PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL BUP 01/12

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. A61H 1/02 ( ) A63B 23/04 ( ) A61B 5/11 ( ) (54) Robot do aktywnej rehabilitacji kończyn dolnych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 01/12 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/14 (72) Twórca(y) wynalazku: GRZEGORZ GRANOSIK, Łódź, PL MACIEJ CZAPIEWSKI, Łódź, PL MARCIN KACZMARSKI, Łódź, PL KRZYSZTOF MIANOWSKI, Warszawa, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest robot do aktywnej rehabilitacji kończyn dolnych, zwłaszcza po urazach neurologicznych, umożliwiający wymuszenie ruchów nogi w stawach biodrowym (zgięcie w płaszczyźnie strzałkowej oraz odwodzenie - przywodzenie) oraz kolanowym (zgięcie). Na konferencji Advanced Intelligent Mechatronics 2003 został przedstawiony manipulator do rehabilitacji kończyn dolnych osoby leżącej w łóżku, który zawiera ramę przymocowaną do łóżka, do której są przymocowane bloczki z linami, na których są zawieszone uchwyty na nogi. Każdy z uchwytów jest połączony, za pośrednictwem cięgien, z silnikiem elektrycznym. Każdy z silników napędowych umożliwia wygenerowanie ruchu w innej przestrzeni roboczej. Manipulator generuje zginanie i prostowanie nóg w stawie biodrowym i kolanowym, przywodzenie i odwodzenie w stawie biodrowym oraz rotację wewnętrzną i zewnętrzną w stawie biodrowym. Znany jest także stół terapeutyczny Erigo wyposażony w uchwyty do przymocowania pacjenta do łóżka na wysokości stawu biodrowego i stawów kolanowych, z których uchwyt do mocowania pacjenta w okolicy stawu biodrowego jest dodatkowo połączony dwoma cięgnami z końcem łóżka, do którego drugiego końca są przymocowane elektroniczne siłowniki wywołujące ruch imitujący kroczenie, sterowane komputerowo z możliwością wyboru wzorca ruchu kroczenia dla prawej i lewej kończyny. Siłowniki są wyposażone w sprężynę wywołującą dodatkowe obciążenie stóp podczas ruchu imitującego kroczenie, zgodnie z fizjologicznym wzorcem chodu. Stół jest nadto wyposażony w sterowany niezależnie mechanizm pionizacji umożliwiający regulację kąta nachylenia stołu i prędkości zmian tego kąta. Robot do aktywnej rehabilitacji kończyn dolnych, według wynalazku, jest wyposażony w podstawę, do której od spodu są przymocowane cztery koła jezdne, z których przynajmniej dwa są wyposażone w hamulce nożne. Do jednego z boków podstawy są przymocowane usytuowane pionowo podpory, na których jest wsparta usytuowana pionowo płyta, której pionowe krawędzie są osadzone przesuwnie w prowadnicach. Do górnej części tej płyty jest przymocowana prostopadłościenna obudowa, usytuowana nad podstawą robota, otwarta od dołu, wewnątrz której jest zamocowana, wzdłuż podstawy robota, prowadnica, której jeden koniec jest złączony z wózkiem jezdnym osadzonym przesuwnie na listwie z wyfrezowanymi zębami, przymocowanej do ścianki wewnętrznej obudowy, zaś drugi koniec prowadnicy jest zamocowany obrotowo w przegubie przymocowanym także do ścianki wewnętrznej obudowy, z możliwością obrotu w płaszczyźnie poziomej w kierunku prawo-lewo o kąt 20. Na prowadnicy są osadzone przesuwnie dwa wózki jezdne, przy czym w każdym z nich jest osadzony przesuwnie jeden koniec sztywnego, usytuowanego pionowo ramienia, którego drugi koniec jest wyposażony w zawiesie na nogę oraz uchwyt z przyciskami. Zawiesie jednego ramienia jest przeznaczone do mocowania stopy pacjenta, zaś zawiesie drugiego ramienia do przytrzymywania nogi pacjenta w stawie kolanowym. Każdy z wózków osadzonych na prowadnicy jest wyposażony w dwa silniki elektryczne, jeden do generowania ruchu wózka wzdłuż prowadnicy, zaś drugi do generowania ruchu osadzonego w wózku końca ramienia w kierunku góra-dół. Wózek, z którym jest złączona prowadnica, jest wyposażony w silnik elektryczny do generowania ruchu tego wózka wzdłuż listwy z