MODELOWANIE INśYNIERSKIE ISSN 1896-771X 36, s. 13-11, Glwce 8 MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ JÓZEF GIERGIEL, JACEK S. TUTAK Katedra Mechank Stosowanej Robotyk, Poltechnka Rzeszowska e-mal: bartek@prz.edu.pl, tutak.sanok@ ntera.pl Streszczene. W pracy przedstawono najcekawsze rozwązana manpulatorów rehabltacyjnych kończyny górnej. Zameszczono przykładowe krytera, względem których moŝemy podzelć dostępne obecne manpulatory. Zaprezentowano podstawowe cele, jake stawane są ćwczenom w tradycyjnych metodach, a zarazem są to wymagana, które pownen równeŝ spełnać przyszły manpulator rehabltacyjny. Praca zawera równeŝ analzę knematyczną dynamczną przyszłego manpulatora. Na końcu wspomnano równeŝ o nowym rozwązanu urządzena do rehabltacj ręk. 1. WSTĘP Rehabltacja jest bardzo waŝną częścą medycyny. Polega ona na dzałanu usprawnającym terapeutycznym. Rehabltacja jest zborem dzałań lecznczych, edukacyjnych, techncznych psychologcznych. Przeznaczona jest dla osób chorych nepełnosprawnych, które utracły pewne funkcje na skutek chorób, urazów wad wrodzonych. Jej głównym celem jest przywrócene jak najwększej sprawnośc; funkcj, które pacjent posadał przed chorobą lub maksymalne rozwnęce zdolnośc moŝlwych do osągnęca przy występującym schorzenu. Projektowane urządzene ma być ułatwenem w pracy rehabltanta śadne urządzene ne będze jednak w stane całkowce wyelmnować osoby rehabltanta. Ćwczena berne to take, w których ruch kończyny pacjenta narzucany jest z zewnątrz. W tradycyjnej metodze ruchy kończyną pacjenta wykonuje terapeuta. Celem omawanych ćwczeń, a zarazem przyszłego manpulatora, będze: utrzymane odpowednego zakresu ruchu w stawach, utrzymane odpowednej długośc, elastycznośc spręŝystośc męśn, zapobegane przykurczom męśn, torebk wązadeł, pobudzane obwodowego układu nerwowego. Ćwczena czynne to take, w których ruchy wykonywane są jedyne przez pacjenta, zaś rola terapeuty polega wyłączne na ewentualnej pomocy, dawanu porad wskazówek. Celem tych ćwczeń jest: zwększene sły męśna, zwększene masy męśna, przywrócene prawdłowego dzałana męśna.
14 J. GIERGIEL, J.TUTAK Jest wele metod prowadzena ćwczeń kończyny górnej. Najlepszym rozwązanem byłoby zbudowane urządzena, które potrafłoby wykonywać take same ruchy co zdrowa kończyna. Jest to ne lada wyzwane, zwaŝywszy na skomplkowaną strukturę omawanej kończyny. W zaleŝnośc od stanu pacjenta - czy mamy do czynena z kończyną wotką, kończyną, w której zaczynają pojawać sę początk spastycznośc, czy juŝ całkowce spastyczną, podejśce do zakresu ruchów jest zupełne nne. PonŜej zaprezentowano przykładowe ćwczena: a) b) c) Rys.1 Przykładowe ćwczena palców ( a ), kcuka ( b ) nadgarstka ( c ) [1]. Rys. Ćwczena w stawe barkowym oraz łokcowym (po prawej) []. W przypadku pojawena sę spastycznośc ne ma juŝ moŝlwośc wykonywana ćwczeń w pełnym zakrese ruchu. Jest on znaczne mnejszy nny w kaŝdym przypadku. Pojawa sę przykurcz, który rehabltant, poprzez odpowedne ćwczena, stara sę wyelmnować. Pogłęba wyprost. Projektowane urządzene pozwol wykonywać ćwczena róŝnym metodam, a jedną z nch jest tradycyjna metoda przebegająca w płaszczyznach. Wszystke ruchy stawowe moŝna zapsać w następujących podstawowych płaszczyznach: strzałkowa S, czołowa F poprzeczna T. Dodać naleŝy jeszcze ruchy rotacyjne oznaczone lterką R. MoŜna równeŝ ustalć stosować ops za pomocą płaszczyzn skośnych, ops, który podaje sę w stopnach odchylena od płaszczyzn głównych. Na tej podstawe powstała, w ostatnm czase dość popularna, metoda ćwczeń PNF. KaŜdy człowek jest nny, ma róŝną długość kończyny górnej, róŝną masę td. Dlatego tak waŝnym elementem jest moŝlwość szybkej dokładnej regulacj przyszłego urządzena oraz dostosowane go do kończyny kaŝdego pacjenta.. PRZEGLĄD MANIPULATORÓW REHABILITACYJNYCH Kolejnym elementem pracy, bez którego ne moŝna przystąpć do zaprojektowana nowego manpulatora zdolnego konkurować z najlepszym produktam w tej dzedzne, jest szczegółowy przegląd dotychczasowych osągnęć. Ze względu na brak wystarczającej lośc mejsca przegląd ten zostane ogranczony jedyne do klku produktów.
MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ (ANALIZA KINEMATYCZNA ) 15.1. Wearable Robotcs Exoskeleton Jest jednym z projektów zrealzowanych przez BoRobotcs Laboratory na Unversty of Washngton. Laboratorum to prowadz badana nad urządzenam do nterakcj z bologcznym systemam ruchu. Perwsza wersja tego urządzena posada jeden stopeń swobody przeznaczona jest do pracy w stawe łokcowym. Jej celem jest prowadzene ćwczeń, które wzmocnłyby słę męśn napędzających ruch w stawe łokcowym. Złącze dla stawu łokcowego napędzane jest przez slnk prądu stałego frmy ESCAP, a razem z nm montowana jest przekładna planetarna, równeŝ tej samej frmy. Optyczny enkoder zamontowany jest na wale slnka. Zastosowano dwa czujnk sły (TEDEA 14). Przy pomarze aktywnośc męśn zastosowano czujnk EMG (elektromogram). Wszystke otrzymane wynk zapsywane są w komputerze, a następne analzowane. Cała konstrukcja jest przenośna, a urządzene moŝe być zaslane z akumulatora. Druga wersja, bazująca na wcześnejszym prototype, została dodatkowo rozbudowana o ruchy w stawe barkowym. Tym razem zastosowano cztery czujnk sły: perwszy zamontowano w mejscu umeszczena obcąŝena, dwa kolejne znajdują sę przy uchwyce, który ręką trzyma ćwczący, a czwarty jest w mejscu nterakcj ramena ćwczącego z mechanzmem. Pozostałe elementy są take same. Rys.3 Prototyp kolejnej wersja urządzena Wearable Robotcs [3] Trzec prototyp, rozszerzony o moŝlwość ruchu w nadgarstku, jest urządzenem o sedmu stopnach swobody (trzy stopne swobody dla barku, jeden stopeń swobody dla łokca oraz trzy stopne dla nadgarstka). Prace nad tym projektem mają na celu nesene pomocy osobom, które mają za słabe męśne do wykonywanu podstawowych czynnośc. Ich układ nerwowy cały czas funkcjonuje poprawne, dlatego teŝ wykorzystano mechanczne układy w połączenu ze sterowanem wykorzystującym nformacje pochodzące z sygnałów EMG, aby dać szansę powrotu do normalnego Ŝyca [3]... B Manu - Track Jest urządzenem umoŝlwającym wykonywane ćwczeń probacj/supnacj przedramena oraz zgęca/wyprostu nadgarstka. Ruchy mogą odbywać sę w układze lustrzanym.
16 J. GIERGIEL, J.TUTAK Rehabltant ma do dyspozycj trzy programy ćwczeń: berny berny, czynny berny (zdrowa kończyna prowadz kończynę nedokładną), czynny czynny (dotknęta kończyna mus pokonywać pojawający sę opór). Wszelkego rodzaju parametry ruchu, take jak: szybkość, lczba powtórzeń, doberane są do potrzeb ndywdualnych pacjentów. Istneje równeŝ moŝlwość zapsywana postępów rehabltacj. Idea skonstruowana tego typu robota opera sę na nformacjach patofzjologcznych, gdze obustronna regulacja znaczne ułatwa funkcjonowane kończyny nedokładnej (wynka to z połączena obu półkul)..3. NESS H Rys.4 System do obustronnych ćwczeń B Manu Track [4] Rys.5 NESS H rehabltacja poprzez odpowedną elektrostymulacje [5]. Na rys.5 zaprezentowano nenwazyjne urządzene wykorzystujące elektrostymulację do otwarca zamknęca dłon (FES). Istneje moŝlwość regulacj poprzez wybór jednego z pęcu programów pobudzana, z zastosowanem prądów o nskej częstotlwośc. Urządzene częścowo elmnuje napręŝene męśn, zwększając zakres ruchu słę. Przeznaczone jest dla osób po udarze mózgu, umoŝlwając m szybszy powrót do wykonywana czynnośc dna codzennego. Obecne jest ono produkowane przez frmę Boness, pomysłodawcą był NESS.
MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ (ANALIZA KINEMATYCZNA ) 17 3. KONSTRUKCJA MANIPULATORA Manpulator rehabltacyjny składa sę z podstawy, na której zamontowany jest człon perwszy, ramena przedramena. Prezentowany manpulator będze posadał konfgurację stawową OOO. Na tego typu połączene zdecydowano sę po przeanalzowanu ruchów wykonywanych przez terapeutę oraz mając na uwadze problemy ze sterowanem przy bardzej rozbudowanych modelach. W porównanu do zdrowej kończyny pomnęto moŝlwość ćwczena rotacj. MoŜlwym rucham, w przypadku gdy pacjent jest w pozycj leŝącej, są: zgnane prostowane w stawe łokcowym, ruch w płaszczyźne strzałkowej unoszena do góry, w płaszczyźne czołowej ruch odwodzena. Dodatkowo, po odwodzenu do kąta 9, będze moŝlwy ruch zgęca czołowego w płaszczyźne poprzecznej. Proponowane rozwązane dla barku łokca pokrywa sę z naturalnym osam obrotu omawanych stawów człoweka. Rys.6 Zakresy ruchów: w łokcu(po lewej), w barku(środek), w podstawe(po prawej) 4. ANALIZA KINEMATYCZNA I DYNAMICZNA MANIPULATORA W celu wyznaczena momentów napędowych dla łokca barku dokonano uproszczena; przeprowadzono analzę knematyczną dynamczną dla przedramena oraz ramena jako manpulatora płaskego. Rys.7 Rame przedramę poruszające sę na płaszczyźne gdze: l- długość członu, lc- odległość od początku członu do połoŝena środka cęŝkośc, - kat. 4.1. Knematyka prosta Wyznaczono połoŝene, w jakm znajduje sę środek masy przedramena w zaleŝnośc od połoŝeń kątowych: x = l1 cos1+ l c cos( 1+ ) (1) y = l1 sn1+ l c sn( 1+ ) ()
18 J. GIERGIEL, J.TUTAK 4. Knematyka odwrotna Następne określono połoŝena kątowe w przegubach w zaleŝnośc od połoŝena, w jakm znajduje sę środek masy drugego członu: Oblczono cos wyznaczono kąt : = arccos[( x + y l l ) /( l l )] (3) 1 c 1 c Przy wyznaczanu kąta 1, poprowadzono odcnek mędzy początkem układu współrzędnych nteresującym nas punktem. Po oblczenach wartość szukanego kąta wynos: = arc tg( x / y) + arctg[( l sn ) /( l + l cos )] (4) 4.3 Knematyka prędkośc 1 c 1 c Po wyznaczenu zaleŝnośc prędkośc punktu od prędkośc w przegubach przedstawono macerz Jacobego : l1 sn1 lc sn( 1+ ) lc sn( 1+ ) J = l1 cos1+ lc cos( 1+ ) lc cos( 1+ ) (5) 4.4 Dynamka Równana dynamczne manpulatora: ' M = d q '' + d q '' + c q ' q ' + c q ' q ' + c q +Φ (6) 1 11 1 1 11 1 11 1 1 1 gdze: M - momentem napędowym Elementy macerzy bezwładnośc wynoszą: Symbole Chrstoffela wynoszą: M = d q '' + d q '' + c q +Φ (7) ' 1 1 11 1 d = m l + m ( l + l l l cos q ) + l + l (8) 11 1 c1 1 c 1 c 1 d = m ( l + l l cos q ) + l (9) 1 c 1 c d = d (1) 1 1 d = m l + l (11) c c = 1/ * d / q = (1) 111 11 1 c = 1/ * d / q = m l l sn q (13) 11 11 1 1 c 1 c = c (14) 11 11 c = d / q 1/ * d / q = m l l sn q (15) 1 1 1 1 1 c 1 c = d / q 1/ * d / q = m l l sn q (16) 11 1 1 11 1 c 1 c = 1/ * d / q = (17) 1 1 c = c (18) 1 11 c = 1/ * d / q = (19) Równane dynamk manpulatora w postac macerzowej: M = D( q) q" + C( q, q ') q ' + G( q)
MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ (ANALIZA KINEMATYCZNA ) 19 gdze: D - macerz bezwładnośc C - sły Corolsa sły odśrodkowe G - sły cęŝkośc. () 5. STEROWANIE MANIPULATORA PODSTAWOWY CYKL PRACY Wstępny projekt manpulatora zakłada uŝyce slnków skokowych (krokowych). Pocąga to za sobą stworzene cyfrowego sposobu sterowana, tzn. sterowana przez odpowedne wysyłane mpulsów do sterownków slnków krokowych. Prawdopodobne zostane zastosowany mkrokontroler ATMEL oraz napsany program w języku BASCOM. Podstawowy cykl pracy programu zaczyna sę standardowo od wprowadzena danych, wyboru ćwczena ustalena,która kończyna będze ćwczona. Następne wyberana jest lczba powtórzeń ruchów kończyną oraz czas trwana jednego cyklu ćwczena (jest to czas trwana wychylena powrotu kończyny). Znając czas trwana jednego powtórzena, mkrokontroler oblcza prędkość kątową podaje wynk uŝytkownkow. Po zgromadzenu odpowednch danych następuje przygotowane do ćwczeń. Rozpoczyna sę je od kalbracj, czyl ustawena członów manpulatora w pozycjach zerowych. Następuje przygotowane pozycj wyjścowej do konkretnego, wybranego wcześnej ćwczena. Wykonywane ćwczeń moŝna przerwać w kaŝdym momence przycskem awaryjnym lub przycskem stop. Występuje równeŝ nny tryb prowadzena ćwczeń - tryb ręczny. UŜytkownk moŝe samodzelne poruszać wybranym członem za pomocą dwóch przycsków. PonŜej przedstawono schemat blokowy całego układu sterowana manpulatorem rehabltacyjnym. 6. ANALIZA KINEMATYCZNA MANIPULATORA W PRZESTRZENI 6.1. Knematyka prosta Tabela 1 PARAMETRY KINEMATYCZNE CZŁONY a d α Q 1 3 d 1 d 7 7 a 3 9 4 9 5 d 5 9 * 1 * * 3 * 4 * 5 6 * 6 7 * 7 Rys.8 Struktura przyszłego manpulatora PołoŜene manpulatora przedstawone na rys.7 ma mejsce przy następujących kątach:
11 J. GIERGIEL, J.TUTAK * * * * * * * 1 = = 7 3 = 4 = 9 5 = 9 6 = 7 = (1) Stosując notację Denavta Hartenberga w której kaŝde jednorodne przekształcene A jest reprezentowane jako wynk czterech przekształceń: A = Rot Trans Trans Rot α () zq zd xa x Dla prezentowanego manpulatora mam( s sn oraz c cos): cq1 sq1c 7 sq1s 7 cq sqc7 sqs7 sq1 cq1c 7 cq1s 7 A sq cqc7 cq1 s7 1= A s7 c7 = s7 c7 d 1 1 (3) cq3 sq3c9 sq3s9 a3cq3 cq4 sq4c9 sq4s9 sq3 cq3c9 cq3s9 a3sq 3 A sq4 cq4c9 cq4s9 3 = A s9 c9 4 = s9 c9 1 1 (4) cq5 sq5c9 sq5s9 cq6 sq6 cq7 sq7 sq5 cq5c9 cq5s9 A sq6 cq6 5 = A sq7 cq7 s9 c9 d5 6 = A 1 7 = 1 1 1 1 (5) 7 T = A A A A A A A (6) 1 3 4 5 6 7 Ze względu na bardzo dług zaps pomnęto ten element w artykule. 6. Knematyka odwrotna Następne określono połoŝena kątowe w przegubach w zaleŝnośc od końcówk roboczej. r11 r1 r13 r14 r 7 1 r r3 r 4 T = (7) r31 r3 r33 r34 r41 r4 r43 r44 r11, r1, r13, r1, r, r3, r31, r3, r 33 - elementy macerzy zwązane z orentacją r = X, r = Y, r = Z - elementy macerzy zwązane z pozycją (8) 14 4 34 r =, r =, r =, r = 1 (9) 41 4 43 44 6.3 Knematyka prędkośc - macerz Jakobego: z1 ( o7 o1 ) z ( o7 o ) z3 ( o7 o3 ) z4 ( o7 o4 ) z5 ( o7 o5 ) z6 ( o7 o6 ) J = z1 z z3 z4 z5 z 6 Wektor z ( o ) jest określony przez trzy elementy w trzecej (czwartej) kolumne T. (3) 7. URZĄDZENIE DO REHABILITACJI RĘKI
MANIPULATOR DO ĆWICZEŃ KOŃCZYNY GÓRNEJ (ANALIZA KINEMATYCZNA ) 111 W tradycyjnej metodze rehabltacj kończyny górnej wszystke ćwczena zaczyna sę od ręk (palców). Wybór tego elementu kończyny górnej ne jest przypadkowy, gdyŝ rękę moŝna nazwać narządem ruchowo - chwytno - badawczo - poznawczo - komunkacyjnym. Za pomocą tego genalnego narzędza moŝemy realzować polecena mózgu, począwszy od wymagającej szybkośc precyzj ręk pansty po ogromną słę ręk boksera. PonŜej zaprezentowano jedno z rozwązań umoŝlwających ćwczene ręk u