ERK'2019, Portorož, 94-97 94 Dvoroˇ cni vadbeni sistem z robotom HapticMaster Janez Podobnik, Anˇ ze Straˇ zar, Marko Munih, Matjaˇ z Mihelj Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani E-poˇ sta: janez.podobnik@fe.uni-lj.si Abstract This paper describes the development of a bilateral train- ing device based on a HapticMaster robotic system. The system was evaluated with a study which involved fifteen healthy people and nine chronic stroke subjects whose movement were measured and analyzed. Paper presents the hardware and software used to implement and ana- lyze the concept of bilateral training on a robotic system. Moreover, it explains the control of the robotic system and the tasks designed for bilateral robotic training and their connection to the virtual environment. Bilateral training with the presented system is intuitive, simple and suitable for persons with different types of nervous system disor- ders. The presented robotic training system allows an objective evaluation of the training of the motor abilities of the patient’s affected limb based on the measured pa- rameters. 1 Uvod Moˇ zganska kap vsako leto v Sloveniji prizadene 4500 ljudi, na svetu pa kar 15 milijonov [1]. V povpreˇ cju na svetu letno beleˇ zimo okoli 5 milijonov smrtnih izidov, okoli 5 milijonov pa utrpi trajne posledice. Moˇ zganska kap se uvrˇ sˇ ca na drugo mesto med vzroki za smrt ter je pogost vzrok za zmanjˇ sanje gibalnih zmoˇ znosti med lju- dmi. Osebe po kapi imajo zmanjˇ sane motoriˇ cne sposobno- sti prizadete strani telesa, kar osebam po kapi omejuje zmoˇ znosti opravljanja vsakodnevnih opravil. Mnoge od teh vsakodnevnih opravil zahtevajo koordinirano uporabo obeh zgornjih udov [2]. Z vadbo se izboljˇ sa tako koordi- nacija med udoma, kakor tudi moˇ c prijema, spretnost, in funkcionalna sposobnost prizadetega uda [3, 4]. Poleg tradicionalne rehabilitacije, ki jo izvajajo tera- pevti, je napredek v robotiki omogoˇ cil vkljuˇ citev robotov v programe rehabilitacije. V veˇ cji meri robotski rehabi- litacijski sistem pri tem sluˇ zi kot dodatek k rehabilitaciji, terapevtov pa popolnoma ne more nadomestiti [5]. V tem prispevku je predstavljen dvoroˇ cni vadbeni sis- tem z robotom HapticMaster. Sistem je bil razvit v Labo- ratoriju za robotiko Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Sistem je bil validiran na skupini zdravih oseb ter skupini oseb po kapi v kroniˇ cni fazi. 2 Robotski sistem za dvoroˇ cno vadbo Rehabilitacijski roboti se uporabljajo kot vadbeni pripo- moˇ cki, s katerimi lahko pacientu pomagamo hitreje doseˇ ci cilj fizikalne terapije. Robotski sistem za dvoroˇ cno vadbo je zgrajen na osnovi haptiˇ cnega robota HapticMaster. Ro- bot HapticMaster je admitanˇ cno voden robot, delovni pro- stor je primeren za vadbo gibanja zgornjih udov. V osno- vni konfiguraciji robota HapticMaster je na vrhu robota nameˇ sˇ cen 3-osni senzor sil, ki je namenjen za admitanˇ cno vodenje in merjenje sil interakcije med robotom in upo- rabnikom. Robot je bil nadgrajen z aktivnim mehaniz- mom z dvema rotacijskima prostostnima stopnjama za dvoroˇ cno vadbo, ki je prikazan na slikah 1 do 3. Na mehanizmu za dvoroˇ cno vadbo se nahajata dva 6-osna senzorja sil in navorov, ki merita sile in navore vsake od rok. Namesto prvotnega senzorja sil za vodenje robota se uporablja sila, ki je izraˇ cunana iz sil levega in desnega senzorja. To omogoˇ ca naˇ crtanje poljubnega sistema vo- denja, ki