PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE - ihrg.pub.roihrg.pub.ro/wp-content/uploads/2014/11/Raport-Stiintific-IHRG-etapa-I.pdfUniversitatea Politehnica Bucureşti IHRG - Etapa I 4 Obiectivul

PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE Domeniul: 7- Materiale, procese si produse inovative

RAPORT ȘTIINȚIFIC ȘI TEHNIC

(RST)

ETAPA I

AN INTELLIGENT HAPTIC ROBOT GLOVE for the

PATIENTS SUFFERING A CEREBROVASCULAR ACCIDENT

IHRG

Contract nr: 150/2012

COORDONATOR PROIECT:

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI

Universitatea Politehnica Bucureşti IHRG - Etapa I

2

ANUL 2012 – ETAPA I

STUDIUL ȘI PROIECTAREA UNEI MÂINI CU CINCI-

DEGETE IMPLICÂND ELEMENTE DE MECANICĂ PENTRU

REALIZAREA DEGETELOR ROBOTICE

CUPRINS

1. Obiectivele generale ale etapei....................................................pag. 3

2. Rezumatul etapei..........................................................................pag. 3

3. Descierea ştiinţifică şi tehnică......................................................pag. 5

4. Concluzii........................................................................................pag. 19


3

1. OBIECTIVELE GENERALE ALE ETAPEI

A. Obiective generale:

Proiectarea unei manuşi robotice inteligente ca un sistem hibrid mănuşă robotică-FES

(Functional Electrical Stimulation) pentru a ajuta la reabilitarea mişcărilor mâinii în cazul

pacienţilor care au suferit un accident cerebro-vascular. IHRG este un dispozitiv medical care

acţionează în paralel cu mâna pentru a compensa unele funcţii pierdute:

Dezvoltarea unui model software pentru sistemul de asistenţă al mâinii: modelarea

comportamentului cinematic al manușii robotice, modelarea mediului virtual pentru

măsurarea și evaluarea performanțelor paienților, modelarea sistemului hibrid IHRG-FES

și a strategiilor de control.

Realizarea sistemului IHRG inclusiv a sistemului acționare a sensorilor. Vor fi realizate

multiple teste în laborator.

Elaborarea unor metode de evaluare a procesului de reabilitare a pacienților care au suferit

un atac cerebro-vascular.

Elaborarea specificațiilor pentru sistemul IHRG pentru dezvoltarea unui produs.

B. Obiectivele etapei I- Studiul și proiectarea unei mănuşi robotice cu

cinci-degete implicând elemente de mecanică pentru realizarea

degetelor robotice

Proiectarea modelului exoschelet pentru o mănuşă robotică. Proiectarea elementelor de

biomecanică: mişcarea în planuri diferite, adaptate la mâna pacientului, posibiliatea de

a atinge și apuca, deschiderea / închiderea. Modelare matematică.

Proiectarea sistemului de acționare.

Tehnici de reabilitare a mâinii. Cerințele pentru un dispozitiv de asistență și pentru

protocolul initial de testare.

Analiză, protocolul clinic de evaluare, parametrii numerici și vizuali furnizați de

sistemul IHRG

Diseminarea rezultatelor: realizare website.

2. REZUMATUL ETAPEI I

Conform planului de realizare, etapa I s-a desfașurat de-a lungul a 6 luni, întregul

colectiv al consorțiului fiind implicat în realizarea activităților acestei etape:

Studiul și proiectarea modelului exoschelet pentru o mănuşă robotică

Proiectarea sistemului de acționare.

Descrierea metodelor principale de reabilitare a mâinii precum și a cerințelor

sistemului IHRG.

Metode noi de evaluarea a procesului de reabilitare a mâinii..

Diseminarea datelor despre proiect prin realizarea unui site web.


4

Obiectivul 1 - Proiectarea elementelor de biomecanică: mişcarea în planuri diferite,

adaptate la mâna pacientului, posibilitatea de a atinge și apuca, deschiderea /

închiderea.

O primă activitate este legata de studiul și proiectarea elementelor de biomecanică:

mişcarea în planuri diferite, adaptate la mâna pacientului, posibiliatea de a atinge și apuca,

deschiderea / închiderea. Studii recente au aratat ca eforturile cele mai mari de recuperare ale

pacientilor sunt indreptate pentru recuperarea mainii datorita necesitatilor de efectuare a

activitatilor zilnice. Scopul sistemului robotic consta in gasirea unei solutii constructive care

sa permita recuperarea functionalitatilor mainii, in cel mai mare grad posibil, prin exercitii

repetate, dupa un program terapeutic impus. Acest dispozitiv va trebui sa realizeze o acoperire

functionala cat mai exacta a starilor mainii naturale astfel incat traiectoriile articulatiilor sa se

suprapuna cat mai fidel.

S-a studiat structura de baza a unui exoskelet care constă dintr-o conexiune link-joint-

link ce se afla adiacent cu degetele mainii si ale carei axe se afla aliniate cu cele ale mainii

umane. Capetele fiecarui element (link) este atasat la deget (la manusa). A fost făcută o

analiză kinetostatică și s-au studiat diverse arhitecturi precum: arhitectura- mecanism 4 bare și

arhitectura- mecanism cu tendoane.

S-a proiectat o structură exoskelet care să acopere funcțiile cerute în operațiile de

reabilitare. Solutia propusa consta in dezvoltarea unei arhitecturi mecanice formata dintr-o

cascada de elemente articulate, al caror design sa acopere cat mai mult, anatomic si

functional, falangele degetelor, asigurand totodata suportul sistemului de actionare utilizat.

