docAlgorytmy przetwarzania sygnałów sprzężeń zwrotnych i
download 
Reklamacja Transkrypt
Algorytmy przetwarzania sygnałów sprzężeń zwrotnych i
Mateusz Kowalski Politechnika Poznańska Wydział Elektryczny Instytut Automatyki i Inżynierii Informatycznej Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki Algorytmy przetwarzania sygnałów sprzężeń zwrotnych i sterowania dla egzoszkieletu rehabilitacyjnego kończyn dolnych. Tematem mojej pracy doktorskiej jest stworzenie interfejsu oraz algorytmów umożliwiających sterowanie egzoszkieletem rehabilitacyjnym kończyn dolnych. Praca obejmuje również udział w konstrukcji wyżej wspomnianego egzoszkieletu i platformy badawczej przeznaczonej do rejestracji i analizy ludzkiego chodu. Praca wpisuje się w szerszy zakres badań nad zagadnieniem wspomagania ruchu realizowanych przez zespół Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej utworzony w Instytucie Automatyki i Inżynierii Informatycznej na Politechnice Poznańskiej (więcej informacji na stronie: http://www.cie.put.poznan.pl zakładka: badania, kategoria: zespoły badawcze). Motywacją do podjęcia opisanych badań jest duży potencjał utylitarny zagadnienia, duże grono potencjalnych beneficjentów oraz szeroki zakres zastosowań. W ciągu ostatnich kilkunastu lat zrealizowano w Polsce wiele projektów również współfinansowanych przez Unię Europejską mających na celu usunięcie barier architektonicznych i aktywizację społeczną i zawodową osób niepełnosprawnych fizycznie. Zagadnienie jest jednak skomplikowane i wiele miejsc w przestrzeni publicznej wciąż pozostaje trudno dostępnych. Egzoszkielet to rodzaj robota ‘ubieranego’ czyli urządzenia otaczającego ciało człowieka i pozwalającego na wspomaganie ruchu wybranych kończyn. Urządzenie to ma więc potencjał do rozwiązania wielu problemów osób niepełnosprawnych fizycznie. Ponadto egzoszkielet może wspomagać wykonywanie ćwiczeń rehabilitacyjnych i Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego sportowych oraz zwiększać możliwości lokomocyjnych osób zdrowych np. w kontekście wykonywania prac wymagających dużego wysiłku fizycznego. Prace zespołu skupiają się na stworzeniu takiego właśnie egzoszkieletu, wyposażonego w napędy, układ sterowania i zestaw czujników, otaczającego nogi użytkownika w celu sterowania ich ruchem. Istotną kwestią jest sterowanie zgodne z intencjami użytkownika, a za ich prawidłowe rozpoznanie odpowiedzialna jest część oprogramowania systemu nazywana interfejsem. Badania nad różnymi metodami interfejsowania egzoszkieletu może prowadzić również do powstania innych rozwiązań, urządzeń lub systemów do interaktywnej rehabilitacji i wspomagania osób niepełnosprawnych nie tylko w zakresie lokomocji (np. eye-typing). Celem mojej pracy jest opracowanie metod analizy i łączenia danych z wielu czujników w tym czujników sygnałów biologicznych w celu rozpoznania intencji ruchu. Należy podkreślić, że poprzez rozpoznanie intencji ruchu rozumie się rozróżnienie zamiaru wykonania jednego z kilku podstawowych i z góry ustalonych wzorców ruchu takich jak: kroczenie, zatrzymanie, siadanie, wstawanie. zautomatyzowanym rozpoznawaniu intencji ruchu Interfejs oparty na pozwoli na sterowanie egzoszkieletem poprzez przełączanie pomiędzy określonymi stanami. Ze względu na fakt, że egzoszkielet jest urządzeniem ubieralnym, a więc ściśle współpracującym z użytkownikiem inaczej niż w przypadku typowych robotówmanipulatorów zadania interfejsowania i sterowania są ze sobą ściśle związane. Praca obejmuje