tezĂ de doctorat - universitatea din craiova · 2020. 7. 30. · sistem mecatronic pentru...

66
UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA FACULTATEA DE MECANICĂ TEZĂ DE DOCTORAT Sistem Mecatronic pentru Reabilitări Locomotorii REZUMAT Conducător ştiinţific: Prof. dr. ing. DUMITRU Nicolae Doctorand: ing. ROȘU Eugen CRAIOVA 2020

Upload: others

Post on 04-Feb-2021

7 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA

    FACULTATEA DE MECANICĂ

    TEZĂ DE DOCTORAT

    Sistem Mecatronic pentru Reabilitări Locomotorii REZUMAT

    Conducător ştiinţific:

    Prof. dr. ing. DUMITRU Nicolae Doctorand:

    ing. ROȘU Eugen

    CRAIOVA

    2020

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    2

    CUPRINSUL REZUMATULUI TEZEI DE DOCTORAT 1. Cuprinsul tezei de doctorat…………………………………….3 2. Introducere……………………………………………………...5 3. Prezentare sintetică a capitolelor tezei de doctorat..................6 4. Concluzii finale și contribuții originale...................................56 5. Bibliografie................................................................................61

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    3

    1. Cuprinsul Tezei de Doctorat I Stadiul actual al sistemelor de reabilitare a locomoției umane.......... 1 1.1 Sisteme de reabilitare a locomoției umane - Exoschelete.

    Scurt istoric....................................................................................... 1

    1.2 Motivația utilizării unui sistem de reabilitare a locomoției umane.... 2 1.3 Considerații generale privind funcționalitatea unui sistem

    de reabilitare a locomoției umane – Exoschelet................................ 2

    1.4 Sisteme de reabilitare a locomoției umane........................................ 3 1.5 Concluzii asupra stadiului actual

    privind sisteme de reabilitare a locomoției umane........................... 19

    1.6 Obiectivele tezei de doctorat............................................................. 20 II Analiza Locomoției Umane.

    Considerente Teoretice și Experimentale.......................................... 21

    2.1 Analiza standardelor privind topologia umană.................................... 21 2.2 Consideraţii privind analiza mersului uman........................................ 24 2.3 Determinarea experimentală a miscarilor

    ce trebuie executate de mecanica sistemului robotic în procesul de reabilitare a locomoției umane....................................

    28

    2.4 Observaţii şi concluzii asupra rezultatelor experimentale obţinute cu echipamentul VICON...........

    45

    3 Modele Matematice pentru Studiul Cinematic și Dinamic

    al Sistemului Mecatronic Destinat Reabilitărilor Locomotorii.......... 49

    3.1 Elaborarea modelului structural al sistemului mecatronic................... 49 3.2 Soluții constructive privind exoschelete

    destinate reabilitării locomoției umane.............................................. 49

    3.3 Elaborarea soluției conceptuale pentru sistemul mecatronic.............. 52 3.4 Concluzii privind elaborarea soluției conceptuale

    pentru sistemul mecatronic................................................................. 53

    3.5 Elaborarea schemei cinematice a mecanismelor din structura exoscheletului................................................................

    53

    3.6 Analiza cinematică a mecanismelor din structura exoscheletului propus.. 59 3.7 Analiza dinamică.................................................................................. 72 3.8 Prototiparea virtuală a exoscheletului cu programul ADAMS.................. 81 3.9 Analiza comparativă a rezultatelor

    modelelor teoretice și virtuale. Concluzii................................................... 90

    IV Elaborarea Soluției Conceptuale

    pentru Sistemul Mecatronic Destinat Reabilitărilor Locomotorii........ 95

    4.1 Identificarea structurală a sistemului mecatronic................................ 95 4.2 Elaborarea unei documentatii tehnice complete

    pentru fabricarea elementelor componente din structura mecanica a sistemului mecatronic................................

    100

    4.3 Fabricarea elementelor din structura mecanica a sistemului mecatronic si achizitionarea componentelor hardware......................

    105

    4.4 Concluzii asupra elaborării documentatiei tehnice pentru fabricarea elementelor componente din structura sistemului mecatronic.................

    111

    V Elaborarea Sistemului de Comandă și Control

    a Sistemului Mecatronic Destinat Reabilitării Locomoției Umane......... 113

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    4

    5.1 Identificarea componentelor hardware utilizate în elaborarea sistemului de comandă și control........................

    113

    5.2 Elaborarea programului pentru asigurarea comenzilor și a controlului sistemului mecatronic pe parcursul activităților de recuperare locomotorie...........................................................................

    118

    5.3 Calibrarea sistemului mecatronic impreuna cu sistemul de sustinere al pacientului si a benzii de mers............................................................

    120

    5.4 Concluzii privind sistemul mecatronic elaborat...................................... 122 VI Testari Experimentale Ale Sistemului Mecatronic

    In Conditii De Laborator Si Anduranta Specifice Programelor De Recuperare Medicală...................................................

    123

    6.1 Considerații experimentale..................................................................... 123 6.2 Testări și evaluari experimentale ale sistemului mecatronic

    pentru mersul în gol fără pacient............................................................ 125

    6.3 Testări și evaluări experimentale ale sistemului mecatronic cu subiect uman sănătos - mers în sarcină de max 40%........................

    130

    6.4 Testări și evaluări experimentale ale sistemului mecatronic cu pacient - mers în sarcină de max 20%..............................................

    136

    6.5 Observații și concluzii privind analiza experimentală........................... 148 VII Concluzii Finale și Contribuții Originale............................................... 149 7.1 Concluzii finale..................................................................................... 149 7.2 Contribuții originale............................................................................. 156 Bibliografie................................................................................................. 158

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    5

    2. Introducere 2.1. Considerații generale În urma accidentelor vasculare cerebrale – AVC pacienţii sunt afectaţi de hemiplegie (paralizie) ce poate fi flască (în faza timpurie) sau spastică. Hemiplegia se poate declanşa brusc, iar uneori aceasta este progresivă şi se manifestă preponderent asupra acţiunilor motorii sau senzoriale la membrele corpului uman de pe una dintre parţile acestuia. Pacienţii afectaţi de instalarea hemiplegiei vor trebui să urmeze şedinţe de recuperare kinetoterapeutică pe baza unei evaluări funcţionale a acestora ce constă în: - evaluarea funcţiilor vitale: respiraţia, masticaţia,deglutiţia, etc.; - evaluarea capacităţilor de comunicare (scris, verbal, mimica); - evaluarea abilităţilor motorii asupra membrelor corpului uman (reacţii reflexe, tonus muscular, coordonare a membrelor neafectate); - evaluarea stabilităţii posturale, mobilitate controlată, abilităţi; - evaluarea activităţilor zilnice (ADL – Activities of Daily Living); - Identificarea amplitudinilor articulaţiilor membrului afectat de hemiplegie; - Evaluarea reintegrării pacientului în activităţile sociale, ocupaţionale şi familiale. În urma acestor evaluări funcţionale, pacienţii afectaţi de hemiplegie pot fi încadraţi în trei stadii. Aceste stadii sunt date de perioada dintre momentul accidentului cerebral şi momentul refacerii astfel: -iniţial; - mediu; - avansat.

    Tehnicile kinetoterapeutice pe care un pacient de AVC trebuie să le parcurgă sunt reflectate sub aspectul gimnasticii curative asupra membrelor inferioare caracterizate de: A. tratament postural; B. mişcări pasive; C. masajul practicat asupra grupelor musculare afectate de hemiplegie. D. gimnastică – mişcări active;

    În ultima categorie ”gimnastică – mișcări active” intră şi sistemele auxiliare de reabilitare a mersului special dezvoltate pentru mişcările active ale membrelor inferioare.

    Teza de Doctorat cu titlul ”Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii” abordează elaborarea unui sistem mecatronic destinat reabilitării locomoției umane care este utilizat în vederea dezvoltării exercițiilor fizice prin mișcări active.

    2.2. Motivația cercetării

    La nivel european, anual sunt inregistrate 200 cazuri de accidente vasculare raportate la 100.000 persoane. Din aceste date doar 10% se pot integra total in societate, 40% raman cu sechele moderate, 40% prezinta sechele severe, iar 10% sunt irecuperabili. Motivatia dezvoltarii unor sisteme inteligente de recuperare a acestor persoane este data de aceasta analiza, iar in ultimii ani a inceput sa se utilizeze o noua terapie de recuperare „mersul stationar” (pe banda rulanta). Acest tip de terapie va fi utilizata prin implementarea acestui sistem mecatronic, fiind unul de reabilitare functionala. Acesta este compus dintr-un mecanism de ridicare /mentinere pacient, un exoschelet echipat cu senzori si actuatori, ce cuprind picioarele pacientului si le actioneaza, o banda rulanta pentru pasire si un calculator pentru comanda si control. Sistemul mecatronic este format dintr-o orteza pentru sold si cate doua orteze pentru fiecare membru. Miscarile membrelor și variatia unghiurilor articulatiilor ortezelor sunt mai intai generate prin inregistrarea deplasarii, pe o banda rulanta, a unor subiecti perfect

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    6

    sanatosi ce au ortezele atasate, dar actionarile dezactivate. Astfel se obtine un ciclu de referinta (ideal) al mersului, ce poate fi parametrizat. Exoscheletul are o structura mecanica modulara pentru adaptarea acestuia la caracteristicile antropometrice ale pacientului. Exoscheletul preia anumite functii pe care pacientul nu este capabil sa le execute si ii ofera acestuia suportul de sprijin necesar, numai in anumite faze ale mersului. Sistemul mecatronic va ghida pacientul catre comportarea dorita, limitandu-i/sustinandu-i miscarile, astfel incat acestea sa nu iasa din parametrii unui mers corect, fiziologic normal. 2.3. Obiectivele cercetării

    În vederea elaborării sistemului mecatronic, biectivele ce urmează a fi îndeplinite sunt următoarele:

    1. Simplitate constructivă, gabarit redus. 2. Posibilitate de adaptare a exoscheletului pe persoane cu înălţimi variabile cuprinse între

    1,50m – 1,90m. 3. Posibilitatea de adaptare a unor exerciţii terapeutice în vederea recuperării membrelor

    inferioare umane pe noul sistem destinat recuperării aparatului locomotor uman. 4. Greutate scăzută în vederea realizării unor mişcări cât mai naturale, prin amplasarea la

    distanţă faţă de centrele articulare a actuatorilor şi identificarea unor transmisii mecanice pentru asigurarea transmiterii parametrilor energetici.

