1 UVOD
Predlog doktorske disertacije je razdeljen na pet pogla-
vij. V uvodu je prestavljeno področje rehabilitacijske
robotike s pregledom literature najnovejših pristopov
senzorno in robotsko podprte enoročne vadbe. Pred-
stavljene so metode enoročne rehabilitacije in aktualne
raziskovalne smeri v rehabilitacijski robotiki. V drugem
poglavju so podani cilji doktorske naloge, v tretjem pa
Prejet 13. november, 2017
Odobren 1. december, 2017
so predstavljene utemeljitve pristopa za izvedbo zasta-
vljenih ciljev. Četrto poglavje je opis uporabljenih metod
in postopkov za dosego ciljev, v petem pa so poudarjeni
izvirni prispevki doktorske disertacije.
V preteklih desetletjih je rehabilitacija napredovala
iz preprostih pasivnih mehanizmov za vadbo v obširno
področje robotizirane aktivne vadbe, kjer se roboti upo-
rabljajo kot vadbeni pripomočki, ki lahko pacientu po-
magajo hitreje doseči cilj fizikalne terapije. Vadba s
pomočjo robota je lahko ob uporabi virtualnega okolja
zabavna in privlačna za pacienta [1], [2], hkrati pa
lahko ob njej s haptičnimi roboti ti aktivno sodelujejo
s pacientom pri izvajanju naloge. Haptični roboti lahko
ob interakciji s pacientom prek senzorja sile zaznavajo
namero premika pacienta in aktivno pomagajo pri mo-
torični nalogi. Ob uporabi haptičnih robotov pri rehabili-
taciji lahko terapevt torej pridobi objektivno informacijo
o sili interakcije med robotom in pacientom ter premiki,
ki nastajajo med opravljanjem naloge. S pomočjo teh
informacij lahko terapevt sklepa o napredku in ustrezno
prilagaja težavnost naloge [3].
Ugotavljanje optimalnih parametrov mentalne in
fizične težavnosti naloge pa je izziv, s katerim se
ukvarja kooperativna robotika. Za motivacijsko vadbo
je potrebna povratnozančna vezava med izmerjenim
človeškim psihofiziološkim odzivom, biomehanskimi
parametri, robotskim sistemom in nalogo v virtualnem
okolju. Meritve biomehanike in psihofiziologije pacienta
se ovrednotijo, na podlagi teh meritev pa se lahko
oblikuje ocena težavnosti, ki služi kot vhod v regulator
robota in naloge [4], [5]. Z združevanjem različnih
278 JAKOPIN, MIHELJ, MUNIH
senzornih informacij so avtorji v [5] pokazali delova-
nje adaptivne metode, ki uravnava težavnost naloge v
realnem času. Za merjenje psihofiziološkega odziva so
uporabljali merilno opremo z visoko točnostjo, katere
slabost sta bila visoka cena in dolg čas namestitve
merilnega sistema. Avtorji so v prejšnjih študijah [5]–
[8] za ocenjevanje psihološkega odziva med interakcijo
z robotom uporabljali parametre, kot so: srčni utrip,
variabilnost srčnega utripa, variabilnost ritma dihanja,
prevodnost kože in temperatura kože perifernih delov
telesa (tipično konice prstov). Poleg teh se uporabljajo
tudi metode za prepoznavo obraznih izrazov, zeničnega
odziva, možganske aktivnosti (elektroencefalografija) in
mišičnega odziva obraznih mišic (elektromiografija) [9],
[10].
Za merjenje biomehanskih parametrov med vadbo
se uporabljajo optični ali inercialni merilni sistemi,
informacijo o sili interakcije in premikih v sklepih
robota pa lahko izmerimo kar iz robotskega sistema.
Optični sistemi (Optotrak, Vicon, Codamotion, itd.) se
uporabljajo v laboratorijskem okolju in jih odlikuje
visoka točnost merjenja. Zaradi visoke cene in ome-
jenega merilnega območja pa so se na tem področju
začele uveljavljati inercialne merilne enote (IME),
ki so nizkocenovna alternativa merjenja biomehanskih
parametrov. Senzorji so majhni in nosljivi, zato merjenca
ne omejujejo z območjem merjenja. Za izračun sil in
navorov v sklepih se med drugimi uporablja inverzna
Newton-Eulerjeveva metoda, kjer pri znanem gibanju
segmentov mehanizma (roke) lahko na podlagi enačb
inverzne dinamike izračunamo sile in navore v sklepih.