Obiectivul 2 - Proiectarea sistemului de acționare.

Sistemul de acţionare este esenţial pentru realizarea practică a echipamentului propus

şi va trebui să îndeplinească cerinţe legate de forţe dezvoltate, portabilitate şi nu în ultimul

rând cost redus. In vederea atingerii acestor obiective s-au evaluat tipurile de motoare care ar

putea sta la baza realizării practice şi s-au propus scheme de control cu motoare de cc, prin

SMA, cu lichide ER si bazate pe muschi pneumatici. A fost analizată ideea de utilizare a

activării musculare prin intermediul stimulării electrice funcţionale, cu modul de plasare a

electrozilor şi referire la structura anatomică a braţului.

Pentru realizarea sistemului de acționare s-a propus o arhitectura mecanica a degetului,

formată dintr-o cascada de elemente articulate, al caror design sa acopere cat mai mult,

anatomic si functional, falangele degetelor si a caror actionare este studiata prin doua tipuri de

mecanisme: „mecanism 4-bare” si mecanism „cu tendoane”.

Obiectivul 3- Tehnici de reabilitare a mâinii. Cerințele pentru un dispozitiv de asistență

și pentru protocolul initial de testare.

Sistemul propus trebuie să prezinte trei caracteristici pentru forţa de apucare/prindere a

obiectelor:

1) sistemul să permită o forţă de apucare proporţională cu forţa de apucare umană a

obiectelor;

2) sistemul să nu perturbe mişcarea degetelor umane;


5

3) mână de asistenţă să permită o complianţă variabilă precum a degetului uman astfel încât

dexteritatea şi stabilitatea apucării obiectelor să fie păstrată.

În ultimele decenii tehnicile de imagerie funcţională au prezentat un progres important

în practica medicală. Stimularea magnetică transcraniană (TMS) prezintă avantajul unei

stimulări neinvazive şi nedureroase. Prin stimularea ariei motorii se obţine un răspuns din

partea diferitelor grupuri musculare care poate fi înregistrat prin folosirea unor electrozi de

suprafaţă plasaţi la nivelul muşchiului şi comparat din punct de vedere al latenţei, amplitudinii

şi morfologiei.

Utilizand tehnica TMS se poate deasemenea realiza o hartă motorie a scoarţei cerebrale.

Aceasta tehnică permite deasemenea urmărirea şi cuantificarea efectului tratamentului

recuperator la nivelul creierului.

Obiectivul 4 - Analiză, protocolul clinic de evaluare, parametrii numerici și vizuali

furnizați de sistemul IHRG

Evaluarea evoluţiei pacientului disabilitat se poate baza pe date instrumentale, legate de

anumiţi parametri ai activităţilor alese pentru aceasta sau de capacitatea sa de a îndeplini

anumite sarcini. Măsurarea unor parametri obiectivi furnizează date în dinamică despre starea

pacientului. Măsurarea poate fi făcută atât în cadrul examenului clinic (pacientul efectuează

anumite activităţi, fiind utilizate diverse scale de evaluare) sau poate fi efectuată automat – în

cazul folosirii unei neuroproteze/metode de stimulare funcţională.

S-a realizat o măsurare a parametrilor obiectivi ce furnizează date în dinamică despre

starea pacientului. Astfel este îmbunătaţit prognosticul recuperator post AVC, cu impact

pozitiv asupra neuroreabilitării mâinii, asupra scalelor folosite, dar îndeosebi asupra calităţii

vieţii pacientului hemiparetic, cu consecinţe cât mai bune în ceea ce priveşte integrarea

socială şi profesională.

Obiectivul 5 - Diseminarea rezultatelor

În această primă etapă, a fost realizat website-ul proiectului IHRG. Astfel diseminarea

pe scară largă a rezultatelor proiectului IHRG va fi facilitată prin intemediul site-ului

http://www.ihrg.pub.ro care va sintetiza activitatea de cercetare a proiectului.

.

3. DESCRIEREA ŞTIINŢIFICĂ ŞI TEHNICĂ

Studii recente au aratat ca eforturile cele mai mari de recuperare ale pacientilor sunt

indreptate pentru recuperarea mainii datorita necesitatilor de efectuare a activitatilor zilnice.

Dar aceasta este un lucru extrem de dificil si numai cca 5% din pacienti pot recupera total

capacitatile motorii ale mainii. Principalele afectiuni ale maini afectate de semipareza

sunt:slabiciunea muschilor specifici, spasticitatea anormala a muschilor, pozitionarea

anormala, lipsa de mobilitate, timing-ul incorect al miscarilor, sinergia musculara anormala,

pierderea intercorelarii intre articulatii, pierderea sensibilitatii, reducerea independentei

degetelor, pozitia inchisa si imposibilitatea de a mentine o forta de strangere constanta.

Scopul sistemului robotic consta in gasirea unei solutii constructive care sa permita

recuperarea functionalitatilor mainii, in cel mai mare grad posibil, prin exercitii repetate,

http://www.ihrg.pub.ro/


6

dupa un program terapeutic impus. Acest dispozitiv va trebui sa realizeze o acoperire

functionala cat mai exacta a starilor mainii naturale astfel incat traiectoriile articulatiilor sa se

suprapuna cat mai fidel. Elemente suplimentare care tin de estetica sistemului, greutate,

precizia miscarilor etc pot fi luate, de asemenea, in consideratie.

