MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ
Transkrypt
MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ
MODELOWANIE INśYNIERSKIE 36, s. 103-112, Gliwice 2008 ISSN 1896-771X MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ JÓZEF GIERGIEL, JACEK S. TUTAK Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, Politechnika Rzeszowska e-mail: [email protected], tutak.sanok@ interia.pl Streszczenie. W pracy przedstawiono najciekawsze rozwiązania manipulatorów rehabilitacyjnych kończyny górnej. Zamieszczono przykładowe kryteria, względem których moŜemy podzielić dostępne obecnie manipulatory. Zaprezentowano podstawowe cele, jakie stawiane są ćwiczeniom w tradycyjnych metodach, a zarazem są to wymagania, które powinien równieŜ spełniać przyszły manipulator rehabilitacyjny. Praca zawiera równieŜ analizę kinematyczną i dynamiczną przyszłego manipulatora. Na końcu wspomniano równieŜ o nowym rozwiązaniu urządzenia do rehabilitacji ręki. 1. WSTĘP Rehabilitacja jest bardzo waŜną częścią medycyny. Polega ona na działaniu usprawniającym i terapeutycznym. Rehabilitacja jest zbiorem działań leczniczych, edukacyjnych, technicznych i psychologicznych. Przeznaczona jest dla osób chorych i niepełnosprawnych, które utraciły pewne funkcje na skutek chorób, urazów i wad wrodzonych. Jej głównym celem jest przywrócenie jak największej sprawności; funkcji, które pacjent posiadał przed chorobą lub maksymalne rozwinięcie zdolności moŜliwych do osiągnięcia przy występującym schorzeniu. Projektowane urządzenie ma być ułatwieniem w pracy rehabilitanta śadne urządzenie nie będzie jednak w stanie całkowicie wyeliminować osoby rehabilitanta. Ćwiczenia bierne to takie, w których ruch kończyny pacjenta narzucany jest z zewnątrz. W tradycyjnej metodzie ruchy kończyną pacjenta wykonuje terapeuta. Celem omawianych ćwiczeń, a zarazem przyszłego manipulatora, będzie: • utrzymanie odpowiedniego zakresu ruchu w stawach, • utrzymanie odpowiedniej długości, elastyczności i spręŜystości mięśni, • zapobieganie przykurczom mięśni, torebki i wiązadeł, • pobudzanie obwodowego układu nerwowego. Ćwiczenia czynne to takie, w których ruchy wykonywane są jedynie przez pacjenta, zaś rola terapeuty polega wyłącznie na ewentualnej pomocy, dawaniu porad i wskazówek. Celem tych ćwiczeń jest: • zwiększenie siły mięśnia, • zwiększenie masy mięśnia, • przywrócenie prawidłowego działania mięśnia. 104 J. GIERGIEL, J.TUTAK Jest wiele metod prowadzenia ćwiczeń kończyny górnej. Najlepszym rozwiązaniem byłoby zbudowanie urządzenia, które potrafiłoby wykonywać takie same ruchy co zdrowa kończyna. Jest to nie lada wyzwanie, zwaŜywszy na skomplikowaną strukturę omawianej kończyny. W zaleŜności od stanu pacjenta - czy mamy do czynienia z kończyną wiotką, kończyną, w której zaczynają pojawiać się początki spastyczności, czy juŜ całkowicie spastyczną, podejście do zakresu ruchów jest zupełnie inne. PoniŜej zaprezentowano przykładowe ćwiczenia: b) c) a) Rys.1 Przykładowe ćwiczenia palców („a”), kciuka („b”) i nadgarstka („c”) [1]. Rys.2 Ćwiczenia w stawie barkowym oraz łokciowym (po prawej) [2]. W przypadku pojawienia się spastyczności nie ma juŜ moŜliwości wykonywania