Za izračun enačb inverzne dinamike moramo poznati
geometrijo mehanizma, maso segmentov, vztrajnostne
momente in parametre trenja oz. moramo poznati di-
namični model mehanizma [11], [12]. Bertomeu in drugi
[13] so uporabljali IME, nameščene na segmente roke,
in planarnega robota za rehabilitacijo zgornjih okončin.
Pokazali so, da lahko s pomočjo povratne informacije
biomehanskih parametrov, izračunane iz IME senzorjev,
vzpodbudimo različne tipe vadbe, pri katerih robotski
sistem zaznava gibe v različnih sklepih roke in tako
prilagaja vadbo za točno določen sklep.
Za varno vadbo ter interakcijo med robotom in
človekom je treba zagotoviti mehanizme, ki so inhe-
rentno varni v svojem delovanju. Takšni mehanizmi
morajo biti podajni (elastični), da ob morebitnem trku ob
oviro shranjujejo energijo in ne poškodujejo uporabnika.
Industrijski roboti so znani po svoji točnosti in veliki
pasovni širini prav zaradi visoke mehanske impedance,
iz istega razloga pa so tudi nevarni za interakcijo s
človekom. S kombinacijo uporabe senzorjev sile in
različnih algoritmov vodenja lahko dosežemo aktivno
impedanco na podlagi programske kode in tako pretvo-
rimo industrijskega robota v haptičnega z nastavljivo
mehansko impedanco [14]. Zaradi omejene pasovne
širine sistema tak način vodenja ne more absorbirati
mehanskih šokov in še vedno ne pomeni optimalne
rešitve za varno interakcijo s človekom. Za ta namen
so se začeli uveljavljati pogonski sistemi z inherentno
togostjo, ki v svoji strukturi med motorjem in bremenom
vsebujejo elastične elemente (vzmeti), ki lahko absorbi-
rajo mehanske trke [15], [16]. Togost določa elastični
element, obstajajo pa tudi konfiguracije, kjer lahko to-
gost segmenta nastavljamo s pomočjo nelinearnih vzmeti
in več motorjev [17], [18]. Metode pozicijskega vodenja
omenjenih pogonskih sistemov temeljijo na poznavanju
točnih modelov togosti elastičnih elementov in vztrajno-
stnih parametrov mehanizma [19]. Če točni modeli niso
znani, pa uporabljamo adaptivne metode vodenja [20].
LINarm++
kontrolna enota
LINarm++ GUI
LINarm++ manager
LINarm robotski
mehanizem in krmilnik
Arduino DUE
LINarm mehanizem
Merilni sistem
fizioloških signalov
Zajem signalov
Senzoriziran ročaj
Navidezno okolje
Igra in beleženje
Zaslon
Model pacienta
Klinični indeks
Odločitveno drevo
NMES mišična
stimulacija
Krmilnik za el. stim.
NMES elektrode
Slika 1: Blokovna shema zgradbe LINarm++ večmodalne reha-
bilitacijske platforme: haptični robot, merilni sistem fizioloških
signalov, sistem za mišično stimulacijo in virtualno okolje so
različne modalnosti vadbe
2 CILJI
Osnovni cilj doktorske disertacije bo sinteza in ana-
liza novih pristopov za varno, prilagojeno in preprosto
enoročno vadbo z združevanjem več senzornih informa-
cij. Pristopi bodo temeljili na najnovejših spoznanjih s
področja motorične rehabilitacije z uporabo naprednih
metod senzorne integracije v kombinaciji z analizo
naprednih modelov pogonskih sistemov in algoritmov
vodenja.
V disertaciji bodo izvedeni naslednji vmesni cilji:
1) Metodologija in validacija metodologije ne-
motečega in preprostega merjenja fizioloških
parametrov človeka med enoročno vadbo. Za
ugotavljanje psihološkega stanja človeka bomo
razvili sistem za preprosto merjenje fizioloških pa-
rametrov človeka. Na podlagi literature in izkušenj
bodo izbrani ključni in zanesljivi fiziološki sen-
zorji, ki bodo vgrajeni v dve različni obliki
ročajev. Predlagan merilni sistem bo uporabljen in
eksperimentalno validiran s pomočjo referenčnega
merilnega sistema fizioloških signalov.
2) Izračun kinematičnih in dinamičnih parame-
trov zgornje okončine med enoročno vadbo. Ra-
ANALIZA IN SINTEZA METOD VARNE, SENZORNO PODPRTE ENOROČNE ROBOTSKE VADBE 279
zumevanje kinematičnih in dinamičnih parametrov
med vadbo je pomemben prispevek pri snovanju
algoritmov vodenja naprav za rehabilitacijo. Med
enoročno robotsko vadbo bomo s spreminjanjem
modela virtualnega okolja naloge analizirali sile
in navore v sklepih aktivne okončine. Spreminjali
bomo dinamiko dogajanja v nalogi in fizični napor,
ki se bo odražal kot upor, katerega robot daje
človeku.
