EGZOSZKIELET KOŃCZYNY GÓRNEJ - MODEL Z WYKORZYSTANIEM
RZECZYWISTYCH PARAMETRÓW RUCHU
Mirosław Pajor
1a, Paweł Herbin
1b,1Instytut Technologii Mechanicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
a[email protected], b[email protected],
Streszczenie
W nowoczesnych urządzeniach duży nacisk kładziony jest na komunikację pomiędzy operatorem a maszyną. Za- uważalny jest trend rozwoju interfejsów sterowania mających na celu zwiększenie interakcji pomiędzy człowiekiem i maszyną. Zastosowanie urządzeń skanujących ruchy człowieka często nie zapewnia wystarczającej interakcji z maszyną. Z pomocą przychodzą konstrukcje egzoszkieletowe umożliwiające realizacje sterowania z siłowym sprzężeniem zwrotnym. Zastosowanie tego typu sterowania umożliwia "odczucie" dynamiki, obciążenia oraz kolizji pomiędzy sterowanym urządzeniem a jego otoczeniem. Celem prowadzonych prac symulacyjnych było opracowa- nie podstawy matematycznej do budowy rzeczywistego urządzenia oraz układu sterowania Master-Slave. Uzyska- ne wyniki z modeli dynamicznych posłużyły jako dane obciążeń dla modeli obliczanych za pomocą metody ele- mentów skończonych.
Słowa kluczowe: dynamika, robot, egzoszkielet, teleoperacja
EXOSKELETON OF UPPER LIMB - MODEL USING REAL MOVEMENT PARAMETERS
Summary
In modern devices great emphasis is placed on communication between an operator and machine. Noticeable is the trend of development control interfaces designed to increase interaction between human and machine. The use of human movements scanning equipment often do not provide sufficient interaction with the machine. Come to the aid of exoskeletons constructions permitting the force-feedback control with feedback. Application of this type of control to make feel of dynamic loads and collisions between the controlled device and it is environment.
Objective of the work was to create a simulation basis for the construction of real device and control system Mas- ter-Slave. The obtained results from dynamic models been used, as information load models computed using the finite element method.
Keywords: dynamics, robot, exoskeleton, teleoperation
1. WSTĘP
Zauważalny jest trend rozwoju interfejsów komunikacyj- nych człowiek-maszyna (HMI) w kierunku zwiększenia nacisku na ergonomię i intuicyjność obsługi urządzeń[1].
Skanowanie ruchu, sterowanie gestem kończyn górnych oraz głosem operatora umożliwia wykorzystanie natural- nych metod komunikacji człowieka. Metody te jednak nie umożliwiają obustronnej interakcji z maszyną[1,2].
Konieczne jest stworzenie interfejsu umożliwiającego przekazanie informacji do użytkownika o ograniczeniach
dynamiki lub o zakresie przestrzeni roboczej, w której dane urządzanie może się poruszać. Jednym z rozwiązań może być wykorzystanie kontrolek lub komunikatów wyświetlanych na wyświetlaczu. Jednak rozwiązanie to z uwagi na konieczność koncentracji użytkownika nad wykonywaną czynnością może być nieskuteczne. Skano- wanie ruchu kończyny górnej oraz interakcja w postaci sprzężenia siłowego umożliwia integrację interfejsu ste- rowania z ruchami kończyny górnej. Urządzenie umożli-
EGZOSZK
wiające skan wane jest Egzoszkielet dzeniem umo
• wzm
• wsp
• ster stym zwro Prace nad e są prowadzon wych[3,4,5,6, kinematyką, Zaobserwowa ingerencji m Praca człowi wania uwzgle przedstawion człowiekiem a
Rys. 1. Schem (HRI ang. Hum Do najbardzi czyć:
• X-A Tele
• Upp of C
• ALE Wymienione wykorzystani wirtualnymi[4 kosmicznej z nego.