Pentru pacientii ce au suferit diverse accidente, abilitatea de a activa degetele pentru a

realiza functii de incidere si deschidere a degetelor este o functie greu de recuperat. Scopul

nostru este sa invatam pacientii, prin operatii repetate, sa-si refaca aceste functii, sa refaca

gradele de mobilitate ale degetelor naturale.

In ultima decada, in literatura de specialitate au fost prezentate numeroase concepte si

tehnici care sa permita evaluarea proprietatilor fiziologice ale mainii, structura, caracteristicile

anatomice si mai ales cele functionale. In contextul dezvoltarii unei structuri exoskelet care sa

permita dezvoltarea unor tehnici de reabilitare a principalelor functii anatomice ale mainii, in

contextul unor game extrem de variate de pacienti cu probleme diverse de disfunctionalitate,

arhitectura dezvoltata in cadrul proiectului trebuie sa acopere aceasta diversitate de probleme

si structuri anatomice.

În acest scop au fost studiate diferite concepte precum Exoskelet antropomorphic

(Shields), Exoskelet I(Leung ) sau Orthotic Exoskeleton II (Lucas).

3.1. Biomecanica mainii

Anatomic, mâna cuprinde articulaţiile oaselor mâinii şi articulaţiile degetelor. Acestea se

împart în:

Fig 1 Elemente de biomecanica mainii

Articulaţia radiocarpiană – articulaţie elipsoidă cu doua axe principale în jurul cărora

se execută mişcările de flexie şi extensie şi abducţie şi adducţie; flexia palmară este

apropierea palmei de faţa anterioară a antebraţului cu amplitudine de 60-90 grade; retroflexia

sau extensia este apropierea feţei dorsale a mâinii de cea posterioară a antebraţului într-un

unghi de 60-90 grade; abducţia este miscarea prin care marginea ulnară a mâinii se apropie de


7

aceeaşi margine a antebraţului, cu o amplitudine de 20-30 de grade; adducţia este mişcarea

prin care marginea medială a mâinii este apropiată de antebraţ cu o amplitudine de 40 grade;

circumducţia rezultă din succesiunea mişcărilor precedente, mâna descriind o elipsă.

Fig 2 Extensia si flexia degetelor

Fig 3 Modelul articulatiilor mainii

Articulaţiile intercarpiene – plane, asigură mişcări de alunecare în toate direcţiile

conferind masivului carpian plasticitate şi adaptabilitate

Articulaţiile mediocarpiene – alcătuiesc cu articulaţia radiocarpiană un complex

biomecanic care intregeşte mişcările începute, participând mai ales la retroflexia mâinii

Articulaţia carpometacarpiană a policelui – articulaţie de tip în şea prin care

policele poate executa mişcarea de prehensiune; are 2 axe antero-posterior prin care execută

mişcările de abducţie-adducţie şi transversal prin care execută mişcarea de opoziţie a

policelui; abducţia este mişcarea prin care policele este îndepărtat de celelalte degete cu o

amplitudine de 40 de grade; adducţia este mişcarea prin care se execută apropierea policelui

în planul palmei de celelalte degete; opoziţia este mişcarea caracteristică omului prin care în

urma flexiei în articulaţie, policele se îndepărtează de planul palmei şi se îndreaptă spre

mijlocul acesteia, faţă în faţă cu celelalte degete permiţând atingerea degetului mic; repoziţia

este mişcarea inversă opoziţiei realizându-se prin extensia articulaţiei, policele fiind deplasat

de lângă celelalte degete în planul palmei; circumducţia policelui se face prin integrarea

miscărilor menţionate anterior.


8

Articulaţiile carpometacarpiene a degetelor II-V – plane, permiţând mişcări mici

de alunecare, modificând astfel forma palmei, realizând mişcări de prehensiune a obiectelor

plane sau curbe.

Articulaţiile intermetacarpiene – plane, cu mici mişcări de alunecare a

metacarpienelor între ele

Articulaţiile metacarpofalangiene - elipsoide, cu mişcări de flexie şi extensie în

jurul unui ax transversal şi de abducţie şi adducţie în jurul unui ax antero-posterior; flexia are

o amplitudine de 90 grade, extensia de 10-20 grade, abducţia degetelor între ele de 20 grade,

iar pentru degetul mic de 50 grade şi police de 90 de grade.

Articulaţiile degetelor-interfalangiene – trohleartroze care permit mişcarea de flexie

şi extensie a falangelor în jurul unor axe transversale; flexia are o amplitudine de 90-120

grade, extensia de 180 grade.

Complexul osteoarticular carpian este astfel alcătuit încât să permită efectuarea

mişcărilor de flexie-extensie, adducţie-abducţie şi circumducţie. Deoarece aceste articulaţii

sunt plane, fiecare în parte permite mişcări de alunecare de mică amplitudine. Mişcările

articulaţiilor mâinii se produc simultan: atât în articulaţia radiocarpiană cât şi în cea

mediocarpiană. Toate aceste mişcări se realizează printr-o deplasare secvenţială a segmentelor

regiunii: al doilea rând carpian (distal) se deplasează pe primul (proximal), iar acesta din urmă

alunecă pe antebraţ.

Flexia-extensia. Flexia este mişcarea prin care mâna (palma) se apropie de faţa

anterioară a antebraţului. Extensia este mişcarea prin care faţa dorsală a mâinii se apropie de

faţa posterioară a antebraţului. În flexie, mişcarea are loc în articulaţia radiocarpiană, pe când

extensia în cea mediocarpiană. Limitarea mişcărilor este produsă de ligamentele palmare şi

dorsale în special de tendoanele flexorilor şi extensorilor degetelor.