    5. Posibilitatea de implementare a unor algoritmi de programare a actuatorilor, care acţionează exoscheletul, ce pot f uşor de modificat şi de adaptat pe legi de mişcare diferite în funcţie de vârsta subiectului uman cu deficiențe locomotorii.

    6. Dispozitive de fixare a membrelor inferioare umane faţă de exoschelet cât mai flexibile. 7. Suspendarea totală a exoscheletului în astfel încât greutatea acestuia să fie preluată de

    către un cadru special și să nu poată fi transmisă pacientului. 8. Monitorizare directă şi continuă a stării subiectului uman analizat precum şi a exerciţiilor

    terapeutice aflate în curs de desfășurare. 9. Uitlizarea unui număr cât mai mic de actuatori şi asigurarea transmiterii mişcării prin

    sisteme mecanice mobile. 10. Asistență terapeutică prin utilizarea unui număr minim de personal pentru desfăşurarea

    exerciţiilor terapeutice de recuperare funcţională a membrelor inferioare umane.

    3. Prezentare sintetică a capitolelor tezei de doctorat I. Stadiul actual al sistemelor de reabilitare a locomoției umane

    1.1. Sisteme de reabilitare a locomoției umane - Exoschelete. Scurt istoric Un sistem de reabilitare a locomoției umane, din punct de vedere structural, trebuie să asigure poziția de ortostatism a pacientului, dar și a greutății sale. De asemenea trebuie să contribuie la asigurarea echilibrului postural în timpul desfășurării activității de mers. Pe de altă parte, din punct de vedere funcțional, acesta trebuie să asigure forța necesară pentru pacienții care nu se pot deplasa singuri sau care pot realiza mișcări limitate. Totodată trebuie să aibă o simplitate constructivă și să asigure o interfață de comandă și control accesibilă pentru pacient. Un exoschelet pentru reabilitarea locomoției umane are în structură următoarele componente majore [3], identificabile în figura 1.1: unitatea de comandă și control și sistemul de

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    7

    alimentare cu energie electrică (1); segmentul femural prevăzut cu unități de acționare și sisteme de acționare mecanică (2); segmentul tibial cu unități de acționare și sisteme de acționare mecanică (3); segmentul plantar prevazut cu unități de acționare și sisteme de acționare mecanică (4).

    Fig. 1. 1. Structura unui exoschelet pentru reabilitarea locomoției umane [3].

    1.2. Sisteme de reabilitare a locomoției umane

    Având în vedere modalitățile de asigurare a mișcării la nivelul membrelor inferioare, se disting două categorii de sisteme de reabilitare a locomoției umane: A. Sisteme robotice directe; B. Sisteme robotice inverse; Sistemele robotice directe au în structură actuatori care acţionează în mod direct asupra articulaţiilor, prin intermediul unui exoschelet unde axele de rotaţie ale articulaţiilor sunt colineare cu axele de rotaţie ale actuatorilor. Sistemele robotice inverse sunt cele la care mişcările sunt transmise dinspre sol spre articulaţii, în sensul că la nivelul tălpilor membrelor inferioare posedă o platformă mobilă acţionată de un mecanism ce reproduce fidel traiectoria piciorului generată în activitatea de păşire. Conform celor două categorii anterior menționate, în continuare va fi realizată o analiză sub aspect funcțional și structural asupra principalelor soluții constructive existente la momentul actual. A. Sisteme robotice directe pentru reabilitarea locomoţiei umane A.1. Exoschelet pentru reabilitarea locomoţiei umane – LENAR [23] Conceptul are la bază înserierea a 4 orteze active pentru articulațiile șoldurilor și genunchiurilor din structura aparatului locomotor uman redândui acestuia 4 grade de libertate (şold drept şi stâng, genunchi drept şi stâng). În figura 1.2 este prezentat acest concept pornind de la o analiză topologică în care se observă că are în structură mecanisme plane pentru fiecare membru inferior. Analiza topologică efectuată asupra mecanismelor plane are ca punct de plecare menținerea exoscheletului cuplat cu membrul inferior uman într-o poziție de echilibru, bazată pe premisa menținerii posturale a pacientului. Astfel se remarcă un număr de 9 cuple de rotație pentru întreg membru inferior, unde cuplele motoare fiind localizate în articulațiile A și D, iar cuplele B, C, E și F sunt considerate cuple de rotație pasive. Analiza topologică întreprinsă de grupul de cercetători [23] a avut ca scop identificarea soluției optime pentru exoscheletul LENAR, iar actuatorii au fost adoptați în baza unui proces de optimizare a structurii mecanice având un cuplu nominal de 60Nm. Astfel că actuatorii au fost furnizați de compania National Instruments iar

    Dispozitive flexibile pentru atașarea sistemului de membrele

    inferioare ale pacienților.

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    8

    modelul fiind Maxon EPOS2 și au la bază motoare de curent continuu cu putere nominală de 300W. Totodată aceștia au în structură un reductor planetar cu raportul de transmitere de 64,5:1.

    Fig. 1.2. Sistemul ortetic al exoscheletul LENAR (a), soluţii constructive rezultate în urma unei

    analize topologice (b), adoptarea soluţiei optime (c), modelul virtual final al exoscheletului LENAR (d) [23]

    Caracteristicile tehnice ale acestui prototip sunt redate în tabelul 1.1.

    Tabelul 1.1. Prototipul LENAR – date tehnice [23] Parametru Valoare Cuplu nominal 30 Nm Putere nominală 300W Frecvență în bandă pentru controlul cuplului 6,5Hz Cuplul la extensie pentru șold 10Nm Cuplul la extensie pentru genunchi 5Nm Viteza maximă de lucru (pășire) 5km/h Intervalul de înălțime al pacientilor 1,65-1,85m

    A.2. Exoschelet pasiv cu “tendoane artificiale” – XPED2 [24] Termenul de „tendon artifical” este redat de către cercetătorii care au elaborat acest tip de exoschelet din cadrul Universității Twente din Olanda și se referă la introducerea unor elemente elastice de tip arc lamelar. Funcționalitatea acestuia se bazează pe principiul stocării energiei cinetice rezultate din mişcările active ale aparatului locomotor uman şi disipării acesteia pentru cele pasive. Exoscheletul XPED 2 are în structura un mecanism format din elemente elastice (arcuri), combinate cu cabluri de acţionare şi pârghii în vederea stocării şi transferului energetic între articulaţiile membrelor inferioare așa cum se remarcă în figura 1.3.

    Figura 1.3. Exoscheletul XPED2 [24]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    9

    Un element esențial din structura acestui exoschelet este constituit din așa numitul exotendon cu rol în acumularea energiei rezultată din articulaţiile active şi transferul acesteia către celelalte articulaţii pasive. A.3. Sistem robotic activ pentru reabilitarea locomoţiei umane – ALEX [25, 26]

    Acest sistem robotic activ este un prototip realizat în cadrul Laboratorului de Sisteme Mecanice al Centrului de Cercetare – Universitatea din Delaware, Germania. Sistemul posedă o flexibilitate ridicată pe parcursul exerciţiilor terapeutice prin intermediul senzorilor şi servomotoarelor din structura sa. Sistemul robotic ALEX, din figura 1.4, are în structură următoarele componente: un exoschelet, ce asigură asistenţa terapeutică în timpul desfăşurării exerciţiilor de recuperare a membrelor inferioare umane; o bandă de alergare/păşire controlată printr-o unitate de comandă şi control; un cadru mobil ce asigură susținerea greutăţii exoscheletului şi parțial a greutăţii subiectului umane în zona centurii pelviene cu ajutorul unor elemente flexibile de fixare; o unitate de comandă şi control prin care este monitorizat comportamentul pacientului și prin care sunt controlați cei doi actuatori din structura exoscheletului ținând cont de semnalele primite de la unitățile senzoriale. Cei doi actuatori asigură realizarea mişcărilor dezvoltate de membrul inferior uman numai pentru cele două articulații și anume șold și respectiv genunchi.

    Figura 1.4. Exoscheletul ALEX. Aspect general [25]

    A.4. Sistem robotic pentru reabilitarea locomoţiei umane – LOKOMAT [27]

    Sistemul robotic este unul complex fiind deja comercializat de către Centrul de Recuperare Locomotorie HOCOMA AG – Elveţia [LOKOMAT]. Acesta poate fi utilizat atât de adulţi cât şi de copii cu probleme locomotorii (figura 1.5).

    Figura 1.5. Sistemul robotic de reabilitare pentru asistenta a mersului (Lokomat Treadmill Walker)

    [27]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    10

    Figura 1.6. Sistemul robotic complex Lokomat: structura acestuia [27]

    Conform figurii 1.6, sistemul robotic are în structură un exoschelet - 7, o bandă de alergare dedicată - 4, un sistem de susţinere parţială a greutăţii subiectului uman (ham) - 5, o unitate de comandă/control a acestui sistem - 2. Prin acest sistem robotic este asigurtă recuperarea generată de exerciţii terapeutice asupra articulaţiei şoldului şi genunchiului. Exoscheletul are în structură orteze ce asigură fixarea membrelor inferioare, acţionate de către actuatori electrici liniari (şurub-piuliţă) pentru fiecare articulaţie din structura aparatului locomotor uman 1 şi 3. Greutatea exoscheletului este suportată total de către un cadru special – 6. Unitatea de comandă şi control a sistemului este prevăzută cu un calculator ce permite monitorizarea continuă a stării pacientului (ritmul cardiac), precum și a legilor de mişcare pe care pacientul le realizează pentru fiecare articulaţie pe parcursul programului de recuperare, controlează motoarele electrice liniare prin legi de mişcare impuse, acestea fiind considerate ca elemente de referință pe parcursul activităţilor terapeutice; permite elaborarea unui raport de evaluare terapeutică prin care poate fi observat progresul recuperării locomotorii. A.5. Sistem robotic pentru recuperarea locomoţiei umane – WALKBOT [28, 29, 30] Acesta este un sistem similar cu cel precedent, aflat spre comercializare de către compania japoneză P&S Mechanics Co. Ltd. Conceptul WALKBOT a avut ca sursă de inspiraţie Lokomat-ul, numai că acesta posedă un element de noutate dat prin extinderea posibilităţii de mişcare la nivelul articulației gleznei și piciorului fiecărui membru inferior uman. Acest aspect vizează şi reabilitarea articulației în cauză, adresându-se unei game variate de pacienți (atac de cord, atac cerebral, discontinuităţi la nivelul coloanei vertebrale, boala Parkinson, scleroză multiplă, probleme ortopedice). În prezent este considerat ca fiind cel mai complex şi avansat sistem de recuperare a lomcomoţiei umane comercializat pe piața specifică. Structura WALKBOT este prezentată în figura 1.7.