ćwiczeń w pełnym zakresie ruchu. Jest on znacznie mniejszy i inny w kaŜdym przypadku. Pojawia się przykurcz, który rehabilitant, poprzez odpowiednie ćwiczenia, stara się wyeliminować. Pogłębia wyprost. Projektowane urządzenie pozwoli wykonywać ćwiczenia róŜnymi metodami, a jedną z nich jest tradycyjna metoda przebiegająca w płaszczyznach. Wszystkie ruchy stawowe moŜna zapisać w następujących podstawowych płaszczyznach: strzałkowa – „S”, czołowa – „F” i poprzeczna – „T”. Dodać naleŜy jeszcze ruchy rotacyjne oznaczone literką „R”. MoŜna równieŜ ustalić i stosować opis za pomocą płaszczyzn skośnych, opis, który podaje się w stopniach odchylenia od płaszczyzn głównych. Na tej podstawie powstała, w ostatnim czasie dość popularna, metoda ćwiczeń PNF. KaŜdy człowiek jest inny, ma róŜną długość kończyny górnej, róŜną masę itd. Dlatego tak waŜnym elementem jest moŜliwość szybkiej i dokładnej regulacji przyszłego urządzenia oraz dostosowanie go do kończyny kaŜdego pacjenta. 2. PRZEGLĄD MANIPULATORÓW REHABILITACYJNYCH Kolejnym elementem pracy, bez którego nie moŜna przystąpić do zaprojektowania nowego manipulatora zdolnego konkurować z najlepszymi produktami w tej dziedzinie, jest szczegółowy przegląd dotychczasowych osiągnięć. Ze względu na brak wystarczającej ilości miejsca przegląd ten zostanie ograniczony jedynie do kilku produktów. MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ (ANALIZA KINEMATYCZNA…) 105 2.1. Wearable Robotics Exoskeleton Jest jednym z projektów zrealizowanych przez BioRobotics Laboratory na University of Washington. Laboratorium to prowadzi badania nad urządzeniami do interakcji z biologicznymi systemami ruchu. Pierwsza wersja tego urządzenia posiada jeden stopień swobody i przeznaczona jest do pracy w stawie łokciowym. Jej celem jest prowadzenie ćwiczeń, które wzmocniłyby siłę mięśni napędzających ruch w stawie łokciowym. Złącze dla stawu łokciowego napędzane jest przez silnik prądu stałego firmy ESCAP, a razem z nim montowana jest przekładnia planetarna, równieŜ tej samej firmy. Optyczny enkoder zamontowany jest na wale silnika. Zastosowano dwa czujniki siły (TEDEA 1040). Przy pomiarze aktywności mięśni zastosowano czujniki EMG (elektromiogram). Wszystkie otrzymane wyniki zapisywane są w komputerze, a następnie analizowane. Cała konstrukcja jest przenośna, a urządzenie moŜe być zasilane z akumulatora. Druga wersja, bazująca na wcześniejszym prototypie, została dodatkowo rozbudowana o ruchy w stawie barkowym. Tym razem zastosowano cztery czujniki siły: pierwszy zamontowano w miejscu umieszczenia obciąŜenia, dwa kolejne – znajdują się przy uchwycie, który ręką trzyma ćwiczący, a czwarty jest w miejscu interakcji ramienia ćwiczącego z mechanizmem. Pozostałe elementy są takie same. Rys.3 Prototyp kolejnej wersja urządzenia Wearable Robotics [3] Trzeci prototyp, rozszerzony o moŜliwość ruchu w nadgarstku, jest urządzeniem o siedmiu stopniach swobody (trzy stopnie swobody dla barku, jeden stopień swobody dla łokcia oraz trzy stopnie dla nadgarstka). Prace nad tym projektem mają na celu niesienie pomocy osobom, które mają za słabe mięśnie do wykonywaniu podstawowych czynności. Ich układ nerwowy cały czas funkcjonuje poprawnie, dlatego teŜ wykorzystano mechaniczne układy w połączeniu ze sterowaniem wykorzystującym informacje pochodzące z sygnałów EMG, aby dać szansę powrotu do normalnego Ŝycia [3]. 