Robotika v lékařství

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské informatiky

Anotace:

Seznamuje studenty s možnostmi uplatnění robotických principů v lékařství, tj. v medicíně a laboratorní technice. 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. Především v souvislosti s úlohou inverzní kinematiky a inverzní dynamiky. Vzhledem k řízení jsou uvedeny nejčastěji používané senzory a pohony, tj. konstrukční provedení a funkce. Na závěr budou uvedeny konkrétní příklady uplatnění robotických principů v lékařství.

Požadavky:

Absolvování všech cvičení (maximálně 3 omluvené absence) a úspěšné vyřešení úlohy řízení kinematického řetězce a vytvoření programu pro tuto úlohu. 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.

3. Kinematika otevřených řetězců - matice inverzního pohybu, poloha, rychlost a zrychlení koncového bodu vůči rámu a ostatním tělesům.

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.

5. Výpočty Jakobiánů a jejich vyu?ití pro výpočty matic C, D, a G. Rovnice dynamiky v maticové formě.

6. Paradigmata kinematického řízení otevřených řetězců.

7. Ověření řízení v simulačním prostředí Matlabu.

Osnova cvičení:

1. Přímá kinematika ruky

2. Dynamický model ruky

3. řízení mechaniky 6-osé ruky na požadovanou polohu koncového bodu řetězce

pomocí specializovaného SW kontroléru

4. Řízení mechaniky 6-osé ruky po požadované trajektorii

5. Přenos dat (žádané veličiny pro robotický systém) pomocí RFID technologie

6. Úloha zaměřena na realizaci rozhraní člověk-stroj (human machine interface)

Cíle studia:

Seznamuje studenty s možnostmi uplatnění robotických principů v lékařství, tj. v medicíně a laboratorní technice. 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. Především v souvislosti s úlohou inverzní kinematiky a inverzní dynamiky. Vzhledem k řízení jsou uvedeny nejčastěji používané senzory a pohony, tj. konstrukční provedení a funkce. Na závěr budou uvedeny konkrétní příklady uplatnění robotických principů v lékařství.

Studijní materiály:

[1] Modeling and Control of Robot Manipulators, Lorenzo Sciavicco and Bruno Siciliano,

Springer Netherlands, ISSN: 0921-0296, 2004

[2] Embedded Robotics : Mobile Robot Design and Applications with Embedded Systems,

Thomas Braunl, Springer, ISBN-13: 978-3540034360, 2004

[3] Robot Programming : A Practical Guide to Behavior-Based Robotics, Joe Jones, Daniel

Roth, McGraw-Hill/TAB Electronics, ISBN-13: 978-0071427784, 2003

[4] Autonomous Robots: From Biological Inspiration to Implementation and Control

(Intelligent Robotics and Autonomous Agents), George A. Bekey, MIT Press, 2005

[5] Fundamentals of Robotics: Linking Perception to Action (Machine Perception and

Artificial Intelligence, 54), Ming Xie, World Scientific Pub Co Inc, 2003

[6] Mobilní Roboty, Petr Novák, BEN, ISBN: 80-7300-141-1, 2005

[7] Základy robotiky a prostorové kinematiky, Adolf Karger, Marie Kargerová, ČVUT, ISBN: 80-01-02183-1, 2000

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní obor Biomedicínský technik v aj (povinně volitelný předmět)