osoby z początkem pojawana sę spastycznośc lub u której spastyka jest juŝ od dłuŝszego czasu. Podstawowym zadanem jest wyelmnowane zacśnętej ręk. Jest to moŝlwe poprzez zastosowane odpowednego elementu gumowo-metalowego. Otwarce ręk następuje w wynku pompowana gumowego balona. Podczas ćwczeń cały czas ma sę do czynena z ruchem obrotowym balona z odpowednm wydrąŝenam zaprojektowanym w celu pobudzana receptorów. Balon bez powetrza osadzony na metalowym łącznku jest umeszczany w zacśnętej ręce pacjenta, a następne, w zaleŝnośc od danego przypadku, dawkowana jest prędkość, napełnene czas ćwczeń. Rys.1 Urządzene do rehabltacj ręk (elmnacja spastycznośc). NajwaŜnejszym celem jest stworzene odpowednej bazy danych umoŝlwającej ndywdualne podejśca do pacjenta w procese rehabltacj. Będze to moŝlwe poprzez sczytane odpowednch nformacj pochodzących z organzmu pacjenta. 8. PODSUMOWANIE Rehabltacja to proces nezwykle Ŝmudny: długotrwały wymagający od rehabltanta fzycznego wysłku, a co za tym dze - kosztowny. Koszty te są zwązane równeŝ z ndywdualnym podejścem do kaŝdego pacjenta w kwest doboru ćwczeń w zaleŝnośc od choroby, postępów rehabltacyjnych czy występującego w danym dnu samopoczuca. Robot ne męczy sę moŝe wykonać "czarną robotę zbór ćwczeń", pozostawając rehabltantow tylko zlecane zaprogramowanych ćwczeń, obserwację poprawnośc ch wykonywana, ocenę postępów oraz kontakt z pacjentem. Zmnejszene kosztów,bez utraty standardu wykonywanych zabegów, spowoduje wększy dostęp do rehabltacj. Czas rozpoczęca zabegów rehabltacyjnych odgrywa ogromne znaczene. W późnejszym okrese rekonwalescencj moŝe równeŝ zastneć moŝlwość prowadzena zajęć w domach bez obecnośc lekarza, prowadzonych za pomocą bezpośrednego połączena telekomunkacyjnego (mt manus).
11 J. GIERGIEL, J.TUTAK Wynk wszystkch prac nad rehabltacją kończyny górnej z wykorzystanem robotów są obecujące. Pacjenc, którzy zetknęl sę z tego typu rehabltacją, wykazywal zwększoną zdolność ruchową bardzo pozytywne wyraŝal sę o nowym sposobe terap. Ne wykazano negatywnych skutków terap. Nektórzy naukowcy wykazal wyŝszość ćwczeń z robotam nad ćwczenam konwencjonalnym, ale cały czas naleŝy pamętać, Ŝe Ŝadne urządzene ne zastąp rehabltanta ze względu na ogromną róŝnorodność spotykanych przypadków podejścu do kaŝdego z pacjentów z osobna. NepodwaŜalną zaletą ćwczeń wykonywanych z uŝycem robotów jest tak sam standard usług dla kaŝdego pacjenta. LITERATURA 1. www.pandm.prv.pl. http://calder.med.mam.edu/ponts/scman.html 3. brl.ee.washngton.edu 4. Hesse S., Schmdt S., Werner C.: Machnes to support motor rehabltaton after stroke: 1 years experence n Berln. Journal of Rehabltaton Research & Development 6, Vol. 43 No.5, p.671-678. 5. http://medgadget.com MANIPULATORS FOR UPPER LIMB REHABILITATION Summary. Ths artcle descrbes a revew of the most nterestng achevements n a feld of use of the manpulators of upper lmb. There were presented few crtera whch we are able to use for dvde manpulators. On the bass of collected nformaton there were presented some purpose, whch should drect n the tradtonal rehabltaton and the same purpose to take nto consderaton durng desgn a future manpulator. There was also presented dynamcs, knematcs model and basc nformaton about new soluton for hand rehabltaton.