    Exoscheletul din structura sistemului robotic de reabilitare are în structură 6 unităţi de acţionare pentru articulaţiile principale ale aparatului locomotor uman așa cum se remarcă în figura 1.8. Actuatorii au în structură motoare pas cu pas cuplate la reductoare armonice. Principiul programelor de recuperare este aproape identic cu cel al Lokomat-ului bazat pe contact progresiv a

    1

    2

    4

    3

    5

    6

    7

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    11

    membrelor inferioare cu solul. Actuatorii împreună cu sistemul de comandă și control se află într-o strânsă legătură cu o reţea de senzori de forţă amplasată în zonele de contact pacient-exoschelet şi exoschelet-bandă de mers (figura 1.8).

    Figura 1.7. Structura sistemului robotic de reabilitare WALKBOT [28]

    Figura 1.8. Poziționarea actuatorilor din structura exoscheletului [29]

    B. Sisteme robotice inverse pentru reabilitarea locomoţiei umane În momentul actual sunt comercializate 3 sisteme robotice inverse al căror principiu de funcţionare are la bază realizarea mişcării inverse de la articulaţia gleznei şi piciorului spre articulaţia genunchiului, iar la final articulaţia şoldului. Principiul de funcționare vizează traiectoria generată de anumite puncte caracteristice din zona gleznei şi piciorului, ea fiind asigurată prin intermediul unor mecanisme active acţionate de un actuator (platforma/podea mobilă). Celelalte două articulaţii (genunchi şi şold) sunt constrânse prin intermediul unui mecanism din structura unui exoschelet care limitează mişcările acestora, fiind permise numai cele pentru activitate de păşire. Practic acest principiu utilizează doar doi actuatori care funcţionează în tandem pentru generarea traiectoriilor de la nivelul gleznei şi piciorului. B.1. Sistemul robotic invers „Fraunhofer HapticWalker” [39, 40]

    Computer

    Monitor activităţi

    Robot

    Cadru

    Modul conectare

    Greutăţi

    Rampă acces

    Contragreutăţi

    Unitate comandă şi control

    Bare paralele

    Bandă de mers

    Actuator şold

    Actuator genunchi

    Actuator gleznă

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    12

    Fraunhofer HapticWalker este primul sistem robotic invers de reabilitare/recuperare dezvoltat de catre cercetatorii Emkem J., Reinkensmeyer D. Acesta are pentru fiecare membru inferior cate 3 grade de libertate, un ham pentru sustinerea pacientilor cu deficiențe locomotorii la nivelul umerilor şi actuatorii situaţi la nivelul mecanismului de acţionare al platformelor de păşire. Acest sistem robotic deține controlul continuu al traiectoriei piciorului pentru simularea unor activitati de urcare/coborare trepte scari (figura 1.9).

    a. b.

    Figura 1.9. Sistemul roboticFraunhofer HapticWalker: a modelul virtual; b- prototip [39,40]

    B.2. Sistemul robotic invers „G-EO System” [41, 42] Compania REHA-TECHNOLOGY din Olten-Elveţia a conceput și proiectat un sistem robotic invers denumit G-EO System adresat pacienţilor cu deficienţe neuromotorii. Principiul de funcționare constă în generarea inversă a mişcărilor pornind de la traiectoriile generate de articulaţia gleznei şi piciorului. Acest sistem are în structură un mecanism care acţionează în tandem două platforme de susţinere a pacientului. Mişcările generate de aceste platforme respectă traiectoriile – şablon pentru un mers cât mai natural de către un subiect uman fără deficienţe neuromotorii. Așa cum este prezentat în figura 1.10, este format dintr-un cadru fix (A), mecanismul generator de traiectorie de la nivelul articulaţiilor gleznei şi piciorului (B), cadru de susţinere cu harnaşament al pacientului (C), sistemul de comandă şi control (D).

    Figura 1.10. Sistemul robotic G-EO System 41]

    A

    B

    C D

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    13

    Un rol important în asigurare funcționării în condiții optime îl are mecanismul platformei de păşire. Acest mecanism este prezentat în figura 1.11 și este format din: 1-actuator principal pentru acţionarea transmisiei prin cuple elicoidale în vederea deplasării platformei pentru membrul inferior stâng prin intermediul ghidajului 6; 2 – actuator pentru asigura unei mişcări relative a membrului inferior stâng (varus/valgus); 3 – bielă pentru asigurarea mişcării de flexie plantară/dorsală; 4 – sanie principală; 5- sanie mişcare relativă; 6-ghidaj; 7- şurub transmisie prin cuplă elicoidală.

    Figura 1.11. Modelul virtual al mecanismului pentru platformele ce asigură mişcarea inversă a

    sistemului robotic G-EO System [41]

    II. Analiza Locomoției Umane. Considerente Teoretice și Experimentale

    2.1. Analiza standardelor privind topologia umană

    Analiza structurală a corpului uman, permite identificarea posibilităţilor de mişcare dezvoltate de către subiectul uman în vederea realizării unor activităţi specifice. Aparatul locomotor uman este alcătuit dintr-un ansamblu de sisteme anatomice prin care este realizată locomoţia umană. Sistemele anatomice din structura corpului uman sunt: sistemul osteo – articular, sistemul nervos și sistemul muscular. Acestea sunt reprezentate prin membrele inferioare ale aparatului locomotor uman [11]. Sistemul osos al membrului inferior se compune, conform figurii 2.1, din următoarele oase: osul sacru – A, osul coccis – B, femur – C; patela (rotula) – D, tibia – E; fibula – F; oasele piciorului – G [14].

    În urma identificării posibilităților de mișcare la nivelul celor trei articulații principale ale membrului inferior umane și prin consultarea datelor existente în literatura de specialitate cu privire la limitările lor, au fost evidențiate variațiile unghiulare ale acestora, ca rezultat al limitării articulaţiilor în timpul realizării activităţilor diverse în care este implicat aparatul locomotor (Tabelul 2.1) [11].

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    14

    Figura 2.1. Scheletul membrului inferior [11, 12]

    Tabelul 2.1 [11]

    Articulaţia Mişcarea Amplitudinea

    Coxo - femurală

    Flexie→Extensie (cu genunchi întins) 90º ↔ 0 ↔ 30º

    Flexie→Extensie (cu genunchi flectat- 90º) 120º ↔ 0 ↔ 30º Abducţie→Adducţie (cu coapsele extinse) 60º ↔ 0 ↔ 30º Abducţie→Adducţie (cu coapsele în flexiune) 70º ↔ 0 ↔ 30º Rotaţie internă→externă 15º ↔ 0 ↔ 35º

    Genunchi Extensie 0 ↔ 130º Rotaţie internă→externă 10º ↔ 0 ↔ 140º

    Gleznă - picior Flexie plantară→dorsală 35º ↔ 0 ↔ 20º Valgus→varus 30º ↔ 0 ↔ 60º

    Falange proximale Flexie→Extensie 80º ↔ 0 ↔ 30º Falange distale Flexie→Extensie 10º ↔ 0 ↔ 90º

    2.2. Consideraţii privind analiza mersului uman [15, 16]

    Mersul biped reprezintă principala formă de locomoţie necesară realizării activităţilor umane. Această activitate se caracterizează prin complexitate şi dinamism, îndeplinindu-se astfel funcţii importante pentru corpul uman: stabilitate unipodală, prevenirea căderii, evitarea obstacolelor, deplasarea în spaţiu a corpului uman prin deplasarea centrului de masă şi adaptarea în vederea evitării unor mişcări dureroase. Ţinând cont de schema ciclului de păşire din figura 2.2,

    A

    B

    C

    D

    E

    F

    G

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    15

    Centrul de Cercetare “Innovative Sports Training, Inc. – Chicago USA” [16] a încheiat un raport privind standardizarea acestor legi pe baza unei analize statistice experimentale realizate cu ajutorul unui echipament ultra-performant denumit VICON.

    Figura 2.2. Ciclul de mers al mersului uman [16] 2.3. Determinarea experimentală a miscarilor ce trebuie executate de mecanica sistemului robotic în procesul de reabilitare a locomoției umane A. Descrierea echipamentului VICON [21] Mişcările ce ulterior vor fi efectuate de structura mecanică a sistemului robotic sunt cele ale articulaţiilor principale caracteristice aparatului locomotor uman pentru activitatea de păşire. Pornind de la acest considerent este necesar întocmirea unei baze de date ce poate furniza elemente de referinţă importante în proiectarea structurii mecanice a exoscheletului, dar şi în vederea proiectării unităţii de comandă şi control. Astfel s-a apelat la un echipament de analiză a mişcării ultra-performant numit VICON – [18], existent în cadrul platformei de cercetare INCESA – Universitatea din Craiova.

    Etapele ce trebuiesc parcurse pentru realizarea unei analize experimentale cu ajutorul echipamentului VICON sunt următoarele: 1. calibrarea sistemului şi a camerelor IR – unde se elimină şi eventual se acoperă corpurile străine ce pot genera traiectorii nedorite de operator. Tot în cadrul acestei etape se defineşte frecvenţa camerelor pentru analizele experimentale, se identifică spaţiul real unde se defăşoară analiza experimentală, se corelează spaţiul real cu cel virtual şi se defineşte sistemul global de referinţă; 2. definirea subiectului uman – aceasta realizându-se prin ataşarea unui set de 57 de markeri pe corpul uman. Pasul următor constă în parametrizarea subiectului ce urmează a fi analizat în funcţie de vârstă, greutate şi date antropometrice. Acest pas se realizează pe baza modelului „human_subject.vsk”; 3. calibrare subiect uman vs. VICON - unde subiectul uman va fi aşezat în centrul spaţiului real de analiză, în poziţie ortostatică de aşa natură încât toţi markerii ataşaţi pe subiectul uman să fie vizibili şi identificabili prin intermediul interfeţei soft-ului VICON Nexus. Tot în cadrul acestei etape se realizează corelarea dintre sistemul de coordonate global al spaţiului real de analiză şi sistemul local central alocat centrului de greutate al corpului uman. În urma acestei etape se obţine modelul virtual al subiectului uman ce va fi analizat prin interfaţa soft-ului VICON Nexus;

    Sprijin unipodal-membru inferior drept Balans membru inferior drept

    Balans membru inferior stâng Sprijin unipodal-membru inferior stâng

    Lungime pas-parţial membru inferior stâng Lungime pas- parţial membru inferior drept

    Ciclu de mers pentru un subiect uman/Durată ciclu de mers subiect uman

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    16

    4. desfăşurarea analizei experimentale propriu-zise – în cadrul acestei etape se va realiza analiza experimentală efectivă unde în cazul de faţă se va analiza activitatea de păşire/mers. La începutul acestei etape se va face o setare a soft-ului VICON Nexus utilă în etapa de postprocesare a rezultatelor. 5. postprocesarea rezultatelor – aceasta este etapa finală în care se va genera în modul automat modelul virtual echivalent al subiectului uman şi se va analiza secvenţa video înregistrată în vederea identificării şi eliminării aşa numitor artefacte – „Gap” pentru obţinerea unor rezultate cât mai precise. Tot în cadrul acestei etape se vor obţine şi rezultatele numerice ale analizei experimentale prin intermediul exportului bazei de date înregistrate în format *.xls ce poate fi deschisă cu ajutorul soft-ului Microsoft –Excel. B. Baza de date experimentale realizată cu echipamentul VICON

    Prima bază de date este formată dintr-un număr de 30 subiecţi umani sănătoşi (15 bărbaţi- Sbi şi 15 femei- Sfi cu 1,15i = ) cu vârste cuprinse între 20 şi respectiv 60 de ani, greutate cuprinsă între 50-94kg, înălţime cuprinsă între 1,5m-1,9m.

