Studiul și proiectarea unui exoschelet pentru reabilitare [302214]

UNIVERSITATEA „LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

MAȘINI ȘI ECHIPAMENTE INDUSTRIALE

PROIECT DE DIPLOMĂ

Coordonator științific: Absolvent: [anonimizat]

2018

UNIVERSITATEA „LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

MAȘINI ȘI ECHIPAMENTE INDUSTRIALE

PROIECT DE DIPLOMĂ

Studiul și proiectarea unui exoschelet pentru reabilitare

Sibiu

2018

Cuprins

1. INTRODUCERE 3

1.1. Mecatronica în domeniul medical 3

1.2. Exoscheletul 4

1.2.1 O scurtă istorie a exoscheleților 4

1.2.2 Definirea conceptului de ”exoschelet” 6

1.2.2 Clasificarea Exoscheleților 8

2. Aparatură medicală și exoscheleți pentru reabilitare 12

2.1 Reabilitare Medicală 12

2.1.1 Definirea conceptului de reabilitare 12

2.1.2 Clasificarea metodelor de realibitare 14

2.2 Aparatură medicală în scopuri recuperatorii 16

2.2.1 Orteza 16

2.2.2 Proteza 17

2.2.3 Scaunul cu rotile 19

2.2.4 Implant cohlear 21

2.2.5 Proteza retiniană 22

2.2.6 Alte exemple 25

2.3 Exoscheleți medicali pentru recuperare 27

2.3.1 Definirea exoscheleților medicali pentru reabilitare 27

2.2.2 Exoscheleți pentru recuperarea extremităților superioare 29

2.2.3. Exoscheleți pentru recuperarea extremităților inferioare 32

2.3.4 Exoscheleți pentru recuperare vs. Exoscheleți pentru augmentare 36

3.2.5 Exemple de exoscheleți pentru recuperare 37

3. Proiectarea unui exoschelet de recuperare 39

3.1 Utilizare 40

3.2 Soluție constructivă 41

3.3 Proiectarea sistemului de acționare 52

3.3.1 Calcul de dimensionare al motoarelor 55

3.3.2 Calcul de dimensionare al angrenajelor roților dințate 66

3.4 Proiectarea sistemului de comandă 76

4. Concluzii 86

4.1 Bibliografie 87

4.2 OPIS 89

Rezumat

Am ales ca temă dezvoltarea unui exoschelet de reabilitare medicală ca urmare a interesului meu față de acestă ramură a mecatronicii. Domeniile utilizate în proiectarea exoscheletului sunt: mecanica, electronica și informatica. [anonimizat], fapt ce are ca și urmări imposibilitatea sau îngreunarea activităților de zi cu zi. Majoritatea oamenilor care au suferit de leziuni la nivel muscular întâmpină dificultăți în ridicarea obiectelor sau chiar în simple mișcări ale mâinii.

[anonimizat] (flexie – extensie, [anonimizat], abducție – adducție), [anonimizat] a [anonimizat] a antebrațului.

În urma unei analize a [anonimizat] a [anonimizat] o variantă de exoschelet ce se atașează părții superioare a corpului. Motoarele și mecanismele fiind amplasate în proximitatea purtătorului avantajând posibilitatea locomoției.

[anonimizat], o placă de dezvoltare Arduino Mega și un driver pentru a controla motoarele în executarea mișcărilor brațului. Sistemul senzorial se bazează pe electromiografia musculară.

Motoarele alese sunt motoare pas cu pas deoarece acestea permit un control precis al întregului exoschelet și deasemenea permit susținerea greutății întregului ansamblu.

Beneficiile medicale ale exoscheletului pe care am ales să îl dezvolt sunt:

Evidențiază orice funcție motorie rămasă în urma unei leziuni;

Chiar și pacienții cu deficiențe moderate pot exersa în mod independent și pot beneficia de terapia de mișcare foarte intensivă, repetitivă și autodirijată;

Montarea exoscheletului este ajustabilă în funcție de capacitățile pacienților

Pacienții care prezintă doar urme ale funcției motorii pot integra funcția rămasă în cadrul exercițiilor funcționale intense;

Crește mobilitatea articulară;

Sporește forța și rezistența;

Facilitează mișcărea inițiată de către pacient;

The project summary

I chose to develop a medical rehabilitation exoskeleton as a result of my interest in this branch of mecatonics. The areas used in exoskeleton design are: mechanics, electronics and computer science. The developed exoskeleton aims to recover the functions of the upper limb because many people suffer from various muscular diseases or weaknesses of the locomotor system, which has the effect of imposing or hampering daily activities. Most people who have suffered from muscular injuries have difficulty in lifting objects or even simple hand movements.

The developed model has five degrees of mobility, namely the three anatomical movements of the shoulder (flexion – extension, internal rotation – external rotation, abduction – adduction), the flexion movement – the extension of the arm and the pronation movement – the supination of the forearm.

Following an analysis of the existing models and their use, we designed a variant of an exoskeleton that attaches to the upper body. The engines and mechanisms are located in the proximity of the wearer, advancing the possibility of locomotion.

We chose as a control system, a Muscle Activity Sensor System, an Arduino Mega Development Plate, and a driver to control the engines in executing arm movements. The sensory system is based on muscular electromyography.

The chosen motors are step-by-step motors because they allow precise control of the entire exoskeleton and support the weight of the whole assembly.

The medical benefits of the exoskeleton I chose to develop are:

Highlight any motor function left behind by an injury;

Even patients with moderate impairment can exercise independently and can benefit from very intensive, repetitive and self-medicated therapy;

Mounting of the exoskeleton is adjustable according to the capacities of the patients

Patients with only traces of motor function can integrate the remaining function in intense functional exercises;

Increases articular mobility;

Increases strength and resistence;

Facilitates patient-initiated movement.

1. INTRODUCERE

1.1. Mecatronica în domeniul medical

Mecatronica este tehnologia care conectează mai multe sisteme împreună, cum ar fi ingineria electrică, mecanică și de calcul. Mecatronica este una dintre cele mai rapide tehnologii din lume, renumele se datorează capacității sale de a fi utilizată în diferite domenii. Domeniul medical nu este exclus din listă[1].

Sistemele mecatronice au avantajul de a putea lua decizii inteligente ca răspuns la ceea ce este perceput în mediul înconjurător. Domeniul medical prezintă provocări unice pentru dezvoltarea dispozitivelor mecatronice care pot contribui la avansarea unor opțiuni de tratament mai eficiente și mai puțin invazive[1].

Progresele în tehnologia de sănătate au plasat tehnologia biomedicală ca un factor major în economiile globale bazate pe cunoaștere. O intervenție reușită a asistenței medicale depinde nu numai de capacitatea sau experiența doctorilor, ci și de adecvarea instrumentelor medicale și a dispozitivelor de asistență. În plus, ajutoarele tehnice și dispozitivele de asistență pentru persoanele vârstnice sau persoanele cu dizabilități motorii grave devin o atenție sporită pentru societatea în curs de îmbătrânire din întreaga lume și sunt utilizate frecvent în viața de zi cu zi. Ca urmare, mecatronica medicală devine o tehnologie importantă în curs de dezvoltare pentru îmbunătățirea asistenței medicale[1].

Mecatronica medicală este integrarea tehnologiilor și a cunoștințelor din diverse domenii, analiza clinică a datelor în timp real, proiectarea sistemului electric și mecanic, dezvoltarea robotului asistiv și algoritmii de învățare profundă. Deși mecatronica medicală s-a dovedit a fi un succes în aplicațiile de asistență medicală, există în continuare dificultăți și provocări de depășit. De exemplu, cele mai multe dispozitive / roboți de asistență anterioare au fost dezvoltate pentru a furniza pacienților cursuri de reabilitare în spital. Odată cu creșterea rapidă a populației în curs de îmbătrânire, aceste dispozitive de asistență trebuie să aibă dimensiuni mai mici, costuri de producție mai ieftine și mai multă siguranță pentru a îndeplini cerințele de reabilitare internă. Ca urmare, componentele medicale mecatronice din aceste dispozitive / roboți de asistență trebuie să fie reproiectate[1].

Inovațiile potențiale includ, dar nu se limitează la următoarele:

Rețele noi de senzori corporali pentru evaluarea fizică (de exemplu, detectarea tactilă, frecvența cardiacă și tensiunea arterială)

Sisteme / roboți mecatronici de asistență medicală pentru reabilitarea internă

Roboți de chirurgie vizuală de înaltă precizie și design flexibil

Sisteme de intervenție avansate integrate de calculator

Următoarea generație de design de interfață om-calculator pentru sisteme mecatronice medicale (de exemplu, interfața creier-computer pentru proteză / controlul scaunului cu rotile)

Aplicații promițătoare ale sistemelor / roboților mecatronici medicali în domeniul asistenței medicale

1.2. Exoscheletul

1.2.1 O scurtă istorie a exoscheleților

Dezvoltarea exoscheletului robotic a început în a doua jumătate a secolului al XX-lea. În jurul anului 1965, General Electric (în SUA) a început să dezvolte hardimanul, un exoschelet de dimensiuni mari, destinat să sporească puterea utilizatorului pentru a permite ridicarea obiectelor grele. Primii exoscheleți pentru asistența de mers au fost dezvoltați la sfârșitul anilor 1960 la Institutul Pupin Mihajlo din Serbia și la începutul anilor 1970 la Universitatea din Wisconsin-Madison din SUA. Din cauza limitărilor tehnice ale timpului și a lipsei de experiență și cunoștințe, a durat încă câteva decenii până când tehnologia a ajuns la maturitate, iar primele mecanisme au fost pregătite pentru piață[2].

Odată cu începutul secolului XXI, primi exosheleți și-au făcut drumul către piață și au fost accesibili unui număr din ce în ce mai mare de utilizatori. Una dintre primele aplicații a fost pentru reabilitarea mersului în accident vascular cerebral și la pacienții răniți la maduva spinării. Un prim exemplu este Lokostem exoskeleton de reabilitare a mersului care a fost lansat în 2001 și este utilizat în spitale și centre de reabilitare la nivel mondial. În 2013, compania care a fabricat Lokomat (Hocoma AG) a anunțat livrarea celui de-al 500-lea dispozitiv[2].

Dezvoltarea a continuat în primul deceniu al secolului XXI într-un număr tot mai mare de laboratoare și companii de cercetare. Spre sfârșitul deceniului, s-au prezentat mai multe prototipuri de exoscheleți militari care vizează creșterea rezistenței utilizatorului. Unele exemple, ar fi exoscheletul Raytheon XOS, care este un exoschelet complet al corpului, și "Human Universal Load Carrier" (HULC) fabricat de Lockheed Martin, care îi sprijină pe utilizatori să poarte un rucsac greu[2].

Începând cu anul 2010, au fost prezentați și introduși treptat pe piață exoscheleții de asistență și restaurare a mersului. Cei mai mulți dintre aceștia sunt concepuți pentru a permite utilizatorilor paraplegici să părăsească scaunul cu rotile și să meargă în poziție verticală cu suportul dispozitivului. Dispozitivul Rewalk (Rewalk Robotics) și Exoscheletul Indego (Parker Hannifin) care se bazează pe un sistem de cercetare de la Universitatea Vanderbilt, ar putea fi prezentate ca și exemple[2].

Din ce în ce mai multe prototipuri primesc certificare (de exemplu CE în Europa sau FDA în SUA) pentru uz clinic și, de asemenea, pentru utilizare în afara spațiilor medicale, ceea ce reprezintă un pas important spre piața internă. În septembrie 2016, compania ReWalk a anunțat cel de-al 100-lea exoschelet livrat pentru uz casnic[2].

Pe lângă aplicațiile medicale și militare, mai multe companii au început să dezvolte exoscheleți pentru uz industrial și, recent, în jurul anilor 2014-2015, au fost introduse primele sisteme. În special pentru această aplicație, sistemele pasive (neactivate) sunt din ce în ce mai populare, deoarece dispozitivele de acționare nu sunt necesare pentru a scuti utilizatorul exoscheletului de sarcină utilă sau greutate corporală. Pentru anumite aplicații, exoscheletul unic articulat (doar o articulație) este suficient pentru a asigura suport. Acest lucru are ca rezultat dispozitive care sunt mai ușoare și mai ieftine decât cei acționați[2].

Într-un efort de a reduce în continuare constrângerile care pot fi cauzate de dimensiunea, greutatea și structura rigidă a exoscheleților, conceptul de exosuits a apărut în ultimii ani. Aceste dispozitive moi, robotice sunt în principal fabricate din textile și pot fi purtate ca și haine. Acestea oferă suport prin cabluri acționate care sunt integrate în textile sau prin dispozitive de acționare moi și ușoare (de exemplu actuatoare pneumatice speciale) situate la nivelul articulațiilor[2].

Activitatea de pionierat a fost efectuată de Institutul Wyss de la Universitatea Harvard, care a dezvoltat exosuits pentru a sprijini mersul pe jos. Astăzi, mai multe laboratoare de cercetare din întreaga lume sunt în curs de dezvoltare exosuits. În 2017, Rewalk Robotics a anunțat că a acordat licență tehnologiei exosuit de la Harvard și intenționează să elibereze primul exosuit pentru pacienții cu accident vascular cerebral în 2018[2].

În plus, față de toate eforturile de dezvoltare, producătorii de exoscheleți au început să-și promoveze sistemele către o audiență mai largă pentru a-și demonstra capacitatea și a crește gradul de conștientizare. În 2012, Claire Lomas, care are paraplegie, a folosit un Rewalk pentru a participa la maratonul din Londra și a trecut linia de sosire după 16 zile. În 2016, ea a participat la un maraton semestrial și a terminat după 5 zile. În 2014, un utilizator paralizat a executat un start simbolic la Cupa Mondială din Brazilia. El a fost asistat de un exoschelet controlat cu mintea (controlat de EEG), dezvoltat ca parte a proiectului Walk Again[2].

În octombrie 2016, ETH Zürich din Elveția a găzduit primul cicatlon, o competiție sportivă pentru persoanele cu dizabilități, utilizând ajutoare robotice de asistență. A fost o cursă folosind exoschelați pe un curs de obstacole pentru persoanele cu paraplegie. La această demonstrație a abilităților și a tehnologiei, utilizatorii de exoschelet au trebuit să rezolve sarcini, cum ar fi șederea pe o canapea și ridicarea în picioare din nou, plimbarea în sus și în jos a pantelor, urcarea pe pietre (ca și cum ați trece printr-un râu de munte puțin adânc). Niciunul dintre participanți nu a reușit să rezolve toate obstacolele și celei mai rapide echipe i-a luat mai mult de 8 minute pentru a termina traseul cu obstacole de 50 m. Următorul eveniment a fost deja anunțat și va avea loc în 2020. Acesta va arăta progresele înregistrate de atunci[2].

Această privire asupra istoriei mecanismelor arată că exoscheleții au fost în jur de ceva timp,dar doar recent evoluțiile din domeniul exoscheleților robotici au decolat într-adevăr și primele sisteme au devenit disponibile în afara laboratoarelor de cercetare. În timp ce astăzi multe sisteme sunt încă limitate în performanța lor, va fi foarte interesant să vedem unde merge tehnologia și ce oportunități vor apărea în viitor[2].

