В Южно-Российском государственном политехническом университете стартовал сезон защит. Так, на кафедре «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» 13 июня состоялись первые защиты выпускных квалификационных работ бакалавров по направлению подготовки «Мехатроника и робототехника». В числе прочих на суд государственной экзаменационной комиссии было представлено шесть ВКР, посвящённых медицинской робототехнике.

В этот день гостем НПИ стал доктор медицинских наук, хирург-уролог, онкоуролог, заведующий отделением урологии Ильинской больницы Пьер Моно, совместно с которым студенты кафедры работают с декабря 2023 года.

Владимир Маримонов представил работу на тему: «Мехатронная система выдачи хирургических инструментов». В качестве прототипа системы был взят двухсекционный шкаф с габаритными размерами 600×600×1600 мм, используемый в настоящее время в Ильинской больнице. Для каждой из секций разработаны механизмы вертикального (винт-гайка) и горизонтального (ременная передача) перемещения инструментов, выбраны необходимые приводы и датчики, разработана микропроцессорная система управления, обеспечивающая интеграцию датчиков (тензодатчики, инфракрасные датчики положения, аварийные выключатели) и голосового управления. Предложен алгоритм работы системы, включая подпрограммы для приводов и обработки голосовых команд. В исследовательской части проведено моделирование работы системы. Время выполнения полного цикла выдачи инструмента составляет три секунды. Предложенная инновационная система выдачи хирургических инструментов позволяет существенно сократить время подготовки к операциям, минимизировать человеческий фактор и повысить эффективность работы хирургических бригад.

Артём Гречин представил работу на тему «Мехатронная система-перекладчик пациента», в которой разработана уникальная конструкция робота-перекладчика для пациентов массой до 200 кг с возможностью трансформации положения (из лежачего в сидячее и наоборот). Мехатронный перекладчик пациента основан на подъёмнике кранового типа, который имеет мобильную часть, позволяющую свободно перемещать человека по этажу. Разработана конструкция системы, включая механизмы подъёма (винт-гайка/мотор-редуктор), опускания (винт-гайка/мотор-редуктор), перемещения человека по больнице (тяговые и поворотные колёса). Выбраны приводы системы и необходимые датчики, разработана микропроцессорная система управления перекладчиком, предложен алгоритм работы системы, включая подпрограммы для приводов и подпрограмму безопасности. Проведено моделирование работы перекладчика по перемещению пациента из лежачего положения в сидячее в среде Python с библиотекой Numpy.

Кирилл Хаустов представил работу на тему: «Мехатронная система позиционирования аппарата для обеспечения респираторной поддержки». Разработана конструкция робота-манипулятора, выполняющая позиционирование аппарата искусственного дыхания по распознаванию лица, обеспечивающая автоматизированное передвижение и удержание в точке конечного эффектора. Робот-манипулятор обладает четырьмя степенями подвижности с вращательными звеньями, а также камерой, по значениям которой решалась прямая и обратная задачи кинематики с рабочей зоной 0,55 м. Выбраны приводы системы и необходимые датчики, разработана микропроцессорная система управления и алгоритм работы. Разработана математическая модель управления роботом-манипулятором с четырьмя степенями свободы, включая модель решения прямой задачи кинематики и обратной задачи кинематики, которая позволяет моделировать перемещение робота в заданную координату с 99% точностью позиционирования.

Полина Мордик и Вячеслав Косеев представили работы «Модуль биомеханического протеза верхней конечности» и «Модуль биомеханического протеза нижней конечности». В работах использована электромиография (ЭМГ) – метод управления протезами, основанный на использовании миоэлектрических сигналов, которые создаются активными мышечными волокнами при сокращении мышц. Для регистрации этих сигналов на культе конечности пациента устанавливаются два электрода. Низкое микровольтовое напряжение, снимаемое с электродов, усиливается и передается в блок управления протеза. Там сигнал анализируется микроконтроллером и преобразуется в команды для исполнительных механизмов протезов. Каждый из студентов подробно изучал тему протезирования, разработал кинематическую схему конечности, выбрал необходимые приводы и датчики, выполнил моделирование сгибания конечности в локте или колене.

Андрей Тарабаев представил комиссии ВКР на тему: «Мехатронный модуль виртуальной реальности в системе дистанционного управления роботом», где рассмотрел биотехническую систему с копирующим управлением, использующим задающее устройство, кинематически подобное исполнительному. По способу взаимодействия с оператором это система двустороннего действия (с отражением усилий, обеспечивающих «эффект присутствия» или «виртуальная реальность»), по устройству привода это симметричная система (электропривод с позиционной обратной связью на задающем и исполнительном устройствах). Предложена конструкция рукояти, состоящая из ручки, которой управляет оператор; поворотной рамки; поворотных звеньев; датчиков положения (энкодеров) и моментных загружателей – тормозных муфт. Основой системы управления с виртуализацией через очувствление выступает система двустороннего действия с пассивным отражением нагрузки. Управляющий сигнал формируется путем сравнения показаний энкодеров на рукояти и звеньях манипулятора. Получаемый сигнал проходит через контроллеры и драйвера на бесщеточные двигатели. Момент на валах регистрируется, и при появлении момента сопротивления тот передается через контроллер на тормозную муфту, которая передает оператору тормозной момент, пропорциональный моменту сопротивления. Данная система может быть использована для очувствления хирургического робота Da Vinci, который активно используется в Ильинской больнице.

На все вопросы государственной экзаменационной комиссии и гостя студенты дали грамотные обстоятельные ответы, подтвердив высокий уровень квалификации, и получили оценку «отлично».

Пьер Моно с особым вниманием отнёсся к разработкам политехников: каждому из них задал много вопросов и подсказал пути дальнейшего развития исследований.

После окончания защиты состоялось обсуждение результатов работы и формирование плана дальнейших исследований в магистратуре. По результатам работ будет проведён ряд онлайн-семинаров, а также планируется очередная стажировка новочеркасских политехников в Ильинской больнице.

Пресс-служба ЮРГПУ (НПИ),

фото Елены Египко