2.2. Bi – Manu - Track Jest urządzeniem umoŜliwiającym wykonywanie ćwiczeń probacji/supinacji przedramienia oraz zgięcia/wyprostu nadgarstka. Ruchy mogą odbywać się w układzie lustrzanym. 106 J. GIERGIEL, J.TUTAK Rehabilitant ma do dyspozycji trzy programy ćwiczeń: bierny – bierny, czynny – bierny (zdrowa kończyna prowadzi kończynę niedokładną), czynny – czynny (dotknięta kończyna musi pokonywać pojawiający się opór). Wszelkiego rodzaju parametry ruchu, takie jak: szybkość, liczba powtórzeń, dobierane są do potrzeb indywidualnych pacjentów. Istnieje równieŜ moŜliwość zapisywania postępów rehabilitacji. Idea skonstruowania tego typu robota opiera się na informacjach patofizjologicznych, gdzie obustronna regulacja znacznie ułatwia funkcjonowanie kończyny niedokładnej (wynika to z połączenia obu półkul). Rys.4 System do obustronnych ćwiczeń Bi – Manu – Track [4] 2.3. NESS H200 Rys.5 NESS H200 – rehabilitacja poprzez odpowiednią elektrostymulacje [5]. Na rys.5 zaprezentowano nieinwazyjne urządzenie wykorzystujące elektrostymulację do otwarcia i zamknięcia dłoni (FES). Istnieje moŜliwość regulacji poprzez wybór jednego z pięciu programów pobudzania, z zastosowaniem prądów o niskiej częstotliwości. Urządzenie częściowo eliminuje napręŜenie mięśni, zwiększając zakres ruchu i siłę. Przeznaczone jest dla osób po udarze mózgu, umoŜliwiając im szybszy powrót do wykonywania czynności dnia codziennego. Obecnie jest ono produkowane przez firmę Bioness, pomysłodawcą był NESS. MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ (ANALIZA KINEMATYCZNA…) 107 3. KONSTRUKCJA MANIPULATORA Manipulator rehabilitacyjny składa się z podstawy, na której zamontowany jest człon pierwszy, ramienia i przedramienia. Prezentowany manipulator będzie posiadał konfigurację stawową OOO. Na tego typu połączenie zdecydowano się po przeanalizowaniu ruchów wykonywanych przez terapeutę oraz mając na uwadze problemy ze sterowaniem przy bardziej rozbudowanych modelach. W porównaniu do zdrowej kończyny pominięto moŜliwość ćwiczenia rotacji. MoŜliwymi ruchami, w przypadku gdy pacjent jest w pozycji leŜącej, są: zginanie i prostowanie w stawie łokciowym, ruch w płaszczyźnie strzałkowej unoszenia do góry, w płaszczyźnie czołowej ruch odwodzenia. Dodatkowo, po odwodzeniu do kąta 90°, będzie moŜliwy ruch zgięcia czołowego w płaszczyźnie poprzecznej. Proponowane rozwiązanie dla barku i łokcia pokrywa się z naturalnymi osiami obrotu omawianych stawów człowieka. Rys.6 Zakresy ruchów: w łokciu(po lewej), w barku(środek), w podstawie(po prawej) 4. ANALIZA KINEMATYCZNA I DYNAMICZNA MANIPULATORA W celu wyznaczenia momentów napędowych dla łokcia i barku dokonano uproszczenia; przeprowadzono analizę kinematyczną i dynamiczną dla przedramienia oraz ramienia jako manipulatora płaskiego. Rys.7 Ramie i przedramię poruszające się na płaszczyźnie gdzie: l- długość członu, lc- odległość od początku członu do połoŜenia środka cięŜkości, θ- kat. 4.1. Kinematyka