Обучающая динамическая модель робота-симулятора младенца

Полезная модель относится к области биомедицинских технологий, а именно к медицинской робототехнике. Область применения разработанной полезной модели - профессиональное образование (высшее и среднее) в сфере медицины. Сконструированная модель робота-симулятора новорожденного, имитирующая основные физиологические рефлексы младенца, может применяться в качестве интерактивного учебного пособия для симуляционного обучения студентов медицинских колледжей и ВУЗов в разделе: «Нервно-психическое развитие ребенка». В настоящее время на рынке медицинских технологий отсутствуют динамические модели-тренажеры, имитирующие безусловные рефлексы новорожденного. Поэтому предполагается использование заявленной модели с целью повышения уровня практических навыков студентов медицинских образовательных учреждений по оценке безусловно-рефлекторной деятельности новорожденного и ребенка первого года жизни.
Существующие известные аналоги являются статичными куклами-манекенами, используемые для обучения медперсонала различным узкоспециализированным манипуляциям. Например, модель для обучения студентов практическим навыкам ухода за новорожденным компании OOO «МедРескью» (главная страница: http://mirmanekenov.ru/about), (ссылка на аналог: http://mirmanekenov.ru/search/node/%E2%84%96%2012135) позволяет отработать навыки установки и ухода за трахеотомической канюлей, проведения инъекций, катетеризации уретры, постановки клизмы. Однако, эта модель статична, и, несмотря на соответствие по основным параметрам физического развития младенца, не может быть использована в практике преподавания раздела «оценка психомоторного развития» в силу отсутствия подвижности конструкции. Неподвижность модели ограничивает как элементы наглядной демонстрации рефлекторной активности, так и непосредственное взаимодействие обучающегося с целью самостоятельного овладения необходимыми навыками.
Прототипом предлагаемой полезной модели может служить разработанный нами ранее робот симулятор-младенца (http://www.scholar.ru/tag.php?tag_id=50312) со встроенной программой для дистанционного управления движениями робота.
Прототип создан на основе робота Bioloid Premium (http://www.robotis.com/xe/bioloid_en)(http://www.robotis.com/index/product.php?cate_codе=121110), который позволяет демонстрировать рефлексы новорожденного в динамике, в частности рефлекс опоры и автоматической походки с помощью специально обученного оператора, приводящего симулятор в действие в соответствии с фазами рефлекса с помощью разработанной нами программы.
На фиг. 1 изображен прототип, где:
1 - пульт управления
2 - коммуникационный модуль робота для дистанционного управления
3 - центральный микроконтроллер
4 - сервопривод плечевого сустава правой руки
5 - сервопривод локтевого сустава правой руки
6 - сервопривод левой ладони
7 - сервопривод поворота левой ноги в тазобедренном суставе
8 - сервопривод подъема бедра левой ноги
9 - сервопривод коленного сустава левой ноги
10 - сервопривод стопы левой ноги
11 - сервопривод стопы правой ноги
12 - сервопривод коленного сустава правой ноги
13 - сервопривод подъема бедра правой ноги
14 - сервопривод поворота правой ноги в тазобедренном суставе
15 - сервопривод правой ладони
16 - сервопривод локтевого сустава левой руки
17 - сервопривод плечевого сустава левой руки
18 - последовательная шина, соединяющая все сервоприводы с центральным микроконтроллером
19 - датчик угловых положений тела робота - симулятора
Программно управляемый центральный микроконтроллер 3 обеспечивает контроль положения сервоприводов 4-17 и формирование управляющих команд на изменение положения выходного вала сервопривода, связанного с определенной частью конструкции симулятора (сервоприводы частично моделируют функции суставов новорожденного). Управление прототипом осуществляется дистанционно на базе стандартного пульта управления RC-100A, входящего в комплект поставки Bioloid Premium Kit.
С целью придания прототипу сходства с ребенком 1 года жизни на него была одета оболочка. На фиг.2 показан внешний вид симулятора (робот-кукла) в одежде.