1.2.2 Definirea conceptului de ”exoschelet”

Tehnologia biomecatronică s-a dezvolatat mult în ultimii 50 de ani ceea ce a dus la utilizarea exoscheleților ca instrument de sporire a performanțelor umane, ajutând mobilitatea și restaurarea funcțiilor pierdute ale membrelor. Aceste sisteme sunt antropomorfe, dispozitive structurale care funcționează împreună cu arhitectura naturală a corpului, asistând mobilitatea membrelor. Exploatând design-ul biomimetic, exoscheleții pot fi purtați în proximitatea corpului și transmit cupluri prin intermediul articulațiilor de revoluție și a structurilor membrelor. Dispozitivele oferă un potențial semnificativ în recuperarea funcțiilor și îmbunătățirea mobilității și forței purtătorului[3].

Până în prezent, scopul dezvoltării unui exoschelet pentru partea superioară a corpului nu a fost acela de a fi utilizat de publicul general. Modele anterioare de exoscheleți s-au realizat prin eforturi extraordinare și au avut ca rezultat soluții ce prezintă o mare inerție a membrelor, impovorătoare pentru purtător[3].

Sfera sistemelor exoscheletice este într-o evoluție și reinventare continuă, astfel încât este greu de conturat totul într-o singură definiție[3]. În general:

Exoscheletul este un dispozitiv mobil care lucrează în același timp cu utilizatorul. Un opus al exoscheletului ar fi un robot autonom care execută acțiunile în locul utilizatorului.

Exoscheletul [Figura 1] este plasat pe corpul utilizatorului si acționează ca amplificare, întărire sau restabilire a performanțelor umane. Opusul acestuia ar fi o proteză mecanică[Figura 2], braț sau picior, ce inlocuiește partea originală a corpului.

Materialele folosite în constucția de exoscheleți variază de la metale dure până la fibre de carbon sau chiar materiale moi și elastice.

Exoscheletul poate fi alimentat și echipat cu senzori și dispozitive de acționare sau poate fi complet pasiv.

Exoscheletul poate fi mobil [Figura 4] sau fix/suspendat [Figura 3](de obicei pentru reabilitare sau teleoperare)

Exoscheletul poate acoperi întregul corp, doar extremitățile inferioare/superioare sau chiar un segment specific al corpului, cum ar fi glezna sau șoldul.

În concluzie, robotica este aplicarea ingineriei înspre înlocuirea factorului uman în anumite sarcini, în timp ce exoscheletul este aplicarea roboticii și a biomecanicii spre amplificarea performanței oamenilor în îndeplinirea unei game variate de sarcini[3].

Exoscheletul poate fi denumit și costum robotic, armură acționată, exo-cadru sau costum exoscheletic, jachetă de putere și altele[3].

1.2.2 Clasificarea Exoscheleților

Exoscheleții pot fi împărțiți în mai multe categorii, tipuri sau clasificări bazate pe o serie de întrebări:

Ce parte a corpului este asistată de sistemul exoscheletic?

Model pentru întreg corpul:

Oamenii care au suferit leziuni ale coloanei vertebrale sau boli musculare pot beneficia de ajutorul unui exoschelet pe întreg corpul ce restabilaște performanțele umane, ceea ce le permite să facă ceea ce mușchii și nervii lor nu pot. Versiuni anterioare ale acestor dispozitive au fost aduse pe piață de Argo Medical Technologies, denumite ReWalk, care aveau prețul de $150,000[4].

Model pentru extremitatea superioară, mâini și torace:

Utilizarea unui dispoztiv de asistare a extremității superioare se poate concentra, atât pe leziuni ale încheieturii sau a degetelor,cât și a coatelor sau umerilor. O altă funcție al acestui model de exoschelet ar putea fi creșterea forței umane în activități de ridicare sau manipulare de corpuri grele[4].

Model pentru extremitatea inferioară, picioare:

Dispozitiv medical, esențial pentru persoanele paralizate sau paraplegice care vor să rămână pe cât posibil active și să ducă o viață independentă. Dispozitivul este un înlocuitor al scaunului cu rotile, iar, spre deosebire de acesta, oferă o mai mare libertate de mișcare utilizatorului, care poate merge practic, din nou, singur, pe propriile sale picioare[4].

Este acționat?

Model acționat:

Utilizează baterii și circuite electrice pentru a alimenta senzori și motoare. Exoscheletul acționat poate fi static sau dinamic. Modelul static necesită folosirea continuă a actuatorilor pentru a-și menține forma, pe când, cel dinamic ,este mai eficient din punct de vedere energetic, deoarece nu necesită folosirea continuă a energiei[4].

Model pasiv:

Acesta nu are în componența sa nici o sursă de putere electrică și are diverse utilizări. Exoschelet pentru redistribuirea greutății – folosește arcuri și mecanisme de blocare, astfel încât greutatea corpurilor este distribuită uniform în jurul utilizatorului. Exoschelet pentru înmagazinarea energiei – acumulează energie în arcurile amplasate în jurul gleznei. Acest tip de mecanism contribuie la o îmbunătațire a eficienței mersului, ajungând până în punctul de a genera energie folosind arcuri-dinam localizate în jurul genunchiului. Exoschelet pentru amortizarea șocurilor – folosind arcuri, acest dispozitiv a fost proiectat pentru a absorbi șocuri ( ex: schi de mare viteză – Ski Mojo Exoskeleton) sau pentru a reduce vibrațiile (pilotarea bărcilor de mare viteză – Marine Mojo Exoskeleton). Exoschelet pentru susținere – are scopul de a menține în poziție fixă utilizatorul, permitându-i să stea în poziție de șezut pentru o perioadă îndelungată[4].

Model pseudo-pasiv:

Exoscheletul pseudo-pasiv folosește baterii, senzori și elemente electronice, dar nu are în componența sa motoare. Un exemplu elocvent este exoscheletul C-Brace fabricat de firma Ottobock, care folosește electronica pentru a controla un amortizor variabil amplasat în genunchi. Modelul C-Brace deblochează alternativ, încetinește oscilația piciorului și blochează amortizorul în funcție de poziția piciorului în ciclul de mers, determinată de senzorii integrați[4].

Model hybrid:

Exoscheletul este portabil și echipat ca un model acționat, dar folosește principiul FES ( functional electrical stimulation – stimulări electrice funcționale) al mușchilor ca și acționare[4].

Este mobil?

Model fix:

Dispozitivul este prins de perete sau suspendat în aer cu ajutorul unor cârlige. Poate fi folsit ca și stație de evaluare a abilităților locomotorii[4].

Model susținut:

Exoscheletul este atașat la o șină deasupra capului, de un cadru mobil sau în unele cazuri chiar de un robot pe roți. Această configurație oferă mobilitate portătorului în condițiile în care exoscheletul conține motoare sau baterii grele.

Model mobil:

Mecanismul permite utilizatorului mișcări libere[4].

Cum este controlat?

Model controlat prin Joystick:

Acest model este exclusiv exoscheleților care furnizează 100% din mișcările purtatorului[4].

Model controlat prin butoane sau panouri de control:

Exoscheletul este pre-programat prin diferite moduri și nu necesită ca panoul de comandă să fie instalat pe robot. Modelele anterior apărute au modul de control fie prins de încheietura mâinii, fie integrat pe un panou sau controlat de la distanță de un supraveghetor[4].

Model controlat cu mintea:

În acest caz utilizatorul este nevoit fie să poarte o cască de care sunt prinși electrozi, fie prin intervenție chirurgicală prin care acești electrozi sunt implantați în craniu. Comanda se face prin activarea diferitelor regiuni ale creierului prin stimuli[4].

Model controlat prin senzori:

Designul actual presupune un număr mare de senzori intregrați ce pot monitoriza rotații, cupluri, înclinări, presiuni și pot chiar să recepționeze semnale nervoase la nivelul brațelor și picioarelor[4].

Model necontrolabil:

Anumiți exoscheleți pasivi nu necesită controlarea prin butoane sau alte metode.

Cum sunt construiți?

Modele din materiale rigide:

Exoscheletul poate fi construit din diferite metale, aliaje sau chiar fibre de carbon[4].

Modele din materiale felxibile:

Construcția exoscheletului se face în principal utilizând materiale moi[4].

Originea?

Model homemade (DIY);

Model construit în laboratoare de cercetare;

Model construit în companii comerciale (Industie):

Model construit de guverne:

În momentul actual guvernul chinez fiind singurul care dezvoltă exoscheleți. Celelalte guverne contribuie, dar sunt predispuși în a cumpara modele deja construite[4].

În ce domenii sunt întâlniți?

Model folosit în domeniul militar:

Sfera de utilizare în acest domeniu este variat, existând numeroase posibilități ,de la evitarea supra solicitărilor fizice până la abilitatea de a căra echipamente militare mai grele[4].

Model folosit în domeniul industrial:

Exoscheleții sunt în principal pasivi, ținta lor fiind reducerea suprasolicitării prin suportul zonei lombare în cazul ridicării. În cazul exoscheleților activi, până la 80% din activitatea musculară este redusă în timpul sarcinilor[4].

Model folosit în cazuri de prim ajutor:

Un exemplu ar fi, exoscheleții speciali din tungsten creați de japonezi care au ca scop protecția împotriva expunerii la radiații. Picioarele dispozitivului susțin marea majoritate a greutății proprii plus și a altor unelte. Semnele vitale, ritumul inimii și temperatura corpului, sunt monitorizate în timp real[4].

Model folosit în domeniul medical:

Acesta este domenul principal în care se regăsesc majoritatea exoscheleților. Mecanismele având diferite scopuri, îmbunătațirea calității vieții persoanelor care au suferit anumite accidente, boli sau răni. Un alt scop ar putea fi asistența permanentă a persoanelor vârsnice, cât și în sfera reabilitării pacienților ce au suferit accident vascular cerebral sau accident al coloanei vertebrale[4].

2. Aparatură medicală și exoscheleți pentru reabilitare

2.1 Reabilitare Medicală

2.1.1 Definirea conceptului de reabilitare

Reabilitarea medicală a fost în general considerată ca fiind acea parte a medicinei care devine relevantă atunci când metodele de prevenție nu au fost eficiente sau când există o refacere incompletă după o boală sau leziune. Delimitarea clară între asistența medicală curativă și cea de recuperare este actual depașită, implicând multe dezavantaje și riscuri. De aceea, în domeniul terapiei intensive, se manifestă azi un interes crescând pentru “aducerea” medicinei de reabilitare în unitățile de terapie intensivă. Plecând de la faptul că pacientul critic necesită perioade lungi de refacere, existând astfel posibilitatea apariției complicațiilor cu risc funcțional, generatoare de dizabilitate și care vor necesita îngrijiri specializate din domeniul reabilitării medicale. Specialitatea medicală care se ocupă de dizabilitate este Reabilitarea Medicală. Conform Organizației Mondiale a Sănătății (OMS), recuperarea (reabilitarea) reprezintă „folosirea tuturor mijloacelor cu scopul de a reduce impactul condițiilor generatoare de dizabilități și handicap și de a permite persoanelor cu dizabilități să reușească să se integreze optim în societate”. Noțiunile „funcționare” și „participare” reprezintă, alături de „factorii contextuali”- de mediu și personal – elemente de bază în orice proces de reabilitare medicală[10].

Uniunea Europeană a Medicilor Specialiști (UEMS) – secțiunea Medicină Fizică și de Reabilitare definește Medicina Fizică și de Reabilitare (MFR) „ o specialitate medicală independentă preocupată de promovarea funcționării fizice și cognitive (inclusiv comportament), a participării, inclusiv calitatea vieții și modificarea factorilor personali și de mediu. Astfel, ea este responsabilă de recomandări și protocoale în anestezie, terapie intensivă și medicină de urgență pentru prevenirea, diagnosticarea, tratamentelor și managementul reabilitării persoanelor cu condiții medicale generatoare de dizabilități și co-morbidități la toate vârstele[10] .

Tehnologia de recuperare se referă la totalitatea instrumentelor utilizate în scopul stimulării revenirii în plaja de valori optime a parametrilor ce definesc funcțiile de relație ale persoanei suferinde de afecțiuni cu potențial dizabilitant[11].

Tehnologia asistivă (tehnologiile asistive) reprezintă totalitatea dispozitivelor (de la cele mai simple, până la cele mai complexe) utilizate în medicina de recuperare în vederea suplinirii funcțiilor fizice și/sau cognitive incomplete ale persoanei cu dizabilități, precum și totalitatea procedeelor prin care sunt obținute aceste dispozitive (de la design și tehnologia necesară producerii lor, până la producerea lor efectivă – și uneori, și marketarea acestora). În momentul de față, asistăm la o schimbare de concepție în domeniul tehnologiei asistive. Domeniul tehnologiei de asistare se suprapune din ce în ce mai mult cu cel al tehnologiei de recuperare. Aceste instrumente asigură atât beneficii pentru procesul de recuperare propriu-zis, prin posturare corectă, posibilitatea executării unor sarcini altfel imposibile, ducând la antrenarea funcțiilor ce se pot recupera, și stimulare a motivației participării active a pacientului în procesul de recuperare, precum asigură totodată și asistența necesară în cazul în care dizabilitatea are caracter permanent și definitiv. De asemenea, un dispozitiv de antrenament sau asistiv devine multivalent, putând fi adaptat ușor pentru a servi necesităților reabilitării funcționale în condiții medicale diverse[11].

Tehnologia avansată pune la dispoziția noastră în momentul de față și multiple aplicații medicale ale sistemelor ce îmbină cibernetica cu electronica, mecanica și ingineria, cu alte cuvinte, aplicații ale mecatronicii. Mecatronica de recuperare medicală pune la dispoziția beneficiarilor instrumente complexe cu funcție terapeutică și cu funcție asistivă. Discutăm despre sisteme ce conțin polimeri electroactivi și mușchi artificiali, membre artificiale inteligente, exoscheleți cu rol de susținere și suplinire a funcțiilor senzoriale și neuromotorii, dispozitive de asistență cognitivă, mergând până la interfețe creier-computer, roboți cu funcție de stimulare a funcțiilor nervoase și locomotorii și pentru biofeedback, pe lângă robotica implicată în diagnostic, evaluare și monitorizare[11].

La conceperea unui sistem mecatronic de reabilitare trebuie să se țină seama de două elemente:

a. Neuroplasticitatea – este un subiect major de discuție și un important obiect al cercetării științifice din ultimii ani. Neuroplasticitatea și regenerarea neuronală sunt strâns legate de activitatea voluntară[11].

b. Feedback-ul – care este esențial pentru a crește interesul și motivația pacientului și pentru a îmbunătăți progresul funcțional și participativ al acestuia[11].

Un sistem de reabilitare eficient trebuie:

Să aducă maxim de beneficii în ce privește stimularea neuroplasticității și creșterea

capacității funcționale (cu necesitatea stimulării atenției și motivației).

