Different robotic structures aiming to help in testing neuroprosthesis control strategies

angleški

2009

letnik 15, številka 6

biomehanika   električna stimulacija   mehatronika   paraplegiki   robotski mehanizmi

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo

Članek predstavlja robotske naprave in programska orodja za pomoč in emulacijo gibanja človeškega telesa pri uporabi vodenja mišične aktivnosti s pomočjo funkcionalne električne stimulacije (FES) paraplegičnih oseb. S pomočjo ortotičnih sistemov FES je možno paraplegičnim osebam povrniti nekatere motorične funkcije. Zaprtozančna regulacija vodenja izboljšuje delovanje sistemov električne stimulacije, vendar so danes v klinični praksi uveljavljeni le preprosti načini takega vodenja podprte stoje ali hoje. S funkcionalno električno stimulacijo podprta vadba vstajanja, stoje in usedanja lahko pripomore k hitrejši rehabilitaciji. Pred preverjanjem delovanja ortotičnega sistema FES v kliničnem okolju je priporočljivo to preveriti s simulacijo. Tovrstno simulacijsko okolje posnema gibanje človeškega telesa, ki se giblje s pomočjo električne stimulacije. Šele ko je shema vodenja preverjena in je možno predvideti učinke, se lahko začne klinično testiranje. Pristop s predhodno simulacijo zmanjša število potrebnih testiranj za prilagoditev sistema pacientu, s čimer sta tudi olajšani namestitev in uporaba. V delu so predstavljene tri robotske naprave za simulacijo delovanja algoritmov vodenja ortotičnih sistemov FES. Vsaka mehatronska naprava za posnemanje gibanja človeškega telesa, ki se giblje pod vplivom vodenega sistema FES v laboratorijskem okolju, lahko prispeva k boljšemu razumevanju delovanja in uporabe ortotičnih sistemov FES pri paraplegičnih osebah v klinični praksi. Simulacijski model človeškega telesa je razvit v programskem okolju Matlab Simulinkr. Model posnema gibanje telesa, ko so spodnje ekstremitete vodene z električno stimulacijo. Model je zgrajen kot trisegmentni model, ki vključuje devet mono- in biartikularnih mišic. Mišične skupine so modelirane v sagitalni ravnini in delujejo v sklepih gležnja, kolena in kolka. Vsaka mišična skupina je modelirana z lastnim modelom dinamike aktivacije in kontrakcije. Vhod v mišični model sta širina in frekvenca stimulacijskih impulzev. Simulacijski model tako združuje modele mišične aktivacije, mišične kontrakcije in dinamike gibanja segmentov. Dvižne sile, ki delujejo v ramenskem sklepu, so modelirane s pomočjo mehkega regulatorja kot funkcija merjenega položaja kolena. V praksi na vsako polovico telesa deluje svoj sistem FES, zato je potrebno uglaševanje vsakega sistema posebej. Oseba s pomočjo opore rok dodatno zagotavlja ravnotežje v transverzalni ravnini. Prvi robotski mehanizem je sestavljen iz treh lahkih segmentov, ki ponazarjajo segmente človeškega telesa. Za pogon segmentov so uporabljeni štirje pulznoširinsko vodeni servoaktuatorji HITEC HS-422, pri čemer dva v skladu z rezultati simulacije poganjata sklep gležnja, po eden pa sklep kolena in kolka. Drugi robotski mehanizem je robot Kondo s sedemnajstimi prostostnimi stopnjami gibanja, tretji mehanizem pa je trisegmentna struktura, ki ponazarja človeško nogo. Robotski krmilnik je prilagojen za vodenje preko modela Simulink. Dinamika gibanja robotskih mehanizmov je omejena z maksimalnim navorom in maksimalno hitrostjo gibanja v sklepih. Dimenzije segmentov so bile izbrane v razmerju 9/10 glede na človeško telo. Tako znaša dolina stegna 402 mm in dolina goleni 362 mm. Pogonski motorji so bili dimenzionirani glede na zahteve dinamike gibanja človeškega telesa. Za vodenje motorjev je uporabljen krmilni sistem Trajexia-OMRON, na katerem lahko hkrati tečejo simulacijski algoritmi, vhod pa je lahko tudi jakost stimulacije sistema FES. Razvite mehatronske naprave in programska orodja omogočajo, da je ortotični sistem FES za oporo pri stoji ali hoji paraplegičnih oseb ustrezno preizkušen pred uporabo na pacientu. Ko rezultati ustrezajo pričakovanim, je mono eksperimentiranje v kliničnem okolju. Razviti sistem zmanjšuje potrebno število preizkusov za prilagoditev sistema FES uporabniku. Razvita oprema lahko koristno služi tudi kot pedagoški pripomoček pri razlagi vodenja ortotičnih sistemov FES študentom magistrskega študija smeri biomedicinskega inženirstva.

26.06.2012