upoˇ steva razliˇ cno uteˇ zbo sil iz levega in desnega senzorja, ki jih izvajata levi in desni ud uporabnika. Na ta naˇ cin lahko za vodenje robota bolj upoˇ stevamo sile, ki jih izvaja prizadeti zgornji ud. S tem umetno zmanjˇ samo vpliv zdravega uda in poveˇ camo vpliv prizadetega uda, kar je pomembno za vadbo prizadetega uda. Slika 1: Dvoroˇ cni mehanizem pritrjen na vrh robota HapticMa- ster. Drˇ zalo omogoˇ ca protifazno (roki se premikata v na- sprotni smeri) in sofazno (roki se premikata v isti smeri) premikanje zgornjih udov (glej sliko 2). Senzorja, nameˇ sˇ cena na dvoroˇ cnem drˇ zalu, merita sile in navore v vseh treh koordinatnih smereh. Uporabniki s prizadeto roko imajo teˇ zave pri drˇ zanju dvoroˇ cnega drˇ zala. V ta namen je bila razvita roˇ cka z opornico, ki osebam po kapi omogoˇ ca dvoroˇ cno vadbo. Roˇ cka ima zadosten premer z naslonom za roko in opor- nico. Opornica prepreˇ cuje zdrs prizadete roke. Omogoˇ ca hitro namestitev in odstranitev. Zasnova opornice je taka, 95 Slika 2: Protifazna in sofazna konfiguracija dvoroˇ cnega meha- nizma. [6]. da ima ˇ cim manjˇ si vpliv na izvedbo vaje. Roˇ cka z opor- nico je prikazana na sliki 3. Slika 3: Prikaz namestitve okvarjene roke v opornico. Koordinatni sistemi vrha robota ter senzorjev so razli- ˇ cni, kar je vidno tudi na sliki 2. Za admitanˇ cno vodenje [7] je potrebno sile iz lokalnega koordinatnega sistema senzorja pretvoriti v koordinatni sistem robota. F l =R h R v l R r s l F s l l ; (1) F d =R h R v d R r s d F s d d ; (2) F m = 1 2 (F l +F d ): (3) SilaF s l l je izmerjena sila na levem senzorju podana v lokalnem koordinatnem sistemu levega senzorja, silaF s d d je izmerjena sila na desnem senzorju podana v lokalnem koordinatnem sistemu desnega senzorja. Sili F l in F d sta sili pretvorjeni v koordinatni sistem robota. Rotacij- ska matrikaR h podaja rotacijo prve rotacijske prostostne stopnje mehanizma v frontalni ravnini, rotacijski matriki R v l inR v d pa podajata rotacijski matriki za levo in de- sno roˇ cko okoli vertikalne osi (2 prostostna stopnja me- hanizma). Rotacijski matriki R s d in R s d podajata pre- tvorbo iz koordinatnega sistema senzorja v lokalni koor- dinatni sistem roˇ cke. SilaF m je izraˇ cunana iz silF l in F d in predstavlja skupno silo interakcije med robotom in uporabnikom, ki je vhod v admitanˇ cno vodenje robota. Iz sile izraˇ cunamo ˇ zelen premik robota. Ob poznani sili in masi doloˇ cimo pospeˇ sek, ki ga integriramo da dobimo ˇ zeleno hitrost. Dodano je tudi duˇ senje, ki v prikazova- nje haptiˇ cnega okolja doda parameter duˇ senja prostora, v katerem se premikamo. Sila, ki jo povzroˇ ca duˇ senje je doloˇ cena s koeficientom duˇ senja b pomnoˇ zenim s hitro- stjo premikanja v, F b = bv. Enaˇ cbo za izraˇ cun sile duˇ senja vkljuˇ cimo v izraˇ cun za pospeˇ seka: a = 1 m (F m +F b ): (4) Tako izraˇ cunan pospeˇ sek nadalje integriramo v hi- trost, ki je uporabljena kot referenˇ cna hitrost za vodenje robota HapticMaster. v ref = Z adt: (5) Slika 4 prikazuje shemo admitanˇ cnega vodenja ro- bota. Izhodni gonilniki Izračun pozicij in hitrosti v zunanjem K.S. Model navideznega okolja Admitančni model Vhodni gonilniki ϑ F m x v , v ref F = -bv b F + = m F a m b Slika 4: Poenostavljena shema modela admitanˇ cnega vodenja robota. V odenje robota se izvaja v realnem ˇ casu z 2500 Hz na krmilnem raˇ cunalniku na katerem je naloˇ zen xPC Target operacijski sistem, ki je namenjen za