Metoda sterowania ruchem modelu egzoszkieletu wspomagającego ruchy kończyny górnej wykorzystująca sygnały o aktywności mięśni i manualne urządzenia sterownicze

Kierownik projektu: dr inż. Jarosław Jankowski

Streszczenie projektu:

Celem projektu było opracowanie systemu sterowania egzoszkieletem wspomagającym ruchy kończyny górnej (w zakresie generowanej siły) na podstawie sygnałów informujących o aktywności mięśniowej i manualnych urządzeń sterowniczych. Celem szczegółowym było opracowanie modelu egzoszkieletu.

W ramach projektu opracowana została procedura badawcza mająca na celu dokonanie oceny i porównania dokładności w sterowaniu opracowywanym egzoszkieletem, kontrolowanym z wykorzystaniem 2 różnych metod. Opracowano przegląd literatury ukierunkowany na zagadnienia:
egzoszkielety kończyny górnej, metody sterowania egzoszkieletów oraz sygnał elektromiograficzny. Opracowano także założenia konstrukcyjne oraz użytkowe opracowywanego manipulatora wspomagającego ruchy prawej kończyny górnej. Mając na celu opracowanie metody sterowania egzoszkieletem z wykorzystaniem sygnału elektromiograficznego, zidentyfikowano najbardziej zaangażowane grupy mięśniowe kończyny górnej na podstawie eksperymentu, podczas którego wykonywano określone ruchy, przy których zakłada się wspomaganie manipulatorem. Przygotowano oprogramowanie wspierające pozyskiwanie oraz analizę sygnałów elektromiograficznych. Opracowano koncepcję metody sterowania egzoszkieletem wykorzystującym sygnał EMG oraz opracowano kluczowy algorytm rozpoznania intencji ruchowej, który został przetestowany na mięśniach: dwugłowym i trójgłowym ramienia. Podjęto również próbę wykorzystania sztucznych sieci neuronowych w celu określenia intencji ruchowej w zakresie kończyny górnej. Wyżej wymieniona metoda sterowania egzoszkieletem, która będzie rozwijana w kolejnych etapach, porównana będzie z metodą bazującą na sterowaniu pozycyjnym z wykorzystaniem joysticka. Ponadto przygotowano stanowisko badawcze – uproszczony model egzoszkieletu wyposażony w serwosilnik oraz układ pomiarowy dla czterech wybranych na podstawie przeprowadzonego przeglądu dostępnych czujników EMG.

W ramach zakresu prac dokonano przeglądu literatury ukierunkowanego na aspekt budowy egzoszkieletów, konstrukcji oraz elementów wykorzystanych w ich budowie. Wprowadzono zmiany dotyczące procedury badań i narzędzi badawczych. Na podstawie założeń zdefiniowanych w 1. etapie projektu opracowano funkcjonalny model egzoszkieletu, który został finalnie sprawdzony. Opracowano schemat kinematyczny mechanizmu oraz określono jego ruchliwość. Egzoszkielet składa się z segmentu sztywno związanego ze stelażem (uchwyty, sekcja zasilania oraz sterowania) oraz manipulatora zakończonego joystickiem i uchwytem na zaczep obciążenia. Opracowano skrypt w języku programistycznym C# kontrolujący ruch napędów na podstawie rejestrowanych i analizowanych w czasie rzeczywistym sygnałów przychodzących z zespołu czujników EMG lub joysticka o dużej sztywności. Za pomocą wstępnych testów pokazano i sprawdzono poprawność sterowania opracowanego funkcjonalnego modelu egzoszkieletu z wykorzystaniem ww. 2 metod sterowania. Obydwie metody w sposób zadawalający pozwalają na prowadzenie efektora egzoszkieletu w sposób zawarty w opisie testów. Wprowadzono zmiany we wstępnie opracowanym algorytmie funkcjonowania systemu (metody EMG) na podstawie wyników testów.

Wprowadzono zmiany w konstrukcji funkcjonalnego modelu egzoszkieletu, tj. uzupełniono o manipulator lewej ręki oraz miniaturowy monitor do kontroli oprogramowania egzoszkieletu.
W wyniku testów funkcjonalnych zrezygnowano z wykorzystania sygnałów EMG pochodzących z mięśni w obrębie barku. Opracowano i przetestowano nową metodę wykorzystującą sygnały EMG z czujników rozmieszczonych na mięśniu dwugłowym ramienia, głowy długiej i mięśniu trójgłowym ramienia oraz informacje o gestach użytkownika pochodzące z opaski firmy ThalmicLabs noszonej na przedramieniu (opaska zawiera 8 czujników EMG). Wykonano i przetestowano oprogramowanie sterujące egzoszkieletem wykorzystujące kontrolery bazujące na sygnałach EMG oraz opracowany joystick o dużej sztywności w programie Unity 3D. Przygotowano stanowisko badawcze składające się z mobilnego stelaża, na którym można zawiesić egzoszkielet, tak aby w trakcie testów porównawczych wpływu metod sterowania na ocenę i dokładność sterowania wyeliminować wpływ zbędnych ruchów tułowia użytkownika. Po otrzymaniu pozytywnej opinii komisji etyki i bioetyki przeprowadzono testy końcowe z udziałem 5 osób (3 osoby poniżej 36 lat oraz 2 powyżej 60 lat).

Projekt III.N.03. Funkcjonalny model egzoszkieletu wspomagającego ruch kończyny górnej, wykorzystujący 2 metody sterowania w celu ich oceny i porównania. 1) jednostka sterująca i zasilająca egzoszkielet, 2) manipulator kończyny górnej, 3) czujnik sygnałów EMG, 4) joystick

Wyniki projektu przedstawiono w 2 publikacjach w czasopiśmie o zasięgu krajowym i w 1 publikacji przygotowanej do czasopisma o zasięgu krajowym oraz zaprezentowano na 2 konferencjach międzynarodowych.

Jednostka: Pracownia Mechatroniki i Bezpieczeństwa Technicznego

Okres realizacji: 01.01.2017 – 31.12.2019