RU2738859C1 - Adaptive mobile spatial robot-manipulator for prosthetic repair of upper limb of patient and method of patient's service by means of adaptive mobile spatial robot-manipulator - Google Patents
Adaptive mobile spatial robot-manipulator for prosthetic repair of upper limb of patient and method of patient's service by means of adaptive mobile spatial robot-manipulator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2738859C1 RU2738859C1 RU2020106111A RU2020106111A RU2738859C1 RU 2738859 C1 RU2738859 C1 RU 2738859C1 RU 2020106111 A RU2020106111 A RU 2020106111A RU 2020106111 A RU2020106111 A RU 2020106111A RU 2738859 C1 RU2738859 C1 RU 2738859C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rods
- trajectory
- linear drives
- octahedral
- spatial
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/54—Artificial arms or hands or parts thereof
- A61F2/58—Elbows; Wrists ; Other joints; Hands
- A61F2/583—Hands; Wrist joints
- A61F2/588—Hands having holding devices shaped differently from human fingers, e.g. claws, hooks, tubes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Robotics (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к адаптивным мобильным пространственным роботам-манипуляторам применительно к роботизированному протезированию и протезостроению и предназначено для протезирования верхней конечности, манипуляционных воздействий на нее и обслуживания пациента. Данный протез подходит пациентам независимо от количества ампутированных верхних конечностей, их поперечных размеров и уровня ампутации.The invention relates to the field of medical technology, namely to adaptive mobile spatial robotic manipulators as applied to robotic prosthetics and prosthetics and is intended for prosthetics of the upper limb, manipulation effects on it and patient care. This prosthesis is suitable for patients regardless of the number of amputated upper limbs, their transverse dimensions and the level of amputation.
Из уровня техники известны следующие решения.The following solutions are known from the prior art.
Известна искусственная рука с цифровым управлением. Устройство представляет собой интегрированный дистанционный манипулятор с цифровым управлением, способный воспроизводить все основные движения предплечья, запястья и кисти человека. (US 4246661. Pinson G.T. Digitally-controlled artificial hand. Jan. 27, 1981. МПК A61F 1/00; A61F 1/06).Known artificial hand with digital control. The device is an integrated, digitally controlled remote manipulator capable of reproducing all the basic movements of the human forearm, wrist and hand. (US 4246661. Pinson G. T. Digitally-controlled artificial hand. Jan. 27, 1981. IPC A61F 1/00; A61F 1/06).
Известен протез предплечья, содержащий искусственную электромеханическую кисть с биоэлектрическим управлением приводом, несущую гильзу, соединенную с опорным корпусом и снабженную элементами крепления, приемную гильзу, размещенную в несущей гильзе с возможностью поворота, привод ротации кисти, привод сгибания кисти, разъемный наплечник с возможностью охвата плечевого сустава руки (Буров Г.Н., Большаков В.А. Протез предплечья. Патент РФ на изобретение №2615278. МПК A61F 2/54; A61F 2/56; A61F 2/58; A61F 2/68; A61F 2/72. Опубл. в БИ, №10, 2017).Known prosthesis of the forearm, containing an artificial electromechanical hand with bioelectric drive control, a supporting sleeve connected to the support body and equipped with fastening elements, a receiving sleeve placed in the supporting sleeve with the ability to rotate, a hand rotation drive, a hand flexion drive, a detachable shoulder pad with the ability to cover the shoulder arm joint (Burov G.N., Bolshakov V.A. Forearm prosthesis. RF patent for invention No. 2615278. IPC A61F 2/54; A61F 2/56; A61F 2/58; A61F 2/68; A61F 2/72. Published in BI, No. 10, 2017).
Известен электромеханический протез кисти на длинную культю предплечья, содержащий корпус, приемную гильзу, каркасы пальцев, механизм движения кисти, систему управления кистью с блоком автономного питания. (Ершов С.В., Лапицкий Д.Ю., Андреев Б.Д., и др. Электромеханическая кисть. Патент РФ на изобретение №2663942. МПК A61F 2/54, A61F 2/56, A61F 2/72. Опубл. в БИ, №23, 2018).Known electromechanical hand prosthesis on a long stump of the forearm, containing a housing, a receiving sleeve, finger frames, a hand movement mechanism, a hand control system with an autonomous power supply unit. (Ershov SV, Lapitsky D.Yu., Andreev BD, et al. Electromechanical brush. RF patent for invention No. 2663942. IPC A61F 2/54, A61F 2/56, A61F 2/72. Publ. in BI, No. 23, 2018).
Известно устройство искусственной руки, в котором лучезапястный сустав и сустав большого пальца выполнены в виде пространственных механизмов параллельной структуры (ЕР 1340478 B1. Fig. 14. Yasui, Yuji; Kiyomoto, Hiroshi; Usukura, Isao, et al. Parallel linkage and artificial joint device using the same. 10.10.2007, Bulletin 2007/41. МПК A61F 2/66; B62D 57/02-прототип). При этом в механизме лучезапястного сустава основание в виде плоской монтажной пластины, с одной стороны, жестко соединяется с гильзой культи. С другой стороны основание через четыре стержня изменяемой длины с линейными приводами и один стержень неизменяемой длины с шаровыми шарнирами на их концах подвижно соединено с платформой, жестко связанной с несущей конструкцией кисти руки с подвижными пальцами. При этом большой палец снабжен пространственным механизмом параллельной структуры, основанием которого служит несущая конструкция кисти руки, а подвижная платформа связана с фалангами большого пальца. В свою очередь, пространственный механизм параллельной структуры большого пальца через три стержня изменяемой длины с линейными приводами и один стержень неизменяемой длины с шаровыми шарнирами на их концах подвижно соединяет платформу с фалангами большого пальца с несущей конструкцией кисти руки. Пространственная подвижность механизмов параллельной структуры позволяет приблизить движения искусственных суставов к естественным. После остановки линейных приводов описанные пространственные структуры становится фермами, в которых все стержни работают на растяжение-сжатие. Благодаря этому пространственные механизмы параллельной структуры искусственных суставов обладают более высокими удельной жесткостью и весом по сравнению с электромеханическими протезами рук последовательного действия, в которых несущие элементы конструкции работают на изгиб и кручение. Управление движениями искусственной руки осуществляется от системы управления, включающей контроллер, источник питания, датчик положения сустава. Волевые команды от пациента формируются в имплантированном в его мозг чипе, который электрически связан с датчиком положения сустава и контроллером системы управления. На основе волевых команд и показаний датчика пространственного положения сустава система управления искусственной рукой формирует управляющие команды которые согласованно подаются на исполнительные органы в виде линейных приводов пространственных механизмов параллельной структуры и организуют требуемые пространственные движения подвижных частей искусственной руки. Схватывание предметов осуществляется путем их прижатия механизмом большого пальца к несущей конструкции кисти руки (поверхности, имитирующей ладонь). Кроме того, устройство позволяет передавать волевые команды к системе управления не только через имплантируемый в мозг чип, но и с помощью других средств, таких, например, как датчики обнаружения изменений в потенциале нервной системы, датчики обнаружения движения мышц, а также датчики обнаружения голоса пользователя.An artificial hand device is known in which the wrist joint and the thumb joint are made in the form of spatial mechanisms of a parallel structure (EP 1340478 B1. Fig. 14. Yasui, Yuji; Kiyomoto, Hiroshi; Usukura, Isao, et al. Parallel linkage and artificial joint device using the same. 10.10.2007, Bulletin 2007/41. IPC
Указанные устройства имеют следующие недостатки:These devices have the following disadvantages:
• отсутствует адаптация протеза к поперечным размерам культи и уровням ампутации верхней конечности и требуется его индивидуальная подгонка;• there is no adaptation of the prosthesis to the transverse dimensions of the stump and the levels of amputation of the upper limb and requires its individual adjustment;
• самостоятельная установка протезов на культи обеих верхних конечностей крайне затруднена;• independent installation of prostheses on the stumps of both upper extremities is extremely difficult;
• отсутствие очувствления может привести к разрушению хрупких предметов при их схватывании пальцами искусственной кисти;• lack of sensation can lead to the destruction of fragile objects when they are seized by the fingers of an artificial brush;
• отсутствует возможность надежного схватывания разнообразных предметов, независимо от их геометрической формы, размеров и физических свойств материала изготовления;• there is no possibility of reliable gripping of various objects, regardless of their geometric shape, size and physical properties of the material of manufacture;
• отсутствует возможность схватывания нескольких предметов и одновременного манипулирования ими;• there is no possibility of grasping several objects and simultaneously manipulating them;
• отсутствует возможность самоустановки протеза на культю и его самоснятие, а также самоперемещения внутри помещения, например, до места хранения или/и зарядки источника питания и обратно;• there is no possibility of self-installation of the prosthesis on the stump and its self-removal, as well as self-movement inside the room, for example, to the place of storage and / and charging the power source and back;
• отсутствие возможности самодоставки пациенту каких-либо предметов, находящихся в помещении;• the lack of the possibility of self-delivery to the patient of any items in the room;
• отсутствие возможности передачи системе управления протезом информации о пространственных координатах местоположения контактной поверхности культи пациента в помещении;• inability to transfer information about the spatial coordinates of the location of the contact surface of the patient's stump in the room to the prosthesis control system;
Техническим результатом предлагаемых адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора для протезирования верхней конечности пациента и способа обслуживания пациента посредством адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора является снижение массовых характеристик и расширение функциональных возможностей за счет:The technical result of the proposed adaptive mobile spatial robot-manipulator for prosthetics of the upper limb of a patient and a method of servicing the patient by means of an adaptive mobile spatial robot-manipulator is to reduce mass characteristics and expand functionality due to:
• адаптации протеза к поперечным размерам культи и его самоустановки (самоснятия) независимо от уровня ампутации и количества ампутированных конечностей;• adaptation of the prosthesis to the transverse dimensions of the stump and its self-installation (self-removal), regardless of the level of amputation and the number of amputated limbs;
• надежного и очувствленного схватывания разнообразных предметов, независимо от их геометрической формы, размеров и физических свойств материала изготовления;• reliable and sensible grasping of various objects, regardless of their geometric shape, size and physical properties of the material of manufacture;
• возможности схватывания нескольких предметов и одновременного манипулирования ими;• the possibility of grasping several objects and simultaneously manipulating them;
• самоперемещения протеза внутри помещения, например, до места его хранения или/и зарядки источника питания и обратно;• self-movement of the prosthesis inside the room, for example, to the place of its storage and / and charging the power source and back;
• самодоставки пациенту каких-либо предметов, находящихся в помещении с помощью протеза;• self-delivery to the patient of any items that are in the room with the help of a prosthesis;
• передачи системе управления протезом информации о пространственных координатах местоположения контактной поверхности культи пациента в помещении;• transmission to the prosthesis control system information about the spatial coordinates of the location of the contact surface of the patient's stump in the room;
• управления протезом через сотовую связь, беспроводное или спутниковое соединение, а также Интернет.• control of the prosthesis via cellular communication, wireless or satellite connection, as well as the Internet.