    Cea de-a doua bază de date este formată dintr-un număr de 6 subiecţi umani cu deficienţe locomotorii (bărbaţi şi femei care se află în perioadă de recuperare) cu vârste cuprinse între 24 şi respectiv 60 de ani, greutate cuprinsă între 55-94kg, înălţime cuprinsă între 1,5m-1,8m. Toţi subiecţii umani analizaţi au mers în spaţiul real al laboratorului, unde aceştia au efectuat un număr de 4-6 cicluri complete de păşire. Analiza datelor experimentale a fost realizată cu soft-ul VICON-Nexus, fiind prelevat un singur ciclu complet de mers, respectiv ciclul 3 şi respectiv 4 din cadrul activităţilor de păşire.

    Astfel s-au obţinut variaţiile unghiulare pentru articulaţiile principale ale aparatului locomotor uman (şold, genunchi, glezne) atunci când subiecţii umani analizaţi se aflau în plină desfăşurare a exerciţiului fizic. Prelevarea datelor antropometrice, asistenţa în timpul procesului de evaluare experimentală a fost asigurată de către un specialist în domeniu. În continuare vor fi prezentate prin intermediul diagramelor din figurile 2.3,…, 2.11 rezultatele bazei de date astfel: - în figurile 2.3 ,…, 2.5 sunt prezentate variaţiile unghiulare ale grupei de bărbaţi fără deficienţe locomotorii Sbi cu 1,15i = pentru un ciclu de mers complet – membru inferior stâng; - în figurile 2.6 ,…, 2.8 sunt prezentate variaţiile unghiulare ale grupei de femei fără deficienţe locomotorii Sfi cu 1,15i = pentru un ciclu de mers complet – membru inferior drept; - în figurile 2.9 ,…, 2.11 sunt prezentate variaţiile unghiulare ale grupei de de persoane cu deficienţe locomotorii Si ( 1,5i = )pentru un ciclu de mers complet – membru inferior stâng.

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    17

    Figura 2.3. Variaţiile unghiulare [grade] ale articulaţiei şoldului stâng pentru grupa de bărbaţi fără

    deficienţe locomotorii pe un ciclu de mers complet [100%]

    Figura 2.4. Variaţiile unghiulare [grade] ale articulaţiei genunchiului stâng pentru grupa de bărbaţi

    fără deficienţe locomotorii pe un ciclu de mers complet [100%]

    Figura 2. 5. Variaţiile unghiulare [grade] ale articulaţiei gleznei şi piciorului stâng pentru grupa de

    bărbaţi fără deficienţe locomotorii pe un ciclu de mers complet [100%]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    18

    Figura 2.6. Variaţiile unghiulare [grade] ale articulaţiei şoldului drept pentru grupa de femei fără

    deficienţe locomotorii pe un ciclu de mers complet [100%]

    Figura 2.7. Variaţiile unghiulare [grade] ale articulaţiei genunchiului drept pentru grupa de femei

    fără deficienţe locomotorii pe un ciclu de mers complet [100%]

    Figura 2.8. Variaţiile unghiulare [grade] ale articulaţiei gleznei şi piciorului drept pentru grupa de

    femei fără deficienţe locomotorii pe un ciclu de mers complet [100%]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    19

    Figura 2.9. Variaţiile unghiulare [grade] ale articulaţiei şoldului stâng pentru grupa de persoane cu

    deficienţe locomotorii pe un ciclu de mers complet [100%]

    Figura 2.10. Variaţiile unghiulare [grade] ale articulaţiei genunchiului stâng pentru grupa de

    persoane cu deficienţe locomotorii pe un ciclu de mers complet [100%]

    Figura 2.11. Variaţiile unghiulare [grade] ale articulaţiei gleznei şi piciorului stâng pentru grupa de

    persoane cu deficienţe locomotorii pe un ciclu de mers complet [100%]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    20

    III. Modele Matematice pentru Studiul Cinematic și Dinamic al Sistemului Mecatronic Destinat Reabilitărilor Locomotorii

    3.1. Elaborarea modelului structural al sistemului mecatronic

    Având în vedere stadiul actual prezentat în capitolul anterior, precum și obiectivele acestei cercetări, componentele principale aflate în structura unui sistem destinat reabilitării locomoției umane sunt identificate schematizat în figura 3.1.

    Figura 3.1. Structura sistemului mecatronic utilizat în recuperarea persoanelor cu deficienţe

    locomotorii Având în vedere obiectivul general al cercetării, elementele de noutate aduse prin prezenta teză de doctorat se rezumă la exoscheletul din structura sistemului mecatronic. Astfel au fost elaborate câteva soluţii constructive în baza cărora a rezultat soluția conceptuală finală a exoscheletului din structura sistemului mecatronic destinat reabilitării locomoției umane.

    Acesta este prezentat în figura 3.2 și are în structură patru mecanisme plan-paralele echivalente membrelor inferioare din structura aparatului locomotor uman, două grupuri formate din servoacționări pentru acționarea articulațiilor echivalente ale șoldului, genunchiului și gleznei, ele fiind dispuse în zona centurii pelviene și un mecanism pentru ajustarea exoscheletului pe membrele inferioare ale pacienților. Cele patru mecanisme plan-paralele sunt dispuse în oglindă, două pentru membrul inferior stâng și celălalte două pentru membrul inferior drept. Punerea în mișcare a acestor mecanisme se realizează prin transmisii cu lanț înseriate care fac posibil transferul parametrilor energetici de la servoacționrăile specifice către elementele conducătoare ale celor două mecanisme plan paralele. Grupurile ce servesc la acționarea întregului sistem sunt formate din următoarele servoacționări: ASD - Acționare Șold Dreapta; APD - Acționare Picior Dreapta, AGD- Acționare Genunchi Dreapta, ASS - Acționare Șold Stânga, APS - Acționare Picior Stânga; AGS - Acționare Genunchi Stânga.

    Unitate de comandă şi control

    Exoschelet

    Dispozitiv de susţinere a corpului uman

    Bandă de alergare/mers specială

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    21

    Figura 3.2. Schema structurală a exoscheletului destinat reabilitării locomoției umane pentru

    persoane cu deficiențe locomotorii Schema cinematică a unui membru inferior din structura exoscheletului este prezentată în

    figura 3.3 și se compune din: O – cupla de rotație echivalentă articulației șoldului, fiind și cuplă motoare pentru acționarea directă acestei articulații; E – cuplă de rotație echivalentă articulației genunchiului , aceasta asigurând și suportul cuplei motoare pentru mecanismul de acționare al gleznei și piciorului; M – cuplă de rotație echivalentă articulației gleznei și piciorului; A, B, C, D, F – sunt cuple de rotație ale mecanismului pentru acționarea articulației genunchiului; G, J, L, N, K – sunt cuple de rotație ale mecanismului pentru acționarea articulației gleznei și piciorului. Elementul (1) reprezintă elementul motor pentru acționarea mecanismului articulației genunchiului, iar acest mecanism este format din biela (2), elementul suport (3) articulat în cuplele CBD și elementul de legătura (4) care acționează asupra elementului echivalent al tibiei (5) prin cupla de rotație F. Femurul va asigura suportul acestui mecanism de acționare al articulației genunchiului, acesta identificându-se prin elementul (6).

    Mecanismul de acționare al articulației gleznei și piciorului din punct de vedere structural este similar cu cel de acționare al articulației genunchiului, acesta fiind format din elementul conducător (7), ce acționează biela (8) prin cuplele de rotație G și J. Transmiterea mișcării se realizează asupra elementului suport (9), articulat în cuplele K, J, L, care prin elementul de legătură (10) acționează piciorul (11) din structura exoscheletului în timpul realizării procesului de pășire. Ansamblul exoscheletului prin configurația prezentată, posedă elemente prevăzute cu dispozitive de ajustare a lungimii elementelor fapt pentru care acesta este unul parametrizat, adaptabil persoanelor cu date antropometrice specifice intervalului de înălțime 1,50 – 1,90metri.

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    22

    Figura 3.3. Schema cinematică a unui membru inferior din structura exocheletului

    3.2. Analiza cinematică a mecanismelor din structura exoscheletului

    propus În literatura de specialitate, există multe metode pentru studiul cinematic, aceste metode

    fiind bazate, în cea mai mare parte, pe un formalism care este greu de implementat pe calculator. Multe din aceste metode furnizează doar studiul cinematic. Aici este prezentată o metodă care are un caracter flexibil şi care asigură interfaţa pentru studiul dinamic şi în special pentru modelarea cu elemente finite a sistemelor mecanice mobile plane şi spaţiale.

    3.6.1 Modele matematice [72, 73] Se consideră un lanţ cinematic realizat din n solide rigide conectate prin n-1 perechi

    cinematice, așa cum se remarcă în figura 3.4.