W ramach pr jana jest kon w układzie M wia interakc sterującym w praca jest wy niopomorskim
KIELET KO
nowanie wraz egzoszkieletem
w rozumieniu ożliwiającym:
mocnienie siły omaganie reha owanie obiekt mi z uwzględ
otnego.
egzoszkeletam ne przez
7]. Powstałe k sposobem n ane rozwiązani maszyny z sys ieka z maszyn edniającego in no przykładow a egzoszkielete
mat działania u man Robot Inter iej zawansowa
ARM-2 erobotics & Ha per-Limb Exos California, Los Ex- Wearable
zespoły bada iem egzoszkiel
4,5] oraz do t uwzględnieni
rowadzonych p ncepcja sterow Master-Slave.
cję urządzenia w obydwu kier
ycinkiem proj m Uniwersytec
OŃCZYNY G
ze sprzężeniem m (szkieletem
u biomechanic
ludzkich mięś abilitacji, tami wirtualny
dnieniem siło
mi kończyny g wiele zes konstrukcje ró napędu oraz ia skupione są stemem takty ną wymaga za
ntencje człowi wy schemat int
em.
układu robotycz rface)
anych konstru
EXOSKELET aptics Laborat skeleton EXO
Angeles, Bion Robotics [5,6]
awcze prowad letów do stero teleoperacji [3 iem siłowego s
prac nad egzo wania obiektam
Sterowanie te a sterowanego runkach (rys. 2 ektu realizow cie Technolog
GÓRNEJ - M
m siłowym na m zewnętrzny
cznym jest ur
śni,
ymi lub rzeczy owego sprzęże
górnej człowi społów nau óżnią się od sie funkcjonalnoś ą wokół proble ylnym człowie stosowania ste ieka[5]. Na ry terfejsu pomię
znego egzoszkie
ukcji można z
TON- E
tory [7]
O-UL7- Univer nics lab [4]
dzą badania owania obiekt 3,6] w przestrz
sprzężenia zw
oszkieletem roz mi rzeczywist ego typu umo o z urządzen 2). Prezentow anego w Zach gicznym w Sz
MODEL Z W
41 azy- ym).
rzą-
ywi- enia
ieka uko-
ebie ścią.
emu eka.
ero- s. 1 ędzy
eletu
zali-
ESA
rsity
nad ami zeni wrot-
zwi- ymi ożli- niem wana hod-
cze-
cinie, wania W ram układu szy ar Master badań doświa kończy W nin tyczny cowany towana z kinem na skła
Rys. 2.
2.
Na po człowie tematy z kine zbudow (D-H)[
niach kinema z osiam Na rys współr delowa metry Tab.
i 0 1 2 3 4 5 6 7
WYKORZYS
którego celem żurawiem sa mach projektu
u Master (egzo rtykuł dotycz r (egzoszkiele było opracow adczalnych, p yny górnej.
niejszym arty y kinematyki y na podstaw a kinematyka matyką ludzki adać się z moż
Schemat układ
MODEL EGZOSZ GÓRNEJ
odstawie budo eka [8] opraco yczny egzoszk ematyką koń wano na pods [9]. Modelowa swobody. Wsz atycznymi obr mi obrotu pos sunkach 2 i 3 rzędnych zwią anego egzoszk D-H dla modu 1. Parametry
Przegub Baza Bark
łokieć
nadgarstek
STANIEM R
m jest budowa amochodowym u budowane są oszkielet) oraz zy modelu m et). Celem pr wanie modelu podczas który
kule przedsta prostej oraz d wie następujące a egzoszkieletu iej kończyny g żliwie najmnie
du sterowanie M
MATEMA KIELETU J
owy anatomi owano odpow kieletu o kinem ńczyny górnej
stawie notacji any obiekt rea zystkie pary k rotowymi o os szczególnych 3 zaprezentow ązanych z kole kieletu. W tab ułu ramienia.
D-H dla modu
½Û ¦Û gÛ
0° ¦´ g´
90° 0 0
90° 0 0 0° Þ 0
90° 0 0
90° 0 ÞD
90° 0 0
90° ÞE 0
RZECZYWI
a interaktywn m (układ Sla ą modele mate z Slave (żuraw matematyczneg
rzeprowadzone oraz wykona ch rejestrowa
awiono model dynamiki pros ego założenia:
u winna kores górnej, jednak ejszej liczby pr
Master-Slave
ATYCZNY U KOŃCZ
icznej kończy wiadający jej m
matyce koresp j. Opis mate i Denavita-Ha alizuje ruch w kinematyczne siach pokrywa części kończyn wano położenie
ejnymi elemen beli 1 zestawi
ułu ramienia
Û ΘÛ
´ 0
à 90°
àD 90°
àE 90°
àF 90°
àá 90°
àS 90°
àâ
ISTYCH...
nego stero- ave rys.2).
ematyczne w). Niniej- go układu
ego etapu anie badań ano ruchy
l matema- stej, opra- zaprojek- spondować kże powin- rzegubów.