Это достигается тем, что в адаптивном мобильном пространственном роботе-манипуляторе для протезирования верхней конечности пациента, содержащем искусственный сустав в виде пространственного механизма параллельной структуры с исполнительными органами в виде линейных приводов с датчиками относительного перемещения, механически соединенный со схватом с одной стороны и гильзой культи верхней конечности с датчиком пространственного положения - с другой, систему управления электрически соединенную с датчиком пространственного положения гильзы культи, исполнительными органами и средствами формирования волевых команд пациента, пространственный механизм параллельной структуры выполнен в виде октаэдрального модуля в исходном положении с ребрами в виде стержней, концы которых шарнирно соединены в вершинах октаэдрального модуля, при этом стержни снабжены линейными приводами с осевыми датчиками силы и относительной скорости, причем стержни выполнены с возможностью изменения их длины по управляющим командам на линейные приводы от системы управления, при этом, одна из граней октаэдрального модуля выполнена стыковочной и снабжена трехупорным упругим стыковочным схватом, а остальные четыре рабочие грани, не имеющих со стыковочной гранью общих линейных приводов, снабжены трехупорными жесткими и трехупорными упругими схватами, при этом каждый из упругих упоров трехупорного схвата выполнен в виде пластин из упругого материала, концы которых жестко соединены с концами соответствующих линейных приводов, образующих соответствующие стыковочную и рабочую грани октаэдрального модуля, при этом пластины из упругого материала установлены на линейных приводах в положении их максимальной длины и с начальным прогибом в сторону центра соответствующей грани, а каждый из трехупорных жестких схватов грани расположен в ее плоскости и выполнен в виде трех двузвенных шарнирных устройств, наружные концы которых соединены цилиндрическими шарнирами с концами соответствующих линейных приводов, образующих данную грань октаэдрального модуля, при этом контактные поверхности упругих упоров стыковочного схвата снабжены электродами и выполнены с возможностью механического и электрического соединения с гильзой культи верхней конечности и расположенными на ней электродами средств формирования волевых команд пациента, а вершины октаэдрального модуля снабжены совмещенными датчиками пространственного положения и ускорений, выполненными в виде трехосных блоков гироскопов-акселерометров, при этом средства формирования волевых команд, датчики силы, относительной скорости и совмещенные датчики пространственного положения и ускорений электрически соединены через аналого-цифровые преобразователи с системой управления, включающей нейрокомпьютер с соответствующим программно-алгоритмическим обеспечением, выполненной с возможностью оперативного контроля и управления в реальном режиме времени, выходы которой через последовательно соединенные цифро-аналоговые преобразователи и усилители мощности электрически соединены с линейными приводами, а также через беспроводное соединение с датчиком пространственного положения гильзы культи верхней конечности, при этом каждая из вершин октаэдрального модуля может быть выполнена с возможностью установки дополнительных мониторинговых и манипуляционных устройств.This is achieved by the fact that in an adaptive mobile spatial robot-manipulator for prosthetics of the upper limb of a patient, containing an artificial joint in the form of a spatial mechanism of a parallel structure with actuators in the form of linear drives with sensors of relative displacement, mechanically connected to a grab on one side and a sleeve of the upper stump limbs with a spatial position sensor - on the other hand, the control system is electrically connected to the spatial position sensor of the stump sleeve, actuators and means of forming volitional commands of the patient, the spatial mechanism of the parallel structure is made in the form of an octahedral module in the initial position with ribs in the form of rods, the ends of which are hinged are connected at the vertices of the octahedral module, while the rods are equipped with linear drives with axial force and relative velocity sensors, and the rods are made with the ability to change their length according to the control commands to linear drives from the control system, while one of the faces of the octahedral module is made with a docking and equipped with a three-shoulder elastic docking gripper, and the remaining four working faces that do not have common linear drives with the docking face are equipped with three-bearing rigid and three-bearing elastic grips, while each of the elastic stops of the three-bearing grip is made in the form of plates of elastic material, the ends of which are rigidly connected to the ends of the corresponding linear drives, forming the corresponding docking and working faces of the octahedral module, while the plates of elastic material are installed on the linear drives in the position of their maximum length and with initial deflection towards the center of the corresponding face, and each of the three-thrust rigid grips of the face is located in its plane and is made in the form of three two-link hinge devices, the outer ends of which are connected by cylindrical hinges with the ends of the corresponding linear drives that form the given the end face of the octahedral module, while the contact surfaces of the elastic stops of the docking grip are equipped with electrodes and are made with the possibility of mechanical and electrical connection with the sleeve of the upper limb stump and the electrodes located on it for the formation of volitional commands of the patient, and the vertices of the octahedral module are equipped with combined sensors of the spatial position and accelerations , made in the form of triaxial blocks of gyroscopes-accelerometers, while the means for generating volitional commands, force sensors, relative speed sensors and combined spatial position and acceleration sensors are electrically connected through analog-to-digital converters with a control system that includes a neurocomputer with appropriate software and algorithmic software, made with the possibility of operational monitoring and control in real time, the outputs of which through series-connected digital-to-analog converters and power amplifiers electrically connected with linear actuators, as well as through a wireless connection with the sensor of the spatial position of the sleeve of the upper limb stump, while each of the vertices of the octahedral module can be configured with the possibility of installing additional monitoring and manipulation devices.
