Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
07.04.2016

Роботы, способные помогать врачам

Закиров Евгений Аликович
студент, кафедра автомобили и технологические машины автодорожный факультет Пермский национальный исследовательский политехнический университет г. Пермь, Россия
Малёв Максим Валерьевич
студент, кафедра автомобили и технологические машины автодорожный факультет Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия
Аннотация: В настоящее время медицинская робототехника развивается с феноменальной скоростью, всего через десятилетие врачам не придется надрезать тело пациента, на замену этому придет робот, имитирующий червяка.
Ключевые слова: робот, хирургия, роботизированная операция
Электронная версия
Скачать (728 Kb)

Для проведения сложных операций на внутренних органах врачам-хирургам будет представлен робот, имитирующий ползающего насекомого – червяка. Данный робот будут перемещаться в теле пациента и пока только исполнять менее ответственные операции, например, фотографировать труднодоступные места человеческого организма. Робот-червяк будет состоять из нескольких модулей проглоченных пациентом, которые будут состыковываться внутри организма, а после проведения всех необходимых операций распадаться и выводиться через естественные отверстия.

Рис.1. Робот-червяк

Рис.1. Робот-червяк

Каждый модуль, из которых состоит «червяк» будет иметь свою специализацию: один вести съемку, другой обеспечивать питание, третий сбор анализов и т.д. Гибкость соединений позволит всей системе безболезненно двигаться сквозь кишечник, действуя в том месте, которое заинтересует врачей. Для организации гибкой и управляемой связи между капсулами «сегментного» робота можно использовать модули, которые также проходят через специальную траекторию движения. [3]

Таким образом для точного перемещения в организме человека необходимо поставить задачу: при точечно-склерономном задании с нулевыми начальными и конечными скоростями использовать в качестве программной одну из собственных траекторий движения динамической модели робота, удовлетворяющую условию прохождения модели через исходное и целевое положение. Рассмотрим, какими особенностями будут обладать программные движения в этом случае. [1]

Идеализированные модели исполнительных механизмов роботов представляют собой голономные консервативные системы, на которые действуют потенциальные силы – силы тяжести. Согласно принципу наименьшего действия Мопертюи-Лагранжа, действительное движение голономной консервативной системы между двумя конфигурациями q0 и qk характеризуется тем свойством, что для него некоторая функция, выражаемая определенным интегралом и называемая действием по Лагранжу, имеет минимум в отличие от других кинематически допустимых движений, совершаемых между теми же конфигурациями с той же энергией.

Выражение действия Ʌ в форме Якоби, отличающееся тем, что в нем при помощи интеграла энергии W=U+h исключено время, имеет вид

1.png
Здесь Wкинематическая энергия 
1.png

1.png

Известное представление движения материальной системы в терминах римановской геометрии позволяет интерпретировать выражения следующим образом: движение рассматриваемой системы соответствует движению по инерции изображающей точки в пространстве Римана, определяемом фундаментальной метрической формой. Согласно принципу наименьшего действия, это движение происходит по геодезической линии пространства.

Современные роботы оснащены устройствами статического уравновешивания веса звеньев, поэтому можно ограничиться рассмотрением случая U = 0.При этом, как следует из выражений действия Ʌ в форме Якоби, величина h = W = constсообщенной системе энергии выносится за знак интеграла и не влияет на получаемую метрическую форму

1.png

следовательно, с изменением hгеодезическая линия не изменяется. Другими словами, изменение темпа движения изображающей точки в пространстве не приведет к изменению программной траектории. Это дает право произвольно назначать и изменять скорость движения системы по программной траектории.

Задача программирования движений робота при такой модели, а мы будем рассматривать именно такие модели, делится на две составляющие. Первая – поиск траектории собственного движения, удовлетворяющего начальному и конечному положениям модели, и вторая – поиск оптимального по быстродействию движения модели по найденной собственной траектории.

Из проведенного рассмотрения также следует, что первая задача в рассматриваемой постановке представляет собой задачу поиска геодезической линии между точками q0 и qриманова пространства, заданного фундаментальной метрической формой при U = 0.  Такая трактовка задачи, т.е. сведение ее к известной задаче вариационного исчисления, к сожалению, не дает быстрого решения из-за характерных трудностей решения вариационных задач и отсутствия регулярной процедуры, гарантирующей решение.

С одной стороны, при проведении и обосновании прямых методов вариационного исчисления трудность заключается в выборе минимизирующей последовательности и в том, что минимизирующая последовательность может не сходиться к некоторой предельной функцией. С другой стороны, применяемые косвенные методы отражают только необходимые, но не достаточные условия, которым должна удовлетворять искомая функция, чтобы заданный интеграл достиг своего экстремума.

Можно еще воспользоваться тем что, (из-за независимости собственной траектории от темпа движения по ней) в движении по инерции система «описывает» собственную траекторию. Необходимо только, чтобы она прошла через целевую конфигурацию.

Попытка решить задачу прямым образом, т.е. свести к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений с заданными граничными условиями и с использованием метода «пристрелки» успеха не имела из-за трудностей оценки результатов подобных движений системы и отсутствия обоснованных алгоритмов коррекции начальных условий. Таким образом, задача остается сложной и требует разработки эффективных вычислительных алгоритмов, учитывающих специфические свойства рассматриваемых систем.

В дальнейшей исследовательской работе будет продолжен расчет алгоритма на основе предыдущей разработки по определению траектории движения с учетом динамических факторов.

Список литературы:

1. Поезжаева Е. В. Промышленные роботы: учебное пособие в 3 ч. - М.: УМО АМ МВТУ им. Баумана; изд-во ПГТУ, 2009.

2. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Теоретические основы робототехники; Книга 1; изд-во Наука, 2006.

3. http://www.moluch.ru/archive/106/25294/