Y YNY
ny górnej model ma- pondującej ematyczny artenberga w 27 stop-
są parami ających się ny górnej.
e układów ntami mo- iono para-
EGZOSZK
Tab.4. Masy o zoszkieletu Człon Wspó
X [m
1 0
2 13
3 3
4 9
5 1
6 4
7 -
8 0
Na podstaw wyników pom racyjnych mo momentu na strowanych r
3. OP
Przeprowadz górnej podyk projektowane antropometry mano wymag teryzujące ko dzono także symalnych k czyny górnej.
Opracowanie i modelu ko się z położen stawów. Dla wykonano d w wieku 25 l pomiarów zos
Tab.5. Pa letu ramie i Długość
[mm]
Z uwagi na b cję egzoszkie wymiarów w konieczne jes aby urządzen ruchu stawów
KIELET KO
raz położenie śr
ółrzędne środk mm] Y [mm 0 58 35 1 3 -44 99 0 2 0 41 0 7 93
0 0
wie stworzoneg miarów przeb odelu matema pędowego wy ruchów.
PIS BADA
enie analizy ktowane było ego egzoszkiel ycznych końc gane w modelu ończynę górną
badanie mają kątów oraz dy
.
e modelu kin onstrukcji egzo niem i orienta potrzeb prze dla jednego lat i wadze 95
stały zestawio arametry wyk enia
1 Xi 0 Yi 0 Zi 0
budowę ludzk eletu należy d występujących st ograniczeni nie nie mogło w operatora.
OŃCZYNY G
rodków ciężkośc
ka ciężkości m] Z [mm]
59 8 204
9 172
12 29
0
go modelu i iegów współrz tycznego wyzn maganego do
AŃ
kinematyki lu o konieczności
letu. Na pods czyny górnej
u kinematyki ą danego osob ące na celu w ynamiki ruchó
nematyki ora oszkieletu wy acją osi obrot eprowadzonych
osobnika o kg. Wyniki p one w tabelach korzystane w m
2 3
0 0 30
0 0 0 300
kiej kończyny opasować do h pomiędzy k ie ruchomości
wykonać ruch
GÓRNEJ - M
i elementów eg-
Masa m [kg]
0,8 2,2 1,2 0,9 0,93 0,08 0,67
0
teracyjnego o zędnych konfi naczono przeb realizacji zar
udzkiej kończ ią lokalizacji stawie pomia
operatora otr wielkości char bnika. Przepro wyznaczenie m ów ludzkiej k
az dynamiki ymaga zapozn
tu poszczególn h analiz pom wzroście 18 przeprowadzon h 5 oraz 6.
module egzosz
4 5 6 00 0 0 0 0 0 0 0 0
górnej, konstr operatora. Pr kolejnymi osi i przegubów t hu poza zakre
MODEL Z W
43
-
oraz figu- biegi
reje-
yny osi arów rzy- rak- owa- mak- koń-
jak ania nych miary 2cm nych
zkie-
7 0 0 0
ruk- rócz
ami tak, sem
Tab.6.
W lite wzajem mach prawej powsze jej pr wzajem kończy w okre kątów szybkic wego z
Rys. 6.
płaszcz Na rys w pła marker czyny w tabe nym st w norm
WYKORZYS
Parametry wyk Numer układ
1XPHUSDOFDL
1 X [m Y [m Z [m
2 X [m Y [m Z [m
3 X [m Y [m Z [m
4 X [m Y [m Z [m
5 X [m Y [m Z [m
eraturze opisy mnego położen badań wstęp j kończyny g echnie znanej ostotę przy mnego położen yny. Metoda eślonych płasz
dokonano z ch Phantom zaprezentowan
Schemat stanow yzn wykorzysty s. 6 zaprezent aszczyźnie ho rów wyznaczo
górnej. Otrz eli 7. Przedsta
topniu zbliżon mie ISOM(z a
STANIEM R
korzystane w mo du i 1
mm] 26 mm] 0 mm] 54 mm] 100 mm] 0 mm] 40 mm] 100 mm] 0 mm] 12 mm] 100 mm] 0 mm] -12 mm] 100 mm] 0 mm] -32
ywanych jest nia członów k pnych zrealiz górnej operat metody SFTR zadowalającej nia kątowego
SFTR umo zczyznach ciał wykorzystan v710. Schema no na rys. 5.