Это достигается тем, что в способе обслуживания пациента посредством адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора, включающем его установку на гильзу культи верхней конечности и управление пространственным перемещением его элементов путем контроля длин всех стержней линейных приводов и определение пространственных координат его элементов с помощью датчиков относительного перемещения линейных приводов, датчика пространственного положения гильзы культи верхней конечности, системы управления и средств формирования волевых команд пациента, перед установкой адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора на гильзу культи верхней конечности, устанавливают беспроводное соединение между средствами формирования волевых команд пациента и системой управления, затем в систему управления вводят образцы голосовых команд пользователя с характеристиками схватываемых предметов, планировку помещения и координаты предметов пользования, включая устройство беспроводной зарядки источника питания и связывают их с базовой системой координат и самоустанавливают адаптивный мобильный пространственный робот-манипулятор на гильзу культи верхней конечности, при этом культю с гильзой подводят к стыковочной грани и подают голосовую команду системе управления на схватывание гильзы, далее в режиме реального времени по беспроводному соединению в систему управления от датчика пространственного положения гильзы культи верхней конечности поступают ее пространственные координаты относительно базовой системы координат, которые анализируют и формируют управляющие команды к линейным приводам, согласованно изменяют их длины и совмещают плоскость стыковочного схвата со стыковочной плоскостью гильзы культи, после этого линейные приводы отключают и уменьшают длины линейных приводов стыковочного схвата и производят схватывание гильзы культи верхней конечности упругими упорами с заданными усилиями, которые определяют по показаниям датчиков силы, после этого линейные приводы стыковочной грани отключают и приступают к эксплуатации, при которой используют все свободные схваты, при этом перед схватыванием предмета выбирают плоскость контакта с предметом, организуют согласованное движение культи верхней конечности и соответствующих линейных приводов и совмещают с выбранной плоскостью плоскость схвата, при этом плоскость контакта охватываемого предмета располагают внутри схвата, а плоскость контакта охватывающего предмета располагают снаружи вершин грани схвата и осуществляют согласованное изменение длин ее стержней и схватывают предмет с требуемыми усилиями, которое определяю по показаниям датчиков силы, после этого линейные привода отключают и вычисляют координаты вершин граней относительно базовой системы координат, при этом перед схватыванием предмета голосовой командой называют характеристики предмета, а при голосовом управлении схватом называют его обозначение, далее согласованно двигают культей верхней конечности и изменяют длины стержней свободных граней и осуществляют требуемое манипулирование предметом, далее предмет устанавливают на выбранное место, пространственное положение которого относительно базовой системы координат определяют по показаниям датчиков пространственного положения культи и вершин октаэдрального модуля, а также датчиков относительного перемещения, и согласованно изменяют длины стержней грани схвата и предмет освобождают от схвата и приступают к дальнейшей эксплуатации адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора, после окончания эксплуатации пациент подает голосовую команду на освобождение гильзы культи от стыковочного схвата и подзарядку источника питания, при этом длины стержней стыковочной грани увеличивают, гильзу освобождают и соответствующие линейные привода выключают, и устанавливают контакт одной из граней октаэдрального модуля с поверхностью перемещения, уменьшают длины ее стержней до минимального значения и соответствующие линейные приводы выключают, далее по показаниям датчиков пространственного положения вершин октаэдрального модуля в системе управления определяют их пространственные координаты относительно базовой системы координат, сравнивают с пространственными координатами устройства беспроводной зарядки источника питания, формируют маршрут следования, траекторию которого при необходимости разбивают на повороты и прямолинейные участки, и алгоритм управляющих команд на линейные привода октаэдрального модуля, затем согласованно изменяют длины линейных приводов и организуют ползающее движение октаэдрального модуля по контактируемой поверхности до конечного пункта маршрута следования, при этом прямолинейный участок траектории прокладывают от вершины контактируемой с поверхностью грани близлежащей к конечному пункту маршрута следования или точке поворота к следующему прямолинейному участку траектории, далее организуют поворот биссектрисы, проходящей через лежащую на траектории вершину и совмещают ее с прямолинейным участком траектории, при этом согласованно изменяют длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения и смещают проекцию центра тяжести октаэдрального модуля на контактируемую поверхность в сторону лежащей на траектории и наиболее удаленной от нее вершин и обеспечивают превышение давления от веса октаэдрального модуля на каждую из них по отношению к давлению от веса октаэдрального модуля на близлежащую к траектории вершину, после этого выключают соответствующие линейные привода и увеличивают длину стержня, соединяющего не лежащие на траектории вершины, при этом близлежащую к траектории вершину перемещают и поворачивают связанный с ним стержень относительно вершины лежащей на траектории на угол 30 градусов относительно траектории и соответствующий привод выключают, после этого согласованно изменяют длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения и смещают проекцию центра тяжести октаэдрального модуля на контактируемую поверхность в сторону перемещенной вершины и вершины лежащей на траектории и обеспечивают превышение давления от веса октаэдрального модуля на каждую из них по отношению к давлению от веса октаэдрального модуля на третью вершину и выключают соответствующие линейные привода, далее максимально уменьшают длину стержня соединяющего вершины не лежащие на траектории, при этом биссектрису проходящую через лежащую на траектории вершину совмещают с прямолинейным участком траектории и соответствующий привод выключают, затем организуют прямолинейное движение октаэдрального модуля вдоль траектории, при этом согласованно изменяют длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения и смещают проекцию центра тяжести октаэдрального модуля на контактируемую поверхность в сторону не лежащих на траектории вершин и обеспечивают превышение давления от веса октаэдрального модуля на каждую из них по отношению к давлению от веса октаэдрального модуля на лежащую на траектории вершину, после этого выключают соответствующие линейные привода и синхронно увеличивают длины стержней связанных с вершиной, лежащей на траектории и перемещают ее вдоль прямолинейного участка траектории на заданную величину, которую определяют по показаниям датчиков относительного перемещения линейных приводов и соответствующие приводы выключают и синхронно увеличивают длины стержней связанных с вершиной лежащей на траектории и перемещают ее вдоль прямолинейного участка траектории на заданную величину, которую определяют по показаниям датчиков относительного перемещения линейных приводов и соответствующие приводы выключают, после этого согласованно изменяют длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения и смещают проекцию центра тяжести октаэдрального модуля на контактируемую поверхность в сторону вершины лежащей на траектории и обеспечивают превышение давления от веса октаэдрального модуля на нее по отношению к суммарному давлению от веса октаэдрального модуля на вершины не лежащие на траектории, после этого выключают соответствующие линейные привода и синхронно уменьшают длины стержней связанных с вершиной лежащей на траектории и симметрично и прямолинейно перемещают не лежащие на траектории вершины относительно траектории на заданную величину, которую определяют по показаниям датчиков относительного перемещения линейных приводов и соответствующие приводы выключают, после этого алгоритм прямолинейного движения октаэдрального модуля повторяют и обеспечивают его перемещение до конечного пункта маршрута или до точки поворота к следующему прямолинейному участку и алгоритм поворота и прямолинейного движения повторяют, затем все линейные приводы выключают, заряжают источник питания и включают режим ожидания команд, которые пациент передает системе управления через средства формирования волевых команд пациента.This is achieved by the fact that in the method of servicing the patient by means of an adaptive mobile spatial robot-manipulator, including its installation on the sleeve of the upper limb stump and control of the spatial movement of its elements by monitoring the lengths of all rods of linear drives and determining the spatial coordinates of its elements using linear relative displacement sensors drives, the sensor of the spatial position of the upper limb stump sleeve, the control system and the means for generating volitional commands of the patient, before installing the adaptive mobile spatial robot-manipulator on the sleeve of the upper limb stump, establish a wireless connection between the means for generating volitional commands of the patient and the control system, then into the control system enter the samples of the user's voice commands with the characteristics of the grasped objects, the layout of the room and the coordinates of the objects of use, including the wireless charger power sources and connect them to the base coordinate system and self-position the adaptive mobile spatial robot-manipulator on the sleeve of the upper limb stump, while the stump with the sleeve is brought to the docking edge and a voice command is given to the control system to grasp the sleeve, then in real time via wireless connection the control system receives its spatial coordinates relative to the base coordinate system from the sensor of the spatial position of the upper limb stump sleeve, which analyze and generate control commands to linear drives, change their lengths in concert and align the plane of the docking grip with the docking plane of the stump sleeve, after which the linear drives are disconnected and reduce the length of the linear drives of the docking grip and seize the sleeve of the upper limb stump with elastic stops with given forces, which are determined by the readings of the force sensors, after which the linear drives dock The th faces are turned off and started to operate, in which all free grips are used, while before grasping the object, the plane of contact with the object is selected, the coordinated movement of the stump of the upper limb and the corresponding linear drives is organized and the plane of the grip is combined with the selected plane, while the contact plane of the covered object are positioned inside the gripper, and the contact plane of the enclosing object is placed outside the vertices of the gripper face and the lengths of its rods are coordinated and the object is grasped with the required forces, which I determine from the readings of the force sensors, after which the linear drives are disconnected and the coordinates of the vertices of the faces relative to the base coordinate system are calculated, at the same time, before grasping the object, the characteristics of the object are called by a voice command, and with voice control of the gripper, its designation is called, then the stump of the upper limb is moved in concert and the lengths of the rods of the free edges are changed and the required manipulation of the object is performed, then the object is placed in the selected place, the spatial position of which relative to the base coordinate system is determined