więc swoim zakresem również tworzenie algorytmów sterowania. Jest to zagadnienie trudne ze względu na: złożoność obiektu jakim jest układ egzoszkieletnogi człowieka, wysokie wymagania dotyczące bezpiecznej pracy urządzenia. Ponadto planuje się by podczas ruchu wykorzystywać dynamikę własną tego układu. Takie rozwiązanie z jednej strony pozwoli na zwiększenie płynności chodu wymuszanego przez egzoszkielet z drugiej spowoduje oszczędność energii i zmniejszy zużycie modułów napędowych. W badaniach wykorzystywana jest platforma badawcza obejmująca między innymi prototyp egzoszkieletu kończyn dolnych własnej konstrukcji(Rysunek 1). Urządzenie posiada pełną funkcjonalność niezbędną do realizacji założonych ruchów i modułowość umożliwiającą dostosowanie wymiarów poszczególnych segmentów do 90% dorosłych użytkowników. Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Ponadto w skład platformy wchodzą: profesjonalny 16 kanałowy wzmacniacz sygnałów EEG/EMG, system rozpoznawania ruchu motion-capture oraz bieżnia elektryczna. Rysunek 1: Egzoszkielet w trakcie testów na bieżni (fot. Mateusz Kowalski). Temat konstrukcji podobnych urządzeń spotyka się z dużym zainteresowaniem badaczy na całym świecie. Aktualnie istnieje kilka rozwiązań tego typu urządzeń, jednak ich wyraźną wadą jest brak zaawansowanych sposobów interfejsowania, co jest szczególnie istotne w przypadku rozwiązań medycznych wspomagających ruch osób niepełnosprawnych. Istniejące egzoszkielety wykorzystują sterowanie oparte na czujnikach mechanicznych lub interfejsy w dużej mierze angażujące uwagę osoby z nich korzystającej np. sterowanie odbywa się przy pomocy przycisków. Istotną innowacją w projekcie jest nacisk na poszukiwanie rozwiązań rozpoznających intencje ruchu niezależnie od uwagi osoby korzystającej z urządzenia. Drugim elementem innowacyjności projektu jest dążenie do wykorzystania dynamiki własnej obiektu podczas ruchu. Istniejące rozwiązania są bardzo kosztowne co powoduje, że nie uległy popularyzacji i funkcjonują na razie w postaci prototypów. Trzecim istotnym założeniem Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego jest więc poszukiwanie rozwiązań pozwalających na uzyskanie możliwie najniższych kosztów zakupu i użytkowania urządzenia. Konstruowane urządzenie – egzoszkielet kończyn dolnych jest nowoczesnym narzędziem rehabilitacji i wspomagania ruchu. W połączeniu z zastosowaniem nowych metod rehabilitacji może przyczynić się do poprawy jakości życia osób niepełnosprawnych i ich aktywizacji zarówno społecznej jak i zawodowej. Wraz ze wzrostem świadomości znaczenia i korzyści płynących ze stosowania nowoczesnych metod rehabilitacji i wsparcia osób niepełnosprawnych należy przypuszczać, że rynek tego rodzaju usług i urządzeń będzie się rozwijał. Przy czym jest to rynek wymagający i wyspecjalizowany, który będzie poprzez rozwinięcie strony popytowej wymuszał dalsze procesy innowacyjne. Poznań posiada długą tradycję w dziedzinie rehabilitacji kompleksowej w szczególności w dziedzinie patologii ruchu. Możliwe jest więc łączenie doświadczenia placówek naukowych medycznych i technicznych zajmujących się tym zagadnieniem wzmacniając jednocześnie bazę sprzętową pierwszych i rozszerzając zasoby naukowe drugich. Współpraca tych jednostek może zaowocować kształceniem odpowiednich specjalistów zapewniających wsparcie techniczne i naukowe dla nowych urządzeń i metod, a jednocześnie kontynuację procesu innowacyjnego. Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
