Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Роботы, мехатроника и робототехнические системы

Диссертационная работа:

Войнов Вячеслав Вячеславович. Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.05, 05.11.17 / Войнов Вячеслав Вячеславович; [Место защиты: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана].- Москва, 2009.- 191 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/2663

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность исследования. В последние годы в мире наблюдается стремительный рост числа разработок, направленных на совершенствование существующих средств диагностики и лечения трубчатых органов человека (кровеносные сосуды, сегменты желудочно-кишечного тракта). Особенно актуальной на сегодняшний день является задача диагностики и хирургии кровеносных сосудов. Одним из наиболее перспективных направлений в этой области является создание медицинских микророботов, способных перемещаться внутри трубчатых органов, используя для этого принцип перемещения дождевого червя, путем последовательных сокращений своих сегментов (принцип перистальтики).

Такой принцип перемещения роботов использовался в ряде зарубежных работ, в том числе в работах P. Dario, M.C. Carrozza, A. Rovetta и др., а так же при создании внутрисосудистого медицинского микроробота в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Г.В. Саврасов, О.С. Нарайкин, С.С. Гаврюшин, А.С Ющенко и др., пат. 2218191 РФ).

Результаты анализа существующих аналогичных разработок позволяют сделать вывод о том, что в настоящее время отсутствуют обоснованные методы управления микроробототехническими устройствами, предназначенными для выполнения тех или иных операций в трубчатых органах человека. Вместе с тем, управление такими устройствами обладает существенными особенностями. Необходимо обеспечить адаптивность процесса управления к индивидуальным особенностям биологической среды и безопасность использования робототехнического устройства внутри человеческого организма. Поскольку непосредственное управление движением робота со стороны хирурга в условиях дефицита информации является достаточно сложной задачей, то для поддержки его работы целесообразно использовать современные методы искусственного интеллекта. В том числе методы теории конечных автоматов, нечеткой логики и ситуационного управления, разработанные в трудах Л.Заде, Д.А. Поспелова, Л.С. Бернштейна, А.Н. Мелихова, В.Б. Тарасова, А.А. Жданова. Методы искусственного интеллекта нашли применение при решении задач управления роботами в разработках И.М. Макарова, В.М. Лохина, С.В. Манько, Е.И. Юревича, В.Г. Градецкого, В.Е. Павловского, Ю.В. Подураева, А.С. Ющенко. Особенности устройства и применения микророботов перистальтического типа в медицине позволяют считать целесообразным применение указанных подходов при создании их систем управления.

В связи с этим возникла задача разработки методов управления микророботами медицинского назначения перистальтического типа. Разрабатываемые методы управления могут найти применение и при создании внутритрубных микро- и минироботов, применяемых для технической диагностики трубопроводов малого диаметра.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка принципов и алгоритмов адаптивного управления внутрисосудистым медицинским микророботом (ВМР) перистальтического типа.

Для достижения заданной цели в работе были поставлены следующие задачи:

- провести анализ существующих медицинских роботов перистальтического типа, предназначенных для перемещения в трубчатых органах, с точки зрения возможности их использования для диагностики и хирургии кровеносных сосудов;

- определить требования к разрабатываемой системе управления ВМР;

- разработать архитектуру системы управления ВМР, принципы и алгоритмы управления его перемещением с учетом особенностей биологической среды;

- провести экспериментальные исследования разработанной системы управления ВМР методами математического моделирования;

- реализовать прототип системы управления ВМР, позволяющий проверить справедливость основных теоретических положений диссертации.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы теории автоматического управления, нечетких множеств, конечных автоматов и ситуационного управления. Разработка программных средств велась с использованием технологии объектно-ориентированного программирования на языке C++.

Математическое моделирование проводилось в среде MATLAB и с использованием программного пакета конечно-элементного анализа ANSYS.

Научная новизна работы. В диссертации разработана многоуровневая система адаптивного управления ВМР, использующим перистальтический принцип перемещения и функционирующим в условиях недетерминированной биологической среды.

Предложен принцип адаптивного управления процессом силового взаимодействия микроробота с кровеносным сосудом, использующий механизм нечеткого логического вывода.

Разработана логическая модель перемещения ВМР с использованием теории конечных автоматов.

Предложена методика ситуационного управления ориентацией ВМР при перемещении в сосуде, позволяющая распознавать текущую ситуацию и автоматически формировать управляющее воздействие при возникновении препятствий.

Практическая ценность. Разработанная система управления и соответствующее программное обеспечение ВМР могут быть использованы для управления как медицинскими микророботами перистальтического типа, так и при решении задач технической диагностики трубопроводов малого диаметра.

Практическая ценность разработки состоит в существенном облегчении труда хирурга и в повышении безопасности операции для пациента.

Разработанный прототип системы управления ВМР может быть использован для обучения персонала работе с микроробототехнической системой.

Реализация результатов работы. Проведенная работа является частью фундаментальных исследований в области применения теории нечетких множеств, нечеткой логики и ситуационного управления для управления робототехническими системами, которые проводились на кафедре «Робототехнические системы», а также исследований в области медицинской робототехники на факультетах «Биомедицинская техника» и «Радиоэлектроника и лазерная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана в течение последних лет.

Результаты диссертационной работы были использованы в МГТУ им. Н.Э. Баумана при разработке системы управления микроробота для внутрисосудистой диагностики и хирургии, проводимой в рамках НИР по теме «Исследование и разработка внутрисосудистого медицинского микроробота для диагностики и хирургии» (ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направления развития науки и техники" на 2002-2006 годы по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалы») и Государственного контракта от «09» августа 2007 г. № 02.523.12.3009 (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 16-й и 18-й научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» в Государственном Научном Центре ЦНИИ РТК (г. Санкт-Петербург, Россия) в 2005 г. и 2007 г., на международном симпозиуме по микро- и нано технологиям и системам (г. Москва, Россия) в 2007 г. и на Конференции по результатам выполнения мероприятий федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы по приоритетному направлению "Индустрия наносистем и материалы" в 2008 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах, в том числе в двух публикациях в журналах «Мехатроника, автоматизация, управление» и «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника», входящих в перечень ВАК.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 190 печатных страниц, включая рисунки, список литературы и приложения. Библиография содержит 51 наименование, из них 8 иностранных источников.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net