according to the readings of the sensors of the spatial position of the stump and the vertices of the octahedral module, as well as the relative displacement sensors, and the lengths of the rods of the gripping edge are changed in coordination and the object is freed from the grip and proceed to further operation of the adaptive mobile spatial robot-manipulator, after the end of operation, the patient gives a voice command to release the stump sleeve from the docking grip and recharge the power source, while the lengths of the docking face rods are increased, the sleeve is released and the corresponding linear drives are turned off, and contact is made to one from the faces of the octahedral module with a displacement surface, the lengths of its rods are reduced to a minimum value and the corresponding linear drives are turned off, then according to the readings of the spatial the positions of the vertices of the octahedral module in the control system determine their spatial coordinates relative to the base coordinate system, compare with the spatial coordinates of the wireless charging device of the power source, form a route, the trajectory of which is, if necessary, divided into turns and straight sections, and the algorithm of control commands into linear drives of the octahedral module , then consistently change the lengths of the linear actuators and organize the creeping movement of the octahedral module along the contacting surface to the final point of the route, while the straight section of the trajectory is laid from the top of the face in contact with the surface close to the final point of the route or turning point to the next straight section of the trajectory, then organize the rotation of the bisector passing through the vertex lying on the trajectory and combine it with the rectilinear section of the trajectory, while consistently changing the lengths rzhny, in addition to the rods of the face in contact with the displacement surface and displace the projection of the center of gravity of the octahedral module onto the contact surface towards the vertices lying on the trajectory and the most distant from it and provide an excess of pressure from the weight of the octahedral module on each of them in relation to the pressure from the weight of the octahedral module to the vertex closest to the trajectory, then the corresponding linear drives are turned off and the length of the rod connecting the vertices not lying on the trajectory is increased, while the vertex closest to the trajectory is moved and the rod associated with it is rotated relative to the vertex lying on the trajectory at an angle of 30 degrees relative to the trajectory and the corresponding drive is turned off, then the lengths of the rods are changed in agreement, except for the rods of the face in contact with the displacement surface and the projection of the center of gravity of the octahedral module onto the contacting surface is shifted towards the displaced vertex and the vertex lying on the trajectory and provide an excess of pressure from the weight of the octahedral module on each of them in relation to the pressure from the weight of the octahedral module to the third vertex and turn off the corresponding linear actuators, then maximally reduce the length of the rod connecting the vertices not lying on the trajectory, while the bisector passing through the one lying on the trajectory the vertex is aligned with the rectilinear section of the trajectory and the corresponding drive is turned off, then the rectilinear movement of the octahedral module along the trajectory is organized, while the lengths of the rods are coordinated, except for the rods of the face in contact with the displacement surface and the projection of the center of gravity of the octahedral module onto the contact surface is shifted towards trajectories of the vertices and provide an excess of pressure from the weight of the octahedral module on each of them in relation to the pressure from the weight of the octahedral module to the vertex lying on the trajectory, then the corresponding linear drives are turned off and synchronous o increase the lengths of the rods connected to the vertex lying on the trajectory and move it along the rectilinear section of the trajectory by a predetermined value, which is determined from the readings of the relative displacement sensors of the linear drives and the corresponding drives turn off and synchronously increase the lengths of the rods associated with the vertex lying on the trajectory and move it along the straight section of the trajectory by a predetermined value, which is determined according to the readings of the sensors of the relative displacement of the linear drives and the corresponding drives are turned off, then the lengths of the rods are coordinated, except for the rods of the face in contact with the displacement surface and the projection of the center of gravity of the octahedral module is shifted onto the contact surface towards the vertex of the lying on the trajectory and provide an excess of pressure from the weight of the octahedral modulus on it in relation to the total pressure from the weight of the octahedral modulus to the vertices that do not lie on the trajectory, then turn off the corresponding existing linear drives and synchronously reduce the lengths of the rods associated with the vertex lying on the trajectory and symmetrically and rectilinearly move the vertices that do not lie on the trajectory relative to the trajectory by a given value, which is determined by the readings of the relative displacement sensors of the linear drives and the corresponding drives are turned off, after which the algorithm of rectilinear octahedral motion the module is repeated and its movement is provided to the final destination of the route or to the turning point to the next straight section and the algorithm of turning and rectilinear movement is repeated, then all linear actuators turn off, charge the power source and turn on the waiting mode for commands that the patient transmits to the control system through the means of forming volitional patient commands.
При этом для перемещения октаэдрального модуля по неровной поверхности организуют его перекатывающееся движение, при котором согласованно увеличивают длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения и смещают проекцию центра тяжести октаэдрального модуля за пределы линии, проходящей через точки контакта с поверхностью двух выбранных смежных вершин и осуществляют плавный поворот октаэдрального модуля до контакта смежной грани с поверхностью, после этого длины стержней уменьшают до первоначального состояния и соответствующие приводы выключают, далее выбирают следующую ось поворота октаэдрального модуля и алгоритм перекатывающегося движения повторяют.At the same time, to move the octahedral module along an uneven surface, its rolling motion is organized, in which the lengths of the rods are increased in concert, except for the face rods in contact with the displacement surface and the projection of the center of gravity of the octahedral module is shifted beyond the line passing through the points of contact with the surface of two selected adjacent vertices and smooth rotation of the octahedral module is performed until the adjacent face contacts the surface, after which the lengths of the rods are reduced to the initial state and the corresponding drives are turned off, then the next axis of rotation of the octahedral module is selected and the rolling motion algorithm is repeated.
При этом для перемещения октаэдрального модуля по неровной поверхности и недостаточным рабочим ходом линейных приводов организуют его перекатывающееся движение с использованием сил инерции, при котором длину стержней согласованно увеличивают с заданной величиной ускорения и выключают соответствующие линейные приводы в заданный момент времени, которые определяют с помощью датчиков относительного перемещения, относительной скорости, совмещенных датчиков пространственного положения и ускорений, при этом на октаэдральный модуль действуют силы инерции, которые поворачивают его относительно оси между точками контакта с поверхностью выбранных вершин, после этого длины стержней уменьшают до первоначального состояния и соответствующие приводы выключают, далее выбирают следующую ось поворота октаэдрального модуля и алгоритм перекатывающегося движения с использованием сил инерции повторяют.At the same time, to move the octahedral module over an uneven surface and insufficient working stroke of linear drives, its rolling motion is organized using inertial forces, in which the length of the rods is consistently increased with a given acceleration value and the corresponding linear drives are turned off at a given moment in time, which are determined using relative displacement, relative speed, combined spatial position and acceleration sensors, while the octahedral module is acted upon by inertial forces that rotate it about the axis between the points of contact with the surface of the selected vertices, after which the lengths of the rods are reduced to the initial state and the corresponding drives are turned off, then the next one is selected the axis of rotation of the octahedral module and the rolling motion algorithm using inertia forces are repeated.
При этом для преодоления препятствий на пути перемещения октаэдрального модуля организуют его прыгающее движение с использованием сил инерции, при котором перед прыжком вертикальные стержни ориентируют в сторону прыжка и их длину согласованно увеличивают с заданной величиной ускорения и выключают соответствующие линейные приводы в заданный момент времени, которые определяют с помощью датчиков относительного перемещения, относительной скорости, совмещенных датчиков пространственного положения и ускорений, при этом на октаэдральный модуль действуют силы инерции, которые отрывают его от поверхности и перемещают в заданном направлении, после окончания прыжка и преодоления препятствия длины стержней уменьшают до первоначального состояния и соответствующие приводы выключают, далее продолжают движение октаэдрального модуля по выбранному алгоритму.At the same time, to overcome obstacles on the way of movement of the octahedral module, its jumping movement is organized using the forces of inertia, in which, before the jump, the vertical rods are oriented in the direction of the jump and their length is consistently increased with a given value of acceleration and the corresponding linear drives are turned off at a given moment in time, which determine with the help of sensors of relative displacement, relative speed, combined sensors of spatial position and acceleration, while the octahedral module is acted upon by inertial forces that tear it off the surface and move it in a given direction, after the end of the jump and overcoming the obstacle, the lengths of the rods are reduced to the initial state and the corresponding the drives are turned off, then the movement of the octahedral module is continued according to the selected algorithm.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение октаэдрального модуля ABCDEF адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора для протезирования верхней конечности пациента. Стрелками показаны направления возможных изменений длин линейных приводов ребер октаэдрального модуля ABCDEF.FIG. 1 shows a schematic representation of the octahedral module ABCDEF of an adaptive mobile spatial robotic arm for prosthetics of a patient's upper limb. The arrows show the directions of possible changes in the lengths of the linear drives of the edges of the octahedral module ABCDEF.
На фиг. 2 представлена структурная схема адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора для протезирования верхней конечности.FIG. 2 shows a block diagram of an adaptive mobile spatial robot-manipulator for upper limb prosthetics.