Să permită individualizarea, pentru asigurarea asistării raționale și a unui feedback

sensibil[11].

Recuperarea în afecțiuni neurologice centrale și periferice de patologie diversă este principala beneficiară a tehnologiei moderne de recuperare. Mecatronica de recuperare neurologică se adresează pacienților cu importante limitări funcționale datorate spasticității și slăbiciunii musculare, lipsei de coordonare, durerii și afectării cognitive, care sunt rezultatul accidentelor vasculare cerebrale, paraliziei cerebrale infantile, traumatismelor cerebrale și vertebro-medulare, condiții importante generatoare de dizabilități[11].

2.1.2 Clasificarea metodelor de realibitare

Medicina recuperatorie folosește diverse forme de asistare, terapie și dispozitive pentru imbunătățirea funcțiilor. Tipul de reabilitare de care o persoană poate beneficia depinde de condiția care cauzează afectarea funcției, de regiunea corporală care este afectată și de severitatea afecțiunii[12].

Tipuri de reabilitare:

Terapia de reabilitare cognitivă:

Implică reînvățarea sau îmbunătățirea abilităților, cum ar fi gândirea, învățarea, memoria, planificarea și luarea deciziilor, care s-au pierdut sau au fost afectate de leziuni cerebrale[12].

Terapia ocupațională:

Ajută o persoană să își îndeplinească sarcinile de zi cu zi și activitățile în casă, la locul de muncă și în comunitate[12].

Terapia prin medicație

Implică utilizarea de medicamente pentru îmbunătățirea sau restabilirea funcțiilor fizice sau mentale[12].

Fizio-terapia:

Implică activități și exerciții pentru a îmbunătăți mișcările, senzațiile, forța și echilibrul organismului[12].

Terapia de reabilitare asistată tehnologic:

Se referă la unelte, echipamente și produse care ajută persoanele cu dizabilități să se miște și să funcționeze. Această tehnologie include orteze, proteze, scaune cu rotile, dispozitive augmentate, implanturi auditive, proteze retineane și roboți de reabilitare[12].

Terapia recreațională:

Ajută la îmbunătățirea simptomelor și a bunăstării sociale și emoționale prin arte și meserii, jocuri de formare de relaxare, și terapie asistată de animale[12].

Terapia tulburărilor de limbaj:

Urmărește să îmbunătățească înghițirea și mișcarea gurii și a limbii, precum și dificultățile legate de voce, limbă și vorbire[12].

Terapia prin operație:

Include proceduri pentru a corecta un membru aliniat greșit sau pentru a elibera un mușchi constrâns, grefele de piele pentru arsuri, inserția de cipuri în creier pentru a ajuta la mișcarea membrelor sau a protezelor și plasarea plăcilor de craniu sau a bolțurilor osoase[12].

Terapie prin muzică și artă:

Este folosită în mod special pentru a ajuta oamenii să-și exprime emoțiile, dezvoltarea cognitivă sau să contribuie la dezvoltarea conexiunii sociale[12].

Aceste servicii sunt furnizate de un număr de diferiți specialiști în domeniul sănătății[12]:

Fizioterapeuți;

Terapeuți ocupaționali;

Terapeuți de recuperare cognitivă;

Tehnologi de recuperare;

Audiologi;

Ortopezi/ chirurgi;

Neurologi;

Psihiatrii/ psihologi:

Ingineri de biomedicină;

Ingineri de reabilitare.

2.2 Aparatură medicală în scopuri recuperatorii

Tehnologia de reabilitare și asistență se referă la unelte, echipamente sau produse care pot ajuta o persoană cu dizabilități să funcționeze cu succes la școală, la domiciliu, la serviciu și în comunitate. Dizabilitățile sunt tulburări, boli, condiții de sănătate sau leziuni care afectează bunăstarea fizică, intelectuală sau mentală a unui individ. Tehnicile de reabilitare și asistență pot ajuta persoanele cu dizabilități să funcționeze mai ușor în viața lor de zi cu zi. Termenul "tehnologie de reabilitare" este folosit uneori pentru a face refere la modurile de asistență folosite pentru a ajuta oamenii să-și recupereze funcțiile după rănire sau boală. Tehnologiile de asistență pot fi la fel de simple ca o lupă pentru a îmbunătăți percepția vizuală sau la fel de complexe ca un sistem de comunicații computerizat[13].

Unele dintre aceste tehnologii sunt posibile prin cercetarea ingineriei reabilitării, care este aplicarea principiilor ingineriei și științei pentru a studia modul în care persoanele cu dizabilități funcționează în societate. Aceste tehnologii includ studierea barierelor în calea funcționării optime și a soluțiilor de proiectare, astfel încât persoanele cu dizabilități să poată interacționa cu succes în mediile lor[13].

2.2.1 Orteza

Orteza (plural: orteze) este un dispozitiv aplicat extern pentru modificarea caracteristicilor structurale și functionale ale sistemului neuromuscular și scheletic. Ortopdeul este medicul primar care răspunde de prescrierea, fabricarea și gestionarea ortezelor. Orteza[14]:

Controlează, ghidează, limitează și/sau imobilizează o articulație sau un segment din corp pentru un anumit motiv;

Restricționează mișcarea într-o anumită drecție;

Asistă mișcarea;

Reduce forțele de susținere a greutății pentru un anumit scop;

Ajută la reabilitarea în cazul fracturilor după îndepărtarea atelelor;

Corectează forma și/sau funcția corpului, pentru a oferi o mai bună capacitate de mișcare sau pentru a reduce durerea.

Ortezele sunt combinația cunoștințelor de anatomie și fiziologie, patofiziologie, biomecanică și inginerie. Pacienții care beneficiază de o orteză pot avea o afecțiune cum ar fi spina bifida sau paralizie cerebrală sau au suferit o leziune a măduvei spinării sau un accident vascular cerebral. La fel, ortezele sunt uneori folosite profilactic sau pentru a optimiza performanța în sport[14].

Ortezele sunt fabricate din diferite tipuri de materiale, inclusiv termoplastice, fibre de carbon, metale, elastice, țesături sau o combinație de materiale similare. Unele modele pot fi achiziționate de la un distribuitor local; altele sunt mai specifice și necesită o rețetă de la un medic, care se va potrivi cu orteza în funcție de cerințele pacientului. Suporturile de tip "over-the-counter" sunt de bază și sunt disponibile în mai multe dimensiuni. Ele sunt în general glisate sau legate cu Velcro și sunt ținute strâns la locul lor cu ajutorul unor bretele. Unul dintre scopurile acestor bretele este protecția împotriva rănilor[14].

În conformitate cu terminologia standard internațional, ortezele sunt clasificate printr-un acronim care descrie articulațiile anatomice pe care le conțin. De exemplu, o orteză a gleznei piciorului [Figura 6] ("OGP") este aplicată piciorului și gleznei, o orteză toracolumbosacrală [Figura 7]("TLS") afectează regiunile toracice, lombare și sacrale ale coloanei vertebrale[14].

2.2.2 Proteza

În medicină, o proteză (plural: proteze) este un dispozitiv artificial care înlocuiește o parte lipsă a corpului, care poate fi pierdută prin traume, boli sau condiții congenitale. Protezele sunt destinate restabilirii funcțiilor normale ale părților lipsă din corp. Reabilitarea amputatului protetic este coordonată în principal de un protezist și de o echipă interdisciplinară a profesioniștilor din domeniul sănătății, inclusiv psihiatrii, chirurgii, terapeuții fizici și terapeuții ocupaționali. Protezele sunt create de obicei prin CAD (Computer Aided Design), o interfață software care ajută creatorii să vizualizeze crearea într-o formă 3D, dar ele pot fi, de asemenea, proiectate manual[15].

Protezele sunt fabricate din materiale ușoare pentru o mai bună comoditate a amputatului. Unele dintre aceste materiale sunt plastice (polietilenă, polipropilenă, acril, poliuretan), lemn, cauciuc, metale ușoare (titan, aluminiu) și materiale compozite (fibre de carbon)[15].

Proteza unei persoane trebuie proiectată și asamblată în funcție de aspectul și nevoile funcționale ale persoanei. De exemplu, o persoană poate avea nevoie de o proteză transradială, dar trebuie să aleagă între un dispozitiv funcțional estetic, un dispozitiv mioelectric, un dispozitiv acționat de corp sau un dispozitiv specific activității. Protezele craniofaciale includ proteze intra-orale și extra-orale. Protezele extra-orale sunt în continuare divizate în hemifacial, auricular (ureche), nazal, orbital și ocular. Protezele intra-orale includ proteze dentare, cum ar fi obturatoarele și implanturile dentare. Protezele de pe gât includ înlocuitori de laringe, trahee și înlocuiri esofagieni superiori, protezele Somato ale torsului includ proteze de sân care pot fi simple sau bilaterale, dispozitive complete ale sânilor sau proteze de mamelon. Protezele pentru membre includ proteze de extremitate superioară și inferioară[15].

Protezele pentru extremități superioare[Figura 8] sunt utilizate la niveluri diferite de amputare: disarticularea umărului, proteza transhumerală, disarticularea cotului, proteza transradială, disarticularea încheieturii mâinii, întreaga mână, mâna parțială, degetul, degetul parțial. O proteză transradială este un membru artificial care înlocuiește un braț care lipsește de la cot în jos. Protezele membrelor superioare pot fi clasificate în trei categorii principale: dispozitive pasive, dispozitive acționate, dispozitive extern acționate (mioelectrice). Aparatele pasive pot fi fie mâini pasive, folosite în principal pentru scopuri cosmetice, fie instrumente pasive, utilizate în principal pentru activități specifice. Un dispozitiv pasiv poate fi static, ceea ce înseamnă că dispozitivul nu are componente mobile și nu poate fi ajustat, ceea ce înseamnă că acesta trebuie reconfigurat. Protezele acționate prin cabluri sau funii funcționează prin atașarea unui ham și a unui cablu în jurul umărului opus brațului afectat. A treia categorie de dispozitive protetice disponibile sunt brațele mioelectrice. Acestea funcționează prin simularea, prin intermediul electrozilor, atunci când mușchii din brațul superior se mișcă, cauzează deschiderea sau închiderea unei mâini artificiale[15].

Protezele extremităților inferioare [Figura 9] oferă înlocuiri la niveluri diferite de amputare. Acestea includ disarticularea șoldului, proteza transfemorală, disarticularea genunchiului, proteza transtibiană, întreg piciorul, piciorul parțial și degetul de la picior. Cele două subcategorii principale ale dispozitivelor protetice pentru extremitățile inferioare sunt trans-tibiale (orice amputare care transectează osul tibiei sau o anomalie congenitală care are ca rezultat o deficiență tibiană) și transfemorală (orice amputare care transectează osul femural sau o anomalie congenitală care duce la o deficiență femurală)[15].

2.2.3 Scaunul cu rotile

Un scaun cu rotile, adesea abreviat la doar "scaun", este un scaun cu roți, utilizat atunci când mersul pe jos este dificil sau imposibil din cauza bolii, rănirii sau invalidității. Scaunele cu roți vin într-o gamă largă de forme pentru a răspunde nevoilor specifice ale utilizatorilor lor. Acestea pot include adaptări specializate pentru scaune, controale personalizate și pot fi specifice anumitor activități, cum ar fi scaunele cu rotile sport și scaunele cu rotile pentru plajă. Distincția cea mai larg recunoscută se află între scaunele cu rotile acționate electric, unde propulsia este asigurată de baterii și motoare electrice și de scaunele cu rotile acționate manual, unde forța propulsivă este asigurată fie de către utilizatorul /ocupantul scaunului rulant prin împingerea manuală a acestuia sau de către un însoțitor care împinge din spate[19].

Există o mare varietate de tipuri de scaune cu rotile, care diferă prin metoda de propulsie, mecanismele de control și tehnologia utilizată. Unele scaune cu rotile sunt destinate utilizării generale de zi cu zi, altele pentru activități unice sau pentru a răspunde nevoilor specifice de acces. Inovația în cadrul industriei de scaune rulante este relativ comună, însă multe inovații sunt date uitării, fie din cauza supra-specializării, fie din cauza lipsei de a intra pe piață la un preț accesibil[19].

Un scaun cu rotile acționat manual, încorporează un cadru, un scaun și patru roți: de obicei cele două roți din față fiind mici, iar cele din spate mari. Scaunele cu rotile manuale de zi cu zi vin în două varietăți majore, pliabile sau rigide. Scaunele pliabile sunt, în general, modele de tip low-end, ale căror avantaj predominant este că pot fi îndoite, în general prin aducerea celor două laturi împreună. Scaunele rulante rigide, care sunt din ce în ce mai preferate de utilizatorii cu normă întreagă și activi, au îmbinări permanente sudate și mai puține părți în mișcare[19].

Un scaun cu rotile mobilizat de un însoțitor este, în general, similar cu un scaun cu rotile auto-propulsat, dar cu roți de diametru mic, atât în față, cât și în spate. Scaunul este manevrat și controlat de o persoană care stă în spate și împinge de mânerul încorporat în cadru. Aceste scaune sunt comune în instituții și ca scaune de împrumut în spații mari publice. Acestea sunt, de obicei, construite din oțel, deoarece greutatea redusă este mai puțin importantă atunci când utilizatorul nu are obligația de a se autopropulsa[19].

Un scaun cu rotile electric este un scaun cu rotile care încorporează în plus baterii și motoare electrice în cadru și care este controlat fie de către utilizator, fie de un operator, cel mai frecvent prin intermediul unui joystick mic montat pe cotieră sau pe partea superioară a ramei.

Scuterele de mobilitate împărtășesc unele caracteristici cu scaunele cu rotile electrice, dar abordează în primul rând un segment de piață diferit, persoanele cu o capacitate limitată de a merge, dar care altfel nu s-ar considera invalide. Scuterele cu mobilitate mai mică sunt în mod obișnuit cu trei roți, cu o bază pe care este montat un scaun și cu un mâner de control în față. Scuterele mai mari sunt frecvent cu patru roți și cu un loc mult mai substanțial[19].

Scaunele acționarea cu un singur braț permite unui utilizator să propulseze un scaun cu rotile manual utilizând doar un singur braț[19].

Scaunele cu rotile înclinate au suprafețe de așezare care pot fi înclinate în diferite unghiuri. Conceptul original a fost dezvoltat de un ortodist, Hugh Barclay, care a lucrat cu copiii cu dizabilități și a observat că deformările posturale, cum ar fi scolioza, ar putea fi susținute sau parțial corectate permițând utilizatorului scaunului să se relaxeze într-o poziție înclinată. Caracteristica este, de asemenea, de valoare pentru utilizatorii care nu sunt în măsură să stea în poziție verticală pentru perioade lungi din cauza durerii sau din alte motive[19].