    Figura 3.4 Lanţ cinematic pentru analiza sistemelor mecanice mobile [72]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    23

    Conform figurii 3.4, se fac următoarele notaţii:

    - ( ), ,i i i iT x y z - sistemul de referinţă ataşat elementului i, cu baza de versori ( )iiii kjiW ,, , cu ni ,1= ;

    - ( )0 0 0 0, ,T x y z - sistemul global de referinţă cu baza de versori ( )0000 ,, kjiW ; - iδ - vectorul de translaţie relativă între elementele i-1 şi i, în raport de sistemul de referinţă 1iT − , dacă există o cuplă de translație între elementele i-1 şi i; ( )ni ,1= . - ir - vectorul de poziţie în raport de sistemul de referinţă Ti-1, față de punctul O

    ’I, de la care începe

    trasnlaţia relativă ( )ni ,1= ; - iS - vectorul de poziţie al lui iM , în raport de de sistemul de referinţă iT , ataşat elementului i.

    A. Poziţii

    Vectorul de poziţie al punctului nM în raport de sistemul global de referinţă este dat de relaţia:

    ( )0 01n

    nTn i i nM

    ir O M r Sδ

    == = + + ,

    (3.1) unde:

    { } { } { }11,, −− == iTiiziyixii Wrrrrr ; (3.2) { } { } { }11,, −− == iTiiziyixii Wδδδδδ ; (3.3)

    { } { } { }1, ,Tx y z

    n n n n n niS S S S S W

    −= = (3.4)

    Introducem matricea de transformare de coordonate de la un sistem de referinţă la altul.

    { } [ ] { }01,01 WAW ii ⋅= −− (3.5) Relaţiile (3.2), (3.3) şi (3.4) devin:

    { } { } { } [ ] { }01,01 WArWrr iTiiTii ⋅== −− ; (3.6) { } { } { } [ ] { }01,01 WAW iTiiTii ⋅== −− δδδ ; (3.7) { } { } { } [ ] { }001 WASWSS nTniTnn ⋅== − (3.8)

    Introducând (3.6), (3.7) şi (3.8) în (3.1), obţinem:

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    24

    { } { }( ) [ ]{ } [ ]

    { }01 0

    1,00

    0 WAS

    ArMOr

    n

    i nT

    n

    iT

    iT

    in

    TM n

    +

    +⋅+==

    =

    −δ (3.9)

    B. Viteze Vitezele se obţin derivând relaţia (3.9) în funcţie de timp. Considerând că matricea de

    transformare de coordonate este pătratică, putem scrie relaţia:

    [ ] [ ] [ ]Ι=⋅ Tii AA 00 . (3.10)

    Derivând relaţia (3.10) în funcţie de timp, se obţine:

    [ ] [ ] [ ] [ ] 00000 =⋅+⋅ TiiTii AAAA (3.11) [ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ]TiiTiiTTii AAAAAA 000000 ⋅−=⋅=⋅ (3.12)

    Se observă că termenul [ ] [ ]Tii AA 00 ⋅ este o matrice antisimetrică:

    [ ] [ ]0 0 0 Ti i iA Aω = ⋅ (3.13)

    Multiplicând relaţia (3.13) cu [ ]iA0 , se va obţine:

    [ ] [ ]0 0 0i i iA Aω ⋅ = (3.14)

    Derivând relaţia (3.9) în funcţie de timp, vom obţine:

    { } { }{ }

    { } [ ] [ ] { }000, 1 0, 1 0, 1

    0 0 01

    0, 1 0, 1

    TTn i i i i i TT

    M n n nTii i i

    r A Ar S A W

    A

    ω δω

    δ ω

    − − −

    =− −

    ⋅ + + = + ⋅ ⋅ + ⋅

    , (3.15)

    sau:

    { } [ ]{ } [ ]

    [ ] { } [ ] [ ] { }oni

    onnoT

    noi

    ioT

    i

    T

    iioT

    iT

    M WASAr

    r ⋅

    ⋅+

    +

    +

    +⋅

    ==

    −•

    1,1

    1,

    1,0

    0~

    ~

    ~ ω

    ωδ

    δω (3.16)

    Avem următoarea matrice antisimetrică:

    [ ]

    −−

    −=

    00

    0~

    00

    00

    00

    ,x

    pyp

    xp

    zp

    yp

    zp

    po

    ωωωω

    ωωω , (3.17)

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    25

    unde:

    kji z py

    px

    pp ,0,0,0,0 ωωωω ++= (3.18)

    Pentru fiecare vector iδ , ir şi iS , ( )ni ,1= , putem să ataşăm o matrice antisimetrică, aşa cum este realizat în relaţia (3.17). Termenii utilizaţi în relaţia (3.16) pot fi scrişi şi în următoarea formă:

    { } [ ] { } [ ]iTiiTi rr ~~ 1-,01-,0 ωω = ; (3.19) { } [ ] { } [ ]iTiiTi δωωδ ~~ 1-,01-,0 = ; (3.20) { } [ ] { } [ ]nTnnTn SS ~~ 00 ωω = ; (3.21) { } { }Tzpypxpp ωωωω ,,0 = . (3.22)

    În acest caz, putem scrie relaţia (3.16) astfel:

    { } [ ] { }( )[ ][ ] { } [ ]

    { }{ } [ ] [ ] { } [ ]

    { } [ ] { } [ ]{ }

    0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 11 1 1

    0 0

    0 1 0 0 0 1 0 1 0 01 1

    .

    Tn n nT T Ti i i i i i i i i i

    iTo i iMn n nT T T T

    i i n n n i i i n n ni i

    r A r A AV W W

    A S A A S A

    ω ω δ ω δ

    δ ω ω δ ω

    − − − − − −= = =

    − − −= =

    + + ⋅ + + = = + + + ⋅ + ⋅

    (3.23)

    C. Acceleraţii Derivând relaţia (3.23) în raport cu timpul, se va obţine:

    { } [ ] [ ] { } { } [ ] [ ] [ ] { }{ } [ ] { } { } [ ] [ ] { }

    { } [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] { }{ } [ ] [ ] { } [ ] [ ] [ ]( ) { }.~~~

    ~~~

    ~2

    ~~~

    000000

    01

    1010101010

    101010

    1010

    01010101

    010101

    0

    WASAS

    WAA

    WAWA

    WArWAra

    nnnT

    nnnT

    n

    n

    iiiiii

    Ti

    n

    iii

    Ti

    n

    ii

    Ti

    iii

    Tn

    iiii

    Tn

    ii

    TM n

    ⋅⋅⋅+⋅+

    +⋅

    ⋅⋅+⋅+

    +⋅⋅+⋅+

    +⋅⋅⋅+⋅⋅=

    =−−−−−

    =−−

    =−

    −−−=

    −−=

    ωωω

    ωωωδ

    ωδδ

    ωωω

    (3.24)

    3.6.2 Analiza cinematică a exoscheletului S-au elaborat schemele cinematice pentru acționarea articulațiilor genunchiului și gleznei

    prin două mecanisme plane ca în figurile 3.5 și 3.6. Prin analiza experimentală a mișcării realizate pe subiecți umani, s-au identificat legile de variatie ale unghiurilor din articulatiile soldului, gleznei si genunchiului, respectiv 06φ , 65φ , 57φ .

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    26

    Figura 3.5 Schema cinematică a mecanismului Figura 3.6 Schema cinematică a mecanismului de acționare a articulației genunchiului de acționare a articulației gleznei

    Relatiile pentru determinarea coordonatelor punctelor de interes, sunt:

    ==

    060

    060

    sincos

    ϕϕ

    EE

    EE

    lYlX

    (3.44)

    ++=++=

    )sin()cos(

    65

    65

    δϕδϕ

    EFEF

    EFEF

    lYYlXX

    (3.45)

    +=+=+=+=

    6354

    6354

    sinsincoscos

    ϕϕϕϕ

    DCCDFFD

    DCCDFFD

    lYlYYlXlXX

    (3.46)

    Din relațiile (3.46) rezultă 54ϕ și 63ϕ .

    ++=++=

    )sin()cos(

    63

    63

    αϕαϕ

    BCCJB

    BCCB

    lYYlXX

    (3.47)

    +=+=+=+=

    010032

    010032

    sinsincoscos

    ϕϕϕϕ

    AABBA

    AABBA

    lYlYYlXlXX

    (3.48)

    Din relațiile (3.48) rezultă 32ϕ și 01ϕ . Date cunoscute:

    06ϕ - unghiul din articulația șoldului stabilit pe cale experimentală;

    65ϕ - unghiul din articulația genunchiului stabilit prin analiza experimentală. Dezvoltând relațiile anterioare obținem:

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    27

    +=+=

    65

    65

    sincos

    ϕϕ

    EKEK

    EKEK

    lYYlXX

    (3.63)

    +=+=

    65

    65

    sincos

    ϕϕ

    EMEM

    EMEM

    lYYlXX

    (3.64)

    511

    511

    cossin

    N M MN

    N M MN

    X X lY Y l

    φφ

    = + = +

    (3.65)

    1110 59

    1110 59

    cos cossin sin

    L N LN K KL

    L N LN K KL

    X X l X lY Y l Y l

    φ φφ φ

    = + = + = + = +

    (3.66)

    Din relațiile (3.66), prin algoritmul Newton Raphson, rezultă 1110ϕ și 59ϕ .

    59 1

    59 1

    cos( )sin( )

    J K KJ

    J K KJ

    X X lY Y l

    φ αφ α

    = + + = + +

    (3.67)

    98 57

    98 57

    cos cossin sin

    G J GJ E EG

    G J GJ E EG

    X X l X lY Y l Y l

    φ φφ φ

    = + = + = + = +

    (3.68)

    Din relațiile (3.68) prin algoritmul Newton Raphson, rezultă 98ϕ și 57ϕ .

    Date cunoscute: 65φ - unghiul din articulația genunchiului stabilit pe cale experimentală; 511φ -unghiul din articulația gleznei stabilit prin analiza experimentală.

    Pentru procesarea numerică a modelelor matematice s-a realizat un program pentru analiza cinematică inversă a mecanismului care modelează exoscheletul. Astfel, s-au determinat legile de variatie in timp ale coordonatelor generalizate care comanda cuplele motoare, respectiv unghiul 01φdin cupla O si 57φ din cupla E. Pentru validarea modelelor matematice rezultatele procesării numerice sunt comparate cu cele obținute prin simularea numerică a exoscheletului cu programul MSC Adams.

