мягких тканей под рентгеном с помощью манипулятора, отличающийся тем, что используют электромеханическую манипуляционную систему, на одной стойке которой, имеющей поступательные степени подвижности вдоль вертикальной и горизонтальной осей системы и вращательную степень подвижности вокруг вертикальной оси стойки, жестко фиксируют ступню, на второй стойке системы жестко фиксируют коленный сустав, после чего выполняют репозицию, контролируя передаваемые на экраны изображения сопрягаемых участков костей и пациента и управляя при этом манипуляционной системой, рентгенаппаратом и видеокамерой с дистанционного пульта.
2. Устройство для дистанционной репозиции при закрытых переломах костей голени, содержащее электромеханическую манипуляционную систему со следящим электроприводом для всех кинематических пар и блокировочными элементами и пульт с органами дистанционного управления и экраном, соединенный с видеокамерой, отличающееся тем, что электромеханический манипулятор системы установлен на подвижной платформе и содержит стойку, выполненную с возможностью продольного перемещения и вращения относительно ее вертикальной оси и поступательного перемещения вдоль горизонтальной оси платформы, снабженную основанием и упорной площадкой, а вторая стойка с устройством жесткой фиксации коленного сустава выполнена с возможностью перемещения в вертикальном направлении, при этом подвижная излучающая головка рентгенаппарата подключена к органам дистанционного управления.
Из разговора с преподавателями оказалось , что преподаватель кафедры АППиЭ Рыбалев Андрей Николаевич, будучи студентом использовал данную систему при написании своей дипломной работы, к сожалению работа не сохранилась т.к. в 1995 году персональных компьютеров было мало и доступ к ним был мягко говоря ограничен. Работа была написана от руки и как я предположил утеряна.
4.2. Роботы на кафедре:1.Пневматический исполнительный механизм.
Рисунок 3 - Пневматический исполнительный механизм.
1 - фрагмент робота-манипулятора, включающий механизм поворота «руки» и механизм «схвата»;
2 - диафрагменный исполнительный механизм ДИМ;
3 - панель имитации дискретных входов и выходов контроллера;
4 - центральная панель. На ней расположены гнезда цепей управления электропневматическими распределителями и клапанами механизмов поворота «руки» и «схвата», индикаторы и выключатели цепей питания, гнезда цепей датчика давления и электропневмопреобразователя;
5 - панель внешних цепей задатчика токового ЗУ05, блока управления БУ12 и регулятора аналогового Р17;
6 - регулятор аналоговый Р17. В стенде используется как преобразователь сигнала 4…20 мА в сигнал 0…5 мА.
Для питания пневматических элементов стенда сжатым воздухом используется компрессорная установка.
2.Робот-манипулятор.
1. Кинематическая схема
Кинематическая структура рабочих органов робота-манипулятора имеет вид, показанный на рисунке 2.
Рисунок 4 - Кинематическая схема.
Манипулятор состоит из трех кинематических пар: вращательной S2 и поступательных S1 и S3, а также механизма изменения положения рабочего органа (пишущей насадки) S4. Последний представляет собой соленоид, благодаря которому рабочий орган может занимать два положения: «втянут» и «выдвинут».
Соответствующая траектория робот-манипулятор предоставлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Траектория робота-манипулятора.
Отрезок АВ - в перемещении участвует кинематическая пара S3 (перемещение по оси Z).
Отрезок ВС - в перемещении участвует кинематическая пара S1 (перемещение по оси Х).
Отрезок С1С2 - в перемещении участвует кинематическая пара S2 (вращение по оси Y).
Внешний вид установки представлен на рисунке 6.
Рисунок 6 - Внешний вид робота-манипулятора.
Обозначения на рисунке 6:
1) пульт ручного управления;
2) размещение оптического датчика по ординате X;
3) размещение оптического датчика по ординате Y;
4) размещение концевого выключателя по ординате X;
5) размещение монтажной платы системы коммутации и питания.
Схема силовых цепей
Для отключения электроприводов при достижении ими крайних положений в систему коммутации электроприводов включены концевые выключатели.