Un scaun cu rotile vertical este unul care susține utilizatorul într-o poziție aproape în picioare. Beneficiile unui astfel de dispozitiv includ, dar nu se limitează la: ajutorarea independenței și productivității, creșterea stimei de sine și a bunăstării psihologice, creșterea stării sociale, extinderea accesului, diminuarea presiunii, reducerea leziunilor de presiune, respirație, flexibilitate îmbunătățită, ajutor în menținerea densității minerale osoase, îmbunătățirea mișcării pasive, reducerea tonusului muscular și spasticității anormale și deformări scheletice[19].

O gamă de sporturi cu handicap au fost dezvoltate pentru sportivii cu handicap, inclusiv baschet, rugby, tenis, curse și dans. Scaunele cu rotile folosite pentru sport au evoluat pentru a se potrivi nevoilor specifice acestui sport. De obicei, acestea nu sunt pliabile (pentru a spori rigiditatea), cu o curbură pronunțată a roților (care asigură stabilitate și sunt utile pentru efectuarea unor viraje ascuțite) și sunt adesea realizate din materiale compozite și ușoare.

Suporturile pentru scaune cu rotile sunt o variantă a tărgilor cu roți care pot găzdui un pacient în șezut sau pot fi ajustate pentru a ajuta la transferul lateral (sau în sus) a unui pacient de la un pat la scaun. După transferare, întinzătorul poate fi ajustat pentru a permite pacientului să-și asume o poziție de ședere[19].

Scaunele cu rotile pentru toate tipurile de teren pot permite utilizatorilor să acceseze un teren complet inaccesibil pentru un utilizator de scaun cu rotile. Au fost dezvoltate două formate diferite. Unul hibridizează tehnologia pentru scaune cu rotile și biciclete de munte, în general având forma unui cadru în care este așezat utilizatorul și cu patru roți de biciclete montane la colțuri. În general, nu există jante și propulsia / frânarea este prin împingerea directă pe anvelope[19].

Un scaun cu rotile inteligent este orice scaun electric care utilizează un sistem de control pentru a mări sau a înlocui controlul utilizatorului. Scopul său este de a reduce sau a elimina sarcina utilizatorului de a conduce un scaun electric. De obicei, un scaun rulant inteligent este controlat prin intermediul unui computer, are o suită de senzori și aplică tehnici în robotică mobilă, dar acest lucru nu este necesar. Interfața poate consta într-un joystick convențional pentru scaune cu rotile sau un afișaj sensibil la atingere. Acesta diferă de un scaun electric convențional, în care utilizatorul exercită controlul manual asupra vitezei și direcției fără intervenția sistemului de control al scaunului rulant[19].

2.2.4 Implant cohlear

Un implant cohlear [Figura 10] este un dispozitiv medical care înlocuiește funcția urechii interne afectate. Spre deosebire de protezele auditive, care fac sunetul mai puternic, implantul cohlear lucrează în locul părții afectate a urechii interne (cohlee) pentru a oferi semnale sonore către creier[20].

Implanturile cohleare pot ajuta persoanele care:

au o pierdere moderată până la profundă a auzului în ambele urechi.

obțin rezultate nesatisfăcătoare sau nu au rezultate cu protezele auditive.

înregistrează valori de 50% sau mai puțin la testele de recunoaștere a propozițiilor cu urechea pentru implant.

inregistrează valori de 60% sau mai puțin la urechea fără implant sau la ambele urechi cu proteze auditive.

Multe persoane suferă de piedere a auzului pentru că au afectați cilii din urechea internă sau cohleea. Un procesor de sunet, purtat retroauricular sau pe corp, captează sunetele și le transformă în cod digital. Procesorul de sunet are o baterie care alimentează întregul sistem. Procesorul de sunet transmite sunetul codat digital prin emițător la implant. Implantul convertește sunetul codat digital în impulsuri electrice și le trimite prin filamentul electrod, care este poziționat in cohlee (urechea internă). Electrozii implantului stimulează nervul auditiv al cohleei, care trimite impulsurile la creier, unde sunt interpretate drept sunet[20].

Beneficiile implantului cohlear:

Auzul îmbunătățit față de proteza auditivă;

Studiile au arătat o medie de 80% de înțelegere a propozițiilor, în comparație cu 10% în cazul protezelor auditive;

Concentrarea auzul în mediile zgomotoase;

Conversarea și conștientizarea mai ușoară în spațiile aglomerate;

Reconectarea cu sunetele pierdute;

Sentimenul de siguranță.

Care sunt factori ce pot influența aceste beneficii?

Vârsta la care au avut pierderea auzului;

Cât de gravă este pierderea auzului;

Starea cohleei;

Alte condiții medicale;

Exercițiul prin folosirea sistemului cu implant cohlear.

2.2.5 Proteza retiniană

Protezele retiniane pentru restabilirea vederii la pacienții orbiți prin degenerarea retiniană sunt dezvoltate de o serie de companii private și instituții de cercetare din întreaga lume. Sistemul este menit să restabilească parțial vederea persoanelor care și-au pierdut fotoreceptorii din cauza bolilor retiniene, cum ar fi retinita pigmentară (RP) sau degenerescența maculară legată de vârstă (DMLV). Trei tipuri de implanturi retiniene sunt în prezent în studii clinice: epiretinal (pe retină), subretinal (în spatele retinei) și suprachoroidale (între coroid și sclera). Implanturile retinale introduc informații vizuale în retină prin stimularea electrică a neuronilor retinieni supraviețuitori. Până în prezent, percepțiile provocate au avut rezoluție destul de scăzută și pot fi potrivite pentru percepția luminii și recunoașterea obiectelor simple.

Candidații optimi pentru implanturile retiniene au boli retiniene, cum ar fi retinita pigmentară sau degenerarea maculară legată de vârstă. Aceste boli provoacă orbire prin afectarea celulelor fotoreceptoare din stratul exterior al retinei, lăsând intacte straturile retinei interne și mijlocii. Un pacient trebuie să aibă un strat de celule ganglionice intacte pentru a fi un candidat potrivit pentru un implant retinian. Acest lucru poate fi evaluat neinvaziv utilizând imagistica de tomografie cu coerență optică. Alți factori, inclusiv cantitatea de viziune reziduală, sănătatea generală și angajamentul familiei față de reabilitare, sunt de asemenea luați în considerare la determinarea candidaților pentru implanturi retiniene. La subiecții cu degenerescență maculară legată de vârstă, care pot avea o viziune periferică intactă, implanturile retinale pot avea ca rezultat o formă hibridă de viziune. În acest caz, implantul ar completa viziunea periferică rămasă cu informații despre viziunea centrală[21].

Există două tipuri principale de implanturi retiniene care se diferențează prin plasare. Implanturile epiretinale sunt plasate pe suprafața internă a retinei, în timp ce implanturile subretinale sunt plasate între stratul retinal exterior și epiteliul pigmentar retinian[21].

Implanturile epiretinale [Figura 11] sunt plasate deasupra suprafeței retinei, deasupra stratului de fibre nervoase, stimulând direct celulele ganglionare și ocolind toate celelalte straturi retiniene. Gama de electrozi este stabilizată pe retină, utilizând micro-panglici care pătrund în sclera. De obicei, camera video externă pe ochelari captează imagini și transmite informații video prelucrate către electrozii stimulatori prin telemetrie wireless. Un transmițător extern este, de asemenea, necesar pentru a furniza energie implantului prin bobine de inducție radio sau lasere cu infraroșu. Procesarea imaginilor în timp real implică reducerea rezoluției, sporirea contrastului, detectarea marginilor imaginii și transformarea acesteia într-un model spatio-temporal de stimulare furnizat la matricea de electrozi de pe retină. Un avantaj ar fii faptul că implanturile epiretinale stimulează direct celulele ganglionare ale retinei, eliminând astfel toate celelalte straturi ale retinei. Prin urmare, în principiu, implanturile epiretinale ar putea oferi percepție vizuală indivizilor, chiar dacă toate celelalte straturi retiniene au fost deteriorate. Dar această tehnică are și un dezavantaj deoarece stratul de fibre nervoase are un prag de stimulare similar celui al celulelor ganglionare retiniene, axonii care trec sub electrozii epiretinieni sunt stimulați, creând percepții arcuite, distrugând astfel harta retinotopică[21].

Implanturile subretinale [Figura 11] stau pe suprafața exterioară a retinei, între stratul fotoreceptor și epiteliul pigmentar retinian, stimulând în mod direct celulele retiniene și bazându-se pe prelucrarea normală a straturilor retiniene interioare și medii. Aderarea unui implant subretinal la locul său este relativ simplă, deoarece implantul este constrâns mecanic de distanța minimă dintre retina exterioară și epiteliul pigmentar retinian. Un implant subretinal constă intr-o plachetă de silicon care conține fotodiode sensibile la lumină, care generează semnale direct de la lumina care intră. Lumina incidentă care trece prin retină, generează curenți în fotodiode, care injectează direct curentul rezultat în celulele retinale subiacente, prin intermediul unor rețele de microelectrozi. Modelul fotodiodelor activate de lumina incidentă stimulează, prin urmare, un model de celule bipolare, orizontale, amacrine și ganglionare, ceea ce duce la o percepție vizuală reprezentativă a imaginii incidente originale. În principiu, implanturile subretinale nu necesită nici un echipament extern dincolo de matricea implantată de fotodiode. Cu toate acestea, unele implanturi subretinale necesită energie de la circuitele externe pentru a spori semnalul de imagine. Un implant subretinal este avantajos în raport cu implantul epiretinal datorită designului său mai simplu. Achiziția, prelucrarea și stimularea luminii sunt realizate cu ajutorul fotodiodelor montate pe un singur cip, spre deosebire de camera externă, cipul de procesare și matricea electrodului implantată asociată cu un implant epiretinal. Principalul dezavantaj al implanturilor subretinale este lipsa unei lumini incidente suficiente pentru a permite fotodiodelor să genereze curent adecvat. Astfel, implanturile subretinale includ adesea o sursă de energie externă pentru a amplifica efectul luminii incidente.

Rapoartele clinice până în prezent au demonstrat un succes mixt, toți pacienții raportând cel puțin o senzație de lumină din electrozi și o proporție mai mică obținând o funcție vizuală mai detaliată, cum ar fi identificarea modelelor de zone luminoase și întunecate. Rapoartele clinice indică faptul că și cu o rezoluție scăzută, implanturile retinale sunt potențial utile în furnizarea unei viziuni brute asupra persoanelor care altfel nu ar avea nici o senzație vizuală[21].

2.2.6 Alte exemple

Realitatea virtuală (VR) [Figura 12] a apărut ca o nouă abordare a tratamentului în cadrul unui accident vascular cerebral de reabilitare în ultimii zece ani. Prin simularea activităților din viața reală, pacienții cu accident vascular cerebral sunt capabili să lucreze la abilitățile de auto-îngrijire într-un mediu care, de obicei, este imposibil de creat într-un spital[22].

Există două tipuri principale de tehnologie VR:

Imersiv:

În tehnologia VR imersivă, mediul virtual este livrat de echipamentele purtate de utilizator (cum ar fi ochelarii de protecție) sau persoana este situată într-un mediu virtual. Acest sistem complet imersiv oferă utilizatorului un sentiment puternic de prezență prin folosirea afișajelor montate pe cap, a mănușilor speciale și a unui ecran mare, concav[22].

Non-imersiv:

Tehnoligia VR non-imersiv este, de obicei, bidimensional și este livrat pe ecranul unui computer. Utilizatorul poate controla ce se întâmplă pe ecran utilizând un dispozitiv, cum ar fi un joystick, mouse sau senzor[22].

După un accident vascular cerebral, sarcinile orientate spre reabilitarea membrelor superioare și inferioare pot ajuta creierul să "se reprogrameze" și să formeze noi conexiuni neuronale. Aceste noi conexiuni stimulează recuperarea deprinderilor motorii la pacienții care urmează un accident vascular cerebral. Deci tehnologia VR poate fi utilă pentru a mări reabilitarea membrelor superioare și inferioare la pacienții care suferă de accident vascular cerebral și alte leziuni neurologice[22].

Modelarea și simulările musculo-scheletice, aceste simulări pe calculator ale corpului uman pot identifica problemele mecanice care stau la baza unei persoane cu dizabilități legate de mișcare. Acest lucru poate ajuta la proiectarea unor ajutoare de asistență mai bune sau a unor terapii fizice[13].

Stimularea magnetică transcraniană trimite impulsuri magnetice prin craniu pentru a stimula creierul. Acest sistem poate ajuta persoanele care au avut un accident vascular cerebral să își recupereze circulația și funcția creierului[23].

Stimularea electrică transcraniană [Figura 14], un curent electric călătorește prin craniu și stimulează creierul pacienților care se recuperează de la un accident vascular cerebral. Acest proces îi poate ajuta să își recuperaze mișcarea[24].

Analiza mișcării captează video mișcarea umană cu un program specializat care analizează mișcarea în detaliu. Tehnologia oferă furnizorilor de îngrijiri medicale o imagine detaliată a problemelor specifice ale mișcării unei persoane care să fie utilizate ca un ghid pentru o terapie adecvată[13].

Robotica, roboți speciali care ajută oamenii să își recupereze funcția în brațe sau picioare după un accident vascular cerebral[13].

2.3 Exoscheleți medicali pentru recuperare

Una dintre cele mai importante aspecte ale ingineriei medicale moderne este dezvoltarea unui exoschelet mecanic care va spori capacitățile oamenilor. Exoscheleții sunt definiți ca dispozitive mecanice purtate de un operator și care lucrează împreună cu mișcările operatorului. Aceste mecanisme pot oferi o gamă largă de beneficii pentru persoanele care au acces la ele. Dacă se continuă această cercetare, nu numai că această tehnologie va fi disponibilă pentru a îmbunătăți viața persoanelor cu dizabilități, va îmbunătăți și domeniul medical prin prefecționarea tehnicilor de reabilitare și va conduce la inovații ulterioare în mai multe alte domenii [Figura 15][25].

2.3.1 Definirea exoscheleților medicali pentru reabilitare

Una dintre principalele aplicații ar fi de natură medicală – îmbunătățirea calității vieții persoanelor care au pierdut, de exemplu, utilizarea picioarelor, prin furnizarea de tehnologii de asistență pentru a permite mersul pe jos sau restabilirea altor controale motorii pierdute din cauza anumitor boli sau răniri accidentale[26].

Exoschetele medicale sunt concepute pentru a ajuta articulația / mișcarea membrului unui pacient într-o anumită manieră în care funcționalitatea este limitată sau pierdută în ceea ce privește mobilitatea și forța[26].

Reabilitarea este necesară pentru persoanele cu tulburări de mers, care pot rezulta dintr-o varietate de afecțiuni medicale, cum ar fi leziuni în sistemul nervos central, accidente cerebrovasculare, paralizie cerebrală și așa mai departe. Aceste tulburări de mers obligă persoanele să depindă de scaunele cu rotile ca singura modalitate viabilă de a efectua mișcări stabile de călătorie pentru a desfășura activități cotidiene de viață[26].

Un alt domeniu de aplicare ar putea fi îngrijirea medicală, asistența medicală în special. Confruntați cu lipsa iminentă a profesioniștilor din domeniul medical și cu numarul tot mai mare de îngrijire a bătrânilor, mai multe echipe de ingineri japonezi au dezvoltat exoscheleți concepuți pentru a ajuta asistentele să ridice și să transporte pacienți[26].

