Embed Size (px)
Citation preview
Domeniul Inginerie Mecanică
TEZĂ DE DOCTORAT – REZUMAT –
Cercetări privind modelarea, simularea și evaluarea
experimentală a roboților paraleli medicali pentru recuperarea medicală
Student doctorand:
Ing. Nicoleta-Maria POP
Conducător științific:
Prof. Dr. Ing. Doina PISLĂ
Conducător științific cotutelă:
Prof. Dr. Ing. Giuseppe CARBONE
Comisia de evaluare a tezei de doctorat: Preşedinte: Prof. Dr. Ing. Cristian Dudescu - Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca; Conducător ştiinţific: Prof. Dr. Ing. Doina Pîslă - Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca; Conducător ştiinţific cotutelă: Prof. Dr. Ing. Giuseppe Carbone - Universitatea din Calabria; Referenţi: - Prof. Dr. Ing. Daniela Tarnița - Universitatea din Craiova; - Prof. Dr. Ing. Daniel Condurache - Universitatea “Gheorghe Asachi” din Iași
- Prof. Dr. Ing. Călin Vaida - Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca;
– Cluj-Napoca – 2021
2
3
CUPRINSUL TEZEI DE DOCTORAT
Glosar de termeni 7 Abrevieri 7 Prefață 9
1. Stadiul actual în recuperarea medicală asistată robotic a membrului superior și
inferior 13
1.1 Prezentarea generala a bolilor neurologice cu deficit neuromotor 13 1.2 Boli neurologice cu deficit neuromotor cu incidență mare 16 1.3 Analiza mișcărilor specifice recuperării medicale pentru membrul superior și inferior
19
1.4 Amplitudinile de mișcare ale articulațiilor membrului superior și inferior 24 1.5 Sisteme robotice pentru recuperare medicală 27 1.6 Sisteme robotice pentru recuperarea medicală a membrului superior 30 1.7 Sisteme robotice pentru recuperarea medicală a membrului inferior 40 1.8 Roboți paraleli dezvoltați în cadrul centrului de cercetare CESTER pentru recuperarea medicală
47
2. Motivația cercetărilor din cadrul tezei de doctorat 53
2.1 Provocări actuale în recuperarea medicală 53 2.2 Avantajele specifice ale sistemelor robotice de recuperare medicală 55
2.3 Obiectivele cercetării din cadrul tezei de doctorat 57
3. Etapele de dezvoltare și caracterizarea experimentală a mișcărilor specifice recuperării medicale asistată robotic
59
3.1 Etapele dezvoltării unui sistem eficient și sigur pentru recuperarea medicală 59 3.2 Modalități de interacțiune om-robot în recuperarea medicală 60 3.3 Caracterizarea mișcărilor la nivelul membrelor unui subiect uman 63 3.4 Caracterizarea mișcărilor membrului superior 64 3.4.1 Măsurători experimentale folosind electrogiometre 64 3.4.2 Măsurători experimentale folosind un sistem de urmărire a mișcării cu ajutorul unui robot paralel cu cabluri
75
3.5 Caracterizarea mișcărilor membrului inferior 83 3.5.1 Măsurători experimentale folosind electrogiometre 83 3.5.2 Măsurători experimentale folosind roboți paraleli cu cabluri 90 4. Sistemul robotic paralel RAISE pentru recuperarea medicală a membrului
inferior 95
4.1 Dezvoltarea conceptuală a unui sistem robotic eficient pentru recuperarea medicală
95
4.2 Descrierea parametrilor aplicației pentru sistemul robotic de recuperarea medicală
98
4.3 Definirea architecturii unui robot paralel inovativ și sisteza structurală a acestuia
99
5. Modelul matematic a sistemului robotic paralel RAISE pentru recuperarea medicală a membrului inferior
103
5.1 Schema cinematică a sistemului robotic paralel RAISE 104 5.2 Modelarea geometrică a sistemului robotic paralel RAISE 104 5.2.1 Modelul geometric invers al sistemului robotic paralel RAISE 107 5.2.2 Modelul geometric direct al sistemului robotic paralel RAISE 109
4
5.3 Modelarea cinematică a sistemului robotic paralel RAISE 110 5.3.1 Modelul cinematic invers al sistemului robotic paralel RAISE 113
5.3.2 Modelul cinematic direct al sistemului robotic paralel RAISE 116
5.4 Analiza singularităților sistemului robotic RAISE 117
5.5 Modelarea spațiului de lucru a sistemului robotic RAISE 120
5.6 Simulări numerice ale unor mișcări medicale specific folosind sistemul
robotic RAISE 124
6. Modelul CAD și proiectarea sistemului robotic RAISE 131
6.1 Proiectarea CAD a sistemului robotic RAISE 131 6.2 Integrarea robotului RAISE în mediul medical 135
7. Modelul experimental al sistemului robotic RAISE 139 7.1 Asamblarea cadrului fix al sistemului robotic RAISE 139 7.2 Asamblarea primului lanț cinematic al sistemului robotic RAISE 140 7.3 Asamblarea lanțurilor cinematic acționate al sistemului robotic RAISE 141 7.4 Asamblarea modulului de gleznă al sistemului robotic RAISE 144 7.5 Primul model experimental al sistemului robotic RAISE 145
8. Sistemul de comandă al sistemului robotic RAISE 147 8.1 Arhitectura sistemului de comandă 148 8.2 Asamblarea sistemului de comandă și integrarea în modelul experimental
149
8.3 Interfața grafică a sistemului robotic RAISE 153 8.4 Evaluarea modelului experimental al robotului și optimizări structurale 162
8.4.1. Optimizarea modulului de recuperare a șoldului și genunchiului 165 8.4.2. Optimizarea modulului de recuperare a gleznei 167
9. Teste experimentale utilizând sistemul robotic paralel RAISE 171 9.1 Teste experimentale pe subiecți umani 171 9.2 Teste experimentale cu mișcări complexe 176
10. Concluzii, contribuții personale și direcții viitoare de cercetare 181 10.1 Concluzii 181 10.2 Contribuții personale 182 10.3 Direcții viitoare de cercetare 185
Bibliografie 187
5
Glosar de termeni
Actuator Element de acționare folosit în sistemele automate Efector final Dispozitiv montat în capătul unui manipulator care realizează
operații de prindere a dispozitivului sau a obiectului manipulat Model cinematic direct Studiul poziției efectorului final relativ la un set de valori
numerice a parametrilor cuplelor active (actuatori) Ecuații de intrare/ieșire Ecuații care pot fi rezolvate utilizând modelul cinematic direct
sau cel invers Model cinematic invers Studiul poziției/valorilor coordonatelor cuplelor active relativ la
un set fix de coordonate (poziție și orientare) a efectorului final Jacobian Matricea tuturor derivatelor parțiale a unor funcții vectoriale
Lanț cinematic Un ansamblu de elemente rigide conectate prin cuple care generează o mișcare impusă, care reprezintă modelul matematic pentru un sistem mecanic
Element cinematic Legătura rigidă între două cuple cinematice Robot modular Robot alcătuit din mai multe module Robot paralel Robot cu o structură compusă dintr-o platformă mobilă conectată
la o bază fixă printr-un set de lanțuri cinematice Recuperare medicală post-AVC
Procedura medicală de exerciții fizice asistive de mișcare a membrelor ce ajută pacienții care au suferit un AVC să își recupereze mobilitatea
Cuplă prismatică Cuplă mecanică cu un grad de libertate liniar Cuplă de rotație Cuplă mecanică cu un grad de libertate unghiular Singularități Configurații în care un sistem robotic pierde sau câștigă unul sau
mai multe grade de libertate Cinematica Studiul mișcării neglijând forțele (poziții, viteze și accelerații) Robot Serial Robot cu o structură cinematică alcătuită dintr-un singur lanț
cinematic Accident vascular cerebral
Moartea celulară subită a celulelor din creier datorită lipsei de oxigen, cauzată de ischemii sau rupturi la nivelul vaselor de sânge din creier
Cuplă universală Cuplă mecanică cu două grade de libertate de rotație, având axele ortogonale
Spațiu de lucru Mulțimea tuturor punctelor pe care le poate atinge efectorul unui robot
Abrevieri
AAOS Academia Americană a Chirurgilor Ortopezi ADL Activități zilnice AR Realitate augmentată COPDs Boli pulmonare cronice CVSd Boli cardiovasculare DOF Grade de libertate GUI Interfață grafică HRI Interfață Om-Robot ICF Clasificare internațională a funcționităților, dizabilității și
sănătății
6
IDE Mediu de dezvoltare integrat IHDs Boli cardiovasculare ischemice NCD Boli non-comunicative PPR Secvență de cuple prismatică-prismatică-rotație RAR Recuperare medicală asistată robotic ROM Amplitudini de mișcare RR Recuperare asistată robotic UR Cuplă universală VR Realitate virtuală WHO Organizația Mondială a Sănătății (OMS) WHODAS 2.0 Programul de monitorizare a dizabilităților al OMS YLDs Perioadă (ani) de la instaurarea dizabilității
7