Adducţia – abducţia. Abducţia este mişcarea prin care marginea ulnară a mâinii se

apropie de aceeaşi margine a antebraţului. Adducţia este mişcarea prin care marginea radială a

mâinii se înclină către marginea radială a antebraţului. Mecanismul acestor mişcări este unul

complex şi trebuie ţinut cont de faptul că acestea se desfăşoară în ambele articulaţii, atât în

cea radiocarpiană, cât şi în cea mediocarpiană, în jurul unui ax antero-posterior. Mişcările de

adducţie-abducţie sunt însoţite de mişcări accesorii de flexie-extensie în jurul unui ax

transversal şi de unele mişcări reduse de rotaţie (supinaţie-pronaţie) în jurul unui ax

longitudinal.

Articulaţia radiocarpiană şi mediocarpiană, acţionează împreună, plasând mâna într-o

poziţie adecvată prehensiunii. Micile articulaţii carpiene permit o adaptabilitate a acestui

segment la solicitări mecanice şi îi conferă o rezistenţă crescută.

Poziţia funcţională a mâinii este poziţia activă, gata de apucare – mâna realizează o flexie

dorsală cu 20º, degetele sunt uşor flectate iar degetul mare este în opoziţie. Muşchii sunt usor

tensionaţi iar extensorii mâinii şi flexorii degetelor exercită o acţiune dominantă asupra

antagoniştilor. Acest aspect este important deoarece în rezultatul apariţiei AVC şi întreruperii

controlului la nivel central această poziţie anatomic normală este accentuată fiind însoţită de

spasticitate.

Folosirea tehnologiilor cu interfaţa haptică permite ca atingerea şi mişcarea de apucare

executată de mână să fie asistate de către un robot care să direcţioneze mişcarea la o ţintă

specifică. Tehnologiile dezvoltate în acest sens până în prezent au potenţialul de a revoluţiona


9

modul în care spitalele operează, reducând costul recuperării accidentului vascular cerebral

permiţând totodată terapeuţilor şi clinicienilor să managerieze un număr mare de pacienţi în

acceaşi perioadă de timp, reducerea procesului de recuperare dacă aceste metode sunt

administrate la intensitatea corectă în faza acută a AVC. Mulţi autori consideră că rezultatele

unei recuperări motorii şi funcţionale bune ale pacienţilor cu AVC pot fi atinse dacă pacienţii

primesc o terapie mediată de roboţi care să fie repetitvă şi motivaţională care să încurajeze

mişcările fine de apucare a obiectelor cu mâna paretică. Un alt rezultat al tehnologiei actuale

este dezvoltarea sistemelor modulare pentru mână, bazate pe interfaţa haptică, pe un nou

software de control, care pot fi folosite şi acasă de către pacienţi.

În cadrul acestui proiect ne-am propus sa includem pacienţi care sa îndeplinească

următoarele criterii:

Diagnosticul de accident vascular ischemic sau hemoragic obiectivat CT cu vechime

de cel mult 2 luni (pacient intrat în faza cronică, de spasticizare a leziunii)

Pacient stabil hemodinamic, fără comorbidităţi ameninţătoare de viaţă

Pacient fără stimulator cardiac

Absenţa afaziei

Absenţa deficitului cognitiv (MMSE în limite normale)

Deficit motor cu MRC >/= 3/5

Deficit la mâna stangă sau dreaptă (dacă deficitul este pe dreapta şi scrisul nu este

posibil consimţământul informat va fi semnat de aparţinător)

De preferat domiciliul în judeţul Iaşi cu suport familial adecvat pentru a asigura o

complianţă adecvată

3.2. Arhitectura sistemului mecanic exoskelet

Pentru o analiza corecta a functiilor mainii, trebuie sa analizam detaliat principalele

trei componente: palma si regiunea superioara a mainii, degetele (patru) si degetul mare.

Degetele (patru) realizeaza, in principiu, functia de prindere, obtinuta prin flexarea falangelor

fiecarui deget. Degetele sunt constituite din trei falange, fiecare fiind separata de cealalta prin

articulatii interfalangeale: articulatia MP (Metacarpal Joint), articulatia PIP (Proximal

Interphalangeal Joint), DIP (Distal Interphalangeal Joint). In mana umana, MP are 2 g.l.

(grade de libertate), iar celelalte doua articulatii, PIP,DIP, cate una. Deci g.l. al unui deget

uman are 4 g.l. Din considerente tehnice si avand in vedere numai strict functia de recuperare

motorie a degetelor, se va lua in considerare numai 1 g.l. al MC astfel incat functia deget-

exoskelet va fi realizata la nivelul a 3 g.l.. Degetul mare are o functie mult mai complexa,

acesta realizand, pe langa operatia de flexiune (2 g.l.) si una de apropiere de axa mainii

(abductie si adductie). Deoarece activitatea degetului mare este esentiala in exercitiile de

recuperare de tipul „prindere obiecte”, degetul exoskelet va avea 3 g.l.

Metoda experimentală ce permite determinarea legilor de variaţie a parametrilor

cinematici ai mişcării membrului superior uman este bazată pe studierea mişcării acestuia cu

ajutorul unui sistem de achiziţie de date de ultimă generaţie bazat pe echipamente hardware şi

procesare software. Sistemul de achiziţie de date se numeşte SimiMotion (www.simi.com) şi

se bazează pe analiza capturii video a mişcării.