prosta Wyznaczono połoŜenie, w jakim znajduje się środek masy przedramienia w zaleŜności od połoŜeń kątowych: x2 = l1 cos θ1 + lc 2 cos(θ1 + θ 2 ) (1) y2 = l1 sin θ1 + lc 2 sin(θ1 + θ 2 ) (2) 108 J. GIERGIEL, J.TUTAK 4.2 Kinematyka odwrotna Następnie określono połoŜenia kątowe w przegubach w zaleŜności od połoŜenia, w jakim znajduje się środek masy drugiego członu: Obliczono cos θ 2 i wyznaczono kąt θ 2 : θ 2 = arccos[( x22 + y22 − l12 − lc22 ) /(2l1lc 2 )] (3) Przy wyznaczaniu kąta θ1 , poprowadzono odcinek między początkiem układu współrzędnych i interesującym nas punktem. Po obliczeniach wartość szukanego kąta wynosi: θ1 = arc tg ( x / y ) + arctg[(lc 2 sin θ 2 ) /(l1 + l2 c cos θ 2 )] (4) 4.3 Kinematyka prędkości Po wyznaczeniu zaleŜności prędkości punktu od prędkości w przegubach przedstawiono macierz Jacobiego : −l sin θ1 − lc 2 sin(θ1 + θ 2 ) −lc 2 sin(θ1 + θ 2 ) J = 1 (5) l1 cos θ1 + lc 2 cos(θ1 + θ 2 ) −lc 2 cos(θ1 + θ 2 ) 4.4 Dynamika Równania dynamiczne manipulatora: M 1 = d11q1 ''+ d12 q2 ''+ c121q1 ' q2 '+ c211q2 ' q1 '+ c221q2'2 + Φ1 M 2 = d 21q1 ''+ d 22 q2 ''+ c112 q1'2 + Φ 2 gdzie: Mi - momentem napędowym Elementy macierzy bezwładności wynoszą: d11 = m1lc21 + m2 (l12 + lc22 2l1lc 2 cos q2 ) + l1 + l2 (6) (7) (8) d12 = m2 (lc22 + l1lc 2 cos q2 ) + l2 (9) d 21 = d12 (10) d 22 = m l + l2 (11) c111 = 1/ 2* ∂d11 / ∂q1 = 0 (12) c121 = 1/ 2* ∂d11 / ∂q1 = − m2l1lc 2 sin q1 (13) c211 = c121 (14) 2 2 c2 Symbole Christoffela wynoszą: c221 = ∂d12 / ∂q1 − 1/ 2 * ∂d 22 / ∂q1 = − m2l1lc 2 sin q1 (15) c112 = ∂d 21 / ∂q1 − 1/ 2* ∂d11 / ∂q2 = m2l1lc 2 sin q1 (16) c122 = 1/ 2 * ∂d 22 / ∂q1 = 0 (17) c212 = c112 (18) c222 = 1/ 2* ∂d 22 / ∂q2 = 0 Równanie dynamiki manipulatora w postaci macierzowej: M = D (q )q "+ C (q, q ')q '+ G (q ) (19) MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ (ANALIZA KINEMATYCZNA…) gdzie: D - macierz bezwładności C - siły Coriolisa i siły odśrodkowe G - siły cięŜkości. 109 (20) 5. STEROWANIE MANIPULATORA – PODSTAWOWY CYKL PRACY Wstępny projekt manipulatora zakłada uŜycie silników skokowych (krokowych). Pociąga to za sobą stworzenie cyfrowego sposobu sterowania, tzn. sterowania przez odpowiednie wysyłanie impulsów do sterowników silników krokowych. Prawdopodobnie zostanie zastosowany mikrokontroler ATMEL oraz napisany program w języku BASCOM. Podstawowy cykl pracy programu zaczyna się standardowo od wprowadzenia danych, wyboru ćwiczenia i ustalenia ,która kończyna będzie ćwiczona. Następnie wybierana jest liczba powtórzeń ruchów kończyną oraz czas trwania jednego cyklu ćwiczenia (jest to czas trwania wychylenia i powrotu kończyny). Znając czas trwania jednego powtórzenia, mikrokontroler oblicza prędkość kątową i podaje wynik uŜytkownikowi. Po zgromadzeniu odpowiednich danych następuje przygotowanie do ćwiczeń. Rozpoczyna się je od kalibracji, czyli ustawienia członów manipulatora w pozycjach zerowych. Następuje przygotowanie pozycji wyjściowej do konkretnego, wybranego wcześniej ćwiczenia. Wykonywanie ćwiczeń moŜna przerwać w kaŜdym momencie przyciskiem awaryjnym lub przyciskiem stop. Występuje równieŜ inny tryb prowadzenia ćwiczeń - tryb ręczny. UŜytkownik moŜe samodzielnie poruszać wybranym członem za pomocą dwóch przycisków. PoniŜej przedstawiono schemat blokowy całego układu sterowania manipulatorem rehabilitacyjnym. 