Motivația alegerii temei Analiza critică a literaturii de specialitate (tehnică și medicală), discuțiile cu neurologii și kineto-terapeuții, au condus la identificarea nevoilor în recuperera medicală asistată robotică a membrului inferior. Obiectivul principal al tezei este dezvoltarea unui sistem robotizat inovativ având cu control avansat, senzori externi, interfața cu utilizatorul centrată pe pacient și arhitectură deschisă, care va efectua exerciții de recuperare pentru pacienții imobilizați la pat. Provocări actuale în recuperarea medicală Recupererea medicală a pacienților cu deficit neuro-motor este esențială pentru îmbunătățirea calității vieții și creșterea independenței. Din punctul de vedere specific al bolii în sine, importanța și perioada de recuperare sunt date de nivelul de afectare a membrului vizat, care poate varia de la o deficiență de mișcare abia vizibilă pană la o formă avansată care împiedică pacientul să efectueze activități de bază ale vieții de zi cu zi. Din punct de vedere al sistemului medical, situația este una care se degradează continuu, întrucât numărul pacienților crește continuu, apropiindu-se de o etapă în care abordările actuale nu le vor mai oferi o soluție adecvată. Aceasta este deja o realitate la nivel european, așa cum a fost demonstrat în capitolul 1, deoarece timpul de ședință per pacient a fost redus cu 33% (de la 45 de minute la 30 de minute), iar timpul de așteptare pentru pacienții cu boli cronice este din ce în ce mai mare. Există țări care au făcut pași în îmbunătățirea acestei situații, un astfel de exemplu fiind cel al Germaniei care a introdus recuperarea ca terapie susținută de asigurarea medicală standard, dar acest lucru permite doar accesul populației numeroase la tratament specializat, fără a putea oferi suficient personal specializat pentru a oferi programe adecvate de reabilitare tuturor celor care au nevoie. Pe baza datelor statistice actuale [MAR 17], se așteaptă o prăbușire completă a sistemului medical până în 2030, care subliniază necesitatea dezvoltării unor abordări alternative pentru a permite un management mai bun al pacienților cu deficiențe fizice. Dezvoltarea dispozitivelor robotice care ar ajuta kineto-terapeuții este o soluție promițătoare care creează o nouă paradigmă în care medicul configurează sistemul robotizat pentru a efectua un plan de exerciții personalizate care să-i permită să lucreze cu mai mulți pacienți în același timp, fiind îmbunătățind totodată nivelul de recuperare al funcțiilor pierdute. Recuperarea medicală post-accident vascular cerebral poate fi împărțită în trei faze principale: - faza acută care începe după stabilizarea pacientului și durează până la trei luni după accident vascular cerebral - de obicei, în această perioadă, pacientul este tratat în centre medicale specializate; - faza subacută care durează până la șase luni după accident vascular cerebral – în funcție de nivelul de dizabilitate pacientul este tratat în centre de zi sau acesta poate fi tratat și acasă; - faza cronică care durează până la doi ani după accident vascular cerebral (o perioadă după care se demonstrează statistic că progresul ulterior este de obicei foarte scăzut) – în cacest caz pacientul este în cele mai multe cazuri tratat acasă. Figura 2.1 ilustrează, pe baza datelor medicale, că eficiența exercițiilor terapeutice scade în timp, înspre „zero”, subliniind importanța realizării unor sesiuni de recuperare medicală consecvente, în perioada imediat următoare după un accident vascular cerebral, ceea ce duce la atingerea unui maxim posibil în ceea ce privește recuperarea funcțiilor de mobilitate.
8
Fig 2.1 Evoluția recuperării medicale în timp în funcție de faza și eficiența acestora
Avantajele specifice ale recuperării medicale asistate robotic Pe baza cercetărilor prezentate în [ABD 14], [BAS 14], [CAR 08], [CAR 06], [GOM 12], [CHE 14], [MAG 16] care cuprind peste 800 de publicații care conțin studii despre interacțiunea dintre diferite sisteme robotice și pacienți, au fost extrase următoarele concluzii:
• Odată cu creșterea speranței de viață a populației, va crește și incidența accidentului vascular cerebral și a altor boli neuro-motorii;
• Supraviețuirea după un accident vascular cerebral va crește datorită progreselor multiple în medicină, rezultând mai mulți pacienți cu niveluri ridicate de insuficiență (până la semipareza totală) care vor necesita planuri de tratament mai lungi și mai complexe;
• În mai puțin de 10 ani, personalul medical nu va putea oferi un tratament eficient pacienților cu deficiențe fizice;
• Până în prezent, nu au fost identificate exerciții specifice de recuperare medicală care să se dovedească a fi mai eficiente decât altele;
• Majoritatea soluțiilor robotizate disponibile sunt utilizate în prezent numai pentru pacienții aflați în faza cronică post-AVC;
• Primele soluții robotizate implementate cronologic au arătat necesitatea implementării strategiilor active HRI pentru a asigura o eficiență crescută a tratamentului;
• În urma rezultatelor diferitelor scale de evaluare (de exemplu, Fugl-Meyer), soluțiile actuale au arătat foarte puține îmbunătățiri ale activităților de zi cu zi , indicând mai degrabă necesitatea de a schimba focalizarea procedurile de recuperare medicală către exerciții care implică mișcări care țin de activitățile vieții de zi cu zi, comparativ cu mișcările simple repetitive;
• Având în vedere că recuperarea medicală este un proces de lungă durată care se schimbă odată cu evoluția pacientului, sistemele robotizate utilizate în recuperarea medicală trebuie să utilizeze diferite tipuri de strategii de control pentru a satisface starea de sănătate a pacientului în evoluție;
• Costurile soluțiilor existente sunt ridicate ceea ce nu permite implementarea lor pe scară largă în sistemul medical public;
9
• În ceea ce privește siguranța pacienților, un sistem robotic de recuperare medicală trebuie să respecte standardele specifice (IEC 80601-2-78: 2019) care definesc orientările pentru dezvoltarea și utilizabilitatea acestuia, în timp ce înainte de a ajunge la comercializare, sistemul trebuie validat prin studii clinice și, în cele din urmă, certificat de organismele responsabile cu reglementările specifice;
• Nu există dispozitive robotizate spațiale care să efectueze recuperarea membrului inferior pentru pacienții imobilizați la pat.
Aceleași publicații științifice subliniază, de asemenea, avantajele specifice ale recuperării medicale asistate robotic:
• Fizioterapeuții pot migra de la un rol activ (efectuarea de exerciții direct cu pacienții) la un rol pasiv, efectuând planificări personalizate pentru fiecare pacient și realizând monitorizarea activă a progresului;
• Posibilitatea de a lucra cu mai mulți pacienți în același timp; • Utilizarea diferitelor modalități HRI în funcție de nevoile pacientului și progresul
general; • Utilizarea stimulilor suplimentari (vizuali, audio) pentru a crește motivația
pacientului și eficiența procedurii; • Configurarea bazelor de date cu progresul pacientului care ar permite realizarea
planurilor de tratament în funcție de eficiența dovedită; • Utilizarea diferitelor tipuri de senzori care furnizează informații utile pentru
îmbunătățirea procedurii. Ca o concluzie generală, se poate afirma că recuperarea medicală asistată robotic este o necesitate pentru sistemul medical aflat încă în epoca sa de pionierat, în care există o nevoie clară pentru dezvoltarea de noi sisteme robotice care să completeze minusurile existente, abordând în același timp nevoile specifice ale sistemul medical, evitând dezavantajele și limitările celor existente.
Obiectivele tezei de doctorat Absența unor soluții care să vizeze recuperarea medicală a membrului inferior al pacienților imobilizați la pat duce la definirea motivației cercetării pentru teza de doctorat. Pentru a atinge obiectivul principal al tezei, autorul definește următoarele obiective specifice de cercetare ale tezei:
• Caracterizarea experimentală a mișcărilor aferente membrului superior și a celui inferior utilizând diferite tipuri de senzori;
• Definirea unei structuri robotice relevante pentru recuperarea membrului inferior a pacienților imobilizați la pat, completând minusul existent;
• Modelarea cinematică și simularea structurii robotice pentru validarea inițială; • Proiectarea și dezvoltarea unui model experimental funcțional; • Testarea modelului experimental împreună cu experți medicali pentru validarea
eficienței sale clinice.