10

O structura exoskelet care sa acopere functiile cerute in operatiile de reabilitare este

prezentata in Fig 4. Solutia propusa consta in dezvoltarea unei arhitecturi mecanice formata

dintr-o cascada de elemente articulate, al caror design sa acopere cat mai mult, anatomic si

functional, falangele degetelor, asigurand totodata suportul sistemului de actionare utilizat.

Au fost analizate arhitectura- mecanism 4 bare și arhitectura – mecanism cu

tendoane. În cazul arhitecturii - mecanism cu tendoane, cele trei falange ale degetelui sunt

realizate intr-o structura seriala de trei articulatii de rotatie, fiecare articulatie fiind actionata

in cascada de articulatia precedenta printr-un cablu-tendon ce este cuplat pe sistemul de

scripeti asociat fiecarei articulatii. În acest caz s-au studiat principiile de analiza kineto-

statica. S-a considerat apoi arhitectura unui deget pe baza mecanismului „4-bare”, in care

miscarea este realizata prin deformarile succesive ale mecanismelor „4bare” asociate fiecarei

falange a degetului. Arhitectura propusa este o arhitectura sub-actionata in care actionarea

este realizata la nivelul primei articulatii, activa, celelalte articulatii sunt pasive efectuand

miscari pe baza sistemului de bare asociat. Structura globala propusa este prezentata in Fig 5.

Fig. 4. Arhitectura exoskelet

Fig.5. Arhitectura mecanismului „4 –bare” a unui falange.

Se poate observa distribuţia forţelor pe falange. A fost realizată analiza kinetostatica

(Gosselin). Miscarea celor trei falange este realizata planar. Fiecarei falange i se asociaza un

sistem de coordonate si un sistem de bare articulate cu parametrii : , fiecare

falanga avand lungimea . Miscarea degetului este obtinuta prin rotatia fiecarei falange cu

unghiurile iar fortele de actionare asupra mediului extern, , se considera

aplicate in punctele ce reprezinta punctele de contact cu mana umana. Se considera

un cuplu activ aplicat in articulatia 1 a degetului.

Pentru determinarea fortelor ce apar in falangele degetelor, se aplica ecuatia

conservarii energiei,


11

= (1)

unde este vectorul de intrare in sistem,

[

] (2)

reprezentand constantele elastice ale resoartelor in articulatiiile 2, respectiv 3, este

vectorul vitezelor unghiulare ,

[

] (3)

unde este componenta unghiulara a barei fata de sistemul de referinta,

[

] (4)

Iar v defineste componentele vectorilor viteza pe axele , evaluate in punctul de contactal

fortelor.

[

] (5)

Aceste viteze pot fi exprimate prin Jacobianul configuratiei geometrice,

(6)

unde

[

] (7)

Iar

[

] (8)

unde

+ )

De asemenea rezulta,

(9)

unde

[

) )

] (10)

) ) (11)

Din aceste relatii se obtine, in final,

(12)


12

Inlocuind expresiile Jacobianilor si dezvoltand pe componente se obtin relatiile ce definesc

fortele in cele trei falange,

) )

)

(13)

)

) )

)

(14)

) )

(15)

unde coeficientii U, V, au expresiile,

cos( ) (16)

) (17)

De asemenea s-a realizat o analiză a forţelor precum şi o evaluare a impedanţei

degetului.

3.3 Modele dinamice

Se va considera structura unui deget conform Fig 3.

Fig. 6. Structura unui deget

Cele trei elemente sunt componemtele constitutive ale unui deget uman, cu unghiurile

q1, q2, q3 definind gradele de libertate ale sistemului. Se considera urmatorii parametrii:

J = diag (J1, J2,J3) matricea de inertie a componentelor sistemului.

B = diag (b1,b2,b3 ) matricea coeficientilor de frecare vascoasa.

C= diag (c1,c2,c3) matricea coeficientilor de stiffness ai resoartelor

H= diag(H1,H2,H3 ) matricea fortelor rezistente pe fiecare element

JK = diag (JK1,JK2,JK3) matricea Jacobian, Ji definind Jacobianul in punctele de aplicare al

fortelor rezistente,

JKiT Hi defineste relatia intre fortele rezistente aplicate in element si cele din articulatii

Se construieste Lagrangeanul sistemului:

(18)

unde T este energia cinetica,


13

(19)

luand in consideratie numai componenta de rotatie si neglijand componenta de translatie din

dinamica elementelui degetului iar V este energia potentiala exprimata atat prin

componentele gravitationale,

∑ (20)

cat si prin componenta elastica Ve.

Aplicand ecuatile lui Lagrange

(

)

(21)

se obtine

) ) )

) ) ) ) (22)

unde

) (23)

este stiffnessul resortului in articulatia i iar reprezinta pozitia initiala.