На фиг. 3 показан прототип грани октаэдрального модуля с трехупорным упругим схватом.FIG. 3 shows a prototype of a facet of an octahedral module with a three-shoulder elastic grip.
На фиг. 4 показана схема фиксации стыковочной грани с трухупорным упругим схватом на предплечье.FIG. 4 shows a diagram of fixing the docking face with a rotary elastic grip on the forearm.
На фиг. 5 показан пример фиксации мобильного телефона с помощью прототипа трухупорного упругого схвата.FIG. 5 shows an example of fixing a mobile phone using a prototype rotary resilient gripper.
На фиг. 6 показан прототип грани октаэдрального модуля с трехупорным жестким схватом.FIG. 6 shows a prototype of an octahedral module face with a three-abutment rigid grip.
На фиг. 7 показан пример фиксации пузырька с лекарством с помощью прототипа трухупорного жесткого схвата.FIG. 7 shows an example of the fixation of a drug vial using a prototype rotten hard grip.
На фиг. 8 показан пример фиксации ножа с помощью прототипа трухупорного жесткого схвата.FIG. 8 shows an example of knife fixation using a prototype rotary hard gripper.
На фиг. 9 показан пример фиксации вилки с помощью прототипа трухупорного жесткого схвата.FIG. 9 shows an example of fork fixation using a prototype rotary rigid gripper.
На фиг. 10 показан пример фиксации зубной щетки с помощью прототипа трухупорного жесткого схвата.FIG. 10 shows an example of fixing a toothbrush using a prototype rotary hard gripper.
На фиг. 11 показан пример фиксации тюбика с зубной пастой с помощью прототипа трухупорного жесткого схвата.FIG. 11 shows an example of fixing a toothpaste tube using a prototype rotten hard grip.
На фиг. 12 показан пример фиксации бритвенного станка с помощью прототипа трухупорного жесткого схвата.FIG. 12 shows an example of securing a razor with a prototype rotary hard gripper.
На фиг. 13 показана схема перемещения октаэдрального модуля ABCDEF путем организации перекатывающегося движения по горизонтальной или наклонной поверхности за счет смещения его центра тяжести.FIG. 13 shows a diagram of the movement of the octahedral module ABCDEF by organizing a rolling motion along a horizontal or inclined surface due to the displacement of its center of gravity.
На фиг. 14 показано перемещение прототипа грани октаэдрального модуля ABCDEF путем организации ползания по-пластунски.FIG. 14 shows the movement of the prototype of the face of the octahedral module ABCDEF by organizing the crawl on the bellies.
На фиг. 15 показан пример возможного перемещения октаэдрального модуля ABCDEF адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора для протезирования верхней конечности пациента по горизонтальной поверхности внутри помещения от места его локального расположения до культи верхней конечности пациента и его самоустановка на ней.FIG. 15 shows an example of a possible movement of the octahedral module ABCDEF of an adaptive mobile spatial robot-manipulator for prosthetics of the patient's upper limb along a horizontal surface inside the room from its local location to the stump of the patient's upper limb and its self-installation on it.
Адаптивный мобильный пространственный робот-манипулятор для протезирования верхней конечности пациента, выполнен в виде октаэдрального модуля (ОМ) ABCDEF 1 в исходном положении, ребра которого выполнены в виде стержней, концы которых шарнирно соединены в вершинах 2 ОМ 1 (фиг. 1). Каждый из стержней снабжен линейным приводом 3 с осевыми датчиками силы 4, относительного перемещения, 5 и относительной скорости 6 и выполнен с возможностью изменения своей длины по управляющим командам на его линейный привод 3 от системы управления (СУ) 7, включающей нейрокомпьютер 8 с соответствующим программно-алгоритмическим обеспечением 9 (фиг. 2) и цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) 10. Концы линейных приводов 3 всех стержней, образующих ОМ 1 соединены с помощью сферических или эквивалентных им шарниров в его вершинах 2. При этом одна из граней ОМ 1, например DEF, выполнена стыковочной и снабжена трехупорным упругим схватом, каждый из упоров которого выполнен в виде упругой пластины 11 с электродом 12. При этом электроды 12 установлены на контактной поверхности пластин 11 с возможностью механического и электрического соединения с соответствующими электродами 13, расположенными на контактной поверхности гильзы культи 14 верхней конечности. На гильзе культи 14 верхней конечности установлен датчик пространственного положения 15, который через беспроводное соединение глобальной системы позиционирования GPS-ГЛОНАСС 16 связан с нейрокомпьютером 8. Пациент связан с СУ 7 через средства формирования волевых команд, включающие имплантированный в его мозг чип 17, датчик обнаружения изменений потенциала нервной системы (на фигуре 1 условно не показан), датчик обнаружения движения мышц (на фигуре 1 условно не показан), датчик звуковых колебаний 18, а также их комбинации. При этом чип 17 и датчики обнаружения изменений потенциала нервной системы и движения электрически связаны с СУ 7 через, электроды 13 и 12 и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 19, а датчик звуковых колебаний 18 - через звуковые волны голосовых команд пациента и АЦП 20. Концы упругой пластины 11 жестко соединены с концами соответствующего линейного привода 3 и установлены на нем в положении его максимальной длины и с начальным прогибом в сторону центра данной грани. При этом остальные четыре грани ОМ 1, не имеющие со стыковочной гранью общих линейных приводов 3, снабжены трехупорными упругими схватами без электродов, кинематически подобными стыковочному, и/или трехупорными жесткими схватами в виде трех двухзвенных шарнирных устройств 21, наружные концы которых соединены цилиндрическими шарнирами с концами соответствующих линейных приводов 3. Внутренние концы двухзвенных шарнирных устройств 21, соответствующей грани ОМ 1 соединены цилиндрическими шарнирами с образованием адаптивных схватов (фиг. 1-2). При необходимости каждая из вершин 2 может быть выполнена с возможностью установки дополнительных мониторинговых и манипуляционных устройств (на фигурах условно не показаны).An adaptive mobile spatial robotic arm for prosthetics of the patient's upper limb is made in the form of an octahedral module (OM) ABCDEF 1 in the initial position, the ribs of which are made in the form of rods, the ends of which are pivotally connected at the
Вершины 2 ОМ 1 снабжены совмещенными датчиками пространственного положения 22 и ускорений 23, которые выполнены в виде трехосных блоков гироскопов-акселерометров и служат для оперативного контроля пространственного положения каждой из вершин 2 и виброускорений вдоль каждой из осей стержней с линейными приводами 3.
Входы СУ 7 через шины данных АЦП подключены соответственно к выходам АЦП 24 датчиков силы 4, АЦП 25 датчиков относительного перемещения 5, АЦП 26 датчиков относительной скорости 6; АЦП 27 совмещенных датчиков пространственного положения и ускорений 22 и 23, а выходы СУ 7 через шины выходных данных подключены к соответствующим входам программно-алгоритмического обеспечения 9 и последовательно соединенных ЦАП 10, усилителей мощности 28 и исполнительных органов в виде линейных приводов 3. При этом СУ 7 и система энергопитания (на фигурах условно не показана) выполнены автономными.The inputs of the
Адаптивный мобильный пространственный робот-манипулятор для протезирования верхней конечности пациента, выполненный в виде ОМ 1 (в исходном положении), работает следующим образом.An adaptive mobile spatial robotic arm for prosthetics of the patient's upper limb, made in the form of OM 1 (in the initial position), operates as follows.