Exosheleții pot fi de asemenea aplicați în domeniul reabilitării pacienților cu accident vascular cerebral sau a leziunilor măduvei spinării. Asceștia se mai numesc uneori și roboți de reabilitare. Un exoschelet ar putea reduce numărul de terapeuți necesari, permițând pacientului să fie instruit de un terapeut. De asemenea, formarea ar fi mai uniformă, mai ușor de analizat retrospectiv și poate fi personalizată în mod specific pentru fiecare pacient[26].

Reabilitarea exoscheleților poate fi configurată astfel încât să ofere o cantitate minimă de asistență. În acest fel, ele pot maximiza eforturile pacientului pe cale electronică, atunci când este posibil și astfel oferă o sesiune de terapie mai riguroasă și mai precisă. Ekso Bionics din Richmond California a dezvoltat modelul Ekso GT, care încorporează această abilitate: "Software-ul SmartAssist permite terapeuților fizici să modifice suportul dispozitivului pentru fiecare picior independent – de la puterea maximă la mersul liber – și astfel să răspundă nevoilor specifice ale pacienților. Această capacitate permite Ekso GT să reabiliteze o gamă mai largă de pacienți, de la cei prea slabi pentru a merge la cei aproape independenți ". Ekso GT este, de asemenea, primul exoschelet care urmează să fie aprobat de FDA pentru pacienții cu accident vascular cerebral[26].

Centrul German de Cercetare pentru Inteligență Artificială a dezvoltat doi exoscheleți CAPIO și VI-Bot cu scop general. De asemenea, au considerat sensibilitățile forței umane în fazele de proiectare și operare. Teleoperarea și amplificarea puterii au fost considerate a fi primele aplicații, însă după progresele tehnologice recente, se spune că lărgimea gamei de domenii de aplicare s-a extins. Creșterea recunoașterii de către comunitatea științifică înseamnă că această tehnologie este acum utilizată în telemanipularea, amplificarea omului, cercetarea și reabilitarea controlului neuromotor și pentru a asista funcția locomotorie afectată.

Domeniul medical este o altă zonă principală pentru tehnologia exoscheletului, unde poate fi folosită pentru o precizie sporită în timpul intervențiilor chirurgicale sau ca asistență pentru a permite asistenților medicali să transfere pacienți grei[26].

O modalitate de a diferenția exoscheleții medicali este prin regiunea pe care o vizează, fie extremitatea superioară, fie cea inferioră. Exoscheletul pentru părțile inferiare are scopul de a îmbunătăți mersul pe jos sau de a ajuta la articulațiile individuale (cum ar fi un genunchi). Exoscheletul medical al extremității superiore se concentrează pe braț (umăr, cot) sau pe mână (degete, încheietura mâinii), întărire sau augmentare[26].

2.2.2 Exoscheleți pentru recuperarea extremităților superioare

Din punct de vedere structural, membrul superior este alcătuit din două porțiuni: centura membrului și membrul liber. Rolul centurii este de a face legătura dintre trunchi și membrul liber. Trei segmente principale formeaza membrul liber: brațul, antebrațul și mâna – alcătuite din oase, unite prin articulații și mobilizate de mușchi[27].

Membrul superior reprezintă unul din cele mai importamte segmente ale aparatului locomotor datorită funcțiilor sale. Pierderea sau diminuarea acestor funcții are ca urmare reducerea posibilității de desfășurare unei game variate de activități, de aceea procedurile de redobândire, asistare sau înlocuirea acestora este justificată[27].

Observând structura osteo-articulară si utilizând noțiuni specifice științei mașinilor și mecanismelor se poate întocmi un biomecanism al membrului superior [Figura 16][27].

Principalele mișcări ale membrului superior uman sunt:

rotația internă – externă a brațului din articulația umărului;

abducția – adducția brațului din articulația umărului;

flexia – extensia brațului;

flexia – extensia antebrațului din articulația cotului;

pronația – supinația antebrațului;

flexia – extensia mâinii;

abducția – adducția mâinii din articulația gâtului mâinii.

La acestea se adaugă mișcările anatomice ale degetelor ce permit o gamă variată de

prinderi[27].

În timp ce exosheleții membrelor inferioare au fost folosiți în practica clinică de mai mulți ani, exoscheleții membrelor superioare s-au dezvoltat recent (la mijlocul anilor 2000) și efectele lor au fost puțin studiate. Într-adevăr, primul exoschelet din memoria superioară, disponibil în comerț pentru reabilitare, a fost lansat la sfârșitul anului 2011[28].

O cauză majoră a acestei dezvoltări lente este complexitatea interacțiunii dintre structurile mecatronice și corpul uman, atât la nivel fizic cât și la nivel de control. În timp ce dispozitivele de pionierat au controlat doar mișcarea mâinilor într-un singur plan, exoscheleții oferă interacțiune 3D la nivelul articulațiilor prin redundanța cinematică și prezența punctelor multiple de atașare între dispozitiv și membrul pacientului. Aceste caracteristici oferă perspective noi și interesante pentru reabilitare, dar fac dispozitivele mult mai complexe pentru a fi proiectate și controlate[28].

Mai mult decât atât, o particularitate fundamentală a exoscheleților de reabilitare în comparație cu exoscheleții, care sunt concepuți pentru a ajuta pacienții complet paralizați, este că ar trebui să poată răspunde la orice mișcare făcută de pacient (chiar și patologică). Aceasta trebuie să se bazeze pe un control fin al interacțiunii mecanice cu membrul pacientului: mai mult decât asistarea mișcării, obiectivul este acela de a ajuta pacientul să-și recupereze capacitatea senzorială și motorie. Pentru a putea îndeplini o astfel de sarcină, trebuie depășite mai multe provocări legate de proiectarea mecanică globală a acestor structuri, cuplarea lor cu membrul uman și, mai presus de toate, controlul acestora[28].

În funcție de natura afecțiunilor și de funcțiile parțial diminuate sau total pierdute, ingineria de recuperare propune soluții variate de redobândire a funcțiilor membrului superior: sisteme protetice, sisteme ortetice, echipamente pentru recuperare prin kinetoterapie etc. Acestea din urmă, se realizează într-o mare varietate constructiv-funcțională, după cum sprijină mobilizări pasive, active libere sau active cu rezistență. În condițiile în care sunt realizate ca sisteme robotizate, potențialul lor funcțional crește semnificativ și asigură o mai mare eficiență a procesului de reabilitare, prin gama largă de exerciții permise, prin posibilitățile de modificare a parametrilor exercițiilor și prin oportunitățile de evaluare și monitorizare a procesului de recuperare[28].

Pierderea totală sau parțială a funcției la nivelul membrelor superioare este o afectare frecventă la vârstnici, dar poate fi și un efect secundar datorat accidentelor vasculare cerebrale, traumelor, leziunilor sportive, leziunilor profesionale și leziunilor măduvei spinării. Potrivit OMS (Organizația Mondială a Sănătății), anual peste 15 milioane de persoane din întreaga lume suferă un accident vascular cerebral și boli cardiovasculare, dintre care 85% dintre pacienții cu accident vascular cerebral suferă de o boală acută și 40% dintre victime sunt afectați cronic sau permanent invalizi[28].

Programele de reabilitare sunt principala metodă de promovare a recuperării. Deoarece numărul de astfel de cazuri crește constant și durata tratamentului este lungă, exoscheleții ar putea contribui semnificativ la succesul acestor programe. Pentru a ajuta persoanele cu dizabilități fizice cu funcții de memorie superioară depreciate, s-au efectuat cercetări ample în multe ramuri ale roboticii, în special pe robotul purtător. Deși s-au realizat multe progrese, suntem încă departe de realizarea dorită, deoarece roboții nu au reușit să restabilească funcția locomotorie. Acest lucru se datorează limitărilor din domeniul designului corect al hardware-ului și al algoritmilor de control pentru a dezvolta roboți autonomi pentru a efectua sarcini inteligente[28].

Exoscheleții sunt folosiți ca un instrument pentru a ajuta la reabilitarea și întărirea musculaturii brațelor. Într-un studiu publicat în 2010 de ASME (Societatea Americană a Inginerilor Mecanici), un grup de cercetători au testat cât de drastic ar putea fi asistate mișcările brațelor prin utilizarea unui exoschelet. Principalul obiectiv al experimentului a fost testarea unei mișcări comune a brațului: o flexie a brațului cu o ganteră. Mișcarea a fost testată sub forma unei flexii standard a brațului; o flexie cu asistență constantă, creată de o forță aplicată la cot; o flexie cu asistență variabilă, care provine dintr-o forță care variază odată cu flexia brațului; și o flexie asistată de un exoschelet. Utilizarea exoscheletului a permis o forțare mult mai mică din mușchii utilizați, dovedind că exoscheletul a fost cea mai eficientă metodă de reducere a forței plasate pe un braț în timpul acțiunilor simple. Acest lucru va permite îmbunătățirea reabilitării la cei care au suferit leziuni grave la nivelul unui braț sau al unui mușchi. Utilizarea exoscheleților în acest mod va permite celulelor moarte ale creierului să se recupereze prin mișcarea brațelor. Când celulele creierului sunt moarte ca urmare a unui accident vascular cerebral, ele pot fi recuperate prin repetarea mișcării, care este de obicei împiedicată din cauza lipsei de control a corpului după accident. Atunci când un exochelet este utilizat în acest proces, permite efectuarea mișcării, ca efect, exoscheletul, permite celulelor creierului să fie recuperate, astfel încât organismul să nu piardă toată funcționalitatea în oricare dintre zonele afectate[28].

2.2.3. Exoscheleți pentru recuperarea extremităților inferioare

Aparatul locomotor uman este format dintr-un ansambu de sisteme anatomice ce contribuie la realizarea mișcării. Sistemele anatomice sunt: sistemul osteo-articular, sistemul muscular și sistemul nervos, iar acestea sunt reprezentate de membrele inferioare[31].

Memebrele inferioare umane sunt astfel strucuturate încât asigură îndeplinirea funcției de locomoție cât și a celei de susținere a întregului organism[31].

Poziția prin care se asigură locomoția, este una bipedă și generează o anumită conformație a sistemului osteo-artro-muscular. Această conformație presupune existența din punct de vedere structural a următoarelor articulații cu rol esențial în îndeplinirea locomoției[31]:

Articulațiile corso-femurale se formează între oasele coxale și cele doua oase femurale;

Articulațiile genunchiului sunt cele mai complexe articulații din structura aparatului locomotor uman și se formează între oasele coapsei (femur) și oasele gambei ( tibia și fibula). În structura articulației se regăsește și patela.

Articulația gleznei este o articulație complexă care la rândul ei, din punct de vedere cinematic, are la bază o serie de articulații complxe.

Articulațiile metatarso-falangiene sunt articulații cu câte un grad de mobilitate, formate între oasele metatarsului și respectiv falange.

La nivelul articulației coxo-femurale se pot produce trei mișcări elementare: flexie – extensie, abducție – adducție și rotație internă (pronație femurală) – rotație externă (supinație femurală). De asemenea amplitudinea acestora diferă, în funcție de poziția în care se regăstește genunchiul[31].

La nivelul articulației genunchiului se pot produce două mișcări elementare, din care una cu carecter activ, respectiv mișcare de flexie-extensie, iar cealaltă cu caracter pasiv, fiind valabilă pentru o anumită poziție a gambei, respectiv o ușoară mișcare de rotație internă/externă caracterizată printr-o amplitudine mică[31].

.

Mersul reprezintă modalitatea naturală de deplasare a corpului uman de la o locație la alta. Este o caracteristică inerentă a omului, și suntem atât de obișnuiți cu „a merge”, încât nu mai privim mersul ca pe un mod de transport. Cu toate acestea, chiar și în cele mai motorizate societăți, mersul rămâne o componentă importantă a oricărei călătorii și, pentru o mare parte a populației, mersul este un hobby sau chiar un sport[11].

Restricțiile de mers pot apărea la orice vârstă, iar condițiile dizabilitante sunt multiple, accidentale sau patologice. Vorbim despre afecțiuni inflamatorii și degenerative, ca și de traumatisme ce interesează integritatea și funcționalitatea elementelor aparatelor locomotor, respirator și cardiovascular, afecțiuni neurologice centrale și periferice, sindroame algice de etiologie diversă, afecțiuni metabolice, condiții patologice sau legate de vârstă și care privesc capacitatea senzorială și psihismul persoanei (din punct de vedere emoțional, cognitiv, motivațional, volițional). Un important factor de risc implicat în decondiționarea organismului uman și a mersului o reprezintă sedentarismul, cu patologia asociată. Un rol important în patologia mersului au afecțiunile neurologice centrale. Totalul pacienților cu deficit de ambulație internați pe durata anului 2011 în Clinica de Recuperare Medicală a S.U.U.Elias a fost de 339. Dintre aceștia, 287 au prezentat un indice de ambulație funcțională cu valori de la 0 (pacientul nu poate merge, sau necesită ajutor din partea a 2 sau mai multe persoane) la 2 (pacientul necesită ajutor permanent sau intermitent din partea unei persoane pentru susținerea greutății și pentru menținerea echilibrului), necesitând susținere pentru realizarea și menținerea posturii bipede, ca și asistare pentru inițierea și performarea oricărei forme de ambulație bipedă. Dintre acestea, 209, 7 (73%) sunt persoane care au suferit un accident vascular cerebral, prezentând diferite grade de pareză de hemicorp. De aceea, am considerat oportun ca exemplificarea patologiei de mers și a strategiilor de reabilitare să se refere, în cea mai mare parte, la persoanele cu status funcțional post accident vascular cerebral[11].

Scopul final al intervențiilor de reabilitare este reprezentat de reducerea gradului de dizabilitate și îmbunătățirea nivelului de independență funcțională, precum și creșterea capacității participative a persoanei[11].

Un program de bază pentru reabilitarea mersului trebuie să asigure reantrenarea posturii, a echilibrului static și dinamic, a forței musculare și controlului mișcării și coordonării, a pășirii, și apoi a mersului. Principalii factori determinanți ai recăpătării unui mers funcțional după un AVC rămân specificitatea sarcinilor și intensitatea programului de reabilitare[11].

Un exemplu foarte bun ar fi un exoschelet de reabilitare a membrelor inferioare care poate fi purtat cu o platformă de asistență pentru siguranță și suport antigravitate. Aplicarea exoscheleților de reabilitare poate să-i elibereze pe fizioterapeuți de munca manuală intensă și să îmbunătățească eficiența instruirii în ceea ce privește controlul precis al mișcării și înregistrarea în timp real a parametrilor de antrenament; această aplicație contribuie la evaluarea reabilitării. Exoscheleții de reabilitare pot fi în mare parte clasificați în două tipuri: stilul purtător al membrelor inferioare [Figura 21] și stilul pedalei piciorului [Figura 22][31].