wiska pomiarow ywanych w meto towano klatki oryzontalnej.
ono kąty pom zymane warto awione w tab ne do zakresów ang. Internatio
RZECZYWI
odule egzoszkiele 2 3 4 0 60 45 0 0 0 0 0 0 0 50 34 0 0 0 0 0 0 0 56 32 0 0 0 0 0 0 0 50 32 0 0 0 0 0 0 0 40 27 0 0 0 0 0 0
wiele metod kończyn [10,1
owano pomia tora z wykor R [12,13,14] z j dokładności odpowiednich ożliwia pomi ła człowieka.
niem kamery at stanowiska
wego z uwzględn odzie SFTR
nagrania ruc Na podstawi między elemen ości zostały z beli 7 dane są w ruchu prezen
onal Standard
ISTYCH...
etu ręki 5 35 0 0 35 0 0 25 0 0 28 0 0 24 0 0
d pomiaru 1]. W ra- ary ruchu rzystaniem z uwagi na i pomiaru h członów ar kątów Pomiarów
do zdjęć a pomiaro-
nieniem
chu zgięcia ie pozycji ntami koń-
zestawione ą w znacz-
ntowanych d Orthope-
dic Measurem literaturze[8]
Tab.7. Zakresy
Nazwa stawu
1
Obręcz kończyny
górnej
Staw łokciowy
Staw pro- mieniowo- nadgarst- kowy
Staw nad- garstkowo- śródręczny
I Staw śród-
ręczno- palcowy I Staw śród- ręczno- palcowy II-
V Staw mię- dzypalicz- kowy I Staw mię- dzypalicz- kowe bliż- sze II-V Staw mię- dzypalicz- kowe dalsze
II-V Model m wprowadzeni wie zarejestr elementów k
ments) oraz d .
y kątowe
rodzaj ruchu
2 wyprost-0- zgięcie odwodzenie-0- przywodzenie wyprost-0- zgiecie rotacja zew-0- rot wew.
rotacja zew-0- rot wew.
wyprost-0- zgięcie supinacja-0- pronacja wyprost-0- zgięcie Odwracanie- promieniowe- 0-odwracanie łokciowe wyprost-0- zgięcie odwodzenie-0- przywodzenie odprowadza- nie-0- obwodzenie wyprost-0- zgięcie wyprost-0- zgięcie odwodzenie-0- przewodzenie wyprost-0- zgięcie
wyprost-0- zgięcie
wyprost-0- zgięcie
matematyczny a ograniczeni rowanych dan kończyny górn
do danych pr
Symbol płasz- czyzny Normy wg
3
S 50-
F 17
T 30-
R(F0) 60
R(F90) 90
S 0-
R 90
S 50
F 20
VF 30
VS 4
CR 20
S 5-0-
S 30-0
F Zmi
S 15-0
S 0-0-
S 0-0- y uzupełnion a ruchu kąto ych poprzez p nej podczas ru
rzedstawionych
ISOM w stop- niach Zarejestrowane
4 5
0-170 50-0-1
70-0-0 170-
0-135 27-0-1
0-0-70 60-0
0-0-80 90-0
0-150 0-0-1
0-0-80 89-0
0-0-60 50-0
0-0-30 20-0
0-0-15 30-0
40-0-0 40-
0-0-90 19-0
50 5-0-51
0-90 30-0-90
ienne
0-85 24-0-90
100 0-0-102
80 0-0-85 no o możliw owego na pod
pomiar położe uchów w okre
h w
165
-0-0
135
0-70
0-78
148
0-78
0-55
0-32
0-18
-0-0
0-91
wość sta- enia eślo-
nych s czono jakie Uzyska napędo prostej
4.
Dla ot tów w czeń w Na rys dla na przeds
Rys. 7.
kończyn
Rys. 8.
czyźnie
Rys. 9.
numer
stawach. Róż maksymalne można wygen ane dane służ owych przy uż j.