wyfrezowanymi zębami. Każdy z silników elektrycznych wraz z zamocowanym na jego osi czujnikiem pomiaru kąta obrotu jest połączony z układem sterowania robota, zaś za pośrednictwem przekładni redukcyjnej oraz sprzęgła elektromagnetycznego z elementem napędzanym, przy czym każdy z elementów napędzanych jest wyposażony w niezależny czujnik pomiaru położenia absolutnego, także połączony z układem sterowania robota. W ściance obudowy znajduje się panel sterujący, stanowiący element komunikacji robota z operatorem, oraz wyłącznik bezpieczeństwa, obydwa połączone z układem sterowania robota. Przyciski na uchwytach pionowych ramion są także połączone z układem sterowania robota. Nadto, dla zapewnienia bezpieczeństwa pacjenta, robot jest wyposażony w układ do podtrzymania zasilania sprzęgnięty z układem sterującym. Wózki jezdne przemieszczające się po prowadnicy, niezależnie jeden od drugiego, umożliwiają zamocowanie kończyny odpowiednie do wykonania ćwiczeń stawu biodrowego lub kolanowego. Przemieszczające się w kierunku góra-dół ramiona robota umożliwiają wykonanie ćwiczenia zgięcia i wyprostu nóg w stawie kolanowym i biodrowym. Wózek jezdny przemieszczający się wzdłuż listwy z wyfrezowanymi zębami umożliwia wykonanie ćwiczenia odwodzenia i przywodzenia kończyny w stawie biodrowym. Analiza położeń, które mogą osiągnąć końce ramion robota w trójwymiarowej przestrzeni XYZ wskazuje, iż przestrzeń robocza robota ma kształt wycinka walca. Pojedyncze cykle zaprogramowanego ćwiczenia robota mogą być powtarzane w dowolny sposób, także ze zmienioną prędkością ruchu. Zakresy ruchów oraz czas rejestracji ćwiczenia mogą być łatwo modyfikowane

3 PL B1 3 przez zastosowanie innych wersji rozmiarowych robota lub przez zmianę wielkości pamięci w układzie sterowania. Mobilność oraz niska waga robota według wynalazku umożliwiają swobodne przemieszczanie go przez jedną osobę. Położenie robota może być zmieniane bez angażowania do tego pacjenta, co ma szczególne znaczenie w początkowym okresie rehabilitacji, kiedy transport pacjenta nie jest możliwy lub w przypadku gdy wymagane jest poddanie procesowi rehabilitacji pacjenta nieprzytomnego. Długi czas zaprogramowanego ćwiczenia umożliwia nauczenie robota bardzo długiej i złożonej sekwencji ruchów. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia robota w widoku perspektywicznym, fig. 2 - fragment robota z prowadnicą, w widoku z góry, zaś fig. 3 - model kinematyczny robota. Robot jest wyposażony w podstawę 1 w postaci prostokątnej ramy, do której od spodu są przymocowane cztery koła jezdne, z których dwa są wyposażone w hamulce nożne. Do jednego z krótszych boków podstawy 1 są przymocowane dwie, usytuowane pionowo podpory 2, na których jest wsparta usytuowana pionowo, dwuczęściowa płyta 3. Pionowe krawędzie obydwu części płyty 3 są umieszczone przesuwnie w prowadnicach 4. W przelotowy, nagwintowany otwór dolnej części płyty 3 jest wkręcona śruba 5 z pokrętłem 6 umieszczonym pod dolną częścią płyty 3. Na końcu śruby 5, wystającym ponad dolną część płyty 3, jest wsparta górna część płyty 3. Do górnej części płyty 3 jest przymocowana prostopadłościenna obudowa 7 usytuowana nad podstawą 1 robota, otwarta od dołu. Wewnątrz obudowy 7 jest zamocowana, równolegle do dłuższego boku podstawy 1, prowadnica 8, której jeden koniec jest złączony z wózkiem jezdnym 9 osadzonym przesuwnie na listwie 10 z wyfrezowanymi zębami, przymocowanej do ścianki wewnętrznej obudowy 7. Drugi koniec prowadnicy 8 jest zamocowany obrotowo w przegubie przymocowanym także do ścianki wewnętrznej obudowy 7, z możliwością obrotu w płaszczyźnie poziomej w kierunku prawo-lewo o kąt 20. Na prowadnicy 8 są osadzone przesuwnie dwa wózki jezdne 11, 12. W każdym z wózków 11, 12 jest osadzony przesuwnie jeden koniec sztywnego ramienia 13, 14, którego drugi koniec jest wyposażony w zawiesie na nogę oraz