3) Teoretična analiza modela pogonskega sistema
s spremenljivo impedanco. Pogoni s spremen-
ljivo impedanco spadajo v skupino pogonov z in-
herentno togostjo. Zgradba takih sistemov vsebuje
elastične elemente, ki lahko ob nepoznavanju me-
hanskih parametrov vodijo do nestabilnosti. Ana-
liziran bo matematični model pogona s spremenj-
livo impedanco za ugotavljanje primernosti takih
pogonov za uporabo v rehabilitacijski robotiki.
4) Zasnova in analiza algoritmov vodenja pogon-
skih sistemov s spremenljivo impedanco. Spre-
minjanje impedance lahko dosežemo z različnimi
konfiguracijami vzmeti in motorjev. Raziskali
bomo različne algoritme vodenja motorjev za sta-
bilno spreminjanje impedance z zadovoljivo pozi-
cijsko točnostjo.
3 UTEMELJITEV
Na področju rehabilitacijske robotike vsi cilji težijo
k preprosti, učinkoviti in dostopni vadbi pacientov s
senzorno-motoričnimi okvarami. Oteženo ali prizadeto
gibanje in kognicija pogosto izhaja iz možganskih
poškodb po kapi, zato se je razvila posebna veja re-
habilitacije, ki ji pravimo nevrorehabilitacija. Klinike in
rehabilitacijski inštituti uporabljajo robotske naprave za
nevrorehabilitacijo, saj omogočajo motivacijsko vadbo,
vendar je po izteku časa, ki je predpisan za pacienta,
ta odpuščen v domačo oskrbo, kjer nima dostopa do
podobne vadbe. Študije dokazujejo [18], da je aktivna
motorična in kognitivna rehabilitacija pomembna tudi v
domači oskrbi v kronični fazi prizadetosti po poškodbi.
S tem namenom se razvijajo tudi nizkocenovne prenosne
naprave, namenjene tudi vadbi v domači oskrbi. Preno-
snost, cenovna dostopnost, preprosta uporaba in varnost
so samo nekateri pogoji, ki jih rehabilitacijske naprave
za domačo uporabo morajo vsebovati. Za optimalno
vodenje in narčtovanje vadbe pa potrebujemo bogate
informacije o biomehaniki, fiziologiji in uspešnosti pa-
cienta, ki uporablja vadbeno napravo.
Uspešnost okrevanja pacientov po kapi neposredno
korelira z motivacijo za vadbo paretičnih udov ali
kognitivnih sposobnosti. Izboljšanje motivacije lahko
dosežemo s prilagajanjem robotske vadbe glede na
fiziološko stanje pacienta, ki ga ocenimo s pomočjo
meritev fiziološkega odziva pacienta. Fiziološke meritve
pa ne omogočajo zgolj ocene stanja, temveč jih lahko
uporabljamo tudi za diagnostiko in sledenje pacientovih
vitalnih znakov med redno vadbo. Sistemi za merjenje
fizioloških parametrov so dragi in namestitev merilnih
elektrod lahko traja tudi po več deset minut, zato smo
v dosedanjem delu razvili merilni sistem za merjenje
fiziološkega odziva, ki je integriran v ročaj (slika 2)
rehabilitacijske naprave, in tak sistem tudi validirali.
Z izračunom kinematičnih in dinamičnih parametrov
zgornjih okončin med enoročno vadbo lahko terapevt
pridobi objektivne informacije o biomehaniki aktivne
roke med vadbo, kar mu omogoča, da spremlja napredek
pacienta skozi daljše časovno obdobje in optimalno
načrtuje vadbo za izboljšanje simptomov. Dodatno so
lahko kinematični in dinamični parametri, pridobljeni iz
nosljivega senzornega sistema, nameščenega na zgornjih
okončinah, zaprtozančna informacija, s katero prila-
gajamo vadbo glede na specifični sklep okončine ali
mišično skupino.
Za uspešno komercializacijo in integracijo rehabilita-
cijskih naprav v množično uporabo je treba ugoditi po-
goju varne vadbe. Načrtovati je torej treba mehanizme,
ki so po svoji zgradbi inherentno varni za uporabo. Za
ta namen bomo analizirali modele pogonskih sistemov z
inherentno togostjo (slika 4), ki vsebujejo elastične ele-
mente, in motorje, ki lahko z algoritmi vodenja aktivno
spreminjajo mehansko togost.