На электроприводе МЗК - 3 концевые выключатели установлены в силовой цепи. Остальные четыре концевых выключателя (по на горизонтальной оси и по окружности) установлены на неподвижных платформах, и включены в управляющую цепь.
Схема силовых цепей робота-манипулятора показана на рисунке 7.
Рисунок 7 - Схема силовых цепей.
4.3. Проекты и разработки студентов АмГУ, кафедры АППиЭ, а также возможные разработки и идеи в будущем.Перечень работ студентов:
1. 2007 год, автоматизированная система управления роботом-манипулятором на базе контроллера Siemens S7-200 - Р.А. Кокин.
2. 2010 год, Модернизация лабораторного стенда робот-манипулятор на базе контроллера SIEMENS S7-200 - А.А. Поликутин.
3. 2017 год, Модернизация системы управления лабораторного электромеханического робота - В.А. Зубковский.
4.2017 год, Модернизация системы управления лабораторного электромеханического робота - А.В. Медяник
Возможные идеи и разработки в будущем.
В данном пункте я не смогу предоставить конкретные идеи и разработки, в связи с недостаточностью знаний, которые могли бы быть доведены до ума. Но из бесед с преподавателями, найденным материалам и увиденной картины в целом могу с уверенностью заверить что кафедра располагает достаточными ресурсами для воплощения идеи по разработке и модернизации старых роботов (устройств) в более актуальные и совершенные.
4.4. Неформальный разговор с преподавателями на тему робототехники и ее становлении на кафедре.
Пункт был назван именно так, потому что разговор и правда имел нотку неформальности, поэтому не решусь оформлять его в форме интервью, а просто поделюсь впечатлениями.
Разговор состоялся между преподавателями кафедры АППиЭ Рыбалевым Андреем Николаевичем, Русиновым Владиславом Ленонидовичем и мной, Шепелевым Константином. Разговор начался с разработок Контеса. Честно говоря был крайне удивлен, что человек с нашей кафедры сделал такой вклад в развитие рентгенологии, согласитесь ведь выше описанное устройство приносит большую пользу. Далее разговор зашел о том, как данная установка вновь увидела свет и была модернизирована на учебный лад. Или как сказал Андрей Николаевич: "Убрали всю медицину и короче говоря , сделали учебного робота". Были названы фамилии студентов, которые провели данную модернизацию с роботом, которые к сожалению в моей памяти и на записи диктофона были не сохранены не отчетливо. Владислав Леонидович спросил: "А программу кто писал ?". С долей иронии и небольшой усмешкой Андрей Николаевич ответил: "Они и писали, под моим чутким руководством". Владислав Леонидович тоже улыбнулся, я в этот момент ничего не понял, наверное профессиональный юмор. Но поймал себя на мысли что нужно отдать должное этим студентам и еще больше восхитился Контесом. Студенты проделали большую работу над роботом, который в последствии использовался в будущем и по сегодняшний день в учебных целях и для написания дипломных работ и проектов. Контес же сам того не зная создал базу для этого учебного плана. Честно говоря, я чувствовал неловкость и порой боялся задать вопрос или просто сказать свое слово, все таки редко когда приходится участвовать в таких дискуссиях в компании преподавателей. Поэтому в основном вопросы задавал Владислав Леонидович, вероятно он увидел мою растерянность. После разговор сместился на остальные установки в кабинете. Возможно вы видели в 306 кабинете желтый пневматический исполнительный механизм. с трудом вериться что это часть от огромного робота, который помимо пневматических составляющих имел гидравлические, если я не ошибаюсь, и электрические исполнительные механизмы. В один момент разговора я выхватил из контекста такую фразу: "Ну я не знаю, можно ли эту желтую "байду" назвать роботом, ну если это часть большого робота, то наверное монжно". Это меня очень улыбнуло.
В заключении хотелось бы сказать что такие мерпоприятия могли бы носить более частый характер. Лично мне как студенту было интересно послушать какую то поучительную информацию в неформальной обстановке, при том условии что у меня были развязаны руки в вопросах. Но отсутствие времени у студентов и постоянная загруженность преподавателей сводит их к минимуму.