Cu mecanismele de primul tip, pacienții sunt, de obicei, antrenați pe o bandă de alergat; în timpul antrenamentului, ambele picioare sunt legate de exoschelet, iar partea superioară a corpului este susținută de curele de îmbinare antigravitațională. Se aplică un dispozitiv de suspensie pentru a echilibra greutatea exoscheletului și o parte a greutății corporale a pacientului[31].

Pentru cel de-al doilea tip, o pereche de structuri de pedale cu mai multe variante este conectată la picioarele pacientului pentru instruirea de reabilitare. Avantajul acestei abordări este acela că terenul inegal și terenurile în mișcare pot fi simulate pentru a atinge diversitatea formării[31].

Echipamentele tradiționale de reabilitare a membrelor inferioare, de obicei, execută antrenamente de mers pe jos, conducând picioarele pe baza traiectoriei fixe a mersului, ceea ce exclude inițiativa unui pacient. Ca atare, ele par a fi nepotrivite pentru tulburări unilaterale ale membrelor inferioare, deoarece echipamentul poate interfera între traiectoria fixă a mersului și inițiativa de mișcare a piciorului sănătos[31].

2.3.4 Exoscheleți pentru recuperare vs. Exoscheleți pentru augmentare

Domeniul exoscheleților medicali este de departe cel mai variat și colorat din toate subdomeniile din industrie. Pentru a oferi o anumită structură, trebuie să împărțim ceea ce se dezvoltă în prezent în categorii largi. După cum s-a menționat mai sus, exoschetele medicale și ortezele pot fi împărțite în două grupe majore: reabilitare și augmentative. Exoscheletul medical de reabilitare presupune că utilizatorul se va îmbunătăți după utilizarea dispozitivului portabil. După stabilirea regimului de pregătire supravegheat, utilizatorul nu va mai trebui să utilizeze exoscheletul de reabilitare. Un exoschelet medical augmentativ presupune că utilizatorul nu se va îmbunătăți după reabilitare și se va baza pe dispozitivul purtător pentru tot restul vieții[32].

Iată un exemplu practic de separare a unui exoschelet pentru reabilitare de unul pentru ajutor pentru augmentare / mobilitate: Ekso GT [Figura 24] vs REX [Figura 23]. Ekso GT de Ekso Bionics trebuie să fie utilizat de către o persoană care încă mai are mobilitate, iar utilizatorul trebuie să poată deplasa greutatea de pe un picior pe altul. Software-ul variabil de asistență Ekso GT permite control specific (un picior ar putea avea nevoie de mai multă asistență decât celălalt) și o scădere treptată a forței de asistență, pe măsură ce pacientul devine mai puternic în timpul reabilitării. În schimb, REX de către REX Bionics ia controlul deplin asupra mersului pe jos, inclusiv transferarea greutății de la un picior la altul. Operatorul REX "plimbă" costumul și nu folosește proprii mușchi pentru a merge. Astfel, în timp ce Ekso GT și REX sunt ambele "exoschelete medicale", acestea sunt destinate pacienților cu nevoi și capabilități diferite[32].

Un exoschelet de reabilitare poate fi ajustat, execută mișcarea exactă de sute de ori, înregistrează informațiile pentru fiecare pacient și este folosit în sesiuni de 1-2 ore pe utilizator. Un exoschelet augmentativ trebuie să fie montat numai pentru un singur utilizator, trebuie să aibă o durată mai lungă de viață a bateriei (dacă este alimentat) și trebuie să fie confortabil pentru întreaga zi[32].

Confortul pe perioade lungi de timp este o provocare deosebit de mare pentru exoscheleturile de augmentare / mobilitate. În timp ce dispozitivele au făcut pași mari în ceea ce privește dimensiunea și utilitatea, purtarea unui robot timp de multe ore și încercarea de a face sarcinile de zi cu zi rămâne o provocare[32].

3.2.5 Exemple de exoscheleți pentru recuperare

Următoarea este o listă a exoscheleților medicali comerciali, proiecte de cercetare care sunt aproape de a deveni produse comerciale și proiecte de cercetare care au avut o mare influență asupra industriei. Această listă se focusează pe exoscheleți comerciali și renumiți pentru reabilitare. Există numeroase laboratoare de cercetare și companii cu prototipuri minunate și produse în diferite stadii de dezvoltare care au fost omise[32].

Exoscheleți staționari pentru extrimitatea inferioara:

Lokomat fabricat de Hocoma (include componente oționale pentru îngrijirea copilului)

RoboGait fabricat de Bama Teknoloji

InMotion Ankle fabricat de Interactive Motion Technologies

Alex3 fabricat de Universitatea din Delaware

Anklebot fabricat de MIT

Exoscheleți staționari pentru recuperarea brațului și încheieturii:

InMotion Arm fabricat de Interactive Motion Technologies

InMotion Wrist fabricat de Interactive Motion Technologies

Armeo fabricat de Hocoma

ALEx fabricat de KineteK Wearable Robotics

Tack-Hold fabricat de KineteK Wearable Robotics

Power Jacket REALIVE fabricat de Panasonic ActiveLink

HARMONY fabricat de ReNeu Robotics Lab, UT Austin

Exoscheleți staționari pentru recuperarea mâinii:

Amadeo fabricat de Tyromotion

InMotion Hand fabricat de Interactive Motion Technologies

Hand of Hope fabricat de Rehab-Robotics

Exoscheleți mobili pentru recuperarea extremității superioare:

MyoPro Motion G fabricat de Myomo

CARAPACE fabricat de Lorenzo Masia

Robotic Soft Extra Muscle (SEM) Glove fabricat de Bioservo

Pneumatic Power Assist Glove fabricat de Daiya

Inflatable Soft Exoskeleton fabricat de Otherlab Orthotics

Inflatable Soft Robotic Glove fabricat de Wyss Institute

Affordable Tremor Suppression Arm fabricat de MedEXO Robotics

Exoscheleți mobili pentru recuperarea extremității inferioare:

HANK fabricat de Gogoa

ReWalk fabricat de ReWalk Robotics

Hal Medical fabricat de CYBERDYNE

Ekso GT fabricat de Ekso Bionics

Indego fabricat de Parker Hannifin

ExoAtlet fabricat de ExoAtlet

ARKE fabricat de Bionik Labs

Phoenix fabricat de SuitX (formally US Bionics)

Atlas fabricat de Marsi Bionics

MODO fabricat de Active Bionics

Bionic Leg fabricat de AlterG

AxoSuit fabricat de AxoSuit

X1 Mina Exoskeleton fabricat de NASA-IHMC

REX fabricat de REX Bionics

3. Proiectarea unui exoschelet de recuperare

Modelul CAD al exoscheletului [Figurile 29 și 30] a fost realizat în programul CATIA V5R20 Engineering, cu scopul de a găsi o soluție constructivă ce se poate adapta la nevoile persoanelor care au suferit diverse afecțiuni, ce au ca și urmare diminuarea abilității locomotorii. Exoscheletul de reabilitare ales este un model acționat electromagnetic, cu poziționarea actuatorilor în proximitatea corporală.

3.1 Utilizare

Am ales acest tip de exoschelet pentru recuperarea funcțiilor membrului superior, deoarece foarte mulți oameni suferă de diferite boli musculare sau de slabiciuni ale sistemului locomotor, fapt ce are ca și urmări imposibilitatea sau îngreunarea activitaților de zi cu zi. Majoritatea oamenilor care au suferit de leziuni la nivel muscular întâmpină dificultăți în ridicarea obiectelor sau chiar în simple mișcări ale mâinii.

Un alt motiv principal al apariției deteriorării musculare este înaintarea în vârstă, lucru ce ne va afecta în cele din urmă pe toți.

Alte cauze ce pot duce la diminuarea funcțiilor locomotorii ar putea fi:

Accident vascular cerebral;

Scleroză multiplă;

Paralizie cerebrală;

Leziuni ale măduvei spinării;

Leziuni cerebrale traumatice;

Atrofie musculară;

Pacienți hemiplegici;

Pacienți cu endoproteze la cot și la umăr.

Beneficiile medicale ale exoscheletului pe care am ales să îl dezvolt sunt:

Evidențiază orice funcție motorie rămasă în urma unei leziuni;

Chiar și pacienții cu deficiențe moderate sau grave pot exersa în mod independent și pot beneficia de terapia de mișcare foarte intensivă, repetitivă și autodirijată;

Montarea exoscheletului este ajustabilă în funcție de capacitățile pacienților

Pacienții care prezintă doar urme ale funcției motorii pot integra funcția rămasă în cadrul exercițiilor funcționale intense;

Crește mobilitatea articulară;

Sporește forța și rezistența;

Facilitează mișcărea inițiată de către pacient;

Intensifică controlul selectiv.

Modelul dezvoltat are cinci grade de mobilitate, și anume cele trei mișcări anatomice ale umărului (flexie – extensie, rotație internă – rotație externă, abducție – adducție), mișcarea de flexie – extensie a brațului și mișcarea de pronație – supinație a antebrațului.

3.2 Soluție constructivă

Soluția constructivă ce urmează a fi prezentată are în componența sa un sistem de acționare bazat pe motoare pas cu pas și un sistem senzorial alcătuit din combinații de senzori ce percep activitatea musculară. Sistemul de acționare este amplasat pe un cadru exoscheletic (exoschelet) ce susține întregul ansamblu, dar și greutatea brațului uman.

În continuare se vor prezenta componentele exoscheletului expunând detaliile aferente și modul de asamblare, funcționare al întregului ansamblu.

În urma unei analize a modelelor deja existente, și a utilizării lor, am conceput o variantă de exoschelet ce se atașează părții superioare a corpului. Motoarele și mecanismele fiind amplasate în proximitatea purtătorului avantajând posibilitatea locomoției. Întregul sistem exoscheletic este susținut pe umeri și este fixat cu ajutorul unei curele în jurul cutiei toracice [Figura 33].

În figurile de mai sus este prezentat modul de fixare și sprijinire pe umeri a exoscheletului. Acesta fiind compus dintr-o placă fabricată din fibră de carbon (epoxid) care ia forma curburii spatelui și de care sunt montați doi suporți ce trec peste umerii purtătorului.

Suporții sunt realizați din același material ca și placa afltă pe spate (fibre de carbon),având o formă ergonomică și oferind stabilitate și confort.

Aceștia se montează pe placa principală prin patru șuruburi M8x40[mm] cu cap hexagonal și patru știfturi 10×40[mm].

Pentru a face posibilă asamblarea primului motor este nevoie de realizarea unui suport[Figura 35], care va fi amplasat pe umăr și de la care va porni construcția întregului braț exoscheletic.

Acesta este confecționat din fibră de carbon cu modul ultra-înalt și este montat pe extremitatea dreaptă a suportului de pe umăr cu ajutorul a două șuruburi M12x80[mm] cu cap hexagonal si două știfturi 8×120[mm]. Cu ajutorul acestui suport se face posibilă asamblarea primului element ce va susține primul motor[Figura 36].

Acest element de prindere al motorului este fabricat din titan deoarece susține întreaga greutate a motoarelor, mecanismelor, greutatea brațului uman cât și greutatea cadrului exoscheletic. Acesta este prins de suportul de pe umăr cu ajutorul a patru șuruburi cu cap hexagonal M10x35[mm] și are o lungime de 160[mm]. Mai jos cu 150[mm] este creat spațiul unde va urma să fie montat primul motor. Aceste lungimi sunt absolut necesare în a efectua corect mișcările anatomice. Motorul care execută ridicarea brațului în lateralul corpului trebuie să fie amplasat exact în spatele umarului, cu axul îndreptat spre centrul acestuia. Motorul pas cu pas este montat pe elementul de prindere prin patru șuruburi M10x20[mm] cu cap hexagonal, axul trecând prin element printr-un alezaj de diametru 20[mm].

Elementul de legătură dintre cele două motoare este prins de axul primului motor, fiind blocat cu ajutorul unui știft 5×18[mm]. Acest element de legătură este fabricat din titan și are o formă complexă, cu scopul de a facilita o poziționare corectă a axului motorului secundar. Această poziționare este esențială în reproducerea corectă a flexiei brațului. Cel de-al doilea motor pas cu pas este montat pe elementul de legătură cu patru șuruburi M10x25[mm] cu cap hexagonal.

Pe axul motorului secundar este montat un suport paralel cu partea exterioară a brațului [Figura 40], fabricat din titan, ce are ca și scop susținerea motorului trei. Acest suport este blocat pe axul motor de un știft 5×18[mm]. Mișcarea de pronație-supinație a brațului este posibilă cu ajutorul motorului trei, ce este fixat cu patru șuruburi M8x55[mm] cu cap hexagonal și care pune în mișcare un tren de roți dințate. Prima roată fiind fixată pe axul motor și blocată cu un inel de siguranță.

Suportul este prevăzut cu patru alezaje, cu ajutorul cărora se va fixa ansamblul ce permite susținerea și rotația brațului. Acest ansamblu rotește brațul în jurul axului propriu, minimizează riscul dizlocării umărului și cuprinde următoarele elemente: cilindrul în care se introduce brațul, doi rulmenți cilindrici cu role încrucișate, corp de susțienere al întregului ansamblu și un capac ce restricționează mișcarea în lungul cilindrului.

Cilindrul în care se introduce brațul utilizatorului este prevăzut cu roți dințate, ce au ca efect mișcarea de rotație și un inel care este în contact cu corpul de susținere. De o parte și de alta a inelului sunt cei doi rulmenți care îmbunatățesc rotația brațului prin eliminarea frecării dintre cilindru și corpul de susținere. Întregul ansamblu este blocat cu ajutorul capacului ,ce este montat pe corpul de susținere cu ajutorul a două șuruburi M10x15[mm]. Legătura cu suportul se face prin patru șuruburi M8x20 [mm]. Roțile dințate din partea superioară a cilindrului nu constituie o dantură completă deoarece de acest cilindru se va fixa restul exoschetului responsabil cu mișcările cotului și antebrațului.

Elementul de legătură, fabricat din titan, este fixat de cilindru prin intermediul a două știfturi 6×20[mm] cu cap plat și două șuruburi M8x20[mm] cu cap hexagonal. Elementul are o formă semicirculară, ce înconjoară cotul, la capătul căruia va fi montat următorul motor. Rolul acestei componente este unul important deoarece susține și greutatea antebrațului și a cotului. Mișcarea de flexie – extensie a antebrațului este posibilă utilizând motorul amplasat pe cot, care este montat prin patru șuruburi M8x60[mm] cu cap hexagonal. Pe axul acestui motor este fixat un corp de formă complexă din titan, blocat de un știft 3×16[mm]. Montajul ultimului motor se face pe acesta prin patru șuruburi M6x40[mm] cu cap hexagonal.

Mișcarea de pronație – supinație este posibilă deoarece motorul responsabil pentru această mișcare are pe axul său o roată dințată. Pentru ca antebrațul să se rotească, roata dințată va angrena un subansamblu în care se introduce mâna utilizatorului.