Stagiile de dezvoltare ale unui sistem robotic eficient și sigur pentru recuperare medicală
Configurarea unei bune strategii de dezvoltare a unui produs nou, în special în domeniul medical, este importantă pentru realizarea unui produs sigur și relevant din punct de vedere medical pentru sarcina vizată. Aspectele relevante privind dezvoltarea conceptelor inovatoare
10
și a funcțiilor de siguranță sunt ilustrate în [GUN 20], [TUC 19]. Strategia etapelor de dezvoltare folosită în această teză este reprezentată grafic în fig. 3.1. Dispozitivul robotic trebuie dezvoltat de către o echipă complementară de experți și ingineri medicali. Prima etapă realizată de echipa medicală se referă la definirea sarcinii medicale care trebuie să conțină o descriere a tuturor funcționalităților necesare ale robotului, a interacțiunii pacient-robot, a oricăror condiții impuse de procedurile medicale și, ca urmare, a unui protocol medical detaliat care descrie, pe pasi întreaga procedură medicală efectuată cu robotul. În reabilitarea fizică, cea mai importantă caracteristică este reprezentată de articulațiile vizate și de mișcările lor. Literatura definește, la nivel teoretic, fiecare mișcare în raport cu planurile corpului uman (figura 1.2). Cu toate acestea, este important să se realizeze o caracterizare experimentală a mișcării care poate fi realizată folosind diferite tipuri de senzori capabili de a furniza date în timp real referitor la comportamentul real al segmentului vizat. Informațiile obținute în acești doi pași definesc caracteristicile tehnice și de proiectare majore ale sistemului robotizat și rezulta în definirea conceptului, care introduce o structură robotic inovatoare. În urma sintezei structurale, modelarea matematica a noului mecanism trebuie realizata, aceasta trebuie să includă modelele geometrice și cinematice, generarea spațiului de lucru și analiza singularitatilor. Odată ce conceptul virtual este validat prin simulări numerice, proiectarea structurii mecanice și sistemul său de acționare și control corespunzător pot fi realizate, conducând la modelul experimental al robotului. Ultima etapă este testarea experimentală care are ca scop validarea soluției din punct de vedere medical.
Fig. 3.1. Etapele de dezvoltare ale unui robot de reabilitare
Aceste etape definesc structura acestei teze de doctorat care oferă, așa cum se presupune în obiectivul său principal, un sistem robotizat inovator pentru reabilitarea spațială a membrului inferior.
11
Caracterizarea mișcării membrului inferior
Măsurătorile pentru membrul inferior au fost efectuate pe cinci subiecți sănătoși (tabelul 3.1) în condiții de laborator folosind aceeași configurație ca și pentru membrul superior [VAI 20]. Mișcările studiate pentru membrul inferior sunt:
• Flexie / Extensie și Adducție / Abducție pentru articulația șoldului; • Flexie / Extensie pentru articulația genunchiului; • Dorsiflexie / flexie plantară și abductie / adductie pentru articulația gleznei.
Biosenzorii montați pe membrul inferior al pacientului au fost selectați după cum urmează:
• Pentru articulația șoldului un goniometru cu două axe (pentru măsurarea amplitudinilor mișcării șoldului în două planuri perpendiculare), poziționat lateral (SG150);
• Pentru articulația genunchiului s-a folosit un goniometru similar, chiar dacă mișcarea este efectuată într-un singur plan, astfel a fost interpretat doar semnalul de pe o axă (SG150);
• Pentru articulația gleznei se utilizează un goniometru special cu două axe (SG110A).
Fiecărui subiect i s-a solicitat să efectueze un set de mișcări cu câte 10 repetări:
• Mișcarea 1: Flexia / extensia șoldului; • Mișcare 2: abductie / adducție de șold; • Mișcarea 3: flexia / extensia genunchiului; • Mișcarea 4: dorsiflexia gleznei / flexia plantară; • Mișcarea 5: abductia/ adductia gleznei.
Toate mișcările au început dintr-o poziție neutră așa cum se arată în fig. 3.27, cu subiectul întins pe spate pe pat.
Fig. 3.27. Poziția neutră și poziționarea biosenzorilor pe corp
Măsurătorile experimentale au fost efectuate după cum urmează:
• Inițial, subiecții au efectuat mișcările pe cont propriu (fără asistență) în intervale de amplitudine confortabile (pe baza preferințelor fiecărei persoane);
• S-au făcut 10 repetări pentru fiecare mișcare; • Piciorul a fost ridicat în plan sagital realizând flexia / extensia șoldului; • Piciorul a trebuit să fie ușor ridicat în plan sagital, după care s-au efectuat 5 mișcări
laterale în plan coronal. Ulterior, piciorul a fost ridicat puțin mai sus și s-au efectuat încă 5 repetări. Ca atare, s-a realizat abducția / adducția șoldului;
12
• În timp ce păstrau genunchiul în contact cu suprafața patului, subiecților li sa cerut flexia genunchiului;
• Au fost realizate dorsiflexia / flexia plantară, abducția / adducția gleznei.
Datele de la senzori pentru fiecare dintre cei cinci subiecți au fost înregistrate, filtrate și apoi reprezentate grafic așa cum se arată în figura 3.32.
Fig. 3.3 2. Mișcările șoldului (subiectul 1)
Datele experimentale obținute pentru acești subiecți sunt sintetizate în tabelul următor (Tabelul 3.4.).
Tabelul 3.4 Măsurători experimentale folosind senzorii Biometrics Mișcări sold [°]
Flexie / Extensie (plan sagital) Sbj. Min Max Average Median STD Dev.
1 55.26 61.82 57.99 58.05 1.98 2 38.07 47.63 44.12 44.28 2.82 3 42.98 56.42 48.03 47.14 3.89 4 29.51 37.27 34.11 35.31 2.67 5 46.91 61.02 53.92 53.03 4.37
13
Mișcarea șoldului [°] Sbj. Abducție / Adducție (1) Abducție / Adducție (2)
AvgC STD AvgS STD AvgC STD AvgS STD 1 13.3 3.16 30.39 3.58 17.9 5.2 40.93 1.68 2 27.29 1.26 16.74 2.16 23.16 4.19 34.73 4.77 3 6.67 1.01 20.52 2.68 6.85 1.71 27.23 1.08 4 14.83 3.49 11.13 2.07 10.23 1.34 17.17 1.93 5 16.07 2.19 31.83 1.37 34.08 2.01 53.34 2.25
Amplitudini de mișcare pentru Flexia/Extensia genunchiului [°] Sub. Min Max Average Median Std
1 108.02 110.39 109.57 109.63 0.6225 2 94.77 102.89 98.41 97.35 2.7074 3 115.66 117.62 116.38 117.37 0.6144 4 96.19 99.41 97.71 97.96 0.9554 5 122.84 126.28 124.13 123.89 1.1633
Amplitudini de mișcare la nivelul gleznei [°] Sub. Dorsiflexie – flexie plantară Abducție / Adducție
Avg. Std. Avg. Std. Avg. Std. Avg. Std. 1 25.85 2.44 31.18 0.98 19.83 0.64 11.73 0.89 2 17.28 2.47 29.47 4.19 20.74 2.05 13.3 1.19 3 16.66 1.83 44.16 4.23 32.52 1.74 20.21 2.54 4 26.07 3.81 30.43 6.87 21.12 1.26 19.83 0.90 5 14.53 0.91 40.43 0.87 21.76 2.68 16.37 2.84
În plus față de informațiile care arată amplitudinile mișcării la nivelul fiecărei articulații, există mai multe concluzii care rezultă din acest studiu:
• În timp ce flexia / extensia șoldului poate fi realizată cu abateri laterale minime, pentru abductie / adductie, piciorul ar trebui ridicat din planul orizontal pentru a atinge amplitudini mai mari cu mai puțin efort la nivelul articulației;
• Mișcarea genunchiului este una simplă, deoarece articulația este foarte rigidă și permite practic mișcarea într-un singur plan;
• Poziția neutră a gleznei pentru pacientul restrâns la pat prezintă piciorul cu o anumită înclinare față de un plan vertical, dar această valoare diferă foarte mult de la o persoană la alta, în timp ce pentru mișcarea laterală aceasta nu ar trebui să fie efectuată, menținând rotația fixa în plan perpendicular (și anume dorsiflexia / mișcarea plantară) deoarece fiecare subiect avea, ca mișcare naturală, o dorsiflexie a gleznei;
• Fiecare subiect prezintă un profil individual de mișcare care poate fi utilizat, pentru pacienții cu capacitate minimă de mișcare, pentru a crea exerciții personalizate care asigură cel mai mic efort posibil la nivelul articulațiilor membrelor inferioare;
• Comportamentul semnalului înregistrat la întinderea naturală completă a articulației, mai vizibilă în cazul mișcărilor de abducție / adducție a gleznei, prezintă câteva ușoare oscilații care pot fi utilizate ca semn al limitării articulației pentru pacienți care nu prezinta nici o senzație la nivelul membrului inferior.
Sistemul robotic RAISE pentru recuperarea membrului inferior
A fost propus un concept generic al unui sistem robotic eficient de recuperare medicală asistată robotic (Fig. 4.1) care integrează pacientul ca „element” central de comunicare multidirecțională și include: Senzori externi, o interfața grafică multimodala cu utilizatorul (GUI), controlerul robotului și structura robotică, supravegheate îndeaproape de experții medicali.
14
Fig. 4.1. Conceptul unui sistem eficient de reabilitare robotică
Acest concept va schimba paradigma referitoare la managementul pacientului, conform căreia pacientul va fi plasat în poziția centrală a procedurii de reabilitare și va interacționa cu toate componentele sistemului sub supravegherea experților medicali.
