Блог компании Город Иннополис. Сегодня мы позвали в наш блог Валерию Скворцову — ассистента Лаборатории робототехники Университета Иннополис, чтобы она рассказала о разработке научного прототипа робота для реабилитации кистей рук при парезах, вызванных, например, инсультом. Робот спроектирован по принципу параллельного сферического манипулятора, и хотя проект еще не завершен, там уже есть на что посмотреть. Передаем ей слово.

Начну с начала. Можно сказать, что идею этого проекта подсказали преподаватели, когда я училась робототехнике на первом курсе магистратуры Университета Иннополис. Для курсовой работы по Introduction to Robotics предложили тему «Робот для реабилитации кисти руки». Я заинтересовалась и, так как разбираюсь в промышленном дизайне, решила сделать из курсовой диплом. Проект затянулся, я занималась разработкой всю магистратуру, получила грант «Умник» на развитие инновационного проекта и продолжаю совершенствовать конструкцию.

Проблема реабилитации важна, потому что каждый год в России регистрируется около 450 тысяч инсультов головного мозга. Эта болезнь часто приводит к нарушению двигательной активности, парезам — состоянию, когда резко ослабевает сила мышц. К сожалению, полностью восстанавливаются лишь около 10% пациентов.

При этом реабилитация при парезах — это регулярные тренировки, во время которых пациент заново учится двигаться, постепенно восстанавливает старые нейромышечные связи и формирует новые. Проблема в том, что специалистов по реабилитации не хватает, однако в ряде случаев для помощи пациентам применяют роботов.

Роботы для восстановления подвижности кистей рук уже существуют, их активно используют в США и Швейцарии. Пациент помещает руку в такой аппарат, его локтевой сустав фиксируют на специальной подставке, а затем подвижные элементы машины разрабатывают запястный сустав: плавно двигают кисть вниз и вверх, вправо и влево и скручивают в обе стороны. Я хотела сделать нечто подобное.

Старт разработки

Прежде всего нужно было выбрать тип конструкции. В процессе анализа литературы в одной из диссертаций нашлась модель параллельного сферического манипулятора. Я решила взять эту идею за основу и рассчитать кинематику под мою задачу.

Красным и зеленым обозначены шесть плеч робота. Красные и зеленые плечи в связке образуют три ноги. Закрашенный треугольник — так называемая мобильная платформа

Человеческая кисть, если зафиксировать руку в локтевом суставе, описывает в пространстве некую полусферу.

Параллельный сферический манипулятор так же, как и запястный сустав, имеет три вращательные степени свободы. Поэтому его использование для реабилитации кисти руки оправданно с физиологической точки зрения. А если спроектировать манипулятор так, чтобы фиксированный центр вращения совпадал с центром вращения кисти руки, робот сможет повторять ее движения во всем доступном человеку диапазоне. Кроме того, параллельная конструкция компактнее и обеспечивает большую жесткость, чем последовательные манипуляторы.

По сравнению с решениями для реабилитации, которые уже есть на рынке (с готовыми продуктами, а не другими научными разработками), это значительные преимущества.

Тренажер Kinetec Maestra hand and wrist CPM (слева) и Аппарат АРТРОМОТ Н (справа)

Готовые коммерческие системы обладают одной, максимум двумя осями и не могут одновременно двигаться в трех степенях свободы и потому менее эффективны.

Расчет кинематики

Процесс разработки был итеративным и первое время даже хаотичным, поэтому его трудно разделить на последовательные этапы. Я рассчитывала кинематику и сразу проверяла на простых механических моделях, распечатанных на 3D-принтере. Сначала без моторов, потому что прежде всего меня интересовала геометрия деталей.

Если что-то не получалось, плечи робота застревали или двигались не так, как я рассчитывала, приходилось пересчитывать кинематику и печатать модель заново. Все-таки конструирование робота — это больше математическая, а не чисто инженерная задача.

Вы не сможете точно управлять движениями робота, если не решите задачу обратной кинематики. Для этого мы выбираем желаемую ориентацию робота в пространстве и рассчитываем углы поворота моторов, которые помогут достичь этого положения.

Прямая кинематика представляет собой обратную задачу — вычисление того положения, в котором окажется робот, если моторы будут повернуты определенным образом. В моем проекте прямая кинематика используется для проверки правильности выполнения команд.

Решение дифференциальной задачи кинематики помогает управлять скоростью и силой, с которой движется манипулятор. Эти расчеты важны для безопасности пациента: если что-то пойдет не так, то робот может повредить его руку.

За всем этим скрываются сложные математические задачи. Вот, например, некоторые расчеты для обратной кинематики.