Subansamblul de mai sus este format dintr-un cilindru cu trei alezaje, care este fabricat din fibre de carbon cu modul înalt și are diamentrul de 100 [mm], ce trece prin corpul de susținere. Frecarea dintre cele două elemente este redusă cu ajutoul unui rulment. În partea inferioară a corplui de susținere este o coroană de roți dințate cu dantură incompletă, care este pusă în mișcare de roata dințată de pe axul motor. Transmiterea mișcării către antebraț este posibilă datorită conectării coroanei de roți dințate și a cilindrului, prin trei șuruburi M8x20[mm] și blocate de trei piulițe.

Pentru a construi un exoschelet, avem nevoie de materiale ușoare care să reziste forțelor mari. Materialele precum oțelul și aluminiu au rezistențe specifice de aproximativ 100 până la 250 kNm / kg, în timp ce fibra de sticlă este în jur de 1.300 kNm / kg. Fibra de carbon oferă rezistențe specifice de peste 2.400 kNm / kg. Noile tehnologii, cum ar fi nanotuburile de carbon, depășesc 40.000 kNm / kg, cu o rezistență la tracțiune de 62 GPa. Noi procese și tehnologii se concentrează asupra reducerii greutății în timp ce crește puterea și producția în masă[34].

Pentru exoscheletul dezvoltat am ales firbă de carbon / epoxid (unidirecțional) cu modul înalt, ultra-înalt, titan ca materiale de construcție. Utilizând aceste materiale, exoscheletul a ajuns la o masă totală de aproximativ 11 kilograme. Foarte important în aplasarea și alegerea materialelor pentru construcție reprezintă centrul de greutate al întregului ansamblu. Acest factor determină stabilitatea în timpul mișcării, dar și dispunerea echilibrată a greutății, astfel încât utilizatorul să suporte o masă cât mai mică. În tabelul de mai jos se regăsesc informații despre materialele folosite în construcția exoscheletului.

În figura 51 este reprezentat centrul de greutate al ansamblului în momentul unei mișcări simple. Centrul de greutate este la intersecția celor trei axe.

Pentru modelul dezvoltat am ales rulmeți cilindrici cu role încrucișate ca metodă de reducere a forțelor de frecare. Rulmenți aleși fac parte din seria HRA produs de compania Luoyang Huigong Bearing Technology Co. și este un model de rulment cu role de dimensiuni mici și greutate redusă, grosimea peretelui fiind mai subțire. Rezistă la solicitări relativ mari, în ciuda dimensiunilor mici.

Cei trei rulmenți utilizați au următoarele specificații:

3.3 Proiectarea sistemului de acționare

Sistemul de acționare variază în funcție de modelul de exoschelet și de funcția lui. Pentru exoscheletul dezvoltat am ales motoare pas cu pas, deorece acestea se potrivesc cel mai bine cu scopul și modul de funcționare.

O definiție simplă a motorului pas cu pas este un dispozitiv electromecanic care

convertește impulsurile electrice în mișcări mecanice discrete[37].

Axul motorului pas cu pas execută o mișcare de rotație în pași incrementali discreți

când este aplicată în secvența corectă o comandă electrică în pulsuri. Rotația motorului este

strâns legată de caracteristicile acestor impulsuri electrice. Astfel direcția de rotație a motorului este direct legată de secvența în care sunt aplicate pulsurile electrice, de asemenea și viteza de rotație este direct dependentă de frecvența impulsurilor electrice iar deplasarea unghiulară este direct dependentă de numărul de pulsuri electrice aplicate[37].

Avantajele modelului de motor ales:

Rotația unghiulară a motorului este proporțională cu pulsul electric aplicat;

Motorul are moment maxim în poziția oprit dacă bobinele sunt alimentate;

Poziționare precisă, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se cumulează de la

un pas la altul;

Răspunsuri ideale la pornit/oprit/schimbarea direcției de rotație;

Fiabilitate excelentă deoarece nu există perii de contact la motor, deci durata de

Funcționare mare;

Posibilitatea de a obține viteze foarte mici cu sarcina legată direct pe axul

motorului;

O varietate foarte mare de viteze de rotație;

Dar există și unele dezavantaje:

Rezonanța poate apărea în cazul unui control precar;

Controlul greoi la viteze foarte mari.

În cazul nostru, cele cinci motoare sunt montate pe cadrul exoscheletic în zonele articulațiilor pentru a produce mișcările aferente. Pentru mișcările de rotație ale brațului și a antebrațului, motorul pas cu pas pune în mișcare un tren de roți dințate. Pentru mișcarea de rotație a întregului braț, motorul este conectat la un angrenaj format din trei roți dințate.

Arborele, pe care este montată roata conjugată, este introdus într-un alezaj executat în corpul de susținere. Alezajul este executat astfel încât să formeze împreună cu axul roții dințate, un ajustaj cu strângere. Cele două roți dințate sunt blocate pe ax cu ajutorul inelelor de siguranță. Pentru mișcarea de rotație a antebrațului, motorul pune în mișcare un angrenaj de roți dințate, prima roată dințată este pe axul acesteia.

Mișcarea de abducție – adducție a întregului braț este posibilă cu ajutorul motorului amplasat în spatele umărului.

Mișcarea de flexie-extensie a întregului braț este posibilă cu ajutorul motorului amplasat pe umăr.

Mișcarea de flexie – extensie a antebrațului este posibilă cu ajutorul motorului amplasat pe cot.

3.3.1 Calcul de dimensionare al motoarelor

Calcul de dimensionare al motorului 1

G1 = Greutatea motorului 1, în cazul nostru are valoarea 10N;

G4 = Greutatea motorului 4, în cazul nostru are valoarea 5N;

G5 = Greutatea motorului 5, în cazul nostru are valoarea 5N;

l1 = Lungimea segmentului brațului, în cazul nostru are valoarea 0,4m;

l2 = Lungimea segmentului brațului, în cazul nostru are valoarea 0,4m;

= Greutatea componenetei l1 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 10N;

= Greutatea componenetei l2 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 0,6N;

= Greutatea componenetei l3 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 5N;

Calcul de dimensionare al motorului 2

G2 = Greutatea motorului 2, în cazul nostru are valoarea 10N;

G4 = Greutatea motorului 4, în cazul nostru are valoarea 5N;

G5 = Greutatea motorului 5, în cazul nostru are valoarea 5N;

l1 = Lungimea segmentului brațului, în cazul nostru are valoarea 0,4m;

l2 = Lungimea segmentului brațului, în cazul nostru are valoarea 0,4m;

= Greutatea componenetei l1 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 10N;

= Greutatea componenetei l2 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 0,6N;

= Greutatea componenetei l3 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 5N;

Calcul de dimensionare al motorului 3

G5 = Greutatea motorului 5, în cazul nostru are valoarea 5N;

l1 = Lungimea segmentului 1 a brațului, în cazul nostru are valoarea 0,4m;

l2 = Lungimea segmentului 2 a brațului, în cazul nostru are valoarea 0,4m;

= Greutatea componenetei l3 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 0,5N;

= Greutatea componenetei l2 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 6N;

Calcul de dimensionare al motorului 4

G4 = Greutatea motorului 4, în cazul nostru are valoarea 4N;

G5 = Greutatea motorului 5, în cazul nostru are valoarea 4N;

l1 = Lungimea segmentului 1 al brațului, în cazul nostru are valoarea 0,4m;

l2 = Lungimea segmentului 2 al brațului, în cazul nostru are valoarea 0,4m;

l3 = Lungimea segmentului 3 al brațului, în cazul nostru are valoarea 0,2;

= Greutatea componenetei l2 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 0,5kg;

= Greutatea componenetei l3 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea 0,5kg;

Calcul de dimensionare al motorului 5

G5 = Greutatea motorului 5, în cazul nostru are valoarea de 4N;

l3 = Lungimea segmentului 3 al brațului, în cazul nostru are valoarea de 0,2 m;

= Greutatea componenetei l3 a exoscheletului, în cazul nostru are valoarea de 0,5kg;

În urma calculelor de dimensionare, am ales următoarele motoare pas cu pas în funcție de momentul motor necesar.

Primele două motoare sunt solicitate similar, momentul motor fiind în ambele cazuri 13,6 Nm. Motoarele sunt produse ale companiei Oriental Motor și fac parte din seria AR dezvoltate cu tehnologia alpha step, fapt ce permite ca motoarele să nu piardă sincronismul la fluctuații mari de sarcină.

Acest model de motor prezintă următoarele caracteristici :

Motorul ce pune în mișcare primul angrenaj de roți dințate, cel care efectuează mișcarea de rotație a brațului, are momentul motor de 3,9 Nm. Acest motor este produs de compania NEMA și face parte din seria PKP. Modelul are în componența sa roți dințate SH ce permit livrarea de cupluri mari, rezoluție mare și rotații precise la viteze reduse.

Acest model de motor prezintă următoarele caracteristici:

Motorul patru este responsabil cu ridicarea și coborârea brațului, acesta fiind amplasat în zona cotului. Din calculele de dimensionare, valoarea momentului motor necesar pentru a efectua această mișcare este de 2 Nm. Modelul ales este produs de firma NEMA și face parte din seria PKP. Motorul are în componența sa roți dințate SH , la fel ca și modelul precedent.

Acest model de motor prezintă următoarele caracteristici :

Ultimul motor este responsabil cu mișcarea de rotație a antebrațului. Această mișcare este posibilă în cazul nostru cu ajutorul trenului de roți dințate, prima roată fiind montată pe axul motor. Din calculele de dimensionare, motorul cinci ar trebui să dezvolte 0,9 Nm pentru a putea roti antebrațul. Motorul ales este produs de firma NEMA și face parte din seria a doua PKP-2. Acest model oferă o performanță echilibrată, un cuplu motor îmbunătățit, vibrații și zgomot redus.

Acest model de motor prezintă următoarele caracteristici:

3.3.2 Calcul de dimensionare al angrenajelor roților dințate

Calcule și date inițiale

Date inițiale

N = 40 [W]

N – puterea nominală de transmis;

n1 = 850 [rot/min]

n1 – turația de intrare de la motorul electric;

iT = 6

iT – raport de transmitere;

LH = 15000 [ore]

LH – durata de funcționare[8h/zi];

ɳ = 0,69

Divizarea raportului de transmitere

i12 = 2

i23 = 3

iT = i12 ∙ i23

iT = 2 ∙ 3 = 6

Randamentul sistemului

ɳT – randament total;

ɳRl = 0,99

ɳRl – randament rulment;

ɳRD = 0,98

ɳRD – randament roți dințate;

Predimensionarea arborilor

Arborele I – I

nI = 850 [rot/min]

Adopt – dI = 12 [mm];

Arborele II – II

Arborele III – III

Calculul angrenajelor

Treapta 1 – Calculul angrenajului cilindric cu dinți drepți

Date inițiale

1.1 Date preliminarii

1.2 Alegerea materialelor și tratamentului termic

Oțel aliat pentru cementare – 20TiMnCr12_STAS 821_88

HB = 400

σ F lim = 480 [N/mm2]

σ F lim – rezistența admisibilă la încovoiere;

σ H lim = 1550 [N/mm2]

σ H lim – rezistența admisibilă la presiune;

Cementat pe adâncimea min. – 0,8 1,2 [mm];

Călire – revenire: HRC 62 65;

1.3 Profilul cremalierei de referință

αon = 20°;

hon = 1;

Won = 0,25;

σ on = 0,38;

mn – STAS 821_63;

Calculul de predimensionare

2.1 Calculul distanței dintre axe la solicitarea la presiunea de contact

unghi de angrenare preliminare;

KA = 1,25 – coeficientul sarcinii dinamice externe;

KV = 1,15 – coeficientul sarcinii dinamice interne;

Ψa = = 0,4

Ψb = = 0,8 coeficienți de lățime;

= = 16

KHB = 1,15 – coeficientul de repartiție a sarcinii pe lățimea danturii;

ZE = 291 – coeficient de material;

ZH = 1,77 – coeficientul punctului de rostogolie pentru angrenaje “zero” sau “ zero deplasate”;

Zε = 1 – coeficientul gradului de acoperie;

– grad de acoperie

σHP – rezistența admisibilă la presiune;

KHN = 1 – pentru [cicluri] – coeficientul numărului de cicluri de funcționare pentru solicitarea herțiană;

ZR – coeficientul rugozității flancurilor;

– rugozitatea flancurilor dinților;

ZN = 1,2 – coeficientul durității flancurilor;

– coeficient de siguranță;

[mm]

Adopt – [mm] – STAS 6055_82

Calculul de dimensionare

3.1 Calculul modulului minim la solicitarea de încovoiere la baza dintelui

Kα = 0,7 – coeficient de repartiție frontală la angrenaje durificate;

YF = 2,5 – coeficient de formă a dintelui;

Yβ = 1 – coeficientul unghiului de înclinare a dintelui;

[N/mm2]

σFP – rezistența admisibilă la încovoiere;

KFN = 1 – coeficientul numarului de cicluri – pentru: [cicluri de funcționare];

KFX = 1 – factor dimensional pentru: [mm];

YS = 1 – factor al concentratorului de tensiune;

SF = 1,5 – coeficent de siguranță la încovoiere;

KFB = σB – coeficient de siguranță la rupere prin oboseală – [4];

– coeficientul gradului de acoperire;

– grad de acoperire la angrenare;

[mm]

Adopt: mn = 0,5 [mm] – STAS 822_61.

3.2 Calculul numărului de dinți

β = 0 – avem dinți drepți;

Z1 = 48

Z2 = 96

Adopt: mn = 0,5 [mm];

Z1 = 48;

Z2 = 96;

Calcul geometric al angrenajului

Unghiul de angrenare

Suma deplasărilor specifice

Z1 > 30 => angrenaj “zero” – ISO TC60;

X1 = X2 = 0;

Diamentrul de divizare

[mm]

[mm]

Diamentrul de cap

[mm]

[mm]

Diametrul de picior

[mm]

[mm]

Înălțimea capului de divizare al dintelui

[mm]

Înălțimea piciorului dintelui

[mm]

Înălțimea dintelui

[mm]

Pasul de divizare

[mm]

4.10 Diametrul de bază

[mm]

[mm]

Lungimea peste “n” dinți

[mm]

;

[mm]

Calculul de verificare

5.1 Verificarea obținerii angrenării – număr minim de dinți

5.2 Verificarea continuității angrenării

Treapta II – Calculul angrenajului cilindric cu dinți drepți

OBS- Vom parcurge exact aceleași etape ca la treapta I și vom utiliza aceleași relații și aceeași coeficienți;

Materialele și tratamentele termice vor fi aceleași ca la treapta I;

Date inițiale

1.1 Date preliminarii

Calculul de predimensionare

2.1 Calculul distanței dintre axe la solicitarea la presiunea de contact

[mm]

Adopt – [mm] – STAS 6055_82

Calculul de dimensionare

3.1 Calculul modulului minim la solicitarea de încovoiere la baza dintelui

[mm]

Adopt: mn = 2 [mm] – STAS 822_61.