Relatia (22) se poate rescrie ca

) ) )

) ) ) ) (24)

sau

) (25)

Daca se luau in considerare si componentele de translatie ale energiei cinetice,

modelul dinamic (22) se completeaza cu un temen al fortelor Coriolis, )

) ) (26)

In ecuatiile modelului dinamic, vectorul | | reprezinta starea sistemului prin

componentele de pozitie si viteza iar intrarea este determinata de vectorul de moment . O

analiza a modelului dinamic, tinand cont de structura componentelor

) )

) ) ) ) ca si de componenta neliniara gravitationala ) ,

este extrem de dificila. In acest studiu vom considera ca aceste componente sunt restrictionate

in spatiul starilor ,

| ) )| |

| ,i= 1,2,3 (27)

| )| | | (28)

Luand in considerare forma concentrata a acestor componente exprimata prin ec (25)

sau (26), aceste restrictii se pot scrie sub forma

| )| | | (29)

| )| | | (30)

3.4 Sistemul de conducere: conducere PD in raport cu pozitia

Se presupune ca toate articulatiile unghiulare au pozitii masurabile si se considera o

lege de conducere conventionala de tip PD,

(31)

unde


14

) (32)

) (33)

Teorema: Sistemul de conducere (31) al unui model dinamic descris prin ec. (25) este

stabil daca parametrii de conducere satisfac conditia ca matricea R sa fie pozitiv

definita, unde:

[ )

) ))

( ) )) )

]

Arhitectura globala a mainii exo-skelet poate fi vizualizată in Fig 6. Se remarca

configuratia falangelor fiecarui deget si mecanismul de actionare dezvoltat in sistemul “4-

bare”. Solutia propusa demonstreaza flexibilitate, robustete si satisface dezideratele impuse in

operatiile de reabilitare.

3.5 Arhitecturi mecanice

3.5.1 Arhitectura sistemului mecanic –„mecanism 4-bare”

Arhitectura sistemului este realizata prin conexiunea in cascada a unui mecanism” 4 bare”,

asociat câte unei falange a degetului. Mecanismul permite transmiterea unei comenzi, o

variatie unghiulara de intrare, către iesire, cu un factor de transmisie determinat in functie de

parametrii mecanismului.

Fig. 7 Variaţia poziţiei unghiulare Fig. 8 Mişcarea falangelor

Fig.9 Distribuţia forţelor


15

Fig. 10 Arhitectura mecanică a degetului Fig. 11 Vedere în mişcare a unui deget(A)

Fig. 12 Vedere în miţcare a unui deget(B) Fig.13 Arhitectura globală a mâinii

exoskelet(A)

Fig 14. Arhitectura globală a mâinii exoskelet (B). Construcţia modelului virtual a fost

realizată folosind softul CAD Solid Works


16

3.5.2 Arhitectura sistemului mecanic –„mecanism cu tendoane”

La construcţia modelului virtual al sistemului complex de reabilitare a mişcărilor

degetelor umane s-a urmarit atingerea următoarelor deziderate: - realizarea unei structuri cu

cinci degete configurate întocmai ca degetele mâinii umane dintre care policele opozabil;-

posibilitatea acţionării individuale a fiecărui deget al strucurii exoscheletice; - un grad sporit

de antropomorfism cu dimensiuni şi forme ale elementelor degetelor artificiale foarte

apropiate de cele ale mâinii umane. Constructiv, fiecare deget al exoskeletului de recuperare a

mişcării degetelor umane este alcătuit din trei falange: proximală, medială şi distală. Acestea

sunt conectate între ele si conectate cu corpul mănuşii care îmbracă palma pacientului prin

intermediul unor bolţuri cu blocare tranversală a jocului dintre falange. Fiecare falangă are

realizate, constructiv, de o parte şi de alta a axei longitudinale, două fulii folosite pentru

rutarea cablurilor de acţionare ale degetului exoskeletului. Degetul mare (policele) este

alcătuit din două falange, proximală şi distală, conectate cu corpul mănuşii printr-un element

care se poate roti în raport cu acesta, permiţând policelui să fie opozabil în raport cu celelate

degete ale exoscheletului.

Fig 15 Exoskelet-arhitectura cu tendoane Fig 16 Actionare cu tendoane

În funcţie de locul de amplasare al actuatorilor Biagiotti şi alţii (Biagiotti 2009)

clasifică sistemele robotice artificiale destinate protezării sau ortezării mâinii umane ca fiind

modulare şi integrate. Dacă primele sunt caracterizate de poziţionarea tuturor componentelor

(sistem de acţionare, sistem senzorial, sistem de comandă şi control) în cadrul elementelor

mâinii (palma şi degete), cea de-a doua categorie are ca trăsatură definitorie poziţionarea

acestor componente în exteriorul elementelor constitutive ale mâinii (de exemplu, în antebraţ).

În vederea acţionarii sistemului complex de reabilitare a mişcării degetelor umane s-a studiat

dispunerea celor şase actuatori electrici (cinci pentru flexia-extensia fiecărui deget şi unul

pentru rotaţia policelui) astfel încât să avem un sistem de acţionare asemănător cu cel al

mâinii umane.

S-au studiat mai multe variante de transmitere a mişcării bazate pe cabluri de la

servomecanismele de acţionare la cuplele cinematice ale degetelor mâinii robotice. Prima variantă

constă în folosirea unui singur cablu de acţionare pentru toate cele trei cuple cinematice ale

degetului (deci se va folosi un singur servomotor de acţionare şi vor exista doua cuple cinematice


17

pasive). A doua variantă luată în calcul este bazată pe folosirea a două cabluri de acţionare, unul

pentru cuplele interfalangiană distală şi proximală, iar celălalt pentru cupla metacarpo-falangiană.

Evident, în acest caz se vor folosi două servomotoare şi va exista o cuplă cinematică pasivă.

Ultima variantă de acţionare presupune utilizarea a trei servomotoare care vor fi cuplate cu trei

cabluri corespunzătoare celor trei cuple cinematice ale degetului robotic.