Симулятор, с помощью специально обученного оператора, способен имитировать выполнение физиологического рефлекса опоры и автоматической походки. Рефлекс осуществляется следующим образом: исходное положение: флексорная поза - ребенок лежит на спине, голова приведена к груди, руки согнуты в локтевых суставах и прижаты к боковой поверхности грудной клетки, кисти сжаты в кулачки, нижние конечности разведены в тазобедренных суставах в стороны, слегка согнуты в коленных суставах. При осуществлении рефлекса ребенок, поднятый из исходного положения за подмышки, максимально сгибает ноги во всех суставах, поджимает пальцы ног (смотри фиг. 3А), а поставленный на твердую опору, выпрямляет ноги и стоит на полной стопе (смотри фиг. 3Б), при дальнейшем наклоне туловища вперед совершает содружественные шаговые движения.
Для демонстрации рефлекса опоры и автоматической походки на прототипе специально обученный оператор должен выполнить следующие действия: переключить программу симулятора на пульте в исходное положение (флексорная поза на спине), затем подняв робота в вертикальное положение, нажать кнопку пульта «Рефлекс опоры и автоматической походки». После нажатия кнопки робот начинает воспроизводить записанный по времени алгоритм движений, при этом оператор должен в определенный момент успеть опустить робота стопами на твердую поверхность и наклонить корпус робота для демонстрации последней фазы автоматической походки. Таким образом, с помощью робота-симулятора возможно воспроизведение рефлекса опоры и автоматической походки, но только в варианте демонстрации с обязательным участием специально обученного оператора.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности воспроизведения рефлекса самостоятельно, то есть без участия специально обученного оператора, что не позволяет использовать данную модель в качестве интерактивного обучающего пособия для отработки практических навыков студентами и для оценки преподавателем освоенных навыков. Являясь одним из базовых физиологических безусловных рефлексов, рефлекс опоры и автоматической походки свидетельствует о состоянии неврологического статуса ребенка первых месяцев жизни. Это требует от будущего специалиста не только теоретических знаний, но и овладение профессиональным навыком проведения подобного осмотра, куда входит способность вызывать и сопровождать рефлекс, оценивать адекватность каждой фазы стимулированного ответа младенца. Обучение и отработка навыков оценки рефлексов на живых младенцах невозможны в силу этических и законодательных причин. Использование неподвижных кукол-муляжей младенцев или симуляторов с заранее записанным алгоритмом движений, который реализуется независимо от действий самого обучающегося, не способствует формированию навыка самостоятельной оценки рефлекторной активности малыша.
Нами впервые предложена динамическая модель робота-симулятора, способная самостоятельно, без участия в управлении специально обученного оператора, имитировать физиологический рефлекс опоры и автоматической походки. Для реализации самостоятельной имитации рефлекса опоры и автоматической походки в схему Bioloid Premium Kit введены следующие дополнительные элементы: позиция 20, 21, 22, 23. Полное описание схемы приведено на фиг. 4, где:
3. центральный микроконтроллер
4. сервопривод плечевого сустава правой руки
5. сервопривод локтевого сустава правой руки
6. сервопривод левой ладони
7. сервопривод поворота левой ноги в тазобедренном суставе
8. сервопривод подъема бедра левой ноги
9. сервопривод коленного сустава левой ноги
10. сервопривод стопы левой ноги
11. сервопривод стопы правой ноги
12. сервопривод коленного сустава правой ноги
13. сервопривод подъема бедра правой ноги
14. сервопривод поворота правой ноги в тазобедренном суставе
15. сервопривод правой ладони
16. сервопривод локтевого сустава левой руки
17. сервопривод плечевого сустава левой руки
18. последовательная шина
19. датчик угловых положений тела робота-симулятора
20. тактильный датчик правой подмышечной области
21. тактильный датчик левой подмышечной области
22. блок тактильных датчиков тыльной поверхности кончиков пальцев правой стопы
23. блок тактильных датчиков тыльной поверхности кончиков пальцев левой стопы
Как видно из фиг. 4, для самостоятельной имитации рефлекса опоры и автоматической походки, без участия в управлении специально обученного оператора, в конструкцию робота дополнительно включены тактильные датчики в правой подмышечной области 20 и в левой подмышечной области 21, а также блоки тактильных датчиков на тыльной поверхности кончиков пальцев правой ноги 22 и на тыльной поверхности кончиков пальцев левой ноги 23, имеющие в своем составе необходимые интерфейсы для подключения к последовательной шине 18, используемой для передачи данных, полученных с сенсоров, к центральному микроконтроллеру 3.