Experții medicali rămân un element critic în acest concept, dar cu un rol complet diferit. Ca răspuns la amenințarea provocată de creșterea populației vârstnice, cu toate consecințele acesteia, o schimbare de paradigmă în managementul pacienților trebuie să aibă loc în ceea ce privește rolul experților medicali în procesul de reabilitare, fără niciun efect negativ asupra calității vieții pacienților. Astfel, în urma unei evaluări inițiale, experții medicali vor configura un program de reabilitare personalizat care va fi monitorizat și ajustat continuu pe baza datelor stocate în baza de date disponibila lor. Acest lucru va permite atât gestionarea mai multor pacienți în același timp, cât și realizarea unor programe de reabilitare personalizate pentru a se potrivi nevoilor fiecărui pacient, astfel realizand către un nou sistem medical capabil să ofere îngrijire eficientă tuturor pacienților.
Descrierea aplicației pentru sistemul robotic RAISE
Pe baza realizărilor actuale la nivel mondial, a fost identificată o pată albă în reabilitarea pacienților cu pareză a membrelor inferioare în stadiul cel mai critic după bolile neurologice, inclusiv accidentul vascular cerebral, și anume pacienții restrictionati la pat. Pentru sistemul robotizat RAISE, mișcările vizate ale membrelor inferioare sunt împărțite în raport cu articulația care necesită reabilitare, după cum urmează:
• La nivelul articulației șoldului: flexie / extensie, adducție / abducție, • La nivelul articulației genunchiului : flexie / extensie, • La nivelul articulației gleznei: flexie / extensie, adducție / abducție.
Mișcările de reabilitare vizate și amplitudinile unghiulare corespunzătoare ale sistemului robotizat RAISE sunt prezentate în tabelul 4.1.
Tabelul 4.1 Amplitudini de mișcare în grade pentru mișcările membrelor inferioare
Sold Genunchi Gleznă
Flexia [°] Aprox. 55° Aprox. 80° Aprox.35°
Extensie [°] Aprox. 0° 0° Aprox. 20°
Adductie [°] 0° NA Aprox.20°
Abductie [°] Aproximativ. 30° NA Aproximativ. 20°
15
Definirea arhitecturii sistemului robotic RAISE
Pentru a realiza mișcările definite în tabelul 4.1, este propusă o structură modulară, intitulată RAISE [PIS 19b]:
• Modulul pentru șold și genunchi care efectuează mișcările șoldului în două planuri perpendiculare (vertical și lateral) și ale genunchiului în plan vertical;
• Modulul gleznei care efectuează mișcări unghiulare în două planuri perpendiculare folosind articulația gleznei ca centru de rotație.
Figura 4.2. prezintă o schemă cinematică simplificată a modulului pentru șold și genunchi care folosește trei articulații translaționale active și mai multe articulații pasive (șapte de rotație și două de translație).
Fig. 4.2. Schema cinematică simplificată a modulului pentru șold și genunchi
Întrucât articulațiile vizate (șold și genunchi) efectuează mișcări de rotație, articulațiile pasive sunt utilizate pentru a conecta robotul la membrul inferior al pacientului, folosind două articulații de rotație pentru șold (pentru a permite mișcarea în două planuri) și o articulație de rotație pentru genunchi. În fig. 4.2. elementele mobile ale modulului pentru șold și genunchi sunt ilustrate împreună cu cele șapte (7) articulații de rotație și cele cinci (5) articulații de translație. Articulațiile active
și valorile unghiulare corespunzătoare, cu privire la membrul inferior
sunt, de asemenea, ilustrate pentru a indica comportamentul mecanismului. Schema cinematică a celui de-al doilea modul este prezentată în figura 4.3. Folosind aceleași convenții pentru notații, sunt definite elementele mobile și articulațiile de rotație ale
mecanismului gleznei. Mecanismul are două articulații active și modifică poziția
unghiulară a gleznei în raport cu planul lateral și vertical ( ).
16
Fig. 4.3. Schema cinematică simplificată a modulului gleznei
Ținând cont de cele de mai sus, un sistem robotic eficient pentru reabilitare ar trebui să satisfacă următoarele caracteristici:
• Sistemul de reabilitare trebuie să fie conectat la o platformă online care să permită monitorizarea de la distanță;
• Alarmele trebuie procesate pe baza gravității lor, declanșând o reacție instantanee pentru toate părțile implicate;
• Baza de date trebuie securizată pentru a proteja confidențialitatea pacientului (GDPR); • Toți senzorii (interni și externi) trebuie să fie compatibili cu GUI-ul multimodal care
procesează toate datele; • Servomotoarele trebuie să funcționeze în oricare dintre modalitățile HRI; • Sistemul trebuie să fie sigur în utilizare fără supraveghere medicală directă pentru a
permite instalarea acestuia în medii multiple: spitale, centre de îngrijire și case; • Sistemul ar trebui să fie sigur pentru a fi instalat (atașat pacientului) de către personal
non expert și îndepărtat ușor și rapid atunci când este necesar; • Sistemul ar trebui să se potrivească caracteristicilor antropometrice al unui segment
cat mai extins al populației.
Modelarea sistemului robotizat paralel RAISE pentru reabilitarea membrelor inferioare
Modelarea matematică a RAISE, prezentată într-o abordare treptată, este ilustrată în figura 5.1.
Fig. 5.1. Abordarea etapizată pentru modelarea matematică a sistemului robotic RAISE
17
Schema cinematică a sistemului robotic RAISE
Figura 5.2. prezintă schema cinematică a modulului RAISE pentru șold și genunchi evidențiind toate elementele geometrice de interes pe structură [PIS 19b].
Fig. 5.2. Schema cinematică a modulului pentru șold și genunchi
În fig. 5.2. se introduc următoarele notații:
• - sistemul de coordonate fixe atașat robotului, având originea poziționată în intersecția axelor de rotație ale articulației șoldului, care este similară cu centrul
rotației orizontale a șoldului ( );
• - un sistem mobil de coordonate situat la capătul tijei de susținere pentru acționarea articulației genunchiului, care este, de asemenea, centrul de rotație pentru
modulul gleznei ( );
• - unghiul de flexie / extensie pentru articulația șoldului,
• - unghiul de adductie / abductie pentru articulația șoldului,
• - unghiul de flexie pentru articulația genunchiului,
• - lungimea segmentului între Rh și R1 (cuple de rotație), care este fixat, - adaptarea structurii la diferite caracteristici antropometrice se face prin variația distanței dintre R2 și Rk
• - lungimea segmentului dintre Rk și R3 (cuple de rotație) care este fixă, în timp ce
pentru adaptarea între diferite lungimi ale membrelor, segmentul este variabil;
• - lungimea segmentului dintre Rh și Rk(cuple de rotație),
• - lungimea segmentului dintre Rk și Ra(cuple de rotație),
18
• - lungimea segmentului dintre R11 și R12(cuple de rotație),
• - lungimea segmentului dintre R12 și OX,
• - distanța de la originea sistemului fix de coordonate pana la P1P21P31,
• - lungimile curselor articulațiilor active de translație.
Fixarea lungimilor segmentului și permite realizarea unui comportament de mișcare foarte similar, pentru diferite caracteristici antropometrice ale membrelor inferioare, așa cum va fi demonstrat experimental în următoarele capitole.. Schema cinematică a celui de-al doilea modul este prezentată în figura 5.3.
Fig. 5.3. Schema cinematică a modulului gleznei Unde:
• - este sistemul de coordonate fixe pentru al doilea modul (și reprezintă conexiunea sa la primul modul RAISE) situat în intersecția celor două axe de rotație ale articulației gleznei;
• - reprezintă sistemul mobi del coordonate al celui de al doilea modul care realizează numai mișcări de rotație cu centrul de rotație situat în punctul Ra,
• - unghiul de flexie / extensie pentru articulația gleznei,
• - unghiul de adducție / abducție pentru articulația gleznei,
• - valorile articulațiilor active.
Modelarea geometrică a robotului paralel RAISE
Pentru modelarea matematică a structurii, cele două module sunt considerate îmbinate într-un singur sistem. Scopul modelării matematice (geometric, cinematic) este de a defini caracterizarea analitică între articulațiile active și efectorul final al robotului. În acest caz, va fi utilizată o caracterizare diferită, deoarece pentru sarcina robotului parametrii de interes (în ceea ce privește articulațiile active) sunt valorile unghiulare ale articulațiilor membrelor inferioare. Această abordare, motivația și potențialele sale utilizări au fost generalizate în [HUS 19]. In cazul dispozitivului RAISE, aceasta abordare, permite definirea unui model matematic mai simplu, orientat spre sarcina de reabilitare.
Folosind schema cinematică din figura 5.2 modulul de șold și genunchi poate fi descompus în patru (4) lanțuri cinematice simple:
• primul lanț cinematic este o legătură UR, realizând doar mișcări libere și constă din mecanismul conectat direct la membrul inferior. Începe de la articulația universală (U),
19
notată cu hR (atașată la șoldul pacientului) conectată la articulația de rotație kR
(atașată la genunchiul pacientului) și ajunge până la punctul respectiv aR ;
• Al doilea lanț cinematic este de tip PRR (Prismatic Rotatie Rotatie - articulația subliniată este activă) și caracterizează mișcarea laterală a șoldului. Se compune din articulația liniară activă 1P (acționată de 1q ) și cele două articulații de rotație pasive
11R şi 12R . Articulația activă 1q determină comportamentul _hip l care reprezintă primul
parametru de interes în modelarea matematică a RAISE; • Al treilea lanț cinematic este de tip PPR și caracterizează mișcarea verticală a șoldului.