izvajanje Simulink modelov v realnem ˇ casu. Simulink model vsebuje vho- dne in izhodne bloke za strojno opremo robota, haptiˇ cno navidezno okolje, admitanˇ cno vodenje ter bloka za ko- munikacijo z okoljem za grafiˇ cno prikazovanje navide- zne naloge. Grafiˇ cno prikazovanje naloge je zasnovano s pomoˇ cjo programa Unity3D. Podatki z robota in sen- zorjev sil se shranjujejo v Matlab okolju. Slika 5 pri- kazuje celoten vadbeni in merilni sistem. Sestavljen je iz haptiˇ cnega robota HapticMaster, mehanizma za dvoroˇ cno vadbo, projekcijskega platna za prikazovanja naloge v na- videzni resniˇ cnosti. Dvoročno držalo Haptični vmesnik Uporabniški računalnik Senzorja sil Projekcijsko platno Slika 5: Sistem za dvoroˇ cno robotsko vadbo sestavljajo: haptiˇ cni robot HapticMaster, dvoroˇ cno drˇ zalo, senzorja sil, raˇ cunalnik za zajem podatkov in izrisovanje grafiˇ cnega okolja, projekcijsko platno. 96 3 Zasnova naloge v navideznem okolju Na robotskem sistemu z dvoroˇ cnim drˇ zalom smo razvili nalogo za koordinirano gibanje obeh rok pri gibanju v prostoru. Naloga omogoˇ ca ponovljivost in primerljivost med posameznimi gibi. Vadba je zasnovana tako, da meri gibanje v 4 prostostnih stopnjah: translacijo v 3 smereh, ter rotacijo v frontalni projekcijski ravnini. Translacija v vertikalni in horizontalni smeri premika objekt v projek- cijski ravnini, tretja translacija naprej-nazaj je prikazana s spreminjanjem velikosti objekta, rotacijska prostostna stopnja pa rotira objekt. Slika 6 prikazuje potek primera naloge za 6 objektov. Cilj naloge je s sledilnim objektom doseˇ ci referenˇ cni objekt. Referenˇ cni objekt je doseˇ zen, ko ga sledilni objekt primerno pokrije. Stopnja pokritosti je doloˇ cena z napaka pozicije in napaka rotacije. Ko vse napake padejo pod vnaprej doloˇ cene pragove, je objekt doseˇ zen. Ko je objekt doseˇ zen 3 sekunde, doseˇ zen objekt izgine in prikaˇ ze se naslednji objekt. Vsak trenutek je na zaslonu prikazan samo en objekt. Slika 6.1 prikazuje pre- mik iz nakljuˇ cne lege v zaˇ cetno stanje od koder se zaˇ cne izvajati naloga. Sledijo si objekti za gib v desno (slika 6.2), gib navzgor (slika 6.3), gib v levo s spremembo ve- likosti in rotacijo 45 (slika 6.4), gib v desno navzdol s spremembo rotacije in odmikom objekta (slika 6.5) ter zadnji gib v desno navzgor s spremembo rotacije (slika 6.6). Celotna naloga se nato ponovi, ko se merjena oseba premakne v objekt na sliki 6.1. Na sliki 7 je prikazan diagram prehajanja stanj, ki podrobneje podaja logiˇ cno zgradbo in potek izvajanja virtualnega simulatorja cilja- nja tarˇ c. 1 2 3 4 5 6 Slika 6: Potek naloge v navideznem okolju. ˇ Crni objekt je objekt, ki ga premika uporabnik, beli objekt pa objekt do ka- terega je potrebno premakniti ˇ crno tarˇ co. 4 Rezultati V raziskavi sta sodelovali dve skupini udeleˇ zencev: kon- trolna skupina 15 zdravih in skupina 7 pacientov s hemi- parezo na desni strani v kroniˇ cnem obdobju po moˇ zganski kapi. ˇ Studija je bila izvedena z nalogo opisano v prejˇ snjem podpoglavju pri razliˇ cnih stopnjah duˇ senja: duˇ senje pri 10 Ns/m, 20 Ns/m in 30 Ns/m. Preiskovanci so izvajali 3 bloke meritev z eno stopnjo duˇ senja v vsakem bloku. Vsak blok meritev je vseboval 5 ponovitev. Da smo si- gnale razliˇ cnih ponovitev in preiskovancev lahko primer- jali, smo zajete signale transformirali v neˇ casovni prostor, kjer je neodvisni parameter namesto ˇ casa normalizirana Stanje = 2 Objekt = ++ Barva = bela Pravilna oddaljenost Stanje = -1 Barva = bela NE DA Objekt je dosežen NE Stanje = -1 Barva = rumena DA Stanje = 1 Barva = zelena Objekt > T NE DA Ponovitev = ++ Ponovitev > N Konec DA NE Stanje = -1 Ponovitev = 0 Objekt = 0 Barva = bela Seznam objektov Število objektov T Število ponovitev N Tip naloge Dovoljeno odstopnje Začetek Objekt je dosežen 3 s NE DA Slika 7: Diagram prehajanja stanj virtualnega simulatorja po- krivanja objektov. pot. Signale smo razdelili na intervale med tarˇ cami. Pri- dobili smo enako dolge vektorje, ki omogoˇ cajo enostavno primerjavo med razliˇ cnimi ponovitvami in preiskovanci. Sliki 8 in 9 prikazujeta signala hitrosti in spremembe ori- entacije v odvisnosti od normalizirane poti. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Hitrost (m/s) Ponovitev 1 Ponovitev 2 Ponovitev 3 Ponovitev 4 Ponovitev 5 srednja vrednost Sprememba hitrosti gibanja Objekt 1 Objekt 2 Objekt 3 Objekt 4 Objekt 5 Objekt 6 Številka objekta +/- std področje Slika 8: Velikost hitrosti premikanja robota v odvisnosti od normalizirane poti. Nalogo je izvedla zdrava oseba pri stopnji duˇ senja 10 Ns/m. Prikazanih je pet razliˇ cnih gibov s srednjo vrednostjo in standardno deviacijo. Doseˇ zena je dobra primer- ljivost razliˇ cnih ponovitev naloge. Slika 10 prikazuje relativno moˇ c za posamezne gibe za celotno nalogo za 7 pacientov. V statistiˇ cno analizo je za vsako stopnjo duˇ senja vkljuˇ cenih 35 meritev pacien- tov s prizadeto desno roko. Razviden je prispevek leve oziroma desne roke za posamezni gib za paciente s priza- deto desno roko. Slika 11 predstavlja rezultate pri zdra- vih osebah za isto nalogo. S parametrom relativna moˇ c je izraˇ cunan prispevek vsake roke pri posameznem gibu. Pri zdravih osebah pri vodenju giba prevladuje roka, v smeri katere je izveden gib. Pri gibu v desno je relativna moˇ c veˇ cja pri desni roki in obratno. Znaˇ cilno je tudi koordi- nirano gibanje v drugem gibu naloge, ki od preiskovanca 97 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Kot (°) Ponovitev 1 Ponovitev 2 Ponovitev 3 Ponovitev 4 Ponovitev 5 srednja vrednost Sprememba orientacije držala Objekt 1 Objekt 2 Objekt 3 Objekt 4 Objekt 5 Objekt 6 Številka objekta +/- std področje Slika 9: Prikaz spremembe orientacije drˇ zala med izvajanje naloge v odvisnosti od normalizirane poti. Nalogo je izvedla zdrava oseba pri stopnji duˇ senja 10 Ns/m. zahteva gib navzgor. Pri skupini pacientov s prizadeto desno roko ugotovimo, da prizadeta desna roka le sledi gibanju zdrave leve roke. -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Relativna moč P 10 L P 10 D P 20 L P 20 D P 30 L P 30 D P 10 L P 10 D P 20 L P 20 D P 30 L P 30 D P 10 L P 10 D P 20 L P 20 D P 30 L P 30 D P 10 L P 10 D P 20 L P 20 D P 30 L P 30 D P 10 L P 10 D P 20 L P 20 D P 30 L P 30 D i) ii) iii) iv) v) ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ Slika 10: Relativna moˇ c za posamezne gibe za celotno na- logo. P – skupina pacientov, L - leva roka, D - desna roka. Ob okrajˇ savi skupine je podana stopnja duˇ senja. Od leve proti desni si sledi pet gibov, od i) do v), ki so prikazani na slikah 6.2 do 6.6. Za vsak gib so podane tri stopnje duˇ senja. Povezave nad ˇ skatliˇ cnimi diagrami ponazarjajo izbrane skupine med kate- rimi smo raˇ cunali statistiˇ cne znaˇ cilnosti. Statistiˇ cno pomembna znaˇ cilnost je oznaˇ cena z * za p< 0,05. 5 Zakljuˇ cek Razvit je bil celovit sistem za dvoroˇ cno vadbo oseb z razliˇ cnimi vrstami okvar ˇ zivˇ cno-miˇ siˇ cnega sistema. Vadba s pripravljenim sistemom je intuitivna in preprosta. Sis- tem temelji na haptiˇ cnem robotu HapticMaster, ki je bil nadgrajen z dvoroˇ cnim aktivnim mehanizmom z dvema senzorjema sile s katerima je mogoˇ ce vrednotenje vadbe za vsako od rok. S sistemom smo izvedli razliˇ cne meri- tve, pri ˇ cemer smo ˇ zeleli preveriti razliˇ cne vidike dvoroˇ cne vadbe. Zanimala nas je predvsem koordinacija rok med dvoroˇ cno vadbo. Posamezni preiskovanec je nalogo iz- vedel veˇ ckrat ob razliˇ cnih stopnjah duˇ senja. Vadbo smo ovrednotili z razliˇ cnimi parametri, ki podajajo informa- cijo o kinematiki gibanja. Pri parametru relativne moˇ ci smo ugotovili, da pri zdravih osebah prevladuje roka, v kateri smeri se izvaja gib. Pri skupini pacientov smo opazili, da gib vodi neprizadeta roka. Prizadeta roka le -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 i) ii) iii) iv) v) H 10 L H 10 D H 20 L H 20 D H 30 L H 30 D H 10 L H 10 D H 20 L H 20 D H 30 L H 30 D H 10 L H 10 D H 20 L H 20 D H 30 L H 30 D H 10 L H 10 D H 20 L H 20 D H 30 L H 30 D H 10 L H 10 D H 20 L H 20 D H 30 L H 30 D Relativna moč ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ Slika 11: Relativna moˇ c za posamezne gibe za celotno nalogo. H predstavlja skupino zdravih. sledi ali celo zavira gibanje. S poveˇ cevanjem duˇ senja se poveˇ ca sodelovanje prizadete roke in gibanje postane bolj koordinirano. Predstavljena navidezna naloga uspeˇ sno skrbi za poveˇ canja motivacije oseb med izvajanjem me- ritev. Preiskovanci so se poˇ cutili vkljuˇ cene v nalogo, pri ˇ cemer osredotoˇ cenost s ˇ casoma ni upadla. Pacienti so hkrati v veˇ cini opazili, da se njihova prizadeta roka med izvajanjem vaje aktivno vkljuˇ cuje. Zahvala ˇ Studija je bila opravljena v sklopu raziskovalnega pro- grama ˇ st. P2-0228, ki ga je sofinancirala Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije iz drˇ za- vnega proraˇ cuna. Literatura [1] C. Cruz-Cruz, J. Kravzov-Jinich, J. M. Mart´ ınez-N´ u˜ nez, C R´ ıos-Casta˜ neda, M. E. Perez in M. Altagracia-Mart´ ınez, “Cost–utility analysis in acute ischemic stroke survivors treated with dapsone in a public hospital in Mexico City,”Journal of Pharmaceutical Health Services Research, vol. 5, ˇ st. 2, str. 95-102, 2014. [2] M. Trlep, M. Mihelj, U. Puh in M. Munih, “Rehabilitation robot with patient cooperative control for bimanual training of hemiparetic subjects,” Advanced Robotics, vol. 25, ˇ st. 15, str. 1949–1968, 2011. [3] J. Summers, F. Kagerer, M. Garry, C. Hiraga, A. Loftus, J. Cauraugh, “Bilateral and unilateral movement training on upper limb function in chronic stroke patients: a TMS study,” Journal of the neurological sciences, vol. 252, ˇ st. 1, str. 76–82, 2007. [4] J. Whitall, S. Waller, K. Silver, in R. Macko, “Repetitive bilateral arm training with rhythmic auditory cueing impro- ves motor function in chronic hemiparetic stroke,” Stroke, vol. 31, ˇ st. 10, str. 2390–2395, 2000. [5] P. Lum, D. Reinkensmeyer, R. Mahoney, W. Rymer, C. Burgar, ”Robotic devices for movement therapy after stroke: current status and challenges to clinical accep- tance,”Topics in stroke rehabilitation, vol. 8, no. 4, str. 40- 53, 2002. [6] S. Lokar, “Rehabilitacijski robot za dvoroˇ cno vadbo,” Di- plomsko delo, Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, 2016. [7] M. Mihelj, “Haptiˇ cni roboti,” Zaloˇ zba FE in FRI, Ljubljana, 2007.