Robot ortotyczny jako system mechatroniczny

Transkrypt

1 Danuta Jasińska-Choromańska, Jakub Wierciak Ksawery Szykiedans i inni Robot ortotyczny jako system mechatroniczny ECO-MOBILITY innovative systems, constructions and advanced material technologies

2 Osoby z ograniczeniami ruchu (Ditunno 1994) Niedowłady lub porażenia mięśni mogą powstawać z różnych przyczyn, które w ogólnym zarysie dotyczą bądź to uszkodzenia dróg nerwowych przewodzących sygnały ruchowe, bądź patologii mięśni, kości, ścięgien, więzadeł, które stanowią efektor całego układu.

3 3 Wózki inwalidzkie (OrtoService 2011) Elektryczny Ręczny

4 Współczesne podejście do problemu - roboty ortotyczne (Pons 2008) Wearable robots Egzoszkielety Roboty ortotyczne Roboty protetyczne

5 Przedmiot projektu (ECO-V 2009) Sprawna górna część ciała Urządzenie Mocowane do tułowia Bezwładne mięśnie kończyn dolnych Zdrowy układ kostny kończyn dolnych Programowo napędzane kończyny dolne Użytkownik Obciążenia przenoszone przez układ kostny

6 Przykładowe rozwiązania (Argo Medical Technologies Ltd., Berkeley 2011) ReWalk elegs

7 Koncepcja użytkowa systemu

8 Opis podsystemów (Wierciak 2010)

9 Koncepcja użytkowo - eksploatacyjna urządzenia (ECO-V 2009) System instalowany ręcznie Utrzymywanie równowagi przez użytkownika Odciążanie kończyny w fazie wymachu przez użytkownika Programowa realizacja funkcji chodu Źródło energii pomocniczej przenoszone przez użytkownika

10 Koncepcja użytkowa urządzenia (ECO-V 2009)

11 Struktura funkcjonalna

12 Ogólny model funkcji systemów mechatronicznych (Gawrysiak 1997)

13 Model funkcji systemów mechatronicznych - funkcja główna (Gawrysiak 1997)

14 Założenia użytkowe funkcja główna (ECO-V 2009) Chód po płaskiej powierzchni Pokonywanie schodów Siadanie Wstawanie Pokonywanie niewielkich przeszkód

15 Funkcja główna chód po płaskiej poziomej powierzchni (Whittle 1996)

16 Struktura mechaniczna układu ruchu człowieka (Szykiedans 2010) Miednica 3 stopnie swobody Staw biodrowy 3 stopnie swobody Staw kolanowy 3 stopnie swobody Staw skokowy Stopa 3 stopnie swobody 2 stopnie swobody

17 Chód po płaskiej poziomej powierzchni - kinematyka miednicy (Syczewska 2010) Płaszczyzna strzałkowa Płaszczyzna czołowa Płaszczyzna poprzeczna

18 Chód po poziomej powierzchni - kinematyka stawu biodrowego (Syczewska 2010) Płaszczyzna strzałkowa Płaszczyzna czołowa Płaszczyzna poprzeczna

19 Analiza funkcji głównej (Wierciak 2007) Układy wykonawcze Układy pomiarowe

20 Wykaz układów wykonawczych urządzenia propozycja (ECO-V 2010) 1. Układ realizacji ruchu stawu biodrowego w płaszczyźnie strzałkowej 2. Układ realizacji ruchu stawu kolanowego w płaszczyźnie strzałkowej 3. Układ realizacji ruchu stawu skokowego w płaszczyźnie strzałkowej

21 Wymagany profil ruchu siłownika stawu kolanowego (ECO-V 2010)

22 Środowisko pracy systemu (ECO-V 2009) Użytkownik Środowisko naturalne Środowisko techniczne Otoczenie prawne Użytkownik Środowisko naturalne Środowisko techniczne Otoczenie prawne

23 Urządzenia: do wprowadzania danych i informujące propozycje 1 (WZWP 2010)

24 Urządzenia: do wprowadzania danych i informujące propozycje 2 ( Estetyka konstrukcji 2009)

25 Urządzenie mechatroniczne (Gawrysiak 1997)

26 Założenia użytkowe - bezpieczeństwo użytkownika (Gawrysiak 1997)

27 Miejsce systemu bezpieczeństwa w projektowanym urządzeniu (ECO-V 2010)

28 Podsystemowa struktura robota

29 Robot zainstalowany na manekinie (ECO 2013)

30 Struktura mechaniczna (Szykiedans 2010) 1 DOF Hip joint 1 DOF 1 DOF Knee joint 1 DOF 1 DOF Ankle joint 1 DOF support for spine of the user; 2,4,6 links; 3 hip joints; 5 knee joints; 7- ankle joints; 8 foot joints. 7 8

31 31 Konstrukcja podsystemu mechanicznego (ECO 2011) Przeguby Pas biodrowy z podparciem pleców Struktura nośna Moduły napędowe Stopy

32 Pas piersiowo-biodrowy (ECO 2013)

33 Układ wykonawczy ruchu (Credo 2012) Model 3D Prototyp

34 Moduł stopy (Semeniuk 2012)

35 35 Budowa robota podsystem elektroniczny

36 36 Założenia do systemu sterowania (Bojarski 2011) Modular structure Susceptibility for further development and modifications Opportunity for application of various control algorithms

37 37 Struktura systemu sterowania (Bojarski 2011)

38 38 Sterownik nadrzędny (Bojarski 2011) Control of the whole system Readiness to communicate with PC Synchronization of operation of modules Detection of failures Registration of states of the device Measurement of user position

39 39 Sterownik stopy Multipoint measurement of ground reaction force Measurement of ankle joint angular displacement Measurement of distance between foot and an obstacle (ECO 2013)

40 40 Sterownik napędu (ECO 2012)

41 Interfejs użytkownika (ECO 2012)

42 42 Akumulatory (Bojarski 2011/ECO 2013) Supply of a system Li-Ion battery Integration with charging system

43 43 Rozmieszczenie układów elektronicznych (Bojarski 2011)

44 44 Modelowanie i symulacja robota

45 Assumptions (Bagiński 2010) Experimental profiles of human joints movements as reference signals for actuators Movements performed in sagittal plane only Three DOF in each leg DC motors employed for drive systems Parts of human body treated as rigid bodies Frictional torques in human joints neglected Contact of feet with the ground modelled as reaction forces arising in proximity of the ground level

46 Fazy chodu człowieka (Whittle 1996)

47 Struktura modelu symulacyjnego (Bagiński 2011)

48 Model symulacyjny animacja odpowiedzi (Bagiński 2011)

49 Wyznaczanie momentów w przegubach (Bagiński 2011) wartość Peak value szczytowa M max M= maks 260,1 =260,1 Nm Nm momenty Torques w stawie in hip biodrowym joint momenty Torques w stawie in knee kolanowym joint wartość Peak value szczytowa M max = M261,5 maks =261,5 Nm Nm

50 1,5 1,7 1,9 Parametryzacja modelu (Bagiński 2011)

51 Przykładowe wyniki symulacji 1 (Bagiński 2011)

52 Przykładowe wyniki symulacji 2 (Bagiński 2011)

53 53 Uruchomienie systemu

54 Pierwsze próby (ECO 2012)

55 Stanowisko do badania robota (Kołodziej 2013)

56 Realizacja funkcji chodu (ECO 2015)

57 Integracja podsystemów (Wierciak 2010) Układy wykonawcze Układy pomiarowe