WYNIK
trzymanych d ymaganych do wykorzystano
sunkach 8 - 10 ajbardziej obc tawionego na
Zgięcie w płasz ny górnej)
Wykresy param horyzontalnej
. Moment napę 1
PRPHQWQDSĊGRZ\>1P@
niczkując poł prędkości i nerować bez żą do wyznac życiu opracow
KI
danych wykon o realizacji za opracowany m 0 zaprezentowa ciążonych prz
rysunkach 6 o
zczyźnie horyzon
metrów ruchu po
ędowy wymaga
F]DV>V@
łożenie kątow przyspieszeni szkody dla czenia sił i m wanego modelu
nano obliczeni adanego ruchu model dynami ano momenty zegubów podc
oraz 7.
ntalnej (staw ob
odczas zgięcia w
ny do ruchu w
we, wyzna- a kątowe, operatora.
momentów u dynamiki
a momen- u. Do obli- ki prostej.
napędowe zas ruchu
bręczy
w płasz-
w przegubie
EGZOSZK
Rys. 10. Mome numer 2
Rys. 11. Mome numer 3 Wyznaczone węzły egzosz analiz wytrz niem metody wielkości urz egzoszkieletu wane (komp konstrukcyjn koncepcyjnym Na rys. 11 modelu MES wahliwego o wynikającym prezentuje ro strukcji prop żonego siłam dynamiki pro sztywnościow letu. Prace p
Literatura
1. Stateczn units. “A 2. Pajor M
„Napędy 3. Schiele A
ral Syste
PRPHQWQDSĊGRZ\>1P@
PRPHQWQDSĊGRZ\>1P@
KIELET KO
ent napędowy w
ent napędowy w
momenty na zkieletu posłu
ymałościowyc y elementów ządzeń wykon . Zakładano b ponenty hand nych pod wzglę
m zapropono przedstawiono S koncepcyjn osi 4 obciążo mi z modelu dy ozkład przemi onowanego sił mi i momenta ostej. Obliczen wym poddano prowadzono it
a
ny K., Pajor M Advances In M ., Stateczny K y i sterowanie”
A.., van der H ems and Rehab
OŃCZYNY G
wymagany do ru
wymagany do ru
apędowe oraz żyły, jako da ch wykonanyc skończonych nawczych napę
bowiem, że bę lowe nie spe ędem gabaryto owano napęd o przykładow nego hydraulic onego siłami o ynamiki egozos ieszczeń wystę łownika wahli ami wyznaczo niom wytrzym każdy z prze teracyjnie w c
M.: Project of a Manufacturing K., Urbański Ł
” 2015, nr 1 s.
elm F.C.T:: K bilitation Eng
F]DV>V@
F]DV>V@
GÓRNEJ - M
uchu w przegubi
uchu w przegubi
siły obciążaj ane wejściowe ch z wykorzy oraz do oblic ędzających uk ędą one projek ełniają wymog owym). Na eta dy hydraulicz we symulacje cznego siłown oraz moment szkieletu. Rys ępujących w k
wego osi 4 ob onymi z mod małościowym o gubów egzosz celu zminimal
a manipulation g Science And Ł.: Układ do m
50-54.
Kinematic des gineering” 2006
MODEL Z W
45
ie
ie
jące do sta- czeń kład kto- gów apie zne.
dla nika ami . 11 kon- bcią- delu oraz zkie-
lizo-
wania nia obc
Rys. 12 kinema momen
5.
Egzosz tronicz Zastos koresp uprasz zmniej i anali tów na egzoszk bezład dowyc sowani tu koń W tak wymag począw mentów kończą Jednym sensusu muszą planow eksper matem tu PBS
n system for m Technology”2 manualnego pr
sign to improv 6, No. 4, Vol.
WYKORZYS
masy egzoszk ciążenia napęd
2. Rozkład przem atycznej obrotow ntami wynikając
PODSU
zkielet kończy znym, bardzo
owanie mod pondującego z zcza konstrukc szenie ilości iz umożliwiło apędowych, kt kieletu. Z uwa dności na war
h, w procesie ie optymalizac ńczyny górnej k zaawansow gane jest zast wszy od senso w występując ąc na pomi m z bardzo t u pomiędzy z ze sobą wspó wane jest wyk
ymentalnych matycznego.