Începe de la articulația liniară pasivă 21P care efectuează o mișcare orizontală,
articulația de translație activă 21P care realizează o mișcare verticală și articulația de
rotație pasivă 2R care este conectată la primul lanț. Acest lanț acționat de 2q determină
comportamentul _hip v și anume al doilea parametru de interes;
• Al patrulea lanț cinematic este de tip PPR similar cu cel de-al treilea, având o mișcare liniară orizontală liberă prin articulația 31P , respectiv o mișcare verticală acționată
realizată prin articulația de translație 31P și este conectată la primul lanț prin
articulația de rotație pasivă 3R . Acest lanț acționat de 3q determină comportamentul
celui de-al treilea parametru de interes knee .
Modulul gleznei este de tip RR având o structură sferică acționată de q4 și q5, articulații active (fig 5.3). Poziționate de-a lungul axelor de rotație ale gleznei cele două articulații active
determină variația celui de-al patrulea și al cincilea parametru de interes _ank v și _ank l .
În definirea lanțurilor cinematice, cei cinci (5) parametri de interes caracterizează mișcările articulațiilor membrelor inferioare vizate de sistemul robotic RAISE.
Modelul geometric invers al RAISE
Pentru modelul geometric invers al RAISE, parametrii de intrare sunt valorile unghiurilor articulațiilor membrelor inferioare, în timp ce parametrii de ieșire sunt pozițiile articulațiilor active. Folosind schema cinematică din figura 5.2 și legea cosinusurilor aplicate pentru
0 1 2V V V care
are două dintre laturile sale constante, se poate scrie următoarea ecuație:
(5.1)
Rezolvarea eq. 5.1 pentru 1q extragand soluția care produce un unghi mai mic decât 2
,
ecuația pentru prima articulație activă este:
(5.2)
Independent de valoarea _hip l punctele sunt situate în
același plan, în care ecuațiile pentru articulațiile active pot fi rezolvate . Astfel, așa cum
0L este o constantă geometrică, se poate scrie că:
(5.3)
20
În coordonatele generalizate, în raport cuOXYZ , kR este:
(5.4)
Coordonatele 3R sunt:
(5.5)
Utilizând proiecția pe axa OX, care este independentă de _hip l , a treia articulație activă are
următoarea ecuație:
(5.6)
Coordonatele Ra sunt:
(5.7)
A patra și a cincea articulație activă sunt proportionale cu unghiurile corespunzătoare articulației gleznei, oţinandu-se:
(5.8)
(5.9)
Se menționează din nou, că folosind această abordare în care valorile de interes sunt direct conectate la sarcină, modelul geometric oferă ecuații mult mai simple, deoarece funcțiile implicite pot fi calculate pe baza 5.2, 5.3, 5.6, 5.8 și 5.9.
Modelul geometric direct al RAISE
Pentru modelul geometric direct al RAISE, parametrii de intrare sunt pozițiile cuplelor active, în timp ce parametrii de ieșire sunt valorile unghiulare ale cuplelor. Folosind legea cosinusului în
0 1 2V V V , valoarea unghiului care caracterizează mișcarea laterală
a articulației șoldului este:
(5.10)
Unghiul care caracterizează deplasarea verticală a șoldului poate fi scris ca:
21
(5.11)
Datorită dependenței de unghiul șoldului față de poziția coapsei (sau poziția verticală a șoldului), se poate scrie următoarea ecuație:
(5.12)
Folosind 5.11, unghiul vertical al articulației genunchiului rezultă astfel:
(5.13)
Pentru unghiurile articulației gleznei și dependența directă de articulațiile active ale modulului gleznei rezultă următoarele ecuații:
(5.14)
(5.15)
Modelarea cinematică a robotului paralel RAISE
Pentru a rezolva modelarea cinematică a RAISE, se introduc următoarele notații:
• - vectorul coordonatelor de intrare viteze:
• - vectorul vitezei articulațiilor active:
• - vectorul de accelerații al coordonatelor de intrare:
• - vectorul de accelerații al articulațiilor active:
Primul pas în rezolvarea modelului cinematic este determinarea matricilor Jacobi care reprezintă derivatele parțiale ale funcțiilor implicite (rezultate din modelul geometric) în raport cu coordonatele efectorului final - matricea A (cu toate acestea, în acest caz particular, acestea reprezintă amplitudinile unghiulare ale articulațiilor membrelor inferioare) și respectiv articulația activă - matricea B. După cum sa subliniat de mai multe ori, utilizarea acestei abordări simplifică foarte mult complexitatea ecuațiilor, oferind în același timp toate datele necesare pentru studiul teoretic și ulterior pentru controlul robotului. Funcțiile implicite sunt determinate folosind ecuațiile 5.2 ÷ 5.9 și sunt prezentate mai jos:
22
(5.16)
Folosind eq. 5.16 și forma explicită a matricei Jacobi A pot fi calculate:
Unde:
(5.19)
Forma simplă a funcțiilor implicite conduce la o formă foarte simplă pentru matricea Jacobi B:
(5.20)
Între vectori ,care caracterizează viteza parametriilor de interes, și cele două matrici Jacobi se poate scrie următoarea ecuație [PIS 05], [MER 06]:
(5.21)
Derivata în funcție de timp a eq. 5.21 este:
(5.22)
Aceste ecuații sunt fundamentale pentru rezolvarea modelului cinematic al RAISE.
Model cinematic invers al robotului paralel RAISE
Pentru modelul cinematic invers, modelul geometric este cunoscut, iar intrările sunt viteze și accelerații pentru parametrii articulațiilor membrelor inferioare, și anume vectorii , ceea ce trebuie determinate sunt vitezele și accelerațiile pentru articulațiile active. Din ecuațiile 5.21 vectorul vitezei articulațiilor active rezultă astfel:
(5.23)
Expresiile analitice pentru cele cinci viteze ale cuplelor active sunt:
23
(5.24)
După rezolvarea ecuației pentru viteze eq. 5.22 poate fi rezolvata în ceea ce privește vectorul de accelerații ale articulațiilor active, conducând la:
(5.25)
Formele explicite ale derivatei în timp a matricilor Jacobi sunt prezentate mai jos:
(5.28)
Respectiv:
Unde:
( )( )2 2 24 2 2
_ __ _
11 _ _3
2
sin( ) cos( )cos( ) sin( )cos
B hip l hip lB hip l hip l
B hip l hip l
LLA L
AAAA
− = − +
( ) ( ) ( )32 _ 2 _ _ 2 _sin sin sinthigh hip v hip v knee hip v knee hip v kneeA L l l = + + + +
(5.29)
Se introduc următoarele notații:
(5.30)
24
În cele din urmă, ecuațiile care definesc accelerațiile celor cinci articulații active sunt:
(5.31)
Modelul cinematic direct al robotului paralel RAISE
Pentru modelul cinematic direct al robotului RAISE, datele de intrare sunt vitezele și accelerațiile cuplelor active în timp ce necunoscutele sunt viteza unghiulară și accelerațiile articulațiilor membrelor inferioare. Astfel, se poate determina că:
(5.32)
Folosind notațiile definite mai sus, expresiile pentru viteza unghiulară a articulațiilor membrelor inferioare sunt:
(5.33)
Pentru accelerații, folosind ecuația. 5.22 se poate scrie că:
(5.34)
Ecuațiile explicite pentru accelerațiile parametrilor unghiulari ai articulațiilor membrelor inferioare sunt:
25
(5.35)
Analiza singularității RAISE Singularitățile sau configurațiile singulare reprezintă poziții particulare ale robotului în care mecanismul pierde rigiditatea sau câștigă grade de mișcare incontrolabile [PIS 05]. Aceste configurații singulare ar trebui evitate în timpul procedurii medicale pentru a asigura siguranța robotului medical. O metodă simplă de studiere a acestor singularități este studiul determinanților matricilor Jacobi plecând de la ecuațiile generale ale vitezei 5.23 și 5.32. Existența unei soluții numerice pentru calculul matricei inverse în acele ecuații implică un determinant diferit de zero pentru matricea A sau B [MER 06]. Astfel, se pot distinge trei cazuri generale:
• Tipul 1: det(A) 0= - definește cazul în care pentru o viteză diferită de zero a cuplelor
active, robotul nu se mișcă; • Tipul 2: det( ) 0B = - definește cazul în care apare o mișcare în mecanism atunci când
toate vitezele cuplelor sunt nule; • Tipul 3: det(A) det( ) 0B= = - definește singularitățile arhitecturale, atunci când
proiectarea mecanismului este defectă. Deoarece expresia matricei B (5.20) este matricea identității, determinantul său este egal cu 1 (unu), ceea ce înseamnă că nu există singularități introduse de matricea B. Pentru matricea A, determinantul are următoarea expresie:
(5.36 )
26
Având în vedere ecuația de mai sus, se disting trei cazuri:
Primul caz:
( )_
_
sin 0
0
hip l
hip l
=
=
Fig. 5.4. Prima singularitate a modulului de șold și genunchi RAISE
Acest caz (figura 5.4) ilustrează prima singularitate a sistemului robotic dată de situația în care piciorul pacientului este drept, însemnând că robotul va porni dintr-o poziție singulară. Această situație este evitată prin adăugarea unui element de distanțare în modelul CAD.