ОМ 1 является базовым элементом и позволяет объединяться через любую из граней (кроме стыковочной) с подобными модулями с образованием двух и многомодульных манипуляционных структур. Для этого перед объединением удаляют одну из стыкуемых граней вместе с ее вершинами 2, а образовавшиеся свободные концы боковых граней шарнирно подсоединяют к свободным концам вершин 2.OM 1 is a basic element and allows combining through any of the faces (except for the docking one) with similar modules to form two and multi-modular manipulation structures. To do this, before joining, one of the abutting faces is removed together with its
Каждая из граней ОМ 1 снабжена трехупорным упругим или трехупорным жестким схватом. (фиг. 1, 2, 15). При этом стыковочный трехупорный упругий схват предназначен для самоустановки ОМ 1 на гильзе культи верхней конечности (фиг. 1,4, 15), а остальные трехупорные упругие схваты - для схватывания предметов с разнообразной геометрической формой и размерами, а также физическими свойствами материала. Схватывание предметов и гильзы культи 14 происходит путем уменьшения длин линейных приводов 3 соответствующих граней ОМ 1 и последующего контакта упругих пластин 11 или двухзвенных шарнирных устройств 21 с поверхностью схватываемого предмета с заданным сжимающим усилием. Процесс схватывания предмета прекращается либо по сигналам от осевых датчиков силы 4, либо по голосовой команде пациента, например, «СТОП». На фиг. 3-12 показаны примеры организации схватывания и фиксации предметов с разнообразной геометрической формой, размерами и физическими свойствами материала с помощью прототипов трехупорных упругих (фиг. 3-5) и жестких (фиг. 6-12) схватов. Кроме того на контактной поверхности упругих и жестких схватов при необходимости могут быть установлены датчики температуры (на фиг. не показаны). С помощью датчиков относительного перемещения 5, датчиков пространственного положения 15 и 22 осуществляется контроль позиционирования схватываемого предмета в пространстве, а с помощью осевых датчиков силы 4, датчиков относительной скорости 6 и датчиков ускорений 23 - скорости и ускорения движений схватов, а также ударно-вибрационных воздействий на схваченный предмет.Each of the faces of OM 1 is equipped with a three-bearing elastic or three-bearing rigid gripper. (fig. 1, 2, 15). At the same time, the docking three-point elastic gripper is intended for self-installation of OM 1 on the sleeve of the upper limb stump (Figs. 1,4, 15), and the remaining three-point elastic grips are intended for grasping objects with various geometric shapes and sizes, as well as physical properties of the material. The seizure of objects and the sleeve of the stump 14 occurs by reducing the lengths of the
При этом сигналы от датчиков поступают на входы АЦП 19, 20, 24-27 и через шину данных в нейрокомпьютер 8 СУ 7. После обработки в реальном масштабе времени данных с использованием соответствующего программно-алгоритмического обеспечения 9, формируются управляющие команды, которые через ЦАП 10 и усилители мощности 28 поступают на исполнительные органы (линейные привода 3), и ОМ 1 изменяет свою геометрическую форму (трансформируется).In this case, the signals from the sensors are fed to the inputs of the
Способ обслуживания пациента посредством адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора для протезирования его верхней конечности реализуется следующим образом. Способ включает установку адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора в виде ОМ 1 на гильзу культи 14 верхней конечности (фиг. 1, 4, 15), управление пространственным перемещением его элементов путем контроля с помощью датчиков относительного перемещения 5 длин всех стержней линейных приводов 3 и определение пространственных координат его элементов с помощью датчиков относительного перемещения 5 линейных приводов 3, датчика пространственного положения 15 гильзы культи 14 верхней конечности и датчиков пространственного положения 22 вершин 2 ОМ 1, СУ 7 и средств формирования волевых команд пациента. При этом перед установкой ОМ 1 на гильзу культи 14 верхней конечности пациента, устанавливают беспроводное соединение между средствами формирования волевых команд пациента, включающие имплантированный в его мозг чип 17, датчик обнаружения изменений потенциала нервной системы (на фигуре 1 условно не показан), датчик обнаружения движения мышц (на фигуре 1 условно не показан), датчик звуковых колебаний 18, а также их комбинации, и СУ 7 (фиг. 1). После этого в СУ 7 вводят образцы голосовых команд пользователя с характеристиками схватываемых предметов, планировку помещения и координаты предметов пользования, включая устройство беспроводной зарядки источника питания и связывают их с базовой системой координат и самоустанавливают ОМ 1 на гильзу культи 14 верхней конечности. При этом культю с гильзой 14 подводят к стыковочной грани и подают голосовую команду СУ 1 на схватывание гильзы 14, далее в режиме реального времени по беспроводному соединению в СУ 7 от датчика пространственного положения 15 гильзы культи 14 верхней конечности поступают ее пространственные координаты относительно базовой системы координат, которые анализируют и формируют управляющие команды к линейным приводам 3. Далее, согласованно изменяют длины линейных приводов 3 стержней ОМ 1 (AD, АЕ, BD, BF, CF, СЕ) таким образом, чтобы совместить плоскость стыковочного схвата ОМ1 (стыковочная грань ABC) со стыковочной плоскостью гильзы культи 14 (фиг. 15). После этого линейные приводы 3 стержней ОМ1 (AD, АЕ, BD, BF, CF, СЕ) отключают и уменьшают длины линейных приводов 3 стержней АВ, ВС, СА стыковочного схвата ОМ 1 и производят схватывание гильзы культи 14 верхней конечности упругими упорами с заданными усилиями, которые определяют по показаниям осевых датчиков силы 4. После этого линейные приводы 3 стыковочной грани ABC отключают и приступают к эксплуатации ОМ 1, при которой используют все свободные схваты (грани DEF, DBF, FCE, DAE). При этом перед схватыванием предмета выбирают плоскость контакта с предметом, организуют согласованное движение культи 14 верхней конечности и соответствующих линейных приводов 3 и совмещают с выбранной плоскостью плоскость схвата. При этом плоскость контакта охватываемого предмета располагают внутри схвата, а плоскость контакта охватывающего предмета располагают снаружи вершин грани схвата и осуществляют согласованное изменение длин ее стержней с помощью соответствующих линейных приводов 3 и схватывают предмет с требуемыми усилиями, которое определяют по показаниям осевых датчиков силы 4. После этого линейные привода 3 отключают и вычисляют координаты вершин 2 граней ОМ 1 относительно базовой системы координат. При этом перед схватыванием предмета голосовой командой называют характеристики предмета (например, «мягкий предмет», «твердый предмет», «хрупкий предмет» и т.д.), а при голосовом управлении схватом называют его обозначение (например, ABC DEF, DBF, FCE, DAE или «схват 1, 2, 3, 4, 5»). Далее совершают требуемое пространственное манипулирование предметом путем согласованных движений гильзы культи 14 верхней конечности и изменения длины стержней свободных граней ОМ 1. После установки предмета на выбранное место, пространственное положение которого относительно базовой системы координат определяют по показаниям датчиков пространственного положения 15 гильзы культи 14 и датчиков пространственного положения 22 вершин 2 ОМ 1, а также датчиков относительного перемещения 5, согласованно увеличивают длины стержней грани схвата до момента освобождения предмета от схвата, о котором судят по показаниям его осевых датчиков силы 4 и датчиков относительного перемещения 5 и продолжают эксплуатацию ОМ 1. После окончания эксплуатации ОМ 1 пациент подает голосовые команды на освобождение гильзы культи 14 от стыковочного схвата ABC и подзарядку источника питания ОМ 1. При этом длины стержней стыковочной грани ABC увеличивают и после освобождения гильзу культи 14 верхней конечности от схвата, выключают соответствующие линейные привода 3 и устанавливают контакт одной из граней ОМ 1 с поверхностью перемещения. Далее уменьшают длины всех стержней ОМ 1 до минимальных значений и линейные приводы 3 выключают. После этого по показаниям датчиков пространственного положения 22 вершин 2 ОМ 1 в СУ 7 определяют их пространственные координаты относительно базовой системы координат, сравнивают с пространственными координатами устройства беспроводной зарядки источника питания, формируют маршрут следования, траекторию которого при необходимости разбивают на повороты и прямолинейные участки, и алгоритм управляющих команд на линейные привода 3 ОМ 1. Затем согласованно изменяют длины линейных приводов 3 и организуют ползающее движение ОМ 1 по контактируемой поверхности до конечного пункта маршрута следования. При этом прямолинейный участок траектории прокладывают от вершины 2 контактируемой с поверхностью грани ОМ 1 близлежащей к конечному пункту маршрута следования или точке поворота к следующему прямолинейному участку траектории. Далее организуют поворот биссектрисы, проходящей через лежащую на траектории вершину 2 ОМ 1 и совмещают ее с прямолинейным участком траектории, при этом согласованно изменяют длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения. Затем смещают проекцию центра тяжести ОМ 1 на контактируемую поверхность в сторону лежащей на траектории и наиболее удаленной от нее вершин и обеспечивают превышение давления от веса ОМ 1 на каждую из них по отношению к давлению от веса октаэдрального модуля на близлежащую к траектории вершину. После этого выключают соответствующие линейные привода 3 и увеличивают длину стержня, соединяющего не лежащие на траектории вершины, при этом близлежащую к траектории вершину 2 перемещают и поворачивают связанный с ним стержень относительно вершины лежащей на траектории на угол 30 градусов относительно траектории и соответствующий привод выключают, после этого