uchwyt z przyciskami. Zawiesie lewego ramienia 13 jest przeznaczone do przytrzymywania nogi pacjenta w stawie kolanowym, zaś zawiesie prawego ramienia 14 do mocowania stopy pacjenta. Każdy z wózków 11, 12 osadzonych na prowadnicy 8 jest wyposażony w dwa silniki elektryczne S, jeden do generowania ruchu wózka wzdłuż prowadnicy 8, zaś drugi do generowania ruchu osadzonego w wózku końca ramienia 13, 14 w kierunku góra-dół. Wózek 9, z którym jest złączona prowadnica 8, jest wyposażony w silnik elektryczny S1 do generowania ruchu tego wózka wzdłuż listwy 10 z wyfrezowanymi zębami. Każdy z silników elektrycznych S, S1 wraz z zamocowanym na jego osi czujnikiem pomiaru kąta obrotu jest połączony z układem sterowania, zaś za pośrednictwem przekładni redukcyjnej oraz sprzęgła elektromagnetycznego z elementem napędzanym. Każdy z elementów napędzanych jest wyposażony w potencjometr do pomiaru położenia absolutnego, także połączony z układem sterowania robota. W ściance obudowy 7 znajduje się panel sterujący 15, zawierający wyświetlacz ciekłokrystaliczny i panel dotykowy, stanowiący element komunikacji robota z operatorem oraz wyłącznik bezpieczeństwa 16, oba połączone z układem sterowania robota. Przyciski na uchwytach pionowych ramion 13, 14 są także połączone z układem sterowania. Robot jest nadto wyposażony w układ do podtrzymywania zasilania sprzęgnięty z układem sterującym. W celu przeprowadzenia rehabilitacji, robota umieszcza się tak, aby łóżko z pacjentem znajdowało się pod obudową 7 i nad podstawą 1 robota. Po ustaleniu ostatecznej pozycji robota względem łóżka zablokowuje się, za pomocą hamulców, podstawę 1 robota. Następnie pokręcając pokrętłem 6 śruby 5 przemieszcza się w prowadnicach 4 górną część płyty 3 wraz ze złączoną z nią obudową 7, w celu dopasowania położenia obudowy 7 do wysokości łóżka. Następnie metodą uczenia zaprogramowuje się ruchy robota. W tym celu terapeuta zamocowuje nogę pacjenta najpierw w stawie kolanowym w zawiesiu lewego ramienia 13, a następnie stopę w zawiesiu prawego ramienia 14, przy czym ruch pojedynczego ramienia jest możliwy po naciśnięciu przycisku na uchwycie umieszczonym na końcu danego ramienia. Po zamocowaniu nóg pacjenta i ustawieniu ich w pozycji początkowej dla ćwiczenia, terapeuta wybiera z menu programu sterującego, za pomocą panelu sterującego 15, opcję zapisu programu i po naciśnięciu przycisków na uchwytach ramion 13, 14 zadaje trajektorie ruchu i prędkości ruchu, które są zapisywane w pamięci układu sterowania robota, poruszając w tym celu ramionami 13, 14 robota i nogami pacjenta z uwzględnieniem możliwości ruchowych pacjenta, aż do chwili zwolnienia przycisków na uchwytach ramion 13, 14. Następnie robot wykonuje pojedynczy cykl próbny zaprogramowanych ćwiczeń, podczas którego ustala się żądaną prędkość odtwarzania za

4 4 PL B1 pomocą panelu sterującego 15 i sprawdza poprawność realizacji zaprogramowanych ruchów. W razie konieczności dokonania korekty trajektorii wprowadza się od nowa zaprogramowane ćwiczenie do pamięci układu sterowania. Po weryfikacji poprawności odtwarzania zaprogramowanego ćwiczenia ustala się, za pomocą panelu sterującego 15, ilość powtórzeń i czas ćwiczenia kończyny, włącza układ sterowania i robot wykonuje zaprogramowane ruchy zapisane w pamięci układu sterowania. W przypadku przekroczenia przez wózki 9, 11, 12 robota dopuszczalnej przestrzeni roboczej, wystąpienia przeciążenia prądowego, utraty komunikacji z jakimkolwiek modułem sterującym pracą silnika, w wyniku naciśnięcia wyłącznika bezpieczeństwa 16 lub wybrania opcji STOP na panelu sterującym 15 układ sterowania wyłącza silniki S i S1. Na fig. 3 przedstawiono model kinematyczny robota oraz wartości parametrów złączy stosując używaną w robotyce notację Denavita-Hartenberga (D-H). Nieruchomy układ bazowy (o indeksie 0) jest związany z obudową 7 i usytuowany