6. ANALIZA KINEMATYCZNA MANIPULATORA W PRZESTRZENI 6.1. Kinematyka prosta Tabela 1 PARAMETRY KINEMATYCZNE CZŁONY ai di αi Qi 1 0 d1 270 0 θ1* 2 0 d2 270 0 θ 2* 3 a3 0 90 0 θ3* 4 0 0 90 0 θ 4* 5 0 d5 90 0 θ5* 6 0 0 0 θ6* 7 0 0 0 θ7* Rys.8 Struktura przyszłego manipulatora PołoŜenie manipulatora przedstawione na rys.7 ma miejsce przy następujących kątach: 110 θ1* = 0 0 J. GIERGIEL, J.TUTAK θ 2* = 270 0 θ3* = 0 0 θ 4* = 90 0 θ5* = 90 0 θ 6* = 0 0 θ 7* = 0 0 (21) Stosując notację Denavita – Hartenberga w której kaŜde jednorodne przekształcenie Ai jest reprezentowane jako wynik czterech przekształceń: Ai = Rot zQi Trans zdi Transxai Rot xαi (22) Dla prezentowanego manipulatora mam( „s” – sin oraz „c” – cos): cQ1 − sQ1c 270° sQ1s 270° 0 cQ2 − sQ2 c 270° sQ2 s 270° 0 sQ cQ c 270° −cQ s 270° 0 sQ cQ2 c 270° −cQ1s 270° 0 1 1 1 2 A1 = A2 = 0 0 0 s 270° c 270° d2 s 270° c 270° 0 0 1 0 0 1 0 0 cQ3 − sQ3c90° sQ3 s90° a3cQ3 cQ4 − sQ4c90° sQ4 s90° 0 sQ sQ cQ3c90° −cQ3 s90° a3 sQ3 cQ4c90° −cQ4 s90° 0 3 4 A3 = A4 = 0 0 s90° c90° 0 s90° c90° 0 0 0 1 0 0 1 0 0 cQ5 − sQ5c90° sQ5 s90° 0 cQ6 − sQ6 0 0 cQ7 − sQ7 0 sQ cQ5c90° −cQ5 s90° 0 A = sQ6 cQ6 0 0 A = sQ7 cQ7 0 A5 = 5 6 0 0 s90° c90° d5 0 1 0 7 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 T07 = A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 Ze względu na bardzo długi zapis pominięto ten element w artykule. (23) (24) 0 0 0 1 (25) (26) 6.2 Kinematyka odwrotna Następnie określono połoŜenia kątowe w przegubach w zaleŜności od końcówki roboczej. r11 r12 r13 r14 r r r23 r24 21 22 7 (27) T0 = r31 r32 r33 r34 r41 r42 r43 r44 r11 , r12 , r13 , r21 , r22 , r23 , r31 , r32 , r33 - elementy macierzy związane z orientacją r14 = X , r24 = Y , r34 = Z - elementy macierzy związane z pozycją (28) r41 = 0, r42 = 0, r43 = 0, r44 = 1 (29) 6.3 Kinematyka prędkości - macierz Jakobiego: z × (o7 − o1 ) z2 × (o7 − o2 ) z3 × (o7 − o3 ) z4 × (o7 − o4 ) z5 × (o7 − o5 ) z6 × (o7 − o6 ) J = 1 (30) z1 z2 z3 z4 z5 z6 Wektor zi ( oi ) jest określony przez trzy elementy w trzeciej (czwartej) kolumnie Ti . 7. URZĄDZENIE DO REHABILITACJI RĘKI MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ (ANALIZA KINEMATYCZNA…) 111 W tradycyjnej metodzie rehabilitacji kończyny górnej wszystkie ćwiczenia zaczyna się od ręki (palców). Wybór tego elementu kończyny górnej nie jest przypadkowy, gdyŜ rękę moŜna nazwać narządem ruchowo - chwytno - badawczo - poznawczo - komunikacyjnym. Za pomocą tego genialnego narzędzia moŜemy realizować polecenia mózgu, począwszy od wymagającej szybkości i precyzji ręki pianisty po ogromną siłę ręki boksera. PoniŜej zaprezentowano jedno z rozwiązań umoŜliwiających ćwiczenie ręki u osoby z początkiem pojawiania się spastyczności lub u której spastyka jest juŜ od dłuŜszego czasu. Podstawowym zadaniem jest wyeliminowanie „zaciśniętej ręki”. Jest to moŜliwe poprzez zastosowanie odpowiedniego elementu gumowo-metalowego. Otwarcie ręki następuje w wyniku pompowania „gumowego balona”. Podczas ćwiczeń cały czas ma się do czynienia z ruchem