3.2 Calculul numărului de dinți

Z1 = 20

Z2 = 60

Adopt: mn = 2 [mm];

Z1 = 20;

Z2 = 60;

Calcul geometric al angrenajului

4.1 Unghiul de angrenare

4.2 Suma deplasărilor specifice

Z1 < 30 => angrenaj “zero deplasat” ;

X1 = -X2 = ;

4.3 Diamentrul de divizare

[mm]

[mm]

4.4 Diamentrul de cap

[mm]

[mm]

Diametrul de picior

[mm]

[mm]

Înălțimea capului de divizare al dintelui

[mm]

[mm]

Înălțimea piciorului dintelui

[mm]

[mm]

Înălțimea dintelui

[mm]

[mm]

Pasul de divizare

[mm]

[mm]

4.10 Diametrul de bază

[mm]

[mm]

4.11 Lungimea peste “n” dinți

[mm]

;

[mm]

Calculul de verificare

5.1 Verificarea obținerii angrenării – număr minim de dinți

5.2 Verificarea continuității angrenării

3.4 Proiectarea sistemului de comandă

Am ales ca și sistem de comandă, un sistem bazat pe senzori de activitate musculară, pentru a controla motoarele, o placă de dezvoltare Arduino Mega și un driver de motoare pentru a executa mișcările brațului. Sistemul senzorial se bazează pe electromiografia musculară.

Electromiografia (EMG) este o tehnică utilizată pentru a capta semnalele produse de nervi în mușchii scheletici țintă. Aceste semnale sunt captate de electrozi și senzori și apoi transformate într-un semnal digital de către un codificator. Acest semnal este apoi procesat și afișat de un program de calculator[39].

Pentru exoscheletul dezvoltat am ales modelul MyoWare Muscle Sensor fabricat de Compania SparkFun.

Modelul ales are următoarele specificații:

Electrozii și senzorii sunt ceea ce fac posibil contactul electric cu pielea. Acești electrozi sunt adesea conectați direct la senzor. Mulți electrozi și senzori moderni conțin un mecanism "snap-on" care permite o conexiune ușoară între cele două. Doi dintre acești electrozi sunt adesea plasați pe mușchiul țintă, în timp ce al treilea este destinat să mărească semnalul și este adesea atașat pe sau lângă un os[39].

Dacă dorim să sporim semnale din grupul muscular biceps brahial, doi electrozi ar fi plasați pe porțiunile superioare și inferioare ale mușchiului, în timp ce un electrod este plasat lângă cot pentru a lega electrozii. Atunci când potențialele de acțiune apar în fibrele musculare, electrozii primesc această activitate de spiking. EMG este o înregistrare electrică, nu mecanică. Forța contracției musculare corespunde mărimii puterii semnalului, care în acest caz corespunde cu cantitatea de tensiune de ieșire[39].

Software-ul de procesare convertește informațiile neprocesate EMG într-o curbă netedă. Pentru a face acest lucru, software-ul folosește adesea ceea ce se numește Root Mean Square sau RMS. RMS coincide cu puterea medie a semnalului. Acum, acest grafic neted al semnalului EMG poate fi analizat. Un exemplu de metodă RMS este prezentat în Figura 81.

Poziția și orientarea electrozilor senzorilor musculari au un efect amplu asupra rezistenței semnalului. Electrozii trebuie să fie amplasați în mijlocul corpului mușchiului și trebuie să fie aliniați orientării fibrelor musculare. Plasarea senzorului în alte locații va reduce rezistența și calitatea semnalului senzorului, datorită reducerii numărului de unități motor măsurate și a interferențelor[41].

Acest tip de senzori musculari sunt concepuți pentru a fi utilizați direct cu un microcontroler. Prin urmare, ieșirea primară a senzorilor nu este un semnal neprocesat EMG, ci un semnal amplificat, rectificat și integrat, care va funcționa bine cu convertorul analogic-digital (ADC) al microcontrolerului. Această diferență este ilustrată mai jos utilizând un semnal EMG reprezentativ[41]:

În continuare voi prezenta mișcările pe care le poate executa exoscheletul și grupele de mușchi utilizate în acestea.

Prima mișcare este abducția – adducția brațului din articulația umărului. Senzorii au fost plasați pe mușchii indicați în figura 85.

A doua mișcare este flexia – extensia brațului. Senzorii au fost plasați pe mușchii indicați în figura 86.

A treia mișcare este rotația internă – externă a brațului din articulația umărului. Senzorii au fost plasați pe mușchii indicați în figura 87.

A patra mișcare este flexia – extensia antebrațului din articulația cotului. Senzorii au fost plasați pe mușchii indicați în figura 88.

A cincea mișcare este pronația – supinația antebrațului. Senzorii au fost plasați pe mușchii indicați în figura 89.

În funcție de combinația de mușchi ce sunt încordați, exoscheletul execută mișcarea respectivă. Senzori sunt monitorizați continuu, aceștia livrând în permanență o tensiune între 0-5V. Valoarea de 0V este transmisă în momentul în care mușchiul nu este încordat, deoarece semnalul EMG este 0. Orice valoare peste 0 indică faptul că mușchiul este într-o oarecare contracție, tensiunea de 5V fiind asociată cu o contracție maximă.

Pentru o eficiență ridicată alegerea platformei de dezvoltare este esențială. În cazul nostru platforma utilizată este Arduino Mega 2560, întrucât oferă un mediu de dezvoltare integrat ce poate fi programat folosind limbajul C sau C++.

Acest model vine echipat cu un microprocesor AVR, Atmega2560, ce conține 54 de intrări sau ieșiri digitale. Dintre aceastea, 15 pot fi utilizate ca ieșiri PWM, patru porturi seriale și 16 ieșiri analogice. Placa de dezvoltare poate fi alimentată într-un interval 6-20V.

Arduino Mega 2560 are următoarele caracteristici generale :

Conexiunea dintre placa de dezvoltare și senzorul de activitate musculară se face conectând pinul de semnal al senzorului la unul din pinii analogici ai platformei. Pentru ca senzorul să fie funcțional, el trebuie alimentat cu o tensiune de 5V fie de la Arduino, fie de la o sursă externă.

Figura 91 reprezintă un exemplu de conexiune dintre senzori și platforma de dezvoltare. Mișcarea exoscheletului este dirijată de o combinație de senzori. În momentul în care toți senzorii apartinând aceleași combinații sunt activi, motorul primește semnal ce pune în mișcare exoscheletul. Acestă mișcare este executată atât timp cât combinația este validă sau până când se ajunge la limita impusă prin cod a numărului de pași posibili ai motoarelor. Mișcarea inversă se face analizând combinția de senozori responsabili pentru readucerea brațului sau a antebrațului în poziția inițială. În figura 92 este descris acest proces pentru o mișcare a exoscheletului.

Deoarece platforma de dezvoltare nu este capabilă să genereze un curent suficient de puternic ca să poată pune în mișcare axul motoarelor, am avut nevoie de o componentă care să facă acest lucru posibil. Astfel am ales driverele de motoare AMIS-30543 . Acestea ne oferă posibilitatea controlării motoarelor în diferite moduri.

Acest model de driver are următoarele caracteristici principale:

Acest model poate permite controlul curentului programabil SPI (de la 132 mA la 3 A), iar acesta permite microcontrolerului să ajusteze limita curentului de vârf în timp ce este nevoie de mai mult sau mai puțin cuplu sau viteză. Deasemenea permite control inteligent care selectează automat modul corect de descompunere a curentului (descompunere rapidă sau descompunere lentă). Are funcție integrată de supraveghere.

VMOD este protecție la rețeaua de alimentare de la 6 V la 30 V. Curentul VDD disponibil este redus pentru tensiunile de intrare mai mici de 8 V, iar modul de repaus nu este disponibil pentru tensiuni de intrare mai mici de 9. Pinul VBB oferă acces la sursa de alimentare pentru motor după protecția MOSFET cu tensiune inversă. Acesta poate fi utilizat pentru alimentarea cu energie inversă a altor componente ale sistemului. MOTXP este ieșirea bornei pozitive ale bobinei fazei Y. MOTXN este ieșirea bornei negative ale bobinei X. MOTYP este ieșirea bornei pozitive ale bobinei Y. MOTYN este ieșirea bornei negative ale bobinei Y. Placa este alimentată de un regulator intern de 5V, iar acest pin VDD oferă acces la ieșirea de 5V reglată. Acest lucru poate fi folosit pentru alimentarea pinului IOREF învecinat atunci când se utilizează această placă în sisteme de 5V și poate fi utilizat pentru alimentarea unui microcontroler extern. Când VMOT este mai mare de 8 V, este disponibil aproximativ 30 mA pentru componente externe; când VMOT este mai mică de 8 V, curentul disponibil scade la mai puțin de 10 mA. Pinul DIR determină direcția de rotație. Direcția poate fi de asemenea controlată prin interfața SPI. Cu ajutorul pinului SLA putem vizualiza viteza și unghiul de sarcină după un filtru trece-jos. Rezultatul este o tensiune analogică între 0 V și 5 V . Acest semnal poate fi utilizat pentru detectarea stării sau a controlului cuplului și vitezei pe baza unghiului de sarcină.

4. Concluzii

Exoscheletul dezvoltat ar putea oferi avantaje în procesul de recuperare a funcțiilor pierdute sau diminuate. Plecând de la anatomia membrului superior și de la biomecanica acestuia, am elaborat un model de exoschelet cu cinci grade de mobilitate, ce se adresează diferitelor articulații(articulația umărului și a cotului). Modelul CAD elaborat a stat la baza realizării unui prototip, ce permite dezvoltarea ulterioară. Prin această lucrare am expus o posibilitate constructivă simplistă și destul de eficientă a unui exoschelet de reabilitare bazat pe senzori de detecție a activitații musculare.

Bibliografie

[1]. Articol: https://www.hindawi.com/journals/jhe/si/846245/cfp/

[2]. Articol: https://www.eduexo.com/resources/articles/exoskeleton-history/

[3]. Articol: https://exoskeletonreport.com/what-is-an-exoskeleton/

[4]. Articol:https://exoskeletonreport.com/2015/08/types-and-classifications-of-exoskeletons/

[5]. http://3dmdb.com/3d-model/prosthetic/

[6]. https://iomnibus.wordpress.com/2015/08/29/amplified-mobility-platform-avatar-vs-exoskeleton-suit-edge-of-tomorrow/

[7]. http://www.ana-med.eu/rehabilitation.html

[8]. http://news1.kr/articles/?3131261

[9]. Steiner WA et al. Use of the ICF model as a clinical problem-solving tool in physical therapy and rehabilitation medicine

[10]. World Health Organization. (2002). Towards a Common Language for Functioning, Disability and Health: The International Classification of Functioning, Disability and Health. Accessed May 11, 2015

[11]. Ileana Ciobanu, Teză de doctorat, Sistem mecatronic complex de reabilitarea mersului la pacienții cu afecțiuni neurologice dizabilitante.

[12]. NIH Clinical Center (2013). Rehabilitation Medicine. Retrieved August 21, 2014

[13]. Articol: https://www.nichd.nih.gov/health/topics/rehabtech

[14]. https://en.wikipedia.org/wiki/Orthotics#cite_noteUpper_Limb_Orthotics_Overview-7

[15]. https://en.wikipedia.org/wiki/Prosthesis

[16]. https://www.orteze-medicale.ro/glezna-picior

[17]. http://www.echipamente-medicale.ro/en/node/1637

[18]. http://www.evolutionrehab.in/lower-extremity-prosthetic/

[19]. https://en.wikipedia.org/wiki/Wheelchair

[20]. Articol:https://www.medlife.ro/ce-este-implantul-cohlear-si-cum-functioneaza-povestea-unor-copii-afectati-de-lipsa-auzului-pentru-care-implantul-cohlear-inseamna-o-viata-cu-sunete-si-cuvinte.html

[21]. https://en.wikipedia.org/wiki/Retinal_implant

[22]. Articol: https://www.saebo.com/benefits-virtual-reality-stroke-rehabilitation/

[23]. https://en.wikipedia.org/wiki/Transcranial_magnetic_stimulation

[24]. https://en.wikipedia.org/wiki/Transcranial_direct-current_stimulation

[25]. Herr H. Exoskeletons and orthoses: classification, design challenges and future directions. J Neuroeng Rehabil 2009

[26]. https://en.wikipedia.org/wiki/Powered_exoskeleton#Medical

[27]. Drăgulescu, D., Modelarea în Biomecanică, Editura Didactică și Pedagogică, București, 2005

[28]. G. Kwakkel, B. Kollen, and H. Krebs, “Effects of robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke: a systematic review,” NNR, 2007

[29]. https://exoskeletonreport.com/2016/09/myopro-the-assistive-arm-exoskeleton-by-myomo-featured-in-solidworks/

[30]. Thomas McCracken, Noul atlas de anatomie umană, Editura Aquila, 2007

[31]. Zoss, AB, Kazerooni, H, Chu, A. Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX). IEEE/ASME T Mech 2006

[32]. Articol: https://exoskeletonreport.com/2016/06/medical-exoskeletons/

[33]. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnbot.2018.00005/full

[34]. Articol: http://www.machinedesign.com/motion-control/rise-exoskeletons

[35]. http://www.chgbearings.net/

[36]. http://mby-bearing.com/XRE-Cross-Roller-Bearing-pd6436543.html

[37]. Laurean Bogdan, Cursuri si materiale explicative

[38]. https://www.orientalmotor.com/

[39]. Ltd., T. T., Basics of Surface Electromyography Applied to Physical Rehabilitation and Biomechanics, Thought Technology Ltd 2009

[40]. https://www.sparkfun.com/products/13723

[41]. Manual de utilizare senzori: https://cdn.sparkfun.com/assets/a/3/a/f/a/AT-04-001.pdf

[42]. Arnold G. Nelson, Jouko Kokkonen, Stretching anatomy, Nelson, Arnold G., 1953

[43]. https://www.makerlab-electronics.com/product/arduino-mega-2560-r3/

[44]. https://www.pololu.com/product/2970

OPIS

Prezenta lucrare conține:

Memoriu justificativ: 91

Figuri: 95

Tabele: 10

Partea grafică conține:

1 format A0

1 format A3

Data:

Semnătura Semnătura

coordonatorului științific: candidatului:

Anexă 1

Schematic sensor de activitate musculară

Anexă 2

Exemplu de cod de programare pentru un sensor și un motor

#include < Stepper.h >

const int stepsPerRevolution = 200; // change this to fit the number of steps per revolution

// for your motor

// initialize the stepper library on pins 8 through 11:

Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 9, 10, 11);

int stepCount = 0; // number of steps the motor has taken

void setup() {

// initialize serial communication at 9600 bits per second:

Serial.begin(9600); // initializarea comunicatie

}

// the loop routine runs over and over again forever:

void loop() {

// read the input on analog pin 0:

int sensorValue = analogRead(A0);

// Convert the analog reading (which goes from 0 – 1023) to a voltage (0 – 5V):

float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);

// print out the value you read:

Serial.println(voltage);

if (voltage > 0) {

myStepper.setSpeed(voltage);

// step 1/100 of a revolution:

myStepper.step(stepsPerRevolution / 100);

}

}