    Figura 3.7. Legea de variație în timp a unghiului [radiani] din cupla motoare O, 01φ , model

    analitic în funcție de timp [sec]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    28

    Figura 3.8. Legea de variație în timp a unghiului [radiani] din cupla O, 01φ , model Adams în

    funcție de timp [sec]

    Figura 3.9 Legea de variație în timp a unghiului [radiani] din cupla E, 57φ , model Adams în funcție

    de timp [sec]

    Figura 3.10. Legea de variație în timp a unghiului [radiani] din cupla E, 57φ , model matematic în

    funcție de timp [sec]

    Comparând rezultatele din figurile 3.7 și 3.8, respectiv figurile 3.9 și fig. 3.10 se observă ca acestea au traiectorii similare.

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    29

    Diferențele mici înregistrate în amplitudinile unghiulare dintre modelul analitic al cinematicii inverse și modelul virtual se pot explica prin abateri dimensionale la valorile nominale ale lungimii elementelor (model 3D importat în MSC Adams) sau prin tipul de solver utilizat în rezolvarea sistemelor de ecuații neliniare.

    3.7. Analiza dinamică

    3.7.1. Elaborarea modelului matematic al exoscheletului pentru studiul dinamic Se foloseşte metoda Newton-Euler completată cu multiplicatorii lui Lagrange. Ecuaţiile de

    constrângere cinematică, pentru un sistem mecanic mobil, sunt:

    0),( =tqφ (3.69)

    unde: 𝑡- timpul; 𝑞- coordonatele generalizate. Se derivează în raport cu timpul relatiile (3.69):

    tqJtq iq ∂

    ∂+=•• φφ ),( (3.70)

    2 2

    2( , ) 2i i

    q qq j

    q t J q J q q qt q t

    ϕ ϕϕ•• •• • • •∂ ∂ = + + + ∂ ∂ ∂

    (3.71)

    2

    1

    cni

    q kkq j k

    J q qq q

    ϕ• •

    =

    ∂ = ∂ ∂ (3.72)

    cu: hni ,1= - numărul ecuaţiilor de constrângere cinematică; cnj ,1= - numărul coordonatelor generalizate. Se fac următoarele notaţii:

    qJ q tϕν

    • ∂= = −∂

    (3.73)

    2 2

    22i i

    q qq j

    J q J q q q at q t

    ϕ ϕ•• • • •∂ ∂ = − − − = ∂ ∂ ∂ (3.74)

    Ecuaţiile de mişcare în formalismul Newton Euler, completat cu metoda multiplicatorilor lui Lagrange sunt:

    =

    aQ

    aq

    OJJM a

    q

    Tq (3.75)

    unde : 𝑀-matricea maselor; 𝜆 - multiplicatorii lui Lagrange; 𝑞 −acceleraţii; 𝑄 − vectorul forţelor generalizate active; 𝑎 −are semnificaţie dată de relaţia (3.74). Din relaţia (3.75), avem:

    aT

    q QJqM =⋅+••

    λ (3.76)

    Se determină multiplicatorii lui Lagrange:

    −=

    ••− qMQJ aq1λ (3.77)

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    30

    Fortele de legatura din cupla cinematica k,se vor determina cu relatiile:

    k kF λ= (3.78)

    Pentru configuraţia cinematică din figura 3.9, care modelează mecanismul de acţionare al articulaţiei şoldului şi al genunchiului, coordonatele generalizate sunt:

    { }TAABBFFEE YXYXYXYXq 32016365061 ,,,,,,,,,,,, ϕϕϕϕϕ= (3.79) 3.7.2. Procesare numerică

    Pentru procesarea modelelor matematice, s-a realizat un program care permite calculul dinamic prin metoda directă și metoda inversă, general valabil pentru întregul mecanism care modeleaza piciorul, pe durata unui pas sau pentru secvențe predefinite de pășire. Date de intrare:

    - Pozițiile, vitezele și accelerațiile punctelor caracteristice și ale elementelor cinematice; - Proprietățile masice și de inerție ale elementelor; - Forța din picior la contactul cu suprafața de sprijin:

    2 3

    4 5 6

    16.1241335150856 856,883813681185 407.327793973914 10389.422199413631172.2612478359 29652.5101430907 9228.95270543672tF t t t

    t t t= + ⋅ − ⋅ + ⋅ −

    − ⋅ + ⋅ − ⋅

    (3.92) - Legile de variație în timp ale accelerațiilor generalizate (3.83‘), (3.90).

    Date de iesire: Din analiza dinamica inversă, în baza formalismului Newton Euler completat cu metoda multiplicatorilor lui Lagrange se determină forțele de legatură din cuplele cinematice. Aceste forțe sunt reprezentate în figurile 3.11,…, 3.23.

    Figura 3.11 Variație în timp a forței de legatură din articulația genunchiului [N], după axa x în

    funcție de timp [sec]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    31

    Figura 3.12 Variație în timp a forței de legatură din articulația genunchiului [N], după axa y în

    funcție de timp [sec]

    Figura 3.13 Variație în timp a forței de legatură din articulația gleznei [N] după axa x în funcție de

    timp [sec]

    Figura 3.14 Variație în timp a forței de legatură din articulația gleznei [N] după axa y în funcție de

    timp [sec]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    32

    Figura 3.15 Variație în timp a forței de legatură din articulația genunchiului [N], după axa x în

    funcție de timp [sec]

    Figura 3.16 Variație în timp a forței de legatură din articulația genunchiului [N], după axa y în

    funcție de timp [sec] 3.8. Prototiparea virtuală a exoscheletului cu programul ADAMS

    Având în vedere schema structurală din figura 3.2 ce stă la baza elaborării soluției conceptuale, a fost creat un model 3D al întregului exoschelet cu ajutorul soft-ului SolidWorks. În baza acestui model virtual, a fost creată o interfață pentru transferul modelului 3D către soft-ul MSC Adams – Adams View în vederea efectuării de simulării virtuale sub aspecte cinematice dar și dinamice. Modelul exoscheletului importat de către soft-ul MSC Adams este prezentat în figura 3.17.

    t [sec]

    Fy [N

    ]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    33

    Figura 3.17. Exoscheletul importat în MSC Adams și identificarea elementelor componente

    Au fost definite pentru fiecare membru inferior câte un set de 15 cuple cinematice de rotație și

    au fost identificate cele 6 cuple motoare (două pentru șolduri, două pentru articulațiile genunchilor și două pentru articulațiile gleznelor). Au fost procesate două modele virtuale și anume: A. Simulări virtuale în baza analizei cinematice ale exoscheletului propus; B. Simulări virtuale ale exocheletului realizate în regim dinamic.

    3.8.1. Procesarea și simularea numerică a modelului virtual al exoscheletului

    În acest context au fost considerate două cazuri de analiză și anume: analiza cinematica inversa când au fost introduse legile de mișcare ale articulațiilor șoldului, genunchiului și gleznei, stabilite experimental si s-au determinat variațiilor unghiulare pentru parametrii care definesc cuplele motoare, φ01, φ57, si analiza cinematica directa cand s-au determinat legile de variatie ale parametrilor cinematici (deplasari, viteze sau acceleratii) corespunzatoare secventelor de pasire din analiza experimentala a miscarii , caz în care au fost neglijate atât încărcările suplimentare ale exoscheletului reprezentate de greutatea unui pacient, dar și contactul cu solul. Aceste legi sunt utile pentru programarea sistemului de comanda si control al exoscheletului si verificare cu rezultatele analizei experimentale. Totodata acestea pot fi utilizate si in cazul unei analize dinamice inverse a exoscheletului studiat inclusiv pentru dezvoltarea algoritmilor de optimizare cinematica si dinamica.

    Timpul necesar realizării simulărilor virtuale este același ca și in cazul procesării numerice a modelelor matematice pentru efectuarea unui singur pas, respective 1,45 secunde. Astfel în figura. 3.27 sunt prezentate câteva secvențe înregistrate în cadrul acestor simulări cinematice.

    Femur stâng– Part 4

    Tibia stâng– Part 8

    Picior stâng– Part 12

    Femur drept – Part 4_2

    Tibia drept– Part 9_2

    Picior drept – Part 13_2

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    34

    Se determina legile de variatie in timp ale parametrilor cinematici pentru femur, tibie si talpa pentru membrul stang si respectiv membrul drept al exoscheletului.

    În etapa de postprocesare a rezultatelor simulărilor virtuale din cadrul analizei cinematice, s-au obținut parametrii cinematici de interes dați de componentele deplasarii in timp pe durata unui pas, a centrelor de masa ale segmentelor amintite mai sus dupa axa orizontala y si axa verticala z, unghiurile lui Euler (variabil este unghiul θ) si viteza unghiulara dupa axa perpendiculară pe plan ωx. În figurile 3.18,..., 3.39 sunt prezentate aceste rezultate.

    Figura 3.18. Secvențe din cadrul simulărilor virtuale ale exoscheletului

    Figura 3.19. Variatia in timp a parametrilor cinematici pentru femur-picior stanga

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    35

    Figura 3.20. Variatia in timp a parametrilor cinematici pentru tibie -picior stanga

    Figura 3.21. Variatia in timp a parametrilor cinematici pentru talpa-picior stanga

    3.8.2. Simulări virtuale în regim dinamic pentru exoscheletul propus

    Acestea au fost realizate cu ajutorul programului MSC Adams – Adams View, considerând același model virtual importat în cadrul etapei A - Simulări virtuale în baza analizei cinematice ale exoscheletului propus. Astfel s-au utilizat ca date de intrare anumiți parametrii obținuți în urma procesării numerice a modelului matematic si modelului virtual din cadrul analizei dinamice inverse, respectiv:

    - Pozițiile, vitezele și accelerațiile punctelor caracteristice și ale elementelor cinematice; - Proprietățile masice și de inerție ale elementelor; - Forța din picior la contactul cu suprafața de sprijin; - Greutatea subiectului uman utilizat ca date de intrare pentru parametrizarea modelului,

    aceasta fiind de 61,7 kilograme.

    Astfel în figura 3.40 sunt prezentate câteva secvențe ale simulărilor virtuale în regim dinamic care confirmă validarea soluției conceptuale a exoscheletului propus în vederea elaborării noului prototip.

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    36

    Figura 3.22. Secvențe ale simulărilor virtuale în regim dinamic realizate pe un ciclu de mers

    (subiect uman+ exoscheletul)

    3.9. Analiza comparativă a rezultatelor modelelor teoretice și virtuale. Având în vedere rezultatele obținute în contextul modelelor teoretice și virtuale dezvoltate în cadrul acestui capitol, s-a realizat o analiză comparativă privind forțele din articulațiile exoscheletului analizat reprezentate de un set de diagrame prezentate în figurile 3.23,...,3.28. Aceste rezultate validează modelul analizat, iar ele au fost date de variația în timp a componentelor forțelor de legătură din cuplele exoscheletului.

