22
1.3. Бионические протезы кисти и анализ деятельности ГУЗ
«НКБ»
Когда человек потерял конечность, то самая главная его мечта –
снова ощутить ногу или руку.
И не просто почувствовать, а выполнять конечностью определенные
движения, которые были доступны до травмы или болезни: например,
взять чашку, зашнуровать ботинки, идти с опорой на две ноги, не чувствуя
разницу до и после.
Вернуть данные возможности позволяет бионический
программируемый протез, или сложное устройство, улавливающее
нервные импульсы [34].
Изначально прототип реальных протезов придумали и описали
фантасты.
Это в их произведениях на смену утраченным в сражениях рукам,
глазам, ногам и сердцам приходили механические помощники,
работающие лучше живых органов.
Самый известный пример – Терминатор, взявший от человека только
облик.
Разработкой программируемых бионических протезов занимается
компания «Кleiber» (рисунок 12).
Эта компания выпускает программируемые протезы, которые
содержат 16 степеней свободы.
В состав протеза входит 14 сенсоров.
Протез способен выполнять 14 уникальных захватов (жестикуляций)
[28].
23
Рисунок 12 – Описание бионического протеза «Кleiber»
Вследствие болезни или после травмы конечность могут
ампутировать.
Оставшаяся культя состоит из множества различных тканей: кожи,
костей, сосудов мышц и нервов.
В процессе самого восприятия нервного импульса участвует
довольно сложная программа, записанная с использованием языка
высокого уровня [9].
Разработка и проектирование кисти андроида проходила по заказу
Государственного учреждения здравоохранения «Новомосковская
клиническая больница» (ГУЗ «НКБ»).
Которая имеет также и собственную научную лабораторию, что
является нечастым явлением.
Сама больница состоит из трех корпусов стационара с коечной
мощностью 250 мест и корпуса детского диагностического центра с
плановой мощностью 150 посещений в одну смену.
24
На территории данной больницы расположена игровая площадка для
детей, газоны, пешеходные дорожки с удобными скамьями для пациетов,
цветочные клумбы.
Возможности консультативно - диагностического центра больницы
позволяют врачам больницы одновременно вести прием по 20
специальностям [26].
В ГУЗ «НКБ» функционируют восемь отделений стационарной
клинической помощи.
Необходимость создания и развития центров продиктована широкой
распространенностью заболеваний по данным направлениям, внедрением
новейших методов обследования.
С целью приближения специализированной помощи
несовершеннолетним, которые проживают в сельской местности, на базе
ГУЗ «НКБ» функционирует поликлиника, которая еженедельно
осуществляет выезды в сельскую местность.
Рисунок 13 – Главный корпус больницы ГУЗ «НКБ»
25
Современная лечебно-диагностическая база ГУЗ «НКБ» позволяет
выполнять новые диагностические исследования и внедрять в практику
передовые информационные технологии диагностики и
высокоэффективные схемы лечения при разной патологии детского
возраста.
Данная больница располагает достаточно мощным диагностическим
потенциалом для провинциальной больницы:
методика ультразвукового обследования внутренних органов
человека;
магнитно-резонансной томографии;
доплерографии.
Широко используются методики клинической, иммунологической
лабораторий, биохимической лаборатории, отделений функциональной и
лучевой диагностики, а также центра восстановительного лечения,
эндоскопии.
Реабилитация пациентов осуществляется в хорошо оборудованном
центре восстановительного лечения при помощи использования новейших
медицинских реабилитационных технологий, что впоследствии позволяет
добиться позитивных сдвигов в лечении у около 85% пациентов
исследуемой больницы.
Продолжают развиваться и современные информационные
технологии (ИТ) для проведения видео-телемедицинских консультаций с
медицинскими организациями области, а также непосредственно с
федеральными клиниками.
Данная больница представляет собой клиническую базу для
подготовки врачей педиатрического профиля и среднего медицинского
персонала.
26
Исследуемая в настоящей работе больница проводит современные
методы профессиональной переподготовки врачей педиатрического
профиля.
Также на базе указанной больницы проводятся обучающие курсы по
направлениям детской урологии-андрологии, педиатрии, а также
реанимации.
Коллектив больницы на сегодняшний день представляет собой штат
из более чем 350 сотрудников, среди которых шестеро имеют звание
«Заслуженного врача РФ», один сотрудник является «Заслуженным
работником здравоохранения РФ», пятнадцать сотрудников клиники
удостоены знака «Отличника здравоохранения», а также девять
сотрудников клиники имеют ученые степени докторов и кандидатов
медицинских наук.
Структура исследуемой клиники ГУЗ «НКБ» представлена на
рисунке 14.