Dacă se compară cele trei variante de acţionare a unui deget se poate observa că ultima

variantă conferă independenţa mişcării falangelor prin aceea că fiecare este acţionată de un

servomotor de curent continuu cuplat cu un cablu. Totodată, această variantă conduce şi la

necesitatea unui număr mare de actuatori şi cabluri (15 pentru cele cinci degete ale mâinii

robotice), lucru care duce la creşterea masei prehensorului, creşterea complexităţii

algoritmilor de comandă având consecinţă necesitatea unor plăci de comandă şi control

performante şi, în final, creşterea preţului de manufacturare a prehensorului.

Deşi varianta a doua de acţionare oferă un compromis mai bun decât ultima (sunt

necesare 10 servomotoare de acţionare şi 10 cabluri) şi aceasta conduce la aceleaşi probleme

privind rutarea cablurilor de acţionare, complexitatea algoritmilor de comandă şi control

(trebuie ţinut cont că pe lângă cei 10 actuatori vor interveni în structura acestor algoritmi şi

cei şase senzori adoptaţi) etc.

Fig. 17 Exoskelet acţionat prin tendoane (cu police)

Policele, având o structură mecanică distinctă, necesită o analiză cinematică proprie.

Diferenţele provin, pe de o parte, din faptul că falanga proximală a acestuia este diferita de

falanga proximală a celorlalte patru degete, iar, pe de altă parte, din opozabilitatea policelui

care se traduce structural printr-un grad de libertate suplimentar care permite rotirea policelui

în raport cu palma pe domeniul 0-90°

3.6 Proiectarea sistemelor de acţionare

3.6.1 Sisteme de actionare bazate pe fluide electro-rheologice (ER)

Aceste sisteme foloseste proprietatile fluidelor ER de a-si modifica vascozitatea prin

efectul campului electric aplicat. Elementul de baza al sistemului este dat de un controler cu

modulatia in durata a impulsului ce comanda dispozitivul mecanic de actionare, un piston


18

liniar.. Controlerul este un sistem cu modulatie in durata a impulsurilor, (PWM), în care

variabila de control este durata semnalului de intrare la amplitudine constanta şi nu

amplitudinea semnalului de intrare.

3.6.2 Sisteme de actionare cu motor de curent continu

Actionarea cu motor cc a mecanismelor ce antreneaza degetele exoskeletului

reprezinta, in momentul de fata, o solutie extrem de tentanta , acesta satisfacand in mare

masura dezideratele impuse intr-un asfel de sistem:forta dezvoltata sificient de mare pentru

asigurarea performantelor motorii de reabilitare;cursa liniara suficient de mare pentru

antrenarea dispozitivelor de antrenare a falangelor degetelor;miniaturizare tehnologica de inalt

nivel care sa corespunda dezideratelor estetice si functionale ale intregului exoskelet; schema

de comanda simpla si eficienta, asigurand performante de control ridicate in ceea ce priveste

parametrii de pozitie si forta; robustete si fiabilitate ridicate; utilizarea unor surse de

alimentare comune, surse clasice de 220V.

Fig. 18 Acţionare cu motoare liniare

3.6.3 Acţionări pneumatice

Muşchii pneumatici sunt dispozitive contractile, asemenea motoarelor liniare acţionate

cu ajutorul aerului comprimat. Conceptul lor este foarte simplu: în esenţă muşchiul artificial

este format dintr-o membrană închisă care sub acţiunea presiunii aerului expandează radial şi

a cărei capete axiale, legate prin fitinguri de organul acţionat, se apropie dezvoltând o forţă de

contracţie în lungul axei longitudinale asemănătoare celei generate de muşchii biologici

(scheletici). Muşchii artificiali se bucură de o serie de caracteristici şi proprietăţi care îi

recomandă: deosebit de uşori, gabarit şi masă redusă pe unitatea de putere (1KW/kg),

elasticitate (comportare ca de arc) datorată pe de-o parte compresibilităţii aerului şi pe de alta

variaţiei forţei cu deplasarea, amortizarea şocurilor datorate impactului, posibilităţi de

conectare uşoară, eficienţă energetică ridicată.

Sistemele de acţionare pneumatice şi electrice au fost tratate la modul comparativ,

pentru cele pneumatice propunându-se şi o schemă de realizare. Pe durata dezvoltării


19

sistemului de acţionare vor fi testate atât actuatoarele pneumatice, cât şi cele electrice. În

funcţie de cuplurile rezistive, complexitatea şi fineţea mişcărilor care urmează a fi efectuate,

să se decidă asupra tipului de actuator ce urmează a fi folosit de sistemul final.

Utilizarea stimulării electrice va presupune asigurarea unui balans optim între forţele

musculare dezvoltate voluntar de către pacient, stimulul electric produs de către

neurostimulator şi acţiunea mecanică produsă de către mănuşa care va fi proiectată. De

importanţă majoră va fi şi modul în care sistemul senzorial va oferi date despre amplitudinea

şi performanţele mişcării mâinii, utile în procesul de cuantificare a îmbunătăţirilor procesului

de recuperare neuromotorie.

3.6.4 Actionari cu SMA

Aliajele cu memorie a formei (Shape Memory Alloy; SMA) fac parte din categoria

materialelor noi, numite şi materiale avansate, care necesită un know-how deopotrivă fizic,

tehnologic şi aplicativ pentru a putea exploata din plin proprietăţile deosebite pe care le

posedă. Proprietăţile funcţionale, care deosebesc aceste materiale de celelalte, sunt multiple:

1) reluarea formei în mod liber: materialele cu memorie reiau forma lor iniţială când sunt

încălzite peste temperatura critică, după o deformare plastică, proprietate denumită “efect

simplu de memorie a formei”. Această deformare plastică “aparentă” poate în acelaşi timp să

apară spontan în timpul răcirii sub temperatura critică, în urma unui proces de educare. Acest

efect de deformare reversibilă se numeşte “efect de memorie în dublu sens” sau “efect dublu

de memorie a formei”; 2) producerea de lucru mecanic (deplasare).

4. CONCLUZII

Pe baza descrierii ştiinţifice prezentate putem concluziona că obiectivele acestei etape

au fost atinse. A fost proiectat modelul exoschelet pentru o mănuşă robotică, tinându-se cont

de elementele de biomecanică implicate: mişcarea în planuri diferite, adaptate la mâna

pacientului, posibiliatea de a atinge și apuca, deschiderea / închiderea. Totodata a fost propus

şi modelul matematic. A fost proiectat sistemului de acționare.

IHRG este un dispozitiv medical care acţionează în paralel cu mâna pentru a

compensa unele funcţii pierdute. De aceea au fost studiate tehnici de reabilitare a mâinii şi s-

au stabilit cerințele pentru un dispozitiv de asistență și pentru protocolul initial de testare. În

aceasta etapă, s-au analizat şi stabilit protocolul clinic de evaluare, parametrii numerici și

vizuali furnizați de sistemul IHRG.

Diseminarea s-a realizat prin intermediul site-ului conceput în aceasta etapa

(http://www.ihrg.pub.ro ) şi care va sintetiza activitatea de cercetare a proiectului.

http://www.ihrg.pub.ro/


20

Bibliografie (selecţie)

Akin, D. L., Carignan, C. R., and Foster, A. W., 2002,“Development of a Four-

Fingered Dexterous Robot End Effector For Space Operations,” Proc. IEEE Intl.

Conf.Rob. Aut., Washington, DC, pp. 2302-2308.

Bicchi, A., and Kumar, V., 2000, “Robotic Grasping andContact: A Review,”

Proc. IEEE Intl. Conf. Rob. Aut., San Francisco, CA, pp. 348-353.

Biagiotti, L., Melchiorri, C., and Vassura, G., 2001,“Control of a Robotic Gripper

for Grasping Objects in No-Gravity Conditions,” Proc. IEEE Intl. Conf. Rob. And

Aut., Seoul, Korea, pp. 1427-1432.

Birglen, L., and Gosselin, C., 2003, “On the Force Capabilities of Underactuated

Fingers,” Proc. IEEE Intl. Conf. Rob. Aut., Taipei, Taiwan, pp. 1139-1145.

Birglen, L., and Gosselin, C., 2004, “Kinetostatic Analysis of Underactuated

Fingers,” IEEE Trans. Rob. Aut., 20(2), pp. 211-221.

Birglen, L., and Gosselin, C., 2004, “Optimal Design of 2-Phalanx Underactuated

Fingers,” Proc. Intl. Conf. Intel.Manip. Grasp., Genova, Italy, pp. 110-116.Birglen,

L., 2004, “Analysis and Control of Underactuated Robotic Hands,” Ph.D. Thesis,

Faculté des scienceset de génie, Université Laval, Québec, Canada.

Bhadra, D.K., Harder, C.R.(2004), Electroviscous Damping for landing Aircraft,

Thomas Lord Research Centre, NC 27512, VSD, pp. 300-326

Carrozza, M. C., Vecchi, F., Sebastiani, F., Cappiello,G., Roccella, S., Zecca, M.,

Lazzarini, R., and Dario,P., 2003, “Experimental Analysis of an Innovative

Prosthetic Hand with Proprioceptive Sensors,” Proc. IEEE Intl. Conf. Rob. Aut.,

Taipei, Taiwan, pp. 2230-2235.

Grebenstein ,M. 2010 A Method for Hand Kinematic Designers, ICABB, Venice,

Italy

M.A. Saliba, M. Axiak (2007), Design of a compact, dexterous robot hand with

remotely located actuators and sensors, Proceedings of Mediterranean Conference

on control and automation, Grecia, pp. 1-6.

Yamano, T. Maeno (2005), Five-fingered robot hand using ultra-sonic motors and

elastic elements, IEEE Proceedings of International Conference on Robotics and

Automation, Barcelona, Spania, pp. 2673-2678.

Che, W. Zhang (2011), GCUA Humanoid Robotic Hand with Tendon Mechanisms

and Its Upper Limb, International Journal of Social Robotics 3, pp. 395-404,

copyright Springer Science & Business Media BV 2011.

World Federation of Neurology, Seminars in Clinical Neurology - Stroke: Selected

Topics, Demos Medical Publishing, 2007.

Brandsdater ME. Stroke rehabilitation. In Physical Medicine and Rehabilitation –

principles and practice. Lippincott Williams & Wilkins, 2005.

Knecht S, Hesse S, Oster P: Rehabilitation after stroke. Dtsch Arztebl Int 2011;

108(36): 600–6.

Coordonator proiect

Conf.dr.ing. Nirvana Popescu

Documents

PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE - ihrg.pub.roihrg.pub.ro/wp-content/uploads/2014/11/Raport-Stiintific-IHRG-etapa-I.pdfUniversitatea Politehnica Bucureşti IHRG - Etapa I 4 Obiectivul