tak, że oś Z 0 jest osią obrotu przegubu łączącego prowadnicę 8 z wewnętrzną ścianką obudowy 7. Zmienna 1 określa kąt obrotu prowadnicy 8 w płaszczyźnie poziomej w kierunku prawo-lewo tj. wokół osi Z 0. Układy o indeksie 1 i 2 są związane z prowadnicą 8 i zorientowane tak, że osie Z tych układów leżą wzdłuż prowadnicy 8 i wyznaczają kierunek ruchu poziomego wózków 11, 12 po prowadnicy 8. Zmienne d 1 3 i d 2 4 określają przesunięcia wózków odpowiednio 11 i 12 wzdłuż prowadnicy 8 tj. wzdłuż osi Z 1 i Z 2. Kolejne układy o indeksach 3 i 4 są związane z wózkami 11 i 12 i zorientowano tak, że osie Z tych układów leżą wzdłuż sztywnych ramion 13 i 14 i wyznaczają kierunek ruchu pionowego tych ramion z zawiesiami do mocowania nogi pacjenta. Zmienne d 3 5 i d 4 6 określają przesunięcia uchwytów mocujących, znajdujących się na końcu ramion 13 i 14 wzdłuż tych ramion tj. wzdłuż osi Z 3 i Z 4. Zgodnie z notacją D-H umieszczono także układy o indeksach 5 i 6 związane z efektorami, którymi w przypadku robota rehabilitacyjnego są uchwyty do mocowania nogi pacjenta, przy czym układ 5 umieszczono na końcu ramienia 13, zaś układ 6 na końcu ramienia 14. Zastrzeżenie patentowe Robot do aktywnej rehabilitacji kończyn dolnych, znamienny tym, że jest wyposażony w podstawę (1), do której od spodu są przymocowane cztery kola jezdne, z których przynajmniej dwa są wyposażone w hamulce nożne i do której jednego z boków są przymocowane usytuowane pionowo podpory (2), na których jest wsparta usytuowana pionowo płyta (3), której pionowe krawędzie są osadzone przesuwnie w prowadnicach (4) i do której górnej części jest przymocowana prostopadłościenna obudowa (7) usytuowana nad podstawą (1) robota, otwarta od dołu, wewnątrz której jest zamocowana, wzdłuż podstawy (1) robota, prowadnica (8), której jeden koniec jest złączony z wózkiem jezdnym (9) osadzonym przesuwnie na listwie (10) z wyfrezowanymi zębami, przymocowanej do ścianki wewnętrznej obudowy (7), zaś drugi koniec prowadnicy (8) jest zamocowany obrotowo w przegubie przymocowanym do ścianki wewnętrznej obudowy (7) z możliwością obrotu w płaszczyźnie poziomej w kierunku prawo-lewo o kąt 20, nadto na prowadnicy (8) są osadzone przesuwnie dwa wózki jezdne (11, 12) i w każdym z nich jest osadzony przesuwnie jeden koniec sztywnego, usytuowanego pionowo ramienia (13, 14), którego drugi koniec jest wyposażony w zawiesie na nogę oraz uchwyt z przyciskami, przy czym zawiesie jednego z ramion (13) jest przeznaczone do przytrzymywania nogi pacjenta w stawie kolanowym, zaś zawiesie drugiego ramienia (14) do mocowania stopy pacjenta, nadto każdy z wózków (11, 12), osadzonych na prowadnicy (8), jest wyposażony w dwa silniki elektryczne (S), jeden do generowania ruchu wózka wzdłuż prowadnicy (8), zaś drugi do generowania ruchu osadzonego w wózku końca ramienia w kierunku góra-dół, natomiast wózek (9), z którym jest złączona prowadnica (8) jest wyposażony w silnik elektryczny (S1) do generowania ruchu tego wózka wzdłuż listwy (10) z wyfrezowanymi zębami, przy czym każdy z silników (S, S1) wraz z zamocowanym na jego osi czujnikiem pomiaru kąta obrotu jest połączony z układem sterowania robota, zaś za pośrednictwem przekładni redukcyjnej oraz sprzęgła elektromagnetycznego z elementem napędzanym, przy czym każdy z elementów napędzanych jest wyposażony w niezależny czujnik pomiaru położenia absolutnego, także połączony z układem sterowania robota, dodatkowo w ściance obudowy (7) znajduje się panel sterujący (15) stanowiący element komunikacji robota z operatorem oraz wyłącznik bezpieczeństwa (16), obydwa połączone z układem sterowania robota, z którym są także połączone przyciski na uchwytach pionowych ramion (13, 14), nadto robot jest wyposażony w układ do podtrzymania zasilania także sprzęgnięty z układem sterowania.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)