PrS3/A6/28/201
manual movem 2011, nr 4, p.
rzesuwu zespo
ve ergonomics 14, p. 456-469
STANIEM R
kieletu, a co z dów.
mieszczeń w mo wej obciążonej m
ymi z modelu d
UMOWAN
yny górnej jes o zaawansow delu kinemat kinematyką lu cję analizowan
przegubów. P wyznaczenie tóre wymagan agi na duży w rtość wymaga
projektowani cji wymiarów ze względu n wanym urządz
tosowanie wie orów położeni cych w poszc arach elektr trudnych zada zastosowanym
ółpracować. W onanie modelu prowadzących race realizowa 15 finansowane
ment of CNC m 33-41.
ołów korpusow
in human mac 9.
RZECZYWI
za tym idzie,
odelu siłownika maksymalnymi s dynamiki
NIE
st urządzeniem wanym techn
tycznego egz udzkiej kończy nego urządzeni
Przeprowadzen maksymalnyc ne są do realiz wpływ mas i m anych moment
ia konieczne j elementów eg na minimaliza zeniu mechat
elu rodzajów ia poprzez po czególnych pr omiograficzny ań jest osiągn mi komponenta W dalszym et u rzeczywisteg h do weryfikac ane są w rama
ego przez NCB
machine tool b
wych obrabiark
chine interacti
ISTYCH...
zmniejsze-
3 pary siłami i
m mecha- ologicznie.
zoszkieletu yny górnej ia, poprzez nie badań h momen- zacji ruchu
momentów tów napę- jest zasto- gzoszkiele- ację masy.
ronicznym sensorów, omiar mo- rzegubach, ych(EMG).
nięcie kon- ami, które
tapie prac go i badań cji modelu ach projek-
BiR.
body
ki CNC.
ion. ”Neu-
4. Perry J.C., Rosen J., Burns S.: Upper-limb powered exoskeleton design. „IEEE Transactions on Mechatronics”, 2007, No. 4, Vol. tom 12, p. 408-417.
5. Aiple M., Schiele A.: Pushing the limits of the CyberGraspTMfor haptic rendering. ”IEEE International Confer- ence of Robotics and Automation”, 2013, p. 3541-3546.
6. Rebelo J., Schiele A.: Master-slave mapping and slave base placement optimization for intuitive and
kinematically robust direct teleoperation. “IEEE International Conference on Control, Automation and Systems”
2012, p. 2017 – 2022.
7. Schiele A., Hirzinger G.: A new generation of ergonomic exoskeletons – the high-performance X-Arm-2 for space robotics telepresence. “Intelligent Robots and Systems”, 2011, p. 2158 – 2165.
8. Bochenek A., Reicher M., Bilikiewicz M.: Anatomia ogólna: kości, stawy i więzadła, mięśnie. Warszawa: Wyd.
Lekarskie PZWL, 2007. ISBN 978-83-200-3682-4.
9. Craig J.J.: Wprowadzenie do robotyki; mechanika i sterowanie. Warszawa: WNT, 1995. ISBN 83-204-1835-6.
10. Chih-Ying Yang E.:: A novel measurement of intersegmental forces exerted on human lower limbs during for- ward falling and regaining balance motions. “Measurement” 2015, No. 60, p. 114–120.
11. Chih-Ying Yang E., Ming-Hsu Mao M.-H.: Analytical model for estimating intersegmental forces exerted on human lower limbs during walking motion. “Measurement” 2014, No. 56, p. 30-36.
12. Kinezyterapia. Pr. zbior. pod red. A. Zembatego. Kraków: Wyd. "Kasper", Sp. z o.o., 2002. ISBN 83-910437-4-6.
13. Biomechanika narządu człowieka. Pr. zbior. pod red. D. Tejszerskiej, E. Świtońskiego, M. Gzika, Radom : Wyd.
Nauk. Instytutu Technologii Eksploatacji - PIB, 2011. ISBN 978-83-7204-998-8
14. Buldt A.K., Levinger P., Murley G.S., Menz H.B., Nester C.J., LandorF K.B.: Foot posture is associated with kinematics of the foot during gait: a comparison of normal, planus and cavus feet. “Gait & Posture” 2015, No.
42, p. 42-48.