Domači projekti in projekti ARRS

Mehanizmi vzdrževanja dinamičnega ravnotežja med hojo človeka

ARRS PROJEKT J2-8172

Vzdrževanje dinamičnega ravnotežja je prisotno tako pri gibanju človeka, kot tudi pri gibanju bipedalnih robotov. Čeprav je področje vzdrževanja dinamičnega ravnotežja med stojo dokaj dobro raziskano, je področje hoje ob delovanju motilnih sunkov slabše raziskano, še posebej to velja za medsebojna razmerja med težiščem (CoM), prijemališčem reakcijske sile (CoP), reakcijskimi silami podlage (GRF) in podporno ploskvijo (BoS). Posledično je naše znanje o temeljnih nevrofizioloških in biomehanskih procesih, ki se izvajajo pri vzdrževanju dinamičnega ravnotežja med hojo, pomanjkljivo, kar znatno omejuje uspešnost rehabilitacije hoje. Posledično smo omejeni tudi pri vodenju bipedalnih robotov in eksoskeletov. Eden izmed razlogov za slabše razumevanje vzdrževanja ravnotežja med hojo je tudi pomanjkanje primernih eksperimentalnih metod, ki bi po eni strani omogočale neovirano gibanje človeka, po drugi pa bi omogočale ponovljive in dobro definirane perturbacije, ki bi izzvale ponovljive dinamične odzive ravnotežnih reakcij med hojo.

Predlagani projekt bo omogočil napredek obstoječega stanja tehnike in bo imel pozitiven učinek na več področij, ki so povezana s preučevanjem ohranjanja dinamičnega ravnotežja pri človeški hoji. Naprava BAR-TM, ki smo jo razvili in ki je v postopku podelitve patenta, je edinstvena, saj med hojo po merilnem tekočem traku omogoča izvajanje dobro definiranih in ponovljivih sunkov v smeri medenice. S to napravo bomo lahko podrobno raziskali elektromiografske, kinetične in kinematične karakteristike ravnotežnih odzivov na skupini nevrološko zdravih oseb. Prvič bomo lahko sistematično spreminjali hitrost hoje, jakost, smer in trenutke začetka perturbacijskih sunkov. Uporaba tega orodja nam bo omogočila temeljit vpogled v organizacijo ravnotežnega aparata pri človeški hoji. Omogočeno nam bo tudi raziskovanje medsebojnega odnosa več ravnotežnih strategij (modulacija CoP pod stojno nogo, lokacija dostopa noge v zamahu, modulacija GRF preko sprememb vrtilne količine – “strategija kolka”), ki so odvisne od hitrosti hoje in parametrov perturbacij (jakost, smer, trenutek izvedbe perturbacije). Na podlagi rezultatov dobljenih pri hoji naravnost po merilnem tekočem traku, bomo razvili inovativen kinematični model, ki bo temeljil na inercialnih senzorskih sistemih (IMU), optičnih senzorjev in merilnih sistemih vgrajenih v robotsko napravo. Glavni cilj tega dela raziskave bo oceniti GRF in CoP iz meritev kinematike in primerjati dobljene rezultate z dejanskimi vrednostmi GRF in CoP, ki bodo izmerjene z uporabo merilnega tekočega traku. To nam bo omogočilo raziskati ravnotežne odzive pri spreminjanju smeri hoje po tleh (BAR-OG), kjer ne moremo direktno izmeriti GRF in CoP-a. Izvedli bomo tudi več študij na izbranih posameznikih po kapi, kjer bomo raziskali mehanizme vzdrževanja dinamičnega ravnotežja pri posamezni osebi med hojo po tekočem traku, kot tudi med spreminjanjem smeri hoje po tleh. Pri tem bomo uporabili podobno metodologijo kot pri obravnavi zdravih oseb. Na podlagi rezultatov posameznikov po kapi bomo predlagali, izvedli in ocenili postopek prilagoditve vadbe posameznemu pacientu, ki se bo osredotočala na izboljšanje zmožnosti ohranjanja ravnotežja in splošne simetrije med hojo.

Predhodno smo razvili robotski sistem, ki je z uporabnikom povezan preko medenice in omogoča neovirano gibanje medenice v vseh šestih prostostnih stopnjah (DOF). Tri DOF so pasivne (translacija medenice v vertikalni smeri ter rotaciji okoli sagitalne in lateralne osi), ostale tri DOF pa so aktivne in admitančno vodene (translaciji medenice v sagitalni in lateralni smeri ter rotacija okoli vertikalne osi). Medenični robot smo poimenovali BAR (angl. Balance Assessment Robot) in je bil zgrajen v dveh primerkih. Prvi primerek je nameščen na mobilno platformo za hojo po tleh (BAR-OG), drugi pa na merilni tekoči trak (BAR-TM). Oba robotska sistema sta zmožna izvajati ponovljive in dobro definirane perturbacije v smereh, ki so prikazane na Sliki 1. Podrobnejši opis mehanizma, vodenje in lastnosti sistema BAR so podani v (Olenšek in ostali, 2016). Obe napravi metodološko predstavljata osrednji del tega raziskovalnega projekta, saj ponujata ponovljivo in varno okolje generiranja perturbacij, kot tudi možnosti ocenjevanja gibanja medenice. Izmerimo pa lahko tudi interakcijske sile med robotom in medenico uporabnika. Sestavni del BAR-TM-ja je širok tekoči trak, ki ga poganja asinhronski elektromotor. Motor krmilimo preko frekvenčnega inverterja, ki nam omogoča natančno vodenje hitrosti tekočega traku. Z uporabo štirih tri-osnih senzorjev sile, ki so nameščeni pod tekočim trakom merimo/ocenjujemo GRF in CoP. Z uporabo infrardeče kamere in odbojnih markerjev (Optitrack, Natural Point Inc.) lahko ocenimo gibanje stopal, z uporabo sistema inercialnih senzorjev IMU, razvitega na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, pa lahko ocenimo orientacije delov telesa. Slika 2 prikazuje primer zajetih meritev pri osebi po kapi med uporabo sistema BAR-TM.

Slika 1. Eksperimentalna instrumentacija. BAR-OG (levo); haptično vodene DOF (sredina); BAR-TM (desno).


Slika 2. Niz meritev izbrane osebe po preboleli možganski kapi med hojo s hitrostjo 0,3 m/s na BAR-TM. Kinematika medenice (CoM), haptične sile med robotom in medenico osebe (Fx, Fy in Mz), CoPX, CoPY , GRFX, GRFY in GRFZ so prikazani za neperturbirano in perturbirano hojo (leva stran). Odtisi stopal neperturbirane (siva) in perturbirane (črna) so prikazani na desni strani. Perturbacija je bila usmerjena v levo in je nastopila ob dostopu leve noge (koordiante 0,0).

Vizitka

Faze projekta

Projektna skupina

Objave

English