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    37

    Figura 3.23 Variație în timp a forței de legatură din articulația genunchiului [N], după axa x în

    funcție de timp [sec]

    Figura 3.24 Variație în timp a forței de legatură din articulația genunchiului [N], după axa y în

    funcție de timp [sec]

    Figura 3.25 Variație în timp a forței de legatură din articulația gleznei [N] după axa x în funcție de

    timp [sec]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    38

    Figura 3.26 Variație în timp a forței de legatură din articulația genunchiului [N], după axa x în

    funcție de timp [sec]

    Figura 3.27 Variație în timp a forței de legatură din articulația gleznei [N] după axa y în funcție de

    timp [sec]

    Figura 3.28 Variație în timp a forței de legatură din articulația genunchiului [N], după axa y în

    funcție de timp [sec]

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    39

    IV. Elaborarea Soluției Conceptuale pentru Sistemul Mecatronic

    Destinat Reabilitărilor Locomotorii 4.1. Identificarea structurală a sistemului mecatronic

    Prototipul sistemului mecatronic ce urmează a fi utilizat în activități specifice de recuperare a locomoției umane va trebui să parcurgă următoarele faze: 1. Proiectarea sistemelor mecanice modulare din structura exoscheletului. 2. Proiectarea sistemului de ridicare/pozitionare a pacientului pe banda rulanta. 3. Realizarea unei interfete optime dintre pacient si sistemul mecatronic prin asigurarea confortului necesar. Având în vedere elaborarea acestor dispozitive, s-a apelat la un soft de modelare 3D (SoldiWorks 2013), în vederea proiectării unui membru inferior din structura exoscheletului prevăzut cu dispozitive de reglare/adaptare a parametrilor dimensionali prezentat în figura 4.1.

    În ceea ce privește ajustarea exoscheletului la diversi parametri antropometrici carcateristici centurii pelviene, cele două membre inferioare sunt fixate în consolă pe un dispozitiv ce are în structură o transmisie prin cuplă elicoidală așa cum se remarcă în figura 4.2.

    Această transmisie este acționată manual prin cele două manivele 1 și 2. Șurubul din structura acestei transmisii este prevăzut cu două sectoare filetate (filet stânga și respectiv dreapta), de așa natură încât dacă se acționează de una dintre manivele 1 sau 2, cele două platforme pe care sunt amplasate servoacționările pentru membrul stâng respectiv drept, vor fi deplasate din interior spre exterior și invers. În ceea ce privește proiectarea sistemului de ridicare/pozitionare a pacientului pe banda rulanta au fost luate în calcul următoarele date fundamentale: - greutatea unui pacient ce poate varia în limitele a 50 – 120 kg; - înălțimea unui pacient ce poate varia între 1.60 – 1.90 metri.

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    40

    Figura 4.1. Structura unui membru inferior din structura exoscheletului în care se identifică cele două mecanisme plan paralele pentru acționarea articulației genunchiului și respectiv șoldului

    prevăzute cu dispozitive de ajustare a parametrilor dimensionali Având în vedere cercetările întreprinse în cadrul activităților anterioare, a fost elaborat

    prototipul întregului sistem mecatronic, iar subansamblele principale sunt prezentate în figura 4.3. Acesta este format din următoarele subansamble: (A)- Sistemul de comandă şi control; (B)-Sistemul de ridicare/poziţionare a pacientului pe banda rulantă; (C, C’)- exoscheletul care modelează mecanic membrul inferior stâng şi membrul inferior drept; (D) - Sistemul mecanic de poziţionare şi reglare a pacientului în raport cu exoscheletul.

    Ținând cont de aceste funcții precum și de cercetările întreprinse în cadrul activităților anterioare, a fost elaborat prototipul întregului sistem mecatronic, iar subansamblele principale sunt prezentate în figura 4.3. Acesta este format din următoarele subansamble: (A)- Sistemul de comandă şi control; (B)-Sistemul de ridicare/poziţionare a pacientului pe banda rulantă; (C, C’)- exoscheletul care modelează mecanic membrul inferior stâng şi membrul inferior drept; (D) - Sistemul mecanic de poziţionare şi reglare a pacientului în raport cu exoscheletul.

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    11

    12

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    41

    Figura 4.2. Vedere în detaliu asupra actuatorilor pentru acționarea exoscheletului și a transmisiei elicoidale pentru ajustarea și adaptarea dimensionala a datelor antropometrice din zona centurii

    pelviene umane

    Figura 4.3. Prototipul sistemului mecatronic și identificarea subansamblelor principale Pe acest cadru este amplasat un subansamblu mobil format dintr-o casetă metalică și două

    electropalane care asigura poziționarea și deplasarea pacientului din/în spațiul destinat realizării protocoalelor de recuperare locomotorie.

    C

    C’

    B

    A

    Cadru metalic

    Platformă de mers

    Casetă metalică

    Electropalan 1 și 2

    Harnașament

    Exterior - Interior - Exterior

    1

    2

    Platformă servoacționări membru inferior stâng Platformă servoacționări

    membru inferior drept

    Transmisie prin cuple elicoidale

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    42

    Cele două electropalane au caracteristici tehnice identice (cu sarcini de ridicare/deplasare de max. 250kg), iar unul dintre ele are rolul de a ridica pacientul din scaunul cu rotile și al menține suspendat prin intermediul harnasamentului pe parcursul efectuarii programelor de recuperare. Cel de-al doilea electropalan are rolul de a deplasa caseta metalică împreună cu pacientul suspendat din/în spațiul aferent realizării protocoalelor de recuperare.

    Subansamblul mobil format din caseta metalică și cele două electropalane se deplasează pe o cale de rulare prevăzută cu un profil în V prin intermediul a 4 role metalice. De asemenea caseta metalică este prevăzută și cu dispozitive de ghidare și limitatoare mecanice, astfel încât să nu existe riscul ca întreg subansamblul să cedeze atunci cand pacientul este suspendat. 4.2. Elaborarea unei documentatii tehnice complete pentru fabricarea elementelor componente din structura mecanica a sistemului mecatronic Documentația tehnică necesară fabricării prototipului propus este formată din două părți fundamentale și anume: 1. Desene de execuție ale reperelor din structura întregului sistem mecatronic; 2. Desene de subansamblu ale fiecărui mecanism, transmisii mecanice, etc. Întregul portofoliu vizează sistemul de ridicare/poziţionare a pacientului pe banda rulantă, exoscheletul care modelează mecanic membrul inferior stâng şi respectiv membrul inferior drept, sistemul mecanic de poziţionare şi reglare a pacientului în raport cu exoscheletul, conform figurii 4.3. Astfel, în figurile 4.4,...,4.5 sunt prezentate spre exemplificare doar câteva modele ale acestor desene de execuție.

    Figura 4.4. Desen de execuție ale unor repere din zona gambei unui membru inferior al

    exoscheletului

    Figura 4.5. Desen de execuție ale plăcilor necesare susținerii servoacționărilor din structura

    sistemului mecatronic

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    43

    4.3. Fabricarea elementelor din structura mecanica a sistemului mecatronic si achizitionarea componentelor hardware Elementele din structura sistemului mecatronic au fost fabricate din aliaje de oțel, aluminiu și mase plastice prin prelucrări mecanice și printări 3D conform documentației tehnice obținute în cadrul acestui capitol. Ținând cont de structura sistemului mecatronic, acesta este format din următoarele subansamble (conform figurii 4.1): (A)- Sistemul de comandă şi control; (B)-Sistemul de ridicare/poziţionare a pacientului pe banda rulantă; (C, C’)- exoscheletul care modelează mecanic membrul inferior stâng şi membrul inferior drept; (D) - Sistemul mecanic de poziţionare şi reglare a pacientului în raport cu exoscheletul, se pot identifica procesele tehnologice necesare fabricării reperelor din structura acestor subansamble.

    Toate reperele fabricate din structura sistemului mecatronic au fost ajustate și asamblate în vederea montării lor în subansamble. Căteva aspecte din cadrul acestei activități sunt prezentate în figurile 4.6,..., 4.9.

    Fig. 4.6. Subansamblu al sistemului mecanic de poziţionare şi reglare a pacientului în raport cu

    exoscheletul (a); Aspect din timpul ajustării și reglării unui membru inferior din structura exoscheletului (b)

    Figura 4.8. Subansamble ale membrelor inferioare din structura exoscheletului

    a.

    b.

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    44

    Figura 4.7. Subansamblu gambă din structura exoscheletului: a – gambă preliminar asamblată; b –

    biele ale mecanismelor plan paralele asamblate; c – gambă preasamblată cu mecanismul de acționare plan paralel pentru articulația gleznei și piciorului

    Figura 4.9. Exoscheletul montat pe cadrul de susținere și pregătit pentru montarea servoacționărilor

    a.

    b.

    c.

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    45

    V. Elaborarea Sistemului de Comandă și Control a Sistemului Mecatronic Destinat Reabilitării Locomoției Umane

    5.1. Identificarea componentelor hardware utilizate în elaborarea sistemului de comandă și control

    Sistemul de comandă și control este format din partea fizică hardware constituită din cele două platforme cu cele 6 servoacționări destinate punerii în funcțiune a celor două membre inferioare ale exoscheletului precum și unitatea de comandă și control.

    Aceste componente au fost puse la dispoziție de către Compania CIT – Automatizari Bucuresti. Mai multe detalii pot fi disponibile pe adresa: www.actionarielectrice.ro În continuare vor fi prezentate aspecte ale unității hardware pentru comanda și controlul sistemului mecatronic în figura 5.1 și 5.2.

    a. b.