согласованно изменяют длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения и смещают проекцию центра тяжести ОМ 1 на контактируемую поверхность в сторону перемещенной вершины и вершины лежащей на траектории и обеспечивают превышение давления от веса ОМ 1 на каждую из них по отношению к давлению от веса ОМ 1 на третью вершину и выключают соответствующие линейные привода 3. Далее максимально уменьшают длину стержня соединяющего вершины не лежащие на траектории, при этом биссектрису проходящую через лежащую на траектории вершину совмещают с прямолинейным участком траектории и соответствующий линейный привод 3 выключают. Затем организуют прямолинейное движение ОМ 1 вдоль траектории, при этом согласованно изменяют длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения и смещают проекцию центра тяжести ОМ 1 на контактируемую поверхность в сторону не лежащих на траектории вершин и обеспечивают превышение давления от веса ОМ 1 на каждую из них по отношению к давлению от веса ОМ 1 на лежащую на траектории вершину. После этого выключают соответствующие линейные привода 3 и синхронно увеличивают длины стержней связанных с вершиной, лежащей на траектории и перемещают ее вдоль прямолинейного участка траектории на заданную величину, которую определяют по показаниям датчиков относительного перемещения 5 линейных приводов 3 и соответствующие линейные приводы выключают и синхронно увеличивают длины стержней связанных с вершиной, лежащей на траектории и перемещают ее вдоль прямолинейного участка траектории на заданную величину, которую определяют по показаниям датчиков относительного перемещения 5 линейных приводов 3 и соответствующие линейные приводы 3 выключают. После этого согласованно изменяют длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения и смещают проекцию центра тяжести ОМ 1 на контактируемую поверхность в сторону вершины лежащей на траектории и обеспечивают превышение давления от веса ОМ 1 на нее по отношению к суммарному давлению от веса ОМ 1 на вершины не лежащие на траектории. После этого выключают соответствующие линейные привода 3 и синхронно уменьшают длины стержней связанных с вершиной лежащей на траектории и симметрично и прямолинейно перемещают не лежащие на траектории вершины относительно траектории на заданную величину, которую определяют по показаниям датчиков относительного перемещения 5 линейных приводов 3 и соответствующие линейные приводы 3 выключают. После этого алгоритм прямолинейного движения ОМ 1 повторяют и обеспечивают его перемещение до конечного пункта маршрута или до точки поворота к следующему прямолинейному участку и алгоритм поворота и прямолинейного движения повторяют, затем все линейные приводы 3 выключают, заряжают источник питания и включают режим ожидания команд, которые пациент передает системе управления через средства формирования волевых команд пациента. Пример перемещения прототипа контактирующей грани ОМ 1 по гладкой горизонтальной поверхности путем организации ее ползания по-пластунски показан на фиг. 14.The method of servicing a patient by means of an adaptive mobile spatial robotic manipulator for prosthetics of his upper limb is implemented as follows. The method includes installing an adaptive mobile spatial robot-manipulator in the form of OM 1 on the sleeve of the stump 14 of the upper limb (Figs. 1, 4, 15), controlling the spatial movement of its elements by monitoring the lengths of all rods of
В случае неровной контактируемой поверхности или наличии на ней препятствующих предметов с размерами меньшими размеров внутренней поверхности граней ОМ 1 при минимальной длине их стержне, организуют перекатывающееся движение ОМ 1. При этом согласованно увеличивают длины стержней, кроме стержней грани, контактируемой с поверхностью перемещения и смещают проекцию центра тяжести ОМ 1 за пределы линии, проходящей через точки контакта с поверхностью двух выбранных смежных вершин 2 и осуществляют плавный поворот ОМ 1 до контакта смежной грани с поверхностью. После этого длины стержней уменьшают до первоначального состояния и соответствующие линейные приводы 3 выключают. Далее выбирают следующую ось поворота ОМ 1 модуля и алгоритм перекатывающегося движения повторяют. На фиг. 13 показана схема перемещения ОМ 1 ABCDEF путем организации перекатывающегося движения по горизонтальной или наклонной поверхности за счет смещения его центра тяжести. Так, например, на начальном этапе I все стержни ОМ 1 имеют одинаковую длину, а грань FAC является контактирующей с поверхностью. На этапе II стержни FD и FE увеличивают до момента, пока центр тяжести ОМ 1 не переместится вправо от вертикальной плоскости, проходящей через вершины А и С. В результате произойдет поворот ОМ 1 относительно оси АС и контактирующей станет грань ABC (этап III). Далее стержни FD и FE уменьшают до первоначальной длины и ОМ 1 принимает исходное положение (этап I). После этого алгоритм перемещения путем перекатывания ОМ 1 по горизонтальной или наклонной поверхности повторяют.На фиг. 15 показан пример перекатывающегося перемещения ОМ 1 ABCDEF по горизонтальной поверхности внутри помещения от места его локального расположения до культи верхней конечности пациента и его самоустановка на ней.In the case of an uneven contacting surface or the presence on it of obstructing objects with dimensions smaller than the inner surface of the faces of OM 1 with a minimum length of their rod, a rolling motion of OM 1 is organized. At the same time, the lengths of the rods are increased in concert, except for the rods of the face in contact with the movement surface and the projection is shifted center of gravity OM 1 beyond the line passing through the points of contact with the surface of two selected
В случае недостаточного рабочего хода линейных приводов 3 при организации перекатывающегося движения ОМ 1, например, вверх по наклонной поверхности, его перекатывание может быть организовано с использованием сил инерции. При этом длину стержней согласованно увеличивают с заданной величиной ускорения и выключают соответствующие линейные приводы 3 в заданный момент времени, которые определяют с помощью датчиков относительного перемещения 5, относительной скорости 6, совмещенных датчиков пространственного положения 22 и ускорений 23. В результате кроме момента от силы тяжести на ОМ 1 будут действовать моменты от сил инерции, направленные в противоположную сторону, которые после достижения превышающего значения осуществят перекат ОМ 1 с одной грани на другую. При этом потребуется меньшее значение величины рабочего хода линейных приводов 3 по сравнению в предыдущим случаем. После перекатывания длины выдвинутых стержней стержней уменьшают до первоначального состояния и соответствующие линейные приводы 3 выключают. Далее выбирают следующую ось поворота ОМ 1 и алгоритм перекатывающегося движения с использованием сил инерции повторяют.In the case of insufficient working stroke of
В случае наличия на пути перемещения ОМ 1 препятствий разноуровневых поверхностей со ступенью, а также крупногабаритных длинномерных предметов типа железнодорожного пути и т.д. для их преодоления организуют прыгающее движение ОМ 1 с использованием сил инерции. При этом перед прыжком вертикальные стержни ОМ 1 ориентируют в сторону прыжка и их длину согласованно увеличивают с заданной величиной ускорения и выключают соответствующие линейные приводы 3 в заданный момент времени, который определяют с помощью датчиков относительного перемещения 5, относительной скорости 6, совмещенных датчиков пространственного положения 22 и ускорений 23. При этом на ОМ 1 действуют силы инерции, которые отрывают его от контактируемой поверхности и перемещают в заданном направлении, после окончания прыжка и преодоления препятствия длины стержней уменьшают до первоначального состояния и соответствующие линейные приводы 3 выключают, далее продолжают движение ОМ 1 по выбранному алгоритму.If there are obstacles on the way of moving OM 1 of different-level surfaces with a step, as well as large-sized long objects such as a railway track, etc. to overcome them, a jumping movement OM 1 is organized using inertial forces. In this case, before the jump, the vertical rods OM 1 are oriented in the direction of the jump and their length is consistently increased with a given value of acceleration and the corresponding
Применение в составе СУ 7 нейрокомпьютера 8 с соответствующим программно-алгоритмическим обеспечением 9 позволяет организовать работу в приведенных режимах в масштабе реального времени.The use of a neurocomputer 8 with the corresponding software and
Приведенные адаптивный мобильный пространственный робот-манипулятор и способ организации движений при обслуживании и ремонте линий электропередач могут быть реализованы на базе имеющихся на сегодняшний день разработок и функционирующих устройств. Так, известны «Адаптивный мобильный пространственный реабилитационный робот-манипулятор и способ организации движений и диагностики пациента с его помощью» (Патент РФ на изобретение №2564754. МПК А61Н 1/00. Опубл. в БИ, №28, 2015). В описании патента представлены сведения о возможностях организации различных операций с помощью адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора, выполненного на основе октаэдрального модуля.The presented adaptive mobile spatial robot-manipulator and the method of organizing movements during the maintenance and repair of power lines can be implemented on the basis of currently available developments and functioning devices. So, there are known "Adaptive mobile spatial rehabilitation robot-manipulator and a method for organizing movements and diagnosing a patient with its help" (RF patent for invention No. 2564754. IPC A61N 1/00. Publ. BI, No. 28, 2015). The description of the patent provides information on the possibilities of organizing various operations using an adaptive mobile spatial robotic arm, made on the basis of an octahedral module.