Al doilea caz:
( )_
_
cos 0
2
hip v
hip v
=
=
Fig. 5.5. A doua singularitate a modulului de șold și genunchi RAISE
A doua singularitate apare atunci când coapsa pacientului este menținută la 90 ° în orice direcție, poziție care este necorespunzătoare pentru exercițiile de reabilitare conform recomandărilor medicilor specialiști, ceea ce înseamnă că această afecțiune nu are influență negativă asupra performanței robotului în ceea ce privește sarcina medicală și va fi evitată prin limitarea curselor actuatorului în algoritmul de control al robotului.
Al treilea caz:
( )_
_
cos 0
2
hip v knee
hip v knee
+ =
+ =
27
Fig. 5.6. A treia singularitate a modulului de șold și genunchi RAISE
Această condiție de singularitate (fig. 5.6) reprezintă situația în care partea inferioară a membrului este verticală, paralelă cu axa OX a sistemului fix de coordonate. Pentru a asigura siguranța procedurii, această condiție specială va fi evitată în cadrul sistemului de control al
robotului. În figură, numai cazul 2
− este reprezentat deoarece celălalt conduce la o poziție
anatomică imposibilă a piciorului. Pozițiile de singularitate ale robotului subliniază că numai în cazul primului mecanism există configurații singulare. Acestea vor fi studiate, de asemenea, grafic, pentru a determina dependențele dintre perechile de valori ale articulațiilor active
1 2 3, ,q q q și condițiile de singularitate determinate analitic.
Modelarea spațiului de lucru RAISE Folosind o reprezentare cu nori de puncte, spațiul de lucru operațional al modulului de șold și genunchi este calculat și reprezentat grafic în figura 5.8. În corelație cu schema cinematică, punctul roșu este hR , punctele albastre sunt locațiile posibile
kR și cele verzi aR ,.
Spațiul de lucru operațional al modulului gleznei este reprezentat sub forma unui nor de puncte tridimensional care ar putea reprezenta graficul celor două mișcări de rotație ale gleznei obținute prin acționarea articulațiilor active q4 și q5. Ambele mișcări reprezintă rotații în jurul axei RaZ, respectiv în jurul axei RaY (Fig. 5.9).
Fig. 5.8. Spațiul de lucru operațional pentru modulul de șold și genunchi
28
Fig. 5.9. Spațiul de lucru operațional pentru modulul gleznei
Simulări numerice ale mișcărilor relevante din punct de vedere medical utilizând sistemul robotic RAISE
Pentru a valida cinematica sistemului RAISE au fost efectuate mai multe simulări numerice care acoperă primele mișcări simple, de bază pentru fiecare articulație, urmate de o mișcare complexă în care toate articulațiile sunt acționate. Pentru toate mișcările, poziția de pornire are toate valorile unghiulare ale articulațiilor
membrelor inferioare setate la zero _ _ _ _ 0hip v hip l knee ank v ank l = = = = = :.
Parametrii de simulare utilizați pentru toate simulările cinematice ilustrate în această secțiune sunt prezentați în următoarea ecuație:
(5.37)
Se simulează o mișcare complexă, unde toate articulațiile membrelor inferioare sunt acționate într-o secvență relevantă din punct de vedere medical. Pentru simularea mișcării, un set de șase valori consecutive ale unghiurilor articulare a fost ales și inserat ca date de intrare, obținând parametrii mișcărilor. Datele de intrare pentru simularea numerică a mișcării sunt prezentate mai jos:
Etape - toate valorile exprimate în grade (°):
1.
2.
3.
29
4.
5.
6.
Profilul vitezei mișcării pentru fiecare unghi al cuplelor ar fi, în funcție de relația dintre parametrii mișcării, fie un triunghi (când valoarea maximă a vitezei nu este atinsă) sau un trapez (când viteza maximă este atinsă) [VAI 20]. Între doi pași, timpul de mișcare va fi calculat pentru fiecare articulație și va fi utilizat timpul maxim (dintre cele cinci valori ale fiecărei articulații), calculând noua accelerație unghiulară pentru celelalte articulații.
Fig 5.18. Diagramele istoricului timpului pentru amplitudinile, vitezele și accelerațiile articulațiilor
Fig 5.19. Diagramele istoricului timpului pentru amplitudinile, vitezele și accelerațiile articulațiilor active
Rezultatele simulării validează atât modelul cinematic, proiectarea structurii RAISE cât și capacitățile sale de a efectua sarcina de reabilitare. Toate simulările prezentate mai sus au fost realizate folosind un algoritm de generare a traiectoriei scris în MATLAB [MAT 20] care a folosit valorile unghiulare pentru articulațiile umane ca intrări și a calculat valorile corespunzătoare pentru cuplele active folosind modelul cinematic invers.
30
Modelul CAD și proiectarea sistemului robotizat RAISE
Întregul design al robotului a fost realizat în software-ul Siemens NX [SIE 20] și descris în [VAI 19]. În fig. 6.2, sunt ilustrate primul și al doilea lanț cinematic al modelului CAD RAISE. Primul lanț constă dintr-un mecanism pasiv tip exoschelet care este atașat la membrul inferior. Este compus dintr-o articulație pasivă universală (7) care permite mișcări laterale și verticale ale șoldului, conectata printr-o tijă cu lungime reglabilă la o articulație de rotație atașată la genunchi. Ultimul element (23) reprezintă elementul de conectare la modulul gleznei. Al doilea lanț cinematic este un subansamblu de elemente care realizează mișcările laterale ale șoldului. Prin acționarea motorului (1) se realizează rotația șurubului cu bilă (2), generând o mișcare liniară a piuliței, transferate pe șina (4). Unghiul _hip l este modificat prin rotirea
șinei-cadru (6) jurul axei verticale a articulației universale (7). Cadrul șinei este acționat prin elementul de legătură (5) ca rezultat direct al mișcării induse de sania (3) de-a lungul șinei (4). Pentru ca acest lucru să fie posibil, elementul de legătură (5) a fost proiectat cu două articulații de rotație la extremitățile sale (8).
Fig. 6.2. Modulul RAISE pentru reabilitarea șoldului și genunchiului
Fig. 6.3. Al treilea și al patrulea lanț cinematic al modulului de reabilitare a șoldului și
genunchiului
Fig. 6.3 se concentrează pe mișcările verticale realizate de modulul de șold și genunchi, descriind al treilea și al patrulea lanț cinematic. Așa cum s-a descris deja în capitolul 5, articulațiile active sunt articulații de translație (realizate cu șuruburi cu bilă) pentru a susține mai bine greutatea membrului, asigurând, de asemenea, un control al poziției foarte fin. În
cadrul celui de-al treilea lanț cinematic, mișcarea se realizează prin acționarea 2q care
determină modificarea unghiului _hip v . Sania (11) este glisată pe șina (12) cu ajutorul unui
mecanism cu șurub cu bilă, acționat de motorul (9). O articulație de rotație este formată din elementul de conexiune, conectând articulația universală (7), care este aliniată cu articulația șoldului uman și cupla de rotație (14), care stă aliniată cu articulația genunchiului și cu extremitatea superioară a șinei. Lungimea elementului de conexiune poate fi modificată înainte de efectuarea exercițiilor (pentru a compensa pentru variațiile antropometrice ale membrului uman) deoarece sania (15) își poate schimba poziția de-a lungul șinei de ghidare
31
(16), ceea ce permite adaptarea lungimii pentru partea superioară membru între (7) și (14). Elementul de conexiune între (13) și (14) conține, de asemenea, un element de ancorare utilizat pentru coapsă (care include o articulație rotativă liberă, pentru a compensa ușoarele variații de poziție ale coapsei în timpul mișcărilor). Pentru mișcarea de flexie / extensie a șoldului, atunci când șina (12) trebuie acționată, aceasta este, de asemenea, limitată la o mișcare orizontală de glisare prin articulația (14), care este limitată la o rotație în jurul axei orizontale a (7). Pentru ca șina (12) să obțină o mișcare orizontală, a fost utilizat un sistem de două sanii montate spate-în-spate (urmând direcții de mișcare liniară perpendiculară Fig. 6.4). Ansamblul conține sania (11) montată pe (12) capabilă să alunece pe ea atunci când este acționată de (9) și o a doua sanie liberă (17) care alunecă pe șina (6). Flexia / extensia genunchiului este realizată de cele două cuple active (prismatice) q2 și q3 (prin al treilea și al patrulea lanț cinematic ilustrat în Fig. 6.3). Mișcarea liniară a saniei (21) de-a lungul ghidajului șinei (19) se realizează utilizând un mecanism cu șurub / piuliță (20) acționat de motorul (18). În cazul celui de-al treilea lanț cinematic, șina (19) conține o cupla de rotație (22) la extremitatea sa superioară, care este acționată prin q2 de către motor (9).