Рисунок 14 – Структура ГУЗ «НКБ»
27
Больница «НКБ» имеет в своем арсенале оборудование, которое
позволяет делать достаточно качественную диагностику пациентов с
большой информативностью и позволяет производить самый минимум
травматических и хирургических вмешательств с помощью применения
ультразвуковых методов, эндоскопических и рентгенохирургических
методов.
«НКБ» имеет самостоятельный баланс, расчетный и другие счета в
учреждении банков, а также действующую печать, собственные
оригинальные бланки.
На настоящий момент полный штат сотрудников больницы
составляет более четырехсот (410) человек.
Обзор роботизированных систем, предназначенных для захвата
предметов и роботов - андроидов в рамках прохождения практики в
клинике ГУЗ “НКБ” позволил понять само назначение, устройство и
принцип их работы.
И в рамках НИР приступить непосредственно к проектированию и
разработке манипулятора кисти робота и выбора программного
обеспечения.
В результате выполнения данной главы настоящего исследования
был произведен обзор роботизированных систем для захвата предметов и
андроидов.
С помощью данного обзора были выявлены недостатки
существующих в настоящее время протезов.
Также были обоснованы и доводы в пользу дальнейшей разработки в
области проектирования роботизированных систем и усовершенствования
протезов для людей.
Показаны клешни для захвата и варианты использования протезов в
быту.
28
Приведена структура больницы, на базе которой осуществлялось
практическое исследование протеза кисти.
Во второй главе работы также были отмечены достоинства и
недостатки управленческой структуры исследуемой больницы, рассмотрен
потенциал клиники и его штат сотрудников.
29
ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАНИПУЛЯТОРА
КИСТИ РОБОТА И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
РАЗРАБОТКИ
2.1. Построение функциональной модели предметной области
Построение функциональной модели предметной области
манипулятора автоматизированной информационно-управляющей
системы кисти робота - андроида проводилось с использования «SADT»
методологии.
Данная методология представляет собой совокупность определенных
процедур, методов и правил, которые предназначены для построения
функциональной модели исследуемой предметной области, отображающей
функциональную структуру, а также производимые действия и функции с
определенными связями [10].
Результатом использования «SADT» метода - это модель, которая
состоит из фрагментов текстов, диаграмм, глоссария со ссылками друг на
друга.
Интерфейсы и функции представляются диаграммами в
определенном виде, в виде соответствующих дуг и блоков
(прямоугольников).
Само место соединения блока с дугой определяет конкретный тип
интерфейса [39].
Андроид кисти данного робота необходим для жестикуляции пяти
пальцами кисти и захвата твердых предметов.
В следствии чего исходными данными (или, по-другому можно
назвать – входными воздействиями) указанной системы будут только
непосредственно сами предметы конкретно для захвата именно твердых
предметов.
30
Управление данной системы будет программным и независимым от
человека (т.е. автономным) непосредственно в процессе работы
автоматизированной информационно-управляющей системы кисти робота
- андроида.
В качестве механизмов воздействия на систему кисти робота -
андроида предполагается использование программной среды “Arduino”, в
которой будет записываться программный код (скетч) конкретно на языке
«C++», а также широко известная система автоматизированного
проектирования (САПР) «SolidWorks 2017» для разработки конструкции
системы [29].
Результатом (выходом) системы будет захваченный предмет и
манипуляции пальцами кисти.
На рисунке 15 показана структура функциональной модели
автоматизированной информационно-управляющей системы кисти
андроида с программным управлением, которая построена с помощью
программы «Ramus Educational» [13].
31
Рисунок 15 – Автоматизированная информационно-управляющая
система кисти андроида (манипулятор кисти робота)
Раскроем структуру функциональной модели манипулятора кисти
робота - андроида, представленную ранее в настоящем исследовании на
рисунке 11.
Для этого необходимо детально описать основные структурные
элементы (то есть блоки), которые входят в данную модель, и
соответствующие связи (которые представлены в виде линий) между
указанными блоками.
Входную информацию системы можно представить в виде предмета
для захвата.
Её будет принимать двигательная система (т.е. блок «А2») и после
захвата пятью пальцами кисти на выходе будет получаться сам
захваченный предмет.
Программное управление «Arduino» будет воздействовать
непосредственно на плату контроллера «Arduino» (блока «А1»), которая с
использование механизмов программной среды «Arduino» и языка
программирования высокого уровня «С++» будет подавать определенный
логический сигнал (логический 0 или 1) непосредственно на сервоприводы
(блок «А3»).
Для более точной компоновки деталей кисти робота и установки
движителей на основании робота - андроида требуется спроектировать
твердотельную 3D модель конкретно с помощью САПР именно
«SolidWorks 2017».
Ниже по тексту на рисунке 16 приведена декомпозиция диаграммы
функциональной модели информационной робототехнической системы
кисти.