Сведения о возможности реализации совмещенных датчиков пространственного положения и ускорений, представляющих миниатюрные трехосные блоки гироскопов-акселерометров, выполненных, например, в виде микромеханических вибрационных гироскопов-акселерометров, представлены в описании реализованного технического решения «Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр» (Патент РФ на изобретение №2162229. МПК G01P 15/08, G01C 19/56. Опубл. в БИ, №2, 2001).Information on the possibility of implementing combined spatial position and acceleration sensors representing miniature three-axis units of gyroscopes-accelerometers, made, for example, in the form of micromechanical vibration gyroscopes-accelerometers, is presented in the description of the implemented technical solution "Micromechanical vibration gyroscope-accelerometer" (RF Patent for invention No. 2162229.
В качестве линейных приводов могут быть использованы широко применяемые в машиностроении электромеханические, гидравлические и пневматические линейные приводы. В качестве приведенных в описании устройства датчиков силы, относительной скорости, относительного перемещения, температуры, а также шарнирных соединений линейных приводов с вершинами октаэдрального модуля могут быть применены типовые датчики и узлы, широко известные в машиностроении и робототехнике.Electromechanical, hydraulic and pneumatic linear drives widely used in mechanical engineering can be used as linear drives. Typical sensors and assemblies widely known in mechanical engineering and robotics can be used as the sensors for force, relative speed, relative displacement, temperature, as well as articulated joints of linear actuators with the vertices of the octahedral module given in the description of the device.
Положительный эффект заявляемого адаптивного мобильного пространственного робота-манипулятора для протезирования верхней конечности пациента и способа обслуживания пациента с его помощью является снижение массовых характеристик и расширение функциональных возможностей за счет:The positive effect of the claimed adaptive mobile spatial robotic manipulator for prosthetics of the patient's upper limb and the method of servicing the patient with its help is a decrease in mass characteristics and an increase in functionality due to:
• адаптации протеза к поперечным размерам культи и его самоустановки (самоснятия) независимо от уровня ампутации и количества ампутированных конечностей;• adaptation of the prosthesis to the transverse dimensions of the stump and its self-installation (self-removal), regardless of the level of amputation and the number of amputated limbs;
• надежного и очувствленного схватывания разнообразных предметов, независимо от их геометрической формы, размеров и физических свойств материала изготовления;• reliable and sensible grasping of various objects, regardless of their geometric shape, size and physical properties of the material of manufacture;
• возможности схватывания нескольких предметов и одновременного манипулирования ими;• the possibility of grasping several objects and simultaneously manipulating them;
• самоперемещения протеза внутри помещения, например, до места его хранения или/и зарядки источника питания и обратно;• self-movement of the prosthesis inside the room, for example, to the place of its storage and / and charging the power source and back;
• самодоставки пациенту каких-либо предметов, находящихся в помещении с помощью протеза;• self-delivery to the patient of any items that are in the room with the help of a prosthesis;
• передачи системе управления протезом информации о пространственных координатах местоположения контактной поверхности культи пациента в помещении;• transmission to the prosthesis control system information about the spatial coordinates of the location of the contact surface of the patient's stump in the room;
• управления протезом через сотовую связь, беспроводное или спутниковое соединение, а также Интернет.• control of the prosthesis via cellular communication, wireless or satellite connection, as well as the Internet.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020106111A RU2738859C1 (en) | 2020-02-10 | 2020-02-10 | Adaptive mobile spatial robot-manipulator for prosthetic repair of upper limb of patient and method of patient's service by means of adaptive mobile spatial robot-manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020106111A RU2738859C1 (en) | 2020-02-10 | 2020-02-10 | Adaptive mobile spatial robot-manipulator for prosthetic repair of upper limb of patient and method of patient's service by means of adaptive mobile spatial robot-manipulator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2738859C1 true RU2738859C1 (en) | 2020-12-17 |
Family
ID=73834890
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020106111A RU2738859C1 (en) | 2020-02-10 | 2020-02-10 | Adaptive mobile spatial robot-manipulator for prosthetic repair of upper limb of patient and method of patient's service by means of adaptive mobile spatial robot-manipulator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2738859C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115644771A (en) * | 2022-11-11 | 2023-01-31 | 深圳先进技术研究院 | Scope controlling means and scope robot |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1340478B1 (en) * | 2002-02-28 | 2007-10-10 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Parallel linkage and artificial joint device using the same |
| RU127620U1 (en) * | 2012-07-31 | 2013-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | MULTIFUNCTIONAL ACTIVE HAND PROSTHETIS |
| RU2564754C1 (en) * | 2014-03-27 | 2015-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Adaptive mobile spatial rehabilitation robotic arm and method of facilitating movements and diagnosis of patient using same |
| US9566174B1 (en) * | 2013-11-13 | 2017-02-14 | Hrl Laboratories, Llc | System for controlling brain machine interfaces and neural prosthetic systems |
| US9730813B2 (en) * | 2007-02-06 | 2017-08-15 | Deka Products Limited Partnership | Arm prosthetic device |
-
2020
- 2020-02-10 RU RU2020106111A patent/RU2738859C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1340478B1 (en) * | 2002-02-28 | 2007-10-10 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Parallel linkage and artificial joint device using the same |
| US9730813B2 (en) * | 2007-02-06 | 2017-08-15 | Deka Products Limited Partnership | Arm prosthetic device |
| RU127620U1 (en) * | 2012-07-31 | 2013-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | MULTIFUNCTIONAL ACTIVE HAND PROSTHETIS |
| US9566174B1 (en) * | 2013-11-13 | 2017-02-14 | Hrl Laboratories, Llc | System for controlling brain machine interfaces and neural prosthetic systems |
| RU2564754C1 (en) * | 2014-03-27 | 2015-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Adaptive mobile spatial rehabilitation robotic arm and method of facilitating movements and diagnosis of patient using same |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115644771A (en) * | 2022-11-11 | 2023-01-31 | 深圳先进技术研究院 | Scope controlling means and scope robot |
| CN115644771B (en) * | 2022-11-11 | 2023-08-15 | 深圳先进技术研究院 | Endoscope control device and endoscope robot |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nguyen et al. | Soft poly-limbs: Toward a new paradigm of mobile manipulation for daily living tasks | |
| Massa et al. | Design and development of an underactuated prosthetic hand | |
| Marcheschi et al. | Body Extender: Whole body exoskeleton for human power augmentation | |
| JP7034487B2 (en) | A device that improves the gripping force of the user | |
| Lee et al. | A skeletal framework artificial hand actuated by pneumatic artificial muscles | |
| Lingampally et al. | Kinematic and Workspace Analysis of a Parallel Rehabilitation Device for Head-Neck Injured Patients. | |
| Sutapun et al. | A 4-DOF upper limb exoskeleton for stroke rehabilitation: kinematics mechanics and control | |
| RU2738859C1 (en) | Adaptive mobile spatial robot-manipulator for prosthetic repair of upper limb of patient and method of patient's service by means of adaptive mobile spatial robot-manipulator | |
| CN111687847B (en) | Remote control device and control interaction mode of foot robot | |
| Bandara et al. | A multi-DoF anthropomorphic transradial prosthetic arm | |
| Zhou et al. | Bioinspired soft wrist based on multicable jamming with hybrid motion and stiffness control for dexterous manipulation | |
| CN112091954B (en) | Bionic dexterous hand and control method thereof | |
| Jung et al. | Design of robotic hand with tendon-driven three fingers | |
| Ivanova et al. | Development of an exoskeleton system for elderly and disabled people | |
| Chow et al. | Robotic repositioning of human limbs via model predictive control | |
| Carrozza et al. | A two DoF finger for a biomechatronic artificial hand | |
| Zhu et al. | Full-drive decoupled bionic finger: Structure and experimental trials | |
| Rahman et al. | Towards the control of a powered orthosis for people with muscular dystrophy | |
| Zhao et al. | Design and validation of a wearable hand exoskeleton system | |
| Dario et al. | A human-like robotic manipulation system implementing human models of sensory-motor coordination | |
| Sayapin | Design Principles of an Intelligent Self-Moving Adaptive Upper Limb Prosthesis Based on a Parallel Octahedral Dodecapod Robot | |
| Lingampally et al. | Head/neck mechanisms for humanoid robots-A survey | |
| Endo et al. | Preliminary Investigation of Powered Knee Prosthesis with Small-Scale, Light-Weight, and Affordable Series-Elastic Actuator for Walking Rehabilitation of a Patient with Four-limb Deficiency | |
| Veneva et al. | Exoskeleton for rehabilitation | |
| Corrigan et al. | Admittance control of the intelligent assistive robotic manipulator for individuals with duchenne muscular dystrophy: a proof-of-concept design |