Când șina (19) efectuează mișcarea de translație verticală, unghiul knee dintre elementele
conectate la articulația (14), variază în amplitudine (dacă (9) nu este acționat). Pentru cel de-al treilea lanț cinematic, șina (19) efectuează o mișcare orizontală pasivă (datorită cuplei (22) fiind constrânsă pe un traseu circular în jurul (14)). O abordare similară a fost utilizată în ansamblul conținând două sanii montate spate-in-spate, prima sanie permițând o mișcare liniară acționată a șinei (19) de-a lungul șinei (21), iar a doua permițând o mișcare liberă de-a lungul șinei (6 ). Ancora segmentului membrului inferior folosește un sistem similar ancorei segmentului membrului superior (adică o cupla de rotație liberă). Sina (23) este montată pe sania (24), ceea ce permite adaptarea antropometrică a ancorei exoscheletului adiacente segmentului membrului inferior. Așa cum este ilustrat în Fig. 6.5, modulul de reabilitare a gleznei este conceput ca un mecanism sferic, montat pe șina (23) prin intermediul cadrului (a). Motorul (b) este montat pe cadrul (a) care este utilizat pentru a realiza mișcarea de abducție / adducție, prin rotirea cadrului (c) în jurul unei axe antero-posterioare. Pe cadru (c), este montat al doilea motor (d), care prin utilizarea fuliilor și a unei curele de distribuție, realizează o mișcare de rotație în jurul axei mediolaterale a legăturii (e). Talpa (f) este conectată la (e) în extremitatea inferioară printr-un mecanism de tip sanie (g). Acest lucru permite respectarea exercițiilor de reabilitare (deoarece poziția centrului de rotație al gleznei poate varia în timpul exercițiilor, intrucat glezna nu prezinta o articulație sferică perfectă). Suportul talpii are două componente de ancorare, una pentru degetele de la picioare și una pentru călcâi.
Fig. 6.5. Reprezentarea CAD a modulului de reabilitare a gleznei
32
Integrarea sistemului robotic RAISE în mediul medical Configurarea sistemului robotizat RAISE presupune poziționarea pacientului la marginea patului cu membrul țintit, atașat la acesta dispozitiv, așa cum se vede în figura 6.6.
Fig. 6.6 Sistemul robotizat RAISE atașat la patul pacientului
Modelul 3D al ambelor module ale sistemului de reabilitare RAISE este prezentat în fig. 6.7. Fig. 6.7a ilustrează modelul 3D pentru modulul șoldului și genunchiului, respectiv modelul 3D pentru modulul de reabilitare a gleznei este prezentat în fig. 6.7b.
a. Modelul 3D al modulului de reabilitare a șoldului și genunchiului
• Modelul 3D al modulului de reabilitare a gleznei
Fig. 6.7 Modelul 3D al sistemului robotizat RAISE [PIS 20]
33
Primul model experimental complet asamblat al lui RAISE
Toate elementele de conexiune acționate, trei de translație pentru genunchi și șold și două pentru modulul gleznei, utilizează servomotoare de la B&R Automation.
Primul model experimental RAISE, complet asamblat, este prezentat în figura 7.9. Servomotorul pentru mișcările laterale ale șoldului nu este vizibil, fiind în spatele capacului din aluminiu.
Fig. 7.9. Modelul experimental asamblat RAISE
Sistemul de control al robotului RAISE.
Structura sistemului de control RAISE este împărțită pe patru (4) niveluri majore:
1. Interfața cu utilizatorul dezvoltată în mediul de programare Microsoft Visual Studio [VST 20], utilizată de medic pentru a interacționa cu sistemul robotizat și configurarea terapiei medicale pentru pacienți;
2. Interfața de control hardware și software în timp real, materializată printr-un controler logic programabil (PLC) și toate interfețele și protocoalele de comunicații, inclusiv algoritmii software;
3. Interfața de control al mișcării, care constă din driverele care sunt conectate la PLC printr-o interfață hardware specifică (PowerLink) și protocolul software (PLCOpen);
4. Pe structura robotică , interfața de acționare cu este formată din cele cinci (5) servomotoare montate pe structura robotică și sistemul de senzori.
Structura sistemului de control și fluxul de informații între componentele majore sunt ilustrate în figura 8.2.
34
Fig. 8.2. O reprezentare schematică a sistemului de control RAISE
Integrarea PLC-urilor și a driverelor, împreună cu toate componentele suplimentare, în structura robotului este ilustrată în figurile 8.6 și 8.7. Integrarea lor a fost făcută într-un cadru tip cub și atașat la cadrul robotului pentru compactitate. Au fost utilizate surse de alimentare separate pentru unitățile logice și pentru acționare (unități de alimentare). Siguranțe independente au fost utilizate pentru fiecare driver.
Fig. 8.6. Servodriverele micro ACOPOS ale robotului sunt montate pe panoul din spate al acestuia
Fig. 8.7. Interfața PLC a robotului
Independent
fuses
Servo drives
AC-DC
220-24V
power
supply
PLC
Main fuse
PLC
power
supply
35
Interfata grafica cu utilizatorul, RAISE
Interfața de control a robotului RAISE a fost dezvoltată utilizând editorul Microsoft Visual Studio. Acest mediu de programare permite introducerea de grafice, tabele, având și funcția drag-and-drop oferind posibilitatea de a construi conexiuni intuitive, ceea ce reduce considerabil dificultatea de programare [KAN 16].
Fereastra principală a interfeței de control robotizat RAISE este prezentată în fig. 8.8. Prin accesarea acesteia, sunt lansate toate funcționalitățile și aplicațiile. Fiecare caracteristică este distribuită în așa fel încât, apăsând un buton, se va deschide o fereastră nouă.
Fig. 8.8 Fereastra principală a utilizatorului RAISE
Proiectarea interfeței principale cu utilizatorul, RAISE este organizată într-un singur panou care-i permite utilizatorului să poată accesa butoanele printr-un simplu clic.
Panoul conține șapte butoane, care sunt descrise mai jos, împreună cu aplicabilitatea lor:
• Butonul Robot Set-up va lansa fereastra de inițializare a sistemului robotizat; • Butonul Simple Motion va lansa fereastra care va permite executarea mișcărilor
simple de reabilitare; • Combined Motion Permite efectuarea unui set complex de mișcări; • Manual control Permite acționarea individuală a fiecărei axe cu ajutorul unui
increment și o viteză impusă. • Pacient Database lansează o fereastră care permite accesul la baza de date a
pacienților înscriși în procesul de reabilitare. • Butonul User Manual lansează fereastra care îi oferă utilizatorului o serie de
informații despre utilizarea interfeței și a sistemului robotizat.
Butonul Simple Motion
Prin apăsarea butonului Simple Motion, fereastra prezentată în fig. 8.12 se va deschide. În această fereastră, o singură mișcare de reabilitare poate fi efectuată simultan. Primul pas în procesul de reabilitare (Pasul 1 de pe interfață) este selectarea mișcării vizate.
36
Fig. 8.12. Fereastra simple motion
Butonul Combined Motion
Apăsarea butonului Combined Motion va deschide fereastra ilustrată în Fig. 8.14. Această fereastră este utilizată pentru a programa mișcări combinate de reabilitare. Fereastra conține o secțiune pentru definirea mișcărilor de reabilitare, unde fiecare mișcare va fi identificată printr-un nume (M0, M1 etc.) și fiecare dintre acestea va conține: tipul mișcării, intervalul de mișcare, numărul de repetări și viteza de mișcare. Definirea unor noi mișcări (Mx), le introduce într-o bază de date de unde pot fi preluate ulterior și utilizate pentru configurarea unei noi mișcări.
Fig. 8.14. Fereastra Combined Motion
37
Evaluarea performanței RAISE și optimizări structurale
Pe baza analizei critice asupra structurii mecanice a sistemului robotic RAISE, au fost izolate următoarele elemente, iar soluțiile de optimizare sunt prezentate în tabelul 8.2.
Tabelul 8.2. Soluțiile de optimizare Element mecanic optimizare Rezultate Înălțime - distanța
verticală dintre podea și mecanismul de susținere
a șoldului.
Cadrul de montare al robotului poate fi scurtat până la o lungime de 200 mm.
Robotul poate fi atașat la un pat standard; robotul poate fi testat în condiții de
laborator.
Rigiditatea mecanică a suporturilor membrelor
inferioare.
Un lanț cinematic de rigidizare este introdus în sistemul robotizat pentru a
îndepărta componenta elastică din sistemul robotizat.
Robotul poate ghida în siguranță membrul inferior în timpul mișcărilor de
reabilitare; se elimină elasticitatea introdusă anterior și amplificată de
greutatea membrului inferior.
Amplitudinea mișcării - abducția / adducția
șoldului
Lanțul cinematic pentru rigidizarea mecanică limitează amplitudinea
mișcării; intervalul limită este viabil din punct de vedere al protocoalelor de
reabilitare.