Для реализации второго этапа рефлекса опоры и автоматической походки используется датчик угловых положений тела робота-симулятора 19.
Разработанная нами новая программа, обеспечивает координацию движения сервоприводов 4-17 при выполнении движений, соответствующих рефлексу опоры и автоматической походки.
Согласно разработанной нами программе при активации сенсорных датчиков подмышечных впадин 20 и 21 сигнал, преобразованный интерфейсной частью датчиков через последовательную шину 18, передается в центральный микроконтроллер 3, в котором в период опроса датчиков происходит запись значений во внутренние регистры микроконтроллера. Обработанные на этапе формирования управляющих воздействий значения датчиков положения сервоприводов 7-14 суставов симулятора и сенсорных датчиков подмышечных впадин 20, 21 преобразуются центральным микроконтроллером 3 в управляющие команды на изменение взаимного положения суставов симулятора, которые по последовательной шине 18 передаются к сервоприводам 7-14, что технически отражается сгибанием нижних конечностей по всем суставам.
При постановке симулятора на твердую опору, происходит активация блоков сенсорных датчиков 22, 23, которые преобразуются их интерфейсной частью в сигналы передаваемые через последовательную шину 18 центральному микроконтроллеру 3, в котором в период опроса датчиков происходит запись значений во внутренние регистры микроконтроллера. Обработанные на этапе формирования управляющих воздействий значения датчиков положения сервоприводов 7-14 суставов симулятора с учетом выполненной ранее команды на сгибание нижних конечностей, преобразуются центральным микроконтроллером 3 в управляющие команды на изменение взаимного положения суставов симулятора, которые по последовательной шине 18 передаются к сервоприводам 7-14, что технически отражается разгибанием нижних конечностей по всем суставам и постановкой симулятора на полную стопу. В дальнейшем при наклоне корпуса симулятора вперед происходит активация датчика угловых положений тела 19, который передает сигнал центральному микроконтроллеру, формирующему циклически управляющие команды на изменение положения выходных валов сервоприводов 7-14, что технически отражается содружественными шаговыми движениями симулятора.
Демонстрация рефлекса: для инициации рефлекса опоры и автоматической походки на разработанной нами модели, обучающийся должен поднять симулятор из горизонтального исходного положения за области подмышечных впадин и держать его навесу в вертикальном положении. При данном действии происходит активация сенсорных датчиков 20 и 21, расположенных в подмышечных областях симулятора. Активация указанных датчиков приводит к сгибанию нижних конечностей симулятора в тазобедренных, коленных суставах, а также поджатию пальцев стоп. Находясь в вертикальном положении, робот сохраняет указанную позу. Для осуществления второй фазы рефлекса, обучающийся должен опустить робота (при сохранении вертикального положения туловища) стопами на твердую поверхность. При этом происходит раздражение сенсорных датчиков 22 и 23, расположенных на тыльной поверхности кончиков пальцев левой и правой стоп симулятора. Активация указанных датчиков приводит к разгибанию нижних конечностей симулятора в тазобедренных и коленных суставах и стопах, и робот становится на полную стопу. Далее при небольшом наклоне туловища симулятора вперед, при сохранении давления на область подмышечных впадин, происходит активация датчика угловых положений тела робота-симулятора 19 на изменение положения тела. В результате указанных действий симулятор совершает содружественные шаговые движения вперед самостоятельно.
Таким образом, как видно из описания, предложенное нами устройство позволяет самостоятельно вызвать и выполнить рефлекс опоры и автоматической походки, что дает возможность использования данной модели в качестве интерактивного обучающего пособия для отработки практических навыков студентами и для оценки преподавателем освоенных навыков оценки нервно-психического развития ребенка первого года жизни.