Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом

• Автор: Войнов, Вячеслав Вячеславович
• Шифр специальности: 05.02.05, 05.11.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 191 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Обзор и анализ микроробототехнических систем для диагностики и лечения трубчатых органов

1.1. Микроробототехнические системы для диагностики и лечения трубчатых органов

1.2. Внутрисосудистый микроробот МГТУ им. Н.Э. Баумана.

1.2.1. Структура робототехнической системы.

1.2.2. Устройство движителя внутрисосудистого микроробота

1.2.3. Принцип перемещения внутрисосудистого микроробота.

1.2.3.1. Биомеханический подход

1.2.3.2. Принцип перемещения микроробота.

1.2.3.3. Обобщенная кинематическая схема движителя.

1.2.4. Обеспечение безопасности пациента л.
1.2.5. Исследование процесса взаимодействия микроробота с кровеносным сосудом
1.2.5.1. Особенности строения и характеристики кровеносных
сосудов
1.2.5.2. Моделирование процесса взаимодействия контактных элементов микроробота с сосудистой стенкой.
1.2.5.3. Моделирование процесса взаимодействия микроробота с потоком крови
1.3. Требования к системе управления ВМР.
1.4. Структура системы управления ВМР
1.5. Выводы по главе 1.
Глава 2. Исполнительный уровень системы управления ВМР.
2.1. Задача управления на исполнительном уровне
2.1.1. Определение максимального давления крови и требуемой силы фиксации.
2.1.2. Принятие решения о возможности формирования требуемой силы фиксации.
2.1.3. Адаптивное формирование силы фиксации с использованием нечеткой логики
2.1.4. Имитационная модель нечеткого контроллера управления скоростью прижатия контактного элемента
2.1.5. Адаптивное формирование силы фиксации с использованием принципа косвенных измерений.
2.2. Выводы по главе 2.
Глава 3. Логический и ситуационный уровни управления ВМР
3.1. Логический уровень управления..
3.1.1. Модель перемещения микроробота в виде конечного автомата
3.1.2. Модели элементов движителя микроробота в виде конечных автоматов.
3.1.3. Регуляторы и мониторы контактных элементов и звеньев
движителя.
3.1.4Сетевой автомат движителя микроробота.
3.1.5. Структура логического уровня системы управления
3.1.6. Моделирование процесса перемещения внутрисосудистого микроробота.
3.2. Ситуационный уровень управления
3.2.1. Принципы организации ситуационного уровня управления
3.2.2. Структура ситуационного уровня системы управления
3.2.3. Решение задачи обхода препятствия в сосуде.
3.2.3.1. Распознавание ситуации.
3.2.3.2. Выбор и принятие решения.
3.3. Выводы по главе 3
Глава 4. Разработка экспериментального комплекса системы управления и проведение испытаний
4.1. Эргономические требования к системе управления .
4.2. Программноаппаратный экспериментальный комплекс.
4.2.1. Состав комплекса.
4.2.2. Блок приводов.
4.2.3. Контроллер управления
4.2.4. Пульт оператора.
4.2.5. Программное обеспечение
4.2.5.1. Архитектура программного обеспечения.
4.2.5.2. Интерфейс оператора
4.3. Экспериментальные исследования.
4.3.1. Логическое управление перемещением движителя.
4.3.2. Управление с использованием принципа косвенных измерений
4.4. Выводы по главе 4
Выводы и заключение
Список литературы


Представлена универсальная обобщенная кинематическая схема, позволяющая описать принцип работы целого класса движителей, использующих для своего перемещения принцип перемещения дождевого червя. Сформулированы требования по безопасности при использовании ВМР, а также выявлены специфические особенности рабочей среды, определяющие конструктивные особенности микроробота и влияющие на разработку принципов управления перемещением движителя в условиях биологической среды. Проведено исследование процесса взаимодействия микроробота с кровеносным сосудом, подтвердившее возможность использования разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана движителя в кровеносных сосудах. В частности, рассмотрены задачи моделирования процесса взаимодействия контактных элементов движителя и сосудистой стенки, а также процесса взаимодействия движителя с потоком крови. На основании результатов проведенных исследований сформулированы требования к системе управления ВМР. Разработана многоуровневая иерархическая архитектура системы управления перемещением микроробота. Сформулированы основные задачи диссертационной работы. Во второй главе рассмотрены вопросы реализации исполнительного уровня системы управления. Метод адаптивного управления построен с использованием аппарата нечеткой логики. Приведены результаты моделирования работы системы управления в пакете МАТЬАВ, подтвердившие эффективность разработанных алгоритмов. Однако, несмотря на преимущества предложенного метода, его физическая реализация может быть затруднена на сегодняшний день вследствие сложности размещения датчиков в зоне контакта, а также из-за упрощенной конструкции прототипа движителя внутрисосудистого микроробота, имеющего неуправляемые контактные элементы. В этой связи, в работе предлагается использовать способ формирования силового воздействия со стороны КЭ, основанный на принципе косвенных измерений. В этом случае управление силой прижатия КЭ к стенке сосуда осуществляется на основании информации, получаемой от датчика давления, расположенного вне зоны контакта (в гидроприводе микроробота). В рамках реализации данной методики была разработана математическая модель взаимодействия микроробота и кровеносного сосуда, позволяющая связать величину прогиба контактного элемента с усилием прижатия, развиваемым в зоне контакта с сосудистой стенкой. В третьей главе рассматриваются вопросы управления перемещением движителя на логическом, ситуационном и эргатическом уровнях системы управления. Решение задачи согласованного управления исполнительными элементами движителя осуществляется на логическом уровне. Определение целей и задач управления осуществляется хирургом-оператором на эргатическом уровне управления. Для описания принципа перемещения движителя автором предложена математическая модель, созданная на базе метода конечных автоматов. Разработана трехуровневая структура логического уровня системы управления, включающая в себя регуляторы контактных элементов, мониторы звеньев и движителя. Работоспособность модели подтверждена результатами моделирования в пакете МЛТЬЛВ &сие(1оху. Решение задач, связанных с распознаванием текущей ситуации и принятием решения об ориентации движителя в ходе движения, осуществляется на уровне ситуационного управления. В процессе перемещения в рабочей зоне перед микророботом возможно появление различных препятствий в виде кальцинированных отложений на стенках сосуда, изменений геометрии сосудистого канала (бифуркаций) и др. В данной главе рассмотрены принципы управления перемещением микроробота на ситуационном уровне, основанные на методах нечеткого ситуационного управления. Принцип работы ситуационного уровня описан на примере управления движителем при обходе препятствия в сосуде. В четвертой главе описана аппаратно-программная реализация экспериментального комплекса, предназначенного для проверки работоспособности разработанных принципов управления внутрисосудистым микророботом, а также проведения экспериментальных исследований с использованием прототипов движителей микроробота.