Robotul poate ghida în siguranță membrul inferior în timpul mișcărilor de
reabilitare; se elimină elasticitatea introdusă anterior și amplificată de
greutatea membrului inferior. Amplitudine de mișcare -
flexie / dorsiflexie a gleznei
Se introduce o cutie de viteze planetară (1:11) pentru a atinge cuplul necesar.
Robotul poate ghida piciorul în siguranță în timpul reabilitării gleznei.
Amplitudinea mișcării –inversie / eversie a
gleznei
Se introduce o cutie de viteze planetară (1:11) pentru a crește cuplul, se
introduce o cutie de viteze cilindrică (1: 2) pentru a atinge cuplul necesar.
Robotul poate ghida piciorul în siguranță în timpul reabilitării gleznei.
Modelul experimental optimizat al sistemului robotic RAISE este prezentat în fig. 8.27.
Fig. 8.27. Model experimental optimizat al sistemului robotic RAISE
38
Teste experimentale cu sistemul robotic RAISE
În urma optimizărilor structurale, sistemul robotic RAISE a fost testat în condiții de laborator la Centrul de cercetare CESTER. Sistemul utilizat este prezentat în fig. 9.1, cu principalele componente evidențiate.
Fig. 9.1. Configurația experimentală a sistemului robotizat RAISE
Testele au fost efectuate pe 5 subiecți (4 bărbați și 1 femeie) sub supravegherea unui kinetoterapeut, cu o vastă experiență în lucrul cu pacienții post AVC, din cadrul Spitalului Municipal din Cluj-Napoca.
Măsurătorile experimentale au fost efectuate în ceea ce privește un protocol medical predefinit privind funcționarea robotului, siguranța pacientului și colectarea datelor (pentru operatori) așa cum este descris mai jos:
• Participanții se așează un pat reglabil și sistemul robotic este așezat lângă pat ulterior pacienților li s-a cerut să își așeze piciorul drept pe dispozitiv (fig. 9.2);
• fiecare participant a fost rugat să se poziționeze confortabil și corect pe dispozitiv în urma unei sterilizări a elementelor robotului care intra în contact direct cu corpul pacientului;
• glezna a fost fixată pe sistem cu benzi elastice de medicale; • fiecare mișcare a fost efectuată cu un număr de 10 repetări; • prima mișcare realizată pe dispozitiv a fost flexia șoldului, extensia; • pentru flexia / extensia șoldului, piciorul fiecărui aprticipant a fost ridicată de robot în
plan sagital; • s-a făcut o pauză de un minut înainte de executarea următoarei mișcări, în timp ce
robotul este readus în poziția de start; • următorul set de mișcări efectuate au fost abducția/ adducția șoldului; • pentru abducția / adducția șoldului piciorul fiecărui subiect a fost deplasat în plan
coronal; • s-a făcut o altă pauză după care dispozitivul a fost readus în poziția de homing;
The rehabilitation bed RAISE robotic system
39
• pentru mișcările genunchiului, piciorul a fost flectat în plan sagital; • s-a făcut o altă pauză după care dispozitivul a fost readus în poziția de homing; • executarea dorsiflexiei / flexiei plantare și a inversării / eversiunii gleznei; • la nivelul gleznei, piciorul a fost ghidat pentru a efectua dorsiflexia / flexia plantară în
plan sagital și apoi pentru a efectua inversiunea / eversiunea în plan frontal.
Toate mișcările au început dintr-o poziție neutră, așa cum se arată în figura 9.2 în cazul mișcărilor șoldului și genunchiului și, respectiv, în figura 9.8 pentru gleznă.
Mișcări ale șoldului
Fig. 9.3. Poziția intermediară - flexia șoldului
Fig. 9.4. Poziția la capătul de cursa- flexia șoldului
Mișcări ale genunchiului
Fig. 9.6. Poziția intermediară - flexia genunchiului
Fig. 9.7. Poziția la capăt de cursă- flexia genunchiului
Mișcările gleznei
Fig. 9.8. Poziția inițială pentru mișcările gleznei
Fig. 9.9. Poziția la capăt de cursă- flexia gleznei
40
Concluzii, contribuții personale și direcții viitoare de cercetare
Reabilitarea robotică este un domeniu de cercetare în continuă dezvoltare, care evoluează pe deoparte pentru a oferi opțiuni mai bune de tratament și, pe de altă parte, pentru a compensa decalajul crescând dintre numărul de persoane disponibile ca specialiști medicali și pacienții care necesită exerciții fizice. Lucrarea prezentată în această teză de doctorat oferă un răspuns la o pată albă actuală în cercetare, și anume tratamentul pacienților imobilizati la pat, cu boli neuromotorii care duc pierderea completa/parțială a controlului asupra membrelor inferioare.
Obiectivul principal al acestei teze este dezvoltarea unui sistem robotic inovator cu control avansat, senzori externi, interfață cu utilizatorul centrată pe pacient și arhitectură deschisă, care va efectua exerciții de reabilitare spațială pentru pacienții imobilizați la pat cu deficite la nivelul membrelor inferioare.
Pentru a realiza acest obiectiv, au fost efectuate următoarele activități: • O analiză critică extinsă a stadiului tehnologiilor în reabilitarea membrelor superioare
și inferioare, identificând realizările și limitările cercetării realizate până acum; • Identificarea unei „pete albe” în cercetare referitoare la reabilitarea membrelor
inferioare, și anume tratamentul pacienților imobilizati la pat; • Configurarea unui program experimental pentru a realiza caracterizarea mișcării
pentru membrele superioare și inferioare, pentru a defini specificațiile de proiectare pentru structuri robotice inovatoare dezvoltate în cadrul centrului de cercetare CESTER;
• Definirea unui mecanism inovator care poate efectua reabilitarea spațială a membrului inferior și validarea acestuia prin sinteză structurală;
• Modelarea matematică a structurii robotice inovatoare RAISE, inclusiv modelarea geometrică și cinematică inversă și directă, generarea spațiului de lucru și analiza singularităților;
• Proiectarea structurii mecanice și arhitectura de control a sistemului robotizat RAISE; • Dezvoltarea modelului experimental al RAISE și testarea acestuia în condiții de
laborator.
Contribuții personale
Subiectul acestei teze de doctorat face parte din domeniul roboticii medicale, un domeniu de cercetare de mare importanță la nivel național și internațional. Rezultatele cercetării prezentate în această teză au fost obținute în cadrul centrului de cercetare CESTER, sub supravegherea comună a profesorilor Doina PISLA și Giuseppe CARBONE. Principalele contribuții ale autorului sunt ilustrate în continuare:
• o revizuire extinsă a literaturii științifice cu privire la roboții medicali pentru reabilitare, biomecanica și măsurători antropometrice, pentru a înțelege provocările tehnice și medicale din acest domeniu;
• Identificarea, pe baza revizuirii literaturii, a unei pete albe privind soluțiile disponibile pentru reabilitarea membrelor inferioare;
• O analiză experimentală pentru caracterizarea amplitudinilor mișcării membrelor superioare și inferioare utilizând diferite arhitecturi robotice și tipuri de senzori pentru a fi utilizate în proiectarea structurilor inovatoare de reabilitare dezvoltate în cadrul CESTER;
41
• Definiția unui mecanism paralel inovator pentru reabilitarea spațială a membrului inferior;
• Modelarea geometrică și cinematică inversă și directă a unui sistem robotizat paralel inovator pentru reabilitarea membrelor inferioare - RAISE;
• Analiza singularităților și modelarea spațiului de lucru al RAISE împreună cu simulări numerice relevante din punct de vedere medical ale mișcărilor de reabilitare simple și complexe;
• Proiectarea structurii mecanice a RAISE împreună cu sistemul său de control; • Dezvoltarea unei interfețe de utilizator centrate pe pacient pe baza protocolului
medical și a nevoilor pacientului; • Configurarea primului model experimental al sistemului robotizat RAISE; • Analiza critică și optimizarea modelului experimental pentru a se potrivi mai bine
nevoilor unui pacient în pat; • Testarea experimentală în condiții de laborator a RAISE.
În timpul studiilor de doctorat, autorul a primit sprijinul financiar al unui proiect de cercetare: 1. „AGEWELL - Abordări inovatoare privind reabilitarea și robotica asistiva pentru
îmbătrânirea sănătoasă”, cod MySMIS: 103415, Număr contract: contract 20 / 01.09.2016, Durata proiectului 2016 -2020.
2. Autorul a primit un stagiu ERASMUS timp de trei luni la Universitatea din Calabria, Italia (Prof. Giuseppe Carbone) în perioada 23.09.23019 și 20.12.2020.
În timpul studiilor de doctorat, autorul acestei teze a contribuit la publicarea a 10 (zece) lucrări științifice (4 ca prim autor), din care 3 (trei) lucrări sunt publicate în reviste ISI, 2 (două) sunt ISI proceedings și 5 (cinci) BDI - Scopus. De asemenea, doctoranda este co-autor a unui brevet național depus în 2019.
