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) w oparciu o sygnały informujące o aktywności mięśniowej i manualne urządzenia sterownicze. Celem szczegółowym jest opracowanie modelu egzoszkieletu.

W ramach 1. etapu projektu opracowana została procedura badawcza mająca na celu dokonanie oceny i porównania dokładności w sterowaniu opracowywanym egzoszkieletem, kontrolowanym z wykorzystaniem dwóch różnych metod. Opracowano przegląd literatury ukierunkowany na zagadnienia: egzoszkielety kończyny górnej, metody sterowania egzoszkieletów oraz sygnał elektromiograficzny. Opracowano 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 w oparciu o eksperyment, 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 neuronowej w celu określenia intencji ruchowej w zakresie kończyny górnej. Ww. metoda sterowania egzoszkieletem, która będzie rozwijana w kolejnych etapach porównana będzie z metodą bazującą o sterowanie pozycyjne 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 2. etapu projektu wykonano przegląd literatury ukierunkowany na aspekt budowy egzoszkieletów, ich konstrukcji oraz elementów wykorzystanych w jego budowie. Wprowadzono zmiany dotyczące procedury badań i narzędzi badawczych. W oparciu o założenia zdefiniowane w 1 etapie projektu opracowano funkcjonalny model egzoszkieletu (Rys. 1), który został finalnie sprawdzony. Opracowano schemat kinematyczny mechanizmu oraz określono jego ruchliwość. Egzoszkielet składa się z segmentu sztywno związanego z stelażem (uchwyty, sekcja zasilania oraz sterowania) oraz manipulatora zakończonego joystickiem oraz uchwytem na zaczep obciążenia. Opracowano skrypt w języku programistycznym C# kontrolujący ruch napędów w oparciu o rejestrowane i analizowane w czasie rzeczywistym sygnały przychodzące z zespołu czujników EMG lub joysticka o dużej sztywności. Wstępne testy pokazały i sprawdziły poprawność sterowania opracowanego funkcjonalnego modelu egzoszkieletu w oparciu o ww. dwie metody sterowania. Obydwie metody w sposób zadawalający pozwalają na prowadzeniu efektora egzoszkieletu w sposób zawarty w opisie testów. Wprowadzono zmiany w wstępnie opracowanym algorytmie funkcjonowania systemu (metody EMG) w oparciu o wyniki testów.

W ramach 3. etapu projektu 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 Thalmic Labs noszonej na przedramieniu (opaska zawiera 8 czujników EMG). Wykonano i przetestowano oprogramowanie sterujące egzoszkieletem wykorzystujące kontrolery oparte o sygnały 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).

Rys. 1. Funkcjonalny model egzoszkieletu wspomagającego ruch kończyny górnej, wykorzystujący dwie metody sterowania w celu ich oceny i porównania.

Jednostka: Pracownia Mechatroniki i Bezpieczeństwa Technicznego

Okres realizacji: 01.01.2017 – 31.12.2019