Современный этап развития восстановительной медицины характеризуется все более широким применением робототехнических устройств. Робототехника для промышленности исключала нахождение человека в рабочей зоне робота, хотя в настоящее время появляются роботы и средства, позволяющие эффективно совместно работать роботу и человеку. В медицине естественным условием является непосредственное взаимодействие робота с пациентом, а иногда и нахождение в рабочей зоне робота и врача.

Наиболее известно использование манипуляционных роботов для восстановления локомоторных функций пациентов после перенесенных мозговых инсультов [1—5], реже — в реабилитации пациентов после хирургического лечения суставов конечностей и для улучшения локомоции при детском церебральном параличе [6—8]. Для лечения дефектов верхних и нижних конечностей известны роботы Artromot немецкой фирмы «Ormed» [9].

Однако возможности робототехники в восстановительной медицине не ограничиваются указанными областями применения. Как известно, массаж и другие методы мануальной терапии составляют важный компонент реабилитационных мероприятий. Для облегчения этих трудоемких процедур обычно используются массажные кушетки, кресла и другие устройства, которые хотя и облегчают состояние пациента, но не могут заменить руки мануального терапевта. Наиболее широкие возможности представляет запатентованное устройство, в котором используется промышленный робот РМ-01, снабженный антропоморфным манипулятором с различными насадками [10].

Цель исследований данной работы — обозначить средства обеспечения безопасности роботов в восстановительной медицине, в первую очередь для роботов, выполняющих манипуляции на мягких тканях и суставах, т. е. разнообразный массаж и движения конечностей в суставах.

Роботы, выполняющие техники мануальной терапии, например движение конечностей в суставах и разнообразные приемы массажа, представляют неинвазивную робототехнику. Если для хирургической и малоинвазивной робототехники существенным является программное позиционное и дистанционное от оператора управление, то для неинвазивной робототехники — силовое взаимодействие робота с телом пациента или, точнее, позиционно-силовое управление с контролем как перемещения, так и усилий. Поэтому ошибки программирования траектории, а также ее отслеживание не являются столь непоправимыми, как для хирургической и малоинвазивной робототехники, и могут приводить лишь к дискомфорту пациента или уменьшению терапевтического действия [11, 12].

Если электробезопасность и обеспечение стерильности рассматривать как второстепенные проблемы, то наиболее сложно преодолеть механические, контактные, непредусмотренные столкновения робота с пациентом.

Структура робота содержит три контура с обратными связями по положению, усилию, биомедицинским переменным [13, 14]. Поэтому источниками опасных сбоев системы управления этого робота будут в первую очередь разрывы замыканий указанных контуров, отказы датчиков обратных связей. Другим источником опасных ситуаций может быть неправильная оценка задания параметров процедуры.

Возможными средствами предотвращения опасности могут быть следующие:

1. Отключение приводов или отведение руки робота по сигналу датчика максимального усилия, который может подключаться или через позиционно-силовую систему управления, или непосредственно к питанию приводов.

2. Отключение приводов или отведение руки робота по биомедицинским сигналам.

3. Проверка приводов в начале процедур, а также силового датчика в программных контрольных точках.

4. Выполнение первых движений с минимальными усилиями.

5. Размещение двигателей приводов не в руке робота, а на платформе, что обеспечит малую инерционность и легкость руки.

6. Мягкое неэлектропроводное покрытие руки и расположение на кисти и руке робота тактильных датчиков касания.

7. Использование системы технического зрения для сравнения текущего изображения траектории инструмента с образцовым.

8. Виртуальное планирование процедуры.

9. Применение упругих суставов.

Необходимо выводить на монитор текущие значения механических и биомедицинских переменных и выделять область отклонений, предупреждающую звуковыми и световыми сигналами о подходе к зоне опасности.

Если в рабочей зоне робота необходимо находиться врачу, то сигнализация предупреждает об этом и рабочие скорости робота должны снижаться.

Некоторые связи между компонентами системы образуют замкнутые кольца. Поэтому необходимо обеспечить устойчивость этих контуров.

На Западе появляются роботы немедицинского использования, но позволяющие работать без ограждения в общей рабочей зоне роботу и человеку, что особенно актуально для медицинской робототехники. В большой степени для совместной работы робота и человека, находящегося в рабочей зоне робота, был разработан немецкой компанией «Kuka» робот LWR (light weight robot). Во-первых, робот имеет в сравнении с другими, имеющими такую же рабочую зону роботами легкую руку. При семи степенях подвижности и грузоподъемности 7 кг робот весит 22 кг (рис. 1). Это снижает опасность инерционных воздействий при столкновении руки с человеком. Робот может работать без ограждения, и при прикосновении к нему руки человека он мягко отводит свою руку в сторону [15]. Такой же способностью безопасной работы без ограждения обладают роботы датской компании UR5 и UR10 (рис. 2) [16].

Рассмотренные требования обеспечения безопасности следует учитывать при разработке аппаратного интерфейса между врачом, пациентом и роботом, а также при разработке языка.

Средства безопасности, предусматриваемые для обычных технических систем, недостаточны для медицинской робототехники. Предложены возможные средства предотвращения опасности. Если медицинский робот разрабатывается на основе серийно выпускаемых роботов немедицинского применения, то следует выбирать робота с легкой податливой рукой, с обратимыми приводами и допускающим работу без ограждения.

Работа поддержана грантом президента №МК-2511.2014.8.

Конфликт интересов отсутствует.

Участие авторов:

Концепция исследования: А.Р.

Сбор материалов: Е.Р.

Анализ полученных данных: А.М.

Обработка материалов и оформление статьи: М.А.

Написание текста статьи: В.Г.