F7PBKATR - Asistivní technologie a robotika v lékařství

Cílem předmětu je seznámit studenty s možnostmi uplatnění robotických principů v lékařství, tj. v medicíně a laboratorní technice. Předmět popisuje kinematické řetězce robotů s ohledem na jejich použití. Vysvětluje jejich kinematickou analýzu a syntézu. Tedy vyšetřování vztahů mezi polohou, rychlostí a zrychlením jednotlivých kinematických dvojic vůči rámu řetězce. A také konání předepsaného pohybu (trajektorie) koncového bodu řetězce. Seznamuje s metodami vyšetřování dynamiky kinematických řetězců operačních a manipulačních paží. Především se jedná o nalezení takových silových účinků v pohonech kinematických dvojic, aby koncový bod řetězce konal požadovaný pohyb. Dále předmět vysvětluje nejčastěji používaná paradigmata řízení těchto paží. Vzhledem k řízení jsou uvedeny nejčastěji používané senzory a pohony, tj. konstrukční provedení a funkce. Předmět se dále zabývá způsoby a prostředky zpřístupnění IT technologie (web, psaní emailů, programování, atd.) zdravotně handicapovaným osobám, kterým je vzhledem k jejich postižení klasický způsob odepřen (pomocí klávesnice, myši apod). Součástí předmětu jsou popisy různých možností řešení rozhraní člověk-stroj, které zdravotní handicap stírají. Metodologie návrhu rozhraní člověk stroj dle postižení, návrh software a hardware rozhraní využívající jako řídící veličinu vhodné projevy lidského těla, nahrazující projevy, které jsou vzhledem k postižení nedostupné. Využití embeded systémů, jejich programování a využití včetně senzorů a aktuátorů pro konstrukci rozhraní, zpřístupňující IT technologie nebo ovládání a řízení podpůrných systémů pro postižené, např. řízení pohybu invalidního vozíku, ovládání polohovatelného lůžka, ovládání myši u PC bez použití rukou, ovládání externí ruky u invalidního vozíku atd. Vstupní požadavky předmětu jsou maticový počet, základy mechaniky, zpracování signálů, programování (jazyky C, Matlab), embeded systémy (arduino, teensy,aj.). Student získá následující výstupní znalosti, dovednosti, schopnosti a kompetence: Bude mít schopnost navrhnout kinematickou strukturu podle potřebné úlohy manipulace. Dokáže na základě analýzy dynamiky otevřeného robotického řetězce a požadovaných zrychlení a rychlostí koncového bodu řetězce navrhnout jeho konečnou podobu a navrhnout silové (momentové) řízení robotické struktury. Dále bude schopen na základě analýzy postižení nebo handicapu člověka navrhnout a realizovat vhodné řešení s využitím rozhraní člověk-stroj (hw+sw), které vykompenzuje handicap vzhledem k požadované činnosti člověka.

Absolvování všech cvičení (maximálně 2 omluvené absence) a úspěšné vyřešení zvolené praktické úlohy na posledním cvičení (max. 30 bodů). Zkouška je realizována písemnou formou v rozsahu přednášek (max. 70 bodů). Hodnocení úlohy bude probíhat podle klasifikační stupnice ECTS (student může získat bodové hodnocení v rozsahu od 0 až 100 bodů). Minimální počet bodů je 50.

Osnova přednášek:

1. Úvod základní pojmy - kinematická dvojice, kinematický řetězec, stupně volnosti, strukturní a kinematické schema. Kinematika robotů v homogenní souřadné soustavě - homogenní transformace, transformační matice, charakteristické matice základních pohybů.

2. Poloha bodu, matice rychlosti tělesa a rychlost bodu, matice zrychlení tělesa a zrychlení bodu. Kinematika otevřených řetězců - matice inverzního pohybu, poloha, rychlost a zrychlení koncového bodu vůči rámu a ostatním tělesům.

3. Výpočty Jakobiánu a jeho využití při řešení inverzní úlohy kinematiky.

4. Dynamika otevřených řetězců - aproximace rozložení hmotnosti členů kin. řetězce, potenciální a kinetická energie řetězce. Lagrangeovy rovnice II. druhu a jejich využití pro vyjádření pohybových rovnic. Výpočty matic C, D, a G a sestavení rovnice dynamiky v maticové formě.

5. Paradigmata silového řízení otevřených řetězců a jeho ověření řízení v simulačním prostředí Matlab.

6. Úvod do asistivních technologií. Zdravotně hendikepovaní a asistivní technologie. Příklady, historie, dostupné technologie.

7. Využití senzorů a aktuátorů pro konstrukci rozhraní člověk-stroj.

8. Předzpracování a využití signálů pro úlohy řízení pohybu invalidního vozíku, pro ovládání polohovatelného lůžka, pro ovládání myši u PC bez použití rukou a ovládání externí ruky u invalidního vozíku.

9. Využití embeded systémů, jejich programování a algoritmizace.

10. Alternativní komunikační systémy pro hendikepované. Umělá inteligence a assistivní technologie.

Osnova cvičení:

1. Přímá kinematika ruky, inverzní.

2. Řízení mechaniky 6-osé ruky na požadovanou polohu koncového bodu řetězce.

3 Inverzní úloha kinematiky a její ověření na mechanice 6-osé ruky.

4. Ověření správnosti pohybové rovnice pomocí kinetické a potenciální energie řetězce simulací v Matlabu.

5. Syntéza momentového řízení a její ověření, ukázka na realizaci rozhraní člověk-stroj (human machine interface) na předloketní protéze paže.

6. Snímání a úprava biologických signálů (EOG, EMG) vhodných pro konstruování rozhraní člověk-stroj. (Arduino, teensy).

7. Využití kinectu a embeded systému ALIX pro navigaci slepců, nebo pro ovládání konce robotické paže do požadované polohy.

8. Využití embeded systémů pro zpracování biologických signálů a realizaci rozhraní člověk stroj ve spolupráci s PC.

9. Řízení kinematického řetězce a kursoru myši pomocí EMG a EOG signálů.

10. Samostatná testovací úloha (dle výběru studenta).

Povinná literatura:

[1] NOVÁK, Petr. Mobilní Roboty, BEN, 2005, ISBN: 80-7300-141-1

[2] KARGER, Adolf a Marie KARGEROVÁ. Základy robotiky a prostorové kinematiky. Praha: ČVUT, 2000. ISBN 80-01-02183-1.

Doporučená literatura:

[1] CARROZZA, Ch., M., MICERA, S., PONS, L., J. Wearable Robotics: Challenges and Trends: Proceedings of the 4th International Symposium on Wearable Robotics, WeRob2018, October 16-20, 2018, Pisa, Italy (Biosystems & Biorobotics). Springer, Biosystems&Biorobotics series, 2018. ISBN 978-3030018863.

Studijní pomůcky:

Sety ROBIX, předloketní protéza paže (prototyp s řídícími jednotkami EPOS fy MAXON), embeded systémy ALIX, Arduino, Teensy, kinect, systém I4Control, trenažér pádu (řízení AC pohonů z PC pomocí protokolu MODBUS)

• Bakalářská studijní specializace Biomedicínská informatika (povinný předmět)
• Bakalářská studijní specializace Informační a komunikační technologie (povinný předmět)
• Bakalářská studijní specializace Biomedicínská informatika (povinný předmět)
• Bakalářská studijní specializace Informační a komunikační technologie (povinný předmět)