4 METODOLOGIJA
Metodologija in validacija metodologije nemotečega
in preprostega merjenja fizioloških parametrov človeka
med enoročno vadbo: Za validacijo sistema za ne-
moteče merjenje fizioloških parametrov bomo na ob-
stoječi robotski sistem HapticMaster (FCS Control Sy-
stem) namestili merilni sistem z integriranimi senzorji v
ročaju. V eksperimentu bodo zdrave osebe v interakciji
z robotom opravaljale nalogo pod različnimi pogoji, v
točki interakcije bodo na aktivni okončini merjene s
predlaganim merilnim sistemom (slika 2), vzporedno pa
bo potekala meritev z referenčnim sistemom na drugi
(pasivni) okončini.
(a) (b)
Slika 2: Senzorizirana ročaja v obliki cilindra (a) in hemisfere
(b)
Izračun kinematičnih in dinamičnih parametrov zgor-
nje okončine med enoročno vadbo: Izračun kine-
matičnih parametrov poteka z združevanjem senzornih
280 JAKOPIN, MIHELJ, MUNIH
informacij iz nosljivega senzornega sistema, ki sestoji iz
IME senzorjev. Z vzorčenjem pospeškometra, žiroskopa
in magnetometra lahko z naprednimi algoritmi zlivanja
podatkov izračunamo orientacije posameznih segmen-
tov. Z upoštevanjem kinematičnega modela roke lahko
izračunamo kinematične spremenljivke roke. Na pod-
lagi inverzne Newton-Eulerjeve dinamične analize, ki
temelji na ravnotežju sil in momentov, bomo izračunali
dinamične parametre roke s pomočjo statističnih an-
tropometričnih podatkov merjencev in sile interakcije
izmerjene na vrhu robota.
Teoretična analiza modela pogonskega sistema s spre-
menljivo impedanco: Zgrajen bo matematični model
pogonskega sistema s spremenljivo impedanco, ki bi
bil primeren za linearne premike. Model bo zasnovan
kot dva vzporedno nameščena pogona s serijsko ela-
stičnostjo, ki delujeta v nasprotni smeri (antagonistično).
Z uporabo nelinearnih vzmeti kot elastičnih elementov
pogonskega sistema lahko dosežemo spreminjanje me-
hanske togosti kot prikazuje slika 3.
f1
f1
f2
f2
x
e
x1 x2 x
k1 k2
f
e
ζ
δ
x
m
x
m
Slika 3: Poenostavljen model sistema dveh vzporednih vzmeti.
x1 in x2 sta vira pozicije (motorja), xe pa pozicija ravnovesja
premičnega dela. Sili f1 in f2 sta sili, ki delujeta na premično
telo zaradi elastičnih elementov k1 in k2. Za izmik premičnega
dela iz točke ravnovesja je potrebna zunanja sila fe, ki
povzroči izmik ζ. Parameter δ določa prednapetost vzmeti
Zasnova in analiza algoritmov vodenja pogonskih
sistemov s spremenljivo impedanco: Na podlagi ma-
tematičnega modela pogonskega sistema bomo razvili
algoritem vodenja elastičnega pogonskega sistema (slika
4), ki bo temeljil na izmeničnem napenjanju vzmeti
mehanizma. Tako bomo skušali doseči stabilno spre-
minjanje in krmiljenje mehanske impedance sistema z
zadostno pozicijsko in hitrostno točnostjo. Algoritem
vodenja bomo analizirali v simulaciji in ga validirali na
realnem pogonskem sistemu.
5 SKLEP
Načrtovani znanstveni prispevki doktorske disertacije so:
• validacija metodologije nemotečega in preprostega
merjenja fizioloških parametrov človeka med robot-
Slika 4: CAD-model predlaganega haptičnega mehanizma.
Premični del vsebuje sistem torzijskih vzmeti z nelinearno ka-
rakteristiko, uporaba dveh motorjev pa omogoča razsklopljeno
vodenje po poziciji in togosti mehanizma.
sko vadbo,
• metoda ocenjevanja sil in navorov v sklepih roke
z nosljivimi inercialnimi senzorji in merjenem sile
interakcije med enoročno vadbo z robotom,
• teoretična analiza in metoda vodenja linearnega
pogonskega sistema s spremenljivo impedanco za
varno enoročno vadbo zgornjih okončin.
ZAHVALA
Delo je omogočila Javna agencija za raziskovalno de-
javnost Republike Slovenije (ARRS) v okviru programa
(P2-0228) - Analiza in sinteza gibanja pri človeku in
stroju. Raziskava je nastajala delno v sklopu evropskega
projekta ECHORD++, pod številko 601116 za raziskavo
LINarm++.