OPUS 9

Tytuł:  Modelowanie, analiza kinematyczno-dynamiczna i symulacyjna prototypu egzoszkieletu do rehabilitacji osób z niepełnosprawnością ruchową kończyn dolnych

Kierownik grantu:  prof. dr hab. inż. Jan Awrejcewicz

Nr decyzji:  2015/17/B/ST8/01700

Okres realizacji:  2016-02-12 – 2019-06-11

Przyznane środki:  999 600 PLN

Streszczeniehttps://www.ncn.gov.pl/sites/default/files/listy-rankingowe/2015-03-15/streszczenia/293885-pl.pdf

Plan badań:

  1. Opracowanie nowego kryterium stabilności chodu i jego weryfikacja numeryczna.

  2. Analiza geometryczno-kinematyczna ruchu kończyn dolnych podczas chodu.

  3. Analiza efektywności metod elektromiograficznej, termowizyjnej i innych w identyfikacji aktywności grup mięśniowych uczestniczących w procesie lokomocji.

  4. Opracowanie nowych modeli matematycznych mięśni pierzastych i optymalizacja istniejących modeli mięśni wrzecionowatych.

  5. Weryfikacja doświadczalna modeli matematycznych mięśni.

  6. Zaprojektowanie ogólnej konstrukcji mechanicznej egzoszkieletu z uwzględnieniem elementów regulacyjnych.

  7. Opracowanie konstrukcji mechanizmów odwzorowujących rzeczywistą kinematykę stawów kolanowego i skokowego.

  8. Opracowanie koncepcji napędu egzoszkieletu.

  9. Opracowanie koncepcji (wybór metody) i realizacja sterowania egzoszkieletem.

  10. Oszacowanie wytrzymałości doraźnej i zmęczeniowej egzoszkieletu za pomocą badań numerycznych metodą elementów skończonych.

  11. Analiza stabilności lokomocyjnej człowieka wyposażonego w egzoszkielet.

  12. Testowanie biozgodności fizycznego modelu egzoszkieletu w warunkach chodu normalnego.

Podsumowanie grantu:

Światowe doświadczenia związane ze stosowaniem egzoszkieletów w rehabilitacji układu ruchu człowieka dają podstawy do stwierdzenia, że urządzenia te mogą stanowić jedno z najważniejszych i najskuteczniejszych narzędzi w procesie przywracania, a przynajmniej poprawiania sprawności lokomocyjnej osób dotkniętych różnymi formami dysfunkcji kończyn dolnych. Wyniki prac badawczych przeprowadzonych w ramach omawianego projektu nie tylko potwierdzają tę opinię, ale pozwalają realnie myśleć o rozpoczęciu produkcji takich egzoszkieletów w skali masowej, przy zachowaniu relatywnie niskich kosztów. Decydować o tym będzie ich przystępna cena, jakość konstrukcji i komfort użytkowania.
Przedstawiany projekt stawiał sobie za cel stworzenie podstaw teoretycznych dotyczących budowy funkcjonalnego egzoszkieletu przeznaczonego do rehabilitacji osób dotkniętych niesprawnością kończyn dolnych. Integralną jego częścią było wykonanie prototypu egzoszkieletu na bazie przeprowadzonych wcześniej badań i analiz w celu weryfikacji słuszności sformułowanych założeń, a także w celu określenia newralgicznych elementów urządzenia wymagających szczególnej uwagi i staranności, zarówno w fazie projektowania, jak i wykonania. Dodatkową korzyścią wynikającą z fizycznej realizacji projektu egzoszkieletu była możliwość prowadzenia przy jego użyciu pomiarów parametrów kinematycznych i dynamicznych chodu, a także testowanie rozwiązań konstrukcyjnych samego egzoszkieletu. Pozwoliło to zebrać informacje umożliwiające optymalizację kolejnych wersji urządzenia w zakresie konstrukcji mechanicznej, napędu oraz sterowania.
Projekt był realizowany w dwóch etapach. Pierwszy z nich obejmował przygotowanie bazy teoretycznej do stworzenia projektu egzoszkieletu. W ramach tej części badań przeprowadzono szczegółową analizę kinematyczną i dynamiczną kończyn dolnych podczas chodu, opracowano nowe i zoptymalizowano istniejące modele matematyczne mięśni oraz sposoby identyfikacji ich parametrów, przeprowadzono analizę skuteczności różnych metod identyfikacji aktywności grup mięśniowych kończyny dolnej w różnych fazach cyklu chodu, opracowano mechanizmy odwzorowujące w sposób możliwie dokładny kinematykę stawów biodrowego, kolanowego i skokowego, opracowano koncepcję sterowania egzoszkieletem oraz oszacowano wytrzymałość doraźną i zmęczeniową egzoszkieletu za pomocą badań numerycznych metodą elementów skończonych.
Druga, eksperymentalna część projektu obejmowała fizyczną realizację prototypu egzoszkieletu na bazie wyników badań teoretycznych. Przeprowadzono serie analiz i pomiarów testujących najważniejsze parametry kinematyczne i dynamiczne samego egzoszkieletu, jak również zespołu człowiek-egzoszkielet. Szczególnie istotne było zebranie informacji na temat współdziałania egzoszkieletu z odpowiadającym mu obiektem biologicznym i jego biozgodności kinematycznej. Ma to istotne znaczenie dla komfortu użytkownika i decyduje o praktycznej przydatności urządzenia. Dokonano walidacji doświadczalnej modeli matematycznych mięśni, przeprowadzono testy prototypu egzoszkieletu w warunkach chodu normalnego, sprawdzono zgodność wyznaczonych teoretycznie trajektorii i zakresów ruchu poszczególnych elementów egzoszkieletu z ich rzeczywistymi odpowiednikami uzyskanymi w wyniku badań eksperymentalnych.
Rezultaty przeprowadzonych prac badawczych powinny wpłynąć na obniżenie kosztów produkcji egzoszkieletów, a jednocześnie ułatwić ich dostosowanie do indywidualnych potrzeb użytkownika, wynikających z jego budowy fizycznej i rodzaju dysfunkcji układu lokomocyjnego. Chociaż badania ukierunkowane były głównie na zastosowania rehabilitacyjne, to doświadczenia zebrane podczas realizacji projektu będą mogły być wykorzystane również do innych celów, np. w konstrukcji specjalizowanych robotów dwunożnych lub egzoszkieletów przeznaczonych do celów wojskowych i przemysłowych.
Ważnym aspektem przeprowadzonych badań był ich uniwersalny charakter – uzyskane wyniki będą mogły być przeniesione, przy niewielkiej modyfikacji, na inne fragmenty ciała ludzkiego, co powinno ułatwić projektowanie pełnego, obejmującego całe ciało, egzoszkieletu człowieka. Ponadto doświadczenia zdobyte przy realizacji projektu, poparte weryfikacją eksperymentalną przy użyciu wykonanego prototypu, pozwoliły zidentyfikować najistotniejsze trudności teoretyczne i praktyczne oraz wskazać kierunki dalszych badań.

 

Artykuły:

Artykuły konferencyjne:

Rozdziały w książkach: