egzoszkielet - Eco - Mobilność

egzoszkielet

zadania projektu » egzoszkielet

Projekt dotyczy zbudowania technicznego modelu urządzenia do pionizacji i wspomagania ruchu (SPiWR) osób z bezwładem kończyn dolnych np. po przebytych urazach. W Polsce wśród osób niepełnosprawnych jest aż 1,3 mln niepełnosprawnych w stopniu znacznym. Co 15 niepełnosprawny nie przejdzie samodzielnie 500 m, nie wejdzie i nie zejdzie po schodach z 1 piętra. Osoby z bezwładem kończyn dolnych mają problemy nie tylko z wykonywaniem czynności życiowych, ale również poważne problemy zdrowotne wynikające z ograniczonego ruchu. Brak ruchu powoduje m.in.: odwapnienie kości, zwyrodnienia organów wewnętrznych i niewydolność układu krążenia. Wymienione problemy rozwiązywane są z wykorzystaniem pomocy innych osób, metodami rehabilitacyjnymi oraz przez zastosowanie urządzeń technicznych.

Najnowszym technicznym rozwiązaniem problemów osób z bezwładem kończyn dolnych są tzw. roboty ortotyczne, czyli urządzenia, które mają za zadanie zastępować utracone funkcje ruchowe człowieka. Roboty te służą zarówno do pionizacji pacjenta, jak i wymuszania jego chodu. Systemy takie są obecnie rozwijane w kilku ośrodkach badawczych na świecie. Znane roboty ortotyczne stały się inspiracją do podjęcia prac nad systemem do pionizacji i wspomagania ruchu w Zakładzie Konstrukcji Urządzeń Precyzyjnych na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej.

Z funkcjonalnego punktu widzenia urządzenie do pionizacji i wspomagania ruchu składa się z systemu realizacji ruchów i systemu bezpieczeństwa, który ma zapobiegać występowaniu sytuacji niebezpiecznych dla użytkownika lub minimalizować ich negatywne skutki. Urządzenie realizuje następujące czynności główne: chód, wstawanie i siadanie oraz pokonywanie schodów. Utrzymanie równowagi jest zadaniem użytkownika.

Od strony użytkowej system ma postać robota, którego ruchy przenoszone są na kończyny pacjenta za pomocą specjalnych zaczepów (rys. 1). W plecaku umieszczone są akumulatory dostarczające energię elektryczną do wykonawczych układów urządzenia i komputera sterującego. Za pomocą panelu sterowania użytkownik wybiera rodzaj ruchu, który jest następnie realizowany programowo. Dodatkowe przyrządy ortopedyczne umożliwiają mu utrzymanie równowagi fizycznej.

Robot ortotyczny jest złożonym systemem mechatronicznym, którego budowa wymaga rozwiązania wielu problemów natury technicznej, a także dostosowania go do współdziałania z żywym organizmem człowieka. Podstawę do opracowania algorytmów sterowania robota stanowią tzw. profile ruchu, czyli wyznaczone doświadczalnie czasowe przebiegi kątów zgięcia stawów człowieka: biodrowego, kolanowego i skokowego. W przypadku chodu typowe profile ruchu w trzech płaszczyznach anatomicznych: strzałkowej, czołowej i poprzecznej tworzą tzw. standard chodu. W budowanym urządzeniu szczególne znaczenie mają pomiary chodu wspomaganego kulami. Przeprowadzone badania wykazały, że przebiegi ruchu wspomaganego kulami w istotny sposób różnią się od przebiegów ruchu swobodnego (rys. 2).

Do wspomagania prac projektowych opracowano symulacyjny model urządzenia, na który składają się:

1) założone profile ruchu w stawach, będące wejściowymi wielkościami dla napędów,

2) modele układów wykonawczych poruszających poszczególne stawy,

3) model ciała użytkownika i model mechanicznej struktury robota, które stanowią obciążenie napędów,

4) model podłoża w postaci sił reakcji działających na stopowe części robota.

 

Model symulacyjny umożliwił wyznaczenie wielu wielkości istotnych z punktu widzenia konstruktorów, w szczególności momentów siły w przegubach robota i energetycznego zapotrzebowania jego układów wykonawczych (rys. 3). 

Jednym z trudniejszych zadań projektowych systemu było opracowanie jego konstrukcji mechanicznej. Rozpatrzono wiele rozwiązań podsystemu mechanicznego. Ostatecznie przyjęto koncepcję realizacji ruchów stawów wyłącznie w płaszczyźnie strzałkowej. Założono programowe napędzanie stawów: biodrowych i kolanowych. Stawom skokowym pozostawiono bierny stopień swobody. Pas piersiowo-biodrowy mocowany do tułowia użytkownika stanowi ostoję mechanizmów. Przeguby poszczególnych stawów są ze sobą połączone za pomocą łączników, których długość jest dostosowywana do indywidualnych cech użytkownika. Do poruszania przegubów służą cztery identyczne układy napędowe z silnikiem prądu stałego, przekładniami i mechanizmem cięgnowym (rys. 4). 

System sterowania projektowanego urządzenia jest zbudowany w taki sposób, aby w zależności od sytuacji, w jakiej znajduje się użytkownik, przyjmował odpowiedni cel działania: uruchamianie, realizację i nadzór nad funkcjami ruchowymi, gdy spełnione są warunki bezpiecznego poruszania się pacjenta oraz ratowanie zdrowia i życia użytkownika, w przypadku wykrycia zagrożenia. Systemy mechatroniczne, które samodzielnie zmieniają cel działania na skutek zmieniających się warunków otoczenia noszą nazwę systemów samo optymalizujących (ang. self-optimizing systems). Budowa takich systemów jest jednym z wiodących trendów rozwojowych współczesnej mechatroniki.

Jednostka centralna systemu sterowania pełni funkcję nadrzędną względem pozostałych układów. Za pomocą magistrali komunikacyjnej wysyła komendy sterujące do układów wykonawczych wymuszających ruchy użytkownika oraz nadzoruje pracę całego systemu. Na podstawie danych z poszczególnych układów wykrywa ewentualne stany awaryjne. System sterowania robota ma strukturę otwartą, pozwalającą na dołączenie dodatkowych układów pomiarowych, niezbędnych do uruchomienia bardziej zaawansowanych algorytmów sterowania. Bateria w technologii LiFePO4 jest umieszczona w plecaku przenoszonym przez użytkownika. Jest ona zintegrowana z układem nadzoru, który zapewnia jej właściwe ładowanie i użytkowanie.

 System sterowania zbudowany w ramach projektu zawiera sterowniki napędów układów wykonawczych, kontrolery układów pomiarowych nacisku stopy na podłoże oraz układy z ultradźwiękowymi czujnikami odległości służące do detekcji przeszkód. Układy elektroniczne rozmieszczono na konstrukcji mechanicznej urządzenia. Są one połączone z baterią akumulatorów za pomocą szyny zasilającej, a do wymiany danych z jednostką centralną służy magistrala komunikacyjna CAN. Interfejs użytkownika w postaci pilota oraz kontrolery kul, czyli układy nie związane bezpośrednio ze strukturą mechaniczną, mają własne zasilanie bateryjne i komunikują się z jednostką centralną drogą radiową (rys. 5). 

Pierwsze badania funkcjonalne urządzenia prowadzone są z wykorzystaniem fantomu (rys. 6). Wyniki tych testów służą zarówno do udoskonalenia rozwiązań mechanicznych, jak i do modyfikacji algorytmów ruchu robota.

 

Wykaz prac, zgłoszeń patentowych i publikacji dotyczących tematu wytworzonych w ramach projektu Eco-Mobilność:

 

1. Jasińska-Choromańska D., Szykiedans K., Wierciak J., Kołodziej D., Zaczyk M., Bagiński K., Bojarski M., Kabziński B.: Mechatronics system for verticalization and the motion of the disabled, Biulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, Vol. 61, No. 2, 2013, p. 419-431

2. Wierciak J., Jasińska-Choromańska D., Szykiedans K.: Orthotic Robot as a Mechatronic System, MECHATRONICS 2011, Recent Technological and Scientific Advances, Springer 2011, s. 579-588

3. Bagiński K., Wierciak J.: Selection of Drives for Orthotic Robots Based on Simulation StudiesMachine Dynamics Research 2012 v. 36, nr 1, s. 5-14

4. Jasińska-Choromańska D., Credo W., Szykiedans K.: Making Use of Anthropometric Data while Designing Drive Units of an Orthotic Robot, Machine Dynamics Research, 2012, v. 36, nr 1, s. 90-98

5. Jasińska-Choromańska D., Credo W., Szykiedans K., Rzeszotek Ł., Semeniuk J., Zaczyk M.: Problemy projektowania napędów do układu wspomagania ruchu osób niepełnosprawnych, Aktualne Problemy Biomechaniki, Zeszyty Naukowe Katedry Biomechaniki, Politechnika Śląska, 2012, zeszyt 6, s. 43-50

6. Jasińska-Choromańska D., Kabziński B., Matyjewicz-Maciejewicz M., Kołodziej D.:
Safety Module for the System of Verticalization and Aiding Motion of the Disabled, MECHATRONICS 2013, Recent Technological and Scientific Advances, Springer 2013, s. 79-86

7. Bagiński K., J. Wierciak J.: Effect of Gear Ratio on Energy Consumption of Actuators
Used in Orthotic Robot, MECHATRONICS 2013, Recent Technological and Scientific Advances, Springer 2013, s. 511-518

8. Wierciak J., Bagiński K., Jasińska-Choromańska D., Strojnowski T.: Orthotic Robot as a Self Optimizing System, MECHATRONICS 2013, Recent Technological and Scientific Advances, Springer 2013, s. 607-614

9. Bagiński K., Wierciak J., Jasińska-Choromańska D.: Symulacyjny model układów wykonawczych robota ortotycznego, PAK, Vol. 57, nr 6, str. 583-586, Warszawa 2011

10. Wierciak J., Jasińska-Choromańska D., Szykiedans K., Bartyś M.: Koncepcja systemu sterowania urządzenia do wspomagania chodu, PAK, Vol. 57, nr 9, str. 1016-1019, Warszawa 2011 

 

 Galeria rysunków:

Rys. 1 Koncepcja użytkowa systemu

Rys. 1 Koncepcja użytkowa systemu

Rys. 2 Przykładowe profile ruchu w stawie biodrowym dla wchodzenia na stopień: swobodnego i z kulami

Rys. 2 Przykładowe profile ruchu w stawie biodrowym dla wchodzenia na stopień: swobodnego i z kulami

Rys. 3. Przebieg momentu napędowego w przegubie kolana uzyskany w wyniku symulacji

Rys. 3. Przebieg momentu napędowego w przegubie kolana uzyskany w wyniku symulacji

Rys. 4. Widok mechanicznej struktury robota i model układu napędowego stawów użytkownika

Rys. 4. Widok mechanicznej struktury robota i model układu napędowego stawów użytkownika

Rys. 5 Składowe elementy systemu sterowania SPIWR

Rys. 5 Składowe elementy systemu sterowania SPIWR

Rys. 6 Pierwsze kroki zbudowanego systemu

Rys. 6 Pierwsze kroki zbudowanego systemu