Sistem za posnemanje spotikanja in pomoč pri zamahu noge pri hoji po tekočem trakuTomc, Matej (Avtor) Mihelj, Matjaž (Mentor) Matjačič, Zlatko (Komentor) padecrehabilitacijamožganska kaptetivni robotspotikanjecikel hojesimulacijaPadci predstavljajo visoko tveganje za poškodbo, zlasti pri starejših. Pacienti, ki okrevajo po možganski kapi, imajo slabše dinamično ravnotežje, zato so za padce dodatno dovzetni. Poleg tega imajo zaradi oslabelosti mišic in spastičnosti v svojem vzorcu hoje številne nepravilnosti. Vzrok velikega deleža padcev so spotiki. V procesu rehabilitacije je pomembno, da iz pacientovega cikla hoje eliminiramo deviacije od zdravega cikla hoje, katerih prisotnost povečuje tveganje za spotik in padec. Ker se spotikanju v realnem okolju ne moremo izogniti, je pomembno, da je v rehabilitacijski proces vključen tudi trening povrnitve dinamičnega ravnotežja. Skozi trening se pacient nauči strategij, ki mu omogočajo, da se kljub spotiku izogne padcu. V modernih programih rehabilitacije si veliko pomagamo z roboti. Naš cilj je razviti napravo za rehabilitacijo spodnjih ekstremitet pri hoji po tekočem traku, ki deluje po zgledu tetivnih robotov. Naprava bo modularna, cenovno dostopna in varna, saj razen tekočega traku ne bo vsebovala aktivnih elementov. V tem delu predstavljamo razvoj dveh podsistemov naprave. Prvi je sistem za posnemanje spotikanja, drugi pa za pomoč pri zamahu noge pri hoji po tekočem traku. Razvili smo napravo za posnemanje spotikanja in izdelali njen prototip. Naprava omogoča izvajanje perturbacij na nogo med hojo po tekočem traku. Perturbacijo predstavlja zaustavitev gibanja gležnja v anteriorni smeri za kratek časovni interval. Delovanje naprave smo evalvirali na enem zdravem prostovoljcu. Prostovoljec je hodil po instrumentacijskem tekočem traku, s katerim smo merili reakcijsko silo podlage v vseh smereh ter mesto prijemališča reakcijske sile podlage na tekočem traku. Na izbranih anatomskih mestih telesa prostovoljca so bili nameščeni odsevni markerji, s pomočjo katerih smo s sistemom kamer za zajem gibanja posneli kinematiko segmentov telesa. Prostovoljec je hodil pri treh počasnih hitrostih hoje. Rezultati kažejo, da algoritem za proženje perturbacij razpoznava cikle hoje ter robustno in ponovljivo proži perturbacijo v izbranem trenutku znotraj cikla hoje. Meritve sile podlage in prijemališča sile podlage kažejo, da je ravnotežni odziv po perturbaciji podoben ravnotežnim odzivom po spotiku, ki jih najdemo v literaturi. Posnetek kinematike segmentov telesa nakazuje na to, da lahko z ustrezno nastavitvijo dolžine perturbacije in hitrosti tekočega traku ponovljivo izzovemo strategije za povrnitev ravnotežja, ki jih opisuje literatura. Sistem za pomoč pri zamahu noge pri hoji po tekočem traku smo razvili v simulacijskem okolju. Izdelali smo dinamični model noge, ki posnema delovanje trisegmentnega ravninskega serijskega robotskega mehanizma. Dinamiko noge v zamahu smo modelirali z Newton-Eulerjevo metodo. Oslabelost mišic smo modelirali z zmanjšanimi navori v sklepih, spastičnost pa kot povečani mišični tonus, ki ustvarja navore v sklepih, ki zavirajo gibanje. Zamah hemiparetične noge smo želeli popraviti z uporabo elastičnih vrvi. V elastičnih vrveh se v fazi opore shrani energija, ki jo v sistem vnaša tekoči trak, v fazi zamaha pa vrvi pomagajo, da hemiparetična noga izvede zamah, katerega kinematika je čim bolj podobna zamahu pri zdravi hoji. Za vsako elastično vrv je mogoče izbrati trenutek začetka napenjanja in trenutek prenehanja delovanja vrvi. Simulirali smo vodenje sistema z genetskim algoritmom ter z algoritmom vodenja z iterativnim učenjem (ILC). Oba algoritma omogočata zadovoljivo vodenje napenjanja in delovanja elastičnih vrvi v simulacijskem okolju. V obeh primerih lahko z uporabo elastičnih vrvi dosežemo, da postane zamah hemiparetične noge v ključnih parametrih bolj podoben zamahu zdrave noge. Zaradi lažje implementacije bomo v realnem sistemu za vodenje uporabili algoritem vodenja z iterativnim učenjem. S pomočjo simulacije smo določiti tudi ostale proste parametre pri načrtovanju sistema. Iz evalvacije prvega podsistema sklepamo, da je človekov odziv na perturbacijo, ki jo izvedemo z našo napravo za posnemanje spotikanja, dovolj podoben odzivu na spotik ob fizično oviro, da bi bilo napravo smiselno uporabiti v postopku rehabilitacije. Rezultati simulacijske študije sistema za pomoč pri zamahu noge pri hoji po tekočem traku kažejo, da je sistem pripravljen za implementacijo in primeren za uporabo v rehabilitaciji hoje pacientov, ki okrevajo po možganski kapi.20202020-09-01 09:50:01Magistrsko delo/naloga118881VisID: 51281sl