    Fiura 5.1. Panoul sensitiv cu funcții interactive ce asigura interfața cu partea software (a), una dintre platformele cu 3 servoacționari formate din servomotoare marca Panasonic cuplate cu reductoare

    planetare marca APEX- Dynamics (b)

    Figura 5.2. Structura unității hardware

    Display interactiv comanda si control

    NeuRob - HMI

    Buton de urgență fix

    Buton de urgență mobil

    Sursă de alimentare cu siguranțe electrice

    Comutatoare limitatoare de cursă

    PLC MC508- TrioMotion

    Relee de protecție pentru driver-ele sistemului robotic

    Driver șold stâng

    Driver șold drept

    Driver genunchi stâng

    Driver genunchi drept

    Driver gleznă stânga

    Driver gleznă dreapta

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    46

    5.2. Elaborarea programului pentru asigurarea comenzilor și a controlului sistemului mecatronic pe parcursul activităților de recuperare locomotorie

    Programele necesare părții de comandă și control a sistemului mecatronic are la bază 3 soft-uri necesare realizării aplicației, transferului acesteia precum și punerea în funcțiune a celor 6 servoacționări: - un soft denumit PanaTerm Vers. 6.0 necesar atât a programării individuale a servoacționărilor, dar și în regim cuplat; - un soft denumit TextFileLoader necesar transferului către PLC Trio MC-508 prin interfață Fast Ethernet a aplicației special create pentru sistemul mecatronic; - un soft de aplicatie special creată pentru sistemul mecatronic (NeuRob App.) avand in vedere urmatoarele:

    1.Realizare functie JOG (comenzi manuale pe fiecare dintre cele 3 axe) de la terminalul operator – figura 5.3;

    2.Posibilitatea definirii și memorarii unor secvente de miscare prin teaching. 3.Posibilitatea incarcarii unor secvente de miscari dintr-un format de tip tabelar (excel).

    5.3. Calibrarea sistemului mecatronic impreuna cu sistemul de sustinere al pacientului si a benzii de mers Această operație vizează o corelare a funcționalității exoscheletuilui din structura sistemului mecatronic cu sistemul de susținere al pacientului și a benzii de mers. Într-o primă fază au fost efectuate testări experimentale în gol ale sistemului mecatronic, în urma implementării unor legi de mișcare ce interpretează o secvență de pășire pentru activitatea de mers, fără ca exoscheletul să intre în contact cu solul. Ținând cont de prototipul sistemului mecatronic din capitolul anterior, toate componentele hardware din structura sistemului de comandă și control au fost montate în cadrul platformei de acționare, așa cum se observă în figura 5.4.

    Figura 5.3. Interfață funcție JOG

    Figura 5.4. Structura finală a prototipului prevăzut cu servoacționările corespunzătoare și

    panoul de comandă și control

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    47

    VI. Testari Experimentale ale Sistemului Mecatronic în Conditii de Laborator și Anduranta Specifice Programelor de Recuperare

    Medicală

    6.1. Considerații experimentale Testările experimentale au fost desfășurate în baza unui protocol kinetoterapeutic destinat

    recuperării activității de mers în cazul pacienților cu probleme locomotorii prezentat în cadrul capitolului II. Aceste determinări experimentale au fost efectuate în condiții de laborator și au certificat asigurarea funcțiilor de către sistemul mecatronic elaborat, ele fiind prezentate schematizat în figura 6.1. S-au efectuat trei tipuri de testări experimentale și anume: 1. Testări și evaluari experimentale ale sistemului mecatronic pentru mersul în gol fără pacient; 2. Testări și evaluări experimentale ale sistemului mecatronic pe un subiect uman sănătos cu mers în sarcină de max 40%. 3. Testări și evaluări experimentale ale sistemului mecatronic cu un pacient cu mers în sarcină de max 20%.

    Figura 6.1. Schematizarea procesului de video-analiză a soft-ului CONTEMPLAS

    Aceste testări experimentale au fost evaluate cu un echipament de analiză a mișcării numit

    CONTEMPLAS. Echipamentul, regăsindu-se în dotarea laboratoarelor Facultății de Mecanică – Universitatea din Craiova, permite efectuarea de analize experimentale pe sisteme mecanice și biomecanice mobile în vederea determinării unor parametrii cinematici precum: traiectorii ale unor puncte de interes; deplasări liniare sau unghiulare; viteze și accelerații unghiulare sau liniare. Echipamentul are în structură două camere de analiză a mișcării ce înregistrează simultan mișcări în

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    48

    spațiu 3D cu o viteză de 350 cadre/secundă. Procedura de utilizare a acestui echipament este prezentată schematizat în figura 6.1 și este similară ca mod de operare ca și în cazul echipamentului VICON.

    Pentru cele trei testări experimentale, pe elementele sistemului mecatronic s-au atașat un număr de 10 markeri cu prorietăți reflexive în centrele articulare ale membrelor inferioare din structura exoscheletului (articulație șold, genunchi și gleznă pentru fiecare membru inferior), așa cum este prezentat în figura 6.2.

    a. b.

    Figura 6.2. Amplasarea markerilor pentru analiza experimentală a sistemului mecatronic: a- markeri membru inferior drept; b - markeri membru inferior stâng.

    Testele experimentale au fost realizate prin încărcarea în soft-ul de comandă și control al

    sistemului mecatronic a unui fișier de tip ”came.csv”, care conține legile de mișcare aferente articulațiilor șoldului stâng și respectiv drept obținute pe cale experimentală, iar pentru celelalte patru articulații au fost încărcate legile de mișcare din cuplele motoare evidențiate în figurile 3.11, 3.14 și 3.17 din Capitolul 2. Acestea au fost aplicate în tandem pentru fiecare servomotor care comandă cele patru mecanisme plan paralele, dedicate articulațiilor genunchi drept și respectiv stâng, gleznă dreapta și respectiv stânga. În continuare vor fi prezentate in detaliu cele trei testări experimentale și evaluarea aferentă a acestora, urmând a fi obținută o analiză comparativă cu rezultatele obținute prin modele matematice și cele experimentale pe un subiect uman cu deficiențe locomotorii în vederea validării prototipului elaborat. 6.2. Testări și evaluari experimentale ale sistemului mecatronic pentru mersul în gol fără pacient

    În cadrul acestei testări, unitatea de timp pentru efectuarea unui pas complet pe un ciclu de mers a fost setată pe 1.45 secunde, iar în intervalul de 5,8 secunde a fost efectuată o secvență pentru ciclul de mers de 4 pași.

    Marker suport 1

    Marker șold drept

    Marker genunchi drept

    Marker gleznă dreapta

    Marker picior drept

    Marker picior stâng

    Marker suport 2

    Marker șold stâng

    Marker genunchi stâng

    Marker gleznă stânga

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    49

    În figurile 6.3, 6.4 și 6.5 sunt prezentate rezultatele obținute, respectiv diagramele de variație unghiulară obținute în urma testării experimentale pentru un singur pas cu exoscheletul supus unui test în gol fără pacient.

    Figura 6.3. Diagrama de variații unghiulare ale articulațiilor șoldurilor din structura exoscheletului

    pentru un singur pas – mers în gol

    Figura 6.4. Diagrama de variații unghiulare ale articulațiilor genunchilor din structura

    exoscheletului pentru un singur pas – mers în gol

    Figura 6.5. Diagrama de variații unghiulare ale articulațiilor gleznelor din structura exoscheletului

    pentru un singur pas – mers în gol

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    50

    6.3. Testări și evaluări experimentale ale sistemului mecatronic cu subiect uman sănătos - mers în sarcină de max 40%

    Aceste testări au fost realizate în condiții similare ca și în cazul mersului în gol, numai că a fost luat în considerare și prezența subiectului uman - sănătos, precum și mersul pe banda rulantă unde sarcina nu a depășit valoarea de 40% din capacitatea maximă pentru care sistemul mecatronic a fost proiectat. Așadar, unitatea de timp pentru efectuarea unui pas complet pe un ciclu de mers a fost tot de 1.45 secunde, iar în intervalul de 5.8 secunde s-au desfășurat 4 pași. În figurile: 6.6 și 6.7 sunt prezentate câteva secvențe din timpul analizei celor șase articulații cu ajutorul echipamentului CONTEMPLAS.

    Figura 6.6. Secvență din cadrul analizei articulației genunchi stâng din structura exoscheletului

    pentru un singur pas – mers în sarcină

    În figurile 6.8,..., 6.23 este prezentată o analiză comparativă între rezultatele obținute cu exoscheletul - mers în sarcină, precum și diagramele de variație unghiulară ale articulațiilor analizate în cazul unui subiect uman sănătos, ale cărui date antropometrice sunt similare cu cele ale subiectului uman utilizat pentru efectuarea acestor determinări experimentale.

    Figura 6.7. Secvență din cadrul analizei articulației gleznă dreapta din structura exoscheletului

    pentru un singur pas – mers în sarcină

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    51

    Figura 6.8. Analiza comparativă între variațiile unghiulare ale articulației șold stâng din structura exoscheletului pentru un singur pas – mers în sarcină (B) și cele ale unui subiect uman (A) în

    funcție de realizarea unui pas complet 100%

    Fig. 6.9. Analiza comparativă între variațiile unghiulare ale articulației șold drept din structura exoscheletului pentru un singur pas – mers în sarcină (A) și cele ale unui subiect uman (B) în

    funcție de realizarea unui pas complet 100%

    Figura 6.10. Analiza comparativă între variațiile unghiulare ale articulației genunchi stâng din structura exoscheletului pentru un singur pas – mers în sarcină (B) și cele ale unui subiect uman (A)

    în funcție de realizarea unui pas complet 100%

    A - Șold stâng subiect uman B - șold stâng exoschelet+ subiect uman

    A - Șold stâng subiect uman B - șold stâng exoschelet+ subiect uman

    A - genunchi stâng subiect uman B - genunchi stâng exoschelet+ subiect uman

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    52

    Figura 6.11. Analiza comparativă între variațiile unghiulare ale articulației genunchi drept din structura exoscheletului pentru un singur pas – mers în sarcină (B) și cele ale unui subiect uman (A)

    în funcție de realizarea unui pas complet 100%

    Figura 6.12. Analiza comparativă între variațiile unghiulare ale articulației gleznă stânga din structura exoscheletului pentru un singur pas – mers în sarcină (B) și cele ale unui subiect uman (A)

    în funcție de realizarea unui pas complet 100%

    Figura 6.13. Analiza comparativă între variațiile unghiulare ale articulației gleznă dreapta din structura exoscheletului pentru un singur pas – mers în sarcină (B) și cele ale unui subiect uman (A)

    în funcție de realizarea unui pas complet 100%

    A - genunchi stâng subiect uman B - genunchi stâng exoschelet+ subiect uman

    A – gleznă stânga subiect uman B – gleznă stânga exoschelet+ subiect uman

    A – gleznă dreapta subiect uman B – gleznă dreapta exoschelet+ subiect uman

  • Sistem mecatronic pentru reabilitări locomotorii Teză de Doctorat - Rezumat

    53

    6.4. Testări și evaluări experimentale ale sistemului mecatronic cu pacient - mers în sarcină de max 20% În procesul de validare al sistemului mecatronic elaborat a intrat și efectuarea unei analize experimentale pe un pacient evaluat în Capitolul II al prezentei teze de doctorat. Pacientul testat în cadrul acestei analiz