obrotowym „balona” z odpowiednimi wydrąŜeniami zaprojektowanymi w celu pobudzania receptorów. Balon bez powietrza osadzony na metalowym łączniku jest umieszczany w zaciśniętej ręce pacjenta, a następnie, w zaleŜności od danego przypadku, dawkowana jest prędkość, napełnienie i czas ćwiczeń. Rys.10 Urządzenie do rehabilitacji ręki (eliminacja spastyczności). NajwaŜniejszym celem jest stworzenie odpowiedniej bazy danych umoŜliwiającej indywidualne podejścia do pacjenta w procesie rehabilitacji. Będzie to moŜliwe poprzez sczytanie odpowiednich informacji pochodzących z organizmu pacjenta. 8. PODSUMOWANIE Rehabilitacja to proces niezwykle Ŝmudny: długotrwały i wymagający od rehabilitanta fizycznego wysiłku, a co za tym idzie - kosztowny. Koszty te są związane równieŜ z indywidualnym podejściem do kaŜdego pacjenta w kwestii doboru ćwiczeń w zaleŜności od choroby, postępów rehabilitacyjnych czy występującego w danym dniu samopoczucia. Robot nie męczy się i moŜe wykonać "czarną robotę – zbiór ćwiczeń", pozostawiając rehabilitantowi tylko zlecanie zaprogramowanych ćwiczeń, obserwację poprawności ich wykonywania, ocenę postępów oraz kontakt z pacjentem. Zmniejszenie kosztów ,bez utraty standardu wykonywanych zabiegów, spowoduje większy dostęp do rehabilitacji. Czas rozpoczęcia zabiegów rehabilitacyjnych odgrywa ogromne znaczenie. W późniejszym okresie rekonwalescencji moŜe równieŜ zaistnieć moŜliwość prowadzenia zajęć w domach bez obecności lekarza, prowadzonych za pomocą bezpośredniego połączenia telekomunikacyjnego (mit – manus). 112 J. GIERGIEL, J.TUTAK Wyniki wszystkich prac nad rehabilitacją kończyny górnej z wykorzystaniem robotów są obiecujące. Pacjenci, którzy zetknęli się z tego typu rehabilitacją, wykazywali zwiększoną zdolność ruchową i bardzo pozytywnie wyraŜali się o nowym sposobie terapii. Nie wykazano negatywnych skutków terapii. Niektórzy naukowcy wykazali wyŜszość ćwiczeń z robotami nad ćwiczeniami konwencjonalnymi, ale cały czas naleŜy pamiętać, Ŝe Ŝadne urządzenie nie zastąpi rehabilitanta ze względu na ogromną róŜnorodność spotykanych przypadków i podejściu do kaŜdego z pacjentów z osobna. NiepodwaŜalną zaletą ćwiczeń wykonywanych z uŜyciem robotów jest taki sam standard usług dla kaŜdego pacjenta. LITERATURA 1. 2. 3. 4. www.pandm.prv.pl http://calder.med.miami.edu/pointis/sciman.html brl.ee.washington.edu Hesse S., Schmidt S., Werner C.: Machines to support motor rehabilitation after stroke: 10 years experience in Berlin. “Journal of Rehabilitation Research & Development” 2006, Vol. 43 No.5, p.671- 678. 5. http://medgadget.com MANIPULATORS FOR UPPER LIMB REHABILITATION Summary. This article describes a review of the most interesting achievements in a field of use of the manipulators of upper limb. There were presented few criteria which we are able to use for divide manipulators. On the basis of collected information there were presented some purpose, which should direct in the traditional rehabilitation and the same purpose to take into consideration during design a future manipulator. There was also presented dynamics, kinematics model and basic information about new solution for hand rehabilitation.